[发明专利]高频电源

说明书

技术领域

本发明涉及一种向阻抗（impedance）大幅变化的负载供应高频电力的高频电源装置。尤其，本发明适合用以生成、维持等离子体（plasma）的高频电源装置，且用于感应耦合等离子体（inductive coupling plasma，ICP）发光分析装置等利用等离子体的分析装置。

背景技术

感应耦合等离子体（ICP）发光分析装置中，向等离子体炬（plasma torch）中导入氩（argon）等的等离子体生成用气体与分析试料，通过对感应线圈（inductive coil）供应高频电力而生成、维持等离子体。通过以分光器等测定由等离子体激发的试料原子的发光来分析试料的元素组成。

通过流过感应线圈的高频电流而在等离子体生成部产生高频电磁场，从而使等离子体中的带电粒子加速而流动感应电流，由此对等离子体加热。该感应电流使通过感应线圈形成的磁场减少，因此感应线圈的有效的电感（inductance）减少。此外，因对等离子体加热而损失的能量对感应线圈赋予电阻分量。

如此，因形成等离子体而导致感应线圈的阻抗发生变化。根据等离子体生成用气体或分析试料的状态、向等离子体的供应电力等的不同，等离子体的状态发生变化，从而感应线圈的阻抗也发生变化。

为向等离子体供应电力，而由感应线圈与电容器（condenser）形成谐振电路，例如以27MHz供给数100W至数kW的高频电力的高频电源驱动该谐振电路。通常的高频电源的输出阻抗设计为50Ω，因此在高频电源与谐振电路之间配置调谐电路，从高频电源侧观察而得的阻抗始终被控制为50Ω。通常采用如下方法，即以使来自调谐电路的反射电力成为零的方式，利用电动机（motor）等驱动调谐电路内的真空可变电容器来调整电容值。

如此，在谐振频率为固定且负载的阻抗也固定的条件下，设计高效的高频电源比较容易。然而，在负载的阻抗发生变化的情形时，为操作调谐电路以始终维持最佳状况，而必须使用复杂的控制机构及价格高昂的零件，在向工业产品的应用中成为不利的因素。

不使用真空可变电容器等价格高昂的零件，而是根据负载阻抗的变化来使频率变化的自由运行（free-running）方式，例如揭示在专利文献1中。专利文献1中，以使来自调谐电路的反射电力成为最小的方式，使用压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）使高频电源的频率变化。然而，因从调谐电路除去真空可变电容器等可变元件，由此无法应对感应线圈的电阻分量的变化。

因此，也揭示有如下方法，即不将高频电源的输出阻抗限定为50Ω，而是直接驱动谐振电路。虽然无法使用同轴电缆（cable）等传输线路来将高频电源设置在远离感应线圈的场所，而是必须将高频电源配置在感应线圈附近，但这样可提供高效且价格低的电源。通过采用频率根据负载阻抗的变化而自动地变化的自激振荡（self-oscillation）方式，而可省去频率的控制电路或调谐电路，从而可构成更简单的高频电源电路。

在专利文献2的感应加热装置中揭示一种高频电源电路，其将谐振电路的一部分的电压反馈（feedback）至高频电源的金属氧化物半导体场效应晶体管（metallic oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET）开关元件而进行自激振荡。此外，专利文献3中揭示将真空管用于开关元件的方式，专利文献4中揭示将晶体管用于开关元件的方式。此外，专利文献5中揭示以半桥（half bridge）驱动谐振电路的单侧的方式、及以全桥（full bridge）驱动谐振电路的两端的方式。专利文献2中，通过变压器（transformer）耦合而将谐振电路的电容器的一部分的电压用作金属氧化物半导体场效应晶体管的门极（gate）电压。专利文献5中，通过变压器耦合而使谐振电路的电流流至电阻而作为金属氧化物半导体场效应晶体管的门极电压。

在这些方式中，即便在负载阻抗发生变化的情形时，也能以由该负载阻抗决定的谐振频率持续振荡，也可通过来自谐振电路的反馈而自动地以相同频率驱动金属氧化物半导体场效应晶体管等开关元件，从而不需要谐振电路与驱动电路的相位控制等处理。

先前技术文献

专利文献

专利文献1：R.C.Ferrelletal.，美国专利US5,383,019

专利文献2：M.Rossnick，美国专利US5,191,302

专利文献3：W.Lankreijer，美国专利US3,448,407