JP2018049795A - Induction thermal plasma generating device - Google Patents
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Description
この発明は、誘導熱プラズマ生成装置の電源の制御に関するものである。 The present invention relates to control of a power source of an induction thermal plasma generator.
半導体素子の大電力化、高速化等と相俟って誘導熱プラズマ生成装置も大型化している。 Inductive thermal plasma generators are also becoming larger in combination with higher power and higher speed semiconductor devices.
従来の誘導熱プラズマ生成装置の概略図を図１に示す。図１を用いて、従来の誘導熱プラズマ生成装置における、熱プラズマの生成手順を示す。 A schematic diagram of a conventional induction thermal plasma generator is shown in FIG. A thermal plasma generation procedure in a conventional induction thermal plasma generation apparatus will be described with reference to FIG.
図１において真空チャンバー１を排気する。次にアルゴンガス２を真空チャンバー１に注入する。この状態で高周波コイル７に高周波電圧を印加する。次にイグナイター（点火器、例えばテスラーコイル）で点火放電させる。この状態から、ガスの流入量と直流電圧を徐々に増加して、所望の状態の誘導熱プラズマ６を生成する。所望の熱プラズマ６が生成された雰囲気中に試料等を注入し、種々の処理を行うものである。 In FIG. 1, the vacuum chamber 1 is evacuated. Next, argon gas 2 is injected into the vacuum chamber 1. In this state, a high frequency voltage is applied to the high frequency coil 7. Next, ignition discharge is performed by an igniter (an igniter, for example, a Tessler coil). From this state, the inflow amount of gas and the DC voltage are gradually increased to generate the induction thermal plasma 6 in a desired state. A sample or the like is injected into the atmosphere in which the desired thermal plasma 6 is generated, and various processes are performed.
従来の誘導熱プラズマ生成装置の電源には、次のような欠点があった。 The power source of the conventional induction thermal plasma generator has the following drawbacks.
誘導熱プラズマ生成装置を用いて試料を処理する場合、直流電源は、三相全波サイリスタ位相制御方式直流電源、定電圧制御直流電源（サイリスタ位相制御によるもの、ＰＷＭ制御によるもの等がある）が採用される。ここでは三相全波サイリスタ位相制御による定電圧制御直流電源を使用した時を念頭に置いて記述する。 When processing a sample using an induction thermal plasma generator, the DC power source is a three-phase full-wave thyristor phase control DC power source, a constant voltage control DC power source (those using thyristor phase control, PWM control, etc.) Adopted. Here, it is described with the use of a constant voltage controlled DC power supply with three-phase full-wave thyristor phase control in mind.
熱プラズマ雰囲気中で試料を処理している時の状況を考える。何らかの擾乱で放電が停止（失火）した場合、負荷の抵抗が数分の１に変化する。定電圧制御直流電源を採用しているので、電圧を保持しようとすると、電流は数倍になろうとする。この時、定格直流電流を遥かに超える。この状態では失火する度に、電源破損の恐れがあり、または装置保護のために強力な保護協調回路が必要になる。 Consider the situation when processing a sample in a thermal plasma atmosphere. When the discharge stops (misfire) due to some disturbance, the resistance of the load changes to a fraction. Since a constant voltage control direct current power supply is used, the current tends to increase several times when the voltage is maintained. At this time, the rated DC current is far exceeded. In this state, every time a misfire occurs, the power supply may be damaged, or a strong protection coordination circuit is required to protect the device.
本発明は、このような課題を解決するためになされたものである。 The present invention has been made to solve such problems.
本発明の誘導熱プラズマ生成装置は、電圧型ＭＯＳＦＥＴインバータ又は電流型ＭＯＳＦＥＴインバータを備え、放電点火前は、定電圧直流電源、定電流制御直流電源、三相全波サイリスタ位相制御方式直流電源、ＰＷＭ制御方式直流電源のいずれかを用いて運転し、点火後、直流電源制御方式切換器を用いて、定電流制御直流電源から定電圧制御直流電源又は定電圧制御直流電源から定電流制御直流電源に切り換えて運転するようにしたことを特徴とする。 The induction thermal plasma generation apparatus of the present invention includes a voltage type MOSFET inverter or a current type MOSFET inverter, and before discharge ignition, a constant voltage DC power source, a constant current control DC power source, a three-phase full-wave thyristor phase control DC power source, a PWM Operate using one of the control system DC power supplies, and after ignition, use the DC power supply control system switch to switch from the constant current control DC power supply to the constant voltage control DC power supply or from the constant voltage control DC power supply to the constant current control DC power supply. It is characterized by switching operation.
