JP2024168319A - Multi-level DC power supply - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、出力レベルを異にする直流パルス電圧を出力するマルチレベルDC電源に関する。 The present invention relates to a multilevel DC power supply that outputs DC pulse voltages with different output levels.
異なる出力レベルの直流パルス電圧を負荷に対して出力するマルチレベルDC電源が知られている。例えば、半導体プロセス等の分野において、高周波プラズマを用いて対象物を加工、処理を行う高周波プラズマ装置に対して、パルス状の直流電力を印加する。 Multilevel DC power supplies are known that output DC pulse voltages of different output levels to a load. For example, in fields such as semiconductor processing, pulsed DC power is applied to a high-frequency plasma device that processes and processes objects using high-frequency plasma.
特許文献1には、第1の電位V1を供給する電力源と第2の電位V2を供給する電力源の2つの電力源と、スイッチ素子Q1とスイッチ素子Q2のスイッチ機構を備えたマルチレベル電源が記載され、スイッチ機構のスイッチング状態を切り替えることによって出力レベルを切り替える構成が開示されている。 Patent Document 1 describes a multilevel power supply that includes two power sources, a power source that supplies a first potential V1 and a power source that supplies a second potential V2 , and a switching mechanism including switching elements Q1 and Q2, and discloses a configuration in which the output level is switched by changing the switching state of the switching mechanism.
特許文献2には、1つの直流電源と、並列接続された複数台のDC/DCコンバータとを備え、これらのDC/DCコンバータの駆動状態によって出力電力を制御する電力変換装置が開示されている。 Patent document 2 discloses a power conversion device that includes one DC power source and multiple DC/DC converters connected in parallel, and controls the output power according to the drive state of these DC/DC converters.
図4は、1つの直流電源と複数台のDC/DCコンバータにより構成されるマルチレベルDC電源の構成例を示している。マルチレベルDC電源100は、DC/DCコンバータ101Aと、DC/DCコンバータ101Bと、制御部102と、を備える。DC/DCコンバータ101AとDC/DCコンバータ101Bとの出力電圧は異なり、制御部102は、DC/DCコンバータ101AとDC/DCコンバータ101Bとを切り替えることより、負荷103には異なる電圧を供給する。
Figure 4 shows an example of the configuration of a multilevel DC power supply consisting of one DC power supply and multiple DC/DC converters. Multilevel
複数台のDC/DCコンバータを備える構成は、直流電源の台数を1台とすることができる。付加したDC/DCコンバータによって構成要素が増えるものの、DC/DCコンバータは直流電源と比較して小型であるため、マルチレベルDC電源のトータルのサイズは小さくなる。 In a configuration with multiple DC/DC converters, the number of DC power supplies can be reduced to one. Although the number of components increases with the addition of DC/DC converters, the total size of the multilevel DC power supply is reduced because DC/DC converters are smaller than DC power supplies.
負荷にパルス電圧が供給される際、容量性負荷に蓄積される電荷や静電エネルギーによって出力電圧が所定の電圧からずれる場合がある。
図5A,図5Bは、Low電圧とHigh電圧を切り替える出力電圧の状態を示している。図4に示すマルチレベルDC電源の構成において、DC/DCコンバータ101AをLow電圧用コンバータとし、DC/DCコンバータ101BをHigh電圧用としたとき、DC/DCコンバータ101Aは切替信号Si_lowによってLow出力の出力電圧V1を出力し、DC/DCコンバータ101Bは切替信号Si_HighによってHigh出力の出力電圧V2を出力する。
When a pulse voltage is supplied to a load, the output voltage may deviate from a predetermined voltage due to charges or electrostatic energy accumulated in the capacitive load.
5A and 5B show the state of the output voltage switching between a low voltage and a high voltage. In the configuration of the multilevel DC power supply shown in Fig. 4, when DC/
容量性負荷に電荷や静電エネルギーが蓄積されると、出力電圧はパルス出力毎に上昇してLow出力の出力電圧V1からのずれが生じ、所定の出力電圧が得られないという課題がある。図5B中のV_low1、V_low2は、Low出力の出力電圧V1からのずれた出力電圧を示している。なお、図5Bの波形は模式的に示したものであり、実際の電圧波形を示すものではない。 When charge or electrostatic energy accumulates in the capacitive load, the output voltage rises with each pulse output, causing a deviation from the low output voltage V1, and the specified output voltage cannot be obtained. V_low1 and V_low2 in Figure 5B indicate output voltages that deviate from the low output output voltage V1. Note that the waveform in Figure 5B is shown diagrammatically and does not represent the actual voltage waveform.
