KR100775559B1 - Rf filter circuit outputting unique voltage gain - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 일반적인 RF 전원 필터 회로의 예시도이다.1 is an exemplary diagram of a general RF power filter circuit.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전압 이득이 일정한 RF 전원 필터 회로의 구성도이다.2 is a block diagram of an RF power filter circuit having a constant voltage gain according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명에 따라, 부하의 변동에 따른 입력 임피던스와 전압 이득 특성을 보여주는 그래프이다.3 is a graph showing input impedance and voltage gain characteristics according to a change in load according to the present invention.
본 발명은 ＲＦ 전원 필터 회로에 관한 것으로, 특히 입력 임피던스를 최대로 하고, 부하 저항값에 무관하게 일정한 전압 이득을 갖는데 적당하도록 한 전압이득이 일정한 ＲＦ 전원 필터 회로에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
수백 kHz ~ 수 MHz 급의 대용량 플라즈마 전원장치는 주요 요소기술로서 고속 스위치 제어 기술, 누설 인덕턴스와 표유 커패시턴스를 이용한 공진이용 기술 외에 부하에 대한 전력제어와 보호 대책기술과 정현파 출력을 얻기 위한 필터회로 구성기술이 매우 중요하다. Large-capacity plasma power supply of several hundred kHz to several MHz class is a key element technology, besides high speed switch control technology, resonance use technology using leakage inductance and stray capacitance, and power control and protection measures for load and filter circuit composition to obtain sine wave output. Technology is very important.
기존의 RF전원회로는 플라즈마 발생용, 고주파 가열, 스퍼터링 장비등에 활용되어 왔으며 전압원을 이용한 컨버터 구조를 채택하였다. 전압원형 RF 전원의 출력은 통상적으로 구형파 형태이며 이를 부하측으로 인가하기 위해서는 반드시 필터회로를 사용하여야 한다. 일반적으로 구형파를 필터하는데에 2차이상의 필터를 사용하여 출력을 정형하며 일반적 LC 필터를 여러 차수로 두어 사용한다. The existing RF power circuit has been used for plasma generation, high frequency heating, sputtering equipment, etc., and adopts a converter structure using a voltage source. The output of the voltage source RF power supply is typically a square wave type and a filter circuit must be used to apply it to the load side. In general, to filter the square wave, the output is formed by using more than 2nd order filter and the general LC filter is used in several orders.
도 1은 기존의 일반적인 RF 필터의 예를 나타낸 것이다. 단순히 LC 망에 값을 조절하여 파형을 정형하는 방식으로 품질계수 Q를 대략적으로 10정도 맞추어 설계한다. 이때 출력전압 이득은 부하에 따라 달라지며 부하 변동이나 부하에 의한 위상 변화에 매우 민감하게 된다. 1 illustrates an example of a conventional general RF filter. The quality factor Q is set to approximately 10 by simply shaping the waveform by adjusting the values in the LC network. The output voltage gain depends on the load and is very sensitive to load variations or phase changes caused by the load.
이에 따라 기존의 RF 필터 정합기는 가변 인덕터나 커패시터를 통해 다시 튜닝하는 과정이 반드시 수반되어야 한다. 필터의 초기 설정값을 구하는데에도 스미스 차트를 통한 필터값 선정작업과 실험을 통한 시행오차에 의한 소자값 조절 및 실험을 거쳐야 하는 단점이 있다.As a result, the existing RF filter matcher must be retuned through a variable inductor or capacitor. Even when the initial setting value of the filter is obtained, there is a disadvantage that the device value selection and the experiment are performed by the trial value through the Smith chart selection and the experiment.
