(57)【要約】  負荷変動により変動する電流を制限し、半導体スイッチを保護する。所定の大きさの導通電圧が印加されたときに導通するスイッチ回路１９と、所定のリアクタンス値を有する副リアクタンス回路３０とが設けられた保護回路１４を、半導体スイッチによる高周波電流が流れる主リアクタンス回路１３に並列接続させる。スイッチ回路１９が導通すると、主リアクタンス回路１３と副リアクタンス回路３０とが並列接続され、その並列接続回路に高周波電流が流れる。並列接続回路のインピーダンス値は、主リアクタンス回路１３のインピーダンス値よりも大きくなるようにされており、スイッチ回路１９の導通によって、電流が制限されるようになり、半導体スイッチが保護される。
2018061932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧を出力する直流電源と、
前記直流電源に接続された半導体スイッチが導通と遮断を繰り返して高周波の電流を生成する高周波増幅回路と、
前記高周波の電流を負荷に供給する高周波出力回路と、
所定のリアクタンス値を有し、他回路への電気的な接続極を二極有し、前記接続極の片方を前記高周波増幅回路に、前記接続極の他方の極を前記高周波出力回路に直列接続される主リアクタンス回路と、
を有する電源装置であって、
前記主リアクタンス回路の二極に対して並列接続された保護回路を有し、前記保護回路には、
所定の参照電圧を供給する直流電圧源と、
前記参照電圧に関係づけられる閾値電圧よりも大きい導通電圧が印加されると導通するスイッチ回路と、
所定のリアクタンス値を有する副リアクタンス回路と、
が設けられ、
前記スイッチ回路が導通したときの前記保護回路と前記主リアクタンス回路の並列接続回路のインピーダンスの絶対値は、前記スイッチ回路が非導通のときの前記保護回路と前記主リアクタンス回路の並列接続回路のインピーダンスの絶対値よりも大きくなるようにされた電源装置であって、
前記スイッチ回路が導通すると、前記高周波増幅回路から前記負荷側を見たインピーダンスの絶対値は、前記保護回路が非導通のときよりも大きくなり、前記高周波の電流が制限されるように動作する電源装置。
【請求項２】
誘導性のリアクタンスと容量性のリアクタンスのうち、前記主リアクタンス回路のリアクタンス値はいずれか一方に設定され、前記副リアクタンス回路は他方に設定された請求項１記載の電源装置。
【請求項３】
前記スイッチ回路は、
前記参照電圧に充電される参照キャパシタンス素子と、
前記参照キャパシタンス素子の充電電圧で逆バイアスされるダイオード素子と、を有し、
前記ダイオード素子が順バイアスされる電圧が前記スイッチ回路に印加され、前記ダイオード素子が導通すると、前記スイッチ回路が導通する請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の電源装置。
【請求項４】
補助電源が設けられ、
前記参照キャパシタンス素子は、前記補助電源で充電される請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の電源装置。
【請求項５】
前記参照キャパシタンス素子は前記直流電源で充電される請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源装置の技術分野に係り、特に、高周波増幅回路の半導体スイッチの保護に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ発生用高周波電源において、負荷となるプラズマには、突然の異常放電や、高周波電源のパルス出力動作によるプラズマ密度の突発的な変化を起こすことがある。これらが発生すると、高周波電源から見た負荷インピーダンスが瞬間的に変動して、高周波増幅回路の出力電流・電圧を増大させる場合があることから、頻発すると高周波増幅回路や高周波出力回路内部素子への電気的なストレス・破壊の要因となる。【０００３】
例えばプラズマプロセス中に発生する異常放電においては、発生した数百ｎ秒後に高周波出力を停止し、プラズマエネルギーを散逸させた後に、高周波電力を再投入することが行われている。この方法ではプラズマは失火状態から数μ秒〜数十μ秒かけて定常状態に戻る。もし再着火に失敗し、失火状態が続きプラズマが定常状態に戻らない場合は、高周波増幅回路と負荷との間のインピーダンスが不整合となり、電力損失が発生する。
高周波増幅回路の電力損失を抑制する為に、出力電力のフィードバック制御の中で、垂下制御を行うことが考えられるが、多くの場合応答が遅く数百μ〜数ｍ秒間かけて出力電力が下がるので、それまでの間は高周波増幅回路の各素子はフィードバック制御での保護は働かない。【０００４】
仮に高周波増幅回路から負荷側へのインピーダンスが通常よりも非常に低いインピーダンスになっている場合は、高周波増幅回路は通常の数倍のエネルギーを出力してしまう。このことから、高周波増幅回路の半導体スイッチはそれに応じた電力損失や過電圧・過電流が発生してしまう。高周波電源の設計者はこれらの負荷インピーダンス変動に起因する過電圧と過電流を考慮した設計をしようとすると、通常の数倍の定格を持つような半導体スイッチを設け、耐圧性能が高い回路を設計しなければならず、小型化・部品コストの削減の障害になっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＵＳ  ２９７９６７７号公開公報
【特許文献２】ＵＳ  ４０４７１２０号公開公報
【特許文献３】ＵＳ  ４７１９５５６号公開公報
【特許文献４】ＵＳ  ６０７２３６２号公開公報
【特許文献５】特開２０１４−１８０５７７号公報
【特許文献６】特許第５２５８８３６号
【特許文献７】特許第４９７２４１１号
【特許文献８】特許第２６２８６３４号
【特許文献９】特許第５７９７３１３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、負荷変動に対して高周波の出力電流を制限できる電源を提供することにあり、また、負荷変動に対して半導体スイッチを保護できる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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、直流電圧を出力する直流電源と、前記直流電源に接続された半導体スイッチが導通と遮断を繰り返して高周波の電流を生成する高周波増幅回路と、前記高周波の電流を負荷に供給する高周波出力回路と、所定のリアクタンス値を有し、他回路への電気的な接続極を二極有し、前記接続極の片方を前記高周波増幅回路に、前記接続極の他方の極を前記高周波出力回路に直列接続される主リアクタンス回路と、を有する電源装置であって、前記主リアクタンス回路の二極に対して並列接続された保護回路を有し、前記保護回路には、所定の参照電圧を供給する直流電圧源と、前記参照電圧に関係づけられる閾値電圧よりも大きい導通電圧が印加されると導通するスイッチ回路を有するスイッチ回路と、所定のリアクタンス値を有する副リアクタンス回路と、が設けられ、前記スイッチ回路が導通したときの前記保護回路と前記主リアクタンス回路の並列接続回路のインピーダンスの絶対値は、前記スイッチ回路が非導通のときの前記保護回路と前記主リアクタンス回路の並列接続回路のインピーダンスの絶対値よりも大きくなるようにされた電源装置であって、前記スイッチ回路が導通すると、前記高周波増幅回路から前記負荷側を見たインピーダンスの絶対値は、前記保護回路が非導通のときよりも大きくなり、前記高周波の電流が制限されるように動作する電源装置である。
また、本発明は、誘導性のリアクタンスと容量性のリアクタンスのうち、前記主リアクタンス回路のリアクタンス値はいずれか一方に設定され、前記副リアクタンス回路は他方に設定された電源装置である。
