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公開番号2021103929
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210715
出願番号2019235021
出願日20191225
発明の名称電圧変換装置、高周波電源装置
出願人株式会社ダイヘン
代理人個人,個人
主分類H02M 3/155 20060101AFI20210618BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】複数の装置を製作した場合に、各装置の回路を構成する素子の特性値にばらつきがあっても、装置毎の出力電圧の制御応答に差異が少ない電圧変換装置等を提供する。
【解決手段】電圧変換装置1は、入力電圧を所定の出力電圧に変換する。電圧変換装置1は、入力電圧が印加される受動素子と、受動素子への入力電圧の印加又は遮断を行う第1FET12と、出力電圧の電圧値を検出して、検出電圧値として出力する電圧検出部16と、検出電圧値が、出力電圧の設定電圧値に対応する理想電圧値に近づくように第1FET12のデューティ比(オン時間の比率)を決定して第1FET12の制御を行う制御部17とを備え、制御部17は、理想電圧値と検出電圧値との偏差に対応した制御量を加味して第1FET12のデューティ比を定めることを特徴とする。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項1】
入力電圧を所定の出力電圧に変換する電圧変換装置であって、
前記入力電圧が印加される受動素子と、
前記受動素子への入力電圧の印加又は遮断を行うスイッチと、
前記出力電圧の電圧値を検出して、検出電圧値として出力する電圧検出部と、
前記検出電圧値が、前記出力電圧の設定電圧値に対応する理想電圧値に近づくように前記スイッチのデューティ比を決定して前記スイッチの制御を行う制御部と
を備え、
前記制御部は、前記理想電圧値と前記検出電圧値との偏差に対応した制御量を加味して前記スイッチのデューティ比を定める
ことを特徴とする電圧変換装置。
続きを表示(約 1,000 文字)【請求項2】
前記制御部は、
前記設定電圧値に対応する理想電圧値を出力する理想電圧出力部と、
前記理想電圧出力部から出力された理想電圧値と前記電圧検出部から出力された検出電圧値との偏差を出力する偏差取得部と、
前記偏差取得部から出力された偏差を入力し、当該偏差を無くすための制御量を第1制御量として出力する第1制御量出力部と、
前記理想電圧出力部から出力された理想電圧値及び前記偏差取得部から出力された偏差を入力し、前記理想電圧値に対応する制御量を第2制御量として出力する第2制御量出力部と、
前記出力電圧の設定電圧値及び偏差取得部から出力された偏差を入力し、前記出力電圧の設定電圧値に対応する制御量を第3制御量として出力する第3制御量出力部と、
前記第1制御量出力部、前記第2制御量出力部及び前記第3制御量出力部から出力された各制御量を入力し、前記スイッチのオンオフ制御に必要なデューティ比を決定し、デューティ比に対応する信号を出力するスイッチ制御部と、
前記スイッチ制御部が出力したデューティ比に対応する信号に基づいて、前記スイッチに対してオンオフ制御を行うための制御信号を出力するスイッチ駆動部と
を備えていることを特徴とする請求項1に記載の電圧変換装置。
【請求項3】
前記第2制御量出力部は、
前記偏差取得部から出力された偏差に対応する制御量を前記理想電圧値に対応する制御量に加算したものを第2制御量として出力する
ことを特徴とする請求項2に記載の電圧変換装置。
【請求項4】
前記第3制御量出力部は、
前記偏差取得部から出力された偏差に対応する制御量を前記出力電圧の設定電圧値に対応する制御量に加算したものを第3制御量として出力する
ことを特徴とする請求項2又は請求項3のいずれか一つに記載の電圧変換装置。
【請求項5】
前記制御部は、
前記検出電圧値が前記理想電圧値よりも小さい場合、前記デューティ比を大きくし、
前記検出電圧値が前記理想電圧値よりも大きい場合、前記デューティ比を小さくする
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一つに記載の電圧変換装置。
【請求項6】
請求項1から請求項5のいずれか一つに記載の電圧変換装置と、
該電圧変換装置からの出力された直流電圧を高周波交流電圧に変換して出力するRF出力装置と
