(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ加工のためのプラズマを含む容量性負荷回路に直流パルス電圧を印加するプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
a)直流電圧を発生する電源部と、
b)前記電源部による直流電圧が与えられる高電位線と低電位線との間に接続された電源コンデンサと、
c)前記高電位線と前記低電位線との間に接続された、第１半導体スイッチング部と第２半導体スイッチング部とが直列に接続された第１の直列回路と、
d)前記高電位線と前記低電位線との間に接続された、第３半導体スイッチング部と第４半導体スイッチング部とが直列に接続された第２の直列回路と、
e)前記第１半導体スイッチング部と第２の半導体スイッチング部との接続部と、電圧出力端である前記第３半導体スイッチング部と第４半導体スイッチング部との接続部と、の間に接続された共振リアクトルと、
f)前記電圧出力端と前記低電位線との間に接続された共振コンデンサと、
g)前記第１半導体スイッチング部と前記第２半導体スイッチング部とを所定の時間間隔を空けて交互にオン動作させるとともに、前記第１半導体スイッチング部がオフするに伴い前記第３半導体スイッチング部をオン動作させ、少なくとも前記第２半導体スイッチング部がオンするまでの間、該第３半導体スイッチング部をオン状態に維持する一方、前記第２半導体スイッチング部がオフするに伴い前記第４半導体スイッチング部をオン動作させ、少なくとも前記第１半導体スイッチング部がオンするまでの間、該第４半導体スイッチング部をオン状態に維持するように、前記第１乃至第４なる各半導体スイッチング部のオン・オフ動作を制御する制御部と、
を備えるプラズマ加工装置用直流パルス電源装置。
【請求項２】
プラズマ加工のためのプラズマを含む容量性負荷回路に直流パルス電圧を印加するプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
a)直流電圧を発生する電源部と、
b)前記電源部による直流電圧が与えられる高電位線と低電位線との間に接続された電源コンデンサと、
c)前記高電位線と、該高電位線の電位と前記低電位線の電位との間の電位である中間電位線との間に接続された、第１半導体スイッチング部と第２半導体スイッチング部とが直列に接続された第１の直列回路と、
d)前記高電位線と前記中間電位線との間に接続された、第３半導体スイッチング部と第４半導体スイッチング部とが直列に接続された第２の直列回路と、
e)前記第１半導体スイッチング部と第２の半導体スイッチング部との接続部と、電圧出力端である前記第３半導体スイッチング部と第４半導体スイッチング部との接続部と、の間に接続された共振リアクトルと、
f)前記電圧出力端と前記低電位線との間に接続された共振コンデンサと、
g)前記第１半導体スイッチング部と前記第２半導体スイッチング部とを所定の時間間隔を空けて交互にオン動作させるとともに、前記第１半導体スイッチング部がオフするに伴い前記第３半導体スイッチング部をオン動作させ、少なくとも前記第２半導体スイッチング部がオンするまでの間、該第３半導体スイッチング部をオン状態に維持する一方、前記第２半導体スイッチング部がオフするに伴い前記第４半導体スイッチング部をオン動作させ、少なくとも前記第１半導体スイッチング部がオンするまでの間、該第４半導体スイッチング部をオン状態に維持するように、前記第１乃至第４なる各半導体スイッチング部のオン・オフ動作を制御する制御部と、
を備えるプラズマ加工装置用直流パルス電源装置。
【請求項３】
プラズマ加工のためのプラズマを含む容量性負荷回路に直流パルス電圧を印加するプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
a)直流電圧を発生する電源部と、
b)前記電源部による直流電圧が与えられる高電位線と低電位線との間に接続された電源コンデンサと、
c)前記高電位線と前記低電位線との間に接続された、第１半導体スイッチング部と第２半導体スイッチング部とが直列に接続された第１の直列回路と、
d)前記高電位線と前記低電位線との間に接続された、第３半導体スイッチング部と第４半導体スイッチング部とが直列に接続された第２の直列回路と、
e)前記第１半導体スイッチング部と第２の半導体スイッチング部との接続部と、電圧出力端である前記第３半導体スイッチング部と第４半導体スイッチング部との接続部と、の間に接続された共振リアクトルと、
f)前記電圧出力端と前記高電位線との間に接続された共振コンデンサと、
g)前記第１半導体スイッチング部と前記第２半導体スイッチング部とを所定の時間間隔を空けて交互にオン動作させるとともに、前記第１半導体スイッチング部がオフするに伴い前記第３半導体スイッチング部をオン動作させ、少なくとも前記第２半導体スイッチング部がオンするまでの間、該第３半導体スイッチング部をオン状態に維持する一方、前記第２半導体スイッチング部がオフするに伴い前記第４半導体スイッチング部をオン動作させ、少なくとも前記第１半導体スイッチング部がオンするまでの間、該第４半導体スイッチング部をオン状態に維持するように、前記第１乃至第４なる各半導体スイッチング部のオン・オフ動作を制御する制御部と、
を備えるプラズマ加工装置用直流パルス電源装置。
【請求項４】
プラズマ加工のためのプラズマを含む容量性負荷回路に直流パルス電圧を印加するプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
a)直流電圧を発生する電源部と、
b)前記電源部による直流電圧が与えられる高電位線と低電位線との間に接続された電源コンデンサと、
c)前記高電位線と、該高電位線の電位と前記低電位線の電位との間の電位である中間電位線との間に接続された、第１半導体スイッチング部と第２半導体スイッチング部とが直列に接続された第１の直列回路と、
d)前記高電位線と前記中間電位線との間に接続された、第３半導体スイッチング部と第４半導体スイッチング部とが直列に接続された第２の直列回路と、
e)前記第１半導体スイッチング部と第２の半導体スイッチング部との接続部と、電圧出力端である前記第３半導体スイッチング部と第４半導体スイッチング部との接続部と、の間に接続された共振リアクトルと、
f)前記電圧出力端と前記高電位線との間に接続された共振コンデンサと、
g)前記第１半導体スイッチング部と前記第２半導体スイッチング部とを所定の時間間隔を空けて交互にオン動作させるとともに、前記第１半導体スイッチング部がオフするに伴い前記第３半導体スイッチング部をオン動作させ、少なくとも前記第２半導体スイッチング部がオンするまでの間、該第３半導体スイッチング部をオン状態に維持する一方、前記第２半導体スイッチング部がオフするに伴い前記第４半導体スイッチング部をオン動作させ、少なくとも前記第１半導体スイッチング部がオンするまでの間、該第４半導体スイッチング部をオン状態に維持するように、前記第１乃至第４なる各半導体スイッチング部のオン・オフ動作を制御する制御部と、
を備えるプラズマ加工装置用直流パルス電源装置。
【請求項５】
プラズマ加工のためのプラズマを含む容量性負荷回路に直流パルス電圧を印加するプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
a)直流電圧を発生する電源部と、
b)前記電源部による直流電圧が与えられる高電位線と低電位線との間に接続された電源コンデンサと、
