特開 2022-22612 電圧変換装置及び電圧変換装を備えた高周波電源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022022612

(43)【公開日】2022-02-07

(54)【発明の名称】電圧変換装置及び電圧変換装を備えた高周波電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/155 20060101AFI20220131BHJP

   H05H 1/46 20060101ALN20220131BHJP

【ＦＩ】

H02M3/155 H

H05H1/46 R

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020112132

(22)【出願日】2020-06-29

(71)【出願人】

【識別番号】000000262

【氏名又は名称】株式会社ダイヘン

(72)【発明者】

【氏名】河野 真吾

【テーマコード（参考）】

2G084

5H730

【Ｆターム（参考）】

2G084AA02

2G084BB21

2G084CC04

2G084CC05

2G084CC11

2G084CC33

2G084DD55

2G084EE11

2G084EE12

2G084EE14

2G084EE22

2G084EE24

2G084EE25

5H730AA04

5H730AS00

5H730AS05

5H730BB13

5H730BB57

5H730CC01

5H730DD04

5H730EE52

5H730EE59

5H730FD01

5H730FG05

(57)【要約】

【課題】出力端子間の抵抗値を、電圧変換装置の出力電圧値Ｖｏｕｔに応じて調整できる電圧変換装置を提供する。
【解決手段】電圧変換装置１は、入力電圧を所定の出力電圧に変換する。電圧変換装置１は、出力端子間に接続される半導体スイッチ１６と、出力端子間の出力電圧値Ｖｏｕｔを検出する電圧検出部１７と、記憶部３２を参照することによって、半導体スイッチ１６のオン抵抗値を所望のオン抵抗値Ｒｏｎにするための電圧値であり、出力電圧値Ｖｏｕｔに対応した半導体スイッチ１６のゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓを導出する電圧設定部３１と、導出したゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓの電圧を半導体スイッチ１６のゲート端子に印加する電圧印加部３３とを備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力電圧を所定の出力電圧に変換する電圧変換装置であって、
前記出力電圧が出力される出力端子間に接続されており、前記出力電圧が印加される半導体スイッチと、
前記出力端子間の出力電圧値を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部で検出した出力電圧値に対応した前記半導体スイッチの制御端子電圧値を導出し、導出した制御端子電圧値の電圧を前記半導体スイッチの制御端子に印加する制御端子電圧印加部と
を備えた電圧変換装置。

【請求項2】

前記制御端子電圧印加部は、記憶部、電圧設定部及び電圧印加部を備えており、
前記記憶部は、前記電圧検出部で検出した出力電圧値と前記半導体スイッチの制御端子電圧値とを関連付けた情報が複数組記憶されたテーブルを有しており、
前記電圧設定部は、前記記憶部に記憶されたテーブルを参照することによって、前記電圧検出部で検出した出力電圧値に対応した前記半導体スイッチの制御端子電圧値を導出し、
前記電圧印加部は、前記導出した制御端子電圧値の電圧を前記半導体スイッチの制御端子に印加することを特徴とする請求項１に記載の電圧変換装置。

【請求項3】

前記電圧変換装置よりも後段を負荷としたときに、
複数の負荷の状態に対応するために、前記テーブルを負荷の状態毎に取得して前記記憶部に記憶しておき、
前記電圧設定部は、前記負荷の状態を判別して、その判別した負荷の状態に対応するテーブルを参照することによって、前記半導体スイッチの制御端子電圧値を導出することを特徴とする請求項２に記載の電圧変換装置。

【請求項4】

前記電圧設定部は、参照したテーブルの中に、前記電圧検出部で検出した出力電圧値に相当する情報が無い場合は、前記参照したテーブルの中にある情報に基づいて前記半導体スイッチの制御端子電圧値を導出することを特徴とする請求項２又は３に記載の電圧変換装置。

【請求項5】

前記半導体スイッチの制御端子電圧値は、前記半導体スイッチのオン抵抗値を所望のオン抵抗値にするための電圧値である請求項１～４のいずれかに記載の電圧変換装置。

【請求項6】

請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の電圧変換装置と、
該電圧変換装置から出力された直流電圧を交流電圧に変換して出力するＲＦ出力装置と
を備えた高周波電源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電圧変換装置及び電圧変換装を備えた高周波電源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ＤＣＤＣコンバータ等の電圧変換装置は、出力電圧が低い場合に、当該スイッチング電源装置の動作を安定させるため、出力端子間に定抵抗が設けられる場合がある。

【0003】

図１２は、出力端子間に定抵抗が設けられた電圧変換装置５０の一例（従来技術）である。図１２の電圧変換装置５０は、直流電源部１１、半導体スイッチ１２、ダイオード１３、インダクタ１４、平滑コンデンサ１５、出力制御部２１及び目標電力値設定部２２を含む。これらの構成により、電圧変換装置５０は、直流電源部１１から印加された直流電圧を降圧し、降圧した直流の出力電圧を負荷５に供給する非同期整流方式の降圧型ＤＣＤＣコンバータとして機能する。

