KR101609107B1 - 직류전원장치, 직류전원장치의 제어방법 - Google Patents

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Abstract

플라즈마 발생장치에 직류전력을 공급하는 직류전원장치에 있어서, 플라즈마 방전을 발생시키는 고압 전압을 형성하는 장치구성을 간이하고 소형화한다. 직류전원장치가 구비하는 전압형 강압초퍼부에 미소 시간만큼 단락전류를 흐르게 하여 리액터에 에너지를 축적하는 공정을 복수 회 반복하여 행하고, 리액터에 축적한 에너지를 출력용량에 방출하여 출력전압을 축차 상승시키고, 이로써 이그니션 설정전압까지 승압시킨다. 단락전류는, 직류전원장치가 구비하는 승압회로의 스위칭소자를 이용하여 형성한다. 단락전류의 축적과 해방에 의한 출력단의 승압을 반복함으로써, 직류전원장치 출력단의 전압을 이그니션 설정전압까지 승압한다.

Description

직류전원장치, 직류전원장치의 제어방법 {DC POWER SOURCE, AND DC POWER SOURCE CONTROL METHOD}
본원발명은, 직류전원장치에 관한 것으로서, 예컨대, 플라즈마 발생장치 등의 부하에 이용되는 직류전원장치, 직류전원장치의 제어방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스, 액정패널, 디스크 등의 제조나, 스퍼터링 처리 등에 있어서, 기판 등의 처리대상물에 플라즈마를 이용한 플라즈마 처리공정이 알려져 있다. 이 플라즈마 처리공정은, 직류전원장치로부터 플라즈마 발생장치로 직류전력을 공급하고, 플라즈마 발생장치 내의 공간에 있어서 처리가스를 플라즈마화 하는 등에 의하여 플라즈마를 발생시키고, 발생한 플라즈마에 의하여 기판의 표면에 성막처리나 에칭처리를 행한다.
통상, 플라즈마 발생장치는 직류전원장치에 있어서 전기적인 부하에 상당하고, 플라즈마 방전이 발생할 때까지의 플라즈마 방전 개시시의 부하와, 플라즈마 방전이 안정되게 발생하고 있는 통상운전시의 부하는 상이하다. 그로 인하여, 통상, 직류전원장치는, 플라즈마 방전 개시시에 있어서, 통상운전시의 전압보다 큰 이그니션 전압을 전극에 일정기간 인가하고, 그 후, 통상운전시의 저전압의 방전전압을 인가한다(특허문헌 1). 또, 플라즈마 방전의 개시를 돌입전류에 의하여 검출하는 것이 알려져 있다(특허문헌 2, 3).
또, 플라즈마 방전발생을 위한 이그니션 전압을 발생하는 회로로서 공진컨버터를 이용하는 것이나 초퍼제어를 이용하는 것이 알려져 있다.
도 13의 (a), (b)는 공진컨버터를 이용한 이그니션 전압발생회로로서, 도 13의 (a)는 직렬공진 컨버터의 회로 예를 나타내고, 도 13의 (b)는 병렬공진 컨버터 회로 예를 나타내고 있다. 도 13의 (a)에 나타내는 회로 예에서는, 인버터회로와 다이오드 정류회로로 구성되는 컨버터의 사이에 LC의 직렬공진회로를 접속하고, 도 13의 (b)에 나타내는 회로 예에서는, 인버터회로와 다이오드 정류회로로 구성되는 컨버터의 사이에 LC의 병렬공진회로를 접속하고 있다. 공진컨버터를 이용한 이그니션 전압발생회로는, 공진에 의하여 이그니션 전압을 상승시키고 있다.
도 13의 (c)는 초퍼제어회로 예로서, 직류원(Ein)과 인버터회로의 사이에 초퍼회로를 마련한다. 초퍼제어회로에서는, 초퍼회로가 구비하는 스위칭소자의 온듀티비에 의하여 이그니션 전압을 제어한다.
일본 특허공개 2010-255061호 공보 (단락 [0006]) 일본 특허공개 평11-229138호 공보 (단락 [0009]) 일본 특허공개 2002-173772호 공보 (단락 [0032]) 국제특허출원 PCT/JP2012/72854
특허문헌 2에 기재되는 장치에서는, 설정한 방전전압보다 큰 전압을 일정기간 인가함으로써 플라즈마를 발생시키고, 또, 특허문헌 3에 기재되는 장치에서는, 순간적으로 정격 이상의 전압을 인가함으로써 플라즈마 방전의 착화를 행하고 있다.
상기한 바와 같이, 플라즈마를 착화시키기 위하여 인가하는 전압은, 방전전압 혹은 정격전압보다 큰 전압을 일정기간 혹은 순간적으로 인가하고 있다. 플라즈마 방전의 발생에는 불균일이 있고, 인가전압이 낮은 경우에는 인가시간을 길게 설정할 필요가 있다.
짧은 인가시간으로 확실히 플라즈마 방전을 발생시키려면, 방전전압이나 정격전압보다 큰 전압을 발생시킬 필요가 있다.
그로 인하여, 플라즈마 발생장치에 직류전력을 공급하는 직류전원장치는, 플라즈마 방전발생에 이용하는 전압을 높이기 위해서 직류전원장치가 복잡화하고 대형화한다고 하는 문제가 있다.
또, 낮은 인가전압으로 플라즈마 방전을 발생시키는 경우에는 인가시간이 길어지기 때문에, 플라즈마 발생장치에서의 처리시간이 장시간화 한다고 하는 문제가 있다.
또, 이그니션 전압발생회로에 있어서, 도 13의 (a), (b)의 예에서 나타내는 바와 같이, 직렬공진 컨버터 및 병렬공진 컨버터를 이용하는 경우에는, 공진동작에 의하여 전압을 상승시키고 있기 때문에, 이그니션 전압의 최대치는 입력직류전압(Edc)의 2배까지밖에 승압할 수 없다고 하는 문제가 있다. 이그니션 전압을 높이려면 입력직류전압(Edc)을 높일 필요가 있어, 고전압의 직류원을 준비할 필요가 있다.
이그니션 전압발생회로에 있어서, 도 13의 (c)의 예에서 나타내는 바와 같이, 초퍼제어에 의한 경우에는, 인버터회로에 공진회로를 구비하지 않기 때문에, 강압초퍼회로에서는 이그니션 전압의 최대치는 입력직류전압(Ein)까지밖에 얻을 수 없다고 하는 문제가 있다.
따라서, 공진회로 혹은 초퍼회로에 의한 이그니션 전압발생회로에 있어서도, 플라즈마 방전발생에 이용하는 전압을 높이는데 직류전원장치가 복잡화하고 대형화한다고 하는 문제가 있다.
상기 문제를 해결하기 위해서, 본원출원의 발명자는, 전류형 강압초퍼회로와 3상 인버터회로를 조합하여 이루어지는 직류전원장치에 있어서 하나의 해결수단을 제안하고 있다(특허문헌 4). 제안하는 해결수단에서는, 전류형 강압초퍼회로에 있어서, 단락전류를 형성하기 위해서, 전류형 강압초퍼회로의 부하 측에 접속되는 다상인버터의 스위칭동작을 제어함으로써 단락전류를 형성하는 구성, 혹은 전류형 강압초퍼회로의 출력측 단(端) 사이에 단체(單體: 싱글)의 스위칭회로를 마련함으로써 단락전류를 형성하는 구성을 제안하고 있다.
상기한 제안에 있어서, 다상인버터의 스위칭동작을 제어함으로써 단락전류를 형성하는 경우에는, 3상 인버터의 제어에 있어서, 통상 행하는 인버터제어에 더하여, 상하단 사이를 단락 및 개방하는 스위칭동작에 의한 단락제어를 행하고, 또, 스위칭회로를 마련하는 구성에 의하여 단락전류를 형성하는 경우에는, 상하단 사이의 단락만을 목적으로 한 회로구성을 별도 마련하는 것이 된다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하고, 플라즈마 발생장치에 직류전력을 공급하는 직류전원장치에 있어서, 플라즈마 방전을 발생시키는 고압 전압을 형성하는 장치구성을 간이하고 소형화하는 것을 목적으로 한다.
또, 대형이며 복잡한 구성의 직류전원장치를 이용하지 않고, 플라즈마 방전의 발생에 요하는 전압 인가시간을 단축하는 것을 목적으로 한다.
플라즈마 발생장치 등의 부하에 대하여 직류전력을 공급하여 플라즈마 처리를 행할 때에, 전원투입시나 재기동시에 있어서 플라즈마 발생장치에 플라즈마 방전을 발생시키는 공정을 행한다. 이때, 플라즈마 발생장치에 대하여 직류전원장치로부터 이그니션 전압이라 칭해지는 통상운전시에 인가하는 전압보다 높은 전압을 인가하여, 플라즈마 방전을 발생시킨다.
본원발명은, 플라즈마 방전을 발생시키기 위해서, 플라즈마 발생장치에 인가하는 전압 생성에 이용하는 직류전원장치, 및 직류전원장치의 제어방법에 따른 것이다.
플라즈마 발생장치에 인가하는 전압을, 플라즈마 방전을 발생시키는데에 필요로 하는 이그니션 설정전압까지 승압할 필요가 있다. 본원발명의 직류전원장치는, 직류전원장치가 구비하는 전압형 강압초퍼부에 미소 시간만큼 단락전류를 흐르게 하여 리액터에 에너지를 축적하는 공정을 복수 회 반복하여 행하고, 리액터에 축적한 에너지를 출력용량으로 방출하여 출력전압을 축차(逐次) 상승시키고, 이로써 이그니션 설정전압까지 승압시킨다.
본원발명의 직류전원장치는, 승압회로가 구비하는 스위칭소자를 이용하여 단락전류를 형성하는 구성이다. 승압회로의 스위칭소자를 미소 시간만큼 닫음으로써 전압형 강압초퍼부 출력측의 상하단 사이를 단락하고, 전압형 강압초퍼부로부터 직류전원장치의 출력단에의 전류로(路)를 미소 시간만큼 차단한다. 승압회로의 단락에 의하여 직류전원장치의 출력단에의 전류로가 차단되고, 그때까지 전압형 강압초퍼부에 흐르고 있던 전류는, 전압형 강압초퍼부 및 승압회로를 단락전류로서 흐른다. 단락전류는 전압형 강압초퍼부가 구비하는 리액터에 일차적으로 축적된다.
