KR100763492B1 - 방전용 전원 장치 - Google Patents

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기요미 와타나베
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Abstract

본 발명의 방전용 전원 장치는 방전 부하(6)에 직류 전압을 공급하여 방전시키기 위한 것으로, 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터 회로(2); 인버터 회로(3)가 출력하는 교류 전압이 공급되는 1차 권선(3a) 및 2차 권선(3b)을 갖는 트랜스(3); 복수의 다이오드(4A∼4D)를 가지며, 2차 권선(3b)에 의해 발생되는 교류 전압을 정류하는 전파 정류 회로(4); 및 전파 정류 회로(4)의 다이오드의 일부에 병렬로 접속된 트리거용 콘덴서(7)를 구비한다.

Description

방전용 전원 장치{Power supply for discharge}
본 발명은 방전 부하에 트리거(trigger) 전압을 인가함으로써 방전 상태로 만든 후, 정상 방전 전력을 공급하는 방전용 전원 장치에 관한 것이다.
방전 에너지를 이용하는 방전 부하로는 각종 레이저 장치, 방전등, 스트로보 장치, 방전 가공 장치, 광화이버의 융착 접속 장치, 박막 형성 장치 등이 있으며, 넓은 분야에서 다양한 방전 부하가 사용되고 있다. 이들 종류의 방전 부하에서의 방전은, 진공 중이나 비활성 가스와 같은 특정한 가스 중, 또는 대기 중 등에서 발생된다. 방전을 개시시키기 위해서는 정상 방전 전압보다 높은 트리거 전압을 방전 부하의 방전 전극 사이에 인가해야 한다. 트리거 전력은 방전 전력에 비해 매우 작지만, 전원 장치가 충분한 트리거 전력을 공급하는 능력을 갖지 않으면, 트리거시(방전을 개시하기 위해서 트리거 전압을 공급할 때)에 방전 전극 간의 누설 전류에 의해 방전 전극 간 전압이 충분히 상승하지 않아, 방전 상태에 도달하지 못할 수가 있다. 일단, 방전 전극 간에 방전이 발생한 후에는, 트리거 전압에 비해 낮은 전압으로 방전이 지속되기 때문에, 필요한 방전 전류를 흘려 보낼 수 있는 전력을 공급할 수 있으면 된다.
방전용 전원 장치의 일종래예를 도 13에 나타낸다. 도 13에서 입력 측 정류 회로(51)는 3상 교류 전압을 정류하여 직류 전력으로 변환하고, 인버터 회로(52)는 입력 측 정류 회로(51)로부터의 직류 전압을 수 kHz∼수십 kHz의 고주파 교류 전압으로 변환한다. 인버터 회로(52)는 주지의 것으로, 통상 펄스 폭 제어(온(on) 시간 비율 제어)된다. 트랜스(53)는 인버터 회로(52)로부터 1차 권선(53a)에 인가된 고주파 교류 전압을, 소정의 변압비로 승압한 교류 전압을 2차 권선(53b)으로부터 출력한다. 2차 권선(53b)의 교류 전압은 출력 측 전파(全波) 정류 회로(54)에 의해 직류 전압으로 변환되고, 콘덴서(55)로 평활화되어 방전 부하(56)에 인가된다. 방전 부하(56)는 통상, 한쪽 단자는 접지되고, 다른 쪽 단자에 음의 전압이 인가된다.
이러한 구성을 갖는 종래의 방전용 전원 장치에 있어서, 상용 교류 입력 전압을 AC 200V로 하면, 입력 측 정류 회로(51)의 정류 후의 전압은 대략 260V가 된다. 따라서, 방전 부하(56)의 정상 방전 전압을 500V로 하면, 트랜스(53)의 2차 권선(53b)과 1차 권선(53a)의 권수비(券數比), 즉 승압비(n)는 약 2이면 된다. 트리거 전압을 1000V로 하면, 이 트리거 전압을 발생하기 위해서 상기 승압비(n)는 4정도 필요하게 된다.
이 종래의 방전용 전원 장치에서는, 방전 개시시에는 인버터 회로(52)가 최대의 펄스 폭으로 제어되며, 1000V의 트리거 전압을 발생한다. 방전 부하(56)가 이 1000V의 트리거 전압으로 트리거되어 정상의 방전 상태로 이행된 후에는, 방전 부하(56)의 방전 전극 간 전압은 정상 방전 전압인 500V정도로 저하된다. 이 때문에, 인버터 회로(52)의 온 시간 비율(펄스 폭)을 작게 해야 한다.
그러나, 인버터 회로(52)의 온 시간 비율을 낮게 하면, 인버터 회로(52)의 출력 전류 피크 값이 증가되어 실효값이 증가되기 때문에, 인버터 회로(52)의 스위칭 소자의 전력 손실이 커지며, 스위칭 소자의 발열이나 트랜스(53)의 권선 손실이 증가한다는 문제가 발생한다.
상기 문제점을 해결하기 위해서 도 14에 나타내는 장치가 제안되어 있다. 이 장치에서, 도 13과 동일한 구성 요소는 도 13과 동일한 부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다. 이 종래 장치에서는 2차 권선(53b)과는 별도로, 500V 정도의 트리거 전압 공급용 제2 2차 권선(53c)이 트랜스(53)에 마련되어 있다. 그 제2 2차 권선(53c)의 전압이 트리거용 정류기(57)로 정류되고, 저항(58)을 통하여 바이패스 다이오드(59)의 양단에 대략 500V의 전압이 인가된다. 바이패스 다이오드(59)의 양단의 500V의 전압은, 전파 정류 회로(54)의 정류 전압 500V에 중첩되고, 방전 부하(56)에 대략 1000V의 전압을 공급한다.
이 전원 장치에서는 트리거 전압의 인가에 의해 방전이 개시되고, 정상 방전으로 이행될 때 바이패스 다이오드(59)가 도통되어 제2 2차 권선(53c)이 단락되기 때문에, 단락 전류를 제한하기 위한 저항(58)이 필요하게 된다. 이 저항(58)은 정상 방전시에는 쓸모없는 전력을 소비하게 되어, 효율 저하와 발열을 초래하게 된다.
이상의 설명으로부터 알 수 있듯이, 종래의 방전용 전원 장치에서는 구성 및 제어가 복잡하고, 전력 손실이 발생하여 비용이 증가하는 등의 문제점이 있었다.
본 발명은 간단한 회로 구성으로 인버터 회로의 제어 방법을 복잡화하지 않 으며, 방전 개시시에는 큰 트리거 전압을 공급할 수 있고, 정상 방전 개시 후에는 인버터 회로를 흐르는 전류의 피크를 가능한 한 제한하면서도 정상 방전 상태를 유지할 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 방전용 전원 장치는, 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터 회로, 복수의 다이오드를 가지며, 상기 인버터 회로를 거쳐 생성된 교류 전압을 정류하는 전파 정류 회로, 및 상기 전파 정류 회로의 상기 다이오드의 일부에 병렬로 접속된 트리거용 콘덴서를 구비한다. 이 장치에서는 방전 부하 방전 개시시에, 정상 출력 전압보다 높은 트리거 전압을 방전 부하에 공급하며, 정상 방전 개시 후에는, 상기 전파 정류 회로가 출력하는 직류 전력을 상기 방전 부하에 공급한다.
이 방전용 전원 장치에 의하면, 간단한 회로 구성으로 정상 방전 전압의 실질적으로 2배의 전압을 트리거 전압으로 하여 방전 부하에 인가할 수 있다. 또한, 각 사이클의 각각에서 트리거 전압이 발생되기 때문에, 운전 조건 등의 변동으로 방전 전류가 적어진 경우라도 방전이 소멸되기가 어렵다.
상기 전파 정류 회로는 직렬로 접속된 다이오드를 2쌍 구비한 풀 브리지(full bridge) 정류 회로일 수도 있고, 어느 한 쌍의 상기 다이오드에 상기 트리거용 콘덴서가 각각 병렬로 접속되어 있을 수도 있다.
이 경우, 간단한 회로 구성으로 정상 방전 전압의 실질적으로 2배의 임의의 크기를 갖는 트리거 전압을 얻을 수 있으며, 트리거에 요구되는 시간을 단축하거나, 높은 트리거 전압이 요구되는 경우에도 대응할 수 있다.
상기 인버터 회로가 출력하는 교류 전압이 공급되는 1차 권선 및 2차 권선을 갖는 트랜스를 더 가질 수도 있다.
