KR20090054888A - 역펄스 정류방식의 도금용 전원공급장치 및 그전류제어방법 - Google Patents

역펄스 정류방식의 도금용 전원공급장치 및 그전류제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 역펄스 정류방식의 도금용 전원공급장치와 그 전류 제어 방법을 개시한다. 본 발명의 전원공급장치는, AC전원을 직류전원으로 변환하는 정류부; 상기 정류부의 출력전원을 펄스상 전원으로 변환하여 부하에 인가하는 주전류회로부; 상기 주전류회로부가 정방향 전류와 역방향 전류를 교대로 출력하는 한편 상기 정방향 전류 및 상기 역방향 전류의 각각에 고속의 전류펄스가 중첩되도록 제어하는 펄스제어부를 포함한다.
본 발명에 따르면 종래의 전류조절수단과는 달리 공급전류가 일정한 상태에서 PWM(Pulse Width Modultion)회로를 통해 공급전류를 고속으로 단속하여 펄스형태로 공급하기 때문에 인위적으로 소모적인 전력손실을 발생시킬 필요가 없어 전력효율을 높일 수 있다. 또한 일정한 직류전류에 비하여 짧은 시간에 큰 피크전류를 인가하는 것이 가능하며, 이를 통해 낮은 석출전위를 갖는 금속에 대해 수소발생 등 부정적 현상을 효과적으로 줄일 수 있다.
역펄스 정류방식, 도금, PWM제어, 전류펄스

Description

역펄스 정류방식의 도금용 전원공급장치 및 그 전류제어방법{Reverse pulse rectification type power supply for plating and current control method thereof}
본 발명은 역펄스 정류방식의 도금용 전원공급장치와 그 전류제어방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 교대로 출력되는 펄스성의 정방향 직류전류 및 역방향 직류전류에 PWM제어를 통해 고속의 전류펄스를 중첩하여 공급하는 전원공급장치 및 전류제어방법에 관한 것이다.
최근의 전자회로기판(PCB)은 집적도를 높이기 위해 다수의 기판을 적층한 다층구조를 가지는 경우가 많고, 탑재 부품의 소형화와 미세 피치에 대응하여 배선패턴도 갈수록 미세화되어 가고 있다.
또한 부품을 삽입하거나 기판의 상하면을 전기적으로 연결하기 위해 형성되는 쓰루홀(Through hole)의 직경도 갈수록 소형화되고 있어 쓰루홀 내부를 도금하기 위해서는 매우 정밀한 도금기술이 요구되고 있다.
한편 도금대상물의 표면에 요철이 심한 경우에는 전류밀도가 높은 철(볼록) 부분에 도금층이 집중되고 전류밀도가 낮은 요(오목) 부분에는 도금층이 얇아지는 현상이 나타난다. 도금속도를 높이기 위하여 고전류를 공급하면 철 부분에서 국부적으로 전류밀도가 높아져 도금층이 타는 버닝현상이 발생하기도 한다. 특히 PCB의 쓰루홀의 내부를 도금하는 경우에 이러한 현상이 주요한 이슈로 대두되고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 최근에는 정방향(Forward) 직류전류와 역방향(Reverse) 직류전류를 주기적으로 교번하여 공급하는 역펄스 정류방식이 많이 이용되고 있다.
역펄스 정류방식은 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같이 약 20mS동안 정방향 전류를 공급하고, 이어서 약 1mS동안 역방향 전류를 공급하는 과정을 반복하며, 역방향 전류기간에는 정방향 전류에 비해 약 3배 정도 큰 전류를 공급한다.
이와 같이 정방향 및 역방향 전류를 교번하여 공급하면, 정방향 기간 동안에 에지 부근에 두껍게 형성된 도금층이 역방향 기간 동안에 식각되기 때문에 전체적으로 보이드(void)나 틈새(seam)가 없는 균일한 두께의 도금층을 얻을 수 있다.
정방향 및 역방향을 교번하는 전류를 부하(L)에 공급하기 위해서는 도 2에 도시된 바와 같이 자동조절된 직류전원장치(A1,A2)와 상보적으로 개폐되는 스위치(S1,S2)를 이용하는 것이 가장 간단하다.
이 방식에 따르면 도금전류의 크기가 직류전원장치(A1,A2)에 의해 제한되므로 도금전류를 자동조절하기 위해서는 직류전원장치(A1,A2)를 자동조절해야 한다. 또한 직류전원장치(A1, A2)를 자동조절하기 위해서는 펄스상의 부하전류를 피드백 하여야 한다. 그런데 이러한 방식은 여러 가지 원인으로 인해 정밀한 전류조절이 어려운 한계를 가진다.
전류조절문제를 보완하기 위해서 도 3에 도시된 바와 같이 부하전류에 대하여 전류소모를 분담하는 직렬저항요소로서 전류조절요소(G1,G2)를 추가할 수도 있다.
