高频电源制造技术

本发明专利技术提供一种高频电源装置，用以向阻抗大幅变化的负载供应高频电力，不在驱动电路中产生过电流或过电压，而可始终维持稳定的高频电流。将定电流转换电路连接在感应-电容-电阻（LCR）串联谐振电路与半桥驱动电路之间，利用半桥驱动电路的电压来控制感应-电容-电阻串联谐振电路的高频电流，以便相对于负载的阻抗变动进行定电流动作。通过定电流转换电路的作用，在插入在感应-电容-电阻（LCR）串联谐振电路中的变压器使用并联电容器来对半桥驱动电路的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的门极进行驱动，将感应-电容-电阻串联谐振电路的高频电流与半桥驱动电路的输出的相位保持于固定。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种向阻抗(impedance )大幅变化的负载供应高频电力的高频电源装置。尤其，本专利技术适合用以生成、维持等离子体(Plasma)的高频电源装置，且用于感应耦合等离子体(inductive coupling plasma, ICP)发光分析装置等利用等离子体的分析装置。
技术介绍
感应I禹合等离子体(ICP)发光分析装置中，向等离子体炬(plasma torch)中导入M,(argon)等的等离子体生成用气体与分析试料,通过对感应线圈(inductive coil)供应高频电力而生成、维持等离子体。通过以分光器等测定由等离子体激发的试料原子的发光来分析试料的元素组成。通过流过感应线圈的高频电流而在等离子体生成部产生高频电磁场,从而使等离子体中的带电粒子加速而流动感应电流，由此对等离子体加热。该感应电流使通过感应线圈形成的磁场减少，因此感应线圈的有效的电感(inductance)减少。此外，因对等离子体加热而损失的能量对感应线圈赋予电阻分量。如此，因形 成等离子体而导致感应线圈的阻抗发生变化。根据等离子体生成用气体或分析试料的状态、向等离子体的供应电力等的不同，等离子体的状态发生变化，从而感应线圈的阻抗也发生变化。为向等离子体供应电力，而由感应线圈与电容器(condenser )形成谐振电路，例如以27MHz供给数100W至数kW的高频电力的高频电源驱动该谐振电路。通常的高频电源的输出阻抗设计为50 Ω，因此在高频电源与谐振电路之间配置调谐电路，从高频电源侧观察而得的阻抗始终被控制为50 Ω。通常采用如下方法，即以使来自调谐电路的反射电力成为零的方式，利用电动机(motor)等驱动调谐电路内的真空可变电容器来调整电容值。如此，在谐振频率为固定且负载的阻抗也固定的条件下，设计高效的高频电源比较容易。然而，在负载的阻抗发生变化的情形时，为操作调谐电路以始终维持最佳状况，而必须使用复杂的控制机构及价格高昂的零件，在向工业产品的应用中成为不利的因素。不使用真空可变电容器等价格高昂的零件，而是根据负载阻抗的变化来使频率变化的自由运行(free-running)方式,例如揭示在专利文献I中。专利文献I中，以使来自调谐电路的反射电力成为最小的方式,使用压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator,VC0)使高频电源的频率变化。然而，因从调谐电路除去真空可变电容器等可变元件，由此无法应对感应线圈的电阻分量的变化。因此，也揭示有如下方法，即不将高频电源的输出阻抗限定为50 Ω，而是直接驱动谐振电路。虽然无法使用同轴电缆(cable)等传输线路来将高频电源设置在远离感应线圈的场所，而是必须将高频电源配置在感应线圈附近，但这样可提供高效且价格低的电源。通过采用频率根据负载阻抗的变化而自动地变化的自激振荡(self-oscillation)方式,而可省去频率的控制电路或调谐电路，从而可构成更简单的高频电源电路。在专利文献2的感应加热装置中揭示一种高频电源电路，其将谐振电路的一部分的电压反馈(feedback)至高频电源的金属氧化物半导体场效应晶体管(metallic oxidesemiconductor field effect transistor,MOSFET)开关兀件而进行自激振荡。此外，专利文献3中揭示将真空管用于开关元件的方式，专利文献4中揭示将晶体管用于开关元件的方式。此外，专利文献5中揭示以半桥(half bridge)驱动谐振电路的单侧的方式、及以全桥(full bridge)驱动谐振电路的两端的方式。专利文献2中，通过变压器(transformer)耦合而将谐振电路的电容器的一部分的电压用作金属氧化物半导体场效应晶体管的门极(gate)电压。专利文献5中，通过变压器耦合而使谐振电路的电流流至电阻而作为金属氧化物半导体场效应晶体管的门极电压。在这些方式中，即便在负载阻抗发生变化的情形时，也能以由该负载阻抗决定的谐振频率持续振荡，也可通过来自谐振电路的反馈而自动地以相同频率驱动金属氧化物半导体场效应晶体管等开关元件，从而不需要谐振电路与驱动电路的相位控制等处理。先前技术文献专利文献专利文献1:R.C.Ferrelletal.，美国专利 US5, 383，019专利文献2:M.Rossnick，美国专利 US5, 191，302专利文献3:ff.Lankreijer，美国专利 US3, 448，407专利文献4:M.Rossnick，美国专利 US4, 001，725专利文献5:S.W.Hosemans，美国公报 US2009/012913
