KR100806624B1 - 용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치 - Google Patents

용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치에 관한 것이다.
본 발명의 고전압 제어 장치는, 정류부로부터 출력되는 전압의 리플을 저감시키는 LC필터부와, LC필터부로부터 출력되는 직류전압을 교류 펄스 전압으로 변조하는 인버터부와, 플라즈마 반응부의 부하매칭을 위한 공진 리액터부와, 변압부의 1차측 편자현상을 제거하는 블로킹 콘덴서부와, 인버터부의 출력전압을 승압시키는 변압부와, 변압부의 출력전압을 인가받는 플라즈마 반응부와, 플라즈마 반응부의 전압이 펄스 주파수 변조 기준전압에 도달하기 전까지 펄스 주파수 변조 제어방식으로 제어신호를 형성하고, 플라즈마 반응부의 전압이 펄스 주파수 변조 기준전압에 도달할 경우, 펄스폭 변조 제어방식으로 제어신호를 형성하는 제어부 및 제어부로부터 인가된 제어신호를 인버터로 인가하는 게이트 구동부를 구성한다.
본 발명에 따르면, 플라즈마 반응부와의 부하매칭을 최적화하기 위해 전원장치의 스위칭 발생 및 제어기 회로를 펄스폭 변조와 펄스 주파수 변조 방식이 혼합된 하이브리드 구조로 적용하여 출력전압 제어의 안정성을 확보함으로써, 섭동현상을 제거할 수 있다.
용량성, 플라즈마, 펄스폭 변조, 펄스 주파수 변조

Description

용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치{Device for controlling high voltage having capacitive load property}
도 1은 종래의 부하 공진형 플라즈마 전원장치에 대한 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치에 대한 구성도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부에 대한 구성도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 전압에 따른 펄스 변조기 전환동작 운전특성을 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 주파수 가변동작에 대한 운전특성을 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 공진 주파수와 플라즈마 반응부의 전압을 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제어 방법에 관한 전체적인 흐름도.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 반응부의 전압을 제어하기 위한 제어신호를 형성하는 단계에 관한 상세 흐름도.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
100 : 정류부 200 : LC필터부
300 : 인버터부 400 : 공진 리액터부
500 : 블로킹 콘덴서부 600 : 변압부
700 : 플라즈마 반응부 800 : 제어부
810 : 펄스 주파수 변조 제어 모듈 820 : 제 1 인터록 스위치
830 : 전압 제어 발진모듈 840 : 제 2 인터록 스위치
850 : 위상편이 모듈 860 : 전력 제어 모듈
870 : 펄스폭 변조 제어모듈 900 : 게이트 구동부
본 발명은 용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치에 관한 것으로서, 특히, 출력전압에 따라 부하의 용량성 커패시턴스가 변동하는 플라즈마 처리장치의 반응기와 부하매칭을 최적화하여 안정적이고 고효율 특성을 갖는 고전압 대용량 전원장치를 제공할 수 있는 장치에 관한 것이다.
일반적으로 플라즈마 고전압 전원장치는 플라즈마의 생성·유지를 위한 고압, 고주파 전원장치로서 특히 유전막 방전 플라즈마의 경우 두 개의 전극 중 한곳에 유전체를 형성시키고 수KHz~수MHz의 교류전원을 인가하여 플라즈마를 생성시킨다. 이때 반응기의 기압이 증가할수록 플라즈마 발생을 위한 강한 전계가 요구되므로 수kv~수십kv의 고전압 전원이 적용된다.
종래, 부하 공진형 플라즈마 전원장치는 도 1에 도시된 바와 같이, AC전원을 정류하는 정류부(1)와 평활부(2), 정류된 직류전압을 교류 펄스 전압으로 변조하는 인버터부(3), 부하공진을 구성하기 위한 공진 리액터부(4), 인버터 출력전압을 고압으로 승압시키는 변압부(5), 출력전압을 일정하게 제어하기 위한 컨트롤러(6), 인버터를 스위칭하기 위한 펄스폭 변조 발생부(7) 및 부하(8)로 구성된다.
