KR101802550B1 - 아크 소거 장치 및 아크 소거 방법 - Google Patents

아크 소거 장치 및 아크 소거 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스 방전실(5)에서 아크를 소거하는 방법에 관한 것으로서, 가스 방전실(5)에 전력이 공급되고, 가스 방전실(5)에는 제1 방향의 전류 흐름 및 제2의 역방향의 전류 흐름 양측 모두에 의해 가스 방전이 발생된다. 아크가 검출될 때 가스 방전실(5)로의 전력 공급이 차단되고, 가스 방전실(5)로의 공급 선로(17, 19)에 및/또는 가스 방전실(5)에 있는 잔여 에너지가 에너지 저장부(30)에 공급된다.

Description

아크 소거 장치 및 아크 소거 방법{ARC QUENCHING ASSEMBLY AND METHOD FOR QUENCHING ARCS}
본 발명은 가스 방전실에 전력이 공급되고, 제1 방향의 전류 흐름 및 제2의 역방향의 전류 흐름 양측 모두에 의해 가스 방전이 발생되며, 아크가 검출될 때 가스 방전실에의 전력 공급이 차단되는 가스 방전실에서 아크를 소거하는 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 전력 공급부와 가스 방전실의 전극 사이에 적어도 부분적으로 공급 선로(supply line)를 포함하고, 제1 방향의 전류 흐름 및 제2의 역방향의 전류 흐름 양측 모두에 의해 가스 방전실에서 가스 방전이 발생될 수 있으며, 아크 소거 소자를 구비한 아크 소거 장치에 관한 것이다.
진공 플라즈마 발생기는 각종 전력 등급이 있고 각종 출력 신호 형태를 갖는 것으로 알려져 있다.
진공 유리 코팅시에, 예를 들면, 30~300 kW 전력의 중주파(medium frequency; MF) 출력 신호를 가진 MF 발생기가 사용된다. MF 신호는 대개 10~200 kHz의 주파수를 가진 정현파 신호이다. 출력 전압은 수백 볼트 내지 1000 V 이상일 수 있다. 플라즈마를 점화하기 위해 전압은 가끔 정상 동작의 경우보다 훨씬 더 높다.
플라즈마에서, 소위 아크라고 하는 짧고 또한 길게 지속하는 플래시오버가 발생할 수 있고, 이것은 바람직하지 않다. 아크는 일반적으로, 특히 발생기의 출력에서 또는 발생기의 다른 위치에서, 전압의 붕괴 또는 감소 및 전류의 증가에 의해 검출된다. 만일 이러한 아크가 검출되면, 아크는 가급적 신속히 소거되거나 완전하게 확장하지 않는 것이 보장되어야 한다.
EP 1 720 195 A1에는 교류 전압, 특히 MF 교류 전압으로 동작되며 아크 소거 소자 및 아크 소거 소자를 제어하는 아크 검출 소자를 구비한 가스 방전 소자 내의 아크 소거 장치에 대하여 개시되어 있으며, 아크 소거 소자는 교류 전압원으로부터 가스 방전 소자의 전극으로 연장하는 전선에서 직렬 접속으로 배치된 적어도 하나의 제어가능한 저항기를 구비한다. 제어가능한 저항기로서 스위치, 특히 IGBT가 제공된다. 아크가 검출될 때, 스위치는 전기 에너지가 신중히 열로 변환되는 방식으로 전도 상태로 스위칭된다. IGBT에서 공핍층(depletion layer)이 크게 가열되어 결과적으로 적은 아크만이 IGBT의 파괴를 유도하지 않고 처리될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 목적은 아크를 소거하는 방법 및 높은 아크율(arc rate)에서 또한 사용될 수 있는 아크 소거 소자를 제공하는 것이다.
이 목적은 청구항 1의 특징을 가진 방법 및 청구항 7의 특징을 가진 아크 소거 소자에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 아크가 검출될 때, 가스 방전실로의 공급 선로에 및/또는 가스 방전실에 있는 잔여 에너지가 에너지 저장부에 공급된다. 이 방식으로, 플라즈마 처리를 위한 잔여 에너지는 크게 감소될 수 있다. 본 발명에 따른 방법에 의해, 매우 신속하고 효율적인 아크 소거가 실행될 수 있다. 아크 에너지는 매우 강력하고 신속하게 감소될 수 있다. 또한 본 발명에 따른 방법에 의해, 가스 방전실 내의 컴포넌트들뿐만 아니라 가스 방전실의 전극들에 대한 제어 유닛 내의 컴포넌트들이 보호될 수 있다.
대안적인 방법 실시형태에 있어서, 아크가 검출될 때, 가스 방전실로의 전원 공급이 적어도 하나의 스위치의 개방에 의해 차단될 수 있고, 스위치 양단의 전압이 에너지 저장부의 전압으로 제한될 수 있다. 가스 방전실로의 공급 선로에 및/또는 가스 방전실에 있는 잔여 에너지는 에너지 저장부에 공급될 수 있다. 또한, 출력 변압기의 누설 인덕턴스 또는 출력 발진 회로의 인덕터에 아직 남아있는 잔여 에너지는 에너지 저장부에 또한 공급될 수 있다. 이 방식으로, 이 에너지는 아크에 공급되는 것이 방지된다.
