KR101155987B1 - 부하 매칭을 최적화하기 위한 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

부하 매칭을 최적화하기 위한 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 부하 매칭을 최적화하기 위한 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 정류부는 상용 교류 전원으로부터의 교류 전압을 직류 전압으로 변환한다. 인버터부는 정류부를 통해 변환된 직류 전압을 펄스 형태의 교류 전압으로 변조한다. 펄스 승압부는 인버터부로부터 출력되는 교류 전압의 전압 레벨을 소정의 권선 비율에 따라 변환한다. 용량성 부하는 피처리 대상물에 대해 플라즈마 반응을 일으키기 위하여, 펄스 승압부로부터 출력되는 전압을 인가받아 플라즈마를 형성한다. 전류 검출용 인덕터는 펄스 승압부로 입력되는 전류를 전류 유도 방식으로 검출한다. 제어부는 전류 검출용 인덕터에 의해 검출된 전류의 주기를 이용하여, 인버터부로부터 출력되는 전압의 펄스폭이 소정의 범위에 포함되도록 하기 위하여, 펄스폭 기준값을 생성하고, 생성된 펄스폭 기준값을 이용하여 출력 전압의 펄스폭을 조절하기 위한 게이트 구동 신호를 생성한다. 게이트 구동부는 제어부에 의해 생성된 게이트 구동 신호를 증폭시켜서 인버터부로 인가한다.

Description

부하 매칭을 최적화하기 위한 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치 및 그 제어 방법{POWER SUPPLY APPARATUS FOR GENERATION OF ATMOSPHERIC PLASMA IN ORDER TO OPTIMIZE LOAD MATCHING}
본 발명은 부하 매칭을 최적화하기 위한 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로, 별도의 매칭용 소자 없이 출력 전류의 주기에 따라 용량성 부하에 인가되는 전압의 펄스폭을 동적으로 조절함으로써, 전원 공급 장치와 플라즈마 용량성 부하 사이의 부하 매칭을 최적화하기 위한 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
플라즈마(plasma)는 물질의 제4의 상태로 불리며, 대기압 플라즈마 처리 장치는 대기압 하에서 고압 방전에 의해 플라즈마를 발생시킨다. 이러한 대기압 플라즈마 처리 장치는 화학 기상 증착(CVD : chemical vapor deposition), 물리 기상 증착(PVD : physical vapor deposition), 스퍼터링, 코팅 등을 포함하는 반도체, 액정 표시 장치, 유기발광 다이오드 등의 제조 공정에 폭 넓게 사용되고 있다.
이러한 대기압 플라즈마 처리 장치는 대기압 하에서 플라즈마를 생성하기 위하여 고압 방전을 이용하고 있으며, 이러한 고압 방전을 발생시키기 위하여, 수십 kV 단위의 고전압을 공급하기 위한 전원 공급 장치가 사용되고 있다.
한편, 이러한 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치는 플라즈마의 생성함에 있어서 전원 공급 장치의 전력, 즉, 에너지를 플라즈마 용량성 부하로 최대한 전달하기 위하여, 전원 공급 장치와 플라즈마 용량성 부하 사이의 부하 매칭(load matching)을 필요로 한다.
이와 관련하여, 종래에는 전원 공급 장치와 용량성 부하 사이의 부하 매칭을 달성하기 위하여, 용량성 부하에 따라 최적의 매칭용 인덕터를 전원 공급 장치 내에 삽입하는 방법이 사용되었다.
그러나, 이러한 종래 기술은 용량성 부하의 용량이 변할 경우에 용량성 부하에 최대 전력을 공급하는 것이 불가능하다. 또한, 이와 같이 용량성 부하의 용량이 변할 경우에는, 변동된 용량성 부하에 적합한 매칭용 인덕터를 교체해야 하는 불편함이 있다.
