JP5631208B2 - プラズマ給電装置の作動方法およびプラズマ給電装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも２つのスイッチング素子を有する少なくとも１つのスイッチングブリッジを備えたプラズマ給電装置の作動方法に関する。プラズマ給電装置は＞５００Ｗの電力および３ＭＨｚの実質的に一定の基本周波数を有する高周波出力信号をプラズマ負荷に供給する。

さらに本発明はプラズマ給電装置に関する。

プラズマは、ガスから形成される特別の励起状態である。基本的に各ガスは原子および／または分子からなる。プラズマの場合、このガスの大部分がイオン化されている。このことは、エネルギ供給によって原子ないし分子が正と負の電荷担体、すなわちイオンと電子に分裂されることを意味する。プラズマはワークピースの加工に適している。何故ならば、荷電された粒子は化学的に高度に反応性であり、とりわけ電界によって調整できるからである。荷電された粒子は電界によってワークピースに加速され、そこで粒子が衝突する際に個々の原子がワークピースから溶出することができる。溶出された原子はガス流を介して排出されるか(エッチング)、または別のワークピースに層として析出される(薄膜の作製)。殊に、プラズマによるその種の加工は、原子層が少ない領域において極端に薄い膜が加工処理されるべき場合に使用される。典型的な用途は、半導体技術（被覆、エッチングなど）、フラットパネル（半導体技術に類似）、太陽電池（半導体技術に類似）、建築ガラス被膜（熱保護、眩惑保護など）、記憶媒体（ＣＤ、ＤＶＤ、ハードディスク）、装飾層（カラーガラス等）および工具の硬化である。これらの用途は精度およびプロセス安定性に高い要求を課す。さらにプラズマをレーザ、殊にガスレーザの励起のために用いることができる。

ガスからプラズマを生成するためには、ガスにエネルギを供給しなければならない。このエネルギ供給を種々のやり方で、例えば光、熱、電気的なエネルギを介して行うことができる。ワークピースを加工処理するためのプラズマは典型的にはプラズマチャンバにおいて点弧され、維持される。このために通常の場合は、希ガス、例えばアルゴンが低圧でプラズマチャンバに導入される。電極および／またはアンテナを介してガスが電界に曝される。プラズマは、複数の条件が満たされているときに発生ないし点弧される。まず小数の自由電荷担体が存在しなければならない。このとき非常に僅かだけ存在する自由電子が常に使用される。自由電荷担体は電界によって強力に加速され、希ガスの原子または分子と衝突する際に別の電子を溶出する。これにより正に荷電されたイオンと負に荷電された別の電子が発生する。さらなる自由電荷担体もやはり加速され、衝突時に別のイオンと電子とを形成する。このようにして雪崩現象が始まる。イオンと電子を常に形成することによって、プラズマチャンバの壁または他の対象とこれらの粒子が衝突する際の放電ならびに自然の再結合に対抗作用する。すなわち電子はイオンによって引き付けられ、電気的に中性の原子ないし分子に再結合される。したがって点弧されたプラズマには常にエネルギを供給し、これを維持しなければならない。

エネルギ供給は直流電流給電装置または交流電流給電装置によって行われる。以下の実施形態では＞３ＭＨｚの出力周波数を有する高周波（ＨＦ）用の交流電流給電装置を参照する。

プラズマは非常に動的なインピーダンスを有し、このインピーダンスは所望の一定のＨＦ電力供給を困難にする。つまり、点弧過程中にインピーダンスが高い値から低い値に非常に急速に変化し、電圧および電流が増大した際に低減する負の実効抵抗が動作中に生じ、不所望な局所的放電（アーク）が発生する可能性があり、これにより加工すべきワークピース、プラズマチャンバまたは電極が損傷する虞がある。

したがって、プラズマ用の給電装置（プラズマ給電装置）は高出力および高反射電力用に設計されなければならない。EP 1 701 376 A1には、この種のプラズマ給電装置を有利には比較的小型の高周波増幅器によって実現できることが記載されており、この高周波増幅器の出力がカプラ、有利には３−ｄＢハイブリッドカプラ（hybrid coupler，Lange coupler）によって結合される。このために２つの高周波増幅器がハイブリッドカプラの２つのポート（以下ではポート１およびポート２と記す）に接続される。高周波増幅器は、同一の基本周波数の高周波信号が相互に９０°シフトされた位相を有するように駆動制御される。ハイブリッドカプラの第３のポートには遅角方向に４５°シフトされた第１の高周波信号と進角方向に４５°シフトされた第２の高周波信号が供給される。ハイブリッドカプラの第４のポートには進角方向に４５°シフトされた第１の高周波信号と遅角方向に４５°シフトされた第２の高周波信号が供給される。形成された２つの高周波信号の位相を９０°シフトすることによって、これらの高周波信号が第３のポートにおいて建設的な重畳（constructive superposition）によって合算され、これに対し第４のポートにおいては消去される（destructive superposition）。したがって高周波増幅器はカプラの前段においてそれぞれ必要とされる高周波出力信号の半分の電力しか必要としない。より少ない開始電力を有する高周波増幅器を使用できるようにするため、または高周波出力信号のさらに高い電力を達成するために、この種のカプラ段のカスケード化も考えられる。

