JP4049164B2 - Method for manufacturing plasma generating power supply device - Google Patents
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Description
この発明は、オゾン発生器、レーザ発振器などのプラズマ発生用電源装置の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a plasma generating power supply device such as an ozone generator or a laser oscillator.
従来より、オゾン発生器、レーザー発振器などにはプラズマ発生用電源装置が用いられている。
図12は、従来のオゾン発生器用のプラズマ発生用電源装置の電源回路図である(例えば、非特許文献1参照。)。
図12において、1は交流の入力電源、2は整流器、3はインバータ、4はトランス(変圧器)、5は対向配置する一対の電極間に誘電体を介して放電空間となるガス領域が構成され、上記放電空間のガスが励起されて、プラズマが発生する放電負荷、6は放電負荷5に対して並列に接続された力率改善用の並列インダクタである。
Conventionally, a plasma generating power supply device is used for an ozone generator, a laser oscillator, or the like.
FIG. 12 is a power supply circuit diagram of a conventional plasma generating power supply device for an ozone generator (see, for example, Non-Patent Document 1).
In FIG. 12, 1 is an AC input power source, 2 is a rectifier, 3 is an inverter, 4 is a transformer (transformer), and 5 is a gas region serving as a discharge space via a dielectric between a pair of opposed electrodes. A
次に動作について説明する。
入力電源1の商用の交流電圧は整流器によって直流に変換され、さらにインバータ3によって規定の周波数の交流電圧に変換される。さらにトランス4により放電開始に到る電圧に昇圧され、放電負荷5に高電圧が印加される。この印加された高電圧により放電負荷5で放電が発生し、この放電によりガス粒子が励起される。
ここで、放電電極間に誘電体を挿入した放電負荷を用いた場合、この放電負荷5は電気的にはコンデンサとして働き、電圧に対して電流の位相が進むことが知られている。このため皮相電力と有効電力との比で表される力率が低く、放電負荷5にエネルギーを投入するためには必要以上の電流を流さなければならない。
Next, the operation will be described.
The commercial AC voltage of the
Here, when a discharge load in which a dielectric is inserted between the discharge electrodes is used, it is known that the
したがって、トランス4やインバータ3を構成する素子は、上記の電流値に耐えうる仕様を必要とするため、電源装置の大型化および装置コストの増大が必至となる。
並列インダクタ6は、放電負荷における電流位相の電圧に対する進みを補償するために、位相遅延素子として放電負荷5と並列に接続されたものである。放電負荷5での電流位相の進み分と並列インダクタ6による電流位相の遅れ分を等しく設定すると、電源装置より供給される電流と電圧の位相が合致し、最も小さな電流で放電負荷5に効率的に電力を投入することができる。各素子が理想的な素子であれば、このとき力率は100%となって、共振と呼ばれる状態となる。
Therefore, since the elements constituting the transformer 4 and the
The
従来のプラズマ発生用電源では、このように放電負荷5と並列に並列インダクタ6を接続することにより力率を改善し、小容量の電源素子を用いて小型で安価な電源装置を構成できるようにしている。
なお、図12では、トランス4の2次側に並列インダクタを接続した場合を示したが、図13に示すようにトランス4の1次側に並列インダクタを接続しても同様の効果が得られる。但し、この場合、耐圧の低い素子を使える反面、トランスの力率は改善されないので必要以上の容量を有するトランスが必要である。
In the conventional plasma generating power source, the power factor is improved by connecting the
12 shows the case where a parallel inductor is connected to the secondary side of the transformer 4. However, the same effect can be obtained by connecting a parallel inductor to the primary side of the transformer 4 as shown in FIG. . However, in this case, an element having a low withstand voltage can be used, but the power factor of the transformer is not improved, and therefore a transformer having a capacity larger than necessary is required.
図14はオゾン発生器などの電極間に誘電体を介装した放電負荷5の等価回路である。図14において、51は電極間に介在する誘電体の静電容量であり、容量値C1を有する。52はガス領域の静電容量であり、容量値C2を有する。53はプラズマの発生・消滅によって非線形性を有するプラズマ負荷部を等価的に示したツェナーダイオードである。
FIG. 14 is an equivalent circuit of the
このプラズマ負荷53の抵抗値は、ツェナー電圧Vz未満では無限大となり、電流は流れない。すなわち、回路は非放電状態であることを示している。しかるに、素子53の両端の電圧がツェナー電圧Vzに達すると、この素子は導通し、回路は放電状態となる。
このため非放電状態では、放電負荷5は誘電体静電容量51の値C1とガス静電容量52の値C2が直列に結合して式(3)によって表される値Cを有する容量性負荷であるが、放電時には容量値C1単独の容量性負荷に変化する。
C={C1×C2/(C1+C2)} …(3)
The resistance value of the plasma load 53 is infinite when it is less than the Zener voltage Vz, and no current flows. That is, the circuit is in a non-discharge state. However, when the voltage across the element 53 reaches the zener voltage Vz, the element becomes conductive and the circuit is discharged.