비선형 컴포넌트로 인하여, 에너지 저장부로부터 가스 방전실로의 공급 선로로의 에너지 및/또는 가스 방전실에서의 에너지의 리턴 흐름은 감소 또는 방지될 수 있다. 이것은 가스 방전실에서 극히 낮은 잔여 에너지를 가진 아크의 매우 신속한 소거를 유도한다. 아크 에너지는 신속히 및 효율적으로 감소될 수 있다.
가스 방전실에서 파괴의 정도는 그에 따라서 감소될 수 있다. 스위치에서의 전력 손실은 방법이 높은 아크율, 예를 들면 2 kHz 이상으로 또한 사용될 수 있도록 감소될 수 있다.
에너지 저장부는 아크 없는(arc-free) 동작 중에, 즉 정상 동작 중에 미리 정해진 저장 상태로 프리차지될 수 있다. 이것에 의해 아크 소거가 가속화될 수 있다.
또한, 성공적인 아크 소거 후에 에너지 저장부를 미리 정해진 저장 상태로 방전되게 할 수 있다. 따라서, 에너지 저장부가 다음 아크가 발생될 때 충분한 잔여 에너지를 다시 수신하는 것이 보장된다. 따라서, 아크 처리의 시작시에는 항상 동일한 초기 상태에 있는다. 더 나아가, 에너지 저장부는 이것에 의해 파괴로부터 보호될 수 있다.
제1 방향의 전류 흐름에 의해 야기되는 잔여 에너지 및 제2 방향의 전류 흐름에 의해 야기되는 잔여 에너지가 하나의 (동일한) 에너지 저장부에 배타적으로 공급될 수 있다. 그래서 상이한 전류 방향에 대한 2개의 상이한 에너지 저장부를 제공할 필요가 없다. 이것은 회로의 더 단순한 구조 및 고가 컴포넌트의 감소를 유도하고, 에너지 저장부를 더 간단하게 프리차지 및 방전할 수 있게 한다.
에너지 저장부에 공급되는 잔여 에너지에 의해, 공급 선로에서, 특히 공급 선로의 라인 인덕터에서 전압 반전이 생성될 수 있다. 이것은 더 신속한 아크 소거를 야기한다.
이 공급을 차단하기 위해 가스 방전실을 향한 전력 공급의 스위칭 및 잔여 에너지의 에너지 저장부로의 공급은 제어 신호에 의해 동시에 제어되는, 특히 개방되는 2개의 전자 스위치에 의해 하나의 제어 신호만으로 실행될 수 있다.
스위치는 IGBT, MOSFET 또는 다른 전자 스위치로서 구성될 수 있다.
2개의 스위치는 동일하게 구성될 수 있다. 이것에 의해 방법을 구현하는 회로를 더 단순한 구조로 할 수 있다. 고가의 컴포넌트는 감소될 수 있다. 동작 및 감시가 단순화된다.
가스 방전실에의 전력 공급 중에는 2개의 전자 스위치가 폐쇄될 수 있고, 아크가 검출될 때, 이 스위치들이 개방될 수 있다. 이것에 의해 스위치에서의 전력 손실을 감소시킨다. 결과적으로, 방법이 또한 높은 아크율(2 kHz 이상)에서 사용될 수 있다.
가스 방전실에의 전력 공급 중에는 적어도 하나의 스위치가 폐쇄될 수 있고, 아크가 검출될 때, 이 스위치가 개방될 수 있다. 이것에 의해 스위치에서의 전력 손실이 감소된다.
본 발명에 따른 아크 소거 장치는 가스 방전실로의 공급 선로에 및/또는 가스 방전실에 있는 에너지를 수신하는 에너지 저장부를 구비한 아크 소거 소자를 포함한다. 이것에 의해 매우 신속하고 효율적인 아크 소거가 가능하다. 아크 에너지가 감소되고 가스 방전실 내의 컴포넌트들이 보호된다.
이러한 장치에 의해, 출력 발진 회로의 출력 변압기의 누설 인덕턴스에 아직 남아있는 잔여 에너지는 에너지 저장부에 또한 공급될 수 있다. 이 방식으로, 이 에너지는 아크에 공급되는 것이 방지된다.
가스 방전실에서의 가스 방전은 제1 방향의 전류 흐름 및 역방향의 전류 흐름 양측 모두에 의해 발생된다. 아크는 가스 방전실에서 생성될 수 있다. 에너지 저장부의 제공에 의해, 아크는 추가의 에너지가 공급되는 것이 방지될 수 있다. 특히, 아크 에너지는 또한 가스 방전실로부터 재지향될 수 있고 에너지 저장부로 공급될 수 있다.
