JP5172135B2 - Vacuum equipment - Google Patents
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Description
本発明は、真空中で発生させたプラズマを利用するスパッタ装置、エッチング装置、PVD装置、電子ビーム蒸着装置などの真空負荷における異常放電の発生を防止又は抑制する異常放電防止装置を備える真空装置に関する。 The present invention relates to a vacuum apparatus including an abnormal discharge prevention device that prevents or suppresses the occurrence of abnormal discharge in a vacuum load, such as a sputtering apparatus, an etching apparatus, a PVD apparatus, and an electron beam vapor deposition apparatus that use plasma generated in a vacuum. .
真空中でプラズマを発生させ、そのプラズマを利用して加工又は処理するスパッタ装置、エッチング装置、PVD装置、電子ビーム蒸着装置などの真空負荷は以前から広い分野で使用されている。そして、このような真空負荷にあっては、何らかの原因で電極間のインピーダンスが低下したり、あるいは導電性の異物で電極間が短絡されることによって、異常放電が発生することが既に知られている。このような異常放電が発生すると、特にスパッタ装置ではスパッタリング中の液晶などの基板材料に欠陥を与え、製品の歩留まりの低下を招くという問題があり、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してしまうなどの問題がある。このような問題を解決するため、異常放電を防止、又は抑制する異常放電防止回路がすでに種々提案されており、例えば比較的回路構成が簡単で、効果的な異常放電防止回路として、真空負荷に並列接続した半導体スイッチ素子を定期的に又は異常放電が発生したときに短時間オンさせることによって、逆電圧電源から逆極性のパルス状電圧を真空負荷に印加して異常放電を発生させない、あるいは発生した異常放電を速やかに消滅させる技術も提案されている(例えば、特許文献1〜3参照)。
Vacuum loads such as a sputtering apparatus, an etching apparatus, a PVD apparatus, and an electron beam evaporation apparatus that generate plasma in a vacuum and process or process using the plasma have been used in a wide range of fields. In such a vacuum load, it is already known that an abnormal discharge occurs when the impedance between the electrodes decreases for some reason or the electrodes are short-circuited by a conductive foreign matter. Yes. When such abnormal discharge occurs, there is a problem that a substrate material such as liquid crystal during sputtering is caused particularly in a sputtering apparatus, resulting in a decrease in product yield. In an electron beam evaporation apparatus, a filament is formed by discharge energy. There are problems such as disconnection. In order to solve such a problem, various abnormal discharge prevention circuits that prevent or suppress abnormal discharge have already been proposed.For example, a circuit configuration is relatively simple and an effective abnormal discharge prevention circuit is applied to a vacuum load. By switching on the semiconductor switch elements connected in parallel periodically or when an abnormal discharge occurs, a pulse voltage of reverse polarity from the reverse voltage power supply is applied to the vacuum load to prevent or generate abnormal discharge. There has also been proposed a technique for quickly eliminating the abnormal discharge (for example, see
このように定期的に又は異常放電が発生したときに半導体スイッチ素子を短時間オンさせる回路構成の場合には、特に半導体スイッチ素子をオフさせるときに、それまで半導体スイッチ素子に流れていた電流を急激に遮断すると、真空負荷に流れる電流を安定化させるための主インダクタを流れている電流によって半導体スイッチ素子にかなり高い電圧が印加され、半導体スイッチ素子の電力損失が大幅に増大して発熱し、破損する危険性があるので、これを防止するための回路も既に提案されている(例えば、特許文献4参照)。特許文献4では、半導体スイッチ素子に並列にコンデンサとダイオードと放電用抵抗器とからなるスナバ回路を接続し、半導体スイッチ素子のターンオフ時に発生するサージエネルギーを前記スナバ回路で吸収している。
以上述べたように、前記特許文献4に開示された異常放電発生防止機能を備える真空装置にあっては、異常放電の発生を防止するために、又は発生した異常放電を速やかに消滅させるために、半導体スイッチ素子をオンさせて、逆電圧電源から真空負荷に逆電圧を印加しているが、その場合には半導体スイッチ素子のオフ時に大きな電圧が半導体スイッチ素子に加わってしまうので、これを軽減するために半導体スイッチ素子のオフ時に発生するサージエネルギーをスナバ回路に回収した上で、その抵抗器などで消費している。しかしこの場合には、スナバ回路での電力損失が大きくなる。この電力損失による発熱は、ファンなどによる空冷で処理することができるが、環境問題の面からも好ましくなく、真空装置内の温度を上昇させる原因になるので、最小限に抑制することが望ましい。 As described above, in the vacuum apparatus provided with the abnormal discharge occurrence prevention function disclosed in Patent Document 4, in order to prevent the occurrence of abnormal discharge or to quickly extinguish the generated abnormal discharge. The semiconductor switch element is turned on, and a reverse voltage is applied to the vacuum load from the reverse voltage power source. In this case, a large voltage is applied to the semiconductor switch element when the semiconductor switch element is turned off, so this is reduced. For this purpose, surge energy generated when the semiconductor switch element is turned off is collected in a snubber circuit and consumed by the resistor. However, in this case, power loss in the snubber circuit becomes large. The heat generated by the power loss can be processed by air cooling with a fan or the like, but it is not preferable from the viewpoint of environmental problems, and causes the temperature in the vacuum apparatus to rise.
本発明はかかる従来の真空装置の課題を解決するために、半導体スイッチ素子のオフ時に主インダクタからのエネルギーを吸収してコンデンサに蓄え、次に半導体スイッチ素子がオンするときに前記コンデンサからの放電電荷をインダクタンス素子に磁気エネルギーとして一旦蓄え、半導体スイッチ素子のオフ時に前記インダクタンス素子に蓄えられている磁気エネルギーを逆電圧電源と直流電源との一方又は双方に帰還することによって、電力損失を抑制し、温度上昇を制限すると共に、逆電圧電源の小容量化などを実現することを主な課題としている。 In order to solve the problems of the conventional vacuum device, the present invention absorbs energy from the main inductor and stores it in the capacitor when the semiconductor switch element is turned off, and then discharges from the capacitor when the semiconductor switch element is turned on. Electric charge is temporarily stored in the inductance element as magnetic energy, and when the semiconductor switch element is turned off, the magnetic energy stored in the inductance element is fed back to one or both of the reverse voltage power source and the DC power source, thereby suppressing power loss. The main issues are to limit the temperature rise and to reduce the capacity of the reverse voltage power supply.
