(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流源を構成する電流形チョッパ部と、前記電流形チョッパ部の直流出力を複数のスイッチング素子の動作により多相の交流電力に変換する多相インバータ部と、前記多相インバータ部の出力を交直変換し、得られた直流を負荷に供給する整流部と、前記電流形チョッパ部および前記多相インバータ部を制御する制御部とを備える直流電源装置であって、
前記制御部は、直流出力の停止・復帰制御を行う制御機能において、
前記停止・復帰制御を行う制御機能は、
直流電源装置の直流出力の停止時において、
前記電流形チョッパ部の主スイッチをオン状態からオフ状態に切り替え、
前記多相インバータ部を構成するブリッジ回路のゲート信号の生成を停止すると共に、前記ブリッジ回路の正端子と負端子間を短絡する停止制御と、
直流電源装置の直流出力の停止中において、
前記電流形チョッパ部の主スイッチのオフ状態と、前記ブリッジ回路の正端子と負端子間の短絡状態を保持し、
前記ブリッジ回路のゲート信号の位相状態を停止時のゲート信号の位相状態に保持する停止保持制御と、
直流電源装置の直流出力の復帰時において、
前記電流形チョッパ部の主スイッチをオフ状態からオン状態に切り替え、
前記ブリッジ回路のゲート信号の生成を前記停止時のゲート信号の位相状態から再開し、当該ゲート信号により前記多相インバータ部を再起動する復帰制御の各制御機能を備えることを特徴とする、直流電源装置。
【請求項２】
前記制御部は、ブリッジ回路の正端子と負端子間を短絡する停止制御において、
パルス幅制御によるパルス制御信号の生成を停止し、
停止時のパルス制御信号と、前記ブリッジ回路の負端子側の全てのスイッチング素子をオン状態とするパルス制御信号との両パルス制御信号のオア出力をゲート信号として出力する制御機能を有することを特徴とする、請求項１に記載の直流電源装置。
【請求項３】
前記制御部は、ブリッジ回路の正端子と負端子間を短絡する停止制御において、
前記ブリッジ回路の正端子側および負端子側のアーム対において、
ブリッジ回路の正端子側のアームに対して、停止時の正端子側のゲート信号状態におけるゲート信号を出力し、
停止時にオン状態であるブリッジ回路の正端子側のアームのスイッチング素子と対を成す負端子側のアームのスイッチング素子に、当該負端子側のアームのスイッチング素子をオン状態とするパルス制御信号をゲート信号として出力する制御機能を有することを特徴とする、請求項１に記載の直流電源装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記復帰制御において、
前記ブリッジ回路の負端子のアームのスイッチング素子の全てをオン状態とするパルス制御信号を停止し、
各スイッチング素子のゲート信号の生成を停止時のゲート信号状態から再開し、ブリッジ回路の正端子側および負端子側のアームのスイッチング素子にゲート信号を出力することを特徴とする、請求項２に記載の直流電源装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記復帰制御において、
前記ブリッジ回路の対を成す正端子側および負端子側のアームのスイッチング素子をオン状態とするパルス制御信号を停止し、
各スイッチング素子のゲート信号の生成を停止時のゲート信号状態から再開し、ブリッジ回路の正端子および負端子のアームのスイッチング素子にゲート信号を出力することを特徴とする、請求項３に記載の直流電源装置。
【請求項６】
アーク発生装置を負荷とし、当該アーク発生装置のアーク状態を検出するアーク検出部を備え、
前記制御部は、前記停止・復帰制御において、
前記アーク検出部によるアークの発生検出に基づいて直流出力の停止制御を行い、
前記アーク検出部によるアークの消失検出、又は任意に設定可能な保持時間の経過に基づいて直流出力の復帰制御を行うことを特徴とする、請求項１から５の何れかに記載の直流電源装置。
【請求項７】
直流源を構成する電流形チョッパ部と、前記電流形チョッパ部の直流出力を複数のスイッチング素子の動作により多相の交流電力に変換する多相インバータ部と、前記多相インバータ部の出力を交直変換し、得られた直流を負荷に供給する整流部と、前記電流形チョッパ部および前記多相インバータ部を制御する制御部とを備える直流電源装置の制御方法であって、
前記制御部は、停止制御、停止保持制御、および復帰制御の各制御により直流出力の停止および復帰を制御する停止・復帰制御において、
前記停止制御は、直流電源装置の直流出力の停止時において、
前記電流形チョッパ部の主スイッチをオン状態からオフ状態に切り替え、
前記多相インバータ部を構成するブリッジ回路のゲート信号の生成を停止すると共に、前記ブリッジ回路の正端子と負端子間を短絡し、
前記停止保持制御は、直流電源装置の直流出力の停止中において、
前記電流形チョッパ部の主スイッチのオフ状態と、前記ブリッジ回路の正端子と負端子間の短絡状態を保持すると共に、
前記ブリッジ回路のゲート信号の位相状態を停止時のゲート信号の位相状態に保持し、
前記復帰制御は、直流電源装置の直流出力の復帰時において、
前記電流形チョッパ部の主スイッチをオフ状態からオン状態に切り替え、
前記ブリッジ回路のゲート信号の生成を前記停止時のゲート信号の位相状態から再開し、当該ゲート信号により前記多相インバータ部を再起動することを特徴とする、直流電源装置の制御方法。
【請求項８】
前記制御部は、
前記負荷の電圧降下に基づいて直流出力を停止する停止制御を行い、
前記負荷の電圧降下の継続、又は任意に設定可能な保持時間に基づいて直流出力の停止を保持する停止保持制御を行い、
前記負荷の電圧降下からの電圧回復、又は前記保持時間の経過に基づいて直流出力を復帰する復帰制御を行うことを特徴とする、請求項７に記載の直流電源装置の制御方法。
【請求項９】
前記制御部は、多相インバータ部を構成するブリッジ回路を制御し、
前記停止制御は、直流電源装置の直流出力の停止時において、
パルス幅制御によるパルス制御信号の生成を停止し、停止時のパルス制御信号と、前記ブリッジ回路の負端子側の全てのスイッチング素子をオン状態とするパルス制御信号との両パルス制御信号のオア出力をゲート信号として出力し、
前記停止保持制御は、直流電源装置の直流出力の停止中において、
前記停止時におけるゲート信号を継続して出力し、
前記復帰制御は、直流電源装置の直流出力の復帰時において、
前記ブリッジ回路のパルス制御信号の生成を前記停止時のパルス制御信号の状態から再開し、当該パルス制御信号をゲート信号として出力することを特徴とする、請求項７又は８に記載の直流電源装置の制御方法。
【請求項１０】
前記制御部は、多相インバータ部を構成するブリッジ回路を制御し、
前記停止制御は、直流電源装置の直流出力の停止時において、
パルス幅制御によるパルス制御信号の生成を停止し、
前記ブリッジ回路の正端子側および負端子側のアーム対において、
