KR100864706B1 - 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치에 관한 것으로서, 용량성 특성을 갖는 플라즈마 반응부와의 부하매칭을 최적화하기 위해 전원장치의 펄스폭 변조(PWM), 펄스 주파수 변조(PDM) 및 펄스 진폭 변조(PAM) 방식이 혼합된 하이브리드 구조의 변조방식을 구현하여 펄스형 고전압을 생성하는 전원장치를 제공함에 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 용량성 특성을 갖는 플라즈마 반응부와의 부하매칭을 위해 펄스 폭 변조(PWM), 펄스 주파수 변조(PDM) 및 펄스 진폭 변조(PAM) 방식이 혼합된 구조를 갖음으로써, 펄스형 고전압을 생성하고 높은 dv/dt의 전압 기울기를 갖는 고전압 펄스를 용량성 플라즈마 반응기에 인가하는 것을 특징으로 한다.
용량성 플라즈마, 펄스폭 제어, 펄스 주파수 제어
Description
본 발명은 고전압 전원장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 펄스 진폭 및 펄스 주파수를 독립적으로 가변하는 방식으로 용량성 플라즈마 처리장치의 반응부와 부하매칭을 최적화함으로써, 안정적이고 고효율 특성을 갖는 고전압 펄스를 제공할 수 있는 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치에 관한 것이다.
일반적으로 플라즈마 발생용 고전압 전원장치는, 플라즈마의 생성·유지를 위한 고압·고주파 전원장치로서, 용량성 결합형 플라즈마의 경우 두 개의 전극 중 한 곳에 유전체를 형성시키고 수KHz~수MHz의 교류전원을 인가하여 플라즈마를 생성시킨다. 이때, 반응기의 기압이 증가할수록 플라즈마 발생을 위한 강한 전계가 요구되므로 수KV~수십KV의 고전압 전원이 적용된다.
종래의 부하 공진형 플라즈마 전원장치는 도 1a 에 도시된 바와 같이, AC전원을 정류하는 정류부, 평활콘덴서, 정류된 직류전압을 교류 펄스 전압으로 변조하는 인버터부, 부하공진을 구성하기 위한 공진 리액터, 인버터 출력전압을 고압으로 승압시키는 고압 변압부, 출력전압을 일정하게 제어하기 위한 제어부, 인버터를 스 위칭하기 위한 펄스폭 변조 발생부 및 플라즈마 반응부 등으로 구성된다.
상기한 종래의 부하 공진형 플라즈마 전원장치는 도 1b 에 도시된 바와 같이, 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 플라즈마 밀도가 증가하면서 임피던스 또한 변동되므로 플라즈마 발생량에 따른 부하공진 매칭회로를 최적의 시정수를 갖도록 구성하기 어렵다.
한편, 플라즈마 반응부의 경부하 운전시 공진 리액터의 파라미터 값이 상대적으로 작아 직렬 LC 공진회로가 공진점 부근에서 동작점이 결정됨으로써, 전압 제어시스템이 불안정하여 출력전압에 심한 섭동현상(Perturbation)이 발생하며, 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.
또한, 용량성 플라즈마 반응부에 종래의 부하 공진형 전원장치와 같이 정현파 형태의 고압전원을 인가할 경우, 플라즈마 반응부의 유전율이나 방전면적이 증가할수록 실제 플라즈마 방전이 발생하는 유효구간이 줄어들며, 반응부의 유전손실이 급격히 증가하여 온도상승에 의한 유전체 파손과 같은 문제점을 갖는다.
그리고, 유전손실에 의한 시스템 안정성 감소뿐만 아니라 정현파의 경우 전 압 첨두값 대비 실효값의 비율이 높아 플라즈마 반응부의 두 전극 사이에 아크(Arc)로 전이할 확률이 증가하여 공정 신뢰성 저하를 일으키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 부하 공진형 플라즈마 전원장치가 가지고 있는 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서 제 1 목적은, 용량성 특성을 갖는 플라즈마 반응부와의 부하매칭을 최적화하기 위해 전원장치의 펄스폭 변조(PWM), 펄스 주파수 변조(PDM) 및 펄스 진폭 변조(PAM) 방식이 혼합된 하이브리드 구조의 변조방식을 구현하여 펄스형 고전압을 생성하는 전원장치를 제공함에 있다.
그리고 제 2 목적은, 높은 dv/dt의 전압 기울기를 같은 고전압 펄스를 용량성 플라즈마 반응부에 인가함으로써, 종래의 부하공진형 방식과 비교하여 플라즈마 밀도를 증가시키고, 플라즈마 반응부의 유전손실을 저감하며, 반응부의 애노드-캐소드 사이에 발생하는 아크를 감소시키는 특성을 갖는 전원장치를 제공함에 있다.
