KR101391874B1 - 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 것으로서, 출력전압에 따라 부하의 용량성 커패시턴스가 변동하는 플라즈마 처리장치의 반응기와 부하매칭을 최적화하여 안정적이고 고효율 특성을 갖는 고전압 대용량 전원장치를 제공할 수 있는 장치에 관한 것이다.
본 발명은 플라즈마 반응기에 인가되는 교류 펄스 전압을 제어하기 위한 공진형 고전압 제어 장치에 있어서, 직류전압을 교류 펄스 전압으로 변조하는 인버터기와, 플라즈마 반응기의 부하매칭을 위한 공진 리액터기와, 인버터기의 출력전압을 승압시켜 플라즈마 반응기로 인가하는 변압기와, 플라즈마 반응기의 출력전압이 펄스 주파수 변조 기준전압에 도달하기 전까지 펄스 주파수 변조 제어방식으로 제어신호를 형성하고, 플라즈마 반응기의 출력전압이 펄스 주파수 변조 기준전압에 도달할 경우 펄스폭 변조 제어방식으로 제어신호를 형성하는 제어기와, 제어기로부터 인가된 제어신호의 전압을 증폭시켜 인버터기로 인가하는 게이트 구동기를 포함한다.
용량성 부하, 플라즈마, 펄스폭 변조, 펄스 주파수 변조

Description

용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치{Device for controlling high voltage having capacitive load property}
본 발명은 용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 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 및 유지를 위한 고압, 고주파 전원장치로서, 특히 유전막 방전 플라즈마의 경우 두 개의 전극 중 한 곳에 유전체를 형성시키고 수 KHz~ 수 MHz의 교류전원을 인가하여 플라즈마를 생성시킨다. 이때 반응기의 기압이 증가할수록 플라즈마 발생을 위한 강한 전계가 요구되므로 수 kv~수십 kv의 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.
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 반응기의 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 반응기를 전부하 영역에서 안정적으로 구동하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 출력전압에 따라 부하의 용량성 커패시턴스가 변동하는 비선형 수하특성을 갖는 플라즈마 반응기와의 부하매칭을 최적화하기 위해 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 유지케함으로서, 고효율 특성을 갖도록 함에도 있다.
본 발명은 플라즈마 반응기에 인가되는 교류 펄스 전압을 제어하기 위한 공진형 고전압 제어 장치에 있어서, 직류전압을 교류 펄스 전압으로 변조하는 인버터기; 상기 인버터기 후단에 위치하여, 플라즈마 반응기의 부하매칭을 위한 공진 리액터기; 상기 인버터기의 출력전압을 승압시켜 상기 플라즈마 반응기로 인가하는 변압기; 공진 리액터기의 출력전류와 변압기 1차측 전압을 검출하고, 상기 플라즈마 반응기의 출력전압이 펄스 주파수 변조 기준전압에 도달하기 전까지 펄스 주파수 변조 제어방식으로 제어신호를 형성하고, 상기 플라즈마 반응기의 출력전압이 펄스 주파수 변조 기준전압에 도달할 경우 펄스폭 변조 제어방식으로 제어신호를 형성하여, 상기 플라즈마 반응기의 출력전압을 일정하게 하는 제어기; 및 상기 제어기로부터 인가된 제어신호의 전압을 증폭시켜 상기 인버터기로 인가하는 게이트 구동기;를 포함한다.
상기와 같이 본 발명에 따르면, 출력전압에 따라 부하의 용량성 커패시턴스가 변동하는 비선형 수하특성을 갖는 플라즈마 반응기와의 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.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 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 발명의 일실시예에 따른 용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치에 관하여 도 2 내지 도 9을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일실시예에 따른 용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 정류기(100), LC필터기(200), 인버터기(300), 공진 리액터기(400), 블로킹 콘덴서기(500), 변압기(600), 플라즈마 반응기(700), 제어기(800) 및 게이트 구동기(900)를 포함한다.
우선, 정류기(100)는 3상 브릿지 다이오드로 구성되어 교류전원을 직류로 정류한다.
또한, LC필터기(200)는 'T'형 LC필터로서, 정류기(100)의 출력측 리플전압을 저감하기 위하여 인덕터와 콘덴서로 구성되는데, 상기 인덕터는 스위칭시 발생되는 고주파 리플전류에 의한 평활용 콘덴서의 발열 및 스트레스를 저감시킨다. 여기서, 상기 LC필터(200)를 'T'형 LC필터로 적용하였으나, 'π'형 LC필터로도 적용 가능하다.
