JP2006237009A - Arc energy control circuit for plasma power supply device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路に関し、より詳しくは、負荷端でのプラズマ工程中に、負荷の異常現象であるアークが発生した時、アーク状態に対する微分要素である出力端リアクタの電圧を用いて、迅速にアークの発生を検知し、整流部の出力端であるC−Lフィルタに瞬間的に上昇したアークエネルギーを効果的に放電消耗させることを可能にするプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路に関する。 The present invention relates to an arc energy control circuit for a plasma power supply device, and more specifically, when an arc that is an abnormal phenomenon of a load occurs during a plasma process at a load end, an output end reactor that is a differential element with respect to the arc state. An arc for a plasma power supply apparatus that quickly detects the occurrence of an arc by using a voltage, and can effectively discharge and discharge the instantaneously increased arc energy to a CL filter that is an output end of a rectifying unit. The present invention relates to an energy control circuit.
プラズマ電源装置は、物質の第4の状態と呼ばれるプラズマの発生及び保持のための電源装置として、その応用範囲は極めて多岐にわたっている。例えば、半導体工程等においては、CVD(Chemical Vapor Depositon)、PVD(Physical Vapor Deposition)、コーティング、スパッタリング、金属の窒化処理、炭化結晶成長、ダイヤモンド合成等の各種の処理に用いられている。 The plasma power supply device has a very wide range of applications as a power supply device for generating and holding plasma called the fourth state of matter. For example, in the semiconductor process etc., it is used for various processes such as CVD (Chemical Vapor Deposition), PVD (Physical Vapor Deposition), coating, sputtering, metal nitriding, carbonized crystal growth, diamond synthesis and the like.
このようなプラズマ用電源装置では、負荷での特性上、ショートのような異常状態であるアーク現象が頻繁に発生する。この際、電源装置では、アーク状態を迅速に検知して、出力を遮断させる必要がある。これは、過度のアーク電流によるアークエネルギーが負荷端に流入されると、応用負荷の特性と品質を低下させる要因として作用するからである。 In such a plasma power supply device, an arc phenomenon that is an abnormal state such as a short circuit frequently occurs due to the characteristics at the load. At this time, in the power supply device, it is necessary to quickly detect the arc state and cut off the output. This is because if arc energy due to an excessive arc current flows into the load end, it acts as a factor that degrades the characteristics and quality of the applied load.
従来のプラズマ用電源装置は、図1に示すように、外部から交流電源が印加されると、ブリッジダイオードBDで整流され、コンデンサCで平滑化された直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータ10と、インバータ10の出力端に接続され、垂下特性を維持する交流リアクタLrと、インバータ10からの高周波交流電圧を特定の巻線比に応じて必要な電圧に変圧する変圧器20と、整流部30とを備えている。整流部30は、変圧器20にて変圧された交流電圧を直流電圧に整流する整流器31と、整流器31から出力された電圧を該整流器31に並列接続されたコンデンサC1に蓄積し、その蓄積された電圧を直列接続されたリアクタLから負荷端に出力するC−Lフィルタ32とで構成されている。このようなプラズマ電源装置は、特に、製品の表面処理のための工程に電力を供給する装置として用いられている。
As shown in FIG. 1, the conventional plasma power supply device includes an
プラズマ用電源装置の重要な性能としては、表面処理中にアークが発生した場合、そのアークエネルギーを最小化することである。これは、上述したように、過度のアークエネルギーは、表面処理の均一性を低下させて、品質を悪くするからである。 An important performance of the plasma power supply is to minimize the arc energy when an arc occurs during the surface treatment. This is because, as described above, excessive arc energy reduces the uniformity of the surface treatment and degrades the quality.
このような状況下で、アーク状態を迅速に検知するための方法が研究されており、一般的な従来のアーク検知方法としては、図1のC−Lフィルタ32でコンデンサC1の電圧を測定し、コンデンサC1の電圧が特定値よりも小さいとき、アークと判断する方式と、リアクタLの後端の出力電圧と電流を測定して、電圧が特定値以下となるか、または電流が特定値以上となるとき、アークと判断する方式とが用いられている。
Under such circumstances, methods for rapidly detecting the arc state have been studied. As a general conventional arc detection method, the voltage of the capacitor C1 is measured by the
しかしながら、上述したような従来のアーク検知方式は、各素子が有するタイムディレーと、アーク発生によるリアクタ電圧の勾配とによって、時間遅延が発生するため、迅速なアーク検知が困難であり、過度のアークエネルギーの負荷端への流入を迅速に遮断することができず、応用負荷の特性と品質を低下させるという問題点があった。 However, in the conventional arc detection method as described above, since a time delay occurs due to the time delay of each element and the gradient of the reactor voltage due to arc generation, rapid arc detection is difficult and excessive arc detection is difficult. The inflow of energy to the load end could not be cut off quickly, and there was a problem that the characteristics and quality of the applied load were degraded.
