(57)【要約】【課題】基準相のレグと制御相のレグとを有するブリッジ型スイッチング回路を備えたＤＣ／ＲＦ変換部によりＤＣ電源部の出力を高周波電力に変換する高周波電源装置において、スイッチング回路で生じるスイッチング損失の低減を図り、装置の効率を向上させる。【解決手段】ＤＣ電源部５の出力電圧を分圧するコンデンサ分圧回路１０Ａ及びこのコンデンサ分圧回路の分圧点とスイッチング回路６Ａの制御相のレグの中点との間に補助回路用スイッチ１０Ｃを通して補助リアクトル１０Ｂを接続した共振補助回路１０と、制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電をデッドタイムの期間に完了させるべく補助回路用スイッチ１０Ｃのオンオフを制御する補助回路用スイッチ制御部１１とを設けた。【選択図】    図１０
2018057223.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の直流出力を発生するＤＣ電源部と、ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチを互いに直列に接続して両スイッチの接続点を中点としたレグを二つ備えて該二つのレグの一方及び他方をそれぞれ基準相のレグ及び制御相のレグとして両レグを前記ＤＣ電源部の出力端子間に並列に接続した構成を有するフルブリッジ型のスイッチング回路を備えたＤＣ／ＲＦ変換部と、前記スイッチング回路の各レグを構成するハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチ双方への駆動信号の供給を休止する期間であるデッドタイムを設けながら、負荷に供給する高周波電力を前記ＤＣ／ＲＦ変換部から出力させるべく、前記基準相のレグのハイサイドスイッチをオン状態にした後制御相のレグのローサイドスイッチをオン状態にする動作と、基準相のレグのローサイドスイッチをオン状態にした後制御相のレグのハイサイドスイッチをオン状態にする動作とを交互に行わせるように前記スイッチング回路を構成するスイッチを制御する制御部とを有する高周波電力発生部と、前記高周波電力発生部と負荷との間に挿入されたインピーダンス整合器とを備え、
各レグの各スイッチの出力静電容量と前記ＤＣ／ＲＦ変換部内に存在するインダクタとを通して部分共振電流を流して各レグのスイッチの出力静電容量の充放電を行わせる充放電回路が各スイッチに対して構成されている高周波電源装置において、
前記ＤＣ電源部の出力電圧が両端に印加されたコンデンサ分圧回路と、前記コンデンサ分圧回路の分圧点と前記スイッチング回路の制御相のレグの中点との間に補助回路用スイッチを通して接続された補助リアクトルとを備えて、前記制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に重畳する補充電流を前記ＤＣ電源部から前記コンデンサ分圧回路と前記補助リアクトルと前記補助回路用スイッチとを通して出力する共振補助回路と、
前記補充電流の重畳を行わなくても前記制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を前記デッドタイムの期間に完了させることができるときに前記補助回路用スイッチをオフ状態に保持し、前記補充電流の重畳を行わなくては前記制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を前記デッドタイムの期間に完了させることができないときに前記補助回路用スイッチをオン状態にするように前記補助回路用スイッチのオンオフを制御する補助回路用スイッチ制御部とを具備したことを特徴とする高周波電源装置。
【請求項２】
前記補助回路用スイッチ制御部は、前記ＤＣ／ＲＦ変換部内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより前記制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を通して部分共振電流を流すだけでは前記制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を前記デッドタイムの期間に完了させることができない状態にあるときに前記補助回路用スイッチをオン状態にし、前記ＤＣ／ＲＦ変換部内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより前記制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を通して部分共振電流を流すだけで前記制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を前記デッドタイムの期間に完了させることができる状態にあるときに前記補助回路用スイッチをオフ状態にする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】
前記補助回路用スイッチ制御部は、前記インピーダンス整合器によるインピーダンスの整合がとれているか否かを判定する整合状態判定手段と、前記整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていないと判定されたときに前記補助回路用スイッチをオン状態にし、前記整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていると判定されたときに前記補助回路用スイッチをオフ状態にするように前記補助回路用スイッチを制御するスイッチ制御手段とを備え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４】
前記補助回路用スイッチ制御部は、前記高周波電力発生部から負荷に供給される電流を検出する負荷電流検出手段と、前記負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が設定値未満であるときに前記補助回路用スイッチをオン状態にし、前記負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が設定値以上であるときに前記補助回路用スイッチをオフ状態にするように前記補助回路用スイッチを制御するスイッチ制御手段とを備え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５】
前記補助回路用スイッチ制御部は、前記スイッチング回路の基準相のレグの中点と制御相のレグの中点との間の回路を流れる電流を検出する回路電流検出手段と、前記回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が設定値未満であるときに前記補助回路用スイッチをオン状態にし、前記回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が設定値以上であるときに前記補助回路用スイッチをオフ状態にするように前記補助回路用スイッチを制御するスイッチ制御手段とを備え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６】
前記補助回路用スイッチ制御部は、前記インピーダンス整合器によるインピーダンスの整合がとれているか否かを判定する整合状態判定手段と、前記高周波電力発生部から負荷に供給される電流を検出する負荷電流検出手段と、前記整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていると判定され、かつ前記負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第１の設定値以上であるとき、及び前記整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていないと判定されているが、前記負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第２の設定値以上であるときに前記補助回路用スイッチをオフ状態にし、前記整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていると判定されているが、前記負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が前記第１の設定値未満であるとき、及び前記整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていないと判定され、かつ前記負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が前記第２の設定値未満であるときに前記補助回路用スイッチをオン状態にするように前記補助回路用スイッチを制御するスイッチ制御手段とを備え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７】
前記補助回路用スイッチ制御部は、前記インピーダンス整合器によるインピーダンスの整合がとれているか否かを判定する整合状態判定手段と、前記スイッチング回路の基準相のレグの中点と制御相のレグの中点との間の回路を流れる電流を検出する回路電流検出手段と、前記整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていると判定され、かつ前記回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第１の設定値以上であるとき、及び前記整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていないと判定されているが、前記回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第２の設定値以上であるときに前記補助回路用スイッチをオフ状態にし、前記整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていると判定されているが、前記回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が前記第１の設定値未満であるとき、及び前記整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていないと判定され、かつ前記回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が前記第２の設定値未満であるときに前記補助回路用スイッチをオン状態にするように前記補助回路用スイッチを制御するスイッチ制御手段とを備え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８】
前記スイッチング回路の基準相のレグの中点と制御相のレグの中点との間の回路を流れる電流が反映されたパラメータを検出するパラメータ検出手段を更に備え、
前記補助回路用スイッチ制御部は、前記パラメータ検出手段により検出されるパラメータと前記補助回路用スイッチがとるべき状態との関係を与える補助回路用スイッチ制御用テーブルを記憶した制御用テーブル記憶手段と、前記パラメータ検出手段により検出されるパラメータに対して前記制御用テーブルを検索することにより前記補助回路用スイッチがとるべき状態がオン状態であるかオフ状態であるかを判定して、前記補助回路用スイッチを判定された状態とするように制御するスイッチ制御手段とを備えていること、
を特徴とする請求項１に記載の高周波電源装置。
【請求項９】
前記スイッチング回路の基準相のレグの中点及び制御相のレグの中点から負荷側を見たインピーダンスの状態を判定する負荷状態判定手段を更に備え、
前記補助回路用スイッチ制御部のスイッチ制御手段は、前記負荷状態判定手段により前記スイッチング回路の基準相のレグの中点及び制御相のレグの中点から負荷側を見たインピーダンスが容量性であると判定されているときに前記補助回路用スイッチをオン状態に保つように構成されていることを特徴とする請求項３ないし８の何れか一つに記載された高周波電源装置。
【請求項１０】
一定の直流出力を発生するＤＣ電源部と、ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチを互いに直列に接続して両スイッチの接続点を中点としたレグを二つ備えて該二つのレグの一方及び他方をそれぞれ基準相のレグ及び制御相のレグとして両レグを前記ＤＣ電源部の出力端子間に並列に接続した構成を有するフルブリッジ型のスイッチング回路を備えたＤＣ／ＲＦ変換部と、前記スイッチング回路の各レグを構成するハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチ双方への駆動信号の供給を休止する期間であるデッドタイムを設けながら、負荷に供給する高周波電力を前記ＤＣ／ＲＦ変換部から出力させるべく、前記基準相のレグのハイサイドスイッチをオン状態にした後制御相のレグのローサイドスイッチをオン状態にする動作と、基準相のレグのローサイドスイッチをオン状態にした後制御相のレグのハイサイドスイッチをオン状態にする動作とを交互に行わせるように前記スイッチング回路を構成するスイッチを制御する制御部とを有する高周波電力発生部と、前記高周波電力発生部と負荷との間に挿入されたインピーダンス整合器とを備え、
各レグの各スイッチの出力静電容量と前記ＤＣ／ＲＦ変換部内に存在するインダクタとを通して部分共振電流を流して各レグのスイッチの出力静電容量の充放電を行わせる充放電回路が各スイッチに対して構成されている高周波電源装置において、
前記ＤＣ電源部の出力電圧が両端に印加されたコンデンサ分圧回路と、前記コンデンサ分圧回路の分圧点と前記スイッチング回路の制御相のレグの中点との間に第１の補助回路用スイッチを通して接続された第１の補助リアクトルと、前記コンデンサ分圧回路の分圧点と前記スイッチング回路の基準相のレグの中点との間に第２の補助回路用スイッチを通して接続された第２の補助リアクトルとを備えて、前記制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に重畳する補充電流を前記ＤＣ電源部から前記コンデンサ分圧回路と前記第１の補助リアクトルと前記第１の補助回路用スイッチとを通して出力し、前記基準相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に重畳する補充電流を前記ＤＣ電源部からコンデンサ分圧回路と第２の補助リアクトルと第２の補助回路用スイッチとを通して出力する共振補助回路と、
前記制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に補充電流を重畳しなくても制御相のレグを構成するスイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができるときに前記第１の補助回路用スイッチをオフ状態にし、前記制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に補充電流を重畳しないと制御相のレグを構成するスイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができないときに前記第１の補助回路用スイッチをオン状態にするように前記第１の補助回路用スイッチのオンオフを制御し、前記基準相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に補充電流を重畳しなくても基準相のレグを構成する各スイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができるときに前記第２の補助回路用スイッチをオフ状態にし、前記基準相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に補充電流を重畳しないと基準相のレグを構成する各スイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができないときに前記第２の補助回路用スイッチをオン状態にするように第２の補助回路用スイッチのオンオフを制御する補助回路用スイッチ制御部と、
を具備したことを特徴とする高周波電源装置。
【請求項１１】
一定の直流出力を発生するＤＣ電源部と、ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチを互いに直列に接続して両スイッチの接続点を中点としたレグを二つ備えて該二つのレグの一方及び他方をそれぞれ基準相のレグ及び制御相のレグとして両レグを前記ＤＣ電源部の出力端子間に並列に接続した構成を有するフルブリッジ型のスイッチング回路を備えたＤＣ／ＲＦ変換部と、前記スイッチング回路の各レグを構成するハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチ双方への駆動信号の供給を休止する期間であるデッドタイムを設けながら、負荷に供給する高周波電力を前記ＤＣ／ＲＦ変換部から出力させるべく、前記基準相のレグのハイサイドスイッチをオン状態にした後制御相のレグのローサイドスイッチをオン状態にする動作と、基準相のレグのローサイドスイッチをオン状態にした後制御相のレグのハイサイドスイッチをオン状態にする動作とを交互に行わせるように前記スイッチング回路を構成するスイッチを制御する制御部とを有する高周波電力発生部と、前記高周波電力発生部と負荷との間に挿入されたインピーダンス整合器とを備え、
各レグのスイッチの出力静電容量と前記ＤＣ／ＲＦ変換部内に存在するインダクタとを通して部分共振電流を流して各レグのスイッチの出力静電容量の充放電を行わせる充放電回路が各スイッチに対して構成されている高周波電源装置において、
前記ＤＣ電源部の出力電圧が両端に印加された第１のコンデンサ分圧回路及び前記第１のコンデンサ分圧回路の分圧点と前記スイッチング回路の制御相のレグの中点との間に第１の補助回路用スイッチを通して接続された第１の補助リアクトルと、前記ＤＣ電源部の出力電圧が両端に印加された第２のコンデンサ分圧回路及び前記第２のコンデンサ分圧回路の分圧点と前記スイッチング回路の基準相のレグの中点との間に第２の補助回路用スイッチを通して接続された第２の補助リアクトルとを備えて、前記制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に重畳する補充電流を前記ＤＣ電源部から前記第１のコンデンサ分圧回路と前記第１の補助リアクトルと前記第１の補助回路用スイッチとを通して出力し、前記基準相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に重畳する補充電流を前記ＤＣ電源部から前記第２のコンデンサ分圧回路と第２の補助リアクトルと第２の補助回路用スイッチとを通して出力する共振補助回路と、
前記制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に補充電流を重畳しなくても制御相のレグを構成する各スイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができるときに前記第１の補助回路用スイッチをオフ状態にし、前記制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に補充電流を重畳しないと制御相のレグを構成する各スイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができないときに前記第１の補助回路用スイッチをオン状態にするように前記第１の補助回路用スイッチのオンオフを制御し、前記基準相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に補充電流を重畳しなくても基準相のレグを構成する各スイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができるときに前記第２の補助回路用スイッチをオフ状態にし、前記基準相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に補充電流を重畳しないと基準相のレグを構成する各スイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができないときに前記第２の補助回路用スイッチをオン状態にするように第２の補助回路用スイッチのオンオフを制御する補助回路用スイッチ制御部と、
を具備したことを特徴とする高周波電源装置。
【請求項１２】
前記補助回路用スイッチ制御部は、前記制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を通して前記ＤＣ／ＲＦ変換部内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより部分共振電流を流すだけでは前記制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を前記デッドタイムの期間に完了させることができない状態にあるときに前記第１の補助回路用スイッチをオン状態にし、前記制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を通して前記ＤＣ／ＲＦ変換部内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより部分共振電流を流すだけで前記制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を前記デッドタイムの期間に完了させることができる状態にあるときに前記第１の補助回路用スイッチをオフ状態にし、前記基準相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を通して前記ＤＣ／ＲＦ変換部内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより部分共振電流を流すだけでは前記基準相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を前記デッドタイムの期間に完了させることができない状態にあるときに前記第２の補助回路用スイッチをオン状態にし、前記基準相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を通して前記ＤＣ／ＲＦ変換部内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより部分共振電流を流すだけで前記基準相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を前記デッドタイムの期間に完了させることができる状態にあるときに前記第２の補助回路用スイッチをオフ状態にするように構成されていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の高周波電源装置。
【請求項１３】
前記補助回路用スイッチ制御部は、前記インピーダンス整合器によるインピーダンスの整合がとれているか否かを判定する整合状態判定手段と、前記整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていないと判定されたときに前記第１及び第２の補助回路用スイッチをオン状態にし、前記整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていると判定されたときに前記第１及び第２の補助回路用スイッチをオフ状態にするように前記第１及び第２の補助回路用スイッチを制御するスイッチ制御手段とを備えていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の高周波電源装置。
【請求項１４】
前記補助回路用スイッチ制御部は、前記高周波電力発生部から負荷に供給される電流を検出する負荷電流検出手段と、前記負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が設定値未満であるときに前記第１及び第２の補助回路用スイッチをオン状態にし、前記負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が設定値以上であるときに前記第１及び第２の補助回路用スイッチをオフ状態にするように前記第１及び第２の補助回路用スイッチを制御するスイッチ制御手段とを備えていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の高周波電源装置。
【請求項１５】
前記補助回路用スイッチ制御部は、前記スイッチング回路の基準相のレグの中点と制御相のレグの中点との間の回路を流れる電流を検出する回路電流検出手段と、前記回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が設定値未満であるときに前記第１の補助回路用スイッチ及び第２の補助回路用スイッチをオン状態にし、前記回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が設定値以上であるときに前記第１の補助回路用スイッチ及び第２の補助回路用スイッチをオフ状態にするように前記第１の補助回路用スイッチ及び第２の補助回路用スイッチを制御するスイッチ制御手段とを備えていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の高周波電源装置。
