JP5550648B2 - High frequency power supply - Google Patents

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Description

本発明は、電圧パルスを出力する高周波電源装置に関するものである。   The present invention relates to a high frequency power supply device that outputs voltage pulses.

電圧パルスを出力する高周波電源装置として、例えば交流放電を利用してレーザ発振を行う場合に使用される高周波電源装置がある。近年、プリント基板穴あけ加工に代表される微細加工用のレーザ装置として、レーザパルス出力のパルス幅が1マイクロ秒から数100マイクロ秒のパルス発振を行うことのできるものの需要が増加している。   As a high-frequency power supply device that outputs voltage pulses, for example, there is a high-frequency power supply device that is used when laser oscillation is performed using AC discharge. In recent years, as a laser apparatus for microfabrication represented by printed circuit board drilling, there is an increasing demand for a laser apparatus that can perform pulse oscillation with a pulse width of a laser pulse output of 1 microsecond to several hundred microseconds.

上記のようなレーザ装置(例えば、炭酸ガスレーザ装置)で使用される高周波電源装置において、レーザ媒体を励起させるためには、レーザ発振器の放電発生用の電極へ印加する放電電圧は数kV、放電時に流れる放電電流はピークが数10A、放電時の交流周波数(放電周波数)が数100kHz〜数MHz以上必要である。以下、このように放電を生じさせるための電力を放電電力と称する。   In the high frequency power supply device used in the laser device as described above (for example, a carbon dioxide laser device), in order to excite the laser medium, the discharge voltage applied to the discharge electrode of the laser oscillator is several kV, The flowing discharge current needs to have a peak of several tens of amperes and an AC frequency (discharge frequency) during discharge of several hundred kHz to several MHz or more. Hereinafter, the power for causing the discharge in this way is referred to as discharge power.

上記のような放電電力をレーザ装置に供給するために、従来よりインバータを使用した高周波電源装置が使用されている。インバータのスイッチング素子をオン/オフ制御することで、レーザ発振器に略正弦波の電流を供給し、レーザ媒体で満たされた放電空間に電力が供給されて放電が生じる。そして、この放電によって励起されたレーザ媒体がレーザ発振してレーザパルスとなって出力される(例えば、下記の特許文献1参照)。   In order to supply the discharge power as described above to the laser device, a high frequency power supply device using an inverter has been conventionally used. By performing on / off control of the switching element of the inverter, a substantially sinusoidal current is supplied to the laser oscillator, and electric power is supplied to the discharge space filled with the laser medium to generate a discharge. Then, the laser medium excited by the discharge oscillates and is output as a laser pulse (see, for example, Patent Document 1 below).

ところで、プリント基板などの微細加工用のレーザ装置では、加工物の材料や加工方法によってレーザの最適なエネルギ値がある。そのため、レーザ発振器のレーザ出力を制御するための各種の制御パラメータが設定される。   By the way, in a laser apparatus for microfabrication such as a printed circuit board, there is an optimum energy value of a laser depending on a material of a workpiece and a processing method. Therefore, various control parameters for controlling the laser output of the laser oscillator are set.

このような制御パラメータとしては、例えば図20に示すように、(i)レーザパルスの放電電力のピーク値を示すピーク出力、(ii)レーザパルスの出力周波数を示す繰り返しパルス周波数、および(iii)レーザパルスのパルス幅等がある。   As such control parameters, for example, as shown in FIG. 20, (i) a peak output indicating the peak value of the discharge power of the laser pulse, (ii) a repetitive pulse frequency indicating the output frequency of the laser pulse, and (iii) There is a pulse width of the laser pulse.

上記の制御パラメータに適合したレーザパルスを得るためには、高周波電源装置において、例えば、次のような制御が行われる。   In order to obtain a laser pulse suitable for the above control parameters, for example, the following control is performed in the high frequency power supply device.

(i)レーザパルスの放電電力のピーク出力は、主にレーザ発振器の電極に印加される放電電圧と、電極間に生じる放電によって流れる放電電流のピークによって決定される。よって、レーザパルスの放電電力のピーク出力を制御するためには、インバータに対する直流電源の電圧を調整して放電電圧を制御したり、あるいはPWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)によってインバータのDutyを制御することで放電電流のピークを制御する方法が採用される。例えば、図21に示すように、図20の条件1,2において、ピーク出力がp1>p2の場合には、インバータの直流電源の電圧がE1>E2に設定される。 (I) The peak output of the discharge power of the laser pulse is mainly determined by the discharge voltage applied to the electrodes of the laser oscillator and the peak of the discharge current flowing by the discharge generated between the electrodes. Therefore, in order to control the peak output of the discharge power of the laser pulse, the discharge voltage is controlled by adjusting the voltage of the DC power supply to the inverter, or the duty of the inverter is set by PWM (Pulse Width Modulation). A method of controlling the peak of the discharge current by controlling is adopted. For example, as shown in FIG. 21, in the conditions 1 and 2 of FIG. 20, when the peak output is p1> p2, the voltage of the DC power supply of the inverter is set to E1> E2.

(ii)繰り返しパルス周波数は、単位時間当たりに照射されるレーザパルスの数に相当するレーザパルスの出力周波数である。この繰り返しパルス周波数を増加することで、微細化加工時における加工速度(加工回数)を向上させることができる。そして、この繰り返しパルス周波数を制御するためには、インバータのスイッチング素子をオン/オフ制御する一連の制御パルス群の単位時間当たりの数が制御される。例えば、図21に示すように、図20の条件1,2において、繰り返しパルス周波数がf1>f2の場合には、インバータのスイッチング素子をオン/オフ制御する一連の制御パルス群の単位時間T当たりの数がN1>N2に設定される。図21ではN1=3、N2=2に設定されている。 (Ii) The repetition pulse frequency is an output frequency of a laser pulse corresponding to the number of laser pulses irradiated per unit time. By increasing the repetition pulse frequency, the processing speed (the number of processing) at the time of miniaturization processing can be improved. And in order to control this repetition pulse frequency, the number per unit time of a series of control pulse groups which carry out on / off control of the switching element of an inverter is controlled. For example, as shown in FIG. 21, when the repetitive pulse frequency is f1> f2 in conditions 1 and 2 of FIG. 20, per unit time T of a series of control pulse groups for controlling on / off of the switching elements of the inverter. Is set to N1> N2. In FIG. 21, N1 = 3 and N2 = 2 are set.

(iii)レーザパルスのパルス幅は、インバータのスイッチング素子をオン/オフ制御する一連の制御パルスの数、すなわちスイッチング素子のスイッチング回数nに比例する。このため、レーザのパルス幅を制御するためには、スイッチング素子のスイッチング回数nが制御される。例えば、図21に示すように、図20の条件1,2において、パルス幅がt1<t2の場合には、スイッチング素子のスイッチング回数がn1<n2に設定される。図21では、2・n1=n2であり、一連のスイッチング回数を2倍(2n)にすることでレーザパルス幅を2倍にすることができる。 (Iii) The pulse width of the laser pulse is proportional to the number of a series of control pulses for ON / OFF control of the switching element of the inverter, that is, the number of switching times n of the switching element. For this reason, in order to control the pulse width of the laser, the switching frequency n of the switching element is controlled. For example, as shown in FIG. 21, when the pulse width is t1 <t2 under the conditions 1 and 2 in FIG. 20, the switching frequency of the switching element is set to n1 <n2. In FIG. 21, 2 · n1 = n2, and the laser pulse width can be doubled by doubling the series of switching times (2n).

ところで、近年、IT関連機器の普及に伴い、より生産性の高い微細加工用のレーザ装置が求められている。また、微細加工における加工材料や加工の種類も多様化している。そのため、加工速度(加工回数)を高くしたり、加工材料や加工の種類に適合した加工エネルギを注入するためには、適切な制御パラメータを設定することが必要となる。   By the way, in recent years, with the spread of IT-related equipment, a laser device for fine processing with higher productivity is demanded. In addition, processing materials and types of processing in fine processing are diversified. Therefore, it is necessary to set appropriate control parameters in order to increase the processing speed (the number of times of processing) and inject processing energy suitable for the processing material and the type of processing.

この場合、加工速度(加工回数)を向上させるためには、前述のように、制御パラメータとして、レーザ発振の繰り返しパルス周波数を増加させることが必要である。また、加工材料や加工の種類に適合した加工エネルギを注入するためには、制御パラメータとして、レーザのパルス幅を大幅に変化させる(例えば、1マイクロ秒以下から数百マイクロ秒へ変化させる)ことが要求される。例えばポリイミド系樹脂では、ピーク出力が高いがレーザ照射時間が短い(すなわち、パルス幅が小さい)方が良質な加工が得られる。また、ガラス繊維を含むガラスエポキシ材では、ピーク出力は小さいが比較的レーザ照射時間が長い(すなわち、パルス幅が長い)方が良質な加工が得られる。   In this case, in order to improve the processing speed (the number of processing), as described above, it is necessary to increase the repetition pulse frequency of laser oscillation as a control parameter. Also, in order to inject processing energy suitable for the processing material and type of processing, the laser pulse width should be changed significantly as a control parameter (for example, from 1 microsecond or less to several hundred microseconds). Is required. For example, in the case of a polyimide resin, high quality processing can be obtained when the peak output is high but the laser irradiation time is short (that is, the pulse width is small). In addition, a glass epoxy material containing glass fibers has a smaller peak output but a relatively long laser irradiation time (that is, a longer pulse width) can provide better processing.

このように、生産性や加工材質の特性を考慮して、制御パラメータであるパルスレーザの繰り返しパルス周波数を増加させたり、レーザのパルス幅を変化させることが重要である。ところが、パルスレーザの繰り返しパルス周波数を増加させたり、レーザのパルス幅を増加させると、上記のように必然的に、スイッチング素子の単位時間当たりのスイッチング回数が増加し、その結果、スイッチング素子のスイッチング損失も増加して高周波電源装置の発熱が増大する。   As described above, it is important to increase the repetitive pulse frequency of the pulse laser, which is a control parameter, or to change the pulse width of the laser in consideration of productivity and characteristics of the processed material. However, when the repetition pulse frequency of the pulse laser is increased or the pulse width of the laser is increased, the number of times of switching per unit time of the switching element inevitably increases as described above. Loss also increases and heat generation of the high frequency power supply device increases.

従来技術では、インバータのスイッチング損失を抑えつつ、レーザのパルス幅を増加させるための対策として、インバータのスイッチング素子をオン/オフ制御する一連の制御パルスを規則的に間引くことで、所望のレーザパルス幅を確保しつつ、スイッチング素子のスイッチング回数を相対的に低減し、スイッチング損失を抑えるようにした手法が提案されている(例えば、下記の特許文献2参照)。   In the prior art, as a measure for increasing the laser pulse width while suppressing the switching loss of the inverter, a series of control pulses for on / off control of the switching elements of the inverter are regularly thinned out to obtain a desired laser pulse. A technique has been proposed in which the switching frequency of the switching element is relatively reduced and the switching loss is suppressed while ensuring the width (for example, see Patent Document 2 below).

特開2000−4059号公報JP 2000-4059 A 特開2004−22696号公報JP 2004-22696 A

上述のように、生産性や加工材質の特性を考慮して、制御パラメータであるレーザパルスの繰り返しパルス周波数を増加させたりパルス幅を増加させると、必然的に、スイッチング素子の単位時間当たりのスイッチング回数が増加する。その結果、スイッチング素子のスイッチング損失も増加して電源装置の発熱が増大する。   As described above, if the repetition pulse frequency of the laser pulse, which is a control parameter, or the pulse width is increased in consideration of productivity and characteristics of the processed material, switching per unit time of the switching element is inevitably required. The number of times increases. As a result, the switching loss of the switching element also increases and the heat generation of the power supply device increases.