また、上述したアーク検知以外にも、アークの発生時、電源装置で発生したアークエネルギーの伝達を迅速に遮断するための方法が多く研究されているが、アークの検知後、前記インバータ10のスイッチングをオフしても、整流部30のC−Lフィルタ32に蓄積されていたエネルギーが負荷端にそのままアークエネルギーとして伝達されるという問題があった。
In addition to the arc detection described above, many methods for quickly interrupting the transmission of arc energy generated by the power supply device when an arc occurs have been studied. After the arc is detected, the switching of the
このような問題を解決するために、大きなコンデンサC1とリアクタLを有するプラズマ用電源装置では、出力側にスイッチング半導体素子を用いて、エネルギーの伝達を防止するという方法もあるが、アークの状態及び負荷の変化時、出力側に過度の電流と電圧が発生するため、スイッチング半導体素子の使用は、他のシステムの信頼性低下を引き起こすといった問題がある。 In order to solve such a problem, in the plasma power supply device having the large capacitor C1 and the reactor L, there is a method of preventing energy transfer by using a switching semiconductor element on the output side. Since excessive current and voltage are generated on the output side when the load changes, the use of the switching semiconductor element has a problem in that the reliability of other systems is reduced.
上述したような従来のプラズマ用電源装置の使用中、負荷端からアークが発生した場合、前記C−Lフィルタ32でのコンデンサC1に蓄積されたエネルギーのリアクタLへの転移区間の動作をみると、リアクタLでは、コンデンサC1に蓄積された電圧が印加されると、電流が瞬間的に上昇するようになり、この上昇した電流が大きい場合、負荷装置に悪影響を及ぼすこととなる。
When an arc is generated from the load end during the use of the conventional plasma power supply device as described above, the operation of the transition section to the reactor L of the energy accumulated in the capacitor C1 in the
この際、前記コンデンサC1に蓄積されたエネルギーは、一部が負荷端に伝達されることもあるが、殆どリアクタLに転移される。
また、リアクタLに蓄積されたエネルギーの負荷端(例えば、プラズマ発生部)(図示せず)への転移区間の動作をみると、上昇した電流は、負荷端の小さなインピーダンスにより、逆バイアスとなり徐々に減少するようになる。
At this time, a part of the energy stored in the capacitor C1 is transferred to the load end, but is almost transferred to the reactor L.
Further, when looking at the operation of the transition section of the energy accumulated in the reactor L to the load end (for example, a plasma generation unit) (not shown), the increased current gradually becomes a reverse bias due to a small impedance at the load end. To decrease.
この際、負荷端に伝達されるエネルギーは、前記C−Lフィルタ32のコンデンサCとリアクタLに蓄積されたエネルギーであるCV2/2とLI2/2である。
上述したように、負荷端からアークが発生した場合、インバータ10の出力を理想的に遮断するようにしても、C−Lフィルタ32に蓄積されたエネルギーは負荷端にそのまま伝達される。従って、過度のアークエネルギーが発生する問題点は依然として解消されていない。
At this time, energy transferred to the load terminals, said a C-L CV 2/2 and LI 2/2 is the capacitor C and the energy stored in the reactor L of the
As described above, when an arc is generated from the load end, the energy accumulated in the
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、負荷の異常現象であるアークを検知するにあたって、リアクタの補助巻線から誘導された電流の微分値によって、電圧が増加する並列抵抗の電圧測定を行って、迅速にアーク発生を検出することにより、アーク検出による時間遅延の問題を解決し、リアクタ出力端に設置された放電回路を通じて、整流部の出力端であるC−Lフィルタに瞬間的に上昇したアークエネルギーが効果的に放電消耗されるようにするプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and in detecting an arc that is an abnormal phenomenon of a load, a voltage of a parallel resistor whose voltage is increased by a differential value of a current induced from an auxiliary winding of a reactor. By measuring and quickly detecting the occurrence of arc, the problem of time delay due to arc detection is solved, and through the discharge circuit installed at the reactor output end, the CL filter that is the output end of the rectifier is instantaneously applied. It is an object of the present invention to provide an arc energy control circuit for a plasma power supply device that effectively discharges arc energy that has been raised.
また、プラズマ発生のための電力を供給するプラズマ電源装置を構成するにあたって、負荷端でのアーク発生時、整流部の出力端C−Lフィルタに瞬間的に上昇したエネルギーのうち、一部を別途のスイッチング半導体素子を使用することなく、放電消耗させることにより、負荷端に伝達されるエネルギーを減少させて、エネルギーの瞬間的な上昇幅を抑制し、ディレー時間を短縮させて、システムの安定化を図るプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路を提供することを他の目的とする。 Further, when configuring a plasma power supply for supplying power for generating plasma, a part of the energy instantaneously rising to the output terminal CL filter of the rectifying unit when an arc is generated at the load end is separately provided. By using a discharge semiconductor without using a switching semiconductor element, the energy transmitted to the load end is reduced, the instantaneous rise of energy is suppressed, the delay time is shortened, and the system is stabilized. Another object of the present invention is to provide an arc energy control circuit for a plasma power supply device.
