[发明专利]高频电源装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于从直流电源经由开关电路对谐振电路中包含的感应线圈供给高频电力来生成等离子体的高频电源装置。

背景技术

在例如电感耦合等离子体(ICP：InductivelyCoupledPlasma)发光分析装置等分析装置中，采用了通过对谐振电路中包含的感应线圈供给高频电力来在等离子体炬中生成等离子体的结构(例如，参照下述专利文献1～4)。利用对感应线圈供给的高频电力，产生高频电磁场，等离子体中的带电粒子被加速而流过感应电流，从而等离子体被加热。

在这样的结构的情况下，伴随着等离子体的生成，感应线圈的阻抗(电阻分量以及电抗分量)发生变化。即，由于感应电流使由感应线圈形成的磁场减小，感应线圈的有效的电感减小。另外，由于伴随着等离子体的加热而能量损失，在感应线圈中产生电阻分量。进而，根据等离子体生成用气体、分析试样的状态、等离子体接入功率等，等离子体的状态也发生变化，在感应线圈的阻抗中产生变化。

在对等离子体接入功率时，以恒定的振荡频率驱动通过感应线圈与电容器而形成的谐振电路。通常的高频电源的输出阻抗被设定为50Ω，所以在高频电源与谐振电路之间配置阻抗变换电路，从高频电源侧看到的阻抗被控制成始终为50Ω。在这种情况下，为了消除来自阻抗变换电路的反射功率，一般执行由马达等驱动例如阻抗变换电路内的真空可变电容器以调整电容的方法。

在这样的结构的情况下，等离子体接入功率与高频电源的输出功率相等，所以通过使用例如50Ω的功率计来预先校正高频电源的输出功率，能够准确地控制等离子体接入功率。然而，在这样的结构中，为了控制阻抗变换电路并始终维持最佳的状态，需要使用复杂的控制机构和昂贵的部件。因此，最近，正广泛采用不使用真空可变电容器等昂贵的部件而根据负载阻抗的变化来使频率变化的方式(所谓的free-running(自由振荡)方式)。

在下述专利文献1～4中，作为free-running方式的最简单的电路结构，公开了与自振荡方式相关的技术。在这些技术中，采用了不将高频电源的输出阻抗限定于50Ω而直接驱动由感应线圈与电容器构成的谐振电路的方式。这样，通过采用根据负载阻抗的变化而频率自动地变化的自振荡方式，能够省略频率的控制电路、阻抗变换电路等，所以能够提供更简单的高频电源装置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平10-214698号公报

专利文献2：日本特表2009-537829号公报

专利文献3：日本特开平6-20793号公报

专利文献4：国际公开第2012/039035号

发明内容

发明要解决的技术问题

在上述那样的以往的结构中，无法使用50Ω的功率计来预先校正高频电源的输出功率，所以需要用于准确地控制等离子体接入功率的结构。

在上述专利文献3中，提出了作为放大元件而使用真空管的结构。在该结构中，谐振电路是并联谐振电路，能够根据并联谐振电路的输入电压以及输入电流来计算等离子体接入功率并进行控制。

真空管是高耐压的设备，能够直接驱动感应线圈与电容器的并联谐振电路。在这种情况下，并联谐振电路的输入电压以及输入电流均为正弦波，输入电压与输入电流之间的相位差小，所以能够作为输入电压与输入电流的乘积值的直流分量，检测等离子体接入功率。但是，使用真空管的放大元件不仅效率低，还存在真空管的寿命有限、并且成本比使用半导体元件的开关电路等更高这样的问题。

在上述专利文献1以及2中，提出了作为放大元件而使用半导体元件的结构。在上述专利文献1中，使用了基于1个或者2个MOSFET的源极接地的开关电路，在开关电路的直流电源线上配置扼流线圈，增大相对于高频的直流电源线的阻抗。通过这样的电路，在负载的阻抗恒定的条件下，能够实现高效率的高频电源。然而，在用于生成等离子体的高频电源装置中，如上所述，由于感应线圈的阻抗变化，所以由于开关电路的负载变动，MOSFET的漏极·源极间电压振幅变化，有可能超过元件的最大额定值，导致破损。