Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP7628903B2 - Pulse Power Supply - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP7628903B2 - Pulse Power Supply - Google Patents

Pulse Power Supply Download PDF

Info

Publication number
JP7628903B2
JP7628903B2 JP2021108278A JP2021108278A JP7628903B2 JP 7628903 B2 JP7628903 B2 JP 7628903B2 JP 2021108278 A JP2021108278 A JP 2021108278A JP 2021108278 A JP2021108278 A JP 2021108278A JP 7628903 B2 JP7628903 B2 JP 7628903B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
circuit
voltage
value
power supply
transistor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2021108278A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2023005957A (en
Inventor
真吾 河野
誠和 宗方
達也 池成
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Daihen Corp
Original Assignee
Daihen Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daihen Corp filed Critical Daihen Corp
Priority to JP2021108278A priority Critical patent/JP7628903B2/en
Publication of JP2023005957A publication Critical patent/JP2023005957A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7628903B2 publication Critical patent/JP7628903B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Description

本発明は、パルス電源装置に関する。 The present invention relates to a pulse power supply device.

プラズマ発生装置においては、パルス状の電圧(パルス電圧)を発生させるパルス電源装置が設けられている(例えば、特許文献1参照)。パルス電源装置は、例えば、直流電力をインバータ回路で交流電力に変換した後、変圧器により異なる電圧値の交流電力に変換し、更にスイッチング回路等によりパルス電圧を発生させるよう構成される。 The plasma generating device is provided with a pulse power supply device that generates a pulsed voltage (pulse voltage) (see, for example, Patent Document 1). The pulse power supply device is configured, for example, to convert DC power into AC power using an inverter circuit, then convert the AC power into AC power of a different voltage value using a transformer, and further generate a pulse voltage using a switching circuit or the like.

しかし、従来のパルス電源装置において、パルス電圧の電圧値を正確に制御することは困難であった。具体的には、スイッチング回路等のスイッチング素子の導通/非導通のタイミングのずれにより、出力電圧値が目標電圧値とは異なる値となり、この結果、発生するパルス電圧の電圧値に誤差が生じるという問題がある。 However, in conventional pulse power supplies, it was difficult to accurately control the voltage value of the pulse voltage. Specifically, a difference in the timing of the conduction/non-conduction of switching elements in a switching circuit or the like causes the output voltage value to differ from the target voltage value, resulting in an error in the voltage value of the generated pulse voltage.

特開2013-125729号公報JP 2013-125729 A

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、パルス電圧の電圧値を正確に制御することができるパルス電源装置を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of these problems, and aims to provide a pulse power supply device that can accurately control the voltage value of the pulse voltage.

上記課題の解決のため、本発明に係るパルス電源装置は、電源電圧端子と接地端子との間に直列に接続される第1スイッチング素子と第2スイッチング素子とを有し、前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子との接続点である第1出力ノードから第1パルス電圧を出力する第1スイッチング回路と、出力端子の一方が前記第1出力ノードに接続され、前記出力端子の一方と出力端子の他方との間に接続されるコンデンサを有している昇圧回路と、前記第1出力ノードと、前記昇圧回路の出力端子の他方との間に接続される第3スイッチング素子と第4スイッチング素子とを有し、前記昇圧回路の出力電圧に前記第1パルス電圧をオフセットとして重畳させた第2パルス電圧を前記第3スイッチング素子と前記第4スイッチング素子との接続点である第2出力ノードから出力する第2スイッチング回路と、前記昇圧回路の出力端子間に接続されるとともに、可変抵抗手段を有する電荷吸収回路と、前記電荷吸収回路の前記可変抵抗手段を制御する制御部とを備える。前記制御部は、前記電荷吸収回路の電圧及び電流を示すアナログ信号をデジタル信号に変換し、更に光信号に変換すると共に、前記可変抵抗手段を制御する制御信号を出力するコントローラと、前記コントローラから出力された光信号を光伝送路を介して受信してデジタル信号に変換し、前記デジタル信号に基づく演算を行って、その演算結果を示すデジタル信号を光信号に変換して前記コントローラに前記光伝送路を介して送信する演算制御回路とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above problem, the pulse power supply device of the present invention includes a first switching circuit having a first switching element and a second switching element connected in series between a power supply voltage terminal and a ground terminal, and outputting a first pulse voltage from a first output node which is a connection point between the first switching element and the second switching element; a boost circuit having one output terminal connected to the first output node and a capacitor connected between the one output terminal and the other output terminal; a second switching circuit having a third switching element and a fourth switching element connected between the first output node and the other output terminal of the boost circuit, and outputting a second pulse voltage obtained by superimposing the first pulse voltage as an offset on the output voltage of the boost circuit from a second output node which is a connection point between the third switching element and the fourth switching element; a charge absorption circuit connected between the output terminals of the boost circuit and having a variable resistance means; and a control unit for controlling the variable resistance means of the charge absorption circuit. The control unit is characterized by comprising a controller that converts analog signals indicating the voltage and current of the charge absorption circuit into digital signals and further converts them into optical signals, and outputs a control signal for controlling the variable resistance means, and an arithmetic control circuit that receives the optical signal output from the controller via an optical transmission line, converts it into a digital signal, performs an arithmetic operation based on the digital signal, converts the digital signal indicating the arithmetic operation result into an optical signal, and transmits it to the controller via the optical transmission line.

本発明によれば、パルス電圧の電圧値を正確に制御することができるパルス電源装置を提供することができる。 The present invention provides a pulse power supply device that can accurately control the voltage value of the pulse voltage.

本実施形態に係るプラズマ処理システム100の全体構成を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a plasma processing system 100 according to an embodiment of the present invention. 本実施形態のパルス電源装置1の構成例を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a configuration example of a pulse power supply device 1 of the present embodiment. 本実施形態のパルス電源装置1の構成例を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a configuration example of a pulse power supply device 1 of the present embodiment. 比較例のパルス電源装置1’の構成例を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration example of a pulse power supply device 1' of a comparative example. 比較例のパルス電源装置1’において、トランジスタQ5及びQ6の導通/非導通のタイミングと、対応するトランジスタQ7及びQ8の導通/非導通のタイミングとにずれが生じていない場合の動作説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram of the operation of a comparative pulse power supply device 1' when there is no mismatch between the timing of conduction/non-conduction of transistors Q5 and Q6 and the timing of conduction/non-conduction of the corresponding transistors Q7 and Q8. 比較例のパルス電源装置1’において、トランジスタQ5及びQ6の導通/非導通のタイミングと、対応するトランジスタQ7及びQ8の導通/非導通のタイミングとにずれが生じている場合の動作説明図である。1 is an explanatory diagram of an operation of a comparative pulse power supply device 1' when there is a discrepancy between the timing of conduction/non-conduction of transistors Q5 and Q6 and the timing of conduction/non-conduction of the corresponding transistors Q7 and Q8. FIG. パルス電源装置1における電荷吸収回路DIの動作を説明するグラフである。5 is a graph illustrating the operation of the charge absorption circuit DI in the pulse power supply 1. テーブル2302Aとテーブル2302Bの特性を示すグラフである。2 is a graph showing the characteristics of tables 2302A and 2302B.

以下、添付図面を参照して本実施形態について説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、添付図面は本開示の原理に則った実施形態と実装例を示しているが、これらは本開示の理解のためのものであり、決して本開示を限定的に解釈するために用いられるものではない。本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味においても限定するものではない。 Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to the attached drawings. In the attached drawings, functionally identical elements may be indicated by the same numbers. Note that the attached drawings show embodiments and implementation examples according to the principles of the present disclosure, but these are for understanding the present disclosure and are in no way used to interpret the present disclosure in a restrictive manner. The descriptions in this specification are merely typical examples and do not limit the scope or application examples of the present disclosure in any sense.

本実施形態では、当業者が本開示を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本開示の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。 In this embodiment, the disclosure is described in sufficient detail for a person skilled in the art to implement the disclosure, but it should be understood that other implementations and forms are possible, and that changes to the configuration and structure and substitutions of various elements are possible without departing from the scope and spirit of the technical ideas of the disclosure. Therefore, the following description should not be interpreted as being limited to this.

図1~図2Bを参照して、本実施形態に係るプラズマ処理システム100について説明する。図1は、本実施形態に係るプラズマ処理システム100の全体構成を示す概略図であり、図2A及び図2Bは、パルス電源装置1の構成例を示す回路図である。 A plasma processing system 100 according to this embodiment will be described with reference to Figures 1 to 2B. Figure 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of the plasma processing system 100 according to this embodiment, and Figures 2A and 2B are circuit diagrams showing an example configuration of a pulse power supply device 1.

図1に示すようにプラズマ処理システム100は、パルス電源装置1、第1高周波電源装置2、第1整合器3、第2高周波電源装置4、第2整合器5、プラズマ処理部6及び上位制御装置7等を備えている。その他、プラズマ処理システム100には図示しないガス導入装置や排気装置等が備わっているが、説明を省略する。なお、上位制御装置7は、パルス電源装置1、第1高周波電源装置2等の各装置に対して制御を行う。例えば、上位制御装置7は、パルス電源装置1から出力するパルス電圧の出力指令を行うと共に、第1高周波電源装置2から出力する高周波電力の出力指令等を行う。上位制御装置7と各装置との接続線は、図示を省略している。 As shown in FIG. 1, the plasma processing system 100 includes a pulse power supply 1, a first high frequency power supply 2, a first matching box 3, a second high frequency power supply 4, a second matching box 5, a plasma processing unit 6, and a host controller 7. The plasma processing system 100 also includes a gas introduction device and an exhaust device (not shown), but their description will be omitted. The host controller 7 controls each device, such as the pulse power supply 1 and the first high frequency power supply 2. For example, the host controller 7 issues an output command for the pulse voltage to be output from the pulse power supply 1, and issues an output command for the high frequency power to be output from the first high frequency power supply 2. The connection lines between the host controller 7 and each device are not shown.

図1において、プラズマ処理部6は、処理容器(チャンバー)を有しており、この処理容器内に、後述する高周波電力及びパルス電圧が印加される第1電極61と、この第1電極61と対向するように配置される第2電極62とを備えている。第1電極61の上部には、例えば半導体ウェハ等の加工対象物63が配置される。プラズマ処理システム100は、プラズマ処理部6において生成したプラズマを用いて加工対象物63に対してエッチング等の加工処理が行う。 In FIG. 1, the plasma processing unit 6 has a processing vessel (chamber) in which a first electrode 61 to which high frequency power and a pulse voltage described later are applied, and a second electrode 62 arranged to face the first electrode 61 are provided. A workpiece 63 such as a semiconductor wafer is placed on top of the first electrode 61. The plasma processing system 100 performs processing such as etching on the workpiece 63 using plasma generated in the plasma processing unit 6.

第1高周波電源装置2及び第2高周波電源装置4は、RF(Radio Frequency)帯域の周波数(例えば、400kHz、13.56MHz、27.12MHz、40.68MHz、60MHz等)の高周波電圧を有する高周波電力を出力する。第1高周波電源装置2から出力された高周波電力は、インピーダンス整合を行う第1整合器3を介して第1電極61に供給される。また、第2高周波電源装置4から出力された高周波電力は、インピーダンス整合を行う第2整合器5を介して第2電極62に供給される。 The first high frequency power supply device 2 and the second high frequency power supply device 4 output high frequency power having a high frequency voltage of a frequency in the RF (Radio Frequency) band (e.g., 400 kHz, 13.56 MHz, 27.12 MHz, 40.68 MHz, 60 MHz, etc.). The high frequency power output from the first high frequency power supply device 2 is supplied to the first electrode 61 via the first matching device 3 that performs impedance matching. The high frequency power output from the second high frequency power supply device 4 is supplied to the second electrode 62 via the second matching device 5 that performs impedance matching.

第1高周波電源装置2及び第2高周波電源装置4の出力周波数は、様々であり、その用途によって異なる。また、第1高周波電源装置2及び第1整合器3が無い場合や第2高周波電源装置4及び第2整合器5が無い場合もある。また、パルス電源装置1とプラズマ処理部6との間に、第1高周波電源装置2や第2高周波電源装置4に起因する高周波を遮断するためのローパスフィルタを設けてもよい。また、図1に示したプラズマ処理システム100は、容量結合型であるが、誘導結合型のプラズマ処理システム100もある。本実施形態で説明するパルス電源装置1は、このような様々な方式のプラズマ処理システム100に適用可能である。 The output frequencies of the first high frequency power supply device 2 and the second high frequency power supply device 4 vary depending on the application. There are also cases where the first high frequency power supply device 2 and the first matching device 3 are not present, or where the second high frequency power supply device 4 and the second matching device 5 are not present. A low pass filter for blocking high frequencies caused by the first high frequency power supply device 2 and the second high frequency power supply device 4 may be provided between the pulse power supply device 1 and the plasma processing unit 6. The plasma processing system 100 shown in FIG. 1 is of a capacitive coupling type, but there are also inductively coupled plasma processing systems 100. The pulse power supply device 1 described in this embodiment is applicable to such various types of plasma processing systems 100.

パルス電源装置1は、所定の周波数で直流電圧の振幅が変化するパルス電圧を出力する。本実施形態のパルス電源装置1は、2系統の出力を有していて、それぞれ異なる電圧を有するパルス電圧を出力するように構成されている。第1出力系統は、例えば0Vと-10kVとが交互に繰り返される第1パルス電圧を出力する。また、第2出力系統(後述する第2パルス電圧発生回路302)は、例えば0Vと-11.5kVとが交互に繰り返される第2パルス電圧を出力する。第1出力系統と第2出力系統は、パルス電源装置1の負荷となる処理容器内の所定の箇所に接続される。なお、パルス電源装置1から出力されるパルス電圧の周波数は、例えば、100Hz~10MHz程度の周波数領域であるが、これに限定されない。また上記では、第1パルス電圧及び第2パルス電圧の電圧値が-10kV程度の場合を例示したが、これに限定されない。また、パルス電源装置1から出力するパルス電圧の極性は負に限定されない。 The pulse power supply 1 outputs a pulse voltage whose amplitude of DC voltage changes at a predetermined frequency. The pulse power supply 1 of this embodiment has two output systems, and is configured to output pulse voltages having different voltages. The first output system outputs a first pulse voltage, for example, 0V and -10kV alternately repeated. The second output system (a second pulse voltage generating circuit 302 described later) outputs a second pulse voltage, for example, 0V and -11.5kV alternately repeated. The first output system and the second output system are connected to a predetermined location in the processing vessel that serves as a load of the pulse power supply 1. The frequency of the pulse voltage output from the pulse power supply 1 is, for example, in a frequency range of about 100Hz to 10MHz, but is not limited to this. In the above, the voltage values of the first pulse voltage and the second pulse voltage are about -10kV, but are not limited to this. The polarity of the pulse voltage output from the pulse power supply 1 is not limited to negative.

