TW202335383A - 高頻電源、雷射裝置 - Google Patents

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Abstract

[課題]提供一種能夠提高間歇動作的負載的動作頻率之電源裝置。 [解決手段]高頻電源(200A)具備全波橋式電路(210)、變壓器(T1)及濾波器(220A)。變壓器(T1)的一次繞線(W1)與全波橋式電路(210)連接。濾波器(220A)至少包括串聯電感器，且以使從全波橋式電路(210)觀察到的負載之阻抗(Zin)在切換頻率(Fsw)以及3次諧波(3Fsw)及5次諧波(5Fsw)下成為電感性之方式配置於全波橋式電路(210)與負載之間。

Description

高頻電源、雷射裝置
本揭示有關一種高頻電源。
作為產業用的加工工具，廣泛普及有雷射加工裝置。圖1為雷射加工裝置1r的方塊圖。雷射加工裝置1r具備CO 2雷射器等雷射光源2和向雷射光源2供給交流電力而使其激振之雷射驅動裝置4r。雷射驅動裝置4r具備直流電源6及高頻電源8。直流電源6為定電壓源，藉由使用PID(Proportional-Integral-Differential:比例積分微分)控制或PI控制等之回饋控制而使作為其輸出的直流電壓V DC穩定為目標值。
高頻電源8接受直流電壓V DC並將直流電力轉換為所期望的高頻電力。交流電力供給到作為負載的雷射光源2。
圖2為高頻電源8及雷射光源2的等效電路圖。高頻電源8包括全波橋式電路(H橋電路)20和變壓器T1。全波橋式電路20具備包括高側電晶體MH1及低側電晶體ML1之支路(leg)和包括高側電晶體MH2及低側電晶體ML2之支路。變壓器T1的一次繞線與全波橋式電路20連接。
雷射光源2具備雷射共振器24和電感器L1、L2。雷射共振器24包括相對向之放電電極對，由放電電極對形成電容。在變壓器T1的二次繞線與雷射共振器24之間插入有電感器L1、L2。利用電感器L1、L2將負載22的共振頻率調節為與高頻電源8的切換頻率一致。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開1997-129953號專利公報
[發明欲解決之課題]
本發明人對圖2的高頻電源8及雷射光源2進行探討之結果，認識到以下課題。
圖3為圖2的全波橋式電路20的等效電路圖。在圖3中示出包括高側電晶體MH1及低側電晶體ML1之一個支路。高側電晶體MH1的閘極施加有高電壓，處於接通狀態，低側電晶體ML1的閘極施加有低電壓，處於斷開狀態。在該狀態下，全波橋式電路20的輸出電壓Vout為高(Vcc)，高側電晶體MH1的汲極電流Ids供給到負載22。
如上所述，負載22的共振頻率被設計為與高頻電源8的切換頻率一致。然而，變壓器T1或配線包含寄生電容，因該寄生電容的影響，負載22的阻抗有時會成為電容性。當負載阻抗為電容性時，流經高側電晶體MH1之移位電流(時間變動成分)di/dt亦即交流成分增大。
高側電晶體MH1及低側電晶體ML1在閘極-源極之間、閘極-汲極之間具有寄生電容。電流Ids的時間變動成分經由低側電晶體ML1的閘極-汲極電容(Gate-Drain Capacitance)Cgd對低側電晶體ML1的閘極電容進行充電。其結果，低側電晶體ML1的閘極-源極電壓(Gate-Source Voltage)Vgs上升，若超出臨界電壓，則低側電晶體ML1導通(稱為閘極誤觸發)。其結果，高側電晶體MH1和低側電晶體ML1同時接通而直通電流流動。尤其，在雷射電源等要求大電容、高頻切換之應用中，逆變器的功率電晶體採用能夠進行高速動作之SiC裝置。若使SiC裝置在MHz頻段進行切換，則根據閘極-汲極之間的寄生電容Cgd等參數而有可能發生閘極誤觸發。
圖4為圖2的全波橋式電路20的動作波形圖。圖4的上段示出輸出電壓Vout，下段示出低側電晶體ML1的閘極電壓Vgs。時刻t 0~t 1為低輸出期間，高側電晶體MH1斷開，低側電晶體ML1接通。在低輸出期間，低側電晶體ML1的閘極電壓Vgs成為高電壓。