그 후, 승압회로의 스위칭소자를 열어 단락을 해제하여, 전류로의 차단을 풀면, 전압형 강압초퍼부로부터 직류전원장치의 출력단을 향하는 전류로가 다시 형성되고, 리액터에 축적된 에너지는 직류전원장치 출력단의 전압을 승압한다. 전류의 축적과 해방에 의한 출력단의 승압을 반복함으로써, 직류전원장치 출력단의 전압을 이그니션 설정전압까지 승압한다.
[직류전원장치]
본원발명의 직류전원장치는, 플라즈마 발생장치에 직류전력을 공급하는 직류전원장치로서, 직류전압원을 구성하는 전압형 강압초퍼부와, 전압형 강압초퍼부의 직류전압을 승압하는 승압회로와, 승압회로의 직류출력을 단상교류로 변환하는 단상인버터부와, 제어부를 구비하고, 제어부는 전압형 강압초퍼부를 제어하는 초퍼제어부, 및 승압회로를 제어하는 승압제어부를 포함하는 구성이다.
[직류전원장치의 제어방법]
본원발명의 직류전원장치의 제어방법은, 직류전압원을 구성하는 전압형 강압초퍼부와, 전압형 강압초퍼부의 직류전압을 승압하는 승압회로와, 승압회로의 직류출력을 단상교류로 변환하는 단상인버터부와, 전압형 강압초퍼부를 제어하는 초퍼제어부, 및 승압회로를 제어하는 승압제어부를 포함하는 제어부를 구비하여, 플라즈마 발생장치에 직류전력을 공급하는 직류전원장치의 제어방법이다.
제어부는, 플라즈마 발생장치에 플라즈마 방전을 발생시키는 이그니션 전압을 공급하는 이그니션모드와, 플라즈마 발생장치의 플라즈마 방전을 계속시키는 정상(定常)운전모드를 전환하여 제어한다.
이그니션모드에 있어서, 승압제어부는, 승압회로의 정전압(正電壓)측과 부전압(負電壓)측의 사이를 간헐적으로 단락하고, 이 간헐적인 단락으로 형성되는 단락전류에 의한 승압동작을 제어하여, 플라즈마 발생장치에 인가하는 출력전압을 제어한다.
승압제어부는, 승압회로에 있어서 정전압단과 부전압단과의 사이를 접속하는 스위칭소자를 간헐적으로 단락하는 단락펄스신호를 생성한다. 스위칭소자는 단락펄스신호에 의하여 온상태로 되고, 전압형 강압초퍼부 출력단의 정전압단과 부전압단을 단락한다.
이그니션모드에 있어서, 제어부는 승압제어와 정전압(定電壓)제어를 전환하여 행한다. 승압제어는 승압제어부에 의하여 행해지고, 단락전류에 의한 승압을 복수 회 반복하여 출력전압을 이그니션 설정전압까지 전압상승시킨다. 한편, 정전압제어는 초퍼제어부에 의하여 행해지고, 출력전압을 이그니션 설정전압으로 유지한다.
제어부는, 출력전압이 이그니션 설정전압에 도달한 후, 승압제어에서 정전압제어로 전환한다.
제어부는, 초퍼제어부에 있어서의 초퍼제어의 온듀티비와, 승압제어부에 있어서의 간헐단락동작의 회수를 파라미터로서 구비한다.
초퍼제어부는, 온듀티비에 의하여 전압형 강압초퍼부의 입력전압을 제어한다. 한편, 승압제어부는, 간헐단락동작의 회수에 의하여 승압비를 제어한다. 입력전압과 승압비에 의하여 출력전압의 전압상승을 제어한다.
정상운전모드는, 정전압(定電壓)제어, 정전류(定電流)제어, 정전력(定電力)제어 중 어느 하나의 제어를 선택 가능하고, 제어부는, 전환제어에 있어서, 출력전류가 이그니션 설정전류에 도달하고, 또, 출력전압이 플라즈마 발생전압으로 하강했을 때 이그니션모드에서 정상운전모드로 전환하여, 정전압제어, 정전류제어, 정전력제어로부터 선택한 제어를 행한다.
정전압제어는, 정상운전의 설정치를 이그니션모드에서 설정되는 이그니션 설정전압에서 정상운전 설정전압으로 전환하고, 출력전압을 정상운전 설정전압으로 유지하는 전압제어이다.
정전류제어는, 정상운전의 설정치를 이그니션모드에서 설정되는 이그니션 설정전압에서 정상운전 설정전류로 전환하고, 출력전류를 정상운전 설정전류로 유지하는 전류제어이다.
정전력제어는, 정상운전의 설정치를 이그니션모드에서 설정되는 이그니션 설정전압에서 정상운전 설정전력으로 전환하고, 출력전력을 정상운전 설정전력으로 유지하는 전력제어이다.
상기한 제안에 있어서, 다상인버터의 스위칭동작의 제어에 의한 경우에는, 3상 인버터에 있어서, 통상의 인버터제어에 더하여, 상하단 사이를 단락 및 개방하는 스위칭동작을 행하게 하는 단락제어를 행함에 대하여, 본원발명에 의하면, 단상인버터에 있어서 통상의 인버터제어를 행하고, 단락제어에 대해서는 인버터제어를 행하지 않고, 통상의 인버터제어로부터 독립한 승압회로의 단락제어에 의하여 행할 수 있다.
또, 상기한 제안에 있어서, 스위칭회로를 마련하는 구성에서는, 상하단 사이의 단락만을 목적으로 하는 단락회로를 별도 마련하는 구성인 것에 대하여, 본원발명에 의하면, 승압회로가 구비하는 스위칭소자를 이용하여 단락제어를 행할 수 있기 때문에, 단락회로를 별도 준비하는 것을 요하지 않는다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 플라즈마 발생장치에 직류전력을 공급하는 직류전원장치에 있어서, 플라즈마 방전을 발생시키는 고압 전압을 형성하는 장치구성을 간이하고 소형화할 수 있다.
또, 대형이며 복잡한 구성의 직류전원장치를 이용하지 않고, 플라즈마 방전의 발생에 요하는 전압 인가시간을 단축할 수 있다.
도 1은, 본원발명의, 단락전류의 발생동작 및 단락전류에 의한 출력전압의 승압동작을 설명하기 위한 도이다.
도 2는, 본원발명의 직류전원장치의 전체 구성을 설명하기 위한 도이다.
도 3은, 본원발명의 직류전원장치가 구비하는 초퍼제어부의 구성예를 설명하기 위한 도이다.
4는, 본원발명의 직류전원장치가 구비하는 승압제어부의 구성예를 설명하기 위한 도이다.
도 5는, 본원발명의 직류전원장치의 이그니션시의 회로상태를 설명하기 위한 도이다.
도 6은, 본원발명의 직류전원장치의 이그니션모드 및 정상운전모드의 동작예를 설명하기 위한 플로차트이다.
도 7은, 본원발명의 직류전원장치의 이그니션모드 및 정상운전모드의 동작예를 설명하기 위한 타이밍 차트이다.
도 8은, 본원발명의 직류전원장치의 이그니션모드 및 정상운전모드의 동작예를 설명하기 위한 타이밍 차트이다.
도 9는, 본원발명의 직류전원장치의 이그니션모드, 정상운전모드의 동작상태도이다.
도 10은, 직류전원장치의 단상인버터를 설명하기 위한 도이다.
도 11은, 듀얼캐소드 전원장치의 사용형태를 설명하기 위한 도이다.
도 12는, 직류전원장치의 사용형태를 설명하기 위한 도이다.
도 13은, 플라즈마 방전발생을 위한 이그니션 전압을 발생하는 종래의 회로 예를 설명하기 위한 도이다.
도 1은, 본원발명의, 단락전류의 발생동작 및 단락전류에 의한 출력전압의 승압동작을 설명하기 위한 도이다.
도 1의 (a)는 단락전류의 발생동작을 설명하기 위한 도이다. 승압회로에 있어서 정전압측과 부전압측을 단락한다. 이 단락에 의하여, 전압형 강압초퍼부로부터 직류전원장치의 출력단에의 전류로는 미소 시간만큼 차단되고, 전압형 강압초퍼부 및 승압회로에 단락전류(Δi)가 흐른다. 단락전류는 전압형 강압초퍼부가 구비하는 직류리액터(LF1)에 일차적으로 축적된다.
도 1의 (b)는 출력전압의 승압동작을 설명하기 위한 도이다. 도 1의 (a)에 나타내는 단락동작을 정지하여, 전압형 강압초퍼부 및 승압회로를 부하측에 접속하면, 직류리액터(LF1)에 축적되어 있던 에너지는 전압으로 변환되어, 출력전압을 승압한다. 도 1의 (b)에서는, 출력용량(COT)의 전압(VO)을 승압한다.
한편, 출력용량(COT)은 초퍼출력콘덴서(CF1)의 용량이다. 부하가 부하용량(CL)을 구비하는 경우에는, 출력용량(COT)은 초퍼출력콘덴서(CF1)와 부하용량(CL)의 병렬회로의 용량이다. 다만, 도 1에서는 초퍼출력콘덴서(CF1), 및 부하용량(CL)은 도시하고 있지 않다.
본원발명의 직류전원장치는, 승압회로의 단락에 의하여 전압형 강압초퍼부에 흐르는 단락전류를 직류리액터(LF1)에 축적하고, 그 축적전류를 에너지 변환하여 출력전압을 승압한다. 1회의 단락에 의해 얻어지는 승압분은 작기 때문에, 단락에 의한 승압공정을 복수 회 반복함으로써 출력전압을 단계적으로 상승시켜서, 이그니션 설정전압까지 승압시킨다. 또, 1회의 단락에 의한 승압분은, 정전압측과 부전압측을 단락하는 단락시간을 연장시킴으로써 크게 하는 것이 가능하지만, 1회의 승압분이 작을수록, 출력전압을 승압할 때의 승압 폭을 세세히 조정할 수 있고, 승압의 분해가능을 높일 수 있어, 출력전압의 제어에서 우위이다.
전압형 강압초퍼부 및 승압회로에 형성되는 미소 시간 단락전류의 전류로는, 승압회로의 정전압측과 부전압측을 단순히 단락함으로써 형성할 수 있고, 직류전원장치가 구비하는 승압회로를 이용할 수 있기 때문에, 구성을 간이하고 소형인 구성으로 할 수 있다.