그런데 이 경우에는 직류전원장치(A1,A2)로부터 공급된 전원이 서로 직렬로 연결된 전류조절요소(G1,G2)와 부하에 분압된다. 따라서 각 전류조절요소(G1,G2)의 양단에 걸리는 전위차로 인해 도 4에 도시된 바와 같이 전력손실이 발생할 수밖에 없다. 이러한 전류조절요소(G1,G2)는 전력용 스위칭소자를 이용한 파워브릿지 회로로 구현될 수 있다.
이와 같이 전류조절요소(G1,G2)를 이용하면 펄스상 출력으로부터 현재의 전류를 궤환받아 출력전류를 자동으로 제어할 수 있는 즉시성은 개선될 수 있으나 전술한 이유로 인해 상당한 전력손실을 감수해야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 도금대상물에 공급되는 전류를 정밀하게 제어하는 한편 전력손실을 최소화할 수 있는 전원공급장치 및 전류제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위하여, AC전원을 직류전원으로 변환하는 정류부; 상기 정류부의 출력전원을 펄스상 전원으로 변환하여 부하에 인가하는 주전류회로부; 상기 주전류회로부가 정방향 전류와 역방향 전류를 교대로 출력하는 한편 상기 정방향 전류 및 상기 역방향 전류의 각각에 고속의 전류펄스가 중첩되도록 제어하는 펄스제어부를 포함하는 도금용 전원공급장치를 제공한다.
상기 전원공급장치에서 상기 주전류회로부는 전력용 스위칭소자를 포함하는 파워브릿지 회로를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 펄스제어부는, 상기 정방향 전류를 출력하기 위한 신호를 생성하는 정펄스발생부; 상기 역방향 전류를 출력하기 위한 신호를 생성하는 역펄스발생부; 상기 정방향 전류에 중첩되는 상기 고속 전류펄스를 출력하기 위한 신호를 발생시키는 정방향PWM발생부; 상기 역방향 전류에 중첩되는 상기 고속 전류펄스를 출력하기 위한 역방향PWM발생부; 상기 정펄스발생부의 신호에 상기 정방향PWM발생부의 신호를 믹싱하여 출력하거나, 상기 역펄스발생부의 신호에 상기 역방향PWM발생부의 신호를 믹싱하여 출력하는 선택출력수단을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 정방향PWM발생부 및 상기 역방향PWM발생부는 상기 주전류회로부의 출력과 설정된 파라미터를 이용하여 상기 고속 전류펄스의 펄스폭을 결정하는 것을 특징하는 할 수 있다.
또한 상기 펄스제어부는, 상기 정방향 전류에서 상기 역방향 전류로 전이하 는 과정에서 발생하는 지연시간을 설정된 파라미터에 따라 조절하는 정데드밴드발생부와 상기 역방향 전류에서 상기 정방향 전류로 전이하는 과정에서 발생하는 지연시간을 설정된 파라미터에 따라 조절하는 역데드밴드발생부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 본 발명은, 부하에 대해 정방향 전류와 역방향 전류를 교번하여 출력하는 역펄스 정류방식의 도금용 전원공급장치에서 출력전류를 제어하는 방법에 있어서, 정방향전류기간 및 역방향 전류기간보다 짧은 주기의 고속 전류펄스를 상기 정방향 전류 및 상기 역방향 전류에 중첩시켜서 출력하는 것을 특징으로 하는 도금용 전원공급장치에서의 전류 제어 방법을 제공한다.
상기 전류 제어 방법에서, 상기 정방향 전류기간은 1msec 내지 100msec이고 상기 역방향 전류기간은 0.1msec 내지 10msec 이되, 상기 정방향 전류기간과 상기 역방향 전류기간의 비율은 20:1 내지 10:1의 범위이며, 상기 전류펄스는 10 내지 100kHz의 주파수를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 본 발명은, AC전원을 직류전원으로 변환하는 정류부와, 상기 정류부의 출력전원을 펄스상전원으로 변환하여 부하에 인가하는 주전류회로부와, 상기 주전류회로부가 정방향 전류와 역방향 전류를 교대로 출력하도록 제어하는 펄스제어부를 포함하는 도금용 전원공급장치에서 상기 주전류회로부의 출력전류를 제어하는 방법에 있어서, (a) 상기 펄스제어부가 상기 정방향 전류 또는 상기 역방향 전류에 고속의 전류펄스를 중첩시키기 위하여 임의의 폭을 가지는 제1펄스를 출력하는 단 계; (b) 상기 제1펄스의 종료시점에 상기 주전류회로부의 출력전류를 검출하는 단계; (c) 상기 (b)단계에서 검출된 출력전류를 설정값과 비교하는 단계; (d) 상기 출력전류가 설정값을 초과하면 상기 제1펄스 다음에 출력되는 제2펄스가 상기 제1펄스보다 작은 펄스폭을 갖도록 조절하고, 상기 출력전류가 설정값보다 작으면 상기 제2펄스가 상기 제1펄스보다 큰 펄스폭을 갖도록 조절하고, 상기 출력전류와 설정값이 동일하면 상기 제1펄스와 동일한 펄스폭을 갖는 상기 제2펄스를 출력하는 단계를 포함하는 도금용 전원공급장치에서의 전류 제어 방법을 제공한다.
