KR20060124596A - 충전 커패시터, 특히 방전 램프로의 공급을 위한 충전커패시터의 충전 장치 - Google Patents

충전 커패시터, 특히 방전 램프로의 공급을 위한 충전커패시터의 충전 장치 Download PDF

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주에르겐 클레인
스테판 세이웨트
스벤 프롭스트
크리스토프 로에프
윌리 네프
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 충전 커패시터, 특히 방전 램프로의 공급을 위해 사용되는 충전 커패시터를 급속 충전하는 장치에 관한 것이다. 장치는 d.c. 전압 소스 및 공진 회로를 포함하며, 이 공진 회로는 적어도 하나의 인덕터와 충전 커패시터를 포함하는데, 이 곳에서 출력 전압이 장치의 출력을 통해 뽑아내질 수 있다. d.c. 전압 소스의 한 폴(pole)은 스위치를 경유하여 공진 회로에 접속된다. 공진 회로에서, 스위치가 개방될 때 전류가 흐를 수 있도록 프리 휠링 다이오드(free-wheeling diode)가 d.c. 전압 소스에 병렬로 배치된다. 장치는 입력 변수들 및 하나 이상의 세트포인트 변수들의 함수로서 세트포인트 변수(들)에 따른 스위치의 스위칭 시간을 실시간으로 계산하고, 계산된 스위칭 시간에 스위치를 움직이는 제어 수단을 특징으로 한다. 제안된 장치는 방전 램프를 작동시키기 위한 램프 커패시터의 급속 충전을 시간 및 크기 모두에 관하여 정확하게 가능케하고 저렴하게 구현될 수 있다.
충전 커패시터, 방전 램프, 공진 회로

Description

충전 커패시터, 특히 방전 램프로의 공급을 위한 충전 커패시터의 충전 장치{CHARGING DEVICE FOR A CHARGING CAPACITOR, IN PARTICULAR FOR SUPPLYING DISCHARGE LAMPS}
본 발명은 도면에 도시된 실시예의 예시와 관련하여 더 설명될 것이나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따라 구성된 충전 장치의 예를 도시한 도면.
도 2는 장치의 두 개의 서로 다른 동작 모드에서 전류 및 전압 프로필의 두 예시를 도시한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: d.c.전압 소스
2: 충전 스위치 S1
3: 다이오드 D1
4: 프리 휠링(free-wheeling) 다이오드 DF
5: 인덕터 Lr
6: 충전 커패시터 Cr
7: 방전 램프
8: 방전 회로의 저항 RE
9: 방전 회로의 스위치 SE
10: 방전 램프의 점화 수단
12: 방전 스위치를 위한 스너버 회로(snubber circuit)
13: 프리 휠링 다이오드를 위한 스너버 네트워크
14: 충전 스위치를 움직이기 위한 보조 회로
20: 제어 수단
본 발명은 충전 커패시터, 특히 방전 램프의 동작을 위해 고전압 펄스를 생성하기 위한 충전 커패시터를 급속 충전하기 위한 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 입력 전압을 공급하는 d.c. 전압 소스, 및 상기 장치의 출력을 통해 출력 전압이 뽑아내질 수 있는 곳으로서 적어도 하나의 인덕터 및 충전 커패시터를 포함하는 공진 회로를 포함하며, d.c. 전압 소스의 한 폴(pole)은 스위치를 경유하여 공진 회로에 접속되고, 스위치가 개방될 때의 전류 전도를 위하여 프리 휠링 다이오드가 d.c. 전압 소스에 병렬로 공진 회로에 배치된다.
