JP4498000B2 - Power supply - Google Patents
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Description
本発明は、真空中においてプラズマを利用するスパッタリング装置、あるいはエッチング装置、又は電子ビーム蒸着装置のような真空装置などの負荷装置における異常放電の発生を抑止、又は消滅させる機能を有する電力供給装置の改良に関する。 The present invention relates to a power supply device having a function of suppressing or eliminating the occurrence of abnormal discharge in a load device such as a sputtering device that uses plasma in a vacuum, or a vacuum device such as an etching device or an electron beam evaporation device. Regarding improvements.
従来、インバータ回路と、その出力を整流する整流器と、その出力を平滑するフィルタとを備えた直流電源に接続されるスパッタリング装置、あるいはエッチング装置、又は電子ビーム蒸着装置などのような真空を利用した真空装置のような負荷装置において、負荷装置の電極のインピーダンスが低下したり、あるいは導電性のごみなどが電極間を短絡することによって、プラズマの一時的な異常放電が発生したり、あるいは電子ビーム蒸着装置では高電位にあるフィラメントとその周囲に位置する電極との間で異常放電が生じる場合がある。 Conventionally, a sputtering device connected to a DC power source provided with an inverter circuit, a rectifier that rectifies the output, and a filter that smoothes the output, or a vacuum such as an etching device or an electron beam evaporation device is used. In a load device such as a vacuum device, the impedance of the electrode of the load device decreases, or a conductive dust or the like shorts between the electrodes, causing a temporary abnormal discharge of plasma, or an electron beam In a vapor deposition apparatus, abnormal discharge may occur between a filament at a high potential and an electrode located around the filament.
スパッタリング装置においては、異常放電が発生すると、スパッタリング中の液晶などの基板材料に欠陥を与え、製品の歩留まりが低下する問題がある。
また、電子ビーム蒸着装置では放電エネルギーによってフィラメントが断線する原因となる。
スパッタリング装置などの真空装置におけるこれらの異常放電対策としては、異常放電が発生するときに、真空装置を短絡して、直流電源内部のフィルタ用のコンデンサや、フィルタ用のインダクタなどが有するエネルギーを真空装置から側路し、処理中の液晶などの基板材料の損傷を防止するものがある(特許文献1参照)。
In the sputtering apparatus, when an abnormal discharge occurs, there is a problem that a substrate material such as a liquid crystal during sputtering is given a defect, resulting in a decrease in product yield.
In addition, in the electron beam evaporation apparatus, the filament breaks due to the discharge energy.
As a countermeasure against these abnormal discharges in a vacuum device such as a sputtering device, when the abnormal discharge occurs, the vacuum device is short-circuited, and the energy of the filter capacitor and the filter inductor in the DC power supply is vacuumed. There is one that bypasses the apparatus and prevents damage to the substrate material such as liquid crystal being processed (see Patent Document 1).
図9によって、特許文献1に開示された真空装置のような負荷装置へ電力を供給する従来の電力供給回路について説明する。図9において、交流電源30からの交流電力を所望の直流電圧に変換する直流電源31は、一般的なDC−DCコンバータ31Aの他に、その出力にフィルタ用のコンデンサ31B、フィルタ用のインダクタ31C、インダクタ31Cに並列接続された抵抗器31Dとダイオード31Eとを備える。抵抗器31Dとダイオード31Eとは、フィルタ用のインダクタ31Cのエネルギーを消費するための回路を構成する。直流電源31と前述のような真空装置である負荷装置32との間には、異常放電発生時に負荷装置32を短絡するためのクローバスイッチ33、負荷電流を検出する電流検出器34が備えられ、更に直流電源31のDC−DCコンバータ31Aにおけるインバータ回路(図示せず)を制御すると共に、クローバスイッチ33をオン、オフさせる制御回路35が備えられている。なお、スパッタリング、電子ビーム蒸着などの真空装置の高電圧側は負極性であり、正極のハウジングは通常接地される。
By Figure 9, it will be described conventional power supply circuit for supplying an electric power to a load device, such as a vacuum device disclosed in Patent Document 1. In FIG. 9 , a
一般的なこのような直流電源においては、フィルタ用のインダクタ31Cが数100μH〜数mHのインダクタンスを持っており、そして、そのインダクタンスが大きいほど電子ビーム又はプラズマ放電が安定し、異常放電に移行しにくいことが経験的に知られている。これは、インダクタンスの定電流作用により、微小な放電から本格的な異常放電に移行しにくいからである。 In such a general DC power source, the filter inductor 31C has an inductance of several hundreds μH to several mH, and as the inductance increases, the electron beam or plasma discharge becomes more stable and shifts to abnormal discharge. Experience is known to be difficult. This is because it is difficult to shift from minute discharge to full-scale abnormal discharge due to the constant current action of the inductance.
しかしながら、このような従来の電力供給装置にあっても、負荷装置32に異常放電が発生することがある。この場合には、電流検出器34によって検出される電流が過電流状態になるから、制御回路35は直流電源31のDC−DCコンバータ31Aをオフさせると同時に、クローバスイッチ33をオンさせ、負荷装置32を短絡する。これに伴い、クローバスイッチ33によって直流電源内部のエネルギー、コンデンサ31B、インダクタ31Cそれぞれのエネルギーが負荷装置32から側路されるから、負荷装置32における処理中の基板の損傷を防止できる。
However, even in such a conventional power supply device, abnormal discharge may occur in the load device 32. In this case, since the current detected by the
しかし、従来の真空装置の異常放電対策においては、休止時間を最小にして生産効率を上げることを最優先としており、休止時間を最小にして生産効率を上げるため、異常放電の消滅後、短時間で、つまり電流検出器34によって検出される電流がほぼ定格値になると、クローバスイッチ33を急激にオフさせる。したがって、フィルタ用のインダクタ31Cのインダクタンスの跳ね返り電圧などを含むサージ電圧がIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)、又はMOSFETからなるクローバスイッチ33の両端に加わり、これを破壊する危険性が高い。これを防ぐために、インダクタ31Cと並列に抵抗器31Dとダイオード31Eとが接続されており、抵抗器31Dとダイオード31Eとがインダクタ31Cのエネルギーを短時間で消費する。抵抗器31Dの抵抗値が高いほど前記エネルギーの消滅時間は短くなるが、クローバスイッチ33の過電圧は上昇する。また、この高い電圧によって、再び異常放電状態に移行することもあり、必ずしも生産性の向上につながらない場合もある。
However, in the conventional countermeasures against abnormal discharge of vacuum equipment, the top priority is to increase the production efficiency by minimizing the downtime. In order to increase the production efficiency by minimizing the downtime, a short time after the abnormal discharge disappears. In other words, when the current detected by the
また、抵抗器31Dの抵抗値が小さくなれば、サージ電圧は減少するが、フィルタ用のインダクタ31Cの定電流作用が減じられると共に、そのエネルギーの放出時間が長くなり、ダイオード31Eの電流持続期間が長くなり、大電流用のダイオードが必要となる。つまり、高コストのサージ対策が必要であり、信頼性が低下するにもかかわらず、電力損失を低減することができない。
Further, if the resistance value of the
更に、スパッタリングなどの真空装置におけるクローバスイッチ33の駆動上の問題点について述べると、真空装置の最初のトリガー、すなわちイグニション時に定常電圧よりも2倍程度も大きい電圧が印加されることによって、クローバスイッチ33が誤ってオンすると、定常時の予定された側路電流よりも大きな側路電流が流れ、破損する危険がある。特に、真空装置の最初のトリガー、すなわちイグニション直後、あるいは異常放電直後などにも正方向の電圧変化(いわゆるdV/dt)が加わり、MOSFET、IGBTからなるクローバスイッチ33が誤動作する危険がある。
Further, the problem of driving the
更にまた、従来のクローバスイッチ33のオンによる異常放電を消滅させる構成ではもう一つ問題がある。電力容量の比較的小さな電力供給装置に用いられるクローバスイッチ33であっても、電流が大きいため、その順方向ドロップは10V以上ある。クローバスイッチ33のオンによって、前述の通り、通常の異常放電は消滅するが、クローバスイッチ33の順方向ドロップによって、負荷4は10V以上の電圧で順バイアスされた状態になり、数Vのアーク、異常放電の場合に、異常放電を消滅させるのに不十分となる。スパッタリングなどの真空装置にあっては、このような低電圧異常放電の可能性もありうる。
本発明は、真空装置などにおける異常放電を消滅するための短絡用半導体スイッチを備える電力供給装置において、インダクタの定電流作用に悪影響を与えることなく、短絡用半導体スイッチの耐圧を必要最小限にするために、短絡用半導体スイッチをどの時点でオフさせるかということを一方の課題とし、また、短絡用半導体スイッチのオンの後に残る残留電圧を短絡用半導体スイッチのオンを利用していかに速やかにゼロもしくは反転させるかということを他方の課題とする。
The present invention minimizes the withstand voltage of a short-circuiting semiconductor switch without adversely affecting the constant-current action of the inductor in a power supply device including a short-circuiting semiconductor switch for eliminating abnormal discharge in a vacuum device or the like. Therefore, one of the issues is how to turn off the short-circuiting semiconductor switch, and how quickly the residual voltage remaining after the short-circuiting semiconductor switch is turned on can be zeroed using the on-state of the shorting semiconductor switch. Or the other issue is whether to invert.