【0004】

電圧変換装置５０は、更に、半導体スイッチ５１、抵抗５２、電圧変換装置５０の出力電圧の電圧値（出力電圧値Ｖｏｕｔ）を検出する電圧検出部１７及び半導体スイッチ５１のオンオフ制御を行うオンオフ制御部５３を備えている。
なお、図１２の電圧変換装置５０のように、出力端子間に半導体スイッチ及び抵抗を備えた技術を記載した文献としては、例えば、特許文献１がある。

【0005】

図１２の電圧変換装置５０では、出力電圧が低く、負荷５のインピーダンスが高いと、出力電流が小さくなって動作が安定し難くなる。そのため、出力電圧が低い場合には、半導体スイッチ５１をオンにして、抵抗５２にも電流が流れるようにする。これにより電圧変換装置５０の安定動作を図っている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１４－０５４０２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、図１２の電圧変換装置５０では、抵抗５２の抵抗値は、固定値である。また、半導体スイッチ５１のオン抵抗値も略一定値である。そのため、半導体スイッチ５１がオンとなる領域では、電圧変換装置５０の出力電圧が高くなるに従って、損失電力値が大きくなる。また、半導体スイッチ５１をオンさせるか否かの出力電圧の闇値の前後で、急激に抵抗値が変化することになる。すなわち、電圧変換装置５０の出力端から見た負荷５のインピーダンスが急変するので、安定性の面で問題が生じる。

【0008】

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされるものであり、出力端子間に出力電圧に応じた抵抗値を有する可変抵抗を備えた電圧変換装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0009】

第１の発明によって提供される電圧変換装置は、
入力電圧を所定の出力電圧に変換する電圧変換装置であって、
前記出力電圧が出力される出力端子間に接続されており、前記出力電圧が印加される半導体スイッチと、
前記出力端子間の出力電圧値を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部で検出した出力電圧値に対応した前記半導体スイッチの制御端子電圧値を導出し、導出した制御端子電圧値の電圧を前記半導体スイッチの制御端子に印加する制御端子電圧印加部と
を備えたことを特徴としている。

【0010】

第２の発明によって提供される電圧変換装置は、
前記制御端子電圧印加部が、記憶部、電圧設定部及び電圧印加部を備えており、
前記記憶部は、前記電圧検出部で検出した出力電圧値と前記半導体スイッチの制御端子電圧値とを関連付けた情報が複数組記憶されたテーブルを有しており、
前記電圧設定部は、前記記憶部に記憶されたテーブルを参照することによって、前記電圧検出部で検出した出力電圧値に対応した前記半導体スイッチの制御端子電圧値を導出し、
前記電圧印加部は、前記導出した制御端子電圧値の電圧を前記半導体スイッチの制御端子に印加することを特徴としている。

【0011】

第３の発明によって提供される電圧変換装置は、
前記電圧変換装置よりも後段を負荷としたときに、
複数の負荷の状態に対応するために、前記テーブルを負荷の状態毎に取得して前記記憶部に記憶しておき、
前記電圧設定部は、前記負荷の状態を判別して、その判別した負荷の状態に対応するテーブルを参照することによって、前記半導体スイッチの制御端子電圧値を導出することを特徴としている。

【0012】

第４の発明によって提供される電圧変換装置は、前記電圧設定部に関するものであり、
前記電圧設定部は、参照したテーブルの中に、前記電圧検出部で検出した出力電圧値に相当する情報が無い場合は、前記参照したテーブルの中にある情報に基づいて前記半導体スイッチの制御端子電圧値を導出することを特徴としている。

【0013】

第５の発明によって提供される電圧変換装置は、
前記半導体スイッチの制御端子電圧値が、前記半導体スイッチのオン抵抗値を所望のオン抵抗値にするための電圧値であることを特徴としている。

【0014】

第６の発明によって提供される高周波電源装置は、
第１の発明から第５の発明のいずれか一つに記載の電圧変換装置と、
該電圧変換装置から出力された直流電圧を交流電圧に変換して出力するＲＦ出力装置とを備えたことを特徴としている。

【発明の効果】

【0015】

本発明では、出力端子間に接続されて前記出力電圧が印加される半導体スイッチを出力電圧に応じた抵抗値を有する可変抵抗として機能させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】第１実施形態に係るプラズマ制御システムの一構成例を示す模式図である。

【図2】第１実施形態に係る電圧変換装置１の一構成例を示す模式的回路構成図である。

【図3】半導体スイッチ１６のドレイン・ソース間電圧値Ｖｄｓに対するドレイン電流Ｉｄ及びゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓの特性例を示す図である。

【図4】半導体スイッチ１６のドレイン・ソース間電圧値Ｖｄｓに対する所望のオン抵抗値Ｒｏｎ［Ω］、ドレイン電流値Ｉｄ［Ａ］、所望のオン抵抗値Ｒｏｎにするためのゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓ［Ｖ］及び半導体スイッチ１６の損失電力値Ｗｌｏｓｓ［Ｗ］の一例である。

