KR101519319B1 - 직류전원장치, 직류전원장치의 제어방법 - Google Patents

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Abstract

재기동시에 있어서의 펄스제어신호의 위상과 정지시에 있어서의 펄스제어신호의 위상을 일치시킴으로써, 재기동시에 있어서의 인버터 각 상의 출력전압 변동 및 부하에의 공급전압 변동을 억제한다. 직류전력을 플라즈마 발생장치에 공급할 때, 플라즈마 발생장치에 아크방전이 발생했을 때에, 직류전력의 공급을 정지하여 전극이나 기판의 손상을 저감하고, 또한 아크방전이 소호했을 때에, 직류전력의 공급을 재개한다. 직류출력의 정지·재개에 있어서, 정지시에 있어서 초퍼부에 흐르는 전류를 순환전류로서 유지하고, 인버터부의 재기동시에 있어서 이 순환전류를 부하에 공급함으로써, 직류출력의 재개시에 있어서의, 부하에의 직류전력의 공급지연을 저감한다.

Description

직류전원장치, 직류전원장치의 제어방법{DC POWER SUPPLY DEVICE, AND CONTROL METHOD FOR DC POWER SUPPLY DEVICE}
본 발명은, 직류전원장치에 관한 것으로서, 예컨대, 플라즈마 발생장치 등의 부하에 이용되는 직류전원장치, 직류전원장치의 제어방법에 관한 것이다.
플라즈마 발생용 장치에 이용하는 직류전원장치는, 아크발생시에 있어서 과잉전류를 억제하여, 아크의 소호(消弧; extinguishing the arc)를 고속으로 행하는 것이 요구되고 있다. 전압형의 직류전원은, 출력에 접속되는 큰 콘덴서에 의해서 아크발생시에 과잉인 방전전류가 흐르거나, 아크발생시의 출력전압 저하를 보충하기 위해서 더욱 출력을 증가시킴으로써 아크가 장시간화하는 등 부하에의 영향이 늘어난다고 하는 문제가 있다.
플라즈마 발생장치를 부하로 한 경우, 아크의 발생마다 직류전원은 기동·정지동작을 반복하게 된다. 고속의 기동·정지동작이 곤란하기 때문에, 불안정한 동작을 초래하게 된다. 이러한 문제에 대해서, 초퍼회로, 인버터, 전압변환회로를 구비하는 직류전원장치에 있어서, 정지시에, 초퍼의 메인스위치를 정지함과 함께 인버터를 동작시켜서 행하는 정지조작, 초퍼의 메인스위치를 동작시킨 상태로 인버터의 트랜지스터를 모두 ON시키는 정지동작, 초퍼의 메인스위치를 정지함과 함께 인버터의 트랜지스터를 모두 ON시키는 정지동작 중의 어느 하나를 행하고, 기동시에 있어서, 인버터를 작동시켜 초퍼회로로부터 출력하는 직류전압펄스의 펄스폭을 서서히 넓힘으로써, 인버터에의 대(大)전류를 억제하고, 기동시의 동작이 안정되고, 부하를 고속으로 기동·정지하는 직류전원장치가 제안되어 있다(특허문헌 1).
또한, 직류전원장치와 부하와의 사이에 아크에너지를 강제적으로 바이패스(bypass)시키는 단락스위치 회로를 설치하고, 이 단락스위치 회로를 일정시간마다 정기적으로 동작시켜 역 펄스를 발생시켜 아크방전을 억제함과 함께, 아크방전이 발생했을 때에 강제적으로 역 펄스를 발생시켜 아크에너지를 저감시키며, 아크방전이 소호한 후, 플라즈마 상태를 복귀시키는 스퍼터 전원용 아크 차단장치가 제안되어 있다(비특허문헌 1).
한편, 부하에 고주파전력을 공급하는 교류전원장치에 있어서, 부하인 플라즈마 발생장치에 아크방전이 발생하면, 회로가 단선하거나 쇼트하거나 하는 것 외에도, 전극이나 기판에 손상을 주는 경우가 있다. 이러한 아크방전의 발생을 억제하기 위해서, 아크방전을 검출한 후, 소정시간 고주파전력의 공급을 제한 또는 정지하고, 그 후, 다시 고주파전력을 복귀시키는 것이 알려져 있다.
아크방전을 검출한 후에 소정시간 고주파전력의 공급을 정지할 때에, 아크방전을 충분히 억제하기 때문에, 필요 이상으로 고주파전력의 공급을 장시간 정지하면, 글로우방전(glow discharge)의 유지가 곤란해진다고 하는 문제가 있다.
이러한 문제에 대해서, 아크방전 발생 후에 아크방전을 신속하게 억제하고, 아크방전 소실 후에 즉시 플라즈마 장치의 운전을 가능하게 하기 위해, 아크방전 검출 후에 펄스형상의 고주파를 공급하고, 아크방전의 크기에 따라 펄스형상의 고주파의 펄스폭을 제어하는 플라즈마 발생장치용 전원이 제안되어 있다(특허문헌 2).
일본 공개특허공보 2006-006053 (단락[0002]~단락[0012]) 일본 공개특허공보 평08-167500 (단락[0003]~단락[0011])
Origin Technical Journal No.73(2010) 1-7 스퍼터 전원용 아크 차단장치(펄스발생기) 「GEXUS-P30」나카무라 켄이치·미호야 히로시
직류전원장치에 따른 선행기술 중, 인버터를 구비하는 직류전원장치(특허문헌 1)는, 직류전원장치를 정지한 후, 인버터를 재기동할 때, 인버터의 제어를 개시시킨 후에 초퍼의 동작을 제어함으로써 플라즈마 발생장치를 재기동시키고 있다.
통상, 인버터를 펄스폭 제어하는 경우에는, 펄스신호를 생성하고, 이 펄스신호를 인버터의 각 스위칭소자에 게이트신호로서 입력하여, 스위칭소자의 온·오프 동작을 제어하고 있다.
인버터의 펄스폭 제어에서는, 브리지회로를 구성하는 각 아암에 있어서, 각 스위칭소자의 온·오프 동작의 위상이 소정관계가 되도록 직류·교류 변환을 행하고 있다. 이 펄스폭 제어에 있어서, 각 아암의 스위칭소자의 온·오프 동작의 위상이 소정관계에서 벗어난 경우에는, 얻어지는 각 상(相)의 출력전압에 변동이 생겨서, 부하에 공급하는 전압에 변동이 생긴다고 하는 문제가 생긴다.
상기한 직류전원장치는, 인버터의 재기동에 있어서, 재기동시에 있어서의 펄스제어신호의 위상은 정지시에 있어서의 펄스제어신호의 위상과 무관계로 설정되어 있다. 그로 인하여, 재기동시에 있어서, 각 상의 출력전압에 변동이 생겨서, 부하에 공급하는 전압에 변동이 생길 우려가 있다.
또한, 직류전원장치의 직류출력을 정지한 후에 복귀시킬 때에는, 직류전원장치가 구비하는 용량분 등에 의해서 발생하는 지연시간에 의해서, 인버터가 재기동하고나서 부하에 직류전력이 공급되기까지의 동안에 지연이 생긴다고 하는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하고, 인버터를 구비하는 직류전원장치에 있어서, 인버터의 재기동에 있어서, 재기동시에서의 펄스제어신호의 위상을 정지시에 있어서의 펄스제어신호의 위상과 일치시키는 것을 목적으로 한다.
또한, 재기동시에 있어서의 펄스제어신호의 위상을 정지시에 있어서의 펄스제어신호의 위상에 일치시킴으로써, 재기동시에 있어서의 인버터 각 상의 출력전압 변동을 억제하여, 부하에 공급하는 전압의 변동을 억제하는 것을 목적으로 한다.
또한, 직류전원장치의 직류출력의 복귀시에 있어서의, 부하에의 직류전력의 공급지연을 저감하는 것을 목적으로 한다.
본원발명은, 플라즈마 발생장치 등의 부하에 대해서 직류전력을 공급할 때에, 직류출력의 정지·복귀를 행하는 직류전원장치 및 직류전원장치의 제어방법에 관한 것이다.