ハイブリッドカプラの第４のポートは通常の場合、システム定格インピーダンス（５０Ｑであることが多い）の終端抵抗に接続される。EP 1 701 376 A1に記載されているように、このポートにおいては、プラズマ負荷から反射された高周波信号が再び高周波増幅器に反射される場合にのみ高周波信号が期待される。

プラズマ給電装置のインピーダンスとプラズマ負荷のインピーダンスが異なることに起因する誤適合では、プラズマ給電装置から供給される電力の部分的または完全な反射が行われる。インピーダンス整合回路（マッチボックス）は所定の範囲においてプラズマ負荷のインピーダンスを変換し、プラズマ給電装置の出力インピーダンスに適合させることができる。整合回路の変換領域を超えるか、インピーダンス整合回路がプラズマの急速なインピーダンス変化に追従できない場合には、プラズマ給電装置から供給される全ての電力がプラズマに吸収されずに、再び反射される。

プラズマ負荷によって反射された高周波信号は必要に応じて設けられている整合回路を介してハイブリッドカプラのポート３へと戻され、そこで２つの部分に分割され、ポート１およびポート２を介してプラズマ給電装置の高周波増幅器の方向へと送信される。反射された高周波信号の２つの部分はハイブリッドカプラにおいて再び同一の位相遅延を受ける。すなわちポート３からポート１の経路において４５°位相が遅延される、またはポート３からポート２への経路においては４５°位相が遅延される。これにより、２つの高周波増幅器の２つの出力側においては、供給される高周波信号と反射された高周波信号とが１８０°シフトされて重畳される。例えば、第１の高周波増幅器の出力側において、供給される高周波信号と反射された高周波信号の最大限に建設的な重畳が行われる場合、この重畳は第２の高周波増幅器の出力側においては最大限に非建設的である。第１の高周波増幅器における重畳は、電流最大値が電圧最大値に時間的に先行するようなものの場合、すなわち高周波増幅器が容量性インピーダンスを負荷インピーダンスとみなす場合、第２の高周波増幅器においては、電圧最大値が電流最大値に時間的に先行し、したがって誘導性の負荷インピーダンスを監視する。

プラズマ流を供給する高周波数増幅器の回路の変形例の１つにスイッチングブリッジを備えたクラスＤ増幅器が挙げられる。スイッチングブリッジは直列に接続されている少なくとも２つのスイッチング素子、例えば２つのＭＯＳＦＥＴを有しており、これらのスイッチング素子の接続点はスイッチングブリッジの中点となっている。ブリッジ分岐の中点は２つのスイッチング素子（以下ではスイッチング素子を切換素子またはスイッチとも称する）を介して直流電力供給回路の正極と負極とに交互に接続される。これらの２つのスイッチング素子の交番制御、ならびに、必要に応じて設けられている第２のブリッジ分岐のスイッチング素子の交番制御は、駆動制御信号発生器によって行われる。この駆動制御信号発生器は、出力信号の周波数を定める発振器と、他の素子、例えばインバータ、位相シフタおよび信号整形回路などとを含む。２つのスイッチング素子を備えたスイッチングブリッジはハーフブリッジとも称される。

フルブリッジ回路は２つのブリッジ分岐すなわち２つのハーフブリッジから成っており、２つの中点は所望の周波数によってそのつど反対方向となるように直流電圧供給部の正極および負極へ接続される。交流電流負荷はこれら２つの中点の間に配置される。直流電圧成分の出力信号を解放するための付加的なコンデンサは必要ない。このように、フルブリッジ（フルブリッジ回路とも称する）は４つのスイッチング素子を備えたスイッチングブリッジである。

スイッチング損失を回避するために、フルブリッジの個々のスイッチング素子をスイッチオンする時点では、パワースイッチの２つの電極（一般にＭＯＳＦＥＴのドレインおよびソース）の間に目に付くほどの電圧差を生じさせてはならない。このようなスイッチング特性をゼロボルトスイッチングと称する。これは誘導特性を備えた負荷インピーダンスに対してスイッチングブリッジを動作させることにより達成される。誘導特性とは、スイッチングブリッジが誘導吸収性負荷インピーダンスを監視することを意味する。このために、スイッチングブリッジの中点に接続されているパワートランスの１次回路の自己誘導が利用される。まず１次巻線を流れる電流が一方の側で中断されると、所定の電圧が誘導される。寄生特性を考慮して素子の寸法を適切に設計し、スイッチング時間（待機時間）を適正に選択すれば、１次巻線のうちその時点で直流電力供給部に接続されていないほうの端子の電位は、直流電圧源のうち１次巻線の前述の端子からハーフブリッジへ切り換えられる端子の電位と同じ高さになる。