第1の発明は、直流電源と真空負荷との間にこれらと直列に接続される主インダクタと、前記真空負荷に跨って並列に接続され、かつ互いに直列接続される半導体スイッチ素子と逆電圧電源と、前記半導体スイッチ素子をオン、オフ駆動する制御回路とを備え、前記半導体スイッチ素子がオンのときに前記直流電源の出力電圧とは逆極性の電圧を前記逆電圧電源から前記真空負荷に印加する真空装置において、前記半導体スイッチ素子のオン期間に前記主インダクタに蓄えられた第1の磁気エネルギーを前記半導体スイッチ素子がオフのときに吸収して電荷が蓄えられるコンデンサと、前記第1の磁気エネルギーが前記コンデンサに吸収されるときに通流する第1のダイオードとが直列に接続される第1の回路の一端が、前記直流電源と前記主インダクタとの間に、他端が前記主インダクタと前記真空負荷との間にそれぞれ接続されて前記第1の回路が前記主インダクタに並列に接続され、前記半導体スイッチ素子がオンのときに前記コンデンサから放電される電荷を第2の磁気エネルギーとして蓄えるインダクタンス素子と、前記インダクタンス素子に蓄えられている前記第2の磁気エネルギーを前記半導体スイッチ素子がオフのときに前記逆電圧電源及び前記直流電源に帰還させる第2のダイオードとが直列に接続される第2の回路が、前記コンデンサと前記第1のダイオードとの接続側と、前記半導体スイッチ素子と前記逆電圧電源との接続側との間に接続されることを特徴とする真空装置を提供する。 A first invention is a DC power supply and a main inductor that will be connected to these in series between the vacuum load, which is connected in parallel across a vacuum load, and the semiconductor switching element and the reverse voltage that will be connected in series with each other A power supply and a control circuit for driving the semiconductor switch element on and off , and when the semiconductor switch element is on , a voltage having a polarity opposite to the output voltage of the DC power supply is applied from the reverse voltage power supply to the vacuum load. in a vacuum apparatus for applying a capacitor the first magnetic energy stored in the main inductor during the oN period of the previous SL semiconductor switching element and the semiconductor switching element is stored is absorbed to charge when turned off, the first one end of the first circuit and the first diode Tsuryu are connected in series when the magnetic energy is absorbed by the capacitor, the said direct current power supply Between the inductor and the other end of the first circuit is connected between the vacuum load and the main inductor is connected in parallel to said main inductor, the capacitor when the semiconductor switching element is turned on the charge that is discharged and the inductance element for storing a second magnetic energy, the reverse voltage supply and the DC power supply to said second magnetic energy stored in the inductance element when the semiconductor switching element is turned off from A second circuit in which a second diode to be fed back is connected in series is provided between a connection side of the capacitor and the first diode and a connection side of the semiconductor switch element and the reverse voltage power source. A vacuum apparatus characterized by being connected is provided.
第2の発明は、直流電源と真空負荷との間にこれらと直列に接続される主インダクタと、前記真空負荷に跨って並列に接続され、かつ互いに直列接続される半導体スイッチ素子と逆電圧電源と、前記半導体スイッチ素子をオン、オフ駆動する制御回路とを備え、前記半導体スイッチ素子がオンのときに前記直流電源の出力電圧とは逆極性の電圧を前記逆電圧電源から前記真空負荷に印加する真空装置において、前記半導体スイッチ素子のオン期間に前記主インダクタに蓄えられた第1の磁気エネルギーを前記半導体スイッチ素子がオフのときに吸収して電荷が蓄えられるコンデンサと、前記第1の磁気エネルギーが前記コンデンサに吸収されるときに通流する第1のダイオードとが直列に接続される第1の回路の一端が、前記直流電源と前記主インダクタとの間に、他端が前記主インダクタと前記真空負荷との間にそれぞれ接続されて前記第1の回路が前記主インダクタに並列に接続され、前記半導体スイッチ素子がオンのときに前記コンデンサから放電される電荷を第2の磁気エネルギーとして蓄えるフライバックトランスと、該フライバックトランスの1次巻線に直列に接続されている前記半導体スイッチ素子がオンのときに前記コンデンサからの電荷を前記1次巻線を通して前記半導体スイッチ素子に通流する第2のダイオードと、前記フライバックトランスの2次巻線に直列に接続されている前記半導体スイッチ素子がオフのときに前記フライバックトランスに蓄えられている第2の磁気エネルギーを前記逆電圧電源に帰還させる第3のダイオードとを有する第2の回路を備えることを特徴とする真空装置を提供する。 A second invention is a DC power supply and a main inductor that will be connected to these in series between the vacuum load, which is connected in parallel across a vacuum load, and the semiconductor switching element and the reverse voltage that will be connected in series with each other A power supply and a control circuit for driving the semiconductor switch element on and off , and when the semiconductor switch element is on , a voltage having a polarity opposite to the output voltage of the DC power supply is applied from the reverse voltage power supply to the vacuum load. in a vacuum apparatus for applying a capacitor the first magnetic energy stored in the main inductor during the oN period of the previous SL semiconductor switching element and the semiconductor switching element is stored is absorbed to charge when turned off, the first one end of the first circuit and the first diode Tsuryu are connected in series when the magnetic energy is absorbed by the capacitor, the said direct current power supply Between the inductor and the other end of the first circuit is connected between the vacuum load and the main inductor is connected in parallel to said main inductor, the capacitor when the semiconductor switching element is turned on wherein a flyback transformer for storing charge that is discharged as the second magnetic energy, the semiconductor switching element connected in series with the primary winding of the flyback transformer is a charge from the capacitor when on the a second diode flowing through the semiconductor switching element through the primary winding, stored in the flyback transformer the semiconductor switching element connected in series in the off to the secondary winding of the flyback transformer a second circuit having a third diode for feeding back the second magnetic energy being the reverse voltage supply Providing a vacuum apparatus characterized by obtaining.
第3の発明は、前記第2の発明において、前記フライバックトランスの1次巻線の巻数をn1、2次巻線の巻数をn2とするとき、n1/n2≦1となるように、巻数n1と巻数n2とを選定することを特徴とする真空装置を提供する。 According to a third invention, in the second invention, when the number of turns of the primary winding of the flyback transformer is n1 and the number of turns of the secondary winding is n2, the number of turns is such that n1 / n2 ≦ 1. A vacuum apparatus characterized by selecting n1 and the number of turns n2 is provided.
第4の発明は、前記第2の発明において、前記直流電源の出力電圧をVm、前記逆電圧電源の出力電圧をVr、前記フライバックトランスの1次巻線の巻数をn1、2次巻線の巻数をn2とするとき、Vm+Vr/Vr=n1/n2になるように、電圧Vm、電圧Vr、巻数n1、巻数n2を選定することを特徴とする真空装置を提供する。 According to a fourth invention, in the second invention, the output voltage of the DC power supply is Vm, the output voltage of the reverse voltage power supply is Vr, and the number of turns of the primary winding of the flyback transformer is n1, secondary winding. A vacuum device is provided in which the voltage Vm, the voltage Vr, the number of turns n1, and the number of turns n2 are selected so that Vm + Vr / Vr = n1 / n2 when the number of turns is n2.
第5の発明は、前記第2の発明において、前記第2の回路は、前記フライバックトランスに備えられた別の2次巻線と、該別の2次巻線に直列に接続されている第4のダイオードとを有し、前記半導体スイッチ素子がオフするときに前記フライバックトランスに蓄えられている磁気エネルギーを前記別の2次巻線と前記第4のダイオードとを介して前記直流電源に帰還することを特徴とする真空装置を提供する。 In a fifth aspect based on the second aspect , the second circuit is connected in series to another secondary winding provided in the flyback transformer and the other secondary winding. A fourth diode, and the magnetic energy stored in the flyback transformer when the semiconductor switch element is turned off through the second secondary winding and the fourth diode. A vacuum apparatus is provided that returns to
第6の発明は、前記第5の発明において、前記直流電源の出力電圧をVm、前記逆電圧電源の出力電圧をVr、前記フライバックトランスの前記2次巻線の巻数をn2、前記別の2次巻線の巻数をn3とするとき、n2/n3≦Vm/Vrになるように、電圧Vm、電圧Vr、巻数n2、巻数n3を選定することを特徴とする真空装置を提供する。 According to a sixth aspect of the present invention, in the fifth aspect , the output voltage of the DC power supply is Vm, the output voltage of the reverse voltage power supply is Vr, the number of turns of the secondary winding of the flyback transformer is n2, Provided is a vacuum device characterized by selecting voltage Vm, voltage Vr, number of turns n2 , and number of turns n3 so that n2 / n3 ≦ Vm / Vr when the number of turns of the secondary winding is n3.