上記の目的を達成するため、本発明によるプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路は、ブリッジダイオードで整流され、コンデンサで平滑化された直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータと、前記インバータの出力端に接続された交流リアクタと、前記高周波交流電圧を特定の巻線比に応じて必要な電圧に変圧する変圧器と、前記変圧器の出力端に連結された整流部とを備え、前記整流部は、前記変圧器にて変圧された交流電圧出力を直流電圧に整流する整流器と、前記整流器に連結されたコンデンサ及びリアクタの組合せのC−Lフィルタとからなり、前記C−Lフィルタのコンデンサは、前記整流器に並列連結され、前記C−Lフィルタのリアクタは、前記整流器に直列連結されている。このアークエネルギー制御回路において、前記C−Lフィルタのリアクタは、主巻線と補助巻線に分離されており、前記補助巻線側には、前記補助巻線に接続された抵抗の両端電圧を測定し、その測定された電圧が基準値以上であるとき、アークと判断するアーク検知部が連結されていることを要旨とする。 In order to achieve the above object, an arc energy control circuit for a plasma power supply apparatus according to the present invention includes an inverter that converts a DC voltage rectified by a bridge diode and smoothed by a capacitor into a high-frequency AC voltage, and an output terminal of the inverter. An AC reactor connected to the transformer, a transformer that transforms the high-frequency AC voltage into a required voltage according to a specific winding ratio, and a rectifier connected to an output end of the transformer, the rectifier Is composed of a rectifier that rectifies the AC voltage output transformed by the transformer into a DC voltage, and a CL filter that is a combination of a capacitor and a reactor connected to the rectifier, and the capacitor of the CL filter is The C-L filter reactor is connected in series to the rectifier. In this arc energy control circuit, the reactor of the CL filter is separated into a main winding and an auxiliary winding, and a voltage across the resistor connected to the auxiliary winding is applied to the auxiliary winding side. When the measured voltage is equal to or higher than the reference value, the gist is that an arc detection unit for determining an arc is connected.
上述したような本発明のプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路によれば、負荷端でのプラズマ工程中に負荷の異常現象であるアークが発生した場合、アーク状態に対する微分要素である出力端リアクタの電圧を用いて、迅速にアーク発生を検知し、整流部の出力端であるC−Lフィルタに瞬間的に上昇したアークエネルギーを効果的に放電消耗させることが可能であるので、過度のアークエネルギーの負荷端への流入を迅速に遮って、応用負荷の特性と品質の低下現象を抑制する効果がある。 According to the arc energy control circuit for a plasma power supply apparatus of the present invention as described above, when an arc that is an abnormal phenomenon of a load occurs during a plasma process at the load end, the output end reactor that is a differential element with respect to the arc state. Using the voltage, it is possible to quickly detect the occurrence of an arc and to effectively discharge and discharge the instantaneously increased arc energy to the CL filter that is the output end of the rectifying unit. Is effective in quickly blocking the inflow to the load end and suppressing the deterioration of the characteristics and quality of the applied load.
また、放電回路部による効果的なアークエネルギーの放電消耗を通じて、アークエネルギーの瞬間的な上昇幅を好適に抑制し、ディレー時間を短縮させることにより、システムの安定化が一層図られる効果がある。 Further, through effective discharge of arc energy by the discharge circuit section, the instantaneous rise of arc energy is suitably suppressed, and the delay time is shortened, thereby further stabilizing the system.
以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づいて詳しく説明する。
<第1の実施の形態>
図2は、本発明の第1の実施の形態に係るプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路を示す回路構成図である。本実施の形態に係るプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路は、インバータ10と、交流リアクタLrと、変圧器20と、整流器31及びC−Lフィルタ32からなる整流部30とを備えている。このアークエネルギー制御回路において、C−Lフィルタ32のリアクタLは、主巻線101と補助巻線102に分けて構成されており、前記補助巻線102には、補助巻線102から誘導されたエネルギーを消耗させるための抵抗Rcが同補助巻線102に対して並列に接続されているとともに、抵抗Rcの両端の電圧を測定し、その測定された電圧が基準値以上であるときアークと判断するアーク検知部200が接続されている。抵抗Rcは、補助巻線102に対する並列抵抗として機能する。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
<First Embodiment>
FIG. 2 is a circuit configuration diagram showing an arc energy control circuit for a plasma power supply device according to the first embodiment of the present invention. The arc energy control circuit for a plasma power supply device according to the present embodiment includes an
前記インバータ10は、ブリッジダイオードBDで整流され、コンデンサCで平滑化された直流電圧を高周波交流電圧に変換して前記変圧器20に出力する。ブリッジダイオードBDには、交流電源が外部の電圧源から供給される。
The
また、前記変圧器20は、インバータ10から供給された高周波交流電圧を特定の巻線比に応じて必要な電圧に変圧して、前記整流器30に出力する。ここで、前記インバータ10と変圧器20との間には、垂下特性を維持するための交流リアクタLrが直列接続されている。
The
前記整流部30内の整流器31は、前記変圧器20にて変圧された交流電圧を直流電圧に整流する役割を果たし、前記C−Lフィルタ32は、前記整流器31から出力された電圧を、同整流器31に並列接続されたコンデンサC1と同整流器31に直列接続されたリアクタLで蓄積する。整流部30は、そのC−Lフィルタ32を介して、プラズマ発生のための電力を負荷端(例えば、プラズマ発生部)(図示せず)に出力する。そして、前記C−Lフィルタ32を介して電力(エネルギー)が供給された負荷端、すなわち、プラズマ発生部では、発生したプラズマを用いて、該当工程を行うようになる。
The
前記C−Lフィルタ32のリアクタLは、図2に示すように、前記負荷端でのアークの発生時、前記C−Lフィルタ32に蓄積されたエネルギーが一時に負荷端に急激に伝達されることを防止し、また、アークを迅速に検知するために、主巻線101と補助巻線102とに分けて構成されている。前記補助巻線102には、前記補助巻線102に接続され、前記補助巻線102から誘導されたエネルギーを消耗させる並列抵抗Rcが接続されている。
As shown in FIG. 2, the reactor L of the
この際、前記リアクタLに印加される電圧VLは、以下の式で表される。 At this time, the voltage VL applied to the reactor L is expressed by the following equation.