前記課題を解決するために、第1の発明は、真空装置と、その真空装置に給電を行う直流電源と、前記真空装置に流れる電流の定電流作用を行うインダクタンスと、前記真空装置と並列に接続される短絡用半導体スイッチと、前記真空装置の異常放電を検出する異常放電検出回路と、その異常放電検出回路からの異常放電検出信号により前記短絡用半導体スイッチをオン、オフさせる駆動回路と、前記短絡用半導体スイッチと直列に接続されるコンデンサと、前記コンデンサを充電する充電用電源とを備え、前記異常放電の発生時、又は異常放電の発生を予知したときには前記短絡用半導体スイッチをオンさせ、前記コンデンサから前記真空装置に逆極性電圧を印加して前記異常放電を終止させる電力供給装置であって、前記コンデンサが逆極性に充電されるのを防ぐダイオードを、前記コンデンサと並列で、前記短絡用半導体スイッチの導通方向と同じ向きに接続し、前記真空装置の両端の電圧が、前記真空装置のイグニッション時に印加されるイグニッション電圧よりも低い定常放電電圧の上限値を越えるときには、前記短絡用半導体スイッチをオンさせない電圧インターロック回路を備え、前記短絡用半導体スイッチがオン状態にあるとき、前記短絡用半導体スイッチを流れる電流が、定格電流の10%以下に低下するときに、前記駆動回路は前記短絡用半導体スイッチをオフさせることを特徴とする電力供給装置を提供する。 In order to solve the above problems, a first aspect of the present invention, a vacuum device, a DC power supply for supplying power to the vacuum device, an inductance of performing constant-current action of the current flowing in the vacuum device, in parallel with the vacuum device a semiconductor switch connected Ru shorted, and the abnormal discharge detection circuit that detects abnormal discharge of the vacuum device, the abnormal discharge from the detection circuit abnormal discharge detection signal by turning on the semiconductor switch the short, a drive circuit for turning off, A capacitor connected in series with the short-circuiting semiconductor switch; and a charging power source for charging the capacitor . When the abnormal discharge occurs or when the occurrence of the abnormal discharge is predicted, the short-circuiting semiconductor switch is turned on. the a power supply device for terminating said abnormal discharge by applying a reverse polarity voltage to the vacuum device from the capacitor, the capacitor is reversed A diode that prevents charging is connected in parallel with the capacitor in the same direction as the conduction direction of the short-circuiting semiconductor switch, and the voltage across the vacuum device is applied when the vacuum device is ignited. A voltage interlock circuit that does not turn on the short-circuit semiconductor switch when an upper limit value of a steady discharge voltage lower than the ignition voltage is exceeded , and a current that flows through the short-circuit semiconductor switch when the short-circuit semiconductor switch is on However, when the current drops to 10% or less of the rated current, the drive circuit turns off the short-circuiting semiconductor switch.
第2の発明は、前記第1の発明に記載した電力供給装置において、前記短絡用半導体スイッチがオンしてから、前記短絡用半導体スイッチを流れる電流が、前記定格電流の10%以下に低下するまでの所定時間Tを予め求めてタイマー部に設定しておき、前記所定時間Tが経過するときに前記短絡用半導体スイッチをオフさせることを特徴とする電力供給装置を提供する。According to a second aspect of the present invention, in the power supply device described in the first aspect of the invention, after the shorting semiconductor switch is turned on, a current flowing through the shorting semiconductor switch is reduced to 10% or less of the rated current. The power supply device is characterized in that a predetermined time T until the time is obtained and set in a timer unit, and the short-circuiting semiconductor switch is turned off when the predetermined time T elapses.
第3の発明は、前記第1の発明に記載した電力供給装置において、前記短絡用半導体スイッチを流れる電流を検出する電流検出器を備え、該電流検出器で検出された電流が定格電流の10%以下に低下するときに、前記短絡用半導体スイッチをオフさせることを特徴とする電力供給装置を提供する。According to a third aspect of the present invention, in the power supply apparatus according to the first aspect of the present invention, the power supply device further includes a current detector that detects a current flowing through the short-circuiting semiconductor switch, and the current detected by the current detector is a rated current of 10. The power supply device is characterized in that the short-circuiting semiconductor switch is turned off when the voltage drops to below%.
第4の発明は、前記第1の発明ないし前記第3の発明のいずれかに記載した電力供給装置において、前記短絡用半導体スイッチはIGBT又はFETであり、該IGBT又はFETのコレクタ又はドレインとゲートとの間の静電容量の放電を防止するダイオードが前記コレクタ又はドレインと直列に接続されることを特徴とする電力供給装置を提供する。 According to a fourth aspect of the present invention, in the power supply device according to any one of the first to third aspects, the shorting semiconductor switch is an IGBT or a FET, and a collector or drain and a gate of the IGBT or FET. to provide power supply apparatus, wherein a diode for preventing being coupled to said collector or drain series discharge of the capacitance between the.
第5の発明は、前記第1の発明ないし前記第4の発明のいずれかに記載した電力供給装置において、前記異常放電検出回路は、前記負荷電圧の検出電圧が低下するときに異常放電の発生と判定するか、あるいは前記真空装置を流れる負荷電流が設定値よりも増大する場合に異常放電の発生と判定するか、若しくは前記負荷電圧が設定値よりも低下するときに異常放電の発生と判定するか又はこれらを組み合わせて判定するか、又は前記負荷電流が急激に増大、前記負荷電圧が急激に減少することによって、それらの変化率(1回微分)が設定値よりも大きな場合には異常放電の発生と判定するか、更には、前記負荷電流を2回微分した値が設定値よりも大きな場合には、異常放電発生の直前の状態であることを検出して異常放電の発生を予知するかのいずれかであることを特徴とする電力供給装置を提供する。According to a fifth aspect of the present invention, in the power supply device according to any one of the first to fourth aspects, the abnormal discharge detection circuit generates an abnormal discharge when the detection voltage of the load voltage decreases. Or when the load current flowing through the vacuum device increases above a set value, it is determined that an abnormal discharge has occurred, or when the load voltage falls below a set value, it is determined that an abnormal discharge has occurred. Or a combination thereof, or when the load current increases rapidly and the load voltage decreases rapidly, the rate of change (differential once) is larger than the set value. If it is determined that a discharge has occurred, or if the value obtained by differentiating the load current twice is larger than a set value, the occurrence of abnormal discharge is predicted by detecting the state immediately before the occurrence of abnormal discharge. Providing power supply device which is characterized in that either Luke.