このようなインバータのスイッチング素子のオン/オフに伴うスイッチング損失は、スイッチングの際にスイッチング素子自身のチャネルに印加される電圧と電流の積によって生じるターンオン損失およびターンオフ損失と、スイッチング素子がターンオンする際に、スイッチング素子の浮遊容量に充電された電荷がスイッチング素子のチャネルを通して放電される際に生じる浮遊容量による充放電損失の和で表される。
上記のうち、浮遊容量による充放電損失Wは、次の式(1)のように表される。
W=(1/2)CVf (1)
Switching loss associated with ON / OFF of the switching element of the inverter includes a turn-on loss and a turn-off loss caused by a product of a voltage and a current applied to the channel of the switching element during switching, and when the switching element is turned on. Further, it is represented by the sum of charge and discharge losses due to the stray capacitance generated when the charge charged in the stray capacitance of the switching element is discharged through the channel of the switching element.
Among the above, the charge / discharge loss W due to the stray capacitance is expressed by the following equation (1).
W = (1/2) CV 2 f (1)

ここに、Cは浮遊容量、Vは浮遊容量の充電電圧、fは浮遊容量の放電による損失を発生する場合のスイッチング素子のスイッチング回数である。なお、この浮遊容量Cは、各スイッチング素子のドレイン−ソース間に寄生する浮遊容量、ゲート給電線に浮遊して等価的にスイッチング素子のドレイン−ソース間に生じる浮遊容量、および各スイッチング素子の直列分圧を均等化させるために外付けされるコンデンサの容量などを含む全体の浮遊容量である。   Here, C is the stray capacitance, V is the charge voltage of the stray capacitance, and f is the number of switching times of the switching element when loss due to discharge of the stray capacitance occurs. The stray capacitance C includes a stray capacitance that is parasitic between the drain and source of each switching element, a stray capacitance that is floating between the drain and the source of the switching element by floating on the gate power supply line, and a series of the switching elements. This is the entire stray capacitance including the capacitance of an external capacitor to equalize the partial pressure.

上記の式(1)から分かるように、浮遊容量による充放電損失Wは、主に浮遊容量の充放電に起因する放電損失である。したがって、浮遊容量の充電電圧が高く、スイッチング素子のスイッチング回数が多い高周波インバータ回路では、浮遊容量による充放電損失が著しく大きくなる。よってインバータを高周波で動作させるためには、充放電損失Wの低減、すなわち浮遊容量の充電電圧Vを低減するか、浮遊容量自体を低減させる必要がある。   As can be seen from the above equation (1), the charge / discharge loss W due to the stray capacitance is a discharge loss mainly resulting from the charge / discharge of the stray capacitance. Therefore, in a high-frequency inverter circuit in which the charge voltage of the stray capacitance is high and the switching frequency of the switching element is large, the charge / discharge loss due to the stray capacitance is significantly increased. Therefore, in order to operate the inverter at a high frequency, it is necessary to reduce the charge / discharge loss W, that is, to reduce the charge voltage V of the stray capacitance or to reduce the stray capacitance itself.

従来技術(特許文献2)では、インバータのスイッチング素子をオン/オフ制御する一連の制御パルスを規則的に間引くことで、所望のレーザパルス幅を確保しつつ、スイッチング素子のスイッチング回数を相対的に低減して電源装置の発熱を抑えるようにしている。しかしながら、一連の制御パルスを規則的に間引く場合には、インバータの停止/起動の繰り返し動作が多くなるので、それだけ浮遊容量の充放電に起因するスイッチング素子のスイッチング損失が著しく増加する。その結果、依然として電源装置の発熱が増大するという問題がある。   In the prior art (Patent Document 2), a series of control pulses for on / off control of the switching elements of the inverter are regularly thinned out to ensure a desired laser pulse width while relatively switching the number of switching times of the switching elements. This reduces the heat generated by the power supply. However, when a series of control pulses are regularly thinned out, the number of repeated operations of stopping / starting the inverter increases, and accordingly, the switching loss of the switching element due to charging / discharging of the stray capacitance increases remarkably. As a result, there is still a problem that heat generation of the power supply device increases.

つまり、スイッチング素子をオン/オフ制御する一連の制御パルスを間引くことなく連続的にスイッチング素子をオン/オフ動作させる場合には、浮遊容量に充電された電荷が回生動作によって放電される。しかし、一連の制御パルスを規則的に間引く場合には、インバータの停止/起動の動作が頻繁に繰り返されるので、インバータ停止後に浮遊容量に充電された電荷が十分に放電されない状態で次にインバータが起動されると、共振条件が十分に満たされず、インバータ起動直後に大きな電流が流れて損失が大きくなる。このため、間引きによるスイッチング損失の低減効果はそれほど顕著ではない。   In other words, when the switching element is continuously turned on / off without thinning out a series of control pulses for on / off control of the switching element, the charge charged in the stray capacitance is discharged by the regenerative operation. However, when a series of control pulses are regularly thinned out, the operation of stopping / starting the inverter is frequently repeated, so that after the inverter is stopped, the inverter is next discharged in a state where the charge charged in the stray capacitance is not sufficiently discharged. When activated, the resonance condition is not sufficiently satisfied, and a large current flows immediately after the inverter is activated, resulting in a large loss. For this reason, the effect of reducing the switching loss due to thinning is not so remarkable.

また、加工速度(加工回数)を向上させるためにレーザパルスの繰り返しパルス周波数を増加させるには、スイッチング素子をオン/オフ制御する一連の制御パルスを間引くといったことでは対処できない。そのため、依然としてスイッチング素子の単位時間当たりのスイッチング回数が増加し、その結果、高周波電源装置の発熱が増加してしまう。   In addition, in order to increase the repetition pulse frequency of the laser pulse in order to improve the processing speed (the number of processing), it is not possible to cope with it by thinning out a series of control pulses for on / off control of the switching element. Therefore, the number of switching operations per unit time of the switching element still increases, and as a result, the heat generation of the high frequency power supply device increases.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、高周波電力供給をインバータのスイッチング素子のオン/オフ制御で実現する高周波電源装置において、インバータを構成する各スイッチング素子のスイッチング回数の増加によるスイッチング損失を大幅に低減することができる高周波電源装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problem, and in a high-frequency power supply apparatus that realizes high-frequency power supply by on / off control of switching elements of an inverter, an increase in the number of switching times of each switching element constituting the inverter An object of the present invention is to provide a high-frequency power supply device that can significantly reduce the switching loss due to.

本発明の高周波電源装置は、負荷に電圧パルスを出力するものであって、スイッチング素子を有する電力変換用のインバータと、上記負荷に接続される第1のリアクトルと、上記インバータの出力端に接続されて上記スイッチング素子の浮遊容量の電荷を回収するための電荷回収回路と、上記インバータと上記電荷回収回路の動作を制御する制御手段とを備え、上記電荷回収回路は、当該回路起動用のスイッチング素子、上記浮遊容量との間でLC共振するための第2のリアクトル、および電荷回収用のコンデンサを有し、上記制御手段は、上記インバータのスイッチング素子をオン/オフ制御する一連のインバータ制御パルス群および上記電荷回収回路のスイッチング素子を上記インバータのスイッチング素子のデッドタイム期間で起動させる電荷回収制御パルスを出力することを特徴としている。 The high frequency power supply device of the present invention outputs a voltage pulse to a load, and is connected to an inverter for power conversion having a switching element, a first reactor connected to the load, and an output terminal of the inverter. And a charge recovery circuit for recovering the charge of the stray capacitance of the switching element, and a control means for controlling the operation of the inverter and the charge recovery circuit. The charge recovery circuit is a switching circuit for starting the circuit. A series of inverter control pulses for controlling on / off of the switching element of the inverter, the second reactor for performing LC resonance with the stray capacitance, and a capacitor for charge recovery. of starting the switching elements of the group and the charge recovery circuit dead-time period of the switching element of the inverter It is characterized by outputting a that charge collection control pulses.

本発明によれば、電荷回収回路を構成するスイッチング素子を必要なタイミングでオン/オフして、当該回路の第2のリアクトルとインバータのスイッチング素子の浮遊容量との間でLC共振させることにより、インバータを構成する各スイッチング素子の浮遊容量に充電された電荷を電荷回収回路のコンデンサに入出力する。これにより、インバータのスイッチング素子がスイッチングする際の浮遊容量の充電電圧を低減できるので、スイッチング回数が増加しても、インバータのスイッチング損失を大幅に減らすことができる。これにより、装置の冷却機構が簡素化され、装置の小型化、コストの低減化、設置スペース縮小化などを図ることが可能となる。   According to the present invention, the switching element constituting the charge recovery circuit is turned on / off at a necessary timing, and LC resonance is caused between the second reactor of the circuit and the stray capacitance of the switching element of the inverter, The charge charged in the stray capacitance of each switching element constituting the inverter is input / output to / from the capacitor of the charge recovery circuit. Thereby, since the charging voltage of the stray capacitance when the switching element of the inverter is switched can be reduced, the switching loss of the inverter can be greatly reduced even if the number of times of switching is increased. Thereby, the cooling mechanism of the apparatus is simplified, and the apparatus can be reduced in size, cost, installation space, and the like.

ガスレーザ装置の概略を示す構成図である。It is a block diagram which shows the outline of a gas laser apparatus. 本発明の実施の形態1による高周波電源装置の構成図である。It is a block diagram of the high frequency power supply device by Embodiment 1 of this invention. 同電源装置のパルス制御回路の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the pulse control circuit of the power supply device. 同電源装置の電荷回収回路の一例を示す構成図である。It is a block diagram which shows an example of the electric charge collection circuit of the power supply device. 同電源装置の電荷回収回路の他の一例を示す構成図である。It is a block diagram which shows another example of the electric charge collection circuit of the power supply device. 同電源装置の制御動作の一例を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows an example of control operation of the power supply device. 同電源装置の駆動時のインバータ制御パルスと電荷回収制御パルス、およびこれらのパルスによって各スイッチング素子に流れる電流を示すタイミングチャートである。4 is a timing chart showing an inverter control pulse and a charge recovery control pulse when the power supply device is driven, and a current flowing through each switching element by these pulses. 同電源装置の駆動時においてインバータの各部に流れる電流経路を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the current pathway which flows into each part of an inverter at the time of the drive of the power supply device. 同電源装置の駆動時においてインバータの各部に流れる電流経路を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the current pathway which flows into each part of an inverter at the time of the drive of the power supply device. 同電源装置の駆動時においてインバータの各部に流れる電流経路を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the current pathway which flows into each part of an inverter at the time of the drive of the power supply device. 同電源装置の駆動時においてインバータの各部に流れる電流経路を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the current pathway which flows into each part of an inverter at the time of the drive of the power supply device. 同電源装置の駆動時においてインバータの各部に流れる電流経路を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the current pathway which flows into each part of an inverter at the time of the drive of the power supply device. 同電源装置の駆動時においてインバータの各部に流れる電流経路を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the current pathway which flows into each part of an inverter at the time of the drive of the power supply device. 同電源装置を間引き制御動作させる場合の一例を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows an example in the case of performing the thinning-out control operation of the power supply device. 同電源装置を間引き制御動作させる場合の他の一例を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows another example in the case of performing the thinning-out control operation of the same power supply device. 同電源装置を間引き制御動作させる場合のさらに他の一例を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows another example in the case of performing the thinning-out control operation of the same power supply device. 本発明の実施の形態2における高周波電源装置の構成図である。It is a block diagram of the high frequency power supply device in Embodiment 2 of this invention. 同電源装置の電荷回収回路の一例を示す構成図である。It is a block diagram which shows an example of the electric charge collection circuit of the power supply device. 同電源装置の電荷回収回路の他の一例を示す構成図である。It is a block diagram which shows another example of the electric charge collection circuit of the power supply device. レーザ発振器のレーザ出力を制御するために設定される制御パラメータの説明図である。It is explanatory drawing of the control parameter set in order to control the laser output of a laser oscillator. 図20の制御パラメータの設定に伴うインバータのスイッチング素子の駆動状態とレーザパルス出力との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the drive state of the switching element of the inverter accompanying the setting of the control parameter of FIG. 20, and a laser pulse output.

実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1による高周波電源装置が適用されるガスレーザ装置の概略を示す構成図、図2は本発明の実施の形態1による高周波電源装置の構成図である。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of a gas laser device to which a high frequency power supply device according to Embodiment 1 of the present invention is applied, and FIG. 2 is a configuration diagram of the high frequency power supply device according to Embodiment 1 of the present invention.