以下、上記した構成を有する本実施の形態に係るプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路でのアーク検出回路の動作過程について、図2及び図3を参照して説明する。
先ず、本実施の形態に係るプラズマ発生用電源装置の動作中、負荷端にてアーク(ショート状態)が発生すると、前記C−Lフィルタ32のリアクタLの両端には、コンデンサCに蓄積された電圧が印加され、電流が急上昇するようになり、前記リアクタLの主巻線101に印加される電圧が急激に増加する。
The operation process of the arc detection circuit in the arc energy control circuit for the plasma power supply apparatus according to the present embodiment having the above-described configuration will be described below with reference to FIGS.
First, during the operation of the plasma generating power supply device according to the present embodiment, when an arc (short state) occurs at the load end, it is accumulated in the capacitor C at both ends of the reactor L of the
次いで、前記リアクタLの補助巻線102には、図3に示すように、急上昇を示すパルス形態の電圧シグナルが誘導され、前記並列抵抗Rcには、前記補助巻線102に誘導された電流がそのまま印加される。したがって、前記並列抵抗Rcに印加される電圧が変化する。この際、前記リアクタLの補助巻線102に誘導されたパルス形態の電圧シグナルは、リアクタ電圧VLの電流微分値である。 Next, as shown in FIG. 3, a pulse-shaped voltage signal indicating a sudden rise is induced in the auxiliary winding 102 of the reactor L, and a current induced in the auxiliary winding 102 is generated in the parallel resistance Rc. Applied as it is. Accordingly, the voltage applied to the parallel resistor Rc changes. At this time, the pulse-shaped voltage signal induced in the auxiliary winding 102 of the reactor L is a current differential value of the reactor voltage VL.
したがって、前記アーク検知部200は、前記並列抵抗Rcの両端電圧を測定し、その測定電圧が、予め設定された基準値以上であることを検知すると、これをアークと判断する。
Therefore, the
また、前記リアクタLに印加された急上昇電流は、前記リアクタLの補助巻線102から一部が誘導された後、前記並列抵抗Rcにそのまま印加されることにより、V2/R2だけのエネルギーが抵抗で消耗されるため、前記リアクタLでの電流の急上昇は抑制される。 Further, a part of the surge current applied to the reactor L is induced from the auxiliary winding 102 of the reactor L and then applied to the parallel resistor Rc as it is, so that energy of V 2 / R 2 is obtained. Is consumed by resistance, so that a rapid increase in current in the reactor L is suppressed.
したがって、本実施の形態に係るアークエネルギー制御回路によると、アーク発生時、補助巻線102に誘導されたリアクタ電圧の電流微分値がそのまま並列抵抗Rcに印加され、電圧変化を示す並列抵抗Rcの両端電圧が測定され、基準値以上である場合、アークと判断されることにより、アーク検知による遅延時間が短縮される。これによって、負荷端に伝達されるアークエネルギーを減少させるための制御動作を迅速に行うことができるようになる。 Therefore, according to the arc energy control circuit according to the present embodiment, when the arc is generated, the current differential value of the reactor voltage induced in the auxiliary winding 102 is directly applied to the parallel resistor Rc, and the parallel resistor Rc indicating a voltage change is applied. When the voltage at both ends is measured and is equal to or greater than the reference value, it is determined as an arc, thereby reducing the delay time due to arc detection. As a result, a control operation for reducing the arc energy transmitted to the load end can be quickly performed.
<第2の実施の形態>
図4は、本発明の第2の実施の形態に係るプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路を示す回路構成図である。このプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路は、インバータ10と、交流リアクタLrと、変圧器20と、整流器30及びC−Lフィルタ32からなる整流部30とを備え、前記C−Lフィルタ32のリアクタLは、主巻線101と補助巻線102に分けて構成されている。
<Second Embodiment>
FIG. 4 is a circuit configuration diagram showing an arc energy control circuit for a plasma power supply apparatus according to the second embodiment of the present invention. This arc energy control circuit for a plasma power supply apparatus includes an
また、このアークエネルギー制御回路には、アーク発生時、前記主巻線101の出力側にオフ(短絡)される第1のスイッチSW1と、この第1のスイッチSW1に並列連結され、かつ互いに並列接続された抵抗R1とコンデンサC2と、を含む放電回路部100が備えられている。
The arc energy control circuit includes a first switch SW1 that is turned off (short-circuited) to the output side of the main winding 101 when an arc is generated, and is connected in parallel to the first switch SW1 and in parallel with each other. A
更に、このアークエネルギー制御回路には、前記補助巻線102に接続された並列抵抗Rcと、前記並列抵抗Rcの両端電圧を測定し、その測定された電圧が基準値以上であるときアークと判断するアーク検知部200とが備えられている。
Further, the arc energy control circuit measures the parallel resistance Rc connected to the auxiliary winding 102 and the voltage across the parallel resistance Rc, and determines that the arc is when the measured voltage is equal to or higher than a reference value. And an
このような本実施の形態に係るプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路において、インバータ10と、交流リアクタLrと、変圧器20と、整流器31及びC−Lフィルタ32からなる整流部30との構成及び動作は、上述した本発明の第1の実施の形態と同様であるので、その説明は省略する。
In such an arc energy control circuit for a plasma power supply apparatus according to the present embodiment, the configuration of the
以下、上記した構成を有する本実施の形態に係るプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路の動作過程について、図4及び図5を参照して説明する。
先ず、プラズマ発生用電源装置の動作中、負荷端からアークが発生すると、前記C−Lフィルタ32のリアクタLの両端には、コンデンサC1に蓄積された電流が印加され、前記リアクタLの主巻線101に印加される電圧が急激に増加する。
Hereinafter, the operation process of the arc energy control circuit for a plasma power supply apparatus according to the present embodiment having the above-described configuration will be described with reference to FIGS.
