KR101706775B1 - 공진 컨버터를 갖는 플라즈마 발생기용 전원 장치 - Google Patents

공진 컨버터를 갖는 플라즈마 발생기용 전원 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 공진 컨버터를 갖는 플라즈마 발생기용 전원 장치에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 크기가 작고 효율은 높으며 가변 주파수 방식으로 제어할 수 있는 공진 컨버터를 갖는 전원 장치를 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 제1교류 전압을 제1직류 전압으로 변환하는 전원 입력부; 제1직류 전압을 제2교류 전압으로 변환하고 승압하는 인버터부; 제2교류 전압을 제2직류 전압으로 변환하는 직류 정류부; 및 제2직류 전압으로부터 고전압을 발생시켜 플라즈마 토치에 불꽃을 형성하도록 하는 고전압 발생부를 포함하고, 인버터부는 LC 공진 회로를 더 포함하는 플라즈마 발생기용 전원 장치를 개시한다.

Description

공진 컨버터를 갖는 플라즈마 발생기용 전원 장치{POWER SUPPLY DEVICE FOR PLASMA GENERATOR WITH RESONANT CONVERTER}
본 발명은 공진 컨버터를 갖는 플라즈마 발생기용 전원 장치에 관한 것이다.
플라즈마(Plasma)는 이온화된 상태의 기체로서, 기체에 열을 충분히 가하면 원자들 간의 충돌로 인해 많은 수의 전자들이 원자핵의 구속에서 벗어나게 되는데 이것이 플라즈마이다. 플라즈마 속에는 전기적으로 중성인 원자들로만 이루어진 고온 기체와는 달리 서로 반대의 전하를 띤 입자들, 즉 전자와 원자핵이 뒤섞여 존재한다. 따라서 전체적으로는 중성이지만 국부적으로 이온과 전자 사이의 전하 분리에 의해 전기장이, 전하의 흐름에 의해 전류와 자기장이 발생하게 된다.
통상적으로 이러한 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생기를 위해서는 충분한 전압을 공급할 수 있는 전원 장치가 필요하다.
대한민국공개특허공보 10-2007-0045552(2007.05.02.)
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 크기가 작고 효율은 높으며 가변 주파수 및 가변 펄스 폭 방식으로 제어할 수 있는 공진 컨버터를 갖는 전원 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공진 컨버터를 갖는 플라즈마 발생기용 전원 장치는 제1교류 전압을 제1직류 전압으로 변환하는 전원 입력부; 상기 제1직류 전압을 제2교류 전압으로 변환하고 승압하는 인버터부; 상기 제2교류 전압을 제2직류 전압으로 변환하는 직류 정류부; 및 상기 제2직류 전압으로부터 고전압을 발생시켜 플라즈마 토치에 불꽃을 형성하도록 하는 고전압 발생부를 포함하고, 상기 인버터부는 LC 공진 회로를 더 포함한다.
상기 인버터부는 풀 브리지 회로를 포함하고, 상기 풀 브리지 회로는 상기 LC 공진 회로를 포함할 수 있다.
상기 인버터부는 상기 전원 입력부중 플러스 단자에 병렬로 연결된 제1스위치 및 제2스위치; 및, 상기 전원 입력부중 마이너스 단자에 병렬로 연결된 제3스위치 및 제4스위치를 포함하고, 상기 제1스위치에 상기 제3스위치가 직렬로 연결되고, 상기 제2스위치에 상기 제4스위치가 직렬로 연결되며, 상기 LC 공진 회로는 상기 제1스위치와 상기 제3스위치 사이의 노드에 연결된 캐패시터; 및, 상기 제2스위치 및 상기 제4스위치 사이의 노드에 연결된 리액터를 포함하고, 상기 캐패시터에 상기 리액터가 직렬로 연결될 수 있다.
상기 인버터부는 동일한 형태의 제1인버터부 및 제2인버터부를 포함하고, 상기 직류 정류부는 동일한 형태의 제1직류 정류부 및 제2직류 정류부를 포함하며, 상기 제1직류 정류부의 출력 단자에 제2직류 정류부의 출력 단자가 병렬로 연결될 수 있다.
상기 인버터부는 동일한 형태의 제1인버터부 및 제2인버터부를 포함하고, 상기 직류 정류부는 동일한 형태의 제1직류 정류부 및 제2직류 정류부를 포함하며, 상기 제1직류 정류부의 출력 단자에 제2직류 정류부의 출력 단자가 직렬로 연결될 수 있다.