第7の発明は、前記第1の発明において、前記第1の回路の前記コンデンサと前記第2の回路の前記インダクタンス素子とが共振し、その共振周期Trの1/4が前記半導体スイッチ素子のオン時間幅以下になるように、前記コンデンサのキャパシタンス及び前記インダクタンス素子のインダクタンスが選定されていることを特徴とする真空装置を提供する。また、第8の発明は、前記第2の発明ないし前記第6の発明のいずれかにおいて、前記第1の回路の前記コンデンサと前記フライバックトランスとが共振し、その共振周期Trの1/4が前記半導体スイッチ素子のオン時間幅以下になるように、前記コンデンサのキャパシタンス及び前記フライバックトランスのインダクタンスが選定されていることを特徴とする真空装置を提供する。 According to a seventh invention, in the first invention, the capacitor of the first circuit and the inductance element of the second circuit resonate, and a quarter of the resonance period Tr of the semiconductor switch element There is provided a vacuum apparatus characterized in that a capacitance of the capacitor and an inductance of the inductance element are selected so as to be equal to or less than an on-time width. According to an eighth aspect of the present invention, in any one of the second to sixth aspects, the capacitor of the first circuit and the flyback transformer resonate, and the resonance period Tr is 1/4. The vacuum device is characterized in that the capacitance of the capacitor and the inductance of the flyback transformer are selected so as to be less than the on-time width of the semiconductor switch element.
第9の発明は、第1の発明又は第7の発明において、前記第1の回路の前記コンデンサと並列に逆充電防止用ダイオードが接続され、前記半導体スイッチ素子がオンのときに前記コンデンサの電荷を前記インダクタンス素子を通して放電した後に前記半導体スイッチ素子のオン状態が続く場合に、前記インダクタンス素子に蓄えられている前記第2の磁気エネルギーは前記第2のダイオード及び前記半導体スイッチ素子を通して循環されることを特徴とする真空装置を提供する。
According to a ninth invention, in the first or seventh invention , a reverse charge preventing diode is connected in parallel with the capacitor of the first circuit, and the charge of the capacitor is turned on when the semiconductor switch element is on. when the on state of the semiconductor switching element is followed after discharge through the inductance element, the second magnetic energy stored in the inductance element is circulated through said second diode and said semiconductor switching element A vacuum apparatus is provided.
前記第1の発明によれば、主インダクタを流れる電流のエネルギーをコンデンサに蓄え、そのエネルギーを半導体スイッチ素子のオン時にインダクタンス素子に一旦蓄え、半導体スイッチ素子のオフ時に逆電圧電源に帰還しているので、電力損失を低減することができ、環境の改善、真空装置の温度上昇の抑制、及び逆電圧電源の小型化などを達成することができる。 According to the first aspect of the invention, the energy of the current flowing through the main inductor is stored in the capacitor, the energy is temporarily stored in the inductance element when the semiconductor switch element is turned on, and is fed back to the reverse voltage power supply when the semiconductor switch element is turned off. Therefore, power loss can be reduced, and improvement of the environment, suppression of the temperature rise of the vacuum apparatus, miniaturization of the reverse voltage power source, and the like can be achieved.
前記第2の発明によれば、前記第1の発明によって得られる効果の他に、1次巻線と2次巻線とを有するフライバックトランスによって主インダクタを流れる電流によるエネルギーを逆電圧電源だけに帰還することができるので、より逆電圧電源を小型化することが可能である。 According to the second invention, in addition to the effects obtained by the first invention, the energy due to the current flowing through the main inductor by the flyback transformer having the primary winding and the secondary winding is converted to only the reverse voltage power source. Therefore, the reverse voltage power supply can be further downsized.
前記第3の発明によれば、前記第2の発明によって得られる効果の他に、前記第3のダイオードを備えることにより、逆電圧電源からフライバックトランスの1次巻線を通して電流を流さず、2次巻線を通して帰還しているので、逆電圧電源の電圧を有効に上昇させることができ、逆電圧電源のより小容量化が可能である。 According to the third invention, in addition to the effect obtained by the second invention, by providing the third diode, current does not flow from the reverse voltage power source through the primary winding of the flyback transformer, Since the feedback is performed through the secondary winding, the voltage of the reverse voltage power supply can be effectively increased, and the capacity of the reverse voltage power supply can be further reduced.
前記第4の発明によれば、前記第1の発明ないし前記第3の発明で得られる効果の他に、より効率的に直流電源又は逆電圧電源に前記エネルギーを帰還できるので、より一層電力効率の向上、環境の改善、真空装置の温度上昇の抑制などを達成することができる。 According to the fourth invention, in addition to the effects obtained in the first to third inventions, the energy can be more efficiently fed back to the DC power supply or the reverse voltage power supply. Improvement of the environment, improvement of the environment, suppression of the temperature rise of the vacuum apparatus, etc. can be achieved.
前記第5の発明によれば、前記第1の発明ないし前記第4の発明で得られる効果の他に、主インダクタを流れる電流によるエネルギーを逆電圧電源と直流電源とに帰還することができ、電力損失を生じることなく、有効に前記吸収エネルギーを使うことができる。 According to the fifth invention, in addition to the effects obtained in the first invention to the fourth invention, energy due to the current flowing through the main inductor can be fed back to the reverse voltage power supply and the DC power supply. The absorbed energy can be used effectively without causing power loss.
前記第6の発明によれば、前記第5の発明で得られる効果の他に、逆電圧電源の出力電圧を直流電源の出力電圧に対応する電圧値にクランプできるので、逆電圧電源が過電圧になることがない。 According to the sixth invention, in addition to the effects obtained in the fifth invention, the output voltage of the reverse voltage power supply can be clamped to a voltage value corresponding to the output voltage of the DC power supply. Never become.
前記第7の発明及び前記第8の発明によれば、主インダクタを流れる電流によるエネルギーを、より一層効率的に逆電圧電源と直流電源とに帰還することができる。 According to the seventh and eighth aspects of the invention , the energy due to the current flowing through the main inductor can be more efficiently fed back to the reverse voltage power source and the DC power source.
前記第9の発明によれば、前記第1の発明又は前記第7の発明で得られる効果の他に、前記第1の回路の前記コンデンサを実質的に逆極性に充電することは無い。 According to the ninth aspect, in addition to the effects obtained in the first aspect or the seventh aspect, the capacitor of the first circuit is not substantially charged with a reverse polarity.