在時刻t 1，從低輸出期間變為高輸出期間。在高輸出期間，高側電晶體MH1接通，低側電晶體ML1斷開。在時刻t 1，低(0V)的閘極電壓Vgs施加於低側電晶體ML1的閘極。在時刻t 2，若發生閘極誤觸發，則閘極電壓Vgs振盪。若閘極電壓Vgs超出電晶體的閘極負側的容許電壓(耐壓)，則會對電晶體的可靠性產生不良影響。尤其，SiC裝置的負側的耐壓低，因此需要抑制負電壓的施加。
本揭示是在該狀況下完成的，其一種樣態的例示性目的之一為提供一種能夠抑制電晶體的誤觸發之高頻電源。 [解決課題之手段]
本揭示的一種樣態的高頻電源，具備:全波橋式電路；變壓器，其係一次繞線與全波橋式電路連接；及濾波器電路，其係至少包括串聯電感器，且以使從全波橋式電路觀察到的負載之阻抗在切換頻率以及3次諧波及5次諧波下成為電感性之方式配置於全波橋式電路與負載之間。
再者，任意組合以上的構成要素者和將構成要素或表述在方法、裝置、系統等之間彼此置換者亦作為本發明的實施態樣而有效。 [發明效果]
依本揭示的一種樣態，能夠抑制電晶體的誤觸發。
對本揭示的某些例示性實施方式的概要進行說明。該概要作為後述詳細說明的序言，以實施方式的基本理解為目的，簡化說明1個或複數個實施方式的某些概念，並不限定發明或揭示的範圍。該概要並非考慮所有實施方式的總括性概要，其旨既不在確定所有實施方式的重要要素，亦不在劃分一部分或所有樣態的範圍。為了便於說明，「一實施方式」有時用作指在本說明書中所揭示之一個實施方式(實施例或變形例)或複數個實施方式(實施例或變形例)者。
一實施方式之高頻電源，具備:全波橋式電路；變壓器，其係一次繞線與全波橋式電路連接；及濾波器電路，其係至少包括串聯電感器，且以使從全波橋式電路觀察負載之阻抗在切換頻率以及3次諧波及5次諧波下成為電感性之方式配置於全波橋式電路與負載之間。
依該構成，藉由全波橋式電路的負載阻抗在基諧波及高諧波的頻率下成為電感性，高側電晶體的汲極電流的時間導數成分得到抑制。藉此，能夠抑制經由低側電晶體的閘極-汲極電容之閘極電容的充電，並防止低側電晶體的閘極誤觸發。
在一實施方式中，濾波器電路可以設置於變壓器的二次繞線與負載之間。
在一實施方式中，濾波器電路可以設置於全波橋式電路與變壓器的一次繞線之間。
在一實施方式中，濾波器電路可以為LC濾波器。
在一實施方式中，濾波器電路可以為T型濾波器。
在一實施方式中，濾波器電路可以為π型濾波器。
在一實施方式中，濾波器電路可以僅包括串聯電感器。
在一實施方式中，負載可以包括雷射共振器。
在一實施方式中，全波橋式電路可以由SiC電晶體構成。
(實施方式) 以下，參照圖式對較佳的實施方式進行說明。對示於各圖式之相同或相等的構成要件、構件、處理標註相同元件符號，並適當省略重複之說明。又，實施方式並非對揭示及發明進行限定，而是例示，實施方式中所記述之所有特徵或其組合並不一定是揭示及發明的本質。
在本說明書中，「構件A與構件B連接之狀態」除了構件A與構件B物理性直接連接之情況以外，還包含構件A與構件B經由對該等的電連接狀態不會帶來實質性的影響之或者不會損害藉由該等的結合而發揮之功能或效果之其他構件間接連接之情況。
同樣地，「構件C連接(設置)於構件A與構件B之間的狀態」除了包括構件A與構件C、或構件B與構件C直接連接之情況以外，還包括經由不會對該等的電連接狀態產生實質性的影響或不會損害藉由該等的結合所發揮之功能或效果之其他構件間接連接之情況。
又，在本說明書中，對電壓訊號、電流訊號等電訊號、或電阻、電容器、電感器等電路元件標註之符號，根據需要表示各自的電壓值、電流值、或電路常數(電阻值、電容值、電感)。
圖5為實施方式1之雷射裝置100A的方塊圖。雷射裝置100A具備雷射光源110及高頻電源200A。雷射光源110例如為CO 2雷射器，包括雷射共振器112及電感器L1、L2。電感器L1、L2的電感在高頻電源200A的切換頻率Fsw下被調整為，使包括電感器L1、L2及雷射共振器112之雷射光源110的阻抗成為實數，換言之，使雷射光源110的共振頻率f 0與高頻電源200A的切換頻率Fsw一致。
