TWI523401B - 單相反相器 - Google Patents

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Description

單相反相器
本案發明，係關於例如可使用於對電漿負載等的負載供給電流的單相反相器。
作為將直流功率轉換為交流功率之反相器，已知有電壓型反相器及電流型反相器。電壓型反相器，係在負載與直流電壓源之間以半導體開關進行切換，藉此，將交流的方形波作為電壓源供給至負載。
作為反相器之一電路構成，已知一種將電晶體或閘流體的開關元件與反饋二極體的反並聯連接構成為橋式電路的臂，且藉由對各開關元件進行PWN控制來進行正交轉換的電路構成。
圖19係用於說明單相反相器電路之一般的電路構成之電路圖。在圖19(a)中，單相反相器係串聯將反饋二極體D1反並聯連接於開關元件Q1的電路元件與將反饋二極體D2反並聯連接於開關元件Q2的電路元件，並設成為橋式電路之一方之上下的臂，且串聯將反饋二極體 D3反並聯連接於開關元件Q3的電路元件與將反饋二極體D4反並聯連接於開關元件Q4的電路元件，並設成為橋式電路之另一方之上下的臂。在此，係形成為將橋式電路之上方的臂連接於正端子，將下方之臂連接於負端子的構成。將一方之上下的臂之元件(開關元件Q1與反饋二極體D1及開關元件Q2與反饋二極體D2)的連接點與另一方的臂之元件(開關元件Q3與反饋二極體D3及開關元件Q4與反饋二極體D4)的連接點連接於負載。
開關元件Q1與Q4，係根據基礎訊號(圖19(b)的上方)予以驅動，開關元件Q2與Q3，係根據基礎訊號(圖19(b)的下方)予以驅動。藉由使兩基礎訊號彼此為反相，切換流經橋式電路的電流方向，藉此，使輸出電壓(圖19(c))反轉，而輸出交流的輸出電流(圖19(d))。另外，圖19(d)中的Q1~Q4及D1~D4，係表示在橋式電路流動有輸出電流的元件(開關元件、反饋二極體)。(圖19(d))中的延遲時間Td，係為了防止在切換基礎訊號時橋式電路的上下臂短路而設。
在開關元件的ON/OFF動作中，提出一種構成，其係藉由將構成反相器電路的開關元件設為軟性切換(零電壓切換(ZVS)、零電流切換(ZCS))，來降低開關損失。
作為降低開關損失的軟性切換反相器，已知以3相橋式電路構成的共振反相器。共振反相器，係將整流二極體及共振用電容器並聯於開關元件，並藉由該共振 用電容器與連接於共振用電感及共振電路的開關元件構成共振電路。藉由共振電路之共振電流所致之共振用電容器的充放電與整流二極體的導通，實現開關元件的零電壓切換(ZVS)、零電流切換(ZCS)(例如專利文獻1)。
又，由於共振電路是將共振用電容器並聯於開關元件的構成，因此，存在有電容器之容量增加的問題。為了解決該問題，而提出一種藉由由輔助開關元件所構成的輔助電路來形成共振電路的構成(專利文獻2)。
又，提出一種即使在由單相橋式電路所構成的反相電路中，亦藉由將輔助電路設於除了反相電路之外，進行軟性切換的構成(專利文獻3、4)。
在專利文獻3中，係記載有將二極體與緩衝電容器並聯於被串聯的第1主開關及第2主開關，並將由被串聯的第1輔助開關及第2輔助開關與共振用電感所構成的第1輔助共振電路連接於直流電源，且輸入各個主開關及輔助開關之兩端電壓的電壓訊號，在作為開關訊號的導通訊號被賦予至第1主開關之前，進行將導通訊號賦予至第1及第2輔助開關的控制。
又，在專利文獻4中，記載有為了進行軟性切換，而具備有由第1~第4輔助開關、第1~第4輔助二極體、第1及第2輔助電容器及共振電抗器所構成的輔助電路，藉由輔助開關控制電路對輔助開關進行ON/OFF控制，擇一地形成第1共振電流路徑與第2共振電流路徑，該第1共振電流路徑係由第1輔助電容器與第1輔助開關 與共振電抗器與第4輔助開關所構成，該第2共振電流路徑係由第2輔助電容器與第2輔助開關與共振電抗器與第3輔助開關所構成。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2002-325464號公報
[專利文獻2]日本特開2004-23881號公報
[專利文獻3]國際公開WO01/084699號
[專利文獻4]日本特開2009-219311號公報
在共振反相器的情況下，存在有必須將共振電容器並聯於開關元件的問題。