상기 인버터부는 동일한 형태의 제1인버터부, 제2인버터부, 제3인버터부 및 제4인버터부를 포함하고, 상기 직류 정류부는 동일한 형태의 제1직류 정류부, 제2직류 정류부, 제3직류 정류부 및 제4직류 정류부를 포함하며, 상기 제1직류 정류부의 출력 단자에 제2직류 정류부의 출력 단자가 직렬로 연결되고, 상기 제3직류 정류부의 출력 단자에 제4직류 정류부의 출력 단자가 직렬로 연결되며, 상기 직렬 연결된 제1,2직류 정류부의 출력 단자에 상기 직렬 연결된 제3,4직류 정류부의 출력 단자가 병렬로 연결될 수 있다.
상기 인버터부에 사용된 스위치는 FET일 수 있다. 상기 인버터부는 50khz 내지 300khz의 가변 주파수 및 가변 펄스폭으로 제어될 수 있다.
상기 인버터부에 사용된 트랜스포머는 페라이트 코어를 포함할 수 있다.
상기 고전압 발생부에는 플러스 고전압 출력 단자 및 마이너스 고전압 출력 단자가 연결될 수 있다. 상기 고전압 발생부는 상기 직류 정류부의 플러스 전압 출력 단자와 상기 플러스 고전압 출력 단자, 상기 직류 정류부의 마이너스 전압 출력 단자와 상기 마이너스 고전압 출력 단자의 사이에 연결된 커몬 라인 필터; 및 상기 직류 정류부의 마이너스 전압 출력 단자와 상기 커몬 라인 필터 사이에 연결되어 돌입 전류를 방지하는 리액터를 포함할 수 있다.
상기 고전압 발생부에는 플러스 고전압 출력 단자, 파일럿 고전압 출력 단자 및 마이너스 고전압 출력 단자가 연결될 수 있다.
상기 고전압 발생부는 고주파 스위치의 동작에 의해 상기 파일럿 고전압 출력 단자에 고전압을 출력할 수 있다.
상기 고전압 발생부는 상기 직류 정류부의 플러스 전압 출력 단자에 연결된 제1저항; 상기 제1저항에 연결된 제1캐패시터; 상기 직류 정류부의 마이너스 전압 출력 단자에 연결된 제2캐패시터; 상기 제1캐패시터와 상기 제2캐패시터 사이에 연결된 제2저항; 및 상기 플러스 전압 출력 단자와 상기 제1저항 사이의 노드와, 상기 제1캐패시터와 상기 제2저항 사이의 노드 사이에 연결된 고주파 스위치를 포함하고, 상기 제2캐패시터와 상기 제2저항 사이의 노드가 상기 파일럿 고전압 출력 단자에 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명은 크기가 작고 효율은 높으며 가변 주파수 및 가변 펄스폭 방식으로 제어할 수 있는 LC 공진 컨버터를 갖는 전원 장치를 제공한다. 즉, 종래에는 인버터에 스위치로서 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 이용하여 20khz 이상의 스위칭 주파수를 얻기 어려웠지만, 본 발명에서는 스위치로서 FET(Field Effect Transistor)를 이용하여 50khz 내지 300khz의 스위칭 주파수를 얻을 수 있고, 이에 따라 부하에 따라 가변 주파수 및 가변 펄스 폭 방식으로 출력 전압 및 출력 전류를 용이하게 제어할 수 있다. 더욱이, 본 발명에서는 트랜스포머의 코어를 종래의 철심에서 페라이트로 변경함으로써, 상술한 바와 같이 동작 주파수를 더욱 자유롭게 조절할 수 있게 한다. 또한, 본 발명은 풀 브리지 방식의 인버터가 LC 공진 회로를 더 포함함으로써, L(리액터)과 C(캐패시터)에 의한 공진 특성에 의해 입력 대비 출력 손실이 최소화되도록 한다. 즉, 풀 브리지 회로에서 4개의 스위치가 동작할 때, 예를 들면 스위치 Q1에 의한 전류가 0으로 된다고 해도, LC 공진 회로에서의 전류 변화는 동일하므로, 스위칭 손실이 없게 된다.
또한, 본 발명에서는 LC 공진 회로로 인해, 풀 브리지 회로의 온/오프 스위칭 동작 시 전류 파형이 사인파형으로 동작함으로써, 종래의 사각 파형의 전류 특성에 비하여 피크 전압 및 전류가 흐르지 않게 되고, 이에 따라 종래의 스너버(snubber) 회로가 필요없다.
