JP2015179581A - 高周波電源装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本願に開示された第1の発明においては、上記制御部に、スイッチング回路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負荷側インピーダンス検出部と、負荷側インピーダンスとスイッチング回路の各スイッチで生じる損失の低減を図るために各スイッチに与える駆動信号の波高値がとるべき適正値(適切な値)との間の関係を与えるマップを記憶したマップ記憶部と、負荷側インピーダンス検出部により検出された負荷側インピーダンスに対してマップ記憶部に記憶されているマップを検索することにより各スイッチに与える駆動信号の波高値の適正値を演算するマップ演算部とを設ける。この場合スイッチ駆動部は、マップ演算部により演算された適正値に等しい波高値を有する駆動信号を各スイッチに与えるように構成される。
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、負荷及びインピーダンス整合器とともに示したものである。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。
負荷側インピーダンスが抵抗性であるときには、DC/RF変換部の各MOSFETの両端の電圧と各MOSFETを通して流れる電流とが同位相であるため、MOSFET Q1がオン状態にある期間正の半波の振動電流が流れ、MOSFET Q1がオフ状態になってからMOSFET Q2がオン状態になるまでのデッドタイムtdの間に振動電流が正の半波から負の半波に移行する。またMOSFET Q2がオン状態にある期間負の半波の振動電流が流れ、MOSFET Q2がオフ状態になってからMOSFET Q1がオン状態になるまでのデッドタイムの期間に振動電流が正の半波から負の半波に移行する。
次に、負荷側インピーダンスZLが誘導性であって、各MOSFETを流れる電流の位相が各MOSFETの両端の電圧の位相に対して遅れる場合のDC/RF変換部5の動作を、図8ないし図15を参照して説明する。先ず、MOSFET Q1に駆動信号S1が与えられ、MOSFET Q2に駆動信号が与えられていない状態を考える。このときMOSFET Q1がオン状態にあり、MOSFET Q2がオフ状態にあるため、図8に示すように電流I1 が流れて負荷2に電力が供給される。このときMOSFET Q1の両端(ドレインソース間)の電圧はほぼ0[V]であり、MOSFET Q2の両端の電圧はほぼ電源電圧Vdcに等しくなっている。
負荷側インピーダンスが容量性である場合には、図16に示すように、各MOSFETを流れる電流の位相が各MOSFETの両端の電圧の位相に対して進むため、MOSFET Q1がオン状態にある間に振動電流が正の半波から負の半波に移行する。負の半波の振動電流は、MOSFET Q1がオン状態にあり、MOSFET Q2がオフ状態にある期間、及びMOSFET Q1がオフ状態になった後のデッドタイムの期間、直列共振回路5B→寄生ダイオードD1→コンデンサCs→負荷2′→直列共振回路5Bの回路を流れる。次いでMOSFET Q2がオン状態になると、図17に示したように、直列共振回路5B→MOSFET Q2→負荷2′→直列共振回路5Bの回路を通して負の半波の振動電流Iaが流れると同時に、コンデンサCs→出力静電容量C1→MOSFET Q2→コンデンサCsの回路を通して電流Ibが流れ、更に出力静電容量C2→MOSFET Q2→出力静電容量C2を通して電流Icが流れる。
上記のように、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、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とを備えて、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交流出力に変換するDC/RF変換部を用いる高周波電源装置においては、負荷のインピーダンスが低インピーダンスになって、全反射に近い反射を生じる状態になったときに、スイッチング回路5Aのレグを構成するスイッチに大きな電流が流れる。このようにスイッチング回路のレグを構成するスイッチに大きな電流が流れるときには、各スイッチのオン抵抗により大きな導通損失が生じるため、この導通損失の低減を図ることが重要になる。
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
8A 反射係数演算部
8B 負荷側インピーダンス検出部
8C マップ記憶部
8D マップ演算部
8E スイッチ駆動部
8E1 駆動信号発生指令部
8E2 ドライブ回路
801 信号幅演算部
802 駆動信号波形指示部
803 第1の駆動信号発生回路
804 第2の駆動信号発生回路
Claims (13)