또한, 인버터기(300)는 정류기(100)와 LC필터기(200)를 통해 정류된 직류전압을 교류 펄스 전압으로 변조하고, 제어기로부터 인가되는 제어신호를 게이트 구동기를 통해 수신한다.
또한, 공진 리액터기(400)는 플라즈마 반응기의 부하매칭을 시킨다. 여기서, 상기 공진 리액터기(400)는 직렬 공진회로를 적용하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 블로킹 콘덴서기(500)는 변압기의 1차측 편자현상을 제거하는 기능을 수행하며, 변압기(600)는 상기 인버터기(300)의 출력전압에 의해 발생되는 직렬 공진전압을 고압으로 승압시킨다.
또한, 플라즈마 반응기(700)는 플라즈마를 생성하는 기능을 수행하며, 출력전압에 따라 부하의 용량성 커패시턴스가 변동된다.
또한, 제어기(800)는 펄스 주파수 변조와 펄스폭 변조 방식이 혼합된 하이브리드 구조로서, 정류기(100)의 직류전류(Idc)와 LC필터기(200)의 직류전압(Vdc)을 공급받고, 공진 리액터기의 출력전류(Io)와 변압기 1차측 전압(VT)을 검출하여, 상기 플라즈마 반응기의 출력전압을 일정하게 제어하기 위한 펄스를 형성한다.
그리고, 게이트 구동기(900)는 제어기(800) 출력신호의 전압을 증폭시켜 인버터기로 인가하는 기능을 수행한다.
한편, 앞서 언급한 제어기(800)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 펄스 주파수 변조 기준전압과 플라즈마 반응기의 전압을 비교하고, 스위칭 주파수를 생성하여 플라즈마 반응기의 전압을 제어하는 펄스 주파수 변조 제어부(810), 플라즈마 반응기의 전력제어를 수행하기 위해 전력 기준값과 전력 계측값을 비교하는 전력 제어부(820), 인버터기를 동작시키는 게이트 구동펄스의 듀티 출력값을 가변시키는 펄스폭 변조 제어부(830), 펄스 주파수 변조 기준전압과 플라즈마 반응기의 전압을 비교하여 인터록 신호로 펄스폭 변조 제어부의 출력인 게이트 구동펄스의 듀티 출력값 또는 일정 듀티 출력값을 단속하는 인터록 신호부(840), 및 펄스 주파수 변조 제어부의 스위칭 주파수와, 게이트 구동펄스의 듀티 출력값 또는 일정 듀티 출력값을 비교하고, 그 비교결과에 위상편이를 적용한 제어신호를 형성하여 상기 게이트 구동기로 인가하는 위상편이부(850)를 포함한다.
우선, 펄스 주파수 변조 제어부(810)는 펄스 주파수 변조 기준 전압(VPFM *)과 플라즈마 반응기(700)의 출력전압(V0)을 비교하여, 주파수 편차량(△f)을 생성하는 펄스 주파수 변조모듈(811), 펄스 주파수 변조 제어모듈(810)로부터 주파수 편차량(△f)을 입력받고, 그 입력받은 주파수 편차량(△f)과 초기 기동 주파수(fi)를 가산하여 스위칭 주파수(fs)를 출력하는 제1 가산모듈(812), 및 제1 가산 모듈(812)로부터 스위칭 주파수(fs)를 입력으로 받고, 상기 스위칭 주파수(fs)에 비례하는 펄스 주파수와 동기된 캐리어 신호를 생성하여 출력하는 주파수 발진모듈(813)으로 구성된다.
본 발명의 일실시예에 따라 펄스 주파수 변조 기준 전압(VPFM *)과 플라즈마 반응기(700)의 출력전압(V0)을 비교시, 플라즈마 반응기(700)의 출력전압(V0)이 펄스 주파수 변조 기준 전압(VPFM *)보다 작을 경우, 제1 가산 모듈(812)이 펄스 주파수 변조모듈(811)로부터 입력받은 주파수 편차량(△f)과 초기 기동 주파수(fi)를 가산하여 스위칭 주파수(fs)를 감소시켜, 가변시킨다.
