KR20080100300A - 플라즈마 아크의 신속한 소멸을 위하여 도선 인덕턴스에저장된 전기 에너지를 감소시키는 회로 및 방법 - Google Patents

플라즈마 아크의 신속한 소멸을 위하여 도선 인덕턴스에저장된 전기 에너지를 감소시키는 회로 및 방법 Download PDF

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Abstract

복수의 도선(3.1, 3.2)에 의해 형성된 도선 인덕턴스에 저장된 전기 에너지를 감소시키는 회로 구성체(9)가 개시되어 있으며, 여기서, 상기 도선들은 부하(2), 특히 플라즈마 적용부와 직류 전력 공급 유닛(5)을 연결하며, 상기 회로 구성체는 부하에 대한 전력 공급을 활성화/중단시키기 위하여 도선들 중 한 도선(3.2)과 동작가능하게 연결되어 있는 스위칭 수단(SS)을 포함한다. 제안된 회로 구성체(9)는 스위칭 수단(SS)과 병렬로 배치된 제1 전기적 비선형 장치(D2)와; 스위칭 수단(SS)과 병렬로 배치되고 제1 전기적 비선형 장치(D2)와 직렬로 배치된 에너지 저장 장치(C)와; 에너지 저장 장치(C)와 동작가능하게 연결되어, 부하(2)에 대한 전력 공급을 활성화하는 동안 에너지 저장 장치를 미리 정해진 전압 레벨로 충전하는 예비 충전 회로(7)를 포함한다.

Description

플라즈마 아크의 신속한 소멸을 위하여 도선 인덕턴스에 저장된 전기 에너지를 감소시키는 회로 및 방법{CIRCUIT AND METHOD FOR REDUCING ELECTRICAL ENERGY STORED IN A LEAD INDUCTANCE FOR FAST EXTINCTION OF PLASMA ARCS}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따라 부하, 특히 플라즈마 적용부와 전압 공급 유닛을 연결하는 복수의 도선들에 의해 형성되는 상기 도선 인덕턴스에 저장된 전기 에너지를 감소시키는 회로 구성체에 관한 것으로서, 상기 회로 구성체는 부하에 대한 전력 공급을 활성화/중단하기 위하여 도선들 중 한 도선과 동작가능하게 연결된 스위칭 수단을 포함한다.
본 발명은 또한 청구항 12의 전제부에 따라 전력 공급 유닛과, 상기 전력 공급 유닛으로부터 복수의 도선들을 통하여 플라즈마 적용부에 전력을 공급하기 위한 출력들을 포함하는 전력 공급 장치에 관한 것이다.
본 발명은 또한 청구항 17의 전제부에 따라 부하, 특히 플라즈마 적용부와 직류 전력 공급 유닛을 연결하는 복수의 도선들에 의해 형성된 도선 인덕턴스에 저장된 전기 에너지를 감소시키는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은 복수의 도선들 중 한 도선과 동작가능하게 연결된 스위칭 수단에 의해 부하에 대한 전력 공급을 중단시키는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명은 또한 청구항 18의 전제부에 따라 직류 전력 공급과 관련하여 플라즈마 적용부에서의 아크 소멸을 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은, 플라즈마 아크의 발생에 대하여 플라즈마 적용부의 동작 상태를 감시하는 단계와, 상기 감시 단계의 결과에 응답하여 플라즈마 적용부에 대한 전력 공급을 중단시키는 단계를 포함한다.
전력 공급부로부터 상당한 길이의 도선들 또는 케이블들을 통하여 예를 들어, 표면 처리 등의 플라즈마 적용에 이용되는 플라즈마 장치 또는 플라즈마 챔버와 같은 부하에 흐르는 강한 전류는 불가피하게, 도선 인덕턴스에 저장되어 있는 상당한 양의 전기 에너지와 관련되어 있다. 이러한 환경에서, 도선은 무시할 수 없는 인덕턴스 값과 관련될 수 있는 와이어 등과 같은 어떠한 전기적 연결을 의미하는 것으로 된다. 플라즈마 처리에 전력을 공급하기 위한 전력 공급 장치를 이용하는 경우, 플라즈마 아크 방전, 또는 플라즈마 아크들이 플라즈마 챔버 내부에서 발생될 수 있어 원하지 않는 결과를 일으킬 수 있다. 통상적으로, 플라즈마에서의 아크 방전의 검출시, 플라즈마 적용부에 대한 전력 공급이 중단된다. 그러나, 가능한 빨리 플라즈마로부터 전력 공급을 연결해제하는 것도 중요하지만 후속해서 도선 인덕턴스로부터의 아크 방전에 전달되는 에너지의 양을 감소시키는 것도 중요하다.
이것을 보장하는 한 방법은 낮은 인덕턴스의 비교적 짧은 도선 또는 케이블을 이용하는 것인데, 그 이유는, 도선의 인덕턴스 값이 일반적으로 도선 길이에 비레하기 때문이다. 그러나, 이러한 접근 방법은 플라즈마 챔버의 최근방에 전력 공 급 장치를 위치시키는 것을 필요로 하는데 이것은 실제적으로 실현하기가 곤란하다.