を備えた高周波電源装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、電圧変換装置、高周波電源装置に関する。
続きを表示(約 5,900 文字)【背景技術】
【0002】
入力された直流電圧を所望の直流電圧に変換して出力する電圧変換装置として、例えば降圧型のDCDCコンバータ等の電圧コンバータが知られている(例えば、特許文献1)。降圧型のDCDCコンバータは、所定の周波数で相補的にオンオフに制御される第1半導体スイッチ及び第2半導体スイッチと、第1半導体スイッチがオンの時に入力電圧が印加されるインダクタ、及び出力電圧が印加される負荷と並列に接続された平滑コンデンサにより構成される。
【0003】
特許文献1に記載のDCDCコンバータは、更に入力電圧を漸次増加するソフトスタート回路を備え、DCDCコンバータの起動時において、ソフトスタート回路によって入力電圧を徐々に増加させる。そして、相補的に制御される2つの半導体スイッチ(トランジスタ)のスイッチング速度(周期)を徐々に増加するように制御し、出力電圧を徐々に増加させることで、起動時における出力電圧のオーバーシュートを抑制することができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2017−60383号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献1に記載のDCDCコンバータは、複数の装置を製作した場合に、DCDCコンバータを構成するインダクタ又はコンデンサ等の受動素子の特性値(インダクタであればインダクタンス、コンデンサであればキャパシタンス、抵抗であれば抵抗値)のばらつきに起因する装置毎の出力電圧の制御応答の差異(機差)を考慮していない。そのため、ある1つの装置において、オーバーシュートを抑制するようにゲイン等のパラメータを調整したとしても、そのパラメータを他の装置で使用すると、それぞれの装置では出力電圧の制御応答に差異が生じる。特に、立ち上がり時や立ち下がり時等の急変時(過渡的な状況)における出力電圧は、制御応答の差異(機差)が生じ易い。何故ならば、設定電圧値が一定の定常状態では、周波数要素がないのでインダクタのインダクタンスやコンデンサのキャパシタンスの影響が無く、抵抗の抵抗値だけがばらつきの要因となるので、補正が容易だからである。
上記のような機差が許容できる範囲内であれば良いが、許容できない機差の差異が生じる可能性もある。そのため、機差を低減させるために、装置毎に制御系におけるゲイン等のパラメータを調整する調整作業が必要である。換言すれば、このような装置毎の出力電圧の制御応答の機差を低減できれば、調整作業を省略できるか、簡易化できる。
【0006】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の装置を製作した場合の出力電圧の制御応答の差異(機差)を低減できる電圧変換装置等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示の一態様に係る電圧変換装置は、入力電圧を所定の出力電圧に変換する電圧変換装置であって、
前記入力電圧が印加される受動素子と、前記受動素子への入力電圧の印加又は遮断を行うスイッチと、前記出力電圧の電圧値を検出して、検出電圧値として出力する電圧検出部と、前記検出電圧値が、前記出力電圧の設定電圧値に対応する理想電圧値に近づくように前記スイッチのデューティ比を決定して前記スイッチの制御を行う制御部と
を備え、
前記制御部は、前記理想電圧値と前記検出電圧値との偏差に対応した制御量を加味して前記スイッチのデューティ比を定めることを特徴とする。
【0008】
本態様にあたっては、制御部は、検出電圧値が出力電圧の設定電圧値に対応する理想電圧値に近づくようにスイッチのデューティ比を決定して、スイッチの制御を行う。この際、制御部は、理想電圧値と検出電圧値との偏差に対応した制御量を加味してスイッチのデューティ比を定める。
そのため、受動素子の特性値のばらつきに起因して生じる出力電圧値(検出電圧値)の制御応答の差異(機差)を低減できる。これにより、装置毎の出力電圧の制御応答の機差を低減するための調整作業を省略できるか、簡易化できる。
【0009】
本開示の一態様に係る電圧変換装置は、前記制御部が、
前記設定電圧値に対応する理想電圧値を出力する理想電圧出力部と、
前記理想電圧出力部から出力された理想電圧値と前記電圧検出部から出力された検出電圧値との偏差を出力する偏差取得部と、
