JP2014002898A - 高周波電力供給装置、及び反射波電力制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】プラズマ負荷に高周波電力を供給する高周波電力供給において、高周波電源の反射波電力を検出し、検出した反射波電力を用いて高周波電源を制御する反射波電力制御であり、反射波電力の短時間変動に対して反射波電力の検出値のピーク値変動に基づいて制御し、反射波電力の長時間変動に対して反射波電力の検出値を平滑して得られる平滑値の変動に基づいて制御する。反射波電力制御ループ系として、反射波電力のピーク変動に基づいて制御を行う反射波電力ピーク値垂下ループ系およびアーク遮断系と、反射波電力の電力平滑量に基づいて制御を行う反射波電力平滑量垂下ループ系とを備える。
【選択図】図1
Description
本発明の高周波電力供給装置は、プラズマ負荷に高周波電力を供給する高周波電力供給装置において、スイッチング動作によって直流電源の直流を高周波交流に変換し高周波電力を出力する高周波電源部と、高周波電源部の高周波出力の検出値を帰還してフィードバック制御を行う複数の帰還系とを備える。帰還系は、高周波電源部からプラズマ負荷に向かう進行波電力の検出値を帰還して進行波電力を制御する進行波電力制御ループ系と、プラズマ負荷から高周波電源部に向かう反射波電力の検出値を帰還して反射波電力を制御する複数の反射波電力制御ループ系とを備える。
本発明の反射波電力制御ループ系は、反射波のピーク値を垂下(低下)させる反射波電力ピーク値垂下ループ系を備える。反射波電力ピーク値垂下ループ系は、反射波電力ピーク値を垂下する制御を行うか否かを定めるしきい値として反射波電力ピークリミット値を有する。
本発明の反射波電力制御ループ系は、過大な反射波電力による損傷を防ぐアーク遮断系を備え、着火が失敗して過大な反射波電力が発生した際にプラズマ負荷への電力供給を停止してプラズマ負荷中のアークを遮断する。アーク遮断系は、高周波電力の出力を停止するか否かを定めるしきい値としてアークリミット値を有する。
本発明の反射波電力制御ループ系は、反射波電力の電力量を垂下(低下)させる反射波電力量垂下ループ系を備える。
図1は、本発明の高周波電力供給装置の概略構成を説明するための図である。図1において、高周波電力供給装置1は、直流電源の直流電圧をDC/DCコンバータ12で電圧変換し、RF増幅部13で直流から交流に増幅変換し、得られた高周波電力をプラズマ負荷等の負荷103に供給する高周波電源部10を備える。
本発明の反射波電力制御方法は、プラズマ負荷に高周波電力を供給する高周波電力供給において、スイッチング動作によって直流電源の直流を高周波交流に変換する高周波電源部の出力の検出値を帰還してフィードバック制御を行う帰還系を構成し、この帰還系において、進行波電力制御ループ系に進行波電力の検出値を帰還し、複数のループ系を備える反射波電力制御ループ系100に反射波電力の検出値を帰還する。
反射波電力制御ループ系は反射波電力ピーク値垂下ループ系を備える。反射波電力ピーク値垂下ループ系は、反射波電力ピーク値を垂下する制御を行うか否かを定めるしきい値として反射波電力ピークリミット値を有し、反射波電力の検出値と反射波電力ピークリミット値との差分を進行波電力制御ループ系に帰還し、高周波電源部が備えるDC/DCコンバータを駆動するPWM信号のパルス幅を制御して出力電圧を制御する。
反射波電力制御ループ系はアーク遮断系を備える。アーク遮断系は、高周波電力を出力する制御を行うか否かを定めるしきい値としてアークリミット値を有し、反射波電力の検出値とアークリミット値との比較に基づいて高周波電源部が備えるRF増幅部のRFゲート信号を制御し、RF増幅部の高周波電力の出力の遮断制御を行う。
反射波電力制御ループ系は反射波電力量垂下ループ系を備える。反射波電力量垂下ループ系は、反射波電力の検出値を平滑して得られる平滑値と、高周波電力の電力量の垂下制御の有無および垂下量を定める反射波電力平滑リミット値との比較に基づいて、高周波電源部が備えるRF増幅部のRFゲート信号のON区間とOFF区間の時間比率を定めるパルス制御信号のデューティー(Duty)を定め、RF増幅部の高周波電力の電力量の垂下制御を行う。平滑値は反射波電力の検出値の平均値又は実効値とすることができ、反射波電力平滑リミット値としてそれぞれ反射波電力平均リミット値又は反射波電力実効リミット値を有している。