아크 소거 소자는 에너지 저장부로부터 공급 선로 및 가스 방전실로의 전력 흐름이 감소 또는 방지되는 방식으로 배치된 비선형 컴포넌트를 구비할 수 있다. 특히, 아크 소거 소자는 에너지 공급 소자로부터 가스 방전실의 전극들 중 하나로 연장하는 공급 선로에 직렬 접속으로 배열되고 아크가 검출될 때 제어 신호에 의해 제어됨으로써 개방될 수 있는 적어도 하나의 스위치를 구비할 수 있다. 이것에 의해 단순한 회로 구조가 달성된다. 스위치에서의 손실이 감소될 수 있다. 이것에 의해 증가된 아크 주파수에 반응할 수 있다.
스위치에 접속된 제어 회로를 구비한 아크 소거 소자에 접속된 아크 검출 소자가 제공될 수 있다. 이것에 의해 아크 지속기간, 아크 반응 문턱값 및 아크에 대한 반응까지의 지연 시간을 조정할 수 있다. 예를 들면, 예방적 아크 방지를 위한 주기적 또는 비주기적 펄싱을 위해 제어 회로가 또한 사용될 수 있다.
에너지 저장부는 커패시터를 포함할 수 있다. 예를 들어서 공급 선로의 인덕터에 저장된 잔여 에너지는 에너지 저장부가 커패시터일 때 다른 에너지 저장부로 대부분 신속히 전송될 수 있다. 바람직하게 다이오드가 또한 제공되고, 이 다이오드에 의해 공급 선로로의 에너지의 리턴 흐름이 매우 간단한 방식으로 방지될 수 있다.
가끔 잔여 에너지의 대부분이 공급 선로의 인덕터 및/또는 출력 발진 회로에 에 저장된다. 그래서, 잔여 에너지가 커패시터로 전송되면 특히 유리하다. 잔여 에너지의 대부분이 예를 들면 커패시터, 공급 선로 및/또는 가스 방전실에 저장되는 장치에 있어서, 에너지 저장부는 인덕터일 수 있다.
에너지 저장부를 프리차지하기 위해 직류 전압원이 제공될 수 있다. 직류 전압은 단순한 방식으로 제공될 수 있다. 직류 전압은 접지 전위로부터 갈바닉(galvanically) 분리되는 방식으로 매우 단순하게 제공될 수 있고, 이것은 이 예에서 유리하다. 직류 전압은 다른 아크 행동에 의해 가끔 다른 가스 방전 처리에 적용 및 적응되는 경우에 쉽게 매우 신속하게 조정될 수 있다. 공급 선로의 노드 포인트는 에너지 저장부를 프리차지하기 위해 정류 요소, 특히 다이오드에 의해 에너지 저장부의 커패시터에 접속될 수 있다. 이 방식으로 구성된 회로에 의해, 에너지 저장부, 특히 커패시터는 간단하게 프리차지될 수 있다. 또한, 갈바닉 분리되는 전압 공급이 추가로 필요하지 않다. 커패시터의 전압은 이것에 의해 플라즈마 처리의 전압에 적응된다.
직류 전압 제어기가 정류 요소의 하류에 배치될 수 있다.
아크 소거 소자는 직렬로 배치된 2개의 다이오드 및 2개의 스위치 소자가 제공되고 에너지 저장부가 다이오드의 접속점과 스위치 장치의 접속점 사이에 접속된 대칭 방식으로 구성될 수 있다. 이것에 의해 최소수의 능동 컴포넌트를 구비한 단순하고 신속한 회로가 생성된다. 만일 더 많은 능동 컴포넌트가 필요하면, 아크 반응의 속도가 감소될 것이다.
스위치 장치는 콜렉터와 에미터 사이에 역평행 다이오드가 병렬로 접속되는 적어도 하나의 IGBT를 각각 구비할 수 있다. 이것은 전자식 전력 시스템에서 널리 사용되고 결과적으로 신뢰성있고 비용 효율적인 방식으로 이용할 수 있는 표준화 컴포넌트의 사용을 가능하게 한다.
스위치와 다이오드를 구비한 모듈이 제공될 수 있다. 이것에 의해 컴포넌트의 수가 감소될 수 있고 차단 없는 배선이 보장될 수 있다. 이것에 의해 전체 회로의 신뢰성이 개선될 수 있다.
또한, 에너지 저장부를 프리차지하기 위해 접지 전위에 대해 갈바닉 분리가 있는 직류 전압원이 제공될 수 있다. 직류 전압은 매우 쉽게 제공될 수 있다. 더 나아가, 직류 전압은 접지 전위로부터 갈바닉 분리되는 방식으로 단순하게 제공될 수 있고, 이것은 이 예에서 유리하다. 직류 전압은 또한 적용가능한 간단한 방식으로 매우 신속하게 조정될 수 있고, 다른 가스 방전 처리에 적응될 수 있다.
아크 소거 장치는 접지 전위에 대한 갈바닉 접속을 갖지 않을 수 있다. 이것에 의해, 아크 소거 장치가 접지 전위와 관련하여 선로에서의 오작동 또는 접지 접속에서의 오작동과 무관하기 때문에 아크 소거 장치의 신뢰성이 개선된다.
