JP5946580B1 - インピーダンス整合装置 - Google Patents
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Abstract
Description
L=(μ・S/l)・N2 …(1)
μ=B/H …(2)
で決定される。
である。
L(t=τ)=0.368(L0−L∞)+L∞
=0.368×250+250=342nH …(4)
L(t=4τ)=0.0183(L0−L∞)+L∞
=0.0183×250+250=255nH …(5)
上記した例に示すように、制御電流の印加した後、その制御電流で定まるインダクタンスL∞に至るまでには遅れ特性によって時間を要する。
H=N・I/l …(6)
Nは制御巻線の巻数、lは磁路長である。
本願発明の演算部は、インピーダンス整合の制御目標値とフィードバック値との差分を増幅した偏差分に基づいて制御量を演算するメジャーループを構成する第1の演算回路と、第1の演算回路より出力された制御量と制御電流のフィードバック値との差分に基づいて、制御量の振幅を増幅した制御電流指令を出力するマイナーループを構成する第2の演算回路により構成することができる。第1の演算回路と第2の演算回路は2重のループ制御を構成する。
本願発明の制御電流発生部は、演算回路から出力される制御量の極性に基づいて制御巻線に印加する制御電流の電流方向を切り換え、演算回路から出力される出力信号の振幅に基づいて制御巻線に印加する制御電流の振幅を制御する。
図1は本願発明のインピーダンス整合装置の概略構成を説明するための図である。図1の構成は、高周波電源20と負荷30との間にインピーダンス整合装置10を接続する構成例を示している。なお、以下では、高周波供給部として高周波電源を用いて説明する。
次に、本願発明のインピーダンス整合装置において、可変リアクトルのインダクタンス変化の応答遅れを低減する作用について図2,3を用いて説明する。図2は応答遅れ時間の低減を説明するための図であり、図3は本願発明の制御量によるインダクタンス変化の応答遅れ時間の低減作用を説明するための図である。
図2(a)は制御巻線の制御電流及び発生磁界と、インダクタンス変化の応答時間との関係を説明するための概略図である。
図2(b),(c)は残留磁束の低減を説明するための概略図である。
本願発明のインピ−ダンス整合装置は、交流磁界を印加すると共に、その交流磁界の大きさを、インピーダンス整合装置の入力側のインピーダンス目標値とインピーダンス検出値との偏差を制御する発生磁界を越える大きさとする。この交流磁界を用いてインダクタンスを変化させることによって、上記した遅れ特性に起因する応答遅れ時間の低減、及び残留磁束に起因する応答遅れ時間の低減を行う。
図3(b)は、制御電流Iconを印加した場合のインダクタンス変化状態を示している。制御電流Iconは、可変リアクトルの制御巻線に印加する電流であり、制御量IREFに基づいて得られる。なお、図3(b)において制御電流Iconに丸数字で示した1〜5は、図3(a)の制御量の丸数字と対応している。
本願発明の制御電流形成部の構成例について図4,5を用いて説明する。
本願発明の制御電流形成部1は演算部2と制御電流発生部3とを備え、演算部2は制御量IREF及び制御電流指令Icomを演算し、制御電流発生部3は演算部2の演算結果に基づいて制御電流Iconを発生して可変リアクトル4の制御巻線4aに印加する。可変リアクトル4は、制御電流Iconにより制御巻線4aのインダクタンスを変化させることによってインピーダンス整合を行う。
図5を用いてメジャーループ及びマイナーループの第1の構成例〜第4の構成例について制御する。
図5(a)に示す第1の構成例は、第1の演算回路2aのメジャーループを比例積分制御(PI制御)で行い、第2の演算回路2bのマイナーループを比例積分制御(PI制御)で行う例を示している。
図5(b)に示す第2の構成例は、第1の演算回路2aのメジャーループを比例積分制御(PI制御)で行い、第2の演算回路2bのマイナーループを積分制御(I制御)で行う例を示している。
図5(c)に示す第3の構成例は、第1の演算回路2aのメジャーループを積分制御(I制御)で行い、第2の演算回路2bのマイナーループを比例積分制御(PI制御)で行う例を示している。
図5(d)に示す第3の構成例は、第1の演算回路2aのメジャーループを積分制御(I制御)で行い、第2の演算回路2bのマイナーループを積分制御(I制御)で行う例を示している。
