JP7381336B2 - 高周波電源装置 - Google Patents

Description

本開示は、高周波電源装置に関する。

高周波電源装置における保護機能は、負荷からの反射波電力信号値が予め決められた閾値を超えた場合に当該閾値を下回るように進行波電力信号値を下げるように増幅器の出力を低下させるようにしている。

特開２００３－１４３８６１号公報

しかしながら、上記保護機能は、高周波電源装置におけるフィードバック制御によって実現されている。このため、応答速度は進行波電力が一定の場合のフィードバック制御よりも遅くなることが一般的である。また、リニア方式の電力増幅器を搭載した高周波電源装置の応答速度に比べ、スイッチング方式の電力増幅器を搭載した高周波電源装置の応答速度はさらに遅くなってしまう。特に、進行波電力や反射波電力が急激に変化する負荷急変が発生した場合には、出力抑制制御が十分に働かないことがあり、高周波電源装置内部の部品に多大な電気的ストレスを与えることがある。さらに、不要な進行波電力の急増は、高周波電源装置に接続されるプラズマ装置（負荷）へのダメージを引き起こす可能性がある。このような負荷急変対策として、例えば、特許文献１では、直流電源部の平滑用コンデンサに対して並列にコンデンサ放電用スイッチと電流制限用抵抗器とを設け、負荷インピーダンスの過渡的な変化検出時に瞬時に放電させることにより、負荷に供給されるエネルギーを抑制することが開示されている。

しかしながら、特許文献１では、上述のように、コンデンサ放電用スイッチと電流制限用抵抗器を追加して搭載する必要があり、高周波電源装置の大型化を招くという課題がある。

本開示はこのような状況に鑑みてなされたものであり、高周波電源装置の大型化を招かずに負荷急変時における高周波電源装置内の部品および接続された負荷装置への電気的ストレスを低減する技術を提供する。

上記課題を解決するために、本実施形態は、接続される負荷に対して高周波出力を供給する高周波電源装置であって、少なくとも２つの電力増幅器と、少なくとも１つの電力合成部と、電力合成部から出力され、負荷に供給する進行波電力信号と、負荷からの反射波電力信号と、を検出する高周波電力検出部と、検出した進行波電力信号および反射波電力信号の変化量によって、負荷急変を検出し、負荷急変を検出した場合に電力増幅器の各位相を変化させて、高周波出力を変化させるように構成された制御部と、を備える、高周波電源装置について開示する。

本開示に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、本開示の態様は、要素及び多様な要素の組み合わせ及び以降の詳細な記述と添付される特許請求の範囲の様態により達成され実現される。
本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例をいかなる意味においても限定するものではない。

本開示によれば、高周波電源装置の大型化を招かずに負荷急変時における高周波電源装置内の部品および接続された負荷装置への電気的ストレスを低減することが可能となる。

スイッチングアンプ方式の電力増幅器を用いた場合の進行波電力上昇率とリニアアンプ方式の電力増幅器を用いた場合の進行波電力上昇率を示す図（シミュレーション結果）である。 スイッチング方式の電力増幅器を用いて、図１の場合と同様の条件で負荷急変時の進行波電力急増を実機確認した結果を示す図である。 本実施形態による高周波電源装置１０の概略構成例を示すブロック図である。 ＤＣ－ＲＦ変換部１_１２１およびＤＣ－ＲＦ変換部２_１２２の内部構成例を示す図である。 合成部１３の内部構成例を示す図である。 進行波電力／反射波電力増加量演算部１８の内部構成例を示す図である。 本実施形態による、負荷急変検出および負荷急変検出時の保護処理の詳細を説明するためのフローチャートである。 本実施形態による、負荷急変検出時の保護機能の解除処理を説明するためのフローチャートである。 図７および図８で説明した負荷急変保護動作および保護動作解除の一連の流れを説明するためのタイムチャートである。 本実施形態による負荷急変保護機能に関する各種パラメータを設定するためのパラメータ設定画面１０００の構成例を示す図である。 負荷急変として検出可能な電力変化の態様例を示す図である。 本実施形態による保護機能を負荷急変時に動作させたときの効果（シミュレーション）を説明するための図である。 本実施形態による保護機能を負荷急変時に動作させたときの効果（実測値）を説明するための図である。

本実施形態による高周波電源装置は、２以上の増幅器（ＤＣ－ＲＦ変換器）を有し、通常時は各増幅器が出力する電力信号の位相差をゼロとして同相の電力を合成して出力するとともに、負荷急変検知時は上記２以上の増幅器からの電力信号の位相をずらす（位相差を設ける）ようにする。そして、当該高周波電源装置は、合成器（合成部）において電力を消費させ、負荷（例えば、プラズマ処理装置）側に余計な電力が供給されないようにして負荷急変によるダメージが発生しないように動作する。当該位相差は、負荷急変の程度によって適宜設定することができるが、例えば、２つの増幅器を備える場合には１８０°に設定することができ、また、例えば、３つの増幅器を備える場合には１２０°に設定することができる。

以下、本実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、添付図面は本開示の原理に則った具体的な実施形態と実装例を示しているが、これらは本開示の理解のためのものであり、決して本開示を限定的に解釈するために用いられるものではない。

本実施形態では、当業者が本開示を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本開示の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。

更に、本開示の実施形態は、後述されるように、汎用コンピュータ上で稼動するソフトウェアで実装しても良いし専用ハードウェア又はソフトウェアとハードウェアの組み合わせで実装しても良い。

以下では「各処理部（例えば、負荷急変判定部や位相シフト量決定部など）」を動作主体として本開示の実施形態における各処理について説明を行うが、プログラムは制御部（プロセッサ）によって実行されることで定められた処理をメモリ及び通信ポート（通信制御装置）を用いながら行うため、制御部（プロセッサ）を動作主体とした説明としてもよい。

＜負荷急変による影響の詳細と本開示が適用可能な電力増幅器の方式＞
例えば、プラズマ処理装置（高周波電源装置に接続される負荷）がプラズマ処理を行う際には、アーク放電や負荷急変がしばしば発生する。この負荷急変現象は、高周波電源装置が備える反射保護やロス保護などのフィードバックによる出力抑制制御の応答速度を上回る速度で発生することがしばしばある。この場合、高周波電源の出力抑制制御は十分に出力を抑制するまでは働いていない状態にあるため、電源の出力が大幅に増加し、高周波電源内部の電気的ストレス増加による部品破損やプラズマ処理装置への過電力印加によるプラズマ処理装置への電気的ストレス増加を招くおそれがある。また、プラズマ処理装置への過電力印加はプラズマそのものの不安定さを招く可能性もある。プラズマそのものが不安定になることによって負荷が不安定となり、高周波電源装置への電気的ストレスの増加を招く結果に至ることもあり得る。高周波電源装置内では、特に、ＡＣ－ＤＣ変換部やＤＣ－ＤＣ変換部、ＤＣ－ＲＦ変換部（電力増幅器）における、ダイオードやＭＯＳＦＥＴなどの半導体部品に対する電気的ストレスが大きくなる。

図１は、スイッチングアンプ方式の電力増幅器を用いた場合の進行波電力上昇率とリニアアンプ方式の電力増幅器を用いた場合の進行波電力上昇率を示す図（シミュレーション結果）である。図１では、５０Ωの負荷（このときの電力比率を１としている）から急にγ＝０．９９の全反射負荷に変化した場合の進行波電力の上昇率が示されている。スイッチング方式（図１左側）では、γ＝０．９９になったときに、５０Ωのときの電力が一瞬で１０倍近くの電力に跳ね上がっていることがわかる。また、スイッチングアンプ方式とリニアアンプ方式とを比較すると、負荷急変による高周波電源装置の出力電力上昇は、リニア方式の電力増幅器に比べ、スイッチング方式の電力増幅器の方が比較的大きいことが分かる。

