TW201513736A - 電壓型直流電源裝置及電壓型直流電源裝置之控制方法 - Google Patents

電壓型直流電源裝置及電壓型直流電源裝置之控制方法 Download PDF

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Abstract

在具備反流器的電壓型直流電源裝置中，於電弧產生時抑制從反流器對負載側之電流供給。 在電壓型直流電源裝置的直流輸出停止/恢復時，於停止時將截波(chopper)部從反流器分離開來，藉此抑制電弧產生時對負載的過剩電流，高速進行電弧之消弧；將流通於截波部之電流保持成為循環電流，並於反流器再啟動時將保持之循環電流供給至負載，藉此於電壓型直流電源裝置的直流輸出恢復時，減低對負載的直流電力供給延遲。

Description

電壓型直流電源裝置及電壓型直流電源裝置之控制方法
本案發明係有關電壓型直流電源裝置及其控制方法，例如有關用於電漿產生裝置等的負載之電壓型直流電源裝置及其控制方法。
電漿產生用裝置中使用之直流電源裝置，講求在電弧產生時抑制過剩電流，且以高速進行電弧之消弧。電壓型之直流電源中，會因與輸出連接之大型電容器而造成電弧產生時有過剩的放電電流流通，或為了彌補電弧產生時的輸出電壓降低而進一步增加輸出導致電弧時間變長等，而有對負載的影響增大之問題。
電弧放電(arc discharge)的因應方法，習知有
(1)將電源暫時停止，經過一定時間後重啟運轉。
(2)藉由電抗(reactance)與電容器組合而成之LC振動電路，來使逆電壓產生，使電弧自我消弧。
(3)藉由半導體開關元件造成之逆電壓發生電路來使逆電壓產生，使電弧自我消弧。
等等。
若依該些因應方法，那麼當電弧放電頻繁發生的情形下，會有無法控制輸出電流之問題、重啟正常放電會產生時間遲延之問題等，遭到詬病。
為解決上述問題，有人提出一種電漿用直流電源裝置，係使用電流型反流器(inverter)來作為反流器，並控制電流型反流器的開關動作來作為電流源，藉此控制對電漿產生裝置的供給電力量(專利文獻1)。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2004-40962號公報(段落〔0002〕~段落〔0027〕)
專利文獻1中提出之電漿用直流電源裝置，係為一種藉由控制電流型反流器的開關動作來控制對電漿產生裝置的供給量，並藉由電流源動作來供給穩定的直流電力之電流型直流電源裝置。也就是說，並非將電力控制成為電壓源，而是成為電流源，藉此達成穩定之控制。
是故，在不改變為電流源，而是維持電壓源 構成的條件下，在電弧產生時能夠抑制過剩電流，並迅速進行電弧消弧後的直流輸出之恢復供給，這種電壓型直流電源至今仍未為人所熟知。
本案發明之目的在於，解決前述習知之問題點，並於電壓型直流電源裝置中，在電弧產生時抑制從反流器對負載側之過剩電流供給。
以電漿產生裝置作為負載而供給直流電力的情形下，當負載即電漿產生裝置發生電弧放電時，停止從電壓型直流電源裝置對電漿產生裝置之直流電力供給，藉此來抑制過剩電流，減低電極或基板的損傷。又，當電弧放電消弧時，恢復從電壓型直流電源裝置對電漿產生裝置之直流電力供給。
本案發明之電壓型直流電源裝置，在電弧產生時會保持電壓型直流電源裝置中流通之直流電流並抑制對負載側之供給，在電弧消弧後對電壓型直流電源裝置的直流輸出恢復供給時，會利用保持之直流電流來迅速進行對負載之直流輸出供給。
在電壓型直流電源裝置的直流輸出停止/恢復時，於停止時會將截波(chopper)部從反流器分離開來，藉此抑制電弧產生時對負載的過剩電流，高速進行電弧之消弧。又，將此時截波部中流通之電流保持成為循環電流，並於反流器再啟動時將保持之循環電流供給至負 載，藉此於電壓型直流電源裝置的直流輸出恢復時，減低對負載的直流電力供給延遲。在此，反流器可做成單相反流器或多相反流器，以下僅簡單表記為反流器。
本案發明，包含電壓型直流電源裝置的態樣及直流電源裝置之控制方法的態樣。
〔直流電源裝置〕
本案發明之電壓型直流電源裝置，具備：電壓型降壓截波部，構成直流源；反流器，具有由第1開關元件~第4開關元件這4個開關元件所構成之橋式電路，藉由開關元件的動作將電壓型降壓截波部的直流輸出變換成單相的交流電力；整流部，將反流器的輸出做交直變換，並將得到的直流供給至負載；控制部，控制電壓型降壓截波部及反流器；及短路部，在電壓型降壓截波部與反流器之間，藉由短路開關元件將電壓型降壓截波部的正端子與負端子之間予以短路。
