(57)【要約】【課題】アーク放電の発生を防止すると共に、負荷装置へ供給する高周波交流電力の遮断制御を高速にかつ連続的に実現可能な交流電源装置およびその装置におけるアーク防止方法を提供する。【解決手段】電流レベル設定器３３は、直流電力指令値および放電電圧値から演算された値と、高周波トランス１０の巻線比とに基づいて電流レベル指令値を設定する。指令選択器３４は、定常モードの電流レベル指令値または起動・再起動モードの電流レベル指令値を設定する。第１の比較器４３は、電流レベル値と電流レベル指令値とを比較し、電流レベル値が電流レベル指令値と同等または上回ったときに、遮断信号発生器４４に制御遮断信号を出力させる。ゲート制御・遮断器５４は、スイッチング制御信号ＧのパルスをＯＦＦする。【選択図】図３
2007169730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用交流電力から高周波の交流電力に変換し、該交流電力を負荷装置へ供給する電源であって、アーク放電の発生を防止する交流電源装置において、
前記商用交流電力が整流された直流電力を、ゲート制御信号によりスイッチング素子のゲートを制御して、新たな直流電力に変換するＤＣ−ＤＣ電力変換器と、
該変換された直流電力を、スイッチング制御信号によりスイッチング素子のゲートを制御して、高周波の交流電力に変換する高周波電力変換器と、
前記負荷装置へ供給される交流電力の交流電流値を検出する電流検出器と、
前記高周波電力変換器のスイッチング素子のゲートを制御するためのパルスを有するスイッチング制御信号を高周波電力変換器に出力する発振制御手段とを備え、
該発振制御手段は、アーク放電を検出するためのアーク基準電流値よりも小さい電流レベル指令値と、前記検出された交流電流値とに基づいて、遮断信号を発生し、該遮断信号によりスイッチング制御信号のパルスをオフし、負荷装置への交流電力の供給を停止させることを特徴とする交流電源装置。
【請求項２】
前記発振制御手段は、アーク放電が発生することなく運転する定常モード時において、アーク放電を検出するためのアーク基準値よりも小さい所定の電流レベル指令値と前記交流電流値とに基づいて遮断信号を発生し、負荷装置へ交流電力供給を開始する起動モード時またはアーク放電発生後の再起動モード時において、アーク放電を検出するためのアーク基準電流値よりも小さい値であって、前記定常モード時の電流レベル指令値よりも小さい電流レベル指令値と前記交流電流値とに基づいて遮断信号を発生することを特徴とする請求項１に記載の交流電源装置。
【請求項３】
さらに、前記負荷装置へ供給される交流電力の交流電圧値を検出する電圧検出器と、
前記負荷装置に見合う直流電力指令値に基づいてゲート制御信号を生成し、該ゲート信号を前記ＤＣ−ＤＣ変換器に出力する電力制御手段とを備え、
該電力制御手段は、前記交流電圧値および交流電流値から交流電力値を演算し、交流電力値が前記直流電力指令値よりも小さい場合に、前記直流電力指令値を減少させることを特徴とする請求項１または２に記載の交流電源装置。
【請求項４】
商用交流電力から高周波の交流電力に変換し、該交流電力を負荷装置へ供給する交流電源装置におけるアーク防止方法において、
前記商用交流電力を直流電力に整流するＡＣ−ＤＣ整流工程と、
該整流した直流電力を、ゲート制御信号によりスイッチング素子のゲートを制御して、新たな直流電力に変換するＤＣ−ＤＣ電力変換工程と、
該変換した直流電力を、スイッチング制御信号によりスイッチング素子のゲートを制御して、高周波の交流電力に変換する高周波電力変換工程と、
前記負荷装置へ供給される交流電力の交流電流値を検出する電流検出工程と、
前記高周波電力変換工程におけるスイッチング素子のゲートを制御するためのパルスを有するスイッチング制御信号を生成する場合に、
アーク放電を検出するためのアーク基準電流値よりも小さい電流レベル指令値と、前記検出した交流電流値とに基づいて、遮断信号を発生し、該遮断信号により前記スイッチング制御信号のパルスをオフし、負荷装置への交流電力の供給を停止させる発振制御工程とを有することを特徴とする交流電源装置におけるアーク防止方法。
【請求項５】
前記負荷装置へ供給される交流電力の交流電圧値を検出する電圧検出工程と、
前記負荷装置に見合う直流電力指令値に基づいてゲート制御信号を生成する場合に、
前記交流電圧値および交流電流値から交流電力値を演算し、
前記交流電力値が直流電力指令値よりも小さいときに、前記直流電力指令値を減少させる電力制御工程とを有することを特徴とする請求項４に記載の交流電源装置におけるアーク防止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源装置に関するものであり、特に、スパッタなどのプロセスを用いて半導体や液晶基板などを製造する製造装置分野において、プロセスの過程で発生するアークの発生を防止する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、スパッタ装置では、製造装置内においてプラズマ放電を発生させることにより、スパッタリングプロセスを実現している。このプロセスを実現するためには、高電圧の直流（DC）電源 や交流（AC）電源を使用して、この電源を製造装置内の電極へ印加する必要があり、これにより、プラズマ放電が発生する。
【０００３】