특히, 도 3의 차수가 높은 필터는 이러한 미세한 취약점에 보다 민감한 특징을 가지므로 부하변동에 대해 강인한 특성을 가지는 필터의 구조와 설계 방안이 필요하다.In particular, since the filter having a higher degree of FIG. 3 has a more sensitive characteristic to such a weak vulnerability, it is necessary to design and design a filter having a robust characteristic against load fluctuations.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으 로, 입력 임피던스를 최대로 하고, 부하 저항값에 무관하게 일정한 전압 이득을 갖는 전압이득이 일정한 ＲＦ 전원 필터 회로를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and provides an RF power supply filter circuit having a constant voltage gain with a maximum input impedance and a constant voltage gain regardless of the load resistance value. The purpose.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 제안된 본 발명인 전압이득이 일정한 ＲＦ 전원 필터 회로를 이루는 구성수단은, 전원의 일단에 제1 인덕터(Ls)의 일단이 연결되고, 상기 제1 인덕터(Ls)의 타단에 제1 커패시터(Cs)의 일단이 직렬로 연결되고, 상기 제1 커패시터(Cs)의 타단에 제2 인덕터(Lp)의 일단과 제2 커패시터(Cp)의 일단이 병렬로 연결되고, 상기 제2 인덕터(Lp)와 제2 커패시터(Cp)의 타단이 상기 전원의 타단에 연결되며, 상기 제2 인덕터(Lp)와 제2 커패시터(Cp)의 양단에 부하(RL)가 연결되는 것을 특징으로 한다.In order to solve the above technical problem, the constituent means of the RF power supply filter circuit having a constant voltage gain, which is the present invention, is connected to one end of a first inductor Ls and one first inductor Ls One end of the first capacitor Cs is connected in series to the other end of the first capacitor Cs, and one end of the second inductor Lp and one end of the second capacitor Cp are connected in parallel to the other end of the first capacitor Cs. The other end of the second inductor Lp and the second capacitor Cp is connected to the other end of the power supply, and the load R L is connected to both ends of the second inductor Lp and the second capacitor Cp. It is characterized by.
또한, 상기 제1 인덕터(Ls)와 제1 커패시터(Cs)에 의한 직렬 공진 주파수(fser)는 상기 제2 인덕터(Lp)와 제2 커패시터(Cp)에 의한 병렬 공진 주파수(fpar)와 동일하거나 미세하게 낮은 것을 특징으로 한다.In addition, the series resonance frequency f ser by the first inductor Ls and the first capacitor Cs is equal to the parallel resonance frequency f par by the second inductor Lp and the second capacitor Cp. It is characterized by the same or finely low.
또한, 상기 직렬 공진 주파수(fser)와 병렬 공진 주파수(fpar)가 동일할 때, 입력 임피던스(Zin)는 공진 주파수(Wr) 근처에서 상기 부하(RL)의 저항이 증가할수록 증가하는 것을 특징으로 한다.Further, when the series resonance frequency f ser and the parallel resonance frequency f par are the same, the input impedance Zin increases as the resistance of the load R L increases near the resonance frequency Wr. It features.
또한, 상기 직렬 공진 주파수(fser)와 병렬 공진 주파수(fpar)가 동일할 때, 상기 부하(RL)의 저항에 무관하게 전압 이득이 일정한 주파수 영역이 존재하는 것을 특징으로 한다.In addition, when the series resonance frequency f ser and the parallel resonance frequency f par are the same, a frequency region having a constant voltage gain exists regardless of the resistance of the load R L.
또한, 상기 제1 인덕터(Ls), 제1 커패시터(Cs), 제2 인덕터(Lp) 및 제2 커패시터(Cp)는 조정회로에 의해 부하에 따라 다시 미세 튜닝되어, 상기 부하 저항이 가변되더라도 입력 임피던스를 최대로 하고 전압 이득을 일정하게 하는 값으로 설정되는 것을 특징으로 한다.In addition, the first inductor Ls, the first capacitor Cs, the second inductor Lp, and the second capacitor Cp are fine-tuned again according to the load by an adjustment circuit, so that the input may be changed even if the load resistance is variable. It is characterized in that it is set to a value that maximizes the impedance and makes the voltage gain constant.
또한, 상기 제2 인덕터(Lp)와 제2 커패시터(Cp)에 의한 병렬 공진 주파수(fpar)는 부하를 단락시킬 때의 상기 제1 인덕터(Ls)와 제1 커패시터(Cs)에 의한 직렬 공진 주파수(fser)와 같거나 더 큰 것을 특징으로 한다.In addition, the parallel resonance frequency f par by the second inductor Lp and the second capacitor Cp is in series resonance by the first inductor Ls and the first capacitor Cs when the load is short-circuited. It is characterized by being equal to or greater than the frequency f ser .
