JP5708988B2 - High frequency power supply - Google Patents

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Description

本発明は、プラズマ処理装置等の負荷に高周波電力を供給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 apparatus that supplies high frequency power to a load such as a plasma processing apparatus.

高周波電源装置として、特許文献1に示されているように、商用交流電圧を直流電圧に変換する整流平滑回路と、この整流平滑回路から得られる直流電圧を一旦交流電圧に変換した後再度直流電圧に変換するDC−DCコンバータと、DC−DCコンバータの出力を高周波交流電力に変換するインバータ回路とを備えて、DC−DCコンバータの出力電圧を制御することにより、負荷に供給する高周波電力を設定値に近づける制御を行うようにしたものが知られている。   As shown in Patent Document 1, as a high-frequency power supply device, a rectifying / smoothing circuit that converts a commercial AC voltage into a DC voltage, and a DC voltage obtained from the rectifying / smoothing circuit is once converted into an AC voltage and then a DC voltage again. A DC-DC converter that converts the output of the DC-DC converter into an inverter circuit that converts the output of the DC-DC converter into high-frequency AC power, and controls the output voltage of the DC-DC converter to set the high-frequency power supplied to the load There is known one that performs control close to a value.

図7は、特許文献1に示された高周波電源装置PS′の構成を示したものである。同図において、1は商用電源から得られる交流電圧を整流して平滑する整流平滑回路、2は整流平滑回路から得られる直流電圧が入力されたDC−DCコンバータ、3はDC−DCコンバータ2の出力を高周波交流電力に変換するインバータ回路である。   FIG. 7 shows the configuration of the high-frequency power supply device PS ′ disclosed in Patent Document 1. In the figure, 1 is a rectifying / smoothing circuit for rectifying and smoothing an AC voltage obtained from a commercial power supply, 2 is a DC-DC converter to which a DC voltage obtained from the rectifying / smoothing circuit is input, and 3 is a DC-DC converter 2. It is an inverter circuit that converts output into high-frequency AC power.

インバータ回路3は、図8に示すように、スイッチ素子S1ないしS4をHブリッジ接続してなるスイッチ回路と,このスイッチ回路を構成するHブリッジのスイッチ素子S1ないしS4にそれぞれ逆並列接続された帰還用ダイオードD1ないしD4とを備えた周知の回路からなっている。インバータ回路3は、Hブリッジの一方の対辺を構成する対のスイッチ素子S1及びS4と、他方の対辺を構成する他の対のスイッチ素子S2及びS3とを交互にオン状態にすることにより、DC−DCコンバータ2から与えられる直流電圧Vdcを矩形波状の高周波交流電圧Vinvに変換する。   As shown in FIG. 8, the inverter circuit 3 includes a switch circuit in which the switch elements S1 to S4 are H-bridge connected and a feedback circuit connected in antiparallel to the H bridge switch elements S1 to S4 constituting the switch circuit. It consists of a well-known circuit with diodes D1 to D4. The inverter circuit 3 alternately turns on the pair of switch elements S1 and S4 that constitute one side of the H bridge and the other pair of switch elements S2 and S3 that constitute the other side of the H bridge. -The DC voltage Vdc given from the DC converter 2 is converted into a rectangular wave-shaped high-frequency AC voltage Vinv.

インバータ回路3から出力される矩形波状の高周波交流電圧は、正弦波形の高周波電圧及び電流に変換されて負荷7に供給される。図示の例では、インバータ回路の出力がトランス4の一次側に入力され、トランス4の出力が直列共振回路5とローパスフィルタ6とを通して負荷7に入力されている。インバータ回路3が出力する矩形波状の交流電圧及び電流は、直列共振回路5とローパスフィルタ6とにより正弦波形の高周波電圧及び電流に変換されて負荷7に供給される。   The rectangular-wave high-frequency alternating voltage output from the inverter circuit 3 is converted into a sinusoidal high-frequency voltage and current and supplied to the load 7. In the illustrated example, the output of the inverter circuit is input to the primary side of the transformer 4, and the output of the transformer 4 is input to the load 7 through the series resonance circuit 5 and the low-pass filter 6. The rectangular wave AC voltage and current output from the inverter circuit 3 are converted into a sinusoidal high frequency voltage and current by the series resonance circuit 5 and the low-pass filter 6 and supplied to the load 7.

8はインバータ回路3の出力電圧を検出する電圧検出部、9はインバータ回路3とトランス4との間を流れる電流Iinvを検出する電流検出部、10は負荷7に供給される高周波電力を検出する電力検出部である。   8 is a voltage detection unit that detects the output voltage of the inverter circuit 3, 9 is a current detection unit that detects a current Iinv flowing between the inverter circuit 3 and the transformer 4, and 10 is a high-frequency power supplied to the load 7. It is an electric power detection part.

電圧検出部8の出力及び電流検出部9の出力は、インバータ回路3の出力電流の出力電圧に対する位相差を検出する位相差検出部11に入力され、位相差検出部11から得られる位相差の検出値が、インバータ回路3の出力周波数を決定する周波数指令を発生する周波数制御部12′に与えられている。   The output of the voltage detector 8 and the output of the current detector 9 are input to a phase difference detector 11 that detects the phase difference of the output current of the inverter circuit 3 with respect to the output voltage, and the phase difference obtained from the phase difference detector 11 is output. The detected value is given to a frequency control unit 12 ′ that generates a frequency command for determining the output frequency of the inverter circuit 3.

13は周波数制御部12′から与えられる周波数指令により指令された周波数を有する正弦波形の高周波信号を発生する高周波信号発生部、14は高周波信号発生部13が出力する高周波信号を、インバータ回路3のスイッチ素子に与える制御信号V1及びV2に変換する信号変換部である。制御信号V1は、インバータ回路3を構成するHブリッジの一方の対辺(対角位置にある辺)にあるスイッチ素子S1,S4をオン状態にするために該対のスイッチ素子の制御端子に与える制御信号であり、制御信号V2は、インバータ回路3を構成するHブリッジの他方の対辺を構成する対のスイッチ素子S2,S3をオン状態にするために該対のスイッチ素子の制御端子に与える制御信号である。高周波信号発生部13は、ダイレクト・デジタル・シンセサイザー(DDS)からなっていて、与えられた周波数指令により指令された通りの周波数を有する正弦波信号を発生する。   Reference numeral 13 denotes a high-frequency signal generating unit that generates a high-frequency signal having a sine waveform having a frequency commanded by a frequency command given from the frequency control unit 12 ′, and 14 denotes a high-frequency signal output from the high-frequency signal generating unit 13. It is a signal converter for converting into control signals V1 and V2 to be applied to the switch element. The control signal V1 is a control given to the control terminals of the pair of switch elements in order to turn on the switch elements S1 and S4 on one side of the H bridge constituting the inverter circuit 3 (side on the diagonal position). The control signal V2 is a control signal applied to the control terminals of the pair of switch elements in order to turn on the pair of switch elements S2 and S3 constituting the other opposite side of the H bridge constituting the inverter circuit 3. It is. The high frequency signal generator 13 is composed of a direct digital synthesizer (DDS), and generates a sine wave signal having a frequency as instructed by a given frequency command.

特許文献1に示された高周波電源装置では、負荷に与えられる高周波交流電流と高周波電圧との位相差を可能な限り小さくするように(好ましくは0とするように)、インバータ回路3の出力周波数を制御している。このように,インバータ回路の出力周波数を制御すると、インバータ回路3を構成するスイッチ素子で生じるスイッチング損失を少なくして、高周波電源装置の効率を高くすることができる。   In the high-frequency power supply device disclosed in Patent Document 1, the output frequency of the inverter circuit 3 is set so that the phase difference between the high-frequency alternating current applied to the load and the high-frequency voltage is as small as possible (preferably 0). Is controlling. As described above, when the output frequency of the inverter circuit is controlled, the switching loss generated in the switch elements constituting the inverter circuit 3 can be reduced, and the efficiency of the high-frequency power supply device can be increased.

プラズマ処理装置などの負荷に高周波電力を供給す高周波電源装置では、負荷に与える高周波電力を設定値に保つ必要がある。図7に示した高周波電源装置では、インバータ回路3からトランス4と直列共振回路5とローパスフィルタ6とを通して負荷に与えられる高周波電力を設定値に保つ制御を行う必要がある。そのため、従来のこの種の高周波電源装置では、特許文献1には特に示されていないが、インバータ回路3に入力する直流電力を発生するDC−DCコンバータ2の出力電圧を制御することにより、負荷7に供給される高周波電力を制御している。図7に示した例では、電力検出部10の出力が、電力制御部15に与えられている。電力制御部15は、負荷7に与えられる高周波電力の検出値と設定値との偏差を演算して、演算した偏差を零に近づけるようにDC−DCコンバータ2の出力電圧の値を制御し、これにより、インバータ回路3の出力電圧及び出力電流を制御して、負荷7に与えられる高周波交流電力を設定値に保つ。   In a high frequency power supply apparatus that supplies high frequency power to a load such as a plasma processing apparatus, it is necessary to maintain the high frequency power applied to the load at a set value. In the high frequency power supply device shown in FIG. 7, it is necessary to perform control to maintain the high frequency power applied to the load from the inverter circuit 3 through the transformer 4, the series resonance circuit 5, and the low pass filter 6. Therefore, in this type of conventional high-frequency power supply device, which is not particularly shown in Patent Document 1, the load voltage is controlled by controlling the output voltage of the DC-DC converter 2 that generates DC power to be input to the inverter circuit 3. The high-frequency power supplied to 7 is controlled. In the example shown in FIG. 7, the output of the power detection unit 10 is given to the power control unit 15. The power control unit 15 calculates the deviation between the detected value of the high-frequency power applied to the load 7 and the set value, and controls the value of the output voltage of the DC-DC converter 2 so that the calculated deviation approaches zero. Thereby, the output voltage and output current of the inverter circuit 3 are controlled, and the high frequency alternating current power given to the load 7 is kept at a set value.

特開2007−185000号公報(図4)JP 2007-185000 A (FIG. 4)

図7に示された従来の高周波電源装置においては、負荷に供給する高周波電力を設定値に保つ制御を行うために、インバータ回路3の前段に直流出力電圧を制御することが可能なDC−DCコンバータ2を設けて、電力検出部10により検出される電力を設定値に保つように、DC−DCコンバータ2の出力電圧を制御していた。そのため、電源装置の構成が複雑になり、そのコストが高くなるという問題があった。   In the conventional high-frequency power supply device shown in FIG. 7, a DC-DC capable of controlling the DC output voltage at the previous stage of the inverter circuit 3 in order to perform control to keep the high-frequency power supplied to the load at a set value. The converter 2 is provided, and the output voltage of the DC-DC converter 2 is controlled so as to keep the power detected by the power detection unit 10 at a set value. For this reason, there is a problem that the configuration of the power supply apparatus becomes complicated and the cost thereof increases.

またDC−DCコンバータは内部に大容量の平滑用コンデンサを有していて、その出力電圧を低下させるのに時間がかかるため、制御の応答性が悪くなるのを避けられなかった。制御の応答性を高めるためには、DC−DCコンバータの平滑用コンデンサを強制的に放電させる回路を設ける等の工夫をすることが必要になり、回路構成が複雑になるのを避けられなかった。   Further, since the DC-DC converter has a large capacity smoothing capacitor inside, and it takes time to reduce the output voltage, it is inevitable that the control responsiveness deteriorates. In order to improve control responsiveness, it is necessary to devise means such as providing a circuit for forcibly discharging the smoothing capacitor of the DC-DC converter, and it is inevitable that the circuit configuration becomes complicated. .

