JP2020096460A

JP2020096460A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2020096460A
Application number: JP2018233460A
Authority: JP
Inventors: 真吾河野; Shingo Kawano
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2020-06-18

Abstract

【課題】出力直流電圧の変化を線形にすることができ、これにより出力直流電圧の制御を安定的に行う電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置（昇降圧チョッパ１０）は、入力端子と基準電圧端子の間に直列に接続される第１スイッチＱ１及び第２スイッチＱ２を含む第１スイッチ群と、出力端子と基準電圧端子の間に直列に接続される第３スイッチＱ３及び第４スイッチＱ４を含む第２スイッチ群と、第１のスイッチ群の中間ノードと第２のスイッチ群の中間ノードとの間に接続されるインダクタ１３とを備える。制御部１０６は、降圧動作時には、第１の関数に従って制御量Ｐに基づき設定されたデューティ比Ｄ１により第１スイッチ群をＰＷＭ制御し、昇圧動作時には、第１の関数とは異なる第２の関数に従って制御量Ｐに基づき設定されたデューティ比Ｄ２により第２スイッチ群をＰＷＭ制御する。これにより昇降圧比を制御量に対し線形に変化させる。【選択図】図３

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

プラズマ処理システムは、チャンバ内に一対の電極を備えており、その一対の電極に対し高周波電源から高周波電力を供給してプラズマを発生させるよう構成されている。このような高周波電源には、直流／直流電力変換回路（以下、ＤＣ／ＤＣコンバータ）と直流／高周波電力変換回路（以下、ＤＣ／ＲＦ変換回路）を備え、ＤＣ／ＤＣコンバータから出力する直流電力の電圧値を変化させることによって、ＤＣ／ＲＦ変換回路から出力する高周波電力の電力値を変化させる方式を採用したものがある。なお、本明細書では、電力変換を司る電気回路を電力変換回路と称し、電力変換回路と制御部とを含み電力の変換を司る装置を電力変換装置と称する。

入力直流電圧を異なる値の出力直流電圧に昇圧又は降圧する電力変換回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）として、入力直流電圧を異なる値の出力直流電圧に昇圧又は降圧する昇降圧チョッパが知られている。昇降圧チョッパは様々な形式のものが提案されているが、そのうち、直列接続された２つのスイッチング素子からなる昇圧用スイッチング回路と、直列接続された２つのスイッチング素子からなる降圧用スイッチング回路と、両者の中間ノードの間にインダクタを含んだ昇降圧チョッパが、例えば特許文献１により知られている。

このような昇降圧チョッパでは、昇圧動作時には、出力端子側に接続された昇圧用スイッチング回路中の上側トランジスタと下側トランジスタがパルス幅変調（ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）動作）により交互に導通する。また、入力端子側に接続された降圧用スイッチング回路中の上側トランジスタが常に導通状態とされ、下側トランジスタは常に非導通状態とされる。一方、降圧動作時には、降圧用スイッチング回路中の上側トランジスタと下側トランジスタがＰＷＭ動作により交互に導通する。また、昇圧用スイッチング回路中の上側トランジスタが常に導通状態とされ、下側トランジスタは常に非導通状態とされる。このような昇降圧チョッパでは、上側トランジスタと下側トランジスタのデューティ比を調整することにより、昇圧比及び降圧比（出力電圧／入力電圧）を調整することができる。

しかし、このような昇降圧チョッパにおいては、その出力直流電圧を制御量の変化に対し線形的に変化させることが困難であるという問題がある。特に、昇圧動作時においては、制御量に対する出力電圧の変化が非線形的となり、出力電圧を安定的に制御することが必ずしも容易ではない。

特許第３９５３４４３号公報

本発明に係る電力変換装置は、出力直流電圧の変化を線形にすることができ、これにより出力直流電圧の制御を安定的に行うことを可能にした電力変換装置を提供するものである。