예컨대 단파장 EUV 광 또는 소프트 X 방사선(soft X-radiation)의 생성을 위해 사용되는 방전 램프로의 에너지 공급을 위해서는 약 1kV에서 10kV까지 범위의 고전압이 필요하다. 방전을 위해 필요한 펄스 에너지는 커패시터에 저장된다. 램프에서 방전이 일어날 때, 커패시터에 저장된 에너지를 이용하여 광 펄스를 방사하는 플라즈마가 생성된다. 그로인해 커패시터는 방전된다. 광 펄스를 더 출력하기 위해, 커패시터는 재충전되어야 한다. 많은 응용에서, 가장 높은 광 출력을 얻기 위해서는 높은 반복 주파수로, 그리하여 매우 빠르게 연속적으로 충전 및 방전 프로세스를 수행하는 것이 필요하다. 그러므로 가능한 한 빠르게 커패시터의 충전 프로세스를 진행하는 것이 유리하다. 한편, 펄스당 램프에 의해 방사되는 광량은 예컨대 원하는 세트포인트에서 1% 이내에 있는 매우 엄격한 한계 내에서 유지되어야 한다. 커패시터에서의 사전결정된 전압의 정확도에 관한 요건 및 그에 따라 저장되는 정의된 양의 에너지도 마찬가지로 엄격하다. 또한, 특정 분야의 램프 사용에 있어서, 펄스당 광 에너지 출력은 펄스에서 펄스까지 매우 정확하게 변화해야만 하는데, 이 에너지의 정확한 레벨은 방사되기 바로 전, 예컨대 50μs 전에 응용의 요건에 의해서만 설정된다. 그러므로 충전 장치는 매우 정확한 시간 한계 내에서 커패시터에서의 목적 전압을 이루어야만 한다. 더 나아가, 충전 장치는 가능한 가장 간단하고 가장 견고한 구조가 되어, 신뢰성 있게 동작하고 제조 비용이 저렴해야 한다.
충전 커패시터를 위한 다양한 장치들이 문헌으로부터 주지되어 있다. 예를 들어, 충전 커패시터는 예컨대 저항을 통해 에너지 소스에 접속될 수 있다. 이 저 항은 에너지 소스와 커패시터 사이의 전류를 제한하여, 커패시터에 접속된 방전 램프의 방전 동안 에너지 소스의 컴포넌트 파괴를 방지한다. 일단 원하는 전압에 다다르면, 전기 회로에서 스위치를 개방함으로써 충전 커패시터의 충전이 더 이상 일어나지 않는다. 그러나, 이러한 충전 방법은 많은 응용들에 있어서 비경제적인, 충전 저항에서의 많은 손실을 가져온다.
또한, 일정한 전류를 이용하여 원하는 점화 전압까지 충전 커패시터를 충전하는 소위 커패시터 충전 장치가 주지되어 있다. 일정한 전류가 흐르는 결과, 커패시터에서의 전압은 선형적으로 증가한다. 일단 원하는 전압에 다다르면, 커패시터 충전 장치의 출력 전류는 전기 회로의 스위치를 통해 단락 회로가 되어 커패시터의 충전이 종료된다. 다이오드는 스위치를 통해 커패시터의 방전을 막는다. 그러나, 그러한 충전 장치에 있어서, 스위치는 완전 출력 전압과 완전 충전 전류에 대해 설계되어야 하며 매우 급격하게 스위칭할 수 있어야 한다. 그러한 스위치들은 주문형(custom-built) 컴포넌트로서만 얻을 수 있으므로 일반 응용에 있어서는 적합하지 않다.
두 방법 모두에 있어서, 충전 프로세스는 예컨대 몇백 μs 의 상대적으로 긴 시간이 소요된다. 대체로 그러한 장치에 있어서, 충전 시간이 길수록, 커패시터에서 달성되어야 하는 사전결정된 충전 전압의 정확도와 관련한 요건은 더욱 엄격해진다. 방전 램프가 동작할때, 광 출력 전력의 증가는 한 시간 주기에서의 광 펄스 수를 증가시킴으로써 달성할 수 있다. 그러나, 이는 또한 충전 커패시터를 충전하기 위해 사용할 수 있는 시간 주기의 감소를 가져와서 그러한 충전 장치와 동작하 는 램프의 최대 전력을 제한하게 된다.
본 발명의 목적은 방전 램프로의 공급에 사용될 수 있고 시간과 크기 모두에 대해서 빠르고 정확한 충전 커패시터의 충전을 가능케하는, 충전 커패시터의 급속 충전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 1에 청구된 장치를 이용하여 이루어질 수 있다. 본 장치의 유리한 개량 발명들은 종속항의 청구 대상이거나, 이하 설명 및 예시적 실시예에 나타내었다.