플라즈마 발생장치를 부하로 하여 직류전력을 공급하는 경우에는, 부하인 플라즈마 발생장치에 아크방전이 발생했을 때에, 직류전원장치로부터 플라즈마 발생장치에의 직류전력의 공급을 정지함으로써 전극이나 기판의 손상을 저감한다. 또한, 아크방전이 소호했을 때에, 직류전원장치로부터 플라즈마 발생장치에의 직류전력의 공급을 복귀시킨다.
본원발명은, 직류전원장치의 직류출력의 정지·복귀에 있어서, 정지시에 있어서 초퍼부에 흐르는 전류를 순환전류로서 유지하고, 인버터부의 재기동시에 있어서 유지하고 있던 순환전류를 부하로 공급함으로써, 직류전원장치의 직류출력의 복귀시에 있어서의, 부하에의 직류전력의 공급지연을 저감한다.
또한, 정지시에 있어서의 게이트신호의 위상상태를 유지해 두고, 인버터부의 재기동시에 있어서 유지해 둔 게이트신호의 위상상태로부터 인버터부의 직교(DC-AC)변환을 개시함으로써, 재기동시에 있어서의 출력전압 변동을 억제한다.
[직류전원장치]
본원발명의 직류전원장치는, 직류원을 구성하는 전류형 초퍼부와, 전류형 초퍼부의 직류출력을 복수의 스위칭소자의 동작에 의해 다상의 교류전력으로 변환하는 다상 인버터부와, 다상 인버터부의 출력을 교직(AC-DC)변환하고, 부하에 직류를 공급하는 정류부와, 전류형 초퍼부 및 다상 인버터부를 제어하는 제어부를 구비한다.
통상의 전력공급 동작에 있어서, 전류형 초퍼부는 직류전력의 전압을 소정전압으로 변환하여 직류전류를 출력한다. 다상 인버터부는, 전류형 초퍼부의 직류출력을 복수의 스위칭소자의 동작으로 전류로(路)를 전환함으로써 다상의 교류전력으로 변환한다. 정류부는, 다상 인버터부에서 변환한 교류전력을 교직변환에 의해서 직류전력으로 변환하고, 변환한 직류전력을 부하에 공급한다.
직류전력을 부하에 공급하는 동작상태에 있어서, 부하인 플라즈마 발생장치에 있어서 아크방전이 발생하면, 부하전압이 강하함과 함께 전원측으로부터 부하를 향하여 과잉전류가 흐른다. 본원발명의 직류전원장치는, 이 아크방전이 발생했을 때에 전원측으로부터 부하에의 전력공급을 정지하고, 그 후, 아크방전이 소호한 후에 전원측으로부터 부하에의 전력공급을 복귀한다.
아크방전의 소호의 유무는, 부하전압 등의 전압검출에 의해서 판정하는 것 외에도, 아크방전이 발생하고 나서 아크방전이 소호할 때까지의 시간을 미리 설정해 두고, 이 설정시간의 경과에 기하여 소호했다고 판단해도 좋다.
본원발명의 직류전원장치는, 이하의 (a)~(c)에 나타낸 각 기능에 의해서, 전력공급의 정지시 및 복귀시에 있어서, 인버터부의 재기동시에 있어서의 펄스제어신호의 위상을 정지시에 있어서의 펄스제어신호의 위상에 일치시키고, 펄스제어신호의 위상을 맞춤으로써, 재기동시에 있어서의 인버터 각 상의 출력전압 변동을 억제하여, 부하로 공급하는 전압의 변동을 억제한다.
또한, 직류전원장치의 직류출력의 정지·재개에 있어서, 정지시에 있어서 초퍼부에 흐르는 전류를 순환전류로서 유지하고, 인버터부의 재기동시에 있어서 이 순환전류를 부하에 공급함으로써, 직류전원장치의 직류출력의 복귀시에 있어서의, 부하에의 직류전력의 공급지연을 저감한다.
(a) 전류형 초퍼부의 정지기능 및 인버터의 단락기능：
전원측으로부터 부하에의 전력공급을 정지하는 시점에 있어서, 전류형 초퍼부의 동작을 정지함과 함께, 인버터부의 입력 측에 있어서, 정(正)단자측과 부(負)단자측을 단락함으로써, 인버터부로부터 변압기 측을 향하는 전류를 정지시키는 기능
(b) 전류형 초퍼부의 순환전류의 유지기능：
전원측으로부터 부하에의 전력공급의 정지중에 있어서, 정지시에 전류형 초퍼부의 인덕터부에 흐르는 전류를 순환전류로서 유지해 두고, 전력공급의 복귀시에 있어서, 순환전류를 인버터부에 흐르게 함으로써 인버터부를 신속히 재기동시키는 기능
(c) 인버터의 게이트신호상태의 유지기능：
전원측으로부터 부하에의 전력공급의 정지중에 있어서, 정지시에 있어서의 인버터부를 제어하는 게이트신호상태를 유지해 두고, 전력공급의 복귀시에 있어서, 유지한 게이트신호상태로부터 인버터부의 제어를 재개시키는 기능
(a)의 전류형 초퍼부의 정지기능과 인버터부의 단락기능에 의해서, 아크방전시에 부하에의 전력공급을 정지하고, (b)의 전류형 초퍼부의 순환전류의 유지기능, 및 (c)의 인버터부의 게이트신호상태의 유지기능에 의해서, 인버터부를 신속히 재기동시킨다.
본 발명의 직류전원장치는, 아크발생장치를 부하로 하는 경우에 있어서, 아크발생장치의 아크상태를 검출하는 아크검출부를 구비하는 구성으로 하고, 제어부는 아크검출부의 검출신호에 기하여 직류출력의 정지·재개제어를 행할 수 있다. 제어부는, 아크의 발생검출에 기하여 정지제어를 행하고, 아크의 소실검출에 기하여 재기동제어를 행한다.
아크검출부는, 부하의 전압, 혹은, 직류전원장치의 출력단의 전압을 검출하고, 이 검출전압을 미리 정해둔 제1 임계치와 비교하여, 제1 임계치보다 저하했을 때에 아크발생을 검출한다.
또한, 아크발생을 검출한 후, 검출전압을 미리 정해둔 제2 임계치와 비교하여, 제2 임계치를 초과했을 때에 아크방전이 소실했다고 판단한다.
[직류전원장치의 제어방법]
본 발명의 직류전원장치의 제어부는, 직류전원장치의 직류출력의 정지시, 정지중, 및 재개시에 있어서 이하의 제어를 행하는 기능을 가지고 있다.
(직류전원장치의 직류출력의 정지시)
전원장치의 직류출력의 정지시의 제어는, 전류형 초퍼부의 메인스위치를 온 상태에서 오프 상태로 전환하고, 다상 인버터부를 구성하는 브리지회로의 게이트신호의 생성을 정지함과 함께, 브리지회로의 정단자와 부단자 사이를 단락한다.
직류전원장치는, 부하에 직류출력을 공급하고 있는 상태에서는, 전류형 초퍼부는 직류원의 직류전력을 소정전압으로 변환하여 다상 인버터부에 입력한다. 다상 인버터부는 직류전력을 교류전력으로 변환한다. 정류부는 다상 인버터부의 출력을 교직변환하고, 직류전력을 부하로 공급한다.
직류전원장치의 직류출력의 정지시에는, 전류형 초퍼부의 메인스위치를 온 상태에서 오프 상태로 전환함으로써, 직류원으로부터의 전력공급을 정지한다. 이 정지시에서, 다상 인버터부의 브리지회로의 정단자와 부단자 사이를 단락하면, 전류형 초퍼회로와 다상 인버터부와의 사이에서 폐회로가 형성된다. 폐회로에는, 정지시에 전류형 초퍼부의 인덕터에 축적된 에너지가 순환전류의 형태로 흐른다. 이 순환전류는, 인버터부를 재기동하여 직류출력을 복귀할 때에, 직류원으로부터 직류출력이 공급되는 것보다도 앞의 시점에서, 전류형 초퍼부에서 보아 부하 측에 존재하는 회로로 흐르게 하여, 인버터부로부터 부하에의 신속한 전력공급이 행해진다.
(직류전원장치의 직류출력의 정지중)
직류전원장치의 직류출력의 정지중의 제어는, 전류형 초퍼부의 메인스위치의 오프 상태와, 브리지회로의 정단자와 부단자 사이의 단락상태를 유지함과 함께, 브리지회로의 게이트신호상태를 정지시의 게이트신호상태로 유지한다.
