高周波電源装置
【課題】直流電圧をインバータ回路により高周波交流電圧に変換して負荷に供給する高周波電源装置の構成の簡素化を図る。
【解決手段】直流電源部２０が発生する直流電力を交流電力に変換するインバータ回路３と、インバータ回路の出力が一次側に入力されたトランス４とを備えて、トランスの二次側から負荷７に高周波電力を供給する高周波電源装置において、インバータ回路３の出力電流と出力電圧の位相差を検出する位相差検出部１１と、負荷に与える高周波電力を検出する電力検出部１０とを設け、インバータ回路３に入力する直流電圧を一定として、インバータ回路の出力電流の出力電圧に対する位相を遅れ位相の状態に維持する制御を行いつつ、インバータ回路３の出力端から負荷側を見た回路のインピーダンスの抵抗分を増減させて負荷に与える高周波電力を設定値に近づけるか又は許容範囲に保つ制御を行わせる。
【解決手段】直流電源部２０が発生する直流電力を交流電力に変換するインバータ回路３と、インバータ回路の出力が一次側に入力されたトランス４とを備えて、トランスの二次側から負荷７に高周波電力を供給する高周波電源装置において、インバータ回路３の出力電流と出力電圧の位相差を検出する位相差検出部１１と、負荷に与える高周波電力を検出する電力検出部１０とを設け、インバータ回路３に入力する直流電圧を一定として、インバータ回路の出力電流の出力電圧に対する位相を遅れ位相の状態に維持する制御を行いつつ、インバータ回路３の出力端から負荷側を見た回路のインピーダンスの抵抗分を増減させて負荷に与える高周波電力を設定値に近づけるか又は許容範囲に保つ制御を行わせる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置等の負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高周波電源装置として、特許文献１に示されているように、商用交流電圧を直流電圧に変換する整流平滑回路と、この整流平滑回路から得られる直流電圧を一旦交流電圧に変換した後再度直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力を高周波交流電力に変換するインバータ回路とを備えて、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を制御することにより、負荷に供給する高周波電力を設定値に近づける制御を行うようにしたものが知られている。
【０００３】
図８は、特許文献１に示された高周波電源装置の構成を示したものである。同図において、１は商用電源から得られる交流電圧を整流して平滑する整流平滑回路、２は整流平滑回路から得られる直流電圧が入力されたＤＣ−ＤＣコンバータ、３はＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力を高周波交流電力に変換するインバータ回路である。
【０００４】
インバータ回路３は、図９に示すように、スイッチ素子Ｓ1ないしＳ4をＨブリッジ接続してなるスイッチ回路と、スイッチ素子Ｓ1ないしＳ4にそれぞれ逆並列接続された帰還用ダイオードＤ1ないしＤ4とを備えた周知の回路からなっている。インバータ回路３は、Ｈブリッジの一方の対辺を構成する対のスイッチ素子Ｓ1及びＳ4と、他方の対辺を構成する他の対のスイッチ素子Ｓ2及びＳ3とを交互にオン状態にすることにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ２から与えられる直流電圧Ｖdcを矩形波状の高周波交流電圧Ｖinvに変換する。
【０００５】
インバータ回路３から出力される矩形波状の高周波交流電圧は、正弦波形の高周波電圧及び電流に変換されて負荷７に供給される。図示の例では、インバータ回路の出力がトランス４の一次側に入力され、トランス４の出力が直列共振回路５とローパスフィルタ６とを通して負荷７に入力されている。インバータ回路３が出力する矩形波状の交流電圧及び電流は、直列共振回路５とローパスフィルタ６とにより正弦波形の高周波電圧及び電流に変換されて負荷７に供給される。
【０００６】
８はインバータ回路３の出力電圧を検出する電圧検出部、９はインバータ回路３とトランス４との間を流れるインバータの出力電流Ｉinvを検出する電流検出部、１０は負荷７に供給される高周波電力を検出する電力検出部である。
【０００７】
電圧検出部８の出力及び電流検出部９の出力は、インバータ回路３の出力電流の出力電圧に対する位相差を検出する位相差検出部１１に入力され、位相差検出部１１から得られる位相差の検出値が、インバータ回路３の出力周波数を決定する周波数指令を発生する周波数制御部１２′に与えられている。
【０００８】
１３は周波数制御部１２′から与えられる周波数指令により指令された周波数を有する正弦波形の高周波信号を発生する高周波信号発生部、１４は高周波信号発生部１３が出力する高周波信号を、インバータ回路３のスイッチ素子に与える制御信号Ｖ1及びＶ2に変換する信号変換部、１５はインバータ回路から負荷に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づけるか又は設定された許容範囲に保つ制御を行なう電力制御部である。
【０００９】
制御信号Ｖ1は、インバータ回路３を構成するＨブリッジの一方の対辺（対角位置にある辺）にあるスイッチ素子Ｓ1，Ｓ4をオン状態にするために該対のスイッチ素子Ｓ1，Ｓ4の制御端子に与える制御信号であり、制御信号Ｖ2は、インバータ回路３を構成するＨブリッジの他方の対辺を構成する対のスイッチ素子Ｓ2，Ｓ3をオン状態にするために該対のスイッチ素子Ｓ2，Ｓ3の制御端子に与える制御信号である。高周波信号発生部１３は、ダイレクト・デジタル・シンセサイザー（ＤＤＳ）からなっていて、与えられた周波数指令により指令された通りの周波数を有する正弦波信号を発生する。
【００１０】
特許文献１に示された高周波電源装置では、負荷に与えられる高周波交流電流と高周波電圧との位相差を可能な限り小さくするように（好ましくは０とするように）、インバータ回路３の出力周波数を制御している。このように、インバータ回路の出力周波数を制御すると、インバータ回路３を構成するスイッチ素子で生じるスイッチング損失を少なくして、高周波電源装置の効率を高くすることができる。
【００１１】
プラズマ処理装置などの負荷に高周波電力を供給す高周波電源装置では、負荷に与える高周波電力を設定値に保つ必要がある。図８に示した高周波電源装置では、インバータ回路３からトランス４と直列共振回路５とローパスフィルタ６とを通して負荷に与えられる高周波電力を設定値に保つ制御を行う必要がある。そのため、従来のこの種の高周波電源装置では、特許文献１には特に示されていないが、インバータ回路３に入力する直流電力を発生するＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧を制御することにより、負荷７に供給される高周波電力を制御している。図８に示した例では、電力検出部１０の出力が、電力制御部１５に与えられている。電力制御部１５は、負荷７に与えられる高周波電力の検出値と設定値との偏差を演算して、演算した偏差を零に近づけるようにＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧の値を制御し、これにより、インバータ回路３の出力電圧及び出力電流を制御して、負荷７に与えられる高周波交流電力を設定値に保つ。
【００１２】
図８に示された例では、整流平滑回路１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２とにより直流電源部が構成されている。また位相差検出部１１と、周波数制御部１２′と、高周波信号発生部１３と信号変換部１４とによりインバータ制御部２５′が構成され、インバータ回路３、トランス４、直列共振回路５、フィルタ部６、電圧検出部８、電流検出部９及びインバータ制御部２５′により高周波電力発生部ＰＳ′が構成されている。更に、整流平滑回路１とＤＣ−ＤＣコンバータ２とからなる直流電源部と、高周波電力発生部ＰＳ′と、電力検出部１０と、電力制御部１５とにより高周波電源装置が構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００７−１８５０００号公報（図４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
図８に示された従来の高周波電源装置においては、負荷に供給する高周波電力を設定値に保つ制御を行うために、インバータ回路３の前段に直流出力電圧を制御することが可能なＤＣ−ＤＣコンバータ２を設けて、電力検出部１０により検出される電力を設定値に保つように、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧を制御していた。そのため、電源装置の構成が複雑になり、そのコストが高くなるという問題があった。
【００１５】
またＤＣ−ＤＣコンバータは内部に大容量の平滑用コンデンサを有していて、その出力電圧を低下させるのに時間がかかるため、制御の応答性が悪くなるのを避けられなかった。制御の応答性を高めるためには、ＤＣ−ＤＣコンバータの平滑用コンデンサを強制的に放電させる回路を設ける等の工夫をすることが必要になり、回路構成が複雑になるのを避けられなかった。
【００１６】
なお図８において、ＤＣ−ＤＣコンバータ２を省略して、インバータ回路３のスイッチ素子をＰＷＭ制御することにより、負荷７に供給する電力を設定値に保つ制御を行うことも考えられる。しかしながら、インバータ回路３のスイッチ素子のＰＷＭ制御は、インバータ回路３の出力周波数よりも遙かに高い周波数でスイッチ素子をオンオフさせることにより行う必要があるため、インバータ回路３の出力周波数が高い場合(現状のスイッチ素子の性能では、例えば数１０乃至数１００ＭＨｚの場合)には採用することが困難である。
【００１７】
本発明の目的は、出力電圧を制御する機能を有しない簡単な構成の直流電源部の出力電圧を直接インバータ回路に入力する構成をとって構成の簡素化を図り、コストの低減を図ることを可能にした高周波電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、交流電圧を整流平滑して直流電圧を出力する直流電源部と、直流電源部から出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路とを備えてインバータ回路から負荷に供給する高周波電力を発生する高周波電力発生部と、高周波電力発生部から負荷に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づけるか又は設定された許容範囲に保つ制御を行なう電力制御部とを備えた高周波電源装置を対象とする。
【００１９】
本発明に係わる高周波電源装置は、インバータ回路の出力電流を検出する電流検出部と、電流検出部により検出される電流とインバータ回路の出力電圧との位相差を検出する位相差検出部と、負荷に供給される高周波電力を検出する電力検出部と、位相差検出部により検出された位相差を入力として電流検出部により検出される電流の位相をインバータ回路の出力電圧の位相に対して設定された遅れ量だけ遅れた状態に保つようにインバータ回路の出力周波数を予め定めた範囲内で制御する周波数制御部とを備えている。
【００２０】
また上記電力制御部は、少なくとも一つの可変リアクタンス素子を含む複数のリアクタンス素子からなっていて、可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、高周波電力発生部の出力端から負荷側を見た回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスを調整するインピーダンス調整器と、電力検出部により検出された電力値に応じて負荷側インピーダンスの抵抗分を変化させて高周波電力発生部から負荷に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づけるか又は設定された許容範囲に保つ制御を行うべく、電力検出部により検出された電力値に応じてインピーダンス調整器の可変リアクタンス素子を制御するインピーダンス制御部とを備えている。
【００２１】
インバータ回路から負荷側を見た回路のインピーダンスは、通常直列共振特性を有している。インバータ回路から負荷側を見た回路のインピーダンスが直列共振特性を有している場合、インバータ回路の出力周波数が直列共振周波数に等しいときにインバータ回路から負荷側を見た回路のインピーダンスが最小になり、負荷に供給される電力が最大になる。インバータ回路の出力周波数が直列共振周波数よりも高い領域では、該インピーダンスが誘導性を示し、インバータ回路の出力電流の位相が出力電圧の位相よりも遅れる。またインバータ回路の出力周波数が直列共振周波数よりも低い領域では、インバータ回路の負荷のインピーダンスが容量性を示し、インバータ回路の出力電流の位相が出力電圧の位相よりも進む。
【００２２】
電流のスイッチング動作が行われるインバータ回路から直列共振特性を有する負荷に高周波電力を供給する電力供給システムにおいて、インバータ回路より負荷側の回路のインピーダンスが容量性を示す領域にインバータ回路の出力周波数を設定した場合には、インバータ回路による電流のスイッチング動作に伴って電流波形が大きく歪むが、インバータ回路より負荷側の回路のインピーダンスが誘導性を示す領域にインバータ回路の出力周波数を設定した場合には、電流の波形歪みが比較的少ないことが知られている。
【００２３】
従って、インバータ回路から直列共振特性を有する負荷に電力を供給する場合には、インバータ回路から負荷側を見た回路のインピーダンスが誘導性を示すようにしておく必要がある。そのため、本発明においては、インバータ回路の出力周波数を予め定めた範囲内で制御することにより、電流検出部により検出される電流の位相をインバータ回路から出力される電圧の位相に対して設定された遅れ量だけ遅れた状態に保つ制御を行う。これにより、インバータ回路から負荷側を見た回路のインピーダンスを誘導性に保って、制御の安定性を確保する。
【００２４】
また高周波電力発生部から負荷に高周波電力を供給する場合、高周波電力発生部の出力端から負荷側を見た回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスの抵抗分を小さくすることにより、高周波電力発生部から負荷に供給される高周波電力を増大させることができ、該負荷側インピーダンスの抵抗分を大きくすることにより、高周波電力発生部から負荷に供給される高周波電力を減少させることができる。
【００２５】
従って、高周波電力発生部の出力端から負荷側を見た回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスを調整するインピーダンス調整器を設けて、電力検出部により検出された電力値に応じて該インピーダンス調整器を制御して負荷側インピーダンスの抵抗分を増減させることにより、高周波電力発生部から負荷に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づけるか又は設定された許容範囲に保つ制御を行なわせることができる。
【００２６】
電力制御部で生じる損失を少なくするため、上記インピーダンス調整器としては、少なくとも一つの可変リアクタンス素子を含む複数のリアクタンス素子からなっていて、可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより負荷側インピーダンスを調整することができるもの(抵抗素子を含まないもの）を用いることが好ましい。
【００２７】