なお図7において、DC−DCコンバータ2を省略して、インバータ回路3のスイッチ素子をPWM制御することにより,負荷7に供給する電力を設定値に保つ制御を行うことも考えられる。しかしながら、インバータ回路3のスイッチ素子のPWM制御は、インバータ回路3の出力周波数よりも遙かに高い周波数でスイッチ素子をオンオフさせることにより行う必要があるため、インバータ回路3の出力周波数が高い場合(現状のスイッチ素子の性能では、例えば数10乃至数100MHzの場合)には採用することが困難である。   In FIG. 7, the DC-DC converter 2 may be omitted, and the switch element of the inverter circuit 3 may be subjected to PWM control to control the power supplied to the load 7 at a set value. However, since the PWM control of the switch element of the inverter circuit 3 needs to be performed by turning on and off the switch element at a frequency much higher than the output frequency of the inverter circuit 3, the output frequency of the inverter circuit 3 is high ( In the current performance of the switch element, it is difficult to adopt it, for example, in the case of several tens to several hundreds MHz.

本発明の目的は、出力電圧を制御する機能を有しない簡単な構成の直流電源部の出力電圧を直接インバータ回路に入力する構成をとって構成の簡素化を図り、コストの低減を図ることを可能にした高周波電源装置を提供することにある。   An object of the present invention is to simplify the configuration by reducing the cost by adopting a configuration in which the output voltage of a DC power supply unit having a simple configuration that does not have a function of controlling the output voltage is directly input to the inverter circuit. An object of the present invention is to provide a high-frequency power supply device that is made possible.

本発明は、交流電圧を整流平滑して直流電圧を出力する直流電源部と、直流電源部が出力する直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータ回路とを備えて、インバータ回路から負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置を対象とする。   The present invention includes a DC power supply unit that rectifies and smoothes an AC voltage and outputs a DC voltage, and an inverter circuit that converts the DC voltage output from the DC power supply unit into a high-frequency AC voltage. The target is a high-frequency power supply that supplies power.

本発明に係わる高周波電源装置は、インバータ回路の出力電流を検出する電流検出部と、インバータ回路の出力電圧又はインバータ回路の出力電圧に相当する電圧を検出する電圧検出部と、電流検出部により検出される電流の電圧検出部により検出された電圧に対する位相差を検出する位相差検出部と、負荷に供給される高周波電力を検出する電力検出部と、位相差検出部により検出された位相差及び電力検出部により検出された電力値を入力として、電流検出部により検出される電流の位相が電圧検出部により検出された位相に対して遅れ位相となる状態を維持しつつ、電力検出部により検出される電力値を設定値に近づけるか又は設定された許容範囲に保つように、インバータ回路の出力周波数を予め定めた範囲内で制御する周波数制御部とを備えている。   A high frequency power supply device according to the present invention is detected by a current detection unit that detects an output current of an inverter circuit, a voltage detection unit that detects an output voltage of the inverter circuit or a voltage corresponding to the output voltage of the inverter circuit, and a current detection unit. A phase difference detection unit that detects a phase difference with respect to the voltage detected by the voltage detection unit, a power detection unit that detects high-frequency power supplied to the load, a phase difference detected by the phase difference detection unit, and Detected by the power detection unit while maintaining the state in which the phase of the current detected by the current detection unit is delayed from the phase detected by the voltage detection unit using the power value detected by the power detection unit as an input Frequency control that controls the output frequency of the inverter circuit within a predetermined range so that the electric power value to be kept close to the set value or within the set allowable range It is equipped with a door.

インバータ回路から負荷側を見た回路のインピーダンスは、通常直列共振特性を有している。インバータ回路から負荷側を見た回路のインピーダンスが直列共振特性を有している場合、インバータ回路の出力周波数が直列共振周波数に等しいときにインバータ回路から負荷側を見たインピーダンスが最小になり、負荷に供給される電力が最大になる。インバータ回路の出力周波数が直列共振周波数よりも高い領域では、インバータ回路の負荷のインピーダンスが誘導性を示し、インバータ回路の出力電流の位相が出力電圧の位相よりも遅れる。またインバータ回路の出力周波数が直列共振周波数よりも低い領域では、インバータ回路の負荷のインピーダンスが容量性を示し、インバータ回路の出力電流の位相が出力電圧の位相よりも進む。   The impedance of the circuit seen from the inverter circuit on the load side usually has series resonance characteristics. When the impedance of the circuit viewed from the inverter circuit has a series resonance characteristic, when the output frequency of the inverter circuit is equal to the series resonance frequency, the impedance viewed from the inverter circuit is minimized, and the load The power supplied to is maximized. In the region where the output frequency of the inverter circuit is higher than the series resonance frequency, the impedance of the load of the inverter circuit is inductive, and the phase of the output current of the inverter circuit is delayed from the phase of the output voltage. Also, in the region where the output frequency of the inverter circuit is lower than the series resonance frequency, the impedance of the load of the inverter circuit exhibits a capacitive property, and the phase of the output current of the inverter circuit advances from the phase of the output voltage.

インバータ回路から直列共振特性を有する負荷に高周波電力を供給する電力供給システムにおいて、インバータ回路の出力周波数を負荷側回路のインピーダンスが容量性を示す領域に設定した場合には、インバータ回路による電流のスイッチング動作に伴って電流波形が大きく歪むが、負荷側回路のインピーダンスが誘導性を示す領域にインバータ回路の出力周波数を設定した場合には、電流の波形歪みが比較的少ないことが知られている。したがって、インバータ回路から直列共振特性を有する負荷に電力を供給する場合には、インバータ回路の出力周波数を、負荷のインピーダンスが誘導性を示す領域に設定するのが普通である。インバータ回路の出力周波数が、インバータ回路から負荷側を見た回路のインピーダンスを誘導性とする領域にある場合には、インバータ回路の出力周波数を上げることにより、負荷に供給される電力を減少させることができ、インバータ回路の出力周波数を下げることにより、負荷に供給される電力を増大させることができる。   In a power supply system that supplies high-frequency power to a load having series resonance characteristics from an inverter circuit, when the output frequency of the inverter circuit is set in a region where the impedance of the load-side circuit is capacitive, current switching by the inverter circuit Although the current waveform is greatly distorted with the operation, it is known that the waveform distortion of the current is relatively small when the output frequency of the inverter circuit is set in a region where the impedance of the load circuit is inductive. Therefore, when power is supplied from the inverter circuit to a load having series resonance characteristics, the output frequency of the inverter circuit is usually set in a region where the load impedance exhibits inductivity. If the output frequency of the inverter circuit is in a region where the impedance of the circuit viewed from the inverter circuit is inductive, increase the output frequency of the inverter circuit to reduce the power supplied to the load. The power supplied to the load can be increased by lowering the output frequency of the inverter circuit.

従って、電流検出部により検出される電流の位相をインバータ回路の出力電圧の位相に対して遅れ位相とする状態を維持することができるインバータ回路の出力周波数の範囲を予め周波数可変範囲として定めておいて、電力検出部により検出された電力値が設定値よりも大きいか小さいか又は許容設定範囲より大きいか小さいかに応じて、インバータ回路の出力周波数を、予め定めた周波数範囲で上昇させるか又は下降させる制御を行うことにより、負荷に供給される高周波電力を設定値に近づける制御又は設定された許容範囲に保つ制御を行わせることができる。   Therefore, the range of the output frequency of the inverter circuit that can maintain the state in which the phase of the current detected by the current detection unit is delayed from the phase of the output voltage of the inverter circuit is determined in advance as the frequency variable range. And increasing the output frequency of the inverter circuit in a predetermined frequency range according to whether the power value detected by the power detection unit is larger or smaller than the set value or larger or smaller than the allowable set range, or By performing the control to lower, it is possible to perform the control to bring the high frequency power supplied to the load close to the set value or to keep the set allowable range.

上記のように、本発明においては、電流検出部により検出される電流の位相がインバータ回路の出力電圧の位相に対して遅れ位相となる状態を維持しつつ電力検出部により検出される電力値を設定値に近づけるように、インバータ回路の出力周波数を予め定めた範囲内で制御するので、インバータ回路に入力する直流電圧は制御する必要がない。従って、上記のように構成すると、直流電源部は、直流出力電圧を制御する機能を持つ必要がなく、交流電圧を整流・平滑して一定の直流電圧を出力するだけの簡単な整流平滑回路等により構成することができるため、高周波電源装置の構成の簡素化を図ってコストの低減を図ることができる。   As described above, in the present invention, the power value detected by the power detection unit is maintained while maintaining the state in which the phase of the current detected by the current detection unit is delayed from the phase of the output voltage of the inverter circuit. Since the output frequency of the inverter circuit is controlled within a predetermined range so as to approach the set value, it is not necessary to control the DC voltage input to the inverter circuit. Therefore, when configured as described above, the DC power supply unit does not need to have a function of controlling the DC output voltage, and a simple rectifying / smoothing circuit that rectifies and smoothes the AC voltage and outputs a constant DC voltage, etc. Therefore, the configuration of the high frequency power supply device can be simplified and the cost can be reduced.

また上記のように構成すると、平滑用コンデンサが制御の応答性を遅らせる要因にならないため、平滑用コンデンサを強制放電させる回路を設ける等の工夫が不要になり、回路構成が複雑になるのを防ぐことができる。   In addition, since the smoothing capacitor does not cause a delay in the control response, the device such as providing a circuit for forcibly discharging the smoothing capacitor is unnecessary, and the circuit configuration is prevented from being complicated. be able to.

本発明の好ましい態様では、インバータ回路の出力端と負荷との間にトランスが設けられて、インバータ回路からトランスを通して負荷に高周波電力を供給するように構成される。   In a preferred aspect of the present invention, a transformer is provided between the output terminal of the inverter circuit and the load, and high frequency power is supplied from the inverter circuit to the load through the transformer.

本発明の他の好ましい態様では、インバータ回路と負荷との間に直流阻止用コンデンサが挿入されて、インバータ回路から直流阻止用コンデンサを通して負荷に高周波電力を供給するように構成される。   In another preferred aspect of the present invention, a DC blocking capacitor is inserted between the inverter circuit and the load, and high frequency power is supplied from the inverter circuit to the load through the DC blocking capacitor.

本発明の好ましい態様では、周波数指令により指令された通りの周波数の高周波信号を発生する高周波信号発生部が設けられ、インバータ回路は、高周波信号により制御されて、直流電源部が出力する直流電圧を、上記高周波信号と周波数及び位相が等しい高周波交流電圧に変換する。   In a preferred aspect of the present invention, a high-frequency signal generating unit that generates a high-frequency signal having a frequency as instructed by the frequency command is provided, and the inverter circuit is controlled by the high-frequency signal to generate a DC voltage output from the DC power supply unit. The high frequency signal is converted into a high frequency AC voltage having the same frequency and phase as the high frequency signal.