스위치는 플라즈마 동작 중에 폐쇄되고 아크 소거의 경우에 개방될 수 있다. 이것에 의해 스위치에서의 손실이 감소되고 증가된 아크율에 반응할 수 있다.
또한, 에너지 저장부를 방전하기 위한 방전 소자가 제공될 수 있다. 이것에 의해 에너지 저장부는 미리 정해진 저장 상태까지 방전될 수 있다. 그 결과, 에너지 저장부가 잔여 에너지를 수신해야 하는 경우 항상 동일한 초기 상태를 갖는 것이 보장될 수 있다.
미리 정해진 전압 값이 초과될 때 에너지 저장부를 방전시키는 방전 소자를 동작시키는 전압 감시 시스템이 제공될 수 있다. 이것에 의해 에너지 저장부는 과잉 전압으로부터 보호될 수 있다.
또한, 값이 미리 정해진 전압 값 이하로 떨어진 때 에너지 저장부를 방전시키는 방전 소자를 동작중지시키는 전압 감시 시스템이 제공될 수 있다. 이것에 의해 에너지 저장부에서의 전압이 간단한 방식으로 조정될 수 있다. 따라서, 아크 소거를 위한 미리 정해질 수 있는 값들이 조정될 수 있다.
미리 정해진 전류 값이 초과될 때 에너지 저장부를 방전시키는 방전 소자를 동작시키는 전류 감시 시스템이 제공될 수 있다. 이것에 의해 에너지 저장부는 과잉 전류로부터 보호될 수 있다.
또한, 값이 미리 정해진 전류 값 이하로 떨어진 때 에너지 저장부를 방전시키는 방전 소자를 동작중지시키는 전류 감시 시스템이 제공될 수 있다. 이것에 의해 에너지 저장부에서의 전류가 간단한 방식으로 조정될 수 있다. 따라서, 아크 소거를 위한 미리 정해질 수 있는 값들이 조정될 수 있다.
에너지 저장부로부터 제거된 에너지는 방전 소자에서 열로 변환될 수 있다. 이것에 의해 간단하고 비용 효율적인 에너지 변환이 낮은 아크율로 실행될 수 있다. 상기 제거된 에너지는 방전 소자의 하류에 접속된 전력 공급 시스템의 에너지 변환 소자에 의해 에너지 저장부로 적어도 부분적으로 리턴될 수 있다. 이러한 실시형태는 약간 더 복잡할 수 있지만, 적어도 높은 아크율의 적용으로 인해 에너지 절약형 및 공간 절약형으로 될 수 있고, 이때, 열변환이 큰 표면적을 통하여 분산되어야 하기 때문에 에너지를 열로 변환하는 것은 가끔 매우 큰 공간 양을 요구한다.
스위치에서, 전압 제한 회로가 제공될 수 있다. 이것에 의해, 스위치가 스위칭 모드에서 가능한 최대 범위로 동작하고 에너지가 스위치에서 열로 변환되지 않으며, 그 대신에 에너지 저장부로 전송되는 것이 보장될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 스위치는 과잉 전압으로부터 보호되어야 한다.
본 발명의 다른 특징 및 장점들은 발명적으로 중요한 세부를 나타내는 첨부 도면을 참조한 본 발명의 실시형태에 대한 이하의 설명 및 특허청구범위로부터 명백하게 될 것이다. 개별적인 특징은 본 발명의 변형예의 임의 조합에서 개별적으로 또는 함께 각각 구현될 수 있다.
본 발명의 양호한 실시형태들은 도면에서 개략적으로 도시되고, 첨부 도면을 참조하여 이하에서 더 상세하게 설명된다.
도 1a는 가스 방전실에 접속된 교류 전압 가스 방전 소거 장치의 제1 실시형태를 보인 도이다.
도 1b는 교류 전압 가스 방전 소거 장치의 대안적인 실시형태를 보인 도이다.
도 2는 아크 소거 소자의 실시형태를 보인 도이다.
도 3은 아크 소거 소자의 제2 실시형태를 보인 도이다.
도 4는 아크 소거 소자의 제3 실시형태를 보인 도이다.
도 5는 전압 제한 회로를 구비한 아크 소거 장치를 보인 도이다.
도 6은 에너지 변환 소자를 구비한 아크 소거 장치를 보인 도이다.
도 7은 아크 소거 소자에서 전류 및 전압의 시간 경로를 보인 도이다.
도 1a는 공급 선로(2)에 의해 가스 방전실(5), 특히 플라즈마 설비의 전극(3, 4)에 접속된 교류 전압 가스 방전 소거 장치(1)를 보인 것이다. 전극(3, 4)은 워크피스(6)를 처리하는 가스 방전실(5)에 배치된다.