上記のように、本発明においては、高周波電力発生部の出力端から負荷側を見た回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスを調整するインピーダンス調整器を設けて、インバータ回路の出力電流の出力電圧に対する位相を設定された遅れ量だけ遅れた状態に保つようにインバータ回路の出力周波数を制御することにより制御の安定性を確保しつつ、電力検出部により検出された電力値に応じてインピーダンス調整器を制御することにより負荷側インピーダンスの抵抗分を増減させて、高周波電力発生部から負荷に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づけるか又は設定された許容範囲に保つ制御を行なわせるので、インバータ回路に入力する直流電圧を制御することなく、負荷に供給する電力を制御することができる。このように構成すると、直流電源部は、直流出力電圧を制御する機能を持つ必要がなく、交流電圧を整流・平滑して一定の直流電圧を出力するだけの簡単な整流平滑回路等により構成することができるため、高周波電源装置の構成の簡素化を図ってコストの低減を図ることができる。
【００２８】
また上記のように構成すると、平滑用コンデンサが制御の応答性を遅らせる要因にならないため、平滑用コンデンサを強制放電させる回路を設ける等の工夫が不要になり、回路構成が複雑になるのを防ぐことができる。
【００２９】
上記インピーダンス制御部は、電力検出部により検出された電力値が設定値よりも小さいか又は許容範囲の下限値を下回っているときに負荷側インピーダンスの抵抗分を小さくし、電力検出部により検出された電力値が前記設定値よりも大きいか又は許容範囲の上限値を上回っているときに負荷側インピーダンスの抵抗分を大きくするように可変リアクタンス素子を制御して、電力検出部により検出された電力を設定値に近づけるか又は設定された許容範囲に保つ制御を行なうように構成することができる。
【００３０】
本発明の好ましい態様では、上記インピーダンス制御部が、負荷側インピーダンスの抵抗分を制御可能な最小値にするように可変リアクタンス素子を制御しても電力検出部により検出される電力値が設定値よりも小さいか又は許容範囲の下限値よりも小さいとき、及び負荷側インピーダンスの抵抗分を制御可能な最大値にするように可変リアクタンス素子を制御しても電力検出部により検出される電力値が設定値よりも大きいか又は許容範囲の上限値よりも大きいときに異常信号を出力するように構成される。
【００３１】
負荷側インピーダンスの抵抗分を制御可能な最小値にしても電力検出部により検出された電力値が設定値より小さいか又は許容範囲の下限値よりも小さい状態、及び負荷側インピーダンスの抵抗分を制御可能な最大値にしても電力検出部により検出された電力値が設定値よりも大きいか又は許容範囲の上限値よりも大きい状態は、負荷に供給される高周波電力が調整可能な範囲外にある状態であり、何らかの異常が生じている状態である。このような状態が生じたときには、電源装置の運転を停止する等の措置を講じる必要がある。上記のような異常信号出力手段を設けておけば、異常状態への対処を容易にすることができる。
【００３２】
本発明の好ましい態様では、可変リアクタンス素子が、負荷に対して並列に接続される可変コンデンサにより構成される。この場合インピーダンス制御部は、電力検出部により検出された電力値が設定値よりも小さいか又は許容範囲の下限値を下回っているときに可変コンデンサの静電容量を小さくし、電力検出部により検出された電力値が設定値よりも大きいか又は許容範囲の上限値を上回っているときに可変コンデンサの静電容量を大きくする制御を行なうように構成される。
【００３３】
本発明の好ましい態様では、インバータ回路の後段にトランスが設けられて、インバータ回路からトランスを通して負荷に高周波電力を供給するように構成される。
【００３４】
本発明の他の好ましい態様では、インバータ回路と負荷との間に直流阻止用コンデンサが挿入されて、インバータ回路から直流阻止用コンデンサを通して負荷に高周波電力を供給するように構成される。
【００３５】
本発明の好ましい態様では、インバータ回路を制御するために、周波数指令により指令された通りの周波数の高周波信号を発生する高周波信号発生部が設けられる。この場合、インバータ回路は、高周波信号発生部が発生する高周波信号により制御されて、整流平滑回路が出力する直流電圧を、高周波信号と周波数及び位相が等しい高周波交流電圧に変換する。
【００３６】
本発明の好ましい態様では、インバータ回路の出力電圧を検出する電圧検出部が設けられる。この場合、位相差検出部は、電流検出部により検出される電流の位相と、電圧検出部により検出される電圧の位相とから前記位相差を検出するように構成することができる。
【００３７】
周波数指令により指令された通りの周波数の高周波信号を発生する高周波信号発生部が設けられる場合には、位相差検出部を、電流検出部により検出される電流の位相と高周波信号の位相とから前記位相差を検出するように構成することができる。
【００３８】
高周波信号発生部が発生する高周波信号によりインバータ回路のスイッチ素子を制御して、直流電力を高周波電力に変換する場合、高周波信号の位相はインバータ回路の出力電圧の位相と等しいため、上記のように、電流検出部により検出される電流の位相と、高周波信号発生部が発生する高周波信号の位相とから、電流検出部により検出される電流とインバータ回路の出力電圧との位相差を検出することができる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明においては、可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより高周波電力発生部の出力端から負荷側を見た回路のインピーダンスを調整するインピーダンス調整器を設けて、インバータ回路の出力電流の位相を出力電圧の位相に対して設定された遅れ量だけ遅れた状態に保つようにインバータ回路の出力周波数を制御して、制御の安定性を確保しつつ、電力検出部により検出された電力値に応じてインピーダンス調整器の可変リアクタンス素子を制御することにより、負荷回路のインピーダンスの抵抗分を増減させて高周波電力発生部から負荷に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づけるか又は設定された許容範囲に保つ制御を行なわせるようにしたので、インバータ回路に入力する直流電圧を制御することなく、負荷に供給する電力を制御することができる。従って、直流電源部は、直流出力電圧を制御する機能を持つ必要がなく、交流電圧を整流・平滑して一定の直流電圧を出力するだけの簡単な整流平滑回路等により構成することができるため、高周波電源装置の構成の簡素化を図ってコストの低減を図ることができる。
【００４０】
また本発明によれば、平滑用コンデンサが制御の応答性を遅らせる要因になることがないため、平滑用コンデンサを強制放電させる回路を設ける等の工夫が不要になり、回路構成が複雑になるのを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態に係わる高周波電源装置の構成を示した回路図である。
【図２】図１の実施形態で用いる電力制御部の構成例を示した回路図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係わる高周波電源装置の構成を示した回路図である。
【図４】本発明の更に他の実施形態に係わる高周波電源装置の構成を示した回路図である。
【図５】本発明の実施形態において、インバータ回路から負荷側を見た回路のインピーダンスを示す等価回路図である。
【図６】（Ａ）ないし（Ｃ）は、インバータ回路から直列共振特性を有する負荷に高周波電力を供給するシステムにおいて、インバータ回路の出力周波数を変化させた際の高周波電力の電力値の変化を、インバータ回路から負荷側を見た回路のインダクタンスをパラメータとして示したグラフである。
【図７】本発明の一実施形態を説明するために用いるスミスチャートである。
【図８】従来の高周波電源装置の構成を示した回路図である。
【図９】インバータ回路の構成例を示した回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
図１は、本発明に係わる高周波電源装置の一実施形態を示したものである。同図において、２０は一定の直流電圧を発生する直流電源部、３は直流電源部２０の出力電圧及び出力電流を交流電圧及び交流電流に変換するインバータ回路、４はインバータ回路３の出力が入力されたトランスであり、インバータ回路３とトランス４とにより、直流電力を高周波電力に変換する電力変換部２１が構成されている。
【００４３】
直流電源部２０は、商用電源から与えられる交流電圧を全波整流する整流器と、該整流器の出力端子間に接続された平滑用コンデンサとを備えた整流・平滑回路からなっていって、商用電源の交流電圧により決まるほぼ一定の直流電圧Ｖdcを出力する。
【００４４】
本実施形態で用いられているインバータ回路３は、図９に示されているように、スイッチ素子Ｓ1ないしＳ4をＨブリッジ接続してなるスイッチ回路と、Ｈブリッジを構成するスイッチ素子Ｓ1ないしＳ4にそれぞれ逆並列接続された帰還用ダイオードＤ1ないしＤ4とからなっている。インバータ回路３は、Ｈブリッジの対角位置にある一方の対辺を構成する対のスイッチ素子Ｓ1及びＳ4と、対角位置にある他方の対辺を構成する他の対のスイッチ素子Ｓ2及びＳ3とを交互にオン状態にするように制御されて、直流電源部２０から与えられる直流電圧Ｖdcを矩形波状の高周波交流電圧Ｖinvに変換する。インバータ回路３を構成するスイッチ素子Ｓ1ないしＳ4は、ＭＯＳＦＥＴ、バイポーラ型のパワートランジスタ、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチ素子からなっている。
【００４５】
インバータ回路３は、直流入力端子３ａ，３ｂと、交流出力端子３ｃ、３ｄとを有していて、直流入力端子３ａ，３ｂが直流電源部２０の出力端子に接続され、交流出力端子３ｃ，３ｄがトランス４の１次コイル４ａの両端に接続されている。トランス４の２次コイル４ｂの一端は、コイル５ａとコンデンサ５ｂとの直列回路からなる直列共振回路５を通してローパスフィルタからなるフィルタ部６の入力端子に接続され、フィルタ部６の出力端子は電力検出部１０を通して高周波電力発生部ＰＳの一方の出力端子２２ａに接続されている。トランス４の２次コイル４ｂの他端は、高周波電力発生部ＰＳの他方の出力端子２２ｂに接続され、高周波電力発生部ＰＳの出力端子２２ａ，２２ｂが、電力制御部３０と、電力ケーブル等により構成された線路とを通して負荷７の入力端子に接続されている。
【００４６】
電力変換部２１には、インバータ回路３の出力端子３c，３d間の電圧を検出する電圧検出部８と、インバータ回路３とトランス４との間でインバータ回路の出力電流Ｉinvを検出する電流検出部９とが設けられ、トランス４の二次側の回路には、負荷７に与えられる高周波電力を検出する電力検出部１０が設けられている。電力検出部１０は、電力変換部２１で発生する高調波成分を取り除いた基本周波数における電力を検出することが望ましいため、本実施形態では、図示のように、電力検出部１０をフィルタ部６よりも負荷側に設けている。
【００４７】
電圧検出部８の出力及び電流検出部９の出力は、インバータ回路３の出力電流の出力電圧に対する位相差を検出する位相差検出部１１に入力され、位相差検出部１１から得られる位相差の検出値が、インバータ回路３の出力周波数を制御する周波数制御部１２に入力されている。
【００４８】
２３及び２４はそれぞれ周波数制御部１２に対して設けられた第１のメモリ及び第２のメモリである。第１のメモリ２３は、負荷に与える高周波電力の周波数可変範囲の上限び下限をそれぞれ定める上限周波数及び下限周波数を記憶しており、第２のメモリ２４は、負荷７に与える高周波電力の周波数の初期値を記憶している。この初期値は固定値でもよく、前回の制御の終了時の値（最終値）でもよい。
【００４９】
１３は周波数制御部１２から与えられる周波数指令により指令された周波数を有する正弦波形の高周波信号を発生する高周波信号発生部、１４は高周波信号発生部１３が出力する高周波信号を、インバータ回路３を構成するスイッチ素子に与える制御信号Ｖ1及びＶ2に変換する信号変換部である。高周波信号発生部１３は、与えられた周波数指令により指令された通りの周波数と、与えられた振幅指令により指令された振幅とを有する正弦波信号を発生するダイレクト・デジタル・シンセサイザー（ＤＤＳ）からなっている。
【００５０】
信号変換部１４は、高周波信号発生部１３が発生する正弦波形の高周波信号の一方の極性の半波の期間第１の制御信号Ｖ1を発生し、他方の半波の期間第２の制御信号Ｖ2を発生する。第１の制御信号Ｖ1は、インバータ回路３を構成するＨブリッジの対角位置にある一方の対辺を構成する対のスイッチ素子Ｓ1，Ｓ4をオン状態にするために該対のスイッチ素子Ｓ1，Ｓ4の制御端子に与える制御信号であり、第２の制御信号Ｖ2は、インバータ回路３を構成するＨブリッジの対角位置にある他方の対辺を構成する対のスイッチ素子Ｓ2，Ｓ3をオン状態にするために該対のスイッチ素子Ｓ2，Ｓ3の制御端子に与える制御信号である。
【００５１】
本実施形態では、位相差検出部１１と、周波数制御部１２と、高周波信号発生部１３と、信号変換部１４と、第１及び第２のメモリ２３及び２４とにより、インバータ回路３を制御するインバータ制御部２５が構成されている。また電力変換部２１と、インバータ制御部２５と、直列共振回路５と、フィルタ部６とにより、直流電源部２０から与えられる直流電圧を交流電圧に変換して、負荷に供給する高周波電力を発生する高周波電力発生部ＰＳが構成され、直流電源部２０と、高周波電力発生部ＰＳと、電力検出部１０と、電力制御部３０とにより、本発明に係わる高周波電源装置が構成されている。
【００５２】
インバータ回路３は、対角位置にある対のスイッチ素子Ｓ1，Ｓ4及び他の対のスイッチ素子Ｓ2，Ｓ3を交互にオン状態にすることにより、直流電源部２０から与えられる直流電圧Ｖdcを、高周波信号発生部１３が発生する高周波信号と周波数（周波数制御部１２により指令された周波数）及び位相が等しい矩形波状の高周波交流電圧に変換する。この交流電圧は、トランス４を通して直列共振回路５に印加される。矩形波状の交流電圧が直列共振回路５に印加されることにより、基本波成分以外の高調波成分の殆どが除去されて、正弦波形に近い波形を有する高周波電圧が得られる。フィルタ部６は、直列共振回路５を通して得られる高周波電圧から基本周波数成分のみを抽出して正弦波形の高周波電力を負荷７に与える。
【００５３】
トランス４は、インバータ回路３から出力される単極性の矩形波状の高周波電圧を、零レベルを基準にして正負の極性に変化する波形の高周波電圧に変換するとともに、出力端子２２ａ，２２ｂからインバータ回路３側を見たインピーダンスを、負荷側のインピーダンス（負荷７に給電するための線路のインピーダンス）に変換する。負荷７に給電するための線路としては、一般的には特性インピーダンスが５０Ωのものが使用される。
【００５４】
上記のように、インバータ回路３から直列共振特性を有する回路に高周波電力を供給する場合、インバータ回路３から負荷側を見た回路のインピーダンスは、図５に示すように、インダクタンスＬと、キャパシタンスＣと、抵抗Ｒとの直列回路により表すことができる。ここで、インダクタンスＬをＬ1，Ｌ2及びＬ3（Ｌ1＞Ｌ2＞Ｌ3）として、周波数ｆを変化させたとすると、負荷に供給される電力Ｐは、図６の（Ａ）ないし（Ｃ）のように変化する。これらの図においてｆoは直列共振周波数である。
【００５５】
