KR102226895B1 - 압전 변압기의 주파수 제어 방법 및 압전 변압기를 포함하는 스위치 배치구조 - Google Patents

압전 변압기의 주파수 제어 방법 및 압전 변압기를 포함하는 스위치 배치구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 압전 변압기(1)의 주파수 제어 방법에 관한 것으로서, 이 경우 압전 변압기(1)는 입력측(1a)에서 예정된 주파수의 교류 전압에 의해 여기되고, 상기 압전 변압기(1)의 입력 임피던스의 위상 정보는 리턴 경로에서 검출된다. 이어서 예정된 위상 기준과 관련한 상기 검출된 위상 정보가 평가되고, 교류 전압의 주파수가 상기 평가된 위상 정보에 따라 제어된다. 또한, 본 발명에서는 상응하는 주파수 제어를 실행하기 위한 회로 장치가 기술된다.

Description

압전 변압기의 주파수 제어 방법 및 압전 변압기를 포함하는 스위치 배치구조{Frequency control method of piezoelectric transformer and switch arrangement structure including piezoelectric transformer}
본 발명은, 압전 변압기(piezoelectric transformer)의 주파수 제어 방법, 그리고 압전 변압기 및 이러한 압전 변압기의 입력측에서 입력 전압을 발생시키는 교류 전압원을 포함하는 회로 장치에 관한 것이다.
압전 변압기는 입력측에서 입력 전압으로서 공급된 교류 전압을 압전 소자의 출력측에서 출력 전압으로서 더 높은 또는 더 낮은 교류전압으로 변환할 수 있도록 한다. 상기 압전 소자는 티탄산 지르콘산 연 화합물(PZT, english: Lead zirconate titanate)로 형성되는 경우가 많다. 압전 소자의 입력측과 출력측의 상응하는 분극(polarization)에 따라, 이러한 압전 소자는 예를 들어 두께 방향으로 역압전 효과(inverse piezoelectric effect)로 인해 입력측에서 정현파 교류 전압이 인가될 때 변형되고, 그 결과 압전 소자의 길이 방향으로 진동이 발생한다. 이는 재차 직압전 효과(direct piezoelectric effect)로 인해 출력측에서 상응하는 출력 전압을 발생시킨다.
인가된 입력 전압의 주파수가 압전 소자의 공진 주파수와 일치하면, 이로부터 상기 압전 소자의 전기 기계 공진이 발생하여 기계적 진동이 최대가 된다. 이러한 방식에 의해서 압전 소자의 출력측에서 매우 높은 출력 전압을 발생시킬 수 있다. 적용예에서는 예를 들면, 압전 변압기가 플라즈마 발생기(plasma generator)로서 작동될 수 있으며, 이 경우 플라즈마 발생기의 출력측에서 높은 출력 전압으로 인해, 플라즈마 발생기 주위로 흐르는 공정 가스(process gas)의 이온화가 일어나고, 그 결과 플라즈마가 생성된다.
또한, 압전 변압기 작동 시에는 항상 변압기를 최대 효율로 작동시키는 것이 바람직하다. 최대 효율은 항상 특정 주파수에서만 달성될 수 있다. 이러한 주파수는 수많은 매개 변수에 따라, 특히, 입력 전압 및 사용된 작업 환경에 따라 달라진다. 이 때문에 최대 효율을 찾아내기 위해서는 부품 정보가 필요하다.
종래의 압전 변압기의 주파수 제어에 있어서는 이미 여러 가지 가능성이 존재한다. 예를 들면, 2차측 전압(출력 전압)이 고려될 수 있다. 또 다른 가능성은 피드백 신호를 얻기 위해 변압기에 추가 전극을 사용하는 것이다.
제1 가능성에서는, 출력 전압의 각 탭이 이러한 출력 전압의 진폭에 영향을 주어 압전 소자의 진동 거동 그리고 결국에는 압전 변압기의 작동에 영향을 준다는 단점이 있다. 특히, 압전 변압기를 플라즈마 발생기로서 사용하는 경우, 이와 같은 주파수 제어의 가능성은 플라즈마 발생기의 기능에 상당히 불리한 영향을 미친다.
이와 달리 제2 변형예는, 추가 전극을 사용함으로써, 구조를 복잡하게 하는 압전 부품의 추가 접촉이 필요하다는 단점이 있다.
따라서 본 발명의 과제는, 주파수와 관련하여, 항상 최대 효율로 동작하면서도 구조가 단순하고 가능한 그 기능에 영향을 덜 미치도록 압전 변압기, 특히 압전 플라즈마 발생기를 제어하는 것이다.
제1 관점에서, 상기 과제는 청구항 1에 따른 압전 변압기의 주파수 제어 방법에 의해서 해결된다.