본 발명은 위와 같이 설명된 종래의 기술적 문제를 해결하기 위한 것으로서, 부하 매칭용 인덕터와 같은 소자를 사용하지 않고도, 용량성 부하에 흐르는 출력 전류를 순시적으로 검출하여 출력 전류의 주기에 따라 용량성 부하에 인가되는 출력 전압의 펄스폭을 동적으로 조절함으로써, 전원 공급 장치와 플라즈마 용량성 부하 사이의 부하 매칭을 최적화할 수 있는 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 펄스 승압부의 입력단에 연결되는 전류 검출용 인덕터를 이용하여 용량성 부하에 흐르는 출력 전류를 순시적으로 검출할 수 있는 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 출력 전압의 펄스폭이 출력 전류의 주기의 소정 범위 내에 유지되도록 제어할 수 있는 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상용 교류 전원으로부터의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류부; 상기 정류부를 통해 변환된 직류 전압을 펄스 형태의 교류 전압으로 변조하는 인버터부; 트랜스포머로서 구현되며, 상기 인버터부로부터 출력되는 교류 전압의 전압 레벨을 상기 트랜스포머의 1차측 및 2차측의 권선 비율에 따라 변환하는 펄스 승압부; 피처리 대상물에 대해 플라즈마 반응을 일으키기 위하여, 상기 펄스 승압부로부터 출력되는 전압을 인가받아 플라즈마를 형성하는 용량성 부하; 상기 펄스 승압부로 입력되는 전류를 검출하는 전류 검출용 인덕터; 상기 전류 검출용 인덕터에 의해 검출된 전류의 주기를 이용하여, 상기 인버터부로부터 출력되는 전압의 펄스폭이 미리 정해진 범위에 포함되도록 하기 위하여, 펄스폭 기준값을 생성하고, 상기 생성된 펄스폭 기준값을 이용하여 출력 전압의 펄스폭을 조절하기 위한 게이트 구동 신호를 생성하는 제어부; 및 상기 제어부에 의해 생성된 게이트 구동 신호를 증폭시켜서 상기 인버터부로 인가하는 게이트 구동부를 포함하는 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치가 제공된다.
바람직하게는, 상기 미리 정해진 범위는 상기 용량성 부하에 인가되는 출력 전압의 공진 주기의 1/2 내지 1 사이이다.
바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 인버터부로부터 출력되는 전압의 펄스폭이 상기 전류 검출용 인덕터에 의해 검출된 전류의 주기보다 작을 경우에는 상기 인버터부로부터 출력되는 전압의 펄스폭이 서서히 증가하도록 제어하고, 상기 인버터부로부터 출력되는 전압의 펄스폭이 상기 전류 검출용 인덕터에 의해 검출된 전류의 주기보다 클 경우에는 상기 인버터로부터 출력되는 전압의 펄스폭이 서서히 감소하도록 제어한다.
바람직하게는, 상기 전류 검출용 인덕터에 의해 검출된 전류의 주기는 상기 용량성 부하에 흐르는 출력 전류의 주기와 동일하다.
바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 인버터부로부터 출력되는 교류 전압의 펄스폭과 상기 전류 검출용 인덕터에 의해 검출된 전류의 주기의 비교 결과에 따라, 상기 펄스폭을 증가 또는 감소시켜서 펄스폭 기준값을 계산하는 펄스폭 기준값 산출부; 상기 계산된 펄스폭 기준값을 이용하여 적용할 펄스폭을 생성하는 펄스폭 제어 모듈; 및 상기 펄스폭 제어 모듈에 의해 생성된 펄스폭을 이용하여 게이트 구동 신호를 생성하는 펄스폭 변조부를 포함한다.
본 발명의 또 다른 일 특징에 따르면, (a) 가장 최종적으로 선정된 펄스폭을 현재의 펄스폭으로서 로드하는 단계; (b) 현재의 펄스폭이 출력 전류의 1 주기 이상인지를 판단하는 단계; (c) 상기 (b) 단계에서, 현재의 펄스폭이 출력 전류의 1 주기 이상인 것으로 판단된 경우, 펄스폭 기준값 산출부에 의해 펄스폭을 감소시켜서 펄스폭 기준값을 계산하고, 펄스폭 제어 모듈에 의해 상기 계산된 펄스폭 기준값을 이용하여 새롭게 적용할 펄스폭을 생성하고, 상기 생성된 펄스폭을 이용하여 인버터부에서의 교류 전압의 펄스폭을 결정하기 위한 게이트 구동 신호를 생성하는 단계; (d) 상기 (b) 단계에서, 현재의 펄스폭이 출력 전류의 1 주기보다 작은 것으로 판단된 경우, 펄스폭 기준값 산출부에 의해 펄스폭을 증가시켜서 펄스폭 기준값을 계산하고, 펄스폭 제어 모듈에 의해 상기 계산된 펄스폭 기준값을 이용하여 새롭게 적용할 펄스폭을 생성하고, 상기 생성된 펄스폭을 이용하여 인버터부에서의 교류 전압의 펄스폭을 결정하기 위한 게이트 구동 신호를 생성하는 단계; 및 (e) 상기 (c) 및 (d) 단계들의 수행 후에, 새롭게 적용될 펄스폭이 출력 전류의 미리 정해진 주기인지를 판단하고, 새롭게 적용될 펄스폭이 출력 전류의 미리 정해진 주기가 아닌 경우에는 상기 (b) 단계 내지 (d) 단계를 반복하도록 하는 단계를 포함하는 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 제어 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 미리 정해진 주기는 출력 전류의 주기의 2/3이다.