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상기와 같은 구성수단으로 이루어져 있는 본 발명인 전압이득이 일정한 ＲＦ 전원 필터 회로에 관한 작용 및 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the operation and the preferred embodiment of the RF power supply filter circuit constant voltage gain of the present invention composed of the above configuration means.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전압이득이 일정한 ＲＦ 전원 필터 회로의 구성도이다.2 is a configuration diagram of the RF power supply filter circuit having a constant voltage gain according to an embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전압이득이 일정한 ＲＦ 전원 필터 회로는 전원에 직렬로 연결되는 직렬 성분의 LC 필터 소자와 상기 전원에 병렬로 연결되는 병렬 성분의 LC 필터 소자로 이루어져 있다.As shown in FIG. 2, the RF power supply filter circuit having a constant voltage gain according to the present invention includes an LC filter element having a series component connected in series to a power source and an LC filter element having a parallel component connected in parallel with the power source. .
즉, 전원의 일단에 제1 인덕터(Ls)의 일단이 연결되고, 상기 제1 인덕터(Ls) 의 타단에는 제1 커패시터(Cs)의 일단이 직렬로 연결되어 직렬 성분의 LC 필터 소자를 구성한다.That is, one end of the first inductor Ls is connected to one end of the power supply, and one end of the first capacitor Cs is connected in series to the other end of the first inductor Ls to form an LC filter element having a series component. .
그리고, 상기 제1 커패시터(Cs)의 타단에 제2 인덕터(Lp)의 일단과 제2 커패시터(Cp)의 일단이 병렬로 연결되고, 상기 제2 인덕터(Lp)와 제2 커패시터(Cp)의 타단이 상기 전원의 타단에 연결됨으로써, 병렬 성분의 LC 필터 소자를 구성한다.One end of the second inductor Lp and one end of the second capacitor Cp are connected in parallel to the other end of the first capacitor Cs, and the second inductor Lp and the second capacitor Cp The other end is connected to the other end of the power supply, thereby forming an LC filter element of parallel component.
상기 제2 인덕터(Lp)와 제2 커패시터(Cp)의 양단에는 가변 저항을 가지는 부하(RL)가 연결된다.A load R L having a variable resistor is connected to both ends of the second inductor Lp and the second capacitor Cp.
상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 전압이득이 일정한 ＲＦ 전원 필터 회로는 LCLC 형태로 이루어지며, 상기 LC의 소자값은 입력측 임피던스는 크게 보이게 하고 출력측 임피던스는 부하에 영향을 최소화하도록 작게 보일 수 있도록 선택 결정된다. 이러한 구조가 되기 위해서는 공진 주파수의 영향을 고려하여 소자값을 선정해야 한다.The RF power filter circuit having a constant voltage gain according to the present invention having the configuration described above is formed in the form of LCLC, and the element value of the LC makes the input side impedance large and the output side impedance small to minimize the influence on the load. Your choice is decided. In order to achieve such a structure, an element value must be selected in consideration of the influence of the resonance frequency.
도 2에 도시된 바와 같이, 전원단에 직렬 성분의 LC 필터 소자와 병렬 성분의 LC필터 소자로 구성되며, 부하는 병렬 소자의 양단에 접속되는 구조를 가지는 본 발명에 대한 동작 설명을 설명하면 다음과 같다.As shown in FIG. 2, the operation of the present invention having a structure in which the LC filter element of the parallel component and the LC filter element of the parallel component are connected to the power supply stage and the load is connected to both ends of the parallel element will be described. Same as
동작 설명을 간단하게 하기 위해 소자를 이상적이라고 하면, 도 3에 도시된 바와 같이, 전압이득이 특정한 주파수에서 부하에 관계없이 일정해지도록 구성할 수 있다. If the element is ideal for simplicity of operation, as shown in Fig. 3, the voltage gain can be configured to be constant regardless of the load at a specific frequency.