또한, 본 발명은 출력 전력에 따라 LC 공진 회로의 공진점이 자동으로 제어될 수 있어서 장치의 안정성과 효율이 향상된다. 더욱이, 플라즈마 파워의 특성에 알맞은 전류와 전압으로 인버터부가 제어될 수 있어 과전류를 방지하고, 적정 전력으로 플라즈마 방전이 원할하게 되도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 컨버터를 갖는 플라즈마 발생기용 전원 장치의 구성을 도시한 개략도다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 컨버터를 갖는 플라즈마 발생기용 전원 장치의 주요 구성을 도시한 회로도이고, 도 2b는 주요 노드에서의 전류 또는 전압을 도시한 파형도이다.
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공진 컨버터를 갖는 플라즈마 발생기용 전원 장치의 주요 구성을 도시한 회로도이고, 도 3b는 주요 노드에서의 전류 또는 전압을 도시한 파형도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 컨버터를 갖는 플라즈마 발생기용 전원 장치 중 고전압 발생부를 도시한 회로도이다.
도 5a는 파일럿이 없는 경우, 도 5b는 파일럿이 있는 경우의 동작을 설명하기 위한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 컨버터를 갖는 플라즈마 발생기용 전원 장치 중 메인 컨트롤러 등의 구성을 도시한 블럭도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 컨버터를 갖는 플라즈마 발생기용 전원 장치(100)의 구성을 도시한 개략 블럭도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 컨버터를 갖는 플라즈마 발생기용 전원 장치(100)는 전원 입력부(110), 인버터부(120), 직류 정류부(130) 및 고전압 발생부(140)를 포함한다.
전원 입력부(110)는 제1교류 전압을 제1직류 전압으로 변환하여 인버터부(120)에 입력한다. 인버터부(120)는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하고 승압한다. 직류 정류부(130)는 인버터부(120)로부터의 교류 전압을 직류 전압으로 변환한다. 또한, 고전압 발생부(140)는 직류 정류부(130)로부터 얻은 직류 전압[(+),(-)]을 고전압으로 변환하여 플라즈마 토치에 제공함으로써 불꽃이 형성되도록 한다. 즉, 고전압 발생부(140)는 직류 플러스 고전압(DC+), 직류 마이너스 고전압(DC-) 및/또는 파일럿 고전압(Pilot)을 출력한다(출력부). 더불어, 직류 플러스 고전압은 플라즈마 발생기의 일측 토치(T1)에 제공되고, 직류 마이너스 고전압은 플라즈마 발생기의 타측 토치(T2)에 제공된다. 플라즈마 발생기에 파일럿(P1)이 존재할 경우 상술한 파일럿 고전압이 파일럿(P1)에 제공된다(도 5a 및 도 5b 참조)..
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 컨버터를 갖는 플라즈마 발생기용 전원 장치의 주요 구성을 도시한 회로도이고, 도 2b는 주요 노드에서의 전류 또는 전압을 도시한 파형도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 인버터부(120)는 동일한 형태의 제1인버터부(120a) 및 제2인버터부(120b)를 포함하고, 또한 직류 정류부(130) 역시 동일한 형태의 제1직류 정류부(130a) 및 제2직류 정류부(130b)를 포함한다..
여기서, 제1,2인버터부(120a,120b)는 각각 풀 브리지 회로를 포함하고, 풀 브리지 회로는 각각 LC 공진 회로(120c,120d)를 포함한다. 더욱이, 제1직류 정류부(130a)의 출력 단자[(+),(-)]에 제2직류 정류부(130b)의 출력 단자[(+),(-)]가 병렬로 연결된다.
제1,2인버터부(120a,120b)는 상호간 동일한 구성 및 형태를 하므로 제1인버터부(120a)의 구성을 대표적으로 설명하고, 또한 제1,2직류 정류부(130a,130b) 역시 상호간 동일한 구성 및 형태를 하므로 제1직류 정류부(130a)의 구성을 대표적으로 설명한다. 여기서, 구성 및 형태가 동일하다는 의미는 각 소자의 종류가 동일하고, 각 소자의 연결 관계도 동일하다는 의미이다.