본 발명은 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치에 관한 것으로서, 용량성 특성을 갖는 플라즈마 반응부와의 부하매칭을 위해 펄스 폭 변조(PWM), 펄스 주파수 변조(PDM) 및 펄스 진폭 변조(PAM) 방식이 혼합된 구조를 갖음으로써, 펄스형 고전압을 생성하고 높은 dv/dt의 전압 기울기를 갖는 고전압 펄스를 용량성 플라즈마 반응기에 인가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치는, 교류전압을 직류전압으로 변환하는 정류부; 상기 정류부를 통해 변환된 직류전압을 스위칭 동작을 위해 승압 또는 강압하는 컨버터부; 상기 컨버터부를 통해 승압 또는 강압된 직류전 압을 교류 펄스 전압으로 변조하는 인버터부; 상기 인버터부의 출력전압을 승압시키는 펄스 변압부; 상기 컨버터부의 출력전압을 제어하는 신호를 형성하고, 상기 플라즈마 반응부에서 출력전압 펄스의 공진시점을 조절하는 펄스폭 변조 제어(PWM)방식으로 제어신호를 형성하고, 상기 플라즈마 반응부에서 발생하는 플라즈마의 밀도를 조절하기 위해 펄스의 진폭과는 독립적으로 펄스 주파수(밀도) 제어(PDM)가 가능한 신호를 형성하는 제어부; 및 상기 제어부로부터 인가된 제어신호의 전압을 증폭시켜 상기 컨버터 및 인버터로 인가하는 게이트 구동부; 를 포함한다.
또한, 상기 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치는, 상기 플라즈마 반응부의 부하매칭을 위한 공진 리액터; 를 더 포함하되, 상기 플라즈마 반응부가 대면적의 용량성 플라즈마 반응부일 경우, 상기 공진 리액터는 상기 펄스 변압부의 누설 인덕턴스로 대체되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치는, 상기 정류부를 통해 정류된 전압의 리플을 저감시키는 제 1 콘덴서; 및 상기 컨버터부를 통해 승압 또는 강압된 직류전압의 리플을 저감시키는 제 2 콘덴서; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 컨버터부가 강압형 컨버터인 경우, 제 2 콘덴서 전압은 제 1 콘덴서 전압보다 항상 낮은 전압특성을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 컨버터부가 승압형 컨버터인 경우, 제 2 콘덴서 전압은 제 1 콘덴서 전압보다 항상 높은 전압특성을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 플라즈마 반응부에 인가되는 펄스의 진폭(PAM)과 펄스 주파 수(PDM)는, 상호간에 간섭 없이 독립적으로 제어되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 플라즈마 밀도를 조절함에 있어 컨버터부의 출력전압 제어를 통해 플라즈마 반응부에 인가되는 펄스 진폭을 가변(PAM)하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 플라즈마 밀도를 조절함에 있어 인버터부의 펄스 주파수를 제어하여 플라즈마 반응부에 인가되는 펄스 주파수를 가변(PDM)하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인버터부는, 상기 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치와 플라즈마 반응기에서 발생하는 유사공진 펄스파형의 공진주기(Tr) 미만으로 펄스폭 제어(PWM)를 통해 스위칭 구간을 설정함으로써, 영전류(ZCS) 스위칭을 구현하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 인버터부는, 상기 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치와 플라즈마 반응기에 인가하는 스위칭 펄스의 스위치 ON 구간(Ton) 펄스폭을 조절할 수 있는 펄스폭 변조(PWM) 구조와 단위 시간당 동일한 공진 주기를 갖는 펄스의 주파수(개수)를 조절하는 펄스 주파수 변조(PDM)가 가능한 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치에 관한 것으로서,상용전원인 교류전압을 승압 또는 강압하여 직류전압으로 변환하는 컨버터부; 상기 컨버터부를 통해 승압 또는 강압된 직류전압을 교류 펄스 전압으로 변조하는 인버터부; 상기 인버터부의 출력전압을 승압시키는 펄스 변압부; 상기 컨버터부의 출력전압을 제어하는 신호를 형성하고, 플라즈마 반응부에서 출력전압 펄스의 공진시점 을 조절하는 펄스폭 변조 제어(PWM)방식으로 제어신호를 형성하고, 상기 플라즈마 반응부에서 발생하는 플라즈마의 밀도를 조절하기 위해 펄스의 진폭과는 독립적으로 펄스 주파수(밀도) 제어(PDM)가 가능한 신호를 형성하는 제어부; 및 상기 제어부로부터 인가된 제어신호의 전압을 증폭시켜 상기 컨버터 및 인버터로 인가하는 게이트 구동부; 를 포함하되, 용량성 특성을 갖는 플라즈마 반응부와의 부하매칭을 위해 펄스 폭 변조(PWM), 펄스 주파수 변조(PDM) 및 펄스 진폭 변조(PAM) 방식이 혼합된 구조를 갖음으로써, 펄스형 고전압을 생성하고 높은 dv/dt의 전압 기울기를 갖는 고전압 펄스를 용량성 플라즈마 