여기서, 플라즈마 반응기(700)의 출력전압(V0)이 펄스 주파수 변조 기준 전압(VPFM *)보다 작을 경우는 다음의 수학식 1과 같이, 스위칭 주파수(fs)는 감소하게 된다.
fs = fi - △f (VPFM * >= V0, △f>0)
그리고 플라즈마 반응기(700)의 출력전압(V0)이 펄스 주파수 변조 기준 전압(VPFM *)보다 커질 경우는 다음의 수학식 2와 같이, 주파수 편차량(△f)이 고정되어 스위칭 주파수(fs)가 감소되지 않으므로 스위칭 주파수(fs)가 고정된다.
fs = fi - △f (VPFM * < V0, △fn=△fn -1)
또한, 전력 제어부(820)는 플라즈마 반응기의 전력제어를 수행하기 위해 플라즈마 반응기(700)의 전력 기준값(P0 *)과 플라즈마 반응기(700)의 전력 계측값(P0)을 비교하여, 그 비교결과인 전압편차값(△V)을 출력한다.
또한, 펄스폭 변조 제어부(830)는 전력 제어부(820)로부터 전압편차값(△V)을 입력받고, 그 입력받은 전압편차값(△V)에 펄스폭 변조 기준전압(V0 *)을 가산하는 기능을 수행하는 제2 가산모듈(831), 및 제2 가산모듈(850)로부터 출력결과를 입력받고, 플라즈마 반응기(700)의 출력전압(V0)과 비교하여, 인버터기(300)를 동작 시키는 게이트 구동펄스의 듀티 출력값(△Dv)을 출력하는 펄스폭 변조모듈(832)을 포함한다.
또한, 인터록 신호부(840)는 펄스 주파수 변조 기준 전압(VPFM *)과 플라즈마 반응기(700)의 출력전압(V0)을 비교하여, 그 비교 결과에 따라, 인터록을 위한 인터록 신호를 출력하는 기능을 수행하는 인터록 신호생성모듈(841), 및 펄스폭 변조 제어부(830)로부터 듀티 출력값(△Dv)을 입력받아 일정 듀티 출력값(DPFM *)을 출력하고, 인터록 신호생성모듈(841)로부터 인터록 신호를 입력받을 경우, 인터록 신호에 따라 펄스폭 변조 제어부(830)의 출력인 듀티 출력값(△Dv)을 출력하는 인터록 스위치(842)를 포함한다.
구체적으로, 인터록 신호생성모듈(841)은 펄스 주파수 변조 기준 전압(VPFM *)과 플라즈마 반응기(700)의 출력전압(V0)을 비교하여, 플라즈마 반응기(700)의 출력전압(V0)이 펄스 주파수 변조 기준 전압(VPFM *)보다 커질 경우, 인터록 신호를 출력한다.
이때, 인터록 신호생성모듈(841)과 인터록 스위치(842)의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
본 발명의 일실시예에 따른 인터록 신호생성모듈(841)은 펄스 주파수 변조 기준 전압(VPFM *)과 플라즈마 반응기(700)의 출력전압(V0)을 비교하여, 플라즈마 반응기(700)의 출력전압(V0)이 펄스 주파수 변조 기준 전압(VPFM *)에 도달한 경우, 인터록 스위치(842)로 펄스폭 변조 제어부(830)의 출력인 듀티 출력값(△Dv)을 선택하도록 하는 인터록 신호를 출력한다.
즉, 인터록 스위치(842)는 플라즈마 반응기(700)의 출력전압(V0)이 펄스 주파수 변조 기준 전압(VPFM *)에 도달하기 전까지 일정 듀티 출력값(DPFM *)을 출력하고, 인터록 신호생성모듈(841)로부터 인터록 신호를 입력받는 경우, 일정 듀티 출력값(DPFM *)에 대한 출력을 단속하고, 펄스폭 변조 제어부(830)의 출력인 듀티 출력값(△Dv)을 출력한다.
본 발명에 따른 플라즈마 반응기의 출력전압에 따른 인터록 스위치의 동작은 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치는 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 인터록 신호생성모듈(841)에서 플라즈마 반응기(700)의 출력전압(V0)과 펄스 주파수 변조 기준 전압(VPFM *)의 비교과정 중, 플라즈마 반응기(700)의 출력전압(V0)이 펄스 주파수 변조 기준 전압(VPFM *)에 도달하지 않은 시 간(t1 < t2)구간인 경우, 펄스 주파수 변조 제어부(810)에 의해 스위칭 주파수가 가변되고, 인터록 스위치(842)의 출력인 일정 듀티 출력값(DPFM *)에 의해 펄스폭이 고정되는 주파수 변조 특성을 보인다.