직류전원장치의 직류출력의 정지중에는, 전류형 초퍼부의 메인스위치의 오프 상태를 유지함으로써, 직류원으로부터의 전력공급의 정지를 유지하고, 브리지회로의 정단자와 부단자 사이의 단락상태를 유지함으로써, 전류형 초퍼회로와 다상 인버터부와의 사이에서 형성되는 폐회로에 흐르는 순환전류를 유지한다. 또한, 브리지회로의 게이트신호상태를 정지시의 게이트신호상태로 유지함으로써, 인버터부를 재기동하여 직류전원의 직류출력을 복귀시키는 시점에서, 브리지회로의 펄스제어신호의 위상을 정지시의 위상상태로부터 계속하여 행할 수 있다.
(직류전원장치의 직류출력 복귀시)
직류전원장치의 직류출력 복귀시의 제어는, 전류형 초퍼부의 메인스위치를 오프 상태에서 온 상태로 전환하고, 브리지회로의 게이트신호의 생성을 정지시의 게이트신호상태로부터 재개하며, 생성한 게이트신호에 의해 다상 인버터부를 재기동한다.
직류전원장치의 직류출력 복귀시에는, 전류형 초퍼부의 메인스위치를 오프 상태에서 온 상태로 전환함으로써, 직류원의 직류전력을 소정전압에의 변환을 재개하고, 변환한 직류전력을 다상 인버터부에 입력한다. 이때, 다상 인버터부의 브리지회로는, 생성이 재개된 게이트신호에 의해서 온·오프 동작의 제어가 행해져 재기동된다. 이때, 브리지회로의 게이트신호의 생성을 정지시의 게이트신호상태로부터 재개함으로써, 브리지회로의 펄스제어신호의 위상을 정지시의 위상상태로부터 계속하여 행할 수 있다.
(단락제어의 형태)
제어부는, 직류전원장치의 직류출력의 정지시 및 정지중에 있어서 브리지회로의 정단자와 부단자 사이를 단락제어한다. 이 단락제어는 2가지의 형태로 행할 수 있다.
제1 형태는, 브리지회로의 부단자의 아암의 스위칭소자에 대해서, 브리지회로의 부단자의 전(全) 아암의 스위칭소자의 전부를 온 상태로 하는 펄스제어신호를 게이트신호로서 출력한다.
다상 인버터부의 브리지회로의 전환동작에 있어서, 정단자에 접속되는 복수 개의 아암 중 어느 하나의 아암은 온 상태로 되어 있다. 따라서, 브리지회로의 부단자의 전 아암의 스위칭소자 전부를 온 상태로 하는 펄스제어신호를 게이트신호로서 출력하면, 브리지회로의 정단자와 부단자의 사이가 단락한다.
제2 형태는, 브리지회로의 정단자 및 부단자의 아암 쌍에 있어서, 브리지회로의 정단자의 아암에 대해서 정지시의 정단자의 게이트신호상태에 있어서의 게이트신호를 출력하고, 정지시에 온 상태인 브리지회로의 정단자 아암의 스위칭소자와 쌍을 이루는 부단자 아암의 스위칭소자에 대해서, 이 부단자 아암의 스위칭소자를 온 상태로 하는 게이트신호를 출력한다.
이로써, 정지시와 동일 스위칭 상태에서, 온 상태로 되어 있는 정단자측 아암의 스위칭소자와 브리지회로에 있어서 이 정단자측의 스위칭소자와 쌍을 형성하는 부단자측의 스위칭소자가 전부 온 상태로 되어, 브리지회로의 정단자와 부단자 사이가 단락한다.
(재개시 제어의 형태)
제어부는, 직류전원장치의 직류출력의 복귀시에 있어서의 브리지회로의 스위칭소자의 제어를 2가지의 형태로 행할 수 있다.
제1 형태는, 단락제어의 제1 형태에 대응하는 것으로서, 브리지회로의 부단자 아암의 스위칭소자 전부를 온 상태로 하는 게이트신호를 정지하고, 각 스위칭소자의 게이트신호의 생성을 정지시의 게이트신호상태로부터 재개하고, 브리지회로의 정단자 및 부단자 아암의 스위칭소자에 게이트신호를 입력하여, 다상 인버터부를 재기동한다.
제2 형태는, 단락제어의 제2 형태에 대응하는 것으로서, 각 스위칭소자의 게이트신호의 생성을 정지시의 게이트신호상태로부터 재개하고, 브리지회로의 정단자 및 부단자 아암의 스위칭소자에 게이트신호를 입력하여, 다상 인버터부를 재기동한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 인버터를 구비하는 직류전원장치에 있어서, 인버터의 재기동에 있어서, 재기동시에 있어서의 펄스제어신호의 위상을 정지시에 있어서의 펄스제어신호의 위상과 일치시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 재기동시에 있어서의 펄스제어신호의 위상을 정지시에서의 펄스제어신호의 위상에 일치시킴으로써, 재기동시에 있어서의 인버터의 각 상의 출력전압 변동을 억제하여, 부하로 공급하는 전압의 변동을 억제할 수 있다.
또한, 직류전원장치의 직류출력 재개시에 있어서의, 부하에의 직류전력의 공급지연을 저감할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 직류전원장치의 구성예를 설명하기 위한 도이다.
도 2는, 본 발명의 스위칭제어부의 일구성예를 설명하기 위한 개략 블럭도이다.
도 3은, 본 발명의 직류전원장치의 동작예를 설명하기 위한 플로차트이다.
도 4는, 본 발명의 직류전원장치의 동작예를 설명하기 위한 타이밍차트이다.
도 5는, 본 발명의 직류전원장치의 아크방전 발생시 전류의 흐름을 설명하기 위한 도이다.
도 6은, 본 발명의 직류전원장치의 아크방전 소실시의 전류의 흐름을 설명하기 위한 도이다.
도 7은, 본 발명의 직류전원장치의 다른 구성예를 설명하기 위한 도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 이하에서는, 본 발명의 직류전원장치 및 제어방법에 대해서, 도 1, 도 2를 이용하여 직류전원장치의 구성예를 설명하고, 도 3~도 6을 이용하여 직류전원장치의 제어 예에 대하여 설명한다.
[직류전원장치의 구성예]
처음에, 본 발명의 직류전원장치의 구성예에 대하여 도 1, 도 2를 이용하여 설명한다.
도 1에 나타내는 본 발명의 직류전원장치(1)는, 교류전원(2)의 교류전력을 정류하는 정류부(10), 과도적으로 생기는 고전압을 억제하는 보호회로를 구성하는 스너버부(snubber, 20), 정류부(10)로부터 입력한 직류전력의 전압을 소정전압으로 변환하여 직류전류를 출력하는 전류형 초퍼부(30), 전류형 초퍼부(30)의 직류출력을 다상의 교류출력으로 변환하는 다상 인버터부(40), 다상 인버터부(40)의 교류출력을 소정전압으로 변환하는 다상 변압부(50), 다상 변압부(50)의 교류를 직류로 변환하는 다상 정류부(60)를 구비한다.
도 1에 나타내는 구성예에서는, 전류형 초퍼부(30)로서 전류형 강하 초퍼회로의 예를 나타내고 있지만, 전류형 강하 초퍼회로로 한정하지 않고 전류형 승압 초퍼회로 혹은 전류형 승강 초퍼회로라도 좋다.
이하에서는, 전류형 초퍼부로서 전류형 강하 초퍼회로의 경우에 대해 설명한다. 전류형 초퍼부(30)는, 스위칭소자(Q1)와 다이오드(D1)와 직류 리엑터(LF1)를 구비한다. 스위칭소자(Q1)는, 정류부(10)에서 정류한 직류전압을 초퍼제어함으로써 강압한다. 직류 리엑터(LF1)는, 초퍼제어한 직류를 전류 평활한다. 다상 인버터부(40)는, 전류형 초퍼부(30)에서 전류 평활된 직류를 입력하고, 다상 인버터부(40)가 구비하는 브리지회로의 스위칭소자를 제어함으로써 교직변환한다.