First, when an arc is generated from the load end during operation of the plasma generating power supply device, the current accumulated in the capacitor C1 is applied to both ends of the reactor L of the
これによって、前記リアクタLの補助巻線102に、図3に示すようなパルス形態の電圧シグナルが誘導され、前記並列抵抗Rcに、前記補助巻線102に誘導された電流がそのまま印加され、前記並列抵抗Rcに印加される電圧が増加する。この際、前記補助巻線102に誘導されたパルス形態の電圧シグナルは、アーク状態に対するリアクタL電圧の電流の微分値で検出された信号である。 As a result, a voltage signal in the form of a pulse as shown in FIG. 3 is induced in the auxiliary winding 102 of the reactor L, and the current induced in the auxiliary winding 102 is directly applied to the parallel resistor Rc. The voltage applied to the parallel resistor Rc increases. At this time, the pulse-shaped voltage signal induced in the auxiliary winding 102 is a signal detected by a differential value of the current of the reactor L voltage with respect to the arc state.
以降、アーク検知部200は、前記並列抵抗Rcの両端電圧を測定し、その測定電圧が予め設定された基準値以上であることを検知すると、これをアークと判断する。このようなアーク検知信号は、制御部(図示せず)で制御され、前記インバータ10の動作を迅速にオフさせることにより、アーク発生以降、プラズマ用電源装置に供給される電源が迅速に遮断される。
Thereafter, the
また、前記インバータ10がオフされても、前記C−Lフィルタ32に蓄積されていた電流−電圧は、アークエネルギーとして負荷端にそのまま印加されるが、図4に示すようにR−C放電回路(R1,C2)が第1のスイッチSW1と並列連結されていることにより、第1のスイッチSW1が開放されると、負荷端に伝達されるアークエネルギーの一部がR−C放電回路を通じて放電される。その結果、負荷端のアーク電流をより迅速に減衰させることができるようになる。
Even if the
以下、図4及び図5を参照して、このような放電回路部100の動作について詳述する。
先ず、アーク発生時、動作中である第1のスイッチSW1がオフされると同時に、第1のスイッチSW1に流れる電流iS1がコンデンサC2に充電される。この際、第1のスイッチSW1に流れる電流iS1は、図5に示すように、アークの発生によってコンデンサC1から伝達される電流により急上昇を示し、急上昇した電流iS1は、コンデンサC2の容量によって、一定の時間の間、充電及び放電される。そして、前記コンデンサC2に充電された電流が放電され、抵抗R1を通じて放電消耗される。この際、アークの発生によって、放電回路部100を通じて消耗されるアークエネルギーPは、P=iS1 2×R1だけ放電消耗される。
Hereinafter, the operation of the
First, when the arc is generated, the first switch SW1 that is in operation is turned off, and at the same time, the current i S1 flowing through the first switch SW1 is charged in the capacitor C2. At this time, as shown in FIG. 5, the current i S1 flowing through the first switch SW1 rapidly increases due to the current transmitted from the capacitor C1 due to the generation of the arc, and the rapidly increased current i S1 depends on the capacitance of the capacitor C2. The battery is charged and discharged for a certain time. The current charged in the capacitor C2 is discharged and discharged through the resistor R1. At this time, the arc energy P consumed through the
なお、前記第1のスイッチSW1のオン/オフ動作は、過電流または低電圧の発生時、オフされるスイッチング素子で構成されてもよいし、或いは、アーク検知部200のアーク検出を用いた制御信号を通じてスイッチングされるように構成されてもよい。
The on / off operation of the first switch SW1 may be configured by a switching element that is turned off when an overcurrent or a low voltage occurs, or control using arc detection of the
<第3の実施の形態>
図6は、本発明の第3の実施の形態に係るプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路を示す回路構成図である。このプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路は、インバータ10と、交流リアクタLrと、変圧器20と、整流器30及びC−Lフィルタ32からなる整流部30とを備え、前記C−Lフィルタ32のリアクタLは、主巻線101と補助巻線102に分けて構成されている。
<Third Embodiment>
FIG. 6 is a circuit configuration diagram showing an arc energy control circuit for a plasma power supply device according to the third embodiment of the present invention. This arc energy control circuit for a plasma power supply apparatus includes an
また、このアークエネルギー制御回路には、アーク発生時、前記主巻線101の出力側にオフ(短絡)される第1のスイッチSW2と、第1のスイッチSW2に並列連結され、かつ互いに直列接続されたコンデンサC3、C4と、第1のスイッチSW2に並列連結され、かつ互いに直列連結された抵抗R2、R3と、その一端がコンデンサC3、C4間のノードと抵抗R2、R3間のノードに連結されるとともに、他端が当該プラズマ電源装置のマイナス側負荷端(−)に連結され、アーク発生から予め設定された所定時間の経過後にオンされる第2のスイッチSW3と、を含む放電回路部300が備えられている。 The arc energy control circuit is connected in parallel to the first switch SW2 that is turned off (short-circuited) to the output side of the main winding 101 when an arc is generated, and is connected in series to each other. Capacitors C3 and C4, resistors R2 and R3 connected in parallel to the first switch SW2 and connected in series with each other, and one end thereof connected to a node between the capacitors C3 and C4 and a node between the resistors R2 and R3 And a second switch SW3 having the other end connected to the negative load end (−) of the plasma power supply device and turned on after a predetermined time has elapsed since the occurrence of the arc. 300 is provided.