図２は、スイッチング方式の電力増幅器を用いて、図１の場合と同様の条件で負荷急変時の進行波電力急増を実機確認した結果を示す図である。図２からも分かるように、実機を用いた場合でも、整合状態（負荷が５０Ωで整合している状態）での出力に対し、負荷急変時には、進行波電力が瞬時に１０倍程度になることが確認された。このような、状況では高周波電源内の部品、特に電力増幅器のＭＯＳＦＥＴに大きな電気的ストレスが発生し、最悪には破損に至る。

以上から分かるように、負荷急変時における高周波電源装置へのダメージは、電力増幅器としてスイッチングアンプ方式を用いた場合に大きくなることが分かる。以下に説明する本実施形態は、スイッチング方式の電力増幅器を備えた高周波電源装置に対して効果的ではある。ただし、リニア方式の電力増幅器を備えた高周波電源装置に適用してもよいことは言うまでもない。

＜高周波電源装置の構成＞
図３は、本実施形態による高周波電源装置１０の概略構成例を示すブロック図である。図３には、高周波電源装置１０に、商用電源５０と、インピーダンス整合器３０と、負荷（例えば、プラズマ処理装置）４０とが接続されている状態が示されている。インピーダンス整合器３０は、負荷４０を高周波電源装置１０に接続したときに、高周波電源装置側の出力インピーダンスと負荷側の入力インピーダンスの整合を取る機能を有している。電力伝送を効率的に行うためである。インピーダンス整合器３０は、例えば、２つの可変コンデンサ、あるいは、１つの固定コンデンサと１つの可変コンデンサを備えている。

図３に示されるように、高周波電源装置１０は、直流電源部１１と、電力増幅部１２と、合成部１３と、高周波電力検出部１４と、制御部１５と、ＰＷＭ信号生成部１６と、高周波信号生成部（発振部）１７と、進行波電力／反射波電力増加量演算部１８と、入力部１９と、表示部２０と、を備え、プラズマ処理装置などの負荷４０に対して高周波出力（ＲＦ出力）を供給する。

（i）直流電源部１１は、例えば、ＡＣ－ＤＣ変換部１１１と、ＤＣ－ＤＣ変換部１１２とによって構成される。ＡＣ－ＤＣ変換部１１１は、商用電源５０に基づいてＤＣ－ＤＣ変換部１１２への入力電圧（直流電圧）Ｖ_ccを生成する。ＡＣ－ＤＣ変換部１１１は、例えば、４個の半導体整流素子をブリッジ接続した整流回路で商用電源５０から入力される商用電圧を整流し、平滑回路で整流後のレベルを平滑化して直流電圧Ｖ_ccを生成する周知の電源回路で構成される。ＤＣ－ＤＣ変換部１１２は、ＡＣ－ＤＣ変換部１１１から入力される直流電圧Ｖ_ccを任意の電圧値の直流電圧Ｖ_dcに変換して、電力増幅部１２に出力する。ＤＣ－ＤＣ変換部１１２は、後述するＰＷＭ信号生成部１６から入力されるＰＷＭ信号Ｓ_PWMに基づいて、ＰＷＭ信号Ｓ_PWMのデューティ比（以下、ＰＷＭデューティ比という）に応じた直流電圧Ｖ_dcを出力する。ＰＷＭデューティ比が大きいほど、直流電圧Ｖdcが大きくなる。

（ii）電力増幅部１２は、複数のＤＣ－ＲＦ変換部１_１２１からＤＣ－ＲＦ変換部２_１２２（図３では、２つのＤＣ－ＲＦ変換部１_１２１とＤＣ－ＲＦ変換部２_１２２が示されているが２つに限定されない）を含んでおり、ＤＣ－ＤＣ変換部１１２から入力される直流電力を、予め設定された高周波電力に変換する。

図４は、ＤＣ－ＲＦ変換部１_１２１およびＤＣ－ＲＦ変換部２_１２１の内部構成例を示す図である。ＤＣ－ＲＦ変換部１_１２１および２_１２２は、図４に示されるように、ハーフ・ブリッジ型のＤ級アンプで構成することができる。Ｄ級アンプは、一対の電源端子ｂ，ｂ’の間に２つの同一タイプの半導体スイッチ素子Ｑ_Bの直列回路を接続し、２つの半導体スイッチ素子Ｑ_Bの接続点ｎと出力端子ｃとの間に出力回路４０１を接続した構成である。出力回路１２０１は、直流カット用のコンデンサと、コンデンサとリアクトルのＬ型回路とを縦属接続したフィルタ回路である。トランスＴ２は、一対の半導体スイッチ素子Ｑ_Bの駆動を行うドライブ回路を構成している。トランスＴ２は、一次巻線に高周波電圧ｖが入力され、一方の二次巻線（図４では上側の二次巻線）から高周波電圧ｖと同相の高周波電圧ｖ’を出力し、他方の二次巻線（図４では下側の二次巻線）から高周波電圧ｖと逆相の高周波電圧－ｖ’を出力する。高周波電圧ｖ’は一方の半導体スイッチ素子Ｑ_B（図４では上側の半導体スイッチ素子Ｑ_B）に入力され、高周波電圧－ｖ’は他方の半導体スイッチ素子Ｑ_B（図４では下側の半導体スイッチ素子Ｑ_B）に入力される。トランスＴ２の一次巻線に入力される高周波電圧ｖは、例えば、４００ｋＨｚ、２．０ＭＨｚ、１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ、４０．６８ＭＨｚ、６０ＭＨｚなどのプラズマ処理用に規定された出力周波数ｆの正弦波電圧である。

ＤＣ－ＲＦ変換部１_１２１の電源端子ｂと電源端子ｂ'は、それぞれＤＣ－ＲＦ変換部２_１２２の電源端子ｂと電源端子ｂ'に接続され、電源端子ｂと電源端子ｂ’の間にＤＣ－ＤＣ変換部１１２から出力される直流電圧Ｖ_dcが供給される。一対の半導体スイッチ素子Ｑ_BにはＮチャネル型のＭＯＳＦＥＴを用いることができるが、バイポーラトランジスタ等の他の種類のトランジスタを用いてもよい。また、一対の半導体スイッチ素子Ｑ_BをＮチャネル型とＰチャネル型を組み合わせたコンプリメンタリ型にしてもよい。この場合は、トランスＴ２の二次巻線は一つでよく、高周波電圧ｖ’をそれぞれＮチャネル型のＭＯＳＦＥＴとＰチャネル型のＭＯＳＦＥＴのゲートに入力すればよい。

ＤＣ－ＲＦ変換部１_１２１およびＤＣ－ＲＦ変換部２_１２２の各トランスＴ２の一次巻線に入力される高周波電圧ｖ_a，ｖ_bは、高周波信号生成部１７で生成される。高周波信号生成部１７は、ｖ_a＝Ａ・sin(ω・ｔ＋φ_a)、ｖ_ｂ＝Ａ・sin(ω・ｔ＋φ_b)で表わされる高周波電圧ｖ_a、ｖ_bを生成する。なお、角周波数ω＝２πｆであり、以下でも、出力周波数ｆの代わりに角周波数ωを用いる場合がある。高周波電圧ｖ_aの初期位相φ_aは０［deg］に固定されており、高周波電圧ｖ_bの初期位相φ_bは可変である。高周波信号生成部（発振部）１７は、制御部１５から入力される位相差θ=φ_b－φ_aの情報に基づいて高周波電圧ｖ_bの初期位相φ _b（＝θ）を変化させる。位相差θの変化のさせ方については後述する。なお、初期位相φ_bを０［deg］に固定して、初期位相φ_aを可変としてもよいし、初期位相φ_a、φ_bとも可変としてもよい。例えば、初期位相φ_aを０［deg］から－９０［deg］まで変更可能とし、初期位相φ_bを０［deg］から９０［deg］まで変更可能として、位相差θ＝９０［deg］の場合はφ_a＝－４５［deg］、φ_b＝４５［deg］を設定するようにしてもよい。