전류형 초퍼부(30)는, 출력단에 출력콘덴서(CF1)(도시하고 있지 않음)를 병렬접속하는 구성으로 해도 좋다. 통상, 전류형 강압 초퍼는 출력콘덴서를 구비하지 않는 구성이지만, 본 발명의 전류형 초퍼부(30)의 전류형 강압 초퍼회로에서는, 출력단에 출력콘덴서(CF1)를 접속하는 구성에 의해서, 다상 인버터부(40)의 스위칭소자 사이에서 전류(轉流)동작을 행할 때에 발생하는 서지전압이나, 각 스위칭소자에 직렬접속된 인덕턴스의 에너지를 흡수하여, 스위칭소자를 보호할 수 있다.
다만, 출력콘덴서(CF1)의 값은, 이 출력콘덴서 및 배선 인덕턴스에 의한 시상수(time constant)에 의하여 전류지연이 인버터동작의 전류(轉流)에 영향을 주지 않는 정도로 설정한다.
다상 인버터부(40)는, 상 수(相數)에 따른 스위칭소자를 브리지접속하여 구성되는 다상 인버터회로를 구비한다. 예컨대 3상의 경우에는, 3상 인버터회로는 6개의 스위칭소자에 의하여 구성된다. 스위칭소자는, 예컨대, IGBT나 MOSFET 등의 반도체 스위칭소자를 이용할 수 있다. 다상 인버터회로의 각 스위칭소자는, 스위칭제어부(81)의 제어신호에 기하여 스위칭동작을 행하여, 직류전력을 교류전력으로 변환하여 출력한다.
다상 정류부(60)는, 다상 인버터부(40)의 교류출력을 정류하여, 직류출력을 부하에 공급한다. 종래 알려진 다상 정류부는 출력부에 직류필터회로를 구비하는 구성으로 할 수 있다. 이 직류필터회로에 의해서, 다상 인버터부의 교류출력에 포함되는 고주파 리플분을 제거하고 있다. 직류필터회로는, 출력단에 병렬접속하는 출력콘덴서(CFO)와 직렬접속한 출력리엑터(LFO)(도시하고 있지 않음)에 의해서 구성할 수 있다.
다상 정류부(60)의 직류출력은 배선(90)이 구비하는 배선 인덕턴스(L0)를 통하여 출력되고, 직류전원장치(1)와 플라즈마 발생장치(4)와의 사이를 접속한 출력케이블(3)에 의해서 플라즈마 발생장치(4)에 공급된다.
본 발명의 직류전원장치(1)는, 고주파 리플분을 제거하는 구성으로서, 다상 정류부(60)에서, 직류필터회로를 대신하여 기생 임피더스를 이용할 수 있다. 예컨대, 인덕턴스분으로서 다상 정류부(60)와 출력단자와의 사이의 배선(90)의 인덕턴스(L0)나, 직류전원장치(1)와 부하와의 사이에 접속되는 출력케이블(3)에 포함되는 인덕턴스나 콘덴서, 혹은, 플라즈마 부하의 경우에는 플라즈마 발생장치(4)의 전극 용량(C0)을 이용할 수 있다. 상기한 다상 인버터부의 기생 임피더스, 및 출력케이블이나 전극 용량의 용량분은 실질적으로 직류필터회로를 구성하여, 다상 인버터부의 교류출력에 포함되는 고주파 리플분을 저감한다.
또한, 직류전압의 리플분은, 다상 인버터회로의 구동주파수를 낮추면 증가하는 특성이 있다. 그로 인하여, 다상 인버터회로의 구동주파수를 높임으로써, 출력콘덴서(CFO) 및 출력리엑터(LFO)의 필요성을 저하시킬 수 있다. 또한, 다상 인버터회로의 구동주파수를 높임으로써, 직류전원장치(1)가 내부에 보유하는 에너지를 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 직류전원장치(1)는, 전류형 초퍼부(30)를 제어하는 제어부(80), 및 다상 인버터부(40)를 제어하는 스위칭제어부(81)를 구비한다.
제어부(80)는, 전류형 초퍼부(30)의 스위칭소자(Q1)를 초퍼제어하는 회로이고, 스위칭소자(Q1)의 출력전류인 초퍼전류, 및 직류전원장치(1)의 출력전압을 검출하고, 이 초퍼전류 및 출력전압의 검출치에 기하여, 전류형 초퍼부(30)의 출력이 미리 설정한 소정의 전류치 및 소정의 전압치가 되도록 제어한다.
스위칭제어부(81)는, 다상 인버터부(40)의 브리지회로를 구성하는 각 아암에 접속된 스위칭소자의 스위칭동작을 제어한다. 다상 인버터부(40)는 스위칭소자의 제어에 의해서, 입력한 직류를 교류로 직교변환한다.
다상 인버터부(40)는, 예컨대 3상 인버터의 경우에는, 예컨대, 도 5, 도 6에 나타내는 바와 같이 6개의 아암을 가지는 브리지회로에 의해서 구성된다. 각 아암에는 각각 스위칭소자(QR, QS, QT, QX, QY, QZ) 6개의 스위칭소자가 설치된다. 스위칭소자(QR)와 스위칭소자(QX)를 직렬접속하고, 스위칭소자(QS)와 스위칭소자(QY)를 직렬접속하며, 스위칭소자(QT)와 스위칭소자(QZ)를 직렬접속한다.
스위칭소자(QR)와 스위칭소자(QX)의 접속점(R)은, 인덕턴스(Lm1)를 통하여 3상 변압기(51)의 R상분으로서 접속되고, 스위칭소자(QS)와 스위칭소자(QY)의 접속점(S)은, 인덕턴스(Lm2)를 통하여 3상 변압기(51)의 S상분으로서 접속되며, 스위칭소자(QT)와 스위칭소자(QZ) 접속점(T)은, 인덕턴스(Lm3)를 통하여 3상 변압기(51)의 T상분으로서 접속된다. 다만, 도 5, 도 6은, 인덕턴스(Lm1, Lm2, Lm3)를 생략하여 나타내고 있다.
전류형 인버터의 제어로서, 일정 입력전류 하에서 출력전류의 크기를 바꾸는 PWM제어가 알려져 있다. PWM제어에서는, 반송파와 변조파를 비교함으로써 각 상에 대하여 펄스제어신호를 형성한다. 3상 인버터의 경우에는, 각 상의 펄스제어신호는 각각 120°의 도통기간을 가지고, 이 펄스제어신호에 의해서 인버터의 각 아암의 스위칭소자의 온·오프를 제어하고, 각각 120°의 위상차를 가진 R상, S상, 및 T상의 전류를 형성한다.
제어부(80) 및 스위칭제어부(81)에는, 직류전원장치(1)의 출력단 혹은 부하 측으로부터 피드백신호가 귀환된다. 피드백신호는, 예컨대, 직류전원장치(1)의 출력단의 전압으로 할 수 있다.
다음으로, 도 2를 이용하여 스위칭제어부(81)의 일구성예를 설명한다. 도 2는, 스위칭제어부의 일구성예를 설명하기 위한 개략 블럭도이다.
스위칭제어부(81)는, 다상 인버터부의 스위칭소자의 온·오프를 제어하는 펄스제어신호를 생성하는 펄스제어신호 생성회로(81a)와, 브리지회로의 정단자와 부단자와의 사이를 단락시키는 단락용 온 신호를 생성하는 단락용 온 신호 생성회로(81d)와, 펄스제어신호 생성회로(81a)에서 생성한 펄스제어신호와 단락용 온 신호 생성회로(81d)에서 생성한 단락용 온 신호로부터 게이트신호를 생성하는 게이트신호 생성회로(81b)와, 게이트신호 생성회로(81b)에서 생성한 게이트신호를 유지하여 출력하는 게이트신호 유지회로(81c)를 구비한다.
게이트신호 생성회로(81b)는, 펄스제어신호 생성회로(81a)에서 생성한 펄스제어신호와, 단락용 온 신호 생성회로(81d)에서 생성한 단락용 온 신호로부터 게이트신호를 생성한다.
게이트신호 유지회로(81c)는, 게이트신호 생성회로(81b)에서 생성한 게이트신호를 유지하여 출력하는 회로이고, 후술하는 아크발생신호에 기하여 유지동작 혹은 유지동작을 해제하는 해제동작을 행한다. 게이트신호 생성회로(81b)로부터 입력한 게이트신호는 유지동작에 의해서 유지되고, 유지상태의 게이트신호를 출력한다. 또한, 해제동작에서는 유지동작을 해제하고, 게이트신호 생성회로(81b)로부터 입력되는 게이트신호를 출력한다.