ブリッジ回路の正端子側のアームに対して停止時の正端子側のパルス制御信号をゲート信号として出力し、ブリッジ回路の負端子側のアームに対して、停止時においてオン状態のブリッジ回路の正端子側のアームと対を成す負端子側のアームのスイッチング素子をオン状態とするパルス制御信号をゲート信号として出力し、
前記停止保持制御は、直流電源装置の直流出力の停止中において、
前記停止時におけるゲート信号を継続して出力し、
前記復帰制御は、直流電源装置の直流出力の復帰時において、
前記ブリッジ回路のパルス制御信号の生成を前記停止時のパルス制御信号の状態から再開し、当該パルス制御信号をゲート信号として出力することを特徴とする、請求項７又は８に記載の直流電源装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電源装置に関し、例えば、プラズマ発生装置等の負荷に用いられる直流電源装置、直流電源装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ発生用装置に用いる直流電源装置は、アーク発生時において過剰電流を抑制し、アークの消弧を高速で行うことが求められている。電圧型の直流電源は、出力に接続される大きなコンデンサによってアーク発生時に過剰な放電電流が流れたり、アーク発生時の出力電圧低下を補うために更に出力を増加させることでアークが長時間化するなど負荷への影響が増すという問題がある。【０００３】
プラズマ発生装置を負荷とした場合、アークの発生ごとに直流電源は起動・停止動作を繰り返すことになる。高速な起動・停止動作が困難なことから、不安定な動作を招くことになる。このような問題に対して、チョッパ回路、インバータ、電圧変換回路を備える直流電源装置において、停止時に、チョッパの主スイッチを停止すると共にインバータを動作させて行う停止操作、チョッパの主スイッチを動作した状態でインバータのトランジスタを全てＯＮさせる停止動作、チョッパの主スイッチを停止すると共にインバータのトランジスタを全てＯＮさせる停止動作の何れかを行い、起動時において、インバータを作動させチョッパ回路から出力する直流電圧パルスのパルス幅を徐々に広げることによって、インバータへの大電流を抑制し、起動時の動作が安定で、負荷を高速に起動・停止する直流電源装置が提案されている（特許文献１）。【０００４】
また、直流電源装置と負荷との間にアークエネルギーを強制的にバイパスさせる短絡スイッチ回路を設け、この短絡スイッチ回路を一定時間ごとに定期的に動作させて逆パルスを発生させてアーク放電を抑制すると共に、アーク放電が発生した際に強制的に逆パルスを発生させてアークエネルギーを低減させ、アーク放電が消弧した後、プラズマ状態を復帰させるスパッタ電源用アーク遮断装置が提案されている（非特許文献１）。【０００５】
一方、負荷に高周波電力を供給する交流電源装置において、負荷であるプラズマ発生装置にアーク放電が発生すると、回路が断線したりショートしたりする他、電極や基板に損傷を与える場合がある。このようなアーク放電の発生を抑制するために、アーク放電を検出した後、所定時間高周波電力の供給を制限又は停止し、その後、再び高周波電力を復帰させることが知られている。【０００６】
アーク放電を検出した後に所定時間高周波電力の供給を停止する際に、アーク放電を十分に抑制するために、必要以上に高周波電力の供給を長時間停止すると、グロー放電の維持が困難となるという問題がある。【０００７】
このような問題に対して、アーク放電の発生後にアーク放電を速やかに抑制し、アーク放電の消失後に直ちにプラズマ装置の運転を可能とするために、アーク放電の検出後にパルス状の高周波を供給し、アーク放電の大きさに応じてパルス状の高周波のパルス幅を制御するプラズマ発生装置用電源が提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−６０５３号公報（段落［0002］〜段落［0012］）
【特許文献２】特開平０８−１６７５００公報（段落［0003］〜段落［0011］）
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Origin Technical Journal No.73(2010) 1-7 スパッタ電源用アーク遮断装置（パルス発生器）「GEXUS-P30」  中村健一・三保谷博
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
直流電源装置に係る先行技術の内、インバータを備える直流電源装置（特許文献１）は、直流電源装置を停止した後、インバータを再起動する際、インバータの制御を開始させた後にチョッパの動作を制御することでプラズマ発生装置を再起動させている。【００１１】
通常、インバータをパルス幅制御する場合には、パルス信号を生成し、このパルス信号をインバータの各スイッチング素子にゲート信号として入力し、スイッチング素子のオン・オフ動作を制御している。【００１２】
インバータのパルス幅制御では、ブリッジ回路を構成する各アームにおいて、各スイッチング素子のオン・オフ動作の位相が所定関係となるように直流・交流変換を行っている。このパルス幅制御において、各アームのスイッチング素子のオン・オフ動作の位相が所定関係からずれた場合には、得られる各相の出力電圧に変動が生じ、負荷に供給する電圧に変動が生じるという問題が生じる。【００１３】
前記した直流電源装置は、インバータの再起動において、再起動時におけるパルス制御信号の位相は停止時におけるパルス制御信号の位相と無関係に設定されている。そのため、再起動時において、各相の出力電圧に変動が生じ、負荷に供給する電圧に変動が生じるおそれがある。【００１４】
また、直流電源装置の直流出力を停止した後に復帰させる際には、直流電源装置が備える容量分等によって発生する遅延時間によって、インバータが再起動してから負荷に直流電力が供給されるまでの間に遅れが生じるという問題がある。【００１５】
本発明は前記した従来の問題点を解決し、インバータを備える直流電源装置において、インバータの再起動において、再起動時におけるパルス制御信号の位相を停止時におけるパルス制御信号の位相とを一致させることを目的とする。【００１６】
また、再起動時におけるパルス制御信号の位相を停止時におけるパルス制御信号の位相に一致させることによって、再起動時におけるインバータの各相の出力電圧変動を抑制し、負荷に供給する電圧の変動を抑制することを目的とする。【００１７】
また、直流電源装置の直流出力の復帰時における、負荷への直流電力の供給遅れを低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本願発明は、プラズマ発生装置等の負荷に対して直流電力を供給する際に、直流出力の停止・復帰を行う直流電源装置および直流電源装置の制御方法に係る。【００１９】
プラズマ発生装置を負荷として直流電力を供給する場合には、負荷であるプラズマ発生装置にアーク放電が発生した際に、直流電源装置からプラズマ発生装置への直流電力の供給を停止することによって電極や基板の損傷を低減する。さらに、アーク放電が消弧した際に、直流電源装置からプラズマ発生装置への直流電力の供給を復帰させる。【００２０】
