JP6762002B2 - Power regenerative pulse power supply - Google Patents
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Description
本発明は電力回生型パルス電源に関する。さらに詳しくは、容量性負荷回路に高周波数パルス電圧を供給する場合に、容量性負荷回路に蓄えられる電荷と静電エネルギーをパルス毎に回生することで電力の利用効率の向上を実現した電力回生型パルス電源に関する。 The present invention relates to a power regenerative pulse power supply. More specifically, when a high-frequency pulse voltage is supplied to the capacitive load circuit, the electric charge and electrostatic energy stored in the capacitive load circuit are regenerated for each pulse to improve the power utilization efficiency. Regarding type pulse power supply.
従来から、図６に示すようなパルス電源が用いられている。図６は、従来型パルス電源の構成と動作を示す回路図である。
図６のプラズマ装置（以下、容量性負荷回路（ＣＥ）と称す）は、減圧（真空排気）下で放電ガスや反応ガスを供給する容器内に２つの電極を用いたモデルで示している。図６の上側の電極は駆動電極（５）と呼ばれ、電圧（電力）を供給して放電プラズマを生成するための電極である。図６の下側の電極は対向電極（６）と呼ばれ、電極間の電場を均一にするため駆動電極と対向するように設置される。
Conventionally, a pulse power supply as shown in FIG. 6 has been used. FIG. 6 is a circuit diagram showing the configuration and operation of the conventional pulse power supply.
The plasma device of FIG. 6 (hereinafter referred to as a capacitive load circuit (CE)) is shown as a model using two electrodes in a container for supplying a discharge gas or a reaction gas under reduced pressure (vacuum exhaust). The upper electrode in FIG. 6 is called a drive electrode (5) and is an electrode for supplying voltage (electric power) to generate discharge plasma. The lower electrode of FIG. 6 is called a counter electrode (6) and is installed so as to face the drive electrode in order to make the electric field between the electrodes uniform.
処理対象の基材は対向電極（６）または駆動電極（５）のいずれかに固定する場合が多い。対向電極（６）は電気的には接地（アースやグランドともいう）する場合と、基材を固定して電圧（バイアス）を加える場合がある。図６は最も代表的な例として、上側が高電圧（高周波やパルスを含む）を与える駆動電極（５）、下側が接地された対向電極（６）の例を示す。駆動電極（５）と対向電極（６）の間にコンデンサが形成され、容量性負荷回路（ＣＥ）となる。対向電極（６）を使用せずに駆動電極（５）のみが設けられているプラズマ装置もあるが、金属でできた容器が電気的には対向電極の役割を果すため、駆動電極（５）と対向電極（６）の両方が設けられた容量性負荷回路（ＣＥ）同様の構成であると考えることができる。 The base material to be treated is often fixed to either the counter electrode (6) or the drive electrode (5). The counter electrode (6) may be electrically grounded (also referred to as ground or ground), or the base material may be fixed and a voltage (bias) may be applied. FIG. 6 shows an example of a driving electrode (5) that applies a high voltage (including high frequency and pulse) on the upper side and a counter electrode (6) that is grounded on the lower side as the most typical example. A capacitor is formed between the drive electrode (5) and the counter electrode (6) to form a capacitive load circuit (CE). Some plasma devices are provided with only the drive electrode (5) without using the counter electrode (6), but the drive electrode (5) is provided because the container made of metal electrically serves as the counter electrode. It can be considered that the configuration is similar to that of the capacitive load circuit (CE) in which both the counter electrode (6) and the counter electrode (6) are provided.
従来型パルス電源の基本的な構成は、高電圧の電源（Ｅ）、高速で動作する第１半導体スイッチ（ＳＷ１１）と第２半導体スイッチ（ＳＷ１２）、及び電流（電圧）調節回路（１２）からなる。
図６の（ａ）は放電停止（ＯＦＦ）状態から放電（ＯＮ）状態への遷移過程を示す図、図６の（ｂ）は放電（ＯＮ）状態を示す図、図６の（ｃ）は放電（ＯＮ）状態から放電停止（ＯＦＦ）状態への遷移過程を示す図、図６の（ｄ）は放電停止（ＯＦＦ）状態を示す図である。
The basic configuration of the conventional pulse power supply consists of a high-voltage power supply (E), a first semiconductor switch (SW11) and a second semiconductor switch (SW12) that operate at high speed, and a current (voltage) adjustment circuit (12). Become.
FIG. 6A is a diagram showing a transition process from a discharge stop (OFF) state to a discharge (ON) state, FIG. 6B is a diagram showing a discharge (ON) state, and FIG. 6C is a diagram. The figure which shows the transition process from the discharge (ON) state to the discharge stop (OFF) state, (d) of FIG. 6 is a figure which shows the discharge stop (OFF) state.
図６の（ｂ）において、容量性負荷回路（ＣＥ）の放電（ＯＮ）状態を維持するために必要な電圧をＶｐ［Ｖ］、放電に供給する電流をＩｐ［Ａ］とする。放電電極間の静電容量をＣＥ［Ｆ］とする。静電容量は電極の大きさ（面積）と対向電極までの距離等によって決定する。
図６の（ｂ）に示す容量性負荷回路（ＣＥ）の放電（ＯＮ）状態においては、第１半導体スイッチ（ＳＷ１１）のみが閉じられており（すなわち、オンの状態）、電源（Ｅ）から電流（電圧）調節回路（１２）を通して、駆動電極（５）に放電のための電力（必要な電圧と電流）が供給される。
容量性負荷回路（ＣＥ）の放電（ＯＮ）状態では、電力ＰＰ＝ＶＰＩＰ［Ｗ］が供給され、この電力は放電プラズマによって消費されている。
In FIG. 6B, the voltage required to maintain the discharge (ON) state of the capacitive load circuit (CE) is V p [V], and the current supplied to the discharge is I p [A]. Let the capacitance between the discharge electrodes be CE [F]. Capacitance is determined by the size (area) of the electrode and the distance to the counter electrode.
In the discharge (ON) state of the capacitive load circuit (CE) shown in FIG. 6 (b), only the first semiconductor switch (SW11) is closed (that is, the ON state), and the power supply (E) is used. Electricity (required voltage and current) for discharging is supplied to the drive electrode (5) through the current (voltage) adjusting circuit (12).
The discharge (ON) state of the capacitive load circuit (CE), is powered P P = V P I P [ W], the power is consumed by a discharge plasma.
図６の（ｄ）の容量性負荷回路（ＣＥ）の放電停止（ＯＦＦ）状態においては第２半導体スイッチ（ＳＷ１２）のみが閉じられており（すなわち、オンの状態）、駆動電極（５）が接地されていることにより、放電電極間には電力（電圧）が供給されない。
図６の（ａ）は、放電開始の過程で、第２半導体スイッチ（ＳＷ１２）を開く（すなわち、オフにする）と同時に第１半導体スイッチ（ＳＷ１１）を閉じる（すなわち、オンにする）ことにより、容量性負荷回路（ＣＥ）の放電停止（ＯＦＦ）状態から放電（ＯＮ）状態へ遷移する過程を示している。
電極（間）の電圧が容量性負荷回路（ＣＥ）の放電に必要な電圧に達するには、電極間のコンデンサ（静電容量）に電荷を充電しなければならない。図６の（ａ）の過程において、電源（Ｅ）は電荷Ｑ＝ＣＥＶＰ［Ｃ］を電流の時間積分値（Ｑ＝∫ｉｓｄｔ）として供給し、同時に静電エネルギーＥ＝１／２ＣＥＶＰ ２［Ｊ］を供給する必要がある。
それゆえに、図６の（ａ）の容量性負荷回路（ＣＥ）の放電開始過程の時間を早くするには、瞬時に大きな電流を供給する必要がある。
In the discharge stop (OFF) state of the capacitive load circuit (CE) of FIG. 6 (d), only the second semiconductor switch (SW12) is closed (that is, the ON state), and the drive electrode (5) is Since it is grounded, power (voltage) is not supplied between the discharge electrodes.
FIG. 6A shows that in the process of starting discharge, the second semiconductor switch (SW12) is opened (that is, turned off) and the first semiconductor switch (SW11) is closed (that is, turned on) at the same time. , The process of transitioning from the discharge stop (OFF) state to the discharge (ON) state of the capacitive load circuit (CE) is shown.
In order for the voltage between the electrodes (between) to reach the voltage required to discharge the capacitive load circuit (CE), the capacitor (capacitance) between the electrodes must be charged. In the course of the (a) of FIG. 6, the power source (E) is a charge Q = C E V P [C ] time integral value of the current supplied as (Q = ∫i s dt), at the same time electrostatic energy E = 1 / 2C E V P 2 [J ] needs to be supplied.