스위칭제어부(81)는 아크검출회로(82)에서 검출한 아크발생신호를 입력한다. 아크검출회로(82)는, 예컨대, 부하 혹은 출력단의 전압에 기하여, 부하의 아크발생장치에서의 아크방전 발생상태를 검출한다.
아크검출회로(82)에 의한 아크상태의 검출은, 예컨대, 부하의 전압, 혹은, 직류전원장치의 출력단의 전압을 미리 정해둔 제1 임계치와 비교하여, 검출전압이 제1 임계치보다 저하했을 때에 아크방전이 발생한 것을 검출한다. 또한, 아크방전의 발생을 검출한 후, 검출한 전압을 미리 정해둔 제2 임계치와 비교하여, 검출전압이 제2 임계치를 초과했을 때에 아크방전이 소실했다고 판단한다.
아크검출회로(82)는 아크방전의 발생을 검출하면, 펄스제어신호 생성회로(81a)의 각 생성동작을 일시정지시킴과 함께, 그 신호상태를 유지시킨다.
아크검출회로(82)는, 아크방전 발생을 검출한 후, 아크방전이 소실했다고 판단했을 때에는, 펄스제어신호 생성회로(81a)의 유지상태를 해제하여 생성동작을 재개한다. 펄스제어신호 생성회로(81a)는, 아크방전 발생시의 신호상태에서 각 신호의 생성을 재개한다.
아크검출회로(82)는, 상기한 펄스제어신호 생성회로(81a)에 아크발생신호를 입력하는 것 외에도, 게이트신호 유지회로(81c) 및 단락용 온 신호 생성회로(81d)에도 아크발생신호를 입력한다.
게이트신호 유지회로(81c)는 아크발생신호를 받아, 아크방전 발생이 검출되었을 때에는 그 시점에서의 게이트신호를 유지함과 함께, 유지한 시점의 게이트신호를 출력한다. 게이트신호 유지회로(81c)는, 아크방전 발생이 검출된 후의 아크발생신호에 의해서 아크방전이 소실되었다고 판단하면, 게이트신호의 유지를 해제하고, 게이트신호 생성회로(81b)에서 생성된 게이트신호를 출력한다.
또한, 게이트신호 유지회로(81c)는, 아크방전의 발생이 검출되고나서의 경과시간을 계시(計時)하고, 경과시간이 미리 설정된 유지시간(tarc)이 경과됨으로써 아크방전이 소실되었다고 판단하고, 게이트신호의 유지를 해제하고, 게이트신호 생성회로(81b)에서 생성된 게이트신호를 출력해도 좋다. 유지시간(tarc)은, 아크방전이 발생하기 직전의 직류전류를 순환전류(Δi)로서 흐르게 하는 전류상태를 유지하는 시간이다. 이 유지시간(tarc)은 임의로 설정할 수 있고, 예컨대, 제어대상인 부하에 대해 아크방전이 발생하고나서 소실하기까지에 요하는 시간을 미리 구해두고, 이 시간에 변동폭으로부터 예측되는 마진(margin)분을 더하는 등에 의해서 정할 수 있다.
단락용 온 신호 생성회로(81d)는, 아크방전 발생신호를 입력하면, 다상 인버터부의 정단자와 부단자와의 사이를 단락하기 위한 단락용 온 신호를 생성한다. 단락용 온 신호는, 다상 인버터부의 정단자측의 아암에 설치된 스위칭소자와, 부단자측의 아암에 설치된 스위칭소자를 모두 온 상태로 함으로써, 다상 인버터부의 정단자와 부단자와의 사이를 단락한다.
이 단락용 온 신호는 2가지의 형태로 할 수 있다.
제1 형태는, 브리지회로의 부단자의 아암의 스위칭소자에 대해서, 브리지회로의 부단자의 전(全) 아암의 스위칭소자 전부를 온 상태로 하고, 이로써 다상 인버터부의 정단자와 부단자와의 사이를 단락하는 형태이다.
다상 인버터부의 브리지회로의 전환동작에 있어서, 정단자에 접속되는 복수 개의 아암 중 어느 하나의 아암은 온 상태로 되어 있다. 브리지회로의 부단자의 전(全) 아암의 스위칭소자 전부를 온 상태로 하는 펄스제어신호를 게이트신호로서 출력함으로써, 브리지회로의 정단자와 부단자의 사이는 단락된다.
제2 단락용 온 신호는, 브리지회로의 부단자의 전(全) 아암의 스위칭소자 전부를 온 상태로 하는 펄스제어신호이다. 게이트신호 생성회로(81b)에 있어서, 펄스제어신호 생성회로(81a)에서 생성된 통상의 펄스제어신호와, 단락용 온 신호 생성회로(81d)에서 생성한 단락용 온 신호를 OR조건으로 가산하여 게이트신호를 생성한다.
제2 형태는, 브리지회로의 정단자 및 부단자의 아암의 쌍에 있어서, 브리지회로의 정단자 아암에 대해서 정지시의 정단자의 게이트신호상태에 있어서의 게이트신호를 출력하고, 정지시에 온 상태인 브리지회로의 정단자의 아암의 스위칭소자와 쌍을 이루는 부단자의 아암의 스위칭소자를 검출하고, 이 부단자의 아암의 스위칭소자를 온 상태로 하고, 이로써 다상 인버터부의 정단자와 부단자와의 사이를 단락하는 형태이다.
이로써, 정지시와 동일 스위칭 상태에 있어서, 온 상태가 되어 있는 정단자측 아암의 스위칭소자와, 브리지회로에 있어서 이 정단자측의 스위칭소자와 쌍을 형성하는 부단자측의 스위칭소자가 함께 온 상태가 되어, 브리지회로의 정단자와 부단자 사이가 단락한다.
제1 단락용 온 신호는, 브리지회로의 온 상태의 정단자측 아암의 스위칭소자와 쌍을 이루는 부단자측 아암의 스위칭소자를 온 상태로 하는 펄스제어신호이다.
게이트신호 생성회로(81b)에 있어서, 펄스제어신호 생성회로(81a)에서 생성된 통상의 펄스제어신호와, 단락용 온 신호 생성회로(81d)에서 생성한 단락용 온 신호를 가산하여 게이트신호를 생성한다.
[직류전원장치의 동작예]
다음으로, 본 발명의 직류전원장치의 동작예에 대하여 도 3~도 6을 이용하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 직류전원장치의 동작예를 설명하기 위한 플로차트이고, 도 4는 본 발명의 직류전원장치의 동작예를 설명하기 위한 타이밍차트이고, 도 5는 본 발명의 직류전원장치의 아크방전 발생시 전류의 흐름을 설명하기 위한 도이고, 도 6은 본 발명의 직류전원장치의 아크방전 소실시 전류의 흐름을 설명하기 위한 도이다.
도 3의 플로차트는, 직류전원장치가 통상동작을 행하고 있는 상태에 있어서, 아크방전이 발생했을 때의 동작예(S1~S7), 및 아크방전이 소실했을 때의 동작예(S8~S15)를 나타내고 있다.
직류전원장치에 의한 부하에의 직류전력의 공급상태에 있어서, 부하의 아크발생장치에 있어서 아크방전이 발생하면, 부하의 입력전압 혹은 직류전원장치의 출력전압이 저하한다.
아크검출부는, 부하 혹은 직류전원장치 출력단의 전압을 검출하여 감시하고, 전압이 저하한 경우에는, 아크방전이 발생한 것을 검출한다. 아크방전의 발생검출은, 미리 정해둔 임계치와 검출치를 비교함으로써 행할 수 있다. 다만, 아크방전의 검출은, 전압의 검출치와 임계치와의 비교로 한정되는 것은 아니다(S1).
(아크방전이 발생했을 때의 동작예)
아크방전의 발생이 검출된 경우에는, 초퍼회로의 스위칭소자를 정지하고(S2), 단락용 온 신호 생성회로(81d)에서 생성한 단락용 온 신호에 의해서(S3), 다상 인버터부의 정단자와 부단자 사이를 단락한다(S4).
S2의 공정에 의해서 직류전원으로부터 초퍼회로에의 전력공급을 정지하고, 직류전원장치로부터 부하에의 직류전력의 공급을 정지하고, S3, S4의 공정에 의해서 초퍼회로와 다상 인버터부의 브리지회로와의 사이에서 폐회로를 형성한다. 초퍼회로의 인덕턴스에 흐르는 전류는, 형성된 폐회로를 순환전류(Δi)로서 순환한다(S5).