在一般的電力供給動作時，電壓型降壓截波部係將直流電力的電壓變換成規定電壓並輸出直流電壓。反流器，係藉由複數個開關元件的動作來切換電流路徑，藉此將電壓型降壓截波部的直流輸出變換成單相的交流電力。整流部，係將以反流器變換而成之交流電力藉由交直變換來變換為直流電力，並將變換而成之直流電力供給至負載。
在將直流電力供給至負載的動作狀態中，若 負載即電漿產生裝置中有電弧放電發生，那麼負載電壓會下降，且過剩電流會從電源側朝向負載流通。本案發明之電壓型直流電源裝置，在該電弧放電發生時會停止從電源側對負載之電力供給，其後於電弧放電消弧後，會恢復從電源側對負載之電力供給。
控制部，在電弧放電發生之時間點，係使反流器部的開關元件成為斷開(OFF)狀態，使前述電壓型降壓截波部的開關元件成為斷開狀態，使短路部的短路開關元件成為導通(ON)狀態，並藉由電壓型降壓截波部的電感器與二極體、及短路部的前述短路開關元件，來形成循環電路。在電弧放電消弧之時間點，或從電弧放電發生後經過規定的設定時間之時間點，係使反流器部的開關元件成為導通狀態，使電壓型降壓截波部的開關元件成為導通狀態，使短路部的短路開關元件成為斷開狀態，並將循環電路中流通之循環電流供給至反流器。
電弧放電有無消弧，除可藉由負載電壓等的電壓檢測來判定外，亦可事先設定好從電弧放電發生後至電弧放電消弧為止之時間，並依據設定時間的經過來判斷已消弧。
本案發明所具備之短路部的形態，可以做成短路電路，該短路電路是設置於電壓型降壓截波部與反流器之間，藉由開關元件將電壓型降壓截波部的正端子與負端子之間予以斷開或接續。
本案發明所具備之短路部的另一形態，可以 做成短路電路，該短路電路是設置於電壓型降壓截波部與反流器之間，且能將電壓型降壓截波部的直流輸出予以升壓並供給至反流器而兼發揮升壓電路之功能。
兼發揮升壓電路功能之短路電路，係具備：開關元件，連接電壓型降壓截波部的正端子與負端子之間；及平滑電容器，連接反流器的輸入端間；及二極體，連接平滑電容器的正端子間或負端子間。
〔電壓型直流電源裝置之控制方法〕
本案發明之電壓型直流電源裝置之控制方法，係為具備：電壓型降壓截波部，構成直流源；反流器，具有由第1開關元件~第4開關元件這4個開關元件所構成之橋式電路，藉由開關元件的動作將電壓型降壓截波部的直流輸出變換成單相的交流電力；整流部，將反流器的輸出做交直變換，並將得到的直流供給至負載；短路部，在電壓型降壓截波部與反流器之間，藉由短路開關元件將電壓型降壓截波部的正端子與負端子之間予以短路；及控制部，控制電壓型降壓截波部及反流器；的電壓型直流電源裝置之控制方法。
控制部，係
(a)當負載中有電弧放電發生之時間點，係使反流器部的開關元件成為斷開狀態，使電壓型降壓截波部的開關元件成為斷開狀態，使短路部的短路開關元件成為導通狀態，並藉由電壓型降壓截波部的電感器與二極體、及短 路部的短路開關元件，來形成循環電路。
(b)在電弧放電消弧為止，或經過足以認定已消弧之時間為止之期間，係維持循環電路的循環電流。
(c)在電弧放電消弧之時間點，或從電弧發生後經過規定的設定時間之時間點，係使反流器部的開關元件成為導通狀態，使電壓型降壓截波部的開關元件成為導通狀態，使前述短路部的短路開關元件成為斷開狀態，並將前述循環電路中流通之循環電流供給至反流器。
如以上說明般，按照本案發明，在電弧產生時能夠抑制從反流器對負載側之電流供給。此外，在電弧產生時會保持電壓型直流電源裝置中流通之直流電流，在電弧消弧後對電壓型直流電源裝置的直流輸出恢復供給時，能夠利用保持之直流電流來迅速進行對負載之直流輸出供給。
1‧‧‧電壓型直流電源裝置
2‧‧‧電壓型降壓截波部
3‧‧‧反流器
4‧‧‧整流部
5‧‧‧控制部
5a‧‧‧控制訊號形成電路
5b‧‧‧控制訊號形成電路
5c‧‧‧控制訊號形成電路
5d‧‧‧設定時間經過電路
6‧‧‧電弧檢測部
10‧‧‧短路部
CF1‧‧‧電容器
D1‧‧‧二極體
D2‧‧‧二極體
LF1‧‧‧直流電抗器
Lm1‧‧‧電感
N‧‧‧負端子
P‧‧‧正端子
Q1‧‧‧開關元件
Q2‧‧‧短路用開關元件
QU‧‧‧開關元件
QV‧‧‧開關元件
QX‧‧‧開關元件
QY‧‧‧開關元件
tarc‧‧‧設定時間
VO‧‧‧輸出電壓
△i‧‧‧循環電流
[圖1]本案發明之電壓型直流電源裝置構成例說明用概略方塊圖。
[圖2]本案發明之控制部一構成例說明用概略方塊圖。
[圖3]本案發明之電壓型直流電源裝置動作例說明用 流程圖。
[圖4]本案發明之電壓型直流電源裝置動作例說明用時序圖。
[圖5]本案發明之電壓型直流電源裝置的電弧放電消弧的電流流向說明用圖。
