KR101673374B1 - 유도 가열 장치, 유도 가열 장치의 제어방법, 및 프로그램 - Google Patents

유도 가열 장치, 유도 가열 장치의 제어방법, 및 프로그램 Download PDF

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Abstract

상호 유도 환경의 공진형 인버터의 출력 위상각이 소정 범위에 들도록 제어한다. 상호 유도 환경의 복수의 유도 가열 코일(La, Lb)의 각각에 급전하는 공진형 인버터(30a,30b)를 복수 갖춘 유도 가열 장치(100)에 있어서, 상기 공진형 인버터의 구동 주파수를 공통으로 해서, 복수의 상기 공진형 인버터의 출력 위상각이 소정 범위에 들어가도록 상기 구동 주파수를 공통으로 제어하는 제어 회로(40)를 구비한다. 또한, 상기 위상각이 소정 범위에 들도록 유도 가열 코일에 흐르는 코일 전류를 개별적으로 제어한다.

Description

유도 가열 장치, 유도 가열 장치의 제어방법, 및 프로그램 {INDUCTIVE HEATING DEVICE, METHOD FOR CONTROLLING INDUCTIVE HEATING DEVICE, AND PROGRAM}
본 발명은, 복수의 유도 가열 코일을 이용한 유도 가열 장치, 유도 가열 장치의 제어 방법, 및 프로그램에 관한 것이다.
웨이퍼를 열 처리하는 반도체 제조 장치는, 열 변형 등의 문제부터 웨이퍼의 표면 온도차를 최대한 작게(예컨대, ±1℃이내로) 제어할 필요가 있다. 또, 원하는 고온(예를 들어, 1350℃)까지 고속으로 온도 상승(예를 들어, 100℃/초)시킬 필요가 있다. 이때, 유도 가열 코일을 복수로 분할하고, 분할된 유도 가열 코일마다 개별적으로 고주파 전원(예를 들면, 인버터)을 접속해서 전력 제어를 수행하는 유도 가열 장치가 널리 알려져 있다. 그러나, 분할된 유도 가열 코일은 서로 근접해 있기 때문에 상호 유도 인덕턴스(M)가 존재하고, 상호 유도 전압이 발생하는 상태가 된다. 그래서, 각 인버터가 상호 유도 인덕턴스를 통해서 병렬 운전되는 상태가 되고, 각 인버터에서 전류 위상에 차이가 있는 경우는 인버터 상호 간에서 전력의 수수(授受)가 생길 수 있다. 즉, 각 인버터의 전류 위상의 차이에 의해 분할된 유도 가열 코일 사이에서 자계(磁界)에 위상차가 발생하므로 인접하는 유도 가열 코일의 경계 부근에서 자계가 약해져, 유도 가열 전력에 의한 발열 밀도가 저하한다. 그 결과, 피가열물(웨이퍼 등)의 표면에 온도 차이가 생길 우려가 있다.
따라서, 인접하는 유도 가열 코일 사이에 상호 유도 전압이 발생해서 상호 유도 인덕턴스가 존재하는 상황 아래에서도, 인버터 상호 간에 순환 전류가 흐르지 않게 하면서 분할된 유도 가열 코일의 경계 부근에서 발열 밀도가 저하되지 않도록 해서 유도 가열 전력의 적정 제어를 수행할 수 있는 「존 컨트롤 유도 가열(ZONE Controlled Induction Heating: ZCIH)」의 기술이 발명자들에 의해 제안되었다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 이 ZCIH의 기술에 따르면, 각 전원 유닛은, 각각 강압 (降壓) 초퍼와 전압형 인버터(이하, 단순히 인버터)를 구비해서 구성되어 있다. 그리고, 복수의 전력 공급 존으로 분할된 각 전원 유닛은, 분할된 각각의 유도 가열 코일에 개별적으로 접속되어서 전력 공급을 수행한다.
이때, 각 전원 유닛에서의 각 인버터의 전류 동기 제어(즉, 전류 위상의 동기 제어), 즉 각 인버터에 흐르는 전류 위상을 동기(同期)시킴으로써 복수의 인버터 간에 순환 전류가 흐르지 않도록 한다. 다시 말하면, 복수의 인버터 사이에서 전류의 수수가 없도록 해서 인버터로 흘러들어가는 회생(回生) 전력에 따라 과전압이 발생하는 일이 없도록 한다. 또한, 인버터의 전류 동기 제어에 의해 분할된 각각의 유도 가열 코일에 흐르는 전류 위상을 동기시킴으로써 각 유도 가열 코일의 경계 부근에서 유도 가열 전력에 의한 발열 밀도가 급격히 저하되지 않도록 한다. 그리고 또한, 각 강압 초퍼에 따라 각 인버터의 입력 전압을 제어함으로써 각 인버터의 전류 진폭을 제어하여 각 유도 가열 코일로 공급하는 유도 가열 전력의 제어를 수행한다.
특허문헌 1은, 공진 주파수보다 높은 주파수에서 주파수 스위프를 행하여 처음으로 공진점(共振点)에 도달하는 유닛을 선택하고, 그 공진 주파수와 동일한 스위칭 주파수로 모든 인버터 회로를 구동하는 기술을 기재하고 있다. 이에 따라, 특허문헌 1에 기재된 기술은 모든 인버터 회로의 L성(L性) 구동을 유지하고 있다.
일본특허공개공보 제2011-14331호 (청구항 1, 단락번호 0061)
특허문헌 1에 기재된 기술은, 가장 공진 주파수가 높은 인버터를 출력 거형파 전압의 동작 타이밍과 공진 전류의 제로 크로스 타이밍과 위상 차이를 최소화하는 최소 위상각으로 설정하고 있으므로 이 특정의 인버터의 출력률은 높다. 그러나, 다른 인버터(존)의 역률(力率)에 관해서는 고려되지 않아, 정격 전력을 출력하는 것이 불가능하며 위상각을 작게 함으로써 스위칭 손실을 줄이는 것도 불가능하다. 다시 말하면, 특허문헌 1에 기재된 기술은 전 존(ZONE)을 최적으로 제어하지 못하고 있다.