상기 (d)단계에서는 상기 출력전류와 상기 설정값의 차이에 따라 미리 설정된 단위펄스폭의 배수만큼 펄스폭을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 본 발명은, 부하에 대해 정방향 전류와 역방향 전류를 교번하여 출력하는 역펄스 정류방식의 도금용 전원공급장치에서 출력전류를 제어하는 방법에 있어서, 상기 정방향 전류 및 상기 역방향 전류에 고속의 전류펄스를 다수 중첩시키되, 역방향 전류기간에 중첩되는 상기 다수의 전류펄스 중에서 최종 전류펄스의 오프(off)시점과 상기 역방향 전류기간의 종료시점이 일치할 수 있도록 상기 역방향 전류기간의 최초 전류펄스를 온(on)시키는 것을 특징으로 하는 도금용 전원공급장치에서의 전류 제어 방법을 제공한다. 상기 전류 제어 방법은, 상기 역방향 전류에서 상기 정방향 전류로 전이하는 기간이 5㎲이내인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면 종래의 전류조절수단과는 달리 공급전류가 일정한 상태에 서 PWM(Pulse Width Modultion)회로를 통해 공급전류를 고속으로 단속하여 전류펄스의 형태로 공급하기 때문에 인위적으로 소모적인 전력손실을 발생시킬 필요가 없어 전력효율을 높일 수 있다.
또한 일정한 직류전류에 비하여 짧은 시간에 큰 피크전류를 인가하는 것이 가능하며, 이를 통해 낮은 석출전위를 갖는 금속에 대해 수소발생 등 부정적 현상을 효과적으로 줄일 수 있다.
또한 정밀하고 균일한 도금두께 제어가 가능하여 정밀 회로 기판 제조에 적용할 수 있고, 장치의 가격경쟁력이 우수하므로 소규모 사업장에서 생산성을 개선하는데 기여할 수 있다.
1. 전원공급장치의 구성
본 발명의 실시예에 따른 역펄스 정류방식의 전원공급장치는 도 5의 블록도에 도시된 바와 같이, 상용AC전류를 DC로 정류하는 정류부(10), 정류부(10)의 출력전원을 이용하여 펄스형태의 정방향 전류 및 역방향 전류를 교대로 발생시켜 부하(30)로 공급하는 주전류회로부(20), 주전류회로부(20)를 구성하는 스위칭소자를 단속하여 정방향 및 역방향 전류를 교대로 출력시키는 한편 PWM제어를 통해 정방향 전류 및 역방향 전류의 각각에 고속의 펄스를 중첩시키는 펄스제어부(40)를 포함한다.
부하(30)는 도금조에 침지된 도금대상물 및 금속 등을 의미한다.
정류부(10)는 AD컨버터, 변합기, 필터 등을 포함하며, 공지의 회로를 통해 당업자가 용이하게 구성할 수 있는 부분이므로 본 명세서에서는 이에 대한 자세한 설명을 생략한다.
주전류회로부(20)는 스위칭소자로 이루어진 파워브릿지(power bridge) 회로를 포함한다. 예를 들어 도 6에 도시된 바와 같이 정류부(10)에서 출력되는 DC바이어스전원에 대하여 서로 병렬로 연결된 제1스위칭소자(Q1), 제2스위칭소자(Q2), 제3스위칭소자(Q3)와 상기 제1 내지 제3 스위칭소자(Q1, Q2, Q3)의 각각에 대하여 직렬로 연결된 제4스위칭소자(Q2'), 제5스위칭소자(Q1'), 제6스위칭소자(Q3')를 포함한다.
그리고 제1스위칭소자(Q1)와 제4스위칭소자(Q2') 사이의 제1노드(N1), 제2스위칭소자(Q2)와 제5스위칭소자(Q1') 사이의 제2노드(N2), 제3스위칭소자(Q3)와 제6스위칭소자(Q3') 사이의 제3노드(N1)의 각각의 출력전원을 부하(30)에 공급한다.
주전류회로부(20)의 파워브릿지(power bridge) 구성은 하프브릿지 또는 풀브릿지를 포함할 수도 있고, 각 스위칭소자가 쵸퍼형태의 구동수단으로 이루어질 수도 있다.