일반적으로 종래의 부하 공진형 플라즈마 전원장치는 고정 주파수를 갖는 위상편이 방식의 펄스변조를 적용하여 인버터를 구동한다. 그러나 고정 주파수 기반의 펄스폭 변조 방식은 용량성 플라즈마 처리장치에 적용할 경우, 플라즈마에 인가되는 전압에 따라 반응기의 등가 커패시턴스가 변동되므로 플라즈마 발생량에 따른 부하공진 매칭회로를 최적의 시정수를 갖도록 구성하기 어렵다.
또한, 플라즈마 반응부의 경부하 운전시 공진 리액터(4)의 파라미터 값이 상대적으로 작아 직렬 LC 공진회로가 공진점 부근에서 동작점이 결정됨으로써, 전압 제어시스템이 불안정하여 출력전압에 심한 섭동현상(perturbation)이 발생한다.
그리고, 부하매칭의 마진이 부족할 경우 공진점 이하에서 인버터가 작동하면 스위칭 소자의 역회복 손실이 급격히 증가하고 스파이크(spike)성 전류에 의해 스위치의 파손을 일으키는 문제점이 있다. 즉, 종래의 고정 주파수를 사용하는 위상편이 방식의 부하 공진형 플라즈마 전원장치는 용량성 플라즈마 반응부를 전부하 영역에서 안정적으로 구동하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 출력전압에 따라 부하의 용량성 커패시턴스가 변동하는 비선형 수하특성을 갖는 플라즈마 반응부와의 부하매칭을 최적화하기 위해 전원장 치의 제어부를 펄스폭 변조와 펄스 주파수 변조 방식이 혼합된 하이브리드 구조로 구현하여 출력전압 제어의 안정성을 확보함으로써, 섭동현상을 해소할 수 있는 용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치를 제공함에 있다.
그리고 본 발명의 다른 목적은, 인버터가 항상 유도성 모드에서 동작점을 유지케함으로써, 고효율 특성을 갖도록 함에도 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
본 발명에 따른 용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치의 구성은 정류부로부터 출력되는 전압의 리플을 저감시키는 LC필터부; 상기 LC필터부로부터 출력되는 직류전압을 교류 펄스 전압으로 변조하는 인버터부; 인버터부 후단에 위치하여, 플라즈마 반응부의 부하매칭을 위한 공진 리액터부; 변압부의 1차측 편자현상을 제거하는 블로킹 콘덴서부; 상기 인버터부의 출력전압을 승압시키는 변압부; 상기 변압부의 출력전압을 인가받는 플라즈마 반응부; 상기 플라즈마 반응부의 전압이 펄스 주파수 변조 기준전압에 도달하기 전까지 펄스 주파수 변조 제어방식으로 제어신호를 형성하고, 상기 플라즈마 반응부의 전압이 펄스 주파수 변조 기준전압에 도달할 경우 펄스폭 변조 제어방식으로 제어신호를 형성하는 제어부; 및 상기 제어부로부터 인가된 제어신호의 전압을 증폭시켜 상기 인버터로 인가하는 게이트 구동부; 를 포함한다.