c)前記高電位線と前記低電位線との間に接続された、第１スイッチング部と第２スイッチング部とが直列に接続された直列回路と、
d)前記第１及び第２のスイッチング部の接続部と電圧出力端との間に接続された共振リアクトルと、
e)導通時に前記電圧出力端から前記第１スイッチング部の高電位端への一方向に電流を流すことが可能である第１クランプダイオードと、
f)導通時に前記第２スイッチング部の低電位端から前記電圧出力端への一方向に電流を流すことが可能である第２クランプダイオードと、
g)前記電圧出力端と前記高電位線との間に接続された共振コンデンサと、
h)前記第１スイッチング部と前記第２スイッチング部を所定のデッドタイムを挟んで相補的にオン動作させる制御部と、
を備えるプラズマ加工装置用直流パルス電源装置。
【請求項６】
プラズマ加工のためのプラズマを含む容量性負荷回路に直流パルス電圧を印加するプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
a)直流電圧を発生する電源部と、
b)前記電源部による直流電圧が与えられる高電位線と低電位線との間に接続された電源コンデンサと、
c)前記高電位線と、該高電位線の電位と前記低電位線の電位との間の電位である中間電位線との間に接続された、第１スイッチング部と第２スイッチング部とが直列に接続された直列回路と、
d)前記第１及び第２のスイッチング部の接続部と電圧出力端との間に接続された共振リアクトルと、
e)導通時に前記電圧出力端から前記第１スイッチング部の高電位端への一方向に電流を流すことが可能である第１クランプダイオードと、
f)導通時に前記第２スイッチング部の低電位端から前記電圧出力端への一方向に電流を流すことが可能である第２クランプダイオードと、
g)前記電圧出力端と前記高電位線との間に接続された共振コンデンサと、
h)前記第１スイッチング部と前記第２スイッチング部を所定のデッドタイムを挟んで相補的にオン動作させる制御部と、
を備えるプラズマ加工装置用直流パルス電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種のプラズマ加工装置に用いられる直流パルス電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体プロセスを始めとする様々な分野において、プラズマを利用して対象物に対しエッチング、スパッタリングなどの加工処理を施すプラズマ加工装置が用いられている。こうしたプラズマ加工装置において、プラズマを生成したり、プラズマに電力を供給したり、或いは、プラズマ中の荷電粒子を加速したりするために、直流パルス電圧を利用するものが従来知られている。
【０００３】
プラズマ加工装置において直流パルス電圧を印加する対象は、プラズマを介した電極や被加工物などであり、一般的には容量性の負荷である。こうした容量性負荷回路に直流パルス電圧を印加する電源装置として、特許文献１に記載の装置が知られている。この装置は、直流電源と、二つのスイッチング素子とを含み、その二つのスイッチング素子が相補的にオン・オフ動作すると、直流電源の出力電圧−Ｖ0（一般には数百〜千Ｖ以上）と接地電位（０Ｖ）とが交互に出力端に現れ、波高値がＶ0である負極性の直流パルス電圧が生成される。また、特許文献１には、直流パルス電圧を容量性負荷回路に印加するだけでなく、別のスイッチング素子と共振回路とを用い、容量性負荷回路に蓄積されたエネルギを電源装置側に回生する構成も開示されている。
【０００４】
しかしながら、こうした電源装置では、容量性負荷回路に印加される直流パルス電圧の立上り及び立下りが緩慢になり、その結果として、プラズマ加工の精度低下をもたらすという問題があった。これに対し、本出願人は、直流パルス電圧の立上り及び立下りの特性を改善することが可能な電源装置として、特許文献２に記載の装置を提案した。この電源装置では、リアクトルと容量性負荷回路を含む共振回路での共振を利用して、直流パルス電圧の立上り波形及び立下り波形を形成している。これにより、単にスイッチング素子等により電源電圧と接地電位とを切り替える場合に比べて、立上り及び立下リの特性を改善することができる。また、特許文献２に記載の電源装置では、特許文献１に記載の電源装置と同様に、容量性負荷回路に蓄積されたエネルギを電源装置側に回生し、エネルギの有効利用を図ることもできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１８−１０７９０４号公報
【特許文献２】特許第６６１３４１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方で、特許文献２に記載の直流パルス電源装置では、０ＶとＯＶでない所定の電圧との２レベルの矩形波状の直流パルス電圧を生成する場合であっても、複数の直流電源が必要であり、回路素子が多く構成が複雑である。また、共振を利用して電圧が電源電圧付近にまで立ち上がった時点で直流電源による出力電圧に切り替わるようにスイッチング素子を制御する必要があり、例えば電圧が電源電圧付近にまで立ち上がったことを検出する手段を設ける等、制御が複雑になる傾向にある。
【０００７】
本発明はこうした課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、回路構成が単純で且つ制御も簡単でありながら、直流パルス電圧の立上り及び立下りの特性を改善することができるプラズマ加工装置用直流パルス電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するためになされた本発明の第１の態様は、プラズマ加工のためのプラズマを含む容量性負荷回路に直流パルス電圧を印加するプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
a)直流電圧を発生する電源部と、
b)前記電源部による直流電圧が与えられる高電位線と低電位線との間に接続された電源コンデンサと、
c)前記高電位線と前記低電位線との間に接続された、第１半導体スイッチング部と第２半導体スイッチング部とが直列に接続された第１の直列回路と、
d)前記高電位線と前記低電位線との間に接続された、第３半導体スイッチング部と第４半導体スイッチング部とが直列に接続された第２の直列回路と、
e)前記第１半導体スイッチング部と第２の半導体スイッチング部との接続部と、電圧出力端である前記第３半導体スイッチング部と第４半導体スイッチング部との接続部と、の間に接続された共振リアクトルと、
f)前記電圧出力端と前記低電位線との間に接続された共振コンデンサと、
g)前記第１半導体スイッチング部と前記第２半導体スイッチング部とを所定の時間間隔を空けて交互にオン動作させるとともに、前記第１半導体スイッチング部がオフするに伴い前記第３半導体スイッチング部をオン動作させ、少なくとも前記第２半導体スイッチング部がオンするまでの間、該第３半導体スイッチング部をオン状態に維持する一方、前記第２半導体スイッチング部がオフするに伴い前記第４半導体スイッチング部をオン動作させ、少なくとも前記第１半導体スイッチング部がオンするまでの間、該第４半導体スイッチング部をオン状態に維持するように、前記第１乃至第４なる各半導体スイッチング部のオン・オフ動作を制御する制御部と、
を備えるものである。
【０００９】
また上記課題を解決するためになされた本発明の第２の態様は、プラズマ加工のためのプラズマを含む容量性負荷回路に直流パルス電圧を印加するプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