상기 트랜스는 상기 2차 권선을 2개 가지며, 상기 2개의 2차 권선은 서로 직렬로 접속되어 있을 수도 있다. 상기 전파 정류 회로는 센터 탭형 정류 회로로서, 상기 센터 탭형 정류 회로는 상기 2개의 2차 권선에 접속되며, 상기 트리거용 콘덴서는 상기 2개의 2차 권선에 발생하는 전압의 합과 동일한 전압까지 충전될 수도 있다.
이 경우, 간단한 회로 구성으로 정상 방전 전압의 실질적으로 2배의 트리거 전압을 얻을 수 있으며, 트리거에 요구되는 시간을 단축할 수 있다.
트리거용 콘덴서가 병렬 접속되는 다이오드가 1개인 경우, 상기 방전 부하를 흐르는 누설 전류를 It(A), 정상 방전 전압을 E(V), 상기 인버터 회로가 출력하는 교류 전압의 주파수를 F(Hz)라고 할 때, 상기 트리거용 콘덴서의 용량 C(F)는 C>It/(E×F)이며, 또 용량 C(F)는 상기 방전 부하가 정상 방전 상태에 있을 때 전파 정류 동작을 하는 용량 이하일 수도 있다.
이 경우, 인버터 회로의 제어를 복잡하게 하지 않으면서도 방전 부하를 확실하게 방전 상태에 이르게 함과 동시에, 인버터 회로나 트랜스 등의 전력 손실을 억제할 수 있다.
트리거용 콘덴서가 병렬 접속되는 다이오드가 2개인 경우, 상기 방전 부하를 흐르는 누설 전류를 It(A), 정상 방전 전압을 E(V), 상기 인버터 회로가 출력하는 교류 전압의 주파수를 F(Hz)라고 할 때, 상기 트리거용 콘덴서의 용량 C(F)는 C>It/(2×E×F)이고, 또한 용량 C(F)는 상기 방전 부하가 정상 방전 상태에 있을 때 전파 정류 동작을 하는 용량 이하일 수도 있다.
이 경우, 인버터 회로의 제어를 복잡하게 하지 않으면서도, 높은 트리거 전압을 인가할 수 있어 방전 부하를 확실하게 방전 상태에 이르게 함과 동시에, 인버터 회로나 트랜스 등의 전력 손실을 억제할 수 있다.
상기 정류 회로의 모든 다이오드에 콘덴서가 각각 병렬로 접속되며, 이들 중 어느 하나의 콘덴서는 다른 콘덴서보다 실질적으로 정전 용량이 큰 트리거용 콘덴서일 수도 있다.
본 발명의 다른 태양의 방전용 전원 장치는, 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터 회로, 상기 인버터 회로를 거쳐 생성된 교류 전압을 정류하는 전파 정류 회로, 상기 전파 정류 회로의 입력 측과 출력 측 사이에서 직렬 접속된 트리거용 콘덴서 및 트리거용 다이오드, 및 상기 전파 정류 회로의 입력 측과, 상기 트리거용 콘덴서와 상기 트리거용 다이오드와의 접속점과의 사이에 접속된 충전용 다이오드를 구비한다. 이 장치는 방전 개시시에는 상기 2차 권선의 전압에 상기 트리거용 콘덴서의 전압을 중첩하여 정상 출력 전압보다 높은 트리거 전압을 방전 부하에 공급하고, 정상 방전 개시 후에는 상기 전파 정류 회로가 출력하는 직류 전력을 상기 방전 부하에 공급한다.
이 방전용 전원 장치에 의하면, 간단한 회로 구성으로 정상 방전 전압의 실질적으로 2배의 전압을 트리거 전압으로 하여 방전 부하에 인가할 수 있다. 각 사이클에서 트리거 전압이 발생되기 때문에, 조건 등의 변동으로 방전 전류가 적어진 경우라도 방전이 소멸되기 어렵다.
상기 전파 정류 회로의 출력에는, 평활용 콘덴서 또는 평활용 콘덴서와 바이패스용 다이오드가 구비되고, 상기 트리거용 다이오드의 캐소드와 상기 바이패스용 다이오드의 캐소드가 접속되어 있을 수도 있다.
이 경우, 간단한 회로 구성으로 정상 방전 전압의 실질적으로 2배의 임의의 크기의 트리거 전압을 얻을 수 있으며, 트리거에 요구되는 시간을 단축하거나, 높은 트리거 전압이 요구되는 경우에도 대응할 수 있다.
상기 인버터 회로의 교류 출력 전압이 인가되는 1차 권선과 및 2차 권선을 갖는 트랜스를 더 가질 수도 있다.
상기 트랜스는 직렬 접속된 2개의 2차 권선을 가지며, 상기 전파 정류 회로는 상기 2개의 2차 권선의 각각의 단자에 직렬로 접속된 한 쌍의 다이오드로 이루어진 센터 탭형의 정류 회로로서, 상기 충전용 다이오드는 상기 직렬 접속된 2개의 2차 권선의 접속점과, 상기 트리거용 콘덴서와 상기 트리거용 다이오드와의 접속점과의 사이에 접속되어 있을 수도 있다.
이 경우, 간단한 회로 구성으로 정상 방전 전압의 실질적으로 2배의 트리거 전압을 얻을 수 있어, 트리거에 요구되는 시간을 단축시킬 수 있다.
상기 트랜스는 상기 2차 권선의 일단에 직렬 접속되어 있는 부가 권선을 가지며, 상기 충전용 다이오드는 상기 부가 권선의 타단과, 상기 트리거용 콘덴서와 상기 트리거용 다이오드와의 접속점과의 사이에 접속되어 있을 수도 있다.
이 경우, 간단한 회로 구성으로 정상 방전 전압의 실질적으로 2배가 높은 트리거 전압을 얻을 수 있어, 트리거에 요구되는 시간을 단축시킬 수 있다.
상기 콘덴서의 용량 C(F)는 방전 개시 전의 방전 전류를 It(A), 정상 방전 상태의 방전 전압을 E(V), 인버터 회로의 변환 주파수를 F(Hz)라고 할 때, C>It/(F×E)의 식을 만족하는 값일 수도 있다.
이 경우, 인버터 회로의 제어를 복잡하게 하지 않으면서도 방전 부하를 확실하게 방전 상태에 이르게 함과 동시에, 인버터 회로나 트랜스 등의 전력 손실을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예의 방전용 전원 장치를 나타내는 회로도이며,
도 2a 내지 도 2c는 도 1에 도시한 방전용 전원 장치의 동작을 설명하기 위한 회로도이며,
도 3은 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이며,
도 4 내지 도 12는 각각 다른 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 회로도이며,
도 13 및 도 14는 종래의 방전용 전원 장치의 예를 나타내는 회로도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하면서 설명하기로 한다. 단, 본 발명은 이들 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 청구 범위 내에서 어떠한 변경도 가능하다. 예를 들면, 각 실시예의 구성 요소를 서로 교환할 수도 있으며, 공지의 구성 요소를 부가할 수도 있으며, 일부 구성 요건을 삭제할 수도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 방전용 전원 장치의 제 1 실시예를 나타내는 회로도이며, 도 2a 내지 도 2c는 그 동작을 설명하는 회로도이다. 입력 측 정류 회로(1)는 단상 교류 전압을 정류하여 직류 전력으로 변환하고, 인버터 회로(2)는 그 직류 전압을 예를 들면, 수 kHz∼수십 kHz의 고주파 교류 전압으로 변환한다. 이 예의 AC 입력은 단상 교류인데, 3상 이상의 교류일 수도 있다. 그 경우, 정류기(1)는 3상 이상의 브리지 정류기인 것이 바람직하다. 인버터 회로(2)는 예를 들면, 펄스 폭 제어(온 시간 비율 제어)를 행하는 것이다. 단, 인버터 회로(2)는 펄스 폭 제어 이외의 제어, 예를 들면 주파수 변조 제어 등을 행하는 인버터 회로일 수도 있다.
트랜스(3)는 1차 권선(3a)에 인버터 회로(2)로부터의 고주파 교류 전압이 인가되며, 2차 권선(3b)으로부터 소정의 변압비로 승압된 교류 전압을 출력한다. 이 예에서는 트랜스를 사용하고 있으나, 교류 전원과 방전 부하(6) 사이의 절연이 불필요한 경우에는 트랜스를 생략할 수도 있다.
2차 권선(3b)으로부터의 교류 전압은, 4개의 다이오드(4A~4D)를 접속하여 브리지 회로로 만든 전파 정류 회로(4)에 의해 전파 정류되고, 평활용 콘덴서(5)로 평활화되어 방전 부하(6)에 인가된다. 방전 부하(6)는 도시한 바와 같이, 한쪽 단자가 접지되어 있을 수도 있고, 방전 전극(도시 생략) 사이에 음의 직류 전압이 인가될 수도 있다.