【請求項１６】
前記補助回路用スイッチ制御部は、前記インピーダンス整合器によるインピーダンスの整合がとれているか否かを判定する整合状態判定手段と、前記高周波電力発生部から負荷に供給される電流を検出する負荷電流検出手段と、前記整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていると判定され、かつ前記負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第１の設定値以上であるとき、及び前記整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていないと判定されているが、前記負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第２の設定値以上であるときに前記第１の補助回路用スイッチ及び第２の補助回路用スイッチをオフ状態にし、前記整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていると判定されているが、前記負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が前記第１の設定値未満であるとき、及び前記整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていないと判定され、かつ前記負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が前記第２の設定値未満であるときに前記第１の補助回路用スイッチ及び第２の補助回路用スイッチをオン状態にするように前記第１及び第２の補助回路用スイッチを制御するスイッチ制御手段とを備えていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の高周波電源装置。
【請求項１７】
前記補助回路用スイッチ制御部は、前記インピーダンス整合器によるインピーダンスの整合がとれているか否かを判定する整合状態判定手段と、前記スイッチング回路の基準相のレグの中点と制御相のレグの中点との間の回路を流れる電流を検出する回路電流検出手段と、前記整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていると判定され、かつ前記回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第１の設定値以上であるとき、及び前記整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていないと判定されているが、前記回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第２の設定値以上であるときに前記第１の補助回路用スイッチ及び第２の補助回路用スイッチをオフ状態にし、前記整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていると判定されているが、前記回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が前記第１の設定値未満であるとき、及び前記整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていないと判定され、かつ前記回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が前記第２の設定値未満であるときに前記第１の補助回路用スイッチ及び第２の補助回路用スイッチをオン状態にするように前記補助回路用スイッチを制御するスイッチ制御手段とを備えていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の高周波電源装置。
【請求項１８】
前記スイッチング回路の基準相のレグの中点と制御相のレグの中点との間の回路を流れる電流が反映されたパラメータを検出するパラメータ検出手段を更に備え、
前記補助回路用スイッチ制御部は、前記パラメータ検出手段により検出されるパラメータと前記第１の補助回路用スイッチ及び第２の補助回路用スイッチがとるべき状態との関係を与える補助回路用スイッチ制御用テーブルを記憶した制御用テーブル記憶手段と、前記パラメータ検出手段により検出されるパラメータに対して前記制御用テーブルを検索することにより前記第１の補助回路用スイッチ及び第２の補助回路用スイッチがとるべき状態がオン状態であるかオフ状態であるかを判定して、前記第１の補助回路用スイッチ及び第２の補助回路用スイッチを判定された状態とするように制御するスイッチ制御手段とを備えていること、
を特徴とする請求項１０又は１１に記載の高周波電源装置。
【請求項１９】
前記スイッチング回路の基準相のレグの中点及び制御相のレグの中点から負荷側を見たインピーダンスの状態を判定する負荷状態判定手段を更に備え、
前記補助回路用スイッチ制御部のスイッチ制御手段は、前記負荷状態判定手段により前記スイッチング回路の基準相のレグの中点及び制御相のレグの中点から負荷側を見たインピーダンスが容量性であると判定されたときに前記補助回路用スイッチをオン状態に保つように構成されていることを特徴とする請求項１３ないし１８の何れか一つに記載された高周波電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ負荷など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】
プラズマ負荷などに高周波電力を供給する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、直流出力を調整する機能を有する可変ＤＣ電源部と、この可変ＤＣ電源部から出力される直流出力をスイッチ素子のオンオフ動作により高周波交流出力に変換するＤＣ／ＲＦ変換部（直流／高周波交流変換部）とを備えて、可変ＤＣ電源部を制御することにより、ＤＣ／ＲＦ変換部から設定値に保たれた高周波電力を出力するようにしたものが用いられている。
【０００３】
図１６は、従来のこの種の高周波電源装置１′を負荷２とともに示したものである。図１６に示された高周波電源装置１′は、負荷２に供給する高周波電力を発生する高周波電力発生部３′と、高周波電力発生部３′の出力インピーダンスと高周波電力発生部３′の出力端から負荷側を見たインピーダンスである負荷インピーダンスとを整合させるインピーダンス整合器４とを備えている。
【０００４】
高周波電力発生部３′は、出力制御信号Ｓdcに応じて、出力する直流電力の大きさを調整する機能を有する可変ＤＣ電源部（可変直流電源部）５′と、可変ＤＣ電源部５′から出力される直流電力を高周波電力に変換するＤＣ／ＲＦ変換部（直流／高周波変換部）６と、ＤＣ／ＲＦ変換部６の出力から高調波成分を除去するローパスフィルタ（ＬＰＦ）７と、ローパスフィルタ７の出力側で負荷２に供給される進行波電力と負荷２で反射して戻ってくる反射波電力とをそれぞれ検出して進行波電力検出信号Ｐｆと反射波電力検出信号Ｐｒとを出力するパワー検出部８と、可変ＤＣ電源部５′及びＤＣ／ＲＦ変換部６を制御する制御部９′とを備えている。
【０００５】
可変ＤＣ電源部５′は、例えば、商用電源の出力を整流して直流出力に変換するＡＣ−ＤＣ変換部と、このＡＣ−ＤＣ変換部の出力を、大きさが調整された直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣ変換部とにより構成される。制御部９′は、負荷に与える高周波電力の目標値と、パワー検出部８により検出されている進行波電力との偏差を零にするようにＤＣ−ＤＣ変換部の出力を制御することにより、負荷に与えられる高周波出力を目標値に一致させるように制御する。
【０００６】
インピーダンス整合器４は、負荷２のインピーダンスの如何に関わりなく、高周波電力発生部３′の出力端から負荷側を見たインピーダンス（負荷インピーダンス）を、高周波電力発生部３′の出力インピーダンスに一致させる（整合させる）ように調節する働きをする機器である。インピーダンス整合器４により、高周波電力発生部３′の出力インピーダンスと負荷インピーダンスとが整合状態に調整されているときに、高周波電力発生部３′が発生する高周波電力（進行波電力）が負荷２に効率よく吸収される。
【０００７】
図１６に示された高周波電源装置１′においては、負荷に与える高周波電力を制御するために、電源部として、ＡＣ−ＤＣ変換部とＤＣ−ＤＣ変換部とにより構成される複雑な構成を有する可変ＤＣ電源部５′を用いる必要があるため、コストが高くなるのを避けられない。
【０００８】
そこで、特許文献２に示されているように、一定の直流出力を発生するＤＣ電源部と、このＤＣ電源部の出力を高周波電力に変換するＤＣ−ＲＦ変換部とにより高周波電力発生部を構成して、ＤＣ−ＲＦ変換部に出力を調整する機能を持たせることにより、負荷に供給する高周波電力を制御する構成をとることが考えられる。
【０００９】
図１７は、このような構成を有する高周波電力発生部の構成を示したものである。図１７において、５は一定の直流電圧Ｖdcを出力するＤＣ電源部、６はＤＣ電源部５の出力を高周波出力に変換するＤＣ／ＲＦ変換部である。
【００１０】
図１７に示した例では、ハイサイドスイッチＱ１とローサイドスイッチＱ２との直列回路からなる基準相のレグと、ハイサイドスイッチＱ３とローサイドスイッチＱ４との直列回路からなる制御相のレグとが並列に接続されることにより、フルブリッジ型のスイッチング回路（インバータ回路）６Ａが構成されている。このスイッチング回路においては、基準相のレグのハイサイドスイッチＱ１と制御相のレグのハイサイドスイッチＱ３との接続点ａ及び基準相のレグのローサイドスイッチＱ２と制御相のレグのローサイドスイッチＱ４との接続点ｂがスイッチング回路６Ａの入力端子となっていて、これらの入力端子間にＤＣ電源部５の出力電圧Ｖdcが入力されている。またハイサイドスイッチＱ１とローサイドスイッチＱ２からなる基準相のレグの中点（スイッチＱ１とＱ２の接続点）ｃと、ハイサイドスイッチＱ３とローサイドスイッチＱ４とからなる制御相のレグの中点（スイッチＱ３とＱ４の接続点）ｄとがスイッチング回路６Ａの出力端子となっていて、これらの出力端子ｃ，ｄ間に、リアクトルＬｒとコンデンサＣｒとの直列回路からなる直列共振回路６Ｂを通してトランス６Ｃの一次巻線Ｗ１が接続されている。スイッチＱ１〜Ｑ４は、しきい値以上の駆動信号が与えられている間オン状態を保持し、駆動信号がしきい値未満になったときにオフ状態になる半導体スイッチにより構成される。以下の説明では、スイッチＱ１〜Ｑ４がＭＯＳＦＥＴにより構成されるものとする。
【００１１】
図１７において、Ｃ１ないしＣ４はそれぞれスイッチＱ１ないしＱ４の両端に並列に設けられた出力静電容量であり、Ｄ１ないしＤ４はそれぞれスイッチＱ１ないしＱ４の両端に逆並列接続された帰還ダイオードである。図１７に示したスイッチング回路においては，出力静電容量Ｃ１ないしＣ４及びダイオードＤ１ないしＤ４を利用してスイッチＱ１〜Ｑ４のソフトスイッチングを実現する。ＭＯＳＦＥＴのように寄生静電容量及び寄生ダイオードを内在する半導体スイッチング素子によりスイッチＱ１ないしＱ４を構成する場合には、当該寄生静電容量及び寄生ダイオードを上記出力静電容量Ｃ１〜Ｃ４及び帰還ダイオードＤ１〜Ｄ４として利用することができる。
【００１２】
トランス６Ｃの二次巻線Ｗ２の両端には、リアクトルＬｚとコンデンサＣｚとからなるローパスフィルタ７を通して負荷２が接続されている。実際にはローパスフィルタ７と負荷との間にパワー検出部やインピーダンス整合器が挿入されるが、図１７においてはこれらの図示が省略されている。
【００１３】
スイッチング回路６Ａの基準相のレグのハイサイドスイッチＱ１を構成するＭＯＳＦＥＴのゲート・ソース間及びローサイドスイッチＱ２を構成するＭＯＳＦＥＴのゲート・ソース間にはそれぞれ、図示しない制御部に設けられたスイッチ駆動部から所定レベル以上の駆動信号Ｓ１及びＳ２が交互に与えられる。駆動信号Ｓ１及びＳ２は、理想的には、図１８（Ａ）に模式的に示したような矩形波状の信号であって、これらの駆動信号Ｓ１及びＳ２のレベルがしきい値以上になっている期間ハイサイドスイッチＱ１及びローサイドスイッチＱ２をそれぞれ構成するＭＯＳＦＥＴがオン状態になり、駆動信号Ｓ１及びＳ２のレベルがしきい値未満になったとき（駆動信号Ｓ１及びＳ２が消滅したとき）にハイサイドスイッチＱ１及びローサイドスイッチＱ２をそれぞれ構成するＭＯＳＦＥＴがオフ状態になる。
【００１４】
同様に、スイッチング回路６Ａの制御相のレグのハイサイドスイッチＱ３及びローサイドスイッチＱ４を構成するＭＯＳＦＥＴのゲート・ソース間にはそれぞれ図１８（Ｂ）に模式的に示した矩形波状の駆動信号Ｓ３及びＳ４が与えられる。駆動信号Ｓ３及びＳ４のレベルがしきい値以上になっている期間ハイサイドスイッチＱ３及びローサイドスイッチＱ４をそれぞれ構成するＭＯＳＦＥＴがオン状態になり、駆動信号Ｓ３及びＳ４のレベルがしきい値未満になったときにハイサイドスイッチＱ３及びローサイドスイッチＱ４をそれぞれ構成するＭＯＳＦＥＴがオフ状態になる。
【００１５】
ＭＯＳＦＥＴは、導通状態にあるときにそのドレイン・ソース間を流れる通電電流の自乗と、ドレイン・ソース間のオン抵抗（オン時の抵抗）との積により決まる導通損失を生じる。ＭＯＳＦＥＴをスイッチング素子として用いる場合には、その導通損失を極力減らすために、ＭＯＳＦＥＴを導通時に飽和領域で動作させる必要がある。したがって、スイッチング回路６ＡのスイッチＱ１〜Ｑ４を構成するＭＯＳＦＥＴに与える駆動信号Ｓ１〜Ｓ４の波高値は、ＭＯＳＦＥＴを飽和状態にするのに必要な値以上に設定される。
【００１６】
図１７に示したスイッチング回路６Ａにおいては、ハイサイドスイッチＱ１とローサイドスイッチＱ２との直列回路からなる基準相のレグ及びハイサイドスイッチＱ３とローサイドスイッチＱ４との直列回路からなる制御相のレグがＤＣ電源部５の出力端子間に並列に接続されているため、各レグを構成するスイッチが同時にオン状態になる期間が生じると、ＤＣ電源部５の出力が短絡されて大電流が流れ、各スイッチを構成するＭＯＳＦＥＴが破損する。したがって、基準相のレグのハイサイドスイッＱ１に与えていた駆動信号Ｓ１を消滅させるタイミングとローサイドスイッチＱ２に駆動信号Ｓ２を与えるタイミングとの間及びローサイドスイッチＱ２に与えていた駆動信号Ｓ２を消滅させるタイミングとハイサイドスイッチＱ１に所定レベル以上の駆動信号を与えるタイミングとの間にデッドタイムｔｄを設けて、これらのデッドタイムの期間、両スイッチＱ１，Ｑ２への駆動信号Ｓ１，Ｓ２の供給を停止する必要がある。同様に、制御相のレグのハイサイドスイッＱ３に与えていた駆動信号Ｓ３を消滅させるタイミングとローサイドスイッチＱ４に駆動信号Ｓ４を与えるタイミングとの間及びローサイドスイッチＱ４に与えていた駆動信号Ｓ４を消滅させるタイミングとハイサイドスイッチＱ３に駆動信号を与えるタイミングとの間にデッドタイムｔｄを設ける必要がある。
【００１７】
図１７に示したＤＣ／ＲＦ変換部６においては、スイッチング回路６Ａの各レグを構成するハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチ双方への駆動信号の供給を休止する期間であるデッドタイムを設けながら、基準相のレグのハイサイドスイッチＱ１をオン状態にした後、制御相のレグのローサイドスイッチＱ４をオン状態にする動作と、基準相のレグのローサイドスイッチＱ２をオン状態にした後制御相のレグのハイサイドスイッチＱ３をオン状態にする動作とを交互に行わせるように、スイッチＱ１〜Ｑ４を制御することにより、ＤＣ／ＲＦ変換部６から高周波電力を出力させる。
【００１８】
図１７に示された高周波電源装置は、複雑な構造を有する可変ＤＣ電源部を用いずに、一定の直流出力を発生するＤＣ電源部５と、このＤＣ電源部の直流出力を高周波電力に変換するＤＣ／ＲＦ変換部６とにより構成されるため、装置の構成を簡単にすることができる。本発明においては、このような構成を有する高周波電源装置を対象とする。
【００１９】
図１７に示したＤＣ／ＲＦ変換部において、スイッチＱ１をターンオンした後、当該スイッチＱ１を再びターンオンさせるまでの一連の動作は下記の通りである。
(1) 基準相のレグのハイサイドスイッチＱ１をターンオンした後、制御相のレグのローサイドスイッチＱ４をターンオンする。
(2) 制御相のレグのローサイドスイッチＱ４がオンしている間に基準相のレグのハイサイドスイッチＱ１をターンオフし、次いでデッドタイムが経過した時に基準相のレグのローサイドスイッチＱ２をターンオンする。
(3) 基準相のレグのローサイドスイッチＱ２をターンオンした後制御相のレグのローサイドスイッチＱ４をターンオフし、次いでデッドタイムが経過した時に制御相のレグのハイサイドスイッチＱ３をターンオンする。
(4) 制御相のハイサイドスイッチＱ３がオン状態にある間に基準相のレグのローサイドスイッチＱ２をターンオフし、次いでデッドタイムが経過した時に基準相のレグのハイサイドスイッチＱ１をターンオンさせる。
【００２０】
図１７に示したＤＣ／ＲＦ変換部６においては、スイッチング回路の各レグの各スイッチの出力静電容量と、ＤＣ／ＲＦ変換部６内に存在するインダクタ(インダクタンスを有する回路要素）とを通して電流を流して各レグのスイッチの出力静電容量の充放電を行わせる充放電回路が各スイッチに対して構成されていて、上記の一連の動作を行わせる過程で、各レグの各スイッチに対して構成される充放電回路を通して各スイッチの出力静電容量の充放電を行わせて、各スイッチのソフトスイッチングを行わせる。各レグのスイッチに対して構成される充放電回路においては、各スイッチの出力静電容量とＤＣ／ＲＦ変換部６内に存在するインダクタとが直列に接続されることにより直列共振回路が構成されているため、各スイッチの出力静電容量の充放電を行う際に各スイッチに対して構成される充放電回路を通して流れる電流は、直流共振電流の一部をなす波形の電流（この電流を部分共振電流と呼ぶ。）である。これらの動作は公知であるが、本発明が解決しようとする課題の理解を容易にするために、以下にその動作の概要を説明しておく。
【００２１】
基準相のレグのハイサイドスイッチＱ１及び制御相のレグのローサイドスイッチＱ４にそれぞれ駆動信号Ｓ１及びＳ４が与えられると、これらのスイッチＱ１及びＱ４がオン状態になる。このときＤＣ／ＲＦ変換部６内に存在するインダクタに電流が流れるため、当該インダクタにエネルギが蓄積される。図１７に示した高周波電源装置において、ＤＣ／ＲＦ変換部６内に存在するインダクタは、直列共振回路６Ｂを構成しているインダクタＬｒとトランス６Ｃとである。
【００２２】
制御相のレグのローサイドスイッチＱ４に駆動信号Ｓ４を与えた後、基準相のレグのハイサイドスイッチＱ１に与えていた駆動信号Ｓ１を消滅させて、当該スイッチＱ１をターンオフする。スイッチＱ１のターンオフ過程の進行に伴って、ＤＣ／ＲＦ変換部６内に存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより、部分共振電流を流してスイッチＱ１の出力静電容量Ｃ１を充電し、スイッチＱ１の両端の電圧を直線的に上昇させる。これにより、スイッチＱ１の両端電圧の上昇を緩和して、スイッチＱ１をソフトスイッチングによりターンオフさせる。またスイッチＱ１の出力静電容量Ｃ１を充電することにより、スイッチＱ１の両端に逆並列接続されているダイオードＤ１を逆バイアスして、ダイオードＤ１を通して電流が流れないようにする。
【００２３】
基準相のレグのハイサイドスイッチＱ１の出力静電容量Ｃ１を充電する過程で、基準相のレグのローサイドスイッチＱ２の出力静電容量Ｃ２に蓄積されている電荷を、直列共振回路６Ｂと、トランス６Ｃの一次コイルＷ１と、オン状態にある制御相のレグのローサイドスイッチＱ４とにより構成される充放電回路を通して放電させて、部分共振電流を流す。これにより、次にターンオンさせる基準相のレグのローサイドスイッチＱ２の両端電圧をゼロにし、スイッチＱ２に逆並列接続されているダイオードＤ２の逆バイアスを解除する。
【００２４】
ダイオードＤ２の逆バイアスが解除されると、回路のインダクタンスに蓄積されているエネルギにより、オン状態にある制御相のレグのローサイドスイッチＱ４と基準相のレグのローサイドスイッチに逆並列接続されたダイオードＤ２と、直列共振回路６Ｂとトランス６Ｃの一次コイルＷ１とにより構成される充放電回路を通してダイオードＤ２に順方向電流が流れる。これにより、スイッチＱ２をターンオンさせる過程で、その両端の電圧をほぼゼロ（ダイオードＤ２の順方向電圧）に保つ。
【００２５】
上記のように、基準相のレグのローサイドスイッチＱ２をターンオンする際には、当該スイッチＱ２の出力静電容量Ｃ２を放電させるとともに、その両端に逆並列接続されているダイオードＤ２に順方向電流を流すことにより、スイッチＱ２の両端電圧をほぼゼロにした状態で、スイッチＱ２に駆動信号を与える。これにより、基準相のレグのローサイドスイッチＱ２をＺＶＳ（ゼロ電圧スイッチング）及びＺＣＳ（ゼロ電流スイッチング）でターンオンさせる。
【００２６】
基準相のレグのローサイドスイッチＱ２をターンオンさせた後、制御相のレグのローサイドスイッチＱ４に与えていた駆動信号を消滅させて、スイッチＱ４のターンオフ動作を開始させる。スイッチＱ４のターンオフ動作を開始させると、トランス６Ｃの一次電流によりダイオードＤ２及びスイッチＱ２とインダクタＬｓとを通してスイッチＱ４の出力静電容量Ｃ４が充電される。これによりスイッチＱ４の両端の電圧が直線的に上昇し、スイッチＱ４がソフトスイッチングによりターンオフする。トランス６Ｃの二次側では、二次コイルＷ２−インダクタＬｚ−負荷２及びキャパシタＣｚ−二次コイルＷ２の閉回路を流れる負荷電流が減少していく。制御相のレグのローサイドスイッチＱ４がターンオフする過程で、制御相のレグのハイサイドスイッチＱ３の出力静電容量Ｃ３が放電するため、スイッチＱ３の両端電圧が低下していく。
【００２７】
制御相のレグのハイサイドスイッチＱ３の出力静電容量Ｃ３の放電が完了すると、ダイオードＤ３の逆バイアスが解除されるため、インダクタＬｒとトランスの一次コイルＷ１とに蓄積されているエネルギにより、インダクタＬｒ−一次コイルＷ１−ダイオードＤ３−ＤＣ電源５−ダイオードＤ２及びスイッチＱ２−インダクタＬｒの経路でダイオードＤ３に順方向電流（部分共振電流）が流れる。この順方向電流は、トランス６Ｃの二次コイルを流れている負荷電流によりトランスの一次コイルに誘起する電流にトランスの励磁電流が重畳された電流（トランスの一次電流）である。ダイオードＤ３に順方向電流が流れることにより、スイッチＱ３の両端電圧がほほ零にされる。
【００２８】
制御相のレグのローサイドスイッチＱ４の充電及びハイサイドスイッチＱ３の出力静電容量Ｃ３の放電は、負荷電流が流れたときにインダクタＬｒとトランスの励磁インダクタンスとに蓄積されたエネルギのみにより共振モードで行われる。デッドタイムの期間に出力静電容量Ｃ４の充電及び出力静電容量Ｃ３の放電が完全に行われるか否かは、共振モードの開始時点でインダクタＬｒ及びトランスの一次コイルＷ１に蓄積されているエネルギにより決まる。インダクタＬｒ及びトランス６Ｃの励磁インダクタンスに蓄積されていたエネルギがスイッチＱ３の出力静電容量Ｃ３に蓄積されていたエネルギよりも大きい場合に、スイッチＱ４の出力静電容量の完全な充電及びスイッチＱ３の出力静電容量Ｃ３の完全な放電が可能になる。スイッチＱ３の出力静電容量Ｃ３の放電が完全に行われた場合にのみ、スイッチＱ３のＺＶＳ及びＺＶＣでのターンオンが可能になる。共振モードの開始時点でインダクタＬｒ及びトランスの一次コイルＷ１に蓄積されているエネルギは、その時点までの間にインダクタＬｒ及びトランスの一次コイルＷ１に流れていた電流により決まる。
【００２９】
スイッチＱ２及びＱ３がオン状態を保っている間トランスの一次電流が流れ、トランスの二次側でインダクタＬzと負荷２とを通して電流が流れて、負荷２に電力が供給される。この間にトランスの一次側のインダクタＬｒ，トランスの励磁インダクタンス及びフィルタ回路のインダクタＬz にエネルギが蓄積される。
【００３０】
ＤＣ／ＲＦ変換部６は、半周期毎に上記と同様の動作を行い、フルブリッジ型スイッチング回路（インバータ）６ＡによりＤＣ電源５の出力を高周波電力に変換して負荷２に与える。負荷２に与えられる電力は、基準相のレグのスイッチＱ１，Ｑ２をターンオンするタイミングと、基準相のレグの各スイッチの対角位置にある制御相のレグのスイッチＱ４，Ｑ３をターンオンするタイミングとの間の位相角φを制御位相角として、該制御位相角φを０°ないし１８０°の範囲で変化させることにより制御される。
【００３１】