순환전류(Δi)는, 직류전원장치로부터 부하에의 직류전력의 공급을 재개했을 때에, 다상 인버터부에 공급되고, 다상 인버터부에 의한 직교변환의 상승을 앞당긴다.
또한, 직류전원장치의 정지시에 있어서, 그 정지시에 있어서의 다상 인버터부의 게이트신호를 유지하고(S6), 게이트신호 생성회로에 의한 게이트신호의 생성을 중단한다(S7).
S6의 게이트신호를 유지하는 공정, 및 S7의 새로운 게이트신호의 생성을 중단하는 공정에 의해서, 직류전원장치의 정지시에 있어서의 다상 인버터부의 직교변환의 변환상태를 유지할 수 있다.
(아크방전이 소실했을 때의 동작예)
아크방전의 발생이 검출된 후, 아크방전의 소실이 검출된 경우, 혹은, 아크방전의 소실이 상정되는 시간이 경과한 경우에는(S8), 초퍼회로의 스위칭소자를 온 상태로 전환하고(S9), 단락용 온 신호의 출력을 종료함으로써(S10), 다상 인버터부의 정단자와 부단자 사이의 단락을 정지한다(S11).
S9의 공정에 의해서 직류전원으로부터 초퍼회로에의 전력공급을 재개하고, S10, S11의 공정에 의해서 초퍼회로와 다상 인버터부의 브리지회로와의 사이에서 형성되어 있던 폐회로에 흐르는 순환전류(Δi)를 다상 인버터의 브리지회로로 공급한다(S12).
S9의 공정에 의해서 초퍼회로의 도통을 재개했을 때에는, 초퍼회로가 가지는 인덕턴스나 부유 용량에 의해서, 직류전원으로부터 다상 인버터부로 공급되는 직류전류에 지연이 생긴다. 이에 대해서, 순환전류(Δi)는, 다상 인버터부의 정단자와 부단자 사이의 단락이 정지하고, 초퍼회로와 다상 인버터부와의 사이에 전류로가 형성됨으로써, 직류전원으로부터 직류전류가 공급되는 것보다도 먼저 다상 인버터부로 공급되어, 다상 인버터부의 재기동을 앞당길 수 있다.
또한, 직류전원장치의 직류출력의 복귀시에 있어서, 게이트신호의 유지를 종료하고(S13), 유지하고 있던 위상상태에서부터 게이트신호의 생성을 재개한다(S14).
S13, S14의 공정에 의해서, 직류전원장치가 정지한 시점의 위상상태와 동일 위상상태에서부터 게이트신호를 생성할 수 있다.
직류전원장치의 동작을 종료할 때까지, S1~S14의 공정을 반복한다(S15).
도 4의 타이밍차트는 다상 인버터로서 3상 인버터를 이용한 예로서, 도 4 (a)는 직류전원장치의 출력전압(V0)을 나타내고, 도 4 (b)는 아크검출부에 의한 아크검출신호를 나타내고, 도 4 (c)는 초퍼회로의 운전상태를 나타내고, 도 4 (d)~(i)는 3상 인버터의 각 아암에 설치된 스위칭소자의 구동을 제어하는 게이트신호를 나타내고, 도 4 (j)는 3상 인버터의 정단자와 부단자 사이를 단락하는 단락용 온 신호를 나타내고 있다.
도 4 (d), (f), (h)는 3상 인버터의 정단자측 아암의 스위칭소자(QR, QS, QT)를 구동하는 게이트신호를 나타내고, 도 4 (e), (g), (i)는 3상 인버터의 부단자측 아암의 스위칭소자(QX1, QY1, QZ1)를 구동하는 게이트신호이다. 또한, 스위칭소자(QR)와 스위칭소자(QX1)와는 쌍을 이루고, 스위칭소자(QS)와 스위칭소자(QY1)와는 쌍을 이루고, 스위칭소자(QT)와 스위칭소자(QZ1)와는 쌍을 이루고 있다. 또한, 게이트신호는 도면 속의 1~12를 붙인 12구간을 1주기로 하여 표시하고 있다.
도 4에서는, 12구간 중 구간 "1" 중의 시점에서 아크방전이 발생한 시점에서 직류전원장치에 의한 직류전류의 공급을 정지하고, 임의로 설정 가능한 유지시간(tarc)이 경과한 시점에서 아크방전이 소실했다고 판단하여, 인버터부를 재기동하여 직류전류의 공급을 재개하고 있다.
도 4의 가로축은 위상으로 나타내고 있기 때문에, 유지시간(tarc)의 구간은 "ω×tarc"의 위상으로 표시된다(도 4 (a)). 유지시간(tarc)은, 아크방전이 발생했을 때의 상태를 유지하는 구간이고, 아크방전이 발생하고나서 소실할 때까지의 구간에 상당하며, 임의로 설정할 수 있다.
출력전압(V0)은, 아크방전이 발생한 시점에서 저하하고, "ω×tarc"의 위상분이 경과하여 아크방전이 소실했다고 판단되는 시점에서 복귀한다. 아크검출부는 출력전압(V0)을 모니터하여, 출력전압(V0)의 저하를 검출한 시점에서 아크발생신호의 출력을 개시하고, 출력전압(V0)의 복귀를 검출한 시점, 혹은 유지시간(tarc)이 경과 한 시점에서 아크발생신호의 출력을 종료한다(도 4 (b)).
초퍼회로는 아크발생신호를 받으면, 1 주기를 구성하는 복수 구간(도 4에서는, 12구간) 내의 1구간에서, 아크발생신호를 받은 시점이 포함되는 1구간의 최후까지 운전을 계속하여 초퍼출력인 직류전류를 3상 인버터부에 공급한다. 도시하는 예에서는, 구간 "1"의 도중에서 아크발생신호를 받고 있기 때문에, 구간 "1" 최후의 시점에서 초퍼회로의 운전을 정지한다.
게이트신호 생성부는, 통상운전에 있어서, 3상의 각 상에 대해 신호폭을 2π／3, 신호간격을 4π／3으로 게이트신호를 2π／3의 간격을 두고 출력한다. 예컨대, 정단자측의 스위칭소자(QR)의 게이트신호(도 4 (d))는, 1~4의 구간을 온 상태로 하고, 5~12의 구간을 오프 상태로 한다. 스위칭소자(QS)의 게이트신호(도 4 (f))는, 5~8의 구간을 온 상태로 하고, 9~12의 구간 및 1~4의 구간을 오프 상태로 한다. 또한, 스위칭소자(QT)의 게이트신호(도 4(h))는, 9~12의 구간을 온 상태로 하고, 1~8의 구간을 오프 상태로 한다.
스위칭제어부는, 아크발생신호를 받으면, 게이트신호가 아크발생신호를 받은 시점에서 출력상태에 있는 경우에는, 출력상태를 유지하고 게이트신호의 출력을 유지한다. 그 후, 아크방전의 소실을 검출, 혹은 유지시간이 경과하여 아크발생신호가 종료하면, 게이트신호의 생성을 재개하여, 아크발생신호를 받은 시점에서 나머지 구간 분의 게이트신호를 생성한다.
따라서, 아크발생시점 전의 구간폭과 아크소실시점 후 혹은 유지시간경과 후의 구간폭을 맞춘 구간폭은 게이트신호의 2π／3 분의 구간폭이 된다.
예컨대, 정단자 측의 스위칭소자(QR)의 게이트신호(도 4 (d))에서는, 구간 "1"의 처음 시점에서 아크방전이 발생한 시점까지의 "ω×t1"분을 온 상태로 하고, 아크방전이 계속되고 있는 "ω×tarc"구간의 사이에서 온 상태를 유지한다. 또한, 아크방전이 소실 혹은 유지시간이 경과한 시점에서, 2π／3의 신호폭의 나머지분인 "2π／3－ω×t1"분만큼 온 상태를 계속한다. 이로써, 아크발생시점 전의 구간폭 "ω×t1"과 아크소실시점 후 혹은 유지시간이 경과 후의 구간폭"2π／3－ω×t1"을 합하여 2π／3 분의 구간폭의 온 상태의 게이트신호가 출력되게 된다.