본원발명의 플라즈마 발생장치에 직류전력을 공급하는 직류전원장치는, 직류전압원을 구성하는 전압형 강압초퍼부와, 전압형 강압초퍼부의 직류출력을 승압하는 승압회로와, 승압회로의 직류출력을 스위칭소자의 동작에 의해 단상의 교류전압으로 변환하는 단상인버터부와, 제어부를 구비한다.
제어부는, 전압형 강압초퍼부를 제어하는 초퍼제어부, 승압회로를 단락제어하는 승압제어부, 단상인버터부를 제어하는 인버터제어부를 가지고, 동작모드를 전환하는 전환제어, 승압회로를 간헐단락시켜, 전압형 강압초퍼부의 회로에 미소 시간만큼 전류로를 형성하는 승압제어, 전압형 강압초퍼부의 초퍼제어, 단상인버터의 인버터제어 등을 행한다.
전환제어는, 플라즈마 발생장치에 있어서 플라즈마 방전을 발생시키는 이그니션 전압을 공급하는 이그니션모드와, 플라즈마 발생장치의 플라즈마 방전을 계속시키는 정상운전전류를 공급하는 정상운전모드의 동작모드 사이를 전환한다.
승압제어는, 승압제어부에 의하여 승압회로를 제어한다. 승압제어는, 승압회로의 정전압측과 부전압측을 간헐적으로 단락하고, 이 단락에 의하여 전류형 강압초퍼회로 및 승압회로에 미소 시간만큼 전류로를 형성하여 단락전류를 흐르게 한다. 단락전류의 에너지는 전압형 강압초퍼부의 리액터에 축적된다. 단락동작은, 미소 시간의 단락펄스신호마다 행해지고, 복수의 단락펄스신호를 간헐적으로 입력함으로써 복수 회의 단락동작을 행한다.
간헐단락동작에 있어서, 한 단락동작이 종료하고 다음 단락동작까지의 동안은, 전압형 강압초퍼부는 직류전원장치의 출력단과 도통상태가 된다. 이로써, 리액터에 축적된 에너지는 직류전원장치의 출력단으로 보내져 출력전압을 승압한다.
각 단락동작은 각각 단락펄스신호에 기초하여 행해지고, 단락전류는 단락동작마다 리셋된다. 출력전압은 전회(前回)의 단락동작으로 승압한 전압에 가산되어 순차로 승압된다.
승압제어에 있어서, 승압회로의 정전압측과 부전압측의 단자 사이를 단락하는 단락동작시에는, 전압형 강압초퍼부 및 승압회로로부터 단상인버터부에의 전류의 흐름은 정지한다. 그로 인하여, 승압회로 및 전압형 강압초퍼부의 단락전류의 형성은, 단상인버터부에 의한 직교변환 동작의 영향을 받지 않고 행해진다.
제어부는, 예컨대, 초퍼제어부의 초퍼제어의 온듀티비와, 간헐단락동작의 회수를 파라미터로 해서 제어를 행한다. 온듀티비에 의하여 전압형 강압초퍼부의 입력전압을 제어하고, 간헐단락동작의 회수에 의하여 승압비를 제어하고, 전압형 강압초퍼부의 입력전압과 승압비에 의하여 출력전압의 전압상승을 제어한다.
(이그니션모드)
제어부는, 이그니션모드에 있어서, 단락전류에 의한 승압을 복수 회 반복하여 출력전압을 이그니션 설정전압까지 전압상승시키는 승압제어와, 초퍼제어부에 의하여 상기 출력전압을 이그니션 설정전압으로 유지하는 정전압제어를 전환하여 행한다. 이 승압제어에서 정전압제어로의 전환은, 출력전압이 이그니션 설정전압에 도달한 시점에서 행한다.
제어부는, 이그니션모드에 있어서, 승압제어를 행함으로써 승압회로 및 전압형 강압초퍼부에 단락전류를 흐르게 한다. 이 단락전류의 에너지는, 전압형 강압초퍼부가 구비하는 리액터에 일차적으로 축적된다. 축적된 에너지는, 다음 단락까지의 기간에 있어서, 단상인버터부를 통하여 직류전원장치의 출력전압을 승압한다. 이 단락에 의한 전류에너지의 축적과, 도통에 의한 출력전압의 승압을 반복하는 승압동작에 의하여 플라즈마 발생장치에 인가하는 출력전압을 높이는 제어를 행한다.
이그니션모드에 있어서, 직류전원장치의 출력전압은, 복수 회 단락동작에 의한 승압과, 초퍼제어에 의해 정해지는 전압형 강압초퍼부의 입력전압에 의하여 정해진다. 또, 이그니션 설정전압까지 승압하는데에 요하는 단락동작의 회수는, 전압형 강압초퍼부의 입력전압, 이그니션모드의 시간폭, 1회의 단락동작으로 승압하는 전압폭 등과 관련성을 가지고 있기 때문에, 직류전원장치의 구성이나 사용조건에 기초하여 정할 수 있다.
출력전압은, 승압제어에 의하여 소정의 이그니션 설정전압까지 상승하고, 이그니션 설정전압에 이른 후는 정전압제어에 의하여 유지된다. 이로써, 플라즈마 발생장치에는, 이그니션모드의 단계에서 서서히 승압되는 전압이 인가되고, 이그니션 설정전압에 이른 후는, 이그니션 설정전압을 이그니션모드가 종료할 때까지 인가한다.
이그니션모드에 있어서, 초퍼제어부는 펄스 폭 제어를 행하여, 전압형 강압초퍼부의 입력전압을 소정 전압으로 제어한다.
(정상운전모드)
이그니션모드의 정전압제어에 있어서, 출력전류가 이그니션 설정전류에 도달하고, 또, 출력전압이 플라즈마 발생전압으로 하강했을 때, 이그니션모드에서 정상운전모드로 전환하고, 정상운전모드에 있어서, 정전압제어, 정전류제어, 정전력제어로부터 선택한 어느 하나의 제어를 행한다.
정전압제어는, 정상운전의 설정치를 이그니션모드에서 설정되는 이그니션 설정전압에서 정상운전 설정전압으로 전환하고, 출력전압을 정상운전 설정전압으로 유지하는 제어태양(態樣)이다.
정전류제어는, 정상운전의 설정치를 이그니션모드에서 설정되는 이그니션 설정전압에서 정상운전 설정전류로 전환하고, 출력전류를 정상운전 설정전류로 유지하는 제어태양이다.
또, 정전력제어는, 정상운전의 설정치를 이그니션모드에서 설정되는 이그니션 설정전압에서 정상운전 설정전력으로 전환하고, 출력전력을 정상운전 설정전력으로 유지하는 제어태양이다.
이그니션모드에서 정상운전모드로의 전환은, 플라즈마 발생장치에 있어서 플라즈마 방전이 발생한 것에 기초하여 행해지고, 출력전류 및 출력전압에 기초하여 행한다. 통상, 플라즈마 방전이 발생함으로써, 출력전류가 증가함과 함께, 출력전압은 이그니션시의 전압에서 강하한다. 직류전원장치로부터 플라즈마 발생장치에 있어서, 이 출력전압의 레벨과 출력전류의 레벨을 검출함으로써, 플라즈마 방전의 발생을 검출하여, 이그니션모드에서 정상운전모드로의 변경을 행할 수 있다.
플라즈마 발생장치에 있어서 플라즈마 방전이 발생하면, 직류전원장치로부터 플라즈마 발생장치로 공급되는 출력전류는, 이그니션모드에서 정상운전모드로 전환되는 시점에서, 이그니션 전류로부터 정상운전전류로 전환된다.
이그니션 전류는, 간헐단락동작을 행할 때마다 단계적으로 증가하기 때문에, 이그니션모드에서 정상운전모드로 전환되는 최후의 단계에서는 이그니션 전류는 가장 큰 이그니션 전류가 된다. 여기서, 이 이그니션모드에서 정상운전모드로 전환될 때의 이그니션 전류를 미리 구하여 이그니션 설정전류로서 정해 둔다. 또, 플라즈마 방전이 발생하면 출력전압은 이그니션 설정전압보다 낮은 값이 되기 때문에, 플라즈마 방전발생시의 낮은 전압을 플라즈마 발생전압으로서 정해 둔다.
플라즈마 방전의 발생 검출에 있어서, 출력전류를 이그니션 설정전류와 비교하고 출력전압을 플라즈마 발생전압과 비교하여, 출력전류가 이그니션 설정전류에 이르고, 또, 출력전압이 플라즈마 발생전압으로 강하한 시점을 플라즈마 방전이 발생한 시점으로서 판단한다.
플라즈마 방전의 발생을 검출한 경우에는, 제어의 설정치를, 이그니션모드에 있어서의 정전압제어의 이그니션 설정전압으로부터, 정상운전모드에 있어서 정전압제어, 정전류제어, 정전력제어로부터 선택한 어느 하나의 제어의 설정치로 전환하여 선택한 제어를 행한다.
정상운전모드에 있어서 정전압제어, 정전류제어, 정전력제어 중 어느 하나의 제어에 의하여, 플라즈마 발생장치에는 일정전압, 일정전류, 혹은 일정전력이 인가되어 안정된 플라즈마 방전이 유지된다.
전압형 강압초퍼부로부터 출력단측에의 전류경로는, 직류전원장치에 접속하는 단상인버터부, 변압기, 및 정류기의 각 부를 통과하는 경로로 하는 것 외, 전압형 강압초퍼부와 출력단측을 직접 접속하는 경로로 할 수 있다. 이 직접 접속하는 경로를 이용하는 구성에서는, 이그니션모드에 있어서 도통시키고, 통상운전 모드에 있어서 비도통상태로 하는 전환수단을 마련한다.
인버터제어부는, 단상인버터를 구성하는 브리지회로의 스위칭소자를 펄스폭 제어하는 게이트펄스신호를 생성한다. 게이트펄스신호는, 단상인버터의 브리지회로의 각 스위칭소자를 온·오프 제어하여 직류전류를 교류전류로 변환한다.
이하, 본원발명의 실시형태에 대하여, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 이하에서는, 본원발명의 직류전원장치 및 제어방법에 대하여, 도 2∼도 4를 이용하여 직류전원장치의 구성예를 설명하고, 도 5∼도 9를 이용하여 직류전원장치의 제어예에 대하여 설명한다. 또, 도 11, 도 12를 이용하여 본원발명의 직류전원장치의 사용형태예에 대하여 설명한다.
본원발명의 직류전원장치의 구성예에 대하여 도 1, 도 2를 이용하여 설명한다.