한편 상기 제1 내지 제6스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q2', Q1', Q3')의 각각에는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)가 이용되는 것이 바람직하다. IGBT를 이용하면 수백 킬로와트급의 전원공급장치 제조가 가능하고 고 전류밀도가 지속적으로 공급될 때 발생하는 열을 최소화할 수 있다. 또한 대전류의 고속스위칭이 가능 하기 때문에 도금대상물의 요(오목) 부분에 일정두께의 도금을 형성할 수 있고 철(볼록) 부분에 불필요한 도금을 방지함으로써 재료손실을 최소화할 수 있다.
IGBT를 대신하여 FET(Field Effect Transistor)를 사용할 수도 있으나 소자 특성상 대전류 취급이 어렵고 전류제어를 위해서는 전력을 저항열로 변환시켜야 하므로 에너지 효율이 매우 낮고 제조가격이 비싼 문제점이 있다. 다만 이러한 문제점에도 불구하고 경우에 따라서는 IGBT를 대신하여 예를 들어 대용량의 전력용 MOSFET을 사용할 수도 있다.
SCR형 직류전원장치는 요철부분의 보완이 불가능하고, SCR형 PR전류장치, SCR형 역펄스 전류장치는 상용전원주파수(60Hz)를 사용하기 때문에 1msec이내의 고속펄스를 실현하는 것이 불가능하므로 PCB 쓰루홀 도금에 적용하기 어렵다.
펄스제어부(40)는 소정의 스위칭신호를 생성하여 주전류회로부(20)의 각 스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q2', Q1', Q3')의 스위칭단자(예, 게이트)에 인가한다.
본 발명의 펄스제어부(40)는 주전류회로부(20)가 도 7에 도시된 바와 같이 정방향 전류와 역방향 전류를 교번하여 출력하는 한편 각 정방향 전류 및 역방향 전류에 수십 KHz의 고속 전류펄스를 중첩시키는 역할을 한다.
정방향 전류기간과 역방향 전류기간의 비율은 약 20:1 내지 10:1 정도인 것이 바람직하지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로는 정방향 전류기간과 역방향 전류기간이 각각 20msec 및 1msec 정도인 것이 바람직하다.
그리고 정방향 전류와 역방향 전류의 크기는 1:2 내지 1:4 정도인 것이 바 람직하다.
도 8은 펄스제어부(40)의 구성을 나타낸 회로블록도로서, FPGA소자로 구현될 수 있다. 본 발명의 펄스제어부(40)는 정방향 전류와 역방향 전류의 크기 및 주기를 독립적으로 제어하며, 정방향 전류에 중첩되는 PWM펄스와 역방향 전류에 중첩되는 PWM펄스도 서로 독립적으로 제어하는 점에 특징이 있다.
상기 펄스제어부(40)는 정펄스발생부(Forward Pulse Generator)(41), 정데드밴드발생부(Forward Deadband Generator)(42), 역펄스발생부(Reverse Pulse Generator)(43), 역데드밴드발생부(Reverse Deadband Generator)(44), 선택부(45), 믹서(46), 정방향PWM발생부(Forward PWM Generator)(47), 역방향PWM발생부(Reverse PWM Generator)(48), 게이트드라이브(49) 등을 포함한다.
정펄스발생부(41)는 정방향 전류기간동안 주전류회로부(20)의 정방향용 스위칭소자에 인가할 스위칭신호를 생성하며, 역펄스발생부(43)는 역방향 전류기간동안 주전류회로부(20)의 역방향용 스위칭소자에 인가할 스위칭신호를 생성한다.
정데드밴드발생부(42)는 정방향 전류에서 역방향 전류로 전이하는 과정에서 발생하는 지연시간, 즉 데드밴드(dead band)를 설정된 파라미터에 따라 조절하는 역할을 한다.
역데드밴드발생부(43)는 역방향 전류에서 정방향 전류로 전이하는 과정에서 발생하는 데드밴드를 설정된 파라미터에 따라 조절하는 역할을 한다.
선택부(45)는 설정된 순서 또는 파라미터에 따라 정방향 스위칭신호 또는 역방향 스위칭신호를 선택적으로 출력한다. 또한 정역 변환과정에는 정데드밴드발 생부(42) 또는 역데드밴드발생부(44)의 신호만을 선택적으로 출력한다.
정방향PWM발생부(47) 및 역방향PWM발생부(48)는 각각 정방향 PWM신호 및 역방향 PWM신호를 발생시키며, PWM제어를 위하여 센서(22)를 통해 주전류회로부(20)의 출력을 피드백한다.
도시하지는 않았지만 정방향PWM발생부(47) 및 역방향 PWM 발생부(48)는 각각 PWM주파수 발생기, 듀티비(duty ratio) 변환기, 주전류회로부(20)의 출력을 설정값과 비교하는 비교기(comparator) 등을 포함할 수 있다.