この実施の形態1による高周波電源装置1は、ガスレーザ装置を構成するレーザ発振器2に接続されている。レーザ発振器2は、図1に示すように、互いに対向配置された一対の電極3と、各電極3の対向表面側に形成された誘電体4と、レーザ発振を行うための部分反射ミラー5と全反射ミラー6とからなる共振ミラーと、を備えている。誘電体4間に形成された放電空間7には、レーザ媒体(混合ガス)が満たされている。そして、放電空間7に電力が供給されて放電が生じ、この放電によって励起されたレーザ媒体の誘導放出によりミラー5,6間でレーザ発振してレーザ光となって出力される。この場合、誘電体4と放電空間7は、図2に示すように、高周波電源装置1に対する容量性の負荷19として、等価回路的に放電抵抗191と誘電体コンデンサ192との直列回路で表される。   The high frequency power supply device 1 according to the first embodiment is connected to a laser oscillator 2 constituting a gas laser device. As shown in FIG. 1, the laser oscillator 2 includes a pair of electrodes 3 arranged opposite to each other, a dielectric 4 formed on the opposite surface side of each electrode 3, a partial reflection mirror 5 for performing laser oscillation, A resonance mirror including the total reflection mirror 6. The discharge space 7 formed between the dielectrics 4 is filled with a laser medium (mixed gas). Then, electric power is supplied to the discharge space 7 to generate discharge, and laser emission is generated between the mirrors 5 and 6 by the stimulated emission of the laser medium excited by the discharge, and is output as laser light. In this case, as shown in FIG. 2, the dielectric 4 and the discharge space 7 are represented by a series circuit of a discharge resistor 191 and a dielectric capacitor 192 as a capacitive load 19 for the high frequency power supply device 1 in an equivalent circuit. The

高周波電源装置1は、図2に示されるように、フルブリッジ型のインバータ11、直流電源12、昇圧トランス13、第1のリアクトル14、インバータ制御回路15、間引き回路16、パルス制御回路17、および電荷回収回路18を主体に構成されている。そして、高周波電源装置1は、インバータ11の出力側が昇圧トランス13および第1のリアクトル14を介して容量性の負荷19となるガスレーザ装置の放電抵抗191と誘電体コンデンサ192との直列回路に接続されている。   As shown in FIG. 2, the high-frequency power device 1 includes a full-bridge inverter 11, a DC power source 12, a step-up transformer 13, a first reactor 14, an inverter control circuit 15, a thinning circuit 16, a pulse control circuit 17, and The charge recovery circuit 18 is mainly configured. In the high-frequency power supply device 1, the output side of the inverter 11 is connected to a series circuit of a discharge resistor 191 and a dielectric capacitor 192 of a gas laser device serving as a capacitive load 19 via the step-up transformer 13 and the first reactor 14. ing.

なお、上記第1のリアクトル14は、高周波トランスの漏れインダクタンスを利用する場合が多く、必ずしも外部に取り付けられるものではない。また、インバータ11が高電圧を出力できる場合は、昇圧トランス13を用いずに、第1のリアクトル14を介して直接に負荷19に接続することもできる。さらに、この高周波電源装置1は、図1に示したような構成のガスレーザ装置に対してのみ適用されるものではなく、半導体製造装置、液晶製造装置、放電加工装置、オゾン発生装置およびマイクロ波発生装置などのプラズマ発生用途、板金加工用やプリント基板穴あけ用のレーザ装置などのレーザ発生用途、熱可塑性樹脂などの溶着用の高周波溶着機、金属加熱用の誘導加熱圧入機および調理用のIHクッキングヒータなどの高周波誘導過熱用途など、高周波交流電力で駆動する負荷を有するすべての装置に適用することが可能である。   The first reactor 14 often uses the leakage inductance of a high-frequency transformer and is not necessarily attached to the outside. Further, when the inverter 11 can output a high voltage, it can be directly connected to the load 19 via the first reactor 14 without using the step-up transformer 13. Further, the high frequency power supply device 1 is not applied only to the gas laser device having the configuration as shown in FIG. 1, but a semiconductor manufacturing device, a liquid crystal manufacturing device, an electric discharge machining device, an ozone generator, and a microwave generator. Plasma generation applications such as equipment, laser generation applications such as laser equipment for sheet metal processing and printed circuit board drilling, high frequency welding machines for welding thermoplastic resins, induction heating press for metal heating, and IH cooking heaters for cooking It can be applied to all devices having a load driven by high-frequency AC power, such as high-frequency induction overheating.

上記のインバータ11は、MOSFETやIGBT等からなる各スイッチング素子S1〜S4、および各スイッチング素子S1〜S4を個別に駆動するゲート駆動回路111〜114を有する。また、各スイッチング素子S1〜S4には、各ダイオードD11〜D14および浮遊容量C11〜C14が並列接続されている。   The inverter 11 includes switching elements S1 to S4 made of MOSFET, IGBT, and the like, and gate drive circuits 111 to 114 that individually drive the switching elements S1 to S4. In addition, the diodes D11 to D14 and the stray capacitances C11 to C14 are connected in parallel to the switching elements S1 to S4.

なお、各ダイオードD11〜D14は、インバータ11が回生や還流を行う際に使用されるものであり、各スイッチング素子S1〜S4の内部にダイオードが寄生する場合には省略することができる。また、ここでの各浮遊容量C11〜C14は、スイッチング素子S1〜S4のドレイン−ソース間に寄生する浮遊容量、ゲート給電線に浮遊して等価的にスイッチング素子のドレイン−ソース間に生じる浮遊容量、および各スイッチング素子S1〜S4の直列分圧を均等化させるために別途外付けされるコンデンサの容量などを含む全体の浮遊容量を意味する。   Each of the diodes D11 to D14 is used when the inverter 11 performs regeneration or reflux, and can be omitted when a diode is parasitic inside each of the switching elements S1 to S4. In addition, each of the stray capacitances C11 to C14 here is a stray capacitance parasitic between the drain and the source of the switching elements S1 to S4, and a stray capacitance that floats on the gate power supply line and equivalently occurs between the drain and the source of the switching element. , And the total stray capacitance including the capacitance of a capacitor externally attached to equalize the series voltage division of each of the switching elements S1 to S4.

一方、インバータ制御回路15は、図20に示したような各種の制御パラメータの設定に応じて、これに適合するインバータ制御用の指令パルスA1〜A4を出力するものである。   On the other hand, the inverter control circuit 15 outputs inverter control command pulses A1 to A4 suitable for setting various control parameters as shown in FIG.

間引き回路16は、インバータ11に対する間引き設定に応じて指令パルスA1〜A4を一定間隔で間引く回路である。間引き回路16では、例えば1パルスおきに1パルス間引いたり、あるいは2パルスおきに2パルス間引くなど、間引きの間隔と間引きの回数を自由に設定できるものである。また、間引きを実施しないことも可能であり、その場合には、この間引き回路16の動作を停止させたり、あるいは間引き回路16を省略して、インバータ制御回路15の指令パルスA1〜A4を直接にパルス制御回路17に与えることができる。   The thinning circuit 16 is a circuit that thins out the command pulses A1 to A4 at regular intervals according to the thinning setting for the inverter 11. The thinning circuit 16 can freely set the thinning interval and the number of thinnings, such as thinning one pulse every other pulse or thinning two pulses every two pulses. Further, it is possible not to perform thinning, in which case the operation of the thinning circuit 16 is stopped or the thinning circuit 16 is omitted and the command pulses A1 to A4 of the inverter control circuit 15 are directly applied. This can be given to the pulse control circuit 17.

パルス制御回路17は、特許請求の範囲における制御手段に対応するもので、図3に示すように、インバータ制御パルス作成回路171と電荷回収制御パルス作成回路172とからなる。インバータ制御パルス作成回路171は、間引き回路16を通過した後の間引き後の指令パルスB1〜B4に基づいてインバータ制御パルスG1〜G4を作成してインバータ11の各ゲート駆動回路111〜114に出力する。電荷回収制御パルス作成回路172は、間引き回路16を通過した後の間引き後の指令パルスB1〜B4に基づいて、所定のパルス幅tw(後述)をもつ電荷回収制御パルスG11〜G44を作成して電荷回収回路18に出力する。   The pulse control circuit 17 corresponds to the control means in the claims, and includes an inverter control pulse generation circuit 171 and a charge recovery control pulse generation circuit 172 as shown in FIG. The inverter control pulse generation circuit 171 generates inverter control pulses G1 to G4 based on the command pulses B1 to B4 after thinning after passing through the thinning circuit 16 and outputs the inverter control pulses G1 to G4 to the gate drive circuits 111 to 114 of the inverter 11. . The charge recovery control pulse generation circuit 172 generates charge recovery control pulses G11 to G44 having a predetermined pulse width tw (described later) based on the command pulses B1 to B4 after thinning after passing through the thinning circuit 16. The charge is output to the charge recovery circuit 18.

この場合、インバータ制御パルスG1〜G4の出力タイミングは、各電荷回収制御パルスG11〜G44の出力タイミングよりも一定時間Δtだけ遅延される。そのため、インバータ制御パルスG1〜G4によってインバータ11を構成する各スイッチング素子S1〜S4がオン動作する直前に、電荷回収制御パルスG11〜G44によって電荷回収回路18が起動される。この遅延時間Δtが電荷回収回路18による浮遊容量電荷の最大電荷回収時間である。   In this case, the output timing of the inverter control pulses G1 to G4 is delayed by a fixed time Δt from the output timing of the charge recovery control pulses G11 to G44. Therefore, the charge recovery circuit 18 is activated by the charge recovery control pulses G11 to G44 immediately before the switching elements S1 to S4 constituting the inverter 11 are turned on by the inverter control pulses G1 to G4. This delay time Δt is the maximum charge recovery time of the stray capacitance charge by the charge recovery circuit 18.

なお、このようなインバータ制御パルスG1〜G4や電荷回収制御パルスG11〜G44を作成するパルス制御回路17は、図3に示したようなアナログのIC回路を用いて作成してもよいが、これに限らず、例えばROMやFPGA、マイコンなどの記憶デバイスに必要なパルスパターンを予め登録しておき、各々の設定に応じて各パルスを出力するように構成することもできる。   The pulse control circuit 17 for creating such inverter control pulses G1 to G4 and charge recovery control pulses G11 to G44 may be created using an analog IC circuit as shown in FIG. For example, a necessary pulse pattern may be registered in advance in a storage device such as a ROM, FPGA, or microcomputer, and each pulse may be output according to each setting.

電荷回収回路18は、例えば、図4あるいは図5に示すような構成を備えている。この電荷回収回路18は、インバータ制御パルスG1〜G4によってインバータ11を構成する各スイッチング素子S1〜S4がオン動作する直前に、電荷回収制御パルスG11〜G44によって起動される。そして、電荷回収回路18は、各スイッチング素子S1〜S4に存在する浮遊容量C11〜C14の電荷を電荷回収回路18に放電したり、電荷回収回路18から浮遊容量C11〜C14に電荷を充電する動作を行う。なお、この電荷回収回路18の構成、および作用については、後でさらに詳述する。   The charge recovery circuit 18 has a configuration as shown in FIG. 4 or FIG. 5, for example. The charge recovery circuit 18 is activated by the charge recovery control pulses G11 to G44 immediately before the switching elements S1 to S4 constituting the inverter 11 are turned on by the inverter control pulses G1 to G4. Then, the charge recovery circuit 18 discharges the charges of the stray capacitances C11 to C14 existing in the switching elements S1 to S4 to the charge recovery circuit 18 or charges the stray capacitances C11 to C14 from the charge recovery circuit 18. I do. The configuration and operation of the charge recovery circuit 18 will be described in detail later.

図6は、図2で示される各信号に対応したタイミングチャートの一例を示すものであり、ここではレーザパルス(電圧パルス)の1パルス分に相当する出力期間Tpにおける各信号波形を示している。   FIG. 6 shows an example of a timing chart corresponding to each signal shown in FIG. 2. Here, each signal waveform in the output period Tp corresponding to one pulse of the laser pulse (voltage pulse) is shown. .