又，在藉由將輔助電路設於單相橋式電路來進行軟性切換的構成中，為了構成輔助電路而存在有需要複數個輔助開關或輔助電容器的問題。
因此，在以往已知的反相電路中，為了進行軟性切換而存在有需要共振電容器、或輔助開關或輔助電容器等之複數個元件的問題。
本發明係為了解決前述之以往的問題點，以在反相電路特別是單相反相器中，藉由簡單的構成進行軟 性切換來防止開關元件的開關損失為目的。
本案發明係藉由共振電容器與共振電感及橋式電路來構成共振電路，且藉由流經該共振電路的共振電流，在構成橋式電路之主開關元件上升時進行零電壓切換(ZVS)及零電流切換(ZCS)，而藉由共振電容器的零電壓，在構成橋式電路之主開關元件下降時進行零電壓切換，該共振電容器係設於構成單相反相器之橋式電路的電源側，該共振電感係設於橋式電路的輸出側。
且，本案發明之單相反相器，係為了形成共振電路而具備從電源側電性分離共振電容器以後之電路構成的輔助開關電路，即使在具備有該輔助開關電路的輔助開關元件中，亦藉由共振電流的充電使共振電容器的電壓成為與電源側相同的電壓，藉此，將輔助開關元件的兩端電壓當作零電壓進行零電壓切換。
本案發明之單相反相器，係具備：橋式電路，將第1及第2主開關元件之串聯與第3及第4主開關元件之串聯並聯於直流電源，各主開關元件係以逆向偏壓將二極體並聯於直流電源所形成；平滑電路、輔助開關電路、共振電容器；及共振電感。
平滑電路、輔助開關電路及共振電容器，係在直流電源與橋式電路之間，從直流電源側依序連接。共振電感，係被連接於橋式電路之第1主開關元件與第2主 開關元件的連接點和第3主開關元件與第4主開關元件的連接點之間。輔助開關電路，係藉由開啟動作使平滑電路與共振電容器之間形成為遮斷狀態，並從電源側電性分離共振電容器以後的電路。共振電容器以後的電路，係藉由從電源側予以分離的方式，形成有由共振電容器、共振電感及橋式電路所構成的共振電路。
(主開關元件之軟性切換)
在主開關元件之開關動作中，(a)在將主開關元件從OFF狀態切換成ON狀態的開關動作中，藉由共振電流流動至共振電路的方式，將其主開關元件的兩端電壓當作零電壓而使開關動作成為零電壓切換，且藉由共振電路之共振電流流動至並聯於主開關元件之二極體的方式，使主開關元件的開關動作成為零電壓切換。
(b)在將主開關元件從ON狀態切換成OFF狀態的開關動作中，在處於ON狀態的主開關元件中，藉由共振電流流經的方式使共振電容器進行放電，並藉由主開關元件之兩端電壓變成為零電壓的方式，使主開關元件的開關動作成為零電壓切換。
主開關元件之軟性切換，係在從OFF狀態切換成ON狀態的開關動作中，進行零電壓切換及零電流切換，在從ON狀態切換成OFF狀態的開關動作中，進行零電壓切換。
(輔助開關元件之軟性切換)
且，在本案發明之單相反相器中，可構成為：平滑電路係具備連接於直流電源的正側與負側之間的平滑電容器，共振電容器係具備連接於直流電源的正側與負側之間的共振電容器，輔助開關電路係具備用來開閉平滑電容器與共振電容器之間的連接之輔助開關元件及並聯於該輔助開關元件的二極體。
輔助開關電路，係藉由切斷平滑電容器與共振電容器的連接，構成由共振電容器、共振電感及橋式電路所形成的共振電路。
在輔助開關元件之開關動作中，(a)在將輔助開關元件從ON狀態切換成OFF狀態的開關動作中，以供給電流從直流電源流動至負載側的方式，使共振電容器的電壓與平滑電容器的電壓成為同電壓，藉此，將輔助開關元件的兩端電壓當作零電壓，使開關動作成為零電壓切換。
(b)在將輔助開關元件從OFF狀態切換成ON狀態的開關動作中，藉由流經共振電路的電流所致之共振電容器的充電，使共振電容器的電壓成為與平滑電容器之電壓相同的電壓，並使開關動作成為零電壓切換，又，藉由共振電容器的充電，與輔助開關元件並聯的二極體會導通，且藉由再生電流從負載側流經該二極體往直流電源的方式，使開關動作成為零電流切換。
輔助開關元件之軟性切換，係在從ON狀態切換成OFF狀態的開關動作中，進行零電壓切換，在從OFF狀態切換成ON狀態的開關動作中，進行零電流切換及零電壓切換。
構成共振電路的共振電感，係由連接於橋式電路與負載之間的電感元件與負載的感應部份來構成。
在以電感元件構成共振電感時，從橋式電路之上下臂的中點，經由電感元件在與負載之間形成電流路徑，供給輸出電流至負載。