아크방전의 발생시점에서 게이트신호가 오프 상태에 대해서도 마찬가지의 동작제어가 행해진다. 예컨대, 정단자측의 스위칭소자(QS)의 게이트신호(도 4 (f))에서는, 구간 9~12와, 구간 "1"의 도중으로서 아크방전이 발생한 시점까지의 구간을 합한 "π／3＋ω×t1"분을 오프 상태로 하고, 아크방전이 계속되고 있는 "ω×tarc"구간 사이에서 오프 상태를 유지한다. 또한, 아크방전이 소실한 시점 혹은 유지시간이 경과한 시점에서, 4π／3의 신호폭의 나머지분인 "2π／3－ω×t1"분만큼 오프 상태를 계속한다. 이로써, 아크발생시점 전의 구간폭"2π／3＋ωt1"과 아크소실시점 후 혹은 유지시간이 경과 후의 구간폭"2π／3－ω×t1"을 합하여 4π／3 분의 구간폭의 오프 상태의 게이트신호가 출력되게 된다.
또한, 아크방전의 발생시점에서 아크방전의 소실시점이라고 판단되는 시점까지의 사이에서 임의로 설정 가능한 유지시간(tarc) 사이는, 도 4 (j)의 단락용 온 신호가 출력된다.
도 5는 아크방전의 발생시 회로상태를 나타내고 있다. 아크방전의 발생시에는, 아크검출신호에 의해서 초퍼회로의 스위칭소자(Q1)를 오프 상태로 하고, 직류전원으로부터의 전류공급을 정지함과 함께, 단락용 온 신호에 의해서 3상 인버터를 단락하고, 초퍼회로와 3상 인버터와의 사이에서 폐회로를 형성하여, 순환전류(Δi)를 흐르게 한다.
도 5 (a)는, 3상 인버터의 부단자측 아암의 스위칭소자(QX, QY, QZ) 전부를 온 상태로 하고, 이 스위칭소자와, 정단자측 아암의 스위칭소자(QR, QS, QT) 내의 온 상태로 되어 있는 스위칭소자에 의해서 폐회로를 형성하는 예를 나타내고 있다. 도 5 (a)에서는, 정단자측 아암의 스위칭소자(QR)와, 부단자측 아암의 스위칭소자(QX, QY, QZ) 전부가 온 상태로 되고, 이 스위칭소자(QR, QX, QY, QZ), 다이오드(D1), 및 LF1의 인덕턴스로 형성되는 폐회로에 순환전류가 흐르는 예를 나타내고 있다.
또한, 도 5 (b)는, 3상 인버터의 부단자측 아암의 스위칭소자(QX, QY, QZ) 내에서, 정단자측 아암의 스위칭소자(QR, QS, QT) 내에서 온 상태로 되어 있는 스위칭소자와 쌍을 이루고 있는 스위칭소자를 검출하여 온 상태로 하고, 이로써 폐회로를 형성하는 예를 나타내고 있다. 도 5 (b)에서는, 정단자측 아암의 스위칭소자(QR)와, 이 스위칭소자(QR)와 쌍을 이루고 있는 부단자측 아암의 스위칭소자(QX)가 온 상태로 되고, 이 스위칭소자(QR, QX), 다이오드(D1), 및 직류 리엑터(LF1)로 형성되는 폐회로에 순환전류가 흐르는 예를 나타내고 있다.
도 6은 아크방전의 소실시 회로상태를 나타내고 있다. 아크방전 소실시에는, 아크검출신호에 의해서 초퍼회로의 스위칭소자(Q1)를 오프 상태에서 온 상태로 전환하고, 직류전원으로부터의 전류공급을 재개함과 함께, 단락용 온 신호를 정지함으로써 3상 인버터의 단락상태를 해제한다. 초퍼회로와 3상 인버터와의 사이의 폐회로에 흐르고 있던 순환전류(Δi)는, 3상 인버터 측으로 공급된다. 3상 인버터에는, 순환전류(Δi)에 계속하여, 스위칭소자(Q1)를 통해 직류전원으로부터 직류전류가 공급된다.
도 6 (a)는, 순환전류(Δi)가 3상 인버터에 흐르는 상태를 나타내고 있다. 3상 인버터의 스위칭제어에 있어서, 스위칭소자(QR)와 스위칭소자(QY)가 온 상태에서 정지한 경우에는, 정지시와 마찬가지로, 스위칭소자(QR)와 스위칭소자(QY)가 온 상태에서 재기동을 행한다. 3상 인버터의 재기동에 의해서, 순환전류(Δi)는, 스위칭소자(QR), 접속점(R), 3상 변압기, 접속점(S), 및 스위칭소자(QY)의 선로를 통해 흐른다.
도 6 (b)는, 순환전류(Δi)가 흐른 후, 스위칭소자(Q1)를 통해 직류전원으로부터 공급된 전류가 3상 인버터에 흐르는 상태를 나타내고 있다. 직류전원으로부터의 전류는, 스위칭소자(QR), 접속점(R), 3상 변압기, 접속점(S), 및 스위칭소자(QY)의 선로를 통해 흐른다. 이후, 3상 인버터는, 통상의 동작과 마찬가지로 스위칭소자를 게이트신호로 도통 제어하여 직교변환을 행한다.
도 7은, 본원발명의 직류전원장치의 다른 구성예를 나타내고 있다. 상기한 구성예는, 3상 인버터의 스위칭소자의 온 상태를 제어함으로써 3상 인버터를 단락하는 예이다. 이에 대해서, 도 7에 나타내는 구성예는, 3상 인버터의 단락을 대신하여, 초퍼회로와 3상 인버터와의 사이에 스위칭소자(Q3)를 병렬접속한다. 이 스위칭소자(Q3)를 단락용 온 신호에 의해서 온 상태로 함으로써, 초퍼회로의 출력단 사이를 단락하고, 초퍼회로에 형성한 폐회로 내에서 순환전류를 흐르게 한다.
한편, 상기 실시형태 및 변형예에 있어서의 기술은, 본 발명에 따른 전류형 인버터 장치 및 전류형 인버터 장치의 제어방법의 일례이며, 본 발명은 각 실시형태로 한정되지 않고, 본 발명의 취지에 기하여 여러 가지 변형하는 것이 가능하며, 이들을 본 발명의 범위에서 배제하는 것은 아니다.
산업상의 이용 가능성
본 발명의 전류형 인버터 장치는, 플라즈마 발생장치에 전력을 공급하는 전력원으로서 적용할 수 있다.