【図5】出力電圧値Ｖｏｕｔ（横軸）と所望のオン抵抗値Ｒｏｎ（縦軸）との関係をグラフ化したものである。なお、所望のオン抵抗値Ｒｏｎ（縦軸）は、対数で表している。

【図6】出力電圧値Ｖｏｕｔ（横軸）と所望のオン抵抗値Ｒｏｎにするためのゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓ（縦軸）との関係をグラフ化したものである。

【図7】出力電圧値Ｖｏｕｔ（横軸）と半導体スイッチ１６のドレイン電流値Ｉｄ（縦軸）との関係をグラフ化したものである。

【図8】出力電圧値Ｖｏｕｔ（横軸）と半導体スイッチ１６の損失電力値Ｗｌｏｓｓ（縦軸）との関係をグラフ化したものである。

【図9】負荷の状態が異なる場合のゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓに対するオン抵抗値Ｒｏｎの一例を示す図である。

【図10】記憶部３２に複数のテーブルを記憶した例である。図１０では、一例として３つのテーブルが記憶されている例を示している。

【図11】第２実施形態に係る電圧変換装置の一構成例を示す模式的回路構成図である。

【図12】出力端子間に定抵抗が設けられた電圧変換装置５０の一例（従来技術）である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本発明に関する電圧変換装置１は、例えば、プラズマ制御システム等の構成部位と一つして用いられるものであり、以下にその実施形態を示す図面に基づいて詳述する。なお、簡略化のため、従来技術と同一または類似の要素には、同一の符号を付している。

【0018】

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係るプラズマ制御システムの一構成例を示す模式図である。プラズマ制御システムは、例えば、半導体整合プロセスにおけるエッチング等のプラズマ処理を行う場合に用いられ、高周波電源装置１００、整合器３及びプラズマ負荷４を含む。高周波電源装置１００は、電圧変換装置１とＲＦ出力装置とを含む。

【0019】

プラズマ負荷４は、プラズマが発生するプラズマチャンバー（図示せず）を備え、高周波電源装置１００から供給された高周波電力によって、当該プラズマチャンバー内でプラズマを発生させ、半導体整合プロセスにおけるエッチング等のプラズマ処理を行う。

【0020】

高周波電源装置１００は、例えば、２ＭＨｚ、１３．５６ＭＨｚ、２７ＭＨｚ又は６０ＭＨｚ等のＲＦ帯（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）の高周波電圧（高周波電力）を出力する交流電源であり、出力インピーダンスは、例えば５０Ω等の所定の値に設定されている。この高周波電源装置１００は、入力された直流電圧を所定の直流電圧に変換して出力する電圧変換装置１と、電圧変換装置１が出力した出力電圧を、例えばインバータ回路（図示せず）によって所定の高周波交流電圧（ＲＦ電圧）に変換して出力するＲＦ出力装置２（ＲＦ電源）とを含む。
なお、このような高周波電源装置１００では、例えば出力端における電力値が所望の電力値になるように制御されるので、以下では、電圧ではなく電力を制御量として記載している箇所がある。

【0021】

整合器３は、高周波電源装置１００とプラズマ負荷４との間に介装されている。整合器３は、例えば、高周波電源装置１００の出力インピーダンスと、高周波電源装置１００の出力端又は当該出力端と同等の箇所である整合器３の入力端からプラズマ負荷４側を見た負荷側インピーダンスとが整合するように、内部の可変コンデンサ（図略）の容量値等を調整する装置である。この整合器３の機能によって、プラズマ負荷４からの反射電力の抑制を行うことができる。なお、整合器３は必須の構成でなく、プラズマ負荷４と高周波電源装置１００とを直結してもよい。

【0022】

図２は、第１実施形態に係る電圧変換装置１の一構成例を示す模式的回路構成図である。電圧変換装置１は、直流電源部１１、半導体スイッチ１２、ダイオード１３、インダクタ１４、平滑コンデンサ１５及び半導体スイッチ１２の制御を行う出力制御部２１を含む。これらの構成により、電圧変換装置１は、直流電源部１１から印加された直流電圧を降圧し、降圧した直流の出力電圧を負荷５に供給する非同期整流方式の降圧型ＤＣＤＣコンバータとして機能する。なお、図２では、図１に示したＲＦ出力装置２及び整合器３を省略している。すなわち、図２では、電圧変換装置１の出力端よりも後段の構成を負荷５としている。なお、半導体スイッチ１２は、例えば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が用いられる。また、図２の半導体スイッチ１２には、ボディダイオードも図示している。

【0023】

電圧変換装置１は、更に、出力端子間（正極側出力端子４１と負極側出力端子４２との間）に接続された半導体スイッチ１６、電圧変換装置１の出力電圧の電圧値（出力電圧値Ｖｏｕｔ）を検出する電圧検出部１７及び半導体スイッチ１６のゲート端子（制御端子）にゲート・ソース間電圧（制御端子電圧）を印加する制御端子電圧印加部３０を備えている。なお、半導体スイッチ１６は、例えば、電界効果トランジスタが用いられる。また、図２の半導体スイッチ５１には、ボディダイオードも図示している。