바람직하게는, 상기 출력 전류의 주기로서, 전류 검출용 인덕터에 의해 검출되는 펄스 승압부의 입력단에 흐르는 전류의 주기가 이용된다.
본 발명에 따르면, 용량성 부하에 흐르는 출력 전류를 전류 검출용 인덕터를 이용하여 순시적으로 검출하고, 용량성 부하에 인가되는 출력 전압의 펄스폭과 출력 전류의 주기를 비교하여 출력 전압의 펄스폭을 공진 주기의 특정 범위 내로 동적으로 조절함으로써, 전원 공급 장치와 플라즈마 용량성 부하 사이의 부하 매칭을 최적화할 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치는 부하 매칭용 인덕터와 같은 소자를 일일이 교체해야 하는 번거로움을 제거한다.
또한, 본 발명에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치는 최적의 부하 매칭을 달성함으로써 용량성 부하에 최대의 에너지를 전달할 수 있고, 인버터부에서 영전류 스위칭(ZCS : zero current switching)을 가능하게 하여 인버터부의 효율을 향상시킬 수 있고, 궁극적으로 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 신뢰성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 전체 구성도를 도시한다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1에 도시된 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치에서 용량성 부하에 인가되는 출력 전압 및 출력 전류와, 인버터부로부터 출력되는 펄스 사이의 관계를 설명하는 파형도를 도시한다.
도 3은 도 1에 도시된 제어부의 구체적인 구성도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치에서 출력 전류의 검출 과정을 설명하는 파형도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 제어 방법을 설명하는 순서도를 도시한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치 및 그 제어 방법의 구성 및 동작에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 전체 구성도를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치는 교류 전원(AC), 정류부(1), 인버터부(2), 전류 검출용 인덕터(3), 펄스 승압부(4), 용량성 부하(5), 제어부(6) 및 게이트 구동부(7)를 포함한다.
이하, 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 동작에 대해 설명한다.
정류부(1)는 상용 교류 전원(AC)으로부터의 교류 전압을 직류 전압으로 변환한다. 인버터부(2)는 상기 정류부(1)를 통해 변환된 직류 전압을 펄스(pulse) 형태의 교류 전압으로 변조한다. 펄스 승압부(4)는 일종의 트랜스포머(transformer)로서 구현될 수 있으며, 상기 인버터부(2)로부터 출력되는 펄스 형태의 교류 전압의 전압 레벨을 소정의 권선 비율에 따라 변환한다.
용량성 부하(5)는 출력 전압이 인가되는 2개의 전극으로 구성되고, 출력 전압의 인가에 의해 2개의 전극 사이에 플라즈마를 형성한다. 즉, 용량성 부하(5)는 플라즈마 처리를 필요로 하는 피처리 대상물에 대해 플라즈마 반응을 일으키기 위하여 상기 펄스 승압부(4)에 의해 출력되는 고전압을 인가받아 플라즈마를 형성한다.
전류 검출용 인덕터(3)는 펄스 승압부(4)로 입력되는 전류를 검출하고, 예를 들어, 펄스 승압부(4)가 트랜스포머로 구현될 경우, 이 트랜스포머의 1차측 전류를 전류 유도 방식으로 검출한다.
이미 설명한 바와 같이, 본 발명은 전원 공급 장치와 플라즈마 용량성 부하 사이의 부하 매칭을 최적화하기 위하여, 용량성 부하에 흐르는 출력 전류를 순시적으로 검출하여 출력 전류의 주기에 따라 용량성 부하에 인가되는 출력 전압의 펄스폭을 동적으로 조절하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 도 1의 용량성 부하(5)에 흐르는 출력 전류를 순시적으로 검출하기 위해서는 용량성 부하(5)에 흐르는 전류를 직접 검출해야 한다. 그러나, 용량성 부하에 흐르는 출력 전압이 수[kV]에서 수십[kV]의 높은 레벨을 가져 직접적으로 검출하기에 어려움이 있다. 이 출력 전류는 통상적으로 트랜스포머로 구현될 수 있는 펄스 승압부(4)에 입력되는 전류와 그 펄스 주기가 동일하므로, 본 발명은 용량성 부하(5)에 흐르는 출력 전류를 직접 검출하는 대신에, 펄스 승압부(4)에 입력되는 전류를 검출하는 방법을 이용하고 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 범위는 이에 한정되지 않고, 용량성 부하(5)에 흐르는 출력 전류를 직접 검출하는 방법에도 적용될 수 있으며, 두 방법은 모두 동일한 결과에 도달할 것이다.
