JP2006238695A - プラズマ発生用電源装置 - Google Patents

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キ チャン ジョン
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ヘ ミン ハン
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ビョン チュン チョイ
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Abstract

【課題】単位容量の増大及び出力リップルの低減を図るプラズマ発生用電源装置を提供する。
【解決手段】プラズマ発生用電源装置は、ブリッジダイオードBDで整流され、コンデンサC で平滑化された直流電圧を高周波交流電圧に変換する第1の単相PWMインバータ111 と、第1の交流リアクタ112 と、巻線比に応じて高周波交流電圧を必要な電圧に変圧する第1の変圧器113 と、交流電圧を直流電圧に整流する第1の整流器114 とを有する第1の出力部110 と、インバータ111 に並列接続され、異なる位相で動作する第2の単相PWMインバータ121 と、第2の交流リアクタ122 と、第2の変圧器123 と、第2の整流器124 とを有する第2の出力部120 と、整流器114 に並列接続されたコンデンサC1と、コンデンサC1に直列接続され、整流器124 に並列接続されたコンデンサC2と、整流器114 に直列接続されたリアクタL とを有するC−Lフィルタ部とを備える。
【選択図】図2

Description

本発明は、プラズマ発生用電源装置に関し、より詳しくは、負荷の増大による大容量化の電源装置を構成するにあたって、複数の単相PWM(Pulse Width Modulation、以下「PWM」という)インバータの入力端を並列接続して、異なる位相に切換え制御を行い、複数の単相PWMインバータにそれぞれ直列接続された複数の整流器の各出力端を直列及び並列接続して、電源装置の出力量を増大させることにより、単位容量の増大及び出力リップルの低減を図る装置に関する。
プラズマ電源装置は、物質の第4の状態と呼ばれるプラズマの発生及び保持のための電源装置として、その応用範囲は極めて多岐にわたっている。例えば、半導体工程等においては、CVD(Chemical Vapor Depositon)、PVD(Physical Vapor Deposition)、コーティング、スパッタリング、金属の窒化処理、炭化結晶成長、ダイヤモンド合成等の各種の処理に用いられている。
このような従来のプラズマ発生用電源装置は、製品の表面処理のための工程において、電力を供給する役割をするものであり、図1に示すように、外部から交流電源が印加されると、ブリッジダイオードBDで整流され、コンデンサCで平滑化された直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータ10と、前記インバータ10の出力端に接続され、垂下特性を維持する交流リアクタLrと、前記インバータ10からの高周波交流電圧を特定の巻線比に応じて必要な電圧に変圧する変圧器20と、前記変圧器20にて変圧された交流電圧を直流電圧に整流する整流器30と、前記整流器30にて整流された電圧を整流器30に並列接続されたコンデンサC1を介して蓄積し、その蓄積された電圧を整流器30に直列接続されたリアクタLを介して負荷端に出力するC−Lフィルタ40と、から構成されている。
しかしながら、最近のプラズマ発生用電源装置は、負荷端での負荷増大のために大容量化が要求されている。大容量化を実現するためには、大容量半導体素子が必要となる。しかしながら、最近、開発された高速用大容量半導体素子IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を用いる場合、20kHz以下の制御周波数を有するようになる。
この場合、プラズマ発生用電源装置の大きさの増大はもとより、出力のリップル低減のために大きな容量のC−Lフィルタが必要となる。その結果、電源装置のC−Lに蓄積されるエネルギーが増大し、負荷端でのアーク(ショート状態)の発生時、大きなエネルギーが負荷端に加えられるようになり、プラズマを不安定にするという問題があった。これは、応用負荷の特性と品質を低下させ、システムを不安定にする要因となる。
したがって、プラズマ発生用電源装置の蓄積エネルギーを減らし、出力リップルを減らすためには、高周波スイッチング半導体素子を用いなければならないが、現在までの開発された半導体素子では、容量に限界がある。