図1に示したプラズマ処理システム100は、容量結合型であるが、誘導結合型のプラズマ処理システム100もある。本実施形態で説明するパルス電源装置1は、このような様々な方式のプラズマ処理システム100に適用可能である。 The plasma processing system 100 shown in FIG. 1 is a capacitively coupled type, but there are also inductively coupled type plasma processing systems 100. The pulse power supply device 1 described in this embodiment can be applied to such various types of plasma processing systems 100.

図2Aを参照して、パルス電源装置1の構成例を説明する。パルス電源装置1は、直流電源31と、インバータ回路INVと、クランプ回路CPと、変圧器TFと、整流回路RCと、平滑回路として機能するコンデンサC3とC4との直列回路SC(合成容量Cin)と、電荷吸収回路DIと、第1スイッチング回路SW1と、第2スイッチング回路SW2と、制御部20とを備えて構成される。このうち、第1スイッチング回路SW1により第1パルス電圧発生回路301が形成される。また、インバータ回路INVと、クランプ回路CPと、変圧器TFと、整流回路RCと、合成容量Cinと、第2スイッチング回路SW2とにより、第2パルス電圧発生回路302が形成される。 With reference to FIG. 2A, an example of the configuration of the pulse power supply 1 will be described. The pulse power supply 1 is configured to include a DC power supply 31, an inverter circuit INV, a clamp circuit CP, a transformer TF, a rectifier circuit RC, a series circuit SC (composite capacitance Cin) of capacitors C3 and C4 functioning as a smoothing circuit, a charge absorption circuit DI, a first switching circuit SW1, a second switching circuit SW2, and a control unit 20. Of these, the first switching circuit SW1 forms a first pulse voltage generating circuit 301. The inverter circuit INV, the clamp circuit CP, the transformer TF, the rectifier circuit RC, the composite capacitance Cin, and the second switching circuit SW2 form a second pulse voltage generating circuit 302.

また、インバータ回路INVと、クランプ回路CPと、変圧器TFと、整流回路RCと、合成容量Cinとにより、直流電源31の直流電源電圧(例えば、375V)を昇圧させて昇圧電圧を供給するDC/DCコンバータ303(昇圧回路)が形成される。そのため、第2パルス電圧発生回路302は、DC/DCコンバータ303と、第2スイッチング回路SW2とにより形成されると言える。 The inverter circuit INV, the clamp circuit CP, the transformer TF, the rectifier circuit RC, and the composite capacitance Cin form a DC/DC converter 303 (boost circuit) that boosts the DC power supply voltage (e.g., 375 V) of the DC power supply 31 to supply the boosted voltage. Therefore, it can be said that the second pulse voltage generating circuit 302 is formed by the DC/DC converter 303 and the second switching circuit SW2.

パルス電源装置1を制御する制御部20は、第1コントローラ210(第1制御部)、第2コントローラ220(第2制御部)及び演算制御回路230を備えている。第1コントローラ210は、インバータ回路INVを制御するための制御装置であり、第2コントローラ220は、電荷吸収回路DIを制御するための回路である。また、第2コントローラ220における制御信号の生成のための回路として、演算制御回路230が設けられている。第2コントローラ220と演算制御回路230とは、光ファイバOF(光伝送路)により接続され、電気的には互いに絶縁されている。なお、第2コントローラ220の内部にあるAD変換器、DA変換器等のICを動作させるために、絶縁電源280から出力される直流電圧が第2コントローラ220に供給されている。絶縁電源280から出力される電圧は、AD変換器、DA変換器等のICに適した、例えば12V、5V、3.3V等の複数の電圧である。 The control unit 20 that controls the pulse power supply device 1 includes a first controller 210 (first control unit), a second controller 220 (second control unit), and an arithmetic control circuit 230. The first controller 210 is a control device for controlling the inverter circuit INV, and the second controller 220 is a circuit for controlling the charge absorption circuit DI. In addition, an arithmetic control circuit 230 is provided as a circuit for generating a control signal in the second controller 220. The second controller 220 and the arithmetic control circuit 230 are connected by an optical fiber OF (optical transmission line) and are electrically insulated from each other. In addition, a DC voltage output from an insulating power supply 280 is supplied to the second controller 220 in order to operate ICs such as an AD converter and a DA converter inside the second controller 220. The voltage output from the insulating power supply 280 is a plurality of voltages, such as 12V, 5V, and 3.3V, suitable for ICs such as an AD converter and a DA converter.

第1コントローラ210は、DC/DCコンバータ303の出力電圧値、すなわち、合成容量Cinの両端電圧値Vcinが、目標電圧値Vcintg(目標電圧値を示す信号)となるよう制御信号Sc1を制御する。目標電圧値Vcintgは予め設定されているか、上位制御装置7等により設定される。そして、図示しないドライブ回路が、制御信号Sc1を入力し、後述するインバータ回路INVのトランジスタQ1~Q4のゲート信号を生成する。なお、本実施形態では、トランジスタQ1~Q4、後述するトランジスタQ5~Q9は、一例として、電界効果トランジスタ(Field effect transistor)であるとして説明するが、バイポーラトランジスタ等であってもよい。 The first controller 210 controls the control signal Sc1 so that the output voltage value of the DC/DC converter 303, i.e., the voltage value Vcin across the composite capacitance Cin, becomes the target voltage value Vcintg (a signal indicating the target voltage value). The target voltage value Vcintg is set in advance or by a higher-level control device 7 or the like. A drive circuit (not shown) inputs the control signal Sc1 and generates gate signals for the transistors Q1 to Q4 of the inverter circuit INV (described later). Note that in this embodiment, the transistors Q1 to Q4 and the transistors Q5 to Q9 (described later) are described as field effect transistors as an example, but they may be bipolar transistors or the like.

第2コントローラ220は、電荷吸収回路DIの消費電力値Pabs1、Pabs2が、目標電力値Ptg1、Ptg2(目標電力値を示す信号)となるよう制御信号Sc21、Sc22を制御する。目標電力値Ptg1、Ptg2(目標電力値を示す信号)は、後述する演算制御回路230内のテーブル2302A及びテーブル2302Bによって設定される。第2コントローラ220は、受信された電荷吸収回路DIにおける電流、電圧を受信すると共に、その電流、電圧に従った制御信号Sc21、Sc22を出力する。制御信号Sc21、Sc22の生成のための演算動作は、第2コントローラ220と光ファイバOFで接続された演算制御回路230において実行される。演算制御回路230は、第2コントローラ220とは電気的に絶縁され、光ファイバOFのみで接続されている。演算制御回路230は、低電圧環境下(例えば、3.3V、5V等)で動作する。 The second controller 220 controls the control signals Sc21 and Sc22 so that the power consumption values Pabs1 and Pabs2 of the charge absorption circuit DI become the target power values Ptg1 and Ptg2 (signals indicating the target power values). The target power values Ptg1 and Ptg2 (signals indicating the target power values) are set by tables 2302A and 2302B in the calculation control circuit 230 described later. The second controller 220 receives the current and voltage in the charge absorption circuit DI and outputs the control signals Sc21 and Sc22 according to the current and voltage. The calculation operation for generating the control signals Sc21 and Sc22 is performed in the calculation control circuit 230 connected to the second controller 220 by the optical fiber OF. The calculation control circuit 230 is electrically insulated from the second controller 220 and is connected only by the optical fiber OF. The calculation control circuit 230 operates in a low-voltage environment (e.g., 3.3 V, 5 V, etc.).

この第2コントローラ220が出力する制御信号Sc21、Sc22は、ドライブOPアンプ250、260に供給され、ドライブOPアンプ250、260は、制御信号Sc21、Sc22に従ったゲート信号を生成して、トランジスタQ11、Q12のゲートに供給する。図示していないが、ドライブOPアンプ250、260には、絶縁電源280から出力される直流電圧(例えば24V)が供給される。また、第2コントローラ220は、目標電力値Ptg1と乗算器2301Aの出力との比較結果(誤差情報)に応じて制御信号Sc21を変化させる。同様に、第2コントローラ220は、目標電力値Ptg2と乗算器2301Bの出力との比較結果(誤差情報)に応じて制御信号Sc22を変化させる。なお、トランジスタQ11、Q12は、可変抵抗手段の一例である。 The control signals Sc21 and Sc22 output by the second controller 220 are supplied to the drive operational amplifiers 250 and 260, which generate gate signals according to the control signals Sc21 and Sc22 and supply them to the gates of the transistors Q11 and Q12. Although not shown, the drive operational amplifiers 250 and 260 are supplied with a DC voltage (e.g., 24 V) output from the insulated power supply 280. The second controller 220 also changes the control signal Sc21 according to the comparison result (error information) between the target power value Ptg1 and the output of the multiplier 2301A. Similarly, the second controller 220 changes the control signal Sc22 according to the comparison result (error information) between the target power value Ptg2 and the output of the multiplier 2301B. The transistors Q11 and Q12 are an example of a variable resistance means.

第1パルス電圧発生回路301を形成する第1スイッチング回路SW1は、トランジスタQ5及びトランジスタQ6(第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子)を、電源電圧端子Nv(例えば、-10kV)と接地端子(GND)との間に直列に接続して構成される。トランジスタQ5とトランジスタQ6とが交互に導通することにより、出力ノードN11から振幅が-10kV(0V~-10kV)の第1パルス電圧が出力される。トランジスタQ5及びQ6のゲート信号は、図示しない制御回路により制御される。 The first switching circuit SW1 forming the first pulse voltage generating circuit 301 is configured by connecting transistor Q5 and transistor Q6 (first switching element and second switching element) in series between the power supply voltage terminal Nv (e.g., -10 kV) and the ground terminal (GND). As transistor Q5 and transistor Q6 are alternately turned on, a first pulse voltage with an amplitude of -10 kV (0 V to -10 kV) is output from output node N11. The gate signals of transistors Q5 and Q6 are controlled by a control circuit not shown.

第2パルス電圧発生回路302は、第1スイッチング回路SW1の出力ノードN11(第1出力ノード)が第2スイッチング回路SW2に接続され、いわゆるフローティング接続とされている。これにより、DC/DCコンバータ303の出力電圧と第1パルス電圧発生回路301が発生する第1パルス電圧とが重畳される。この重畳された電圧を第2スイッチング回路SW2によってパルス電圧化して第2パルス電圧を発生させる。後述するように、第2パルス電圧は、例えば、0Vと-11.5kVとを交互に繰り返すパルス電圧である。以下、第2パルス電圧発生回路302について説明する。 In the second pulse voltage generating circuit 302, the output node N11 (first output node) of the first switching circuit SW1 is connected to the second switching circuit SW2, forming a so-called floating connection. This causes the output voltage of the DC/DC converter 303 and the first pulse voltage generated by the first pulse voltage generating circuit 301 to be superimposed. This superimposed voltage is converted into a pulse voltage by the second switching circuit SW2 to generate the second pulse voltage. As will be described later, the second pulse voltage is, for example, a pulse voltage that alternates between 0V and -11.5kV. The second pulse voltage generating circuit 302 will be described below.

インバータ回路INVは、一例として、直流電源31から供給される直流電力を交流電力に変換するフルブリッジ型のインバータ回路である。すなわち、インバータ回路INVは、第1アームAm1と、第2アームAm2を備える。第1アームAm1は、トランジスタQ1及びQ2を直流電源31の正極端子及び負極端子との間に第1ノードN1を介して直列に接続してなる。第2アームAm2は、トランジスタQ3及びQ4を直流電源31の正極端子及び負極端子との間に第2ノードN2を介して直列に接続してなる。トランジスタQ1とQ4が導通状態となり且つトランジスタQ2とQ3が非導通状態となる第1の状態と、トランジスタQ2とQ3が導通状態となり且つトランジスタQ1とQ4が非導通状態となる第2の状態とが繰り返されることにより、直流電力が交流電力に変換される(第1ノードN1と第2ノードN2との間に交流電力が発生する)。なお、図2AにおけるトランジスタQ1~Q4は、ボディダイオードを含めて図示しているが、ボディダイオードではなく、別途ダイオードを用いるようにしてもよい。これは、後述するトランジスタQ5~Q8、Q11~Q12でも同様である。 The inverter circuit INV is, for example, a full-bridge inverter circuit that converts DC power supplied from the DC power source 31 into AC power. That is, the inverter circuit INV includes a first arm Am1 and a second arm Am2. The first arm Am1 is formed by connecting transistors Q1 and Q2 in series between the positive and negative terminals of the DC power source 31 via a first node N1. The second arm Am2 is formed by connecting transistors Q3 and Q4 in series between the positive and negative terminals of the DC power source 31 via a second node N2. The DC power is converted into AC power by repeating a first state in which the transistors Q1 and Q4 are in a conductive state and the transistors Q2 and Q3 are in a non-conductive state and a second state in which the transistors Q2 and Q3 are in a conductive state and the transistors Q1 and Q4 are in a non-conductive state (AC power is generated between the first node N1 and the second node N2). In addition, although the transistors Q1 to Q4 in FIG. 2A are illustrated including body diodes, separate diodes may be used instead of body diodes. This also applies to the transistors Q5 to Q8 and Q11 to Q12 described below.