또한, 특허문헌 1에 기재의 기술은, 유닛의 공통화, 불규칙한 부하 변동의 회피를 위해서(단락 0007 참조) 주파수 스위프를 행한다.
따라서, 본 발명은 이런 문제를 해결하기 위해 이뤄진 것이며, 모든 공진형 인버터를 최적으로 제어할 수 있는 유도 가열 장치, 유도 가열 장치의 제어 방법, 및 프로그램을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 상호 유도(誘導) 환경의 복수의 유도 가열 코일의 각각에 급전(給電)하는 공진형 인버터를 복수 갖춘 유도 가열 장치에 있어서, 상기 공진형 인버터의 구동 주파수를 공통으로 해서, 복수의 상기 공진형 인버터의 출력 위상각이 소정 범위에 들어가도록 상기 구동 주파수를 공통으로 제어하는 제어 회로를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 유도 가열 코일과 콘덴서의 직렬 회로에 인가되는 인가 전압의 동작 타이밍보다도 상기 직렬 공진 회로에 흐르는 전류가 음(負)에서 양(正)으로 제로 크로스하는 제로 크로스 타이밍 쪽이 늦어지도록 직류 전압이 제어되고, 공진 전류 지연 위상 모드로 동작한다. 한편, 모든 직렬 공진 회로를 지연 위상 모드로 설정하면 역률(力率)이 저하한다. 또, 전압 폭이 소정 값 미만의 소출력의 역변환 장치는, 공진 전류 진행 위상 모드로 동작하지만 소출력이므로 축적 손실이나 서지 전압도 작아져 트랜지스터의 파괴는 면한다. 이에 따라, 제어 회로는, 구동 주파수를 공통으로 변경해서 모든 직렬 공진 회로의 위상 차이(출력 위상각)를 최적 위상각 범위에 넣도록 제어한다. 이 최적 위상각 범위란, (1)ZVS를 확보할 수 있는 최소의 출력 위상각 20°이상 (2)정격출력(P=V·I·COSθ)을 출력할 수 있는 출력 위상각 30°이하 (3)직렬 공진 회로에 흐르는 전류의 무효 전력 성분인 무효 전류(Isw=Ip×SINθ)에 기인하는 스위칭 손실을 줄이는 출력 위상각 30°이하 중 어느 하나의 범위이다. 단독 운전시에, 기준 주파수에서 상기 최적 위상각 범위에 들어가도록 자기(自己) 공진 회로의 자기 인덕턴스(L), 또는 커패시터(C)를 조정한다. 또한, 출력 위상각 20°, 30°의 수치는 예시이다.
또한, 상호 유도 환경의 복수의 유도 가열 코일의 각각에 급전하는 공진형 인버터를 복수 갖춘 유도 가열 장치에 있어서, 상기 공진형 인버터에 접속된 공진 회로의 임피던스의 위상각과 상호 유도로 도래하는 상호 유도 전압의 위상각이 거의 동등해지도록 상기 복수의 유도 가열 코일에 흐르는 코일 전류를 제어하는 제어 회로를 구비할 수도 있다.
이에 따르면, 공진형 인버터의 출력 위상을 구동 주파수에 관계없이 동일하게 할 수 있기 때문에 최적 제어된다.
본 발명에 따르면 모든 공진형 인버터를 최적으로 제어할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시형태와 관련한 유도 가열 장치를 사용하는 반도체 가열 장치의 개략도이고,
도 2는, 유도 가열 장치의 2개의 공진 회로의 등가 회로도이고,
도 3은, 본 발명의 제1 실시형태와 관련한 유도 가열 장치에 역 결합 인덕터를 접속했을 경우의 모식도이고,
도 4a는, 유도 가열 코일에 인가되는 전압 파형, 및 전류 파형의 상태 1을 나타내는 도면이고,
도 4b는, 유도 가열 코일에 인가되는 전압 파형, 및 전류 파형의 상태 2를 나타내는 도면이고,
도 4c는, 유도 가열 코일에 인가되는 전압 파형, 및 전류 파형의 상태 3을 나타내는 도면이고,
도 4d는, 유도 가열 코일에 인가되는 전압 파형, 및 전류 파형의 상태 4를 나타내는 도면이고,
도 4e는, 유도 가열 코일에 인가되는 전압 파형 및 전류 파형의 상태 4의 대응을 나타내는 도면이고,
도 5는, 본 발명의 제1 실시형태의 유도 가열 장치의 회로도이고,
도 6은, 위상각 일정 범위 제어의 파형도이고,
도 7은, 참고 예의 전압형 인버터 및 전류형 인버터의 등가 회로도이다.
이하, 도면을 참조해서 본 발명의 실시 형태(이하, 「본 실시형태」라고 함)를 상세하게 설명한다. 또한, 각 도면은, 본 발명을 충분히 이해할 수 있을 정도로 개략적으로 보여 것에 불과하다. 따라서 본 발명은 도시 사례에만 한정될 것은 아니다. 또, 각 도에서 공통되는 구성 요소나 비슷한 구성 요소는 동일한 부호를 붙이고 그것들의 중복하는 설명을 생략한다.
(제1 실시형태)
도 1은, 본 발명의 제1 실시형태와 관련한 유도 가열 장치를 사용하는 반도체 가열 장치의 개략도이다.
유도 가열 장치로서 RTA(Rapid Thermal Anneal)장치(반도체 가열 장치)는, 복수의 유도 가열 코일(La,Lb)이 오목부에 매설된 내열판과, 이 내열판의 표면에 마련된 공통의 발열체와, 복수(2개)의 역변환 장치로서의 인버터(30(30a,30b))를 구비하고, 복수의 유도 가열 코일(La,Lb)에 따라 발열체를 2존으로 분할 가열하도록 구성되어 있다. 이 RTA 장치는 유도 가열 코일(La,Lb) 각각이 고주파 자속(磁束)을 발생하고, 이 고주파 자속이 예컨대 카본 그라파이트(이하, 단순히 그라파이트라고 함)로 형성된 발열체에 와전류(渦電流)를 흘리고, 이 와전류가 그라파이트의 저항 성분에 흘러서 발열체가 발열하도록 구성되어 있다. 이 발열체의 복사열은 피 가열물인 유리 기판이나 웨이퍼를 가열한다. 또한, 반도체의 열 처리에 있어서는, 이 가열은 감압 분위기 중이나 불활성 분위기 중(예컨대, 질소 분위기 중)에서 이루어진다.