しかしながら、この高電圧の電源をプラズマが浮遊している電極間へ印加すると、電極間で耐圧破壊が起こり、短絡現象が発生し、過大電流が流れることがある。この短絡現象が所謂、アークと呼ばれる現象である。このアークが発生すると、異物が製造物に飛散し、商品価値を損なうという問題が発生する。このため、アーク現象を捕らえて給電を高速遮断することにより、製造物への影響を抑えることが不可欠になっている。従来、多くの場合、電極間へ印加される電源として直流電源が使用されていたが、交流電源も使用されており、このアーク現象を捕らえる方式として、供給する直流電流や交流電流の変化を捕らえる方式が用いられている。この方式では、電源を供給する装置は、アーク現象を捕らえると、製造装置への給電を高速に遮断し、一定の時間が経過した後に製造装置を再起動させるように動作する。
【０００４】
このようなアーク現象を捕らえて高速遮断する装置として、特許文献１に記載のものがある。図９は、従来の電源装置の構成を示す図である。この電源装置は、処理装置本体７６におけるアーク現象を捕らえた場合に、処理装置本体７６へ供給している電力を高速に遮断すると共に、処理装置本体７６のその後の再起動時に、インバータスイッチング部７３のパワー素子へのスイッチングパルス幅を暫増させるものである。この電源装置において、直流制御部７１で商用電力から変換され、平滑回路７２を介して取り出された直流電圧が、インバータスイッチング部７３へ送られ、交流（矩形波）に変換され、昇圧トランス７４および整流部７５を介して処理装置本体７６へ供給される。電流検出回路８０は、昇圧トランス７４と整流部７５との間に設けられたカレントトランス７９が検出した電流を読み取り、その値に応じた制御信号をサイリスタ制御部７７およびインバータ制御部７８に送る。サイリスタ制御部７７は、前記電流値に応じた制御信号を入力し、直流制御部７１を制御するためのゲート制御信号を生成して出力する。また、インバータ制御部７８は、前記電流値に応じた制御信号と、処理装置本体７６の所定の箇所に設けられた温度検出器８１から温度値をそれぞれ入力し、インバータスイッチング部７３を制御するためのスイッチング制御信号を生成して出力する。
【０００５】
図１０は、図９に示した電源装置における各部の信号波形を示す図であり、アーク放電が発生した前後の波形を表している。図１０（ａ）は、放電電流の信号波形、すなわちカレントトランス７９の電流検出出力の波形を示している。期間（１）の放電電流は、正規のパルス電流波形を示しており、デューティを調節することにより放電が制御される。図１０（ｂ）は、平滑回路７２から得られる直流電圧Ｖdcを示している。期間（１）において、直流電圧Ｖdcは、２００Ｖ一定に維持されている。期間（２）において、グロー放電からアーク放電に移行しており、電流が急激に増加している。図１０（ｃ）は、アーク放電が発生したときのアーク検出信号Ｐを示している。インバータ制御部７８は、遮断期間（３）終了後の復帰期間（４）において、インバータスイッチング部７３の発振を同じ周波数で再開させるに際し、高周波パルスのデューティを、図１０（ａ）に示すように、零からアーク検出される前のデューティまで徐々に増加させる。放電電流値も、図１０（ｂ）に示すように直流電圧Ｖdcの変化に従ってデューティと同様に徐々に上昇し、復帰期間（４）の終りの時点でアーク検出される前の状態に戻る。
【０００６】
【特許文献１】特開平７−６２５２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述の特許文献１の電源装置は、アーク放電を検出すると、処理装置本体７６への電力供給を遮断し、一定時間経過後に再度可変する電力を供給するに際し、可変する電力の高周波パルスのデューティを零から徐々に増加させるようにする。しかしながら、このような再起動処理を行った場合には、処理装置本体７６である負荷の電極が加熱気味の状況において、アーク放電が再発し、電極に熱的な変化が起こり、プロセスが一定しないという虞がある。この場合、製品の品質が低下し、または製品歩留まりが悪化してしまう。
【０００８】
また、前述のようにアーク放電を検出した後の遮断処理では、回路の動作遅れやムダ時間などによりアークエネルギーを十分に抑制することができないという問題があった。本来的には、アークエネルギーを十分に抑制するためには、アーク放電を発生させないようにする必要がある。つまり、アーク放電が発生しないように、負荷装置へ供給する電力を適切に制御することが望ましい。
【０００９】
そこで、本発明は、上記課題を解決するために、アーク放電の発生を防止すると共に、負荷装置へ供給する高周波交流電力の遮断制御を高速にかつ連続的に実現可能な交流電源装置およびその装置におけるアーク防止方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明による交流電源装置は、商用交流電力から高周波の交流電力に変換し、該交流電力を負荷装置へ供給する電源であって、アーク放電の発生を防止する交流電源装置において、前記商用交流電力が整流された直流電力を、ゲート制御信号によりスイッチング素子のゲートを制御して、新たな直流電力に変換するＤＣ−ＤＣ電力変換器と、該変換された直流電力を、スイッチング制御信号によりスイッチング素子のゲートを制御して、高周波の交流電力に変換する高周波電力変換器と、前記負荷装置へ供給される交流電力の交流電流値を検出する電流検出器と、前記高周波電力変換器のスイッチング素子のゲートを制御するためのパルスを有するスイッチング制御信号を高周波電力変換器に出力する発振制御手段とを備え、該発振制御手段は、アーク放電を検出するためのアーク基準電流値よりも小さい電流レベル指令値と、前記検出された交流電流値とに基づいて、遮断信号を発生し、該遮断信号によりスイッチング制御信号のパルスをオフし、負荷装置への交流電力の供給を停止させることを特徴とする。
【００１１】