〔実施形態1〕
先ず、図1によって本発明を実施するための実施形態1の真空装置100について説明する。図1は真空装置100の回路構成を示し、図2は真空装置100の各部の動作波形を示す図である。直流電源1は、図示しない商用三相交流電源又は単相交流電源の交流電力を整流する整流器及び平滑化するフィルタ回路などからなる電源である。直流電源1とスパッタ装置、エッチング装置、PVD装置、電子ビーム蒸着装置などの真空負荷2との間には負荷電流を安定化するための主インダクタ3が直列に接続されている。互いに直列になるように接続された逆電圧電源4と半導体スイッチ素子5とが真空負荷2と並列に接続されている。
First, the vacuum apparatus 100 of
逆電圧電源4は、半導体スイッチ素子5がオンするときに真空負荷2に適したパルス状の逆電圧を印加する直流電源であり、コンデンサ4Aとコンデンサ4Aを図示の極性で充電するための充電回路4Bとコンデンサ4Aに並列に接続されたダイオード4Cとからなる簡単な回路構成のものである。ダイオード4Cは、事故などによってコンデンサ4Aがほぼゼロの電荷になるまで放電した場合に、コンデンサ4Aが図示極性と逆の極性に充電されるのを防止する働きを行う。半導体スイッチ素子5は、電圧駆動型の半導体素子であるIGBT又はMOSFET、あるいはサイリスタなどの半導体素子5Aと、寄生ダイオード又は個別のダイオード5Bとからなる。以下ではダイオード5Bという。半導体スイッチ素子5は制御回路6からの駆動信号によってオン、オフされる。この実施形態1では制御回路6は、予め決められた一定の周波数、一定のオン幅の駆動パルスを半導体スイッチ素子5に与えて駆動するが、図示しない異常放電検出回路又は異常放電発生予知回路などからの検出信号を受けるときに、駆動信号を出力するものでも勿論よい。
The reverse voltage power supply 4 is a DC power supply that applies a pulsed reverse voltage suitable for the
互いに直列に接続されたコンデンサ7と第1のダイオード8とからなる第1の回路S1が主インダクタ3と並列に接続されている。第1のダイオード8は主インダクタ3に流れる電流Ipがコンデンサ7を通して直流電源1にバイパスされるのを防ぐ働きを行う。コンデンサ7と第1のダイオード8とが接続された接続側を示す点Aと、逆電圧電源4と半導体スイッチ素子5とが接続された接続側を示す点Bとの間に第2の回路S2が接続されている。第2の回路S2は互いに直列に接続されているインダクタンス素子9と第2のダイオード10とからなる。第2のダイオード10は、点B側から点A側に電流が逆流するのを防ぐ働きを行う。コンデンサ7が逆に充電されるのを防止する逆充電防止用ダイオード11がコンデンサ7と並列に接続されている。ここで、コンデンサ7はキャパシタンスCを有し、インダクタンス素子9はインダクタンスLを有するものとする。半導体スイッチ素子5がオンするとき、コンデンサ7とインダクタンス素子9とはLCで共振現象を生じるものとする。
A
次に、図1と図2によってこの回路の動作について説明する。真空負荷2、及び逆電圧電源4と半導体スイッチ素子5の動作は従来と同様であるので、半導体スイッチ素子5のスイッチング動作に伴う第1の回路S1と第2の回路S2の動作及び効果について主に説明する。半導体スイッチ素子5がオンすると、逆電圧電源4の出力電圧Vrによって、真空負荷2の負荷電圧、負荷電流はそれぞれ図2(A)、図2(B)に示すようになる。また、図2(C)に示すように半導体スイッチ素子5がオンするときには、それまで直流電源1から真空負荷2を通して主インダクタ3に流れていた電流Ipに、逆電圧電源4の出力電圧Vrによる電流を加算した電流が逆電圧電源4から半導体スイッチ素子5を通して主インダクタ3に流れる。
Next, the operation of this circuit will be described with reference to FIGS. Since the operations of the
図2において、時刻t0で半導体スイッチ素子5がターンオフすると、それまで主インダクタ3に流れていた電流Ipはインダクタンス作用によってそのまま流れ続けようとするので、その電流は主インダクタ3から第1の回路S1のダイオード8及びコンデンサ7を通して流れ、コンデンサ7を図示極性で充電する。例えば、逆電圧電源4の出力電圧Vrが100Vであるとして、コンデンサ7の充電電圧はほぼ100Vとなる。第1の回路S1の働きによって、半導体スイッチ素子5のターンオフ時に半導体スイッチ素子5の両端に大きなサージ電圧が発生しない。このときコンデンサ7の充電電圧によってダイオード8は逆バイアス状態にあり、かつ第2の回路S2のダイオード10も直流電源1の電圧Vmと逆電圧電源4の出力電圧Vrとの和によって逆バイアスされているので非導通であることから、コンデンサ7の充電電荷は放電されずに維持される。
In FIG. 2, when the
次に時刻t1で半導体スイッチ素子5がターンオンすると、それまで直流電源1から真空負荷2を通して主インダクタ3に流れていた電流Ipは、逆電圧電源4と半導体スイッチ素子5との経路に転流され、つまり前述したように逆電圧電源4が電流Ipを担持する。このとき同時に、第1の回路S1のコンデンサ7の電荷は第2の回路S2のインダクタンス素子9、ダイオード10及び半導体スイッチ素子5を通して循環し、インダクタンス素子9に磁気エネルギーを蓄える。ここでは、インダクタンスに蓄えられるエネルギーを磁気エネルギーと言う。このとき、インダクタンス素子9のインダクタンスLが適切に選定されていれば、半導体スイッチ素子5のオン期間中に、コンデンサ7はその電圧がほぼゼロになるまで放電され、コンデンサ7の充電電荷はほとんどすべてインダクタンス素子9に磁気エネルギーとして蓄えられる。
Next, when the
第1の回路S1のコンデンサ7の電荷が第2の回路S2のインダクタンス素子9、ダイオード10及び半導体スイッチ素子5を通して循環される動作は、コンデンサ7のキャパシタンスCとインダクタンス素子9のインダクタンスLとの共振現象を伴うから、インダクタンス素子9を流れる電流は図2(D)に示すような共振電流となる。その共振電流のピーク値が半導体スイッチ素子5のオン期間中にあれば、コンデンサ7の充電電荷を効率よくインダクタンス素子9に磁気エネルギーとして蓄えることができる。したがって、コンデンサ7のキャパシタンスCとインダクタンス素子9のインダクタンスLとの共振の共振周期Tr(共振周波数をFrとするとき、Tr=1/Fr)の1/4が半導体スイッチ素子5のオン期間(例えば、5μs)以下になるように、コンデンサ7のキャパシタンスCとインダクタンス素子9のインダクタンスLとを選定することが望ましい。
The operation in which the electric charge of the capacitor 7 of the first circuit S1 is circulated through the inductance element 9, the
このようにコンデンサ7のキャパシタンスCとインダクタンス素子9のインダクタンスLとを選定することによって、半導体スイッチ素子5のオン期間中にコンデンサ7の放電電流、つまり図2(D)に示すインダクタンス素子9の共振電流は時刻t2でピーク値に達し、同時に時刻t2でコンデンサ7の電圧はほぼゼロになり、その共振電流は時刻t3までコンデンサ7を逆極性に充電することなくダイオード10とダイオード11とを通して循環される。時刻t3で半導体スイッチ素子5がターンオフすると、インダクタンス素子9に蓄えられていた磁気エネルギーは、インダクタンス素子9からダイオード10、逆電圧電源4、直流電源1及びダイオード8を通して放出され、図2(D)に示すように、インダクタンス素子9の電流は減少し、時刻t4でインダクタンス素子9に蓄えられた磁気エネルギーはすべて逆電圧電源4及び直流電源1に帰還され、逆電圧電源4のコンデンサ4Aは充電され、その電圧は上昇する。
By selecting the capacitance C of the capacitor 7 and the inductance L of the inductance element 9 in this way, the discharge current of the capacitor 7, that is, the resonance of the inductance element 9 shown in FIG. The current reaches a peak value at time t2, and at the same time, the voltage of the capacitor 7 becomes almost zero at time t2, and the resonance current is circulated through the
したがって、半導体スイッチ素子5のターンオフ時に発生するサージはコンデンサ7によって吸収され、そしてインダクタンス素子9に一旦磁気エネルギーとして蓄えられ、その磁気エネルギーはすべて逆電圧電源4及び直流電源1に帰還されるので、半導体スイッチ素子5のターンオフ時の電力損失は低減される。実施形態1の真空負荷100によれば、半導体スイッチ素子5のターンオフ時に大きなサージ電圧が半導体スイッチ素子5の両端に印加されることがないので、半導体スイッチ素子の電力損失を小さくできるばかりでなく、スナバエネルギーをすべて逆電圧電源4及び直流電源1に帰還しているので、発熱は小さく、環境に与える悪影響を小さくできると同時に、逆電圧電源4、特に充電回路4Bを小型化することができる。
