JP2015139244A - High frequency power supply device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress heating generated in a switch of a DC/RF conversion part by preventing an increase in a loss generated in the switch, and to miniaturize a heat sink for radiating heat from the switch.SOLUTION: The high frequency power supply device includes: a DC/RF conversion part 5 for converting the DC output of a variable DC power supply part 4 into a high frequency output; and a control part 8 having an output control part 9 for controlling the variable DC power supply part 4 and a drive signal supply circuit 10 for supplying a drive signal to a switch configuring a switching circuit 5A of the DC/RF conversion part 5. The drive signal supply circuit 10 includes: an inter-control terminal voltage detection part 10C for detecting a voltage between the control terminals of each switch of the switching circuit 5A and an inter-control terminal voltage control part 10E for performing control to maintain a voltage to be detected by the inter-control terminal voltage detection part 10C at a target value. Thus, it is possible to prevent an increase in a conduction loss generated in each switch by performing control to maintain the inter-control terminal voltage of each switch of the switching circuit 5A at the target value.

Description

本発明は、プラズマ負荷等の負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置に関するものである。   The present invention relates to a high frequency power supply device that supplies high frequency power to a load such as a plasma load.

プラズマ負荷等の負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置として、特許文献1に示されているように、直流出力を調整する機能を有する可変DC電源部と、可変DC電源部から出力される直流出力をスイッチ素子のオンオフ動作により高周波交流出力に変換するDC/RF変換部(直流/高周波交流変換部)とを備えて、可変DC電源部を制御することにより、DC/RF変換部から設定値に保たれた高周波電力を出力するようにしたものが用いられている。   As a high-frequency power supply device that supplies high-frequency power to a load such as a plasma load, as shown in Patent Document 1, a variable DC power supply unit having a function of adjusting a direct current output and a direct current output from the variable DC power supply unit A DC / RF converter (direct current / high frequency alternating current converter) that converts the output into a high frequency alternating current output by an on / off operation of the switch element, and controls the variable DC power source to set the value from the DC / RF converter. What is used is to output high-frequency power that is maintained at the same level.

図19は、従来のこの種の高周波電源装置の構成を示したものである。同図において、1は高周波電源装置、2は高周波電源装置1から高周波電力が供給される負荷、3は高周波電源装置1と負荷2との間に設けられたインピーダンス整合器である。   FIG. 19 shows the configuration of a conventional high-frequency power supply device of this type. In the figure, 1 is a high frequency power supply device, 2 is a load to which high frequency power is supplied from the high frequency power supply device 1, and 3 is an impedance matching device provided between the high frequency power supply device 1 and the load 2.

図19に示された高周波電源装置1は、出力制御信号Sdcに応じて、出力する直流電力の大きさを調整する機能を有する可変DC電源部(可変直流電源部)4と、可変DC電源部4から出力される直流電力を高周波電力に変換するDC/RF変換部(直流/高周波変換部)5と、DC/RF変換部5の出力から高調波成分を除去するローパスフィルタ6と、ローパスフィルタ6の出力端と高周波電源装置の出力端子1aとの間に挿入されたパワー検出部7と、可変DC電源部4及びDC/RF変換部5を制御する制御部8′とを備えている。パワー検出部7は、高周波電源装置1から出力される高周波電力の進行波成分と、インピーダンスの不整合時にインピーダンス整合器3の入力部で反射して戻ってくる高周波電力の反射波成分とをそれぞれ検出して進行波電力検出信号Pfと反射波電力検出信号Prとを出力する。   The high frequency power supply device 1 shown in FIG. 19 includes a variable DC power supply unit (variable DC power supply unit) 4 having a function of adjusting the magnitude of DC power to be output according to the output control signal Sdc, and a variable DC power supply unit. DC / RF converter (DC / RF converter) 5 that converts DC power output from 4 to RF power, a low-pass filter 6 that removes harmonic components from the output of DC / RF converter 5, and a low-pass filter 6 includes a power detection unit 7 inserted between the output terminal 6 and the output terminal 1a of the high-frequency power supply device, and a control unit 8 'for controlling the variable DC power supply unit 4 and the DC / RF conversion unit 5. The power detection unit 7 includes a traveling wave component of the high frequency power output from the high frequency power supply device 1 and a reflected wave component of the high frequency power reflected and returned from the input unit of the impedance matching unit 3 when impedance mismatching occurs. Detection is performed and a traveling wave power detection signal Pf and a reflected wave power detection signal Pr are output.

DC/RF変換部5は、例えば、図20に示したように、互いに直列に接続されたハイサイドスイッチQ1とローサイドスイッチQ2とからなるレグ5aを少なくとも一つ有して、該少なくとも一つのレグを可変DC電源部4の出力端子間に並列に接続した構成を有するスイッチング回路5Aと、インダクタLrとキャパシタCrとの直列回路からなっていて、可変DC電源部の出力電圧Vdcがスイッチング回路5Aを通して印加される直列共振回路5Bとを備えたD級アンプにより構成される。図20に示した例では、可変DC電源部4の出力がスイッチング回路5Aと直列共振回路5Bとを通してトランス5Cの一次コイルWpに印加され、このトランスの二次コイルWsの出力がローパスフィルタ6に入力されている。なおトランス5Cは省略される場合もある。   For example, as shown in FIG. 20, the DC / RF converter 5 has at least one leg 5a composed of a high-side switch Q1 and a low-side switch Q2 connected in series with each other, and the at least one leg Is composed of a series circuit of an inductor Lr and a capacitor Cr, and the output voltage Vdc of the variable DC power supply section passes through the switching circuit 5A. It is comprised by the class D amplifier provided with the applied series resonance circuit 5B. In the example shown in FIG. 20, the output of the variable DC power supply unit 4 is applied to the primary coil Wp of the transformer 5C through the switching circuit 5A and the series resonance circuit 5B, and the output of the secondary coil Ws of this transformer is applied to the low-pass filter 6. Have been entered. Note that the transformer 5C may be omitted.

図20に示したDC/RF変換部においては、スイッチング回路5Aを構成するスイッチQ1及びQ2がそれぞれMOSFET FET1及びFET2からなっていて、FET1のソースがFET2のドレインに接続されることによりスイッチQ1とQ2とが直列に接続されている。スイッチQ1とQ2の直列回路の両端(可変DC電源部の出力端子間)にはキャパシタCsが接続されている。スイッチQ1及びQ2の制御端子間(図示の例ではFET1及びFET2のゲート・ソース間)にはそれぞれ、制御部8′内に設けられた駆動信号供給回路10′から電圧波形が正弦波状又は矩形波状を呈する駆動信号S1及びS2が交互に与えられる。   In the DC / RF converter shown in FIG. 20, the switches Q1 and Q2 constituting the switching circuit 5A are MOSFET FET1 and FET2, respectively, and the source of FET1 is connected to the drain of FET2, thereby Q2 is connected in series. A capacitor Cs is connected to both ends of the series circuit of the switches Q1 and Q2 (between the output terminals of the variable DC power supply unit). Between the control terminals of the switches Q1 and Q2 (between the gate and source of the FET1 and FET2 in the illustrated example), the voltage waveform from the drive signal supply circuit 10 'provided in the control unit 8' is sine wave or rectangular wave, respectively. The drive signals S1 and S2 exhibiting are given alternately.

図20に示されたDC/RF変換部5においては、スイッチQ1,Q2のスイッチング周波数に対して、直列共振回路5Bの共振周波数とQ(quality factor)とを適当に選ぶことにより、直列共振回路5Bとトランス5Cの1次コイルWpとに正弦波形の交流電流を流して、可変DC電源部4の出力を高周波交流電力に変換する。   In the DC / RF converter 5 shown in FIG. 20, the series resonant circuit is selected by appropriately selecting the resonant frequency and Q (quality factor) of the series resonant circuit 5B with respect to the switching frequency of the switches Q1 and Q2. A sinusoidal AC current is passed through 5B and the primary coil Wp of the transformer 5C to convert the output of the variable DC power supply unit 4 into high-frequency AC power.

図19に示された制御部8′は、パワー検出部7から出力される進行波成分検出信号Pfに応じて可変DC電源部4に所定の出力制御信号Sdcを与えることにより、パワー検出部7により検出される高周波電力の進行波成分(負荷に供給される電力)を設定値に保つ出力制御と、パワー検出部7で検出された反射波成分が設定された規定値を超えたときに、該反射波成分を規定値以下に抑えるように可変DC電源部4の出力を抑制する反射保護制御とを行う。制御部8′はまた、DC/RF変換部5のスイッチング回路のスイッチをオンオフさせることにより、可変DC電源部4の直流出力を所定の周波数を有する高周波電力に変換する変換動作をDC/RF変換部5に行わせる。   The control unit 8 ′ shown in FIG. 19 gives a predetermined output control signal Sdc to the variable DC power supply unit 4 in accordance with the traveling wave component detection signal Pf output from the power detection unit 7, whereby the power detection unit 7 Output control to keep the traveling wave component (power supplied to the load) of the high frequency power detected by the set value, and when the reflected wave component detected by the power detection unit 7 exceeds the set specified value, Reflection protection control is performed to suppress the output of the variable DC power supply unit 4 so as to suppress the reflected wave component below a specified value. The control unit 8 ′ also performs a DC / RF conversion operation for converting the DC output of the variable DC power supply unit 4 into high-frequency power having a predetermined frequency by turning on and off the switch of the switching circuit of the DC / RF conversion unit 5. Let Part 5 do it.

図20に示した例では、ハイサイドスイッチQ1とローサイドスイッチQ2の直列回路からなるレグ5aを一つ備えたハーフブリッジ型のスイッチング回路5Aと、直列共振回路5Bとを備えたD級アンプによりDC/RF変換部5が構成されているが、D級アンプのレグのハイサイドスイッチをチョークコイルで置き換えて、ローサイドスイッチのみによってスイッチング回路を構成するとともに、DC電源部の出力をチョークコイルを通して直列共振回路に印加するようにしたE級アンプによりDC/RF変換部が構成される場合もある。   In the example shown in FIG. 20, a class D amplifier including a half-bridge type switching circuit 5A including one leg 5a including a series circuit of a high-side switch Q1 and a low-side switch Q2 and a series resonance circuit 5B is used to generate DC. / RF conversion unit 5 is configured, but the high-side switch of the leg of the class D amplifier is replaced with a choke coil, and a switching circuit is configured only by the low-side switch, and the output of the DC power supply unit is series-resonated through the choke coil. In some cases, the DC / RF converter is configured by a class E amplifier applied to the circuit.

一般に、高周波電源装置1と負荷2との間に設けられているインピーダンス整合器3は、インピーダンス可変素子である可変コンデンサ又は可変インダクタをモータで制御して、インピーダンス整合器の入力端から負荷側を見たインピーダンスを調整することにより整合動作を行うように構成されているため、瞬時にインピーダンスの整合を図ることはできず、インピーダンスの整合には通常100msecないし数secの時間を要する。インピーダンスの整合がとれるまでの間はインピーダンス整合器3の入力部で反射が生じるため、インピーダンス整合器3からDC/RF変換部5に戻ってくる反射波電力が多くなって、DC/RF変換部5のスイッチング回路を構成するスイッチに流れる電流が増加し、該スイッチで生じる導通損失が増加する。   In general, the impedance matching unit 3 provided between the high-frequency power supply device 1 and the load 2 controls a variable capacitor or variable inductor, which is an impedance variable element, with a motor so that the load side from the input end of the impedance matching unit is controlled. Since the matching operation is performed by adjusting the observed impedance, impedance matching cannot be achieved instantaneously, and impedance matching usually requires a time of 100 msec to several seconds. Since reflection occurs at the input unit of the impedance matching unit 3 until impedance matching is achieved, the reflected wave power returning from the impedance matching unit 3 to the DC / RF conversion unit 5 increases, and the DC / RF conversion unit Current flowing in the switch constituting the switching circuit 5 increases, and conduction loss caused by the switch increases.

高周波電力を供給する負荷2がプラズマ負荷である場合には、負荷のインピーダンスが不安定で、印加電力、チャンバ内のガスの圧力、チャンバ内に供給されるガスの流量、処理時間などの条件により負荷インピーダンスが細かく変化するため、インピーダンスの不整合状態が頻繁に生じ、DC/RF変換部5のスイッチング回路を構成するスイッチで多くの損失が生じる。特にDC/RF変換部から負荷側を見たインピーダンスが短絡に近い低インピーダンスの状態になって、全反射が生じる状態に近い状態になった場合には、スイッチング回路のスイッチに大電流が流れるため、スイッチのオン抵抗により大きな導通損失が生じる。   When the load 2 for supplying high-frequency power is a plasma load, the impedance of the load is unstable, and depends on conditions such as applied power, pressure of gas in the chamber, flow rate of gas supplied into the chamber, and processing time. Since the load impedance changes finely, impedance mismatching occurs frequently, and a lot of loss occurs in the switches constituting the switching circuit of the DC / RF converter 5. In particular, when the impedance seen from the DC / RF converter is close to a state where the impedance is close to a short circuit and close to a state where total reflection occurs, a large current flows through the switch of the switching circuit. A large conduction loss occurs due to the on-resistance of the switch.

特開2003−143861号公報JP 2003-143861 A

上記のように、可変DC電源部4から得られる直流電力を、D級アンプやE級アンプなどのスイッチングアンプからなるDC/RF変換部5Aにより高周波電力に変換するようにした高周波電源装置においては、反射電力が増大した際や、負荷電流が増大した際に、スイッチングアンプを構成するスイッチング回路の各スイッチで多くの損失が生じる。   As described above, in the high-frequency power supply apparatus in which the DC power obtained from the variable DC power supply unit 4 is converted into high-frequency power by the DC / RF conversion unit 5A including a switching amplifier such as a class D amplifier or a class E amplifier. When the reflected power increases or when the load current increases, a lot of loss occurs in each switch of the switching circuit constituting the switching amplifier.

従って従来の高周波電源装置においては、DC/RF変換部の各スイッチが過度の温度上昇により破損するのを防ぐために、各スイッチに対して大型のヒートシンクを設けることが必要になり、装置が大形化するという問題があった。またDC/RF変換部のスイッチで多くの損失が生じると、装置の効率が低下するため、DC/RF変換部の各スイッチで生じる損失は可能な限り少なくしておくことが望ましい。   Therefore, in the conventional high frequency power supply device, it is necessary to provide a large heat sink for each switch in order to prevent each switch of the DC / RF converter from being damaged due to an excessive temperature rise. There was a problem of becoming. Further, when a large loss occurs in the switch of the DC / RF conversion unit, the efficiency of the apparatus is lowered. Therefore, it is desirable to reduce the loss generated in each switch of the DC / RF conversion unit as much as possible.

本発明の目的は、可変DC電源部の出力を高周波電力に変換するDC/RF変換部に設けられるスイッチング回路の各スイッチで過度の導通損失が生じるのを防いで、スイッチング回路に対して設けるヒートシンクの小型化を図ることができるようにした高周波電源装置を提供することにある。   An object of the present invention is to prevent an excessive conduction loss from occurring in each switch of a switching circuit provided in a DC / RF conversion unit that converts an output of a variable DC power supply unit into high-frequency power, and to provide a heat sink provided for the switching circuit. An object of the present invention is to provide a high-frequency power supply device that can be miniaturized.

本発明は、直流出力の制御が可能な可変DC電源部と、半導体増幅素子からなるスイッチを備えたスイッチング回路を有して、該スイッチング回路のスイッチング動作により可変DC電源部の直流出力を高周波出力に変換するDC/RF変換部と、DC/RF変換部の出力周波数に等しい周波数を有する正弦波状又は矩形波状の電圧信号を発生する信号発生器を備えて可変DC電源部の出力を高周波出力に変換するためのスイッチング動作をスイッチング回路に行わせるべく信号発生器の出力信号と同期させてスイッチング回路のスイッチの制御端子間に駆動信号を与える駆動信号供給回路とを備えた高周波電源装置を対象とする。本願においては、上記の目的を達成するために、少なくとも、以下に示す第1ないし第11の発明が開示される。   The present invention has a variable DC power supply unit capable of controlling a DC output and a switching circuit having a switch composed of a semiconductor amplifying element, and the DC output of the variable DC power supply unit is output at high frequency by the switching operation of the switching circuit. A DC / RF converter that converts the signal into a DC / RF and a signal generator that generates a sine wave or rectangular wave voltage signal having a frequency equal to the output frequency of the DC / RF converter. A high-frequency power supply device including a drive signal supply circuit that provides a drive signal between control terminals of a switch of a switching circuit in synchronization with an output signal of a signal generator so as to cause the switching circuit to perform a switching operation for conversion To do. In the present application, in order to achieve the above object, at least the following first to eleventh inventions are disclosed.

第1の発明においては、上記駆動信号供給回路に、スイッチング回路の各スイッチの制御端子間の電圧を直接又は間接的に検出して、前記各スイッチの制御端子間の電圧の情報を含む検出信号電圧を出力する制御端子間電圧検出部と、制御端子間電圧検出部が出力する検出信号から検出される各スイッチの制御端子間の電圧を設定された目標値に保つように制御する制御端子間電圧制御部とが設けられる。   In the first invention, the drive signal supply circuit detects the voltage between the control terminals of each switch of the switching circuit directly or indirectly, and the detection signal includes information on the voltage between the control terminals of each switch. Between the control terminals that output the voltage, and between the control terminals that control the voltage between the control terminals of each switch detected from the detection signal output from the control terminal voltage detector to maintain the set target value And a voltage controller.