クランプ回路CPは、インダクタ32、インダクタ33、及びダイオードD1~D4(第1~第4ダイオード)を備えている。インダクタ32は、第1ノードN1と、変圧器TFの第1端子N3との間に接続されており、インダクタ33は、第2ノードN2と、変圧器TFの第2端子N4との間に接続されている。 The clamp circuit CP includes an inductor 32, an inductor 33, and diodes D1 to D4 (first to fourth diodes). The inductor 32 is connected between the first node N1 and the first terminal N3 of the transformer TF, and the inductor 33 is connected between the second node N2 and the second terminal N4 of the transformer TF.

ダイオードD1は、直流電源31の正極端子と第1端子N3との間に接続されている。ダイオードD2は、第1端子N3と直流電源31の負極端子との間に接続されている。ダイオードD3は、直流電源31の正極端子と第2端子N4との間に接続されている。ダイオードD4は、第2端子N4と直流電源31の負極端子との間に接続されている。換言すると、ダイオードD1及びD2は、第1端子N3を中点として、直流電源31の負極端子と正極端子との間に直列に接続されている。また、ダイオードD3及びD4は、第2端子N4を中点として、直流電源31の負極端子と正極端子との間に直列に接続されている。ダイオードD1~D4は、いずれも直流電源31の負極端子から正極端子に向かう方向を順方向として接続されている。 Diode D1 is connected between the positive terminal of the DC power supply 31 and the first terminal N3. Diode D2 is connected between the first terminal N3 and the negative terminal of the DC power supply 31. Diode D3 is connected between the positive terminal of the DC power supply 31 and the second terminal N4. Diode D4 is connected between the second terminal N4 and the negative terminal of the DC power supply 31. In other words, diodes D1 and D2 are connected in series between the negative terminal and the positive terminal of the DC power supply 31, with the first terminal N3 as the midpoint. Diodes D3 and D4 are connected in series between the negative terminal and the positive terminal of the DC power supply 31, with the second terminal N4 as the midpoint. All of the diodes D1 to D4 are connected in the forward direction from the negative terminal to the positive terminal of the DC power supply 31.

インダクタ32及び33は、変圧器TFからインバータ回路INVを見た場合の入力インピーダンスを高くする役割を有し、これにより、変圧器TFの2次側巻線から、寄生容量を介して1次側巻線に向けてコモンモード電流が流れた場合に、このコモンモード電流がインバータ回路INVを構成するトランジスタQ1~Q4に流れ込むことを抑制する。ダイオードD1~D4は、このようなコモンモード電流がインバータ回路INVには流れず、直流電源31や接地端子に流すための迂回路として機能する。なお、インダクタ32及び33は、互いに略同一のインダクタンスを有するのが好適であるが、これに限定されるものではない。また、インダクタ32及び33と直列に抵抗素子が接続されていてもよい。 The inductors 32 and 33 have the role of increasing the input impedance when viewed from the transformer TF to the inverter circuit INV, and thus, when a common mode current flows from the secondary winding of the transformer TF to the primary winding via the parasitic capacitance, they suppress the common mode current from flowing into the transistors Q1 to Q4 that constitute the inverter circuit INV. The diodes D1 to D4 function as a detour to prevent such a common mode current from flowing into the inverter circuit INV and to allow it to flow to the DC power supply 31 or the ground terminal. Note that, although it is preferable that the inductors 32 and 33 have approximately the same inductance, this is not limited to this. Also, a resistive element may be connected in series with the inductors 32 and 33.

変圧器TFは、互いに対向して配置される1次巻線と2次巻線とを有し、インバータ回路INVがクランプ回路CPを介して出力した交流電力を、更に異なる電圧値の交流電力に変換する。図2Aに示すように、変圧器TFの一次側に追加的にインダクタL1が接続されていてもよい。変圧器TFの出力電圧は、整流回路RCに印加される。整流回路RCは、図2Aに示すように4倍圧整流回路として構成され得る。4倍圧整流回路は、コンデンサC1、C2と、ダイオードD5~D8により構成される。 The transformer TF has a primary winding and a secondary winding arranged opposite each other, and further converts the AC power output by the inverter circuit INV via the clamp circuit CP into AC power of a different voltage value. As shown in FIG. 2A, an inductor L1 may be additionally connected to the primary side of the transformer TF. The output voltage of the transformer TF is applied to a rectifier circuit RC. The rectifier circuit RC may be configured as a quadruple voltage rectifier circuit as shown in FIG. 2A. The quadruple voltage rectifier circuit is configured by capacitors C1 and C2 and diodes D5 to D8.

ダイオードD5~D8は、同一方向を順方向として直列接続される。コンデンサC1は、変圧器TFの第1の出力端子と、ダイオードD5及びD6の接続ノードN5との間に接続される。コンデンサC2は、変圧器TFの第1の出力端子と、ダイオードD7及びD8の接続ノードN7との間に接続される。 Diodes D5 to D8 are connected in series with the same forward direction. Capacitor C1 is connected between the first output terminal of transformer TF and the connection node N5 of diodes D5 and D6. Capacitor C2 is connected between the first output terminal of transformer TF and the connection node N7 of diodes D7 and D8.

平滑回路として機能する合成容量Cinは、ダイオードD5~D8と並列に接続され、コンデンサC3とC4の接続ノードN8は、ノードN6と接続されている。これにより、コンデンサC3及びC4が蓄電される。 The combined capacitance Cin, which functions as a smoothing circuit, is connected in parallel with the diodes D5 to D8, and the connection node N8 between the capacitors C3 and C4 is connected to the node N6. This causes the capacitors C3 and C4 to store electricity.

電荷吸収回路DIは、一例として、複数の抵抗直列回路(例えば、トランジスタQ11と抵抗R14とを有する第1抵抗直列回路RS1と、トランジスタQ12と抵抗R15とを有する第2抵抗直列回路RS2と、抵抗R11と抵抗R12とを有する分圧回路RS3とにより構成される。電荷吸収回路DIは、コンデンサC3とC4とに蓄電された電荷を強制的に消費させて、合成容量Cinの両端電圧値Vcinを低下させる機能を有する。電荷吸収回路DI中の第1抵抗直列回路RS1、第2抵抗直列回路RS2及び分圧回路RS3は、合成容量Cinと並列に接続される。すなわち、DC/DCコンバータ303の出力端子間に接続される。また、トランジスタQ11のゲート信号は、第2コントローラ220の制御により、ドライブOPアンプ250から供給される。また、トランジスタQ12のゲート信号は、第2コントローラ220の制御により、ドライブOPアンプ260から供給される。なお、電荷吸収回路DIに、複数のトランジスタと抵抗とを有する抵抗直列回路(図2の例では、第1抵抗直列回路RS1と第2抵抗直列回路RS2の2つ)を備えている理由については、後述する。 The charge absorption circuit DI is, for example, composed of a plurality of resistor series circuits (for example, a first resistor series circuit RS1 having a transistor Q11 and a resistor R14, a second resistor series circuit RS2 having a transistor Q12 and a resistor R15, and a voltage divider circuit RS3 having resistors R11 and R12. The charge absorption circuit DI has a function of forcibly consuming the charge stored in the capacitors C3 and C4, thereby lowering the voltage value Vcin across the combined capacitance Cin. The first resistor series circuit RS1, the second resistor series circuit RS2, and the voltage divider circuit RS3 in the charge absorption circuit DI are connected to the combined capacitance Ci n. That is, it is connected between the output terminals of the DC/DC converter 303. The gate signal of the transistor Q11 is supplied from the drive operational amplifier 250 under the control of the second controller 220. The gate signal of the transistor Q12 is supplied from the drive operational amplifier 260 under the control of the second controller 220. The reason why the charge absorption circuit DI is provided with a plurality of resistor series circuits (in the example of FIG. 2, there are two, the first resistor series circuit RS1 and the second resistor series circuit RS2) having a plurality of transistors and resistors will be described later.

第1抵抗直列回路RS1のトランジスタQ11は、飽和領域で使用される。そのため、トランジスタQ11のゲート信号の大きさを大きくすることによって、トランジスタQ11のドレインソース間の抵抗値(以下、抵抗値という。)を小さくすることができる。例えば、トランジスタQ11の抵抗値が10Ω~1MΩまで調整可能であり、抵抗R14が1Ωである。トランジスタQ11の抵抗値を変化させることによりトランジスタQ11と抵抗R14との合成抵抗値が変化するので、第1抵抗直列回路RS1に流れる電流の電流値Ina1が変化する。電流値Ina1は、トランジスタQ11と抵抗R14の接続ノードNA1の電圧を検出し、その検出電圧に対して図示しない変換回路によって所定の変換処理を行うことによって算出できる。電流値Ina1(電流値を示す信号)は、第2コントローラ220に入力される。 The transistor Q11 of the first resistor series circuit RS1 is used in the saturation region. Therefore, by increasing the magnitude of the gate signal of the transistor Q11, the drain-source resistance value (hereinafter referred to as the resistance value) of the transistor Q11 can be reduced. For example, the resistance value of the transistor Q11 can be adjusted from 10 Ω to 1 MΩ, and the resistance value of the resistor R14 is 1 Ω. By changing the resistance value of the transistor Q11, the combined resistance value of the transistor Q11 and the resistor R14 changes, and the current value Ina1 of the current flowing through the first resistor series circuit RS1 changes. The current value Ina1 can be calculated by detecting the voltage of the connection node NA1 between the transistor Q11 and the resistor R14 and performing a predetermined conversion process on the detected voltage using a conversion circuit not shown. The current value Ina1 (a signal indicating the current value) is input to the second controller 220.

第2抵抗直列回路RS2のトランジスタQ12も、飽和領域で使用される。そのため、トランジスタQ12のゲート信号の大きさを大きくすることによって、トランジスタQ12のドレインソース間の抵抗値(以下、抵抗値という。)を小さくすることができる。例えば、トランジスタQ12の抵抗値が10Ω~1MΩまで調整可能であり、抵抗R15が1Ωである。トランジスタQ12の抵抗値を変化させることによりトランジスタQ12と抵抗R15との合成抵抗値が変化するので、第2抵抗直列回路RS2に流れる電流の電流値Ina2が変化する。電流値Ina2は、トランジスタQ12と抵抗R15の接続ノードNA2の電圧を検出し、その検出電圧に対して図示しない変換回路によって所定の変換処理を行うことによって算出できる。電流値Ina2(電流値を示す信号)は、第2コントローラ220に入力される。 The transistor Q12 of the second resistor series circuit RS2 is also used in the saturation region. Therefore, by increasing the magnitude of the gate signal of the transistor Q12, the resistance value between the drain and source of the transistor Q12 (hereinafter referred to as the resistance value) can be reduced. For example, the resistance value of the transistor Q12 can be adjusted from 10 Ω to 1 MΩ, and the resistance R15 is 1 Ω. By changing the resistance value of the transistor Q12, the combined resistance value of the transistor Q12 and the resistor R15 changes, so the current value Ina2 of the current flowing through the second resistor series circuit RS2 changes. The current value Ina2 can be calculated by detecting the voltage of the connection node NA2 between the transistor Q12 and the resistor R15 and performing a predetermined conversion process on the detected voltage using a conversion circuit not shown. The current value Ina2 (a signal indicating the current value) is input to the second controller 220.

なお、トランジスタQ11としてバイポーラトランジスタを用いる場合は、ベース電流やゲート電圧といった制御信号の大きさを変更することによってコレクタエミッタ間の抵抗値を変化させることができる。また、上記の趣旨から分かるように、トランジスタQ11に代えて、可変抵抗のような他の可変抵抗手段であってもよい。ただし、ゲート信号等の制御信号によって抵抗値を調整できるものでないと実用的ではない。電界効果トランジスタ等は、制御信号によって抵抗値を変更でき、且つ、抵抗値の調整範囲が広いので適している。 When a bipolar transistor is used as transistor Q11, the resistance between the collector and emitter can be changed by changing the magnitude of a control signal such as the base current or gate voltage. As can be seen from the above, other variable resistance means such as a variable resistor may be used instead of transistor Q11. However, this is not practical unless the resistance can be adjusted by a control signal such as a gate signal. Field effect transistors, etc. are suitable because their resistance can be changed by a control signal and the resistance adjustment range is wide.

分圧回路RS3の両端電圧Vnbは、抵抗R11と抵抗R12との接続ノードNBの電圧を検出し、その検出電圧に対して図示しない変換回路によって所定の変換処理を行うことによって算出できる。この電圧値Vnb(電圧値を示す信号)は、第1/第2抵抗直列回路RS1、RS2の両端電圧値を示すとともに、合成容量Cinの両端電圧値Vcinを示す。電圧値Vnbは、第2コントローラ220に入力される。分圧回路RS3は、基本的には電圧検出用であるため、比較的高い合成抵抗値を有する。例えば、1MΩである。また、電圧値Vnb(=合成容量Cinの両端電圧値Vcin)は、上述したように、第1コントローラ210の制御に用いられる。 The voltage Vnb across the voltage divider circuit RS3 can be calculated by detecting the voltage at the connection node NB between resistors R11 and R12, and performing a predetermined conversion process on the detected voltage using a conversion circuit (not shown). This voltage value Vnb (a signal indicating a voltage value) indicates the voltage value across the first and second resistor series circuits RS1 and RS2, as well as the voltage value Vcin across the combined capacitance Cin. The voltage value Vnb is input to the second controller 220. The voltage divider circuit RS3 is basically used for voltage detection, and therefore has a relatively high combined resistance value. For example, 1 MΩ. Furthermore, the voltage value Vnb (= the voltage value Vcin across the combined capacitance Cin) is used to control the first controller 210, as described above.