상기 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
- 압전 변압기를 입력측에서, 입력 전압으로서 예정된 주파수의 교류 전압으로 여기하는 단계,
- 리턴 경로(return path)에서 상기 압전 변압기의 입력 임피던스(input impedance)의 위상 정보(phase information)를 검출하는 단계,
- 예정된 위상 기준(predetermined phase criterion)과 관련하여 상기 검출된 위상 정보를 평가하는 단계,
- 상기 평가된 위상 정보에 따라 상기 교류 전압의 주파수를 제어하는 단계.
이와 같은 방법에 따르면, 위상 정보, 즉, 정현파 입력 전압과 입력 임피던스의 위상 각에 대응하는 정현파 입력 전류 사이의 위상 각에 대한 정보의 검출이 이루어진다. 마지막으로 교류 전압의 주파수는 평가된 위상 정보에 따라 제어될 수 있다.
상기와 같은 방법의 장점은, 주파수 제어에서 압전 변압기의 입력측에서 검출된 정보만 주파수 제어의 기준으로 사용된다는 것이다. 이러한 방식에 의해서 압전 변압기의 작동 거동이 실제로 거의 영향을 미치지 않거나 단지 약간만 영향을 미친다. 특히, 압전 변압기의 출력측에서 신호 정보의 측정이 생략된다. 그럼에도 불구하고 압전 변압기는 단지 입력측에서 검출된 정보를 토대로 항상 최적의 상황에서 작동될 수 있다. 종래의 구상에 비해 결정적인 장점은 이러한 경우에 달성될 수 있는 높은 수준의 효율이다.
본 발명에 따른 방법의 기본적인 원리는, 단지 압전 변압기의 입력 임피던스의 위상 또는 위상 각으로 인해, 임의의 외부 조건에서 각각 최대 효율로 변압기를 작동시키는 것이 가능하다는 것이다. 상기와 같은 원리는 단지 예정된 위상 기준과 관련하여 검출된 위상 정보의 평가로 인해, 예정된 위상 기준이 충족되고 최대 효율이 주어지는 특정 동작 주파수에 적합하게 알고리즘 적으로 추론될 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 압전 변압기는 교류 전압의 동작 주파수로 제어될 수 있으며, 그 결과 변압기는 상기 주파수에서 최대 효율로 작동한다.
언급한 유형의 방법에서, 예정된 위상 기준은 바람직하게 교류 전압의 주파수의 함수로서 입력 임피던스의 위상 각의 하나 이상의 제로점(zero point) 또는 로컬 극점(local extreme point)으로서 선택된다. 예를 들어, 상기 로컬 극점은 입력 임피던스의 위상 각의 국부 최소값일 수 있다. 검출된 위상 정보의 평가는 바람직하게는 예정된 위상 기준을 충분히 충족하는지에 대한 평가를 포함한다. 따라서 교류 전압의 주파수의 함수로서 입력 임피던스의 위상 각의 곡선은 특정 작동 상황에서 압전 변압기의 효율이 최적 인 특정 동작 주파수에 대한 귀납적 추론을 가능하게 한다.
수학적으로 하나 이상의 이러한 위상 기준의 정의 그리고 상응하는 제어 실행을 통해 연속적인 주파수 제어는, 항상 검출된 위상 정보가 상기와 같은 하나 이상의 위상 기준이 충분히 충족되는지라는 취지에서 평가되도록 이루어질 수 있다. 따라서 최대 효율을 갖는 압전 변압기의 최적의 동작 주파수로서 상응하는 위상 기준과 관련된 동작 파수로 제어될 수 있다. 이러한 방식으로 단지 주파수에 따른 위상 각을 평가함으로써 압전 변압기의 최적 동작 주파수를 결정하는 것이 가능하다.
가능한 한 상황에서, 리턴 경로에서 위상 검출기(phase detector)에 의해 압전 변압기의 입력측에서 입력 전류에 비례하는 신호와 상기 입력 전압의 신호가 비교되고, 이러한 비교로부터 상기 위상 검출기의 출력 신호가 검출된다. 상기 위상 검출기의 출력 신호는 입력 전압과 입력 전류 사이 위상 각의 합에 비례하고 상기 압전 변압기의 입력 임피던스의 위상 정보로서 사용된다. 이러한 조치는 입력 전압과 입력 전류의 비교를 참조하여 간단한 방법으로 상기와 같은 두 가지 전기적 크기의 위상 변이를 추론하는 것을 가능하게 한다.
또 다른 상황에서는, 리턴 경로에서 임피던스 분석기(impedance analyser)에 의해 압전 변압기의 입력측에서 입력 전류에 비례하는 신호가 샘플링된다. 이러한 샘플 값들로부터 푸리에 변환(fourier transformation)에 의해 상기 신호의 위상 각이 산출되며, 이때 상기 위상 각은 압전 변압기의 입력 임피던스의 위상 정보로서 사용된다. 또한, 이러한 방식으로 위상 각은 최적의 동작 주파수를 제어하도록 결정될 수 있다.