바람직하게 상기 제어부는, 펄스 주파수 변조 기준 전압과 상기 플라즈마 반응부의 전압을 비교하고, 스위칭 주파수를 가변하여 플라즈마 반응부의 전압을 제어하고, 인터록 신호를 발생하는 펄스 주파수 변조 제어모듈; 상기 인버터부를 동작시키는 게이트 구동펄스인 인버터 출력펄스의 듀티 출력값을 가변시키는 펄스폭 변조 제어모듈; 상기 펄스 주파수 변조 제어모듈의 출력을 입력받고, 상기 펄스 주파수 변조 제어모듈의 인터록 신호를 입력받는 경우, 상기 펄스 주파수 변조 제어모듈의 출력을 차단하고, 펄스 주파수 기준값을 출력하도록 하는 제 1 인터록 스위치; 일정 듀티 출력값 및 상기 펄스폭 변조 제어모듈에서 가변시킨 듀티 출력값을 입력받아 선택적으로 출력하되, 상기 펄스 주파수 변조 제어모듈의 인터록 신호를 입력받는 경우 상기 일정 듀티 출력값의 출력을 차단하고, 상기 펄스폭 변조 제어모듈에서 가변시킨 듀티 출력값을 출력하도록 하는 제 2 인터록 스위치; 상기 제 1 인터록 스위치로부터 상기 펄스 주파수 변조 제어모듈의 출력 또는 펄스 주파수 기준값을 입력받아 펄스 주파수를 생성하고, 상기 펄스 주파수와 동기된 캐리어 신호를 생성하는 전압 제어 발진모듈; 및 상기 전압 제어 발진모듈의 캐리어 신호와, 상기 제 2 인터록 스위치의 일정 듀티 출력값 또는 상기 펄스폭 변조 제어모듈의 듀티 출력값을 비교한 결과를 입력받고 상기 결과에 위상편이를 적용한 제어신호를 형성하여 상기 게이트 구동부로 인가하는 위상편이 모듈; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게 상기 제어부는 플라즈마 반응부의 전력제어를 수행하기 위해 전력 기준값과 전력 계측값을 비교하여 출력된 제어값을 펄스폭 변조 제어모듈의 기준값과 비교하는 전력 제어 모듈; 을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 바람직하게 상기 제어부는 상기 펄스 주파수 변조 제어모듈 및 펄스폭 변조 제어모듈은 서로 인터록되어 어느 한쪽이 수행되면 다른 제어수행은 불가능하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치에 관하여 도 2 내지 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치에 대한 구성도 이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부에 대한 구성도이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 전압에 따른 펄스 변조기 전환동작 운전특성을 나타낸 그래프이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 주파수 가변동작에 대한 운전특성을 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 공진 주파수와 플라즈마 반응부의 전압을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 일실시예에 따른 용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치(이하, '전압 제어 장치')는 도 2에 도시된 바와 같이, 정류부(100), LC필터부(200), 인버터부(300), 공진 리액터부(400), 블로킹 콘덴서부(500), 변압부(600), 플라즈마 반응부(700), 제어부(800) 및 게이트 구동부(900)를 포함한다.
구체적으로, 정류부(100)는 3상 브릿지 다이오드로 구성되어 교류전원을 직류로 정류한다.
또한, LC필터부(200)는 'T'형 LC필터로서, 정류부(100)의 출력측 리플전압을 저감하기 위하여 인덕터와 콘덴서로 구성되는데, 상기 인덕터는 스위칭시 발생되는 고주파 리플전류에 의한 평활용 콘덴서의 발열 및 스트레스를 저감시킨다. 여기서, 상기 LC필터부(200)를 'T'형 LC필터로 적용하였으나, '
Figure 112007015203125-pat00001
'형 LC필터로도 적용 가능하다.
또한, 인버터부(300)는 정류부(100)와 LC필터부(200)를 통해 정류된 직류전압을 교류 펄스 전압으로 변조하고, 제어부로부터 인가되는 제어신호를 게이트 구동부를 통해 수신한다.
또한, 공진 리액터부(400)는 플라즈마 반응부의 부하매칭을 시킨다. 여기서, 상기 공진 리액터부(400)는 직렬 공진회로를 적용하겠으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 블로킹 콘덴서부(500)는 변압부의 1차측 편자현상을 제거하는 기능을 수행하며, 변압부(600)는 상기 인버터부(300)의 출력전압에 의해 발생되는 직렬 공진전압을 고압으로 승압시킨다.
또한, 플라즈마 반응부(700)는 플라즈마를 생성하는 기능을 수행하며, 출력전압에 따라 부하의 용량성 커패시턴스가 변동된다.
또한, 제어부(800)는 펄스폭 변조와 펄스 주파수 변조 방식이 혼합된 하이브리드 구조로서, 플라즈마 반응부(700)의 출력전압을 일정하게 제어하기 위한 펄스를 형성한다.
그리고, 게이트 구동부(900)는 제어부(800) 출력신호의 전압을 증폭시켜 인버터로 인가하는 기능을 수행한다.
한편, 앞서 언급한 제어부(800)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 펄스 주파수 변조 제어모듈(810), 제 1 인터록 스위치(820), 전압 제어 발진모듈(830), 제 2 인터록 스위치(840), 위상편이 모듈(850), 전력 제어 모듈(860) 및 펄스 폭 변조 제어모듈(870)을 구성한다.