a)直流電圧を発生する電源部と、
b)前記電源部による直流電圧が与えられる高電位線と低電位線との間に接続された電源コンデンサと、
c)前記高電位線と、該高電位線の電位と前記低電位線の電位との間の電位である中間電位線との間に接続された、第１半導体スイッチング部と第２半導体スイッチング部とが直列に接続された第１の直列回路と、
d)前記高電位線と前記中間電位線との間に接続された、第３半導体スイッチング部と第４半導体スイッチング部とが直列に接続された第２の直列回路と、
e)前記第１半導体スイッチング部と第２の半導体スイッチング部との接続部と、電圧出力端である前記第３半導体スイッチング部と第４半導体スイッチング部との接続部と、の間に接続された共振リアクトルと、
f)前記電圧出力端と前記低電位線との間に接続された共振コンデンサと、
g)前記第１半導体スイッチング部と前記第２半導体スイッチング部とを所定の時間間隔を空けて交互にオン動作させるとともに、前記第１半導体スイッチング部がオフするに伴い前記第３半導体スイッチング部をオン動作させ、少なくとも前記第２半導体スイッチング部がオンするまでの間、該第３半導体スイッチング部をオン状態に維持する一方、前記第２半導体スイッチング部がオフするに伴い前記第４半導体スイッチング部をオン動作させ、少なくとも前記第１半導体スイッチング部がオンするまでの間、該第４半導体スイッチング部をオン状態に維持するように、前記第１乃至第４なる各半導体スイッチング部のオン・オフ動作を制御する制御部と、
を備えるものである。
【００１０】
また上記課題を解決するためになされた本発明の第３の態様は、プラズマ加工のためのプラズマを含む容量性負荷回路に直流パルス電圧を印加するプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
a)直流電圧を発生する電源部と、
b)前記電源部による直流電圧が与えられる高電位線と低電位線との間に接続された電源コンデンサと、
c)前記高電位線と前記低電位線との間に接続された、第１半導体スイッチング部と第２半導体スイッチング部とが直列に接続された第１の直列回路と、
d)前記高電位線と前記低電位線との間に接続された、第３半導体スイッチング部と第４半導体スイッチング部とが直列に接続された第２の直列回路と、
e)前記第１半導体スイッチング部と第２の半導体スイッチング部との接続部と、電圧出力端である前記第３半導体スイッチング部と第４半導体スイッチング部との接続部と、の間に接続された共振リアクトルと、
f)前記電圧出力端と前記高電位線との間に接続された共振コンデンサと、
g)前記第１半導体スイッチング部と前記第２半導体スイッチング部とを所定の時間間隔を空けて交互にオン動作させるとともに、前記第１半導体スイッチング部がオフするに伴い前記第３半導体スイッチング部をオン動作させ、少なくとも前記第２半導体スイッチング部がオンするまでの間、該第３半導体スイッチング部をオン状態に維持する一方、前記第２半導体スイッチング部がオフするに伴い前記第４半導体スイッチング部をオン動作させ、少なくとも前記第１半導体スイッチング部がオンするまでの間、該第４半導体スイッチング部をオン状態に維持するように、前記第１乃至第４なる各半導体スイッチング部のオン・オフ動作を制御する制御部と、
を備えるものである。
【００１１】
また上記課題を解決するためになされた本発明の第４の態様は、プラズマ加工のためのプラズマを含む容量性負荷回路に直流パルス電圧を印加するプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
a)直流電圧を発生する電源部と、
b)前記電源部による直流電圧が与えられる高電位線と低電位線との間に接続された電源コンデンサと、
c)前記高電位線と、該高電位線の電位と前記低電位線の電位との間の電位である中間電位線との間に接続された、第１半導体スイッチング部と第２半導体スイッチング部とが直列に接続された第１の直列回路と、
d)前記高電位線と前記中間電位線との間に接続された、第３半導体スイッチング部と第４半導体スイッチング部とが直列に接続された第２の直列回路と、
e)前記第１半導体スイッチング部と第２の半導体スイッチング部との接続部と、電圧出力端である前記第３半導体スイッチング部と第４半導体スイッチング部との接続部と、の間に接続された共振リアクトルと、
f)前記電圧出力端と前記高電位線との間に接続された共振コンデンサと、
g)前記第１半導体スイッチング部と前記第２半導体スイッチング部とを所定の時間間隔を空けて交互にオン動作させるとともに、前記第１半導体スイッチング部がオフするに伴い前記第３半導体スイッチング部をオン動作させ、少なくとも前記第２半導体スイッチング部がオンするまでの間、該第３半導体スイッチング部をオン状態に維持する一方、前記第２半導体スイッチング部がオフするに伴い前記第４半導体スイッチング部をオン動作させ、少なくとも前記第１半導体スイッチング部がオンするまでの間、該第４半導体スイッチング部をオン状態に維持するように、前記第１乃至第４なる各半導体スイッチング部のオン・オフ動作を制御する制御部と、
を備えるものである。
【００１２】
本発明に係る上記各態様の直流パルス電源装置において、第１〜第４半導体スイッチング部としては典型的には電力用ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子を用いることができる。また、高電位線及び低電位線は、いずれか一方を接地電位とすることができる。また、第２及び第４の態様では中間電位線を使用するが、その場合には、低電位線と中間電位線との間に上記電源部とは別の電源部を接続して該中間電位線の電位を決めればよい。また、第３及び第４の態様は、共振コンデンサの接続位置が第１及び第２の態様と異なるだけで、後で述べるように実質的な動作は同じである。
【００１３】
いま第１の態様において、低電圧線が接地電位（つまり電位０）に接続されているものとする。電源コンデンサは電源部の出力電圧値である電位Ｖ1に充電される。例えば、直流パルス電圧を電位０から電位Ｖ1まで立ち上げる際に、第１半導体スイッチング部がオンされると、共振リアクトルと、共振コンデンサ及び容量性負荷回路中の容量成分とのＬＣ共振による共振電流が流れ、該電流が共振コンデンサを充電する。これにより、電圧出力端の電圧は立ち上がる。共振電流を供給する電源コンデンサの共振初期電圧はＶ1であるため、電圧出力端の電圧は電圧上昇の局面では最大で２×Ｖ1、電圧下降の局面では最小で−Ｖ1になろうとする。ところが、電圧出力端の電圧がＶ1を超えると、第３半導体スイッチング部の寄生ダイオードがオンし、電圧出力端の電圧上昇は止まる。そのあと、第３半導体スイッチング部がターンオンされると、電圧出力端は高電位線に短絡され、電圧出力端の電位はＶ1にクランプされて略一定に維持される。
【００１４】
一方、直流パルス電圧を電位Ｖ1から電位０にまで立ち下げる際に、第２半導体スイッチング部がオンされると、ＬＣ共振による共振電流が共振リアクトルを先とは逆方向に流れ、電圧出力端の電圧は低下する。上述したように電圧下降の局面では電圧出力端の電圧は最小で−Ｖ1になろうとするが、電圧出力端の電圧が０を下回ると第４半導体スイッチング部の寄生ダイオードがオンし、電圧出力端の電圧降下は止まる。そのあと、第４半導体スイッチング部がターンオンされると、電圧出力端は低電位線に短絡され、電圧出力端の電位は０Ｖにクランプされて略一定に維持される。
【００１５】
