JP5748204B2 - High frequency power supply - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマ処理装置等の負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置に関するものである。 The present invention relates to a high frequency power supply apparatus that supplies high frequency power to a load such as a plasma processing apparatus.
プラズマ処理装置などの負荷に電力を供給する高周波電源装置は、負荷に供給する高周波電力と周波数が等しい高周波信号を発生する高周波信号発生部と、高周波信号発生部が発生した高周波信号を増幅する電力増幅部と、電力増幅部の出力側で負荷に供給される進行波電力と負荷から戻ってくる反射波電力とを分離して検出する高周波検出部と、高周波検出部から得られる検出信号に応じて電力増幅部を制御する制御部とを備えている。 A high-frequency power supply device that supplies power to a load such as a plasma processing apparatus includes a high-frequency signal generation unit that generates a high-frequency signal having the same frequency as the high-frequency power supplied to the load, and power that amplifies the high-frequency signal generated by the high-frequency signal generation unit According to the detection signal obtained from the amplifying unit, the high-frequency detecting unit that separately detects the traveling wave power supplied to the load on the output side of the power amplifying unit and the reflected wave power returned from the load And a control unit for controlling the power amplification unit.
高周波検出部は、通常電力増幅部と負荷との間に挿入された方向性結合器を備えていて、電力増幅部から負荷に与えられる進行波電力を示す進行波検出信号と、負荷で反射されて電力増幅部に戻ってくる反射波電力を示す反射波検出信号とを出力する。 The high-frequency detection unit usually includes a directional coupler inserted between the power amplification unit and the load, and a traveling wave detection signal indicating the traveling wave power given from the power amplification unit to the load, and reflected by the load. And a reflected wave detection signal indicating the reflected wave power returning to the power amplifier.
制御部は、高周波電源装置が出力する進行波電力または負荷で消費される有効電力を設定範囲に保つように電力増幅部を制御する出力制御と、負荷から戻ってくる反射波電力が多い場合に、電力増幅部を構成する半導体増幅素子を保護するために、電力増幅部の出力を抑制する保護制御とを行なうように構成される。負荷で反射波が生じる場合、負荷で消費される有効電力は、進行波電力から反射波電力を減算することにより求められる。 The control unit controls the power amplifying unit so that the traveling wave power output from the high frequency power supply device or the active power consumed by the load is kept within the set range, and when there is a large amount of reflected wave power returning from the load. In order to protect the semiconductor amplifying element constituting the power amplifying unit, protection control for suppressing the output of the power amplifying unit is performed. When a reflected wave is generated in the load, the effective power consumed by the load is obtained by subtracting the reflected wave power from the traveling wave power.
プラズマ処理装置などの負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置は、基本周波数以外のスプリアス周波数成分を含まない高純度の高周波電力(進行波電力)を出力することを必要とする。そのため、この種の用途に用いられる高周波電源装置においては、高周波信号発生部から電力増幅部の出力段に至る部分の所要箇所にスプリアス周波数成分を除去するための各種の高周波フィルタを配置している。また電力増幅部の出力段には、基本周波数成分のみを通過させるためにローパスフィルタが接続されている。従って、電力増幅部から出力される進行波電力は、実質的に基本周波数成分のみからなっているが、後記するように、負荷から戻ってくる反射波電力にスプリアス周波数成分が重畳されている場合には、高周波検出部で検出される進行波電力にスプリアス周波数成分が含まれる。 A high-frequency power supply apparatus that supplies high-frequency power to a load such as a plasma processing apparatus needs to output high-purity high-frequency power (traveling wave power) that does not contain spurious frequency components other than the fundamental frequency. Therefore, in the high-frequency power supply device used for this type of application, various high-frequency filters for removing spurious frequency components are disposed at a required portion in a portion from the high-frequency signal generation unit to the output stage of the power amplification unit. . In addition, a low pass filter is connected to the output stage of the power amplification unit in order to pass only the fundamental frequency component. Therefore, the traveling wave power output from the power amplifying unit is substantially composed of only the fundamental frequency component, but the spurious frequency component is superimposed on the reflected wave power returning from the load as described later. Includes a spurious frequency component in the traveling wave power detected by the high frequency detector.
高周波電源装置の出力と負荷との間には通常インピーダンス整合器が設けられていて、このインピーダンス整合器が定常状態にある負荷に対してインピーダンスの整合をとることにより、負荷で反射波電力が発生するのを防いでいる。従って、定常状態において負荷のインピーダンスが急激な変化を示さないときには、電力増幅部から負荷に与えられる進行波電力のレベルが安定に保たれ、負荷で反射されて電力増幅部に戻る反射波電力は最小となっている。 An impedance matching unit is usually provided between the output of the high-frequency power supply and the load, and reflected wave power is generated at the load by matching the impedance with the load that is in a steady state. To prevent it. Therefore, when the load impedance does not show a sudden change in the steady state, the level of the traveling wave power given from the power amplification unit to the load is kept stable, and the reflected wave power reflected by the load and returning to the power amplification unit is It is the minimum.
しかしながら、プラズマ処理装置などの負荷の起動時には、負荷のインピーダンスが非線形の状態にあって、高速で変動するため、インピーダンス整合器の整合動作が追いつかず、負荷を節として反射波が発生する。更に負荷の内部では、そのインピーダンスの非線形性に起因して生じる周波数混合作用により、基本周波数と異なる種々の周波数成分がスプリアス周波数成分として発生し、これらのスプリアス周波数成分が反射波電力に重畳して高周波電源装置側に戻っていく。 However, when a load such as a plasma processing apparatus is activated, the impedance of the load is in a non-linear state and fluctuates at a high speed. Therefore, the matching operation of the impedance matching device cannot catch up, and a reflected wave is generated with the load as a node. Furthermore, inside the load, various frequency components different from the fundamental frequency are generated as spurious frequency components due to the frequency mixing effect caused by the nonlinearity of the impedance, and these spurious frequency components are superimposed on the reflected wave power. Return to the high-frequency power supply.
また、半導体ウェハのエッチングなどを行なうプラズマ処理装置のように、プラズマ処理装置の電極に、2以上の高周波電源装置から周波数が異なる高周波電力が同時に与えられる場合には、負荷のインピーダンスが複雑に変化するため、定常状態においても、インピーダンス整合器によりインピーダンスの整合を完全にとることができず、負荷で反射波が発生するのを避けることができない。このような構成の負荷に高周波電力を供給する場合には、定常状態においても、負荷から電力増幅部に戻ってくる反射波に、基本周波数成分と種々のスプリアス周波数成分とが重畳されている。このように、スプリアス周波数成分が重畳された反射波が戻ってくる場合には、高周波検出部から得られる反射波検出信号に、基本周波数成分の他にスプリアス周波数成分が多く含まれるのはもちろん、進行波検出信号にもスプリアス周波数成分が含まれる。 Moreover, when high frequency powers having different frequencies are simultaneously applied to the electrodes of the plasma processing apparatus, such as a plasma processing apparatus for etching a semiconductor wafer, the impedance of the load changes in a complicated manner. Therefore, even in a steady state, impedance matching cannot be completely achieved by the impedance matching device, and it is impossible to avoid generation of a reflected wave at the load. When supplying high-frequency power to a load having such a configuration, the fundamental frequency component and various spurious frequency components are superimposed on the reflected wave that returns from the load to the power amplification unit even in a steady state. In this way, when the reflected wave on which the spurious frequency component is superimposed returns, the reflected wave detection signal obtained from the high frequency detector includes a lot of spurious frequency components in addition to the fundamental frequency component. The traveling wave detection signal also includes a spurious frequency component.
なお「スプリアス周波数」という語は、基本周波数の前後に現れる不要周波数と、各高調波周波数の前後に現れる不要周波数とを指す意味で用いられることもあるが、本明細書においては、基本周波数以外のすべての周波数をスプリアス周波数と呼ぶことにする。 The term “spurious frequency” is sometimes used to mean an unnecessary frequency that appears before and after the fundamental frequency and an unnecessary frequency that appears before and after each harmonic frequency. In this specification, the term other than the fundamental frequency is used. All frequencies are referred to as spurious frequencies.
進行波検出信号にスプリアス周波数成分が含まれている状態では、進行波電力の基本周波数成分のレベルを正確に検出することができないため、進行波電力を設定範囲に保つ制御を正確に行わせることができない。そこで、従来技術では、特許文献1の図4に示されているように、高周波検出部から得られる進行波検出信号の出力をフィルタに入力することによりスプリアス周波数成分を除去したり、特許文献1の図1に示されているように、進行波検出信号の周波数を、フィルタの作成が容易な周波数に変換した後にフィルタに入力してスプリアス周波数成分を除去したりすることが行なわれている。特許文献1の図1に示され高周波電源装置においては、負荷に与える高周波電力と周波数が等しい高周波信号を発生する高周波信号発生部の他に、高周波電力の周波数と異なる周波数の局部信号を発生する局部信号発生部を設けて、高周波検出部から得られる進行波検出信号と局部信号とを混合(乗算)することにより、進行波検出信号の周波数を、フィルタの作成が容易な比較的低い周波数に変換した後にフィルタに入力して、スプリアス周波数成分を除去するようにしている。進行波電力の検出信号の周波数を局部信号と混合して周波数変換を行ってからフィルタによりスプリアス周波数成分を除去する技術は、特許文献2にも示されている。
In the state where the spurious frequency component is included in the traveling wave detection signal, the level of the fundamental frequency component of the traveling wave power cannot be detected accurately, so that the control for maintaining the traveling wave power within the set range must be performed accurately. I can't. Therefore, in the prior art, as shown in FIG. 4 of
上記のように、進行波検出信号からスプリアス周波数成分を除去することができれば、高周波電源装置から出力される進行波電力の基本周波数成分を設定範囲に保つ制御、または負荷で実際に消費される有効電力の制御を正確に行なわせることができる。 As described above, if the spurious frequency component can be removed from the traveling wave detection signal, control that keeps the fundamental frequency component of the traveling wave power output from the high-frequency power supply device within the set range, or an effective amount that is actually consumed by the load The power can be controlled accurately.
負荷で反射波が生じると、反射波電力が電力増幅部と負荷との間を接続する伝送路上で進行波電力と合成されるため、伝送路上に定在波が発生する。反射波電力が大きく、高いレベルの定在波(電力、電圧及び電流)が発生すると、電力増幅部の半導体増幅素子に印加される電圧が過大になって、半導体増幅素子が劣化したり、破損したりするおそれがある。このような問題が生じるのを防ぐためには、特許文献3に示されているように、高周波検出部により検出された反射波電力が制限値を超えたときに、電力増幅部の出力を抑制する保護制御を行うか、または特許文献4に示されているように、高周波検出部により検出された進行波電力と反射波電力との合計値が制限値を超えたときに、電力増幅部の出力を抑制する保護制御を行なって、半導体増幅素子を保護することが必要である。
When a reflected wave is generated in the load, the reflected wave power is combined with the traveling wave power on the transmission path connecting the power amplification unit and the load, so that a standing wave is generated on the transmission path. If the reflected wave power is large and a high level standing wave (power, voltage and current) is generated, the voltage applied to the semiconductor amplifying element of the power amplifying unit becomes excessive, and the semiconductor amplifying element is deteriorated or damaged. There is a risk of doing so. In order to prevent such a problem from occurring, as shown in
上記のように,高周波電源装置の制御部は、高周波電力が出力する進行波電力または進行波電力から反射波電力を減算した有効電力を設定範囲に保つように電力増幅部を制御する出力制御と、負荷から戻ってくる反射波電力が多い場合に、反射波電力または進行波電力と反射波電力との合計値が制限値を超えないように電力増幅部の出力を抑制する保護制御とを行なうように構成されるが、実際に出荷される高周波電源装置に持たせる制御特性は、ユーザが要求する仕様に応じて決められる。 As described above, the control unit of the high-frequency power supply device includes the output control for controlling the power amplification unit so as to keep the traveling wave power output by the high-frequency power or the effective power obtained by subtracting the reflected wave power from the traveling wave power within the set range. When the reflected wave power returning from the load is large, protection control is performed to suppress the output of the power amplifier so that the reflected wave power or the total value of the traveling wave power and the reflected wave power does not exceed the limit value. Although configured as described above, the control characteristics to be given to the high-frequency power supply device that is actually shipped are determined according to the specifications required by the user.
例えば、出力制御において、高周波電源装置が出力する進行波電力を設定範囲に保つことを重視する場合には、高周波検出部から得られる進行波検出信号から進行波電力の基本周波数成分を検出して、検出した進行波電力の基本周波数成分を設定範囲に保つ出力制御を行なわせるように制御部を構成する。また負荷で実際に消費される高周波電力を設定範囲に保つことを重視する場合には、反射波電力を無効電力として扱って、進行波電力の基本周波数成分から反射波電力を減算して求めた有効電力を設定範囲に保つように出力制御を行なわせる。この場合、進行波電力の基本周波数成分から減算する反射波電力としては、基本周波数成分のみを用いる場合もあり、基本周波数成分と無視できないスプリアス周波数成分との双方を含む反射波電力を用いる場合もある。 For example, in the output control, when it is important to keep the traveling wave power output from the high frequency power supply device within the set range, the fundamental frequency component of the traveling wave power is detected from the traveling wave detection signal obtained from the high frequency detection unit. The control unit is configured to perform output control that keeps the detected fundamental frequency component of the traveling wave power within the set range. Also, when placing importance on keeping the high-frequency power actually consumed by the load within the set range, the reflected wave power is treated as reactive power, and the reflected wave power is subtracted from the fundamental frequency component of the traveling wave power. Output control is performed so as to keep the active power within the set range. In this case, only the fundamental frequency component may be used as the reflected wave power to be subtracted from the fundamental frequency component of the traveling wave power, or the reflected wave power including both the fundamental frequency component and the spurious frequency component that cannot be ignored may be used. is there.
また進行波電力と反射波電力との合計値が制限値を超えたときに、電力増幅部の出力を抑制する保護制御においては、進行波電力の基本周波数成分に加算する反射波電力として、反射波電力の基本周波数成分のみを用いる場合と、安全を見て、基本周波数成分及びスプリアス周波数成分の双方を含む全反射波電力を用いる場合とがある。 In the protection control that suppresses the output of the power amplifier when the total value of the traveling wave power and the reflected wave power exceeds the limit value, the reflected wave power added to the fundamental frequency component of the traveling wave power is reflected as the reflected wave power. There are a case where only the fundamental frequency component of the wave power is used and a case where the total reflected wave power including both the fundamental frequency component and the spurious frequency component is used for safety.