본 발명의 목적은, 전력 공급 유닛과 전력을 공급받는 부하와의 상대 위치에 대한 구속을 받지 않고서 부하에 전달되는 도선 인덕턴스 에너지의 상당한 감소를 보장하는, 위에서 정의된 형태의 회로 구성체, 전력 공급 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 형태에 따르면, 본 발명의 목적은 상술한 형태의 회로 구성체를 제공함으로써 달성되며, 이 회로 구성체는 스위칭 수단과 병렬로 배치된 제1 전기적 비선형 장치와, 스위칭 수단에 병렬로 배치되고 제1 전기적 비선형 장치와 직렬로 배치된 에너지 저장 장치를 더 포함한다. 비선형 장치는 전류가 전압에 비례하지 않는 장치이다. 통상적인 비선형 장치는 다이오드와 같은 전기적 밸브 수단이다. 트랜지스터, 시리스터, 또는 트리악과 같은 전기 스위치 뿐만 아니라, 배리스터, 또는 비선형 동작 특성을 갖는 전자기계적 또는 자기적 장치이다.
에너지 저장 장치는 에너지를 저장할 수 있는 어떠한 장치도 될 수 있다. 통상적인 에너지 저장 장치는 커패시턴스, 인덕턴스, 또는 이들 양쪽 모두를 포함한 장치, 하나 이상의 커패시턴스 및 하나 이상의 인덕턴스이다.
본 발명의 제2 형태에 따르면, 본 발명의 목적은 위에서 정의된 형태의 전력 공급 장치를 제공함으로써 실현되며, 이 전력 공급 장치는 상기 본 발명의 제1 형태에 따른 회로 구성체를 더 포함한다.
본 발명의 제3 형태에 따르면, 본 발명의 목적은 위에서 정의된 형태의 도선 인덕턴스에 저장된 전기 에너지를 감소시키는 방법을 제공함으로써 실현되며, 이 방법은 전력 공급을 중단시키기 전에, 스위칭 수단과 병렬로 배치된 에너지 저장 장치를 미리 정해진 에너지 레벨로 예비 충전하는 단계와, 전력 공급을 중단시키는 단계와, 전력 공급을 재활성화하기 전에 에너지 저장 장치에 저장된 전기 에너지를 방전시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 제4 형태에 따르면, 본 발명의 목적은 위에서 정의된 형태의 플라즈마 적용부에서의 아크 소멸을 위한 방법을 제공함으로써 실현되며, 이 방법은 플라즈마 적용부에 대한 전력 공급을 중단하는 것과 관련된 본 발명의 제3 형태에 따른 방법을 수행하는 것을 포함한다.
본 발명의 추가 실시예는 각각의 종속항에 언급되어 있으며, 그 내용은 텍스트의 불필요한 반복을 회피하기 위해 본 발명의 상세한 설명 내에 참조에 의해 포함된다.
본 발명에 따른 회로 구성체, 전력 공급 장치 및 방법은 도선 또는 케이블의 어떠한 길이 단축에도 의존함이 없이 도선 인덕턴스로부터 아크 방전에 전달되는 에너지의 상당한 감소를 보장한다. 이러한 방법으로, 전력 공급 유닛과 부하와의 상대 위치에 대한 구속을 받지 않고도 개선된 아크 소멸 및 플라즈마 적용을 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 바탕이 되는 일반적 사상에 따르면, 전력 공급 유닛과 부하 예를 들어, 플라즈마 적용부 사이에 위치된 스위칭 수단이 정상 동작 상태 동안에 폐쇄 되고, 상기 스위칭 수단에 병렬로 연결된 에너지 저장 장치는 예비 충전 회로에 의해 필요한 에너지(전압) 레벨로 예비 충전된다. 예비 충전 회로는 전압 제어형 외부 급전 유닛으로서 탑재될 수 있다. 아크가 플라즈마에서 검출되는 경우, 즉, 부하 상태가 부하에 전달되고 있는 도선들로부터의 잔류 에너지의 감소와 함께 전력 공급의 중단을 필요로 하는 경우, 전력 공급 유닛으로부터의 출력 전류가 전기적 비선형 장치, 예를 들어, 다이오드와 직렬로 연결된 에너지 저장 장치를 포함하는 바이패스 경로를 따라 흐르도록 상기 스위칭 수단이 개방된다. 이러한 특별한 장치는 도선 인덕턴스에 저장된 큰 양의 잔류 에너지를 부하에, 예를 들어, 아크 방전에 전달하는 대신에, 에너지 저장 장치에 전달할 수 있게 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 에너지 저장 장치에 저장된 과도한 에너지는 부하에 대한 전력 공급을 재활성화하기 전에 방전 회로에 의해 제거된다.
본 발명의 회로 구성체는 대안으로, 상기 스위칭 수단이 전력 공급 유닛의 양극 측 또는 전력 공급 유닛의 음극 측 상에 배치되도록 배치될 수 있다.
본 발명의 추가 실시예에 따르면, 예비 충전 회로와 방전 회로가 공통의 회로 엔티티에 통합될 수 있다. 다른 방법으로, 예비 충전 회로와 방전 회로는 별개의 회로로서 탑재될 수 있다. 보다 자세하게는, 방전 회로는 병렬로 연결되어 있는 전기적 비선형 장치(예를 들어, 다이오드)와 저항 소자(방전 저항기)를 포함할 수 있다.
