高频电源装置及高频电力的输出控制方法与流程

本发明关于高频电源装置和高频电力的输出控制方法，并关于以2电平以上的多个阶段输出高频的脉冲输出的高频电源装置、以及以多个阶段的输出电平和输出高频的脉冲输出的方法。

背景技术：

1、在高频电源装置中，以高频放大器对高频信号进行电力放大而输出高频的脉冲输出。输出为1kw以上且频率范围为27mhz～100mhz的高频的脉冲输出是被应用于例如半导体制造装置或平面面板显示器(液晶面板、有机面板)制造装置、太阳光面板制造装置、co2激光加工机等的产业用途。

2、在半导体制造过程中，以如将高频电源装置的脉冲输出设为高(high)和低(low)的2电平、或者高(high)和低(low)和零(zero)的3电平的方式，切换成多个阶段而输出的多电平脉冲功能的需求变高。

3、另外，从减少制造成本的生产率的观点、以及减少co2所导致的环境的观点来看，存在要求高效率的电力转换效率的倾向。

4、在放大器中，晶体管的瞬时消耗电力是以瞬时电流与瞬时电压的积表示，瞬时消耗电力的rf-周期积分值的时间平均成为晶体管的时间平均消耗电力。

5、a级放大器是晶体管的漏极端子中的电流和电压彼此反相的正弦波，在a级动作中，电流、电压波形的重叠部分大。因此，放大器的效率低。b级动作是将漏极电流通过偏压设为半波整流波形，将漏极电压设为正弦波电压。在将漏极电压设为正弦波电压的b级动作中，虽然电流、电压波形的的重叠部分变小，但是重叠未消失。对于放大器的高效率化，在漏极电压和漏极电流的关系中，要求设为瞬时电压和瞬时电流同时不存在的状态。

6、作为放大器的效率化的方式，已知有d级放大、f级放大、ef级放大的开关模式所导致的电力放大。已知d级放大器是通过时间区域的电压、电流关系来实现高效率化，f级放大器、ef级放大器通过频率区域的电压、电流关系来实现高效率化。

7、作为控制开关模式方式的放大器的脉冲输出的方式，以往，已知将输入至放大器的直流的输入电压设为可变的直流电压控制、和对驱动开关元件的栅极信号的脉冲宽度进行控制的pwm控制。

8、在直流电压控制中，由于是将输入电压设为可变而驱动dc/dc转换器的结构，因此除了小型化或轻量化的问题外，存在电力转换效率也较低的问题。为了解决这样的直流电压控制的问题，提出了使用相位位移控制的电源装置(专利文献1)。

9、另外，在pwm控制中，存在由于dc/dc转换器的开关元件的动作能力无法追随高频，而因此难以进行在高频区域的控制的问题。为了解决在该高频区域中的控制的问题，提出了使用相位位移控制的电源装置(专利文献2)。

10、现有技术文献

11、专利文献

12、专利文献1：国际公开第2015/097812号

13、专利文献2：日本特开平6-37375号公报

技术实现思路

1、发明所要解决的课题

2、在通过相位位移控制而控制高频的脉冲输出的方式中，对放大部供给恒定的直流电压，通过在高侧的第1规定值和低侧的第2规定值之间切换两个放大部间的相位差φ，输出两个输出电平的脉冲输出。

3、在相位位移控制中，以合成器合成两个放大器的输出时，通过将两个放大器间的相位差φ设为可变来调整输出电力。此时，通过被安装于电源内部的合成器的虚拟电阻产生内部损失。

4、相位位移控制存在由于在电源内部消耗的内部损失而电力转换效率较低的问题。将两个放大器间的相位差φ设为输出高侧电力的第1规定值区域(0[deg]～90[deg])和输出低侧电力的第2规定值区域(90[deg]～180[deg])，在进行输出电平的切换的情况下，在第1规定值区域中相位差φ为0[deg]以外的相位差中，不被传送至输出侧的差分功率作为内部损失而在电源内部被消耗。另外，在第2规定值区域的相位差φ中，内部损失比输出电力多，高频电源装置整体的电力转换效率成为50％以下。