本発明は前記した従来の課題を解決して、容量性負荷に蓄積される電荷や静電エネルギーを解消し、所定の出力電圧を出力することを目的とする。 The present invention aims to solve the above-mentioned problems of the conventional technology, eliminate the charge and electrostatic energy accumulated in the capacitive load, and output a predetermined output voltage.
本発明のマルチレベルDC電源は、DC電源とパルス形成部との間に双方向DC/DCコンバータを接続する。双方向DC/DCコンバータは、DC電源の電圧値と異なる電圧レベルの直流電圧に変換する直流電圧変換と、パルス形成部の直流電圧を回生電圧に変換する直流電圧変換と、を実行し、出力レベルが異なるマルチレベルのパルス電圧を形成すると共に、パルス形成部の余剰な直流電圧を回生電圧としてDC電源に回生する。 The multilevel DC power supply of the present invention connects a bidirectional DC/DC converter between the DC power supply and the pulse forming section. The bidirectional DC/DC converter performs DC voltage conversion to convert the voltage value of the DC power supply to a DC voltage of a different voltage level, and DC voltage conversion to convert the DC voltage of the pulse forming section to a regenerative voltage, forming multilevel pulse voltages with different output levels, and regenerating the excess DC voltage of the pulse forming section to the DC power supply as a regenerative voltage.
本発明のマルチレベルDC電源は、直流電圧を出力するDC電源と、パルス電圧を形成するパルス形成部と、DC電源とパルス形成部との間に接続された双方向DC/DCコンバータと、を備える。 The multilevel DC power supply of the present invention comprises a DC power supply that outputs a DC voltage, a pulse forming unit that forms a pulse voltage, and a bidirectional DC/DC converter connected between the DC power supply and the pulse forming unit.
双方向DC/DCコンバータは、電流方向が異なる双方向の直流電圧変換を実行する。第1方向の直流電圧変換は、DC電源の直流電圧と異なる電圧レベルの直流電圧に変換し、パルス形成部に出力する。第2方向の直流電圧変換は、パルス形成部の電圧をDC電源に回生する回生電圧に変換し、DC電源に回生する。 The bidirectional DC/DC converter performs bidirectional DC voltage conversion in different current directions. The first-direction DC voltage conversion converts the DC voltage of the DC power supply to a DC voltage with a different voltage level, which is output to the pulse forming section. The second-direction DC voltage conversion converts the voltage of the pulse forming section into a regenerative voltage that is regenerated to the DC power supply, and is regenerated to the DC power supply.
パルス形成部は、DC電源の直流電圧と双方向DC/DCコンバータの出力電圧とを切り替え、出力レベルが異なるマルチレベルのパルス電圧を形成する。 The pulse forming unit switches between the DC voltage of the DC power supply and the output voltage of the bidirectional DC/DC converter to form a multi-level pulse voltage with different output levels.
DC電源の直流電圧と双方向DC/DCコンバータが出力する直流電圧とは、電圧レベルが異なる。これにより、パルス形成部は、電圧レベルが異なるマルチレベルのパルス電圧を形成する。 The DC voltage of the DC power supply and the DC voltage output by the bidirectional DC/DC converter have different voltage levels. This allows the pulse forming unit to form a multi-level pulse voltage with different voltage levels.
本発明が備える双方向DC/DCコンバータは、第1方向の直流電圧変換によって、マルチレベルのパルス電圧を出力する。この構成により、本発明のマルチレベルDC電源は、複数台のDC電源あるいは複数台のDC/DCコンバータを要することなく、一台の双方向DC/DCコンバータで構成することができ、電源装置を小型化することができる。 The bidirectional DC/DC converter of the present invention outputs a multilevel pulse voltage by DC voltage conversion in a first direction. With this configuration, the multilevel DC power supply of the present invention can be configured with a single bidirectional DC/DC converter without requiring multiple DC power supplies or multiple DC/DC converters, allowing the power supply device to be made smaller.