第2スイッチング回路SW2は、トランジスタQ7及びトランジスタQ8(第3スイッチング素子及び第4スイッチング素子)を、出力ノードN11と出力ノードN9(昇圧電圧出力ノード)との間に直列に接続して構成される。すなわち、第2スイッチング回路SW2は、DC/DCコンバータ303の出力端子間に接続される。トランジスタQ7とトランジスタQ8は、トランジスタQ7とトランジスタQ8とが交互に導通するように、図示しない制御回路によりゲート信号が与えられる。 The second switching circuit SW2 is configured by connecting transistor Q7 and transistor Q8 (third switching element and fourth switching element) in series between output node N11 and output node N9 (boosted voltage output node). That is, the second switching circuit SW2 is connected between the output terminals of the DC/DC converter 303. A control circuit (not shown) provides gate signals to transistor Q7 and transistor Q8 so that transistor Q7 and transistor Q8 are alternately turned on.

トランジスタQ7の導通/非導通の切り替えタイミングは、トランジスタQ5と同期するように制御され、トランジスタQ8の導通/非導通の切り替えタイミングは、トランジスタQ6と同期するように制御される。出力ノードN11と出力ノードN9との間には、DC/DCコンバータ303の出力電圧と第1パルス電圧発生回路301が発生する第1パルス電圧とが重畳された電圧が与えられているので、トランジスタQ5及びトランジスタQ7が導通状態になると、接地端子GNDの電位(例えば0V)が出力ノードN12(第2出力ノード)を介して出力端子Vout2から出力される。また、トランジスタQ6及びトランジスタQ8が導通状態になると、トランジスタQ5及びトランジスタQ7が非導通状態となるので、コンデンサC3の一端が電源電圧端子Nvに接続され、コンデンサC4の他端が出力端子Vout2に接続された状態となる。上述したようにフローティング接続になっているので、DC/DCコンバータ303の出力は、電源電圧端子Nvの電位(例えば-10kV)が基準となる。DC/DCコンバータ303の出力電圧が1.5kvであれば、-11.5kVが出力端子Vout2から出力される。したがって、出力端子Vout2から、0Vと-11.5kVとが交互に繰り返されたパルス電圧が出力される。すなわち、第2パルス電圧発生回路302は、DC/DCコンバータ303の出力電圧に第1パルス電圧発生回路301が発生する第1パルス電圧をオフセットとして重畳させた第2パルス電圧を発生させる。 The timing of switching the conduction/non-conduction of the transistor Q7 is controlled to be synchronized with the transistor Q5, and the timing of switching the conduction/non-conduction of the transistor Q8 is controlled to be synchronized with the transistor Q6. A voltage obtained by superimposing the output voltage of the DC/DC converter 303 and the first pulse voltage generated by the first pulse voltage generating circuit 301 is applied between the output node N11 and the output node N9, so that when the transistors Q5 and Q7 are in a conductive state, the potential of the ground terminal GND (for example, 0V) is output from the output terminal Vout2 via the output node N12 (second output node). Also, when the transistors Q6 and Q8 are in a conductive state, the transistors Q5 and Q7 are in a non-conductive state, so that one end of the capacitor C3 is connected to the power supply voltage terminal Nv, and the other end of the capacitor C4 is connected to the output terminal Vout2. As described above, since the floating connection is made, the output of the DC/DC converter 303 is based on the potential of the power supply voltage terminal Nv (for example, -10 kV). If the output voltage of the DC/DC converter 303 is 1.5 kV, then -11.5 kV is output from the output terminal Vout2. Therefore, a pulse voltage in which 0V and -11.5 kV are alternately repeated is output from the output terminal Vout2. In other words, the second pulse voltage generating circuit 302 generates a second pulse voltage in which the first pulse voltage generated by the first pulse voltage generating circuit 301 is superimposed as an offset on the output voltage of the DC/DC converter 303.

図2Bを参照して、第2コントローラ220、及び演算制御回路230の構成の詳細の一例を説明する。前述のように、第2コントローラ220と演算制御回路230とは、光ファイバOFにより接続されており、電気的には互いに絶縁されている。第2コントローラ220は高電圧環境下に配置する必要があるが、演算制御回路230は、高電圧環境下とは電気的に絶縁された低電圧環境下に配置することができ、安定的な動作が可能である。例えば、低電圧環境下であれば、CPUやFPGAといった高精度、高速のプロセッサを用いることができるので、目標電力値のリアルタイムでの目標値変更が可能となる。 An example of the detailed configuration of the second controller 220 and the arithmetic control circuit 230 will be described with reference to FIG. 2B. As described above, the second controller 220 and the arithmetic control circuit 230 are connected by an optical fiber OF and are electrically insulated from each other. The second controller 220 needs to be placed in a high-voltage environment, but the arithmetic control circuit 230 can be placed in a low-voltage environment that is electrically insulated from the high-voltage environment, allowing for stable operation. For example, in a low-voltage environment, a high-precision, high-speed processor such as a CPU or FPGA can be used, making it possible to change the target power value in real time.

第2コントローラ220は、AD変換器2201とDA変換器2202の組を、電荷吸収回路DI中の抵抗直列回路の数だけ有している。図2Bの例では、抵抗直列回路の数が2つであるため、2組のAD変換器2201及びDA変換器(2201A、2202A、2201B、2202B)が備えられている。AD変換器2201A及びDA変換器2202Aは、第1抵抗直列回路RS1(トランジスタQ11)の制御のために設けられている。一方、AD変換器2201B及びDA変換器2202Bは、第2抵抗直列回路RS2(トランジスタQ12)の制御のために設けられている。 The second controller 220 has the same number of sets of AD converters 2201 and DA converters 2202 as the number of resistor series circuits in the charge absorption circuit DI. In the example of FIG. 2B, since there are two resistor series circuits, two sets of AD converters 2201 and DA converters (2201A, 2202A, 2201B, 2202B) are provided. The AD converter 2201A and the DA converter 2202A are provided for controlling the first resistor series circuit RS1 (transistor Q11). On the other hand, the AD converter 2201B and the DA converter 2202B are provided for controlling the second resistor series circuit RS2 (transistor Q12).

AD変換器2201Aは、第1抵抗直列回路RS1から、トランジスタQ11のノードNA1に流れる電流Ina1と、分圧回路RS3の両端電圧Vnbをアナログ信号として入力され、これを対応するデジタル信号に変換する。そのデジタル信号は、光電変換回路2204にて光信号に変換され、光ファイバOFにより演算制御回路230に向けて送信される。なお、デジタル信号に変換された分圧回路RS3の両端電圧Vnbは、第1コントローラ210の制御に用いることができる。その場合、第1コントローラ210もデジタル信号によって制御するように構成すればよい。AD変換器2201Bは、第2抵抗直列回路RS2から、トランジスタQ12のノードNA2に流れる電流Ina2と、分圧回路RS3の両端電圧Vnbをアナログ信号として入力され、これを対応するデジタル信号に変換する。そのデジタル信号は、光電変換回路2204にて光信号に変換され、光ファイバOFにより演算制御回路230に向けて送信される。 The AD converter 2201A receives the current Ina1 flowing through the node NA1 of the transistor Q11 and the voltage Vnb across the voltage divider circuit RS3 as analog signals from the first resistor series circuit RS1, and converts them into a corresponding digital signal. The digital signal is converted into an optical signal by the photoelectric conversion circuit 2204, and transmitted to the arithmetic control circuit 230 via the optical fiber OF. The voltage Vnb across the voltage divider circuit RS3 converted into a digital signal can be used to control the first controller 210. In that case, the first controller 210 may also be configured to be controlled by a digital signal. The AD converter 2201B receives the current Ina2 flowing through the node NA2 of the transistor Q12 and the voltage Vnb across the voltage divider circuit RS3 as analog signals from the second resistor series circuit RS2, and converts them into a corresponding digital signal. The digital signal is converted into an optical signal by the photoelectric conversion circuit 2204, and transmitted to the arithmetic control circuit 230 via the optical fiber OF.

演算制御回路230は、デジタル信号としての電流値Ina1と電圧値Vnbとを乗算器2301Aで乗算することにより、第1抵抗直列回路RS1で消費される消費電力値Pabs1を算出する。この消費電力値Pabs1が比較器2303Aにおいて目標電力値Ptg1と比較され、その比較結果(誤差情報)に応じて制御信号生成回路2304Aにて制御信号Sc21Dが生成される。目標電力値Ptg1は、テーブル2302Aから供給される。テーブル2302Aは、電圧値Vnbと、目標電圧Ptg1の関係を示すテーブルであり、電圧値Vnbに従い目標電力値Ptg1が設定される。制御信号Sc21Dは、光電変換回路2304で光信号に変換されて、光ファイバOFにより第2コントローラ220の光電変換回路2204で受信され、再びデジタル信号に変換され、更にDA変換器2202Aでアナログの制御信号Sc21に変換される。 The arithmetic control circuit 230 multiplies the current value Ina1 and the voltage value Vnb as digital signals in the multiplier 2301A to calculate the power consumption value Pabs1 consumed by the first resistor series circuit RS1. The power consumption value Pabs1 is compared with the target power value Ptg1 in the comparator 2303A, and the control signal Sc21D is generated in the control signal generation circuit 2304A according to the comparison result (error information). The target power value Ptg1 is supplied from the table 2302A. The table 2302A is a table showing the relationship between the voltage value Vnb and the target voltage Ptg1, and the target power value Ptg1 is set according to the voltage value Vnb. The control signal Sc21D is converted into an optical signal by the photoelectric conversion circuit 2304, received by the photoelectric conversion circuit 2204 of the second controller 220 via the optical fiber OF, converted back into a digital signal, and further converted into an analog control signal Sc21 by the DA converter 2202A.

また、演算制御回路230は、デジタル信号としての電流値Ina2と電圧値Vnbとを乗算器2301Bで乗算することにより、第2抵抗直列回路RS2で消費される消費電力値Pabs2を算出する。この消費電力値Pabs2が比較器2303Bにおいて目標電力値Ptg2と比較され、その比較結果(誤差情報)に応じて制御信号生成回路2304Bにて制御信号Sc22Dが生成される。目標電力値Ptg2は、テーブル2302Bから供給される。テーブル2302Bは、電圧値Vnbと、目標電圧Ptg2の関係を示すテーブルであり、電圧値Vnbに従い目標電力値Ptg2が設定される。制御信号Sc22Dは、光電変換回路2304で光信号に変換されて、光ファイバOFにより第2コントローラ220の光電変換回路2204で受信され、再びデジタル信号に変換され、更にDA変換器2202Bでアナログの制御信号Sc22に変換される。 The arithmetic control circuit 230 also multiplies the current value Ina2 and the voltage value Vnb as digital signals in the multiplier 2301B to calculate the power consumption value Pabs2 consumed by the second resistor series circuit RS2. The power consumption value Pabs2 is compared with the target power value Ptg2 in the comparator 2303B, and the control signal Sc22D is generated in the control signal generation circuit 2304B according to the comparison result (error information). The target power value Ptg2 is supplied from the table 2302B. The table 2302B is a table showing the relationship between the voltage value Vnb and the target voltage Ptg2, and the target power value Ptg2 is set according to the voltage value Vnb. The control signal Sc22D is converted into an optical signal by the photoelectric conversion circuit 2304, received by the photoelectric conversion circuit 2204 of the second controller 220 via the optical fiber OF, converted back into a digital signal, and further converted into an analog control signal Sc22 by the DA converter 2202B.

上述したように、制御信号Sc21、Sc22によりドライブOPアンプ250、260を介してトランジスタQ11、Q12の抵抗値を変更することができるので、第1抵抗直列回路RS1、第2抵抗直列回路RS2に流れる電流の電流値Ina1、Ina2を調整することができる。また、若干ではあるが、分圧回路RS3にも電流が流れるので、電荷吸収回路DI全体として電力を消費させることができる。すなわち、コンデンサC3とC4とに蓄電された電荷を強制的に消費させて、合成容量Cinの両端電圧値Vcinを低下させることができる。この効果については、後述する。 As described above, the resistance values of transistors Q11 and Q12 can be changed via drive operational amplifiers 250 and 260 by control signals Sc21 and Sc22, so that the current values Ina1 and Ina2 flowing through the first resistor series circuit RS1 and the second resistor series circuit RS2 can be adjusted. In addition, since a small amount of current also flows through voltage divider circuit RS3, it is possible to consume power in the charge absorption circuit DI as a whole. In other words, the charge stored in capacitors C3 and C4 can be forcibly consumed, thereby lowering the voltage value Vcin across the combined capacitance Cin. The effect of this will be described later.

次に、この実施の形態のパルス電源装置1の効果を、図3の比較例に係るパルス電源装置1’と比較しつつ説明する。この比較例に係るパルス電源装置1’は、電荷吸収回路DIを備えていない点で、本実施形態と異なっている。電荷吸収回路DIがないため、第2コントローラ220、及び演算制御回路230も設けられていない。 Next, the effects of the pulse power supply 1 of this embodiment will be described in comparison with a pulse power supply 1' according to a comparative example in FIG. 3. The pulse power supply 1' according to this comparative example differs from this embodiment in that it does not include a charge absorption circuit DI. Since there is no charge absorption circuit DI, the second controller 220 and the arithmetic control circuit 230 are also not provided.

この比較例の場合、第1スイッチング回路SW1を構成するトランジスタQ5及びQ6の導通/非導通のタイミングと、対応する第2スイッチング回路SW2を構成するトランジスタQ7及びQ8の導通/非導通のタイミングとのずれにより、コンデンサC3及びC4の両端電圧が目標電圧を超えて充電され、これにより、DC/DCコンバータ303による第2パルス電圧の電圧値の調整が困難になってしまうことがある。導通のタイミングのばらつきの原因は様々であるが、例えばコントローラ(制御IC)の特性、トランジスタの特性、ドライブOPアンプの回路定数のばらつき等である。また、他の理由から、意図的にトランジスタQ5及びQ6の導通/非導通のタイミングと、対応するトランジスタQ7及びQ8の導通/非導通のタイミングとをずらすように制御することが必要になる場合もあり、その結果、合成容量Cinの両端電圧値Vcinが目標電圧値Vcintgを超えて充電されることが生じ得る。 In this comparative example, due to a mismatch between the timing of the conduction/non-conduction of the transistors Q5 and Q6 constituting the first switching circuit SW1 and the timing of the conduction/non-conduction of the corresponding transistors Q7 and Q8 constituting the second switching circuit SW2, the voltages across the capacitors C3 and C4 are charged to exceed the target voltage, which may make it difficult for the DC/DC converter 303 to adjust the voltage value of the second pulse voltage. There are various causes for the variation in the timing of the conduction, such as the characteristics of the controller (control IC), the characteristics of the transistors, and the variation in the circuit constants of the drive OP amplifier. In addition, for other reasons, it may be necessary to intentionally control the timing of the conduction/non-conduction of the transistors Q5 and Q6 to be misaligned with the timing of the conduction/non-conduction of the corresponding transistors Q7 and Q8, which may result in the voltage value Vcin across the composite capacitance Cin being charged to exceed the target voltage value Vcintg.