これに対して、スイッチングブリッジが容量吸収性負荷インピーダンスを監視する容量特性を有する負荷インピーダンスはスイッチングブリッジにとって不都合である。何故ならば、切換過程において、中点が以前の電位を保持し、スイッチオンされた素子が直流電力供給部の電圧に対して電圧差を有してしまうからである。また、寄生容量に関連して、スイッチングブリッジの第２のスイッチング素子を切り換える際に、電流衝突が発生することもある。

２つのスイッチングブリッジの出力信号がカプラを介して結合される場合、所定の反射条件のもとで、一方のスイッチングブリッジ、殊に一方のハーフブリッジから他方のスイッチングブリッジ、殊に他方のハーフブリッジへ電力を供給することができる。電力が供給されるほうのスイッチングブリッジが監視する負荷インピーダンスは負の作用抵抗を有する。したがってこのスイッチングブリッジの出力は負である。いわばスイッチングブリッジに「フィード」が行われる。これは「フィード」されたスイッチングブリッジが実数部の誘導性または容量性の放射負荷インピーダンスを監視することを意味する。

スイッチングブリッジの作動状態および素子の仕様に応じて、つまり、給電電圧について仕様限界のどれほど近傍で作動されるかに応じて、どの程度の冷却を行わなければならないか、スイッチング素子の通常動作（切り換え動作）をどの程度の速度で終了しなければならないか、また、どの程度のゼロボルトスイッチングを行わなければならないかは、許容可能な動作領域によって定められる。負荷インピーダンスがスイッチングブリッジの素子の仕様および作動状態に応じた動作領域内に存在する場合、スイッチングブリッジを損傷や破壊のおそれなしに作動させることができる。ここでは所定の放射負荷インピーダンスを許容することができる。負荷インピーダンスの許容領域を超える負荷インピーダンスは回避されなければならない。

US 6,885,567 B2からは、直流電圧供給部に接続されているインバータを備えた電流供給部が公知である。このインバータは２つのハーフブリッジを有している。このインバータは信号源によって駆動制御されている。信号発生器によって形成される駆動制御信号の位相が調整される。ただしこれらの駆動信号は完全に相互に独立するものではない。

US 7,173,467 B2には、スイッチングブリッジのスイッチング素子が位相シフトされた駆動制御信号によって駆動制御されるフルブリッジが記載されている。これによって電力制御を行うことができる。

US 2005/0219875 A1から、スイッチング電流供給部の過電圧に応答して動作点を安全状態へ移行させる、スイッチング電流供給部の制御装置が公知である。この制御装置はスイッチング電流供給部の負荷電流の方向および値を検出し、その情報を用いてスイッチング電流供給部のスイッチング素子を駆動制御する。

これらの公知の手法の欠点は、ハーフブリッジのスイッチング素子が単純に相補的であり、交互にしか駆動制御できないことが多いということである。場合によっては交互の駆動制御の間に無駄時間が発生する。フルブリッジのスイッチング素子はしばしば単純な交差方式で駆動制御される。この場合にも無駄時間が発生する。

前述のUS 2005/0219875 A1では、スイッチング素子に実際に何が起こるか、つまり、スイッチング素子がどのような状態にあるか考慮されておらず、結果的にスイッチング素子の保護について考察されていない。過負荷による破壊は依然として発生する可能性がある。また、スイッチングブリッジを公知の方式で作動させると、スイッチングブリッジにおいて高電流を遮断したときに電圧衝突が起こるという問題も発生する。さらに、スイッチング素子のボディダイオードが短時間であっても阻止方向に導通すると、過負荷が発生する。

本発明の課題は、上記の問題に対する解決手段を提供することである。

この課題は、本発明によれば請求項１の特徴を有する方法によって解決される。

本発明による方法は、各スイッチング素子が固有のドライバを有し、別個に駆動制御することができるという利点を有する。各スイッチング素子について求められた電気的なパラメータおよび／またはその他のパラメータに基づき、スイッチング素子における過負荷、したがってスイッチングブリッジの損傷を回避するために、各スイッチング素子に対する別個の駆動制御信号を求め、それらのスイッチング素子を相応に駆動制御することができる。本発明による方法によって、プラズマ給電装置は吸収フィルタを要することなくスイッチング素子を損傷からより確実に保護することができる。これはプラズマ給電装置においては殊に重要で有利である。何故ならば、プラズマ負荷では誤適合および無秩序な状態が頻繁に生じるからである。

動作パラメータとして電気的なパラメータ、殊にスイッチング素子を流れる電流、スイッチング素子における電圧、電流経過または電圧経過を求めることができる。周囲パラメータとして例えばスイッチング素子の温度を求めることができる。スイッチングブリッジパラメータとして、スイッチングブリッジから見た負荷インピーダンスと関係するパラメータを検出することができる。各スイッチング素子に関する動作パラメータを測定することができる。このことは高い測定コストを意味するが、計算コストは低減される。何故ならば、あるスイッチング素子に関する測定値からは他のスイッチング素子の相応の動作パラメータを推量または逆算する必要がないからである。

