KR20220141799A - 고주파 전원 장치의 제어 방법 및 고주파 전원 장치 - Google Patents

고주파 전원 장치의 제어 방법 및 고주파 전원 장치 Download PDF

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KR20220141799A
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아쯔시 타카야나기
토시노리 타케우치
히로카즈 타카다
소이치 요코야마
히로 나카야마
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가부시끼가이샤교산세이사꾸쇼
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Abstract

주파수 범위 내에 있어서, 출력 지령치를 고주파 증폭기가 허용하는 출력 지령의 상한을 넘지 않도록 억제한다. 본 발명의 고주파 전원 장치의 제어 방법 및 고주파 전원 장치는, 가변 주파수의 주파수 범위에 있어서 주파수 제어를 행함과 함께, 가변 주파수의 주파수 범위에 있어서, 고주파 증폭기의 출력을 제어하는 출력 지령치의 상한을 출력 리미트 값에 의해 제한함으로써, 과잉 지령에 의한 고주파 증폭기의 손상을 방지한다.

Description

고주파 전원 장치의 제어 방법 및 고주파 전원 장치
본 발명은, 고주파 전력을 부하에 공급하는 고주파 전원 장치의 제어 방법 및 고주파 전원 장치에 관한 것이다.
고주파 전원 장치로부터 부하에 고주파 전력을 고효율로 공급하려면, 반사파 전력을 저감하기 위해서, 부하의 임피던스 변동에 따라 임피던스 정합(임피던스 매칭)을 행하는 것이 알려져 있다. 예를 들면, 부하가 플라즈마 부하인 경우에는, 플라즈마가 미착화(未着化) 상태로부터 착화 상태로 천이하는 과정 외에도, 챔버 내의 가스 상태나 압력 상태 등의 챔버 환경의 변화에 의해 부하의 임피던스가 변동한다. 부하 임피던스의 변동에 의해 임피던스 부정합이 발생하면, 부하로부터 고주파 전원 장치로 되돌아오는 반사파 전력이 증가하여, 실효적으로 부하에 공급되는 부하 전력이 저하한다. 한편, 부하 전력은, 고주파 전원 장치로부터 부하에 공급하는 진행파 전력에서 부하로부터 되돌아오는 반사파 전력량을 뺀전력이고, 부하에 실효적으로 공급되는 전력이다.
임피던스 정합 기술로서, 부하측으로부터 고주파 전원측으로 되돌아오는 반사파 전력을 검출하고, 검출한 반사파 전력에 따라 고주파 전원으로부터 부하측으로 공급하는 진행파 전력을 증가시킴으로써, 반사파 전력에 의한 부하 전력의 저하를 보완하는 기술이 알려져 있다.
특허문헌 1에는 주파수 제어에 의한 임피던스 정합이 개시되어 있다. 진행파 전력에 반사파 전력에 상당하는 전력을 가산함으로써 부하 전력의 저하를 보완할 때에, 반사파 전력이 큰 경우에 진행파 전력이 과잉(過剩)으로 되어 출력이 과대해질 우려가 있다. 특허문헌 1은, 과대 출력을 저감하기 위해서, 주파수를 제어해서 반사파를 저감시킨 후, 반사파 전력에 상당하는 전력을 진행파 전력에 가산하도록 출력을 제어하는 기술을 개시하고 있다(특허문헌 1).
특허문헌 2에는 주파수 제어에 의한 임피던스 정합에 있어서 가변 주파수의 주파수 범위를 제한하는 기술이 개시되고, 기준 주파수를 포함하는 미리 정해진 주파수 범위 내에서 반사 계수 절대치가 최소로 되도록 발진 주파수를 변경시킨다. 발진 주파수를 변경시킨 경우, 발진 주파수의 변화폭이 좁은 경우라도 부하의 임피던스가 크게 변동하는 일이 있다. 부하 임피던스가 크게 변동하면 부하에 인가되는 전압이 저하하여, 방전의 유지가 곤란한 상태로 되는 일이 있다. 그 때문에, 특허문헌 2에서는 주파수 제어의 주파수 범위를 제한하여, 공급 전력의 저하를 억제하고 있다(특허문헌 2).
일본 특허 공개 제2013－197080호 공보 일본 특허 공개 제2006－310245호 공보(단락 0073)
상기한 바와 같이, 주파수 제어는 발진 주파수를 변화시키는 제어 형태이다. 이 제어 형태에서는, 발진 주파수의 변화에 의한 큰 임피던스 변화를 억제하기 위해서, 주파수 제어의 가변 주파수의 주파수 범위를 제한하고 있다.
주파수 제어의 과제로서, 특허문헌 2는 부하 임피던스의 변동에 의한 공급 전력의 저하를 들고 있다. 특허문헌 2에서는, 가변 주파수의 주파수 범위를 제한함으로써 공급 전력의 저하를 억제하고 있다. 이 경우에는, 주파수 제어의 가변 주파수는 주파수 범위 내로 한정되고, 주파수 범위 외의 주파수에 대하여는 주파수 제어의 대상 외로 된다.
그 때문에, 임피던스의 변동폭이 커지는 부하 조건에서는, 제한된 협소한 주파수 범위 내에서의 주파수 제어에 의해서는 충분히 제어할 수 없다고 하는 과제가 있어, 보다 넓은 주파수 범위에서의 주파수 제어가 요망된다.
주파수 제어에서는, 고주파 증폭기의 출력 특성의 제약에 의한 출력의 저하를 보상하기 위해서 고주파 전원 장치가 구비하는 고주파 증폭기의 출력을 상승시킨다. 이 때, 가변 주파수의 주파수 범위를 확대시킨 경우에는 고주파 증폭기의 출력 상승이 보다 커지기 때문에, 고주파 필터 등의 회로의 구성요소인 콘덴서나 코일로의 인가 전압이나 인가 전류가 상승해서 정격치를 넘을 우려가 있다.
이 고주파 증폭기의 출력 상승은, 고주파 증폭기의 오픈 루프 특성이 부하 임피던스에 대해서 플랫(flat)하지 않기 때문에 생긴다. 부하에 따라서는, 고주파 증폭기는 출력 지령치에 비해서 출력치의 상승이 부족하다. 주파수 제어는, 출력치의 상승 부족을 해소하기 위해, 고주파 증폭기로의 지령치를 더욱 상승시킨다.
도 23은 고주파 증폭기의 오픈 루프 특성과 출력 제어의 관계를 설명하기 위한 도면이다. 한편, 도 23에 도시하는 오픈 루프 특성은 개략을 나타내는 것으로서 실제의 특성을 나타내는 것은 아니다. 횡축은 주파수, 종축은 고주파 증폭기의 출력을 나타내고, 실선은 고주파 증폭기의 오픈 루프 특성을 나타내고, 파선은 플랫한 오픈 루프 특성을 나타내고, 일점 쇄선은 고주파 증폭기의 출력의 상한치를 나타내고 있다.
고주파 증폭기는 주파수에 의존한 오픈 루프 특성을 구비한다. 그 때문에, 플랫한 출력 특성을 예정한 출력 지령치 Pcommand1을 사용하면, 출력치 Pout는 오픈 루프 특성에 의해 출력 지령치 Pcommand1보다도 작은 값으로 된다. 그 때문에, 고주파 증폭기는, 출력치 Pout를 상승시키기 위해서, 출력 제어에 의해 출력 지령치 Pcommand1보다도 큰 출력 지령치 Pcommand2를 생성한다. 이 때, 출력 지령치 Pcommand2는 고주파 증폭기의 출력의 상한치 Plimit를 초과하는 경우가 있다.
고주파 증폭기의 출력의 상한치를 넘는 출력 지령치는, 고주파 증폭기나 필터의 회로 소자를 손상시킬 우려가 있다. 그 때문에, 회로의 구성요소를 보호하기 위해서, 고주파 증폭기로의 출력 지령치가 상한을 넘지 않도록 할 것이 요구된다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하여, 주파수 제어의 가변 주파수의 주파수 범위 내에 있어서, 설정한 부하 전력(LOAD 전력) 혹은 진행파 전력(FWD 전력)을 부하에 공급함과 함께, 출력 지령치를 고주파 증폭기가 허용하는 출력 지령의 상한을 넘지 않도록 억제하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 고주파 전원 장치의 제어 방법 및 고주파 전원 장치의 각 형태를 구비하고, 가변 주파수의 주파수 범위에 있어서 주파수 제어를 행함과 함께, 가변 주파수의 주파수 범위에 있어서, 고주파 증폭기의 출력을 제어하는 출력 지령치의 상한을 출력 리미트 값으로 제한함으로써, 과잉 출력 지령에 의한 고주파 증폭기의 손상을 방지하고, 반사파 전력을 저감한다.
(고주파 전원 장치의 제어 방법)
본 발명의 고주파 전원 장치의 제어 방법은,
(1) 고주파 전원 장치의 출력을 출력 지령에 기초하여 제어하는 출력 제어와,
(2) 직류-교류 변환에 의해 고주파 전력을 출력하는 고주파 증폭기와 부하 사이의 임피던스를 정합시키는 임피던스 매칭 제어를 구비하고, 출력 제어와 임피던스 매칭 제어를 개별적으로 독립해서 행한다. 본 발명의 제어에 의해 전력을 공급하는 부하 대상은, 예를 들면 임피던스 상태가 변동되는 플라즈마 부하가 있다.
임피던스 매칭 제어는,
(A) 고주파 증폭기의 피드백 신호에 기초하여 제어 주파수를 변동시켜 임피던스 정합을 행하는 주파수 제어와,
(B) 주파수 제어의 주파수 범위를 규정하는 주파수 리미트 값을 정하는 주파수 리미트 값 제어를 구비하고,
(C) 주파수 제어는, 주파수 리미트 값 제어로 정해진 주파수 리미트 값의 주파수 범위 내에 있어서 고주파 증폭기의 주파수를 제어함으로써 임피던스 정합을 행한다.
임피던스 매칭 제어는, 주파수 제어의 가변 주파수의 주파수 범위를 제한하고, 주파수 범위를 제한함으로써, 고주파 증폭기가 허용하는 출력 지령의 상한을 넘지 않도록 출력 지령치를 억제한다.
출력 제어는,
(D) 주파수 범위에 있어서, 출력을 제한하는 출력 리미트 값을 정하는 출력 리미트 값 제어를 더 구비하고,
(E) 출력 리미트 값 제어로 정해진 출력 리미트 값을 상한으로 하는 출력 지령치에 의해 고주파 증폭기의 출력을 제어한다.
(F) 출력 제어와 임피던스 매칭 제어는 개별적으로 독립해서 행한다.
본 발명의 임피던스 매칭 제어는, 임피던스 정합을 행하는 주파수 제어에 있어서, 출력 지령치의 상한을, 출력 리미트 값 제어로 정해진 출력 리미트 값에 의해 억제함으로써, 출력 지령치를 고주파 증폭기가 허용하는 출력 지령의 상한을 넘지 않도록 억제한다.
(고주파 전원 장치)
본 발명의 고주파 전원 장치는, 부하에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원 장치이고, 고주파 전력을 출력하는 고주파 증폭기와,
고주파 전원 장치의 출력을 출력 제어하는 출력 제어부와,
고주파 증폭기의 출력을 주파수 제어해서 부하와의 임피던스를 정합시키는 임피던스 매칭 제어의 제어부를 구비한다.
임피던스 매칭 제어부는,
(a) 고주파 증폭기의 피드백 신호에 기초하는 제어 주파수에 의해 제어 주파수를 변동시켜서 임피던스 정합을 행하는 주파수 제어부와,
(b) 주파수 제어의 주파수 범위를 규정하는 주파수 리미트 값을 정하는 주파수 리미트 값 제어부
를 구비하고,
주파수 제어부는,
(c) 주파수 리미트 값 제어부에서 정해진 주파수 리미트 값의 주파수 범위 내에 있어서 고주파 증폭기의 주파수를 제어한다.
제어부는, 임피던스 정합을 행하는 주파수 제어에 있어서, 출력 지령치의 상한을, 출력 리미트 값 제어로 정해진 출력 리미트 값에 의해 억제함으로써, 출력 지령치를 고주파 증폭기가 허용하는 출력 지령의 상한을 넘지 않도록 억제한다.
또한, 출력 제어부는,
(d) 주파수 범위에 있어서 출력 제어부의 출력 제어치를 제한하는 출력 리미트 값을 정하는 출력 리미트 값 제어를 구비하고,
(e) 출력 리미트 값 제어로 정해진 출력 리미트 값을 상한으로 하는 출력 지령치에 의해 고주파 증폭기의 출력을 제어한다.
출력 제어부와 임피던스 매칭 제어부는,
(f) 개별적으로 독립해서 제어된다.
(리미트 값 제어： 주파수 리미트 값 제어 및 출력 리미트 값 제어)
주파수 제어는, 고주파 전원 장치와 부하의 임피던스 정합 상태를 목표로 해서 제어 주파수를 변경하는 제어이다. 주파수 제어에 있어서, 임피던스 정합 시의 주파수를 기준 주파수로 했을 때, 제어 주파수가 기준 주파수로부터 어긋나는 정도가 클수록, 출력 지령치와 출력 피드백 신호의 차이가 커지기 때문에, 이 차이를 해소하기 위해 출력 지령치를 증대시킨다.
임피던스 정합의 주파수 특성은, 가변 주파수의 주파수 범위에 있어서, 주파수 범위의 주파수 단측의 출력 리미트 값은 주파수 중앙측의 출력 리미트 값보다도 낮은 값으로 된다. 본 발명은, 주파수 특성을 가지는 임피던스 정합의 주파수 제어에 대해서 리미트 제어를 적용하고, 임피던스 정합의 주파수 특성에 대해서, 임피던스 매칭의 주파수 제어에 있어서의 주파수 리미트 값 제어, 및 출력 제어에 있어서의 출력 리미트 값 제어의 리미트 값 제어를 구비한다.
주파수 리미트 값 제어는, 가변 주파수의 주파수 범위를 제어하는 제어이고, 출력 리미트 값 제어는, 증대한 출력 지령치가 고주파 증폭기의 허용을 넘지 않도록 억제하는 제어이고, 출력 리미트 값을 정하고, 이 출력 리미트 값을 상한으로 해서 출력 지령치를 제한한다.
리미트 제어에 있어서, 주파수 리미트 값 제어에 의한 주파수 범위의 제한, 출력 리미트 값 제어에 의한 출력 지령치의 제한에 의해, 주파수 제어의 과정에서 얻어진 제어 주파수에 대한 출력 지령치를 제한하고, 출력 지령치가 고주파 증폭기에 의해 허용되는 출력 지령의 상한을 넘지 않도록 억제한다.
(주파수 리미트 값 제어)
주파수 리미트 값 제어는, 주파수 제어에 의해서 임피던스 정합을 행하는 임피던스 매칭 제어에 있어서, 제어를 행하는 제어 주파수에 대하여 주파수 리미트 값을 정하고, 이 주파수 리미트 값으로 규정되는 주파수 범위 내에서 제어 주파수를 가변으로 한다.
(출력 리미트 값 제어)
출력 리미트 값 제어는, 가변 주파수의 주파수 범위 내에 있어서 출력 지령치를 출력 리미트 값으로 제한하는 제어이고, 출력 지령치가 출력 리미트 값을 넘는 경우에는, 출력 지령치를 출력 리미트 값으로 제한하여, 출력 리미트 값을 넘는 출력 지령치가 고주파 증폭기에 출력되지 않도록 제어한다.
출력 리미트 값은 주파수 특성을 가지고, 출력 리미트 값이 주파수 범위 내에 있어서 일정 값인 주파수 특성 외에도, 출력 리미트 값이 주파수 범위 내에서 다른 값을 취하는 주파수 특성으로 해도 된다. 예를 들면, 가변 주파수의 주파수 범위에 있어서 주파수 단측의 출력 리미트 값을 주파수 중앙측의 출력 리미트 값보다도 낮은 값으로 설정하는 주파수 특성으로 한다.
출력 리미트 값 제어는, 출력 지령치의 증대에 수반하여 출력이 상승하여, 과잉 출력 전압에 의해 고주파 증폭기 등의 회로 소자의 손상을 방지하기 위해서, 출력 지령치의 상한을 출력 리미트 값으로 제한하여, 출력 지령치가 출력 리미트 값을 넘어 증대되는 것을 억제한다. 출력 지령치의 주파수 특성은, 부하의 임피던스의 주파수 특성에 의존하는 바가 크다. 일반적으로 출력 지령치는, 제어 주파수가 기준 주파수로부터 어긋나는 정도가 클수록 커지는 특성이 있다는 점에서, 제어 주파수가 기준 주파수보다도 높은 주파수의 출력 지령치의 주파수 특성과, 제어 주파수가 기준 주파수보다도 낮은 주파수의 출력 지령치의 주파수 특성은 거의 대칭인 주파수 특성을 나타낸다.