5、因此，在进行相位位移控制的高频电源装置中，存在由于在电源内部被消耗的内部损失而电力转换效率较低的问题。该问题在生产率下降所导致的制造成本的方面、和减少co2所导致的环境考虑的方面等中也将产生不希望的影响。

6、本发明解决上述现有的问题，其目的在于，在高频电源装置及高频电力的输出控制方法中，减轻在高频电源装置的电源内部被消耗的内部损失所导致的电力转换效率的下降。

7、用于解决问题的手段

8、本发明在使高频脉冲输出的输出电力成为可变的高频电力控制中，根据输出电平的输出电平范围，通过区分使用直流电压控制和相位差控制，来减轻在高频电源装置的电源内部被消耗的内部损失所导致的电力转换效率的下降。

9、直流电压控制通过控制供给至放大器的直流电压来控制输出电力。另一方面，相位差控制通过控制放大器的多个控制信号的相位差φ来控制输出电力。

10、本发明在输出电平为高输出电平范围时，通过直流电压控制来控制输出电力，在输出电平为低输出电平范围时，通过相位差控制来控制输出电力。

11、在直流电压控制所导致的输出电力的控制中，在高输出电平范围中，设为将相位差控制中的相位差φ(φd，φs)固定的状态，使供给至放大器的直流电压vdc成为可变。由于直流电压控制不存在高频电源装置的内部的虚拟电阻所导致的消耗电力，因此在电源内部被消耗的内部损失及电力的低转换效率的问题将被解决，从而实现高效率化。存在为了使直流电压控制对应于输出电平的全范围而需要使装置大型化的缺点。

12、另一方面，相位差控制所导致的输出电力的控制将所控制的输出电平限制在低输出电平范围。由此，流过高频电源装置的虚拟电阻的输出电平被抑制为低电平，因此在虚拟电阻产生的内部损失减少，从而实现高效率化。

13、本发明的相位差控制包含两个控制。

14、第1相位差控制是通过作为控制信号间的相位差的控制信号间相位差φd来调制脉冲宽度的pwm控制。通过pwm控制，将驱动开关元件的脉冲信号的占空比(duty)设为可变。在该第1相位差控制(pwm控制)中，由于没有高频电源装置的虚拟电阻所导致的内部损失，因此实现高效率化。

15、第2相位差控制是将输入至两个放大器的各放大器的一对控制信号设为一组，将输入至两个放大器的控制信号的组间的相位差设为控制信号组间相位差φs，并使该控制信号组间相位差φs位移的相位位移控制(ps控制)。通过相位位移控制，控制合成两个放大器的输出而得到的输出电力。在该相位位移控制(ps控制)中，会在虚拟电阻产生损失。

16、相位差控制在低输出电平范围中，通过输出电平的高低并根据输出电平来区分使用第1相位差控制的pwm控制和第2相位差控制的相位位移控制(ps控制)。

17、在区分使用pwm控制和相位位移控制(ps控制)的方式中，将低输出电平范围分为高电平侧和低电平侧，在高电平侧，通过pwm控制使输出电力成为可变，在低电平侧，通过相位位移控制(ps控制)使输出电力成为可变。

18、相位位移控制(ps控制)具有由于在电源内部被消耗的内部损失而电力转换效率变低的特性。鉴于该特性，在本发明中，相较于输出电力，通过在内部损失的比率变大的低电平侧应用相位位移控制(ps控制)，由此相较于将相位位移控制应用于高电平的情况，可以缩小内部损失的损失量。

19、通过区分使用pwm控制和相位位移控制(ps控制)的方式，可以将能够控制的输出电平的范围扩展至低电平侧，减少在输出电平范围的全范围内的内部损失，从而实现高效率化。

20、本发明所导致的直流电压控制及相位差控制在各输出电平范围内使输出电力连续地可变。而且，在从直流电压控制向相位差控制或者从相位差控制向直流电压控制的控制间的切换时刻，通过使两控制的端部的输出电平相配合，由此输出电力在输出电平的全范围内不会不连续而是连续地成为可变。