前記第1の発明によれば、真空装置に異常放電が発生するとき、又はその発生を予知するときにオンさせて真空装置を短絡する短絡用半導体スイッチとして、耐圧の低い安価な半導体スイッチを用いることができる。また、短絡用半導体スイッチのオフ時に高い電圧が発生しないので、再び異常放電につながる危険性を解消することができる。また、点火電圧など設定値以上の高い電圧が印加されても、電力損失によって短絡用半導体スイッチが損傷又は破壊することがない。さらに、前記第1の発明によれば、低電圧異常放電を消滅させるために短絡用半導体スイッチがオンするときに、負荷装置に逆バイアス電圧を与えて、負荷装置を流れる電流を速やかにゼロにすることができる。また、簡単な回路構成でこのことを実現することができる。 According to the first aspect of the present invention, when the abnormal discharge occurs in the vacuum device, or as a short-circuit semiconductor switch which is turned on to short-circuit the vacuum device when to predict its occurrence, using a low inexpensive semiconductor switch breakdown voltage be able to. Further, since a high voltage is not generated when the short-circuiting semiconductor switch is turned off, it is possible to eliminate the risk of leading to abnormal discharge again. Further, even if a voltage higher than a set value such as an ignition voltage is applied, the short-circuiting semiconductor switch is not damaged or destroyed due to power loss. Further, according to the first invention, when the short-circuit semiconductor switch is turned on to extinguish the low voltage abnormal discharge, the reverse bias voltage is applied to the load device, and the current flowing through the load device is quickly made zero. can do. In addition, this can be realized with a simple circuit configuration.
前記第2の発明によれば、短絡用半導体スイッチをオンさせておく所定時間Tをタイマー回路に予め設定しておくだけでよいので、回路の簡素化が図れ、経済的に優位になる。According to the second aspect of the present invention, the predetermined time T for turning on the short-circuiting semiconductor switch only needs to be set in advance in the timer circuit, so that the circuit can be simplified and economically advantageous.
前記第3の発明によれば、短絡用半導体スイッチとして用いられるIGBT又はMOSFETが有するコレクタ又はドレインとゲート間の静電容量の放電をダイオードで防いでいるので、電力損失の低減が図れると共に、誤動作を防ぐこともできる。 According to the third aspect of the invention, since the diode or the IGBT or MOSFET used as the short-circuiting semiconductor switch prevents the electrostatic discharge between the collector and the drain and the gate, the power loss can be reduced and the malfunction is caused. Can also be prevented.
前記第4の発明によれば、短絡用半導体スイッチとして用いられるIGBT又はMOSFETが有するコレクタ又はドレインとゲート間の静電容量の放電をダイオードで防いでいるので、電力損失の低減が図れると共に、誤動作を防ぐこともできる。According to the fourth aspect of the invention, since the diode or the IGBT or MOSFET used as the short-circuiting semiconductor switch prevents the electrostatic discharge between the collector and the drain and the gate, the power loss can be reduced and the malfunction is caused. Can also be prevented.
前記第5の発明によれば、種々の異常放電発生の検出、又は予知のやり方を提供することができる。According to the fifth aspect of the present invention, various abnormal discharge occurrence detection or prediction methods can be provided.
[実施形態1]
図1によって、本発明の第1の実施形態に係る電力供給装置100について説明する。図1において、商用電源のような交流電源1からの交流電力を所望の直流電力に変換するDC−DCコンバータなどからなる直流電源2の出力端子間には、前述したようなクローバスイッチとして働く短絡用半導体スイッチ3が接続される。この短絡用半導体スイッチ3はIGBT又はMOSFETなどからなり、従来のものと同様である。そして、直流電源1と前記真空装置のような負荷装置4との間には、異常放電検出回路5が接続されている。
[Embodiment 1]
With reference to FIG. 1, a power supply apparatus 100 according to a first embodiment of the present invention will be described. In FIG. 1, a short circuit that acts as a crowbar switch as described above is provided between output terminals of a DC power source 2 such as a DC-DC converter that converts AC power from an AC power source 1 such as a commercial power source into desired DC power. The
この異常放電検出回路5は、負荷電圧の検出電圧の極性が反転するときに異常放電が発生したものと判定するもの、負荷装置を流れる負荷電流が設定電流値よりも増大する場合に異常放電と判定するもの、あるいは負荷装置の両端の負荷電圧が設定電圧値よりも低下するときに異常放電と判定するもの、これらを組み合わせたもの、又は前記負荷電流が急激に増大、負荷電圧が急激に減少することによって、それらの変化率(1回微分)が設定値よりも急峻な、つまり大きい場合には異常放電と判定するものなどがあり、更には前記負荷電流を2回微分した値が設定値よりも大きな場合には、異常放電発生の直前の状態であることを検出、つまり異常放電の発生を予知するものもある。
The abnormal
異常放電検出回路5は、前述のようにして異常放電を検出すると、異常放電検出信号を短絡用半導体スイッチ3の駆動回路6に出力する。この駆動回路6は、タイマー部7と駆動信号発生部8とからなる。タイマー部7は、この実施形態1では重要な役割を果たすものであり、前記異常放電検出信号を受けてから予め設定した所定時間Tが経過するまで、駆動信号発生部8にタイマー信号を送出する。駆動信号発生部8は、タイマー部7から前記タイマー信号を受けている前記所定時間Tの間だけオン駆動信号を短絡用半導体スイッチ3に送ってこれをオンさせ、前記タイマー信号の消滅とともにオフ駆動信号を短絡用半導体スイッチ3に送ってこれをオフさせる。
When the abnormal
前記所定時間Tは、次のようにして設定される。直流電源1には、図7に示したように、フィルタ用のインダクタが備えられている場合が多く、備えていない場合にも、図示しないDC−DCコンバータのトランスのインダクタンス、又は回路内の漏洩インダタンス、キャパスタンスが存在する。異常放電が発生することによって、短絡用半導体スイッチ3がオンすると、直流電源2の前記インダクタンス及びキャパシタンスに蓄えられた前述のエネルギーは循環電流となって短絡用半導体スイッチ3及び直流電源2を循環して流れ、直流電源の回路部品及び短絡用半導体スイッチ3の電力消費によって減衰する。
The predetermined time T is set as follows. As shown in FIG. 7, the DC power supply 1 is often provided with an inductor for a filter. Even when the inductor is not provided, the inductance of a transformer of a DC-DC converter (not shown) or leakage in a circuit is not provided. There are inductances and capances. When the short-
この循環電流が従来のように定格電流値に戻った時点で、短絡用半導体スイッチ3をオフさせると、定格電流値に戻ったとは言え、前記インダクタンスの働きによって短絡用半導体スイッチ3の両端に定格電圧の数倍も大きな電圧が印加されるので、この発明では、短絡用半導体スイッチ3を流れる電流が定格電流の10%以下、好ましくは実質的にゼロ近傍まで低下する最大時間を所定時間Tとする。この所定時間Tは各種実験から予め求められたものであり、数100μsの時間である。この所定時間Tを予めタイマー部7に設定しておく。なお、異常放電発生時には直流電源2の不図示のDC−DCコンバータは、内部で過電流を検出して、所定時間T経過後又はその前後の間でオフにされる。
なお、定格電流の10%以下であれば、短絡用半導体スイッチ3に簡単な小容量のスナバ回路を付加するだけで、前記インダクタンスによるサージ電圧を吸収することができる。
If the short-
If the rated current is 10% or less, the surge voltage due to the inductance can be absorbed only by adding a simple small-capacity snubber circuit to the short-
この実施形態1では、短絡用半導体スイッチ3を流れる循環電流が定格電流の10%以下、好ましくは実質的にゼロ近傍まで低下する所定時間Tを経過した後に、短絡用半導体スイッチ3をオフにするので、短絡用半導体スイッチ3の両端にはほぼ定格電圧程度が印加されるだけであり、したがって、従来のように定格電圧の2倍ないしは数倍も高い耐圧を持つ短絡用半導体スイッチを用いる必要は無く、経済的に有利である。また、従来のように短絡用半導体スイッチ3のオフ時に過度に高い電圧が発生しないので、異常放電の再発生につながる危険性を排除することができる。
In the first embodiment, the short-
なお、短絡用半導体スイッチ3を流れる循環電流の減衰が小さい、つまり、その循環電流が流れる閉回路の電力消費が小さい場合には、その閉回路に抵抗や複数のダイオードを直列に接続してもよい。ダイオードの場合には、短絡用半導体スイッチ3の直ぐ側に接続しても、循環電流による電圧の上昇は順方向ドロップ分だけであるために小さい。
When the circulation current flowing through the short-
[実施形態2]
次に図2により第2の実施形態である電力供給装置200について説明する。図2において、図1で用いた記号と同一の記号は同じ名称の部材を示すものとする。
実施形態2では、短絡用半導体スイッチ3を流れる循環電流を検出する電流検出器9と、電流検出器9により検出される循環電流の電流値が定格電流の10%以下、好ましくは実質的にゼロ近傍まで低下したか否かを識別する判定回路10とを備えている。この電力供給装置200において、短絡用半導体スイッチ3のオン動作、その働きについては、実施形態1と同じであるので説明を省略する。
[Embodiment 2]
Next, a power supply apparatus 200 according to the second embodiment will be described with reference to FIG. 2, the same symbols as those used in FIG. 1 indicate members having the same names.