上記の課題を解決するため、本発明に係る電力変換装置は、入力端子と基準電圧端子の間に直列に接続される第１スイッチ及び第２スイッチを含む第１スイッチ群と、出力端子と前記基準電圧端子の間に直列に接続される第３スイッチ及び第４スイッチを含む第２スイッチ群と、前記第１のスイッチ群の中間ノードと前記第２のスイッチ群の中間ノードとの間に接続されるインダクタと、降圧動作を行う場合に前記第１スイッチ群をＰＷＭ動作させるとともに、昇圧動作を行う場合に前記第２スイッチ群をＰＷＭ動作させる制御部とを備える。前記制御部は、前記降圧動作時には、第１の関数に従って制御量Ｐに基づき設定されたデューティ比Ｄ_１により前記第１スイッチ群をＰＷＭ制御し、前記昇圧動作時には、前記第１の関数とは異なる第２の関数に従って前記制御量Ｐに基づき設定されたデューティ比Ｄ_２により前記第２スイッチ群をＰＷＭ制御し、これにより昇降圧比を前記制御量に対し線形に変化させる。

好ましい態様において、前記第１の関数は、前記制御量Ｐと前記デューティ比Ｄ_１が比例する関係を与える関数であり、前記第２の関数は、前記制御量Ｐとデューティ比Ｄ_２とに、Ｄ_２＝１−１／Ｐの関係を与える関数である。
また、前記第１スイッチ群、前記第２スイッチ群、及び前記インダクタにより構成される回路は、前記降圧動作時において、Ｄ_１に比例する伝達関数を有し、前記昇圧動作時において、１−Ｄ_２に比例する伝達関数を有するものとすることができる。

本発明の更なる好適な態様において、前記制御量Ｐが所定値よりも小さい場合には前記第１の関数を適用して前記デューティ比Ｄ_１を設定し、前記制御量Ｐが前記所定値以上である場合には前記第２の関数を適用して前記デューティ比Ｄ_２を設定する関数設定部を更に備えることができる。

本発明によれば、降圧動作時だけでなく、昇圧動作時にも出力直流電圧の変化を線形にすることができ、これにより出力直流電圧の制御を安定的に行うことを可能にした昇降圧型の電力変換装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る電力変換回路（昇降圧チョッパ）を含む、プラズマ処理システムの全体構成を示すブロック図である。図１の高周波電源１００のより詳細な構造を説明するブロック図である。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２としての昇降圧チョッパ１０の回路構成図である。比較例の昇降圧チョッパの動作を説明するグラフである。実施の形態の昇降圧チョッパの動作を説明するグラフである。

以下、添付図面を参照して本実施形態について説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、添付図面は本開示の原理に則った実施形態と実装例を示しているが、これらは本開示の理解のためのものであり、決して本開示を限定的に解釈するために用いられるものではない。本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味においても限定するものではない。

本実施形態では、当業者が本開示を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本開示の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。

図１は、本発明の実施の形態に係る電力変換装置を含む、プラズマ処理システムの全体構成を示すブロック図である。このプラズマ処理システムは、高周波電源１００、インピーダンス整合器２００、及びプラズマ処理装置３００を備えている。

高周波電源１００は、商用電源から供給される電力を高周波電力に変換する。インピーダンス整合器２００は、高周波電源１００とプラズマ処理装置３００の間のインピーダンス整合を行う回路である。プラズマ処理装置３００は、図示しない一対の電極と、該一対の電極を内部に含みエッチングガス等を封入されるチャンバを備えている。この一対の電極に対し、高周波電源１００で発生させた高周波電力が印加される。