21、本发明具备(a)高频电源装置的方式以及(b)高频电力的输出控制方法的方式。

22、(a)高频电源装置的方式

23、本发明的高频电源装置的方式具备：一对放大器；合成器，其合成一对放大器的放大器输出而生成高频脉冲的输出电力。控制输出电力的控制部具备：第1控制部，其通过控制供给至一对放大器的直流电压vdc的直流电压控制来控制输出电力；第2控制部，其通过控制一对放大器的放大器输出的控制信号的相位差φ(φd、φs)来对输出电力进行相位差控制。根据输出电力的输出电平，切换基于第1控制部的直流电压控制和基于第2控制部的相位差控制。

24、本发明的高频电源装置是作为构成第1控制部及第2控制部的要素，具备：一对放大器；合成器，其合成一对放大器的各放大器输出而生成高频脉冲的输出电力；电力控制部，其在高频脉冲输出的输出电力的控制中，运算用于直流电压控制的直流电压指令值vref*和用于相位差控制的相位差指令值φ*(φd*，φs*)；直流电压控制部，其根据直流电压指令值vref*对供给至一对放大器的直流电压vdc进行直流电压控制；控制信号生成部，其生成根据相位差指令值φ*(φd*、φs*)对一对放大器进行相位差控制的控制信号。

25、电力控制部在输出电力的输出电平中，

26、(a)针对高输出电平范围，运算直流电压控制的直流电压指令值vref*，

27、(b)针对低输出电平范围，运算相位差控制的相位差指令值φ*(φd*、φs*)，并根据输出电力的输出电平，切换直流电压控制和相位差控制而控制输出电力。

28、进行直流电压控制的第1控制部由在电力控制部的内运算直流电压指令值vref*的直流电压运算部和根据直流电压指令值vref*进行直流电压控制的直流电压控制部构成。进行相位差控制的第2控制部由在电力控制部的内运算相位差指令值φ*(φd*，φs*)的相位差运算部和根据相位差指令值φ*(φd*，φs*)生成具有相位差φ(φd，φs)的控制信号的控制信号生成部构成。

29、虽然用于本发明的控制信号可以使用单端信号或差动信号，但是在高频区域中优选差动信号。在以超过数十mhz～100mhz的高频来驱动放大器的开关元件的情况下，为了准确地传送相位差或占空比信息需要抑制信号的噪声。在单端信号中，难以满足这样的耐噪声的要求，对此，由于一对信号的相位处于彼此反相关系的差动信号的耐噪性高，因此优选为控制高频脉冲输出的控制信号。

30、(1)电力控制部

31、电力控制部根据输出电力指令值来判定输出电力的输出电平，根据输出电平的高低来判定是否应用直流电压控制和相位差控制中的哪一个控制，根据输出电平在高输出电平范围还是在低输出电平范围来切换直流电压控制和相位差控制。

32、电力控制部根据输出电力指令值fwd_ref*与输出电力反馈值fwd_fb的差量，在输出电平为高输出电平范围时进行直流电压控制，在低输出电平范围时进行相位差控制。

33、(a)在高输出电平范围，通过直流电压控制根据输出电力指令值fwd_ref*与输出电力反馈值fwd_fb的差量，运算直流电压指令值vref*。直流电压指令值vref*是施加于大器的直流电压vdc的基准电压，通过对放大器施加直流电压vdc，放大器输出基于直流电压指令值vref*的输出电力fwd。

34、(b)在低输出电平范围，通过相位差控制根据输出电力指令值fwd_ref*与输出电力反馈值fwd_fb的差量，运算相位差指令值φ*(φd*，φs*)。相位差指令值φ*(φd*，φs*)被用作用于在控制信号生成部基于相位差指令值φ*来生成控制信号的操作量，通过以基于相位差φ(φd，φs)的控制信号的驱动信号来驱动放大器，由此放大器根据输出电力指令值fwd_ref*来将输出电力fwd输出。

35、(2)直流电压控制部

36、直流电压控制部是在高输出电平范围中，使根据通过电力控制部的直流电压控制得到的直流电压指令值vref*而供给至放大器的直流电压vdc成为可变，由此控制放大器的输出电力。

37、直流电压控制部根据反馈电压vdc_fb与直流电压指令值vref*的差分，求出用于以使施加于放大器的直流电压vdc与直流电压指令值vref*一致的方式进行控制的操作量α，通过操作量α，控制放大器的ad/dc转换器而使直流电压vdc成为可变的ad/dc转换器。通过基于直流电压指令值vref*的操作量α来控制该ad/dc转换器，由此控制直流电压vdc的输出电压。