本発明の好ましい態様では、インバータ回路の出力電圧を検出する電圧検出部が設けられる。この場合、位相差検出部は、電流検出部により検出される電流の位相と、電圧検出部により検出される電圧の位相とから前記位相差を検出するように構成される。   In a preferred aspect of the present invention, a voltage detector that detects the output voltage of the inverter circuit is provided. In this case, the phase difference detection unit is configured to detect the phase difference from the phase of the current detected by the current detection unit and the phase of the voltage detected by the voltage detection unit.

高周波信号発生部が設けられている場合には、位相差検出部を、電流検出部により検出される電流の位相と、高周波信号の位相とから前記位相差を検出するように構成することができる。   When a high-frequency signal generator is provided, the phase difference detector can be configured to detect the phase difference from the phase of the current detected by the current detector and the phase of the high-frequency signal. .

高周波信号発生部が発生する高周波信号によりインバータ回路のスイッチ素子を制御して、直流電力を高周波電力に変換する場合、高周波信号の位相はインバータ回路の出力電圧の位相と等しいため、上記のように、電流検出部により検出される電流の位相と、高周波信号発生部が発生する高周波信号の位相とから前記位相差を検出するようにしても、電流検出部により検出される電流の、インバータ回路の出力電圧に対する位相差を検出することができる。   When the DC power is converted into high frequency power by controlling the switching element of the inverter circuit by the high frequency signal generated by the high frequency signal generator, the phase of the high frequency signal is equal to the phase of the output voltage of the inverter circuit, as described above. Even if the phase difference is detected from the phase of the current detected by the current detector and the phase of the high-frequency signal generated by the high-frequency signal generator, the current detected by the current detector The phase difference with respect to the output voltage can be detected.

上記の各態様において、周波数制御部は、電力検出部により検出された電力値が設定値よりも小さいか又は許容範囲を下回っているときにインバータ回路の出力周波数を下げる制御を行ない、電力検出部により検出された電力値が設定値よりも大きいか又は許容範囲を上回っているときにインバータ回路の出力周波数を上げる制御を行なうように構成することができる。 In each of the above aspects, the frequency control unit performs control to lower the output frequency of the inverter circuit when the power value detected by the power detection unit is smaller than the set value or below the allowable range, and the power detection unit When the electric power value detected by (1) is larger than the set value or exceeds the allowable range, it is possible to perform control to increase the output frequency of the inverter circuit.

上記の各態様において、周波数制御部は、インバータ回路の出力周波数を予め定めた範囲の下限値まで下げたにもかかわらず電力検出部により検出された電力値が設定値よりも小さいか又は許容範囲を下回っているとき、及びインバータ回路の出力周波数を予め定めた範囲の上限値まで上げたにもかかわらず前記電力検出部により検出された電力値が前記設定値よりも大きいか又は許容範囲を上回っているときに異常信号を出力するように構成されていることが好ましい。 In each of the above aspects, the frequency control unit is configured such that the power value detected by the power detection unit is smaller than the set value or the allowable range even though the output frequency of the inverter circuit is lowered to the lower limit value of the predetermined range. The power value detected by the power detection unit is greater than the set value or exceeds the allowable range even when the output frequency of the inverter circuit is increased to the upper limit value of the predetermined range. It is preferable to be configured to output an abnormal signal when

インバータ回路の出力周波数を周波数可変範囲(出力電流を出力電圧に対して遅れ位相の状態に保つために必要な範囲)の下限値まで下げても負荷に供給する高周波電力が設定値以上にならないか又は許容範囲に収まらない状態及びインバータ回路の出力周波数を周波数可変範囲の上限値まで上げても負荷に供給される高周波電力が設定値以下にならないか又は許容範囲に収まらない状態は、負荷に供給される高周波電力が調整可能な範囲外にある状態であり、何らかの異常が生じている状態である。このような状態が生じたときには、電源装置の運転を停止する等の措置を講じる必要がある。上記のような異常信号出力手段を設けておけば、異常状態への対処を容易にすることができる。   Whether the high frequency power supplied to the load exceeds the set value even if the output frequency of the inverter circuit is lowered to the lower limit of the frequency variable range (the range required to keep the output current in a delayed phase with respect to the output voltage) Or, supply to the load when it is not within the allowable range and when the output frequency of the inverter circuit is raised to the upper limit of the frequency variable range, the high-frequency power supplied to the load does not fall below the set value or does not fall within the allowable range. This is a state in which the high-frequency power to be output is outside the adjustable range, and some abnormality has occurred. When such a situation occurs, it is necessary to take measures such as stopping the operation of the power supply device. If the abnormal signal output means as described above is provided, it is possible to easily cope with the abnormal state.

上記周波数制御部はまた、負荷に供給される高周波電力を設定値に近づけるか又は許容範囲内に収めるためにインバータ回路の出力周波数を下げていく過程で、電流検出部により検出される電流の位相がインバータ回路の出力電圧の位相に対して遅れ位相でなくなったときに異常信号を出力するように構成されていることが好ましい。 The frequency control unit also adjusts the phase of the current detected by the current detection unit in the process of lowering the output frequency of the inverter circuit in order to bring the high-frequency power supplied to the load close to the set value or within an allowable range. Is preferably configured to output an abnormal signal when it is no longer in phase with respect to the phase of the output voltage of the inverter circuit .

インバータ回路の出力周波数を変化させることにより負荷に供給される高周波電力を制御する際には、前述のように、インバータ回路の出力電流の出力電圧に対する位相を遅れ位相の範囲に維持することが必要である。インバータ回路の出力周波数を下げていく過程で電流検出部により検出された電流の位相がインバータの出力電圧の位相に対して遅れ位相でなくなる状態は、負荷の大きさが、当該負荷に供給する電力の値を設定値に保つ制御を行うことができる範囲から逸脱している状態である。このような状態が生じた場合も、高周波電源装置の運転を停止させる等の措置を講じる必要がある。上記のような異常信号出力手段を設けておけば、このような異常状態への対処を容易にすることができる。   When controlling the high-frequency power supplied to the load by changing the output frequency of the inverter circuit, it is necessary to maintain the phase of the output current of the inverter circuit in the range of the delayed phase as described above. It is. The state in which the phase of the current detected by the current detector in the process of lowering the output frequency of the inverter circuit is no longer delayed from the phase of the output voltage of the inverter is the power supplied to the load. This is a state that deviates from the range in which the control for keeping the value of can be maintained at the set value. Even when such a state occurs, it is necessary to take measures such as stopping the operation of the high-frequency power supply device. If such an abnormal signal output means is provided, it is possible to easily cope with such an abnormal state.

上記直流電源部は、商用の交流電圧を変圧器により変圧して得た電圧を整流平滑して直流電圧を出力するように構成することができる。   The DC power supply unit can be configured to output a DC voltage by rectifying and smoothing a voltage obtained by transforming a commercial AC voltage using a transformer.

本発明においては、インバータ回路の出力電流の位相が出力電圧の位相に対して遅れ位相となる状態を維持しつつ、電力検出部により検出された電力値を設定値に近づけるか又は設定された許容範囲に保つようにインバータ回路の出力周波数を制御するので、インバータ回路に入力する直流電圧を制御することなく、負荷に与える高周波電力を設定値に近づける制御又は設定された許容範囲に保つ制御を行わせることができる。従って本発明によれば、直流出力電圧を制御する機能を直流電源部に持たせる必要がなく、交流電圧を整流・平滑して一定の直流電圧を出力する整流平滑回路等により直流電源部を構成することができるため、高周波電源装置の構成を簡単にしてコストの低減を図ることができる。   In the present invention, while maintaining the state in which the phase of the output current of the inverter circuit is delayed with respect to the phase of the output voltage, the power value detected by the power detection unit approaches the set value or is set to the allowable value. Since the output frequency of the inverter circuit is controlled so as to keep it within the range, the control to keep the high frequency power applied to the load close to the set value or the set allowable range is performed without controlling the DC voltage input to the inverter circuit. Can be made. Therefore, according to the present invention, there is no need for the DC power supply unit to have a function of controlling the DC output voltage, and the DC power supply unit is configured by a rectifying and smoothing circuit that rectifies and smoothes the AC voltage and outputs a constant DC voltage. Therefore, the configuration of the high frequency power supply device can be simplified and the cost can be reduced.

また本発明によれば、平滑用コンデンサが制御の応答性を遅らせる要因になることがないため、平滑用コンデンサを強制放電させる回路を設ける等の工夫が不要になり、回路構成が複雑になるのを防ぐことができる。   In addition, according to the present invention, since the smoothing capacitor does not cause a delay in control response, a device such as a circuit for forcibly discharging the smoothing capacitor becomes unnecessary, and the circuit configuration becomes complicated. Can be prevented.

本発明の実施形態に係わる高周波電源装置の構成を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed the structure of the high frequency power supply device concerning embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係わる高周波電源装置の構成を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed the structure of the high frequency power supply device concerning other embodiment of this invention. 本発明の実施形態において、インバータ回路から負荷側を見た回路のインピーダンスを示す等価回路図である。In embodiment of this invention, it is an equivalent circuit diagram which shows the impedance of the circuit which looked at the load side from the inverter circuit. (A)ないし(C)は、インバータ回路から直列共振特性を有する負荷に高周波電力を供給するシステムにおいて、インバータ回路の出力周波数を変化させた際の高周波電力の電力値の変化を、インバータ回路から負荷側を見た回路のインダクタンスをパラメータとしてパラメータとして示したグラフである。(A) thru | or (C) are the systems which supply high frequency electric power to the load which has a series resonance characteristic from an inverter circuit, The change of the electric power value of high frequency electric power when changing the output frequency of an inverter circuit is carried out from an inverter circuit. It is the graph which showed as a parameter the inductance of the circuit which looked at the load side as a parameter. 本発明の一実施形態で用いる周波数制御部が行う制御のアルゴリズムの一例を示したフローチャートである。It is the flowchart which showed an example of the algorithm of the control which the frequency control part used by one Embodiment of this invention performs. 本発明の他の実施形態に係わる高周波電源装置の構成を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed the structure of the high frequency power supply device concerning other embodiment of this invention. 従来の高周波電源装置の構成を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed the structure of the conventional high frequency power supply device. インバータ回路の構成例を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed the structural example of the inverter circuit.

図1は、本発明に係わる高周波電源装置PSの一実施形態を示したものである。同図において、20は一定の直流電圧を発生する直流電源部、3は直流電源部20の出力が入力されたインバータ回路、4はインバータ回路3の出力が入力されたトランスであり、インバータ回路3とトランス4とにより、直流電力を高周波電力に変換する電力変換部21が構成されている。   FIG. 1 shows an embodiment of a high frequency power supply device PS according to the present invention. In the figure, 20 is a DC power supply unit that generates a constant DC voltage, 3 is an inverter circuit to which the output of the DC power supply unit 20 is input, and 4 is a transformer to which the output of the inverter circuit 3 is input. The transformer 4 constitutes a power converter 21 that converts DC power into high-frequency power.

本実施形態においては、直流電源部20が、商用電源から得られる交流電圧を全波整流する整流器と、該整流器の出力端子間に接続された平滑用コンデンサとを備えた整流平滑回路からなっていて、商用電源の交流電圧により決まるほぼ一定の直流電圧Vdcを出力する。   In the present embodiment, the DC power supply unit 20 includes a rectifying / smoothing circuit including a rectifier that performs full-wave rectification of an AC voltage obtained from a commercial power supply, and a smoothing capacitor connected between the output terminals of the rectifier. Thus, a substantially constant DC voltage Vdc determined by the AC voltage of the commercial power supply is output.