도 2에 나타내는 직류전원장치(1)는, 직류전압원을 구성하는 전압형 강압초퍼부(2)와, 승압회로(3)와, 제1 스위칭소자∼제4 스위칭소자의 4개의 스위칭소자로 이루어지는 브리지회로를 가지고, 전압형 강압초퍼부(2)의 직류출력을 스위칭소자의 동작에 의해 단상의 교류전력으로 변환하는 단상인버터(4)와, 전압형 강압초퍼부(2), 승압회로(3), 및 단상인버터(4)를 제어하는 제어부(5)를 구비한다.
승압회로(3)의 출력을 부하(10)에 공급한다. 단상인버터(4)와 부하(10)의 사이에 정류부(도 2에는 나타내지 않음)를 마련하고, 단상인버터(4)의 출력을 교직변환하여, 얻어진 직류전압을 부하(10)에 공급하는 구성으로 해도 좋다.
직류원은, 예컨대, 교류전원의 교류전력을 정류하는 정류부, 및 과도적으로 생기는 고전압을 억제하는 보호회로를 구성하는 스너버부에 의하여 구성할 수 있다.
전압형 강압초퍼부(2)는, 스위칭소자(Q1)와 다이오드(D1)와 직류리액터(LF1)를 구비한다. 스위칭소자(Q1)는, 직류전압을 초퍼제어함으로써 강압한다. 직류리액터(LF1)는 초퍼제어한 직류를 전류 평활하고, 초퍼출력콘덴서(CF1)는 직류전압을 형성한다.
승압회로(3)는, 정단자(P)와 부단자(N)의 사이에 스위칭소자(Q2)를 접속하고, 스위칭소자(Q2)와 초퍼출력콘덴서(CF1)의 사이에 다이오드(D2)를 접속하여 구성할 수 있다. 스위칭소자(Q2)는 전압형 강압초퍼부(2)의 정단자(P)와 부단자(N)의 사이를 단락하는 단락회로를 형성한다.
다이오드(D2)는, 단상인버터(4)나 초퍼출력콘덴서(CF1)로부터 전압형 강압초퍼부(2)에의 역류를 방지하기 위한 블로킹 다이오드로서, 정단자(P)측에 접속하는 구성으로 한하지 않고, 부단자(N)측에 접속해도 좋다.
승압회로(3)의 스위칭소자(Q2)는, 정단자(P)와 부단자(N)의 사이의 단락을 제어하는 스위칭소자이다. 스위칭소자(Q2)를 온상태로 하면, 정단자(P)와 부단자(N)의 사이는 단락되고, 전압형 강압초퍼부(2)의 다이오드(D1) 및 직류리액터(LF1)와 함께 폐회로가 형성되어, 도 1의 (a)에 나타내는 단락전류(Δi)가 흐른다. 한편, 스위칭소자(Q2)를 온상태에서 오프상태로 전환하면, 정단자(P)와 부단자(N)의 사이의 접속은 차단되고, 전압형 강압초퍼부(2)는 승압회로(3) 및 단상인버터(4)를 통하여 부하(10)와 도통하며, 전압형 강압초퍼부(2)의 직류전류와 함께 단락전류(Δi)가 부하(10)를 향하여 흐른다.
초퍼출력콘덴서(CF1)는, 전압형 강압초퍼부(2)의 직류리액터(LF1)를 흐르는 단락전류(Δi)의 에너지를 축적함으로써 승압하는 것 외, 단상인버터(4)의 스위칭소자 사이에서 전류 동작을 행할 때에 발생하는 서지전압이나, 각 스위칭소자에 직렬접속된 리액터의 에너지를 흡수하여, 스위칭소자를 보호하는 작용을 한다.
다만, 초퍼출력콘덴서(CF1)의 값은, 부하측의 용량 및 배선 인덕턴스에 의한 시상수에 따라 전류의 지연이 인버터 동작의 전류에 영향을 주지 않는 정도로 설정한다.
단상인버터(4)는, 승압회로(3)의 출력전압을 입력하고, 단상인버터(4)가 구비하는 브리지회로의 스위칭소자를 제어함으로써 직교변환한다.
단상인버터(4)는, 제1 스위칭소자∼제4 스위칭소자를 브리지 접속하여 구성된다. 스위칭소자는, 예컨대, IGBT나 MOSFET 등의 반도체 스위칭소자를 이용할 수 있다. 단상인버터의 각 스위칭소자는, 제어부(5)의 제어신호에 기초하여 스위칭동작을 행하여, 직류전력을 교류전력으로 변환하여 출력한다.
정류부는, 단상인버터(4)의 교류출력을 정류하여, 직류출력을 부하에 공급한다. 단상인버터의 교류출력에 포함되는 고주파 리플분을 제거하기 위해서, 정류부의 출력단에 직류필터회로를 구비하는 구성으로 해도 좋다. 직류필터회로는, 출력단에 병렬접속하는 출력콘덴서(도시하지 않음)와 직렬접속한 출력리액터(도시하지 않음)에 의하여 구성할 수 있다.
승압회로(3)의 출력, 혹은 단상인버터(4)와 부하(10)의 사이에 마련한 정류부의 직류출력은 배선 인덕턴스를 개재하여 출력되어, 예컨대, 직류전원장치(1)와 플라즈마 발생장치의 사이를 접속한 출력케이블을 통하여 플라즈마 발생장치에 공급된다.
직류전원장치(1)는, 고주파 리플분을 제거하는 구성으로서, 정류부에 접속하는 직류필터회로를 대신하여 기생임피던스를 이용할 수 있다. 예컨대, 인덕턴스분으로서 정류부와 출력 단자의 사이의 배선의 인덕턴스나, 직류전원장치(1)와 부하(10)의 사이에 접속되는 출력케이블에 포함되는 인덕턴스나 콘덴서, 혹은, 부하가 플라즈마 부하인 경우에는 플라즈마 발생장치의 전극 용량을 이용할 수 있다. 상기한 단상인버터의 기생임피던스, 및 출력케이블이나 전극 용량의 용량분은 실질적으로 직류필터회로를 구성하고, 단상인버터의 교류출력에 포함되는 고주파 리플분을 저감한다.
또, 직류전압의 리플분은, 단상인버터회로의 구동주파수를 낮추면 증가하는 특성이 있다. 그로 인하여, 단상인버터회로의 구동주파수를 높임으로써, 출력콘덴서 및 출력리액터의 필요성을 저하시킬 수 있다. 또, 단상인버터회로의 구동주파수를 높임으로써, 직류전원장치(1)가 내부에 보유하는 에너지를 억제할 수 있다.
본원발명의 직류전원장치(1)는 제어부(5)를 구비한다. 제어부(5)는, 전압형 강압초퍼부(2)를 제어하는 초퍼제어부(5A), 승압회로(3)를 제어하는 승압제어부(5B), 및 단상인버터(4)를 제어하는 인버터제어부(5C)를 구비한다. 제어부(5)에는, 직류전원장치(1)의 출력단 혹은 부하측으로부터 피드백 신호가 귀환된다. 피드백 신호는, 예컨대, 직류전원장치(1)의 출력단의 전압, 전류로 할 수 있다.
초퍼제어부(5A)는, 전압형 강압초퍼부(2)의 스위칭소자(Q1)의 온·오프를 제어하는 제어신호를 형성한다. 승압제어부(5B)는, 정단자(P)와 부단자(N)의 사이에 마련한 스위칭소자(Q2)의 온·오프를 제어하는 제어신호를 형성한다. 인버터제어부(5C)는, 단상인버터(4)의 스위칭소자의 온·오프를 제어하는 펄스 제어신호를 형성한다.
초퍼제어부(5A)는, 전압형 강압초퍼부(2)의 스위칭소자(Q1)를 초퍼 제어하는 구성요소로서, 스위칭소자(Q1)의 출력전류인 초퍼전류, 및 직류전원장치(1)의 출력전압을 검출하고, 이 초퍼전류 및 출력전압의 검출치에 기초하여, 전압형 강압초퍼부(2)의 출력이 미리 설정한 소정의 전류치 및 소정의 전압치가 되도록 제어한다. 아크검출부의 아크검출신호에 기초하여, 아크 발생시에는 오프상태로 전환하고, 아크 소멸시에는 오프상태에서 온상태로 전환한다.
승압제어부(5B)는, 승압회로(3)의 스위칭소자(Q2)의 온/오프를 제어하는 구성요소로서, 이그니션모드의 승압동작에 있어서, 미소 시간의 온상태에 의하여 간헐단락시키는 단락펄스신호를 형성한다. 또, 아크 이상시의 단락동작에 있어서, 아크검출부(도시하지 않음)의 아크검출신호에 기초하여, 아크 발생시에는 온상태로 전환하고, 아크 소멸시에는 온상태에서 오프상태로 전환한다.
스위칭소자(Q1) 및 스위칭소자(Q2)의 동작에 의하여, 전압형 강압초퍼부(2)의 다이오드(D1) 및 직류리액터(LF1)의 회로가 형성되고, 직류리액터(LF1)에 축적된 에너지는 단락전류(Δi)로서 흐른다.
인버터제어부(5C)는, 단상인버터(4)의 스위칭소자의 온·오프를 제어하는 펄스 제어신호를 형성하고, 단상인버터(4)의 브리지회로를 구성하는 각 아암의 스위칭소자(QU, QV, QX, QY)의 스위칭동작을 제어한다. 단상인버터(4)는 스위칭소자의 제어에 의하여, 입력한 직류를 교류로 직교변환한다.
다음으로, 도 3을 이용하여 초퍼제어부(5A)의 일구성예를 설명한다.
초퍼제어부(5A)는 전압형 강압초퍼부(2)의 스위칭소자(Q1)를 펄스폭 제어하고, 이그니션모드에서는 정전압제어를 행하고, 정상운전모드에서는 정전압제어, 정전류제어, 혹은 정전력제어로부터 선택한 어느 하나의 제어를 행한다. 이그니션모드와 정상운전모드에 있어서 각각 상이한 설정치로 전환하여 제어를 행한다. 이그니션모드에서는 이그니션 설정전압(VIGR)으로 설정하고, 정상운전모드에 있어서, 정전압제어에서는 정상운전 설정전압(VR)으로 설정하고, 정전류제어에서는 정상운전 설정전류(IR)로 설정하고, 정전력제어에서는 정상운전 설정전력(PR)으로 설정한다.