また、前記発振制御手段は、アーク放電が発生することなく運転する定常モード時において、アーク放電を検出するためのアーク基準値よりも小さい所定の電流レベル指令値と前記交流電流値とに基づいて遮断信号を発生し、負荷装置へ交流電力供給を開始する起動モード時またはアーク放電発生後の再起動モード時において、アーク放電を検出するためのアーク基準電流値よりも小さい値であって、前記定常モード時の電流レベル指令値よりも小さい電流レベル指令値と前記交流電流値とに基づいて遮断信号を発生することを徴とする。
【００１２】
また、本発明による交流電源装置は、さらに、前記負荷装置へ供給される交流電力の交流電圧値を検出する電圧検出器と、前記負荷装置に見合う直流電力指令値に基づいてゲート制御信号を生成し、該ゲート信号を前記ＤＣ−ＤＣ変換器に出力する電力制御手段とを備え、該電力制御手段は、前記交流電圧値および交流電流値から交流電力値を演算し、交流電力値が前記直流電力指令値よりも小さい場合に、前記直流電力指令値を減少させることを特徴とする。
【００１３】
本発明を交流電源装置として説明したが、本発明はこれらに実質的に相当する方法としても実現し得るものであり、本発明には、交流電源装置におけるアーク防止方法も含む。すなわち、発明による交流電源装置におけるアーク防止方法は、商用交流電力から高周波の交流電力に変換し、該交流電力を負荷装置へ供給する交流電源装置におけるアーク防止方法において、前記商用交流電力を直流電力に整流するＡＣ−ＤＣ整流工程と、該整流した直流電力を、ゲート制御信号によりスイッチング素子のゲートを制御して、新たな直流電力に変換するＤＣ−ＤＣ電力変換工程と、該変換した直流電力を、スイッチング制御信号によりスイッチング素子のゲートを制御して、高周波の交流電力に変換する高周波電力変換工程と、前記負荷装置へ供給される交流電力の交流電流値を検出する電流検出工程と、前記高周波電力変換工程におけるスイッチング素子のゲートを制御するためのパルスを有するスイッチング制御信号を生成する場合に、アーク放電を検出するためのアーク基準電流値よりも小さい電流レベル指令値と、前記検出した交流電流値とに基づいて、遮断信号を発生し、該遮断信号により前記スイッチング制御信号のパルスをオフし、負荷装置への交流電力の供給を停止させる発振制御工程とを有することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明による交流電源装置におけるアーク防止方法は、前記負荷装置へ供給される交流電力の交流電圧値を検出する電圧検出工程と、前記負荷装置に見合う直流電力指令値に基づいてゲート制御信号を生成する場合に、前記交流電圧値および交流電流値から交流電力値を演算し、前記交流電力値が直流電力指令値よりも小さいときに、前記直流電力指令値を減少させる電力制御工程とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、本発明によれば、アーク放電を検出するためのアーク基準電流値よりも小さい電流レベル指令値により、負荷装置への電力供給を遮断するようにした。従来は、アーク放電が発生した場合に電力供給を遮断していたが、本発明により、アーク放電が発生する前に電力供給を遮断することができるから、アーク放電の発生を防止することが可能となる。また、アーク放電が発生する前に電力供給を遮断する場合に、前記電流レベル指令値と交流電流値とに基づいて遮断信号を発生し、スイッチング制御信号のパルス毎にそのパルスをオフするようにした。従来は、アークが発生した場合に電力供給を所定の時間の間一時的に遮断していたが、本発明により、アーク放電が発生する前に電力供給の遮断制御を瞬時に行うことができ、一時的に停止することなく高速にかつ連続的な遮断を実現することが可能となる。さらに、本発明によれば、交流電力値が直流電力指令値よりも小さい場合に、直流電力指令値を減少させるようにした。これにより、ＤＣ−ＤＣ変換器により変換される直流電力は減少する。したがって、交流電力値と直流電力指令値との間の誤差により発生する直流電圧の飽和等を抑制することができ、安定した特性を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
〔構成〕
先ず、本発明の実施の形態による交流電源装置の構成について説明する。図１は、交流電源装置の構成を示す制御ブロック図である。交流電源装置１は、ＡＣ−ＤＣ整流器３、第１の平滑用コンデンサ４、ＤＣ―ＤＣ電力変換器５、第２の平滑用コンデンサ６、第１の電圧検出器７、第１の電流検出器８、高周波電力変換器９、高周波トランス１０、第２の電圧検出器１１、第２の電流検出器１２、リアクタ１３、直流制御用電源１４、電力制御手段１５及び発振制御手段１６を備える。交流電源装置１は、商用交流電源２から商用交流電力を入力し、一旦直流電力に変換し、さらに直流電力から交流電力に変換し、交流電力を負荷装置１７へ出力する。
【００１７】
ＡＣ−ＤＣ整流器３は、整流素子例えば、ダイオードを用いた３相全波整流回路であり、商用交流電源２から３相交流電力を入力し、３相交流電力を整流し、直流電力を第１の平滑用コンデンサ４に出力する。ＡＣ−ＤＣ整流器３は、出力正極端子が第１の平滑用コンデンサ４の一端に接続され、出力負極端子が第１の平滑用コンデンサ４の他端に接続される。第１の平滑用コンデンサ４は、ＡＣ−ＤＣ整流器３から直流電力を入力し、直流電圧を平滑にし、得られる第１の直流電力をＤＣ−ＤＣ電力変換器５に出力する。第１の平滑用コンデンサ４は、一端がＤＣ−ＤＣ電力変換器５の入力正極端子に接続され、他端がＤＣ−ＤＣ電力変換器５の入力負極端子に接続される。
【００１８】