스위칭 소자와 방전 저항기 양쪽 모두가 동작 동안에 상당히 온도 상승(heat up)되기 때문에, 과도한 열을 효과적으로 방산시키기 위하여, 상기 소자들 중 어느 하나가 히트 싱크 구조체와 함께 바람직하게 탑재될 수 있다.
본 발명과 관련되어 이용되는 어떠한 다이오드도 대안으로서 제어형 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)로서 탑재될 수 있다.
특히, 플라즈마 적용부에 대한 아크 소멸과 관련되어 본 발명에 따른 회로 구성체를 이용하는 경우에, 과도한 횟수의 플라즈마 아크를 검출(및 소멸)하는 것은 방전 저항기의 온도 상승을 수반한다. 이러한 환경에서, 본 발명의 제4 형태에 따른 방법의 바람직한 실시예는 플라즈마 적용부에 대한 전력 공급의 중단 후에 조정가능한 차단(blocking) 시간을 적용하는 단계를 포함한다. 상기 차단 시간 동안에, 플라즈마 적용부에 대한 전력 공급에 대한 어떠한 추가적인 중단도 금지된다. 즉, 후속화는 플라즈마 아크 소멸은 상기 차단 시간이 종료한 후에만 활성화된다. 추가로, 이러한 특징은 또한 예비 충전/방전 회로에서의 전하의 "교환"을 가능하게 한다.
전력 공급 장치는 상술한 유형의 반평행하게 연결된 제2 회로 구성체를 더 포함할 수 있다. 전력 유닛은 교류 전력 공급부 또는 직류 전력 공급부일 수 있다.
본 발명의 추가 이점 및 특징은 첨부된 도면을 참조로 단지 일례로서 설명된 바람직한 실시예들의 다음 설명으로부터 알 수 있다. 위에 설명된 특징 뿐만 아니라 아래 설명된 특징은 본 발명에 따라 개별적으로 또는 결합하여 이용될 수 있다. 다음의 설명은 본 발명이 기반을 두고 있는 일반적 개념에 대한 일례들일 뿐 배타적 열거 설명으로 간주되지 않는다.
본 발명에 따른 회로 구성체, 전력 공급 장치 및 방법에 따르면, 도선 또는 케이블의 어떠한 길이 단축에도 의존함이 없이 도선 인덕턴스로부터 아크 방전으로 전달되는 에너지의 상당한 감소를 보장한다. 이에 의해, 전력 공급 유닛과 부하와의 상대 위치에 대한 구속을 받지 않고도 개선된 아크 소멸 및 플라즈마 적용을 가능하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 회로 구성체의 제1 실시예를 포함하는 본 발명에 따른 전력 공급 장치의 일 실시예의 회로도를 나타낸다. 전력 공급 장치(1)는 전력 공급 장치(1)의 각각의 출력(4.1, 4.2)에 연결된 도선(3.1, 3.2)에 의해 예를 들어, 플라즈마 장치 또는 플라즈마 챔버의 형태인 플라즈마 적용부(2)에 연결되어 있다. 도선(3.1, 3.2)은 공통 케이블에 배치되어 각각의 도선 인덕턴스(L1, L2)를 제공할 수 있기 때문에 총 도선 인덕턴스 L1 + L2 = L를 형성한다. 도선 인덕턴스(L)는 전력 공급 장치(1)의 동작 동안에, 즉, 플라즈마 적용부(2)의 동작 동안에 전기 에너지를 저장할 수 있다.
전력 공급 장치(1)의 출력(4.1)은 전력 공급 장치(1)에 포함되어 있는 직류(DC) 전력 공급 유닛(발생기; 5)의 양극(+)에 연결된다. 마찬가지로, 전력 공급 장치(1)의 출력(4.2)은 DC 전력 공급 유닛(5)의 음극(-)에 연결된다. 프리휠링(freewheeling) 다이오드(D1)의 형태인 전기적 비선형 장치는 전력 공급 유닛(5)의 음극 및 양극 양단에 걸쳐 역바이어스로 연결된다. 전력 공급 유닛(5)의 음극(-)과 전력 공급 공급 장치(1)의 출력(4.2) 사이에는, 그 적절한 설계가 당해 기술 분야의 당업자에게 잘 알려져 있는 직렬 스위치의 형태인 스위칭 수단(SS)이 배치되어 있다. 예를 들어, 직렬 스위치(SS)는 IGBT(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 또는 MOSFET)의 형태로 탑재될 수 있다. 이러한 스위치는 주어진 시간에 스위치 온 또는 스위치 오프될 수 있는 스위치이다. 다이오드(D2)의 형태인 다른 전기적 비선형 장치가 직렬 스위치(SS)와 병렬로 배치된다. 다이오드(D2)는 커패시터(C)와 직렬로 연결되어, 다이오드(D2)와 커패시터(C) 양쪽 모두가 직렬 스위치(SS)와 병렬로 배치되도록 하며, 여기서, 다이오드(D2)의 캐소드는 캐패시터(C)와 대면한다. 이러한 방식으로, 다이오드(D2)와 커패시터(C)는 직렬 스위치(SS)에 대한 바이패스를 효과적으로 형성한다. 다이오드(D1)의 애노드측 연결 노드(6)는 상기 바이패스와 전력 공급 유닛(5)의 음극(-) 사이에 위치되어 있다.