펄스 주파수 변조 제어모듈(810)은 도 4에 도시된 바와 같이, 펄스 주파수 변조 기준 전압(
Figure 712008000041845-pat00002
)과 플라즈마 반응부 전압(
Figure 712008000041845-pat00003
)을 비교하여 플라즈마 반응부(700) 전압을 초기에 상승시키는 일정한 구간(t1~t2)동안 작동함과 아울러, 스위칭 주파수를 가변하여 플라즈마 반응부의 전압을 제어한다.
여기서, 상기 펄스 주파수 변조 제어모듈(810)은 초기 기동 주파수 값(
Figure 112007070679954-pat00004
)과 펄스 주파수 기준값(
Figure 112007070679954-pat00053
)을 비교하여 펄스 주파수 기준값을 감소시킨다. 전압 제어 발진모듈(830)은 펄스 주파수 변조 제어모듈(810)로부터 제 1 인터록 스위치(820)을 통해 감소된 펄스 주파수(
Figure 112007070679954-pat00006
)를 입력으로 받아 감소된 펄스 주파수에 비례하는 펄스 주파수와 동기된 캐리어 신호를 생성한다. 그리고 위상편이 모듈(850)은 전압제어 발진모듈(830)의 캐리어 신호와 제 2 인터록 스위치(840)의 일정 듀티 출력값(
Figure 112007070679954-pat00007
)을 비교한 결과를 입력으로 받아 최종 펄스를 형성하도록 구성된다.
또한, 펄스폭 변조 제어모듈(870)은 도 4에 도시된 바와 같이, 펄스폭 변조 기준전압(
Figure 712008000041845-pat00008
)과 플라즈마 반응부의 전압(
Figure 712008000041845-pat00009
)을 비교하여 플라즈마 반응부(700)의 전압이 일정한 레벨(
Figure 712008000041845-pat00010
)이상의 구간 (>t2)에서 작동하고, 인버터부(300)를 동작시키는 게이트 구동펄스인 인버터 출력펄스의 듀티 출력값(
Figure 712008000041845-pat00011
)을 가변시킨다.
삭제
또한, 전압 제어 발진모듈(830)은 펄스 주파수 변조 제어모듈(810)의 감소된 펄스 주파수 또는 제 1 인터록 스위치(820)의 펄스 주파수 기준값(
Figure 112007070679954-pat00054
)에 비례하는 펄스 주파수를 생성하고, 펄스 주파수와 동기된 캐리어 신호를 생성한다.
또한, 위상편이 모듈(850)은 상기 전압 제어 발진모듈(830)의 캐리어 신호와 일정 듀티 출력값 또는 펄스폭 변조 제어모듈(870)의 듀티 출력값을 비교한 결과를 입력으로 받아 이를 위상편이하여 생성한 출력펄스를 게이트 구동부(900)에 인가한다.
그리고, 전력 제어 모듈(860)은 전력 기준값(
Figure 112007070679954-pat00012
)과 플라즈마 반응부의 전력 계측값(
Figure 112007070679954-pat00013
)을 비교한 출력값(
Figure 112007070679954-pat00014
)을 펄스폭 변조 제어모듈(870)로 입력시키고, 펄스폭 변조 제어모듈을 통해 플라즈마 반응부의 전력제어를 수행한다. 여기서, 펄스폭 변조 제어모듈(870)은 전력 제어 모듈(860)의 출력값을 입력받아 펄스폭 변조 제어모듈(870)의 기준 전압(
Figure 112007070679954-pat00015
) 및 플라즈마 반응부의 전압(
Figure 112007070679954-pat00016
)과 비교하여 듀티 출력값(
Figure 112007070679954-pat00055
)을 출력한다.