제1인버터부(120a)는 전원 입력부(110)중 플러스 단자(예를 들면, 300V DC)에 병렬로 연결된 제1스위치(Q11) 및 제2스위치(Q12)와, 전원 입력부(110)중 마이너스 단자(예를 들면, 그라운드)에 병렬로 연결된 제3스위치(Q13) 및 제4스위치(Q14)를 포함한다. 여기서, 제1스위치(Q11)에 제3스위치(Q13)가 직렬로 연결되고, 또한 제2스위치(Q12)에 제4스위치(Q14)가 직렬로 연결된다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 제1스위치(Q11) 및 제2스위치(Q12)의 소스가 전원 입력부(110)의 플러스 단자에 연결되고, 제3스위치(Q13) 및 제4스위치(Q14)의 소스가 제1스위치(Q11) 및 제2스위치(Q12)의 드레인에 각각 연결된다. 더욱이, 제3스위치(Q13) 및 제4스위치(Q14)의 드레인은 전원 입력부(110)의 마이너스 단자에 연결된다. 더불어, 제1,2,3,4스위치(Q11,Q12,Q13,Q14)의 게이트는 도시되지 않은 인버터 제어부에 연결되어, 제어 신호를 입력받는다.
제1인버터(120a)에 설치된 LC 공진 회로(120c)는 제1스위치(Q11)와 제3스위치(Q13) 사이의 노드에 연결된 캐패시터(C1)와, 제2스위치(Q12) 및 제4스위치(Q14) 사이의 노드에 연결된 리액터(L1)를 포함한다. 여기서, 캐패시터(C1)에 리액터(L1)가 직렬로 연결된다. 즉, 캐패시터(C1)의 제1전극이 제1스위치(Q11)의 드레인과 제3스위치(Q13)의 소스 사이의 노드에 연결되고, 리액터(L1)의 제1전극이 제2스위치(Q12)의 드레인과 제4스위치(Q14)의 소스 사이의 노드에 연결되며, 캐패시터(C1)의 제2전극과 리액터(L1)의 제2전극이 상호간 연결된다.
이와 같이 하여, LC 공진 회로(120c)는 입력 대비 출력 손실을 최소화한다. 예를 들어, 제1,2,3,4스위치(Q11,Q12,Q13,Q14)에 의한 전류가 0으로 된다고 해도, LC 공진 회로(120c)에서의 전류 변화는 동일하므로, 스위칭 손실이 없게 된다.
여기서, 제1,2,3,4스위치(Q11,Q12,Q13,Q14)는 대략 50khz 내지 300khz의 스위칭 주파수를 갖는 FET로서, 이는 기존의 20khz 이내의 스위칭 주파수를 갖는 IGBT에 비해 높은 스위칭 주파수를 구현함으로써, 부하에 따라 가변 주파수 및 가변 펄스 폭으로 제1인버터부(120a)가 동작됨을 알 수 있다.
또한, LC 공진 회로(120c)로 인해, 제1,2,3,4스위치(Q11,Q12,Q13,Q14)의 온/오프 스위칭 동작 시 전류 파형이 사인 파형으로 동작함으로써, 종래의 사각 파형의 전류 특성에 비하여 피크 전압 및 전류가 발생하지 않게 되고, 이에 따라 스너버(snubber) 회로가 없어도 된다.
또한, LC 공진 회로(120c)는 출력 전력에 따라 공진점이 자동으로 제어될 수 있어서 안정성과 효율이 향상되고, 더욱이 플라즈마 파워의 특성에 맞는 전류와 전압으로 제1인버터부(120a)가 제어될 수 있어 과전류를 방지하고, 적정 전력으로 플라즈마 방전이 원할하게 되도록 한다.
한편, 리액터(L1)의 양단(즉, 제1전극 및 제2전극)에 트랜스포머(T11)의 1차측 권선이 병렬로 연결되고, 또한 1차측 권선과 대응하여 트랜스포머(T11)의 2차측 권선이 설치되며, 1차측 권선과 2차측 권선 사이에 페라이트 코어가 설치된다. 이러한 페라이트 코어는 FET와 함께 동작 주파수를 좀 더 자유롭게 하는 역할을 한다.
계속해서, 제1직류 정류부(130a)는 트랜스포머(T11)의 2차측 권선에 연결된 풀 브리지 다이오드(D31,D32,D33,D34)와, 풀 브리지 다이오드(D31,D32,D33,D34)의 출력측에 병렬 연결된 캐패시터(C31)와, 풀 브리지 다이오드(D31,D32,D33,D34)와 캐패시터(C31) 사이의 노드 및 출력 단자(-) 사이에 연결된 인덕터(L31)(초크)를 포함한다.