上記のように駆動信号供給回路を構成しておくと、可変DC電源部の出力電圧の如何に関わりなく、スイッチング回路を構成する各スイッチの制御端子間の電圧を設定された目標値に保つことができる。制御端子間の電圧を一定に保っても、スイッチを通して流れる電流(スイッチがMOSFETからなる場合にはドレイン電流)が変化すればスイッチのオン抵抗は変化するが、スイッチを通して流れる電流の変動範囲を考慮して、制御端子間の電圧を適正な値に保つようにしておけば、各スイッチのオン抵抗を、各スイッチで過度の導通損失が生じるのを防ぐために適した範囲の値に保つことができ、可変DC電源部からDC/RF変換部に印加する電圧の値を変化させた際に、各スイッチのオン抵抗が適正な範囲から外れて各スイッチで過度の導通損失が生じるのを防ぐことができる。従って、本発明によれば、各スイッチで生じる発熱を抑制して、各スイッチを冷却するために設けるヒートシンクの小形化を図ることができる。   If the drive signal supply circuit is configured as described above, the voltage between the control terminals of each switch constituting the switching circuit is maintained at a set target value regardless of the output voltage of the variable DC power supply unit. Can do. Even if the voltage between the control terminals is kept constant, the on-resistance of the switch will change if the current flowing through the switch (or the drain current if the switch is a MOSFET) changes, but the fluctuation range of the current flowing through the switch is taken into account. If the voltage between the control terminals is kept at an appropriate value, the on-resistance of each switch can be kept within a suitable range to prevent excessive conduction loss at each switch. When the value of the voltage applied from the variable DC power supply unit to the DC / RF conversion unit is changed, it is possible to prevent the on-resistance of each switch from being out of the proper range and causing excessive conduction loss in each switch. it can. Therefore, according to the present invention, the heat generated in each switch can be suppressed, and the heat sink provided for cooling each switch can be reduced in size.

本願に開示された第2の発明は、上記第1の発明に適用されるもので、本発明においては、上記スイッチング回路が、互いに直列に接続されたハイサイドスイッチとローサイドスイッチにより構成されて可変DC電源部の出力端子間に接続されたレグを少なくとも一つ備えている。この場合、駆動信号供給回路は、ハイサイドスイッチの制御端子間及びローサイドスイッチの制御端子間にそれぞれ接続されたハイサイドスイッチ用二次コイル及びローサイドスイッチ用二次コイルを有するトランスと、前記各スイッチの制御端子間の電圧の目標値を与える基準電圧を発生する基準電圧発生部とを更に備えている。この場合、制御端子間電圧制御部は、制御端子間電圧検出部が出力する検出信号電圧と基準電圧との偏差を演算する誤差増幅部と、信号発生器の出力電圧と誤差増幅部の出力電圧との乗算値の情報を含む乗算出力電圧をトランスの一次側に入力する乗算器とを備えた構成とされる。   The second invention disclosed in the present application is applied to the first invention. In the present invention, the switching circuit is composed of a high-side switch and a low-side switch connected in series to each other and is variable. At least one leg connected between the output terminals of the DC power supply unit is provided. In this case, the drive signal supply circuit includes a transformer having a high-side switch secondary coil and a low-side switch secondary coil connected between the control terminals of the high-side switch and between the control terminals of the low-side switch, and the switches And a reference voltage generator for generating a reference voltage that gives a target value of the voltage between the control terminals. In this case, the voltage control unit between the control terminals includes an error amplification unit that calculates a deviation between the detection signal voltage output from the control terminal voltage detection unit and the reference voltage, an output voltage of the signal generator, and an output voltage of the error amplification unit. And a multiplier for inputting a multiplication output voltage including information of a multiplication value to the primary side of the transformer.

信号発生器の出力電圧と誤差増幅部の出力電圧との乗算は、乗算用ICやダブル・バランスド・ミキサなどの乗算素子により行うことができる。これらの乗算素子の出力電圧がトランスからスイッチを駆動するために必要なレベルの駆動信号を発生させるために十分なレベルを有している場合には、該乗算素子のみにより乗算器を構成して、乗算素子の出力電圧を乗算出力電圧としてトランスに入力するように構成することができる。これに対し、乗算素子がスイッチを駆動するために必要なレベルの電圧を発生することができない場合には、該乗算素子の出力をドライバアンプにより増幅してトランスに入力する必要がある。この場合、乗算器は、乗算素子と該乗算素子の出力電圧を増幅して乗算出力電圧を出力するドライバアンプとにより構成される。即ち、上記乗算器は、乗算素子のみにより構成される場合もあり、乗算素子とその出力を増幅するドライバアンプとにより構成される場合もある。以下に示す他の発明で用いる乗算器についても同様である。   The multiplication of the output voltage of the signal generator and the output voltage of the error amplifier can be performed by a multiplication element such as a multiplication IC or a double balanced mixer. When the output voltage of these multiplication elements has a level sufficient to generate a drive signal of a level necessary for driving the switch from the transformer, a multiplier is constituted only by the multiplication element. The output voltage of the multiplication element can be input to the transformer as the multiplication output voltage. On the other hand, when the multiplication element cannot generate a voltage of a level necessary for driving the switch, the output of the multiplication element needs to be amplified by a driver amplifier and input to the transformer. In this case, the multiplier includes a multiplication element and a driver amplifier that amplifies the output voltage of the multiplication element and outputs a multiplication output voltage. That is, the multiplier may be composed of only a multiplication element, or may be composed of a multiplication element and a driver amplifier that amplifies its output. The same applies to the multipliers used in other inventions described below.

本願に開示された第3の発明も上記第1の発明に適用されるもので、本発明においても、スイッチング回路が、互いに直列に接続されたハイサイドスイッチとローサイドスイッチにより構成されて可変DC電源部の出力端子間に接続されたレグを少なくとも一つ備えており、駆動信号供給回路は、ハイサイドスイッチの制御端子間及びローサイドスイッチの制御端子間にそれぞれ接続されたハイサイドスイッチ用二次コイル及びローサイドスイッチ用二次コイルを有するトランスと、各スイッチの制御端子間の電圧の目標値を与える基準電圧を発生する基準電圧発生部とを備えている。これらの構成は第2の発明と同様であるが、本発明においては、制御端子間電圧制御部が、基準電圧を制御端子間電圧検出部が出力する検出信号電圧で除する演算を行う除算器と、信号発生器の出力電圧と除算器の出力電圧との乗算値の情報を含む乗算出力電圧をトランスの一次側に入力する乗算器とを備えている。   The third invention disclosed in the present application is also applied to the first invention. In the present invention as well, the switching circuit is composed of a high-side switch and a low-side switch connected in series to each other, and a variable DC power source is provided. At least one leg connected between the output terminals, and the drive signal supply circuit includes a secondary coil for the high side switch connected between the control terminals of the high side switch and between the control terminals of the low side switch. And a transformer having a secondary coil for the low-side switch, and a reference voltage generator for generating a reference voltage that gives a target value of the voltage between the control terminals of each switch. These configurations are the same as in the second invention, but in the present invention, the voltage control unit between the control terminals performs a calculation to divide the reference voltage by the detection signal voltage output from the voltage detection unit between the control terminals. And a multiplier for inputting a multiplication output voltage including information on a multiplication value of the output voltage of the signal generator and the output voltage of the divider to the primary side of the transformer.

本願に開示された第4の発明は、第2の発明又は第3の発明に適用されるもので、本発明においては、制御端子間電圧検出部が、トランスの一次コイルの両端の電圧から各スイッチの制御端子間の電圧の情報を得るように構成されている。   The fourth invention disclosed in the present application is applied to the second invention or the third invention. In the present invention, the voltage detection unit between the control terminals is configured to detect each voltage from the voltage across the primary coil of the transformer. The voltage information between the control terminals of the switch is obtained.

本願に開示された第5の発明は、第2の発明又は第3の発明に適用されるもので、本発明においては、制御端子間電圧検出部が、トランスの二次コイルの両端の電圧から各スイッチの制御端子間の電圧の情報を得るように構成されている。   The fifth invention disclosed in the present application is applied to the second invention or the third invention. In the present invention, the voltage detection part between the control terminals is based on the voltage across the secondary coil of the transformer. The voltage information between the control terminals of each switch is obtained.

本願に開示された第6の発明は、第1ないし第5の発明の何れかに適用されるもので、本発明においては、スイッチング回路が、互いに直列に接続されたハイサイドスイッチとローサイドスイッチにより構成されて可変DC電源部の出力端子間に接続されたレグを1つだけ備えたハーフブリッジ型のスイッチング回路からなっている。   The sixth invention disclosed in the present application is applied to any one of the first to fifth inventions. In the present invention, the switching circuit includes a high-side switch and a low-side switch connected in series to each other. It consists of a half-bridge type switching circuit having only one leg configured and connected between the output terminals of the variable DC power supply unit.

本願に開示された第7の発明は、第1ないし第5の発明の何れかに適用されるもので、本発明においては、スイッチング回路が、互いに直列に接続されたハイサイドスイッチとローサイドスイッチにより構成されて可変DC電源部の出力端子間に接続されたレグを2つ備えて、該2つのレグを並列に接続した構成を有するフルブリッジ型のスイッチング回路からなっている。   The seventh invention disclosed in the present application is applied to any one of the first to fifth inventions. In the present invention, the switching circuit includes a high-side switch and a low-side switch connected in series to each other. It is composed of a full-bridge type switching circuit that includes two legs that are configured and connected between output terminals of the variable DC power supply unit, and that has a configuration in which the two legs are connected in parallel.

本願に開示された第8の発明は、第1の発明に適用されるもので、本発明においては、スイッチング回路が、チョークコイルを通して可変DC電源部の出力端子間に接続された単一のスイッチにより構成され、駆動信号供給回路は、スイッチの制御端子間の電圧の目標値を与える基準電圧を発生する基準電圧発生部を備えている。また制御端子間電圧制御部は、制御端子間電圧検出部が出力する検出信号電圧と基準電圧との偏差を演算する誤差増幅部と、信号発生器の出力電圧と前記誤差増幅部の出力電圧との乗算値の情報を含む乗算出力電圧を出力する乗算器とを備え、乗算出力電圧が直接又はトランスを通してスイッチング回路のスイッチの制御端子間に駆動信号として入力されている。   An eighth invention disclosed in the present application is applied to the first invention. In the present invention, a single switch in which a switching circuit is connected between output terminals of a variable DC power supply unit through a choke coil. The drive signal supply circuit includes a reference voltage generation unit that generates a reference voltage that provides a target value of the voltage between the control terminals of the switch. The control terminal voltage control unit includes an error amplifying unit that calculates a deviation between the detection signal voltage output from the control terminal voltage detecting unit and the reference voltage, an output voltage of the signal generator, and an output voltage of the error amplifying unit. And a multiplier that outputs a multiplication output voltage including information on the multiplication value of the multiplication circuit, and the multiplication output voltage is input as a drive signal between the control terminals of the switch of the switching circuit directly or through a transformer.

本願に開示された第9の発明は、第1の発明に適用されるもので、本発明においては、スイッチング回路が、チョークコイルを通して可変DC電源部の出力端子間に接続された単一のスイッチにより構成され、駆動信号供給回路は、スイッチの制御端子間の電圧の目標値を与える基準電圧を発生する基準電圧発生部を備えている。また制御端子間電圧制御部は、基準電圧を制御端子間電圧検出部が出力する検出信号電圧で除する演算を行う除算器と、信号発生器の出力電圧と除算器の出力電圧との乗算値の情報を含む乗算出力電圧を出力する乗算器とを備え、乗算出力電圧が直接又はトランスを通してスイッチング回路のスイッチの制御端子間に駆動信号として入力されている。   A ninth invention disclosed in the present application is applied to the first invention. In the present invention, a single switch in which a switching circuit is connected between output terminals of a variable DC power supply unit through a choke coil. The drive signal supply circuit includes a reference voltage generation unit that generates a reference voltage that provides a target value of the voltage between the control terminals of the switch. In addition, the control terminal voltage control unit is a divider that performs an operation to divide the reference voltage by the detection signal voltage output from the control terminal voltage detection unit, and a multiplication value of the output voltage of the signal generator and the output voltage of the divider. And a multiplier that outputs a multiplication output voltage including the above information, and the multiplication output voltage is input as a drive signal directly or through a transformer between the control terminals of the switches of the switching circuit.

本願に開示された第10の発明は、第1の発明ないし第9の発明の何れかに適用されるもので、本発明においては、スイッチの制御端子間の電圧の目標値が、スイッチング回路を構成するスイッチで生じる導通損失を設定した制限値以下に抑えるために適した値に設定されている。   The tenth invention disclosed in the present application is applied to any of the first to ninth inventions. In the present invention, the target value of the voltage between the control terminals of the switch is the switching circuit. It is set to a value suitable for suppressing the conduction loss caused by the switch to be configured below the set limit value.

本願に開示された第11の発明は、第10の発明に適用されるもので、本発明においては、スイッチング回路のスイッチを通して流れる電流の情報を含むパラメータに対して制御端子間の電圧の目標値を演算する目標値演算部が設けられている。この場合基準電圧発生部は、上記目標値演算部で演算された目標値を与える基準電圧を発生するように構成される。   The eleventh invention disclosed in the present application is applied to the tenth invention. In the present invention, the target value of the voltage between the control terminals with respect to the parameter including information on the current flowing through the switch of the switching circuit. A target value calculation unit is provided for calculating. In this case, the reference voltage generator is configured to generate a reference voltage that gives the target value calculated by the target value calculator.

上記のように、スイッチング回路のスイッチを通して流れる電流の情報を含むパラメータに対してスイッチの制御端子間の電圧の目標値を演算する目標値演算部を設けておくと、スイッチング回路の各スイッチを流れる電流に応じて各スイッチの制御端子間の電圧の目標値を決めることができるため、負荷の状態の如何に関わりなく、各スイッチで生じる導通損失の低減を効果的に図ることができる。   As described above, if a target value calculation unit for calculating a target value of the voltage between the control terminals of the switch is provided for the parameter including information on the current flowing through the switch of the switching circuit, the current flows through each switch of the switching circuit. Since the target value of the voltage between the control terminals of each switch can be determined according to the current, the conduction loss generated in each switch can be effectively reduced regardless of the state of the load.

スイッチング回路のスイッチを通して流れる電流の情報を含むパラメータとしては、スイッチング回路から出力される電流の検出値そのものを用いてもよく、スイッチング回路から負荷側を見た回路のインピーダンスなどを用いてもよい。   As a parameter including information on the current flowing through the switch of the switching circuit, a detected value of the current output from the switching circuit may be used, or an impedance of a circuit viewed from the switching circuit may be used.

本発明によれば、DC/RF変換部に設けるスイッチング回路を構成する各スイッチに駆動信号を供給する駆動信号供給回路に、スイッチング回路の各スイッチの制御端子間の電圧を直接又は間接的に検出して、各スイッチの制御端子間の電圧の情報を含む検出信号電圧を出力する制御端子間電圧検出部と、制御端子間電圧検出部が出力する検出信号から検出される各スイッチの制御端子間の電圧を設定された目標値に保つように制御する制御端子間電圧制御部とを設けて、可変DC電源部の出力電圧の如何に関わりなく、スイッチング回路を構成する各スイッチの制御端子間の電圧を設定された目標値に保って、各スイッチのオン抵抗を、各スイッチで過度の導通損失が生じるのを防ぐために適した範囲の値に保つことができるようにしたので、可変DC電源部からDC/RF変換部に印加される電圧の変化に伴って各スイッチで過度な導通損失が生じるのを防ぐことができる。従って、本発明によれば、各スイッチで生じる発熱を抑制することができ、各スイッチを冷却するために設けるヒートシンクの小形化を図ることができる。またスイッチング回路で生じる損失の低減を図ることができるため、装置の効率の改善を図ることができる。   According to the present invention, the voltage between the control terminals of each switch of the switching circuit is detected directly or indirectly in the drive signal supply circuit that supplies the drive signal to each switch constituting the switching circuit provided in the DC / RF converter. Between the control terminals of each switch detected from the detection signal output from the control signal output by the voltage detection unit between the control terminals and the voltage detection unit between the control terminals that outputs the detection signal voltage including information on the voltage between the control terminals of each switch Between the control terminals of each switch constituting the switching circuit, regardless of the output voltage of the variable DC power supply unit. By keeping the voltage at a set target value, the on-resistance of each switch can be kept within a suitable range to prevent excessive conduction loss in each switch. In, it is possible to prevent with a change of the voltage applied from the variable DC power supply unit to the DC / RF conversion section excessive conduction loss in the switch occurs. Therefore, according to the present invention, heat generated by each switch can be suppressed, and the heat sink provided for cooling each switch can be reduced in size. Further, since loss generated in the switching circuit can be reduced, the efficiency of the device can be improved.

また本発明において、スイッチング回路のスイッチを通して流れる電流の情報を含むパラメータに対して制御端子間の電圧の目標値を演算する目標値演算部を設けて、スイッチング回路の各スイッチを流れる電流に応じて各スイッチの制御端子間の電圧の目標値を決めるようにした場合には、負荷の状態の如何に関わりなく、DC/RF変換部のスイッチング回路の各スイッチの制御端子間の電圧を適正値に保持して、各スイッチで生じる導通損失の低減を効果的に図ることができる。   Further, in the present invention, a target value calculation unit for calculating a target value of the voltage between the control terminals is provided for a parameter including information on the current flowing through the switch of the switching circuit, and according to the current flowing through each switch of the switching circuit. When the target value of the voltage between the control terminals of each switch is determined, the voltage between the control terminals of each switch of the switching circuit of the DC / RF converter is set to an appropriate value regardless of the state of the load. Thus, it is possible to effectively reduce the conduction loss caused by each switch.