放電中の熱プラズマ雰囲気中で試料を処理している際などに、何らかの擾乱で放電が停止（失火）した場合、定電圧制御直流電源を採用していれば、電圧を保持しようと、電流は数倍になろうとする。この時、定格直流電流を遥かに超える。 When processing a sample in a thermal plasma atmosphere during discharge, if the discharge stops (misfire) due to some disturbance, if a constant voltage controlled DC power supply is used, the current Try to be several times. At this time, the rated DC current is far exceeded.
本発明において、点火後、直流電源切換器を用いて、直流電源を定電流直流電源に切り換えることで、放電が停止した場合、定電流直流電源のために、電流はほぼ一定で、直流電圧を下げる方向に動作するため、装置破損の危険性を回避することができる。 In the present invention, after ignition, when the discharge is stopped by switching the DC power source to a constant current DC power source using a DC power source switching device, the current is substantially constant and the DC voltage is kept constant for the constant current DC power source. Since it operates in the downward direction, the risk of damage to the device can be avoided.
以下、本発明を実施する形態、手順を説明する。 Hereinafter, embodiments and procedures for carrying out the present invention will be described.
誘導熱プラズマ生成装置の電源負荷の電気等価回路を図２に示す。図２において、Ｒ：高周波コイル高周波抵抗１０、ＲD：高周波放電抵抗１１、Ｌ：高周波コイルのインダクタンス１２、△Ｌ：高周波放電によるインダクタンスの変化分１３、Ｃ：整合コンデンサ１４、Ｚ：負荷インピーダンス１５、ω＝２πｆ：角周波数である。
FIG. 2 shows an electrical equivalent circuit of a power supply load of the induction thermal plasma generation apparatus. In FIG. 2, R: high frequency coil
誘導熱プラズマ生成装置において、無放電時は、定電圧制御直流電流、三相全波サイリスタ位相制御直流電源、ＰＷＭ制御直流電源等を用いて、電圧型ＭＯＳＦＥＴインバータを運転することができる。 In the induction thermal plasma generating apparatus, when there is no discharge, the voltage type MOSFET inverter can be operated using a constant voltage control direct current, a three-phase full-wave thyristor phase control direct current power supply, a PWM control direct current power supply or the like.
その根拠は、放電していない時の負荷抵抗はＲ（Ω）であり、点火後、放電した時の負荷抵抗がＲ＋ＲD（Ω）と数倍に増加すること、及び点火時点の電力供給量が、電源の定格供給電力量に比して、遥かに小さいことである。 The reason for this is that the load resistance when not discharging is R (Ω), the load resistance when discharging is increased several times to R + R D (Ω) after ignition, and the amount of power supplied at the time of ignition. However, it is much smaller than the rated supply power amount of the power source.
図１において真空チャンバー１を排気する。次にアルゴンガス２を１０Ｌ／ｍｉｎ真空チャンバーに注入する（チャンバー内圧約１．２ｋＰａ）。誘導熱プラズマ生成装置の高周波電源４は定格直流電圧ＥDC＝５２０Ｖ、定格直流電流ＩDC＝２００Ａ、高周波周波数ｆ＝４００ｋＨｚ、ＰＬＬ（位相同期ループ）付電圧型ＭＯＳＦＥＴインバータとする。誘導熱プラズマ生成装置の電源は、ここでは定電圧制御直流電源を採用する。 In FIG. 1, the vacuum chamber 1 is evacuated. Next, argon gas 2 is injected into a 10 L / min vacuum chamber (chamber internal pressure is about 1.2 kPa). The high frequency power supply 4 of the induction thermal plasma generator is a voltage type MOSFET inverter with a rated DC voltage E DC = 520 V, a rated DC current I DC = 200 A, a high frequency f = 400 kHz, and a PLL (phase locked loop). Here, a constant voltage controlled DC power source is adopted as the power source of the induction thermal plasma generator.