また、本発明が備える双方向DC/DCコンバータは、第2方向の直流電圧変換によって、容量性負荷に蓄積される電荷や静電エネルギーによる余剰電圧をDC電源に回生する回生電圧に変換し、DC電源に回生する。この構成により、容量性負荷に蓄積される電荷や静電エネルギーは解消され、パルス電圧の電圧レベルを所定電圧に維持することができると共に、DC電源に回生することによって余剰エネルギーを再利用することができる。 The bidirectional DC/DC converter of the present invention also converts excess voltage due to charge and electrostatic energy accumulated in the capacitive load into a regenerative voltage that is regenerated to the DC power supply by DC voltage conversion in the second direction, and regenerates the excess energy to the DC power supply. With this configuration, the charge and electrostatic energy accumulated in the capacitive load are eliminated, the voltage level of the pulse voltage can be maintained at a predetermined voltage, and the excess energy can be reused by regenerating it to the DC power supply.
(付加コンデンサ)
本発明のマルチレベルDC電源は、第1のコンデンサと第2のコンデンサとを備える。
第1のコンデンサは、一端がDC電源の出力端に接続され、他端が接地され、第2のコンデンサは、一端が双方向DC/DCコンバータの出力端に接続され、他端が接地される。なお、第2のコンデンサは双方向DC/DCコンバータの内部に設ける構成、あるいは外部に設ける構成とすることができる。
第1のコンデンサは、DC電源からの電源ラインの電圧変動を抑制し、負荷への電力を補充する。第2のコンデンサは、双方向DC/DCコンバータの出力電圧の電圧リップルを平滑化し、パルス出力の波高値の変動を抑制する。
(additional capacitor)
The multilevel DC power supply of the present invention comprises a first capacitor and a second capacitor.
The first capacitor has one end connected to the output terminal of the DC power supply and the other end grounded, and the second capacitor has one end connected to the output terminal of the bidirectional DC/DC converter and the other end grounded. The second capacitor can be provided inside or outside the bidirectional DC/DC converter.
The first capacitor suppresses voltage fluctuations in the power supply line from the DC power supply and replenishes power to the load, while the second capacitor smoothes voltage ripples in the output voltage of the bidirectional DC/DC converter and suppresses fluctuations in the peak value of the pulse output.
(付加ダンピング抵抗)
本発明のマルチレベルDC電源は、第1のダンピング抵抗と第2のダンピング抵抗とを備える。
第1のダンピング抵抗はDC電源とパルス形成部との間に接続され、第2のダンピング抵抗は双方向DC/DCコンバータとパルス形成部との間に接続される。第1のダンピング抵抗及び第2のダンピング抵抗は、直流電圧に含まれるオーバーシュートを抑制する。
(additional damping resistor)
The multilevel DC power supply of the present invention comprises a first damping resistor and a second damping resistor.
The first damping resistor is connected between the DC power supply and the pulse forming unit, and the second damping resistor is connected between the bidirectional DC/DC converter and the pulse forming unit. The first damping resistor and the second damping resistor suppress overshoot included in the DC voltage.
(出力検出部,及び制御部)
本発明のマルチレベルDC電源は、パルス形成部の出力を検出する出力検出部と、DC電源と双方向DC/DCコンバータを制御する制御部とを備える。
制御部は、出力検出部の検出値に基づいてフィードバック制御を行う。フィードバック制御は、電圧レベル制御と切り替え制御を含む。
電圧レベル制御は、出力検出部の検出値に基づいてDC電源の直流電圧の電圧レベルを制御し、切り替え制御は、双方向DC/DCコンバータの電圧変換方向の切り替えを制御する。
(Output detection section and control section)
The multilevel DC power supply of the present invention includes an output detection section that detects the output of the pulse forming section, and a control section that controls the DC power supply and the bidirectional DC/DC converter.
The control unit performs feedback control based on the detection value of the output detection unit. The feedback control includes a voltage level control and a switching control.
The voltage level control controls the voltage level of the DC voltage of the DC power supply based on the detection value of the output detection unit, and the switching control controls switching of the voltage conversion direction of the bidirectional DC/DC converter.
以上説明したように、本発明のマルチレベルDC電源によれば、容量性負荷に蓄積される電荷や静電エネルギーを解消し、所定の出力電圧を出力することができる。 As described above, the multilevel DC power supply of the present invention can eliminate the charge and electrostatic energy accumulated in the capacitive load and output a predetermined output voltage.