上記のように、高周波電源装置においては、ユーザが要求する仕様に応じて、制御部が行なう制御の内容が決められるが、装置の製造を容易にするためには、ユーザが要求する如何なる仕様にも対応できるようにしておく必要がある。そのためには、進行波電力の基本周波数成分を正確に検出することができるようにしておく必要があるのはもちろん、反射波電力の基本周波数成分をも正確に検出し得るようにしておく必要がある。また負荷の状況をモニタする等の目的で、高周波電源装置側でスプリアス周波数成分を監視する必要がある場合には、監視の対象とするスプリアス周波数成分を独立して検出し得るようにしておく必要がある。 As described above, in the high frequency power supply device, the content of the control performed by the control unit is determined according to the specification required by the user. However, in order to facilitate the manufacture of the device, any specification required by the user is used. It is necessary to be able to cope with. For that purpose, it is necessary to be able to accurately detect the fundamental frequency component of the traveling wave power, as well as to be able to accurately detect the fundamental frequency component of the reflected wave power. is there. In addition, when it is necessary to monitor the spurious frequency component on the high frequency power supply device for the purpose of monitoring the load status, it is necessary to be able to detect the spurious frequency component to be monitored independently. There is.
進行波電力及び反射波電力の基本周波数成分を検出するに際しては、要求される検出精度などに応じて種々の技術が導入される。例えば、前述の特許文献1や特許文献2に示された高周波電源装置においては、電力増幅部に入力する高周波信号を発生する高周波信号発生部の他に、局部信号発生部を設けて、高周波信号検出部から得られる検出信号と局部信号とを混合することにより、検出信号の周波数を、周波数の分離処理が容易な(フィルタの作成が容易な)比較的低い周波数に変換し、しかる後にフィルタを用いて基本周波数成分を分離する処理を行なって、進行波電力の基本周波数成分を高精度で検出するようにしている。
When detecting the fundamental frequency components of the traveling wave power and the reflected wave power, various techniques are introduced according to the required detection accuracy. For example, in the high frequency power supply device disclosed in
また特許文献6に示されているように、負荷に供給される高周波電力と周波数が等しい基準高周波信号と進行波検出信号とを位相を合わせて乗算することにより、進行波検出信号の基本周波数成分を直接直流分に変換して、基本周波数成分を高精度で検出する技術も提案されている。特許文献6に示された例では、高周波信号発生部から電力増幅部に与えられる高周波信号の一部を分波することにより負荷に供給される高周波電力と周波数が等しい基準高周波信号を得て、この基準高周波信号と高周波検出部から得られる進行波検出信号とを位相を合わせて乗算することにより、進行波電力の基本周波数成分に比例した直流分を含む信号を生成し、この信号をローパスフィルタに通して、直流分を抽出することにより、進行波電力の基本周波数成分を検出するようにしている。このようにして基本周波数成分を検出する方式は、周波数変換方式(ヘテロダイン方式)に対して、直接検波方式(ホモダイン方式)と呼ばれている。 Further, as shown in Patent Document 6, the fundamental frequency component of the traveling wave detection signal is obtained by multiplying the reference high frequency signal and the traveling wave detection signal, which have the same frequency as the high frequency power supplied to the load, in phase with each other. A technique has also been proposed in which fundamental frequency components are detected with high accuracy by directly converting the signal into a direct current component. In the example shown in Patent Document 6, a reference high-frequency signal having the same frequency as the high-frequency power supplied to the load is obtained by demultiplexing a part of the high-frequency signal supplied from the high-frequency signal generation unit to the power amplification unit, By multiplying the reference high-frequency signal and the traveling wave detection signal obtained from the high-frequency detection unit in phase, a signal including a direct current component proportional to the fundamental frequency component of the traveling wave power is generated, and this signal is low-pass filtered. The fundamental frequency component of the traveling wave power is detected by extracting the direct current component. The method of detecting the fundamental frequency component in this way is called a direct detection method (homodyne method) as opposed to the frequency conversion method (heterodyne method).
また、特許文献3や特許文献5に示されているように、周波数変換や直接検波を行なうことなく、高周波検出部から取り出した検出信号をバンドパスフィルタに供給して、検出信号から不要な周波数成分を除去することにより、基本周波数成分を抽出する方法がとられる場合もある。
Further, as shown in
上記のように、プラズマ処理装置等の負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置においては、負荷から多くのスプリアス周波数成分が逆流してくる場合でも、負荷に供給される進行波電力または負荷で実際に消費される有効電力を設定範囲に保つ出力制御を、正確かつ安定に行なわせることができるようにしておく必要がある。また反射波電力が多い場合に半導体増幅素子を劣化させたり破損させたりすることがないように、反射波電力または進行波電力と反射波電力との合計値が制限値を超えたときに電力増幅部の出力を抑制する保護制御を的確に行なわせることができるようにしておく必要がある。そのため、プラズマ処理装置等の負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置においては、進行波電力の基本周波数成分及び反射波電力の基本周波数成分を正確に検出し得るようにしておく必要がある。また電源装置側で負荷の状況を監視する等の要望に応えることができるようにしておくために、スプリアス周波数成分を正確に検出し得るようにしておくことが好ましい。 As described above, in a high-frequency power supply apparatus that supplies high-frequency power to a load such as a plasma processing apparatus, even if many spurious frequency components flow backward from the load, the traveling-wave power supplied to the load or the load actually Therefore, it is necessary to make it possible to accurately and stably perform output control that keeps the active power consumed within a set range. Also, power amplification when the reflected wave power or the total value of the traveling wave power and the reflected wave power exceeds the limit value so that the semiconductor amplifying element is not deteriorated or damaged when the reflected wave power is high. It is necessary to ensure that protection control for suppressing the output of the unit can be performed accurately. Therefore, in a high frequency power supply apparatus that supplies high frequency power to a load such as a plasma processing apparatus, it is necessary to be able to accurately detect the fundamental frequency component of traveling wave power and the fundamental frequency component of reflected wave power. Further, it is preferable that the spurious frequency component can be accurately detected in order to meet the demand for monitoring the load condition on the power supply device side.
進行波検出信号及び反射波検出信号からスプリアス周波数成分を除去して、進行波電力の基本周波数成分及び反射波電力の基本周波数成分を検出するに際して、アナログフィルタを用いた場合には、周囲温度によりフィルタの伝送特性が変化するため、スプリアス周波数成分を完全に除去することが困難である。スプリアス周波数成分を十分に除去できないと、負荷に同時に2以上の周波数の高周波電力が供給される場合のように、反射波電力に重畳されるスプリアス周波数成分が多い場合に、高周波電源装置の出力制御を高精度で行なうことができず、負荷に安定に高周波電力を供給することができない等の問題が生じる。 When an analog filter is used to detect the fundamental frequency component of the traveling wave power and the fundamental frequency component of the reflected wave power by removing the spurious frequency component from the traveling wave detection signal and the reflected wave detection signal, it depends on the ambient temperature. Since the transmission characteristics of the filter change, it is difficult to completely remove spurious frequency components. When the spurious frequency component cannot be sufficiently removed, the output control of the high frequency power supply device is performed when there are many spurious frequency components superimposed on the reflected wave power, such as when high frequency power of two or more frequencies is simultaneously supplied to the load. Cannot be performed with high accuracy, and high frequency power cannot be stably supplied to the load.
進行波検出信号及び反射波検出信号からスプリアス周波数成分を除去して、進行波電力の基本周波数成分及び反射波電力の基本周波数成分を検出するフィルタとして、デジタルフィルタを用いれば、デジタル演算処理を行なうことで周囲温度の変化の影響を回避して、フィルタの狭帯域化を実現することができ、スプリアス周波数成分を十分に除去して、基本周波数成分を高精度で検出することができる。しかしながら、デジタルフィルタは、高速で多段の乗算器を必要とするため、ハードウェアにかかる負担が重く、回路構成が複雑になり、コストが著しく高くなるのを避けられない。またデジタルフィルタを用いると、多段の演算処理に時間がかかるため、制御の応答性が悪くなるのを避けられない。従って、デジタルフィルタは極力用いないようにしたい。 If a digital filter is used as a filter for removing the spurious frequency component from the traveling wave detection signal and the reflected wave detection signal and detecting the fundamental frequency component of the traveling wave power and the fundamental frequency component of the reflected wave power, digital arithmetic processing is performed. Thus, it is possible to avoid the influence of the change in the ambient temperature, to realize a narrow band of the filter, to sufficiently remove the spurious frequency component and to detect the fundamental frequency component with high accuracy. However, since a digital filter requires a multistage multiplier at high speed, the burden on hardware is heavy, the circuit configuration is complicated, and the cost is unavoidably increased. In addition, when a digital filter is used, it takes time to perform multi-stage arithmetic processing, so it is inevitable that control responsiveness deteriorates. Therefore, we want to avoid using digital filters as much as possible.
特許文献1及び2に示されているように、進行波検出信号及び反射波検出信号からスプリアス周波数成分を除去して進行波電力の基本周波数成分及び反射波電力の基本周波数成分を検出するに当たり、周波数変換を行えば、進行波電力及び反射波電力の基本周波数成分を高精度で検出することができる。しかしながら、周波数変換を行うためには、検出部に局部信号発生部を設ける必要があり、また周波数変換された信号からスプリアス周波数成分を除去するために狭帯域のフィルタを必要とするため、検出部の構成が複雑になる上に大型化するのを避けられない。また、周波数変換を行なう場合には、複数の信号発生部を設ける必要があるため、信号発生部相互間の干渉を除去したり、ノイズ妨害対策を施したりする必要があり、高周電源装置の製造に高度な技術を必要とする。
As shown in
進行波電力の基本周波数成分を検出するに当り、特許文献6に示されたように、直接検波方式を採用すれば、基本周波数成分を直流信号として検出できるため、基本周波数成分を示す信号成分と他の信号成分との分離を容易に行なうことができ、フィルタの構成を簡単にすることができる。しかしながら、特許文献6に示された高周波電源装置では、反射波電力の基本周波数成分を検出することができず、また反射波電力に重畳しているスプリアス周波数成分を独立して検出することができない。 In detecting the fundamental frequency component of the traveling wave power, as shown in Patent Document 6, if the direct detection method is adopted, the fundamental frequency component can be detected as a DC signal. Separation from other signal components can be easily performed, and the configuration of the filter can be simplified. However, the high-frequency power supply device disclosed in Patent Document 6 cannot detect the fundamental frequency component of the reflected wave power, and cannot independently detect the spurious frequency component superimposed on the reflected wave power. .
基本周波数にスプリアス周波数成分が重畳されている信号から直接検波方式により基本周波数成分を直流分として検出するためには、検波しようとする信号の位相が一定である必要がある。負荷から戻ってくる反射波電力の位相が一定であれば、特許文献6に示された発明の示唆に従って、反射波検出信号と基準高周波信号とを位相を合わせて乗算することにより直接検波を行うことが可能である。しかしながら、実際には、反射波の位相は機器設置の条件等により異なる値をとり、一定ではないため、基準高周波信号と反射波検出信号とを位相を合わせて乗算することは困難である。従って、直接検波方式により反射波電力の基本周波数成分を検出することは難しい。 In order to detect a fundamental frequency component as a direct current component by a direct detection method from a signal in which a spurious frequency component is superimposed on the fundamental frequency, the phase of the signal to be detected needs to be constant. If the phase of the reflected wave power returning from the load is constant, direct detection is performed by multiplying the reflected wave detection signal and the reference high frequency signal in phase according to the suggestion of the invention disclosed in Patent Document 6. It is possible. However, in actuality, the phase of the reflected wave takes different values depending on the installation conditions and the like, and is not constant. Therefore, it is difficult to multiply the reference high frequency signal and the reflected wave detection signal in phase. Therefore, it is difficult to detect the fundamental frequency component of the reflected wave power by the direct detection method.
上記のように、特許文献6に示された装置では、反射波電力の基本周波数成分を検出できないため、進行波電力の基本周波数成分から反射波電力の基本周波数成分を減算した有効電力を設定範囲に保つ出力制御や、進行波電力の基本周波数成分と反射波電力の基本周波数成分との合計値が制限値を超えないように電力増幅部の出力を抑制する保護制御を行なうことが必要とされる場合に対応することができない。また特許文献6に示された装置では、スプリアス周波数成分のみを検出することができないため、負荷の状態を監視する等の目的でスプリアス周波数成分を検出したいとの要望があった場合にその要望に応えることができない。 As described above, since the fundamental frequency component of the reflected wave power cannot be detected in the apparatus shown in Patent Document 6, the effective power obtained by subtracting the fundamental frequency component of the reflected wave power from the fundamental frequency component of the traveling wave power is set in the setting range. Output control to keep the output of the power amplifying unit in such a way that the total value of the fundamental frequency component of the traveling wave power and the fundamental frequency component of the reflected wave power does not exceed the limit value. Can not cope with the case. In addition, since the apparatus disclosed in Patent Document 6 cannot detect only spurious frequency components, if there is a request to detect spurious frequency components for the purpose of monitoring the load state, the request is met. I can't respond.
また最近では、正弦波形の高周波電力を、繰り返し周期が1msecないし100μsecのパルス波形に変調して出力することが求められるようになっている。高周波電力をパルス波形に変調する場合に、出力制御及び保護制御を的確に行なうためには、進行波電力及び反射波電力の基本周波数成分を、十分に高い検出速度で検出し得るようにしておく必要がある。進行波電力及び反射波電力の検出速度が遅いと、パルスの立ち上がり時及び立ち下がり時の急峻な振幅の変化に検出動作が追従することができないため、パルス波形に波形鈍りやリンギングが生じて、高周波電力のパルス波形が崩れ、正規のパルス波形の高周波電力を負荷に供給することができなくなる。特にパルスの繰り返し周期が300μsec以下になると、高周波電力の検出遅れにより、パルスの波形鈍りやリンギングなどの波形歪みが顕著に生じるようなる。また進行波電力及び反射波電力の検出速度が遅いと、保護制御を迅速に行なうことができないため、半導体増幅素子の破損を防ぐことができないことがある。 Recently, it has been demanded that high-frequency power having a sinusoidal waveform is modulated into a pulse waveform having a repetition period of 1 msec to 100 μsec and output. In order to accurately control output and protection when high frequency power is modulated into a pulse waveform, the fundamental frequency components of traveling wave power and reflected wave power can be detected at a sufficiently high detection speed. There is a need. If the detection speed of the traveling wave power and reflected wave power is slow, the detection operation cannot follow the sudden amplitude change at the rise and fall of the pulse, so the waveform becomes dull or ringing, The pulse waveform of the high frequency power collapses, and the high frequency power having the normal pulse waveform cannot be supplied to the load. In particular, when the pulse repetition period is 300 μsec or less, waveform distortion such as blunting of the pulse and ringing occurs remarkably due to detection delay of the high frequency power. In addition, if the detection speed of traveling wave power and reflected wave power is low, the protection control cannot be performed quickly, so that the semiconductor amplifying element may not be damaged.