For this reason, in the non-discharged state, the
C = {C1 × C2 / (C1 + C2)} (3)
従来のオゾン発生器では、ガス静電容量52の容量値C2に比べて誘電体静電容量51の容量値C1が十分大きくなるよう設計されている。すなわち、放電が生じるガス領域の空隙が数mmと広い。このため、式(3)で表される非放電時の負荷容量値CはC≒C2となり、極めて小さな容量成分を持つ。また、放電時の負荷容量値はC1となり、放電/非放電時で負荷容量値は大きく変化する。ただし、非放電時には、前述のように負荷の容量成分は非常に小さい。したがって、電流位相が進んで力率が悪くても、無効電力自体も小さいため、電源の容量を大幅に増大させることはない。このようなことから、従来のオゾン発生器のように、ガス静電容量52の容量値C2に比べて誘電体静電容量51の容量値C1が十分大きな場合には、放電時の負荷容量値C1に合わせて、共振条件を満たすようなインダクタが選定されていた。
The conventional ozone generator is designed such that the capacitance value C1 of the
従来のプラズマ発生用電源装置は、放電負荷5に対して1種類のインダクタで放電負荷5の静電容量を補償するように構成されている。オゾン発生器を例にとった従来の例では、ガス静電容量52の容量値C2が誘電体静電容量51の容量値C1に比べて十分に小さかったので、放電時の負荷容量値C1を補償するインダクタを選定することで力率改善が可能であった。しかしながら、最近のオゾン発生器は、その性能向上のためにガス領域の空隙(以下、放電ギャップ長と呼ぶ。)が1mm以下のものが大半を占めている。そのため、ガス静電容量52の容量値C2は、誘電体静電容量51の容量値C1に比べて無視できない程度まで増加し、装置によってはC1≒C2、あるいはC1<C2となるようなものも存在する。この場合、放電発生の有無により放電負荷5の静電容量値が変化するだけでなく、非放電時にも大きな容量成分を持つ。したがって、従来はあまり問題にならなかった非放電時の無効電力が増大し、非共振時の力率補償がなされていないために、必要以上の容量を有する素子を用いて電源装置を構成せねばならなくなる。これにより、装置は大型化し、さらに高価になる。このように、従来のプラズマ発生用電源装置には、解決すべき課題が存在する。
The conventional plasma generating power supply device is configured to compensate the capacitance of the
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、ガス領域の放電ギャップ長が1mm以下であり、ガス領域の静電容量値が誘電体の静電容量値に比べて無視できないような放電負荷に対しても、放電発生の有無に関わらず力率補償が行え、それ故小型で安価なプラズマ発生用電源装置を製造する方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. The discharge gap length in the gas region is 1 mm or less, and the capacitance value in the gas region is ignored compared to the capacitance value of the dielectric. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a power supply device for plasma generation that can perform power factor compensation for a discharge load that cannot be performed regardless of whether or not a discharge occurs, and that is therefore small and inexpensive.
本発明のプラズマ発生用電源装置の製造方法は、対向配置する一対の電極間に誘電体を介して放電空間となるガス領域が構成され、上記両電極間に印加される交流高電圧により生じる電界によって上記放電空間のガスを励起してプラズマを発生する放電負荷に対し、トランスを介して交流電力を供給するプラズマ発生用電源装置において、上記ガス領域の放電ギャップ長が1mm以下であり、上記ガス領域の静電容量値C2が上記誘電体の静電容量値C1に比べて無視できないような大きさである場合に、上記放電負荷に対して並列または直列にインダクタンスを有するように構成すると共に、上記インダクタンスの値を、上記トランスの2次側におけるインダクタンスの値Lが、放電期間における放電負荷の静電容量値C1により決定される値と、非放電期間における放電負荷の静電容量値C3=(C1×C2)/(C1+C2)により決定される値との間にあって、下記の式(1)を満足する値となるように設定したものである。
1/{C1×(2πf)2}≦L≦1/{C3×(2πf)2}…(1)
ここで、f:両電極間に印加される交流電圧の周波数
In the method for manufacturing a plasma generating power supply device of the present invention, a gas region serving as a discharge space is formed between a pair of electrodes arranged opposite to each other via a dielectric, and an electric field generated by an alternating high voltage applied between the electrodes. In the plasma generating power supply apparatus for supplying AC power via a transformer to a discharge load that excites the gas in the discharge space to generate plasma, the discharge gap length of the gas region is 1 mm or less, and the gas If the capacitance value C2 of the region is an electrostatic capacitance value large enough not negligible compared to C1 of the dielectric, as well as configured to have an inductance in parallel or in series with respect to the discharge load, The inductance value L on the secondary side of the transformer is determined by the capacitance value C1 of the discharge load during the discharge period. Between the value and the value determined by the capacitance value C3 = (C1 × C2) / (C1 + C2) of the discharge load in the non-discharge period, and set so as to satisfy the following formula (1) It is a thing.