(1)本発明のマルチレベルDC電源の概略構成
以下、本発明のマルチレベルDC電源(直流電源)の概略構成について、図1を用いて説明する。
図1に示したマルチレベルDC電源1は、LOW出力とHIGH出力の2電圧レベルを負荷20に出力する構成例を示している。この構成では、負荷20の一例として、プラズマ負荷等の容量性負荷の場合を示している。容量性負荷に供給する2電圧レベルの一例としては、LOW出力が-2000Vの負電圧、HIGH出力が-900Vの負電圧である。
(1) Schematic Configuration of the Multilevel DC Power Supply of the Present Invention The schematic configuration of the multilevel DC power supply (direct current power supply) of the present invention will now be described with reference to FIG.
1 shows an example of a configuration in which two voltage levels, a LOW output and a HIGH output, are output to a
本発明のマルチレベルDC電源1は、直流電圧を出力するDC電源2と、パルス電圧を形成するパルス形成部4と、DC電源2とパルス形成部4との間に接続された双方向DC/DCコンバータ3と、を備える。 The multilevel DC power supply 1 of the present invention comprises a DC power supply 2 that outputs a DC voltage, a pulse forming unit 4 that forms a pulse voltage, and a bidirectional DC/DC converter 3 connected between the DC power supply 2 and the pulse forming unit 4.
DC電源2は、交流を直流に変換するAC/DCコンバータ、あるいはバッテリーを用いて構成される。図1に示す構成例のDC電源2は、LOW出力の負電圧を出力する。
DC電源2の出力端には、第1コンデンサ7が接続される。第1コンデンサ7は、DC電源2の出力端に接続される電源ラインの電圧変動を抑制し、負荷に供給する電力を補充する。
The DC power supply 2 is configured using an AC/DC converter that converts AC to DC, or a battery. The DC power supply 2 in the configuration example shown in Fig. 1 outputs a negative voltage for a LOW output.
A first capacitor 7 is connected to the output end of the DC power supply 2. The first capacitor 7 suppresses voltage fluctuations in the power supply line connected to the output end of the DC power supply 2, and supplements the power supplied to the load.
双方向DC/DCコンバータ3は、電源側と負荷側との間において直流電圧を双方向で変換するコンバータであり、一方向の昇圧と他方向の降圧とを行う昇圧/降圧コンバータとして適用される。 The bidirectional DC/DC converter 3 is a converter that converts DC voltage in both directions between the power supply side and the load side, and is used as a step-up/step-down converter that steps up the voltage in one direction and steps down the voltage in the other direction.
双方向DC/DCコンバータ3は、DC電源2からパルス形成部4に向かう第1の方向の直流電圧変換によって、DC電源2のLOW出力の直流の出力電圧V1をHIGH出力の直流の出力電圧V2の直流の出力電圧レベルに変換し、パルス形成部4に出力する。また、双方向DC/DCコンバータ3は、パルス形成部4からDC電源2に向かう第2の方向の直流電圧変換によって、パルス形成部4の電圧をDC電源2に回生する回生電圧に変換し、DC電源2に回生する。 The bidirectional DC/DC converter 3 converts the DC output voltage V1 of the LOW output of the DC power supply 2 to the DC output voltage level of the HIGH output of the DC output voltage V2 by DC voltage conversion in the first direction from the DC power supply 2 to the pulse forming unit 4, and outputs it to the pulse forming unit 4. The bidirectional DC/DC converter 3 also converts the voltage of the pulse forming unit 4 to a regenerative voltage that is regenerated to the DC power supply 2 by DC voltage conversion in the second direction from the pulse forming unit 4 to the DC power supply 2, and regenerates it to the DC power supply 2.