도 1(b)는, 유도 가열 장치의 구성도(2)이다. 두 개의 유도 가열 코일(La, Lb)은, 공통의 그라파이트에 감아지고 유도 가열 코일(La)의 일단에 콘덴서(Ca)의 일단이 접속되고, 콘덴서(Ca)의 타단과 유도 가열 코일(La)의 타단이 인버터(30a)에 접속되어 있다. 또, 유도 가열 코일(Lb)의 일단이 콘덴서(Cb)의 일단에 접속되고, 콘덴서(Cb)의 타단과, 유도 가열 코일(Lb)의 타단이 인버터(30b)에 접속되어 있다. 또한, 콘덴서(Ca)는 커패시턴스(C11)를 가지고, 콘덴서(Cb)는 커패시턴스(C22)를 가진다. 또한, 인버터(30a,30b)는, 공진 콘덴서(Ca,Cb)와 함께 유도 가열 코일(La, Lb)을 공진(共振)시키는 공진형 인버터로서 기능한다.
여기에서, 유도 가열 코일(La,Lb)은, 공통의 그라파이트에 감겨 있어서 상호 유도 인덕턴스(M)로 결합되어 있다. 또, 도 1(b)에 있어서, 인버터(30a)는 전압 (Viv1)을 발생하고, 전류(I1)를 콘덴서(Ca) 및 유도 가열 코일(La)에 흘리고, 인버터(30b)는 전압(Viv2)을 발생하고 전류(I2)를 흘린다. 상호 유도 인덕턴스(M)는, 유도 가열 코일(Lb)로 흐르는 전류(I2)에 의해 코일(La)에 유기(誘起)하는 무효분 유기 전압을 표현한 것이다. 유도 가열 코일(Lb)에 흐르는 전류(I2)의 시간 변화에 의해 유도 가열 코일(La)에 유도하는 무효분 상호 유도 전압과 유도 가열 코일(La)에 흐르는 전류(I1)의 시간 변화에 따라 유도 가열 코일(Lb)에 유기하는 무효분 상호 유도 전압과는 서로 같다. 또한, 무효분 상호 유도 전압은, 코일에 유기하는 상호 유도 전압의 무효 전력 성분을 말한다.
도 2는, 유도 가열 장치의 두 개의 공진 회로의 등가 회로도이다.
유도 가열 코일(La,Lb)은, 자기(自己) 인덕턴스(L1,L2)를 가지고 그라파이트의 와전류에 의한 등가 저항(등가 저항값R1,R2)을 가진다. 즉, 유도 가열 코일(La) 및 콘덴서(Ca)의 직렬 회로는 커패시턴스(C1)의 콘덴서와, 자기 인덕턴스(L1)의 인덕터와, 등가 저항값(R1)의 저항기와의 직렬 공진 회로로 표현된다. 그리고, 이 직렬 공진 회로는, 전압원(Eiv1)의 전압(Viv1)과 유도 가열 코일(Lb)에서의 상호 유도 전압(Vm21)과의 차분(差分) 전압이 인가된다. 또, 전압원(Eiv1)은, 위상각(θiv1)의 전압(Viv1)을 발생하여 전류(liv1)를 흐르게 한다. 상기 직렬 공진 회로는 위상각(θs1)의 전압 강하(Vs1)를 발생시킨다.
또한, 유도 가열 코일(Lb) 및 콘덴서(Cb)의 직렬 회로는, 커패시턴스(C2)의 콘덴서와, 자기 인덕턴스(L2)의 인덕터와, 등가 저항값(R2)의 저항기와의 직렬 공진 회로로 표현된다. 그리고, 이 직렬 공진 회로는, 전압원(Eiv2)의 전압(Viv2)과, 유도 가열 코일(La)에서의 상호 유도 전압(Vm12)과의 차분 전압이 인가된다. 또, 전압원(Eiv2)은, 위상각(θiv2)의 전압(Viv2)을 발생하여 전류(Iiv2)를 흐르게 한다. 상기 직렬 공진 회로는 위상각(θs2)의 전압 강하(Vs2)를 발생시킨다.
또한, 공통의 그라파이트에 감긴 두 개의 유도 가열 코일(La,Lb)은, 상호 유도 인덕턴스(M)로 결합되어 있지만, 발명자는 상호 유도 저항(Rm)도 존재한다고 생각했다. 상호 유도 저항(Rm)은, 유도 가열 코일(Lb)에 흐르는 전류(Iiv2)에 의해 유도 가열 코일(La)에 유기하는 유효분 유기전압을 표현한 저항이다. 또한, 유도 가열 코일(Lb)에 흐르는 전류(liv2)에 의해 유도 가열 코일(La)에 유기(誘起)되는 유효분 상호 유도 전압은, 유도 가열 코일(La)에 흐르는 전류(liv1)에 의해 유도 가열 코일(Lb)에 유기되는 유효분(有效分) 상호 유도 전압과 같다.
또한, 금속처럼 저 저항 재료를 가열하는 경우에는 공진 첨예도 Q=ωL/R(ω L1/R1, ωL2/R2)가 높으며,
ωM 〉〉Rm
이기 때문에, 상호 유도 저항(Rm)을 무시할 수 있다. 그러나, 그라파이트처럼 고(高) 저항재료를 가열하는 경우는 공진 첨예도 Q=ωL/R가 낮으며,
ωM〈 Rm
가 되어, 상호 유도 저항(Rm)을 고려할 필요가 있다.
상호 유도 전압의 위상각(θm)은,
θm=tan-1(ωM/Rm)
이다. 이 위상각(θm)을 자기 공진 회로의 위상각 θs=tan-1{(ωL-1/ω C)/Rs}와 거의 같게 해서, θm≒θs로 만든다. 이에 따라, 게이트 펄스가 무제어에서도
θiv≒θs≒θm
이 된다. 금속에서는 ωM 〉〉Rm이며, 그라파이트에서는 ωM≒Rm의 경우도 있다. 하지만, 코일과 그라파이트 사이의 갭이 크면 ωM 〉〉이 되어 간다.