믹서(46)는 선택부(45)에서 선택적으로 출력되는 스위칭신호에 정방향PWM발생부(47) 또는 역방향PWM발생부(48)의 PWM출력을 중첩시키는 역할을 한다. 정방향PWM발생부(47) 또는 역방향PWM발생부(48)의 출력은 논리회로에 의해 각각 정펄스발생부(41)의 출력신호와 역펄스발생부(43)의 출력신호에 중첩된다.
이러한 과정을 통해 주전류회로부(20)의 최종 출력전류는 도 7에 도시된 바와 같이 정방향 전류기간 및 역방향 전류기간의 각각에 고속의 PWM펄스가 중첩된 형태를 가지게 된다..
특히 본 발명의 실시예에서는 PCB도금을 위해서 정방향 전류기간은 1msec 내지 100msec까지 0.1msec 단위로 설정할 수 있도록 하고, 역방향 전류기간은 0.1msec 내지 10msec 까지 0.1msec 단위로 설정할 수 있도록 하였다.
또한 정방향 전류 및 역방향 전류에 중첩되는 고속 전류펄스는 10~100kHz의 주파수를 갖도록 한다. 이보다 낮은 주파수에서는 부하에 공급되는 전류를 정밀하게 제어하는 것이 어렵고, 이보다 높은 주파수를 적용하면 스위칭손실이 커질뿐만 아니라 고속 스위칭을 지원하기 위한 부대비용이 증가할 수밖에 없기 때문이다.
게이트드라이브(49)는 믹서의 출력신호를 증폭하여 주전류회로부(49)를 구성하는 스위칭소자의 스위칭단자에 인가한다.
도 9는 펄스제어부(40) 중의 정펄스발생부(41), 정데드밴드발생부(42), 역펄스발생부(43), 역데드밴드발생부(44)의 회로구성을 예시한 도면이다. 그리고 도 10은 정방향PWM발생부(47) 및 역방향 PWM 발생부(48)의 회로구성을 예시한 도면이다.
이와 같이 IGBT를 주전류회로부(20)의 스위칭소자로 이용하고, 주전류회로부(20)의 출력에 고속펄스를 중첩시키면, 스위칭손실이 다소 증가되기는 하지만 소모적인 저항손실을 대폭 줄일 수 있기 때문에 전체적으로는 전력효율을 크게 향상시킬 수 있다.
또한 이러한 펄스상 전류는 직류전류에 비하여 짧은 기간에 큰 피크전류를 인가하는 것이 가능하므로 좀더 높은 과전압을 도금재료에 인가할 수 있고, 이를 통해 낮은 석출전위를 가지는 금속에 대해 수소발생 등 부정적 반응을 효과적으로 줄일 수 있는 장점도 가진다.
2. PWM 전류제어방법
이하에서는 도 11의 흐름도, 도 12의 신호파형도 및 도 8의 블록도를 참조하여 본 발명의 전원공급장치에서의 PWM 전류제어방법을 설명한다. 여기서는 편의 상 정방향 전류기간 동안의 전류제어방법을 설명하기로 한다.
먼저 정방향 전류기간에 정방향 PWM발생부(47)가 도 12(a)에 도시된 바와 같이 임의폭(A)의 제1펄스를 생성하여 주전류회로부(20)에 인가하면, 주전류회로부(20)는 도 12(b)에 도시된 바와 같은 펄스형 전류를 출력한다. (ST11)
이어서 정방향 PWM발생부(47)는 주전류회로부(20)의 출력단에 설치된 센서(22)를 통해 출력전류를 검출한다. 검출시점은 정방향 PWM발생부(47)에서 출력한 펄스의 종료시점인 것이 바람직하다. (ST12)
정방향 PWM발생부(47)는 비교기(미도시)를 통해 설정값(setting value)과 검출된 출력전류를 비교하여, 다음에 출력할 제2펄스의 폭을 결정한다.
구체적으로 출력전류가 설정값보다 큰 경우에는 제1펄스보다 작은 펄스폭을 가지는 제2펄스를 생성하여 출력하고(ST13, ST14), 출력전류가 설정값보다 작은 경우에는 제1펄스보다 큰 펄스폭을 가지는 제2펄스를 생성하여 출력한다.(ST15, ST16) 또한 출력전류와 설정값이 같은 경우에는 제1펄스와 동일한 폭(A)의 제2펄스를 생성하여 출력한다. (ST17)
제2펄스의 종료시점에도 주전류회로부(20)의 출력전류를 검출하여 설정값과 비교하여 제3펄스의 펄스폭을 조절하는 등 전술한 과정을 반복한다. 이러한 과정은 정방향 전류기간 및 역방향 전류기간에도 동일하게 적용된다.