도 1로부터 추가로 알 수 있는 바와 같이, 예비 충전/방전 회로(7)는 커패시터(C)의 단자들 양단에 연결되어 있다. 예비 충전/방전 회로(7)는 전압 제어형 외부 급전 유닛으로서 바람직하게 탑재된다. 예비 충전/방전 회로(7)는 미리 정해진 및 조정가능한 전압 레벨로 커패시터(C)를 충전하기 위한 전압 소스(도시 생략)를 포함한다. 이러한 목적을 위하여, 예비 충전/방전 회로(7)는 양극 및 음극(+/-)을 제공하며, 여기서, 예비 충전/방전 회로(7)의 양극(+)은 커패시터(C)와 다이오드(D2)의 캐소드 사이에 연결되어 있는 반면 예비 충전/방전 회로(7)의 음극(-)은 커패시터(C)와 직렬 스위치(SS) 사이에, 즉, 커패시터(C)와 다이오드(D1)의 애노드측 연결 노드(6) 사이에 연결되어 있다. 이러한 방법으로, 다이오드(D2)는 예비 충전/방전 회로(7)의 예비 충전 전위에 대하여 역바이어스로 배치되고 커패시터(C)를 충전하기 위한 예비 충전 회로로부터의 예비 충전 전류를 차단하도록 구성된다. 커패시터(C)는 어떠한 종류의 에너지 저장 장치로도 대체될 수 있다. 예를 들어, 에너지 저장 장치로서의 인덕터와 함께, 예비 충전/방전 회로(7)가 전류 제어형 외부 급전 유닛으로서 바람직하게 탑재된다.
도 1의 실시예에서, 전력 공급 장치(1)는 감시/제어 유닛(8)을 더 포함하며, 감시/제어 유닛(8)의 기능은 아래 보다 자세히 설명될 것이다. 그러나, 당해 기술 분야의 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 감시/제어 유닛(8)은 기본적으로 전력 공급 장치(1)에 대한 별도의 엔티티의 형태로 탑재될 수 있다. 감시/제어 유닛(8)은 직렬 스위치(SS), 예비 충전/방전 회로(7), 전력 공급 유닛(5) 및 플라즈마 적용부(2)에 연결되어 동작한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 감시/제어 유닛(8)은 플라즈마 아크 검출/소멸 유닛(8)으로서 탑재되고, 플라즈마 적용부(2)의 상기 감시에 응답하여 직렬 스위치(SS) 및/또는 예비 충전/방전 회로(7)의 동작을 제어하기 위하여, 플라즈마 아크의 발생을 검출하기 위해 플라즈마 적용부(2)의 동작 상태를 감시하도록 구성된다. 감시/제어 유닛(8)은 플라즈마 적용부(2)를 감시함으로써, 즉, 플라즈마 파라미터로부터 직접적으로 플라즈마 아크를 검출하도록 구성될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로 이것은 전력 공급 유닛(5)의 동작 파라미터, 예를 들어, 전력 공급 유닛(5)의 출력 전압 및/또는 출력 전류를 감시함으로써 간접적으로 플라즈마 아크를 검출하도록 구성될 수도 있다.
당해 기술 분야의 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 검출된 플라즈마 아크의 소멸은 일반적으로 감시/제어 유닛(8)의 제어 하에서 직렬 스위치(SS)의 개방에 의 해 플라즈마 적용부(2)로의 전력 공급을 중단시켜 실시한다. 이에 추가로, 도 1의 실시예는 플라즈마 적용부에서의 신속한 아크 소멸을 가능하게 하는 도선 인덕턴스 에너지 감소를 보장한다.
이하, 도 1에 따른 전력 공급 장치(1)의 동작을 자세하게 설명한다. 정상 동작 조건 하에서, 즉, 플라즈마 적용부(2)에서 아크가 검출되지 않는 경우, 직렬 스위치(SS)가 폐쇄되고, 예비 충전/방전 회로(7)가 커패시터(C)를 미리 정해진 전압 레벨로 예비 충전시킨다. 플라즈마 아크가 감시/제어 유닛(8)에 의해 검출되는 경우, 직렬 스위치(SS)는 감시/제어 유닛(8)의 제어 하에서 개방됨으로써, 일반적으로 플라즈마 아크의 발생으로 인하여 증가되는 도선 인덕턴스(L1, L2)의 전류를 커패시터(C)의 초기 예비 충전 전압에 대항시켜 다이오드(D2)를 통해 흐르게 하고, 그 후, 연결 노드(6)를 경유하여 프리휠링 다이오드(D1)를 통해 추가로 흐르게 한다. 이러한 방식으로, 다이오드(D2)는 개방된 직렬 스위치(SS)에 대한 바이패스 다이오드로서 효과적으로 기능한다. 이러한 특정 배치에 의해, 도선 인덕턴스(L1, L2)에 주로 저장되는 상당한 양의 잔류 전기 에너지가 플라즈마 아크 또는 플라즈마 아크 방전에 전달되는 대신에 커패시터(C)에 전달되어 저장된다. 이는 플라즈마 아크 소멸의 가속화에 기여한다. 즉, 아크 방전에 전달되는 총 에너지가 상당히 감소된다. 직렬 스위치(SS)를 재폐쇄하기 전에, 플라즈마 적용부(2)에 대한 전력 공급을 재성립하기 위하여, 커패시터(C)에 저장된 과도한 전기 에너지가 예비 충전/방전 회로(7)의 방전 기능에 의해 제거된다. 그 후, 직렬 스위치(SS)는 감시/제어 유닛(8)의 제어 하에서 안전하게 폐쇄될 수 있다.