本発明の一実施形態の構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structure of one Embodiment of this invention. 図1に示した実施形態の各部を具体化した本発明の実施例を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed the Example of this invention which actualized each part of embodiment shown in FIG. 図2に示した実施例で用いる制御端子間電圧制御部内に構成されているフィードバック制御系の構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structure of the feedback control system comprised in the voltage control part between control terminals used in the Example shown in FIG. (A)乃至(E)は、図2の回路を用いて行ったシミュレーションで観察された各部の電圧波形を示した波形図である。(A) thru | or (E) are the waveform diagrams which showed the voltage waveform of each part observed by the simulation performed using the circuit of FIG. 図2に示した実施例の変形例を示した回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram showing a modification of the embodiment shown in FIG. 2. 図1の実施形態の各部を具体的にした本発明の他の実施例を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed the other Example of this invention which actualized each part of embodiment of FIG. (A)乃至(E)は、図6の実施例について、駆動信号の波形を正弦波として行ったシミュレーションで観察された各部の電圧波形を示した波形図である。(A) thru | or (E) are the waveform diagrams which showed the voltage waveform of each part observed by the simulation which performed the waveform of the drive signal as a sine wave about the Example of FIG. (A)乃至(E)は、図6の実施例において、駆動信号の波形を矩形波として行ったシミュレーションで観察された各部の電圧波形を示した波形図である。(A) thru | or (E) is the wave form diagram which showed the voltage waveform of each part observed by the simulation which performed the waveform of the drive signal as a rectangular wave in the Example of FIG. 図6に示した実施例の変形例を示した回路図である。FIG. 7 is a circuit diagram showing a modification of the embodiment shown in FIG. 6. フルブリッジ型のスイッチング回路を用いたD級アンプによりDC/RF変換部を構成した例を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed the example which comprised the DC / RF conversion part by D class amplifier using a full bridge type switching circuit. 図1に示した実施形態において、DC/RF変換部をE級アンプにより構成する場合の実施例を示した回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram illustrating an example in which the DC / RF conversion unit is configured by a class E amplifier in the embodiment illustrated in FIG. 1. 本発明の他の実施形態の構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structure of other embodiment of this invention. 本発明の更に他の実施形態の構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structure of other embodiment of this invention. 従来の高周波電源装置の構成例を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed the structural example of the conventional high frequency power supply device. MOSFETの入力容量、帰還容量及び出力容量とドレインソース間電圧との関係の一例を示したグラフである。It is the graph which showed an example of the relationship between the input capacity | capacitance of MOSFET, feedback capacity | capacitance, output capacity | capacitance, and the drain-source voltage. (A)乃至(E)は、図14の回路を用いて行ったシミュレーションで観察された各部の電圧波形を示した波形図である。(A) thru | or (E) are the waveform diagrams which showed the voltage waveform of each part observed by the simulation performed using the circuit of FIG. 図14に示した回路において、DC/RF変換部に入力する直流電圧を一定として、負荷抵抗RLを変化させた場合にもゲート電圧波形が変化することを説明するための波形図である。FIG. 15 is a waveform diagram for explaining that the gate voltage waveform changes even when the load resistance RL is changed while the DC voltage input to the DC / RF conversion unit is constant in the circuit shown in FIG. 14. MOSFETのドレイン電流とドレイン・ソース間抵抗(オン抵抗)との間の関係の一例をゲート・ソース間電圧をパラメータとして示したグラフである。It is the graph which showed an example of the relationship between the drain current of MOSFET, and drain-source resistance (ON resistance) by using the gate-source voltage as a parameter. 従来の高周波電源装置の構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structure of the conventional high frequency power supply device. 従来の高周波電源装置で用いられていたDC/RF変換部の構成例を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed the structural example of the DC / RF conversion part used with the conventional high frequency power supply device.

以下図面を参照して本発明の好ましい実施形態につき詳細に説明する。
図1は本発明に係る高周波電源装置の一実施形態の構成を示したもので、同図において1は高周波電源装置、2は高周波電源装置1から高周波電力が供給される負荷、3は高周波電源装置1と負荷2との間に設けられたインピーダンス整合器である。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 shows the configuration of an embodiment of a high frequency power supply device according to the present invention. In FIG. 1, 1 is a high frequency power supply device, 2 is a load to which high frequency power is supplied from the high frequency power supply device 1, and 3 is a high frequency power supply. An impedance matching unit provided between the device 1 and the load 2.

本実施形態では、負荷2がプラズマ負荷であるとする。プラズマ負荷は、高周波電源装置1から与えられる高周波電力によりプラズマを発生する負荷で、半導体等の被処理物にプラズマを照射することによりエッチング等の処理を行うプラズマ処理装置等である。プラズマ負荷は通常チャンバ内にプラズマ発生用の電極を備えていて、該電極に高周波電力が与えられた際にプラズマを発生する。プラズマ負荷のインピーダンスは、電極間に与えられる電力の大きさ、チャンバ内のガスの圧力、チャンバ内に供給されるガスの流量、プラズマを発生させる時間などの種々の条件により細かく変化する。   In the present embodiment, it is assumed that the load 2 is a plasma load. The plasma load is a load that generates plasma by high-frequency power supplied from the high-frequency power supply device 1 and is a plasma processing apparatus that performs processing such as etching by irradiating plasma on an object to be processed such as a semiconductor. The plasma load normally includes an electrode for generating plasma in the chamber, and generates plasma when high-frequency power is applied to the electrode. The impedance of the plasma load varies finely according to various conditions such as the magnitude of electric power applied between the electrodes, the pressure of the gas in the chamber, the flow rate of the gas supplied into the chamber, and the time for generating the plasma.

インピーダンス整合器3は、インピーダンス可変素子である可変コンデンサ又は可変インダクタと、モータを駆動源としてインピーダンス可変素子を操作する操作機構とを備えていて、負荷2で消費される高周波電力を最大にするために、高周波電源装置1の出力インピーダンスと、高周波電源装置から負荷側を見たインピーダンスとを共役関係にするように調整する。一般に高周波電源装置の出力インピーダンスは50Ωに設計されているため、インピーダンス整合器3は、高周波電源装置1から負荷側を見たインピーダンスを50Ωに等しくするように動作する。   The impedance matching unit 3 includes a variable capacitor or variable inductor that is an impedance variable element, and an operation mechanism that operates the variable impedance element using a motor as a drive source, so as to maximize the high-frequency power consumed by the load 2. In addition, the output impedance of the high-frequency power supply device 1 and the impedance when the load side is viewed from the high-frequency power supply device are adjusted to have a conjugate relationship. Since the output impedance of the high frequency power supply device is generally designed to be 50Ω, the impedance matching unit 3 operates so that the impedance viewed from the high frequency power supply device 1 when viewed from the load side is equal to 50Ω.

図示の高周波電源装置1は、可変DC電源部4と、可変DC電源部4の直流出力を高周波出力に変換するDC/RF変換部5と、DC/RF変換部5の出力から高調波成分を除去するローパスフィルタ6と、負荷2に供給される高周波電力の進行波成分及び負荷で反射して戻ってくる高周波電力の反射波成分を検出するパワー検出部7と、可変DC電源部4及びDC/RF変換部5を制御する制御部8とを備えている。   The illustrated high frequency power supply device 1 includes a variable DC power supply unit 4, a DC / RF conversion unit 5 that converts a direct current output of the variable DC power supply unit 4 into a high frequency output, and a harmonic component from the output of the DC / RF conversion unit 5. The low-pass filter 6 to be removed, the traveling wave component of the high-frequency power supplied to the load 2 and the power detection unit 7 for detecting the reflected wave component of the high-frequency power reflected and returned by the load, the variable DC power supply unit 4 and the DC The control part 8 which controls the / RF conversion part 5 is provided.

可変DC電源部4は、出力する直流電力を後記する出力制御部から与えられる出力制御信号Sdcに応じて調整する機能を有するものであれば如何なるものでもよい。可変DC電源部4は例えば、商用周波数の交流電力を直流電力に変換する整流電源部と、この整流電源部の直流出力を任意の大きさを有する直流電力に変換するDC−DCコンバータとにより構成される。DC−DCコンバータは例えば、入力された直流電力を一旦交流電力に変換するインバータと、このインバータの出力を変成するトランスと、該トランスの出力を整流する整流回路と、該整流回路の出力を平滑する平滑回路とを備えていて、出力制御信号(PWM制御信号)Sdcに応じてインバータの出力をPWM制御することにより任意のレベルの直流電力を出力するように構成される。   The variable DC power supply unit 4 may be of any type as long as it has a function of adjusting the output DC power in accordance with the output control signal Sdc given from the output control unit described later. The variable DC power supply unit 4 includes, for example, a rectification power supply unit that converts commercial frequency AC power into DC power, and a DC-DC converter that converts a DC output of the rectification power supply unit into DC power having an arbitrary magnitude. Is done. The DC-DC converter is, for example, an inverter that temporarily converts input DC power into AC power, a transformer that transforms the output of the inverter, a rectifier circuit that rectifies the output of the transformer, and a smoother output of the rectifier circuit. And a smoothing circuit for controlling the output of the inverter in accordance with an output control signal (PWM control signal) Sdc to output DC power at an arbitrary level.

本実施形態で用いるDC/RF変換部5は、スイッチング回路5Aと、可変DC電源部4の出力がスイッチング回路5Aを通して供給される直列共振回路5Bと、一次コイルが直列共振回路5Bに直列に接続されたトランス5Cとを備えたD級アンプにより構成される。   The DC / RF conversion unit 5 used in this embodiment includes a switching circuit 5A, a series resonance circuit 5B in which the output of the variable DC power supply unit 4 is supplied through the switching circuit 5A, and a primary coil connected in series to the series resonance circuit 5B. And a class D amplifier including the transformer 5C.

本実施形態では、図20に示されたDC/RF変換部と同様に、スイッチング回路5Aが、ハイサイドスイッチQ1及びローサイドスイッチQ2の直列回路からなるレグを一つだけ備えたハーフブリッジ型の回路からなっている。スイッチング回路5Aを構成するハイサイドスイッチQ1及びローサイドスイッチQ2は、MOSFET(電界効果トランジスタ)やバイポーラトランジスタ等の半導体増幅素子により構成されるが、以下の説明では、ハイサイドスイッチQ1及びローサイドスイッチQ2をそれぞれMOSFET FET1及びFET2により構成するものとする。   In the present embodiment, like the DC / RF converter shown in FIG. 20, the switching circuit 5A is a half-bridge circuit having only one leg composed of a series circuit of a high-side switch Q1 and a low-side switch Q2. It is made up of. The high side switch Q1 and the low side switch Q2 constituting the switching circuit 5A are configured by semiconductor amplifying elements such as MOSFETs (field effect transistors) and bipolar transistors. In the following description, the high side switch Q1 and the low side switch Q2 are Assume that each of them is composed of MOSFETs FET1 and FET2.

MOSFETなどの半導体増幅素子からなるスイッチは、その制御端子間(MOSFETの場合にはゲート・ソース間)にしきい値レベル以上の波高値を有する駆動信号が与えられたときに能動領域でオン動作をし、しきい値レベルを超える一定値以上の波高値を有する駆動信号が与えられている間飽和領域でオン動作をする。図示のDC/RF変換部5においては、スイッチング回路5Aのハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチが交互にオン動作を行うことにより直列共振回路5Bを共振させて、可変DC電源部4の直流出力を高周波交流出力に変換する。DC/RF変換部5の出力は、可変DC電源部4の出力を調整することによって適宜に調整することができる。   A switch composed of a semiconductor amplifying element such as a MOSFET is turned on in an active region when a drive signal having a peak value higher than a threshold level is applied between its control terminals (in the case of a MOSFET, between a gate and a source). Then, the ON operation is performed in the saturation region while a drive signal having a peak value equal to or higher than a certain value exceeding the threshold level is applied. In the illustrated DC / RF converter 5, the high-side switch and the low-side switch of the switching circuit 5 </ b> A are alternately turned on to resonate the series resonance circuit 5 </ b> B, and the DC output of the variable DC power supply unit 4 is changed to high-frequency AC. Convert to output. The output of the DC / RF conversion unit 5 can be appropriately adjusted by adjusting the output of the variable DC power supply unit 4.

ローパスフィルタ6は、インダクタとキャパシタとからなる周知のL型フィルタからなっていて、DC/RF変換部5の出力から高調波成分を取り除いて、DC/RF変換部5が出力する高周波出力のうち、所望の周波数成分のみを通過させる。   The low-pass filter 6 is a well-known L-type filter composed of an inductor and a capacitor, removes harmonic components from the output of the DC / RF converter 5, and outputs the high-frequency output from the DC / RF converter 5. Only the desired frequency component is passed.

パワー検出部7は、方向性結合器からなっていて、DC/RF変換部5からローパスフィルタ6を通して負荷2に供給される高周波電力の進行波成分と、負荷2で反射して戻ってくる高周波電力の反射波成分とをそれぞれ検出して、進行波成分検出信号Pfと反射波成分検出信号Prとを出力する。   The power detector 7 is composed of a directional coupler, and the traveling wave component of the high frequency power supplied from the DC / RF converter 5 to the load 2 through the low pass filter 6 and the high frequency reflected by the load 2 and returned. A reflected wave component of power is detected, and a traveling wave component detection signal Pf and a reflected wave component detection signal Pr are output.

可変DC電源部4及びDC/RF変換部5を制御する制御部8は、出力制御部9と、駆動信号供給回路10とを備えている。出力制御部9は、可変DC電源部4に所定の出力制御信号Sdcを与えることにより、パワー検出部7により検出される高周波電力の進行波成分を設定値に保つように可変DC電源部4を制御する高周波出力制御と、パワー検出部7により検出される高周波電力の反射波成分が規定値(許容値)を超えているときに、反射波成分を規定値以下に抑えるべく、可変DC電源部4の出力を抑制する反射保護制御とを行う。出力制御信号Sdcは、可変DC電源部4の構成に応じて適宜の形態をとり得る。可変DC電源部4を整流電源部とDC−DCコンバータとにより構成する場合、出力制御信号は、コンバータの出力をPWM制御するために該コンバータのスイッチの制御端子に与えられる信号であり、所定のデューティ比で高レベルの状態と低レベルの状態とを繰り返すパルス波形の信号である。   The control unit 8 that controls the variable DC power supply unit 4 and the DC / RF conversion unit 5 includes an output control unit 9 and a drive signal supply circuit 10. The output control unit 9 supplies the variable DC power supply unit 4 with a predetermined output control signal Sdc, thereby causing the variable DC power supply unit 4 to keep the traveling wave component of the high-frequency power detected by the power detection unit 7 at a set value. A variable DC power supply unit for controlling the high-frequency output control to be controlled and the reflected wave component to be below a specified value when the reflected wave component of the high-frequency power detected by the power detection unit 7 exceeds a specified value (allowable value). The reflection protection control for suppressing the output of 4 is performed. The output control signal Sdc can take an appropriate form according to the configuration of the variable DC power supply unit 4. When the variable DC power supply unit 4 is composed of a rectifying power supply unit and a DC-DC converter, the output control signal is a signal given to the control terminal of the switch of the converter for PWM control of the output of the converter, It is a pulse waveform signal that repeats a high level state and a low level state with a duty ratio.

本実施形態で用いる駆動信号供給回路10は、信号発生器10Aと、トランス10Bと、制御端子間電圧検出部10Cと、基準電圧発生部10Dと、制御端子間電圧制御部10Eとを備えている。   The drive signal supply circuit 10 used in this embodiment includes a signal generator 10A, a transformer 10B, a control terminal voltage detection unit 10C, a reference voltage generation unit 10D, and a control terminal voltage control unit 10E. .

信号発生器10Aは、DC/RF変換部5のスイッチング回路5Aの各スイッチに与える駆動信号の発生源で、DC/RF変換部5から出力させる高周波出力の周波数に等しい正弦波状又は矩形波状の電圧信号を発生する発振器からなる。   The signal generator 10 </ b> A is a drive signal generation source applied to each switch of the switching circuit 5 </ b> A of the DC / RF converter 5, and is a sine wave or rectangular wave voltage equal to the frequency of the high frequency output output from the DC / RF converter 5. It consists of an oscillator that generates a signal.

スイッチング回路5Aが、図20に示すように、互いに直列に接続されたハイサイドスイッチQ1とローサイドスイッチQ2とにより構成される場合、図1に示されたトランス10Bは、信号発生器10Aから制御端子間電圧制御部10Eを通して交流信号が入力される一つの一次コイルと、ハイサイドスイッチQ1の制御端子間及びローサイドスイッチQ2の制御端子間にそれぞれ並列に接続されたハイサイドスイッチ用二次コイル及びローサイドスイッチ用二次コイルとを有している。ハイサイドスイッチ用二次コイル及びローサイドスイッチ用二次コイルは、位相が180度異なる電圧を誘起するように巻回されていて、ハイサイドスイッチQ1の制御端子間及びローサイドスイッチQ2の制御端子間に位相が180°異なる交流電圧を印加する。   When the switching circuit 5A includes a high-side switch Q1 and a low-side switch Q2 connected in series as shown in FIG. 20, the transformer 10B shown in FIG. 1 is connected to the control terminal from the signal generator 10A. One primary coil to which an AC signal is input through the inter-voltage controller 10E, and a high-side switch secondary coil and a low-side connected in parallel between the control terminals of the high-side switch Q1 and the control terminal of the low-side switch Q2, respectively. A secondary coil for the switch. The secondary coil for the high side switch and the secondary coil for the low side switch are wound so as to induce a voltage that is 180 degrees different in phase, and between the control terminals of the high side switch Q1 and the control terminal of the low side switch Q2. An AC voltage having a phase difference of 180 ° is applied.