Therefore, the surge generated when the
〔実施形態2〕
次に図3により本発明の実施形態2に係る第2の真空装置200について説明する。図3において、図1で示し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。この第2の真空装置200が第1の真空装置100と異なるところは、主にインダクタンス素子に代えてフライバックトランス30を第2の回路S2に用いた点であり、他はほぼ同じであるので、第2の回路S2に関連する部分の構成及び動作などについて説明する。第2の回路S2において、フライバックトランス30の1次巻線N1は点Aと点Bとの間にダイオード10と直列になるように接続されている。2次巻線N2はダイオード31を通して逆電圧電源4の両端に跨って接続されている。1次巻線N1と2次巻線N2とは、それぞれ黒点で示されている極性を有すると共に、巻数n1、n2を有するものとする。
[Embodiment 2]
Next, a second vacuum apparatus 200 according to
半導体スイッチ素子5がターンオンするときに、コンデンサ7の電圧がダイオード10を順方向にバイアスして導通させ、第2の回路S2のフライバックトランス30の1次巻線N1に黒点側を正とする電圧が印加され、前述したように、半導体スイッチ素子5のターンオフの際に第1の回路S1のコンデンサ7に充電された電荷は、第2の回路S2の1次巻線N1、ダイオード10及び半導体スイッチ素子5を通して放電され、1次巻線N1のインダクタンスL1に磁気エネルギーが蓄えられる。ここまでの動作は第1の真空装置100の場合とほぼ同様である。このとき、2次巻き線N2の電圧は黒点側が正極性なので、ダイオード31は逆バイアスでオンしない。
When the
次に半導体スイッチ素子5がターンオフすると、フライバックトランス30の2次巻線N2に黒点側を負とし、非黒点側を正とする電圧が誘起され、1次巻線N1のインダクタンスL1に蓄えられた磁気エネルギーが2次巻線N2からダイオード31を通して逆電圧電源4に放出され、そのコンデンサ4Aを充電する。この第2の真空装置200においても、半導体スイッチ素子5のターンオフ時にサージエネルギーになる主インダクタ3の電流エネルギーをコンデンサ7で吸収し、その充電電荷をフライバックトランス30の1次巻線N1のインダクタンスL1に磁気エネルギーとして一旦蓄え、更にその磁気エネルギーを2次巻線N2から逆電圧電源4に帰還しているので、電力損失とはならず、発熱を生じないばかりでなく、充電回路4Bを小型化できるなどの効果を奏する。また、この実施形態2においても実施形態1と同様に、コンデンサ7のキャパシタンスCとフライバックトランス30の1次巻線N1のインダクタンスL1との共振の共振周期Trの1/4が半導体スイッチ素子5のオン期間以下になるように、コンデンサ7のキャパシタンスCとフライバックトランス30の1次巻線N1のインダクタンスL1とを選定することにより、コンデンサ7に吸収したエネルギーをフライバックトランス30の1次巻線N1のインダクタンスL1効率的に蓄えることができるから、第1の回路S1に吸収したエネルギーを逆電圧電源4に効率的に帰還することができる。
Then the
なお、第2の真空装置200ではフライバックトランス30の1次巻線N1と2次巻線N2との巻数比(n1/n2)が1になるように通常は選定される。半導体スイッチ素子5がオフしたとき、フライバックトランス30の2次巻線N2の電圧は非黒点側を正として逆電圧電源4の電圧Vr(例えば、100V)にクランプされる。したがって、n1/n2≦1のときには、フライバックトランス30の1次巻線N1の電圧は逆電圧電源4の出力電圧Vrに等しい電圧値又はそれ以下の電圧値となる。このとき、ダイオード10のカソードの電圧は直流電源1の出力電圧Vmと逆電圧電源4の出力電圧Vrとの和に等しい電圧値であるので、ダイオード10は導通しない。したがって、1次巻線N1のインダクタンスL1に蓄えられた磁気エネルギーはダイオード10を通して帰還されることはなく、2次巻線N2を通して逆電圧電源4に帰還され、コンデンサ4Aの電圧を有効に上昇させる。
In the second vacuum device 200, the turn ratio (n1 / n2) between the primary winding N1 and the secondary winding N2 of the
一般に、第2の真空装置200の構成にあっては、真空負荷2を流れる負荷電流が少ないとき、つまり軽負荷のとき、直流電源1からの出力電流が小さくなるばかりでなく、逆電圧電源4からの出力電流も小さくなる。しかしながら、第1の回路S1のコンデンサ7に充電されるエネルギー(電荷)は、半導体スイッチ素子5のスイッチング周波数に依存し、そのスイッチング周波数は一定であるから、軽負荷のときにも減少しない。そして軽負荷のときには、主インダクタ3の磁気エネルギーは真空負荷2にはほとんど吸収されないから、コンデンサ7にその多くが吸収される。したがって、コンデンサ7に吸収されたエネルギーをすべて逆電圧電源4に帰還すると、逆電圧電源4から出力された電力よりも大きな電力が帰還されるので、直流電源1よりも容量がかなり小さな逆電圧電源4の出力電圧は必要以上に上昇する、つまり過充電状態になる危険性がある。
In general, in the configuration of the second vacuum device 200, when the load current flowing through the
前述した軽負荷のときの問題点を解決するためには、フライバックトランス30の1次巻線N1と2次巻線N2との巻数比(n1/n2)を下記のように設定すればよい。直流電源1の出力電圧Vmと逆電圧電源4の出力電圧Vrとの和の電圧(Vm+Vr)/Vr=n1/n2となるように、巻数比(n1/n2)を設定する。例えば、出力電圧Vmを500Vとし、出力電圧Vrを100Vとすると、n1/n2=6となる。分かり易いので、以下の説明では具体例として出力電圧Vmを500Vとし、出力電圧Vrを100Vとして説明する。前述したように、第1の回路S1のコンデンサ7の電荷は次に半導体スイッチ素子5がオンするときに第2の回路S2のフライバックトランス30に磁気エネルギーとして蓄えられる。そして、半導体スイッチ素子5がオフするとき、フライバックトランス30の磁気エネルギーは2次巻線N2を通して逆電圧電源4に帰還され、そのコンデンサ4Aを充電する。
In order to solve the problem at the time of the light load described above, the turns ratio (n1 / n2) between the primary winding N1 and the secondary winding N2 of the
コンデンサ4Aの充電が進み、コンデンサ4Aの電圧が100Vを幾分越えると、当然に2次巻線N2の電圧は100Vを幾分越えた電圧となるので、1次巻線N1の電圧は直流電源1の出力電圧500Vと逆電圧電源4の出力電圧100Vとを合わせた電圧である600Vを越える。したがって、ダイオード8と第2の回路S2のダイオード10が順バイアスされて導通し、実施形態1と同様にフライバックトランス30の磁気エネルギーを逆電圧電源4に直接帰還するようになる。この結果、軽負荷時における逆電圧電源4の出力電圧が設定値以上に上昇するのを防ぐことができる。なお、軽負荷以外の通常の負荷状態では逆電圧電源4からの電力の放出が大きく、コンデンサ4Aの電圧が低下するので、前記帰還エネルギーによってコンデンサ4Aが100Vに達することはなく、したがって、フライバックトランス30に蓄えられた磁気エネルギーは2次巻線N2を通して逆電圧電源4にすべて帰還されても、コンデンサ4Aが過充電になることはない。
When the charging of the
前述から分かるように、(Vm+Vr)/Vr=n1/n2となるように、フライバックトランス30の1次巻線N1と2次巻線N2との巻数比を設定すれば、軽負荷のときには逆電圧電源4のコンデンサ4Aの電圧の過上昇を防ぐことができるが、負荷電流が大きい、つまり重負荷のときにはフライバックトランス30に蓄えられた磁気エネルギーの帰還によって思うように逆電圧電源4の電圧を上昇させることはできない。したがって、図示しないが、必要に応じて、n1/n2≦1となる巻数n2を有する第1の2次巻線と、(Vm+Vr)/Vr=n1/n2となる巻数n2を有する第2の2次巻線とをフライバックトランスに備えてもよい。そして、図示しない切替素子によって負荷の重さに応じていずれかの前記2次巻線に切り替えればよい。なおこの場合、前記第1、第2の2次巻線に並列に抵抗を接続する。
As can be seen from the above, if the turn ratio between the primary winding N1 and the secondary winding N2 of the