선택적으로, 감시/제어 유닛(8)은 직렬 스위치(SS)를 제어하기 위한, 조정가능 차단 시간, 즉, 대응 제어 신호(도시 생략)를 제공하는 추가적인 기능부(8a)를 포함할 수 있으며, 이 차단 시간 동안에 플라즈마 적용부(2)에 대한 전력 공급의 추가적인 중단이 금지된다. 즉, 플라즈마 적용부(2)에 대한 전력 공급이 감시/제어 유닛(8)의 제어 하에서 직렬 스위치(SS)를 개방함으로써 중단시키는 경우, 차단 시간 기능부(8a)는, 만약 그 순간에 플라즈마 적용부(2)에 대한 전력 공급을 재성립하기 위하여 직렬 스위치(SS)가 폐쇄되었을 경우 직렬 스위치(SS)가 상기 차단 시간 동안에 개방될 수 없게 하는 것을 보장한다. 이것은 예비 충전/방전 회로가 전하를 교환할 수 있게 하고 직렬 스위치(SS)의 과도한 온도 상승을 피할 수 있게 하는데 중요한 낮은 아크 검출율을 조정가능하게 설정할 수 있게 한다.
그러나, 어쨌든, 전력 공급 장치(1)의 상술한 동작 동안에, 상당한 열을 직렬 스위치(SS)에서 방산시킬 수 있고, 따라서, 직렬 스위치(SS)는 도 1에 도시하지 않은, 과도한 열을 방산시키기 위한 히트 싱크 구조체와 함께 바람직하게 탑재될 수 있다.
당해 기술 분야의 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 이러한 방법으로, 프리휠링 다이오드(D1)와 함께, 직렬 스위치(SS), 바이패스 다이오드(D2), 커패시터(C) 및 예비 충전/방전 회로(7)는, 도선(L1, L2)에 의해 형성된 도선 인덕턴스(L)에 저장된 전기 에너지를 감소시키기 위한 회로 구성체(9)를 효과적으로 구성시킨다. 상기 회로 구성체(9)는 도 1의 점선으로 그려진 박스에 의해 강조표시되어 있다.
다이오드(D1)와 다이오드(D2) 양쪽 모두는 감시/제어 유닛(8)에 의해 제어될 수 있는 스위치들로 대체될 수 있다. 다이오드(D1, D2) 대신에 제어가능 스위치들과 반평행하게 연결되어 있는 복수의 상기 회로 구성체(9)에서는, 2개 이상의 반평행 회로 구성체(9)로 구성된 회로 장치가 또한 플라즈마 적용부(2) 내에 AC 에너지를 공급하는 전력 공급 유닛(5)을 갖는 시스템에 적용가능하다.
도 2는 본 발명에 따른 회로 구성체의 제2 실시예를 포함한, 본 발명에 따른 전력 공급 장치의 실시예의 회로도를 나타낸다. 당해 기술 분야의 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 도 2의 전력 공급 장치는 위에서 자세하게 설명되어 있는 도 1의 것과 일반적으로 유사하기 때문에, 도 1 및 도 2의 실시예 간의 차이에만 중점을 두어 설명한다. 또한, 도 2에서, 감시/제어 유닛(8)은 설명의 명료화를 위하여 생략되어 있음을 주지해야 한다.
도 1의 통합형 예비 충전/방전 회로(7)를 대신하여, 도 2에 따른 전력 공급 장치(1)는 별도의 예비 충전 회로(7.1) 및 방전 회로(7.2)를 각각 포함한다. 예비 충전 회로(7.1)는 커패시터(C)/다이오드(D3)의 캐소드와 바이패스 다이오드 (D2)의 캐소드 사이에 위치되어 있는 애노드(10)와 전력 공급 유닛(5)의 양극(+) 사이에 연결된 다이오드(D3)의 형태의 전기적 비선형 장치에 의해 형성된다. 방전 회로(7.2)는 노드(10)와 바이패스 다이오드 (D2)의 캐소드 사이에 위치되어 있는 노드(11)와 전력 공급 장치(1)의 출력(4.1) 사이에 연결된 방전 저항기(R)의 형태의 저항 소자에 의해 형성된다. 또한, 방전 회로(7.2)는 프리휠링 다이오드(D1)와 병렬로 전력 공급 유닛(5)의 양극(+) 및 음극(-) 양단에 연결된 방전 스위칭 수단(DS)을 포함한다. 다이오드(D2, D3)는 대향하는 차단 방향으로 배치되어 있는, 즉, 이들은 캐소드 대 캐소드 형 방식으로 연결되어 있다.