[圖6]反流器的構成例說明用圖。
[圖7]使用了本案發明之反流器的直流電源裝置構成例示意圖。
[圖8]使用了本案發明之反流器的雙陰極電源裝置構成例示意圖。
本案發明，係有關對電漿產生裝置等負載供給直流電力時，進行直流輸出的停止/恢復之電壓型直流電源裝置及電壓型直流電源裝置之控制方法。
以電漿產生裝置作為負載而供給直流電力的情形下，當負載即電漿產生裝置發生電弧放電時，停止從電壓型直流電源裝置對電漿產生裝置之直流電力供給，藉此減低電極或基板的損傷。又，當電弧放電消弧時，恢復從電壓型直流電源裝置對電漿產生裝置之直流電力供給。
本案發明，在電壓型直流電源裝置的直流輸出停止/恢復時，於停止時係將截波部中流通之電流保持成為循環電流，並於反流器再啟動時將保持之循環電流供給至負載，藉此於電壓型直流電源裝置的直流輸出恢復 時，減低對負載的直流電力供給延遲。
以下參照圖面，詳細說明本案發明之實施形態。以下，針對本案發明之電壓型直流電源裝置及控制方法，係利用圖1、圖2來說明電壓型直流電源裝置之構成例，利用圖3~圖5來說明電壓型直流電源裝置之控制例。
〔電壓型直流電源裝置之構成〕
本案發明之電壓型直流電源裝置，具備：電壓型降壓截波部，構成直流源；反流器，具有由第1開關元件~第4開關元件這4個開關元件所構成之橋式電路，藉由開關元件的動作將電壓型降壓截波部的直流輸出變換成單相的交流電力；整流部，將反流器的輸出做交直變換，並將得到的直流供給至負載；控制部，控制電壓型降壓截波部及反流器；及短路部，在電壓型降壓截波部與反流器之間，藉由短路開關元件將電壓型降壓截波部的正端子與負端子之間予以短路。
在一般的電力供給動作時，電壓型降壓截波部係將直流電力的電壓變換成規定電壓並輸出直流電壓。反流器，係藉由第1開關元件~第4開關元件的動作來切換電流路徑，藉此將電壓型降壓截波部的直流輸出變換成單相的交流電力。整流部，係將以反流器變換而成之交流電力藉由交直變換來變換為直流電力，並將變換而成之直流電力供給至負載。
在將直流電力供給至負載的動作狀態中，若負載即電漿產生裝置中有電弧放電發生，那麼負載電壓會下降，且過剩電流會從電源側朝向負載流通。本案發明之電壓型直流電源裝置，在該電弧放電發生時會停止從電源側對負載之電力供給，其後於電弧放電消弧後，會恢復從電源側對負載之電力供給。
電弧放電有無消弧，除可藉由負載電壓等的電壓檢測來判定外，亦可事先設定好從電弧放電發生後至電弧放電消弧為止之時間，並依據設定時間的經過來判斷已消弧。
利用圖1、圖2，說明本案發明之電壓型直流電源裝置的構成例。
圖1、圖8所示之電壓型直流電源裝置1，具備：電壓型降壓截波部2，構成直流源；反流器3，具有由第1開關元件~第4開關元件這4個開關元件所構成之橋式電路，藉由開關元件的動作將電壓型降壓截波部2的直流輸出變換成單相的交流電力；整流部4，將反流器3的輸出做交直變換，並將得到的直流供給至負載；控制部5，控制電壓型降壓截波部2及反流器3；及短路部10，在電壓型降壓截波部2與反流器3之間，藉由短路用開關元件Q2將電壓型降壓截波部2的正端子P與負端子N之間予以短路。該短路部10亦作為升壓電路而動作。
電壓型降壓截波部2，具備開關元件Q1與二極體D1與直流電抗器(DC reactor)LF1。開關元件Q1， 係對直流電壓做截波控制，藉此降壓。直流電抗器LF1，係對截波控制後之直流做電流平滑。另，二極體D1亦可使用絕緣閘雙極電晶體(IGBT)或MOSFET等開關元件。
反流器3，係輸入藉由電壓型降壓截波部2而被電流平滑之直流，並藉由控制反流器3具備之橋式電路的開關元件來做直交變換。
短路部10，係構成為在電壓型降壓截波部2的正端子P與負端子N之間連接短路用開關元件Q2。在開關元件Q1的斷開狀態下，藉由將正端子P與負端子N之間予以短路，充電至電容器CF1之直流電壓會被二極體D2阻擋，而和電壓型降壓截波部2的二極體D1及直流電抗器LF1共同形成閉電路。
二極體D2係為阻件，阻止充電至電容器CF1之直流電壓當開關元件Q2為導通狀態時施加至開關元件Q2，其構成不限於圖1所示般連接至正端子P側，亦可連接至負端子N側。
電容器CF1，除了蓄積流通於電壓型降壓截波部2的直流電抗器LF1之電流的能量外，還會吸收在反流器3的開關元件間進行換向(commutation)動作時產生之突波電壓(surge voltage)、或吸收串聯連接至各開關元件之電感器的能量，以發揮保護開關元件的作用。
反流器3，係構成為將第1開關元件~第4開關元件予以橋式連接。開關元件，例如能夠使用IGBT或 MOSFET等半導體開關元件。反流器的各開關元件，是依據控制部5的控制訊號來進行開關動作，將直流電力變換成交流電力並輸出。