〔実施形態3〕
次に図4により本発明の実施形態3にかかる第3の真空装置300について説明する。図4において、図1、図3で示し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。この第3の真空装置300が第1の真空装置100又は第2の真空装置200と異なるところは、前述のようにしてフライバックトランス40の1次巻線N1のインダクタンスに蓄えた磁気エネルギーを別々の2次巻線を通して逆電圧電源4と直流電源1とにそれぞれ帰還するところが異なる。真空装置100、200と異なる点について主に説明する。第2の回路S2のフライバックトランス40が第1の2次巻線N2、第2の2次巻線N3を有し、第1の2次巻線N2はダイオード31を通して逆電圧電源4の両端に跨って接続され、第2の2次巻線N3はダイオード41を通して直流電源1の両端に跨って接続されている。1次巻線N1、第1の2次巻線N2及び第2の2次巻線N3は、それぞれ黒点で示されている極性を有する。
[Embodiment 3]
Next, a third vacuum apparatus 300 according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 4, the same symbols as those shown in FIGS. 1 and 3 indicate members having the same names. The third vacuum device 300 is different from the first vacuum device 100 or the second vacuum device 200 in that the magnetic energy stored in the inductance of the primary winding N1 of the flyback transformer 40 as described above is separately provided. These are different in that they are fed back to the reverse voltage power source 4 and the direct
真空装置200で説明したように、負荷電流が少ないときには直流電源1の出力電流が少なくなるばかりでなく、逆電圧電源4の出力電流も少なくなる。しかし、コンデンサ7に充電されるエネルギーは半導体スイッチ素子のスイッチング周波数に依存し、軽負荷のときにも減少しないので、軽負荷時にコンデンサ7に充電されるエネルギーを逆電圧電源4にすべて帰還すると、逆電圧電源4の出力電圧が必要以上に上昇する危険性があることについては既に述べた。この真空装置300では、前述したように第1の回路S1のコンデンサ7に充電された電荷を逆電圧電源4に優先的にエネルギーとして帰還し、帰還エネルギーが過剰の場合には直流電源1にもその過剰分を帰還して逆電圧電源4の出力電圧が必要以上に上昇するのを防ぐところに特徴がある。
As described in the vacuum device 200, when the load current is small, not only the output current of the
フライバックトランス40の第1の2次巻線N2の巻数をn2、第2の2次巻線N3の巻数をn3とし、例えば直流電源1の出力電圧Vmを500V、逆電圧電源4の出力電圧Vrを100Vとする。この真空装置300では、巻数比(n2/n3)を直流電源1と逆電圧電源4との電圧比率(Vm/Vr)とほぼ同じ値又はそれよりも幾分小さな値に設定している。前述の電圧値からVm/Vr=5であるので、巻数比(n2/n3)を例えば5程度に設定すると、逆電圧電源4の出力電圧Vrの上昇を直流電源1の出力電圧Vmの1/5に制限することができるので、この点について説明する。前述したようにフライバックトランス40の1次巻線N1に蓄えられた磁気エネルギーが2次巻線N2、次巻線N3を通して放出される段階において、ダイオード10は出力電圧(Vm+Vr)によって逆バイアスされているから導通せず、逆電圧電源4のコンデンサ4Aの電圧は逆電力の放出により低下しているからダイオード31が導通することによって、前記磁気エネルギーは逆電圧電源4に帰還され、コンデンサ4Aを充電する。
The number of turns of the first secondary winding N2 of the flyback transformer 40 is n2, the number of turns of the second secondary winding N3 is n3, for example, the output voltage Vm of the
このとき、フライバックトランス40の1次巻線N1に蓄えられた磁気エネルギーがさ程大きくなく、例えば第1の2次巻線N2の電圧が100V以下ならば、巻数比(n2/n3)から第2の2次巻線N3の電圧は500Vよりも低いために、ダイオード41は直流電源1の出力電圧(500V)によって逆バイアスされているので、導通しない。したがって、フライバックトランス40の磁気エネルギーは直流電源1には帰還されない。しかし、フライバックトランス40の磁気エネルギーが大きく、第2の2次巻線N3の電圧が500Vを越える電圧であると、ダイオード41も導通してフライバックトランス40の磁気エネルギーを逆電圧電源4だけでなく、第2の2次巻線N3を通して直流電源1にも帰還する。
At this time, if the magnetic energy stored in the primary winding N1 of the flyback transformer 40 is not so large, for example, if the voltage of the first secondary winding N2 is 100 V or less, the turn ratio (n2 / n3) Since the voltage of the second secondary winding N3 is lower than 500V, the
つまり、第2の2次巻線N3の電圧が500V以下である場合には、フライバックトランス40の磁気エネルギーは第1の2次巻線N2を通して逆電圧電源4だけに帰還され、第2の2次巻線N3の電圧が500Vを越える場合には、フライバックトランス40の磁気エネルギーは第1の2次巻線N2、第2の2次巻線N3を通して逆電圧電源4、直流電源1の双方に帰還される。この状態では、第2の2次巻線N3の電圧は直流電源1の出力電圧Vmにクランプされる。直流電源1は逆電圧電源4に比べてかなり容量が大きいので、フライバックトランス40の磁気エネルギーが帰還されてもその出力電圧Vmはほとんど変化せず、常にほぼ500Vである。したがって、第2の2次巻線N3の電圧が500Vにクランプされるから、第1の2次巻線N2は巻数比(n2/n3=5)に対応する電圧、100Vにクランプされる。以上述べたように、フライバックトランス40の磁気エネルギーによって逆電圧電源4の電圧が100Vに達すると、フライバックトランス40の磁気エネルギーの余剰分は直流電源1に帰還されるので、逆電圧電源4が過充電されることはない。
That is, when the voltage of the second secondary winding N3 is 500 V or less, the magnetic energy of the flyback transformer 40 is fed back only to the reverse voltage power source 4 through the first secondary winding N2, and the second When the voltage of the secondary winding N3 exceeds 500V, the magnetic energy of the flyback transformer 40 passes through the first secondary winding N2 and the second secondary winding N3 to the reverse voltage power supply 4 and the