이와 같이, 기준 주파수에 대해서 고주파수측과 저주파수측의 출력 지령치의 주파수 특성이 같고 대칭성을 가진다고 볼 수 있는 경우에는, 출력 리미트 값의 주파수 특성은, 가변 주파수의 주파수 범위 내의 기준 주파수에 대해서, 고주파수측의 주파수 특성과 저주파수측의 주파수 특성을 대칭으로 설정할 수가 있다.
또, 가변 주파수의 주파수 범위에 있어서, 제어 주파수가 기준 주파수보다도 높은 주파수의 출력 지령치의 주파수 특성과, 제어 주파수가 기준 주파수보다도 낮은 주파수의 출력 지령치의 주파수 특성이 다른 주파수 특성으로 되는 경우가 있다. 예를 들면, 고주파 증폭기의 오픈 루프 특성이 출력 리미트 값의 주파수 특성에 크게 영향을 미쳐, 제어 주파수가 기준 주파수에 대해서 고주파수측과 저주파수측의 주파수 특성이 다른 경우가 있다. 이와 같은 경우에는, 주파수 특성은 기준 주파수에 대해서 비대칭으로 되기 때문에, 출력 리미트 값의 주파수 특성을, 가변 주파수의 주파수 범위 내의 기준 주파수에 대해서 비대칭으로 설정할 수가 있다.
출력 리미트 값은, 고주파 전원 장치의 출력 형태에 따라 복수의 종류를 설정할 수 있고, 주파수 제어에 사용하는 복수의 피드백 신호에 대응하는 출력 지령에 대해서 정해진다.
(피드백 신호)
주파수 제어 및 리미트 제어에 있어서, 고주파 전원 장치의 피드백 신호는, 고주파 전원 장치의 출력측에서 얻어지는 고주파 증폭기의 신호를 사용한다. 이 피드백 신호로서 진행파 전력(FWD 전력), 반사파 전력(REF 전압), 부하 전력(LOAD 전력) 및 출력 전압이 있다. 한편, 고주파 전원 장치의 입력측 직류 전원의 신호로서 직류 전압, 직류 전류가 있고, 또 고주파 전원 장치의 전력 공급에 발생하는 것으로서 손실 전력이 있다. 부하 전력은, 진행파 전력에서 반사파 전력을 빼는(감산하는) 것에 의해 취득할 수가 있다.
진행파 전력, 반사파 전력, 부하 전력 및 출력 전압의 피드백 신호는, 부하 임피던스의 변동에 따라 변화하고, 주파수 제어는 이 피드백 신호들에 기초하여 고주파 증폭기의 출력의 주파수를 제어한다. 또, 직류 전압, 직류 전류의 피드백 신호는, 고주파 증폭기로 구동 전력을 공급하는 직류 전원의 출력 상태를 표시하고, 부하 임피던스의 변동과 마찬가지로 부하에 공급하는 공급 전력의 변동에 영향을 미친다.
주파수 제어는 이 피드백 신호들에 기초하여 고주파 증폭기의 출력의 주파수를 제어해서 임피던스 정합을 행하고, 부하 임피던스의 변동이나 직류 전원의 출력 상태의 변동의 영향에 대응해서, 고주파 전원 장치와 부하 사이의 임피던스를 정합시켜, 반사파 전력을 저감한다. 또, 출력 제어는, 주파수 제어와 개별적으로 행해서 전력 공급이 목표 전력으로 되도록 제어한다. 목표 전력은, 예를 들면 진행파 전력 혹은 부하 전력으로 하고, 고주파 전원 장치의 출력이 진행파 전력 지령치 혹은 부하 전압 지령치로 되도록 제어한다.
진행파 전력, 반사파 전력 및 출력 전압의 각 피드백 신호에 대응하는 출력 리미트 값은, 각각 진행파 전력 리미트 값, 반사파 전력 리미트 값 및 출력 전압 리미트 값이다. 또, 직류 전원의 직류 전압, 및 직류 전류의 각 피드백 신호에 대응하는 출력 리미트 값은, 각각 직류 전압 리미트 값, 직류 전류 리미트 값이다.
손실 전력의 피드백 신호에 대응하는 손실 전력 리미트 값은, 고주파 전원 장치로부터 부하에의 전력 공급에 있어서 발생하는 손실 전력에 대응하는 출력 리미트 값이다. 여기서, 손실 전력은 고주파 전원 장치의 전력 공급에 있어서 발생하는 손실분이고, 공급 전력에서 실효 전력을 감산한 전력에 상당하고, 고주파 전원 장치가 공급하는 전력분에서 진행파 전력과 반사파 전력을 감산함으로써 산출된다.
출력 리미트 값은 이 복수의 피드백 신호들의 적어도 하나에 대해서 정할 수 있고, 복수의 피드백 신호에 대한 출력 리미트 값에 대하여 임의의 조합에 의해 정해도 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 주파수 제어의 가변 주파수의 주파수 범위 내에 있어서, 설정한 부하 전력(LOAD 전력) 혹은 진행파 전력(FWD 전력)을 부하에 공급함과 함께, 출력 지령치를 고주파 증폭기가 허용하는 출력 지령의 상한을 넘지 않도록 억제한다.
도 1은, 본 발명의 고주파 전원 장치의 개략을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는, 출력 전압 라이징 시의 출력 제어로부터 주파수 제어로의 이행을 설명하기 위한 플로 차트이다.
도 3은, 출력 전압 라이징 시의 출력 제어로부터 주파수 제어로의 이행을 설명하기 위한 전력 변화 상태를 도시하는 파형도이다.
도 4는, 본 발명의 고주파 전원 장치의 개략 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는, 주파수 제어 및 주파수 리미트 값 제어에 의한 임피던스 매칭 제어의 플로 차트이다.
도 6은, 주파수 제어의 출력 주파수 특성도이다.
도 7은, 반사 전력 제어의 S2를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은, 주파수 리미트 값 제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는, FWD 리미트 값 제어의 동작 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은, FWD 리미트 값 제어의 동작 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은, 주파수 리미트 값 제어, 리미트 값 제어의 플로 차트이다.
도 12는, 도 10의 플로 차트의 공정을 설명하는 주파수 특성도이다.
도 13은, FWD 리미트 값 제어와 REF 리미트 제어의 전환(스위칭)을 도시하는 도면이다.
도 14는, 부하 전력(LOAD 전력)의 전환(P1→P2)을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는, 부하 전력(LOAD 전력)의 전환(P1→P2)을 설명하기 위한 전력 변화도이다.
도 16은, 부하 전력(LOAD 전력)의 전환(P1→P2)을 설명하기 위한 플로 차트이다.
도 17은, 부하 전력(LOAD 전력)의 전환(P2→P1)을 설명하기 위한 도면이다.
도 18은, 도 17과는 스타트 주파수를 달리한 부하 전력(LOAD 전력)의 전환(P2→P1)을 설명하기 위한 도면이다.
도 19는, 본 발명의 고주파 전원 장치의 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
도 20은, FWD 리미트 값의 주파수 특성의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 21은, FWD 리미트 값의 주파수 특성의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 22는, FWD 리미트 값의 주파수 특성의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 23은, 고주파 증폭기의 오픈 루프 특성과 출력 제어의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 고주파 전원 장치 및 제어 방법의 개략을 도 1 내지 도 5를 사용하여 설명하고, 주파수 제어 및 리미트 제어에 대하여 도 6 내지 도 18을 사용하여 설명하고, 고주파 전원 장치의 구성예에 대하여 도 19를 사용하여 설명하고, 진행파 전력 리미트 값의 주파수 특성의 예에 대하여 도 20 내지 도 22를 사용하여 설명한다. 한편, 주파수 제어 및 리미트 제어에 대하여는, 출력 지령을 부하 전력 지령(LOAD 전력 지령)으로 한 경우를 예로서 설명한다.
도 1은 고주파 전원 장치의 제어 방법 및 고주파 전원 장치의 개략도이고, 도 2, 도 3은 출력 전압 라이징 시의 출력 제어로부터 주파수 제어로의 이행을 설명하기 위한 플로 차트 및 전력 변화 상태를 도시하는 파형도이다.
도 4는 본 발명의 고주파 전원 장치의 개략 구성을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 주파수 제어 및 주파수 리미트 값 제어에 의한 임피던스 매칭 제어의 플로 차트이다.
도 6 내지 도 18에서 설명하는 주파수 제어 및 리미트 제어는, 부하 전력 지령을 출력 지령으로 한 경우의 제어예이고, 도 6은 주파수 제어의 출력 주파수 특성도이고, 도 7은 반사 전력 제어의 튜닝을 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 주파수 리미트 값 제어를 설명하기 위한 도면이고, 도 9, 도 10은 출력 리미트 값 제어(FWD 리미트 값 제어(진행파 전력 리미트 제어치 제어))의 동작 상태를 설명하기 위한 도면이고, 도 11, 도 12는 주파수 리미트 값 제어, 출력 리미트 값 제어의 플로 차트 및 주파수 특성도이고, 도 13은 출력 리미트 값 제어(FWD 리미트 값 제어(진행파 전력 리미트 제어치 제어))와 REF 리미트 제어(반사파 전력 리미트 제어치 제어)의 전환을 도시하는 도면이다.
도 14 내지 도 18은 부하 전력 지령(LOAD 전력 지령)의 전환을 설명하기 위한 도면이고, 도 14, 도 15 및 도 16은 부하 전력 지령을 P1로부터 P2로의 전환 시에 있어서의 주파수-전력 특성을 설명하는 도면, 전력의 시간 변화를 설명하는 도면 및 전환을 설명하기 위한 플로 차트이다. 도 17, 도 18은 부하 전력 지령을 P2로부터 P1로의 전환 시에 있어서의 주파수-전력 특성을 설명하는 도면이다. 한편, 도 17의 스타트 주파수와 도 18의 스타트 주파수는 다른 예이다. 도 19는 본 발명의 고주파 전원 장치의 구성예를 설명하기 위한 도면이다. 도 20은 진행파 전력 리미트 값의 주파수 특성의 일례를 도시하고, 도 21, 도 22는 진행파 전력 리미트 값의 주파수 특성의 다른 예를 도시하고 있다.
이하, 도 1을 사용하여 본 발명의 고주파 전원 장치의 제어 방법 및 고주파 전원 장치의 개략 구성을 설명한다.
(개략 구성, 개략 제어)
(출력 제어 및 임피던스 매칭 제어)
본 발명의 고주파 전원 장치의 제어는, 고주파 전원 장치의 출력을 설정 출력으로 제어하는 출력 제어와, 고주파 전원 장치와 부하 사이의 임피던스를 정합시키는 임피던스 매칭 제어를 각각 개별적으로 행한다. 도 1은 본 발명의 고주파 전원 장치의 제어의 개략을 도시하고 있다.
도 1에 있어서, 출력 제어는, 고주파 전원 장치로부터 부하에 공급하는 전력을 지령치에 따라 소정 전력으로 되도록 제어한다. 출력 제어는, 고주파 전원 장치로부터 부하를 향해 보내지는 진행파 전력(FWD 전력)을 제어하는 진행파 전력 제어(FWD 제어), 혹은 부하에 공급되는 부하 전력(LOAD 전력)을 제어하는 부하 전력 제어(LOAD 제어)를 적용할 수가 있다. 한편, 부하 전력(LOAD 전력)은, 고주파 전원 장치로부터 부하를 향해 보내지는 진행파 전력(FWD 전력)에서, 부하로부터 고주파 전원 장치로 되돌아오는 반사파 전력(REF 전력)을 뺀 전력(LOAD 전력=FWD 전력-REF 전력)에 상응한다. 이하에서는, 출력 제어로서 부하 전력(LOAD 전력) 제어에 대하여 설명한다. 부하 전력(LOAD 전력) 제어는, 진행파 전력의 피드백값(FWD-FB)에서 반사파의 피드백값(REF-FB)을 뺀 부하 전력을 부하 전력 지령치(LOAD-CO)를 향해 제어한다.
임피던스 매칭 제어는, 고주파 전원 장치와 부하 사이의 임피던스를 정합시키는 제어이다. 임피던스 정합을 행함으로써, 부하로부터 고주파 전원 장치로 되돌아오는 반사파 전력(REF 전력)을 저감시켜, 고주파 전원 장치로부터 부하에 공급하는 부하 전력(LOAD 전력)의 저감을 억제한다.
임피던스 매칭 제어는, 주파수 제어에 의해 고주파 증폭기의 동작 주파수를 제어함으로써 임피던스를 정합시킨다. 임피던스 매칭 제어에 있어서, 주파수 제어가 행하는 주파수 범위를 주파수 리미트 값 제어(FLV 제어： Frequency Limit Value 제어)에 의해 정한다. 주파수 리미트 값 제어는, 진행파 전력치(FWD 전력치)에 따라 주파수 리미트 값을 구한다. 주파수 리미트 값은, 주파수 제어의 주파수 범위를 규정하는 상한 주파수 및 하한 주파수이다. 주파수 제어는, 주파수 리미트 값 제어로 구한 주파수 리미트 값으로 정해지는 주파수 범위의 주파수에서 임피던스 정합을 행한다. 본 발명의 고주파 전원 장치의 제어 방법은, 진행파 전력치(FWD 전력치)에 따라 정해지는 주파수 리미트 값을 수시로 구하고, 구한 주파수 리미트 값에 따른 주파수 범위를 주파수 제어에 반영시킨다.
한편, 출력 제어에 있어서, 부하에의 공급 전력을 허용 전력 내로 유지하기 위해서, 출력 리미트 제어치 제어를 행한다. 출력 리미트 제어치 제어는, 출력 리미트 값에 의해 공급 전력을 출력 리미트 값 내로 억제한다. 출력 제어는, 진행파 전력 지령에 기초하는 진행파 전력 제어, 혹은 부하 전력 지령에 기초하는 부하 전력 제어를 적용할 수가 있다.
진행파 전력 제어는, 진행파 전력 피드백값(FWD-FB)이 진행파 전력 지령치(FWD-CO)로 되도록 고주파 증폭기를 구동하는 출력 지령치를 제어한다. 부하 전력 제어는, 진행파 전력 피드백값(FWD-FB)에서 반사파 전력 피드백값(REF-FB)을 뺀 부하 전력(LOAD 전력)이 부하 전력 지령치(LOAD-CO)로 되도록 고주파 증폭기를 구동하는 출력 지령치를 제어한다.
출력 리미트 값 제어는, 출력 지령치의 상한을 출력 리미트 값으로 억제함으로써 공급 전력을 출력 리미트 값 내로 억제한다. 출력 리미트 값으로서, 출력 리미트 값 제어에 의해 구한 FWD 리미트 값 혹은 LOAD 리미트 값을 사용한다.
출력 제어에 있어서 FWD 제어를 적용하는 경우에는, 진행파 전력의 상한을 FWD 리미트 값 제어로 구한 FWD 리미트 값으로 억제한다. 또, 출력 제어에 있어서 LOAD 제어를 적용하는 경우에는, 부하 전력의 상한을 LOAD 리미트 값 제어로 구한 LOAD 리미트 값으로 억제한다.
출력 제어로서 진행파 전력 제어를 행하는 경우에는, 출력 리미트 값으로서 FWD 리미트 값 제어로 구한 FWD 리미트 값을 사용한다. 출력 제어의 FWD 제어는, 진행파 전력의 상한을 FWD 리미트 값 제어로 구한 FWD 리미트 값으로 억제한다.
또, 출력 제어로서 부하 전력 제어를 행하는 경우에는 출력 리미트 값으로서 LOAD 리미트 값 제어로 구한 LOAD 리미트 값을 사용하고, 부하 전력 지령치가 LOAD 리미트 값 이하로 되도록 억제하는 것 외에도, LOAD 지령치에 반사파 전력 피드백(FER-FB)을 가산해서 얻어지는 진행파 전력 지령치가 FWD 리미트 값 이하로 되도록 억제한다.
이 출력 리미트 값 제어에 의해, 출력 지령치의 상한을 출력 리미트 값으로 억제함으로써 공급 전력을 출력 리미트 값 내로 억제한다.
(출력 제어로부터 주파수 제어로의 이행)
도 2, 도 3의 플로 차트 및 파형도를 사용하여, 고주파 전원 장치에 의한 출력 제어 및 가변 주파수 제어에 대하여 설명한다. 도 3은 전력 파형의 일례를 도시하고 있다.
본 발명은, 출력 제어에 의해 부하 전력(LOAD 전력) 혹은 진행파 전력(FWD 전력)을 부하에 공급함과 함께, 주파수 제어에 의해 반사파 전력을 최소화한다. 출력 제어에 있어서, 출력 전력의 라이징 시나 부하 상태의 변화 등으로 인해 발생하는 임피던스 부정합에 의해, 설정한 부하 전력(LOAD 전력) 혹은 진행파 전력(FWD 전력)을 출력하기 위해서 출력 지령치가 증대하는 경우가 있다. 본 발명은, 출력 지령치를 제한하는 출력 리미트 값을 설정해 두고, 출력 제어에 의해 출력 지령치가 증대해서 출력 리미트 값을 넘는 경우에는, 출력 리미트 제어로 이행하여 출력 지령치의 증대를 제한한다.
