JP4473052B2 - 直流電源装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えばプラズマ発生装置に使用される直流電源装置に関する。

従来から、インバータ回路を用いた直流電源装置が知られている（特許文献１参照）。

かかる直流電源装置は、直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ回路と、このインバータ回路が出力する交流電圧を入力するトランスと、このトランスの二次側から出力される交流電圧を直流電圧に変換する整流回路とを備えている。

インバータ回路は、４つの第１〜第４スイッチング素子からなるフルブリッジ回路を形成するとともに、第１,第４スイッチング素子と第２,第３スイッチング素子とを交互にオン・オフすることにより直流電圧を交流電圧に変換する。

この交流電圧はトランスで昇圧され、この昇圧された交流電圧は整流回路により整流されて直流電圧として出力される。

ところで、プラズマ発生装置では、チャンバー内のガス流量によっては無負荷に近い状態となる場合がある。この場合、電流型インバータでは定電流インダクタ（コイルＬ１）のエネルギーが放出されるため、出力端子Ｓ１,Ｓ２に過電圧が発生する。

この過電圧を防止するために、図３に示すように出力端子Ｓ１,Ｓ２の電圧を検出する電圧検出回路１００と、この電圧検出回路１００が検出した電圧が所定以上の電圧になったときラッチ信号を出力するラッチ回路１０１と、このラッチ回路１０１がラッチ信号を出力したとき第１〜第４スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４の動作を停止させるゲートドライブ回路１０２とを設けたものが提案されている。
特開２００４−４０９６２号公報

しかしながら、このような直流電源装置にあっては、出力端子Ｓ１,Ｓ２の電圧を検出していることにより、チョークコイルＣＨのインダクタンスの影響を受けて検出遅れが生じる。このため、出力端子Ｓ１,Ｓ２の電圧が大きくなるときには、チョークコイルＣＨの前段の電圧（コンデンサＣａの電圧）はさらに大きな電圧となり、一次側のインバータ１０３の第１〜第４スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４や二次側の整流ダイオードＤａ〜Ｄｄに過大な電圧が印加され、最悪の場合、各素子の破損を招く虞がある。

このため、各素子の耐圧を大きくして対策していることにより、直流電源装置は高価なものになってしまうという問題があった。

この発明の目的は、各素子の耐圧を大きくする必要のない直流電源装置を提供することにある。

請求項１の発明は、直流電圧を断続して出力する主スイッチ素子と、この主スイッチ素子から出力される断続した直流電圧を受け電流源として動作する第１インダクタと、主スイッチ素子のオフ時にインダクタ電流を還流させるダイオードと、前記インダクタから出力される直流電圧を交流電圧に変換して出力する電流型のインバータと、このインバータが出力する交流電圧を入力するトランスと、このトランスの二次側から出力される交流電圧を整流する整流回路と、この整流回路から出力される整流電圧を平滑する第２インダクタを有する平滑回路とを備え、前記第１インダクタと主スイッチ素子とダイオードとで電流型降圧チョッパが構成され、前記インバータは、４つの第１〜第４スイッチング素子からなるフルブリッジ回路を形成するとともに、第１,第４スイッチング素子と第２,第３スイッチング素子とが交互にオン・オフすることにより前記交流電圧を出力し、前記主スイッチ素子のオン・オフを制御することにより前記第２インダクタから出力される直流電圧が調整されるようになっている直流電源装置であって、
前記整流回路から出力されて前記第２インダクタに入力される整流電圧を検出する電圧検出手段と、
この電圧検出手段が検出する検出電圧に基づいて第１〜第４スイッチング素子のオン・オフと前記主スイッチ素子のオン・オフを制御する制御装置とを設け、
この制御装置は、電圧検出手段が検出する検出電圧が予め設定した設定電圧より大きいとき、主スイッチ素子をオフし、第１〜第４スイッチング素子をオンにして、前記第１インダクタのエネルギーが前記トランスの一次コイルに流れ込むのを防止することを特徴とする。