インバータ回路3は、図8に示したものと同様に、スイッチ素子S1ないしS4をHブリッジ接続してなるスイッチ回路と,Hブリッジを構成するスイッチ素子S1ないしS4にそれぞれ逆並列接続された帰還用ダイオードD1ないしD4とからなっており、Hブリッジの対角位置にある一方の対辺を構成する対のスイッチ素子S1及びS4と、対角位置にある他方の対辺を構成する他の対のスイッチ素子S2及びS3とを交互にオン状態にすることにより、直流電源部20から与えられる直流電圧Vdcを矩形波状の高周波交流電圧Vinvに変換する。インバータ回路3を構成するスイッチ素子S1ないしS4は、MOSFET,バイポーラ型のパワートランジスタ、IGBT等の半導体スイッチ素子からなっている。   The inverter circuit 3 is similar to the one shown in FIG. 8 and includes a switch circuit in which the switch elements S1 to S4 are H-bridge connected and a feedback circuit connected in reverse parallel to the switch elements S1 to S4 constituting the H bridge. A pair of switch elements S1 and S4 constituting one opposite side at the diagonal position of the H bridge, and another pair of switch elements constituting the other opposite side at the diagonal position, comprising diodes D1 to D4 By alternately turning on S2 and S3, the DC voltage Vdc supplied from the DC power supply unit 20 is converted into a rectangular high-frequency AC voltage Vinv. The switch elements S1 to S4 constituting the inverter circuit 3 are composed of semiconductor switch elements such as MOSFETs, bipolar power transistors, and IGBTs.

インバータ回路3は、直流入力端子3a,3bと、交流出力端子3c、3dとを有していて、直流入力端子3a,3bが直流電源部20の出力端子に接続され、交流出力端子3c,3dがトランス4の1次コイル4aの両端に接続されている。トランス4の2次コイル4bの一端は、コイル5aとコンデンサ5bの直列回路からなる直列共振回路5を通してローパスフィルタからなるフィルタ部6の入力端子に接続され、フィルタ部6の出力端子は電力検出部10を通して高周波電源装置PSの一方の出力端子22aに接続されている。トランス4の2次コイル4bの他端は、高周波電源装置PSの他方の出力端子22bに接続され、高周波電源装置PSの出力端子22a,22bが、例えば電力ケーブルを通して負荷7の入力端子に接続されている。なお図1に示した例では、高周波電源装置PSの出力端子22a,22bが直接電力ケーブルを通して負荷に与えられているが、高周波電源装置PSの出力端子22a,22bと負荷7との間にインピーダンス整合器が設けられる場合もある。   The inverter circuit 3 has DC input terminals 3a and 3b and AC output terminals 3c and 3d. The DC input terminals 3a and 3b are connected to the output terminal of the DC power supply unit 20, and the AC output terminals 3c and 3d. Are connected to both ends of the primary coil 4 a of the transformer 4. One end of the secondary coil 4b of the transformer 4 is connected to an input terminal of a filter unit 6 formed of a low-pass filter through a series resonant circuit 5 formed of a series circuit of a coil 5a and a capacitor 5b. The output terminal of the filter unit 6 is a power detection unit. 10 is connected to one output terminal 22a of the high-frequency power supply PS. The other end of the secondary coil 4b of the transformer 4 is connected to the other output terminal 22b of the high frequency power supply device PS, and the output terminals 22a and 22b of the high frequency power supply device PS are connected to the input terminal of the load 7 through a power cable, for example. ing. In the example shown in FIG. 1, the output terminals 22 a and 22 b of the high-frequency power supply device PS are directly given to the load through the power cable. However, the impedance is between the output terminals 22 a and 22 b of the high-frequency power supply device PS and the load 7. A matching unit may be provided.

電力変換部21には、インバータ回路3の出力端子3c,3d間の電圧を検出する電圧検出部8と、インバータ回路3とトランス4との間でインバータ回路の出力電流Iinvを検出する電流検出部9とが設けられ、トランス4の二次側の回路には、負荷7に与えられる高周波電力を検出する電力検出部10が設けられている。電力検出部10は、電力変換部21で発生する高調波成分を取り除いた基本周波数における電力を検出することが望ましいため、本実施形態では、図示のように、電力検出部10をフィルタ部6よりも負荷側に設けている。   The power converter 21 includes a voltage detector 8 that detects a voltage between the output terminals 3 c and 3 d of the inverter circuit 3, and a current detector that detects an output current Iinv of the inverter circuit between the inverter circuit 3 and the transformer 4. 9 is provided, and a circuit on the secondary side of the transformer 4 is provided with a power detection unit 10 that detects high-frequency power applied to the load 7. Since it is desirable for the power detection unit 10 to detect power at the fundamental frequency from which harmonic components generated by the power conversion unit 21 are removed, in this embodiment, the power detection unit 10 is connected to the filter unit 6 as illustrated in the drawing. Is also provided on the load side.

電圧検出部8の出力及び電流検出部9の出力は、インバータ回路3の出力電流と出力電圧との位相差を検出する位相差検出部11に入力され、位相差検出部11から得られる位相差の検出値と、電力検出部10から与えられる高周波電力の検出値とが、負荷7に与えられる高周波電力を設定値に近づけるようにインバータ回路3の出力周波数を制御する周波数制御部12に入力されている。   The output of the voltage detection unit 8 and the output of the current detection unit 9 are input to a phase difference detection unit 11 that detects the phase difference between the output current of the inverter circuit 3 and the output voltage, and the phase difference obtained from the phase difference detection unit 11. And the detection value of the high frequency power given from the power detection unit 10 are input to the frequency control unit 12 that controls the output frequency of the inverter circuit 3 so that the high frequency power given to the load 7 approaches the set value. ing.

23及び24はそれぞれ周波数制御部12に対して設けられた第1のメモリ及び第2のメモリである。第1のメモリ23は、負荷に与える高周波電力の周波数可変範囲の上限び下限をそれぞれ定める上限周波数及び下限周波数を記憶しており、第2のメモリ24は、負荷に与える高周波電力の周波数の初期値を記憶している。   Reference numerals 23 and 24 respectively denote a first memory and a second memory provided for the frequency control unit 12. The first memory 23 stores an upper limit frequency and a lower limit frequency that respectively define an upper limit and a lower limit of a frequency variable range of the high frequency power applied to the load, and the second memory 24 is an initial frequency of the high frequency power applied to the load. The value is memorized.

13は周波数制御部12から与えられる周波数指令により指令された周波数を有する正弦波形の高周波信号を発生する高周波信号発生部、14は高周波信号発生部13が出力する高周波信号を、インバータ回路3を構成するスイッチ素子に与える制御信号V1及びV2に変換する信号変換部である。高周波信号発生部13は、与えられた周波数指令により指令された通りの周波数と、与えられた振幅指令により指令された振幅とを有する正弦波信号を発生するダイレクト・デジタル・シンセサイザー(DDS)からなっている。   Reference numeral 13 denotes a high-frequency signal generating unit that generates a high-frequency signal having a sinusoidal waveform having a frequency commanded by a frequency command given from the frequency control unit 12. This is a signal conversion unit that converts the control signals V1 and V2 to be supplied to the switching element. The high-frequency signal generator 13 includes a direct digital synthesizer (DDS) that generates a sine wave signal having a frequency as commanded by a given frequency command and an amplitude commanded by a given amplitude command. ing.

信号変換部14は、高周波信号発生部13が発生する正弦波形の高周波信号の一方の極性の半波の期間第1の制御信号V1を発生し、他方の半波の期間第2の制御信号V2を発生する。第1の制御信号V1は、インバータ回路3を構成するHブリッジの対角位置にある一方の対辺を構成する対のスイッチ素子S1,S4をオン状態にするために該対のスイッチ素子S1,S4の制御端子に与える制御信号であり、第2の制御信号V2は、インバータ回路3を構成するHブリッジの対角位置にある他方の対辺を構成する対のスイッチ素子S2,S3をオン状態にするために該対のスイッチ素子S2,S3の制御端子に与える制御信号である。   The signal converter 14 generates a first control signal V1 for a half-wave period of one polarity of the high-frequency signal having a sine waveform generated by the high-frequency signal generator 13, and a second control signal V2 for the other half-wave period. Is generated. The first control signal V1 is used to turn on the pair of switch elements S1 and S4 constituting one opposite side at the diagonal position of the H bridge constituting the inverter circuit 3 and turn on the pair of switch elements S1 and S4. The second control signal V2 turns on the pair of switch elements S2 and S3 constituting the other opposite side at the diagonal position of the H bridge constituting the inverter circuit 3. Therefore, the control signal is given to the control terminals of the pair of switch elements S2 and S3.

インバータ回路3は、対角位置にある対のスイッチ素子S1,S4及び対のスイッチ素子S2,S3を交互にオン状態にすることにより、直流電源部20から与えられる直流電圧Vdcを、高周波信号発生部13が発生する高周波信号と周波数(周波数制御部12により指令された周波数)及び位相が等しい矩形波状の高周波交流電圧に変換する。この交流電圧は、トランス4を通して直列共振回路5に印加される。矩形波状の交流電圧が直列共振回路5に印加されることにより、基本波成分以外の高調波成分の殆どが除去されて、正弦波形に近い波形を有する高周波電圧が得られる。フィルタ部6は、直列共振回路5を通して得られる高周波電圧から基本波成分のみを抽出して正弦波形の高周波電力を負荷7に与える。   The inverter circuit 3 generates a high-frequency signal from the DC voltage Vdc applied from the DC power supply unit 20 by alternately turning on the pair of switch elements S1 and S4 and the pair of switch elements S2 and S3 at the diagonal positions. The high-frequency signal generated by the unit 13 is converted into a rectangular-wave-shaped high-frequency AC voltage having the same frequency (frequency commanded by the frequency control unit 12) and phase. This AC voltage is applied to the series resonance circuit 5 through the transformer 4. By applying the rectangular-wave AC voltage to the series resonance circuit 5, most of the harmonic components other than the fundamental wave component are removed, and a high-frequency voltage having a waveform close to a sine waveform is obtained. The filter unit 6 extracts only the fundamental wave component from the high-frequency voltage obtained through the series resonance circuit 5 and supplies the load 7 with sinusoidal high-frequency power.

トランス4は、インバータ回路3から出力される単極性の矩形波状の高周波電圧を零レベルを基準にして正負の極性に変化する波形の高周波電圧に変換するとともに、出力端子22a,22bからインバータ回路3側を見たインピーダンスを、負荷側のインピーダンス(負荷7に給電するための線路のインピーダンス)に変換する。負荷7に給電するための線路は、一般的には特性インピーダンスが50Ωのものが使用される。   The transformer 4 converts the unipolar rectangular wave-shaped high-frequency voltage output from the inverter circuit 3 into a high-frequency voltage having a waveform that changes to a positive / negative polarity with reference to the zero level, and from the output terminals 22a and 22b to the inverter circuit 3 The impedance viewed from the side is converted into the impedance on the load side (the impedance of the line for feeding the load 7). Generally, a line for feeding power to the load 7 has a characteristic impedance of 50Ω.