이그니션 설정전압(VIGR)에서 정상운전모드의 각 제어에 있어서의 설정치(정전압제어의 정상운전 설정전압(VR), 정전류제어의 정상운전 설정전류(IR), 정전력제어의 정상운전 설정전력(PR))에의 전환은, 출력전압과 출력전류가 소정치에 이른 것을 검출함으로써 행할 수 있다. 예컨대, 출력전압과 출력전류의 검출에 의하여 설정치의 전환을 행할 때, 이그니션모드에 있어서 출력전류가 증가하여, 플라즈마 방전 개시에 대응하여 설정된 이그니션 설정전류에 도달하고, 또, 출력전압이 플라즈마 발생전압으로 강하한 시점을 검출하고, 이 검출시점에서 설정치의 전환을 행한다. 도 3은 출력전압(VO)과 출력전류(IO)의 검출에 기초하여, 이그니션 설정전압(VIGR)를 선택한 제어의 설정치(정상운전 설정전압(VR), 정상운전 설정전류(IR), 정상운전 설정전력(PR))로 전환하는 구성을 나타내고 있다.
초퍼제어부(5A)는, 출력전류 및 출력전압과 각 설정치와의 비교에 기초하여 설정치를 전환하는 구성으로서, 출력전류(IO)와 이그니션 설정전류(IIGR)를 비교하고, 출력전압(VO)과 플라즈마 발생 설정전압(VPLR)을 비교하여, 출력전류(IO)가 이그니션 설정전류(IIGR) 이상이고, 또, 출력전압(VO)이 플라즈마 발생 설정전압(VPLR) 이하가 되었을 때에 전환신호를 출력하는 비교회로(5Ae)를 구비한다. 이그니션 설정전류(IIGR)는 메모리수단(5Af)에 격납할 수 있고, 플라즈마 발생 설정전압(VPLR)은 메모리수단(5Ag)에 격납할 수 있다.
플라즈마 발생 설정전압(VPLR)을 대신하여, 이그니션 설정전압(VIGR)과 상수(k)를 격납해 두고, 이그니션 설정전압(VIGR)에 상수(k)를 곱함으로써 플라즈마 발생 설정전압(VPLR)을 설정해도 좋다. 또, 상수(k)는, 예컨대, 0.2∼0.9의 범위에서 임의로 설정할 수 있다.
초퍼제어부(5A)는, 스위칭소자(Q1)의 펄스폭 제어에 있어서, 제어의 설정치를, 이그니션모드에서 정전압제어를 행하는 이그니션 설정전압(VIGR)으로부터, 정상운전모드에서 선택한 제어의 설정치(정전압제어의 정상운전 설정전압(VR), 정전류제어의 정상운전 설정전류(IR), 정전력제어의 정상운전 설정전력(PR))로 전환하는 전환회로(5Ab)를 구비한다.
전환회로(5Ab)는, 비교회로(5Ae)로부터 출력된 전환신호에 기초하여 이그니션 설정전압(VIGR), 정상운전 설정전압(VR), 정상운전 설정전류(IR), 정상운전 설정전력(PR) 중 어느 하나를 출력한다. 이그니션 설정전압(VIGR)은 메모리수단(5Ac)에 격납할 수 있고, 정상운전 설정전압(VR), 정상운전 설정전류(IR), 정상운전 설정전력(PR) 등의 정상운전 설정치는 메모리수단(5Ad)에 격납할 수 있다. 다만, 각 메모리(5Ac∼5Ag)는 초퍼제어부(5A) 내에 마련하는 구성으로 한정되지 않고, 예컨대, 직류전원장치 전체를 제어하는 제어부 등의 임의의 구성요소에 마련하는 것 외, 직류전원장치의 외부로부터 입력하는 구성으로 해도 좋다.
초퍼제어부(5A)는 스위칭소자 제어신호 생성회로(5Aa)를 구비하고, 출력이 설정치가 되도록 펄스폭 제어에 의하여, 정전압제어, 정전류제어, 정전력제어 중 어느 하나의 제어를 행하는 스위칭소자 제어신호를 생성한다. 스위칭소자 제어신호 생성회로(5Aa)는, 전환회로(5Ab)로부터 보내진 이그니션 설정전압(VIGR), 정상운전 설정전압(VR), 정상운전 설정전류(IR), 정상운전 설정전력(PR) 중 어느 하나를 설정치로 하여 스위칭소자 제어신호를 생성하고, 전압형 강압초퍼부(2)의 스위칭소자(Q1)를 초퍼 제어한다.
다음으로, 도 4를 이용하여 승압제어부(5B)의 일구성예를 설명한다.
승압제어부(5B)는, 단락펄스신호(Pi)를 생성하는 단락펄스신호 생성회로(5Ba)를 구비하고, 단락펄스신호(Pi)에 의하여 승압회로(3)의 간헐단락동작을 제어한다. 단락펄스신호(Pi)는, 이그니션 신호(IG)의 입상(立上)에서 생성을 개시하고, 초퍼제어부(5A)의 비교회로(5Ae)의 출력인 전환신호에 의하여 생성을 정지한다.
인버터제어부(5C)는, 단상인버터(4)의 브리지회로를 구성하는 각 아암에 접속된 스위칭소자의 스위칭동작을 제어한다. 단상인버터(4)는 스위칭소자의 제어에 의하여, 입력한 직류를 교류로 직교변환한다.
단상인버터(4)는, 예컨대, 도 10에 나타내는 바와 같이 4개의 아암을 가지는 브리지회로에 의하여 구성된다. 각 아암에는 각각 스위칭소자(QU, QV, QX, QY)의 4개의 스위칭소자가 마련된다. 스위칭소자(QU)와 스위칭소자(QX)를 직렬접속하고, 스위칭소자(QV)와 스위칭소자(QY)를 직렬접속한다.
스위칭소자(QU)와 스위칭소자(QX)의 접속점은, 리액터(Lm1)를 개재하여 부하의 정단자 측에 접속되고, 스위칭소자(QU)와 스위칭소자(QY)의 접속점은 부하의 부단자 측에 접속된다.
제어부(5)에는, 직류전원장치(1)의 출력단 혹은 부하측으로부터 피드백 신호가 귀환된다. 피드백 신호는, 예컨대, 직류전원장치(1)의 출력단의 전압으로 할 수 있다.
[직류전원장치의 동작예]
다음으로, 본원발명의 직류전원장치의 이그니션모드 및 정상운전모드의 동작예에 대하여, 도 5의 승압동작의 설명도, 도 6의 플로차트, 도 7, 8의 타이밍 차트, 및 도 9의 이그니션모드, 정상운전모드의 동작상태도를 이용하여 설명한다.
직류전원장치로부터 플라즈마 발생장치에 직류전력을 공급하고, 플라즈마 발생장치에 있어서 플라즈마 처리를 행하는 경우, 전원투입시 혹은 재기동시에 이그니션모드(S1)에 의하여 플라즈마 방전을 발생시키고, 플라즈마 방전이 발생한 후, 정상운전모드(S2)에 의하여 플라즈마 방전을 유지한다.
이그니션모드는, 전압형 강압초퍼부에 있어서 IG(이그니션)전압 상승구간과 IG전압 정전압구간에서 초퍼제어를 행하고, 승압회로에 있어서 승압제어를 행한다.
이하에서는, 정상운전모드로서 정전압제어를 선택하여, 정상운전 설정전압(VR)을 설정치로 하는 경우에 대하여 설명한다.
(단락시의 동작)
도 5는 본원발명의 직류전원장치의 승압회로의 단락동작을 나타내고 있다. 도 5의 (a)는 단락시의 회로상태를 나타내고, 도 5의 (b)는 단락 종료시의 회로상태를 나타내고 있다.
직류전원으로부터 단상인버터 측에 전력공급을 행하는 전력공급시에는, 스위칭소자(Q1)는 온상태에 있고, 승압회로의 스위칭소자(Q2)는 오프상태에 있어, 전압형 강압초퍼부를 통하여 직류전원으로부터 단상인버터 측에 전력공급이 행해진다. 이때, 단상인버터에는 승압회로에서 승압된 전압이 공급된다.
도 5의 (a)는 간헐단락동작의 단락시의 상태를 나타내고 있다. 단락시에는, 스위칭소자(Q1)를 온상태인 채로 하고, 승압회로의 스위칭소자(Q2)를 오프상태에서 온상태로 전환하여, 전압형 강압초퍼부(2)의 다이오드(D1)와 직류리액터(LF1)의 회로를 형성한다. 직류리액터(LF1)에는 단락전류(Δi)가 흘러, 에너지가 축적된다.
도 5의 (b)는 간헐단락동작의 단락 종료시 상태를 나타내고 있다. 단락 종료시에는, 스위칭소자(Q1)를 온상태인 채로 하고, 승압회로의 스위칭소자(Q2)를 온상태에서 오프상태로 전환하여, 단락전류(Δi)를 부하 측으로 흐르게 함과 함께, 전압형 강압초퍼부 및 승압회로를 통하여 직류전원으로부터 단상인버터측으로의 전력공급을 재개한다.
이때, 출력용량(COT)의 전압은 단락전류(Δi)에 의하여 상승한다. 다만, 출력용량(COT)은, 전압형 강압초퍼부의 초퍼출력콘덴서(CF1), 혹은, 부하가 부하용량(CL)을 가지는 경우에는, 초퍼출력콘덴서(CF1)와 부하용량(CL)의 병렬 용량으로 나타난다.
(아크 발생시의 동작)
승압회로는, 이그니션모드시의 간헐단락동작을 행하는 것 외, 직류전원장치의 직류출력의 정지·복귀에 있어서, 정지시에 있어서 초퍼부를 단상인버터로부터 떼어 놓아, 아크 발생시의 부하에의 과잉 전류를 억제하여 아크의 소호를 고속으로 행하고, 초퍼부를 흐르는 전류를 순환전류로서 유지하고, 그 후, 인버터의 재기동시에 있어서 유지하고 있던 순환전류를 부하에 공급함으로써, 직류전원장치의 직류출력의 복귀시에 있어서의, 부하에의 직류전력의 공급지연을 저감하는 동작을 행할 수 있다.
아크 발생시에는, 스위칭소자(Q1)를 온상태에서 오프상태로 전환하고, 스위칭소자(Q2)를 오프상태에서 온상태로 전환하여, 전압형 강압초퍼부의 다이오드(D1)와 직류리액터(LF1)의 폐회로에 의한 순환회로를 형성하여 순환회로에 순환전류(Δic)를 흐르게 한다.