In the second embodiment, the
判定回路10は、電流検出器9からの電流検出信号が減少傾向を呈するか否かを検出すると共に、前記電流検出信号と設定値とを比較し、その電流検出信号が減少傾向、つまり右下がりにあって、かつ設定値以下になるときに開信号を駆動回路6に送出する。ここで、判定回路10の前記設定値は、定格電流の10%以下、つまり定格電流の1/10以下に相当する値である。駆動回路6は、判定回路10から前記開信号を受けるときに、オフ駆動信号を短絡用半導体スイッチ3に与え、これをオフさせる。
The
この実施形態2においても、異常放電の発生の際に短絡用半導体スイッチ3と直流電源2とを循環する循環電流が、定格電流の10%以下のある値の設定値以下に低下する時点で、短絡用半導体スイッチ3をオフさせるので、短絡用半導体スイッチ3には過度に大きな電圧は印加されず、したがって、従来のように定格電圧の2倍ないしは数倍も高い耐圧を有するIGBT又はMOSFETを用いる必要は無く、経済的に有利である。また、従来のように短絡用半導体スイッチ3の両端に過度に高い電圧が発生しないので、異常放電の再発につながることがない。
Also in the second embodiment, when the circulating current that circulates between the short-
[実施形態3]
次に、図3により本発明の第3の実施形態に係るより具体的な構成の電力供給装置300について説明する。電力供給装置300を示す図3において、図1及び図2で用いた記号と同一の記号については同じ部材を示すものとする。
この第3の実施形態は、アーク放電のような異常放電の発生確率が低いことに着目し、最低限の電力損失とコストで最大の信頼性を得ることのできる電力供給装置を提供するものである。
直流電源2は、交流電源1からの交流電源を整流し、平滑する整流・平滑回路2A、直流電圧を高周波交流電圧に変換する一般的なインバータ回路2B、昇圧用トランス2C、整流回路2D、フィルタを構成するコンデンサ2Eとインダクタ2F、及びインバータ回路2Bを制御する制御回路2Gで構成されている。
[Embodiment 3]
Next, a more specific configuration of the power supply apparatus 300 according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 3 showing the power supply apparatus 300, the same symbols are used for the same symbols as those used in FIG. 1 and FIG.
This third embodiment pays attention to the low probability of occurrence of abnormal discharge such as arc discharge, and provides a power supply device capable of obtaining maximum reliability with minimum power loss and cost. is there.
The DC power source 2 includes a rectifying /
短絡用半導体スイッチ3としてIGBTを用いており、その主端子の一方であるコレクタ端子と直列に、IGBTのコレクタ−ゲート間の静電容量の充電電圧の放電を防止するためのダイオード11を接続している。このダイオード11の働きについては、駆動回路6の具体例を示す図4などを用いて後で説明する。
An IGBT is used as the short-
駆動回路6は実施形態1で説明したタイマー部7と絶縁駆動信号発生部8’とからなる。この電力供給装置300では、負荷装置4がスパッタ装置、エッチング装置、電子ビーム蒸着装置などの真空装置であり、タイマー部7の出力電位は低く、その電位に比べて短絡用半導体スイッチ3の制御端子の電位は高くなるので、タイマー部7の出力と短絡用半導体スイッチ3の制御端子との間を電気的に絶縁できる絶縁駆動信号発生部8’を用いている。絶縁駆動信号発生部8’については、その一例を後で詳しく述べる。
The drive circuit 6 includes the
異常放電検出回路5は、正常時には負荷装置の電圧を検出する電圧検出回路を構成する高電圧抵抗器5Aとこれに直列接続された電圧検出用抵抗器5Bと高電圧抵抗器5Aに並列接続された電圧検出コンデンサ5C、及び検出された電圧が正常か、あるいは異常かを判別し、異常のときには異常検出信号を駆動回路6に出力する判別回路5Dで構成される。この判別回路5Dは、検出電圧の極性が反転したときに異常放電が発生したものと判定する。
The abnormal
次に、電力供給装置300の動作について説明する。負荷装置4が正常な状態にあれば、負荷電圧検出信号が極性反転しないので、異常放電検出回路5は異常検出信号を出力せず、したがって、駆動回路6は短絡用半導体スイッチ3をオンさせず、また、制御回路2Gに停止信号を与えない。この状態では、制御回路2Gは通常の制御動作を行い、インバータ回路2Bは通常の動作を行って負荷装置4に直流電力を供給する。このとき、検出用コンデンサ5Cは図示した極性に充電されている。
Next, the operation of the power supply device 300 will be described. If the
直流電源1から負荷装置4としての真空装置に電流が供給されているとき、真空装置4にアーク放電のような異常放電が発生すると、真空装置4は低インピーダンス状態になるので、検出用コンデンサ5Cの図示した極性の電荷は、抵抗5B、真空装置4を通して放電される。
この放電電流iは、抵抗器5Bを図示矢印方向に流れ、抵抗器5Bの両端の電圧の極性を反転する。抵抗器5Bには、接地からみて正極性の電圧が発生する。判別回路5Dは、検出電圧の極性が反転したことを検出すると、異常放電が発生したと判定し、異常放電検出信号を駆動回路6のタイマー部7に出力する。
When a current is supplied from the DC power source 1 to the vacuum device as the
This discharge current i flows through the
この過渡的な状態についてもう少し詳しく説明すると、前記異常放電が発生したとき、異常放電検出回路の検出遅れと、インバータ回路2Bのオフ時間遅れと、短絡用半導体スイッチ3のオン時間遅れとの間、直流電源1はインダクタ2Fを通して真空装置4で短絡され、インダクタ2Fの電流が増加する。
しかし、その後直ぐに短絡用半導体スイッチ3がオンし、インバータ回路2Bがオフするので、直流電源1の内部コンデンサ2Eのエネルギー、インダクタ2Fのエネルギーの大部分は、短絡用半導体スイッチ3、直流電源1の整流回路2Dを通して循環し、それらの回路損失で消費される。
This transient state will be described in more detail. When the abnormal discharge occurs, the detection delay of the abnormal discharge detection circuit, the delay of the off-time of the
However, immediately after that, the short-
前に戻って説明すると、タイマー部7は、この異常放電検出信号を受けてから予め設定された前記所定時間Tに等しいパルス幅を持つ信号を絶縁駆動信号発生部8’に入力する。この所定時間Tは、実施形態1で述べたのと同じ時間であるので、説明を省略する。絶縁駆動信号発生部8’は、所定時間Tに等しいパルス幅を持つ信号をタイマー部7から受けると、所定時間Tだけ短絡用半導体スイッチ3をオンさせ、所定時間Tが経過すると、短絡用半導体スイッチ3をオフさせる。
Returning to the description, the
他方、タイマー部7は、この異常放電検出信号を受けて、ほぼ所定時間Tの経過後に絶縁駆動信号発生部8’に信号を出力するのと同時に、制御回路2Gに停止信号を与える。制御回路2Gは、この停止信号を受けると、インバータ回路2Bをオフにし、電力の供給を停止する。ここで、半短絡用半導体スイッチ3のオフが先で、インバータ回路2Bのオンが後であることは望ましいが、それらのオンの順序を逆にすることもできる。
On the other hand, the
前にも述べたように、所定時間Tが経過すると、短絡用半導体スイッチ3、インダクタ2F、直流電源2の整流回路2Dからなる閉回路を流れる循環電流は、定格電流の10%以下に低下しているので、所定時間Tが経過した時点で短絡用半導体スイッチ3をオフしても、短絡用半導体スイッチ3には過度な電圧が印加されることは無く、定格電圧程度の電圧が印加されるだけである。したがって、従来に比べて耐圧の低いIGBT又はFETのような短絡用半導体スイッチ3を用いることができる。
また、短絡用半導体スイッチ3の両端間に高電圧が発生しないので、すぐにアーク放電のような異常放電が再発することもない。したがって、この実施形態では、アーク放電のような異常放電の発生確率が低いことに着目し、最低限の電力損失、コストでもって、最大の信頼性を得ることのできる電力供給装置を実現できる。