図２は、高周波電源１００のより詳細な構造を説明するブロック図である。この高周波電源１００は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０１、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２、高周波生成部１０３、フィルタ回路１０４、電力検出部１０５、制御部１０６、及び関数設定部１０７を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２、制御部１０６、及び関数設定部１０７により、直流電力を異なる直流電力に変換する電力変換装置が提供される。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１０１は、商用電源の交流電力を直流電力に変換するための回路である。ＡＣ／ＤＣコンバータ１０１は、例えば複数個の半導体素子をブリッジ接続してなる整流回路（図示せず）と、整流された電流（脈流）を平滑化する平滑化回路とを備えることができる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０１が出力した直流電圧を、更に異なる電圧値の直流電圧に変換する回路である。後述するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２は、関数設定部１０７で定められた関数に従って定まるデューティ比Ｄ_１、Ｄ_２に従い昇降圧比を変化させて入力直流電圧を降圧又は昇圧する昇降圧チョッパである。

高周波生成部１０３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２から出力される直流電力を高周波電力に変換する。高周波電力の基本波成分の周波数は、例えば２．０ＭＨｚや１３．５６ＭＨｚなどプラズマ処理装置３００で使用される周波数である。この基本波成分の周波数は、例えば、図示しない内蔵の発振部の発振信号の周波数によって定まる。また、高周波生成部１０３は、後述する制御部１０６から出力される制御信号φに基づいて、出力する高周波電力の電力値を調整する機能を有する。例えば、高周波生成部１０３には、複数の増幅部と少なくとも１つの合成部とが内蔵されており、各増幅部から出力する高周波電力の電圧波形の位相差を制御することによって、合成部における合成度合を調整することができる。このような調整機能は公知である（例えば、特開２０１５−１４４５０５号公報、特開２０１７−２０１６３０号公報を参照）。もちろん、このような調整機能が不要であれば、制御部１０６から制御信号φを入力する必要は無い。

フィルタ回路１０４は、高周波生成部１０３から出力される高周波電力に含まれる高調波成分を除去し、基本波成分を含む低周波部分を抽出する機能を有する。フィルタ回路１０４としては、所謂ローパスフィルタが用いられる。バンドパスフィルタを用いることも可能である。

電力検出部１０５は、高周波電源１００が出力する進行波電力を検出する機能を有する。電力検出部１０５は、方向性結合器を含み、その方向性結合器から高周波電力中に含まれる進行波電圧を検出し、進行波電力に変換して制御部１０６に出力する。なお、電力検出部１０５は、進行波電力に加えて反射波電力も検出し、これを反射波電力に変換して出力するよう構成することも可能である。

制御部１０６は、上述したように、高周波生成部１０３における出力電力値の調整を行うための制御信号φを出力する。また、制御部１０６は、電力検出部１０５での検出結果に従い、制御量Ｐを決定し、その制御量Ｐのデータを関数設定部１０７に供給する。関数設定部１０７は、制御量Ｐの大きさに従って、制御量Ｐとデューティ比Ｄ_１、Ｄ_２との間の関数を選択（設定）し、この関数と制御量Ｐに従ってデューティ比Ｄ_１、Ｄ_２を決定する。関数は、例えば制御量Ｐが所定値未満であれば第１の関数を選択し、制御量Ｐが所定値以上であれば第２の関数を選択することができる。

図３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２としての昇降圧チョッパ１０の回路構成図である。この昇降圧チョッパ１０は、入力端子Ｔ１に入力された直流の入力電圧Ｖｉｎを昇圧又は降圧して、出力端子Ｔ２から直流の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する回路である。昇降圧チョッパ１０は、制御部１０６から出力される制御量Ｐ（０〜１．０（１００％）、１．０（１００％）〜２．０（２００％））に基づいて関数設定部１０７で決定されるデューティ比Ｄ_１、Ｄ_２が変化することにより、出力電圧Ｖｏｕｔを変化させることができる。

昇降圧チョッパ１０は、一例として、降圧用スイッチング回路１１と、昇圧用スイッチング回路１２と、インダクタ１３と、キャパシタ１４（キャパシタンスＣ）とを備える。出力端子Ｔ２には、一例として、負荷１５（抵抗Ｒ）が接続される。