한편 본 발명의 실시예에서는 미리 설정된 단위 펄스폭(예, 0.1㎲단위)을 직전 펄스의 폭에 가감하는 방식으로 펄스폭을 수정한다. 출력전류와 설정값의 차 이에 따라 단위펄스폭의 가감정도가 달라짐은 물론이다.
예를 들어 도 12b에 도시된 바와 같이 제1펄스에 의한 출력전류가 설정값보다 2레벨(여기서 레벨은 단위 펄스폭에 대응하여 출력전류의 크기를 임의로 구분한 단위임) 큰 경우에는 제1펄스의 펄스폭(A)에서 2*단위펄스폭을 감한 것을 제2펄스의 펄스폭으로 결정한다. 이어서 제2펄스에 의한 출력전류가 설정값보다 1레벨 작은 경우에는 제2펄스의 펄스폭에서 1*단위펄스폭을 더한 것을 제3펄스의 펄스폭으로 결정한다.
결국 본 발명의 전류제어방식은 직전 펄스의 출력전류를 피드백하여 다음 펄스의 폭을 결정하는 초고속 제어방법을 통해 각각의 펄스폭을 제어하여 전체적인 전류량을 제어하는 방식이다. 이러한 방법을 통해 처음 2~3개의 펄스를 출력한 후부터는 주전류회로부(20)의 출력전류를 설정값에 맞출 수 있기 때문에 정방향 전류와 역방향 전류가 교번하는 중에도 안정적인 전류공급이 가능해진다.
한편 역펄스 정류방식에서는 정전류와 역전류가 교번하는 순간에 주전류회로의 스위칭소자가 오프되는 데드타임이 발생하게 된다. 특히 본 발명과 같이 고속의 전류펄스를 중첩시키는 경우에는 도 13에 도시된 바와 같이 펄스오프타임이 데드타임(빗금친 부분)에 포함되어 종래 방식의 역펄스 정류기보다 데드타임이 증가할 수도 있다.
도 13과 같은 파형은 설정된 정방향 전류기간의 종료시점이 역방향 전류기 간의 기준점(PR)이 되고, 설정된 역방향 전류기간의 종료시점이 정방향 전류기간의 기준점(PF)이 되는 것에 기인한다.
그런데 정방향 전류에서 역방향 전류로 반전하는 경우에는 데드타임이 비교적 길어도 도금에 미치는 영향이 미미하지만, 역전류에서 정전류로 반전할 때는 데드타임이 길어질수록 도금품질이 나빠지는 것으로 알려져 있다. 역전류에서 정전류로 전환할 때에는 데드타임이 5㎲이내인 것이 바람직하다.
따라서 본 발명에서는 역전류에서 정전류로 반전할 때의 데드타임을 최소화시키기 위하여 새로운 방법을 제안한다.
즉, 본 발명에서는 도 14에 도시된 바와 같이 역방향 전류기간의 종료시점을 해당 역방향 전류기간의 기준점(PR)으로 정한다. 따라서 어느 역방향 전류기간의 종료시점은 이어지는 정방향 전류기간의 기준점(PF)이면서 해당 역방향 전류기간의 기준점(PR)이 된다.
다시 말하면 역방향 전류기간에 중첩되는 PWM펄스를 해당 역방향 전류기간의 시작시점을 기준으로 조절하는 것이 아니라 해당 역방향 전류기간의 종료시점을 기준으로 조절한다.
예를 들어 임의의 역방향 전류기간, 해당 역방향 전류기간 동안 출력해야 하는 전류펄스의 정보(예, 펄스개수, 펄스폭, 듀티비 등)를 이용하면, 해당 역방향 전류기간 중 최초펄스의 온(on) 시점과 최종펄스의 오프(off) 시점 사이의 시간을 알 수 있으므로, 최종펄스의 오프시점을 해당 역방향 전류기간의 종료시점과 일치시키면 최초펄스의 온(on) 시점을 알 수 있다.
이를 통해 직전의 정방향 전류기간의 종료시점에 즉시 역방향 전류펄스를 온(on)시키지 않고 위 과정을 거쳐 산출된 최초펄스 온(on) 시점에 역방향 전류기간의 최초펄스를 발생시키면, 최종펄스의 오프시점과 역방향 전류기간의 종료시점이 거의 일치하면서 데드타임을 최소화할 수 있다.
즉, 직전의 정방향 전류기간과 역방향 전류기간 사이에 다소의 데드타임이 발생하더라도 역방향 전류기간의 종료시점에서 펄스가 오프됨과 동시에 곧바로 정전류로 전환될 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 도금용 전원공급장치를 이용한 실험결과중의 일 예를 개시한다.