図６から明らかなように、インバータ回路３から負荷７側を見た回路のインピーダンスが直列共振特性を有するように構成されている場合、インバータ回路３の出力周波数が直列共振周波数ｆoに等しいときにインバータ回路３から負荷７側を見た回路のインピーダンスが最小になり、負荷に供給される電力Ｐが最大になる。インバータ回路３の出力周波数が直列共振周波数ｆoよりも高い領域では、インバータ回路３から負荷７側を見た回路のインピーダンスが誘導性を示し、インバータ回路３の出力電流の位相が出力電圧の位相よりも遅れる。またインバータ回路３の出力周波数が直列共振周波数ｆoよりも低い領域では、インバータ回路３から負荷側を見たインピーダンスが容量性を示し、インバータ回路の出力電流の位相が出力電圧の位相よりも進む。
【００５６】
インバータ回路３から直列共振特性を有する負荷側回路に高周波電力を供給する電力供給システムにおいて、インバータ回路３の出力周波数ｆを負荷側回路のインピーダンスが容量性を示す領域に設定した場合には、インバータ回路のスイッチ素子がオン状態になった瞬間に電流が流れるハードスイッチング（hard switching）が起り、異常電圧が発生して大きな損失をもたらす。したがって、スイッチ素子のオンオフ動作により直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路３から直列共振特性を有する負荷側回路に電力を供給する場合に安定な電力制御を行なわせるためには、特別な理由がない限り、インバータ回路３の出力周波数を、負荷側回路のインピーダンスが誘導性を示す領域に設定する必要がある。
【００５７】
図６において、使用可能領域Ｂ1ないしＢ3はそれぞれインダクタンスＬがＬ1，Ｌ2及びＬ3であるときに、電流の電圧に対する位相が遅れ位相となる領域であり、スイッチ素子のオンオフ動作により直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路３から負荷側回路に電力を供給する場合に、電力の制御を安定に行なわせることができる領域である。図６から明らかなように、インバータ回路３の出力周波数が、負荷側の回路のインピーダンスを誘導性とする領域にある場合には、インバータ回路の出力周波数ｆを上げると、負荷に供給される高周波電力を減少し、インバータ回路３の出力周波数ｆを下げると、負荷に供給される高周波電力が増大する。
【００５８】
従来の高周波電源装置では、高周波電力の周波数を、負荷のインピーダンスに対して最適な周波数（通常は電力を最大にする周波数）に設定した状態で、インバータ回路に入力する直流電圧を変化させることにより、負荷に供給する電力を制御していた。例えば図８に示した従来例では、インバータ回路３から負荷７に供給する高周波電力の周波数を、負荷のインピーダンスに対して最適な周波数に設定した状態で、ＤＣ−ＤＣコンバータ２を制御してインバータ回路３に入力する直流電圧を変化させることにより、負荷７に供給する電力を制御していた。このように、ＤＣ−ＤＣコンバータ２を設けてその出力電圧を制御する構成をとると、電源装置の構成が複雑になり、コストが高くなるのを避けられない。またＤＣ−ＤＣコンバータ２は内部に大容量の平滑用コンデンサを有していて、その出力電圧を低下させるのに時間がかかるため、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を制御することにより負荷に与える電力を制御する構成をとると、制御の応答性が悪くなるのを避けられない。
【００５９】
これに対し、本実施形態においては、インバータ回路３に入力する直流電圧を一定とし、周波数制御部１２により、電流検出部９で検出される電流の位相を、インバータ回路３の出力電圧の位相に対して設定された一定の遅れ量だけ遅れた状態に保つようにインバータ回路３の出力周波数を予め定めた範囲内で制御する。この制御により、インバータ回路３から負荷７側を見た回路のインピーダンスを誘導性に保って、電流のスイッチング動作が行われるインバータ回路３から負荷７に与えられる電力の制御を、ハードスイッチングによる異常電圧の発生を伴うことなく、安定に行わせることができる状態を確保する。
【００６０】
本実施形態ではまた、上記の制御と並行して、電力制御部３０において、電力検出部１０で検出される電力値に応じて高周波電力発生部ＰＳの出力端から負荷７側を見た回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスの抵抗分を変化させることにより、高周波電力発生部ＰＳから負荷７に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づける制御を行う。
【００６１】
上記の各制御を行なわせるため、本実施形態では、インバータ回路３→電圧検出部８及び電流検出部９→位相差検出部１１→周波数制御部１２→高周波信号発生部１３→信号変換部１４→インバータ回路３の回路からなる負荷側回路インピーダンス制御部と、電力検出部１０と電力制御部３０とからなる出力制御部とが構成されている。
【００６２】
上記負荷側回路インピーダンス制御部により、インバータ回路３の出力周波数を、負荷側回路のインピーダンスが誘導性を示す領域に維持する制御が行なわれる。また上記出力制御部により、電力検出部１０により検出された電力値に応じて高周波電力発生部ＰＳの出力端から負荷７側を見た回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスの抵抗分を変化させることにより高周波電力発生部ＰＳから負荷７に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づける制御が行われる。負荷側回路インピーダンス制御部による制御と、出力制御部による制御とは同時に並行して行なわれる。
【００６３】
インバータ回路３の出力周波数を制御するに当っては、予想される負荷７のインピーダンスの変動範囲を考慮して、インバータ回路３の出力電流の位相を出力電圧の位相に対して設定された遅れ量だけ遅れた状態に維持することができる(インバータ回路から負荷側を見た回路のインピーダンスを誘導性に保つことができる）周波数の範囲を周波数可変範囲として定めておき、この周波数可変範囲の上限値及び下限値を第１のメモリ２３に記憶させておく。また負荷７に与える高周波電力の基本周波数の中心値を、初期値として第２のメモリ２４に記憶させておく。
【００６４】
例えば、負荷に与える高周波電力の中心周波数を１３．５６ＭＨｚとし、上記周波数可変範囲の上限値を１４．９６ＭＨｚ、下限値を１２．１６ＭＨｚとする場合、高周波信号発生部１３を構成するＤＤＳとしては、上記周波数可変範囲をカバーし得る範囲の周波数を有する高周波信号を発生し得るもの、即ち１３．５６±１．４ＭＨｚの範囲の周波数を有する高周波信号を発生し得るものを用いる。周波数の可変範囲は、発振器の性能や共振回路の特性等を考慮して適宜に設定する。
【００６５】
図１に示された周波数制御部１２は、例えば下記のようにして、インバータ回路３の出力周波数を制御する。周波数制御部１２は、制御開始時（高周波電源装置の起動時）に先ず第２のメモリ２４に記憶されている周波数の初期値に等しい高周波信号を発生することを指令する周波数指令を高周波信号発生部１３に与えて、初期値に等しい周波数の高周波信号を高周波信号発生部１３から発生させ、インバータ回路３から初期値に等しい周波数の高周波電圧、電流を出力させる。周波数制御部１２は次いで位相差検出部１１からインバータ回路３の出力電流Ｉinvの出力電圧Ｖinvに対する位相差を取込んで、この位相差を設定された位相差と比較する。その結果、出力電流Ｉinvの位相の出力電圧Ｖinvの位相に対する遅れ量が、設定された遅れ量よりも多い場合には、インバータ回路３の出力周波数を第１のメモリ２３に記憶された周波数可変範囲の下限値を下回らない範囲で低くし、出力電流Ｉinvの位相の出力電圧Ｖinvの位相に対する遅れ量が、設定された遅れ量よりも少ない場合には、インバータ回路３の出力周波数を第１のメモリ２３に記憶された周波数可変範囲の上限値を超えない範囲で高くするように、出力電流Ｉinvの位相の出力電圧Ｖinvの位相に対する遅れ量に応じて高周波信号発生部１３に与える周波数指令を変化させる。これにより、インバータ回路３の出力電流Ｉinvの位相の出力電圧Ｖinvの位相に対する遅れ量を設定された遅れ量に保つ。
【００６６】
電力制御部３０は、図２に示されているように、高周波電力発生部ＰＳの出力端と負荷７との間に設けられて、高周波電力発生部ＰＳの出力端から負荷側を見た回路のインピーダンスを調整するインピーダンス調整器３１と、電力検出部１０により検出された電力値に応じて高周波電力発生部ＰＳから負荷７側を見た回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスの抵抗分を変化させることにより高周波電力発生部ＰＳから負荷７に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づける制御を行うべく、電力検出部１０により検出された電力値に応じてインピーダンス調整器３１に設けられた可変リアクタンス素子を制御するインピーダンス制御部３２とを備えている。
【００６７】
図示のインピーダンス調整器３１は、固定のキャパシタＣ１と、キャパシタＣ１に直列に接続されたインダクタＬ１と、キャパシタＣ１とインダクタＬ１との直列回路の一端と接地間に接続された可変リアクタンス素子としての可変コンデンサＶＣｘとからなっていて、キャパシタＣ１とインダクタＬ１との直列回路の一端が高周波電力発生部ＰＳの非接地側の出力端子に接続されている。キャパシタＣ１とインダクタＬ１との直列回路の他端は、特性インピーダンスが５０Ωの線路を通して負荷７の非接地側端子に接続され、可変コンデンサＶＣｘが、キャパシタＣ１とインダクタＬ１とを通して負荷７に対して並列に接続されている。
【００６８】
図２に示された電力制御部３０において、可変コンデンサＶＣｘの静電容量を大きくすると、負荷側インピーダンスの抵抗分が大きくなり、可変コンデンサＶＣｘの静電容量を小さくすると、負荷側インピーダンスの抵抗分が小さくなる。可変コンデンサＶＣｘの静電容量の変化に伴う負荷側インピーダンスの抵抗分の変化は、図７に示したスミスチャートを用いて説明することができる。図７に示したスミスチャートは、インピーダンスチャートとアドミッタンスチャートとを重ね合わせたもので、図７において、ａ1，ａ2，ａ3及びｂ1，ｂ2，ｂ3はそれぞれアドミッタンスチャートを構成する等コンダクタンス円及び等サセプタンス円、ｃ1，ｃ2，ｃ3及びｄ1，ｄ2，ｄ3はそれぞれインピーダンスチャートを構成する等抵抗円及び等リアクタンス円である。
【００６９】
図２に示されたインピーダンス調整器３１において、高周波電力発生部ＰＳから負荷側を見た回路のインピーダンスの抵抗分が５０Ωであるとすると、可変コンデンサＶＣｘの静電容量を小さくする方向に変化させたときに、高周波電力発生部ＰＳから負荷７側を見た回路のアドミッタンスが、図７の等コンダクタンス円ａ2上を図示の矢印Ｐ方向に例えばＸ点まで動く。このとき高周波電力発生部ＰＳから負荷７側を見た回路のインピーダンス（負荷側インピーダンス）は、点Ｘを通る等抵抗円ｃ3上に存在する。等抵抗円ｃ3上にある負荷側インピーダンスの抵抗分はＲΩ（＜５０Ω）となる。従って、可変コンデンサＶＣｘの静電容量を小さくする方向に変化させることにより、負荷側インピーダンスの抵抗分を５０ΩからＲΩまで減少させることができる。また高周波電力発生部ＰＳから負荷７側を見た回路のアドミッタンスが点Ｘにある状態で、可変コンデンサＶＣxの静電容量を大きくする方向に変化させると、負荷側の回路のアドミッタンスが図示の矢印Ｐと反対方向に移動し、これに伴って負荷側インピーダンスが乗る円の半径が小さくなっていくため、負荷側インピーダンスの抵抗分が大きくなっていく。これより、図２に示されたインピーダンス調整器３１において、可変コンデンサＶＣｘの静電容量を小さくする方向に変化させることにより、負荷側インピーダンスの抵抗分を減少させることができ、逆に、可変コンデンサＶＣｘの静電容量を大きくする方向に変化させることにより、負荷側インピーダンスの抵抗分を増大させることができることが分かる。
【００７０】
図２に示されたインピーダンス制御部３２は、電力検出部１０により検出された電力値が設定値よりも小さいときに可変コンデンサＶＣｘの静電容量を小さくし、電力検出部１０により検出された電力値が設定値よりも大きいときに可変コンデンサＶＣｘの静電容量を大きくするように制御することにより、電力検出部１０により検出された電力値に応じて負荷側インピーダンスの抵抗分を変化させて、高周波電力発生部ＰＳから負荷７に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づける制御を行なう。
【００７１】
図示の例では、可変コンデンサＶＣｘの操作部を操作するためにモータ３３を備えたアクチュエータが設けられ、インピーダンス制御部３２によりモータ３３の回転方向と回転量とを制御することにより、可変キャパシタＶＣｘの静電容量を調整することができるようになっている。この場合、インピーダンス制御部３２は、電力検出部１０により検出された電力値が設定値より大きいときに可変コンデンサＶＣｘの静電容量を小さくし、検出された電力値が設定値より小さいときに可変コンデンサＶＣｘの静電容量を大きくするようにモータ３３を制御して、高周波電力発生部ＰＳから負荷７に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づける制御を行なう。
【００７２】
上記の制御を行なうため、インピーダンス制御部３２は所定のサンプルタイミングが到来する毎に電力検出部１０が検出している電力値を読み込んで、読み込んだ電力値と設定値とを比較し、その比較の結果に応じて、可変コンデンサＶＣｘの静電容量を大きくすればよいのか小さくすればよいのかを判定して、判定した方向に可変コンデンサＶＣｘの静電容量を変化させるべくモータ３３を制御する。これにより、負荷側インピーダンスの抵抗分を変化させて、電力検出部１０により検出される電力値を設定値に近づける。電流検出部９により検出される電流の位相がインバータ回路の出力電圧の位相に対して遅れた状態に維持されている場合、負荷側インピーダンスは、図７に示したスミスチャートの上の半円内の領域に存在していることになる。そのため、可変コンデンサＶＣｘの静電容量を小さくすると、負荷側インピーダンスの抵抗分が減少し、可変コンデンサＶＣｘの静電容量を大きくすると、負荷側インピーダンスの抵抗分が増加するという関係が成り立つ。したがって、電力検出部１０により検出される電力値と設定値とを比較することによって、可変コンデンサＶＣｘの静電容量を小さくすればよいのか、反対に大きくすればよいのかが分かる。
【００７３】
上記の説明では、電力制御部３０が、電力検出部１０により検出される電力値を設定値に近づける制御を行なうとしたが、電力検出部１０により検出された電力を設定された許容範囲に保つ制御を行なうように電力制御部１０を構成することができるのはもちろんである。電力検出部１０により検出された電力値を設定された許容範囲に保つ制御を行なう場合には、電力値の許容範囲の上限値と下限値とを定めておいて、検出された電力値が許容範囲の上限値を超えたときに負荷側インピーダンスの抵抗分を大きくし、検出された電力値が許容範囲の下限値を下回ったときに負荷側インピーダンスの抵抗分を小さくするように、インピーダンス調整器３１を制御するようにすればよい。
【００７４】
本実施形態ではまた、インピーダンス制御部３２が、負荷側インピーダンスの抵抗分を制御可能な最小値にするように前記可変リアクタンス素子を制御しても電力検出部により検出された電力値が設定値よりも小さいとき、及び負荷側インピーダンスの抵抗分を制御可能な最大値にするように前記可変リアクタンス素子を制御しても電力検出部により検出された電力値が設定値よりも大きいときに異常信号を出力するように構成されている。
【００７５】
