直流電源裝置、直流電源裝置的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種直流電源裝置，例如涉及一種在等離子發(fā)生裝置等負(fù)載中使用的直流電源裝置、直流電源裝置的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在半導(dǎo)體裝置、液晶面板、硬盤等的制造或?yàn)R射處理等中，已知向基板等處理對(duì)象物使用等離子的等離子處理工序。該等離子處理工序，從直流電源裝置向等離子發(fā)生裝置供給直流電力，在等離子發(fā)生裝置內(nèi)的空間中通過對(duì)處理氣體進(jìn)行等離子化等來發(fā)生等離子，通過發(fā)生的等離子對(duì)基板的表面進(jìn)行成膜處理或蝕刻處理。
[0003]通常，等離子發(fā)生裝置對(duì)于直流電源裝置來說相當(dāng)于電氣負(fù)載，等離子放電發(fā)生為止的等離子放電開始時(shí)的負(fù)載與等離子放電穩(wěn)定地發(fā)生的通常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的負(fù)載不同。因此，通常，直流電源裝置在等離子放電開始時(shí)，向電極施加一定期間的比通常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電壓大的點(diǎn)火電壓，之后，施加通常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的低電壓的放電電壓(專利文獻(xiàn)I)。此外，已知根據(jù)突入電流檢測(cè)等離子放電的開始(專利文獻(xiàn)2、3)。
[0004]此外，作為產(chǎn)生用于等離子放電發(fā)生的點(diǎn)火電壓的電路，已知使用共振變換器的電路或使用斬波控制的電路。
[0005]圖13(a)、圖13(b)是使用了共振變換器的點(diǎn)火電壓發(fā)生電路，圖13 (a)表示串聯(lián)共振變換器的電路例，圖13(b)表示并聯(lián)共振變換器的電路例。在圖13(a)所示的電路例中，在逆變器電路與通過二極管整流電路構(gòu)成的變換器之間連接LC的串聯(lián)共振電路，在13(b)所示的電路例中，在逆變器電路與通過二極管整流電路構(gòu)成的變換器之間連接LC的并聯(lián)共振電路。使用了共振變換器的點(diǎn)火電壓發(fā)生電路通過共振使點(diǎn)火電壓上升。
[0006]圖13(c)是斬波控制的電路例，在直流源(Ein)與逆變器電路之間設(shè)置斬波電路。在斬波控制的電路中，根據(jù)斬波電路所具備的開關(guān)元件的接通占空比控制點(diǎn)火電壓。
[0007]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0008]專利文獻(xiàn)
[0009]專利文獻(xiàn)1:日本特開2010-255061號(hào)公報(bào)(段落
[0006])
[0010]專利文獻(xiàn)2:日本特開平11-229138號(hào)公報(bào)(段落
[0009])
[0011]專利文獻(xiàn)3:日本特開2002-173772號(hào)公報(bào)(段落
[0032])
[0012]專利文獻(xiàn)4:國(guó)際專利申請(qǐng)PCT/JP2012/72854

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]發(fā)明要解決的課題
[0014]在專利文獻(xiàn)2記載的裝置中，通過施加一定期間的比設(shè)定的放電電壓大的電壓使等離子發(fā)生，此外，在在專利文獻(xiàn)3記載的裝置中，通過瞬間施加額定以上的電壓來進(jìn)行等離子放電的點(diǎn)火。
[0015]如上所述，為了使等離子點(diǎn)火而施加的電壓，施加一定期間或瞬間的比放電電壓或額定電壓大的電壓。在等離子放電的發(fā)生中有偏差，在施加電壓較低時(shí)需要將施加時(shí)間設(shè)定成較長(zhǎng)。
[0016]為了在短施加時(shí)間內(nèi)可靠地使等離子放電發(fā)生，需要產(chǎn)生比放電電壓或額定電壓大的電壓。