도 2의 실시예에 따른 전력 공급 장치(1)의 동작은 다음과 같다: 정상 동작 상태 하에서는, 직렬 스위치(SS)가 폐쇄된다. 커패시터(C)는 다이오드(D3; 충전 다이오드)를 통하여 전력 공급 유닛(5)의 출력 전압 레벨로 충전된다. 도 1을 참조로이전에 설명한 바와 같이, 플라즈마 적용부(2)에서의 아크 방전의 검출시, 직렬 스위치(SS)는 개방되고, 따라서, 전력 공급 장치(1)의 출력 전류는 커패시터(C)의 최초 전압에 대항하여 바이패스 다이오드(D2)를 통해 흐르게 되고, 그 후, 프리휠링 다이오드(D1)를 통하여 추가로 흐르게 된다. 또한, 이러한 배치로 인해, 도선 인덕턴스(L)에 저장된 큰 양의 잔류 에너지가 아크 방전에 전달되는 대신에 커패시터(C) 내에 전달된다. 그 결과, 아크 방전에 전달되는 총 에너지가 상당히 감소되고 따라서, 아크 소멸을 가속화하는데 기여한다. 커패시터(C)에 저장된 과도한 에너지는 직렬 스위치(SS)의 후속하는 스위칭 온 이전에 방전 회로(7.2)에 의해 제거된다. 당해 기술 분야의 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 방전 저항기(R)를 통하여 커패시터(C)를 방전하기 위하여, 방전 회로(7.2)에서의 방전 스위칭 수단(DS)의 방전 동작, 즉, 스위칭 수단(DS)을 폐쇄하는 것은, 감시/제어 유닛(8; 도 1을 비교할 것)에 의해 또한 제어될 수 있다.
정규의 다이오드를 이용하는 대신에, 대안으로서, 전기적 비선형 장치(D1-D3) 중 어느 하나가 적절하게 제어된 MOSFET의 형태로 탑재될 수 있고, 이것을 제어하는 것은 또한 감시/제어 유닛(8; 도 1)에 의해 제공될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 회로 구성체의 제3 실시예를 포함한, 본 발명에 따른 전력 공급 장치의 일 실시예의 회로도를 나타낸다. 또한, 도 3의 전력 공급 장치(1)는 도 1의 것과 일반적으로 일치하기 때문에, 여기에서는, 이들 2개의 실시예들 간에 차이만을 보다 자세하게 설명한다. 도 2에서와 같이, 감시/제어 유닛(8)은 단지 간략화를 위하여 그 설명을 생략한다.
도 1의 일 실시예와 대조적으로, 도 3의 일 실시예에서는, 직렬 스위치(SS)가 전력 공급 유닛(5)의 양극 측 상에 배치되는, 즉, 전력 공급 유닛(5)의 양극(+)에 직접 연결되어 있다. 결과적으로, 바이패스 다이오드(D2), 커패시터(C) 및 통합형 예비 충전/방전 회로(7)를 포함한 바이패스 경로의 구성이 그에 따라 수정되었다. 바이패스 다이오드(D2)는 도 1에서와 같이 다이오드의 캐소드를 통하여 커패시터(C)에 연결되는 대신에 여기서는 다이오드의 애노드에 의해 커패시터(10)와 연결하고 있음을 주지하여야 한다.
도 3에 따른 전력 공급 장치(1)의 동작은 도 1의 실시예의 것과 유사하기 때문에, 그 자세한 설명은 생략될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 회로 구성체의 제4 실시예를 포함하는, 본 발명에 따른 전력 공급 장치의 일 실시예의 회로도를 나타낸다. 당해 기술 분야의 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 도 4의 실시예에 따른 전력 공급 장치(1)는 첨부된 도 2를 참조하여 이전에 자세하게 설명되었던 실시예의 변형예이다. 도 3의 일 실시예에서와 같이, 직렬 스위치(SS)는 도 4의 실시예에서의 전력 공급 유닛(5)의 양극측(+) 상에 위치된다. 이것은 도 3을 참조로 이전에 설명된 바와 같이 도 2의 실시예에 대하여 커패시터(C)와 바이패스 다이오드(D2)를 재배치하는 것을 포함한다. 여기서, 충전 다이오드(D3)는 전력 공급 유닛(5)의 음극과 노드(10') 사이에 연결되어 있으며, 노드(10')는 충전 다이오드(D3)의 애노드와 커패시터(C) 사이에 위치되어 있다. 방전 저항기(R)는 충전 다이오드(D3)와 병렬로 연결되어 있기 때문에, 방전 저항기(R)의 한 단자는 전력 공급 유닛(5)의 음극(-)에 연결되어 있는 반면, 방전 저항기(R)의 다른 단자는 노드(10')와 바이패스 다이오드(D2)의 애노드 사이에 위치된 노드(11')에 연결되어 있다. 다이오드(D2, D3)는 애노드 대 애노드 형 방식으로, 즉, 대향하는 차단 방향들로 연결되어 있다. 도 4의 충전 다이오드(D3)는 예비 충전 회로(7.1')를 효과적으로 형성하는 한편, 스위칭 수단(DS) 및 저항기(R)는 방전 회로(7.2')를 효과적으로 형성한다.
도 4에 따른 전력 공급 장치(1)의 동작은 첨부된 도 2를 참조로 이전에 설명되었던 것에 대응한다. 따라서, 전력 공급 장치(1)의 자세한 설명은 생략될 수 있다.