1 / {C1 × (2πf) 2 } ≦ L ≦ 1 / {C3 × (2πf) 2 } (1)
Where f: frequency of AC voltage applied between both electrodes
以上のように、この発明によれば、放電負荷に対して並列または直列にインダクタンスを有するように構成すると共に、上記インダクタンスの値を、トランスの2次側におけるインダクタンスの値Lが式(1)を満足する値となるように設定したので、ガス領域の放電ギャップ長が1mm以下であり、ガス領域の静電容量値が誘電体の静電容量値に比べて無視できないような放電負荷に対して、放電発生の有無に関わらず、安定して力率補償が行え、その結果、小型で安価なプラズマ発生用電源装置を製造することができる。 As described above, according to the present invention, the inductance is configured in parallel or in series with the discharge load, and the inductance value L is expressed by the equation (1) as follows: Therefore, the discharge gap length of the gas region is 1 mm or less, and the discharge load is such that the capacitance value of the gas region is not negligible compared to the capacitance value of the dielectric. Thus, power factor compensation can be performed stably regardless of whether or not discharge is generated, and as a result, a small and inexpensive plasma generating power supply device can be manufactured.
実施の形態1.
以下、本発明の実施の形態1を図を用いて説明する。
図1は、この発明の実施の形態1によるプラズマ発生用電源装置を示す回路図である。図1において、1は入力用の交流電源、2は整流器、31はインバータ、4はトランス(変圧器)である。5は対向配置する一対の電極間に誘電体を介して放電空間となるガス領域が構成され、上記放電空間のガスが励起されて、プラズマが発生する放電負荷であり、誘電体静電容量51、ガス静電容量52、ツェナーダイオード53により、等価的に図1のように示すことができる。61は放電負荷5およびトランス4の2次側巻線に対して並列に接続され、インダクタンスLp1を有する力率改善用の並列インダクタである。従来技術には明記されていないが、以上のような回路構成とする場合、インバータ31は、出力電流波形が矩形波となる定電流制御方式のインバータを用いる。
FIG. 1 is a circuit diagram showing a plasma generating power supply apparatus according to
このようなプラズマ発生用電源装置は、例えばオゾン発生器用電源として適用されるが、これに限られるものではなく、誘電体を介した放電を用いるプラズマ発生装置、例えばレーザ発振器、PDP(プラズマディスプレイパネル)、放電を用いた光源などの装置にも適用可能である。なお、これに関しては以降に記す実施の形態についても同様である。 Such a plasma generation power supply device is applied as, for example, a power supply for an ozone generator, but is not limited to this. ), And can also be applied to devices such as light sources using electric discharge. This also applies to the embodiments described below.
次に動作について説明する。
入力電源1の商用交流電圧は整流器2によって直流に変換され、さらにインバータ31によって規定の周波数の交流に変換される。インバータ31は、この場合、定電流制御インバータを用いる。インバータ31からの出力電圧は、トランス4により昇圧された後、誘電体静電容量51とガス静電容量52とに、それぞれの静電容量値の逆比に応じて分圧される。そして、ガス静電容量52に分圧された電圧がツェナー電圧Vzに達した時、放電負荷5で放電が発生する。
Next, the operation will be described.
The commercial AC voltage of the
一般的なオゾナイザでは、商用周波数から数十kHz程度の周波数の交流電圧が印加されるが、このような周波数域では、1サイクルの間に放電期間と非放電期間がそれぞれ2回現れ、図2のように概ね両軸対称である平行四辺形のV(電圧)−Q(電荷)リサジュー波形が得られる。図2において、横軸Vは放電負荷5の両端の電圧、縦軸Qは放電負荷5の両端の電荷であり、B点、D点は放電開始点、A点、C点は放電終了点である。ここで、Q=0におけるV軸の切片は、放電負荷の等価回路で表された各容量素子に電荷が誘起されていない状態であるから、ガス領域は放電中であり、かつ誘電体の両端にも電圧は発生していないから、放電空間の放電維持電圧V*で表され、V=V*、−V*となる。なお、放電維持電圧V*は、放電期間中に放電空間に発生している電圧の時間・空間的な平均値であるが、実際には時間・空間的にランダムに放電が発生しており、したがって定常的な放電を仮定できる。よって、放電維持電圧V*はガス領域の放電開始電圧、すなわちツェナー電圧Vzにほぼ等しく、V*≒Vzの関係にある。
また、図2において、tanαは放電期間における放電負荷5の静電容量値を表しており、放電期間ではガス静電容量52(容量値C2)は短絡され、誘電体静電容量51(容量値C1)のみが寄与するので、
tanα=C1 …(4)
となる。
さらに、角度βで表された傾きを有する領域は非放電期間である。非放電時の等価回路は、回路の浮遊容量を無視すると、誘電体静電容量51とガス静電容量52とが直列に接続されたものとなるので、
tanβ=C1×C2/(C1+C2) …(5)
で表される。
In a general ozonizer, an AC voltage having a frequency of about several tens of kHz from a commercial frequency is applied. In such a frequency range, a discharge period and a non-discharge period appear twice in one cycle, respectively. Thus, a parallelogram V (voltage) -Q (charge) Lissajous waveform that is substantially biaxially symmetric is obtained. In FIG. 2, the horizontal axis V is the voltage at both ends of the
In FIG. 2, tan α represents the capacitance value of the
tan α = C1 (4)
It becomes.