本発明は、図１７に示されたような構成を有する高周波電源装置の効率を高めることを課題とする。図１７に示された高周波電源装置の効率を高めるためには、高周波電力発生部６で生じる損失を極力小さくする必要がある。高周波電力発生部６で生じる損失の内、スイッチング回路６Ａで生じる損失は、導通損失とスイッチング損失とに分けられる。スイッチＱ１，Ｑ２，Ｑ３及びＱ４で生じる導通損失は、前述のように、それぞれのスイッチを構成している半導体スイッチ（上記の例ではＭＯＳＦＥＴ）のオン抵抗と、当該スイッチを通して流れる電流の自乗との積により決まる損失である。
【００３２】
ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチのオン抵抗は、その制御端子に与える駆動信号の電圧値に依存し、駆動信号の電圧値を飽和電圧値以上とすることにより最小にすることができる。従って、スイッチＱ１〜Ｑ４で生じる導通損失は、それぞれを構成する半導体スイッチに与える駆動信号の電圧値を飽和電圧値以上として、半導体スイッチを飽和領域で動作させることにより低減することができる。
【００３３】
またスイッチＱ１〜Ｑ４を構成する半導体スイッチで生じるスイッチング損失は、当該半導体スイッチがターンオフする際及びターンオンする際に生じる損失であり、当該半導体スイッチがターンオフする際及びターンオンする際にその両端間に生じている電圧（ＭＯＳＦＥＴの場合はドレイン・ソース間の電圧）と当該スイッチを通して流れる電流（ＭＯＳＦＥＴの場合はドレインソース間を流れる電流）との積により決まる損失である。このスイッチング損失は、スイッチＱ１〜Ｑ４をそれぞれ構成する半導体スイッチがターンオフする際及びターンオンする際にそれぞれの出力静電容量（半導体スイッチの寄生静電容量又は半導体スイッチの両端に接続されたキャパシタの静電容量）Ｃ１〜Ｃ４にどれだけの電荷が溜まっているかによって決まる。
【００３４】
ＤＣ／ＲＦ変換部を構成するイッチング回路の各スイッチで生じるスイッチング損失を最小にするためには、ターンオフさせるスイッチの出力静電容量の充電と、次にターンオンさせるスイッチの出力静電容量の放電とをデッドタイムの期間に完全に行わせることが必要である。そのためには、デッドタイムの期間に、ターンオフさせるスイッチの出力静電容量の充電を行わせるための部分共振電流と、次にターンオンさせるスイッチの出力静電容量の放電を行わせるための部分共振電流とを十分に流すことが必要である。基準相のレグのハイサイドスイッチＱ１及びローサイドスイッチＱ２のそれぞれの出力静電容量Ｃ１及びＣ２の充放電を行わせる部分共振電流は負荷電流でもあるため、負荷に十分な電流が供給されているときには、デッドタイムの期間にこれらの出力静電容量Ｃ１，Ｃ２の充放電を完全に行わせることができ、ターンオンさせるスイッチＱ１，Ｑ２の出力静電容量に残留している電荷を零とした状態で、スイッチＱ１，Ｑ２に駆動信号を与えて、これらのスイッチをソフトスイッチングでターンオンさせることができる。
【００３５】
これに対し、制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電を行わせる部分共振電流は、負荷電流により回路に存在するインダクタに蓄積されたエネルギによって制御相のレグと基準相のレグとの間を流れる循環電流であるため、負荷電流が十分に流れていて、回路に存在するインダクタに十分なエネルギが蓄積されているときには十分な大きさを有するが、負荷電流が小さい場合には不足がちになるのを避けられない。そのため、基準相のレグの各スイッチをターンオンするタイミングと、基準相のレグの各スイッチの対角位置にある制御相のレグのスイッチをターンオンするタイミングとの間の位相角φが大きく、負荷電流が小さく制限されている時には、デッドタイムの期間に制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電を完全に行わせることができなくなり、これらのスイッチをデッドタイムの期間の終了時にターンオンさせる際のスイッチング動作がハードスイッチングとなって、これらのスイッチで大きなスイッチ損失が生じるという問題が生じる。
【００３６】
なお各スイッチの出力静電容量とＤＣ／ＲＦ変換部内に存在するインダクタとを含む回路に各スイッチの出力静電容量の充放電を行わせるための部分共振電流を流すことができるのは、スイッチング回路のレグの中点から(スイッチング回路の出力端子ｃ，ｄから）負荷側を見た回路のインピーダンスが誘導性を呈する場合のみであり、当該インピーダンスが容量性を呈する場合には、各スイッチの出力静電容量の充放電を行わせるための部分共振電流を流すことができない。そのため、スイッチング回路の出力端子ｃ，ｄから負荷側を見た回路のインピーダンスが容量性を呈する場合には、デッドタイムの期間にスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電を行わせることができず、スイッチＱ３，Ｑ４をターンオンさせる際にこれらのスイッチの出力静電容量に大量の電荷が残留していることになって、大きなスイッチング損失が生じる。従って、この種のＤＣ／ＲＦ変換部を用いる高周波電源装置においては、通常は、ＤＣ／ＲＦ変換部のスイッチング回路のレグの中点から負荷側を見たインピーダンスＺLが誘導性を呈するように回路が設計される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３７】
【特許文献１】特開２００３−１４３８６１号公報
【特許文献２】国際公開ＷＯ２０１１／０１３２９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３８】
一般に、高周波電源装置の高周波電力発生部と負荷との間に設けられるインピーダンス整合器は、インピーダンス可変素子である可変コンデンサ又は可変インダクタをモータで制御して、該インピーダンス整合器の入力端から負荷側を見たインピーダンスを調整することにより整合動作を行うように構成されているため、瞬時にインピーダンスの整合を図ることはできず、インピーダンスの整合には通常１００msecないし数secの時間を要する。インピーダンスの整合がとれるまでの間は負荷で反射が生じるため、負荷２からＤＣ／ＲＦ変換部６に戻ってくる反射波電力が多くなる。ＤＣ／ＲＦ変換部６に戻ってくる反射波電力が多くなると、ＤＣ／ＲＦ変換部６のスイッチング回路を構成するスイッチの出力静電容量の充放電を行わせるための部分共振電流を十分に流すことができなくなるため、各スイッチの出力静電容量の充放電を十分に行わせることができず、各スイッチをターンオンさせる際に大きなスイッチング損失が生じる。
【００３９】
特に、高周波電力を供給する負荷２がプラズマ負荷である場合には、負荷２のインピーダンスが不安定で、印加電力、チャンバ内のガスの圧力、チャンバ内に供給されるガスの流量、処理時間などの条件により負荷インピーダンスが細かく変化するため、インピーダンスの不整合状態が頻繁に生じる。
【００４０】
図１７に示したようなＤＣ／ＲＦ変換部６を備えた高周波電源装置においては、高周波電力発生部３の出力インピーダンスと、高周波電力発生部３の出力端から負荷側を見たインピーダンス（負荷インピーダンス）とが整合状態にあるときに、デッドタイムｔｄの期間にスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の出力静電容量Ｃ１，Ｃ２及びスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電を完全に行わせて、スイッチＱ１〜Ｑ４で生じるスイッチング損失を最小にするように、直列共振回路６Ｂ以降の回路定数が設定される。そのため、高周波電力発生部の出力インピーダンスと負荷インピーダンスとが不整合の状態にある場合には、デッドタイムｔｄの期間にスイッチＱ１，Ｑ２の出力静電容量Ｃ１，Ｃ２及びスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電を完全に行わせることができない状態が生じて、スイッチＱ１〜Ｑ４で生じるスイッチング損失が増加する。
【００４１】
また、高周波電力発生部３の出力インピーダンスと負荷インピーダンスとが整合状態にある場合でも、高周波電力発生部３の出力が低く抑えられていて、ＤＣ／ＲＦ変換部６を構成する回路内のインダクタに十分なエネルギが蓄積されない状態にある場合には、デッドタイムの期間に各スイッチの出力静電容量の充放電を完全に行わせることができなくなって、スイッチング損失が増大することがある。
【００４２】
上記のように、一定の直流出力を発生するＤＣ電源部と、ＤＣ電源部から一定の直流電圧が入力されるフルブリッジ型のスイッチング回路を有するＤＣ／ＲＦ変換部と、ＤＣ／ＲＦ変換部のスイッチング回路の各レグを構成するハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチ双方への駆動信号の供給を休止する期間であるデッドタイムを設けながら、負荷に供給する高周波電力をＤＣ／ＲＦ変換部から出力させるべく、スイッチング回路のスイッチを制御する制御部とを有する高周波電力発生部とを備えた従来の高周波電源装置においては、負荷インピーダンスの変動や、負荷電流の減少などに起因して、ＤＣ／ＲＦ変換部のスイッチング回路を構成する各スイッチで生じるスイッチング損失が増大し、装置の効率が低下することがあった。
【００４３】
特に制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電を行わせる際に流れる部分共振電流は、負荷電流が流れる際に回路内のインダクタに蓄積されたエネルギにより制御相のレグと基準相のレグとの間を流れる循環電流であって、負荷電流が小さい時に不足しがちになるため、これらのスイッチをデッドタイムの期間の終了時にターンオンさせる際のスイッチング動作がハードスイッチングとなる状態がしばしば生じて、これらのスイッチで大きなスイッチング損失が生じ、装置の効率が低下するという問題があった。
【００４４】
また前述のように、図１７に示した高周波電源装置は、負荷の状況によって、スイッチング回路のレグの中点から負荷側を見た回路のインピーダンスが容量性を示す状態になったときに、スイッチング回路の各レグのスイッチの出力静電容量の充放電を行わせるための部分共振電流を流すことができないが、そのような状態になった場合でも、各スイッチをターンオンさせる際のスイッチング損失を極力低減させるために、各スイッチの出力静電容量の充放電を少しでも行わせるようにしておくことが望ましい。
【００４５】
本発明の目的は、一定の直流出力を発生するＤＣ電源部と、該ＤＣ電源部の直流出力を高周波出力に変換するＤＣ／ＲＦ変換部とにより高周波電力発生部の要部が構成される高周波電源装置において、ＤＣ／ＲＦ変換部のスイッチング回路の各スイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に極力行わせることができるようにして、スイッチング回路の各スイッチで生じるスイッチング損失の低減を図り、装置の効率を従来よりも更に向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００４６】
本発明は、一定の直流出力を発生するＤＣ電源部と、ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチを互いに直列に接続して両スイッチの接続点を中点としたレグを二つ備えて該二つのレグの一方及び他方をそれぞれ基準相のレグ及び制御相のレグとして両レグを前記ＤＣ電源部の出力端子間に並列に接続した構成を有するフルブリッジ型のスイッチング回路を備えたＤＣ／ＲＦ変換部と、スイッチング回路の各レグを構成するハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチ双方への駆動信号の供給を休止する期間であるデッドタイムを設けながら、負荷に供給する高周波電力をＤＣ／ＲＦ変換部から出力させるべく、基準相のレグのハイサイドスイッチをオン状態にした後制御相のレグのローサイドスイッチをオン状態にする動作と、基準相のレグのローサイドスイッチをオン状態にした後制御相のレグのハイサイドスイッチをオン状態にする動作とを交互に行わせるようにスイッチング回路を構成するスイッチを制御する制御部とを有する高周波電力発生部と、高周波電力発生部と負荷との間に挿入されたインピーダンス整合器とを備えて、各レグの各スイッチの出力静電容量とＤＣ／ＲＦ変換部内に存在するインダクタとを通して部分共振電流を流して各レグのスイッチの出力静電容量の充放電を行わせる充放電回路が各スイッチに対して構成されている高周波電源装置を対象とする。
【００４７】
本願明細書には、上記のような構成を有する高周波電源装置において、前記の目的を達成するために、少なくとも以下に示す第１の発明ないし第１９の発明が開示される。
以下に示す第１の発明ないし第９の発明は、出力静電容量の充放電を行わせるための部分共振電流が特に不足しがちなスイッチング回路の制御相のレグの各スイッチのスイッチング動作がハードスイッチング動作となるのを抑制して、スイッチング損失の低減を図ることを目的としている。
また第１０の発明ないし第１９の発明は、制御相のレグのスイッチだけでなく、基準相のレグのスイッチのスイッチング動作がハードスイッチング動作となるのをも抑制して、スイッチング損失の更なる低減を図ることを目的としている。以下これらの課題を解決するために第１の発明ないし第１９の発明が備えている構成について、それぞれの作用と共に説明する。
【００４８】
＜第１の発明＞
第１の発明においては、上記の目的を達成するために、ＤＣ電源部の出力電圧が両端に印加されたコンデンサ分圧回路と、コンデンサ分圧回路の分圧点とスイッチング回路の制御相のレグの中点との間に補助回路用スイッチを通して接続された補助リアクトルとを備えて、制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に重畳する補充電流をＤＣ電源部からコンデンサ分圧回路と補助リアクトルと補助回路用スイッチとを通して出力する共振補助回路と、前記補充電流の重畳を行わなくても制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を前記デッドタイムの期間に完了させることができるときに前記補助回路用スイッチをオフ状態に保持し、前記補充電流の重畳を行わなくては制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を前記デッドタイムの期間に完了させることができないときに前記補助回路用スイッチをオン状態にするように前記補助回路用スイッチのオンオフを制御する補助回路用スイッチ制御部とを設けた。
【００４９】
上記補助リアクトルは、ＤＣ／ＲＦ変換部内に本来存在するインダクタ（インダクタンスを有する回路要素）に蓄積されたエネルギにより、制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を通して部分共振電流を流しただけでは、制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができない場合に、各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に補充電流を重畳するために設けられたものであり、ＤＣ／ＲＦ変換部内に本来存在するインダクタとは別個に設けられるものである。
【００５０】
上記第１の発明のように構成すると、ＤＣ／ＲＦ変換部内に存在するインダクタに蓄積されるエネルギが少ないために、当該エネルギにより流れる部分共振電流だけではデッドタイムの期間に制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を完了させることができない場合に、補助回路用スイッチをオン状態にすることにより、制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に、ＤＣ電源部側から補助リアクトルを通して流れる補充電流を重畳させることができるため、各スイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることが可能になる。従って、出力静電容量の充放電が不完全になりがちな（スイッチング損失が大きくなりがちな）制御相のレグの各スイッチで生じるスイッチング損失の低減を図って、装置の効率を高めることができる。
【００５１】
また本発明では、補助回路用スイッチを必要時にのみオン状態にし、不要時にはオフ状態にするため、共振補助回路で無用な導通損失が生じるのを防ぎつつ、スイッチング回路で生じるスイッチング損失の低減を効果的に図って、高周波電源装置の効率を高めることができる。
【００５２】
＜第２の発明＞
本願に開示された第２の発明は、上記第１の発明に適用されるものである。本発明においては、補助回路用スイッチ制御部が、制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を通してＤＣ／ＲＦ変換部内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより部分共振電流を流すだけでは制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができない状態にあるときに補助回路用スイッチをオン状態にし、制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を通してＤＣ／ＲＦ変換部内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより部分共振電流を流すだけで制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができる状態にあるときに補助回路用スイッチをオフ状態にするように構成される。
【００５３】
＜第３の発明＞
第３の発明は、第１の発明に適用されるもので、本発明においては、補助回路用スイッチ制御部が、インピーダンス整合器によるインピーダンスの整合がとれているか否かを判定する整合状態判定手段と、整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていないと判定されたときに補助回路用スイッチをオン状態にし、整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていると判定されたときに前記補助回路用スイッチをオフ状態にするように前記補助回路用スイッチを制御するスイッチ制御手段とを備えている。
【００５４】
本発明によると、インピーダンス整合器によるインピーダンスの整合がとれていない状態にあって、制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行わせるための部分共振電流が不足しがちなときに、補助回路用スイッチをオン状態にすることにより、共振補助回路をスイッチング回路のレグの中点に接続して、制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行わせるための部分共振電流に、ＤＣ電源部側からコンデンサ分圧回路と補助リアクトルとを通して補充電流を重畳することができるため、制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させて、各スイッチをソフトスイッチングでオンオフさせることができ、各スイッチで生じるスイッチング損失の低減を図ることができる。
【００５５】
＜第４の発明＞
第４の発明も第１の発明に適用される。本発明においては、補助回路用スイッチ制御部が、高周波電力発生部から負荷に供給される電流を検出する負荷電流検出手段と、負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が設定値未満であるときに補助回路用スイッチをオン状態にし、負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が設定値以上であるときに補助回路用スイッチをオフ状態にするように補助回路用スイッチを制御するスイッチ制御手段とを備えている。
【００５６】
上記のように構成すると、ＤＣ／ＲＦ変換部内に存在するインダクタに蓄積されているエネルギにより、制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができるか否かを適確に判定して、補助回路用スイッチのオンオフ制御を適確に行うことができる。
【００５７】
＜第５の発明＞
第５の発明も第１の発明に適用される。本発明においては、補助回路用スイッチ制御部が、スイッチング回路の基準相のレグの中点と制御相のレグの中点との間の回路を流れる回路電流を検出する回路電流検出手段と、回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が設定値未満であるときに補助回路用スイッチをオン状態にし、回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が設定値以上であるときに補助回路用スイッチをオフ状態にするように補助回路用スイッチを制御するスイッチ制御手段とを備えている。
【００５８】
上記のように、スイッチング回路の基準相のレグの中点と制御相のレグの中点との間の回路を流れる回路電流を検出すると、ＤＣ／ＲＦ変換部内に存在するインダクタを通して流れる電流を検出できるため、ＤＣ／ＲＦ変換部内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより、制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行わせる際に十分な部分共振電流を流すことができる状態にあるか否かを適確に判定して、補助回路用スイッチの制御を適確に行わせることができる。
【００５９】
＜第６の発明＞
第６の発明も第１の発明に適用される。本発明においては、補助回路用スイッチ制御部が、インピーダンス整合器によるインピーダンスの整合がとれているか否かを判定する整合状態判定手段と、高周波電力発生部から負荷に供給される電流を検出する負荷電流検出手段と、整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていると判定され、かつ負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第１の設定値以上であるとき、及び整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていないと判定されているが、負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第２の設定値以上であるときに補助回路用スイッチをオフ状態にし、整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていると判定されているが、負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第１の設定値未満であるとき、及び整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていないと判定され、かつ負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第２の設定値未満であるときに補助回路用スイッチをオン状態にするように補助回路用スイッチを制御するスイッチ制御手段とを備えている。
【００６０】
上記のように構成すると、インピーダンス整合器によるインピーダンスの整合がとれていない状態にあって、ＤＣ／ＲＦ変換部内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギが不足するために、制御相のレグの各スイッチの出力静電容量の充放電を行う部分共振電流が不足する場合だけでなく、インピーダンスが整合状態にあるが、高周波電力発生部の出力を制限する制御が行われているために、制御相のレグの各スイッチの出力静電容量の充放電を行う部分共振電流が不足する場合にも、ＤＣ電源部側からコンデンサ分圧回路と補助リアクトルとを通して出力される補充電流を、制御相の各スイッチの出力静電容量の充放電を行う際に流す部分共振電流に重畳させることにより、制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させて、制御相の各スイッチで生じるスイッチング損失の低減を図ることができる。
【００６１】
＜第７の発明＞