上記のように、インバータ回路3から直列共振特性を有する回路に高周波電力を供給する場合、インバータ回路3から負荷側を見たインピーダンスは、図3に示すように、インダクタンスLと、キャパシタンスCと、抵抗Rとの直列回路により表すことができる。ここで、インダクタンスLをL1,L2及びL3(L1>L2>L3)として、周波数fを変化させたとすると、負荷に供給される電力Pは、図4の(A)ないし(C)のように変化する。これらの図においてfoは直列共振周波数である。   As described above, when high-frequency power is supplied from the inverter circuit 3 to a circuit having series resonance characteristics, the impedance viewed from the inverter circuit 3 when viewed from the load side is an inductance L, a capacitance C, as shown in FIG. It can be represented by a series circuit with a resistor R. Here, assuming that the inductance L is L1, L2, and L3 (L1> L2> L3) and the frequency f is changed, the power P supplied to the load is as shown in FIGS. 4A to 4C. Change. In these figures, fo is the series resonance frequency.

図4から明らかなように、インバータ回路3から負荷7側を見た回路のインピーダンスが、直列共振特性を有するように構成されている場合、インバータ回路3の出力周波数が直列共振周波数foに等しいときにインバータ回路3から負荷7側を見たインピーダンスが最小になり、負荷に供給される電力が最大になる。インバータ回路3の出力周波数が直列共振周波数よりも高い領域では、インバータ回路3から負荷7側を見たインピーダンスが誘導性を示し、インバータ回路3の出力電流の位相が出力電圧の位相よりも遅れる。またインバータ回路3の出力周波数が直列共振周波数よりも低い領域では、インバータ回路3から負荷側を見たインピーダンスが容量性を示し、インバータ回路の出力電流の位相が出力電圧の位相よりも進む。   As is apparent from FIG. 4, when the impedance of the circuit viewed from the inverter circuit 3 when viewed from the load 7 has a series resonance characteristic, the output frequency of the inverter circuit 3 is equal to the series resonance frequency fo. Further, the impedance when the load 7 side is viewed from the inverter circuit 3 is minimized, and the power supplied to the load is maximized. In a region where the output frequency of the inverter circuit 3 is higher than the series resonance frequency, the impedance of the inverter circuit 3 viewed from the load 7 side is inductive, and the phase of the output current of the inverter circuit 3 is delayed from the phase of the output voltage. In the region where the output frequency of the inverter circuit 3 is lower than the series resonance frequency, the impedance viewed from the inverter circuit 3 when viewed from the load side is capacitive, and the phase of the output current of the inverter circuit is ahead of the phase of the output voltage.

インバータ回路3から直列共振特性を有する負荷に高周波電力を供給する電力供給システムにおいて、インバータ回路3の出力周波数を負荷側回路のインピーダンスが容量性を示す領域に設定した場合には、インバータ回路のスイッチ素子がオン状態になった瞬間に電流が流れるハードスイッチング(hard switching)が起り、異常電圧が発生して大きな損失をもたらす。したがって、インバータ回路から直列共振特性を有する負荷に電力を供給する場合には、特別な理由がない限り、インバータ回路の出力周波数を、負荷のインピーダンスが誘導性を示す領域に設定する。図4において、使用可能領域B1ないしB3はそれぞれインダクタンスLがL1,L2及びL3であるときに、電流の電圧に対する位相が遅れ位相となる領域であり、インバータ回路を通して電力の制御を行う場合に、制御に使用することができる領域である。   In the power supply system that supplies high-frequency power from the inverter circuit 3 to a load having series resonance characteristics, when the output frequency of the inverter circuit 3 is set in a region where the impedance of the load-side circuit is capacitive, the switch of the inverter circuit At the moment when the device is turned on, hard switching occurs where current flows, and an abnormal voltage is generated, resulting in a large loss. Therefore, when power is supplied from the inverter circuit to a load having series resonance characteristics, the output frequency of the inverter circuit is set in a region where the load impedance exhibits inductivity unless there is a special reason. In FIG. 4, usable areas B1 to B3 are areas in which the phase of the current with respect to the voltage is delayed when the inductance L is L1, L2 and L3, respectively, and when controlling the power through the inverter circuit, This is an area that can be used for control.

図4から明らかなように、インバータ回路3の出力周波数が、負荷側の回路のインピーダンスを誘導性とする領域にある場合には、インバータ回路の出力周波数fを上げることにより、負荷に供給される高周波電力を減少させることができ、インバータ回路3の出力周波数fを下げることにより、負荷に供給される高周波電力を増大させることができる。   As is apparent from FIG. 4, when the output frequency of the inverter circuit 3 is in a region where the impedance of the circuit on the load side is inductive, it is supplied to the load by increasing the output frequency f of the inverter circuit. The high frequency power can be reduced, and the high frequency power supplied to the load can be increased by lowering the output frequency f of the inverter circuit 3.

従来の高周波電源装置では、高周波電力の周波数を、負荷のインピーダンスに対して最適な周波数(通常は電力を最大にする周波数)に設定した状態で、インバータ回路に入力する直流電圧を変化させることにより、負荷に供給する電力を制御していた。例えば図7に示した従来例では、インバータ回路3から負荷7に供給する高周波電力の周波数を、負荷のインピーダンスに対して最適な周波数に設定した状態で、DC−DCコンバータ2を制御してインバータ回路3に入力する直流電圧を変化させることにより、負荷7に供給する電力を制御していた。このように、DC−DCコンバータ2を設けてその出力電圧を制御する構成をとると、電源装置の構成が複雑になり、コストが高くなるのを避けられない。またDC−DCコンバータ2は内部に大容量の平滑用コンデンサを有していて、その出力電圧を低下させるのに時間がかかるため、DC−DCコンバータの出力電圧を制御することにより負荷に与える電力を制御する構成をとると、制御の応答性が悪くなるのを避けられない。   In a conventional high-frequency power supply device, by changing the DC voltage input to the inverter circuit with the frequency of the high-frequency power set to the optimum frequency for the load impedance (usually the frequency that maximizes the power) The power supplied to the load was controlled. For example, in the conventional example shown in FIG. 7, the inverter is controlled by controlling the DC-DC converter 2 with the frequency of the high-frequency power supplied from the inverter circuit 3 to the load 7 set to an optimum frequency with respect to the impedance of the load. The power supplied to the load 7 was controlled by changing the DC voltage input to the circuit 3. As described above, when the DC-DC converter 2 is provided and the output voltage is controlled, the configuration of the power supply device becomes complicated and the cost is inevitable. Further, since the DC-DC converter 2 has a large-capacity smoothing capacitor inside, and it takes time to reduce the output voltage, the power given to the load by controlling the output voltage of the DC-DC converter. If the structure for controlling is taken, it is inevitable that the responsiveness of the control will deteriorate.

これに対し、本実施形態においては、インバータ回路3に入力する直流電圧を一定とし、インバータ回路3の出力電流の位相を出力電圧の位相に対して遅れ位相とすることができる周波数範囲を周波数可変範囲として予め定めておいて、電力検出部10により検出された電力値が設定値よりも大きいか小さいかに応じて、インバータ回路の出力周波数を予め定めた周波数可変範囲内で制御することにより、電流検出部9により検出される電流の位相が電圧検出部8により検出された位相に対して遅れ位相となる状態を維持しつつ、電力検出部により検出される電力値を設定値に近づけるように制御する。   On the other hand, in the present embodiment, the frequency range in which the DC voltage input to the inverter circuit 3 is constant and the phase of the output current of the inverter circuit 3 can be delayed with respect to the phase of the output voltage is variable in frequency. By controlling the output frequency of the inverter circuit within a predetermined frequency variable range according to whether the power value detected by the power detection unit 10 is larger or smaller than the set value in advance as a range, While maintaining a state in which the phase of the current detected by the current detection unit 9 is delayed from the phase detected by the voltage detection unit 8, the power value detected by the power detection unit is brought closer to the set value. Control.

具体的には、電力検出部10により検出された電力値が設定値よりも大きいか小さいかに応じて、予め定めた周波数可変範囲で、インバータ回路3の出力周波数を上昇又は下降させることにより、負荷7に供給される高周波電力を設定値に近づける制御を行わせる。負荷7に供給する高周波電力を制御するに当っては、予想される負荷7のインピーダンスの変動範囲を考慮して、インバータ回路の出力電流の位相を出力電圧の位相に対して遅れ位相の状態に維持することができる周波数の可変範囲を周波数可変範囲として定めておき、この周波数可変範囲の上限値及び下限値を第1のメモリ23に記憶させておく。制御に使用できる周波数可変範囲は、例えば中心周波数の前後10%程度であり、中心周波数が13.56MHzである場合、13.56±1.4MHz程度である。   Specifically, by increasing or decreasing the output frequency of the inverter circuit 3 in a predetermined frequency variable range depending on whether the power value detected by the power detection unit 10 is larger or smaller than the set value, Control is performed to bring the high-frequency power supplied to the load 7 close to the set value. In controlling the high-frequency power supplied to the load 7, the phase of the output current of the inverter circuit is set to a phase delayed from the phase of the output voltage in consideration of the expected fluctuation range of the impedance of the load 7. A frequency variable range that can be maintained is defined as a frequency variable range, and an upper limit value and a lower limit value of the frequency variable range are stored in the first memory 23. The frequency variable range that can be used for control is, for example, about 10% before and after the center frequency. When the center frequency is 13.56 MHz, it is about 13.56 ± 1.4 MHz.

図1に示された周波数制御部12は、位相差検出部11により検出された位相差(インバータ回路の出力電流の位相の出力電圧の位相に対する位相差)と、電力検出部10により検出された電力値とを入力とし、電流検出部9により検出される電流の位相を電圧検出部8により検出される電圧の位相に対して遅れ位相とする状態を維持することができるインバータ回路3の出力周波数の範囲を周波数可変範囲として、電力検出部10により検出される電力値が設定値よりも大きいか小さいか、又は設定された許容範囲よりも大きいか小さいかに応じて、インバータ回路3の出力周波数を上記周波数可変範囲内で変化させることにより、負荷に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づけるか又は設定された許容範囲内に保つ制御を行う。   The frequency control unit 12 shown in FIG. 1 detects the phase difference detected by the phase difference detection unit 11 (the phase difference of the phase of the output current of the inverter circuit with respect to the phase of the output voltage) and the power detection unit 10. The output frequency of the inverter circuit 3 that can maintain a state in which the phase of the current detected by the current detection unit 9 is delayed with respect to the phase of the voltage detected by the voltage detection unit 8 with the power value as an input Is set as a frequency variable range, and the output frequency of the inverter circuit 3 depends on whether the power value detected by the power detection unit 10 is larger or smaller than the set value, or larger or smaller than the set allowable range. Is controlled within the frequency variable range to control the power value of the high-frequency power supplied to the load to be close to the set value or within the set allowable range.