図１における整合器５の整合トランスの巻数比を１０：３とする。この状態で高周波コイル７に高周波電圧を印加する。ＥDC＝１１０Ｖ、ＩDC＝１２０Ａ、移相率ｃｏｓ２７．６°程度とする。この状態ではまだ放電されてないから図２におけるＲD＝０Ωである。整合トランス二次巻線の高周波出力電流ｉHFは、下数式１により算出する。負荷抵抗Ｒ×ｉ2 HF＝ＥDC×ＩDCと見做してＲ＝０．０５３Ωと求まる。 The turn ratio of the matching transformer of the matching unit 5 in FIG. 1 is 10: 3. In this state, a high frequency voltage is applied to the high frequency coil 7. It is assumed that E DC = 110 V, I DC = 120 A, and the phase shift rate cos is about 27.6 °. In this state, R D = 0Ω in FIG. The high frequency output current i HF of the matching transformer secondary winding is calculated by the following formula 1. Assuming that the load resistance is R × i 2 HF = E DC × I DC , R = 0.053Ω is obtained.
次にイグナイター（点火器、例えばテスラーコイル）で点火放電させる。ＥDC＝１１０Ｖ、ＩDC＝１８Ａ、移相率ｃｏｓ２７．６°程度になる。これより前述と同様に計算して、Ｒ＋ＲD＝０．３５２Ωが導かれる。放電によりＲD＝０．２９９Ωが発生すると考えられる。この状態から、ガスの流入量と直流電圧を徐々に増加して、所望の状態の誘導熱プラズマ６を生成する。 Next, ignition discharge is performed by an igniter (an igniter, for example, a Tessler coil). E DC = 110 V, I DC = 18 A, and the phase shift rate is cos 27.6 °. From this calculation, R + R D = 0.352Ω is derived in the same manner as described above. It is considered that R D = 0.299Ω is generated by the discharge. From this state, the inflow amount of gas and the DC voltage are gradually increased to generate the induction thermal plasma 6 in a desired state.
例えば、アルゴンガス流入量（１００Ｌ／ｍｉｎ、１５Ｌ／ｍｉｎの二系統）、窒素ガス流入量３０Ｌ／ｍｉｎ、チャンバー内圧３０ｋＰａとする。この時、ＥDC＝４２５Ｖ、ＩDC＝８５Ａ、ｃｏｓ２７．６°程度で動作する。これより負荷抵抗Ｒ＋ＲD＝０．２８７Ω、ＲD＝０．２３４Ωが期待される。 For example, an argon gas inflow rate (100 L / min, 15 L / min, two systems), a nitrogen gas inflow rate of 30 L / min, and a chamber internal pressure of 30 kPa are used. At this time, it operates at E DC = 425 V, I DC = 85 A, and cos 27.6 °. As a result, load resistance R + R D = 0.287Ω and R D = 0.234Ω are expected.
誘導熱プラズマ生成装置の電源の負荷インピーダンスＺは図２より、下数式２のように記述される。 The load impedance Z of the power source of the induction thermal plasma generator is described by the following formula 2 from FIG.
前述のＥDC＝４２５Ｖ、ＩDC＝８５Ａでの熱プラズマ雰囲気中で試料を処理している時の状況を考える。何らかの擾乱で放電が停止（失火）した場合、Ｒ＋ＲD＝０．２８７ΩからＲ＋０＝０．０５３Ωに負荷の抵抗が約５．４分の１に変化する。定電圧制御直流電源を採用しているので、ＥDC＝４２５Ｖを保持しようとすると、ＩDC＝５．４×８５Ａ、即ちＩDC＝４５９Ａになろうとする。定格直流電流ＩDC＝２００Ａであるから、この状態では失火する度に、装置保護のために強力な保護協調回路が必要になる。 Consider a situation when a sample is processed in a thermal plasma atmosphere at E DC = 425 V and I DC = 85 A. When the discharge stops (misfire) due to some disturbance, the resistance of the load changes from R + R D = 0.287Ω to R + 0 = 0.053Ω to about 5.4. Since a constant voltage control direct current power supply is employed, if it is attempted to maintain E DC = 425 V, I DC = 5.4 × 85 A, that is, I DC = 459 A. Since the rated DC current I DC = 200 A, a strong protection coordination circuit is required for device protection each time a misfire occurs in this state.