なお、ここでは、LOW出力の直流の出力電圧V1及びHIGH出力の直流の出力電圧V2を負電圧とし、出力電圧V2の絶対値は出力電圧V1の絶対値よりも小さいものとしている。このとき、第1の方向の直流電圧変換において、出力電圧V1から出力電圧V2へ電圧レベルを変換する直流電圧変換は負方向の降圧に相当し、第2の方向の直流電圧変換において、DC電源2に回生する回生電圧の直流電圧変換は負方向の昇圧に相当する。 Here, the DC output voltage V1 of the LOW output and the DC output voltage V2 of the HIGH output are negative voltages, and the absolute value of the output voltage V2 is smaller than the absolute value of the output voltage V1. In this case, in the DC voltage conversion in the first direction, the DC voltage conversion that converts the voltage level from the output voltage V1 to the output voltage V2 corresponds to a negative step-down, and in the DC voltage conversion in the second direction, the DC voltage conversion of the regenerative voltage regenerated in the DC power supply 2 corresponds to a negative step-up.
双方向DC/DCコンバータ3の出力端には、第2コンデンサ8が接続される。第2コンデンサ8は、双方向DC/DCコンバータ3に内蔵する構成とする他、双方向DC/DCコンバータ3の出力端とパルス形成部4とを接続するラインに接続する構成としてもよい。第2コンデンサ8は、双方向DC/DCコンバータの出力電圧に含まれる電圧リップルを平滑化する。 A second capacitor 8 is connected to the output end of the bidirectional DC/DC converter 3. The second capacitor 8 may be built into the bidirectional DC/DC converter 3, or may be connected to a line connecting the output end of the bidirectional DC/DC converter 3 and the pulse forming unit 4. The second capacitor 8 smoothes the voltage ripple contained in the output voltage of the bidirectional DC/DC converter.
パルス形成部4は、DC電源2の直流の出力電圧V1と双方向DC/DCコンバータ3の直流の出力電圧V2とを入力し、スイッチング動作によって何れか一方の直流電圧を切り替え、パルス電圧として出力する。スイッチング動作は、双方向DC/DCコンバータ3が備えるスイッチング素子を外部パルス信号で切り替えることによって行われる。パルス形成部4は、このスイッチング動作によって出力レベルが異なるマルチレベルのパルス電圧を形成し、負荷20に供給する。図1に示す構成例のマルチレベルDC電源1は、LOW出力の直流の出力電圧V1及びHIGH出力の直流の出力電圧V2の2電圧レベルのパルス電圧を出力しているが、パルス電圧の電圧レベルは、2電圧レベルに限らず3電圧レベル以上とすることもできる。
The pulse forming unit 4 inputs the DC output voltage V1 of the DC power supply 2 and the DC output voltage V2 of the bidirectional DC/DC converter 3, switches between either DC voltage by switching operation, and outputs it as a pulse voltage. The switching operation is performed by switching the switching element of the bidirectional DC/DC converter 3 with an external pulse signal. The pulse forming unit 4 forms a multilevel pulse voltage with different output levels by this switching operation, and supplies it to the
DC電源2とパルス形成部4との間には、第1ダンピング抵抗が接続され、双方向DC/DCコンバータ3とパルス形成部4との間には、第2ダンピング抵抗が接続される。第1ダンピング抵抗及び第2ダンピング抵抗は、DC電源2から出力される直流の出力電圧V1及び双方向DC/DCコンバータ3から出力される直流の出力電圧V2に含まれるオーバーシュートを抑制する。 A first damping resistor is connected between the DC power supply 2 and the pulse forming unit 4, and a second damping resistor is connected between the bidirectional DC/DC converter 3 and the pulse forming unit 4. The first damping resistor and the second damping resistor suppress overshoots contained in the DC output voltage V1 output from the DC power supply 2 and the DC output voltage V2 output from the bidirectional DC/DC converter 3.
更に、本発明のマルチレベルDC電源1は、パルス形成部4の出力電圧Voutを検出する出力検出部6と、DC電源2と双方向DC/DCコンバータ3を制御する制御部5と、を備える。
Furthermore, the multilevel DC power supply 1 of the present invention includes an output detection unit 6 that detects the output voltage Vout of the pulse forming unit 4, and a
制御部5は、出力検出部6の検出値に基づいてフィードバック制御を行う。制御部5のフィードバック制御は、電圧レベル制御と切り替え制御を含む。
The
電圧レベル制御は、出力検出部6で検出した出力電圧Voutに基づいて、DC電源2の直流電圧の電圧レベルを制御する。検出値を設定電圧と比較し、検出値が設定電圧からずれている場合には、DC電源2から出力される直流電圧の電圧レベルが設定電圧となるようにフィードバック制御を行う。 The voltage level control controls the voltage level of the DC voltage of the DC power supply 2 based on the output voltage Vout detected by the output detection unit 6. The detected value is compared with a set voltage, and if the detected value deviates from the set voltage, feedback control is performed so that the voltage level of the DC voltage output from the DC power supply 2 becomes the set voltage.