본 장치는 공진 회로 및 입력 전압을 공급하는 d.c. 전압 소스를 포함한다. 공진회로는 장치의 출력을 통해 출력 전압이 뽑아내질 수 있는 곳으로서 적어도 하나의 인덕터와 충전 커패시터를 포함한다. 충전 커패시터는 방전 램프로의 공급 또는 동작을 위해 장치를 사용하는 동안의 램프 커패시터에 대응한다. d.c. 전압 소스의 한 폴(pole)은 스위치(이후 충전 스위치로 불리움)를 경유하여 공진 회로에 접속된다. 더 나아가, 프리 휠링 다이오드(free-wheeling diode)는 충전 스위치가 개방될 때 전류가 흐르게 하기 위해 d.c. 전압 소스에 병렬로 공진 회로에 배치된다. 본 장치는 특히, 입력 변수들 및 하나 이상의 세트포인트 변수들의 함수로서 세트포인트 변수(들)에 따른 충전 스위치의 스위칭 시간을 실시간으로 계산하여, 각각의 경우에 충전 스위치를 움직여서 계산된 스위칭 시간에 스위칭하도록 하는 제어 수단을 특징으로 한다.
바람직하게는 디지털 제어 수단과 장치의 공진 설계에 의하여, 소정의 전압 이나 소정의 에너지가 온 및 오프 시간의 특정 제어를 통해서 사전정의된 시간에 충전 커패시터에 저장되며, 전압이나 에너지는 출력에 적용된 부하를 통해 방전될 수 있다. 스위치 온 될 수 있는 부하는 예컨대 트리거되는 기체 방전(triggered gas discharge)과 같은 소모 요소(dissipative element)이며, 충전 커패시터와 병렬로 접속된다. 방전은 공진 충전 기간에 비교하여 상대적으로 짧은 시간 기간 내에 정확히 정의된 시간에서 일어날 수 있다. 높은 반복 주파수에서도, 장치는 펄스에서 펄스까지(pulse to pulse) 충전 커패시터의 전압이나 에너지를 제어할 수 있다. 이는 장치의 공진 구조 뿐만 아니라 바람직하게는 디지털 실시간 제어 수단에 의해 가능하며, 이들은 개루프 또는 폐루프 제어 프로세스에서의 임의의 방해나 컴포넌트의 결함을 포함할 수도 있다.
제어 수단의 입력 변수는 세트포인트 변수(들), 예컨대 펄스 에너지, 부하로서 출력에 접속된 방전 램프의 램프 전력 및/또는 점화 시간, 및 장치에서 순간적으로 측정되는 변수들, 특히 순간적인 입력 전압, 충전 커패시터에서의 순간적인 전압 및 공진 회로에서의 순간적인 전류 및/또는 충전 스위치를 흐르는 순간적인 전류가 되며, 이들은 스위칭 시간을 계산하는데 필요하다. 더 나아가, 장치의 충전 동작에 영향을 줄 수 있다면, 예컨대 하나 이상의 컴포넌트에서의 온도와 같은 추가적인 방해 변수들이 측정될 수 있으며 제어 수단에 대한 입력 변수로서 사용될 수 있다. 제어 수단은 원하는 세트포인트 변수(들)에 대해 필요한 스위칭 시간들을 계산할 때에 입력 변수들로서, 각각의 경우 획득된 값들을 고려하도록 설계된다.
전력 계산에 관한 제어 수단의 요건은 매우 엄격한데, 이는 모든 신호 또는 입력 변수가 온라인, 즉 실시간으로 평가되고 고려되어야 하기 때문이다. 그러나, 어쨌든 그러한 제어 수단은 램프 기능의 동작, 제어 및 모니터링 동안 많은 응용을 위해 필요하다. 계산을 수행할 때, 제어 수단의 디지털 계산 일렉트로닉스는 스위칭 시간을 가능한한 빠르게 결정하기 위해서 예컨대 근사 알고리즘을 사용하거나 이전에 계산되어 적용된 테이블{"룩업 테이블"(look-up table)}을 참조할 수 있다.
바람직한 개량 발명에 있어서, 장치는 출력(즉, 충전 커패시터)과 병렬로, 적어도 하나의 저항과 제어 수단을 통해 움직이는 다른 스위치와의 직렬 접속을 포함하며 그 직렬 접속은 충전 커패시터를 위한 방전 회로를 형성한다. 이 개량 발명에서, 다음 충전 프로세스를 위하여 제어 수단에 대한 정의된 초기 조건을 만족시키기 위해, 충전 커패시터는 방전 회로를 사용하여 부하를 통해 각각 방전된 후, 의도적으로 완전히 방전될 수 있다. 이 완전 방전 프로세스를 촉진하기 위해, 추가적 전압 소스가 방전 회로에 통합될 수 있다.