전파 정류 회로(4)의 4개의 다이오드(4A∼4D) 중 어느 하나의 다이오드(4A)에는 트리거용 콘덴서(7)가 병렬로 접속되어 있다. 트리거용 콘덴서(7)는 다이오드(4A)뿐만 아니라, 다른 다이오드(4B, 4C, 4D) 중 어느 하나에 병렬 접속되어 있을 수도 있다.
제어 회로(8)는 부하 전압을 검출하는 전압 검출기(9)로부터의 전압 검출 신호, 출력 전류를 검출하는 전류 검출기(10)부터의 전류 검출 신호를 받아, 이들을 이용하여 전력값을 산출한다. 이 검출한 전력값에 의거하여, 제어 회로(8)는 방전 부하(6)에 공급되는 전력이 미리 설정된 소정값이 되도록, 인버터 회로(2)를 펄스 폭 제어한다. 또한, 전류 검출기(10)는 전류 검출 신호와 제어 회로를 절연하지 않도록, 양극 측, 즉 접지 전위 측 전류로부터 검출할 수도 있다.
도 1에 나타내는 실시예의 동작을 설명하기로 한다. 도 2a에 도시한 바와 같이, 2차 권선(3b)의 한쪽 단자(A)가 음, 다른 쪽 단자(B)가 양으로 되어 있는 반 사이클에서는 전류가 단자(B)로부터 다이오드(4C), 트리거용 콘덴서(7), 단자(A)를 통하여 흐르며, 트리거용 콘덴서(7)를 도시한 극성으로 전압(E)까지 충전한다. 다음 반 사이클이 되면, 단자(A)가 양, 단자(B)가 음이 되기 때문에, 도 2b에 도시한 바와 같이, 2차 권선(3b)의 교류 전압(E)에 트리거용 콘덴서(7)의 전압(E)이 중첩되며, 중첩된 전압(2E)이 방전 부하(6)의 방전 전극(도시 생략) 사이에 인가된다.
후술하는 바와 같이, 실제 방전 부하(6)에는 누설 전류가 흐른다. 각 사이클에서 상술한 바와 같은 동작이 반복되어, 트리거용 콘덴서(7)는 2차 권선(3b)의 교류 전압(E)까지 충전된다. 트리거용 콘덴서(7)가 전압(E)까지 충전되면, 2차 권선(3b)의 교류 전압(E)에 트리거용 콘덴서(7)의 전압(E)이 중첩된 전압(2E)이 평활용 콘덴서(5)를 거쳐 방전 부하(6)에 인가되어, 방전 부하(6)는 방전을 개시한다. 평활용 콘덴서(5)가 전압(2E)에 충전되는 동작에서는 다이오드(4C, 4D)만이 도통되 고, 다이오드(4A, 4B)는 실질적으로 도통되지 않는다. 즉, 트리거용 콘덴서(7)와 다이오드(4C, 4D)는 변칙적인 반파배(半波倍) 전압 정류 회로로서 기능을 한다.
트리거용 콘덴서(7)가 전압(E)까지 충전되는 시간은 트리거용 콘덴서(7)의 용량 크기에 좌우되며, 도 3에 도시한 바와 같이 트리거용 콘덴서(7)의 용량이 클수록 충전 시간은 조금 걸린다.
전압(2E)은 방전 부하(6)의 방전 전극 간에 방전을 일으키게 하는 충분한 전압값과 에너지를 가지며, 방전 전극 간을 확실하게 트리거하여 플라즈마 방전 상태에 이르도록 해야 한다. 방전 개시에 의해 방전 전극 간 기체는 이온화된다. 방전 전극 간에 발생한 이온에 의해 방전 전극 간 임피던스는 저하되며, 방전 전압도 작아진다. 따라서, 방전 전극 간에 이온이 다수 존재하는 동안에 다음 반 사이클로 이행되고, 또 전원이 방전을 지속하는 데 필요한 전류를 공급할 수 있는 능력이 있다면, 트리거 전압에 비해 작은 전압으로 정상 방전을 유지할 수 있다. 정상 방전 상태가 되면, 도 2c에 도시한 바와 같이 방전 부하(6)의 전압은 E가 된다.
트리거용 콘덴서(7)의 용량(C)이 너무 작으면, 방전 부하(6)를 흐르는 누설 전류(It)에 의해 트리거용 콘덴서(7)를 전압(E)까지 충전할 수 없으므로, 방전 부하(6)의 방전 전극(도시 생략) 간에 방전을 개시시킬 수가 없다. 다음에, 트리거용 콘덴서(7)가 필요한 정전 용량(C)을 구한다.
방전 개시 전 방전 부하(6)의 누설 전류를 It(A)라고 하고, 트랜스(3)의 2차 권선(3b)의 고주파 교류 전압의 1주기를 T(초)라고 하면, 1주기(T)에서의 누설 전류(It)에 의한 누설 전하량(Q(C)))는 Q=It×T가 된다.
전하량(Q)이 누설 전류(It)로서 모두 방전될 때, 평활용 콘덴서(5)의 충전 전압이 저하되는 전압값(△V(V))이 전압(E(V))보다 작지 않다면, 평활용 콘덴서(5)의 충전 전압을 2배의 전압(2E)까지 상승시킬 수 없다. 따라서, △V=Q/C<E의 식이 성립되며, 이 식은
C>Q/E=It×T/E=It/(E×F)
이 된다. 단, F는 트랜스(3)의 2차 권선(3b) 고주파 교류 전압의 주파수(Hz), 즉 인버터 회로(2)의 변환 주파수이며, 주기(T)의 역수이다.
상기 식에서 알 수 있듯이, 트리거용 콘덴서(7)의 용량(C)이 It/(E×F)보다 작으면, 누설 전류(It)의 영향으로 트리거용 콘덴서(7)가 전압(E)까지 도달하지 못한다. 따라서, 트리거 전압이 2E까지 상승하지 못하여 방전 부하(6)를 방전 상태에 도달시키기 어려워진다. 트리거용 콘덴서(7) 용량(C)은 C>It/(E×F)의 식을 만족하는 값이어야 한다. 그러나 실제로는 전력 손실이나 트리거에 요구되는 시간을 고려하지 않으면 안되므로, 확실하면서도 단시간에 방전 부하(6)를 방전 상태에 이르도록 하기 위해서는, 트리거용 콘덴서(7)의 용량(C)은 It/(E×F)의 1.5배 이상인 것이 바람직하다. 트리거용 콘덴서(7)의 용량(C)을 It/(E×F)의 1.5배 이상으로 함으로써, 고주파 교류 전압의 각 사이클에서 트리거용 콘덴서(7)의 충전 전압은 확실히 상승되며, 짧은 소요 시간으로 방전 부하(6)는 트리거된다. 방전 부하(6)가 트리거되어 방전 부하(6)에 방전이 발생하면, 방전 부하(6)의 전압은 저하되고, 전파 정류 회로(4)가 전파 정류 동작을 행하여 방전 부하(6)에 전력을 공급한다.
한편, 트리거용 콘덴서(7)의 용량(C)이 너무 크면, 방전 부하(6)가 정상 방 전 상태에 이르렀을 때, 트리거용 콘덴서(7)만을 통해서 전력이 방전 부하(6)에 공급, 즉 전파 정류 회로(4)가 반파배 전압 정류 동작을 행하는 기간이 길어진다. 전파 정류 회로(4)가 반파배 전압 정류 동작을 행하면, 전파 정류 동작보다 높은 출력 전압(2E)이 되기 때문에, 인버터 회로(2)가 펄스 폭을 줄여 좁은 펄스 폭으로 동작하게 된다. 그 좁은 펄스 폭으로 필요한 방전 전류를 흘려 보내기 때문에 전류 피크값은 급격히 커져, 인버터 회로(2)에서 전류 용량이 큰 스위칭 반도체 소자를 필요로 할 뿐만 아니라 전력 손실이 커지게 된다. 따라서, 트리거용 콘덴서(7)의 용량(C)은 상기 용량(C)을 기준으로 필요 최소한의 값으로 하는 것이 바람직하다.
용량(C)의 상한값은 부하 조건, 예를 들면 방전 부하(6)에 공급하는 방전 전류, 방전 부하(6)에서의 방전 전극(도시 생략) 간의 간격, 그 방전 전극의 분위기에서의 진공도 및 기체 종류 등에 의해 영향을 받기 때문에, 명확하게 정할 수는 없다. 방전 부하(6)의 부하 조건이 정해지면 그 부하 조건에 따라 실험을 행하여, 정상 방전시에 전파 정류 회로(4)가 반파 정류 동작에서 전파 정류 동작으로 이행되도록 트리거용 콘덴서(7)의 용량(C)을 선정하고, 이때의 용량(C)을 상한값으로 한다.