実際に図３、図４の構成による誘導熱プラズマ生成装置の運転を説明する。 The operation of the induction thermal plasma generation apparatus having the configuration shown in FIGS. 3 and 4 will be described.
真空チャンバー１を排気する。次に、アルゴンガス２を５Ｌ／ｍｉｎを真空チャンバー１に注入する（チャンバー内圧約０．６ｋＰａ）。図３の出力調整器（Ｂ）１８を用いて、制御信号（Ｂ）１９を三相全波サイリスタ位相制御直流電源３０に供給する。電圧型インバータ３２にＥDC＝１２５Ｖ、ＩDC＝１２０Ａを供給する。この時、自然点火してＥDC＝２４０Ｖ、ＩDC＝２０Ａになった。点火後、アルゴンガス２を１０Ｌ／ｍｉｎに増加し、ＥDC＝２２０Ｖ、ＩDC＝２０Ａとした。
The vacuum chamber 1 is evacuated. Next, 5 L / min of argon gas 2 is injected into the vacuum chamber 1 (chamber internal pressure is about 0.6 kPa). The control signal (B) 19 is supplied to the three-phase full-wave thyristor phase control DC power supply 30 using the output regulator (B) 18 of FIG. E DC = 125 V and I DC = 120 A are supplied to the
この状態で、直流電源制御方式切換器３６を用いて、以下の手順で切り換え作業を行った。直流電源制御方式切換器３６は、切換器スイッチ、零点調整スイッチを具備する。また、図３における出力調整器（Ａ）１６、出力調整器（Ｂ）１８は１０回転ダイヤル目盛付き可変抵抗器である。 In this state, the switching operation was performed by the following procedure using the DC power supply control system switch 36. The DC power supply control system switch 36 includes a switch and a zero adjustment switch. Moreover, the output regulator (A) 16 and the output regulator (B) 18 in FIG. 3 are variable resistors with a 10-turn dial scale.
切換器３６の零点調整スイッチをＯＮする。指示器の指針２１が動作する。出力調整器（Ａ）１６を回転し、制御信号（Ａ）１７を変化させる。零点調整器の指針２１を限りなく零点に調整する事が好ましい。零点調整を確認後、切換器スイッチをＯＮにする。ＥDC＝２３０Ｖ、ＩDC＝２０Ａであった。零点調整スイッチをＯＦＦにする。 The zero point adjustment switch of the switch 36 is turned on. The pointer 21 of the indicator operates. The output adjuster (A) 16 is rotated, and the control signal (A) 17 is changed. It is preferable to adjust the pointer 21 of the zero adjuster to the zero point as much as possible. After confirming the zero point adjustment, turn on the switch. E DC = 230 V and I DC = 20 A. Set the zero adjustment switch to OFF.
三相全波サイリスタ位相制御直流電源３０は、帰還回路が付いていないので、ＥDC、ＩDCが負荷の変化に応じて変化するのは仕方ない。切換器スイッチＯＮにより、以降は定電流制御直流電源により、ＭＯＳＦＥＴインバータは運転される。 Since the three-phase full-wave thyristor phase control DC power supply 30 does not have a feedback circuit, it is inevitable that E DC and I DC change in accordance with changes in the load. The MOSFET inverter is operated by the constant current control DC power source after the switch ON.
この状態から、ガスの流入量と直流電圧を徐々に増加して、所望の状態の誘導熱プラズマを生成する。アルゴンガス流入量（１００Ｌ／ｍｉｎ、１５Ｌ／ｍｉｎの二系統）、窒素ガス流入量３０Ｌ／ｍｉｎ、チャンバー内圧３０ｋＰａとする。この時、ＥDC＝４２５Ｖ、ＩDC＝８５Ａとなる。 From this state, the inflow amount of gas and the DC voltage are gradually increased to generate induction thermal plasma in a desired state. Argon gas inflow rate (100 L / min, two systems of 15 L / min), nitrogen gas inflow rate 30 L / min, and chamber internal pressure 30 kPa. At this time, E DC = 425 V and I DC = 85 A.