負荷側インピーダンスの抵抗分を制御可能な最小値にするように前記可変リアクタンス素子を制御しても電力検出部により検出された電力値が設定値よりも小さいか又は許容範囲に収まらない状態、及び負荷側インピーダンスの抵抗分を制御可能な最大値にするように前記可変リアクタンス素子を制御しても電力検出部により検出された電力値が設定値よりも大きいか又は許容範囲に収まらない状態は、負荷に供給される高周波電力が調整可能な範囲外にある状態であり、何らかの異常が生じている状態である。このような状態が生じたときには、電源装置の運転を停止する等の措置を講じる必要がある。上記のような異常信号出力手段を設けておけば、異常状態への対処を容易にすることができる。
【００７６】
上記のような異常状態に対処し得るようにするため、インピーダンス制御部３２は、モータ３３を制御して可変コンデンサＶＣｘの静電容量を変化させる際に、モータ３３の回転角度位置が予め定めた許容範囲内にあるか否かを見ることにより、モータ３３の回転角度位置を監視して、モータ３３を許容範囲の限界位置まで回転させても電力検出部１０により検出される電力値が設定値にならないか又は許容範囲に収まらないときに異常信号を出力する異常信号出力手段を備えている。異常信号を出力する際には、負荷への高周波電力の供給を停止させる等の安全策を講じるようにしておくのが好ましい。
【００７７】
前述のように、インバータ回路３のスイッチ素子にハードスイッチングを行なわせることなく、インバータ回路を安定に動作させるためには、インバータ回路３の出力電流の出力電圧に対する位相を遅れ位相の範囲（図６の使用可能領域Ｂ1ないしＢ3の範囲）に維持することが必要である。本実施形態においては、電力制御部１０がインピーダンス調整器３１を制御して負荷側インピーダンスの抵抗分を増減させることにより負荷に与える高周波電力を設定値に近づけるか又は許容範囲に保つ制御を行なう過程で、インバータ回路３の出力電流の位相を出力電圧の位相に対して遅れた状態に保つように、周波数制御部１２がインバータ回路の出力周波数を制御するが、負荷に供給される高周波電力の電力値を制御する過程で、可変コンデンサＶＣｘの静電容量がとる値によっては、周波数制御部１２によりインバータ回路３の出力周波数を制御しても、インバータ回路の出力電流の位相を出力電圧の位相に対して遅れ位相とすることができなくなる状態が生じるおそれがある。このような状態が生じると、インバータ回路から負荷側を見た回路のインピーダンスを誘導性の状態に維持することができなくなるため、インバータ回路を構成するスイッチ素子のスイッチング動作がハードスイッチングの状態になって、異常電圧が発生したり、出力波形が歪んだりするおそれがある。
【００７８】
このような異常状態に対処し得るようにするため、本実施形態においては、周波数制御部１２が周波数可変範囲でインバータ回路３の出力周波数をどのように変化させても、電流検出部９により検出される電流の位相をインバータ回路の出力電圧の位相に対して遅れた状態に維持することができなくなったときに異常信号を出力する異常信号発生手段を周波数制御部１２に設けている。異常信号は、警報を発生させるために用いてもよく、負荷への高周波電力の供給を強制的に遮断するスイッチ手段を駆動する信号として用いてもよい。
【００７９】
上記の実施形態のように電力制御部３０を構成すると、インバータ回路３に入力する直流電圧を制御する必要がないため、直流電源部２０は、直流出力電圧を制御する機能を持たない簡単な構成とすることができ、交流電圧を整流・平滑して一定の直流電圧を出力するだけの簡単な整流平滑回路等により構成することができる。
【００８０】
また上記のように構成すると、平滑用コンデンサが制御の応答性を遅らせる要因になることがないため、平滑用コンデンサを強制放電させる回路を設ける等の工夫が不要になり、回路構成を簡単にすることができる。
【００８１】
上記の実施形態では、電力変換部２１が一つだけ設けられていたが、電力変換部２１を一つだけ設けただけでは負荷に供給する電力が不足する場合には、図３に示すように、インバータ回路３の出力電圧の位相が等しく、出力電流の位相が等しい複数(図示の例では４個）の電力変換部２１Ａないし２１Ｄを設けて、これらの電力変換部の出力を合成して直列共振回路５とフィルタ部６とを通して負荷に供給するようにしてもよい。図示の例では、電力変換部２１Ａないし２１Ｄのトランス４の二次コイルを並列に接続することにより、電力変換部２１Ａないし２１Ｂの出力を合成する合成回路４０を構成している。
【００８２】
図３に示したように構成する場合には、信号発生部１４が発生する制御信号Ｖ1及びＶ2を信号分配部１６により、電力変換部２１Ａないし２１Ｄのインバータ回路３に分配して、電力変換部２１Ａないし２１Ｄのインバータ回路３から同位相の高周波信号を発生させる。このように構成する場合、電力変換部２１Ａないし２１Ｄのインバータ回路３の出力電圧の位相及び出力電流の位相は等しいため、電圧検出部８及び電流検出部９はいずれか一つの電力変換部にのみ設ければよい。図３に示した例では、電力変換部２１Ｄに電圧検出部８と電流検出部８とを設けている。
【００８３】
図３に示した例では、電力変換部２１Ａないし２１Ｂのトランス４の二次コイルを並列に接続することにより、電力変換部２１Ａないし２１Ｂの出力を合成する合成回路４０を構成したが、合成回路４０の構成は図３に示した例に限定されるものではなく、他の周知の構成を有する合成回路を用いることもできる。
【００８４】
上記の例では、インバータ回路３とトランス４とにより電力変換部２１を構成するとしたが、直列共振回路５及びフィルタ部６をも電力変換部に含めて、その後段に合成回路を設けるように構成することもできる。
【００８５】
上記の各実施形態では、インバータ回路３とトランス４との間でインバータ回路の出力電流を検出する電流検出部９と、インバータ回路の出力電圧を検出する電圧検出部８を設けて、電流検出部９により検出される電流の位相と、電圧検出部８により検出される電圧の位相とから、インバータ回路の出力電流と出力電圧との位相差を検出するように、位相差検出部が構成されているが、本発明は、位相差検出部をこのように構成する場合に限定されない。上記の実施形態のように、周波数指令により指令された通りの周波数の高周波信号を発生する高周波信号発生部１３を設けて、この高周波信号発生部が発生する高周波信号によりインバータ回路を制御することによって、直流電源部が出力する直流電圧を、高周波信号と周波数及び位相が等しい高周波交流電圧に変換するように構成する場合には、インバータ回路の出力電圧が、高周波信号発生部１３が発生する高周波信号と同位相であるので、電流検出部９により検出される電流の位相と、高周波信号発生部１３が発生する高周波信号の位相とからインバータ回路の出力電流と出力電圧との位相差を検出するように構成することができる。このように構成すると、電圧検出部８を省略することができるため、装置の構成の簡素化を図ることができる。
【００８６】
上記の実施形態では、インバータ回路３の出力をトランス４を通して負荷に供給しているが、本発明が対象とする高周波電源装置は、交流電圧を整流平滑して直流電圧を出力する直流電源部２０と、直流電源部２０が出力する直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータ回路３とを備えて、インバータ回路３から負荷７に高周波電力を供給するものであればよく、インバータ回路３と負荷７との間の回路の構成は、上記の実施形態で示した構成に限定されない。
【００８７】
例えば、トランスを用いずに、図４に示すように、インバータ３の交流出力端子３ｃと直列共振回路５との間、及び交流出力端子３ｄと高周波電力発生部ＰＳの出力端子２２ｂとの間にそれぞれ直流阻止用コンデンサ５１及び５２を挿入して、インバータ回路３から直流阻止用コンデンサ５１及び５２を通して負荷７に高周波電力を供給するように構成してもよい。
【００８８】
また上記の各実施形態では、トランス４とフィルタ部６との間に直列共振回路５を挿入しているが、インバータ回路３から負荷７側を見た回路が直列共振特性を有する場合には、直列共振回路５を省略することができる。
【００８９】
電力制御部３０に設けるインピーダンス調整器３１は、少なくとも一つの可変リアクタンス素子を含む複数のリアクタンス素子からなっていて、可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、高周波電力発生部の出力端から負荷側を見た回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスを調整することができるものであればよく、上記の実施形態で用いたものに限定されない。例えば図２において、インダクタＬ１の負荷側の端子と接地間にキャパシタを接続したπ型のインピーダンス調整器を用いることもできる。但し、電力制御部３０で損失が生じるのを防ぐため、インピーダンス調整器としてはリアクタンス素子のみにより構成されたもの（抵抗素子を含まないもの）を用いるのが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明に係わる高周波電源装置は、プラズマ発生装置やレーザ発信装置などの高周波電力を供給することが必要な負荷の電源として広く用いることができる。本発明によれば、インバータ回路３に入力する直流電圧を一定とし、高周波電力発生部の出力端から負荷側を見た回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスの抵抗分を増減させることにより、負荷に供給する高周波電力を制御するので、直流電源部の構成を簡単にしてコストの低減を図ることができる。また大容量の平滑コンデンサの影響を受けることなく負荷に与える高周波電力を制御できるので、制御の応答性を良好にすることができる。このように、本発明は、高周波電源装置のコストの低減と性能の向上とに寄与するものであるので、産業上の利用可能性が大である。
【符号の説明】
【００９１】
３ インバータ回路
４ トランス
５ 直列共振回路
６ フィルタ部
７ 負荷
８ 電圧検出部
９ 電流検出部
１０ 電力検出部
１１ 位相差検出部
１２ 周波数制御部
１３ 高周波信号発生部
１４ 信号変換部
２０ 直流電源部
３０ 電力制御部
３１ インピーダンス調整器
３２ インピーダンス制御部
３３ モータ
４０ 合成回路
５１ 直流阻止用コンデンサ
５２ 直流阻止用コンデンサ
ＶＣｘ 可変コンデンサ
Ｃ1 コンデンサ
Ｌ1 インダクタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置等の負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高周波電源装置として、特許文献１に示されているように、商用交流電圧を直流電圧に変換する整流平滑回路と、この整流平滑回路から得られる直流電圧を一旦交流電圧に変換した後再度直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力を高周波交流電力に変換するインバータ回路とを備えて、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を制御することにより、負荷に供給する高周波電力を設定値に近づける制御を行うようにしたものが知られている。
【０００３】
図８は、特許文献１に示された高周波電源装置の構成を示したものである。同図において、１は商用電源から得られる交流電圧を整流して平滑する整流平滑回路、２は整流平滑回路から得られる直流電圧が入力されたＤＣ−ＤＣコンバータ、３はＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力を高周波交流電力に変換するインバータ回路である。
【０００４】
インバータ回路３は、図９に示すように、スイッチ素子Ｓ1ないしＳ4をＨブリッジ接続してなるスイッチ回路と、スイッチ素子Ｓ1ないしＳ4にそれぞれ逆並列接続された帰還用ダイオードＤ1ないしＤ4とを備えた周知の回路からなっている。インバータ回路３は、Ｈブリッジの一方の対辺を構成する対のスイッチ素子Ｓ1及びＳ4と、他方の対辺を構成する他の対のスイッチ素子Ｓ2及びＳ3とを交互にオン状態にすることにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ２から与えられる直流電圧Ｖdcを矩形波状の高周波交流電圧Ｖinvに変換する。
【０００５】
インバータ回路３から出力される矩形波状の高周波交流電圧は、正弦波形の高周波電圧及び電流に変換されて負荷７に供給される。図示の例では、インバータ回路の出力がトランス４の一次側に入力され、トランス４の出力が直列共振回路５とローパスフィルタ６とを通して負荷７に入力されている。インバータ回路３が出力する矩形波状の交流電圧及び電流は、直列共振回路５とローパスフィルタ６とにより正弦波形の高周波電圧及び電流に変換されて負荷７に供給される。
【０００６】
８はインバータ回路３の出力電圧を検出する電圧検出部、９はインバータ回路３とトランス４との間を流れるインバータの出力電流Ｉinvを検出する電流検出部、１０は負荷７に供給される高周波電力を検出する電力検出部である。
【０００７】
電圧検出部８の出力及び電流検出部９の出力は、インバータ回路３の出力電流の出力電圧に対する位相差を検出する位相差検出部１１に入力され、位相差検出部１１から得られる位相差の検出値が、インバータ回路３の出力周波数を決定する周波数指令を発生する周波数制御部１２′に与えられている。
【０００８】
１３は周波数制御部１２′から与えられる周波数指令により指令された周波数を有する正弦波形の高周波信号を発生する高周波信号発生部、１４は高周波信号発生部１３が出力する高周波信号を、インバータ回路３のスイッチ素子に与える制御信号Ｖ1及びＶ2に変換する信号変換部、１５はインバータ回路から負荷に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づけるか又は設定された許容範囲に保つ制御を行なう電力制御部である。
【０００９】
制御信号Ｖ1は、インバータ回路３を構成するＨブリッジの一方の対辺（対角位置にある辺）にあるスイッチ素子Ｓ1，Ｓ4をオン状態にするために該対のスイッチ素子Ｓ1，Ｓ4の制御端子に与える制御信号であり、制御信号Ｖ2は、インバータ回路３を構成するＨブリッジの他方の対辺を構成する対のスイッチ素子Ｓ2，Ｓ3をオン状態にするために該対のスイッチ素子Ｓ2，Ｓ3の制御端子に与える制御信号である。高周波信号発生部１３は、ダイレクト・デジタル・シンセサイザー（ＤＤＳ）からなっていて、与えられた周波数指令により指令された通りの周波数を有する正弦波信号を発生する。
【００１０】
特許文献１に示された高周波電源装置では、負荷に与えられる高周波交流電流と高周波電圧との位相差を可能な限り小さくするように（好ましくは０とするように）、インバータ回路３の出力周波数を制御している。このように、インバータ回路の出力周波数を制御すると、インバータ回路３を構成するスイッチ素子で生じるスイッチング損失を少なくして、高周波電源装置の効率を高くすることができる。
【００１１】
プラズマ処理装置などの負荷に高周波電力を供給す高周波電源装置では、負荷に与える高周波電力を設定値に保つ必要がある。図８に示した高周波電源装置では、インバータ回路３からトランス４と直列共振回路５とローパスフィルタ６とを通して負荷に与えられる高周波電力を設定値に保つ制御を行う必要がある。そのため、従来のこの種の高周波電源装置では、特許文献１には特に示されていないが、インバータ回路３に入力する直流電力を発生するＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧を制御することにより、負荷７に供給される高周波電力を制御している。図８に示した例では、電力検出部１０の出力が、電力制御部１５に与えられている。電力制御部１５は、負荷７に与えられる高周波電力の検出値と設定値との偏差を演算して、演算した偏差を零に近づけるようにＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧の値を制御し、これにより、インバータ回路３の出力電圧及び出力電流を制御して、負荷７に与えられる高周波交流電力を設定値に保つ。