이와 같이 트리거용 콘덴서(7)의 용량(C)이 It/(E×F)보다 크고, 바람직하게는 It/(E×F)의 1.5배보다 크면, 확실하게 방전 부하(6)를 트리거할 수 있다. 그러나 정상 방전 개시 후에도 트리거용 콘덴서(7)에 충전된 에너지가 매 사이클, 평활용 콘덴서(5)로 이행하기 위해서 정상 방전시의 리플 전압이 커지나, 그 에너지는 방전 에너지로서 사용되기 때문에 쓸모없는 전력이 소모되지 않는다. 또한, 상기는 트리거용 콘덴서(7)의 용량(C)의 기준으로, 상기 범위에 한정되는 것은 아니다. 최종적으로는 실험에 의해 결정하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 사고에 의거하여 설계를 하여 시뮬레이션한 결과를 도 3에 도시한다. 조건은 하기와 같다.
(1) 정상 방전 전압(Eo)=500V
(2) 정상 방전시의 방전 전류(Io)=20A(이때 부하 저항 25Ω)
(3) 트리거 전압(Vt)=1000V
(4) 트리거 전의 누설 전류(It)=10mA(이때 부하 저항 100kΩ)
(5) 고주파 전원 출력 전압의 실효값(Vo)=260V
(6)트랜스(3)의 승압비(n)=2
방전 부하(6)의 방전 전극(도시 생략)의 분위기에 아르곤(Ar) 가스를 사용하여 플라즈마 방전을 발생시켰다. 시뮬레이션에서는 인버터 회로(2)를 실효값 260V의 고주파 교류 전원으로 치환했다. 방전 부하(6)는 트리거 전에는 전류 부하를 모의하는 100kΩ의 부하 저항을 접속하여 누설 전류를 흘려 보내고, 기동 후에 부하 전압이 1000V에 달하면 트리거하여, 스위치에 의해 플라즈마 방전 부하를 모의하는 25Ω의 부하 저항으로 전환했다.
상기 식에 의해, 트리거용 콘덴서(7)의 최소 용량(C)은 C=It/(E×F)=0.Ol/(5OO×2O3)=1nF이기 때문에, 최소 용량보다 용량이 작은 0.9nF, 최소 용량의 1nF, 1.1nF, 1.2nF, 1.5nF, 3nF의 경우에 대해서 시뮬레이션을 행했다.
각각의 시뮬레이션 결과를 순서대로 곡선(A∼F)으로 나타낸다. 곡선 (A)(0.9nF)의 경우에는, 트리거용 콘덴서(7)의 충전 전압이 500V에 도달하지 못하므로 필요한 트리거 전압(1000V)이 얻어지지 않아 방전 부하(6)는 트리거되지 않는다. 곡선(B), 곡선(C)의 경우에는, 도시되어 있지는 않으나 오랜 시간에 걸쳐 1000V에 도달한다. 그러나 실제 장치에서는 이러한 용량을 선정하기가 어렵다.
트리거용 콘덴서(7)의 용량(C)이 1.2nF(곡선(D))인 경우에는 비교적 단시간에 트리거 전압이 전압 1000V까지 상승하고, 기동 후 11Oms 정도의 시간으로 트리거되어 플라즈마 방전으로 이행했다. 트리거용 콘덴서(7)의 용량(C)이 1.5nF(곡선(E))인 경우에는, 더 짧은 시간으로 트리거 전압이 전압 1000V까지 상승하며, 40ms 정도의 시간으로 트리거되어 플라즈마 방전으로 이행했다. 트리거용 콘덴서(7)의 용량(C)이 3nF(곡선(F))인 경우에는, 더 짧은 시간으로 트리거 전압이 전압 1000V까지 상승하며, 20ms의 시간 정도로 트리거되어 플라즈마 방전으로 이행했다. 도 3에 있어서, 방전 발생을 나타내는 해칭(hatching) 영역(폭)은 방전 전압의 리플 전압을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예를 나타낸다. 도 1에서는 전파 정류 회로(4)로서 풀 브리지형의 정류 회로를 사용했으나, 이 실시예에서는 센터 탭형의 정류 회로를 사용하고 있다. 도 4에서, 도 1에서의 요소와 동일한 요소에는 동일한 기호를 붙이고, 그 설명을 생략한다.
트랜스(3)는 직렬로 접속된 2차 권선(3b) 및 2차 권선(3c)를 구비한다. 2차 권선(3b, 3c) 사이에는 센터 탭으로서 중점(3d)이 마련되어 있다. 2차 권선(3b, 3c)의 양 단자(A, B)에는 각각 직렬로 다이오드(4A, 4B)가 접속되며, 센터 탭형의 전파 정류 회로(4)를 구성하고 있다. 전파 정류 회로(4)는 실시예와 동일한 동작을 행한다.
한쪽 다이오드(4A)와 병렬로 트리거용 콘덴서(7)가 접속되어 있다. 다이오드(4A) 대신에 다이오드(4B)와 병렬로 트리거용 콘덴서(7)가 접속되어 있을 수도 있다. 2차 권선(3b, 3c)이 발생되는 전압을 각각 E로 하면, 단자(A)가 음이며, 단자(B)가 양일 때, 트리거용 콘덴서(7)는 전압(2E)까지 충전된다. 다음에, 단자(A)가 양이고, 단자(B)가 음이 되면, 트리거용 콘덴서(7)의 충전 전압(2E(V))에 2차 권선(3b)의 전압(E(V))이 중첩되고, 3E(V)의 트리거 전압이 평활용 콘덴서(5)를 통해서 방전 부하(6)에 인가되어 방전 부하(6)를 트리거한다. 따라서, 이 실시예의 회로는 정상 방전 전압에 비해 매우 높은 트리거 전압이 필요한 경우에 적합하다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예를 나타낸다. 도 1에서는 전파 정류 회로(4)를 구성하는 브리지 접속된 다이오드의 일부에 병렬로 트리거용 콘덴서(7)를 접속했다. 한편, 이 방전용 전원 장치에서는 도 5에 도시한 바와 같이, 전파 정류 회로(4)의 브리지 회로를 구성하는 2열의 다이오드 중에서, 직렬로 접속된 다이오드(4A, 4B)의 각각에 트리거용 콘덴서(7, 7')가 접속되어 있다. 도 5에서, 도 1과 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다.
방전용 전원 장치의 동작에 대해서 설명하기로 한다. 2차 권선(3b)의 고주파 교류 전압(E)이 단자(B)가 양이고, 단자(A)가 음이 되는 반 사이클에 있을 때, 전류는 단자(B)로부터 다이오드(4C)를 통해서 트리거용 콘덴서(7)를 충전한다. 다음에, 단자(A)가 양이고, 단자(B)가 음인 반 사이클이 되면, 2차 권선(3b)의 고주파 교류 전압(E)이 트리거용 콘덴서(7') 및 다이오드(4D)를 통해 흘러 트리거용 콘덴서(7')가 충전되며, 이 동작이 반복된다. 트리거용 콘덴서(7 또는 7') 중 하나가 2차 권선(3b)의 교류 전압(E)과 동일한 전압까지 충전되면, 전압(2E)이 평활용 콘덴서(5)를 통하여 방전 부하(6)에 인가되고 방전 부하(6)는 트리거되어, 정상 방전 상태에 도달한다.
방전용 전원 장치에서는, 트리거 전의 각 사이클에서 도통되는 다이오드는 다이오드(4C, 4D)뿐만 아니라, 다이오드(4A, 4B)는 실질적으로 도통되지 않는다. 즉, 트리거용 콘덴서(7, 7')와 다이오드(4C, 4D)가 전파배 전압 회로를 구성한다. 2개의 트리거용 콘덴서(7, 7')로 배전압 동작하므로, 원리적으로는 그러한 콘덴서들의 용량(C)은, 도 1의 방전용 전원 장치(100)의 경우의 1/2 용량 C(C>It/(2×E×F))으로 충분하게 된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서는 입력 정류기로서 3상 정류기(101)가 사용되고 있다. 3상 정류기(101)의 출력은 3상 인버터(102)에 공급되며, 3상 인버터(102)로부터의 출력은 3상 트랜스(103)에 공급된다. 3상 트랜스(103)의 출력은 3상 전파 정류 회로(104)에 공급되어 전파 정류된다.