切り替え制御は、双方向DC/DCコンバータ3の電圧変換方向の切り替えを制御する。
切り替え制御は、出力検出部6の出力電圧VoutとHIGH出力の直流の出力電圧とを比較して、HIGH出力をパルス形成部4に出力する出力動作と、パルス形成部4の電圧を回生電圧Vreに変換してDC電源2に回生する回生動作と、を切り替える。
The switching control controls switching of the voltage conversion direction of the bidirectional DC/DC converter 3 .
The switching control compares the output voltage Vout of the output detection unit 6 with the DC output voltage of the HIGH output, and switches between an output operation in which a HIGH output is output to the pulse forming unit 4, and a regenerative operation in which the voltage of the pulse forming unit 4 is converted into a regenerative voltage Vre and regenerated to the DC power supply 2.
(2)本発明のマルチレベルDC電源の動作例
本発明のマルチレベルDC電源の動作例を、図2のフローチャート及び信号図を用いて説明する。なお、ここではLOW出力とHIGH出力の2電圧レベルのパルス電圧を出力する動作例を示している。
(2) Example of Operation of the Multilevel DC Power Supply of the Present Invention An example of operation of the multilevel DC power supply of the present invention will be described with reference to the flow chart and signal diagram of Fig. 2. Note that an example of operation for outputting pulse voltages of two voltage levels, LOW output and HIGH output, is shown here.
外部パルス信号は、パルス形成部4のスイッチング動作において、LOW出力を出力制御するLow信号及びHIGH出力を出力制御するHigh信号である。
パルス形成部4は、LOW出力を出力制御するLow信号を受けると(S1)、Low側のスイッチング素子SW_lowをオン状態に切り替え、High側のスイッチング素子SW_highをオフ状態に切り替える(S2)。スイッチング素子が(S2)の状態に切り替わることによって、パルス形成部4は、DC電源2から出力されるLOW出力における直流の出力電圧V1を出力電圧Voutとして出力する(S3)。
The external pulse signal is a Low signal that controls the output of a Low output and a High signal that controls the output of a High output in the switching operation of the pulse forming section 4 .
When the pulse forming unit 4 receives a low signal for output control of the low output (S1), it switches the low-side switching element SW_low to the on state and switches the high-side switching element SW_high to the off state (S2). By switching the switching elements to the state (S2), the pulse forming unit 4 outputs the direct current output voltage V1 at the low output output from the DC power supply 2 as the output voltage Vout (S3).
出力検出部6は、パルス形成部4の出力電圧Voutを検出し、検出値を制御部5にフィードバックする。制御部5は、フィードバックされた出力電圧Voutの検出値がLOW出力の直流の出力電圧V1の正常範囲に有るか否かを判定する。出力電圧Voutの判定は、正常な出力電圧として設定した設定電圧の許容範囲と検出値とを比較し、検出値が許容範囲内にある場合には正常状態にあると判定し、許容範囲外にある場合には異常状態であると判定する(S4)。
The output detection unit 6 detects the output voltage Vout of the pulse formation unit 4 and feeds back the detection value to the
検出値が許容範囲内にあると判定された場合には、DC電源2の出力状態を維持する。検出値が許容範囲外であると判定された場合には、制御部5は、DC電源2の出力電圧V1が設定電圧となるように電圧制御を行う(S5)。
If it is determined that the detected value is within the allowable range, the output state of the DC power supply 2 is maintained. If it is determined that the detected value is outside the allowable range, the
パルス形成部4は、HIGH出力を出力制御するHigh信号を受けると(S1)、High側のスイッチング素子SW_lowをオフ状態に切り替え、High側のスイッチング素子SW_highをオン状態に切り替える(S6)。スイッチング素子が(S6)の状態に切り替わることによって、パルス形成部4は、双方向DC/DCコンバータ3から出力されるHIGH出力における直流の出力電圧V2を出力電圧Voutとして出力する(S7)。 When the pulse forming unit 4 receives a high signal that controls the output of the high output (S1), it switches the high-side switching element SW_low to the off state and switches the high-side switching element SW_high to the on state (S6). By switching the switching elements to the state (S6), the pulse forming unit 4 outputs the DC output voltage V2 at the high output output from the bidirectional DC/DC converter 3 as the output voltage Vout (S7).