図4を参照して、比較例のパルス電源装置1’において、トランジスタQ5及びQ6の導通/非導通のタイミングと、対応するトランジスタQ7及びQ8の導通/非導通のタイミングとにずれがない正常なタイミングで動作している場合の動作を説明する。なお、図4において、LilとRilは、第1スイッチング回路SW1の出力ノードN11から出力端子Vout1までのリアクタンス成分及び抵抗成分を示している。また、Li2とRi2は、第2スイッチング回路SW2の出力ノードN12から出力端子Vout2までのインダクタンス成分及び抵抗成分を示している。また、Ro1、Co1、Ro2及びCo2は、負荷側のリアクタンス成分及び抵抗成分を示している。また、コンデンサC3とC4の合成容量をCinと表している。また、合成容量Cinに並列接続している抵抗Rin’は、コンデンサC3とC4との直列回路の両端に並列接続している抵抗を仮想的に表している。図4及び後述する図5では、図2Aに示した第1抵抗直列回路RS1及び第2抵抗直列回路RS2は無いが、分圧回路RS3に相当する電圧検出用回路及び負荷の抵抗成分やケーブル損失などが含まれている。抵抗Rin’の抵抗値は、例えば1kΩである。 With reference to FIG. 4, the operation of the pulse power supply device 1' of the comparative example will be described when the transistors Q5 and Q6 are turned on/off at normal timing without any discrepancy with the timing of the corresponding transistors Q7 and Q8 turning on/off. In FIG. 4, Lil and Ril indicate the reactance and resistance components from the output node N11 of the first switching circuit SW1 to the output terminal Vout1. Li2 and Ri2 indicate the inductance and resistance components from the output node N12 of the second switching circuit SW2 to the output terminal Vout2. Ro1, Co1, Ro2, and Co2 indicate the reactance and resistance components on the load side. The combined capacitance of the capacitors C3 and C4 is represented as Cin. The resistor Rin' connected in parallel to the combined capacitance Cin virtually represents the resistor connected in parallel to both ends of the series circuit of the capacitors C3 and C4. In FIG. 4 and FIG. 5 described later, the first resistor series circuit RS1 and the second resistor series circuit RS2 shown in FIG. 2A are not included, but a voltage detection circuit equivalent to the voltage divider circuit RS3, a resistance component of the load, cable loss, etc. are included. The resistance value of resistor Rin' is, for example, 1 kΩ.

比較例のパルス電源装置1’は、正常な動作では、以下の2つの状態S1、S2を繰り返す。
(状態S1)
トランジスタQ6とQ8が同時に導通状態(ON)になり、トランジスタQ5とQ7は同時に非導通状態(OFF)になる。
(状態S2)
トランジスタQ5とQ7が同時に導通状態となり、トランジスタQ6とQ8が同時に非導通状態になる。
In normal operation, the pulse power supply device 1' of the comparative example repeats the following two states S1 and S2.
(State S1)
The transistors Q6 and Q8 are simultaneously turned on (ON), and the transistors Q5 and Q7 are simultaneously turned off (OFF).
(State S2)
Transistors Q5 and Q7 are simultaneously in a conductive state, and transistors Q6 and Q8 are simultaneously in a non-conductive state.

なお、第1スイッチング回路SW1、第2スイッチング回路SW2において、トランジスタQ5とQ6が同時に導通したり、又はトランジスタQ7とQ8が同時に導通したりすることで電源が短絡することを防止するため、状態1と状態2との間では、全トランジスタQ5~Q8が同時に非導通状態となる期間(デッドタイム)が設定される。 In addition, in the first switching circuit SW1 and the second switching circuit SW2, in order to prevent the power supply from being short-circuited due to transistors Q5 and Q6 being simultaneously conductive, or transistors Q7 and Q8 being simultaneously conductive, a period (dead time) during which all transistors Q5 to Q8 are simultaneously non-conductive is set between state 1 and state 2.

状態S1では、第1スイッチング回路SW1の出力端子に接続された負荷から、トランジスタQ6を介して電源電圧端子Nvに向けて電流I1が流れる。また、第2スイッチング回路SW2の出力端子に接続された負荷から、トランジスタQ7のボディダイオード、及びトランジスタQ6を介して電源電圧端子Nvに向けて電流I2が流れる。更に、第2スイッチング回路SW2の出力端子に接続された負荷から、トランジスタQ8、合成容量Cin、及びトランジスタQ6を介して、電源電圧端子Nvに向けて電流I3が流れる。 In state S1, a current I1 flows from the load connected to the output terminal of the first switching circuit SW1 toward the power supply voltage terminal Nv via transistor Q6. A current I2 flows from the load connected to the output terminal of the second switching circuit SW2 toward the power supply voltage terminal Nv via the body diode of transistor Q7 and transistor Q6. A current I3 flows from the load connected to the output terminal of the second switching circuit SW2 toward the power supply voltage terminal Nv via transistor Q8, composite capacitance Cin, and transistor Q6.

一方、状態S2では、第1スイッチング回路SW1の接地端子GNDから、導通状態とされたトランジスタQ5を介して、第1スイッチング回路SW1の出力端子に接続された負荷に向けて、電流I4が流れる。また、同様に第1スイッチング回路SW1の接地端子GNDから、導通状態とされたトランジスタQ5、Q7を介して、第2スイッチング回路SW2の出力端子に接続された負荷に向けて電流I5が流れる。また、同様に第1スイッチング回路SW1の接地端子GNDから、導通状態とされたトランジスタQ5、合成容量Cin、及びトランジスタQ8のボディダイオードを介して、第2スイッチング回路SW2の出力端子に接続された負荷に向けて電流I6が流れる。なお、図4において電流の符号I1~I6と括弧書きで併記された電流値は、電流I1~I6に関しある条件下で得られる電流値(平均電流)の一例である。 On the other hand, in state S2, current I4 flows from the ground terminal GND of the first switching circuit SW1 through the conductive transistor Q5 toward the load connected to the output terminal of the first switching circuit SW1. Similarly, current I5 flows from the ground terminal GND of the first switching circuit SW1 through the conductive transistors Q5 and Q7 toward the load connected to the output terminal of the second switching circuit SW2. Similarly, current I6 flows from the ground terminal GND of the first switching circuit SW1 through the conductive transistor Q5, the combined capacitance Cin, and the body diode of transistor Q8 toward the load connected to the output terminal of the second switching circuit SW2. Note that the current values in parentheses along with the current symbols I1 to I6 in FIG. 4 are examples of current values (average currents) obtained under certain conditions for currents I1 to I6.

トランジスタQ5及びQ6の導通/非導通のタイミングと、対応するトランジスタQ7及びQ8の導通/非導通のタイミングとにずれが生じない場合には、第1スイッチング回路SW1から合成容量Cinに流れ込む電流と、逆に合成容量Cinから第1スイッチング回路SW1に流出する電流とが釣り合っている。このため、第1スイッチング回路SW1からの電流により、合成容量Cinの両端電圧が増加することはない。 When there is no mismatch between the timing of the conduction/non-conduction of transistors Q5 and Q6 and the timing of the conduction/non-conduction of the corresponding transistors Q7 and Q8, the current flowing from the first switching circuit SW1 to the composite capacitance Cin is balanced with the current flowing from the composite capacitance Cin to the first switching circuit SW1. Therefore, the current from the first switching circuit SW1 does not increase the voltage across the composite capacitance Cin.

次に、図5を参照して、比較例のパルス電源装置1’において、トランジスタQ5及びQ6の導通/非導通のタイミングと、対応するトランジスタQ7及びQ8の導通/非導通のタイミングとにずれが生じている場合の動作を説明する。ここでは一例として、トランジスタQ5及びQ6の切り替えタイミングよりもトランジスタQ7及びQ8の切り替えタイミングが遅れた場合について説明する。また、トランジスタQ5~Q8の導通/非導通は、図5に示す状態S11、S12、S13、S14の順に切り替わるものとする。状態S11~S14は、以下の通りである。 Next, referring to FIG. 5, the operation of the comparative pulse power supply device 1' will be described when there is a mismatch between the timing of conduction/non-conduction of transistors Q5 and Q6 and the timing of conduction/non-conduction of the corresponding transistors Q7 and Q8. As an example, a case will be described where the switching timing of transistors Q7 and Q8 is delayed compared to the switching timing of transistors Q5 and Q6. Also, the conduction/non-conduction of transistors Q5 to Q8 is switched in the order of states S11, S12, S13, and S14 shown in FIG. 5. States S11 to S14 are as follows:

(状態S11)
正常なタイミングで動作していれば、トランジスタQ6、Q8が同時に導通状態となり、トランジスタQ5、Q7は同時に非導通状態になる。しかし、トランジスタQ7が導通状態から非導通状態に切り替わるタイミングが、トランジスタQ5が導通状態から非導通状態に切り替わるタイミングよりも遅れており、状態S11の途中で非導通状態に切り替わる。また、トランジスタQ8が非導通状態から導通状態に切り替わるタイミングが、トランジスタQ6が導通状態から非導通状態に切り替わるタイミングよりも遅れており、且つ、トランジスタQ7が導通状態から非導通状態に切り替った後でデッドタイムが経過した後に導通状態に切り替わる。すなわち、状態S11の間、トランジスタQ8は非導通状態であり、後述する状態S12になったときに導通状態に切り替わる。この状態S11では、第1スイッチング回路SW1の出力端子に接続される負荷から、トランジスタQ6を介して電源電圧端子Nvに向かって大きな電流I1’が流れる。また、第2スイッチング回路SW2の出力端子に接続される負荷から、トランジスタQ7、及びトランジスタQ6を介して電源電圧端子Nvに向かって、大きな電流I2’が流れる。すなわち、図5の場合には、図4の電流I3のような合成容量CinからトランジスタQ6を介して電源電圧端子Nvに向かう電流は流れない。また、図4の場合には、トランジスタQ6及びQ8が導通状態(ON)のときには、トランジスタQ5及びQ7が非導通状態(OFF)であるので、トランジスタQ6及びQ8が導通状態(ON)の期間は、トランジスタQ7のボディダイオードが順バイアスのときにしか電流が流れなかった。これに対して、図5の場合には、トランジスタQ6が導通状態(ON)のときに、トランジスタQ7も導通状態(ON)であるため、トランジスタQ7が非導通状態(OFF)になるまでの期間に、大きな電流I2’が第1スイッチング回路SW1側に流れる。
(State S11)
If the transistors Q6 and Q8 are operating at normal timing, they will be in a conducting state at the same time, and the transistors Q5 and Q7 will be in a non-conducting state at the same time. However, the timing at which the transistor Q7 switches from a conducting state to a non-conducting state is delayed from the timing at which the transistor Q5 switches from a conducting state to a non-conducting state, and the transistor Q7 switches to a non-conducting state in the middle of state S11. Also, the timing at which the transistor Q8 switches from a non-conducting state to a conducting state is delayed from the timing at which the transistor Q6 switches from a conducting state to a non-conducting state, and the transistor Q7 switches to a conducting state after a dead time has elapsed after switching from a conducting state to a non-conducting state. That is, the transistor Q8 is in a non-conducting state during state S11, and switches to a conducting state when state S12, which will be described later, is reached. In this state S11, a large current I1' flows from a load connected to the output terminal of the first switching circuit SW1 to the power supply voltage terminal Nv via the transistor Q6. Also, a large current I2' flows from the load connected to the output terminal of the second switching circuit SW2 toward the power supply voltage terminal Nv through the transistor Q7 and the transistor Q6. That is, in the case of Fig. 5, a current does not flow from the composite capacitance Cin toward the power supply voltage terminal Nv through the transistor Q6, as in Fig. 4, the current I3. Also, in the case of Fig. 4, when the transistors Q6 and Q8 are in a conductive state (ON), the transistors Q5 and Q7 are in a non-conductive state (OFF), so that a current flows only when the body diode of the transistor Q7 is forward biased during the period when the transistors Q6 and Q8 are in a conductive state (ON). In contrast, in the case of Fig. 5, when the transistor Q6 is in a conductive state (ON), the transistor Q7 is also in a conductive state (ON), so that a large current I2' flows toward the first switching circuit SW1 during the period until the transistor Q7 is in a non-conductive state (OFF).

(状態S12)
トランジスタQ8が遅れて導通状態に切り替わり、トランジスタQ5、Q7が非導通状態で、トランジスタQ6、Q8が導通状態になる。この状態では、第1スイッチング回路SW1の出力端子に接続される負荷から、トランジスタQ6を介して電源電圧端子Nvに向かって電流I1’’が流れる。また、第2スイッチング回路SW2の出力端子に接続される負荷から、導通状態のトランジスタQ8、合成容量Cin、及び導通状態のトランジスタQ6を介して電源電圧端子Nvに向けて電流I3’’が流れる。このとき、合成容量Cinでは電荷の放電が行われる。
(State S12)
The transistor Q8 switches to a conductive state with a delay, the transistors Q5 and Q7 are non-conductive, and the transistors Q6 and Q8 are conductive. In this state, a current I1'' flows from the load connected to the output terminal of the first switching circuit SW1 toward the power supply voltage terminal Nv via the transistor Q6. Also, a current I3'' flows from the load connected to the output terminal of the second switching circuit SW2 toward the power supply voltage terminal Nv via the conductive transistor Q8, the composite capacitance Cin, and the conductive transistor Q6. At this time, the composite capacitance Cin is discharged.