また、本発明は、前記スイッチ回路は、前記参照電圧に充電される参照キャパシタンス素子と、前記参照キャパシタンス素子の充電電圧で逆バイアスされるダイオード素子と、を有し、前記ダイオード素子が順バイアスされる電圧が前記スイッチ回路に印加され、前記ダイオード素子が導通すると、前記スイッチ回路が導通する電源装置である。
また、本発明は、補助電源が設けられ、前記参照キャパシタンス素子は、前記補助電源で充電される電源装置である。
また、本発明は、前記参照キャパシタンス素子は前記直流電源で充電される電源装置である。
なお、上記キャパシタンス素子には、複数のコンデンサで形成された容量性回路も含まれる。【０００８】
＜本発明の別表現＞
本発明を上記とは別の表現で記載すると、本発明は、直流の電源電圧を出力する直流電源と、前記直流電源に接続された半導体スイッチが導通と遮断を繰り返して高周波の出力電流を生成する高周波増幅回路と、所定のリアクタンス値を有し、前記出力電流が流れる主リアクタンス回路と、前記主リアクタンス回路に電気的に接続された出力端子と、を有し、前記出力端子から負荷に高周波の出力電圧が供給される電源装置であって、前記主リアクタンス回路に並列接続された保護回路を有し、前記保護回路には、所定の参照電圧よりも大きい導通電圧が印加されると導通するスイッチ回路と、所定のリアクタンス値を有する副リアクタンス回路と、が設けられ、前記スイッチ回路が導通すると、前記副リアクタンス回路に前記スイッチ回路を流れる電流が流れるようにされた電源装置、と記載することができる。【０００９】
また、本発明は、前記スイッチ回路が導通すると、前記高周波増幅回路と前記出力端子との間のインピーダンス値は、前記保護回路が非導通のときのインピーダンス値よりも大きくなるようにされた電源装置、と記載することができる。【００１０】
また、本発明は、前記スイッチ回路が導通したときの前記保護回路と前記主リアクタンス回路の並列接続回路のインピーダンス値は、前記スイッチ回路が遮断しているときの前記保護回路と前記主リアクタンス回路の並列接続回路のインピーダンス値よりも大きくなるようにされた電源装置、と記載することができる。【００１１】
また、本発明は、誘導性のリアクタンス値と容量性のリアクタンス値のうち、前記主リアクタンス回路のリアクタンス値はいずれか一方に設定され、前記副リアクタンス回路のリアクタンス値は他方に設定された電源装置、と記載することができる。【００１２】
また、本発明は、前記スイッチ回路は、前記参照電圧に充電される参照コンデンサと、前記参照コンデンサの充電電圧で逆バイアスされるダイオード素子と、を有し、前記ダイオード素子が順バイアスされて導通する電圧が前記スイッチ回路に印加され、前記ダイオード素子が導通すると、前記スイッチ回路が導通する電源装置、と記載することができる。【００１３】
また、本発明は、補助電源が設けられ、前記参照コンデンサは、前記補助電源で充電される電源装置、と記載することができる。
また、本発明は、前記参照コンデンサは前記直流電源で充電される電源装置、と記載することができる。【００１４】
また、本発明は、前記高周波増幅回路は、一端が前記直流電源に電気的に接続された誘導性の出力インダクタンス回路を有し、前記出力インダクタンス回路の他端には、前記半導体スイッチが電気的に接続され、前記出力電流は、前記半導体スイッチが導通と遮断とを繰り返し、前記出力インダクタンス回路を流れる電流によって生成される電源装置、と記載することができる。【００１５】
また、本発明は、トランスを有し、前記トランスの一次巻線に前記高周波増幅回路が生成した前記出力電流が流れ、前記一次巻線と磁気結合された二次巻線に、前記出力電圧が誘起される電源装置、と記載することができる。【００１６】
＜高周波電流制限回路の基本的動作および動作波形について＞
後述する保護回路と主リアクタンス回路とを並列接続した回路を高周波電流制限回路と呼んで、本発明の電源回路の基本的動作および動作波形について説明する。
本発明では高周波電流制限回路は、高周波増幅回路と負荷との間に直列に挿入されており、負荷インピーダンスが変動して高周波増幅回路の出力電流が大きくなろうとしたときに、高周波電流制限回路の直列インピーダンスが増大する事で出力電流を小さくすることができるようにされている。【００１７】
高周波電流制限回路の電流制限する機能について説明する(図１３(ａ)、(ｂ))。【００１８】
＜高周波電流制限回路がない場合（従来）＞
高周波増幅回路を高周波電圧源「ＶＲＦ」と見なした時に、「Ｌｏａｄ」インピーダンスの絶対値に反比例した大きさの電流が出力される（下記式）。【００１９】
【数１】
2018061932.tif 000003
【００２０】
例えば、高周波増幅回路から見た負荷インピーダンスの絶対値が３０〜４０Ω程度で設計されている場合、仮に負荷インピーダンスの絶対値が１Ωまで低下してしまうと、３０〜４０倍電流が発生する。【００２１】
＜高周波電流制限回路を入れた場合＞
まず高周波電流制限回路として機能させる為に回路定数を適切な値に調整されている必要があり、ダイオード素子を“Ｄ”と略して記載すると、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４が導通しているときは遮断しているときよりも、A極・B極間のインピーダンスの絶対値が増大している状態にする。Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４のアノードカソード間を導通させた状態で、ＬとＣの値は並列共振条件で合成インピーダンスの絶対値が最も大きい値となる。ｆを発振周波数、πを円周率とすると、下記式の関係を目安にＬまたはＣのリアクタンス値の調整を行う。【００２２】
【数２】
2018061932.tif 000004
【００２３】
＜電流制限されない状態の振る舞い＞
電流制限されない状態は、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４に印加される電圧は逆バイアスであり、又は順バイアスであってもダイオード素子の閾値電圧Ｖｆを越えない電圧が印加されている状態を言う。この状態では、保護回路はＤ１、Ｄ２の寄生容量とＣとの合成容量のインピーダンスを持つ。Ｄ１、Ｄ２とＣの合成インピーダンスの絶対値はＬのものより大きく設定されている為、出力電流の大部分はＬに流れ、残りがＣに流れるものと考えてよい(図１４(ａ))。【００２４】
＜電流制限される状態の振る舞い＞
電流制限される状態においては、大きく４つの状態に分類される(図１５)。
期間[Ａ]：Ｄ２，Ｄ４が導通した期間
期間[Ｂ]：Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４が遮断した期間
期間[Ｃ]：Ｄ１，Ｄ３が導通した期間
期間[Ｄ]：Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４が遮断した期間【００２５】
[Ｂ]および[Ｄ]期間においては、閾値電圧を超えない為、主にＬに出力電流が流れる。保護回路には、ダイオード素子の寄生容量を経由して電流が流れる。【００２６】
期間[Ａ]および期間[Ｃ]においては、Ｄ１、Ｄ３またはＤ２、Ｄ４が導通している為、導通しているダイオード素子、および参照電圧源Ｖｌｉｍｉｔが高周波的に短絡インピーダンスとした場合、保護回路にはＣのインピーダンスに基づいた電流が流れる。ＬとＣは数式２による並列共振条件となるインピーダンス関係になっている為、Ｌの電流を打ち消すように電流が流れようとし、結果的にＩＬとＩＣの合成電流の実効値は小さくなる為、電流を制限することができる(図１４(ｂ))。【００２７】
主リアクタンス回路が容量性で、副リアクタンス回路が誘導性の場合も同様の動作を確認する事ができる(図１６)。【００２８】
＜電流制限されない状態の振る舞い＞