바람직하게는, 장치는 스위치 개방에 대해 충전 스위치를 완충 및/또는 다이오드 전류가 흐르지 않을 때 프리 휠링 다이오드를 완충하기 위한 하나 이상의 스너버 회로나 스너버 네트워크를 포함한다. 각각의 경우 완충되어야 할 컴포넌트와 병렬로 배치되는, 적절한 스너버 회로 또는 네트워크는 당업자에게 주지되어 있다.
바람직하게는, 다이오드는 d.c. 전압 소스와 공진 회로 사이에서 충전 스위치와 직렬로 접속되어 있으며, 상기 다이오드는 공진 회로로는 전류가 흐르게 하지만 전류가 반대로는 흐르지 않도록 충전 스위치를 보호한다. 다른 방법으로, 이 다이오드는 스위치와 병렬로 역다이오드(inverse diode)를 삽입함으로써 생략될 수도 있는데, 역다이오드는 전하가 d.c. 전압 소스로 돌아가도록 허용한다. 그러한 토폴로지(topology)는 출력에 접속된 방전 램프의 비점화(non-igntion)에 민감하지 않은데, 이는 충전 커패시터의 전하가 d.c. 전압 서플라이로 피드백되기 때문이다. 이 개량 발명에서, 램프의 점화 시간이 거의 지터(jitter)를 나타내지 않도록, 충전 곡선은 충전 커패시터에서의 전압에 대해 전압 안정기(plateau)를 나타내지 않는다.
본 장치의 다른 실시예에서, 상위의 폐루프 제어 회로가 제공되어, 원하는 세트포인트 변수로부터 벗어난 경우 제어 수단이 스위칭 시간을 쉬프트하도록 함으로써, 상기 벗어남을 최소화한다. 폐루프 제어 회로의 입력 변수로서, 비교기(comparator)는 충전 커패시터의 방전 시간에 가까운, 공진 회로에서 전류 0이 되는 시간을 결정하고 그것을 세트포인트 변수로서 사전결정된 원하는 방전 시간과 비교한다.
본 장치는 방전 램프(7)의 점화(ignition)을 위한 전력 공급 유닛과 같은 응용과 관련하여 아래에 더 자세히 설명될 것이다. 충전 커패시터(6)는 출력 전압이 U1인 d.c. 전압을 출력하는 에너지 소스에 의해 공급된다. d.c. 전압의 시간 안정도에 관한 요건은 전압의 변화가 충전 커패시터(6)의 충전 시간보다 현저히 긴 시간 스케일 동안 일어난다는 조건이 만족되는한 매우 엄격하지는 않다. 그러므로, 예컨대 d.c. 전압은 3상 변압기(three-phase transformer) 및 정류기단(rectifier stage)을 사용하여 생성될 수 있다. 또한, d.c. 전압 소스(1)는 충전 커패시터(6)로부터 예컨대 10m 이상 상당히 떨어진 거리에 구성될 수 있다. 이런 방법으로, 램프 영역 내에 전력 공급 유닛 또는 충전 장치의 실제 전력 섹션을 위해 단지 적은 양의 구조적 공간이 필요하게 된다.
d.c. 전압 소스(1)의 하나의 폴(pole)이, 다이오드(D1; 3)에 선택적으로 직렬 접속되는 충전 스위치(S1; 2)에 접속된다. 충전 스위치(2)는 예컨대 MOSFET(filed effect transistor) 또는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)의 형태가 될 수 있다. 충전 스위치(2)는 보조 회로(14)에 의해 스위치 온 및 오프가 될 수 있으며, 보조 회로(14)는 또한 예컨대 과전류 또는 온도로부터 컴포넌트를 확실히 보호한다. 부가 회로(12)는 전류가 흐르지 않을 때, 충전 스위치(2)를 완충(snub)하는 기능을 수행한다. 그러한 스너버 회로들은 예컨대, 모한, 언델랜드, 로빈스의 "전력 전자", 존 윌리 앤드 선즈, 1989(Mohan, Undeland, Robbins: "Power Electronics", John Wiley and Sons, 1989)에 설명되어 있다.
공진 회로가 뒤이어 직렬 접속되며, 공진 회로의 제2 단자는 d.c. 전압 소스(1)의 제2 폴에 접속된다. 공진 회로는 인덕터(Lr; 5), 및 충전 커패시터인 커패시터(Cr; 6)로 형성된다. 프리 휠링(free-wheeling) 다이오드(DF; 4)는 충전 스위치(2)가 개방될 때 전류를 흘리는 기능을 수행한다. 이 프리 휠링 다이오드(4)에 병렬로 스너버 네트워크(13)가 배치되어, 다이오드 전류가 흐르지 않을 때 다이오 드(4)를 완충하는 기능을 수행한다.