바람직하게 언급한 유형의 방법에서는 입력측에서 프로세스에 따라 제어된 주파수를 갖는 입력 전압이 출력 전압으로 변환되도록 압전 변압기가 플라즈마 발생기로서 작동되고, 그 결과 출력측에서 상기 플라즈마 발생기 주위로 흐르는 공정 가스의 이온화로 인해 플라즈마가 생성된다. 상기 공정 가스는 예를 들어 공기 또는 불활성 가스(inert gas)(예를 들어, 아르곤)일 수 있다.
특히, 플라즈마 발생 장치로서 압전 변압기의 상응하는 작동 중에, 상기 플라즈마 발생기가 최대 효율을 가질 때의 주파수는 다양한 매개변수, 특히 또한, 사용된 작업 환경(공정 가스, 온도 등)에 의존한다. 주파수 제어를 위한 언급된 방법에 의해, 플라즈마 발생기의 작동, 특히 플라즈마 발생기의 동작 주파수는 상이한 작업 환경 및 작동 조건에 적합하게 조정될 수 있다. 주파수 제어에 필요한 정보의 순수한 입력측 상에서의 검출으로 인해, 출력측에서 플라즈마 발생기의 작동 거동 및 이와 더불어 플라즈마 생성에 악영향을 받지 않는다. 그럼에도 불구하고 플라즈마 발생기는 항상 최적의 조건에서 작동될 수 있다. 그 결과 압전 소자 또는 부품의 가열도 최소 수준으로 감소된다. 또한, 플라즈마 발생기는 더 높은 플라즈마 전력으로도 작동될 수 있다.
플라즈마 발생기 작동 시에 언급한 주파수 제어 방법 사용의 추가 장점은 오 작동(예를 들어, 전도성 물체에 대한 점화, 접촉 등)에 응답할 수 있다는 것이다. 이러한 상황이 발생하면 입력 임피던스의 위상 또는 위상 각이 크게 변경되며, 이러한 것은 언급한 방법으로 감지할 수 있다. 결과적으로 제어는 입력 전력을 감소시킬 수 있다.
또 다른 관점에서, 앞에서 언급한 본 발명의 과제는 청구항 6에 따른 회로 장치에 의해 해결된다. 이 회로 장치는 다음을 포함한다:
- 입력측과 출력측을 갖는 압전 변압기,
- 상기 압전 변압기의 입력측에서 예정된 주파수의 입력 전압을 생성하기 위한 교류 전압원,
- 상기 압전 변압기의 입력 임피던스의 위상 정보를 검출하기 위해 리턴 경로 내에서 상기 압전 변압기의 입력측과 상기 교류 전압원 사이에 설치되는 검출 장치, 및
- 예정된 위상 기준에 관련하여 검출된 위상 정보를 평가하고, 상기 평가된 위상 정보에 따라 상기 교류 전압원에 상기 입력 전압을 생성하기 위한 주파수를 사전 설정하도록 설치된 제어 장치.
이러한 회로 장치는 압전 변압기의 주파수 제어를 위한 종래의 제어 장치에 비해, 변압기 입력측에서 검출된 정보만으로 압전 변압기의 주파수 제어가 가능하다는 장점을 갖는다. 상기 방법과 관련하여 이미 설명한 바와 같이, 주파수 제어는 압전 변압기의 검출된 입력 임피던스의 위상 정보에 기초로 이루어진다. 이는 회로 장치의 간단한 구성을 가능하게 하고 최대 효율을 갖는 동작 주파수와 관련하여 변압기의 최적의 제어를 허용한다. 또한, 제어에 필요한 정보가 압전 변압기의 입력측에서만 측정되기 때문에, 회로 장치는 변압기의 동작에 악영향을 미치지 않는다.
가능한 일 실시예에서 검출 장치는 위상 검출기를 포함하고, 이 위상 검출기는, 입력 전압의 신호가 위상 검출기의 제1 입력에 인가되고, 압전 변압기의 입력측에서 입력 전류에 비례하는 신호가 위상 검출기의 제2 입력에 인가되도록 배선되어 있다. 이 경우 상기 위상 검출기는, 상기 입력 임피던스의 위상 정보를 포함하는 출력 신호를 출력에 출력하도록 설치되어 있다. 이러한 위상 검출기에 의해, 입력 임피던스의 위상 정보가 간단한 방식으로 검출될 수 있다.
대안적인 한 실시예에 따르면, 검출 장치는 임피던스 분석기를 포함하며, 이 임피던스 분석기는 그의 입력에 압전 변압기의 입력측에서 입력 전류에 비례하는 신호가 인가되도록 배선되어 있다. 상기 임피던스 분석기는, 신호를 샘플링하고, 이러한 샘플 값들을 신호의 위상 각을 산출하기 위해 푸리에 변환에 공급하도록 설치되어 있다. 상기 위상 각은 압전 변압기의 입력 임피던스의 위상 각에 상응한다.
바람직하게 상기 회로 장치에서 설명한 유형의 압전 변압기는 압전 플라브마 발생기로서, 이 압전 플라즈마 발생기는 입력측 입력 전압으로부터 출력측 출력 고전압을 생성하도록 설치되어 있으며, 그 결과 플라즈마 발생기 주위로 흐르는 공정 가스의 이온화로 인해 출력측에서 플라즈마가 생성된다.