ハイサイドスイッチQ1及びローサイドスイッチQ2は、それぞれの制御端子間に印加される交流電圧の正の半波の電圧を駆動信号S1及びS2として交互にオン状態にされる。ハイサイドスイッチQ1及びQ2が交互にオン状態にされることにより、可変DC電源部4からスイッチング回路5Aを通して直列共振回路5Bに共振電流が流れて、可変DC電源部4が出力する直流電力が高周波電力に変換される。   The high-side switch Q1 and the low-side switch Q2 are alternately turned on using the positive half-wave voltage of the AC voltage applied between the respective control terminals as drive signals S1 and S2. When the high side switches Q1 and Q2 are alternately turned on, a resonance current flows from the variable DC power supply unit 4 to the series resonance circuit 5B through the switching circuit 5A, and the DC power output from the variable DC power supply unit 4 is high frequency. Converted to electric power.

制御端子間電圧検出部10Cは、スイッチング回路のレグを構成する各スイッチの制御端子間の電圧を直接又は間接的に検出して、各スイッチの制御端子間の電圧の情報を含む検出信号電圧を出力する部分である。この検出部10Cは、トランス10Bの一次コイルの両端の電圧から各スイッチの制御端子間の電圧の情報を得るように構成するか、又はトランス10Bの二次コイルの両端の電圧から各スイッチの制御端子間の電圧の情報を得るように構成することができる。本実施形態において、ハイサイドスイッチQ1及びローサイドスイッチQ2の制御端子間に印加されている電圧は交流電圧であるため、制御端子間電圧検出部10Cは、トランス10Bの一次側の電圧又は二次側の電圧のピーク値を検出するか、又はトランス10Bの一次側の電圧又は二次側の電圧の整流出力の平均値を検出するように構成される。   The inter-control-terminal voltage detection unit 10C directly or indirectly detects the voltage between the control terminals of each switch constituting the leg of the switching circuit, and generates a detection signal voltage including information on the voltage between the control terminals of each switch. This is the output part. The detection unit 10C is configured to obtain information on the voltage between the control terminals of each switch from the voltage across the primary coil of the transformer 10B, or to control each switch from the voltage across the secondary coil of the transformer 10B. It can be configured to obtain information on the voltage between terminals. In this embodiment, since the voltage applied between the control terminals of the high-side switch Q1 and the low-side switch Q2 is an AC voltage, the inter-control-terminal voltage detection unit 10C is configured such that the voltage on the primary side or the secondary side of the transformer 10B Or the average value of the rectified output of the voltage on the primary side or the voltage on the secondary side of the transformer 10B.

基準電圧発生部10Dは、スイッチング回路5Aの各スイッチの制御端子間の電圧の目標値を与える基準電圧を発生する部分で、各スイッチの制御端子間の電圧の目標値に相当する一定の電圧値に調整された直流電圧を発生する。   The reference voltage generator 10D generates a reference voltage that gives a target value of the voltage between the control terminals of each switch of the switching circuit 5A, and is a constant voltage value corresponding to the target value of the voltage between the control terminals of each switch. To generate a regulated DC voltage.

制御端子間電圧制御部10Eは、制御端子間電圧検出部10Cが出力する検出信号から検出される各スイッチの制御端子間の電圧を設定された目標値に保つように制御する制御部で、この制御端子間電圧制御部は例えば、制御端子間電圧検出部10Cが出力する検出信号電圧と基準電圧発生部10Dが発生する基準電圧との偏差を演算する誤差増幅部と、信号発生器の出力電圧と誤差増幅部の出力電圧とを乗算して、得られた乗算出力電圧をトランス10Bの一次側に入力する乗算器とにより構成することができる。信号発生器の出力電圧と誤差増幅部の出力電圧との乗算は、乗算用ICや、ダブル・バランスド・ミキサなどの乗算素子により行うことができる。これらの乗算素子は、一般には、MOSFET等のスイッチを駆動するために必要な出力を発生することができないため、通常乗算器は、乗算素子と、該乗算素子の出力を増幅するドライバアンプとにより構成される。   The control terminal voltage control unit 10E is a control unit that controls the voltage between the control terminals of each switch detected from the detection signal output from the control terminal voltage detection unit 10C to maintain a set target value. The voltage control unit between control terminals includes, for example, an error amplifying unit that calculates a deviation between a detection signal voltage output from the control terminal voltage detection unit 10C and a reference voltage generated by the reference voltage generation unit 10D, and an output voltage of the signal generator And a multiplier that multiplies the output voltage of the error amplifying unit and inputs the obtained multiplied output voltage to the primary side of the transformer 10B. Multiplication of the output voltage of the signal generator and the output voltage of the error amplifier can be performed by a multiplication element such as a multiplication IC or a double balanced mixer. Since these multiplication elements generally cannot generate an output necessary for driving a switch such as a MOSFET, a normal multiplier includes a multiplication element and a driver amplifier that amplifies the output of the multiplication element. Composed.

図1に示された高周波電源装置1から負荷2に高周波電力を供給する際には、高周波電源装置1の出力インピーダンスと高周波電源装置1の出力端から負荷側を見たインピーダンスとを整合させる動作をインピーダンス整合器3に常時行わせる。前述のように、インピーダンス整合器3は、インピーダンス可変素子である可変コンデンサ又は可変インダクタをモータで制御することにより、該インピーダンス整合器の入力端から負荷側を見たインピーダンスを調整するように構成されているため、瞬時にインピーダンスの整合を図ることはできない。通常インピーダンスの整合には100msecないし数secの時間を要する。インピーダンスの整合がとれるまでの間は負荷で反射が生じるため、負荷2からDC/RF変換部5に戻ってくる反射波電力が多くなってDC/RF変換部5のスイッチング回路を構成するスイッチに流れる電流が増加し、該スイッチで生じる導通損失が増加する。   When supplying high-frequency power from the high-frequency power supply device 1 shown in FIG. 1 to the load 2, the operation of matching the output impedance of the high-frequency power supply device 1 with the impedance viewed from the output end of the high-frequency power supply device 1. Is always performed by the impedance matching unit 3. As described above, the impedance matching unit 3 is configured to adjust the impedance when the load side is viewed from the input end of the impedance matching unit by controlling the variable capacitor or the variable inductor, which is an impedance variable element, with a motor. Therefore, impedance matching cannot be achieved instantaneously. Normally, impedance matching requires 100 msec to several sec. Since reflection occurs at the load until impedance matching is achieved, the reflected wave power returning from the load 2 to the DC / RF conversion unit 5 increases, and the switch constituting the switching circuit of the DC / RF conversion unit 5 is used. The flowing current increases and the conduction loss caused by the switch increases.

高周波電力を供給する負荷2がプラズマ負荷である場合には、負荷のインピーダンスが不安定で、印加電力、チャンバ内のガスの圧力、チャンバ内に供給されるガスの流量、処理時間などの条件により負荷インピーダンスが細かく変化する。そのため、インピーダンス整合器3の入力部でインピーダンスの不整合状態が頻繁に生じ、インピーダンス整合器の入力部で反射した電力が高周波電源装置に戻ってくるため、DC/RF変換部5のスイッチング回路を構成するスイッチで多くの導通損失が生じる。特にDC/RF変換部から負荷側を見たインピーダンスが短絡に近い低インピーダンスの状態になって、全反射が生じる状態に近い状態になった場合には、スイッチング回路のスイッチに大電流が流れるため、スイッチのオン抵抗により大きな導通損失が生じる。   When the load 2 for supplying high-frequency power is a plasma load, the impedance of the load is unstable, and depends on conditions such as applied power, pressure of gas in the chamber, flow rate of gas supplied into the chamber, and processing time. The load impedance changes finely. For this reason, an impedance mismatch state frequently occurs at the input unit of the impedance matching unit 3, and the power reflected at the input unit of the impedance matching unit returns to the high frequency power supply device. Therefore, the switching circuit of the DC / RF conversion unit 5 is A lot of conduction loss occurs in the switch to be configured. In particular, when the impedance seen from the DC / RF converter is close to a state where the impedance is close to a short circuit and close to a state where total reflection occurs, a large current flows through the switch of the switching circuit. A large conduction loss occurs due to the on-resistance of the switch.

スイッチング回路5Aのスイッチで生じる導通損失は、スイッチのオン抵抗(オン時の抵抗)と、スイッチを通して流れる電流の自乗との積により決まる。スイッチがMOSFETのような半導体増幅素子により構成される場合、そのオン抵抗は、スイッチの制御端子間の電圧により変る。従って、スイッチで生じる導通損失は、スイッチの制御端子間に印加されている電圧の大きさにより変ることになる。   The conduction loss that occurs in the switch of the switching circuit 5A is determined by the product of the ON resistance of the switch (ON resistance) and the square of the current flowing through the switch. When the switch is composed of a semiconductor amplifying element such as a MOSFET, the on-resistance varies depending on the voltage between the control terminals of the switch. Therefore, the conduction loss generated in the switch varies depending on the magnitude of the voltage applied between the control terminals of the switch.

スイッチを通して流れる電流が比較的小さいときには、スイッチのオン抵抗を小さくすることにより導通損失を減らすことができるが、反射波電力の増大等によりスイッチを通して大きな電流が流れ得る状態になったときには、オン抵抗を小さくするとスイッチを流れる電流が増大し、導通損失は(通電電流の自乗に比例するため)かえって増加することになる。従って、スイッチで生じる導通損失の低減を図るためには、スイッチを流れる電流の大きさを勘案して、スイッチのオン抵抗を適正な値に保つことが必要である。   When the current flowing through the switch is relatively small, the conduction loss can be reduced by reducing the on-resistance of the switch. However, when a large current can flow through the switch due to an increase in reflected wave power, etc. If the value is reduced, the current flowing through the switch increases, and the conduction loss increases (because it is proportional to the square of the energization current). Therefore, in order to reduce the conduction loss generated in the switch, it is necessary to keep the on-resistance of the switch at an appropriate value in consideration of the amount of current flowing through the switch.

しかしながら、この種の高周波電源装置においては、負荷に与える高周波電力を調整するために可変DC電源部4からDC/RF変換部5に入力する直流電圧を変化させた際に、DC/RF変換部5のスイッチング回路の各スイッチに印加される直流電圧が変化して、各スイッチを構成する半導体増幅素子(例えばMOSFET)の入力静電容量や帰還静電容量が変化するため、各スイッチの制御端子に与えられる電流が変化し、この電流の変化に伴って、各スイッチの制御端子間の電圧が適正値からずれるという問題が生じる。各スイッチの制御端子間の電圧が適正値からずれると、各スイッチで生じる導通損失が増大し、各スイッチの温度が上昇する。   However, in this type of high-frequency power supply device, when the DC voltage input from the variable DC power supply unit 4 to the DC / RF conversion unit 5 is changed in order to adjust the high-frequency power applied to the load, the DC / RF conversion unit Since the DC voltage applied to each switch of the switching circuit 5 changes and the input capacitance and feedback capacitance of the semiconductor amplifying element (eg, MOSFET) constituting each switch change, the control terminal of each switch A problem arises in that the voltage applied to the switch changes, and the voltage between the control terminals of each switch deviates from an appropriate value as the current changes. When the voltage between the control terminals of each switch deviates from an appropriate value, the conduction loss generated in each switch increases and the temperature of each switch rises.

そこで本発明では、駆動信号供給回路10に、スイッチング回路5Aの各スイッチの制御端子間の電圧を直接又は間接的に検出して、各スイッチの制御端子間の電圧の情報を含む検出信号電圧を出力する制御端子間電圧検出部10Cと、各スイッチの制御端子間の電圧の目標値を与える基準電圧を発生する基準電圧発生部10Dと、制御端子間電圧検出部10Cが出力する検出信号から検出される各スイッチの制御端子間の電圧を設定された目標値に保つように制御する制御端子間電圧制御部10Eとを設けて、可変DC電源部4の出力電圧の如何に関わりなく、スイッチング回路5Aを構成する各スイッチの制御端子間の電圧を設定された目標値に保って、各スイッチのオン抵抗を、各スイッチで過度の導通損失が生じるのを防ぐために適した範囲の値に保つことができるようにした。   Therefore, in the present invention, the drive signal supply circuit 10 detects the voltage between the control terminals of each switch of the switching circuit 5A directly or indirectly, and generates a detection signal voltage including information on the voltage between the control terminals of each switch. Detected from the detection signal output from the control terminal voltage detection unit 10C, the reference voltage generation unit 10D that generates a reference voltage that gives a target value of the voltage between the control terminals of each switch, and the control terminal voltage detection unit 10C And a control terminal voltage control unit 10E for controlling the voltage between the control terminals of each switch to be maintained at a set target value, so that the switching circuit is independent of the output voltage of the variable DC power supply unit 4. Keeping the voltage between the control terminals of each switch constituting 5A at a set target value, the ON resistance of each switch is suitable for preventing excessive conduction loss from occurring in each switch. And which make it possible to keep to a value in the range.

なおハイサイドスイッチQ1の制御端子間の電圧及びローサイドスイッチQ2の制御端子間の電圧を目標値に保つ制御を正確に行わせるためには、ハイサイドスイッチQ1及びローサイドスイッチQ2の制御端子間の電圧を個別に検出して、両スイッチの制御端子間の電圧を個別に制御することが好ましいが、このように構成すると、制御回路の構成が複雑になるのを避けられない。そのため、本実施形態では、トランス10Bの2つの二次コイルのうちの一方の両端の電圧を検出するか、又はトランス10Bの一次コイルの両端の電圧を検出することにより、ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチの制御端子間の電圧の情報を得て、この情報に基づいてトランス10Bに入力される電圧を制御することにより、ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチの制御端子間の電圧を一括して制御するようにしている。通常ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチの特性には大きなバラツキはないので、本実施形態のように構成しても支障を来さない。   In order to accurately control the voltage between the control terminals of the high side switch Q1 and the voltage between the control terminals of the low side switch Q2, the voltage between the control terminals of the high side switch Q1 and the low side switch Q2 is accurately controlled. However, it is preferable to individually control the voltages between the control terminals of both switches, but with this configuration, it is inevitable that the configuration of the control circuit becomes complicated. For this reason, in the present embodiment, the high-side switch and the low-side switch are detected by detecting the voltage across one of the two secondary coils of the transformer 10B or by detecting the voltage across the primary coil of the transformer 10B. The voltage between the control terminals of the high-side switch and the low-side switch is controlled collectively by obtaining information on the voltage between the control terminals of the high-side switch and controlling the voltage input to the transformer 10B based on this information. ing. Normally, there is no great variation in the characteristics of the high-side switch and the low-side switch, so that even if configured as in the present embodiment, no problem occurs.

図1に示された高周波電源装置1のDC/RF変換部5をハーフブリッジ型のスイッチング回路5Aを用いたD級アンプにより構成する場合の各部のより具体的な構成例を示す実施例を図2に示した。図2に示した実施例では、DC/RF変換部5のスイッチング回路5Aが、ハイサイドスイッチQ1とローサイドスイッチQ2との直列回路からなる一つのレグを可変DC電源4の出力端子間に並列に接続したハーフブリッジ型の構成を有している。   The Example which shows the more concrete structural example of each part in the case of comprising the DC / RF conversion part 5 of the high frequency power supply device 1 shown by FIG. 1 by the class D amplifier using the half-bridge type switching circuit 5A. It was shown in 2. In the embodiment shown in FIG. 2, the switching circuit 5A of the DC / RF converter 5 has one leg composed of a series circuit of a high side switch Q1 and a low side switch Q2 in parallel between the output terminals of the variable DC power source 4. It has a connected half-bridge configuration.

図2に示されたスイッチング回路5Aにおいては、ハイサイドスイッチQ1及びローサイドスイッチQ2がそれぞれMOSFET FET1及びFET2からなっていて、FET1のドレインが可変DC電源部4のプラス側出力端子に、FET2のソースが可変DC電源部4のマイナス側出力端子にそれぞれ接続されるとともに、FET1のソースと、FET2のドレインとが共通接続されることにより、FET1とFET2とが直列に接続され、これらのFETの直列回路の両端に可変DC電源部4の出力電圧が印加されている。   In the switching circuit 5A shown in FIG. 2, the high-side switch Q1 and the low-side switch Q2 are MOSFETs FET1 and FET2, respectively, and the drain of the FET1 is connected to the positive output terminal of the variable DC power supply unit 4 and the source of the FET2 Are connected to the negative output terminal of the variable DC power supply unit 4, and the source of FET1 and the drain of FET2 are connected in common, so that FET1 and FET2 are connected in series. The output voltage of the variable DC power supply unit 4 is applied to both ends of the circuit.

この例では、FET1のソースとFET2のドレインとの共通接続点と、FET2のソースとがスイッチング回路5Aの出力端子となっていて、FET1のソースとFET2のドレインとの共通接続点がインダクタLrとコンデンサCrとの直列回路からなる直列共振回路5Bの一端に接続されている。直列共振回路5Bの他端は、トランス5Cの1次コイルWpの一端に接続され、トランスの1次コイルWpの他端は、FET2のソースに接続されている。   In this example, the common connection point between the source of FET1 and the drain of FET2 and the source of FET2 are the output terminals of the switching circuit 5A, and the common connection point between the source of FET1 and the drain of FET2 is the inductor Lr. It is connected to one end of a series resonance circuit 5B composed of a series circuit with a capacitor Cr. The other end of the series resonant circuit 5B is connected to one end of the primary coil Wp of the transformer 5C, and the other end of the primary coil Wp of the transformer is connected to the source of the FET2.