방전 램프(7)는 충전 커패시터(6)에 병렬로 접속된다. 그것은 내부 전기 저항 및 내부 인덕턴스를 나타낸다. 두 양 모두 방전 동안 시간이 지남에 따라 변화한다. 방전 램프(7)는 적어도 두 개의 전극들 사이에 기체 또는 혼합 기체, 예컨대 아르곤(argon) 또는 크세논(xenon)으로 채워지거나, 금속 증기로 채워진 챔버(chamber)를 포함하며, 전극들 사이에서 전기적 방전이 일어난다. 방전 램프(7)는 정의된 시간에 외부 기구(10)를 통하여 점화된다. 직렬로 접속된 저항(RE; 8) 및 다른 스위치(SE; 9)가 램프 또는 충전 커패시터(6)에 병렬로 배치되어, 충전 커패시터(6)의 완전한 방전을 위한 방전 회로를 형성한다.
제어 수단(20)은 예컨대 d.c. 전압 소스(1)의 출력에서의 전압 U1 또는 방전 램프(7)에서의 전압 U2와 같은 전압의 순간적인 값 및, 예컨대 공진 회로의 전류 및/또는 충전 스위치(2)를 흐르는 전류와 같은 전류의 순간적인 값을 탐지한다. 또한 장치의 다양한 컴포넌트에서의 온도가 충전 동작에 영향을 주는 경우, 이를 측정하는 것도 가능하다. 이러한 모든 변수들과 응용의 사전설정된 값들(U1 *), 예컨대 펄스 에너지, 램프 전력 및/또는 점화 시간에 기초하여, 스위치(2,9)가 제어 수단(20)에 의해 움직인다.
이 전력 공급 유닛의 동작 모드는 도 2와 관련하여 아래에 설명된다. 시간 t0에서 전압 U1은 d.c. 전압 소스(1)에 의해 설정된 소정의 시작 값을 나타낸다. 충전 스위치(2)는 시간 t1에 닫힌다. 다음으로, 공진 진동이 공진 회로 요소 Lr과 Cr에서 형성된다. 공진 진동의 주기는 요소 Lr과 Cr의 값을 통해 결정된다. 정현파 전류가 이상적으로 충전 스위치(2)로 흐르며, 그 전류의 최대값은 인가된 전압 U1, 공진 회로의 임피던스 및 시간 t1에서의 커패시터(Cr; 6) 전압으로부터 결정된다. 시간 t2에서 충전 스위치(2)는 오프된다. 시간 t2에서 충전 커패시터(6)에서의 전압 값은 0 볼트에서 최대로는 입력 전압 값 U1의 두 배 사이에 있는 값을 갖는다. 전류의 프리 휠링 단계(free-wheeling phase) 동안, 커패시터 전압 U2는 더 상승한다. 인덕터(Lr; 5)의 전류가 0의 값을 가질 때, 충전 프로세스가 완료된다. 더 이상의 공진 진동이 개방된 충전 스위치(S1; 2)에 의해 중단된다.
충전 커패시터(6)에서의 전압 U2가 최종 값까지 상승할 때, 시간 t3에서 방전 램프(7)의 점화가 점화 수단(10)에 의해 유효화될 수 있다. 점화는 보조 전극 또는 레이저 임펄스(impluse)에 의해 전기적으로 트리거(trigger)될 수 있다. 충전 커패시터(6)의 방전 동안 방전 램프(7)에 플라즈마가 형성되며, 그로 인해 단파(short-wave) 빛이 생성된다. 생성되는 빛의 파장은 플라즈마의 조성(composition), 램프 내의 압력 및 온도에 의해 영향받을 수 있다.
바람직하게는, 충전 회로에서 전류가 0일 때, 즉 전압이 양적으로 최대일 때 램프를 통해 방전이 일어난다. 이런 방법으로, 다음 사이클에서 충전 프로세스를 방해하거나 기체 방전 특성을 해할 수도 있는 잔여 에너지가 매우 적은 양만 회로에 남아있게 된다. 본 발명에 따라, 스위칭 시간은 실시간 제어 수단에 의해 결정되며, 이 실시간 제어 수단은 t1 및 t2에 대한 적절한 값을 미리 계산하고 충전 스위치(2)를 움직이게 할 수 있다. 이러한 방법으로 충전 커패시터(6)의 전압이 원하는 점화 시간 t3에 양적으로 정확히 최대에 도달하고, 상기 최대값이 원하는 세트포인트(setpoint)에 대응하는 것이 보장된다.