整流部4，係將反流器3的交流輸出予以整流，並將直流輸出供給至負載。為了將反流器的交流輸出中含有之高頻漣波(ripple)成分除去，亦可構成為在整流部4的輸出端具備直流濾波電路。直流濾波電路，能夠利用與輸出端並聯連接之輸出電容器(未圖示)或串聯連接之輸出電抗器(未圖示)的其中一者或兩者來構成。
整流部4的直流輸出，係藉由連接電壓型直流電源裝置1與電漿產生裝置之間的輸出纜線來供給至電漿產生裝置。
電壓型直流電源裝置1，亦能利用寄生阻抗(parasitic impedance)來取代連接至整流部4之直流濾波電路，以作為除去高頻漣波成分之構成。舉例來說，作為電感成分，能夠使用整流部4與輸出端子之間的配線的電感、或連接至電壓型直流電源裝置1與負載之間的輸出纜線中含有之電感或電容、或在負載電漿的情形下使用電漿產生裝置的電極電容。上述反流器的寄生阻抗、及輸出纜線或電極電容的電容成分實質上構成直流濾波電路，而減低反流器的交流輸出中含有之高頻漣波成分。
此外，直流電壓的漣波成分的特性為，若降低反流器電路的驅動頻率則會增加。因此，藉由提高反流器電路的驅動頻率，便能夠減降輸出電容器及輸出電抗器 的必要性。此外，藉由提高反流器電路的驅動頻率，能夠抑制電壓型直流電源裝置1內部保有之能量。
又，本案發明之電壓型直流電源裝置1具備控制部5，其控制電壓型降壓截波部2、短路部10及反流器3。利用圖2之概略方塊圖來說明控制部5的一構成例。
控制部5具備：控制訊號形成電路5a，形成控制電壓型降壓截波部2的開關元件Q1的導通/斷開之控制訊號；及控制訊號形成電路5b，在短路部10，形成控制設於正端子與負端子之間的短路用開關元件Q2的導通/斷開之控制訊號；及控制訊號形成電路5c，形成控制反流器3的開關元件的導通/斷開之脈衝控制訊號。
控制訊號形成電路5a，係為對電壓型降壓截波部2的開關元件Q1做截波控制之電路，其檢測開關元件Q1的輸出電流即截波電流、及電壓型直流電源裝置1的輸出電壓及輸出電流，並依據該截波電流、及輸出電壓及輸出電流的檢測值，來控制以使電壓型直流電源裝置1的輸出成為事先設定好的規定電流值及規定電壓值。此外，依據電弧檢測部6的電弧檢測訊號，於電弧產生時切換成斷開狀態，於電弧消滅時從斷開狀態切換成導通狀態。
控制訊號形成電路5b，係為控制短路部10的短路用開關元件Q2的導通/斷開之電路，依據電弧檢測部6的電弧檢測訊號，於電弧產生時切換成導通狀態，於 電弧消滅時從導通狀態切換成斷開狀態。
藉由開關元件Q1及短路用開關元件Q2的動作，和電壓型降壓截波部2的二極體D1及直流電抗器LF1共同形成閉電路，蓄積於直流電抗器LF1之能量會成為循環電流△i而在閉電路內循環。
控制訊號形成電路5c，係形成控制反流器3的開關元件的導通/斷開之脈衝控制訊號，反流器3係控制構成反流器3的橋式電路之各臂的開關元件QU、QV、QX、QY的開關動作，藉由控制開關元件，將輸入的直流做直交變換成為交流。此外，依據電弧檢測部6的電弧檢測訊號，於電弧產生時切換成斷開狀態，於電弧消滅時從斷開狀態切換成導通狀態。
控制部5可構成為，除上述控制訊號形成電路5a~5c外，還具備設定時間經過電路5d。設定時間經過電路5d，係為形成電弧消滅時的控制訊號之電路，其事先訂定好從電弧產生至電弧消滅為止所需之充分長度的設定時間，在從電弧檢測部6輸入電弧檢測訊號起算至經過設定時間後之時間點，輸出控制訊號，令控制訊號形成電路5a輸出將開關元件Q1從斷開狀態切換成導通狀態之控制訊號、令控制訊號形成電路5b輸出將短路用開關元件Q2從導通狀態切換成斷開狀態之控制訊號、令控制訊號形成電路5c輸出將開關元件Q1從斷開狀態切換成導通狀態之控制訊號。
設定時間經過電路5d，係從檢測到電弧放電 發生起算，計時經過時間，藉由經過時間經過事先設定好的設定時間tarc，來視為電弧放電已消失，並輸出控制訊號。設定時間tarc，係相當於保持將電弧放電發生前一刻的直流電流作為循環電流△i來流通時的電流狀態之時間。該設定時間tarc作為保持時間係能夠任意設定，例如能夠藉由下述方式來訂定，即，針對控制對象的負載，事先求出從電弧放電發生至消失為止所需之時間，並於該時間加上由變動幅度預測出之餘裕量(margin)等。
電弧檢測部6，例如是依據負載或輸出端的電壓，來檢測負載之電弧產生裝置中的電弧放電發生狀態。