図2に示した例では、トランス5Cの2次コイルWsの一端及び他端がDC/RF変換部5の出力端子となっていて、これらの出力端子間から得られる高周波出力が、インダクタLaとキャパシタCaとからなるローパスフィルタ6に入力されている。図2において、RLは、図1に示したインピーダンス整合器3によりインピーダンスの整合がとられているものとして図2に示した回路の動作をシミュレートするためにローパスフィルタ6の出力端子間に接続した50Ωの負荷抵抗である。   In the example shown in FIG. 2, one end and the other end of the secondary coil Ws of the transformer 5C are output terminals of the DC / RF converter 5, and a high frequency output obtained between these output terminals is the inductor La and A low-pass filter 6 including a capacitor Ca is input. In FIG. 2, RL is connected between the output terminals of the low-pass filter 6 in order to simulate the operation of the circuit shown in FIG. 2 assuming that the impedance matching unit 3 shown in FIG. The load resistance is 50Ω.

図2に示された駆動信号供給回路10は、一つの一次コイルW1と、ハイサイドスイッチ用二次コイルW21及びローサイドスイッチ用二次コイルW22とを備えたトランス10Bを備え、このトランスのハイサイドスイッチ用二次コイルW21及びローサイドスイッチ用二次コイルW22がそれぞれFET1のゲート・ソース間及びFET2のゲート・ソース間に並列に接続されている。ハイサイドスイッチ用二次コイルW21及びローサイドスイッチ用二次コイルW22は、波高値が等しく、互いに位相が180度異なる電圧を誘起するように巻回されていて、FET1(ハイサイドスイッチQ1)の制御端子間及びFET2(ローサイドスイッチQ2)の制御端子間に位相が180°異なる交流電圧を印加する。   The drive signal supply circuit 10 shown in FIG. 2 includes a transformer 10B including one primary coil W1, a high-side switch secondary coil W21, and a low-side switch secondary coil W22. A secondary coil for switching W21 and a secondary coil for low side switching W22 are connected in parallel between the gate and source of FET1 and between the gate and source of FET2. The secondary coil W21 for the high side switch and the secondary coil W22 for the low side switch are wound so as to induce voltages having the same peak value and different in phase by 180 degrees, and control the FET 1 (high side switch Q1). An alternating voltage having a phase difference of 180 ° is applied between the terminals and between the control terminals of the FET 2 (low-side switch Q2).

ハイサイドスイッチQ1及びローサイドスイッチQ2をそれぞれ構成するFET1及びFET2は、トランス10Bからそれぞれのゲートソース間(制御端子間)に印加される交流電圧の正の半波の電圧を駆動信号S1及びS2として、駆動信号S1及びS2がしきい値以上になっている期間オン状態を保持し、駆動信号S1及びS2がしきい値未満に低下したときにオフ状態になる。駆動信号S1とS2は180度位相が異なるため、FET1及びFET2は180度異なるタイミングで交互にオン状態にされる。FET1及びFET2が交互にオン状態にされることにより、可変DC電源部4からスイッチング回路5Aを通して直列共振回路5Bに共振電流が流れ、可変DC電源部4が出力する直流電力が高周波電力に変換される。   The FET1 and FET2 constituting the high-side switch Q1 and the low-side switch Q2, respectively, use the positive half-wave voltage of the AC voltage applied between the gate and source (between the control terminals) from the transformer 10B as the drive signals S1 and S2. The ON state is maintained while the drive signals S1 and S2 are equal to or greater than the threshold value, and the OFF state is established when the drive signals S1 and S2 drop below the threshold value. Since the drive signals S1 and S2 are 180 degrees out of phase, the FET1 and FET2 are alternately turned on at a timing different by 180 degrees. When FET1 and FET2 are alternately turned on, a resonance current flows from the variable DC power supply unit 4 to the series resonance circuit 5B through the switching circuit 5A, and DC power output from the variable DC power supply unit 4 is converted into high-frequency power. The

FET1及びFET2が同時にオン状態になる期間が生じて可変DC電源部の出力が短絡されるのを防ぐため、駆動信号S1がしきい値未満になるタイミング(駆動信号S1が消滅するタイミング)と駆動信号S2がしきい値に達するタイミング(駆動信号S2が発生するタイミング)との間、及び駆動信号S2がしきい値未満になるタイミング(駆動信号S2が消滅するタイミング)と駆動信号S1がしきい値に達するタイミング(駆動信号S1が発生するタイミング)との間に一定のデッドタイム(ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチの何れにも駆動信号が与えられない期間)が設定されている。   In order to prevent the output of the variable DC power supply unit from being short-circuited due to a period in which FET1 and FET2 are turned on at the same time, the timing at which the drive signal S1 becomes less than the threshold (the timing at which the drive signal S1 disappears) The threshold between the timing when the signal S2 reaches the threshold (the timing when the driving signal S2 is generated) and the timing when the driving signal S2 becomes less than the threshold (the timing when the driving signal S2 disappears) and the driving signal S1 are the threshold. A fixed dead time (a period during which no drive signal is applied to either the high-side switch or the low-side switch) is set between the timing when the value is reached (the timing when the drive signal S1 is generated).

図2に示された高周波電源装置に設けられた制御端子間電圧検出部10Cは、トランス10Bの一次コイルW1の一端にカソードが接続されたショットキーバリアダイオードDs と、ダイオードDs のアノードに一端が接続され、他端が信号発生器10Aの一端と共に接地されて、トランスの一次コイルW1の両端の電圧Vinの負の半波のピーク値まで充電されるコンデンサCb と、コンデンサCb の両端に接続された抵抗Rb とを備えたピーク電圧検出回路からなっていて、コンデンサCb の両端にトランス10Bの一次コイルの両端の電圧Vinのピーク値に比例した検出信号電圧Vfを発生する。トランス10Bの一次コイルの両端の電圧Vinには、FET1及びFET2のゲート・ソース間の電圧が反映されているため、コンデンサC1の両端に現れる検出信号電圧VfからFET1及びFET2のゲート・ソース間電圧(制御端子間電圧)の情報を得ることができる。   2 includes a Schottky barrier diode Ds having a cathode connected to one end of the primary coil W1 of the transformer 10B and one end to the anode of the diode Ds. The other end of the signal generator 10A is grounded together with the other end of the signal generator 10A. The capacitor Cb is charged to the negative half-wave peak value of the voltage Vin at both ends of the transformer primary coil W1, and is connected to both ends of the capacitor Cb. The detection signal voltage Vf proportional to the peak value of the voltage Vin across the primary coil of the transformer 10B is generated at both ends of the capacitor Cb. Since the voltage Vin across the primary coil of the transformer 10B reflects the voltage between the gate and source of the FET1 and FET2, the voltage between the gate and source of the FET1 and FET2 from the detection signal voltage Vf appearing across the capacitor C1. Information on (voltage between control terminals) can be obtained.

また制御端子間電圧制御部10Eは、制御端子間電圧検出部10Cが出力する検出信号電圧Vfと基準電圧発生部10Dから得られる基準電圧Vrとの偏差を演算する誤差増幅部10E1と、信号発生器10Aの出力電圧Eと誤差増幅部10E1の出力電圧とを乗算するアナログ乗算器MULとを備えている。   Further, the control terminal voltage control unit 10E includes an error amplification unit 10E1 for calculating a deviation between the detection signal voltage Vf output from the control terminal voltage detection unit 10C and the reference voltage Vr obtained from the reference voltage generation unit 10D, and a signal generation And an analog multiplier MUL that multiplies the output voltage E of the multiplier 10A and the output voltage of the error amplifier 10E1.

誤差増幅部10E1は、抵抗器R1とR2とにより構成されて基準電圧Vrと検出信号電圧−Vfとを加算する加算器Adと、演算増幅器OP1と抵抗器R3及びR4とにより構成されて加算器Adの出力電圧Vr−Vfが演算増幅器OP1の反転入力端子に入力された第1の反転増幅回路Am1と、演算増幅器OP2と抵抗器R5及びR6とコンデンサC1とにより構成されて、第1の反転増幅器Am1の出力が演算増幅器OP2の反転入力端子に入力された第2の反転増幅回路Am2とからなっていて、第2の演算増幅回路Am2から基準電圧Vrと検出信号電圧Vfとの差の電圧ΔV=Vr−Vfに比例した電圧を出力する。   The error amplifying unit 10E1 is composed of resistors R1 and R2 and is composed of an adder Ad that adds the reference voltage Vr and the detection signal voltage -Vf, an operational amplifier OP1, and resistors R3 and R4. The first inversion amplifier circuit Am1, in which the output voltage Vr-Vf of Ad is input to the inverting input terminal of the operational amplifier OP1, an operational amplifier OP2, resistors R5 and R6, and a capacitor C1 are included in the first inversion. The output of the amplifier Am1 is composed of a second inverting amplifier circuit Am2 input to the inverting input terminal of the operational amplifier OP2, and the voltage of the difference between the reference voltage Vr and the detection signal voltage Vf from the second operational amplifier circuit Am2. A voltage proportional to ΔV = Vr−Vf is output.

乗算器MULは、信号発生器10Aの出力電圧Eと誤差増幅部10E1の出力電圧とを乗算する乗算素子と、該乗算素子の出力を増幅するドライバアンプとからなっていて、信号発生器10Aの出力電圧Eと誤差増幅部10E1の出力電圧との乗算出力電圧をMOSFETを駆動するために必要なレベルの電圧としてトランス10Bの一次側に入力する。   The multiplier MUL includes a multiplication element that multiplies the output voltage E of the signal generator 10A and the output voltage of the error amplifying unit 10E1, and a driver amplifier that amplifies the output of the multiplication element. A multiplication output voltage of the output voltage E and the output voltage of the error amplifying unit 10E1 is input to the primary side of the transformer 10B as a voltage of a level necessary for driving the MOSFET.

なお図2において乗算器MULとトランス10Bとの間に図示されているrは、信号発生器10Aの内部インピーダンスの抵抗分と、乗算器内に設けられる増幅器の内部インピーダンスの抵抗分と、配線の抵抗分との合成抵抗であり、Lは、信号発生器10Aの内部インピーダンスのインダクタンス成分と、乗算器内に設けられる増幅器の内部インピーダンスのインダクタンス成分と、配線のインダクタンス成分との合成インダクタンスである。   Note that r shown between the multiplier MUL and the transformer 10B in FIG. 2 is the resistance of the internal impedance of the signal generator 10A, the resistance of the internal impedance of the amplifier provided in the multiplier, and the wiring L is a combined inductance of the inductance component of the internal impedance of the signal generator 10A, the inductance component of the internal impedance of the amplifier provided in the multiplier, and the inductance component of the wiring.

図2に示された駆動信号供給回路において、トランスの一次コイルW1の両端の電圧Vin,検出信号電圧Vf,基準電圧Vr及び誤差増幅部の入力電圧ΔV(=Vr−Vf)は時間の関数であるとし、これらのラプラス変換をそれぞれVin(s),Vf(s),Vr(s)及びΔV(s)とする。なおs=jω(ωは角周波数)である。   In the drive signal supply circuit shown in FIG. 2, the voltage Vin across the primary coil W1, the detection signal voltage Vf, the reference voltage Vr, and the input voltage ΔV (= Vr−Vf) of the error amplifying unit are functions of time. Suppose that these Laplace transforms are Vin (s), Vf (s), Vr (s) and ΔV (s), respectively. Note that s = jω (ω is an angular frequency).

図3は、図2に示された制御端子間電圧制御部10E内に構成されているフィードバック制御系の構成を示したブロック図である。図3において、H(s)は制御端子間電圧検出部10Cの入力電圧Vin(s)と出力電圧Vf(s)との間の関係を与える伝達関数であり、G1(s)は誤差増幅部10E1の増幅回路の入力電圧ΔV(s)=Vr(s)−Vf(s)と出力電圧との間の関係を与える伝達関数である。またG2(s)は乗算器MULの入力(誤差増幅部10E1の出力)と乗算器MULの出力Vin(s)(トランス10Bの一次コイルの両端の電圧)との間の関係を与える伝達関数である。   FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of a feedback control system configured in the inter-control-terminal voltage controller 10E illustrated in FIG. In FIG. 3, H (s) is a transfer function that gives the relationship between the input voltage Vin (s) and the output voltage Vf (s) of the control terminal voltage detector 10C, and G1 (s) is the error amplifier. 10E1 is a transfer function that gives the relationship between the input voltage ΔV (s) = Vr (s) −Vf (s) of the amplifier circuit and the output voltage. G2 (s) is a transfer function that gives the relationship between the input of the multiplier MUL (the output of the error amplifier 10E1) and the output Vin (s) of the multiplier MUL (the voltage across the primary coil of the transformer 10B). is there.

図3から下記の(1)ないし(3)式が成立する。
Vf(s)=H(s)*Vin(s) (1)
ΔV(s)=Vr(s)−Vf(s) (2)
Vin(s)=G1(s)*G2(s)*ΔV(s)
=G1(s)*G2(s)*{Vr(s)-Vf(s)}
=G1(s)*G2(s)*{Vr(s)-H(s)*Vin(s)} (3)
(3)式より、
{1+G1(s)*G2(s)*H(s)}*Vin(s)=G1(s)*G2(s)*Vr(s) (4)
(4)式よりVin(s)を求めると、
Vin(s)=[G1(s)*G2(s)/{1+G1(s)*G2(s)*H(s)}]*Vr(s) (5)
From FIG. 3, the following equations (1) to (3) are established.
Vf (s) = H (s) * Vin (s) (1)
ΔV (s) = Vr (s) −Vf (s) (2)
Vin (s) = G1 (s) * G2 (s) * ΔV (s)
= G1 (s) * G2 (s) * {Vr (s) -Vf (s)}
= G1 (s) * G2 (s) * {Vr (s) -H (s) * Vin (s)} (3)
From equation (3)
{1 + G1 (s) * G2 (s) * H (s)} * Vin (s) = G1 (s) * G2 (s) * Vr (s) (4)
When Vin (s) is obtained from equation (4),
Vin (s) = [G1 (s) * G2 (s) / {1 + G1 (s) * G2 (s) * H (s)}] * Vr (s) (5)

図3に示したフィードバック制御系は、トランスの一次コイルの両端の交流電圧の波高値(直流分)を一定に制御するものであるので、(5)式においてs=0とすると、下記の式が成立する。
Vin(0)=[G1(0)*G2(0)/{1+G1(0)*G2(0)*H(0)}]*Vr(0) (6)
ここで、s=0のときにG1(0)>>G2(0)、G1(0)*G2(0)*H(0)>>1が成立するとし、又、できる限り高い周波数までG1(s)>>G2(s)、G1(s)*G2(s)*H(s)>>1が成立すると、下記の式が成立する。
Vin(s)≒Vr(s)/H(s) (5)′
Vin(0)≒Vr(0)/H(0) (6)′
ここで、H(0)は一定とみなすことができ、可変DC電源部の出力電圧の影響を受けないため、(6)′式より、トランス10Bの入力電圧Vinは、可変DC電源部からDC/RF変換部に入力される直流電圧の如何に関わりなく、基準電圧Vr(0)と1/H(0)tとの積により決まる一定の電圧値に等しくなるように制御されることが分かる。また,G1(s)*G2(s)*H(s)>>1が成立する周波数においては、DC/RF変換部5に入力する直流電圧Vdcや負荷抵抗RLが変化しても、応答よく入力電圧Vinを一定に制御することができる。
The feedback control system shown in FIG. 3 controls the peak value (DC component) of the AC voltage at both ends of the primary coil of the transformer to be constant. Therefore, when s = 0 in the equation (5), the following equation: Is established.
Vin (0) = [G1 (0) * G2 (0) / {1 + G1 (0) * G2 (0) * H (0)}] * Vr (0) (6)
Here, when s = 0, G1 (0) >> G2 (0), G1 (0) * G2 (0) * H (0) >> 1 holds, and G1 reaches as high a frequency as possible. When (s) >> G2 (s) and G1 (s) * G2 (s) * H (s) >> 1 are established, the following expression is established.
Vin (s) ≒ Vr (s) / H (s) (5) '
Vin (0) ≒ Vr (0) / H (0) (6) '
Here, since H (0) can be regarded as being constant and is not affected by the output voltage of the variable DC power supply unit, the input voltage Vin of the transformer 10B is determined from the variable DC power supply unit to DC by the equation (6) ′. Regardless of the DC voltage input to the / RF converter, it is understood that the voltage is controlled to be equal to a constant voltage value determined by the product of the reference voltage Vr (0) and 1 / H (0) t. . Also, at a frequency where G1 (s) * G2 (s) * H (s) >> 1 holds, even if the DC voltage Vdc input to the DC / RF converter 5 and the load resistance RL change, the response is good. The input voltage Vin can be controlled to be constant.

本発明者は、本発明の効果を確認するため、DC/RF変換部のスイッチの制御端子間の電圧を一定に保つ制御を行わなかった場合と、行った場合とについて、DC/RF変換部5に入力する直流電圧Vdcを変化させた場合のFET1及びFET2のゲート・ソース間電圧の変化を観察するためのシミュレーションをコンピュータを用いて行った。   In order to confirm the effect of the present invention, the inventor determines whether the DC / RF conversion unit does not perform the control for keeping the voltage between the control terminals of the switch of the DC / RF conversion unit constant or not. A simulation for observing changes in the gate-source voltages of the FET1 and FET2 when the DC voltage Vdc input to 5 was changed was performed using a computer.