이와 같이 하여, 제1직류 정류부(130a)는 풀 브리지 다이오드(D31,D32,D33,D34)가 트랜스포머(T11)로부터 전달받은 고속의 스위칭 파형을 갖는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하고, 이를 인덕터(L31)로 전달한다. 또한, 캐패시터(C31)는 풀 브리지 다이오드(D31,D32,D33,D34)로부터 전달받은 대략 직류 전압을 더욱 평활 및 안정화시키고, 인덕터(L31)는 풀 브리지 다이오드(D31,D32,D33,D34)로부터 전달받은 직류 전압을 일정 시간 저장하여 출력한다.
여기서, 도 2a에 도시된 바와 같이, 제1,2직류 정류부(130a,130b)의 출력 단자[(+),(-)]는 각각 병렬로 연결될 수 있다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 제1직류 정류뷰(130a)의 출력 단자(+)(다이오드(D31,D32)의 캐소드)에 제2직류 정류부(130b)의 출력 단자(+)(다이오드(D41,D42)의 캐소드)가 연결된다. 또한, 제1직류 정류뷰(130a)의 출력 단자(-)(다이오드(D33,D34)의 애노드)에 제2직류 정류부(130b)의 출력 단자(-)(다이오드(D43,D44)의 애노드)가 연결된다. 따라서, 제1,2직류 정류부(130a,130b)의 상호간 병렬 연결에 의해 출력 용량이 대략 2배 증가하게 된다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 스위칭 제어 신호가 사각 파형일 때, LC 공진 회로(120c) 중 캐패시터(C1)의 양단 전압은 대략 사인 파형이고, 리액터(L1,L2)의 양단 전류 역시 대략 사인 파형으로 출력됨을 볼 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 인버터부는 LC 공진 회로에 의해, 스위칭 손실이 작을 뿐만 아니라 기존 사각 파형의 전류 특성에 비하여 피크 전류가 발생하지 않아, 기존의 스너버 회로가 필요없게 된다
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공진 컨버터를 갖는 플라즈마 발생기용 전원 장치의 구성을 도시한 회로도이고, 도 3b는 주요 노드에서의 전류 또는 전압을 도시한 파형도이다. 여기서, 편의상 앞선 동일 부호와 동일한 동일 부호를 이용한다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 인버터부(120)는 동일한 구성 및 형태의 제1인버터부(120a) 및 제2인버터부(120b)를 포함하고, 또한 직류 정류부(130) 역시 동일한 구성 및 형태의 제1직류 정류부(130a) 및 제2직류 정류부(130b)를 포함한다.
여기서, 제1,2인버터부(120a,120b)는 풀 브리지 회로를 포함하고, 풀 브리지 회로는 각각 LC 공진 회로(120c,120d)를 포함한다. 더욱이, 제1직류 정류부(130a)의 출력 단자[(+),(-)]에 제2직류 정류부(130b)의 출력 단자[(+),(-)]가 직렬로 연결될 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 제1,2직류 정류부(130a,130b)의 출력 단자[(+),(-)]는 각각 직렬로 연결된다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 제1직류 정류부(130a)의 다이오드(D33,D34)의 애노드에 제2직류 정류부(130b)의 다이오드(D41,D42)의 캐소드가 직렬로 연결된다. 또한, 제1직류 정류뷰(130a)의 다이오드(D31,D32)의 캐소드에 출력 단자(+)가 연결되고, 제2직류 정류부(130b)의 다이오드(D43,D44)의 애노드에 출력 단자(-)가 연결된다. 더욱이, 출력 단자[(+),(-)] 사이에 병렬로 캐패시터(C42)가 연결되고, 제2정류부(130b)의 다이오드(D43,D44)(캐소드)와 출력 단자(-) 사이에 인덕터(L42)가 연결된다. 따라서, 제1,2직류 정류부(130a,130b)의 상호간 직렬 연결에 의해 출력 전압이 대략 2배 증가하게 된다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 스위칭 제어 신호가 사각 파형일 때, LC 공진 회로(120c) 중 캐패시터(C1)의 양단 전압은 사인 파형이고, 리액터(L1,L2)의 양단 전류 역시 안정적인 사인 파형으로 출력됨을 볼 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 인버터부는 LC 공진 회로에 의해, 스위칭 손실이 작을 뿐만 아니라 기존 사각 파형의 전류 특성에 비하여 피크 전류가 발생하지 않아, 기존의 스너버 회로가 필요없게 된다.