교류 전압 가스 방전 소거 장치(1)는 단상 또는 다상일 수 있는 메인 접속(8)을 구비한 교류 전압 발생기(7.1)를 포함한다. 메인 접속(8)에는 예를 들면 DC/DC 컨버터와 같은 다른 컴포넌트를 구비하는 메인 정류기(9)가 접속된다. 메인 정류기(9)의 출력에서는 소위 중간 회로 직류 전압이 출력된다. 메인 정류기(9)의 하류에는 브릿지 회로(11)를 포함하는 전압 컨버터(10)가 접속된다. 출력 발진 회로(12)는 전압 컨버터(10)에 의해 제어된다. 전압 컨버터(10)의 출력 신호는 전압 컨버터(10)를 제어하는 전압 컨버터 제어 시스템(13)에 의해 조정된다. 전압 컨버터(10) 및 출력 발진 회로(12)는 전력 공급부(27), 특히 교류 전압원 또는 교류 전류원으로 생각할 수 있다. 출력 발진 회로(12)는, 이 예에서 도시된 것처럼, 병렬 공진 회로일 수 있고 또는 직렬 공진 회로로서 구성될 수 있다.
출력 발진 회로(12)는 출력 변압기(16)의 커패시터 및 누설 인덕턴스(15)를 포함한다. 출력 변압기(16)로 인하여, 갈바닉 분리가 실행될 수 있다. 또한, 갈바닉 분리는 전압 조정을 위해 사용될 수 있다. 최적의 방식으로 공진 주파수를 조정할 수 있게 하기 위해, 커패시터(14)는 조정가능한 것일 수 있다. 가스 방전실(5)의 전극(3)으로 연장하는 공급 선로(17)에서, 아크 소거 소자(18)가 직렬로 배치된다. 정상 동작시에 공급 선로(17) 사이 및 교류 전압 발생기(7.1)의 출력 접속(20)에는 5~500 kHz의 주파수를 가진 중주파(MF) 교류 전압이 나타난다.
가스 방전실(5)에서 아크가 발생하면, 이 아크는 교류 전압 발생기(7.1)의 전류 및/또는 전압 및/또는 전력에 작용한다. 이러한 변수들의 하나 이상은, 예를 들면, 전압 컨버터(10)와 출력 발진 회로(12) 사이에 배치된 측정 소자(21)에 의해 측정될 수 있다. 그러나, 측정 소자(21)는 교류 전압 발생기(7.1) 내의 다른 위치에 또는 가스 방전실 측에도 또한 배치될 수 있다.
측정 소자(21)에 의해 측정된 변수로 인하여, 아크 검출 소자(22)는 아크가 발생하였는지 또는 생성되고 있는지를 결정할 수 있다. 아크 검출 소자(22)는, 아크 소거 소자(18)와 같은 방식으로 아크 소거 장치(23.1)의 일부이다. 아크 검출 소자(22)는 전압 컨버터 제어 시스템(13)에도 또한 접속된다. 이것은, 아크가 검출될 때, 추가의 에너지가 전압 컨버터(10)로부터 출력 발진 회로(12)의 방향으로 흐르지 않게 하는 방식으로 브릿지 회로(11)를 제어하도록 전압 컨버터 제어 시스템(13)에 영향을 줄 수 있다. 아크 소거 소자(18)는 아크가 발생할 때 예를 들면 (라인) 인덕터(17.1, 19.1, 17.4, 19.4) 또는 가스 방전실(5)로부터의 잔여 에너지가 공급되는 에너지 저장부를 구비한다. 인덕터(17.1, 19.1)는 또한 출력 변압기(16)의 누설 인덕턴스 부분을 구성 또는 내포할 수 있다. 인덕터(17.4, 19.4)는 교류 전압 발생기(7.1)로부터 가스 방전실(5)의 전극(3, 4)으로의 공급 선로(2)가 가지는 공급 선로 인덕터를 실질적으로 구성한다.
선택적으로, 공급 선로(19)는 참조 번호 24로 표시된 것처럼 아크 소거 소자(18)에도 또한 접속될 수 있다.
선택적으로, 아크 소거 소자(18)는 에너지 저장부에 공급된 에너지를 직류 전압 전력으로 변환하고 직류 전압 전력을 접속(29)을 통하여 교류 전압 발생기(7.1)의 직류 전압 공급점(28)에 공급하는 에너지 변환 소자(25)를 구비할 수 있다. 직류 전압 공급점(28)은 예를 들면 중간 회로 직류 전압일 수 있다.
도 1b는 실질적으로 도 1a에 대응하고, 아크 소거 장치(23.2)가 교류 전압 발생기(7.2)의 외부에 배치된다는 점에서 차이가 있다. 이것은 아크 소거 소자(18)가 가스 방전실(5)에 대한 공급 선로(2) 중의 하나에 배치된다는 것을 의미한다. 이 예에서, 아크 검출 소자(22.1)는 교류 전압 발생기(7.2) 내에 배치되고 및/또는 아크 검출 소자(22.2)는 아크 소거 장치(23.2) 내에 배치될 수 있다.