38、(3)控制信号生成部

39、控制信号生成部在低输出电平范围中根据通过电力控制部的相位差控制而得到的相位差指令值φ*(φd*，φs*)来控制输入至两个放大器的一对控制信号的相位差φ(φd，φs)。控制信号的相位差φ(φd，φs)对应于通过电力控制部的相位差控制而得到的相位差指令值φ*(φd*，φs*)。

40、此外，在使用差动信号作为控制信号的情况下，由于一个差动信号是由处于反相关系的p信号和n信号的一对信号构成，因此输入至各放大器的具有相位差φ的一对控制信号由共计两对的4个信号构成。

41、相位差控制包含电力控制部进行的相位差指令值φ*(φd*，φs*)的运算和控制信号生成部进行的基于相位差指令值φ*(φd*，φs*)的相位差φ(φd，φs)的控制信号的生成。控制信号生成部根据由电力控制部运算出的相位差指令值φ*(φd*，φs*)而生成具有相位差φ(φd，φs)的控制信号。

42、因此，本发明的相位差控制由基于电力控制部的相位差指令值φ*(φd*，φs*)的运算和根据相位差指令值φ*(φd*，φs*)而进行的基于控制信号生成部的具有相位差φ(φd，φs)的控制信号的生成构成。

43、作为被应用于基于相位差运算部及控制信号生成部的相位差控制的控制方式，具有(a)pwm控制(占空比控制)的控制方式、以及(b)相位位移控制(ps控制)。

44、控制信号生成部具备通过pwm控制及相位位移控制(ps控制)的相位差控制生成控制信号的功能，在低输出电平范围，根据在电力控制部的相位差运算中求出的相位差指令值φ*(φd*，φs*)生成具有相位差φ(φd，φs)的控制信号。由控制信号生成部生成的控制信号在驱动器中被转换成栅极信号，对放大器的开关元件进行驱动控制而控制输出电力。

45、相位差控制具备多个种类的控制方式。

46、(a)相位差控制的第1控制方式。

47、相位差控制的第1控制方式为基于pwm控制(占空比控制)的控制方式。在低输出电平范围内，针对高输出电平侧的输出电力，通过pwm控制使用控制信号间相位差指令值φd*并通过pwm控制生成具有控制信号间相位差φd的控制信号，控制输出电力。

48、由于针对一个放大器使用一对控制信号，因此针对一对放大器生成两对控制信号。在通过差动信号构成控制信号的情况下，被输入至一对放大器的控制信号的信号数为4。

49、根据控制信号间相位差指令值φd*而决定的控制信号间相位差φd决定放大器的开关元件的栅极信号的占空比(duty)，由此高频脉冲输出通过pwm控制(占空比控制)来控制。

50、(b)相位差控制的第2控制方式

51、相位差控制的第2控制方式为基于相位位移控制(ps控制)的控制方式。对于低输出电平范围的低输出电平侧的输出电力，使用控制信号组间相位差指令值φs*并通过相位位移控制生成具有控制信号组间相位差φs的控制信号而控制输出电力。

52、相位位移控制是将输入至各放大器的一对控制信号设为组，控制输入至两个放大器的控制信号的组间的控制信号组间相位差φs，通过该控制信号组间相位差φs控制两个放大器间的栅极信号的相位差，控制将两个放大器的放大器输出合成而生成的高频脉冲输出的输出电力。

53、(c)相位差控制的第3控制方式

54、相位差控制的第3控制方式是由第1控制方式的pwm控制(占空比控制)和第2控制方式的相位位移控制(ps控制)构成的控制方式。

55、电力控制部是通过运算求出包含输入至各放大器的一对控制信号间相位差指令值φd*、和输入至各放大器的由一对控制信号构成的控制信号组间相位差指令值φs*的相位差指令值φ*。

56、控制信号生成部根据由电力控制部的相位差运算求出的相位差指令值φ*(φd*，φs*)，生成具有相位差φ(φd，φs)的控制信号，根据输出电平而对pwm控制和相位位移控制进行区分使用的相位差控制，控制高频脉冲输出的输出电力。