降圧用スイッチング回路１１は、ｎＭＯＳトランジスタＱ１及びＱ２を有する。ｎＭＯＳトランジスタＱ１及びＱ２は、入力端子Ｔ１と接地端子Ｔ３との間に直列に、中間ノードＮ１を介して接続される。昇圧用スイッチング回路１２は、ｎＭＯＳトランジスタＱ３及びＱ４を有する。ｎＭＯＳトランジスタＱ３及びＱ４は、出力端子Ｔ２と接地端子Ｔ３との間に直列に、中間ノードＮ２を介して接続される。なお、ＭＯＳトランジスタに代えて、バイポーラトランジスタ等の他のスイッチング素子を用いることもできる。

昇降圧チョッパ１０が降圧動作を行う場合においては、降圧スイッチング回路１１中のｎＭＯＳトランジスタＱ１及びＱ２は、与えられたデューティ比Ｄ_１に従って交互に導通状態となっていわゆるＰＷＭ制御（Pulse Width Modulation）される。一方、昇圧スイッチング回路１２中のｎＭＯＳトランジスタＱ３は常に導通状態に維持され、ｎＭＯＳトランジスタＱ４は常に非導通状態に維持される（デューティ比Ｄ_２は０に設定される）。

昇降圧チョッパ１０が昇圧動作を行う場合においては、昇圧スイッチング回路１２中のｎＭＯＳトランジスタＱ３及びＱ４は、与えられたデューティ比Ｄ_２に従って交互に導通状態となっていわゆるＰＷＭ制御（Pulse Width Modulation）される。一方、降圧スイッチング回路１１中のｎＭＯＳトランジスタＱ１は常に導通状態に維持され、ｎＭＯＳトランジスタＱ２は常に非導通状態に維持される（デューティ比Ｄ_１は１に設定される）。

インダクタ１３は、中間ノードＮ１とＮ２の間に接続される。また、キャパシタ１４は、出力端子Ｔ２と接地端子Ｔ３との間に接続される。

次に、本実施の形態の昇降圧チョッパ１０の動作について説明する。この昇降圧チョッパ１０は、制御量Ｐに従って動作し、制御量Ｐが０〜１．０の間では降圧動作を実行し、制御量Ｐが１．０〜２．０の間では昇圧動作を行うよう構成されている。

比較のため、最初に比較例の昇降圧チョッパの動作を、図４を参照して説明する。この比較例の昇降圧チョッパは、本実施の形態と同様に、制御量Ｐに従って動作し、制御量Ｐが０〜１．０の間では降圧動作を実行し、制御量Ｐが１．０〜２．０の間では昇圧動作を行うよう構成されている。降圧動作においては、デューティ比Ｄ_１は制御量Ｐに正比例する値、例えば制御量Ｐと等しい値に設定され（Ｄ１＝Ｐ）、デューティ比Ｄ_２は０に設定される。

また、昇圧動作においては、デューティ比Ｄ_２は制御量Ｐから１を減算した値に設定され（Ｄ２＝Ｐ−１）、デューティ比Ｄ_１は１に設定される。

図１の昇降圧チョッパ１０の降圧動作時の伝達関数Ｇｄ（ｓ）は、キャパシタ１４の容量Ｃ、インダクタ１３のインダクタンスＬ、及びデューティ比Ｄ_１を用いて下記の[数１]によって表現される。また、昇降圧チョッパ１０の昇圧動作時の伝達関数Ｇｂ（ｓ）は、キャパシタ１４の容量Ｃ、インダクタ１３のインダクタンスＬ、及びデューティ比Ｄ_２を用いて以下の[数２]によって表される。

直流成分のみを考慮して［数１］、［数２］でｓ＝０とすると、［数１］、［数２］は次の［数３］、［数４］のように表現される。

制御量Ｐとデューティ比Ｄ_１、Ｄ_２が上述の比較例のような関係にある場合、降圧動作時においては、昇降圧比（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）は制御量Ｐに比例するが、昇圧動作時においては、図２に示すように、昇降圧比は制御量Ｐに比例せず、制御量Ｐの増加に対し発散的に（2次関数的に）増加する。このため、昇圧動作において、昇降圧比を制御量Ｐに基づいて正確に制御することが困難になる。