先ず図2に示した高周波電源装置から制御端子間電圧制御部10Eを取り除いたものに相当する図14に示す高周波電源装置を従来例として、DC/RF変換部5に入力する直流電圧Vdcを変化させた場合のFET1及びFET2のゲート・ソース間電圧の変化を観察するためのシミュレーションを行った。このシミュレーションを行うに当っては、図14に示した高周波電源装置において、信号発生器10Aの出力信号の振幅を20V、周波数を13.56MHzとし、信号波形を正弦波とした。ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチを構成するFET1及びFET2としては、入力静電容量Ciss、帰還静電容量Crss及び出力静電容量Cossがドレイン・ソース間電圧VDSに対して図15に示すような変化を示すMOSFETを用いるものとした。図15において、静電容量(キャパシタンス)の単位はファラッドであり、ドレインソース間電圧VDSの単位はボルトである。図15は、FETを製造しているメーカが公表しているMOSFETのデータシートから引用したものである。また信号発生器10Aの内部インピーダンスの抵抗分と配線の抵抗分との合成抵抗rを0.5Ωとし、信号発生器10Aの内部インピーダンスのインダクタンス成分と配線のインダクタンス成分との合成インダクタンスLを20nHとした。なお負荷抵抗RLは50Ωとした。   First, the DC voltage Vdc input to the DC / RF conversion unit 5 is changed using the high frequency power supply device shown in FIG. 14 corresponding to the high frequency power supply device shown in FIG. A simulation for observing the change in the voltage between the gate and the source of FET1 and FET2 in the case of being performed was performed. In performing this simulation, in the high frequency power supply device shown in FIG. 14, the amplitude of the output signal of the signal generator 10A was 20 V, the frequency was 13.56 MHz, and the signal waveform was a sine wave. As FET1 and FET2 constituting the high side switch and the low side switch, the input capacitance Ciss, the feedback capacitance Crss, and the output capacitance Coss change as shown in FIG. 15 with respect to the drain-source voltage VDS. The MOSFET shown is used. In FIG. 15, the unit of capacitance (capacitance) is farad, and the unit of drain-source voltage VDS is volt. FIG. 15 is quoted from the MOSFET data sheet published by the manufacturer of the FET. Further, the combined resistance r of the resistance component of the internal impedance of the signal generator 10A and the resistance component of the wiring is 0.5Ω, and the combined inductance L of the inductance component of the internal impedance of the signal generator 10A and the inductance component of the wiring is 20 nH. . The load resistance RL was 50Ω.

図14に示した高周波電源装置において、可変DC電源部4からDC/RF変換部5に入力する直流電圧Vdcを50Vと300Vとの間で変化させたところ、図16(A)ないし(E)に示した通りの電圧波形が観測された。図16(A)は、可変DC電源部4からDC/RF変換部5に入力する直流電圧Vdcの変化を時間Tに対して示したものであり、同図(B)は高周波電源装置の出力電圧Voutを時間Tに対して示したものである。また図16(C)は,信号発生器10Aの出力電圧Eの波形を示し、図16(D)及び(E)はそれぞれ、FET1及びFET2のゲート・ソース間電圧Va −Vb 及びVc −Vd の変化を示している。Va −Vb はFET1のゲートにつながる端子aの電位Vaとソースにつながる端子bの電位Vbとの電位差であり、Vc −Vd はFET1のゲートにつながる端子c の電位Vc とソースにつながる端子d の電位Vd との電位差である。なお図16(A)ないし(E)において、横軸の時間Tの単位はμsecであり、縦軸の電圧の単位はボルトである。以下に説明する他のシミュレーション波形における横軸及び縦軸の単位も同様である。   In the high-frequency power supply device shown in FIG. 14, when the DC voltage Vdc input from the variable DC power supply unit 4 to the DC / RF conversion unit 5 is changed between 50 V and 300 V, FIGS. A voltage waveform as shown in Fig. 1 was observed. FIG. 16A shows the change of the direct-current voltage Vdc input from the variable DC power supply unit 4 to the DC / RF conversion unit 5 with respect to time T, and FIG. 16B shows the output of the high-frequency power supply device. The voltage Vout is shown with respect to time T. 16C shows the waveform of the output voltage E of the signal generator 10A, and FIGS. 16D and 16E show the gate-source voltages Va-Vb and Vc-Vd of the FET1 and FET2, respectively. It shows a change. Va−Vb is the potential difference between the potential Va of the terminal a connected to the gate of the FET 1 and the potential Vb of the terminal b connected to the source, and Vc−Vd is the potential Vc of the terminal c connected to the gate of the FET 1 and the terminal d connected to the source. This is a potential difference from the potential Vd. In FIGS. 16A to 16E, the unit of time T on the horizontal axis is μsec, and the unit of voltage on the vertical axis is volts. The same applies to the units of the horizontal and vertical axes in other simulation waveforms described below.

図16から、FET1及びFET2の駆動信号の信号源である信号発生器10Aの波高値が一定であるにもかかわらず、FET1及びFET2のゲート・ソース間電圧の波高値がDC/RF変換部に入力される直流電圧(図16A)の変化に伴って変動していることが分る。   From FIG. 16, the peak value of the gate-source voltage of the FET 1 and FET 2 is input to the DC / RF conversion unit even though the peak value of the signal generator 10 A, which is the signal source of the drive signals of the FET 1 and FET 2, is constant. It turns out that it fluctuates with the change of the input DC voltage (FIG. 16A).

図17(A)ないし(C)は、図14の回路において、DC/RF変換部5に入力する直流電圧Vdcを300「V」(一定)として、負荷抵抗RLを10Ωとしたときと50ΩとしたときのFET1のゲートソース間電圧Va−Vb の変化をシミュレーションした結果を示したものである。図17(A)は、可変DC電源部4からDC/RF変換部5に入力する直流電圧Vdcの変化を時間Tに対して示したものであり、同図(B)は,信号発生器10Aの出力電圧Eの波形を示したものである。また同図(C)の波形イは負荷抵抗RL を10Ωとした場合のFET1のゲート・ソース間電圧Va−Vb の波形を示し、波形ロは負荷抵抗RL を50Ωとした場合のFET1のゲート・ソース間電圧Va−Vb の波形を示している。これらの結果から、負荷抵抗RL の大きさが変動すると、MOSFETのゲート・ソース間の電圧が変動することが分る。このシミュレーション結果より、負荷抵抗RL が50Ωから10Ωに変化したことにより、ゲート・ソース間電圧が減少し、その結果、各FETのオン抵抗が増加して、ゲート・ソース間電圧が減少しない場合に比べ、各FETの導通損失が増加することが分る。   FIGS. 17A to 17C show the case where the DC voltage Vdc input to the DC / RF converter 5 is 300 “V” (constant) and the load resistance RL is 10Ω and 50Ω in the circuit of FIG. The result of having simulated the change of the gate-source voltage Va-Vb of FET1 at this time is shown. FIG. 17A shows the change of the DC voltage Vdc input from the variable DC power supply unit 4 to the DC / RF conversion unit 5 with respect to time T. FIG. 17B shows the signal generator 10A. The waveform of the output voltage E is shown. The waveform (a) in FIG. 6C shows the waveform of the gate-source voltage Va-Vb of the FET 1 when the load resistance RL is 10Ω, and the waveform (b) shows the gate-source voltage of the FET 1 when the load resistance RL is 50Ω. The waveform of the source-to-source voltage Va-Vb is shown. From these results, it can be seen that when the load resistance RL varies, the voltage between the gate and the source of the MOSFET varies. From this simulation result, when the load resistance RL is changed from 50Ω to 10Ω, the gate-source voltage decreases. As a result, the on-resistance of each FET increases and the gate-source voltage does not decrease. In comparison, it can be seen that the conduction loss of each FET increases.

MOSFETのオン抵抗(オン時のドレイン・ソース間抵抗)は、ドレイン電流やゲート・ソース間電圧の大きさに依存する。図18は、MOSFETのオン抵抗とドレイン電流とゲート・ソース間電圧との間の関係を示した特性曲線の一例を示したものである。図18は、富士電機株式会社が発行しているパワーMOSFETのアプリケーションノートから引用したもので、同図において、横軸のID はドレイン電流を示し、縦軸のRDS(on)はオン時のドレイン・ソース間抵抗(オン抵抗)を示している。またパラメータVGSはMOSFETのゲート・ソース間電圧(駆動信号)を示している。図18から、MOSFETのオン抵抗RDS(on)は、ドレイン電流ID の増大に伴って大きくなり、ゲート・ソース間電圧VGSの上昇に伴って小さくなっていくことが分る。   The on-resistance (drain-source resistance when the MOSFET is on) of the MOSFET depends on the drain current and the magnitude of the gate-source voltage. FIG. 18 shows an example of a characteristic curve showing the relationship among the on-resistance, drain current, and gate-source voltage of the MOSFET. FIG. 18 is quoted from the power MOSFET application note issued by Fuji Electric Co., Ltd. In this figure, the horizontal axis ID indicates the drain current, and the vertical axis RDS (on) indicates the drain when on. • Indicates source resistance (ON resistance). The parameter VGS indicates the gate-source voltage (drive signal) of the MOSFET. As can be seen from FIG. 18, the on-resistance RDS (on) of the MOSFET increases as the drain current ID increases and decreases as the gate-source voltage VGS increases.

上記のように、DC/RF変換部5に入力される直流電圧が変ったり、負荷インピーダンスが変ったりした場合に、DC/RF変換部のスイッチング回路のMOSFETのゲート電圧の大きさが変化する。その結果、MOSFETのオン抵抗が増加して、MOSFETの導通損失が増加することがあり、各スイッチで過度の温度上昇が生じるおそれがある。そのため、従来の高周波電源装置では、スイッチング回路を構成するスイッチに対して設けるヒートシンクとして大型のものを用いる必要があり、装置が大形化するのを避けられない。   As described above, when the DC voltage input to the DC / RF converter 5 changes or the load impedance changes, the magnitude of the gate voltage of the MOSFET of the switching circuit of the DC / RF converter changes. As a result, the on-resistance of the MOSFET increases and the conduction loss of the MOSFET may increase, which may cause an excessive temperature rise in each switch. Therefore, in the conventional high frequency power supply device, it is necessary to use a large heat sink provided for the switch constituting the switching circuit, and the size of the device cannot be avoided.

次に、図2に示した本発明の実施例について、可変DC電源部4からDC/RF変換部5に入力する直流電圧を変化させた場合のFET1及びFET2のゲート・ソース間電圧の変化を見るために行ったシミュレーションの結果を図4(A)ないし(E)に示した。図4において、(A)は、可変DC電源部4からDC/RF変換部5に入力する直流電圧Vdcの変化を時間Tに対して示したものであり、同図(B)は高周波電源装置の出力電圧Voutを時間Tに対して示したものである。また図4(C)は信号発生器10Aの出力電圧Eの波形(正弦波)を示し、図4(D)及び(E)はそれぞれ、FET1及びFET2のゲート・ソース間電圧Va −Vb 及びVc −Vd の変化を示している。   Next, regarding the embodiment of the present invention shown in FIG. 2, the change in the gate-source voltage of FET1 and FET2 when the DC voltage input from the variable DC power supply unit 4 to the DC / RF conversion unit 5 is changed. The results of the simulation performed for viewing are shown in FIGS. 4A shows a change in the DC voltage Vdc input from the variable DC power supply unit 4 to the DC / RF conversion unit 5 with respect to time T. FIG. 4B shows a high-frequency power supply device. The output voltage Vout is shown with respect to time T. 4C shows the waveform (sine wave) of the output voltage E of the signal generator 10A. FIGS. 4D and 4E show the gate-source voltages Va-Vb and Vc of the FET1 and FET2, respectively. -Vd changes.

図4(A)ないし(E)に示された結果から明らかなように、FET1(ハイサイドスイッチQ1)及びFET2(ローサイドスイッチQ2)のゲート・ソース間電圧を目標値に保つフィードバック制御を行うことにより、両FETのゲート・ソース間電圧を一定に保つことができることが確認された。   As is apparent from the results shown in FIGS. 4A to 4E, feedback control is performed to maintain the gate-source voltages of FET1 (high-side switch Q1) and FET2 (low-side switch Q2) at a target value. Thus, it was confirmed that the gate-source voltage of both FETs can be kept constant.

上記のように、DC/RF変換部のスイッチング回路の各スイッチの制御端子間電圧を目標値に保つことができるようにしておくと、該目標値を適正な値に設定しておくことにより、各スイッチのオン抵抗を各スイッチで過度の導通損失を生じさせないようにするのに適した値に保つことができるため、各スイッチの温度が過度に上昇する状態が生じるのを防ぐことができる。従って、スイッチング回路を構成するスイッチからの放熱を図るためのヒートシンクとして大型のものを用いる必要がなくなり、装置の小型化を図ることができる。また上記のような制御を行うと、DC/RF変換部で生じる損失を少なくすることができるため、装置の効率を改善することができるという効果が得られるだけでなく、各スイッチの温度上昇を抑制することができるため、各スイッチの寿命を延ばすことができるという効果も得られる。   As described above, if the voltage between the control terminals of each switch of the switching circuit of the DC / RF converter can be maintained at the target value, by setting the target value to an appropriate value, Since the ON resistance of each switch can be maintained at a value suitable for preventing excessive conduction loss from occurring in each switch, it is possible to prevent a situation in which the temperature of each switch is excessively increased. Therefore, it is not necessary to use a large heat sink as a heat sink for radiating heat from the switch constituting the switching circuit, and the apparatus can be miniaturized. Further, if the above control is performed, the loss generated in the DC / RF converter can be reduced, so that not only the efficiency of the apparatus can be improved, but also the temperature rise of each switch is increased. Since it can suppress, the effect that the lifetime of each switch can be extended is also acquired.

図2に示した実施例では、トランス10Bの一次コイルの両端の電圧のピーク値を検出するように制御端子間電圧検出部10Cを構成したが、トランス10Bの二次側電圧のピーク値を検出するように制御端子間電圧検出部10Cを構成することもできる。例えば、図5に示したように、トランスの二次コイルW22の両端の電圧のピーク値を検出するように制御端子間電圧検出部10Cを構成することができる。   In the embodiment shown in FIG. 2, the inter-control-terminal voltage detection unit 10C is configured to detect the peak value of the voltage across the primary coil of the transformer 10B. However, the peak value of the secondary voltage of the transformer 10B is detected. It is also possible to configure the control terminal voltage detector 10C as described above. For example, as shown in FIG. 5, the inter-control-terminal voltage detector 10C can be configured to detect the peak value of the voltage across the secondary coil W22 of the transformer.

図2に示した実施例では、制御端子間電圧制御部4Eを、制御端子間電圧検出部10Cが出力する検出信号電圧と基準電圧との偏差を演算する誤差増幅部10E1と、信号発生器10Aの出力電圧と誤差増幅部の出力電圧とを乗算する乗算器MULとにより構成して、乗算器MULの出力電圧をトランスを通してスイッチング回路5Aのスイッチ(上記の例ではMOSFET)の制御端子間に駆動信号として入力するように構成したが、制御端子間電圧制御部は、制御端子間電圧検出部が出力する検出信号から検出される各スイッチの制御端子間の電圧を設定された目標値に保つ制御を行うように構成すればよく、図2に示した構成に限定されない。   In the embodiment shown in FIG. 2, the control terminal voltage control unit 4E includes an error amplification unit 10E1 that calculates a deviation between the detection signal voltage output from the control terminal voltage detection unit 10C and the reference voltage, and a signal generator 10A. And the multiplier MUL that multiplies the output voltage of the error amplifying unit by driving the output voltage of the multiplier MUL between the control terminals of the switch (MOSFET in the above example) of the switching circuit 5A through the transformer. Although it is configured to input as a signal, the inter-control-terminal voltage control unit controls the voltage between the control terminals of each switch detected from the detection signal output by the inter-control-terminal voltage detection unit at a set target value. However, the present invention is not limited to the configuration shown in FIG.

図6は、図1に示した実施形態において、制御端子間電圧制御部10Eの構成を図2に示した例と異ならせた本発明の他の実施例を示したものである。図6に示した実施例においては、基準電圧発生部10Dが発生する基準電圧Vr を制御端子間電圧検出部10Cが出力する検出信号電圧で除する演算を行う除算器DIVと、信号発生器10Aの出力電圧Eと除算器DIVの出力電圧とを乗算する乗算器MULとにより制御端子間電圧制御部10Eが構成されている。その他の構成は図2に示した実施例と同様である。   6 shows another embodiment of the present invention in which the configuration of the control terminal voltage controller 10E is different from the example shown in FIG. 2 in the embodiment shown in FIG. In the embodiment shown in FIG. 6, a divider DIV that performs an operation of dividing the reference voltage Vr generated by the reference voltage generator 10D by the detection signal voltage output by the inter-control terminal voltage detector 10C, and the signal generator 10A The inter-control-terminal voltage control unit 10E is configured by a multiplier MUL that multiplies the output voltage E by the output voltage of the divider DIV. Other configurations are the same as those of the embodiment shown in FIG.