ＤＣ−ＤＣ電力変換器５は、半導体スイッチング素子例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）（以下、第１のスイッチング素子という。）と直流リアクタとを備えるスイッチング回路であり、第１のスイッチング素子のゲートに入力される制御信号（以下、ゲート制御信号という。）Ａにより、コレクターエミッタ間の導通／遮断を制御する。第１のスイッチング素子のコレクタおよびエミッタは、第１の平滑用コンデンサ４および第２の平滑用コンデンサ６の負極端子にそれぞれ接続される。直流リアクタは、その一端が第１の平滑用コンデンサ４の正極端子に接続され、他端が第２の平滑用コンデンサ６の正極端子に接続される。すなわち、ＤＣ−ＤＣ電力変換器５は、第１の直流電力を入力し、内在する第１のスイッチング素子のゲートをゲート制御信号Ａによりオン／オフ動作させ、第２の直流電力を第２の平滑用コンデンサ６に出力する。
【００１９】
第２の平滑用コンデンサ６は、第２の直流電力を入力し、第２の直流電圧を平滑にし、高周波電力変換器９に出力する。第２の平滑用コンデンサ６は、その一端が高周波電力変換器９の入力正極端子および第１の電圧検出器７の入力正極端子に接続され、他端が高周波電力変換器９の入力負極端子および第１の電圧検出器７の入力負極端子に接続される。第１の電圧検出器７は、ＤＣ−ＤＣ電力変換器５の出力側の直流電圧値を検出し、直流電圧帰還信号Ｂとして電力制御手段１５に出力する。第１の電流検出器８は、例えば、磁電変換素子であるホール素子を利用して、被測定電流を非接触で検出するセンサであり、ＤＣ−ＤＣ電力変換器５の出力側の直流電流値や過電流を検出し、直流電流帰還信号Ｃとして電力制御手段１５に出力する。
【００２０】
高周波電力変換器９は、インバータ回路であり、相対向する２対の半導体スイッチング素子例えば、ＩＧＢＴ（Ｑ１およびＱ４スイッチ）およびＩＧＢＴ（Ｑ２およびＱ３スイッチ）の対（以下、第２のスイッチング素子という。）が、第２のスイッチング素子のゲートに入力される制御信号（以下、スイッチング制御信号という。）Ｇにより、コレクターエミッタ間の導通／遮断を制御する。すなわち、高周波電力変換器９は、第２のスイッチング素子が、交互にオン／オフ動作を繰り返し、第２の平滑用コンデンサ６により平滑された波形の電圧を有する第２の直流電力を、略矩形波交流波形の電圧を有する第１の交流電力に変換する回路である。すなわち、高周波電力変換器９は、第２の直流電力を入力し、内在する第２のスイッチング素子のゲートをスイッチング制御信号Ｇによりオン／オフ動作させ、第２の直流電力を第１の交流電力に変換し、交流電力を高周波トランス１０に出力する。
【００２１】
高周波トランス１０は、相互に電磁結合された１次巻線１０pおよび２次巻線１０sからなる変圧器であり、高周波電力変換器９から出力された高周波の交流電力に対する安全性および環境などを配慮するために設置されている。高周波トランス１０は、１次巻線１０pに交流電圧を入力し、相互電磁誘導作用により、１次巻線１０pと２次巻線１０sとの巻数比に比例した交流電圧を２次巻線１０sに発生させる。高周波トランス１０の１次巻線１０pは、巻き始めが第２のスイッチング素子Ｑ１のエミッタおよびＱ３のコレクタに接続され、巻き終りが第２のスイッチング素子Ｑ２のエミッタおよびＱ４のコレクタに接続される。高周波トランス１０の２次巻線１０sは、負荷装置１７に接続される。すなわち、高周波トランス１０は、第１の交流電力を入力し、第１の交流電力と電気的に絶縁させた第２の交流電力に変換し、負荷装置１７に出力する。このように、高周波トランス１０は、入力の商用電源と交流電力とを絶縁する。
【００２２】
第２の電圧検出器１１は、高周波トランス１０の２次側の交流電圧値を検出し、交流電圧帰還信号Ｄとして電力制御手段１５に出力する。第２の電流検出器１２は、第１の電流検出器８と同様に、ホール素子を利用して被測定電流を非接触で検出するセンサであり、高周波トランス１０の２次側の交流電流値を検出し、交流電流帰還信号Ｅとして電力制御手段１５および発振制御手段１６に出力する。リアクタ１３は、インダクタンス機器であり、高周波トランス１０の２次側における出力電流の電流変化率を抑制する。つまり、負荷装置１１で発生するアーク放電に基づく短絡電流を抑制する。
【００２３】
直流制御用電源１４は、制御用定電圧電源であり、電力制御手段１５および発振制御手段１６の直流回路に直流定電圧を供給する。ここでは、商用交流電源２から２相商用電源を入力し、直流定電圧を出力する。尚、直流制御用電源１４は、商用交流電源２とは別系統の電源を用いることにより、全く独立した直流制御用電源として直流定電圧を出力するようにしてもよい。
【００２４】
電力制御手段１５は、予め設定された直流電力指令値に基づいて、ＤＣ−ＤＣ電力変換器５が出力する直流電力を生成するためのゲート制御信号Ａを生成し、当該ゲート制御信号ＡをＤＣ−ＤＣ電力変換器５に出力する。ここで、直流電力指令値は、負荷装置１７に依存する値であり、例えば負荷の大きさや材料などによって決定される値である。つまり、ＤＣ−ＤＣ電力変換器５が出力する直流電力は、負荷装置１７の大きさや材料などの負荷に見合った値となる。また、電力制御手段１５は、第１の電圧検出器７から直流電圧帰還信号Ｂを、第１の電流検出器８から直流電流帰還信号Ｃを、第２の電圧検出器１１から交流電圧帰還信号Ｄを、第２の電流検出器１２から交流電流帰還信号Ｅをそれぞれ入力する。そして、電力制御手段１５は、負荷装置１７へ供給されている交流電力が低下し、交流電力値が直流電力指令値よりも小さくなったときに、直流電力を小さくするために、直流電力指令値を減少補正してゲート制御信号Ａを生成し、当該ゲート制御信号ＡをＤＣ−ＤＣ電力変換器５に出力する。したがって、ＤＣ−ＤＣ電力変換器５は、この減少補正された直流電力指令値を基にして直流電力を出力し、第１の電圧検出器７により検出された直流電圧帰還信号Ｂ、および第１の電流検出器８により検出された直流電流帰還信号Ｃが電力制御手段１５にフィードバックされる。
【００２５】