ＤＣ－ＲＦ変換部１_１２１では、高周波電圧ｖ_a＝Ａ・sin(ω・ｔ)がトランスＴ２の一次巻線に入力されると、トランスＴ２の一方の二次巻線から同相の高周波電圧ｖ_a’＝Ａ’・sin(ω・ｔ)が出力され、トランスＴ２の他方の二次巻線から逆相の高周波電圧－ｖ_a’＝－Ａ’・sin(ω・ｔ)が出力される。同相の高周波電圧ｖ_a’は、一方の半導体スイッチ素子Ｑ_B（図４では上側の半導体スイッチ素子ＱB）に入力され、逆相の高周波電圧－ｖ_a ’は、他方の半導体スイッチ素子Ｑ_B（図４では下側の半導体スイッチ素子Ｑ_B）に入力される。２つの半導体スイッチ素子Ｑ_Bは、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴであるから、一方の半導体スイッチ素子Ｑ_Bは、高周波電圧ｖ_a’のハイレベル期間にオン動作をし、他方の半導体スイッチ素子Ｑ_Bは、高周波電圧－ｖ_a’のハイレベル期間にオン動作をする。すなわち、２つの半導体スイッチ素子Ｑ_Bは、高周波電圧ｖ_a’の半周期毎に交互にオン・オフ動作を繰り返す。

２つの半導体スイッチ素子Ｑ_Bが交互にオン・オフ動作を繰り返すことによって、接続点ｎの電圧ｖ_nは、ｖ_a’＞０の期間に「Ｖ_dc」となり、ｖ_a’≦０の期間に接地レベルとなるように矩形波状に変化する。その矩形波が出力回路４０１で直流分とスイッチングノイズとを除去されて、出力端子ｃ，ｃ’から高周波電圧ｖ_aを増幅した高周波電圧Ｖ_PA＝Ｖ・sin(ω・ｔ)として出力される。

ＤＣ－ＲＦ変換部２_１２２は、上述したＤＣ－ＲＦ変換部１_１２１と同様の動作を行い、入力された高周波電圧ｖ_bを増幅した高周波電圧ｖ_PB＝Ｖ・sin(ω・ｔ＋θ)を出力する。

通常時（負荷急変が検出されていない時）は、位相差θ=φ_b－φ_aは０（ゼロ）に設定される。一方、負荷急変検出時は、位相差（位相シフト量）θ＝１８０°と設定される。ただし、負荷急変検出時において、常に位相差θ＝１８０°に設定しなければならいないと言うことではない。合成部１３から出力される電力値を低減できればよいからである。

なお、本実施形態では、ＤＣ－ＲＦ変換部１_１２１およびＤＣ－ＲＦ変換部２_１２２をハーフ・ブリッジ型のアンプで構成しているが、フル・ブリッジ型やプッシュ・プル型のアンプで構成してもよい。また、スイッチングアンプに限定されず、リニアアンプを用いるようにしてもよい。

（iii）図５は、合成部１３の内部構成例を示す図である。合成部１３は、電力増幅部１２から出力される２つの高周波電力Ｐ_AおよびＰ_Bを合成する。合成部１３は、例えば、図５に示す伝送トランスＴ３と抵抗Ｒとからなるハイブリッド回路によって構成される。ハイブリッド回路は、１つのサム・ポートＮ_Sと２つの入力ポートＮ_AおよびＮ_Bを有し、入力ポートＮ_Aに入力される交流電圧と入力ポートＮ_Bに入力される交流電圧に位相差があると、入力電力のうち位相差に応じた一部の電力を抵抗Ｒで熱消費し、残りの電力を出力する機能を有する。

図５に示すように、ＤＣ－ＲＦ変換部１_１２１から出力される高周波電圧ｖ_PAは、一方の入力ポートＮ_Aに入力され、ＤＣ－ＲＦ変換部２_１２２ら出力される高周波電圧ｖ_PBは、他方の入力ポートＮ_Bに入力され、サム・ポートＮ_Sから高周波電圧ｖ_PXが出力される。

サム・ポートＮ_Sに接続される負荷のインピーダンスが「Ｒo／２」の場合（合成部１３と負荷４０とがインピーダンス整合している場合）のサム・ポートＮ_Sから出力される高周波電流ｉ_PXと高周波電圧ｖ_PXは、高周波電圧ｖ_PAおよびｖ_PBをそれぞれｖ_PA＝Ｖ・sin(ω・ｔ)、ｖ_PB＝Ｖ・sin(ω・ｔ＋θ)とすると、下記のようになる。

抵抗Ｒの両端の電圧ｖ_Rは、
ｖR＝ｖ_PA －ｖ_PB ＝Ｖ・[sin(ω・ｔ)－sin(ω・ｔ＋θ)] ・・・ （１）であり、
入力ポートＮ_AおよびＮ_Bから伝送トランスＴ３に流れ込む電流ｉ_Aおよびｉ_Bと抵抗Ｒを流れる電流ｉ_Rは、
ｉ_A ＝ｖ_PA／Ｒo＝Ｖ・sin(ω・ｔ)／Ｒo ・・・ （２）
ｉ_B ＝ｖ_PB／Ｒo＝Ｖ・sin(ω・ｔ＋θ)／Ｒo ・・・ （３）
ｉ_R ＝ｖ_R／（２・Ｒ o ）
＝Ｖ・[sin(ω・ｔ)－sin(ω・ｔ＋θ)]／（２・Ｒo） ・・・ （４）である。

したがって、伝送トランスＴ３の一次巻線と二次巻線に流れる電流ｉ_LAおよびｉ_LBは、
ｉ_LA ＝ｉ_A －ｉ_R ＝Ｖ・[sin(ω・ｔ)＋sin(ω・ｔ＋θ)]／（２・Ｒo） ・・・ （５）
ｉ_LB ＝ｉ_B ＋ｉ_R ＝Ｖ・[sin(ω・ｔ)＋sin(ω・ｔ＋θ)]／（２・Ｒo） ・・・ （６）で表わされ、
サム・ポートＮSから出力される高周波電流ｉ_PXと高周波電圧ｖ_PXは、
ｉ_PX ＝ｉ_LA ＋ｉ_LB＝Ｖ・[sin(ω・ｔ)＋sin(ω・ｔ＋θ)]／Ｒo ・・・ （７）
ｖ_PX ＝ｉ_PX・（Ｒo／２）
＝Ｖ・[sin(ω・ｔ)＋sin(ω・ｔ＋θ)]／２
＝Ｖ・[sin｛(ω・ｔ＋θ／２)－θ／２｝＋sin｛(ω・ｔ＋θ／２)＋θ／２｝]／２
＝Ｖ・[sin(ω・ｔ＋θ／２)・cos(θ／２)－cos(ω・ｔ＋θ／２)・sin(θ／２)
＋sin(ω・ｔ＋θ／２)・cos(θ／２)＋cos(ω・ｔ＋θ／２)・sin(θ／２)]／２
＝Ｖ・cos(θ／２)・sin(ω・ｔ+θ／２) ・・・ （８）となる。

また、出力ポートＮ_Sから出力される電力Ｐ_Xと抵抗Ｒで消費される電力Ｐ_Rを求めると、
Ｐ_X ＝ｖ_PX ²／（Ｒo／２）＝２・ｖ_PX ²／Ｒo
＝Ｖ2・[sin(ω・ｔ)＋sin(ω・ｔ＋θ)]²／（２・Ｒo）
＝２・[Ｖ・cos(θ／２)]²・sin²(ω・ｔ＋θ/２)／Ｒo ・・・ （９）
Ｐ_R ＝ｖ_R ²／（２・Ｒo）
＝Ｖ²・[sin(ω・ｔ)－sin(ω・ｔ＋θ)]²／（２・Ｒo）
＝Ｖ²・[sin｛(ω・ｔ＋θ／２)－θ／２｝－sin｛(ω・ｔ＋θ／２)＋θ／２｝]²／（２・Ｒo）
＝Ｖ²・[sin(ω・ｔ＋θ／２)・cos(θ／２)－cos(ω・ｔ＋θ／２)・sin(θ／２)
－ sin(ω・ｔ＋θ／２)・cos(θ／２)－cos(ω・ｔ＋θ／２)・sin(θ／２)]²／（２・Ｒo）
＝Ｖ²・[－２cos(ω・ｔ＋θ／２)・sin(θ／２)]²／（２・Ｒ o ）
＝２・[Ｖ・sin(θ／２)]²・cos²(ω・ｔ＋θ/２)／Ｒo ・・・ （１０）となる。