실험데이터
(a) 실험조건
PCB: 두께 2.0mm, 면적 29.5mm*24.5mm(7.2d), 기초동박 두께 18㎛, 쓰루홀 내경 289㎛
전류밀도: 2.3A/d, (d는 cm2)
정방향 전류: 2.3A/d * 7.2d * 2(애노드 2개) = 33.1A
역방향 전류: 33.1A*3=99.3A
정방향 전류기간: 10.0msec
역방향 전류기간: 0.5msec
PWM전류펄스의 주파수: 30kHz
도금시간: 30분
도금조 온도: 26도
(b) 실험결과
PCB 두께 쓰루홀 내경(d) 기초동박 두께(bt) 도금후 표면도금두께(at) 순수표면도금두께(at-bt) 쓰루홀 도금두께(ht) 쓰루우잉파워 [ht/(at-bt)/100]
2.0mm 289㎛ 18㎛ 50.1㎛ 32.1㎛ 36.1 112.4%
도 15는 상기 실험에서 본 발명의 전원공급장치의 실제 출력파형을 나타낸 도면이다. 이를 통해 정방향 전류 및 역방향 전류가 각각 약 10msec 및 0.5msec동안 교대로 출력되며, 정방향 전류 및 역방향 전류의 각각에 고속의 전류펄스가 중첩됨을 알 수 있다.
또한 보다 확대된 파형을 나타낸 도 16에는 정방향 전류기간에서 역방향 전류기간으로 전환되는 순간의 데드타임이 약 36㎲인 반면에 역방향 전류기간에서 정방향 전류기간으로 전환되는 순간의 데드타임이 거의 존재하지 않는 것을 확인할 수 있다.
도 17은 본 발명의 전원공급장치를 이용하여 도금된 PCB의 단면 SEM사진이 다. 이를 통해 고 전류밀도 부분인 쓰루홀 입구의 도금두께가 표면에 비해 크지 않음을 알 수 있다.
또한 쓰루홀 내부의 도금 정도를 나타내는 쓰루우잉파워가 112.4%인데 이것은 일반적인 DC도금의 쓰루우잉파워가 50~60%인 점을 감안하면 크게 향상된 것임을 알 수 있다.
한편 이상에서는 PCB 쓰루홀 도금을 예를 들어 본 발명을 설명하였으나 본 발명의 실시예에 따른 전원공급장치는 PCB뿐만 아니라 요철부위를 가지는 대부분의 도금대상물에 사용될 수 있음은 물론이다.
도 1은 종래의 역펄스 전원공급장치의 출력파형도
도 2는 기본적인 역펄스 전원공급장치의 구성도
도 3은 전류조절요소를 가지는 역펄스 전원공급장치의 구성도
도 4는 도 3의 전원공급장치에서의 출력파형도
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전원공급장치의 블록도
도 6은 주전류회로부의 회로구성을 예시한 도면
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전원공급장치의 출력 파형도
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 펄스제어부의 블록도
도 9는 정펄스발생부 및 역펄스발생부의 회로구성을 예시한 도면
도 10은 정방향PWM발생부 및 역방향PWM발생부의 회로구성을 예시한 도면
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 전류제어방법을 나타낸 흐름도
도 12는 전류제어 과정을 나타낸 신호파형도
도 13은 정방향 전류기간의 종료시점이 다음 역방향 전류기간의 기준점이 되는 경우의 신호파형도
도 14는 정방향 전류기간의 시작시점이 직전 역방향 전류기간의 기준점이 되는 경우의 신호파형도
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 전원공급장치의 실제 신호파형도
도 16은 도 15보다 확대된 배율로 표시한 신호파형도
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 전원공급장치를 이용하여 도금된 PCB의 단면 SEM사진
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10: 정류부 20: 주전류회로부
30: 부하 40: 펄스제어부
41: 정펄스발생부 42: 정데드밴드발생부
43: 역펄스발생부 44: 역데드밴드발생부
45: 선택부 46: 믹서
47: 정방향PWM발생부 48: 역방향PWM발생부
49: 게이트드라이브

Claims (11)

  1. AC전원을 직류전원으로 변환하는 정류부 ;
    상기 정류부의 출력전원을 펄스상 전원으로 변환하여 부하에 인가하는 주전류회로부;
    상기 주전류회로부가 정방향 전류와 역방향 전류를 교대로 출력하는 한편 상기 정방향 전류 및 상기 역방향 전류의 각각에 고속의 전류펄스가 중첩되도록 제어하는 펄스제어부;
    를 포함하는 도금용 전원공급장치
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주전류회로부는 전력용 스위칭소자를 포함하는 파워브릿지 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 도금용 전원공급장치
  3. 제2항에 있어서,
    상기 펄스제어부는,