제어부(6)는 전류 검출용 인덕터(3)에 의해 검출된 전류의 주기를 이용하여, 인버터부(2)로부터 출력되는 전압의 펄스폭이 소정의 범위, 예를 들어, 용량성 부하(5)에 인가되는 출력 전압의 공진 주기의 1/2 내지 1 사이에 포함되도록 하기 위하여, 펄스폭 기준값을 생성하고 이를 이용하여 출력 전압의 펄스폭을 조절하기 위한 게이트 구동 신호를 생성한다.
게이트 구동부(7)는 제어부(6)에 의해 생성된 게이트 구동 신호를 증폭하여 인버터부(2)로 인가한다. 따라서, 인버터부(2)는 정류부(1)를 통해 변환된 직류 전압을 펄스(pulse) 형태의 교류 전압으로 변조함에 있어서, 증폭된 게이트 구동 신호에 따라 펄스 형태의 교류 전압의 펄스폭을 조절할 수 있다. 또한, 인버터부(2)로부터 출력되는 펄스 형태의 교류 전압의 펄스폭이 조절됨으로써, 펄스 승압부(4)에 의해 변환되어 용량성 부하(5)에 인가되는 출력 전압의 펄스폭도 당연히 상기 인버터부(2)에서의 펄스폭 조절에 대응하여 조절될 수 있다.
다음으로, 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 도 1에 도시된 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치에서 용량성 부하(5)에 인가되는 출력 전압 및 출력 전류와, 인버터부(2)로부터 출력되는 펄스 사이의 관계를 설명한다.
도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치에서는, 용량성 부하(5)와, 트랜스포머로 구현될 수 있는 펄스 승압부(4)의 누설 인덕턴스(inductance) 사이의 공진(resonance)에 의해, 펄스 형태의 고전압이 용량성 부하(5)에 인가된다. 용량성 부하(5)에 흐르는 출력 전류의 주기(이하, "Iperiod"라고 함)는 인버터부(2)로부터 출력되는 전압의 펄스폭(이하, "Tpulse"라고 함)에 따라, 용량성 부하(5)에 인가되는 출력 전압의 공진 주기(Tr)를 초과할 수도 있고, 출력 전압의 공진 주기(Tr)보다 작을 수도 있다.
도 2a는 도 1의 인버터부(2)로부터 출력되는 전압의 펄스폭(Tpulse)이 공진 주기(Tr)의 1/2 미만인 경우(즉, Tpulse < 1/2Tr)를 도시하고 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 펄스폭(Tpulse)이 공진 주기(Tr)의 1/2 미만인 경우에는, 출력 전압 펄스의 1 주기 내에 도 1의 용량성 부하(5)로 인가될 수 있는 에너지의 양이 작다.
도 2b는 도 1의 인버터부(2)로부터 출력되는 전압의 펄스폭(Tpulse)이 공진 주기(Tr)의 1/2과 공진 주기(Tr) 사이인 경우(즉, 1/2Tr < Tpulse < Tr)를 도시하고 있다. 이 경우에는, 출력 전압 펄스의 1 주기 내에 도 1의 용량성 부하(5)로 인가될 수 있는 에너지의 양이 최대이다.
도 2c는 도 1의 인버터부(2)로부터 출력되는 전압의 펄스폭(Tpulse)이 공진 주기(Tr)를 초과하는 경우(즉, Tpulse > Tr)를 도시하고 있다. 이 경우에는, 도 1의 용량성 부하(5)에 대한 부하 매칭이 불안정하게 되고, 전원 공급 장치의 효율 및 신뢰성이 감소할 수 있다.
따라서, 본 발명의 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치에서 용량성 부하(5)에 최대의 에너지를 전달하기 위해서는, 도 1의 용량성 부하(5)에 흐르는 출력 전류의 주기가 출력 전압의 공진 주기(Tr)의 1/2과 공진 주기(Tr) 사이에 속하도록, 인버터부(2)로부터 출력되는 전압의 펄스폭(Tpulse)을 조절하는 것이 필요하다.
실제적인 응용에서는, 출력 전압의 공진 주기(Tr)를 순시적으로 정확하게 파악하는 것이 곤란하므로, 본 발명에서는 출력 전류의 주기(Iperiod)가 공진 주기(Tr)와 어느 정도 비례 관계를 가지며, 이 출력 전류의 주기(Iperiod)는 도 1의 전류 검출용 인덕터(3)를 통해 검출되는 펄스 승압부(4)의 입력단에 흐르는 전류의 주기와 유사하다는 점을 이용하여, 인버터부(2)로부터 출력되는 전압의 펄스폭(Tpulse)을 출력 전류의 주기(Iperiod)(실제로는 펄스 승압부(4)의 입력단에 흐르는 전류의 주기이지만, 본 발명에서는 펄스 승압부(4)의 입력단에 흐르는 전류의 주기가 용량성 부하(5)에 흐르는 출력 전류의 주기(Iperiod)와 동일하다고 가정한다)와 비교하고, 그 결과에 따라 펄스폭(Tpulse)을 선정하도록 제어하는 것에 특징이 있다.