그리고 인터록 신호생성모듈(841)에서 플라즈마 반응기(700)의 출력전압(V0)과 펄스 주파수 변조 기준 전압(VPFM *)의 비교과정 중, 플라즈마 반응기(700)의 출력전압(V0)이 펄스 주파수 변조 기준 전압(VPFM *)보다 커지는 시간(>t2)구간인 경우, 펄스 주파수 변조 제어부(810)에 의해 스위칭 주파수가 고정되고, 인터록 신호생성모듈(841)에서 생성되는 인터록 신호에 의해 인터록 스위치(842)가 인터록 동작을 하여 인터록 스위치(842)의 출력인 일정 듀티 출력값(DPFM *)을 단속하여, 펄스폭 변조 제어부(830)의 출력인 듀티 출력값(△Dv)을 출력하고, 펄스폭이 가변되는 펄스폭 변조 특성을 보인다.
그리고, 위상편이부(850)는 주파수 발진모듈(813)로부터 스위칭 주파수(fs)에 비례하는 펄스 주파수와 동기된 캐리어 신호를 입력받고, 인터록 스위치(842)로부터 일정 듀티 출력값(DPFM *) 또는 펄스폭 변조 제어부(830)의 출력인 듀티 출력값(△Dv)을 입력받고, 그 입력받은 캐리어 신호와, 일정 듀티 출력값(DPFM *) 또는 펄스 폭 변조 제어부(830)의 출력인 듀티 출력값(△Dv)을 비교하여, 그 비교한 결과를 위상편이하여 도 7에 도시된 바와 같이, 인버터기를 동작시키는 게이트 구동펄스를 생성하고, 상기 생성된 게이트 구동펄스를 게이트 구동기(900)에 인가한다.
본 발명에 따른 펄스 주파수 가변제어에 따른 운전특성은 도 8에 도시된 바와 같이, 공진 주파수는 플라즈마 반응기의 출력전압이 상승함에 따라 플라즈마 발생량이 증가하고 플라즈마 반응기의 등가 커패시턴스가 증가하여 공진점이 fr1에서 fr3로 감소하면서 이동한다.
이때, 고정 주파수 방식의 전압제어와 달리 플라즈마 반응기의 출력전압을 증가시키는 수단으로 가변 주파수 제어동작을 수행하면, 주파수 가변 제어구간에서 스위칭 주파수를 도 9에 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 수하 특성 조건에서도 안정적인 출력전압 제어가 가능하다.
상술한 용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치를 이용한 제어 방법(이하, '제어방법')에 관하여 도 10 및 도 11을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 10에 도시된 바와 같이, 정류기(100)는 교류전원을 직류로 정류시킨다(S2). 뒤이어, LC필터기(200)는 정류기(100)의 출력측 리플 전압과 인버터 스위칭시 발생되는 고주파 리플전류에 의한 평활용 콘덴서의 발열 및 스트레스를 저감시킨다(S4).
인버터기(300)는 정류된 직류전압을 교류 펄스 전압으로 변조시킨다(S6).
공진 리액터기(400)는 부하공진을 연결하여 플라즈마 반응기의 부하매칭을 시키고(S8), 블로킹 콘덴서기(500)는 변압기의 1차측 편차현상을 제거한다(S10).
변압기(600)는 인버터기(300)의 출력전압에 의해 발생되는 직렬 공진전압을 승압시키고(S12), 플라즈마 반응기(700)는 플라즈마를 생성한다(S14).
다음으로, 제어기(800)는 플라즈마 반응기의 출력전압을 제어하기 위한 제어신호를 형성한다(S16). 게이트 구동기(900)는 제어기(800)의 출력신호를 전압증폭시켜 인버터기로 인가한다(S18).
한편, 제 S16 단계인 플라즈마 반응기의 전압을 제어하기 위한 제어신호를 형성하는 단계에 대하여 도 11을 참조하여 상세히 살펴본다.
제어기(800)는 인터록 신호생성모듈(841)을 통해 펄스 주파수 변조 기준 전압(VPFM *)과 플라즈마 반응기(700)의 출력전압(V0)을 비교 판단한다(S22).
제 S22 단계의 판단결과, 플라즈마 반응기(700)의 출력전압(V0)이 펄스 주파 수 변조 기준 전압(VPFM *)보다 작을 경우, 제어기(800)는 펄스 주파수 변조모듈(811)을 통해 펄스 주파수 변조 기준 전압(VPFM *)과 플라즈마 반응기(700)의 출력전압(V0)을 비교하여 주파수 편차량(△f)을 생성한다(S24).
