JP4271457B2 - 高周波電源装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置に関し、特に、プラズマ発生装置やレーザ発振装置などの電源として用いるのに好適な高周波電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマ発生装置やレーザ発振装置等の電源として用いる高周波電源装置は、基本的には、図１３に示したように、所定の周波数の高周波信号を出力する発振部１と、この発振部の出力を増幅する増幅部２と、増幅部２に直流電源電圧Ｖdcを供給する直流電源部３と、増幅部２が出力する高周波出力を検出する高周波出力検出部４と、高周波出力検出部４により検出される高周波出力を高周波出力設定値に保つように制御する制御部５とにより構成され、増幅部２の出力が負荷６に供給される。
【０００３】
発振部１は、所定の周波数の高周波信号を発生する発振器と、必要に応じて該発振器の出力を増幅する増幅器とにより構成され、増幅部２は、電力増幅器２ａにより構成される。
【０００４】
制御部５は、高周波出力設定値と高周波出力検出部４により検出された高周波出力とを入力として、増幅部２から負荷６に与えられる高周波出力が、高周波出力設定値に等しくなるように直流電源部３の出力電圧を制御したり、発振部１の出力を制御したり、増幅部２のゲインを制御したりする。
【０００５】
高周波電源装置からプラズマ発生装置やレーザ発振装置などに電力を供給する場合、高周波電源装置の出力インピーダンスと負荷インピーダンス（電源装置の出力端から負荷側を見たインピーダンス）との整合がとれているときには、電源装置から出力された進行波電力がすべて負荷に吸収されるが、電源装置の出力インピーダンスと負荷インピーダンスとの整合がとれていないときには、電源装置の出力端で反射が生じ、負荷側から電源装置側に反射波電力が流れる。
【０００６】
一般に高周波電源装置の負荷インピーダンスは一定ではなく、変動するのが普通であるため、反射波電力が生じるのを避けられない。反射波電力が生じた場合には、進行波電力から反射波電力を差引いたものが有効電力となる。
【０００７】
通常、制御部５は、進行波電力または有効電力のいずれかを設定値に保つように制御する。即ち、進行波電力または有効電力のいずれかに対して設定値を定めて、出力に含まれる進行波電力または有効電力を当該設定値に保つように制御する。本明細書において、高周波出力設定値に保つように制御する高周波出力は、進行波電力でもよく、有効電力でもよい。
【０００８】
図１３に示すような基本構成を有する従来の高周波電源装置は、例えば特許文献１ないし特許文献４に示されている。
【０００９】
上記のように、高周波電源装置の出力インピーダンスと負荷インピーダンスとの整合がとれていない場合には、電源装置の出力端で反射が生じ、負荷側から電源装置側に流れる反射波電力が生じる。反射波電力が増大すると増幅器が破損するため、プラズマ発生装置等の電源として用いる高周波電源装置においては、特許文献１や特許文献２に示されているように、反射波電力に対して増幅器を破損するおそれがない大きさの保護設定値を定めて、負荷から電源装置側への反射波電力が保護設定値を超えないように、電源装置から負荷に供給する高周波出力（進行波電力または有効電力）を制限する制御を行わせて、増幅器を反射波電力から保護するようにしていた。
【００１０】
上記のような電源装置においては、反射波電力が保護設定値以下であれば電源装置から高周波出力設定値に等しい高周波出力（進行波電力または有効電力）を得ることができるが、反射波電力が保護設定値を超えたときには、電源装置から得ることができる高周波出力が高周波出力設定値よりも小さい値に制限される。 このような制御を行う従来の高周波電源装置においては、以下に示すような問題があった。
【００１１】
ａ．電源装置の出力端子間に接続される負荷のインピーダンスが変化する場合、反射係数の大きさが同じであっても、反射係数の位相角が変化すると、最大高周波出力（電源装置から出力することができる進行波電力または有効電力の最大値）が変化する。そのため、反射係数の大きさが同じであっても、負荷インピーダンスの変化により反射係数の位相角が変化すると最大高周波出力が変化し、反射係数の位相角が特定の値を示す負荷インピーダンスに対して最大高周波出力が著しく小さくなる。
【００１２】
ｂ．反射係数の位相角が特定の値を示す負荷に対して電源装置の最大高周波出力を大きくしようとすると、増幅器で生じる損失が大きくなり、この損失により生じる発熱によって増幅器が破損するおそれがある。
【００１３】
上記のような従来の高周波電源装置が有する問題点を、具体例を用いて更に詳細に説明する。
【００１４】
図１４は、図１３に示した電源装置で用いる増幅器２ａの回路構成例を示したものである。図１４に示した増幅器は、周知のプッシュプル式増幅器で、一次コイルＷ11と中間タップ付きの二次コイルＷ12とを備えた入力トランスＴａと、ソースが共通接続されて接地された１対のｎチャンネル型電界効果トランジスタＦＥＴａ及びＦＥＴｂと、ＦＥＴａのゲートとトランスＴａの二次コイルＷ12の一端との間、及びＦＥＴｂのゲートと二次コイルＷ12の他端との間にそれぞれ接続された抵抗Ｒａ及びＲｂと、二次コイルＷ12の中間タップに抵抗Ｒｃを通して正極端子が接続され、負極端子が接地されたバイアス電源Ｂａと、トランスＴａの二次コイルＷ12の一端と接地間及び他端と接地間にそれぞれ接続された抵抗Ｒｄ及びＲｅと、ＦＥＴａのドレインとＦＥＴｂのドレインとの間に接続された中間タップ付きのコイルＬａと、コイルＬａの中間タップと接地間に、負極端子を接地側に向けて接続されて電源電圧Ｖdcを出力する直流電源Ｂｂと、コイルＬａの両端に一次コイルＷ21が接続された出力トランスＴｂとを備えており、出力トランスＴｂの二次コイルＷ22の両端に負荷６が接続されている。
【００１５】
ここで、発振器から入力される入力電圧Ｖinの周波数及び電源装置の出力周波数を１０ＭＨｚ、直流電源電圧Ｖdcを２００［Ｖ］、整合時の負荷インピーダンスを５０Ω（純抵抗）とする。またバイアス電源ＢａからＦＥＴａ及びＦＥＴｂのゲートにバイアス電圧Ｖｂを与えてＢ級動作を行わせるものとする。
【００１６】
図１６（Ａ）ないし（Ｅ）はそれぞれ、図１４に示した増幅器を動作させたときのＦＥＴａのドレインソース間電圧Ｖds、ドレイン電流Ｉd 、増幅器の出力電圧Ｖout 、出力電流Ｉout 及びＦＥＴａのドレイン損失Ｖds×Ｉd のシミュレーション波形を時間ｔに対して示したものである。このときの負荷は５０Ω（純抵抗）で、増幅器の出力インピーダンスと整合している。また、負荷に供給される高周波出力（進行波電力）は約１２００Ｗであり、ＦＥＴａで生じる損失（平均値）は２００Ｗである。
【００１７】
図１６は、負荷インピーダンスが電源装置の出力インピーダンスに整合している場合であるが、負荷インピーダンスが整合していない場合には、電源装置（増幅器）から出力させることができる最大高周波出力（進行波電力）が負荷インピーダンスによって大きく変る。
【００１８】
表１は、反射係数の大きさが０．７１４（定在波比ＳＷＲ＝６：１）で、反射係数の位相角が０度，−４５度，−９０度，−１３５度，−１８０度，−２２５度，−２７０度及び−３１５度となる８種類の負荷を図１４に示した増幅器に接続して、ＦＥＴａのドレイン損失が許容値３００Ｗに等しいときに、増幅器から負荷に供給できる高周波出力（最大高周波出力）の大きさを求めた結果を示したものである。なおこの場合も、直流電源電圧Ｖdcは２００［Ｖ］としている。
【００１９】
【表１】
表１から明らかなように、反射係数の位相角が０度になる負荷を接続したとき、及び反射係数の位相角が−４５度になる負荷を接続したときには、ＦＥＴａで生じる最大損失が３００Ｗ未満であった。これらの負荷では、高周波出力を更に大きくするために入力信号Ｖinを大きくすると、増幅器がＢ級動作から外れることが明らかになった。そのため、表１において、位相角が０度及び−４５度の負荷をそれぞれ接続したときのＦＥＴａのドレイン損失値２１０［Ｗ］及び２３０［Ｗ］は、Ｂ級動作領域での最大損失値を示している。
【００２０】
表１から、反射係数の大きさが同じ負荷であっても、負荷インピーダンスの位相角により増幅器から負荷に供給し得る最大高周波出力が大きく異なることが分かる。負荷が８．３Ωのときに増幅器が出力できる最大高周波出力は、負荷が４９＋ｊ１０１Ωのときの１／５以下となる。
【００２１】
次に、図１７（Ａ）ないし（Ｅ）はそれぞれ、インピーダンスが９．７−ｊ２０Ωの負荷が接続されたときのＦＥＴａのドレイン電圧Ｖds、ドレイン電流Ｉd 、増幅器の出力電圧Ｖout 、出力電流Ｉout 、及びＦＥＴａのドレイン損失Ｖds×Ｉd を示している。このときのＦＥＴａの損失（平均値）は約３００［Ｗ］である。
【００２２】
この場合、電源装置の高周波出力を更に大きくするために、入力信号Ｖinを大きくすると、ＦＥＴの損失は更に大きくなる。
【００２３】
図１８は、入力信号Ｖinを大きくしてＦＥＴの損失（平均値）を約５００［Ｗ］としたときの各部の電圧、電流波形を示している。このとき増幅器が出力する進行波電力は約２６０［Ｗ］である。このように、入力信号Ｖinを大きくすると、増幅器が出力し得る進行波電力が大きくなるが、ＦＥＴで生じる損失も大きくなるため、ＦＥＴの接合部の温度が許容温度を超えて破損する。
【００２４】
上記の説明では、一組の増幅器により増幅部を構成するとしたが、図１５に示すように、増幅部を複数の増幅器により構成する場合もある。この例では、図示しない直流電源部の出力電圧Ｖdcを電源電圧として動作する複数の増幅器２a1〜２a4と、図示しない発振部から与えられる高周波信号Ｖinを増幅器２a1〜２a4に分配して入力するパワー分配器２ｂと、増幅器２a1〜２a4の出力を合成して負荷６に与えるパワー合成器２ｃとにより増幅部２が構成されている。
【００２５】
このように、増幅部が複数の増幅器により構成される場合も、負荷インピーダンスの変化によって反射係数の位相角が変化したときに電源装置から負荷に供給される最大出力が大きく変わる。
【００２６】
上記のような高周波電源装置において、反射波電力に対して保護設定値を設定して、反射波電力が保護設定値を超えないように増幅部の出力を制御するようにした場合には、反射波電力の保護設定値は、一番厳しい負荷の時の値に制限される。表１に示した例では、負荷インピーダンスが８．３Ωのときの反射波電力２３［Ｗ］を保護設定値とする必要があり、電源装置から出力し得る進行波電力は４５［Ｗ］以下に制限される。反射波電力の保護設定値は固定値であるため、他の負荷インピーダンスに対しても高周波出力（進行波電力または有効電力）が４５［Ｗ］以下に制限される。
【００２７】
また特許文献３や特許文献４に示されているように、増幅器で発生している損失を求めて、この損失を、増幅器が破損しない範囲の最大値付近の値に定めた損失設定値以下に保つように増幅器の出力を制御するようにした高周波電源装置も知られている。
【００２８】
このような制御が行われる高周波電源装置においては、増幅器で生じる損失が損失設定値を超える負荷インピーダンスが接続されたときに、増幅器で生じる損失を損失設定値まで下げるように増幅器の出力を低下させる保護制御が行われるため、電源装置の出力（進行波電力または有効電力）が制限される。
【００２９】
【特許文献１】
特公平５−７６０４５号公報
【００３０】
【特許文献２】
特開２００１−２４４７５４号公報
【００３１】
【特許文献３】
特開平１１−２３３２９４号公報
【００３２】
【特許文献４】
特開２００１−３５６９９号公報
【００３３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の高周波電源装置においては、反射波電力により増幅器で発生する損失が増大して、増幅器が破損するおそれが生じたときに、増幅器の出力を低下させることにより、増幅器の保護を図っていたため、増幅器を保護する制御が行われたときに電源出力（進行波電力または有効電力）が設定値よりもかなり低い値に制限されるという問題があった。
【００３４】
本発明の目的は、増幅器で生じる損失が大きくなる負荷が接続されたときに、増幅器を破損することなく、従来よりも大きい高周波出力（進行波電力または有効電力）を負荷に供給す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。
【００３５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高周波信号を出力する発振部と、発振部の出力を増幅して負荷に高周波出力を供給する増幅部と、増幅部に直流電源電圧を供給する直流電源部とを備えた高周波電源装置を対象とする。
【００３６】
本発明においては、増幅部から負荷に供給されている高周波有効出力電力を直流電源部が増幅部に供給している直流電力から引算するか、または増幅部から負荷に供給されている進行波電力を直流電源部が増幅部に供給している直流電力から引算して得た値に負荷から増幅部に戻ってくる反射波電力を加算することにより増幅部で生じている損失を演算する損失演算部と、損失演算部により演算された損失演算値が予め設定された損失設定値を超えたときに損失演算値が損失設定値に等しくなるまで直流電源部から増幅部に供給する直流電源電圧を低下させる制御を行い、損失演算値が損失設定値以下のときには直流電源部から増幅部に供給する直流電源電圧を設定された直流電圧設定値に保つ制御を行う第１の制御部と、増幅部から負荷に供給される高周波出力を高周波出力設定値に近づけるように発振部または増幅部の出力を制御する第２の制御部とを設けた。
【００３７】
増幅部で生じている損失Ｐlossは、増幅部から負荷に供給される高周波有効出力電力ＰL を、直流電源部から増幅部に入力される直流電力Ｐdc（＝増幅部に供給される直流電源電圧Ｖdc×直流電流Ｉd c）から引算する（Ｐloss＝Ｐdc−ＰL の演算を行う）ことにより求めるか、または直流電源部から増幅部に供給される直流電力Ｐdcから、負荷に供給される進行波電力Ｐｆを引算して得た値に反射波電力Ｐｒを加える（Ｐloss＝Ｐdc−Ｐｆ＋Ｐｒの演算を行う）ことにより求めることができる。
【００３８】
上記損失設定値は、増幅部で生じる発熱が許容範囲の上限に達するときに該増幅部で生じる許容最大損失以下に設定する。
【００３９】
第２の制御部が制御する高周波出力は、進行波電力Ｐｆでもよく、有効電力（負荷での消費電力）ＰL （＝Ｐｆ−Ｐｒ）でもよい。
【００４０】
上記の電源装置において、増幅部で生じる損失が損失設定値を超えると、第１の制御部が直流電源電圧を低下させるように制御するため、増幅部の出力が低下し、増幅部で生じる損失も減少していく。このとき第２の制御部は、増幅部から負荷に与えられる高周波出力を高周波出力設定値に近づけるように発振部または増幅部を制御して、増幅部の出力を増加させるため、増幅部の出力の低下が抑えられる。第２の制御部が増幅器の出力を増加させると、増幅器で生じる損失が増加しようとするが、第１の制御部がこの損失の増加を抑えて、増幅部で生じる損失を損失設定値に保つ。直流電源電圧を低下さて増幅部で生じる損失を損失設定値に保つ第１の制御部による制御と、増幅部の出力を増加させる第２の制御部による制御とがバランスしたところで、第１の制御部及び第２の制御部による制御動作が止り、高周波出力が安定する。
【００４１】
このように、本発明においては、増幅部で生じる損失が損失設定値を超えたことが検出されたときに、直流電源電圧を低下させて損失を損失設定値まで減少させる制御を行うと同時に、高周波出力を設定値に向けて上昇させる制御を行うので、増幅部で大きな損失が生じる負荷が接続されたときに、該損失を損失設定値（許容損失）に抑えつつ負荷に供給し得る高周波電力（進行波電力または有効電力）を従来よりも大きくすることができる。
【００４２】
また増幅部で生じる損失は常に損失設定値に制限されるため、増幅部を構成する半導体素子が破損するのを防ぐことができる。
【００４３】
上記の構成では、増幅部で生じる損失が損失設定値を超えたことが検出されたときに、直流電源電圧を低下させて損失を損失設定値まで減少させる制御を行うように第１の制御部を構成しているが、増幅部を構成している半導体素子に印加される電圧と該半導体素子を流れる電流とを乗じて半導体素子で生じている損失を演算するように損失演算部を構成して、損失演算部により演算される損失が損失設定値を超えたことが検出されたときに、直流電源電圧を低下させて演算される損失を損失設定値まで減少させる制御を行うように第１の制御部を構成してもよい。
【００４４】
このように、増幅部を構成する半導体素子で生じている損失自体を演算して、演算された損失が損失設定値を超えたことが検出されたときに、演算される損失を損失設定値まで減少させる制御を行うと、半導体素子の保護をより的確に行わせることができる。
【００４５】
上記のように、本発明においては、増幅部で生じる損失が損失設定値を超えたときに増幅部の直流電源電圧を低下させる制御を行うが、増幅部を安定に動作させるため、直流電源電圧の許容変動範囲（増幅部の安定な動作を確保する上で許容される変動範囲）の下限値よりも低い値まで直流電源電圧を低下させるのは好ましくない。
【００４６】
従って、本発明の好ましい態様では、直流電源電圧を制御する第１の制御部が、損失演算部により演算された損失演算値が予め設定された第１の損失設定値よりも小さいときに直流電源部から増幅部に供給される直流電源電圧を設定された直流電圧設定値に保つ制御を行い、損失演算値が第１の損失設定値を超えているときには損失演算値を第１の損失設定値に等しくするべく、直流電源部の出力電圧を予め定めた下限値を下回らない範囲で低下させる制御を行うように構成される。
【００４７】
この場合第２の制御部は、直流電源電圧が前記下限値以上であるときには高周波出力検出部により検出される増幅部の高周波出力を高周波出力設定値に近づけるように発振部または前記増幅部の出力を制御し、直流電源電圧が前記下限値を下回ったときには、損失演算値を第１の損失設定値に等しいかまたは第１の損失設定値よりも僅かに大きい値に設定された第２の損失設定値に等しくするように発振部または増幅部の出力を制御するように構成される。
【００４８】
上記第１の損失設定値及び第２の損失設定値は、増幅部を構成する半導体素子で生じる発熱が許容範囲の上限に達するときに該増幅部で生じる損失値以下に設定される。
【００４９】
上記のように直流電源電圧に対して下限値を設定して第１の制御部により直流電源電圧が下限値を下回らない範囲で直流電源電圧を低下させる制御を行い、直流電源電圧が下限値を下回ったときに、第２の制御部により、損失演算値を第１の損失設定値に等しいかまたは第１の損失設定値よりも僅かに大きい値に設定された第２の損失設定値に等しくするように発振部または増幅部の出力を制御するように構成すると、直流電源電圧を下限値以下に低下させることなく増幅部で生じる損失を制限する制御を行わせることができるため、増幅部の安定な動作を保証することができる。
【００５０】