θiv=20도~30도의 고 역률의 각도로 하기 때문에, 역 결합 인더턱(-Mc)(도3)를 장비하고, 회로 전체의 상호 유도 인덕턴스(M-Mc)를 저감한다. 또한, 이 경우에는, 콘덴서(Cb)를 인버터(30b)의 다른 출력 측과 유도 가열 코일(Lb) 사이에 설치한다.
다시 말해서, 유도 가열 코일(La)에 흐르는 전류(liv1)에 의해 그라파이트에 발생하는 와전류는, 유도 가열 코일(La)의 양단에 유효분 전압 강하를 발생시키는 동시에 유도 가열 코일(Lb)에도 유효분의 상호 유도 전압을 유기시킨다. 유도 가열 코일(La)에는, 무효분 상호 유도 전압도 유기하기 때문에 결과적으로 상호 유도 전압(Vm21)으로서 무효분 상호 유도 전압과 유효분 상호 유도 전압 쌍방이 유기된다.
이때, 하기의 회로 방정식 성립한다.
즉, 직렬 공진 회로(C1, L1, R1)의 전압 강하(Vs1)는,
Vs1=liv1×{R1+jωL1-j/(ωC1·s1)}=liv1×|Zs1|(cosθs1+jsinθs1)이 된다.
또, 유도 가열 코일(La)에 유기되는 상호 유도 전압(Vm21)은,
Vm21=liv2(Rm+jωM)=liv2×|Zm21|×(cosθm21+jsinθm21)
이 된다. 여기에서,
|Zs1|=[R12+{ωL1-1/(ω·C1)}2]-1/2
θs1=tan-1[{ωL1-1/(ω·C1)}/R1]
|Zm21|={Rm2+(ωM)2}-1/2
θm21=tan-1{ωM/Rm}
이다.
또, 전압원(Eiv1)의 전압(Viv1)은,
Viv1=|Vs1|(cosθs1+jsinθs1)+|Vm21|(cosθm21+jsinθm21)
이 된다. 여기에서,
|Vs1|=liv1×Zs1
|Vm21|=liv2×|Zm21|
이다.
상술한 회로 방정식으로부터 인버터(Eiv1)에서 본 아래의 4가지 상태가 발생하고, 그 제어 대응책을 나타낸다.
도 4a 내지 도 4d는, 유도 가열 코일에 인가되는 전압 파형 및 전류 파형의 상태 1 또는 상태 4를 나타내는 도면이고, 도 4e는 유도 가열 코일에 인가되는 전압 파형 및 전류 파형의 상태 4의 대응을 나타내는 도면이다. 각 도면들, 전압원 (Eiv1, Eiv2)의 전압(Viv1, Viv2)은 DUTY1/2의 구형파(矩形波) 전압이고, 2개의 유도 가열 코일(La,Lb)에 흐르는 코일 전류(liv1,liv2)는 위상이 일치하고 전류 동기해 있다. 즉, 전압(Viv1,Viv2) 및 코일 전류(liv1,liv2)의 주파수(구동 주파수)는 같다. 그리고 또한, 실선은 구형파 전압(Viv1) 및 코일 전류(liv1)를 나타내며, 파선은 구형파 전압(Viv2) 및 코일 전류(liv2)를 나타낸다.
또, 원칙적으로 ZVS(Zero Volt Switching) 확보를 위해 전류 위상은 전압 위상보다 늦어져 있지만, 도 4b 및 도 4d의 liv1은 위상 지연이 절대값이 작은 값에서 음이 되어 있다(특히, 스위칭시의 전류 lsw=lp×sinθ가 손실에 기여한다).
역 결합 인덕터(역 결합 인덕턴스 -Mc)(도 3)를 마련해서, 회로 전체의 상호 유도 인덕턴스(M-Mc)가 θm=tan-1(ωM/Rm)=20도~30도가 되도록 한다. 이 때문에,
ωM/Rm=0.36~0.58
이 된다. 금속도 그라파이트도 마찬가지이다.
(상태 1)
liv1가 큰 경우로, liv2가 작고 상호 유도 인덕턴스(M)가 클 때는,
도 4a에 나타내는 바와 같이, liv1의 값보다 liv2의 값이 작기 때문에 상호 유도 전압(Vm21)이 작아진다. 이 때문에 유도 가열 코일(La)이 고온이 됨으로써 자기 인덕턴스(L1)가 저하하면 위상각(θiv1)이 작아진다.
이 상태는, 제어 회로(40)(도 5)는, 인버터(30a,30b)의 구동 주파수를 상승시키고 위상각(θiv1)을 크게 해서 대응한다.
(상태 2)
liv1가 큰 경우로, liv2가 작고 상호 유도 인덕턴스(M)가 작을 때는,
a)도 4b에서와 같이, liv1의 값보다 liv2의 값이 작기 때문에 상호 유도 전압(Vm21)의 값이 작아진다. 이 때문에 고온이 됨으로써 자기 인덕턴스(L1)가 저하하면 위상각(θiv1)이 음(負)이 된다.
이 상태는, 제어 회로(40)(도 5)는, 인버터(30a,30b)의 구동 주파수를 상승시키고 위상각(θiv1)을 크게 해서 대응한다.
b)Eiv2(도 2 참조) 측의 위상각(θiv2)이 작아진다. ZVS 확보를 위해 인버터 (30a,30b)의 구동 주파수가 상승하게 되면 위상각(θiv1)이 커진다.
이 경우는, 스위칭 로스 대책 때문에 제어 회로(40)(도 5)는 전류가 규정 값 이상(예를 들면, 50%이상)일 때에, 인버터(30a,30b)의 구동 주파수를 강하시켜서 위상각(θiv1)을 작게 한다. 단, 다른 존(존 2)에서 구동 주파수 상승 지령이 있으면 주파수 상승을 우선한다.