從未圖示之電源電路向高頻電源200A供給直流電壓V dc。高頻電源200A的輸出連接於雷射光源110。高頻電源200A依據激振訊號向雷射光源110間歇地供給交流的驅動電壓。亦即，高頻電源200A在激振訊號指示激振之期間(例如，高)成為工作狀態，向雷射光源110供給交流的驅動電壓V DRV。高頻電源200A在激振訊號指示停止之期間(例如，低)成為非工作狀態，停止向雷射光源110供給電力。高頻電源200A的切換頻率Fsw為1MHz以上。又，高頻電源200A的輸出電力成為1kW以上。
高頻電源200A具備全波橋式電路210、變壓器T1及濾波器220A。
全波橋式電路210包括高側電晶體MH1、MH2、低側電晶體ML1、ML2。該等電晶體MH1、MH2、ML1、ML2可以使用能夠高速切換之SiC。變壓器T1包括一次繞線W1、二次繞線W2。一次繞線W1與全波橋式電路210連接。
濾波器220A連接於變壓器T1的二次繞線W2與雷射光源110之間。濾波器220A至少包括串聯電感器。濾波器220A的電路形式及電路常數被設計為，從全波橋式電路210觀察到的負載114側之阻抗Zin在切換頻率Fsw以及3次諧波3Fsw及5次諧波5Fsw下成為電感性。
圖6(a)~圖6(d)為表示濾波器220A的構成例之電路圖。如上所述，濾波器220包括串聯電感器L3。圖6(a)的濾波器220A為LC濾波器，除了串聯電感器L3以外，還包括並聯電容器C3。圖6(b)的濾波器220A為π型濾波器，除了串聯電感器L3以外，還包括兩個並聯電容器C3、C4。圖6(c)的濾波器220A為T型濾波器，包括兩個串聯電感器L3、L4和並聯電容器C3。圖6(d)的濾波器220A僅包括串聯電感器L3。
在圖6(a)~圖6(d)中，濾波器220A相對於圖5的電感器L1串聯設置，但亦可以為相對於電感器L2串聯設置。或者，亦可以將圖6(a)~圖6(d)的濾波器220A相對於電感器L1、L2各自串聯設置。
以上為雷射裝置100A的構成。
圖7為表示從全波橋式電路210觀察負載114側之阻抗Zin之史密斯圖。在切換頻率Fsw的基諧波、3次諧波3Fsw、5次諧波5Fsw的所有波下，阻抗Zin的虛部為正，亦即成為電感性。
對高頻電源200A的動作進行說明。藉由從全波橋式電路210觀察負載114側之阻抗成為電感性，成為電流延遲模式下的動作，能夠進行軟切換(soft swiching)，高側電晶體MH1的汲極電流Ids的時間變動成分dIds/dt變小。藉此，經由低側電晶體ML1的閘極-汲極電容Cgd之低側電晶體ML1的閘極電容的充電得到抑制，能夠抑制閘極電壓Vgs的上升。藉此，能夠抑制低側電晶體ML1的閘極誤觸發。
藉由抑制低側電晶體ML1的閘極誤觸發，能夠防止直通電流。此外，能夠抑制由閘極誤觸發所引起之閘極電壓Vgs的振盪，進而，能夠防止閘極-源極電壓超出耐壓，從而能夠改善可靠性。
圖8為實施方式2之雷射裝置100B的方塊圖。雷射裝置100B具備雷射光源110及高頻電源200B。
濾波器220B被插入到全波橋式電路210與變壓器T1的一次繞線W1之間。此外，與圖5相同。
圖9(a)~圖9(d)為表示濾波器220B的構成例之電路圖。圖9(a)~圖9(c)的濾波器220B分別為LC型、π型、T型。圖6(a)~圖6(c)的濾波器220A藉由對接地而構成，相對於此，圖9(a)~圖9(c)的濾波器220B的並聯電容器藉由浮接(floating)而連接。
藉由實施方式2之高頻電源200B，亦可得到與實施方式1相同的效果。
(用途) 接著，對雷射裝置100的用途進行說明。圖10為表示具備雷射裝置100之雷射加工裝置300之圖。雷射加工裝置300對對象物302照射雷射脈衝304，而對對象物302進行加工。對象物302的種類並無特別限定，並且加工的種類亦例示有打孔(鑽孔)、切斷等，但並不限定於此。
雷射加工裝置300具備雷射裝置100、光學系統310、控制裝置320、載臺330。對象物302載置於載臺330上，根據需要進行固定。載臺330依據來自控制裝置320的位置控制訊號S 2對對象物302進行定位，並對對象物302和雷射脈衝304的照射位置進行相對掃描。載臺330可以為單軸、雙軸(XY)或三軸(XYZ)。
