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玉置電子工業
先端技術の研究・開発を高周波・高圧電源で支える
「玉置電子工業株式会社」

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カスタム電源開発事例開発事例3:ナノパルスプラズマ発生用高周波・高圧パルス電源の開発

 従来では実現が難しいとされていた、高速(ns)、高周波(MHz)、高電圧(kVp)を兼ね備えたプラズマ発生用高周波・高圧電源装置の開発を行いました。また、プラズマ発生に用いられる容量性負荷を対象とした高速なパルス立上りや繰返しを実現しています。
パルスの高速化、高周波化、高電圧化は高速・高圧仕様の半導体スイッチ(ドイツBEHLKE社製)を用い実現しています。

高周波・高電圧の半導体スイッチ(絶縁油による冷却) 高周波・高電圧の半導体スイッチ(絶縁油による冷却)
高周波・高圧電源装置の外観 高周波・高圧電源装置の外観

開発時のポイント

  • 負荷対象は容量性負荷(~50pF)
  • パルス電圧は~20kVp
  • パルス幅は100ns(半値幅)
  • パルス周期は~1MHz
    ※バースト動作による
  • バースト周期は1kHz以上
  • 接続負荷も含めたLC共振回路を構成・考慮

これらの開発要求仕様を踏まえて、段階的な試作・開発を行いながら、要求仕様を満たした高周波・高圧ナノパルス電源を開発しました。

高速・高周波・高電圧の出力波形

高周波高圧ナノパルス出力波形(1) 高周波高圧ナノパルス出力波形(1)
CH1(上)電圧波形:21.0kVp
CH2(下)電流波形:19.4Ap
パルス幅:107.2ns(半値幅)
高周波高圧ナノパルス出力波形(2) 高周波高圧ナノパルス出力波形(2)
CH1(上)電圧波形
CH2(下)電流波形
パルス周期:1MHz、バースト周期:1kHz

高速・高周波・高電圧用半導体スイッチとは?

この度の高速・高周波・高電圧パルスを実現するためには、半導体スイッチの役割が大きなものとなります。
そもそも高電圧の半導体スイッチ自体が一般品では無い上に、高速、高周波動作を合せて行う必要があるため、半導体の冷却機構も重要となるため、絶縁油(GALDEN製)を用いた冷却システムも搭載して、今回の高速・高周波・高電圧のスイッチ動作を実現しています。尚、半導体スイッチの主な仕様は以下の通りです。

半導体スイッチの主な仕様と特徴

絶縁油を用いた半導体冷却システム 絶縁油を用いた半導体冷却システム

電源装置の主仕様

仕様/型式 ナノパルスプラズマ発生用高周波・高圧パルス電源装置
TE-HFVP0220K-B02M
入力 電圧 AC200V±10%
電流 5A以下
相数 単相
周波数 50/60Hz
端子 丸型メタルコネクタ(3P)
出力 パルス電圧 1k~20kVp、可変、ユニポーラ出力
パルス立上り 100ns、固定
パルス幅 200ns(半値幅:100ns)、固定
パルス周波数 1MHz(1us)、固定
パルス周期 100kHz(10us)~1MHz(1us)、可変
バーストパルス数 1~10パルス、可変
バースト周期 50Hz(20ms)~2kHz(0.5ms)、可変
負荷容量 50pF以下
電極容量及び伝送路容量含む
端子 高電圧用碍子構造端子(M5)
機能 主電源 漏電ブレーカーによる主回路ON/OFF
L/R切替 出力ON/OFF ローカル/リモート切替
ローカル時 装置パネル面の出力ON/OFFスイッチにて操作
リモート時 外部入力端子からのバースト信号にて出力ON/OFFを制御
パルス電圧 10回転式ポテンショによる可変
パルス周期 □□.□(us)DIG SWによる可変
バーストパルス数 □(パルス)DIG SWによる可変
バースト周期 □□.□(ms)DIG SWによる可変
リモート時は外部入力にて
表示器 主電源ランプ、出力ON/OFFランプ、リモートランプ、ALMランプ
保護 過電圧、過電流、温度異常、設定異常
安全 非常停止スイッチ、外部インターロック、高電圧部安全カバー
冷却方式 空冷及び絶縁油(冷却用ラジエータ搭載)による
寸法
重量
幅:W 570mm(パネル面等の突起部含まず)
奥行き:D 800mm(パネル面等の突起部含まず)
高さ:H 1400mm(パネル面等の突起部含まず)
重量 200kg以下