電流制限されない状態においては、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４には逆バイアスが印加されており、又は、順方向電圧でもダイオード素子の閾値電圧Ｖｆを越えない為、Ｄ１、Ｄ２の寄生容量とＣとの合成容量のインピーダンスを持つ。Ｄ１、Ｄ２とＣの合成インピーダンスの絶対値はＬのものより大きく設定されている為、出力電流の大部分はＬに流れ、残りがＣに流れると考えてよい(図１７(ａ))。【００２９】
＜電流制限される状態の振る舞い＞
電流制限される状態(図１７(ｂ))においては、下記期間Ａ〜Ｄに分類される(図１８)。
期間[Ａ]：Ｄ２，Ｄ４が導通した期間
期間[Ｂ]：Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４が遮断した期間
期間[Ｃ]：Ｄ１，Ｄ３が導通した期間
期間[Ｄ]：Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４が遮断した期間【００３０】
期間[Ｂ]/期間[Ｄ]においては、閾値電圧を超えない為、主にＣに出力電流が流れる。保護回路には、ダイオード素子の寄生容量を経由して電流が流れる。【００３１】
期間[Ａ]/期間[Ｃ]においては、Ｄ１、Ｄ３またはＤ２、Ｄ４が導通している為、導通しているダイオード素子、および参照電圧源Ｖｌｉｍｉｔが高周波的に短絡インピーダンスとした場合、保護回路にはＬのインピーダンスに基づいた電流が流れる。ＬとＣは数式２による並列共振条件となるインピーダンス関係になっている為、Ｃに流れる電流を打ち消すように電流が流れようとし、結果的にＩＬとＩＣの合成電流の実効値は小さくなる為、電流制限する事ができる。【００３２】
また、整流回路に関しては全波整流回路だけでなく、整流回路に流れるどちらの極性の電流に対しても、ダイオード素子が導通した時に、Ａ極・Ｂ極間のインピーダンスが遮断時に比べて、増大するように設計されていれば、その他の整流回路でも可能で、半波倍電圧整流回路など様々な整流回路を適用することが可能である。【００３３】
半波倍電圧整流回路の場合(図１９)、ＡＣ結合キャパシタＣｃを考慮する必要があり、Ｄ１／Ｄ２短絡状態において、Ｃｃ，Ｌ、ＣによるＡ極・Ｂ極の間の合成インピーダンスが最大となるように調整すればよい(図２０、２１)。【００３４】
直流電圧源ＶｌｉｍｉｔをＲＦの供給回路から絶縁したい場合、下記のような変圧器結合型の整流回路(図２２)も適用可能である(図２３，２４)。下記例の場合においてはＤ１、Ｄ２のアノードカソード間を短絡した状態でＣｃ、Ｔｘ、Ｌの副リアクタンス回路のインピーダンスと、主リアクタンス回路のＣのインピーダンスとの合成インピーダンス調整を行う。【００３５】
[高周波電流制限回路が有効に機能する為に必要とされる特性]
高周波電流制限回路のインピーダンスの観点から各回路に必要とされる特性について説明する。【００３６】
図１３(ｂ)の各回路の発振周波数での各回路のインピーダンスを図２９に示すように定義し、その内容を下記に記載する。【００３７】
主リアクタンス回路インピーダンス：Z1=R1+jX1[Ω] 
副リアクタンス回路インピーダンス：Z2=R2+jX2[Ω] 
導通したスイッチ回路インピーダンス：ZSON=RSON+jXSON[Ω]
遮断したスイッチ回路インピーダンス：ZSOFF=RSOFF+jXSOFF[Ω] 
スイッチ回路導通時の保護回路インピーダンス：ZPON[Ω]
スイッチ回路遮断時の保護回路インピーダンス：ZPOFF[Ω]
スイッチ回路導通時の高周波電流制限回路インピーダンス：ZLimitON[Ω]
スイッチ回路遮断時の高周波電流制限回路インピーダンス：ZLimitOFF[Ω]
負荷インピーダンス：ZLoad[Ω]
高周波電流制限回路は保護回路と主リアクタンス回路との並列接続回路をなしており、その合成インピーダンスの絶対値は下式A1・A2となる。【００３８】
【数３】
2018061932.tif 000005
【００３９】
【数４】
2018061932.tif 000006
【００４０】
R1,R2,RSONは正の値を持つので、スイッチ回路が導通しているときの高周波電流制限回路のインピーダンスの絶対値が最大となる条件は、X1≠0[Ω]かつ、X2+XSON  ≠0[Ω]かつ、X1+X2+XSON=0[Ω]となる。  
本件明細書では、「≒」を左辺と右辺がほぼ等しいことを示す記号として使用しており、X1+X2+XSON≒0[Ω]に調整した場合においてはZLimitONは式A3となる【００４１】
【数５】
2018061932.tif 000007
【００４２】
ここで高周波電流制限回路をプラズマ発生用高周波電源に適用させる場合、電力損失を抑えなければならないため、R1,R2,RSONおよびRSOFFはそれぞれ主リアクタンス回路のX1に対して非常に小さい値にしなければならない。従って、|X1|>1[Ω]の場合において、式A3の分子の抵抗成分の項が、X12の項に対して非常に小さい値になる為、0[Ω]に近似すると、ZLimitONは式A4のように、抵抗成分が大部分を占める状態となる。【００４３】
【数６】
2018061932.tif 000008
【００４４】
式A4が実現できる条件においては、高周波電圧源VRFからみた、インピーダンスは、負荷インピーダンスがどのような条件においても、直列接続のZLimitONが現れる事になるので、安定して電流制限を機能を実現することができる。【００４５】
高周波電流制限回路のスイッチ回路導通時の電流について説明する。【００４６】
ここで回路条件として、X1+X2+XSON=0[Ω]かつ、R1,R2,RSON,RSOFFは|X1|に比べて非常に小さい抵抗として、それぞれ0[Ω]に近似した場合、【００４７】
ZPON＝R2＋RSON＋j(X2＋XSON) ≒−jＸ1[Ω]  ・・・A5
Z1＝R1＋jＸ1 ≒jＸ1[Ω]  ・・・A6【００４８】
ZPONとZ1は互いに複素共役となるインピーダンスとなる。また、互いに並列接続されているから、主リアクタンス回路に流れる電流に対して、保護回路に流れる電流は主リアクタンスと同じ大きさの逆位相の電流が流れることを意味する。従って、高周波電流制限回路が電流制限機能を発揮する状態においては、スイッチ回路導通時は主リアクタンス回路に流れる電流を打ち消すような電流が保護回路に流れるから、出力電流が制限されるのである。【００４９】
次に、スイッチ回路が遮断しているときのインピーダンス条件について説明する。
まず、導通しているときのスイッチ回路のリアクタンス値と、遮断しているときのスイッチ回路のリアクタンス値の差のリアクタンス値の大きさを主リアクタンス値よりも大きい値に設定する。【００５０】
｜XSON−XSOFF｜＞｜X1｜  ・・・B1【００５１】
保護回路は複数の素子を組み合わせたスイッチ回路がある為、インピーダンスの抵抗成分が主リアクタンス回路に比べて大きくなりやすいことから、定常状態での電力損失を抑える必要がある。保護回路の非導通時インピーダンスの絶対値を主リアクタンス回路よりも大きくして、高周波増幅回路で生成される出力電流を保護回路にできる限り流さないようにする必要がある。流れる電流は各回路のインピーダンスの絶対値で決まるので、主リアクタンス回路のインピーダンスの絶対値と、保護回路のインピーダンスの絶対値が主リアクタンス回路インピーダンスの絶対値のG倍（G>1）になるよう設定した場合、関係式B2となる【００５２】
G×｜Z1｜＝｜ZPOFF｜[Ω]  ・・・B2【００５３】
式A2に対して、条件R1，R2，RSON，RSOFF≪X1＜｜XSON−XSOFF｜と
XSON ≒−（X1＋X2）[Ω]とを適用し、さらに関係式B2を適用すると、近似式B3となる。【００５４】
【数７】
2018061932.tif 000009
【００５５】
式A4・B3から、スイッチ回路が遮断しているときの高周波電流制限回路のインピーダンスの絶対値が、スイッチ回路が導通しているときの高周波電流制限回路のインピーダンスの絶対値よりも大きくなる条件は、B4式となる。【００５６】