(상태 3)
liv1가 작은 경우이며, liv2가 크고 상호 유도 인덕턴스(M)가 클 때는,
도 4c에서와 같이 liv1의 값보다 liv2의 값이 크고 상호 유도 인덕턴스(M)가 크므로 상호 유도 전압(Vm21)이 커진다. 한편, liv1가 작기 때문에 직렬 공진 회로의 전압 강하(Vs1)가 작아진다. 그 결과 θiv1≒θm21가 된다. θm21가 큰 경우에는 θiv도 커진다.
이때는, 전류가 규정 값 이상(예를 들어, 50%이상)의 경우에는, 스위칭 로스 대책을 위해, 제어 회로(40)(도 5)는, 인버터(30a,30b)의 구동 주파수를 강하시켜서 위상각(θiv1)을 작게 한다. 단, 다른 존(존2)에서 구동 주파수 상승 지령이 있으면 주파수 상승을 우선한다.
(상태 4)
liv1가 작은 경우이며 liv2가 크고 상호 유도 인덕턴스(M)가 작을 때는,
도 4d와 같이, liv1의 값보다 liv2의 값이 크므로 상호 유도 인덕턴스(M)보다도 상호 유도 저항 Rm이 크게 영향하고 상호 유도 전압(Vm21)이 커진다. 한편 liv1이 작으므로, 직렬 공진 회로의 전압 강하(Vs1)가 작아진다. 그 결과, θiv1≒ θm21가 된다. 따라서, 상호 유도 저항(Rm)이 크고, θm21이 작아지는 경우에는 θ iv1가 작아진다.
이 경우는, ZVS 확보를 위해, 제어 회로(40)(도 5)는, 전류가 규정 값(미만(15%미만)의 경우에는 전류 값만을 증가시키고, 전류(liv1)가 규정 값 이상(15%이상)의 경우에는, 인버터(30a,30b)의 구동 주파수만 상승시킨다.
즉, 제어 회로(40)(도 5)는, 도 4e에 나타내는 바와 같이, 구형파 전압(Viv1)을 증가시켜 전류 값(liv1)을 증가시킴으로써 θiv1가 양(正)의 값으로 커진다.
위상각 범위를 최적으로 하려면 어느 하나의 존의 위상각(θiv1, θiv2)이나 코일 전류(liv1, liv2)가
(A)위상각 20°미만, 코일 전류 15%미만일 때, 예를 들면 (상태 4)는 코일 전류(liv)를 증가한다.
(B)위상각 20°미만, 코일 전류 15%이상일 때, ZVS 확보를 위해 구동 주파수를 상승한다. 즉, 위상각(θiv1,θiv2)이 제1의 소정 값(20°) 미만이고, 코일 전류(liv1,liv2)의 진폭이 제2의 소정 값(15%) 이상일 때, 모든 공진형 인버터의 구동 주파수를 상승한다.
(C)위상각 20°이상, 30°미만일 때,
이 조건은, 통상 상태이지만, 온도 상승에 수반하여 자기 인덕턴스(L1,L2)가 작아지고, 위상각(θiv1,θiv2)이 작아지면(예를 들면(상태 1)), 상기의 (A) (B)로 이행한다.
(D)위상각 30°이상, 코일 전류 50%이상일 때(예를 들면(상태 2)(상태 3)), 스위칭 손실을 줄이기 위해 모든 공진형 인버터의 구동 주파수를 하강해서 위상각을 30°미만으로 한다. 이 30°의 값은, 정격 출력(P=VI×cosθ)을 출력할 수 있는 위상각이다. 즉, 출력 위상각이 제1의 소정값(20°)보다 큰 제3의 소정값(30°) 이상이며, 코일 전류의 진폭이 제2의 소정 값(15%)보다 큰 제4의 소정 값(50%) 이상일 때, 모든 공진형 인버터의 구동 주파수를 하강한다.
(E)위상각 30°이상, 전류 50%미만일 때
파워 반도체 소자를 적절하게 선정하면, 연속 운전 가능하다.
이상, 위상각 범위를 일정하게 하기 위해 주파수를 가변하는 제어(위상각 범위 일정 제어)에 대해 설명했지만 최소 위상각을 제한함으로써 주파수를 일정하게 하는 제어(주파수 일정 제어)도 가능하다.
이하, 주파수 일정 제어와 위상각 범위 일정 제어의 쌍방에서 사용 가능한 위상각 리미터에 관해서 설명한다.
(1)최소 위상각 리미터 18°
a)위상각(θiv1,θiv2)이 18°미만, 코일 전류(liv1,liv2)가 15%미만의 경우에, 전류(liv1,liv2)를 증가한다(최대 15%까지).
b)위상각(θiv1,θiv2)가 18°미만, 코일 전류(liv1,liv2)가 15%이상인 경우에는, 구동 주파수만 올린다.
(2)최대 위상각 리미터 45°
a)위상각(θiv1,θiv2)이 45°이상, 코일 전류(liv1,liv2)가 50%이상인 경우에 구동 주파수를 낮춘다. 단, 위상각 18°미만, 코일 전류 15%이상의 경우 주파수를 상승시키고, 위상각이 45도 이상이 된 경우에는 구동 주파수를 올린다.
(3)이상 영역(어느 하나의 존이 하기에서 구동 정지)
a)소정 값 이상의 liv이고, 위상각이 14°이하에서 순간 모두 정지
b)코일 전류(liv1,liv2)가 50%이상이고, 위상각(θiv1,θiv2)이 45°이상이면 15초 경과에서 모두 정지
c)코일 전류(liv1,liv2)가 75%이상이고, 위상각(θiv1,θiv2)이 75°이상이면 5초 경과에서 모두 정지
본 발명의 제1 실시형태인 유도 가열 장치의 구성을 도 5 및 도 2를 이용해서 설명한다.
도 5에서, 유도 가열 장치(100)는, 정류·평활 회로(10)와, 강압 초퍼(20a, 20b)와, 복수의 역변환 장치(인버터)(30a,30b)와, 콘덴서(Ca,Cb)(용량C1,C2) 및 유도 가열 코일(La,Lb)(자기 인덕턴스L1, L2, 등가 저항값 R1, R2의 저항기)의 직렬 회로와 제어 회로(40)를 구비해서 구성되고, 각각의 유도 가열 코일(La,Lb)이 고주파 자속을 발생함으로써 공통의 발열체(예를 들면, 그라파이트)(도 2)에 와전류를 흐르게 하고, 이 발열체를 발열시키는 것이다. 즉, 각각의 역변환 장치(30a,30b)는, 공진 콘덴서(Ca,Cb)와 함께 유도 가열 코일(La,Lb)을 공진시키는 공진형 인버터로서 기능한다.