【0024】

直流電源部１１は、例えば、商用の交流電源を変圧した後に全波整流し平滑した直流電源又は大容量蓄電池等である。

【0025】

半導体スイッチ１２は、例えばｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴであり、出力制御部２１からの制御に関する信号が、ゲート端子に入力される。半導体スイッチ１２は、ドレインを直流電源部１１の正極側に向けて、直流電源部１１の正極側とインダクタ１４との間に介装され、インダクタ１４と直列に接続されている。

【0026】

ダイオード１３は、アノードを直流電源部１１の正極側に向けて、半導体スイッチ１２とインダクタ１４との接続接点から分岐させてインダクタ１４と並列に接続されている。

【0027】

平滑コンデンサ１５は、インダクタ１４の負荷側端子と直流電源部１１の負極側出力端子との間に介装され、ダイオード１３とはインダクタ１４を介して並列に接続されている。平滑コンデンサ１５は、負荷Ｓ３と並列に接続してあり平滑した直流電圧を負荷５に出力する。

【0028】

半導体スイッチ１６は、例えばｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴであり、ドレインを直流電源部１１の正極側に向けて、電圧変換装置の出力端子間に接続さている。また、半導体スイッチ１６は、制御端子電圧印加部３０によってゲート端子にゲート・ソース間電圧が印加される。半導体スイッチ１６は、ゲート端子に入力される電圧値を制御することにより、オン抵抗値Ｒｏｎを調整できる。

【0029】

電圧検出部１７は、平滑コンデンサ１５で平滑された出力電圧の電圧値（出力電圧値Ｖｏｕｔ）を検出し、制御端子電圧印加部３０（より具体的には、電圧設定部３１）に出力する。なお、電圧検出部１７で検出した出力電圧値Ｖｏｕｔを出力制御部２１に出力してもよい。また、電圧検出部１７は、ローパスフィルタを含むものであってもよい。

【0030】

また、図２では、プラズマ負荷４（図１参照）に供給される電力値を電力検出部２４によって検出し、検出した電力値（検出電力値）を出力制御部２１に入力する構成を例示している。
なお、検出対象となる電力値がプラズマ負荷４に供給される高周波電力の電力値の場合、通常は、高周波電源装置１００から出力されてプラズマ負荷４側に向かう進行波電力が検出対象となるが、進行波電力から反射波電力を減じた負荷側電力を検出対象としてもよい。このような場合、電力検出部２４は、例えば、プラズマ負荷４の近傍に設けられるが、これに限定されない。例えば、ＲＦ出力装置２の出力端、整合器３の入力端又は整合器３の出力端の近傍に設けることがある。

【0031】

出力制御部２１は、例えばＰＩＤ制御等のフィードバック制御を行うことによって、電力検出部２４によって検出された電力値が、目標電力値設定部２２によって設定される目標電力値に近づくように、半導体スイッチ１２のオンオフ制御を行う。
具体的には、検出された電力値が目標電力値よりも小さい場合は、電圧変換装置１から出力する電圧の電圧値が大きくなるように、半導体スイッチ１２のオンオフ制御を行う。例えば、ＰＷＭ制御における半導体スイッチ１２のオン時間の割合を大きくする。
反対に、検出された電力値（検出電力値）が目標電力値よりも大きい場合は、電圧変換装置１から出力する電圧の電圧値を小さくする。例えば、ＰＷＭ制御における半導体スイッチ１２のオン時間の割合を小さくする。

【0032】

電圧変換装置１を図１に示したプラズマ制御システムに適用する場合、ＲＦ出力装置２から出力される高周波電力の電力値は、電圧変換装置１から出力される電圧値に基づいて定まる。そのため、電圧変換装置１の出力電圧を制御することによって、プラズマ負荷４に供給される高周波電力の電力値を所望の値に制御することができる。
なお、電圧変換装置１における半導体スイッチ１２の制御方法は上記に限定されない。例えば、電圧検出部１７によって検出された電圧変換装置１の出力端における電圧値が、目標電圧値設定部２３によって設定された目標電圧値と等しくなるように、半導体スイッチ１２のオンオフ制御を行うようにしてもよい。目標電力値設定部２２及び目標電圧値設定部２３は、高周波電源装置１００内に設けてもよいし、外部装置に設けてもよい。

【0033】

制御端子電圧印加部３０は、電圧設定部３１、記憶部３２及び電圧印加部３３を含む。
電圧設定部３１は、電圧検出部１７が検出した電圧値（出力電圧値Ｖｏｕｔ）を入力し、この出力電圧値Ｖｏｕｔに対応したゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓを定める、このゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓは、記憶部３２に記憶された情報に基づいて定める。

【0034】

記憶部３２は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等により構成されている。他の方式の記憶媒体であってもよい。この記憶部３２は、後述するように、半導体スイッチ１６のドレイン・ソース間電圧値Ｖｄｓと半導体スイッチ１６のオン抵抗値を所望のオン抵抗値Ｒｏｎにするためのゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓとの関係を示す情報が記憶されている。
なお、図２の構成の場合、ドレイン・ソース間電圧値Ｖｄｓは電圧検出部１７が検出した出力電圧値Ｖｏｕｔに相当するので、上記の情報は、出力電圧値Ｖｏｕｔとゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓとを関連付けた情報でもある。また、これらの情報は、後述するようにテーブルに複数組記憶されている。