반응기에 인가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 컨버터부는, MOSFET/IGBT의 양방향 스위치가 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 컨버터부는, SCR 단방향 스위치가 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치는, 상기 플라즈마 반응부의 부하매칭을 위한 공진 리액터; 를 더 포함하되, 상기 플라즈마 반응부가 대면적의 용량성 플라즈마 반응부일 경우, 상기 공진 리액터는 상기 펄스 변압기의 누설 인덕턴스로 대체되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치는, 상기 컨버터부를 통해 교류전원을 직접 스위칭하거나 SCR 점호각 제어방식으로 생성된 승압 도는 강압된 직류전압의 리플을 저감시키는 평활 콘덴서; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 플라즈마 반응부에 인가되는 펄스의 진폭(PAM)과 펄스 주파 수(PDM)는, 상호간에 간섭 없이 독립적으로 제어되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 플라즈마 밀도를 조절함에 있어 컨버터부의 출력전압 제어를 통해 플라즈마 반응부에 인가되는 펄스 진폭을 가변(PAM)하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 플라즈마 밀도를 조절함에 있어 인버터부의 펄스 주파수를 제어하여 플라즈마 반응부에 인가되는 펄스 주파수를 가변(PDM)하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인버터부는, 상기 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치와 플라즈마 반응기에서 발생하는 유사공진 펄스파형의 공진주기(Tr) 미만으로 펄스폭 제어(PWM)를 통해 스위칭 구간을 설정함으로써, 영전류(ZCS) 스위칭을 구현하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 인버터부는, 상기 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치와 플라즈마 반응기에 인가하는 스위칭 펄스의 스위치 ON 구간(Ton) 펄스폭을 조절할 수 있는 펄스폭 변조(PWM) 구조와 단위 시간당 동일한 공진 주기를 갖는 펄스의 주파수(개수)를 조절하는 펄스 주파수 변조(PDM)가 가능한 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 플라즈마 반응부 내압 한계점까지는 펄스 진폭 변조(PAM)를 통해 플라즈마 밀도를 조절하고, 내압 한계점 이상에서는 독립적으로 펄스 주파수(PDM)를 통해 플라즈마 밀도를 조절함으로써, 종래 부하 공진형 플라즈마 전원에 비해 수배 이상의 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따르면, 짧은 주기를 갖는 펄스 전압을 용량성 플라즈마 반응부에 인가함으로써 부하 공진형 방식 대비 유전손실을 대폭 저감하여 플라즈마 반응부의 손상을 방지할 수 있는 효과도 있다.
또한 본 발명에 따르면, 용량성 플라즈마 반응부에 짧은 고압의 펄스 전압을 인가함으로써 순간적으로 높은 전기장을 형성하여 쉽게 플라즈마 상태로 해리되어 높은 플라즈마 밀도를 얻을 수 있는 효과도 있다.
또한 본 발명에 따르면, 종래의 부하 공진형 파형과는 다르게 용량성 플라즈마 반응부의 애노드-캐소드 사이에 수[us] 정도의 짧은 주기를 갖는 펄스를 인가함으로 아크(Arc)로 전이하는 확률을 대폭 저감시키는 효과도 있다.
또한, 종래의 RF 전원의 경우 부하 리액턴스와 임피던스 매칭을 위해 별도의 임피던스 정합기의 적용이 필수적이었는 바, 용량의 한계 및 챔버환경에 민감하여 불안정한 특징을 갖는 반면에, 본 발명에 따르면 임피던스 정합 없이 펄스형 공진특성을 이용하여 최대의 에너지를 반응기에 전달하여 RF 발생기의 무효전력의 증가와 같은 단점을 제거할 수 있는 특성을 갖도록 하는 효과도 있다.
그리고 본 발명에 따르면, 인버터부의 영전류 스위칭이 가능함에 따라 종래의 Hard-스위칭 특성을 갖는 인버터 전원에 비해 펄스 주파수를 수배 이상 증가시킬 수 있고, 스위칭 동작시 발생하는 열손실이 감소하므로 높은 에너지 밀도를 갖는 고효율 전원 시스템의 특성을 갖도록 하는 효과도 있다.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명 으로 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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치(이하, '전원장치')에 관하여 도 2 내지 도 8 을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전원장치(100)에 관한 전체 구성도로서, 도시된 바와 같이 정류부(110), 컨버터부(120), 인버터부(130), 공진 리액터(140), 펄스 변압부(150), 플라즈마 반응부(160), 제어부(170) 및 게이트 구동부(180)를 포함한다.
