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
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
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
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
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
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
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。
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
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
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
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-
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.
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
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
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
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
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
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
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。
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。
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
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
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
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
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
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
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
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-
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Claims (11)
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.
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.
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