As described above, when the predetermined time T elapses, the circulating current flowing through the closed circuit including the short-
In addition, since a high voltage is not generated between both ends of the short-
更に、この実施形態では、負荷装置4の異常放電時に、インダクタ2Fなどのインダクタンスのエネルギーを、インダクタンス自身の損失、短絡用半導体スイッチ3の損失、直流電源内の整流回路2Dの損失によって所定時間内で消費させる。これらの各部品は、もともと定格電流を流せる能力をもつので、このような定格電流の数倍以下の、短時間の過電流には十分に耐える能力を持つ。通常、所定時間は数100μs以下であり、異常放電後に直流電源を所定時間以上、例えば1ms休止して、再度1ms程度で立ち上げれば、過負荷時間比率は10%程度であり、十分に熱的に耐えることができる。特に、従来のように抵抗器又は抵抗器とダイオードの直列回路などをインダクタ2Fに並列接続しないので、部品点数も減少し、正常運転時のインダクタンスの定電流作用を減じることがなく、安定なプラズマ放電を実現できる。
Furthermore, in this embodiment, during the abnormal discharge of the
更にまた、ダイオード11は、短絡用半導体スイッチ3がIGBT又はFETであるとき、IGBTのコレクタ−ゲート間の静電容量がコレクタ電圧の変動によって放電、充電されるのを防ぐものである。ダイオード11の働きを詳述するために、短絡用半導体スイッチ3としてIGBTを用い、そのIGBTを駆動する絶縁駆動信号発生部8’の1例を図4に示して説明する。一般に、短絡用半導体スイッチとして用いられる一般的なIGBT3は、コレクタ3cとゲート3gとの間に静電容量Cを有する。このコレクタ−ゲート間静電容量Cは数nFとかなり大きい。なお、3eはエミッタである。
Furthermore, the
絶縁駆動信号発生部8’は、タイマー部7と絶縁駆動信号発生部8’との間を電気的に絶縁するパルストランス又はフォトカプラなどからなる信号絶縁回路8’A、ハイサイドのNPNトランジスタ8’B、これに直列接続されたローサイドのPNPトランジスタ8’Cで概略構成される。
信号絶縁回路8’Aを介してタイマー部7から前記所定時間Tの幅を有する正のパルス信号が印加されると、ハイサイドのNPNトランジスタ8’Bがオン、ローサイドのPNPトランジスタ8’Cはオフであり、駆動電源電圧の15VがIGBT3のゲート端子に印加され、IGBT3がオンする。
次に、前記所定時間Tの経過に伴ってパルス信号が無くなり、NPNトランジスタ8’Bがオフ、PNPトランジスタ8’Cがオンし、IGBT3のゲート端子の電圧は0Vとなって、IGBT3がオフする。
The insulation
When a positive pulse signal having a width of the predetermined time T is applied from the
Next, as the predetermined time T elapses, the pulse signal disappears, the NPN transistor 8'B is turned off, the PNP transistor 8'C is turned on, the voltage at the gate terminal of the
ダイオード11が無い状態で、IGBT3がオフしているときに、コレクタ3cの電圧が減少方向に電圧変化すると、コレクタ−ゲート間の静電容量Cの充電電荷は放電され、その電圧は低下し、その状態で、コレクタ3cの電圧が再び増大方向に電圧変化(いわゆるdV/dt)する。その電圧変化が大きいと、充電電流も大きくなり、静電容量Cを通してゲート回路に大きな充電電流が流れ込み、誤ってオンすることがある。すなわち、不要な時に、クローバスイッチであるIGBT3がオンすることがあり、また、スパッタリングの点火電圧時に誤オンすると、過大電流が流れ、過剰な電力損失によってIGBT3などが破損する危険がある。
When the voltage of the collector 3c changes in the decreasing direction when the
しかし、この実施形態3では、クローバスイッチであるIGBT3の一方の主端子であるコレクタ3cに直列にダイオード11を接続しているので、図5に示すように、コレクタ3cの電圧(実線で示された曲線A)が減少方向に電圧変化しても、ダイオード11によってコレクタ−ゲート間静電容量Cの充電電荷は放電されないので、IGBT3がオンした直後の充電電圧が低い場合を除き、コレクタ−ゲート間静電容量Cの電圧(鎖線で示された曲線B)は高い状態に保持され、したがって、大きな充電電流が流れることが無いからIGBT3が誤動作することはない。このことが、更に電力供給装置300の信頼性を向上させている。
However, in the third embodiment, since the
[実施形態4]
次に、図6によって本発明の第4の実施形態である電力供給装置400について説明する。図6において、図4で用いた記号と同一の記号は同じ部材を示すものとする。第4の実施形態は、異常放電検出回路5の有効な回路構成の一例を示すものである。
異常放電検出回路5は、直流電源2の出力端子に直列に接続され、直流電源2から負荷装置へ向かう電流が流れる1次巻線n1とこの1次巻線n1に電磁的に結合された2次巻線n2とを有するインダクタ5Gと、2次巻線n2に直列に接続されたダイオード5Hと、2次巻線n2の両端の電圧とほぼ等しい電圧がかかる抵抗5Iと、基準電圧を発生する基準電圧源5Jと、抵抗5Iの電圧と前記基準電圧とを比較して、抵抗5Iの電圧が前記基準電圧よりも高いときにHレベルの信号を出力するコンパレータ5Kとからなる。コンパレータ5KのHレベルの出力信号は、駆動回路6のタイマー部7に入力される。ここで、インダクタ5Gは第3の実施形態である電力供給装置300における直流電源2のインダクタ2Fに2次巻線を設けたものでも良いし、前記インダクタ2Fとは別途に設けたインダクタであって、負荷電流を安定させるインダクタンスを呈するものであってもよい。
[Embodiment 4]
Next, a power supply device 400 according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 6, the same symbols as those used in FIG. 4 indicate the same members. The fourth embodiment shows an example of an effective circuit configuration of the abnormal
The abnormal
次に、動作について説明する。負荷装置4が前述のような真空装置であるとすると、定常の状態ではプラズマ放電が発生しており、この定常のプラズマ放電ではインダクタ5Gの1次巻線n1に流れる負荷電流はほぼ一定であるので、インダクタ5Gの両端、すなわち、その2次巻線n2の両端には有効な電圧が発生しない。したがって、抵抗5Iの電圧は基準電圧源5Jの基準電圧よりも低く、コンパレータ5Kは出力信号を出力しない。
Next, the operation will be described. Assuming that the
負荷装置4に異常放電であるアーク放電が発生すると、直流電源2の出力電圧はほぼすべてインダクタ5Gに印加され、インダクタ5Gの1次巻線n1には黒点側を正とする電圧が現出する。負荷装置4がスパッタリング装置の場合には、直流電源2の出力電圧は一般的に400V程度であり、インダクタ5Gの1次巻線n1と2次巻線n2との巻数比が40対1とすると、2次巻線n2には約10Vの電圧が発生する。この電圧は、ダイオード5Hを通して抵抗5Iとコンパレータ5Kの非反転(+)端子に印加される。コンパレータ5Kは、非反転端子に印加された約10Vの電圧と基準電圧源5Jから反転(−)端子に印加される5V程度の基準電圧とを比較し、異常放電の発生を示すHレベルの出力信号を駆動回路6のタイマー部7に与える。
When arc discharge, which is abnormal discharge, occurs in the
タイマー部7は、前述と同様に、コンパレータ5KからHレベルの出力信号を受けた時点から前記所定時間Tに等しいパルス幅を持つタイマー信号を絶縁駆動信号発生部8’に与え、絶縁駆動信号発生部8’はFETのような短絡用半導体スイッチ3を前記所定時間Tだけオンさせる。それと同時に、直流電源2の前述のような制御回路にも前記タイマー信号を与え、直流電源2を前記所定時間Tだけオフさせる。前記タイマー信号が前記所定時間Tの経過に伴い消失すると、再び、短絡用半導体スイッチ3はオフになり、直流電源2はオンする。この実施形態でも、短絡用半導体スイッチ3がオフする時点では、短絡用半導体スイッチ3を流れる電流が、定格電流の10%以下に低下しているので、そのオフ時に過度な電圧が印加されることはない。なお、この異常放電検出回路はさまざまな装置に使用することができ、有意義な回路である。