従って、パルス波形の高周波電力を出力する高周波電源装置を制御する場合には、進行波電力及び反射波電力の検出速度が遅くなることがないように配慮する必要があり、制御装置を構成する素子として、処理が速い高価なものを用いる必要がある。 Therefore, when controlling a high-frequency power supply device that outputs high-frequency power of a pulse waveform, it is necessary to consider that the detection speed of traveling wave power and reflected wave power does not slow down, and the elements constituting the control device It is necessary to use an expensive one that is fast in processing.
本発明の目的は、ハードウェアに大きな負担をかけることなく、負荷に与えられる進行波電力の基本周波数成分、負荷から戻ってくる反射波電力の基本周波数成分、基本周波数成分とスプリアス周波数成分との双方を含む反射波電力、及びスプリアス周波数成分を個別に、高精度で、しかも検出速度を十分に高くして検出することができるようにして、連続した正弦波形の高周波電力を負荷に供給する場合の出力制御及び保護制御を正確かつ安定に行わせることができるのはもちろん、負荷に供給する高周波電力をパルス波形に変調する場合にも、波形歪みを生じさせることなく、出力制御及び保護制御を正確かつ安定に行わせることができるようにした高周波電源装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fundamental frequency component of traveling wave power given to a load, a fundamental frequency component of reflected wave power returning from the load, a fundamental frequency component and a spurious frequency component without imposing a heavy burden on hardware. When supplying reflected wave power including both and spurious frequency components individually, with high accuracy and sufficiently high detection speed, and supplying high frequency power with a continuous sinusoidal waveform to the load Output control and protection control can be performed accurately and stably, and even when high-frequency power supplied to a load is modulated into a pulse waveform, output control and protection control can be performed without causing waveform distortion. An object of the present invention is to provide a high-frequency power supply device that can be accurately and stably performed.
本発明は、正弦波形の高周波信号を発生する高周波信号発生部と、高周波信号を増幅して高周波電力を出力する増幅回路と出力制御信号に応じて増幅回路の出力レベルを調節するレベル調節部と保護制御信号に応じて増幅回路の出力を抑制する保護制御部とを有する電力増幅部と、電力増幅部の出力から進行波電力及び反射波電力を検出して進行波検出信号及び反射波検出信号を出力する高周波検出部と、進行波検出信号及び反射波検出信号から検出される制御対象電力成分を設定値に保つように電力増幅部に出力制御信号を与え、進行波検出信号及び反射波検出信号から検出される監視対象電力成分を制限値以下に保つように電力増幅部に前記保護制御信号を与える制御部とを備えた高周波電源装置を対象とする。 The present invention includes a high-frequency signal generator that generates a high-frequency signal having a sinusoidal waveform, an amplifier that amplifies the high-frequency signal and outputs high-frequency power, and a level adjuster that adjusts the output level of the amplifier according to the output control signal; A power amplifying unit having a protection control unit that suppresses the output of the amplifier circuit according to the protection control signal, and a traveling wave detection signal and a reflected wave detection signal by detecting traveling wave power and reflected wave power from the output of the power amplification unit A high-frequency detection unit that outputs a signal, and an output control signal is given to the power amplification unit so as to keep the control target power component detected from the traveling wave detection signal and the reflected wave detection signal at a set value, and the traveling wave detection signal and the reflected wave detection A high-frequency power supply apparatus including a control unit that supplies the protection control signal to a power amplification unit so as to keep a monitoring target power component detected from a signal below a limit value.
本発明においては、上記制御部が、高周波信号発生部からレベル調節部に入力される高周波信号の一部を分波して負荷に供給される高周波電力と波形及び周波数が等しい基準高周波信号を得る基準高周波信号生成部と、進行波検出信号と基準高周波信号との間の位相差をnπ/2(nは1以上の奇数)以外の値に補正する位相補正部と、位相補正部により位相差が補正された進行波検出信号と基準高周波信号とを乗算する第1の乗算部と、高周波電力の基本周波数成分の以外のすべての周波数成分をスプリアス周波数成分とし、反射波検出信号又は反射波検出信号から検出の対象としないスプリアス周波数成分を除去した信号を処理対象反射波検出信号として、該処理対象反射波検出信号と前記基準高周波信号とを乗算する第2の乗算部と、第1の乗算部の出力から直流分を抽出して進行波電力の基本周波数成分のレベルに対応したレベルを有する第1のアナログ信号を得る第1の信号生成部と、スプリアス周波数成分の内、検出の対象とするスプリアス周波数成分を全検出対象スプリアス周波数成分とし、第2の乗算部の出力から直流分と基本周波数の2倍の周波数成分を含むように設定された高域側設定周波数帯域に含まれる周波数成分とを除去して、処理対象反射波検出信号に含まれる全検出対象スプリアス周波数成分のレベルに対応したレベルを有する第2のアナログ信号を得る第2の信号生成部と、処理対象反射波検出信号を検波して処理対象反射波検出信号に含まれる基本周波数成分と全検出対象スプリアス周波数成分とを含む全検出対象反射波電力成分のレベルに対応したレベルを有する第3のアナログ信号を得る第3の信号生成部と、第1のアナログ信号ないし第3のアナログ信号のレベルをそれぞれ第1のデジタル値ないし第3のデジタル値に変換する第1ないし第3のA/D変換部と、第1のデジタル値ないし第3のデジタル値から制御対象電力成分及び監視対象電力成分を求めて、求めた制御対象電力成分を設定値に保つように前記出力制御信号を出力し、求めた監視対象電力成分が制限値を超えているときに該監視対象電力成分を制限値以下に抑制するように保護制御信号を出力するデジタル演算処理部とを備えている。デジタル演算処理部は、第1のデジタル値から求められる進行波電力の基本周波数成分、第3のデジタル値から第2のデジタル値を減算した値から求められる反射波電力の基本周波数成分を第1のデジタル値から求められる進行波電力の基本周波数成分から減算することにより求められる有効電力成分、又は第3のデジタル値から求められる全検出対象反射波電力成分を第1のデジタル値から求められる進行波電力の基本周波数成分から減算することにより求められる有効電力成分を制御対象電力成分として求め、第1のデジタル値から求められる進行波電力の基本周波数成分と第3のデジタル値から第2のデジタル値を減じた値から求められる反射波電力の基本周波数成分との合計値、第1のデジタル値から求められる進行波電力の基本周波数成分と第3のデジタル値から求められる全検出対象反射波電力成分との合計値、反射波電力の基本周波数成分のみ、又は全検出対象反射波電力成分のみを監視対象電力成分として求めるように構成される。 In the present invention, the control unit demultiplexes a part of the high-frequency signal input from the high-frequency signal generation unit to the level adjustment unit to obtain a reference high-frequency signal having the same waveform and frequency as the high-frequency power supplied to the load. A phase difference between the reference high-frequency signal generation unit, a phase correction unit that corrects the phase difference between the traveling wave detection signal and the reference high-frequency signal to a value other than nπ / 2 (n is an odd number equal to or greater than 1), and the phase correction unit. A first multiplying unit that multiplies the traveling wave detection signal corrected with respect to the reference high-frequency signal, and all frequency components other than the fundamental frequency component of the high-frequency power as spurious frequency components, and a reflected wave detection signal or reflected wave detection A second multiplication unit that multiplies the processing target reflected wave detection signal and the reference high frequency signal by using, as a processing target reflected wave detection signal, a signal obtained by removing spurious frequency components not targeted for detection from the signal; A first signal generator to obtain a first analog signal having one of a level corresponding to the level of the fundamental frequency component of the forward power to extract a DC component from the output of the multiplication unit, among the spurious frequency components, detecting The spurious frequency component that is the target of the detection is the spurious frequency component to be detected, and is included in the high frequency side set frequency band that is set to include the frequency component that is twice the direct current component and the fundamental frequency from the output of the second multiplier to remove the frequency component, a second signal generator for obtaining a second analog signal having a level corresponding to the level of the total detected spurious frequency components contained in the processed reflected wave detection signal, processing the object reflector Corresponds to the level of the reflected wave power component of all detection targets including the fundamental frequency component and all spurious frequency components included in the detection target reflected wave detection signal by detecting the wave detection signal A third signal generation unit for obtaining a third analog signal having the above-mentioned level, and a first signal for converting the levels of the first analog signal to the third analog signal to the first digital value to the third digital value, respectively. The third A / D converter and the control target power component and the monitoring target power component are obtained from the first digital value to the third digital value, and the obtained control target power component is maintained at the set value. A digital arithmetic processing unit that outputs an output control signal and outputs a protection control signal so as to suppress the monitored power component to a limit value or less when the calculated monitored power component exceeds the limit value Yes. The digital arithmetic processing unit outputs a fundamental frequency component of traveling wave power obtained from the first digital value and a fundamental frequency component of reflected wave power obtained from a value obtained by subtracting the second digital value from the third digital value. The active power component obtained by subtracting from the fundamental frequency component of the traveling wave power obtained from the digital value of the current, or the total detected object reflected wave power component obtained from the third digital value is obtained from the first digital value. The active power component obtained by subtracting from the fundamental frequency component of the wave power is obtained as the control target power component, and the second digital is obtained from the fundamental frequency component of the traveling wave power obtained from the first digital value and the third digital value. The total value of the fundamental frequency components of the reflected wave power obtained from the value obtained by subtracting the value, and the fundamental circumference of the traveling wave power obtained from the first digital value The total value of all the detection target reflected wave power components obtained from the several components and the third digital value, only the fundamental frequency component of the reflected wave power, or all the detection target reflected wave power components are obtained as the monitoring target power components. Composed.
正弦波形の進行波検出信号と基準高周波信号とを第1の乗算部に入力して乗算すると、両信号の位相が変化しないとした場合、第1の乗算部の出力信号には、進行波電力の基本周波数成分に比例する直流分と基本周波数の2倍の周波数成分とが含まれる。従って第1の乗算部の出力から直流分を抽出すると、進行波電力の基本周波数成分を検出することができる。 When the traveling wave detection signal having a sine waveform and the reference high-frequency signal are input to the first multiplication unit and multiplied, the output signal of the first multiplication unit includes a traveling wave power when the phase of both signals does not change. A direct current component proportional to the fundamental frequency component and a frequency component twice the fundamental frequency are included. Therefore, when the direct current component is extracted from the output of the first multiplier, the fundamental frequency component of the traveling wave power can be detected.
後述するように、第1の乗算部の出力に含まれる直流分の大きさ(絶対値)は、進行波検出信号と基準高周波信号との位相差により変化する。第1の乗算部の出力に含まれる直流分の大きさは、進行波検出信号と基準高周波信号との位相差を零またはmπ(mは1以上の整数)にすると最大になり、両信号の位相差をnπ/2(nは1以上の奇数)にすると零になる。従って、進行波検出信号と基準高周波信号との位相差をnπ/2以外の大きさに設定しておくことにより、進行波電力の基本周波数成分を検出することができ、両信号の位相差を零またはmπに設定しておくことにより、進行波電力の基本周波数成分を最大感度で検出することができる。 As will be described later, the magnitude (absolute value) of the direct current included in the output of the first multiplication unit varies depending on the phase difference between the traveling wave detection signal and the reference high frequency signal. The magnitude of the DC component included in the output of the first multiplier is maximized when the phase difference between the traveling wave detection signal and the reference high frequency signal is zero or mπ (m is an integer of 1 or more). When the phase difference is nπ / 2 (n is an odd number of 1 or more), the phase difference becomes zero. Therefore, by setting the phase difference between the traveling wave detection signal and the reference high frequency signal to a magnitude other than nπ / 2, the fundamental frequency component of the traveling wave power can be detected, and the phase difference between both signals can be determined. By setting to zero or mπ, the fundamental frequency component of traveling wave power can be detected with maximum sensitivity.
上記のように、第1の乗算部の出力には、進行波電力の基本周波数成分に比例した直流分を含ませることができるため、第1の信号生成部で第1の乗算部の出力から直流分を抽出することにより、進行波電力の基本周波数成分を示す第1のアナログ信号を得ることができ、このアナログ信号のレベルを第1のA/D変換部でデジタル値に変換することにより、進行波電力の基本周波数成分のレベルを示す第1のデジタル値を得ることができる。第1のアナログ信号は直流信号であるので、第1のA/D変換部を構成するハードウェアとして変換速度が遅い安価なものを用いても、出力制御及び保護制御を、遅れを伴うことなく行わせるために必要にして十分な速度で変換データを得ることができる。また直流分の抽出はアナログのローパスフィルタを用いて簡単に行なうことができるため、進行波電力の基本周波数成分を検出するに当って高価なフィルタを用いる必要がなく、ハードウェアにかかる負担を軽くして装置の構成を簡単にすることができる。 As described above, since the output of the first multiplication unit can include a direct current component proportional to the fundamental frequency component of the traveling wave power, the first signal generation unit outputs the direct current component from the output of the first multiplication unit. By extracting the direct current component, a first analog signal indicating the fundamental frequency component of the traveling wave power can be obtained, and the level of this analog signal is converted into a digital value by the first A / D converter. The first digital value indicating the level of the fundamental frequency component of the traveling wave power can be obtained. Since the first analog signal is a direct current signal, output control and protection control can be performed without delay even if inexpensive hardware having a low conversion speed is used as hardware constituting the first A / D converter. The conversion data can be obtained at a sufficient speed necessary for the execution. Also, the DC component can be easily extracted using an analog low-pass filter, so there is no need to use an expensive filter to detect the fundamental frequency component of the traveling wave power, and the burden on the hardware is reduced. Thus, the configuration of the apparatus can be simplified.