本願発明は、直流電源装置の直流出力の停止・復帰において、停止時においてチョッパ部に流れる電流を循環電流として保持し、インバータ部の再起動時において保持していた循環電流を負荷に供給することによって、直流電源装置の直流出力の復帰時における、負荷への直流電力の供給遅れを低減する。【００２１】
また、停止時におけるゲート信号の位相状態を保持しておき、インバータ部の再起動時において保持しておいたゲート信号の位相状態からインバータ部の直交変換を開始することによって、再起動時における出力電圧変動を抑制する。【００２２】
[直流電源装置]
本願発明の直流電源装置は、直流源を構成する電流形チョッパ部と、電流形チョッパ部の直流出力を複数のスイッチング素子の動作により多相の交流電力に変換する多相インバータ部と、多相インバータ部の出力を交直変換し、負荷に直流を供給する整流部と、電流形チョッパ部および多相インバータ部を制御する制御部とを備える。【００２３】
通常の電力供給動作において、電流形チョッパ部は直流電力の電圧を所定電圧に変換して直流電流を出力する。多相インバータ部は、電流形チョッパ部の直流出力を複数のスイッチング素子の動作で電流路を切り替えることにより多相の交流電力に変換する。整流部は、多相インバータ部で変換した交流電力を交直変換によって直流電力に変換し、変換した直流電力を負荷に供給する。【００２４】
直流電力を負荷に供給する動作状態において、負荷のプラズマ発生装置においてアーク放電が発生すると、負荷電圧が降下すると共に電源側から負荷に向かって過剰電流が流れる。本願発明の直流電源装置は、このアーク放電が発生した際に電源側から負荷への電力供給を停止し、その後、アーク放電が消弧した後に電源側から負荷への電力供給を復帰する。【００２５】
アーク放電の消弧の有無は、負荷電圧等の電圧検出によって判定する他、アーク放電が発生してからアーク放電が消弧するまでの時間を予め設定しておき、この設定時間の経過に基づいて消弧したと判断してもよい。【００２６】
本願発明の直流電源装置は、以下の（ａ）〜（ｃ）で示した各機能によって、電力供給の停止時および復帰時において、インバータ部の再起動時におけるパルス制御信号の位相を停止時におけるパルス制御信号の位相に一致させ、パルス制御信号の位相を合わせることによって、再起動時におけるインバータの各相の出力電圧変動を抑制し、負荷に供給する電圧の変動を抑制する。【００２７】
また、直流電源装置の直流出力の停止・再開において、停止時においてチョッパ部に流れる電流を循環電流として保持し、インバータ部の再起動時においてこの循環電流を負荷に供給することによって、直流電源装置の直流出力の復帰時における、負荷への直流電力の供給遅れを低減する。【００２８】
（ａ）電流形チョッパ部の停止機能およびインバータの短絡機能：
電源側から負荷への電力供給を停止する時点において、電流形チョッパ部の動作を停止すると共に、インバータ部の入力側において、正端子側と負端子側を短絡することによって、インバータ部から変圧器側に向かう電流を停止させる機能
（ｂ）電流形チョッパ部の循環電流の保持機能：
電源側から負荷への電力供給の停止中において、停止時で電流形チョッパ部のインダクタ部に流れる電流を循環電流として保持しておき、電力供給の復帰時において、循環電流をインバータ部に流すことでインバータ部を迅速に再起動させる機能
（ｃ）インバータのゲート信号状態の保持機能：
電源側から負荷への電力供給の停止中において、停止時におけるインバータ部を制御するゲート信号状態を保持しておき、電力供給の復帰時において、保持したゲート信号状態からインバータ部の制御を再開させる機能【００２９】
（ａ）の電流形チョッパ部の停止機能とインバータ部の短絡機能によって、アーク放電時に負荷への電力供給を停止し、（ｂ）の電流形チョッパ部の循環電流の保持機能、および（ｃ）のインバータ部のゲート信号状態の保持機能によって、インバータ部を迅速に再起動させる。【００３０】
本発明の直流電源装置は、アーク発生装置を負荷とする場合において、アーク発生装置のアーク状態を検出するアーク検出部を備える構成とし、制御部はアーク検出部の検出信号に基づいて直流出力の停止・再開制御を行うことができる。制御部は、アークの発生検出に基づいて停止制御を行い、アークの消失検出に基づいて再起動制御を行う。【００３１】
アーク検出部は、負荷の電圧、あるいは、直流電源装置の出力端の電圧を検出し、この検出電圧をあらかじめ定めておいた第１のしきい値と比較し、第１のしきい値よりも低下したときにアーク発生を検出する。【００３２】
また、アーク発生を検出した後、検出電圧をあらかじめ定めておいた第２のしきい値と比較し、第２のしきい値を超えたときにアーク放電が消失したと判断する。【００３３】
[直流電源装置の制御方法]
本発明の直流電源装置の制御部は、直流電源装置の直流出力の停止時、停止中、および再開時において以下の制御を行う機能を有している。【００３４】
（直流電源装置の直流出力の停止時）
電源装置の直流出力の停止時の制御は、電流形チョッパ部の主スイッチをオン状態からオフ状態に切り替え、多相インバータ部を構成するブリッジ回路のゲート信号の生成を停止すると共に、ブリッジ回路の正端子と負端子間を短絡する。【００３５】
直流電源装置は、負荷に直流出力を供給している状態では、電流形チョッパ部は直流源の直流電力を所定電圧に変換し多相インバータ部に入力する。多相インバータ部は直流電力を交流電力に変換する。整流部は多相インバータ部の出力を交直変換し、直流電力を負荷に供給する。【００３６】
直流電源装置の直流出力の停止時には、電流形チョッパ部の主スイッチをオン状態からオフ状態に切り替えることによって、直流源からの電力供給を停止する。この停止時において、多相インバータ部のブリッジ回路の正端子と負端子間を短絡すると、電流形チョッパ回路と多相インバータ部との間で閉回路が形成される。閉回路には、停止時に電流形チョッパ部のインダクタに蓄積されたエネルギーが循環電流の形態で流れる。この循環電流は、インバータ部を再起動して直流出力を復帰する際に、直流源から直流出力が供給されるよりも先の時点で、電流形チョッパ部から見て負荷側に存在する回路に流れ、インバータ部から負荷への迅速な電力供給が行われる。【００３７】
（直流電源装置の直流出力の停止中）
直流電源装置の直流出力の停止中の制御は、電流形チョッパ部の主スイッチのオフ状態と、ブリッジ回路の正端子と負端子間の短絡状態を保持すると共に、ブリッジ回路のゲート信号状態を停止時のゲート信号状態に保持する。【００３８】
直流電源装置の直流出力の停止中には、電流形チョッパ部の主スイッチのオフ状態を保持することによって、直流源からの電力供給の停止を保持し、ブリッジ回路の正端子と負端子間の短絡状態を保持することによって、電流形チョッパ回路と多相インバータ部との間で形成される閉回路に流れる循環電流を保持する。また、ブリッジ回路のゲート信号状態を停止時のゲート信号状態に保持することによって、インバータ部を再起動して直流電源の直流出力を復帰させる時点において、ブリッジ回路のパルス制御信号の位相を停止時の位相状態から継続して行うことができる。【００３９】