インバータ制御回路15は、制御パラメータ(例えばパルス幅指令)に応じた指令パルスA1〜A4を間引き回路16に出力する。間引き回路16は、この指令パルスA1〜A4を必要とする状態に間引いて間引き後の指令パルスB1〜B4を出力し、その間引き後の指令パルスB1〜B4がパルス制御回路17に入力される。   The inverter control circuit 15 outputs command pulses A1 to A4 corresponding to control parameters (for example, pulse width command) to the thinning circuit 16. The thinning circuit 16 thins out the command pulses A1 to A4 to a state that requires them, and outputs the thinned command pulses B1 to B4. The thinned command pulses B1 to B4 are input to the pulse control circuit 17.

パルス制御回路17の電荷回収用制御パルス作成回路172に入力された間引き後の指令パルスB1〜B4は、ここで間引き後の指令パルスB1〜B4よりも短いパルス幅twをもつ電荷回収制御パルスG11〜G44に変換されて出力される。また、インバータ制御パルス作成回路171に入力された間引き後の指令パルスB1〜B4は、ここで電荷回収制御パルスG11〜G44よりも一定時間Δtだけ遅延された状態でインバータ制御パルスG1〜G4として出力される。   The thinned command pulses B1 to B4 input to the charge recovery control pulse generation circuit 172 of the pulse control circuit 17 are charge recovery control pulses G11 having a pulse width tw shorter than the thinned command pulses B1 to B4. To G44 and output. Further, the thinned command pulses B1 to B4 input to the inverter control pulse generation circuit 171 are output as inverter control pulses G1 to G4 in a state delayed by a fixed time Δt from the charge recovery control pulses G11 to G44. Is done.

パルス制御回路17から出力された各インバータ制御パルスG1〜G4は、インバータ11の各スイッチング素子S1〜S4に対応して設けられたゲート駆動回路111〜114に入力される。ゲート駆動回路111〜114は、各制御パルスG1〜G4に応じてスイッチング素子S1〜S4を駆動するために必要なゲート駆動パルスを出力して、各スイッチング素子S1〜S4をオン/オフ駆動する。   The inverter control pulses G1 to G4 output from the pulse control circuit 17 are input to gate drive circuits 111 to 114 provided corresponding to the switching elements S1 to S4 of the inverter 11, respectively. The gate drive circuits 111 to 114 output gate drive pulses necessary for driving the switching elements S1 to S4 according to the control pulses G1 to G4, and drive the switching elements S1 to S4 on / off.

これにより、インバータ11の出力には矩形の高周波電圧が発生し、その出力は、高周波トランス13によって昇圧され、第1のリアクトル14を通して負荷19に供給される。その場合、第1のリアクトル14と誘電体コンデンサ192によるLC回路によって、出力電流の高周波成分は無くなり、負荷19には略正弦波の電流が流れる。その結果、図1に示すようなレーザ媒体(混合ガス)で満たされた放電空間7に電力が供給されて放電が生じ、この放電によって励起されたレーザ媒体の誘導放出によってレーザ発振器2がレーザ発振してレーザパルスが出力される。なお、インバータ11が高電圧を出力できる場合は、昇圧トランス13を用いずに、第1のリアクトル14を介して直接に負荷19に接続することもできる。   As a result, a rectangular high-frequency voltage is generated at the output of the inverter 11, and the output is boosted by the high-frequency transformer 13 and supplied to the load 19 through the first reactor 14. In that case, the high frequency component of the output current is eliminated by the LC circuit including the first reactor 14 and the dielectric capacitor 192, and a substantially sinusoidal current flows through the load 19. As a result, electric power is supplied to the discharge space 7 filled with the laser medium (mixed gas) as shown in FIG. 1 to generate a discharge, and the laser oscillator 2 oscillates by stimulated emission of the laser medium excited by this discharge. A laser pulse is output. When the inverter 11 can output a high voltage, it can be directly connected to the load 19 via the first reactor 14 without using the step-up transformer 13.

次に、前述の電荷回収回路18の構成および動作について詳細に説明する。
電荷回収回路18は、この実施の形態1では、例えば図4に示す構成のものが採用される。この電荷回収回路18は、LC共振を利用してインバータ11の各スイッチング素子S1〜S4に存在する浮遊容量C11〜C14の電荷を充放電させる役割を有する。そのために、電荷回収回路18は、2つの充放電回路18a,18bを有し、各充放電回路18a,18bは、当該回路18a,18bを起動するスイッチング素子S11,S44およびS22,S33、インバータ11の浮遊容量C11〜C14との間でLC共振するための第2のリアクトル182、および電荷回収用のコンデンサ183を備えている。
Next, the configuration and operation of the above-described charge recovery circuit 18 will be described in detail.
In the first embodiment, for example, the charge recovery circuit 18 having the configuration shown in FIG. 4 is employed. The charge recovery circuit 18 has a role of charging and discharging charges of the stray capacitances C11 to C14 existing in the switching elements S1 to S4 of the inverter 11 using LC resonance. For this purpose, the charge recovery circuit 18 includes two charge / discharge circuits 18a and 18b. Each of the charge / discharge circuits 18a and 18b includes switching elements S11 and S44 and S22 and S33 that start the circuits 18a and 18b, and an inverter 11. The second reactor 182 for performing LC resonance with the stray capacitances C11 to C14 and the capacitor 183 for charge collection are provided.

また、各充放電回路18a,18bを構成するスイッチング素子S11〜S44としてMOSFETを用いる場合、各MOSFETの内部には寄生ダイオード184が存在するので、その寄生ダイオード184の順方向通電を阻止するために、寄生ダイオード184に対して極性が逆になるようにダイオード185が直列に接続されている。また、充放電のためには双方向のスイッチ動作を行なわせる必要があるため、各充放電回路18a,18bは、各スイッチング素子S11〜S44とダイオード185を接続した直列回路をそれぞれ逆並列に接続し、その一端側に第2のリアクトル182を、他端側にコンデンサ183が接続されている。   Further, when MOSFETs are used as the switching elements S11 to S44 constituting the charge / discharge circuits 18a and 18b, since the parasitic diode 184 exists in each MOSFET, in order to prevent forward conduction of the parasitic diode 184. The diode 185 is connected in series so that the polarity is opposite to that of the parasitic diode 184. In addition, since it is necessary to perform a bidirectional switch operation for charging / discharging, each charging / discharging circuit 18a, 18b is connected in antiparallel to a series circuit in which each switching element S11-S44 and diode 185 are connected. And the 2nd reactor 182 is connected to the one end side, and the capacitor | condenser 183 is connected to the other end side.

そして、一方(例えば図の上側)の充放電回路18aは、第2のリアクトル182側がインバータ11の一方の出力端(図2の出力端X)に、他方(例えば図の下側)の充放電回路18bは、第2のリアクトル182側がインバータ11の他方の出力端(図2の出力端Y)にそれぞれ接続され、また、これらの各充放電回路18a,18bのコンデンサ183側がインバータ11の負側(N側)端子に接続される。   The charging / discharging circuit 18a on one side (for example, the upper side in the figure) has the second reactor 182 side on one output terminal (the output terminal X in FIG. 2) of the inverter 11 and the other (for example, the lower side in the figure). In the circuit 18b, the second reactor 182 side is connected to the other output terminal (the output terminal Y in FIG. 2) of the inverter 11, and the capacitor 183 side of each of these charge / discharge circuits 18a and 18b is connected to the negative side of the inverter 11. Connected to the (N side) terminal.

この電荷回収回路18においては、コンデンサ183、スイッチング素子S11〜S44、およびダイオード185に対して、少なくともインバータ11の母線電圧Eの1/2の電圧が印加される。そのため、電荷回収回路18において、母線電圧Eの1/2以上の定格を持つ素子を選択するか、あるいは回路全体で母線電圧の1/2の耐圧となるように必要な数だけ素子を直列に接続する必要がある。また、コンデンサ183にはインバータ11の浮遊容量C11〜C14からの電荷が入出力される。そのため、その電荷の入出力によりコンデンサ183の電圧が大きく変動しないように、浮遊容量C11〜C14よりも大容量のコンデンサ183を接続することが好ましい。例えば、浮遊容量C11〜C14の容量が数100pFの場合、コンデンサ183の容量は数10nF以上のものを選定するのがよい。   In the charge recovery circuit 18, at least a voltage that is 1/2 of the bus voltage E of the inverter 11 is applied to the capacitor 183, the switching elements S 11 to S 44, and the diode 185. Therefore, in the charge recovery circuit 18, an element having a rating of 1/2 or more of the bus voltage E is selected, or the necessary number of elements are serially connected so that the entire circuit has a withstand voltage of 1/2 of the bus voltage. Need to connect. The capacitor 183 receives and inputs charges from the stray capacitances C11 to C14 of the inverter 11. For this reason, it is preferable to connect a capacitor 183 having a larger capacity than the stray capacitances C11 to C14 so that the voltage of the capacitor 183 does not fluctuate greatly due to the input and output of the charges. For example, when the capacitances of the stray capacitances C11 to C14 are several hundreds pF, it is preferable to select a capacitor having a capacitance of several tens of nF or more.

なお、各スイッチング素子S11〜S44の内部に寄生ダイオード184が存在しない理想的な場合には、電荷回収回路18として、図5に示すような構成を採用することができる。すなわち、この電荷回収回路18は、2つの充放電回路18a,18bを有し、各充放電回路18a,18bは、第2のリアクトル182と、スイッチング素子186と、コンデンサ183を順次直列接続している。そして、一方(例えば図の上側)の充放電回路18aは、第2のリアクトル182側がインバータ11の一方の出力端(図2の出力端X)に、他方(例えば図の下側)の充放電回路18bは、第2のリアクトル182側がインバータ11の他方の出力端(図2の出力端Y)にそれぞれ接続されている。また、これらの各充放電回路18a,18bのコンデンサ183側がインバータ11の負側(N側)端子に接続される。   In an ideal case where the parasitic diode 184 does not exist in each of the switching elements S11 to S44, a configuration as shown in FIG. That is, the charge recovery circuit 18 includes two charge / discharge circuits 18a and 18b. Each charge / discharge circuit 18a and 18b includes a second reactor 182, a switching element 186, and a capacitor 183 sequentially connected in series. Yes. The charging / discharging circuit 18a on one side (for example, the upper side in the figure) has the second reactor 182 side on one output terminal (the output terminal X in FIG. 2) of the inverter 11 and the other (for example, the lower side in the figure). In the circuit 18b, the second reactor 182 side is connected to the other output terminal (the output terminal Y in FIG. 2) of the inverter 11, respectively. Further, the capacitor 183 side of each of these charge / discharge circuits 18 a and 18 b is connected to the negative side (N side) terminal of the inverter 11.

図4あるいは図5に示す電荷回収回路18は、LC共振を利用してインバータ11の浮遊容量C11〜C14に対して電荷を充放電させる。そのため、次の式(2)に示すように、電荷回収回路18の第2のリアクトル182のインダクタンス値Lとトータルの浮遊容量C11〜C14の容量Cにより定まる共振の周期の1/2が最大電荷回収時間Δtよりも小さくなるように、第2のリアクトル182のインダクタンス値Lを設定するのが最も理想的である。そして、この時に発生する浮遊容量C11〜C14の充放電に起因するスイッチング損失は最小となる。
Δt≧π√LC
∴L≦(Δt/π)×1/C (2)
The charge recovery circuit 18 shown in FIG. 4 or FIG. 5 charges and discharges charges in the stray capacitances C11 to C14 of the inverter 11 using LC resonance. Therefore, as shown in the following equation (2), 1/2 of the resonance period determined by the inductance value L of the second reactor 182 of the charge recovery circuit 18 and the capacitance C of the total stray capacitances C11 to C14 is the maximum charge. It is most ideal to set the inductance value L of the second reactor 182 so as to be shorter than the recovery time Δt. And the switching loss resulting from the charge / discharge of the stray capacitances C11 to C14 occurring at this time is minimized.
Δt ≧ π√LC
∴L ≦ (Δt / π) 2 × 1 / C (2)

ただし、電荷回収回路18に流れる電流ピークIは、インバータ11のスイッチング素子S1〜S4やダイオード185の通電時の回路インピーダンスが非常に小さい理想的な条件においては、次の式(3)により定まる。
I=V/√(L/C) (3)
However, the current peak I flowing in the charge recovery circuit 18 is determined by the following equation (3) under ideal conditions where the circuit impedance when the switching elements S1 to S4 of the inverter 11 and the diode 185 are energized is very small.
I = V / √ (L / C) (3)

このため、電荷回収時間Δtを短くすれば、第2のリアクトル182のインダクタンス値Lが小さくなるが、電流ピーク値Iは大きくなり、各充放電回路18a,18bを構成するスイッチング素子S11〜S44(186)やダイオード185には、比較的高ピーク電流を流すことのできる素子を選定する必要がある。逆に、電荷回収時間Δtを長くすれば、第2のリアクトル182のインダクタンス値Lを大きくする必要があるが、電流ピークIは小さくて済むため、高いピーク電流を流すことのできる素子である必要は無くなる。このように、電荷回収回路18に流れる電流は、電荷回収時間Δtと第2のリアクトル182のインダクタンス値Lによって定まるため、選択した素子の定格や回路のサイズに応じて適切なリアクトルを選択する。   For this reason, if the charge recovery time Δt is shortened, the inductance value L of the second reactor 182 decreases, but the current peak value I increases, and the switching elements S11 to S44 (which constitute the charge / discharge circuits 18a and 18b) For 186) and diode 185, it is necessary to select an element capable of flowing a relatively high peak current. Conversely, if the charge recovery time Δt is increased, the inductance value L of the second reactor 182 needs to be increased. However, since the current peak I can be reduced, the element must be capable of flowing a high peak current. Will disappear. Thus, since the current flowing through the charge recovery circuit 18 is determined by the charge recovery time Δt and the inductance value L of the second reactor 182, an appropriate reactor is selected according to the rating of the selected element and the circuit size.