このような制御を行う場合にも、増幅部を構成している半導体素子で生じている損失を演算するように損失演算部を構成することができる。この場合も、第１の制御部は、損失演算部により演算された損失演算値が予め設定された第１の損失設定値よりも小さいときに直流電源部から増幅部に供給される直流電源電圧を適値に設定された直流電圧設定値に保つ制御を行い、損失演算値が第１の損失設定値を超えているときには損失演算値を第１の損失設定値に等しくするべく、直流電源部の出力電圧を予め定めた下限値を下回らない範囲で低下させる制御を行う。また第２の制御部は、直流電源電圧が下限値以上であるときには高周波出力検出部により検出される増幅部の高周波出力を高周波出力設定値に近づけるように発振部または増幅部の出力を制御し、直流電源電圧が下限値を下回ったときには、損失演算値を第１の損失設定値に等しいかまたは第１の損失設定値よりも僅かに大きい値に設定された第２の損失設定値に等しくするように発振部または増幅部の出力を制御する。
【００５１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００５２】
図１は本発明に係わる高周波電源装置の構成例を示したもので、同図において１１は所定の周波数の高周波信号を発生する発振部、１２は発振部１１の出力を増幅する増幅部、１３は増幅部１２に直流電源電圧を与える直流電源部、１４は増幅部１２の高周波出力を検出する高周波出力検出部であり、増幅部１２の出力が高周波出力検出部１４を通して負荷１６に供給されている。
【００５３】
また１７は直流電源部１３から増幅部１２に与えられる直流電源電圧Ｖdcを検出する直流出力検出部、１８は増幅部で生じている損失を演算する損失演算部で、直流出力検出部１７の出力が高周波出力検出部１４の出力とともに損失演算部１８に与えられている。
【００５４】
１９は、損失演算部１８により演算される損失に応じて直流電源部１３を制御する第１の制御部、２０は増幅部１２から負荷１６に供給される高周波出力を高周波出力設定値に近づけるように発振部１１または増幅部１２を制御する第２の制御部である。
【００５５】
発振部１１は、発振器と必要に応じて発振器の出力を増幅する増幅器とにより構成され、増幅部１２は電力増幅器により構成される。増幅部１２は、図１３に示した例と同じように単一の増幅器からなっていてもよく、図１５に示したように複数の増幅器からなっていてもよい。増幅器としては、図１４に示した構成を有するものを用いることができる。
【００５６】
なお増幅器の回路構成は図１４に示したものに限られるものではなく、発振部１１の出力を増幅し得る周波数特性を有する電力増幅回路であればいかなるものでもよい。
【００５７】
高周波出力検出部１４は、増幅部１２の出力情報を検出する部分である。出力情報を検出する方法としては、増幅部１２の出力電圧Ｖout ［Ｖ］と出力電流Ｉout ［Ａ］とから進行波電力Ｐｆと、反射波電力Ｐｒ［Ｗ］とを求める方法と、出力電圧Ｖout ［Ｖ］、出力電流Ｉout ［Ａ］及びこれらの位相差θから、負荷１６に与えられる高周波有効出力電力（負荷で消費された電力）ＰL ＝Ｖout ×Ｉout ×ｃｏｓθ［Ｗ］を求める方法とがある。
【００５８】
なお高周波有効出力電力ＰL と進行波電力Ｐｆと反射波電力Ｐｒとの間には、ＰL ＝Ｐｆ−Ｐｒ［Ｗ］の関係がある。
【００５９】
直流出力検出部１７は、直流電源部１３の出力電圧Ｖdc［Ｖ］と出力電流Ｉd c［Ａ］とを検出し、これらを用いて直流出力検出部１７から増幅部１２に与えられる直流電力Ｐdc＝Ｖdc×Ｉd c［Ｗ］を求める。
【００６０】
損失演算部１８は、直流検出部１７で求められた直流電源部１３の直流出力電力Ｐdcから高周波出力検出部１４で求められた高周波有効出力電力ＰL を減じて、増幅部１２で生じた損失Ｐloss（＝Ｐdc−ＰL ）［Ｗ］を演算する。
【００６１】
なお損失演算部１８は、直流電源部１３から増幅部１２に与えられた直流電力Ｐdcから進行波電力Ｐｆを差し引いたものに反射波電力Ｐｒを加えることにより増幅部で生じた損失Ｐloss（＝Ｐdc−Ｐｆ＋Ｐｒ）を求めるように構成してもよい。
【００６２】
第１の制御部１９は、損失演算部１８により演算された損失演算値Ｐlossと、直流出力検出部１７により検出された直流電源電圧Ｖdcと、直流電圧設定値Ｖdcsetと損失設定値Ｐlsetとを入力として、損失演算部１８により演算された損失演算値Ｐlossが予め設定された損失設定値Ｐlsetを超えたときに損失演算値Ｐlossが損失設定値Ｐlsetに等しくなるまで直流電源部１３から増幅部１２に供給する直流電源電圧Ｖdcを低下させる制御を行い、損失演算値Ｐlossが損失設定値Ｐlset以下のときには直流電源部１３から増幅部１２に供給する直流電源電圧Ｖdcを適値に設定された直流電圧設定値Ｖdcsetに保つ制御を行うように構成される。
【００６３】
また第２の制御部２０は、高周波出力検出部１４により検出された高周波出力Ｐfと、高周波出力設定値Ｐfsetとを入力として、増幅部１２から負荷１６に供給される高周波出力を高周波出力設定値Ｐfsetに近づけるように発振部１１または増幅部１２の出力を制御するように構成される。
【００６４】
なお直流電源電圧Ｖdcに対して設定する直流電圧設定値Ｖdcsetは、固定値でも可変値でもよいが、増幅部１２を効率よく動作させるのに適した値に設定される。増幅部１２を効率よく動作させるのに適した直流電源電圧Ｖdcは、電源装置の出力Ｐout の設定値（高周波出力設定値）Ｐfsetの大きさにより異なるので、高周波出力設定値Ｐfsetの大きさに応じて増幅部１２の効率η（＝Ｐout ／Ｐdc）を最大にするように、設定値Ｐfsetに応じて直流電圧設定値Ｖdcsetを変化させるようにするのが好ましい。このように、出力設定値に応じて増幅部の直流電源電圧を制御する方法は、特開２００１−１９７７４９号に示されているように既に公知である。
【００６５】
図１に示した電源装置において、増幅部で生じる損失が損失設定値Ｐlsetを超えると、第１の制御部１９が直流電源１３から増幅部１２に与えられる直流電源電圧Ｖdcを低下させるように制御するため、増幅部１２の出力が低下し、増幅部１２で生じる損失も減少していく。このとき第２の制御部２０は、増幅部１２から負荷１６に与えられる高周波出力（進行波電力または有効電力）を高周波出力設定値（進行波電力の設定値または有効電力の設定値）に近づけるように発振部１１または増幅部１２を制御して、増幅部１２の出力を増加させるため、増幅部１２の出力の低下が抑えられる。第２の制御部が増幅部の出力を増加させると、増幅部で生じる損失が増加しようとするが、第１の制御部がこの損失の増加を抑えて、増幅部で生じる損失を損失設定値Ｐlsetに保つ。
【００６６】
直流電源電圧Ｖdcを低下さて増幅部で生じる損失を損失設定値Ｐlsetに保つ第１の制御部１９による制御と、増幅部の出力を増加させる第２の制御部２０による制御とがバランスしたところで、第１の制御部及び第２の制御部による制御動作が止り、高周波出力が安定する。
【００６７】
このように、本発明においては、増幅部１２で生じる損失Ｐlossが損失設定値Ｐlsetを超えたことが検出されたときに、直流電源電圧を低下させて損失を損失設定値まで減少させる制御を行うと同時に、高周波出力を設定値に向けて上昇させる制御を行うので、増幅部で大きな損失が生じる負荷が接続されたときに、該損失を損失設定値（許容損失）に抑えつつ負荷に供給し得る高周波電力（進行波電力または有効電力）を従来よりも大きくすることができる。
【００６８】
また増幅部１２で生じる損失は常に損失設定値Ｐlsetに制限されるため、増幅部を構成する半導体素子が破損するのを防ぐことができる。
【００６９】
ここで、図１に示した電源装置において、図１４に示す一組の増幅器２ａを用いて増幅部１２を構成した場合について行ったシミュレーションの結果を示す。制御の対象とする高周波出力は進行波電力でも有効電力（負荷で消費される電力）でもよいが、ここでは、進行波電力を制御の対象とする高周波出力として、該高周波出力を高周波出力設定値に等しくするように制御するものとする。
【００７０】
図１４に示した増幅回路において、ＦＥＴａ及びＦＥＴｂの損失設定値（許容損失）Ｐlsetを３００［Ｗ］とした場合に、表１に示した例と同じ負荷に供給できる最大高周波出力（最大進行波電力）の大きさを求めた結果を下記の表２に示す。
【００７１】
【表２】
従来の電源装置では、表１に示したように、負荷インピーダンスが１６．２−ｊ４７．３Ω，９．７−ｊ２０Ω，８．３Ω，９．７＋ｊ２０Ω，１６．２＋ｊ４７．３Ω，４９＋ｊ１０１Ωのときにそれぞれ１３０［Ｗ］，６５［Ｗ］，４５［Ｗ］，５２［Ｗ］，８６［Ｗ］及び２４０［Ｗ］の高周波出力電力（この例では進行波電力）しか得ることができなかったが、本発明によれば、表２に示したように、３３０［Ｗ］，５５０［Ｗ］，４１０［Ｗ］，３６０［Ｗ］，２３４［Ｗ］及び３６０［Ｗ］の高周波出力を得ることができ、高周波出力を従来よりも大幅に増加させることができる。
【００７２】
図２（Ａ）ないし（Ｅ）は、９．７−ｊ２０Ωの負荷を接続したときのＦＥＴａのドレイン電圧Ｖds、ドレイン電流Ｉd 、増幅部の高周波出力電圧Ｖout 、高周波出力電流Ｉout及び損失Ｖds×Ｉd のシミュレーション波形を時間ｔに対して示したものである。図２（Ｅ）に示したように、ＦＥＴａの損失は約３００［Ｗ］（平均値）に保たれている。
【００７３】
上記のように、本発明においては、増幅部１２で生じる損失が損失設定値Ｐlsetを超えたことが検出されたときに、直流電源電圧を低下させて増幅部で生じる損失を損失設定値まで減少させる制御を行うと同時に、高周波出力Ｐf を設定値Ｐfsetに向けて上昇させる制御を行うので、増幅部１２で大きな損失が生じる負荷１６が接続されたときに、増幅部で生じる損失を損失設定値（許容損失）に抑えつつ負荷１６に供給し得る高周波電力（進行波電力または有効電力）を従来よりも大きくすることができる。また増幅部１２で生じる損失は常に損失設定値Ｐlsetに制限されるため、増幅部１２を構成する半導体素子が破損するのを防ぐことができる。
【００７４】
上記のように、本発明においては、増幅部１２で生じる損失が損失設定値Ｐlsetを超えたときに増幅部の直流電源電圧Ｖdcを低下させる制御を行うが、増幅部を安定に動作させるため、直流電源電圧の許容変動範囲（増幅部の安定な動作を確保する上で許容される変動範囲）の下限値よりも低い値まで直流電源電圧を低下させることは避ける必要がある。
【００７５】
図３は、直流電源電圧が下限値ＶdcL よりも低くなるのを防ぐようにする場合の本発明の実施形態を示したものである。図３に示した実施形態では、第１の制御部１９´に、損失演算部１８の出力及び直流出力検出部１７の出力とともに、直流電圧設定値Ｖdcsetと第１の損失設定値Ｐlset1 と直流電源電圧の下限値ＶdcL とが入力され、第２の制御部２０´には、高周波出力検出部１４の出力と、高周波出力設定値Ｐfsetと、第２の損失設定値Ｐlset2 と、損失演算部１８により演算された損失演算値Ｐlossとが入力されるとともに、直流電源部１３の出力電圧が下限値ＶdcL以上であるのか、下限値ＶdcL未満であるのかを示す信号が第１の制御部１９´から与えられる。
【００７６】
図３に示した第１の制御部１９´は、損失演算部により演算された損失演算値が予め設定された第１の損失設定値Ｐlset1 よりも小さいときに直流電源部１３から増幅部１２に供給される直流電源電圧Ｖdcを適値に設定された直流電圧設定値Ｖdcsetに保つ制御を行い、損失演算値Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1 を超えているときには損失演算値Ｐlossを第１の損失設定値Ｐlset1 に等しくするべく、直流電源部１３の出力電圧を予め定めた下限値ＶdcL を下回らない範囲で低下させる制御を行うように構成される。
【００７７】
また第２の制御部２０´は、直流電源電圧Ｖdcが下限値ＶdcL以上であるときには高周波出力検出部１４により検出される増幅部１２の高周波出力を高周波出力設定値Ｐfsetに近づけるように発振部１１または増幅部１２の出力を制御し、直流電源電圧Ｖdcが下限値ＶdcLを下回ったときには、損失演算値Ｐlossを第１の損失設定値Ｐlset1に等しいかまたは第１の損失設定値Ｐlset1よりも僅かに大きい値に設定された第２の損失設定値Ｐlset2に等しくするように発振部１１または増幅部１２の出力を制御するように構成される。
【００７８】
第１の損失設定値Ｐlset1 及び第２の損失設定値Ｐlset2 （≧Ｐlset1 ）は、増幅部を構成する半導体素子で生じる発熱が許容範囲の上限に達するときに増幅部１２で生じる損失値以下に設定される。その他の点は図１に示した実施形態と同様である。
【００７９】
図３に示した実施形態において、損失演算値Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1 を超えていないときには、第１の制御部１９´が、直流電源部の出力電圧Ｖdcを適値に設定された直流電圧設定値Ｖdcsetに保つように制御する。また損失演算部１８により演算された損失Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1 を超えたときには、第１の制御部１９´が下限値ＶdcL を下まわらない範囲で直流電源部１３の出力電圧を低下させるように制御して増幅部１２の出力を低下させ、損失演算値（増幅部で生じる損失）Ｐlossを減少させる。
【００８０】
第２の制御部２０´は、直流電源部の出力電圧（直流電源電圧）Ｖdcが下限値ＶdcL以上あるときに、高周波出力検出部１４により検出される増幅部１２の高周波出力Ｐf を高周波出力設定値Ｐfsetに近づけるように発振部１１または増幅部１２の出力を制御し、直流電源電圧が下限値ＶdcLを下回ったときに、損失演算値Ｐlossを第２の損失設定値Ｐlset2 に等しくするように発振部１１または増幅部１２の出力を制御する。
【００８１】
上記のように、図３に示した実施形態では、増幅部で生じる損失が第１の損失設定値を超えたときに、第１の制御部１９´が直流電源部の出力電圧を下限値を下まわらない範囲で低下させて増幅部の出力を低下させるように制御するので、増幅部で生じる損失が損失設定値を超えたときに増幅部の安定な動作を損なうことなく、増幅部で生じる損失を損失設定値に抑制する制御を行わせることができる。
【００８２】
また直流電源電圧が下限値以上であるときには、第２の制御部２０´が高周波出力を設定値に近づけるように制御するため、増幅部で大きな損失が生じる負荷が接続されたときに、該損失を損失設定値に抑えつつ負荷に供給し得る高周波電力（進行波電力または有効電力）を従来よりも大きくすることができる。
【００８３】
更に、直流電源電圧が下限値を下回ろうとしたときには、第２の制御部が損失演算値Ｐlossを、第１の損失設定値に等しいか、または該第１の損失設定値よりも僅かに大きく設定された第２の損失設定値Ｐlset2 に等しくするように発振部１１または増幅部１２の出力を制御して、第１の制御部による直流電源電圧の制御（直流電源電圧を低下させる制御）を停止させるため、直流電源部の出力が下限値を下回って、増幅部の動作が不安定になるのを防ぐことができる。
【００８４】
図１及び図３に示した実施形態において、発振部１１は、所定の周波数の高周波出力を発生する公知の回路により構成することができ、直流電源部１３は、出力電圧値を制御する機能を有する各種の直流電源回路により構成することができる。また損失演算部１８は、アナログ演算回路またはコンピュータにより実現することができる。
【００８５】
第１の制御部及び第２の制御部は、ハードウェア回路により構成することもでき、コンピュータに所定のプログラムを実行させることによりソフトウェア的に構成することもできる。
【００８６】
以下、図３に示した実施形態を例にとって、直流電源部１３の具体的な構成例と、第１の制御部１９´及び第２の制御部２０´の具体的構成例を説明する。
【００８７】
図４ないし図６は、本発明に係わる高周波電源装置で用いることができる直流電源部１３の具体的な構成例を示したもので、これらの図に示された直流電源部１３は、商用電源から得られる交流電圧Ｖacを直流電圧に変換する整流回路と、この整流回路の出力を交流電圧に変換するインバータ回路と、このインバータ回路の交流出力を直流出力に変換するコンバータ回路とにより構成されている。
【００８８】
図４は、プッシュプル方式のインバータ回路を用いた直流電源部１３を示したもので、この直流電源部１３は、ダイオードＤa ないしＤd のブリッジ回路からなる全波整流回路２１と、チョークコイルＬ1 と平滑用コンデンサＣ1 とからなる平滑回路２２と、ＮＰＮトランジスタＴＲ1 及びＴＲ2 とトランスＴ1 とからなるプッシュプル方式のインバータ回路２３と、整流回路２１から与えられる直流電圧を交流電圧に変換するようにトランジスタＴＲ1 及びＴＲ2 をオンオフ制御するインバータ制御部２４と、ダイオードＤe 及びＤf とチョークコイルＬ2 と平滑用コンデンサＣ2 とからなっていて、インバータ回路２３から得られる交流出力を直流出力に変換するコンバータ回路２５とにより構成されている。
【００８９】
図４に示した直流電源部において、インバータ制御部２４は、第１の制御部１９´から与えられる制御信号ＶＣＴ1 に応じて、トランジスタＴＲ1 及びＴＲ2 をＰＷＭ制御またはＰＦＭ制御し、ＰＷＭ制御またはＰＦＭ制御された交流電圧をトランスＴ1 から出力する。この交流電圧は、ダイオードＤe 及びＤf により整流され、チョークコイルＬ2 及びコンデンサＣ2 により平滑されて直流電圧Ｖdcとして増幅部１２に与えられる。第１の制御部１９´は、直流出力検出部１７により検出される直流電圧Ｖdcの大きさを指示値Ｖdccに等しくするように、上記制御信号ＶＣＴ1 を発生するため、直流電源部１３から出力される直流電圧Ｖdcが指示値Ｖdccに等しくなるように制御される。
【００９０】
図５は、ブリッジ方式のインバータ回路を用いた直流電源部１３を示したもので、この直流電源部１３は、図４に示された直流電源部で用いられているものと同様の整流回路２１及び平滑回路２２と、トランジスタＴＲｕ，ＴＲｖ，ＴＲｘ及びＴＲｙとこれらのトランジスタのコレクタエミッタ間に接続された帰還用ダイオードＤｕ，Ｄｖ，Ｄｘ及びＤｙとトランスＴ1 とからなる公知のブリッジ形インバータ回路２７と、インバータ回路２７を制御するインバータ制御部２４とにより、図４に示された直流電源部で用いられたものと同様のコンバータ回路２５とにより構成されている。
【００９１】
図５に示された直流電源部１３においては、インバータ制御部２４がインバータ回路２７のブリッジの対角位置にあるトランジスタを交互にオン状態にすることにより整流回路２１から与えられる直流電圧を交流電圧に変換する。インバータ制御部２４はまた、インバータ回路２７のブリッジの上辺を構成するトランジスタまたはブリッジの下辺を構成するトランジスタのうち、オン期間にあるトランジスタを第１の制御部１９´から与えられる制御信号ＶＣＴ1 に応じて、ＰＷＭ制御またはＰＭＦ制御し、ＰＷＭ制御またはＰＦＭ制御された交流電圧をトランスＴ1 から出力する。この交流電圧は、ダイオードＤe 及びＤf により整流され、チョークコイルＬ2 及びコンデンサＣ2 により平滑されて直流電圧Ｖdcとして増幅部１２に与えられる。第１の制御部１９´は、直流出力検出部１７により検出される直流電圧Ｖdcの大きさを指示値Ｖdccに等しくするように、制御信号ＶＣＴ1 を発生するため、直流電源部１３から出力される直流電圧Ｖdcが指示値Ｖdccに等しくなるように制御される。
【００９２】