前記例では、Vm/Vrと巻数比(n2/n3)との割合を等しく設定したが、Vm/Vrと巻数比(n2/n3)との割合は逆電圧電源4の過充電の範囲に従って決めればよい。例えば、巻数比(n2/n3)がVm/Vrの0.9の場合には、第1の2次巻線N2の電圧はほぼ111Vにクランプされてほぼ111Vを越えないことになる。また、Vm/Vrと巻数比(n2/n3)との割合が0.8の場合には、第1の2次巻線N2の電圧はほぼ125Vにクランプされることになり、ほぼ125Vを越えないことになる。この電圧が、逆電圧電源4に許容される電圧範囲であるならば、巻数比(n2/n3)をVm/Vrの数値より小さく設定してもよい。 In the above example, the ratio between Vm / Vr and the turns ratio (n2 / n3) is set equal, but the ratio between Vm / Vr and the turns ratio (n2 / n3) is determined according to the overcharge range of the reverse voltage power supply 4. That's fine. For example, when the turns ratio (n2 / n3) is 0.9 (Vm / Vr), the voltage of the first secondary winding N2 is clamped to approximately 111V and does not exceed approximately 111V. When the ratio of Vm / Vr to the turns ratio (n2 / n3) is 0.8, the voltage of the first secondary winding N2 is clamped to approximately 125V, exceeding approximately 125V. There will be no. If this voltage is within the voltage range allowed for the reverse voltage power supply 4, the turns ratio (n2 / n3) may be set smaller than the value of Vm / Vr.
図示しないが、真空装置300の変形例として、図4において、第1の2次巻線N2を除去し、フライバックトランス40の磁気エネルギーを第2の2次巻線N3を通して直流電源1だけに帰還してもよい。この場合には、フライバックトランス40の磁気エネルギーが逆電圧電源4に帰還されないので、逆電圧電源1の小型化には寄与しないが、電力損失の低減は真空装置100〜300と同様に行われる。
Although not shown, as a modification of the vacuum apparatus 300, in FIG. 4, the first secondary winding N2 is removed, and the magnetic energy of the flyback transformer 40 is transferred only to the
以上説明した実施形態では、いずれも制御回路6は半導体スイッチ素子5を予め決めた周波数で、予め決めたパルス幅に従ってオン、オフ動作させたが、このような異常放電の予防法は電力損失が大きいために、異常放電の発生を検出し、異常放電が検出されたときだけ、半導体スイッチ素子5を予め決めたパルス幅だけオンさせる異常放電抑制方法が既に提案されており、このような異常放電抑制方法を本発明に適用できることは明らかである。更に、異常放電の発生を予知して、異常放電が発生する直前に半導体スイッチ素子5を予め決めたパルス幅だけオンさせることにより、異常放電を発生させない異常放電発生防止方法も提案されており、このような異常放電発生防止方法も本発明に適用することができる。
In each of the embodiments described above, the
また以上の実施形態では、半導体スイッチ素子5を1個の半導体素子として説明したが、スパッタ装置は負荷電圧が数100Vであるために、半導体スイッチ素子5としてIGBT又はMOSFETなどを使用する場合は、例えば1200Vの耐圧を有する半導体素子1個で実現できるが、電子ビーム装置の場合には負荷電圧が10kV程度であるため、1200Vの耐圧を有するIGBT又はMOSFETなどを複数個直列接続することにより実現できる。この場合にはそれぞれのIGBT又はMOSFETなどに電圧分担均等用のコンデンサが並列接続される場合が多いが、IGBT又はMOSFETなどがオンするときにこれらコンデンサに充電されたエネルギーをフライバックトランスの1次巻線を通して放電するように構成しておけばよい。
In the above embodiment, the
1・・・直流電源
2・・・真空負荷
3・・・主インダクタ
4・・・逆電圧電源
4A・・・コンデンサ
4B・・・充電回路
4C・・・ダイオード
5・・・半導体スイッチ素子
6・・・制御回路
7・・・コンデンサ
8・・・ダイオード
9・・・インダクタンス素子
10・・・ダイオード
11・・・逆充電防止用ダイオード
30・・・フライバックトランス
31・・・ダイオード
40・・・フライバックトランス
41・・・ダイオード
S1・・・第1の回路
S2・・・第2の回路
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記半導体スイッチ素子のオン期間に前記主インダクタに蓄えられた第1の磁気エネルギーを前記半導体スイッチ素子がオフのときに吸収して電荷が蓄えられるコンデンサと、前記第1の磁気エネルギーが前記コンデンサに吸収されるときに通流する第1のダイオードとが直列に接続される第1の回路の一端が、前記直流電源と前記主インダクタとの間に、他端が前記主インダクタと前記真空負荷との間にそれぞれ接続されて前記第1の回路が前記主インダクタに並列に接続され、
前記半導体スイッチ素子がオンのときに前記コンデンサから放電される電荷を第2の磁気エネルギーとして蓄えるインダクタンス素子と、前記インダクタンス素子に蓄えられている前記第2の磁気エネルギーを前記半導体スイッチ素子がオフのときに前記逆電圧電源及び前記直流電源に帰還させる第2のダイオードとが直列に接続される第2の回路が、前記コンデンサと前記第1のダイオードとの接続側と、前記半導体スイッチ素子と前記逆電圧電源との接続側との間に接続されることを特徴とする真空装置。 A main inductor connected in series between the DC power source and the vacuum load, a semiconductor switch element and a reverse voltage power source connected in parallel across the vacuum load and connected in series with each other, and the semiconductor switch element A vacuum circuit that applies a voltage having a polarity opposite to the output voltage of the DC power source from the reverse voltage power source to the vacuum load when the semiconductor switch element is on.
A capacitor that absorbs the first magnetic energy stored in the main inductor during the on period of the semiconductor switch element to store charges when the semiconductor switch element is off; and the first magnetic energy is stored in the capacitor. One end of a first circuit connected in series with a first diode that flows when absorbed is between the DC power source and the main inductor, and the other end is the main inductor and the vacuum load. And the first circuit is connected in parallel to the main inductor,
An inductance element that stores the electric charge discharged from the capacitor as the second magnetic energy when the semiconductor switch element is on, and the semiconductor switch element that has the second magnetic energy stored in the inductance element off A second circuit in which a second diode fed back to the reverse voltage power source and the DC power source is connected in series, the connection side of the capacitor and the first diode, the semiconductor switch element, A vacuum apparatus connected between a connection side to a reverse voltage power source.