【００１２】
図８に示された例では、整流平滑回路１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２とにより直流電源部が構成されている。また位相差検出部１１と、周波数制御部１２′と、高周波信号発生部１３と信号変換部１４とによりインバータ制御部２５′が構成され、インバータ回路３、トランス４、直列共振回路５、フィルタ部６、電圧検出部８、電流検出部９及びインバータ制御部２５′により高周波電力発生部ＰＳ′が構成されている。更に、整流平滑回路１とＤＣ−ＤＣコンバータ２とからなる直流電源部と、高周波電力発生部ＰＳ′と、電力検出部１０と、電力制御部１５とにより高周波電源装置が構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００７−１８５０００号公報（図４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
図８に示された従来の高周波電源装置においては、負荷に供給する高周波電力を設定値に保つ制御を行うために、インバータ回路３の前段に直流出力電圧を制御することが可能なＤＣ−ＤＣコンバータ２を設けて、電力検出部１０により検出される電力を設定値に保つように、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧を制御していた。そのため、電源装置の構成が複雑になり、そのコストが高くなるという問題があった。
【００１５】
またＤＣ−ＤＣコンバータは内部に大容量の平滑用コンデンサを有していて、その出力電圧を低下させるのに時間がかかるため、制御の応答性が悪くなるのを避けられなかった。制御の応答性を高めるためには、ＤＣ−ＤＣコンバータの平滑用コンデンサを強制的に放電させる回路を設ける等の工夫をすることが必要になり、回路構成が複雑になるのを避けられなかった。
【００１６】
なお図８において、ＤＣ−ＤＣコンバータ２を省略して、インバータ回路３のスイッチ素子をＰＷＭ制御することにより、負荷７に供給する電力を設定値に保つ制御を行うことも考えられる。しかしながら、インバータ回路３のスイッチ素子のＰＷＭ制御は、インバータ回路３の出力周波数よりも遙かに高い周波数でスイッチ素子をオンオフさせることにより行う必要があるため、インバータ回路３の出力周波数が高い場合(現状のスイッチ素子の性能では、例えば数１０乃至数１００ＭＨｚの場合)には採用することが困難である。
【００１７】
本発明の目的は、出力電圧を制御する機能を有しない簡単な構成の直流電源部の出力電圧を直接インバータ回路に入力する構成をとって構成の簡素化を図り、コストの低減を図ることを可能にした高周波電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、交流電圧を整流平滑して直流電圧を出力する直流電源部と、直流電源部から出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路とを備えてインバータ回路から負荷に供給する高周波電力を発生する高周波電力発生部と、高周波電力発生部から負荷に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づけるか又は設定された許容範囲に保つ制御を行なう電力制御部とを備えた高周波電源装置を対象とする。
【００１９】
本発明に係わる高周波電源装置は、インバータ回路の出力電流を検出する電流検出部と、電流検出部により検出される電流とインバータ回路の出力電圧との位相差を検出する位相差検出部と、負荷に供給される高周波電力を検出する電力検出部と、位相差検出部により検出された位相差を入力として電流検出部により検出される電流の位相をインバータ回路の出力電圧の位相に対して設定された遅れ量だけ遅れた状態に保つようにインバータ回路の出力周波数を予め定めた範囲内で制御する周波数制御部とを備えている。
【００２０】
また上記電力制御部は、少なくとも一つの可変リアクタンス素子を含む複数のリアクタンス素子からなっていて、可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、高周波電力発生部の出力端から負荷側を見た回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスを調整するインピーダンス調整器と、電力検出部により検出された電力値に応じて負荷側インピーダンスの抵抗分を変化させて高周波電力発生部から負荷に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づけるか又は設定された許容範囲に保つ制御を行うべく、電力検出部により検出された電力値に応じてインピーダンス調整器の可変リアクタンス素子を制御するインピーダンス制御部とを備えている。
【００２１】
インバータ回路から負荷側を見た回路のインピーダンスは、通常直列共振特性を有している。インバータ回路から負荷側を見た回路のインピーダンスが直列共振特性を有している場合、インバータ回路の出力周波数が直列共振周波数に等しいときにインバータ回路から負荷側を見た回路のインピーダンスが最小になり、負荷に供給される電力が最大になる。インバータ回路の出力周波数が直列共振周波数よりも高い領域では、該インピーダンスが誘導性を示し、インバータ回路の出力電流の位相が出力電圧の位相よりも遅れる。またインバータ回路の出力周波数が直列共振周波数よりも低い領域では、インバータ回路の負荷のインピーダンスが容量性を示し、インバータ回路の出力電流の位相が出力電圧の位相よりも進む。
【００２２】
電流のスイッチング動作が行われるインバータ回路から直列共振特性を有する負荷に高周波電力を供給する電力供給システムにおいて、インバータ回路より負荷側の回路のインピーダンスが容量性を示す領域にインバータ回路の出力周波数を設定した場合には、インバータ回路による電流のスイッチング動作に伴って電流波形が大きく歪むが、インバータ回路より負荷側の回路のインピーダンスが誘導性を示す領域にインバータ回路の出力周波数を設定した場合には、電流の波形歪みが比較的少ないことが知られている。
【００２３】
従って、インバータ回路から直列共振特性を有する負荷に電力を供給する場合には、インバータ回路から負荷側を見た回路のインピーダンスが誘導性を示すようにしておく必要がある。そのため、本発明においては、インバータ回路の出力周波数を予め定めた範囲内で制御することにより、電流検出部により検出される電流の位相をインバータ回路から出力される電圧の位相に対して設定された遅れ量だけ遅れた状態に保つ制御を行う。これにより、インバータ回路から負荷側を見た回路のインピーダンスを誘導性に保って、制御の安定性を確保する。
【００２４】
また高周波電力発生部から負荷に高周波電力を供給する場合、高周波電力発生部の出力端から負荷側を見た回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスの抵抗分を小さくすることにより、高周波電力発生部から負荷に供給される高周波電力を増大させることができ、該負荷側インピーダンスの抵抗分を大きくすることにより、高周波電力発生部から負荷に供給される高周波電力を減少させることができる。
【００２５】
従って、高周波電力発生部の出力端から負荷側を見た回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスを調整するインピーダンス調整器を設けて、電力検出部により検出された電力値に応じて該インピーダンス調整器を制御して負荷側インピーダンスの抵抗分を増減させることにより、高周波電力発生部から負荷に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づけるか又は設定された許容範囲に保つ制御を行なわせることができる。
【００２６】
電力制御部で生じる損失を少なくするため、上記インピーダンス調整器としては、少なくとも一つの可変リアクタンス素子を含む複数のリアクタンス素子からなっていて、可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより負荷側インピーダンスを調整することができるもの(抵抗素子を含まないもの）を用いることが好ましい。
【００２７】
上記のように、本発明においては、高周波電力発生部の出力端から負荷側を見た回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスを調整するインピーダンス調整器を設けて、インバータ回路の出力電流の出力電圧に対する位相を設定された遅れ量だけ遅れた状態に保つようにインバータ回路の出力周波数を制御することにより制御の安定性を確保しつつ、電力検出部により検出された電力値に応じてインピーダンス調整器を制御することにより負荷側インピーダンスの抵抗分を増減させて、高周波電力発生部から負荷に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づけるか又は設定された許容範囲に保つ制御を行なわせるので、インバータ回路に入力する直流電圧を制御することなく、負荷に供給する電力を制御することができる。このように構成すると、直流電源部は、直流出力電圧を制御する機能を持つ必要がなく、交流電圧を整流・平滑して一定の直流電圧を出力するだけの簡単な整流平滑回路等により構成することができるため、高周波電源装置の構成の簡素化を図ってコストの低減を図ることができる。
【００２８】
また上記のように構成すると、平滑用コンデンサが制御の応答性を遅らせる要因にならないため、平滑用コンデンサを強制放電させる回路を設ける等の工夫が不要になり、回路構成が複雑になるのを防ぐことができる。
【００２９】
上記インピーダンス制御部は、電力検出部により検出された電力値が設定値よりも小さいか又は許容範囲の下限値を下回っているときに負荷側インピーダンスの抵抗分を小さくし、電力検出部により検出された電力値が前記設定値よりも大きいか又は許容範囲の上限値を上回っているときに負荷側インピーダンスの抵抗分を大きくするように可変リアクタンス素子を制御して、電力検出部により検出された電力を設定値に近づけるか又は設定された許容範囲に保つ制御を行なうように構成することができる。
【００３０】
本発明の好ましい態様では、上記インピーダンス制御部が、負荷側インピーダンスの抵抗分を制御可能な最小値にするように可変リアクタンス素子を制御しても電力検出部により検出される電力値が設定値よりも小さいか又は許容範囲の下限値よりも小さいとき、及び負荷側インピーダンスの抵抗分を制御可能な最大値にするように可変リアクタンス素子を制御しても電力検出部により検出される電力値が設定値よりも大きいか又は許容範囲の上限値よりも大きいときに異常信号を出力するように構成される。
【００３１】
負荷側インピーダンスの抵抗分を制御可能な最小値にしても電力検出部により検出された電力値が設定値より小さいか又は許容範囲の下限値よりも小さい状態、及び負荷側インピーダンスの抵抗分を制御可能な最大値にしても電力検出部により検出された電力値が設定値よりも大きいか又は許容範囲の上限値よりも大きい状態は、負荷に供給される高周波電力が調整可能な範囲外にある状態であり、何らかの異常が生じている状態である。このような状態が生じたときには、電源装置の運転を停止する等の措置を講じる必要がある。上記のような異常信号出力手段を設けておけば、異常状態への対処を容易にすることができる。
【００３２】
本発明の好ましい態様では、可変リアクタンス素子が、負荷に対して並列に接続される可変コンデンサにより構成される。この場合インピーダンス制御部は、電力検出部により検出された電力値が設定値よりも小さいか又は許容範囲の下限値を下回っているときに可変コンデンサの静電容量を小さくし、電力検出部により検出された電力値が設定値よりも大きいか又は許容範囲の上限値を上回っているときに可変コンデンサの静電容量を大きくする制御を行なうように構成される。
【００３３】
本発明の好ましい態様では、インバータ回路の後段にトランスが設けられて、インバータ回路からトランスを通して負荷に高周波電力を供給するように構成される。
【００３４】
本発明の他の好ましい態様では、インバータ回路と負荷との間に直流阻止用コンデンサが挿入されて、インバータ回路から直流阻止用コンデンサを通して負荷に高周波電力を供給するように構成される。
【００３５】
本発明の好ましい態様では、インバータ回路を制御するために、周波数指令により指令された通りの周波数の高周波信号を発生する高周波信号発生部が設けられる。この場合、インバータ回路は、高周波信号発生部が発生する高周波信号により制御されて、整流平滑回路が出力する直流電圧を、高周波信号と周波数及び位相が等しい高周波交流電圧に変換する。
【００３６】
本発明の好ましい態様では、インバータ回路の出力電圧を検出する電圧検出部が設けられる。この場合、位相差検出部は、電流検出部により検出される電流の位相と、電圧検出部により検出される電圧の位相とから前記位相差を検出するように構成することができる。
【００３７】
周波数指令により指令された通りの周波数の高周波信号を発生する高周波信号発生部が設けられる場合には、位相差検出部を、電流検出部により検出される電流の位相と高周波信号の位相とから前記位相差を検出するように構成することができる。
【００３８】
高周波信号発生部が発生する高周波信号によりインバータ回路のスイッチ素子を制御して、直流電力を高周波電力に変換する場合、高周波信号の位相はインバータ回路の出力電圧の位相と等しいため、上記のように、電流検出部により検出される電流の位相と、高周波信号発生部が発生する高周波信号の位相とから、電流検出部により検出される電流とインバータ回路の出力電圧との位相差を検出することができる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明においては、可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより高周波電力発生部の出力端から負荷側を見た回路のインピーダンスを調整するインピーダンス調整器を設けて、インバータ回路の出力電流の位相を出力電圧の位相に対して設定された遅れ量だけ遅れた状態に保つようにインバータ回路の出力周波数を制御して、制御の安定性を確保しつつ、電力検出部により検出された電力値に応じてインピーダンス調整器の可変リアクタンス素子を制御することにより、負荷回路のインピーダンスの抵抗分を増減させて高周波電力発生部から負荷に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づけるか又は設定された許容範囲に保つ制御を行なわせるようにしたので、インバータ回路に入力する直流電圧を制御することなく、負荷に供給する電力を制御することができる。従って、直流電源部は、直流出力電圧を制御する機能を持つ必要がなく、交流電圧を整流・平滑して一定の直流電圧を出力するだけの簡単な整流平滑回路等により構成することができるため、高周波電源装置の構成の簡素化を図ってコストの低減を図ることができる。
【００４０】
また本発明によれば、平滑用コンデンサが制御の応答性を遅らせる要因になることがないため、平滑用コンデンサを強制放電させる回路を設ける等の工夫が不要になり、回路構成が複雑になるのを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態に係わる高周波電源装置の構成を示した回路図である。
【図２】図１の実施形態で用いる電力制御部の構成例を示した回路図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係わる高周波電源装置の構成を示した回路図である。