技术实现思路
专利技术欲解决的课题如上述般，通过利用专利文献2至专利文献5的技术，可实现价格远低于现有的高频电源的高频电源电路。利用自激振荡方式使频率根据负载阻抗的变化而自动地变化，因此不进行特别的控制便可使谐振电路与驱动电路的相位始终保持在最佳状态。然而，专利文献5的方式中，通过变压器耦合使谐振电路的电流流至电阻而用作金属氧化物半导体场效应晶体管的门极电压，因此会因电阻而产生电力损耗。尤其，在需要大输出的金属氧化物半导体场效应晶体管中，因门极电容大，由此产生因对门极电容充电而导致门极电压的相位延迟的问题，从而使金属氧化物半导体场效应晶体管的开关损耗增大。此外，在以ICP发光分析装置连续地进行分析时，根据等离子体生成用气体或分析试料的状态等的不同，有时离子体突然消失。此时，负载的电阻分量急剧地变化为较小的值，因此过大的电流流过负载，从而有金属氧化物半导体场效应晶体管受到破坏的情形。当然，虽然具备根据负载变动来控制直流电压源(直流电(direct current, DC)电源)的电压的机构，但响应迟钝，无法阻止过大的电流。即便在不至于破坏金属氧化物半导体场效应晶体管的情形时，也会对金属氧化物半导体场效应晶体管造成伤害，从而成为使装置的性能劣化的因素。本专利技术是为解决上述课题而完成的，其目的在于提供一种简单的电路构成的高频电源，该高频电源为自激振荡方式，即便在负载阻抗产生变化，也能以由该阻抗决定的谐振频率持续振荡，且即便在负载的电阻分量急剧变化为较小的值的情形时也可稳定地动作。解决课题的技术手段为解决上述课题而完成的专利技术是一种高频电源，包括直流电压源、一个以上的半桥驱动电路、定电流转换电路、及串联谐振电路，所述高频电源的特征在于:所述直流电压源控制所述半桥驱动电路的电压，所述半桥驱动电路具有至少一对半导体开关元件，在各个所述半导体开关元件的控制端子连接有变压器的二次绕组，以交替地切换接通(ON)状态与断开(OFF)状态，所述串联谐振电路串联连接有感应线圈、至少一个电容器及所述变压器的一次绕组，在规定的谐振频率ω下电抗(reactance)的总和为零,所述定电流转换电路在所述谐振频率ω下为T型定电流转换电路或π型定电流转换电路。此外，在所述高频电源中，所述T型定电流转换电路在所述谐振频率ω下，形成在输入端子侧的包含中央的电抗元件在内的第I回路(loop)的电抗的总和为零，且形成在输出端子侧的包含所述电抗元件在内的第2回路的电抗的总和为零。而且，在所述高频电源中，所述π型定电流转换电路在所述谐振频率ω下，形成在输入端子侧的包含中央的电抗元件在内本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种高频电源，包括直流电压源、一个以上的半桥驱动电路、定电流转换电路、及串联谐振电路，其特征在于: 所述直流电压源控制所述半桥驱动电路的电压， 所述半桥驱动电路具有至少一对半导体开关元件，在各个所述半导体开关元件的控制端子连接有变压器的二次绕组，以交替地切换接通状态与断开状态， 所述串联谐振电路串联连接有感应线圈、至少一个电容器及所述变压器的一次绕组，在规定的谐振频率ω下电抗的总和为零， 所述定电流转换电路在所述谐振频率ω下为T型定电流转换电路或π型定电流转换电路。2.根据权利要求1所述的高频电源，其特征在于:所述T型定电流转换电路在所述谐振频率ω下，形成在输入端子侧的包含中央的电抗元件的回路的电抗总和为零，且形成在输出端子侧的包含所述中央的电抗元件的回路的电抗总和为零。3.根据权利要求1所述的高频电源，其特征在于:所述η型定电流转换电路在所述谐振频率ω下，形成在输入端子侧的包含中央的电抗元件的回路的电抗总和为零，且形成在输出端子侧的包含所述中央的电抗元件的回路的电抗总和为零。4.根据权利要求1所述的高频电源，其特征在于:在所述半导体开关元件的所述控制端子，与所述变压器的所述二次绕组并联地连接有电容器。5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：河藤荣三，
申请(专利权)人：株式会社岛津制作所，
类型：
国别省市：