이 예의 3상 인버터는 6개의 MOSFET(2A∼2F)로 이루어진다. 3상 트랜스(103)는 스타 결선된 3개의 1차 권선(3a, 3B, 3C) 및 스타 결선된 3개의 2차 권선(3D, 3E, 3F)을 갖는다. 3상 브리지 정류 회로(104)는 6개의 다이오드(4A∼4F)로 이루어진다. 3상 인버터(102)는 3개의 교류 출력선(a, b, c)에 위상차 120°로 교류 전압을 발생시킨다. 이 교류 전압은 트랜스(103)로 변압된 후, 3상 브리지 정류 회로 (104)에 정류된다. 이 3상 방식으로는 도 1의 실시예(단상 방식)에 비해, 출력 직류 전압의 리플을 감소할 수 있다.
3상 인버터(102), 3상 트랜스(103), 3상 브리지 정류 회로(104)에 의한 3상 전력 변환 장치에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 제어 회로(108), 전압 검출 회로(109), 전류 검출 회로(110)는 각각 도 1에서 설명한 요소(8, 9, 10)에 대응한다.
이 실시예에서는 3상 브리지 정류 회로(104)를 구성하는 3열의 다이오드열 중에서, 직렬 접속되어 있는 다이오드(4A, 4B)에 트리거용 콘덴서(107A, 107B)가 접속되어 있다. 트리거용 콘덴서(107A, 107B)를 부가함으로써 방전 개시 전에 정격 전압보다 높은 전압을 발생시킬 수 있다. 다이오드(4A, 4B) 대신에, 다이오드(4C, 4D 또는 4E, 4F)일 수도 있다. 6개 중 어느 하나의 다이오드에만 콘덴서를 접속할 수도 있다. 또한, 3상 인버터(102)의 3개의 교류 출력선(a, b, c)에 각각 인덕턴스와 콘덴서를 직렬로 접속하여, 이른바 직렬 공진 인버터를 구성하여 주파수 변조 제어할 수도 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서는, 4개의 모든 다이오드(4A∼4D)의 각각에 콘덴서(7A∼7D)가 병렬로 접속되어 있다. 콘덴서(7A∼7D)가 모두 실질적으로 동일한 용량이면, 이 회로 구성 콘덴서는 다이오드(4A∼4D)에 가해지는 서지(surge) 전압 억제, 또는 다이오드(4A∼4D)의 리커버리 노이즈 저감용이 된다.
그러나, 이 실시예에서는 어느 1열의 다이오드(4A, 4B)((4C, 4D)일 수도 있 음)에 병렬로 접속된 2개의 콘덴서(7A, 7B)의 정전 용량을 나머지 콘덴서(7C, 7D)보다 크게 함으로써, 방전 개시 전의 출력 전압을 정격 방전 전압보다 높게 할 수 있다.
도 7의 실시예의 전압 발생 원리는, 도 1 및 도 5의 실시예와 마찬가지로 배전압 정류 작용이다. 누설 전류에 대응한 적정 정전 용량의 기준은, 콘덴서(7C, 7D)의 존재에 따라 복잡하기 때문에 충분히 해명할 수 없다. 단, 콘덴서(7A, 7B)의 정전 용량과 나머지 콘덴서(7C, 7D)의 정전 용량과의 차이는 하기 식의 정전 용량(C)을 기준으로 하여 선정하면 된다.
C=It/(2×E×F)
분모에 계수 2가 들어가 있는 것은, 도 5의 실시예의 사고와 마찬가지로 2개의 다이오드(4A, 4B)의 병렬 콘덴서(7A, 7B)에 트리거 콘덴서 기능을 갖도록 하고 있기 때문이다. 만약, 콘덴서(7A)만을 다른 콘덴서(7B, 7C, 7D)보다 크게 하는 경우에는, 도 1의 실시예와 마찬가지로 그 차이는 하기 식으로 나타나는 정전 용량(C)이 된다.
C=It/(E×F)
구체적으로는, 앞의 시뮬레이션 조건과 동일한 조건으로 콘덴서 용량을 선정한다. 예를 들면, 콘덴서(7C, 7D)의 정전 용량을 1nF로 하면, 콘덴서(7A, 7B)의 정전 용량은 5nF 이상으로 하는 것이 바람직하다. 1개의 다이오드(D1)에만 콘덴서를 접속할 수도 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서는, 전파 정류 회 로(4)의 총 4개의 각각의 다이오드가, 직렬 접속된 2개의 다이오드4A 와 4A', 4B 와 4B', 4C 와 4C', 4D 와 4D'로 치환되어 있다. 모든 다이오드(4A∼4D')에 각각 콘덴서(7A∼7D')가 병렬 접속되어 있다.
콘덴서가 전부 실질적으로 동일한 정전 용량이면, 각 콘덴서는 직렬 다이오드의 과도 전압을 밸런싱하는 콘덴서로서 작용한다. 그런데, 본 발명에서는 직렬 한 개의 암(arm)뿐인 다이오드 4A 와 4A', 4B 와 4B'에 병렬이면서 서로 직렬인 2개의 콘덴서(7A, 7A', 7B, 7B')의 정전 용량을 나머지 콘덴서(7C, 7C', 7D, 7D')보다 실질적으로 크게 함으로써, 방전 개시 전의 출력 전압을 정격 방전 전압보다 높게 할 수 있다.
도 8의 실시예의 전압 발생 원리는 도 1, 도 5 및 도 7의 실시예와 마찬가지로 배전압 정류 작용이지만, 누설 전류에 대응한 적정 정전 용량의 기준은 콘덴서(7C, 7C', 7D, 7D')의 존재에 따라 복잡하여 충분히 해명할 수는 없다. 콘덴서(7A, 7A')의 직렬 정전 용량 또는 콘덴서(7B, 7B')의 직렬 정전 용량과, 나머지 콘덴서(7C, 7C')의 직렬 정전 용량 또는 콘덴서(7D, 7D')의 직렬 정전 용량과의 차이는 하기 식의 정전 용량 C(F)를 기준으로 하여 선정하면 된다.
C>It/(2×E×F)
분모에 계수 2가 들어가 있는 것은, 도 5의 실시예의 사고와 마찬가지로 2개의 트리거 콘덴서를 사용하고 있기 때문이다. 만약, 콘덴서(7A, 7A')만을 다른 콘덴서(7B, 7B', 7C, 7C', 7D, 7D')보다 크게 하는 경우에는, 그 차이는 하기 식에 나타나는 정전 용량(C)이 된다.
C=It/(E×F)
구체적으로는, 앞의 시뮬레이션 조건과 동일한 조건으로 콘덴서 용량을 선정한다. 예를 들면, 콘덴서(7C, 7C', 7D, 7D')의 정전 용량을 2nF로 하면, 4nF 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한 쌍의 다이오드(4A 및 4A')에만 다른 것보다 정전 용량이 큰 콘덴서(7A, 7A')를 접속할 수도 있다.
이상 설명한 각 실시예에서는 방전 부하(6)와 병렬로 평활용 콘덴서(5)가 접속되어 있는데, 아크 방전시의 방전 에너지를 작게 하기 위해서, 평활용 콘덴서(5)를 생략할 수 있다.
또한, 인버터는 MOSFET뿐만 아니라, 1GBT, 바이폴라 트랜지스터로 구성할 수도 있으며, 브리지 인버터에 한정되지 않는다.
도 9는 다른 실시예를 나타내며, 그 동작은 도 3에 설명한 바와 동일하다. 입력 측 정류 회로(1)는 3상 교류 전압을 정류하여 직류 전력으로 변환하고, 인버터 회로(2)는 그 직류 전압을 수kHz∼수1OkHz의 고주파 교류 전압으로 변환한다. 인버터 회로(2)는 주지의 것으로, 예를 들면 직렬 정전 용량폭 제어(온 시간 비율 제어)된다. 트랜스(3)는 인버터 회로(2)로부터 1차 권선(3a)에 인가된 고주파 교류 전압을 소정 변압비로 승압된 교류 전압을 2차 권선(3b)으로부터 출력한다. 2차 권선(3b)의 교류 전압은, 도시하지 않은 4개의 다이오드를 브리지에 접속하여 이루어진 전파 정류 회로(4)에 의해 전파 정류되고, 평활용 콘덴서(5)로 평활화되어 방전 부하(6)에 인가된다. 방전 부하(6)는 통상, 한 쪽 단자가 접지되며, 방전 전극(도시 생략)간에는 음의 직류 전압이 인가된다.