このようにＬＣ共振に起因して流れる共振電流により、電圧出力端の電位つまり共振コンデンサの充電電圧は上昇したり下降したりするが、特許文献２のような半波共振方式ではなく、実質的に共振波形の立上り及び立下りのスロープの一部のみを利用した部分共振方式である。また、ＬＣ共振による電圧上昇局面及び電圧下降局面の途中での電圧クランプによって、電圧上昇局面から電圧一定局面への移行、及び、電圧下降局面から電圧一定局面への移行を実施している。なお、第３及び第４の態様、つまり共振コンデンサを電圧出力端と高電位線との間に接続した構成では、該共振コンデンサを充放電する動作のタイミングが共振コンデンサを電圧出力端と低電位線との間に接続した構成とは逆になるが、電圧出力端に現れる電圧は高電位線の電位と共振コンデンサの両端電圧との差になるため同じである。
【００１６】
また、第１及び第３の態様では、高電位線の電位がハイレベル、低電位線の電位がローレベルである矩形波電圧が電圧出力端に現れる。一方、第２及び第４の態様では、第１の直列回路及び第２の直列回路が共に高電位線と中間電位線との間に接続されているため、高電位線の電位がハイレベル、中間電位線の電位がローレベルである矩形波電圧が電圧出力端に現れる。
【００１７】
なお、第１乃至第４の態様では、第１半導体スイッチング部がオフするに伴い第３半導体スイッチング部をオン動作させ、また、第２半導体スイッチング部がオフするに伴い第４半導体スイッチング部をオン動作させるが、第１半導体スイッチング部のターンオフ時点から第３半導体スイッチング部のターンオン時点までの間に適度な長さのデッドタイムを設けてもよく、第２半導体スイッチング部のターンオフ時点から第４半導体スイッチング部のターンオン時点までの間にも適度な長さのデッドタイムを設けてもよい。また、実質的に、少なくとも第２半導体スイッチング部がオンするまでの間、第３半導体スイッチング部をオン状態に維持するとともに、少なくとも第１半導体スイッチング部がオンするまでの間、第４半導体スイッチング部をオン状態に維持すればよいから、第３半導体スイッチング部のターンオフ時点から第２半導体スイッチング部のターンオン時点までの間、及び、第４半導体スイッチング部のターンオフ時点から第１半導体スイッチング部のターンオン時点までの間にも、それぞれ適度な長さのデッドタイムを設けることができる。
【００１８】
また、上記第１乃至第４の態様では、第３及び第４半導体スイッチング部が外部からの制御信号に応じてオン・オフ動作するスイッチング素子であるが、単なるダイオードを用いた構成とすることもできる。
【００１９】
即ち、上記課題を解決するためになされた本発明の第５の態様は、プラズマ加工のためのプラズマを含む容量性負荷回路に直流パルス電圧を印加するプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
a)直流電圧を発生する電源部と、
b)前記電源部による直流電圧が与えられる高電位線と低電位線との間に接続された電源コンデンサと、
c)前記高電位線と前記低電位線との間に接続された、第１スイッチング部と第２スイッチング部とが直列に接続された直列回路と、
d)前記第１及び第２のスイッチング部の接続部と電圧出力端との間に接続された共振リアクトルと、
e)導通時に前記電圧出力端から前記第１スイッチング部の高電位端への一方向に電流を流すことが可能である第１クランプダイオードと、
f)導通時に前記第２スイッチング部の低電位端から前記電圧出力端への一方向に電流を流すことが可能である第２クランプダイオードと、
g)前記電圧出力端と前記高電位線との間に接続された共振コンデンサと、
h)前記第１スイッチング部と前記第２スイッチング部を所定のデッドタイムを挟んで相補的にオン動作させる制御部と、
を備えるものである。
【００２０】
また、上記課題を解決するためになされた本発明の第６の態様は、プラズマ加工のためのプラズマを含む容量性負荷回路に直流パルス電圧を印加するプラズマ加工装置用直流パルス電源装置であって、
a)直流電圧を発生する電源部と、
b)前記電源部による直流電圧が与えられる高電位線と低電位線との間に接続された電源コンデンサと、
c)前記高電位線と、該高電位線の電位と前記低電位線の電位との間の電位である中間電位線との間に接続された、第１スイッチング部と第２スイッチング部とが直列に接続された直列回路と、
d)前記第１及び第２のスイッチング部の接続部と電圧出力端との間に接続された共振リアクトルと、
e)導通時に前記電圧出力端から前記第１スイッチング部の高電位端への一方向に電流を流すことが可能である第１クランプダイオードと、
f)導通時に前記第２スイッチング部の低電位端から前記電圧出力端への一方向に電流を流すことが可能である第２クランプダイオードと、
g)前記電圧出力端と前記高電位線との間に接続された共振コンデンサと、
h)前記第１スイッチング部と前記第２スイッチング部を所定のデッドタイムを挟んで相補的にオン動作させる制御部と、
を備えるものである。
【００２１】
第５及び第６の態様において、電源コンデンサ、第１及び第２スイッチング部を含む直列回路、第１及び第２クランプダイオードは、直流パルス電圧のハイレベル及びローレベルに対応する、それぞれ略一定の電圧（ゼロ電圧を含む）を出力する際の主電圧発生回路を構成する。一方、電源コンデンサ、第１及び第２スイッチング部を含む直列回路、共振リアクトル、共振コンデンサ、及び容量性負荷回路中の容量成分は、直流パルス電圧のハイレベルからローレベルへの、及びその逆の電圧変化の際の共振回路を構成する。即ち、第１乃至第４の態様では、共振のためのスイッチング素子が配置されたレッグ回路と主電圧発生のためのスイッチング素子が配置されたレッグ回路とが別々であるのに対し、本発明では、共振のためのレッグ回路と主電圧発生のためのレッグ回路とが共通である。
【００２２】
第５及び第６の態様では、第１乃至第４の態様と同様に、電源コンデンサは電源部の出力電圧値に充電される。例えば、直流パルス電圧を電位０から電位Ｖ1（電源部の出力電圧値）まで立ち上げる際に、第１スイッチング部がオンされると、共振リアクトルと、共振コンデンサ及び容量性負荷回路中の容量成分とのＬＣ共振による共振電流が流れ、該共振コンデンサを放電させる。これにより、電圧出力端の電圧は立ち上がる。共振電流を供給する電源コンデンサの共振初期電圧はＶ1であるため、電圧出力端の電圧は電圧上昇の局面では最大で２×Ｖ1、電圧下降の局面では最小で−Ｖ1になろうとする。ところが、電圧出力端の電圧がＶ1を超えると第１クランプダイオードが導通し、電圧出力端から第１スイッチング部の高電位端へ電流が流れる。そのため、電圧出力端の電圧はＶ1にクランプされ、略一定に維持される。
【００２３】
直流パルス電圧を電位Ｖ1から電位０にまで立ち下げる際に、第２スイッチング部がオンされると、ＬＣ共振による共振電流が共振リアクトルを先とは逆方向に流れ、電圧出力端の電圧は低下する。上述したように電圧下降の局面では電圧出力端の電圧は最小で−Ｖ1になろうとするが、電圧出力端の電圧が０を下回ると第２クランプダイオードが導通し、第２スイッチング部を通して共振リアクトルの閉ループが形成され、共振リアクトルの循環電流として流れる。そのため、電圧出力端の電圧は０Ｖにクランプされ、略一定に維持される。
【００２４】