請求項２の発明は、前記電圧検出手段が検出する検出電圧が予め設定した設定電圧より大きいときラッチ信号を出力するラッチ回路と、
前記ラッチ信号により計時を開始するタイマとを設け、
前記制御装置は、ラッチ回路がラッチ信号を出力したとき、主スイッチ素子をオフし、第１〜第４スイッチング素子をオンし、
前記タイマは所定時間を計時したとき前記ラッチ回路をリセットすることを特徴とする。

請求項３の発明は、前記制御装置は、前記ラッチ回路がリセットされたとき主スイッチ素子をソフトスタートさせることを特徴とする。

この発明によれば、第１〜第４スイッチング素子や整流回路の素子の耐圧を大きくする必要がない。

以下、この発明に係る直流電源装置の実施例を図面に基づいて説明する。

図１はプラズマ発生装置１に使用される直流電源装置１０の構成を示した回路図であり、図１において、１１は三相交流の交流電圧を全波整流して平滑する整流回路である。この整流回路１１は６つのダイオードＤ１〜Ｄ６とコンデンサＣ１とから構成されている。

１２は整流回路の出力電圧（直流電圧）を断続して出力する主スイッチ素子、１３は主スイッチ素子１２からの断続した直流電圧を受けて電流源として動作するチョークコイル（第１インダクタ）、１４は主スイッチ素子１２のオフ時にチョークコイル１３へ電流（インダクタ電流）を流す、すなわち還流させるダイオードである。そして、主スイッチ素子１２とチョークコイル１３とダイオード１４とで電流源として動作する電流型降圧チョッパが構成されている。なお、ここでは電流型降圧チョッパを構成しているが、必ずしもこれに限るものではなく、昇圧チョッパや昇降圧チョッパを構成するものでもよい。

２０は主スイッチ素子１２から出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータであり、このインバータ２０は４つの第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４からなるフルブリッジ回路を形成している。すなわち、直列接続された第１,第２スイッチング素子Ｑ１,Ｑ２と、直列接続された第３,第４スイッチング素子Ｑ３,Ｑ４とが並列接続されている。

１５はトランスであり、このトランス１５の一次側にはインバータ２０から出力される交流電圧が入力される。トランス１５の二次側には整流回路３０が接続されている。

整流回路３０は、トランス１５の二次側から出力される交流電圧を整流する４つのダイオードＤ７〜Ｄ１０から構成されている。

４０は平滑回路であり、この平滑回路４０は整流回路３０から出力される整流電圧を平滑するコンデンサ４１とチョークコイル（第２インダクタ）４２とから構成されている。そして、チョークコイル４２から出力される直流電圧がプラズマ発生装置１に供給される。

５０は整流回路３０の整流電圧を検出する電圧検出回路（電圧検出手段）、５１は電圧検出回路５０が検出する電圧に基づいて主スイッチ素子１２と第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン・オフを制御する制御装置、５２は電圧検出回路５０が検出する電圧が予め設定した設定電圧Ｖｆ（図示せず）を越えたときラッチ信号を出力するラッチ回路、５３はラッチ回路５２がラッチ信号を出力したとき計時を開始するタイマである。このタイマ５３は計時時間が所定時間に達するとリセット信号を出力してラッチ回路５２をリセットする。

制御装置５１は、ラッチ信号を入力すると主スイッチ素子１２をオフさせ、第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をオンさせるようになっている。また、ラッチ回路５２がリセットされると、制御装置５１は主スイッチ素子１２のオン・オフの動作をソフトスタートさせる。
［動 作］
次に、上記のように構成される直流電源装置１０の動作を図２に示すタイムチャートを参照しながら説明する。