入力ポートＮ_AおよびＮ_Bから入力される電力Ｐ_AおよびＰ_Bは、Ｐ_A＝Ｖ²・sin ²(ω・ｔ)／Ｒo、Ｐ_B＝Ｖ²・sin²(ω・ｔ＋θ)／Ｒoであるから、合成部１３に入力される電力Ｐ_inは、
Ｐ_in ＝Ｐ_A＋Ｐ_B＝Ｖ²・[sin²(ω・ｔ)＋sin ²(ω・ｔ＋θ)]／Ｒoである。

一方、合成部１３から出力される電力Ｐ_Xと抵抗Ｒで熱消費される電力Ｐ_Rの合計電力Ｐ_sumは、
Ｐ_sum ＝Ｐ_X＋Ｐ_R
＝Ｖ²・[sin(ω・ｔ)＋sin(ω・ｔ＋θ)]²／（２・Ｒo）
＋Ｖ²・[sin(ω・ｔ)－sin(ω・ｔ＋θ)]²／（２・Ｒo）
＝Ｖ²・[２sin²(ω・ｔ)＋２sin²(ω・ｔ＋θ)]／（２・Ｒo）
＝Ｖ²・[sin²(ω・ｔ)＋sin²(ω・ｔ＋θ)］／Ｒoであるから、
Ｐ_in＝Ｐ_sumである。

したがって、θ＝０［deg］（通常時：整合状態（例えばインピーダンスが５０Ωのとき））であればＰ_R＝０となり、入力電力Ｐ_inがそのまま出力電力Ｐ_X（同位相の電力が合成される）となって合成部１３から出力される。通常時は同相で動作するため、合成部（合成器）１３における損失はなく、一定の合成電力が出力される。θ＝１８０［deg］（負荷急変時）であればＰ_X＝０となり、合成部１３からの出力が０になる。そして、０［deg］＜θ＜１８０［deg］のときは、入力電力Ｐ_AおよびＰ_Bを位相差θに応じた所定の割合η(θ)で合成した合成電力が、出力電力Ｐ_Xとして合成部１３から出力される。

つまり、位相差θに応じた所定の割合η(θ)は、式（９）に示されるようにcos²(θ／２)である。電力の合成割合η(θ)は、位相差θが０［deg］）の場合に１００％であり、位相差θが大きくなるのに応じてcos²(θ／２)の特性で単調に小さくなり、位相差θが１８０［deg］の場合に０％になる。位相差を１８０°とした場合には、整合状態と同じ状態を生成することができる。この場合、合成部１３の抵抗Ｒで電力が消費され、合成部１３から負荷４０側に電力が供給されることがなくなる。

なお、本実施形態では、第１の位相差θ１および第２の位相差θ２を、０［deg］から１８０［deg］までの範囲の値として設定しているが、これに限られない。例えば、１８０［deg］から３６０［deg］までの範囲の値として設定してもよいし、０［deg］から－１８０［deg］までの範囲の値として設定してもよい。また、合成部１３は、ハイブリッド回路と同様の機能を果たすものであれば、他の回路であってもよい。例えば、特開２００８－２８９２３号公報に記載の高周波電力合成器や実開平４－４８７１５号公報に記載の出力合成回路を用いることができる。

（iv）高周波電力検出部１４は、合成部１３で生成された高周波出力（ＲＦ出力：高周波電圧ｖ_out）を、インピーダンス整合器３０を介してプラズマ負荷（プラズマ処理装置）等の負荷４０に供給する。また、高周波電力検出部１４は、方向性結合器を含み、その方向性結合器から高周波出力（高周波電圧ｖ_out）に含まれる進行波電圧ｖ_fと反射波電圧ｖ_rを検出する。そして、高周波電力検出部１４は、進行波電圧ｖ_fを進行波電力Ｐ_fに変換して進行波電力／反射波電力増加量演算部１８に出力する。また、反射波電圧ｖ_rを反射波電力Ｐ_rに変換して進行波電力／反射波電力増加量演算部１８に出力する。

（v）進行波電力／反射波電力増加量演算部１８は、進行波電力信号および反射波電力信号を受信し、進行波および反射波それぞれの増加量を演算し、各増加量を制御部１５の負荷急変判定部１５１に供給する。

図６は、進行波電力／反射波電力増加量演算部１８の内部構成例を示す図である。図６に示されるように、進行波電力／反射波電力増加量演算部１８は、アナログ信号である進行波電力信号および反射波電力信号をディジタル値に変換するＡＤ変換器１８１１および１８１２と、ディジタル化された進行波電力信号および反射波電力信号から基本波（例えば、１３．５６ＭＨｚの周波数信号）のみを抽出し、それ以外の周波数信号をカットするディジタルフィルタ（例えば、バンドパスフィルタ）１８２１および１８２２と、基本波進行波検出信号の増加量を演算する進行波電力増加量演算部１８３１と、基本波反射波検出信号の増加量を演算する反射波電力増加量演算部１８３２と、を含み、演算したそれぞれの増加量を、負荷急変を判定する負荷急変判定部１５１に供給する。なお、進行波電力／反射波電力増加量演算部１８は、例えば、ＦＰＧＡやＣＰＵなどで構成することができる。また、制御部１５の中に進行波電力／反射波電力増加量演算部１８の機能を含めてもよい。さらに、進行波検出信号および反射波検出信号を処理する際、フィルタを介さずにディジタル化された信号から高調波や異周波成分を含めた信号の変化を検知するように構成してもよい。また、図６におけるディジタルフィルタ１８２１および１８２２は、基本波を取り出すためのバンドパスフィルタに限定されず、高調波などの異周波を取り出すためのバンドパスフィルタであってもよい。

（vi）制御部１５は、基本波進行波検出信号の増加量および基本波反射波検出信号の増加量に基づいて負荷急変の有無を判定する負荷急変判定部１５１と、負荷急変時における高調波信号の位相シフト量（高周波電圧ｖ_aおよびｖ_bの位相差θ）を決定する位相シフト量決定部１５２と、を備えている。このように、制御部１５は、高周波電源装置１０が出力する進行波電力Ｐ_fと、高周波信号生成部１７で生成される２つの高周波電圧ｖ_aおよびｖ_bの位相差θを制御する。制御部１５は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）を備えるマイクロコンピュータによって構成することができる。制御部１５は、ＣＰＵがＲＯＭに記憶された所定の制御プログラム（負荷急変判定部１５１および位相シフト量決定部１５２を実現するプログラムを含む）を実行することにより、高周波電源装置１０が出力する進行波電力Ｐ_f、２つの高周波電圧ｖ_aおよびｖ_bの振幅Ａ、周波数ｆ、および位相差θ等を制御する。また、制御部１５は、目標電力Ｐ_fsをＰＷＭ信号生成部１６に出力する。

また、制御部１５は、ユーザによる入力部１９からの入力、または、予め設定されたプログラムによる自動入力によって、パルス状の高周波電力のパルス周波数、および、パルス状の高周波電力の第１レベルと第２レベルとのデューティ比（以下、パルスデューティ比という）の情報を取得する。例えば、パルス周波数としては、高周波電圧ｖ_aおよびｖ_bよりも周波数の低い（周期の長い）所定の周波数（例えば１０ｋＨｚ）が設定され、パルスデューティ比としては例えば５０％が設定される。制御部１５は、パルス周波数およびパルスデューティ比に基づいて、パルス状の高周波電力のパルス波形を指令するための出力制御信号を生成する。そして、制御部１５は、出力制御信号のハイレベル期間に位相差θを第１の位相差θ１とし、ローレベル期間に位相差θを第２の位相差θ２とするように切り替える。