（直流電源装置の直流出力の復帰時）
直流電源装置の直流出力の復帰時の制御は、電流形チョッパ部の主スイッチをオフ状態からオン状態に切り替え、ブリッジ回路のゲート信号の生成を停止時のゲート信号状態から再開し、生成したゲート信号により多相インバータ部を再起動する。【００４０】
直流電源装置の直流出力の復帰時には、電流形チョッパ部の主スイッチをオフ状態からオン状態に切り替えることによって、直流源の直流電力を所定電圧への変換を再開し、変換した直流電力を多相インバータ部に入力する。このとき、多相インバータ部のブリッジ回路は、生成が再開されたゲート信号によってオン・オフ動作の制御が行われて再起動される。このとき、ブリッジ回路のゲート信号の生成を停止時のゲート信号状態から再開することによって、ブリッジ回路のパルス制御信号の位相を停止時の位相状態から継続して行うことができる。【００４１】
（短絡制御の態様）
制御部は、直流電源装置の直流出力の停止時および停止中においてブリッジ回路の正端子と負端子間を短絡制御する。この短絡制御は２つの態様で行うことができる。【００４２】
第１の態様は、ブリッジ回路の負端子のアームのスイッチング素子に対して、ブリッジ回路の負端子の全アームのスイッチング素子の全てをオン状態とするパルス制御信号をゲート信号として出力する。【００４３】
多相インバータ部のブリッジ回路の切り替え動作において、正端子に接続される複数本のアームの中の何れかのアームはオン状態となっている。したがって、ブリッジ回路の負端子の全アームのスイッチング素子の全てをオン状態とするパルス制御信号をゲート信号として出力すると、ブリッジ回路の正端子と負端子の間が短絡する。【００４４】
第２の態様は、ブリッジ回路の正端子および負端子のアーム対において、ブリッジ回路の正端子のアームに対して停止時の正端子のゲート信号状態におけるゲート信号を出力し、停止時にオン状態であるブリッジ回路の正端子のアームのスイッチング素子と対を成す負端子のアームのスイッチング素子に対して、この負端子のアームのスイッチング素子をオン状態とするゲート信号を出力する。【００４５】
これによって、停止時と同じスイッチング状態において、オン状態となっている正端子側のアームのスイッチング素子と、ブリッジ回路においてこの正端子側のスイッチング素子と対を形成する負端子側のスイッチング素子とが共にオン状態となり、ブリッジ回路の正端子と負端子間が短絡する。【００４６】
（再開時制御の態様）
制御部は、直流電源装置の直流出力の復帰時におけるブリッジ回路のスイッチング素子の制御を２つの態様で行うことができる。【００４７】
第１の態様は、短絡制御の第１の態様に対応するものであり、ブリッジ回路の負端子のアームのスイッチング素子の全てをオン状態とするゲート信号を停止し、各スイッチング素子のゲート信号の生成を停止時のゲート信号状態から再開し、ブリッジ回路の正端子および負端子のアームのスイッチング素子にゲート信号を入力して、多相インバータ部を再起動する。【００４８】
第２の態様は、短絡制御の第２の態様に対応するものであり、各スイッチング素子のゲート信号の生成を停止時のゲート信号状態から再開し、ブリッジ回路の正端子および負端子のアームのスイッチング素子にゲート信号を入力して、多相インバータ部を再起動する。
【発明の効果】
【００４９】
以上説明したように、本発明によれば、インバータを備える直流電源装置において、インバータの再起動において、再起動時におけるパルス制御信号の位相を停止時におけるパルス制御信号の位相とを一致させることができる。【００５０】
また、本発明によれば、再起動時におけるパルス制御信号の位相を停止時におけるパルス制御信号の位相に一致させることによって、再起動時におけるインバータの各相の出力電圧変動を抑制し、負荷に供給する電圧の変動を抑制することができる。【００５１】
また、直流電源装置の直流出力の再開時における、負荷への直流電力の供給遅れを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の直流電源装置の構成例を説明するための図である。
【図２】本発明のスイッチング制御部の一構成例を説明するための概略ブロック図である。
【図３】本発明の直流電源装置の動作例を説明するためのフローチャートである。
【図４】本発明の直流電源装置の動作例を説明するためのタイミングチャートである。
【図５】本発明の直流電源装置のアーク放電発生時の電流の流れを説明するための図である。
【図６】本発明の直流電源装置のアーク放電消失時の電流の流れを説明するための図である。
【図７】本発明の直流電源装置の別の構成例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。以下では、本発明の直流電源装置および制御方法について、図１、図２を用いて直流電源装置の構成例を説明し、図３〜図６を用いて直流電源装置の制御例について説明する。
【００５４】
[直流電源装置の構成例]
はじめに、本発明の直流電源装置の構成例について図１，図２を用いて説明する。
【００５５】
図１に示す本発明の直流電源装置１は、交流電源２の交流電力を整流する整流部１０、過渡的に生じる高電圧を抑制する保護回路を構成するスナバー部２０、整流部１０から入力した直流電力の電圧を所定電圧に変換して直流電流を出力する電流形チョッパ部３０、電流形チョッパ部３０の直流出力を多相の交流出力に変換する多相インバータ部４０、多相インバータ部４０の交流出力を所定電圧に変換する多相変圧部５０、多相変圧部５０の交流を直流に変換する多相整流部６０を備える。
【００５６】
図１に示す構成例では、電流形チョッパ部３０として電流形降下チョッパ回路の例を示しているが、電流形降下チョッパ回路に限らず電流形昇圧チョッパ回路あるいは電流形昇降チョッパ回路であってもよい。
【００５７】
以下では、電流形チョッパ部として電流形降下チョッパ回路の場合について説明する。電流形チョッパ部３０は、スイッチング素子Ｑ１とダイオードＤ１と直流リアクトルＬＦ１とを備える。スイッチング素子Ｑ１は、整流部１０で整流した直流電圧をチョッパ制御することによって降圧する。直流リアクトルＬＦ１は、チョッパ制御した直流を電流平滑する。多相インバータ部４０は、電流形チョッパ部３０で電流平滑された直流を入力し、多相インバータ部４０が備えるブリッジ回路のスイッチング素子を制御することによって直交変換する。
【００５８】
電流形チョッパ部３０は、出力端に出力コンデンサＣＦ１（図示していない）を並列接続する構成としてもよい。通常、電流形降圧チョッパは出力コンデンサを備えない構成であるが、本発明の電流形チョッパ部３０の電流形降圧チョッパ回路では、出力端に出力コンデンサＣＦ１を接続する構成によって、多相インバータ部４０のスイッチング素子間で転流動作を行う際に発生するサージ電圧や、各スイッチング素子に直列接続されたインダクタンスのエネルギーを吸収して、スイッチング素子を保護することができる。