도 2에 도시된 제1 인덕터(Ls)와 제1 커패시터(Cs)에 의해 발생하는 공진 주 파수를 fser(직렬 공진 주파수)라 하고, 상기 제2 인덕터(Lp)와 제2 커패시터(Cp)에 의해 발생하는 공진 주파수를 fpar(병렬 공진 주파수)라 할 때, 각 공진 주파수는 다음과 같이 정의할 수 있다.The resonance frequency generated by the first inductor Ls and the first capacitor Cs shown in FIG. 2 is referred to as f ser (serial resonance frequency), and the second inductor Lp and the second capacitor Cp are shown in FIG. When the resonant frequency generated by f par (parallel resonant frequency), each resonant frequency can be defined as follows.
fser(직렬 공진 주파수) = (1/(2π√LsCs))f ser (serial resonant frequency) = (1 / (2π√LsCs))
fpar(병렬 공진 주파수) = (1/(2π√LpCp))f par (parallel resonance frequency) = (1 / (2π√LpCp))
본 발명에 따른, 상기 제1 인덕터(Ls)와 제1 커패시터(Cs)에 의한 직렬 공진 주파수(fser)는 상기 제2 인덕터(Lp)와 제2 커패시터(Cp)에 의한 병렬 공진 주파수(fpar)와 동일하거나 미세하게 작다.According to the present invention, the series resonant frequency f ser by the first inductor Ls and the first capacitor Cs is parallel resonant frequency f by the second inductor Lp and the second capacitor Cp. par ) same or slightly smaller.
도 3의 (a)는 상기 직렬 공진 주파수(fser)와 병렬 공진 주파수(fpar)가 일치된 조건에서, 주파수와 부하 저항 값에 따른, 입력 임피던스(Zin)의 변화를 보여주는 그래프이다.3A is a graph showing a change in input impedance Zin according to a frequency and a load resistance value under the condition that the series resonance frequency f ser and the parallel resonance frequency f par coincide.
도 3의 (a)에서 알 수 있듯이, 공진주파수(Wr) 근처에서 입력 임피던스는 부하(RL) 저항 값이 증가함에 따라 증가함을 알 수 있다. 즉, 공진주파수(Wr) 근처의 주파수 영역(Wa ~ Wa)에서는 부하의 저항 값이 커질수록(1ohm 에서 50ohm으로 갈 수록) 입력 임피던스가 커지는 것을 알 수 있다.As can be seen from (a) of FIG. 3, it can be seen that the input impedance increases near the resonance frequency Wr as the load R L resistance value increases. That is, it can be seen that in the frequency range Wa to Wa near the resonance frequency Wr, the input impedance increases as the resistance of the load increases (from 1 ohm to 50 ohm).
도 3의 (b)는 상기 직렬 공진 주파수(fser)와 병렬 공진 주파수(fpar)가 일치된 조건에서, 주파수와 부하 저항 값에 따른, 출력 전압 이득 변화를 보여주는 그래프이다.FIG. 3B is a graph showing the output voltage gain change according to the frequency and the load resistance value under the condition that the series resonance frequency f ser and the parallel resonance frequency f par coincide.
도 3의 (b)에서 알 수 있듯이, 전압 이득 곡선은 부하가 변하여도 전압이득은 변하지 않는 주파수 영역("A" 영역)이 존재하게 된다. 즉, 직렬 공진 주파수(fser)와 병렬 공진 주파수(fpar)가 일치된 조건에서, 상기 부하의 저항에 무관하게 전압 이득이 일정한 주파수 영역이 존재하게 된다. 이러한 직, 병렬 공진의 특성을 이용하면 부하에 대해 영향을 최소화하고 공진전류를 줄이면서 동시에 출력전력을 일정히 할 수 있다. As shown in (b) of FIG. 3, the voltage gain curve has a frequency domain ("A" region) in which the voltage gain does not change even when the load changes. That is, in a condition where the series resonance frequency f ser and the parallel resonance frequency f par coincide with each other, there is a frequency range in which the voltage gain is constant regardless of the resistance of the load. By using the characteristics of the series and parallel resonance, the output power can be constant while minimizing the influence on the load and reducing the resonance current.