    상기 정방향 전류를 출력하기 위한 신호를 생성하는 정펄스발생부;
    상기 역방향 전류를 출력하기 위한 신호를 생성하는 역펄스발생부 ;
    상기 정방향 전류에 중첩되는 상기 고속 전류펄스를 출력하기 위한 신호를 발생시키는 정방향PWM발생부;
    상기 역방향 전류에 중첩되는 상기 고속 전류펄스를 출력하기 위한 역방향PWM발생부;
    상기 정펄스발생부의 신호에 상기 정방향PWM발생부의 신호를 믹싱하여 출력하거나, 상기 역펄스발생부의 신호에 상기 역방향PWM발생부의 신호를 믹싱하여 출력하는 선택출력수단;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 도금용 전원공급장치
  4. 제3항에 있어서,
    상기 정방향PWM발생부 및 상기 역방향PWM발생부는 상기 주전류회로부의 출력과 설정된 파라미터를 이용하여 상기 고속 전류펄스의 펄스폭을 결정하는 것을 특징하는 도금용 전원공급장치
  5. 제3항에 있어서,
    상기 펄스제어부는,
    상기 정방향 전류에서 상기 역방향 전류로 전이하는 과정에서 발생하는 지연시간을 설정된 파라미터에 따라 조절하는 정데드밴드발생부와;
    상기 역방향 전류에서 상기 정방향 전류로 전이하는 과정에서 발생하는 지연시간을 설정된 파라미터에 따라 조절하는 역데드밴드발생부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도금용 전원공급장치
  6. 부하에 대해 정방향 전류와 역방향 전류를 교번하여 출력하는 역펄스 정류방식의 도금용 전원공급장치에서 출력전류를 제어하는 방법에 있어서,
    정방향 전류기간 및 역방향 전류기간보다 짧은 주기의 고속 전류펄스를 상기 정방향 전류 및 상기 역방향 전류에 중첩시켜서 출력하는 것을 특징으로 하는 도금용 전원공급장치에서의 전류 제어 방법
  7. 제6항에 있어서,
    상기 정방향 전류기간은 1msec 내지 100msec이고 상기 역방향 전류기간은 0.1msec 내지 10msec 이되, 상기 정방향 전류기간과 상기 역방향 전류기간의 비율은 20:1 내지 10:1의 범위이며,
    상기 전류펄스는 10 내지 100kHz의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 도금용 전원공급장치에서의 전류 제어 방법
  8. AC전원을 직류전원으로 변환하는 정류부와, 상기 정류부의 출력전원을 펄스상 전원으로 변환하여 부하에 인가하는 주전류회로부와, 상기 주전류회로부가 정방향 전류와 역방향 전류를 교대로 출력하도록 제어하는 펄스제어부를 포함하는 도금용 전원공급장치에서 상기 주전류회로부의 출력전류를 제어하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 펄스제어부가 상기 정방향 전류 또는 상기 역방향 전류에 고속의 전류펄스를 중첩시키기 위하여 임의의 폭을 가지는 제1펄스를 출력하는 단계;
    (b) 상기 제1펄스의 종료시점에 상기 주전류회로부의 출력전류를 검출하는 단계;
    (c) 상기 (b)단계에서 검출된 출력전류를 설정값과 비교하는 단계;
    (d) 상기 출력전류가 설정값을 초과하면 상기 제1펄스 다음에 출력되는 제2펄스가 상기 제1펄스보다 작은 펄스폭을 갖도록 조절하고, 상기 출력전류가 설정값보다 작으면 상기 제2펄스가 상기 제1펄스보다 큰 펄스폭을 갖도록 조절하고, 상기 출력전류와 설정값이 동일하면 상기 제1펄스와 동일한 펄스폭을 갖는 상기 제2펄스를 출력하는 단계;
    를 포함하는 도금용 전원공급장치에서의 전류 제어 방법
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (d)단계에서는 상기 출력전류와 상기 설정값의 차이에 따라 미리 설정된 단위펄스폭의 배수만큼 펄스폭을 조절하는 것을 특징으로 하는 도금용 전원공급 장치에서의 전류 제어 방법
  10. 부하에 대해 정방향 전류와 역방향 전류를 교번하여 출력하는 역펄스 정류방식의 도금용 전원공급장치에서 출력전류를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 정방향 전류 및 상기 역방향 전류에 고속의 전류펄스를 다수 중첩시키되, 역방향 전류기간에 중첩되는 상기 다수의 전류펄스 중에서 최종 전류펄스의 오프(off)시점과 상기 역방향 전류기간의 종료시점이 일치할 수 있도록 상기 역방향 전류기간의 최초 전류펄스를 온(on)시키는 것을 특징으로 하는 도금용 전원공급장치에서의 전류 제어 방법
  11. 제10항에 있어서,
    상기 역방향 전류에서 상기 정방향 전류로 전이하는 기간은 5㎲이내인 것을 특징으로 하는 도금용 전원공급장치에서의 전류 제어 방법
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