電弧檢測部6所做的電弧狀態檢測，例如是在負載電流流通的狀態下，將負載電壓或是電壓型直流電源裝置1的輸出端電壓與事先訂定好的第1閾值比較，當檢測電壓比第1閾值還低時，便檢測為電弧放電已發生。此外，檢測出電弧放電發生後，將檢測出的電壓與事先訂定好的第2閾值比較，當檢測電壓超過第2閾值時，便判斷電弧放電已消失。
反流器3，例如如圖6所示，係由具有4支臂之橋式電路所構成。在各臂分別設有開關元件QU、QV、QX、QY這4個開關元件。將開關元件QU與開關元件QX串聯連接、將開關元件QV與開關元件QY串聯連接。
開關元件QU與開關元件QX的連接點，是透過電感Lm1而連接至負載的正端子側，開關元件QU與開關元件QY的連接點是連接至負載的負端子側。
在控制部5，反饋訊號會從電壓型直流電源裝置1的輸出端或負載側復歸。反饋訊號，例如可訂為電壓型直流電源裝置1的輸出端的電壓、或電流、或電力。
〔直流電源裝置之控制動作〕
本案發明之電壓型直流電源裝置的控制部，在電壓型直流電源裝置的直流輸出停止時、停止中、及重啟時，會藉由以下控制A~控制C所示之各控制、及控制D之短路控制，而在電壓型直流電源裝置的直流輸出停止/重啟時，於停止時將截波部中流通之電流保持成為循環電流，並於反流器再啟動時將該循環電流供給至負載，藉此在電壓型直流電源裝置的直流輸出恢復時，減低對負載的直流電力供給延遲。
本案發明之電壓型直流電源裝置的控制部，在電壓型直流電源裝置1的直流輸出停止時、停止中、及重啟時，係進行以下控制。
控制A：電弧產生時的電壓型直流電源裝置的直流輸出停止時(電壓型降壓截波部的停止動作)
電源裝置的直流輸出停止時之控制，是將電壓型降壓截波部的開關從導通狀態切換成斷開狀態，藉由短路部將正端子與負端子間短路。如此一來，便將反流器的開關從導通狀態切換成斷開狀態。
於電弧放電發生時，在停止從電源側對負載供給電力的時間點，係停止電壓型降壓截波部的動作，同 時在短路部將正端子側與負端子側短路，藉此，使得從反流器流向變壓器側之電流停止。
電壓型直流電源裝置1，在對負載供給直流輸出的狀態下，電壓型降壓截波部會將直流源的直流電力變換成規定電壓並輸入至反流器。反流器將直流電力變換成交流電力。整流部將反流器的輸出做交直變換，並將直流電力供給至負載。
在電壓型直流電源裝置1的直流輸出停止時，將電壓型降壓截波部的開關從導通狀態切換成斷開狀態，停止來自直流源之電力供給。於該停止時，若藉由短路部將正端子與負端子間短路，那麼在電壓型降壓截波部與短路部之間會形成閉電路。閉電路中，於停止時蓄積於電壓型降壓截波部的電感器之能量會以循環電流的形態流通。當再啟動反流器而恢復直流輸出時，在比從直流源供給直流輸出還更早的時間點，該循環電流會流通於從電壓型降壓截波部觀察時存在於負載側之電路，而從反流器對負載進行迅速的電力供給。
控制B：電壓型直流電源裝置1的直流輸出停止中(循環電路之形成動作、及循環電流之保持動作)
電壓型直流電源裝置1的直流輸出停止中之控制，係保持反流器的開關的斷開狀態、及電壓型降壓截波部的開關的斷開狀態、及短路部的正端子與負端子間的短路狀態。
在停止從電源側對負載供給電力的期間，會 形成包含電壓型降壓截波部的電感器在內之循環電路，將電感器中流通之電流保持成為循環電流。
在電壓型直流電源裝置1的直流輸出停止中，保持電壓型降壓截波部的開關的斷開狀態，藉此保持停止來自直流源的電力供給，並保持短路部的正端子與負端子間的短路狀態，藉此保持在電壓型降壓截波部與短路部之間形成的循環電路中流通之循環電流。
控制C：電壓型直流電源裝置1的直流輸出恢復時(利用循環電流之反流器再啟動動作)
電壓型直流電源裝置1的直流輸出恢復時之控制，係將電壓型降壓截波部的開關從斷開狀態切換成導通狀態，使短路部成為開路狀態，將反流器的開關從斷開狀態切換成導通狀態。
在電壓型直流電源裝置1的直流輸出恢復時，將反流器的開關從斷開狀態切換成導通狀態，將電壓型降壓截波部的開關從斷開狀態切換成導通狀態，及使短路部開路，藉此，重啟將直流源的直流電力變換成規定電壓，將變換之直流電力輸入至反流器。
電弧放電消弧後，於電力供給恢復時，藉由使循環電流流至反流器，來使反流器迅速地再啟動。
控制D：短路控制
控制部係在電壓型直流電源裝置的直流輸出停止時及停止中，將短路部的正端子與負端子間做短路控制。該短路控制中，藉由使構成短路部的開關元件成為導通狀態， 來將正端子與負端子間短路，並使開關元件成為斷開狀態，藉此將正端子與負端子間開路。
藉由控制A之電壓型降壓截波部的停止功能與短路部的短路動作、及反流器的停止功能，來停止電弧放電時對負載的電力供給；藉由控制B之電壓型降壓截波部的循環電流保持動作，及利用控制C之循環電流，來使反流器迅速地再啟動。