第７の発明も第１の発明に適用される。本発明においては、補助回路用スイッチ制御部が、インピーダンス整合器によるインピーダンスの整合がとれているか否かを判定する整合状態判定手段と、スイッチング回路の基準相のレグの中点と制御相のレグの中点との間の回路を流れる電流を検出する回路電流検出手段と、整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていると判定され、かつ回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第１の設定値以上であるとき、及び整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていないと判定されているが、回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第２の設定値以上であるときに補助回路用スイッチをオフ状態にし、整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていると判定されているが、回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第１の設定値未満であるとき、及び整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていないと判定され、かつ回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第２の設定値未満であるときに補助回路用スイッチをオン状態にするように補助回路用スイッチを制御するスイッチ制御手段とを備えている。
【００６２】
上記のように構成すると、インピーダンス整合器によるインピーダンスの整合状態と、各スイッチに対して構成された充放電回路を通して流れる電流の大小との双方に基づいて、補助回路用スイッチをオン状態にするかオフ状態にするかを決定して、補助回路用スイッチの制御を行うことができる。
【００６３】
＜第８の発明＞
第８の発明も第１の発明に適用される。本発明においては、第１の発明の構成要素に加えて、スイッチング回路の基準相のレグの中点と制御相のレグの中点との間の回路を流れる電流が反映されたパラメータを検出するパラメータ検出手段を更に備え、補助回路用スイッチ制御部は、パラメータ検出手段により検出されるパラメータと補助回路用スイッチがとるべき状態との関係を与える補助回路用スイッチ制御用テーブルを記憶した制御用テーブル記憶手段と、パラメータ検出手段により検出されるパラメータに対して制御用テーブルを検索することにより補助回路用スイッチがとるべき状態がオン状態であるかオフ状態であるかを判定して、補助回路用スイッチを判定された状態とするように制御するスイッチ制御手段とを備えている。
【００６４】
上記のように構成した場合も、制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行う際に流す部分共振電流が不足する場合に、その不足を補うように補助回路用スイッチのオンオフを制御することができるため、制御相のレグの各スイッチの出力静電容量の充放電を極力デッドタイムの期間に完了させて、制御相のレグの各スイッチで生じるスイッチング損失の低減を図ることができる。
【００６５】
＜第９の発明＞
第９の発明は、第１の発明ないし第８の発明の何れかに適用される。本発明においては、スイッチング回路の基準相のレグの中点及び制御相のレグの中点から負荷側を見たインピーダンスの状態を判定する負荷状態判定手段を更に備え、補助回路用スイッチ制御部のスイッチ制御手段は、前記負荷状態判定手段により前記スイッチング回路の基準相のレグの中点及び制御相のレグの中点から負荷側を見たインピーダンスが容量性であると判定されているときに前記補助回路用スイッチをオン状態に保つように構成される。
【００６６】
上記のように構成すると、ＤＣ／ＲＦ変換部のスイッチング回路の基準相のレグの中点及び制御相の中点から負荷側を見たインピーダンスが容量性を示す状態が生じた場合でも、制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を多少なりとも行わせることができるため、高周波電力発生部から負荷側を見たインピーダンスが容量性を示す状態になったときに生じるスイッチング損失を従来よりも低減させることができる。
【００６７】
＜第１０の発明＞
第１０の発明は、第１の発明が対象とする高周波電源装置と同様の構成を有する高周波電源装置を対象とする。
本発明においては、ＤＣ電源部の出力電圧が両端に印加されたコンデンサ分圧回路と、コンデンサ分圧回路の分圧点とスイッチング回路の制御相のレグの中点との間に第１の補助回路用スイッチを通して接続された第１の補助リアクトルと、コンデンサ分圧回路の分圧点とスイッチング回路の基準相のレグの中点との間に第２の補助回路用スイッチを通して接続された第２の補助リアクトルとを備えて、前記制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に重畳する補充電流を前記ＤＣ電源部から前記コンデンサ分圧回路と前記第１の補助リアクトルと前記第１の補助回路用スイッチとを通して出力し、前記基準相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に重畳する補充電流を前記ＤＣ電源部からコンデンサ分圧回路と第２の補助リアクトルと第２の補助回路用スイッチとを通して出力する共振補助回路と、前記制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に補充電流を重畳しなくても制御相のレグを構成する各スイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができるときに第１の補助回路用スイッチをオフ状態にし、前記制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に補充電流を重畳しないと制御相のレグを構成する各スイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができないときに第１の補助回路用スイッチをオン状態にするように前記第１の補助回路用スイッチのオンオフを制御し、前記基準相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に補充電流を重畳しなくても基準相のレグを構成する各スイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができるときに第２の補助回路用スイッチをオフ状態にし、前記基準相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に補充電流を重畳しないと基準相のレグを構成する各スイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができないときに第２の補助回路用スイッチをオン状態にするように第２の補助回路用スイッチのオンオフを制御する補助回路用スイッチ制御部とが設けられる。
【００６８】
上記のように構成すると、ＤＣ／ＲＦ変換部内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより流れる部分共振電流だけではデッドタイムの期間に制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を完了できない状態が生じている場合に、ＤＣ電源部側からコンデンサ分圧回路と第１の補助リアクトルとを通して流れる補充電流を制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行う際に流す部分共振電流に重畳して、制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができるだけでなく、負荷電流の減少などにより、デッドタイムの期間に基準相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を完了させることができない状態が生じたときに、ＤＣ電源部側からコンデンサ分圧回路と第２の補助リアクトルとを通して流れる補充電流を、基準相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行う際に流す部分共振電流に重畳して、基準相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができるため、制御相のレグのスイッチで生じるスイッチング損失の低減を図ることができるだけでなく、基準相のレグのスイッチで生じるスイッチング損失の低減をも図って、装置の効率のさらなる向上を図ることができる。
【００６９】
＜第１１の発明＞
第１１の発明も第１の発明が対象とする高周波電源装置と同様の構成を有する高周波電源装置を対象とする。
本発明においては、ＤＣ電源部の出力電圧が両端に印加された第１のコンデンサ分圧回路及び第１のコンデンサ分圧回路の分圧点とスイッチング回路の制御相のレグの中点との間に第１の補助回路用スイッチを通して接続された第１の補助リアクトルと、ＤＣ電源部の出力電圧が両端に印加された第２のコンデンサ分圧回路及び第２のコンデンサ分圧回路の分圧点とスイッチング回路の基準相のレグの中点との間に第２の補助回路用スイッチを通して接続された第２の補助リアクトルとを備えて、制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に重畳する補充電流をＤＣ電源部から第１のコンデンサ分圧回路と第１の補助リアクトルと第１の補助回路用スイッチとを通して出力し、基準相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に重畳する補充電流をＤＣ電源部から第２のコンデンサ分圧回路と第２の補助リアクトルと第２の補助回路用スイッチとを通して出力する共振補助回路と、制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に補充電流を重畳しなくても制御相のレグを構成する各スイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができるときに第１の補助回路用スイッチをオフ状態にし、制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に補充電流を重畳しないと制御相のレグを構成する各スイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができないときに第１の補助回路用スイッチをオン状態にするように第１の補助回路用スイッチのオンオフを制御し、基準相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に補充電流を重畳しなくても基準相のレグを構成する各スイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができるときに第２の補助回路用スイッチをオフ状態にし、基準相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に補充電流を重畳しないと基準相のレグを構成する各スイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができないときに第２の補助回路用スイッチをオン状態にするように第２の補助回路用スイッチのオンオフを制御する補助回路用スイッチ制御部とを設けた。
【００７０】
第１１の発明の構成は、ＤＣ電源部の出力電圧が印加される第１のコンデンサ分圧回路と第２の分圧回路とを設けて、ＤＣ電源部と第１のコンデンサ分圧回路とにより、制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行う部分共振電流に重畳する補充電流を出力する電流源を構成し、ＤＣ電源部と第２のコンデンサ分圧回路とにより、基準相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行う部分共振電流に重畳する補充電流を出力する電流源を構成する点を除き、第１０の発明の構成と同様であり、第１の補助回路用スイッチ及び第２の補助回路用スイッチの制御の仕方及び作用効果は第１０の発明と同様である。
【００７１】
＜第１２の発明＞
第１２の発明は、第１０の発明又は第１１の発明に適用される。本発明においては、補助回路用スイッチ制御部が、制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を通してＤＣ／ＲＦ変換部内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより部分共振電流を流すだけでは制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができない状態にあるときに第１の補助回路用スイッチをオン状態にし、制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を通してＤＣ／ＲＦ変換部内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより部分共振電流を流すだけで制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができる状態にあるときに第１の補助回路用スイッチをオフ状態にし、基準相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を通してＤＣ／ＲＦ変換部内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより部分共振電流を流すだけでは基準相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができない状態にあるときに第２の補助回路用スイッチをオン状態にし、基準相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を通してＤＣ／ＲＦ変換部内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより部分共振電流を流すだけで基準相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができる状態にあるときに第２の補助回路用スイッチをオフ状態にするように構成される。
【００７２】
上記のように構成すると、スイッチング回路の制御相のレグを構成する各スイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了できない状態が生じているときにＤＣ電源部から第１の補助リアクトルと第１の補助回路用スイッチとを通して制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行わせるための部分共振電流を補充することができ、スイッチング回路の基準相のレグを構成する各スイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了できない状態が生じているときにＤＣ電源部から第２の補助リアクトルと第２の補助回路用スイッチとを通して基準相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行わせるための部分共振電流を補充することができるため、制御相のレグのスイッチ及び基準相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を十分に行わせて、各スイッチで生じるスイッチング損失の低減を図ることができる。また制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行わせるための部分共振電流を十分に流すことができるとき及び基準相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行わせるための部分共振電流を十分に流すことができるときには、共振補助回路をスイッチング回路から切り離すことができるので、共振補助回路で生じる損失によりＤＣ／ＲＦ変換部で生じるトータルの損失が増大するのを防ぐことができる。
【００７３】
＜第１３の発明＞
第１３の発明も第１０の発明又は第１１の発明に適用される。本発明においては、補助回路用スイッチ制御部が、インピーダンス整合器によるインピーダンスの整合がとれているか否かを判定する整合状態判定手段と、整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていないと判定されたときに前記第１及び第２の補助回路用スイッチをオン状態にし、前記整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていると判定されたときに前記第１及び第２の補助回路用スイッチをオフ状態にするように前記第１及び第２の補助回路用スイッチを制御するスイッチ制御手段とを備えている。
【００７４】
上記のように構成しておくと、インピーダンス整合器によるインピーダンスの整合がとれていない状態にあって、制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行わせるための部分共振電流が不足しがちなときに、ＤＣ電源部から第１の補助リアクトルと第１の補助回路用スイッチとを通して、制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行わせるための部分共振電流を補充することができ、基準相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行わせるための部分共振電流が不足しがちなときに、ＤＣ電源部から第２の補助リアクトルと第２の補助回路用スイッチとを通して、基準相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行わせるための部分共振電流を補充することができるため、デッドタイムの期間に制御相のレグのスイッチ及び基準相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を十分に行わせて、各スイッチで生じるスイッチング損失の低減を図ることができる。またインピーダンス整合器によるインピーダンスの整合がとれている状態にあって、制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行わせるための部分共振電流を十分に流すことができるとき及び基準相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行わせるための部分共振電流を十分に流すことができるときには、共振補助回路をスイッチング回路から切り離すことができるので、共振補助回路で生じる損失によりＤＣ／ＲＦ変換部で生じるトータルの損失が増大するのを防ぐことができる。
【００７５】
＜第１４の発明＞
第１４の発明は、第１０の発明又は第１１の発明に適用される。本発明においては、補助回路用スイッチ制御部が、高周波電力発生部から負荷に供給される電流を検出する負荷電流検出手段と、負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が設定値未満であるときに前記第１及び第２の補助回路用スイッチをオン状態にし、負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が設定値以上であるときに前記第１及び第２の補助回路用スイッチをオフ状態にするように前記第１及び第２の補助回路用スイッチを制御するスイッチ制御手段とを備えている。
【００７６】
上記のように構成すると、制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行わせる際に十分な部分共振電流を流すことができる状態にあるか否かの判定、及び基準相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行わせる際に十分な部分共振電流を流すことができる状態にあるか否かの判定をより適確に行うことができ、第１及び第２の補助回路用スイッチの制御を適確に行わせることができる。
【００７７】
＜第１５の発明＞
第１５の発明も第１０の発明又は第１１の発明に適用されるもので、本発明においては、補助回路用スイッチ制御部が、スイッチング回路の基準相のレグの中点と制御相のレグの中点との間の回路を流れる電流を検出する回路電流検出手段と、回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が設定値未満であるときに第１の補助回路用スイッチ及び第２の補助回路用スイッチをオン状態にし、回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が設定値以上であるときに第１の補助回路用スイッチ及び第２の補助回路用スイッチをオフ状態にするように第１の補助回路用スイッチ及び第２の補助回路用スイッチを制御するスイッチ制御手段とを備えている。
【００７８】
上記のように構成すると、ＤＣ／ＲＦ変換部内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより、制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行わせる際に十分な部分共振電流を流すことができる状態にあるか否かの判定を適確に行って、補助回路用スイッチの制御を適確に行わせることができる。
【００７９】
＜第１６の発明＞
第１６の発明も、第１０の発明又は第１１の発明に適用されるもので、本発明においては、補助回路用スイッチ制御部が、インピーダンス整合器によるインピーダンスの整合がとれているか否かを判定する整合状態判定手段と、高周波電力発生部から負荷に供給される電流を検出する負荷電流検出手段と、整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていると判定され、かつ負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第１の設定値以上であるとき、及び整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていないと判定されているが、負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第２の設定値以上であるときに第１の補助回路用スイッチ及び第２の補助回路用スイッチをオフ状態にし、整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていると判定されているが、負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第１の設定値未満であるとき、及び整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていないと判定され、かつ負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第２の設定値未満であるときに第１の補助回路用スイッチ及び第２の補助回路用スイッチをオン状態にするように第１及び第２の補助回路用スイッチを制御するスイッチ制御手段とを備えている。
【００８０】
上記のように構成すると、インピーダンス整合器によるインピーダンスの整合がとれていないために高周波電力発生部から負荷に所定の進行波電力を供給できない状態にあって、ＤＣ／ＲＦ変換部内に存在するインダクタに蓄積されたエネルギが不足し、制御相のレグのスイッチの出力静電容量及び基準相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行う際に部分共振電流を十分に流すことができない場合だけでなく、インピーダンスが整合状態にあるが、高周波電力発生部の出力を制限する制御が行われているために、ＤＣ／ＲＦ変換部内に存在するインダクタに蓄積されたエネルギが不足して、制御相のレグのスイッチの出力静電容量及び基準相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行う際に流す部分共振電流が不足する場合にも、第１及び第２の補助回路用スイッチをオン状態にして、制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電及び基準相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させるべく、制御相のレグ及び基準相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行う部分共振電流に補充電流を重畳して、各スイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができ、制御相及び基準相の各スイッチで生じるスイッチング損失の低減を図ることができる。本発明によった場合には、インピーダンスが整合しているか否かを判定するだけで第１及び第２の補助回路用スイッチをオン状態にするか否かを決定する場合に比べて、よりきめの細かい制御を行わせることができる。
【００８１】
＜第１７の発明＞