Furthermore, a region having an inclination represented by the angle β is a non-discharge period. Since the equivalent circuit at the time of non-discharging ignores the stray capacitance of the circuit, the
tan β = C1 × C2 / (C1 + C2) (5)
It is represented by
ここで、図2中のA点とC点を結んだ一点鎖線は、リサジュー波形が両軸対称であるため、原点を通る。これは、非放電期間の始点と放電期間の終点とを結んだ直線であるから、非放電期間と放電期間とを含めて評価した放電負荷5の平均的な静電容量を表していることになる。この直線の傾き角をγとすると、同図のC点の最大電荷量Qmaxは、tanα=C1であるから、
Qmax=(Vop−V*)×tanα
=C1×(Vop−V*) …(6)
と表すことができる。したがって、この一点鎖線で示された直線の傾き角γは、図2より、
tanγ=Qmax/Vop=C1×(1−V*/Vop)…(7)
で与えられる。
Here, the alternate long and short dash line connecting points A and C in FIG. 2 passes through the origin because the Lissajous waveform is biaxially symmetric. Since this is a straight line connecting the start point of the non-discharge period and the end point of the discharge period, it represents the average capacitance of the
Q max = (V op −V * ) × tan α
= C1 × (V op −V * ) (6)
It can be expressed as. Therefore, the inclination angle γ of the straight line indicated by the alternate long and short dash line is as shown in FIG.
tan γ = Q max / V op = C1 × (1−V * / V op ) (7)
Given in.
ここで、放電終了時(V=Vop)の放電負荷5の様子を図3に示す。ガス領域に分圧された電圧がツェナー電圧Vzに到達すると、ガスは絶縁破壊されるため、ガス領域の静電容量52は短絡される。この時、ツェナーダイオードは、非線形な抵抗成分Rのみを有するとすれば、電源から見た放電負荷5の容量成分としては、誘電体の静電容量51のみが寄与することとなる。すなわち、放電負荷5は、静電容量51とツェナーダイオードの抵抗Rとが直列接続された素子と見なすことができる。
Here, FIG. 3 shows the state of the
放電終了時において、電源側からみた放電負荷5の見かけ上の容量成分を評価すると、放電負荷5に蓄えられている電荷Qは、Vz≒V*より、Q=Qmax=C1×(Vop−V*)で表され、このとき放電負荷5にはVopなる電圧が印加されているから、放電負荷の静電容量値Cは、
C=Qmax/Vop=C1×(1−V*/Vop) …(8)
となる。この値は、前述した非放電期間と放電期間とを含めた放電負荷の平均的な静電容量(tanγ)の値と等しい。すなわち電源側からは、1サイクルを通じて放電負荷5があたかも式(8)で表される静電容量値Cを有する容量成分のように見える。よって、放電負荷5に対して効率良く電力を投入するには、次式(9)で表される電源側から見た放電負荷の容量成分Cをキャンセルするだけのインダクタンスを有するインダクタを付加すれば良い。
L=1/[C×(2πf)2] …(9)
ここで、L:付加するインダクタのインダクタンス[H]
C:C1×(1−V*/Vop)で与えられる静電容量値[F]
C1:誘電体の静電容量値[F]
V* :放電空間の放電維持電圧[V]
Vop:印加電圧波高値[V]
f:両電極間に印加される交流電圧の周波数[Hz]
When the apparent capacity component of the
C = Q max / V op = C1 × (1−V * / V op ) (8)
It becomes. This value is equal to the value of the average capacitance (tan γ) of the discharge load including the non-discharge period and the discharge period described above. That is, from the power source side, the
L = 1 / [C × (2πf) 2 ] (9)
Where L: inductance of the inductor to be added [H]
C: capacitance value [F] given by C1 × (1−V * / V op )
C1: Capacitance value of dielectric [F]
V * : discharge sustaining voltage [V] in the discharge space
V op : Applied voltage peak value [V]
f: Frequency of AC voltage applied between both electrodes [Hz]