예를 들어, 인버터부(2)로부터 출력되는 펄스 형태의 교류 전압의 펄스폭(Tpulse)의 조절과 관련하여, 펄스폭(Tpulse)이 출력 전류의 주기(Iperiod)보다 작을 경우(즉, Tpulse < Iperiod)에는, 제어부(6)는 펄스폭 변조 방식에 의해 인버터부(2)로부터 출력되는 전압의 펄스폭(Tpulse)이 서서히 증가하도록 제어하고, 펄스폭(Tpulse)이 출력 전류의 주기(Iperiod)보다 클 경우(즉, Tpulse > Iperiod)에는, 제어부(6)는 펄스폭 변조 방식에 의해 인버터부(2)로부터 출력되는 전압의 펄스폭(Tpulse)이 서서히 감소하도록 제어한다.
도 3은 도 1에 도시된 제어부(6)의 구체적인 구성도를 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제어부(6)는 제로크로싱 검출부(61), 출력전류의 주기 선정부(62), 펄스폭 기준값 산출부(63), 펄스폭 제어 모듈(64) 및 펄스폭 변조부(65)를 포함한다.
도 1의 전류 검출용 인덕터(3)에 의해 검출되는 펄스 승압부(4)의 입력단에 흐르는 전류(이하, 이 전류를 편의상 "출력전류(Io)"라고 한다)가 제어부(6)에 입력되면, 제로크로싱 검출부(61)는 도 1의 전류 검출용 인덕터(3)에 의해 검출된 전류의 제로크로싱(zero crossing)을 검출하여 구형파를 출력한다.
출력전류의 주기 선정부(62)는 제로크로싱 검출부(62)로부터 구형파를 입력받아 구형파의 상승 에지(rising edge)와 하강 에지(falling edge)의 시간을 계산하여 출력 전류의 주기(Iperiod)를 선정한다.
펄스폭 기준값 산출부(63)는 출력전류 주기 선정부(62)로부터 출력되는 출력 전류의 주기(Iperiod)와 현재 적용되고 있는 전압의 펄스폭(Tpulse)과의 비교 결과에 따라, 펄스폭(Tpulse)을 증가 또는 감소시켜서 펄스폭 기준값(Tpulse*)을 계산한다.
펄스폭 제어 모듈(64)은 상기 계산된 펄스폭 기준값(Tpulse*)을 이용하여 새롭게 적용할 펄스폭(Tpulse)을 생성한다. 펄스폭 변조부(65)는 펄스폭 제어 모듈(64)에 의해 생성된 펄스폭(Tpulse)을 이용하여 도 1의 인버터부(2)에서의 교류 전압의 펄스폭을 결정하기 위한 게이트 구동 신호를 생성한다. 펄스폭 변조부(65)에 의해 생성된 게이트 구동 신호는 도 1의 게이트 구동부(7)로 출력된다.
다음으로, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치에서 출력 전류의 검출 과정을 설명하는 파형도를 도시한 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 출력전류(Io)의 선정은 용량성 부하 전압(70), 용량성 부하의 전류(71), 센싱된 전류(72), 반파정류 후 전압(73), 제로크로싱 검출(74), Rising edge 검출(75), Falling edge 검출(76), PWM(Tpulse)(77)을 통하여 이루어진다.
출력전류 선정에 있어서, 우선 도 1의 용량성 부하(5)의 전압(70) 중 포지티브(positive) 영역에서만 출력전류의 주기를 검출한다. 이는 용량성 부하(5)의 전압(70) 중 네거티브(negative) 영역에서의 검출은 용량성 부하(5)와 매칭이 정확하게 이루어지지 않을 경우 포지티브(positive) 영역과 네거티브(negative) 영역의 출력전류가 정확하게 동기를 이루지 못하는 문제점이 있기 때문이다.
도 1의 전류 검출용 인덕터(3)에 의해 센싱된 전류(72)는 용량성 부하(5)의 전류(71)와 동상을 이룬다.
상기 센싱된 전류(72)에 대해 반파 정류를 수행함으로써 반파정류 후 전압(73)을 얻을 수 있다.
반파정류 후 전압(73)을 이용하여 도 3의 제로크로싱 검출부(61)를 통해 제로크로싱 검출(74)을 통해 구형파의 전압을 얻을 수 있다.