また反射波検出信号又は反射波検出信号から検出の対象としないスプリアス周波数成分を除去した信号を処理対象反射波検出信号として、該処理対象反射波検出信号と基準高周波信号とを第2の乗算部で乗算すると、反射波電力の基本周波数成分の振幅の最大値に比例したレベルの直流分と、基本周波数の2倍の周波数成分と、各スプリアス周波数成分がその周波数と基準高周波信号の周波数との差の周波数に周波数変換された周波数成分(差の周波数変換成分という。)と、各スプリアス周波数成分がその周波数と基準高周波信号の周波数との和の周波数に周波数変換された周波数成分(和の周波数変換成分という。)とが得られる。これらの周波数変換された周波数成分のうち、差の周波数変換成分または和の周波数変換成分のいずれかを検出すれば、反射波電力に含まれている全検出対象スプリアス周波数成分(検出の対象とする全スプリアス周波数成分)を検出することができる。従って、第2の乗算部の出力から直流分と、基本周波数の2倍の周波数成分を含むように設定された高域側設定周波数帯域に含まれる周波数成分とを除去すると、処理対象反射波検出信号に含まれる全検出対象スプリアス周波数成分のレベルに対応したレベルを有する第2のアナログ信号を得ることができ、この第2のアナログ信号のレベルを第2のA/D変換部でデジタル値に変換することにより、処理対象反射波検出信号に含まれる全検出対象スプリアス周波数成分のレベルを示す第2のデジタル値を得ることができる。 A reflected wave detection signal or a signal obtained by removing a spurious frequency component that is not a detection target from the reflected wave detection signal is used as a processing target reflected wave detection signal, and the processing target reflected wave detection signal and the reference high-frequency signal are used as a second multiplier. Is multiplied by the DC component of the level proportional to the maximum amplitude of the fundamental frequency component of the reflected wave power, the frequency component twice the fundamental frequency, and each spurious frequency component is the frequency and the frequency of the reference high frequency signal. A frequency component converted to a difference frequency (referred to as a difference frequency conversion component) and a frequency component obtained by frequency-converting each spurious frequency component to the sum of the frequency and the frequency of the reference high-frequency signal (sum frequency) Conversion component)). If any one of these frequency-converted frequency components is detected, either the difference frequency conversion component or the sum frequency conversion component is detected, all detection target spurious frequency components (detection targets) included in the reflected wave power are detected. All spurious frequency components) can be detected. Therefore, if the DC component and the frequency component included in the high frequency side set frequency band set so as to include the frequency component twice the fundamental frequency are removed from the output of the second multiplier, the reflected wave detection target to be processed is detected. A second analog signal having a level corresponding to the level of all spurious frequency components to be detected included in the signal can be obtained, and the level of the second analog signal is converted into a digital value by the second A / D converter. By converting, it is possible to obtain a second digital value indicating the level of all detection target spurious frequency components included in the processing target reflected wave detection signal.
第2の信号生成部では、第2の乗算部の出力信号に対して、直流分及び基本周波数の2倍の周波数成分の除去と、レベルを検出するための検波とを行なうだけで、直流分を抽出する処理は行なわないので、該直流分は零であってもよい。従って、処理対象反射波検出信号と基準高周波信号との位相差はnπ/2(nは1以上の奇数)であってもよく、処理対象反射波検出信号と基準高周波信号とを第2の乗算部で乗算するに当り、両信号の位相差を調整する必要はない。 The second signal generation unit simply removes the DC component and the frequency component twice the fundamental frequency and detects the level to detect the DC component from the output signal of the second multiplication unit. Is not performed, the DC component may be zero. Therefore, the phase difference between the reflected wave detection signal to be processed and the reference high-frequency signal may be nπ / 2 (n is an odd number equal to or greater than 1), and the reflected wave detection signal to be processed and the reference high-frequency signal are multiplied by the second multiplication. It is not necessary to adjust the phase difference between the two signals when multiplying by the unit.
一方第3の信号生成部で処理対象反射波検出信号を検波してそのレベルを検出すると、処理対象反射波検出信号に含まれる基本周波数成分とスプリアス周波数成分との双方を含む全検出対象反射波電力成分のレベルに対応するレベルを有する第3のアナログ信号を得ることができ、第3のA/D変換部でこの第3のアナログ信号のレベルをデジタル値に変換することにより、処理対象反射波検出信号に含まれる基本周波数成分と全検出対象スプリアス周波数成分との双方を含む全検出対象反射波電力成分のレベルを示す第3のデジタル値を得ることができる。第3のアナログ信号も直流信号であるため、第3のA/D変換部を構成するハードウェアとして変換速度が遅い安価なものを用いても、出力制御及び保護制御を、遅れを伴うことなく行わせるために必要にして十分な速度で変換データを得ることができ、全検出対象反射波電力成分の検出を高速で行なわせることができる。 On the other hand, when the third signal generation unit detects the processing target reflected wave detection signal and detects its level, all the detection target reflected waves including both the fundamental frequency component and the spurious frequency component included in the processing target reflected wave detection signal are detected. A third analog signal having a level corresponding to the level of the power component can be obtained, and the third A / D converter converts the level of the third analog signal into a digital value. A third digital value indicating the level of all the detection target reflected wave power components including both the fundamental frequency component and all the detection target spurious frequency components included in the wave detection signal can be obtained. Since the third analog signal is also a direct current signal, output control and protection control can be performed without delay even if inexpensive hardware having a low conversion speed is used as hardware constituting the third A / D conversion unit. Conversion data can be obtained at a sufficient speed necessary for the detection, and the detection target reflected wave power component can be detected at a high speed.
上記のように、進行波電力の基本周波数成分、反射波電力に含まれる全検出対象スプリアス周波数成分、及び基本周波数成分と全検出対象スプリアス周波数成分との双方を含む全検出対象反射波電力成分をそれぞれ示す第1のデジタル値、第2のデジタル値及び第3のデジタル値を得ることができると、第1のデジタル値から進行波電力の基本周波数成分を知ることができ、第3のデジタル値から第2のデジタル値を減算した値から反射波電力の基本周波数成分を求めることができる。 As described above, the fundamental frequency component of traveling wave power, the total detection target spurious frequency component included in the reflected wave power, and the total detection target reflected wave power component including both the fundamental frequency component and the total detection target spurious frequency component. When the first digital value, the second digital value, and the third digital value respectively shown can be obtained, the fundamental frequency component of the traveling wave power can be known from the first digital value, and the third digital value is obtained. From the value obtained by subtracting the second digital value from the fundamental frequency component of the reflected wave power can be obtained.
また上記のように構成すると、少なくとも第1のA/D変換部及び第3のA/D変換部は、直流信号をA/D変換すればよいため、安価なハードウェアを用いて構成することができ、コストの低減を図ることができる。 Further, if configured as described above, at least the first A / D conversion unit and the third A / D conversion unit need only be A / D converted from the DC signal, and are configured using inexpensive hardware. And cost can be reduced.
本発明の好ましい態様では、上記第2の信号生成部が、第2の乗算部の出力から直流分と基本周波数の2倍の周波数成分を含むように設定された高域側設定周波数帯域に含まれる周波数成分とを除去した信号を検波して、処理対象反射波検出信号に含まれる全検出対象スプリアス周波数成分のレベルに対応したレベルを有する直流の第2のアナログ信号を得るように構成される。 In a preferred aspect of the present invention, the second signal generation unit is included in a high frequency side set frequency band set so as to include a frequency component that is twice the direct current component and the fundamental frequency from the output of the second multiplication unit. Configured to obtain a DC second analog signal having a level corresponding to the level of all detection target spurious frequency components included in the processing target reflected wave detection signal. .
このように第2の信号生成部を構成すると、第2のA/D変換部も直流信号をA/D変換すればよいため、安価なハードウェアを用いて構成することができる。 If the second signal generation unit is configured in this way, the second A / D conversion unit may also perform A / D conversion of the DC signal, and can be configured using inexpensive hardware .
本発明の好ましい態様では、デジタル演算処理部が、第1のデジタル値から求められる進行波電力の基本周波数成分、第3のデジタル値から第2のデジタル値を減じた値を第1のデジタル値から減じた値から求められる有効電力成分、及び第1のデジタル値から第3のデジタル値を減じた値から求められる有効電力成分のいずれかを制御対象電力成分として外部指令に応じて演算するように構成される。 In a preferred aspect of the present invention , the digital arithmetic processing unit obtains a fundamental frequency component of traveling wave power obtained from the first digital value, and a value obtained by subtracting the second digital value from the third digital value. The active power component obtained from the value obtained by subtracting from the active power component obtained from the value obtained by subtracting the third digital value from the first digital value is calculated as the control target power component according to the external command. Configured.
上記のように構成しておくと、外部指令により制御対象電力成分の変更を容易に行うことができるため、ユーザーが要求する仕様に合った高周波電源装置を容易に構成することができる。 When configured as described above, the control target power component can be easily changed by an external command, so that a high-frequency power supply device that meets the specifications required by the user can be easily configured .
本発明の好ましい態様では、デジタル演算処理部が、第1のデジタル値が示す進行波電力の基本周波数成分の値と前記第3のデジタル値から第2のデジタル値を減じることにより求めた反射波電力の基本周波数成分の値との合計値、または前記第1のデジタル値が示す進行波電力の基本周波数成分と第3のデジタル値が示す全検出対象反射波電力成分との合計値を監視対象電力成分として外部指令に応じて演算するように構成される。 In a preferred aspect of the present invention , the digital calculation processing unit obtains the reflected wave obtained by subtracting the second digital value from the value of the fundamental frequency component of the traveling wave power indicated by the first digital value and the third digital value. The total value of the fundamental frequency component value of power or the total value of the fundamental wave component of traveling wave power indicated by the first digital value and the reflected wave power component of all detection targets indicated by the third digital value is monitored. The power component is configured to be calculated according to an external command.
上記のように構成しておくと、監視対象電力成分の変更を容易に行うことができるため、ユーザーが要求する仕様に合った高周波電源装置を容易に構成することができる。 When configured as described above, the power component to be monitored can be easily changed, so that a high-frequency power supply device that meets the specifications required by the user can be easily configured.
本発明の好ましい態様では、基準高周波信号のレベルを検出する基準高周波信号レベル検出部が設けられて、この基準高周波信号レベル検出部により検出された基準高周波信号のレベルを一定に保つように高周波信号発生部を制御する高周波信号制御ループが構成される。 In a preferred aspect of the present invention, a reference high-frequency signal level detection unit for detecting the level of the reference high-frequency signal is provided, and the high-frequency signal is maintained so that the level of the reference high-frequency signal detected by the reference high-frequency signal level detection unit is kept constant. A high-frequency signal control loop for controlling the generator is configured.
このような制御ループを構成しておくと高周波信号のレベル及び基準高周波信号のレベルを一定に保つことができるため、制御を安定に行わせることができる。 If such a control loop is configured, the level of the high-frequency signal and the level of the reference high-frequency signal can be kept constant, so that the control can be performed stably.
高周波信号発生部は、連続した正弦波形の高周波信号を出力するように構成されていてもよく、正弦波形の高周波信号をパルス波形に変調して出力するよう構成されていてもよい。 The high-frequency signal generator may be configured to output a continuous sinusoidal high-frequency signal, or may be configured to modulate a sinusoidal high-frequency signal into a pulse waveform and output the pulse waveform.
本発明では、進行波電力の基本周波数成分、反射波電力の基本周波数成分及び全検出対象反射波電力成分を高速で検出することができるため、高周波信号がパルス波形に変調されていても、応答遅れを生じさせることなく、出力制御及び保護制御を支障なく行わせることができる。 In the present invention, since the fundamental frequency component of traveling wave power, the fundamental frequency component of reflected wave power, and the reflected wave power component of all detection targets can be detected at high speed, even if a high frequency signal is modulated into a pulse waveform, the response Output control and protection control can be performed without hindrance without causing a delay.
高周波信号発生部は、水晶発振器のような安定な発振器からなっていてもよく、デジタル信号により指示された通りの振幅と周波数とを有する高周波信号を発生するDDS(Direct Digital Synthesizer)からなっていてもよい。DDSを用いれば、高周波電力の周波数の変更に容易に対応することができる。 The high-frequency signal generator may consist of a stable oscillator such as a crystal oscillator, and consists of a DDS (Direct Digital Synthesizer) that generates a high-frequency signal having the amplitude and frequency as instructed by the digital signal. Also good. If DDS is used, it is possible to easily cope with a change in the frequency of the high-frequency power.
本発明によれば、高周波信号の一部を分波することにより高周波信号と波形及び周波数が等しい基準高周波信号を得て、この基準高周波信号を用いて直接検波を行なうことにより進行波電力の基本周波数成分を検出するようにしたため、周波数変換を行なう場合のように、高周波信号発生部の他に局部信号発生部を設ける必要がなく、ハードウェアの構成を簡単にすることができる。また信号発生部としては高周波信号発生部のみを設ければよいため、信号発生部相互間の干渉を防ぐための対策や高度のノイズ対策を講じる必要性及び信号発生部を同期運転する必要性をなくすことができ、回路構成を簡単にして製造を容易にすることができる。 According to the present invention, a reference high-frequency signal having the same waveform and frequency as that of the high-frequency signal is obtained by demultiplexing a part of the high-frequency signal, and direct wave detection is performed using this reference high-frequency signal, thereby making it possible to determine the fundamental of traveling wave power. Since the frequency component is detected, there is no need to provide a local signal generator in addition to the high frequency signal generator as in the case of frequency conversion, and the hardware configuration can be simplified. In addition, since only a high-frequency signal generator needs to be provided as a signal generator, there is a need to take measures to prevent interference between the signal generators and to take advanced noise countermeasures and to operate the signal generator synchronously. The circuit configuration can be simplified and manufacturing can be facilitated.
また本発明によれば、反射波検出信号又は反射波検出信号から検出の対象としないスプリアス周波数成分を除去した信号を処理対象反射波検出信号として、該処理対象反射波検出信号と基準高周波信号とを乗算して得た信号から直流分と、基本周波数の2倍の周波数成分を含むように設定された高域側設定周波数帯域に含まれる周波数成分とを除去することにより、全検出対象スプリアス周波数成分のレベルに対応するレベルを有する第2のアナログ信号を得て、この第2のアナログ信号のレベルをデジタル値に変換することにより、全検出対象スプリアス周波数成分のレベルを示す第2のデジタル値を得るようしたので、全検出対象スプリアス周波数成分の検出を高精度で行なうことができ、スプリアス周波数成分のモニタを可能にすることができる。 According to the present invention, a reflected wave detection signal or a signal obtained by removing a spurious frequency component not to be detected from the reflected wave detection signal is used as a processing object reflected wave detection signal. By removing the DC component from the signal obtained by multiplying the frequency component and the frequency component included in the high frequency side set frequency band set so as to include the frequency component twice the fundamental frequency, all spurious frequencies to be detected are detected. A second digital value indicating the level of all the detection-target spurious frequency components is obtained by obtaining a second analog signal having a level corresponding to the level of the component and converting the level of the second analog signal into a digital value. Therefore, it is possible to detect all spurious frequency components to be detected with high accuracy and to monitor spurious frequency components. Can.