In the same manner as described above, the
[実施形態5]
次に、図7によって本発明の第5の実施形態である電力供給装置500について説明する。図7において、図4で用いた記号と同一の記号は同じ部材を示すものとする。この電力供給装置500は、タイマー部7と絶縁駆動信号発生部8’との間に、負荷電圧が定格電圧よりも高い所定の設定電圧値よりも高いときには短絡用半導体スイッチ3をオンさせない電圧インターロック回路12を備える。この電圧インターロック回路12は、例えば、タイマー部7と絶縁駆動信号発生部8’との間に直列接続されているFETのようなスイッチ素子(不図示)、又はタイマー部7と絶縁駆動信号発生部8’との接続点と接地との間に接続されているスイッチ素子(不図示)を備え、負荷電圧の検出電圧が設定電圧値以上のときには、前記スイッチ素子がオフ又はオンして、タイマー部7が出力する信号を遮断し、絶縁駆動信号発生部8’に伝達しない。
したがって、負荷電圧の検出電圧が設定値以上のときには、電圧インターロック回路12の働きによって、絶縁駆動信号発生部8’は駆動信号を発生しない。また、直流電源2は負荷電流を検出する電流検出器2Hを備えると共に、過電流発生時にはインバータ回路2Bを停止させるための過電流検出遮断回路2Iを制御回路2G内に備える。ここで、電流検出器2Hは電流制限を行う電流制限抵抗器を兼用してもよい。
[Embodiment 5]
Next, a power supply apparatus 500 according to the fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 7, the same symbols as those used in FIG. 4 indicate the same members. This power supply device 500 has a voltage interface between the
Therefore, when the detection voltage of the load voltage is equal to or higher than the set value, the insulated
次に、電力供給装置500の動作については、電力供給装置300と異なる部分を説明する。負荷装置4が正常に放電しているときには、負荷電圧は定格電圧にあり、また、負荷装置4に異常放電が発生すると、前述から明らかなように、負荷電圧は当然に定格電圧よりも低下するので、電圧インターロック回路12は、タイマー部7からの信号をそのまま絶縁駆動信号発生部8’に伝達する。したがって、絶縁駆動信号発生部8’は、異常放電時にはオン駆動信号を短絡用半導体スイッチ3に供給し、前述のように所定時間Tだけ短絡用半導体スイッチ3をオンさせる。したがって、正常放電時、異常放電時においては、電圧インターロック回路12を設けた影響はまったくない。この作用、効果については前記実施形態で述べたとおりであるので、説明を省略する。
Next, the operation of the power supply apparatus 500 will be described with respect to differences from the power supply apparatus 300. When the
逆に、負荷装置4がイグニションする前に、負荷装置4の電圧が定格電圧よりも高い設定電圧を越えると、電圧インターロック回路12は、前記スイッチ素子(不図示)がオフすることによって、タイマー部7と絶縁駆動信号発生部8’との間を切断するか、あるいは前記スイッチ素子(不図示)がオンすることによって、タイマー部7と絶縁駆動信号発生部8’との接続点を接地点に短絡することによって、タイマー部7からの信号が絶縁駆動信号発生部8’に伝達されるのを防止する。したがって、負荷電圧が所定の設定電圧値以上の状態にあるときは、短絡用半導体スイッチ3はオンしない。
On the contrary, if the voltage of the
このことは、短絡用半導体スイッチ3の保護の面から大切である。電力損失は、短絡用半導体スイッチ3に印加される電圧とそれを流れる電流との積で決まるので、電圧の大きな状態で、短絡用半導体スイッチ3をオンさせると、電力損失が非常に大きくなり、定格時よりも大幅に大きな電力量を有する短絡用半導体スイッチ3を用いなくてはならなくなる。これは本発明の基本的な技術思想にそぐわなくなる。
This is important from the viewpoint of protection of the short-
一例として、負荷装置4が真空装置の場合には、点火(イグニション)電圧、例えば1200Vの点火電圧によって、短絡用半導体スイッチ3が誤ってオンすると、短絡用半導体スイッチ3であるIGBT又はMOSFETを破損する可能性が高いので、真空装置の電圧、負荷電圧が定常放電電圧の上限、例えば800Vよりも高い電圧では、電圧インターロック回路12は絶縁駆動信号発生部8’がオン駆動信号を出力するのを抑止する。
As an example, when the
また、この電力供給装置500では、電力供給装置300と違って、タイマー部7からオフ信号を直流電源1に送る必要がない。その代わり、直流電源2のリターン回路に設けた電流検出器2Hによって検出された電流検出信号が設定値よりも大きく、過電流状態になったときには、制御回2Gの過電流遮断回路2Iが働くことによって、制御回路2Gはインバータ回路2Bを直ぐに停止させ、前記所定時間T以上の期間、インバータ回路2Bを停止状態とする。
電流検出器2Hが前述のように、電流制限抵抗器を兼ねるものである場合には、短絡用半導体スイッチ3がオンしたときに、フィルタ用のコンデンサ2E、インダクタ2Fのエネルギーを消費するので、短絡用半導体スイッチ3と直流電源2とを循環する電流の減衰が大きく、短時間で短絡用半導体スイッチ3をオフにすることができる。
Further, in the power supply device 500, unlike the power supply device 300, it is not necessary to send an off signal from the
When the
すなわち、この電力供給装置500では、短絡用半導体スイッチ3側の回路と直流電源2との間で信号のやりとりすることなく、異常放電を消滅できるので、直流電源2のオプションとして既納品に後から追加できる利点がある。また、異常放電しやすい真空装置の場合、あるいは液晶用のスパッタリング装置などのように異常放電を極力避けなければならない用途など、必要に応じて直流電源2に後付けできる利点がある。なお、直流電源2自体に前述の異常放電検出回路5と同様な異常放電検出回路を別個設け、その異常放電検出回路で異常放電を検出して直流電源2のインバータ回路を停止することもできる。
That is, in this power supply device 500, abnormal discharge can be eliminated without exchanging signals between the circuit on the short-
[実施形態6]
次に、図8によって本発明の第6の実施形態である電力供給装置600について説明する。図8において、図7で用いた記号と同一の記号は同じ部材を示すものとする。以上の実施形態で説明したように、異常放電検出回路5によって異常放電が発生したことが検出されたとき、又は異常放電の発生が予知されたときには、駆動回路6が短絡用半導体スイッチ3をオンさせるが、一般的に短絡用半導体スイッチ3は数V以上の順方向ドロップを有するので、短絡用半導体スイッチ3がオンした状態でも、負荷装置4の両端の電圧は短絡用半導体スイッチ3の順方向ドロップとダイオード11の順方向ドロップとの和の電圧に等しい電圧値、例えば10V以下には低下しない。そして、短絡用半導体スイッチ3のオンによって通常の異常放電が消滅するとはいえ、その直後には異常放電によって生成されたイオンが残留しているので、負荷は未だ比較的低インピーダンス状態にあり、10V程度の電圧では低電圧異常放電を消滅できない可能性もある。実施形態6ではこの低電圧異常放電電圧を速やかに反転することを目的にしている。
[Embodiment 6]
Next, a power supply apparatus 600 according to the sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 8, the same symbols as those used in FIG. 7 indicate the same members. As described in the above embodiment, when the abnormal discharge is detected by the abnormal