なお、第2のリアクトル182と浮遊容量C11〜C14とで決まる直列共振周波数を、第2のリアクトル182のインダクタンス値と第1のリアクトル14のインダクタンス値の和のインダクタンス値と誘電体コンデンサ192の直列共振周波数よりも十分高く設定すれば、電荷回収回路18から負荷19への流入電流を低減することが可能となる。これによれば、浮遊容量C11〜C14からの電荷回収効果が大きくなるとともに、各充放電回路18a,18bを構成するスイッチング素子S11〜S44(186)やダイオード185の損失を小さくすることができる。   The series resonance frequency determined by the second reactor 182 and the stray capacitances C11 to C14 is set so that the inductance value of the sum of the inductance value of the second reactor 182 and the inductance value of the first reactor 14 and the dielectric capacitor 192 are in series. If it is set sufficiently higher than the resonance frequency, the inflow current from the charge recovery circuit 18 to the load 19 can be reduced. According to this, the effect of collecting charges from the stray capacitances C11 to C14 is increased, and the loss of the switching elements S11 to S44 (186) and the diode 185 constituting the charge / discharge circuits 18a and 18b can be reduced.

また、第1のリアクトル14のインダクタンス値よりも第2のリアクトル182のインダクタンス値を小さく設定しても、浮遊容量C11〜C14からの電荷回収効果が大きくなるとともに、各充放電回路18a,18bを構成するスイッチング素子S11〜S44(186)やダイオード185の損失を小さくすることができる。あるいは、第1のリアクトル14と負荷19の直列インピーダンスよりも浮遊容量C11〜C14のインピーダンスが小さくなるように、第1のリアクトル14のインダクタンス値を設定し、この第1のリアクトル14のインダクタンス値と負荷19の誘電体コンデンサ192で共振するようにインバータ11の周波数を設定しても上記同様の効果を得ることができる。   Further, even if the inductance value of the second reactor 182 is set to be smaller than the inductance value of the first reactor 14, the charge recovery effect from the stray capacitances C11 to C14 is increased, and the charge / discharge circuits 18a and 18b are connected to each other. Loss of the switching elements S11 to S44 (186) and the diode 185 to be configured can be reduced. Alternatively, the inductance value of the first reactor 14 is set so that the impedance of the stray capacitances C11 to C14 is smaller than the series impedance of the first reactor 14 and the load 19, and the inductance value of the first reactor 14 Even if the frequency of the inverter 11 is set so as to resonate with the dielectric capacitor 192 of the load 19, the same effect as described above can be obtained.

なお、インバータ11を構成する各スイッチング素子S1〜S4の浮遊容量C11〜C14の電荷の回収は、その上下スイッチング素子(S1とS4,S2とS3)が同時にオンしないように定められたデッドタイム期間中の極めて短い時間で行われる必要がある。例えば、数100kHzから数MHzでインバータ11を駆動する場合には、そのデッドタイムは、数十ナノ秒から数百ナノ秒程度であり、電荷の回収はそれ以下の時間で行われる必要がある。よって、従来のSi(シリコン)半導体を使用したスイッチング素子のスイッチング速度(10V/マイクロ秒)よりも1桁以上の高速スイッチング(10V/マイクロ秒から10V/マイクロ秒)を有するワイドギャップ半導体を用いることにより、より電荷回収の効果が大きくなり、インバータ11の各スイッチング素子S1〜S4の損失をより低減することができる。この場合のワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、SiC(炭化シリコン)、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドがある。Note that the charge recovery of the stray capacitances C11 to C14 of the switching elements S1 to S4 constituting the inverter 11 is a dead time period determined so that the upper and lower switching elements (S1 and S4, S2 and S3) are not turned on simultaneously. It needs to be done in a very short time. For example, when the inverter 11 is driven at several hundred kHz to several MHz, the dead time is about several tens of nanoseconds to several hundred nanoseconds, and the charge recovery needs to be performed in a time shorter than that. Therefore, it has a high-speed switching (10 4 V / microsecond to 10 5 V / microsecond) of one digit or more than the switching speed (10 3 V / microsecond) of the switching element using the conventional Si (silicon) semiconductor. By using a wide gap semiconductor, the charge recovery effect is further increased, and the loss of each of the switching elements S1 to S4 of the inverter 11 can be further reduced. Examples of the wide band gap semiconductor in this case include SiC (silicon carbide), a gallium nitride material, and diamond.

次に、図4に示した構成を有する電荷回収回路18を使用した場合のインバータ11の浮遊容量C11〜C14に対する充放電の動作について、図7および図8〜図13を参照して説明する。図7は指令パルスA1〜A4を間引かずにインバータ制御パルスG1〜G4に基づいてインバータ11を連続的に動作させる場合の各スイッチング素子S1〜S4と電荷回収回路18の動作波形、およびこれに伴うインバータ11から出力される電圧Viv,Iivを示し、また、図8〜図13は図7の場合におけるインバータ11に流れる電流経路(図中破線)を示している。   Next, charging / discharging operations for the stray capacitances C11 to C14 of the inverter 11 when the charge recovery circuit 18 having the configuration shown in FIG. 4 is used will be described with reference to FIGS. 7 and 8 to 13. FIG. FIG. 7 shows operation waveforms of the switching elements S1 to S4 and the charge recovery circuit 18 when the inverter 11 is continuously operated based on the inverter control pulses G1 to G4 without thinning out the command pulses A1 to A4. The voltages Viv and Iiv output from the accompanying inverter 11 are shown, and FIGS. 8 to 13 show current paths (broken lines in the figure) flowing through the inverter 11 in the case of FIG.

図7に示すように、インバータ11のスイッチング素子S3,S4が時刻t0で完全にオフしてから、インバータ11のスイッチング素子S1,S2が時刻t2でオンするまでの間のt0<t1<t2となる時刻t1のタイミングで、電荷回収回路18のスイッチング素子S11,S22をオンする。また、インバータ11のスイッチング素子S1,S2が時刻t2でオンし、時刻t4でオフするまでの間のt2<t3<t4となる時刻t3のタイミングで電荷回収回路18のスイッチング素子S11,S22がオフする。   As shown in FIG. 7, t0 <t1 <t2 from when switching elements S3 and S4 of inverter 11 are completely turned off at time t0 to when switching elements S1 and S2 of inverter 11 are turned on at time t2. At time t1, the switching elements S11 and S22 of the charge recovery circuit 18 are turned on. Further, the switching elements S11 and S22 of the charge recovery circuit 18 are turned off at the timing of time t3 where t2 <t3 <t4 until the switching elements S1 and S2 of the inverter 11 are turned on at time t2 and turned off at time t4. To do.

このように、電荷回収回路18のスイッチング素子S11,S22がオンするタイミング時刻t1をt0<t1<t2とし、また、スイッチング素子S11,S22がオフするタイミング時刻t3をt2<t3<t4とするのは、次の理由による。すなわち、電荷回収回路18のスイッチング素子S11とインバータ11のスイッチング素子S4、および電荷回収回路18のスイッチング素子S22とインバータ11のスイッチング素子S3が同時にオンすることによるアーム短絡によって各スイッチング素子が故障するのを防ぐためである。これらのパルスの適切な出力タイミングは、パルス制御回路17によって決定される。   As described above, the timing time t1 when the switching elements S11 and S22 of the charge recovery circuit 18 are turned on is t0 <t1 <t2, and the timing time t3 when the switching elements S11 and S22 are turned off is t2 <t3 <t4. The reason is as follows. That is, the switching elements S11 of the charge recovery circuit 18 and the switching element S4 of the inverter 11 and the switching elements S22 of the charge recovery circuit 18 and the switching element S3 of the inverter 11 are simultaneously turned on, so that each switching element fails. Is to prevent. An appropriate output timing of these pulses is determined by the pulse control circuit 17.

上記のように、時刻t1で電荷回収制御パルスG11,G22が出力されるため、図8に示すように、このパルスG11,G22によって電荷回収回路18のスイッチング素子S11,S22が同時にオンする。これにより、(t1〜t2)の期間中、電荷回収回路18のコンデンサ183からインバータ11のスイッチング素子S4の浮遊容量C14に電荷が移行して充電されるとともに、インバータ11のスイッチング素子S1の浮遊容量C11の蓄積電荷が放電される。これと同時に、インバータ11のスイッチング素子S2の浮遊容量C12の蓄積電荷が放電されて電荷回収回路18のコンデンサ183に電荷が移行するとともに、インバータ11のスイッチング素子S3の浮遊容量C13に電荷が充電される。   As described above, since the charge recovery control pulses G11 and G22 are output at time t1, the switching elements S11 and S22 of the charge recovery circuit 18 are simultaneously turned on by the pulses G11 and G22 as shown in FIG. As a result, during the period of (t1 to t2), the charge is transferred from the capacitor 183 of the charge recovery circuit 18 to the stray capacitance C14 of the switching element S4 of the inverter 11 and charged, and the stray capacitance of the switching element S1 of the inverter 11 is charged. The accumulated charge of C11 is discharged. At the same time, the charge accumulated in the stray capacitance C12 of the switching element S2 of the inverter 11 is discharged and transferred to the capacitor 183 of the charge recovery circuit 18, and the charge is charged to the stray capacitance C13 of the switching element S3 of the inverter 11. The

このようにして、インバータ11のスイッチング素子S1,S2の浮遊容量C11,C12に蓄えられた電荷がほぼすべて放電された状態で、次の時刻t2にインバータ制御パルスG1,G2が出力されてインバータ11の両スイッチング素子S1,S2がオンする。そのため、両スイッチング素子S1,S2のチャネルを通る浮遊容量C11,C12からの電荷が無くなり、スイッチング素子S1,S2のスイッチング損失が大幅に低減する。
そして、(t2〜t4)の期間は、インバータ11のスイッチング素子S1,S2が共にオンすることにより、図9に示すように、スイッチング素子S1,S2に電流が流れる。
In this way, in a state where almost all the charges stored in the stray capacitances C11 and C12 of the switching elements S1 and S2 of the inverter 11 are discharged, the inverter control pulses G1 and G2 are output at the next time t2, and the inverter 11 Both switching elements S1 and S2 are turned on. For this reason, there is no charge from the stray capacitances C11 and C12 passing through the channels of the switching elements S1 and S2, and the switching loss of the switching elements S1 and S2 is greatly reduced.
Then, during the period of (t2 to t4), when both the switching elements S1 and S2 of the inverter 11 are turned on, a current flows through the switching elements S1 and S2, as shown in FIG.