｜XSON−XSOFF｜＞G×(R1＋R2＋RSON)  ・・・B4【００５７】
従って、高周波電流制限回路が最良に機能する為に、求められる各回路のインピーダンス条件は、下記となる。【００５８】
|X1|＞1[Ω]
X1＋X2＋XSON ≒0[Ω]
R1，R2，RSON，RSOFF≪｜X1｜[Ω]
｜XSON−XSOFF｜＞｜X1｜
G×｜Z1｜＝｜ZPOFF｜[Ω]ただし G＞1
｜XSON−XSOFF｜＞G×(R1＋R2＋RSON)【００５９】
[高周波電源への適用]
高周波増幅回路にＥ級増幅回路を適用したときの例を示す(図２５、２７，２８)。発振周波数13.56MHzで動作する増幅回路である。高周波電流制限回路はC4=C2=2000pFとし、L2はD1またはD2のアノードカソード間を導通させた時にA極・B極間のインピーダンスの絶対値が最大、即ち並列共振条件となる137nHを目安に微調整する。この例では|Z|＝300Ωが最大値となった。【００６０】
副リアクタンス回路のインダクタンスを調整した時の、高周波電流制限回路のインピーダンスの変化を図１１に示すと、主・副リアクタンス回路それぞれ抵抗成分を有することから、調整目標となるインピーダンスの絶対値が最大条件においてはリアクタンスの絶対値は0Ω付近で、抵抗性のインピーダンスを有する。高周波電流制限回路のインピーダンスの抵抗要素は、負荷に直列接続された時に、負荷インピーダンスのリアクタンス値に影響されず、そのまま抵抗要素が加算されたインピーダンスとして、高周波増幅回路から見える為、負荷インピーダンスによらず安定した電流制限性能を発揮することができる。【００６１】
さらに適用例における高周波電流制限回路のダイオード素子が導通しているときと遮断しているときとの高周波電流制限回路のインピーダンスの違いについて図１２に示す。ダイオード素子が導通しているときは、ダイオード素子のリアクタンスは0Ωとみなすことができ、高周波電流制限回路のインピーダンスの絶対値は300Ωを持つ。ダイオード素子が半導体素子である場合、逆バイアスが印加されてダイオード素子が遮断しているときは、逆バイアス電圧の大きさによりダイオード素子の寄生容量成分は変化する。この時のダイオード素子の寄生容量のリアクタンス値が-20〜-50Ωの間を持つとすれば、高周波電流制限回路のインピーダンスの絶対値は10Ω前後の値を有するものとなる。非導通状態・導通状態での高周波電流制限回路のインピーダンス差は30倍程度である。このことから高周波電流制限回路はインピーダンスを切り替える回路として動作できる特性であることがわかる。【００６２】
各回路定数は参照電圧に対する制限電流に相関があるためシミュレーションや実験的に適切な値を求めている。高周波出力回路は高調波のフィルタや定常負荷状態においてインピーダンスの最適化を行われ負荷インピーダンスが50Ωの時に高周波増幅回路が7+j20Ω（|Z|=21Ω）に調整されている。【００６３】
負荷インピーダンスが50Ωから短絡させて、高周波増幅回路の出力部から負荷を見たインピーダンスが低い状態（｜Z｜＜5Ω）へ移行させた時の例を示す。保護回路：高周波電流制限回路がなし・ありの場合での比較を行ったところ、高周波電流制限回路がない場合、短絡後3μsの間に3.5倍の電流出力に増大しているのに対して、高周波電流制限回路がある場合は、高速な抑制動作を示し、出力電流も1.5倍以下の電流に抑えられている(図２６)。
【発明の効果】
【００６４】
本発明は、高周波増幅回路が生成した高周波の出力電流を高速に制限することが可能であり、電源装置の信頼性向上、半導体スイッチの定格を下げられることによる低コスト化を達成することができる。【００６５】
また、レイアウトの自由度が高くなり、設計難易度が低くなり、電力効率も向上する。
また、電源装置を含む高周波電源システムの電流保護の設計が容易になる。
また、負荷インピーダンスによらず、設定した直流電圧に応じて、電流制限素子を設置した場所の高周波の出力電流を制限することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の第一例の回路
【図２】本発明の第二例の回路
【図３】本発明の第一例の回路の詳細な回路図(１)
【図４】本発明の第二例の回路の詳細な回路図(１)
【図５】本発明の第一例の回路の詳細な回路図(２)
【図６】本発明の第二例の回路の詳細な回路図(２)
【図７】本発明の第一例の回路の詳細な回路図(３)
【図８】本発明の第二例の回路の詳細な回路図(３)
【図９】本発明の第一例の回路の詳細な回路図(４)
【図１０】本発明の第二例の回路の詳細な回路図(４)
【図１１】副リアクタンス回路のインダクタンス値と高周波電流制限回路のインピーダンス値との関係を説明するためのグラフ
【図１２】高周波電流制限回路のインピーダンス値の保護回路ダイオード素子のリアクタンス値に対する依存性を示すグラフ
【図１３】(ａ)、(ｂ)：単純化した回路の図面
【図１４】(ａ)、(ｂ)：電流制限の有無と出力電流との関係を説明するための図面
【図１５】期間Ａ〜Ｄに流れる電流の方向を説明するための図面
【図１６】主リアクタンス回路が容量性で、副リアクタンス回路が誘導性のときの例
【図１７】(ａ)、(ｂ)：制限がある場合と無い場合の電流を示すグラフ
【図１８】電流制限のときの期間Ａ〜Ｄに流れる電流を説明するための図面
【図１９】半波倍電圧整流回路の図面
【図２０】(ａ)、(ｂ)：電流が流れる状態を説明するための図面
【図２１】期間Ａ〜Ｄに流れる電流の方向を説明するための図面
【図２２】変圧器結合型の整流回路の図面
【図２３】(ａ)、(ｂ)：その回路の電流の流れを説明するための図面
【図２４】期間Ａ〜Ｄに流れる電流の方向を説明するための図面
【図２５】高周波増幅回路にＥ級増幅回路を適用したときの第一例の回路の図面
【図２６】電流が流れる状態を説明するための図面
【図２７】高周波増幅回路にＤ級増幅回路を適用したときの第二例の回路の図面
【図２８】高周波増幅回路にＤ級増幅回路を適用したときの第三例の回路の図面
【図２９】内部のインピーダンスを説明するための図面
【発明を実施するための形態】
【００６７】
以下、ダイオード素子等の半導体素子には、寄生容量が並列接続しているが、本明細書添付の図面では、寄生容量の記載は省略する。
図１の符号１０は、負荷２５に高周波電力を供給する第一例の電源装置であり、図２の符号６０は、負荷７５に高周波電力を供給する第二例の電源装置である。
【００６８】
これら電源装置１０、６０は、直流の電源電圧を出力する直流電源１１、６１と、電源電圧をスイッチングして高周波の出力電流を生成する高周波増幅回路１２、６２と、所定のリアクタンス値を有する主リアクタンス回路１３、６３と、高周波を除去するためのフィルタ回路１５、６５とをそれぞれ有している。本発明の説明では「フィルタ回路」は「高周波出力回路」とも呼ぶこともある。
【００６９】
第一、第二例の電源装置１０、６０の高周波増幅回路１２、６２は、所定の大きさの誘導性リアクタンス値を有する出力インダクタンス回路２１、７１と、導通と遮断を行う半導体スイッチ２２、７２と、出力インダクタンス回路２１、７１を流れた電流の一部によって充電される出力キャパシタンス素子２３、７３と、半導体スイッチ２２、７２の導通と遮断とを制御する制御回路２４、７４とをそれぞれ有している。半導体スイッチ２２，７２にはトランジスタ素子を用いることができる。
【００７０】
第一、第二例の電源装置１０、６０の出力インダクタンス回路２１、７１の一端は、直流電源１１、６１に電気的に接続され、他端は半導体スイッチ２２、７２の半導体出力端子２０、７０にそれぞれ電気的に接続されている。
【００７１】
直流電源１１、６１は、直流電圧出力装置１７、６７と、定電圧出力用の電源キャパシタンス素子２７、７７とを有している。