更に、このアークエネルギー制御回路には、前記補助巻線102に接続された並列抵抗Rcと、前記並列抵抗Rcの両端電圧を測定し、その測定された電圧が基準値以上であるときアークと判断するアーク検知部200とが備えられている。
Further, the arc energy control circuit measures the parallel resistance Rc connected to the auxiliary winding 102 and the voltage across the parallel resistance Rc, and determines that the arc is when the measured voltage is equal to or higher than a reference value. And an
このような本実施の形態に係るプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路において、インバータ10と、交流リアクタLrと、変圧器20と、整流器31及びC−Lフィルタ32からなる整流部30と、補助巻線102に連結された並列抵抗Rcと、アーク検知部200との構成及び動作過程は、上述した本発明の第2の実施の形態と同様であるので省略する。本実施の形態の放電回路部300の動作は以下のとおりである。
In such an arc energy control circuit for a plasma power supply apparatus according to this embodiment, the
図7は、図6のプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路のアーク発生時における、アークエネルギーの遷移状態を示す波形図であって、アーク発生時、放電回路部300に構成された各素子の電圧−電流特性を示す。 FIG. 7 is a waveform diagram showing a transition state of arc energy when an arc is generated in the arc energy control circuit for the plasma power supply device of FIG. -Current characteristics are shown.
以下、図6及び図7を参照して、前記放電回路部300の動作について詳述する。
先ず、アークが発生すると、第1のスイッチSW2が開放され、第1のスイッチSW2に流れていたアーク電流は、R−C放電回路に迂回して、コンデンサC3、C4を充電させ、抵抗R2、R3において放電される。
Hereinafter, the operation of the
First, when an arc occurs, the first switch SW2 is opened, and the arc current flowing through the first switch SW2 bypasses the RC discharge circuit to charge the capacitors C3 and C4, and the resistors R2, Discharged at R3.
前記コンデンサC3、C4は、C3<C4で構成され、抵抗R2、R3は、R2<R3で構成されている。
前記R−C放電回路に流れるアーク電流iS2は、図7に示すようなカーブを示すが、アークの発生によって、コンデンサC1から伝達される電流によって急上昇を示し、急上昇した電流iS2は、コンデンサC3、C4の容量に応じて一定の時間の間充電される。
The capacitors C3 and C4 are configured by C3 <C4, and the resistors R2 and R3 are configured by R2 <R3.
The arc current i S2 flowing in R-C discharge circuit, while indicating curve as shown in FIG 7, the arcing, shows the surge by a current transmitted from the capacitor C1, soaring current i S2, the capacitor The battery is charged for a certain time according to the capacity of C3 and C4.
この際、コンデンサC3、C4にそれぞれ充電された電圧V1,V2は、図7に示すように、充電及び放電曲線が異なるが、コンデンサC3、C4の時定数値に応じて、コンデンサC3の電圧V1が多く充電されて速く放電され、前記抵抗R2、R3を通じて一部が先に消耗される。 At this time, the voltages V1 and V2 respectively charged in the capacitors C3 and C4 have different charging and discharging curves as shown in FIG. 7, but the voltage V1 of the capacitor C3 depends on the time constant values of the capacitors C3 and C4. Is charged and discharged quickly, and a part is consumed first through the resistors R2 and R3.
また、前記コンデンサC4に充電された電圧V2は、図7に示すように、コンデンサC3に充電された電圧V1よりは少なく充電されて遅く放電され、前記抵抗R2、R3を通じて放電消耗される。 Further, as shown in FIG. 7, the voltage V2 charged in the capacitor C4 is charged less than the voltage V1 charged in the capacitor C3 and discharged later, and is discharged and consumed through the resistors R2 and R3.
この際、アークの発生によって、放電回路部300を通じて消耗されるアークエネルギーPは、P=iS2 2×(R2+R3)だけ消耗される。
次いで、図7に示すように、抵抗R2、R3を通じたコンデンサC4の蓄積電圧V2の放電消耗時、設定された一定の時間が経過した任意の時点に、第2のスイッチSW3が駆動されてオンされることにより、コンデンサC4の放電消耗中である電圧V2がマイナス側負荷端(−)に逆電圧として印加される。その結果、アークエネルギーが完全にクリアされる。
At this time, the arc energy P consumed through the
Next, as shown in FIG. 7, when the stored voltage V2 of the capacitor C4 through the resistors R2 and R3 is discharged, the second switch SW3 is driven and turned on at an arbitrary time after a predetermined time has elapsed. As a result, the voltage V2 during which the capacitor C4 is being discharged is applied as a reverse voltage to the negative load terminal (−). As a result, the arc energy is completely cleared.