制御電流発生部3は、降圧チョッパ回路3a、比較回路3b、三角波信号発生回路3c、及び比較回路3dを備える。
制御量IREFと接地電圧とを比較する回路構成とすることができる。降圧チョッパ回路3aは、比較回路3dの出力に基づいて制御電流Iconの電流方向を切り換える。符合信号を形成する構成は比較回路3dに限られるものではなく、また演算部2側に設ける構成としてもよい。
図6〜8を用いて降圧チョッパ回路3aの動作例について説明する。図6は降圧チョッパ回路3aを4つのスイッチング素子をフルブリッジで構成したときの動作例を示し、図7はスイッチング素子を駆動する入力信号例を示し、図8は降圧チョッパ回路の短絡を避けるための制御電流の不感帯を示している。
図6(b)は制御巻線4aに正方向の電流を出力する状態を示している。フルブリッジの上側のスイッチング素子Q1を制御電流指令Icomによってパルス幅制御し、スイッチング素子Q3をオフ状態とする。一方、フルブリッジの下側のスイッチング素子Q2をオフ状態とし、スイッチング素子Q4をオン状態とする。このスイッチング素子の動作によって、直流電源からは図中の矢印を付した実線で示す方向に直流電流Idcが流れ、制御巻線4aには図中において下方方向の直流電流Idcが流れる。
図6(b)の動作の後に直流電流Idcを零電流にしても、可変リアクトルのコアには残留磁束が残るため、オフセット動作によってこの残留磁束を打ち消す。
負方向に直流電流を流す動作、及びその後のオフセット動作は、前記した正方向電流の動作を入れ替えた動作に相当する。
図6(e)の動作の後に直流電流Idcを零電流にしても、可変リアクトルのコアには残留磁束が残る。このときに発生する残留磁束は、正方向電流時の残留磁束と逆方向となる。オフセット動作によってこの残留磁束を打ち消す。
降圧チョッパ回路3aのスイッチング素子の動作において、制御電流の電流方向を切り換える際に、スイッチング素子の入力信号のジッタ等が生じた場合には、直流電源に対して直列接続されるスイッチング素子Q1とスイッチング素子Q2、及びスイッチング素子Q3とスイッチング素子Q4間において両スイッチング素子が共にオン状態となるおそれがあり、このような場合には直列接続されたスイッチング素子間が短絡することになり、素子破壊が発生するおそれがある。
次に、本願発明のインピーダンス整合装置の測定例について説明する。
・インダクタンス変化の応答時間
図9はインダクタンス変化の応答時間の測定例の比較を示している。ここでは、巻数が16ターンの制御巻線に対して制御電流を0Aから−10Aにステップ変化させたときのインダクタンス値の応答変化を例1として示し、巻数が32ターンの制御巻線に対して制御電流を0Aから−20Aにステップ変化させたときのインダクタンス値の応答変化を例2として示している。
図10は負荷が急変したときのインピーダンス整合装置における進行波電力と反射波電力の制御応答の測定例を示している。ここでは、測定条件として、
負荷A:1.9+j24[Ω]
負荷B:3.0+j30[Ω]
としたとき
測定例1(図10(a)):制御電流範囲:0〜+10A、巻数:16ターン
測定例2(図10(b)):制御電流範囲:0〜±20A、巻数:32ターン
について比較している。測定例2の発生磁界は正側において測定例1の発生磁界の4倍となる。
本願発明のインピーダンス整合装置に用いる可変リアクトルの構成において、可変リアクトルが発生する高周波成分を除去する構成例について図11,12を用いて説明する。
図11(b)に示す可変リアクトルは、可変リアクトルの制御電流発生部側に誘起される高周波成分を除去するために、メイン巻線と制御巻線の巻回方向を逆方向とした一対の可変リアクトルを直列接続して高周波成分を相殺する構成である。
図11(c)に示す可変リアクトルは、一対の可変リアクトルを並列接続して高周波成分を相殺する構成である。
2 演算部
2A 演算部
2B 演算部
2a 第1の演算回路
2b 第2の演算回路
2c 加算回路
2d 交流信号発生回路
3 制御電流発生部
3A 制御電流発生部
3B 制御電流発生部
3a 降圧チョッパ回路
3b 比較回路
3c 三角波信号発生回路
3d 比較回路
4 可変リアクトル
4A 可変リアクトル
4B 可変リアクトル
4a 制御巻線
5 センサー
10 インピーダンス整合装置
20 高周波電源
30 負荷
101 インピーダンス制御回路
102 可変リアクトル
102A 可変リアクトル
102B 可変リアクトル
102a 制御巻線
102b メイン巻線