구체적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 전원장치(100)는 상용 전원인 교류전압을 직류전압으로 변환하는 정류부(110)와, 상기 정류부(110)를 통해 변환된 직류전압을 스위칭 동작을 위해 승압 또는 강압하는 컨버터부(120)와, 상기 컨버터부(120)를 통해 승압 또는 강압된 직류전압을 교류 펄스 전압으로 변조하는 인버터부(130)와, 플라즈마 반응부(160)의 부하매칭을 위한 공진 리액터(140)와, 상기 인버터부(130)의 출력전압을 승압시키는 펄스 변압부(150)와, 상기 펄스 변압부(150)의 출력전압을 인가받는 플라즈마 반응부(160)와, 상기 인버터부(130) 스위칭 출력의 펄스 진폭 변조(PAM)를 수행하기 위해 상기 컨버터부(120)의 출력전압을 제어하는 신호를 형성하고, 상기 플라즈마 반응부(160)에서 출력전압 펄스의 공진시점을 조절하는 펄스폭 변조 제어(PWM)방식으로 제어신호를 형성하고, 상기 플라즈마 반응부(160)에서 발생하는 플라즈마의 밀도를 조절하기 위해 펄스의 진폭과는 독립적으로 펄스 주파수(밀도) 제어(PDM)가 가능한 신호를 형성하는 제어부(170) 및 상기 제어부(170)로부터 인가된 제어신호의 전압을 증폭시켜 상기 컨버터(120) 및 인버터(130)로 인가하는 게이트 구동부(180)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 정류부(110)를 통해 정류된 전압의 리플을 저감시킴으로써 제 1 콘덴서 전압을 상기 컨버터부(120)로 입력하도록 하는 제 1 콘덴서(190a) 및 상기 컨버터부(120)를 통해 승압 또는 강압된 직류전압의 리플을 저감시킴으로써 제 2 콘덴서 전압을 상기 인버터부(130)로 입력하도록 하는 제 2 콘덴서(190b)를 더 포함한다.
한편, 도 3 은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전원장치(200)에 관한 전체 구성도로서, 도시된 바와 같이 인버터부(220), 공진 리액터(230), 펄스 변압부(240), 플라즈마 반응부(250), 제어부(260) 및 게이트 구동부(270)를 포함하되, 상기한 구성은 앞선 제 1 실시예의 동일한 구조로서 및 동일한 기능을 수행하고, 제 2 실시예에 따른 전원장치(200)의 구성은 하기에서 설명하는 구조적 변경에 의해 구성된 것이라 이해하는 것이 바람직하다.
즉, 제 1 실시예에서의 정류부(110)와 제 1 콘덴서(190a)를 제거하고, 제 2 콘덴서(190b)를 평활 콘덴서(280)로서 적용함으로써, 상용전원인 교류전압을 입력으로 스위칭 동작을 통해 직류출력 콘덴서 전압을 MOSFET/IGBT의 양방향 스위치를 적용하여 승압하거나, SCR 단방향 스위치를 적용하여 강압하는 형태로 제어하는 AC-DC 전력변환용 컨버터부(210)의 구조로 확장이 가능하다.
도 4 는 본 발명에 따른 전원장치(100,200)를 등가회로로서 나타낸 일예시도로서, 도시된 바와 같이 고주파 교류 펄스를 생성하는 인버터 출력펄스와, 콘덴서로 모델링되는 용량성 플라즈마 반응부에 1~10[us]의 한 주기 유사공진 펄스를 생성하기 위해 공진주파수를 매칭하는 공진 리액터와, 누설 인덕터를 포함하는 승압용 펄스 변압부, 그리고 콘덴서와 저항으로 모델링되는 플라즈마 반응부의 전기적 등가회로로 구성된다. 즉, 인버터 출력전압 펄스, 누설 인덕터를 포함하는 공진 리액터, 플라즈마 반응부의 콘덴서와 저항으로 구성되는 RLC 회로로 간략화 될 수 있다.
이때, 공진 리액터는 대면적의 용량성 플라즈마 반응부가 적용될 경우 생략될 수 있으며, 도 4 의 등가회로와 같이 펄스 변압부의 누설 인덕턴스로 대체할 수 있다.