また、ただ１つのスイッチング素子または幾つかのスイッチング素子の動作パラメータを測定し、それから他のスイッチング素子の動作パラメータを求めることもできる。このようにして測定の手間は低減されるが、他のスイッチング素子の動作パラメータを求めるための計算の手間は増加する。例えば、１つのスイッチングブリッジに関する負荷インピーダンスについての測定値組と、ただ１つまたは２つのスイッチング素子における動作パラメータの測定から、残りのスイッチング素子における電気的なパラメータの時間的な経過を逆算することができる。光導体を介して測定を実施することができるか、少なくとも測定結果が光導体を介して転送ないし伝送される。付随線路を介する測定も実施することができる。これに関しては、ＰＣＴ明細書PCT/EP2008/002657およびPCT/EP2008/004650に記載されており、その開示内容は本願明細書の対象とする。

さらには他のスイッチング素子の動作パラメータを度量測定、シミュレーションまたは代表値を考慮して求めることができる。制限された測定値セット、例えば負荷インピーダンスまたはスイッチングブリッジから送出される出力およびこのスイッチングブリッジに反射された出力の測定値組に基づき、他のスイッチング素子に関する動作パラメータを求めることができる。殊に、低減されたデータセットに基づき全てのスイッチング素子における電気的なパラメータの時間的な経過を推量することができる。これに関してスイッチング素子における度量測定を全ての動作状態に関して実施することができる。択一的に、スイッチングブリッジのシミュレーションを実施することができる。個々のスイッチング素子に関する代表値を既知にし（また記憶し）、動作パラメータを求める際に考慮することができる。

スイッチングブリッジまたはスイッチング素子のシミュレーションを動作パラメータの分析中にリアルタイムで実施することができる。

さらには、２つのスイッチングブリッジの出力をカプラを介して結合し、カプラの少なくとも３つのポートにおいてそれぞれのポートに供給される信号の振幅を測定することができる。したがって僅かな回数の測定によって個々のスイッチング素子の動作パラメータを求めることができる。これに関しては、ＰＣＴ明細書PCT/EP2008/005241に記載されており、その開示内容は本願明細書の対象とする。

さらに、検出された測定値の曲線形状を、例えばフーリエ分析を実施することによって分析することができる。分析に基づいて個々のスイッチング素子における動作パラメータを推量することができる。その種の分析を実施できるようにするためには測定が高い時間分解能で実施されなければならない。何故ならば、ナイキスト判定基準に従いサンプリング周波数は、最大限に期待される信号周波数よりも少なくとも２倍高くなければならないからである。

１つのスイッチング素子またはスイッチング素子のグループの駆動制御を所期のように変更することができ、それにより生じる動作パラメータ、周囲パラメータおよび／またはスイッチングブリッジパラメータの変化を分析することができる。つまり、各スイッチング素子における電気的なパラメータを推量することができる。例えば、より早期のスイッチオンフェーズは多かれ少なかれスイッチングブリッジの出力側における出力をもたらしているか否かを求めることができる。さらに、スイッチングブリッジの１つのスイッチング素子の駆動制御が変更された際に出力信号の位相位置がどのような影響を受けるかを分析することができる。このことは殊に、複数のスイッチングブリッジが１つのカプラ、例えばハイブリッドカプラを介して接続されている場合には重要である。この場合、スイッチングブリッジから到来する信号の結合を位相に依存して行うことができる。

プラズマ給電ユニットの出力を検出し、目標値に調整することができる。出力の調整を、スイッチングブリッジ内のスイッチング素子が相応に駆動制御され、各スイッチングブリッジについての電流、電圧および出力に関する１つまたは複数の値が測定されるか求められ、出力の調整の際に考慮されるように行うことができる。殊に、スイッチングブリッジにおけるスイッチング素子が所期のように駆動制御されることによって、各スイッチングブリッジの出力をスイッチング素子の駆動制御によりセットすることができる。スイッチングブリッジの出力を閉ループ制御または開ループするために、例えばそれ自体公知の位相シフト法を適用することができる。

検出された動作パラメータ、周囲パラメータおよび／またはスイッチングブリッジパラメータに基づき、各スイッチング素子に対する最適なスイッチングスキーマを求め、出力を最大限に所定の目標出力に対応させることができる。スイッチング素子の駆動制御を、スイッチングブリッジにおいて可能な限り僅かな損失出力しか生じないように行うことができる。さらにはスイッチング素子の駆動制御を、スイッチング素子が過電圧、過電流、大きな電圧変化、大きな電流変化または過温度から保護されるように行うことができる。

本来は導通状態にあるべきではない間に、スイッチング素子を短時間スイッチオンすることもできる。これによって、他のスイッチング素子およびスイッチングブリッジのインダクタンスによって惹起される電圧ピークからの保護が行われる。

フルブリッジにおいては、対角線上に配置されているスイッチング素子に交互に負荷を加えることができる。例えば、第１のスイッチングブリッジの上側のスイッチング素子をスイッチオンして、別のスイッチングブリッジの下側のスイッチング素子へと接続することができ、他方では第２のスイッチングブリッジの下側のスイッチング素子は既に接続されている。続いて、第２のスイッチングブリッジの下側のスイッチング素子をスイッチオンすることができ、他方では第１のスイッチングブリッジの上側のスイッチング素子は既に接続されている。類似のアルゴリズムをスイッチオフの際にも使用することができる。スイッチング素子のスイッチオン・オフをランダムな順序で実施することもできる。