【0035】

電圧印加部３３は、電圧設定部３１で定められたゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓを半導体スイッチ１６のゲート端子に印加する。電圧印加部３３は、必要に応じて電圧源を有する。

【0036】

次に、電圧設定部３１と記憶部３２との関係について説明する。
図３は、半導体スイッチ１６のドレイン・ソース間電圧値Ｖｄｓに対するドレイン電流Ｉｄ及びゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓの特性例を示す図である。
この図３を参照すると、例えば、ドレイン・ソース間電圧値Ｖｄｓが１０［Ｖ］のときに、半導体スイッチ１６のオン抵抗値Ｒｏｎを１０［Ω］にするためのゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓは、オームの法則により、Ｉｄ＝Ｖｄｓ／Ｒｏｎ＝１［Ａ］となる。
そのため、図３の例では、ドレイン・ソース間電圧値Ｖｄｓが１０［Ｖ］であり、ドレイン電流値Ｉｄが１［Ａ］の場合のゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓは３［Ｖ］なので、３［Ｖ］を半導体スイッチ１６のゲートに印加すれば、半導体スイッチ１６のオン抵抗値Ｒｏｎを１０［Ω］にすることができる。
なお、上記のような情報は、実際に使用する半導体スイッチ１６を用いて予め取得するのが望ましい。もちろん、実際に使用する半導体スイッチ１６と同じ型式の半導体スイッチであれば、同じ特性を示すものとして扱う等、実用性を考慮した運用を行うこともできる。

【0037】

図４は、半導体スイッチ１６のドレイン・ソース間電圧値Ｖｄｓに対する所望のオン抵抗値Ｒｏｎ［Ω］、ドレイン電流値Ｉｄ［Ａ］、所望のオン抵抗値Ｒｏｎにするためのゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓ［Ｖ］及び半導体スイッチ１６の損失電力値Ｗｌｏｓｓ［Ｗ］の一例である。なお、半導体スイッチ１６の損失電力値Ｗｌｏｓｓは、半導体スイッチ１６のドレイン・ソース間電圧値Ｖｄｓに対して所望のオン抵抗値Ｒｏｎになったときの損失電力値であり、Ｗｌｏｓｓ＝Ｖｄｓ^２／Ｒｏｎで求めることができる。

【0038】

図４を参照すると、例えば、半導体スイッチ１６のドレイン・ソース間電圧値Ｖｄｓが１０［Ｖ］のときに、オン抵抗値Ｒｏｎを７［Ω］にしたいときは、ゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓを８．１３［Ｖ］にすればよいことが分かる。また、そのときのドレイン電流値Ｉｄは１．４３［Ａ］であり、半導体スイッチ１６の損失電力値Ｗｌｏｓｓは、１４．２９［Ｗ］であることが分かる。他のドレイン・ソース間電圧値Ｖｄｓのときにも同様にして各値を求めることができる。

【0039】

また、図２の構成の場合、電圧検出部１７で検出した出力電圧値Ｖｏｕｔは、半導体スイッチ１６のドレイン・ソース間電圧値Ｖｄｓに相当するので、電圧検出部１７で検出した出力電圧値Ｖｏｕｔが１０［Ｖ］のときに、半導体スイッチ１６のオン抵抗値Ｒｏｎを７［Ω］にしたいときは、ゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓを８．１３［Ｖ］にすればよいことになる。
そのため、図４のうちの半導体スイッチ１６のドレイン・ソース間電圧値Ｖｄｓと所望のオン抵抗値Ｒｏｎにするためのゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓとの関係を記憶部３２に記憶しておけば、電圧検出部１７で検出した出力電圧値Ｖｏｕｔのときに、所望の半導体スイッチ１６のオン抵抗値Ｒｏｎにするためのゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓを求めることができる。
また、図２の構成の場合、ドレイン・ソース間電圧値Ｖｄｓは電圧検出部１７が検出した出力電圧値Ｖｏｕｔに相当するので、上記の情報は、出力電圧値Ｖｏｕｔとゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓとを関連付けた情報でもある。

【0040】

また、これらの情報はテーブルに複数組記憶されているので、電圧設定部３１は記憶部３２に記憶されたテーブルテーブルを参照することによって、出力電圧値Ｖｏｕｔのときに、所望の半導体スイッチ１６のオン抵抗値Ｒｏｎにするためのゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓを求めることができる。
なお、このテーブルの情報をグラフ化したものが、後述する図６になる。図４と図６に示した例では、テーブルには８組の情報が記憶されているが、この情報の数は一例である。一般的に、情報の数が多いほど制御精度が良くなるが、その分、情報を取得する工数が増えるため、情報の数は実際の状況を踏まえて決定すればよい。