또한, 인버터부(130,220)는 용량성 플라즈마 반응부(160,250)에 높은 dv/dt를 갖는 펄스 고전압을 인가하기 위해 도 5 와 같이, 공진 리액터(Lr)와 용량성 플라즈마 반응부(160,250)의 커패시턴스(Cp)의 관계에서 계산되는 공진주파수(Fr)과 공진주파수의 역수로 표현되는 공진주기(Tr) 미만의 펄스를 생성한다. 즉, 인버터부(130,220)의 입력 직류전압의 에너지를 유사공진 형태로 변환하여 1주기에 최대의 펄스 에너지를 용량성 플라즈마 반응부(160,250)에 전달하여 순간 전계의 가속 으로 플라즈마를 발생시킨다.
특히, 인버터부(130,220)는 MOSFET 혹은 IGBT와 같은 전력 스위치로 구성되며 고속으로 ON/OFF를 반복하며 스위칭 동작을 수행할 경우 소자의 전류/전압의 오버랩 현상으로 스위칭 손실이 발생하여 소자온도가 상승하여 신뢰성을 저감시키는 특성을 갖는다.
이러한 인버터부(130,220)는 스위칭 손실을 저감하여 고속 스위칭의 안정성을 확보하기 위해 출력펄스 스위칭 구간이 공진주기(Tr) 시간보다 항상 짧게 설정하여 스위치 OFF시 발생하는 손실을 제거하는 영전류 스위칭(ZCS) 동작이 가능한 특성을 포함한다.
인버터부(130,220)의 영전류 스위칭이 가능함에 따라 종래의 Hard-스위칭 특성을 갖는 인버터 전원에 비해 펄스 주파수를 수배 이상 증가시킬 수 있는 장점을 갖는다. 또한, 스위칭 동작시 발생하는 열손실이 감소하므로 종래의 방식과 비교하면 동일 전원 시스템의 크기로 훨씬 높은 에너지 밀도를 갖는 전원 시스템의 설계가 가능하다. 이는 스위칭 스택에 적용되는 냉각구조의 간소화 및 시스템의 MTBF의 증가에도 영향을 미친다.
그리고, 인버터부(130,220)는 도 6 에 도시된 바와 같이, 펄스 전원과 플라즈마 반응부(160,250) 사이의 공진주기에 따라 최대 에너지를 전달가능 하도록 인버터 펄스폭을 조절할 수 있는 펄스폭 변조(PWM) 구조와 단위 시간당 동일한 공진 주기를 갖는 펄스의 주파수(개수)를 조절하여 플라즈마 밀도를 제어하는 펄스 주파수 변조(PDM)의 특징을 동시에 갖는 인버터 시스템으로 구성된다.
이러한, 인버터 출력펄스는 도 6 에 도시된 바와 같이, 스위치 ON구간(Ton) 펄스폭과 펄스 주파수를 독립적으로 자유롭게 증가 혹은 감소가 가능한 것을 특징으로 한다. 도 6 에 나타낸 바와 같이, Pulse1의 파형과 비교하면 Pulse2의 펄스는 주파수는 동일하나 스위치 ON 구간이 감소되는 동작을 보여준다. 또한, Pulse3의 펄스파형은 Pulse2와 비교하여 동일한 스위치 ON 구간을 가지고 있으나 펄스의 주파수가 2배로 증가되었음을 나타낸다.
상기 전원장치(100,200)에서 플라즈마 반응부에 인가되는 펄스전압의 크기를 제어하기 위해서는 제 1 실시예와 같이 컨버터부에서 제 2 콘덴서 직류전압을 조절하는 펄스 진폭 변조(PAM)를 수행하여야한다.
도 7 은 본 발명에 따른 정류부(110)와 컨버터부(120)로 구성되는 제 1 실시예에서, 제 1 콘덴서 전압을 입력으로 사용하는 컨버터부(120)의 출력인 제 2 콘덴서 전압을 제어하는 동작을 보여준다. 컨버터부(120)는 용량성 플라즈마 반응부(160)의 형상 및 면적 그리고 유전율에 따라 강압 혹은 승압방식으로 구성된다.
강압형 컨버터의 경우 스위칭 동작에 따라 컨버터 입력인 제 1 콘덴서 전압과 비교하면 제 2 콘덴서 전압은 항상 낮은 전압특성을 갖는 반면, 승압형 컨버터의 경우 스위칭 동작에 따라 컨버터 입력인 제 1 콘덴서 전압과 비교하면 제 2 콘덴서 전압은 항상 높은 전압특성을 갖는다. 즉, 컨버터부의 출력전압인 제 2 콘덴서 전압을 제어함으로써 인버터부의 출력펄스의 진폭을 조절한다.
또한 제 2 실시예에서와 같이, 정류부와 제 1 콘덴서 없이 스위치로 구성되 는 컨버터부(210)의 입력측에 직접 교류전압을 입력하여 평활 콘덴서(280)의 직류전압을 조절할 수 있다.