動作パラメータ、周囲パラメータおよび／またはスイッチングブリッジパラメータが求められることにより、過負荷が加えられているスイッチング素子を識別することができる。その種のスイッチング素子をスイッチオフすることができる。さらには、警告、殊に光学的な信号または音響的な信号を出力することができる。

スイッチング素子を保護するために、１つまたは複数のスイッチング素子を基本周波数の１つまたは複数の周期にわたり非導通状態に維持することもできる。スイッチングブリッジの出力を制御するためにこの措置を適用することもできる。

駆動制御信号をアルゴリズムにより求めることができ、このアルゴリズムを自己学習式に構成することができるか、ファジーロジックを用いて構成することができる。

時間に依存する少なくとも１つの測定信号を中間周波数に逓降混合することができる。例えば、ベースバンドへの複雑な混合を行うことができ、またベースバンドにおける評価が実施される。殊に、時間に依存する測定信号をディジタル化の前に中間周波数に逓降混合することができる。混合をアナログまたはディジタルで実施することができる。

さらに、請求項１８の特徴を備えたプラズマ給電装置も本発明の枠内である。その種のプラズマ給電装置により、方法に関して説明した利点を達成することができる。

種々の実施形態が考えられる。ドライバおよび所属のスイッチング素子を共通のケーシングに配置することができる。スイッチング素子に対応付けられているドライバを備えたハーフブリッジを共通のケーシングに配置することができる。スイッチング素子に対応付けられているドライバを備えたフルブリッジを同様に共通のケーシングに配置することができる。複数の構成素子が、共通のケーシング、殊に閉鎖されたケーシングに収容される場合には、比較的短い接続線を使用することができるので、これによりインダクタンスを低減することができる。さらにはフラッシュオーバの危険が生じること無く、比較的短い安全間隔を実現することができる。何故ならば、汚れの危険性が小さく、したがって最小クリープ間隔を比較的短く実現することができるからである。構成素子がケーシングに鋳込まれる場合には、フラッシュオーバの危険が生じることなくさらに短い安全間隔を実現することができる。

１つの実施形態によれば、全てのスイッチング素子に対して共通の駆動制御信号発生器を設けることができる。したがって中央の個所において、動作パラメータ、周囲パラメータおよびスイッチングブリッジパラメータを分析し、それらのパラメータに基づいて各スイッチング素子に関する適切な駆動制御信号を中央で求めることができる。駆動制御信号発生器をディジタルモジュール、殊にＤＳＰとして構成することができる。駆動制御信号発生器がディジタルモジュールとして構成されているならば、少なくとも１つの測定装置の後段にアナログ／ディジタル変換器が接続されており、且つ駆動制御信号発生器にディジタル信号を供給できる場合にはさらに有利である。アナログ／ディジタル変換器を駆動制御信号発生器に組み込むことができる。時間に依存する測定信号を中間周波数に逓降混合するためのミクサが設けられている場合には、検出された測定信号を簡単に評価することができる。有利には、このミクサはアナログ／ディジタル変換器の前段に接続されている。

より高い出力を形成するために、２つのスイッチングブリッジの出力側をカプラを介して接続することができる。殊に、カプラをハイブリッドカプラ、ウィルキンソンカプラなどとして構成することができる。また個々のスイッチングブリッジの出力信号の位相を制御するために迂回線路を設けることもでき、これにより信号を適切な位相位置でカプラに到来させ、そこにおいて最適に、すなわち僅かな損失出力で結合させることができる。

スイッチング素子に関する駆動制御信号を求めるためのアルゴリズムを駆動制御信号発生器における回路またはソフトウェアとして実施することができる。この構成においては駆動制御信号を殊に迅速に求めることができ、またただ１つのスイッチング素子の測定信号を迅速に評価することができるか、動作パラメータを迅速に求めることができる。

本発明のさらなる特徴および利点は、本発明にとって重要な詳細を描いた図面を参照した本発明の実施例に関する説明、ならびに特許請求の範囲に示されている。個々の特徴はそれぞれ単独で実現してもよいし、あるいは本発明の変形実施例において複数の特徴を任意に組み合わせて実現してもよい。

本発明の有利な実施例が図面に概略的に描かれており、以下ではそれらの図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。