出力検出部6は、パルス形成部4の出力電圧Voutを検出し、検出値を制御部5にフィードバックする。制御部5は、フィードバックされた出力電圧Voutの検出値がHIGH出力の直流の出力電圧V2と比較する(S8)。
The output detection unit 6 detects the output voltage Vout of the pulse forming unit 4 and feeds back the detected value to the
出力電圧Voutの検出値が、HIGH出力の直流の出力電圧V2の許容範囲にある場合には、双方向DC/DCコンバータ3が回生動作中であるかを判定し(S9)、回生動作中であるときには、双方向DC/DCコンバータ3を回生動作から出力動作に切り替え(S10)、出力動作中であるときには、双方向DC/DCコンバータ3の出力動作を維持する(S1)。 When the detected value of the output voltage Vout is within the allowable range of the DC output voltage V2 of the HIGH output, it is determined whether the bidirectional DC/DC converter 3 is in regenerative operation (S9), and if it is in regenerative operation, the bidirectional DC/DC converter 3 is switched from regenerative operation to output operation (S10), and if it is in output operation, the output operation of the bidirectional DC/DC converter 3 is maintained (S1).
出力電圧Voutの検出値が、HIGH出力の直流の出力電圧V2よりも高電圧であって負方向の絶対値が大きい場合(S8)には、双方向DC/DCコンバータ3を出力動作から回生動作に切り替える(S11)。 When the detected value of the output voltage Vout is higher than the DC output voltage V2 of the HIGH output and has a large absolute value in the negative direction (S8), the bidirectional DC/DC converter 3 is switched from output operation to regeneration operation (S11).
図3Aは外部パルス信号を示し、図3Bは出力電圧を示し、図3Cは回生動作制御信号を示し、図3Dは出力動作制御信号を示している。 Figure 3A shows the external pulse signal, Figure 3B shows the output voltage, Figure 3C shows the regenerative operation control signal, and Figure 3D shows the output operation control signal.
外部パルス信号において、“LOW”はパルス形成部4のスイッチング素子を切り替えてLOW出力を出力させる信号であり、“HIGH”はパルス形成部4のスイッチング素子を切り替えてHIGH出力を出力させる信号である。 In the external pulse signal, "LOW" is a signal that switches the switching element of the pulse forming unit 4 to output a LOW output, and "HIGH" is a signal that switches the switching element of the pulse forming unit 4 to output a HIGH output.
図3Aの“P1”において、外部パルス信号が立ち下がって“LOW”に切り替わると、図3Bの出力電圧は、HIGH出力の出力電圧V2からLOW出力の出力電圧V1に変化し、LOW出力のパルス電圧が出力される。 When the external pulse signal falls and switches to "LOW" at "P1" in Figure 3A, the output voltage in Figure 3B changes from the HIGH output voltage V2 to the LOW output voltage V1, and a LOW output pulse voltage is output.
図3Aの“P2”において、外部パルス信号が立ち上がって“HIGH”に切り替わると、図3Bの出力電圧は、LOW出力の出力電圧V1からHIGH出力の出力電圧V2に変化し、HIGH出力の出力電圧V2のパルス電圧が出力される。 When the external pulse signal rises and switches to "HIGH" at "P2" in Figure 3A, the output voltage in Figure 3B changes from the LOW output voltage V1 to the HIGH output voltage V2, and a pulse voltage of the HIGH output output voltage V2 is output.
LOW出力時において容量性負荷に電荷が蓄積され、蓄積された電荷が十分に放電されない場合には、LOW出力の出力電圧V1からHIGH出力の出力電圧V2に変化した際に、出力電圧V2まで負方向で低下することなく、出力電圧V1と出力電圧V2の間の電圧Vaとなる。図3Bの“Q4a”は、この電圧状態を示している。 When a charge is stored in the capacitive load during a LOW output, if the stored charge is not fully discharged, when the output voltage changes from LOW output V1 to HIGH output V2, the voltage becomes Va, which is between the output voltage V1 and the output voltage V2, without decreasing in the negative direction to the output voltage V2. "Q4a" in Figure 3B shows this voltage state.