직렬 스위치(SS)와 연결되어 이전에 설명된 바와 같이, 도 2 및 도 4의 방전 저항기(R)는 전력 공급 장치(1)의 동작 동안에 상당한 양의 열을 방산시킬 수 있다. 따라서, 방전 저항기(R)도 또한 과도한 열을 효과적으로 방산시키기 위하여 히트 싱크 구조체(도시 생략)와 함께 바람직하게 탑재될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 전기 에너지를 감소시키기 위한 방법의 일 실시예를 포함하는, 본 발명에 따른 플라즈마 적용부에서의 아크 소멸을 위한 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 흐름도를 나타낸다. 이 방법은 단계 S100에서 시작한다. 초기에, 전력 공급 장치의 정상 동작, 즉, 플라즈마 적용부에서 아크 방전들이 검출 되지 않는 동작인 것으로 추정되면, 전력 공급 중단의 일시적인 차단이 비활성화된다.
이전에 설명된 바와 같이, 후속하는 단계 S102에서, 에너지 저장 장치(커패시터(C))가 (예비) 충전된다. 그 후, 이전에 설명된 바와 같이, 단계 S104에서, 플라즈마 적용부의 동작 상태가, 예를 들어, 감시/제어 유닛(8; 도 1)에 의해 감시된다. 당해 기술 분야의 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 단계 S102와 단계 S104는 외견상 동시에 수행될 수 있다.
그 후, 단계 S106에서, 아크 방전이 검출되었는지의 여부가 결정된다. 단계 S106에서의 질문("아크가 검출되었는가?")이 긍정적으로 응답(y)되는 경우에는, 후속하는 단계 S108에서, 전력 공급 중단의 일시적인 차단이 비활성화되었는지의 여부가 검사된다. 일시적인 차단의 비활성화된 상태인 것으로 추정되면, 단계 S108에서의 질문("전력 공급 중단의 일시적인 차단이 비활성화되었는가?")이 긍정적으로 응답되어(y), 후속하는 단계 S110에서, 직렬 스위치(SS)가 개방됨에 따라서, 아크 소멸을 위하여 플라즈마 적용부에 대한 전려 공급을 중단한다. 또한, 이전에 설명된 바와 같이, 도선 인덕턴스에 저장된 잔류하는 전기 에너지가 에너지 저장 장치(커패시터(C))에 전달된다. 미리 정해진 (조정가능한) 양의 시간 이후에, 에너지 저장 장치(C)는 단계 S112에서 방전된다. 그 후, 단계 S114에서, 플라즈마 적용부에 대한 전력 공급 중단의 일시적인 차단이 활성화된다. 후속하는 단계 S116에서, 직렬 스위치(SS)가 폐쇄됨에 따라서, 플라즈마 적용부에 대한 전력 공급이 재성립된다. 당해 기술 분야의 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 대안적으로, 상술한 단 계 S114는 단계 S112 전에 또는 단계 S116 후에 수행될 수 있다. 명확하게, 단계 S106에서의 질문("아크가 검출되었는가?")이 부정적으로 응답(n)되는 경우, 이 방법은 단계 S104, 즉, 플라즈마 적용부의 동작 상태가 반복적으로 감시되는 단계로 되돌아간다.
단계 S116 후에, 이 방법은 단계 S118로 종료한다. 그러나, 실제적으로, 이 방법은 단계 S102로 되돌아갈 것이다. 여기서는, 단계 S114를 수행함으로 인하여, 단계 S108에서의 질문("전력 공급 중단의 일시적인 차단이 비활성화되었는가?")이 부정적으로 응답(n)된 것으로 추정될 수 있다. 이 경우, 단계 S108로부터, 이 방법은 단계 S104로 되돌아갈 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 회로 구성체의 제1 실시예를 포함하는 본 발명에 따른 전력 공급 장치의 일 실시예의 회로도.
도 2는 본 발명에 따른 회로 구성체의 제2 실시예를 포함하는 본 발명에 따른 전력 공급 장치의 일 실시예의 회로도.
도 3은 본 발명에 따른 회로 구성체의 제3 실시예를 포함하는 본 발명에 따른 전력 공급 장치의 일 실시예의 회로도.
도 4는 본 발명에 따른 회로 구성체의 제4 실시예를 포함하는 본 발명에 따른 전력 공급 장치의 일 실시예의 회로도.
도 5는 본 발명에 따른 전기 에너지를 감소시키는 방법의 일 실시예를 포함하는, 본 발명에 따른 플라즈마 적용부에서의 아크 소멸을 위한 방법의 일 실시예를 나타내는 흐름도.