순환전류의 유지상태에 있어서는, 스위칭소자(Q1)를 오프상태로, 승압회로의 스위칭소자(Q2)를 온상태로 유지하고, 부하에의 전력을 정지하여 아크가 소멸하는 것을 기다리며, 그동안, 순환전류(Δic)를 순환회로로 흐르게 하여 유지한다.
아크소호시에는, 스위칭소자(Q1)를 오프상태에서 온상태로 전환하고, 승압회로의 스위칭소자(Q2)를 온상태에서 오프상태로 전환하여, 순환회로에 흐르고 있던 순환전류(ΔiC)를 부하 측에 흐르게 함과 함께, 전압형 강압초퍼부 및 승압회로를 통하여 직류전원으로부터 단상인버터측으로의 전력공급을 재개한다.
이하, 도 6의 플로차트, 및 도 7, 8의 타이밍 차트를 이용하여, 승압회로에 의하여 정전압측과 부전압측의 사이를 단락하고, 이 단락동작에 의하여 단락전류를 흐르게 하는 동작예에 대하여 설명한다. 도 7 및 도 8은, IG전압 정전압구간에 있어서 이그니션 전압이 유지하는 두 가지의 동작태양을 나타내고 있다.
[이그니션모드(S1)]
먼저, 이그니션모드(S1)에 대하여 설명한다.
초퍼제어부는, 출력전압을 이그니션 설정전압까지 승압시키는 IG전압 상승구간의 제어(S1a∼S1c)와, 승압한 출력전압을 이그니션 설정전압으로 유지하는 IG전압 정전압구간의 제어(S1d∼S1f)의 2개의 구간에 의하여 이그니션모드의 제어를 행한다. 한편, 승압제어부는, 이그니션모드(S1) 중에 있어서 승압제어를 행하고, 단락펄스신호(Pi)에 의하여 승압회로를 간헐단락 동작시킨다.
도 7 및 도 8에 있어서, (a)는 전압형 강압초퍼부의 스위칭소자(Q1)의 동작상태를 나타내고, (b)는 승압회로의 스위칭소자(Q2)의 동작상태를 나타내며, (c)는 단락펄스신호(Pi)의 동작상태를 나타내고, (d)는 출력전압(VO)을 나타내며, (e)는 출력전류(IO)를 나타내고 있다.
(IG전압 상승구간, 승압제어)
IG전압 상승구간에 있어서, 출력전압을 이그니션 설정전압까지 승압시키는 제어를 행한다.
승압제어부는, 이그니션모드의 구간을 정하는 IG(이그니션)발생신호(도 7, 8에는 나타내지 않음)를 입상시킨다(S1A). IG(이그니션)발생신호의 입상에 수반하여 단락펄스신호(Pi)를 생성한다(S1B).
S1B에서 생성한 단락펄스신호(Pi)에 의하여 승압회로의 정전압측과 부전압측의 사이의 스위칭소자(Q2)를 온상태로서 단락한다(S1C).
단락펄스신호(Pi)는 미소 시간폭(Tion)만큼 생성되어, 스위칭소자(Q2)를 온상태로 하여, 정전압측과 부전압측을 단락한다. 도 7의 (c), 도 8의 (c)의 IG전압 상승구간의 단락펄스신호(Pi), 및 도 7의 (b), 도 8의 (b)의 IG전압 상승구간의 스위칭소자(Q2)는 이때의 동작상태를 나타내고 있다.
한편, 초퍼제어는, IG(이그니션)발생신호(도시하지 않은 이그니션)의 입상에 수반하여, 출력전압(VO)을 정전압제어할 전압 설정치로서 이그니션 설정전압(VIGR)을 설정한다(S1a).
도 7, 8의 (d), (e)는 출력전압(VO) 및 출력전류(IO)를 나타내고 있다. 출력전압(VO)에 대하여, 출력전압(VO)의 이그니션모드시의 정전압제어의 전압 설정치로서 이그니션 설정전압(VIGR)을 나타내고, 출력전압(VO)의 정상운전시의 정전압제어의 전압 설정치로서 정상운전 설정전압(VR)을 나타내고 있다. 또, 출력전류(IO)에 대하여, 출력전류(IO)의 이그니션모드시의 전류 설정치로서 이그니션 설정전류(IIGR)를 나타내고 있다.
다만, 도 7, 8 내에서는, 이그니션모드 내의 IG전압 상승구간 및 IG전압 정전압구간 내에서는, 출력전압(VO)을 이그니션 전압(VOIG)으로 표기하고, 출력전류(IO)를 이그니션 전류(IG)로 표기하고 있다.
S1C의 단락동작의 공정에 의하여, 전압형 강압초퍼부에 단락전류(Δi)가 흐른다. 이 단락전류(Δi)는 전압형 강압초퍼부가 구비하는 리액터에 축적된다(S1b).
단락펄스신호(Pi)의 입하(立下)에 의하여 단락동작이 정지하고, 리액터에 축적된 에너지에 의하여 출력전압(VO)이 승압한다(S1D).
출력전압(VO)(이그니션 전압(VOIG))을 이그니션 설정전압(VIGR)과 비교하여, 출력전압(VO)이 이그니션 설정전압(VIGR)에 이르지 않은 경우에는, 다음의 단락펄스신호(Pi)에 의하여 승압회로의 정전압측과 부전압측의 사이를 단락시키고, 단락전류(Δi)에 의하여 출력전압(VO)을 승압시키는 처리(S1C∼S1D)를 행한다. 출력전압(VO)(이그니션 전압(VOIG))이 이그니션 설정전압(VIGR)에 이를 때까지 S1C∼S1D의 단락동작에 의한 승압공정을 반복한다.
출력전압(VO)(이그니션 전압(VOIG))은 S1C∼S1D의 간헐단락동작을 반복함으로써 단계적으로 승압한다. 도 7, 8의 (d)에 나타내는 출력전압(VO)(이그니션 전압(VOIG))에 있어서, 부호 A로 나타내는 부분은 출력전압(VO)(이그니션 전압(VOIG))이 이그니션 설정전압(VIGR)을 향하는 단계적인 승압상태를 나타내고 있다.
(승압동작)
이하에, 단락전류에 의한 승압동작에 대하여 설명한다.
승압회로의 단락에 의하여 전압형 강압초퍼부에는, 도 5에 나타내는 바와 같이 단락전류(Δi)가 흐른다. 단락전류(Δi)는, 단락펄스신호(Pi)의 신호폭의 미소 시간 폭(Tion(n))만큼 흐른다. 단락전류(Δi)는, 단락동작마다 리셋된다.
전압형 강압초퍼부의 직류리액터(LF1)에는, 단락전류(Δi)에 의한 에너지( Ji(n))가 축적된다. 직류리액터(LF1)에 대한 입력전압을 Vin이라 할 때, 미소 시간 폭(Tion(n))의 1회분의 단락전류(Δi1) 및 단락전류(Δi1)에 의한 에너지(Ji (n))는 이하의 식(1), (2)로 표시된다.
Figure 112015092857214-pct00001
n회째의 Tion(n)의 단락동작이 종료하고, 다음의 (n＋1)회째의 Tion(n＋1)의 단락동작이 개시하기까지의 동안에, Tion(n)의 단락동작에 의하여 직류리액터(LF1)에 축적된 에너지(Ji (n))는 인버터부, 변압기, 정류기를 통하여 부하에 공급된다.
여기서, 직류전원장치의 출력측의 용량분을 출력용량 COT라 하고, 이그니션시의 출력전압을 VO(n)이라 했을 때, 단락동작에 의하여 출력용량(COT)에 보내지는 에너지(Ji(n))는 이하의 식(3)으로 표시된다. 다만, 출력용량(COT)은, 초퍼출력콘덴서(CF1)와 부하인 플라즈마 발생장치의 전극 용량의 부하용량(CL)으로 할 수 있다.
Figure 112015092857214-pct00002
다만, 최초의 단락동작을 행하기 전의 출력전압은 VO (0)=0으로 하고 있다.
식(3)에서, 이그니션시의 출력전압(VO (n))은 이하의 식(4)로 표시된다.
Figure 112015092857214-pct00003
식(4)는, 단락동작을 n회 반복했을 때의 출력전압(Vo (n))을 표시하고 있다.
단락동작이 3회인 경우에는(n=3), 각 단락동작시에 의한 출력전압은 이하의 식으로 표시된다.
Figure 112015092857214-pct00004
식(4)는, 단락동작의 회수(n)에 따라 이그니션시의 출력전압(VO (n))을 선정할 수 있는 것을 나타내고 있다.
또, 단락전류(Δi1)는, 식(1)에서 나타내는 바와 같이 입력전압(Vin)에 비례한다. 입력전압(Vin)은, 전압형 강압초퍼부의 출력전압이고, 그 출력전압은 전압형 강압초퍼부의 스위칭소자(Q1)의 온듀티비로 정해진다.
따라서, 출력전압(VO (n))의 승압비는, 단락동작의 회수(n), 및 전압형 강압초퍼부의 스위칭소자(Q1)의 온듀티비로 정할 수 있다.
다만, 단락동작의 회수(n)는, 이그니션모드 내에서 행해지기 때문에, 단락펄스신호를 게이트펄스신호와 동기하여 출력하는 경우에는, 이그니션모드가 개시하고 나서 해제되기까지의 시간과 게이트펄스신호의 시간 폭에 의하여 자동적으로 정해지는 회수가 된다.
(IG전압 정전압구간의 제어)
IG전압 정전압구간에 있어서, 승압한 출력전압(이그니션전압)을 이그니션 설정전압으로 유지하는 제어를 행한다.
출력전압(VO)(이그니션 전압(VOIG))이 이그니션 설정전압(VIGR)에 이르렀을 경우에는(S1c), 초퍼제어의 이그니션모드에 있어서, IG전압 상승구간의 제어(S1a∼S1c)에서 IG전압 정전압구간의 제어(S1d∼S1f)로 전환하고, 승압한 출력전압(VO)(이그니션 전압(VOIG))을 이그니션 설정전압(VIGR)으로 유지한다. 도 7, 8의 (e)에 나타내는 출력전압(VO)(이그니션 전압(VOIG))에 있어서, 부호 B로 나타내는 부분은 이그니션 설정전압(VIGR)으로 유지된 정전압상태를 나타내고 있다.
이그니션 설정전압(VIGR)의 유지는, 두 가지의 태양에 의하여 행할 수 있다. 도 7은 제1 태양을 나타내고, 도 8은 제2 태양을 나타내고 있다.