바람직한 추가 실시예들은 종속항들 및 후속하는 도면 설명에 기술되어 있다.
본 발명은 다수의 도면을 참조하는 실시예들을 이용해서 하기에서 상세히 설명된다. 도면부에서:
도 1은 주파수에 따른 압전 플라즈마 발생기의 입력 임피던스 값과 위상 각의 상이한 곡선들을 도시하고,
도 2는 주파수에 따른 도 1과 관련한 압전 플라즈마 발생기의 효율의 상이한 곡선들을 도시하며,
도 3a는 일 실시 형태에 따른 압전 플라즈마 발생기의 주파수 제어를 위한 회로 장치를 도시하고,
도 3b는 도 3a에 따른 회로 장치 내에서 검출 장치의 구성을 도시하며, 그리고
도 4는 또 다른 실시 형태에 따른 압전 플라즈마 발생기의 주파수 제어를 위한 회로 장치를 도시한다.
도 1은 주파수(단위: kHz)에 따른 압전 플라즈마 발생기의 입력 임피던스("│Zin│", 단위: 옴(Ω))의 합의 상이한 곡선(Z1, Z2, Z3)들 및 입력 임피던스("φ(Zin)", 단위: 도(°))의 상응하는 위상 각(phi)의 상이한 곡선(P1, P2, P3)들을 도시한다. 이와 동시에 하기의 설명은 반공진(antiresonance) 상황에서 압전 플라즈마 발생기의 제어와 관련이 있다. 그러나 기본 원리는 공진 작동으로 설계되는 플라즈마 발생기들에도 유효하다.
도 1은 상응하게 작동하는 플라즈마 발생기의 상이한 작동 거동을 도시한다. 곡선(Z1 및 P1)들은 제1 작동 거동을 나타낸다. 이 경우 플라즈마 발생기는 낮은 입력 전압으로 여기되며, 그 결과 출력 전압이 플라즈마를 생성하기에 충분히 높지 않다. 이러한 경우 플라즈마 발생기는 무부하 동작 중인 압전 변압기와 같이 기술될 수 있다. 이때 효율은 0° 위상 각 그리고 이와 동시에 임피던스가 최대일 때 가장 높다. 이는 도 1에서, 특성 곡선(P1)이 임피던스(Z1)의 합이 최대인 주파수(F1)(수직 표시 참조)에서 제로 통과를 포함함으로써 설명된다. 도 2는 효율(W1)이 진행되는 동안 상응하는 주파수(수직 표시(F1) 참조)에서 로컬 최대 값을 도시한다.
입력 전압을 증가시키면, 플라즈마 발생기는 플라즈마를 생성하기 시작한다. 이러한 거동은 대략 압전 플라즈마 발생기의 출력에서 전압에 따른 부하 저항으로 설명될 수 있다. 상기 작동 거동은 도 1에서 특성 곡선(P2 또는 Z2)들로 나타난다. 특성 곡선(P1 및 Z1)의 거동과 달리, 이러한 작동 거동에서는 효율이 더는 최대 임피던스에서 가장 높지 않고(도 1의 특성 곡선(Z2) 로컬 최대 값 참조), 이제 0°의 위상 각(상응하게 낮은 주파수(F2)에서 특성 곡선(P2)의 제로점 참조)에서 가장 높다. 도 2는 F2에서 효율(W2) 곡선이 로컬 최대 값을 갖는 거동을 도시한다.
플라즈마 발생기의 입력에서 전압이 증가하면, 부품의 유도성 거동은 완전히 사라지고, 위상 각도는 항상 0°보다 작다(도 1의 특성 곡선(P3 및 Z3)의 진행 참조). 이 경우 위상 각(P3)에서 최대 효율은 주파수(F3)에 있다(이에 대해서는 도 2의 주파수(F3)에서 효율 곡선(W3)의 로컬 최대 값 참조).
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 전술한 분석으로부터는, 주파수에 따른, 위상 각의 진행만으로도, 임의의 외부 조건에서 각각 최대 효율로 플라즈마 발생기를 작동시키는 것이 능하다는 결론이 나온다.
이러한 인식은 플라즈마 발생기의 주파수 제어를 위해 활용될 수 있다.
도 3a는 상응하는 플라즈마 발생기의 주파수 제어를 위한 회로 장치의 실시 형태를 도시한다.
특히, 회로 장치는 압전 플라즈마 발생기로서 동작하는 압전 변압기(1)를 포함한다. 상기 압전 변압기(1)는 입력측(1a)과 출력측(1b)을 포함한다. 입력측에는 교류 전압원(2)이 연결되어 있고, 이러한 교류 전압원은 압전 변압기(1)의 입력측(1a)을 여기하기 위한 정현파 교류 전압을 생성한다. 교류 전압원(2)은 예를 들면, DDS 사인파 발생기(DDS = 직접 디지털 파형합성(Direct Digital Synthesis)일 수 있다. 그러나 교류 전압원(2)을 아날로그 전압 제어 발진기"(Voltage Controlled Oscillator", VCO)로 설계하는 것도 가능하다.