更に本発明によれば、処理対象反射波検出信号を検波することにより基本周波数成分とスプリアス周波数成分との双方を含む全検出対象反射波電力のレベルに対応したレベルを有する第3のアナログ信号を得た後、この第3のアナログ信号のレベルをデジタル変換することにより基本周波数成分とスプリアス周波数成分との双方を含む全検出対象反射波電力のレベルを示す第3のデジタル値を得て、第3のデジタル値からスプリアス周波数成分を示す第2のデジタル値を減算することにより、反射波電力の基本周波数成分を検出するようにしたので、狭帯域フィルタを用いることなく、反射波電力の基本周波数成分を正確に検出することができる。従って、複雑な演算処理を行なうデジタルフィルタを用いる等、ハードウェアに大きな負担をかけることなく、進行波電力及び反射波電力の基本周波数成分を正確に検出して、有効電力を設定範囲に保つ出力制御と、進行波電力と反射波電力との合計値が制限値を超えることがないように電力増幅部を制御する保護制御とを、高精度で行なわせることができる。 Further, according to the present invention, the third analog signal having a level corresponding to the level of the total detection target reflected wave power including both the fundamental frequency component and the spurious frequency component is detected by detecting the processing target reflected wave detection signal. After obtaining, the third analog signal level is digitally converted to obtain a third digital value indicating the level of the reflected wave power of all detection targets including both the fundamental frequency component and the spurious frequency component. Since the fundamental frequency component of the reflected wave power is detected by subtracting the second digital value indicating the spurious frequency component from the digital value of 3, the fundamental frequency of the reflected wave power can be detected without using a narrowband filter. The component can be detected accurately. Therefore, it is possible to accurately detect the fundamental frequency components of traveling wave power and reflected wave power and maintain the effective power within the set range without imposing a heavy burden on hardware, such as using a digital filter that performs complex arithmetic processing. The control and the protection control for controlling the power amplifying unit so that the total value of the traveling wave power and the reflected wave power does not exceed the limit value can be performed with high accuracy.
また本発明によれば、少なくとも第1のアナログ信号及び第3のアナログ信号をそれぞれA/D変換するA/D変換部が直流信号をA/D変換するようにしたので、ハードウェアに大きな負担をかけることなく制御対象電力成分及び監視対象電力成分を高速で検出して、出力制御と保護制御とを高い応答速度をもたせて行なうことができ、連続した正弦波形の高周波電力を負荷に供給する場合の出力制御及び保護制御を正確かつ安定に行わせることができるのはもちろん、負荷に供給する高周波電力をパルス波形に変調する場合にも、ハードウェアの構成を複雑にしたり、波形歪みを生じさせたりすることなく、出力制御及び保護制御を正確かつ安定に行わせることができる。 Further, according to the present invention, the A / D converter that performs A / D conversion on at least the first analog signal and the third analog signal respectively converts the DC signal into A / D conversion. It is possible to detect the power component to be controlled and the power component to be monitored at high speed without applying power, and to perform output control and protection control with a high response speed, and to supply high frequency power with a continuous sinusoidal waveform to the load. Output control and protection control can be performed accurately and stably, and even when high-frequency power supplied to a load is modulated into a pulse waveform, the hardware configuration becomes complicated or waveform distortion occurs. The output control and the protection control can be performed accurately and stably without causing them to occur.
本発明によれば、第1及び第2の乗算部、少なくとも第1及び第3のA/D変換部並びにデジタル演算処理部を高速化することなく、制御の応答性を高めることができるため、入手が容易で低価格の部品を用いてハードウェアを構成して、低コストで、制御の応答性が高いことが必要とされる種々の仕様への対応を可能にすることができる。 According to the present invention, since the first and second multiplication units, at least the first and third A / D conversion units and the digital arithmetic processing unit can be speeded up, the control responsiveness can be improved. Hardware can be configured by using easily available and low-cost parts, and it is possible to cope with various specifications that require low cost and high control responsiveness.
特に第2のアナログ信号生成部が第2のアナログ信号を直流信号として発生するように構成した場合には、第1ないし第3のA/D変換部のすべてを、変換速度がそれほど速くない低コストのハードウェアを用いて構成することができるため、コストの低減を図ることができる。 In particular, when the second analog signal generator is configured to generate the second analog signal as a DC signal, all of the first to third A / D converters are low in conversion speed. Since it can be configured using cost hardware, the cost can be reduced.
本発明において、基準高周波信号のレベルを検出する基準高周波信号レベル検出部を設けて、基準高周波信号レベル検出部により検出された基準高周波信号のレベルを一定に保つように高周波信号発生部を制御する高周波信号制御ループを構成した場合には、高周波信号及び基準高周波信号のレベルを一定に保つことができるため、制御を安定に行なわせることができる。 In the present invention, a reference high-frequency signal level detector for detecting the level of the reference high-frequency signal is provided, and the high-frequency signal generator is controlled so as to keep the level of the reference high-frequency signal detected by the reference high-frequency signal level detector constant. When the high-frequency signal control loop is configured, the levels of the high-frequency signal and the reference high-frequency signal can be kept constant, so that the control can be performed stably.
また第1のデジタル値から求められる進行波電力の基本周波数成分、第3のデジタル値から第2のデジタル値を減じた値を第1のデジタル値から減じた値から求められる有効電力成分、及び第1のデジタル値から第3のデジタル値を減じた値から求められる有効電力のいずれかを制御対象電力成分として外部指令に応じて演算するようにデジタル演算処理部を構成した場合には、制御対象電力成分の変更を容易に行うことができるため、ユーザーが要求する仕様に合った高周波電源装置を容易に構成することができる。 Further, the fundamental frequency component of traveling wave power obtained from the first digital value, the active power component obtained from the value obtained by subtracting the second digital value from the third digital value from the first digital value, and When the digital arithmetic processing unit is configured to calculate one of the active powers obtained from the value obtained by subtracting the third digital value from the first digital value as a control target power component according to an external command, Since it is possible to easily change the target power component, it is possible to easily configure a high-frequency power supply device that meets the specifications required by the user.
更に、第1のデジタル値から求められる進行波電力の基本周波数成分の値と第3のデジタル値から第2のデジタル値を減じた値から求められる反射波電力の基本周波数成分との合計値、または第1のデジタル値から求められる進行波電力の基本周波数成分の値と第3のデジタル値から求められる全検出対象反射波電力成分との合計値を監視対象電力成分として外部指令に応じて演算するようにデジタル演算処理部を構成した場合には、監視対象電力成分の変更を容易に行うことができるため、ユーザーが要求する仕様に合った高周波電源装置を容易に構成することができる。 Further, the total value of the fundamental frequency component of the traveling wave power obtained from the first digital value and the fundamental frequency component of the reflected wave power obtained from the value obtained by subtracting the second digital value from the third digital value, Or, the total value of the fundamental frequency component value of the traveling wave power obtained from the first digital value and the reflected wave power component of all the detection targets obtained from the third digital value is calculated according to the external command as the monitoring target power component. When the digital arithmetic processing unit is configured as described above, it is possible to easily change the power component to be monitored, and thus it is possible to easily configure a high-frequency power supply device that meets the specifications required by the user.
以下図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
図1は本発明の一実施形態の全体的な構成を示したもので、同図において、1は、中央演算処理装置CPU,ROMやEEPROM等の不揮発性メモリ、一次記憶メモリRAM等を備えたマイクロプロセッサにより構成されるデジタル演算処理部である。この演算処理部は、基準クロック発生部2が発生する基準クロック信号に基づいて制御されて、不揮発性メモリに記憶されたプログラムを実行することにより、各種の機能を果たす機能実現手段を構成する。デジタル演算処理部1は、インターフェース3を通して外部との信号のやりとりを行なう。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an overall configuration of an embodiment of the present invention. In FIG. 1,
4は、デジタル演算処理部1から与えられる周波数指令及び振幅指令により指令された通りの周波数と振幅とを有する高周波数信号を発生する高周波信号発生部、5は高周波信号発生部4が発生した高周波信号を分波して高周波信号Sh1と基準高周波信号Sh2とを出力する分波器、6は分波器5から出力された高周波信号Sh1を増幅して高周波電力を出力する電力増幅部である。
4 is a high-frequency signal generating unit that generates a high-frequency signal having the frequency and amplitude as instructed by the frequency command and amplitude command given from the digital
図示の電力増幅部6は、高周波信号Sh1を増幅して高周波電力を出力する増幅回路601と、出力制御信号SL に応じて増幅回路の出力レベルを調節するレベル調節部602と、保護制御信号Sp に応じて増幅回路の出力を抑制する制御を行う保護制御部603とを備えている。図示のレベル調節部602は、分波器5と増幅回路601との間に挿入されていて、出力制御信号SL に応じて増幅回路601に入力される高周波信号のレベルを調節することにより、増幅回路601から出力される高周波電力のレベルを調節する。保護制御信号Sp は、増幅回路601の出力の抑制量を指示する信号であり、保護制御部603は、保護制御信号Sp が与えられている間、増幅回路601のゲインを低下させるか、または増幅回路601の電源電圧を低下させることにより、保護制御信号が指示する抑制量だけ増幅回路601の出力を抑制する制御を行う。
The illustrated power amplifier 6 includes an
図示してないが、従来の高周波電源装置と同様に、電力増幅部6の出力段にはスプリアス周波数成分を除去するフィルタが接続されていて、増幅回路601内等で発生したスプリアス周波数成分が電力増幅部6から出力されないように配慮されている。
Although not shown, a filter for removing spurious frequency components is connected to the output stage of the power amplifying unit 6 as in the conventional high-frequency power supply device, and spurious frequency components generated in the
8は電力増幅部6の出力側で負荷9に与えられる進行波電力と負荷9から戻ってくる反射波電力とを検出する高周波検出部である。高周波検出部8は方向性結合器からなっていて、電力増幅部6から出力される高周波電力の大部分を負荷に向けて通過させるとともに、負荷に供給される進行波電力と負荷から戻ってくる反射波電力とを分離して検出して進行波検出信号Sfと反射波検出信号Srとを出力する Reference numeral 8 denotes a high-frequency detector that detects the traveling wave power applied to the load 9 and the reflected wave power returned from the load 9 on the output side of the power amplifier 6. The high-frequency detector 8 is composed of a directional coupler, and passes most of the high-frequency power output from the power amplifier 6 toward the load and returns from the traveling wave power supplied to the load and the load. The reflected wave power is separated and detected, and the traveling wave detection signal Sf and the reflected wave detection signal Sr are output.
本実施形態では、分波器5により基準高周波信号生成部10が構成され、この基準高周波信号生成部から出力される基準高周波信号Sh2が第1の乗算部11に入力されている。第1の乗算部11にはまた進行波検出信号Sfが、位相補正部12を通して入力され、基準高周波信号Sh2と、位相補正部12により位相が補正された進行波検出信号Sf とが第1の乗算部11により乗算される。第1の乗算部11の出力信号は、アナログフィルタからなるローパスフィルタ(LPF)により構成された第1の信号生成部13に入力され、第1の信号生成部13から出力される第1のアナログ信号S1が、第1のA/D変換部14を通してデジタル演算処理部1に入力されている。
In the present embodiment, a reference high frequency signal generation unit 10 is configured by the duplexer 5, and a reference high
第1の乗算部11に入力される基準高周波信号Sh2の振幅をA、角周波数をω,位相角をα,時間をtとして、基準高周波信号をSh2=Asin(ωt−α)で表わし、進行波検出信号Sf の振幅をB、角周波数をω,位相角をβ,時間をtとして、進行波検出信号をSf =sin(ωt−β)で表わし、乗算記号を*とすると、第1の乗算部11の出力は下記の式で与えられる。
Asin(ωt−α)*Bsin(ωt−β)
=(A*B/2)[cos(α−β)−cos{2ωt−(α+β)}] …(1)
The amplitude of the reference high-frequency signal Sh2 input to the
Asin (ωt-α) * Bsin (ωt-β)
= (A * B / 2) [cos (α−β) −cos {2ωt− (α + β)}] (1)
位相角α及びβが一定であるとすると、cos(α−β)は定数となるため、上記の式の(A*B/2)*cos(α−β)は直流分となる。即ち、位相角α及びβが一定である場合、第1の乗算部11の出力信号は、直流分と、基本周波数の2倍の周波数の成分とからなる。ここで基準高周波信号のレベルAを一定とすると、上記の直流分は進行波電力の基本周波数成分の振幅の最大値Bに比例する。従って、この直流分を抽出することにより、進行波電力の基本周波数成分の最大値を検出することができる。
Assuming that the phase angles α and β are constant, cos (α−β) is a constant, and (A * B / 2) * cos (α−β) in the above equation is a direct current component. That is, when the phase angles α and β are constant, the output signal of the
進行波電力の基本周波数成分を示す直流分(A*B/2)*cos(α−β)は、基準高周波信号と進行波検出信号との位相差α−βが0及びmπ(mは1以上の整数)のときに最大になり、位相差α−βがnπ/2(nは1以上の奇数)のときに0になる。従って、基準高周波信号と進行波検出信号との位相差をnπ/2以外の値に調整することにより、第1の乗算部11の出力に含まれる直流分(A*B/2)cos(α−β)の値を零でない値にすることができ、この直流分を抽出することにより、進行波電力の基本周波数成分を検出することができる。また基準高周波信号と進行波検出信号との位相差を0またはmπに調整して、抽出した直流分A*B/2の絶対値をとることにより、進行波電力の基本周波数成分を最大感度で検出することができる。本実施形態では、位相補正部12で進行波検出信号の位相を補正することにより、α=βに調整して、進行波電力の基本周波数成分の最大値Bに比例する直流分A*B/2を得るようにしている。α=βのとき、(1)式は、
Asin(ωt−α)*Bsin(ωt−α)=(A*B/2)[1−cos(2ωt−2α)] …(1)′
となる。
The direct current component (A * B / 2) * cos (α−β) indicating the fundamental frequency component of the traveling wave power has a phase difference α-β of 0 and mπ (m is 1) between the reference high frequency signal and the traveling wave detection signal. When the phase difference α-β is nπ / 2 (n is an odd number equal to or greater than 1), the maximum value is obtained. Therefore, by adjusting the phase difference between the reference high-frequency signal and the traveling wave detection signal to a value other than nπ / 2, the direct current component (A * B / 2) cos (α included in the output of the
Asin (ωt−α) * Bsin (ωt−α) = (A * B / 2) [1-cos (2ωt−2α)] (1) ′
It becomes.