このようにＬＣ共振によって流れる共振電流により、電圧出力端の電位は上昇したり下降したりするが、第１乃至第４の態様と同様に、共振波形の立上り及び立下りのスロープの一部のみを利用した部分共振方式である。また、ＬＣ共振による電圧上昇局面及び電圧下降局面の途中での電圧クランプによって、電圧上昇局面から電圧一定局面への移行、及び、電圧下降局面から電圧一定局面への移行を実施している。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る直流パルス電源装置によれば、０ＶとＯＶでない所定の電圧との２レベルの矩形波状の直流パルス電圧を生成する場合には、直流電源は一つのみでよく、回路構成が単純で、使用する回路素子の数を抑えることができる。また、半導体スイッチング部をターンオン又はターンオフするタイミングがそれほど厳密でなくてもよいので、電圧や電流を監視しながら監視結果に基いてスイッチング部のオン・オフの切替えを行うような煩雑な制御も不要である。一方で、ＬＣ共振を利用した迅速な電圧上昇及び電圧降下が可能であるので、直流パルス電圧の立上り及び立下りの特性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施形態である直流パルス電源装置の概略回路構成図。
【図２】第１実施形態の直流パルス電源装置の要部の動作波形図。
【図３】第１実施形態の直流パルス電源装置における電流の流れを示す模式図。
【図４】第１実施形態の直流パルス電源装置における電流の流れを示す模式図。
【図５】第１実施形態の直流パルス電源装置における電流の流れを示す模式図。
【図６】第１実施形態の変形例である直流パルス電源装置の概略回路構成図。
【図７】図６に示した変形例の直流パルス電源装置の要部の動作波形図。
【図８】第１実施形態の他の変形例である直流パルス電源装置の概略回路構成図。
【図９】本発明の第２実施形態である直流パルス電源装置の概略回路構成図。
【図１０】第２実施形態の直流パルス電源装置の要部の動作波形図。
【図１１】第２実施形態の変形例である直流パルス電源装置の概略回路構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態のプラズマ加工装置用直流パルス電源装置について、添付図面を参照して説明する。
図１は本実施形態の直流パルス電源装置の概略回路図、図２は本実施形態の直流パルス電源装置の要部の動作波形図、図３〜図５は本実施形態の直流パルス電源装置における電流の流れを示す模式図である。
【００２８】
本実施形態の直流パルス電源装置は、プラズマエッチング装置やプラズマスパッタリング装置において生成されるプラズマを含む容量性負荷回路に、直流パルス電圧を印加するものである。ここでは、負荷キャパシタ５０と負荷抵抗５１との並列回路で容量性負荷回路５を簡易的に（又は等価的に）示している。この容量性負荷回路５は、直流パルス電源装置の正極性出力端２５と負極性出力端２６との間に接続されている。
【００２９】
本実施形態の直流パルス電源装置は、図１に示すように、直流電圧源１０、電源ダイオード１１、平滑リアクトル１２、電源コンデンサ１３、第１スイッチング部１４、第１ダイオード１５、第２スイッチング部１６、第２ダイオード１７、共振リアクトル１８、第３スイッチング部１９、第３ダイオード２０、第４スイッチング部２１、第４ダイオード２２、共振コンデンサ２３、ダンピング抵抗２４、及び、制御部３０、を含む。
【００３０】
直流電圧源１０は電圧値がＶ1である直流電圧を出力するものであり、順方向接続である電源ダイオード１１及び平滑リアクトル１２を介して、電源コンデンサ１３の一端（高電圧側端子）と、第１スイッチング部１４と第２スイッチング部１６とを含む第１の直列回路の一端、さらには、第３スイッチング部１９と第４スイッチング部１６とを含む第２の直列回路の一端に、接続されている。第１の直列回路、第２の直列回路、及び電源コンデンサ１３の他端はいずれも接地されている。
【００３１】
第１ダイオード１５は第１スイッチング部１４に、第２ダイオード１７は第２スイッチング部１６に、それぞれ逆並列に接続されている。第３ダイオード２０は第３スイッチング部１９に、第４ダイオード２２は第４スイッチング部２１に、それぞれ逆並列に接続されている。第１乃至第４スイッチング部１４、１６、１９、２１は電力用ＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチング素子から成り、その場合、第１乃至第４ダイオード１５、１７、２０、２２はそれら半導体スイッチング素子の寄生ダイオードを利用することができる。
【００３２】
共振リアクトル１８は、第１スイッチング部１４と第２スイッチング部１６との接続点であるノードＮ１と、第３スイッチング部１９と第４スイッチング部２１との接続点であるノードＮ２との間に接続されている。共振コンデンサ２３はノードＮ２と接地端との間に接続され、ダンピング抵抗２４は負極性出力端２６と共振コンデンサ２３の接地端との間に接続されている。
【００３３】
制御部３０は、４系統の制御信号Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３及びＧ４により四つのスイッチング部１４、１６、１９、２１のオン・オフ動作を制御する。この制御部３０は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、タイマなどから成るマイコン（マイクロコンピュータ）を含み、予め与えられたプログラムに従った処理を実行することで、上記各制御信号を生成する構成を採ることができる。
【００３４】
この直流パルス電源装置は、基本的には、接地電位である０Ｖと直流電圧源１０の出力電圧であるＶ1との二つの電圧レベルの矩形波電圧を容量性負荷回路５に対し出力する。但し、負荷が容量性であるため、単に電源電圧と接地電位とを切り替えるだけであると、限流抵抗が必要になりＲＣ積分回路を構成する。その場合、負荷に加わる電圧波形の立上り及び立下りが緩慢になる。それに対し、この直流パルス電源装置では、ＬＣ共振を利用して、より詳しくは、ＬＣ共振による共振波形を部分的に利用して、立上り及び立下りの高速化を図っている。
【００３５】
図１に加え、図２〜図５を参照しつつ、本実施形態の直流パルス電源装置の動作を説明する。図２において、Ｌo(i)は共振リアクトル１８に流れる電流、Ｃo(v)は共振コンデンサ２３の電圧、Ｒd(i)はダンピング抵抗２４に流れる電流つまりは出力電流、Ｒp(i)は負荷抵抗５１に流れる電流である。Ｃo(v)は、出力電圧Ｖoつまりは負荷抵抗５１に掛かる電圧Ｒp(v)とほぼ等しい。
【００３６】
第１スイッチング部１４は、図２（ａ）に示す制御信号Ｇ１がハイレベルであるｔ0〜ｔ1期間だけオンする。第２スイッチング部１６は、図２（ｂ）に示す制御信号Ｇ２がハイレベルであるｔ2〜ｔ3期間だけオンする。ｔ1〜ｔ2期間及びｔ3〜ｔ0期間は制御信号Ｇ１、Ｇ２が共にローレベルであり、この二つの期間を挟んで二つのスイッチング部１４、１６は交互にオン動作する。
【００３７】
一方、第３スイッチング部１９は、図２（ｃ）に示す制御信号Ｇ３がハイレベルであるｔ1〜ｔ2期間だけオンする。第４スイッチング部２１は、図２（ｄ）に示す制御信号Ｇ４がハイレベルであるｔ3〜ｔ0期間だけオンする。換言すれば、第１スイッチング部１４、第３スイッチング部１９、第２スイッチング部１６、及び第４スイッチング部２１はこの順番に一つずつオン動作し、そのオン動作が一巡する期間が１サイクルであり、このサイクルが繰り返される。
【００３８】
この直流パルス電源装置における１サイクル中の動作は、大略、α（α1、α2）、β（β1、β2）、γ（γ1、γ2）、δ（δ1、δ2）の四つのモードに集約され得る。