도 2는 대칭적으로 구성된 아크 소거 소자(18)의 제1 실시형태를 보인 것이다. 아크 소거 소자(18)는 공급 선로부(17.2, 17.3)를 구비한다. 에너지 저장부(30)는 이 실시형태에서 커패시터로 구성된다. 에너지 저장부(30)는 IGBT로서 구성된 스위치(S1) 및 이 스위치(S1)에 대하여 역평행 방식으로 배치된 다이오드(D1)에 의해 공급 선로부(17.2)에 접속된다. 에너지 저장부(30)는 IGBT로서 구성된 스위치(S2) 및 이 스위치(S2)에 대하여 역평행 방식으로 배치된 다이오드(D2)에 의해 공급 선로부(17.3)에 또한 접속된다. 에너지 저장부(30)의 다른 접속은 한편으로 다이오드(D3)를 통해 공급 선로부(17.2)에 접속되고 다이오드(D4)를 통해 공급 선로부(17.3)에 접속된다. 컴포넌트 S1, D1 및 D3는 미리 제조된 모듈(31)에 배치되고, 컴포넌트 S2, D2 및 D4는 미리 제조된 모듈(32)에 배치될 수 있다. 다이오드(D3, D4)는 직렬로 접속된다. 스위치(S1)는 다이오드(D1)와 함께 스위치 장치를 구성하고, 스위치(S2)는 다이오드(D2)와 함께 스위치 장치를 구성한다. 에너지 저장부(30)는 다이오드(D3, D4)의 접속점(VP1)과 스위치 장치의 접속점(VP2) 사이에 접속된다. 다이오드(D3, D4)의 캐소드는 접속점(VP1)에 접속된다. 다이오드(D3)의 애노드는 공급 선로부(17.2)에 접속된다. 다이오드(D4)의 애노드는 공급 선로부(17.3)에 접속된다.
아크를 검출한 경우에, 정상 동작 중에는 폐쇄 상태에 있었던 스위치(S1, S2)가 개방된다. 이것에 의해 전류가 더 이상 다이오드(D1, D2) 및 스위치(S1, S2)를 통하여 흐르지 않고, 그 대신에 다이오드(D3, D4)를 거쳐 다이오드(D2, D1)로 흐른다. 공급 선로(17, 19) 및 가스 방전실(5) 내에 있는 에너지는 에너지 저장부(30)에 충전된다. 비선형 컴포넌트를 구성하는 스위치(S1, S2)의 스위칭 상태 및 다이오드(D1 ~ D4)의 배치로 인하여, 에너지 저장부(30)로부터 공급 선로(17, 19)로 및 특히 가스 방전실(5)로의 에너지 리턴 흐름은 방지된다. 이 예에서는 스위치(S1; S2)와 2개의 다이오드(D1, D3; D2, D4)를 각각 구비한 2개의 구조적으로 동일한 모듈(31, 32)만이 필요하다. 에너지 저장부(30)로의 에너지 전송은 교류 전압의 반파(semi-wave)의 어느 것이 현재 가스 방전실(5)에 있는지에 관계없이 또는 가스 방전실(5)에서 전류 흐름의 방향에 무관하게 기능한다.
스위치(S1, S2)를 제어하기 위한 제어 회로(33)는 아크 검출 소자(22)에 접속되거나 그 일부가 될 수 있다. 에너지 저장부(30)와 병렬로, 갈바닉 분리된 직류 전압원 또는 직류 전류원(34)이 에너지 저장부(30)를 프리차지하기 위해 제공된다. 또한, 스위치(35) 및 저항기(36)를 포함하고 에너지 저장부(30)를 방전시킬 수 있는 방전 소자(37)가 에너지 저장부(30)에 병렬로 제공된다. 전압 감시 시스템(50)은 에너지 저장부(30)의 충전 상태를 감시하고 미리 정해진 전압값을 초과할 때 방전 소자(37)를 동작시키거나 값이 소정의 전압 값 이하로 될 때 방전 소자(37)를 동작중지시킨다.
도 3은 아크 소거 소자(18.1)의 대안적인 실시형태를 보인 것이다. 도 2의 실시형태와의 차이점은 컴포넌트 S1, S2, D1, D2, D3 및 D4가 반대 방향으로 설치되어 있다는 점이다.
도 4는 아크 소거 소자(18.2)가 공급 선로(19)에 배치되고 공급 선로(17)에 대한 접속을 추가로 구비한 실시형태를 보인 것이다. 아크 소거 소자(18.2)는 공급 선로부(19.2, 19.3)를 구비한다. 아크 소거 소자(18)와는 대조적으로, 아크 소거 소자(18.2)는 직류 전압원 또는 직류 전류원(34)을 구비하지 않는다. 그 대신에 에너지 저장부(30)는 다이오드(D7) 및 저항기(R)에 의해 공급 선로(17)에 접속된다. 저항기(R) 외에, 전압 또는 전류 제어기 또는 이들의 조합이 사용될 수 있다. 아크 소거 소자(18.2)의 장점은 에너지 저장부를 충전하기 위해 갈바닉 분리되는 전압 공급이 추가로 요구되지 않는다는 점이다. 또한, 에너지 저장부(30)의 전압은 플라즈마 처리의 전압에 적응된다. 만일 이것이 바람직하지 않다면, 전압 및/또는 전류 제어 회로가 저항기(R) 대신에 전류 제한을 위해 사용될 수 있다. 이 예에서는 갈바닉 분리가 필요 없다.