또한, 유도 가열 장치(100)는, 인접하는 유도 가열 코일에 의한 상호 유도 전압(Vm21,Vm12)의 영향을 줄이도록 모든 유도 가열 코일(La,Lb)의 전류 위상, 및 구동 주파수가 일치하도록 제어된다. 즉, 유도 가열 장치(100)는, 2개의 유도 가열 코일(La,Lb)에 흐르는 코일 전류의 위상이 일치하도록 제어되고, 발생 자계에 위상차가 생기지 않기 때문에 인접하는 유도 가열 코일의 경계 부근에서 자계가 약해지는 일이 없으며 유도 가열 전력에 따른 발열 밀도가 저하하지 않는다. 그 결과, 피 가열물의 표면에 온도 불균일이 발생하는 일이 없어진다. 또한, 유도 가열 장치(100)는 역변환 장치(30a,30b) 사이의 순환 전류가 흐르지 않는다.
그리고 또한, 역변환 장치(30a,30b)는, 스위칭 손실을 줄이기 위해 유도 가열 코일(La,Lb)의 자기 인덕턴스(L1,L2)와 직렬 접속된 콘덴서(Ca)의 커패시턴스(C1,C2)와의 공진 주파수보다, 구동 주파수를 높게 해서 공진 전류 위상 지연 모드로 구동하게 되어 있다.
유도 가열 장치(100)는, 상용 전원AC(3φ)에 접속된 정류·평활 회로(10)와, 정류·평활 회로(10)에 접속된 2개의 강압 초퍼(20a,20b)와, 강압 초퍼(20a,20b)에 각각 접속된 역변환 장치(30a,30b)와, 역변환 장치(30a,30b)에 각각 접속된 직렬 공진 회로(La,Ca,Lb,Cb)와, 역변환 장치(30a,30b)를 제어하는 제어 회로(40)를 구비한다.
정류·평활 회로(10)는, 상용 전원 AC에 접속된 삼상(三相)) 정류 회로(REC)와, 삼상 정류 회로(REC)의 출력단 +, -에 접속된 전해 콘덴서(C00)를 구비하고, 삼상 교류 전압을 직류 전압으로 변환한다. 강압 초퍼(20a,20b)는, 트랜지스터(Tr)와 다이오드(D1,D2)와 코일(DCL)과 전해 콘덴서(C01)를 구비한 DC/DC변환기이며, 정류 회로(10)의 출력단(a,b)의 직류 전압(Vmax)을 임의의 직류 전압(Vdc)으로 강압한다. 강압 초퍼(20a,20b)는, 입력단(a)에 다이오드(D1)의 캐소드와 코일(DCL)의 일단이 접속되고, 다이오드(D1)의 애노드와 트랜지스터(Tr)의 콜렉터와 콘덴서(C01)의 음극이 접속되고, 트랜지스터(Tr)의 이미터와 입력단(b)이 접속되고, 코일(DCL)의 타단과 콘덴서(C01)의 양극이 접속되어 있다. 그리고, 트랜지스터(Tr)의 콜렉터와 이미터 간에는 전류(轉流) 다이오드(D2)가 접속되어 있다.
강압 초퍼(20a,20b)는, 트랜지스터(Tr)가 온일 때에, 콘덴서(C00)의 직류 전압과 콘덴서(C01)의 직류 전압의 차분 전압이 코일(DCL)에 인가된다. 한편, 트랜지스터(Tr)가 오프일 때에 코일(DCL)에 축적된 전자 에너지가 다이오드(D1)에서 전류(轉流)되어, 콘덴서(C01)의 직류 전압과 코일(DCL)이 동일 전위차가 된다. 이때, 코일(DCL)에 흐르는 전류는 연속적이며, 트랜지스터(Tr)가 온의 시간, 직선적으로 증가한다. 그리고, 코일(DCL)에 흐르는 전류는 트랜지스터(Tr)가 오프 시간, 직선적으로 감소한다. 그 때문에 콘덴서(C00)와 콘덴서(C01)의 차분 전압은 직류 전압 Vmax와 DUTY비로 정하는 값에 수렴한다. 그리고, DUTY비는, 강압 초퍼(20a,20b)에서 각각 다르고, 콘덴서(C01)의 양단의 직류 전압(Vdc)도 다르다.
역변환 장치(30a,30b)는, 각각 콘덴서(C01)의 양단의 직류 전압Vdc(Vdc1, Vdc2)을 스위칭하는 복수의 트랜지스터(Q1,Q2,Q3,Q4)를 구비하고, 직류 전압(Vdc)에서 구동 주파수가 공통이고 코일 전류가 동(同)위상이 되도록 제어된 DUTY1/2의 구형파 전압(고주파 전압)을 생성하고, 콘덴서 및 유도 가열 코일의 직렬 회로로 급전하는 구동 회로이다. 또한, 트랜지스터(Q1,Q2,Q3,Q4)는, 각 아암에 역(逆) 병렬 접속된 전류 다이오드를 구비하고 있다. 그리고, 트랜지스터(Tr,Q1,Q2,Q3,Q4)는, 예를 들어 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)가 사용된다.
여기서, 콘덴서(Ca,Cb)는, 유도 가열 코일(La,Lb)과 공진하고, 커패시턴스(C1,C2), 자기(自己) 인덕턴스(L1,L2)로 했을 때, 인버터의 구동 주파수(f)가 공진 주파수 1/(2π√(L1·C1), 1/(2π√(L2·C2))와 거의 일치했을 때 그 기본파 전압(V1,V2)을 자기 인덕턴스(L1,L2) 및 등가 저항값(R1,R2)의 직렬 임피던스로 나눈 값의 정현파 전류(코일전류)가 흐른다.
도 6은, 역변환 장치의 출력 전압 파형 및 코일 전류 파형을 나타내는 도면이다.