以上のことから、図1において、放電負荷5に対して並列に接続された並列インダクタ61のインダクタンスLp1を、式(9)を満足するLとなるように設定すれば、ガス領域の静電容量値C2が誘電体の静電容量値C1に比べて無視できないような放電負荷に対しても、高い力率を維持することができる。一例として、誘電体の静電容量値C1とガス領域の静電容量値C2が、それぞれC1=10.9nF、C2=8.4nFである放電負荷を有する場合の、共振周波数fと並列インダクタ61のインダクタンスLp1の関係を調べた結果を図4に示す。図4より、式(9)から与えられるLp1の計算値に極めて近いインダクタンスを有するインダクタにより、共振状態が得られていることがわかる。この場合、並列インダクタ61を挿入しない状態での放電負荷5の力率は30%以下であったが、力率補償用のインダクタ61を放電負荷5に並列に接続することにより、トランス4を含めた放電負荷5の力率を90%以上にまで改善することができている。
From the above, in FIG. 1, if the inductance Lp1 of the
図5は、誘電体静電容量値C1が49.5nFである放電負荷5を有するオゾナイザにおいて、Lp1=0.16Hなるインダクタンスを有する力率改善用インダクタ61を放電負荷5に対して並列に接続した場合の、共振周波数fと印加電圧波高値Vopの関係を示したものである。この図からも、式(9)で与えられる共振周波数の計算値と、実験的に得られた共振周波数は±2%以内の差に収まり、式(9)により非常に高い精度で共振条件を予測することが可能であることを示唆している。
FIG. 5 shows a power
オゾナイザの電気設計においては、まず、装置に投入する放電電力Wが決定される。放電電力Wは、次式で与えられる。
W=4・f・C1・V*×{Vop−(1+C2/C1)・V*} …(10)
である。これらの中で、Vop以外の物理量は電極材質および形状と、ガス圧力などの動作条件が決定されれば自明となる。したがって、所望の放電電力Wを得るための印加電圧波高値Vopは、式(10)で求められる。Vopが決定されれば、C1およびV*も既知であるから、電源から見た放電負荷5の容量成分Cも式(8)により求めることができ、放電負荷5の容量に関わらず、式(9)により力率改善用のインダクタを容易に設計することができる。
In the electrical design of the ozonizer, first, the discharge power W input to the apparatus is determined. Discharge power W is given by the following equation.
W = 4 · f · C1 · V * × {V op − (1 + C2 / C1) · V * } (10)
It is. Among these, physical quantities other than V op are obvious if the electrode material and shape, and the operating conditions such as gas pressure are determined. Therefore, the applied voltage peak value V op for obtaining the desired discharge power W is obtained by the equation (10). If V op is determined, since C1 and V * are also known, the capacity component C of the
以上のように、この実施の形態1によれば、放電負荷5に並列に接続する並列インダクタ61のインダクタンスを式(9)を満足するように設定したので、放電負荷5の変化に対し、力率改善度合いを高く維持することができるという効果がある。
As described above, according to the first embodiment, the inductance of the
実施の形態2.
図6は、この発明の実施の形態2によるプラズマ発生用電源装置を示す回路図である。図6において、62は放電負荷5およびトランス4の2次側巻線に対して並列に接続され、インダクタンス値Lp2を有する力率改善用の並列インダクタであり、基本回路構成は実施の形態1と全く同様である。従来技術には明記されていないが、以上のような回路構成とする場合、実施の形態1と同様、インバータ31は、出力電流波形が矩形波となる定電流制御方式のインバータを用いる。なお、実施の形態1と同等あるいは同一要素については、同一符号を付して説明を省略する。
FIG. 6 is a circuit diagram showing a plasma generating power supply apparatus according to
次に動作について説明する。
本実施の形態2においては、図6に示すように、放電負荷5に対して並列に接続された並列インダクタ62のインダクタンス値Lp2を次式を満足するように設定する。
1/{C1×(2πf)2}≦Lp2≦1/{C3×(2πf)2}…(11)
ここで、C1:誘電体の静電容量値[F]
f:両電極間に印加される交流電圧の周波数[Hz]
C3:(C1×C2)/(C1+C2)で与えられる静電容量値[F]
C2:ガス領域の静電容量値[F]
である。C3は、誘電体の静電容量とガス領域の静電容量の直列合成容量であり、電源側から見た非放電時の放電負荷5の容量成分である。
Next, the operation will be described.