図6に示した実施例において、信号発生器10Aが発生する信号電圧の大きさをEとし、基準電圧発生部10Dが発生する基準電圧をVr、制御端子間電圧検出部10CのコンデンサCbの両端に得られる検出電圧の大きさをVf、除算器DIVの出力電圧の大きさをVdiv 、乗算器MULの出力電圧の大きさをVmul、トランス10Bの一次コイルの両端の電圧のピーク値をVinとすると、下記の式が成立する。
Vf≒Vin (7)
Vdiv =Vr/Vf (8)
Vmul =E×Vdiv
=E×(Vr/Vf)
≒E×(Vr/Vin) (9)
In the embodiment shown in FIG. 6, the magnitude of the signal voltage generated by the signal generator 10A is E, the reference voltage generated by the reference voltage generator 10D is Vr, and both ends of the capacitor Cb of the control terminal voltage detector 10C. Vf is the magnitude of the detected voltage obtained by Vdiv, Vdiv is the magnitude of the output voltage of the divider DIV, Vmul is the magnitude of the output voltage of the multiplier MUL, and Vin is the peak value of the voltage across the primary coil of the transformer 10B. Then, the following formula is established.
Vf ≒ Vin (7)
Vdiv = Vr / Vf (8)
Vmul = E x Vdiv
= E x (Vr / Vf)
≒ E x (Vr / Vin) (9)

図6に示した実施例において、E及びVrは一定であるので、乗算器の出力Vmul は、FET1及びFET2のゲート・ソース間の電圧が反映されているトランス10Bの一次コイルの両端の電圧のピーク値Vinに反比例する。即ち、トランス10Bの一次コイルの両端の電圧のピーク値Vinが基準電圧Vrに等しいときには、(Vr/Vin)=1であるので、Vmul≒Eとなり、トランス10Bの一次コイルの両端の電圧のピーク値Vinが基準電圧Vrよりも低いときには、(Vr/Vin)>1であるので、Vmul>Eとなる。トランス10Bの一次コイルの両端の電圧のピーク値Vinが基準電圧Vrよりも高いときには、(Vr/Vin)<1であるので、Vmul<Eとなる。従って、トランス10Bの一次コイルの両端の電圧のピーク値Vinが目標値よりも上昇するとその上昇割合に応じてトランスに入力される電圧が低下し、トランス10Bの一次コイルの両端の電圧のピーク値Vinが目標値よりも低下するとその低下割合に応じてトランスに入力される電圧が上昇して、トランス10Bの両端の電圧のピーク値Vinを目標値に近づける。   In the embodiment shown in FIG. 6, since E and Vr are constant, the output Vmul of the multiplier is the voltage across the primary coil of the transformer 10B reflecting the voltage between the gate and source of FET1 and FET2. It is inversely proportional to the peak value Vin. That is, when the voltage peak value Vin across the primary coil of the transformer 10B is equal to the reference voltage Vr, since (Vr / Vin) = 1, Vmul≈E, and the voltage peak across the primary coil of the transformer 10B. When the value Vin is lower than the reference voltage Vr, since (Vr / Vin)> 1, Vmul> E. When the peak value Vin of the voltage across the primary coil of the transformer 10B is higher than the reference voltage Vr, Vmul <E because (Vr / Vin) <1. Accordingly, when the peak value Vin of the voltage across the primary coil of the transformer 10B rises above the target value, the voltage input to the transformer decreases according to the rate of increase, and the peak value of the voltage across the primary coil of the transformer 10B. When Vin falls below the target value, the voltage input to the transformer rises according to the rate of reduction, and the peak value Vin of the voltage across the transformer 10B approaches the target value.

図6に示した本発明の実施例について、信号発生器10Aが発生する信号の波形を正弦波として(FET1及びFET2に与える駆動信号の波形を正弦波として)、可変DC電源部4からDC/RF変換部5に入力する直流電圧を変化させた場合のFET1及びFET2のゲート・ソース間電圧の変化を観察するために行ったシミュレーションの結果を図7(A)ないし(E)に示した。図7において、(A)は、可変DC電源部4からDC/RF変換部5に入力する直流電圧Vdcの変化を時間Tに対して示したものであり、同図(B)は高周波電源装置の出力電圧Voutを時間Tに対して示したものである。また図7(C)は信号発生器10Aの出力電圧Eの波形を示し、図7(D)及び(E)はそれぞれ、FET1及びFET2のゲート・ソース間電圧Va −Vb 及びVc −Vd の変化を示している。   With respect to the embodiment of the present invention shown in FIG. 6, the waveform of the signal generated by the signal generator 10A is set as a sine wave (the waveform of the drive signal applied to the FET1 and FET2 is set as a sine wave), FIGS. 7A to 7E show the results of simulations performed to observe changes in the gate-source voltage of FET1 and FET2 when the DC voltage input to the RF converter 5 is changed. 7A shows a change in the DC voltage Vdc input from the variable DC power supply unit 4 to the DC / RF conversion unit 5 with respect to time T. FIG. 7B shows the high-frequency power supply device. The output voltage Vout is shown with respect to time T. FIG. 7C shows the waveform of the output voltage E of the signal generator 10A. FIGS. 7D and 7E show the changes in the gate-source voltages Va-Vb and Vc-Vd of the FET1 and FET2, respectively. Is shown.

また図6に示した本発明の実施例について、信号発生器10Aが発生する信号の波形を矩形波として(FET1及びFET2に与える駆動信号の波形を矩形波として)、可変DC電源部4からDC/RF変換部5に入力する直流電圧を変化させた場合のFET1及びFET2のゲート・ソース間電圧の変化を観察するために行ったシミュレーションの結果を図8(A)ないし(E)に示した。図8(A)は、可変DC電源部4からDC/RF変換部5に入力する直流電圧Vdcの変化を時間Tに対して示し、同図(B)は高周波電源装置の出力電圧Voutを時間Tに対して示している。また図8(C)は信号発生器10Aが出力する矩形波状の信号電圧Eの波形を示し、図8(D)及び(E)はそれぞれ、FET1及びFET2のゲート・ソース間電圧Va −Vb 及びVc −Vd の変化を示している。   In the embodiment of the present invention shown in FIG. 6, the waveform of the signal generated by the signal generator 10A is set as a rectangular wave (the waveform of the drive signal applied to the FET1 and FET2 is set as a rectangular wave). 8A to 8E show the results of simulations performed to observe changes in the gate-source voltage of FET1 and FET2 when the DC voltage input to the / RF converter 5 is changed. . FIG. 8A shows the change of the DC voltage Vdc input from the variable DC power supply unit 4 to the DC / RF conversion unit 5 with respect to time T, and FIG. 8B shows the output voltage Vout of the high-frequency power supply device over time. Shown against T. FIG. 8C shows the waveform of a rectangular signal voltage E output from the signal generator 10A. FIGS. 8D and 8E show the gate-source voltages Va-Vb of FET1 and FET2, respectively. The change in Vc-Vd is shown.

図7(A)ないし(E)及び図8(A)ないし(E)に示された結果から、図6に示した実施形態のように、誤差増幅を行うことなく、FET1及びFET2のゲート・ソース間電圧が反映されたトランス10Bの一次電圧が目標値よりも上昇した時にその上昇割合に応じてトランスに入力する信号電圧のレベルを低下させ、トランス10Bの一次電圧が目標値よりも低下した時にその低下割合に応じてトランスに入力する信号電圧のレベルを上昇させる制御を行うことによっても、両FETのゲート・ソース間電圧を目標値に保つことができることが確認された。   From the results shown in FIGS. 7A to 7E and FIGS. 8A to 8E, the gates of FET1 and FET2 can be obtained without performing error amplification as in the embodiment shown in FIG. When the primary voltage of the transformer 10B reflecting the source-to-source voltage rises from the target value, the level of the signal voltage input to the transformer is lowered according to the rise rate, and the primary voltage of the transformer 10B is lowered from the target value. It has been confirmed that the gate-source voltage of both FETs can be maintained at the target value also by performing control to increase the level of the signal voltage input to the transformer depending on the rate of decrease.

上記の各実施例では、制御端子間電圧検出部10Cが、トランス10Bの一次コイルW1の両端の電圧のピーク値からFET1及びFET2の制御端子間の電圧の情報を得るように構成されているが、制御端子間電圧検出部10Cは、図9に示したように、トランス10Bの二次コイルの両端の電圧から各スイッチの制御端子間の電圧の情報を得るように構成してもよい。図9に示した例では、制御端子間電圧検出部10Cが、トランス10Bの二次コイルW22の両端の電圧のピーク値を検出して、FET2のゲート・ソース間の電圧の情報を含む検出信号Vcを出力するように構成されている。図9に示した実施例のその他の構成は図2に示した実施例と同様である。   In each of the above embodiments, the inter-control-terminal voltage detection unit 10C is configured to obtain information on the voltage between the control terminals of the FET1 and FET2 from the peak value of the voltage across the primary coil W1 of the transformer 10B. As shown in FIG. 9, the inter-control-terminal voltage detection unit 10C may be configured to obtain information on the voltage between the control terminals of each switch from the voltage at both ends of the secondary coil of the transformer 10B. In the example shown in FIG. 9, the control terminal voltage detector 10 </ b> C detects the peak value of the voltage across the secondary coil W <b> 22 of the transformer 10 </ b> B, and includes a detection signal including information on the voltage between the gate and source of the FET 2. It is configured to output Vc. The other configuration of the embodiment shown in FIG. 9 is the same as that of the embodiment shown in FIG.

上記の各実施例では、DC/RF変換部5のスイッチング回路5Aが、ハイサイドスイッチQ1とローサイドスイッチQ2の直列回路からなるレグを一つだけ備えたハーフブリッジ回路からなっていて、一つのレグのハイサイドスイッチとローサイドスイッチを交互にオン状態にすることにより可変DC電源部4の直流出力を高周波出力に変換するように構成されているが、本発明は、このようなスイッチング回路を用いる場合に限定されるものではなく、ハイサイドスイッチとローサイドスイッチの直列回路からなるレグを少なくとも一つ有して、該少なくとも一つのレグを可変DC電源部4の出力端子間に並列に接続した構成を有するスイッチング回路と直列共振回路とを備えたD級アンプからなるDC/RF変換部を用いる高周波電源装置に広く適用することができる。   In each of the above-described embodiments, the switching circuit 5A of the DC / RF converting unit 5 is formed of a half bridge circuit including only one leg composed of a series circuit of the high-side switch Q1 and the low-side switch Q2. The high-side switch and the low-side switch are alternately turned on to convert the DC output of the variable DC power supply unit 4 into a high-frequency output. However, the present invention uses such a switching circuit. The present invention is not limited to this, and has a configuration in which at least one leg including a series circuit of a high-side switch and a low-side switch is connected, and the at least one leg is connected in parallel between the output terminals of the variable DC power supply unit 4. High frequency power supply using a DC / RF conversion unit comprising a class D amplifier having a switching circuit having a series resonance circuit It can be widely applied to location.

例えば図10に示すように、ハイサイドのスイッチQ1とローサイドのスイッチQ2との直列回路からなるレグと、ハイサイドのスイッチQ3とローサイドのスイッチQ4との直列回路からなるレグとの二つのレグを有するフルブリッジ回路型のスイッチング回路5Aを備えて、該スイッチング回路の出力端子間の電圧を直列共振回路5Bに印加するようにしたDC/RF変換部5を用いる高周波電源装置にも本発明を適用することができる。図10に示したDC/RF変換部5においては、フルブリッジ回路の対角位置にある一方の組のハイサイドスイッチQ1,Q4をオンにする状態と、対角位置にある他方の組のハイサイドスイッチQ2及びQ3をオンにする状態とを交互に生じさせることにより直列共振回路5Bに共振電流を流して可変DC変換部4の直流出力を高周波出力に変換する。   For example, as shown in FIG. 10, there are two legs: a leg composed of a series circuit of a high-side switch Q1 and a low-side switch Q2, and a leg composed of a series circuit of a high-side switch Q3 and a low-side switch Q4. The present invention is also applied to a high-frequency power supply device using a DC / RF converter 5 that includes a full-bridge circuit type switching circuit 5A and that applies a voltage between output terminals of the switching circuit to the series resonance circuit 5B. can do. In the DC / RF converter 5 shown in FIG. 10, the high-side switches Q1 and Q4 in one set at the diagonal position of the full bridge circuit are turned on, and the other set in the diagonal position at the high-side switch Q1 and Q4. By alternately generating a state in which the side switches Q2 and Q3 are turned on, a resonance current is passed through the series resonance circuit 5B to convert the DC output of the variable DC converter 4 into a high frequency output.

また本発明は、図11に示したように、スイッチング回路5Aが、チョークコイルLchを通して可変DC電源部4の出力端子間に接続された単一のスイッチQ2(FET2)と、該スイッチQ2の両端に並列に接続されたコンデンサCp とにより構成され、可変DC電源部4の出力電圧がチョークコイルLchを通して直列共振回路5Bに印加されるように構成されたE級アンプによりDC/RF変換部5が構成される場合にも適用することができる。この場合、スイッチング回路を構成するスイッチQ2に駆動信号を与えるトランス10Bとしては、一つの一次コイルW1と一つの二次コイルW2とを備えたものを用いる。図11に示した実施例のその他の構成は図2に示した実施例と同様である。なお図11に示した構成では、スイッチQ2にトランス10Bを通して駆動信号を供給しているが、トランスを用いずに、乗算器MULの出力を直接スイッチQ2のゲート・ソース間に印加するように構成することもできる。図11において、コンデンサCp は、スイッチQ2のドレイン・ソース間電圧波形の立ち上がりを緩やかにするために設けられている。   Further, according to the present invention, as shown in FIG. 11, the switching circuit 5A includes a single switch Q2 (FET 2) connected between the output terminals of the variable DC power supply unit 4 through the choke coil Lch, and both ends of the switch Q2. The DC / RF converter 5 is constituted by a class E amplifier which is constituted by a capacitor Cp connected in parallel to each other and configured such that the output voltage of the variable DC power supply 4 is applied to the series resonant circuit 5B through the choke coil Lch. It can also be applied when configured. In this case, as the transformer 10B for supplying a drive signal to the switch Q2 constituting the switching circuit, a transformer including one primary coil W1 and one secondary coil W2 is used. Other configurations of the embodiment shown in FIG. 11 are the same as those of the embodiment shown in FIG. In the configuration shown in FIG. 11, the drive signal is supplied to the switch Q2 through the transformer 10B. However, the configuration is such that the output of the multiplier MUL is directly applied between the gate and source of the switch Q2 without using the transformer. You can also In FIG. 11, the capacitor Cp is provided to moderate the rise of the drain-source voltage waveform of the switch Q2.

図11に示したようにDC/RF変換部5をE級アンプにより構成する場合も、図6に示した実施例と同様に、除算器DIVと乗算器MULとを用いて、誤差増幅を行うことなく、スイッチQ2(FET2)のゲート・ソース間電圧が反映されたトランス10Bの一次電圧が目標値よりも上昇した時にその上昇割合に応じてトランスに入力する信号電圧のレベルを低下させ、トランス10Bの一次電圧が目標値よりも低下した時にその低下割合に応じてトランスに入力する信号電圧のレベルを上昇させる制御を行うことによって、FET2の制御端子間の電圧を一定に保つ制御を行うように制御端子間電圧制御部10E1を構成することができる。   As shown in FIG. 11, when the DC / RF conversion unit 5 is configured by a class E amplifier, error amplification is performed using the divider DIV and the multiplier MUL, as in the embodiment shown in FIG. Without reducing the level of the signal voltage input to the transformer according to the rate of increase when the primary voltage of the transformer 10B reflecting the gate-source voltage of the switch Q2 (FET2) rises above the target value, When the primary voltage of 10B drops below the target value, control is performed to keep the voltage between the control terminals of the FET 2 constant by performing control to increase the level of the signal voltage input to the transformer according to the rate of decrease. The voltage control unit 10E1 between the control terminals can be configured.

上記の実施形態では、基準電圧発生部10Dが一定の基準電圧を発生するように構成されているが、スイッチング回路5Aのスイッチを通して流れる電流の情報を含むパラメータに対してスイッチの制御端子間の電圧の目標値を演算する目標値演算部を設けて、この演算部により演算された目標値を与える基準電圧を発生するように基準電圧発生部10Dを構成することもできる。スイッチング回路5Aのスイッチを通して流れる電流の情報を含むパラメータとしては、スイッチング回路を通して流れる電流そのものを用いるか、又はスイッチング回路5Aから負荷側を見たインピーダンスである負荷側インピーダンスを用いることができる。   In the above embodiment, the reference voltage generator 10D is configured to generate a constant reference voltage. However, the voltage between the control terminals of the switch with respect to the parameter including information on the current flowing through the switch of the switching circuit 5A. It is also possible to provide a target value calculation unit that calculates the target value of the reference voltage generation unit 10D so as to generate a reference voltage that gives the target value calculated by the calculation unit. As a parameter including information on the current flowing through the switch of the switching circuit 5A, the current itself flowing through the switching circuit can be used, or a load-side impedance that is an impedance when the load side is viewed from the switching circuit 5A can be used.

図12は、スイッチング回路5Aのスイッチを通して流れる電流の情報を含むパラメータに対してスイッチの制御端子間の電圧の目標値を演算して、演算した目標値を与える基準電圧を発生させるようにした実施形態の構成を示したものである。この実施形態では、パワー検出部7が出力する進行波電力検出信号Pfと反射波電力検出信号Prと、スイッチング回路5Aと高周波電源装置の出力端子との間のインピーダンスとから、スイッチング回路5Aから負荷側を見たインピーダンスを負荷側インピーダンスとして検出する負荷側インピーダンス検出部10と、この検出部10により検出された負荷側インピーダンスに対してスイッチング回路の各スイッチの制御端子間の電圧の目標値を演算する目標値演算部10Gとが設けられて、目標値演算部10Gにより演算された目標値が基準電圧発生部10Dに与えられている。   FIG. 12 shows an embodiment in which a target value of the voltage between the control terminals of the switch is calculated for a parameter including information on the current flowing through the switch of the switching circuit 5A, and a reference voltage that gives the calculated target value is generated. The structure of a form is shown. In this embodiment, from the traveling wave power detection signal Pf and the reflected wave power detection signal Pr output by the power detection unit 7 and the impedance between the switching circuit 5A and the output terminal of the high frequency power supply device, the switching circuit 5A to the load A load-side impedance detection unit 10 that detects the impedance viewed from the load side as a load-side impedance, and calculates a target value of a voltage between the control terminals of each switch of the switching circuit with respect to the load-side impedance detected by the detection unit 10 The target value calculation unit 10G is provided, and the target value calculated by the target value calculation unit 10G is given to the reference voltage generation unit 10D.