前記半導体スイッチ素子のオン期間に前記主インダクタに蓄えられた第1の磁気エネルギーを前記半導体スイッチ素子がオフのときに吸収して電荷が蓄えられるコンデンサと、前記第1の磁気エネルギーが前記コンデンサに吸収されるときに通流する第1のダイオードとが直列に接続される第1の回路の一端が、前記直流電源と前記主インダクタとの間に、他端が前記主インダクタと前記真空負荷との間にそれぞれ接続されて前記第1の回路が前記主インダクタに並列に接続され、
前記半導体スイッチ素子がオンのときに前記コンデンサから放電される電荷を第2の磁気エネルギーとして蓄えるフライバックトランスと、該フライバックトランスの1次巻線に直列に接続されている前記半導体スイッチ素子がオンのときに前記コンデンサからの電荷を前記1次巻線を通して前記半導体スイッチ素子に通流する第2のダイオードと、前記フライバックトランスの2次巻線に直列に接続されている前記半導体スイッチ素子がオフのときに前記フライバックトランスに蓄えられている第2の磁気エネルギーを前記逆電圧電源に帰還させる第3のダイオードとを有する第2の回路を備えることを特徴とする真空装置。 A main inductor connected in series between the DC power source and the vacuum load, a semiconductor switch element and a reverse voltage power source connected in parallel across the vacuum load and connected in series with each other, and the semiconductor switch element A vacuum circuit that applies a voltage having a polarity opposite to the output voltage of the DC power source from the reverse voltage power source to the vacuum load when the semiconductor switch element is on.
A capacitor that absorbs the first magnetic energy stored in the main inductor during the on period of the semiconductor switch element to store charges when the semiconductor switch element is off; and the first magnetic energy is stored in the capacitor. One end of a first circuit connected in series with a first diode that flows when absorbed is between the DC power source and the main inductor, and the other end is the main inductor and the vacuum load. And the first circuit is connected in parallel to the main inductor,
A flyback transformer for storing electric charge discharged from the capacitor as the second magnetic energy when the semiconductor switch element is on; and the semiconductor switch element connected in series to a primary winding of the flyback transformer. A second diode for passing charge from the capacitor through the primary winding to the semiconductor switch element when on, and the semiconductor switch element connected in series to the secondary winding of the flyback transformer A vacuum device comprising: a second circuit having a third diode that feeds back the second magnetic energy stored in the flyback transformer to the reverse voltage power source when the switch is off.
前記フライバックトランスの1次巻線の巻数をn1、2次巻線の巻数をn2とするとき、n1/n2≦1となるように、巻数n1と巻数n2とを選定することを特徴とする真空装置。 In claim 2,
The number of turns n1 and the number of turns n2 are selected so that n1 / n2 ≦ 1 when the number of turns of the primary winding of the flyback transformer is n1 and the number of turns of the secondary winding is n2. Vacuum device.
前記直流電源の出力電圧をVm、前記逆電圧電源の出力電圧をVr、前記フライバックトランスの1次巻線の巻数をn1、2次巻線の巻数をn2とするとき、Vm+Vr/Vr=n1/n2になるように、電圧Vm、電圧Vr、巻数n1、巻数n2を選定することを特徴とする真空装置。 In claim 2,
When the output voltage of the DC power supply is Vm, the output voltage of the reverse voltage power supply is Vr, the number of primary windings of the flyback transformer is n1, and the number of secondary windings is n2, Vm + Vr / Vr = n1 A vacuum apparatus, wherein the voltage Vm, the voltage Vr, the number of turns n1, and the number of turns n2 are selected so as to be / n2.
前記第2の回路は、前記フライバックトランスに備えられた別の2次巻線と、該別の2次巻線に直列に接続されている第4のダイオードとを有し、前記半導体スイッチ素子がオフするときに前記フライバックトランスに蓄えられている磁気エネルギーを前記別の2次巻線と前記第4のダイオードとを介して前記直流電源に帰還することを特徴とする真空装置。 In claim 2,
The second circuit includes another secondary winding provided in the flyback transformer, and a fourth diode connected in series to the other secondary winding, and the semiconductor switch element A vacuum apparatus, wherein the magnetic energy stored in the flyback transformer is fed back to the DC power source via the another secondary winding and the fourth diode when the power is turned off.
前記直流電源の出力電圧をVm、前記逆電圧電源の出力電圧をVr、前記フライバックトランスの前記2次巻線の巻数をn2、前記別の2次巻線の巻数をn3とするとき、n2/n3≦Vm/Vrになるように、電圧Vm、電圧Vr、巻数n2、巻数n3を選定することを特徴とする真空装置。 In claim 5,
When the output voltage of the DC power supply is Vm, the output voltage of the reverse voltage power supply is Vr, the number of turns of the secondary winding of the flyback transformer is n2, and the number of turns of the other secondary winding is n3, n2 A vacuum apparatus, wherein the voltage Vm, the voltage Vr, the number of turns n2, and the number of turns n3 are selected so that / n3 ≦ Vm / Vr.
前記第1の回路の前記コンデンサと前記第2の回路の前記インダクタンス素子とが共振し、その共振周期Trの1/4が前記半導体スイッチ素子のオン時間幅以下になるように、前記コンデンサのキャパシタンス及び前記インダクタンス素子のインダクタンスが選定されていることを特徴とする真空装置。 In claim 1,
The capacitance of the capacitor is such that the capacitor of the first circuit and the inductance element of the second circuit resonate, and ¼ of the resonance period Tr is equal to or less than the on-time width of the semiconductor switch element. And an inductance of the inductance element is selected.
前記第1の回路の前記コンデンサと前記フライバックトランスとが共振し、その共振周期Trの1/4が前記半導体スイッチ素子のオン時間幅以下になるように、前記コンデンサのキャパシタンス及び前記フライバックトランスのインダクタンスが選定されていることを特徴とする真空装置。 In any one of Claims 2 thru | or 6,
The capacitance of the capacitor and the flyback transformer are such that the capacitor of the first circuit and the flyback transformer resonate, and ¼ of the resonance period Tr is equal to or less than the on-time width of the semiconductor switch element. A vacuum apparatus characterized in that an inductance of is selected.
前記第1の回路の前記コンデンサと並列に逆充電防止用ダイオードが接続され、前記半導体スイッチ素子がオンのときに前記コンデンサの電荷を前記インダクタンス素子を通して放電した後に前記半導体スイッチ素子のオン状態が続く場合に、前記インダクタンス素子に蓄えられている前記第2の磁気エネルギーは前記第2のダイオード及び前記半導体スイッチ素子を通して循環されることを特徴とする真空装置。
In claim 1 or claim 7 ,
Said first circuit said capacitor reverse charging prevention diode in parallel are connected, the on state of the semiconductor switching element the charge of the capacitor when the semiconductor switching element is turned on after the discharge through the inductance element In the vacuum device, the second magnetic energy stored in the inductance element is circulated through the second diode and the semiconductor switch element.
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