根據本案發明，用於進行軟性切換動作的共振電路係可由共振電容器、共振電感及橋式電路來構成，由於形成共振電路的電路構成係由平滑電路、輔助開關電路來構成，因此，可形成簡單的電路構成。又，共振電容器及平滑電容器係可由一個電容器元件來構成，且即使在輔助開關電路亦可由一個開關元件來構成，故，可使電路所需的元件數降低。
如以上說明，根據本案發明之單相反相器，可藉由簡單的構成進行軟性切換而防止開關元件的開關損失。
1‧‧‧單相反相器
2‧‧‧平滑電路
3‧‧‧輔助開關電路
4‧‧‧共振電容器
5‧‧‧橋式電路
6‧‧‧共振電感
6A‧‧‧電抗器元件
7‧‧‧負載
10‧‧‧直流電源
A、B‧‧‧電極
C‧‧‧雜散電容
C1‧‧‧平滑電容器
C2‧‧‧共振電容器
D1、D2、D3、D4‧‧‧反饋二極體
DA‧‧‧二極體
DU、DX、DV、DY‧‧‧二極體
Ed‧‧‧直流電壓
GA‧‧‧閘極訊號
GU、GV、GX、GY‧‧‧閘極訊號
IDA‧‧‧電流
IDV、IDX‧‧‧電流
IL‧‧‧電感電流
IQA‧‧‧電流
IQU、IQY、IQV、IQX‧‧‧電流
Iout‧‧‧共振電流
L‧‧‧共振電抗器
Q1、Q2、Q3、Q4‧‧‧開關元件
QA‧‧‧輔助開關元件
QU、QV、QX、QY‧‧‧主開關元件
[圖1]用於說明本案發明之單相反相器之概略構成例的圖。
[圖2]用於說明本案發明之單相反相器之概略構成例的圖。
[圖3]用於說明本案發明之單相反相器之電路構成例的圖。
[圖4]用於說明本案發明之單相反相器之動作之開關元件的動作圖。
[圖5]表示用於說明本案發明之單相反相器的動作例之動作模式1~動作模式10之各部之訊號狀態的圖。
[圖6]用於說明本案發明之單相反相器之動作例之模式1的動作圖。
[圖7]用於說明本案發明之單相反相器之動作例之模式1→2的動作圖。
[圖8]用於說明本案發明之單相反相器之動作例之模式2的動作圖。
[圖9]用於說明本案發明之單相反相器之動作例之模式3的動作圖。
[圖10]用於說明本案發明之單相反相器之動作例之模式4的動作圖。
[圖11]用於說明本案發明之單相反相器之動作例之模式5的動作圖。
[圖12]用於說明本案發明之單相反相器之動作例之模式6的動作圖。
[圖13]用於說明本案發明之單相反相器之動作例之模式7的動作圖。
[圖14]用於說明本案發明之單相反相器之動作例之模式8的動作圖。
[圖15]用於說明本案發明之單相反相器之動作例之模式9的動作圖。
[圖16]用於說明本案發明之單相反相器之動作例之模式10的動作圖。
[圖17]用於說明使用本案發明之單相反相器之電漿用電源裝置之構成例的圖。
[圖18]用於說明使用本案發明之單相反相器之電漿用電源裝置之構成例的圖。
[圖19]用於說明單相反相器電路之一般的電路構成之電路圖。
以下，參閱圖面來詳細說明關於本案發明的實施形態。在下述中，針對本案發明之單相反相器，使用圖1、圖2說明本案發明之單相反相器的概略構成例，使用圖3說明本案發明之單相反相器的電路構成例，使用圖4~圖16說明本案發明之單相反相器的動作例，使用圖17、18說明關於使用本案發明之單相反相器之電漿用電源裝置的構成例。
[單相反相器之構成例]
首先，使用圖1、圖2說明關於本案發明之單相反相器的概略構成例。另外，圖2係表示共振電感的例子。
在圖1中，本案發明之單相反相器1係具備：平滑電路2；輔助開關電路3；共振電容器4；橋式電路5；及共振電感6，且將來自直流電源10的直流轉換成交流，並將所轉換的交流輸出供給至負載7。平滑電路2、輔助開關電路3及共振電容器4，係在直流電源10與橋式電路5之間從直流電源10側依序連接，在本案發明之單相反相器中，藉由共振電容器4、橋式電路5及共振電感6構成共振電路。
輔助開關電路3，係藉由開啟動作使平滑電路2與共振電容器4之間形成為遮斷狀態，且從電源側電性分離作為共振電容器4以後之電路構成的橋式電路5及共振電感6。共振電容器4、橋式電路5及共振電感6，係藉由從電源側分離的方式，形成共振電路。本案發明，係利用該共振電路的共振電流及共振電容器之電容器電壓變成為零電壓的方式，以軟性切換使構成橋式電路5之主開關元件(QU、QX、QV、QY)及輔助開關元件(QA)進行切換動作。
圖1(b)、(c)，係用於說明橋式電路之主開關元件之軟性切換的圖。
圖1(b)，係用於說明構成橋式電路5之一方之臂的主開關元件QU、QY之軟性切換的圖。