이 출력 지령치를 제한함으로써, 부하 전력(LOAD 전력) 혹은 진행파 전력(FWD 전력)의 부하에의 공급이 제한되어 부하에 대한 전력 공급이 불충분하게 되어, 출력 전력의 상승이 곤란해지는 경우가 있다. 이와 같은 상태를 회피하기 위해서, 출력 리미트 제어에 이른 경우에는 가변 주파수 제어를 행해서 출력 리미트 상태를 벗어나고, 출력 리미트 상태를 벗어난 출력 비(非)리미트 상태에 있어서 최소 반사 전력 제어에 의해 반사파 전력을 최소화하고, 설정 전력을 부하에 공급하여, 정상 출력 제어를 행한다. 정상 출력 제어에 있어서, 부하 변동 등에 의한 임피던스 부정합에 의해 출력 지령치가 출력 리미트 값을 넘은 경우에는 출력 리미트 제어로 재이행하여, 임피던스 매칭 제어의 주파수 제어와 출력 제어를 개별적으로 행한다. 한편, 여기에서는, 리미트 상태를 벗어나는 주파수 제어를 가변 주파수 제어로 표시하고, 임피던스 매칭 제어의 주파수 제어에 대하여는 주파수 제어로 표시한다.
도 2의 좌측에 도시하는 출력 제어는, 출력 리미트 상태에 이르는 상태를 나타내고 있다. 출력 제어에 의해 설정 출력을 제어하고(A1), 출력이 설정 출력에 도달하기 전에(A2) 출력 리미트 상태로 된 경우에는(A3, A5)에는, 가변 주파수 제어에 의해서 출력 리미트 상태로부터 벗어나는 제어를 행한다.
도 2의 우측에 도시하는 가변 주파수 제어는, 출력 리미트 상태로부터 벗어나는 상태를 나타내고 있다.
가변 주파수 제어에 의해 출력 리미트 상태로부터 벗어나, 최소 반사 전력 제어로 반사파 전력을 최소화한 후, 정상 출력 제어에 있어서 출력 제어와 임피던스 매칭 제어에 의해 설정 전력의 공급 제어를 행한다.
출력 리미트 상태로서, 예를 들면 반사파 전력이 리미트 값을 넘은 반사파 전력 리미트 상태, 혹은 손실 전력이 리미트 값을 넘은 손실 전력 리미트 상태가 있다. 이 출력 리미트 상태에 있어서, 제어 주파수를 행하는 setpoint 주파수를 변경하여(B1), 제어 주파수를 변화시키는 가변 주파수 제어를 행한다. 한편, setpoint 주파수는 가변 주파수 제어를 개시하는 임의로 설정하는 주파수이다(B2). 가변 주파수 제어에 의해 진행파 전력의 피드백값(FWD―FB)이 저감하고(B3), 진행파 전력 리미트 값(FWD-Limit)을 밑도는 상태로 함으로써 출력 리미트 상태로부터의 탈출이 행해진다(B4). 출력 리미트 상태를 벗어난 상태에 있어서, 최소 반사 전력 제어에 의해 반사파 전력을 최소화하여, 부하에의 전력 공급을 증가시킨다(B5). 반사파 전력의 최소화에 의해, 부하에의 전력 공급이 설정 출력에 도달한 후(B6), 정상 출력 제어로 이행하여, 출력 제어와 임피던스 매칭 제어에 의해 설정 전력의 공급 제어를 행한다.
도 3은 출력 제어(A)로부터 가변 주파수 제어(B)로의 이행 상태를 도시하고 있다. 도 3의 (a), (b) 및 (c)는, 각각 부하 전력(LOAD 전력), 진행파 전력의 피드백값(FWD-FB) 및 반사파 전력의 피드백값(REF-FB)의 각 변화를 도시하고, 도 3의 (d)는 주파수 제어의 제어 주파수 ω를 도시하고 있다. 한편, 도 3의 (a)에 있어서, 일점 쇄선은 부하 전력 지령치(LOAD-CO)를 나타내고, 실선은 리미트 제어를 행하는 경우의 부하 전력 피드백값(LOAD-FB)을 나타내고, 파선은 리미트 제어를 행하지 않는 경우의 부하 전력 피드백값(LOAD-FB)을 나타내고 있다. 또, 도 3의 (b)에 있어서, 긴 파선은 진행파 전력 리미트(FWD-Limit)를 나타내고, 실선은 리미트 제어를 행하는 경우의 진행파 전력의 피드백값(FWD-FB)을 나타내고, 짧은 파선은 리미트 제어를 행하지 않는 경우의 출력치(진행파 전력치)를 나타내고 있다.
t0에서 t1의 구간은 출력 제어(A)의 상태를 나타내고 있다. 출력 제어에 의해 진행파 전력 피드백값(FWD-FB)은 증가하고, 반사파 전력 피드백값(REF-FB)도 증가한다. 부하 전력(LOAD 전력)은, 진행파 전력 피드백값(FWD-FB)에서 반사파 전력 피드백값(REF-FB)을 뺀 값으로 된다.
진행파 전력 피드백값(FWD-FB)이 진행파 전력 리미트(FWD-Limit)를 넘어, 출력 리미트 상태로 된 시점(t1)에서, 출력 제어(A)로부터 가변 주파수 제어(B)로 이행하고, setpoint 주파수로 전환하여(B1), 제어 주파수를 가변으로 한다(B2). 가변 주파수 제어(B)에서는, 진행파 전력(FWD)은 진행파 전력 리미트(FWD-Limit)에 의한 제한을 받아, 진행파 전력 리미트(FWD-Limit)를 향해 감소된다. 도 3의 (b)에 있어서, 리미트 제어가 행해지지 않는 경우에는, 출력치는 짧은 파선으로 나타내는 바와 같이 진행파 전력 리미트(FWD-Limit) 전압을 넘어 증가하지만, 리미트 제어가 행해지는 경우에는, 출력치는 실선으로 나타내는 바와 같이 진행파 전력 리미트(FWD-Limit)를 향해 감소된다. 이 상태에 있어서는, 진행파 전력 리미트(FWD-Limit)를 넘는 진행파 전력(FWD)이 부하를 향해 출력되지만, 출력 전력의 라이징 기간은 고주파 증폭기가 허용할 수 있을 정도의 비교적으로 짧은 시간폭이고, 설정 출력에 도달한 후(B6)에는 정상 출력 제어로 전환해서 제어를 행한다. 진행파 전력(FWD)이 진행파 전력 리미트(FWD-Limit)를 밑돎으로써 출력 리미트 제어를 필요로 하지 않는 상태로 되기 때문에, 리미트 상태를 탈출한다(B4). 이 후, 최소 반사 전력 제어에 의해 반사파 전력을 최소화하고(B5), 부하에 공급하는 LOAD 전력을 설정 출력인 LOAD 전력 지령치를 향해 증가시킨다(B6).
본 발명의 고주파 전원 장치의 제어에 의하면, 출력 제어와 임피던스 매칭 제어를 개별적으로 행함과 함께, 임피던스 매칭 제어를 주파수 리미트 값 제어에 의해 구한 주파수 범위에서 행하고, 출력 제어를 출력 리미트 값 제어로 구한 출력 리미트 값에 의해 상한 전력을 억제한다.
본 발명의 고주파 전원 장치의 제어에 의하면, 출력 제어로서 진행파 전력(FWD 전력) 혹은 부하 전력(LOAD 전력)을 수하(垂下)시키는 수하 제어(drooping control)를 행하지 않기 때문에, 부하에 공급하는 출력을 저하시키는 일 없이, 출력 제어 및 임피던스 매칭 제어를 행할 수가 있다.
(개략 구성)
본 발명의 고주파 전원 장치의 개략 구성에 대하여 도 4를 사용하여 설명한다. 도 4에 있어서, 고주파 전원 장치(1)는, 전력 공급원, 고주파 증폭기(3), 고주파 센서(4), 정합기(5) 및 제어기(10)를 구비하고, 고주파 출력을 부하(6)로 출력한다. 도 4에서는, 제어기(10)가 행하는 출력 제어로서 부하 전력 제어(LOAD 제어) 또는 진행파 전력 제어(FWD 제어)의 예를 도시하고 있다.
고주파 전원 장치(1)의 전력 공급원은 도 4에 도시하는 구성예에서는 직류 전원(2)을 나타내고 있지만, 직류 전원에 한하지 않고 교류 전원을 사용한 구성으로 해도 된다.
고주파 증폭기(3)는, 직류 전원(2)의 직류 전력을 고주파의 교류 전력으로 변환하여 고주파 교류 전력을 생성한다. 전력 공급원으로서 교류 전원을 사용하는 구성에서는, 교류 전원의 교류 신호를 고주파 신호로 주파수 변환하여, 고주파 교류 전력을 생성한다.
고주파 센서(4)는, 고주파 전원 장치(1)로부터 부하(6)로 출력되는 진행파 전력 FWD 및 부하(6)로부터 고주파 전원 장치(1)로 되돌아오는 반사파 전력 REF를 검출하고, 검출한 진행파 전력 FWD의 피드백값 FWD-FB 및 반사파 전력 REF의 피드백값 REF-FB를 제어기(10)로 귀환시킨다. 진행파 전력 FWD와 반사파 전력 REF는, 예를 들면 도시하고 있지 않은 방향성 결합기에 의해 분리되어 검출된다.
정합기(5)는, 고주파 전원 장치(1)와 부하(6) 사이의 임피던스를 정합시키는 회로이다. 정합기(5)는, 예를 들면 정합기(5)의 회로 소자의 값을 설정함으로써, 정상 동작 시에 있어서의 고주파 전원 장치(1)의 임피던스와 부하(6)의 임피던스를 정합시키고, 임피던스 정합에 의해, 최대 전력을 공급할 때에 부하(6)로부터 고주파 전원 장치(1)로 되돌아오는 반사파 전력을 최소화하고, 고주파 증폭기(3)로부터 부하(6)로 향하는 진행파 전력을 최대화한다. 일반적으로, 정합기(5)는 고정 코일 및 고정 콘덴서를 사용한 고정 매칭 회로로 구성된다. 정합기를 가변 용량 콘덴서나 가변 코일을 사용한 가변 매칭 회로로 구성할 수 있지만, 가변 매칭 회로를 구성한 경우에는, 정합기 자체 외에도, 제어 회로나 모터 등의 구동 기구의 코스트가 증가한다.
정합기(5)는 정상 시에 있어서의 임피던스 정합을 행하지만, 정상 시의 임피던스 정합 상태로부터 부하 변동 등에 의해서 임피던스 부정합 상태로 된 경우에는, 고주파 증폭기를 주파수 제어함으로써 임피던스 부정합을 해소한다.
제어기(10)는, 고주파 증폭기(3)에 대해서 출력 제어(FWD 제어 또는 LOAD 제어) 및 임피던스 매칭 제어를 행한다.
출력 제어는, 출력을 목표치에 도달시키는 출력 지령치를 생성하여 고주파 증폭기(3)를 제어한다. 진행파 전력 제어(FWD 제어)의 출력 제어는, 진행파 전력 목표치를 향해 진행파 전력 FWD를 제어하는 출력 지령치를 생성한다. 부하 전력 제어(LOAD 제어)의 출력 제어는, 진행파 전력 피드백값에서 반사파 전력 피드백을 뺀 부하 전력이 설정 전력으로 되도록, 진행파 전력 FWD를 제어하는 출력 지령치를 생성한다.
임피던스 매칭 제어는, 임피던스 정합 상태가 정상 상태로부터 벗어났을 때에 출력의 주파수를 제어함으로써 임피던스 정합을 행한다. 한편, 정상 상태는, 고주파 전력원과 부하 사이의 임피던스가 정합되어 있는 상태이고, 고정 매칭 회로로 구성된 정합기(5)에서는, 고정 코일 및 고정 콘덴서의 값을 정함으로써 임피던스를 정합시킨다.
제어기(10)는, 임피던스 부정합 시에 있어서 주파수 제어에 의해 출력의 제어 주파수 ω를 변경해서 임피던스 정합을 행하여 반사파 전력을 저감시킴과 함께, 출력 제어에 의해 고주파 증폭기(3)가 출력하는 출력치를 제어하는 출력 지령치를 생성한다.
제어기(10)는, 고주파 센서(4)에 의해 검출되는 진행파 전력 FWD 및 반사파 전력 REF의 각 피드백값 FWD-FB 및 REF-FB, 고주파 전원 장치(1)의 출력단에서 검출되는 출력 전압 Vpp의 피드백값 Vpp-FB, 직류 전원(2)으로부터 고주파 증폭기(3)로 전력을 공급하는 직류 전압 Vdc 및 직류 전류 Idc의 피드백값 Vdc-FB 및 Idc-FB의 각 피드백값에 기초하여, 주파수 제어부(10Ba)에 의해 제어 주파수 ω를 생성하고, 출력 제어부(FWD 제어부 또는 LOAD 제어부)에 의해 출력 지령치를 생성한다.
제어기(10)는, 출력 제어부(10A), 임피던스 매칭 제어부(10B) 및 구동 제어부(10C)를 구비하고, 임피던스 매칭 제어의 주파수 제어와 출력 제어를 개별적으로 독립해서 행한다.
(출력 제어부(10A))
출력 제어부(10A)는, 출력 제어를 진행파 전력 제어(FWD 제어)에 의해 행하는 경우에는, 출력 제어부(10Aa)로서 FWD 제어부를 구비하고, 출력 리미트 값 제어부(10Ab)로서 FWD 리미트 값 제어부를 구비한다. 출력 제어를 부하 전력 제어(LOAD 제어)에 의해 행하는 경우에는, 출력 제어부(10Aa)로서 LOAD 제어부를 구비하고, 출력 리미트 값 제어부(10Ab)로서 LOAD 리미트 값 제어부를 구비한다.
출력 제어부(10Aa)는, 고주파 센서(4)로 검출된 진행파 전력 FWD의 피드백값 FWD-FB, 반사파 전력 REF의 피드백값 REF-FB 및 출력 목표치에 기초하여 출력 지령치를 생성한다.
출력 제어부(10Aa)는, 출력 리미트 값 제어부(10Ab)가 생성하는 출력 리미트 값에 기초하여 출력 지령치의 상한을 억제한다.
출력 리미트 값 제어부(10Ab)는, 기준 주파수를 포함하는 가변 주파수의 주파수 범위 내에 있어서, 출력 지령치의 상한치를 정하는 출력 리미트 값을 주파수마다 구비해 두고, 출력 지령치가 출력 리미트 값을 넘는 경우에 출력 지령치를 출력 리미트 값으로 치환함으로써 출력 지령치의 상한을 제한한다. 출력 리미트 값은, 주파수 제어로 구한 제어 주파수가 이 주파수 범위 내에 있을 때, 그 때의 제어 주파수에 대응하는 값이 읽어내어진다.
출력 제어를 진행파 전력 제어(FWD 제어)에 의해 행하는 경우에는, 출력 리미트 값 제어부(10Ab)는, 기준 주파수를 포함하는 가변 주파수의 주파수 범위 내에 있어서, 진행파 전력 지령치의 상한치를 정하는 진행파 전력 리미트 값을 주파수마다 구비해 두고, 진행파 전력 지령치가 진행파 전력 리미트 값을 넘는 경우에 진행파 전력 지령치를 진행파 전력 리미트 값으로 치환함으로써 진행파 전력 지령치의 상한을 제한한다.
출력 제어를 부하 전력 제어(LOAD 제어)에 의해 행하는 경우에는, 출력 리미트 값 제어부(10Ab)는, 기준 주파수를 포함하는 가변 주파수의 주파수 범위 내에 있어서, 진행파 전력 지령치의 상한치를 정하는 진행파 전력 리미트 값을 주파수마다 구비해 두고, 반사파 전력이 없는 경우를 가정해서 부하 전력 지령치를 진행파 전력 지령치로서 취급하고, 이 부하 전력 지령치가 진행파 전력 리미트 값을 넘는 경우에 부하 전력 지령치를 진행파 전력 리미트 값으로 치환함으로써 부하 전력 지령치의 상한을 제한한다.
(임피던스 매칭 제어부(10B))
임피던스 매칭 제어부(10B)는, 주파수 제어부(10Ba) 및 주파수 리미트 값 제어부(10Bb)를 구비한다.
주파수 제어부(10Ba)는, 고주파 센서(4)에서 검출된 진행파 전력 FWD의 피드백값 FWD-FB, 반사파 전력 REF의 피드백값 REF-FB 등의 각 피드백 신호에 기초하여 고주파 증폭기(3)의 제어 주파수 ω를 구한다. 이후, 주파수 제어를 반복할 때에는, 전회(前回)의 주파수 제어에서 얻어진 제어 주파수를 기준 주파수 ωo라 하고, 이 기준 주파수 ωo로부터 주파수를 변경함으로써 임피던스를 정합시키는 제어 주파수 ω를 구한다.
주파수 리미트 값 제어부(10Bb)는 주파수 리미트 값을 제어하고, 주파수 제어부(10Ba)가 임피던스 정합을 행할 때의 제어 주파수의 주파수 범위의 상한 및 하한을 정하는 주파수 리미트 값을 구한다. 주파수 리미트 값 제어부(10Bb)는, 출력 리미트 값 제어부(10Ab)에서 생성한 출력 지령치의 상한을 출력 리미트 값으로 제한하고, 고주파 증폭기(3)에 대해서 과대한 출력 지령치가 출력됨으로써 발생하는 고주파 증폭기(3)의 회로 요소의 손상을 제어한다.