【図４】本発明の更に他の実施形態に係わる高周波電源装置の構成を示した回路図である。
【図５】本発明の実施形態において、インバータ回路から負荷側を見た回路のインピーダンスを示す等価回路図である。
【図６】（Ａ）ないし（Ｃ）は、インバータ回路から直列共振特性を有する負荷に高周波電力を供給するシステムにおいて、インバータ回路の出力周波数を変化させた際の高周波電力の電力値の変化を、インバータ回路から負荷側を見た回路のインダクタンスをパラメータとして示したグラフである。
【図７】本発明の一実施形態を説明するために用いるスミスチャートである。
【図８】従来の高周波電源装置の構成を示した回路図である。
【図９】インバータ回路の構成例を示した回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
図１は、本発明に係わる高周波電源装置の一実施形態を示したものである。同図において、２０は一定の直流電圧を発生する直流電源部、３は直流電源部２０の出力電圧及び出力電流を交流電圧及び交流電流に変換するインバータ回路、４はインバータ回路３の出力が入力されたトランスであり、インバータ回路３とトランス４とにより、直流電力を高周波電力に変換する電力変換部２１が構成されている。
【００４３】
直流電源部２０は、商用電源から与えられる交流電圧を全波整流する整流器と、該整流器の出力端子間に接続された平滑用コンデンサとを備えた整流・平滑回路からなっていって、商用電源の交流電圧により決まるほぼ一定の直流電圧Ｖdcを出力する。
【００４４】
本実施形態で用いられているインバータ回路３は、図９に示されているように、スイッチ素子Ｓ1ないしＳ4をＨブリッジ接続してなるスイッチ回路と、Ｈブリッジを構成するスイッチ素子Ｓ1ないしＳ4にそれぞれ逆並列接続された帰還用ダイオードＤ1ないしＤ4とからなっている。インバータ回路３は、Ｈブリッジの対角位置にある一方の対辺を構成する対のスイッチ素子Ｓ1及びＳ4と、対角位置にある他方の対辺を構成する他の対のスイッチ素子Ｓ2及びＳ3とを交互にオン状態にするように制御されて、直流電源部２０から与えられる直流電圧Ｖdcを矩形波状の高周波交流電圧Ｖinvに変換する。インバータ回路３を構成するスイッチ素子Ｓ1ないしＳ4は、ＭＯＳＦＥＴ、バイポーラ型のパワートランジスタ、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチ素子からなっている。
【００４５】
インバータ回路３は、直流入力端子３ａ，３ｂと、交流出力端子３ｃ、３ｄとを有していて、直流入力端子３ａ，３ｂが直流電源部２０の出力端子に接続され、交流出力端子３ｃ，３ｄがトランス４の１次コイル４ａの両端に接続されている。トランス４の２次コイル４ｂの一端は、コイル５ａとコンデンサ５ｂとの直列回路からなる直列共振回路５を通してローパスフィルタからなるフィルタ部６の入力端子に接続され、フィルタ部６の出力端子は電力検出部１０を通して高周波電力発生部ＰＳの一方の出力端子２２ａに接続されている。トランス４の２次コイル４ｂの他端は、高周波電力発生部ＰＳの他方の出力端子２２ｂに接続され、高周波電力発生部ＰＳの出力端子２２ａ，２２ｂが、電力制御部３０と、電力ケーブル等により構成された線路とを通して負荷７の入力端子に接続されている。
【００４６】
電力変換部２１には、インバータ回路３の出力端子３c，３d間の電圧を検出する電圧検出部８と、インバータ回路３とトランス４との間でインバータ回路の出力電流Ｉinvを検出する電流検出部９とが設けられ、トランス４の二次側の回路には、負荷７に与えられる高周波電力を検出する電力検出部１０が設けられている。電力検出部１０は、電力変換部２１で発生する高調波成分を取り除いた基本周波数における電力を検出することが望ましいため、本実施形態では、図示のように、電力検出部１０をフィルタ部６よりも負荷側に設けている。
【００４７】
電圧検出部８の出力及び電流検出部９の出力は、インバータ回路３の出力電流の出力電圧に対する位相差を検出する位相差検出部１１に入力され、位相差検出部１１から得られる位相差の検出値が、インバータ回路３の出力周波数を制御する周波数制御部１２に入力されている。
【００４８】
２３及び２４はそれぞれ周波数制御部１２に対して設けられた第１のメモリ及び第２のメモリである。第１のメモリ２３は、負荷に与える高周波電力の周波数可変範囲の上限び下限をそれぞれ定める上限周波数及び下限周波数を記憶しており、第２のメモリ２４は、負荷７に与える高周波電力の周波数の初期値を記憶している。この初期値は固定値でもよく、前回の制御の終了時の値（最終値）でもよい。
【００４９】
１３は周波数制御部１２から与えられる周波数指令により指令された周波数を有する正弦波形の高周波信号を発生する高周波信号発生部、１４は高周波信号発生部１３が出力する高周波信号を、インバータ回路３を構成するスイッチ素子に与える制御信号Ｖ1及びＶ2に変換する信号変換部である。高周波信号発生部１３は、与えられた周波数指令により指令された通りの周波数と、与えられた振幅指令により指令された振幅とを有する正弦波信号を発生するダイレクト・デジタル・シンセサイザー（ＤＤＳ）からなっている。
【００５０】
信号変換部１４は、高周波信号発生部１３が発生する正弦波形の高周波信号の一方の極性の半波の期間第１の制御信号Ｖ1を発生し、他方の半波の期間第２の制御信号Ｖ2を発生する。第１の制御信号Ｖ1は、インバータ回路３を構成するＨブリッジの対角位置にある一方の対辺を構成する対のスイッチ素子Ｓ1，Ｓ4をオン状態にするために該対のスイッチ素子Ｓ1，Ｓ4の制御端子に与える制御信号であり、第２の制御信号Ｖ2は、インバータ回路３を構成するＨブリッジの対角位置にある他方の対辺を構成する対のスイッチ素子Ｓ2，Ｓ3をオン状態にするために該対のスイッチ素子Ｓ2，Ｓ3の制御端子に与える制御信号である。
【００５１】
本実施形態では、位相差検出部１１と、周波数制御部１２と、高周波信号発生部１３と、信号変換部１４と、第１及び第２のメモリ２３及び２４とにより、インバータ回路３を制御するインバータ制御部２５が構成されている。また電力変換部２１と、インバータ制御部２５と、直列共振回路５と、フィルタ部６とにより、直流電源部２０から与えられる直流電圧を交流電圧に変換して、負荷に供給する高周波電力を発生する高周波電力発生部ＰＳが構成され、直流電源部２０と、高周波電力発生部ＰＳと、電力検出部１０と、電力制御部３０とにより、本発明に係わる高周波電源装置が構成されている。
【００５２】
インバータ回路３は、対角位置にある対のスイッチ素子Ｓ1，Ｓ4及び他の対のスイッチ素子Ｓ2，Ｓ3を交互にオン状態にすることにより、直流電源部２０から与えられる直流電圧Ｖdcを、高周波信号発生部１３が発生する高周波信号と周波数（周波数制御部１２により指令された周波数）及び位相が等しい矩形波状の高周波交流電圧に変換する。この交流電圧は、トランス４を通して直列共振回路５に印加される。矩形波状の交流電圧が直列共振回路５に印加されることにより、基本波成分以外の高調波成分の殆どが除去されて、正弦波形に近い波形を有する高周波電圧が得られる。フィルタ部６は、直列共振回路５を通して得られる高周波電圧から基本周波数成分のみを抽出して正弦波形の高周波電力を負荷７に与える。
【００５３】
トランス４は、インバータ回路３から出力される単極性の矩形波状の高周波電圧を、零レベルを基準にして正負の極性に変化する波形の高周波電圧に変換するとともに、出力端子２２ａ，２２ｂからインバータ回路３側を見たインピーダンスを、負荷側のインピーダンス（負荷７に給電するための線路のインピーダンス）に変換する。負荷７に給電するための線路としては、一般的には特性インピーダンスが５０Ωのものが使用される。
【００５４】
上記のように、インバータ回路３から直列共振特性を有する回路に高周波電力を供給する場合、インバータ回路３から負荷側を見た回路のインピーダンスは、図５に示すように、インダクタンスＬと、キャパシタンスＣと、抵抗Ｒとの直列回路により表すことができる。ここで、インダクタンスＬをＬ1，Ｌ2及びＬ3（Ｌ1＞Ｌ2＞Ｌ3）として、周波数ｆを変化させたとすると、負荷に供給される電力Ｐは、図６の（Ａ）ないし（Ｃ）のように変化する。これらの図においてｆoは直列共振周波数である。
【００５５】
図６から明らかなように、インバータ回路３から負荷７側を見た回路のインピーダンスが直列共振特性を有するように構成されている場合、インバータ回路３の出力周波数が直列共振周波数ｆoに等しいときにインバータ回路３から負荷７側を見た回路のインピーダンスが最小になり、負荷に供給される電力Ｐが最大になる。インバータ回路３の出力周波数が直列共振周波数ｆoよりも高い領域では、インバータ回路３から負荷７側を見た回路のインピーダンスが誘導性を示し、インバータ回路３の出力電流の位相が出力電圧の位相よりも遅れる。またインバータ回路３の出力周波数が直列共振周波数ｆoよりも低い領域では、インバータ回路３から負荷側を見たインピーダンスが容量性を示し、インバータ回路の出力電流の位相が出力電圧の位相よりも進む。
【００５６】
インバータ回路３から直列共振特性を有する負荷側回路に高周波電力を供給する電力供給システムにおいて、インバータ回路３の出力周波数ｆを負荷側回路のインピーダンスが容量性を示す領域に設定した場合には、インバータ回路のスイッチ素子がオン状態になった瞬間に電流が流れるハードスイッチング（hard switching）が起り、異常電圧が発生して大きな損失をもたらす。したがって、スイッチ素子のオンオフ動作により直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路３から直列共振特性を有する負荷側回路に電力を供給する場合に安定な電力制御を行なわせるためには、特別な理由がない限り、インバータ回路３の出力周波数を、負荷側回路のインピーダンスが誘導性を示す領域に設定する必要がある。
【００５７】
図６において、使用可能領域Ｂ1ないしＢ3はそれぞれインダクタンスＬがＬ1，Ｌ2及びＬ3であるときに、電流の電圧に対する位相が遅れ位相となる領域であり、スイッチ素子のオンオフ動作により直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路３から負荷側回路に電力を供給する場合に、電力の制御を安定に行なわせることができる領域である。図６から明らかなように、インバータ回路３の出力周波数が、負荷側の回路のインピーダンスを誘導性とする領域にある場合には、インバータ回路の出力周波数ｆを上げると、負荷に供給される高周波電力を減少し、インバータ回路３の出力周波数ｆを下げると、負荷に供給される高周波電力が増大する。
【００５８】
従来の高周波電源装置では、高周波電力の周波数を、負荷のインピーダンスに対して最適な周波数（通常は電力を最大にする周波数）に設定した状態で、インバータ回路に入力する直流電圧を変化させることにより、負荷に供給する電力を制御していた。例えば図８に示した従来例では、インバータ回路３から負荷７に供給する高周波電力の周波数を、負荷のインピーダンスに対して最適な周波数に設定した状態で、ＤＣ−ＤＣコンバータ２を制御してインバータ回路３に入力する直流電圧を変化させることにより、負荷７に供給する電力を制御していた。このように、ＤＣ−ＤＣコンバータ２を設けてその出力電圧を制御する構成をとると、電源装置の構成が複雑になり、コストが高くなるのを避けられない。またＤＣ−ＤＣコンバータ２は内部に大容量の平滑用コンデンサを有していて、その出力電圧を低下させるのに時間がかかるため、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を制御することにより負荷に与える電力を制御する構成をとると、制御の応答性が悪くなるのを避けられない。
【００５９】
これに対し、本実施形態においては、インバータ回路３に入力する直流電圧を一定とし、周波数制御部１２により、電流検出部９で検出される電流の位相を、インバータ回路３の出力電圧の位相に対して設定された一定の遅れ量だけ遅れた状態に保つようにインバータ回路３の出力周波数を予め定めた範囲内で制御する。この制御により、インバータ回路３から負荷７側を見た回路のインピーダンスを誘導性に保って、電流のスイッチング動作が行われるインバータ回路３から負荷７に与えられる電力の制御を、ハードスイッチングによる異常電圧の発生を伴うことなく、安定に行わせることができる状態を確保する。
【００６０】
本実施形態ではまた、上記の制御と並行して、電力制御部３０において、電力検出部１０で検出される電力値に応じて高周波電力発生部ＰＳの出力端から負荷７側を見た回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスの抵抗分を変化させることにより、高周波電力発生部ＰＳから負荷７に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づける制御を行う。
【００６１】
上記の各制御を行なわせるため、本実施形態では、インバータ回路３→電圧検出部８及び電流検出部９→位相差検出部１１→周波数制御部１２→高周波信号発生部１３→信号変換部１４→インバータ回路３の回路からなる負荷側回路インピーダンス制御部と、電力検出部１０と電力制御部３０とからなる出力制御部とが構成されている。
【００６２】
上記負荷側回路インピーダンス制御部により、インバータ回路３の出力周波数を、負荷側回路のインピーダンスが誘導性を示す領域に維持する制御が行なわれる。また上記出力制御部により、電力検出部１０により検出された電力値に応じて高周波電力発生部ＰＳの出力端から負荷７側を見た回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスの抵抗分を変化させることにより高周波電力発生部ＰＳから負荷７に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づける制御が行われる。負荷側回路インピーダンス制御部による制御と、出力制御部による制御とは同時に並行して行なわれる。
【００６３】
インバータ回路３の出力周波数を制御するに当っては、予想される負荷７のインピーダンスの変動範囲を考慮して、インバータ回路３の出力電流の位相を出力電圧の位相に対して設定された遅れ量だけ遅れた状態に維持することができる(インバータ回路から負荷側を見た回路のインピーダンスを誘導性に保つことができる）周波数の範囲を周波数可変範囲として定めておき、この周波数可変範囲の上限値及び下限値を第１のメモリ２３に記憶させておく。また負荷７に与える高周波電力の基本周波数の中心値を、初期値として第２のメモリ２４に記憶させておく。
【００６４】
例えば、負荷に与える高周波電力の中心周波数を１３．５６ＭＨｚとし、上記周波数可変範囲の上限値を１４．９６ＭＨｚ、下限値を１２．１６ＭＨｚとする場合、高周波信号発生部１３を構成するＤＤＳとしては、上記周波数可変範囲をカバーし得る範囲の周波数を有する高周波信号を発生し得るもの、即ち１３．５６±１．４ＭＨｚの範囲の周波数を有する高周波信号を発生し得るものを用いる。周波数の可変範囲は、発振器の性能や共振回路の特性等を考慮して適宜に設定する。
【００６５】