更に詳述すると、図示の周波数制御部12は、第2のメモリ24に記憶されている周波数の初期値をインバータ回路3の出力周波数の初期値として、電力検出部10により検出される電力値が設定値よりも小さいとき、又は設定された許容範囲を下回っているときに、インバータ回路3の出力周波数を下げる方向に変化させるように高周波信号発生部13に与える周波数指令を変化させて、負荷7に供給される高周波電力の電力値を増大させ、電力検出部10により検出される電力値が設定値よりも大きいとき、又は設定された許容範囲を上回っているときに、インバータ回路3の出力周波数を上げる方向に変化させるように高周波信号発生部13に与える周波数指令を変化させて負荷に供給される高周波電力の電力値を減少させることにより、負荷に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づける制御、又は設定された許容範囲内に保つ制御を行う。   More specifically, the illustrated frequency control unit 12 uses the initial value of the frequency stored in the second memory 24 as the initial value of the output frequency of the inverter circuit 3, and the power value detected by the power detection unit 10 is When the frequency is less than the set value or below the set allowable range, the frequency command given to the high-frequency signal generating unit 13 is changed so as to change the output frequency of the inverter circuit 3 so as to reduce the load 7 When the power value detected by the power detector 10 is larger than the set value or exceeds the set allowable range, the output frequency of the inverter circuit 3 is increased. By changing the frequency command given to the high-frequency signal generator 13 so as to change it in the direction of increasing the power, the power value of the high-frequency power supplied to the load is reduced. Performs control to keep within the tolerance control or set closer to the power value of the high frequency power supplied to the load to the set value.

上記のように周波数制御部12を構成した場合、インバータ回路の出力周波数を周波数可変範囲の下限値まで下げても負荷に供給する高周波電力が設定値以上にならない状態や、インバータ回路の出力周波数を周波数可変範囲の上限値まで上げても負荷に供給される高周波電力が設定値以下にならない状態が生じるおそれがある。このような状態は、負荷に供給される高周波電力が調整可能な範囲外にある状態であり、負荷に何らかの異常が生じている状態である。このような状態が生じたときには、制御を中止すると共に、電源装置の運転を停止する等の措置を講じればよい。   When the frequency control unit 12 is configured as described above, even if the output frequency of the inverter circuit is lowered to the lower limit value of the frequency variable range, the state in which the high frequency power supplied to the load does not exceed the set value or the output frequency of the inverter circuit There is a risk that the high frequency power supplied to the load does not fall below the set value even when the frequency is raised to the upper limit of the frequency variable range. Such a state is a state where the high-frequency power supplied to the load is outside the adjustable range, and is a state where some abnormality has occurred in the load. When such a state occurs, the control is stopped and measures such as stopping the operation of the power supply device may be taken.

上記のような異常状態に対処し得るようにするため、上記周波数制御部12は、インバータ回路3の出力周波数を変化させる際に、高周波信号発生部13に与えられる周波数指令から、インバータ回路の出力周波数が予め定めた周波数可変範囲の下限値よりも低いか否か、及びインバータ回路の出力周波数が予め定めた周波数可変範囲の上限値よりも高いか否かを見ることにより、インバータ回路3の出力周波数が設定された周波数可変範囲内に収まっているか否かを監視して、インバータ回路の出力周波数を周波数可変範囲の下限値まで下げても電力検出部により検出される電力値が設定値にならないか又は許容範囲に収まらないとき、及びインバータ回路の出力周波数を周波数可変範囲の上限値まで上げても電力検出部により検出される電力値が設定値にならないか又は許容範囲に収まらないときに、例えば、負荷に与える高周波電力の制御を中止して異常信号を出力する異常信号出力手段を備えている。   In order to cope with the abnormal state as described above, the frequency control unit 12 outputs the output of the inverter circuit from the frequency command given to the high frequency signal generation unit 13 when changing the output frequency of the inverter circuit 3. By checking whether the frequency is lower than the lower limit value of the predetermined frequency variable range and whether the output frequency of the inverter circuit is higher than the upper limit value of the predetermined frequency variable range, the output of the inverter circuit 3 The power value detected by the power detection unit does not become the set value even if the output frequency of the inverter circuit is lowered to the lower limit value of the frequency variable range by monitoring whether the frequency is within the set frequency variable range Or even if the output frequency of the inverter circuit is raised to the upper limit value of the frequency variable range, it is detected by the power detector. When the force value can not fit into no or tolerance become the set value, for example, a abnormality signal output means for outputting an abnormality signal to stop the control of the high frequency power applied to the load.

インバータ回路3の出力周波数を変化させることにより負荷に供給される高周波電力を的確に制御するためには、インバータ回路の出力電流の出力電圧に対する位相を遅れ位相の範囲(図4の使用可能領域B1ないしB3の範囲)に維持することが必要である。インバータ回路の出力周波数を下げていく過程で電流検出部により検出された電流の位相が電圧検出部により検出された電圧の位相に対して遅れ位相でなくなる状態は、負荷の大きさが、当該負荷に供給する電力の値を設定値に保つ制御を行うことができる範囲から逸脱している異常な状態であり、このような異常状態が生じた場合も、高周波電源装置の運転を停止させる等の措置を講じる必要がある。   In order to accurately control the high-frequency power supplied to the load by changing the output frequency of the inverter circuit 3, the phase of the output current of the inverter circuit with respect to the output voltage is set within the range of the delay phase (usable region B1 in FIG. 4). Or within the range of B3). In the process of decreasing the output frequency of the inverter circuit, the phase of the current detected by the current detection unit is not delayed from the phase of the voltage detected by the voltage detection unit. It is an abnormal state that deviates from the range in which control of keeping the power value supplied to the set value can be performed, and even when such an abnormal state occurs, the operation of the high-frequency power supply device is stopped, etc. Measures need to be taken.

このような異常状態に対処し得るようにするため、本実施形態の周波数制御部12は、位相差検出部11の出力からインバータ回路の出力電流の位相が出力電圧の位相に対して遅れ位相の状態にあるか否かを監視して、負荷に供給される高周波電力を設定値に近づけるか又は許容範囲内に収めるために、インバータ回路3の出力周波数を下げていく過程で電流検出部により検出された電流の位相が電圧検出部により検出された電圧の位相に対して遅れ位相でなくなった時に異常信号を出力する異常信号出力手段を備えている。   In order to cope with such an abnormal state, the frequency control unit 12 of the present embodiment has a phase in which the phase of the output current of the inverter circuit is delayed from the phase of the output voltage from the output of the phase difference detection unit 11. The current detection unit detects whether the output frequency of the inverter circuit 3 is lowered so that the high frequency power supplied to the load approaches the set value or falls within the allowable range. An abnormal signal output means is provided for outputting an abnormal signal when the phase of the detected current is not delayed from the phase of the voltage detected by the voltage detector.

上記の実施形態のように周波数制御部12を構成して、インバータの出力周波数を変化させることにより、負荷に供給する高周波電力を設定値に近づける制御を行わせると、インバータ回路に入力する直流電圧を制御する必要がないため、直流電源部20は、直流出力電圧を制御する機能を持たない簡単な構成とすることができ、交流電圧を整流・平滑して一定の直流電圧を出力するだけの簡単な整流平滑回路等により構成することができる。   When the frequency control unit 12 is configured as in the above embodiment and the control is performed to bring the high frequency power supplied to the load closer to the set value by changing the output frequency of the inverter, the DC voltage input to the inverter circuit Therefore, the DC power supply unit 20 can have a simple configuration that does not have a function of controlling the DC output voltage, and only rectifies and smoothes the AC voltage to output a constant DC voltage. A simple rectifying / smoothing circuit or the like can be used.

また上記のように構成すると、平滑用コンデンサが制御の応答性を遅らせる要因になることがないため、平滑用コンデンサを強制放電させる回路を設ける等の工夫が不要になり、回路構成を簡単にすることができる。   In addition, since the smoothing capacitor does not cause a delay in control responsiveness when configured as described above, it is not necessary to provide a circuit for forcibly discharging the smoothing capacitor, thereby simplifying the circuit configuration. be able to.

また上記の実施形態のように、インバータ回路の出力周波数を周波数可変範囲の下限値まで下げても電力検出部により検出される電力値が前記設定値にならないか又は許容範囲に収まらないとき、及びインバータ回路の出力周波数を周波数可変範囲の上限値まで上げても電力検出部により検出される電力値が設定値にならないか又は許容範囲に収まらないときに異常信号を出力する異常信号出力手段を設けておくと、負荷で何らかの異常が生じて、負荷に供給される高周波電力が調整可能な範囲外にある状態になっていることを検出することができるため、異常事態への対処を的確に行わせることができる。   Further, as in the above embodiment, even when the output frequency of the inverter circuit is lowered to the lower limit value of the frequency variable range, the power value detected by the power detection unit does not become the set value or does not fall within the allowable range, and Even if the output frequency of the inverter circuit is increased to the upper limit value of the frequency variable range, an abnormal signal output means is provided for outputting an abnormal signal when the power value detected by the power detection unit does not reach the set value or falls within the allowable range. If this occurs, it is possible to detect that an abnormality has occurred in the load and that the high-frequency power supplied to the load is outside the adjustable range. Can be made.

更に、上記実施形態のように、インバータ回路の出力周波数を下げていく過程で電流検出部により検出された電流の位相が電圧検出部により検出された電圧の位相に対して遅れ位相でなくなった時に異常信号を出力する異常信号出力手段異常信号出力手段を設けておくと、異常状態への対処を容易にすることができる。異常信号は、警報を発生させるために用いてもよく、負荷への高周波電力の供給を強制的に遮断するスイッチ手段を駆動する信号として用いてもよい。   Further, as in the above embodiment, when the phase of the current detected by the current detector in the process of lowering the output frequency of the inverter circuit is no longer delayed from the phase of the voltage detected by the voltage detector. Abnormal signal output means for outputting an abnormal signal By providing an abnormal signal output means, it is possible to easily cope with an abnormal state. The abnormal signal may be used for generating an alarm, or may be used as a signal for driving switch means for forcibly cutting off the supply of high-frequency power to the load.

図5を参照すると、コンピュータを用いて周波数制御部12を構成する場合に、コンピュータに実行させるプログラムのアルゴリズムの一例を示すフローチャートが示されている。この例では、負荷に供給する高周波電力を設定された許容範囲内に保つように制御するものとする。図5に示したアルゴリズムによる場合には、先ずステップS101でインバータ回路の出力周波数の初期値を第2のメモリ24から読み込んで周波数を初期値に設定する。次いでステップS102で始動指令があるか否かを判定し、始動指令がある場合にはステップS103に進んで、高周波信号発生部13に周波数の初期値を与える周波数指令を供給してインバータ回路3を動作させ、負荷への電力の供給を開始する。   Referring to FIG. 5, there is shown a flowchart illustrating an example of an algorithm of a program executed by a computer when the frequency control unit 12 is configured using a computer. In this example, control is performed so that the high-frequency power supplied to the load is kept within a set allowable range. In the case of the algorithm shown in FIG. 5, first, in step S101, the initial value of the output frequency of the inverter circuit is read from the second memory 24 and the frequency is set to the initial value. Next, in step S102, it is determined whether or not there is a start command. If there is a start command, the process proceeds to step S103 to supply a frequency command that gives an initial value of the frequency to the high-frequency signal generator 13 and Operate and start supplying power to the load.