Therefore, in order to shorten the time of the discharge start process of the capacitive load circuit (CE) of FIG. 6A, it is necessary to supply a large current instantaneously.
図６の（ｃ）は容量性負荷回路（ＣＥ）の放電終了の過程を示し、第１半導体スイッチ（ＳＷ１１）を開くと同時に第２半導体スイッチ（ＳＷ１２）を閉じることにより、容量性負荷回路（ＣＥ）の放電（ＯＮ）状態から放電停止（ＯＦＦ）状態への遷移状態を示している。第１半導体スイッチ（ＳＷ１１）を開くことで電源（Ｅ）から放電プラズマへの電力供給が遮断されるだけでなく、第２半導体スイッチ（ＳＷ１２）を通して電極間のコンデンサに蓄えられた電荷Ｑ＝ＣＥＶＰ［Ｃ］は電流の時間積分値（Ｑ＝∫ｉｇｄｔ）として接地回路を通して放電（プラズマの気体放電ではなく、電気回路の放電）される。
このとき静電エネルギーＥ＝１／２ＣＥＶＰ ２［Ｊ］は回路配線等でジュール熱として消失しエネルギーの損失となってしまう（すなわち、放電停止となる度に容量性負荷回路（ＣＥ）に残った電荷が接地（Ｇ）に放電され、再利用することができない）。
FIG. 6C shows the process of ending the discharge of the capacitive load circuit (CE), and by opening the first semiconductor switch (SW11) and closing the second semiconductor switch (SW12) at the same time, the capacitive load circuit (SW12) is closed. The transition state from the discharge (ON) state of CE) to the discharge stop (OFF) state is shown. By opening the first semiconductor switch (SW11), not only the power supply from the power supply (E) to the discharge plasma is cut off, but also the electric charge Q = C stored in the capacitor between the electrodes through the second semiconductor switch (SW12). E V P [C] (not the plasma gas discharge, discharge of the electric circuit) discharge through the ground circuit as a time integral value of the current (Q = ∫i g dt) is the.
At this time the electrostatic energy E = 1 / 2C E V P 2 [J] becomes a loss of lost as Joule heat in the circuit wiring or the like energy (i.e., every time the discharge stop capacitive load circuit (CE) The electric charge remaining in the ground (G) is discharged to the ground (G) and cannot be reused).
特許文献１には、一つの半導体スイッチを使ってパルス発生とキックバックエネルギーの回生ができるようにしたパルス電源装置が開示されている。 Patent Document 1 discloses a pulse power supply device capable of generating a pulse and regenerating kickback energy by using one semiconductor switch.
特許文献１に記載のパルス電源装置は、パルス発生回路は充電器の出力で初期充電されたコンデンサの放電を制御して昇圧・磁気パルス圧縮回路にパルス電流を供給し、前記昇圧・磁気パルス圧縮回路でパルス電流の昇圧及び磁気パルス圧縮して負荷装置にパルス電流を供給し、
前記パルス発生回路は、前記充電器とコンデンサの間に設けられ、充電器からコンデンサへの初期充電電流を流す方向に磁気リセット状態にされる可飽和リアクトルと、
前記コンデンサが初期充電された後にターンオン制御されて該コンデンサと前記可飽和リアクトルとの間に電流路を形成し、該可飽和リアクトルの飽和動作により該コンデンサを逆極性に再充電させる半導体スイッチと、
前記コンデンサの再充電電圧の極性に対して導通し、該コンデンサから前記昇圧・磁気パルス圧縮回路への電流路を形成するダイオードと、
前記コンデンサの再充電電圧で飽和動作し、前記ダイオードを通して前記昇圧・磁気パルス圧縮回路にパルス電流を供給し、該昇圧・磁気パルス圧縮回路側からのキックバック電流に対して該コンデンサに初期充電電圧極性で回生する方向の電流を流す可飽和リアクトルを具備している。
In the pulse power supply device described in Patent Document 1, the pulse generating circuit controls the discharge of the initially charged capacitor at the output of the charger to supply a pulse current to the boosting / magnetic pulse compression circuit, and the boosting / magnetic pulse compression is performed. The circuit boosts the pulse current and compresses the magnetic pulse to supply the pulse current to the load device.
The pulse generation circuit is provided between the charger and the capacitor, and is a saturable reactor that is magnetically reset in the direction in which the initial charging current flows from the charger to the capacitor.
A semiconductor switch that is turn-on-controlled after the capacitor is initially charged to form a current path between the capacitor and the saturable reactor, and the capacitor is recharged to the opposite polarity by the saturation operation of the saturable reactor.
A diode that conducts with respect to the polarity of the recharge voltage of the capacitor and forms a current path from the capacitor to the boosting / magnetic pulse compression circuit.
Saturation operation is performed with the recharge voltage of the capacitor, a pulse current is supplied to the boost / magnetic pulse compression circuit through the diode, and the initial charge voltage is supplied to the capacitor with respect to the kickback current from the boost / magnetic pulse compression circuit side. It is equipped with a saturable reactor that allows current to flow in the direction of polarity and regeneration.
特許文献１には、パルス発生回路のコンデンサは可飽和リアクトルを通して図示の極性に初期充電し、この後に半導体スイッチをターンオンさせ、必要に応じて追加されるリアクトルを通した振動電流によりコンデンサの充電電圧を反転させ、電流が半周期流れ終わった後の反転電圧に対して充電器内部のダイオードブリッジに対しては可飽和リアクトルで電流を阻止し、可飽和リアクトルが飽和動作したときにコンデンサからダイオード及び可飽和リアクトルを通して昇圧・磁気パルス圧縮回路にパルス電流を供給し、パルス電流が供給された負荷装置側からのキックバックエネルギーは昇圧・磁気パルス圧縮回路を通して電流と同じ極性で取り込んでコンデンサをその初期充電極性と同じ極性で充電することでキックバックエネルギーの回生を得ることが記載されている。 According to Patent Document 1, the capacitor of the pulse generating circuit is initially charged to the indicated polarity through a saturable reactor, and then the semiconductor switch is turned on, and the charging voltage of the capacitor is charged by the vibration current through the reactor added as needed. Is inverted, the current is blocked by a saturable reactor for the diode bridge inside the charger against the inverted voltage after the current has finished flowing for half a cycle, and when the saturable reactor is saturated, the capacitor and the diode and A pulse current is supplied to the booster / magnetic pulse compression circuit through a saturable reactor, and the kickback energy from the load device side to which the pulse current is supplied is taken in with the same polarity as the current through the booster / magnetic pulse compression circuit to take in the capacitor at its initial stage. It is described that the regeneration of kickback energy is obtained by charging with the same polarity as the charging polarity.
さらに特許文献１には、制御スイッチ素子として１つのトランジスタＩＧＢＴを使ってパルス発生制御とキックバックエネルギーの回生を行うことができ、回路構成が簡単になることが記載されている。 Further, Patent Document 1 describes that pulse generation control and kickback energy regeneration can be performed by using one transistor IGBT as a control switch element, which simplifies the circuit configuration.
特許文献１の発明では、コンデンサは初期充電後に半導体スイッチと可飽和リアクトルにより逆極性に再充電し、その放電で負荷装置側にパルスを供給し、負荷装置側からのキックバックエネルギーには可飽和リアクトルによりコンデンサを初期充電電圧極性で回生するようにしたため、１つの半導体スイッチを使ってパルス発生とキックバックエネルギーの回生ができるとしている。 In the invention of Patent Document 1, the capacitor is recharged in the opposite polarity by the semiconductor switch and the saturable reactor after the initial charge, and the discharge supplies a pulse to the load device side, and the kickback energy from the load device side is saturable. Since the capacitor is regenerated with the initial charge voltage polarity by the reactor, it is said that one semiconductor switch can be used to generate pulses and regenerate kickback energy.
特許文献１の発明は、高電圧で極めて幅の狭いパルス電流（電圧）を供給するための電源であり、高気圧の気体放電を使った気体レーザーや大気圧放電への応用を目的とするパルス電源に関する発明である。 The invention of Patent Document 1 is a power source for supplying a pulse current (voltage) having an extremely narrow width at a high voltage, and is a pulse power source for application to a gas laser using a high pressure gas discharge or an atmospheric pressure discharge. Is an invention related to.
このように、高電圧で極めて幅の狭いパルス電流（電圧）を供給するための電源においては、パルス発生とキックバックエネルギーを回生することを目的とする技術的思想は存在する。
しかしながら、現在、低気圧の容量結合性プラズマ装置に適用できる電力回生型パルス電源はなく、これに関連する技術的思想もない。
仮に、特許文献１の発明を低気圧の容量結合性プラズマ装置に適用しようとしても、この発明はパルス幅を極力狭くするための電源であるため、所望の時間の間、放電プラズマを持続することができず、低気圧の容量結合性プラズマ装置に適用することはできない。
As described above, in a power source for supplying a pulse current (voltage) having a high voltage and an extremely narrow width, there is a technical idea for the purpose of regenerating pulse generation and kickback energy.