図１に示された周波数制御部１２は、例えば下記のようにして、インバータ回路３の出力周波数を制御する。周波数制御部１２は、制御開始時（高周波電源装置の起動時）に先ず第２のメモリ２４に記憶されている周波数の初期値に等しい高周波信号を発生することを指令する周波数指令を高周波信号発生部１３に与えて、初期値に等しい周波数の高周波信号を高周波信号発生部１３から発生させ、インバータ回路３から初期値に等しい周波数の高周波電圧、電流を出力させる。周波数制御部１２は次いで位相差検出部１１からインバータ回路３の出力電流Ｉinvの出力電圧Ｖinvに対する位相差を取込んで、この位相差を設定された位相差と比較する。その結果、出力電流Ｉinvの位相の出力電圧Ｖinvの位相に対する遅れ量が、設定された遅れ量よりも多い場合には、インバータ回路３の出力周波数を第１のメモリ２３に記憶された周波数可変範囲の下限値を下回らない範囲で低くし、出力電流Ｉinvの位相の出力電圧Ｖinvの位相に対する遅れ量が、設定された遅れ量よりも少ない場合には、インバータ回路３の出力周波数を第１のメモリ２３に記憶された周波数可変範囲の上限値を超えない範囲で高くするように、出力電流Ｉinvの位相の出力電圧Ｖinvの位相に対する遅れ量に応じて高周波信号発生部１３に与える周波数指令を変化させる。これにより、インバータ回路３の出力電流Ｉinvの位相の出力電圧Ｖinvの位相に対する遅れ量を設定された遅れ量に保つ。
【００６６】
電力制御部３０は、図２に示されているように、高周波電力発生部ＰＳの出力端と負荷７との間に設けられて、高周波電力発生部ＰＳの出力端から負荷側を見た回路のインピーダンスを調整するインピーダンス調整器３１と、電力検出部１０により検出された電力値に応じて高周波電力発生部ＰＳから負荷７側を見た回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスの抵抗分を変化させることにより高周波電力発生部ＰＳから負荷７に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づける制御を行うべく、電力検出部１０により検出された電力値に応じてインピーダンス調整器３１に設けられた可変リアクタンス素子を制御するインピーダンス制御部３２とを備えている。
【００６７】
図示のインピーダンス調整器３１は、固定のキャパシタＣ１と、キャパシタＣ１に直列に接続されたインダクタＬ１と、キャパシタＣ１とインダクタＬ１との直列回路の一端と接地間に接続された可変リアクタンス素子としての可変コンデンサＶＣｘとからなっていて、キャパシタＣ１とインダクタＬ１との直列回路の一端が高周波電力発生部ＰＳの非接地側の出力端子に接続されている。キャパシタＣ１とインダクタＬ１との直列回路の他端は、特性インピーダンスが５０Ωの線路を通して負荷７の非接地側端子に接続され、可変コンデンサＶＣｘが、キャパシタＣ１とインダクタＬ１とを通して負荷７に対して並列に接続されている。
【００６８】
図２に示された電力制御部３０において、可変コンデンサＶＣｘの静電容量を大きくすると、負荷側インピーダンスの抵抗分が大きくなり、可変コンデンサＶＣｘの静電容量を小さくすると、負荷側インピーダンスの抵抗分が小さくなる。可変コンデンサＶＣｘの静電容量の変化に伴う負荷側インピーダンスの抵抗分の変化は、図７に示したスミスチャートを用いて説明することができる。図７に示したスミスチャートは、インピーダンスチャートとアドミッタンスチャートとを重ね合わせたもので、図７において、ａ1，ａ2，ａ3及びｂ1，ｂ2，ｂ3はそれぞれアドミッタンスチャートを構成する等コンダクタンス円及び等サセプタンス円、ｃ1，ｃ2，ｃ3及びｄ1，ｄ2，ｄ3はそれぞれインピーダンスチャートを構成する等抵抗円及び等リアクタンス円である。
【００６９】
図２に示されたインピーダンス調整器３１において、高周波電力発生部ＰＳから負荷側を見た回路のインピーダンスの抵抗分が５０Ωであるとすると、可変コンデンサＶＣｘの静電容量を小さくする方向に変化させたときに、高周波電力発生部ＰＳから負荷７側を見た回路のアドミッタンスが、図７の等コンダクタンス円ａ2上を図示の矢印Ｐ方向に例えばＸ点まで動く。このとき高周波電力発生部ＰＳから負荷７側を見た回路のインピーダンス（負荷側インピーダンス）は、点Ｘを通る等抵抗円ｃ3上に存在する。等抵抗円ｃ3上にある負荷側インピーダンスの抵抗分はＲΩ（＜５０Ω）となる。従って、可変コンデンサＶＣｘの静電容量を小さくする方向に変化させることにより、負荷側インピーダンスの抵抗分を５０ΩからＲΩまで減少させることができる。また高周波電力発生部ＰＳから負荷７側を見た回路のアドミッタンスが点Ｘにある状態で、可変コンデンサＶＣxの静電容量を大きくする方向に変化させると、負荷側の回路のアドミッタンスが図示の矢印Ｐと反対方向に移動し、これに伴って負荷側インピーダンスが乗る円の半径が小さくなっていくため、負荷側インピーダンスの抵抗分が大きくなっていく。これより、図２に示されたインピーダンス調整器３１において、可変コンデンサＶＣｘの静電容量を小さくする方向に変化させることにより、負荷側インピーダンスの抵抗分を減少させることができ、逆に、可変コンデンサＶＣｘの静電容量を大きくする方向に変化させることにより、負荷側インピーダンスの抵抗分を増大させることができることが分かる。
【００７０】
図２に示されたインピーダンス制御部３２は、電力検出部１０により検出された電力値が設定値よりも小さいときに可変コンデンサＶＣｘの静電容量を小さくし、電力検出部１０により検出された電力値が設定値よりも大きいときに可変コンデンサＶＣｘの静電容量を大きくするように制御することにより、電力検出部１０により検出された電力値に応じて負荷側インピーダンスの抵抗分を変化させて、高周波電力発生部ＰＳから負荷７に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づける制御を行なう。
【００７１】
図示の例では、可変コンデンサＶＣｘの操作部を操作するためにモータ３３を備えたアクチュエータが設けられ、インピーダンス制御部３２によりモータ３３の回転方向と回転量とを制御することにより、可変キャパシタＶＣｘの静電容量を調整することができるようになっている。この場合、インピーダンス制御部３２は、電力検出部１０により検出された電力値が設定値より大きいときに可変コンデンサＶＣｘの静電容量を小さくし、検出された電力値が設定値より小さいときに可変コンデンサＶＣｘの静電容量を大きくするようにモータ３３を制御して、高周波電力発生部ＰＳから負荷７に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づける制御を行なう。
【００７２】
上記の制御を行なうため、インピーダンス制御部３２は所定のサンプルタイミングが到来する毎に電力検出部１０が検出している電力値を読み込んで、読み込んだ電力値と設定値とを比較し、その比較の結果に応じて、可変コンデンサＶＣｘの静電容量を大きくすればよいのか小さくすればよいのかを判定して、判定した方向に可変コンデンサＶＣｘの静電容量を変化させるべくモータ３３を制御する。これにより、負荷側インピーダンスの抵抗分を変化させて、電力検出部１０により検出される電力値を設定値に近づける。電流検出部９により検出される電流の位相がインバータ回路の出力電圧の位相に対して遅れた状態に維持されている場合、負荷側インピーダンスは、図７に示したスミスチャートの上の半円内の領域に存在していることになる。そのため、可変コンデンサＶＣｘの静電容量を小さくすると、負荷側インピーダンスの抵抗分が減少し、可変コンデンサＶＣｘの静電容量を大きくすると、負荷側インピーダンスの抵抗分が増加するという関係が成り立つ。したがって、電力検出部１０により検出される電力値と設定値とを比較することによって、可変コンデンサＶＣｘの静電容量を小さくすればよいのか、反対に大きくすればよいのかが分かる。
【００７３】
上記の説明では、電力制御部３０が、電力検出部１０により検出される電力値を設定値に近づける制御を行なうとしたが、電力検出部１０により検出された電力を設定された許容範囲に保つ制御を行なうように電力制御部１０を構成することができるのはもちろんである。電力検出部１０により検出された電力値を設定された許容範囲に保つ制御を行なう場合には、電力値の許容範囲の上限値と下限値とを定めておいて、検出された電力値が許容範囲の上限値を超えたときに負荷側インピーダンスの抵抗分を大きくし、検出された電力値が許容範囲の下限値を下回ったときに負荷側インピーダンスの抵抗分を小さくするように、インピーダンス調整器３１を制御するようにすればよい。
【００７４】
本実施形態ではまた、インピーダンス制御部３２が、負荷側インピーダンスの抵抗分を制御可能な最小値にするように前記可変リアクタンス素子を制御しても電力検出部により検出された電力値が設定値よりも小さいとき、及び負荷側インピーダンスの抵抗分を制御可能な最大値にするように前記可変リアクタンス素子を制御しても電力検出部により検出された電力値が設定値よりも大きいときに異常信号を出力するように構成されている。
【００７５】
負荷側インピーダンスの抵抗分を制御可能な最小値にするように前記可変リアクタンス素子を制御しても電力検出部により検出された電力値が設定値よりも小さいか又は許容範囲に収まらない状態、及び負荷側インピーダンスの抵抗分を制御可能な最大値にするように前記可変リアクタンス素子を制御しても電力検出部により検出された電力値が設定値よりも大きいか又は許容範囲に収まらない状態は、負荷に供給される高周波電力が調整可能な範囲外にある状態であり、何らかの異常が生じている状態である。このような状態が生じたときには、電源装置の運転を停止する等の措置を講じる必要がある。上記のような異常信号出力手段を設けておけば、異常状態への対処を容易にすることができる。
【００７６】
上記のような異常状態に対処し得るようにするため、インピーダンス制御部３２は、モータ３３を制御して可変コンデンサＶＣｘの静電容量を変化させる際に、モータ３３の回転角度位置が予め定めた許容範囲内にあるか否かを見ることにより、モータ３３の回転角度位置を監視して、モータ３３を許容範囲の限界位置まで回転させても電力検出部１０により検出される電力値が設定値にならないか又は許容範囲に収まらないときに異常信号を出力する異常信号出力手段を備えている。異常信号を出力する際には、負荷への高周波電力の供給を停止させる等の安全策を講じるようにしておくのが好ましい。
【００７７】
前述のように、インバータ回路３のスイッチ素子にハードスイッチングを行なわせることなく、インバータ回路を安定に動作させるためには、インバータ回路３の出力電流の出力電圧に対する位相を遅れ位相の範囲（図６の使用可能領域Ｂ1ないしＢ3の範囲）に維持することが必要である。本実施形態においては、電力制御部１０がインピーダンス調整器３１を制御して負荷側インピーダンスの抵抗分を増減させることにより負荷に与える高周波電力を設定値に近づけるか又は許容範囲に保つ制御を行なう過程で、インバータ回路３の出力電流の位相を出力電圧の位相に対して遅れた状態に保つように、周波数制御部１２がインバータ回路の出力周波数を制御するが、負荷に供給される高周波電力の電力値を制御する過程で、可変コンデンサＶＣｘの静電容量がとる値によっては、周波数制御部１２によりインバータ回路３の出力周波数を制御しても、インバータ回路の出力電流の位相を出力電圧の位相に対して遅れ位相とすることができなくなる状態が生じるおそれがある。このような状態が生じると、インバータ回路から負荷側を見た回路のインピーダンスを誘導性の状態に維持することができなくなるため、インバータ回路を構成するスイッチ素子のスイッチング動作がハードスイッチングの状態になって、異常電圧が発生したり、出力波形が歪んだりするおそれがある。
【００７８】
このような異常状態に対処し得るようにするため、本実施形態においては、周波数制御部１２が周波数可変範囲でインバータ回路３の出力周波数をどのように変化させても、電流検出部９により検出される電流の位相をインバータ回路の出力電圧の位相に対して遅れた状態に維持することができなくなったときに異常信号を出力する異常信号発生手段を周波数制御部１２に設けている。異常信号は、警報を発生させるために用いてもよく、負荷への高周波電力の供給を強制的に遮断するスイッチ手段を駆動する信号として用いてもよい。
【００７９】
上記の実施形態のように電力制御部３０を構成すると、インバータ回路３に入力する直流電圧を制御する必要がないため、直流電源部２０は、直流出力電圧を制御する機能を持たない簡単な構成とすることができ、交流電圧を整流・平滑して一定の直流電圧を出力するだけの簡単な整流平滑回路等により構成することができる。
【００８０】
また上記のように構成すると、平滑用コンデンサが制御の応答性を遅らせる要因になることがないため、平滑用コンデンサを強制放電させる回路を設ける等の工夫が不要になり、回路構成を簡単にすることができる。
【００８１】
上記の実施形態では、電力変換部２１が一つだけ設けられていたが、電力変換部２１を一つだけ設けただけでは負荷に供給する電力が不足する場合には、図３に示すように、インバータ回路３の出力電圧の位相が等しく、出力電流の位相が等しい複数(図示の例では４個）の電力変換部２１Ａないし２１Ｄを設けて、これらの電力変換部の出力を合成して直列共振回路５とフィルタ部６とを通して負荷に供給するようにしてもよい。図示の例では、電力変換部２１Ａないし２１Ｄのトランス４の二次コイルを並列に接続することにより、電力変換部２１Ａないし２１Ｂの出力を合成する合成回路４０を構成している。
【００８２】
図３に示したように構成する場合には、信号発生部１４が発生する制御信号Ｖ1及びＶ2を信号分配部１６により、電力変換部２１Ａないし２１Ｄのインバータ回路３に分配して、電力変換部２１Ａないし２１Ｄのインバータ回路３から同位相の高周波信号を発生させる。このように構成する場合、電力変換部２１Ａないし２１Ｄのインバータ回路３の出力電圧の位相及び出力電流の位相は等しいため、電圧検出部８及び電流検出部９はいずれか一つの電力変換部にのみ設ければよい。図３に示した例では、電力変換部２１Ｄに電圧検出部８と電流検出部８とを設けている。
【００８３】
図３に示した例では、電力変換部２１Ａないし２１Ｂのトランス４の二次コイルを並列に接続することにより、電力変換部２１Ａないし２１Ｂの出力を合成する合成回路４０を構成したが、合成回路４０の構成は図３に示した例に限定されるものではなく、他の周知の構成を有する合成回路を用いることもできる。
【００８４】
上記の例では、インバータ回路３とトランス４とにより電力変換部２１を構成するとしたが、直列共振回路５及びフィルタ部６をも電力変換部に含めて、その後段に合成回路を設けるように構成することもできる。
【００８５】
上記の各実施形態では、インバータ回路３とトランス４との間でインバータ回路の出力電流を検出する電流検出部９と、インバータ回路の出力電圧を検出する電圧検出部８を設けて、電流検出部９により検出される電流の位相と、電圧検出部８により検出される電圧の位相とから、インバータ回路の出力電流と出力電圧との位相差を検出するように、位相差検出部が構成されているが、本発明は、位相差検出部をこのように構成する場合に限定されない。上記の実施形態のように、周波数指令により指令された通りの周波数の高周波信号を発生する高周波信号発生部１３を設けて、この高周波信号発生部が発生する高周波信号によりインバータ回路を制御することによって、直流電源部が出力する直流電圧を、高周波信号と周波数及び位相が等しい高周波交流電圧に変換するように構成する場合には、インバータ回路の出力電圧が、高周波信号発生部１３が発生する高周波信号と同位相であるので、電流検出部９により検出される電流の位相と、高周波信号発生部１３が発生する高周波信号の位相とからインバータ回路の出力電流と出力電圧との位相差を検出するように構成することができる。このように構成すると、電圧検出部８を省略することができるため、装置の構成の簡素化を図ることができる。
【００８６】
上記の実施形態では、インバータ回路３の出力をトランス４を通して負荷に供給しているが、本発明が対象とする高周波電源装置は、交流電圧を整流平滑して直流電圧を出力する直流電源部２０と、直流電源部２０が出力する直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータ回路３とを備えて、インバータ回路３から負荷７に高周波電力を供給するものであればよく、インバータ回路３と負荷７との間の回路の構成は、上記の実施形態で示した構成に限定されない。