여기서, 도 4에 도시된 바와 같이, 플라즈마 반응부(700)의 전압(
Figure 712008000041845-pat00017
)이 펄스 주파수 변조 기준 전압(
Figure 712008000041845-pat00018
)에 도달하지 않은 경우, 펄스 주파수 변조 제어모듈(810)에서 인터록을 위한 신호가 발생되지 않고, 펄스 주파수 변조 제어모듈(810)만이 동작한다. 이때, 초기 기동 주파수 값(
Figure 712008000041845-pat00019
)과 펄스 주파수 기준값(
Figure 712008000041845-pat00020
)을 비교하여 펄스 주파수 기준값(
Figure 712008000041845-pat00021
)을 감소시키며, 상기 감소된 펄스 주파수(
Figure 712008000041845-pat00022
)는 제 1 인터록 스위치(820) 및 전압 제어 발진모듈(830)을 통해 제어 출력값에 비례하는 펄스 주파수로 생성되고, 상기 펄스 주파수와 동기된 캐리어 신호를 제 2 인터록 스위치(840)의 일정 듀티 출력값(
Figure 712008000041845-pat00023
)과 비교한 뒤, 위상편이 모듈(850)을 이용하여 제어신호를 형성하도록 구성된다.
그리고 플라즈마 반응부(700)의 전압(
Figure 712008000041845-pat00024
)이 펄스 주파수 변조 기준 전압(
Figure 712008000041845-pat00025
)에 도달한 경우, 펄스 주파수 변조 제어모듈(810)에서 인터록을 위한 신호가 발생하고, 펄스폭 변조 제어모듈(870)만이 동작한다. 이때, 전압 제어 발진모듈(830)은 제 1 인터록 스위치(820)의 펄스 주파수 기준값(
Figure 712008000041845-pat00056
)을 입력으로 받아 펄스 주파수를 생성하고, 상기 펄스 주파수와 동기된 캐리어 신호를 생성한다. 그리고 위상편이 모듈(850)은 전압 제어 발진모듈(830)의 캐리어 신호와 펄스폭 변조 제어모듈(870)의 듀티 출력값(
Figure 712008000041845-pat00057
)을 비교한 결과를 입력으로 받아 제어신호를 형성하도록 구성된다.
본 발명에 따른 펄스 주파수 가변제어에 따른 운전특성은 도 5에 도시된 바 와 같이, 공진 주파수는 플라즈마 반응부의 전압이 상승함에 따라 플라즈마 발생량이 증가하고 반응기의 등가 커패시턴스가 증가하여 공진점이 fr1에서 fr3로 감소하면서 이동한다.
이때, 고정 주파수 방식의 전압제어와 달리 플라즈마 반응부의 전압을 증가시키는 수단으로 가변 주파수 제어동작을 수행하면, 주파수 가변 제어구간에서 스위칭 주파수를 도 6에 도시된 바와 같이, fs1에서 fs3로 감소시킬 경우 플라즈마 등가회로의 특성곡선이 평행이동하는 궤적을 따라 동기되어 추종하는 동작을 수행한다. 즉, 주파수가 감소함에 따라 출력전압이 상승하고 이에 따라 공진점이 이동하면 출력전압을 상승시키기 위해 스위칭 주파수를 더욱 감소시킨다.
스위칭 주파수의 동작점(fs1, fs2, fs3)을 살펴보면 공진점이 이동함에 따라 동기되어 가변되므로 항상 상대적으로 공진 주파수 보다 높은 동작지점에서 운전된다. 이때, 직렬 공진회로는 유도성 모드에서 운전되며, 항상 영전압 스위칭(ZVS) 영역에서 동작됨으로써, 스위칭 손실이 없으므로 고효율 전원 제어가 가능해진다. 다시 말해서, 모든 부하조건에서 영전압 스위칭 운전이 가능해지므로 비선형 수하특성 조건에서도 안정적인 출력전압 제어가 가능하다.
상술한 전압 제어 장치를 이용한 제어 방법에 관하여 도 7 및 도 8를 참조하여 설명한다. 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제어 방법에 관한 전체적인 흐름도이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 반응부의 전압을 제어하기 위한 펄스를 형성하는 단계에 관한 상세 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 정류부(100)는 교류전원을 직류로 정류시킨다(S2). 뒤이 어, LC필터부(200)는 정류부(100)의 출력측 리플 전압과 인버터 스위칭시 발생되는 고주파 리플전류에 의한 평활용 콘덴서의 발열 및 스트레스를 저감시킨다(S4).
인버터부(300)는 정류된 직류전압을 교류 펄스 전압으로 변조한다(S6).