また図６は、ハーフブリッジ方式のインバータ回路を用いた直流電源部１３を示したもので、この直流電源部１３は、図５に示された直流電源部で用いられた平滑回路２２に代えて、チョークコイルＬ1 とコンデンサＣ11及びＣ12からなる平滑回路２２´が用いられている点、及びトランジスタＴＲｕ及びＴＲｘと帰還ダイオードＤｕ及びＤｘとトランスＴ1 とからなるハーフブリッジ式のインバータ回路２８が用いられている点を除き、図５に示された直流電源部と同様に構成されている。
【００９３】
図６に示された直流電源部において、インバータ制御部２４は、第１の制御部１９´から与えられる制御信号ＶＣＴ1 に応じてトランジスタをＰＷＭ制御またはＰＦＭ制御し、ＰＷＭ制御またはＰＦＭ制御された交流電圧をトランスＴ1 から出力する。この交流電圧は、ダイオードＤe 及びＤf により整流され、チョークコイルＬ2 及びコンデンサＣ2 により平滑されて直流電圧Ｖdcとして増幅部１２に与えられる。第１の制御部１９´は、直流出力検出部１７により検出される直流電圧Ｖdcの大きさを指示値Ｖdccに等しくするように、上記制御信号ＶＣＴ1 を発生させるため、直流電源部１３から出力される直流電圧Ｖdcが指示値Ｖdccに等しくなるように制御される。
【００９４】
図４ないし図６に示した例では、商用電源から与えられる単相交流電圧Ｖacを直流電圧Ｖdcに変換するようにしているが、図４ないし図６に示された整流回路２１を図７に示した３相全波整流回路２１´で置き換えることにより、３相交流電圧Ｖacを直流電圧Ｖdcに変換するように直流電源部１３を構成することもできる。
【００９５】
なお図４ないし図６に示した例においては、インバータ回路を構成するスイッチ素子としてＮＰＮトランジスタを用いたが、他の電力用半導体素子、例えば、ＦＥＴやＩＧＢＴ等をスイッチ素子として用いて、インバータ回路を構成するようにしてもよい。
【００９６】
図８は第１の制御部１９´をハードウェア回路により構成した例を示している。図８においては、図３に示した直流電圧Ｖdcの検出信号、直流電圧設定値Ｖdcset、第１の損失設定値Ｐlset1、損失演算値Ｐloss等がすべて電圧信号の形で第１の制御部１９´に入力される。図８においては、直流電圧Ｖdc、直流電圧設定値Ｖdcset、損失演算値Ｐloss等を与える電圧信号をそれぞれの符号の前にＳをつけることにより表している。
【００９７】
即ち、図８において、ＳＶdcは、直流出力検出部１７が出力する直流電圧検出信号で、直流電源部１３が出力する直流電圧Ｖdcに比例している電圧信号である。またＳＶdcLは直流電圧Ｖdcの下限値を与える下限電圧値設定信号、ＳＶdcsetは直流電圧Ｖdcの設定値を与える直流電圧設定信号、ＳＰlset1は第１の損失設定値Ｐlset1を与える第１の損失設定信号（電圧信号）、ＳＰlossは損失演算部１８が演算した損失演算値を与える損失演算値信号である。
【００９８】
図８に示した例では、演算増幅器ＩＣ１と抵抗Ｒ1 ないしＲ3 により、損失演算値信号ＳＰlossの極性をプラスからマイナスに反転する極性反転回路３０が構成され、演算増幅器ＩＣ２と、抵抗Ｒ４ないしＲ７と、ダイオードＤ１及びＤ２とにより、第１の損失設定信号ＳＰlset1と極性が反転された損失演算値信号ＳＰlossとを入力として、損失演算値信号ＳＰlossの大きさが第１の損失設定信号ＳＰlset1の大きさに等しくなるように制御信号を出力する第１の誤差増幅回路３１が構成されている。この第１の誤差増幅回路３１の出力信号は、損失演算値信号ＳＰlossの大きさが第１の損失設定信号ＳＰlset1の大きさ以下のときに０Ｖとなり、損失演算値信号ＳＰlossの大きさが第１の損失設定信号ＳＰlset1の大きさを超えたときにプラスの電圧値を示す。
【００９９】
また演算増幅器ＩＣ３と、抵抗Ｒ８ないしＲ１１とにより、直流電圧設定信号ＳＶdcsetと誤差増幅回路３１の出力とを入力として、直流電圧設定信号ＳＶdcsetから誤差増幅回路３１の出力電圧を減算した電圧を、増幅部で生じる損失を第１の損失設定値以下に制限するために必要な直流出力電圧の目標値を与える目標直流電圧信号ＳＶdco として出力する減算回路３２が構成されている。
【０１００】
更に、演算増幅器ＩＣ４と、抵抗Ｒ１２と、ダイオードＤ３とにより、減算回路３２から出力される目標直流電圧信号ＳＶdco が直流電圧Ｖdcの下限値を与える下限電圧値設定信号ＳＶdcL 以上であるときに減算回路３２から出力される目標直流電圧信号ＳＶdco に等しい電圧信号を、直流電源部１３から出力させる直流電圧の指示値Ｖdccを示す直流電圧指示値信号ＳＶdcc として出力し、減算回路３２から出力される目標直流電圧信号ＳＶdco が下限電圧値設定信号ＳＶdcLよりも小さいときには下限電圧値設定信号ＳＶdcL を、直流電源部１３から出力させる直流電圧の指示値Ｖdccを示す直流電圧指示値信号ＳＶdcc として出力する直流電圧指示値信号出力回路３３が構成されている。
【０１０１】
また演算増幅器ＩＣ５と抵抗Ｒ13ないしＲ15とにより、直流電圧検出信号ＳＶdcの極性をプラスからマイナスに反転させる極性反転回路３４が構成され、演算増幅器ＩＣ６と抵抗Ｒ16ないしＲ19とにより、直流電圧指示値信号ＳＶdcc と、極性反転回路３４の出力とを入力として、直流電圧検出信号ＳＶdcの大きさが直流電圧指示値信号ＳＶdcc の大きさに等しくなるように制御信号ＶＣＴ１を出力する第２の誤差増幅回路３５が構成されている。
【０１０２】
直流電源部１３のインバータ制御部２４は、上記制御信号ＶＣＴ１を入力として、ＰＷＭ制御またはＰＦＭ制御により、インバータ回路のトランジスタをオンオフさせて、直流電源部１３の出力電圧の値を直流電圧指示信号ＳＶdcc により与えられる直流電圧の指示値に一致させる。
【０１０３】
また図８において、ＩＣ７及びＩＣ８はコンパレータ（電圧比較器）で、これらのコンパレータと抵抗Ｒ20及びＲ21とにより、下限電圧値設定信号ＳＶdcLと減算回路３２から与えられる目標直流電圧信号ＳＶdco とを比較して、これらの信号の大小関係に応じてコンパレータＩＣ７及びＩＣ８からレベルが異なる第１の制御信号ＶＳＷ１及び第２の制御信号ＶＳＷ２を出力する比較回路３６が構成されている。
【０１０４】
比較回路３６は、目標直流電圧信号ＳＶdco が下限電圧値設定信号ＳＶdcL 以上あるとき（増幅部で生じる損失を第１の損失設定値以下に制限するために必要な直流電源部の出力電圧の目標値が直流電源部の下限値以上であるとき）に第１の制御信号ＶＳＷ１及び第２の制御信号ＶＳＷ２をそれぞれ高レベル及び零レベルにし、目標直流電圧信号ＳＶdco が下限電圧設定信号ＳＶdcL よりも低いとき（増幅部で生じる損失を第１の損失設定値以下に制限するために必要な直流電源部の出力電圧の目標値が直流電源部の下限値よりも小さいとき）に、第１の制御信号ＶＳＷ１及び第２の制御信号ＶＳＷ２をそれぞれ零レベル及び高レベルにする。これらの制御信号は第２の制御部２０´に与えられる。第１の制御信号ＶＳＷ１及び第２の制御信号ＶＳＷ２は、直流電源電圧が下限値以上であるか、或いは下限値を下回ろうとしているかの情報を第２の制御部２０´に与えるために用いられる。
【０１０５】
図９は第２の制御部２０´の構成例を示している。図９において、ＳＰf は高周波出力検出部１４から得られる高周波出力検出信号、ＳＰfsetは高周波出力Ｐf の設定値を与える高周波出力設定信号、ＳＰlset2は、第２の損失設定値Ｐlset2を与える第２の損失設定信号、ＳＰlossは損失演算部１８により演算された損失演算値を示す損失演算値信号である。
【０１０６】
図９に示した第２の制御部においては、演算増幅器ＩＣ101と抵抗Ｒ101ないしＲ103とにより、損失演算値信号ＳＰlossの極性をプラスからマイナスに変換する極性反転回路４１が構成され、演算増幅器ＩＣ102と抵抗Ｒ104ないしＲ107と、ダイオードＤ101及びＤ102とにより、極性反転回路４１の出力と、第２の損失設定信号ＳＰlset2とを入力として、損失演算値信号ＳＰlossの大きさが第２の損失設定信号ＳＰlset2の大きさに等しくなるように制御信号を出力する誤差増幅回路４２が構成されている。
【０１０７】
誤差増幅回路４２の出力は、損失演算値信号ＳＰlossの大きさが第２の損失設定信号ＳＰlset2の大きさよりも小さいときに０Ｖとなり、損失演算値信号ＳＰlossの大きさが第２の損失設定信号ＳＰlset2の大きさを超えたときにプラスの電圧値を示す。
【０１０８】
ＩＣ１０７及びＩＣ１０８はそれぞれ第１及び第２のアナログスイッチで、これらのアナログスイッチはそれぞれの制御端子に高レベルの制御信号が与えられたときにオン状態になる。
【０１０９】
即ち、目標直流電圧信号ＳＶdco が下限電圧設定信号ＳＶdcL よりも低いために（増幅部で生じる損失を第１の損失設定値以下に制限するために必要な直流電源部の出力電圧の目標値が直流電源部の下限値よりも小さいために）、第１の制御部１９´から与えられる第１の制御信号ＶＳＷ１及び第２の制御信号ＶＳＷ２がそれぞれ零レベル及び高レベルであるときに、第１のアナログスイッチ１０７がオン状態になり、第２のアナログスイッチＩＣ１０８がオフ状態になる。
【０１１０】
また目標直流電圧信号ＳＶdco が下限電圧設定信号ＳＶdcL 以上であるために（増幅部で生じる損失を第１の損失設定値以下に制限するために必要な直流電源部の出力電圧の目標値が直流電源部の下限値以上であるために）、第１の制御部１９´から与えられる第１の制御信号ＶＳＷ１及び第２の制御信号ＶＳＷ２がそれぞれ高レベル及び零レベルであるときに、第１のアナログスイッチ１０７がオフ状態になり、第２のアナログスイッチＩＣ１０８がオン状態になる。
【０１１１】
また図９に示した第２の制御部においては、演算増幅器ＩＣ１０３と抵抗Ｒ108ないしＲ111とにより、増幅部１２から出力する高周波出力（進行波電力）の設定信号ＳＰfsetとアナログスイッチＩＣ１０７またはＩＣ１０８の出力とを入力として、高周波出力設定信号ＳＰfsetからアナログスイッチＩＣ１０７またはＩＣ１０８の出力信号を減算した信号を、目標高周波出力信号ＳＰfoとして出力する目標高周波出力信号発生回路４３が構成されている。
【０１１２】
損失演算値信号ＳＰloss（増幅部で生じている損失）の大きさが第２の損失設定信号ＳＰlset2の大きさ以下であるときには、目標直流電圧信号ＳＶdco が下限電圧設定信号ＳＶdcL 以上になっていて、第１の制御部１９´から与えられる第１の制御信号ＶＳＷ１及び第２の制御信号ＶＳＷ２がそれぞれ高レベル及び零レベルになっているため、アナログスイッチＩＣ１０８がオン状態になり、ＩＣ１０７がオフ状態になる。このとき目標高周波出力信号発生回路４３は、高周波出力設定信号ＳＰfsetに等しい電圧信号を目標高周波出力信号ＳＰfoとして出力する。
【０１１３】
これに対し、損失演算値信号ＳＰlossの大きさが第２の損失設定信号ＳＰlset2の大きさよりも大きいときには、目標直流電圧信号ＳＶdco が下限電圧設定信号ＳＶdcL よりも低くなり、第１の制御部１９´から与えられる第１の制御信号ＶＳＷ１及び第２の制御信号ＶＳＷ２がそれぞれ零レベル及び高レベルになるため、第１のアナログスイッチ１０７がオン状態になり、第２のアナログスイッチＩＣ１０８がオフ状態になる。このとき目標高周波出力信号発生回路４３は、高周波出力設定信号ＳＰfsetから誤差増幅回路４２の出力を減算した信号を目標高周波出力信号ＳＰfoとして出力する。
【０１１４】
また演算増幅器ＩＣ104と、抵抗Ｒ112ないしＲ114とにより、高周波出力検出部１４から得られる高周波出力検出信号ＳＰf の極性をプラスからマイナスに反転する極性反転回路４４が構成され、演算増幅器ＩＣ105及びＩＣ106と、抵抗Ｒ115ないし抵抗Ｒ121とにより、目標高周波出力信号発生回路４３の出力と極性反転回路４４の出力とを入力として、高周波出力検出信号ＳＰf の大きさが目標高周波出力信号ＳＰfoの大きさに等しくなるように制御信号ＶＣＴ２を出力する誤差増幅回路４５が構成されている。制御信号ＶＣＴ２の値は、目標高周波出力信号ＳＰfoと高周波出力検出信号ＳＰf との偏差を零にするために増幅部１２のアンプに入力する信号の大きさに乗じる係数に相当する値を有するもので、上記制御信号ＶＣＴ２を発振部１１の出力に乗じるか、または増幅部１２内のアンプの入力信号に乗じることにより、目標高周波出力信号ＳＰfoと高周波出力検出信号ＳＰf との偏差を零にするように増幅部１２の出力を制御することができるようになっている。
【０１１５】
上記のように第２の制御部２０´が構成される場合、図３に示された増幅部１２は、例えば図１０に示すように、出力制御部１２Ａと、ドライバアンプ１２Ｂと、パワーアンプ１２Ｃとにより構成され、第２の制御部２０´の誤差増幅回路４５から得られる制御信号ＶＣＴ２が、発振部１１の出力Ｖoscとともに出力制御部１２Ａに入力される。
【０１１６】
出力制御部１２Ａは、乗算器、ダブルバランスドミキサまたはデュアルゲートＦＥＴを使用したミキサ回路等からなっていて、発振部１１が出力する特定の周波数の信号Ｖoscと制御信号ＶＣＴ２とを掛け合わせることにより、目標高周波出力信号ＳＰfoと高周波出力検出信号ＳＰf との偏差を零にするようにドライバアンプ１２Ｂに入力する信号の大きさを調整する。このように制御信号により大きさが調整された信号がドライバアンプ１２Ｂにより増幅され、ドライバアンプ１２Ｂの出力がパワーアンプ１２Ｃにより電力増幅されて、目標高周波出力信号ＳＰfoにより与えられる目標値に等しい高周波出力として負荷１６に供給される。
【０１１７】
第１の制御部１９´及び第２の制御部２０´をそれぞれ図８及び図９に示すように構成した場合の動作は次の通りである。
【０１１８】
図３に示した損失演算部１８が演算した損失演算値Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1以下であるときには、図８の第１の誤差増幅回路３１の出力信号が０Ｖであるため、減算回路３２は、直流電圧設定信号ＳＶdcsetに等しい大きさの電圧信号を目標直流電圧信号ＳＶdcoとして出力する。このとき目標直流電圧信号ＳＶdcoの大きさが直流電圧Ｖdcの下限電圧値設定信号ＳＶdcL以上であるとすると、直流電圧指示値信号出力回路３３は、直流電圧設定信号ＳＶdcsetに等しい電圧信号を直流電圧指示値信号ＳＶdccとして出力し、誤差増幅回路３５は、直流電圧検出信号ＳＶdcの大きさが直流電圧設定信号ＳＶdcsetの大きさに等しくなるように制御信号ＶＣＴ１を出力する。直流電源部のインバータ制御部２４は、この制御信号の大きさに応じて、コンバータ回路２５に与える交流電圧の平均値を調整するため、直流電源部１３の出力電圧は、直流電圧設定信号ＳＶdcsetにより設定された電圧に保持される。
【０１１９】
また損失演算部１８が演算した損失演算値Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1を超えたときには、図８の第１の誤差増幅回路３１が、損失演算値信号ＳＰlossの大きさを第１の損失設定信号ＳＰlset1の大きさに等しくするように制御信号を出力する。減算回路３２は、直流電圧設定信号ＳＶdcsetから誤差増幅回路３１が出力する制御信号を減算して得た電圧信号を、直流出力電圧の目標値を与える目標直流電圧信号ＳＶdco として出力する。このとき目標直流電圧信号ＳＶdcoの大きさが直流電圧Ｖdcの下限電圧値設定信号ＳＶdcL以上であるとすると、直流電圧指示値信号出力回路３３は、目標直流電圧信号ＳＶdcoに等しい電圧信号を直流電圧指示値信号ＳＶdccとして出力し、誤差増幅回路３５は、直流電圧検出信号ＳＶdcの大きさを目標直流電圧信号ＳＶdcoの大きさに等しくするように制御信号ＶＣＴ１を出力する。直流電源部のインバータ制御部２４は、この制御信号の大きさに応じて、コンバータ回路２５に与える交流電圧の平均値を調整するため、直流電源部１３の出力電圧は、直流電圧設定信号ＳＶdcsetにより設定された電圧よりも、誤差増幅回路３１の出力に相当する電圧分だけ低い値に調整される。
【０１２０】
このようにして損失演算部により演算された損失値の増大に伴って、直流電源部の出力電圧を低下させる制御を行った結果、直流電源部の出力電圧が下限値を下回ったときには、直流電圧指示値信号出力回路３３が、下限電圧値設定信号ＳＶdcLを直流電圧指示値信号ＳＶdccとして出力するため、誤差増幅回路３５によって、直流電源部の出力電圧は下限電圧値設定信号ＳＶdcLにより設定された下限値に保たれる。
【０１２１】
上記のように、図８に示した第１の制御部１９´は、損失演算値Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1 を超えないときに、直流電源部の出力電圧Ｖdcを適値に設定された直流電圧設定値Ｖdcsetに保つように制御する。また損失演算部１８により演算された損失Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1 を超えたときには、下限値ＶdcL を下まわらない範囲で直流電源部１３の出力電圧を低下させるように制御して増幅部１２の出力を低下させ、損失演算値（増幅部で生じる損失）Ｐlossを減少させる。
【０１２２】
また図９に示した第２の制御部２０´においては、直流電源部の出力の目標値Ｖdcoが直流電圧Ｖdcの下限値ＶdcL以上であるときに、アナログスイッチＩＣ108がオン状態になり、アナログスイッチＩＣ107がオフ状態になるため、目標高周波出力信号発生回路４３が、高周波出力設定信号ＳＰfsetに等しい電圧信号を目標高周波出力信号ＳＰfoとして出力する。このとき誤差増幅回路４５は、高周波出力設定信号ＳＰfsetに等しい目標高周波出力信号ＳＰfoと高周波出力検出信号ＳＰfとの偏差を零にするために増幅部１２のアンプの入力信号に乗じる係数値に相当する大きさの電圧信号を制御信号ＶＣＴ２として出力し、この制御信号により増幅部１２の出力が調整されるため、増幅部１２から負荷に与えられる高周波出力が高周波出力設定信号により設定された大きさに近づくように調整される。
【０１２３】
これに対し、直流電源部の出力の目標値Ｖdcoが下限値ＶdcLを下回っているときには、アナログスイッチＩＣ107がオン状態になり、アナログスイッチＩＣ108がオフ状態になるため、目標高周波出力信号発生回路４３は、高周波出力設定信号ＳＰfsetから誤差増幅回路４２の出力を減算した信号を目標高周波出力信号ＳＰfoとして出力する。これにより、増幅部１２で生じる損失を第２の損失設定値Ｐlset2に制限するように高周波出力の目標値が変更される。誤差増幅回路４５は、この目標高周波出力信号ＳＰfoと高周波出力検出信号ＳＰfとの偏差を零にするために増幅部１２のアンプの入力信号に乗じる係数値に相当する大きさの電圧信号を制御信号ＶＣＴ２として出力し、この制御信号により増幅部１２の出力が調整されるため、増幅部１２の出力は、該増幅部で生じる損失を第２の損失設定値に等しくするように調整される。
【０１２４】
上記のように、図９に示した第２の制御部２０´は、高周波出力検出部１４により検出される増幅部１２の高周波出力Ｐf が高周波出力設定値Ｐfsetからずれたときに、直流電源部１３の出力電圧が下限値以上であれば、該高周波出力Ｐfを高周波出力設定値Ｐfsetに戻すように増幅部１２の出力を制御し、直流電源部１３の出力電圧が下限値を下回ったときには、損失演算値Ｐlossを第１の損失設定値Ｐlset1 に等しいか、または該第１の損失設定値Ｐlset1 よりも僅かに大きい値に設定された第２の損失設定値Ｐlset2 に等しくするように増幅部１２の出力を制御する。