【００８７】
例えば、トランスを用いずに、図４に示すように、インバータ３の交流出力端子３ｃと直列共振回路５との間、及び交流出力端子３ｄと高周波電力発生部ＰＳの出力端子２２ｂとの間にそれぞれ直流阻止用コンデンサ５１及び５２を挿入して、インバータ回路３から直流阻止用コンデンサ５１及び５２を通して負荷７に高周波電力を供給するように構成してもよい。
【００８８】
また上記の各実施形態では、トランス４とフィルタ部６との間に直列共振回路５を挿入しているが、インバータ回路３から負荷７側を見た回路が直列共振特性を有する場合には、直列共振回路５を省略することができる。
【００８９】
電力制御部３０に設けるインピーダンス調整器３１は、少なくとも一つの可変リアクタンス素子を含む複数のリアクタンス素子からなっていて、可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、高周波電力発生部の出力端から負荷側を見た回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスを調整することができるものであればよく、上記の実施形態で用いたものに限定されない。例えば図２において、インダクタＬ１の負荷側の端子と接地間にキャパシタを接続したπ型のインピーダンス調整器を用いることもできる。但し、電力制御部３０で損失が生じるのを防ぐため、インピーダンス調整器としてはリアクタンス素子のみにより構成されたもの（抵抗素子を含まないもの）を用いるのが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明に係わる高周波電源装置は、プラズマ発生装置やレーザ発信装置などの高周波電力を供給することが必要な負荷の電源として広く用いることができる。本発明によれば、インバータ回路３に入力する直流電圧を一定とし、高周波電力発生部の出力端から負荷側を見た回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスの抵抗分を増減させることにより、負荷に供給する高周波電力を制御するので、直流電源部の構成を簡単にしてコストの低減を図ることができる。また大容量の平滑コンデンサの影響を受けることなく負荷に与える高周波電力を制御できるので、制御の応答性を良好にすることができる。このように、本発明は、高周波電源装置のコストの低減と性能の向上とに寄与するものであるので、産業上の利用可能性が大である。
【符号の説明】
【００９１】
３ インバータ回路
４ トランス
５ 直列共振回路
６ フィルタ部
７ 負荷
８ 電圧検出部
９ 電流検出部
１０ 電力検出部
１１ 位相差検出部
１２ 周波数制御部
１３ 高周波信号発生部
１４ 信号変換部
２０ 直流電源部
３０ 電力制御部
３１ インピーダンス調整器
３２ インピーダンス制御部
３３ モータ
４０ 合成回路
５１ 直流阻止用コンデンサ
５２ 直流阻止用コンデンサ
ＶＣｘ 可変コンデンサ
Ｃ1 コンデンサ
Ｌ1 インダクタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧を整流平滑して直流電圧を出力する直流電源部と、前記直流電源部から出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路とを備えて前記インバータ回路から負荷に供給する高周波電力を発生する高周波電力発生部と、前記高周波電力発生部から負荷に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づけるか又は設定された許容範囲に保つ制御を行なう電力制御部とを備えた高周波電源装置において、
前記インバータ回路の出力電流を検出する電流検出部と、
前記電流検出部により検出される電流と前記インバータ回路の出力電圧との位相差を検出する位相差検出部と、
前記負荷に供給される高周波電力を検出する電力検出部と、
前記位相差検出部により検出された位相差を入力として前記電流検出部により検出される電流の位相を前記インバータ回路の出力電圧の位相に対して設定された遅れ量だけ遅れた状態に保つように前記インバータ回路の出力周波数を予め定めた周波数可変範囲内で制御する周波数制御部と、
を具備し、
前記電力制御部は、少なくとも一つの可変リアクタンス素子を含む複数のリアクタンス素子からなっていて、前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、前記高周波電力発生部の出力端から前記負荷側を見た回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスを調整するインピーダンス調整器と、前記電力検出部により検出された電力値に応じて前記負荷側インピーダンスの抵抗分を変化させて前記高周波電力発生部から負荷に供給される高周波電力の電力値を前記設定値に近づけるか又は設定された許容範囲に保つ制御を行うべく、前記電力検出部により検出された電力値に応じて前記インピーダンス調整器の可変リアクタンス素子を制御するインピーダンス制御部とを備えていることを特徴とする高周波電源装置。
【請求項２】
前記インピーダンス制御部は、前記電力検出部により検出された電力値が前記設定値よりも小さいか又は前記許容範囲の下限値を下回っているときに前記負荷側インピーダンスの抵抗分を小さくし、前記電力検出部により検出された電力値が前記設定値よりも大きいか又は前記許容範囲の上限値を上回っているときに前記負荷側インピーダンスの抵抗分を大きくするように前記可変リアクタンス素子を制御して、前記電力検出部により検出された電力を設定値に近づけるか又は設定された許容範囲に保つ制御を行なうように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の高周波電源装置。
【請求項３】
前記インピーダンス制御部は、前記負荷側インピーダンスの抵抗分を制御可能な最小値にするように前記可変リアクタンス素子を制御しても前記電力検出部により検出される電力値が前記設定値よりも小さいか又は前記許容範囲の下限値を下回っているとき、及び前記負荷側インピーダンスの抵抗分を制御可能な最大値にするように前記可変リアクタンス素子を制御しても前記電力検出部により検出される電力値が前記設定値よりも大きいか又は前記許容範囲の上限値よりも大きいときに異常信号を出力するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の高周波電源装置。
【請求項４】
前記周波数制御部は、前記周波数可変範囲で前記インバータ回路の出力周波数をどのように変化させても、前記電流検出部により検出される電流の位相をインバータ回路の出力電圧の位相に対して遅れた状態に維持することができなくなったときに異常信号を出力するように構成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の高周波電源装置。
【請求項５】
前記高周波電力発生部から負荷側を見た回路が、直列共振特性を有するように構成されていることを特徴とする請求項１，２，３又は４に記載の高周波電源装置。
【請求項６】
前記可変リアクタンス素子は、負荷に対して並列に接続される可変コンデンサからなり、
前記インピーダンス制御部は、前記電力検出部により検出された電力値が前記設定値よりも小さいか又は前記許容範囲の下限値を下回っているときに前記可変コンデンサの静電容量を小さくし、前記電力検出部により検出された電力値が前記設定値よりも大きいか又は前記許容範囲の上限値を上回っているときに前記可変コンデンサの静電容量を大きくする制御を行なうように構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の高周波電源装置。
【請求項７】
前記インバータ回路の後段にトランスが設けられて、前記インバータ回路から前記トランスを通して前記負荷に高周波電力を供給するように構成されている請求項１ないし６のいずれか一つに記載の高周波電源装置。
【請求項８】
前記インバータ回路と前記負荷との間に直流阻止用コンデンサが挿入されて、前記インバータ回路から直流阻止用コンデンサを通して前記負荷に高周波電力を供給するように構成されている請求項１ないし６のいずれか一つに記載の高周波電源装置。
【請求項９】
周波数指令により指令された通りの周波数の高周波信号を発生する高周波信号発生部が設けられ、
前記インバータ回路は、前記高周波信号により制御されて、前記整流平滑回路が出力する直流電圧を、前記高周波信号と周波数及び位相が等しい高周波交流電圧に変換すること、
を特徴とする請求項１ないし８のいずれか一つに記載の高周波電源装置。
【請求項１０】
前記インバータ回路の出力電圧を検出する電圧検出部が設けられ、
前記位相差検出部は、前記電流検出部により検出される電流の位相と、前記電圧検出部により検出される電圧の位相とから前記位相差を検出するように構成されていること、
を特徴とする請求項１ないし９のいずれか一つに記載の高周波電源装置。
【請求項１１】
前記位相差検出部は、前記電流検出部により検出される電流の位相と、前記高周波信号発生部が発生する高周波信号の位相とから前記位相差を検出するように構成されていること、
を特徴とする請求項９に記載の高周波電源装置。
【請求項１】
交流電圧を整流平滑して直流電圧を出力する直流電源部と、前記直流電源部から出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路とを備えて前記インバータ回路から負荷に供給する高周波電力を発生する高周波電力発生部と、前記高周波電力発生部から負荷に供給される高周波電力の電力値を設定値に近づけるか又は設定された許容範囲に保つ制御を行なう電力制御部とを備えた高周波電源装置において、
前記インバータ回路の出力電流を検出する電流検出部と、
前記電流検出部により検出される電流と前記インバータ回路の出力電圧との位相差を検出する位相差検出部と、
前記負荷に供給される高周波電力を検出する電力検出部と、
前記位相差検出部により検出された位相差を入力として前記電流検出部により検出される電流の位相を前記インバータ回路の出力電圧の位相に対して設定された遅れ量だけ遅れた状態に保つように前記インバータ回路の出力周波数を予め定めた周波数可変範囲内で制御する周波数制御部と、
を具備し、
前記電力制御部は、少なくとも一つの可変リアクタンス素子を含む複数のリアクタンス素子からなっていて、前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、前記高周波電力発生部の出力端から前記負荷側を見た回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスを調整するインピーダンス調整器と、前記電力検出部により検出された電力値に応じて前記負荷側インピーダンスの抵抗分を変化させて前記高周波電力発生部から負荷に供給される高周波電力の電力値を前記設定値に近づけるか又は設定された許容範囲に保つ制御を行うべく、前記電力検出部により検出された電力値に応じて前記インピーダンス調整器の可変リアクタンス素子を制御するインピーダンス制御部とを備えていることを特徴とする高周波電源装置。
【請求項２】
前記インピーダンス制御部は、前記電力検出部により検出された電力値が前記設定値よりも小さいか又は前記許容範囲の下限値を下回っているときに前記負荷側インピーダンスの抵抗分を小さくし、前記電力検出部により検出された電力値が前記設定値よりも大きいか又は前記許容範囲の上限値を上回っているときに前記負荷側インピーダンスの抵抗分を大きくするように前記可変リアクタンス素子を制御して、前記電力検出部により検出された電力を設定値に近づけるか又は設定された許容範囲に保つ制御を行なうように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の高周波電源装置。
【請求項３】
前記インピーダンス制御部は、前記負荷側インピーダンスの抵抗分を制御可能な最小値にするように前記可変リアクタンス素子を制御しても前記電力検出部により検出される電力値が前記設定値よりも小さいか又は前記許容範囲の下限値を下回っているとき、及び前記負荷側インピーダンスの抵抗分を制御可能な最大値にするように前記可変リアクタンス素子を制御しても前記電力検出部により検出される電力値が前記設定値よりも大きいか又は前記許容範囲の上限値よりも大きいときに異常信号を出力するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の高周波電源装置。
【請求項４】
前記周波数制御部は、前記周波数可変範囲で前記インバータ回路の出力周波数をどのように変化させても、前記電流検出部により検出される電流の位相をインバータ回路の出力電圧の位相に対して遅れた状態に維持することができなくなったときに異常信号を出力するように構成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の高周波電源装置。
【請求項５】
前記高周波電力発生部から負荷側を見た回路が、直列共振特性を有するように構成されていることを特徴とする請求項１，２，３又は４に記載の高周波電源装置。
【請求項６】
前記可変リアクタンス素子は、負荷に対して並列に接続される可変コンデンサからなり、
前記インピーダンス制御部は、前記電力検出部により検出された電力値が前記設定値よりも小さいか又は前記許容範囲の下限値を下回っているときに前記可変コンデンサの静電容量を小さくし、前記電力検出部により検出された電力値が前記設定値よりも大きいか又は前記許容範囲の上限値を上回っているときに前記可変コンデンサの静電容量を大きくする制御を行なうように構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の高周波電源装置。
【請求項７】
前記インバータ回路の後段にトランスが設けられて、前記インバータ回路から前記トランスを通して前記負荷に高周波電力を供給するように構成されている請求項１ないし６のいずれか一つに記載の高周波電源装置。
【請求項８】
前記インバータ回路と前記負荷との間に直流阻止用コンデンサが挿入されて、前記インバータ回路から直流阻止用コンデンサを通して前記負荷に高周波電力を供給するように構成されている請求項１ないし６のいずれか一つに記載の高周波電源装置。
【請求項９】
周波数指令により指令された通りの周波数の高周波信号を発生する高周波信号発生部が設けられ、
前記インバータ回路は、前記高周波信号により制御されて、前記整流平滑回路が出力する直流電圧を、前記高周波信号と周波数及び位相が等しい高周波交流電圧に変換すること、
を特徴とする請求項１ないし８のいずれか一つに記載の高周波電源装置。
【請求項１０】
前記インバータ回路の出力電圧を検出する電圧検出部が設けられ、
前記位相差検出部は、前記電流検出部により検出される電流の位相と、前記電圧検出部により検出される電圧の位相とから前記位相差を検出するように構成されていること、
を特徴とする請求項１ないし９のいずれか一つに記載の高周波電源装置。
【請求項１１】
前記位相差検出部は、前記電流検出部により検出される電流の位相と、前記高周波信号発生部が発生する高周波信号の位相とから前記位相差を検出するように構成されていること、
を特徴とする請求項９に記載の高周波電源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２１００８２（Ｐ２０１２−２１００８２Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７４１２１（Ｐ２０１１−７４１２１）
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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