제로크로싱 검출(74)을 통해 얻은 구형파를 이용하여 구형파의 상승 에지(rising edge)(75) 및 하강 에지(falling edge)(76)를 검출할 수 있다. 이에 따라, 상승 에지(rising edge)의 검출 시간(T1)과 하강 에지(falling edge)의 검출 시간(T2)이 구해지고, 하강 에지(falling edge)의 검출 시간(T2)과 상승 에지(rising edge)의 검출 시간(T1)의 차이를 이용하여 출력전류의 반주기(Iperiod/2)의 시간이 계산될 수 있다. 이때 계산된 값은 출력전류의 1/2 주기가 되므로 실제 전류는 계산된 시간의 2배가 된다. 즉 출력전류의 주기(Iperiod)=2*(T2-T1)이 된다.
이때, 상승 에지(rising edge) 검출 시간(T1)을 PWM 파형(77)의 펄스 시작 시점으로 동기화시키면, 이미 계산된 Tpulse의 주기와 Iperiod의 주기를 알 수 있으므로 적정한 Tpulse의 값을 선정할 수 있다.
PWM(Tpulse) 파형(77)에서 검출된 출력전류의 주기와 Tpulse의 가변범위를 표현하면 다음과 같다.
(T2-T1) < △T < 2*(T2-T1)
여기서, T2-T1은 출력전류의 1/2 주기, 2*(T2-T1)은 출력전류의 1 주기이다.
제어부(6)가 정상상태에 도달하면 Tpulse의 가변 범위는 △T가 된다.
다음으로, 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 제어 방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
도 5에 도시된 순서도는 제어부(6)에 의해 수행되는 서브루틴의 절차이며, 마이크로프로세서 등에 의해 실행가능한 컴퓨터 프로그램으로 구현되어, 예를 들어, 10 msec 등의 아주 짧은 시간 단위로 연속적으로 실행될 수 있다.
더욱 구체적으로, 도 5에 도시된 순서도는 인버터부(2)로부터 출력되는 전압의 펄스폭(Tpulse)을 출력 전류의 주기(Iperiod)와 비교하고, 그 결과에 따라 펄스폭(Tpulse)을 선정하도록 제어하는 동작에 관한 것이다.
동작이 시작되면, 연속적으로 실행되는 서브루틴 중에서 가장 마지막 서브루틴에서 선정된 펄스폭(Tpulse)이 현재의 펄스폭으로서 로드(load)된다(S10).
다음으로, 단계(S20)에서는, 현재의 펄스폭(Tpulse)이 출력 전류의 1 주기(Iperiod), 즉, 도 1의 전류 검출용 인덕터(3)에 의해 검출되는 펄스 승압부(4)의 입력단에 흐르는 전류의 1 주기보다 큰지 판단된다.
상기 단계(S20)에서, 현재의 펄스폭(Tpulse)이 출력 전류의 1 주기(Iperiod)보다 큰 것으로 판단되면, 제어부(6)의 펄스폭 기준값 산출부(63)는 펄스폭(Tpulse)을 감소시켜서 펄스폭 기준값(Tpulse*)을 계산한다(S31). 다음으로, 펄스폭 제어 모듈(64)은 계산된 펄스폭 기준값(Tpulse*)을 이용하여 새롭게 적용할 펄스폭(Tpulse)을 생성한다(S32). 이어서, 펄스폭 변조부(65)는 펄스폭 제어 모듈(65)에 의해 생성된 펄스폭(Tpulse)을 이용하여 도 1의 인버터부(2)에서의 교류 전압의 펄스폭을 결정하기 위한 게이트 구동 신호를 생성한다(S33). 이와 같이 생성된 게이트 구동 신호는 도 1의 게이트 구동부(7)로 출력되어, 인버터부(2)에서 펄스 형태의 교류 전압이 생성될 때, 그 교류 전압의 펄스폭을 결정하는데 사용된다.
다음으로, 단계(S40)에서는 새롭게 적용될 펄스폭이 출력 전류의 2/3 주기인지 판단된다. 본 발명에서는 펄스폭(Tpulse)가 출력 전류의 주기(Iperiod)의 2/3일 때, 용량성 부하(5)에 최대 에너지가 전달되는 것으로 가정하였으나, 이 "출력 전류의 주기(Iperiod)의 2/3"는 예시에 불과하며 발명을 한정하기 위한 것이 아니다.
상기 단계(S40)에서, 새롭게 적용될 펄스폭이 출력 전류의 2/3 주기인 경우에는 이 서브루틴을 종료하여 이 펄스폭이 계속 유지되도록 하고, 새롭게 적용될 펄스폭이 출력 전류의 2/3 주기가 아닐 경우에는, 단계(S20) 이전의 단계로 점프하여 그 이후의 단계들이 다시 반복되도록 한다.