【０１２５】
なお図１に示した高周波電源装置に設ける第１の制御部１９は、図８に示した回路から比較回路３６を取り除いた回路により構成することができる。
【０１２６】
また図１に示した高周波電源装置に設ける第２の制御部２０は、図９に示した目標高周波出力信号発生回路４３と、極性反転回路４４と、誤差増幅回路４５とにより構成することができる。
【０１２７】
次に図１１及び図１２を参照して、図３の第１の制御部１９´及び第２の制御部２０´をソフトウェア的に実現する場合の構成について説明する。
【０１２８】
図１１は、第１の制御部１９´を実現するために、コンピュータに実行させるプログラムのアルゴリズムを示したフローチャートである。図１１において、Ｖdcは直流電源部の出力電圧（直流電源電圧）を示し、Ｖdcsetは直流電源部の出力電圧の設定値（直流電圧設定値）を示している。またＶdcL は直流電源電圧の下限値の設定値を示し、Ｐlossは損失演算値を示している。更にＰlset1は第１の損失設定値、Ｖdc1は直流電源部の通常時の出力電圧の初期値を示し、ΔＶは固定値である微小電圧設定値を示している。
【０１２９】
図１１のアルゴリズムによる場合には、先ずステップ１において直流電圧設定値Ｖdcsetを初期値Ｖdc1として直流電源部１３を起動させるための処理を行い、ステップ２において直流電源部が直流電源電圧Ｖdcの出力を開始するのを待つ。直流電源電圧Ｖdcの出力が開始されたと判定されたときにステップ３に進んで直流電源電圧Ｖdcが設定値Ｖdcsetに等しくなるのを待ち、直流電源電圧Ｖdcが設定値に等しくなったと判定されたときにステップ４に進んで増幅部１２が高周波出力の発生を開始するのを待つ。
【０１３０】
ステップ４で高周波出力が開始されたと判定されたときに、ステップ５に進んで損失演算値Ｐlossと第１の損失設定値Ｐlset1とを比較する。最初は、損失演算値Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1よりも小さいため、次いでステップ６に進んで直流電圧設定値の更新値Ａ＝Ｖdcset＋ΔＶの演算を行い、ステップ７で直流電圧設定値の更新値Ａが直流電圧設定値の初期値Ｖdc1よりも高いか否かを判定する。起動時に最初にステップ７が実行されたときには、更新値Ａが初期値Ｖdc1よりも高いためステップ８に進む。ステップ８では初期値Ｖdc1を直流電圧設定値Ｖdcsetとして直流電源部の出力電圧を設定値Ｖdcsetに向けて上昇させるための処理を行う。その後ステップ９において直流電源部の出力電圧Ｖdcが設定値Ｖdcsetに等しくなるのを待ち、直流電源部の出力電圧Ｖdcが設定値Ｖdcset（＝Ｖdc1）に等しくなったと判定されたときにステップ５に戻って再度損失演算値Ｐlossと第１の損失設定値Ｐlset1とを比較する。
【０１３１】
ステップ７において、直流電圧設定値の更新値Ａが初期値Ｖdc1以下であると判定されたときには、ステップ１０に進んで更新値Ａを直流電圧設定値Ｖdcsetとして直流電源部の出力電圧を設定値Ｖdcsetに向けて変化させる処理を行い、ステップ９で直流電源電圧Ｖdcが設定値Ｖdcsetに等しくなるのを待つ。ステップ９で直流電源電圧Ｖdcが設定値Ｖdcset（＝Ｖdc1）に等しくなったと判定されたときにステップ５に戻って再度損失演算値Ｐlossと第１の損失設定値Ｐlset1とを比較する。
【０１３２】
ステップ５において損失演算値Ｐlossを第１の損失設定値Ｐlset1と比較した結果、損失演算値Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1を超えていると判定されたときには、ステップ１１に進んで直流電圧設定値の更新値Ａ＝Ｖdcset−ΔＶの演算を行った後ステップ１２に進み、直流電圧設定値の更新値Ａが下限値の設定値ＶdcLよりも低いか否かを判定する。その結果Ａが下限値の設定値ＶdcLよりも低いと判定されたときにはステップ１３に進んで下限値の設定値ＶdcLを直流電圧設定値Ｖdcsetとして直流電源部の出力電圧を設定値Ｖdcsetに向けて変化させる処理を行った後ステップ９に移行する。またステップ１２で更新値Ａが下限値ＶdcLよりも高いと判定されたときにはステップ１４に進んで更新値Ａを直流電圧設定値Ｖdcsetとして、直流電源部の出力電圧を設定値Ｖdcsetに向けて変化させる処理を行った後ステップ９に移行する。ステップ９では直流電源電圧Ｖdcが設定値Ｖdcsetに等しくなるのを待ち、直流電源電圧Ｖdcが設定値Ｖdcsetに等しくなったときにステップ５に戻る。
【０１３３】
ステップ５において損失演算値Ｐlossを第１の損失設定値Ｐlset1と比較した結果、損失演算値Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1に等しいと判定されたときには、直流電圧設定値の更新値Ａの演算を行うことなく、更新値Ａが下限値ＶdcLよりも低いか否かの判定を行うステップ１２に移行する。
【０１３４】
図１１のアルゴリズムによる場合、損失演算値Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1よりも低いときには、損失演算値Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1に等しくなるまで、ステップ５，６，７，８及び９が繰り返されるため、直流電源部の出力電圧は、損失演算値Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1に等しくなるまで上昇させられ、損失演算値Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1に等しくなったときにその上昇が止まる。また損失演算Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1を超えたときには、ステップ５，１１，１２，１４及び９が繰り返されるため、損失演算値Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1に等しくなるまで直流電源電圧が低下させられる。直流電源電圧が下限値の設定値ＶdcLよりも低くなったときには、ステップ１３が実行されて、直流電源電圧が下限値に保持されるため、直流電源電圧が下限値よりも低くなって増幅部の動作が不安定になるのが防止される。
【０１３５】
次に図１２は、第２の制御部２０´を実現するために、コンピュータに実行させるプログラムのアルゴリズムを示したフローチャートである。図１２において、Ｐfsetは、増幅部１２が出力する高周波電力（進行波電力）の設定値であり、Ｐf1はキーボードなどを通して外部から与えられる高周波電力の設定入力値である。またＰｆは高周波出力検出部１４により検出される高周波電力出力値であり、Ｖdcは直流出力検出部１７により検出される直流電源電圧である。またＶdcLは直流電源電圧Ｖdcの下限値、Ｐlossは損失演算値、Ｐlset2は第２の損失設定値、ΔＰは固定値である微小なパワー設定値である。
【０１３６】
図１２のアルゴリズムによる場合には、ステップ１において直流電源電圧Ｖdcの出力が開始されたか否かの判定を行い、直流電源電圧の出力が開始されたときにステップ２に進んで高周波電力設定入力値Ｐf1を高周波電力設定値Ｐfsetとする。次いでステップ３において増幅部１２が高周波電力の出力を開始したか否かを判定し、高周波電力の出力が開始されたときにステップ４に移行する。ステップ４では、直流電源電圧Ｖdcが下限値ＶdcL以下であるか否かを判定し、直流電源電圧Ｖdcが下限値ＶdcL以下でない場合には、ステップ５に移行して高周波電力設定入力値Ｐf1を高周波電力設定値Ｐfsetとして増幅部１２の出力を高周波電力設定値Ｐfsetに等しくするための処理を行う。次いでステップ６において高周波電力出力値Ｐｆが設定値Ｐfsetに等しくなるのを待ち、高周波電力出力値Ｐｆが設定値Ｐfsetに等しくなったと判定されたときにステップ４に戻る。
【０１３７】
ステップ４において、直流電源電圧Ｖdcが下限値ＶdcL以下であると判定されたときには、ステップ７に移行して損失演算値Ｐlossを第２の損失設定値Ｐlset2と比較する。その結果、損失演算値Ｐlossが第２の損失設定値Ｐlset2よりも小さいと判定されたときには、ステップ８に移行して高周波電力設定値Ｐfsetに微小パワー設定値ΔＰを加算したもの（Ｐfset＋ΔＰ）を新たな高周波出力設定値Ｐfsetとして増幅部の出力を高周波出力設定値に等しくするための処理を行った後、ステップ７に戻る。ステップ７及び８を繰り返した結果、ステップ７において、損失演算値Ｐlossが第２の損失設定値Ｐlset2に等しくなったと判定されたときにステップ４に戻る。
【０１３８】
ステップ７において損失演算値Ｐlossが第２の損失設定値Ｐlset2よりも大きいと判定されたときには、ステップ９に移行して高周波電力設定値Ｐfsetから微小パワー設定値ΔＰを減じたもの（Ｐfset−ΔＰ）を新たな高周波電力設定値Ｐｆsetとして増幅部の出力を高周波電力設定値に等しくするための処理を行った後ステップ７に戻る。ステップ７及びステップ９が繰り返されることにより、ステップ７で損失演算値Ｐlossが第２の損失設定値Ｐlset2に等しいと判定されたときにステップ４に戻る。
【０１３９】
上記のように、図１２に示したアルゴリズムによる場合には、直流電源電圧Ｖdcが下限値ＶdcLに等しくないときに増幅部１２が出力する高周波電力が高周波電力設定入力Ｐf1に等しくなるように増幅部１２の出力が制御される。また直流電源電圧Ｖdcが下限値ＶdcLに等しいときには、損失演算値Ｐlossが第２の損失設定値ＰL2に等しくなるように増幅部の出力が制御される。
【０１４０】
上記の例では、直流電源電圧が下限値以上であるときに高周波出力検出部により検出される増幅部の高周波出力を高周波出力設定値に近づけるように増幅部の出力を制御するようにしたが、増幅部の出力を制御する代わりに発振部の出力を制御するようにしてもよい。
【０１４１】
図１に示した実施形態では、直流電源部１３から増幅部１２に与えられる直流電力Ｐdcから進行波電力Ｐfを差し引いたものに反射波電力Ｐrを加えることにより増幅部で生じた損失Ｐlossを演算して、演算された損失が損失設定値を超えたことが検出されたときに、直流電源電圧Ｖdcを低下させて損失を損失設定値まで減少させる制御を行うように第１の制御部１９を構成している。このように構成すると、増幅部の各半導体素子を流れる電流を検出したり、各半導体素子に印加される電圧を検出したりする必要がないため、コストの低減を図ることができるが、本発明はこのように増幅部で生じる損失を演算する場合に限定されるものではなく、増幅部１２を構成する半導体素子で生じる損失を演算するように損失演算部を構成して、損失演算部により演算される損失が損失設定値を超えたことが検出されたときに、直流電源電圧を低下させて演算される損失を損失設定値まで減少させる制御を行うように第１の制御部１９を構成してもよい。
【０１４２】
増幅部を構成する半導体素子で生じる損失は、該半導体素子に印加される電圧と該半導体素子を流れる電流との積から求めることができる。例えば半導体素子がＭＯＳＦＥＴである場合には、そのドレインソース間の電圧Ｖds及びドレイン電流Ｉdをそれぞれ検出する電圧検出器及び電流検出器を設けて、検出されたＶdsとＩdの積Ｖds×Ｉdの演算を行うことにより、半導体素子で生じている損失を求めることができる。増幅部が複数の半導体素子により構成される場合には、すべての半導体素子について損失を演算して演算された損失の内の最大のものを損失設定値まで減少させる制御を行わせるように第１の制御部を構成してもよく、増幅部を構成する半導体素子の中から選択した少なくとも１つの半導体素子で生じている損失を求めて、その損失を損失設定値まで減少させる制御を行わせるように第１の制御部を構成してもよい。
【０１４３】
このように、増幅部を構成する半導体素子で生じている損失自体を演算して、演算された損失が損失設定値を超えたことが検出されたときに、演算される損失を損失設定値まで減少させる制御を行うと、半導体素子の保護をより的確に行わせることができる。
【０１４４】
同様に、図３に示した実施形態においても、増幅部を構成している半導体素子で生じている損失を演算するように損失演算部を構成することができる。
【０１４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、増幅部で生じる損失が損失設定値を超えたことが検出されたときに、第１の制御部により直流電源電圧を低下させて損失を損失設定値まで減少させる制御を行うと同時に、第２の制御部により高周波出力を設定値に向けて上昇させる制御を行うようにしたので、増幅部で大きな損失が生じる負荷が接続されたときに、該損失を損失設定値（許容損失）に抑えつつ負荷に供給し得る高周波電力（進行波電力または有効電力）を従来よりも大きくすることができる。また増幅部で生じる損失は常に損失設定値に制限されるため、増幅部を構成する半導体素子が破損するのを防ぐことができる。
【０１４６】
更に本発明において、直流電源電圧に対して下限値を設定して第１の制御部により直流電源電圧が下限値を下回らない範囲で直流電源電圧を低下させる制御を行い、直流電源電圧が下限値を下回ったときに、第２の制御部により、損失演算値を第１の損失設定値に等しいかまたは第１の損失設定値よりも僅かに大きい値に設定された第２の損失設定値に等しくするように発振部または増幅部の出力を制御するように構成した場合には、直流電源電圧を下限値以下に低下させることなく増幅部で生じる損失を制限する制御を行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態の構成を示したブロック図である。
【図２】 図１４に示す一組の増幅器を用いて増幅部を構成した図１の高周波電源装置に特定の負荷を接続したときの増幅部のＦＥＴのドレイン電圧Ｖds、ドレイン電流Ｉd 、増幅部の高周波出力電圧Ｖout 、高周波出力電流Ｉout及び損失Ｖds×Ｉd のシミュレーション波形を示した波形図である。
【図３】 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。
【図４】 本発明に係わる高周波電源装置で用いる直流電源部の一構成例を示した回路図である。
【図５】 本発明に係わる高周波電源装置で用いる直流電源部の他の構成例を示した回路図である。
【図６】 本発明に係わる高周波電源装置で用いる直流電源部の更に他の構成例を示した回路図である。
【図７】 図４ないし図６に示した直流電源部で用いることができる入力段の整流回路の他の構成例を示した回路図である。
【図８】 図３の実施形態に設ける第１の制御部をハードウェア回路で実現する場合の回路構成を示した回路図である。
【図９】 図３の実施形態に設ける第２の制御部をハードウェア回路で実現する場合の回路構成を示した回路図である。
【図１０】 図１及び図３に示した実施形態に設ける増幅部の構成例を示したブロック図である。
【図１１】 図３の実施形態に設ける第１の制御部をソフトウェア的に実現する場合にコンピュータに実行させるプログラムのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図１２】 図３の実施形態に設ける第２の制御部をソフトウェア的に実現する場合にコンピュータに実行させるプログラムのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図１３】 従来の高周波電源の基本的な構成を示した回路図である。
【図１４】 高周波電源で用いられる増幅器の構成例を示した回路図である。
【図１５】 高周波電源で用いられる増幅器の他の構成例を示した回路図である。
【図１６】 図１４に示した増幅器を動作させたときのＦＥＴのドレインソース間電圧Ｖds、ドレイン電流Ｉd 、増幅器の出力電圧Ｖout 、出力電流Ｉout 及びＦＥＴのドレイン損失Ｖds×Ｉd のシミュレーション波形を示した波形図である。
【図１７】 図１４に示した増幅器に特定の負荷が接続されたときのＦＥＴのドレイン電圧Ｖds、ドレイン電流Ｉd 、増幅器の出力電圧Ｖout 、出力電流Ｉout 及びＦＥＴのドレイン損失Ｖds×Ｉd のシミュレーション波形を時間に対して示した波形図である。
【図１８】 図１４に示した増幅器に特定の負荷が接続されたときに入力信号を大きくしてＦＥＴの損失（平均値）を約５００［Ｗ］としたときのＦＥＴのドレインソース間電圧Ｖds、ドレイン電流Ｉd 、増幅器の出力電圧Ｖout 、出力電流Ｉout 及びＦＥＴのドレイン損失Ｖds×Ｉd のシミュレーション波形を示した波形図である。
【符号の説明】
１１…発信部、１２…増幅部、１３…直流電源部、１４…高周波出力検出部、１６…負荷、１７…直流出力検出部、１８…損失演算部、１９，１９´…第１の制御部、２０，２０´…第２の制御部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置に関し、特に、プラズマ発生装置やレーザ発振装置などの電源として用いるのに好適な高周波電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマ発生装置やレーザ発振装置等の電源として用いる高周波電源装置は、基本的には、図１３に示したように、所定の周波数の高周波信号を出力する発振部１と、この発振部の出力を増幅する増幅部２と、増幅部２に直流電源電圧Ｖdcを供給する直流電源部３と、増幅部２が出力する高周波出力を検出する高周波出力検出部４と、高周波出力検出部４により検出される高周波出力を高周波出力設定値に保つように制御する制御部５とにより構成され、増幅部２の出力が負荷６に供給される。
【０００３】
発振部１は、所定の周波数の高周波信号を発生する発振器と、必要に応じて該発振器の出力を増幅する増幅器とにより構成され、増幅部２は、電力増幅器２ａにより構成される。
【０００４】
制御部５は、高周波出力設定値と高周波出力検出部４により検出された高周波出力とを入力として、増幅部２から負荷６に与えられる高周波出力が、高周波出力設定値に等しくなるように直流電源部３の出力電圧を制御したり、発振部１の出力を制御したり、増幅部２のゲインを制御したりする。
【０００５】
高周波電源装置からプラズマ発生装置やレーザ発振装置などに電力を供給する場合、高周波電源装置の出力インピーダンスと負荷インピーダンス（電源装置の出力端から負荷側を見たインピーダンス）との整合がとれているときには、電源装置から出力された進行波電力がすべて負荷に吸収されるが、電源装置の出力インピーダンスと負荷インピーダンスとの整合がとれていないときには、電源装置の出力端で反射が生じ、負荷側から電源装置側に反射波電力が流れる。
【０００６】
一般に高周波電源装置の負荷インピーダンスは一定ではなく、変動するのが普通であるため、反射波電力が生じるのを避けられない。反射波電力が生じた場合には、進行波電力から反射波電力を差引いたものが有効電力となる。
【０００７】
通常、制御部５は、進行波電力または有効電力のいずれかを設定値に保つように制御する。即ち、進行波電力または有効電力のいずれかに対して設定値を定めて、出力に含まれる進行波電力または有効電力を当該設定値に保つように制御する。本明細書において、高周波出力設定値に保つように制御する高周波出力は、進行波電力でもよく、有効電力でもよい。