(状態S13)
正常なタイミングで動作していれば、トランジスタQ5、Q7が同時に非導通状態から導通状態に切り替わり、トランジスタQ6、Q8は同時に導通状態から非導通状態に切り替わる。しかし、状態S11とは逆で、トランジスタQ8が導通状態から非導通状態に切り替わるタイミングが、トランジスタQ6が導通状態から非導通状態に切り替わるタイミングよりも遅れており、状態S13の途中で非導通状態に切り替わる。また、トランジスタQ7が非導通状態から導通状態に切り替わるタイミングが、トランジスタQ5が非導通状態から導通状態に切り替わるタイミングよりも遅れており、且つ、トランジスタQ8が導通状態から非導通状態に切り替った後でデッドタイムが経過した後に導通状態に切り替わる。すなわち、状態S13の間、トランジスタQ7は非導通状態であり、後述する状態S14になったときに導通状態に切り替わる。この場合、第1スイッチング回路SW1の出力端子Vout1に接続される容量性負荷(負電位)が、トランジスタQ5を介して接地端子GNDと接続される。そのため、接地端子GNDから導通状態のトランジスタQ5を介して大きな電流I4’が流れる。また、第2スイッチング回路SW2の出力端子Vout2に接続される容量性負荷(負電位)が合成容量Cinと導通状態のトランジスタQ8を介して接地端子GNDと接続される。そのため、接地端子GNDから導通状態のトランジスタQ5、合成容量Cin、導通状態のトランジスタQ8を介して、第2スイッチング回路SW2に接続される負荷に向けて大きな電流I6’が流れる。このとき、合成容量Cinでは電荷の充電が行われる。
(State S13)
If the transistors Q5 and Q7 are operating at normal timing, they will simultaneously switch from a non-conductive state to a conductive state, and the transistors Q6 and Q8 will simultaneously switch from a conductive state to a non-conductive state. However, contrary to state S11, the timing at which the transistor Q8 switches from a conductive state to a non-conductive state is delayed from the timing at which the transistor Q6 switches from a conductive state to a non-conductive state, and the transistor Q8 switches to a non-conductive state in the middle of state S13. Also, the timing at which the transistor Q7 switches from a non-conductive state to a conductive state is delayed from the timing at which the transistor Q5 switches from a non-conductive state to a conductive state, and the transistor Q8 switches to a conductive state after a dead time has elapsed after switching from a conductive state to a non-conductive state. That is, the transistor Q7 is in a non-conductive state during state S13, and switches to a conductive state when state S14, which will be described later, is reached. In this case, the capacitive load (negative potential) connected to the output terminal Vout1 of the first switching circuit SW1 is connected to the ground terminal GND via the transistor Q5. Therefore, a large current I4' flows from the ground terminal GND via the transistor Q5 in a conductive state. In addition, the capacitive load (negative potential) connected to the output terminal Vout2 of the second switching circuit SW2 is connected to the ground terminal GND via the composite capacitance Cin and the transistor Q8 in a conductive state. Therefore, a large current I6' flows from the ground terminal GND to the load connected to the second switching circuit SW2 via the transistor Q5 in a conductive state, the composite capacitance Cin, and the transistor Q8 in a conductive state. At this time, the composite capacitance Cin is charged with an electric charge.

(状態S14)
トランジスタQ7が遅れて導通状態に切り替わり、トランジスタQ5、Q7が導通状態で、トランジスタQ6、Q8が非導通状態となる。この状態では、第1スイッチング回路SW1の出力端子Vout1に接続される容量性負荷(負電位)及び第2スイッチング回路SW2の出力端子Vout2に接続される容量性負荷(負電位)が接地端子GNDと接続される。そのため、接地端子GNDからトランジスタQ5を介して電流I4’’が流れる。また、接地端子GNDからトランジスタQ5、トランジスタQ7を介して、第2スイッチング回路SW2に接続される負荷に向けて電流I5’’が流れる。なお、図5において電流の符号I1’~I6 ’、I1’ ’、I3’’ 、I4’’ 、 I5’’と括弧書きで併記された電流値は、各電流に関しある条件下で得られる電流値(平均電流)の一例である。
(State S14)
The transistor Q7 switches to a conductive state with a delay, the transistors Q5 and Q7 are conductive, and the transistors Q6 and Q8 are non-conductive. In this state, the capacitive load (negative potential) connected to the output terminal Vout1 of the first switching circuit SW1 and the capacitive load (negative potential) connected to the output terminal Vout2 of the second switching circuit SW2 are connected to the ground terminal GND. Therefore, a current I4'' flows from the ground terminal GND through the transistor Q5. Also, a current I5'' flows from the ground terminal GND through the transistors Q5 and Q7 toward the load connected to the second switching circuit SW2. In FIG. 5, the current values indicated in parentheses with the symbols I1' to I6', I1'', I3'', I4'', and I5'' are examples of current values (average currents) obtained under certain conditions for each current.

ここで、合成容量Cinに着目すると、状態S11及び状態S12の期間は放電期間であり、状態S13及び状態S14の期間は充電期間である。また、状態S11及び状態S13の期間の時間を150n秒、状態S12及び状態S14の期間の時間を1100n秒とすると、放電期間に合成容量Cinから流れ出す電流は3.16A((0A×150n秒+3.59A×1,100n秒)/1,250n秒)であり、充電期間に合成容量Cinに流れ込む電流は、3.19A((26.6A×150n秒+0A×1,100n秒)/1,250n秒)となる。すなわち、1サイクル中に0.03Aの収支ずれが発生するので、合成容量Cinの両端電圧Vcinが少しずつ上昇していく。この電圧上昇に伴い抵抗Rinでの損失が大きくなるので、合成容量Cinの両端電圧Vcinは、抵抗Rinでの損失との関係で上昇が抑制され、釣り合うところで安定する。すなわち、図4に示したように、トランジスタQ5及びQ6と、トランジスタQ7及びQ8とが正常なタイミングで動作している場合の合成容量Cinの両端電圧Vcinよりも、トランジスタQ5及びQ6と、トランジスタQ7及びQ8との導通のタイミングにずれが生じる場合の合成容量Cinの両端電圧値Vcinが大きくなる。 Here, when we look at the composite capacitance Cin, the period between states S11 and S12 is the discharge period, and the period between states S13 and S14 is the charge period. If the period between states S11 and S13 is 150 ns and the period between states S12 and S14 is 1100 ns, the current flowing out of the composite capacitance Cin during the discharge period is 3.16 A ((0 A x 150 ns + 3.59 A x 1,100 ns) / 1,250 ns), and the current flowing into the composite capacitance Cin during the charge period is 3.19 A ((26.6 A x 150 ns + 0 A x 1,100 ns) / 1,250 ns). In other words, a 0.03 A balance discrepancy occurs during one cycle, so the voltage Vcin across the composite capacitance Cin rises little by little. As the voltage rises, the loss in resistor Rin increases, so the voltage Vcin across the composite capacitance Cin is suppressed from rising in relation to the loss in resistor Rin, and stabilizes at a balanced point. That is, as shown in FIG. 4, the voltage Vcin across the composite capacitance Cin when there is a discrepancy in the timing of conduction between transistors Q5 and Q6 and transistors Q7 and Q8 is greater than the voltage Vcin across the composite capacitance Cin when transistors Q5 and Q6 and transistors Q7 and Q8 are operating at normal timing.

通常であれば、第1コントローラ210から出力する制御信号Sc1を小さくすることによって合成容量Cinの両端電圧値Vcinを目標電圧値Vcintgに近づけることができる。しかし、上記のずれは、合成容量Cinに蓄電された電荷によるものであるので、たとえ制御信号Sc1を0にしたとしても合成容量Cinの両端電圧値Vcinは0にならない。ある条件では、合成容量Cinの両端電圧値Vcinは目標電圧値Vcintgの2倍程度まで上昇することがある。こうなると、第2パルス電圧の電圧値を正確に制御することができなくなる。 Normally, the voltage value Vcin across the composite capacitance Cin can be brought closer to the target voltage value Vcintg by reducing the control signal Sc1 output from the first controller 210. However, since the above deviation is due to the charge stored in the composite capacitance Cin, the voltage value Vcin across the composite capacitance Cin does not become 0 even if the control signal Sc1 is set to 0. Under certain conditions, the voltage value Vcin across the composite capacitance Cin may rise to about twice the target voltage value Vcintg. When this happens, it becomes impossible to accurately control the voltage value of the second pulse voltage.

このような問題を解決するため、実施の形態のパルス電源装置は、コンデンサC3及びC4の直列回路と並列に接続された電荷吸収回路DIを備える。上述したように、電荷吸収回路DIは、コンデンサC3とC4とに蓄電された電荷を強制的に消費させて、合成容量Cinの両端電圧値Vcinを低下させることができる。そのため、上記のような問題が発生して、合成容量Cinの両端電圧Vcinが少しずつ上昇しても、電荷吸収回路DIによって、その上昇分を打ち消すように電力を消費させれば、合成容量Cinの両端電圧値Vcinを目標電圧値Vcintgにする制御を行うことができる。どの程度の電力量を消費させるか、すなわち目標電力値Ptg1、Ptg2をどの程度にするか、実験等によって適切な値を定める。なお、目標電力値Ptg1、Ptg2は、後述するように、電荷吸収回路DIの両端電圧(分圧回路RS3の両端電圧Vnb)に基づいて変化するようにテーブルを用いて設定することが好ましいが、これに限定されない。例えば、目標電力値Ptg1、Ptg2を一定値として、常時一定の電力を消費するように制御してもよい。 In order to solve such problems, the pulse power supply device of the embodiment includes a charge absorption circuit DI connected in parallel to the series circuit of the capacitors C3 and C4. As described above, the charge absorption circuit DI can forcibly consume the charge stored in the capacitors C3 and C4 to reduce the voltage value Vcin across the composite capacitance Cin. Therefore, even if the above-mentioned problem occurs and the voltage Vcin across the composite capacitance Cin rises little by little, the charge absorption circuit DI can consume power to cancel out the increase, thereby controlling the voltage value Vcin across the composite capacitance Cin to the target voltage value Vcintg. Appropriate values are determined by experiments, etc. to determine how much power to consume, that is, how much the target power values Ptg1 and Ptg2 should be. Note that the target power values Ptg1 and Ptg2 are preferably set using a table so that they change based on the voltage across the charge absorption circuit DI (the voltage Vnb across the voltage divider circuit RS3) as described later, but are not limited to this. For example, the target power values Ptg1 and Ptg2 may be set to constant values, and control may be performed so that a constant amount of power is consumed at all times.

図6を参照して、このパルス電源装置1における電荷吸収回路DIの動作を説明する。ここでは、状態(i)から動作が開始され、状態(ii)、(iii)、(iv)に順次移行する場合を説明する。なお、ここで説明するのは、第1コントローラ210によるDC/DCコンバータ303の制御よりも、第2コントローラ220によるトランジスタQ11,Q12の制御(消費電力の制御)の方が早い場合の一例である。また、ここでは、説明を簡略化するために、目標電力値Ptg1、Ptg2が一定値であるとして説明する。 The operation of the charge absorption circuit DI in this pulse power supply device 1 will be described with reference to FIG. 6. Here, a case will be described in which the operation starts from state (i) and transitions sequentially to states (ii), (iii), and (iv). Note that what is described here is an example in which the control of the transistors Q11 and Q12 (control of power consumption) by the second controller 220 is faster than the control of the DC/DC converter 303 by the first controller 210. Also, in order to simplify the explanation, the target power values Ptg1 and Ptg2 will be described as constant values.

状態(i)では、合成容量Cinの両端電圧の目標電圧値VcintgがVcintg1に設定され、この目標電圧値Vcintg1が得られるよう、第1コントローラ210の制御信号Sc1が変化する。また、第2コントローラ220の制御信号Sc21、Sc22も、この目標電圧値Vcintg1に適合するように変化する。なお、状態(i)では、第1コントローラ210による制御、第2コントローラ220による制御が安定している状態を示している。 In state (i), the target voltage value Vcintg of the voltage across the composite capacitance Cin is set to Vcintg1, and the control signal Sc1 of the first controller 210 changes so that this target voltage value Vcintg1 is obtained. The control signals Sc21 and Sc22 of the second controller 220 also change to match this target voltage value Vcintg1. Note that state (i) indicates a state in which the control by the first controller 210 and the control by the second controller 220 are stable.

続く状態(ii)(時刻t1~)では、目標電圧値VcintgがVcintg1から、これよりも小さいVcintg2に切り替わる。第1コントローラ210は、制御信号Sc1のレベルをSc11からSc12に低下させる。これにより合成容量Cinの両端電圧値Vcinは徐々に低下する。 In the subsequent state (ii) (from time t1), the target voltage value Vcintg switches from Vcintg1 to the smaller voltage value Vcintg2. The first controller 210 reduces the level of the control signal Sc1 from Sc11 to Sc12. This causes the voltage value Vcin across the combined capacitance Cin to gradually decrease.

合成容量Cinの両端電圧値Vcinが低下を開始すると、電荷吸収回路DIの消費電力値Pabs1、Pabs2も、時刻t1以降低下し始める。これに対応して、第2コントローラ220は、電荷吸収回路DIの消費電力値Pabs1、Pabs2を一定に維持するため、制御信号Sc21、Sc22を、tg1(tg1’)から、これよりも大きいtg2(tg2’)に向けて徐々に増加させる。制御信号Sc21、Sc22の増加により、トランジスタQ11、Q12のゲート電圧が増大し、これにより電荷吸収回路DIの抵抗値は低下し、トランジスタQ11、G12を流れる電流値は増加する。 When the voltage value Vcin across the composite capacitance Cin starts to decrease, the power consumption values Pabs1 and Pabs2 of the charge absorption circuit DI also start to decrease after time t1. In response to this, the second controller 220 gradually increases the control signals Sc21 and Sc22 from tg1 (tg1') to a larger value tg2 (tg2') in order to keep the power consumption values Pabs1 and Pabs2 of the charge absorption circuit DI constant. The increase in the control signals Sc21 and Sc22 increases the gate voltages of the transistors Q11 and Q12, which decreases the resistance value of the charge absorption circuit DI and increases the current flowing through the transistors Q11 and Q12.