次いでステップS104で位相差検出部11が検出している位相差及び電力検出部10が検出している電力値を読み込み、ステップS105で電力の検出値が許容範囲の下限を与える許容下限値未満であるか否かを判定する。その結果、電力の検出値が許容下限値未満であると判定されたときには、ステップS106に進んでインバータの出力電流の位相が遅れ位相であるか否かを判定する。その結果、出力電流が遅れ位相であると判定されたときには、ステップS107に進んで、インバータ回路3の出力周波数をΔfだけ下げるように、高周波信号発生部13に与える周波数指令を変化させる。   Next, in step S104, the phase difference detected by the phase difference detection unit 11 and the power value detected by the power detection unit 10 are read. In step S105, the detected power value is less than the allowable lower limit value that gives the lower limit of the allowable range. It is determined whether or not there is. As a result, when it is determined that the detected power value is less than the allowable lower limit value, the process proceeds to step S106 to determine whether or not the phase of the output current of the inverter is a delayed phase. As a result, when it is determined that the output current has a delayed phase, the process proceeds to step S107, and the frequency command given to the high-frequency signal generator 13 is changed so as to lower the output frequency of the inverter circuit 3 by Δf.

次いでステップS108でインバータ回路の出力周波数(高周波信号発生部13の出力周波数)が周波数可変範囲の下限値よりも低いか否かを判定する。その結果、出力周波数が下限値よりも低くないと判定された場合には、ステップS102に戻る。ステップS108で出力周波数が下限値よりも低いと判定されたときには、ステップS109で電力検出部10が検出している電力の検出値を読み込み、ステップS110で電力の検出値が許容範囲の下限を与える許容下限値未満であるか否かを判定する。その結果、電力の検出値が許容範囲の下限を与える許容下限値未満ではない(許容下限値以上である)と判定されたときにはステップS102に戻る。ステップS110で電力の検出値が許容範囲の下限を与える許容下限値未満であると判定されたときには、ステップS111に進んで異常信号を発生させて電力の供給を停止する。   Next, in step S108, it is determined whether or not the output frequency of the inverter circuit (the output frequency of the high-frequency signal generator 13) is lower than the lower limit value of the frequency variable range. As a result, when it is determined that the output frequency is not lower than the lower limit value, the process returns to step S102. If it is determined in step S108 that the output frequency is lower than the lower limit value, the detected power value detected by the power detection unit 10 is read in step S109, and the detected power value gives the lower limit of the allowable range in step S110. It is determined whether it is less than the allowable lower limit value. As a result, when it is determined that the detected power value is not less than the allowable lower limit value that gives the lower limit of the allowable range (is greater than or equal to the allowable lower limit value), the process returns to step S102. When it is determined in step S110 that the detected power value is less than the allowable lower limit value that gives the lower limit of the allowable range, the process proceeds to step S111 to generate an abnormal signal and stop the supply of power.

ステップS105で電力の検出値が許容下限値未満ではないと判定されたときには、ステップS112に進んで、電力の検出値が許容範囲の上限を与える許容上限値を超えているか否かを判定する。その結果、電力の検出値が許容上限値を超えていないと判定されたときにはステップS102に戻り、電力の検出値が許容上限値を超えていると判定されたときには、ステップS113に進んでインバータの出力周波数をΔfだけ上げるように高周波信号発生部13に与える周波数指令を変化させる。次いでステップS114で出力周波数が周波数可変範囲の上限値を超えているか否かを判定し、出力周波数が上限値でないときにはステップS102に戻る。ステップS114で出力周波数が周波数可変範囲の上限値を超えていると判定されたときには、ステップS115に進んで電力の検出値を読み込み、ステップS116で電力の検出値が許容上限値を超えているか否かを判定する。その結果電力の検出値が許容上限値を超えていないと判定されたときには、ステップS102に戻る。またステップS116で電力の検出値が許容上限値を超えていると判定されたときには、ステップS111に進んで、異常信号を発生させ、電力の供給を停止する。   If it is determined in step S105 that the detected power value is not less than the allowable lower limit value, the process proceeds to step S112 to determine whether or not the detected power value exceeds the allowable upper limit value that gives the upper limit of the allowable range. As a result, when it is determined that the detected power value does not exceed the allowable upper limit value, the process returns to step S102. When it is determined that the detected power value exceeds the allowable upper limit value, the process proceeds to step S113 and the inverter The frequency command given to the high frequency signal generator 13 is changed so that the output frequency is increased by Δf. Next, in step S114, it is determined whether or not the output frequency exceeds the upper limit value of the frequency variable range. If the output frequency is not the upper limit value, the process returns to step S102. If it is determined in step S114 that the output frequency exceeds the upper limit value of the frequency variable range, the process proceeds to step S115 to read the detected power value, and whether or not the detected power value exceeds the allowable upper limit value in step S116. Determine whether. As a result, when it is determined that the detected power value does not exceed the allowable upper limit value, the process returns to step S102. When it is determined in step S116 that the detected power value exceeds the allowable upper limit value, the process proceeds to step S111 to generate an abnormal signal and stop the supply of power.

ステップS106において、位相差検出部11により検出されたインバータ回路の出力電流の出力電圧に対する位相が遅れ位相でないと判定されたときには、ステップS117に進んで異常信号を出力させると共に電力の供給を停止する。ステップS102で始動指令が発生していないと判定されたときにはステップS118に進んで電力の供給を停止させ、始動指令が与えられるのを待つ。   If it is determined in step S106 that the phase of the output current of the inverter circuit detected by the phase difference detection unit 11 is not a delayed phase, the process proceeds to step S117 to output an abnormal signal and stop supplying power. . When it is determined in step S102 that the start command has not been generated, the process proceeds to step S118 to stop the supply of power and wait for the start command to be given.

上記の実施形態では、電力変換部21が一つだけ設けられていたが、電力変換部21を一つだけ設けただけでは負荷に供給する電力が不足する場合には、図2に示すように、インバータ回路の出力電圧の位相が等しく、出力電流の位相が等しい複数(図示の例では4個)の電力変換部21Aないし21Bを設けて、これらの電力変換部の出力を合成して直列共振回路5とフィルタ部6とを通して負荷に供給するようにしてもよい。図示の例では、電力変換部21Aないし21Bのトランス4の二次コイルを並列に接続することにより、電力変換部21Aないし21Bの出力を合成する合成回路30を構成している。   In the above embodiment, only one power conversion unit 21 is provided. However, if only one power conversion unit 21 is provided and the power supplied to the load is insufficient, as shown in FIG. A plurality of (four in the illustrated example) power converters 21A to 21B having the same phase of the output voltage of the inverter circuit and the same phase of the output current are provided, and the outputs of these power converters are combined to form series resonance. You may make it supply to load through the circuit 5 and the filter part 6. FIG. In the illustrated example, a combining circuit 30 that combines the outputs of the power conversion units 21A to 21B is configured by connecting the secondary coils of the transformer 4 of the power conversion units 21A to 21B in parallel.

図2に示したように構成する場合には、信号発生部14が発生する制御信号V1及びV2を信号分配部16により、電力変換部21Aないし21Dのインバータ回路3に分配して、電力変換部21Aないし21Dのインバータ回路3から同位相の高周波信号を発生させる。このように構成する場合、電力変換部21Aないし21Dのインバータ回路3の出力電圧の位相及び出力電流の位相は等しいため、電圧検出部8及び電流検出部9はいずれか一つの電力変換部にのみ設ければよい。図2に示した例では、電力変換部21Dに電圧検出部8と電流検出部8とを設けている。   In the case of the configuration shown in FIG. 2, the control signals V1 and V2 generated by the signal generator 14 are distributed to the inverter circuits 3 of the power converters 21A to 21D by the signal distributor 16, and the power converter A high-frequency signal having the same phase is generated from the inverter circuit 3 of 21A to 21D. In the case of such a configuration, since the phase of the output voltage and the phase of the output current of the inverter circuit 3 of the power conversion units 21A to 21D are equal, the voltage detection unit 8 and the current detection unit 9 are only included in any one power conversion unit. What is necessary is just to provide. In the example shown in FIG. 2, the voltage converter 8 and the current detector 8 are provided in the power converter 21D.

図2に示した例では、電力変換部21Aないし21Bのトランス4の二次コイルを並列に接続することにより、電力変換部21Aないし21Bの出力を合成する合成回路30を構成したが、合成回路30の構成は図2に示した例に限定されるものではなく、他の周知の構成を有する合成回路を用いることもできる。   In the example shown in FIG. 2, the combining circuit 30 is configured to combine the outputs of the power conversion units 21A to 21B by connecting the secondary coils of the transformers 4 of the power conversion units 21A to 21B in parallel. The configuration of 30 is not limited to the example shown in FIG. 2, and a synthesis circuit having another known configuration can also be used.

上記の例では、インバータ回路3とトランス4とにより電力変換部21を構成するとしたが、直列共振回路5及びフィルタ部6をも電力変換部に含めて、その後段に合成回路を設けるように構成することもできる。   In the above example, the inverter circuit 3 and the transformer 4 constitute the power conversion unit 21. However, the series resonance circuit 5 and the filter unit 6 are also included in the power conversion unit, and a synthesis circuit is provided in the subsequent stage. You can also

上記の各実施形態では、インバータ回路3とトランス4との間でインバータ回路の出力電流を検出する電流検出部9と、インバータ回路の出力電圧を検出する電圧検出部8を設けて、電流検出部9により検出される電流の位相と、電圧検出部8により検出される電圧の位相とから、インバータ回路の出力電流と出力電圧との位相差を検出するように、位相差検出部が構成されているが、本発明は、位相差検出部をこのように構成する場合に限定されない。上記の実施形態のように、周波数指令により指令された通りの周波数の高周波信号を発生する高周波信号発生部13を設けて、この高周波信号発生部が発生する高周波信号によりインバータ回路を制御することによって、直流電源部が出力する直流電圧を、高周波信号と周波数及び位相が等しい高周波交流電圧に変換するように構成する場合には、インバータ回路の出力電圧が、高周波信号発生部13が発生する高周波信号と同位相であるので、電流検出部9により検出される電流の位相と、高周波信号発生部13が発生する高周波信号の位相とからインバータ回路の出力電流と出力電圧との位相差を検出するように構成することができる。このように構成すると、電圧検出部8を省略することができるため、装置の構成の簡素化を図ることができる。   In each of the above embodiments, the current detector 9 that detects the output current of the inverter circuit between the inverter circuit 3 and the transformer 4 and the voltage detector 8 that detects the output voltage of the inverter circuit are provided, and the current detector The phase difference detection unit is configured to detect the phase difference between the output current and the output voltage of the inverter circuit from the phase of the current detected by 9 and the phase of the voltage detected by the voltage detection unit 8. However, the present invention is not limited to the case where the phase difference detection unit is configured in this way. As in the above-described embodiment, by providing a high-frequency signal generator 13 that generates a high-frequency signal having a frequency as instructed by the frequency command, and controlling the inverter circuit with the high-frequency signal generated by the high-frequency signal generator When the DC voltage output from the DC power supply unit is converted into a high-frequency AC voltage having the same frequency and phase as the high-frequency signal, the output voltage of the inverter circuit is the high-frequency signal generated by the high-frequency signal generating unit 13. Therefore, the phase difference between the output current and the output voltage of the inverter circuit is detected from the phase of the current detected by the current detector 9 and the phase of the high-frequency signal generated by the high-frequency signal generator 13. Can be configured. If comprised in this way, since the voltage detection part 8 can be abbreviate | omitted, the simplification of the structure of an apparatus can be achieved.