【0041】

従って、電圧設定部３１は、電圧検出部１７が検出した出力電圧値Ｖｏｕｔを入力し、この出力電圧値Ｖｏｕｔに対応するゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓを求めて（導出し）、電圧印加部３３が半導体スイッチ１６のゲート端子に印加すればよい。これにより、所望のオン抵抗値Ｒｏｎで半導体スイッチ１６をオンにするので、ドレイン電流Ｉｄを制御することができる。

【0042】

なお、上記のように所望の半導体スイッチ１６のオン抵抗値Ｒｏｎにするためのゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓを求める際には、負荷（ここでは電圧変換装置１の出力端よりも後段）の状態（例えば負荷インピーダンス）を一定にして行う。理由は、負荷の状態が異なると、同じ作業をして所望の半導体スイッチ１６のオン抵抗値Ｒｏｎにするためのゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓを求めたとしても、異なる値になってしまうからである。そうなると、ゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓの制御精度が低下してしまう。そのため、所望の半導体スイッチ１６のオン抵抗値Ｒｏｎにするためのゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓを求める際には、できるだけ負荷の状態を一定にして行い、ゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓの制御精度が低下しないようにするのが望ましい。

【0043】

また、記憶部３２に記憶されている情報は離散値であるため、電圧検出部１７が検出した出力電圧値Ｖｏｕｔに対応するゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓが記憶されていない場合がある。そのような場合は、記憶されているゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓを用いて補間演算を行い、電圧検出部１７が検出した出力電圧値Ｖｏｕｔに対応するゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓを導出すればよい。
また、補間演算ではなく、関数を用いて記憶されていないゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓを導出するようにしてもよい。
又は、記憶部３２に記憶されているドレイン・ソース間電圧値Ｖｄｓの中で一番近似するものを選択し、選択したドレイン・ソース間電圧値Ｖｄｓに対応するゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓを導出してもよい。

【0044】

また、制御開始時、すなわち、電圧設定部３１に電圧検出部１７が検出した出力電圧値Ｖｏｕｔが入力されていないときには、例えば、予め定めた所定のゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓを初期値にすることができる。又は、電圧設定部３１は、出力制御部２１と通信等することによってプラズマ負荷４に供給すべき目標電力値に基づいて定まる電圧変換装置１の出力端の目標電圧値を取得し、当該目標電圧値に基づいてゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓの初期値を決定してもよい。

【0045】

次に、図５～図７を参照して、制御端子電圧印加部３０の機能を説明する。
なお、上述したように、図２の構成の場合、電圧検出部１７が検出した出力電圧値Ｖｏｕｔは、半導体スイッチ１６のドレイン・ソース間電圧値Ｖｄｓに相当するので、ドレイン・ソース間電圧値Ｖｄｓの代わりに出力電圧値Ｖｏｕｔを用いて説明する。

【0046】

図５は、出力電圧値Ｖｏｕｔ（横軸）と所望のオン抵抗値Ｒｏｎ（縦軸）との関係をグラフ化したものである。なお、所望のオン抵抗値Ｒｏｎ（縦軸）は、対数で表している。
図６は、出力電圧値Ｖｏｕｔ（横軸）と所望のオン抵抗値Ｒｏｎにするためのゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓ（縦軸）との関係をグラフ化したものである。
図７は、出力電圧値Ｖｏｕｔ（横軸）と半導体スイッチ１６のドレイン電流値Ｉｄ（縦軸）との関係をグラフ化したものである。
図８は、出力電圧値Ｖｏｕｔ（横軸）と半導体スイッチ１６の損失電力値Ｗｌｏｓｓ（縦軸）との関係をグラフ化したものである。

【0047】

図５に示すように、出力電圧値Ｖｏｕｔに対応した所望のオン抵抗値Ｒｏｎは、出力電圧値Ｖｏｕｔの上昇に応じて高くしている。ドレイン・ソース間電圧値Ｖｄｓと対応する所望のオン抵抗値Ｒｏｎとの関係は、電圧変換装置１の回路構成、回路を構成する各素子の特性等に基づいて、適宜決定される。従って、電圧変換装置１の回路構成等に好適な出力電圧値Ｖｏｕｔと対応する所望のオン抵抗値Ｒｏｎとの関係を決定し、半導体スイッチ１６の損失電力値Ｗｌｏｓｓを効率的に低減させることができる。

【0048】

図４、図５に示すように、例えば、出力電圧値Ｖｏｕｔ（ドレイン・ソース間電圧値Ｖｄｓ）が２００［Ｖ］のときの所望のオン抵抗値Ｒｏｎは、１，２００［Ω］である。そのため、半導体スイッチ１６のオン抵抗値を所望のオン抵抗値Ｒｏｎである１，２００［Ω］に調整することができれば、オームの法則により、ドレイン電流値Ｉｄは、０．１７［Ａ］となる。そして、このような出力電圧値Ｖｏｕｔに対応した所望のオン抵抗値Ｒｏｎにするための半導体スイッチ１６のゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓは６．２４［Ｖ］である。