57、在相位差控制中，由pwm控制所控制的脉冲宽度规定栅极信号的脉冲宽度。栅极信号的脉冲宽度的最小宽度被限制于开关元件的动作特性。因此，通过pwm控制缩窄的脉冲宽度的最小脉冲宽度也被限制，在比最小的脉冲宽度短的脉冲宽度中，有可能会在pwm控制中产生障碍。

58、本发明直至通过pwm控制缩窄的脉冲宽度的最小脉冲宽度为止以pwm控制进行栅极信号的脉冲宽度的缩窄，并针对比最小脉冲宽度短的脉冲宽度以相位位移控制来进行栅极信号的脉冲宽度的缩窄。由此，将控制到输出电力的任意的低电平区域。

59、(b)高频电力的输出控制方法的方式

60、本发明的高频电力的输出控制方法的方式是控制一对放大器，而使高频脉冲输出的输出电力成为可变的高频电力的控制方法，根据输出电平而切换直流电压控制和相位差控制。

61、(a)在输出电平为高输出电平范围中，通过控制供给至一对放大器的直流电压的直流电压控制来控制输出电力。

62、(b)在输出电平为低输出电平范围中，通过控制输入至一对放大器的多个控制信号的相位差φ(φd，φs)的相位差控制而控制输出电力。

63、(1)直流电压控制

64、直流电压控制在高输出电平范围中求出直流电压指令值vref*，使根据求出的直流电压指令值vref*而供给至放大器的直流电压vdc成为可变，由此控制放大器的输出电力。

65、(2)相位差控制

66、相位差控制被应用于低输出电平范围。将低输出电平范围区分为高输出电平侧和低输出电平侧，针对高输出电平侧的输出电力，以使用控制信号间相位差φd的pwm控制(占空比控制)来进行控制，针对低输出电平侧的输出电力，以使用控制信号组间相位差φs的相位位移控制(ps控制)来进行控制。

67、相位差控制具备求出相位差指令值φ*(φd*，φs*)的相位差运算工序、和根据相位差指令值φ*(φd*，φs*)生成相位差φ(φd，φs)的控制信号生成工序。

68、相位差运算工序中，相位差运算根据输出电力指令值与输出电力反馈值的差分，运算相位差指令值φ*(φd*，φs*)。控制信号相位差控制根据由相位差运算得到的相位差指令值φ*(φd*，φs*)而生成具有相位差φ(φd，φs)的控制信号。通过控制信号驱动放大器，由此控制输出电力。

69、相位差控制被应用于(a)基于pwm控制(占空比控制)的第1控制方式、以及(b)基于相位位移控制(ps控制)的第2控制方式。相位差控制被应用于低输出电平范围，放大器的开关元件通过根据控制信号而生成的栅极信号而被驱动控制，输出电力被控制。

70、(a)相位差控制的第1控制方式

71、在第1控制方式中，相位差φ为输入至放大器的控制信号的控制信号间相位差φd，相位差控制通过控制信号间相位差φd控制脉冲宽度，通过控制放大器的开关元件的栅极信号的占空比(duty)的pwm控制，控制高频脉冲输出的输出电力。

72、(b)相位差控制的第2控制方式

73、在第2控制方式中，相位差φ是输入至放大器控制信号的控制信号组间相位差φs，相位差控制是基于相位位移控制(ps控制)的控制方式。

74、(c)相位差控制的第3控制方式

75、相位差控制的第3控制方式是由第1控制方式的pwm控制(占空比控制)和第2控制方式的相位位移控制(ps控制)构成的控制方式。

76、在该相位差控制中，根据输出电平而区分使用pwm控制和相位位移控制(ps控制)。在应用相位差控制的低输出电平范围，在高输出电平侧，通过使用控制信号间相位差φd的pwm控制来对输出电力进行控制，在低输出电平侧通过使用控制信号组间相位差φs的相位位移控制来对输出电力进行控制。

77、通过相位差运算求出输入至各放大器的控制信号间相位差指令值φd*、和输入至各放大器的控制信号组间相位差指令值φs*的相位差指令值φ*，使用求出的相位差指令值φ*(φd*，φs*)，通过相位差控制生成具有相位差φ(φd，φs)的控制信号。