発振制御手段１６は、高周波電力変換器９が出力する交流電力を生成するためのスイッチング制御信号Ｇを、スイッチング周波数およびデッドバンド期間から生成し、当該スイッチング制御信号Ｇを高周波電力変換器９に出力する。また、発振制御手段１６は、第２の電流検出器１２から交流電流帰還信号Ｅを入力し、予め設定された放電電圧値、および電力制御手段１５に予め設定された直流電力指令値に基づいて、定常モードおよび起動・再起動モードにおけるそれぞれの電流レベル指令値（アーク検出を判断するためのアーク電流レベル指令値よりも小さい値）を演算し、各モードにおいて、前記交流電流帰還信号Ｅによる交流電流レベル値と電流レベル指令値とを比較し、交流電流レベル値が大きい場合に、スイッチング制御信号ＧのパルスをＯＦＦし、高周波電力変換器９のスイッチングを遮断する。この場合、発振制御手段１６は、スイッチング制御信号Ｇのパルス毎に、連続的に高周波電力変換器９の遮断制御を行う。
【００２６】
〔電力制御手段１５の構成〕
次に、図１に示した電力制御手段１５の構成について詳細に説明する。図２は、電力制御手段１５の構成を示す制御ブロック図である。この電力制御手段１５は、電力設定器２１、指令演算器２２、電力制御増幅器２３、ゲート制御器２４、第１の帰還電力演算器２５、第２の帰還電力演算器２６および電力誤差制御器２７を備えている。
【００２７】
電力設定器２１は、ＤＣ−ＤＣ電力変換器５が直流電力を生成するための直流電力指令値Ｗ、例えば１０ｋＷ（キロワット）を設定し、直流電力指令信号Ｆとして指令演算器２２、電力誤差制御器２７および発振制御手段１６に出力する。帰還電力演算器２５は、第１の電圧検出器７から直流電圧帰還信号Ｂを、第１の電流検出器８から直流電流帰還信号Ｃをそれぞれ入力し、直流帰還電力値Ｗ１（電圧値×電流値）を演算し、直流電力帰還信号として電力制御増幅器２３に出力する。帰還電力演算器２６は、第２の電圧検出器１１から交流電圧帰還信号Ｄを、第２の電流検出器１２から交流電流帰還信号Ｅをそれぞれ入力し、交流帰還電力値Ｗ２（電圧値×電流値）を演算し、交流電力帰還信号として電力誤差制御器２７に出力する。電力誤差制御器２７は、電力設定器２１から直流電力指令信号Ｆを、帰還電力演算器２６から交流電力帰還信号をそれぞれ入力し、直流電力指令値Ｗと交流帰還電力値Ｗ２とを比較し、交流帰還電力値Ｗ２が直流電力指令値Ｗより小さい場合（Ｗ２＜Ｗ）にのみ、両者の差分値（Ｗ−Ｗ２）を演算し、差分信号として指令演算器２２に出力する。
【００２８】
指令演算器２２は、電力設定器２１から直流電力指令信号Ｆを入力し、電力誤差制御器２７から差分信号を入力し、直流電力指令値Ｗから差分値（Ｗ−Ｗ２）を減算し、新たな直流電力指令値Ｗ’を求め、新たな直流電流指令信号として電力制御増幅器２３に出力する。
【００２９】
電力制御増幅器２３は、指令演算器２３−１およびＰＩＤ演算器２３−２を備えている。指令演算器２３−１は、指令演算器２２から新たな直流電流指令信号を、帰還電力演算器２５から直流電力帰還信号をそれぞれ入力し、新たな直流電力指令値Ｗ’から直流帰還電力値Ｗ１を減算し、直流電力偏差値を求め、偏差信号としてＰＩＤ演算器２３−２に出力する。ＰＩＤ演算器２３−２は、帰還電力演算器２３−１から偏差信号を入力し、ＰＩＤ演算を行い、直流電力補正指令値を求め、補正指令信号としてゲート制御器２４に出力する。ゲート制御器２４は、ＰＩＤ演算器２３−２から補正指令信号を入力し、パルス幅指令信号としてのゲート制御信号Ａを生成し、ＤＣ−ＤＣ電力変換器５の第１のスイッチング素子のゲートに出力する。
【００３０】
このように、電力制御手段１５は、負荷装置１７に見合う直流電力指令値からゲート制御信号Ａを生成し、ＤＣ−ＤＣ電力変換器５の直流電力を制御すると共に、負荷装置１７へ供給される交流電流が減少し、その交流電力値が直流電力指令値よりも小さい場合に、直流電力指令値を減少させ、当該減少した直流電力指定値からゲート制御信号Ａを生成し、ＤＣ−ＤＣ電力変換器５の直流電力が減少するように制御する。これにより、負荷装置１７へ供給される交流電力の電流が減少した場合には、直流電力が減少し、結果として交流電力値と直流電力指令値との間の誤差により発生する直流電圧の飽和等を抑制することができ、安定した特性を得ることができる。
【００３１】
〔発振制御手段１６の構成〕
次に、図１に示した発振制御手段１６の構成について詳細に説明する。図３は、発振制御手段１６の構成を示す制御ブロック図である。この発振制御手段１６は、アーク制御手段３０およびパルス指令演算手段５０を備えている。アーク制御手段３０は、プロセス電圧設定器３１、電流レベル演算器３２、電流レベル設定器３３、指令選択器３４、レート時間設定器３５、アーク電流基準値設定器３６、保持・解除信号発生器３７、第２の比較器３８、電流−電圧変換器３９、絶縁トランス４０、差動増幅器４１、絶対値変換器４２、第１の比較器４３、遮断信号発生器４４および演算器４５を備えている。また、パルス指令演算手段５０は、スイッチング周波数設定器５１、デッドバンド設定器５２、スイッチング指令器５３およびゲート制御・遮断器５４を備えている。
【００３２】
プロセス電圧設定器３１は、負荷装置１７の大きさやプロセスなどによって決定される放電電圧値を予め設定し、放電電圧信号を電流レベル演算器３２に出力する。電流レベル演算器３２は、プロセス電圧設定器３１から放電電圧信号を、電力制御手段１５から直流電力指令信号をそれぞれ入力し、直流電力指令値を放電電圧値で除算して電流値Ｉ１を求め、電流レベル基準信号として電流レベル設定器３３に出力する。例えば、放電電圧値がＡＣ５００Ｖ、直流電力指令値が１０ｋＷの場合は、電流値Ｉ１は２００Ａとなる。
【００３３】