第１７の発明も、第１０の発明又は第１１の発明に適用される。本発明においては、補助回路用スイッチ制御部が、インピーダンス整合器によるインピーダンスの整合がとれているか否かを判定する整合状態判定手段と、スイッチング回路の基準相のレグの中点と制御相のレグの中点との間の回路を流れる電流を検出する回路電流検出手段と、整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていると判定され、かつ回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第１の設定値以上であるとき、及び整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていないと判定されているが、回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第２の設定値以上であるときに前記第１の補助回路用スイッチ及び第２の補助回路用スイッチをオフ状態にし、前記整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていると判定されているが、前記回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が前記第１の設定値未満であるとき、及び前記整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていないと判定され、かつ前記回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が前記第２の設定値未満であるときに前記第１の補助回路用スイッチ及び第２の補助回路用スイッチをオン状態にするように前記補助回路用スイッチを制御するスイッチ制御手段とを備えている。
【００８２】
上記のように構成すると、インピーダンス整合器によるインピーダンスの整合状態と、各スイッチに対して構成された充放電回路を通して流れる電流の大小との双方に基づいて、第１及び第２の補助回路用スイッチをオン状態にするかオフ状態にするかが決められるので、第１及び第２の補助回路用スイッチの制御をよりきめ細かく行うことができ、第１及び第２の補助回路用スイッチがむやみに投入されて制御相のレグのスイッチ及び基準相のレグのスイッチで発生する導通損失が増大するのを防ぐことができる。
【００８３】
＜第１８の発明＞
第１８の発明も、第１０の発明又は第１１の発明に適用される。本発明においては、スイッチング回路の基準相のレグの中点と制御相のレグの中点との間の回路を流れる電流が反映されたパラメータを検出するパラメータ検出手段が更に設けられ、補助回路用スイッチ制御部は、パラメータ検出手段により検出されるパラメータと第１の補助回路用スイッチ及び第２の補助回路用スイッチがとるべき状態との関係を与える補助回路用スイッチ制御用テーブルを記憶した制御用テーブル記憶手段と、パラメータ検出手段により検出されるパラメータに対して制御用テーブルを検索することにより第１の補助回路用スイッチ及び第２の補助回路用スイッチがとるべき状態がオン状態であるかオフ状態であるかを判定して、第１の補助回路用スイッチ及び第２の補助回路用スイッチを判定された状態とするように制御するスイッチ制御手段とを備えている。
【００８４】
上記のように構成した場合も、第１及び第２の補助回路用スイッチのオンオフの制御を適確に行わせて、制御相のレグのスイッチ及び基準相のレグのスイッチで生じるスイッチング損失の低減をはかることができる。
【００８５】
＜第１９の発明＞
第１９の発明は、第１０の発明ないし第１８の発明の何れかに適用される。本発明においては、スイッチング回路の基準相のレグの中点及び制御相のレグの中点から負荷側を見たインピーダンスの状態を判定する負荷状態判定手段が更に設けられ、補助回路用スイッチ制御部のスイッチ制御手段が、負荷状態判定手段によりスイッチング回路の基準相のレグの中点及び制御相のレグの中点から負荷側を見たインピーダンスが容量性であると判定されているときに補助回路用スイッチをオン状態に保つように構成される。
【００８６】
上記のように構成すると、ＤＣ／ＲＦ変換部のスイッチング回路のレグの中点から負荷側を見たインピーダンスが容量性を示す状態が起った場合に、第１及び第２の補助回路用スイッチをオン状態にして、制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電及び基準相のレグの出力静電容量の充放電を多少なりとも行わせることができるため、高周波電力発生部から負荷側を見たインピーダンスが容量性を示す状態が起った場合に生じるスイッチング損失を従来よりも低減させることができる。
【発明の効果】
【００８７】
本発明によれば、一定の直流出力を発生するＤＣ電源部と、基準相のレグと制御相のレグとを有するフルブリッジ型のスイッチング回路を備えてＤＣ電源部から一定の直流電圧が入力されるＤＣ／ＲＦ変換部と、ＤＣ／ＲＦ変換部のスイッチング回路の各レグを構成するハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチ双方への駆動信号の供給を休止する期間であるデッドタイムを設けながら、負荷に供給する高周波電力をＤＣ／ＲＦ変換部から出力させるべく、スイッチング回路を構成するＤＣ／ＲＦ変換部のスイッチを制御する制御部とを有する高周波電力発生部とを備えた高周波電源装置において、ＤＣ電源部の出力電圧が両端に印加されたコンデンサ分圧回路と、このコンデンサ分圧回路の分圧点とスイッチング回路の制御相のレグの中点との間に補助回路用スイッチを通して接続された補助リアクトルとを備えた共振補助回路を設けて、制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行う部分共振電流に、ＤＣ電源部からコンデンサ分圧回路と補助リアクトルとを通して出力させた補充電流を重畳することができるようにしたので、制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を極力デッドタイムの期間に完了させて、制御相のレグのスイッチで生じるスイッチング損失の低減を図ることができ、負荷電流の減少時などに制御相のレグのスイッチのスイッチング損失が増大して装置の効率が低下するのを防ぐことができる。
【００８８】
また本発明によれば、スイッチング回路の制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行う部分共振電流が不足するおそれがないときには、補助回路用スイッチをオフ状態にして、共振補助回路で無用な導通損失が生じるのを防ぐことができるようにしたので、スイッチング回路で生じる損失の低減を効果的に図って、高周波電源装置の効率を高めることができる。
【００８９】
特に、本願に開示された第１０ないし第１８の発明によれば、ＤＣ／ＲＦ変換部のスイッチング回路の制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行う際に流れる部分共振電流が不足するときに該部分共振電流に補充電流を重畳することができるだけでなく、基準相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行う際に流れる部分共振電流が不足するときに該部分共振電流に補充電流を重畳することができるようにしたので、負荷電流の減少などに起因して基準相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行う際に流れる部分共振電流が不足する状態になったときに、スイッチング損失が増加して装置の効率が低下するのを防ぐことができる。
【００９０】
また第９の発明又は第１９の発明によれば、ＤＣ／ＲＦ変換部のスイッチング回路のレグの中点から負荷側を見たインピーダンスが容量性を示す状態が生じた場合に、制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を多少なりとも行わせることができるようにしたため、高周波電力発生部から負荷側を見たインピーダンスが容量性を示す状態が生じた場合に生じるスイッチング損失を従来よりも低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の一実施形態の構成を示したブロック図である。
【図２】本発明の他の実施形態の構成を示したブロック図である。
【図３】本発明の更に他の実施形態の構成を示したブロック図である
【図４】本発明の更に他の実施形態の構成を示したブロック図である
【図５】本発明の更に他の実施形態の構成を示したブロック図である
【図６】本発明の更に他の実施形態の構成を示したブロック図である
【図７】本発明の更に他の実施形態の構成を示したブロック図である
【図８】本発明の更に他の実施形態の構成を示したブロック図である
【図９】本発明の更に他の実施形態の構成を示したブロック図である
【図１０】本発明の各実施形態で用いることができるＤＣ電源部とＤＣ／ＲＦ変換部の構成例を示した回路図である。
【図１１】図１０に示した回路において制御相のレグの各スイッチに与えられる駆動信号の波形と補助リアクトルに流れる電流の波形とを模式的に示した波形図である。
【図１２】本発明の各実施形態で用いることができるＤＣ電源部とＤＣ／ＲＦ変換部の他の構成例を示した回路図である
【図１３】本発明の各実施形態で用いることができるＤＣ電源部とＤＣ／ＲＦ変換部の更に他の構成例を示した回路図である。
【図１４】（Ａ）ないし（Ｄ）は、本発明の各実施形態で用いることができる補助回路用スイッチの種々の構成例を示した回路図である。
【図１５】（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の各実施形態で用いることができる補助回路用スイッチの他の構成例を示した回路図である。
【図１６】可変ＤＣ電源部と該可変ＤＣ電源部の直流出力を高周波出力に変換するＤＣ／ＲＦ変換部とを備えた従来の高周波電源装置の構成を示したブロック図である。
【図１７】一定の直流電圧を出力するＤＣ電源部と、該ＤＣ電源部の直流出力を高周波出力に変換するＤＣ／ＲＦ変換部とを備えた従来の高周波電源装置の要部の構成例を示した回路図である。
【図１８】（Ａ）及び（Ｂ）は本発明が対象とする高周波電源装置のＤＣ／ＲＦ変換部を構成するスイッチング回路の基準相のレグのスイッチ及び制御相のレグのスイッチにそれぞれ与えられる駆動信号の波形を模式的に示した波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００９２】
以下に本発明の第１の実施形態ないし第１９の実施形態を開示する。これらの実施形態のうち、第１ないし第９の実施形態は、それぞれ前記第１の発明ないし第９の発明に対応するもので、出力静電容量の充放電を行わせるための部分共振電流が特に不足しがちなスイッチング回路の制御相のレグの各スイッチのスイッチング動作がハードスイッチング動作となるのを抑制して、スイッチング損失の低減を図ることを目的としている。
また第１０の実施形態ないし第１９の実施形態は、それぞれ前記第１０の発明ないし第１９の発明に対応するもので、制御相のレグのスイッチだけでなく、基準相のレグのスイッチのスイッチング動作がハードスイッチング動作となるのをも抑制して、スイッチング損失の更なる低減を図ることを目的としている。以下各実施形態について詳細に説明する。
【００９３】
＜第１の実施形態＞
図１を参照すると、本発明の第１の実施形態の構成がブロック図で示されている。またこの実施形態の要部の回路構成が図１０に示されている。図１に示した高周波電源装置１は、負荷２に供給する高周波電力を発生する高周波電力発生部３と、高周波電力発生部３の出力インピーダンスと高周波電力発生部３の出力端から負荷側を見たインピーダンスである負荷インピーダンスとの整合を図るインピーダンス整合器４と、一定の直流出力を発生するＤＣ電源部５とを備えている。以下、各部の構成を説明する。
【００９４】
本実施形態では、負荷２がプラズマ負荷であるとする。プラズマ負荷は、高周波電源装置１から与えられる高周波電力によりプラズマを発生する負荷で、半導体等の被処理物にプラズマを照射することによりエッチング等の処理を行うプラズマ処理装置等である。プラズマ負荷は通常チャンバ内にプラズマ発生用の電極を備えていて、該電極に高周波電力が与えられた際にプラズマを発生する。プラズマ負荷のインピーダンスは、電極間に与えられる電力の大きさ、チャンバ内のガスの圧力、チャンバ内に供給されるガスの流量、プラズマを発生させる時間などの種々の条件により細かく変化する。
【００９５】
インピーダンス整合器４は、インピーダンス可変素子である可変コンデンサ又は可変インダクタと、モータを駆動源としてインピーダンス可変素子を操作する操作機構と、高周波電力発生部から負荷側を見たインピーダンスを検出するための手段とを備えていて、負荷２で消費される高周波電力を最大にするために、高周波電源装置１の高周波電力発生部３の出力インピーダンスと、高周波電力発生部３から負荷側を見たインピーダンスとを整合させる（共役関係にする）ように調整する。一般に高周波電力発生部３の出力インピーダンスは５０Ωに設計されているため、インピーダンス整合器３は、高周波電力発生部３から負荷側を見たインピーダンスを５０Ωに等しくするように動作する。
【００９６】
ＤＣ電源部５は、一定の直流出力を発生する電源部で、商用の交流電力を直流電力に変換する整流器や、商用電源の出力で整流回路を通して充電されるバッテリなどにより構成される。
【００９７】
高周波電力発生部３は、ＤＣ電源部５の直流出力を高周波出力に変換するＤＣ／ＲＦ変換部６と、ＤＣ／ＲＦ変換部６の出力から高調波成分を除去するローパスフィルタ（ＬＰＦ）７と、ローパスフィルタ７の出力側で、負荷に供給される進行波電力と負荷から戻ってくる反射波電力とを検出するパワー検出部８と、ＤＣ／ＲＦ変換部６を制御する制御部９とを備えている。高周波電力発生部３がこれらの構成を備えていることは従来の高周波電源装置と同様であるが、本実施形態では、高周波電力発生部３に新たに共振補助回路１０と、補助回路用スイッチ制御部１１とが設けられている。以下、本実施形態で用いる高周波電力発生部３の各部の構成を詳細に説明する。
【００９８】
ＤＣ／ＲＦ変換部６は、ＤＣ電源部５の直流出力を高周波出力に変換するためのスイッチング動作を行うスイッチング回路６Ａと、スイッチング回路の一方の出力端子に一端が接続された直列共振回路６Ｂと、スイッチング回路６Ａの出力が直列共振回路６Ｂを通して一次コイルＷ１に入力されたトランス６Ｃとからなっている。スイッチング回路６Ａは、互いに直列に接続されたハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチを有して両スイッチの接続点を中点とした基準相のレグと、同じく互いに直列に接続されたハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチを有して両スイッチの接続点を中点とした制御相のレグとを備えて、両レグをＤＣ電源部５の出力端子間に並列に接続した構成を有するフルブリッジ型の回路からなっている。ＤＣ／ＲＦ変換部６は、ＤＣ電源部５の直流出力をスイッチング回路６Ｂのスイッチング動作により高周波出力に変換して、変換した高周波出力を直列共振回路６Ｂとトランス６Ｃとを通して出力する。
【００９９】
本実施形態で用いるスイッチング回路６Ａは、例えば図１０に示されているように構成される。図１０に示されたスイッチング回路６Ａは、ハイサイドスイッチＱ１と該ハイサイドスイッチに対して直列に接続されたローサイドスイッチＱ２とからなる基準相のレグと、ハイサイドスイッチＱ３と該ハイサイドスイッチに対して直列に接続されたローサイドスイッチＱ４とからなる制御相のレグとを備えて、両レグがＤＣ電源部５の出力端子間に並列に接続されたフルブリッジ型の構成を有している。
【０１００】
ハイサイドスイッチＱ１，Ｑ３及びローサイドスイッチＱ２，Ｑ４は、半導体スイッチにより構成される。スイッチＱ１〜Ｑ４をそれぞれ構成する半導体スイッチとしては、それぞれの制御端子間に所定レベル以上の駆動信号が与えられたときにターンオンして該駆動信号が与えられている間オン状態を保持し、駆動信号の供給が停止されたときにターンオフする特性を有するものを用いる。本実施形態では、各スイッチとしてＭＯＳＦＥＴが用いられている。
【０１０１】
図示のスイッチング回路６Ａにおいては、基準相のレグのハイサイドスイッチＱ１を構成するＭＯＳＦＥＴのドレインと、制御相のレグのハイサイドスイッチＱ３を構成するＭＯＳＦＥＴのドレインとの接続点ａと、基準相のレグのローサイドスイッチＱ２を構成するＭＯＳＦＥＴのソースと制御相のレグのローサイドスイッチＱ４を構成するＭＯＳＦＥＴのソースとの接続点ｂとがスイッチング回路６Ａの入力端子となっていて、これらの入力端子ａ，ｂ間にＤＣ電源部５の出力電圧Ｖdcが入力されている。
【０１０２】
また基準相のレグのハイサイドスイッチＱ１を構成するＭＯＳＦＥＴのソースと、基準相のレグのローサイドスイッチＱ２を構成するＭＯＳＦＥＴのドレインとの接続点(基準相のレグの中点）ｃと、制御相のレグのハイサイドスイッチＱ３を構成するＭＯＳＦＥＴのソースと制御相のレグのローサイドスイッチＱ４を構成するＭＯＳＦＥＴのドレインとの接続点(制御相のレグの中点）ｄとがスイッチング回路６Ａの出力端子となっていて、基準相のレグの中点となっている一方の出力端子ｃがインダクタＬｒとコンデンサＣｒとの直列回路からなる直列共振回路６Ｂの一端に接続されている。
【０１０３】
直列共振回路６Ｂの他端は、トランス６Ｃの１次コイルＷ１の一端に接続され、トランス６Ｃの１次コイルＷ１の他端は、制御相のレグの中点となっているスイッチング回路の他方の出力端子ｄに接続されている。トランス６Ｃの二次コイルＷ２の一端ｅ及び他端ｆがＤＣ／ＲＦ変換部６の出力端子となっていて、これらの出力端子ｅ，ｆから出力される高周波電力がローパスフィルタ７に入力されている。
【０１０４】
ローパスフィルタ７は、例えば図１０に示されているように、ＤＣ／ＲＦ変換部６の一方の出力端子ｅに一端が接続されたリアクトルＬｚと、リアクトルＬｚの他端とＤＣ／ＲＦ変換部６の他方の出力端子ｆとの間に接続されたキャパシタＣｚとからなっていて、ＤＣ／ＲＦ変換部６から出力される高周波電力から高調波成分を除去して得た所望の周波数の高周波電力を出力する。
【０１０５】
基準相のレグのハイサイドスイッチＱ１を構成するＭＯＳＦＥＴのゲート・ソース間（制御端子間）及び基準相のレグのローサイドスイッチＱ２を構成するＭＯＳＦＥＴのゲート・ソース間にはそれぞれ、図１に示された制御部９内に設けられたスイッチ駆動部から駆動信号Ｓ１及びＳ２が交互に与えられる。これらの駆動信号は、図１７に示した従来のＤＣ／ＲＦ変換部の基準相のレグのスイッチＱ１及びＱ２に与えられていた駆動信号Ｓ１及びＳ２と同様であり、それぞれの波形を模式的に示すと図１８（Ａ）の通りである。
【０１０６】
スイッチＱ１及びＱ２が同時にオン状態になって、ＤＣ電源部５の出力を短絡するのを防ぐため、スイッチＱ１及びＱ２の一方に与えていた駆動信号を消滅させるタイミングと他方に駆動信号を与えるタイミングとの間及びスイッチＱ１及びＱ２の他方に与えていた駆動信号を消滅させるタイミングと一方に駆動信号を与えるタイミングとの間にデッドタイムｔｄが設けられ、これらのデッドタイムの期間、スイッチＱ１，Ｑ２への駆動信号の供給が停止させられる。
【０１０７】
同様に、制御相のレグのハイサイドスイッチＱ３を構成するＭＯＳＦＥＴのゲート・ソース間（制御端子間）及び制御相のレグのローサイドスイッチＱ４を構成するＭＯＳＦＥＴのゲート・ソース間にそれぞれ、図１に示された制御部９内に設けられたスイッチ駆動部から、図１８（Ｂ）に示されているように駆動信号Ｓ３及びＳ４が交互に与えられる。制御相のレグのスイッチＱ３及びＱ４が同時にオン状態になってＤＣ電源部５の出力を短絡するのを防ぐため、スイッチＱ３及びＱ４の一方に与えていた駆動信号を消滅させるタイミングと他方に駆動信号を与えるタイミングとの間、及びスイッチＱ３及びＱ４の他方に与えていた駆動信号を消滅させるタイミングと一方に駆動信号を与えるタイミングとの間にデッドタイムｔｄが設けられ、これらのデッドタイムの期間、スイッチＱ３，Ｑ４への駆動信号の供給が停止させられる。
【０１０８】
なお図１０においては、スイッチＱ１〜Ｑ４の出力静電容量Ｃ１〜Ｃ４の図示と、各スイッチの両端に逆並列に設けられている帰還ダイオードＤ１〜Ｄ４の図示とが省略されている。
【０１０９】
図１に示されたパワー検出部８は、ローパスフィルタ７の出力側で、ＤＣ／ＲＦ変換部５からローパスフィルタ７を通して負荷に与えられる進行波電力と負荷で反射して戻ってくる反射波電力とを検出して、進行波電力及び反射波電力に関する情報を有する進行波電力検出信号Ｐｆ及び反射波電力検出信号Ｐｒを出力する。このようなパワー検出部の構成は周知であるのでその詳細な説明は省略する。
【０１１０】
ＤＣ／ＲＦ変換部６のスイッチング回路６Ａを制御するために制御部９が設けられている。制御部９は、パワー検出部８が出力する進行波電力検出信号Ｐｆ及び反射電力検出信号Ｐｒを入力として、スイッチング回路６Ａの基準相のレグのハイサイドスイッチＱ１及びローサイドスイッチＱ２にそれぞれ駆動信号Ｓ１及びＳ２を与えるとともに、制御相のレグのハイサイドスイッチＱ３及びローサイドスイッチＱ４にそれぞれ駆動信号Ｓ３及びＳ４を与えて、高周波電力発生部から所定の大きさの高周波電力を出力させるべく、スイッチング回路６Ａにスイッチング動作を行わせる。
【０１１１】
制御部９は、スイッチング回路６Ａに段落［００１９］に示した動作を繰り返し行わせるようにスイッチＱ１〜Ｑ４に駆動信号Ｓ１〜Ｓ４を与えることにより、ＤＣ電源部５の直流出力を高周波出力に変換する動作をＤＣ／ＲＦ変換部６に行わせる。ＤＣ／ＲＦ変換部６が出力する高周波電力は、ローパスフィルタ７により高調波成分が除去された後、パワー検出部８とインピーダンス整合器４とを通して負荷２に供給される。
【０１１２】
制御部９は、基準相のレグの各スイッチをターンオンするタイミングと、基準相のレグの各スイッチの対角位置にある制御相のレグの各スイッチをターンオンするタイミングとの間の位相角φ（図１８参照）を制御位相角として、パワー検出部８から出力される検出信号に応じて、該制御位相角φを０°ないし１８０°の範囲で変化させることにより、負荷２に供給される高周波電力の進行波成分を設定値に保つ出力制御と、パワー検出部８で検出された反射波成分が設定された規定値を超えたときに、該反射波成分を規定値以下に抑えるようにＤＣ／ＲＦ変換部６の出力を抑制する反射保護制御とを行う。
【０１１３】
前述した背景技術についての説明の中で述べたように、この種のＤＣ／ＲＦ変換部は、デッドタイムの開始時に駆動信号の供給が停止されるスイッチの出力静電容量の充電と、デッドタイムの終了時に駆動信号が供給されるスイッチの出力静電容量の放電とを、各スイッチの出力静電容量とＤＣ／ＲＦ変換部６内に本来存在するインダクタとを含む充放電回路（直列共振回路）を通してデッドタイムの期間に行わせるように構成されている。
【０１１４】
なおここでいう「直列共振回路」は、各スイッチの出力静電容量の充放電を行わせるための部分共振電流を流す共振回路で、各スイッチの出力静電容量と、各スイッチの出力静電容量の充電電流又は放電電流が流れる経路に存在する静電容量及びインダクタンスとにより構成されるものであり、図１及び図１０に示された直列共振回路６Ｂそのものを意味するものではない。
【０１１５】
図示の例では、各スイッチの出力静電容量の充放電を行わせるための回路（充放電回路）を構成するためのインダクタを確保する目的と、直流分をカットする目的とで直列共振回路６Ｂを設けているが、直列共振回路６Ｂを省略して、トランス６Ｃのインダクタンスと各スイッチの出力静電容量とにより、各スイッチの出力静電容量の充放電を行わせるための部分共振電流を流す直列共振回路を構成するようにしても、ＤＣ／ＲＦ変換部を機能させることができる。また直流分のカットは、トランス６Ｃの二次側や、ローパスフィルタ内で行うこともできる。
【０１１６】
スイッチング回路６Ａの各スイッチで生じるスイッチング損失の低減を図るためには、各スイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させる必要があるが、「発明が解決しようとする課題」の欄で述べたように、インピーダンス整合器４によるインピーダンスの整合がとられていない場合や、ＤＣ／ＲＦ変換部６の回路内に本来存在するインダクタに蓄積されているエネルギが不足している場合には、各スイッチの出力静電容量の充放電を行う際に流す部分共振電流が不足することがあるため、デッドタイムの期間に各スイッチの出力静電容量の充放電を完了させることができないことがある。このような事態が生じると、各スイッチのターンオフ及びターンオンをＺＶＳやＺＣＳで行わせることができなくなるため、スイッチング損失が増加してしまう。
【０１１７】
特に、制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電を行う際に流す部分共振電流は、負荷電流により回路に存在するインダクタに蓄積されたエネルギによって制御相のレグと基準相のレグとの間を流れる循環電流であるため、負荷電流が小さい場合に不足がちになるのを避けられない。従って、少なくとも制御相のレグのスイッチＱ３及びＱ４に対して、それぞれの出力静電容量の充放電を行わせる部分共振電流が不足することがないようにするための対策を講じておくことが好ましい。