However, at present, there is no power regenerative pulse power supply applicable to a low-pressure capacitively coupled plasma apparatus, and there is no technical idea related to this.
Even if the invention of Patent Document 1 is applied to a low-pressure capacitively coupled plasma apparatus, the present invention is a power source for narrowing the pulse width as much as possible, so that the discharge plasma is maintained for a desired time. It cannot be applied to a low-pressure capacitively coupled plasma device.
叙上の通り、低気圧の容量結合性プラズマ装置に適用できる電力回生型パルス電源の技術的思想はない。
本発明は、低気圧の容量結合型プラズマ処理装置等において所望のパルス幅にわたって安定な放電プラズマの生成を高周波数で繰り返すためのパルス電圧を供給する場合に、比較的簡易な回路により、容量性負荷回路の容量に蓄えられる電荷と静電エネルギーをパルス毎に回生することができ、電力の利用効率を向上させることができる電力回生型パルス電源を提供することを目的とするものである。
As mentioned above, there is no technical idea of a power regenerative pulse power supply that can be applied to a low-pressure capacitively coupled plasma device.
INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, when a pulse voltage for repeating generation of stable discharge plasma over a desired pulse width at a high frequency is supplied in a low-pressure capacitively coupled plasma processing apparatus or the like, a relatively simple circuit is used for capacitance. It is an object of the present invention to provide a power regeneration type pulse power source capable of regenerating the electric charge and electrostatic energy stored in the capacitance of the load circuit for each pulse and improving the efficiency of power utilization.
請求項１に係る発明は、電源と、
充放電回路と、
電流（電圧）調節回路と
を備えた電力回生型パルス電源であって、
前記充放電回路は、第１半導体スイッチと、コンデンサと、リアクトルと、第２半導体スイッチとを備え、
前記コンデンサは、一方の電極が前記第１半導体スイッチと前記リアクトルの間に接続され、他方の電極が接地されており、
前記コンデンサは前記第１半導体スイッチを介して前記電源に接続され、
前記コンデンサは前記第２半導体スイッチと前記リアクトルを介して容量性負荷回路に接続され、
前記電流（電圧）調節回路は、前記電源と前記容量性負荷回路の間に、前記充放電回路と並列に設けられ、第３半導体スイッチを介して前記容量性負荷回路に接続されることを特徴とする、電力回生型パルス電源に関する。
The invention according to claim 1 includes a power source and
Charge / discharge circuit and
It is a power regenerative pulse power supply equipped with a current (voltage) adjustment circuit.
The charge / discharge circuit includes a first semiconductor switch, a capacitor, a reactor, and a second semiconductor switch.
In the capacitor, one electrode is connected between the first semiconductor switch and the reactor, and the other electrode is grounded.
The capacitor is connected to the power supply via the first semiconductor switch.
The capacitor is connected to the capacitive load circuit via the second semiconductor switch and the reactor.
The current (voltage) adjusting circuit is provided between the power supply and the capacitive load circuit in parallel with the charge / discharge circuit, and is connected to the capacitive load circuit via a third semiconductor switch. It relates to a power regeneration type pulse power supply.
請求項２に係る発明は、前記第２半導体スイッチは、双方向サイリスタ、逆並列接続した２つのサイリスタ、又は逆並列接続された２組のトランジスタとダイオードの直列回路から構成されることを特徴とする、請求項１に記載の電力回生型パルス電源に関する。 The invention according to claim 2 is characterized in that the second semiconductor switch is composed of a bidirectional thyristor, two thyristors connected in antiparallel, or a series circuit of two sets of transistors and diodes connected in antiparallel. The power regeneration type pulse power source according to claim 1.
請求項３に係る発明は、前記電流（電圧）調節回路は、抵抗及び／又は半導体を１つ以上含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の電力回生型パルス電源に関する。 The invention according to claim 3 relates to the power regenerative pulse power supply according to claim 1 or 2, wherein the current (voltage) adjusting circuit includes one or more resistors and / or semiconductors.
請求項４に係る発明は、前記容量性負荷回路が、第４半導体スイッチを介して接地されていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電力回生型パルス電源に関する。 The power regenerative pulse power supply according to any one of claims 1 to 3, wherein the capacitive load circuit is grounded via a fourth semiconductor switch. Regarding.
請求項５に係る発明は、前記コンデンサが可変容量型のコンデンサであることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力回生型パルス電源に関する。 The invention according to claim 5 relates to the power regenerative pulse power supply according to any one of claims 1 to 4, wherein the capacitor is a variable capacitance type capacitor.
請求項６に係る発明は、前記電源と前記第１半導体スイッチの間及び／又は前記第２半導体スイッチと前記容量性負荷回路の間に抵抗が設けられていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電力回生型パルス電源に関する。 The invention according to claim 6 is characterized in that a resistor is provided between the power supply and the first semiconductor switch and / or between the second semiconductor switch and the capacitive load circuit. The present invention relates to the power regeneration type pulse power supply according to any one of items 5 to 5.
請求項１に係る発明によれば、電力回生型パルス電源が、電源と、充放電回路と、電流（電圧）調節回路とを備え、前記充放電回路は、第１半導体スイッチと、コンデンサと、リアクトルと、第２半導体スイッチとを備え、前記コンデンサは、一方の電極が前記第１半導体スイッチと前記リアクトルの間に接続され、他方の電極が接地されており、前記コンデンサは前記第１半導体スイッチを介して前記電源に接続され、前記コンデンサは前記第２半導体スイッチと前記リアクトルを介して前記容量性負荷回路に接続され、前記電流（電圧）調節回路は、前記電源と前記容量性負荷回路の間に、前記充放電回路と並列に設けられ、第３半導体スイッチを介して前記容量性負荷回路に接続されているため、容量結合型プラズマ処理装置等の容量性負荷回路に高周波パルス電圧を供給する場合に、所望のパルス幅（放電時間）にわたって安定な放電プラズマを持続できるとともに容量性負荷回路の容量に蓄えられる電荷と静電エネルギーをパルス毎に回生することができ、電力の利用効率を向上させることができる。 According to the invention of claim 1, the power regeneration type pulse power supply includes a power supply, a charge / discharge circuit, and a current (voltage) adjustment circuit, and the charge / discharge circuit includes a first semiconductor switch, a capacitor, and the like. The capacitor includes a reactor and a second semiconductor switch, one electrode is connected between the first semiconductor switch and the reactor, the other electrode is grounded, and the capacitor is the first semiconductor switch. The capacitor is connected to the capacitive load circuit via the second semiconductor switch and the reactor, and the current (voltage) adjusting circuit is connected to the power supply and the capacitive load circuit. Since it is provided in parallel with the charge / discharge circuit and is connected to the capacitive load circuit via a third semiconductor switch, a high-frequency pulse voltage is supplied to the capacitive load circuit such as a capacitive coupling type plasma processing device. In this case, stable discharge plasma can be maintained over a desired pulse width (discharge time), and the charge and electrostatic energy stored in the capacitance of the capacitive load circuit can be regenerated for each pulse, improving the efficiency of power utilization. Can be improved.
請求項２に係る発明によれば、前記第２半導体スイッチが、双方向サイリスタ、逆並列接続した２つのサイリスタ、又は逆並列接続された２組のトランジスタとダイオードの直列回路から構成されるため、リアクトルを通して充放電する電流が充電および放電の完了とともに自動的に停止することにより、より高速で確実な半導体スイッチングが可能となり、より容易に請求項１に係る発明の効果を達成できる。 According to the invention of claim 2, the second semiconductor switch is composed of a bidirectional thyristor, two thyristors connected in antiparallel connection, or a series circuit of two sets of transistors and diodes connected in antiparallel connection. Since the current charged and discharged through the reactor is automatically stopped when charging and discharging are completed, faster and more reliable semiconductor switching becomes possible, and the effect of the invention according to claim 1 can be more easily achieved.
請求項３に係る発明によれば、前記電流（電圧）調節回路は、抵抗及び／又は半導体を１つ以上含むことにより、定電圧特性や負性抵抗特性などの放電プラズマの負荷特性に於いても一定の電流や電圧、又は所望の波形の電流や電圧に調整し、安定な放電プラズマを持続することが容易となる。 According to the invention of claim 3, the current (voltage) adjusting circuit includes one or more resistors and / or semiconductors, so that the load characteristics of the discharge plasma such as constant voltage characteristics and negative resistance characteristics can be determined. It becomes easy to maintain a stable discharge plasma by adjusting the current or voltage to a constant current or voltage or a current or voltage having a desired waveform.