電流レベル設定器３３は、電流レベル演算器３２から電流レベル基準信号を入力すると、電流値Ｉ１を高周波トランス１０の巻線比（１０p：１０s）で除算して電流値Ｉ２を求め、電流レベル指令信号として指令選択器３４に出力する。例えば、巻線比が１：１．５、電流値Ｉ１が２００Ａの場合は、電流値Ｉ２は１３３Ａとなる。
【００３４】
指令選択器３４は、電流レベル設定器３３から電流レベル指令信号を、図示しないモード指令器からモード信号を入力し、予め設定された比率を乗算してモードに応じた電流レベル指令値を求める。ここで、図示しないモード指令器は、負荷装置１７が定常モードで運転しているのか、負荷装置１７の運転起動時である装置立ち上がり時の起動モードで運転しているのか、または、アーク放電による遮断の後の装置立ち上がり時の再起動モードで運転しているのかを判断し、定常モードまたは起動・再起動モードのうちのいずれかのモード情報をモード信号として指令選択器３４に出力する。指令選択器３４には、モード毎の比率が、予め設定されている。例えば、定常モードの場合は比率１、起動・再起動モードの場合は比率０．５のように、起動・再起動モードの場合は、負荷装置１７の電極が加熱気味の状況などによりアーク放電が再発生しやすいことを考慮し、通常モードの比率よりも低い比率が設定されている。指令選択器３４は、モード信号が定常モードである場合に、電流値Ｉ２（１３３Ａ）と比率（１）を乗算して新たな電流値Ｉ３（１３３Ａ）を求める。また、モード信号が起動・再起動モードである場合に、電流値Ｉ２（１３３Ａ）と比率（０．５）を乗算して新たな電流値Ｉ３（６６．５Ａ）を求める。そして、指令選択器３４は、求めた電流値Ｉ３を、モードに応じた電流レベル指令信号としてレート時間設定器３５に出力する。
【００３５】
レート時間設定器３５は、指令選択器３４からモードに応じた電流レベル指令信号を、図示しないモード指令器からモード信号をそれぞれ入力し、モードが起動・再起動モードである場合に、予め設定されたレート時間により、起動・再起動モードの電流値Ｉ３から定常モードの電流値Ｉ３に徐々に立ち上がるように新たな電流値Ｉ４を求め、電流レベル指令信号として第１の比較器４３に出力する。尚、モードが定常モードの場合は、入力した電流値Ｉ３をそのまま新たな電流値Ｉ４として用いる。起動・再起動モードにおいて、負荷装置１７へ供給される交流電力における交流電流が、従来技術に示した図１０（ａ）の（４）のように、パルス波形の波高値が暫増する場合に、レート時間設定器３５は、その暫増に適合した電流レベル指令値を生成することができる。これにより、負荷装置１７の起動時およびアーク放電が発生した後の再起動時において、安定した起動特性を得ることができる。
【００３６】
一方、電流−電圧変換器３９は、図４に示すように、例えば抵抗体３９−１およびコンデンサ３９−２を備え、第２の電流検出器１２の出力端子に直列に抵抗３９−１を配し、抵抗体３９−１に並列にコンデンサ３９−２を配する。電流−電圧変換器３９は、第２の電流検出器１２から交流電流帰還信号Ｅを入力し、電流から電圧に変換し、電圧信号を絶縁トランス４０を介して差動増幅器４１に出力する。
【００３７】
差動増幅器４１は、図４に示すように、抵抗体４４−１〜４４−４およびオペアンプ４４−５を備え、絶縁トランス４０から電圧信号を入力し、差動増幅し、出力電圧値の信号を絶対値変換器４２に出力する。抵抗体４４−１〜４４−４は、出力電圧値を交流電流帰還信号Ｅの交流帰還電流値に等しくするように、予め設定されている。例えば、交流帰還電流値が１Ａであれば、出力電圧値を１Ｖにする。これにより、差動増幅器４１の出力端子から出力電圧値の信号を出力することによって、交流帰還電流値を知ることができる。これらの絶縁トランス４０および差動増幅器４１は、ノイズ耐量を改善するために設けられており、必要に応じて省略するようにしてもよい。
【００３８】
絶対値変換器４２は、差動増幅器４１から出力電圧値の信号を入力し、出力電圧値の絶対値を演算し、演算結果である絶対値の信号（電流レベル信号）を第１の比較器４３および第２の比較器３８に出力する。これにより、絶対値変換器４２は、入力した正負の信号を正極性の信号として出力することができる。
【００３９】
第１の比較器４３は、絶対値変換器４２から電流レベル信号を、レート時間設定器３５から電流レベル指令信号をそれぞれ入力し、電流レベル値と、定常モードの電流レベル指令値（電流値Ｉ４）または起動・再起動モードの電流レベル指令値（電流値Ｉ４）とを比較し、電流レベル値が電流レベル指令値と同等または上回ったときに、制御信号を遮断信号発生器４４に出力する。遮断信号発生器４４は、第１の比較器４３から制御信号を入力すると、制御遮断信号を演算器４５に出力する。これにより、パルス指令演算手段５０から出力されるスイッチング制御信号ＧがＯＦＦし、高周波電力変換器９から負荷装置１７への電力供給が遮断される。このような電力供給の遮断処理は、スイッチング制御信号Ｇのパルス毎に行われるため、高速な連続処理を実現することができる。
【００４０】
一方、アーク電流基準値設定器３６は、負荷装置１７においてアーク放電が発生していると判定される基準となるアーク基準値を設定する。第２の比較器３８は、アーク電流基準値設定器３６からのアーク基準値と、絶対値変換器４２からの電流レベル値とを比較し、電流レベル値がアーク基準値と同等または上回ったときに、制御信号を保持・解除信号発生器３７に出力する。
【００４１】
保持・解除信号発生器３７は、第２の比較器３８から制御信号を入力すると、アーク遮断信号を演算器４５に出力し、その出力を保持する。これにより、パルス指令演算手段５０から出力されるスイッチング制御信号ＧがＯＦＦし、高周波電力変換器９から負荷装置１７への電力供給が遮断される。そして、所定時間経過後に、アーク遮断信号の出力の保持を解除する。これにより、負荷装置１７への電力供給が再開する。