(구동 제어부(10C))
구동 제어부(10C)는, 출력 제어부(10A)의 출력 제어부(10Aa)에서 구한 출력 지령치, 및 임피던스 매칭 제어부(10B)의 주파수 제어부(10Ba)에서 구한 제어 주파수 ω를 출력 지령치로 해서, 고주파 증폭기(3)의 증폭을 제어한다.
한편, 출력 제어부(10A), 임피던스 매칭 제어부(10B) 및 구동 제어부(10C)는, 반드시 개개의 회로에 의한 구성에 한정되는 것은 아니고 각 제어부를 DSP에 의해 구성해도 된다. 또한, 10A, 10B 및 10C의 각 제어부는, 출력 제어(FWD 제어, LOAD 제어), 출력 리미트 값 제어, 주파수 제어, 주파수 리미트 값 제어 등의 각 제어 기능을 설명하기 위한 구성요소로서 나타내는 것이고, 출력 리미트 값 제어 및 주파수 리미트 값 제어는, 반드시 각각 출력 제어부(10A) 및 임피던스 매칭 제어부(10B)에 있어서 행하는 구성에 한하지 않고, 예를 들면 출력 리미트 값 제어 및 주파수 리미트 값 제어를 임피던스 매칭 제어부(10B)의 주파수 제어와 함께 행하는 구성으로 해도 된다.
(주파수 제어 및 주파수 리미트 값 제어)
주파수 제어 및 주파수 리미트 값 제어에 대하여, 도 5의 플로 차트 및 도 6 내지 도 10의 각 제어의 주파수 특성을 사용하여 설명한다.
이하의 플로 차트에 있어서, 출력치는, 진행파 전력 FWD, 반사파 전력 REF, 출력 전압 Vpp의 고주파 전원 장치의 출력에 관계된 피드백값 및 고주파 전원 장치의 전원 출력에 관계된 전압, 전류의 각 피드백값을 총칭하는 것으로서 설명한다.
도 5의 플로 차트에 있어서, 주파수 제어(S1, S2)와 주파수 리미트 값 제어(FLV(Frequency Limit Value) 제어)(S11∼S19)는 병렬 처리에 의해 행해진다.
이하, 주파수 제어, 주파수 리미트 값 제어(FLV(Frequency Limit Value) 제어) 및 출력 리미트 값 제어에 대하여 차례로 설명한다. 한편, 도 6, 도 7은 주파수 제어 중의 반사 전력 제어(S2)를 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 주파수 리미트 값 제어(FLV(Frequency Limit Value) 제어)를 설명하기 위한 도면이고, 도 9, 도 10은 출력 리미트 값 제어를 설명하기 위한 도면이다.
(주파수 제어)
주파수 제어는, 고주파 전원 장치의 출력 주파수를 주파수 변경함으로써, 부하의 임피던스 변동에 대해서 임피던스 정합을 행하는 임피던스 매칭 제어이고, 부하로부터 고주파 전원 장치로 되돌아오는 반사파 전력을 저감시켜, 고주파 전원 장치로부터 부하에의 전력 공급을 제어한다.
고주파 전원 장치와 부하 사이에 마련한 정합기는, 정상 상태에 있어서 부하와의 사이의 임피던스를 정합시키기 위하여 설정된다. 또, 고주파 증폭기는, 동작 주파수를 가변으로 함으로써, 부하의 임피던스 변동에 대한 임피던스 정합을 행한다. 전원의 출력 임피던스를 ZO, 부하의 임피던스를 포함하는 정합기의 특성 임피던스를 ZL, 고주파 전원 장치에서 보았을 때의 부하측의 입력 임피던스를 Zin이라 했을 때, 반사 계수 Γ는 Γ=(ZL－ZO)/(ZL+ZO)으로 표시되고, 각 임피던스 ZL, ZO, Zin 및 Γ은 주파수 ω의 함수이다. 고주파 전원 장치는, 부하의 임피던스의 변동에 대해서, 출력하는 고주파의 주파수 ω를 가변으로 함으로써 각 임피던스를 가변으로 하고, 반사 계수 Γ를 극소치로 주파수 제어한다.
주파수 제어는, 출력하는 고주파의 주파수 ω를 가변하는 것에 의한 임피던스 정합에 있어서, 제어 개시 시의 위상 제어 공정(S1)과, 제어 개시 후의 반사 전력 제어 공정(S2)의 두 제어 공정에 의해서 반사파 전력을 극소로 하는 주파수의 고주파를 출력한다. 주파수 제어에 의해서 얻어진 반사파 전력을 극소인 상태로 유지함과 함께, 그 때의 반사 계수 Γ 및/또는 반사량 Wr을 극소치로서 기억한다.
또한, 위상 제어 공정과 반사 전력 제어 공정의 두 제어 공정을 반복함으로써, 반사파 전력을 극소인 상태로 유지한다. S1의 위상 제어 공정 및 S2의 반사 전력 제어 공정은, 각각 이하의 제어를 행한다.
(위상 제어 공정 S1)
위상 제어 공정은, 제어 개시 시에 있어서, 고주파 전원 장치의 위상 상태에 기초하여, 주파수 변경의 주파수를 증가 또는 감소시키는 주파수의 소인(掃引) 방향을 정한다.
주파수의 소인 방향은, 주파수 제어에 있어서 반사 계수 및/또는 반사량을 저감시키는 주파수의 증감 방향이다. 위상 제어 공정에서는, 제어 개시 시에 있어서 주파수 제어의 소인 방향을 정함으로써, 반사파 전력을 저감시키는 주파수 제어의 처리 시간을 단축할 수가 있다.
위상 제어 공정은, 반사 계수 Γ의 위상 φ가 정(正)위상인지 혹은 부(負)위상인지와 같은 위상 상태에 따라서, 주파수의 소인 방향을 정한다. 정(正)위상은 지상 부하(lagging load)에 상당하고, 부(負)위상은 진상 부하(leading load)에 상당한다.
위상 제어 공정에 있어서, 고주파 전원 장치의 출력단에 있어서의 전압과 전류의 위상, 혹은 고주파 전원 장치의 출력단에 있어서의 반사파의 위상과 진행파의 위상의 위상차로부터 위상 상태를 검출하고(S1a), 검출한 위상 상태에 대하여 정위상인지 혹은 부위상인지를 판정한다(S1b).
위상 상태가 정위상인 경우에는, 지상 부하라고 판단해서 주파수 ω를 증가시키는 주파수 소인을 행하고, 초기 주파수 ω(0)에 대해서 주파수 ω를 상승시키고 주파수 ω(1)을 정한다(S1c). 위상 상태가 부위상인 경우에는, 진상 부하라고 판단해서 주파수 ω를 감소시키는 주파수 소인을 행하고, 초기 주파수 ω(0)에 대해서 주파수 ω를 하강시켜 주파수 ω(1)을 정한다(S1d).
위상 제어 공정에서 정한 주파수의 소인 방향에 기초하여 주파수를 증가 혹은 감소시켜, 반사 전력 제어(S2)를 행한다. 한편, 도 5에 도시하는 반사 전력 제어 공정에서는, 주파수 ω(k)의 반사 계수 Γ(k)에 대하여 나타내고 있다.
위상 제어 S1에 있어서, 부하의 상황에 따라서는 상기한 위상 상태와 주파수의 소인 방향의 관계가 역(逆)의 관계로 되는 경우가 있다. 이와 같은 경우에는, S1e∼S1h의 공정에서 소인 방향을 반전시킨다.
S1c의 공정 또는 S1d의 공정에서 정한 소인 방향으로 주파수를 변화시키고, 반사 계수 Γ 또는 반사량 Wr을 검출해서(S1e), 반사 계수 Γ 또는 반사량 Wr의 증감을 판정한다(S1f). 반사 계수 Γ 또는 반사량 Wr이 증가되고 있는 경우에는, 소인 방향이 역방향이라고 판정해서 주파수 ω의 소인 방향을 반전시키는 역제어를 행한다(S1g). 한편, 반사 계수 Γ 또는 반사량 Wr이 감소되고 있는 경우에는, 소인 방향이 올바른 방향이라고 판정해서 주파수 ω의 소인 방향을 유지한 상태에서 제어를 행한다(S1h).
(반사 전력 제어 공정 S2)
주파수 제어의 제어 목표는 반사 계수 Γ의 절대치 |Γ|를 극소로 하는 것이지만, 반사 계수 Γ의 절대치 |Γ|는 위상 φ가 0°에 있어서 반드시 극소로 되지는 않는다. 그래서, 위상 제어 공정에 의해서 반사 계수 Γ의 위상 φ를 0°를 향해 주파수 소인을 개시시킨 후, 반사 전력 제어에 의해서 반사 계수의 절대치 |Γ|가 극소로 되도록 주파수를 제어한다.
반사 전력 제어 공정 S2는, 위상 제어 공정 S1에서 정한 소인 방향으로 주파수 변경을 개시한 후, 고주파 전원 장치의 반사 계수치 및/또는 반사량을 제어 완료 조건으로 해서 주파수 변경의 계속/정지를 제어한다. 여기에서는, 완료 제어 완료 조건으로서, 주파수 변경의 제어에 의해 고주파 전원 장치의 반사 계수치 및/또는 반사량이 극소로 되는 것을 사용하고, 이것에 의해서 반사 계수 Γ／또는 반사량이 극소인지 여부를 판정한다.
주파수 제어의 개시점이 정위상인 경우에는, 위상 제어 공정에 의해서 주파수를 증가시키는 주파수 제어에 의해서 위상 0°를 향해 시프트시킨 후, 반사 전력 제어에 의해서 반사 계수 Γ 또는 반사량이 극소로 되는 주파수를 구한다. 또, 주파수 제어의 개시점이 부위상인 경우에는, 위상 제어 공정에 의해서 주파수를 감소시키는 주파수 제어에 의해서 위상 0°를 향하게 한 후, 반사 전력 제어에 의해서 반사 계수 Γ 또는 반사량이 극소로 되는 주파수를 구한다.
위상 제어 공정(S1)에 이어서 행하는 반사 전력 제어(S2)에 있어서, 타이밍(샘플링) k에서 주파수 ω(k)를 바꾸면서 주파수 소인을 행하고(S2a), 각 샘플링의 타이밍 k의 주파수 ω(k)에 있어서 반사 계수 Γ(k)를 구한다(S2b).
타이밍 (k－1)에서 얻은 반사 계수 Γ(k－1)과 타이밍 (k)에서 얻은 반사 계수 Γ(k)를 비교한다(S2c). 이후(나중)의 샘플링 (k)에서 얻어진 Γ(k)가 1샘플링 전의 샘플링 (k－1)에서 얻어진 Γ(k－1)보다도 작은 경우(Γ(k－1)≥Γ(k))에는, 주파수 소인을 계속함으로써 보다 작은 반사 계수 Γ이 얻어진다고 판단하고, S2a, S2b의 공정을 반복한다.
한편, 이후의 샘플링 (k)에서 얻어진 Γ(k)가 1샘플링 전의 샘플링 (k－1)에서 얻어진 Γ(k－1)을 넘은 경우(Γ(k－1)＜Γ(k))에는, 주파수 소인을 계속하면 반사 계수 Γ는 커진다고 판단하고, 다음의 샘플링 (k+1)에서 Γ(k+1)=Γ(k－1)이라고 간주하여 제어를 완료한다(S2d).
(재제어 공정)
위상 제어 공정 및 반사 전력 제어 공정에서 구한 주파수를 유지해서 출력을 부하에 공급한다.
그 후, 부하측 등이 변동하면 임피던스 정합이 적정한 상태로부터 벗어나게 된다.
이와 같은 경우에, 재제어 공정에 의해서 위상 제어 공정 S1과 반사 전력 제어 공정 S2를 반복하고, 재차 적절한 주파수 ω를 구해서, 임피던스 정합을 행한다. 재제어 공정에서는, 위상 제어 공정 및 반사 전력 제어 공정에서 얻어진 주파수에 있어서의 반사 계수, 반사량을 극소치로서 기억해 두고, 이후에 얻어지는 반사 계수, 반사량이 문턱값(threshold value)을 넘은 경우에는, 재제어를 행한다.
반사 전력 제어 공정 S2에서 n의 제어 주파수의 천이예를 도 6의 주파수 특성 변화의 일례에 기초하여 설명한다. 여기에서는, 출력 지령치를 부하 전력 지령으로 한 경우를 예로서 설명한다. 한편, 도 6에 도시하는 주파수 특성 변화는 모식적으로 나타낸 것이고, 실제의 특성을 나타내는 것은 아니다.
(a) 제어 주파수 ωo：
도 6의 (a)는 임피던스가 정합된 상태를 도시하고 있다. 임피던스의 정합 상태에서는, 고주파 증폭기는 반사 계수 Γ가 작은 기준 주파수 ωo에 있어서 고주파 전력을 출력한다. 임피던스 정합 상태의 반사 계수 Γ는 작기 때문에, 반사파 전력의 피드백값 REF-FB는 작아지고, 진행파 전력 지령치 FWD-CO는 부하 전력 지령치 LOAD-CO와 거의 동등하다고 볼 수 있는 값으로 되고, 진행파 전력의 피드백값 FWD-FB는 부하 전력 지령치 LOAD-CO(진행파 전력 지령치 FWD-CO)에 가까운 값으로 된다. 이하, 진행파 전력과 진행파 전력 피드백값을 FWD-FB로 표시하고, 반사파 전력과 반사파 전력 피드백값을 REF-FB로 표시한다. 진행파 전력 FWD-FB에서 반사파 전력 REF-FB을 감산한 전력(FWD-FB－REF-FB)은 부하 전력이고, 부하에 실효적으로 공급되는 실효 전력이다.
(b) 제어 주파수 ωo：
도 6의 (b)는, 기준 주파수 ωo를 제어 주파수로 한 상태에 있어서, 임피던스가 정합 상태로부터 부정합 상태로 천이된 상태를 도시하고 있다. 부하 변동 등에 의해 임피던스 정합 상태로부터 벗어나, 임피던스 부정합 상태로 되면 반사 계수 Γ의 주파수 특성이 변화되고, 반사 계수 Γ가 최소로 되는 주파수는 기준 주파수 ωo로부터 벗어난다. 도 6의 (b)에서는, 반사 계수 Γ의 특성 곡선이 저주파수측으로 천이된 상태를 도시하고 있다. 반사 계수 Γ의 천이에 의해 기준 주파수 ωo에서의 반사 계수 Γ가 증가하면, 반사파 전력 REF-FB가 증가한다. 반사파 전력 REF-FB의 증가에 수반하여, 진행파 전력 피드백값 FWD-FB가 증가한다. 이 때, 진행파 전력 피드백값 FWD-FB은 진행파 전력 문턱값을 넘고, 반사파 전력 피드백값 REF-FB는 반사파 전력 문턱값을 넘는다.
(c) 제어 주파수 ω1：
주파수 제어에 의해, 제어 주파수는 기준 주파수 ωo로부터 제어 주파수 ω1로 변화한다. 도 6의 (c)는, 제어 주파수 ω1에 있어서의 주파수 제어의 상태를 도시하고 있다. 제어 주파수 ω1의 반사 계수 Γ는 기준 주파수 ωo의 반사 계수 Γ보다도 작아져, 반사파 전력 REF-FB가 감소한다.
반사파 전력 REF-FB의 감소에 수반하여, 진행파 전력 피드백값 FWD-FB도 감소한다.
도 6의 (c)에 도시하는 상태는, 여전히, 진행파 전력 피드백값 FWD-FB가 진행파 전력 문턱값을 넘고, 반사파 전력 피드백값 REF-FB가 반사파 전력 문턱값을 넘은 상태에 있다.
(d) 제어 주파수 ω2：
주파수 제어에 의해, 제어 주파수는 기준 주파수 ω1로부터 제어 주파수 ω2로 변화한다. 도 6의 (d)는, 제어 주파수 ω2에 있어서의 주파수 제어의 상태를 도시하고 있다. 제어 주파수 ω2의 반사 계수 Γ는 기준 주파수 ω1의 반사 계수 Γ보다도 더욱 작아져, 반사파 전력 피드백값 REF-FB도 감소한다. 반사파 전력 피드백값 REF-FB의 감소에 수반하여, 진행파 전력 피드백값 FWD-FB도 더욱 감소한다. 도 6의 (d)에 도시하는 상태에 있어서, 반사파 전력 피드백값 REF-FB는 최소 상태로 된다.
도 7은 반사 전력 제어(S2) 중의 S2a 내지 S2d의 공정을 모식적으로 도시하고 있다.