將主開關元件QU、QY從OFF狀態切換成ON狀態時，對共振電容器進行共振電流的充電或放電，由於共振電容器的電壓Vc2為零電壓的狀態，因此，在該時間點能夠以進行開關動作的方式來進行零電壓切換。又，由於共振電流係流經以逆向偏壓的方式與主開關元件QU、QY並聯的二極體DU、DY，因此，在該時間點能夠以進行開關動作的方式來進行零電流切換。
另一方面，將主開關元件QU、QY從ON狀態切換成OFF狀態時，共振電容器係透過共振電路對所儲存的電荷進行放電。在共振電容器的電壓Vc2成為零電壓的狀態下，能夠以進行開關動作的方式來進行零電壓切換。
圖1(c)，係用於說明構成橋式電路5之另一方之臂的主開關元件QV、QX之軟性切換的圖。
主開關元件QV，QX的軟性切換，係與主開關元件QU，QY相同地進行軟性切換。
將主開關元件QV、QX從OFF狀態切換成ON狀態時，在共振電容器進行共振電流的充電或放電，由於共振電容器的電壓Vc2為零電壓的狀態，因此，在該時間點能夠以進行開關動作的方式來進行零電壓切換。又，由於共振電流係流經以逆向偏壓的方式與主開關元件QV、QX並聯的二極體DV、DX，因此，在該時間點能夠以進行開關動作的方式來進行零電流切換。
另一方面，將主開關元件QV、QX從ON狀態 切換成OFF狀態時，共振電容器係透過共振電路對所儲存的電荷進行放電。在共振電容器的電壓Vc2成為零電壓的狀態下，能夠以進行開關動作的方式來進行零電壓切換。
圖1(d)，係用於說明輔助開關電路3之輔助開關元件QA之軟性切換的圖。
在輔助開關元件的開關動作中，將輔助開關元件從ON狀態切換成OFF狀態的開關動作係以供給電流從直流電源流動至負載側的方式，使共振電容器的電壓與平滑電容器的電壓成為同電壓，且輔助開關元件之兩端電壓的電位差會變成為零電壓。藉此，能夠使開關動作成為零電壓切換。
另一方面，將輔助開關元件從OFF狀態切換成ON狀態的開關動作，係藉由流經共振電路的電流所致之共振電容器的充電，使共振電容器的電壓成為與平滑電容器之電壓相同的電壓。藉此，能夠使開關動作成為零電壓切換。
又，藉由共振電容器的充電，與輔助開關元件並聯的二極體會導通，且從負載側往直流電源進行再生的再生電流會流經該二極體。藉此，能夠使輔助開關元件的開關動作成為零電流切換。
藉此，輔助開關元件之軟性切換，係在從ON狀態切換成OFF狀態的開關動作中，進行零電壓切換，在從OFF狀態切換成ON狀態的開關動作中，進行零電流 切換及零電壓切換。
圖2，係表示單相反相器之共振電感的構成例。在圖2所示的構成例，係在橋式電路5的輸出端與負載7之間插入電抗器元件6A，並藉由電抗器元件6A構成共振電感6。根據該構成例，即使負載7為電容性負載時，亦能夠在本案發明之單相反相器構成共振電路。
[單相反相器之電路構成例]
圖3，係表示本案發明之單相反相器1之一電路構成例的電路圖。
平滑電路2及共振電容器4，係可藉由各別並聯於直流電源10之正負的輸出端間的電容器C1及電容器C2來構成。
輔助開關電路3，係可藉由輔助開關元件QA及並聯於該輔助開關元件QA的二極體DA來構成，該輔助開關元件QA係連接電容器C1的正側端與電容器C2的正側端之間或電容器C1的負側端與電容器C2的負側端之間。
圖3(a)，係在電容器C1之負側端與電容器C2之負側端之間設置輔助開關元件QA及二極體DA的構成例。輔助開關元件QA，係連接於電流IQA從橋式電路5側流往直流電源10側的方向，二極體DA係連接於電流IDA從直流電源10側流往橋式電路5側的方向。
圖3(b)，係在電容器C1之正側端與電容器 C2之正側端之間設置輔助開關元件QA及二極體DA的構成例。輔助開關元件QA，係連接於電流IQA從直流電源10側流往橋式電路5的方向，二極體DA係連接於電流IDA從橋式電路5側流往直流電源10側的方向。
在電容器C1的輸入端間施加直流電源10的直流電壓Ed，使兩端電壓Vc1成為Ed。另一方面，電容器C2的兩端電壓Vc2，係輔助開關電路3關閉而導通的期間為Ed，輔助開關電路3開啟而非導通的期間是藉由電容器C1放電的方式，使Vc2成為低於Ed的電壓。
橋式電路5，係構成為將第1及第2主開關元件QU、QX的串聯與第3及第4主開關元件QV、QY的串聯並聯於直流電源10之正負的電壓間，在各主開關元件QU、QX、QV、QY係二極體DU、DX、DV、DY以逆向偏壓的方式並聯於直流電源10的電壓方向。