【００４２】
尚、アーク電流基準値設定器３６、保持・解除信号発生器３７およびアーク電流基準値設定器３６は、アーク放電を検出してアーク遮断信号を出力するための手段であるが、実際は、アーク放電を検出する前に、第１の比較器４３および遮断信号発生器４４が制御遮断信号を出力する。つまり、アーク基準値は、通常モードおよび起動・再起動モードの電流レベル指令値よりも高いレベルに設定され、アーク電流基準値設定器３６、保持・解除信号発生器３７および第２の比較器３８は、バックアップとしての機能に限定される。したがって、アーク制御手段３０は、アーク電流基準値設定器３６、保持・解除信号発生器３７およびアーク電流基準値設定器３６を必ずしも備えている必要はない。
【００４３】
演算器４５は、遮断信号発生器４４から制御遮断信号を、保持・解除信号発生器３７からアーク遮断信号をそれぞれ入力し、論理和の演算を行い、遮断信号をゲート制御・遮断器５４に出力する。
【００４４】
図５は、第２の電流検出器１２により検出された交流電流帰還信号Ｅの電流波形およびスイッチング制御信号Ｇのパルス波形を示す図である。交流電流帰還信号Ｅの電流波形を＋側と−側に分けて示しているが、実際は、第１の比較器４３および第２の比較器３８において、絶対値の比較処理がなされる。第１の比較器４３は、定常モードにおいて、交流電流帰還信号Ｅの＋側電流レベル値が定常レベル＋側（＋側の電流レベル指令値）と同等または上回ったと判定した場合に（１）、遮断信号発生器４４は制御遮断信号を出力し、スイッチング制御信号ＧのパルスをＯＦＦさせる（２）。同様に、交流電流帰還信号Ｅの−側電流レベル値が定常レベル−側（−側の電流レベル指令値）と同等または下回ったと判定した場合に（３）、制御遮断信号を出力し、スイッチング制御信号ＧのパルスをＯＦＦさせる（４）。
【００４５】
また、第２の比較器３８は、交流電流帰還信号Ｅの＋側電流レベル値がアークレベル＋側（＋側のアーク基準値）と同等または上回ったと判定した場合に（５）、保持・解除信号発生器３７はアーク遮断信号を出力し、スイッチング制御信号ＧのパルスをＯＦＦさせるい（６）。その後、後述するように、スイッチング制御信号Ｇは、所定時間経過後の時点から定常モードにおけるパルス幅になるまで、徐々にそのパルス幅が増加する。そして、第１の比較器４３は、起動・再起動モードにおいて、交流電流帰還信号Ｅの−側電流レベル値が起動・再起動レベル−側（−側の電流レベル指令値）と同等または下回ったと判定した場合に（７）、遮断信号発生器４４は制御遮断信号を出力し、スイッチング制御信号ＧのパルスＯＦＦさせる（８）。交流電流帰還信号Ｅの＋側電流レベル値においても同様の処理を行う。このように、起動・再起動モードにおいて、スイッチング制御信号Ｇのパルス毎に遮断処理が行われるため、連続的な高速処理が可能となる。
【００４６】
図３に戻って、パルス指令演算手段５０のスイッチング周波数設定器５１は、高周波電力変換器９における第２のスイッチング素子のゲートをオン／オフ動作させるためのスイッチング制御信号Ｇのスイッチング周波数指令値を設定する。デッドバンド設定器５２は、第２のスイッチング素子のゲートを切り替えるときに、スイッチング制御信号ＧのＰ側とＮ側とが短絡するのを防止するために設けられたデッドバンド期間を設定する。
【００４７】
スイッチング指令器５３は、スイッチング周波数設定器５１からのスイッチング周波数指令値と、デッドバンド設定器５２からのデッドバンド期間とをそれぞれ入力し、スイッチング周波数指令値から元のパルス幅を演算し、元のパルス幅からデッドバンド期間を減算し、図６に示すように、定常パルス幅を得る。定常モードにおいて、スイッチング制御信号Ｇは、この定常パルス幅（一定のパルス幅）のパルスで生成される。アーク放電が発生した後電源供給が復帰する場合（起動・再起動モードの場合）に、予め設定された初期パルス幅およびレート時間と、演算された定常パルス幅とを用いて、スイッチング制御信号Ｇが生成される。具体的には、スイッチング指令器５３は、スイッチング制御信号Ｇのパルス幅が、初期パルス幅から始まって、レート時間が経過し、定常パルス幅になるまでの間、漸増して変化するパルス幅列をスイッチング指令信号としてゲート制御・遮断器５４に出力する。
【００４８】
ゲート制御・遮断器５４は、スイッチング指令器５３からスイッチング指令信号を、演算器４５から遮断信号を入力し、スイッチング指令信号のパルス幅列に基づいてスイッチング制御信号Ｇを生成し、高周波電力変換器９の第２のスイッチング素子のゲートに出力する。また、遮断信号を入力した場合には、スイッチング制御信号ＧのパルスをＯＦＦする。
【００４９】
〔動作／アーク防止〕
次に、図１に示した交流電源装置１の動作のうち、アーク防止方法について説明する。図７は、交流電源装置１におけるアーク防止方法の処理手順を示すフローチャート図である。まず、電流レベル設定器３３は、プロセス電圧設定器３１からの放電電圧値および電力制御手段１５からの直流電力指令値を用いて演算された値と、高周波トランス１０の巻線比（１０p：１０ｓ）とに基づいて電流レベル指令値を設定する（ステップＳ７０１）。そして、指令選択器３４およびレート時間設定器３５は、負荷装置１７の運転モードに応じて、運転モード毎に設定された比率を前記電流レベル指令値に乗算し、定常モードの電流レベル指令値または起動・再起動モードの電流レベル指令値を設定する（ステップＳ７０２）。この場合、起動・再起動モードのときは、予め設定されたレート時間により、起動・再起動モードの電流レベル指令値から定常モードの電流レベル指令値に徐々に立ち上がるように新たな電流レベル指令値を設定する。
【００５０】