방전 단계 후, 충전 커패시터(6)에 작은 잔여 전압이 남아있을 수 있다. 이후 충전 프로세스에서, 이 잔여 전압 값은 커패시터(6)에서의 전압 형성에 영향을 준다. 그러므로, 다음 충전 프로세스 이전에, 이 전압 값이 정의된 양이 되도록 하는 것이 유용하다. 이는 본 발명에 따라, 방전 회로 형태의 추가적 회로에 의해 보장될 수 있다. 이 방전 회로가 도 1에 예시로 도시되었다. 그것은 저항(RE; 8) 및 스위치(SE; 9)를 포함하며, 예컨대 MOSFET 또는 IGBT의 형태를 가질 수 있다. 직렬로 접속된 저항(8)은 전류 제한의 기능을 수행한다. 램프를 통한 방전 단계 바로 후, 위에서 설명된 방전 회로가 t4와 t5 사이의 구간에서 스위치(9)를 온 함으로써 활성화되는 경우, 충전 커패시터(Cr; 6)의 잔여 전압은 제어 수단(20)에 의해 사전결정된 값까지 방전된다. 이런 방법으로, 다음 충전 단계가 시작될 때 정의된 초기 조건들이 존재하게 된다.
전력 공급 유닛의 이러한 동작 모드는 시간 t1에서 t5까지의 대응하는 시간 과 함께 도 2의 왼쪽 부분에 도시된 충전 스위치(2)를 흐르는 전류 프로필(I1) 및 충전 커패시터(6)의 전압 프로필(U2)을 창조함으로써 이해될 수 있을 것이다.
더욱 빠른 방전을 위해 추가적 회로 또는 방전 회로가 확장될 수도 있다. 이는 예컨대, 스위치(9)와 방전 램프(7) 사이에 있는 추가적 전압 소스에 의해 방전이 촉진되어 이루어질 수 있다. 램프의 방전 동작이 충전 커패시터에 아주 작은 잔여 전압만을 생성하거나 아예 생성하지 않는 경우, 그러한 추가적 회로 또는 방전 회로는 당연히 완전히 배제될 수도 있다. 잔여 전압은 예컨대 시간 t0에서 측정되어 스위칭 시간 t1 및 t2를 계산하기 위해 실시간 제어 수단에서 고려될 수 있다.
방전 램프(7)와 공진 회로의 전기적 특성의 구성에 따라서는, 동작중에 램프 전류의 극성 반전이 발생할 수 있다. 램프의 전극 시스템의 적절한 구조를 통해 상대적으로 넓은 전극 표면으로 분산된 전류가 흐르는 것이 가능하지만 전류 반전 후에는, 전극에 강하게 지역화된(localized) 방법으로 인가되는 전류가 빈번하게 발생한다. 이러한 방식으로, 전극 표면에서의 전력 밀도는 매우 높고, 램프의 손상을 가져오는 것 뿐 아니라 전극 물질이 녹을 수 있다. 램프 전류의 극성 반전은 공진 회로 요소와 점화시의 공급 전압 U2의 적절한 선택을 통해 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 다른 실시예에서, 공진 회로는 램프 전류가 비주기적인(aperiodic) 공진 진동에 대응하는 방전 단계에서의 프로필을 채택하도록 구성된다. 이 경우, 충전 커패시터에 저장된 에너지는 이상적으로 완전히 램프쪽으로 변 환된다.
당업자는 이러한 목적을 위해, 공진 회로를 유도성(inductive) 및 용량성(capacitive) 요소들로 나누고 계속해서 병렬 및 직렬 접속된 요소들로 구성된 네트워크를 형성하는 방식으로, 방식으로 공진 회로를 확장시킬 수 있다. 이러한 접속은 전류 펄스의 형태를 변화시켜, 방전 램프 내에서의 시간에 따른 플라즈마의 형성을 촉진시킬 수 있다. 이와 동시에, 램프에서 예컨대 램프의 수명에 부정적인 영향을 주는, 원치않는 전류의 극성 반전과 같은 방해(disturbance)가 방지될 수 있다. 추가적으로, 충전 커패시터와 램프 자체 사이의 전기 회로에 시간에 대해 전류 프로필에 영향을 주는 추가 요소를 접속하는 것 역시 가능하다. 예를 들어, 에너지 공급을 플라즈마 형태로 보다 잘 변화(adaptation)시키기 위해서, 자기적 포화 물질(magnetically saturable material)에 의해 전류의 증가가 쉽게 지연될 수 있다.