전파 정류 회로(4)의 한 쪽 입력 측(즉, 전파 정류 회로(4)의 한쪽 입력과 트랜스(3)의 2차 권선(3b)의 한쪽 단자(A)와의 접속점)과 전파 정류 회로(4)의 출력 측(즉, 전파 정류 회로(4)의 출력과 방전 부하(6)와의 접속점)과의 사이에, 전파 정류 회로(4)를 우회하여 트리거용 콘덴서(7)와 트리거용 다이오드(8)를 직렬 접속한 회로가 접속되어 있다. 전파 정류 회로(4)의 다른 쪽 입력 측(즉, 전파 정류 회로(4)의 다른 쪽 입력과 트랜스(3)의 2차 권선(3b)의 다른 쪽 단자(B)를 접속한 접속점)과 트리거용 콘덴서(7)와 트리거용 다이오드(8)와의 접속점과의 사이에, 트리거용 콘덴서(7)를 충전하기 위한 충전용 다이오드(9)가 접속되어 있다.
제어 회로(10)는 부하 전압을 검출하는 전압 검출기(11), 출력 전류를 검출하는 전류 검출기(12)로부터의 전압 검출 신호, 전류 검출 신호를 받아, 방전 부하(6)에 공급되는 전력이 소정 값이 되도록 인버터 회로(2)를 펄스 폭 제어한다.
2차 권선(3b)의 한쪽 단자(A)가 음, 다른 쪽 단자(B)가 양인 전압의 반 사이클에서는, 단자(B)로부터 충전용 다이오드(9), 트리거용 콘덴서(7), 단자(A)를 통해서 전류가 흐르며, 트리거용 콘덴서(7)를 도시한 극성으로 충전한다. 다음 반 사이클이 되면, 단자(A)가 양의 전압, 단자(B)가 음의 전압이 되기 때문에, 2차 권선(3b)의 교류 전압(E)에 트리거용 콘덴서(7)의 전압이 중첩되며, 그 중첩된 전압이 방전 부하(6)의 방전 전극(도시 생략) 사이에 인가된다.
후술하는 바와 같이, 실제의 방전 부하에서는 누설 전류(It)가 흐르기 때문에, 트리거용 콘덴서(7)는 각 사이클에서 교류 전압(E)에 도달할 수 없으며, 각 사이클에서 상술한 바와 같은 동작을 반복함으로써, 트리거용 콘덴서(7)는 2차 권선 (3b)의 교류 전압(E)까지 서서히 충전된다. 트리거용 콘덴서(7)가 전압(E)까지 충전되면, 2차 권선(3b)의 교류 전압(E)에 트리거용 콘덴서(7)의 전압이 중첩된 전압(2E)이 평활용 콘덴서(5)를 통해 방전 부하(6)에 인가되며, 방전 부하(6)는 트리거된다. 전파 정류기(4)가 전파 정류 동작을 행하여 방전 전력을 공급한다.
트리거용 콘덴서(7)가 전압(E)까지 충전되는 시간은 트리거용 콘덴서(7)의 용량 크기에 좌우되며, 도 3에 도시한 바와 같이 트리거용 콘덴서(7)의 용량이 클수록 충전 시간은 조금 걸린다.
전압(2E)은 방전 부하(6)의 방전 전극(도시 생략)간에 방전을 일으키게 하는 충분한 전압값과 에너지를 가지며, 방전 전극 사이를 확실하게 방전 상태에 이르도록 해야 한다. 그 방전 개시에 의해 방전 전극 사이의 기체는 이온화되고, 방전 전극 사이의 임피던스는 저하되어 그 방전 전압이 적어진다. 따라서, 방전 전극 사이에 이온이 다수 존재하는 동안에 다음 반 사이클로 이행하며, 전원이 방전을 지속하는 데에 필요한 전류를 공급할 수 있는 능력이 있다면, 트리거 전압에 비해 작은 전압으로 정상 방전을 유지할 수 있다.
트리거용 콘덴서(7)의 용량(C)이 너무 작으면, 방전 부하(6)를 흐르는 누설 전류(It)에 의해 트리거용 콘덴서(7)를 전압(E)까지 충전할 수 없으므로, 방전 부하(6)의 방전 전극(도시 생략)간에 방전을 개시시킬 수 없다. 다음에, 권선 전압의 2배의 전압(2E)을 발생하기 위해서, 트리거용 콘덴서(7)의 최저 필요한 용량(C)을 구한다.
방전 개시전의 방전 부하(6)의 누설 전류를 It라고 하고, 트랜스(3)의 2차 권선(3b)의 고주파 교류 전압의 1주기를 T라고 하면, 1주기(T)에서의 누설 전류(It)에 의한 누설 전하량(Q)은 Q=It×T가 된다.
이 전하량(Q)이 누설 전류(It)로서 모두 방전될 때, 평활용 콘덴서(5)의 충전 전압이 저하되는 전압값(△V)이 전압(E)보다 작지 않으면, 평활용 콘덴서(5)의 충전 전압을 2배의 전압(2E)을 향해 상승시킬 수 없다. 따라서, △V=Q/C<E의 식이 성립되며, 이 식은 C>Q/E=It×T/E=It/(E×F)가 된다. 단, F는 트랜스(3)의 2차 권선(3b)의 고주파 교류 전압의 주파수, 즉 인버터 회로(2)의 변환 주파수이며, 주기(T)의 역수이다.
상기 식으로부터, 트리거용 콘덴서(7)의 용량(C)이 It/(E×F)보다 작으면, 누설 전류(It)의 영향으로, 트리거용 콘덴서(7)가 전압(E)까지 도달하지 않기 때문에, 트리거 전압이 2E까지 상승할 수 없으며, 방전 부하(6)를 방전 상태에 이르도록 하는 것이 어려워진다. 따라서, 트리거용 콘덴서(7)의 용량(C)은 C>It/(E×F)의 식을 만족하는 값이어야 한다. 그러나, 실제상으로는 전력 손실이나 트리거에 요구되는 시간을 고려해야 하므로, 확실하면서도 단시간에 방전 부하(6)를 방전 상태에 이르도록 하기 위해서는, 트리거용 콘덴서(7)의 용량(C)은 It/(E×F)의 1.5배 이상인 것이 바람직하다. 트리거용 콘덴서(7)의 용량(C)을 It/(E×F)의 1.5배 이상의 값으로 선택함으로써, 고주파 교류 전압의 각 사이클에서 트리거용 콘덴서(7)의 충전 전압은 확실히 상승하며, 짧은 소요 시간으로 방전 부하(6)는 트리거된다.
한편, 트리거용 콘덴서(7)의 용량(C)이 너무 크면, 방전 부하(6)가 정상 방전 상태에 도달하여 전파 정류 회로(4)가 전파 정류 동작을 행하며, 방전 부하(6) 에 전력을 공급하고 있을 때 트리거용 콘덴서(7)만을 통해 전력이 방전 부하(6)에 공급, 즉 전파 정류 회로(4)가 반파 정류 동작을 행하는 기간이 발생하게 된다. 전파 정류 회로(4)가 반파 정류 동작을 행하면, 당연히 도통 기간이 좁아지기 때문에 인버터 회로(2)가 펄스 폭을 좁혀 좁은 펄스 폭으로 동작하게 된다. 그 좁은 펄스 폭으로 필요한 방전 전류를 흘려 보내기 때문에 전류의 피크값은 커지며, 인버터 회로(2)에서 전류 용량이 큰 스위칭 반도체 소자를 필요로 할 뿐만 아니라, 전력 손실이 커지게 된다. 따라서, 트리거용 콘덴서(7)의 용량(C)은 전파 정류 회로(4)의 다이오드(4A∼4D)가 커트오프(Cut-Off)되지 않는, 즉 전파 정류 동작에서 반파 정류 동작으로 들어가지 않는 상한 용량(Cu)보다 작은 것이 바람직하다.
트리거용 콘덴서(7)의 상한 용량은 부하 조건, 예를 들면 방전 부하(6)에 공급하는 방전 전류, 방전 부하(6)에서의 방전 전극(도시 생략) 간의 간격, 그 방전 전극 분위기에서의 진공도 및 기체 종류 등에 의해 영향을 받기 때문에, 명확히 정할 수는 없다. 부하 조건에 따라 실험을 행하고, 전파 정류 회로(4)가 전파 정류 동작에서 반파 정류 동작으로 이행할 때의 트리거용 콘덴서(7)의 용량(C)을 가져 상한 용량으로 한다.
이와 같이 트리거용 콘덴서(7)의 용량(C)이 It/(E×F)보다 크고, 바람직하게는 It/(E×F)의 1.5배보다 크며, 상한 용량(Cu)보다 작은 경우, 확실히 방전 부하(6)를 트리거할 수 있으나, 정상 방전 개시 후에도 트리거용 콘덴서(7)에 충전된 에너지가 매 사이클, 평활용 콘덴서(5)로 이행하기 위해서 정상 방전시의 리플 전압이 커진다. 그러나, 그 에너지는 방전 에너지로서 사용되기 때문에 쓸모없는 전 력 손실이 되지 않는다.