[0017]因此，向等離子發(fā)生裝置供給直流電力的直流電源裝置，為了提高在等離子放電發(fā)生中所使用的電壓，而存在直流電源裝置復(fù)雜化且大型化的問題。
[0018]此外，在以低的施加電壓使等離子放電發(fā)生的情況下，施加時(shí)間變長(zhǎng)，因此存在等離子發(fā)生裝置的處理時(shí)間較長(zhǎng)的問題。
[0019]此外，在點(diǎn)火電壓發(fā)生電路中，如圖13(a)、圖13(b)的例子所示，使用串聯(lián)共振變換器以及并聯(lián)共振變換器時(shí)，因共振動(dòng)作使電壓上升，因此存在點(diǎn)火電壓的最大值只能升壓至輸入直流電壓Edc的2倍的問題。為了提高點(diǎn)火電壓，需要提高輸入直流電壓Edc，需要準(zhǔn)備高電壓的直流源。
[0020]如圖13(c)的例子所示，在點(diǎn)火電壓發(fā)生電路中，基于斬波控制的情況下，在逆變器電路中不具備共振電路，因此在降壓斬波電路中存在點(diǎn)火電壓的最大值只能得到輸入直流電壓Ein為止的問題。
[0021]因此，在基于共振電路或斬波電路的點(diǎn)火電壓發(fā)生電路中，也存在為了提高在等離子放電的發(fā)生中所使用的電壓，直流電源裝置變得復(fù)雜化且大型化的問題。
[0022]為了解決上述問題，本申請(qǐng)的發(fā)明人在組合電流型降壓斬波電路和三相逆變器電路而構(gòu)成的直流電源裝置中提出了一個(gè)解決手段(專利文獻(xiàn)4)。在提出的解決手段中，在電流型降壓斬波電路中，為了形成短路電流，提出了通過控制與電流型降壓斬波電路的負(fù)載側(cè)連接的多相逆變器的開關(guān)動(dòng)作來形成短路電流的結(jié)構(gòu)，或通過在電流型降壓斬波電路的輸出側(cè)端之間設(shè)置單體的開關(guān)電路來形成短路電流的結(jié)構(gòu)。
[0023]在所述的提案中，通過控制多相逆變器的開關(guān)動(dòng)作形成短路電流的情況下，在三相逆變器的控制中，除了通常進(jìn)行的逆變器控制外，還進(jìn)行基于使上下端之間短路和開放的開關(guān)動(dòng)作的短路控制，或者，通過設(shè)置開關(guān)電路的結(jié)構(gòu)形成短路電流的情況下，另外設(shè)置僅以上下端之間的短路為目的的電路結(jié)構(gòu)。
[0024]本發(fā)明的目的是解決上述的以往的問題點(diǎn)，在向等離子發(fā)生裝置供給直流電力的直流電源裝置中，形成使等離子放電發(fā)生的高電壓的裝置結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單且小型化。
[0025]此外，目的在于不使用大型且復(fù)雜結(jié)構(gòu)的直流電源裝置，而縮短等離子放電的發(fā)生所需要的電壓施加時(shí)間。
[0026]用于解決課題的手段
[0027]對(duì)等離子發(fā)生裝置等負(fù)載供給直流電力來進(jìn)行等離子處理時(shí)，在電源接通時(shí)或再啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行使等離子發(fā)生裝置發(fā)生等離子放電的工序。此時(shí)，從直流電源裝置對(duì)等離子發(fā)生裝置施加被稱為點(diǎn)火電壓的、比通常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)施加的電壓高的電壓，并使等離子放電發(fā)生。
[0028]本發(fā)明涉及為了使等離子放電發(fā)生，生成向等離子發(fā)生裝置施加的電壓時(shí)所使用的直流電源裝置以及直流電源裝置的控制方法。
[0029]需要將向等離子發(fā)生裝置施加的電壓升壓至使等離子放電發(fā)生所需要的點(diǎn)火設(shè)定電壓。本發(fā)明的直流電源裝置，重復(fù)多次進(jìn)行使短路電流以微小時(shí)間流過直流電源裝置所具備的電壓型降壓斬波部來向電抗器積累能量的工序，向輸出電容釋放積累在電抗器中的能量，使輸出電壓逐次上升，由此升壓至點(diǎn)火設(shè)定電壓。