역변환 장치(30a,30b)의 출력 전압(Viv1 Viv2)은, 트랜지스터(Q1)의 이미터 및 트랜지스터(Q2)의 콜렉터의 접속점과, 트랜지스터(Q3)의 이미터 및 트랜지스터 (Q4)의 콜렉터의 접속점의 전위차(電位差)이다. 또한, 코일 전류(liv1,liv2)는, 유도 가열 코일(La,Lb) 및 콘덴서(Ca,Cb)에 흐르는 전류이다.
출력 전압(Viv1,Viv2)은, DUTY 1/2의 구형파 전압이며 주파수가 일치하고, 진폭은 강압 초퍼(20a,20b)를 위해서 서로 다르다. 코일 전류(liv1,liv2)는 정현파 전류이며, 주파수 및 위상이 일치한다.
자기 인덕턴스(L1,L2) 및 등가 저항값(R1,R2)은 유도 부하이므로 정현파 전류는 기본파 전압보다도 위상각(θiv1,θiv2)이 늦어져 있다. 그리고, 기본파 전압의 주파수가 높아질수록 위상 지연이 증가하지만, 고주파 전류는 공진 상태가 되지 않기 때문에 거의 흐르지 않는다.
또, 왜파(歪波) 전압 전류의 유효 전력(Peff)은 고주파 전류가 흐르지 않기 때문에 기본파 전압(V1), 기본파 전류(l1), 기본파 전압(V1)과 기본파 전류(l1)의 위상각(θ1)으로서,
Peff=V1·l1·cosθ1
으로 표현된다. 따라서, 왜파 전압인 구형파 전압으로 LCR의 직렬 공진 회로를 구동했을 때의 유효 전력 Peff은 기본파의 유효 전력으로 나타낸다.
제어 회로(40)는, 강압 초퍼(20a,20b)의 트랜지스터(Tr) 및 역변환 장치 (30a,30b)의 트랜지스터(Q1,Q2,Q3,Q4)의 게이트 신호를 생성하는 회로이며, 이 게이트 신호를 개별적으로 제어(즉, 직류 전압 Vdc1, Vdc2이나 구형파 전압 위상의 개별 제어)하여 구동 주파수의 변경이나 코일 전류의 개별 제어에 의해 출력의 위상각(θiv1,θiv2)을 상기의 최적의 위상각 범위로 제어한다. 제어 회로(40)는, 제어부로서의 CPU(Central Processing Unit) 등으로 구성되어 있으며, CPU가 프로그램을 실행함으로써 기능이 실현된다. 또한, 제어 회로(40)는, 강압 초퍼(20a,20b)의 직류 전압 Vdc(Vdc1,Vdc2) 및 역변환 장치(30a,30b)의 출력 전류(liv1,liv2)의 크기 및 위상각(θiv1,θiv2)을 출력 위상각으로서 측정 가능하다.
(참고 예)
상기 실시 형태는, 트랜지스터(Q1,Q2,Q3,Q4)의 게이트 펄스의 위치를 제어해서 코일 전류의 위상을 갖추고 있지만, 하나의 존의 유도 가열 코일(La)에 다른 존의 유도 가열 코일(Lb)에서 도래하는 상호 유도 전압의 위상과 유도 가열 코일(La), 콘덴서(Ca), 및 등가 저항으로 이루어진 공진 회로의 위상을 일치시켜도 코일 전류의 위상을 갖출 수 있다.
도 7은, 참고 예의 전압형 인버터 및 전류형 인버터의 등가 회로도이며, 도 7(a)는, 하나의 인버터 측의 등가 회로도이고, 도 7(b)는 다른 인버터 측의 등가 회로도이며, 도 7(c)는 전류형 인버터의 등가 회로도이다.
도 7(a)의 등가 회로도에 있어서, 콘덴서(Ca)의 임피던스는 -jXc1으로 나타내고 유도 가열 코일(La)의 임피던스는 jXl1로 나타내며 등가 저항은 저항 값(R1)으로 나타내어져 있다. 인버터(Eiv1)에 접속되는 공진 회로의 임피던스(Z1)는 무효 분이 (-jXc1+jXl1)이며 유효분이 R1이다. 또한, 이 임피던스(Z1)는, j(|Z1|·sinθ iv1)+|Z1|·cosθiv1로 표현할 수 있다. 여기에서,
|Z1|={(Xl1-Xc1)2+R12}0.5
이다. 또, 유도 가열 코일(La)에 유기되는 상호 유도 전압(Vm21)은, 유도 가열 코일(Lb)에 흐르는 전류를 liv2로 하고, 상호 유도 리액턴스 Xm=ωM으로 했을 때,
Vm21=liv2·(jXm+Rm)=liv2·(jωM+Rm)
=liv2·|Zm|·(cosθm+jsinθm)이다. 여기서|Zm|=(Rm2+Xm2)0.5
도 7(b)의 등가 회로도에 있어서, 콘덴서(Cb)의 임피던스는 -jXc2로 나타내고, 유도 가열 코일(Lb)의 임피던스는 jXl2로 나타내고, 등가 저항은 저항 값(R2)으로 나타낸다. 인버터(Eiv2)에 접속되는 공진 회로의 임피던스(Z2)는 무효분이 (-jXc2+jXl2)이며, 유효분이 R2이다. 또한, 이 임피던스(Z2)는 j(|Z2|·sinθ iv2)+|Z2|·cosθiv2로 표현할 수 있다. 여기에서,
|Z2|={(Xl2-Xc2)2+R22}0.5
이다. 또한, 유도 가열 코일(Lb)에 유기되는 상호 유도 전압(Vm12)은, 유도 가열 코일(La)에 흐르는 전류를 liv1라 하고, 상호 유도 리액턴스 Xm=ωM으로 봤을 때,
Vm12=liv1·(jXm+Rm)=liv1·(jωM+Rm)
=liv1·|Zm|(cosθm+jsinθm)
이다. 여기서, |Zm|=(Rm2+Xm2)0.5
도 7(a) (b)에 있어서, θiv1=θm=θiv2가 되도록 제어하면, 유도 가열 코일 (La,Lb)의 리액턴스(Xl1,Xl2)나 자기 인덕턴스(L1,L2)가 서로 달라도 코일 전류( liv1,liv2)의 위상이 일치한다.