簡単に言うと、αは、共振リアクトル１８と、共振コンデンサ２３と負荷キャパシタ５０との並列回路（以下、この並列回路を「容量並列回路」という）と、を含むＬＣ共振回路において共振が生じる共振モードである。βは、共振リアクトル１８に蓄積されたエネルギが循環される短絡モードである。γは、共振リアクトル１８に蓄積されたエネルギが電源（厳密には電源コンデンサ１３）に回生される電源回生モードである。δは、第３、第４スイッチング部１９、２１を介して、直流電圧源１０から負荷抵抗５１に電力を供給する又は該負荷抵抗５１の両端を短絡させる定常モードである。
【００３９】
時刻ｔ0において制御信号Ｇ４がハイレベルからローレベルに変化し、制御信号Ｇ１がローレベルからハイレベルに変化すると、第４スイッチング部２１がターンオフし、第１スイッチング部１４がターンオンする。その後のα1モードのうちの前半期間では、図３（ａ）に示すように、その直前まで電源コンデンサ１３に蓄積されたエネルギによる電流Ｌo(i)が、電源コンデンサ１３→第１スイッチング部１４→共振リアクトル１８→容量並列回路→電源コンデンサ１３、という経路で、ＬＣ共振の電流として流れる。負荷抵抗５１には、電流Ｒp(i)＝（Ｃo//＋Ｃp）(v)／Ｒp（但し、（Ｃo//＋Ｃp）(v)は容量並列回路の両端電圧）は、容量並列回路→負荷抵抗５１→容量並列回路、という経路で流れる。なお、第１スイッチング部１４のターンオン動作は、オン時に流れる電流が共振電流であるためゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）である。
【００４０】
そして、電流Ｌo(i)によって共振コンデンサ２３が充電されて充電電圧（つまりはノードＮ２の電圧）が上昇し、その電圧が電源コンデンサ１３の充電電圧つまりＶ1を超えると、第３ダイオード２０が順方向にバイアスされて導通する。第３ダイオード２０が導通したあとのβ1モードの期間には、図３（ｂ）に示すように、電流Ｌo(i)は、共振リアクトル１８→第３ダイオード２０→第１スイッチング部１４→共振リアクトル１８、という経路で循環的に流れる。一方、負荷電流Ｒp(i)＝Ｖ1／Ｒpは、電源コンデンサ１３→第３ダイオード２０→負荷抵抗５１→電源コンデンサ１３、という経路で流れる。
【００４１】
その後、時刻ｔ1において、制御信号Ｇ１がハイレベルからローレベルに変化し制御信号Ｇ３がローレベルからハイレベルに変化すると、第１スイッチング部１４がターンオフし、第３スイッチング部１９がターンオンする。このときの第３スイッチング部１９のターンオン動作は、それよりも前に既に第３ダイオード２０が導通しているのでゼロ電圧スイッチングである。
【００４２】
そのあとのγ1モードでは、図３（ｃ）に示すように、共振リアクトル１８に蓄積されたエネルギに由来する電流Ｌo(i)が、共振リアクトル１８→第３スイッチング部１９と第３ダイオード２０の並列回路→電源コンデンサ１３→第２ダイオード１７→共振リアクトル１８、という経路を流れ、電圧Ｌo(v)つまりノードＮ２の電圧は電源コンデンサ１３の充電電圧である電圧Ｖ1にクランプされるので、ほぼＶ1一定に固定される。一方、負荷電流Ｒp(i)＝Ｖ1／Ｒpは、電源コンデンサ１３→第３スイッチング部１９と第３ダイオード２０の並列回路→負荷抵抗５１→ダンピング抵抗２４→電源コンデンサ１３、という経路で流れる。
【００４３】
図２（ｅ）に示すように、電流Ｌo(i)が流れることで共振リアクトル１８のエネルギが減少していくに伴い電流Ｌo(i)が０になると、γ1モードからδ1モードに移行する。δ1モードでは、共振リアクトル１８のエネルギはないので電流Ｌo(i)は０であり、第３スイッチング部１９はオン状態であるのでノードＮ２の電圧はＶ1に固定される。また、負荷抵抗５１には、図５（ａ）に示すように、電流Ｒp(i)＝Ｖ1/ Ｒpが、電源コンデンサ１３→第３スイッチング部１９→負荷抵抗５１→ダンピング抵抗２４→電源コンデンサ１３、という経路で流れる。
【００４４】
時刻ｔ2で第３スイッチング部１９がターンオフし、第２スイッチング部１６がターンオンしてα2モードに移行すると、図４（ａ）に示すように、並列容量回路の充電電圧による電流Ｌo(i)が、並列容量回路→共振リアクトル１８→第２スイッチング部１６→並列容量回路、という経路で共振電流として流れる。即ち、共振リアクトル１８には、α1モードとは逆に、左方向に電流が流れる。これによって、共振コンデンサ２３の電圧つまりはノードＮ２の電圧は急速に下がる。負荷抵抗５１には、Ｒp(i)＝（Ｃo//Ｃp）(v)／Ｒpは、並列容量回路→負荷抵抗５１→並列容量回路、という 経路で流れる。
【００４５】
そして、電流Ｌo(i)によって共振コンデンサ２３が放電されて充電電圧（つまりはノードＮ２の電圧）が下降し、その電圧が接地電位（０Ｖ）を下回ると、第４ダイオード２２が順方向にバイアスされて導通する。そのため、ノードＮ２の電圧は０Ｖとなる。第４ダイオード２２が導通したあとのβ2モードの期間には、図４（ｂ）に示すように、電流Ｌo(i)は、共振リアクトル１８→第２スイッチング部１６→第４ダイオード２２→共振リアクトル１８、という経路で循環的に流れる。一方、負荷抵抗５１に流れる電流Ｒp(i)＝（Ｃo//Ｃp）(v)／Ｒpは０である。したがって、出力電圧は０Ｖに固定される。
【００４６】
その後、時刻ｔ3において、制御信号Ｇ２がハイレベルからローレベルに変化し制御信号Ｇ４がローレベルからハイレベルに変化すると、第２スイッチング部１６がターンオフし、第４スイッチング部２１がターンオンする。このときの第４スイッチング部２１のターンオン動作は、それよりも前に既に第４ダイオード２２が導通しているのでゼロ電圧スイッチングである。
【００４７】
そのあとのγ2モードでは、図４（ｃ）に示すように、共振リアクトル１８に蓄積されたエネルギに由来する電流Ｌo(i)が、共振リアクトル１８→第１ダイオード１５→電源コンデンサ１３→第４スイッチング部２１と第４ダイオード２２の並列回路→共振リアクトル１８、という経路で流れ、電圧Ｌo(v)つまりノードＮ２の接地電位にクランプされるので、０Ｖ一定に固定される。β2モードに引き続き、負荷電流Ｒp(i)も流れない。
【００４８】
図２（ｅ）に示すように、電流Ｌo(i)が流れることで共振リアクトル１８のエネルギが減少していくに伴い電流Ｌo(i)が０になると、γ2モードからδ2モードに移行する。δ2モードでは、図５（ｂ）に示すように、共振リアクトル１８のエネルギはないので電流Ｌo(i)は０であり、第４スイッチング部２１はオン状態であるのでノードＮ２の電圧は０Ｖに固定される。また、β2モード、γ2モードに引き続き、負荷電流Ｒp(i)も流れない。
【００４９】
そして、時刻ｔ0までその状態を保ち、時刻ｔ0になると、上述したように第４スイッチング部２１がターンオフし、第１スイッチング部１４がターンオンする。
本実施形態の直流パルス電源装置では、以上を１サイクルとする動作が繰り返されることで、０とＶ1との二つの電圧レベルの直流パルス電圧を容量性負荷回路５に出力することができる。
なお、図２に示した波形図では、ｔ0時点で第１スイッチング部１４がターンオンすると同時に第４スイッチング部２１をターンオフさせているが、第４スイッチング部２１のターンオフのタイミングは第１スイッチング部１４のターンオンよりも遅れてもよい。同様に、第３スイッチング部１９のターンオフのタイミングは第２スイッチング部１６のターンオンよりも遅れてもよい。
【００５０】