請求項４に係る発明によれば、前記容量性負荷回路が、第４半導体スイッチを介して接地されていることにより、容量性負荷の電荷を回生した後に第４半導体スイッチを閉じて残留した負荷を接地に逃がすことで電圧を瞬時に０にするとともに、放電停止中は電圧を０に維持することができる。 According to the invention of claim 4, since the capacitive load circuit is grounded via the fourth semiconductor switch, the load remaining by closing the fourth semiconductor switch after regenerating the charge of the capacitive load. The voltage can be instantly reduced to 0 by letting the battery out to the ground, and the voltage can be maintained at 0 while the discharge is stopped.
請求項５に係る発明によれば、前記コンデンサが可変容量型のコンデンサであることから、容量性負荷回路の実際の静電容量と同じ静電容量に調整することにより電力の回生効率をより高めることができる。さらには、容量性負荷の実際の静電容量よりも大きな静電容量に調整することにより、放電開始時に必要な高電圧を供給することも可能となり、電源電圧よりも高い放電開始電圧を供給することができる。 According to the invention of claim 5, since the capacitor is a variable capacitance type capacitor, the power regeneration efficiency is further enhanced by adjusting the capacitance to be the same as the actual capacitance of the capacitive load circuit. be able to. Furthermore, by adjusting the capacitance to be larger than the actual capacitance of the capacitive load, it is possible to supply the high voltage required at the start of discharge, and supply a discharge start voltage higher than the power supply voltage. be able to.
請求項６に係る発明によれば、前記電源と前記第１半導体スイッチの間及び／又は前記第２半導体スイッチと前記容量性負荷回路の間に抵抗が設けられているため、配線の浮遊容量やインダクタンスなどによる不要な共振（発振）電圧の発生を防止することができ、より容易に請求項１に係る発明の効果を達成できる。 According to the invention of claim 6, since a resistor is provided between the power supply and the first semiconductor switch and / or between the second semiconductor switch and the capacitive load circuit, the floating capacitance of the wiring may be increased. It is possible to prevent the generation of unnecessary resonance (oscillation) voltage due to inductance or the like, and it is possible to more easily achieve the effect of the invention according to claim 1.
［実施形態１］
以下、本発明に係る電力回生型パルス電源の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の第一実施形態に係る電力回生型パルス電源を示す回路図である。図２は本発明の第一実施形態に係る電力回生型パルス電源の第２半導体スイッチを示す回路図である。図３は本発明の第一実施形態に係る電力回生型パルス電源の動作を示す回路図である。
[Embodiment 1]
Hereinafter, a preferred embodiment of the power regenerative pulse power supply according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a circuit diagram showing a power regeneration type pulse power supply according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a circuit diagram showing a second semiconductor switch of a power regenerative pulse power supply according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a circuit diagram showing the operation of the power regeneration type pulse power supply according to the first embodiment of the present invention.
図５は、ＬＣ共振回路の基本構成を示す回路図である。
本発明に係る電力回生型パルス電源は、ＬＣ共振回路の原理を発展させたものであるため、まず、ＬＣ共振回路について説明する。
図５に示すように、第１コンデンサ（Ｃ１）（静電容量Ｃ１[Ｆ]）と第２コンデンサ（Ｃ２）（静電容量Ｃ２[Ｆ]）をリアクトル（Ｌ）（自己インダクタンスＬ[Ｈ]）と半導体スイッチ（ＳＷ０）（高速で動作する半導体スイッチを想定）で接続したＬＣ共振回路とする。
FIG. 5 is a circuit diagram showing a basic configuration of an LC resonance circuit.
Since the power regenerative pulse power supply according to the present invention is an extension of the principle of the LC resonance circuit, the LC resonance circuit will be described first.
As shown in FIG. 5, the first capacitor (C1) (capacitance C1 [F]) and the second capacitor (C2) (capacitance C2 [F]) are connected to a reactor (L) (self-inductance L [H]. ) And a semiconductor switch (SW0) (assuming a semiconductor switch that operates at high speed) is used as an LC resonant circuit.
半導体スイッチ（ＳＷ０）が開いた状態（すなわち、オフの状態）で、第１コンデンサ（Ｃ１）は電圧Ｅ［Ｖ］に充電され、第２コンデンサ（Ｃ２）は充電されていないものとする。半導体スイッチ（ＳＷ０）を閉じる（すなわち、オンにする）と、リアクトル（Ｌ）を通して第１コンデンサ（Ｃ１）から第２コンデンサ（Ｃ２）へ電荷を移動する電流が徐々に増加する。配線の抵抗がなく２つのコンデンサの容量が等しい場合（Ｃ１＝Ｃ２）には、第１コンデンサ（Ｃ１）の電荷がすべて第２コンデンサ（Ｃ２）に移動したところで電流が止まる。
半導体スイッチが閉じたままであれば今度は逆に第２コンデンサ（Ｃ２）の電荷がリアクトル（Ｌ）を通して第１コンデンサ（Ｃ１）にもどる。半導体スイッチ（ＳＷ０）を閉じたままであれば電荷の移動が第１コンデンサ（Ｃ１）と第２コンデンサ（Ｃ２）との間で自動的に繰り返される。この現象をLC共振（回路）という。
It is assumed that the first capacitor (C1) is charged to the voltage E [V] and the second capacitor (C2) is not charged when the semiconductor switch (SW0) is open (that is, off). When the semiconductor switch (SW0) is closed (that is, turned on), the current that transfers charges from the first capacitor (C1) to the second capacitor (C2) through the reactor (L) gradually increases. When there is no wiring resistance and the capacities of the two capacitors are equal (C1 = C2), the current stops when all the charges of the first capacitor (C1) move to the second capacitor (C2).
If the semiconductor switch remains closed, the electric charge of the second capacitor (C2) returns to the first capacitor (C1) through the reactor (L). If the semiconductor switch (SW0) is kept closed, the charge transfer is automatically repeated between the first capacitor (C1) and the second capacitor (C2). This phenomenon is called LC resonance (circuit).
第１コンデンサ（Ｃ１）の電荷がすべて第２コンデンサ（Ｃ２）に移動した際に半導体スイッチ（ＳＷ０）を開いたとすると、その後第１コンデンサ（Ｃ１）の電圧は０に、第２コンデンサ（Ｃ２）の電圧はＥ[Ｖ]に維持される。この現象をパルス放電における放電開始（図３の（ｂ）参照）に適用する。
次に再び半導体スイッチ（ＳＷ０）を閉じると引き続き共振が生じ、電荷がコイルを通して第１コンデンサ（Ｃ１）に戻りはじめ、一定時間後にすべての電荷が第１コンデンサ（Ｃ１）に戻る。ここで半導体スイッチ（ＳＷ０）を開くと第１コンデンサ（Ｅ１）はＥ[Ｖ]に、第２コンデンサ（Ｅ２）は０に保たれる。この現象をパルス放電における放電終了（図３の（ｄ）参照）に適用する。
If the semiconductor switch (SW0) is opened when all the charges of the first capacitor (C1) are transferred to the second capacitor (C2), then the voltage of the first capacitor (C1) becomes 0 and the voltage of the second capacitor (C2) becomes 0. The voltage of is maintained at E [V]. This phenomenon is applied to the start of discharge in pulse discharge (see (b) in FIG. 3).
Next, when the semiconductor switch (SW0) is closed again, resonance continues to occur, the charges begin to return to the first capacitor (C1) through the coil, and after a certain period of time, all the charges return to the first capacitor (C1). When the semiconductor switch (SW0) is opened here, the first capacitor (E1) is kept at E [V] and the second capacitor (E2) is kept at 0. This phenomenon is applied to the end of discharge in pulse discharge (see (d) in FIG. 3).
このようにLC共振により２つのコンデンサの間で電荷が移動する現象を利用して、電源（Ｅ）側に設けるコンデンサ（Ｃ１）と、容量性負荷回路のコンデンサ（Ｃ２）（静電容量）間で電荷（電流）をやりとりすることで、充放電による電荷の損失、静電エネルギーの損失を無くすことができる。
また、充電および放電に必要な時間はリアクトル（Ｌ）の自己インダクタンスを小さくする事で短くする事ができる。現実的な数値として第１コンデンサ（Ｃ１）＝第２コンデンサ（Ｃ２）＝１[ｎＦ]に対してリアクトル（Ｌ）＝２[μＨ]を用いると１／２Ｔｒ≒０．１[μｓ]とする事ができる。パルス周波数が１ＭＨｚの時、パルスの周期が１μｓであるのに対して十分小さな時間で充電、放電が可能である。ただし、半導体スイッチの応答速度の限界があるため、０．１μｓより小さくすることは現実的には難しい。
Utilizing the phenomenon that electric charge moves between two capacitors due to LC resonance in this way, between the capacitor (C1) provided on the power supply (E) side and the capacitor (C2) (capacitance) of the capacitive load circuit. By exchanging electric charge (current) with, it is possible to eliminate the loss of electric charge and the loss of electrostatic energy due to charging and discharging.