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、複数の単相PWMインバータの入力端を並列接続して、異なる位相に切換え制御を行い、複数の単相PWMインバータにそれぞれ直列接続された複数の整流器の各出力端を直列及び並列接続して電源装置の出力量を増大させ、高周波用半導体素子であるFET(Field Effect Transistor)を用いた単相PWMインバータの直並列制御による最小のC−Lフィルタで、出力リップルを最小化する、単位容量の増大及び出力リップルの低減のための装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明のプラズマ発生用電源装置は、ブリッジダイオードで整流され、コンデンサで平滑化された直流電圧を高周波交流電圧に変換する第1の単相PWMインバータと、前記第1の単相PWMインバータの出力端に接続された第1の交流リアクタと、前記高周波交流電圧を特定の巻線比に応じて必要な電圧に変圧する第1の変圧器と、前記第1の変圧器にて変圧された交流電圧を直流電圧に整流する第1の整流器とを有する第1の出力部と、前記第1の単相PWMインバータに並列接続され、前記第1の単相PWMインバータと異なる位相で動作する第2の単相PWMインバータと、第2の交流リアクタと、第2の変圧器と、第2の整流器とが互いに直列連結された第2の出力部と、前記第1の整流器に並列連結された第1のコンデンサと、前記第1のコンデンサに直列連結され、前記第2の整流器に並列連結された第2のコンデンサと、前記第1の整流器に直列連結されたリアクタとを有するC−Lフィルタ部と、を備える。
また、本発明のプラズマ発生用電源装置は、ブリッジダイオードで整流され、コンデンサで平滑化された直流電圧を高周波交流電圧に変換する第1の単相PWMインバータと、前記第1の単相PWMインバータの出力端に接続された第1の交流リアクタと、前記高周波交流電圧を特定の巻線比に応じて必要な電圧に変圧する第1の変圧器と、前記第1の変圧器にて変圧された交流電圧を直流電圧に整流する第1の整流器とを有する第1の出力部と、前記第1の単相PWMインバータに並列接続され、前記第1の単相PWMインバータと異なる位相で動作する第2の単相PWMインバータと、第2の交流リアクタと、第2の変圧器と、第2の整流器とが互いに直列連結された第2の出力部と、前記第1の整流器に並列連結された第1のコンデンサと、前記第1のコンデンサに直列連結され、前記第2の整流器に並列連結された第2のコンデンサと、前記第1の整流器に直列連結されたリアクタとを有する第1のC−Lフィルタ部とを備える第1の出力手段と、前記第1及び第2の単相PWMインバータに並列接続され、該第1及び第2の単相PWMインバータと異なる位相で動作する第3の単相PWMインバータと、第3の交流リアクタと、第3の変圧器と、第3の整流器とを有する第3の出力部と、前記第3の単相PWMインバータに並列接続され、前記第1乃至第3の単相PWMインバータと異なる位相で動作する第4の単相PWMインバータと、第4の交流リアクタと、第4の変圧器と、第4の整流器とを有する第4の出力部と、前記第3の整流器に並列連結された第3のコンデンサと、前記第3のコンデンサに直列連結され、前記第4の整流器に並列連結された第4のコンデンサと、前記第3の整流器に直列連結されたリアクタとからなる第2のC−Lフィルタ部とを備える第2の出力手段と、を備え、前記第1及び第2の出力手段の各C−Lフィルタ部の出力端子が並列接続される。
上述したような本発明のプラズマ発生用電源装置によれば、複数の単相PWMインバータの入力端を並列接続して、異なる位相に切換え制御を行い、複数の単相PWMインバータにそれぞれ直列接続された複数の整流器の各出力端を直列及び並列接続して、電源装置の出力量を増大させることを可能にすることにより、単位容量の増大によって、プラズマ電源装置の大容量化を実現し、複数の単相PWMインバータの制御によって出力リップル電圧を低減させる効果がある。
また、本発明によれば、負荷端でのアーク発生時にも、単位容量の増大によるアークエネルギーが増加しないことにより、システムが安定化するという効果がある。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づいて詳しく説明する。
図2は、本発明の一実施の形態に係るプラズマ発生用電源装置を示す回路構成図である。図示のように、このプラズマ発生用電源装置は、第1の単相PWMインバータ111と、第1の交流リアクタ112と、第1の変圧器113と、第1の整流器114とを有する第1の出力部110と、第2の単相PWMインバータ121と、第2の交流リアクタ122と、第2の変圧器123と、第2の整流器124とを有する第2の出力部120と、第1の整流器114に並列接続され、第1の整流器114から出力された電圧を蓄積するコンデンサC1(第1のコンデンサ)と、コンデンサC1に直列接続され、第2の整流器124から出力された電圧を蓄積するコンデンサC2(第2のコンデンサ)と、第1の整流器114に直列接続され、前記コンデンサC1、C2に蓄積された電圧を負荷端(図示せず)に出力するリアクタLとを有するC−Lフィルタ130とを備える。