이렇게 생성된 교류 전압은 전력 증폭기(3)에 의해 사전 증폭되며, 그 결과 압전 변압기(1)의 입력측(1a)에는 입력 전압 신호(u)가 인가된다. 이러한 입력 전압(u)을 통해서 압전 변압기(1)는 기계적 진동으로 여기될 수 있으며, 결과적으로 상기 압전 변압기의 출력측(1b)에서, 압전 변압기(1) 주위로 흐르는 공정 가스, 예를 들어, 공기의 플라즈마 생성을 위한 출력 고전압, 공기가 생성된다.
또한, 도 3a에 따른 회로 장치의 리턴 경로에는 검출 장치(4)가 설치되어 있으며, 이 검출 장치에는 입력 전압 신호(u)뿐만 아나라 신호(u(i))도 공급된다. 후자로 언급한 신호(u(i))는 변압기(1)의 입력측(1a)에서 입력 전류(i)에 비례하는 전압 신호이다. 상기 신호(u(i))는 전류 션트(current shunt)(6)를 통해 얻어진다. 상기 두 신호(u 및 u(i))는 검출 장치(4)에서 출력 신호(u = f(|φ|))로 처리된다(변압기(1)의 입력 임피던스의 위상 각의 합의 함수로서의 전압 신호). 본 실시 형태에서 상기 출력 신호는 위상 각의 합에 비례한다. 환언하면, 검출 장치(4)의 출력 신호는 위상 정보를 나타내는데, 구체적으로는 변압기(1)의 입력측(1a)에서 시간에 따른 입력 전류(신호(u(i))로 나타남)와 시간에 따른 입력 전압(u)의 위상 변이(위상 각)을 나타낸다.
검출 장치(4)의 출력 신호는 또한, 출력 신호를 평가하는 제어 장치(5)에 공급된다. 이러한 평가에 따라, 경우에 따라 새로운 (또는 특정 값만큼 변경된) 주파수가 산출되는데, 이 주파수는 제어 신호로서 교류 전압원(2)에 공급된다. 제어 장치(5)는 예를 들어 마이크로 컨트롤러로서 설치될 수 있다. 특히, 제어 장치(5)는 변압기(1)의 입력 임피던스의 검출된 위상 각이 예정된 위상 기준을 충족시키는지 또는 충족시키지 않는지 위상 검출 장치(4)를 통해 검출된 그리고 출력 신호로서 출력된 위상 정보를 평가한다. 이 경우 제어 장치(5)는 바람직하게는 위상 각의 제로 통과(제로점) 또는 로컬 극점의 충분한 충족 또는 달성을 평가한다. 도 1 및 도 2에 설명된 바와 같이, 각각의 작동 상태에서 변압기(1)의 달성 가능한 최대 효율은 주파수에 따른 상응하는 위상 각 곡선들의 상기와 같은 점들에 있다.
특정 주파수로부터 시작하여, 주파수가 연속적으로 변경되고, 예정된 위상 기준에 근접 그리고 최종적으로 충분히 충족되는지와 관련하여 변압기의 입력 임피던스의 검출된 위상 각이 평가되는 방식으로 제어를 실시하는 것을 생각할 수 있다. 이러한 제어는 압전 변압기(1)의 연속 작동 중에 행해질 수 있다. 대안적으로는 특정 작동 상황에서 처음으로 (예를 들면 스위프 또는 처프 신호(sweep or chirp signal)에 의해) 예정된 주파수 대역을 통과하고, 원하는 위상 기준과 관련하여 위상 각을 평가한 다음, 이어서 위상 기준이 충분히 충족되는 적합한 주파수로 조정하는 것도 생각할 수 있다. 그 후 압전 변압기(1)는 상기와 같은 주파수로 최적으로 작동될 수 있다. 본 발명에서는 보충적으로 작동 중에, 예를 들면 공정 가스량, 온도 등과 같은 특정 작동 매개변수가 변경되면 추가적인 재조정이 이루어질 수도 있다.
검출된 위상 정보가 언급한 위상 기준(예를 들어 예정된 작은 범위 내에서 정해진 위상)을 충분히 충족하면, 도 3a에 따른 변압기(1)는 해당 주파수에서 최적의 효율로 작동 될 수 있다. 따라서 도 3a에 따른 회로 장치는, 변압기(1)의 입력 임피던스의 검출된 위상 정보를 참고하여 예정된 위상 기준이 충족되는 최적의 동작 주파수로 조정될 수 있다는 장점을 갖는다(도 1 및 도 2 참조).