Further, the time required for charging and discharging can be shortened by reducing the self-inductance of the reactor (L). As a realistic numerical value, when the reactor (L) = 2 [μH] is used for the first capacitor (C1) = the second capacitor (C2) = 1 [nF], 1 / 2T r ≈ 0.1 [μs]. Can be done. When the pulse frequency is 1 MHz, charging and discharging can be performed in a sufficiently small time compared to the pulse period of 1 μs. However, since there is a limit to the response speed of the semiconductor switch, it is practically difficult to make it smaller than 0.1 μs.
図１に示すように、本実施形態に係る電力回生型パルス電源は、電源（Ｅ）と、充放電回路（１）と、電流（電圧）調節回路（２）とを備えており、所望の容量性負荷回路（ＣＥ）にパルスを供給する。
尚、本発明において、容量性負荷回路（ＣＥ）とは、主に産業用プラズマ処理装置等（放電プラズマを用いた成膜装置、エッチング装置、表面処理装置等）の大面積の材料を処理する装置において、放電電極の面積が大きくなり電極がコンデンサとして振る舞う負荷回路のことを指す。
As shown in FIG. 1, the power regeneration type pulse power supply according to the present embodiment includes a power supply (E), a charge / discharge circuit (1), and a current (voltage) adjustment circuit (2), which is desired. A pulse is supplied to the capacitive load circuit (CE).
In the present invention, the capacitive load circuit (CE) mainly processes a large area material of an industrial plasma processing apparatus or the like (a film forming apparatus using discharge plasma, an etching apparatus, a surface processing apparatus, etc.). In a device, it refers to a load circuit in which the area of the discharge electrode becomes large and the electrode behaves as a capacitor.
電源（Ｅ）は、一方の電極が第１半導体スイッチ（ＳＷ１）を介してコンデンサ（Ｃ０）に接続され、他方の電極が接地されている。使用する電源（Ｅ）は気体放電に必要な高電圧を供給できる直流電圧源である。 In the power supply (E), one electrode is connected to the capacitor (C0) via the first semiconductor switch (SW1), and the other electrode is grounded. The power supply (E) used is a DC voltage source capable of supplying the high voltage required for gas discharge.
充放電回路（１）は、第１半導体スイッチ（ＳＷ１）と、コンデンサ（Ｃ０）と、リアクトル（Ｌ）と、第２半導体スイッチ（ＳＷ２）とを備えている。
本発明において、充放電回路（１）は、あらかじめ電源（Ｅ）からの電荷をコンデンサ（Ｃ０）に充電する役割と、コンデンサ（Ｃ０）に充電した電荷を放電させて容量性負荷回路（ＣＥ）に転送し充電する役割と、容量性負荷回路（ＣＥ）に充電した電荷を放電させてコンデンサ（Ｃ０）に転送し充電する回生の役割とを担う。
The charge / discharge circuit (1) includes a first semiconductor switch (SW1), a capacitor (C0), a reactor (L), and a second semiconductor switch (SW2).
In the present invention, the charge / discharge circuit (1) has a role of charging the capacitor (C0) in advance with the electric charge from the power supply (E) and a capacitive load circuit (CE) by discharging the electric charge charged in the capacitor (C0). It plays the role of transferring and charging the capacitor, and the role of regenerating the charge charged in the capacitive load circuit (CE) and transferring it to the capacitor (C0) for charging.
第１半導体スイッチ（ＳＷ１）は、充放電回路（１）内に設けられている。具体的には、電源（Ｅ）と、リアクトル（Ｌ）及びコンデンサ（Ｃ０）の間に設けられている。
第１半導体スイッチ（ＳＷ１）はＭＯＳＦＥＴであることがより望ましい。しかし、これに限定されず、例えばサイリスタやＩＧＢＴ等、半導体スイッチとして通常用いられ、当業者に自明のものであれば、いかなるものでも用いることができる。
第１半導体スイッチ（ＳＷ１）が閉じる（すなわちオンになる）ことで、電源（Ｅ）から電流が充放電回路（１）内に流れ、コンデンサ（Ｃ０）に電荷が蓄えられる。
The first semiconductor switch (SW1) is provided in the charge / discharge circuit (1). Specifically, it is provided between the power supply (E), the reactor (L), and the capacitor (C0).
It is more desirable that the first semiconductor switch (SW1) is a MOSFET. However, the present invention is not limited to this, and any one that is usually used as a semiconductor switch such as a thyristor or an IGBT and is obvious to those skilled in the art can be used.
When the first semiconductor switch (SW1) is closed (that is, turned on), a current flows from the power supply (E) into the charge / discharge circuit (1), and an electric charge is stored in the capacitor (C0).
コンデンサ（Ｃ０）は、充放電回路（１）内に設けられ、一方の電極が第１半導体スイッチ（ＳＷ１）とリアクトル（Ｌ）の間に接続され、他方の電極が接地されている。具体的には、コンデンサ（Ｃ０）は第１半導体スイッチ（ＳＷ１）を介して電源（Ｅ）に接続され、第２半導体スイッチ（ＳＷ２）とリアクトル（Ｌ）を介して容量性負荷回路（ＣＥ）に接続されている。
エネルギーの回生効率を高くするには、コンデンサ（Ｃ０）の静電容量は、容量性負荷回路（ＣＥ）の静電容量と同程度の静電容量であることが望ましい。しかしこれに限定されず、例えば容量性負荷回路（ＣＥ）よりも意図的に少し大きな静電容量にすることで、電源（Ｅ）の電圧よりも大きな電圧を容量負荷回路（ＣＥ）に供することができる。従ってコンデンサ（Ｃ０）は、容量性負荷回路（ＣＥ）の静電容量に対して適切な静電容量に調整するために可変容量型のコンデンサを用いることがより望ましい。
第１半導体スイッチ（ＳＷ１）が閉じる（すなわちオンになる）ことで、電源（Ｅ）から電流が充放電回路（１）内に流れ、コンデンサ（Ｃ０）に充電される。コンデンサ（Ｃ０）が充電された状態で、第１半導体スイッチ（ＳＷ１）を開き（すなわちオフにする）、第２半導体スイッチ（ＳＷ２）を閉じる（すなわちオンにする）ことで、コンデンサ（Ｃ０）の電荷が後述する第２半導体スイッチ（ＳＷ２）の給電用の回路（３）を介して容量性負荷回路（ＣＥ）に転送される。
The capacitor (C0) is provided in the charge / discharge circuit (1), one electrode is connected between the first semiconductor switch (SW1) and the reactor (L), and the other electrode is grounded. Specifically, the capacitor (C0) is connected to the power supply (E) via the first semiconductor switch (SW1), and the capacitive load circuit (CE) is connected via the second semiconductor switch (SW2) and the reactor (L). It is connected to the.
In order to increase the energy regeneration efficiency, it is desirable that the capacitance of the capacitor (C0) is about the same as the capacitance of the capacitive load circuit (CE). However, the present invention is not limited to this, and for example, by intentionally making the capacitance slightly larger than that of the capacitive load circuit (CE), a voltage larger than the voltage of the power supply (E) is applied to the capacitive load circuit (CE). Can be done. Therefore, as the capacitor (C0), it is more desirable to use a variable capacitance type capacitor in order to adjust the capacitance to an appropriate capacitance with respect to the capacitance of the capacitive load circuit (CE).
When the first semiconductor switch (SW1) is closed (that is, turned on), a current flows from the power supply (E) into the charge / discharge circuit (1), and the capacitor (C0) is charged. With the capacitor (C0) charged, the first semiconductor switch (SW1) is opened (that is, turned off), and the second semiconductor switch (SW2) is closed (that is, turned on). The electric charge is transferred to the capacitive load circuit (CE) via the power feeding circuit (3) of the second semiconductor switch (SW2) described later.
リアクトル（Ｌ）は、充放電回路（１）内に設けられている。具体的には、コンデンサ（Ｃ０）と第２半導体スイッチの間に設けられている。
本実施形態において、リアクトル（Ｌ）は叙上の位置に設けられることが望ましいが、これに限定されず、例えば、第２半導体スイッチと容量性負荷回路（ＣＥ）との間に第２のリアクトル（Ｌ）を設ける等、本発明の効果を奏することができる位置や配置数であればいかなるものでもよい。
尚、リアクトル（Ｌ）は、パルス電源に通常使用され、当業者に自明のものであれば、いかなるものを用いてもよい。
The reactor (L) is provided in the charge / discharge circuit (1). Specifically, it is provided between the capacitor (C0) and the second semiconductor switch.