在圖3中，共振電感6係藉由共振電抗器L來予以構成。流經共振電抗器L的電感電流IL，係在被供給至負載時形成為輸出電流，從負載返回至電源側時形成為再生電流，形成共振電路時形成為共振電流。
在主開關元件的開關動作中，零電壓切換(ZVS)及/或零電流切換(ZCS)的軟性切換係使用由共振電容器C2及共振電抗器L之共振行為所產生的共振電流。
為了形成該共振行為，在形成有共振電路時，必須從能量的關係，於共振行為的電壓Vc、電流 IL、共振電容器C2及共振電抗器L下滿足以下的關係，該能量的關係係儲存於共振電抗器L的能量(L×IL 2)/2為大於儲存於共振電容器C2的能量(C2×Vc 2)/2。
(C2×Vc 2)/2<(L×IL 2)/2．．．(1)
又，藉由儘可能使共振電容器C2與至橋式電路之各主開關元件QU、QX、QV、QY的配線或圖案的距離縮短，可抑制由開關元件之雜散電容C與共振電容器C2之間的配線電抗器所產生的共振行為，並抑制主開關元件OFF時之突波電壓的發生。
圖4，係用於說明單相反相器之動作之開關元件的動作圖。在圖4的動作圖中，係將驅動輔助開關元件QA之閘極訊號GA及各別驅動主開關元件QU、QV、QX、QY之閘極訊號GU、GV、GX、GY的輸出狀態，劃分表示為從動作模式1至動作模式10的10個階段。
橋式電路5，係藉由主開關元件QU、QV、QX、QY的ON/OFF狀態進行正交轉換。藉由交互驅動橋式電路5的二個群組，來切換朝向負載之輸出電流的電流方向，並藉由該主開關元件的切換進行正交轉換，該二個群組是包含：第1主開關元件QU與第4主開關元件QY之開關元件的群組；及第2主開關元件QX與第3主開關元件QV之開關元件的群組。
例如，在將第1主開關元件QU與第4主開關元件QY之開關元件的群組設為ON狀態，而將第2主開關元件QX與第3主開關元件QV之開關元件的群組設為 OFF狀態時(動作模式9、10、1、2)，電流會流動至從第1及第2主開關元件QU、QX之連接點往負載7且從負載7往第3及第4主開關元件QV、QY之連接點的電流方向。
使主開關元件之驅動狀態的相位反轉，並將第1主開關元件QU與第4主開關元件QY之開關元件的群組設為OFF狀態，將第2主開關元件QX與第3主開關元件QV之開關元件的群組設為ON狀態時(動作模式4~7)，電流會流動至從負載7往第1及第2主開關元件QU、QX之連接點且從第3及第4主開關元件QV、QY之連接點往負載7的電流方向。
切換開關元件的驅動狀態，並將第1主開關元件QU與第4主開關元件QY之開關元件的群組設為OFF狀態，將第2主開關元件QX與第3主開關元件QV之開關元件的群組設為ON狀態時(動作模式4、5、6、7)，會流動至從第3及第4主開關元件QV、QY之連接點往負載7且從負載7往第1及第2主開關元件QU、QX之連接點的電流方向。
在第1主開關元件QU及第4主開關元件QY的ON狀態(動作模式9、10、1、2)與第2主開關元件QX及第3主開關元件QV的ON狀態(動作模式4、5、6、7)之間，為了防止反相電路之上下的臂短路，而設置使所有的主開關元件QU、QV、QX、QY成為OFF狀態的動作模式3、8。
本案發明之單相反相器，係為了以軟性切換進行主開關元件的開關動作，而利用流動至包含橋式電路之共振電路的共振電流。藉由輔助開關電路使共振電容器以後的電路與直流電源10側電性分離，並藉由共振電容器與橋式電路與共振電感形成共振電路，藉此，來形成共振電流。
輔助開關電路係在動作模式10、1及動作模式5、6中，輸出閘極訊號GA並使輔助開關元件QA成為ON狀態。藉由該動作模式形成共振電路。
驅動主開關元件之動作模式1、2、4、5、6、7、9、10之各區間的時間寬，係隨著驅動頻率而為可變的。另一方面，作為輔助開關元件QA之OFF區間的動作模式2~4、7~9及作為上下臂之主開關元件QU、QV、QX、QY之延遲時間(dead time)的動作模式3、8之區間的時間寬，係設定為根據由電路元件的值等所決定之電壓變化的時間常數等而設定的固定值。
[動作例]
圖5，係表示動作模式1~動作模式10之各部的訊號狀態。圖5，係表示：輔助開關元件QA；主開關元件QU、QV、QX、QY的閘極訊號；共振電容器C2的電壓Vc2；流經主開關元件QU、QY、QV、QX的電流IQU、IQY、IQV、IQX；流經二極體DV、DX的電流IDV、IDX；及共振電流Iout。