直流電圧出力装置１７、６７と電源キャパシタンス素子２７、７７とは、互いに並列接続され、直流電圧出力装置１７、６７の一端と、電源キャパシタンス素子２７、７７の一端とは、出力インダクタンス回路２１、７１の一端にそれぞれ電気的に接続されており、直流電圧出力装置１７、６７の他端と、電源キャパシタンス素子２７、７７の他端とは、それぞれ接地電位に電気的に接続されている。
【００７２】
制御回路２４、７４の制御によって、半導体スイッチ２２、７２が導通すると、第一、第二例の電源装置１０、６０の出力インダクタンス回路２１、７１にそれぞれ電流が流れる。出力インダクタンス回路２１、７１に流れた電流は、第一、第二例の電源装置１０、６０の半導体スイッチ２２、７２を通って接地電位にそれぞれ流出する。
【００７３】
出力キャパシタンス素子２３、７３は、半導体スイッチ２２、７２に並列接続されており、充電された出力キャパシタンス素子２３、７３は、半導体スイッチ２２、７２を介して放電し、第一、第二例の電源装置１０、６０の半導体出力端子２０、７０の電圧はそれぞれ低下する。
【００７４】
制御回路２４、７４の制御により、半導体スイッチ２２、７２が導通から遮断に転じると、出力インダクタンス回路２１、７１には、出力インダクタンス回路２１、７１に流れる電流を維持する極性の誘導起電力が発生し、出力キャパシタンス素子２３、７３を充電し、第一、第二例の電源装置１０、６０の半導体出力端子２０、７０の電圧をそれぞれ上昇させる。
【００７５】
第一、第二例の電源装置１０、６０の主リアクタンス回路１３、６３の一端は、半導体出力端子２０、７０に電気的に接続され、他端はフィルタ回路１５、６５を介して出力端子１６，６６に電気的に接続されている。
【００７６】
高周波増幅回路１２、６２の動作によって、半導体出力端子２０、７０には、正電圧内で振幅する高周波の電圧が生成されており、高周波増幅回路１２、６２が出力する高周波電流は、半導体出力端子２０、７０から主リアクタンス回路１３、６３に供給され、主リアクタンス回路１３、６３を流れ、出力端子１６，６６に、高周波の出力電圧が印加される。
【００７７】
出力端子１６，６６には、負荷２５、７５が電気的に接続されており、出力電圧は、出力端子１６，６６から負荷２５，７５に供給される。第一、第二例の電源装置１０，６０では、出力電流はフィルタ回路１５、６５を流れ、出力端子１６，６６から負荷２５、７５にそれぞれ供給される。
【００７８】
これら第一、第二例の電源装置１０、６０は、プラズマの生成と維持に用いられる真空処理装置用の高周波電源装置であり、負荷２５、７５はプラズマのインピーダンスを表している。
【００７９】
プラズマが発生するとき、プラズマが不安定になったとき、又はプラズマが消滅したとき等の非定常状態では、プラズマのインピーダンスは変化するから、非定常状態では、負荷２５、７５のインピーダンスの値が変化することになる。
【００８０】
第一、第二例の電源装置１０、６０は、主リアクタンス回路１３、６３に並列接続された保護回路１４、６４をそれぞれ有している。
図１〜図１０中の符号Ｑ1〜Ｑ4は主リアクタンス回路１３、６３が有する接続極であり、一方の接続極Ｑ1、Ｑ3は高周波増幅回路１２，６２に接続され、他方の接続極Ｑ2、Ｑ4は高周波出力回路であるフィルタ回路１５，６５に接続されている。
【００８１】
図３には、第一例の電源装置１０の保護回路１４の内部回路の一例が示されており、図４には、第二例の電源装置６０の保護回路６４の内部回路の一例が示されている。
保護回路１４、６４は、スイッチ回路１９、６９と、所定のリアクタンス値を有する副リアクタンス回路３０，８０とを有している。
【００８２】
第一、第二の電源装置１０、６０の副リアクタンス回路３０、８０は、第一の副リアクタンス素子２８1，７８1と、第二の副リアクタンス素子２８2、７８2とを有しており、第一の副リアクタンス素子２８1，７８1と、スイッチ回路１９、６９と、第二の副リアクタンス素子２８2、７８2とは直列接続されており、従って、第一の副リアクタンス素子２８1，７８1と第二の副リアクタンス素子２８2、７８2との間にスイッチ回路１９、６９が配置されていても、スイッチ回路１９、６９と副リアクタンス回路３０，８０とは直列接続されており、その直列接続された回路で保護回路１４，６４が構成されており、保護回路１４，６４は、主リアクタンス回路１３、６３に並列接続されている。
【００８３】
スイッチ回路１９、６９は、所定の参照電圧よりも大きい導通電圧が印加されると導通し、所定の参照電圧を下回る電圧が印加されているときは遮断する。
【００８４】
スイッチ回路１９，６９が導通している状態を導通状態とし、遮断している状態を非導通状態とすると、スイッチ回路１９，６９が非導通状態のときも後述する寄生容量等によってスイッチ回路１９，６９には電流が流れるようになっており、高周波増幅回路１２、６２で生成された出力電流は、スイッチ回路１９、６９が導通状態にあるときと非導通状態にあるときとの両方とも、主リアクタンス素子１３，６３と保護回路１４，６４の両方を流れることになる。
スイッチ回路１９、６９が非導通状態のときの保護回路１４、６４のインピーダンスの絶対値は、主リアクタンス回路１３，６３のインピーダンスの絶対値よりも大きく、スイッチ回路１９、６９が導通状態のときの保護回路１４、６４のインピーダンスの絶対値は、主リアクタンス回路１３，６３のインピーダンスの絶対値よりも小さくなるようにされている。
従って、スイッチ回路１９、６９が非導通状態のときには、保護回路１４，６４に流れる電流は主リアクタンス回路１３，６３に流れる電流よりも小さく、逆に、スイッチ回路１９，６９が導通状態にあるときには、保護回路１４，６４に流れる電流は主リアクタンス回路１３，６３に流れる電流よりも大きくなる。
主リアクタンス回路１３，６３のリアクタンス値は１Ωを超える大きさであり、主リアクタンス回路１３，６３のレジスタンス値は、リアクタンス値よりも小さい値にされている。
【００８５】
またスイッチ回路１９，６９が導通状態にあるときの保護回路１４，６４のリアクタンス値と、非導通状態にあるときのときの保護回路１４，６４のリアクタンス値との差のリアクタンス値は、主リアクタンス回路１３，６３のリアクタンス値のよりも大きくなるように設定されていて、スイッチ回路１９，６９のレジスタンス値は、主リアクタンス回路１３，６３のリアクタンス値の大きさよりも小さい値に設定されている。
【００８６】
副リアクタンス回路３０、８０のリアクタンスの値は、導通状態の保護回路１４、６４と主リアクタンス回路１３，６３の並列回路のインピーダンスの絶対値が、非導通状態の保護回路１４、６４と主リアクタンス回路１３，６３の並列回路のインピーダンスの絶対値よりも大きくなる値に設定されており、保護回路１４，６４が非導通状態から導通状態に転じると出力電流が流れにくくなるようになっている。
また、副リアクタンス回路３０、８０のレジスタンスの値は、主リアクタンス回路のリアクタンス値と比較すると小さい値に設定されている。
【００８７】
スイッチ回路１９、６９の内部を説明すると、第一、第二の電源装置１０、６０のスイッチ回路１９、６９は、複数個のダイオード素子と、所定の大きさの参照電圧に充電される参照キャパシタンス素子１８、６８とを有している。
【００８８】
ここでは、各スイッチ回路１９、６９は、第一〜第四のダイオード素子Ｄ01〜Ｄ04又はＤ11〜Ｄ14をそれぞれ有しており、第一のダイオード素子Ｄ01、Ｄ11のアノード端子には、第四のダイオード素子Ｄ04、Ｄ14のカソード端子が電気的に接続され、また、第三のダイオード素子Ｄ03、Ｄ13のアノード端子には、第二のダイオード素子Ｄ02、Ｄ12のカソード端子が電気的に接続されている。
【００８９】
第一のダイオード素子Ｄ01、Ｄ11のカソード端子と第三のダイオード素子Ｄ03、Ｄ13のカソード端子とは電気的に接続され、第四のダイオード素子Ｄ04、Ｄ14のアノード端子と第二のダイオード素子Ｄ02、Ｄ12のアノード端子とは電気的に接続されている。