前記偏差取得部から出力された偏差を入力し、当該偏差を無くすための制御量を第1制御量として出力する第1制御量出力部と、
前記理想電圧出力部から出力された理想電圧値及び前記偏差取得部から出力された偏差を入力し、前記理想電圧値に対応する制御量を第2制御量として出力する第2制御量出力部と、
前記出力電圧の設定電圧値及び偏差取得部から出力された偏差を入力し、前記出力電圧の設定電圧値に対応する制御量を第3制御量として出力する第3制御量出力部と、
前記第1制御量出力部、前記第2制御量出力部及び前記第3制御量出力部から出力された各制御量を入力し、前記スイッチのオンオフ制御に必要なデューティ比を決定し、デューティ比に対応する信号を出力するスイッチ制御部と、
前記スイッチ制御部が出力したデューティ比に対応する信号に基づいて、前記スイッチに対してオンオフ制御を行うための制御信号を出力するスイッチ駆動部と
を備えていることを特徴とする。
【0010】
本態様にあたっては、第1制御量出力部において、偏差取得部から出力された偏差を入力し、その偏差を無くすためのフィードバック制御が行われる。しかし、このフィードバック制御だけでは、特に立ち上がり時や立ち下がり時等の急変時(過渡的な状況)において、設定電圧値に対する出力電圧の乖離が大きい。何故ならば、第1制御量出力部における制御対象は、偏差取得部から出力された理想電圧値と検出電圧値との偏差であるからである。そのため、第2制御量出力部及び第3制御量出力部によって検出電圧値(出力電圧値)を理想電圧値に近づける工夫がされている。
具体的には、第2制御量出力部は、理想電圧値に対応する制御量を出力することによって、フィードフォワード制御部として機能するので、検出電圧値の理想電圧値への追従性を高めることができる。
また、第3制御量出力部は、出力電圧の設定電圧値に対応する制御量を出力することによって、フィードフォワード制御部として機能するので、例えば、立ち上がり時や立ち下がり時等の急変時(過渡的な状況)における検出電圧値の理想電圧値への追従性を高めることができる。
このように、3種類の制御を組み合わせることによって、よりきめ細かな制御を行うことができる。
【0011】
本開示の一態様に係る電圧変換装置は、前記第2制御量出力部が、前記偏差取得部から出力された偏差に対応する制御量を前記理想電圧値に対応する制御量に加算したものを第2制御量として出力することを特徴とする。
【0012】
本態様にあたっては、第2制御量出力部が、上記のように検出電圧値の理想電圧値への追従性を高めるように機能するだけでなく、受動素子の特性値のばらつきに起因して検出電圧値の制御応答に機差が生じたとしても、その機差を低減させる機能を有する。
【0013】
本開示の一態様に係る電圧変換装置は、前記第3制御量出力部が、前記偏差取得部から出力された偏差に対応する制御量を前記出力電圧の設定電圧値に対応する制御量に加算したものを第3制御量として出力することを特徴とする。
【0014】
本態様にあたっては、第3制御量出力部が、上記のように検出電圧値の理想電圧値への追従性を高めるように機能するだけでなく、受動素子の特性値のばらつきに起因して検出電圧値の制御応答に機差が生じたとしても、その機差を低減させる機能を有する。
【0015】
本開示の一態様に係る電圧変換装置は、前記制御部に関するものであり、前記検出電圧値が前記理想電圧値よりも小さい場合、前記デューティ比を大きくし、前記検出電圧値が前記理想電圧値よりも大きい場合、前記デューティ比を小さくすることを特徴とする。
【0016】
本態様にあたっては、制御部は、検出電圧値が理想電圧値よりも小さい場合、スイッチをオンするためのデューティ比を大きくし、検出電圧値が理想電圧値よりも大きい場合、スイッチをオンするためのデューティ比を小さくするという簡易な制御で、検出電圧値を理想電圧値に近づけることができる。
【0017】
本開示の一態様に係る高周波電源装置は、本開示の一態様に記載の電圧変換装置と、該電圧変換装置からの出力された直流電圧を高周波交流電圧に変換して出力するRF出力装置とを備える。
【0018】
本態様にあたっては、本開示の一態様に係るいずれかに記載の電圧変換装置を備えることによって、RF出力装置によって変換された高周波交流電圧の機差によるエンベロープのばらつきを低減できる高周波電源装置を提供することができる。
【発明の効果】
【0019】