【００５９】
なお、出力コンデンサＣＦ１の値は、この出力コンデンサおよび配線インダクタンスによる時定数によって電流の遅延がインバータ動作の転流に影響を与えない程度に設定する。
【００６０】
多相インバータ部４０は、相数に応じたスイッチング素子をブリッジ接続して構成される多相インバータ回路を備える。例えば３相の場合には、３相インバータ回路は６個のスイッチング素子によって構成される。スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子を用いることができる。多相インバータ回路の各スイッチング素子は、スイッチング制御部８１の制御信号に基づいてスイッチング動作を行い、直流電力を交流電力に変換して出力する。
【００６１】
多相整流部６０は、多相インバータ部４０の交流出力を整流し、直流出力を負荷に供給する。従来知られる多相整流部は出力部に直流フィルタ回路を備える構成とすることができる。この直流フィルタ回路によって、多相インバータ部の交流出力に含まれる高周波リップル分を除去している。直流フィルタ回路は、出力端に並列接続する出力コンデンサＣＦＯと直列接続した出力リアクトルＬＦＯ（図示していない）によって構成することができる。
【００６２】
多相整流部６０の直流出力は配線９０が備える配線インダクタンスＬ０を介して出力され、直流電源装置１とプラズマ発生装置４との間を接続した出力ケーブル３によってプラズマ発生装置４に供給される。
【００６３】
本発明の直流電源装置１は、高周波リップル分を除去する構成として、多相整流部６０において、直流フィルタ回路に代えて寄生インピーダンスを利用することができる。例えば、インダクタンス分として多相整流部６０と出力端子との間の配線９０のインダクタンスＬ０や、直流電源装置１と負荷との間に接続される出力ケーブル３に含まれるインダクタンスやコンデンサ、あるいは、プラズマ負荷の場合にはプラズマ発生装置４の電極容量Ｃ０を用いることができる。上記した多相インバータ部の寄生インピーダンス、および出力ケーブルや電極容量の容量分は実質的に直流フィルタ回路を構成し、多相インバータ部の交流出力に含まれる高周波リップル分を低減する。
【００６４】
また、直流電圧のリップル分は、多相インバータ回路の駆動周波数を下げると増加する特性がある。そのため、多相インバータ回路の駆動周波数を高めることによって、出力コンデンサＣＦＯおよび出力リアクトルＬＦＯの必要性を低下させることができる。また、多相インバータ回路の駆動周波数を高めることによって、直流電源装置１が内部に保有するエネルギーを抑制することができる。
【００６５】
さらに、本発明の直流電源装置１は、電流形チョッパ部３０を制御する制御部８０、および多相インバータ部４０を制御するスイッチング制御部８１を備える。
【００６６】
制御部８０は、電流形チョッパ部３０のスイッチング素子Ｑ１をチョッパ制御する回路であり、スイッチング素子Ｑ１の出力電流であるチョッパ電流、および直流電源装置１の出力電圧を検出し、このチョッパ電流および出力電圧の検出値に基づいて、電流形チョッパ部３０の出力が予め設定した所定の電流値および所定の電圧値となるように制御する。
【００６７】
スイッチング制御部８１は、多相インバータ部４０のブリッジ回路を構成する各アームに接続されたスイッチング素子のスイッチング動作を制御する。多相インバータ部４０はスイッチング素子の制御によって、入力した直流を交流に直交変換する。
【００６８】
多相インバータ部４０は、例えば３相インバータの場合には、例えば、図５，図６に示すように６本のアームを有するブリッジ回路によって構成される。各アームにはそれぞれスイッチング素子ＱＲ、ＱＳ、ＱＴ、ＱＸ、ＱＹ、ＱＺの６個のスイッチング素子が設けられる。スイッチング素子ＱＲとスイッチング素子Ｑｘとを直列接続し、スイッチング素子ＱＳとスイッチング素子ＱＹとを直列接続し、スイッチング素子ＱＴとスイッチング素子Ｑｚとを直列接続する。
【００６９】
スイッチング素子ＱＲとスイッチング素子Ｑｘの接続点Ｒは、インダクタンスＬｍ１を介して３相変圧器５１のＲ相分として接続され、スイッチング素子ＱＳとスイッチング素子ＱＹの接続点Ｓは、インダクタンスＬｍ２を介して３相変圧器５１のＳ相分として接続され、スイッチング素子ＱＴとスイッチング素子ＱＺ接続点Ｔは、インダクタンスＬｍ３を介して３相変圧器５１のＴ相分として接続される。なお、図５，図６は、インダクタンスＬｍ１，Ｌｍ２，Ｌｍ３を省略して示している。
【００７０】
電流形インバータの制御として、一定入力電流の下で出力電流の大きさを変えるＰＷＭ制御が知られている。ＰＷＭ制御では、搬送波と変調波とを比較することによって各相についてパルス制御信号を形成する。３相インバータの場合には、各相のパルス制御信号はそれぞれ１２０°の導通期間を有し、このパルス制御信号によってインバータの各アームのスイッチング素子のオン・オフを制御して、それぞれ１２０°の位相差を有したＲ相、Ｓ相、およびＴ相の電流を形成する。
【００７１】
制御部８０およびスイッチング制御部８１には、直流電源装置１の出力端あるいは負荷側からフィードバック信号が帰還される。フィードバック信号は、例えば、直流電源装置１の出力端の電圧とすることができる。
【００７２】
次に、図２を用いてスイッチング制御部８１の一構成例を説明する。図２は、スイッチング制御部の一構成例を説明するための概略ブロック図である。
【００７３】
スイッチング制御部８１は、多相インバータ部のスイッチング素子のオン・オフを制御するパルス制御信号を生成するパルス制御信号生成回路８１ａと、ブリッジ回路の正端子と負端子との間を短絡させる短絡用オン信号を生成する短絡用オン信号生成回路８１ｄと、パルス制御信号生成回路８１ａで生成したパルス制御信号と短絡用オン信号生成回路８１ｄで生成した短絡用オン信号とからゲート信号を生成するゲート信号生成回路８１ｂと、ゲート信号生成回路８１ｂで生成したパルス制御信号をゲート信号として保持し出力するゲート信号保持回路８１ｃとを備える。
【００７４】
ゲート信号生成回路８１ｂは、パルス制御信号生成回路８１ａで生成したパルス制御信号と、短絡用オン信号生成回路８１ｄで生成した短絡用オン信号とからゲート信号を生成する。
【００７５】
ゲート信号保持回路８１ｃは、ゲート信号生成回路８１ｂで生成したゲート信号を保持し出力する回路であり、後述するアーク発生信号に基づいて保持動作あるいは保持動作を解除する解除動作を行う。ゲート信号生成回路８１ｂから入力したゲート信号は保持動作によって保持され、保持状態のゲート信号を出力する。また、解除動作では保持動作を解除し、ゲート信号生成回路８１ｂから入力されるゲート信号を出力する。
【００７６】
スイッチング制御部８１はアーク検出回路８２で検出したアーク発生信号を入力する。アーク検出回路８２は、例えば、負荷あるいは出力端の電圧に基づいて、負荷のアーク発生装置におけるアーク放電の発生状態を検出する。
【００７７】