状態(iii)(時刻t2~)になると、電荷吸収回路DIの消費電力値Pabs1、Pabs2は元の一定値に復帰する。このように、電荷吸収回路DIは、合成容量Cinの両端電圧値Vcinの変動に拘わらず、一定の電力を消費するように制御される。トランジスタQ11、Q12のゲート電圧を制御し、トランジスタQ11、Q12の飽和領域を使用することで、電荷吸収回路DIの消費電力値Pabs1、Pabs2を一定値に制御することができる。状態(iv)(時刻t3~)において、両端電圧値Vcinが目標値Vcintg2に達することで、一連の動作は終了する。 In state (iii) (from time t2), the power consumption values Pabs1 and Pabs2 of the charge absorption circuit DI return to their original constant values. In this way, the charge absorption circuit DI is controlled to consume a constant amount of power regardless of fluctuations in the voltage value Vcin across the combined capacitance Cin. By controlling the gate voltages of transistors Q11 and Q12 and using the saturation regions of transistors Q11 and Q12, the power consumption values Pabs1 and Pabs2 of the charge absorption circuit DI can be controlled to constant values. In state (iv) (from time t3), the voltage value Vcin across both ends reaches the target value Vcintg2, and the series of operations ends.

次に、電荷吸収回路DIの特性を表1を用いて説明する。図2Aの回路において、第1スイッチング回路SW1は、一定の電流値Isw1の電流を流す定電流源とみなすことができる。 Next, the characteristics of the charge absorption circuit DI are explained using Table 1. In the circuit of FIG. 2A, the first switching circuit SW1 can be considered as a constant current source that supplies a constant current value Isw1.

Figure 0007628903000001
Figure 0007628903000001

ここで、第1抵抗直列回路RS1及び第2抵抗直列回路RS2の合成抵抗値をRa(トランジスタQ11、Q12のゲート信号により可変)、抵抗値Ra以外に合成容量Cinに並列接続しているその他の抵抗成分(分圧回路RS3及び負荷の抵抗成分やケーブル損失等)の抵抗値をRb(一定値)と定義する。また、第1抵抗直列回路RS1及び第2抵抗直列回路RS2とその他の抵抗成分との合成抵抗の抵抗値を合成抵抗値Rab、第1抵抗直列回路RS1及び第2抵抗直列回路RS2で消費する電力値を消費電力値PRa、その他の抵抗成分で消費する電力値を消費電力値PRb、消費電力値PRaと消費電力値PRbとの合計を合計消費電力値PRabと定義する。このようにすると、合成容量Cinの両端電圧値Vcinは、Rab×Isw1で表すことができる。また、一定の電流値Isw1が1A、抵抗値Raの調整範囲が10Ω~1MΩ、抵抗値Rbが1kΩであるとする。なお、上述したように分圧回路RS3は、基本的には電圧検出用であるため、比較的高い抵抗値を有する。例えば、1MΩである。しかし、分圧回路RS3及び負荷の抵抗成分やケーブル損失等が影響するので、その他の抵抗成分の抵抗値Rbは、分圧回路だけの抵抗値(1MΩ)よりも低くなる。ここでは、抵抗値Rbを1kΩとしている。 Here, the combined resistance value of the first resistor series circuit RS1 and the second resistor series circuit RS2 is defined as Ra (variable by the gate signals of the transistors Q11 and Q12), and the resistance value of other resistance components (such as the voltage divider circuit RS3 and the resistance components of the load and cable loss) connected in parallel to the combined capacitance Cin other than the resistance value Ra is defined as Rb (constant value). In addition, the resistance value of the combined resistance of the first resistor series circuit RS1 and the second resistor series circuit RS2 and the other resistance components is defined as the combined resistance value Rab, the power value consumed by the first resistor series circuit RS1 and the second resistor series circuit RS2 is defined as the power consumption value PRa, the power value consumed by the other resistance components is defined as the power consumption value PRb, and the sum of the power consumption values PRa and PRb is defined as the total power consumption value PRab. In this way, the voltage value Vcin across the combined capacitance Cin can be expressed as Rab x Isw1. Let us also assume that the constant current value Isw1 is 1A, the adjustment range of the resistance value Ra is 10Ω to 1MΩ, and the resistance value Rb is 1kΩ. As mentioned above, the voltage divider circuit RS3 is basically used for voltage detection, so it has a relatively high resistance value. For example, 1MΩ. However, due to the influence of the resistance components of the voltage divider circuit RS3 and the load, cable loss, etc., the resistance value Rb of the other resistance components is lower than the resistance value of the voltage divider circuit alone (1MΩ). Here, the resistance value Rb is set to 1kΩ.

このような条件では、表1に示すように、抵抗値Raが大きくなるにつれて、合成抵抗値Rab及び合成容量Cinの両端電圧値Vcinが大きくなる方向で変化していく。そのため、第1抵抗直列回路の抵抗値Raが小さい値(例えば10Ω)であれば、合成容量Cinの両端電圧値Vcinが小さくなりすぎてしまう(例えば10V)。抵抗値Raが大きい値(例えば1MΩ)のときには、合成容量Cinの両端電圧値Vcinが大きい値(例えば999Ω)であるので、コンデンサC3とC4とに蓄電された電荷を強制的に消費させているとは言い難い。抵抗値Ra=抵抗値Rb=1kΩの場合に、第1抵抗直列回路で消費する消費電力値PRaが最大(250W)となる。このときのその他の抵抗成分で消費する消費電力値PRbが250Wであるので、合計消費電力値PRabは、500Wとなる。また、このときの合成容量Cinの両端電圧値Vcinは500Vであり、電荷吸収回路DIが無い場合の1000Vに比べて、十分な電圧降下がされている。 Under such conditions, as shown in Table 1, as the resistance value Ra increases, the combined resistance value Rab and the voltage value Vcin across the combined capacitance Cin increase. Therefore, if the resistance value Ra of the first resistor series circuit is small (for example, 10 Ω), the voltage value Vcin across the combined capacitance Cin becomes too small (for example, 10 V). When the resistance value Ra is large (for example, 1 MΩ), the voltage value Vcin across the combined capacitance Cin is large (for example, 999 Ω), so it is difficult to say that the charge stored in the capacitors C3 and C4 is forcibly consumed. When the resistance value Ra = resistance value Rb = 1 kΩ, the power consumption value PRa consumed by the first resistor series circuit is maximum (250 W). Since the power consumption value PRb consumed by the other resistance components at this time is 250 W, the total power consumption value PRab is 500 W. In addition, the voltage Vcin across the combined capacitance Cin at this time is 500V, which is a sufficient voltage drop compared to the 1000V when the charge absorption circuit DI is not present.

上記から分かるように、抵抗値Raを小さくすれば合計消費電力値PRabが大きくなるというものではなく、合成容量Cinの両端電圧値Vcinと合計消費電力値PRabとの関係を踏まえて、抵抗値Raを調整する必要がある。本実施形態では、第1コントローラ210によって、合成容量Cinの両端電圧値Vcinが目標電圧値Vcintgとなるよう制御信号Sc1を制御する。また、第2コントローラ220によって、電荷吸収回路DIの消費電力値Pabs1,Pabs2が、消費電力値Pabs1の目標電力値Ptg1,Ptg2となるよう制御信号Sc2を制御するので、合成容量Cinの両端電圧値Vcinと合計消費電力値PRabとの関係を踏まえて、抵抗値Raを調整することができる。 As can be seen from the above, reducing the resistance value Ra does not necessarily increase the total power consumption value PRab, but rather the resistance value Ra must be adjusted in consideration of the relationship between the voltage value Vcin across the composite capacitance Cin and the total power consumption value PRab. In this embodiment, the first controller 210 controls the control signal Sc1 so that the voltage value Vcin across the composite capacitance Cin becomes the target voltage value Vcintg. In addition, the second controller 220 controls the control signal Sc2 so that the power consumption values Pabs1 and Pabs2 of the charge absorption circuit DI become the target power values Ptg1 and Ptg2 of the power consumption value Pabs1, so that the resistance value Ra can be adjusted in consideration of the relationship between the voltage value Vcin across the composite capacitance Cin and the total power consumption value PRab.

以上説明したように、本実施の形態のパルス電源装置は、コンデンサC3及びC4の直列回路と並列に接続された電荷吸収回路DIを備え、トランジスタQ11、Q12のゲート信号を制御することにより、トランジスタQ11、Q12の抵抗値を制御する。これにより、電荷吸収回路DIにおける消費電力が目標電力値になるように制御されるので、電荷吸収回路DIによって、コンデンサC3とC4とに蓄電された電荷が強制的に消費され、合成容量Cinの両端電圧値Vcinを低下させることができる。従って、第1スイッチング回路SW1から合成容量Cinに流入する電流量が、合成容量Cinから第1スイッチング回路SW1に流出する電流量よりも多くなっても、合成容量Cinの両端電圧値Vcinを目標電圧値Vcintgになるように制御することが可能となる。 As described above, the pulse power supply device of this embodiment includes a charge absorption circuit DI connected in parallel with the series circuit of capacitors C3 and C4, and controls the resistance values of transistors Q11 and Q12 by controlling the gate signals of transistors Q11 and Q12. This controls the power consumption in the charge absorption circuit DI to the target power value, so that the charge stored in capacitors C3 and C4 is forcibly consumed by the charge absorption circuit DI, and the voltage value Vcin across the composite capacitance Cin can be reduced. Therefore, even if the amount of current flowing from the first switching circuit SW1 to the composite capacitance Cin becomes greater than the amount of current flowing from the composite capacitance Cin to the first switching circuit SW1, it is possible to control the voltage value Vcin across the composite capacitance Cin to the target voltage value Vcintg.

次に、電荷吸収回路DIに、複数のトランジスタと抵抗とを有する抵抗直列回路(図2の例では、第1抵抗直列回路RS1と第2抵抗直列回路RS2の2つ)を備えている理由について説明する。
上記のように、電荷吸収回路DIは、コンデンサC3とC4とに蓄電された電荷を強制的に消費させて、合成容量Cinの両端電圧値Vcinを低下させるので、トランジスタにおいて損失が生じる。しかし、トランジスタでの損失には仕様上の限界がある。そのため、トランジスタにおいて生じる損失が大きい場合には、1つの抵抗直列回路だけでは対応できない。このような場合には、例えば、図2Aに示したように、2つの抵抗直列回路を設けて、トランジスタに流れる電流を分散させることによって、1つのトランジスタでの損失を低減させるようにすればよい。もちろん、抵抗直列回路の数は限定されておらず、使用状況によって適宜設定される。
Next, the reason why the charge absorption circuit DI is provided with resistor series circuits (two, a first resistor series circuit RS1 and a second resistor series circuit RS2 in the example of FIG. 2) each having a plurality of transistors and resistors will be described.
As described above, the charge absorption circuit DI forcibly consumes the charge stored in the capacitors C3 and C4, lowering the voltage value Vcin across the combined capacitance Cin, which causes loss in the transistor. However, there is a specification limit to the loss in the transistor. Therefore, when the loss in the transistor is large, it is not possible to deal with it with only one resistor series circuit. In such a case, for example, as shown in FIG. 2A, two resistor series circuits may be provided to distribute the current flowing through the transistor, thereby reducing the loss in one transistor. Of course, the number of resistor series circuits is not limited and may be set appropriately depending on the usage situation.

また、上述したように、本実施形態では、演算制御回路230を低電圧環境下に配置しているので、高精度、高速の演算が可能である。そのため、上記のように、複数の抵抗直列回路を用いる場合に、トランジスタの特性のバラツキによって、各トランジスタに流れる電流値にバラツキが生じたとしても、トランジスタ毎に高速制御が可能となる。例えば、損失が大きいトランジスタのゲート電圧を操作して損失を下げ、各トランジスタの損失のバラツキを低減させることができる。このように、制御安定性だけでなく機器保護の面でも効果がある。 As described above, in this embodiment, the calculation control circuit 230 is placed in a low-voltage environment, making it possible to perform calculations with high accuracy and high speed. Therefore, as described above, when multiple resistor series circuits are used, even if variations in the current values flowing through each transistor occur due to variations in the transistor characteristics, high-speed control is possible for each transistor. For example, the gate voltage of a transistor with large losses can be manipulated to lower losses, thereby reducing the variation in losses among each transistor. In this way, it is effective not only in terms of control stability but also in terms of equipment protection.