S2c의 공정에 있어서, 샘플링의 타이밍을 달리해서 얻어진 반사 계수 Γ(k－1)과 반사 계수 Γ(k)를 비교하여, 이후의 샘플링(k)에서 얻어진 Γ(k)가 1샘플링 전의 샘플링 (k－1)에서 얻어진 Γ(k－1)를 넘은 경우(Γ(k－1)＜Γ(k))에는, 주파수 소인을 계속하면 반사 계수 Γ는 커진다고 판단하고, S2d의 공정에 있어서, 다음 샘플링 (k+1)에서 Γ(k+1)=Γ(k－1)로서 제어를 완료한다. 도 7 중의 튜닝 주파수 부근에 있어서, 주파수의 리턴 개소는 이 S2d의 공정을 나타내고 있다.
(주파수 리미트 값 제어)
다음에, 주파수 리미트 값 제어(FLV 제어； Frequency Limit Value 제어)에 대하여 설명한다. 이하, 도 5의 플로 차트 및 도 8의 설명도에 기초하여 설명한다.
출력 제어에 있어서, 출력 지령치의 상한을 제한하는 출력 리미트 상태에 있는지 여부를 판정한다. 한편, 출력 리미트 상태의 판정은, 출력 제어를 진행파 전력 제어로 행하는 경우에는, 진행파 전력 피드백값 FWD-FB와 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit의 비교에 기초하여 진행파 전력 리미트 상태(FWD 리미트 상태)인지 여부를 판정한다. 또, 출력 제어를 부하 전력 제어로 행하는 경우에는, 진행파 전력 피드백값(FWD-FB)에서 반사파 전력 피드백값(REF-FB)을 빼서 얻어지는 부하 전력 피드백값(LOAD-FB)과 부하 전력 리미트 값(LOAD-Limit)의 비교에 기초하여 부하 전력 리미트 상태(LOAD 리미트 상태)인지 여부를 판정한다(S11).
출력 리미트 상태에 있는 경우에는, 주파수 리미트 값 제어를 갱신해서 행하기 위해서, 제어 주파수 ω를 기준 주파수 ωo를 향해 시프트시키고(S12), 출력 리미트 상태를 해제해서 리세트 상태로 하고, 이 때의 제어 주파수를 ωs로서 저장(格納)한다(S13). 제어 주파수±ωs를 주파수 리미트 값±ωLimit로서 설정한다(S14).
한편, 출력 리미트 상태에 있지 않은 경우에는, 출력 상태에 따라 주파수 리미트 값 ωLimit를 설정한다(S15 내지 S19). 출력 리미트 상태에 있어서, 고주파 전원 장치로부터 출력치를 취득한다. 출력치로서, 진행파 전력의 피드백값 FWD-FB, 반사파 전력의 피드백값 REF-FB, 출력 전압의 피드백값 Vpp-FB, 직류 전원의 출력 전압, 출력 전류의 피드백값 Vdc-FB, Idc-FB, 부하 전력 피드백값(LOAD-FB) 중에서 선택한 피드백값을 사용할 수가 있다(S15).
취득한 출력치를 전회의 주파수 리미트 값 제어에서 취득한 출력치와 비교하여, 그 차분의 출력 변화분 Δ를 구하고(S16), 미리 정해 둔 문턱값과 비교한다. 문턱값은, 출력치의 변동 유무를 판정하기 위해서 설정하는 값이고, 임피던스 정합된 상태에 있어서 예상되는 히스테리시스에 기초하여 정할 수가 있다(S17).
출력치의 출력 변화분 Δ와 문턱값의 비교 공정에 있어서, 출력 변화분 Δ가 문턱값을 넘지 않는 경우에는, 주파수 리미트 값을 설정하는 일 없이 제어 주파수를 유지한다. 한편, 출력 변화분 Δ가 문턱값 이상인 경우에는 제어 주파수 ω에 대한 주파수 리미트 값을 설정한다. 주파수 리미트 값의 설정은, 주파수 리미트 값 ωLimit를 미리 설정해 둔 디폴트값 ωmax로 되돌림으로써 행하고(S18), ωmax를 사용하여 주파수 리미트 값±ωLimit를 설정한다(S19). 한편, S17의 출력 변화분 Δ와 문턱값의 비교 공정에 있어서, 출력 변화분 Δ와 문턱값이 동일한 경우에는, 주파수 리미트 값의 설정을 있음(有)으로 하든 없음(無)으로 하든 어느쪽으로 해도 된다.
도 8은, 주파수 리미트 값 제어를 설명하기 위한 도면이고, 도 8의 (a)는 S11에 있어서 진행파 전력 리미트 상태에 있는 경우를 도시하고, 도 8의 (b)는 S11에 있어서 진행파 전력 리미트 상태에 있지 않은 경우를 도시하고 있다.
진행파 전력 리미트 상태에 있는 경우：
도 8의 (a)에 있어서, 빗금 친 주파수 범위는 진행파 전력 리미트 상태에 있는 영역을 나타내고 있다. 진행파 전력 리미트 상태에 있는 경우에는, 출력 주파수 ω가 내측으로 시프트해서(S12) 진행파 전력 리미트 상태를 해제하고, 그 때의 주파수 ωs를 주파수 리미트 값 ωLimit로 한다(S13, S14).
진행파 전력 리미트 상태에 있지 않은 경우：
도 8의 (b)에 있어서, 빗금 친 주파수 범위는 진행파 전력 리미트 상태에 있지 않은 영역을 나타내고 있다. 진행파 전력 리미트 상태에 있지 않은 경우에는, 주파수 리미트 값 ωLimit를 미리 설정해 둔 최대 주파수 ωmax로 되돌리고(S18), 최대 주파수 ωmax를 주파수 리미트 값 ωLimit로 한다(S19).
주파수 제어에 있어서, 반사 전력 제어를 행하는 주파수 ω는 주파수 리미트 값으로 설정된 주파수 리미트 값±ωLimit의 주파수 범위에 있어서 행한다.
한편, 주파수 제어와 별도로 행해지는 출력 제어(FWD 제어, LOAD 제어)는, 출력 리미트 값 제어(FWD 리미트 값 제어, LOAD 리미트 값 제어)(S20)에서 설정된 출력 리미트 값(FWD 리미트 값, LOAD 리미트 값)의 제한 내에서 행해진다.
[주파수 리미트 값 제어, 출력 리미트 값 제어 및 출력 제어의 동작예]
주파수 리미트 값 제어, 출력 리미트 값 제어 및 출력 제어의 동작예를, 도 9, 도 10의 주파수 특성 변화의 일례에 기초하여 설명한다. 여기에서는, 출력 지령치를 부하 전력 지령치로 하고, 진행파 전력치를 출력치로 해서 출력 제어를 행하는 예로 하고, 이 때의 주파수 리미트 값 제어 및 출력 리미트 값 제어를 나타내고 있다. 한편, 도 9, 도 10에 도시하는 주파수 특성 변화는 모식적으로 나타낸 것이고, 실제의 주파수 특성 변화를 나타내는 것은 아니다.
도 9의 (A), (B)는, 기준 주파수 ωo에 있어서 임피던스가 정합 상태에 있는 경우를 도시하고, 도 10의 (A), (B)는 기준 주파수 ωo에 있어서 임피던스가 부정합 상태에 있는 경우를 도시하고 있다. 한편, 여기에서는, 도 9, 도 10에 있어서, 진행파 전력 피드백값 FWD-FB를 “×” 표로 나타내고, 반사파 전력 피드백값 REF-FB를 “○” 표로 나타내고, 제어치를 “△” 표로 나타내고, 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit를 파선으로 나타내고 있다.
·임피던스 정합 시：　
임피던스 정합 상태를 도시하는 도 9의 (A), (B)에 있어서, 도 9의 (A)는 출력치가 진행파 전력 리미트 값보다도 큰 경우를 도시하고, 도 9의 (B)는 출력치가 진행파 전력 리미트 값 미만인 경우를 도시하고 있다. 한편, 도 9의 (A), (B)에 도시하는 진행파 전력 리미트 값의 주파수 특성은, 주파수 리미트 값으로 정해지는 주파수 범위[ω-, ω+]에 있어서 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit가 동일한 값으로 설정되는 예를 나타내고, 파선으로 나타내어지는 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit는 주파수 범위[ω-, ω+]의 전범위에 있어서 동일한 값이다.
(A) 진행파 전력치＞진행파 전력 리미트 값：
(A1)은, 출력치인 진행파 전력치가 진행파 전력 리미트 값을 넘는 상태를 나타내고 있다. 출력(진행파 전력(FWD)) 리미트 값 제어는, 진행파 전력 FWD-FB가 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit보다도 큰 경우에, 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit의 값을 제어치로 해서, 제어치에 제한을 가한다.
(A2)는, 제어치를 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit로 제한한 상태를 나타내고 있다. 제어치는, 주파수 범위[ω-, ω+]의 전범위에 있어서 파선으로 나타내어지는 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit로 제한된다.
(A3)은, 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit로 제한된 제어치에 기초하여 행해지는 출력 제어(진행파 전력 제어)의 상태를 나타내고 있다.
진행파 전력(FWD) 리미트 제어에서 얻어진 제어치에 기초하여 출력 제어가 행해지는 것에 의해, 반사파 전력 피드백값 REF-FB는 반사파 전력 문턱값 이하로 억제된다.
도시하는 진행파 전력 피드백값 FWD-FB 및 반사파 전력 피드백값 REF-FB는, 주파수 리미트 값 제어에 의한 주파수 리미트 값 및 진행파 전력 리미트 값 제어에 의한 진행파 전력 리미트 값으로 제한된 제어치에 기초하여 출력 제어된 일례를 나타내고 있다.
(B) 진행파 전력≤진행파 전력 리미트 값：
(B1)은, 출력치인 진행파 전력치가 진행파 전력 리미트 값 이하인 상태를 나타내고 있다. 한편, (B)는, (A)와 마찬가지로, 파선으로 나타내어지는 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit의 값은, 주파수 리미트 값으로 정해지는 주파수 범위[ω-, ω+]의 전범위에 있어서 동일한 값으로 설정된다.
(B2)는, 진행파 전력 리미트 값에 의한 제한이 가해지지 않는 제어치에 기초하는 제어 상태를 나타내고 있다. 출력(진행파 전력(FWD)) 리미트 값 제어는, 진행파 전력 FWD-FB이 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit보다도 작은 경우에는 제어치에 제한을 가할 필요는 없다. 제어치는, 부하 전력 지령치 LOAD-CO에 기초하여 정해진다.
(B3)은, 제어치에 기초하여 행해지는 출력 제어(진행파 전력 제어)의 상태를 나타내고 있다. 출력 제어는, 부하 전력 지령치 LOAD-CO에 의한 제어치에 기초하여 행해지는 제어치는 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit 미만이기 때문에, 제어치에 기초하여 출력 제어를 행함으로써, 반사파 전력 피드백값 REF-FB는 반사파 전력 문턱값 이하로 억제된다.
도시하는 진행파 전력 피드백값 FWD-FB 및 반사파 전력 피드백값 REF-FB는, 제어치에 기초하여 출력 제어된 일례를 나타내고 있다. 한편, 상기한 진행파 전력치와 진행파 전력 리미트 값의 비교에 있어서, 양자의 값이 동일한 경우의 선택은 (A) 또는 (B)의 어느 쪽으로 행해도 된다.
·임피던스 부정합 시：
임피던스 부정합 상태를 도시하는 도 10의 (A), (B)는, 모두 진행파 전력치가 진행파 전력 리미트 값보다도 큰 경우를 나타내고 있다. 도 10의 (A)는 주파수 범위 내에 있어서 진행파 전력 리미트 값이 동일한 값으로 설정되는 플랫한 주파수 특성예를 나타내고, 도 10의 (B)의 주파수 특성예는, 도 10의 (A)의 주파수 범위보다도 넓은 주파수 범위 내에 있어서 진행파 전력 리미트 값이 다른 값으로 설정된 경사 특성을 가진 주파수 특성예를 나타내고 있다.
한편, 도 10의 진행파 전력 및 반사파 전력의 주파수 특성은, 임피던스 부정합에 의해 기준 주파수 ωo를 최소로 하는 일 없이, 고주파수로부터 저주파수를 향해 경사지는 주파수 특성을 가지는 예를 나타내고 있다.
임피던스 부정합 상태에서는, 반사 계수 Γ는 임피던스 정합 상태로부터 벗어나고, 반사 계수 Γ의 최소치는 임피던스 정합 시의 기준 주파수 ωo로부터 어긋난다. 그 때문에, 반사파 전력 피드백값 REF-FB는 반사파 전력 문턱값을 넘은 값으로 된다.
(A) 진행파 전력치＞진행파 전력 리미트 값：
파선으로 나타내는 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit는, 진행파 전력 리미트 값이 설정되는 주파수 범위 내[ω-, ω+]의 전범위에 있어서 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit가 동일 값인 주파수 특성예이다.
(A1)은, 출력치인 진행파 전력치가 진행파 전력 리미트 값을 넘는 상태를 나타내고 있다. 출력(진행파 전력(FWD)) 리미트 값 제어는, 진행파 전력 FWD-FB가 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit보다도 큰 경우에, 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit의 값을 제어치로 해서, 제어치에 제한을 가한다.
(A2)는, 제어치를 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit로 제한한 상태를 나타내고 있다. 제어치는, 주파수 범위[ω-, ω+]의 전범위에 있어서 파선으로 나타내어지는 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit로 제한된다.
(A3)은, 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit로 제한된 제어치에 기초하여 행해지는 출력 제어(진행파 전력 제어) 상태를 나타내고 있다. 진행파 전력(FWD) 리미트 제어에서 얻어진 제어치에 기초하여 출력 제어가 행해지는 것에 의해, 반사파 전력 피드백값 REF-FB는 반사파 전력 문턱값을 밑도는 방향을 향해 저감되고, 반사파 전력 문턱값 이하로 억제된다. 도시하는 진행파 전력 피드백값 FWD-FB 및 반사파 전력 피드백값 REF-FB는, 주파수 리미트 값 제어에 의한 주파수 리미트 값 및 진행파 전력 리미트 값 제어에 의한 진행파 전력 리미트 값으로 제한된 제어치에 기초하여 출력 제어된 일례를 나타내고 있다.
(B) 비플랫한(non-flat) 주파수 특성을 가지는 진행파 전력 리미트 값：
넓은 주파수 범위에 있어서 출력 리미트 값 제어를 행하기 위해서, 기준 주파수 ωo 근방의 주파수에 대하여는 진행파 전력 리미트 값을 큰 값으로 설정하고, 기준 주파수 ωo로부터의 어긋남이 큰 주파수에 대하여는 진행파 전력 리미트 값을 작은 값으로 설정해서, 진행파 전력 리미트 값을 비플랫한 주파수 특성으로 한다. (B)의 비플랫한 주파수 특성예는, (A)의 주파수 범위보다도 넓은 주파수 범위 내에 있어서 진행파 전력 리미트 값이 다른 값으로 설정된 경사 특성을 가진 주파수 특성예를 나타내고, 파선으로 나타내는 진행파 전력 리미트 값은 진행파 전력 리미트 값의 주파수 범위[ω-, ω+]에 있어서, 기준 주파수 ωo 근방에서는 동일 값으로 하고, 그 외측의 ω-, ω+를 향해 감소하는 값이다.
(B1)은 출력치인 진행파 전력치가 진행파 전력 리미트 값을 넘는 상태를 나타내고 있다. 출력(진행파 전력(FWD)) 리미트 값 제어는, 진행파 전력 FWD-FB가 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit보다도 큰 경우에, 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit의 값을 제어치로 해서, 제어치에 제한을 가한다.
(B1)에 나타내는 주파수 특성에서는, 주파수 범위가 넓기 때문에, 반사파 전력 REF-FB가 반사파 전력 문턱값(일점 쇄선으로 나타낸다)을 넘어 과잉 반사파 전력이 발생하는 경우가 있다. (B1)에서는 고주파수역에 있어서 반사파 전력 REF-FB는 반사파 전력 문턱값을 넘고(초과하고) 있다.
(B2)는, 제어치를 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit로 제한한 상태를 나타내고 있다. 제어치는, 주파수 범위[ω-, ω+]의 전범위에 있어서 파선으로 나타내어지는 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit로 제한된다. (B2)에 있어서, 제어치는, 주파수 범위[ω-, ω+]의 전범위에 있어서 파선으로 나타내어지는 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit로 제한된다. 주파수 범위[ω-, ω+] 내에 있어서, 주파수 단측의 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit는, 주파수 중앙측의 기준 주파수 ωo 부근의 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit보다도 낮게 설정된다. (B2)에 나타내는 예에서는, 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit의 값은, 기준 주파수 ωo 근방에 있어서 일정 값으로 설정되고, 주파수 단측을 향해 점차 감소하도록 설정된다.
진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit는, 주파수 범위의 주파수 단측에서는 작은 값으로 설정되고, 주파수 범위의 주파수 중앙측에서는 큰 값으로 설정된다. 주파수 중앙측에서 설정되는 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit는, (A)에서 나타낸 플랫한 주파수 특성으로 설정되는 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit를 적용할 수가 있다. 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit의 최대치는, 예를 들면 고주파 전원 장치의 정격치에 소정의 마진분을 더한 값을 사용할 수가 있다. 마진분은, 예를 들면 단시간이라면 과대한 전력 공급에 견딜 수 있는 허용치 등, 고주파 전원 장치의 사용 조건에 따라 임의로 설정할 수가 있다.