実施形態6の電力供給装置600では、短絡用半導体スイッチ3のアノード側に直列にコンデンサ21を接続し、短絡用半導体スイッチ3の導通方向と同方向に向けたダイオード22を、コンデンサ21と並列に接続する。コンデンサ21の両端には、必要に応じて接続される保護用抵抗23を介して充電用電源24が接続される。この充電用電源24は、コンデンサ21を図示極性、つまり直流電源2の出力電圧の極性とは逆の極性に充電する。その充電電圧の大きさは、これに制限されるものでないが、例えば、負荷装置4の定常放電電圧の10%以下である。通常、真空装置にあっては負荷装置4のプラズマ放電電圧は200〜800Vであるから、充電用電源24の出力電圧は、プラズマ放電電圧に応じて20〜80Vに設定される。充電用電源24の出力電圧は、固定の値であっても良いし、プラズマ放電電圧に応じて自動的に変更される電圧であっても良い。この実施形態6では50Vとする。
In the power supply device 600 of the sixth embodiment, the
ここで、コンデンサ21、ダイオード22、保護用抵抗23、及び充電用電源24は、負荷装置4に逆バイアス電圧を与える負荷逆バイアス用電源を構成する。また、充電用電源24は、詳細な回路構成については図示しないが、商用電源電圧を所望の電圧に変換するトランスと、その交流電圧を整流する整流回路とからなる簡単な回路構成のもの、あるいはトランス2Cに不図示の別巻線を設けると共に、その交流電圧を所望の直流電圧に変換する通常の構成の整流回路を前記別巻線に接続したものなど種々の構成が考えられ、一般的な構成の充電回路であれば良い。
Here, the
次に、この実施形態の電力供給装置600の動作について説明する。電力供給装置600の動作は、前記負荷逆バイアス用電源の動作を除いて電力供給装置500の動作と同じである。負荷装置4が正常に動作しているときには、前述したように短絡用半導体スイッチ3はオフ状態にあり、コンデンサ21は充電用電源24によって50Vに充電されている。この状態で、今、負荷装置4に異常放電が発生すると、この異常放電の発生を異常放電検出回路5が検出して異常放電検出信号を駆動回路6に送出する。駆動回路6は、前記異常放電検出信号を受けると、短絡用半導体スイッチ3を即座にオンさせる。
Next, the operation of the power supply apparatus 600 of this embodiment will be described. The operation of the power supply device 600 is the same as the operation of the power supply device 500 except for the operation of the load reverse bias power source. When the
この結果、負荷装置4の両端には、短絡用半導体スイッチ3とダイオード11との順方向ドロップの和に等しい電圧(例えば、10Vとする。)に逆極性電圧(−50V)を加算した電圧、つまり−40Vの逆極性電圧が印加されることになる。この逆バイアス電圧によって、負荷装置4に発生した異常放電はより速やかに終止すると共に、その後に流れていた微少電流をもゼロにすることができる。前記負荷逆バイアス用電源の電流供給量が十分に大きければ、異常放電を検出してインバータ回路2Bが停止するまで負荷装置4に逆バイアス電圧を印加し続けることができ、より一層、異常放電を速やかに終止させることができる。そして、コンデンサ21の電荷がすべて放電されたとき、インダクタンス2Fのエネルギーがまだ残っていればダイオード22が導通し、負荷装置4の負荷電圧は再びほぼ数Vになる。また、ダイオード22によってコンデンサ21が図示極性とは逆に充電されることがない。保護用抵抗23は、この場合に、充電用電源24がダイオード22によって直接短絡されるのを保護する。
As a result, a voltage obtained by adding a reverse polarity voltage (−50 V) to a voltage (for example, 10 V) equal to the sum of forward drops of the short-
負荷装置4を流れる電流が一旦ゼロになり、異常放電によって生じたイオンが消滅すると、負荷装置4のインピーダンスは大きくなるので、再び微少な電流が流れることはない。実際には、この逆電圧印加時間は異常放電により発生したイオンが消滅して負荷が高インピーダンスを呈するまでの時間である数μs〜数10μsでよいから、コンデンサ21の充電電荷でまかなうことができる。そして、異常放電が発生しない時間にコンデンサ21を充電すればよいので、充電用電源24の電力容量を最小限のものにでき、その小型化の面だけでなく、経済性に優れている。
When the current flowing through the
具体的には、コンデンサ21の静電容量をその放電電流に従って適当に選定し、逆電圧を数μs〜数10μs持続させればよい。その一例を示す。短絡用半導体スイッチ3のオン時に流れる短絡電流が200Aピークの3角波とした場合、コンデンサ21の静電容量Cは、計算式から100μF程度となる。また、最大のアーク発生頻度を1回/10ms(繰返し周波数を100Hzとする。)とすれば、負荷装置4を逆バイアスするのに必要な電力Pは、計算式より12.5W程度になる。つまり、この実施形態の負荷逆バイアス用電源によれば、12.5W程度のものでよく、経済的であることが分かる。
Specifically, the capacitance of the
なお、従来のプラズマ放電の異常放電防止装置は、異常放電を検出すると、直ぐに負荷装置に逆電圧を印加し、直ぐに正常電圧の極性に復帰させる専用の回路を別途備える逆電圧パルス方式である。この方式の場合には、直ぐに正常電圧の極性に復帰させるために、短絡用半導体スイッチのオフ時のサージ電圧が大きくなり、大きな容量の短絡用半導体スイッチが必要であり、また、その装置が大掛かりになる欠点があった。しかし、実施形態6の電力供給装置によれば、極めて簡単な構成で小容量の負荷逆バイアス用電源で異常放電を速やかに完全に終止させることができるので、経済的利点は大きい。 It should be noted that the conventional apparatus for preventing abnormal discharge of plasma discharge is a reverse voltage pulse system that additionally includes a dedicated circuit that immediately applies a reverse voltage to the load device and immediately returns to the normal voltage polarity when an abnormal discharge is detected. In the case of this method, in order to immediately return to the normal voltage polarity, the surge voltage when the short-circuiting semiconductor switch is turned off increases, and a large-capacitance short-circuiting semiconductor switch is required. There was a drawback to become. However, according to the power supply device of the sixth embodiment, an abnormal discharge can be stopped quickly and completely with a small-capacity load reverse bias power source with a very simple configuration, so that there is a great economic advantage.
また、実施形態1〜実施形態5においても、実施形態の6で述べた負荷逆バイアス用電源を短絡用スイッチに直列接続することも可能である。そして、短絡用スイッチのオフについては前述のように行うのが好ましいが、必ずしも短絡用スイッチのオフについては限定する必要が無く、短絡用スイッチのオンを利用して負荷装置に逆バイアス電圧を印加できればよい。 Also in the first to fifth embodiments, the load reverse bias power source described in the sixth embodiment can be connected in series to the short-circuit switch. Although it is preferable to turn off the shorting switch as described above, it is not always necessary to limit the turning off of the shorting switch, and a reverse bias voltage is applied to the load device by using the turning on of the shorting switch. I can do it.