スイッチングブリッジのスイッチング素子の動作パラメータが検出される、スイッチングブリッジの実施形態を示す。 スイッチングブリッジの出力が検出される、スイッチングブリッジの概略図を示す。 測定信号が中間周波数に逓降混合される、スイッチングブリッジの概略図を示す。 カプラを介して接続されている２つのスイッチングブリッジの概略図を示す。 ２つの波列のグラフを示す。 接続されている２つのスイッチングブリッジを示す。 スイッチング素子のボディダイオードが描かれているスイッチングブリッジの概略図を示す。 図７によるスイッチングブリッジのスイッチング素子のスイッチング状態ならびに、これによって惹起される通常動作時にスイッチングブリッジを流れる電流のチャートを示す。 スイッチングブリッジの動作開始時における図８に相応するチャートを示す。 スイッチングブリッジの動作中に生じる問題の別のチャートを示す。 ドライバおよびスイッチング素子がそれぞれ固有のケーシング内に配置されているスイッチングブリッジの概略図を示す。 それぞれ１つのハーフブリッジと所属のドライバがケーシング内に配置されているスイッチングブリッジの概略図を示す。 フルブリッジ全体が共通のケーシング内に配置されているスイッチングブリッジの概略図を示す。

図１にはフルブリッジとして構成されているスイッチングブリッジ１００が示されている。スイッチングブリッジ１００は、直列に接続されている２つのスイッチング素子１，２を備えた第１のハーフブリッジと、直列に接続されている２つのスイッチング素子３，４を備えた第２のハーフブリッジとを有する。トランジスタとして構成されている各スイッチング素子１，２，３，４はドライバ９，１０，１１，１２によって駆動制御される。ドライバ９，１０，１１，１２は駆動制御信号発生器１３と接続されており、この駆動制御信号発生器１３は駆動制御信号をドライバ９，１０，１１，１２に出力する。駆動制御信号を調整することによって、スイッチングブリッジ１００の出力側における電力を調整することができる。ドライバ９，１０はスイッチング素子１，２を備えたハーフブリッジと共にハーフブリッジモジュール５に収容されている。同様に、ドライバ１１，１２はスイッチング素子３，４からなるハーフブリッジと共にハーフブリッジモジュール６に収容されている。また温度測定素子４０，４１，４２，４３がスイッチング素子１，２，３，４の近傍に取り付けられており、これらの温度測定素子４０，４１，４２，４３も同様にハーフブリッジモジュール５，６内に収容することができる。もちろん、温度を別の個所、例えば測定素子４５によって示されているような個所において検出することもできる。温度測定素子４０，４１，４２，４３は駆動制御信号発生器１３と接続されており、この駆動制御信号発生器１３に相応の測定信号を供給する。

各ハーフブリッジの上側のスイッチング素子１，３はＤＣ給電電圧の正極７と接続されており、他方では各ハーフブリッジの下側のスイッチング素子２，４がＤＣ給電電圧の負極８と接続されている。

スイッチング素子１〜４の動作パラメータを検出するために、スイッチング素子１〜４を介する電圧の測定用の測定装置２０〜２３が設けられている。これらの測定装置２０〜２３は駆動制御信号発生器１３と接続されており、この駆動制御信号発生器１３に相応の測定信号を供給する。さらに、個々のスイッチング素子１〜４における電流を測定するための測定装置２４〜２７が設けられており、これらの測定装置２４〜２７も同様に測定信号を駆動制御信号発生器１３に供給する。スイッチングブリッジパラメータ、例えば出力電流または電力を測定装置２８によって検出することができる。別のスイッチングブリッジパラメータとしての出力電圧を測定装置２９によって検出することができる。これらの測定装置２８，２９も駆動制御信号発生器１３と接続されている。これらの測定信号によって駆動制御信号発生器はスイッチング素子１〜４に対する別個の駆動制御信号を形成することができる。スイッチング素子のうちの１つに過度に大きい負荷が加えられているか、スイッチング素子のうちの１つが既に破損している場合には、例えば表示装置３０を介して情報をオペレータに通知することができる。例えばプラズマに関する情報を供給する極端な測定値を、駆動制御信号発生器１３と接続されている入力ピン４４を介して駆動制御信号発生器１３に供給し、駆動制御信号を形成する際に考慮することができる。

駆動制御信号を形成するため、または測定信号を分析するために、メモリ３１に格納することができ、且つ駆動制御信号発生器１４によって呼び出すことができるデータを使用することができる。例えば、個々のスイッチング素子に関するデータをメモリ装置３１に格納することができる。

図２は実質的に図１に対応する。図１とは異なり、図２にはスイッチングブリッジ１００の出力が出力トランス１５０を介して負荷６０に出力可能であることが示されている。負荷６０の方向に供給される電力および負荷６０から誤適合時に反射される電力を測定装置３５において検出し、駆動出力信号発生器１３に伝送することができる。同様にスイッチングブリッジパラメータを表すこれらの測定信号に基づき、駆動制御信号発生器１３において個々のスイッチング素子１〜４の動作パラメータおよび動作状態を推量することができる。したがって、各スイッチング素子１〜４に関するこれらの情報に基づき、適切な駆動制御信号を形成することができる。測定信号の分析またはそれらの測定信号に基づいた個々のスイッチング素子１〜４における動作パラメータの推量をメモリ３１に格納されているデータに基づき行うことができる。メモリ３１には例えばシミュレーション結果を格納することができる。