도 7(c)는, 전류형 인버터의 등가 회로도이다.
전류(liv1)를 흐르게 하는 전류원은, 양단이 임피던스 -jXc1의 콘덴서에 접속되고, 병렬 접속된 일단이 임피던스(jXl1+R1)와 상호 유도 전압(Vm21)을 발생하는 전압원의 일단과 접속되고, 병렬 접속된 타단과 전압원의 타단이 접속된다. 그리고, Vm21=liv2×Zm(cosθm+jsinθm)이다.
이때, 콘덴서와 유도 가열 코일과의 임피던스(jXl1-jXc1)는, j(|Z1|·sinθ iv1)로 표현되고, 등가 저항(R1)의 임피던스는 |Z1|·cosθiv1으로 표현된다.
전류원의 전류(liv1)와 전압(Viv1)과의 위상각(전원 위상)(θiv1)은 부하 위상(θm)과 동일해진다.
(변형 예)
본 발명은 전술한 실시형태에 한정되는 것이 아니라 다음과 같은 여러 가지 변형이 가능하다.
(1)상기 실시형태는, 역변환 장치의 스위칭 소자로서 IGBT를 사용했지만 FET(Field Effect Transistor)나 바이폴라 트랜지스터 등의 트랜지스터를 사용할 수도 있다.
(2)상기 실시형태는, 역변환 장치에 직류 전력을 공급하기 위해 직류 전압에서 전압을 강하시키는 강압 초퍼(20a,20b)를 사용했지만, 상용 전원에서 순변환 장치를 이용해서 직류 전압을 발생시킬 수도 있다. 또, 상용 전원으로는 삼상 전원뿐 아니라 단상 전원도 사용할 수 있다.
(3)상기 실시 형태는, 모든 유도 가열 코일(La,Lb)에 대응하는 역변환 장치 (30a,30b)에는 공통의 직류 전압(Vdc)의 전력을 공급했지만, 최대 가열량이 필요한 유도 가열 코일과 이 유도 가열 코일에 대응하는 역변환 장치를 추가하고, 추가한 역변환 장치에 직류 전압(Vmax)의 전력을 공급하고, 역변환 장치(30a,30b)에 직류 전압(Vdc)의 전력을 공급할 수도 있다.
(4)상기 실시 형태의 유도 가열 장치(100)는, 두 개의 유도 가열 코일(La,Lb), 두 개의 강압 초퍼(20a,20b), 역변환 장치(30a,30b)를 이용하였지만, 복수의 유도 가열 코일, 강압 초퍼나 역변환 장치를 더 이용할 수 있다.
10; 정류·평활 회로
20,20a,20b; 강압 초퍼(DC/DC변환기)
30,30a,30b; 역변환 장치(공진형 인버터)
40; 제어 회로
100; 유도 가열 장치
La,Lb; 유도 가열 코일
Ca,Cb; 공진 콘덴서
C1,C2; 커패시턴스
L1,L2; 자기 인덕턴스
R1,R2; 등가 저항
E1,E2; 전압원
M; 상호 유도 인덕턴스
-Mc; 역 결합 인덕터
Rm; 상호 유도 저항
C00,C01; 전해 콘덴서
Tr,Q1,Q2,Q3,Q4 IGBT(스위칭 소자)
D1,D2,D3,D4,D5,D6; 전류(轉流) 다이오드
DCL 쵸크 코일
Vdc1,Vdc2; 직류 전압
Vm21,Vm12; 상호 유도 전압

Claims (6)

  1. 상호 유도(誘導) 환경의 복수의 유도 가열 코일 각각에 급전(給電)하는 공진형 인버터를 복수 갖춘 유도 가열 장치에 있어서,
    상기 공진형(共振型) 인버터의 구동 주파수를 공통으로 해서 복수의 상기 공진형 인버터 각각에서의 전압과 전류의 출력 위상각(位相角)이 미리 결정된 범위에 들어가도록 상기 구동 주파수를 공통으로 제어하는 제어 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 장치.
  2. 상호 유도 환경의 복수의 유도 가열 코일 각각에 급전하는 공진형 인버터를 복수 갖춘 유도 가열 장치에 있어서,
    복수의 상기 공진형 인버터 각각에서의 출력 전압과 공진 전류의 출력 위상각이 미리 결정된 범위에 들어가도록 구동 주파수를 공통으로 제어하는 동시에 상기 유도 가열 코일에 흐르는 코일 전류를 개별적으로 제어하거나 또는 상기 구동 주파수를 일정하게 하고 코일 전류만 개별적으로 제어하는 제어 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 장치.
  3. 제 2항에 기재된 유도 가열 장치에 있어서,
    상기 제어 회로는, 각각의 상기 코일 전류의 위상을 일치시키는 것을 특징으로 하는 유도 가열 장치.
  4. 상호 유도 환경의 복수의 유도 가열 코일의 각각에 급전하는 공진형 인버터를 복수 갖춘 유도 가열 장치의 제어 방법에 있어서,
    구동 주파수를 공통으로 해서, 복수의 상기 공진형 인버터 각각에서의 출력 전압과 공진 전류의 출력 위상각이 미리 결정된 범위에 들어가도록 상기 구동 주파수를 공통으로 제어하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 장치의 제어 방법.
  5. 상호 유도 환경의 복수의 유도 가열 코일 각각에 급전하는 공진형 인버터를 복수 갖춘 유도 가열 장치의 제어 방법에 있어서,
    복수의 상기 공진형 인버터 각각에서의 출력 전압과 공진 전류의 출력 위상각이 미리 결정된 범위에 들어가도록, 구동 주파수를 공통으로 제어하는 동시에 상기 유도 가열 코일에 흐르는 코일 전류를 개별적으로 제어하거나 또는 상기 구동 주파수를 일정하게 하고 코일 전류만 개별적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 장치의 제어 방법.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 기재된 유도 가열 장치의 제어 방법을 상기 공진형 인버터를 제어하는 컴퓨터에 실행시키는 프로그램을 저장한 컴퓨터 판독가능 기록매체.
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