本発明の高周波電力供給の反射波電力制御は、高周波電源部10の出力端に設けたRFセンサ16で負荷側から電源側に向かう反射波電力を検出する(S1)。
はじめに、本発明の高周波電力供給装置の構成例について図4を用いて説明する。
高周波電源部10は、直流電源11、DC/DCコンバータ12、RF増幅部13、合成器14、ローパスフィルタ15を備え、ローパスフィルタ15と電源出力端101との間にRFセンサ16を備える。
進行波電力制御ループ系20は、RFセンサ16で検出した進行波電力フィードバック値PFをDC/DCコンバータ12にフィードバックさせることによって、高周波電源部10の進行波電力が進行波電力指令値の大きさとなるように制御する帰還系であり、RFセンサ16からDC/DCコンバータ12に向かって、ホールド回路22,進行波電力誤差増幅装置23,PWM信号生成回路24,およびドライブ回路25を直列接続して構成される。
反射波電力ピーク値垂下ループ系30は、RFセンサ16で検出した反射波電力フィードバック値PRを進行波電力制御ループ系20を介してDC/DCコンバータ12にフィードバックさせることによって、高周波電源部10の反射波電力のピーク値を垂下する制御を行う帰還系であり、急峻変動除去部31,反射波電力ピークリミット値32,ホールド回路33,反射波電力ピーク値電力誤差増幅器34を備え、反射波電力ピーク値電力誤差増幅器34の出力を進行波電力制御ループ系20のPWM信号生成回路24に送り、DC/DCコンバータ12を駆動するPWM信号のパルス幅を制御することによって反射波電力のピーク値を垂下させて抑制する。
アーク遮断系40は、RFセンサ16で検出した反射波電力フィードバック値PRをRF増幅部13にフィードバックさせることによって、プラズマ負荷に供給する電力を停止してアークを遮断する制御を行う帰還系であり、反射波電力ピーク値垂下ループ系30が備える急峻変動除去部31を備える他、アークリミット値41,比較器42,ゲート遮断信号生成器43を備え、ゲート遮断信号生成器43の出力をゲート信号生成器18に送り、RF増幅部13を駆動するRFゲート信号のON/OFFを制御するパルス制御信号のデューティー(Duty)を制御することによってアークを遮断する。
反射波電力量垂下ループ系50は、RFセンサ16で検出した反射波電力フィードバック値PRをRF増幅部13にフィードバックさせることによって、高周波電源部10の反射波電力の電力量を垂下する制御を行う帰還系であり、反射波電力フィードバック値の電力を平滑化する平滑部として電力平滑部51を備える他、平滑化した反射波電力平滑値のしきい値として用いる反射波電力平滑リミット値52,反射波電力平滑値と反射波電力平滑リミット値との差分に基づいて電力増幅を行う反射波電力平滑値電力誤差増幅装置53,反射波電力平滑値電力誤差増幅装置53の出力に基づいてパルス制御信号のデューティー(Duty)を定めるデューティー垂下信号生成器54を備え、デューティー垂下信号生成器54の出力をゲート信号生成器18に送る。反射波電力量垂下ループ系50は、パルス制御信号のデューティー(Duty)を制御することによって反射波電力の電力量を垂下させて抑制する。
[高周波電力供給装置の制御例]
(進行波電力制御)
はじめに、進行波電力制御ループ系による進行波電力制御について図9を用いて説明する。
進行波電力制御中に、負荷103のマッチングが50[ohm]から逸脱し、下記の各条件(1),(2),(3)を満たした場合は、制御ループは進行波電力制御ループ系20から垂下動作又は遮断動作を行う反射波電力制御ループ系100(反射波電力ピーク値垂下ループ系30,アーク遮断系40,反射波電力量垂下ループ系50)に移行する。
次に、反射波電力ピーク値の垂下制御について、図10〜図13を用いて説明する。図10は反射波電力ピーク値垂下制御のループ系を示している。
次に、アーク遮断制御について、図14〜図16を用いて説明する。図14はアーク遮断制御のループ系を示している。
次に、反射波電力量垂下制御について、図17〜図20を用いて説明する。図17は反射波電力量垂下動作を模式的に示している。
10 高周波電源部
11 直流電源
12 コンバータ
13 増幅部
14 合成器
15 ローパスフィルタ
16 センサ
17 分岐器
18 ゲート信号生成器
20 進行波電力制御ループ系
21 進行波電力指令値
22 ホールド回路
23 進行波電力誤差増幅装置
24 PWM信号生成回路
25 ドライブ回路
30 反射波電力ピーク値垂下ループ系