本案發明之電壓型直流電源裝置1，在電弧放電發生的情形下，控制部能夠依據檢測電弧狀態之電弧檢測部的檢測訊號，來進行直流輸出的停止/重啟控制。控制部係依據電弧放電的發生檢測來進行停止控制，依據電弧放電的消失檢測來進行再啟動控制。
電弧檢測部係檢測負載電壓或是電壓型直流電源裝置的輸出端電壓，並將該檢測電壓與事先訂定好的第1閾值比較，當比第1閾值還低時，便檢測為電弧發生。
此外，檢測出電弧發生後，將檢測電壓與事先訂定好的第2閾值比較，當超過第2閾值時，便判斷電弧放電已消失。
〔電壓型直流電源裝置之動作例〕
接下來，利用圖3~圖5說明本案發明之電壓型直流電源裝置1的動作例。圖3為本案發明之電壓型直流電源裝置1的動作例說明用流程圖，圖4為本案發明之電壓型 直流電源裝置動作例說明用時序圖，圖5為本案發明之電壓型直流電源裝置1的電弧放電消失時的電流流向說明用圖。
圖3之流程圖，揭示電壓型直流電源裝置1在進行一般動作的狀態下，當電弧放電發生時之動作例(S1~S6)、及當電弧放電消失時之動作例(S7~S11)。
在電壓型直流電源裝置1所做的對負載之直流電力供給狀態中，若負載即電弧產生裝置中有電弧放電發生，那麼負載的輸入電壓或電壓型直流電源裝置的輸出電壓會降低。
電弧檢測部6係檢測並監視負載或電壓型直流電源裝置1的輸出端電壓與電流，在負載電流流通的狀態下當電壓降低時，便檢測出電弧放電已發生。電弧放電的發生檢測，能夠藉由將事先訂定好的閾值與檢測值比較來進行。另，電弧放電的檢測，並不限於電壓檢測值與閾值之比較(S1)。
(電弧放電發生時之動作例)
當檢測到電弧放電發生的情形下，會停止電壓型降壓截波部2的開關元件Q1(S2)，藉由短路用的控制訊號形成電路5中形成之短路用的導通訊號(S3)，使短路部10的短路用開關元件Q2成為導通狀態，將電壓型降壓截波部2的正端子P與負端子N間短路。藉由該短路動 作，反流器3之電力供給會停止，且將反流器3停止(斷開)(S4)。
藉由S2~S4之工程，停止從直流電源對電壓型降壓截波部2之電力供給，停止從電壓型直流電源裝置1對負載之直流電力供給，而形成由電壓型降壓截波部2的二極體D1與直流電抗器LF1所形成之閉電路。電壓型降壓截波部2的直流電抗器LF1的電感中流通之電流，會在形成的閉電路中作為循環電流△i而循環(S5)。
循環電流△i，當重啟從電壓型直流電源裝置1對負載之直流電力供給時，會被供給至反流器3，以提早反流器3之直交變換的啟動(rise)。
(電弧放電消失時之動作例)
檢測到電弧放電發生後，當檢測到電弧放電消失的情形下，或料想已經過了電弧放電消失的時間的情形下(S6)，會將電壓型降壓截波部2的開關元件Q1從斷開狀態切換成導通狀態(S7)，結束短路用的控制訊號輸出，藉此將短路用開關元件Q2從導通狀態切換成斷開狀態(S8)，停止電壓型降壓截波部2的正端子P與負端子N之間的短路狀態並使其導通，使反流器3成為動作狀態(S9)。
藉由S7~S9之工程，重啟從直流電源對電壓型降壓截波部2之電力供給，並將在由電壓型降壓截波部2的二極體D1與直流電抗器LF1所形成之閉電路中流通之 循環電流△i，比來自電壓型降壓截波部2之電力供給還先供給至反流器3的橋式電路(S10)。
藉由S7之工程重啟電壓型降壓截波部2的導通時，由於電壓型降壓截波部2具有之電感成分或雜散電容(stray capacitance)成分，透過電壓型降壓截波部2從直流電源供給至反流器3之直流電流會發生延遲。相對於此，循環電流△i，是藉由電壓型降壓截波部2的正端子P與負端子N間的短路停止，在電壓型降壓截波部2與反流器3之間形成電流路徑，而比來自直流電源的直流電流還先被供給至反流器3，能夠提早對負載之電力供給。
電壓型直流電源裝置1的動作結束前，重複S1~S10之工程(S11)。
圖4之時序圖係說明本案發明之電壓型直流電源裝置1的動作例，圖4(a)~(d)表示電弧檢測部之電弧產生檢測、電弧消弧檢測、電弧設定經過時間、及電弧檢測訊號，圖4(e)表示電壓型降壓截波部的開關元件Q1及反流器3的動作狀態，圖4(f)表示電壓型降壓截波部的動作狀態，圖4(g)表示短路部的短路用開關元件Q2的動作狀態，圖4(h)表示電壓型直流電源裝置的輸出電壓(V0)。
另，驅動反流器的正端子側臂的開關元件QU、QV之閘極訊號、驅動負端子側臂的開關元件QX、QY之閘極訊號，能夠使用一般習知之閘極訊號，故此處省略表記。
電弧檢測部6當檢測到電弧產生(圖4(a))便啟動(rise)電弧檢測訊號(圖4(d))，當檢測到電弧消弧(圖4(b))便中止(fall)電弧檢測訊號。電弧檢測訊號的中止，除檢測電弧消弧外，亦能做成下述態樣，即，依據從檢測到電弧產生後經過規定之電弧設定經過時間(圖4(c))來進行。