なお、前記第1のスイッチSW2のオン/オフ動作は、過電流または低電圧の発生時にオフされるスイッチング素子で構成されてもよいし、或いは、アーク検知部200のアーク検出を用いた制御信号を通じてスイッチングされるように構成されてもよい。
The on / off operation of the first switch SW2 may be constituted by a switching element that is turned off when an overcurrent or a low voltage is generated, or a control signal using arc detection of the
また、前記第2のスイッチSW3は、アーク検知部200のアーク検出を用いた制御信号によって設定された一定の時間の経過後、動作するように切換え制御される。
<第4の実施の形態>
図8は、本発明の第4の実施の形態に係るプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路を示す回路構成図である。このプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路は、インバータ10と、交流リアクタLrと、変圧器20と、整流器31およびコンデンサC1,リアクタLの組み合わせによるC−Lフィルタ32からなる整流部30とを備え、前記C−Lフィルタ32のリアクタLは、主巻線101と補助巻線102に分けて構成されている。
Further, the second switch SW3 is switched and controlled to operate after a lapse of a fixed time set by a control signal using arc detection of the
<Fourth embodiment>
FIG. 8 is a circuit configuration diagram showing an arc energy control circuit for a plasma power supply device according to the fourth embodiment of the present invention. This arc energy control circuit for a plasma power supply device includes an
また、このアークエネルギー制御回路には、前記補助巻線102に接続された並列抵抗Rcと、その並列抵抗Rcに並列連結され、かつ互いに直列連結されたリアクタLd103と抵抗Rd104と単方向性のダイオード105と、を含む放電回路部400が備えられている。
The arc energy control circuit includes a parallel resistor Rc connected to the auxiliary winding 102, a reactor Ld103, a resistor Rd104, and a unidirectional diode connected in parallel to the parallel resistor Rc. 105, and a
前記インバータ10は、ブリッジダイオードBDで整流され、コンデンサCで平滑化された直流電圧を高周波交流電圧に変換して前記変圧器20に出力し、前記変圧器20は、前記高周波交流電圧を特定の巻線比に応じて必要な電圧に変圧して、整流器30に出力する。ここで、前記インバータ10と変圧器20との間には、垂下特性を維持するための交流リアクタLrが直列接続されている。
The
前記整流部30内の整流器31は、前記変圧器20にて変圧された交流電圧を直流電圧に整流する役割を果たし、前記C−Lフィルタ32は、前記整流器31から出力された電圧を、同整流器31に並列接続されたコンデンサC1と同整流器31に直列接続されたリアクタLで蓄積する。整流部30は、そのC−Lフィルタ32を介して、プラズマ発生のための電力を負荷端に出力する。そして、前記C−Lフィルタ32を介して電力(エネルギー)を供給された負荷端、すなわち、プラズマ発生部では、発生したプラズマを用いて、該当工程を行うようになる。
The
この際、前記放電回路部400は、前記負荷端でのアーク発生時、前記C−Lフィルタ32で蓄積されたエネルギーが瞬間的に上昇し、その瞬間的に上昇したエネルギーが負荷端に急激に伝達されることを防止するために、C−Lフィルタ32のリアクタLに補助巻線102の電磁気誘導を用いて、伝達されるエネルギーを誘導した後、放電によって一部のエネルギーを消耗させる。
At this time, when the arc occurs at the load end, the
ここで、前記放電回路部400において、前記C−Lフィルタ32のリアクタLは、主巻線101と電磁気誘導のための補助巻線102に分けて構成されており、前記補助巻線102に連結された並列抵抗Rcは、補助巻線102から誘導されたエネルギーを消耗させる。
Here, in the
なお、前記放電回路部400では、リアクタLd103と抵抗Rd104と単方向性のダイオード105を、半導体スイッチング素子(図示せず)と抵抗(図示せず)に代替して構成してもよい。
In the
図9は、図8による本発明の負荷端でのアーク発生時、アークエネルギーの遷移状態を示す波形図である。
この際のアークエネルギーは、次式で表される。
FIG. 9 is a waveform diagram showing a transition state of arc energy when an arc is generated at the load end according to the present invention shown in FIG.
The arc energy at this time is expressed by the following equation.