도 3b는 도 3a에 따른 검출 장치(4)를 상세도로 도시한다. 이 경우 검출 장치(4)는 위상 검출기로서 설계되어 있다. 맨 먼저 입력 전압 신호(u) 및 입력 전류에 비례하는 신호(u(i))는 각각 각 신호의 제로 통과를 결정하기 위해 비교기(K1 및 K2)에 공급된다. 이어서 이렇게 처리된 신호들은 XOR-게이트(7)(XOR = Exclusive OR)의 입력에 인가된다. 신호(u 및 u(i))들이 반대 부호를 갖는 한 XOR-게이트(7)는 그의 출력에 하이 레벨을 출력한다. 반대로 신호(u 및 u(i))들이 동일한 부호를 갖는 한 XOR-게이트(7)는 로우 레벨을 출력한다. 또한, XOR-게이트(7)의 출력 신호는 XOR-게이트(7)의 신호를 평균화하는 저역(TP, Low Pass)으로 전달된다. 신호(u 및 u(i))들이 위상에 있을 때 이렇게 얻어진 출력 신호(u = f(|φ|))(변압기(1)의 입력 임피던스의 위상 각의 합의 함수로서 전압 신호)는 0이다. 신호들이 +180도 또는 -180도 위상 이동된 경우 출력 신호는 최대 레벨이다.
이와 같이 설계된 위상 검출기(4)가 이러한 방식으로 포지티브 및 네거티브 위상을 구별할 수 없지만, 위상 각의 합에 비례하는 신호(위상 신호)가 얻어진다. 이러한 신호는 제어 장치(5)(도 3a 참조)로 전달될 수 있으며, 상기 제어 장치에서는 적절한 알고리즘을 이용하여 신호를 상호적(interactive)으로 변경하고 위상 신호를 평가함으로써 원하는 위상 기준에 근접하거나 충족하는지 여부가 검출되고, 상기 신호는 최종적으로 최적의 주파수에 이르게 된다. 적절한 알고리즘은 예를 들어 제로점 방법 및/또는 극값 검색 알고리즘을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상응하는 동작 주파수를 결정하기 위한 최적의 위상 기준(품질 함수로서)을 최적으로 발견하기 위한 LQ 제어 방법을 사용하는 것도 고려할 수 있다. 이 경우에는 많은 제어 알고리즘이나 상응하는 방법의 조합을 생각할 수 있다.
도 4는 압전 변압기(1)의 주파수 제어를 위한 회로 장치의 대안적인 실시 형태를 도시한다. 상기 회로 장치는 몇몇 필수 구성 요소에서도 3a에 따른 회로 장치에 상응한다. 도 4에 따른 회로 장치의 유일한 차이는 검출 장치(4)와 교류 전압원(2)이 구조상 하나의 모듈로 결합되고, 상기 검출 장치(4)가 임피던스 분석기로서 설정되었다는 것이다. 따라서 회로 장치의 리턴 분기점에서 검출 장치(4)에는 전압 신호(u(i))만 전달되며, 이때 상기 전압 신호는 도 3a와 유사하게 전류 션트를 통해서 형성되고 압전 변압기(1)의 입력측(1a) 상의 입력 전류에 비례한다. 신호(u(i))는 임피던스 분석기(4)에서 오버 샘플링되고, 이러한 샘플 값들로부터 신호의 상응하는 위상 각이 결정된다. 여기서 예를 들면 푸리에 변환(FFT)의 알고리즘 방법이 사용될 수 있다. 이러한 경우 상응하는 출력 신호(u = f(φ))는 제어 장치(5)로 전달될 수 있고 이 장치에서 편리하게 평가될 수 있다. 제어 장치(5)는 예를 들면 소프트웨어마다 교류 전압원(2)에 대한 제어 변수로서 주파수를 재조정 할 수 있다. 도 4에 따른 임피던스 분석기(4)를 통한 위상 각의 평가는, 또한 위상 각의 부호도 고려되어 평가에 포함될 수 있다는 장점을 갖는다.
도시된 실시 형태들은 단지 예로서 선택되었다. 본 명세서에 언급된 제어 방법 또는 회로 장치는 압전 변압기가 최적의 효율로 작동될 수 있도록 각각의 작동 상황에서 최적의 동작 주파수를 설정하기 위한 압전 변압기, 특히 압전 플라즈마 발생기의 주파수 제어를 허용한다. 상기 방법 또는 회로 장치의 장점은, 변압기의 입력측에서 측정될 수 있는 신호들로부터만 상응하는 제어 정보가 얻어진다는 것이다. 이러한 방식으로 변압기의 출력측에서 변압기의 작동에 악영향을 미칠 수 있는 신호의 측정 및 피드백이 생략된다. 또한, 상응하는 회로 장치는 간단한 구성을 허용한다.