【０００８】
図１３に示すような基本構成を有する従来の高周波電源装置は、例えば特許文献１ないし特許文献４に示されている。
【０００９】
上記のように、高周波電源装置の出力インピーダンスと負荷インピーダンスとの整合がとれていない場合には、電源装置の出力端で反射が生じ、負荷側から電源装置側に流れる反射波電力が生じる。反射波電力が増大すると増幅器が破損するため、プラズマ発生装置等の電源として用いる高周波電源装置においては、特許文献１や特許文献２に示されているように、反射波電力に対して増幅器を破損するおそれがない大きさの保護設定値を定めて、負荷から電源装置側への反射波電力が保護設定値を超えないように、電源装置から負荷に供給する高周波出力（進行波電力または有効電力）を制限する制御を行わせて、増幅器を反射波電力から保護するようにしていた。
【００１０】
上記のような電源装置においては、反射波電力が保護設定値以下であれば電源装置から高周波出力設定値に等しい高周波出力（進行波電力または有効電力）を得ることができるが、反射波電力が保護設定値を超えたときには、電源装置から得ることができる高周波出力が高周波出力設定値よりも小さい値に制限される。 このような制御を行う従来の高周波電源装置においては、以下に示すような問題があった。
【００１１】
ａ．電源装置の出力端子間に接続される負荷のインピーダンスが変化する場合、反射係数の大きさが同じであっても、反射係数の位相角が変化すると、最大高周波出力（電源装置から出力することができる進行波電力または有効電力の最大値）が変化する。そのため、反射係数の大きさが同じであっても、負荷インピーダンスの変化により反射係数の位相角が変化すると最大高周波出力が変化し、反射係数の位相角が特定の値を示す負荷インピーダンスに対して最大高周波出力が著しく小さくなる。
【００１２】
ｂ．反射係数の位相角が特定の値を示す負荷に対して電源装置の最大高周波出力を大きくしようとすると、増幅器で生じる損失が大きくなり、この損失により生じる発熱によって増幅器が破損するおそれがある。
【００１３】
上記のような従来の高周波電源装置が有する問題点を、具体例を用いて更に詳細に説明する。
【００１４】
図１４は、図１３に示した電源装置で用いる増幅器２ａの回路構成例を示したものである。図１４に示した増幅器は、周知のプッシュプル式増幅器で、一次コイルＷ11と中間タップ付きの二次コイルＷ12とを備えた入力トランスＴａと、ソースが共通接続されて接地された１対のｎチャンネル型電界効果トランジスタＦＥＴａ及びＦＥＴｂと、ＦＥＴａのゲートとトランスＴａの二次コイルＷ12の一端との間、及びＦＥＴｂのゲートと二次コイルＷ12の他端との間にそれぞれ接続された抵抗Ｒａ及びＲｂと、二次コイルＷ12の中間タップに抵抗Ｒｃを通して正極端子が接続され、負極端子が接地されたバイアス電源Ｂａと、トランスＴａの二次コイルＷ12の一端と接地間及び他端と接地間にそれぞれ接続された抵抗Ｒｄ及びＲｅと、ＦＥＴａのドレインとＦＥＴｂのドレインとの間に接続された中間タップ付きのコイルＬａと、コイルＬａの中間タップと接地間に、負極端子を接地側に向けて接続されて電源電圧Ｖdcを出力する直流電源Ｂｂと、コイルＬａの両端に一次コイルＷ21が接続された出力トランスＴｂとを備えており、出力トランスＴｂの二次コイルＷ22の両端に負荷６が接続されている。
【００１５】
ここで、発振器から入力される入力電圧Ｖinの周波数及び電源装置の出力周波数を１０ＭＨｚ、直流電源電圧Ｖdcを２００［Ｖ］、整合時の負荷インピーダンスを５０Ω（純抵抗）とする。またバイアス電源ＢａからＦＥＴａ及びＦＥＴｂのゲートにバイアス電圧Ｖｂを与えてＢ級動作を行わせるものとする。
【００１６】
図１６（Ａ）ないし（Ｅ）はそれぞれ、図１４に示した増幅器を動作させたときのＦＥＴａのドレインソース間電圧Ｖds、ドレイン電流Ｉd 、増幅器の出力電圧Ｖout 、出力電流Ｉout 及びＦＥＴａのドレイン損失Ｖds×Ｉd のシミュレーション波形を時間ｔに対して示したものである。このときの負荷は５０Ω（純抵抗）で、増幅器の出力インピーダンスと整合している。また、負荷に供給される高周波出力（進行波電力）は約１２００Ｗであり、ＦＥＴａで生じる損失（平均値）は２００Ｗである。
【００１７】
図１６は、負荷インピーダンスが電源装置の出力インピーダンスに整合している場合であるが、負荷インピーダンスが整合していない場合には、電源装置（増幅器）から出力させることができる最大高周波出力（進行波電力）が負荷インピーダンスによって大きく変る。
【００１８】
表１は、反射係数の大きさが０．７１４（定在波比ＳＷＲ＝６：１）で、反射係数の位相角が０度，−４５度，−９０度，−１３５度，−１８０度，−２２５度，−２７０度及び−３１５度となる８種類の負荷を図１４に示した増幅器に接続して、ＦＥＴａのドレイン損失が許容値３００Ｗに等しいときに、増幅器から負荷に供給できる高周波出力（最大高周波出力）の大きさを求めた結果を示したものである。なおこの場合も、直流電源電圧Ｖdcは２００［Ｖ］としている。
【００１９】
【表１】
【００２０】
表１から、反射係数の大きさが同じ負荷であっても、負荷インピーダンスの位相角により増幅器から負荷に供給し得る最大高周波出力が大きく異なることが分かる。負荷が８．３Ωのときに増幅器が出力できる最大高周波出力は、負荷が４９＋ｊ１０１Ωのときの１／５以下となる。
【００２１】
次に、図１７（Ａ）ないし（Ｅ）はそれぞれ、インピーダンスが９．７−ｊ２０Ωの負荷が接続されたときのＦＥＴａのドレイン電圧Ｖds、ドレイン電流Ｉd 、増幅器の出力電圧Ｖout 、出力電流Ｉout 、及びＦＥＴａのドレイン損失Ｖds×Ｉd を示している。このときのＦＥＴａの損失（平均値）は約３００［Ｗ］である。
【００２２】
この場合、電源装置の高周波出力を更に大きくするために、入力信号Ｖinを大きくすると、ＦＥＴの損失は更に大きくなる。
【００２３】
図１８は、入力信号Ｖinを大きくしてＦＥＴの損失（平均値）を約５００［Ｗ］としたときの各部の電圧、電流波形を示している。このとき増幅器が出力する進行波電力は約２６０［Ｗ］である。このように、入力信号Ｖinを大きくすると、増幅器が出力し得る進行波電力が大きくなるが、ＦＥＴで生じる損失も大きくなるため、ＦＥＴの接合部の温度が許容温度を超えて破損する。
【００２４】
上記の説明では、一組の増幅器により増幅部を構成するとしたが、図１５に示すように、増幅部を複数の増幅器により構成する場合もある。この例では、図示しない直流電源部の出力電圧Ｖdcを電源電圧として動作する複数の増幅器２a1〜２a4と、図示しない発振部から与えられる高周波信号Ｖinを増幅器２a1〜２a4に分配して入力するパワー分配器２ｂと、増幅器２a1〜２a4の出力を合成して負荷６に与えるパワー合成器２ｃとにより増幅部２が構成されている。
【００２５】
このように、増幅部が複数の増幅器により構成される場合も、負荷インピーダンスの変化によって反射係数の位相角が変化したときに電源装置から負荷に供給される最大出力が大きく変わる。
【００２６】
上記のような高周波電源装置において、反射波電力に対して保護設定値を設定して、反射波電力が保護設定値を超えないように増幅部の出力を制御するようにした場合には、反射波電力の保護設定値は、一番厳しい負荷の時の値に制限される。表１に示した例では、負荷インピーダンスが８．３Ωのときの反射波電力２３［Ｗ］を保護設定値とする必要があり、電源装置から出力し得る進行波電力は４５［Ｗ］以下に制限される。反射波電力の保護設定値は固定値であるため、他の負荷インピーダンスに対しても高周波出力（進行波電力または有効電力）が４５［Ｗ］以下に制限される。
【００２７】
また特許文献３や特許文献４に示されているように、増幅器で発生している損失を求めて、この損失を、増幅器が破損しない範囲の最大値付近の値に定めた損失設定値以下に保つように増幅器の出力を制御するようにした高周波電源装置も知られている。
【００２８】
このような制御が行われる高周波電源装置においては、増幅器で生じる損失が損失設定値を超える負荷インピーダンスが接続されたときに、増幅器で生じる損失を損失設定値まで下げるように増幅器の出力を低下させる保護制御が行われるため、電源装置の出力（進行波電力または有効電力）が制限される。
【００２９】
【特許文献１】
特公平５−７６０４５号公報
【００３０】
【特許文献２】
特開２００１−２４４７５４号公報
【００３１】
【特許文献３】
特開平１１−２３３２９４号公報
【００３２】
【特許文献４】
特開２００１−３５６９９号公報
【００３３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の高周波電源装置においては、反射波電力により増幅器で発生する損失が増大して、増幅器が破損するおそれが生じたときに、増幅器の出力を低下させることにより、増幅器の保護を図っていたため、増幅器を保護する制御が行われたときに電源出力（進行波電力または有効電力）が設定値よりもかなり低い値に制限されるという問題があった。
【００３４】
本発明の目的は、増幅器で生じる損失が大きくなる負荷が接続されたときに、増幅器を破損することなく、従来よりも大きい高周波出力（進行波電力または有効電力）を負荷に供給す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。
【００３５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高周波信号を出力する発振部と、発振部の出力を増幅して負荷に高周波出力を供給する増幅部と、増幅部に直流電源電圧を供給する直流電源部とを備えた高周波電源装置を対象とする。
【００３６】
本発明においては、増幅部から負荷に供給されている高周波有効出力電力を直流電源部が増幅部に供給している直流電力から引算するか、または増幅部から負荷に供給されている進行波電力を直流電源部が増幅部に供給している直流電力から引算して得た値に負荷から増幅部に戻ってくる反射波電力を加算することにより増幅部で生じている損失を演算する損失演算部と、損失演算部により演算された損失演算値が予め設定された損失設定値を超えたときに損失演算値が損失設定値に等しくなるまで直流電源部から増幅部に供給する直流電源電圧を低下させる制御を行い、損失演算値が損失設定値以下のときには直流電源部から増幅部に供給する直流電源電圧を設定された直流電圧設定値に保つ制御を行う第１の制御部と、増幅部から負荷に供給される高周波出力を高周波出力設定値に近づけるように発振部または増幅部の出力を制御する第２の制御部とを設けた。
【００３７】
増幅部で生じている損失Ｐlossは、増幅部から負荷に供給される高周波有効出力電力ＰL を、直流電源部から増幅部に入力される直流電力Ｐdc（＝増幅部に供給される直流電源電圧Ｖdc×直流電流Ｉd c）から引算する（Ｐloss＝Ｐdc−ＰL の演算を行う）ことにより求めるか、または直流電源部から増幅部に供給される直流電力Ｐdcから、負荷に供給される進行波電力Ｐｆを引算して得た値に反射波電力Ｐｒを加える（Ｐloss＝Ｐdc−Ｐｆ＋Ｐｒの演算を行う）ことにより求めることができる。
【００３８】
上記損失設定値は、増幅部で生じる発熱が許容範囲の上限に達するときに該増幅部で生じる許容最大損失以下に設定する。
【００３９】
第２の制御部が制御する高周波出力は、進行波電力Ｐｆでもよく、有効電力（負荷での消費電力）ＰL （＝Ｐｆ−Ｐｒ）でもよい。
【００４０】
上記の電源装置において、増幅部で生じる損失が損失設定値を超えると、第１の制御部が直流電源電圧を低下させるように制御するため、増幅部の出力が低下し、増幅部で生じる損失も減少していく。このとき第２の制御部は、増幅部から負荷に与えられる高周波出力を高周波出力設定値に近づけるように発振部または増幅部を制御して、増幅部の出力を増加させるため、増幅部の出力の低下が抑えられる。第２の制御部が増幅器の出力を増加させると、増幅器で生じる損失が増加しようとするが、第１の制御部がこの損失の増加を抑えて、増幅部で生じる損失を損失設定値に保つ。直流電源電圧を低下さて増幅部で生じる損失を損失設定値に保つ第１の制御部による制御と、増幅部の出力を増加させる第２の制御部による制御とがバランスしたところで、第１の制御部及び第２の制御部による制御動作が止り、高周波出力が安定する。
【００４１】
このように、本発明においては、増幅部で生じる損失が損失設定値を超えたことが検出されたときに、直流電源電圧を低下させて損失を損失設定値まで減少させる制御を行うと同時に、高周波出力を設定値に向けて上昇させる制御を行うので、増幅部で大きな損失が生じる負荷が接続されたときに、該損失を損失設定値（許容損失）に抑えつつ負荷に供給し得る高周波電力（進行波電力または有効電力）を従来よりも大きくすることができる。
【００４２】
また増幅部で生じる損失は常に損失設定値に制限されるため、増幅部を構成する半導体素子が破損するのを防ぐことができる。
【００４３】
上記の構成では、増幅部で生じる損失が損失設定値を超えたことが検出されたときに、直流電源電圧を低下させて損失を損失設定値まで減少させる制御を行うように第１の制御部を構成しているが、増幅部を構成している半導体素子に印加される電圧と該半導体素子を流れる電流とを乗じて半導体素子で生じている損失を演算するように損失演算部を構成して、損失演算部により演算される損失が損失設定値を超えたことが検出されたときに、直流電源電圧を低下させて演算される損失を損失設定値まで減少させる制御を行うように第１の制御部を構成してもよい。
【００４４】
このように、増幅部を構成する半導体素子で生じている損失自体を演算して、演算された損失が損失設定値を超えたことが検出されたときに、演算される損失を損失設定値まで減少させる制御を行うと、半導体素子の保護をより的確に行わせることができる。
【００４５】
上記のように、本発明においては、増幅部で生じる損失が損失設定値を超えたときに増幅部の直流電源電圧を低下させる制御を行うが、増幅部を安定に動作させるため、直流電源電圧の許容変動範囲（増幅部の安定な動作を確保する上で許容される変動範囲）の下限値よりも低い値まで直流電源電圧を低下させるのは好ましくない。
【００４６】
従って、本発明の好ましい態様では、直流電源電圧を制御する第１の制御部が、損失演算部により演算された損失演算値が予め設定された第１の損失設定値よりも小さいときに直流電源部から増幅部に供給される直流電源電圧を設定された直流電圧設定値に保つ制御を行い、損失演算値が第１の損失設定値を超えているときには損失演算値を第１の損失設定値に等しくするべく、直流電源部の出力電圧を予め定めた下限値を下回らない範囲で低下させる制御を行うように構成される。
【００４７】
この場合第２の制御部は、直流電源電圧が前記下限値以上であるときには高周波出力検出部により検出される増幅部の高周波出力を高周波出力設定値に近づけるように発振部または前記増幅部の出力を制御し、直流電源電圧が前記下限値を下回ったときには、損失演算値を第１の損失設定値に等しいかまたは第１の損失設定値よりも僅かに大きい値に設定された第２の損失設定値に等しくするように発振部または増幅部の出力を制御するように構成される。
【００４８】
上記第１の損失設定値及び第２の損失設定値は、増幅部を構成する半導体素子で生じる発熱が許容範囲の上限に達するときに該増幅部で生じる損失値以下に設定される。
【００４９】
上記のように直流電源電圧に対して下限値を設定して第１の制御部により直流電源電圧が下限値を下回らない範囲で直流電源電圧を低下させる制御を行い、直流電源電圧が下限値を下回ったときに、第２の制御部により、損失演算値を第１の損失設定値に等しいかまたは第１の損失設定値よりも僅かに大きい値に設定された第２の損失設定値に等しくするように発振部または増幅部の出力を制御するように構成すると、直流電源電圧を下限値以下に低下させることなく増幅部で生じる損失を制限する制御を行わせることができるため、増幅部の安定な動作を保証することができる。
【００５０】
このような制御を行う場合にも、増幅部を構成している半導体素子で生じている損失を演算するように損失演算部を構成することができる。この場合も、第１の制御部は、損失演算部により演算された損失演算値が予め設定された第１の損失設定値よりも小さいときに直流電源部から増幅部に供給される直流電源電圧を適値に設定された直流電圧設定値に保つ制御を行い、損失演算値が第１の損失設定値を超えているときには損失演算値を第１の損失設定値に等しくするべく、直流電源部の出力電圧を予め定めた下限値を下回らない範囲で低下させる制御を行う。また第２の制御部は、直流電源電圧が下限値以上であるときには高周波出力検出部により検出される増幅部の高周波出力を高周波出力設定値に近づけるように発振部または増幅部の出力を制御し、直流電源電圧が下限値を下回ったときには、損失演算値を第１の損失設定値に等しいかまたは第１の損失設定値よりも僅かに大きい値に設定された第２の損失設定値に等しくするように発振部または増幅部の出力を制御する。
【００５１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００５２】
図１は本発明に係わる高周波電源装置の構成例を示したもので、同図において１１は所定の周波数の高周波信号を発生する発振部、１２は発振部１１の出力を増幅する増幅部、１３は増幅部１２に直流電源電圧を与える直流電源部、１４は増幅部１２の高周波出力を検出する高周波出力検出部であり、増幅部１２の出力が高周波出力検出部１４を通して負荷１６に供給されている。
【００５３】
また１７は直流電源部１３から増幅部１２に与えられる直流電源電圧Ｖdcを検出する直流出力検出部、１８は増幅部で生じている損失を演算する損失演算部で、直流出力検出部１７の出力が高周波出力検出部１４の出力とともに損失演算部１８に与えられている。
【００５４】
１９は、損失演算部１８により演算される損失に応じて直流電源部１３を制御する第１の制御部、２０は増幅部１２から負荷１６に供給される高周波出力を高周波出力設定値に近づけるように発振部１１または増幅部１２を制御する第２の制御部である。
【００５５】
発振部１１は、発振器と必要に応じて発振器の出力を増幅する増幅器とにより構成され、増幅部１２は電力増幅器により構成される。増幅部１２は、図１３に示した例と同じように単一の増幅器からなっていてもよく、図１５に示したように複数の増幅器からなっていてもよい。増幅器としては、図１４に示した構成を有するものを用いることができる。
【００５６】
なお増幅器の回路構成は図１４に示したものに限られるものではなく、発振部１１の出力を増幅し得る周波数特性を有する電力増幅回路であればいかなるものでもよい。
【００５７】
高周波出力検出部１４は、増幅部１２の出力情報を検出する部分である。出力情報を検出する方法としては、増幅部１２の出力電圧Ｖout ［Ｖ］と出力電流Ｉout ［Ａ］とから進行波電力Ｐｆと、反射波電力Ｐｒ［Ｗ］とを求める方法と、出力電圧Ｖout ［Ｖ］、出力電流Ｉout ［Ａ］及びこれらの位相差θから、負荷１６に与えられる高周波有効出力電力（負荷で消費された電力）ＰL ＝Ｖout ×Ｉout ×ｃｏｓθ［Ｗ］を求める方法とがある。
【００５８】
なお高周波有効出力電力ＰL と進行波電力Ｐｆと反射波電力Ｐｒとの間には、ＰL ＝Ｐｆ−Ｐｒ［Ｗ］の関係がある。
【００５９】