（vii）ＰＷＭ信号生成部１６は、ＤＣ－ＤＣ変換部１１２を駆動するためのＰＷＭ信号Ｓ_PWMを生成し、そのＰＷＭ信号Ｓ_PWMをＤＣ－ＤＣ変換部１１２に出力する。ＰＷＭ信号生成部１６は、あらかじめ設定されたＰＷＭデューティ比に応じて、ＰＷＭ信号Ｓ_PWMを生成する。ＤＣ－ＤＣ変換部１１２から出力される直流電圧Ｖ_dcを大きくしたい場合は、大きなデューティ比が設定される。また、ＤＣ－ＤＣ変換部１１２から出力される直流電圧Ｖ_dcを小さくしたい場合は、小さなデューティ比が設定される。ＰＷＭデューティ比は、制御部１５から提供される、パルスのハイレベル期間の目標出力電力Ｐ_fsに基づいて設定される。例えば、ＰＷＭ信号生成部１６が目標出力電力Ｐ_fsとＰＷＭデューティ比との関係を示すテーブルや関係式を有しており、そのテーブルや関係式に基づいてＰＷＭデューティ比を設定するようにしてもよい。そのため、目標出力電力Ｐ_fsが変更されない限りＰＷＭデューティ比は一定であるので、ＤＣ－ＤＣ変換部１１２から出力される直流電圧Ｖ_dcも一定である。

（viii）高周波信号生成部１７は、ＤＣ－ＲＦ変換部１_１２１内の半導体スイッチ素子Ｑ_Bの駆動を制御する高周波電圧ｖ_aと第２のＤＣ－ＲＦ変換部４Ｂ内の半導体スイッチ素子Ｑ_Bの駆動を制御する高周波電圧ｖ_bとを生成する。高周波信号生成部１７は、制御部１５から入力される振幅Ａ、出力周波数ｆ、位相差（位相シフト量）θに基づいて高周波電圧ｖ_aおよびｖ_bを生成して、高周波電圧ｖ_aをＤＣ－ＲＦ変換部１_１２１に出力し、高周波電圧ｖ_bをＤＣ－ＲＦ変換部２_１２２に出力する。

（ix）入力部１９は、ユーザ（オペレータ）が制御部１５に対して指示を入力する手段であり、例えば、キーボード、機械的スイッチ、マウスやタッチパネルなどのポインティングデバイス、およびマイク等が該当する。後述するように、ユーザによる指示入力には、例えば、目標電力設定値（基準電力値）、各種出力電力変調パラメータ、および各種出力周波数変調パラメータが含まれる。

（x）表示部２０は、例えば、制御部１５の指令に基づいて、各種出力電力変調および出力周波数変調パラメータを入力するためのＧＵＩ（Graphical User Interface）を表示したり、負荷に供給中のＲＦ出力レベル、検出した進行波電力信号値および反射波電力信号値、負荷急変発生の有無、負荷急変発生時の負荷急変保護が作動中であることを示す情報などを表示したりする。

＜負荷急変時の保護機能の内容＞
図７は、本実施形態による、負荷急変検出および負荷急変検出時の保護処理の詳細を説明するためのフローチャートである。本実施形態による負荷急変検出処理では、以下で説明するステップ７０１およびステップ７０２において、進行波電力信号Ｐ_ｆおよび反射波電力信号Ｐ_ｒと定格電力および設定電力との関係をチェックしている。定格電力との関係をチェックするのは、高周波電源装置１０が許容する最大電力値との関係を見ないと、それ以上の電力を出力したときに高周波電源装置１０が破損する可能性（最大限界）があり、電源を保護するためである。また、設定電力との関係をチェックするのは、急峻な負荷変動を正確に検出するためである。例えば、電力が短い期間（後述のように５０μｓの時間間隔）に２００％（設定電力の２倍）にもなるような場合には急峻な負荷変動と判断し、１０％程度の増加であれば急峻な負荷変動とは判断しないようにしている。つまり、負荷変動が急峻でなければ定格基準の保護閾値を超えることはまずない。たとえこの定格基準の保護閾値を超えたとしても設定電力の閾値を短い期間で超えた場合にのみ負荷変動が大きいと判断して保護するようにしている。

なお、本実施形態による負荷急変検出処理は、判別継続時間、増加量しきい値をパラメータ化(変数化)しており、例えば判別継続時間を短く設定した場合は、瞬時の変化に対する判定も行うことが可能である。また、負荷急変判別処理における判別方法は１つのみに限定されず、複数の判別方法を用意することができる。この場合、それぞれの判別方法において、判別時間や増加量の閾値を個別に設定することで、様々な負荷変化に対する検出が可能となる。

（i）ステップ７０１
制御部１５の負荷急変判定部１５１は、進行波電力／反射波電力増加量演算部１８から進行波電力信号Ｐｆおよび反射波電力信号Ｐ_ｒを取得し（高周波電力検出部１４から直接取得する形態でもよい）、進行波電力信号Ｐ_ｆおよび反射波電力信号Ｐ_ｒが定格基準（高周波電源装置１０が連続動作するために許容可能な電力の最大値）の保護閾値（予め設定される第１閾値）を超えるか（あるいは、第１閾値以上か）否か判断する。進行波電力信号Ｐ_ｆおよび反射波電力信号Ｐ_ｒが定格基準の保護閾値を超える（あるいは、第１閾値以上の）場合（ステップ７０１でＹｅｓの場合）、負荷急変が起こったと判断され、処理はステップ７０４に移行する。一方、進行波電力信号Ｐ_ｆおよび反射波電力信号Ｐ_ｒが定格基準の保護閾値以下（あるいは第１閾値未満）の場合（ステップ７０１でＮｏの場合）、処理はステップ７０２に移行する。

（ii）ステップ７０２
負荷急変判定部１５１は、進行波電力信号Ｐ_ｆおよび反射波電力信号Ｐ_ｒが設定電力基準の保護閾値（予め設定される第２閾値）を超えるか（あるいは、第２閾値以上か）否か判断する。これにより負荷変動が発生したか判断される。

進行波電力信号Ｐ_ｆおよび反射波電力信号Ｐ_ｒが設定電力基準の保護閾値（第２閾値）を超える（あるいは、第２閾値以上の）場合（ステップ７０２でＹｅｓの場合）、処理はステップ７０３に移行する。進行波電力信号Ｐ_ｆおよび反射波電力信号Ｐ_ｒが設定電力基準の保護閾値以下（あるいは、第２閾値未満）の場合（ステップ７０２でＮｏの場合）、処理はステップ７０１に戻る。

（iii）ステップ７０３
負荷急変判定部１５１は、進行波電力信号Ｐ_ｆおよび反射波電力信号Ｐ_ｒが所定時間（例えば、５０μｓ）前の進行波電力信号Ｐ_ｆおよび反射波電力信号Ｐ_ｒとの差分、あるいは、例えば直近の所定時間（例えば、５０μｓ）間隔における進行波電力信号Ｐｆおよび反射波電力信号Ｐ_ｒの増加量が所定の閾値（予め設定される第３閾値）を超えるか（あるいは、第３閾値以上か）判断する。ステップ７０３では、ステップ７０２で検知された負荷変動が急峻な負荷変動（アーク検知（数１０から数１００μｓの応答速度で検知）でも検知できないような急峻な負荷変動）であるか判断される。緩やかな（所定時間以上掛けて変動する）負荷変動であれば、通常の動作（位相差を制御するのではなく、ＤＣ－ＤＣ変換部１１２へのフィードバック制御で対応）によって反射波電力が下げられる。

上記差分または上記増加量が所定の閾値（予め設定される第３閾値）を超える（あるいは第３閾値以上の）場合（ステップ７０３でＹｅｓの場合）、処理はステップ７０４に移行する。一方、上記差分または上記増加量が所定の閾値（予め設定される第３閾値）以下（あるいは第３閾値未満）の場合（ステップ７０３でＮｏの場合）、処理はステップ７０１に戻る。