Claims (19)

  1. 전력 공급 유닛(5)과 부하(2), 특히, 플라즈마 적용부를 연결하는 복수의 도선(3.1, 3.2)에 의해 형성된 도선 인덕턴스(L)에 저장된 전기 에너지를 감소시키기 위한 회로 구성체(9) - 상기 회로 구성체(9)는 부하(2)에 대한 전력 공급을 활성화/중단시키기 위하여 도선들(3.1, 3.2) 중 한 도선과 연결되어 동작하는 스위칭 수단(SS)을 포함함 - 에 있어서,
    상기 스위칭 수단(SS)과 병렬로 배치되는 제1 전기적 비선형 장치와;
    상기 스위칭 수단(SS)과 병렬로 배치되고 상기 제1 전기적 비선형 장치에 직렬로 배치되는 에너지 저장 장치와;
    상기 부하(2)에 대한 전력 공급이 활성화되는 동안, 에너지 저장 장치에서의 에너지를 미리 정해진 에너지 레벨로 저장하기 위하여 에너지 저장 장치에 연결되어 동작하는 예비 충전 회로(7; 7.1; 7.1')
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 구성체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전기적 비선형 장치는 밸브 수단, 특히, 다이오드(D2)인 것을 특징으로 하는 회로 구성체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 에너지 저장 장치는 커패시턴스(C)인 것을 특징으로 하는 회로 구성체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전기적 비선형 장치는 상기 에너지 저장 장치에 에너지를 저장하기 위한 예비 충전 회로(7; 7.1; 7.1')로부터의 예비 충전 전류를 차단하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 회로 구성체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 예비 충전 회로(7)는 전압 제어형 외부 급전 유닛으로서 탑재되는 것을 특징으로 하는 회로 구성체.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 예비 충전 회로(7.1; 7.1')는 상기 에너지 저장 장치와 상기 제1 전기적 비선형 장치 사이에 위치된 노드(10; 10')와 상기 도선들(3.1; 3.2) 중 한 도선 사이에 연결된 제2 전기적 비선형 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 구성체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전기적 비선형 장치 및/또는 상기 제2 전기적 비선형 장치(D2, D3)는 다이오드 또는 제어형 MOSFET인 것인 것인 회로 구성체.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제1 전기적 비선형 장치 및 상기 제2 전기적 비선형 장치(D2, D3)는 대향하는 차단 방향들로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 회로 구성체.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기 에너지, 특히 내부에 저장된 전하를 방전하기 위하여 에너지 저장 장치에 연결되어 동작하는 방전 회로(7; 7.2; 7.2')를 더 포함하는 회로 구성체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 방전 회로는 예비 충전 회로, 특히, 제5항에 포함된 예비 충전 회로와 통합되어 있는 것을 특징으로 하는 회로 구성체.
  11. 제9항에 있어서, 상기 방전 회로(7.2; 7.2')는,
    제6항에 포함된 제2 전기적 비선형 장치와 병렬로 연결되어 있는 저항 소자(R)와;
    상기 저항 소자를 통하여 상기 에너지 저장 장치를 방전시키기 위하여 상기 에너지 저장 장치에 연결되어 있는 방전 스위칭 수단(DS)
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 구성체.
  12. 전력 공급 유닛(5)과;
    상기 전력 공급 유닛으로부터 복수의 도선(3.1, 3.2)을 통하여 플라즈마 적용부(2)에 전력을 공급하기 위한 출력(4.1, 4.2)
    을 포함하는 플라즈마 적용부에 대한 전력 공급 장치(1)에 있어서,
    상기 전력 공급 장치(1)는 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 제1 회로 구성체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 공급 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    플라즈마 적용부(2)의 동작 상태, 특히, 플라즈마 아크의 발생에 대하여 감시하고, 상기 감시하는 것의 결과에 응답하여 적어도 스위칭 수단(SS)을 제어하는 제어/감시 유닛(8)을 더 포함하는 전력 공급 장치.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 제1 회로 구성체에 반평행하게 연결된 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 제2 회로 구성체를 더 포함하는 전력 공급 장치.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    전력 공급 유닛(5)은 직류 전력 공급 유닛인 것인 전력 공급 장치.
  16. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 공급 유닛(5)은 교류 전력 공급 유닛인 것인 전력 공급 장치.
  17. 직류 전력 공급 유닛(5)과 부하(2), 특히 플라즈마 적용부를 연결하기 위하여 복수의 도선(3.1, 3.2)에 의해 형성된 도선 인덕턴스(L)에 저장된 전기 에너지를 감소시키는 방법 - 상기 방법은 도선들(3.1; 3.2) 중 한 도선에 연결되어 동작하는 스위칭 수단(SS)에 의해 상기 부하(2)에 대한 전력 공급을 중단하는 단계를 포함함 - 에 있어서,
    전력 공급을 중단하는 단계 전에, 스위칭 수단(SS)과 병렬로 배치된 에너지 저장 장치를 미리 정해진 에너지 레벨로 예비 충전하는 단계와;
    직렬 스위치(SS)를 개방하는 단계와;
    직렬 스위치를 다시 폐쇄하기 전에 에너지 저장 장치에 저장된 전기 에너지를 방전하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지의 감소 방법.
  18. 플라즈마 아크의 발생에 대하여 플라즈마 적용부(2)의 동작 상태를 감시하는 단계와;
    상기 감시하는 단계의 결과에 응답하여 플라즈마 적용부에 대한 전력 공급을 중단하는 단계
    를 포함하는, 직류 전력 공급과 관련하여 플라즈마 적용부의 아크 소멸을 위한 방법으로서,
    플라즈마 적용부(2)에 대한 전력 공급의 중단과 관련하여 제17항에 기재된 전기 에너지의 감소 방법을 수행하는 것을 특징으로 하는 아크 소멸 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    플라즈마 적용부(2)에 대한 전력 공급을 중단한 후 조정가능한 차단 시간을 적용하는 단계를 더 포함하며, 상기 적용 단계 동안에는 플라즈마 적용부에 대한 전력 공급의 추가적인 중단이 금지되는 것인 아크 소멸 방법.
KR1020080043324A 2007-05-12 2008-05-09 플라즈마 아크의 신속한 소멸을 위하여 도선 인덕턴스에 저장된 전기 에너지를 감소시키는 회로 및 방법 KR101412736B1 (ko)

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