以下，使用圖6~圖16說明動作模式1~10。
(動作模式1)
圖6係表示動作模式1的動作狀態。在動作模式1中，輔助開關元件QA及主開關元件QU、QY為ON狀態。該動作模式1，係從直流電源之正側的P端子透過主開關元件QU、共振電抗器L、主開關元件QY及輔助開關元件QA，在直流電源之負側的N端子形成有電流流動至電流路徑的路徑，且輸出電流會被供給至負載。
(動作模式1→2)
圖7係表示動作模式1→2的動作狀態，從動作模式1往動作模式2的移行，係藉由將輔助開關元件QA從ON狀態切換成OFF狀態的動作來進行。
在輔助開關元件QA從ON狀態往OFF狀態的移行中，在使輔助開關元件QA成為OFF的時間點，共振電容器C2係與平滑電容器C1同電壓，而共振電容器C2的電壓Vc2與平滑電容器C1的電壓Vc1之間並無電位差，且輔助開關元件的兩端電壓為零。因此，在該狀態下，將輔助開關元件QA從ON狀態切換成OFF狀態的動作，係成為零電流切換(ZVS)。
將輔助開關元件QA從ON狀態切換成OFF狀態時，從共振電容器C2的電壓Vc2開始進行放電。
(動作模式2)
圖8係表示動作模式2。在藉由共振電容器C2的放電使電壓Vc2到達0電壓的時間點，移行至動作模式2。
在動作模式2中，共振電容器C2、橋式電路及共振電抗器L，係從直流電源側被電性分離而形成共振電路。關於流經共振電路的共振電流，流動至主開關元件QY與主開關元件QU的電流將分流至二極體DX與二極體DV。圖8中的虛線係表示分流。
(動作模式3)
圖9係表示動作模式3，並表示將主開關元件QU、QY從ON狀態切換成OFF狀態的狀態。在動作模式2中，於藉由共振電容器C2的放電使電壓Vc2到達0電壓的時間點，從動作模式2移行到動作模式3係將主開關元件從ON狀態切換成OFF狀態。
在該時間點，由於共振電容器C2的電壓Vc2為0電壓，因此，各個主開關元件QU、QY之兩端電壓VQU、VQY為0電壓。因此，在該時間點，主開關元件QU、QY從ON狀態切換成OFF狀態，係能夠以零電壓切換(ZVS)來進行。
藉由將主開關元件QU、QY移行至OFF狀態，主開關元件QU、QY的電流IQU、IQY將變成為0。然後，共振電容器C2係從0電壓開始進行充電，而共振電流會反轉並流動至二極體DV與二極體DX。
(動作模式4)
圖10係表示動作模式4，並表示將主開關元件QV、QX從OFF狀態切換成ON狀態的狀態。在動作模式3中，由於共振電容器C2的電壓Vc2為0電壓，因此，各個主開關元件QV、QX之兩端電壓VQV、VQX為0電壓。因此，在該時間點，主開關元件QV、QX從OFF狀態切換成ON狀態，係能夠以零電壓切換(ZVS)來進行。
又，在動作模式3中，由於二極體DV與二極體DX為導通且有共振電流流動，因此，在該時間點，主開關元件QV、QX從OFF狀態切換成ON狀態，係能夠以零電流切換(ZCS)來進行。
在動作模式3中，當共振電容器C2被充電且被充電至共振電容器的電壓Vc2可導通二極體DA的電壓時，則移行至動作模式4而二極體DA將導通。若無視二極體DA的電壓下降，則平滑電容器C1與共振電容器C2會變成為同電位，且再生電流會從共振電路側流動至電源側。
(動作模式5)
圖11係表示動作模式5，並表示將輔助開關元件QA從OFF狀態切換成ON狀態的狀態。在藉由動作模式4使平滑電容器C1與共振電容器C2形成為同電位的狀態下，將輔助開關元件QA從OFF狀態切換成ON狀態時，由於 輔助開關元件QA的兩端電壓為0電壓，故，能夠以零電壓切換(ZVS)來進行，又，由於再生電流流動至二極體DA，故，能夠以零電流切換元件(ZCS)來進行。
從上述動作模式1至動作模式5為半周期動作，且與接下來的動作模式6至動作模式10的半周期動作配合，進而一周期動作結束。
動作模式6~動作模式10，係與動作模式1~動作模式5相同的動作，其係變換了進行動作之主開關元件之與QU、QY的組合及QV、QX的組合。
(動作模式6)
圖12係表示動作模式6的動作狀態。在動作模式6中，輔助開關元件QA及主開關元件QV、QX為ON狀態。該動作模式6，係從直流電源之正側的P端子透過主開關元件QV、共振電抗器L、主開關元件QX及輔助開關元件QA，在直流電源之負側之N端子的電流路徑形成有電流流動的路徑，且輸出電流會被供給至負載。