次いで、インバータ11のスイッチング素子S1,S2が時刻t4で完全にオフしてから時刻t6にインバータ11のスイッチング素子S3,S4がオンするまでの間の(t4〜t6)の期間は、インバータ11のデッドタイム期間である。そして、後述のように、このデッドタイム期間中の時刻t5のタイミングで電荷回収回路18のスイッチング素子S33,S44がオンするが、それまでの(t4〜t5)の期間では、図10に示すように、インバータ11の電流が回生し始め、これと同時にスイッチング素子S3,S4の浮遊容量C13,C14の電荷が放電され始める一方、スイッチング素子S1,S2の浮遊容量C11,C12が充電され始める。浮遊容量C13,C14の電荷が放電されると充電電圧は次第に低下するが、回生時間の長さによっては放電が不十分となるため浮遊容量C13,C14には電荷が残った状態となる。   Next, a period of (t4 to t6) from when switching elements S1 and S2 of inverter 11 are completely turned off at time t4 to when switching elements S3 and S4 of inverter 11 are turned on at time t6 It is a dead time period. As will be described later, the switching elements S33 and S44 of the charge recovery circuit 18 are turned on at the time t5 in the dead time period. As shown in FIG. 10, during the period (t4 to t5) until that time. At the same time, the current of the inverter 11 starts to be regenerated, and at the same time, the stray capacitances C13 and C14 of the switching elements S3 and S4 start to be discharged, while the stray capacitances C11 and C12 of the switching elements S1 and S2 start to be charged. When the charges of the stray capacitances C13 and C14 are discharged, the charging voltage gradually decreases, but depending on the length of the regeneration time, the discharge becomes insufficient, so that the stray capacitances C13 and C14 remain in a state where charges remain.

次に、インバータ11のスイッチング素子S1〜S4が共にオフになっているデッドタイム期間中のt4<t5<t6となる時刻t5のタイミングで電荷回収回路18のスイッチング素子S33,S44がオンする。また、インバータ11のスイッチング素子S3,S4が時刻t6でオンし、時刻t8でオフするまでの間のt6<t7<t8となる時刻t7のタイミングで電荷回収回路18のスイッチング素子S33,S44がオフする。   Next, the switching elements S33 and S44 of the charge recovery circuit 18 are turned on at time t5 when t4 <t5 <t6 during the dead time period in which the switching elements S1 to S4 of the inverter 11 are both turned off. Further, the switching elements S33 and S44 of the charge recovery circuit 18 are turned off at the timing of time t7 where t6 <t7 <t8 until the switching elements S3 and S4 of the inverter 11 are turned on at time t6 and turned off at time t8. To do.

このように、電荷回収回路18のスイッチング素子S33,S44がオンするタイミング時刻t5をt4<t5<t6の期間とし、また、スイッチング素子S33,S44がオフするタイミング時刻t7をt6<t7<t8の期間とするのは、次の理由による。すなわち、電荷回収回路18のスイッチング素子S33とインバータ11のスイッチング素子S2、および電荷回収回路18のスイッチング素子S44とインバータ11のスイッチング素子S1が同時にオンすることによるアーム短絡によって各スイッチング素子が故障するのを防ぐためである。これらのパルスの適切な出力タイミングは、パルス制御回路17によって決定される。   As described above, the timing time t5 when the switching elements S33 and S44 of the charge recovery circuit 18 are turned on is set to a period of t4 <t5 <t6, and the timing time t7 when the switching elements S33 and S44 are turned off is set to t6 <t7 <t8. The period is as follows. That is, each switching element breaks down due to an arm short circuit caused by simultaneously turning on the switching element S33 of the charge recovery circuit 18 and the switching element S2 of the inverter 11, and the switching element S44 of the charge recovery circuit 18 and the switching element S1 of the inverter 11. Is to prevent. An appropriate output timing of these pulses is determined by the pulse control circuit 17.

上記のように、時刻t5で電荷回収制御パルスG33,G44が出力されるため、図11に示すように、このパルスG33,G44により、電荷回収回路18のスイッチング素子S33,S44が同時にオンする。よって、(t5〜t6)の期間中、電荷回収回路18のコンデンサ183からインバータ11のスイッチング素子S2の浮遊容量C12に電荷が移行して充電されるとともに、インバータ11のスイッチング素子S3の浮遊容量C13から電荷が放電される。これと同時に、インバータ11のスイッチング素子S4の浮遊容量C14が放電されて電荷回収回路18のコンデンサ183に電荷が移行するとともに、インバータ11のスイッチング素子S1の浮遊容量C11に電荷が充電される。   As described above, since the charge recovery control pulses G33 and G44 are output at time t5, the switching elements S33 and S44 of the charge recovery circuit 18 are simultaneously turned on by the pulses G33 and G44 as shown in FIG. Therefore, during the period (t5 to t6), the charge is transferred from the capacitor 183 of the charge recovery circuit 18 to the stray capacitance C12 of the switching element S2 of the inverter 11 and charged, and the stray capacitance C13 of the switching element S3 of the inverter 11 is charged. The electric charge is discharged from. At the same time, the stray capacitance C14 of the switching element S4 of the inverter 11 is discharged, the charge is transferred to the capacitor 183 of the charge recovery circuit 18, and the charge is charged to the stray capacitance C11 of the switching element S1 of the inverter 11.

こうして、インバータ11のスイッチング素子S3,S4の浮遊容量C13,C14に蓄えられた電荷がほぼすべて放電された状態で、時刻t6にインバータ制御パルスG3,G4が出力されてインバータ11の両スイッチング素子S3,S4がオンする。そのため、両スイッチング素子S3,S4のチャネルを通る浮遊容量C13,C14からの電荷が無くなり、これらのスイッチング素子S3,S4のスイッチング損失が大幅に低減する。
そして、(t6〜t8)の期間は、インバータ11のスイッチング素子S3,S4が共にオンすることにより、図12に示すように、スイッチング素子S3,S4に電流が流れる。
Thus, in a state where almost all the charges stored in the stray capacitances C13 and C14 of the switching elements S3 and S4 of the inverter 11 are discharged, the inverter control pulses G3 and G4 are output at time t6 and both switching elements S3 of the inverter 11 are output. , S4 is turned on. For this reason, there is no charge from the stray capacitances C13 and C14 passing through the channels of both switching elements S3 and S4, and the switching loss of these switching elements S3 and S4 is greatly reduced.
Then, during the period of (t6 to t8), when the switching elements S3 and S4 of the inverter 11 are both turned on, a current flows through the switching elements S3 and S4 as shown in FIG.

次いで、インバータ11のスイッチング素子S3,S4が時刻t8で完全にオフしてから時刻t10にインバータ11のスイッチング素子S1,S2がオンするまでの間のt8<t<t10の期間は、インバータ11のデッドタイム期間である。そして、このデッドタイム期間中の時刻t9のタイミングで電荷回収回路18のスイッチング素子S11,S22がオンする。そして、(t8〜t9)の期間では、図13に示すように、インバータ11の電流が回生し始め、これと同時にスイッチング素子S1,S2の浮遊容量C11,C12の電荷が放電され始める一方、スイッチング素子S3,S4の浮遊容量C13,C14の浮遊容量が充電され始める。浮遊容量C11,C12の電荷が放電されると充電電圧は次第に低下するが、回生時間の長さによっては放電が不十分となるため、浮遊容量C11,C12には電荷が残った状態となる。
以後は、同様の動作が継続していく。
Next, a period of t8 <t <t10 from when switching elements S3 and S4 of inverter 11 are completely turned off at time t8 to when switching elements S1 and S2 of inverter 11 are turned on at time t10 It is a dead time period. The switching elements S11 and S22 of the charge recovery circuit 18 are turned on at time t9 during the dead time period. In the period of (t8 to t9), as shown in FIG. 13, the current of the inverter 11 starts to be regenerated, and at the same time, the charges of the stray capacitances C11 and C12 of the switching elements S1 and S2 start to be discharged. The stray capacitances C13 and C14 of the elements S3 and S4 start to be charged. When the charges of the stray capacitances C11 and C12 are discharged, the charging voltage gradually decreases. However, depending on the length of the regeneration time, the discharge becomes insufficient, so that the charges remain in the stray capacitances C11 and C12.
Thereafter, the same operation continues.

このように、電荷回収回路18を構成するスイッチング素子S11〜S44を必要なタイミングでオン/オフして、電荷回収回路18のリアクトル182とインバータ11のスイッチング素子S1〜S4の浮遊容量C11〜C14とを共振させることにより、インバータ11のスイッチング素子S1〜S4の浮遊容量C11〜C14に充電された電荷を電荷回収回路18のコンデンサ183に入出力させることができる。そして、これにより、特に、インバータ11のスイッチング素子S1〜S4がオンする直前にスイッチング素子S1〜S4の浮遊容量C11〜C14の充電電圧を低減することができる。このため、レーザパルスの繰り返し周波数やパルス幅を増加する際にスイッチング回数が増える場合でもスイッチング損失を大幅に低減することが可能となる。   In this way, the switching elements S11 to S44 constituting the charge recovery circuit 18 are turned on / off at a necessary timing, and the reactor 182 of the charge recovery circuit 18 and the stray capacitances C11 to C14 of the switching elements S1 to S4 of the inverter 11 , The charges charged in the stray capacitances C11 to C14 of the switching elements S1 to S4 of the inverter 11 can be input to and output from the capacitor 183 of the charge recovery circuit 18. Thus, in particular, the charging voltage of the stray capacitances C11 to C14 of the switching elements S1 to S4 can be reduced immediately before the switching elements S1 to S4 of the inverter 11 are turned on. For this reason, even when the number of times of switching increases when increasing the repetition frequency and pulse width of the laser pulse, the switching loss can be greatly reduced.

また、この実施の形態1のように、電荷回収回路18を用いる場合には、図7に示したように、インバータ11の各スイッチング素子S1〜S4がオン/オフする際にパルス状の電流が流れることにより、電荷回収回路18を構成するスイッチング素子S11〜S44やダイオード185に僅かに通電損失が生じる。しかし、大部分の電荷はインバータ11のスイッチング素子S1〜S4の浮遊容量C11〜C14の充放電に再利用される。よって、電荷回収回路18自体で発生する損失は僅かであり、高周波電源装置1全体の損失が低減するので、非常に高効率の電源を構成することができる。その結果、装置の大容量化に際して、装置の冷却機構の増設や装置自体の構成が大型化するのを避けることができ、多くの素子、回路の並列をする必要も無くなり、コスト面はもちろん、機械の設置スペースの面からも非常に有利な電源装置を構成することができる。   Further, when the charge recovery circuit 18 is used as in the first embodiment, as shown in FIG. 7, when the switching elements S1 to S4 of the inverter 11 are turned on / off, a pulsed current is generated. The flow causes a slight current loss in the switching elements S11 to S44 and the diode 185 constituting the charge recovery circuit 18. However, most of the charges are reused for charging and discharging the stray capacitances C11 to C14 of the switching elements S1 to S4 of the inverter 11. Therefore, the loss generated in the charge recovery circuit 18 itself is small and the loss of the entire high-frequency power supply device 1 is reduced, so that a very high efficiency power source can be configured. As a result, when the capacity of the apparatus is increased, it is possible to avoid an increase in the number of cooling mechanisms of the apparatus and an increase in the structure of the apparatus itself, eliminating the need for paralleling many elements and circuits. A power supply apparatus that is very advantageous also in terms of installation space of the machine can be configured.

また、このような電荷回収回路18を用いた場合には、インバータ11の動作前に浮遊容量C11〜C14の蓄積電荷が電荷回収用のコンデンサ183に充放電されるため、インバータ11のスイッチング素子S1〜S4のスイッチング速度を速くでき、結果的に図7の(t1〜t2)、(t5〜t6)、(t9〜t10)の各期間に示すように、インバータ出力のDutyがΔt分だけ広がり、パルス毎のインバータ電流Iivが大きくなって入力電力が増加する。レーザをパルス駆動する場合、放電空間7で放電が開始される放電初期には非常に電流が流れにくく、レーザ出力を増加させることが困難である。しかし、本方式を用いることにより、パルスの初期からインバータ電流Iivを増加させることができるため、1パルス1パルスのレーザ出力を増加させることが可能になるとともに、非常に立ち上がりの鋭いレーザパルス出力を得ることが可能になる。   Further, when such a charge recovery circuit 18 is used, the charge stored in the stray capacitances C11 to C14 is charged and discharged to the charge recovery capacitor 183 before the operation of the inverter 11, and therefore the switching element S1 of the inverter 11 is used. ~ S4 switching speed can be increased, and as a result, as shown in each period of (t1 to t2), (t5 to t6), (t9 to t10) in FIG. 7, the duty of the inverter output is increased by Δt, The inverter current Iiv for each pulse increases and the input power increases. When the laser is pulse-driven, it is difficult for current to flow at the beginning of discharge when discharge is started in the discharge space 7, and it is difficult to increase the laser output. However, by using this method, the inverter current Iiv can be increased from the beginning of the pulse, so that it is possible to increase the laser output of one pulse and one pulse, and to produce a laser pulse output with a very sharp rise. It becomes possible to obtain.