또한 부가적인 장점으로 정확한 필터의 설계를 통해 전압과 전류의 위상을 거의 동일하게 할 수 있게 되며, 직렬 공진 주파수(fser)와 병렬 공진 주파수(fpar)가 일치된 조건에서는 전원 전압과 공진 전류의 위상 지연이 생기지 않으므로 입력 전압과 전류가 거의 동상(in phase)이 되고 최대 전력이 부하로 전달된다.An additional advantage is that the design of the correct filter allows the voltage and current phases to be nearly identical, and the supply voltage and resonant current under conditions where the series resonance frequency (f ser ) and the parallel resonance frequency (f par ) are consistent. Since no phase delay occurs, the input voltage and current are nearly in phase and maximum power is delivered to the load.
상기와 같이 부하 저항이 가변되더라도, 입력 임피던스를 최대로 하고 전압 이득을 일정하게 유지하기 위해서는, 상기 제1 인덕터(Ls), 제1 커패시터(Cs), 제2 인덕터(Lp) 및 제2 커패시터(Cp)는 조정회로에 의해 부하에 따라 다시 미세 튜닝되는 것이 바람직하다.Even if the load resistance is varied as described above, in order to maximize the input impedance and keep the voltage gain constant, the first inductor Ls, the first capacitor Cs, the second inductor Lp, and the second capacitor ( Cp) is preferably fine tuned again according to the load by the adjustment circuit.
그런데, 상기 직렬공진 주파수와 병렬공진 주파수를 정확히 일치했을 경우에는 RF 전원의 출력단에서 일정한 주파수 제어가 너무 민감하기 때문에, 안정한 동 작을 얻기가 어려워지는 문제를 안고 있다.However, when the serial resonant frequency and the parallel resonant frequency are exactly matched, since the constant frequency control is too sensitive at the output terminal of the RF power supply, it is difficult to obtain a stable operation.
따라서, 안정한 동작을 얻기 위한 방편으로, 병렬공진 주파수를 부하를 단락시켜서 본 직렬공진 주파수보다 약간 높은 주파수에 위치시키는 것이 보다 바람직하다.Therefore, in order to obtain stable operation, it is more preferable to place the parallel resonance frequency at a frequency slightly higher than the present series resonance frequency by shorting the load.
즉, 상기 제2 인덕터(Lp)와 제2 커패시터(Cp)에 의한 병렬 공진 주파수(fpar)는 부하를 단락시킬 때의 상기 제1 인덕터(Ls)와 제1 커패시터(Cs)에 의한 직렬 공진 주파수(fser)보다 더 크게 설정하는 것이 바람직하다.That is, the parallel resonant frequency f par by the second inductor Lp and the second capacitor Cp is in series resonance by the first inductor Ls and the first capacitor Cs when the load is shorted. It is desirable to set greater than the frequency f ser .
상기와 같은 구성 및 작용 그리고 바람직한 실시예를 가지는 본 발명인 전압이득이 일정한 ＲＦ 전원 필터 회로에 의하면, 출력 전압 이득이 일정하게 얻어지도록 함으로써, 부하의 변동에도 안정한 출력을 낼 수 있는 장점이 있고, 부하 변동에 의한 전압 및 전류의 위상 변동이 최소화되어, 전원의 손상을 막아주는 장점이 있다.According to the RF power supply filter circuit having the constant voltage gain of the present invention having the above-described configuration and operation, and the preferred embodiment, the output voltage gain is obtained to be constant, which has the advantage of producing a stable output even under load fluctuations. The phase fluctuation of the voltage and the current caused by the fluctuation is minimized, thereby preventing damage to the power supply.
또한, 출력측 부하의 변동에 따라 전원 필터 회로가 받는 영향이 최소화되기 때문에, 전원 필터로서 우수한 특성을 가지며 부하측 단락에 대한 강인성을 갖는 장점이 있다. In addition, since the influence of the power supply filter circuit according to the variation of the output side load is minimized, there is an advantage that it has excellent characteristics as a power supply filter and has the robustness against the load side short circuit.
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