1. 직류전원장치 　2. 교류전원
3. 출력케이블 　4. 플라즈마 발생장치
10. 정류부 　20. 스너버부
30. 전류형 초퍼부 　40. 다상 인버터부
50. 다상 변압부 　51. 상 변압기
60. 다상 정류부 　80. 제어부
81. 스위칭제어부 81a. 펄스제어신호 생성회로
81b. 게이트신호 생성회로 　81c. 게이트신호 유지회로
81d. 단락용 온 신호 생성회로 　82. 아크검출회로
90. 배선 C0. 전극 용량
CF1. 출력콘덴서 　CFO. 출력콘덴서
D1. 다이오드 　L0. 배선 인덕턴스
LF1. 직류 리엑터 LFO. 출력리엑터
Lm1, Lm2, Lm3. 인덕턴스 LR. 인덕턴스
Pc. 아크에너지 Q1. 스위칭소자
Q3. 스위칭소자 QR, QS, QT. 스위칭소자
QX, QY, QZ. 스위칭소자 R. 접속점
S. 접속점 T. 접속점
tarc. 유지시간 Vo. 출력전압
Δi. 순환전류

Claims (10)

  1. 직류원을 구성하는 전류형 초퍼부와, 상기 전류형 초퍼부의 직류출력을 복수의 스위칭소자의 동작에 의해 다상의 교류전력으로 변환하는 다상 인버터부와, 상기 다상 인버터부의 출력을 교직변환하여, 얻어진 직류를 부하로 공급하는 정류부와, 상기 전류형 초퍼부 및 상기 다상 인버터부를 제어하는 제어부를 구비하는 직류전원장치로서,
    상기 제어부는, 직류출력의 정지·복귀제어를 행하는 제어기능에 있어서,
    상기 정지·복귀제어를 행하는 제어기능은,
    직류전원장치의 직류출력 정지시에 있어서,
    상기 전류형 초퍼부의 메인스위치를 온 상태에서 오프 상태로 전환하고,
    상기 다상 인버터부를 구성하는 브리지회로의 게이트신호의 생성을 정지함과 함께, 상기 브리지회로의 정단자와 부단자 사이를 단락하는 정지제어와,
    직류전원장치의 직류출력의 정지중에 있어서,
    상기 전류형 초퍼부의 메인스위치의 오프 상태와,
    상기 브리지회로의 정단자와 부단자 사이의 단락상태를 유지하며,
    상기 브리지회로의 게이트신호의 위상상태를 정지시의 게이트신호의 위상상태로 유지하는 정지유지제어와,
    직류전원장치의 직류출력의 복귀시에 있어서,
    상기 전류형 초퍼부의 메인스위치를 오프 상태에서 온 상태로 전환하고,
    상기 브리지회로의 게이트신호의 생성을 상기 정지시의 게이트신호의 위상상태로부터 재개하여, 상기 게이트신호에 의해 상기 다상 인버터부를 재기동하는 복귀제어의 각 제어기능을 구비하는 것을 특징으로 하는, 직류전원장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는, 브리지회로의 정단자와 부단자 사이를 단락하는 정지제어에 있어서,
    펄스폭 제어에 의한 펄스제어신호의 생성을 정지하고,
    정지시의 펄스제어신호와, 상기 브리지회로의 부단자측의 모든 스위칭소자를 온 상태로 하는 펄스제어신호와의 양 펄스제어신호의 OR출력을 게이트신호로서 출력하는 제어기능을 가지는 것을 특징으로 하는, 직류전원장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는, 브리지회로의 정단자와 부단자 사이를 단락하는 정지제어에 있어서,
    상기 브리지회로의 정단자측 및 부단자측의 아암 쌍에 있어서,
    브리지회로의 정단자측의 아암에 대해서, 정지시의 정단자측의 게이트신호상태에서의 게이트신호를 출력하고,
    정지시에 온 상태인 브리지회로의 정단자측 아암의 스위칭소자와 쌍을 이루는 부단자측 아암의 스위칭소자에, 상기 부단자측 아암의 스위칭소자를 온 상태로 하는 펄스제어신호를 게이트신호로서 출력하는 제어기능을 가지는 것을 특징으로 하는, 직류전원장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 복귀제어에 있어서,
    상기 브리지회로의 부단자 아암의 스위칭소자 전부를 온 상태로 하는 펄스제어신호를 정지하고,
    각 스위칭소자의 게이트신호의 생성을 정지시의 게이트신호상태로부터 재개하며, 브리지회로의 정단자측 및 부단자측 아암의 스위칭소자에 게이트신호를 출력하는 것을 특징으로 하는, 직류전원장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 복귀제어에 있어서,
    상기 브리지회로의 쌍을 이루는 정단자측 및 부단자측 아암의 스위칭소자를 온 상태로 하는 펄스제어신호를 정지하고,
    각 스위칭소자의 게이트신호의 생성을 정지시의 게이트신호상태로부터 재개하고, 브리지회로의 정단자 및 부단자 아암의 스위칭소자에 게이트신호를 출력하는 것을 특징으로 하는, 직류전원장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    아크발생장치를 부하로 하고, 상기 아크발생장치의 아크상태를 검출하는 아크검출부를 구비하며,
    상기 제어부는, 상기 정지·복귀제어에 있어서,
    상기 아크검출부에 의한 아크의 발생검출에 기하여 직류출력의 정지제어를 행하고,
    상기 아크검출부에 의한 아크의 소실검출, 또는 임의로 설정 가능한 유지시간의 경과에 기하여 직류출력의 복귀제어를 행하는 것을 특징으로 하는, 직류전원장치.
  7. 직류원을 구성하는 전류형 초퍼부와, 상기 전류형 초퍼부의 직류출력을 복수의 스위칭소자의 동작에 의해 다상의 교류전력으로 변환하는 다상 인버터부와, 상기 다상 인버터부의 출력을 교직변환하고, 얻어진 직류를 부하로 공급하는 정류부와, 상기 전류형 초퍼부 및 상기 다상 인버터부를 제어하는 제어부를 구비하는 직류전원장치의 제어방법으로서,
    상기 제어부는, 정지제어, 정지유지제어, 및 복귀제어의 각 제어에 의해 직류출력의 정지 및 복귀를 제어하는 정지·복귀제어에 있어서,
    상기 정지제어는, 직류전원장치의 직류출력의 정지시에 있어서,
    상기 전류형 초퍼부의 메인스위치를 온 상태에서 오프 상태로 전환하고,
    상기 다상 인버터부를 구성하는 브리지회로의 게이트신호의 생성을 정지함과 함께, 상기 브리지회로의 정단자와 부단자 사이를 단락하며,
    상기 정지유지제어는, 직류전원장치의 직류출력의 정지중에 있어서,
    상기 전류형 초퍼부의 메인스위치의 오프 상태와, 상기 브리지회로의 정단자와 부단자 사이의 단락상태를 유지함과 함께,
    상기 브리지회로의 게이트신호의 위상상태를 정지시의 게이트신호의 위상상태로 유지하고,
    상기 복귀제어는, 직류전원장치의 직류출력의 복귀시에 있어서,
    상기 전류형 초퍼부의 메인스위치를 오프 상태에서 온 상태로 전환하고,
    상기 브리지회로의 게이트신호의 생성을 상기 정지시의 게이트신호의 위상상태로부터 재개하고, 상기 게이트신호에 의해 상기 다상 인버터부를 재기동하는 것을 특징으로 하는, 직류전원장치의 제어방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 부하의 전압강하에 기하여 직류출력을 정지하는 정지제어를 행하고,
    상기 부하의 전압강하의 계속, 또는 임의로 설정 가능한 유지시간에 기하여 직류출력의 정지를 유지하는 정지유지제어를 행하며,
    상기 부하의 전압강하로부터의 전압회복, 또는 상기 유지시간의 경과에 기하여 직류출력을 복귀하는 복귀제어를 행하는 것을 특징으로 하는, 직류전원장치의 제어방법.
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 제어부는, 다상 인버터부를 구성하는 브리지회로를 제어하고,
    상기 정지제어는, 직류전원장치의 직류출력의 정지시에 있어서,
    펄스폭 제어에 의한 펄스제어신호의 생성을 정지하고, 정지시의 펄스제어신호와, 상기 브리지회로의 부단자측의 모든 스위칭소자를 온 상태로 하는 펄스제어신호와의 양 펄스제어신호의 OR출력을 게이트신호로서 출력하고,
    상기 정지유지제어는, 직류전원장치의 직류출력의 정지중에 있어서,
    상기 정지시에서의 게이트신호를 계속하여 출력하고,
    상기 복귀제어는, 직류전원장치의 직류출력의 복귀시에 있어서,
    상기 브리지회로의 펄스제어신호의 생성을 상기 정지시의 펄스제어신호상태로부터 재개하고, 상기 펄스제어신호를 게이트신호로서 출력하는 것을 특징으로 하는, 직류전원장치의 제어방법.
  10. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 제어부는, 다상 인버터부를 구성하는 브리지회로를 제어하고,
    상기 정지제어는, 직류전원장치의 직류출력의 정지시에 있어서,
    펄스폭 제어에 의한 펄스제어신호의 생성을 정지하고,
    상기 브리지회로의 정단자측 및 부단자측의 아암 쌍에 있어서,
    브리지회로의 정단자측의 아암에 대해서 정지시의 정단자측의 펄스제어신호를 게이트신호로서 출력하고, 브리지회로의 부단자측의 아암에 대해서, 정지시에서 온 상태의 브리지회로의 정단자측의 아암과 쌍을 이루는 부단자측 아암의 스위칭소자를 온 상태로 하는 펄스제어신호를 게이트신호로서 출력하고,
    상기 정지유지제어는, 직류전원장치의 직류출력의 정지중에 있어서,
    상기 정지시에서의 게이트신호를 계속하여 출력하고,
    상기 복귀제어는, 직류전원장치의 직류출력의 복귀시에 있어서,
    상기 브리지회로의 펄스제어신호의 생성을 상기 정지시의 펄스제어신호상태로부터 재개하고, 상기 펄스제어신호를 게이트신호로서 출력하는 것을 특징으로 하는, 직류전원장치의 제어방법.
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