다음으로, 제어기(800)는 제1 가산 모듈(812)을 이용하여, 펄스 주파수 변조모듈(811)로부터 생성된 주파수 편차량(△f)을 초기 기동 주파수(fi)와 가산하고, 그 결과 스위칭 주파수(fs)를 가변시킨다(S26).
다음으로, 제어기(800)는 주파수 발진모듈(813)을 이용하여, 제1 가산 모듈(812)의 가변된 스위칭 주파수(fs)에 비례하는 펄스 주파수와 동기된 캐리어 신호를 생성한다(S28).
다음으로, 제어기(800)는 위상편이부(850)를 이용하여, 주파수 발진모듈(813)의 캐리어 신호 및 인터록 스위치(842)의 일정 듀티 출력값(DPFM *)을 비교하고(S30), 그 비교한 결과를 위상편이하여 인버터기를 동작시키는 게이트 구동펄스를 생성하고, 생성한 게이트 구동펄스를 게이트 구동기(900)에 인가한다(S32).
한편, 제 S22 단계의 판단결과, 플라즈마 반응기(700)의 출력전압(V0)이 펄스 주파수 변조 기준 전압(VPFM *) 보다 커질 경우, 제어기(800)는 인터록 신호생성모듈(841)을 통해 인터록 신호를 생성하고(S42), 제1 가산 모듈(812)을 통해 고정된 스위칭 주파수(fs)를 생성한다(S44).
다음으로, 제어기(800)는 주파수 발진모듈(813)을 이용하여, 제1 가산 모듈의 고정된 스위칭 주파수(fs)에 비례하는 펄스 주파수와 동기된 캐리어 신호를 생성한다(S46).
다음으로, 제어기(800)는 전력 제어부(820)를 통해 전력 기준값(P0 *)과 플라즈마 반응기(700)의 전력 계측값(P0)을 비교한 결과인 전압편차값(△V)을 생성한다(S48).
다음으로, 제어기(800)는 전력 제어부(820)의 전압편차값(△V)을 제2 가산 모듈(831)을 통해 펄스폭 변조 기준 전압(V0 *)을 가산하며(S50), 그 가산한 결과를 펄스폭 변조모듈(832)를 이용하여 플라즈마 반응기(700)의 출력전압(V0)과 비교하여 인버터기(300)를 동작시키는 게이트 구동펄스의 듀티 출력값(△Dv)을 생성한다(S52).
그리고, 제어기(800)는 인터록 신호생성모듈(841)을 통해 생성된 인터록 신호에 따라 인터록 스위치(842)를 통해 펄스폭 변조 제어부(830)의 출력인 인버터기(300)를 동작시키는 게이트 구동펄스의 듀티 출력값(△Dv) 및 주파수 발진모듈(813)의 캐리어 신호를 위상편이부(850)를 이용하여 비교하고(S54), 그 비교한 결과를 위상편이하여 인버터기를 동작시키는 게이트 구동펄스를 생성하고, 게이트 구동기(900)에 인가한다(S56).
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 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 제어기에 대한 구성도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 출력전압-시간 동작특성을 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 출력전압에 따른 주파수 특성을 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 출력전압에 따른 듀티 출력값을 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 펄스 주파수 가변동작에 대한 운전특성을 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 공진 주파수와 플라즈마 반응기의 전압을 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 위상 편이부의 출력펄스를 나타낸 그래프.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 제어 방법에 관한 전체적인 흐름도.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 반응기의 출력전압을 제어하기 위한 제어신호를 형성하는 단계에 관한 상세 흐름도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 정류기 200 : LC필터기
300 : 인버터기 400 : 공진 리액터기
500 : 블로킹 콘덴서기 600 : 변압기
700 : 플라즈마 반응기 800 : 제어기
810 : 펄스 주파수 변조 제어부 811 : 펄스 주파수 변조모듈
812 : 제1 가산 모듈 813 : 주파수 발진모듈
820 : 전력 제어부 830 : 펄스폭 변조 제어부
831 : 제2 가산 모듈 832 : 펄스폭 변조모듈
840 : 인터록 신호부 841 : 인터록 신호생성모듈
842 : 인터록 스위치 850 : 위상편이부

Claims (9)

  1. 플라즈마 반응기에 인가되는 교류 펄스 전압을 제어하기 위한 공진형 고전압 제어 장치에 있어서,