도 5는 도 1a의 장치에서 아크 소거 장치(23.1)로서 및 도 1b의 장치에서 아크 소거 장치(23.2)로서 사용될 수 있는 아크 소거 장치(23.3)의 실시형태를 보인 것이다. 아크 소거 장치(23.3)는 상호 반대 방식으로 직렬 접속되며 IGBT로서 구성되는 2개의 스위치(S1, S2)를 구비한다. 다이오드(D1, D2)는 각 경우에 스위치(S1, S2)와 병렬로 접속되고, 다이오드(D1, D2)는 각각의 스위치(S1, S2)에 반대되는 순방향으로 배치된다. 스위치(S1, S2)는 아크 검출 소자(22)에 의해 제어된다.
도 5는 또한 각 스위치(S1, S2)에 대하여, 각각 2개의 제너 다이오드(42, 43; 44, 45)를 포함한 전압 제한 회로(40, 41)가 접속된 것을 보여주고 있다. 정상 동작 중에, 스위치(S1, S2)는 전도 상태로 스위칭된다. 이것은 전류가 스위치(S1) 및 다이오드(D2)를 통해 화살표 38의 방향으로 흐르고 전류가 스위치(S2) 및 다이오드(D1)를 통해 화살표 39의 방향으로 흐른다는 것을 의미한다.
만일 아크가 검출되면, 아크 검출 소자(22)는 스위치(S1, S2)들을 개방시키는 방식으로 스위치(S1, S2)들을 제어한다. 이것에 의해, 스위치(S1, S2)를 통하는 전류는 화살표 38의 방향으로도 화살표 39의 방향으로도 흐를 수 없다. 그러나, 전압 제한 회로(40, 41)가 미리 정해진 값을 초과하는 전압을 검출하자마자, 스위치(S1, S2)는 다시 전도 상태로 스위칭된다. 이것은 스위치를 파괴시킬 수 있는 과잉 전압으로부터 스위치를 보호하는 기능을 한다. 일반적으로, 스위치에서의 전압은 커패시터(30) 양단 전압에 의해 제한되고, 제너 다이오드(42, 43; 44, 45)는 전압 제한 회로(40, 41)가 활성으로 되지 않게 하는 방식으로 선택된다. 그러나, 회로 내에 고유 인덕턴스가 존재하고 다이오드의 공핍층이 순방향 동작에서 전하 운반자로 충전- 상기 전하 운반자는 역방향 동작에서 다시 방전됨- 되기 때문에, 매우 높은 일시적 전압 피크가 발생하고, 이것은 스위치를 파괴할 수 있다. 이 때문에, 전압 제한 회로(40, 41)가 제공된다. 스위치(S1, S2)는 최소의 가능한 에너지 양이 열로 변환되지만, 그 대신에 최대의 가능한 에너지 양이 에너지 저장부(30)로 전송되도록, 스위칭 동작시에 최대의 가능한 정도로 동작된다.
도 6은 도 4의 회로를 보인 것이다. 이 예에서는 방전 소자(37)가 에너지 변환 소자(25)로 교체되었고, 에너지 변환 소자(25)는 선택적으로 함께 접속되어 갈바닉 분리가 있는 또는 없는 스텝업 컨버터, 스텝다운 컨버터 또는 다른 DC/DC 컨버터를 형성하는 각종 컴포넌트(26a, 26b, 26c)를 구비한다. 에너지 변환 소자(25)는, 방전 소자(37)와는 대조적으로, 에너지를 완전히 열로 변환할 수 있을 뿐만 아니라, 에너지를 전력 공급 시스템(27)의 적어도 하나의 다른 부분으로 또는 다른 에너지 소비재로 다시 공급할 수 있다. 이를 위해, 에너지 변환 소자(25)는 제어된 직류 전압 또는 제어된 직류 전류를 생성할 수 있다. 교류 전압 또는 교류 전류로의 변환도 또한 생각할 수 있다. 직류 전류는 접속(29)을 통하여 교류 전압 발생기(7.1)의 중간 회로 직류 전압에 공급될 수 있다.