アーク検出回路８２によるアーク状態の検出は、例えば、負荷の電圧、あるいは、直流電源装置の出力端の電圧をあらかじめ定めておいた第１のしきい値と比較し、検出電圧が第１のしきい値よりも低下したときにアーク放電が発生したことを検出する。また、アーク放電の発生を検出した後、検出した電圧をあらかじめ定めておいた第２のしきい値と比較し、検出電圧が第２のしきい値を超えたときにアーク放電が消失したと判断する。
【００７８】
アーク検出回路８２はアーク放電の発生を検出すると、パルス制御信号生成回路８１ａの各生成動作を一時停止させると共に、その信号状態を保持させる。
【００７９】
アーク検出回路８２は、アーク放電の発生を検出した後、アーク放電が消失したと判断したときには、パルス制御信号生成回路８１ａの保持状態を解除して生成動作を再開する。パルス制御信号生成回路８１ａは、アーク放電発生時の信号状態から各信号の生成を再開する。
【００８０】
アーク検出回路８２は、前記したパルス制御信号生成回路８１ａにアーク発生信号を入力する他、ゲート信号保持回路８１ｃおよび短絡用オン信号生成回路８１ｄにもアーク発生信号を入力する。
【００８１】
ゲート信号保持回路８１ｃはアーク発生信号を受け、アーク放電の発生が検出されたときにはその時点におけるゲート信号を保持すると共に、保持した時点のゲート信号を出力する。ゲート信号保持回路８１ｃは、アーク放電の発生が検出された後のアーク発生信号によってアーク放電が消失したと判断すると、ゲート信号の保持を解除し、ゲート信号生成回路８１ｂで生成されたゲート信号を出力する。
【００８２】
また、ゲート信号保持回路８１ｃは、アーク放電の発生が検出されてからの経過時間を計時し、経過時間が予め設定された保持時間ｔａｒｃが経過することによってアーク放電が消失したと判断し、ゲート信号の保持を解除し、ゲート信号生成回路８１ｂで生成されたゲート信号を出力してもよい。保持時間ｔａｒｃは、アーク放電が発生する直前の直流電流を循環電流Δiとして流す電流状態を保持する時間である。この保持時間ｔａｒｃは任意に設定することができ、例えば、制御対象の負荷についてアーク放電が発生してから消失するまでに要する時間を予め求めておき、この時間に変動幅から予測されるマージン分を加える等によって定めることができる。
【００８３】
短絡用オン信号生成回路８１ｄは、アーク放電発生信号を入力すると、多相インバータ部の正端子と負端子との間を短絡するために短絡用オン信号を生成する。短絡用オン信号は、多相インバータ部の正端子側のアームに設けられたスイッチング素子と、負端子側のアームに設けられたスイッチング素子を共にオン状態とすることによって、多相インバータ部の正端子と負端子との間を短絡する。
【００８４】
この短絡用オン信号は２つの態様とすることができる。
【００８５】
第１の態様は、ブリッジ回路の負端子のアームのスイッチング素子に対して、ブリッジ回路の負端子の全アームのスイッチング素子の全てをオン状態とし、これによって多相インバータ部の正端子と負端子との間を短絡する態様である。
【００８６】
多相インバータ部のブリッジ回路の切り替え動作において、正端子に接続される複数本のアームの中の何れかのアームはオン状態となっている。ブリッジ回路の負端子の全アームのスイッチング素子の全てをオン状態とするパルス制御信号をゲート信号として出力することによって、ブリッジ回路の正端子と負端子の間は短絡する。
【００８７】
第１の短絡用オン信号は、ブリッジ回路の負端子の全アームのスイッチング素子の全てをオン状態とするパルス制御信号である。ゲート信号生成回路８１ｂにおいて、パルス制御信号生成回路８１ａで生成された通常のパルス制御信号と、短絡用オン信号生成回路８１ｄで生成した短絡用オン信号とをオア条件で加算してゲート信号を生成する。
【００８８】
第２の態様は、ブリッジ回路の正端子および負端子のアーム対において、ブリッジ回路の正端子のアームに対して停止時の正端子のゲート信号状態におけるゲート信号を出力し、停止時にオン状態であるブリッジ回路の正端子のアームのスイッチング素子と対を成す負端子のアームのスイッチング素子を検出し、この負端子のアームのスイッチング素子をオン状態とし、これによって多相インバータ部の正端子と負端子との間を短絡する態様である。
【００８９】
これによって、停止時と同じスイッチング状態において、オン状態となっている正端子側のアームのスイッチング素子と、ブリッジ回路においてこの正端子側のスイッチング素子と対を形成する負端子側のスイッチング素子とが共にオン状態となり、ブリッジ回路の正端子と負端子間が短絡する。
【００９０】
第１の短絡用オン信号は、ブリッジ回路のオン状態の正端子側のアームのスイッチング素子と対をなす負端子側のアームのスイッチング素子をオン状態とするパルス制御信号である。
【００９１】
ゲート信号生成回路８１ｂにおいて、パルス制御信号生成回路８１ａで生成された通常のパルス制御信号と、短絡用オン信号生成回路８１ｄで生成した短絡用オン信号とを加算してゲート信号を生成する。
【００９２】
[直流電源装置の動作例]
次に、本発明の直流電源装置の動作例について図３〜図６を用いて説明する。図３は本発明の直流電源装置の動作例を説明するためのフローチャートであり、図４は本発明の直流電源装置の動作例を説明するためのタイミングチャートであり、図５は本発明の直流電源装置のアーク放電発生時の電流の流れを説明するための図であり、図６は本発明の直流電源装置のアーク放電消失時の電流の流れを説明するための図である。
【００９３】
図３のフローチャートは、直流電源装置が通常動作を行っている状態において、アーク放電が発生した時の動作例（S1〜S7）、およびアーク放電が消失した時の動作例（S8〜S15）を示している。
【００９４】
直流電源装置による負荷への直流電力の供給状態において、負荷のアーク発生装置においてアーク放電が発生すると、負荷の入力電圧あるいは直流電源装置の出力電圧が低下する。
【００９５】
アーク検出部は、負荷あるいは直流電源装置の出力端の電圧を検出して監視し、電圧が低下した場合には、アーク放電が発生したことを検出する。アーク放電の発生の検出は、予め定めておいたしきい値と検出値とを比較することによって行うことができる。なお、アーク放電の検出は、電圧の検出値としきい値との比較に限られるものではない(S1)。
【００９６】
（アーク放電が発生した時の動作例）
アーク放電の発生が検出された場合には、チョッパ回路のスイッチング素子を停止し(S2)、短絡用オン信号生成回路８１ｄで生成した短絡用オン信号によって（S3）、多相インバータ部の正端子と負端子間を短絡する(S4)。
【００９７】
S2の工程によって直流電源からチョッパ回路への電力供給を停止して、直流電源装置から負荷への直流電力の供給を停止し、S3,S4の工程によってチョッパ回路と多相インバータ部のブリッジ回路との間で閉回路を形成する。チョッパ回路のインダクタンスに流れる電流は、形成された閉回路を循環電流Δiとして循環する(S5)。
【００９８】