- 直流出力の制御が可能な可変DC電源部と、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とを有す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前記可変DC電源部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前記可変DC電源部の出力が前記スイッチング回路を通して供給される直列共振回路とを備えて前記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交流出力に変換するDC/RF変換部と、前記DC/RF変換部から負荷に与えられる高周波電力の進行波成分及び反射波成分を検出するパワー検出部と、前記可変DC電源部及びDC/RF変換部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記レグを構成するハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチ双方への駆動信号の供給を休止する期間であるデッドタイムを設けながら、該ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチに交互に駆動信号を与えるスイッチ駆動部を備えている高周波電源装置において、
前記制御部は、
前記スイッチング回路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負荷側インピーダンス検出部と、
前記負荷側インピーダンスと、前記スイッチング回路の各スイッチで生じる損失の低減を図るために各スイッチに与える駆動信号の波高値がとるべき適正値との間の関係を与えるマップを記憶したマップ記憶部と、
前記負荷側インピーダンス検出部により検出された負荷側インピーダンスに対して前記マップ記憶部に記憶されているマップを検索することにより前記各スイッチに与える駆動信号の波高値の適正値を演算するマップ演算部と、
を具備し、
前記スイッチ駆動部は、前記マップ演算部により演算された適正値に等しい波高値を有する駆動信号を各スイッチに与えるように構成されていることを特徴とする高周波電源装置。 - 前記負荷側インピーダンス検出部は、定められたタイミングが到来する毎に前記負荷側インピーダンスの検出を行うように構成され、
前記マップ演算部は、前記負荷側インピーダンスが検出される毎に前記マップを検索して駆動信号の波高値の適正値を演算するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の高周波電源装置。 - 直流出力の制御が可能な可変DC電源部と、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とを有す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前記可変DC電源部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前記可変DC電源部の出力が前記スイッチング回路を通して供給される直列共振回路とを備えて,前記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交流出力に変換するDC/RF変換部と、前記DC/RF変換部から負荷に与えられる高周波電力の進行波成分及び反射波成分を検出するパワー検出部と、前記可変DC電源部及びDC/RF変換部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記レグを構成するハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチ双方への駆動信号の供給を休止する期間であるデッドタイムを設けながら、該ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチに交互に駆動信号を与えるスイッチ駆動部を備えている高周波電源装置において、
前記制御部は、
前記スイッチング回路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負荷側インピーダンス検出部と、
前記負荷側インピーダンスと、前記スイッチング回路の各スイッチで生じる損失の低減を図るために前記デッドタイムがとるべき適正値と、前記スイッチング回路の各スイッチで生じる損失の低減を図るために各スイッチに与える駆動信号の波高値がとるべき適正値との間の関係を与えるマップを記憶したマップ記憶部と、
前記負荷側インピーダンス検出部により検出された負荷側インピーダンスに対して前記マップ記憶部に記憶されているマップを検索することにより前記デッドタイムの適正値と各スイッチに与える駆動信号の波高値の適正値とを演算するマップ演算部と、
を具備し、
前記スイッチ駆動部は、前記デッドタイムを前記マップ演算部により演算された適正値に保ちながら、前記マップ演算部により演算された適正値に等しい波高値を有する駆動信号を各スイッチに与えるように構成されていることを特徴とする高周波電源装置。 - 前記負荷側インピーダンス検出部は、定められたタイミングが到来する毎に前記負荷側インピーダンスの検出を行うように構成され、