制御装置５１は、図２に示すように主スイッチ素子１２をＴ１周期毎にＴ２期間だけオンさせていく。また、インバータ２０のスイッチング素子Ｑ１,Ｑ４とスイッチング素子Ｑ２,Ｑ３とを交互にオン・オフさせていき、スイッチング素子Ｑ１,Ｑ４とスイッチング素子Ｑ２,Ｑ３はそれぞれＴａ周期毎にＴｂ期間だけオンされていく。そして、スイッチング素子Ｑ１,Ｑ４とスイッチング素子Ｑ２,Ｑ３とが同時にオンしている所定の期間が設定されている。

なお、降圧チョッパは電流型で動作するので、インバータ２０は常に電流経路が形成されるように制御される。

インバータ２０のスイッチング素子Ｑ１,Ｑ４とスイッチング素子Ｑ２,Ｑ３とが交互にオン・オフされることにより、インバータ２０から交流電圧Ｖａが図２に示すように出力されてトランス１５の一次側に入力される。そして、トランス１５の二次側の二次電圧Ｖｂが出力される。

この二次電圧Ｖｂは整流回路３０により整流され、整流回路３０から整流電圧Ｖｃとして出力される。

この整流電圧Ｖｃは平滑回路４０により平滑され、一定の直流電圧Ｖｄとなって平滑回路４０から出力される。すなわち、平滑回路４０から一定の電圧Ｖｄの直流電流（出力電流）Ｉが出力されることになる。この電圧Ｖｄの直流電流Ｉがプラズマ発生装置１へ供給されることになる。

そして、プラズマ発生装置１が無負荷に近い状態になると（時点ｔ１）、平滑回路４０からの出力電流Ｉが急激に減少する。この減少によりチョークコイル１３に蓄えられたエネルギーがトランス１５の一次巻線に流れ、トランス１５の二次巻線の電圧が巻数比に比例して上昇する。

すなわち、トランス１５の二次電圧Ｖｂが上昇する。この二次電圧Ｖｂの上昇により整流回路３０の整流電圧Ｖｃが上昇する。

この整流電圧Ｖｃは電圧検出回路５０により検出され、この検出された整流電圧Ｖｃが設定電圧Ｖｆを越えると（時点ｔ２）、すなわち過電圧が検出されるとラッチ回路５２がラッチ信号を出力し続ける。

制御装置５１は、ラッチ信号が出力されている間、主スイッチ素子１２をオフにするとともにスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をオンにする。主スイッチ素子１２のオフによりインバータ２０へ入力される直流電圧は停止され、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオンによりチョークコイル１３のエネルギーがトランス１５の一次巻線へ流れずに接地ラインＦ１へ流れていく。

このため、トランス１５の二次電圧Ｖｂが急激に減少していき、整流電圧Ｖｃが二次電圧Ｖｂの減少とともに減少していく。そして、整流電圧Ｖｃの減少により出力電圧Ｖｄは減少していき、速やかに出力電圧Ｖｄはゼロとなる（時点ｔ３）。

このように、整流電圧Ｖｃが設定電圧Ｖｆを越えると、出力電圧Ｖｄは減少して速やかにゼロとなるので、出力電圧Ｖｄが過電圧になってしまうことを防止することができる。

ところで、出力電圧Ｖｄ（出力端子Ｓ１,Ｓ２間の電圧）の過電圧を整流回路３０の整流電圧Ｖｃを検出することにより検出しているものであるから、チョークコイル４２のインダクタンスの影響による検出遅れが生じてしまうことがない。このため、出力電圧Ｖｄが過電圧になる前に、出力電圧Ｖｄが過電圧になることを確実に防止することができる。

しかも、検出遅れがないことにより、整流電圧Ｖｃが二次電圧スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４やダイオードＤ７〜Ｄ１０等の素子が破壊する破壊電圧になる前に、その破壊電圧より低い設定電圧Ｖｆで過電圧を検出することができ、このため素子の破壊を確実に防止することができる。このため、各素子の耐圧を大きくする必要がない。