そして、第１の比較器４３は、第２の電流検出器１２からの交流電流帰還信号Ｅに相当する電流レベル値と、ステップ７０２において設定された電流レベル指令値とを比較し（ステップＳ７０３）、電流レベル値が電流レベル指令値と同等または上回ったときに、遮断信号発生器４４に制御遮断信号を出力させる（ステップＳ７０４）。ゲート制御・遮断器５４は、ステップ７０４において制御遮断信号が出力された場合に、スイッチング制御信号ＧのパルスをＯＦＦする（ステップＳ７０５）。このようにして、負荷装置１７への電力供給の遮断処理が行われる。そして、ステップ７０２に戻る。この場合、スイッチング制御信号ＧのパルスがＯＦＦし、次のスイッチング制御信号Ｇのパルスを出力するタイミングになるとパルスはＯＮするが、ステップ７０２〜７０４により、電流レベル値が電流レベル指令値と同等または上回り制御遮断信号が再び出力されると、ステップ７０５において、スイッチング制御信号Ｇのパルスを再びＯＦＦする。このような電力供給の遮断処理は、スイッチング制御信号Ｇのパルス毎に行われるため、高速な連続処理を実現することができる。
【００５１】
〔動作／直流電圧飽和抑制〕
次に、図１に示した交流電源装置１の動作のうち、直流電圧飽和抑制方法について説明する。図８は、交流電源装置１における直流電圧飽和抑制方法の処理手順を示すフローチャート図である。まず、帰還電力演算器２５は、直流電圧帰還信号Ｂおよび直流電流帰還信号Ｃに基づいて、直流帰還電力値を演算する（ステップＳ８０１）。また、帰還電力演算器２６は、交流電圧帰還信号Ｄおよび交流電流帰還信号Ｅに基づいて、交流帰還電力値を演算する（ステップＳ８０２）。そして、電力誤差制御器２７は、交流帰還電力値と直流電力指令値とを比較し（ステップＳ８０３）、交流帰還電力値が直流電力指令値よりも小さいときに、直流電力指令値と交流帰還電力値との差分を直流電力指令値から減算補正して新たな直流電力指令値を演算し、この新たな直流電力指令値から直流帰還電力値を減算して増幅する（ステップＳ８０４）。一方、交流帰還電力値が直流電力指令値以上であるときは、直流電力指令値を維持する（ステップＳ８０５）。そして、ゲート制御器２４は、直流電力指令値に基づいてゲート制御信号Ａを生成する（ステップＳ８０６）。これにより、負荷装置１７へ供給される交流電力の電流が減少した場合には、ＤＣ−ＤＣ電力変換器５の直流電力が減少し、結果として交流電力値と直流電力指令値との間の誤差により発生する直流電圧の飽和等を抑制することができ、安定した特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態に係る交流電源装置の構成を示す制御ブロック図である。
【図２】電力制御手段の構成を示す制御ブロック図である。
【図３】発振制御手段の構成を示す制御ブロック図である。
【図４】電流−電圧変換器、絶縁トランスおよび差動増幅器の構成を示す図である。
【図５】交流電流帰還信号Ｅの電流波形およびスイッチング制御信号Ｇのパルス波形を示す図である。
【図６】スイッチング指令器の出力波形を示す図である。
【図７】本発明に係る交流電源装置におけるアーク防止方法の処理手順を示すフローチャート図である。
【図８】本発明に係る交流電源装置における交流電力安定化方法の処理手順を示すフローチャート図である。
【図９】従来の電源装置を構成を示す図である。
【図１０】従来の電源装置における各部の信号波形を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１  交流電源装置
２  商用交流電源
３  ＡＣ−ＤＣ整流器
４  第１の平滑用コンデンサ
５  ＤＣ−ＤＣ電力変換器
６  第２の平滑用コンデンサ
７  第１の電圧検出器
８  第１の電流検出器
９  高周波電力変換器
１０  高周波トランス
１１  第２の電圧検出器
１２  第２の電流検出器
１３  リアクタ
１４  直流制御用電源
１５  電力制御手段
１６  発振制御手段
１７  負荷装置
２１  電力設定器
２２  指令演算器
２３  電力制御増幅器
２３−１  指令演算器
２３−２  ＰＩＤ演算器
２４  ゲート制御器
２５  第１の帰還電力演算器
２６  第２の帰還電力演算器
２７  電力誤差制御器
３０  アーク制御手段
３１  プロセス電圧設定器
３２  電流レベル演算器
３３  電流レベル設定器
３４  指令選択器
３５  レート時間設定器
３６  アーク電流基準値設定器
３７  保持・解除信号発生器
３８  第２の比較器
３９  電流−電圧変換器
３９−１  抵抗体
３９−２  コンデンサ
４０  絶縁トランス
４１  差動増幅器
４１−１〜４１−４  抵抗体
４１−５  オペアンプ
４２  絶対値変換器
４３  第１の比較器
４４  遮断信号発生器
４５  演算器
５０  パルス指令演算手段
５１  スイッチング周波数設定器
５２  デッドバンド設定器
５３  スイッチング指令器
５４  ゲート制御・遮断器
７１  直流制御部
７２  平滑回路
７３  インバータスイッチング部
７４  昇圧トランス
７５  整流部
７６  処理装置本体
７７  サイリスタ制御部
７８  インバータ制御部
７９  カレントトランス
８０  電流検出回路
８１  温度検出器
Ａ  ゲート制御信号
Ｂ  直流電圧帰還信号
Ｃ  直流電流帰還信号
Ｄ  交流電圧帰還信号
Ｅ  交流電流帰還信号
Ｆ  直流電力指令信号
Ｇ  スイッチング制御信号
【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】
2007169730.tif 000009
【図８】
2007169730.tif 000010
【図９】
2007169730.tif 000011
【図１０】
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