本実施形態では、第1の乗算部11の出力を第1の信号生成部13に与えてローパスフィルタに通すことにより、(1)′式の直流分A*B/2を抽出して、進行波電力の基本周波数成分のレベルに対応するレベルを有する第1のアナログ信号を得、この第1のアナログ信号を進行波電力の基本周波数成分のレベルに対応するレベルを有する信号として用いる。第1の信号生成部13を構成するローパスフィルタとしては、例えば図4に波線で示した周波数特性を有するものを用いる。進行波検出信号にスプリアス周波数成分が混入したとしても、該スプリアス周波数成分が直流分(A*B/2)の近傍に現れることは通常はないため、ローパスフィルタによる直流分の抽出は容易に行うことができる。
In the present embodiment, the output of the
ローパスフィルタからなる第1の信号生成部13が出力する第1のアナログ信号S1 は第1のA/D変換部14に入力され、第1のA/D変換部14により第1のアナログ信号S1 のレベルが第1のデジタル値D1 (進行波電力の基本周波数成分の最大値を示すデジタル値)に変換されてデジタル演算処理部1に入力される。第1のA/D変換部14が変換するアナログ信号は直流信号であるため、第1のA/D変換部14を構成するハードウェアとして変換速度が遅いものを用いても、高周波電力の波形をパルス変調された波形とする場合の出力制御及び保護制御を、遅れを伴うことなく行わせるために必要にして十分な速度で変換データを得ることができる。従って、ハードウェアに大きな負担をかけることなく、進行波電力の基本周波数成分の検出をハイスピードで行わせることができ、高周波電力の波形をパルス変調された波形とする場合の制御にも十分に対応することができる。
The first analog signal S1 output from the first
本実施形態では、反射波検出信号Sr をアナログフィルタからなるバンドパスフィルタ(BPF)16に入力して、反射波検出信号Sr から検出の対象としない不要なスプリアス周波数成分を除去することにより、基本周波数成分と検出の対象とするスプリアス周波数成分(全検出対象スプリアス周波数成分)とを含む処理対象反射波検出信号Sr ′を生成し、この処理対象反射波検出信号Sr ′を、基準高周波信号Sh2とともに第2の乗算部15に入力する。
In this embodiment, the reflected wave detection signal Sr is input to a bandpass filter (BPF) 16 formed of an analog filter, and unnecessary spurious frequency components that are not targeted for detection are removed from the reflected wave detection signal Sr. A processing target reflected wave detection signal Sr ′ including a frequency component and a spurious frequency component to be detected (all detection target spurious frequency components) is generated, and this processing target reflected wave detection signal Sr ′ is combined with the reference high frequency signal Sh2. Input to the
バンドパルフィルタ16としては、図5に波線で示されたような周波数特性を有して、反射波検出信号に含まれる基本周波数成分と検出の対象とする全スプリアス周波数成分との双方を通過させる広帯域のものを使用する。例えば、高周波電力の基本周波数が50MHzで、検出の対象とするスプリアス周波数成分が、±30MHzの周波数帯域内に存在するとした場合、図5に示したフィルタとしては、20MHz〜80MHzの周波数成分を通過させ得るバンドパスフィルタを用いる。また例えば検出したいスプリアス周波数が2MHzと12MHzにもある場合、バンドパスフィルタ16の帯域は1MHz〜90MHz以上に設定する。これは、2MHz,12MHz及び50MHz以外にも、50MHz±2MHz,4MHz,6MHz,12MHz,24MHz,36MHzなどの主なスプリアス周波数を検出するためである。更に、高周波電力の基本周波数が50MHzであるときに第2高調波成分(100MHz)をもスプリアス周波数成分として検出したい場合には、バンドパスフィルタ16として、100MHzを通過させ得る周波数帯域を持ったバンドパスフィルタを使用する。
The
第2の乗算部15は、基準高周波信号Sh2を、処理対象反射波検出信号Sr ′に含まれる反射波電力の基本周波数成分と検出の対象とする各スプリアス周波数成分とに乗算する。基準高周波信号を反射波電力の基本周波数成分に乗算することにより、反射波電力の基本周波数成分の振幅の最大値に比例したレベルの直流分と基本周波数の2倍の周波数成分とが得られる。また基準高周波信号を各スプリアス周波数成分と乗算することにより、各スプリアス周波数成分が、各スプリアス周波数と基準高周波信号Sh2の周波数との差の周波数を有する差周波数変換成分と、各スプリアス周波数と基準高周波信号Sh2の周波数との和の周波数を有する和周波数変換成分とに周波数変換される。従って、第2の乗算部15の出力信号は、反射波電力の基本周波数成分の振幅の最大値に比例した直流分と、基本周波数の2倍の周波数成分、差周波数変換成分及び和周波数変換成分を含む交流分とからなる。
The
反射波電力に重畳されている全検出対象スプリアス周波数成分のレベルを検出するためには、周波数変換された全検出対象スプリアス周波数成分のうち、差周波数変換成分または和周波数変換成分のいずれかを検出すればよいが、検出に用いるフィルタを構成する上では、周波数が低い帯域に存在する差周波数変換成分を検出する方が有利である。そこで本実施形態では、第2の乗算部15により周波数変換された全検出対象スプリアス周波数成分のうち、差周波数変換成分を抽出することにより、反射波電力に重畳されている全検出対象スプリアス周波数成分のレベルを検出する。
To detect the level of all detection target spurious frequency components superimposed on the reflected wave power, either the difference frequency conversion component or the sum frequency conversion component is detected from the frequency converted total detection target spurious frequency components. However, in configuring the filter used for detection, it is more advantageous to detect the difference frequency conversion component existing in the low frequency band. Therefore, in the present embodiment, all the detection target spurious frequency components superimposed on the reflected wave power by extracting the difference frequency conversion component from all the detection target spurious frequency components frequency-converted by the
そのため本実施形態では、第2の乗算部15の出力をバンドパスフィルタに供給することにより、第2の乗算部15の出力信号から直流分と、基本周波数の2倍の周波数成分を含むように設定された高域側設定周波数帯域に含まれる周波数成分とを除去して、反射波電力に重畳されている全検出対象スプリアス周波数成分のレベルに対応したレベルを有する検出信号を抽出する。この場合、反射波電力に重畳されているスプリアス周波数成分によっては、バンドパスフィルタが通過させる帯域に、第2の乗算部により周波数変換された和周波数変換成分の一部が含まれることがあり得るが、通常、和周波数変換成分の大部分は基本周波数の2倍の周波数よりも高い周波数帯域に含まれるので、上記のような方法で全検出対象スプリアス周波数成分のレベルを検出しても大きな誤差は生じない。
Therefore, in this embodiment, by supplying the output of the
本実施形態では、第2の乗算部15の出力信号が、アナログフィルタからなるバンドパスフィルタと、該バンドパスフィルタの出力のレベルを検出する検波器とからなる第2の信号生成部17に入力される。この場合、検波器としては、精度が高い自乗検波器を用いるのが好ましい。第2の信号生成部17に設けるバンドパスフィルタとしては、図6に波線で示したような周波数特性を有して、直流分(0Hz)と、高周波電力の基本周波数の2倍の周波数成分を含むように設定した高域側設定周波数帯域に含まれる周波数成分との通過を阻止するものを用いる。バンドパスフィルタ16が前述の特性を有する場合、図6に示した特性を有するバンドパスフィルタとしては、例えば0.1MHZ〜80MHzの帯域を有するものを用いる。第2の信号生成部17は、第2の乗算部の出力から直流分と高周波電力の基本周波数の2倍の周波数成分を含む高域の周波数帯域とを除去した信号を検波して、検出の対象とする全スプリアス周波数成分のレベル(瞬時値)を示す直流の第2のアナログ信号S2 を出力する。本実施形態では、この第2のアナログ信号S2 を、反射波電力に重畳されているスプリアス周波数成分のうち、検出の対象とするスプリアス周波数成分のレベルに対応するレベルを有する検出信号として用いる。第2のアナログ信号S2 は、第2のA/D変換部18を通してデジタル演算処理部1に入力される。第2のA/D変換部18は、第2のアナログ信号S2 のレベルを第2のデジタル値D2 に変換してデジタル演算処理部1に入力する。
In the present embodiment, the output signal of the
第2のアナログ信号S2 は、全検出対象スプリアス周波数成分のレベル(瞬時値)を示す直流信号であり、第2のデジタル値D2 は、全検出対象スプリアス周波数成分のレベル(瞬時値)を示すデジタル値である。第2のA/D変換部18が変換するアナログ信号も直流信号であるため、第2のA/D変換部18を構成するハードウェアとして変換速度が遅いものを用いても、処理に必要な十分な速度で変換データを得ることができる。
The second analog signal S2 is a DC signal indicating the level (instantaneous value) of all detection target spurious frequency components, and the second digital value D2 is a digital signal indicating the level (instantaneous value) of all detection target spurious frequency components. Value. Since the analog signal converted by the second A /
バンドパスフィルタ16から出力される処理対象反射波検出信号Sr ′は、自乗検波器とハイカットフィルタ(HCF)とからなる第3のアナログ信号生成部19に入力され、第3のアナログ信号生成部19により得られる第3のアナログ信号S3 が第3のA/D変換部20を通してデジタル演算処理部1に入力されている。
The processing target reflected wave detection signal Sr ′ output from the
第3のアナログ信号生成部19は、基本周波数成分と検出の対象とするすべてのスプリアス周波数成分(全検出対象スプリアス周波数成分)とを含む処理対象反射波検出信号を自乗検波した後、ハイカットフィルタにより、基本周波数成分の2倍の周波数を含む高域の周波数帯域に含まれる周波数成分を除去して、処理対象反射波検出信号Sr ′に含まれる基本周波数成分と全検出対象スプリアス周波数成分とを含む全検出対象反射波電力成分のレベル(瞬時値)に対応したレベルを有する直流の第3のアナログ信号を出力する。第3のA/D変換部20は、第3のアナログ信号S3 のレベルを第3のデジタル値D3 に変換してデジタル演算処理部1に入力する。上記ハイカットフィルタは、検波器の出力端子と接地間に接続されたコンデンサにより構成することができる。
The third analog
第3のアナログ信号S3 は、基本周波数成分及びスプリアス周波数成分の双方を含む全検出対象反射波電力の瞬時値を示す直流信号であり、第3のデジタル値D3 は、全検出対象反射波電力の瞬時値を示すデジタル値である。第3のA/D変換部20が変換するアナログ信号も直流信号であるため、第3のA/D変換部20を構成するハードウェアとして変換速度が遅いものを用いても、処理に必要な十分な速度で変換データを得ることができる。
The third analog signal S3 is a DC signal indicating the instantaneous value of the reflected wave power of all the detection targets including both the fundamental frequency component and the spurious frequency component, and the third digital value D3 is the total of the reflected wave power of all the detection targets. It is a digital value indicating an instantaneous value. Since the analog signal converted by the third A /
分波器5から出力される基準高周波信号Sh2はまた自乗検波器からなる基準高周波信号レベル検出部21に入力され、基準高周波信号レベル検出部21の出力がA/D変換部22を通してデジタル演算処理部1に入力されている。本実施形態では、レベル検出部21の出力端子と接地間にコンデンサを接続して、このコンデンサにより、レベル検出部21から直流分と共に出力される基本周波数の2倍の周波数成分がA/D変換部22に入力されるのを阻止するハイカットフィルタを構成している。
The reference high-frequency signal Sh2 output from the duplexer 5 is also input to a reference high-frequency signal
上記のように、第1のデジタル値D1 ないし第3のデジタル値D3 を得ると、第1のデジタル値から進行波電力の基本周波数成分のレベルを知ることができ、第2のデジタル値から反射波電力に含まれているスプリアス周波数成分の内、検出の対象とする全スプリアス周波数成分のレベルを知ることができる。また第3のデジタル値から、基本周波数成分と全検出対象スプリアス周波数成分との双方を含む全検出対象反射波電力のレベルを検出することができ、第3のデジタル値から第2のデジタル値を減算して求めた値から反射波電力の基本周波数成分を検出することができる。 As described above, when the first digital value D1 to the third digital value D3 are obtained, the level of the fundamental frequency component of the traveling wave power can be known from the first digital value and reflected from the second digital value. Among the spurious frequency components included in the wave power, the level of all spurious frequency components to be detected can be known. Further, the level of the reflected wave power of all detection targets including both the fundamental frequency component and all the spurious frequency components to be detected can be detected from the third digital value, and the second digital value can be detected from the third digital value. The fundamental frequency component of the reflected wave power can be detected from the value obtained by subtraction.
デジタル演算処理部1は、CPUに所定のプログラムを実行させることにより、第1のデジタル値D1 ないし第3のデジタル値D3 から求められる制御対象電力成分を設定値に保つようにデジタルの出力制御信号DL を出力し、第1のデジタル値D1 ないし第3のデジタル値D3 から求められる監視対象電力成分が制限値を超えているときに該監視対象電力成分を制限値以下に低下させるようにデジタルの保護制御信号Dp を出力するための機能実現手段を構成する。
The digital
デジタル演算処理部1はまた、CPUに所定のプログラムを実行させることにより、レベル検出部21により検出された高周波検出信号のレベルを一定に保つように高周波信号発生部4に振幅指令を与える振幅指令発生部を構成する。
The digital
本実施形態における制御対象電力成分は、第1のデジタル値D1 から求められる進行波電力の基本周波数成分、第3のデジタル値D3 から第2のデジタル値D2 を減算することにより求められる反射波電力の基本周波数成分のレベルを第1のデジタル値から求められる進行波電力の基本周波数成分のレベルから減算することにより求められる有効電力、及び第3のデジタル値D3 から求められる全反射波電力のレベルを進行波電力の基本周波数成分から減算することにより求められる有効電力のうちの何れかである。 In this embodiment, the control target power component is a fundamental frequency component of traveling wave power obtained from the first digital value D1, and a reflected wave power obtained by subtracting the second digital value D2 from the third digital value D3. The active power obtained by subtracting the level of the fundamental frequency component from the fundamental frequency component level of the traveling wave power obtained from the first digital value, and the total reflected wave power level obtained from the third digital value D3 Is one of the active powers obtained by subtracting from the fundamental frequency component of the traveling wave power.
また本実施形態における監視対象電力成分は、進行波電力の基本周波数成分の値と反射波電力の基本周波数成分の値との合計値、または進行波電力の基本周波数成分の値と全反射波電力の値との合計値である。 In addition, the monitoring target power component in this embodiment is the total value of the fundamental frequency component value of the traveling wave power and the fundamental frequency component value of the reflected wave power, or the fundamental frequency component value of the traveling wave power and the total reflected wave power. It is a total value with the value of.