102b1 メイン巻線
102b2 メイン巻線
102c フェライトコア
B 磁束密度
B0 磁束密度
B1 残留磁束
H 発生磁界
Icom 制御電流指令
Icon 制御電流
Idc 制御電流
IREF∞ 制御整定値
IREF 制御量
IZREF インダクタンス制御目標値
IφREF 制御量
L インダクタンス
L0 インダクタンス
L1 インダクタンス
N 巻数
Q1-Q4 スイッチング素子
ZFB インピーダンスフィードバック値
ZREF インピーダンス制御目標値
φFB 位相フィードバック値
φREF 位相制御目標値
Claims (7)
- 高周波供給側のインピーダンスと負荷側のインピーダンスを整合するインピーダンス整合装置であって、
コアに巻回された主巻線と制御巻線を有し、前記制御巻線に流れる制御電流が発生する発生磁界の変化によってインダクタンスを可変とする可変リアクトルを備え、
前記発生磁界は、インピーダンス整合の制御目標値とフィードバック値との偏差を整定するに要する磁界を越える大きさを有する交流磁界であることを特徴とする、インピーダンス整合装置。 - 高周波供給側のインピーダンスと負荷側のインピーダンスを整合するインピーダンス整合装置であって、
コアに巻回された主巻線と制御巻線を備え、前記制御巻線に流れる制御電流による発生磁界の変化によりインダクタンスを可変とする可変リアクトルと、
前記制御巻線に印加する制御電流を形成する制御電流形成部とを備え、
前記制御電流形成部は、
インピーダンス整合の制御目標値とフィードバック値との偏差分を整定する制御整定値に収束する偏差信号を演算する演算部と、前記演算部の制御量である交流信号の正負に基づいて定まる電流方向と、前記交流信号の振幅増幅に基づいて定まる電流振幅を有する制御電流を発生する制御電流発生部とを備え、
前記制御電流による可変リアクトルのインダクタンス変化によってインピーダンスを整合することを特徴とする、請求項1に記載のインピーダンス整合装置。 - 前記演算部は、
インピーダンス整合の制御目標値とインピーダンス整合のフィードバック値との差分に基づいてメジャーループを構成し、当該メジャーループにより制御量を演算する第1の演算回路と、
前記第1の演算回路の制御量と前記制御電流のフィードバック値との差分に基づいてマイナーループを構成し、当該マイナーループにより前記制御量の振幅を制御電流指令として演算する第2の演算回路とによって2重のループ制御を構成し、
前記制御電流発生部は、
前記制御量の正負に基づいて制御電流の電流方向を切り換え、
前記制御電流指令に基づいて制御電流の振幅を定めた制御電流を発生することを特徴とする請求項2に記載のインピーダンス整合装置。 - 前記第1の演算回路は、インピーダンス整合の前記制御目標値とフィードバック値との差分を比例積分制御して比例積分信号を前記制御量として出力する比例積分制御回路、又は、インピーダンス整合の前記制御目標値とフィードバック値との差分を積分制御して積分信号を前記制御量として出力する積分制御回路の何れかの制御回路を備え、
前記第2の演算回路は、前記第1の演算回路の制御量と前記制御電流のフィードバック値との差分を比例積分制御して比例積分信号を前記制御電流指令として出力する比例積分制御回路、又は前記第1の演算回路の制御量と前記制御電流のフィードバック値との差分を積分制御して積分信号を前記制御電流指令として出力する積分制御回路の何れかの制御回路を備えることを特徴とする、請求項3に記載のインピーダンス整合装置。 - 前記交流信号は、
振幅が整定後の制御電流指令に漸近する信号であることを特徴とする、請求項4に記載のインピーダンス整合装置。 - 前記制御電流発生部は、4つのスイッチング素子のフルブリッジ構成とするチョッパ回路を備え、
前記制御巻線に印加する制御電流の振幅を、正端及び負端の一方の極性側に接続される2つスイッチング素子の何れか一方のスイッチング素子の開閉動作を前記制御電流指令の振幅に基づいてパルス幅制御し、
前記制御巻線に印加する制御電流の電流方向の切り換えを、他方の極性側に接続される2つスイッチング素子の前記制御量の極性に基づく切り換え動作によって制御することを特徴とする請求項2から請求項5の何れか一つに記載のインピーダンス整合装置。 - 前記発生磁界の大きさは、前記制御巻線の巻数と制御電流の電流値の積で定まることを特徴とする、請求項1に記載のインピーダンス整合装置。
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