他方、ラッチ回路５２がラッチ信号を出力すると、タイマ５３が作動して計時を開始していく。タイマ５３の計時が所定時間に達すると（時点ｔ４）、すなわちタイムアップするとタイマ５３がリセット信号を出力し、ラッチ回路５２はリセットされてラッチ信号の出力を停止する。

制御装置５１は、ラッチ回路５２のラッチ信号の出力が停止されると、主スイッチ素子１２をＴ１周期毎にオンさせていき、このオンしている時間Ｔｆを徐々に長くしていくソフトスタートを行うとともに、インバータ２０のスイッチング素子Ｑ１,Ｑ４とスイッチング素子Ｑ２,Ｑ３とを交互にオン・オフさせていく。

これらにより、出力電圧Ｖｄや出力電流Ｉは徐々に増加していき、プラズマ発生装置１に供給されていく。

ソフトスタートにより、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４やダイオードＤ７〜Ｄ１０等の素子の電圧や電流が急激に増加しない。このため、各素子にストレスがかからない。

この発明に係る直流電源装置の構成を示した回路図である。 直流電源装置の動作を示したタイムチャートである。 従来の直流電源装置の構成を示した回路図である。

符号の説明

１２ 主スイッチ素子
１３ チョークコイル（第１インダクタ）
１４ ダイオード
１５ トランス
２０ インバータ
３０ 整流回路
４２ チョークコイル（第２インダクタ）
５０ 電圧検出回路（電圧検出手段）
５１ 制御装置
Ｑ１,Ｑ２ 第１,第２スイッチング素子
Ｑ３,Ｑ４ 第３,第４スイッチング素子

Claims (3)

1. 直流電圧を断続して出力する主スイッチ素子と、この主スイッチ素子から出力される断続した直流電圧を受け電流源として動作する第１インダクタと、主スイッチ素子のオフ時にインダクタ電流を還流させるダイオードと、前記インダクタから出力される直流電圧を交流電圧に変換して出力する電流型のインバータと、このインバータが出力する交流電圧を入力するトランスと、このトランスの二次側から出力される交流電圧を整流する整流回路と、この整流回路から出力される整流電圧を平滑する第２インダクタを有する平滑回路とを備え、前記第１インダクタと主スイッチ素子とダイオードとで電流型降圧チョッパが構成され、前記インバータは、４つの第１〜第４スイッチング素子からなるフルブリッジ回路を形成するとともに、第１,第４スイッチング素子と第２,第３スイッチング素子とが交互にオン・オフすることにより前記交流電圧を出力し、前記主スイッチ素子のオン・オフを制御することにより前記第２インダクタから出力される直流電圧が調整されるようになっている直流電源装置であって、
   前記整流回路から出力されて前記第２インダクタに入力される整流電圧を検出する電圧検出手段と、
   この電圧検出手段が検出する検出電圧に基づいて第１〜第４スイッチング素子のオン・オフと前記主スイッチ素子のオン・オフを制御する制御装置とを設け、
   この制御装置は、電圧検出手段が検出する検出電圧が予め設定した設定電圧より大きいとき、主スイッチ素子をオフし、第１〜第４スイッチング素子をオンにして、前記第１インダクタのエネルギーが前記トランスの一次コイルに流れ込むのを防止することを特徴とする直流電源装置。
2. 前記電圧検出手段が検出する検出電圧が予め設定した設定電圧より大きいときラッチ信号を出力するラッチ回路と、前記ラッチ信号により計時を開始するタイマとを設け、
   前記制御装置は、ラッチ回路がラッチ信号を出力したとき、主スイッチ素子をオフし、第１〜第４スイッチング素子をオンし、
   前記タイマは所定時間を計時したとき前記ラッチ回路をリセットすることを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
3. 前記制御装置は、前記ラッチ回路がリセットされたとき主スイッチ素子をソフトスタートさせることを特徴とする請求項２に記載の直流電源装置。

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