（iv）ステップ７０４
制御部１５の位相シフト量決定部１５２は、直近の所定時間以内（例えば、２００ｍｓ以内）に所定回数（例えば、３回）以上の保護処理（位相シフト）を実行したか否か判断する。保護回数が所定回数に達している場合（ステップ７０４でＹｅｓの場合）、処理はステップ７０５に移行する。一方、保護回数が所定回数に未だ達していない場合（ステップ７０４でＮｏの場合）、処理はステップ７０６に移行する。

（v）ステップ７０５
制御部１５は、これ以上保護処理を実行できず、電力供給を継続できないと判断し、警報音あるいは警報表示を発生させるとともに、負荷４０への電力供給を停止する。このように、予め定められた時間内の負荷急変判定回数をカウントし、予め定められた回数に達した場合は高周波出力を停止することにより、それ以上の電気的ストレスを排除することが可能となる。

（vi）ステップ７０６
制御部１５は、周波数整合動作を無効とする。すなわち、高周波電源装置１０の出力周波数ｆを所定範囲内（例えば、規定の出力周波数の±５％、±１０％等の範囲内）で変化させて、高周波電源装置１０から負荷側を見たインピーダンスを調整する動作を停止させる。この際、出力周波数ｆは、例えば、保護処理開始時点での周波数に固定される。もちろん、この周波数に限定されるものではなく、例えば、規定の出力周波数ｆ（１３．５６ＭＨｚ）に設定してもよい。

（vii）ステップ７０７
位相シフト量決定部１５２は、所定の設定時間（後述のパラメータ「開始位相シフト時間」に相当）掛けてＤＣ－ＲＦ変換部１_１２１とＤＣ－ＲＦ変換部２_１２２の位相が所定量（例えば、１８０度）ずれるように位相シフト量を高周波信号生成部１７に出力する。そして、高周波信号生成部１７（２つ以上の発振器を含む）は、位相シフト量決定部１５２から提供された位相シフト量に応じた位相で高周波信号（ＲＦ信号）を電力増幅部１２に出力する。なお、位相シフト制御時は電力増幅部１２から出力された電力は合成部１３内の抵抗によって消費され、高周波電源装置１０の出力としては負荷４０側に出力されない。このため、出力電力は垂下していくことになる。

（viii）ステップ７０８
制御部１５は、ＤＣ－ＤＣ変換部１１２のＤＣ設定と制御部１５に含まれる補償器（図示せず）をクリア（リセット）する。当該クリア処理が行われると、負荷急変時の保護処理は終了する。なお、再起動の動作は、後述の保護機能の解除処理で行われる（ステップ８０５参照）。

＜負荷急変保護機能解除の内容＞＞
図８は、本実施形態による、負荷急変検出時の保護機能の解除処理を説明するためのフローチャートである。

（i）ステップ８０１
制御部１５は、図７に示す負荷急変検出時の保護処理（位相シフト制御（ステップ７０７）に相当）を開始してから、所定時間（例えば、１００μｓ：後述の「解除時間」というパラメータで規定される）経過したか否か判断する。保護処理を開始してから１００μｓ経過している場合（ステップ８０１でＹｅｓの場合）、処理はステップ８０４に移行する。保護処理を開始してから未だ１００μｓ経過していない場合（ステップ８０１でＮｏの場合）、処理はステップ８０２に移行する。

（ii）ステップ８０２
制御部１５は、進行波電力信号Ｐ_ｆおよび反射波電力信号Ｐ_ｒが設定電力値の所定割合（例えば、１００％）以下であるか否か判断する。進行波電力信号Ｐ_ｆおよび反射波電力信号Ｐ_ｒが設定電力値の所定割合以下である場合（ステップ８０２でＹｅｓの場合）、処理はステップ８０３に移行する。一方、進行波電力信号Ｐ_ｆおよび反射波電力信号Ｐ_ｒが設定電力値の所定割合より大きい場合（ステップ８０２でＮｏの場合）、処理はステップ８０１に戻る。

（iii）ステップ８０３
制御部１５は、進行波電力信号Ｐ_ｆが定格電力値の所定割合（例えば、１０％）以下であるか否か判断する。進行波電力信号Ｐ_ｆが定格電力値の所定割合以下である場合（ステップ８０３でＹｅｓの場合）、処理はステップ８０４に移行する。一方、進行波電力信号Ｐ_ｆが定格電力値の所定割合より大きい場合（ステップ８０３でＮｏの場合）、処理はステップ８０１に戻る。

（iv）ステップ８０４
高周波信号生成部１７は、所定の設定時間（ステップ７０７における設定時間（後述のパラメータ「開始位相シフト時間」に相当））掛けて、位相シフト量決定部１５２から提供された位相シフト量（目標値）までずらしながら、高周波信号（ＲＦ信号）を電力増幅部１２に出力する。位相を目標位置までずらし終えたら、処理はステップ８０５に移行する。

（v）ステップ８０５
制御部１５は、ＤＣ－ＤＣ変換部１１２におけるＤＣ設定のための制御信号を再度送信開始し、制御部１５に含まれる補償器（図示せず）の動作を復帰させる（動作のリスタート）。

（vi）ステップ８０６
制御部１５は、保護機能を無効にする無効時間（後述のパラメータに含まれる「保護再開待ち時間」に相当）待って、保護の必要性の判定処理（つまり、負荷急変検出処理）、および周波数整合処理を再開する。当該処理再開により、負荷急変保護機能解除処理が終了する。

＜保護動作および保護動作解除の一連の流れ＞
図９は、図７および図８で説明した負荷急変保護動作および保護動作解除の一連の流れを説明するためのタイムチャートである。
ここで、図９に示すように、時間ｔ１で負荷急変が開始し、図７のフローチャートに基づく処理によって時間ｔ２に負荷急変と判定されたとする。そして、時間ｔ３で位相シフト制御が開始される。時間ｔ１からｔ３までの間は、進行波電力の値は上昇し続けている。時間ｔ３で位相シフト制御が開始されると、例えば０度から１８０度へ徐々に位相シフトするに従って、進行波電力値が下降していく。時間（ｔ４－ｔ３）の値は、位相シフト制御区間であり、後述のパラメータ「開始位相シフト時間」によって規定される。位相シフト制御区間が終了した（時間ｔ４）場合、あるいは出力電力が予め決められた電力まで垂下した場合、位相シフト制御が解除され（保護動作解除）、上述のように、ＤＣ設定動作と補償器の動作が再開されて通常の電力フィードバック制御に移行する。そして、時間ｔ５になると、通常の電力フィードバック制御によって高周波電源装置１０の出力は所定の電力に復帰する。

＜パラメータ設定画面構成例＞
図１０は、本実施形態による負荷急変保護機能に関する各種パラメータを設定するためのパラメータ設定画面１０００の構成例を示す図である。パラメータ設定画面１０００は、例えば、表示部２０の表示画面に表示されるＧＵＩ（Graphical User Interface）であって、各項目の値は入力部１９を介してユーザによって入力される。

パラメータ設定画面１０００は、設定項目として、例えば、開始対象モニタ選択１００１と、開始進行波電力（設定）[％]１００２と、開始進行波電力（定格）[％]１００３と、開始判定時間[２０ｎｓ]１００４と、開始位相シフト時間[２０ｎｓ]１００５と、開始シフト位相[°]１００６と、ＤＣ設定選択１００７と、解除時間[μｓ]１００８と、解除対象モニタ選択１００９と、解除電力（設定）[％]１０１０と、解除位相シフト時間[２０ｎｓ]１０１１と、整合再開待ち時間「ｍｓ」１０１２と、アラーム判定時間[ｍｓ]１０１３と、アラーム判定回数１０１４と、無効時間（ＲＦ ＯＮ時）[ｍｓ]１０１５と、無効時間（設定変更）[ｍｓ]８１６と、開始反射波電力（定格）[％]１０１７と、保護再開待ち時間[ｍｓ]１０１８と、解除反射波電力（定格）[％]１０１９と、復帰時スローアップ１０２０と、立ち上がり時Ｐ_f時定数１０２１と、保護無効設定電力[Ｗ]１０２２と、を含んでいる。