【００９０】
第一〜第四のダイオード素子Ｄ01〜Ｄ04又はＤ11〜Ｄ14には、それぞれダイオード素子の寄生容量ＣＤ01〜ＣＤ04又はＣＤ11〜ＣＤ14が並列要素として存在している。
順方向電圧が印加されている第一〜第四のダイオード素子Ｄ01〜Ｄ04又はＤ11〜Ｄ14は導通し、保護回路１４、６４に電流が流れる。
ダイオード素子Ｄ01〜Ｄ04又はＤ11〜Ｄ14に逆方向電圧が印加されているときはダイオード素子本体の接合部分には電流は流れず、ダイオード素子Ｄ01〜Ｄ04又はＤ11〜Ｄ14は遮断するが、ダイオード素子の寄生容量ＣＤ01〜ＣＤ04又はＣＤ11〜ＣＤ14には電流が流れる。
【００９１】
主リアクタンス回路１３、６３は二端子の回路である。第一のダイオード素子Ｄ01、Ｄ11のアノード端子と第四のダイオード素子Ｄ04、Ｄ14のカソード端子との接続部分を第一の接続点Ｐ1、Ｐ11と呼び、第三のダイオード素子Ｄ03、Ｄ13のアノード端子と第二のダイオード素子Ｄ02、Ｄ12のカソード端子との接続点を第二の接続点Ｐ2、Ｐ12と呼ぶと、第一の副リアクタンス素子２８1、７８1の一端は、第一の接続点Ｐ1、Ｐ11に電気的に接続され、他端は、主リアクタンス回路１３、６３の一端に電気的に接続されている。
【００９２】
第二の副リアクタンス素子２８2、７８2の一端は、第二の接続点Ｐ2、Ｐ12に電気的に接続され、他端は、主リアクタンス回路１３、６３の他端とフィルタ回路１５，６５の一端に電気的に接続されている。フィルタ回路１５，６５の他端は、出力端子１６，６６に電気的に接続されている。
【００９３】
第一のダイオード素子Ｄ01、Ｄ11のカソード端子と第３のダイオード素子Ｄ03、Ｄ13のカソード端子とが電気的に接続された部分をカソード点ＰK又はＰKKと呼び、第４のダイオード素子Ｄ04、Ｄ14のアノード端子と第二のダイオード素子Ｄ02、Ｄ12のアノード端子とが電気的に接続された部分をアノード点ＰA又はＰAAと呼ぶと、参照キャパシタンス素子１８、６８の一端はカソード点ＰK、ＰKKに電気的に接続され、他端はアノード点ＰA、ＰAAに電気的に接続され、第一〜第四のダイオード素子Ｄ01〜Ｄ04又はＤ11〜Ｄ14と参照キャパシタンス素子１８，６８とでＨブリッジ回路が構成されている。
【００９４】
後述する本発明の電源装置を含め、本発明にはフィルタ回路を用いることができ、ここでは、同一のフィルタ回路１５、６５が用いられているものとする。
そのフィルタ回路１５、６５は、ブロッキングキャパシタンス素子３５、８５と、インダクタンス素子とキャパシタンス素子とが並列接続された第一のフィルタ回路３６，８６と、インダクタンス素子から成る第二のフィルタ回路３７，８７と、キャパシタンス素子から成る第三のフィルタ回路３４，８４とを有しており、ブロッキングキャパシタンス素子３５、８５と、第一のフィルタ回路３６，８６と、第二のフィルタ回路３７、８７とは、直列接続されて、主リアクタンス回路１３、６３と保護回路１４、６４とが接続された部分と、出力端子１６，６６とを電気的に接続させており、第三のフィルタ回路３４，８４は、出力端子１６、６６を接地電位に接続させており、高周波増幅回路１２，６２と出力端子１６，６６との間を、出力電流の周波数が通過しやすいようにされている。
【００９５】
次に、第一例の電源装置１０に特有な事項を説明する。
第一例の電源装置１０には補助電源２６が設けられている。
補助電源２６には、直流の正電圧を出力する正電圧端子３８と、正電圧端子３８の電圧に対して負電圧を出力する負電圧端子３９とが設けられており、正電圧端子３８はカソード点ＰKに電気的に接続され、負電圧端子３９はアノード点ＰAに電気的に接続されており、補助電源２６が正電圧端子３８から出力する正電圧はカソード点ＰKに印加され、負電圧端子３９が出力する負電圧はアノード点ＰAに印加され、参照キャパシタンス素子１８は補助電源２６が出力する電圧で充電される。
【００９６】
参照キャパシタンス素子１８が充電された電圧を参照電圧と呼ぶと、補助電源２６の正電圧端子３８の負電圧端子３９に対する電圧は参照電圧であり、ブリッジ回路中の第一、第四のダイオード素子Ｄ01、Ｄ04の直列回路と、第二、第三のダイオード素子Ｄ02、Ｄ03の直列回路には、参照キャパシタンス素子１８の両端に現れる参照電圧が、逆バイアスで印加され、第一〜第四のダイオード素子Ｄ01〜Ｄ04は導通しないようにされている。
【００９７】
なお、ここでは、補助電源２６と参照キャパシタンス素子１８の間には、コモンチョークコイル２９が挿入されており、コモンチョークコイル２９内の磁気結合した二個の巻線３１、３２のうち、一方の巻線３１の一端はアノード点ＰAに電気的に接続され、他端は負電圧端子３９に電気的に接続されている。他方の巻線３２の一端はカソード点ＰKに電気的に接続され、他端は正電圧端子３８に電気的に接続されている。
【００９８】
二個の巻線３１、３２は同極性にされており、二個の巻線３１、３２の両方に補助電源２６に向かう電流が流れる場合、又は、二個の巻線３１、３２の両方に保護回路１４に向かう電流が流れる場合は、二個の巻線３１，３２がインダクタンス素子として機能し、電流が流れにくくなる。アノード点ＰAとカソード点ＰKには、高周波増幅回路１２が出力する同じ極性及び大きさの電圧が印加されるとすると、その電圧は、コモンチョークコイル２９によって減衰又は遮断され、補助電源２６の正電圧端子３８と負電圧端子３９の間に印加されにくいようになっている。
【００９９】
次に、第二例の電源装置６０を説明する。
第二例の電源装置６０にも、コモンチョークコイル７９が設けられており、コモンチョークコイル７９内で磁気結合された二個の巻線８１、８２のうち、一方の巻線８１の一端は、アノード点ＰAAに電気的に接続され、他端は接地電位に電気的に接続されている。
【０１００】
他方の巻線８２の一端は、カソード点ＰKKに電気的に接続され、他端は直流電源６１と出力インダクタンス回路７１とが接続された部分に電気的に接続されている。
【０１０１】
参照キャパシタンス素子６８のアノード点ＰAAは、接地電位に直流接続され、カソード点ＰKKは直流電源６１に直流接続されているから、参照キャパシタンス素子６８は、直流電源６１が出力する直流電圧によって充電される。
【０１０２】
アノード点ＰAAとカソード点ＰKKには、高周波増幅回路６２が出力する同じ極性及び大きさの電圧が印加されるているものとすると、その電圧は、コモンチョークコイル７９によって減衰又は遮断され、直流電源６１には印加されにくいようになっている。
【０１０３】
以上説明したように、参照キャパシタンス素子６８の充電電圧を参照電圧とすると、第一、第二例の電源装置１０、６０の参照キャパシタンス素子１８、６８は参照電圧に充電されているが、第一の接続点Ｐ1、Ｐ11と第二の接続点Ｐ2、Ｐ12の間に、参照電圧よりも大きく、第一のダイオード素子Ｄ01、Ｄ11と、第二のダイオード素子Ｄ02、Ｄ12とを導通させる大きさの電圧、又は、第三のダイオード素子Ｄ03、Ｄ13と、第四のダイオード素子Ｄ04、Ｄ14とを導通させる大きさの電圧が印加されると、スイッチ回路１９、６９の内部は、第一のダイオード素子Ｄ01、Ｄ11と、参照キャパシタンス素子１８，６８と、第二のダイオード素子Ｄ02、Ｄ12とを通って電流が流れ、又は、第三のダイオード素子Ｄ3、Ｄ13と、参照キャパシタンス素子１８，６８と、第四のダイオード素子Ｄ04、Ｄ14とを通って電流が流れる。
【０１０４】
つまり、このスイッチ回路１９、６９は、第一、第二の接続点Ｐ1、Ｐ11、Ｐ2、Ｐ12の間に、参照電圧とダイオード素子の導通電圧の二個分を加算した大きさの電圧が印加されると導通する。
なお、補助電源２６が出力する電圧は、プラズマが定常状態にあるときはスイッチ回路が導通しないように適切な値に設定される。
【０１０５】