1: 압전 변압기
1a: 입력측
1b: 출력측
2: 교류 전압원
3: 전력 증폭기
4: 검출 장치
5: 제어 장치
6: 전류 션트
7: XOR-게이트
F1, F2, F3: 주파수 라인
K1: 비교기
K2: 비교기
PI, P2, P3: 위상 각
TP: 저역
Z1, Z2, Z3: 임피던스 값

Claims (10)

  1. - 압전 변압기(piezoelectric transformer)(1)를 입력측(1a)에서, 입력 전압으로서 예정된 주파수의 교류 전압으로 여기하는 단계,
    - 리턴 경로(return path)에서 상기 압전 변압기(1)의 입력 임피던스(input impedance)의 위상 정보(phase information)를 검출하는 단계,
    - 예정된 위상 기준(predetermined phase criterion)과 관련하여 상기 검출된 위상 정보를 평가하는 단계, 및
    - 상기 평가된 위상 정보에 따라 상기 교류 전압의 주파수를 제어하는 단계를 포함하고,
    이 경우 상기 리턴 경로에서, 직렬로 접속된 XOR-게이트(XOR-Gate)(7), 저역(TP, Low Pass), 제1 비교기(K1) 및 제2 비교기(K2)를 포함하는 위상 검출기(phase detector)에서, 상기 입력 전압의 신호가 상기 제1 비교기(K1)로 인가되고 상기 제1 비교기(K1)의 출력 신호가 상기 XOR-게이트(7)의 제1 입력으로 인가되고, 입력 전류에 비례하는 신호가 상기 제2 비교기(K2)로 인가되고 상기 제2 비교기(K2)의 출력 신호가 상기 XOR-게이트(7)의 제2 입력으로 인가되며,
    상기 압전 변압기(1)의 입력측에서 상기 입력 전류에 비례하는 신호와 상기 입력 전압의 신호가 비교되고, 이 경우 상기 XOR-게이트(7)의 출력에서, 상기 저역(TP)에 의해 상기 압전 변압기(1)의 입력 임피던스의 위상 각의 합에 비례하고 상기 압전 변압기(1)의 입력 임피던스의 위상 정보로서 사용되는 신호로 평균화되는 비교 신호로서 출력 신호가 생성되도록 상기 XOR-게이트(7)의 상기 제1 입력에 상기 입력 전압의 사인 신호(sign signal)가 인가되고, 상기 XOR-게이트(7)의 상기 제2 입력에 상기 압전 변압기(1)의 입력측(1a)에서 상기 입력 전류에 비례하는 사인 신호가 인가되는, 압전 변압기(1)의 주파수 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 예정된 위상 기준이 제로점(zero point)으로 선택되거나 상기 입력 임피던스의 위상 각의 로컬 극점(local extreme point)이 상기 교류 전압의 주파수의 함수로 선택되고, 그리고 상기 검출된 위상 정보의 평가가 상기 예정된 위상 기준을 충분히 충족하는 평가를 포함하는, 압전 변압기(1)의 주파수 제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 입력측(1a)에서 프로세스에 따라 제어된 주파수를 갖는 입력 전압이 출력 고전압으로 변환되도록 상기 압전 변압기(1)가 플라즈마 발생기(plasma generator)로서 작동되고, 이 경우 출력측(1b)에서 상기 플라즈마 발생기 주위로 흐르는 공정 가스(process gas)의 이온화로 인해 플라즈마가 생성되는, 압전 변압기(1)의 주파수 제어 방법.
  4. 회로 장치에 있어서,
    - 입력측(1a)과 출력측(1b)을 갖는 압전 변압기(1),
    - 상기 압전 변압기(1)의 입력측(1a)에서 예정된 주파수의 입력 전압을 생성하기 위한 교류 전압원(2),
    - 상기 압전 변압기(1)의 입력 임피던스의 위상 정보를 검출하기 위해 리턴 경로 내에서 상기 압전 변압기(1)의 입력측(1a)과 상기 교류 전압원(2) 사이에 설치되는 검출 장치(4), 및
    - 예정된 위상 기준에 관련하여 검출된 위상 정보를 평가하고, 상기 평가된 위상 정보에 따라 상기 교류 전압원(2)에 상기 입력 전압을 생성하기 위한 주파수를 사전 설정하도록 설치된 제어 장치(5)를 포함하고,
    이 경우
    - 상기 검출 장치(4)가 위상 검출기를 포함하고,
    - 상기 위상 검출기는 직렬로 접속된 XOR-게이트(7), 저역(TP), 제1 비교기(K1) 및 제2 비교기(K2)를 포함하며, 상기 입력 전압의 신호가 상기 제1 비교기(K1)로 인가되고 상기 제1 비교기(K1)의 출력 신호가 상기 XOR-게이트(7)의 제1 입력으로 인가되고, 입력 전류에 비례하는 신호가 상기 제2 비교기(K2)로 인가되고 상기 제2 비교기(K2)의 출력 신호가 XOR-게이트(7)의 제2 입력으로 인가되며, 그리고
    - 상기 XOR-게이트(7)의 출력에서, 상기 저역(TP)에 의해 상기 압전 변압기(1)의 입력 임피던스의 위상 각의 합에 비례하는 신호에 간접적인 비교 신호로서 상기 입력 임피던스의 위상 정보를 포함하는 출력 신호가 생성될 수 있도록 상기 XOR-게이트(7)의 상기 제1 입력에 상기 입력 전압의 사인 신호가 인가되고, 상기 XOR-게이트(7)의 상기 제2 입력에 상기 압전 변압기(1)의 입력측(1a)에서 상기 입력 전류에 비례하는 사인 신호가 인가되는, 회로 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 압전 변압기(1)는 압전 플라즈마 발생기로서, 이 압전 플라즈마 발생기는 입력측(la) 입력 전압으로부터 출력측(1b) 출력 고전압을 생성하도록 설치되어 있음으로써, 상기 플라즈마 발생기 주위로 흐르는 공정 가스의 이온화로 인해 상기 출력측(1b)에서 플라즈마가 생성되는, 회로 장치.