このため、本実施の形態では、図５に示すように、昇圧動作時において、制御量Ｐと
デューティ比Ｄ_２とがＤ_２＝１−１／Ｐを満たすよう、デューティ比Ｄ_２を変化させる。制御量Ｐとデューティ比Ｄ_２がこのような関係とされることにより、図５に示すように、昇降圧比を制御量Ｐに対し比例関係とすることができる。降圧動作時は、比較例の場合と同様、昇降圧比と制御量Ｐは比例関係とすることができる。従って、本実施の形態では、降圧動作時、昇圧動作時の両方において、制御量Ｐと昇降圧比を比例関係（1次関数的な関係）に維持することができる。このように、本実施の形態に係る昇降圧チョッパ１０によれば、出力直流電圧の変化を線形にすることができ、これにより出力直流電圧の制御を安定的に行うことが可能になる。

上記の制御量Ｐとデューティ比Ｄ_１、Ｄ_２との間の関係を示す関数に関しては、上記の関数は一例であり、これに限定されるものではない。制御量Ｐとデューティ比Ｄ_１、Ｄ_２との間の関係を示す関数は、昇降圧チョッパ１０の伝達関数によって決定されるものである。すなわち、昇降圧チョッパ１０の伝達関数の値が、制御量Ｐとの関係において比例して増加するよう、制御量Ｐとデューティ比Ｄ_１、Ｄ_２との関数が決定される。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１１…降圧用スイッチング回路、１２…昇圧用スイッチング回路、１３…インダクタ、１４…キャパシタ、１５…負荷、Ｑ１〜Ｑ４…ｎＭＯＳトランジスタ、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３…端子、１０１…ＡＣ／ＤＣコンバータ、１０２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１０３…高周波生成部、１０４…フィルタ回路、１０５…電力検出部、１０６…制御部、１０７…関数設定部。

Claims

入力端子と基準電圧端子の間に直列に接続される第１スイッチ及び第２スイッチを含む第１スイッチ群と、
出力端子と前記基準電圧端子の間に直列に接続される第３スイッチ及び第４スイッチを含む第２スイッチ群と、
前記第１のスイッチ群の中間ノードと前記第２のスイッチ群の中間ノードとの間に接続されるインダクタと、
降圧動作を行う場合に前記第１スイッチ群をＰＷＭ動作させるとともに、昇圧動作を行う場合に前記第２スイッチ群をＰＷＭ動作させる制御部と
を備え、
前記制御部は、
前記降圧動作時には、第１の関数に従って制御量Ｐに基づき設定されたデューティ比Ｄ_１により前記第１スイッチ群をＰＷＭ制御し、
前記昇圧動作時には、前記第１の関数とは異なる第２の関数に従って前記制御量Ｐに基づき設定されたデューティ比Ｄ_２により前記第２スイッチ群をＰＷＭ制御し、これにより昇降圧比を前記制御量に対し線形に変化させる
ことを特徴とする電力変換装置。
前記第１の関数は、前記制御量Ｐと前記デューティ比Ｄ_１が比例する関係を与える関数であり、
前記第２の関数は、前記制御量Ｐとデューティ比Ｄ_２とに、Ｄ_２＝１−１／Ｐの関係を与える関数である、請求項１に記載の電力変換装置。
前記第１スイッチ群、前記第２スイッチ群、及び前記インダクタにより構成される回路は、前記降圧動作時において、Ｄ_１に比例する伝達関数を有し、前記昇圧動作時において、１−Ｄ_２に比例する伝達関数を有する、請求項１又は２に記載の電力変換装置。
前記制御量Ｐが所定値よりも小さい場合には前記第１の関数を適用して前記デューティ比Ｄ_１を設定し、前記制御量Ｐが前記所定値以上である場合には前記第２の関数を適用して前記デューティ比Ｄ_２を設定する関数設定部を更に備えた、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。