In the present embodiment, it is desirable that the reactor (L) is provided at the upper position, but the present invention is not limited to this, and for example, the second reactor is located between the second semiconductor switch and the capacitive load circuit (CE). Any position and number of arrangements that can exert the effect of the present invention, such as providing (L), may be used.
The reactor (L) may be used as long as it is usually used for a pulse power supply and is obvious to those skilled in the art.
第２半導体スイッチ（ＳＷ２）は、充放電回路（１）内に設けられている。具体的には、リアクトル（Ｌ）と容量性負荷回路（ＣＥ）との間に設けられている。
第２半導体スイッチ（ＳＷ２）は、ＭＯＳＦＥＴ（トランジスタ）（Ｔ）とダイオード（Ｄ）が直列に接続された容量性負荷回路（ＣＥ）へ向かう給電用の回路（３）と、容量性負荷回路（ＣＥ）からコンデンサ（Ｃ０）へ向かう回生用の回路（４）から構成されており、給電用の回路（３）と回生用の回路（４）に接続されているＭＯＳＦＥＴ（Ｔ）とダイオード（Ｄ）はいずれも互いに逆向きに接続されている。
第２半導体スイッチは叙上のＭＯＳＦＥＴ（Ｔ）とダイオード（Ｄ）の組合せ回路であることが望ましいが、これに限定されず、例えば双方向サイリスタ、逆並列接続した２つのサイリスタ等、半導体スイッチとして通常用いられ、当発明の効果を奏することが当業者に自明のものであればいかなるものでも用いることができる。
サイリスタは、電流が流れきると自動的にＯＦＦになるという点でダイオードと似た動作をするため、サイリスタ単体でＭＯＳＦＥＴとダイオードの組合せの代替となり得る。さらに、双方向に動作する双方向サイリスタも存在する。しかしながら、サイリスタは、高速性の観点からあまり好ましくない。
The second semiconductor switch (SW2) is provided in the charge / discharge circuit (1). Specifically, it is provided between the reactor (L) and the capacitive load circuit (CE).
The second semiconductor switch (SW2) includes a power feeding circuit (3) to a capacitive load circuit (CE) in which a MOSFET (transistor) (T) and a diode (D) are connected in series, and a capacitive load circuit (3). It is composed of a circuit (4) for regeneration from CE) to a capacitor (C0), and is connected to a circuit (3) for power supply and a circuit (4) for regeneration, and a MOSFET (T) and a diode (D). ) Are all connected in opposite directions.
The second semiconductor switch is preferably a combinational circuit of the above MOSFET (T) and diode (D), but is not limited to this, and can be used as a semiconductor switch such as a bidirectional thyristor or two thyristors connected in antiparallel. Anything that is commonly used and that is obvious to those skilled in the art to exert the effects of the present invention can be used.
Since the thyristor operates like a diode in that it automatically turns off when the current flows completely, the thyristor alone can be a substitute for the combination of the MOSFET and the diode. In addition, there are bidirectional thyristors that operate in both directions. However, thyristors are less preferred from the standpoint of high speed.
図２に示すように、第２半導体スイッチ（ＳＷ２）に給電用の回路（３）と回生用の回路（４）が並列に設けられていることにより、コンデンサ（Ｃ０）が充電された状態で、第１半導体スイッチ（ＳＷ１）を開き（すなわちオフにする）、第２半導体スイッチ（ＳＷ２）の給電用の回路（３）を閉じる（すなわちオンにする）ことで、コンデンサ（Ｃ０）の電荷が第２半導体スイッチ（ＳＷ２）の給電用の回路（３）を介して容量性負荷回路（ＣＥ）に転送される。電荷の転送が終了すると第２半導体スイッチ（ＳＷ２）の給電用の回路（３）が有するダイオード（Ｄ）の作用により、容量性負荷回路（ＣＥ）からコンデンサ（Ｃ０）方向への電流の逆流は抑止され、容量性負荷回路（ＣＥ）の電圧が維持される。
容量性負荷回路（ＣＥ）が充電された状態で、第２半導体スイッチ（ＳＷ２）の給電用の回路（３）を開いて（すなわちオフにする）第２半導体スイッチ（ＳＷ２）の回生用の回路（４）を閉じる（すなわちオンにする）と容量性負荷回路（ＣＥ）に充電された電荷が回生用の回路（４）を介してコンデンサ（Ｃ０）に転送され、電荷の転送が終了すると第２半導体スイッチ（ＳＷ２）の回生用の回路（４）が有するダイオード（Ｄ）の作用により、コンデンサ（Ｃ０）から容量性負荷回路（ＣＥ）方向への電流の逆流が抑止され、容量性負荷回路（ＣＥ）に充電した電荷と静電エネルギーがコンデンサ（Ｃ０）に回生される。
As shown in FIG. 2, the second semiconductor switch (SW2) is provided with the power supply circuit (3) and the regeneration circuit (4) in parallel, so that the capacitor (C0) is charged. By opening (that is, turning off) the first semiconductor switch (SW1) and closing (that is, turning on) the power supply circuit (3) of the second semiconductor switch (SW2), the electric charge of the capacitor (C0) is charged. It is transferred to the capacitive load circuit (CE) via the power supply circuit (3) of the second semiconductor switch (SW2). When the charge transfer is completed, the backflow of current from the capacitive load circuit (CE) to the capacitor (C0) is caused by the action of the diode (D) of the power supply circuit (3) of the second semiconductor switch (SW2). It is suppressed and the voltage of the capacitive load circuit (CE) is maintained.
A circuit for regenerating the second semiconductor switch (SW2) by opening (that is, turning off) the circuit (3) for supplying power to the second semiconductor switch (SW2) while the capacitive load circuit (CE) is charged. When (4) is closed (that is, turned on), the electric charge charged in the capacitive load circuit (CE) is transferred to the capacitor (C0) via the regenerative circuit (4), and when the electric charge transfer is completed, the first 2 By the action of the diode (D) of the circuit (4) for regeneration of the semiconductor switch (SW2), the backflow of current from the capacitor (C0) to the capacitive load circuit (CE) is suppressed, and the capacitive load circuit The electric charge and electrostatic energy charged in (CE) are regenerated in the capacitor (C0).
電流（電圧）調節回路（２）は、電源（Ｅ）と容量性負荷回路（ＣＥ）との間に、充放電回路（１）と並列に設けられ、第３半導体スイッチ（ＳＷ３）を介して容量性負荷に接続され、抵抗及び／又は半導体を１つ以上含んでいる。
電流（電圧）調節回路（２）に設けられる抵抗及び半導体は、電源等の電気回路に通常用いられ、当業者に自明のものであれば、いかなるものを用いてもよい。
電流（電圧）調節回路（２）は、第３半導体スイッチ（ＳＷ３）を閉じる（すなわち、オンにする）ことによって、電流（電圧）調節回路（２）を通して容量性負荷回路（ＣＥ）の放電に必要な一定の電流や電圧又は必要な波形に変調された電流や電圧を持続的に供給することができる。
The current (voltage) adjustment circuit (2) is provided between the power supply (E) and the capacitive load circuit (CE) in parallel with the charge / discharge circuit (1), and is provided via a third semiconductor switch (SW3). It is connected to a capacitive load and contains one or more resistors and / or semiconductors.
The resistor and semiconductor provided in the current (voltage) adjusting circuit (2) are usually used in an electric circuit such as a power supply, and any one may be used as long as it is obvious to those skilled in the art.
The current (voltage) control circuit (2) discharges the capacitive load circuit (CE) through the current (voltage) control circuit (2) by closing (that is, turning on) the third semiconductor switch (SW3). It is possible to continuously supply the required constant current or voltage or the current or voltage modulated to the required waveform.
第３半導体スイッチ（ＳＷ３）は、電流（電圧）調節回路（２）と容量性負荷回路（ＣＥ）との間に設けられている。
第３半導体スイッチ（ＳＷ３）はＭＯＳＦＥＴであることが望ましい。しかし、これに限定されず、例えばサイリスタやＩＧＢＴ等、半導体スイッチとして通常用いられ、当業者に自明のものであれば、いかなるものでも用いることができる。
第３半導体スイッチ（ＳＷ３）が閉じる（すなわちオンになる）ことで、電源（Ｅ）から電流が電流（電圧）調節回路（２）を通して容量性負荷回路（ＣＥ）に流れ、容量性負荷回路（ＣＥ）の放電に必要な電流（電圧）を持続的に供給する。
The third semiconductor switch (SW3) is provided between the current (voltage) adjusting circuit (2) and the capacitive load circuit (CE).