制御部5は、出力電圧Voutのフィードバックによってこの電圧状態を検知し、回生動作制御信号Si_re(図3C)によって双方向DC/DCコンバータ3を回生動作させる。LOW出力の電圧は、回生動作によって電圧VaからHIGH出力の出力電圧V2の“Q4b”に向かって負方向で降下する。制御部5は、LOW出力の電圧がHIGH出力の出力電圧V2に達すると、出力動作制御信号Si_out(図3D)によって双方向DC/DCコンバータ3を回生動作から出力動作に切り替える。
The
(3)本発明のマルチレベルDC電源の別の構成
図1に示すマルチレベルDC電源の構成例は、HIGH出力とLOW出力の2電力レベルを出力する構成例である。本発明のマルチレベルDC電源は、HIGH出力とLOW出力の2電圧レベルに限らず、3電圧レベル以上のマルチレベルとしてもよい。例えば、3電力レベルでは、HIGH出力としてHIGH1とHIGH2の2電力レベルとLOW出力の1電力レベルにより構成することができる。
(3) Another Configuration of the Multilevel DC Power Supply of the Present Invention The configuration example of the multilevel DC power supply shown in Fig. 1 is a configuration example that outputs two power levels, HIGH output and LOW output. The multilevel DC power supply of the present invention is not limited to two voltage levels, HIGH output and LOW output, but may be a multilevel with three or more voltage levels. For example, in the case of three power levels, the HIGH output may be configured with two power levels, HIGH1 and HIGH2, and one power level, LOW output.
本発明のマルチレベルDC電源は、半導体製造装置や液晶パネル製造装置等に用いられる高周波電源(RFジェネレータ)に適用することができる。 The multilevel DC power supply of the present invention can be applied to high-frequency power supplies (RF generators) used in semiconductor manufacturing equipment, liquid crystal panel manufacturing equipment, etc.
1 マルチレベルDC電源
2 DC電源
3 双方向DC/DCコンバータ
4 パルス形成部
5 制御部
6 出力検出部
7 第1コンデンサ
8 第2コンデンサ
9 第1ダンピング抵抗
10 第2ダンピング抵抗
20 負荷
100 マルチレベルDC電源
102 制御部
103 負荷
Low、High1、High2 外部パルス信号
SWhigh スイッチング素子
SWlow スイッチング素子
Si_low、Si_high 切替信号
Si_re 回生動作制御信号
Si_out 出力動作制御信号
V1、V2、V3 出力電圧
Vout 出力電圧
Vre 回生電圧
1 Multilevel DC power supply 2 DC power supply 3 Bidirectional DC/DC converter 4
Claims (1)
パルス電圧を形成するパルス形成部と、
前記DC電源と前記パルス形成部との間に接続された双方向DC/DCコンバータと
を備え、
前記双方向DC/DCコンバータは、
前記DC電源の直流電圧と異なる電圧レベルの直流電圧に変換し、前記パルス形成部に出力する第1方向の直流電圧変換と、
前記パルス形成部の電圧をDC電源に回生する回生電圧に変換し、前記DC電源に回生する第2方向の直流電圧変換と、
を実行し、
前記パルス形成部は、
前記DC電源の直流電圧と前記双方向DC/DCコンバータの出力電圧とを切り替え、出力レベルが異なるマルチレベルのパルス電圧を形成する、
マルチレベルDC電源。 A DC power supply that outputs a DC voltage;
A pulse forming unit that forms a pulse voltage;
a bidirectional DC/DC converter connected between the DC power supply and the pulse forming unit;
The bidirectional DC/DC converter comprises:
a first-direction DC voltage conversion for converting the DC voltage of the DC power source into a DC voltage of a different voltage level and outputting the converted DC voltage to the pulse forming unit;
A second direction DC voltage conversion is performed by converting the voltage of the pulse forming unit into a regenerative voltage that is regenerated to a DC power source, and the regenerative voltage is converted to a DC power source in the second direction.
Run
The pulse forming unit includes:
A DC voltage of the DC power supply and an output voltage of the bidirectional DC/DC converter are switched to form a multi-level pulse voltage having different output levels.
Multi-level DC power supply.
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- 2023-05-23 JP JP2023084878A patent/JP2024168319A/en active Pending
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