直流出力検出部１７は、直流電源部１３の出力電圧Ｖdc［Ｖ］と出力電流Ｉd c［Ａ］とを検出し、これらを用いて直流出力検出部１７から増幅部１２に与えられる直流電力Ｐdc＝Ｖdc×Ｉd c［Ｗ］を求める。
【００６０】
損失演算部１８は、直流検出部１７で求められた直流電源部１３の直流出力電力Ｐdcから高周波出力検出部１４で求められた高周波有効出力電力ＰL を減じて、増幅部１２で生じた損失Ｐloss（＝Ｐdc−ＰL ）［Ｗ］を演算する。
【００６１】
なお損失演算部１８は、直流電源部１３から増幅部１２に与えられた直流電力Ｐdcから進行波電力Ｐｆを差し引いたものに反射波電力Ｐｒを加えることにより増幅部で生じた損失Ｐloss（＝Ｐdc−Ｐｆ＋Ｐｒ）を求めるように構成してもよい。
【００６２】
第１の制御部１９は、損失演算部１８により演算された損失演算値Ｐlossと、直流出力検出部１７により検出された直流電源電圧Ｖdcと、直流電圧設定値Ｖdcsetと損失設定値Ｐlsetとを入力として、損失演算部１８により演算された損失演算値Ｐlossが予め設定された損失設定値Ｐlsetを超えたときに損失演算値Ｐlossが損失設定値Ｐlsetに等しくなるまで直流電源部１３から増幅部１２に供給する直流電源電圧Ｖdcを低下させる制御を行い、損失演算値Ｐlossが損失設定値Ｐlset以下のときには直流電源部１３から増幅部１２に供給する直流電源電圧Ｖdcを適値に設定された直流電圧設定値Ｖdcsetに保つ制御を行うように構成される。
【００６３】
また第２の制御部２０は、高周波出力検出部１４により検出された高周波出力Ｐfと、高周波出力設定値Ｐfsetとを入力として、増幅部１２から負荷１６に供給される高周波出力を高周波出力設定値Ｐfsetに近づけるように発振部１１または増幅部１２の出力を制御するように構成される。
【００６４】
なお直流電源電圧Ｖdcに対して設定する直流電圧設定値Ｖdcsetは、固定値でも可変値でもよいが、増幅部１２を効率よく動作させるのに適した値に設定される。増幅部１２を効率よく動作させるのに適した直流電源電圧Ｖdcは、電源装置の出力Ｐout の設定値（高周波出力設定値）Ｐfsetの大きさにより異なるので、高周波出力設定値Ｐfsetの大きさに応じて増幅部１２の効率η（＝Ｐout ／Ｐdc）を最大にするように、設定値Ｐfsetに応じて直流電圧設定値Ｖdcsetを変化させるようにするのが好ましい。このように、出力設定値に応じて増幅部の直流電源電圧を制御する方法は、特開２００１−１９７７４９号に示されているように既に公知である。
【００６５】
図１に示した電源装置において、増幅部で生じる損失が損失設定値Ｐlsetを超えると、第１の制御部１９が直流電源１３から増幅部１２に与えられる直流電源電圧Ｖdcを低下させるように制御するため、増幅部１２の出力が低下し、増幅部１２で生じる損失も減少していく。このとき第２の制御部２０は、増幅部１２から負荷１６に与えられる高周波出力（進行波電力または有効電力）を高周波出力設定値（進行波電力の設定値または有効電力の設定値）に近づけるように発振部１１または増幅部１２を制御して、増幅部１２の出力を増加させるため、増幅部１２の出力の低下が抑えられる。第２の制御部が増幅部の出力を増加させると、増幅部で生じる損失が増加しようとするが、第１の制御部がこの損失の増加を抑えて、増幅部で生じる損失を損失設定値Ｐlsetに保つ。
【００６６】
直流電源電圧Ｖdcを低下さて増幅部で生じる損失を損失設定値Ｐlsetに保つ第１の制御部１９による制御と、増幅部の出力を増加させる第２の制御部２０による制御とがバランスしたところで、第１の制御部及び第２の制御部による制御動作が止り、高周波出力が安定する。
【００６７】
このように、本発明においては、増幅部１２で生じる損失Ｐlossが損失設定値Ｐlsetを超えたことが検出されたときに、直流電源電圧を低下させて損失を損失設定値まで減少させる制御を行うと同時に、高周波出力を設定値に向けて上昇させる制御を行うので、増幅部で大きな損失が生じる負荷が接続されたときに、該損失を損失設定値（許容損失）に抑えつつ負荷に供給し得る高周波電力（進行波電力または有効電力）を従来よりも大きくすることができる。
【００６８】
また増幅部１２で生じる損失は常に損失設定値Ｐlsetに制限されるため、増幅部を構成する半導体素子が破損するのを防ぐことができる。
【００６９】
ここで、図１に示した電源装置において、図１４に示す一組の増幅器２ａを用いて増幅部１２を構成した場合について行ったシミュレーションの結果を示す。制御の対象とする高周波出力は進行波電力でも有効電力（負荷で消費される電力）でもよいが、ここでは、進行波電力を制御の対象とする高周波出力として、該高周波出力を高周波出力設定値に等しくするように制御するものとする。
【００７０】
図１４に示した増幅回路において、ＦＥＴａ及びＦＥＴｂの損失設定値（許容損失）Ｐlsetを３００［Ｗ］とした場合に、表１に示した例と同じ負荷に供給できる最大高周波出力（最大進行波電力）の大きさを求めた結果を下記の表２に示す。
【００７１】
【表２】
【００７２】
図２（Ａ）ないし（Ｅ）は、９．７−ｊ２０Ωの負荷を接続したときのＦＥＴａのドレイン電圧Ｖds、ドレイン電流Ｉd 、増幅部の高周波出力電圧Ｖout 、高周波出力電流Ｉout及び損失Ｖds×Ｉd のシミュレーション波形を時間ｔに対して示したものである。図２（Ｅ）に示したように、ＦＥＴａの損失は約３００［Ｗ］（平均値）に保たれている。
【００７３】
上記のように、本発明においては、増幅部１２で生じる損失が損失設定値Ｐlsetを超えたことが検出されたときに、直流電源電圧を低下させて増幅部で生じる損失を損失設定値まで減少させる制御を行うと同時に、高周波出力Ｐf を設定値Ｐfsetに向けて上昇させる制御を行うので、増幅部１２で大きな損失が生じる負荷１６が接続されたときに、増幅部で生じる損失を損失設定値（許容損失）に抑えつつ負荷１６に供給し得る高周波電力（進行波電力または有効電力）を従来よりも大きくすることができる。また増幅部１２で生じる損失は常に損失設定値Ｐlsetに制限されるため、増幅部１２を構成する半導体素子が破損するのを防ぐことができる。
【００７４】
上記のように、本発明においては、増幅部１２で生じる損失が損失設定値Ｐlsetを超えたときに増幅部の直流電源電圧Ｖdcを低下させる制御を行うが、増幅部を安定に動作させるため、直流電源電圧の許容変動範囲（増幅部の安定な動作を確保する上で許容される変動範囲）の下限値よりも低い値まで直流電源電圧を低下させることは避ける必要がある。
【００７５】
図３は、直流電源電圧が下限値ＶdcL よりも低くなるのを防ぐようにする場合の本発明の実施形態を示したものである。図３に示した実施形態では、第１の制御部１９´に、損失演算部１８の出力及び直流出力検出部１７の出力とともに、直流電圧設定値Ｖdcsetと第１の損失設定値Ｐlset1 と直流電源電圧の下限値ＶdcL とが入力され、第２の制御部２０´には、高周波出力検出部１４の出力と、高周波出力設定値Ｐfsetと、第２の損失設定値Ｐlset2 と、損失演算部１８により演算された損失演算値Ｐlossとが入力されるとともに、直流電源部１３の出力電圧が下限値ＶdcL以上であるのか、下限値ＶdcL未満であるのかを示す信号が第１の制御部１９´から与えられる。
【００７６】
図３に示した第１の制御部１９´は、損失演算部により演算された損失演算値が予め設定された第１の損失設定値Ｐlset1 よりも小さいときに直流電源部１３から増幅部１２に供給される直流電源電圧Ｖdcを適値に設定された直流電圧設定値Ｖdcsetに保つ制御を行い、損失演算値Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1 を超えているときには損失演算値Ｐlossを第１の損失設定値Ｐlset1 に等しくするべく、直流電源部１３の出力電圧を予め定めた下限値ＶdcL を下回らない範囲で低下させる制御を行うように構成される。
【００７７】
また第２の制御部２０´は、直流電源電圧Ｖdcが下限値ＶdcL以上であるときには高周波出力検出部１４により検出される増幅部１２の高周波出力を高周波出力設定値Ｐfsetに近づけるように発振部１１または増幅部１２の出力を制御し、直流電源電圧Ｖdcが下限値ＶdcLを下回ったときには、損失演算値Ｐlossを第１の損失設定値Ｐlset1に等しいかまたは第１の損失設定値Ｐlset1よりも僅かに大きい値に設定された第２の損失設定値Ｐlset2に等しくするように発振部１１または増幅部１２の出力を制御するように構成される。
【００７８】
第１の損失設定値Ｐlset1 及び第２の損失設定値Ｐlset2 （≧Ｐlset1 ）は、増幅部を構成する半導体素子で生じる発熱が許容範囲の上限に達するときに増幅部１２で生じる損失値以下に設定される。その他の点は図１に示した実施形態と同様である。
【００７９】
図３に示した実施形態において、損失演算値Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1 を超えていないときには、第１の制御部１９´が、直流電源部の出力電圧Ｖdcを適値に設定された直流電圧設定値Ｖdcsetに保つように制御する。また損失演算部１８により演算された損失Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1 を超えたときには、第１の制御部１９´が下限値ＶdcL を下まわらない範囲で直流電源部１３の出力電圧を低下させるように制御して増幅部１２の出力を低下させ、損失演算値（増幅部で生じる損失）Ｐlossを減少させる。
【００８０】
第２の制御部２０´は、直流電源部の出力電圧（直流電源電圧）Ｖdcが下限値ＶdcL以上あるときに、高周波出力検出部１４により検出される増幅部１２の高周波出力Ｐf を高周波出力設定値Ｐfsetに近づけるように発振部１１または増幅部１２の出力を制御し、直流電源電圧が下限値ＶdcLを下回ったときに、損失演算値Ｐlossを第２の損失設定値Ｐlset2 に等しくするように発振部１１または増幅部１２の出力を制御する。
【００８１】
上記のように、図３に示した実施形態では、増幅部で生じる損失が第１の損失設定値を超えたときに、第１の制御部１９´が直流電源部の出力電圧を下限値を下まわらない範囲で低下させて増幅部の出力を低下させるように制御するので、増幅部で生じる損失が損失設定値を超えたときに増幅部の安定な動作を損なうことなく、増幅部で生じる損失を損失設定値に抑制する制御を行わせることができる。
【００８２】
また直流電源電圧が下限値以上であるときには、第２の制御部２０´が高周波出力を設定値に近づけるように制御するため、増幅部で大きな損失が生じる負荷が接続されたときに、該損失を損失設定値に抑えつつ負荷に供給し得る高周波電力（進行波電力または有効電力）を従来よりも大きくすることができる。
【００８３】
更に、直流電源電圧が下限値を下回ろうとしたときには、第２の制御部が損失演算値Ｐlossを、第１の損失設定値に等しいか、または該第１の損失設定値よりも僅かに大きく設定された第２の損失設定値Ｐlset2 に等しくするように発振部１１または増幅部１２の出力を制御して、第１の制御部による直流電源電圧の制御（直流電源電圧を低下させる制御）を停止させるため、直流電源部の出力が下限値を下回って、増幅部の動作が不安定になるのを防ぐことができる。
【００８４】
図１及び図３に示した実施形態において、発振部１１は、所定の周波数の高周波出力を発生する公知の回路により構成することができ、直流電源部１３は、出力電圧値を制御する機能を有する各種の直流電源回路により構成することができる。また損失演算部１８は、アナログ演算回路またはコンピュータにより実現することができる。
【００８５】
第１の制御部及び第２の制御部は、ハードウェア回路により構成することもでき、コンピュータに所定のプログラムを実行させることによりソフトウェア的に構成することもできる。
【００８６】
以下、図３に示した実施形態を例にとって、直流電源部１３の具体的な構成例と、第１の制御部１９´及び第２の制御部２０´の具体的構成例を説明する。
【００８７】
図４ないし図６は、本発明に係わる高周波電源装置で用いることができる直流電源部１３の具体的な構成例を示したもので、これらの図に示された直流電源部１３は、商用電源から得られる交流電圧Ｖacを直流電圧に変換する整流回路と、この整流回路の出力を交流電圧に変換するインバータ回路と、このインバータ回路の交流出力を直流出力に変換するコンバータ回路とにより構成されている。
【００８８】
図４は、プッシュプル方式のインバータ回路を用いた直流電源部１３を示したもので、この直流電源部１３は、ダイオードＤa ないしＤd のブリッジ回路からなる全波整流回路２１と、チョークコイルＬ1 と平滑用コンデンサＣ1 とからなる平滑回路２２と、ＮＰＮトランジスタＴＲ1 及びＴＲ2 とトランスＴ1 とからなるプッシュプル方式のインバータ回路２３と、整流回路２１から与えられる直流電圧を交流電圧に変換するようにトランジスタＴＲ1 及びＴＲ2 をオンオフ制御するインバータ制御部２４と、ダイオードＤe 及びＤf とチョークコイルＬ2 と平滑用コンデンサＣ2 とからなっていて、インバータ回路２３から得られる交流出力を直流出力に変換するコンバータ回路２５とにより構成されている。
【００８９】
図４に示した直流電源部において、インバータ制御部２４は、第１の制御部１９´から与えられる制御信号ＶＣＴ1 に応じて、トランジスタＴＲ1 及びＴＲ2 をＰＷＭ制御またはＰＦＭ制御し、ＰＷＭ制御またはＰＦＭ制御された交流電圧をトランスＴ1 から出力する。この交流電圧は、ダイオードＤe 及びＤf により整流され、チョークコイルＬ2 及びコンデンサＣ2 により平滑されて直流電圧Ｖdcとして増幅部１２に与えられる。第１の制御部１９´は、直流出力検出部１７により検出される直流電圧Ｖdcの大きさを指示値Ｖdccに等しくするように、上記制御信号ＶＣＴ1 を発生するため、直流電源部１３から出力される直流電圧Ｖdcが指示値Ｖdccに等しくなるように制御される。
【００９０】
図５は、ブリッジ方式のインバータ回路を用いた直流電源部１３を示したもので、この直流電源部１３は、図４に示された直流電源部で用いられているものと同様の整流回路２１及び平滑回路２２と、トランジスタＴＲｕ，ＴＲｖ，ＴＲｘ及びＴＲｙとこれらのトランジスタのコレクタエミッタ間に接続された帰還用ダイオードＤｕ，Ｄｖ，Ｄｘ及びＤｙとトランスＴ1 とからなる公知のブリッジ形インバータ回路２７と、インバータ回路２７を制御するインバータ制御部２４とにより、図４に示された直流電源部で用いられたものと同様のコンバータ回路２５とにより構成されている。
【００９１】
図５に示された直流電源部１３においては、インバータ制御部２４がインバータ回路２７のブリッジの対角位置にあるトランジスタを交互にオン状態にすることにより整流回路２１から与えられる直流電圧を交流電圧に変換する。インバータ制御部２４はまた、インバータ回路２７のブリッジの上辺を構成するトランジスタまたはブリッジの下辺を構成するトランジスタのうち、オン期間にあるトランジスタを第１の制御部１９´から与えられる制御信号ＶＣＴ1 に応じて、ＰＷＭ制御またはＰＭＦ制御し、ＰＷＭ制御またはＰＦＭ制御された交流電圧をトランスＴ1 から出力する。この交流電圧は、ダイオードＤe 及びＤf により整流され、チョークコイルＬ2 及びコンデンサＣ2 により平滑されて直流電圧Ｖdcとして増幅部１２に与えられる。第１の制御部１９´は、直流出力検出部１７により検出される直流電圧Ｖdcの大きさを指示値Ｖdccに等しくするように、制御信号ＶＣＴ1 を発生するため、直流電源部１３から出力される直流電圧Ｖdcが指示値Ｖdccに等しくなるように制御される。
【００９２】
また図６は、ハーフブリッジ方式のインバータ回路を用いた直流電源部１３を示したもので、この直流電源部１３は、図５に示された直流電源部で用いられた平滑回路２２に代えて、チョークコイルＬ1 とコンデンサＣ11及びＣ12からなる平滑回路２２´が用いられている点、及びトランジスタＴＲｕ及びＴＲｘと帰還ダイオードＤｕ及びＤｘとトランスＴ1 とからなるハーフブリッジ式のインバータ回路２８が用いられている点を除き、図５に示された直流電源部と同様に構成されている。
【００９３】
図６に示された直流電源部において、インバータ制御部２４は、第１の制御部１９´から与えられる制御信号ＶＣＴ1 に応じてトランジスタをＰＷＭ制御またはＰＦＭ制御し、ＰＷＭ制御またはＰＦＭ制御された交流電圧をトランスＴ1 から出力する。この交流電圧は、ダイオードＤe 及びＤf により整流され、チョークコイルＬ2 及びコンデンサＣ2 により平滑されて直流電圧Ｖdcとして増幅部１２に与えられる。第１の制御部１９´は、直流出力検出部１７により検出される直流電圧Ｖdcの大きさを指示値Ｖdccに等しくするように、上記制御信号ＶＣＴ1 を発生させるため、直流電源部１３から出力される直流電圧Ｖdcが指示値Ｖdccに等しくなるように制御される。
【００９４】
図４ないし図６に示した例では、商用電源から与えられる単相交流電圧Ｖacを直流電圧Ｖdcに変換するようにしているが、図４ないし図６に示された整流回路２１を図７に示した３相全波整流回路２１´で置き換えることにより、３相交流電圧Ｖacを直流電圧Ｖdcに変換するように直流電源部１３を構成することもできる。
【００９５】
なお図４ないし図６に示した例においては、インバータ回路を構成するスイッチ素子としてＮＰＮトランジスタを用いたが、他の電力用半導体素子、例えば、ＦＥＴやＩＧＢＴ等をスイッチ素子として用いて、インバータ回路を構成するようにしてもよい。
【００９６】
図８は第１の制御部１９´をハードウェア回路により構成した例を示している。図８においては、図３に示した直流電圧Ｖdcの検出信号、直流電圧設定値Ｖdcset、第１の損失設定値Ｐlset1、損失演算値Ｐloss等がすべて電圧信号の形で第１の制御部１９´に入力される。図８においては、直流電圧Ｖdc、直流電圧設定値Ｖdcset、損失演算値Ｐloss等を与える電圧信号をそれぞれの符号の前にＳをつけることにより表している。
【００９７】
即ち、図８において、ＳＶdcは、直流出力検出部１７が出力する直流電圧検出信号で、直流電源部１３が出力する直流電圧Ｖdcに比例している電圧信号である。またＳＶdcLは直流電圧Ｖdcの下限値を与える下限電圧値設定信号、ＳＶdcsetは直流電圧Ｖdcの設定値を与える直流電圧設定信号、ＳＰlset1は第１の損失設定値Ｐlset1を与える第１の損失設定信号（電圧信号）、ＳＰlossは損失演算部１８が演算した損失演算値を与える損失演算値信号である。
【００９８】
図８に示した例では、演算増幅器ＩＣ１と抵抗Ｒ1 ないしＲ3 により、損失演算値信号ＳＰlossの極性をプラスからマイナスに反転する極性反転回路３０が構成され、演算増幅器ＩＣ２と、抵抗Ｒ４ないしＲ７と、ダイオードＤ１及びＤ２とにより、第１の損失設定信号ＳＰlset1と極性が反転された損失演算値信号ＳＰlossとを入力として、損失演算値信号ＳＰlossの大きさが第１の損失設定信号ＳＰlset1の大きさに等しくなるように制御信号を出力する第１の誤差増幅回路３１が構成されている。この第１の誤差増幅回路３１の出力信号は、損失演算値信号ＳＰlossの大きさが第１の損失設定信号ＳＰlset1の大きさ以下のときに０Ｖとなり、損失演算値信号ＳＰlossの大きさが第１の損失設定信号ＳＰlset1の大きさを超えたときにプラスの電圧値を示す。
【００９９】