図３には、図２に付加的に、測定装置３５によって取得された測定信号をミクサ５１，５２において、周波数発生器５３において形成された周波数と混合し、したがって中間周波数に逓降混合できることが示されている。続いて、逓降混合された信号を駆動制御信号発生器１３において処理することができる。駆動制御信号発生器１３内にはＡ／Ｄ変換器５３，５４を設けることができ、これらのＡ／Ｄ変換器５３，５４によってアナログ信号をディジタル信号に変換することができる。その後は信号のさらなる処理をディジタルで行うことができる。このために有利には、駆動制御信号発生器１３がディジタル信号プロセッサとして構成されている。

図４には２つのスイッチングブリッジ１００，１０１が簡潔に示されており、これらのスイッチングブリッジ１００，１０１の出力側は、ハイブリッドカプラとして構成することができるカプラ６１と接続される。カプラ６１の出力を、インピーダンス整合回路網６２を介してプラズマ負荷６０に伝達することができる。カプラ６１の負荷側のポートには、測定装置としての出力結合回路３６が接続されており、この出力結合回路３６を検出器３７と接続することができる。検出器３７にはローパスフィルタ３８を接続することができる。これによって得られる信号は駆動制御信号発生器１３に伝達される。負荷６０には供給されない出力は吸収抵抗６３に供給される。

図５は、高調波を有する２つの波列２０１，２０２が概略的に例示されている。例えば、これらの波列はスイッチングブリッジの出力側における電流および電圧を表すものでよい。波列２０１，２０２の分析から、スイッチングブリッジのスイッチング素子における動作パラメータ、殊に電気的な状態を推量することができる。１つまたは複数のスイッチング素子の駆動制御の変化は波列２０１，２０２を変化させる可能性がある。その変化からもスイッチング素子の特性を推量することができる。

図６は、図４に類似する。測定装置３６に付加的に、スイッチングブリッジ１００，１０１の出力側にはさらに別の測定装置３６．１，３６．２も設けられている。さらに吸収抵抗６３の上流側に測定装置３６．３が設けられている。測定装置３６，３６．１，３６．２，３６．３によって、この個所における時間に依存する信号を測定することができるか、時間に依存する信号の振幅のみを検出することができ、そこから別のパラメータを算出することができる。測定装置３６．１，３６．２，３６．３の後段には同様に検出器３７．１，３７．２，３７．３およびローパスフィルタ３８．１，３８．２，３８．３が接続されている。

図７はスイッチングブリッジ１００の概略図を示し、ここではスイッチング素子１〜４のボディダイオード７０〜７３が描かれている。ハーフブリッジの中点には参照符号Ｍ１およびＭ２が付されている。さらに電流Ｉ１およびＩ２が示されている。

後続の図面に関して、示されている時間、電流およびスイッチング状態は単に概略的に示されたものに過ぎず、縮尺通りには描かれていない。

図８には、スイッチング素子１〜４のスイッチオン・オフ状態が示されている。低い信号レベルはスイッチオフ状態に対応し、高い信号レベルはスイッチオン状態に対応する。図８に示されている通常動作時には、時点ｔ０においてスイッチング素子２および３がスイッチオフされる。寄生インダクタンスを有する出力トランス５０を流れる電流が、時点ｔ１においてスイッチング素子１および４がスイッチオンされるまで、スイッチング素子１および４のボディダイオード７０，７３によって吸収される。スイッチング素子２および３は電流１１がゼロ通過を示すまでスイッチオンされてはならない。何故ならば、ボディダイオード７０および７３は導通方向への極性反転後であっても短時間にわたり阻止方向に導通されるからである。このケースは図９に示されている。

図９において、スイッチング素子１および４は動作開始時にスイッチオンされ、電流Ｉ１が形成される。先行の電流区間においてスイッチング素子２，３および寄生インダクタンスを介して形成された（逆の）初期電流は補償されないので、電流Ｉ１は通常以上に上昇する。時点ｔ３とｔ４との間の極性反転が比較的短い場合には、スイッチング素子１および４が再びスイッチオンされた際に電流Ｉ２はまだ０ではないので、ボディダイオード７１，７２は（今では阻止電圧が印加されている場合であっても）依然として短時間にわたり導通され、短絡を惹起する。したがって動作は緩慢に増加するスイッチオン時間で開始される。

図１０には、スイッチング時間が遵守されない場合には、スイッチオン後ではなく、通常の動作中に生じる問題が示されている。これによって電流ピークが生じる。

図１１には、それぞれのスイッチング素子１〜４およびドライバ９〜１２が共通のケーシング８０〜８４内に配置されている。

図１２には、２つのスイッチング素子１〜４および所属の２つのドライバ９〜１２が固有のケーシング８４，８５内に配置されている。

図１３には、スイッチング素子１〜４および所属のドライバ９〜１２からなるフルブリッジ全体が共通のケーシング８６内に配置されている。

Claims (9)