複数の装置を製作した場合に、各装置の回路を構成する素子の特性値にばらつきがあっても、装置毎の出力電圧の制御応答の差異(機差)が少ない電圧変換装置等を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
実施形態1に係るプラズマ制御システムの一構成例を示す模式図である。
実施形態1に係る電圧変換装置の一構成例を示す模式的回路構成図である。
制御部の一構成例を示す機能ブロックである。
出力電圧の立ち上がり期間における出力電圧の設定電圧値、理想電圧値、検出電圧値及び理想電圧値と検出電圧値との偏差の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
本発明に関する電圧変換装置1は、例えば、プラズマ制御システムA等の高圧電源装置の構成部位の一つとして用いられるものであり、以下にその実施形態を示す図面に基づいて詳述する。
【0022】
(実施形態1)
図1は、実施形態1に係るプラズマ制御システムAの一構成例を示す模式図である。プラズマ制御システムAは、半導体整合プロセスにおけるエッチング等のプラズマ処理を行う場合に用いられ、例えば、プラズマ負荷A3、整合器A2、及び高周波電源装置A1を含む。
【0023】
プラズマ処理装置のようなプラズマ負荷A3は、プラズマが発生するプラズマチャンバー(図示せず)を備え、高周波電源装置A1から供給された高周波電源によって、当該プラズマチャンバー内でプラズマを発生させ、半導体整合プロセスにおけるエッジング等のプラズマ処理を行う。
【0024】
整合器A2は、高周波電源装置A1とプラズマ負荷A3との間に介装される。整合器A2は、プラズマ負荷A3において時々刻々と変動する負荷のインピーダンスに対応するために、整合器A2の入力端から負荷側を見たインピーダンスが所定値(例えば高周波電源装置A1の出力インピーダンスの50Ω)になるように、例えば内部に設けたコンデンサの容量を変化させる。これにより、高周波電源装置A1側のインピーダンスとプラズマ負荷A3側のインピーダンスとをマッチングさせて、プラズマ負荷A3からの反射電力の抑制を行う。なお、整合器A2は必須の構成でなく、プラズマ負荷A3と高周波電源装置A1とを直結してもよい。
【0025】
高周波電源装置A1は、例えば、400kHz、2MHz、13.56MHz、27.12MHz、40.68MHz、60MHz等の工業用のRF帯(Radio Frequency)の周波数の電圧成分を有する高周波電力を出力する交流電源であり、出力インピーダンスは、例えば50Ω等の規定の値に設定されている。高周波電源装置A1から出力された高周波電力は、整合器A2を介してプラズマ負荷A3に供給される。高周波電源装置A1は、入力された直流電圧を所定の直流電圧に変換し出力する電圧変換装置1と、電圧変換装置1が出力した出力電圧を、例えばインバータ回路によって所定の高周波交流電圧(RF電圧)に変換して出力するRF出力装置A11(RF電源)とを含む。
【0026】
図2は、実施形態1に係る電圧変換装置1の一構成例を示す模式的回路構成図である。なお、この図2では、図1に示したRF出力装置A11及び整合器A2を省略している。
電圧変換装置1は、直流電源部11、半導体スイッチ12(以下、第1FET12)、第2半導体スイッチ13(以下、第2FET13)、リアクトル14及び平滑コンデンサ15を含み、直流電源部11から印加された直流電圧を降圧して出力する同期整流方式の降圧型DCDCコンバータである。電圧変換装置1は、更に第1FET12及び第2FET13のオンオフ制御を行う制御部17と、出力電圧の電圧値を検出する電圧検出部16とを含む。
【0027】
直流電源部11は、例えば、商用の交流電源を昇圧した後に全波整流し平滑した直流電源又は大容量蓄電池等であり、高圧の直流電圧を出力する。
【0028】
第1FET12、第2FET13は、例えばnチャネル型MOSFETであり、制御部17からのオンオフ制御に関する信号が、夫々のゲート端子に入力される。
【0029】
第1FET12は、ドレインを直流電源部11の正極側に向け、直流電源部11の正極側とリアクトル14との間に介装され、リアクトル14と直列に接続されている。
【0030】
第2FET13は、ドレインを直流電源部11の正極側に向け、第1FET12とリアクトル14との接続接点から分岐させてリアクトル14と並列に接続されている。
(【0031】以降は省略されています)

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