상술한 바와 같은 사고에 의거해서 설계하여 시뮬레이션한 결과는 도 3에 도시한 바와 같다. 조건은 하기와 같다.
(1) 정상 방전 전압(Eo)=500V
(2) 정상 방전시의 방전 전류(Io)=20A(이때의 부하 저항 25Ω)
(3) 트리거 전압(Vt)=1000V
(4) 트리거 전의 누설 전류(It)=10mA(이때의 부하 저항 100kΩ)
(5) 고주파 전원의 출력 전압의 실효값(Vo)=260V
(6)트랜스(3)의 승압비(n)=2
방전 부하(6)에서의 방전 전극(도시 생략)의 분위기에 아르곤(Ar) 가스를 사용하여 플라즈마 방전을 발생시켰다. 시뮬레이션에서는 인버터 회로(2)를 실효값 260V의 고주파 교류 전원으로 치환했다. 방전 부하(6)는 트리거 전에는 전류 부하를 모의하는 100kΩ의 부하 저항을 접속하여 누설 전류를 흘려 보내고, 기동 후에는 부하 전압이 1000V에 도달할 때에 트리거하여 방전 상태로 이행하는 것으로 가정하고, 전자 스위치에 의해 플라즈마 방전 부하를 모의하는 25Ω의 부하 저항으로 전환했다.
상기 식에 의해 트리거용 콘덴서(7)의 최소 용량(C)은,
C=It/(E×F)=0.O1/(5OO×2O3)=1nF
가 되기 때문에, 최소 용량보다 용량이 작은 0.9nF, 최소 용량의 1.0nF, 그보다 조금 큰 1.1nF, 또 1.2nF, 1.5nF, 3nF의 경우에 대해서 시뮬레이션을 행했다.
시뮬레이션 결과를 순서대로 곡선(A), 곡선(B), 곡선(C), 곡선(D), 곡선(E), 곡선(F)으로 나타낸다. 곡선(A)(0.9nF)의 경우에는 트리거용 콘덴서(7)의 충전 전압이 500V에 도달하지 못하기 때문에, 필요한 트리거 전압(1000V)이 얻어지지 않아 방전 부하(6)는 트리거되지 않는다. 곡선(B)(1.0nF), 곡선(C)(1.lnF)의 경우에는 도시되어 있지는 않으나, 오랜 시간에 걸쳐 1000V에 도달한다. 그러나, 방전 발생까지의 시간이 너무 오래 걸리기 때문에, 실제 장치에서는 이와 같은 용량을 선정하기가 어렵다.
트리거용 콘덴서(7)의 용량(C)이 1.2nF(곡선(D))인 경우에는 비교적 단시간에 트리거 전압이 전압 1000V까지 상승하며, 11Oms 정도의 시간으로 트리거되어 플라즈마 방전으로 이행하고 있다. 트리거용 콘덴서(7)의 용량(C)이 1.5nF(곡선(E))인 경우에는, 더 짧은 시간으로 트리거 전압이 전압 1000V까지 상승하며, 40ms 정도의 시간에 트리거되어 플라즈마 방전으로 이행하고 있음을 알 수 있다. 트리거용 콘덴서(7)의 용량(C)이 3nF(곡선(F))인 경우에는, 더 짧은 시간에 트리거 전압이 전압 1000V까지 상승하며, 20ms 정도의 시간에 트리거되어 플라즈마 방전으로 이행하고 있음을 알 수 있다. 도시하고 있지는 않으나, 트리거용 콘덴서(7)의 용량(C)을 2000nF까지 시뮬레이션했으나, 더 짧은 소요 시간으로 플라즈마 방전이 발생했다.
도 10은 다른 실시예의 방전용 전원 장치를 나타낸다. 도 10에서, 도 9에 사용한 기호와 동일한 기호는 도 9의 부재와 동일한 명칭의 부재를 나타내는 것으로 한다.
이 실시예가 도 9에 도시한 방전용 전원 장치와 다른 점은, 평활용 콘덴서(5)와 방전 부하(6)와의 사이에 직렬로 바이패스용 다이오드(13)를 접속함과 동시에, 바이패스용 다이오드(13)의 캐소드를 트리거용 다이오드(8)의 캐소드에 접속한 것이다.
바이패스용 다이오드(13)를 이와 같이 설치함으로써, 트리거 전압(2E)이 평활용 콘덴서(5)에 의해 평활되지 않고, 트리거 전압(2E)이 방전 부하(6)에 직접 인가되기 때문에 방전 부하(6)를 조기에 트리거할 수 있다. 방전 부하(6)가 트리거되어 방전 상태에 도달하면, 트랜스(3)의 2차 권선(3b)으로부터 전파 정류 회로(4)와 평활 콘덴서(5)와 바이패스용 다이오드(13)를 통해서 방전 부하(6)에 방전 전력이 공급된다. 이 실시예에 따르면 즉응성이 향상된다.
또한, 전파 정류 회로(4)의 출력 전압은 바이패스용 다이오드(13)에 의해 트리거 전압(2E)이 블록되어 전압(E)이 인가될 뿐이므로, 전파 정류 회로(4)를 구성하는 다이오드의 내압, 및 평활 콘덴서(5)의 내압은 도 9의 방전용 전원 장치(100)에 비해 1/2이면 충분하다는 이점이 있다.
도 11은 다른 실시예의 방전용 전원 장치를 나타낸다. 도 11에서 도 9에 사용한 기호와 동일한 기호는 도 9의 부재와 동일한 명칭의 부재를 나타내는 것으로 한다.
트랜스(3)는 2차 권선(3b)에 2차 권선(3c)을 직렬로 부가하고, 2차 권선(3b, 3c)이 센터 탭 구성으로 되어 있으며, 중점(3d)을 갖는다. 이들 2차 권선(3b)과 부가된 2차 권선(3c)의 각각의 단자(A, B)에는 직렬로 각각 다이오드(4A, 4B)의 애노 드가 접속되며, 캐소드는 공통으로 접속되어 센터 탭형의 전파 정류 회로(4)를 구성하고 있다.
트리거용 콘덴서(7)와 트리거용 다이오드(8)를 직렬 접속한 회로는, 2차 권선(3b)의 단자(A)와 다이오드(4A, 4B)의 캐소드와의 사이에 접속된다. 트리거용 콘덴서(7)를 충전하기 위한 충전용 다이오드(9)는 트리거용 콘덴서(7)와 트리거용 다이오드(8)와의 접속점과, 중점(3d)과의 사이에 접속되어 있다. 이 방전용 전원 장치의 동작은 방전용 전원 장치(100, 200)의 동작과 거의 동일하기 때문에 생략하기로 한다.
도 12는 또 다른 실시예를 나타내고 있다. 도 12에서 도 9에 사용한 기호와 동일한 기호는 도 9의 부재와 동일한 명칭의 부재를 나타내는 것으로 한다. 이 실시예가 방전용 전원 장치와 다른 점은, 충전용 다이오드(9) 애노드가 부가된 2차 권선(3c)의 단자(B)에 접속되어 있는 것이다.
방전용 전원 장치(400)의 동작에 대해서 설명하면, 2차 권선(3b)의 단자(A)가 음이고, 부가된 2차 권선(3c)의 단자(B)가 양인 반 사이클에서는, 2차 권선(3b)의 전압(E)과 부가된 2차 권선(3c)의 전압(E)이 중첩된 전압(2E)이 충전용 다이오드(9)를 통하여 트리거용 콘덴서(7)에 인가되고, 트리거용 콘덴서(7)는 전압(2E)까지 충전된다. 따라서, 방전용 전원 장치(400)에 의하면, 상술한 설명으로부터 알 수 있듯이 방전 부하(6)에는 전압(3E)을 인가할 수 있다.
이 실시예에 따르면, 방전 부하(6)의 트리거 전압이 전압(2E)이라면, 트리거용 콘덴서(7)가 전압(E)에 충전된 시점에서 방전 부하(6)에 전압(2E)이 인가되어 트리거되기 때문에, 짧은 소요 시간으로 방전 부하(6)의 방전을 개시시킬 수 있다. 또한, 트리거 전압이 3E까지인 것에 대응할 수 있다. 게다가, 이 실시예에서는 2차 권선(3b)의 권선수에 비해 2차 권선(3c)의 권선수를 필요한 전압값에 대응시켜 늘리면, 트리거 전압이 3E보다 높은 방전 부하에도 대응할 수 있다.