上記の実施形態では、インバータ回路3の出力をトランス4を通して負荷に供給しているが、本発明が対象とする高周波電源装置は、交流電圧を整流平滑して直流電圧を出力する直流電源部20と、直流電源部20が出力する直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータ回路3とを備えて、インバータ回路3から負荷7に高周波電力を供給するものであればよく、インバータ回路3と負荷7との間の回路の構成は、上記の実施形態で示した構成に限定されない。   In the above embodiment, the output of the inverter circuit 3 is supplied to the load through the transformer 4. However, the high frequency power supply device targeted by the present invention rectifies and smoothes the AC voltage and outputs the DC voltage. And the inverter circuit 3 that converts the DC voltage output from the DC power supply unit 20 into a high-frequency AC voltage, and supplies high-frequency power from the inverter circuit 3 to the load 7. The configuration of the circuit between the two is not limited to the configuration shown in the above embodiment.

例えば、トランスを用いずに、図6に示すように、インバータ3の交流出力端子3cと直列共振回路5との間、及び交流出力端子3dと高周波電源装置PSの出力端子22bとの間にそれぞれ直流阻止用コンデンサ41及び42を挿入して、インバータ回路3から直流阻止用コンデンサ41及び42を通して負荷7に高周波電力を供給するように構成してもよい。   For example, without using a transformer, as shown in FIG. 6, between the AC output terminal 3c of the inverter 3 and the series resonance circuit 5, and between the AC output terminal 3d and the output terminal 22b of the high-frequency power supply device PS, respectively. DC blocking capacitors 41 and 42 may be inserted so that high frequency power is supplied from the inverter circuit 3 to the load 7 through the DC blocking capacitors 41 and 42.

また上記の各実施形態では、トランス4とフィルタ部6との間に直列共振回路5を挿入しているが、インバータ回路3から負荷7側を見た回路が直列共振特性を有する場合には、直列共振回路5を省略することができる。   Further, in each of the above embodiments, the series resonance circuit 5 is inserted between the transformer 4 and the filter unit 6, but when the circuit viewed from the inverter circuit 3 on the load 7 side has series resonance characteristics, The series resonance circuit 5 can be omitted.

本発明に係わる高周波電源装置は、プラズマ発生装置やレーザ発信装置などの高周波電力を供給することが必要な負荷の電源として広く用いることができる。本発明によれば、インバータ回路3に入力する直流電圧を一定とし、インバータ回路3の出力周波数を変化させることにより、負荷に供給する高周波電力を制御するので、直流電源部の構成を簡単にしてコストの低減を図ることができる。また大容量の平滑コンデンサの影響を受けることなく負荷に与える高周波電力を制御できるので、制御の応答性を良好にすることができる。このように、本発明は、高周波電源装置のコストの低減と性能の向上とに寄与するものであるので、産業上の利用可能性が大である。   The high-frequency power supply device according to the present invention can be widely used as a power source for a load that needs to supply high-frequency power, such as a plasma generator or a laser transmitter. According to the present invention, the DC voltage input to the inverter circuit 3 is made constant, and the high frequency power supplied to the load is controlled by changing the output frequency of the inverter circuit 3. Therefore, the configuration of the DC power supply unit is simplified. Cost can be reduced. In addition, since the high-frequency power applied to the load can be controlled without being affected by the large-capacity smoothing capacitor, the control response can be improved. As described above, the present invention contributes to the cost reduction and performance improvement of the high-frequency power supply device, and thus has a great industrial applicability.

3 インバータ回路
4 トランス
5 直列共振回路
6 フィルタ部
7 負荷
8 電圧検出部
9 電流検出部
10 電力検出部
11 位相差検出部
12 周波数制御部
13 高周波信号発生部
14 信号変換部
20 直流電源部
41 直流阻止用コンデンサ
42 直流阻止用コンデンサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 Inverter circuit 4 Transformer 5 Series resonance circuit 6 Filter part 7 Load 8 Voltage detection part 9 Current detection part 10 Power detection part 11 Phase difference detection part 12 Frequency control part 13 High frequency signal generation part 14 Signal conversion part 20 DC power supply part 41 DC Capacitor for blocking 42 Capacitor for blocking DC

Claims (11)

交流電圧を整流平滑して直流電圧を出力する直流電源部と、前記直流電源部が出力する直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータ回路とを備えて、前記インバータ回路から負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置であって、
前記インバータ回路の出力電流を検出する電流検出部と、
前記電流検出部により検出される電流の前記インバータ回路の出力電圧に対する位相差を検出する位相差検出部と、
前記負荷に供給される高周波電力を検出する電力検出部と、
前記位相差検出部により検出された位相差及び前記電力検出部により検出された電力値を入力として、前記電流検出部により検出される電流の位相が前記インバータ回路の出力電圧の位相に対して遅れ位相となる状態を維持しつつ、前記電力検出部により検出される電力値を設定値に近づけるか又は設定された許容範囲に保つように、前記インバータ回路の出力周波数を予め定めた範囲内で制御する周波数制御部と、
を具備したことを特徴とする高周波電源装置。
A DC power supply unit that rectifies and smoothes an AC voltage and outputs a DC voltage, and an inverter circuit that converts the DC voltage output from the DC power supply unit into a high-frequency AC voltage, and supplies high-frequency power from the inverter circuit to a load A high frequency power supply device,
A current detector for detecting an output current of the inverter circuit;
A phase difference detector that detects a phase difference of the current detected by the current detector with respect to the output voltage of the inverter circuit;
A power detector for detecting high-frequency power supplied to the load;
Using the phase difference detected by the phase difference detector and the power value detected by the power detector as inputs, the phase of the current detected by the current detector is delayed with respect to the phase of the output voltage of the inverter circuit. The output frequency of the inverter circuit is controlled within a predetermined range so that the power value detected by the power detection unit is close to a set value or kept within a set allowable range while maintaining a phase state. A frequency control unit,
A high frequency power supply device comprising:
前記インバータ回路から前記負荷側を見た回路が、直列共振特性を有するように構成されている請求項1に記載の高周波電源装置。   The high frequency power supply device according to claim 1, wherein a circuit viewed from the inverter circuit on the load side has a series resonance characteristic. 前記インバータ回路の出力端と前記負荷との間にトランスが設けられて、前記インバータ回路から前記トランスを通して前記負荷に高周波電力を供給するように構成されている請求項1又は2に記載の高周波電源装置。   The high frequency power supply according to claim 1 or 2, wherein a transformer is provided between an output terminal of the inverter circuit and the load, and high frequency power is supplied from the inverter circuit to the load through the transformer. apparatus. 前記インバータ回路と前記負荷との間に直流阻止用コンデンサが挿入されて、前記インバータ回路から直流阻止用コンデンサを通して前記負荷に高周波電力を供給するように構成されている請求項1又は2に記載の高周波電源装置。   The DC blocking capacitor is inserted between the inverter circuit and the load, and high frequency power is configured to be supplied to the load from the inverter circuit through the DC blocking capacitor. High frequency power supply. 周波数指令により指令された通りの周波数の高周波信号を発生する高周波信号発生部が設けられ、
前記インバータ回路は、前記高周波信号により制御されて、前記直流電源部が出力する直流電圧を、前記高周波信号と周波数及び位相が等しい高周波交流電圧に変換すること、
を特徴とする請求項1,2,3又は4に記載の高周波電源装置。
A high-frequency signal generator that generates a high-frequency signal having a frequency as instructed by the frequency command is provided,
The inverter circuit is controlled by the high-frequency signal, and converts the DC voltage output from the DC power supply unit into a high-frequency AC voltage having the same frequency and phase as the high-frequency signal;
The high-frequency power supply device according to claim 1, 2, 3, or 4.
前記インバータ回路の出力電圧を検出する電圧検出部が設けられ、
前記位相差検出部は、前記電流検出部により検出される電流の位相と、前記電圧検出部により検出される電圧の位相とから前記位相差を検出するように構成されていること、
を特徴とする請求項1,2,3,4又は5に記載の高周波電源装置。
A voltage detector for detecting an output voltage of the inverter circuit is provided;
The phase difference detection unit is configured to detect the phase difference from the phase of the current detected by the current detection unit and the phase of the voltage detected by the voltage detection unit;
The high frequency power supply device according to claim 1, 2, 3, 4 or 5.
前記位相差検出部は、前記電流検出部により検出される電流の位相と、前記高周波信号発生部が発生する高周波信号の位相とから前記位相差を検出するように構成されていること、
を特徴とする請求項5に記載の高周波電源装置。
The phase difference detection unit is configured to detect the phase difference from the phase of the current detected by the current detection unit and the phase of the high frequency signal generated by the high frequency signal generation unit;
The high frequency power supply device according to claim 5.
前記周波数制御部は、前記電力検出部により検出された電力値が前記設定値よりも小さいか又は前記許容範囲を下回っているときには前記インバータ回路の出力周波数を下げるように制御し、前記電力検出部により検出された電力値が前記設定値よりも大きいか又は前記許容範囲を上回っているときには前記インバータ回路の出力周波数を上げるように制御することを特徴とする請求項1ないし7のいずれかに記載の高周波電源装置。 The frequency control unit controls the output frequency of the inverter circuit to be lowered when the power value detected by the power detection unit is smaller than the set value or below the allowable range, and the power detection unit 8. The control according to claim 1, wherein the output frequency of the inverter circuit is controlled to be increased when the power value detected by the step is greater than the set value or exceeds the allowable range. High frequency power supply. 前記周波数制御部は、前記インバータ回路の出力周波数を予め定めた範囲の下限値まで下げたにもかかわらず前記電力検出部により検出された電力値が前記設定値よりも小さいか又は前記許容範囲を下回っているとき及び前記インバータ回路の出力周波数を予め定めた範囲の上限値まで上げたにもかかわらず前記電力検出部により検出された電力値が前記設定値よりも大きいか又は前記許容範囲を上回っているときに異常信号を出力するように構成されていることを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載の高周波電源装置。 The frequency control unit is configured such that the power value detected by the power detection unit is smaller than the set value or the allowable range even though the output frequency of the inverter circuit is lowered to a lower limit value of a predetermined range. The power value detected by the power detection unit is larger than the set value or exceeds the allowable range even when the output frequency of the inverter circuit is lower than the upper limit value of the predetermined range. 9. The high frequency power supply device according to claim 1, wherein the high frequency power supply device is configured to output an abnormal signal during operation. 前記周波数制御部は、負荷に供給される高周波電力を設定値に近づけるか又は許容範囲内に収めるために前記インバータ回路の出力周波数を下げていく過程で、前記電流検出部により検出される電流の位相が前記インバータ回路の出力電圧の位相に対して遅れ位相でなくなったときに異常信号を出力するように構成されていることを特徴とする請求項1ないし9のいずれかに記載の高周波電源装置。 The frequency control unit is configured to reduce a current detected by the current detection unit in a process of reducing the output frequency of the inverter circuit in order to bring the high frequency power supplied to the load close to a set value or within an allowable range. 10. The high frequency power supply device according to claim 1, wherein an abnormal signal is output when the phase is no longer delayed from the phase of the output voltage of the inverter circuit. . 前記直流電源部は、商用の交流電圧を変圧器により変圧して得た電圧を整流平滑して直流電圧を出力するように構成されている請求項1ないし10のいずれかに記載の高周波電源装置。   The high frequency power supply device according to any one of claims 1 to 10, wherein the DC power supply unit is configured to output a DC voltage by rectifying and smoothing a voltage obtained by transforming a commercial AC voltage with a transformer. .
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