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On control method three-phase interleaved buck DC/DC converters for high-speed high/low pulse operation

細山田 悠 横浜国立大学 DOI:info:doi/10.18880/00013933

2021.06.17

概要

プラズマ応用分野において,液晶パネルや太陽光パネル,半導体素子等の製造工程に高周波電源であるRF(Radio Frequency)ジェネレータが使用されている.近年,製造装置における高精度化や高機能化が進み,さまざまな研究・開発が進められている.その一例として,High/Lowパルス運転がある.この運転モードは,高周波出力において薄膜生成に必要なHigh側電力と,プラズマ放電を維持し続けるためのLow側電力を高速に切り替え動作することで,プラズマの消弧を防ぎ,高品質な成膜プロセスの実現に有効とされている.

RFジェネレータにおいて,このHigh/Lowパルス運転を実現する方法として,RFインバータのゲートを制御することによりHigh/Lowパルス運転を実現する方法があるが,出力するRF周波数の高周波化が進むにつれて制御が複雑となる.それに対し,RFインバータの入力電圧である直流電圧を2つのレベルに制御することにより,RFインバータの周波数には関係なくHigh/Lowパルス運転を実現できる.このとき,High/Lowパルス運転のパルス周波数は,RFインバータの入力電圧を制御するDC/DCコンバータの応答速度に依存する.したがって,高速なHigh/Lowパルス運転を実現するためには,高速な応答速度を実現するDC/DCコンバータが必要となる.

DC/DCコンバータを制御する方法として,PI制御やヒステリシス制御,モデル予測制御等あるが,出力デッドビート制御を用いることで,高速かつ高精度な電圧遷移を実現する.このとき,降圧型DC/DCコンバータの3相インターリーブ化や,スイッチング周波数の高周波化を行い,また,遅延時間を考慮した制御を導出した.このとき,3相インターリーブ回路において,基準相のDutyを位相シフトさせることで動作させる一括制御と,各相のDutyを各々で制御する個別制御を導出,提案した.また,高速検出が可能なコンデンサ電流フィードバックの使用により高速な電圧遷移の実現,つまり高速なHigh/Lowパルス運転を実現した.実験において,スイッチング周波数を800kHzとし,パルス周波数10kHzの280V/70VのHigh/Lowパルス運転を実現し,LowからHighへの電圧遷移時間は6.7µsを達成した

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