第1の出力部110の第1の単相PWMインバータ111は、ブリッジダイオードBDで整流され、コンデンサCで平滑化された直流電圧を高周波交流電圧に変換して、第1の変圧器113に出力する。この際、ブリッジダイオードBDには、交流電源が外部の電圧源から供給される。
第1の変圧器113は、第1の単相PWMインバータ111から出力された高周波交流電圧を特定の巻線比に応じて必要な電圧に変圧して、第1の整流器114に出力する。ここで、第1の単相PWMインバータ111と第1の変圧器113との間には、垂下特性を維持するための第1の交流リアクタ112が直列接続されている。第1の整流器114は、第1の変圧器113にて変圧された交流電圧を直流電圧に整流する。
第2の出力部120の第2の単相PWMインバータ121は、第1の単相PWMインバータ111に並列接続され、第1の単相PWMインバータ111と90°の位相差で動作する。第2の単相PWMインバータ121は、ブリッジダイオードBDで整流され、コンデンサCで平滑化された直流電圧を高周波交流電圧に変換して、第2の変圧器123に出力する。
第2の変圧器123は、第2の単相PWMインバータ121から出力された高周波交流電圧を特定の巻線比に応じて必要な電圧に変圧して、第2の整流器124に出力する。第2の単相PWMインバータ121と第2の変圧器123との間には、垂下特性を維持するための第2の交流リアクタ122が直列接続されている。第2の整流器124は、第2の変圧器123にて変圧された交流電圧を直流電圧に整流する。
前記第1及び第2の単相PWMインバータ111,121には、高周波用半導体スイッチング素子としてFETが用いられており、双方の単相PWMインバータ111,121は、図4に示すように、90°の位相差で動作が切換えられる。
なお、第1の単相PWMインバータ111と第1の交流リアクタ112と第1の変圧器113と第1の整流器114とを有する第1の出力部110と、第2の単相PWMインバータ121と第2の交流リアクタ122と第2の変圧器123と第2の整流器124とを有する第2の出力部120は、一つの単位モジュールで構成されてもよい。
前記C−Lフィルタ部130は、コンデンサC1、C2及びリアクタLに蓄積されたプラズマ発生のための電力を負荷端(例えば、プラズマ発生部)(図示せず)に出力する。プラズマ発生部では、発生させたプラズマを用いて該当工程を行うようになる。
上述したような本発明の一実施の形態は、プラズマ発生用電源装置での単位容量を増大させるための装置であって、第1の単相PWMインバータ111に直列接続された第1の整流器114と、第2の単相PWMインバータ121に直列接続された第2の整流器124のそれぞれは、インバータ周波数の2倍の周波数リップルを有するDC成分を出力し、第1の出力部110のインバータ−整流器間と第2の出力部120のインバータ−整流器間とが、図4に示すように、90°の位相差で動作することにより、最終の負荷出力では、単位容量が増大された状態で、出力リップルは、インバータ周波数の4倍周波数の極小のリップルを有するようになる。
図3は、本発明の他の実施の形態に係るプラズマ発生用電源装置の構成を示す回路構成図である。図示のように、このプラズマ発生用電源装置は、第1の出力部110と第2の出力部120と第1のC−Lフィルタ部130とを有する第1の出力手段100と、第3の出力部210と第4の出力部220と第2のC−Lフィルタ部230とを有する第2の出力手段200とを備える。
以下、本実施の形態を説明するにあたって、第1の出力手段100の第1の出力部110、第2の出力部120及び第1のC−Lフィルタ部130の具体的な構成及び動作原理は、上述した図2に示す実施の形態と同様であるので、その詳細な説明は省略する。
第3の出力部210は、第3の単相PWMインバータ211と第3の交流リアクタ212と第3の変圧器213と第3の整流器214とを有し、第4の出力部220は、第4の単相PWMインバータ221と第4の交流リアクタ222と第4の変圧器223と第4の整流器224とを有し、第2のC−Lフィルタ部230は、第3の整流器214と並列接続され、第3の整流器214から出力された電圧を蓄積するコンデンサC3(第3のコンデンサ)と、コンデンサC3と直列接続され、第4の整流器224から出力された電圧を蓄積するコンデンサC4(第4のコンデンサ)と、前記コンデンサC3、C4に蓄積された電圧を負荷端に出力するリアクタLとを含み、前記リアクタLは、第3の整流器214に直列接続される。