前記マップ演算部は、前記負荷側インピーダンスが検出される毎に前記マップを検索して前記デッドタイムの適正値と駆動信号の波高値の適正値とを演算するように構成されていることを特徴とする請求項3に記載の高周波電源装置。 - 前記負荷側インピーダンス検出部は、前記パワー検出部により検出された進行波成分及び反射波成分から求めた反射係数を用いて演算した負荷インピーダンスと、前記スイッチング回路とパワー検出部との間の回路のインピーダンスとから前記負荷側インピーダンスを求めるように構成されている請求項1ないし4の何れかに記載の高周波電源装置。
- 前記スイッチング回路を通して出力される電圧と電流とを検出する出力電圧・電流検出部が設けられ、
前記負荷側インピーダンス検出部は、前記出力電圧・電流検出部により検出されたスイッチング回路の出力電圧と出力電流とから前記負荷側インピーダンスを求めるように構成されている請求項1ないし4の何れかに記載の高周波電源装置。 - 直流出力の制御が可能な可変DC電源部と、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とを有す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前記可変DC電源部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前記可変DC電源部の出力が前記スイッチング回路を通して供給される直列共振回路とを備えて,前記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交流出力に変換するDC/RF変換部と、前記DC/RF変換部から負荷に与えられる高周波電力の進行波成分及び反射波成分を検出するパワー検出部と、前記可変DC電源部及びDC/RF変換部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記レグを構成するハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチ双方への駆動信号の供給を休止する期間であるデッドタイムを設けながら、該ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチに交互に駆動信号を与えるスイッチ駆動部を備えている高周波電源装置において、
前記制御部は、
前記パワー検出部により検出された進行波成分と反射波成分とから反射係数の絶対値と位相角とを演算する反射係数演算部と、
前記反射係数演算部により演算される反射係数の絶対値及び位相角と前記スイッチング回路の各スイッチで生じる損失の低減を図るために各スイッチに与える駆動信号の波高値がとるべき適正値との間の関係を与えるマップを記憶したマップ記憶部と、
前記反射係数演算部により演算された反射係数の絶対値及び位相角に対して前記マップ記憶部に記憶されているマップを検索することにより前記各スイッチに与える駆動信号の波高値の適正値を演算するマップ演算部と、
を具備し、
前記スイッチ駆動部は、前記マップ演算部により演算された適正値に等しい波高値を有する駆動信号を各スイッチに与えるように構成されていることを特徴とする高周波電源装置。 - 前記反射係数演算部は、定められたタイミングが到来する毎に前記反射係数の絶対値と位相角とを演算するように構成され、
前記マップ演算部は、前記反射係数の絶対値と位相角とが演算される毎に前記マップを検索して駆動信号の波高値の適正値を演算するように構成されていることを特徴とする請求項7に記載の高周波電源装置。 - 直流出力の制御が可能な可変DC電源部と、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とを有す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前記可変DC電源部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前記可変DC電源部の出力が前記スイッチング回路を通して供給される直列共振回路とを備えて,前記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交流出力に変換するDC/RF変換部と、前記DC/RF変換部から負荷に与えられる高周波電力の進行波成分及び反射波成分を検出するパワー検出部と、前記可変DC電源部及びDC/RF変換部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記レグを構成するハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチ双方への駆動信号の供給を休止する期間であるデッドタイムを設けながら、該ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチに交互に駆動信号を与えるスイッチ駆動部を備えている高周波電源装置において、
前記制御部は、
前記パワー検出部により検出された進行波成分と反射波成分とから反射係数の絶対値と位相角とを演算する反射係数演算部と、