開始対象モニタ選択１００１は、急変判定対象を進行波電力もしくは反射波電力、あるいはその両方のいずれかに選択するための項目である。

開始電力（設定）[％]１００２は、電力設定値（電力設定基準）に対してどの程度の割合（％）で電力が増加したときに位相シフト制御を開始するかを示す情報である。例えば１０ｋＷで動作する電源装置において、開始電力（設定）[％]１００２が２００％に設定されている場合、２０ｋＷまで電力が上昇したときに位相シフト制御を実行するフェーズであると判断される。

開始電力（定格）[％]１００３は、定格電力に対してどの程度の割合の電力値となったときに位相シフト制御を開始するかを示す情報である。定格電力は、電源装置そのものが持っている電力値が３０ｋＷである場合、例えば、開始電力（定格）[％]１００３を１１５％に設定したとすると、進行波電力値Ｐ_fが３４．５ｋＷになったときに位相シフト制御を実行するフェーズであると判断される。

開始判定時間[２０ｎｓ]１００４は、開始判定時間を示す情報であり、上記ステップ７０３において、「所定時間」に相当する時間を付与するパラメータとなっている。例えば、この欄に、「２５００」という値が入っていた場合、開始判定時間は２５００×２０ｎｓ＝０．０５ｍｓということになる。
開始位相シフト時間[２０ｎｓ]１００５は、保護開始（位相シフト制御開始）から開始シフト位相になるまでの位相シフト移行時間を示す情報である。開始位相シフト時間[２０ｎｓ]１００５は、図９における位相シフト制御区間に相当する時間である。開始位相シフト時間掛けて徐々に位相が目標量（開始シフト位相[°]１００６で規定される）まで変化するように制御するようにしてもよい。

開始シフト位相[°]１００６は、位相シフト制御時の位相シフト量を示す情報である。ＤＣ設定選択１００７は、保護解除後の復帰時における、電力フィードバック制御操作量を示す情報である。復帰時の操作量は０（ゼロ）からスタートすることが可能であるが、例えば、半導体処理装置の付加状況によっては、保護開始前の操作量を引き継いだり、予め定められた固定値にしてもよい。

解除時間[μｓ]１００８は、保護開始から保護解除までの時間を示す情報である。解除対象モニタ選択１００９は、保護解除判定を進行波電力あるいは反射波電力のいずれに選択するかを示す情報である。例えば、解除対象モニタ選択１００９が「１」の場合には進行波電力、「０」の場合には反射波電力が選択されている。解除電力（設定）[％]１０１０は、保護を解除する進行波電力の閾値を示す情報である。保護中に進行波電力が設定電力の所定割合（％）以下になったときに保護が解除される。

解除位相シフト時間[２０ｎｓ]１０１１は、保護解除後から位相シフト量を元に戻すまでの移行時間を示す情報である。図９の通常制御への移行区間に相当する時間（ｔ５－ｔ４）である。整合再開待ち時間[ｍｓ]１０１２は、保護解除後、周波数整合を再開するまでの待ち時間を示す情報である。

アラーム判定時間[ｍｓ]１０１３は、保護機能を動作させるか否かを決定するための時間を示す情報である。アラーム判定回数１０１４は、保護機能を動作させるか否かを決定するための回数を示す情報である。アラーム判定時間内にアラーム判定回数分の保護機能が動作した場合、アラームが出力され、高周波出力が停止される。

無効時間（ＲＦ ＯＮ時）[ｍｓ]１０１５は、ＲＦ ＯＮ以降から保護機能を無効にする時間を示す情報である。つまり、無効時間（ＲＦ ＯＮ時）[ｍｓ]１０１５が設定されている場合には、ＲＦがＯＮとなった後、設定された時間保護機能が無効にされる。無効時間（設定変更）[ｍｓ]１０１６は、電力設定変更から保護機能を無効にする時間を示す情報である。つまり、電力設定変更直後から設定された時間保護機能が無効にされる。

開始反射波電力（定格）[％]１０１７は、位相シフト制御を開始する電力を定格電力に対してどの程度の割合以上の反射波電力になった場合とするかと示す情報である。つまり、保護機能動作中に反射波電力値が定格電力の設定割合（開始反射波電力（定格）[％]１０１７で規定された％）以下になったときに保護機能が解除される。

保護再開待ち時間[ｍｓ]１０１８は、保護機能解除後から保護機能有効までの待ち時間を示す情報である。図８のステップ８０６の無効時間に相当するものである。解除反射波電力（定格）[％]１０１９は、保護機能を解除するときの進行波電力の閾値を示す情報である。

復帰時スローアップ１０２０は、保護機能解除から復帰時の電力設定スローアップ時間を示す情報である。つまり、保護機能解除から高周波出力復帰時には電力がスローアップして立ち上げられるが、この立ち上げに掛ける時間である。図９における通常制御への移行区間に相当するものである。立ち上がり時のＰｆ時定数１０２１は、保護機能開始時の電力設定立下り時定数を示す情報である。保護機能開始後に設定電力は０（ゼロ）に引き下げられるまでの時間を示している（時間を掛けて０にするか直ぐに０にするか）。保護無効設定電力[Ｗ]１０２２は、保護機能を有効にするときの設定電力の閾値を示す情報である。閾値以下の設定電力の場合には、開始電力（設定）[％]１００３の閾値による保護機能は無効（負荷急変に対する保護がなされない）とされる。従って、図７による処理の実行は、負荷急変に対する保護機能が有効（enable）であることが前提となる。

＜負荷急変の例＞
図１１は、負荷急変として検出可能な電力変化の態様例を示す図である。本実施形態では、負荷急変か否か判断する場合、負荷変化量の累積値に基づくことができる。

図１１において、データＡは、進行波電力もしくは反射波電力が単調に増加し続けた場合である。データＢは、進行波電力もしくは反射波電力が一旦増加量閾値付近まで上昇した後、元の電力もしくはその付近まで低下し、再度増加して閾値を超える場合である。データＣは、比較的小さな増減を繰り返した場合である。

例えば、データＢの場合、時間１．５μｓから２．５μｓの間で電力値が下降しているので、負荷急変ではないように見えるが、上述のように、負荷急変か否かは電力増加の累積値で見ることもできるので、データＢの場合も負荷急変と判断するように設定することができ、負荷急変に対する保護機能が動作することになる。

＜負荷急変に対する保護機能の効果＞
図１２は、本実施形態による保護機能を負荷急変時に動作させたときの効果（シミュレーション）を説明するための図（電流値のシミュレーション波形）である。図１２Ａは、保護機能を動作させないときの電流値（電力増幅器のスイッチング素子(ＭＯＳＦＥＴなど)に流れる電流値）の推移を示すグラフである。図１２Ｂは、保護機能を動作させたときの電流値の推移を示すグラフである。図１３は、本実施形態による保護機能を負荷急変時に動作させたときの効果（電力値の実測値）を説明するための図（図13は方向性結合器で電圧変換された電力値をオシロスコープで表示した波形）である。図１３Ａは、保護機能を動作させないときの電力値の推移を示すグラフである。図１３Ｂは、保護機能を動作させたときの電力値の推移を示すグラフである。

図１２Ａに示されるように、位相シフト制御による保護機能を動作させない場合には、負荷急変後に電流値が急増している。一方、図１２Ｂに示されるように、位相シフト制御による保護機能を動作させた場合には、周波数整合動作時と同等の電流値に制御されていることが分かる。また、図１３ＡおよびＢに示されるように、実測の場合でも、位相シフト制御による保護機能を動作させることにより、出力電力が抑制されていることが分かる。

＜まとめ＞
（i）本実施形態のよる高周波電源装置１０は、検出した進行波電力信号および反射波電力信号の変化量によって、負荷急変を検出し、負荷急変を検出した場合に少なくとも２つの電力増幅器の各位相を変化させて、高周波出力を変化させる。これにより、合成部（電力合成部）１３に入力される電力および電流の急激な上昇を抑制することができるようになる。