なお、図7に示した例では、インバータ11の各々対角のスイッチング素子S1,S2、およびS3,S4がそれぞれ同時にオン/オフする場合を示したが、PWM等によりスイッチング素子S1,S2、およびS3,S4が同時にオン/オフしないような場合にも、上記に示したタイミングで各スイッチング素子S1〜S4に対応した電荷回収回路18の各スイッチング素子S11〜S44をオン/オフすることで同様の効果を得ることが可能となる。   In the example shown in FIG. 7, the diagonal switching elements S1, S2, and S3, S4 of the inverter 11 are simultaneously turned on / off. However, the switching elements S1, S2, and Even when S3 and S4 are not turned on / off at the same time, the switching elements S11 to S44 of the charge recovery circuit 18 corresponding to the switching elements S1 to S4 are turned on / off at the same timing as described above. An effect can be obtained.

図7に示した例は、指令パルスA1〜A4を間引かずにインバータ制御パルスG1〜G4に基づいてインバータ11を連続的に動作させる場合であったが、間引き回路16により指令パルスA1〜A4を間引いてインバータ制御パルスG1〜G4および電荷回収制御パルスG11〜G44を生成する場合でも、インバータ11を連続的に動作させる場合と同等の効果を得ることができる。   In the example shown in FIG. 7, the inverter 11 is continuously operated based on the inverter control pulses G1 to G4 without thinning out the command pulses A1 to A4. Even when the inverter control pulses G1 to G4 and the charge recovery control pulses G11 to G44 are generated by thinning out the above, the same effect as when the inverter 11 is operated continuously can be obtained.

図14は、間引き回路16によって指令パルスA1〜A4を間引いてインバータ制御パルスG1〜G4および電荷回収制御パルスG11〜G44を生成する場合の動作を示している。すなわち、図14では、(t1〜t8)の期間中にインバータ制御パルスG1〜G4と電荷回収制御パルスG11〜G44が出力された後、(t8〜t9)の期間は指令パルスが間引かれているので、これらの制御パルスは出力されず、次の時刻t9以降に再びインバータ制御パルスG1〜G4と電荷回収制御パルスG11〜G44が出力される。この場合、指令パルスA1〜A4を間引く間隔によって放電電流ピーク、およびレーザパルスの出力ピークが変化するため、レーザ発振器2からの出力ピークが考慮され、何パルスおきにどれだけパルスを間引くかが決定される。   FIG. 14 shows the operation when the thinning circuit 16 thins out the command pulses A1 to A4 to generate the inverter control pulses G1 to G4 and the charge recovery control pulses G11 to G44. That is, in FIG. 14, after the inverter control pulses G1 to G4 and the charge recovery control pulses G11 to G44 are output during the period (t1 to t8), the command pulse is thinned out during the period (t8 to t9). Therefore, these control pulses are not output, and the inverter control pulses G1 to G4 and the charge recovery control pulses G11 to G44 are output again after the next time t9. In this case, since the discharge current peak and the output peak of the laser pulse change depending on the interval at which the command pulses A1 to A4 are thinned, the output peak from the laser oscillator 2 is taken into consideration, and how many pulses are thinned every other pulse is determined. Is done.

間引き回路16で指令パルスA1〜A4を間引いて動作させる場合、間引かれた(t8〜t9)の期間は、インバータ11に電流が流れない(連続動作と異なり、回生により浮遊容量の電荷が放電されない)期間である。従来技術の場合には、インバータ停止直後の共振振動によって充電電圧が幾分低減されるとはいえ、浮遊容量C11〜C14はインバータ停止直前の充電電圧(ほぼインバータ11の母線電圧)で維持されるため、スイッチング損失は連続的に動作させる場合に比べて非常に大きくなり、パルスを間引いた条件でレーザパルスのパルス幅を広げることは非常に難しい。   When the command pulse A1 to A4 is thinned and operated by the thinning circuit 16, current does not flow through the inverter 11 during the thinned period (t8 to t9) (unlike continuous operation, stray capacitance charges are discharged by regeneration) Is not) period. In the case of the prior art, although the charging voltage is somewhat reduced by the resonance vibration immediately after the inverter is stopped, the stray capacitances C11 to C14 are maintained at the charging voltage immediately before the inverter is stopped (approximately the bus voltage of the inverter 11). Therefore, the switching loss is much larger than that in the case of continuous operation, and it is very difficult to widen the pulse width of the laser pulse under the condition that the pulses are thinned out.

これに対して、本発明では、パルスを間引いて動作させる場合において、電荷回収回路18を用いることでスイッチング損失を大幅に低減させることができるので、レーザパルスの繰り返し周波数やパルス幅を大幅に増加させることが可能となる。また、スイッチング損失を大幅に低減できるために、高周波電源装置の冷却機構が簡素化され、装置小型化、コストの低減化、設置スペース縮小化などを図ることが可能となる。   On the other hand, in the present invention, when the operation is performed by thinning out the pulses, the switching loss can be greatly reduced by using the charge recovery circuit 18, so that the repetition frequency and the pulse width of the laser pulse are greatly increased. It becomes possible to make it. In addition, since the switching loss can be greatly reduced, the cooling mechanism of the high-frequency power supply device is simplified, and it is possible to reduce the size of the device, the cost, and the installation space.

また、図14に示した例では、間引き回路16によって指令パルスA1〜A4を間引いて単純にインバータ制御パルスG1〜G4および電荷回収制御パルスG11〜G44を生成する場合について説明した。しかし、これに限らず、図15に示すように、パルス制御回路17から出力されるインバータ制御パルスG1〜G4の内、例えばインバータ11の2つのスイッチング素子S3,S4に対応して出力されるインバータ制御パルスG3,G4については、間引き期間(t8〜t9)中もその出力が継続されるようにして、スイッチング素子S3,S4のオン状態を継続させるようにしてもよい。   In the example shown in FIG. 14, the case has been described in which the thinning circuit 16 thins out the command pulses A1 to A4 and simply generates the inverter control pulses G1 to G4 and the charge recovery control pulses G11 to G44. However, the present invention is not limited to this, and as shown in FIG. 15, among the inverter control pulses G <b> 1 to G <b> 4 output from the pulse control circuit 17, for example, inverters output corresponding to the two switching elements S <b> 3 and S <b> 4 of the inverter 11. The output of the control pulses G3 and G4 may be continued during the thinning period (t8 to t9) so that the ON state of the switching elements S3 and S4 may be continued.

このように、間引き期間(t8〜t9)中にスイッチング素子S3,S4のオン状態を継続することにより、このスイッチング素子S3,S4に寄生する浮遊容量C13,C14の充電電圧はゼロとなる。一方、他方のスイッチング素子S1,S2の浮遊容量C11,C12は、ほぼ母線電圧Eで充電された状態で維持される。この時点で電荷回収回路18のコンデンサ183は、母線電圧の1/2の電圧(1/2E)に充電された状態にあり、この差分の電圧1/2EがLC共振時の電圧である。電荷回収回路18においては、この電圧がLC共振の最大電圧であり、インバータ11をパルス的に駆動する場合において、最も電荷回収の効果を得ることができる。   Thus, by continuing the ON state of the switching elements S3 and S4 during the thinning-out period (t8 to t9), the charging voltage of the stray capacitances C13 and C14 parasitic on the switching elements S3 and S4 becomes zero. On the other hand, the stray capacitances C11 and C12 of the other switching elements S1 and S2 are maintained in a state of being substantially charged with the bus voltage E. At this time, the capacitor 183 of the charge recovery circuit 18 is in a state of being charged to a voltage (1 / 2E) that is 1/2 of the bus voltage, and the voltage 1 / 2E that is the difference is a voltage at the time of LC resonance. In the charge recovery circuit 18, this voltage is the maximum voltage of the LC resonance, and when the inverter 11 is driven in a pulse manner, the most effective charge recovery can be obtained.

これにより、レーザパルス幅やレーザパルスの繰り返し周波数を大幅に増加させることが可能となる。また、発生するスイッチング損失を大幅に低減することが可能となるため、高周波電源装置の冷却機構が簡素化され、装置小型化、コストの低減化、設置スペース縮小化などを図ることが可能となる。   As a result, the laser pulse width and the repetition frequency of the laser pulse can be greatly increased. In addition, since the switching loss that occurs can be greatly reduced, the cooling mechanism of the high-frequency power supply device is simplified, and it is possible to reduce the size of the device, the cost, and the installation space. .

なお、このようにインバータ11のスイッチング素子S3,S4をオンし続ける動作に加えて、電荷回収回路18を動作させる場合には、インバータ電流のピークが上昇する場合がある。このような場合にはインバータ11のスイッチング素子S1,S4のオンDutyを下げればよい。オンDutyを下げることによってインバータ電流のピークを下げることができ、放電電力を調整することが可能となり、より細かにレーザ出力を調整することが可能となる。   In addition to the operation of continuously turning on the switching elements S3 and S4 of the inverter 11, the peak of the inverter current may increase when the charge recovery circuit 18 is operated. In such a case, the on-duty of the switching elements S1 and S4 of the inverter 11 may be lowered. By reducing the on-duty, the peak of the inverter current can be lowered, the discharge power can be adjusted, and the laser output can be adjusted more finely.

さらに、図7、図14、図15では、各々のインバータ制御パルスG1〜G4の出力タイミングよりも前に、電荷回収制御パルスG11〜G44が必ず出力される例を示した。しかし、インバータ11の上下のスイッチング素子S1,S4、およびS2,S3に対するデッドタイム期間が十分に取れないような場合には、図16に示すように、インバータ制御パルスG1、G2に対応した電荷回収制御パルスG11,G22のみを出力し、インバータ制御パルスG3、G4に対応した電荷回収制御パルスG33,G44は出力しないようにすることも可能である。   Further, FIGS. 7, 14, and 15 show examples in which the charge recovery control pulses G11 to G44 are always output before the output timing of the inverter control pulses G1 to G4. However, when the dead time period for the upper and lower switching elements S1, S4 and S2, S3 of the inverter 11 cannot be sufficiently obtained, the charge recovery corresponding to the inverter control pulses G1, G2 is performed as shown in FIG. It is also possible to output only the control pulses G11 and G22 and not output the charge recovery control pulses G33 and G44 corresponding to the inverter control pulses G3 and G4.

このように、インバータ11が停止から動作に移行する際の最初のインバータ制御パルスG1,G2の出力タイミングの直前だけ、電荷回収制御パルスG11,G22を出力することによってもスイッチング損失に対して大きな効果を得ることができる。   As described above, by outputting the charge recovery control pulses G11 and G22 only immediately before the output timing of the first inverter control pulses G1 and G2 when the inverter 11 shifts from the stop state to the operation, a great effect on the switching loss can be obtained. Can be obtained.

これは先にも述べたように、インバータ11が連続的に動作する場合には、回生期間に電荷が放電されて損失は小さくなるが、停止した状態から動作に移行する場合には、浮遊容量C11,C12に高電圧が充電された状態でスイッチングが始まり、非常にスイッチング損失が大きくなるためである。したがって、図16に示すようなスイッチングパターンにすることによってもレーザパルスの繰り返し周波数やパルス幅を大幅に増加する際のスイッチング損失を大幅に低減することが可能となり、高周波電源装置の冷却機構が簡素化され、装置小型化、コストの低減化、設置スペース縮小化などを図ることが可能となる。   As described above, when the inverter 11 operates continuously, the electric charge is discharged during the regeneration period and the loss is reduced. However, when the inverter 11 is shifted from the stopped state to the operation, the floating capacitance This is because switching starts in a state where C11 and C12 are charged with a high voltage, resulting in a very large switching loss. Accordingly, even with the switching pattern as shown in FIG. 16, it is possible to greatly reduce the switching loss when the repetition frequency and pulse width of the laser pulse are greatly increased, and the cooling mechanism of the high frequency power supply device is simplified. It is possible to reduce the size of the apparatus, reduce the cost, reduce the installation space, and the like.