(제1 태양)
제1 태양은 전압형 강압초퍼부의 초퍼제어에 의하여 이그니션 전압을 정전압제어함으로써 이그니션 설정전압(VIGR)으로 유지한다.
IG전압 정전압구간의 제어에 있어서, 전압형 강압초퍼부의 초퍼제어는 IG전압 승압구간의 펄스폭 제어에서 정전압제어로 전환되고, 출력전압(VO)(이그니션 전압(VOIG))이 이그니션 설정전압(VIGR)이 되도록 전압 유지한다(S1d). 전압형 강압초퍼부의 스위칭소자(Q1)는, 도 7의 (a)에 나타내는 바와 같이 정전압제어된다. 이 정전압제어에 있어서, 이그니션 전압(VOIG)이 목표치의 이그니션 설정전압(VIGR)에 이른 후는 오프상태가 되고, 이그니션 전압(VOIG)이 목표치의 이그니션 설정전압(VIGR)으로부터 저하한 경우에는 정전압제어에 의하여 이그니션 설정전압(VIGR)에까지 올려 전압을 유지한다.
이때, IG전압 정전압구간의 제어에 있어서, 승압회로는, 도 7의 (b)에 나타내는 바와 같이, 스위칭소자(Q2)의 간헐단락동작을 속행한 채로 할 수 있다. 이는, 스위칭소자(Q2)의 간헐단락동작에 의하여 승압회로의 상하단 사이가 단락했다고 해도, 전압형 강압초퍼부에 의한 정전압제어에 의하여 출력전압(VO)(이그니션 전압(VOIG))을 이그니션 설정전압(VIGR)으로 유지할 수 있기 때문이다.
(제2 태양)
제2 태양은 승압회로의 스위칭소자(Q2)를 오프상태(도 8의 (b))로 하여 승압동작을 정지함으로써 출력전압(VO)(이그니션 전압(VOIG))을 이그니션 설정전압(VIGR)으로 유지한다.
제1 또는 제2 태양에 의하여, 출력전압(VO)(이그니션 전압(VOIG))을 이그니션 설정전압(VIGR)으로 유지한다. 다만, 도 6의 플로차트는 제1 태양의 예를 나타내고 있다(S1d).
출력전류(IO)는, IG전압 상승구간 및 IG전압 정전압구간에 있어서 상승한다. 도 7의 (e), 도 8의 (e)에 나타내는 출력전류(IO)(이그니션 전류(IG))에 있어서, 부호 D로 나타내는 부분은 IG전압 상승구간 및 IG전압 정전압구간에 있어서의 전류상승상태를 나타내고 있다.
플라즈마 발생장치에 있어서 플라즈마 방전이 발생하면 출력전류(IO)(이그니션 전류(IG))에는 이그니션 설정전류(IIGR)가 흐르고, 정상운전상태로 이행함으로써 정상운전의 출력전류(IO)가 흐른다. 도 7의 (e)에 나타내는 출력전류(IO)(이그니션 전류(IG))에 있어서, 부호 E로 나타내는 부분은 이그니션 설정전류(IIGR)를 초과하는 출력전류(IO)(이그니션 전류(IG))가 흘러, 정상운전의 출력전류(IO)로 이행하는 이행상태를 나타내며, 부호 F로 나타내는 부분은 정상운전의 출력전류(IO)를 나타내고 있다.
따라서, 출력전압(VO)이 정상운전 설정전압(VR)에 이른 것, 및 이 출력전류(IO)에 이그니션 설정전류(IIGR)가 흐름으로써 플라즈마 방전의 발생을 판정할 수 있다.
플라즈마 발생장치에 있어서의 플라즈마 방전의 발생을 출력전압(VO)과 출력전류(IO)가 소정 전압 및 소정 전류에 이르렀는지 아닌지에 의하여 판정하는 경우에는, 플라즈마 방전의 발생시에 흐르는 출력전류를 이그니션 설정전류(IIGR)로서 미리 정하고, 출력전압을 이그니션 설정전압(VIGR)으로서 미리 정해 두고, 출력전류(IO)와 설정한 이그니션 설정전류(IIGR)를 비교하고, 출력전압(VO)과 설정한 이그니션 설정전압(VIGR)에 상수(k)를 곱하여 얻어지는 플라즈마 발생 설정전압(VPLR)을 비교한다. 상수(k)는 예컨대 0.2∼0.9로 설정한다(S1e, S1f).
출력전류(IO)(이그니션 전류(IG))가 이그니션 설정전류(IIGR)에 이르고(S1e), 또, 출력전압(VO)(이그니션 전압(VOIG))이 이그니션 설정전압(VIGR)에 상수(k)를 곱하여 얻어지는 플라즈마 발생 설정전압(VPLR)보다 강하한(S1f) 경우에는, 초퍼제어부는, 정전압제어의 출력전압(VO)의 설정치를 이그니션 설정전압(VIGR)에서 정상운전 설정전압(VR)으로 변경하고(S1g), 인버터제어부는, IG(이그니션)발생신호를 입하시켜(S1E), 단락펄스신호(Pi)의 생성을 정지한다(S1F).
초퍼제어부에 있어서, 정전압제어의 설정전압을 이그니션 설정전압(VIGR)에서 정상운전 설정전압(VR)으로 전환함과 함께, 인버터제어부에 있어서, IG발생신호를 정지하여 단락펄스신호(Pi)의 생성을 정지함으로써, 이그니션모드를 종료하고, 정상운전모드로 전환한다. 도 7의 (d), 도 8의 (d)에 나타내는 출력전압(VO)에 있어서, 부호 C로 나타내는 부분은 정상운전 설정전압(VR)으로 유지된 정전압상태를 나타내고 있다.
IG전압 정전압구간의 종료는, 단락펄스신호(Pi)를 정지시킴으로써 행한다.
[정상운전모드(S2)]
다음으로, 정상운전모드(S2)에서는, 이그니션모드에서 발생한 플라즈마 방전을 유지한다. 플라즈마 방전을 유지하기 위해서, 초퍼제어부는 정상운전 설정전압(VR)으로 정전압제어를 행하고, 인버터제어부는 통상의 펄스폭 제어를 행한다.
도 9는, 이그니션모드 및 정상운전모드에 있어서의 초퍼제어 및 인버터제어의 동작상태를 나타내고 있다.
이그니션모드에 있어서, 제1 태양에서는, IG전압 상승구간에 있어서 전압형 강압초퍼부는 펄스폭 제어를 행하고, 승압회로는 스위칭소자(Q2)를 간헐구동함으로써 출력전압(VO)(이그니션 전압(VOIG))을 이그니션 설정전압(VIGR)으로 상승시키고, IG전압 정전압구간에 있어서 전압형 강압초퍼부는 정전압제어를 행하여 출력전압(VO)(이그니션 전압(VOIG))을 이그니션 설정전압(VIGR)으로 유지한다.
이때, 승압회로는 스위칭소자(Q2)의 간헐구동을 속행해도 좋고, 간헐구동을 정지해도 좋다.
제2 태양에서는, IG전압 상승구간에 있어서 전압형 강압초퍼부는 펄스폭제어를 행하고, 승압회로는 스위칭소자(Q2)를 간헐구동함으로써 출력전압(VO)(이그니션 전압(VOIG))을 이그니션 설정전압(VIGR)으로 상승시킨다.
출력전압(VO)(이그니션 전압(VOIG))이 이그니션 설정전압(VIGR)에 이른 후는, 승압회로의 스위칭소자(Q2)를 오프상태로 함으로써, 전압 정전압구간에 있어서 이그니션 설정전압(VIGR)으로 유지한다.
또, 이그니션모드에 있어서, 출력전류는 이그니션 설정전류(IIGR)를 향하여 상승한다. 이그니션모드에 있어서, 인버터제어는 직교변환 제어를 행한다.
출력전류가 이그니션 설정전류(IIGR)에 이르고, 또, 출력전압이 이그니션 설정전압(VIGR)에 상수(k)(k=0.2∼0.9)를 곱한 값(k·VIGR)보다 강하한 시점을 플라즈마 방전의 발생(플라즈마 착화)상태로 판정하고, 이그니션모드에서 정상운전모드로 전환한다. 이그니션모드로부터 정상운전모드의 전환은, 초퍼제어에 있어서의 정전압제어의 설정전압을 이그니션 설정전압(VIGR)에서 정상운전 설정전압(VR)으로 전환한다.
정상운전모드에 있어서, 정전압제어, 정전류제어, 정전력제어 중 어느 하나의 제어로 선택된 경우, 플라즈마 방전의 발생을 판정한 후엔, 선택된 제어에 의한 정상운전으로 전환한다. 이때, 출력전류는 이그니션 설정전류(IIGR)에 이른 후, 정상운전시의 출력전류(IO)로 된다.
정상운전모드에 있어서, 정전압제어, 정전류제어, 정전류제어의 어느 것으로부터 선택은 필요에 따라서 임의로 할 수 있고, 예컨대, 미리 선택하여 초퍼제어부의 전환회로로 설정해 두는 것 외, 직류전원장치의 외부로부터 설정할 수 있다. 또, 선택을 변경하는 구성으로 해도 좋다.
[직류전원장치의 사용형태예]
이하, 직류전원장치의 사용형태예에 대하여 도 11, 12를 이용하여 설명한다.
(듀얼캐소드 전원장치의 구성예)
도 11은 본원발명의 직류전원장치를 듀얼캐소드 전원장치에 적용한 사용형태예를 나타내고 있다.
듀얼캐소드 전원장치는 플라즈마 발생장치의 부하에 고주파 전력을 공급하는 전원으로서, 플라즈마 발생장치는 접지한 케이스 내에 전극 1과 전극 2의 두 개의 전극을 구비한다. 이 듀얼캐소드 전원장치에 의하면, 두 개의 전극에 전기적으로 대칭인 교류전압을 인가할 수 있다.
듀얼캐소드 전원장치는, 교류전원의 교류전력을 정류하는 정류부, 과도적으로 생기는 고전압을 억제하는 보호회로를 구성하는 스너버부, 입력한 직류전력의 전압을 소정 전압으로 변환하여 직류전압을 출력하는 전압형 강압초퍼부, 승압회로, 전압형 강압초퍼부의 직류출력을 단상의 교류출력으로 변환하는 단상인버터, 단상인버터의 교류출력을 소정 전압으로 변환하는 단상변압기를 구비한다.
