KR20090126191A - 로드형 반도체 재료를 전도성 있게 가열하기 위한 전기 에너지를 변환하는 장치 - Google Patents

로드형 반도체 재료를 전도성 있게 가열하기 위한 전기 에너지를 변환하는 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 로드형 반도체 재료를 전도성 있게(conductively) 가열하기 위한 전기 에너지를 변환하는 장치에 관한 것이다.

Description

로드형 반도체 재료를 전도성 있게 가열하기 위한 전기 에너지를 변환하는 장치 {APPARATUS FOR CONVERTING ELECTRICAL ENERGY FOR CONDUCTIVELY HEATING SEMICONDUCTOR MATERIAL IN ROD FORM}
본 발명은, 가스 흐름(gas flow) 내에서 로드형 반도체 재료를 전도성 있게(conductively) 가열하기 위한 전기 에너지를 변환하는 장치에 관한 것이며, 이하 이를 콤팩트형 전원 공급 장치(compact power supply)라고 한다.
콤팩트형 전원 공급 장치는 산업계 및 무역업계 모두에 널리 퍼져있다. 이 경우에, 최소 공간을 필요로 하고 연결은 최대한 짧게 이루어지도록, 변압기, 조정 기술, 정류기 및 기타 부품이 마련된다.
콤팩트형 전원 공급 장치는, 예를 들면 스위칭 기술에서, 컴퓨터 시스템 및 기계 또는 산업용 제어기를 위한 DC 및 AC 전압 범위 내의 전원 공급을 목적으로 사용된다. 콤팩트형 전원 공급 장치는 1 자릿수 와트 범위와 메가와트 범위의 산업 설비에 모두 사용된다.
콤팩트형 전원 공급 장치는 로드형의 폴리실리콘을 전도성 있게 가열하기 위한 전기 에너지의 변환에 특히 적합하다.
반도체 재료의 저항률은 크게 감소하는 온도 계수를 가진다. 따라서, 전원 공급 장치가, 콜드 히터 재료(cold heater material)용으로는 고출력의 전압(볼트)을, 그리고 핫 히터 재료(hot heater material)용으로는 고강도의 전류(암페어)를 공급하여야 한다는 문제가 발생한다(도 2).
예로서 전류/전압 특성 곡선은 선형을 보일 수 있다. 이것은 대개 수 100 kW 내지 다수 메가와트 범위의 높은 가열 에너지를 사용하는 가열 애플리케이션에 영향을 미친다. 고전력으로 인해, 97% 이상의 고효율일 때만 경제적인 운용이 가능하다. 이러한 고전력에서 문제가 되는 것은, 전기적인 부하의 동작이 전압 공급 시스템의 형태와 안정성에 영향을 미치는 경우에, 이른바 시스템에 대한 반작용의 영향이다.
시스템에 대한 반작용을 최소화하기 위하여, 그러한 고전력인 경우에는 낮은 전류 고조파 성분(low current harmonic content)과 낮은 변위 무효 전력(low displacement reactive power)을 얻으려고 노력하여야 한다. 또한, 단상 시스템(single-phase system)의 왜곡을 방지하지 위하여, 가열 에너지는 공급 시스템으로부터 3상 방식으로 안정되게 공급되어야 한다. 이 경우, 1차 시스템(primary system) 공급 전압은 매우 미미하며, 대개는 3 kv 내지 400 kV 이다.
냉각 가스 흐름 내에서 반도체 재료를 가열하는 경우의 다른 특별한 특징은, 온도에 따른 저항의 빠르고 큰 변화이다. 이 특성은, 에너지가 공급되지 않는 휴지 시간(energyless intermission)이 없거나, 또는 있더라도 매우 짧은, 가열 에너지에 대한 빠른 전력 조정을 필요로 한다.
또한 콤팩트형 전원 공급 장치의 기계적으로 최적화된 구성은, 고전류 부품을 경제적으로 배치하는 데 상당히 중요하다.
산업계에서는, 전술한 문제들을 변압기의 전압 탭마다 독립적인 전력 제어기를 구비한 변압기를 포함하는 에너지 변환 장치로 해결하였다.
독일 실용신안 DE 202005010333 U1에는 보조 스위치 "S"를 추가적으로 필요로 하는 단상 회로 장치(single-phase circuit arrangement)가 기술되어 있으며, 이는 부분적으로 감소된 유전 강도(dielectric strength)를 가지는 제어 가능한 스위칭 수단(예컨대, 사이리스터)을 사용할 수 있게 해준다[이 문헌의 스위칭 수단(20, 21) 참조]. 이 문헌에는 서로 연결되어 있는 회로 장치(4)와 변압기(T)가 기술되어 있다.
그러나, 설비 전체의 공간적인 배치는 논의되어 있지 않다. 전기적인 특성과 기계적인 특성의 결합에 대해서도 역시 언급되어 있지 않다.
이 구성의 단점은, 충분한 유전 강도를 가지는 스위칭 소자(모든 유형의 반도체 부품)의 사용을 생략할 수 있는, 추가적인 스위칭 장치 "S"를 필요로 한다는 것이다. 이것에 의해 회로, 따라서 구성은 상당히 간단해질 것이다.
독일 실용신안 DE 202004004655 U1에는 크게 변화하는 부하를 공급하기 위한 단상 회로 장치가 기술되어 있다. 이 문헌에는 또한 단상 변압기/제어기 조합이 포함되어 있다. 이 회로 장치는, 먼저 병렬로 연결되고 그 후에 직렬로 연결되는 두 개의 크게 변화하는 부하의 실현 가능성에 관련이 있다. 여기에는 구조적인 구현과 전기적인 특성 중 어느 것도 기재되어 있지 않다. 이 회로 장치의 단점은 병 렬/직렬 변환에 의해, 에너지가 공급되지 않는 휴지 기간( > 20ms)이 변환 순간에 부하에 발생하는 것이며, 이 휴지 기간은 바람직하지 못하다.
종래 기술에서 기술한 장치는 모두 단상이다. 이들 구성을 3상으로 구현 시에 추가적인 회로의 경비는 상당하여 비경제적이다.
그러므로, 본 발명의 목적은 종래기술에서 설명한 단점이 없는 다상 회로 장치(polyphase circuit arrangement)를 제공하는 것이다.