(B3)은, 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit로 제한된 제어치에 기초하여 행해지는 출력 제어(진행파 전력 제어)의 상태를 나타내고 있다.
주파수 제어를 행하는 제어치는, 주파수 리미트 값 제어 및 진행파 전력 리미트 값 제어(FWD 리미트 제어)에 의해 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit로 제한된 제어치에 기초하여 행해진다. 주파수 리미트 값 제어 및 진행파 전력 리미트 값 제어(FWD 리미트 제어)에서 얻어진 제어치에 기초하여 주파수 제어를 행함으로써, 반사파 전력 피드백값 REF-FB는 반사파 전력 문턱값을 밑도는 방향을 향해 저감한다.
주파수 제어에 있어서 진행파 전력 리미트 값을 비플랫한 주파수 특성으로 함으로써, 제어치는, 주파수 단측에서는 주파수 중앙측보다도 크게 제한된다. 주파수 단측에서의 진행파 전력 리미트 값의 제한량을 크게 설정함으로써, 기준 주파수로부터 크게 어긋난 제어 주파수에서의 제어치를 크게 제한해서 제어치를 저감하고, 이것에 의해 반사파 전력 피드백값 REF-FB를 억제함과 함께, 리미트 제어의 주파수 범위를 확대할 수가 있다.
주파수 단측에서 진행파 전력 리미트 값 제어의 제한량을 크게 설정해서, 진행파 전력의 제어량을 낮게 억제함으로써, (B)의 주파수 범위를 (A)에 나타내는 주파수 범위보다도 넓게 설정한 경우라도, 반사파 전력 피드백값 REF-FB를 반사파 전력 문턱값 미만으로 억제할 수가 있다.
[주파수 리미트 값 제어의 예]
다음에, 주파수 리미트 값 제어로서, 출력 지령이 부하 전력 지령인 제어에 대하여, 도 11의 플로 차트 및 도 12의 진행파 전력 리미트 값 제어의 전력 상태도를 사용하여 설명한다. 여기에서는, 부하 전력 지령치에 기초한 진행파 전력 제어에 의한 출력 제어를 예로서 설명한다. 도 11의 플로 차트의 S31 내지 S39는 주파수 리미트 값 제어를 나타내고, 도 5에 도시한 플로 차트의 S11 내지 S20의 주파수 리미트 값 제어에 대응한다. 또, 도 11의 플로 차트의 S41 내지 S45는 FWD 리미트 값 제어를 나타내고, 도 5에 도시한 플로 차트의 S20의 주파수 리미트 값 제어에 대응한다.
부하 전력 지령을 출력 지령으로 한 경우의 출력 리미트 값 제어에 있어서, 제어치에 대해서 진행파 전력 리미트 값이 설정되어 있는지 여부의 FWD 리미트 상태를 판정한다. 한편, 부하 전력은 진행파 전력에서 반사파 전력을 뺀 전력이라는 점에서, 진행파 전력 지령치가 설정되어 있는 경우에는, 진행파 전력에서 반사파 전력을 빼서 얻어지는 부하 전력 지령치에 기초한 지령치로서 얻을 수가 있다(S31).
(FWD 리미트 상태)
진행파 전력 리미트 값이 설정된 FWD 리미트 상태에 있는 경우에는, 진행파 전력 리미트 값의 설정이 풀릴 때까지 FWD 리미트 상태에 있는 주파수를 주파수 범위 내의 기준 주파수 ωo를 향해 시프트시키고(S32), 진행파 전력 리미트 상태를 해제하고, 동작 중인 주파수 ωs를 저장한다(S33). (도 12의 (a)의 S32, S33). 저장한 주파수 ωs를 주파수 리미트 값 ωLimit로서 설정한다. 이것에 의해 주파수 범위[-ωLimit, +ωLimit]가 설정된다(S34, 도 12의 (a)의 S34). 그 후, 주파수 제어 및 FWD 리미트 값 제어를 경유하여 FWD 제어로 되돌아간다.
(FWD 비리미트 상태)
S31의 공정에 있어서 FWD 리미트 동작 상태에 없다고 판정된 경우에는, S35 내지 S39의 공정에 의해, 주파수 리미트 값 ωLimit의 설정을 행한다.
주파수 제어의 출력 데이터를 취득한다. 여기에서는, 고주파 센서로 검출한 진행파 전력의 피드백값 FWD-FB 및 반사파 전력의 피드백값 REF-FB로부터 각 모니터값 FWDmonitor(t1) 및 REFmonitor(t1)을 취득한다. 한편, 각 모니터값은 검출 시의 시각(t1)의 값으로 한다(S35). 취득한 진행파 전력 모니터값 FWDmonitor(t1)과 전회의 검출 시각(t0)에서 취득한 진행파 전력 모니터값 FWDmonitor(t0)의 차분 ΔFWD(=FWDmonitor(t1)－FWDmonitor(t0))으로부터 진행파 전력의 변화분을 구한다(S36, 도 12(d)의 S36).
S36에서 구한 진행파 전력 모니터값 FWDmonitor의 변화분인 차분 ΔFWD의 변동 상태를 판정한다. 변동 상태의 판정은, 차분 ΔFWD와 문턱값 ΔFWDset를 비교함으로써 행할 수가 있다. 문턱값 ΔFWDset는, 예를 들면 차분 ΔFWD의 히스테리시스분에 기초하여 정할 수가 있다(S37, 도 12의 (d)의 S37).
S37의 판정에 있어서, 차분 ΔFWD가 문턱값 ΔFWDset 이상인 경우에는, 진행파 전력 피드백값 FWD-FB의 히스테리시스분을 넘는 변동이 있고, 임피던스의 정합 상태에 변화가 있었다고 판정하여, 주파수 리미트 값 ωLimit를 미리 설정해 둔 디폴트값 ωmax로 되돌리고(S38), ωmax에 기초하여 주파수 리미트 값±ωLimit를 설정한다(S39). 그 후, 주파수 제어 및 FWD 리미트 값 제어를 경유하여 FWD 제어로 되돌아간다.
한편, S37의 판정에 있어서, 차분 ΔFWD가 문턱값 ΔFWDset 미만인 경우에는, 진행파 전력 피드백값 FWD-FB에 변동이 없거나, 혹은 진행파 전력 피드백값 FWD-FB에 변동이 있는 경우라도, 그 변동분은 히스테리시스분 미만의 크기라고 판정하고, 다음에 반사파 전력 REF에 대하여 마찬가지 변동 판정을 행한다.
취득한 반사파 전력 모니터값 REFmonitor(t1)과 전회의 검출 시각(t0)에서 취득한 반사파 전력 모니터값 REFmonitor(t0)의 변화분인 차분 ΔREF(=REFmonitor(t1)－REFmonitor(t0))를 구한다(S37a, 도 12의 (d)의 S37).
S37a에서 구한 반사파 전력 모니터값 REFmonitor의 시간 변화의 변화분인 차분 ΔREF의 변동 상태를 판정한다. 판정은, 차분 ΔREF와 문턱값 ΔREFset를 비교함으로써 행할 수가 있다. 문턱값 ΔREFset는, 예를 들면 차분 ΔREF의 히스테리시스분에 기초하여 정할 수가 있다(S37b, 도 12의 (d)의 S37).
S37b의 판정에 있어서, 차분 ΔREF가 문턱값 ΔREFset 이상인 경우에는, 반사파 전력 REF-FB의 히스테리시스분을 넘는 변동이 있고, 임피던스의 정합 상태에 변화가 있다고 판정하고, S38 이후의 공정에서 주파수 리미트 값 ωLimit를 설정한다.
S37b의 판정에 있어서, 차분 ΔREF가 문턱값 ΔREFset 미만인 경우에는, 반사파 전력 REF-FB에 변동이 없거나, 혹은 반사파 전력 REF-FB에 변동이 있는 경우라도, 그 변동분은 히스테리시스분 미만의 크기라고 판정하여, 진행파 전력 리미트 값 제어는 불필요하다고 판정하고, 그 후, 주파수 제어 및 FWD 리미트 값 제어를 경유하여 FWD 제어로 되돌아간다(S37c).
(출력 리미트 값 제어(FWD 리미트 값 제어))
출력 리미트 값 제어(FWD 리미트 값(진행파 전력 리미트 값))를 설정하는 제어는 S41 내지 S45에 의해 행해진다. 제어 주파수는 주파수 범위의 주파수 단의 주파수±ωLimit로부터 시프트한다. 제어 주파수의 시프트는, 주파수 범위의 고주파수 단+ωLimit로부터의 저주파수측으로 향하는 시프트, 혹은 주파수 범위의 저주파수 단-ωLimit로부터의 고주파수측으로 향하는 시프트의 어느것인가를 선택할 수가 있다(S41, 도 12의 (b), (e)의 S41). 제어 주파수의 시프트에 있어서, 시프트 시의 주파수 ωs에 대하여 설정된 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit를 읽어낸다(S42, 도 12의 (b)의 S42).
출력 지령치는 S42의 공정에서 읽어낸 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit와 비교된다(S43). S43의 비교 공정에 있어서, 출력 지령치가 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit 미만일 때에는, 진행파 전력 리미트 값에 의한 제한은 불필요하기 때문에, 출력 지령치를 제어치로 한다(S44, 도 12의 (b)의 S44). 한편, 출력 지령치가 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit 이상일 때에는, 진행파 전력 리미트 값에 의한 제한을 행하기 위해서, 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit를 제어치로 해서 출력 지령치의 상한을 제한한다(S45, 도 12의 (b), (e)의 S45).
(주파수 제어)
도 12의 (b), (c) 및 도 12의 (e), (f)는, FWD 리미트 상태에 있는 경우 및 FWD 리미트 상태에 있지 않은 경우에 대하여, 주파수 제어 및 리미트 제어를 도시하고 있다.
한편, FWD 리미트 상태에 있는 경우에 있어서, 도 12의 (b)는 출력치≥진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit인 경우를 도시하고, 도 12의 (c)는 출력치＜진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit인 경우를 도시하고 있다. 또, FWD 리미트 상태에 있지 않은 경우에 있어서, 도 12의 (e)는 출력치≥진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit인 경우를 도시하고, 도 12의 (f)는 출력치＜진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit인 경우를 도시하고 있다.
·FWD 리미트 상태에 있는 경우：
도 12의 (b)는 FWD 리미트 상태로서, 출력치≥진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit인 경우의 주파수 제어의 일례를 도시하고 있다. S34에서 얻어진 주파수 리미트 값 ωs로 주파수 제어를 행한다. 이 주파수 ωs에서의 출력치는 진행파 전력 제한치 FWD-Limit를 넘은 값이기 때문에(S43), 진행파 전력 제한치 FWD-Limit를 제한치로 해서 출력 제어를 행한다(S45).
도 12의 (c)는 FWD 리미트 상태로서, 출력치＜진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit인 경우의 주파수 제어의 일례를 도시하고 있다. FWD 리미트 상태에 있는 경우에는, S34에서 얻어진 주파수 리미트 값 ωs로 주파수 제어를 행한다. 이 주파수 ωs에서의 출력치는 진행파 전력 제한치 FWD-Limit를 넘지 않는 값이기 때문에(S43), 진행파 전력 제한치 FWD-Limit에 의한 제한을 가하는 일 없이 출력 제어를 행한다(S44).
·FWD 리미트 상태에 있지 않은 경우：
도 12의 (e)는 FWD 리미트 상태에 있지 않은 경우로서, 출력치≥진행파 전력 리미트 값(FWD-Limit)인 경우의 주파수 제어의 일례를 도시하고 있다. S39에서 얻어진 주파수 리미트 값 ωmax로 주파수 제어를 행한다. 이 주파수 제어에서 얻어진 출력치는 진행파 전력 제한치 FWD-Limit를 넘은 값이기 때문에(S43), 진행파 전력 제한치 FWD-Limit를 제한치로 해서 출력 제어를 행한다(S45).
도 12의 (f)는 FWD 리미트 상태에 있지 않은 경우로서, 출력치＜진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit인 경우의 주파수 제어의 일례를 도시하고 있다. S39에서 얻어진 주파수 리미트 값 ωs로 주파수 제어를 행한다. 이 주파수 제어에서 얻어진 출력치는 진행파 전력 제한치 FWD-Limit를 넘지 않는 값이기 때문에(S43), 진행파 전력 제한치 FWD-Limit에 의한 제한을 가하는 일 없이 출력 제어를 행한다(S44).
[FWD 리미트 값 제어와 REF 리미트 값 제어의 전환]
다음에, FWD 리미트 값 제어와 REF 리미트 값 제어의 전환에 대하여, 도 13을 사용하여 설명한다.
출력치가 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit보다도 큰 경우에는, FWD 리미트 값 제어에 의해 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit를 제어치로 해서 출력 제어를 행한다.
FWD 리미트 값 제어에 의해 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit를 제어치로 하는 경우라도, 반사파 전력이 반사파 전력 리미트 값 REF-Limit보다도 커지는 경우에는, REF 리미트 값 제어에 의해, 제어치로서 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit 대신에 반사파 전력 리미트 값 REF-Limit를 사용하여 출력 제어를 행한다. FWD 리미트 값 제어로부터 REF 리미트 값 제어로 전환함으로써, 과잉 반사파 전력에 의해 회로 소자의 손상을 억제한다.
도 13의 (a), (b)는 FWD 리미트 값 제어와 REF 리미트 값 제어의 전환 상태의 주파수 특성 및 플로 차트를 도시하고 있다.
도 13의 (a)에 있어서, 일점 쇄선으로 나타내는 주파수보다도 낮은 주파수 범위에서는, 반사파 전력 REF-FB는 반사파 전력 리미트 값 REF-Limit를 넘지 않는 값이기 때문에, 진행파 전력 리미트 값으로 제한한 제어치를 사용하여 출력 리미트 값 제어를 행한다. 한편, 일점 쇄선으로 나타내는 주파수보다도 높은 주파수 범위에서는, 반사파 전력 REF-FB는 반사파 전력 리미트 값 REF-Limit를 넘는 값이기 때문에, 반사파 전력 리미트 값으로 제한한 제어치를 사용하여 반사파 리미트 값 제어를 행한다.
S41의 공정에 있어서 ±ωLimit로부터 주파수를 시프트시키고, S42의 공정에 있어서 주파수 ωs의 진행파 전력 리미트 값을 읽어낸 후, 부하 전력 지령치 LOAD-CO와 부하 전력 제한치 LOAD-Limit를 비교한다(S51).
S51의 공정에 있어서, 부하 전력 지령치 LOAD-CO가 부하 전력 제한치 LOAD-Limit 미만인 경우에는, S43 이후의 공정에 의해 제어치를 설정한다. S51의 공정에 있어서, 부하 전력 지령치 LOAD-CO가 부하 전력 제한치 LOAD-Limit보다도 큰 경우에는, 반사파 전력 피드백값 REF-FB와 반사파 전력 제한치 REF-Limit를 비교한다(S52).
S52의 공정에 있어서, 반사파 전력 피드백값 REF-FB가 반사파 전력 제한치 REF-Limit 미만인 경우에는, S43 이후의 공정에 의해 제어치를 설정한다. S52의 공정에 있어서, 반사파 전력 피드백값 REF-FB가 반사파 전력 제한치 REF-Limit 미만보다도 큰 경우에는, 반사파 전력 제한치 REF-Limit를 제어치로서 설정한다(S53).
[부하 전력 지령치의 전환]
다음에, 부하 전력 지령치를 전환한 경우의 제어예에 대하여 도 14 내지 도 18을 사용하여 설명한다. 이하, 세 전환예에 대하여 나타낸다. 전환예 1은, 부하 전력을 소(小)전력으로부터 대(大)전력으로 전환하는 예이고, 전환예 2, 3은, 부하 전력을 대전력으로부터 소전력으로 전환하는 예이다. 전환예 2, 3은 제어를 개시하는 주파수가 다른 예를 나타내고 있다. 한편, 여기서, 대전력과 소전력의 대소는 전력의 크기를 비교하기 위한 표기이고, 전력치의 절대치에 대하여 특정되는 것은 아니다. 여기에서는, 소전력을 200 W로 하고 대전력을 600 W로 하는 예를 나타낸다. 한편, 도 14, 도 17, 도 18에 있어서, 횡축에 나타내는 %Freq는 기준 주파수로부터의 어긋남의 정도를 표시하는 것이고, 기준 주파수를 0%Freq로 하고, 기준 주파수로부터 어긋난 주파수분을 기준 주파수에 대해서 %표시로 나타내고 있다.
도 14 내지 도 18에 있어서, 부하 전력 200 W의 출력 특성을 P1로 나타내고, 부하 전력 600 W의 출력 특성을 P2로 나타내고 있다. 도면에 있어서, FWD(P1)은 출력 특성 P1의 진행파 전력 특성을 나타내고, FWD(P2)는 출력 특성 P2의 진행파 전력 특성을 나타내고, REF(P1)은 출력 특성 P1의 반사파 전력 특성을 나타내고, REF(P2)는 출력 특성 P2의 반사파 전력 특성을 나타내고, FWD Limit는 진행파 전력 리미트 값을 나타내고, REF Limit는 반사파 전력 리미트 값을 나타내고 있다.