  6. - 압전 변압기(1)를 입력측(1a)에서, 입력 전압으로서 예정된 주파수의 교류 전압으로 여기하는 단계,
    - 리턴 경로에서 상기 압전 변압기(1)의 입력 임피던스의 위상 정보를 검출하는 단계,
    - 예정된 위상 기준과 관련하여 상기 검출된 위상 정보를 평가하는 단계, 및
    - 상기 평가된 위상 정보에 따라 상기 교류 전압의 주파수를 제어하는 단계를 포함하고,
    이 경우 상기 리턴 경로에서 임피던스 분석기(impedance analyser)에 의해 상기 압전 변압기(1)의 입력측(1a)에서 입력 전류에 비례하는 신호가 샘플링되고, 이러한 샘플 값들로부터 푸리에 변환(Fourier transformation)에 의해 상기 신호의 위상 각이 산출되며, 이때 상기 위상 각은 상기 압전 변압기(1)의 입력 임피던스의 위상 정보로서 사용되고,
    상기 리턴 경로에서, 전압 신호(u(i))만이 상기 압전 변압기(1)의 입력측에서 상기 입력 전류에 비례하고 상기 임피던스 분석기에 전달되고, 상기 전압 신호(u(i))는 상기 임피던스 분석기에서 오버 샘플링되는, 압전 변압기(1)의 주파수 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 예정된 위상 기준이 제로점으로 선택되거나 상기 입력 임피던스의 위상 각의 로컬 극점이 상기 교류 전압의 주파수의 함수로 선택되고, 그리고 상기 검출된 위상 정보의 평가가 상기 예정된 위상 기준을 충분히 충족하는 평가를 포함하는, 압전 변압기(1)의 주파수 제어 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 입력측(1a)에서 프로세스에 따라 제어된 주파수를 갖는 입력 전압이 출력 고전압으로 변환되도록 상기 압전 변압기(1)가 플라즈마 발생기로서 작동되고, 이 경우 출력측(1b)에서 상기 플라즈마 발생기 주위로 흐르는 공정 가스의 이온화로 인해 플라즈마가 생성되는, 압전 변압기(1)의 주파수 제어 방법.
  9. 회로 장치에 있어서,
    - 입력측(1a)과 출력측(1b)을 갖는 압전 변압기(1),
    - 상기 압전 변압기(1)의 입력측(1a)에서 예정된 주파수의 입력 전압을 생성하기 위한 교류 전압원(2),
    - 상기 압전 변압기(1)의 입력 임피던스의 위상 정보를 검출하기 위해 리턴 경로 내에서 상기 압전 변압기(1)의 입력측(1a)과 상기 교류 전압원(2) 사이에 설치되는 검출 장치(4), 및
    - 예정된 위상 기준에 관련하여 검출된 위상 정보를 평가하고, 상기 평가된 위상 정보에 따라 상기 교류 전압원(2)에 상기 입력 전압을 생성하기 위한 주파수를 사전 설정하도록 설치된 제어 장치(5)를 포함하고,
    이 경우 상기 검출 장치(4)가 임피던스 분석기를 포함하며, 이 임피던스 분석기는 그의 입력에 상기 압전 변압기(1)의 입력측(1a)에서 입력 전류에 비례하는 신호가 인가되도록 배선되어 있으며, 이 경우 상기 임피던스 분석기는, 신호를 샘플링하고, 이러한 샘플 값들을 상기 압전 변압기(1)의 입력 임피던스의 위상 각에 상응하는 신호의 위상 각을 산출하기 위해 푸리에 변환에 공급하도록 설치되어 있고,
    상기 리턴 경로에서, 전압 신호(u(i))만이 상기 압전 변압기(1)의 입력측에서 상기 입력 전류에 비례하고 상기 임피던스 분석기에 전달되고, 상기 전압 신호(u(i))는 상기 임피던스 분석기에서 오버 샘플링되는, 회로 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 압전 변압기(1)는 압전 플라즈마 발생기로서, 이 압전 플라즈마 발생기는 입력측(la) 입력 전압으로부터 출력측(1b) 출력 고전압을 생성하도록 설치되어 있음으로써, 상기 플라즈마 발생기 주위로 흐르는 공정 가스의 이온화로 인해 상기 출력측(1b)에서 플라즈마가 생성되는, 회로 장치.
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