[0030]本發(fā)明的直流電源裝置是使用升壓電路具備的開關(guān)元件來形成短路電流的結(jié)構(gòu)。通過以微小時(shí)間關(guān)閉升壓電路的開關(guān)元件，使電壓型降壓斬波部的出力側(cè)的上下端間短路，以微小時(shí)間切斷從電壓型降壓斬波部向直流電源裝置的輸出端的電流路徑。通過升壓電路的短路切斷向直流電源裝置的輸出端的電流路徑，到此為止流過電壓型降壓斬波部的電流作為短路電流，流過電壓型降壓斬波部和升壓電路。將短路電流一次地積累在電壓型降壓斬波部所具備的電抗器中。
[0031]之后，在打開升壓電路的開關(guān)元件來解除短路且解除電流路徑的切斷時(shí)，再次形成從電壓型降壓斬波部向直流電源裝置的輸出端的電流路徑，積累在電抗器中的能量使直流電源裝置的輸出端的電壓升壓。通過重復(fù)基于電流的積累和釋放的輸出端的升壓，使直流電源裝置的輸出端的電壓升壓至點(diǎn)火設(shè)定電壓。
[0032][直流電源裝置]
[0033]本發(fā)明的直流電源裝置是向等離子發(fā)生裝置供給直流電力的直流電源裝置，具備:構(gòu)成直流電壓源的電壓型降壓斬波部、使電壓型降壓斬波部的直流電壓升壓的升壓電路、將升壓電路的直流輸出變換成單相交流的單相逆變器部以及控制部，控制部包括用于控制電壓型降壓斬波部的斬波控制部和用于控制升壓電路的升壓控制部。
[0034][直流電源裝置的控制方法]
[0035]本發(fā)明的直流電源裝置的控制方法，是具備以下各部并向等離子發(fā)生裝置供給直流電力的直流電源裝置的控制方法:構(gòu)成直流電壓源的電壓型降壓斬波部、使電壓型降壓斬波部的直流電壓升壓的升壓電路、將升壓電路的直流輸出變換成單相交流的單相逆變器部、包含用于控制電壓型降壓斬波部的斬波控制部以及用于控制升壓電路的升壓控制部的te制部。
[0036]控制部切換用于供給使等離子發(fā)生裝置發(fā)生等離子放電的點(diǎn)火電壓的點(diǎn)火模式、使等離子發(fā)生裝置的等離子放電持續(xù)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)模式來進(jìn)行控制。
[0037]在點(diǎn)火模式中，升壓控制部使升壓電路的正電壓側(cè)和負(fù)電壓側(cè)之間間歇性短路，控制通過該間歇性短路形成的短路電流所引起的升壓動(dòng)作，并控制向等離子發(fā)生裝置施加的輸出電壓。
[0038]升壓控制部生成使在升壓電路中連接在正電壓端和負(fù)電壓端之間的開關(guān)元件間歇性短路的短路脈沖信號(hào)。開關(guān)元件通過短路脈沖信號(hào)成為接通狀態(tài)，使電壓型降壓斬波部的輸出端的正電壓端和負(fù)電壓端短路。
[0039]在點(diǎn)火模式中，控制部切換進(jìn)行升壓控制和丨旦壓控制。升壓控制通過升壓控制部來進(jìn)行，重復(fù)多次基于短路電流的升壓，使輸出電壓升壓至點(diǎn)火設(shè)定電壓。另一方面，恒壓控制通過斬波控制部來進(jìn)行，使輸出電壓維持在點(diǎn)火設(shè)定電壓。
[0040]控制部在輸出電壓達(dá)到了點(diǎn)火設(shè)定電壓后，從升壓控制切換成恒壓控制。
[0041 ] 控制部將斬波控制部中的斬波控制的接通占空比和升壓控制部中的間歇短路動(dòng)作的次數(shù)設(shè)為參數(shù)。
[0042]斬波控制部根據(jù)接通占空比控制電壓型降壓斬波部的輸入電壓。另一方面，升壓控制部根據(jù)間歇短路動(dòng)作的次數(shù)控制升壓比。根據(jù)輸入電壓和升壓比控制輸出電壓的電壓上升。
[0043]在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)模式中，能夠選擇恒壓控制、恒流控制、恒定功率控制中的某個(gè)控制，在切換控制中輸出電流達(dá)到了點(diǎn)火設(shè)定電流，且輸出電壓下降至等離子發(fā)生電壓時(shí)，控制部從點(diǎn)火模式切換成穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)模式，進(jìn)行從恒壓控制、恒流控制、恒定功率控制中選擇出的控制。
[0044]恒壓控制是將穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)定值從在點(diǎn)火模式中設(shè)定的點(diǎn)火設(shè)定電壓切換成穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)定電壓，將輸出電壓維持在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)定電壓的電壓控制。