듀얼캐소드 전원장치는, 단상변압기의 일방의 출력을 출력케이블을 통하여 일방의 전극(1)에 공급하고, 타방의 출력을 출력케이블을 통하여 타방의 전극(2)에 공급한다.
도 12는 일단을 접지한 부하에 본원발명의 직류전원장치를 적용한 사용형태예를 나타내고 있다.
직류전원장치는 플라즈마 발생장치의 부하에 고주파 전력을 공급하는 전원으로서, 플라즈마 발생장치는, 직류전원장치로부터 직류전압 입력하는 전극과, 접지된 전극의 두 개의 전극을 구비한다. 이 직류전원장치에 의하면, 일방의 전극을 접지하고, 타방의 전극에 직류전압을 인가할 수 있다.
직류전원장치는, 교류전원의 교류전력을 정류하는 정류부, 과도적으로 생기는 고전압을 억제하는 보호회로를 구성하는 스너버부, 정류부로부터 입력한 직류전력의 전압을 소정 전압으로 변환하여 직류전압을 출력하는 전압형 강압초퍼부, 전압형 강압초퍼부의 직류출력을 단상의 교류출력으로 변환하는 단상인버터, 단상인버터의 교류출력을 소정 전압으로 변환하는 단상변압기, 단상변압기의 교류출력을 정류하는 정류기를 구비한다. 직류전원장치는, 정류기의 출력을 출력케이블을 개재하여 전극(A)에 공급한다. 전극(B)는 접지 전극이다.
다만, 상기 실시형태 및 변형예에 있어서의 기술은, 본 발명에 관계되는 직류전원장치 및 직류전원장치의 제어방법의 일례이고, 본 발명은 각 실시형태에 한하지 않고, 본 발명의 취지에 기초하여 여러 가지 변형하는 것이 가능하고, 이들을 본 발명의 범위로부터 배제하는 것은 아니다.
산업상의 이용 가능성
본 발명의 직류전원장치는, 플라즈마 발생장치에 전력을 공급하고, 성막처리나 에칭처리를 행하는 전력원으로서 적용할 수 있다.
1. 직류전원장치
2. 전압형 강압초퍼부
3. 승압회로
4. 단상인버터
5. 제어부
5A. 초퍼제어부
5Aa. 스위칭소자 제어신호 생성회로
5Ab. 회로
5Ac. 메모리수단
5Ad. 메모리수단
5Ae. 비교회로
5Af. 메모리수단
5Ag. 메모리수단
5B. 승압제어부
5Ba. 단락펄스신호 생성회로
5C. 인버터제어부
10. 부하
CF1. 초퍼출력콘덴서
CL. 부하용량
COT. 출력용량
D1. 다이오드
D2. 다이오드
Edc. 입력직류전압
Ein. 입력직류전압
F. 부호
IG. 이그니션 신호
IG. 이그니션 전류
IIGR. 이그니션 설정전류
IO. 출력전류
IR. 정상운전 설정전류
Ji. 에너지
LF1. 직류리액터
Lm1. 리액터
N. 부단자
P. 정단자
Pi. 단락펄스신호
PR. 정상운전 설정전력
Q1. 스위칭소자
Q2. 스위칭소자
QU, QV, QX, QY. 스위칭소자
Tion. 미소 시간폭
VIGR. 이그니션 설정전압
Vin. 입력전압
VO. 출력전압
VOIG. 이그니션 전압
VPLR. 플라즈마 발생 설정전압
VR. 정상운전 설정전압
Δi. 단락전류
Δi1. 단락전류
Δic. 순환전류

Claims (9)

  1. 플라즈마 발생장치에 직류전력을 공급하는 직류전원장치에 있어서,
    직류전압원을 구성하는 전압형 강압초퍼부와,
    상기 전압형 강압초퍼부의 직류전압을 승압하는 승압회로와,
    상기 승압회로의 직류출력을 단상교류로 변환하는 단상인버터부와,
    상기 전압형 강압초퍼부를 제어하는 초퍼제어부, 및 상기 승압회로를 제어하는 승압제어부를 포함하는 제어부
    를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 플라즈마 발생장치에 플라즈마 방전을 발생시키는 이그니션 전압을 공급하는 이그니션모드와, 상기 플라즈마 발생장치의 플라즈마 방전을 계속시키는 정상운전모드를 전환하여 제어하고,
    상기 이그니션모드에 있어서,
    상기 승압제어부는, 상기 승압회로의 정전압측과 부전압측의 사이를 간헐적으로 단락하고, 상기 단락으로 형성되는 단락전류에 의한 승압동작을 제어하여, 플라즈마 발생장치에 인가하는 출력전압을 제어함
    을 특징으로 하는, 직류전원장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 승압제어부는, 상기 승압회로에 있어서 정전압단과 부전압단의 사이를 접속하는 스위칭소자를 간헐적으로 단락하는 단락펄스신호를 생성하고,
    상기 단락펄스신호에 의하여 상기 스위칭소자를 온상태로 함으로써 전압형 강압초퍼부의 출력단의 정전압단과 부전압단을 단락함
    을 특징으로 하는, 직류전원장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 이그니션모드에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 승압제어부에 의한, 단락전류에 의한 승압을 복수 회 반복하여 출력전압을 이그니션 설정전압까지 전압상승시키는 승압제어와, 상기 초퍼제어부에 의한, 상기 출력전압을 이그니션 설정전압으로 유지하는 정전압제어를 전환하여 행하고,
    상기 출력전압이 이그니션 설정전압에 도달한 후, 승압제어에서 정전압제어로 전환함
    을 특징으로 하는, 직류전원장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부는,
    초퍼제어부에 있어서의 초퍼제어의 온듀티비와, 승압제어부에 있어서의 간헐단락동작의 회수를 파라미터로 하고,
    상기 온듀티비에 의하여 상기 전압형 강압초퍼부의 입력전압을 제어하고,
    상기 간헐단락동작의 회수에 의하여 승압비를 제어하고,
    상기 입력전압과 승압비에 의하여 출력전압의 전압상승을 제어함
    을 특징으로 하는, 직류전원장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 정상운전모드는,
    정상운전의 설정치를 이그니션모드에서 설정되는 이그니션 설정전압에서 정상운전 설정전압으로 전환하고, 출력전압을 정상운전 설정전압으로 유지하는 정전압제어,
    정상운전의 설정치를 이그니션모드에서 설정되는 이그니션 설정전압에서 정상운전 설정전류로 전환하고, 출력전류를 정상운전 설정전류로 유지하는 정전류제어,
    정상운전의 설정치를 이그니션모드에서 설정되는 이그니션 설정전압에서 정상운전 설정전력으로 전환하고, 출력전력을 정상운전 설정전력으로 유지하는 정전력제어
    중 어느 하나의 제어를 선택 가능하고,
    상기 제어부의 전환제어는, 출력전류가 이그니션 설정전류에 도달하고, 또, 출력전압이 플라즈마 발생전압으로 하강했을 때 상기 이그니션모드에서 상기 정상운전모드로 전환하여, 상기 정전압제어, 상기 정전류제어, 상기 정전력제어로부터 선택한 제어를 행함
    을 특징으로 하는, 직류전원장치.
  6. 직류전압원을 구성하는 전압형 강압초퍼부와,
    상기 전압형 강압초퍼부의 직류전압을 승압하는 승압회로와,
    상기 승압회로의 직류출력을 단상교류로 변환하는 단상인버터부와,
    상기 전압형 강압초퍼부를 제어하는 초퍼제어부, 및 상기 승압회로를 제어하는 승압제어부를 포함하는 제어부
    를 구비하고, 플라즈마 발생장치에 직류전력을 공급하는 직류전원장치의 제어방법에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 플라즈마 발생장치에 플라즈마 방전을 발생시키는 이그니션 전압을 공급하는 이그니션모드와, 상기 플라즈마 발생장치의 플라즈마 방전을 계속시키는 정상운전모드를 전환하여 제어하고,
    상기 이그니션모드에 있어서,
    상기 승압제어부는, 상기 승압회로의 정전압측과 부전압측의 사이를 간헐적으로 단락하고, 상기 단락으로 형성되는 단락전류에 의한 승압동작을 제어하여, 플라즈마 발생장치에 인가하는 출력전압을 제어함
    을 특징으로 하는, 직류전원장치의 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 이그니션모드에 있어서, 상기 제어부는,
    단락전류에 의한 승압을 복수 회 반복하여 출력전압을 이그니션 설정전압까지 전압상승시키는 승압제어와, 상기 초퍼제어부에 의하여 상기 출력전압을 이그니션 설정전압으로 유지하는 정전압제어를 전환하여 행하고,
    상기 출력전압이 이그니션 설정전압에 도달한 후, 승압제어에서 정전압제어로 전환함
    을 특징으로 하는, 직류전원장치의 제어방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어부는, 초퍼제어부에 있어서의 초퍼제어의 온듀티비와, 승압제어부에 있어서의 간헐단락동작의 회수를 파라미터로 하고,
    상기 온듀티비에 의하여 상기 전압형 강압초퍼부의 입력전압을 제어하고,
    상기 간헐단락동작의 회수에 의하여 승압비를 제어하고,
    상기 입력전압과 승압비에 의하여 출력전압의 전압상승을 제어함
    을 특징으로 하는, 직류전원장치의 제어방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 정상운전모드는,
    정상운전의 설정치를 이그니션모드에서 설정되는 이그니션 설정전압에서 정상운전 설정전압으로 전환하고, 출력전압을 정상운전 설정전압으로 유지하는 정전압제어,
    정상운전의 설정치를 이그니션모드에서 설정되는 이그니션 설정전압에서 정상운전 설정전류로 전환하고, 출력전류를 정상운전 설정전류로 유지하는 정전류제어,
    정상운전의 설정치를 이그니션모드에서 설정되는 이그니션 설정전압에서 정상운전 설정전력으로 전환하고, 출력전력을 정상운전 설정전력으로 유지하는 정전력제어
    중 어느 하나의 제어를 선택 가능하고,
    상기 제어부의 전환제어는, 출력전류가 이그니션 설정전류에 도달하고, 또, 출력전압이 플라즈마 발생전압으로 하강했을 때 상기 이그니션모드로부터 상기 정상운전모드로 전환하여, 상기 정전압제어, 상기 정전류제어, 상기 정전력제어로부터 선택한 제어를 행함
    을 특징으로 하는, 직류전원장치의 제어방법.
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