【０１１８】
そこで本実施形態では、図１及び図１０に示したように、第１の分圧コンデンサＣａと該第１の分圧コンデンサに直列に接続された第２の分圧コンデンサＣｂとを有してＤＣ電源部５の出力電圧が両端に印加されたコンデンサ分圧回路１０Ａと、コンデンサ分圧回路１０Ａの分圧点（分圧コンデンサＣａとＣｂの接続点）１０ａとスイッチング回路６Ａの制御相のレグの中点ｄとの間にオンオフ制御が可能な補助回路用スイッチ１０Ｃを通して接続された補助リアクトル１０Ｂとを備えて、制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４に対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に重畳する補充電流をＤＣ電源部５からコンデンサ分圧回路１０Ａと補助リアクトル１０Ｂと補助回路用スイッチ１０Ｃとを通して出力する共振補助回路１０と、補助回路用スイッチ１０Ｃのオンオフを制御する補助回路用スイッチ制御部１１とを設けた。
【０１１９】
上記補助回路用スイッチ制御部１１は、制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４に対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に補充電流の重畳を行わなくても制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムｔｄの期間に完了させることができるときに補助回路用スイッチ１０Ｃをオフ状態に保持し、制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４に対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に補充電流の重畳を行わなくては制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量の充放電をデッドタイムｔｄの期間に完了させることができないときに補助回路用スイッチ１０Ｃをオン状態にするべく補助回路用スイッチ１０Ｃのオンオフを制御するように構成される。
【０１２０】
ここで共振補助回路１０のコンデンサ分圧回路１０Ａを構成する第１及び第２の分圧コンデンサＣａ及びＣｂは、十分大きな静電容量を有するコンデンサであるとし、各分圧コンデンサが、ＤＣ電源部５の出力電圧Ｖdcの１／２の電圧Ｖdc／２を発生する電圧源と等価であるとする。
【０１２１】
補助回路用スイッチ１０Ｃがオン状態にあるときには、分圧回路のコンデンサＣａ又はＣｂの両端の電圧Ｖdc／２が補助リアクトル１０Ｂの両端に印加されるが、補助リアクトル１０Ｂの両端に印加される電圧Ｖdc／２の極性は、スイッチング回路１０Ａの制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４のオンオフにより変化する。ハイサイドスイッチＱ３がオン状態にあるときには、コンデンサ分圧回路の分圧点１０ａ側が負の極性となるように、コンデンサＣａの両端の電圧Ｖdc／２が補助リアクトル１０Ｂの両端に印加され、ローサイドスイッチＱ４がオン状態にあるときには、コンデンサ分圧回路の分圧点１０ａ側が正の極性となるように、コンデンサＣｂの両端の電圧Ｖdc／２が補助リアクトル１０Ｂの両端に印加される。そして、補助リアクトル１０Ｂに第１の分圧コンデンサＣａの両端の電圧Ｖdc／２が印加されたときには、スイッチング回路６Ａの制御相のレグの中点ｄからコンデンサ分圧回路１０Ａの分圧点１０ａ側に向かう極性の電流ＩLa（図１１Ｃ参照）が流れ、第２の分圧コンデンサＣｂの両端の電圧Ｖdc／２が印加されたときには、分圧回路の分圧点１０ａからスイッチング回路６Ａの制御相のレグの中点ｄ側に向かう極性の電流ＩLb（図１１Ｃ参照）が流れる。
【０１２２】
従って、補助回路用スイッチ１０Ｃがオン状態にあるときに補助リアクトル１０Ｂに流れる電流は、図１１（Ｃ）に示すように、三角波形の電流となり、制御相のレグのハイサイドスイッチＱ３への駆動信号Ｓ３の供給が停止してからローサイドスイッチＱ４への駆動信号Ｓ４の供給が開始されるまでのデットタイムｔd1の期間に補助リアクトル１０Ｂを通して流れるＩLaが、デッドタイムｔd1の開始時にターンオフ動作を開始するスイッチＱ３の出力静電容量Ｃ３の充電と、デッドタイムtd1の終了時にターンオン動作を開始するスイッチＱ４の出力静電容量Ｃ４の放電とを行わせる部分共振電流に補充電流として重畳される。
【０１２３】
そのため、ＤＣ／ＲＦ変換部６内の回路に存在するインダクタに蓄積されているエネルギが少ない場合でも、補助回路用スイッチ１０Ｃをオン状態にすれば、ハイサイドスイッチＱ３の出力静電容量Ｃ３の充電及びローサイドスイッチＱ４の出力静電容量Ｃ４の放電をデッドタイムｔd1の期間に完了させて、スイッチＱ３及びＱ４で生じるスイッチング損失の低減を図ることができる。
【０１２４】
また補助回路用スイッチ１０Ｃがオン状態にあるときには、ローサイドスイッチＱ４への駆動信号Ｓ４の供給が停止してからハイサイドスイッチＱ３への駆動信号Ｓ３の供給が開始されるまでのデットタイムｔd2の期間に補助リアクトル１０Ｂを通して流れる電流ＩLbが、デッドタイムｔd2の開始時にターンオフ動作を開始するローサイドスイッチＱ４の出力静電容量Ｃ４の充電と、デッドタイムtd2の終了時にターンオン動作を開始するハイサイドスイッチＱ３の出力静電容量Ｃ３の放電とを行う際に流れる部分共振電流に補充電流として重畳される。従って、ＤＣ／ＲＦ変換部６内の回路に存在するインダクタに蓄積されているエネルギが少ない場合でも、補助回路用スイッチ１０Ｃをオン状態にしておけば、ローサイドスイッチＱ４の出力静電容量Ｃ４の充電及びハイサイドスイッチＱ３の出力静電容量Ｃ３の放電をデッドタイムｔd2の期間に完了させて、スイッチＱ３及びＱ４で生じるスイッチング損失の低減を図ることができる。
【０１２５】
ただし、共振補助回路１０により無用の導通損失が生じるのを防ぐためには、共振補助回路１０の分圧回路１０Ａ及び補助リアクトル１０Ｂを必要なときにのみスイッチング回路に接続するように補助回路用スイッチ１０Ｃを制御する必要がある。
【０１２６】
従って、装置の効率を高めるためには、何らかの原因で制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電をデッドタイムに期間に完了させることができない状態にあるときに補助回路用スイッチ１０Ｃをオン状態にし、補助回路用スイッチをオン状態にしなくても制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電をデッドタイムに期間に完了させることができるときには補助回路用スイッチをオフ状態にするように補助回路用スイッチ１０Ｃを制御する必要がある。
【０１２７】
なおＤＣ／ＲＦ変換部内に存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより流れる部分共振電流が不足するときに、補助リアクトル１０Ｂを通して電流を補充してスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量の充放電を確実に行わせるためには、補助リアクトル１０Ｂを通して行う部分共振電流への補充電流の重畳を、デッドタイムが開始されるタイミングよりも前に開始する必要がある。従って、補助回路用スイッチ１０Ｃは、各デッドタイムが開始されるタイミングよりも前にオン状態にしておく必要がある。
【０１２８】
ただし、スイッチＱ３がオン状態にある期間ｔs１の間及びスイッチＱ４がオン状態にある期間ｔs2 の間補助回路用スイッチ１０Ｃをオン状態に保持しておくと、スイッチＱ３，Ｑ４を通して電流ＩLa，ＩLbが流れ続けるため、スイッチＱ３，Ｑ４で生じる導通損失の増加を招く。従って、ＤＣ／ＲＦ変換部６を設計する際には、低減されるスイッチング損失と増加する導通損失とのバランスをとって、スイッチング回路６Ａで生じるトータルの損失が少なくなるように、補助リアクトル１０Ｂのインダクタンス値を設定する。
【０１２９】
本実施形態による場合、補助回路用スイッチ制御部１１は、ＤＣ／ＲＦ変換部６の状態や負荷の状態などから、部分共振電流への補充電流の重畳を行わなくても（補助リアクトル１０Ｂを制御相のレグの中点から切り離しておいても）制御相のレグを構成するスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電をデッドタイムｔｄの期間に完了させることができるか否かを判定する手段を備える必要があるが、この判定は、インピーダンス整合器４によるインピーダンスの整合状態や、負荷電流の大きさ、あるいはＤＣ／ＲＦ変換部内の回路を流れる回路電流などに基づいて行うことができる。
【０１３０】
本実施形態のように構成すると、ＤＣ／ＲＦ変換部６内に存在するインダクタに蓄積されるエネルギが少なく、当該エネルギにより流れる部分共振電流だけではデッドタイムの期間に制御相のレグのスイッチＱ３、Ｑ４の出力静電容量の充放電を完了させることができない場合に、補助回路用スイッチ１０Ｃをオン状態にすることにより、制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に、ＤＣ電源部５側からコンデンサ分圧回路１０Ａと、補助リアクトル１０Ｂとを通して流れる補充電流を重畳させることができるため、スイッチＱ３、Ｑ４の出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることが可能になる。従って、出力静電容量の充放電が不完全になりがちな（スイッチング損失が大きくなりがちな）制御相のレグの各スイッチで生じるスイッチング損失の低減を図って、装置の効率を高めることができる。
【０１３１】
ＤＣ／ＲＦ変換部内に存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより、各スイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させるために必要な部分共振電流を流すことができる状態にある場合に、共振補助回路を制御相のレグの中点に接続しておくと、共振補助回路を通して各スイッチに流れる電流により導通損失が増大するため、スイッチング回路で生じる損失がかえって増大してしまうという問題が生じ、スイッチング損失の低減を図ることの利点を活かすことができなくなる。本実施形態によれば、補助回路用スイッチを必要時にのみオン状態にし、不要時にはオフ状態にするため、上記のような問題が生じるのを防いで、スイッチング回路で生じる損失の低減を効果的に図り、高周波電源装置の効率を高めることができる。
【０１３２】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態においては、補助回路用スイッチ制御部１１が、制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４に対して構成された充放電回路を通してＤＣ／ＲＦ変換部内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより部分共振電流を流すだけでは制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電をデッドタイムｔｄの期間に完了させることができない状態にあるときに補助回路用スイッチ１０Ｃをオン状態にし、制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を通してＤＣ／ＲＦ変換部内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより部分共振電流を流すだけで制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができる状態にあるときに補助回路用スイッチ１０Ｃをオフ状態にするように構成される。
【０１３３】
制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を通してＤＣ／ＲＦ変換部内の回路に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより部分共振電流を流すだけで制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができる状態にあるか否かの判定は、インダクタに蓄積されるエネルギと関連を持つ適宜のパラメータ、例えば、負荷インピーダンスや、負荷電流の大きさや、ＤＣ／ＲＦ変換部内の回路を流れる電流の大きさなどを設定値と比較することにより行うことができる。判定に用いる設定値は、実験的に決定することができる。
【０１３４】
上記補助回路用スイッチ制御部１１は、種々の構成をとることができる。制御相のレグのスイッチＱ３及びＱ４の出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることを可能にするべく、補助回路用スイッチ１０Ｃを制御する補助回路用スイッチ制御部１１の種々の構成例を、図２ないし図７に第３いし第８の実施形態として示した。なお図２ないし図７に示した各実施形態において、スイッチング回路６Ａ、直列共振回路６Ｂ、トランス６Ｃ、ローパスフィルタ７及び共振補助回路１０の回路構成は図１０に示した例と同様である。
【０１３５】
＜第３の実施形態＞
図２は、本発明の第３の実施形態の構成を示したものである。本実施形態においては、補助回路用スイッチ制御部１１が、インピーダンス整合器４によるインピーダンスの整合状態に応じて補助回路用スイッチ１０Ｃを制御するように構成されている。
【０１３６】
図２に示した例では、補助回路用スイッチ制御部１１が、インピーダンス整合器４によるインピーダンスの整合がとれているか否かを判定する整合状態判定手段１１Ａと、整合状態判定手段１１Ａによりインピーダンスの整合がとれていないと判定されたときに補助回路用スイッチ１０Ｃをオン状態にし、整合状態判定手段１１Ａによりインピーダンスの整合がとれていると判定されたときに補助回路用スイッチ１０Ｃをオフ状態にするように補助回路用スイッチ１０Ｃを制御するスイッチ制御手段１１Ｂとにより構成されている。その他の構成は、第１の実施形態の構成と同様である。
【０１３７】
図２に示した整合状態判定手段１１Ａは、パワー検出部８が出力する進行波電力検出信号Ｐｆ及び反射波電力検出信号Ｐｒを用いてインピーダンスの整合がとれているか否かの判定を行うように構成されている。パワー検出部８が進行波電力及び反射波電力の絶対値を検出するように構成されている場合には、例えば、進行波電力の検出値と反射波電力の検出値とから求めた反射係数｜Γ｜が設定値以下であるときにインピーダンスの整合がとれていると判定し、反射係数｜Γ｜が設定値を超えているときにインピーダンスの整合がとれていないと判定するように整合状態判定手段１１Ａを構成することができる。
【０１３８】
またパワー検出部８が、進行波及び反射波のベクトル値を検出して進行波電力及び反射波電力を検出するように構成されている場合には、進行波及び反射波の絶対値と位相とから高周波電力発生部から負荷側を見たインピーダンスである負荷側インピーダンスを求めて、該負荷側インピーダンスからインピーダンスの整合がとれているか否かを判定するように整合状態判定手段を構成することができる。
【０１３９】
またパワー検出部８で検出点における電圧及び電流を検出し、検出した電圧と電流との間の位相差を演算した後、検出した電圧及び電流と演算した位相差（電圧と電流との位相差）とに基づいて負荷側インピーダンスを求めて、該負荷側インピーダンスからインピーダンスの整合がとれているか否かを判定するように整合状態判定手段１１Ａを構成することもできる。
【０１４０】
一般に高周波電源装置においては、高周波電力発生部の出力端に高周波電力の進行波成分と反射波成分とを検出するパワー検出部８を常備しているので、本実施形態のように構成すると、特別のセンサを付加することなく、補助回路用スイッチ１０Ｃの制御に用いる制御情報（補助回路用スイッチをオン状態にするかオフ状態にするかを決定するために用いる情報）を得ることができる。
【０１４１】
図２に示した例では、パワー検出部８の出力信号を用いてインピーダンスの整合がとれているか否かの判定を行うように整合状態判定手段１１Ａを構成しているが、インピーダンスの整合がとれているか否かの判定は、インピーダンス整合器４から得た負荷側インピーダンスの情報に基づいて行うこともできる。図２に示した例では、整合状態判定手段１１Ａを補助回路用スイッチ制御部１１内に設けているが、インピーダンス整合器４から得た負荷側インピーダンスの情報に基づいてインピーダンスの整合がとれているか否かの判定を行う場合には、整合状態判定手段をインピーダンス整合器４内に設けることもできる。
【０１４２】
上記のような整合状態判定手段１１Ａが設けられる場合、スイッチ制御手段１１Ｂは、整合状態判定手段１１Ａによりインピーダンスの整合がとれていないと判定されたときにスイッチング回路６Ａの制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電をデッドタイムの期間に完了できない状態が生じていると見做して補助回路用スイッチ１０Ｃをオン状態にし、整合状態判定手段１１Ａによりインピーダンスの整合がとれていると判定されたときにスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電をデッドタイムの期間に完了できる状態にあると見做して補助回路用スイッチ１０Ｃをオフ状態にするように構成することができる。
【０１４３】
インピーダンス整合器４によるインピーダンスの整合がとれていない場合には、スイッチング回路６Ａの各スイッチの出力静電容量の充放電を行わせるための部分共振電流が不足することが多く、各スイッチをターンオンさせる際に多くのスイッチング損失が生じることが多い。本実施形態のように構成しておくと、インピーダンス整合器４によるインピーダンスの整合がとれていない状態にあって、制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電を行わせるための部分共振電流が不足しがちなときに、補助回路用スイッチ１０Ｃをオン状態にすることにより、補助リアクトル１０Ｂを分圧回路１０Ａの分圧点とスイッチング回路の制御相のレグの中点との間に接続して、ＤＣ電源部５側からコンデンサ分圧回路１０Ａと補助リアクトル１０Ｂとを通して流れる電流を、スイッチング回路６Ａの制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電を行わせるための部分共振電流に重畳することができるため、制御相のレグのスイッチＱ３、Ｑ４の出力静電容量Ｃ３、Ｃ４の充放電をデッドタイムの期間に完了させて、各スイッチをソフトスイッチングでオンオフさせることができ、各スイッチで生じるスイッチング損失の低減を図ることができる。
【０１４４】
またインピーダンス整合器４によるインピーダンスの整合がとれている状態にあって、ＤＣ／ＲＦ変換部６内に存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより、制御相の各スイッチの出力静電容量の充放電を行わせるための部分共振電流を十分に流すことができるときには、補助回路用スイッチ１０Ｃを開くことにより共振補助回路１０をスイッチング回路６Ａから切り離すことができるため、共振補助回路１０で生じる導通損失によりＤＣ／ＲＦ変換部６で生じるトータルの損失が増大するのを防ぐことができる。
【０１４５】
＜第４の実施形態＞
図３は、本発明の第４の実施形態を示したものである。本実施形態においては、補助回路用スイッチ制御部１１が、高周波電力発生部３から負荷２に供給される電流を検出する負荷電流検出手段１１Ｃと、負荷電流検出手段１１Ｃにより検出された電流の平均値又は実効値が設定値未満であるときに補助回路用スイッチ１０Ｃをオン状態にし、負荷電流検出手段１１Ｃにより検出された電流の平均値又は実効値が設定値以上であるときに補助回路用スイッチ１０Ｃをオフ状態にするように補助回路用スイッチ１０Ｃを制御するスイッチ制御手段１１Ｂとを備えている。その他の構成は第１の実施形態の構成と同様である。
【０１４６】
図３に示された負荷電流検出手段１１Ｃは、高周波電力発生部３から負荷２に供給される電流の情報を含む検出信号を得るように設ければよいが、図示の例では、ローパスフィルタ７とパワー検出部８との間を接続する回路を流れる電流を検出する電流センサ１２を設けて、この電流センサの出力から負荷２に供給される電流を検出するように負荷電流検出手段１１Ｃが構成されている。
【０１４７】
制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行わせる際に流れる部分共振電流の大きさは、ＤＣ／ＲＦ変換部内の回路を流れる電流により、当該回路に含まれるインダクタに蓄積されるエネルギの大きさにより決まる。高周波電力発生部内の回路を流れる電流の大小は、高周波電力発生部から負荷に供給される電流の平均値又は実効値の大小に対応している。従って、上記のように構成すると、ＤＣ／ＲＦ変換部６内に存在するインダクタに蓄積されているエネルギにより、制御相のレグのスイッチＱ３、Ｑ４の出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができるか否かを適確に判定して、その判定結果に基づいて補助回路用スイッチのオンオフを制御することができる。制御相のレグのスイッチＱ３、Ｑ４の出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができるか否かを判定するために、負荷電流検出手段１１Ｃにより検出された電流の平均値又は実効値と比較する設定値は、実験的に決定することができる。
【０１４８】
＜第５の実施形態＞
図４は、本発明の第５の実施形態の構成を示している。本実施形態においては、補助回路用スイッチ制御部１１が、スイッチング回路６Ａの基準相のレグの中点ｃと制御相のレグの中点ｄとの間の回路を流れる回路電流を検出する回路電流検出手段１１Ｄと、回路電流検出手段１１Ｄにより検出された電流の平均値又は実効値が設定値未満であるときに補助回路用スイッチ１０Ｃをオン状態にし、回路電流検出手段１１Ｄにより検出された電流の平均値又は実効値が設定値以上であるときに補助回路用スイッチ１０Ｃをオフ状態にするように補助回路用スイッチ１１Ｃを制御するスイッチ制御手段１１Ｂとを備えている。その他の構成は第１の実施形態の構成と同様である。
【０１４９】
ＤＣ／ＲＦ変換部６内に本来存在するインダクタに蓄積されるエネルギの大きさは、当該インダクタを流れる電流の大きさにより決る。本実施形態のように、スイッチング回路６Ａの基準相のレグの中点と制御相のレグの中点との間の回路を流れる電流を検出すると、ＤＣ／ＲＦ変換部６内に存在するインダクタを通して流れる電流を検出することができるため、ＤＣ／ＲＦ変換部６内の回路に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより、制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電を行わせる際に十分な部分共振電流を流すことができる状態にあるか否かを適確に判定することができ、補助回路用スイッチの制御を適確に行わせることができる。回路電流検出手段１１Ｄにより検出された電流の平均値又は実効値と比較する設定値は実験的に決めることができる。
【０１５０】
＜第６の実施形態＞
図５は、本発明の第６の実施形態の構成を示している。本実施形態では、補助回路用スイッチ制御部１１が、パワー検出部８から得られる進行波電力検出信号Ｐf及び反射波電力検出信号Ｐrに基づいてインピーダンス整合器４によるインピーダンスの整合がとれているか否かを判定する整合状態判定手段１１Ａと、高周波電力発生部から負荷に供給される電流を検出する負荷電流検出手段１１Ｃと、整合状態判定手段１１Ａによりインピーダンスの整合がとれていると判定され、かつ負荷電流検出手段１１Ｃにより検出された電流の平均値又は実効値が第１の設定値以上であるとき、及び整合状態判定手段１１Ａによりインピーダンスの整合がとれていないと判定されているが、負荷電流検出手段１１Ｃにより検出された電流の平均値又は実効値が第２の設定値以上であるときに補助回路用スイッチ１０Ｃをオフ状態にし、整合状態判定手段１１Ａによりインピーダンスの整合がとれていると判定されているが、負荷電流検出手段１１Ｃにより検出された電流の平均値又は実効値が第１の設定値未満であるとき、及び整合状態判定手段１１Ａによりインピーダンスの整合がとれていないと判定され、かつ負荷電流検出手段１１Ｃにより検出された電流の平均値又は実効値が第２の設定値未満であるときに補助回路用スイッチ１０Ｃをオン状態にするように補助回路用スイッチ１０Ｃを制御するスイッチ制御手段１１Ｂとを備えている。