なお、以上の実施形態ではいずれも短絡用半導体スイッチ3であるIGBT又はMOSFETを1個として説明したが、負荷装置の電圧に応じて複数個のIGBT又はMOSFETを直列接続してなる半導体スイッチを用いても勿論良い。また、必要に応じて、IGBT又はMOSFETに並列に抵抗、コンデンサなどを接続したものを短絡用半導体スイッチとして用いても良い。さらに、実施形態3、5ではインダクタ2Fを直流電源2のフィルタ用のインダクタとして説明したが、直流電源の出力端子に別途接続したインダクタであっても勿論よい。
In the above embodiments, the IGBT or MOSFET that is the short-
1…交流電源
2…直流電源
2A…整流・平滑回路
2B…インバータ回路
2C…トランス
2D…整流回路
2E…コンデンサ
2F…インダクタ
2G…インバータ回路2Bの制御回路
2H…電流検出器
2I…過電流検出遮断回路
3…短絡用半導体スイッチ
4…負荷装置
5…異常放電検出回路
5A、5B…負荷電圧検出用の抵抗器
5C…負荷電圧検出用のコンデンサ
5D…判別回路
5G…1次巻線n1と2次巻線n2とを有するインダクタ
5J…基準電圧源
5K…コンパレータ
6…短絡用半導体スイッチ3の駆動回路
7…タイマー部(回路)
8…駆動信号発生部
8′…絶縁駆動信号発生部(回路)
9…短絡用半導体スイッチ3の電流検出器
10…判定回路
11…ダイオード
12…電圧インターロック回路
21…コンデンサ
22…ダイオード
24…充電用電源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... AC power source 2 ...
8 ... Drive signal generator 8 '... Insulated drive signal generator (circuit)
DESCRIPTION OF
Claims (5)
該真空装置に給電を行う直流電源と、
前記真空装置に流れる電流の定電流作用を行うインダクタンスと、
前記真空装置と並列に接続される短絡用半導体スイッチと、
前記真空装置の異常放電を検出する異常放電検出回路と、
該異常放電検出回路からの異常放電検出信号により前記短絡用半導体スイッチをオン、オフさせる駆動回路と、
前記短絡用半導体スイッチと直列に接続されるコンデンサと、
前記コンデンサを充電する充電用電源と、
を備え、
前記異常放電の発生時、又は異常放電の発生を予知したときには前記短絡用半導体スイッチをオンさせ、前記コンデンサから前記真空装置に逆極性電圧を印加して前記異常放電を終止させる電力供給装置であって、
前記コンデンサが逆極性に充電されるのを防ぐダイオードを、前記コンデンサと並列で、前記短絡用半導体スイッチの導通方向と同じ向きに接続し、
前記真空装置の両端の電圧が、前記真空装置のイグニッション時に印加されるイグニッション電圧よりも低い定常放電電圧の上限値を越えるときには、前記短絡用半導体スイッチをオンさせない電圧インターロック回路を備え、
前記短絡用半導体スイッチがオン状態にあるとき、前記短絡用半導体スイッチを流れる電流が、定格電流の10%以下に低下するときに、前記駆動回路は前記短絡用半導体スイッチをオフさせることを特徴とする電力供給装置。 A vacuum device;
A DC power supply for supplying power to the vacuum apparatus,
An inductance performing a constant current action of the current flowing through the vacuum device;
A semiconductor switch connected Ru short circuit in parallel with the vacuum device,
An abnormal discharge detection circuit for detecting an abnormal discharge of the vacuum device;
A drive circuit for turning on and off the short-circuiting semiconductor switch by an abnormal discharge detection signal from the abnormal discharge detection circuit;
A capacitor connected in series with the short-circuiting semiconductor switch;
A charging power source for charging the capacitor;
With
A power supply device that turns on the short-circuit semiconductor switch when the abnormal discharge occurs or predicts the occurrence of the abnormal discharge, and applies a reverse polarity voltage from the capacitor to the vacuum device to terminate the abnormal discharge. And
A diode that prevents the capacitor from being charged with a reverse polarity is connected in parallel with the capacitor in the same direction as the conduction direction of the short-circuiting semiconductor switch,
A voltage interlock circuit that does not turn on the short-circuit semiconductor switch when the voltage across the vacuum device exceeds the upper limit of the steady discharge voltage lower than the ignition voltage applied at the time of ignition of the vacuum device;
When the shorting semiconductor switch is in an ON state, the driving circuit turns off the shorting semiconductor switch when a current flowing through the shorting semiconductor switch is reduced to 10% or less of a rated current. Power supply device.
前記短絡用半導体スイッチがオンしてから、前記短絡用半導体スイッチを流れる電流が、前記定格電流の10%以下に低下するまでの所定時間Tを予め求めてタイマー部に設定しておき、前記所定時間Tが経過するときに前記短絡用半導体スイッチをオフさせることを特徴とする電力供給装置。 The power supply device according to claim 1,
A predetermined time T from when the short-circuiting semiconductor switch is turned on until the current flowing through the short-circuiting semiconductor switch decreases to 10% or less of the rated current is determined in advance and set in the timer unit. A power supply device that turns off the short-circuiting semiconductor switch when time T elapses.
前記短絡用半導体スイッチを流れる電流を検出する電流検出器を備え、該電流検出器で検出された電流が定格電流の10%以下に低下するときに、前記短絡用半導体スイッチをオフさせることを特徴とする電力供給装置。 The power supply device according to claim 1,
A current detector for detecting a current flowing through the short-circuiting semiconductor switch is provided, and the short-circuiting semiconductor switch is turned off when the current detected by the current detector drops to 10% or less of the rated current. A power supply device.
前記短絡用半導体スイッチはIGBT又はFETであり、該IGBT又はFETのコレクタ又はドレインとゲートとの間の静電容量の放電を防止するダイオードが前記コレクタ又はドレインと直列に接続されることを特徴とする電力供給装置。 In the electric power supply apparatus in any one of Claims 1 thru | or 3 ,
The semiconductor switch for short-circuit is an IGBT or FET, and wherein the diode for preventing a discharge of the capacitance between the said IGBT or FET collector or drain and gate connected to the collector or drain series Power supply device.
前記異常放電検出回路は、前記負荷電圧の検出電圧が低下するときに異常放電の発生と判定するか、
あるいは前記真空装置を流れる負荷電流が設定値よりも増大する場合に異常放電の発生と判定するか、
若しくは前記負荷電圧が設定値よりも低下するときに異常放電の発生と判定するか又はこれらを組み合わせて判定するか、
又は前記負荷電流が急激に増大、前記負荷電圧が急激に減少することによって、それらの変化率(1回微分)が設定値よりも大きな場合には異常放電の発生と判定するか、
更には、前記負荷電流を2回微分した値が設定値よりも大きな場合には、異常放電発生の直前の状態であることを検出して異常放電の発生を予知するかのいずれかであることを特徴とする電力供給装置。 The power supply device according to any one of claims 1 to 4 ,
The abnormal discharge detection circuit determines that an abnormal discharge has occurred when the detection voltage of the load voltage decreases,
Alternatively, when the load current flowing through the vacuum device increases above a set value, it is determined that abnormal discharge has occurred,
Alternatively, when the load voltage falls below a set value, it is determined that abnormal discharge has occurred, or a combination of these is determined,
Or, when the load current is rapidly increased and the load voltage is rapidly decreased, when the rate of change (differential once) is larger than a set value, it is determined that an abnormal discharge has occurred,
Furthermore, when the value obtained by differentiating the load current twice is larger than the set value, it is either one of detecting the state immediately before the occurrence of abnormal discharge and predicting the occurrence of abnormal discharge. A power supply device characterized by the above.
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