從動作模式6往動作模式7的移行，係藉由將輔助開關元件QA從ON狀態切換成OFF狀態的動作來進行。
在輔助開關元件QA從ON狀態往OFF狀態的移行中，在使輔助開關元件QA成為OFF的時間點，共振電容器C2係與平滑電容器C1同電壓，而共振電容器C2的電壓Vc2與平滑電容器C1的電壓Vc1之間並無電位差， 且輔助開關元件的兩端電壓為零。因此，在該狀態下，將輔助開關元件QA從ON狀態切換成OFF狀態的動作，係成為零電流切換(ZVS)。
將輔助開關元件QA從ON狀態切換成OFF狀態時，共振電容器C2係從電壓Vc2開始進行放電。
(動作模式7)
圖13係表示動作模式7。在藉由共振電容器C2的放電使電壓Vc2到達0電壓的時間點，從動作模式6移行至動作模式7。
在動作模式7中，共振電容器C2、橋式電路及共振電抗器L，係從直流電源側被電性分離而形成共振電路。關於流經共振電路的共振電流，流動至主開關元件QX與主開關元件QV的電流將分流至二極體DY與二極體DU。
(動作模式8)
圖14係表示動作模式8，並表示將主開關元件QV、QX從ON狀態切換成OFF狀態的狀態。在動作模式7中，於藉由共振電容器C2的放電使電壓Vc2到達0電壓的時間點，從動作模式7移行到動作模式8係將主開關元件從ON狀態切換成OFF狀態。
在該時間點，由於共振電容器C2的電壓Vc2為0電壓，因此，各個主開關元件QV、QX之兩端電壓 VQV、VQX為0電壓。因此，在該時間點，主開關元件QV、QX從ON狀態切換成OFF狀態，係能夠以零電壓切換(ZVS)來進行。
藉由將主開關元件QV、QX移行至OFF狀態，主開關元件QV、QX的電流IQV、IQX將變成為0。然後，共振電容器C2係從0電壓開始進行充電，而共振電流會反轉並流動至二極體DU與二極體DY。
(動作模式9)
圖15係表示動作模式9，並表示將主開關元件QU、QY從OFF狀態切換成ON狀態的狀態。在動作模式8中，由於共振電容器C2的電壓Vc2為0電壓，因此，各個主開關元件QU、QY之兩端電壓VQU、VQY為0電壓。因此，在該時間點，主開關元件QU、QY從OFF狀態切換成ON狀態，係能夠以零電壓切換(ZVS)來進行。
又，在動作模式8中，由於二極體DU與二極體DY為導通且有共振電流流動，因此，在該時間點，主開關元件QU、QY從OFF狀態切換成ON狀態，係能夠以零電流切換(ZCS)來進行。
在動作模式8中，當共振電容器C2被充電且被充電至共振電容器的電壓Vc2可導通二極體DA的電壓時，則移行至動作模式9而二極體DA將導通。若無視二極體DA的電壓下降，則平滑電容器C1與共振電容器C2會變成為同電位，且再生電流會從共振電路側流動至電源 側。
(動作模式10)
圖16係表示動作模式10，並表示將輔助開關元件QA從OFF狀態切換成ON狀態的狀態。在藉由動作模式9使平滑電容器C1與共振電容器C2形成為同電位的狀態下，將輔助開關元件QA從OFF狀態切換成ON狀態時，由於輔助開關元件QA的兩端電壓為0電壓，故，能夠以零電壓切換(ZVS)來進行，又，由於再生電流流動至二極體DA，故，能夠以零電流切換元件(ZCS)來進行。
將上述動作模式1~5及動作模式6~10各別表示於以下的表1、2。
[使用單相反相器之電源裝置的構成例] (雙靶極(Dual Cathode)電源裝置的構成例)
圖17係表示使用本案發明之單相反相器之雙靶極電源裝置的構成例。
雙靶極電源裝置，係將高頻電力供給至電漿產生裝置之負載的電源，電漿產生裝置係在接地的殼體內 具備電極1與電極2之二個電極。根據該雙靶極電源裝置，可將電性對稱的交流電壓施加至二個電極。
雙靶極電源裝置，係具備：整流部，對交流電源的交流功率進行整流；緩衝部，構成抑制瞬間產生之高電壓的保護電路；電流型降壓截波部，將從整流部所輸出之直流功率的電壓轉換成預定電壓並輸出直流電流；單相反相器，將電流型降壓截波部的直流輸出轉換成多相的交流輸出；及單相變壓器，將單相反相器的交流輸出轉換成預定電壓。
雙靶極電源裝置，係經由輸出纜線將單相變壓器之一方的輸出供給至一方的電極1，並經由輸出纜線將另一方的輸出供給至另一方的電極2。
圖18係表示使用本案發明之單相反相器之直流電源裝置的構成例。