循環電流Δiは、直流電源装置から負荷への直流電力の供給を再開した際に、多相インバータ部に供給され、多相インバータ部による直交変換の立ち上がりを早める。
【００９９】
また、直流電源装置の停止時において、その停止時における多相インバータ部のゲート信号を保持し（S6）、ゲート信号生成回路によるゲート信号の生成を中断する（S7）。
【０１００】
S6のゲート信号を保持する工程、およびS7の新たなゲート信号の生成を中断する工程によって、直流電源装置の停止時における多相インバータ部の直交変換の変換状態を保持することができる。
【０１０１】
（アーク放電が消失した時の動作例）
アーク放電の発生が検出された後、アーク放電の消失が検出された場合、あるいは、アーク放電の消失が想定される時間が経過した場合には（S8）、チョッパ回路のスイッチング素子をオン状態に切り替え(S9)、短絡用オン信号の出力を終了することによって（S10）、多相インバータ部の正端子と負端子間の短絡を停止する(S11)。
【０１０２】
S9の工程によって直流電源からチョッパ回路への電力供給を再開し、S10,S11の工程によってチョッパ回路と多相インバータ部のブリッジ回路との間で形成されていた閉回路に流れる循環電流Δiを多相インバータのブリッジ回路に供給する(S12)。
【０１０３】
S9の工程によってチョッパ回路の導通を再開した際には、チョッパ回路が有するインダクタンスや浮遊容量によって、直流電源から多相インバータ部に供給される直流電流に遅れが生じる。これに対して、循環電流Δiは、多相インバータ部の正端子と負端子間の短絡が停止し、チョッパ回路と多相インバータ部との間に電流路が形成されることによって、直流電源から直流電流が供給されるよりも先に多相インバータ部に供給され、多相インバータ部の再起動を早めることができる。
【０１０４】
また、直流電源装置の直流出力の復帰時において、ゲート信号の保持を終了し（S13）、保持していた位相状態からゲート信号の生成を再開する(S14)。
【０１０５】
S13,S14の工程によって、直流電源装置が停止した時点の位相状態と同じ位相状態からゲート信号を生成することができる。
【０１０６】
直流電源装置の動作を終了するまで、S1〜S14の工程を繰り返す(S15)。
【０１０７】
図４のタイミングチャートは多相インバータとして３相インバータを用いた例であり、図４（ａ）は直流電源装置の出力電圧（Ｖ０）を示し、図４（ｂ）はアーク検出部によるアーク検出信号を示し、図４（ｃ）はチョッパ回路の運転状態を示し、図４（ｄ）〜(i)は３相インバータの各アームに設けられたスイッチング素子の駆動を制御するゲート信号を示し、図４（ｊ）は３相インバータの正端子と負端子間を短絡する短絡用オン信号を示している。
【０１０８】
図４（ｄ）、（ｆ）、（ｈ）は３相インバータの正端子側のアームのスイッチング素子ＱＲ、ＱＳ、ＱＴを駆動するゲート信号を示し、図４（ｅ）、（ｇ）、（ｉ）は３相インバータの負端子側のアームのスイッチング素子ＱＸ１、ＱＹ１、ＱＺ１を駆動するゲート信号である。また、スイッチング素子ＱＲとスイッチング素子ＱＸ１とは対を成し、スイッチング素子ＱＳとスイッチング素子ＱＹ１とは対を成し、スイッチング素子ＱＴとスイッチング素子ＱＺ１とは対を成している。また、ゲート信号は図中の１〜１２を付した１２区間を１周期として表している。
【０１０９】
図４では、１２区間中の区間“１”中の時点でアーク放電が発生した時点で直流電源装置による直流電流の供給を停止し、任意に設定可能な保持時間ｔａｒｃが経過した時点においてアーク放電が消失したと判断し、インバータ部を再起動して直流電流の供給を再開している。
【０１１０】
図４の横軸は位相で示しているため、保持時間ｔａｒｃの区間は“ω×ｔａｒｃ”の位相で表される（図４（ａ））。保持時間ｔａｒｃは、アーク放電が発生したときの状態を保持する区間であり、アーク放電が発生してから消失するまでの区間に相当し、任意に設定することができる。
【０１１１】
出力電圧Ｖ０は、アーク放電が発生した時点で低下し、“ω×ｔａｒｃ”の位相分が経過してアーク放電が消失したと判断される時点で復帰する。アーク検出部は出力電圧Ｖ０をモニタし、出力電圧Ｖ０の低下を検出した時点でアーク発生信号の出力を開始し、出力電圧Ｖ０の復帰を検出した時点、あるいは保持時間ｔａｒｃが経過した時点でアーク発生信号の出力を終了する（図４（ｂ））。
【０１１２】
チョッパ回路はアーク発生信号を受けると、１周期を構成する複数の区間（図４では、１２区間）の内の一区間において、アーク発生信号を受けた時点が含まれる一区間の最後まで運転を継続してチョッパ出力である直流電流を３相インバータ部に供給する。図示する例では、区間“１”の途中でアーク発生信号を受けているため、区間“１”の最後の時点でチョッパ回路の運転を停止する。
【０１１３】
ゲート信号生成部は、通常運転において、３相の各相について信号幅を２π／３、信号間隔を４π／３とゲート信号を２π／３の間隔を開けて出力する。例えば、正端子側のスイッチング素子ＱＲのゲート信号（図４（ｄ））は、１〜４の区間をオン状態とし、５〜１２の区間をオフ状態とする。スイッチング素子ＱＳのゲート信号（図４（ｆ））は、５〜８の区間をオン状態とし、９〜１２の区間および１〜４の区間をオフ状態とする。また、スイッチング素子ＱＴのゲート信号（図４（ｈ））は、９〜１２の区間をオン状態とし、１〜８の区間をオフ状態とする。
【０１１４】
スイッチング制御部は、アーク発生信号を受けると、ゲート信号がアーク発生信号を受けた時点において出力状態にある場合には、出力状態を保持してゲート信号の出力を維持する。その後、アーク放電の消失を検出、あるいは保持時間が経過してアーク発生信号が終了すると、ゲート信号の生成を再開し、アーク発生信号を受けた時点から残りの区間分のゲート信号を生成する。
【０１１５】
したがって、アーク発生時点前の区間幅とアーク消失時点後あるいは保持時間の経過後の区間幅を合わせた区間幅はゲート信号の２π／３分の区間幅となる。
【０１１６】
例えば、正端子側のスイッチング素子ＱＲのゲート信号（図４（ｄ））では、区間“１”の初めの時点からアーク放電が発生した時点までの“ω×ｔ１”分をオン状態とし、アーク放電が継続している“ω×ｔａｒｃ”区間の間においてオン状態を維持する。さらに、アーク放電が消失あるいは保持時間が経過した時点から、２π／３の信号幅の残り分である“ ２π／３−ω×ｔ１”分だけオン状態を継続する。これによって、アーク発生時点前の区間幅“ω×ｔａｒｃ”とアーク消失時点後あるいは保持時間が経過後の区間幅“ ２π／３−ω×ｔ１”を合わせて２π／３分の区間幅のオン状態のゲート信号が出力されることになる。
【０１１７】
アーク放電の発生時点でゲート信号がオフ状態についても同様の動作制御が行われる。例えば、正端子側のスイッチング素子ＱＳのゲート信号（図４（ｆ））では、区間９〜１２と、区間“１”の途中であってアーク放電が発生した時点までの区間を合わせた“π／３＋ω×ｔ１”分をオフ状態とし、アーク放電が継続している“ω×ｔａｒｃ”区間の間においてオフ状態を維持する。さらに、アーク放電が消失した時点あるいは保持時間が経過した時点から、４π／３の信号幅の残り分である“ ２π／３−ω×ｔ１”分だけオフ状態を継続する。これによって、アーク発生時点前の区間幅“２π／３＋ωｔ１”とアーク消失時点後あるいは保持時間が経過後の区間幅“ ２π／３−ω×ｔ１”を合わせて４π／３分の区間幅のオフ状態のゲート信号が出力されることになる。