In the second embodiment, as shown in FIG. 6, the inductance value Lp2 of the
1 / {C1 × (2πf) 2 } ≦ Lp2 ≦ 1 / {C3 × (2πf) 2 } (11)
Here, C1: capacitance value [F] of the dielectric
f: Frequency of AC voltage applied between both electrodes [Hz]
C3: capacitance value [F] given by (C1 × C2) / (C1 + C2)
C2: Capacitance value of gas region [F]
It is. C3 is a series composite capacitance of the dielectric capacitance and the gas region capacitance, and is a capacitance component of the
実施の形態1では、共振条件に極めて近い状態を再現できるため、非常に高効率で放電負荷5への電力投入が可能となり、インバータ31の必要電流容量を最小限に抑えることができる。しかし、共振点での動作は負荷容量等の物理量の変化に対して一般に敏感である。オゾナイザを例にとると、誘電体の絶縁破壊などによって放電負荷5の容量が変化する可能性が考えられる。(この場合、負荷5の静電容量は減少する。)このため、実際には、共振点を故意にずらして設計することが考えられる。この時、インダクタ62のインダクタンスを式(11)を満足する範囲で選べば、図2のリサジュー波形からもわかるように、
C3<C<C1 …(12)
(ここで、CはC1×(1−V*/Vop)で与えられる静電容量値)
の関係があるので、共振点をわずかに外したところに、インダクタ62のインダクタンスを設定することが可能である。また、力率改善の度合いは実施の形態1には及ばないが、放電負荷5の変化に対し、安定して力率改善度合いを高く維持することができる。
In the first embodiment, since a state very close to the resonance condition can be reproduced, it is possible to input power to the
C3 <C <C1 (12)
(Where C is the capacitance value given by C1 × (1-V * / V op ))
Therefore, it is possible to set the inductance of the
さらに、放電負荷5の容量成分C’が
C<C’<C1 …(13)
(ここで、CはC1×(1−V*/Vop)で与えられる静電容量値)
の範囲にあるとして力率改善用インダクタを設計すれば、上述のとおり放電負荷の静電容量が減少しても、あらかじめ負荷の容量成分を共振条件を満足する値よりも大きく見積もっているため、力率が大幅に悪化することを回避できる。この場合、容量の減少がわずかであれば、その時の力率が設計時よりも改善されることもあり得る。
Furthermore, the capacity component C ′ of the
(Where C is the capacitance value given by C1 × (1-V * / V op ))
If the inductor for power factor improvement is designed to be in the range of, even if the capacitance of the discharge load is reduced as described above, the load capacitance component is estimated to be larger than the value satisfying the resonance condition in advance. The power factor can be prevented from deteriorating significantly. In this case, if the capacity decrease is small, the power factor at that time may be improved as compared with the design time.
以上のように、この実施の形態2によれば、放電負荷5に並列に接続する並列インダクタ62のインダクタンスLp2を式(11)を満足するように設定したので、放電負荷5によらず安定して力率改善度合いを高く維持できる。
さらに、あらかじめ放電負荷5の容量成分C’が式(13)を満足する範囲にあるとしてインダクタ62のインダクタンスを決定すれば、放電負荷の容量が誘電体の絶縁破壊等によって減少しても、力率が極端に悪化することを回避でき、安定して力率改善度合いを高く維持することができる。
As described above, according to the second embodiment, the inductance Lp2 of the
Furthermore, if the inductance of the
実施の形態3.
図7は、この発明の実施の形態3によるプラズマ発生用電源装置を示す回路図である。図7において、7は放電負荷5およびトランス4の2次側巻線に対して直列に接続され、インダクタンスLs1を有する力率改善用の直列インダクタである。従来技術には明記されていないが、以上のような回路構成とする場合、本実施の形態ではインバータ32は、出力電圧波形が矩形波となる定電圧制御方式のインバータを用いる。なお、前述の実施の形態と同等あるいは同一要素については、同一符号を付して説明を省略する。
FIG. 7 is a circuit diagram showing a plasma generating power supply device according to
図7において、前述のような定電圧制御式インバータ32を用いた場合に、放電負荷5に対して直列に接続された直列インダクタ7のインダクタンスLs1に対しても、式(9)を満足するように設定すれば、ガス領域の静電容量値C2が誘電体の静電容量値C1に比べて無視できないような放電負荷に対しても、高い力率を維持することができ、実施の形態1と同様の効果が得られる。
In FIG. 7, when the constant voltage
さらに、直列インダクタ7のインダクタンスLs2を、式(11)を満足するように選んだ場合には、力率改善度合いはわずかに悪化するが、放電負荷5の変化に対してもより安定して力率改善度合いを高く維持することが可能である。
Further, when the inductance Ls2 of the
実施の形態4.