直流電源裝置，係將高頻電力供給至電漿產生裝置之負載的電源，電漿產生裝置係具備從直流電源裝置進行直流電壓輸入的電極A與接地的電極B之二個電極。根據該直流電源裝置，能夠使一方的電極B接地，並將直流電壓施加至另一方的電極A。
直流電源裝置，係具備：整流部，對交流電源的交流功率進行整流；緩衝部，構成抑制瞬間產生之高電壓的保護電路；電流型降壓截波部，將從整流部所輸出之直流功率的電壓轉換成預定電壓並輸出直流電流；單相反相器，將電流型降壓截波部的直流輸出轉換成多相的交 流輸出；單相變壓器，將單相反相器的交流輸出轉換成預定電壓；及整流器，對單相變壓器的交流輸出進行整流。直流電源裝置，係經由輸出纜線將整流器的輸出供給至電極A。
另外，上述實施形態及變形例中的記述，係本案發明之電流型反相器裝置及電流型反相器裝置之控制方法的一例，本案發明並不受限於各實施形態者，可根據本發明的宗旨進行各種變形，而該些變形是落在本發明的範圍內。
[產業上之可利用性]
本案發明之單相反相器，係可應用於輸出交流的雙靶極電源裝置及輸出直流的直流電源裝置。
1‧‧‧單相反相器
2‧‧‧平滑電路
3‧‧‧輔助開關電路
4‧‧‧共振電容器
5‧‧‧橋式電路
6‧‧‧共振電感
7‧‧‧負載
10‧‧‧直流電源
C1‧‧‧電容器
C2‧‧‧電容器
QA‧‧‧輔助開關元件
Vc1‧‧‧兩端電壓
Vc2‧‧‧兩端電壓
QU‧‧‧主開關元件
QX‧‧‧主開關元件
QV‧‧‧主開關元件
QY‧‧‧主開關元件
ZVS‧‧‧零電壓切換
ZCS‧‧‧零電流切換

Claims (2)

  1. 一種單相反相器，其特徵係，具備：橋式電路，將第1及第2主開關元件之串聯與第3及第4主開關元件之串聯並聯於直流電源，各主開關元件係以逆向偏壓將二極體並聯於直流電源所形成；平滑電路、輔助開關電路及共振電容器，係在前述直流電源與前述橋式電路之間，從直流電源側依序連接；及共振電感，係被連接於前述橋式電路之第1主開關元件與第2主開關元件的連接點和第3主開關元件與第4主開關元件的連接點之間，在由前述輔助開關電路的開啟動作所致之前述平滑電路與前述共振電容器之間的遮斷狀態中，前述共振電容器與前述共振電感係形成共振電路，(a)在主開關元件從OFF狀態往ON狀態的開關動作中，藉由前述共振電路的共振電流流動至並聯於該主開關元件之二極體的方式，使該主開關元件成為零電流切換，且藉由共振電流流動至共振電路的方式，將該主開關元件的兩端電壓設為零電壓，使該開關元件從OFF狀態往ON狀態的開關動作成為零電流切換及零電壓切換，(b)在主開關元件從ON狀態往OFF狀態的開關動作中，藉由前述共振電流使前述共振電容器進行放電且兩端電壓成為零電壓，藉此，將該主開關元件的兩端電壓設為 零電壓，使該開關元件從ON狀態往OFF狀態的開關動作成為零電壓切換，以軟性切換進行主開關元件的開關動作。
  2. 如申請專利範圍第1項之單相反相器，其中，前述平滑電路，係具備連接於前述直流電源之正側與負側之間的平滑電容器，前述共振電容器，係具備連接於前述直流電源之正側與負側之間的共振電容器，前述輔助開關電路，係具備：輔助開關元件，用來開閉前述平滑電容器與前述共振電容器之間的連接；及二極體，並聯於該輔助開關元件，前述輔助開關電路，係藉由切斷前述平滑電容器與前述共振電容器的連接，構成前述共振電容器與前述共振電感的共振電路，(a)在輔助開關元件從ON狀態往OFF狀態的開關元件動作中，藉由供給電流從直流電源流動至負載側的方式，使前述共振電容器的電壓與前述平滑電容器的電壓成為同電壓，並使該輔助開關元件從ON狀態往OFF狀態的開關動作成為零電壓切換，(b)在輔助開關元件從OFF狀態往ON狀態的開關元件動作中，藉由流經前述共振電路的電流所致之前述共振電容器的充電，使前述共振電容器的電壓與前述平滑電容器的電 壓成為同電壓，並使該輔助開關元件從OFF狀態往ON狀態的開關動作成為零電壓切換，藉由前述共振電容器的充電，使與前述輔助開關元件並聯的二極體導通，並藉由再生電流從負載側流經該二極體往直流電源的方式，使該輔助開關元件成為零電流切換，並使該輔助開關元件從OFF狀態往ON狀態的開關動作成為零電流切換及零電壓切換，以軟性切換進行輔助開關元件的開關動作。
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