また、第１スイッチング部１４のターンオフ時点と第３スイッチング部１９のターンオン時点、第３スイッチング部１９のターンオフ時点と第２スイッチング部１６のターンオン時点、第２スイッチング部１６のターンオフ時点と第４スイッチング部２２のターンオン時点、及び、第４スイッチング部２２のターンオフ時点と第１スイッチング部１９のターンオン時点、はそれぞれ同時ではなく、それら二つのスイッチング部が同時にオン状態とならないように適宜のデッドタイム（つまりは両スイッチング部が共にオフである期間）を設けてもよい。
また、ダンピング抵抗２４は回路の寄生インダクタンス及び容量のダンピング用であって、場合によっては省略することができる。
【００５１】
図１に示した直流パルス電源装置における各素子の定数等のパラメータ値は、例えば次のように定めることができる。
電源電圧Ｖ1：１５００Ｖ、平滑リアクトル１２のインダクタンス：１mH、電源コンデンサ１３のキャパシタンス：１０μF、共振リアクトル１８のインダクタンス：１２μH、共振コンデンサ２３のキャパシタンス：９００pF、ダンピング抵抗２４の抵抗値：２Ω、負荷キャパシタ５０のキャパシタンス：３００pF、負荷抵抗５１の抵抗値：５００Ω、スイッチングパルスの周波数：４００kHz
各素子のパラメータ値を上記のように設定し、第１〜第４スイッチング部１４、１６、１９、２１としてＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを使用、第１〜第４ダイオード１５、１７、２０、２２としてはそのＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを用いた回路の動作をコンピュータシミュレーションにより検証した。その結果、図２に示したような、ほぼ所望の波形を得られることが確認できた。
【００５２】
上記説明から明らかであるように、この直流パルス電源装置では、ＬＣ共振動作時に共振電流を供給するための、第１、第２スイッチング部１４、１６を含む共振レッグ回路と、電圧出力端に電源電圧Ｖ1又は接地電位０Ｖを選択的に出力するための、第３、第４スイッチング部１９、２１を含む主レッグ回路と、を共に、電源電圧Ｖ1に充電される電源コンデンサ１３の両端に接続している。そのため、共振初期電圧（つまりは共振開始時の電源コンデンサ１３の充電電圧）は特許文献２に記載の装置ではＶ1／２であるのに対しＶ1である。これによって、ＬＣ共振により、共振コンデンサ２３の充電電圧は電圧上昇時には２Ｖ1、電圧下降時には−Ｖ1になろうとするが、第３、第４スイッチング部１９、２１、と第３、第４ダイオード２０、２２のクランプ動作によって、上電圧昇時にＶ1、電圧下降時に０にクランプさせている。
【００５３】
即ち、この直流パルス電源装置における共振方式は、共振波形の立上り及び立下りのスロープのそれぞれ一部を用いた部分共振方式であるということができる。本電源装置の利点としては次の点が挙げられる。
（１）直流電源が一つで済むため回路構成が簡素である。
（２）部分共振の期間（α1、α2モードの期間）よりも第１、第２スイッチング部１４、１６のオン期間（ｔ0〜ｔ1、ｔ2〜ｔ3）を長くするようにタイミングを設定する必要はあるが、その条件を満たせば、各スイッチング部のオン・オフのタイミングの制約はそれほど厳しくはない。したがって、共振レッグ回路の共振条件に応じた主レッグ回路の動作タイミングの時間的な余裕が大きく、スイッチング部を駆動するための制御が単純になる。
（３）共振リアクトル１８の蓄積エネルギによる電流は第３、第４スイッチング部１９、２１、及び第３、第４ダイオード２０、２２による閉じたクランプ回路を循環するだけであるので高電圧を発生するモードがない。
（４）共振リアクトル１８の循環電流が殆どないため、平滑リアクトル１２、第１乃至第４スイッチング部１４、１６、１９、２１として電流定格値が比較的小さい素子を用いることができる。
（５）図２から明らかであるように、スイッチング部の制御に対し出力電圧Ｖoの位相遅れが殆どない。
【００５４】
［第１実施形態の変形例］
図１に示した直流パルス電源装置の構成は一例であり、様々に変形が可能である。図６は一変形例の概略ブロック構成図である。第１実施形態の装置では、共振コンデンサ２３が第２ノードＮ２と接地端（低電位線）との間に接続されていたが、この変形例では、共振コンデンサ２３０が第２ノードＮ２と電源電圧線（高電位線）との間に接続されている。この共振コンデンサ２３０は、第２ノードＮ２から負荷側を見たときに、低電位線側と高電位線側のいずれにあってもよく、両方にあってもよい。図６の例でも、負荷キャパシタ５０は第２ノードＮ２と接地端との間に接続されているから、実質的に、共振コンデンサ２３０が低電位線側と高電位線側とに分けて設けられているのと同等である。
【００５５】
図７は、図６に示した装置における要部の動作波形図である。図７を図２と比較すれば分かるように、各スイッチング部１４、１６、１９、２１のオン・オフ動作のタイミングは第１実施形態の装置と全く同じであり、共振電流Ｌo(i)の波形もほぼ同じである。但し、共振コンデンサ２３０は高電位線側に接続されているため、共振コンデンサ２３０の充電・放電のタイミングは第１実施形態の装置とは逆になり、図７（ｆ１）に示すように、共振コンデンサ２３０の両端電圧（充電電圧）はβ2、γ2、δ2の期間にほぼＶ1となり、β1、γ1、δ1の期間にほぼ０Ｖになる。第２ノードＮ２の電位（正極性出力端２５の電位）は、Ｖ1から共振コンデンサ２３０の両端電圧を差し引いたものとなるから、図７（ｆ２）に示すように、第１実施形態の装置における第２ノードＮ２の電位と同じである。
【００５６】
原理的には、第２ノードＮ２から負荷を見たときの負荷容量のキャパシタンスが同じであれば、そのキャパシタンスが高電位線側と低電位線側のいずれにあっても、第２ノードＮ２の電圧波形は同じである。
【００５７】
また、第１実施形態の装置は、０ＶとＶ1との二値の直流パルス電圧を出力するものであるが、図８は、０ＶではないＶ2（０＜Ｖ2＜Ｖ1）とＶ1との二値の直流パルス電圧を出力する直流パルス電源装置の一例を示す概略構成図である。この例では、図８に示すように、二本のレッグ回路（つまりはスイッチング部の直列回路）の低電圧側の端部と接地電位との間に、別の直流電圧源２７を挿入している。この装置では、第２ノードＮ２の電位がＶ2よりも下がろうとすると、第４ダイオード２２が導通し、そのあと第２ノードＮ２の電位はＶ2に固定される。したがって、この装置では、ローレベルがＶ2、ハイレベルがＶ1である二値の直流パルス電圧を出力することができる。
【００５８】
図６に示したように高電位線側に共振コンデンサ２３０を接続した場合でも、図８に示した構成のように追加の直流電圧源２７を設けることで、ローレベルがＶ2、ハイレベルがＶ1である二値の直流パルス電圧を出力することができる。
【００５９】
［第２実施形態］
図９は、本発明の第２実施形態の直流パルス電源装置の概略回路構成図であり、図１０は第２実施形態の直流パルス電源装置の要部の動作波形図である。
図９では、すでに説明した図１及び図６に記載の装置と同じ又は相当する構成要素には同じ符号を付している。この第２実施形態の装置では、第１実施形態の装置における第３スイッチング部１９及び第３ダイオード（実質的には寄生ダイオード）２０、並びに、第４スイッチング部２１及び第４ダイオード（実質的には寄生ダイオード）２２に代えて、それぞれ単なるダイオード素子である第１クランプダイオード２００、第２クランプダイオード２２０を設けている。したがって、制御部３００は二つのスイッチング部１４、１６のオン・オフ動作のみを制御する。
【００６０】
図１０を参照しつつ、第２実施形態の直流パルス電源装置の動作について、特に第１実施形態の装置と異なる点を中心に説明する。