1. 少なくとも２つのスイッチング素子（１〜４）を有する少なくとも１つのスイッチングブリッジ（１００，１０１）を備えたプラズマ給電装置を作動させる方法であって、
   前記プラズマ給電装置は、＞５００Ｗの電力および＞３ＭＨｚの実質的に一定の基本周波数を有する高周波出力信号をプラズマ負荷（６０）に供給する形式のプラズマ給電装置を作動させる方法において、
   少なくとも１つの動作パラメータ、少なくとも１つのスイッチング素子の少なくとも１つの周囲パラメータおよび／またはスイッチングブリッジパラメータを求めるステップと、
   前記少なくとも１つの動作パラメータ、前記少なくとも１つの周囲パラメータおよび／または前記スイッチングブリッジパラメータを考慮して、前記スイッチング素子（１〜４）に対する別個の駆動制御信号を求めるステップと、
   それぞれ１つの駆動制御信号を用いて、前記スイッチング素子（１〜４）を別個に駆動制御するステップとを有する、方法において、
   前記動作パラメータ、周囲パラメータおよび／またはスイッチングブリッジパラメータが求められることにより、１つまたは複数の、過負荷が加えられているスイッチング素子（１〜４）を識別し、１つまたは複数の、前記過負荷が加えられているスイッチング素子（１〜４）を前記基本周波数の１つまたは複数の周期にわたり非導通状態に維持するステップを更に有する、
   なお、前記動作パラメータは、前記スイッチング素子を流れる電流、前記スイッチング素子における電圧、電流経過、電圧経過であり、
   前記周囲パラメータは、前記スイッチング素子の温度であり、
   前記スイッチングブリッジパラメータは、前記スイッチングブリッジ（１００，１０１）から見た負荷インピーダンスと関係するパラメータである、
   ことを特徴とする、プラズマ給電装置を作動させる方法。
2. 高周波出力信号をプラズマ負荷（６０）に供給し、なお、前記プラズマ負荷（６０）は少なくとも誤適合時に電力を反射する、＞３ＭＨｚの実質的に一定の基本周波数において＞５００Ｗの出力を形成するプラズマ給電装置であって、
   少なくとも１つの駆動制御信号発生器（１３）を有し、該駆動制御信号発生器（１３）は少なくとも１つのドライバ（９〜１２）を駆動制御し、
   少なくとも２つのスイッチング素子（１〜４）を有する少なくとも１つのスイッチングブリッジ（１００，１０１）が設けられており、各スイッチング素子（１〜４）に固有のドライバ（９〜１２）が対応付けられており、
   プラズマ負荷（６０）が少なくとも間接的に接続されている、プラズマ給電装置において、
   前記駆動制御信号発生器（１３）と接続されており、少なくとも１つのスイッチング素子の動作パラメータ、周囲パラメータおよび／またはスイッチングブリッジパラメータを検出する、少なくとも１つの測定装置（２０〜２９，３６，３６．１，３６．２，３６．３）が設けられており、前記駆動制御信号発生器（１３）は前記スイッチング素子（１〜４）に対する別個の駆動制御信号を形成する、プラズマ給電装置において、
   前記動作パラメータ、周囲パラメータおよび／またはスイッチングブリッジパラメータが求められることにより、１つまたは複数の、過負荷が加えられているスイッチング素子（１〜４）を識別し、１つまたは複数の、前記過負荷が加えられているスイッチング素子（１〜４）を前記基本周波数の１つまたは複数の周期にわたり非導通状態に維持する、
   なお、前記動作パラメータは、前記スイッチング素子を流れる電流、前記スイッチング素子における電圧、電流経過、電圧経過であり、
   前記周囲パラメータは、前記スイッチング素子の温度であり、
   前記スイッチングブリッジパラメータは、前記スイッチングブリッジ（１００，１０１）から見た負荷インピーダンスと関係するパラメータである、
   ことを特徴とする、プラズマ給電装置。
3. ドライバ（９〜１２）および対応するスイッチング素子（１〜４）が共通のケーシング（８０〜８３）に配置されている、請求項２記載のプラズマ給電装置。
4. スイッチング素子（１〜４）に対応付けられているドライバ（９〜１２）を備えたハーフブリッジが共通のケーシング（８４，８５）に配置されている、請求項２または３記載のプラズマ給電装置。
5. スイッチング素子（１〜４）に対応付けられているドライバ（９〜１２）を備えたフルブリッジが共通のケーシング（８６）に配置されている、請求項２から４までのいずれか１項記載のプラズマ給電装置。
6. 全てのスイッチング素子（１〜４）に対して共通の駆動制御信号発生器（１３）が設けられている、請求項２から５までのいずれか１項記載のプラズマ給電装置。
7. 前記駆動制御信号発生器（１３）はディジタルモジュール、例えばＤＳＰとして構成されている、請求項２から６までのいずれか１項記載のプラズマ給電装置。
8. 前記少なくとも１つの測定装置（２０〜２９，３６，３６．１，３６．２，３６．３）の後段にはＡ／Ｄ変換器（５３，５４）が接続されている、請求項２から７までのいずれか１項記載のプラズマ給電装置。
9. ２つのスイッチングブリッジ（１００，１０１）の出力側がカプラ（６１）を介して接続されている、請求項２から８までのいずれか１項記載のプラズマ給電装置。

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