デジタル演算処理部1は、制御対象電力成分を設定値に保つように、出力制御信号DL を出力する。デジタル演算処理部1が出力する出力制御信号DL は、D/A変換部23によりアナログのレベル制御信号SL に変換されてレベル調節部602に与えられる。出力制御をハイスピードで行なわせて、パルス波形の高周波電力を負荷に供給する場合にも対応し得るようにするため、D/A変換部23としては、シリアルデータではなく、パラレルデータが入力されるものを用いることが好ましい。レベル調節部602は、高周波信号発生部4から分波器5を通して与えられた一定レベルの高周波信号Sh1のレベルを、出力制御信号SL により指示されたレベルに調節して、レベルが調節された高周波信号を増幅回路601に与える。これにより、増幅回路601の出力レベルが設定値に一致するように調節される。
The digital
デジタル演算処理部1はまた、監視対象電力成分が制限値を超えたときに、該監視対象電力成分が制限値以下になるまでの間、保護制御信号Dp を出力する。この保護制御信号Dpは、D/A変換部24によりアナログの保護制御信号Sp に変換されて保護制御部603に与えられる。保護制御をハイスピードで行なわせて、パルス波形の高周波電力を負荷に供給する場合にも半導体増幅素子の保護を的確に図ることができるようにするため、D/A変換部24としては、シリアルデータではなく、パラレルデータが入力されるものを用いることが好ましい。保護制御部603は、保護制御信号Sp が与えられている間、増幅回路601のゲインを低下させるか、または増幅回路601の電源電圧を低下させることにより、増幅回路601を構成する半導体増幅素子が破損したり、劣化したりするのを防止する保護制御を行う。
When the monitored power component exceeds the limit value, the digital
デジタル演算処理部1が、制御対象電力成分を設定値に保つように、出力制御信号DL を出力するための演算処理を行なう際には、第1ないし第3のデジタル値D1 ないしD3 から進行波電力の基本周波数成分や反射波電力の基本周波数成分の電力値を実際に求めて、求めた電力値を設定値に保つように出力制御信号を発生させるようにしてもよく、電力値に相当するデジタル値を設定値に保つように出力制御信号を発生させるようにしてもよい。例えば、進行波電力の基本周波数成分を設定値に保つ制御を行なう際には、第1のデジタル値から進行波電力の基本周波数成分の電力値を演算して、演算した電力値を設定値に保つように出力制御信号を発生させるようにしてもよく、第1のデジタル値そのものを設定値に保つように出力制御信号を発生させるようにしてもよい。また進行波電力の基本周波数成分から反射波電力の基本周波数成分を減じた有効電力を設定値に保つ制御を行なう際には、第1のデジタル値D1 から進行波電力の基本周波数成分を演算し、第3のデジタル値D3 から第2のデジタル値D2 を減じた値から反射波電力の基本周波数成分を演算して、これらから求めた有効電力を設定値に保つように出力制御信号を発生させるようにしてもよく、D1 −(D3 −D2 )の値そのものを設定値に保つように出力制御信号を発生させてもよい。監視対象電力成分を制限値以下に抑制する保護制御を行なう際の信号処理についても同様である。
When the digital
第1のデジタル値D1 ないし第3のデジタル値D3 の変化が激しい場合には、第1のデジタル値D1 ないし第3のデジタル値D3 をそのまま用いて演算処理を行なうと、制御が不安定になるおそれがあるため、デジタル演算処理部1では、これらのデジタル値に移動平均等の平均化処理を施してから演算処理を行なう。第1のデジタル値D1 は、進行波電力の基本周波数成分の最大値に相当し、第2のデジタル値D2 は全検出対象スプリアス周波数成分の瞬時値に相当し、第3のデジタル値D3 は全検出対象反射波電力成分の瞬時値に相当するが、デジタル演算処理部1ではこれらのデジタル値をすべて平均化することにより、進行波電力の基本周波数成分、検出の対象とするスプリアス周波数成分及び全検出対象反射波電力成分をすべて平均値として扱う。デジタル値D1 ないしD3 に平均化処理を施す過程で遅延が生じ、この遅延が出力制御及び保護制御の応答性に影響を与えるおそれがあるため、平均化処理を行なう際の処理回数は、出力制御及び保護制御に生じる遅延を支障を来さない範囲に収めることができる回数に設定する。
When the first digital value D1 to the third digital value D3 change drastically, if the arithmetic processing is performed using the first digital value D1 to the third digital value D3 as they are, the control becomes unstable. Since there is a fear, the digital
本実施形態では、第1の乗算部11と、位相補正部12と、第1の信号生成部13と、第1のA/D変換部14と、第2の乗算部15と、バンドパスフィルタ16と、第2の信号生成部17と、第2のA/D変換部18と、第3の信号生成部19と、第3のA/D変換部20とにより、進行波電力のレベルと、反射波に含まれる全検出対象スプリアス周波数成分(電力)のレベルと、全反射波電力のレベルとを検出する電力成分検出部が構成されている。
In the present embodiment, a
図3は、本実施形態において、デジタル演算処理部1により構成される各種の機能実現手段を、ハードウェアにより構成される各部の構成とともに示したブロック図である。図3において、30は電力成分検出部で、前述のように、基準高周波信号Sh2と、進行波検出信号Sfと、反射波検出信号Srとを入力として、進行波電力の基本周波数成分のレベルを示す第1のデジタル値D1 と、反射波電力に含まれる全検出対象スプリアス周波数成分のレベルを示す第2のデジタル値D2 と、基本周波数成分とスプリアス周波数成分との双方を含む全反射波電力のレベルを示す第3のデジタル値D3 とを出力する。
FIG. 3 is a block diagram showing various function realizing means configured by the digital
デジタル演算処理部1は、制御対象電力演算部31と、監視対象電力演算部32と、レベル制御信号発生部33と、出力レベル設定部34と、保護制御信号発生部35と、制限値設定部36と、振幅指令発生部37と、振幅設定部38と、周波数指令発生部39とを構成する。
The digital
図示の制御対象電力演算部31は、インターフェース3を通して与えられる外部指令41に応じて、進行波電力の基本周波数成分、進行波電力の基本周波数成分から反射波電力の基本周波数成分を減算した電力である第1の有効電力、進行波電力の基本周波数成分から全検出対象反射波電力成分を減算した電力である第2の有効電力の何れかを制御対象電力として演算するように構成されている。ここで、進行波電力の基本周波数成分は、第1のデジタル値D1 から求められ、第1の有効電力成分は、第3のデジタル値D3から第2のデジタル値D2を減算した値から求められる反射波電力の基本周波数成分を第1のデジタル値D1 から求められる進行波電力の基本周波数成分から減算することにより求められる。また第2の有効電力成分は、第1のデジタル値D1 から求められる進行波電力の基本周波数成分から第3のデジタル値D3 により与えられる全検出対象反射波電力成分を減算することにより求められる。
The illustrated control target
制御対象電力成分演算部31が演算した制御対象電力は、出力レベル設定部34により設定される増幅回路の出力レベルの設定値とともにレベル制御信号発生部33に与えられる。レベル制御信号発生部33は、演算された制御対象電力のレベルが設定値よりも低いときに、増幅回路601に入力する高周波信号のレベルを上昇させることを指示する出力制御信号DL を出力し、演算された制御対象電力のレベルが設定値よりも高いときに、増幅回路601に入力する高周波信号のレベルを低下させることを指示する出力制御信号DL を出力する。これにより、電力増幅部から出力される制御対象電力成分を設定値に保つように、電力増幅部が制御される。
The control target power calculated by the control target power
また監視対象電力成分演算部32は、インターフェース3を通して与えられる外部指令42に応じて、進行波電力の基本周波数成分のレベルと反射波電力の基本周波数成分のレベルとを加算して求めた第1の合計値または進行波電力の基本周波数成分のレベルと全検出対象反射波電力成分のレベルとを加算して求めた第2の合計値を監視対象電力成分として演算する。
Further, the monitoring target power
ここで、第1の合計値は、第3のデジタル値D3 から第2のデジタル値D2 を減算して求めた反射波電力の基本周波数成分のレベルを第1のデジタル値D1 から求められる進行波電力の基本周波数成分のレベルに加算することにより求めることができる。また第2の合計値は、第1のデジタルD1 から求められる進行波電力の基本周波数成分のレベルと第3のデジタル値D3 から求められる全検出対象反射波電力成分のレベルとを加算することにより求めれる。 Here, the first total value is a traveling wave in which the level of the fundamental frequency component of the reflected wave power obtained by subtracting the second digital value D2 from the third digital value D3 is obtained from the first digital value D1. It can be obtained by adding to the level of the fundamental frequency component of power. Further, the second total value is obtained by adding the level of the fundamental frequency component of the traveling wave power obtained from the first digital D1 and the level of the reflected wave power component of all the detection objects obtained from the third digital value D3. Required.
監視対象電力成分演算部32が演算した監視対象電力成分は、制限値設定部36が設定した制限値とともに保護制御信号発生部35に与えられる。保護制御信号発生部35は、演算された監視対象電力成分が制限値を超えているときに、増幅回路601の出力の抑制量を指示する保護制御信号Dp を出力し、演算された監視対象電力成分が制限値以下になったときに保護制御信号Dp の出力を停止する。これにより、監視対象電力成分が制限値を超えることがないように電力増幅部の出力が制御されて、増幅回路を構成する半導体増幅素子が破損したり劣化したりするのが防止される。
The monitoring target power component calculated by the monitoring target power
上記の実施形態において、高周波信号発生部4は、図7(A)に示すように連続した正弦波形の高周波信号を発生するものでもよく、図7(B)に示すように正弦波形の高周波信号をパルス変調して、パルス波形(断続波形)の高周波信号を発生するものでもよい。 In the above embodiment, the high frequency signal generator 4 may generate a continuous sinusoidal high frequency signal as shown in FIG. 7A, or a sinusoidal high frequency signal as shown in FIG. 7B. May be modulated to generate a high-frequency signal having a pulse waveform (intermittent waveform).
上記の実施形態のように、高周波信号発生部4が出力する高周波信号の一部を分波することにより高周波信号と波形及び周波数が等しい基準高周波信号を得て、この基準高周波信号を用いて直接検波を行なうことにより、進行波電力の基本周波数成分を検出するようにすると、周波数変換を行なう場合のように、高周波信号発生部4の他に局部信号発生部を設ける必要がないため、ハードウェアの構成を簡単にすることができる。また信号発生部としては高周波信号発生部4のみを設ければよいため、信号発生部相互間の干渉を防ぐための対策や高度のノイズ対策を講じる必要性及び信号発生部を同期運転する必要性をなくすことができ、回路構成を簡単にして製造を容易にすることができる。 As in the above embodiment, a part of the high-frequency signal output from the high-frequency signal generator 4 is demultiplexed to obtain a reference high-frequency signal having the same waveform and frequency as the high-frequency signal, and directly using this reference high-frequency signal. If the fundamental frequency component of the traveling wave power is detected by performing detection, there is no need to provide a local signal generating unit in addition to the high frequency signal generating unit 4 as in the case of frequency conversion. The configuration can be simplified. Since only the high-frequency signal generator 4 needs to be provided as the signal generator, it is necessary to take measures to prevent interference between the signal generators and to take advanced noise countermeasures and to operate the signal generator synchronously. The circuit configuration can be simplified and manufacturing can be facilitated.
また上記の実施形態のように、反射波検出信号Sr から不要なスプリアス周波数成分(検出の対象としないスプリアス周波数成分)を除去することにより得た処理対象反射波検出信号Sr ′と基準高周波信号Sh2とを乗算して得た信号から直流分と基本周波数の2倍の周波数成分を含むように設定された高域側設定周波数帯域に含まれる周波数成分とを除去した信号を検波する処理を行なうことにより、全検出対象スプリアス周波数成分のレベルを示す第2のアナログ信号を得て、この第2のアナログ信号のレベルをデジタル値に変換することにより、全検出対象スプリアス周波数成分のレベルを示す第2のデジタル値を得るようすると、全検出対象スプリアス周波数成分のレベルの検出を高精度で行なうことができ、スプリアス周波数成分のモニタを可能にすることができる。 Further, as in the above embodiment, the processing target reflected wave detection signal Sr ′ and the reference high frequency signal Sh2 obtained by removing unnecessary spurious frequency components (spurious frequency components not to be detected) from the reflected wave detection signal Sr. To detect a signal obtained by removing the frequency component included in the set frequency band on the high frequency side set so as to include the DC component and the frequency component twice the fundamental frequency from the signal obtained by multiplying Thus, the second analog signal indicating the level of all the detection target spurious frequency components is obtained, and the second analog signal level is converted into a digital value to thereby obtain the second level indicating the level of all the detection target spurious frequency components. If the digital value is obtained, the level of all spurious frequency components to be detected can be detected with high accuracy, and the spurious frequency component mode can be detected. Nita can be made possible.
更に上記の実施形態のように、反射波検出信号を検波することにより基本周波数成分と検出の対象とする全検出対象スプリアス周波数成分との双方を含む全検出対象反射波電力成分のレベルに対応するレベルを有する第3のアナログ信号を得た後、この第3のアナログ信号をデジタル変換することにより基本周波数成分と全検出対象スプリアス周波数成分との双方を含む全検出対象反射波電力成分のレベルを示す第3のデジタル値を得て、第3のデジタル値から検査の対象とする全スプリアス周波数成分を示す第2のデジタル値を減算することにより、反射波電力の基本周波数成分を検出するようにすると、狭帯域フィルタを用いることなく、反射波電力の基本周波数成分を正確に検出することができる。従って、複雑な演算処理を行なうデジタルフィルタを用いることなく、進行波電力及び反射波電力の基本周波数成分を正確に検出して、有効電力を設定範囲に保つ出力制御と、進行波電力と反射波電力との合計値が制限値を超えることがないように電力増幅部を制御する保護制御とを、ハードウェアに大きな負担をかけることなく高精度で行なわせることができる。 Further, as in the above-described embodiment, by detecting the reflected wave detection signal, it corresponds to the level of the reflected wave power component of all detection targets including both the fundamental frequency component and all the spurious frequency components to be detected. After obtaining a third analog signal having a level, the level of all reflected wave power components including the fundamental frequency component and all the detected spurious frequency components is converted by digitally converting the third analog signal. A fundamental frequency component of reflected wave power is detected by subtracting a second digital value indicating all spurious frequency components to be examined from the third digital value. Then, the fundamental frequency component of the reflected wave power can be accurately detected without using a narrow band filter. Therefore, it is possible to accurately detect the fundamental frequency components of the traveling wave power and the reflected wave power without using a digital filter that performs complex arithmetic processing, and to maintain the active power within the set range, and the traveling wave power and the reflected wave Protection control for controlling the power amplifying unit so that the total value with the power does not exceed the limit value can be performed with high accuracy without imposing a heavy burden on the hardware.
また上記の実施形態のよう、直流信号からなる第1のアナログ信号ないし第3のアナログ信号をA/D変換することにより、進行波電力の基本周波数成分を示す第1のデジタル値と、全検出対象スプリアス周波数成分を示す第2のデジタル値と、全検出対象反射電力成分を示す第3のデジタル値とを得て、これらのデジタル値から制御対象電力成分及び監視対象電力成分を検出するようにすると、制御対象電力成分及び監視対象電力成分を検出する際に高速のA/D変換を必要としないため、ハードウェアに大きな負担をかけることなく制御対象電力成分及び監視対象電力成分を高速で検出して、出力制御と保護制御とを高い応答速度をもたせて行なわせることができる。従って、図7(A)に示したような連続した正弦波形の高周波電力を負荷に供給する場合の出力制御及び保護制御を正確かつ安定に行わせることができるのはもちろん、図7(B)に示したように負荷に供給する正弦波形の高周波電力をパルス波形に変調して断続波形とする場合にも、ハードウェアに大きな負担をかけることなく、かつ波形歪みを生じさせることなく、出力制御及び保護制御を正確かつ安定に行わせることができる。 Further, as in the above-described embodiment, the first analog signal to the third analog signal composed of a DC signal are A / D converted, and the first digital value indicating the fundamental frequency component of the traveling wave power and all detections are detected. A second digital value indicating the target spurious frequency component and a third digital value indicating the total detection target reflected power component are obtained, and the control target power component and the monitoring target power component are detected from these digital values. Then, since it does not require high-speed A / D conversion when detecting the control target power component and the monitoring target power component, the control target power component and the monitoring target power component can be detected at high speed without placing a heavy burden on the hardware. Thus, output control and protection control can be performed with a high response speed. Accordingly, the output control and the protection control when the high frequency power having a continuous sinusoidal waveform as shown in FIG. 7A is supplied to the load can be performed accurately and stably. As shown in Fig. 3, even when the sinusoidal high-frequency power supplied to the load is modulated into a pulse waveform to create an intermittent waveform, output control is performed without placing a heavy burden on hardware and without causing waveform distortion. And protection control can be performed accurately and stably.