비록 도면에 도시되어 있지는 않지만, 인버터부는 동일한 구성 및 형태의 제1인버터부, 제2인버터부, 제3인버터부 및 제4인버터부를 포함하고, 직류 정류부 역시 동일한 구성 및 형태의 제1직류 정류부, 제2직류 정류부, 제3직류 정류부 및 제4직류 정류부를 포함할 수 있다. 여기서, 인버터부 및 직류 정류부의 구성 및 형태는 도 2a 및 도 3a에 도시된 것과 완전히 동일하다.
또한, 제1직류 정류부의 출력 단자에 제2직류 정류부의 출력 단자가 직렬로 연결되고, 제3직류 정류부의 출력 단자에 제4직류 정류부의 출력 단자가 직렬로 연결될 수 있다.
더욱이, 직렬 연결된 제1,2직류 정류부의 공통 출력 단자에, 직렬 연결된 제3,4직류 정류부의 공통 출력 단자가 병렬로 연결될 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명은 용량 및 출력 전압이 각각 2배씩 확장된 플라즈마 발생기용 전원 장치를 제공하게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 컨버터를 갖는 플라즈마 발생기용 전원 장치(100) 중 고전압 발생부(140)를 도시한 회로도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 고전압 발생부(140)는 직류 정류부(130)의 출력 단자(+)로부터 일측의 토치(T1)에 제공되는 플러스 고전압 출력 단자와, 직류 정류부(130)의 출력 단자(-)로부터 타측의 토치(T2)에 제공되는 마이너스 고전압 출력 단자의 사이에 연결된 커몬 라인 필터(CL51)와, 직류 정류부(130)의 출력 단자(-)와 커몬 라인 필터(CL51) 사이에 연결되어 돌입 전류를 방지하는 리액터(L51)를 포함할 수 있다.
또한, 고전압 발생부(140)에는 플러스 고전압 출력 단자 및 마이너스 고전압 출력 단자 외에도 파일럿 고전압 출력 단자가 더 연결될 수 있으며, 이러한 플러스 고전압 출력 단자와 파일럿 고전압 출력 단자 사이에는 파일럿(P1)에 고전압을 출력하도록 하는 고주파 스위치(SW51)가 더 연결될 수 있다.
이를 좀 더 구체적으로 설명하면, 고전압 발생부(140)는 제1저항(R51), 제1캐패시터(C51), 제2캐패시터(C52), 제2저항(R52), 고주파 스위치(SW51)를 포함한다.
제1저항(R51)은 직류 정류부(130)의 출력 단자(+)에 연결되고, 제1캐패시터(C51)는 제1저항(R51)에 연결된다. 또한, 제2캐패시터(C52)는 직류 정류부(130)의 출력 단자(-)에 연결되며, 제2저항(R51)은 제1캐패시터(C51)와 제2캐패시터(C52) 사이에 연결된다. 또한, 고주파 스위치(SW51)는 플러스 고전압 출력 단자와 와 제1저항(R51) 사이의 노드와, 제1캐패시터(C51)와 제2저항(R52) 사이의 노드 사이에 연결된다. 이러한 고주파 스위치(SW51)는 메인 컨트롤러(201)에 의해 온 또는 오프된다. 또한, 제2캐패시터(C52)와 제2저항(R52) 사이의 노드가 파일럿 고전압 출력 단자에 전기적으로 연결된다.
더불어, 파일럿 고전압 출력 단자에 연결된 라인에는 트랜스포머(T51)가 연결되고, 이러한 트랜스포머(T51)에는 릴레이(RY)를 통해 상용 교류 전원(예를 들면, 교류 220V)이 연결되어 있다. 여기서, 스위치(SW51)와 릴레이(RY)는 메인 컨트롤러(201)에 의해 동시에 동작하며, 이에 따라 스위치(SW51) 및 릴레이(RY)의 동작 시 상용 교류 전원이 트랜스포머(T51)를 통하여 파일럿 고전압 출력 단자에 연결된 라인에 승압되어 제공된다.
이에 따라, 파일럿 고전압 출력 단자에는 직류 정류부(130)의 출력 단자(+)로부터의 전압, 캐패시터(C51,C52)의 전압 및 트랜스포머(T51)의 전압이 더해진 전압이 파일럿(P1)에 제공된다.