바람직하게는 디지털 제어 수단(20)은 본 전력 공급 유닛의 주요 컴포넌트를 구성한다. 그것은 상위의 제어 유닛으로부터 다음 광 펄스를 위한 정확한 시간 t3와 그 광량에 관하여 사전설정된 값들을 수신한다. 이러한 사전설정된 값들에 기초하여, 제어 수단(20)은 스위치 S1 및 SE에 대한 스위칭 시간 t1, t2, t4 및 t5를 결정하여 이들을 충전 장치의 스위칭 일렉트로닉스(switching electronics)로 전달하거나, 이 시간들에서 스위치들을 움직이게 된다. 램프 전압의 제어는 도 2의 오른쪽 부분에서 볼 수 있듯이, 충전 기간 tL = t1 - t2을 줄이는 것에 의해 영향받을 수 있다. 충전 커패시터(6)의 충전 시간이 줄어들면, 방전이 시작할 때 충전 커패시터에 인가되는 전압이 떨어진다. 일단 충전 커패시터(6)상에 요구되는 전압이나 에너지가 사전 설정되면, 제어 수단(20)의 디지털 계산 일렉트로닉스는 다음 펄스까지 각각의 스위치의 온 및 오프 시간을 실시간으로 결정한다. 이러한 시간 결정적(time-critical) 계산은 예컨대 선형 또는 2차 근사와 같은 근사 알고리즘(approximation alogorithm)을 사용하거나 미리 이 전력 공급 유닛에 대해 계산되고 적용된 테이블을 이용하여 수행될 수 있다. 계산 및 그에 기초한 충전 프로세스 동안, 예컨대 램프의 리액턴스나 잔여 전도성(conductivity)의 변화와 같은 방해 변수들이 고려되어 그 영향이 보상된다. 그러므로, 예컨대 온도 C(T)에 따른 충전 커패시터(6)의 커패시턴스의 변화가 고려될 수 있다. 충전 특성(전압 및 전류 또는 전하)과 같은 전기적 변수들을 측정함으로써, 공진 회로의 특성 값 L 및 C가 결정되고 충전 시간 또는 스위칭 시간이 최적화된다. 충전 커패시터(6)상의 전하를 결정하기 위해, 예컨대 전류 적분기가 사용될 수 있으며, 충전 커패시터(6)에서의 전압을 측정함으로써 커패시턴스가 결정될 수 있다.
d.c. 전압 소스(1)가 매우 안정해야만 하는 것은 아니다. 예를 들어, 변압기로부터 정류된 3상 전류(rectified three-phase current)도 이 목적에는 충분할 수 있다. 이로 인해 본 전력 공급 유닛을 저비용으로 구현하게 된다. 충전 커패시터(6)의 충전 시간을 사용하여 측정되는 전압 U1은 상대적으로 느린 시간 도메인 내에서 변화한다. 그것은 예컨대 시간 t0에서 제어 수단(20)에 의해 수행되는 계산 이 시작할 때 아날로그-디지털 변환기를 사용하여 직접 측정될 수 있으며, 디지털 계산 일렉트로닉스로 하여금 스위칭 시간의 계산에 고려하도록 만들 수 있다.
본 전력 공급 유닛은 수정 동작(correcting action)을 할 수 있는 상위 폐루프 제어 회로에 의해 확장될 수도 있는데, 그 안의 비교기는 방전 시간에 가까운 전류 0을 탐지하여 제어 알고리즘에 공급하며, 만약 이전 펄스의 전류 0이 방전 시간 전에 발생한 경우 제어 수단(20)에 의해 계산된 스위칭 시간을 뒤로 미루고, 만약 이전 펄스의 전류 0이 방전 시간 후에 발생한 경우 스위칭 시간을 앞당긴다. 이런 방식으로, 예컨대 온도 증가의 결과 발생한 인덕턴스의 변화가 보상될 수 있다.
본 예시적 실시예의 설명이 도 1에 도시된 전력 공급 유닛의 구성과 관련하여 이루어졌으나, 당업자는 전력 공급 유닛의 개별적 컴포넌트들로 설명된 구성이 개별적으로 또는 상이하게 구성되나 본 발명에 따라 형성된 전력 공급 유닛에서 조합되어 사용될 수도 있다.