공진 리액터부(400)는 부하공진을 연결하여 플라즈마 반응부의 부하매칭을 시키고(S8), 블로킹 콘덴서부(500)는 변압부의 1차측 편자현상을 제거한다(S10).
변압부(600)는 인버터부(300)의 출력전압에 의해 발생되는 직렬 공진전압을 승압시키고(S12), 플라즈마 반응부(700)는 플라즈마를 생성한다(S14).
다음으로, 제어부(800)는 플라즈마 반응부의 전압을 제어하기 위한 제어신호를 형성한다(S16). 게이트 구동부(900)는 제어부(800)의 출력신호를 전압·증폭시켜 인버터로 인가한다(S18).
제 S16 단계인 플라즈마 반응부의 전압을 제어하기 위한 제어신호를 형성하는 단계에 대하여 도 8을 참조하여 상세히 살펴본다.
펄스 주파수 변조 제어모듈(810)은 펄스 주파수 변조 기준 전압(
Figure 112007015203125-pat00028
)과 플라즈마 반응부(700) 전압(
Figure 112007015203125-pat00029
)을 비교 판단한다(S22).
제 S22 단계의 판단결과, 플라즈마 반응부(700) 전압(
Figure 112007015203125-pat00030
)이 펄스 주파수 변조 기준 전압(
Figure 112007015203125-pat00031
)보다 작을 경우, 인터록을 위한 신호가 발생되지 않고, 펄스 주파수 변조 제어모듈(810)이 동작된다(S24).
펄스 주파수 변조 제어모듈(810)은 초기 기동 주파수 값(
Figure 112007015203125-pat00032
)과 펄스 주파수 기준값(
Figure 112007015203125-pat00033
)을 비교하여 펄스 주파수 기준값(
Figure 112007015203125-pat00034
)을 감소시킨다(S26).
감소된 펄스 주파수(
Figure 112007015203125-pat00035
)는 제 1 인터록 스위치(820) 및 전압 제어 발진모듈(830)를 통해 제어 출력값에 비례하는 펄스 주파수로 생성된다(S28).
펄스 주파수와 동기된 캐리어 신호를 제 2 인터록 스위치(840)의 일정 듀티 출력값(
Figure 112007015203125-pat00036
)과 비교한다(S30).
위상편이 모듈(850)을 이용하여 플라즈마 반응부의 전압을 제어하기 위한 제어신호를 형성한다(S32).
제 S22 단계의 판단결과, 플라즈마 반응부(700)의 전압(
Figure 112007015203125-pat00037
)이 펄스 주파수 변조 기준 전압(
Figure 112007015203125-pat00038
)에 도달한 경우, 인터록을 위한 신호가 발생되고, 펄스폭 변조 제어모듈(870)이 동작된다(S34).
이때, 제 S34 단계에서, 인터록을 위한 신호에 의해 펄스 주파수 변조 제어모듈(810)은 턴-오프(Turn-Off)되고, 펄스폭 변조 제어모듈(870)이 동작된다.
전력 기준값(
Figure 112007015203125-pat00039
)과 플라즈마 반응부의 전력 계측값(
Figure 112007015203125-pat00040
)을 비교한 출력값(
Figure 112007015203125-pat00041
)을 펄스폭 변조 기준 전압(
Figure 112007015203125-pat00042
) 및 플라즈마 반응부의 전압(
Figure 112007015203125-pat00043
)과 비교하여 플라즈마 반응부의 전력을 제어한다.
전압 제어 발진모듈(830)은 제 1 인터록 스위치(820)의 펄스 주파수 기준값(
Figure 112007070679954-pat00044
)에 비례하는 펄스 주파수를 생성한다(S36). 생성된 펄스 주파수와 동기된 캐리어 신호 및 제 2 인터록 스위치(840)에 의한 펄스폭 변조 제어모듈(870)의 듀티 출력값(
Figure 112007070679954-pat00045
)을 비교한다(S38). 이러한 제 S38 단계가 수행된 후, 제 S32 단계로 절차가 이행된다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 출력전압에 따라 부하의 용량성 커패시턴스가 변동하는 비선형 수하특성을 갖는 플라즈마 반응부와의 부하매칭을 최적화하기 위해 전원장치의 스위칭 발생 및 제어기 회로를 펄스폭 변조와 펄스 주파수 변조 방식이 혼합된 하이브리드 구조로 적용하여 출력전압 제어의 안정성을 확보하여 섭동현상의 문제점을 해결할 수 있는 특유의 효과가 있다.