이와 같이 하여, 본 발명은 파일럿이 없는 경우 플러스 고전압 출력 단자 및 마이너스 고전압 출력 단자에 의해 일측 토치(T1)와 타측 토치(T2) 사이에 플라즈마를 위한 불꽃이 형성되도록 한다. 또한, 본 발명은 파일럿(P)이 있는 경우 파일럿 고전압 출력 단자와 마이너스 고전압 출력 단자에 의해 파일럿(P)과 타측 토치(T2) 사이에 플라즈마를 위한 불꽃이 형성되고, 이어서 플러스 고전압 출력 단자 및 마이너스 고전압 출력 단자에 의해 일측 토치(T1)와 타측 토치(T2) 사이에 플라즈마를 위한 불꽃이 형성되도록 한다
도 5a는 파일럿이 없는 경우, 도 5b는 파일럿이 있는 경우의 동작을 설명하기 위한 개략도이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 파일럿이 없는 경우 플러스 고전압 출력 단자(직류 플러스 고전압) 및 마이너스 고전압 출력 단자(직류 마이너스 고전압)에 의해 일측 토치(T1)와 타측 토치(T2) 사이에 투입된 질소 가스에서 절연 파괴가 일어나고, 이러한 질소 가스가 이온화되어 전류의 흐름이 생성되며 불꽃이 확산된다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 파일럿(P1)이 있는 경우 플러스 고전압 출력 단자(직류 플러스 고전압) 및 파일럿 고전압 출력 단자(파이럿 고전압)에 의해 일측 토치(T1)와 파일럿(P1) 사이에 투입된 질소 가스에서 절연 파괴가 일어나고, 이러한 질소 가스가 이온화되어 전류의 흐름이 생성되며 불꽃이 확산된다. 또한, 이러한 동작에 의해 플러스 고전압 출력 단자(직류 플러스 고전압) 및 마이너스 고전압 출력 단자(직류 마이너스 고전압)에 의해 일측 토치(T1)와 타측 토치(T2) 사이에 투입된 질소 가스에서도 절연 파괴가 일어나고, 이러한 질소 가스가 이온화되어 전류의 흐름 및 불꽃이 형성된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 컨버터를 갖는 플라즈마 발생기용 전원 장치(100) 중 메인 컨트롤러(201) 등의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명은 메인 컨트롤러(201), 아날로그 출력부(202), 통신부(203), 디스플레이 및 키 입력부(204), 아날로그 입력부(205), 인버터 구동부(206)를 더 포함한다.
아날로그 출력부(202)는 플라즈마 파워의 전압, 전류를 아날로그 값으로 외부에 출력한다. 또한, 통신부(203)는 RS232, RS485 등의 직렬 통신 방식일 수 있으며, 이는 본 발명에 따른 전원 장치(100)와 외부 장치(도시되지 않음) 사이의 인터페이스로서 컨트롤 및 출력 상황을 제공한다.
또한, 디스플레이 및 키 입력부(204)는 공진 컨버터를 갖는 플라즈마 발생기용 전원 장치(100)의 단독 운전 시 상태를 표시하는 동시에 각종 키 입력 상태를 표시한다. 또한, 아날로그 입력부(205)는 측정된 출력 전압 및 출력 전류를 메인 컨트롤러(201)에 입력한다. 더불어, 인버터 구동부(206)는 상술한 메인 컨트롤러(201)에 의해 인버터부(120)를 일정 주파수로 제어한다.