도 7은 아크 소거 소자(18, 18.1, 18.2)에서의 전류 경로(40) 및 전압 경로(41)를 보인 것이다. 전류 경로(40)는 전류가 아크 소거 소자(18, 18.1, 18.2) 내로 또는 밖으로 흐를 때 전류의 시간 경로를 보인 것이다. 예를 들면, 전류 경로(40)는 도 5에서 화살표 38 또는 39의 방향으로의 전류일 수 있다. 이하에서의 설명에서는 화살표 38의 방향으로의 전류 경로(40)를 가정한다. 전압 경로(41)는 도 5에서 스위치(S1, S2)의 양단 전압(Us)의 전압 경로에 대응한다. 시간 t1에서, 스위치(S1, S2)가 개방되고 전류 흐름이 이들 스위치에 의해 방지된다. 화살표 38의 방향으로의 전류는 이제 다이오드(D3, D2) 및 에너지 저장부(30)를 통하여 추가로 흐를 것이다. 다이오드(D3, D2)에서는 에너지 저장부(30)에서의 전압과 비교하여 무시할만한 작은 전압만이 감소한다. 가스 방전실(5)로의 공급 선로(17, 19)에 및/또는 가스 방전실(5)에 및/또는 출력 발진 회로(12)의 인덕터에 있는 잔여 에너지는 에너지 저장부(30)에 공급되고 에너지 저장부(30)는 이 잔여 에너지에 의해 다시 충전된다. 전압은 그에 따라서 약간 증가할 수 있다. 전류는 전압 존재로 인하여 급격히 감소한다. 시간 t2에서, 전류는 방향을 변경하여 이제 다이오드(D4, D1)를 통하여 흐른다. 스위치(S1, S2)에서의 전압(Us)은 반전되고 반대 방향으로 흐르는 전류를 추가로 차단한다. 시간 t3에서, 전류는 다시 방향을 변경하지만 이제 무시할만한 낮은 레벨까지 강하된다. 만일 스위치가 도시된 예에서처럼 개방 상태로 유지하면, 전원 공급부(27)에 의해 야기된 교류 전압은 이제 그 위치에서 감소한다.

Claims (18)

  1. 가스 방전실(5)에 전력이 공급되고, 제1 방향으로의 전류 흐름 및 제2의 역방향으로의 전류 흐름 양측 모두에 의해 가스 방전이 발생되고, 아크 검출시에 가스 방전실(5)로의 전력 공급이 차단되는, 가스 방전실(5)에서 아크를 소거하는 방법에 있어서,
    아크가 검출될 때, 가스 방전실(5)로의 공급 선로(17, 19) 및 가스 방전실(5) 중의 적어도 하나에 있는 잔여 에너지가 하나의 단일 에너지 저장부(30)에 공급되고,
    아크가 검출될 때 가스 방전실(5)로의 전력 공급이, 공급 선로(17, 19) 내에 직렬 접속으로 배치된 2개의 스위치(S1, S2)를 개방시킴으로써 차단되고,
    스위치 양단 전압(Us)이 에너지 저장부(30)의 전압으로 제한되는 것인 아크 소거 방법.
  2. 제1항에 있어서, 비선형 컴포넌트로 인하여, 에너지 저장부(30)로부터 가스 방전실(5)로의 공급 선로(17, 19)로의 에너지 또는 가스 방전실(5)에서의 에너지의 리턴 흐름이 감소 또는 방지되게 하는 아크 소거 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 방향의 전류 흐름에 의해 야기된 잔여 에너지 및 제2 방향의 전류 흐름에 의해 야기된 잔여 에너지 양측 모두는 하나의 에너지 저장부(30)에 배타적으로 공급되는 것인 아크 소거 방법.
  4. 전력 공급 시스템과 가스 방전실(5)의 전극(3, 4) 사이에 적어도 부분적으로 공급 선로(17, 19)를 포함하고, 제1 방향의 전류 흐름 및 제2의 역방향의 전류 흐름 양측 모두에 의해 각각 가스 방전실(5)에서 가스 방전이 발생되게 하며, 아크 소거 소자(18, 18.1, 18.2)를 구비한 아크 소거 장치(23.1, 23.2, 23.3)에 있어서,
    아크 소거 소자는 가스 방전실로의 공급 선로 및 가스 방전실 중의 적어도 하나에 있는 에너지를 수신하기 위한 에너지 저장부(30)를 구비하고,
    아크 소거 소자(18, 18.1, 18.2)는 공급 선로(17, 19) 내에 직렬 접속으로 배치된 2개의 스위치(S1, S2)를 구비하고,
    공급 선로(17, 19)는 전력 공급 시스템으로부터 가스 방전실(5)의 전극(3, 4) 중 하나로 연장되고,
    2개의 스위치(S1, S2)는 아크가 검출될 때 제어 신호에 의해 제어됨으로써 개방될 수 있으며,
    2개의 스위치(S1, S2)는 에너지 저장부(30)에 접속된 것인 아크 소거 장치.
  5. 제4항에 있어서, 아크 소거 소자(18, 18.1, 18.2)는, 에너지 저장부(30)로부터 공급 선로(17, 19)로 및 가스 방전실(5)로의 전력 흐름이 감소 또는 방지되게 하는 방식으로 배치된 비선형 컴포넌트를 구비한 것인 아크 소거 장치.
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  7. 제4항 또는 제5항에 있어서, 아크 소거 소자(18, 18.1, 18.2)는 대칭 방식으로 구성되고, 직렬로 배치된 2개의 다이오드(D3, D4) 및 2개의 스위치(S1, S2)를 구비하며, 에너지 저장부(30)가 다이오드(D3, D4)의 접속점(VP1)과 2개의 스위치(S1, S2)의 접속점(VP2) 사이에 접속된 아크 소거 장치.
  8. 제7항에 있어서, 2개의 스위치(S1, S2)는 각각 적어도 하나의 IGBT를 구비하고, 역평행 다이오드(D1, D2)가 콜렉터와 에미터 사이에 병렬로 상기 IGBT에 접속된 아크 소거 장치.
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