また演算増幅器ＩＣ３と、抵抗Ｒ８ないしＲ１１とにより、直流電圧設定信号ＳＶdcsetと誤差増幅回路３１の出力とを入力として、直流電圧設定信号ＳＶdcsetから誤差増幅回路３１の出力電圧を減算した電圧を、増幅部で生じる損失を第１の損失設定値以下に制限するために必要な直流出力電圧の目標値を与える目標直流電圧信号ＳＶdco として出力する減算回路３２が構成されている。
【０１００】
更に、演算増幅器ＩＣ４と、抵抗Ｒ１２と、ダイオードＤ３とにより、減算回路３２から出力される目標直流電圧信号ＳＶdco が直流電圧Ｖdcの下限値を与える下限電圧値設定信号ＳＶdcL 以上であるときに減算回路３２から出力される目標直流電圧信号ＳＶdco に等しい電圧信号を、直流電源部１３から出力させる直流電圧の指示値Ｖdccを示す直流電圧指示値信号ＳＶdcc として出力し、減算回路３２から出力される目標直流電圧信号ＳＶdco が下限電圧値設定信号ＳＶdcLよりも小さいときには下限電圧値設定信号ＳＶdcL を、直流電源部１３から出力させる直流電圧の指示値Ｖdccを示す直流電圧指示値信号ＳＶdcc として出力する直流電圧指示値信号出力回路３３が構成されている。
【０１０１】
また演算増幅器ＩＣ５と抵抗Ｒ13ないしＲ15とにより、直流電圧検出信号ＳＶdcの極性をプラスからマイナスに反転させる極性反転回路３４が構成され、演算増幅器ＩＣ６と抵抗Ｒ16ないしＲ19とにより、直流電圧指示値信号ＳＶdcc と、極性反転回路３４の出力とを入力として、直流電圧検出信号ＳＶdcの大きさが直流電圧指示値信号ＳＶdcc の大きさに等しくなるように制御信号ＶＣＴ１を出力する第２の誤差増幅回路３５が構成されている。
【０１０２】
直流電源部１３のインバータ制御部２４は、上記制御信号ＶＣＴ１を入力として、ＰＷＭ制御またはＰＦＭ制御により、インバータ回路のトランジスタをオンオフさせて、直流電源部１３の出力電圧の値を直流電圧指示信号ＳＶdcc により与えられる直流電圧の指示値に一致させる。
【０１０３】
また図８において、ＩＣ７及びＩＣ８はコンパレータ（電圧比較器）で、これらのコンパレータと抵抗Ｒ20及びＲ21とにより、下限電圧値設定信号ＳＶdcLと減算回路３２から与えられる目標直流電圧信号ＳＶdco とを比較して、これらの信号の大小関係に応じてコンパレータＩＣ７及びＩＣ８からレベルが異なる第１の制御信号ＶＳＷ１及び第２の制御信号ＶＳＷ２を出力する比較回路３６が構成されている。
【０１０４】
比較回路３６は、目標直流電圧信号ＳＶdco が下限電圧値設定信号ＳＶdcL 以上あるとき（増幅部で生じる損失を第１の損失設定値以下に制限するために必要な直流電源部の出力電圧の目標値が直流電源部の下限値以上であるとき）に第１の制御信号ＶＳＷ１及び第２の制御信号ＶＳＷ２をそれぞれ高レベル及び零レベルにし、目標直流電圧信号ＳＶdco が下限電圧設定信号ＳＶdcL よりも低いとき（増幅部で生じる損失を第１の損失設定値以下に制限するために必要な直流電源部の出力電圧の目標値が直流電源部の下限値よりも小さいとき）に、第１の制御信号ＶＳＷ１及び第２の制御信号ＶＳＷ２をそれぞれ零レベル及び高レベルにする。これらの制御信号は第２の制御部２０´に与えられる。第１の制御信号ＶＳＷ１及び第２の制御信号ＶＳＷ２は、直流電源電圧が下限値以上であるか、或いは下限値を下回ろうとしているかの情報を第２の制御部２０´に与えるために用いられる。
【０１０５】
図９は第２の制御部２０´の構成例を示している。図９において、ＳＰf は高周波出力検出部１４から得られる高周波出力検出信号、ＳＰfsetは高周波出力Ｐf の設定値を与える高周波出力設定信号、ＳＰlset2は、第２の損失設定値Ｐlset2を与える第２の損失設定信号、ＳＰlossは損失演算部１８により演算された損失演算値を示す損失演算値信号である。
【０１０６】
図９に示した第２の制御部においては、演算増幅器ＩＣ101と抵抗Ｒ101ないしＲ103とにより、損失演算値信号ＳＰlossの極性をプラスからマイナスに変換する極性反転回路４１が構成され、演算増幅器ＩＣ102と抵抗Ｒ104ないしＲ107と、ダイオードＤ101及びＤ102とにより、極性反転回路４１の出力と、第２の損失設定信号ＳＰlset2とを入力として、損失演算値信号ＳＰlossの大きさが第２の損失設定信号ＳＰlset2の大きさに等しくなるように制御信号を出力する誤差増幅回路４２が構成されている。
【０１０７】
誤差増幅回路４２の出力は、損失演算値信号ＳＰlossの大きさが第２の損失設定信号ＳＰlset2の大きさよりも小さいときに０Ｖとなり、損失演算値信号ＳＰlossの大きさが第２の損失設定信号ＳＰlset2の大きさを超えたときにプラスの電圧値を示す。
【０１０８】
ＩＣ１０７及びＩＣ１０８はそれぞれ第１及び第２のアナログスイッチで、これらのアナログスイッチはそれぞれの制御端子に高レベルの制御信号が与えられたときにオン状態になる。
【０１０９】
即ち、目標直流電圧信号ＳＶdco が下限電圧設定信号ＳＶdcL よりも低いために（増幅部で生じる損失を第１の損失設定値以下に制限するために必要な直流電源部の出力電圧の目標値が直流電源部の下限値よりも小さいために）、第１の制御部１９´から与えられる第１の制御信号ＶＳＷ１及び第２の制御信号ＶＳＷ２がそれぞれ零レベル及び高レベルであるときに、第１のアナログスイッチ１０７がオン状態になり、第２のアナログスイッチＩＣ１０８がオフ状態になる。
【０１１０】
また目標直流電圧信号ＳＶdco が下限電圧設定信号ＳＶdcL 以上であるために（増幅部で生じる損失を第１の損失設定値以下に制限するために必要な直流電源部の出力電圧の目標値が直流電源部の下限値以上であるために）、第１の制御部１９´から与えられる第１の制御信号ＶＳＷ１及び第２の制御信号ＶＳＷ２がそれぞれ高レベル及び零レベルであるときに、第１のアナログスイッチ１０７がオフ状態になり、第２のアナログスイッチＩＣ１０８がオン状態になる。
【０１１１】
また図９に示した第２の制御部においては、演算増幅器ＩＣ１０３と抵抗Ｒ108ないしＲ111とにより、増幅部１２から出力する高周波出力（進行波電力）の設定信号ＳＰfsetとアナログスイッチＩＣ１０７またはＩＣ１０８の出力とを入力として、高周波出力設定信号ＳＰfsetからアナログスイッチＩＣ１０７またはＩＣ１０８の出力信号を減算した信号を、目標高周波出力信号ＳＰfoとして出力する目標高周波出力信号発生回路４３が構成されている。
【０１１２】
損失演算値信号ＳＰloss（増幅部で生じている損失）の大きさが第２の損失設定信号ＳＰlset2の大きさ以下であるときには、目標直流電圧信号ＳＶdco が下限電圧設定信号ＳＶdcL 以上になっていて、第１の制御部１９´から与えられる第１の制御信号ＶＳＷ１及び第２の制御信号ＶＳＷ２がそれぞれ高レベル及び零レベルになっているため、アナログスイッチＩＣ１０８がオン状態になり、ＩＣ１０７がオフ状態になる。このとき目標高周波出力信号発生回路４３は、高周波出力設定信号ＳＰfsetに等しい電圧信号を目標高周波出力信号ＳＰfoとして出力する。
【０１１３】
これに対し、損失演算値信号ＳＰlossの大きさが第２の損失設定信号ＳＰlset2の大きさよりも大きいときには、目標直流電圧信号ＳＶdco が下限電圧設定信号ＳＶdcL よりも低くなり、第１の制御部１９´から与えられる第１の制御信号ＶＳＷ１及び第２の制御信号ＶＳＷ２がそれぞれ零レベル及び高レベルになるため、第１のアナログスイッチ１０７がオン状態になり、第２のアナログスイッチＩＣ１０８がオフ状態になる。このとき目標高周波出力信号発生回路４３は、高周波出力設定信号ＳＰfsetから誤差増幅回路４２の出力を減算した信号を目標高周波出力信号ＳＰfoとして出力する。
【０１１４】
また演算増幅器ＩＣ104と、抵抗Ｒ112ないしＲ114とにより、高周波出力検出部１４から得られる高周波出力検出信号ＳＰf の極性をプラスからマイナスに反転する極性反転回路４４が構成され、演算増幅器ＩＣ105及びＩＣ106と、抵抗Ｒ115ないし抵抗Ｒ121とにより、目標高周波出力信号発生回路４３の出力と極性反転回路４４の出力とを入力として、高周波出力検出信号ＳＰf の大きさが目標高周波出力信号ＳＰfoの大きさに等しくなるように制御信号ＶＣＴ２を出力する誤差増幅回路４５が構成されている。制御信号ＶＣＴ２の値は、目標高周波出力信号ＳＰfoと高周波出力検出信号ＳＰf との偏差を零にするために増幅部１２のアンプに入力する信号の大きさに乗じる係数に相当する値を有するもので、上記制御信号ＶＣＴ２を発振部１１の出力に乗じるか、または増幅部１２内のアンプの入力信号に乗じることにより、目標高周波出力信号ＳＰfoと高周波出力検出信号ＳＰf との偏差を零にするように増幅部１２の出力を制御することができるようになっている。
【０１１５】
上記のように第２の制御部２０´が構成される場合、図３に示された増幅部１２は、例えば図１０に示すように、出力制御部１２Ａと、ドライバアンプ１２Ｂと、パワーアンプ１２Ｃとにより構成され、第２の制御部２０´の誤差増幅回路４５から得られる制御信号ＶＣＴ２が、発振部１１の出力Ｖoscとともに出力制御部１２Ａに入力される。
【０１１６】
出力制御部１２Ａは、乗算器、ダブルバランスドミキサまたはデュアルゲートＦＥＴを使用したミキサ回路等からなっていて、発振部１１が出力する特定の周波数の信号Ｖoscと制御信号ＶＣＴ２とを掛け合わせることにより、目標高周波出力信号ＳＰfoと高周波出力検出信号ＳＰf との偏差を零にするようにドライバアンプ１２Ｂに入力する信号の大きさを調整する。このように制御信号により大きさが調整された信号がドライバアンプ１２Ｂにより増幅され、ドライバアンプ１２Ｂの出力がパワーアンプ１２Ｃにより電力増幅されて、目標高周波出力信号ＳＰfoにより与えられる目標値に等しい高周波出力として負荷１６に供給される。
【０１１７】
第１の制御部１９´及び第２の制御部２０´をそれぞれ図８及び図９に示すように構成した場合の動作は次の通りである。
【０１１８】
図３に示した損失演算部１８が演算した損失演算値Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1以下であるときには、図８の第１の誤差増幅回路３１の出力信号が０Ｖであるため、減算回路３２は、直流電圧設定信号ＳＶdcsetに等しい大きさの電圧信号を目標直流電圧信号ＳＶdcoとして出力する。このとき目標直流電圧信号ＳＶdcoの大きさが直流電圧Ｖdcの下限電圧値設定信号ＳＶdcL以上であるとすると、直流電圧指示値信号出力回路３３は、直流電圧設定信号ＳＶdcsetに等しい電圧信号を直流電圧指示値信号ＳＶdccとして出力し、誤差増幅回路３５は、直流電圧検出信号ＳＶdcの大きさが直流電圧設定信号ＳＶdcsetの大きさに等しくなるように制御信号ＶＣＴ１を出力する。直流電源部のインバータ制御部２４は、この制御信号の大きさに応じて、コンバータ回路２５に与える交流電圧の平均値を調整するため、直流電源部１３の出力電圧は、直流電圧設定信号ＳＶdcsetにより設定された電圧に保持される。
【０１１９】
また損失演算部１８が演算した損失演算値Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1を超えたときには、図８の第１の誤差増幅回路３１が、損失演算値信号ＳＰlossの大きさを第１の損失設定信号ＳＰlset1の大きさに等しくするように制御信号を出力する。減算回路３２は、直流電圧設定信号ＳＶdcsetから誤差増幅回路３１が出力する制御信号を減算して得た電圧信号を、直流出力電圧の目標値を与える目標直流電圧信号ＳＶdco として出力する。このとき目標直流電圧信号ＳＶdcoの大きさが直流電圧Ｖdcの下限電圧値設定信号ＳＶdcL以上であるとすると、直流電圧指示値信号出力回路３３は、目標直流電圧信号ＳＶdcoに等しい電圧信号を直流電圧指示値信号ＳＶdccとして出力し、誤差増幅回路３５は、直流電圧検出信号ＳＶdcの大きさを目標直流電圧信号ＳＶdcoの大きさに等しくするように制御信号ＶＣＴ１を出力する。直流電源部のインバータ制御部２４は、この制御信号の大きさに応じて、コンバータ回路２５に与える交流電圧の平均値を調整するため、直流電源部１３の出力電圧は、直流電圧設定信号ＳＶdcsetにより設定された電圧よりも、誤差増幅回路３１の出力に相当する電圧分だけ低い値に調整される。
【０１２０】
このようにして損失演算部により演算された損失値の増大に伴って、直流電源部の出力電圧を低下させる制御を行った結果、直流電源部の出力電圧が下限値を下回ったときには、直流電圧指示値信号出力回路３３が、下限電圧値設定信号ＳＶdcLを直流電圧指示値信号ＳＶdccとして出力するため、誤差増幅回路３５によって、直流電源部の出力電圧は下限電圧値設定信号ＳＶdcLにより設定された下限値に保たれる。
【０１２１】
上記のように、図８に示した第１の制御部１９´は、損失演算値Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1 を超えないときに、直流電源部の出力電圧Ｖdcを適値に設定された直流電圧設定値Ｖdcsetに保つように制御する。また損失演算部１８により演算された損失Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1 を超えたときには、下限値ＶdcL を下まわらない範囲で直流電源部１３の出力電圧を低下させるように制御して増幅部１２の出力を低下させ、損失演算値（増幅部で生じる損失）Ｐlossを減少させる。
【０１２２】
また図９に示した第２の制御部２０´においては、直流電源部の出力の目標値Ｖdcoが直流電圧Ｖdcの下限値ＶdcL以上であるときに、アナログスイッチＩＣ108がオン状態になり、アナログスイッチＩＣ107がオフ状態になるため、目標高周波出力信号発生回路４３が、高周波出力設定信号ＳＰfsetに等しい電圧信号を目標高周波出力信号ＳＰfoとして出力する。このとき誤差増幅回路４５は、高周波出力設定信号ＳＰfsetに等しい目標高周波出力信号ＳＰfoと高周波出力検出信号ＳＰfとの偏差を零にするために増幅部１２のアンプの入力信号に乗じる係数値に相当する大きさの電圧信号を制御信号ＶＣＴ２として出力し、この制御信号により増幅部１２の出力が調整されるため、増幅部１２から負荷に与えられる高周波出力が高周波出力設定信号により設定された大きさに近づくように調整される。
【０１２３】
これに対し、直流電源部の出力の目標値Ｖdcoが下限値ＶdcLを下回っているときには、アナログスイッチＩＣ107がオン状態になり、アナログスイッチＩＣ108がオフ状態になるため、目標高周波出力信号発生回路４３は、高周波出力設定信号ＳＰfsetから誤差増幅回路４２の出力を減算した信号を目標高周波出力信号ＳＰfoとして出力する。これにより、増幅部１２で生じる損失を第２の損失設定値Ｐlset2に制限するように高周波出力の目標値が変更される。誤差増幅回路４５は、この目標高周波出力信号ＳＰfoと高周波出力検出信号ＳＰfとの偏差を零にするために増幅部１２のアンプの入力信号に乗じる係数値に相当する大きさの電圧信号を制御信号ＶＣＴ２として出力し、この制御信号により増幅部１２の出力が調整されるため、増幅部１２の出力は、該増幅部で生じる損失を第２の損失設定値に等しくするように調整される。
【０１２４】
上記のように、図９に示した第２の制御部２０´は、高周波出力検出部１４により検出される増幅部１２の高周波出力Ｐf が高周波出力設定値Ｐfsetからずれたときに、直流電源部１３の出力電圧が下限値以上であれば、該高周波出力Ｐfを高周波出力設定値Ｐfsetに戻すように増幅部１２の出力を制御し、直流電源部１３の出力電圧が下限値を下回ったときには、損失演算値Ｐlossを第１の損失設定値Ｐlset1 に等しいか、または該第１の損失設定値Ｐlset1 よりも僅かに大きい値に設定された第２の損失設定値Ｐlset2 に等しくするように増幅部１２の出力を制御する。
【０１２５】
なお図１に示した高周波電源装置に設ける第１の制御部１９は、図８に示した回路から比較回路３６を取り除いた回路により構成することができる。
【０１２６】
また図１に示した高周波電源装置に設ける第２の制御部２０は、図９に示した目標高周波出力信号発生回路４３と、極性反転回路４４と、誤差増幅回路４５とにより構成することができる。
【０１２７】
次に図１１及び図１２を参照して、図３の第１の制御部１９´及び第２の制御部２０´をソフトウェア的に実現する場合の構成について説明する。
【０１２８】
図１１は、第１の制御部１９´を実現するために、コンピュータに実行させるプログラムのアルゴリズムを示したフローチャートである。図１１において、Ｖdcは直流電源部の出力電圧（直流電源電圧）を示し、Ｖdcsetは直流電源部の出力電圧の設定値（直流電圧設定値）を示している。またＶdcL は直流電源電圧の下限値の設定値を示し、Ｐlossは損失演算値を示している。更にＰlset1は第１の損失設定値、Ｖdc1は直流電源部の通常時の出力電圧の初期値を示し、ΔＶは固定値である微小電圧設定値を示している。
【０１２９】
図１１のアルゴリズムによる場合には、先ずステップ１において直流電圧設定値Ｖdcsetを初期値Ｖdc1として直流電源部１３を起動させるための処理を行い、ステップ２において直流電源部が直流電源電圧Ｖdcの出力を開始するのを待つ。直流電源電圧Ｖdcの出力が開始されたと判定されたときにステップ３に進んで直流電源電圧Ｖdcが設定値Ｖdcsetに等しくなるのを待ち、直流電源電圧Ｖdcが設定値に等しくなったと判定されたときにステップ４に進んで増幅部１２が高周波出力の発生を開始するのを待つ。
【０１３０】
ステップ４で高周波出力が開始されたと判定されたときに、ステップ５に進んで損失演算値Ｐlossと第１の損失設定値Ｐlset1とを比較する。最初は、損失演算値Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1よりも小さいため、次いでステップ６に進んで直流電圧設定値の更新値Ａ＝Ｖdcset＋ΔＶの演算を行い、ステップ７で直流電圧設定値の更新値Ａが直流電圧設定値の初期値Ｖdc1よりも高いか否かを判定する。起動時に最初にステップ７が実行されたときには、更新値Ａが初期値Ｖdc1よりも高いためステップ８に進む。ステップ８では初期値Ｖdc1を直流電圧設定値Ｖdcsetとして直流電源部の出力電圧を設定値Ｖdcsetに向けて上昇させるための処理を行う。その後ステップ９において直流電源部の出力電圧Ｖdcが設定値Ｖdcsetに等しくなるのを待ち、直流電源部の出力電圧Ｖdcが設定値Ｖdcset（＝Ｖdc1）に等しくなったと判定されたときにステップ５に戻って再度損失演算値Ｐlossと第１の損失設定値Ｐlset1とを比較する。
【０１３１】
ステップ７において、直流電圧設定値の更新値Ａが初期値Ｖdc1以下であると判定されたときには、ステップ１０に進んで更新値Ａを直流電圧設定値Ｖdcsetとして直流電源部の出力電圧を設定値Ｖdcsetに向けて変化させる処理を行い、ステップ９で直流電源電圧Ｖdcが設定値Ｖdcsetに等しくなるのを待つ。ステップ９で直流電源電圧Ｖdcが設定値Ｖdcset（＝Ｖdc1）に等しくなったと判定されたときにステップ５に戻って再度損失演算値Ｐlossと第１の損失設定値Ｐlset1とを比較する。
【０１３２】