31 急峻変動除去部
32 反射波電力ピークリミット値
33 ホールド回路
34 反射波電力ピーク値電力誤差増幅器
40 アーク遮断系
41 アークリミット値
42 比較器
43 ゲート遮断信号生成器
50 反射波電力量垂下ループ系
51 電力平滑部
52 反射波電力平滑リミット値
53 反射波電力平滑値電力誤差増幅装置
54 デューティー垂下信号生成器
60 回路
61 ホールド回路
62 誤差増幅回路
63 抵抗
64 抵抗
65 スイッチ回路
66 オペレーションアンプ
70 回路
71 ホールド回路
72 誤差増幅回路
73 抵抗
74 抵抗
75 スイッチ回路
76 オペレーションアンプ
77 バッファ回路
80 一次遅延回路
81 抵抗
82 コンデンサ
90 フィルタ回路
91 微分回路
92 比較回路
93 リミット値
94 遅延回路
95 スイッチング回路
100 反射波電力制御ループ系
101 電源出力端
102 同軸ケーブル
103 負荷
120 増幅部
120a〜120d MOSFET
120e メイントランス
120f フィルタ
202 一次遅延出力
203 平滑値
301 リミット値
302 反射波電力ピークリミット値
303 アークリミット値
Edc 直流電圧
PF 進行波電力フィードバック値
PR 反射波電力フィードバック値
Vdc 直流電圧
Claims (12)
- プラズマ負荷に高周波電力を供給する高周波電力供給装置において、
スイッチング動作によって直流電源の直流を高周波交流に変換し高周波電力を出力する高周波電源部と、
前記高周波電源部の高周波出力の検出値を帰還してフィードバック制御を行う帰還系とを備え、
前記帰還系は、
前記高周波電源部からプラズマ負荷に向かう進行波電力の検出値を帰還して進行波電力を制御する進行波電力制御ループ系と
前記プラズマ負荷から前記高周波電源部に向かう反射波電力の検出値を帰還して反射波電力を制御する複数の反射波電力制御ループ系とを備え、
前記反射波電力制御ループ系は、
反射波電力のピーク変動を制御する反射波電力ピーク値垂下ループ系およびアーク遮断系と、反射波電力の電力平滑量を制御する反射波電力量垂下ループ系とを備え、
前記反射波電力ピーク値垂下ループ系は、反射波電力のピーク値に基づいて前記高周波電源部の直流電源の直流電圧を制御し、当該直流電源の電圧制御によって反射波電力のピーク値を垂下制御し、
前記アーク遮断系は、反射波電力のピーク値に基づいて前記高周波電源部のRF増幅部の出力の有無を制御することによって、プラズマ負荷への電力供給の有無を制御してプラズマ負荷におけるアークの遮断を制御し、
前記反射波電力量垂下ループ系は、反射波電力の電力平滑量に基づいて前記高周波電源部のRF増幅部のON区間とOFF区間のデューティー(時間比率)を制御することによって、プラズマ負荷への電力供給量を制御して反射波電力の電力量を垂下制御することを特徴とする、高周波電力供給装置。 - 前記反射波電力ピーク値垂下ループ系は、
反射波のピーク値の垂下制御を行うか否かを定めるしきい値として反射波電力ピークリミット値を有し、
反射波電力の検出値と反射波電力ピークリミット値との差分を前記進行波電力制御ループ系に帰還し、前記高周波電源部が備えるDC/DCコンバータを駆動するPWM信号のパルス幅を制御して直流電源の直流電圧を制御することを特徴とする、請求項1に記載の高周波電力供給装置。 - 前記アーク遮断系は、
高周波電力を出力するか否かを定めるしきい値としてアークリミット値を有し、
反射波電力の検出値と前記アークリミット値との比較に基づいて前記高周波電源部が備えるRF増幅部を制御するRFゲート信号を制御し、RF増幅部の高周波電力を出力するか否かを制御することを特徴とする、請求項1又は2に記載の高周波電力供給装置。 - 前記反射波電力量垂下ループ系は、
前記反射波電力の検出値の平均値又は実効値を出力する電力平滑部と、
高周波電力の電力量の垂下制御の有無および垂下量を定める反射波垂下リミット値として反射波電力平均リミット値又は反射波電力実効リミット値と備え、
前記電力平滑部の平均値の出力と前記反射波電力平均リミット値との比較、又は前記電力平滑部の実効値の出力と前記反射波電力実効リミット値との比較に基づいて、前記高周波電源部が備えるRF増幅部を制御するパルス制御信号のデューティー(RF増幅部のON区間とOFF区間の時間比率)を定め、RF増幅部の高周波電力の電力量の垂下を制御することを特徴とする、請求項1から3の何れかに記載の高周波電力供給装置。 - 前記前記反射波電力ピーク値垂下ループ系または前記アーク遮断系の少なくとも何れか一方の系は、前記反射波電力の検出値から急峻変動分を除去する急峻変動除去部を備え、