実施の形態2.
図17は、本発明の実施の形態2における高周波電源装置の構成であり、図2ないし図5に示した実施の形態1と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 17 shows the configuration of the high-frequency power supply device according to the second embodiment of the present invention, and the same reference numerals are given to components corresponding to or corresponding to those of the first embodiment shown in FIGS.

上記の実施の形態1では、インバータ11に単一の直流電源12を取りつけて、これをインバータ11の母線電圧Eとする構成であった。この実施の形態2では、インバータ11に入力される直流電源を2つに分け、両直流電源12a,12bの中点をアースに設置して±E/2の電圧をインバータ11に入力するようにしている。また、各直流電源12a,12bとインバータ11との間には、各直流電源12a,12bに並列にコンデンサC1,C2が接続されている。そして、このインバータ11に電荷回収回路18が接続されている。   In the first embodiment, a single DC power supply 12 is attached to the inverter 11 and this is used as the bus voltage E of the inverter 11. In the second embodiment, the DC power source input to the inverter 11 is divided into two, and the midpoint of both DC power sources 12a and 12b is installed at the ground so that a voltage of ± E / 2 is input to the inverter 11. ing. Capacitors C1 and C2 are connected between the DC power supplies 12a and 12b and the inverter 11 in parallel with the DC power supplies 12a and 12b. A charge recovery circuit 18 is connected to the inverter 11.

この場合、電荷回収回路18は、図18あるいは図19に示すような構成を採用することができる。実施の形態1の図4、図5の構成と比較すると、各充放電回路18a,18bにおいて、電荷回収用のコンデンサ183が省略されており、リアクトル182側がインバータ11の各出力端X,Yに、またスイッチング素子S11〜S44(186)側が直流電源12a,12bの中点であるアースに接続されている。
その他の構成は、実施の形態1の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。
In this case, the charge recovery circuit 18 can employ a configuration as shown in FIG. 18 or FIG. Compared with the configurations of FIGS. 4 and 5 of the first embodiment, the charge recovery capacitors 183 are omitted in the charge / discharge circuits 18a and 18b, and the reactor 182 side is connected to the output terminals X and Y of the inverter 11, respectively. The switching elements S11 to S44 (186) are connected to the ground, which is the midpoint of the DC power supplies 12a and 12b.
Since other configurations are the same as those in the first embodiment, detailed description thereof is omitted here.

このような構成とすると、分離された2つの直流電源12a,12bの中点を接地しているから、回路各部のアースとの最大電圧は、実施の形態1の場合の直流電源12の電圧の半分に抑えられる。これによってインバータ11の耐圧設計が容易となり、回路の小型化が図れる。また、実施の形態1の場合、電荷回収用のコンデンサ183には、母線電圧の1/2の電圧が充電されたものが必要であるが、この実施の形態2では、直流電源12a,12bの中点とインバータ11の負側(N側)に接続されたコンデンサC2で代用できるため、電荷回収回路18にはコンデンサが必要なくなり、電荷回収回路18をより小型化することが可能となる。   In such a configuration, since the midpoint of the two separated DC power supplies 12a and 12b is grounded, the maximum voltage with respect to the ground of each part of the circuit is equal to the voltage of the DC power supply 12 in the first embodiment. Suppressed in half. As a result, the withstand voltage design of the inverter 11 is facilitated, and the circuit can be miniaturized. In the first embodiment, the charge recovery capacitor 183 needs to be charged with a voltage half the bus voltage. In the second embodiment, the DC power supplies 12a and 12b are connected to each other. Since the capacitor C2 connected to the middle point and the negative side (N side) of the inverter 11 can be substituted, the charge recovery circuit 18 does not need a capacitor, and the charge recovery circuit 18 can be further downsized.

インバータ11と電荷回収回路18の制御動作については実施の形態1と同様であり、これによりレーザパルスの繰り返し周波数やパルス幅を大幅に増加させることが可能となる。また、スイッチング損失を大幅に低減することが可能となるため、高周波電源装置の冷却機構が簡素化され、装置小型化、コストの低減化、設置スペース縮小化などを図ることが可能となる。   The control operations of the inverter 11 and the charge recovery circuit 18 are the same as those in the first embodiment, which makes it possible to greatly increase the repetition frequency and pulse width of the laser pulse. In addition, since the switching loss can be greatly reduced, the cooling mechanism of the high-frequency power supply apparatus is simplified, and the apparatus can be downsized, the cost can be reduced, and the installation space can be reduced.

Claims (11)

負荷に電圧パルスを出力する高周波電源装置であって、
スイッチング素子を有する電力変換用のインバータと、上記負荷に接続される第1のリアクトルと、上記インバータの出力端に接続されて上記スイッチング素子の浮遊容量の電荷を回収するための電荷回収回路と、上記インバータと上記電荷回収回路の動作を制御する制御手段とを備え、
上記電荷回収回路は、当該回路起動用のスイッチング素子、上記浮遊容量との間でLC共振するための第2のリアクトル、および電荷回収用のコンデンサを有し、
上記制御手段は、上記インバータのスイッチング素子をオン/オフ制御する一連のインバータ制御パルス群および上記電荷回収回路のスイッチング素子を上記インバータのスイッチング素子のデッドタイム期間で起動させる電荷回収制御パルスを出力することを特徴とする高周波電源装置。
A high frequency power supply device that outputs voltage pulses to a load,
An inverter for power conversion having a switching element; a first reactor connected to the load; and a charge recovery circuit connected to the output terminal of the inverter for recovering the charge of the stray capacitance of the switching element; A control means for controlling the operation of the inverter and the charge recovery circuit;
The charge recovery circuit has a switching element for starting the circuit, a second reactor for LC resonance with the stray capacitance, and a capacitor for charge recovery,
The control means outputs a series of inverter control pulses for controlling on / off of the switching element of the inverter and a charge recovery control pulse for starting the switching element of the charge recovery circuit in a dead time period of the switching element of the inverter. A high frequency power supply device characterized by that .
負荷に電圧パルスを出力する高周波電源装置であって、
スイッチング素子を有する電力変換用のインバータと、上記負荷に接続される第1のリアクトルと、このインバータに直流電力を供給する直流電源と、上記インバータの出力端に接続されて上記スイッチング素子の浮遊容量の電荷を回収するための電荷回収回路と、上記インバータと上記電荷回収回路の動作を制御する制御手段とを備え、
上記直流電源は、2つに分離されていてその中点がアース接地され、また、上記直流電源とインバータとの間には、各直流電源に並列にコンデンサが接続され、
上記電荷回収回路は、当該回路起動用のスイッチング素子、および上記浮遊容量との間でLC共振するための第2のリアクトルを有し、
上記制御手段は、上記インバータのスイッチング素子をオン/オフ制御する一連のインバータ制御パルス群および上記電荷回収回路のスイッチング素子を上記インバータのスイッチング素子のデッドタイム期間で起動させる電荷回収制御パルスを出力することを特徴とする高周波電源装置。
A high frequency power supply device that outputs voltage pulses to a load,
An inverter for power conversion having a switching element, a first reactor connected to the load, a DC power supply for supplying DC power to the inverter, and a stray capacitance of the switching element connected to the output terminal of the inverter A charge recovery circuit for recovering the electric charge, and a control means for controlling the operation of the inverter and the charge recovery circuit,
The DC power source is divided into two, and the middle point is grounded, and a capacitor is connected in parallel to each DC power source between the DC power source and the inverter.
The charge recovery circuit includes a switching element for starting the circuit and a second reactor for LC resonance with the stray capacitance,
The control means outputs a series of inverter control pulses for controlling on / off of the switching element of the inverter and a charge recovery control pulse for starting the switching element of the charge recovery circuit in a dead time period of the switching element of the inverter. A high frequency power supply device characterized by that .
上記第2のリアクトルと上記インバータのスイッチング素子の浮遊容量により定まるLC共振の周期の1/2が、上記電荷回収回路のスイッチング素子がオンする電荷回収時間になるように、上記第2のリアクトルの値が設定されている請求項1または請求項2に記載の高周波電源装置。 1/2 of the period of LC resonance determined by the stray capacitance of the second reactor and the inverter switching element, so that the charge collection time switching elements of the electrical charge recovery circuit is turned on, the second reactor The high frequency power supply device according to claim 1 or 2, wherein a value is set. 上記電荷回収回路のコンデンサの容量値は、上記インバータのスイッチング素子の浮遊容量の容量値よりも大きくなるように設定されている請求項1に記載の高周波電源装置。 The high frequency power supply device according to claim 1, wherein the capacitance value of the capacitor of the charge recovery circuit is set to be larger than the capacitance value of the stray capacitance of the switching element of the inverter. 上記第2のリアクトルと上記インバータのスイッチング素子の浮遊容量とで定まる直列共振周波数が、上記第1のリアクトルと上記第2のリアクトルの和のインダクタンス値と上記負荷の誘電体コンデンサで定まる直列共振周波数よりも高く設定されている請求項1または請求項2に記載の高周波電源装置。 The series resonance frequency determined by the second reactor and the stray capacitance of the switching element of the inverter is the series resonance frequency determined by the inductance value of the sum of the first reactor and the second reactor and the dielectric capacitor of the load. The high frequency power supply device according to claim 1, wherein the high frequency power supply device is set higher than the first frequency. 上記第1のリアクトルのインダクタンス値よりも上記第2のリアクトルのインダクタンス値が小さく設定されている請求項1または請求項2に記載の高周波電源装置。 The high frequency power supply device according to claim 1 or 2, wherein an inductance value of the second reactor is set smaller than an inductance value of the first reactor. 上記第1のリアクトルと上記負荷の直列インピーダンスよりも上記インバータのスイッチング素子の浮遊容量のインピーダンスが小さくなるように上記第1のリアクトルのインダクタンス値を設定し、この第1のリアクトルのインダクタンス値と上記負荷の誘電体コンデンサで直列共振するように上記インバータの周波数が設定されている請求項1または請求項2に記載の高周波電源装置。 The inductance value of the first reactor is set so that the impedance of the stray capacitance of the switching element of the inverter is smaller than the series impedance of the first reactor and the load, and the inductance value of the first reactor and the The high frequency power supply device according to claim 1 or 2, wherein the frequency of the inverter is set so as to cause series resonance with a dielectric capacitor of a load. 上記電圧パルスの出力特性に基づく制御パラメータに応じて、上記インバータ制御パルスおよび電荷回収制御パルスを間引いて上記インバータと電荷回収回路の各スイッチング素子のスイッチング回数を変更する間引き回路を備えている請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の高周波電源装置。 A thinning circuit is provided that thins out the inverter control pulse and the charge recovery control pulse to change the number of switching of each switching element of the inverter and the charge recovery circuit according to a control parameter based on an output characteristic of the voltage pulse. The high frequency power supply device according to any one of claims 1 to 7. 上記制御手段は、上記インバータの最初に動作する対角のスイッチング素子の導通期間よりも、その後で動作する他方の対角のスイッチング素子の導通期間が長くなるように、上記インバータ制御パルスを出力するものである請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の高周波電源装置。 The control means outputs the inverter control pulse so that the conduction period of the other diagonal switching element operating thereafter is longer than the conduction period of the diagonal switching element operating first of the inverter. The high frequency power supply device according to any one of claims 1 to 8, wherein the high frequency power supply device is one. 上記電荷回収回路のスイッチング素子が、ワイドバンドギャップ半導体で形成されている請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載の高周波電源装置。 The high frequency power supply device according to claim 1, wherein the switching element of the charge recovery circuit is formed of a wide band gap semiconductor. 上記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化シリコン、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドである請求項10に記載の高周波電源装置。 The high-frequency power supply device according to claim 10, wherein the wide band gap semiconductor is silicon carbide, a gallium nitride-based material, or diamond.
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