次に、上記のテーブル2302A及びテーブル2302Bの特性を、図2A、図2Bの実施形態に基づいて説明する。表1に示したように、合成容量Cinの両端電圧値Vcin(分圧回路RS3の両端電圧Vnb)が大きくなると、第1抵抗直列回路RS1及び第2抵抗直列回路RS2で消費する消費電力値PRaは、当初は大きくなっていく。その後、第1抵抗直列回路RS1及び第2抵抗直列回路RS2の消費電力値PRaとその他の抵抗成分の消費電力値PRbとが等しくなった後は、合成容量Cinの両端電圧値Vcinが大きくなるにつれて、消費電力値PRaは小さくなっていく。すなわち、横軸を合成容量Cinの両端電圧値Vcin[V]、縦軸を電力値[W]で表すと、図7に示すように、消費電力値PRaは上に凸のグラフとなる。本実施形態では、合成容量Cinの両端電圧値Vcinとして分圧回路RS3の両端電圧Vnbを検出しているので、分圧回路RS3の両端電圧Vnbに合わせて、第1抵抗直列回路RS1及び第2抵抗直列回路RS2で消費する目標電力値Ptg1、Ptg2を定めることにより、損失を少なくしつつ、電荷吸収回路DIによってコンデンサC3とC4とに蓄電された電荷を強制的に消費させることができる。 Next, the characteristics of the above-mentioned tables 2302A and 2302B will be described based on the embodiment of FIG. 2A and FIG. 2B. As shown in Table 1, when the voltage value Vcin (voltage Vnb of the voltage divider circuit RS3) across the composite capacitance Cin increases, the power consumption value PRa consumed by the first resistor series circuit RS1 and the second resistor series circuit RS2 initially increases. After that, after the power consumption value PRa of the first resistor series circuit RS1 and the second resistor series circuit RS2 and the power consumption value PRb of the other resistance components become equal, as the voltage value Vcin across the composite capacitance Cin increases, the power consumption value PRa decreases. In other words, when the horizontal axis represents the voltage value Vcin [V] across the composite capacitance Cin and the vertical axis represents the power value [W], the power consumption value PRa is a graph that is convex upward as shown in FIG. 7. In this embodiment, the voltage Vnb across the voltage divider circuit RS3 is detected as the voltage value Vcin across the combined capacitance Cin, so by determining the target power values Ptg1 and Ptg2 consumed by the first resistor series circuit RS1 and the second resistor series circuit RS2 according to the voltage Vnb across the voltage divider circuit RS3, it is possible to forcibly consume the charge stored in the capacitors C3 and C4 by the charge absorption circuit DI while reducing losses.

この際、表1に示す関係を用いて、分圧回路RS3の両端電圧Vnbから推定される消費電力値PRaを目標電力値Ptg(図2Bの場合は、PtgはPtg1とPtg2との合計となる。)とすると、比較器2303A、2303Bにおいて比較結果(誤差情報)が0(ゼロ)又は0付近になる。そうなると、制御信号Sc21、Sc22の大きさが0又は0付近となるので、第2コントローラ220における電圧制御が適切にできない。そのため、図7に示すように、目標電力値Ptgは、消費電力値PRaよりも少し大きくなるように設定する。どの程度大きくするかは、使用環境を考慮して適宜定めればよい。目標電力値Ptgを消費電力値PRaよりも少し大きくすることにより、若干の電力損失が生じるが、第1コントローラ210における電圧制御が適切に行える。 In this case, if the power consumption value PRa estimated from the voltage Vnb across the voltage divider circuit RS3 using the relationship shown in Table 1 is set as the target power value Ptg (in the case of FIG. 2B, Ptg is the sum of Ptg1 and Ptg2), the comparison result (error information) in the comparators 2303A and 2303B will be 0 (zero) or close to 0. If this happens, the magnitude of the control signals Sc21 and Sc22 will be 0 or close to 0, and the second controller 220 will not be able to perform voltage control properly. Therefore, as shown in FIG. 7, the target power value Ptg is set to be slightly larger than the power consumption value PRa. How much larger it should be can be determined appropriately taking into account the usage environment. By setting the target power value Ptg slightly larger than the power consumption value PRa, some power loss will occur, but the first controller 210 will be able to perform voltage control properly.

そして、このような特性をテーブル化したものが、テーブル2302Aとテーブル2302Bである。すなわち、図2Bに示すように、テーブル2302Aとテーブル2302Bには、分圧回路RS3の両端電圧Vnbが入力されるので、分圧回路RS3の両端電圧Vnbに対する目標電力値Ptgが定義されたものが、テーブル2302Aとテーブル2302Bとなる。なお、目標電力値Ptgは、目標電力値Ptg1と目標電力値Ptg2との合計としているので、それぞれの目標電力値は、それぞれに用いているトランジスタの特性と流れる電流を考慮して定めればよい。例えば、第1抵抗直列回路RS1と第2抵抗直列回路RS2に使用するトランジスタと抵抗とが同じ仕様のものであれば、目標電力値Ptg1と目標電力値Ptg2とは、それぞれ目標電力値Ptgの半分にすればよい。 These characteristics are tabulated in tables 2302A and 2302B. That is, as shown in FIG. 2B, the voltage Vnb across the voltage divider circuit RS3 is input to tables 2302A and 2302B, and the target power value Ptg for the voltage Vnb across the voltage divider circuit RS3 is defined in tables 2302A and 2302B. Note that the target power value Ptg is the sum of the target power value Ptg1 and the target power value Ptg2, so each target power value can be determined taking into account the characteristics of the transistors used and the current flowing therethrough. For example, if the transistors and resistors used in the first resistor series circuit RS1 and the second resistor series circuit RS2 have the same specifications, the target power value Ptg1 and the target power value Ptg2 can be set to half the target power value Ptg.

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment and includes various modified examples. For example, the above embodiment has been described in detail to clearly explain the present invention, and is not necessarily limited to having all of the configurations described. It is also possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. It is also possible to add, delete, or replace part of the configuration of each embodiment with other configurations.

1…パルス電源装置、2…第1高周波電源装置、3…第1整合器、4…第2高周波電源装置、5…第2整合器、6…プラズマ処理部、7…上位制御装置、31…直流電源、32、33…インダクタ、63…加工対象物、100…プラズマ処理システム、C1~C4…コンデンサ、Am1…第1アーム、Am2…第2アーム、CP…クランプ回路、TF…変圧器、CT…整流回路、DI…電荷吸収回路、D1~D8…ダイオード、210…第1コントローラ、220…第2コントローラ、230…演算制御回路、250、260…ドライブOPアンプ、301…第1パルス電圧発生回路、302…第2パルス電圧発生回路、303…DC/DCコンバータ、GND…接地端子、INV…インバータ回路、Q1~Q12…トランジスタ、SW1…第1スイッチング回路、SW2…第2スイッチング回路、2201A、2201B…AD変換器、2202A、2202B…DA変換器、2204、2304…光電変換回路、2301A、2301B…乗算器、2302A、2302B…テーブル、2303A、2303B…比較器、2304A、2304B…コントローラ。 1...pulse power supply, 2...first high frequency power supply, 3...first matching box, 4...second high frequency power supply, 5...second matching box, 6...plasma processing unit, 7...host control device, 31...DC power supply, 32, 33...inductor, 63...workpiece, 100...plasma processing system, C1 to C4...capacitors, Am1...first arm, Am2...second arm, CP...clamp circuit, TF...transformer, CT...rectifier circuit, DI...charge absorption circuit, D1 to D8...diodes, 210...first controller, 220...second controller, 230...arithmetic and control circuit, 250, 260...drive Eve OP amplifier, 301...first pulse voltage generating circuit, 302...second pulse voltage generating circuit, 303...DC/DC converter, GND...ground terminal, INV...inverter circuit, Q1-Q12...transistor, SW1...first switching circuit, SW2...second switching circuit, 2201A, 2201B...AD converter, 2202A, 2202B...DA converter, 2204, 2304...photoelectric conversion circuit, 2301A, 2301B...multiplier, 2302A, 2302B...table, 2303A, 2303B...comparator, 2304A, 2304B...controller.

Claims (4)

電源電圧端子と接地端子との間に直列に接続される第1スイッチング素子と第2スイッチング素子とを有し、前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子との接続点である第1出力ノードから第1パルス電圧を出力する第1スイッチング回路と、
出力端子の一方が前記第1出力ノードに接続され、前記出力端子の一方と出力端子の他方との間に接続されるコンデンサを有している昇圧回路と、
前記第1出力ノードと、前記昇圧回路の出力端子の他方との間に接続される第3スイッチング素子と第4スイッチング素子とを有し、前記昇圧回路の出力電圧に前記第1パルス電圧をオフセットとして重畳させた第2パルス電圧を前記第3スイッチング素子と前記第4スイッチング素子との接続点である第2出力ノードから出力する第2スイッチング回路と、
前記昇圧回路の出力端子間に接続されるとともに、可変抵抗手段を有する電荷吸収回路と、
前記電荷吸収回路の前記可変抵抗手段を制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、
前記電荷吸収回路の電圧及び電流を示すアナログ信号をデジタル信号に変換し、更に光信号に変換すると共に、前記可変抵抗手段を制御する制御信号を出力するコントローラと、
前記コントローラから出力された光信号を光伝送路を介して受信してデジタル信号に変換し、前記デジタル信号に基づく演算を行って、その演算結果を示すデジタル信号を光信号に変換して前記コントローラに前記光伝送路を介して送信する演算制御回路と
を備えることを特徴とする、パルス電源装置。
a first switching circuit including a first switching element and a second switching element connected in series between a power supply voltage terminal and a ground terminal, and outputting a first pulse voltage from a first output node which is a connection point between the first switching element and the second switching element;
a boost circuit having one output terminal connected to the first output node and a capacitor connected between the one output terminal and the other output terminal;
a second switching circuit including a third switching element and a fourth switching element connected between the first output node and the other of the output terminals of the boost circuit, and outputting a second pulse voltage obtained by superimposing the first pulse voltage as an offset on an output voltage of the boost circuit from a second output node which is a connection point between the third switching element and the fourth switching element;
a charge absorption circuit connected between output terminals of the boost circuit and having a variable resistance means;
a control unit for controlling the variable resistance means of the charge absorption circuit,
The control unit is
a controller for converting analog signals indicating the voltage and current of the charge absorption circuit into digital signals, and further converting the digital signals into optical signals, and outputting a control signal for controlling the variable resistance means;
a calculation control circuit that receives an optical signal output from the controller via an optical transmission line, converts it into a digital signal, performs a calculation based on the digital signal, converts the digital signal indicating the result of the calculation into an optical signal, and transmits it to the controller via the optical transmission line.
前記可変抵抗手段は、トランジスタであり、前記制御信号を調整することにより、その抵抗値を変化可能に構成される、請求項1に記載のパルス電源装置。 The pulse power supply device according to claim 1, wherein the variable resistance means is a transistor, and the resistance value of the variable resistance means is variable by adjusting the control signal. 前記可変抵抗手段は、前記トランジスタと抵抗とを直列接続してなる複数の抵抗直列回路を、互いに並列に接続して構成され、
前記コントローラは、前記複数の抵抗直列回路の各々に対応して、AD変換器及びDA変換器の組を備える、請求項2に記載のパルス電源装置。
the variable resistance means is configured by connecting a plurality of resistor series circuits, each of which is formed by connecting the transistor and a resistor in series, in parallel with each other;
3. The pulse power supply according to claim 2, wherein said controller comprises a pair of an AD converter and a DA converter corresponding to each of said plurality of resistor series circuits.
前記電荷吸収回路の両端電圧及び前記可変抵抗手段に流れる電流の値を乗算して乗算値を出力する乗算器と、
前記乗算値と設定された目標値との比較結果に従い、前記乗算値が前記目標値になるように前記可変抵抗手段の抵抗値を変更する消費電力制御手段と
を更に備え、
前記設定された目標値は、前記電荷吸収回路の両端電圧に基づいて変化するように設定される、請求項1~3のいずれか1項に記載のパルス電源装置。
a multiplier which multiplies a voltage across the charge absorbing circuit by a value of a current flowing through the variable resistance means and outputs the multiplied value;
a power consumption control means for changing a resistance value of the variable resistance means in accordance with a comparison result between the multiplied value and a set target value so that the multiplied value becomes the target value,
4. The pulse power supply according to claim 1, wherein said set target value is set so as to vary based on a voltage across said charge absorption circuit.
JP2021108278A 2021-06-30 2021-06-30 Pulse Power Supply Active JP7628903B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021108278A JP7628903B2 (en) 2021-06-30 2021-06-30 Pulse Power Supply

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021108278A JP7628903B2 (en) 2021-06-30 2021-06-30 Pulse Power Supply

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2023005957A JP2023005957A (en) 2023-01-18
JP7628903B2 true JP7628903B2 (en) 2025-02-12

Family

ID=85107281

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021108278A Active JP7628903B2 (en) 2021-06-30 2021-06-30 Pulse Power Supply

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7628903B2 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002368686A (en) 2001-06-07 2002-12-20 Oputei Japan Corporation:Kk Data optical transmission system
JP2006304585A (en) 2005-04-18 2006-11-02 Mks Instr Inc External control of the phase and frequency of the high-frequency generator

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5556549A (en) * 1994-05-02 1996-09-17 Lsi Logic Corporation Power control and delivery in plasma processing equipment
JP3162639B2 (en) * 1996-11-22 2001-05-08 株式会社三社電機製作所 Power supply

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002368686A (en) 2001-06-07 2002-12-20 Oputei Japan Corporation:Kk Data optical transmission system
JP2006304585A (en) 2005-04-18 2006-11-02 Mks Instr Inc External control of the phase and frequency of the high-frequency generator

Also Published As

Publication number Publication date
JP2023005957A (en) 2023-01-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110999059B (en) Converter
JP7165355B2 (en) power amplifier circuit
CN110999060B (en) converter
KR20230002729A (en) Impedance matching circuit and plasma supply system and method of operation
WO2019039489A1 (en) Converter
JP7613980B2 (en) Pulse Power Supply
US8854850B2 (en) AC power supply apparatus
JP4276086B2 (en) AC-DC converter with low ripple output
KR102348019B1 (en) Capacitor isolated balanced converter
CN115085530B (en) A noise suppression method, apparatus, and electronic device for a totem pole PFC circuit.
US8704599B2 (en) Switching power supply circuit
JP7628903B2 (en) Pulse Power Supply
JP6458235B2 (en) Switching power supply
JP4783905B2 (en) Zero voltage switching high frequency inverter
JP4338820B2 (en) Power supply
JP3970658B2 (en) Microwave tube power supply
JP7568455B2 (en) Pulse Generator
JP7247247B2 (en) power converter
CN113726156B (en) Resonant switching power converter
JP7341020B2 (en) Bidirectional DC/DC converter
TW201503566A (en) Dc/dc converter
CN118202565A (en) Power conversion device
JPH097778A (en) Power supply device, discharge lamp lighting device and lighting device
JP2001025242A (en) Switching power source
US7061190B2 (en) Circuit arrangement and operating device for operating lamps

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20240408

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20250109

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20250121

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20250130

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7628903

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150