また、前記第1及び第2の出力手段100、200は、各第1及び第2のC−Lフィルタ部130、230の出力端子が並列接続されて負荷端と連結される。
第1の出力部110の第1の単相PWMインバータ111は、ブリッジダイオードBDで整流され、コンデンサCで平滑化した直流電圧を高周波交流電圧に変換し、第1の変圧器113に出力する。
また、第2の出力部120の第2の単相PWMインバータ121は、第1の単相PWMインバータ111に並列接続され、図4に示すように、第1の単相PWMインバータ111と90°の位相差で動作する。
また、第3の出力部210の第3の単相PWMインバータ211は、第1及び第2の単相PWMインバータ111、121に並列接続され、図4に示すように、第1及び第2の単相PWMインバータ111、121の各々に対して45°の位相差で動作する。
第4の出力部22の第4の単相PWMインバータ221は、第1乃至第3の単相PWMインバータ111、121、211に並列接続され、図4に示すように、第3の単相PWMインバータ221と90°の位相差を有する135°で動作する。
第1乃至第4の変圧器113、123、213、223は、それぞれ第1乃至第4の単相PWMインバータ111、121、211、221からの高周波交流電圧を特定の巻線比に応じて必要な電圧に変圧し、第1及び第4の整流器114、124、214、224のそれぞれに出力する。第1乃至第4の単相PWMインバータ111、121、211、221と、第1乃至第4の変圧器113、123、213、223との間には、垂下特性を維持するための第1乃至第4の交流リアクタ112、122、212、222がぞれぞれ直列接続されている。
第1乃至第4の整流器114、124、214、224は、第1乃至第4の変圧器113、123、213、223にて変圧された交流電圧をそれぞれ直流電圧に整流する。
第1の出力手段100の第1のC−Lフィルタ部130は、コンデンサC1、コンデンサC2及びリアクタLに蓄積されたプラズマ発生のための電力を負荷端に出力し、第2の出力手段200の第2のC−Lフィルタ部230は、コンデンサC3、コンデンサC4及びリアクタLに蓄積されたプラズマ発生のための電力を負荷端に出力する。以降、負荷端に接続されたプラズマ発生部(図示せず)では、発生させたプラズマを用いて、該当工程を行うようになる。
上述したような本発明は、プラズマ発生用電源装置での単位容量を増大させるための他の例示の装置として、第1の出力手段100では、第1の単相PWMインバータ111に直列接続された第1の整流器114と、第2の単相PWMインバータ121に直列接続された第2の整流器124のそれぞれは、インバータ周波数の2倍の周波数リップルを有するDC成分を出力し、第1の出力部110のインバータ−整流器間と第2の出力部120のインバータ−整流器間とは、図4に示すように、互いに90°の位相差で動作する。
ここで、図3に示した第2の出力手段200における第3の出力部210のインバータ−整流器間と第4の出力部220のインバータ−整流器間とは、図4に示すように、それぞれ45°と135°の位相(即ち、90°の位相差)で動作する。このため、本発明の最終負荷出力では、4個のインバータの異なる位相を制御して単位容量を増大させることにより、出力リップルは、1周期当たりインバータ周波数の8倍周波数の極小のリップルを有するようになる。
前記第1乃至第4の単相PWMインバータ111、121、211、221は、高周波用半導体スイッチング素子としてFETが用いられている。なお、第1の単相PWMインバータ111と第1の交流リアクタ112と第1の変圧器113と第1の整流器124とを有する第1の出力部110と、第2の単相PWMインバータ121と第2の交流リアクタ122と第2の変圧器123と第2の整流器124とを有する第2の出力部120は、一つの単位モジュールで構成されてもよい。
さらに、第3の単相PWMインバータ211と第3の交流リアクタ212と第3の変圧器213と第3の整流器214とを有する第3の出力部210と、第4の単相PWMインバータ221と第4の交流リアクタ222と第4の変圧器223と第4の整流器224とを有する第4の出力部220も同様に、一つの単位モジュールで構成されてもよい。また、本発明は、上述したように各出力部を構成するにあたって、その出力部は、2個と4個を使用している単位モジュールの構成例に限定されることなく、当業者の知識レベルであれば、出力部の増設が可能である。
以上、種々の実施の形態を挙げて本発明をより詳細に説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で、様々な変形が可能である。