    직류전압을 교류 펄스 전압으로 변조하는 인버터기;
    상기 인버터기 후단에 위치하여, 플라즈마 반응기의 부하매칭을 위한 공진 리액터기;
    상기 인버터기의 출력전압을 승압시켜 상기 플라즈마 반응기로 인가하는 변압기;
    공진 리액터기의 출력전류와 변압기 1차측 전압을 검출하고, 상기 플라즈마 반응기의 출력전압이 펄스 주파수 변조 기준전압에 도달하기 전까지 펄스 주파수 변조 제어방식으로 제어신호를 형성하고, 상기 플라즈마 반응기의 출력전압이 펄스 주파수 변조 기준전압에 도달할 경우 펄스폭 변조 제어방식으로 제어신호를 형성하여, 상기 플라즈마 반응기의 출력전압을 일정하게 하는 제어기; 및
    상기 제어기로부터 인가된 제어신호의 전압을 증폭시켜 상기 인버터기로 인가하는 게이트 구동기; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    교류전원을 정류하여 직류전압으로 출력하는 정류기; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 정류기의 직류전압 리플을 저감시키는 LC필터기; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 변압기의 1차측 편자현상을 제거하는 블로킹 콘덴서기; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    펄스 주파수 변조 기준전압 및 플라즈마 반응기의 출력전압을 비교하고, 스위칭 주파수를 생성하여 플라즈마 반응기의 출력전압을 제어하는 펄스 주파수 변조 제어부;
    플라즈마 반응기의 전력제어를 수행하기 위해 전력 기준값과 전력 계측값을 비교하여 전압편차값을 출력하는 전력 제어부;
    상기 전력 제어부로부터 전압편차값을 입력받고, 인버터기를 동작시키는 게이트 구동펄스의 듀티 출력값을 가변시키는 펄스폭 변조 제어부;
    펄스 주파수 변조 기준전압 및 플라즈마 반응기의 전압을 비교하여 인터록 신호로 펄스폭 변조 제어부의 출력인 게이트 구동펄스의 듀티 출력값 또는 일정 듀티 출력값을 단속하는 인터록 신호부; 및
    펄스 주파수 변조 제어부의 스위칭 주파수와, 게이트 구동펄스의 듀티 출력값 또는 일정 듀티 출력값을 비교하고, 그 비교결과에 위상편이를 적용한 제어신호를 형성하여 상기 게이트 구동기로 인가하는 위상편이부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 펄스 주파수 변조 제어부는,
    펄스 주파수 변조 기준전압 및 플라즈마 반응기의 출력전압을 비교하여, 주파수 편차량을 생성하는 펄스 주파수 변조모듈;
    상기 펄스 주파수 변조모듈로부터 주파수 편차량을 입력받고, 그 입력받은 주파수 편차량과 초기 기동 주파수를 가산하여 스위칭 주파수를 생성하는 제1 가산모듈; 및
    상기 제1 가산모듈로부터 스위칭 주파수를 입력으로 받고, 상기 스위칭 주파수에 비례하는 펄스 주파수와 동기된 캐리어 신호를 생성하는 주파수 발진모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 펄스폭 변조 제어부는,
    상기 전력 제어부로부터 전압편차값을 입력받고, 그 입력받은 전압편차값에 펄스폭 변조 기준전압을 가산하는 제2 가산모듈; 및
    상기 제2 가산모듈로부터 출력결과를 입력받고, 플라즈마 반응기의 출력전압과 비교하여, 인버터기를 동작시키는 게이트 구동펄스의 듀티 출력값을 출력하는 펄스폭 변조모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 인터록 신호부는,
    상기 펄스 주파수 변조 기준전압 및 플라즈마 반응기의 출력전압을 비교하여, 그 비교결과에 따라 인터록을 위한 인터록 신호를 출력하는 인터록 신호생성모듈; 및
    상기 펄스폭 변조 제어부로부터 듀티 출력값을 입력받고, 상기 인터록 신호생성모듈과 연결되어, 인터록 신호생성모듈의 인터록 신호에 따라 상기 펄스폭 변조 제어부의 출력인 듀티 출력값 또는 일정 듀티 출력값에 대한 출력을 단속하는 인터록 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 인터록 스위치는,
    상기 플라즈마 반응기의 출력전압이 펄스 주파수 변조 기준전압에 도달하기 전까지 일정 듀티 출력값을 출력하고, 상기 인터록 신호생성모듈로부터 인터록 신호를 입력받는 경우, 일정 듀티 출력값에 대한 출력을 단속하고, 펄스폭 변조 제어부의 출력인 듀티 출력값을 출력하는 것을 특징으로 하는 용량성 부하특성을 갖는 공진형 고전압 제어 장치.
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