이때, 승압형 컨버터의 경우 MOSFET나 IGBT를 적용한 PWM 컨버터 회로의 구성을 적용하는 반면, 강압형 컨버터의 경우 SCR의 점호각 제어를 통해 교류전압의 위상을 조절함으로써 평활 콘덴서(280) 전압제어를 수행한다.
도 8 은 본 발명에 따른 전원장치(100,200)에서 펄스 전압가변 및 펄스 주파수 가변의 독립적인 운전특성을 보여주는 그래프로서, 플라즈마 반응부(160,250)의 펄스 진폭변조(PAM)와 펄스 주파수 변조(PDM) 제어를 통해 용량성 플라즈마 발생 밀도의 가변동작을 보여준다.
우선, 전원장치(100,200)의 공진 리액터(140,230)와 용량성 플라즈마 반응부(160,250)의 등가 커패시턴스를 계산하여 한주기 유사공진 주파수를 계산하고 도 5 와 같이 공진주기(Tr) 보다 짧은 인버터 펄스를 계산하여 고정한다.
즉, OFF 동작 시 스위칭 손실이 없는 인버터부(130,220)의 고효율 동작특성을 얻기위해 펄스 폭은 항상 고정하여 운전한다. 이러한 동작의 결과로 플라즈마 반응부(160,250)의 한 주기 펄스폭은 최대 효율운전을 위해 항상 일정하며 실제 플라즈마 밀도를 조절하는 방식은 펄스의 진폭을 조절하는 방식과 단위 시간당 펄스의 주파수(밀도)를 조절하는 방식으로 구성된다.
종래의 부하 공진형 방식은 공진주파수를 일정하게 고정하고 펄스폭 제어를 통해 공진전압의 크기를 제어함으로써 플라즈마 밀도를 조절한다. 그러나, 용량성 플라즈마 반응부(160,250)의 구조에 따라 애노드-캐소드 내압의 한계를 가지므로 더 이상 전압의 증가로 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 없는 조건이라도, 본 발명에 따른 펄스 주파수 제어를 통한 방식은 종래의 부하공진형 방식과 다르게 플라즈마 밀도를 자유롭게 조절할 수 있는 장점을 갖는다.
즉, 본 발명에 따른 전원장치를 이용한 플라즈마 밀도 제어방식은, 각각 독립적으로 조절 가능한 펄스 진폭변조(PAM) 방식과 펄스 주파수변조(PDM)를 수행하는 것을 특징으로 한다.
이하, 상술한 전원장치를 이용하여 용량성 플라즈마 밀도를 제어하는 방법을 살피면 다음과 같다.
먼저, 제 1 실시예에 따른 전원장치를 이용한 용량성 플라즈마 밀도를 제어하는 방법을 살피면, 펄스 진폭변조(PAM) 방식 가변 구간에서는 인버터부)에서 생성하는 일정한 주기를 갖는 펄스 전압의 최대값(진폭)을 제어함으로써 플라즈마 밀도를 조절한다. 이는 제어부가 출력펄스의 크기를 검출하고 펄스 진폭의 기준 값에 따라 컨버터부에서 제 2 콘덴서의 직류전압을 제어함으로써 구현가능하다.
즉, 컨버터부의 출력인 제 2 콘덴서 전압은 인버터부의 입력으로 인가되므로 플라즈마 반응부 출력전압 펄스의 진폭과 정비례 관계를 나타낸다.
일반적으로, 용량성 플라즈마 반응부는 애노드-캐소드 전극 사이에 유전체가 형성되므로 유전체의 두께, 형상, 면적에 따라 방전내압이 달라진다. 아크로 전이되는 내압미만의 전압구간에서는 본 발명의 펄스 진폭변조(PAM) 제어기를 통해 쉽 게 플라즈마 밀도를 조절할 수 있다.
도 8 에 도시된 바와 같이, 펄스 진폭 가변 구간에서는 컨버터부의 전압이 증가할수록 반응부 펄스 전압도 증가하며 이때 플라즈마 밀도 또한 동시에 증가하고 있다. 즉, 펄스 주파수를 고정하고 펄스 진폭만을 가변하여 플라즈마 밀도를 조절하는 동작을 수행한다.