前記反射係数演算部により演算される反射係数の絶対値及び位相角と、前記スイッチング回路の各スイッチで生じる損失の低減を図るために前記デッドタイムがとるべき適正値と、前記スイッチング回路の各スイッチで生じる損失の低減を図るために各スイッチに与える駆動信号の波高値がとるべき適正値との間の関係を与えるマップを記憶したマップ記憶部と、
前記反射係数演算部により演算された反射係数の絶対値及び位相角に対して前記マップ記憶部に記憶されているマップを検索することにより前記デッドタイムの適正値と各スイッチに与える駆動信号の波高値の適正値とを演算するマップ演算部と、
を具備し、
前記スイッチ駆動部は、前記デッドタイムを前記マップ演算部により演算された適正値に保ちながら、前記マップ演算部により演算された適正値に等しい波高値を有する駆動信号を各スイッチに与えるように構成されていることを特徴とする高周波電源装置。 - 前記反射係数演算部は、定められたタイミングが到来する毎に前記反射係数の絶対値と位相角とを演算するように構成され、
前記マップ演算部は、前記反射係数の絶対値と位相角とが演算される毎に前記マップを検索して前記デッドタイムの適正値と駆動信号の波高値の適正値とを演算するように構成されていることを特徴とする請求項9に記載の高周波電源装置。 - 前記スイッチ駆動部は、
前記DC/RF変換部の出力端子間に発生させる高周波電圧の半周期に相当する時間と前記デッドタイムとから前記スイッチング回路のハイサイドスイッチに与える駆動信号が持つべき信号幅及びローサイドスイッチに与える駆動信号が持つべき信号幅を演算する信号幅演算部と、
前記ハイサイドスイッチに与えるハイサイドスイッチ用駆動信号の信号幅を前記信号幅演算部により演算された信号幅とし、前記ハイサイドスイッチ用駆動信号の波高値を前記マップ演算部により演算された波高値の適正値に等しくすることを指示するハイサイドスイッチ用駆動信号発生指令と、前記ローサイドスイッチに与えるローサイドスイッチ用駆動信号の信号幅を前記信号幅演算部により演算された信号幅とし、前記ローサイドスイッチ用駆動信号の波高値を前記マップ演算部により演算された波高値の適正値に等しくすることを指示するローサイドスイッチ用駆動信号発生指令とを前記デッドタイムに等しい時間間隔で交互に発生する駆動信号波形指示部と、
前記駆動信号波形指示部がハイサイドスイッチ用駆動信号発生指令を発生したときに前記ハイサイドスイッチに与えるパルス波形のハイサイドスイッチ用駆動信号を発生し、前記駆動信号発生指令発生手段がローサイドスイッチ用駆動信号発生指令を発生したときに前記ローサイドスイッチに与えるパルス波形のローサイドスイッチ用駆動信号を発生するドライブ回路と、
を備えていることを特徴とする請求項1ないし10の何れかに記載の高周波電源装置。 - 前記スイッチング回路は、前記レグを一つだけ備えて,該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前記可変DC電源部の出力を高周波出力に変換するハーフブリッジ回路からなっていて、ローサイドスイッチの両端の電圧が前記直列共振回路に印加され、
前記スイッチ駆動部は、前記スイッチング回路に変換動作を行わせるべく前記スイッチング回路のハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチのうちの一方に与えていた駆動信号を消滅させるタイミングと他方に与える駆動信号を発生させるタイミングとの間にデッドタイムを設けながら前記ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチに交互に駆動信号を与えるように構成されている請求項1ないし11の何れか一つに記載の高周波電源装置。 - 前記スイッチング回路は、前記レグを二つ備えて、該二つのレグの対角位置にある一方の組のハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチをオンにする状態と、該二つのレグの対角位置にある他方の組のハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチをオンにする状態とを交互に生じさせることにより前記可変DC変換部の出力を高周波出力に変換するフルブリッジ回路からなっていて、該スイッチング回路の出力端子間の電圧が前記直列共振回路に印加され、
前記スイッチ駆動部は、前記スイッチング回路の各レグのハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチのうちの一方に与えていた駆動信号を消滅させるタイミングと他方に与える駆動信号を発生させるタイミングとの間にデッドタイムを設けながら前記スイッチング回路に変換動作を行わせるべく前記スイッチング回路の各レグのハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチに交互に駆動信号を与えるように構成されている請求項1ないし11の何れか一つに記載の高周波電源装置。
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