従来のプラズマ発生用電源装置の構成を示す回路構成図である。 本発明の一実施の形態に係るプラズマ発生用電源装置を示す回路構成図である。 本発明の他の実施の形態に係るプラズマ発生用電源装置を示す回路構成図である。 本発明に係るプラズマ発生用電源装置における各インバータの動作タイミング、整流器出力、負荷出力を示す図である。
符号の説明
100 第1の出力手段
110 第1の出力部
111 第1の単相PWMインバータ
112 第1の交流リアクタ
113 第1の変圧器
114 第1の整流器
120 第2の出力部
121 第2の単相PWMインバータ
122 第2の交流リアクタ
123 第2の変圧器
124 第2の整流器
130 C−Lフィルタ部、第1のC−Lフィルタ部
200 第2の出力手段
210 第3の出力部
211 第3の単相PWMインバータ
212 第3の交流リアクタ
213 第3の変圧器
214 第3の整流器
220 第4の出力部
221 第4の単相PWMインバータ
222 第4の交流リアクタ
223 第4の変圧器
224 第4の整流器
230 第2のC−Lフィルタ部

Claims (4)

  1. プラズマ発生用電源装置であって、
    ブリッジダイオードで整流され、コンデンサで平滑化された直流電圧を高周波交流電圧に変換する第1の単相PWMインバータと、前記第1の単相PWMインバータの出力端に接続された第1の交流リアクタと、前記高周波交流電圧を特定の巻線比に応じて必要な電圧に変圧する第1の変圧器と、前記第1の変圧器にて変圧された交流電圧を直流電圧に整流する第1の整流器とを有する第1の出力部と、
    前記第1の単相PWMインバータに並列接続され、前記第1の単相PWMインバータと異なる位相で動作する第2の単相PWMインバータと、第2の交流リアクタと、第2の変圧器と、第2の整流器とが互いに直列連結された第2の出力部と、
    前記第1の整流器に並列連結された第1のコンデンサと、前記第1のコンデンサに直列連結され、前記第2の整流器に並列連結された第2のコンデンサと、前記第1の整流器に直列連結されたリアクタとを有するC−Lフィルタ部と、
    を備えることを特徴とするプラズマ発生用電源装置。
  2. 前記第1及び第2の単相PWMインバータには、高周波用半導体スイッチング素子としてFETが用いられ、前記第2の単相PWMインバータは、前記第1の単相PWMインバータに対して90°の異なる位相で動作することを特徴とする請求項1に記載のプラズマ発生用電源装置。
  3. プラズマ発生用電源装置であって、
    ブリッジダイオードで整流され、コンデンサで平滑化された直流電圧を高周波交流電圧に変換する第1の単相PWMインバータと、前記第1の単相PWMインバータの出力端に接続された第1の交流リアクタと、前記高周波交流電圧を特定の巻線比に応じて必要な電圧に変圧する第1の変圧器と、前記第1の変圧器にて変圧された交流電圧を直流電圧に整流する第1の整流器とを有する第1の出力部と、前記第1の単相PWMインバータに並列接続され、前記第1の単相PWMインバータと異なる位相で動作する第2の単相PWMインバータと、第2の交流リアクタと、第2の変圧器と、第2の整流器とが互いに直列連結された第2の出力部と、前記第1の整流器に並列連結された第1のコンデンサと、前記第1のコンデンサに直列連結され、前記第2の整流器に並列連結された第2のコンデンサと、前記第1の整流器に直列連結されたリアクタとを有する第1のC−Lフィルタ部とを備える第1の出力手段と、
    前記第1及び第2の単相PWMインバータに並列接続され、該第1及び第2の単相PWMインバータと異なる位相で動作する第3の単相PWMインバータと、第3の交流リアクタと、第3の変圧器と、第3の整流器とを有する第3の出力部と、前記第3の単相PWMインバータに並列接続され、前記第1乃至第3の単相PWMインバータと異なる位相で動作する第4の単相PWMインバータと、第4の交流リアクタと、第4の変圧器と、第4の整流器とを有する第4の出力部と、前記第3の整流器に並列連結された第3のコンデンサと、前記第3のコンデンサに直列連結され、前記第4の整流器に並列連結された第4のコンデンサと、前記第3の整流器に直列連結されたリアクタとを有する第2のC−Lフィルタ部とを備える第2の出力手段と、を備え、
    前記第1及び第2の出力手段の各C−Lフィルタ部の出力端子が並列接続されたことを特徴とするプラズマ発生用電源装置。
  4. 前記第1乃至第4の単相PWMインバータには、高周波用半導体スイッチング素子としてFETが用いられ、前記第3、第2及び第4の単相PWMインバータは、前記第1の単相PWMインバータに対してそれぞれ45°、90°及び135°の位相差で切換え制御されることを特徴とする請求項3に記載のプラズマ発生用電源装置。
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