スイッチ回路１９、６９が非導通状態のときは、保護回路１４、６４のインピーダンスの絶対値は主リアクタンス回路１３、６３のインピーダンスの絶対値よりも大きく設定されているので、高周波増幅回路１２、６２から負荷２５、７５に向かう高周波の出力電流は、主リアクタンス回路１３、６３に流れる電流量の方が、副リアクタンス回路３０，８０に流れる電流量よりも大きくなっている。
【０１０６】
スイッチ回路１９、６９が非導通状態のときに保護回路１４，６４に流れる電流を非導通電流と呼び、スイッチ回路１９、６９が導通状態のときに保護回路１４、６４に流れる電流を導通電流と呼ぶものとすると、保護回路１４，６４に非導通電流が流れるときは、第一の接続点Ｐ1、Ｐ11の電圧が第二の接続点Ｐ2、Ｐ12の電圧に対して正電圧のときと、第二の接続点Ｐ2、Ｐ12の電圧が第一の接続点Ｐ1、Ｐ11の電圧に対して正電圧のときとがある。
【０１０７】
第一の接続点Ｐ1、Ｐ11の電圧が第二の接続点Ｐ2、Ｐ12の電圧に対して正電圧の場合に、非導通電流に対応してスイッチ回路１９，６９に流れる電流は、第一の接続点Ｐ1、Ｐ11からスイッチ回路１９，６９に流入し、第一のダイオード素子Ｄ01、Ｄ11の寄生容量ＣＤ01、ＣＤ11と、第四のダイオード素子Ｄ04、Ｄ14の寄生容量ＣＤ04、ＣＤ14と、参照キャパシタンス素子１８、６８と、第三のダイオード素子Ｄ03、Ｄ13の寄生容量とＣＤ03、ＣＤ13、第二のダイオード素子Ｄ02、Ｄ12の寄生容量ＣＤ02、ＣＤ12を通って第二の接続点Ｐ2、Ｐ12からスイッチ回路１９、６９の外部に流出する。
【０１０８】
逆に、第二の接続点Ｐ2、Ｐ12が第一の接続点Ｐ1に対して正電圧の場合に、非導通電流に対応してスイッチ回路１９，６９に流れる電流は、第二の接続点Ｐ2，Ｐ12からスイッチ回路１９，６９に流入し、第三のダイオード素子Ｄ03、Ｄ13の寄生容量ＣＤ03、ＣＤ13と、第二のダイオード素子Ｄ02、Ｄ12の寄生容量ＣＤ02、ＣＤ12と、参照キャパシタンス素子１８、６８と、第一のダイオード素子Ｄ01、Ｄ11の寄生容量ＣＤ01、ＣＤ11と、第四のダイオード素子Ｄ04、Ｄ14の寄生容量ＣＤ04、ＣＤ14を通って第一の接続点Ｐ1、Ｐ11から外部に流出する。
【０１０９】
即ち、スイッチ回路１９、６９が非導通状態のときの保護回路１４、６４のインピーダンスは、副リアクタンス回路３０、８０と、第一のダイオード素子Ｄ01、Ｄ11の寄生容量ＣＤ01、ＣＤ11と、第四のダイオード素子Ｄ04、Ｄ14の寄生容量ＣＤ04、ＣＤ14と、参照キャパシタンス素子１８、６８と、第三のダイオード素子Ｄ03、Ｄ13の寄生容量とＣＤ03、ＣＤ13、第二のダイオード素子Ｄ02、Ｄ12の寄生容量ＣＤ02、ＣＤ12により形成される回路の合成インピーダンスの値となる。
【０１１０】
なお、スイッチ回路１９、６９が非導通状態のときの保護回路１４、６４のインピーダンスの絶対値は、主リアクタンス回路１３、６３のインピーダンスの絶対値よりも大きくなるように設定されており、保護回路１４、６４と、主リアクタンス回路１３、６３とは並列接続されているので、主リアクタンス回路１３、６３を流れる電流の方が、保護回路１４、６４を流れる電流よりも多くなる。
【０１１１】
スイッチ回路１９、６９が非導通状態のときに、第一の接続点Ｐ１、Ｐ１１と第二の接続点Ｐ２、Ｐ１２との間に、参照電圧よりも、ダイオード素子の順方向電圧の二個分大きい電圧が印加された場合には、その電圧が導通電圧となり、スイッチ回路１９、６９が導通して導通電流が流れる。
【０１１２】
ここで、導通電圧が第一の接続点Ｐ1、Ｐ11が第二の接続点Ｐ2、Ｐ12に対して正電圧の場合は、第一の接続点Ｐ1、Ｐ11から流出する電流は、第一のダイオード素子Ｄ01、Ｄ11と、参照キャパシタンス素子１８、６８と、第二のダイオード素子Ｄ02、Ｄ12と、を通って流れ、第二の接続点Ｐ2、Ｐ12に流入する。
【０１１３】
逆に、第二の接続点Ｐ2、Ｐ12が第一の接続点Ｐ1、Ｐ11に対して正電圧の場合は、第二の接続点Ｐ2，Ｐ12から流出する電流は、第三のダイオード素子Ｄ03、Ｄ13と、参照キャパシタンス素子１８、６８と、第四のダイオード素子Ｄ04、Ｄ14と、を通って第一の接続点Ｐ1、Ｐ11に流入する。
【０１１４】
即ち、スイッチ回路１９、６９が導通状態のときの保護回路１４、６４のインピーダンスは、副リアクタンス回路３０、８０と、第一のダイオード素子Ｄ01、Ｄ11と、参照キャパシタンス素子１８、６８と、第二のダイオード素子Ｄ02、Ｄ12とで形成される回路の合成インピーダンス、又は副リアクタンス回路３０、８０と、第三のダイオード素子Ｄ03、Ｄ13と、参照キャパシタンス素子１８、６８と、第四のダイオード素子Ｄ04、Ｄ14とで形成される回路の合成インピーダンスとなる。
【０１１５】
従って高周波増幅回路１２、６２と負荷２５、７５との間では、保護回路１４、６４と主リアクタンス回路１３、６３とが並列接続された回路のインピーダンス値に従って電流が流れるから、スイッチ回路１９、６９が導通状態のときは、非導通状態のときとは異なるインピーダンス値で高周波増幅回路１２、６２と負荷２５、７５とが接続されることになる。
【０１１６】
第一、第二例の電源回路１０、６０に於いて、副リアクタンス回路３０、８０のリアクタンス値は、保護回路１４、６４と主リアクタンス回路１３、６３とが並列接続された回路のインピーダンスの絶対値が、非導通時の主リアクタンス回路１３、６３のインピーダンスの絶対値よりも、大きくなるように設定されており、高周波増幅回路１２、６２は、スイッチ回路１９、６９が非導通状態のときの方が導通状態のときよりも大きなインピーダンスの絶対値で負荷２５、７５に電気的に接続されるので、そのとき、高周波増幅回路１２、６２が出力し、又は、高周波増幅回路１２，６２に流入する電流が制限され、半導体スイッチ２２、７２は保護される。
【０１１７】
なお、主リアクタンス回路１３、６３のリアクタンス値と、副リアクタンス回路３０、８０のリアクタンス値と、導通状態のスイッチ回路１９、６９のリアクタンス値との総和がゼロに近くなるように設定すると、スイッチ回路１９、６９が導通状態にあるときには、保護回路１４、６４と主リアクタンス回路１３、６３の並列回路のインピーダンスの絶対値を、総和がゼロに近くないときよりも大きくすることができる。
【０１１８】
図３、４の電源装置１０、６０では、主リアクタンス回路１３、６３にはインダクタンス素子を用いて誘導性リアクタンスにし、副リアクタンス回路３０、８０にはキャパシタンス素子を用いて容量性リアクタンスにしたが、図５、６の電源装置４１、９１のように、主リアクタンス回路１３、６３にはキャパシタンス素子を用いて容量性リアクタンスにし、副リアクタンス回路３０、８０にはインダクタンス素子を用いて誘導性リアクタンスにしてもよい。
【０１１９】
次に、図７、図８の電源装置４２、９２では、スイッチ回路１９、６９は、参照キャパシタンス素子１８、６８と、参照キャパシタンス素子１８、６８に直列接続された第五のダイオード素子Ｄ21、Ｄ31と、参照キャパシタンス素子１８、６８と第五のダイオード素子Ｄ21、Ｄ31とが直列接続された回路に並列接続された第六のダイオード素子Ｄ22、Ｄ32とを有している。
【０１２０】
このスイッチ回路１９、６９は、誘導性リアクタンスを有する第一の副リアクタンス素子２８1、７８1と、誘導性リアクタンスを有する第二の副リアクタンス素子２８2，７８2とが直列接続されている。参照キャパシタンス素子１８、６８は、補助電源２６又は直流電源６１によって、両端の電位差が所定の参照電圧になるように、充電されている。
【０１２１】
ここでは、高周波増幅回路１２、６２側の端子が、負荷２５、７５側の端子よりも高くなるように充電されており、参照キャパシタンス素子１８、６８に直列接続された第五のダイオード素子Ｄ21、Ｄ31は、カソード端子が負荷２５、７５側に向けられ、アノード端子が高周波増幅回路１２、６２に向けられている。
【０１２２】