또한, 인버터가 항상 유도성(inductive) 모드에서 동작점을 유지함으로써 고효율 특성을 갖도록 하는 효과가 있다.
그리고, 모든 부하조건에서 영전압 스위칭 운전이 가능함으로써, 비선형 수하특성 조건에서도 안정적인 출력전압 제어가 가능하며, 스위칭 손실 및 내압 스트레스를 저감시키는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 정류부로부터 출력되는 전압의 리플을 저감시키는 LC필터부;
    상기 LC필터부로부터 출력되는 직류전압을 교류 펄스 전압으로 변조하는 인버터부;
    인버터부 후단에 위치하여, 플라즈마 반응부의 부하매칭을 위한 공진 리액터부;
    변압부의 1차측 편자현상을 제거하는 블로킹 콘덴서부;
    상기 인버터부의 출력전압을 승압시키는 변압부;
    상기 변압부의 출력전압을 인가받는 플라즈마 반응부;
    상기 플라즈마 반응부의 전압이 펄스 주파수 변조 기준전압에 도달하기 전까지 펄스 주파수 변조 제어방식으로 제어신호를 형성하고, 상기 플라즈마 반응부의 전압이 펄스 주파수 변조 기준전압에 도달할 경우 펄스폭 변조 제어방식으로 제어신호를 형성하는 제어부; 및
    상기 제어부로부터 인가된 제어신호의 전압을 증폭시켜 상기 인버터로 인가하는 게이트 구동부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    펄스 주파수 변조 기준 전압과 상기 플라즈마 반응부의 전압을 비교하고, 스위칭 주파수를 가변하여 플라즈마 반응부의 전압을 제어하고, 인터록 신호를 발생하는 펄스 주파수 변조 제어모듈;
    상기 인버터부를 동작시키는 게이트 구동펄스인 인버터 출력펄스의 듀티 출력값을 가변시키는 펄스폭 변조 제어모듈;
    상기 펄스 주파수 변조 제어모듈의 출력을 입력받고, 상기 펄스 주파수 변조 제어모듈의 인터록 신호를 입력받는 경우, 상기 펄스 주파수 변조 제어모듈의 출력을 차단하고, 펄스 주파수 기준값을 출력하도록 하는 제 1 인터록 스위치;
    일정 듀티 출력값 및 상기 펄스폭 변조 제어모듈에서 가변시킨 듀티 출력값을 입력받아 선택적으로 출력하되, 상기 펄스 주파수 변조 제어모듈의 인터록 신호를 입력받는 경우 상기 일정 듀티 출력값의 출력을 차단하고, 상기 펄스폭 변조 제어모듈에서 가변시킨 듀티 출력값을 출력하도록 하는 제 2 인터록 스위치;
    상기 제 1 인터록 스위치로부터 상기 펄스 주파수 변조 제어모듈의 출력 또는 펄스 주파수 기준값을 입력받아 펄스 주파수를 생성하고, 상기 펄스 주파수와 동기된 캐리어 신호를 생성하는 전압 제어 발진모듈; 및
    상기 전압 제어 발진모듈의 캐리어 신호와, 상기 제 2 인터록 스위치의 일정 듀티 출력값 또는 상기 펄스폭 변조 제어모듈의 듀티 출력값을 비교한 결과를 입력받고 상기 결과에 위상편이를 적용한 제어신호를 형성하여 상기 게이트 구동부로 인가하는 위상편이 모듈; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    플라즈마 반응부의 전력제어를 수행하기 위해 전력 기준값과 전력 계측값을 비교한 출력값을 상기 펄스폭 변조 제어모듈로 입력시키는 전력 제어 모듈;을 더 포함하며,
    상기 펄스폭 변조 제어모듈은 상기 전력 제어 모듈로부터의 상기 출력값을 입력받아, 상기 펄스폭 변조 제어모듈의 기준 전압과 플라즈마 반응부의 전압을 비교하여 듀티 출력값을 출력하는 것을 특징으로 하는 용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치.
  4. 삭제
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