この状態で、意図的に放電停止実験を実施した。失火させた状態のとき、ＥDC＝８０Ｖ、ＩDC＝８０Ａ程度になり、電圧は減少し、電流はほぼ一定となった。このように、失火した際にも、安全サイドで動作することが確認できる。 In this state, a discharge stop experiment was intentionally performed. When misfired, E DC = 80 V and I DC = 80 A, the voltage decreased, and the current became almost constant. In this way, it can be confirmed that even if a misfire occurs, it operates on the safe side.
ここまでは、高周波コイルと整合コンデンサが直列接続である電圧型ＭＯＳＦＥＴインバータを採用している誘導熱プラズマ生成装置を検討してきた。 Up to this point, an induction thermal plasma generator employing a voltage MOSFET inverter in which a high frequency coil and a matching capacitor are connected in series has been studied.
ここからは、高周波コイルと整合コンデンサを並列接続した電流型ＭＯＳＦＥＴインバータを採用した誘導熱プラズマ生成装置を検討する。電流型ＭＯＤＦＥＴインバータの負荷インピーダンスＺは、下数式３で表される。更に並列共振周波数は下数式４のように表され、その近傍においては下数式５のように表される。一般に△Ｌ＜＜Ｌと考える。したがって、電流型ＭＯＤＦＥＴインバータの負荷インピーダンスＺは、下数式６のように表される。
From here, an induction thermal plasma generator employing a current MOSFET inverter in which a high frequency coil and a matching capacitor are connected in parallel will be studied. The load impedance Z of the current type MODFET inverter is expressed by the following
前記の考え方から、負荷インピーダンスＺは、電圧型ＭＯＳＦＥＴインバータの逆となる。この現象を基本にして検討し、次の結論を得る。 From the above concept, the load impedance Z is the reverse of the voltage MOSFET inverter. Based on this phenomenon, the following conclusions are obtained.
電流型ＭＯＳＦＥＴインバータを採用した誘導熱プラズマ生成装置は、点火前、即ち無放電時は（高周波）定電流直流電源とか、三相全波サイリスタ位相制御直流電源を用いて、電流型ＭＯＳＦＥＴインバータを運転する。イグナイター（点火器）で点火し、直流電源制御方式切換器を用いて直流電源を定電圧直流電源に切り換える。 An induction thermal plasma generator employing a current-type MOSFET inverter operates a current-type MOSFET inverter using a constant-current DC power source or a three-phase full-wave thyristor phase-controlled DC power source before ignition, that is, when there is no discharge. To do. Ignition is performed by an igniter (igniter), and the DC power source is switched to a constant voltage DC power source using a DC power source control system switch.
これにより、放電停止時に負荷インピーダンスが増加する。定電圧直流電源であるから、直流電圧はほぼ一定で、直流電流が負荷インピーダンスに対応して、減ることが理解される。これにより、放電停止時に直流電源、及び電流型ＭＯＳＦＥＴインバータが安全サイドで運転できる。 This increases the load impedance when the discharge is stopped. Since it is a constant voltage DC power supply, it is understood that the DC voltage is substantially constant and the DC current decreases corresponding to the load impedance. Thereby, the DC power source and the current type MOSFET inverter can be operated on the safe side when the discharge is stopped.
半導体素子の大電力化、高速化等と相俟って誘導熱プラズマ生成装置も大型化している。これに伴い、高出力化が期待されるが、同時に装置保護のために強力な保護協調回路が必要になる。また、装置の小型化、低コスト化も要求される。本発明は、このような欠点を改善するためになされたものである。この発明による、誘導熱プラズマ生成装置の電源の制御を用いることで、装置の安全性、小型化、低コスト化が期待される。 Inductive thermal plasma generators are also becoming larger in combination with higher power and higher speed semiconductor devices. Along with this, high output is expected, but at the same time, a strong protection coordination circuit is required to protect the device. In addition, downsizing and cost reduction of the apparatus are also required. The present invention has been made to remedy such drawbacks. By using the control of the power source of the induction thermal plasma generator according to the present invention, it is expected that the safety, size and cost of the device are reduced.
１６ 出力調整器（Ａ）
１７ 制御信号（Ａ）
１８ 出力調整器（Ｂ）
１９ 制御信号（Ｂ）
２０ 切換器零点調整回路
２１ 零点調整指示器
２２ 制御信号切換器
16 Output adjuster (A)
17 Control signal (A)
18 Output adjuster (B)
19 Control signal (B)
20 switching device zero point adjustment circuit 21 zero
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