한편, 단계(S20)에서, 현재의 펄스폭(Tpulse)이 출력 전류의 1 주기(Iperiod)보다 작은 것으로 판단되면, 제어부(6)의 펄스폭 기준값 산출부(63)는 펄스폭(Tpulse)을 증가시켜서 펄스폭 기준값(Tpulse*)을 계산한다(S51). 다음으로, 펄스폭 제어 모듈(64)은 계산된 펄스폭 기준값(Tpulse*)을 이용하여 새롭게 적용할 펄스폭(Tpulse)을 생성한다(S52). 이어서, 펄스폭 변조부(64)는 펄스폭 제어 모듈(64)에 의해 생성된 펄스폭(Tpulse)을 이용하여 도 1의 인버터부(2)에서의 교류 전압의 펄스폭을 결정하기 위한 게이트 구동 신호를 생성한다(S53). 이와 같이 생성된 게이트 구동 신호는 도 1의 게이트 구동부(7)로 출력되어, 인버터부(2)에서 펄스 형태의 교류 전압이 생성될 때, 그 교류 전압의 펄스폭을 결정하는데 사용된다.
다음으로, 단계(S60)에서는 새롭게 적용될 펄스폭이 출력 전류의 2/3 주기인지 판단된다.
상기 단계(S60)에서, 새롭게 적용될 펄스폭이 출력 전류의 2/3 주기인 경우에는 이 서브루틴을 종료하여 이 펄스폭이 계속 유지되도록 하고, 새롭게 적용될 펄스폭이 출력 전류의 2/3 주기가 아닐 경우에는, 단계(S20) 이전의 단계로 점프하여 그 이후의 단계들이 다시 반복되도록 한다.
본 발명에 따르면, 용량성 부하에 흐르는 출력 전류를 전류 검출용 인덕터를 이용하여 순시적으로 검출하고, 용량성 부하에 인가되는 출력 전압의 펄스폭과 출력 전류의 주기를 비교하여 출력 전압의 펄스폭을 공진 주기의 특정 범위 내로 동적으로 조절함으로써, 전원 공급 장치와 플라즈마 용량성 부하 사이의 부하 매칭을 최적화할 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치는 부하 매칭용 인덕터와 같은 소자를 일일이 교체해야 하는 번거로움을 제거한다.
또한, 본 발명에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치는 최적의 부하 매칭을 달성함으로써 용량성 부하에 최대의 에너지를 전달할 수 있고, 인버터부에서 영전류 스위칭(ZCS : zero current switching)을 가능하게 하여 인버터부의 효율을 향상시킬 수 있고, 궁극적으로 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 신뢰성을 높일 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자, 즉 당업자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
AC : 교류 전원 1 : 정류부
2 : 인버터부 3 : 전류 검출용 인덕터
4 : 펄스 승압부 5 : 용량성 부하
6 : 제어부 7 : 게이트 구동부
61 : 제로크로싱 검출부 62 : 출력전류의 주기 선정부
63 : 펄스폭 기준값 산출부 64 : 펄스폭 제어 모듈
65 : 펄스폭 변조부

Claims (8)

  1. 상용 교류 전원으로부터의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류부;
    상기 정류부를 통해 변환된 직류 전압을 펄스 형태의 교류 전압으로 변조하는 인버터부;
    트랜스포머로서 구현되며, 상기 인버터부로부터 출력되는 교류 전압의 전압 레벨을 상기 트랜스포머의 1차측 및 2차측의 권선 비율에 따라 변환하는 펄스 승압부;
    피처리 대상물에 대해 플라즈마 반응을 일으키기 위하여, 상기 펄스 승압부로부터 출력되는 전압을 인가받아 플라즈마를 형성하는 용량성 부하;
    상기 펄스 승압부로 입력되는 전류를 검출하는 전류 검출용 인덕터;
    상기 전류 검출용 인덕터에 의해 검출된 전류의 주기를 이용하여, 상기 인버터부로부터 출력되는 전압의 펄스폭이 미리 정해진 범위에 포함되도록 하기 위하여, 펄스폭 기준값을 생성하고, 상기 생성된 펄스폭 기준값을 이용하여 출력 전압의 펄스폭을 조절하기 위한 게이트 구동 신호를 생성하는 제어부; 및
    상기 제어부에 의해 생성된 게이트 구동 신호를 증폭시켜서 상기 인버터부로 인가하는 게이트 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 미리 정해진 범위는 상기 용량성 부하에 인가되는 출력 전압의 공진 주기의 1/2 내지 1 사이인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 인버터부로부터 출력되는 전압의 펄스폭이 상기 전류 검출용 인덕터에 의해 검출된 전류의 주기보다 작을 경우에는 상기 인버터부로부터 출력되는 전압의 펄스폭이 서서히 증가하도록 제어하고,
    상기 인버터부로부터 출력되는 전압의 펄스폭이 상기 전류 검출용 인덕터에 의해 검출된 전류의 주기보다 클 경우에는 상기 인버터로부터 출력되는 전압의 펄스폭이 서서히 감소하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치.