制御部３００から供給される制御信号Ｇ１、Ｇ２により、第１スイッチング部１４はｔ1〜ｔ2期間だけオンし、第２スイッチング部１６はｔ3〜ｔ0期間だけオンする。ｔ0〜ｔ1期間及びｔ2〜ｔ3期間は二つのスイッチング部１４、１６が共にオフ状態であるデッドタイムであり、デッドタイムを挟んで二つのスイッチング部１４、１６は相補的にオン動作する。
【００６１】
この直流パルス電源装置の動作は、大略α（α1、α2）、β（β1、β2）、γ（γ1、γ2）の三つのモードに集約され得る。
時刻ｔ0において、第２スイッチング部１６がターンオフすると、二つのスイッチング部１４、１６は共にオフ状態になる。この期間、つまりα1モードのうちの前半であるｔ0〜ｔ1期間には、共振リアクトル１８に蓄積されたエネルギに由来する電流Ｌo(i)が、共振リアクトル１８→第１ダイオード１５→電源コンデンサ１３→第２クランプダイオード２２０→共振リアクトル１８、という経路で流れる。これにより、共振リアクトル１８の両端電圧Ｌo(v)は概ね電源コンデンサ１３の充電電圧つまりＶ1にクランプされる。
【００６２】
その後、時刻ｔ1で第１スイッチング部１４がターンオンすると、電流Ｌo(i)が０になるまで、第１スイッチング部１４と第１ダイオード１５とが同時に導通した状態で、電流Ｌo(i)は共振リアクトル１８をそれまでと同じ方向（左方向）に流れ続ける。第１スイッチング部１４のターンオン動作は、第１ダイオード１５が通電状態であるのでゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）である。
【００６３】
共振リアクトル１８を左方向に流れる電流Ｌo(i)が０になり、β1モードに移行すると、共振コンデンサ２３０の充電電圧が放電することによる電流と、電源コンデンサ１３より負荷キャパシタ５０を充電する電流との加算値であるＬo(i)が、ＬＣ共振の電流として共振リアクトル１８を右方向に流れる。そして、共振コンデンサ２３０の電圧が減少、負荷キャパシタ５０の電圧が増加するので、ノードＮ２の電圧が上昇する。ノードＮ２の電圧が電源コンデンサ１３の充電電圧つまりＶ1を超えると、第１クランプダイオード２００が順方向バイアスされて導通する。第１クランプダイオード２００が導通してγ1モードに移行すると、電流Ｌo(i)は、共振リアクトル１８→第１クランプダイオード２００→第１スイッチング部１４→共振リアクトル１８という経路で、循環的に流れる。このときには、ノードＮ２の電圧は第１クランプダイオード２００によって電圧Ｖ1にクランプされるので、略Ｖ1一定に固定される。
【００６４】
次いで、時刻ｔ2で第１スイッチング部１４がターンオフすると、二つのスイッチング部１４、１６は共にオフ状態になる。この期間、つまりα2モードのうちの前半であるｔ2〜ｔ3期間では、共振リアクトル１８に蓄積されたエネルギに由来する電流Ｌo(i)が、共振リアクトル１８→第１クランプダイオード２００→電源コンデンサ１３→第２ダイオード１７→共振リアクトル１８、という経路で流れる。これにより、ノードＮ２の電圧は電源コンデンサ１３の充電電圧Ｖ1にクランプされ続ける。
【００６５】
その後、時刻ｔ3において第２スイッチング部１６がターンオンすると、電流Ｌo(i)が０になるα2モードの終了時点まで、電流Ｌo(i)が共振リアクトル１８を右方向へ引き続き流れる。このときの第２スイッチング部１６のターンオン動作は、第２ダイオード１７が通電状態であるのでゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）である。共振リアクトル１８を右方向に流れる電流Ｌo(i)が０になり、β2モードに移行すると、電流Ｌo(i)は、電源コンデンサ１３→共振コンデンサ２３０→共振リアクトル１８→第２スイッチング部１６→電源コンデンサ１３、及び、負荷キャパシタ５０→共振リアクトル１８→第２スイッチング部１６→負荷キャパシタ５０、という二つの経路内における共振リアクトル１８→第２スイッチング部１６、という共通経路を、その二つの経路の電流加算値である共振電流として流れる。これにより、共振コンデンサ２３０は充電、負荷キャパシタ５０は放電され、ノードＮ２の電圧は、Ｖ1から０に向かって急速に低下する。そして、ノードＮ２の電圧が０を下回った時点で、第２クランプダイオード２２０が導通する。
【００６６】
第４ダイオード２０が導通しγ2モードに移行すると、第２スイッチング部１６及び第２クランプダイオード２２０が共に導通しており、電流Ｌo(i)は、共振リアクトル１８→第２スイッチング部１６→第２クランプダイオード２２０→共振リアクトル１８、という経路で循環電流として流れる。
【００６７】
以上のように、第２実施形態の装置でも、共振波形の立上り及び立下りのスロープの一部のみを利用した部分共振によって、直流パルス電圧が立上る又は立下がる。そして、ダイオード素子を利用したクランプ回路によって、出力電圧がＶ1又は０Ｖに固定される。このようにして、簡単な回路で高速に立ち上がる又は立ち下がる直流パルス電圧を容量性負荷に印加することができる。
【００６８】
もちろん、この第２実施形態の装置でも、図１１に示すように構成を変更することで、０ＶではないＶ2とＶ1との二つのレベルの直流パルス電圧を出力することができる。
【００６９】
また、第１実施形態及び第２実施形態に示した構成の直流パルス電源装置をスタック状に多段の構成とすることにより、一段の回路では実現が難しい高い電圧のパルスを生成することもできる。
【００７０】
また、上記実施形態や変形例はあくまでも本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜修正、変更、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。
【符号の説明】
【００７１】
１０、２７…直流電圧源
１１…電源ダイオード
１２…平滑リアクトル
１３…電源コンデンサ
１４…第１スイッチング部
１５…第１ダイオード
１６…第２スイッチング部
１７…第２ダイオード
１８…共振リアクトル
１９…第３スイッチング部
２０…第３ダイオード
２１…第４スイッチング部
２２…第４ダイオード
２３、２３０…共振コンデンサ
２４…ダンピング抵抗
２５…正極性出力端
２６…負極性出力端
２００、２２０…クランプダイオード
３０、３００…制御部
５…容量性負荷回路
５０…負荷キャパシタ
５１…負荷抵抗
【要約】      （修正有）【課題】直流パルス電圧の立上げ、立下げを迅速に行いつつ、回路構成やスイッチング制御を簡素化する。【解決手段】直流パルス電源装置は、直流電圧を発生する直流電圧源１０と、電源コンデンサ１３と、第１及び第２半導体スイッチング部１４、１６と、第３及び第４半導体スイッチング部１９、２１と、共振リアクトル１８と、共振コンデンサ２３と、第１半導体スイッチング部と第２半導体スイッチング部とを所定の時間間隔で交互にオン動作させるとともに、第１半導体スイッチング部がオフしてから第２半導体スイッチング部がオンするまでの間、第３半導体スイッチング部をオン動作させ、第２半導体スイッチング部がオフしてから第１半導体スイッチング部がオンするまでの間、第４半導体スイッチング部をオン動作させるように、各半導体スイッチング部のオン・オフ動作を制御する制御部３０と、を備える。【選択図】図１【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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