先ず、プラズマ用電源装置の使用中、前記負荷端からアークが発生した場合、前記C−Lフィルタ32でのコンデンサC1に蓄積されたエネルギーのリアクタLへの転移区間の動作をみると、前記リアクタLの両端には、コンデンサC1に蓄積された電圧が印加されて、電流が急上昇するようになり、コンデンサC1の電圧は減少するようになる。
First, when an arc is generated from the load end during the use of the plasma power supply device, the operation of the transition section of the energy accumulated in the capacitor C1 in the
この場合、従来の電源装置とは異なり、前記リアクタLの両端の電圧は、前記放電回路部400の補助巻線102から一部が誘導された後、前記並列抵抗Rcにそのまま印加されることにより、V2/R2のエネルギーが、抵抗で消耗される。これによって、リアクタLでの電流上昇の大きさは、図9に示すように、従来に比べて減少するようになる。
In this case, unlike the conventional power supply device, the voltage across the reactor L is partially induced from the auxiliary winding 102 of the
また、前記リアクタLに蓄積されたエネルギーの負荷端への転移区間の動作をみると、上昇した電流は、インピーダンスが減少された前記補助巻線102を介して電磁気誘導され、前記リアクタLに蓄積されたエネルギーは、前記補助巻線102、リアクタLd103、抵抗Rd104、ダイオード105を介して一部放電されることにより、負荷端に伝達されるアークエネルギーが減少するようになる。
In addition, when the operation of the transition period to the load end of the energy stored in the reactor L is seen, the increased current is electromagnetically induced through the auxiliary winding 102 whose impedance is reduced and stored in the reactor L. The generated energy is partially discharged through the auxiliary winding 102, the reactor Ld103, the resistor Rd104, and the
このような前記放電回路部400の構成によって、アーク発生時、負荷端へ伝達されるエネルギーが減少され、図5に示すように、アークエネルギーの瞬間的な上昇幅が大きく抑制され、ディレー時間を従来に比べてさらに短縮することができる。
With such a configuration of the
また、本発明は、前記補助巻線102出力のインピーダンスを減少させて、蓄積されたエネルギーを負荷端ではなく、補助巻線102にフリーホイーリング(free-wheeling)させるためのものであって、前記ダイオード105を用いて単方向性を付与し、放電時にのみ動作するように構成され、また、放電用の小さな抵抗を用いる。
In addition, the present invention is to reduce the impedance of the output of the auxiliary winding 102 so that the stored energy is free-wheeling to the auxiliary winding 102 instead of the load end, The
また、抵抗のみで構成する場合、システムの電流制御性が低下するので、リアクタLdを直列で接続することにより、システムの電流制御性の低下を防止することができる。
<第5の実施の形態>
図10は、本発明の第5の実施の形態に係るプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路を示す回路構成図である。このアークエネルギー制御回路は、インバータ10と、変圧器20と、整流器31と、コンデンサC及びリアクタLで構成されたC−Lフィルタ32からなる整流部30とを備え、前記C−Lフィルタ32のリアクタLは、主巻線101と補助巻線102に分けて構成されている。
In addition, since the current controllability of the system is reduced when the resistance is configured only, the current controllability of the system can be prevented from being lowered by connecting the reactors Ld in series.
<Fifth embodiment>
FIG. 10 is a circuit configuration diagram showing an arc energy control circuit for a plasma power supply device according to the fifth embodiment of the present invention. The arc energy control circuit includes an
また、このアークエネルギー制御回路には、前記補助巻線102に接続された並列抵抗Rcと、その並列抵抗Rcと並列連結され、かつ互いに直列連結されたリアクタLd103と抵抗Rd104と単方向性のダイオード105と、を含む放電回路部500が備えられている。
The arc energy control circuit includes a parallel resistor Rc connected to the auxiliary winding 102, a reactor Ld103, a resistor Rd104, and a unidirectional diode connected in parallel to the parallel resistor Rc and connected in series to each other. 105, and a
更に、このアークエネルギー制御回路には、前記並列抵抗Rcの両端電圧を測定し、その測定された電圧が基準値以上であるときアークと判断するアーク検知部200が備えられている。
The arc energy control circuit further includes an
図10に示すような本発明のプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路におけるアーク検出及びアークエネルギー低減の各構成及び動作は、上述した図8に示す本発明の第4の実施の形態における構成連結及び動作原理と同様であるため、その詳細な説明は省略する。 Each configuration and operation of arc detection and arc energy reduction in the arc energy control circuit for a plasma power supply device of the present invention as shown in FIG. 10 is the same as the configuration connection and operation in the fourth embodiment of the present invention shown in FIG. Since it is the same as the operation principle, its detailed description is omitted.
以上、種々の実施の形態を挙げて本発明をより詳細に説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で、様々な変形が可能である。 The present invention has been described in more detail with reference to various embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made without departing from the technical idea of the present invention. Can be modified.
10 インバータ
20 変圧器
Lr 交流インバータ
30 整流部
31 整流器
32 C−Lフィルタ
100,300,400,500 放電回路部
101 主巻線
102 補助巻線
103 リアクタLd
104 抵抗Rd
105 ダイオード
Rc 並列抵抗
200 アーク検知部
SW1、SW2 第1のスイッチ
SW3 第2のスイッチ
DESCRIPTION OF
104 Resistance Rd
105 Diode Rc
Claims (9)
前記C−LフィルタのリアクタLは、主巻線と補助巻線に分離されており、
前記補助巻線には、前記補助巻線に接続された抵抗の両端の電圧を測定し、その測定された電圧が基準値以上であるとき、アークと判断するアーク検知部が連結される、
ことを特徴とするプラズマ電源装置用アークエネルギー制御回路。 An inverter that converts a DC voltage rectified by a bridge diode and smoothed by a capacitor into a high-frequency AC voltage, an AC reactor connected to an output terminal of the inverter, and the high-frequency AC voltage according to a specific winding ratio A rectifier comprising a transformer for transforming to a necessary voltage and a rectifier connected to an output end of the transformer, wherein the rectifier rectifies the AC voltage output transformed by the transformer into a DC voltage. And a CL filter based on a combination of a capacitor and a reactor connected to the rectifier, wherein the capacitor of the CL filter is connected in parallel to the rectifier, and the reactor of the CL filter is connected in series to the rectifier In the arc energy control circuit for the plasma power supply device,
The reactor L of the CL filter is separated into a main winding and an auxiliary winding,
The auxiliary winding is connected to an arc detector for measuring a voltage across the resistor connected to the auxiliary winding and determining an arc when the measured voltage is equal to or higher than a reference value.
An arc energy control circuit for a plasma power supply device.
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