[0045]恒流控制是將穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)定值從在點(diǎn)火模式中設(shè)定的點(diǎn)火設(shè)定電壓切換成穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)定電流，將輸出電流維持在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)定電流的電流控制。
[0046]恒定功率控制是將穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)定值從在點(diǎn)火模式中設(shè)定的點(diǎn)火設(shè)定電壓切換成穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)定功率，將輸出功率維持在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)定功率的功率控制。
[0047]在上述的提案中，在基于多相逆變器的開關(guān)動(dòng)作的控制的情況下，在三相逆變器中除了通常的逆變器控制外，還進(jìn)行短路控制，即進(jìn)行使上下端間短路和開放的開放動(dòng)作，與此相對(duì)，根據(jù)本發(fā)明，在單相逆變器中進(jìn)行通常的逆變器控制，可以關(guān)不進(jìn)行逆變器控制，而通過獨(dú)立于通常的逆變器控制的升壓電路的短路控制來進(jìn)行短路控制。
[0048]此外，在上述的提案中，在設(shè)置開關(guān)電路的結(jié)構(gòu)中，另外設(shè)置僅以上下端間的短路為目的的短路電路，與此相對(duì)，根據(jù)本發(fā)明，能夠利用升壓電路所具備的開關(guān)元件進(jìn)行短路控制，因此不需要另外準(zhǔn)備短路電路。
[0049]發(fā)明效果
[0050]如上所述，根據(jù)本發(fā)明，在向等離子發(fā)生裝置供給直流電力的直流電源裝置中，形成使等離子放電發(fā)生的高電壓的裝置結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)單且小型化。
[0051]此外，可以不使用大型且復(fù)雜結(jié)構(gòu)的直流電源裝置，而縮短等離子放電的發(fā)生所需要的電壓施加時(shí)間。
【附圖說明】
[0052]圖1是用于說明本發(fā)明的短路電流的發(fā)生動(dòng)作以及基于短路電流的輸出電壓的升壓動(dòng)作的圖。
[0053]圖2是用于說明本發(fā)明的直流電源裝置的整體結(jié)構(gòu)的圖。
[0054]圖3是用于說明本發(fā)明的直流電源裝置所具備的斬波控制部的結(jié)構(gòu)例的圖。
[0055]圖4是用于說明本發(fā)明的直流電源裝置所具備的升壓控制部的結(jié)構(gòu)例的圖。
[0056]圖5是用于說明本發(fā)明的直流電源裝置的點(diǎn)火時(shí)的電路狀態(tài)的圖。
[0057]圖6是用于說明本發(fā)明的直流電源裝置的點(diǎn)火模式和穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)模式的動(dòng)作例的流程圖。
[0058]圖7是用于說明本發(fā)明的直流電源裝置的點(diǎn)火模式和穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)模式的動(dòng)作例的時(shí)序圖。
[0059]圖8是用于說明本發(fā)明的直流電源裝置的點(diǎn)火模式和穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)模式的動(dòng)作例的時(shí)序圖。
[0060]圖9是本發(fā)明的直流電源裝置的點(diǎn)火模式、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)模式的動(dòng)作狀態(tài)圖。
[0061]圖10是用于說明直流電源裝置的單相逆變器的圖。