It is desirable that the third semiconductor switch (SW3) is a MOSFET. However, the present invention is not limited to this, and any one that is usually used as a semiconductor switch such as a thyristor or an IGBT and is obvious to those skilled in the art can be used.
When the third semiconductor switch (SW3) is closed (that is, turned on), current flows from the power supply (E) to the capacitive load circuit (CE) through the current (voltage) adjusting circuit (2), and the capacitive load circuit (C) It continuously supplies the current (voltage) required for discharging CE).
次に、図３を用いて本実施形態に係る電力回生型パルス電源の動作について説明する。
図３の（ａ）は容量性負荷回路（ＣＥ）の放電が止まっている状態を示す図である。第１半導体スイッチ（ＳＷ１）のみを閉じることで、電源（Ｅ）の電流がコンデンサ（Ｃ０）に移行し、コンデンサ（Ｃ０）が充電される。この状態では、第２半導体スイッチ（ＳＷ２）及び第３半導体スイッチ（ＳＷ３）が開いているため、電源（Ｅ）やコンデンサ（Ｃ０）の電荷は容量性負荷回路（ＣＥ）に転送されない。
Next, the operation of the power regenerative pulse power supply according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 3A is a diagram showing a state in which discharge of the capacitive load circuit (CE) is stopped. By closing only the first semiconductor switch (SW1), the current of the power supply (E) shifts to the capacitor (C0), and the capacitor (C0) is charged. In this state, since the second semiconductor switch (SW2) and the third semiconductor switch (SW3) are open, the electric charges of the power supply (E) and the capacitor (C0) are not transferred to the capacitive load circuit (CE).
図３の（ｂ）は容量性負荷回路（ＣＥ）の放電が開始する状態を示す図である。第１半導体スイッチを開いた後、第２半導体スイッチ（ＳＷ２）の給電用の回路（３）のみを閉じることで、コンデンサ（Ｃ０）の電荷が容量性負荷回路（ＣＥ）に転送され、容量性負荷回路（ＣＥ）の静電容量を充電し電圧がかかる。この際、第２半導体スイッチ（ＳＷ２）の給電用の回路（３）が備えるダイオードの作用により電流が自動的に停止して容量性負荷回路（ＣＥ）の電圧が維持される。この状態では、第２半導体スイッチ（ＳＷ２）の回生用の回路（４）は開いた状態のままである。 FIG. 3B is a diagram showing a state in which discharge of the capacitive load circuit (CE) starts. After opening the first semiconductor switch, by closing only the power supply circuit (3) of the second semiconductor switch (SW2), the charge of the capacitor (C0) is transferred to the capacitive load circuit (CE), and the capacitance is increased. A voltage is applied by charging the capacitance of the load circuit (CE). At this time, the current is automatically stopped by the action of the diode provided in the power feeding circuit (3) of the second semiconductor switch (SW2), and the voltage of the capacitive load circuit (CE) is maintained. In this state, the circuit (4) for regeneration of the second semiconductor switch (SW2) remains open.
図３の（ｃ）は容量性負荷回路（ＣＥ）の放電が維持されている状態を示す図である。コンデンサ（Ｃ０）の電荷が容量性負荷回路（ＣＥ）に転送され、容量性負荷回路（ＣＥ）の静電容量を充電し電圧がかかった後、第２半導体スイッチ（ＳＷ２）の給電用の回路（３）を開き、第３半導体スイッチ（ＳＷ３）を閉じることで、電流（電圧）調節回路（２）を通して容量性負荷回路（ＣＥ）の放電に必要な電流（電圧）を持続的に供給する。
第３半導体スイッチを閉じるタイミングは図３の（ｂ）において第２半導体スイッチの給電用回路（３）を閉じるタイミングと同時であっても良い。このとき容量性負荷回路（ＣＥ）の充電にはコンデンサ（Ｃ０）の電荷の他に、電流（電圧）調整回路（２）からも電流が供給される。現実的には、高速でタイミングを調整するのが難しいため、この後者の方法（同時に閉じる）を取っている。
FIG. 3C is a diagram showing a state in which the discharge of the capacitive load circuit (CE) is maintained. The charge of the capacitor (C0) is transferred to the capacitive load circuit (CE), the capacitance of the capacitive load circuit (CE) is charged and a voltage is applied, and then the circuit for supplying power to the second semiconductor switch (SW2). By opening (3) and closing the third semiconductor switch (SW3), the current (voltage) required for discharging the capacitive load circuit (CE) is continuously supplied through the current (voltage) adjusting circuit (2). ..
The timing of closing the third semiconductor switch may be the same as the timing of closing the power supply circuit (3) of the second semiconductor switch in FIG. 3B. At this time, in addition to the electric charge of the capacitor (C0), a current is supplied from the current (voltage) adjusting circuit (2) to charge the capacitive load circuit (CE). In reality, it is difficult to adjust the timing at high speed, so this latter method (closed at the same time) is used.
図３の（ｄ）は容量性負荷回路（ＣＥ）の放電が終わった状態を示す図である。第３半導体スイッチ（ＳＷ３）を開き、電流（電圧）調節回路（２）を通して容量性負荷回路（ＣＥ）の放電に必要な電流（電圧）の供給を停止すると同時に、第２半導体スイッチ（ＳＷ２）の回生用の回路（４）を閉じることで、容量性負荷回路（ＣＥ）に充電された電荷がコンデンサ（Ｃ０）に転送され、電荷の転送が終了すると第２半導体スイッチ（ＳＷ２）の回生用の回路（４）が備えるダイオード（Ｄ）の作用により電流が自動的に停止して、容量性負荷回路（ＣＥ）に充電した電荷と静電エネルギーがコンデンサ（Ｃ０）に回生される。 FIG. 3D is a diagram showing a state in which the capacitive load circuit (CE) has been discharged. The third semiconductor switch (SW3) is opened to stop the supply of the current (voltage) required for discharging the capacitive load circuit (CE) through the current (voltage) adjusting circuit (2), and at the same time, the second semiconductor switch (SW2). By closing the circuit (4) for regeneration, the charge charged in the capacitive load circuit (CE) is transferred to the capacitor (C0), and when the charge transfer is completed, the second semiconductor switch (SW2) is used for regeneration. The current is automatically stopped by the action of the diode (D) included in the circuit (4), and the electric charge and electrostatic energy charged in the capacitive load circuit (CE) are regenerated into the capacitor (C0).
本発明に係る電力回生型パルス電源は、主に高周波パルス電源として用いられる。高周波の具体的な周波数は一般的には定義されていない。本発明の有効な周波数範囲は１ｋＨｚ〜１ＭＨｚである。電源（Ｅ）としては１ｋＨｚ以下のいかなる低周波数でも動作可能であるが、低周波では容量性負荷回路（ＣＥ）による電力の損失が少ないため電力回生のメリットが小さい。周波数が高くなるほど周波数に比例して電力の損失が増加するため、回生のメリットが大きくなる。１ＭＨｚよりも高い周波数は原理的には適用可能であるが、実際の半導体スイッチの応答時間には制約があるため、現状では実現困難である。 The power regeneration type pulse power supply according to the present invention is mainly used as a high frequency pulse power supply. The specific frequency of the high frequency is not generally defined. The effective frequency range of the present invention is 1 kHz to 1 MHz. The power supply (E) can operate at any low frequency of 1 kHz or less, but at low frequencies, the merit of power regeneration is small because the power loss due to the capacitive load circuit (CE) is small. As the frequency increases, the power loss increases in proportion to the frequency, so that the merit of regeneration increases. In principle, frequencies higher than 1 MHz can be applied, but it is difficult to realize at present because the response time of an actual semiconductor switch is limited.
このように、本実施形態に係る電力回生型パルス電源は、容量性負荷回路（ＣＥ）に充電された電荷をコンデンサ（Ｃ０）に移行させることができ、電力損失を低減できる高周波高効率パルス電源を提供することができる。 As described above, the power regenerative pulse power supply according to the present embodiment is a high-frequency high-efficiency pulse power supply capable of transferring the electric charge charged in the capacitive load circuit (CE) to the capacitor (C0) and reducing the power loss. Can be provided.
[実施形態２]
次に、図４を参照して本発明の第二実施形態に係る電力回生型パルス電源について説明する。
図４は本発明の第二実施形態に係る電力回生型パルス電源を示す回路図である。
本実施形態の電力回生型パルス電源は、叙上の第一実施形態に係る電力回生型パルス電源の構成をすべて備えており、以下の点のみ異なる。
[Embodiment 2]
Next, the power regeneration type pulse power supply according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 4 is a circuit diagram showing a power regeneration type pulse power supply according to the second embodiment of the present invention.