【０１１８】
また、アーク放電の発生時点からアーク放電の消失時点と判断される時点までの間で任意に設定可能は保持時間ｔａｒｃの間は、図４（ｊ）の短絡用オン信号が出力される。
【０１１９】
図５はアーク放電の発生時の回路状態を示している。アーク放電の発生時には、アーク検出信号によってチョッパ回路のスイッチング素子Ｑ１をオフ状態として、直流電源からの電流供給を停止すると共に、短絡用オン信号によって３相インバータを短絡し、チョッパ回路と３相インバータとの間で閉回路を形成し、循環電流Δiを流す。
【０１２０】
図５（ａ）は、３相インバータの負端子側のアームのスイッチング素子ＱＸ，ＱＹ，ＱＺの全てをオン状態とし、このスイッチング素子と、正端子側のアームのスイッチング素子ＱＲ，ＱＳ，ＱＴの内のオン状態となっているスイッチング素子とによって閉回路を形成する例を示している。図５（ａ）では、正端子側のアームのスイッチング素子ＱＲと、負端子側のアームのスイッチング素子ＱＸ，ＱＹ，ＱＺの全てがオン状態となり、このスイッチング素子ＱＲ，ＱＸ，ＱＹ，ＱＺ、ダイオードＤ１、およびＬＦ１のインダクタンスで形成される閉回路に循環電流が流れる例を示している。
【０１２１】
また、図５（ｂ）は、３相インバータの負端子側のアームのスイッチング素子ＱＸ，ＱＹ，ＱＺの内で、正端子側のアームのスイッチング素子ＱＲ，ＱＳ，ＱＴの内でオン状態となっているスイッチング素子と対をなしているスイッチング素子を検出してオン状態とし、これによって閉回路を形成する例を示している。図５（ｂ）では、正端子側のアームのスイッチング素子ＱＲと、このスイッチング素子ＱＲと対を成している負端子側のアームのスイッチング素子ＱＸがオン状態となり、このスイッチング素子ＱＲ、ＱＸ、ダイオードＤ１、および直流リアクトルＬＦ１で形成される閉回路に循環電流が流れる例を示している。
【０１２２】
図６はアーク放電の消失時の回路状態を示している。アーク放電の消失時には、アーク検出信号によってチョッパ回路のスイッチング素子Ｑ１をオフ状態からオン状態に切り替え、直流電源からの電流供給を再開すると共に、短絡用オン信号を停止することによって３相インバータの短絡状態を解除する。チョッパ回路と３相インバータとの間の閉回路に流れていた循環電流Δiは、３相インバータ側に供給される。３相インバータには、循環電流Δiに続いて、スイッチング素子Ｑ１を通して直流電源から直流電流が供給される。
【０１２３】
図６（ａ）は、循環電流Δiが３相インバータに流れる状態を示している。３相インバータのスイッチング制御において、スイッチング素子ＱＲとスイッチング素子ＱＹがオン状態において停止した場合には、停止時と同様に、スイッチング素子ＱＲとスイッチング素子ＱＹがオン状態から再起動を行う。３相インバータの再起動によって、循環電流Δiは、スイッチング素子ＱＲ、接続点Ｒ、３相変圧器、接続点Ｓ、およびスイッチング素子ＱＹの線路を通して流れる。
【０１２４】
図６（ｂ）は、循環電流Δiが流れた後、スイッチング素子Ｑ１を通して直流電源から供給された電流が３相インバータに流れる状態を示している。直流電源からの電流は、スイッチング素子ＱＲ、接続点Ｒ、３相変圧器、接続点Ｓ、およびスイッチング素子ＱＹの線路を通して流れる。以後、３相インバータは、通常の動作と同様にスイッチング素子をゲート信号で導通制御して直交変換を行う。
【０１２５】
図７は、本願発明の直流電源装置の別の構成例を示している。前記した構成例は、３相インバータのスイッチング素子のオン状態を制御することによって３相インバータを短絡する例である。これに対して、図７に示す構成例は、３相インバータの短絡に代えて、チョッパ回路と３相インバータとの間にスイッチング素子Ｑ３を並列接続する。このスイッチング素子Ｑ３を短絡用オン信号によってオン状態とすることによって、チョッパ回路の出力端間を短絡し、チョッパ回路に形成した閉回路内で循環電流を流す。
【０１２６】
なお、上記実施の形態及び変形例における記述は、本発明に係る電流形インバータ装置および電流形インバータ装置の制御方法の一例であり、本発明は各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１２７】
本発明の電流形インバータ装置は、プラズマ発生装置に電力を供給する電力源として適用することができる。
【符号の説明】
【０１２８】
１    直流電源装置
２    交流電源
３    出力ケーブル
４    プラズマ発生装置
１０    整流部
２０    スナバー部
３０    電流形チョッパ部
４０    多相インバータ部
５０    多相変圧部
５１    相変圧器
６０    多相整流部
８０    制御部
８１    スイッチング制御部
８１ａ    パルス制御信号生成回路
８１ｂ    ゲート信号生成回路
８１ｃ    ゲート信号保持回路
８１ｄ    短絡用オン信号生成回路
８２    アーク検出回路
９０    配線
Ｃ０    電極容量
ＣＦ１    出力コンデンサ
ＣＦＯ    出力コンデンサ
Ｄ１    ダイオード
Ｌ０    配線インダクタンス
ＬＦ１    直流リアクトル
ＬＦＯ    出力リアクトル
Ｌｍ１，Ｌｍ２，Ｌｍ３    インダクタンス
ＬＲ    インダクタンス
Ｐc    アークエネルギー
Ｑ１    スイッチング素子
Ｑ３    スイッチング素子
ＱＲ，ＱＳ，ＱＴ    スイッチング素子
ＱＸ，ＱＹ，ＱＺ    スイッチング素子
Ｒ    接続点
Ｓ    接続点
Ｔ    接続点
ｔａｒｃ      保持時間
Ｖo    出力電圧
Δi    循環電流
【要約】
再起動時におけるパルス制御信号の位相と停止時におけるパルス制御信号の位相とを一致させることによって、再起動時におけるインバータの各相の出力電圧変動および負荷への供給電圧変動を抑制する。直流電力をプラズマ発生装置に供給する際、プラズマ発生装置にアーク放電が発生したときに、直流電力の供給を停止して電極や基板の損傷を低減し、さらに、アーク放電が消弧したときに、直流電力の供給を再開する。直流出力の停止・再開において、停止時においてチョッパ部に流れる電流を循環電流として保持し、インバータ部の再起動時においてこの循環電流を負荷に供給することによって、直流出力の再開時における、負荷への直流電力の供給遅れを低減する。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図４】
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【図５】
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