(전환예 1)
도 14 내지 도 16은 전환예 1을 도시하고 있다. 전환예 1에서는, 부하 레시피 P1로부터 부하 레시피 P2로 전환하는 예이고, 도 14에 있어서, 부하 레시피 P1은 원문자 1(①)에서 원문자 3(③)의 순으로(순서에 따라서) 제어되고, 원문자 4(④)에 있어서 부하 레시피 P1로부터 부하 레시피 P2로의 전환이 행해지고, 부하 레시피 P2는 원문자 5(⑤)에서 원문자 7(⑦)의 순으로 제어된다.
도 16의 플로 차트에 있어서, 부하 전력 200 W의 부하 레시피 P1에 따라서 주파수 제어를 개시한다(S100). 주파수 제어에 의해 주파수는 반사파 전력이 저감하는 방향으로 변화한다(S101).
반사파 전력이 최소에 도달했는지 여부를 판정한다(S102). 반사파 전력이 최소에 도달한 경우에는, 부하 레시피 P1에 의한 주파수 제어를 종료한다(S104). 반사파 전력이 최소에 도달하기 전에, 진행파 전력 FWD가 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit에 도달한 경우에 있어서도(S103), 부하 레시피 P1에 의한 주파수 제어를 종료한다(S104).
부하 레시피 P1에 의한 주파수 제어를 종료한 후, 부하 레시피를 변경하는 경우에는(S105), 부하 레시피 P1을 부하 레시피 P2로 변경한다(S106).
부하 레시피 P2에 있어서, 주파수 제어에 의해 주파수는 반사파 전력이 저감하는 방향으로 변화한다(S107).
반사파 전력이 최소에 도달했는지 여부를 판정한다(S108). 반사파 전력이 최소에 도달한 경우에는, 부하 레시피 P2에 의한 주파수 제어를 종료한다(S110). 반사파 전력이 최소에 도달하기 전에, 진행파 전력 FWD가 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit에 도달한 경우에 있어서도(S109), 부하 레시피 P1에 의한 주파수 제어를 종료한다(S110).
도 15의 (a), (b), (c), (d)는 각각 부하 전력(LOAD 전력), 진행파 전력 피드백값(FWD-FB), 반사파 전력 피드백값(REF-FB) 및 주파수 ω의 시간 변화를 도시하고 있다. 도 14와 도 15에 도시한 원문자 1(①)∼원문자 7(⑦)은 동일한 출력 상태를 나타내고 있다.
부하 레시피 P1에 의한 주파수 제어는, 진행파 전력 피드백값 FWD-FB가 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit를 넘는 주파수까지 변화해서 주파수 제어를 종료하고, 부하 레시피 P2로의 전환이 행해진다. 부하 레시피 P2로의 전환은, 부하 레시피 P2의 진행파 전력 피드백값 FWD-FB가 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit 이하로 되는 주파수로부터 개시된다.
(전환예 2)
도 17은 전환예 2를 도시하고 있다. 전환예 2에서는, 부하 레시피 P2로부터 부하 레시피 P1로 전환하는 예이고, 부하 레시피 P2는 원문자 1(①)에서 원문자 2(②)의 순으로 제어되고, 원문자 2(②)에서 원문자 3(③) 사이에 있어서 부하 레시피 P2로부터 부하 레시피 P1로의 전환이 행해지고, 부하 레시피 P1은 원문자 3(③)에서 원문자 5(⑤)의 순으로 제어된다. 한편, 전환예 2에 있어서 제어를 개시하는 주파수는 전환예 1의 개시 주파수와 동일한 예를 나타내고 있다.
(전환예 3)
도 18은 전환예 3을 도시하고 있다. 전환예 3은 전환예 2와 마찬가지로, 부하 레시피 P2로부터 부하 레시피 P1로 전환하는 예이지만, 제어를 개시하는 주파수가 다르다. 전환예 2에서는, 부하 레시피 P2는 원문자 1(①)에서 원문자 4(④)의 순으로 제어되고, 원문자 4(④)에서 원문자 5(⑤) 사이에 있어서 부하 레시피 P2로부터 부하 레시피 P1로의 전환이 행해지고, 부하 레시피 P1은 원문자 5(⑤)에서 원문자 7(⑦)의 순으로 제어된다.
전환예 3에 있어서, 원문자 1(①)의 제어 개시 시의 진행파 전력 피드백값 FWD-FB는 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit를 넘은 값이기 때문에, 진행파 전력 피드백값 FWD-FB의 특성과 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit의 특성이 교차하는 원문자 2(②)로부터 주파수 제어를 개시한다.
[상세 구성예]
본 발명의 고주파 전원 장치의 상세한 구성예를 도 19에 기초하여 설명한다. 고주파 전원 장치(1)는, 직류 전원(2), 고주파 증폭기(3), 변압기(7), 고주파 필터(8), 고주파 센서(4), 정합기(5) 및 제어기(10)를 구비하고, 출력을 부하(6)로 공급한다.
직류 전원(2)은, 고주파 증폭기(3)로 직류 전력을 공급하는 전력 공급원이다. 고주파 증폭기(3)는, 직류 전원(2)으로부터 공급된 직류 전력을 고주파로 변환함과 함께 제어기(10)의 제어치에 기초하여 증폭 제어를 행하고, 주파수 및 출력을 제어한다. 변압기(7)는 고주파 증폭기(3)의 고주파의 전압치를 부하(6)에 따른 전압으로 되도록 변압한다. 고주파 필터(8)는 변압기(7)의 출력의 고주파를 필터 처리하여, 부하(6)가 요구하는 주파수 성분을 출력한다.
고주파 센서(4)는, 고주파 전원 장치(1)로부터 부하(6)로 향하는 진행파 전력 FWD, 및 부하(6)에서 반사되어 고주파 전원 장치(1)로 되돌아오는 반사파 전력 REF를 검출하고, 검출한 진행파 전력의 피드백값 FWD-FB 및 반사파 전력의 피드백값 REF-FB의 각 피드백값을 제어기(10)로 귀환시킨다. 고주파 센서(4)에 있어서, 진행파 전력 FWD와 반사파 전력 REF의 분리는, 예를 들면 도시하지 않은 방향성 결합기를 사용할 수가 있다.
정합기(5)는, 고주파 전원 장치(1)와 부하(6) 사이의 임피던스를 정합시킨다. 정합기(5)에 의한 임피던스 정합은, 고주파 전원 장치(1)의 정격 출력 시의 임피던스와 부하(6)의 정상 상태에 있어서의 임피던스를 정합시킨다. 고주파 전원 장치(1)의 출력 전압(Vpp)은 정합기(5)의 출력단의 출력 전압에 의해 검출되고, 검출된 피드백값 Vpp-FB가 제어기(10)로 귀환된다. 한편, 출력 전압 Vpp는 출력 전압의 정부(正負)의 피크치 간의 피크 to 피크 전압이다.
제어기(10)는, 출력 제어부(10Aa), 리미트 제어부(10AB) 및 구동 제어부(10C)를 구비한다. 한편, 출력 제어부(10Aa)는 도 4의 구성도에 도시한 출력 제어부(10Aa) 및 주파수 제어부(10Ba)를 포함하는 구성이다. 또, 리미트 제어부(10AB)는 도 4의 구성도에 도시한 출력 리미트 값 제어부(10Ab) 및 주파수 리미트 값 제어부(10Bb)를 포함하는 구성이다. 구동 제어부(10C)는, 출력 제어부(10Aa)로부터 출력 제어에 관련된 제어치 및 주파수 제어부(10Ba)의 주파수 제어에 관련된 제어치를 출력 지령치로서 받아, 고주파 증폭기(3)를 제어한다. 제어기(10)는, 출력 제어(FWD 제어)와 주파수 제어를 개별적으로 행한다.
제어기(10)에 있어서, 주파수 제어부(10Ba)에 상당하는 제어 부분은, 출력 지령치(진행파 전력 지령치(10a)) 및 각 피드백 신호(진행파 전력 피드백값 FWD-FB 및 반사파 전력 피드백값 REF-FB)에 기초하여 주파수 제어를 행하고, 고주파 전원 장치(1)와 부하(6) 사이의 임피던스 정합을 행하는 제어 주파수를 구한다. 출력 제어부(10Aa)에 상당하는 제어 부분은, 출력 지령치(진행파 전력 지령치(10a)) 및 각 피드백 신호(진행파 전력 피드백값 FWD-FB 및 반사파 전력 피드백값 REF-FB)에 기초하여, FWD 제어 혹은 LOAD 제어의 출력 제어를 행한다. 이 출력 제어에 있어서, 임피던스 매칭 제어부(10B)에서 얻어진 제어 주파수를 사용함과 함께, 출력을 제어 주파수의 주파수 범위 내에서 정해진 출력 리미트 값을 사용하여 제한 전력 내로의 억제를 행한다. 출력 제어를 진행파 전력으로 행하는 경우에는, 주파수 리미트 값 제어에서 정해진 주파수 범위 내에 있어서 정해진 FWD 리미트 값을 사용하여 행한다.
한편, 출력 제어부(10Aa)에 있어서는, 진행파 전력 지령치(10a)에 기초하는 진행파 전력 제어와 부하 전력 지령치(LOAD 전력 지령치)(10b)에 기초하는 부하 전력 제어를 스위치(10Aa-2)에 의해 전환해서 행할 수가 있다. 부하 전력 제어는, 연산부(10Aa-1)에 의해 진행파 전력 피드백값 FWD-FB에서 반사파 전력 피드백값 REF-FB를 뺀 값을 부하 전력 피드백값 LOAD-FB로서 사용한다.
리미트 제어부(10AB)는, 주파수 리미트 값 제어에 의해 제어 주파수의 주파수 범위를 제한하고, 진행파 전력 리미트 값 제어(FWD 리미트 값 제어)에 의해 제어 주파수에 있어서의 출력 지령치의 상한을 진행파 전력 리미트 값(FWD 리미트 값)으로 제한한다.
리미트 제어부(10AB)는, 진행파 전력 지령치를 제한하는 진행파 전력 리미트 값(10d), 반사파 전력 지령치를 제한하는 반사파 전력 리미트 값(10e), 출력 전압(Vpp)을 제한하는 출력 전압 리미트 값(10c), 직류 전원의 전압을 제한하는 직류(DC) 전압 리미트 값(10f), 직류 전원의 전류를 제한하는 직류(DC) 전류 리미트 값(10g), 손실 전력을 제한하는 손실(LOSS) 전력 리미트 값(10h)의 각 리미트 값을 구비한다. 또, 출력 제어부(10Aa)는 고주파 전원 장치가 출력하는 진행파 전력의 목표치에 상당하는 진행파 전력 지령치(10a), 부하 전력의 목표치에 상당하는 부하 전력 지령치(LOAD 전력 지령치)(10b)를 구비한다.
각 리미트 값은, 예를 들면 리미트 제어부(10AB)가 구비하는 메모리 내에 저장해 두는 것 외에도, 도시하고 있지 않은 외부 장치에 저장해 두고, 당해 외부 장치로부터 입력하는 구성으로 해도 된다.
리미트 제어부(10AB)는, 출력 전압의 피드백값 Vpp-FB와 출력 전압 리미트 값(10c)(Vpp-limit)의 차분을 구하는 연산부(10Ab-c), 진행파 전력의 피드백값 FWD-FB와 진행파 전력 리미트 값(10d)의 차분을 구하는 연산부(10Ab-d), 및 각 출력의 피드백값과 각 리미트 값의 비교에 기초하여 출력 지령치를 출력하는 연산부(10Ab-e∼10Ab-h)를 구비한다.
연산부(10Ab-c)는, 출력 전압의 피드백값 Vpp-FB와 출력 전압 리미트 값(10c)(Vpp-limit)을 비교하고, 출력 전압의 피드백값 Vpp-FB가 출력 전압 리미트 값(10c)(Vpp-limit) 미만인 경우에는, 출력 전압 지령치 Vpp-CO를 그대로 출력하고, 출력 전압의 피드백값 Vpp-FB가 출력 전압 리미트 값(10c)(Vpp-limit)을 넘었을 때는, 출력 전압 지령치 Vpp-CO 대신에 출력 전압 리미트 값(10c)(Vpp-limit)을 출력 전압 지령치 Vpp-CO로서 출력한다.
연산부(10Ab-d)는, 진행파 전력의 피드백값 FWD-FB와 진행파 전력 리미트 값(10d)의 차분을 구하고, 주파수 제어부(10Ba)는 이 차분에 기초하여 주파수 제어를 행한다.
연산부(10Ab-e∼10Ab-h)는, 출력의 피드백값이 각 리미트 값 미만인 경우에는, 출력 지령치를 그대로 출력하고, 출력의 피드백값이 각 리미트 값을 넘었을 때는, 출력 지령치 대신에 리미트 값을 출력 지령치로서 출력한다.
연산부(10Ab-d)는, 진행파 전력의 피드백값 FWD-FB와 진행파 전력 리미트 값(10d)(FWD-limit)을 비교하고, 진행파 전력의 피드백값 FWD-FB가 진행파 전력 리미트 값(10d)(FWD-limit) 미만인 경우에는, 진행파 전력 지령치 FWD-CO를 그대로 출력하고, 진행파 전력의 피드백값 FWD-FB가 진행파 전력 리미트 값(10d)(FWD-limit)을 넘었을 때는, 진행파 전력 지령치 FWD-CO 대신에 진행파 전력 리미트 값(10d)(FWD-limit)를 출력한다.
연산부(10Ab-e)는, 반사파 전력의 피드백값 REF-FB와 반사파 전력 리미트 값(10e)(REF-limit)을 비교하고, 반사파 전력의 피드백값 REF-FB가 반사파 전력 리미트 값(10e)(REF-limit) 미만인 경우에는, 반사파 전력 지령치 REF-CO를 그대로 출력하고, 반사파 전력의 피드백값 REF-FB가 반사파 전력 리미트 값(10e)(REF-limit)을 넘었을 때는, 반사파 전력 지령치 REF-CO 대신에 반사파 전력 리미트 값(10e)(ERF-limit)을 반사파 전력 지령치 REF-CO로서 출력한다.
연산부(10Ab-f)는, 직류 전원 전압의 피드백값 Vdc-FB와 직류(DC) 전압 리미트 값(10f)(Vdc-limit)을 비교하고, 직류(DC) 전압의 피드백값 Vdc-FB가 직류(DC) 전압 리미트 값(10f)(Vdc-limit) 미만인 경우에는, 직류(DC) 전압 지령치 Vdc-CO를 그대로 출력하고, 직류(DC) 전압의 피드백값 Vdc-FB가 직류 전압 리미트 값(10f)(Vdc-limit)을 넘었을 때는, 직류 전압 지령치 Vdc-CO 대신에 직류 전압 리미트 값(10f)(Vdc-limit)을 직류 전압 지령치 Vdc-CO서 출력한다.
연산부(10Ab-g)는, 직류 전원 전류의 피드백값 Idc-FB와 직류 전류 리미트 값(10g)(Idc-limit)을 비교하고, 직류 전원 전류의 피드백값 Idc-FB가 직류 전류 리미트 값(10g)(Idc-limit) 미만인 경우에는, 직류 전류 지령치 Idc-CO를 그대로 출력하고, 직류 전원 전류의 피드백값 Idc-FB가 직류 전류 리미트 값(10g)(Idc-limit)을 넘었을 때는, 직류 전류 지령치 Idc-CO 대신에 직류 전류 리미트 값(10g)(Idc-limit)을 직류 전류 지령치 Idc-CO로서 출력한다.
연산부(10Ab-h)는, 손실 전력의 피드백값 Loss-FB와 손실 전력 리미트 값(10h)(Loss-limit)을 비교하고, 손실 전력의 피드백값 Loss-FB가 손실 전력 리미트 값(10h)(Loss-limit) 미만인 경우에는, 손실 전력 지령치 Loss-CO를 그대로 출력하고, 손실 전력의 피드백값 Loss-FB가 손실 전력 리미트 값(10h)(Loss-limit)을 넘었을 때는, 손실 전력 지령치 Loss-CO 대신에 손실 전력 리미트 값(10h)(Loss-limit)을 손실 전력 지령치 Loss-CO로서 출력한다.
손실 전력의 피드백 신호(Loss-FB)에 대응하는 손실 전력 리미트 값(Loss-limit)은, 고주파 전원 장치로부터 부하에의 전력 공급에 있어서 발생하는 손실 전력에 대응하는 리미트 값이다. 손실 전력은 고주파 전원 장치의 전력 공급에 있어서 발생하는 손실분이고, 공급 전력에서 실효 전력을 감산한 전력에 상당하고, 고주파 전원 장치가 공급하는 전력분에서 진행파 전력과 반사파 전력을 감산함으로써 산출된다. 연산부(10Ab-2)는, 직류 전원 전압의 피드백값 Vdc-FB와 직류 전원 전류의 피드백값 Idc-FB의 곱(積)에 의해 직류 전원 전력의 피드백값 Pdc-FB를 연산한다. 연산부(10Ab-3)는, 직류 전원 전력의 피드백값 Pdc-FB로부터 진행파 전력의 피드백값 FWD-FB를 감산하고, 반사파 전력의 피드백값 REF-FB를 가산하는 연산에 의해 손실 전력 Loss를 구한다.