The power regenerative pulse power supply of the present embodiment includes all the configurations of the power regenerative pulse power supply according to the first embodiment described above, and differs only in the following points.
１）気体放電では接地に対して負の高電圧を用いることが多く、電源（Ｅ）の向きを逆にして、第１乃至第３半導体スイッチについても電流の向きを逆に設定して、接地に対して負の高周波パルス電圧が発生するようにしている。 1) In gas discharge, a high voltage that is negative with respect to grounding is often used, so the direction of the power supply (E) is reversed, and the direction of current is also set to the reverse for the first to third semiconductor switches to ground. A negative high frequency pulse voltage is generated.
２）容量性負荷回路（ＣＥ）の実際の静電容量と同じ静電容量に調整するため、充放電回路（１）のコンデンサ（Ｃ０）は可変容量型のコンデンサを用いている。 2) In order to adjust the capacitance to the same capacitance as the actual capacitance of the capacitive load circuit (CE), a variable capacitance type capacitor is used as the capacitor (C0) of the charge / discharge circuit (1).
３）配線の浮遊容量などにより不要な共振（発振）電圧が生じるのを避けるため、第１の抵抗（Ｒ１）、および第２の抵抗（Ｒ２）を挿入している。第１の抵抗（Ｒ１）は電源（Ｅ）と第１半導体スイッチ（ＳＷ１）との間に挿入し、第２の抵抗（Ｒ２）は第２半導体スイッチ（ＳＷ２）と容量性負荷回路（ＣＥ）との間に挿入している。 3) A first resistor (R1) and a second resistor (R2) are inserted in order to avoid an unnecessary resonance (oscillation) voltage due to stray capacitance of the wiring. The first resistor (R1) is inserted between the power supply (E) and the first semiconductor switch (SW1), and the second resistor (R2) is the second semiconductor switch (SW2) and the capacitive load circuit (CE). It is inserted between and.
４）図３の（ｄ）の放電終了時に、万が一容量性負荷回路（ＣＥ）の電荷をすべて回収できなかった場合に、容量性負荷回路（ＣＥ）に電荷が残留するのを避けるため、第４半導体スイッチ（ＳＷ４）を加えて、電荷と静電エネルギーが回生された後、残留電荷を接地（Ｇ）に逃がすようにしている。第４半導体スイッチ（ＳＷ４）は、具体的には、容量性負荷回路（ＣＥ）と接地（Ｇ）の間に設けられている。第４半導体スイッチ（ＳＷ４）はＭＯＳＦＥＴであることが望ましい。しかし、これに限定されず、例えばサイリスタ等、半導体スイッチとして通常用いられ、当業者に自明のものであれば、いかなるものでも用いることができる。 4) In order to prevent the electric charge from remaining in the capacitive load circuit (CE) in the unlikely event that all the electric charge of the capacitive load circuit (CE) cannot be recovered at the end of the discharge of (d) of FIG. 4 A semiconductor switch (SW4) is added so that the residual charge is released to the ground (G) after the electric charge and the electrostatic energy are regenerated. Specifically, the fourth semiconductor switch (SW4) is provided between the capacitive load circuit (CE) and the ground (G). It is desirable that the fourth semiconductor switch (SW4) is a MOSFET. However, the present invention is not limited to this, and any one that is usually used as a semiconductor switch such as a thyristor and is obvious to those skilled in the art can be used.
本実施形態に係る電力回生型パルス電源の利点として、コンデンサ（Ｃ０）の値は原理によれば容量性負荷回路（ＣＥ）と一致させることになるが、意図的に容量性負荷回路（ＣＥ）よりも少し大きく（コンデンサ＞容量性負荷回路）すると、電源（Ｅ）の電圧よりも高い電圧が負荷に供給される。一般に気体放電では、放電が持続している時の電圧に比べて、放電を開始するために必要な電圧が高いことから、放電開始時は高い電圧を供給し、放電開始後は電圧を低下させる必要がある。本実施形態に係る電力回生型パルス電源では、コンデンサ（Ｃ０）の容量を調整することで容量性負荷回路（ＣＥ）に必要な放電開始電圧を供給することが可能である。この効果は低周波のパルスで特に有効である。 As an advantage of the power regeneration type pulse power supply according to the present embodiment, the value of the capacitor (C0) is matched with the capacitive load circuit (CE) according to the principle, but the capacitive load circuit (CE) is intentionally used. If it is slightly larger than (capacitor> capacitive load circuit), a voltage higher than the voltage of the power supply (E) is supplied to the load. Generally, in gas discharge, the voltage required to start the discharge is higher than the voltage when the discharge is sustained, so a high voltage is supplied at the start of the discharge and the voltage is lowered after the start of the discharge. There is a need. In the power regenerative pulse power supply according to the present embodiment, it is possible to supply the discharge start voltage required for the capacitive load circuit (CE) by adjusting the capacitance of the capacitor (C0). This effect is especially effective with low frequency pulses.
本発明に係る電力回生型パルス電源は、低気圧の容量結合型プラズマ処理装置等の容量性負荷回路に高周波パルス電圧を供給する場合に、容量性負荷回路の容量に蓄えられる電荷と静電エネルギーをパルス毎に回生することで、電力の利用効率を向上させることができる。それゆえに、本発明に係る電力回生型パルス電源は、例えば、容量結合型プラズマ処理装置でパルス放電を行うための高周波高圧パルス電源や、プラズマ処理装置において基板バイアス（容量性負荷回路）用の高周波パルス電源等に好適に使用される。 The power regenerative pulse power supply according to the present invention is charged and electrostatic energy stored in the capacitance of a capacitive load circuit when a high frequency pulse voltage is supplied to a capacitive load circuit such as a capacitively coupled plasma processing apparatus of low pressure. Can be regenerated for each pulse to improve the efficiency of power utilization. Therefore, the power regeneration type pulse power supply according to the present invention is, for example, a high frequency high voltage pulse power supply for performing pulse discharge in a capacitively coupled plasma processing apparatus, or a high frequency for substrate bias (capacitive load circuit) in a plasma processing apparatus. It is preferably used for pulse power supplies and the like.
１ 充放電回路
２ 電流（電圧）調節回路
３ 給電用の回路
４ 電力回生用の回路
Ｃ０ コンデンサ
ＣＥ 容量性負荷回路
Ｄ ダイオード
Ｅ 電源
Ｇ 接地
Ｌ リアクトル
Ｒ１ 第１の抵抗
Ｒ２ 第２の抵抗
ＳＷ１ 第１半導体スイッチ
ＳＷ２ 第２半導体スイッチ
ＳＷ３ 第３半導体スイッチ
ＳＷ４ 第４半導体スイッチ
Ｔ ＭＯＳＦＥＴ（トランジスタ）
1 Charging / discharging circuit 2 Current (voltage) adjusting circuit 3 Power supply circuit 4 Power regeneration circuit C0 Condenser CE Capacitive load circuit D Diode E Power supply G Grounding L Reactor R1 First resistance R2 Second resistance SW1 First Semiconductor switch SW2 2nd semiconductor switch SW3 3rd semiconductor switch SW4 4th semiconductor switch T MOSFET (transistor)
Claims (6)
充放電回路と、
電流（電圧）調節回路と
を備えた電力回生型パルス電源であって、
前記充放電回路は、第１半導体スイッチと、コンデンサと、リアクトルと、第２半導体スイッチとを備え、
前記コンデンサは、一方の電極が前記第１半導体スイッチと前記リアクトルの間に接続され、他方の電極が接地されており、
前記コンデンサは前記第１半導体スイッチを介して前記電源に接続され、
前記コンデンサは前記第２半導体スイッチと前記リアクトルを介して容量性負荷回路に接続され、
前記電流（電圧）調節回路は、前記電源と前記容量性負荷回路の間に、前記充放電回路と並列に設けられ、第３半導体スイッチを介して前記容量性負荷回路に接続されることを特徴とする、電力回生型パルス電源。 Power supply and
Charge / discharge circuit and
It is a power regenerative pulse power supply equipped with a current (voltage) adjustment circuit.
The charge / discharge circuit includes a first semiconductor switch, a capacitor, a reactor, and a second semiconductor switch.
In the capacitor, one electrode is connected between the first semiconductor switch and the reactor, and the other electrode is grounded.
The capacitor is connected to the power supply via the first semiconductor switch.
The capacitor is connected to the capacitive load circuit via the second semiconductor switch and the reactor.
The current (voltage) adjusting circuit is provided between the power supply and the capacitive load circuit in parallel with the charge / discharge circuit, and is connected to the capacitive load circuit via a third semiconductor switch. Power regeneration type pulse power supply.
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