또한, 용량성 플라즈마 밀도를 제어하는 제 2 방법으로; 펄스 주파수변조 (PDM) 방식가변 구간에서는 인버터부에서 생성하는 일정한 주기를 갖는 펄스 전압의 주파수(밀도)를 제어함으로써 동시에 플라즈마 밀도를 조절한다. 이는 상기 전원 시스템의 제어부의 펄스 동기조절 회로(PLL)가 출력펄스의 주파수를 검출하고 펄스 주파수의 기준값에 따라 인버터부의 스위칭 펄스의 주파수를 제어함으로써 구현가능하다. 인버터부의 입력은 일정하므로 플라즈마 반응부 전압의 펄스 진폭 또한 일정한 조건에서, 플라즈마 반응부 전압 펄스의 주파수를 가변 시키면 플라즈마 밀도 또한 주파수와 비례하는 관계로 변동한다. 용량성 플라즈마 반응부는 애노드-캐소드 전극 사이에 방전내압이 결정되고 더 이상 펄스 진폭의 증가로 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 없는 조건에서는 아크전이 없이 본 발명의 펄스 주파수변조(PDM) 제어기를 통해 쉽게 플라즈마 밀도를 조절할 수 있다.
도 8 에 도시된 바와 같이, 펄스 주파수 가변 구간에서는 컨버터부의 전압이 일정하여 펄스 진폭 또한 고정되며, 이 조건에서 플라즈마 밀도를 더욱 증가시키기 위해 인버터부의 출력펄스의 주파수를 증가하여 플라즈마 반응부 주파수를 증가시키면 플라즈마 밀도 또한 아크전이 없이 증가된다. 즉, 펄스 진폭을 더 이상 증가 시킬 수 없는 조건에서 펄스 크기를 고정하고 펄스 주파수만을 가변하여 플라즈마 밀도를 조절하는 동작을 수행한다.
상기와 같이 플라즈마 반응부 내압한계점까지는 펄스 진폭 변조를 통해 플라즈마 밀도를 조절하고, 내압 한계점 이상에서는 펄스 주파수를 통해 플라즈마 밀도를 조절함으로써, 종래 부하 공진형 플라즈마 전원에 비해 수배 이상의 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있으며, 짧은 주기를 갖는 펄스 전압을 용량성 플라즈마 반응부에 인가함으로써 부하 공진형 방식 대비 유전손실을 대폭 점감할 수 있는 방식이다.
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.
도 1a 는 종래 부하 공진형 플라즈마 전원장치에 관한 구성도.
도 1b 는 종래 부하 공진형 플라즈마 전원장치에 따른 부하공진 전압을 보여주는 그래프.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치에 관한 구성도.
도 3 는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치에 관한 구성도.
도 4 는 본 발명에 따른 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치에 관한 등가회로도.
도 5 는 본 발명에 따른 플라즈마 반응부의 펄스생성을 위한 유사 공진형 전압 및 전류를 보여주는 그래프.
도 6 은 본 발명에 따른 인버터부의 펄스 폭 및 주파수 가변동작에 대한 운전특성을 보여주는 그래프.
도 7 은 본 발명에 따른 승압 또는 강압 컨버터부에 따른 전압 제어를 보여주는 일예시도.
도 8 은 본 발명에 따른 펄스 전압가변 및 펄스 주파수 가변의 독립적인 운전특성을 보여주는 그래프.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
110: 정류부 120,210: 컨버터부
130,220: 인버터부 140,230: 공진 리액터
150,240: 펄스 변압부 160,250: 플라즈마 반응부
170,260: 제어부 180,270: 게이트 구동부
190a: 제 1 콘덴서 190b: 제 2 콘덴서
280: 평활 콘덴서
Claims (22)
- 삭제
- 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치에 있어서,교류전압을 직류전압으로 변환하는 정류부;상기 정류부를 통해 변환된 직류전압을 스위칭 동작을 위해 승압 또는 강압하는 컨버터부;상기 컨버터부를 통해 승압 또는 강압된 직류전압을 교류 펄스 전압으로 변조하는 인버터부;상기 인버터부의 출력전압을 승압시키는 펄스 변압부;상기 컨버터부의 출력전압을 제어하는 신호를 형성하고, 플라즈마 반응부에서 출력전압 펄스의 공진시점을 조절하는 펄스폭 변조 제어(PWM)방식으로 제어신호를 형성하고, 상기 플라즈마 반응부에서 발생하는 플라즈마의 밀도를 조절하기 위해 펄스의 진폭과는 독립적으로 펄스 주파수(밀도) 제어(PDM)가 가능한 신호를 형성하는 제어부;상기 제어부로부터 인가된 제어신호의 전압을 증폭시켜 상기 컨버터 및 인버터로 인가하는 게이트 구동부;상기 정류부를 통해 정류된 전압의 리플을 저감시키는 제 1 콘덴서; 및상기 컨버터부를 통해 승압 또는 강압된 직류전압의 리플을 저감시키는 제 2 콘덴서; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치는, 상기 플라즈마 반응부의 부하매칭을 위한 공진 리액터; 를 더 포함하되,상기 플라즈마 반응부가 대면적의 용량성 플라즈마 반응부일 경우, 상기 공진 리액터는 상기 펄스 변압부의 누설 인덕턴스로 대체되는 것을 특징으로 하는 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 2 항에 있어서,상기 플라즈마 반응부에 인가되는 펄스의 진폭(PAM)과 펄스 주파수(PDM)는, 상호간에 간섭 없이 독립적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 제어부는,플라즈마 밀도를 조절함에 있어 컨버터부의 출력전압 제어를 통해 플라즈마 반응부에 인가되는 펄스 진폭을 가변(PAM)하는 것을 특징으로 하는 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 제어부는,플라즈마 밀도를 조절함에 있어 인버터부의 펄스 주파수를 제어하여 플라즈마 반응부에 인가되는 펄스 주파수를 가변(PDM)하는 것을 특징으로 하는 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치.