방전 부하(6)에 병렬 접속되어 있는 평활용 콘덴서(5)는, 방전 부하(6)가 아크 방전 상태에 있을 때의 방전 에너지를 작게 하기 위해서 뺄 수도 있다.
본 발명의 용도로는 엑시머 레이저와 같은 레이저 장치의 레이저관을 트리거하기 위한 전원이나 고휘도 방전등(High Intensity Discharge:HID)과 같은 각종 방전등을 점등하기 위한 전자 점등 장치, 또는 광화이버의 절단면을 맞대어 접속시킬 때, 방전에 의한 열로 광화이버를 용융시켜 접속하는 광화이버 융착 접속용의 방전용 전원 장치로서, 또한 플라즈마 방전을 발생시켜 플라즈마 가스를 이온화하고, 그 이온을 타겟 표면에 충돌시켜 타겟 재료를 증발시키며, 그 증기를 반도체 표면이나 광디스크의 기판 표면에 박막을 형성하는 박막 형성 장치 등을 들 수 있다. 또한, 그 밖에도 전극 간 방전 에너지를 이용하는 여러 종류의 기기 방전용 전원으로서 사용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 간단한 회로 구성이면서 인버터 회로의 간편한 통상적인 제어 방법으로, 확실하게 방전 부하에 방전을 발생시키면서 정상 방전 상태를 유지할 수 있다.

Claims (16)

  1. 방전 부하에 직류 전압을 공급하여 방전시키기 위한 방전용 전원 장치로서,
    직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터 회로;
    상기 인버터 회로가 출력하는 교류 전압이 공급되는 1차 권선 및 2차 권선을 갖는 트랜스;
    복수의 다이오드를 가지며, 상기 인버터 회로와 트랜스를 거쳐 생성된 교류 전압을 정류하는 전파 정류 회로; 및
    상기 전파 정류 회로의 상기 다이오드 중의 적어도 어느 하나에 각각 병렬로 접속된 트리거용 콘덴서를 구비하고,
    상기 방전 부하 방전 개시시에는 정상 출력 전압보다 높은 트리거 전압을 방전 부하에 공급하며, 상기 트리거 전압은 상기 트랜스의 2차 코일의 교류 전압에 상기 트리거용 콘덴서의 전압을 중첩함으로써 생성되며, 정상 방전 개시 후에는 상기 전파 정류 회로가 출력하는 직류 전력을 상기 방전 부하에 공급하는 방전용 전원 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전파 정류 회로는 직렬로 접속된 다이오드를 2쌍 구비한 풀 브리지 정류 회로이며, 어느 한 쌍의 상기 다이오드에 상기 트리거용 콘덴서가 각각 병렬로 접속되어 있는 방전용 전원 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 트랜스는 상기 2차 권선을 2개 가지며, 상기 2개의 2차 권선은 서로 직렬로 접속되고, 상기 전파 정류 회로는 센터 탭형 정류 회로이며, 상기 센터 탭형 정류 회로는 상기 2개의 2차 권선에 접속되고, 상기 트리거용 콘덴서는 상기 2개의 2차 권선에 발생하는 전압의 합과 같은 전압까지 충전되는 방전용 전원 장치.
  5. 제1항에 있어서, 방전 개시 전에 상기 방전 부하를 흐르는 누설 전류를 It(A), 정상 방전 전압을 E(V), 상기 인버터 회로가 출력하는 교류 전압의 주파수를 F(Hz)라고 할 때, 상기 트리거용 콘덴서의 용량 C(F)는 C>It/(E×F)이며, 용량 C(F)는 상기 방전 부하가 정상 방전 상태에 있을 때 전파 정류 동작을 행하는 용량 이하인 방전용 전원 장치.
  6. 제2항에 있어서, 방전 개시 전에 상기 방전 부하를 흐르는 누설 전류를 It(A), 정상 방전 전압을 E(V), 상기 인버터 회로가 출력하는 교류 전압의 주파수를 F(Hz)라고 할 때, 상기 트리거용 콘덴서의 용량 C(F)는 C>It/(2×E×F)이며, 용량 C(F)는 상기 방전 부하가 정상 방전 상태에 있을 때 전파 정류 동작을 행하는 용량 이하인 방전용 전원 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 정류 회로의 모든 다이오드에 콘덴서가 각각 병렬로 접속되고, 이들 중 어느 하나의 콘덴서는 다른 콘덴서보다 실질적으로 정전 용량이 큰 트리거용 콘덴서인 방전용 전원 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 정류 회로의 다이오드에 추가로 다이오드를 직렬 접속한 복수의 다이오드로 이루어지며, 이들 직렬 접속된 복수의 다이오드에 콘덴서가 각각 병렬로 접속되며, 이들 콘덴서 중 일부 콘덴서는 다른 콘덴서보다 실질적으로 용량이 큰 트리거용 콘덴서인 방전용 전원 장치.
  9. 제7항에 있어서, 방전 개시 전에 상기 방전 부하를 흐르는 누설 전류를 It(A), 정상 방전 전압을 E(V), 상기 인버터 회로가 출력하는 교류 전압의 주파수를 F(Hz)라고 할 때, 상기 트리거용 콘덴서의 용량은 다른 콘덴서의 용량보다 It/(E×F)(F) 이상 크며, 또한 상기 방전 부하가 정상 방전 상태에 있을 때 전파 정류 동작을 행하는 용량 이하인 방전용 전원 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 인버터 회로는 다상 인버터이며, 상기 트랜스는 복수의 1차 권선 및 2차 권선을 갖는 다상 트랜스이며, 상기 정류 회로는 복수의 다이오드 암을 갖는 다상 정류 회로인 방전용 전원 장치.
  11. 방전 부하에 직류 전압을 공급하여 방전시키기 위한 방전용 전원 장치로서,
    직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터 회로;
    상기 인버터 회로의 교류 출력 전압이 인가되는 1차 권선 및 2차 권선을 갖는 트랜스;
    상기 인버터 회로를 거쳐 생성된 교류 전압을 정류하는 전파 정류 회로;
    상기 전파 정류 회로의 입력 측과 출력 측 사이에서 직렬 접속된 트리거용 콘덴서 및 트리거용 다이오드; 및
    상기 전파 정류 회로의 입력 측과, 상기 트리거용 콘덴서와 상기 트리거용 다이오드와의 접속점과의 사이에 접속된 충전용 다이오드를 구비하며,
    방전 개시시에는 상기 2차 권선의 전압에 상기 트리거용 콘덴서의 전압을 중첩하여 정상 출력 전압보다 높은 트리거 전압을 방전 부하에 공급하며, 정상 방전 개시 후에는 상기 전파 정류 회로가 출력하는 직류 전력을 상기 방전 부하에 공급하는 방전용 전원 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전파 정류 회로의 출력에는 평활용 콘덴서 또는 평활용 콘덴서와 바이패스용 다이오드가 구비되고, 상기 트리거용 다이오드의 캐소드와 상기 바이패스용 다이오드의 캐소드가 접속되어 있는 방전용 전원 장치.
  13. 삭제
  14. 제11항에 있어서,
    상기 트랜스는 직렬 접속된 2개의 2차 권선을 가지며, 상기 전파 정류 회로는 상기 2개의 2차 권선의 각각의 단자와 직렬로 접속된 한 쌍의 다이오드로 이루어진 센터 탭형의 정류 회로이며, 상기 충전용 다이오드는 상기 직렬 접속된 2개의 2차 권선의 접속점과, 상기 트리거용 콘덴서와 상기 트리거용 다이오드와의 접속점과의 사이에 접속되어 있는 방전용 전원 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 트랜스는 직렬 접속된 2개의 2차 권선을 가지며, 상기 전파 정류 회로는 상기 2개의 2차 권선의 각각의 단자와 직렬로 접속된 한 쌍의 다이오드로 이루어진 센터 탭형의 정류 회로이며, 상기 충전용 다이오드는 상기 직렬 접속된 2개의 2차 권선의 다른 단자와, 상기 트리거용 콘덴서와 상기 트리거용 다이오드와의 접속점과의 사이에 접속되어 있는 방전용 전원 장치.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 콘덴서의 용량 C(F)는 방전 개시 전의 방전 전류를 It(A), 정상 방전 상태의 방전 전압을 E(V), 인버터 회로의 변환 주파수를 F(Hz)라고 할 때,
    C>It/(F×E)
    의 식을 만족하는 값이며, 또한 상기 방전 부하가 정상 방전 상태에 있을 때에는 전파 정류 동작을 행하는 용량 이하인 방전용 전원 장치.
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