前記急峻変動除去部は、反射波電力の検出値から急峻な変動による急峻変動分を除去し、急峻変動によらない反射波電力のピーク値に相当する信号を帰還することを特徴とする、請求項1から3の何れかに記載の高周波電力供給装置。 - 前記急峻変動除去部は、反射波電力の検出値を一次遅れさせる一次遅れ回路であることを特徴とする、請求項5に記載の高周波電力供給装置。
- プラズマ負荷に高周波電力を供給する高周波電力供給において、
スイッチング動作によって直流電源の直流を高周波交流に変換し高周波電力を出力する高周波電源部と、
前記高周波電源部の高周波出力の検出値を帰還してフィードバック制御を行う帰還系とを備え、
前記帰還系は、
前記高周波電源部からプラズマ負荷に向かう進行波電力の検出値を帰還して進行波電力を制御する進行波電力制御ループ系と
前記プラズマ負荷から前記高周波電源部に向かう反射波電力の検出値を帰還して反射波電力を制御する複数の反射波電力制御ループ系とを備え、
前記反射波電力制御ループ系は、
反射波電力のピーク変動を制御する反射波電力ピーク値垂下ループ系およびアーク遮断系と、反射波電力の電力平滑量を制御する反射波電力量垂下ループ系とを備え、
前記反射波電力ピーク値垂下ループ系は、反射波電力のピーク値に基づいて前記高周波電源部の直流電源の直流電圧を制御し、当該直流電源の電圧制御によって反射波電力のピーク値を垂下制御し、
前記アーク遮断系は、反射波電力のピーク値に基づいて前記高周波電源部のRF増幅部の出力の有無を制御することによって、プラズマ負荷への電力供給の有無を制御してプラズマ負荷におけるアークの遮断を制御し、
前記反射波電力量垂下ループ系は、反射波電力の電力平滑量に基づいて前記高周波電源部のRF増幅部のON区間とOFF区間のデューティー(時間比率)を制御することによって、プラズマ負荷への電力供給量を制御して反射波電力の電力量を垂下制御することを特徴とする、反射波電力制御方法。 - 前記反射波電力ピーク値垂下ループ系は、
反射波のピーク値の垂下制御を行うか否かを定めるしきい値として反射波電力ピークリミット値を有し、
反射波電力の検出値と反射波電力ピークリミット値との差分を前記進行波電力制御ループ系に帰還し、前記高周波電源部が備えるDC/DCコンバータを駆動するPWM信号のパルス幅を制御して直流電源の直流電圧を制御することを特徴とする、請求項7に記載の反射波電力制御方法。 - 前記アーク遮断系は、
高周波電力を出力するか否かを定めるしきい値としてアークリミット値を有し、
反射波電力の検出値と前記アークリミット値との比較に基づいて前記高周波電源部が備えるRF増幅部を制御するRFゲート信号を制御し、RF増幅部の高周波電力を出力するか否かを制御することを特徴とする、請求項7又は8に記載の反射波電力制御方法。 - 前記反射波電力量垂下ループ系は、
前記反射波電力の検出値の平均値又は実効値を出力する電力平滑部と、高周波電力の電力量の垂下制御の有無および垂下量を定める反射波垂下リミット値として反射波電力平均リミット値又は反射波電力実効リミット値と備え、
前記電力平滑部の平均値の出力と前記反射波電力平均リミット値との比較、又は前記電力平滑部の実効値の出力と前記反射波電力実効リミット値との比較に基づいて、前記高周波電源部が備えるRF増幅部を制御するパルス制御信号のデューティー(RF増幅部のON区間とOFF区間の時間比率)を定め、RF増幅部の高周波電力の電力量の垂下を制御することを特徴とする、請求項7から9の何れかに記載の反射波電力制御方法。 - 前記前記反射波電力ピーク値垂下ループ系または前記アーク遮断系の少なくとも何れか一方の系は、前記反射波電力の検出値から急峻変動分を除去する急峻変動除去部を備え、
前記急峻変動除去部は、反射波電力の検出値から急峻な変動による急峻変動分を除去し、急峻変動によらない反射波電力のピーク値に相当する信号を帰還することを特徴とする、請求項7から9の何れかに記載の反射波電力制御方法。 - 前記急峻変動除去部は、反射波電力の検出値を一次遅れさせることによって、反射波電力の検出値から急峻な変動による急峻変動分を除去することを特徴とする、請求項11に記載の反射波電力制御方法。
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