- 삭제
- 제 2 항에 있어서,상기 인버터부는, 상기 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치와 플라즈마 반응기에 인가하는 스위칭 펄스의 스위치 ON 구간(Ton) 펄스폭을 조절할 수 있는 펄스폭 변조(PWM) 구조와 단위 시간당 동일한 공진 주기를 갖는 펄스의 주파수(개수)를 조절하는 펄스 주파수 변조(PDM)가 가능한 것을 특징으로 하는 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치.
- 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치에 있어서,상용전원인 교류전압을 승압 또는 강압하여 직류전압으로 변환하는 컨버터부;상기 컨버터부를 통해 승압 또는 강압된 직류전압을 교류 펄스 전압으로 변조하는 인버터부;상기 인버터부의 출력전압을 승압시키는 펄스 변압부;상기 컨버터부의 출력전압을 제어하는 신호를 형성하고, 플라즈마 반응부에서 출력전압 펄스의 공진시점을 조절하는 펄스폭 변조 제어(PWM)방식으로 제어신호를 형성하고, 상기 플라즈마 반응부에서 발생하는 플라즈마의 밀도를 조절하기 위해 펄스의 진폭과는 독립적으로 펄스 주파수(밀도) 제어(PDM)가 가능한 신호를 형성하는 제어부; 및상기 제어부로부터 인가된 제어신호의 전압을 증폭시켜 상기 컨버터 및 인버터로 인가하는 게이트 구동부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치.
- 제 12 항에 있어서,상기 컨버터부는, MOSFET/IGBT의 양방향 스위치가 구성되는 것을 특징으로 하는 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치.
- 제 12 항에 있어서,상기 컨버터부는, SCR 단방향 스위치가 구성되는 것을 특징으로 하는 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치.
- 제 12 항에 있어서,상기 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치는, 상기 플라즈마 반응부의 부하매칭을 위한 공진 리액터; 를 더 포함하되,상기 플라즈마 반응부가 대면적의 용량성 플라즈마 반응부일 경우, 상기 공진 리액터는 상기 펄스 변압부의 누설 인덕턴스로 대체되는 것을 특징으로 하는 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치.
- 제 12 항에 있어서,상기 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치는,상기 컨버터부를 통해 교류전원을 직접 스위칭하거나 SCR 점호각 제어방식으로 생성된 승압 도는 강압된 직류전압의 리플을 저감시키는 평활 콘덴서; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치.
- 제 12 항에 있어서,상기 플라즈마 반응부에 인가되는 펄스의 진폭(PAM)과 펄스 주파수(PDM)는, 상호간에 간섭 없이 독립적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 용량성 플라즈마 발 생용 고전압 전원장치.
- 제 12 항에 있어서,상기 제어부는,플라즈마 밀도를 조절함에 있어 컨버터부의 출력전압 제어를 통해 플라즈마 반응부에 인가되는 펄스 진폭을 가변(PAM)하는 것을 특징으로 하는 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치.
- 제 12 항에 있어서,상기 제어부는,플라즈마 밀도를 조절함에 있어 인버터부의 펄스 주파수를 제어하여 플라즈마 반응부에 인가되는 펄스 주파수를 가변(PDM)하는 것을 특징으로 하는 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치.
- 삭제
- 제 12 항에 있어서,상기 인버터부는, 상기 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치와 플라즈마 반응기에 인가하는 스위칭 펄스의 스위치 ON 구간(Ton) 펄스폭을 조절할 수 있는 펄스폭 변조(PWM) 구조와 단위 시간당 동일한 공진 주기를 갖는 펄스의 주파수(개수)를 조절하는 펄스 주파수 변조(PDM)가 가능한 것을 특징으로 하는 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 컨버터부가 강압형 또는 승압형 컨버터인 경우, 제 2 콘덴서 전압값과 제 1 콘덴서 전압값은 서로 동일하지 않은 것을 특징으로 하는 용량성 플라즈마 발생용 고전압 전원장치.
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