  4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 전류 검출용 인덕터에 의해 검출된 전류의 주기는 상기 용량성 부하에 흐르는 출력 전류의 주기와 동일한 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 인버터부로부터 출력되는 교류 전압의 펄스폭과 상기 전류 검출용 인덕터에 의해 검출된 전류의 주기의 비교 결과에 따라, 상기 펄스폭을 증가 또는 감소시켜서 펄스폭 기준값을 계산하는 펄스폭 기준값 산출부;
    상기 계산된 펄스폭 기준값을 이용하여 적용할 펄스폭을 생성하는 펄스폭 제어 모듈; 및
    상기 펄스폭 제어 모듈에 의해 생성된 펄스폭을 이용하여 게이트 구동 신호를 생성하는 펄스폭 변조부를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치.
  6. 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류부; 상기 정류부를 통해 변환된 직류 전압을 펄스 형태의 교류 전압으로 변조하는 인버터부; 상기 인버터부로부터 출력되는 교류 전압의 전압 레벨을 트랜스포머의 권선 비율에 따라 변환하는 펄스 승압부; 상기 펄스 승압부로부터 출력되는 전압을 인가받아 플라즈마를 형성하는 용량성 부하; 상기 펄스 승압부로 입력되는 전류를 검출하는 전류 검출용 인덕터; 상기 전류 검출용 인덕터에 의해 검출된 전류의 주기를 이용하여, 펄스폭 기준값을 생성하고, 상기 생성된 펄스폭 기준값을 이용하여 출력 전압의 펄스폭을 조절하기 위한 게이트 구동 신호를 생성하는 제어부; 및 상기 제어부에 의해 생성된 게이트 구동 신호를 증폭시켜서 상기 인버터부로 인가하는 게이트 구동부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 인버터부로부터 출력되는 교류 전압의 펄스폭과 상기 전류 검출용 인덕터에 의해 검출된 전류의 주기의 비교 결과에 따라, 상기 펄스폭을 증가 또는 감소시켜서 펄스폭 기준값을 계산하는 펄스폭 기준값 산출부; 상기 계산된 펄스폭 기준값을 이용하여 적용할 펄스폭을 생성하는 펄스폭 제어 모듈; 및 상기 펄스폭 제어 모듈에 의해 생성된 펄스폭을 이용하여 게이트 구동 신호를 생성하는 펄스폭 변조부를 포함하도록 구성된 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 제어 방법으로서,
    (a) 가장 최종적으로 선정된 펄스폭을 현재의 펄스폭으로서 로드하는 단계;
    (b) 현재의 펄스폭이 출력 전류의 1 주기 이상인지를 판단하는 단계;
    (c) 상기 (b) 단계에서, 현재의 펄스폭이 출력 전류의 1 주기 이상인 것으로 판단된 경우, 펄스폭 기준값 산출부에 의해 펄스폭을 감소시켜서 펄스폭 기준값을 계산하고, 펄스폭 제어 모듈에 의해 상기 계산된 펄스폭 기준값을 이용하여 새롭게 적용할 펄스폭을 생성하고, 상기 생성된 펄스폭을 이용하여 인버터부에서의 교류 전압의 펄스폭을 결정하기 위한 게이트 구동 신호를 생성하는 단계;
    (d) 상기 (b) 단계에서, 현재의 펄스폭이 출력 전류의 1 주기보다 작은 것으로 판단된 경우, 펄스폭 기준값 산출부에 의해 펄스폭을 증가시켜서 펄스폭 기준값을 계산하고, 펄스폭 제어 모듈에 의해 상기 계산된 펄스폭 기준값을 이용하여 새롭게 적용할 펄스폭을 생성하고, 상기 생성된 펄스폭을 이용하여 인버터부에서의 교류 전압의 펄스폭을 결정하기 위한 게이트 구동 신호를 생성하는 단계; 및
    (e) 상기 (c) 및 (d) 단계들의 수행 후에, 새롭게 적용될 펄스폭이 출력 전류의 미리 정해진 주기인지를 판단하고, 새롭게 적용될 펄스폭이 출력 전류의 미리 정해진 주기가 아닌 경우에는 상기 (b) 단계 내지 (d) 단계를 반복하도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 제어 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 미리 정해진 주기는 출력 전류의 주기의 2/3인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 제어 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 출력 전류의 주기로서, 전류 검출용 인덕터에 의해 검출되는 펄스 승압부의 입력단에 흐르는 전류의 주기가 이용되는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 제어 방법.
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