ステップ５において損失演算値Ｐlossを第１の損失設定値Ｐlset1と比較した結果、損失演算値Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1を超えていると判定されたときには、ステップ１１に進んで直流電圧設定値の更新値Ａ＝Ｖdcset−ΔＶの演算を行った後ステップ１２に進み、直流電圧設定値の更新値Ａが下限値の設定値ＶdcLよりも低いか否かを判定する。その結果Ａが下限値の設定値ＶdcLよりも低いと判定されたときにはステップ１３に進んで下限値の設定値ＶdcLを直流電圧設定値Ｖdcsetとして直流電源部の出力電圧を設定値Ｖdcsetに向けて変化させる処理を行った後ステップ９に移行する。またステップ１２で更新値Ａが下限値ＶdcLよりも高いと判定されたときにはステップ１４に進んで更新値Ａを直流電圧設定値Ｖdcsetとして、直流電源部の出力電圧を設定値Ｖdcsetに向けて変化させる処理を行った後ステップ９に移行する。ステップ９では直流電源電圧Ｖdcが設定値Ｖdcsetに等しくなるのを待ち、直流電源電圧Ｖdcが設定値Ｖdcsetに等しくなったときにステップ５に戻る。
【０１３３】
ステップ５において損失演算値Ｐlossを第１の損失設定値Ｐlset1と比較した結果、損失演算値Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1に等しいと判定されたときには、直流電圧設定値の更新値Ａの演算を行うことなく、更新値Ａが下限値ＶdcLよりも低いか否かの判定を行うステップ１２に移行する。
【０１３４】
図１１のアルゴリズムによる場合、損失演算値Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1よりも低いときには、損失演算値Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1に等しくなるまで、ステップ５，６，７，８及び９が繰り返されるため、直流電源部の出力電圧は、損失演算値Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1に等しくなるまで上昇させられ、損失演算値Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1に等しくなったときにその上昇が止まる。また損失演算Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1を超えたときには、ステップ５，１１，１２，１４及び９が繰り返されるため、損失演算値Ｐlossが第１の損失設定値Ｐlset1に等しくなるまで直流電源電圧が低下させられる。直流電源電圧が下限値の設定値ＶdcLよりも低くなったときには、ステップ１３が実行されて、直流電源電圧が下限値に保持されるため、直流電源電圧が下限値よりも低くなって増幅部の動作が不安定になるのが防止される。
【０１３５】
次に図１２は、第２の制御部２０´を実現するために、コンピュータに実行させるプログラムのアルゴリズムを示したフローチャートである。図１２において、Ｐfsetは、増幅部１２が出力する高周波電力（進行波電力）の設定値であり、Ｐf1はキーボードなどを通して外部から与えられる高周波電力の設定入力値である。またＰｆは高周波出力検出部１４により検出される高周波電力出力値であり、Ｖdcは直流出力検出部１７により検出される直流電源電圧である。またＶdcLは直流電源電圧Ｖdcの下限値、Ｐlossは損失演算値、Ｐlset2は第２の損失設定値、ΔＰは固定値である微小なパワー設定値である。
【０１３６】
図１２のアルゴリズムによる場合には、ステップ１において直流電源電圧Ｖdcの出力が開始されたか否かの判定を行い、直流電源電圧の出力が開始されたときにステップ２に進んで高周波電力設定入力値Ｐf1を高周波電力設定値Ｐfsetとする。次いでステップ３において増幅部１２が高周波電力の出力を開始したか否かを判定し、高周波電力の出力が開始されたときにステップ４に移行する。ステップ４では、直流電源電圧Ｖdcが下限値ＶdcL以下であるか否かを判定し、直流電源電圧Ｖdcが下限値ＶdcL以下でない場合には、ステップ５に移行して高周波電力設定入力値Ｐf1を高周波電力設定値Ｐfsetとして増幅部１２の出力を高周波電力設定値Ｐfsetに等しくするための処理を行う。次いでステップ６において高周波電力出力値Ｐｆが設定値Ｐfsetに等しくなるのを待ち、高周波電力出力値Ｐｆが設定値Ｐfsetに等しくなったと判定されたときにステップ４に戻る。
【０１３７】
ステップ４において、直流電源電圧Ｖdcが下限値ＶdcL以下であると判定されたときには、ステップ７に移行して損失演算値Ｐlossを第２の損失設定値Ｐlset2と比較する。その結果、損失演算値Ｐlossが第２の損失設定値Ｐlset2よりも小さいと判定されたときには、ステップ８に移行して高周波電力設定値Ｐfsetに微小パワー設定値ΔＰを加算したもの（Ｐfset＋ΔＰ）を新たな高周波出力設定値Ｐfsetとして増幅部の出力を高周波出力設定値に等しくするための処理を行った後、ステップ７に戻る。ステップ７及び８を繰り返した結果、ステップ７において、損失演算値Ｐlossが第２の損失設定値Ｐlset2に等しくなったと判定されたときにステップ４に戻る。
【０１３８】
ステップ７において損失演算値Ｐlossが第２の損失設定値Ｐlset2よりも大きいと判定されたときには、ステップ９に移行して高周波電力設定値Ｐfsetから微小パワー設定値ΔＰを減じたもの（Ｐfset−ΔＰ）を新たな高周波電力設定値Ｐｆsetとして増幅部の出力を高周波電力設定値に等しくするための処理を行った後ステップ７に戻る。ステップ７及びステップ９が繰り返されることにより、ステップ７で損失演算値Ｐlossが第２の損失設定値Ｐlset2に等しいと判定されたときにステップ４に戻る。
【０１３９】
上記のように、図１２に示したアルゴリズムによる場合には、直流電源電圧Ｖdcが下限値ＶdcLに等しくないときに増幅部１２が出力する高周波電力が高周波電力設定入力Ｐf1に等しくなるように増幅部１２の出力が制御される。また直流電源電圧Ｖdcが下限値ＶdcLに等しいときには、損失演算値Ｐlossが第２の損失設定値ＰL2に等しくなるように増幅部の出力が制御される。
【０１４０】
上記の例では、直流電源電圧が下限値以上であるときに高周波出力検出部により検出される増幅部の高周波出力を高周波出力設定値に近づけるように増幅部の出力を制御するようにしたが、増幅部の出力を制御する代わりに発振部の出力を制御するようにしてもよい。
【０１４１】
図１に示した実施形態では、直流電源部１３から増幅部１２に与えられる直流電力Ｐdcから進行波電力Ｐfを差し引いたものに反射波電力Ｐrを加えることにより増幅部で生じた損失Ｐlossを演算して、演算された損失が損失設定値を超えたことが検出されたときに、直流電源電圧Ｖdcを低下させて損失を損失設定値まで減少させる制御を行うように第１の制御部１９を構成している。このように構成すると、増幅部の各半導体素子を流れる電流を検出したり、各半導体素子に印加される電圧を検出したりする必要がないため、コストの低減を図ることができるが、本発明はこのように増幅部で生じる損失を演算する場合に限定されるものではなく、増幅部１２を構成する半導体素子で生じる損失を演算するように損失演算部を構成して、損失演算部により演算される損失が損失設定値を超えたことが検出されたときに、直流電源電圧を低下させて演算される損失を損失設定値まで減少させる制御を行うように第１の制御部１９を構成してもよい。
【０１４２】
増幅部を構成する半導体素子で生じる損失は、該半導体素子に印加される電圧と該半導体素子を流れる電流との積から求めることができる。例えば半導体素子がＭＯＳＦＥＴである場合には、そのドレインソース間の電圧Ｖds及びドレイン電流Ｉdをそれぞれ検出する電圧検出器及び電流検出器を設けて、検出されたＶdsとＩdの積Ｖds×Ｉdの演算を行うことにより、半導体素子で生じている損失を求めることができる。増幅部が複数の半導体素子により構成される場合には、すべての半導体素子について損失を演算して演算された損失の内の最大のものを損失設定値まで減少させる制御を行わせるように第１の制御部を構成してもよく、増幅部を構成する半導体素子の中から選択した少なくとも１つの半導体素子で生じている損失を求めて、その損失を損失設定値まで減少させる制御を行わせるように第１の制御部を構成してもよい。
【０１４３】
このように、増幅部を構成する半導体素子で生じている損失自体を演算して、演算された損失が損失設定値を超えたことが検出されたときに、演算される損失を損失設定値まで減少させる制御を行うと、半導体素子の保護をより的確に行わせることができる。
【０１４４】
同様に、図３に示した実施形態においても、増幅部を構成している半導体素子で生じている損失を演算するように損失演算部を構成することができる。
【０１４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、増幅部で生じる損失が損失設定値を超えたことが検出されたときに、第１の制御部により直流電源電圧を低下させて損失を損失設定値まで減少させる制御を行うと同時に、第２の制御部により高周波出力を設定値に向けて上昇させる制御を行うようにしたので、増幅部で大きな損失が生じる負荷が接続されたときに、該損失を損失設定値（許容損失）に抑えつつ負荷に供給し得る高周波電力（進行波電力または有効電力）を従来よりも大きくすることができる。また増幅部で生じる損失は常に損失設定値に制限されるため、増幅部を構成する半導体素子が破損するのを防ぐことができる。
【０１４６】
更に本発明において、直流電源電圧に対して下限値を設定して第１の制御部により直流電源電圧が下限値を下回らない範囲で直流電源電圧を低下させる制御を行い、直流電源電圧が下限値を下回ったときに、第２の制御部により、損失演算値を第１の損失設定値に等しいかまたは第１の損失設定値よりも僅かに大きい値に設定された第２の損失設定値に等しくするように発振部または増幅部の出力を制御するように構成した場合には、直流電源電圧を下限値以下に低下させることなく増幅部で生じる損失を制限する制御を行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態の構成を示したブロック図である。
【図２】 図１４に示す一組の増幅器を用いて増幅部を構成した図１の高周波電源装置に特定の負荷を接続したときの増幅部のＦＥＴのドレイン電圧Ｖds、ドレイン電流Ｉd 、増幅部の高周波出力電圧Ｖout 、高周波出力電流Ｉout及び損失Ｖds×Ｉd のシミュレーション波形を示した波形図である。
【図３】 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。
【図４】 本発明に係わる高周波電源装置で用いる直流電源部の一構成例を示した回路図である。
【図５】 本発明に係わる高周波電源装置で用いる直流電源部の他の構成例を示した回路図である。
【図６】 本発明に係わる高周波電源装置で用いる直流電源部の更に他の構成例を示した回路図である。
【図７】 図４ないし図６に示した直流電源部で用いることができる入力段の整流回路の他の構成例を示した回路図である。
【図８】 図３の実施形態に設ける第１の制御部をハードウェア回路で実現する場合の回路構成を示した回路図である。
【図９】 図３の実施形態に設ける第２の制御部をハードウェア回路で実現する場合の回路構成を示した回路図である。
【図１０】 図１及び図３に示した実施形態に設ける増幅部の構成例を示したブロック図である。
【図１１】 図３の実施形態に設ける第１の制御部をソフトウェア的に実現する場合にコンピュータに実行させるプログラムのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図１２】 図３の実施形態に設ける第２の制御部をソフトウェア的に実現する場合にコンピュータに実行させるプログラムのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図１３】 従来の高周波電源の基本的な構成を示した回路図である。
【図１４】 高周波電源で用いられる増幅器の構成例を示した回路図である。
【図１５】 高周波電源で用いられる増幅器の他の構成例を示した回路図である。
【図１６】 図１４に示した増幅器を動作させたときのＦＥＴのドレインソース間電圧Ｖds、ドレイン電流Ｉd 、増幅器の出力電圧Ｖout 、出力電流Ｉout 及びＦＥＴのドレイン損失Ｖds×Ｉd のシミュレーション波形を示した波形図である。
【図１７】 図１４に示した増幅器に特定の負荷が接続されたときのＦＥＴのドレイン電圧Ｖds、ドレイン電流Ｉd 、増幅器の出力電圧Ｖout 、出力電流Ｉout 及びＦＥＴのドレイン損失Ｖds×Ｉd のシミュレーション波形を時間に対して示した波形図である。
【図１８】 図１４に示した増幅器に特定の負荷が接続されたときに入力信号を大きくしてＦＥＴの損失（平均値）を約５００［Ｗ］としたときのＦＥＴのドレインソース間電圧Ｖds、ドレイン電流Ｉd 、増幅器の出力電圧Ｖout 、出力電流Ｉout 及びＦＥＴのドレイン損失Ｖds×Ｉd のシミュレーション波形を示した波形図である。
【符号の説明】
１１…発信部、１２…増幅部、１３…直流電源部、１４…高周波出力検出部、１６…負荷、１７…直流出力検出部、１８…損失演算部、１９，１９´…第１の制御部、２０，２０´…第２の制御部。
Claims (9)
- 高周波信号を出力する発振部と、前記発振部の出力を増幅して負荷に高周波出力を供給する増幅部と、前記増幅部に直流電源電圧を供給する直流電源部とを備えた高周波電源装置において、
前記増幅部から負荷に供給されている高周波有効出力電力を前記直流電源部が前記増幅部に供給している直流電力から引算するか、または前記増幅部から負荷に供給されている進行波電力を前記直流電源部が前記増幅部に供給している直流電力から引算して得た値に前記負荷から増幅部に戻ってくる反射波電力を加算することにより前記増幅部で生じている損失を演算する損失演算部と、
前記損失演算部により演算された損失演算値が予め設定された損失設定値を超えたときに前記損失演算値が前記損失設定値に等しくなるまで前記直流電源部から前記増幅部に供給する直流電源電圧を低下させる制御を行い、前記損失演算値が前記損失設定値以下のときには前記直流電源部から前記増幅部に供給する直流電源電圧を設定された直流電圧設定値に保つ制御を行う第１の制御部と、
前記増幅部から負荷に供給される高周波出力を高周波出力設定値に近づけるように前記発振部または増幅部の出力を制御する第２の制御部と、
を備えてなる高周波電源装置。 - 高周波信号を出力する発振部と、前記発振部の出力を増幅して負荷に高周波出力を供給する増幅部と、前記増幅部に直流電源電圧を供給する直流電源部とを備えた高周波電源装置において、
前記増幅部を構成している半導体素子に印加される電圧と該半導体素子を流れる電流とを乗じて前記半導体素子で生じている損失を演算する損失演算部と、
前記損失演算部により演算された損失演算値が予め設定された損失設定値を超えたときに前記損失演算値が前記損失設定値に等しくなるまで前記直流電源部から前記増幅部に供給する直流電源電圧を低下させる制御を行い、前記損失演算値が前記損失設定値以下のときには前記直流電源部から前記増幅部に供給する直流電源電圧を設定された直流電圧設定値に保つ制御を行う第１の制御部と、
前記増幅部から負荷に供給される高周波出力を高周波出力設定値に近づけるように前記発振部または増幅部の出力を制御する第２の制御部と、
を備えてなる高周波電源装置。 - 高周波信号を出力する発振部と、前記発振部の出力を増幅して負荷に高周波出力を供給する増幅部と、前記増幅部に直流電源電圧を供給する直流電源部とを備えた高周波電源装置において、
前記増幅部から負荷に供給されている高周波有効出力電力を前記直流電源部が前記増幅部に供給している直流電力から引算するか、または前記増幅部から負荷に供給されている進行波電力を前記直流電源部が前記増幅部に供給している直流電力から引算して得た値に前記負荷から増幅部に戻ってくる反射波電力を加算することにより前記増幅部で生じている損失を演算する損失演算部と、
前記損失演算部により演算された損失演算値が予め設定された第１の損失設定値よりも小さいときに前記直流電源部から増幅部に供給される直流電源電圧を設定された直流電圧設定値に保つ制御を行い、前記損失演算値が前記第１の損失設定値を超えているときには前記損失演算値を前記第１の損失設定値に等しくするべく、前記直流電源部の出力電圧を予め定めた下限値を下回らない範囲で低下させる制御を行う第１の制御部と、
前記直流電源電圧が前記下限値以上であるときには高周波出力検出部により検出される前記増幅部の高周波出力を高周波出力設定値に近づけるように前記発振部または前記増幅部の出力を制御し、前記直流電源電圧が前記下限値を下回ったときには、前記損失演算値を前記第１の損失設定値に等しいかまたは前記第１の損失設定値よりも僅かに大きい値に設定された第２の損失設定値に等しくするように前記発振部または前記増幅部の出力を制御する第２の制御部と、
を具備してなる高周波電源装置。 - 高周波信号を出力する発振部と、前記発振部の出力を増幅して負荷に高周波出力を供給する増幅部と、前記増幅部に直流電源電圧を供給する直流電源部とを備えた高周波電源装置において、
前記増幅部を構成している半導体素子に印加される電圧と該半導体素子を流れる電流とを乗じて前記半導体素子で生じている損失を演算する損失演算部と、
前記損失演算部により演算された損失演算値が予め設定された第１の損失設定値よりも小さいときに前記直流電源部から増幅部に供給される直流電源電圧を設定された直流電圧設定値に保つ制御を行い、前記損失演算値が前記第１の損失設定値を超えているときには前記損失演算値を前記第１の損失設定値に等しくするべく、前記直流電源部の出力電圧を予め定めた下限値を下回らない範囲で低下させる制御を行う第１の制御部と、
前記直流電源電圧が前記下限値以上であるときには高周波出力検出部により検出される前記増幅部の高周波出力を高周波出力設定値に近づけるように前記発振部または前記増幅部の出力を制御し、前記直流電源電圧が前記下限値を下回ったときには、前記損失演算値を前記第１の損失設定値に等しいかまたは前記第１の損失設定値よりも僅かに大きい値に設定された第２の損失設定値に等しくするように前記発振部または前記増幅部の出力を制御する第２の制御部と、
を具備してなる高周波電源装置。 - 前記損失設定値は、前記増幅部で生じる発熱が許容範囲の上限に達するときに該増幅部で生じる許容最大損失以下に設定されている請求項１に記載の高周波電源装置。
- 前記損失設定値は、前記増幅部を構成する半導体素子で生じる発熱が許容範囲の上限に達するときに該半導体素子で生じる許容最大損失以下に設定されている請求項２に記載の高周波電源装置。
- 前記第１の損失設定値及び第２の損失設定値は、前記増幅部で生じる発熱が許容範囲の上限に達するときに該増幅部で生じる許容最大損失以下に設定されている請求項３に記載の高周波電源装置。
- 前記第１の損失設定値及び第２の損失設定値は、前記増幅部を構成する半導体素子で生じる発熱が許容範囲の上限に達するときに該半導体素子で生じる許容最大損失以下に設定されている請求項４に記載の高周波電源装置。
- 前記直流電圧設定値は、前記高周波出力設定値の大きさに応じて、前記増幅部の効率を最大にする値に設定されている請求項１ないし８のいずれか１つに記載の高周波電源装置。
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