具体的には、図７に示されるように、高周波電源装置１０は、進行波電力信号あるいは反射波電力信号が所定の定格電力を基準とした第１閾値（開始電力（定格）[％]１００３）を超えている場合に、電力増幅器の各位相を変化させる負荷急変保護機能を動作させる。また、高周波電源装置１０は、進行波電力信号あるいは反射波電力信号が第１閾値以下であり（図７のステップ７０１でＮｏの場合）、進行波電力信号あるいは反射波電力信号が所定の設定電力を基準とした第２閾値を超えた場合（ステップ７０２でＹｅｓの場合）、設定された判定時間（例えば、５０μｓ前あるいは直近の５０μｓ間）における進行波電力信号および反射波電力信号の変化量が第３閾値を超えたか判断し、変化量が第３閾値を超えた場合（ステップ７０３でＹｅｓの場合）に、負荷急変保護機能を動作させるように構成されている。このように、進行波電力信号あるいは反射波電力信号と、定格電圧との関係および設定電圧との関係から負荷急変の有無を検出するので、負荷急変の発生を確実に検出することができ、負荷への電気的ストレスを低減することができるようになる。

上記進行波電力信号および反射波電力信号の変化量を演算する場合、例えば、それぞれの信号から基本波信号を取り出し、それに基づいて上記変化量を演算してもよい。進行波電力信号および反射波電力信号の主たる成分は基本波信号である。したがって、ディジタルフィルタ(バンドパスフィルタ)によって、基本波信号を取り出すことにより、精度が高い電力演算が可能となり、より適切な保護動作が可能となる。

さらに、高周波電源装置１０は、進行波電力信号もしくは反射波電力信号が、単調増加する場合、あるいは、増減を繰り返しながら増加する場合に、変化量を演算するように構成される。このようにすることにより、一見すると負荷急変ではないと思われるが実は負荷に対するストレスが過大となっている電力増加を負荷急変として検知することができるようになる。

高周波電源装置１０は、負荷急変時に電力増幅器の位相を変化させる負荷急変保護機能に関する複数の条件を設定するための設定画面を生成し、当該設定画面を表示装置の表示画面上に表示してユーザに提示する。そして、当該装置１０は、設定画面（図１０）を介して入力された複数の条件（各パラメータ値は、ユーザによって入力されるようにしてもよいし、プログラムによって入力されるようにしてもよい）に基づいて、負荷急変保護機能を動作させる。このようにすることにより、高周波電源装置１０に接続される負荷４０の種類に応じて、最適なパラメータを用いることが可能となる。例えば、設定画面は、負荷急変時保護機能を適用する保護機能適用時間（開始位相シフト時間[２０ｎｓ]１００５）を設定することが可能なように構成される。高周波電源装置１０は、負荷急変を検出したとき、この保護機能適用時間を掛けて、電力増幅器の各位相を徐々に変化させる（例えば、１８０度まで）ように構成されている。また、設定画面は、負荷急変時保護機能の解除後に電力増幅器の位相を元に戻すまでの移行時間（解除位相シフト時間[２０ｎｓ]１０１１）と、負荷急変時保護機能の解除からフィードバック制御に復帰する時の電力の立ち上げ時間（復帰時スローアップ１０２０）を設定することが可能なように構成されている。そして、高周波電源装置１０は、移行時間を掛けて電力増幅器の各位相を徐々に元に戻すと共に、立ち上げ時間を掛けて高周波出力を立ち上げる。このようにすることにより、負荷急変時の位相シフト制御の際、および位相シフト制御から通常制御に復帰する際に、高周波電源装置１０および負荷４０に無用なストレスを与える事態を回避することができる。

（ii）本開示は、実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードによっても実現できる。この場合、プログラムコードを記録した記憶媒体をシステム或は装置に提供し、そのシステム或は装置のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ）が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出す。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施形態の機能を実現することになり、そのプログラムコード自体、及びそれを記憶した記憶媒体は本開示を構成することになる。このようなプログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭなどが用いられる。

また、プログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳ（オペレーティングシステム）などが実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって前述した実施の形態の機能が実現されるようにしてもよい。さらに、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータ上のメモリに書きこまれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータのＣＰＵなどが実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって前述した実施の形態の機能が実現されるようにしてもよい。

さらに、実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを、ネットワーク（添付図面には図示せず）を介して配信することにより、それをシステム又は装置のハードディスクやメモリ等の記憶手段又はＣＤ－ＲＷ、ＣＤ－Ｒ等の記憶媒体に格納し、使用時にそのシステム又は装置のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ）が当該記憶手段や当該記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して実行するようにしても良い。

最後に、ここで述べたプロセス及び技術は本質的に如何なる特定の装置に関連することはなく、コンポーネントの如何なる相応しい組み合わせによってでも実装できることを理解する必要がある。更に、汎用目的の多様なタイプのデバイスがここで記述した内容に従って使用可能である。ここで述べた方法のステップを実行するのに、専用の装置を構築するのが有益である場合もある。また、実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。本開示は、具体例に関連して記述したが、これらは、すべての観点において限定の為ではなく説明の為である。本分野にスキルのある者には、本開示を実施するのに相応しいハードウェア、ソフトウェア、及びファームウエアの多数の組み合わせがあることが解るであろう。例えば、記述したソフトウェアは、アセンブラ、Ｃ／Ｃ＋＋、ｐｅｒｌ、Ｓｈｅｌｌ、ＰＨＰ、Ｊａｖａ（登録商標）等の広範囲のプログラム又はスクリプト言語で実装できる。

さらに、上述の実施形態において、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。全ての構成が相互に接続されていても良い。

１０ 高周波電源装置
１１ 直流電源部
１２ 電力増幅部
１３ 合成部
１４ 高周波電力検出部
１５ 制御部
１６ ＰＷＭ信号生成部
１７ 高周波信号生成部
１８ 進行波電力／反射波電力増加量演算部
１９ 入力部
２０ 表示部
３０ インピーダンス整合器
４０ 負荷
５０ 商用電源
１２１ ＤＣ－ＲＦ変換部１
１２２ ＤＣ－ＲＦ変換部２
１５１ 負荷急変判定部
１５２ 位相シフト量決定部

Claims (4)

1. 接続される負荷に対して高周波出力を供給する高周波電源装置であって、
   少なくとも２つの電力増幅器と、
   少なくとも１つの電力合成部と、
   前記電力合成部から出力され、前記負荷に供給する進行波電力信号と、前記負荷からの反射波電力信号と、を検出する高周波電力検出部と、
   前記検出した進行波電力信号および反射波電力信号の変化量によって、負荷急変を検出し、前記負荷急変を検出した場合に前記電力増幅器の各位相を変化させて、前記高周波出力を変化させるように構成された制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   負荷急変時に前記電力増幅器の位相を変化させる負荷急変時保護機能に関する複数の条件を設定するための設定画面であって、前記負荷急変時保護機能を適用する保護機能適用時間を設定することが可能なように構成される設定画面を生成し、当該設定画面を表示装置の表示画面上に表示し、前記設定画面を介して入力された前記複数の条件に基づいて、前記負荷急変時保護機能を動作させ、
   前記保護機能適用時間を掛けて、前記電力増幅器の各位相を徐々に変化させる、高周波電源装置。
2. 請求項１において、
   前記制御部は、前記進行波電力信号および反射波電力信号からそれぞれの基本波信号を取り出し、基本波進行波電力信号および基本波反射波電力信号の変化量を演算し、当該変化量に基づいて前記負荷急変を検出する、高周波電源装置。
3. 請求項２において、
   前記制御部は、前記進行波電力信号もしくは反射波電力信号が、単調増加する場合、あるいは、増減を繰り返しながら増加する場合に、前記変化量を演算する、高周波電源装置。
4. 請求項１において、
   前記設定画面は、前記負荷急変時保護機能の解除後に前記電力増幅器の位相を元に戻すまでの移行時間と、前記負荷急変時保護機能の解除からフィードバック制御に復帰する時の電力の立ち上げ時間を設定することが可能なように構成され、
   前記制御部は、前記移行時間を掛けて前記電力増幅器の各位相を徐々に元に戻すと共に、前記立ち上げ時間を掛けて前記高周波出力を立ち上げる、高周波電源装置。