【０１５１】
上記第１の設定値及び第２の設定値は等しくてもよく、異なっていてもよい。これらの設定値は、実験結果に基づいて、スイッチング回路６Ａの各スイッチで生じるスイッチング損失を最小にするように決定する。その他の構成は第１の実施形態の構成と同様である。
【０１５２】
本実施形態のように構成すると、インピーダンス整合器４によるインピーダンスの整合がとれていない状態にあって、高周波電力発生部３から負荷２に所定の進行波電力を供給できない状態にあるために、ＤＣ／ＲＦ変換部６内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより、制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を通して部分共振電流を流すだけでは、制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができない場合だけでなく、インピーダンス整合器４によるインピーダンスの整合がとれているが、負荷２に供給する高周波電力を抑えるべく高周波電力発生部３から出力される電力を制限する制御が行われているために、ＤＣ／ＲＦ変換部６内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより各スイッチに対して構成された充放電回路を通して部分共振電流を流すだけでは制御相のレグを構成するスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができないときにも、補助回路用スイッチ１０Ｃをオン状態にすることにより、制御相のレグのスイッチの充放電を行わせるための部分共振電流に補充電流を重畳して制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができる。
【０１５３】
また本実施形態のように構成すると、インピーダンス整合器４によりインピーダンスの整合がとれていて、高周波電力発生部３から十分な進行波電力が出力されているために、補助リアクトル１０Ｂを通して電流を補充しなくても制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路に、各スイッチの出力静電容量の充電又は放電をデッドタイムの期間に完了するために必要な部分共振電流を流すことができる状態にあるときだけでなく、インピーダンスの整合がとれていないが、高周波電力発生部が大きな進行波電力を出力しているために、制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了するために必要な部分共振電流を流すことができる状態にあるときにも、補助回路用スイッチ１０Ｃをオフ状態にして共振補助回路１０をスイッチング回路６Ａから切り離すことができる。従って、本実施形態によった場合には、インピーダンス整合器４によるインピーダンスの整合がとれているか否かを判定するだけで補助回路用スイッチ１０Ｃをオン状態にするか否かを決定する場合に比べて、よりきめの細かい制御を行わせることができる。
【０１５４】
＜第７の実施形態＞
図６は、本発明の第７の実施形態の構成を示している。本実施形態においては、補助回路用スイッチ制御部１１が、パワー検出部８から得られる進行波検出信号Ｐf 及び反射波検出信号Ｐr に基づいてインピーダンス整合器４によるインピーダンスの整合がとれているか否かを判定する整合状態判定手段１１Ａと、スイッチング回路６Ａの基準相のレグの中点ｃと制御相のレグの中点ｄとの間の回路を流れる電流を検出する回路電流検出手段１１Ｄと、整合状態判定手段１１Ａによりインピーダンスの整合がとれていると判定され、かつ回路電流検出手段１１Ｄにより検出された電流の平均値又は実効値が第１の設定値以上であるとき、及び整合状態判定手段１１Ａによりインピーダンスの整合がとれていないと判定されているが、回路電流検出手段１１Ｄにより検出された電流の平均値又は実効値が第２の設定値以上であるときに補助回路用スイッチをオフ状態にし、整合状態判定手段１１Ａによりインピーダンスの整合がとれていると判定されているが、回路電流検出手段１１Ｄにより検出された電流の平均値又は実効値が第１の設定値未満であるとき、及び整合状態判定手段１１Ａによりインピーダンスの整合がとれていないと判定され、かつ回路電流検出手段１１Ｄにより検出された電流の平均値又は実効値が第２の設定値未満であるときに補助回路用スイッチをオン状態にするように補助回路用スイッチを制御するスイッチ制御手段１１Ｂとを備えている。
【０１５５】
図示の回路電流検出手段１１Ｄは、スイッチング回路６Ａの基準相のレグの中点ｃと直列共振回路６Ｂとの間を流れる電流を検出する電流センサ１３の出力を用いてスイッチング回路６Ａの基準相のレグの中点ｃと制御相のレグの中点ｄとの間の回路を流れる電流を検出するように構成されている。上記第１の設定値及び第２の設定値は等しくてもよく、異なっていてもよい。これらの設定値は、実験結果に基づいて、スイッチング回路６Ａの各スイッチで生じるスイッチング損失を最小にするように決定する。その他の構成は第１の実施形態と同様である。
【０１５６】
本実施形態のように構成すると、インピーダンス整合器４によるインピーダンスの整合状態と、各スイッチに対して構成された充放電回路を通して流れる電流の大小との双方に基づいて、補助回路用スイッチ１０Ｃをオン状態にするかオフ状態にするか否かが決められるので、補助回路用スイッチ１０Ｃの制御をよりきめ細かく行うことができ、補助回路用スイッチ１１Ｃがむやみに投入されて制御相のレグのスイッチで発生する導通損失が増大するのを防ぐことができる。
【０１５７】
＜第８の実施形態＞
図７は、本発明の第７の実施形態を示している。本実施形態においては、スイッチング回路６Ａの基準相のレグの中点と制御相のレグの中点との間の回路を流れる電流が反映されたパラメータを検出するパラメータ検出手段１４が設けられ、補助回路用スイッチ制御部１１は、パラメータ検出手段１４により検出されるパラメータと補助回路用スイッチ１０Ｃがとるべき状態との関係を与える補助回路用スイッチ制御用テーブルを記憶した制御用テーブル記憶手段１１Ｅと、パラメータ検出手段１４により検出されるパラメータに対して制御用テーブル記憶手段１１Ｅに記憶された制御用テーブルを検索することにより補助回路用スイッチ１０Ｃがとるべき状態がオン状態であるかオフ状態であるかを判定して、補助回路用スイッチ１０Ｃを判定された状態とするように制御するスイッチ制御手段１１Ｂとを備えている。
【０１５８】
スイッチング回路６Ａの基準相のレグの中点と制御相のレグの中点との間の回路を流れる電流が反映されたパラメータとしては、パワー検出部８が出力する進行波電力検出信号Ｐｆや、ＤＣ電源部５の出力電圧Ｖdcが反映されたパラメータを用いることができる。その他の構成は第１の実施形態と同様である。
【０１５９】
本実施形態によれば、実験結果に基づいて、適確な補助回路用スイッチ制御用テーブルを作成しておくことにより、補助回路用スイッチのオンオフの制御を適確に行わせることができる。
【０１６０】
図７に示した実施形態において、制御用テーブル記憶手段１１Ｅに記憶させておく補助回路用スイッチ制御用テーブルは、パワー検出部８の出力から検出される負荷の状態と補助回路用スイッチ１０Ｃがとるべき状態との関係を与えるように作成することもできる。パワー検出部８の出力から検出される負荷の状態を示すパラメータとしては、例えば反射係数と負荷インピーダンスとを用いることができる。
【０１６１】
＜第９の実施形態＞
上記第１ないし第７の実施形態において、スイッチング回路６Ａの基準相のレグの中点ｃ及び制御相のレグの中点ｄから負荷側を見たインピーダンスが何らかの原因で容量性を呈する状態が生じた場合には、スイッチング回路の制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電回路に部分共振電流を流すことができないため、これらのスイッチのスイッチング動作がハードスイッチング動作となり、スイッチング損失が増大する。
【０１６２】
本発明の第９の実施形態においては、上記のスイッチング損失の軽減を図るために、スイッチング回路６Ａの基準相のレグの中点ｃ及び制御相のレグの中点ｄから負荷側を見たインピーダンス(負荷側インピーダンス）の状態を判定する負荷状態判定手段を更に設けて、この負荷状態検出手段により負荷側インピーダンスが容量性であることが検出されているときに補助回路用スイッチ１０Ｃをオン状態に保つように補助回路用スイッチ制御部１１のスイッチ制御手段１１Ｂを構成する。本実施形態の構成は、補助回路用スイッチ制御部が、第１の実施形態ないし第８の実施形態に示した構成のうちの何れの構成をとる場合にも適用することができる。
【０１６３】
図１０に示した回路において、補助リアクトル１０Ｂを流れる電流ＩLa及びＩLb(図１１参照)は、スイッチング回路６Ａの制御相のレグの中点ｄから先の（負荷側の）インピーダンス（負荷側インピーダンス）には依存せず、ＤＣ電源部５の出力電圧Ｖdcと、補助リアクトル１０Ｂのインダクタンスとによって決まる。従って、負荷側インピーダンスが容量性であって、スイッチング回路６Ａの動作モードが、本来スイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電が行われない動作モードである場合でも、補助回路用スイッチ１０Ｃをオン状態にして共振補助回路１０をスイッチング回路６Ａの制御相のレグの中点ｄに接続することにより、制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電をある程度行うことが可能になる。
【０１６４】
上記のように構成しておくと、ＤＣ／ＲＦ変換部６のスイッチング回路６Ａの基準相のレグの中点ｃ及び制御相のレグの中点ｃから負荷側を見たインピーダンスが容量性を示す状態が生じた場合でも、制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を多少なりとも行わせることができるため、高周波電力発生部から負荷側を見たインピーダンスが容量性を示す状態になったときに生じるスイッチング損失を従来よりも低減させることができる。
【０１６５】
以上説明した第１ないし第９の実施形態においては、出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電を行わせるための部分共振電流が不足しがちなスイッチング回路の制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４のスイッチング動作がハードスイッチング動作となるのを抑制して、スイッチング損失の低減を図ったが、以下に示す第１０ないし第１９の実施形態では、制御相のレグのスイッチだけでなく、基準相のレグのスイッチＱ１，Ｑ２のスイッチング動作がハードスイッチング動作となるのをも抑制して、スイッチング損失の更なる低減を図る。
【０１６６】
＜第１０の実施形態＞
本発明の第１０の実施形態の構成を示すブロック図を図８に示し、要部の回路構成を示す回路図を図１２に示した。図８及び図１２に示された実施形態においては、コンデンサＣａ及びＣｂの直列回路からなっていてＤＣ電源部の出力電圧が両端に印加されたコンデンサ分圧回路１０Ａと、コンデンサ分圧回路１０Ａの分圧点１０ａとスイッチング回路６Ａの制御相のレグの中点ｄとの間に第１の補助回路用スイッチ１０C1を通して接続された第１の補助リアクトル１０B1と、コンデンサ分圧回路１０Ａの分圧点１０ａとスイッチング回路６Ａの基準相のレグの中点ｃとの間に第２の補助回路用スイッチ１０C2を通して接続された第２の補助リアクトル１０B2とを備えた共振補助回路１０と、制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電をデッドタイムｔｄの期間に完了させるべく第１の補助回路用スイッチ１０C1のオンオフを制御し、基準相のレグを構成するスイッチＱ１，Ｑ２の出力静電容量Ｃ１，Ｃ２の充放電をデッドタイムの期間に完了させるべく第２の補助回路用スイッチ１０C2のオンオフを制御する補助回路用スイッチ制御部１１とを設けた。
【０１６７】
この場合補助回路用スイッチ制御部１１は、制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に補充電流を重畳しなくても制御相のレグを構成するスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができるときに第１の補助回路用スイッチ１０C1をオフ状態にし、制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に補充電流を重畳しないと制御相のレグを構成するスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができないときに第１の補助回路用スイッチ１０C1をオン状態にするように第１の補助回路用スイッチのオンオフを制御し、基準相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に補充電流を重畳しなくても基準相のレグを構成するスイッチＱ１，Ｑ２の出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができるときに第２の補助回路用スイッチ１０C2をオフ状態にし、基準相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に補充電流を重畳しないと基準相のレグを構成するスイッチＱ１，Ｑ２の出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができないときに第２の補助回路用スイッチ１０C2をオン状態にするように第２の補助回路用スイッチ１０C2のオンオフを制御する。その他の構成は第１の実施形態の構成と同様である。
【０１６８】
本実施形態のように構成すると、高周波電源装置１から負荷２に供給される電流（負荷電流）が小さく、ＤＣ／ＲＦ変換部６の回路内のインダクタに蓄積されるエネルギが少ない等の理由により、ＤＣ／ＲＦ変換部内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより流れる部分共振電流だけではデッドタイムの期間に制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量の充放電を完了できない状態が生じている場合でも、第１の補助回路用スイッチ１０C1をオン状態にすることにより、ＤＣ電源部５側からコンデンサ分圧回路１０と第１の補助リアクトル１０B1とを通して流れる電流を、制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量の充放電を行わせる部分共振電流に重畳して、制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電をデッドタイムｔｄの期間に完了させることができるだけでなく、負荷２のインピーダンスが著しく大きくなる等の原因により、負荷電流が殆ど流れなくなる状態が生じて、ＤＣ／ＲＦ変換部内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより流れる部分共振電流だけではデッドタイムの期間に基準相のレグのスイッチＱ１，Ｑ２の出力静電容量Ｃ１，Ｃ２の充放電を完了させることができない状態が生じたときに、ＤＣ電源部５側からコンデンサ分圧回路１０と第２の補助リアクトル１０B2とを通して流れる電流を、基準相のレグのスイッチＱ１，Ｑ２の出力静電容量Ｃ１，Ｃ２の充放電を行う部分共振電流に重畳させることができるため、負荷電流が抑制された際に基準相のレグのスイッチで大きなスイッチング損失が生じるのを防ぐことができる。
【０１６９】
＜第１１の実施形態＞
本発明の第１１の実施形態の構成を示すブロック図を図９に示し、要部の回路構成を図１３に示した。本実施形態においては、互いに直列に接続されたコンデンサＣa1，Ｃb1からなっていて、ＤＣ電源部５の出力電圧が両端に印加された第１のコンデンサ分圧回路１０A1及びこの第１のコンデンサ分圧回路１０A1の分圧点１０a1とスイッチング回路６Ａの制御相のレグの中点ｄとの間に第１の補助回路用スイッチ１０C1を通して接続された第１の補助リアクトル１０B1を備えた第１の補助共振回路構成部１０-1と、互いに直列に接続されたコンデンサＣa2，Ｃb2からなっていてＤＣ電源部５の出力電圧が両端に印加された第２のコンデンサ分圧回路１０A2及びこの第２のコンデンサ分圧回路１０A2の分圧点１０a2とスイッチング回路６Ａの基準相のレグの中点ｃとの間に第２の補助回路用スイッチ１０C2を通して接続された第２の補助リアクトル１０B2を備えた第２の補助共振回路構成部１０-2 とにより構成された共振補助回路１０と、制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電をデッドタイムｔｄの期間に完了させるべく第１の補助回路用スイッチ１０C1のオンオフを制御し、基準相のレグを構成するスイッチＱ１，Ｑ２の出力静電容量Ｃ１，Ｃ２の充放電をデッドタイムの期間に完了させるべく第２の補助回路用スイッチ１０C2のオンオフを制御する補助回路用スイッチ制御部１１とを設けた。
【０１７０】
この場合も補助回路用スイッチ制御部１１は、制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に補充電流を重畳しなくても制御相のレグを構成するスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができるときに第１の補助回路用スイッチ１０C1をオフ状態にし、制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に補充電流を重畳しないと制御相のレグを構成するスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができないときに第１の補助回路用スイッチ１０C1をオン状態にするように第１の補助回路用スイッチのオンオフを制御し、基準相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に補充電流を重畳しなくても基準相のレグを構成するスイッチＱ１，Ｑ２の出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができるときに第２の補助回路用スイッチ１０C2をオフ状態にし、基準相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を流れる部分共振電流に補充電流を重畳しないと基準相のレグを構成するスイッチＱ１，Ｑ２の出力静電容量の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができないときに第２の補助回路用スイッチ１０C2をオン状態にするように第２の補助回路用スイッチ１０C2のオンオフを制御する。その他の構成は第１の実施形態の構成と同様である。
【０１７１】
本実施形態の構成は、ＤＣ電源部５の出力電圧が印加される第１のコンデンサ分圧回路１０A1と第２の分圧回路１０A2とを設けて、ＤＣ電源部５と第１のコンデンサ分圧回路１０A1とにより、制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電を行う部分共振電流に重畳する電流を出力する電流源を構成し、ＤＣ電源部５と第２のコンデンサ分圧回路１０A2とにより、基準相のレグのスイッチＱ１，Ｑ２の出力静電容量Ｃ１，Ｃ２の充放電を行う部分共振電流に重畳する電流を出力する電流源を構成する点を除き、第８の実施形態と同様であり、第１の補助回路用スイッチ１０C1及び第２の補助回路用スイッチ１０C2の制御のしかたは第８の実施形態と同様である。
【０１７２】
図８又は図９に示したように、制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電を行う部分共振電流に重畳する電流を得るために第１の補助リアクトル１０B1と第１の補助回路用スイッチ１０C1とを設ける場合、及び基準相のレグのスイッチＱ１，Ｑ２の出力静電容量Ｃ１，Ｃ２の充放電を行う部分共振電流に重畳する電流を得るために第２の補助リアクトル１０B2と第２の補助回路用スイッチ１０C2とを設ける場合のいずれの場合にも、第１の補助回路用スイッチ１０C1及び第２の補助回路用スイッチ１０C2を制御する補助回路用スイッチ制御部１１は、第１の実施形態ないし第９の実施形態にそれぞれ示した構成と同様の構成をとることができる。
【０１７３】
以下、図８に示した第１０の実施形態及び図９に示した第１１の実施形態のように、制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電を行う部分共振電流に重畳する電流を得るために第１の補助リアクトル１０B1と第１の補助回路用スイッチ１０C1とを設け、基準相のレグのスイッチＱ１，Ｑ２の出力静電容量Ｃ１，Ｃ２の充放電を行う部分共振電流に重畳する電流を得るために第２の補助リアクトル１０B2と第２の補助回路用スイッチ１０C2とを設ける構成をとる場合に用いる補助回路用スイッチ制御部１１の種々の構成例を示す実施形態を、第１２の実施形態ないし第１９の実施形態として、それぞれの構成を以下に示す。
【０１７４】
＜第１２の実施形態＞
本実施形態においては、図８又は図９に示された補助回路用スイッチ制御部１１が、制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路を通してＤＣ／ＲＦ変換部内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより部分共振電流を流すだけでは制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができない状態にあるときに第１の補助回路用スイッチ１０C1をオン状態にし、制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４に対して構成された充放電回路を通してＤＣ／ＲＦ変換部６内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより部分共振電流を流すだけで制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量の充放電をデッドタイムｔｄの期間に完了させることができる状態にあるときに第１の補助回路用スイッチ１０C1をオフ状態にし、基準相のレグのスイッチＱ１，Ｑ２に対して構成された充放電回路を通してＤＣ／ＲＦ変換部６内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより部分共振電流を流すだけでは基準相のレグのスイッチＱ１，Ｑ２の出力静電容量Ｃ１，Ｃ２の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができない状態にあるときに第２の補助回路用スイッチ１０C2をオン状態にし、基準相のレグのスイッチＱ１，Ｑ２に対して構成された充放電回路を通してＤＣ／ＲＦ変換部６内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより部分共振電流を流すだけで基準相のレグのスイッチＱ１，Ｑ２の出力静電容量Ｃ１，Ｃ２の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができる状態にあるときに第２の補助回路用スイッチ１０C2をオフ状態にするように構成される。その他の構成は、第１０の実施形態又は第１１の実施形態と同様である。
【０１７５】
本実施形態のように構成すると、スイッチング回路６Ａの制御相のレグを構成するスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電をデッドタイムｔｄの期間に完了できない状態が生じているときに、制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電を行わせるための部分共振電流に、ＤＣ電源部５から第１の補助リアクトル１０B1と第１の補助回路用スイッチ１０C1とを通してを補充電流を重畳することができ、スイッチング回路６Ａの基準相のレグを構成するスイッチＱ１，Ｑ２の出力静電容量Ｃ１，Ｃ２の充放電をデッドタイムの期間に完了できない状態が生じているときに、基準相のレグのスイッチＱ１，Ｑ２の出力静電容量Ｃ１，Ｃ２の充放電を行う部分共振電流にＤＣ電源部５から第２の補助リアクトル１０B2と第２の補助回路用スイッチ１０C2とを通して補充電流を重畳することができるため、制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４及び基準相のレグのスイッＱ１，Ｑ２の出力静電容量Ｃ１，Ｃ２の充放電をデッドタイムの期間に完了させて、制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４及び基準相のレグのスイッチＱ１，Ｑ２で生じるスイッチング損失の低減を図ることができる。