본 발명을 통해 방전 램프를 작동시키기 위한 램프 커패시터를 시간 및 크기에 관해 빠르고 정확하게 충전할 수 있게 되며, 저렴하게 회로를 구현할 수 있게 된다.

Claims (16)

  1. 충전 커패시터(6), 특히 방전 램프(7)로의 공급을 위한 충전 커패시터를 급속 충전하기 위한 장치로서,
    입력 전압을 공급하는 d.c. 전압 소스(1);
    상기 장치의 출력을 통해 출력 전압이 뽑아내질 수 있는 곳으로서 적어도 하나의 인덕터(5) 및 충전 커패시터(6)를 포함하는 공진 회로; 및
    입력 변수들 및 하나 이상의 세트포인트(setpoint) 변수들의 함수로서 상기 세트포인트 변수(들)에 부합하는 스위치(2)의 스위칭 시간을 실시간으로 계산하고, 상기 계산된 스위칭 시간에서 스위칭하기 위해 상기 스위치(2)를 스위칭 동작시키는 제어 수단(20)
    을 포함하고,
    상기 d.c. 전압 소스(1)의 하나의 폴(pole)은 상기 스위치(2)를 경유하여 상기 공진 회로에 접속되고, 상기 스위치(2)가 개방될 때의 전류 전도를 위하여 프리 휠링 다이오드(free-wheeling diode; 4)가 상기 d.c 전압 소스(1)에 병렬로 상기 공진 회로에 배치되는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 수단(20)은 입력 변수들로서 순시 입력 전압, 상기 충전 커패시터(6)에서의 순시 전압, 상기 공진 회로에서의 순시 전류 및/또는 상기 스위치(2) 를 흐르는 전류를 기초로 하여 상기 스위칭 시간들을 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 수단(20)은 세트포인트 변수들로서 펄스 에너지나 램프 전력 프리세트(preset) 및/또는 출력에 부하로서 접속된 방전 램프(7)의 사전결정된 점화 시간(ignition time)에 부합하도록 상기 스위칭 시간을 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 수단(20)은 스위칭 시간을 계산할 때 입력 변수들로서 순시 방해 변수들(disturbance variables)을 수신하여 고려하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어 수단(20)은 커패시턴스(capacitance)의 온도에 대한 의존도를 고려하고, 입력 변수들로서 상기 장치의 하나 이상의 컴포넌트들의 순시 온도를 수신하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 수단(20)은 상기 계산을 위해 근사 알고리즘(approximation algorithm)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 수단(20)은 상기 계산을 위한 룩업 테이블(look-up table)을 포함하는 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 수단(20)은 디지털 제어 수단인 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 저항(8)과 상기 제어 수단(20)을 통해 움직이는 다른 하나의 스위치(9)의 직렬 접속이 상기 출력에 병렬로 접속되어, 상기 충전 커패시터(6)를 위한 방전 회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 충전 커패시터(6)의 방전을 촉진하기 위한 추가적 전압 소스가 상기 직렬 접속에 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위치(2)를 동작시키고 보호하기 위해 보조회로(14)가 제공되고, 상기 보조회로를 경유하여 상기 제어 수단(20)이 상기 스위치(2)를 움직이는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위치가 개방될 때의 상기 스위치(2)의 완충(snub) 및/또는 다이오드 전류가 흐르지 않을 때의 상기 프리 휠링 다이오드(4)의 완충을 위한 스너버 회로(snubber; 12)가 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 d.c. 전압 소스(1)와 상기 공진 회로 사이에서, 다이오드(3)가 상기 스위치(2)와 직렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 d.c. 전압 소스(1)와 상기 공진 회로 사이에서, 역다이오드(inverse diode)가 상기 스위치(2)에 병렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상위 폐루프 제어 회로가 제공되고, 상기 상위 폐루프 제어 회로는 상기 충전 커패시터(6)의 방전 시간에 가까운 상기 공진 회로에서의 전류 0이 되는 시간을 비교기로 검출하고 이를 사전설정된 방전 시간과 비교하여, 오차(deviation)가 발 생한 경우의 상기 제어 수단(20)에 의해 계산된 상기 스위칭 시간을 상기 오차를 보상하도록 쉬프트시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. EUV 또는 소프트 X-방사선(soft X-radiation)을 내는 방전 램프를 작동시키기 위해 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 장치를 사용하는 방법.
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