【0049】

また、出力電圧値Ｖｏｕｔが８００［Ｖ］のときの所望のオン抵抗値Ｒｏｎは、８０，０００［Ω］である。そのため、半導体スイッチ１６のオン抵抗値を所望のオン抵抗値Ｒｏｎである８０，０００［Ω］に調整することができれば、オームの法則により、ドレイン電流値Ｉｄは、０．０１［Ａ］となる。そして、このような出力電圧値Ｖｏｕｔに対応した所望のオン抵抗値Ｒｏｎにするための半導体スイッチ１６のゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓは５．２３［Ｖ］である。

【0050】

上記の例では、出力電圧値Ｖｏｕｔが４倍（８００／２００＝４）に上昇する際に、所望のオン抵抗値Ｒｏｎは約６７倍（８０，０００／１，２００≒６７）になる。
すなわち、図５に示すように、出力電圧値Ｖｏｕｔの上昇に伴い、所望のオン抵抗値Ｒｏｎを大幅に大きくしている。その結果、図６に示すように、出力電圧値Ｖｏｕｔの上昇に伴い、半導体スイッチ１６のゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓが大幅に小さくなる。また、図７に示すように、出力電圧値Ｖｏｕｔの上昇に伴い、ドレイン電流値Ｉｄが大幅に小さくなる。
このときの半導体スイッチ１６の損失電力値Ｗｌｏｓｓは、Ｖｏｕｔ^２／Ｒｏｎで表されるので、図８のような出力電圧値Ｖｏｕｔに対する損失電力値の特性が得られる。すなわち、出力電圧値Ｖｏｕｔに対する所望のオン抵抗値Ｒｏｎを適宜定めることによって、損失電力値Ｗｌｏｓｓを調整できることが分かる。

【0051】

上述したように、出力電圧値Ｖｏｕｔの上昇率の２乗よりも、所望のオン抵抗値Ｒｏｎの上昇率の方が大きいと、出力電圧値Ｖｏｕｔの上昇に伴い、損失電力値が小さくなっていく。
図８に示した例では、出力電圧値Ｖｏｕｔが約５０～３００Ｖまでの領域では、損失電力値が略一定値となるように所望のオン抵抗値Ｒｏｎを定め、出力電圧値Ｖｏｕｔが約３００Ｖ以上の領域では、損失電力値が徐々に低下するように所望のオン抵抗値Ｒｏｎを定めている。

【0052】

なお、損失電力値が略一定値となる領域を「損失電力値一定領域」とすると、「損失電力値一定領域」は、損失電力値が略一定であればよく、所定の範囲（例えば、プラスマイナス５Ｗの範囲）に収まっていればよい。
また、図８に示した例では、「損失電力値一定領域」と「非損失電力値一定領域」とに分けることができるが、これに限定されない。
すなわち、本実施形態の構成では、電圧変換装置１の出力端子間の抵抗値を自在に定めることができるので、損失電力値という観点で、電圧変換装置１の出力端子間の抵抗値を定めることができる。
例えば、電圧変換装置１の出力電圧値Ｖｏｕｔが低い領域においては、図７に示した例よりもドレイン電流を多く流したとしても、損失電力値の絶対値が小さく、装置の許容値に十分収まる場合がある。そのような場合には、制御の応答性を高めるために、敢えて損失電力値を大きくして運用することができる。

【0053】

＜第２実施形態＞
第１実施形態で説明した電圧変換装置１は、負荷の状態（例えば負荷インピーダンス）があまり変動しない場合（一定、又は、ほぼ一定の場合）に適している。
しかし、図４で説明した情報を取得するときと負荷の状態が異なる場合は、ゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓの制御精度が低下してしまう。この現象を、図９を用いて説明する。

【0054】

図９は、負荷の状態が異なる場合のゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓに対するオン抵抗値Ｒｏｎの一例を示す図である。
この図９に示すように、例えば、負荷が複数の異なるインピーダンスになる場合は、ゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓが同じであっても、ドレイン・ソース間電圧値Ｖｄｓによって所望のオン抵抗値Ｒｏｎが異なる。

【0055】

図１０は、記憶部３２に複数のテーブルを記憶した例である。図１０では、一例として３つのテーブルが記憶されている例を示している。
図９で説明した問題を解決するために、図１０に示すように、記憶部３２に負荷の状態毎に取得したテーブルを記憶しておけばよい。

【0056】

上述したように、テーブルには、出力電圧値Ｖｏｕｔとゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓとを関連付けた情報が複数組記憶されている。また、テーブルには、どのような負荷の状態に対応するかを示す識別子が記憶されているので、識別子に基づいて、どのテーブルを参照すればよいのかが分かるようになっている。

【0057】

図１１は、第２実施形態に係る電圧変換装置の一構成例を示す模式的回路構成図である。
図１０で説明したように、記憶部３２に複数のテーブルが記憶されている場合は、負荷の状態を判別するための負荷情報を取得し、電圧設定部３１に入力する。また、負荷情報には、どのような負荷の状態に対応するかを示す識別子が含まれている。そのため、電圧設定部３１は、入力された負荷情報に基づいて参照すべきテーブルを記憶部３２の中から選定することができる。これにより、負荷の状態が複数あったとしても、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。なお、負荷情報は、例えば、外部装置から提供される。