여기서, 상술한 전원 입력부(110), 인버터부(120), 직류 정류부(130)는 하나의 모듈로 구비되고, 메인 컨트롤러(201)는 상술한 모듈만을 컨트롤하여 정전압, 정전류 운전이 되도록 함으로써, 전압, 전류 및 전력을 쉽게 컨트롤할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 공진 컨버터를 갖는 플라즈마 발생기용 전원 장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 본 발명에 따른 공진 컨버터를 갖는 플라즈마 발생기용 전원 장치
110; 전원 입력부 120; 인버터부
130; 직류 정류부 140; 고전압 발생부

Claims (14)

  1. 제1교류 전압을 제1직류 전압으로 변환하는 전원 입력부;
    상기 제1직류 전압을 제2교류 전압으로 변환하고 승압하는 인버터부;
    상기 제2교류 전압을 제2직류 전압으로 변환하는 직류 정류부; 및
    상기 제2직류 전압으로부터 고전압을 발생시켜 플라즈마 토치에 불꽃을 형성하도록 하는 고전압 발생부를 포함하고,
    상기 인버터부는 LC 공진 회로를 더 포함하며,
    상기 인버터부는
    상기 전원 입력부중 플러스 단자에 병렬로 연결된 제1스위치 및 제2스위치; 및,
    상기 전원 입력부중 마이너스 단자에 병렬로 연결된 제3스위치 및 제4스위치를 포함하고,
    상기 제1스위치에 상기 제3스위치가 직렬로 연결되고, 상기 제2스위치에 상기 제4스위치가 직렬로 연결되며,
    상기 LC 공진 회로는 상기 제1스위치와 상기 제3스위치 사이의 노드에 연결된 캐패시터; 및, 상기 제2스위치 및 상기 제4스위치 사이의 노드에 연결된 리액터를 포함하고, 상기 캐패시터에 상기 리액터가 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생기용 전원 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터부는 풀 브리지 회로를 포함하고, 상기 풀 브리지 회로는 상기 LC 공진 회로를 포함함을 특징으로 하는 플라즈마 발생기용 전원 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터부는 동일한 구성의 제1인버터부 및 제2인버터부를 포함하고,
    상기 직류 정류부는 동일한 구성의 제1직류 정류부 및 제2직류 정류부를 포함하며,
    상기 제1직류 정류부의 출력 단자에 제2직류 정류부의 출력 단자가 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생기용 전원 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터부는 동일한 구성의 제1인버터부 및 제2인버터부를 포함하고,
    상기 직류 정류부는 동일한 구성의 제1직류 정류부 및 제2직류 정류부를 포함하며,
    상기 제1직류 정류부의 출력 단자에 제2직류 정류부의 출력 단자가 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생기용 전원 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터부는 동일한 구성의 제1인버터부, 제2인버터부, 제3인버터부 및 제4인버터부를 포함하고,
    상기 직류 정류부는 동일한 구성의 제1직류 정류부, 제2직류 정류부, 제3직류 정류부 및 제4직류 정류부를 포함하며,
    상기 제1직류 정류부의 출력 단자에 제2직류 정류부의 출력 단자가 직렬로 연결되고,
    상기 제3직류 정류부의 출력 단자에 제4직류 정류부의 출력 단자가 직렬로 연결되며,
    상기 직렬 연결된 제1,2직류 정류부의 출력 단자에 상기 직렬 연결된 제3,4직류 정류부의 출력 단자가 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생기용 전원 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터부에 사용된 스위치는 FET인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생기용 전원 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 인버터부는 50khz 내지 300khz의 가변 주파수 및 가변 펄스폭으로 제어됨을 특징으로 플라즈마 발생기용 전원 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터부에 사용된 트랜스포머는 페라이트 코어를 포함함을 특징으로 하는 플라즈마 발생기용 전원 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 고전압 발생부에는 플러스 고전압 출력 단자 및 마이너스 고전압 출력 단자가 연결됨을 특징으로 하는 플라즈마 발생기용 전원 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 고전압 발생부는
    상기 직류 정류부의 플러스 전압 출력 단자와 상기 플러스 고전압 출력 단자, 상기 직류 정류부의 마이너스 전압 출력 단자와 상기 마이너스 고전압 출력 단자의 사이에 연결된 커몬 라인 필터; 및
    상기 직류 정류부의 마이너스 전압 출력 단자와 상기 커몬 라인 필터 사이에 연결되어 돌입 전류를 방지하는 리액터를 포함함을 특징을 하는 플라즈마 발생기용 전원 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 고전압 발생부에는 플러스 고전압 출력 단자, 파일럿 고전압 출력 단자 및 마이너스 고전압 출력 단자가 연결됨을 특징으로 하는 플라즈마 발생기용 전원 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 고전압 발생부는 고주파 스위치의 동작에 의해 상기 파일럿 고전압 출력 단자에 고전압을 출력함을 특징으로 하는 플라즈마 발생기용 전원 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 고전압 발생부는
    상기 직류 정류부의 플러스 전압 출력 단자에 연결된 제1저항;
    상기 제1저항에 연결된 제1캐패시터;
    상기 직류 정류부의 마이너스 전압 출력 단자에 연결된 제2캐패시터;
    상기 제1캐패시터와 상기 제2캐패시터 사이에 연결된 제2저항; 및
    상기 플러스 전압 출력 단자와 상기 제1저항 사이의 노드와, 상기 제1캐패시터와 상기 제2저항 사이의 노드 사이에 연결된 고주파 스위치를 포함하고,
    상기 제2캐패시터와 상기 제2저항 사이의 노드가 상기 파일럿 고전압 출력 단자에 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생기용 전원 장치.
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