スイッチ回路１９、６９が非導通状態のときは、スイッチ回路１９、６９の両端には、参照電圧以上の大きさの電圧は印加されず、スイッチ回路１６、６９は導通しない。
【０１２３】
負荷２５、７５のインピーダンスが急変することで、主リアクタンス回路１３、６３に流れる電流、及び電圧が増大すると、同じように、スイッチ回路１９、６９の第一の接続点Ｐ1、Ｐ11と第二の接続点Ｐ2、Ｐ12との間の電圧が増大する。ここで、参照電圧に第五のダイオード素子Ｄ21、Ｄ31の順方向導通電圧を加えた電圧以上大きくなると、第五のダイオード素子Ｄ21、Ｄ31は順バイアスされ、参照キャパシタンス素子１８、６８と第五のダイオード素子Ｄ21、Ｄ31とが導通し、保護回路１４、６４に導通電流が流れる。
【０１２４】
このとき、高周波増幅回路１２、６２は、主リアクタンス回路１３、６３と保護回路１４、６４とが並列接続された回路のインピーダンスによって負荷２５，７５に接続される。
【０１２５】
主リアクタンス回路１３、６３と保護回路１４、６４とが並列接続された回路のインピーダンスの絶対値は、スイッチ回路１６、６９非導通状態のインピーダンスの絶対値よりも、スイッチ回路１６、６９導通状態のインピーダンスの絶対値の方が大きくなるように設定されており、高周波増幅回路１２、６２から出力される電流が制限され、半導体スイッチ２２、７２が保護される。
【０１２６】
図７、図８の電源装置４２、９２は、主リアクタンス回路１３、６３にはインダクタンス素子が用いられ、副リアクタンス回路３０、８０には副リアクタンス素子２８1、２８2、７８1、７８2が用いられ、主リアクタンス回路１３，６３が誘導性リアクタンス、副リアクタンス回路３０，８０が容量性リアクタンスにされていたが、図９、図１０の電源装置４３、９３のように、主リアクタンス回路１３、６３にキャパシタンス素子を用い、副リアクタンス回路３０、８０の副リアクタンス素子２８、７８にインダクタンス素子を用い、主リアクタンス回路１３、６３を容量性リアクタンス、副リアクタンス回路３０、８０に誘導性リアクタンスを用いてもよい。
【０１２７】
また、高周波増幅回路１２、６２と負荷２５、７５に電流を供給する出力端子１６、６６との間に副一次巻線を電気的に接続させ、副一次巻線と磁気結合した副二次巻線に、保護回路１４、６４を設けても良い。
【符号の説明】
【０１２８】
１０、４１〜４５、６０、９１〜９５……電源装置
１１，６１……直流電源
１２，６２……高周波増幅回路
１３，６３……主リアクタンス回路
１４，６４……保護回路
１６，６６……出力端子
１８、６８……参照キャパシタンス素子
１９，６９……スイッチ回路
２１，７１……出力インダクタンス回路
２５，７５……負荷
３０、８０……副リアクタンス回路
Ｄ01〜Ｄ04、Ｄ11〜Ｄ14、Ｄ21，Ｄ31……ダイオード素子
ＣＤ01〜ＣＤ04又はＣＤ11〜ＣＤ14、ＣＤ21、ＣＤ31……ダイオード素子の寄生容量
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年12月14日(2017.12.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、直流電圧を出力する直流電源と、前記直流電源に接続された半導体スイッチが導通と遮断を繰り返して高周波の電流を生成する高周波増幅回路と、前記高周波の電流を負荷に供給する高周波出力回路と、所定のリアクタンス値を有し、他回路への電気的な接続極を二極有し、前記接続極の片方を前記高周波増幅回路に、前記接続極の他方の極を前記高周波出力回路に直列接続される主リアクタンス回路と、を有する電源装置であって、前記主リアクタンス回路の二極に対して並列接続された保護回路を有し、前記保護回路には、所定の参照電圧を供給する直流電圧源と、前記参照電圧に関係づけられる閾値電圧よりも大きい導通電圧が印加されると導通するスイッチ回路と、所定のリアクタンス値を有する副リアクタンス回路と、が設けられ、前記スイッチ回路が導通したときの前記保護回路と前記主リアクタンス回路の並列接続回路のインピーダンスの絶対値は、前記スイッチ回路が非導通のときの前記保護回路と前記主リアクタンス回路の並列接続回路のインピーダンスの絶対値よりも大きくなるようにされた電源装置であって、前記スイッチ回路が導通すると、前記高周波増幅回路から前記負荷側を見たインピーダンスの絶対値は、前記保護回路が非導通のときよりも大きくなり、前記高周波の電流が制限されるように動作し、前記スイッチ回路は、前記参照電圧に充電される参照キャパシタンス素子と、前記参照キャパシタンス素子の充電電圧で逆バイアスされるダイオード素子と、を有し、前記ダイオード素子が順バイアスされる電圧が前記スイッチ回路に印加され、前記ダイオード素子が導通すると、前記スイッチ回路が導通する電源装置である。
また、本発明は、誘導性のリアクタンスと容量性のリアクタンスのうち、前記主リアクタンス回路のリアクタンス値はいずれか一方に設定され、前記副リアクタンス回路は他方に設定された電源装置である。
また、本発明は、補助電源が設けられ、前記参照キャパシタンス素子は、前記補助電源で充電される電源装置である。
また、本発明は、前記参照キャパシタンス素子は前記直流電源で充電される電源装置である。
なお、上記キャパシタンス素子には、複数のコンデンサで形成された容量性回路も含まれる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧を出力する直流電源と、
前記直流電源に接続された半導体スイッチが導通と遮断を繰り返して高周波の電流を生成する高周波増幅回路と、
前記高周波の電流を負荷に供給する高周波出力回路と、
所定のリアクタンス値を有し、他回路への電気的な接続極を二極有し、前記接続極の片方を前記高周波増幅回路に、前記接続極の他方の極を前記高周波出力回路に直列接続される主リアクタンス回路と、
を有する電源装置であって、
前記主リアクタンス回路の二極に対して並列接続された保護回路を有し、前記保護回路には、
所定の参照電圧を供給する直流電圧源と、
前記参照電圧に関係づけられる閾値電圧よりも大きい導通電圧が印加されると導通するスイッチ回路と、
所定のリアクタンス値を有する副リアクタンス回路と、
が設けられ、
前記スイッチ回路が導通したときの前記保護回路と前記主リアクタンス回路の並列接続回路のインピーダンスの絶対値は、前記スイッチ回路が非導通のときの前記保護回路と前記主リアクタンス回路の並列接続回路のインピーダンスの絶対値よりも大きくなるようにされた電源装置であって、
前記スイッチ回路が導通すると、前記高周波増幅回路から前記負荷側を見たインピーダンスの絶対値は、前記保護回路が非導通のときよりも大きくなり、前記高周波の電流が制限されるように動作し、
前記スイッチ回路は、
前記参照電圧に充電される参照キャパシタンス素子と、
前記参照キャパシタンス素子の充電電圧で逆バイアスされるダイオード素子と、を有し、
前記ダイオード素子が順バイアスされる電圧が前記スイッチ回路に印加され、前記ダイオード素子が導通すると、前記スイッチ回路が導通する電源装置。
【請求項２】
誘導性のリアクタンスと容量性のリアクタンスのうち、前記主リアクタンス回路のリアクタンス値はいずれか一方に設定され、前記副リアクタンス回路は他方に設定された請求項１記載の電源装置。
【請求項３】
補助電源が設けられ、
前記参照キャパシタンス素子は、前記補助電源で充電される請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の電源装置。
【請求項４】
前記参照キャパシタンス素子は前記直流電源で充電される請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の電源装置。
【国際調査報告】
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