図12に示した実施形態において、負荷側インピーダンス検出部10Fは、進行波電力検出信号Pfと反射波電力検出信号Prとから高周波電源装置1の出力端子から負荷側を見たインピーダンスを演算し、このインピーダンスと、スイッチング回路5Aと高周波電源装置の出力端子との間の回路のインピーダンスとを合成することにより、スイッチング回路5Aから負荷側を見たインピーダンスである負荷側インピーダンスを検出する。   In the embodiment shown in FIG. 12, the load-side impedance detection unit 10F calculates the impedance viewed from the output terminal of the high-frequency power supply device 1 from the traveling wave power detection signal Pf and the reflected wave power detection signal Pr, By combining this impedance and the impedance of the circuit between the switching circuit 5A and the output terminal of the high-frequency power supply device, the load-side impedance that is the impedance of the switching circuit 5A viewed from the load side is detected.

目標値演算部10Gは、負荷側インピーダンス検出部10Fにより検出された負荷側インピーダンスに対してスイッチング回路5Aの各スイッチの制御端子間の電圧の目標値を演算する。この目標値の演算は、負荷側インピーダンスと目標値との間の関係を与えるマップを実験に基づいて作成しておいて、該マップを負荷側インピーダンス検出部10Fによって検出された負荷側インピーダンスに対して検索することにより行うことができる。   The target value calculation unit 10G calculates the target value of the voltage between the control terminals of each switch of the switching circuit 5A with respect to the load side impedance detected by the load side impedance detection unit 10F. The calculation of the target value is performed by creating a map that gives a relationship between the load side impedance and the target value based on experiments, and the map is calculated with respect to the load side impedance detected by the load side impedance detection unit 10F. This can be done by searching.

基準電圧発生部10Dは、目標値演算部10Gにより演算された目標値を与える電圧値を有する基準電圧を発生する。図12に示した高周波電源装置のその他の構成は、図1に示した実施形態と同様である。   The reference voltage generator 10D generates a reference voltage having a voltage value that gives the target value calculated by the target value calculator 10G. The other configuration of the high frequency power supply device shown in FIG. 12 is the same as that of the embodiment shown in FIG.

図13は、スイッチング回路5Aのスイッチを通して流れる電流の情報を含むパラメータに対してスイッチの制御端子間の電圧の目標値を演算して、演算した目標値を与える基準電圧を発生させるようにした実施形態の他の構成を示したものである。この実施形態では、スイッチング回路5Aを通して流れる電流を検出する電流検出部10Hと、この検出部により検出された電流に対してスイッチング回路の各スイッチの制御端子間の電圧の目標値をマップを用いて演算する目標値演算部10Gとが設けられて、目標値演算部10Gにより演算された目標値が基準電圧発生部10Dに与えられている。基準電圧発生部10Dが目標値演算部10Gにより演算された目標値を与える電圧値を有する基準電圧を発生する点は、図12に示した実施形態と同様である。この場合も、基準電圧発生部10Dは、目標値演算部10Gが演算した目標値を与える電圧値を有する基準電圧を発生するように構成される。   FIG. 13 shows an embodiment in which a target value of the voltage between the control terminals of the switch is calculated for a parameter including information on the current flowing through the switch of the switching circuit 5A, and a reference voltage that gives the calculated target value is generated. The other structure of a form is shown. In this embodiment, a current detection unit 10H that detects a current flowing through the switching circuit 5A, and a target value of a voltage between control terminals of each switch of the switching circuit with respect to the current detected by the detection unit, using a map. A target value calculation unit 10G for calculation is provided, and the target value calculated by the target value calculation unit 10G is given to the reference voltage generation unit 10D. The reference voltage generation unit 10D generates a reference voltage having a voltage value that gives the target value calculated by the target value calculation unit 10G, as in the embodiment shown in FIG. Also in this case, the reference voltage generator 10D is configured to generate a reference voltage having a voltage value that gives the target value calculated by the target value calculator 10G.

図12又は図13に示した実施形態のように、スイッチング回路5Aのスイッチを通して流れる電流の情報を含むパラメータに対してスイッチの制御端子間の電圧の目標値を演算する目標値演算部10Gを設けて、この目標値演算部により演算された目標値を与える基準電圧を基準電圧発生部10Dから発生させるように構成しておくと、スイッチング回路5Aの各スイッチを流れる電流に応じて各スイッチの制御端子間の電圧の目標値を決めることができるため、負荷の状態の如何に関わりなく、各スイッチで生じる導通損失の低減を効果的に図ることができる。   As in the embodiment shown in FIG. 12 or FIG. 13, a target value calculation unit 10G is provided that calculates a target value of the voltage between the control terminals of the switch for a parameter including information on the current flowing through the switch of the switching circuit 5A. When the reference voltage that gives the target value calculated by the target value calculation unit is generated from the reference voltage generation unit 10D, each switch is controlled according to the current flowing through each switch of the switching circuit 5A. Since the target value of the voltage between the terminals can be determined, it is possible to effectively reduce the conduction loss that occurs in each switch regardless of the state of the load.

1 高周波電源装置
2 負荷
3 インピーダンス整合器
4 可変DC電源部
5 DC/RF変換部
5A スイッチング回路
5B 直列共振回路
5C トランス
6 ローパスフィルタ
7 パワー検出部
8 制御部
9 出力制御部
10 駆動信号供給回路
10A 信号発生器
10B トランス
10C 制御端子間電圧検出部
10D 基準電圧発生部
10E 制御端子間電圧制御部
10F 負荷側インピーダンス検出部
10G 目標値演算部
10H 電流検出部
Q1 ハイサイドスイッチ
Q2 ローサイドスイッチ
FET1 ハイサイドスイッチを構成するMOSFET
FET2 ローサイドスイッチを構成するMOSFET
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 High frequency power supply device 2 Load 3 Impedance matching device 4 Variable DC power supply part 5 DC / RF conversion part 5A Switching circuit 5B Series resonance circuit 5C Transformer 6 Low-pass filter 7 Power detection part 8 Control part 9 Output control part 10 Drive signal supply circuit 10A Signal generator 10B Transformer 10C Control terminal voltage detection unit 10D Reference voltage generation unit 10E Control terminal voltage control unit 10F Load side impedance detection unit 10G Target value calculation unit 10H Current detection unit Q1 High side switch Q2 Low side switch FET1 High side switch MOSFET comprising
FET2 MOSFET constituting the low-side switch

Claims (11)

直流出力の制御が可能な可変DC電源部と、半導体増幅素子からなるスイッチを備えたスイッチング回路を有して、該スイッチング回路のスイッチング動作により前記可変DC電源部の直流出力を高周波出力に変換するDC/RF変換部と、前記DC/RF変換部の出力周波数に等しい周波数を有する正弦波状又は矩形波状の電圧信号を発生する信号発生器を備えて前記可変DC電源部の出力を高周波出力に変換するためのスイッチング動作を前記スイッチング回路に行わせるべく前記信号発生器の出力信号と同期させて前記スイッチング回路のスイッチの制御端子間に駆動信号を与える駆動信号供給回路とを備えた高周波電源装置において、
前記駆動信号供給回路は、
前記スイッチング回路の各スイッチの制御端子間の電圧を直接又は間接的に検出して、前記各スイッチの制御端子間の電圧の情報を含む検出信号電圧を出力する制御端子間電圧検出部と、
前記制御端子間電圧検出部が出力する検出信号から検出される各スイッチの制御端子間の電圧を設定された目標値に保つように制御する制御端子間電圧制御部と、
を具備したことを特徴とする高周波電源装置。
A switching circuit having a variable DC power supply unit capable of controlling a DC output and a switch composed of a semiconductor amplifying element is provided, and the DC output of the variable DC power supply unit is converted into a high frequency output by a switching operation of the switching circuit. A DC / RF converter and a signal generator for generating a sine wave or rectangular wave voltage signal having a frequency equal to the output frequency of the DC / RF converter, and converting the output of the variable DC power source to a high frequency output A high-frequency power supply device including a drive signal supply circuit for supplying a drive signal between control terminals of the switch of the switching circuit in synchronization with the output signal of the signal generator so as to cause the switching circuit to perform a switching operation for ,
The drive signal supply circuit includes:
A voltage between control terminals that directly or indirectly detects a voltage between control terminals of each switch of the switching circuit and outputs a detection signal voltage including information on a voltage between the control terminals of each switch; and
A voltage control unit between control terminals that controls the voltage between the control terminals of each switch detected from the detection signal output by the voltage detection unit between the control terminals to maintain a set target value; and
A high frequency power supply device comprising:
前記スイッチング回路は、互いに直列に接続されたハイサイドスイッチとローサイドスイッチにより構成されて前記可変DC電源部の出力端子間に接続されたレグを少なくとも一つ備え、
前記駆動信号供給回路は、前記ハイサイドスイッチの制御端子間及びローサイドスイッチの制御端子間にそれぞれ接続されたハイサイドスイッチ用二次コイル及びローサイドスイッチ用二次コイルを有するトランスと、前記各スイッチの制御端子間の電圧の目標値を与える基準電圧を発生する基準電圧発生部とを更に備え、
前記制御端子間電圧制御部は、前記制御端子間電圧検出部が出力する検出信号電圧と前記基準電圧との偏差を演算する誤差増幅部と、前記信号発生器の出力電圧と前記誤差増幅部の出力電圧との乗算値の情報を含む乗算出力電圧を前記トランスの一次側に入力する乗算器とを備えている請求項1に記載の高周波電源装置。
The switching circuit includes at least one leg configured by a high-side switch and a low-side switch connected in series with each other and connected between output terminals of the variable DC power supply unit,
The drive signal supply circuit includes a transformer having a secondary coil for a high side switch and a secondary coil for a low side switch connected between the control terminals of the high side switch and between the control terminals of the low side switch, A reference voltage generator for generating a reference voltage that gives a target value of the voltage between the control terminals,
The voltage control unit between the control terminals includes an error amplification unit that calculates a deviation between the detection signal voltage output from the control terminal voltage detection unit and the reference voltage, an output voltage of the signal generator, and an error amplification unit. The high frequency power supply device according to claim 1, further comprising a multiplier that inputs a multiplication output voltage including information of a multiplication value with the output voltage to a primary side of the transformer.
前記スイッチング回路は、互いに直列に接続されたハイサイドスイッチとローサイドスイッチにより構成されて前記可変DC電源部の出力端子間に接続されたレグを少なくとも一つ備え、
前記駆動信号供給回路は、前記ハイサイドスイッチの制御端子間及びローサイドスイッチの制御端子間にそれぞれ接続されたハイサイドスイッチ用二次コイル及びローサイドスイッチ用二次コイルを有するトランスと、前記スイッチの制御端子間の電圧の目標値を与える基準電圧を発生する基準電圧発生部とを更に備え、
前記制御端子間電圧制御部は、前記基準電圧を前記制御端子間電圧検出部が出力する検出信号電圧で除する演算を行う除算器と、前記信号発生器の出力電圧と前記除算器の出力電圧との乗算値の情報を含む乗算出力電圧を前記トランスの一次側に入力する乗算器とを備えている請求項1に記載の高周波電源装置。
The switching circuit includes at least one leg configured by a high-side switch and a low-side switch connected in series with each other and connected between output terminals of the variable DC power supply unit,
The drive signal supply circuit includes a transformer having a high-side switch secondary coil and a low-side switch secondary coil connected between the control terminals of the high-side switch and between the control terminals of the low-side switch, and the control of the switch A reference voltage generator for generating a reference voltage that gives a target value of the voltage between the terminals,
The voltage control unit between control terminals includes a divider that performs an operation of dividing the reference voltage by a detection signal voltage output by the voltage detection unit between control terminals, an output voltage of the signal generator, and an output voltage of the divider The high frequency power supply device according to claim 1, further comprising: a multiplier that inputs a multiplication output voltage including information on a multiplication value of the first to the primary side of the transformer.
前記制御端子間電圧検出部は、前記トランスの一次コイルの両端の電圧から前記各スイッチの制御端子間の電圧の情報を得るように構成されている請求項2又は3に記載の高周波電源装置。   4. The high frequency power supply device according to claim 2, wherein the inter-control-terminal voltage detection unit is configured to obtain information on a voltage between control terminals of each switch from a voltage between both ends of the primary coil of the transformer. 前記制御端子間電圧検出部は、前記トランスの二次コイルの両端の電圧から前記各スイッチの制御端子間の電圧の情報を得るように構成されている請求項2又は3に記載の高周波電源装置。   4. The high frequency power supply device according to claim 2, wherein the inter-control-terminal voltage detection unit is configured to obtain information on a voltage between control terminals of each switch from a voltage between both ends of a secondary coil of the transformer. . 前記スイッチング回路は、互いに直列に接続されたハイサイドスイッチとローサイドスイッチにより構成されて前記可変DC電源部の出力端子間に接続されたレグを1つだけ備えたハーフブリッジ型のスイッチング回路からなっている請求項1ないし5の何れかに記載の高周波電源装置。   The switching circuit is composed of a high-side switch and a low-side switch connected in series with each other, and includes a half-bridge type switching circuit having only one leg connected between output terminals of the variable DC power supply unit. The high frequency power supply device according to any one of claims 1 to 5. 前記スイッチング回路は、互いに直列に接続されたハイサイドスイッチとローサイドスイッチにより構成されて前記可変DC電源部の出力端子間に接続されたレグを2つ備えて、該2つのレグを並列に接続した構成を有するフルブリッジ型のスイッチング回路からなっている請求項1ないし5の何れかに記載の高周波電源装置。   The switching circuit includes two legs connected to each other between the output terminals of the variable DC power supply unit, the high-side switch and the low-side switch connected in series with each other, and the two legs are connected in parallel. The high frequency power supply device according to claim 1, comprising a full bridge type switching circuit having a configuration. 前記スイッチング回路は、チョークコイルを通して前記可変DC電源部の出力端子間に接続された単一のスイッチにより構成され、
前記駆動信号供給回路は、前記スイッチの制御端子間の電圧の目標値を与える基準電圧を発生する基準電圧発生部を備え、
前記制御端子間電圧制御部は、前記制御端子間電圧検出部が出力する検出信号電圧と前記基準電圧との偏差を演算する誤差増幅部と、前記信号発生器の出力電圧と前記誤差増幅部の出力電圧との乗算値の情報を含む乗算出力電圧を出力する乗算器とを備え、
前記乗算出力電圧が直接又はトランスを通して前記スイッチの制御端子間に駆動信号として入力されている請求項1に記載の高周波電源装置。
The switching circuit is configured by a single switch connected between output terminals of the variable DC power supply unit through a choke coil,
The drive signal supply circuit includes a reference voltage generation unit that generates a reference voltage that gives a target value of a voltage between control terminals of the switch,
The voltage control unit between the control terminals includes an error amplification unit that calculates a deviation between the detection signal voltage output from the control terminal voltage detection unit and the reference voltage, an output voltage of the signal generator, and an error amplification unit. A multiplier for outputting a multiplication output voltage including information on a multiplication value with the output voltage,
The high-frequency power supply device according to claim 1, wherein the multiplication output voltage is input as a drive signal directly or through a transformer between control terminals of the switch.
前記スイッチング回路は、チョークコイルを通して前記可変DC電源部の出力端子間に接続された単一のスイッチにより構成され、
前記駆動信号供給回路は、前記スイッチの制御端子間の電圧の目標値を与える基準電圧を発生する基準電圧発生部を備え、
前記制御端子間電圧制御部は、前記基準電圧を前記制御端子間電圧検出部が出力する検出信号電圧で除する演算を行う除算器と、前記信号発生器の出力電圧と前記除算器の出力電圧との乗算値の情報を含む乗算出力電圧を出力する乗算器とを備え、
前記乗算出力電圧が直接又はトランスを通して前記スイッチの制御端子間に駆動信号として入力されている請求項1に記載の高周波電源装置。
The switching circuit is configured by a single switch connected between output terminals of the variable DC power supply unit through a choke coil,
The drive signal supply circuit includes a reference voltage generation unit that generates a reference voltage that gives a target value of a voltage between control terminals of the switch,
The voltage control unit between control terminals includes a divider that performs an operation of dividing the reference voltage by a detection signal voltage output by the voltage detection unit between control terminals, an output voltage of the signal generator, and an output voltage of the divider A multiplier for outputting a multiplication output voltage including information on a multiplication value of
The high-frequency power supply device according to claim 1, wherein the multiplication output voltage is input as a drive signal directly or through a transformer between control terminals of the switch.
前記スイッチの制御端子間の電圧の目標値は、前記スイッチング回路を構成するスイッチで生じる導通損失を設定した制限値以下に抑えるために適した値に設定されている請求項1ないし9の何れかに記載の高周波電源装置。   The target value of the voltage between the control terminals of the switch is set to a value suitable for suppressing a conduction loss generated in the switch constituting the switching circuit below a set limit value. The high frequency power supply device described in 1. 前記スイッチング回路のスイッチを通して流れる電流の情報を含むパラメータに対して前記制御端子間の電圧の目標値を演算する目標値演算部が設けられ、
前記基準電圧発生部は、前記目標値演算部で演算された目標値を与える基準電圧を発生するように構成されている請求項10に記載の高周波電源装置。
A target value calculation unit for calculating a target value of the voltage between the control terminals for a parameter including information on the current flowing through the switch of the switching circuit;
The high-frequency power supply device according to claim 10, wherein the reference voltage generation unit is configured to generate a reference voltage that gives a target value calculated by the target value calculation unit.
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