雷射裝置100依據來自控制裝置320的觸發訊號(激振訊號)S 1進行振盪而產生雷射脈衝306。光學系統310對對象物302照射雷射脈衝306。光學系統310的構成並無特別限定，能夠包括用於將射束導入到對象物302的反射鏡組、用於射束整形的透鏡或孔徑等。
控制裝置320統括控制雷射加工裝置300。具體而言，控制裝置320對雷射裝置100間歇地輸出觸發訊號S 1。又，控制裝置320依據記述加工處理之資料(配方)生成用以控制載臺330之位置控制訊號S 2。
以上，基於若干個實施方式對本發明進行了說明。該等實施方式僅為例示，當業者應理解，可以於該等各構成要素或各處理程序的組合中實施各種變形例，並且，這樣的變形例亦屬於本發明的範圍。以下，對該些變形例進行說明。
(變形例1) 在圖5的高頻電源200A中，可以將濾波器220A和電感器L1、L2一體地構成。
(變形例2) 高頻電源200的用途並不限於雷射裝置。例如，在1MHz以上的切換頻率Fsw下動作之全波橋式電路還能夠利用於離子植入裝置等。
(變形例3) 在實施方式中，由SiC構成全波橋式電路210，但並不限於此，亦可以由其他功率電晶體構成。
實施方式只不過是示出本發明的原理、應用的一側面，在實施方式中，允許在不脫離申請專利範圍中所規定之本發明的思想之範圍內實施多種變形例或配置的變更。
100:雷射裝置 200:高頻電源 210:全波橋式電路 220:濾波器 T1:變壓器 W1:一次繞線 W2:二次繞線 MH:高側電晶體 ML:低側電晶體 110:雷射光源 112:雷射共振器 114:負載
[圖1]為雷射加工裝置的方塊圖。 [圖2]為高頻電源及雷射光源的等效電路圖。 [圖3]為圖2的逆變器的等效電路圖。 [圖4]為圖2的逆變器的動作波形圖。 [圖5]為實施方式1之雷射裝置的方塊圖。 [圖6]圖6(a)~圖6(d)為表示濾波器的構成例之電路圖。 [圖7]為表示從全波橋式電路觀察到的負載之阻抗Zin之史密斯圖。 [圖8]為實施方式2之雷射裝置的方塊圖。 [圖9]圖9(a)~圖9(d)為表示濾波器的構成例之電路圖。 [圖10]為表示具備雷射裝置之雷射加工裝置之圖。
100A:雷射裝置
110:雷射光源
112:雷射共振器
114:負載
200A:高頻電源
210:全波橋式電路
220A:濾波器
f0:共振頻率
L1,L2:感應器
MH1,MH2:高側電晶體
ML1,ML2:低側電晶體
T1:變壓器
Vdc:直流電壓
W1:一次繞線
W2:二次繞線
Zin:阻抗

Claims (10)

  1. 一種高頻電源，具備： 全波橋式電路； 變壓器，其係一次繞線與前述全波橋式電路連接；及 濾波器電路，其係至少包括串聯電感器，且以使從前述全波橋式電路觀察到的負載之阻抗在切換頻率以及3次諧波及5次諧波下成為電感性之方式配置於前述全波橋式電路與前述負載之間。
  2. 如請求項1的高頻電源，其中， 前述濾波器電路設置於前述變壓器的二次繞線與前述負載之間。
  3. 如請求項1的高頻電源，其中， 前述濾波器電路設置於前述全波橋式電路與前述變壓器的前述一次繞線之間。
  4. 如請求項1至3中任一項的高頻電源，其中， 前述濾波器電路為LC濾波器。
  5. 如請求項1至3中任一項的高頻電源，其中， 前述濾波器電路為T型濾波器。
  6. 如請求項1至3中任一項的高頻電源，其中， 前述濾波器電路為π型濾波器。
  7. 如請求項1至3中任一項的高頻電源，其中， 前述濾波器電路僅包括前述串聯電感器。
  8. 如請求項1至3中任一項的高頻電源，其中， 前述負載包括雷射共振器。
  9. 如請求項1至3中任一項的高頻電源，其中， 前述全波橋式電路由SiC電晶體構成。
  10. 一種雷射裝置，具備： 雷射光源；及 請求項1至9中任一項的高頻電源，其係向前述雷射光源供給交流電壓。
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