在從直流電源對負載供給直流電力的狀態下，反流器3為導通狀態，藉由反流器3的運轉停止，輸出電壓V0會成為零電壓(圖4(i))。此外，電壓型降壓截波部2的開關元件Q1處於導通狀態，短路部10的短路用開關元件Q2處於斷開狀態。該電力供給狀態中，當電弧檢測訊號啟動(圖4(d))，控制部5會將反流器切換成斷開狀態、將開關元件Q1切換成斷開狀態(圖4(e))，停止來自直流電源的電力供給(圖4(h))，同時將短路用開關元件Q2切換成導通狀態(圖4(g))，藉由電壓型降壓截波部2的二極體D1與直流電抗器LF1之閉電路來形成循環電路。
電弧檢測部6，在檢測到電弧消弧(圖4(b))或從檢測到電弧產生起算經過規定之電弧設定經過時間的時間點(圖4(c))，會中止電弧檢測訊號(圖4(d))。
當電弧檢測訊號中止(圖4(d))，控制部5會將反流器3從斷開狀態切換成導通狀態，將開關元件Q1從斷開狀態切換成導通狀態(圖4(e))。重啟來自 直流電源的電力供給(圖4(h))，同時將短路用開關元件Q2從導通狀態切換成斷開狀態(圖4(g))，使循環電路中流通之循環電流△i流至反流器側。藉由反流器3的重啟運轉，輸出電壓V0會輸出(圖4(i))。
將使短路用開關元件Q2成為導通狀態而循環電路中流通循環電流的期間訂定為電弧設定經過時間的情形下，該電弧設定經過時間係作為保持電弧放電發生時的狀態之區間(設定時間tarc)，能夠任意設定為從電弧放電發生時間點至研判為電弧放電消失時間點的時間點為止之期間。
圖5揭示本案發明之電壓型直流電源裝置的電路狀態。圖5揭示使用具備升壓機能之短路電路來作為短路部的情形下之電路狀態。圖5中所示之二極體D1，D2中，二極體記號的三角形狀部分反白之二極體表示電流未流通之狀態，而二極體記號的三角形狀部分以黑色表記之二極體表示電流流通之狀態。
圖5(a)揭示從直流電源對反流器3側進行電力供給之狀態。在電力供給時，開關元件Q1處於導通狀態，升壓電路的短路用開關元件Q2處於斷開狀態，從直流電源透過電壓型降壓截波部對反流器側進行電力供給。
圖5(b)揭示電弧產生時之狀態。在電弧產生時，將開關元件Q1從導通狀態切換成斷開狀態，將短路用開關元件Q2從斷開狀態切換成導通狀態，藉由電壓 型降壓截波部2的二極體D1與直流電抗器LF1之閉電路來形成循環電路。循環電路中有循環電流△i流通。
圖5(c)揭示保持狀態。保持狀態中，將開關元件Q1保持斷開狀態，將升壓電路的短路用開關元件Q2保持導通狀態，停止對負載之電力，等待電弧消滅。在此期間，循環電流△i在循環電路流通並被保持。
圖5(d)揭示電弧消弧時之狀態。在電弧消弧時，將開關元件Q1從斷開狀態切換成導通狀態，將升壓電路的短路用開關元件Q2從導通狀態切換成斷開狀態，使循環電路中流通之循環電流△i流至負載側，同時透過降壓截波部重啟從直流電源對反流器側之電力供給。
〔使用了反流器之電源裝置的構成例〕
圖7揭示使用了本案發明之反流器的電壓型直流電源裝置1的構成例。電壓型直流電源裝置1係為對電漿產生裝置的負載供給高頻電力之電源，電漿產生裝置具備從電壓型直流電源裝置1輸入直流電壓之電極、及接地之電極這二個電極。按照該電壓型直流電源裝置1，能夠將一方的電極接地，對另一方的電極施加直流電壓。
電壓型直流電源裝置1具備：整流部，將交流電源的交流電力予以整流；及緩衝(snubber)部，構成保護電路以抑制過渡性產生之高電壓；及電壓型降壓截波部，將從整流部輸入之直流電力的電壓變換成規定電壓並輸出直流電流；及單相反流器，將電壓型降壓截波部的 直流輸出變換成交流輸出；及單相變壓器，將單相反流器的交流輸出變換成規定電壓；及整流器，將單相變壓器的交流輸出予以整流。電壓型直流電源裝置，將整流器的輸出透過輸出纜線供給至電極A。
(雙陰極電源裝置的構成例)
圖8揭示使用了本案發明之電壓型直流電源裝置1與多相反流器及多相化變壓器的雙陰極(dual cathode)電源裝置的構成例。
雙陰極電源裝置係為對電漿產生裝置的負載供給高頻電力之電源，電漿產生裝置是在接地的殼內具備電極1與電極2這二個電極。按照該雙陰極電源裝置，能夠對二個電極施加電性對稱之交流電壓。
雙陰極電源裝置具備：整流部，將交流電源的交流電力予以整流；及緩衝部，構成保護電路以抑制過渡性產生之高電壓；及電壓型降壓截波部，將從整流部輸入之直流電力的電壓變換成規定電壓並輸出直流電流；及多相反流器，將電壓型降壓截波部的直流輸出變換成多相之交流輸出；及多相化變壓器，將多相反流器的交流輸出變換成規定電壓；且將多相化變壓器的輸出做成單相構成。