【０１７６】
また制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電を行う部分共振電流を十分に流すことができるとき及び基準相のレグのスイッチＱ１，Ｑ２の出力静電容量Ｃ１，Ｃ２の充放電を行う部分共振電流を十分に流すことができるときには、共振補助回路１０をスイッチング回路から切り離すことができるので、共振補助回路１０で生じる損失によりＤＣ／ＲＦ変換部６で生じるトータルの損失が増大するのを防ぐことができる。
【０１７７】
＜第１３の実施形態＞
本発明の第１３の実施形態においては、図８又は図９に示された補助回路用スイッチ制御部１１が、図２に示した実施形態と同様に、インピーダンス整合器４によるインピーダンスの整合がとれているか否かを判定する整合状態判定手段と、整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていないと判定されたときに第１の補助回路用スイッチ１０C1及び第２の補助回路用スイッチ１０C2をオン状態にし、整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていると判定されたときに第１の補助回路用スイッチ１０C1及び第２の補助回路用スイッチ１０C2をオフ状態にするように第１及び第２の補助回路用スイッチを制御するスイッチ制御手段とを備えている。その他の構成は、第１０の実施形態又は第１１の実施形態と同様である。
【０１７８】
本実施形態のように構成すると、インピーダンス整合器４によるインピーダンスの整合がとれていない状態にあって、制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行わせるための部分共振電流が不足しがちなときに、ＤＣ電源部５から第１の補助リアクトル１０B1と第１の補助回路用スイッチ１０C1とを通して流れる電流を、制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電を行う部分共振電流に補充電流として重畳することができ、基準相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行わせるための部分共振電流が不足しがちなときに、ＤＣ電源部から第２の補助リアクトル１０B2と第２の補助回路用スイッチ１０C2とを通して流れる電流を、基準相のレグのスイッチＱ１，Ｑ２の出力静電容量Ｃ１，Ｃ２の充放電を行う部分共振電流に補充電流として重畳することができるため、デッドタイムの期間に制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電及び基準相のレグのスイッチＱ１，Ｑ２の出力静電容量Ｃ１，Ｃ２の充放電を完了させて、各スイッチで生じるスイッチング損失の低減を図ることができる。
【０１７９】
またインピーダンス整合器４によるインピーダンスの整合がとれている状態にあって、制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電を行う部分共振電流を十分に流すことができるとき及び基準相のレグのスイッチＱ１，Ｑ２の出力静電容量Ｃ１，Ｃ２の充放電を行う部分共振電流を十分に流すことができるときには、共振補助回路１０をスイッチング回路６Ａから切り離すことができるため、共振補助回路１０で生じる導通損失によりＤＣ／ＲＦ変換部で生じるトータルの損失が増大するのを防ぐことができる。
【０１８０】
＜第１４の実施形態＞
本実施形態においては、図８又は図９に示された補助回路用スイッチ制御部１１が、図３に示した実施形態と同様に、高周波電力発生部から負荷に供給される電流を検出する負荷電流検出手段と、この負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が設定値未満であるときに第１の補助回路用スイッチ１０C1及び第２の補助回路用スイッチ１０C2をオン状態にし、負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が設定値以上であるときに第１の補助回路用スイッチ１０C1及び第２の補助回路用スイッチ１０C2をオフ状態にするように、第１及び第２の補助回路用スイッチを制御するスイッチ制御手段とを備えている。その他の構成は、第１０の実施形態又は第１１の実施形態と同様である。
【０１８１】
本実施形態のように構成すると、制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電をデッドタイムの期間に完了させるために十分な部分共振電流を流すことができる状態にあるか否かの判定、及び基準相のレグのスイッチＱ１，Ｑ２の出力静電容量Ｃ１，Ｃ２の充放電を行わせる際に十分な部分共振電流を流すことができる状態にあるか否かの判定をより適確に行うことができ、第１及び第２の補助回路用スイッチの制御を適確に行わせることができる。
【０１８２】
＜第１５の実施形態＞
本実施形態においては、図８又は図９に示された補助回路用スイッチ制御部１１が、図４に示した実施形態と同様に、スイッチング回路の基準相のレグの中点ｃと制御相のレグの中点ｄとの間の回路を流れる電流を検出する回路電流検出手段と、回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が設定値未満であるときに第１の補助回路用スイッチ１０C1及び第２の補助回路用スイッチ１０C2をオン状態にし、回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が設定値以上であるときに第１の補助回路用スイッチ１０C1及び第２の補助回路用スイッチ１０C2をオフ状態にするように第１の補助回路用スイッチ１０C1及び第２の補助回路用スイッチ１０C2を制御するスイッチ制御手段とを備えている。
【０１８３】
本実施形態のように構成すると、ＤＣ／ＲＦ変換部６内の回路に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより、制御相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行わせる際に十分な部分共振電流を流すことができる状態にあるか否かの判定、基準相のレグのスイッチの出力静電容量の充放電を行わせる際に十分な部分共振電流を流すことができる状態にあるか否かの判定及びを適確に行って、第１及び第２の補助回路用スイッチの制御を適確に行わせることができる。
【０１８４】
＜第１６の実施形態＞
本実施形態においては、図８又は図９に示された補助回路用スイッチ制御部１１が、図５に示した実施形態と同様に、インピーダンス整合器４によるインピーダンスの整合がとれているか否かを判定する整合状態判定手段と、高周波電力発生部３から負荷に供給される電流を検出する負荷電流検出手段と、整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていると判定され、かつ負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第１の設定値以上であるとき、及び整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていないと判定されているが、負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第２の設定値以上であるときに第１の補助回路用スイッチ１０C1及び第２の補助回路用スイッチ１０C2をオフ状態にし、整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていると判定されているが、負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第１の設定値未満であるとき、及び整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていないと判定され、かつ負荷電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第２の設定値未満であるときに第１の補助回路用スイッチ１０C1及び第２の補助回路用スイッチ１０C2をオン状態にするように第１及び第２の補助回路用スイッチを制御するスイッチ制御手段とを備えている。
【０１８５】
本実施形態のように構成すると、インピーダンス整合器によるインピーダンスの整合がとれていない状態にあって、高周波電力発生部３から負荷に所定の進行波電力を供給できない状態にあるために、ＤＣ／ＲＦ変換部６内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより、各スイッチに対して構成された充放電回路を通して部分共振電流を流すだけでは制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電及び基準相のレグのスイッチＱ１，Ｑ２の出力静電容量Ｃ１，Ｃ２の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができない場合だけでなく、インピーダンスが整合状態にあるが、負荷に供給する高周波電力を抑えるべく高周波電力発生部から出力される電力を制限する制御が行われているために、ＤＣ／ＲＦ変換部内に本来存在するインダクタに蓄積されたエネルギにより充放電回路を通して部分共振電流を流すだけでは制御相のレグを構成するスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電及び基準相のレグを構成するスイッチＱ１，Ｑ２の出力静電容量Ｃ１，Ｃ２の充放電をデッドタイムの期間に完了させることができないときにも第１及び第２の補助回路用スイッチ１０C1及び１０C2をオン状態にして、制御相の各スイッチの充放電及び基準相の各スイッチの充放電を行わせるための部分共振電流を補充することができる。
【０１８６】
また本実施形態のように構成すると、インピーダンスの整合がとれていて、高周波電力発生部３から十分な進行波電力が出力されているために、補助リアクトルを通して部分共振電流を補充しなくても制御相のレグの各スイッチに対して構成された充放電回路に各スイッチの出力静電容量の充放電を完了するために必要な部分共振電流を流すことができる状態にあるとき、及びインピーダンスの整合がとれていないが、高周波電力発生部が大きな進行波電力を出力しているために、制御相のレグのスイッチＱ３，Ｑ４の出力静電容量Ｃ３，Ｃ４の充放電を完了するために必要な部分共振電流を流すことができる状態にあるときに、第１及び第２の補助回路用スイッチ１０C1及び１０C2をオフ状態にして共振補助回路１０をスイッチング回路６Ａから切り離すことができる。本実施形態によれば、インピーダンスが整合しているか否かを判定するだけで第１及び第２の補助回路用スイッチをオン状態にするか否かを決定する場合に比べて、よりきめの細かい制御を行わせることができる。
【０１８７】
＜第１７の実施形態＞
本実施形態においては、図８又は図９に示された補助回路用スイッチ制御部１１が、図６に示した実施形態と同様に、インピーダンス整合器４によるインピーダンスの整合がとれているか否かを判定する整合状態判定手段と、スイッチング回路６Ａの基準相のレグの中点ｃと制御相のレグの中点ｄとの間の回路を流れる電流を検出する回路電流検出手段と、整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていると判定され、かつ回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第１の設定値以上であるとき、及び整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていないと判定されているが、回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が第２の設定値以上であるときに第１の補助回路用スイッチ１０C1及び第２の補助回路用スイッチ１０C2をオフ状態にし、整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていると判定されているが、前記回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が前記第１の設定値未満であるとき、及び前記整合状態判定手段によりインピーダンスの整合がとれていないと判定され、かつ前記回路電流検出手段により検出された電流の平均値又は実効値が前記第２の設定値未満であるときに第１の補助回路用スイッチ１０C1及び第２の補助回路用スイッチ１０C2をオン状態にするように補助回路用スイッチを制御するスイッチ制御手段とを備えている。
【０１８８】
本実施形態のように構成すると、インピーダンス整合器によるインピーダンスの整合状態と、各スイッチに対して構成された充放電回路を通して流れる電流の大小との双方に基づいて、第１及び第２の補助回路用スイッチをオン状態にするかオフ状態にするかが決められるため、第１及び第２の補助回路用スイッチの制御をよりきめ細かく行うことができ、第１及び第２の補助回路用スイッチがむやみに投入されて制御相のレグのスイッチ及び基準相のレグのスイッチで発生する導通損失が増大するのを防ぐことができる。
【０１８９】
＜第１８の実施形態＞
本実施形態においては、図７に示した実施形態と同様に、スイッチング回路６Ａの基準相のレグの中点ｃと制御相のレグの中点ｄとの間の回路を流れる電流が反映されたパラメータを検出するパラメータ検出手段が更に設けられ、図８又は図９に示された補助回路用スイッチ制御部１１は、パラメータ検出手段により検出されるパラメータと第１の補助回路用スイッチ１０C1及び第２の補助回路用スイッチ１０C2がとるべき状態との関係を与える補助回路用スイッチ制御用テーブルを記憶した制御用テーブル記憶手段と、パラメータ検出手段により検出されるパラメータに対して制御用テーブルを検索することにより第１の補助回路用スイッチ１０C1及び第２の補助回路用スイッチ１０C2がとるべき状態がオン状態であるかオフ状態であるかを判定して、第１の補助回路用スイッチ１０C1及び第２の補助回路用スイッチ１０C2を判定された状態とするように制御するスイッチ制御手段とを備えている。
【０１９０】
上記第１及び第２の補助回路用スイッチ制御用テーブルは、実験により、制御相のレグのスイッチのスイッチング損失及び基準相のレグのスイッチのスイッチング損失を最小にするために、パラメータと第１の補助回路用スイッチ１０C1及び第２の補助回路用スイッチ１０C2がとるべき状態との関係を求めることにより、適切なものを作成することができる。本実施形態のように構成すると、適確な第１及び第２の補助回路用スイッチ制御用テーブルを作成しておくことにより、第１及び第２の補助回路用スイッチのオンオフの制御を適確に行わせることができる。
【０１９１】
＜第１９の実施形態＞
本実施形態においては、スイッチング回路６Ａの基準相のレグの中点ｃ及び制御相のレグの中点ｄから負荷側を見たインピーダンスの状態を判定する負荷状態判定手段が更に設けられ、図８又は図９に示された補助回路用スイッチ制御部に設けられるスイッチ制御手段が、負荷状態判定手段によりスイッチング回路の基準相のレグの中点及び制御相のレグの中点から負荷側を見たインピーダンスが容量性であると判定されているときに補助回路用スイッチをオン状態に保つように構成される。
【０１９２】
本実施形態のように構成すると、ＤＣ／ＲＦ変換部６のスイッチング回路６Ａのレグの中点から負荷側を見たインピーダンスが容量性を示す状態になった場合に、第１及び第２の補助回路用スイッチをオン状態にして、制御相のレグの各スイッチの出力静電容量の充放電及び基準相のレグの出力静電容量の充放電を多少なりとも行わせることができるため、高周波電力発生部から負荷側を見たインピーダンスが容量性を示す状態になった場合に生じるスイッチング損失を従来よりも低減させることができる。
【０１９３】
上記の実施形態では、スイッチング回路６Ａの各レグのハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチを構成するスイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを用いているが、これらのスイッチは、しきい値以上の駆動信号が与えられたときにオン状態になり、駆動信号がしきい値未満になったときにオフ状態になるスイッチング素子であればよく、バイポーラトランジスタや、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などの他のオンオフ制御が可能なスイッチング素子を用いて、各レグのハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチを構成してもよいのはもちろんである。
【０１９４】
＜補助回路用スイッチの構成について＞
第１ないし第９の実施形態においては、補助リアクトル１０ＢをＤＣ／ＲＦ変換部６のスイッチ回路の制御相のレグの中点に接続したり、該中点から切り離したりするために補助回路用スイッチ１０Ｃが設けられる。また第１０ないし第１９の実施形態においては、第１の補助リアクトル１０B1を制御相のレグの中点に接続したり、該中点から切り離したりするために第１の補助回路用スイッチ１０C1が設けられ、第２の補助リアクトル１０B2を基準相のレグの中点に接続したり、該中点から切り離したりするために第２の補助回路用スイッチ１０C2が設けられるが、これらの補助回路用スイッチとしてはオンオフ制御が可能な双方向スイッチを用いる。補助回路用スイッチとして用いるのに適した双方向スイッチのいくつかの例を図１４及び図１５に示した。
【０１９５】
図１４（Ａ）に示した双方向スイッチは、２つのＭＯＳＦＥＴ２１及び２２により構成されている。この双方向スイッチにおいては、２つのＭＯＳＦＥＴのソースＳの電位の共通化を図るため、ＭＯＳＦＥＴ２１及び２２のソースＳどうしが共通接続されている。このように、ＭＯＳＦＥＴ２１，２２のソース電位の共通化を図っておくと、両ＭＯＳＦＥＴの駆動回路の共通化を図ることが可能である。ＭＯＳＦＥＴのドレインソース間のオン抵抗をＲFETとすると、この双方スイッチのオン抵抗（オン時の抵抗）は、２×ＲFETで表すことができる。またＭＯＳＦＥＴのオン時にドレインソース間を通して流れる電流をＩonとすると、この双方向スイッチのオン時の導通損失Ｐonlossは、
Ｐonloss＝２×ＲFET×Ｉon２                               …（１）
で与えられる。なお各ＭＯＳＦＥＴに付された符号Ｄ、Ｓ及びＧはそれぞれドレイン、ソース及びゲートを意味している。
【０１９６】
図１４（Ｂ）に示した双方向スイッチは、ＭＯＳＦＥＴ２１のソースにダイオード２３のアノードを接続して構成した単方向スイッチと、ＭＯＳＦＥＴ２２のソースにダイオード２４のアノードを接続して構成した単方向スイッチとを逆並列接続した構成を有するものである。ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗をＲFET、ダイオードの順方向電圧降下をＶDiode、オン時の通電電流をＩonとすると、この双方向スイッチのオン時の導通損失Ｐonlossは、
Ｐonloss＝Ｒfet×Ｉon２＋Ｖdiode×Ｉon                    …（２）
で与えられる。図１４（Ａ）に示した双方スイッチでは、オン動作を行わせる際に２つのＭＯＳＦＥＴを同時にオン状態にする必要があるため、高速化を図るためには駆動回路のバラツキをなくす配慮が必要であるが、図１４（Ｂ）の双方向スイッチでは２つのＭＯＳＦＥＴを同時のオン状態にする必要がないため高速化が容易である。
【０１９７】
図１４（Ｃ）に示した双方向スイッチは、２つのＩＧＢＴ２５及び２６のエミッタＥどうしを共通接続して、２つのＩＧＢＴのエミッタ電位の共通化を図ったものである。Ｄ25及びＤ26はそれぞれＩＧＢＴ２５及び２６のコレクタＣとエミッタＥとの間に形成された寄生の逆導通ダイオードである。
【０１９８】
図１４（Ｃ）に示した双方スイッチにおいては、寄生逆導通ダイオードＤ25及びＤ26があるため、オン動作を行わせる際に２つのＩＧＢＴを同時にオン状態にする必要がないが、寄生逆導通ダイオードＤ25及びＤ26のオン電圧が高いという難点がある。ＩＧＢＴのオン電圧をＶonIGBT、ＩＧＢＴの寄生逆導通ダイオードの順方向電圧をＶIGBTdiode、通電電流をＩonとすると、この双方スイッチのオン時の導通損失Ｐonlossは、
Ｐonloss＝（ＶonIGBT ＋ＶIGBTdiode ）×Ｉon            …（３）
で与えられる。
【０１９９】
図１４（Ｄ）に示した双方向スイッチは、逆阻止寄生ダイオードＤ27を直列に有する逆阻止ＩＧＢＴ２７と、逆阻止寄生ダイオードＤ28を直列に有する逆阻止ＩＧＢＴ２８とを逆並列接続した構成を有するもので、外付けのダイオードを用いることなく図１４（Ｂ）の双方スイッチと同様の双方スイッチを構成したものである。ＩＧＢＴのオン電圧をＶonIGBT、ＩＧＢＴの寄生逆阻止ダイオードの順方向電圧をＶIGBTdiode、通電電流をＩonとすると、この双方スイッチのオン時の導通損失Ｐonlossも（３）式で与えられる。
【０２００】
図１５（Ａ）に示した双方向スイッチは、ダイオードＤa 〜Ｄd により構成されたダイオードブリッジ整流回路の直流出力端子間に、寄生逆阻止ダイオード（図示せず。）を有するＩＧＢＴ３０を並列接続したものである。ＩＧＢＴのオン時のコレクタエミッタ間電圧をＶonIGBTとし、ダイオードの順方向電圧をＶdiode、通電電流をＩonとすると、図１５（Ａ）に示した双方スイッチのオン時の導通損失Ｐonlossは、
Ｐonloss＝（ＶonIGBT＋２×Ｖdiode）×Ｉon                …（４）
で与えられる。
【０２０１】
図１５（Ｂ）は、ダイオードＤa 〜Ｄd により構成されたダイオードブリッジ回路の両端に寄生逆導通ダイオードＤ30を有するＩＧＢＴ３０を並列接続したもので，オン時の導通損失は、上記（４）式により与えられる。
【０２０２】
図１５（Ａ），（Ｂ）に示した例のように、ダイオードブリッジ整流回路の直流出力端子間に半導体スイッチを接続する構成をとれば、オンオフ制御を行うスイッチ素子として一つの半導体スイッチ素子を用いるだけで、双方向性を有するスイッチを構成することができる。
【０２０３】
以上、補助回路用スイッチの構成例を種々示したが、補助回路用スイッチは、オンオフ制御が可能で導通損失が少ないものであればよく、図１４及び図１５に示したものには限定されない。例えば、図１４（Ｃ）において、ＩＧＢＴに代えてＭＯＳＦＥＴを用いることもできる。図１４（Ｃ）に示したスイッチを構成するに当たり、ＩＧＢＴに代えてＭＯＳＦＥＴを用いる場合には，損失を少なくするために、ドレイン・ソース間に形成された寄生ダイオードで生じる導通損失（寄生ダイオードの順方向電圧降下と順方向電流との積により決まる損失）をできるだけ低くくするために、寄生ダイオードの順方向電圧降下ができるだけ低いＭＯＳＦＥＴを用いることが好ましい。
【０２０４】
また図１５（Ａ），（Ｂ）に示された例において、ＩＧＢＴに代えてＭＯＳＦＥＴを用いることもできる。図１５（Ａ），（Ｂ）に示されたように、ダイオードブリッジ整流回路の直流出力端子間に半導体スイッチを並列接続する構成をとる場合、整流回路の直流出力端子間に接続する半導体スイッチには一方向にしか電流が流れないため、当該半導体スイッチとしては、一方向にのみ電流が流れるもの及び双方向に電流が流れ得るものの何れを用いてもよい。
【符号の説明】
【０２０５】
１  高周波電源装置
２  負荷
３  高周波電力発生部
４  インピーダンス整合器
５  ＤＣ電源部
６  ＤＣ／ＲＦ変換部
６Ａ  スイッチング回路
６Ｂ  直列共振回路
６Ｃ  トランス
７  ローパスフィルタ
８  パワー検出部
９  制御部
１０  共振補助回路
１０Ａ  コンデンサ分圧回路
１０A1  第１のコンデンサ分圧回路
１０A2  第２のコンデンサ分圧回路
１０Ｂ  補助リアクトル
１０B1  第１の補助リアクトル
１０B2  第２の補助リアクトル
１０Ｃ  補助回路用スイッチ
１０C1  第１の補助回路用スイッチ
１０C2  第２の補助回路用スイッチ
１１    補助回路用スイッチ制御部
１１Ａ  整合状態判定手段
１１Ｂ  スイッチ制御手段
１１Ｃ  負荷電流検出手段
１１Ｄ  回路電流検出手段
１１Ｅ  制御用テーブル記憶手段
Ｑ１    基準相のレグのハイサイドスイッチ
Ｑ２    基準相のレグのローサイドスイッチ
Ｑ３    制御相のレグのハイサイドスイッチ
Ｑ４    制御相のレグのローサイドスイッチ
Ｃ１〜Ｃ４  スイッチＱ１〜Ｑ４の出力静電容量
Ｄ１〜Ｄ４  帰還ダイオード
【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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