【0058】

次に、本実施形態の制御端子電圧印加部３０の作用効果について説明する。
（１）本実施形態の制御端子電圧印加部３０を用いれば、電圧変換装置１の出力端子間の抵抗値（実施形態では所望のオン抵抗値Ｒｏｎ）を、電圧変換装置１の出力電圧値Ｖｏｕｔに応じて調整することができる。しかも、その抵抗値を自在に定めることができるので、電圧変換装置１の出力電圧値Ｖｏｕｔに適した抵抗値にすることができる。すなわち、電圧変換装置１の出力端子間に接続した半導体スイッチを出力電圧に応じた抵抗値を有する可変抵抗として機能させることができる。
また、電圧変換装置１の出力端子間の抵抗値を定める際に、フィードバック制御が必要でないので、応答速度が早い。
また、本実施形態では、出力電圧値Ｖｏｕｔと所望のオン抵抗値Ｒｏｎとの対応を示すテーブルを用いることができる。そのため、テーブルを参照するという簡易な方法で、出力電圧値Ｖｏｕｔに対応する所望のオン抵抗値Ｒｏｎにするためのゲート・ソース間電圧値Ｖｇｓを導出することができる。

【0059】

（２）本実施形態の制御端子電圧印加部３０を用いれば、電圧変換装置１の出力電圧値Ｖｏｕｔが高くなるほど、所望のオン抵抗値Ｒｏｎを大きくすることができる。そのため、電圧変換装置１の出力電圧値Ｖｏｕｔが低い領域において、電圧変換装置１の出力電圧値Ｖｏｕｔが高くなっても、損失電力値が増加しないように所望のオン抵抗値Ｒｏｎを定めることができる。図８を参照して説明すると、出力電圧値Ｖｏｕｔが約５０～３００Ｖまでの領域では、損失電力値が略一定値となるように所望のオン抵抗値Ｒｏｎを定めることができる。

【0060】

（３）本実施形態の制御端子電圧印加部３０を用いれば、電圧変換装置１の出力電圧が大きくなっても（図７の例では、例えば３００Ｖ以上）になっても、ドレイン電流が急激な変化（突然０になる等）をしない。そのため、半導体スイッチ１６の制御によって負荷が急変してしまう恐れを低減できる。これに対して、従来技術では半導体スイッチ５１をオフさせたときにドレイン電流が０になるので、半導体スイッチ５１のオン／オフにより、負荷が急変してしまう恐れが高まる。そのため、本発明の方が従来技術よりも安定性の面で優れている。

【0061】

（４）本実施形態の制御端子電圧印加部３０を用いれば、電圧変換装置１の出力電圧値Ｖｏｕｔが高い領域においても、その出力電圧に応じたドレイン電流が流れる。そして、出力電圧値Ｖｏｕｔが低い程、ドレイン電流が大きくなっていく。そのため、電圧変換装置１の出力電圧値Ｖｏｕｔが高い電圧値から低い電圧値に変動した際には、従来技術に比べて、電圧変換装置１のコンデンサの電荷が放出する時間を短くできる。従って、従来技術よりも応答性が良い。

【0062】

電圧変換装置１は、非同期整流方式の降圧型ＤＣＤＣコンバータとしたが、これに限定されない。電圧変換装置１は、出力電圧が低い場合に所定の電流を確保する必要があるコンバータを含み、例えば、昇圧コンバータ、昇降圧コンバータ、非反転昇降圧コンバータ、Ｃｕｋコンバータ、Ｓｃｐｉｃコンバータ、Ｚｅｔａコンバータ、フォワードコンバータ、フライバックコンバータ、ハーフブリッジコンバータ、フルブリッジコンバータ、インターリーブ又はマルチフェーズ回路に適用することができる。

【0063】

また、上記の実施形態では、出力端子間に可変抵抗として機能する半導体スイッチ１６を設けたが、この構成に限定されない。例えば、半導体スイッチ１６と直列に抵抗を接続してもよい。その場合は、半導体スイッチ１６と直列に接続した抵抗との合成抵抗値が、所望の抵抗値になるように、半導体スイッチ１６を制御すればよい。

【0064】

また、上記の実施形態では、半導体スイッチとしてＦＥＴを用いて説明したが、これに限定されない。半導体スイッチの制御端子に印加する電圧値を変化させることによって、オン抵抗値が変化するものであれば適用することができる。

【0065】

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0066】

１ 電圧変換装置（ＤＣＤＣコンバータ）
２ ＲＦ出力装置
３ 整合器
４ プラズマ負荷（負荷）
５ 電圧変換装置の出力端よりも後段を見た負荷
１００ 高周波電源装置
１１ 直流電源部
１２ 半導体スイッチ
１３ ダイオード
１４ インダクタ
１５ 平滑コンデンサ
１６ 半導体スイッチ
１７ 電圧検出部
２１ 出力制御部
２２ 目標電力値設定部
２３ 目標電圧値設定部
２４ 電力検出部
３０ 制御端子電圧印加部
３１ 目標電流値設定部
３２ 記憶部
３３ 電圧印加
４１ 正極側出力端子
４２ 負極側出力端子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】