제어기(10)는, 리미트 제어부(10AB)에 의해 상한이 제한된 출력 리미트 값을 사용함으로써, 고주파 증폭기(3)에 대해서 과대한 출력 지령치가 출력되는 것에 의해서 생기는 고주파 증폭기(3)의 회로 요소의 손상을 잘 제어한다.
구동 제어부(10C)는, 이전 제어 주기에서 구한 제어치를 유지하는 홀드 회로(10Ca), 홀드 회로(10Ca)에 유지된 이전 제어 주기의 제어치와 이번(今) 제어 주기의 제어치의 차분을 구하고, 이 오차분을 증폭하는 제어치 오차 증폭 회로(10Cb), 제어치 오차 증폭 회로(10Cb)에서 신호 증폭한 신호에 기초하여, 고주파 증폭기(3)를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하는 구동 회로(10Cc)를 구비한다. 구동 제어부(10C)는, 주파수 제어부(10Ba)(도 4)에서 구한 제어 주파수, 및 리미트 제어부(10AB)에서 상한을 제한한 출력 지령치를 제어치로 해서, 고주파 증폭기(3)의 증폭을 제어한다.
[진행파 전력 리미트 예]
이하, 출력 리미트 값의 예에 대하여 도 20 내지 도 22를 사용하여 설명한다. 출력 리미트 값은 기준 주파수를 포함하는 주파수 범위 내로 설정되고, 주파수 특성은 주파수 범위 내의 기준 주파수에 대해서 대칭 또는 비대칭으로 설정할 수가 있다.
도 20은 출력 리미트 값의 일례를 도시하고 있다. 여기에서는, 주파수 범위로서 [－20%∼+20%]로 하고 있다. 출력 리미트 값의 주파수 특성은 정재파 비(VSWR)에 의존한다. 반사 계수가 “0”은 정재파 비가 “1”에 상당하고, 이 때의 1의 출력 리미트 값의 주파수 특성은 도면 중의 굵은 실선으로 표시되고, 0%의 주파수에 있어서 진행파 전력 리미트 값 FWD-Limit를 정점으로 해서 주파수 범위의 단부를 향해 직선형으로 리미트 값이 저감한다.
도면 중의 파선 및 일점 쇄선으로 나타내어진 출력 리미트 값의 주파수 특성은, 각각 정재파 비(VSWR)가 1.1, 2, 3, 5, 10인 예이고, 정재파 비(VSWR)가 클수록 출력 리미트 값은 작은 값으로 함으로써 반사파 전력의 영향을 저감시킨다. 또, 횡축에 나타내는 %Freq는, 도 13, 도 16, 도 17에서 도시한 것과 마찬가지로 기준 주파수로부터의 어긋남의 정도를 %표시로 나타내고 있다.
(대칭인 주파수 특성의 예)
기준 주파수에 대해서 고주파수측과 저주파수측의 출력 지령치의 주파수 특성이 마찬가지라고 볼 수 있는 경우에는, 그 주파수 특성은 주파수 범위 내의 기준 주파수에 대해서 대칭으로 설정할 수가 있다.
도 21은 대칭인 주파수 특성의 예이고, 어느 예나 기준 주파수 ωo를 중심으로 해서 고주파수측과 저주파수측에 동일한 주파수 폭의 주파수 범위를 가짐과 함께, 대칭인 주파수 특성을 가진다.
(a)의 예는, 주파수 범위 내에 있어서, 기준 주파수 ωo의 양측에 일정 값의 출력 리미트 값을 가지는 범위와, 주파수 단 ω－ 및 주파수 단 ω+를 향해 일정 경사로 출력 리미트 값이 감소한다. 기준 주파수 ωo 근방의 출력 리미트 값은, 정격 출력에 기초하여 정할 수가 있다. 예를 들면, 고주파 전원 장치의 정격치에 소정의 마진분을 더한 값을 이용할 수가 있다. 마진분은, 예를 들면 단시간이라면 과대한 전력 공급에 견딜 수 있는 허용치 등, 고주파 전원 장치의 사용 조건에 따라 임의로 설정할 수가 있다.
(b)의 예는, 기준 주파수 ωo를 중심으로부터 주파수 단 ω－ 및 주파수 단 ω+를 향해 일정 경사로 출력 리미트 값이 감소한다. 기준 주파수 ωo의 출력 리미트 값은, 정격 출력에 기초하여 정할 수가 있다. 예를 들면, 고주파 전원 장치의 정격치에 소정의 마진분을 더한 값을 사용할 수가 있다. (b)의 예의 마진분은 (a)의 예의 마진분보다도 크게 설정할 수가 있다. 도 19의 주파수 특성은 (a), (b)의 예를 나타내고 있다.
(c), (d), (e)의 예는, 주파수 범위 내에 있어서, 기준 주파수 ωo의 양측에 일정 값의 출력 리미트 값을 가지는 범위와, 주파수 단 ω－ 및 주파수 단 ω+를 향해 소정의 곡선으로의 값이 감소한다.
기준 주파수 ωo 근방의 출력 리미트 값은, (a)의 예와 마찬가지로, 정격 출력에 기초하여 정할 수가 있다. 감소 곡선은, 예를 들면 고주파 증폭기의 오픈 루프 특성에 대응한 감소 특성으로 할 수가 있다. (c), (d)의 예는, 주파수 단을 향해 오목한 곡선형으로 감소하고, 기준 주파수 ωo측의 감소율이 크고, 주파수 단 ω- 및 주파수 단 ω+측의 감소율이 작은 예이고, (c)의 예는 감소 특성이 완만한 예를 나타내고, (d)의 예는 감소 특성이 급준한(가파른) 예를 나타내고 있다.
(e)의 예는, 주파수 단을 향해 볼록한 곡선형으로 감소하는 예이다.
(f)의 예는, 기준 주파수 ωo를 중심으로 해서 고주파수측과 저주파수측에 동일한 주파수 폭의 주파수 범위를 가지고, 이 주파수 범위 내에서 일정의 출력 리미트 값을 구비한다.
(비대칭인 주파수 특성의 예)
제어 주파수가 기준 주파수보다도 높은 주파수의 출력 지령치의 주파수 특성과, 제어 주파수가 기준 주파수보다도 낮은 주파수의 출력 지령치의 주파수 특성이 다른 주파수 특성으로 되는 경우가 있다. 출력 지령치의 주파수 특성이 기준 주파수에 대해서 비대칭일 때는, 출력 리미트 값의 주파수 특성은 주파수 범위 내의 기준 주파수에 대해서 비대칭으로 설정할 수가 있다.
예를 들면, 고주파 증폭기의 오픈 루프 특성이 주파수 특성에 크게 영향을 미치고, 제어 주파수가 기준 주파수에 대해서 고주파수측과 저주파수측의 주파수 특성이 다른 경우에는, 오픈 루프 특성에 따른 주파수 특성을 주파수 범위 내의 기준 주파수에 대해서 비대칭으로 설정한다.
도 22에 있어서, 이하의 (a) 내지 (d)는, 고주파 증폭기의 오픈 루프 특성과, 이 오픈 루프 특성에 대응하는 출력 리미트 값의 예를 나타내고 있다.
도 22의 (a)의 고주파 증폭기의 오픈 루프 특성은, 컷오프 주파수로부터 고주파측을 향해 직선형으로 진행파 전력이 감소한다. (a)의 출력 리미트 값은, 기준 주파수 ωo로부터 저주파수측에서는 일정 값으로 하고, 기준 주파수 ωo로부터 고주파수측에서는, 주파수 단 ω+를 향해 일정 경사로 출력 리미트 값이 감소한다.
도 22의 (b), (c)의 고주파 증폭기의 오픈 루프 특성은, 컷오프 주파수로부터 고주파측을 향해 오목한 곡선형으로 진행파 전력이 감소한다. (b), (c)의 출력 리미트 값은, 기준 주파수 ωo로부터 저주파수측에서는 일정 값으로 하고, 기준 주파수 ωo로부터 고주파수측에서는, 주파수 단 ω+를 향해 오목한 곡선형으로 출력 리미트 값이 감소한다. (b)의 예는 감소 특성이 완만한 예를 나타내고, (c)의 예는 감소 특성이 급준한 예를 나타내고 있다.
도 22의 (d)의 고주파 증폭기의 오픈 루프 특성은, 컷오프 주파수로부터 고주파측을 향해 볼록한 곡선형으로 진행파 전력이 감소한다. (d)의 출력 리미트 값은, 기준 주파수 ωo로부터 저주파수측에서는 일정 값으로 하고, 기준 주파수 ωo로부터 고주파수측에서는, 주파수 단 ω+를 향해 볼록한 곡선형으로 출력 리미트 값이 감소한다.
한편, 상기 실시 형태 및 변형예에 있어서의 기술은, 본 발명에 관계된 고주파 전원의 일례고, 본 발명은 각 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 취지에 기초하여 갖가지 변형하는 것이 가능하고, 이들을 본 발명의 범위로부터 배제하는 것은 아니다.
산업상의 이용 가능성
본 발명의 고주파 전원 장치는, 플라즈마 발생 장치에 전력을 공급하는 전원으로서 적용하는 것 외에도, 펄스 레이저 여기, 방전 가공기 등의 부하에 펄스 출력을 공급하는 전원 장치에 사용할 수가 있다.
1: 고주파 전원 장치
2: 직류 전원
3: 고주파 증폭기
4: 고주파 센서
5: 정합기
6: 부하
7: 변압기
8: 고주파 필터
10: 제어기
10A: 출력 제어부
10B: 임피던스 매칭 제어부
10C: 구동 제어부
10AA: 출력 제어부
10AB: 리미트 제어부
10Aa: 출력 제어부
10Ab: 출력 리미트 값 제어부
10Ba: 주파수 제어부
10Bb: 주파수 리미트 값 제어부
10Ca: 홀드 회로
10Cb: 제어치 오차 증폭 회로
10Cc: 구동 회로
10Ab-c∼10Ab-h: 연산부
10Ab-2, 10Ab-3: 연산부
10a: 진행파 전력 지령치
10b: 부하 전력 지령치
10c: 출력(Vpp) 전압 리미트 값
10d: 진행파 전력 리미트 값
10e: 반사파 전력 리미트 값
10f: 직류 전압 리미트 값
10g: 직류 전류 리미트 값
10h: 손실 전력 리미트 값
FWD: 진행파 전력
FWD-CO: 진행파 전력 지령치
FWD-FB: 진행파 전력 피드백값
FWD-limit: 진행파 전력 리미트 값
FWDmonitor: 진행파 전력 모니터값
Idc-CO: 직류 전류 지령치
Idc-FB: 직류 전류 피드백값
Loss-limit: 손실 전력 리미트 값
Loss-CO: 부하 전력 지령치
Loss: 손실 전력
Pcommand1: 출력 지령치
Pcommand2: 출력 지령치
Pdc-FB: 직류 전원 전력의 피드백값
Plimit: 상한치
Pout: 출력
REF: 반사파 전력
REF-CO: 반사파 전력 지령치
REF-FB: 반사파 전력 피드백값
REFmonitor: 반사파 전력 모니터값
Vdc-CO: 직류 전압 지령치
Vdc-FB: 직류 전압 피드백값
Vpp: 출력 전압
Vpp-CO: 출력 전압 지령치
Vpp-FB: 출력 전압 피드백값
Γ: 반사 계수
Δ: 차분
Δhigh: 소정 주파수 폭분
Δlow: 소정 주파수 폭분
ΔFWD: 차분
ΔFWDset: 문턱값
ΔREF: 차분
ΔREFset: 문턱값
ω: 제어 주파수
ωo: 기준 주파수

Claims (10)

  1. 부하에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원 장치의 제어 방법에 있어서,
    직류-교류 변환에 의해 고주파 전력을 출력하는 고주파 증폭기의 출력을 출력 지령에 기초하여 제어하는 출력 제어와,
    상기 고주파 증폭기와 부하 사이의 임피던스를 정합시키는 임피던스 매칭 제어를 구비하고,
    상기 임피던스 매칭 제어는,
    (A) 상기 고주파 증폭기의 피드백 신호에 기초하여 제어 주파수를 변동시켜 임피던스 정합을 행하는 주파수 제어와,
    (B) 상기 주파수 제어의 주파수 범위를 규정하는 주파수 리미트 값을 정하는 주파수 리미트 값 제어
    를 구비하고,
    (C) 상기 주파수 제어는, 상기 주파수 리미트 값 제어로 정해진 주파수 리미트 값의 주파수 범위 내에 있어서 상기 고주파 증폭기의 주파수를 제어하는, 고주파 전원 장치의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 출력 제어는,
    (D) 상기 주파수 범위에 있어서, 출력을 제한하는 출력 리미트 값을 정하는 출력 리미트 값 제어를 구비하고,
    (E) 상기 출력 리미트 값 제어로 정해진 출력 리미트 값을 상한으로 하는 출력 지령치에 의해 상기 고주파 증폭기의 출력을 제어하고,
    (F) 상기 출력 제어와 상기 임피던스 매칭 제어는 개별적으로 독립된 제어인, 고주파 전원 장치의 제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 출력 지령은, 부하에 공급하는 실효적인 부하 전력(LOAD 전력), 또는 고주파 전원 장치로부터 부하를 향해 공급하는 진행파 전력인, 고주파 전원 장치의 제어 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출력 제어는,
    연속되는 제어 과정에 있어서, 상기 출력 지령의 지령치를 복수 단계에서 자유롭게 바꾸는, 고주파 전원 장치의 제어 방법.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출력 리미트 값 제어에 있어서,
    상기 고주파 증폭기의 출력 지령치가 출력 리미트 값을 넘었을 때, 출력 지령치를 출력 리미트 값으로 치환함으로써 출력 지령치를 제한하는, 고주파 전원 장치의 제어 방법.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피드백 신호는, 상기 고주파 증폭기의 진행파 전력, 반사파 전력, 출력 전압, 직류 전압, 직류 전류의 적어도 어느 하나의 신호이고,
    상기 출력 리미트 값은, 각각 상기 각 피드백 신호에 대응해서 설정된, 진행파 전력 리미트 값, 반사파 전력 리미트 값, 출력 전압 리미트 값, 직류 전압 리미트 값, 직류 전류 리미트 값, 및/또는 손실 전력 리미트 값이고,
    각 제어 주파수에 있어서, 상기 출력 지령치가 출력 지령 리미트 값을 넘을 때에는, 상기 출력 지령치를 당해 출력 리미트 값으로 제한하고, 제한된 출력 지령치에 의해 고주파 증폭기의 출력을 제어하는, 고주파 전원 장치의 제어 방법.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출력 리미트 값의 주파수 특성은, 상기 주파수 범위 내의 기준 주파수에 대해서 대칭인 것을 특징으로 하는, 고주파 전원 장치의 제어 방법.
  8. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출력 리미트 값의 주파수 특성은, 상기 주파수 범위 내의 기준 주파수에 대해서 비대칭이고,
    상기 비대칭은, 고주파 증폭기의 증폭의 주파수 특성 및 부하 임피던스의 주파수 특성에 대응한 주파수 특성인, 고주파 전원 장치의 제어 방법.
  9. 부하에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원 장치에 있어서,
    상기 고주파 전력을 출력하는 고주파 증폭기와,
    상기 고주파 증폭기의 출력을 출력 제어하는 출력 제어부와,
    상기 고주파 증폭기와 부하의 임피던스를 정합시키는 임피던스 매칭 제어부를 구비하고,
    상기 임피던스 매칭 제어부는,
    (a) 상기 고주파 증폭기의 피드백 신호에 기초하는 주파수 제어에 의해 제어 주파수를 변동시켜 임피던스 정합을 행하는 주파수 제어부와,
    (b) 상기 주파수 제어의 주파수 범위를 규정하는 주파수 리미트 값을 정하는 주파수 리미트 값 제어부
    를 구비하고,
    상기 주파수 제어부는,
    (c) 상기 주파수 리미트 값 제어부에서 정해진 주파수 리미트 값의 주파수 범위 내에 있어서 상기 고주파 증폭기의 주파수를 제어하는, 고주파 전원 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 출력 제어부는,
    (d) 상기 주파수 범위에 있어서 상기 출력 제어부의 출력 제어치를 제한하는 출력 리미트 값을 정하는 출력 리미트 값 제어를 구비하고,
    (e) 상기 출력 리미트 값 제어로 정해진 출력 리미트 값을 상한으로 하는 출력 지령치에 의해 상기 고주파 증폭기의 출력을 제어하고,
    상기 출력 제어부와 상기 임피던스 매칭 제어부는,
    (f) 개별적으로 독립된 제어를 행하는, 고주파 전원 장치.
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