図8は、この発明の実施の形態4によるプラズマ発生用電源装置を示す回路図である。本実施の形態4ではトランス4の1次側巻線と並列に並列インダクタ63を接続している。なお、実施の形態1と同等あるいは同一要素については、同一符号を付して説明を省略する。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 8 is a circuit diagram showing a plasma generating power supply apparatus according to Embodiment 4 of the present invention. In the fourth embodiment, a
図8において、トランス4の1次側巻線と並列に接続された並列インダクタ63のインダクタンスLp3は、実施の形態1、2に示された、トランス4の2次側に接続された並列インダクタ61、62のインダクタンスLp1、Lp2に対して、トランス4の巻数比(2次側巻数/1次側巻数)をmとした時、
Lp3=Lp1/m2 …(14)
Lp3=Lp2/m2 …(15)
のうちのいずれかを満足するように構成されている。このようにすれば、実施の形態1または2に示されたものと等価的に同じLC並列回路となるため、同様の効果が得られる。即ち、トランス4の2次側で放電負荷5に対して並列に、式(1)または式(2)を満足するインダクタンスを有するように構成できる。
In FIG. 8, the inductance Lp3 of the
Lp3 = Lp1 / m 2 (14)
Lp3 = Lp2 / m 2 (15)
It is comprised so that either of these may be satisfied. In this way, the same LC parallel circuit as that shown in the first or second embodiment is equivalently obtained, and the same effect can be obtained. That is, the transformer 4 can be configured to have an inductance satisfying the formula (1) or the formula (2) in parallel with the
実施の形態5.
図9は、この発明の実施の形態5によるプラズマ発生用電源装置を示す回路図である。本実施の形態5ではトランス4の1次側巻線と直列に直列インダクタ71を接続している。なお、実施の形態3と同等あるいは同一要素については、同一符号を付して説明を省略する。
FIG. 9 is a circuit diagram showing a plasma generating power supply apparatus according to
図9において、トランス4の1次側巻線と直列に接続された直列インダクタ71のインダクタンスLs3は、実施の形態3に示された、トランス4の2次側に接続された直列インダクタ7のインダクタンスLs1、またはLs2に対して、トランス4の巻数比をmとした時、
Ls3=Ls1/m2 …(16)
Ls3=Ls2/m2 …(17)
のうちのいずれかを満足するように構成されている。このようにすれば、実施の形態3に示されたものと等価的に同じLC並列回路となるため、同様の効果が得られる。即ち、トランス4の2次側で放電負荷5に対して直列に、式(1)または式(2)を満足するインダクタンスを有するように構成できる。
In FIG. 9, the inductance Ls3 of the
Ls3 = Ls1 / m 2 (16)
Ls3 = Ls2 / m 2 (17)
It is comprised so that either of these may be satisfied. In this way, the same LC parallel circuit as that shown in the third embodiment is equivalently obtained, and the same effect can be obtained. That is, the transformer 4 can be configured to have an inductance that satisfies the formula (1) or the formula (2) in series with the
実施の形態6.
図10は、この発明の実施の形態6によるプラズマ発生用電源装置を示す回路図である。図10において、64はトランス4の1次側巻線に対して等価的に並列接続された並列インダクタであり、トランス4の励磁インダクタンスに相当するものである。なお、実施の形態1と同等あるいは同一の要素については同一符号を付し、説明を省略する。
FIG. 10 is a circuit diagram showing a plasma generating power supply device according to
次に動作について説明する。
実施の形態1では、トランス4の2次側巻線と並列に並列インダクタ61を接続するようにしたが、この並列インダクタ61の代わりにトランス4の励磁インダクタンスを用いるようにしても同じように作用する。この場合、トランス4の1次側で力率を改善するので、並列インダクタ64のインダクタンスLp4は、実施の形態1、2に示されたトランス4の2次側に接続された並列インダクタ61、62のインダクタンスLp1、Lp2に対して、トランス4の巻数比をmとした時、
Lp4=Lp1/m2 …(18)
Lp4=Lp2/m2 …(19)
のうちのいずれかを満足するように構成される。
具体的には、トランスの1次側鉄心と2次側鉄心とのギャップの長さを増減することにより、励磁インダクタンスの値を調整し(ギャップが大きいと励磁インダクタンスは小さくなる)、上式のいずれかを満足する所定値に設定する。
Next, the operation will be described.
In the first embodiment, the
Lp4 = Lp1 / m 2 (18)
Lp4 = Lp2 / m 2 (19)
It is comprised so that either of these may be satisfied.
Specifically, the value of the excitation inductance is adjusted by increasing / decreasing the length of the gap between the primary iron core and the secondary iron core of the transformer (the larger the gap, the smaller the magnetizing inductance). It is set to a predetermined value that satisfies either one.
このようにすれば、実施の形態1または2に示されたものと等価的に同じLC並列回路となるため、同様の効果が得られる。即ち、トランス4の2次側で放電負荷5に対して並列に、式(1)または式(2)を満足するインダクタンスを有するように構成できる。
In this way, the same LC parallel circuit as that shown in the first or second embodiment is equivalently obtained, and the same effect can be obtained. That is, the transformer 4 can be configured to have an inductance satisfying the formula (1) or the formula (2) in parallel with the
さらに、本実施の形態6においては、トランス4の励磁インダクタンスを利用し、予め上記励磁インダクタンスLp4が式(18)、(19)のいずれかを満足するようにトランス4を設計し、この励磁インダクタンスが実施の形態1、または2の並列インダクタ61、62と同じ役割を有するようにしたので、新たに並列インダクタを接続する必要がなくなるため、より安価な装置を提供することができる。
Furthermore, in the sixth embodiment, the transformer 4 is designed using the exciting inductance of the transformer 4 so that the exciting inductance Lp4 satisfies either of the equations (18) and (19) in advance. Has the same role as the
実施の形態7.