上記の実施形態のように構成すれば、各乗算部、各AD変換部及びデジタル演算処理部を高速化することなく、制御の応答性を高めることができるため、入手が容易で低価格の部品を用いてハードウェアを構成して、コストの上昇を伴うことなく、制御の応答性が高い高周波電源装置を得ることができる。 By configuring as in the above embodiment, it is possible to improve control responsiveness without increasing the speed of each multiplication unit, each AD conversion unit, and digital arithmetic processing unit. The high frequency power supply device with high control responsiveness can be obtained without increasing the cost by configuring the hardware using.
また上記の実施形態のように、基準高周波信号Sh2のレベルを検出する基準高周波信号レベル検出部21を設けて、この基準高周波信号レベル検出部により検出された基準高周波信号のレベルを一定に保つように高周波信号発生部4を制御する高周波信号制御ループを構成した場合には、高周波信号及び基準高周波信号のレベルを一定に保つことができるため、制御を安定に行なわせることができる。
Further, as in the above embodiment, the reference high-frequency signal
また上記の実施形態のように、外部指令に応じて、第1のデジタル値D1 から検出される進行波電力の基本周波数成分、第3のデジタル値D3 から第2のデジタル値D2 を減じた値を第1のデジタル値D1 から減じた値から検出される有効電力成分、及び第1のデジタル値D1 から第3のデジタル値D3 を減じた値が示す有効電力成分のいずれかを制御対象電力成分として演算するように構成すると、制御対象電力成分の変更を容易に行うことができるため、ユーザーが要求する仕様に合った高周波電源装置を容易に構成することができる。 Further, as in the above embodiment, the fundamental frequency component of the traveling wave power detected from the first digital value D1 and the value obtained by subtracting the second digital value D2 from the third digital value D3 in accordance with an external command. One of the active power component detected from the value obtained by subtracting the first digital value D1 and the active power component indicated by the value obtained by subtracting the third digital value D3 from the first digital value D1 is the control target power component. Since the control target power component can be easily changed, it is possible to easily configure a high-frequency power supply device that meets the specifications required by the user.
更に、上記の実施形態のように、外部指令に応じて、第1のデジタル値D1 から求められる進行波電力の基本周波数成分と第3のデジタル値D3 から第2のデジタル値D2 を減じた値から求められる反射波電力の基本周波数成分との合計値、または第1のデジタル値D1 から求められる進行波電力の基本周波数成分のレベルと第3のデジタル値D3 から求められる全検出対象反射波電力成分のレベルとの合計値を監視対象電力成分として演算するように構成した場合には、監視対象電力成分の変更を容易に行うことができるため、ユーザーが要求する仕様に合った高周波電源装置を容易に構成することができる。 Further, as in the above embodiment, the fundamental frequency component of the traveling wave power obtained from the first digital value D1 and the value obtained by subtracting the second digital value D2 from the third digital value D3 according to the external command. Or the total value of the fundamental frequency component of the reflected wave power obtained from the above, or the total reflected wave power of the detection object obtained from the level of the fundamental frequency component of the traveling wave power obtained from the first digital value D1 and the third digital value D3. When configured to calculate the total value with the component level as the monitoring target power component, the monitoring target power component can be easily changed, so a high-frequency power supply device that meets the specifications required by the user can be provided. It can be easily configured.
上記の実施形態では、進行波検出信号Sf の位相を補正するように位相補正部12を設けたが、位相補正部12は、基準高周波信号と進行波検出信号との位相差をnπ/2以外の値にするように補正するためのものであるので、図2に示したように、基準高周波信号の位相を補正するように位相補正部12を設けてもよい。
In the above embodiment, the
上記の実施形態では、反射波検出信号Sr から検出の対象としない不要なスプリアス周波数成分を除去するために、反射波検出信号Sr をバンドパスフィルタ16に入力することにより、処理対象反射波検出信号Sr ′を得るようにしているが、反射波電力に含まれるすべてのスプリアス周波数成分を検出の対象とする場合には、バンドパルフィルタ16を省略して、高周波検出部8から得られる反射波検出信号Sr そのものを処理対象反射波検出信号Sr ′とする。
In the above embodiment, the reflected wave detection signal Sr is input to the band-
また上記の実施形態では、進行波電力の基本周波数成分と反射波電力の基本周波数成分との合計値、又は進行波電力の基本周波数成分と基本周波数成分及び検出の対象とするスプリアス周波数成分の双方を含む全検出対象反射波電力成分との合計値を監視対象電力成分として保護制御を行わせているが、本発明は、反射波電力の基本周波数成分または全検出対象反射波電力成分のみを監視対象電力成分として保護制御を行う場合をも包含する。 In the above embodiment, the total value of the fundamental frequency component of the traveling wave power and the fundamental frequency component of the reflected wave power, or both the fundamental frequency component of the traveling wave power, the fundamental frequency component, and the spurious frequency component to be detected. Although the protection control is performed using the total value of all the reflected wave power components to be detected including the monitoring target power component, the present invention monitors only the fundamental frequency component of the reflected wave power or the reflected wave power component to be detected. The case where protection control is performed as a target power component is also included.
上記の実施形態では、第2の信号生成部17をバンドパルフィルタと該バンドパスフィルタの出力を検波する検波器(好ましくは自乗検波器)とにより構成して、第2のアナログ信号を直流信号とするようにしたが、検波器を省略して、第2の信号生成部17をバンドパルフィルタのみにより構成することもできる。この場合、第2のアナログ信号が交流信号となるため、第2のA/D変換部18を構成するハードウェアとしては、遅れを伴うことなく出力制御と保護制御とを行なわせるために必要な検出速度を得るのに必要な速度で交流信号をA/D変換し得るものを用いる必要があるが、本発明においては、第1のA/D変換部及び第3のA/D変換部をそれぞれ構成するハードウェアとして低コストのものを用いることができるため、第2のA/D変換部18のコストが多少上昇しても、全体としてはコストの上昇を抑えることができる。
In the above embodiment, the second
1 デジタル演算処理部
4 高周波信号発生部
5 分波器
6 電力増幅部
601 増幅回路
602 レベル調節部
603 保護制御部
8 高周波検出部
9 負荷
11 第1の乗算部
12 位相補正部
13 第1の信号生成部
14 第1のA/D変換部
15 第2の乗算部
16 バンドパスフィルタ
17 第2の信号生成部
18 第2のA/D変換部
19 第3の信号生成部
20 第3ののA/D変換部
21 基準高周波信号レベル検出部
22 A/D変換部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記制御部は、
前記高周波信号発生部から前記レベル調節部に入力される高周波信号の一部を分波して負荷に供給される高周波電力と波形及び周波数が等しい基準高周波信号を得る基準高周波信号生成部と、
前記進行波検出信号と前記基準高周波信号との間の位相差をnπ/2(nは1以上の奇数)以外の値に補正する位相補正部と、
前記位相補正部により位相差が補正された前記進行波検出信号と基準高周波信号とを乗算する第1の乗算部と、
前記高周波電力の基本周波数成分の以外のすべての周波数成分をスプリアス周波数成分として、前記反射波検出信号又は前記反射波検出信号から検出の対象としないスプリアス周波数成分を除去した信号を処理対象反射波検出信号として、該処理対象反射波検出信号と前記基準高周波信号とを乗算する第2の乗算部と、
前記第1の乗算部の出力から直流分を抽出して前記進行波電力の基本周波数成分のレベルに対応したレベルを有する第1のアナログ信号を得る第1の信号生成部と、
前記スプリアス周波数成分の内、検出の対象とするスプリアス周波数成分を全検出対象スプリアス周波数成分とし、前記第2の乗算部の出力から直流分と基本周波数の2倍の周波数成分を含むように設定された高域側設定周波数帯域に含まれる周波数成分とを除去して、前記処理対象反射波検出信号に含まれる全検出対象スプリアス周波数成分のレベルに対応したレベルを有する第2のアナログ信号を得る第2の信号生成部と、
前記処理対象反射波検出信号を検波して前記処理対象反射波検出信号に含まれる基本周波数成分と前記全検出対象スプリアス周波数成分とを含む全検出対象反射波電力成分のレベルに対応したレベルを有する第3のアナログ信号を得る第3の信号生成部と、
前記第1のアナログ信号ないし第3のアナログ信号のレベルをそれぞれ第1のデジタル値ないし第3のデジタル値に変換する第1ないし第3のA/D変換部と、
前記第1のデジタル値ないし第3のデジタル値から前記制御対象電力成分及び監視対象電力成分を求めて、求めた制御対象電力成分を設定値に保つように前記出力制御信号を出力し、求めた監視対象電力成分が制限値を超えているときに該監視対象電力成分を制限値以下に抑制するように前記保護制御信号を出力するデジタル演算処理部と、
を備え、
前記デジタル演算処理部は、前記第1のデジタル値から求められる進行波電力の基本周波数成分、前記第3のデジタル値から第2のデジタル値を減算した値から求められる反射波電力の基本周波数成分を前記第1のデジタル値から求められる進行波電力の基本周波数成分から減算することにより求められる有効電力成分、又は前記第3のデジタル値から求められる全検出対象反射波電力成分を前記第1のデジタル値から求められる進行波電力の基本周波数成分から減算することにより求められる有効電力成分を前記制御対象電力成分として求め、前記第1のデジタル値から求められる進行波電力の基本周波数成分と前記第3のデジタル値から第2のデジタル値を減じた値から求められる反射波電力の基本周波数成分との合計値、前記第1のデジタル値から求められる進行波電力の基本周波数成分と前記第3のデジタル値から求められる全検出対象反射波電力成分との合計値、前記反射波電力の基本周波数成分のみ、又は前記全検出対象反射波電力成分のみを前記監視対象電力成分として求めるように構成されていること、
を特徴とする高周波電源装置。 A high-frequency signal generating unit that generates a high-frequency signal having a sine waveform, an amplification circuit that amplifies the high-frequency signal and outputs high-frequency power, a level adjustment unit that adjusts an output level of the amplification circuit according to an output control signal, and protection control A power amplifying unit having a protection control unit that suppresses an output of the amplifier circuit according to a signal; and a traveling wave detection signal and a reflected wave detection signal by detecting traveling wave power and reflected wave power from the output of the power amplifying unit. An output control signal is provided to the power amplifier so as to keep a control target power component detected from the traveling wave detection signal and the reflected wave detection signal at a set value, and the traveling wave detection signal and A high-frequency power supply device comprising a control unit that gives the protection control signal to the power amplification unit so as to keep the monitored power component detected from the reflected wave detection signal below a limit value,
The controller is
A reference high-frequency signal generation unit that demultiplexes a part of the high-frequency signal input from the high-frequency signal generation unit to the level adjustment unit and obtains a reference high-frequency signal having the same waveform and frequency as the high-frequency power supplied to the load;
A phase correction unit that corrects the phase difference between the traveling wave detection signal and the reference high-frequency signal to a value other than nπ / 2 (n is an odd number equal to or greater than 1);
A first multiplier that multiplies the traveling wave detection signal whose phase difference is corrected by the phase correction unit and a reference high-frequency signal;
All frequency components other than the fundamental frequency component of the high-frequency power are set as spurious frequency components, and the reflected wave detection signal or the signal obtained by removing the spurious frequency component not to be detected from the reflected wave detection signal is detected as a processing target reflected wave. A second multiplication unit that multiplies the reflected wave detection signal to be processed and the reference high-frequency signal as a signal;
A first signal generator that extracts a direct current component from the output of the first multiplier and obtains a first analog signal having a level corresponding to the level of the fundamental frequency component of the traveling wave power;
Of the spurious frequency components, the spurious frequency components to be detected are all spurious frequency components to be detected, and are set to include a frequency component that is twice the direct current component and the fundamental frequency from the output of the second multiplier. It was to remove the frequency components contained in the high frequency side set frequency band, first to obtain a second analog signal having a level corresponding to the level of the total detected spurious frequency components contained in the processing target reflected wave detection signal Two signal generators;
The detection target reflected wave detection signal is detected and has a level corresponding to the level of the total detection target reflected wave power component including the fundamental frequency component and the all detection target spurious frequency component included in the processing target reflected wave detection signal. A third signal generator for obtaining a third analog signal;
First to third A / D converters for converting the levels of the first analog signal to the third analog signal to first digital values to third digital values, respectively;
The control target power component and the monitoring target power component are obtained from the first digital value to the third digital value, and the output control signal is output so as to keep the obtained control target power component at a set value. A digital arithmetic processing unit that outputs the protection control signal so as to suppress the monitoring target power component below the limit value when the monitoring target power component exceeds the limit value;
With
The digital arithmetic processing unit includes a fundamental frequency component of traveling wave power obtained from the first digital value, and a fundamental frequency component of reflected wave power obtained from a value obtained by subtracting a second digital value from the third digital value. Is obtained by subtracting the active power component obtained by subtracting from the fundamental frequency component of the traveling wave power obtained from the first digital value, or the total detection target reflected wave power component obtained from the third digital value. The active power component obtained by subtracting from the fundamental frequency component of the traveling wave power obtained from the digital value is obtained as the control target power component, and the fundamental frequency component of the traveling wave power obtained from the first digital value and the first A total value of the fundamental frequency component of the reflected wave power obtained from a value obtained by subtracting the second digital value from the digital value of 3, the first data The total value of the fundamental frequency component of the traveling wave power obtained from the tall value and the reflected wave power component of all the detection objects obtained from the third digital value, only the fundamental frequency component of the reflected wave power, or the reflection of all the detection objects It is configured to obtain only the wave power component as the monitoring target power component,
A high frequency power supply device characterized by.
前記基準高周波信号レベル検出部により検出された基準高周波信号のレベルを一定に保つように前記高周波信号発生部を制御する高周波信号制御ループが構成されていることを特徴とする請求項1,2,3又は4に記載の高周波電源装置。 A reference high-frequency signal level detection unit for detecting a level of the reference high-frequency signal;
2. A high-frequency signal control loop configured to control the high-frequency signal generation unit so as to keep a level of the reference high-frequency signal detected by the reference high-frequency signal level detection unit constant. 5. The high frequency power supply device according to 3 or 4 .
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