본 발명은 인가된 시스템 전압을 사용하여 전기 에너지를, 로드형 반도체 재료를 전도성 있게 가열하기 위한 프로세스 종속(process-dependent)의 가변 전기 에너지로 변환하는 3상 변환기 장치(three-phase converter arrangement)에 관한 것으로서,
(A) 공급 시스템에 연결된, 3상 1차 권선;
(B) 3개의 2차 권선; 및
(C) 3개의 가열 회로
를 포함하며,
설비 변압기(installation transformer)의 3개의 2차 권선 각각은, 하류에 전력 제어기가 연결되는 2개 이상의 전압 탭을 가지고, 전압 탭은 변압기에서 멀리 떨어진 쪽에서 추가적인 스위칭 소자 없이 전력 제어기에 직접 전기적으로 연결되며;
가열 회로는, 부하 저항으로 가열 에너지를 개별 조정하기 위하여 별형 연결 구조(star connection)로 연결된 2차 권선 및 가열되는 반도체 재료를 포함하고,
전력 제어기의 전력 부품(power component)은, 체적(volume)을 최적화하기 위하여 3상 변압기에 국부적으로 직접 배치된다.
3상 설비 변압기의 3상 1차 권선은 공급 시스템에 연결된다. 그 단자 전압 은 보통 3 kV 내지 400 kV이고, 바람직하게는 3×10 kV이다.
변압기의 3개의 2차 권선(3, 4, 5) 각각은, 2개 이상의 전압 탭을 가진다. 전압 탭의 수는 3개 내지 10개가 바람직하고, 4개 내지 6개가 특히 바람직하다. 전압 탭의 2차 권선 상의 위치는, 원하는 전류/전압 특성 곡선을 고려하여, 각각의 애플리케이션에서 시스템에 대한 반작용을 최적화하도록 각각의 경우에 정해진다(도 2).
2차 권선 상의 전압 탭 각각은 하류에 연결된 전력 제어기(7)를 가진다. 상(phase)마다의 전력 제어기의 수는 전압 탭의 수와 일치한다.
전력 제어기는 구동용 전자 장치(driving electronics)를 구비한 백투백 표준 전력 사이리스터(back-to-back standard power thyristor)를 기본적으로 포함한다. 그러나, 모든 유형의 트랜지스터 또는 사이리스터 같은, 다른 스위칭 전력 반도체 소자도 또한 생각할 수 있다.
전압 탭은 변압기에서 멀리 떨어진 쪽에서 추가적인 스위칭 소자 없이 전력 제어기에 직접 전기적으로 연결되는 것이 바람직하다.
전력 제어기들의 트리거링 각도는 서로 별개로 미리 정해질 수 있으며, 반도체 로드의 가열을 위하여 계속하여 요구되는 전압 제어를 수행한다.
전력 반도체 소자를 구동하기 위한 조정용 전자 장치(regulating electronics)는 고에너지 영역 내에 배치되거나, 또는 더욱 양호한 접근성을 위해 고에너지 영역 밖에 배치될 수 있다.
이 회로 장치(변압기 탭에 의해 제어기의 출력 전압이 여러 번 중첩됨)는 0.87∼1의 높은 역률(유효 전력/피상 전력)을 보장한다.
로드형 반도체마다의 가열 에너지는 본 발명에 따른 장치에 의해 실질적으로 계속하여 공급될 수 있다. 여기서 최대 간격(gap)은 사인 곡선의 반 사이클의 지속 기간이다.
별형 점 연결 구조(star point connection)(9)는 3개의 부하 저항을 지나는 전류를 서로 개별적으로 조정할 수 있도록 보장한다.
바람직한 실시예에서, 3개의 가열 회로는 2차 권선을 포함하고, 가열되는 반도체 재료는 또한 전술한 별형 점 연결구조 대신에 3개의 개별 전류 피드백(상(phase)마다 1개)을 가지는 전위 고립 방식(potential-isolated fashion)으로 구현될 수도 있다.
조정용 전자 장치와 전력부(power section) 사이의 통신은 광학적 데이터 연결 또는 비광학적 데이터 연결에 의해 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 회로 장치에 기초하여, 반도체 재료를 전도성 있게 가열하기 위한 전기 에너지를 변환하는, 고도의 공간 절약형 장치를 얻을 수 있다. 이러한 회로 장치의 제조 및 운영 시에는, 현재 산업계에서 사용되고 있는 공지의 장치에 비해, 공간 및 비용을 절약할 수 있다.
본 발명에 따른 장치에 의하면, 전술한 부하 및 제어 범위 내에서 < 13m3의 공간 체적(spatial volume)을 가지는 변환 장치를 최초로 구성할 수 있게 된다.
다음의 실시예에 기초하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
실시예 1:
3상 회로 장치는 도 1과 같이 구성되어 있으며, 회로 장치의 3개의 1차 권선(2)은 공급 시스템에 연결되어 있다. 3개의 2차 권선(3, 4, 5)은 5개의 전압 탭(6)을 가지도록 각각 구현되어 있다. 2차 권선 상의 이들 전압 탭 각각은, 하류에 연결되어 있다. 전력 제어기들은 구동용 전자 장치를 가지는 백투백 표준 전력 사이리스터를 포함한다.
이 설비는 0 내지 5 MVA의 조정 가능한 출력 전력의 범위를 가진다. 3상 장치는 안정된 부하(balanced load)인 경우에 시스템에 대해 안정된 반작용(balanced reaction)을 일으킨다. 3상 변환기 장치의 밀폐 체적(enclosed volume)은 대략 13m3 이다. 명목 효율(nominal efficiency)은 > 97% 이다. 설비가 동작중일 때, 반도체 재료에 연속적인 에너지가 입력된다.
최대 출력 전류의 범위는 3 × 0-4000 A이며, 각 상(phase)은 개별적으로 조정 가능하다. 최대 출력 전압의 범위(Ua)는 3 × 50-3000 V이다.
도 1은 본 발명에 따른 3상 회로 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 전류/전압 특성 곡선이다.