図11は、この発明の実施の形態7によるプラズマ発生用電源装置を示す回路図である。図11において、72はトランス4の1次側巻線に対して等価的に直列接続された直列インダクタであり、トランス4の漏れインダクタンスに相当するものである。なお、実施の形態3と同等あるいは同一の要素については同一符号を付し、説明を省略する。
FIG. 11 is a circuit diagram showing a plasma generating power supply apparatus according to
次に動作について説明する。
実施の形態3では、トランス4の2次側巻線と直列に直列インダクタ7を接続するようにしたが、この直列インダクタ7の代わりにトランス4の漏れインダクタンスを用いるようにしても同じように作用する。この場合、トランス4の1次側で力率を改善するので、直列インダクタ72のインダクタンスLs4は、実施の形態3に示されたトランス4の2次側に接続された直列インダクタ7のインダクタンスLs1、またはLs2に対して、トランス4の巻数比をmとした時、
Ls4=Ls1/m2 …(20)
Ls4=Ls2/m2 …(21)
のうちのいずれかを満足するように構成される。
具体的には、トランスの鉄心の量(断面積)を増減することにより、漏れインダクタンスの値を調整し(断面積が大きいと漏れインダクタンスは大きくなる)、上式のいずれかを満足する所定値に設定する。
Next, the operation will be described.
In the third embodiment, the
Ls4 = Ls1 / m 2 (20)
Ls4 = Ls2 / m 2 (21)
It is comprised so that either of these may be satisfied.
Specifically, the value of the leakage inductance is adjusted by increasing or decreasing the amount (cross-sectional area) of the iron core of the transformer (the larger the cross-sectional area, the larger the leakage inductance), and a predetermined value that satisfies one of the above formulas Set to.
このようにすれば、実施の形態3に示されたものと等価的に同じLC並列回路となるため、同様の効果が得られる。即ち、トランス4の2次側で放電負荷5に対して直列に、式(1)または式(2)を満足するインダクタンスを有するように構成できる。
In this way, the same LC parallel circuit as that shown in the third embodiment is equivalently obtained, and the same effect can be obtained. That is, the transformer 4 can be configured to have an inductance that satisfies the formula (1) or the formula (2) in series with the
さらに、本実施の形態7においては、トランス4の漏れインダクタンスを利用し、予め上記漏れインダクタンスLs4が式(20)、(21)のいずれかを満足するようにトランス4を設計し、この漏れインダクタンスが実施の形態3の直列インダクタ7と同じ役割を有するようにしたので、新たに直列インダクタを接続する必要がなくなるため、より安価な装置を提供することができる。
Further, in the seventh embodiment, the leakage inductance of the transformer 4 is used, and the transformer 4 is designed in advance so that the leakage inductance Ls4 satisfies either of the expressions (20) and (21). Has the same role as the
1 交流電源、2 整流器、3,31,32 インバータ、4 トランス、5 放電負荷、51 誘電体静電容量、52 ガス静電容量、53 ツェナーダイオード、6,61,62,63,64 並列インダクタ、7,71,72 直列インダクタ。 1 AC power supply, 2 rectifier, 3, 31, 32 inverter, 4 transformer, 5 discharge load, 51 dielectric capacitance, 52 gas capacitance, 53 Zener diode, 6, 61, 62, 63, 64 parallel inductor, 7, 71, 72 Series inductor.
Claims (5)
1/{C1×(2πf)2}≦L≦1/{C3×(2πf)2}…(1)
ここで、f:両電極間に印加される交流電圧の周波数 A gas region serving as a discharge space is formed between a pair of opposed electrodes via a dielectric, and a plasma is generated by exciting the gas in the discharge space by an electric field generated by an alternating high voltage applied between the electrodes. In a plasma generating power supply apparatus that supplies alternating current power to a discharge load through a transformer, a discharge gap length of the gas region is 1 mm or less, and a capacitance value C2 of the gas region is a static value of the dielectric. In the case where the magnitude is not negligible compared to the capacitance value C1, the inductor is configured to have an inductance in parallel or in series with the discharge load, and the inductance value is set on the secondary side of the transformer. The inductance value L is determined by the capacitance value C1 of the discharge load during the discharge period, and the capacitance of the discharge load during the non-discharge period. C3 = (C1 × C2) / A value determined by (C1 + C2), and a method for manufacturing a plasma generating power supply device, characterized in that the value is set so as to satisfy the following formula (1) .
1 / {C1 × (2πf) 2 } ≦ L ≦ 1 / {C3 × (2πf) 2 } (1)
Where f: frequency of AC voltage applied between both electrodes
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