78、在相位差控制中，通过pwm控制来控制的脉冲宽度规定栅极信号的脉冲宽度。由于栅极信号的脉冲宽度被限制于开关元件的动作特性，因此通过pwm控制缩窄的脉冲宽度的最小脉冲宽度也被限制，有可能在基于比最小脉冲宽度短的脉冲宽度的pwm控制中产生障碍。

79、本发明直至通过pwm控制缩窄的脉冲宽度的最小脉冲宽度为止以pwm控制来进行栅极信号的脉冲宽度，并针对比最小脉冲宽度短的脉冲宽度以相位位移控制(ps控制)来进行栅极信号的脉冲宽度。由此，在pwm控制中，即使在控制困难的低电平区域也能够进行控制，可以控制到输出电力的任意低电平区域。

80、(3)基于电力控制部的控制信号间的相位差控制的型态

81、基于电力控制部的控制信号间的相位差控制具备第1型态～第3型态的多个型态。

82、(a)第1型态

83、在第1型态中，电力控制部根据高频脉冲输出的输出电力反馈值fwd fb与输出电力指令值fwd_ref*的比较，进行求出输入至各放大器的控制信号的一对控制信号间的控制信号间相位差指令值φd*的相位差控制。

84、(b)第2型态

85、在第2型态中，电力控制部根据各放大器的放大器输出的比较，在各放大器中，调整控制信号的一对信号间的控制信号间相位差指令值φd*，进行使两个放大器的放大器输出均衡化的相位差控制。

86、(c)第3型态

87、在第3型态中，电力控制部在两个放大器的各放大器中，进行对将输入至一方的放大器的一对控制信号的信号间的第1控制信号间相位差φda、以及输入至另一方的放大器的一对控制信号的信号间的第2控制信号间相位差φdb设为相同的相位差量的控制信号间相位差指令值φda*及φdb*进行调整的相位差控制。

88、(4)基于电力控制部的控制信号组间的相位差控制的型态

89、电力控制部根据高频脉冲输出的输出电力反馈值fwd_fb与输出电力指令值fwd_ref*的比较，求出两个信号组间的相位差指令值φs*。相位差控制部根据控制信号组间的相位差指令值φs*，进行生成具有相位差φs的控制信号的相位位移控制。

90、(c)共同应用于高频电源装置及高频电力的输出控制方法的型态

91、(1)pwm控制的控制方式

92、pwm控制包含第1控制方式～第3控制方式的多个控制方式。

93、(a)第1控制型态

94、在pwm控制的第1控制方式中，根据高频脉冲输出的输出电力反馈值fwd_fb与输出电力指令值fwd_ref*的比较，求出输入至各放大器的控制信号的一对信号间的控制信号间相位差指令值φd*。

95、(b)第2控制方式

96、在pwm控制的第2控制方式中，根据各放大器的放大器输出的比较，在各放大器中，调整控制信号的一对信号间的控制信号间相位差指令值φd*，使一对放大器的放大器输出均衡化。

97、(c)第3控制方式

98、在pwm控制的第3控制方式中，在一对放大器的各放大器中，进行对将输入至一方的放大器的一对控制信号的信号间的第1控制信号间相位差φda、以及输入至另一方的放大器的一对控制信号的信号间的第2控制信号间相位差φdb设为相同的相位差量的控制信号间相位差指令值φda*及φdb*进行调整的相位差控制。

99、(2)相位位移控制(ps控制)的控制方式

100、在相位位移控制中，根据高频脉冲输出的输出电力反馈值fwd_fb与输出电力指令值fwd_ref*的比较，求出两个控制信号组间的控制信号组间相位差指令值φs*。

101、(3)控制信号的型态

102、在本发明中，控制信号使用处于相位彼此反相的相位关系的差动信号的型态，由此在放大器的开关元件的驱动中，提高耐噪性。在本发明中，虽然优选以使用差动信号作为控制信号，但是并非排除使用单端信号的动作。

103、发明效果

104、如上述说明那样，根据本发明，在高频电源装置及高频电力的输出控制方法中，可以减轻起因于在高频电源装置的电源内部被消耗的内部损失的电力转换效率下降的情形。