Claims (9)

  1. 인가된 시스템 전압을 사용하여 전기 에너지를, 로드형 반도체 재료를 전도성 있게 가열하기 위한 프로세스 종속(process-dependent)의 가변 전기 에너지로 변환하는 3상 변환기 장치(three-phase converter arrangement)로서,
    (A) 공급 시스템에 연결된, 3상 1차 권선;
    (B) 3개의 2차 권선; 및
    (C) 3개의 가열 회로
    를 포함하고,
    설비 변압기(installation transformer)의 상기 3개의 2차 권선 각각은, 하류에 전력 제어기가 연결되는 2개 이상의 전압 탭을 가지며,
    상기 가열 회로는, 부하 저항으로 가열 에너지를 개별 조정하기 위하여 별형 연결 구조로 연결된 상기 2차 권선 및 가열되는 반도체 재료를 포함하고,
    상기 전력 제어기의 전력 부품(power component)은, 체적(volume)을 최적화하기 위하여 3상 변압기에 국부적으로 직접 배치되는,
    3상 변환기 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압 탭의 상기 2차 권선 상의 위치는, 원하는 전류/전압 특성 곡선을 고려하여, 각각의 애플리케이션에서 시스템에 대한 반작용을 최적화하도록 정해지 는, 3상 변환기 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전력 제어기는 구동용 전자 장치(driving electronics)를 구비한 백투백 표준 전력 사이리스터(back-to-back standard power thyristor)를 포함하는, 3상 변환기 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전압 탭은 상기 변압기에서 멀리 떨어진 쪽에서 추가적인 스위칭 소자 없이 상기 전력 제어기에 직접 연결되는, 3상 변환기 장치.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 전력 제어기들의 트리거링 각도는 서로 개별적으로 미리 정해지며, 맨 나중의 것은 반도체 캐리어 로드의 가열을 위하여 계속하여 요구되는 전압 제어를 수행하는, 3상 변환기 장치.
  6. 제1항, 제2항, 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    전력 반도체 소자를 구동하기 위한 조정용 전자 장치(regulating electronics)는, 고에너지 영역 내에 배치되거나, 또는 고에너지 영역 밖에 배치되는, 3상 변환기 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 3개의 가열 회로는 2차 권선을 포함하고,
    상기 가열되는 반도체 재료는 별형 점 연결구조가 아니라, 각각의 경우에 상(phase)마다 분리된 개별 전류 피드백 가지는 전위 고립 방식(potential-isolated fashion)으로 구현되는, 3상 변환기 장치.
  8. 제1항, 제2항, 제4항, 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로드형 반도체마다의 가열 에너지를 연속하여 공급할 수 있는, 3상 변환기 장치.
  9. 제1항, 제2항, 제4항, 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 3상 변환기 장치는 < 13m3의 폐쇄 체적(enclosed volume)을 가지는, 3상 변환기 장치.
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