雙陰極電源裝置，係將多相化變壓器其中一方的輸出透過輸出纜線供給至一方的電極A，而將另一方的輸出透過輸出纜線供給至另一方的電極B。
另，上述實施形態及變形例中的記述，係為本案發明之電壓型反流器裝置及電壓型反流器裝置之控制方法的一例，本案發明並非限定於各實施形態，而可依據本案發明之要旨做各種變形，該些變形並不排除在本案發明範圍外。
[產業利用性]
本案發明之電流型反流器裝置，能夠運用作為對電漿產生裝置供給電力之電力源。
2‧‧‧電壓型降壓截波部
3‧‧‧反流器
4‧‧‧整流部
5‧‧‧控制部
6‧‧‧電弧檢測部
10‧‧‧短路部
CF1‧‧‧電容器
D1‧‧‧二極體
D2‧‧‧二極體
LF1‧‧‧直流電抗器
N‧‧‧負端子
P‧‧‧正端子
Q1‧‧‧開關元件
Q2‧‧‧短路用開關元件

Claims (4)

  1. 一種電壓型直流電源裝置，具備：電壓型降壓截波部，構成直流源；反流器，具有由第1開關元件~第4開關元件這4個開關元件所構成之橋式電路，藉由前述開關元件的動作將前述電壓型降壓截波部的直流輸出變換成單相的交流電力；整流部，將前述反流器的輸出做交直變換，並將得到的直流供給至負載；及控制部，控制前述電壓型降壓截波部及前述反流器；該電壓型直流電源裝置，其特徵為：具備：短路部，在前述電壓型降壓截波部與前述反流器之間，藉由短路用開關元件(Q2)將前述電壓型降壓截波部的正端子與負端子之間予以短路，前述控制部，係在電弧放電發生之時間點，係使前述反流器的第1開關元件~第4開關元件成為斷開(OFF)狀態，使前述電壓型降壓截波部的開關元件(Q1)成為斷開狀態，使前述短路部的短路用開關元件(Q2)成為導通(ON)狀態，並藉由前述電壓型降壓截波部的電感器(LF)與二極體(D1)、及前述短路部的前述短路用開關元件(Q2)，來形成循環電路，在前述電弧放電消弧之時間點，或從電弧放電發生後經過規定的設定時間之時間點，係使前述反流器的第1開 關元件~第4開關元件成為導通狀態，使前述電壓型降壓截波部的開關元件(Q1)成為導通狀態，使前述短路部的短路用開關元件(Q2)成為斷開狀態，並將前述循環電路中流通之循環電流供給至反流器。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電壓型直流電源裝置，其中，具備短路電路，在前述電壓型降壓截波部與前述反流器之間，藉由開關元件將前述電壓型降壓截波部的正端子與負端子之間予以斷開或接續，前述短路部的短路開關元件，係為前述短路電路之開關元件。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電壓型直流電源裝置，其中，前述短路電路，具備：短路用開關元件(Q2)，連接前述電壓型降壓截波部的正端子與負端子之間；及平滑電容器(CF)，連接前述反流器的輸入端間；及二極體(D2)，連接前述平滑電容器(CF)的正端子間或負端子間；而構成升壓電路。
  4. 一種電壓型直流電源裝置之控制方法，係為具備：電壓型降壓截波部，構成直流源；反流器，具有由第1開關元件~第4開關元件這4個開關元件所構成之橋式電路，藉由前述開關元件的動作將前述電壓型降壓截波部的直流輸出變換成單相的交流電力； 整流部，將前述反流器的輸出做交直變換，並將得到的直流供給至負載；短路部，在前述電壓型降壓截波部與前述反流器之間，藉由短路開關元件將前述電壓型降壓截波部的正端子與負端子之間予以短路；及控制部，控制前述電壓型降壓截波部及前述反流器；的電壓型直流電源裝置之控制方法，其特徵為：前述控制部，係在電弧放電發生之時間點，係使前述反流器的第1開關元件~第4開關元件成為斷開(OFF)狀態，使前述電壓型降壓截波部的開關元件(Q1)成為斷開狀態，使前述短路部的短路用開關元件(Q2)成為導通(ON)狀態，並藉由前述電壓型降壓截波部的電感器(LF)與二極體(D1)、及前述短路部的前述短路用開關元件(Q2)，來形成循環電路，在前述電弧放電消弧為止之期間，或從電弧放電發生後經過規定的設定時間為止之期間，維持流通於前述循環電路之循環電流，在前述電弧放電消弧之時間點，或從電弧放電發生後經過規定的設定時間之時間點，係使前述反流器的第1開關元件~第4開關元件成為導通狀態，使前述電壓型降壓截波部的開關元件(Q1)成為導通狀態，使前述短路部的短路用開關元件(Q2)成為斷開狀態，並將前述循環電路中流通之循環電流供給至反流器。
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