KR20100016176A - 전기 발전기와 비선형 부하간의 상호작용을 수정하는 방법 및 장치 - Google Patents

전기 발전기와 비선형 부하간의 상호작용을 수정하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

전기 발전기와 비선형 부하간의 상호작용을 수정하는 방법 및 장치가 기재된다. 일 실시예는 전기 발전기의 엔진의 제어 입력에서 주 제어 신호를 수신하고, 주 제어 신호는 전기 발전기에 의해 비선형 부하로 전달되는 출력 전력, 출력 전류 및 출력 전압 중 적어도 어느 하나를 제어하고, 엔진은 전력 증폭기 및 변환기 중의 어느 하나이고, 비선형 부하의 임피던스를 측정하고, 전기 발전기에 측정된 임피던스에 대응하는 보상 신호를 전기 발전기에 공급하고, 보상 신호는 비선형 부하의 임피던스의 부하에 실질적으로 둔감한 주 제어 신호에 대해 전기 발전기의 출력 전력의 전달 함수를 만들어 전기 발전기의 출력 전력을 안정화시킨다.
전기 발전기, 비선형 부하, 엔진, 보상 서브시스템, 보상 신호

Description

전기 발전기와 비선형 부하간의 상호작용을 수정하는 방법 및 장치{Method and apparatus for modifying interactions between an electrical generator and a nonlinear load}
본 발명은 전기 발전기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 전기 발전기와 비선형 부하간의 상호작용을 수정하는 방법 및 장치에 관한 것이지만, 이에 한정되지 않는다.
일부 애플리케이션에서, 최대 전력을 부하에 전달하는 소스 임피던스와는 매우 다른 소스 임피던스를 가지는 전기 발전기를 사용하는 것은 이점이 있다. 예를 들어, 무선 주파수 발전기의 내용에서, 소스 임피던스는 부하 임피던스의 켤레 복소수와는 매우 다르다. 스미스 도표(반사계수 도표, Philip H. Smith, 1939)를 살펴보면, 이러한 발전기의 소스 임피던스는 부하 임피던스(예를 들어, 표준 RF 애플리케이션에 대해 50Ω)에 대해 표준화된 도표의 에지를 향해 있다. 일부 무선 주파수 발전기는 이러한 소스 임피던스를 가지게 설계되어 저항성 소스 임피던스(예를 들어, 50Ω)를 가지는 것보다 비용이 저렴하고 부피가 작은 발전기가 된다.
그러나, 이러한 설계의 문제점은, 부하 임피던스가 상기 발전기가 동작하도록 설계되는 통상적인 부하 임피던스(예를 들어, 50Ω)에 가까울 때, 발전기가 부 하 임피던스에 매칭되는 저항성 소스 임피던스를 가지는 발전기보다 부하 임피던스의 변화에 매우 민감하다는 것이다. 발전기 출력 전력의 변화가 부하 임피던스의 변화를 가져올 수 있고 부하 임피던스의 변화가 발전기 출력 전력의 변화를 가져올 수 있는 플라즈마와 같은 비선형 저항으로 동작될 때, 이러한 시스템에서 특히 어려움이 있다. 어떤 상황에서는, 발전기 및 비선형 부하는 출력 전력의 불안정을 가져오는 방법으로 상호작용할 수 있다.
따라서, 전기 발전기와 비선형 부하간의 상호작용을 수정하는 방법 및 장치가 당해 기술분야에서 필요한 것은 명백하다.
도면에 도시된 본 발명의 실시예가 다음과 같이 요약된다. 이러한 실시예 및 다른 실시예는 실시예에서 더욱 상세히 설명된다. 그러나, 본 발명을 발명의 상세한 설명 또는 실시예에 기재된 형태로 한정하고자 하는 것이 아님을 이해하여야 한다. 당업자는 청구범위에 표현된 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다수의 변형례, 동등례 및 대체예가 있음을 인식할 수 있다.
본 발명은 전기 발전기와 비선형 부하간의 상호작용을 수정하는 방법 및 장치를 제공할 수 있다. 일 실시예는 전기 발전기와 상기 전기 발전기의 출력에 접속된 비선형 부하간의 상호작용을 수정하는 방법이고, 상기 방법은 전기 발전기의 엔진의 제어 입력에서 주 제어 신호를 수신하는 단계로서, 상기 주 제어 신호는 전기 발전기에 의해 비선형 부하로 전달되는 출력 전력, 출력 전류 및 출력 전압 중 적어도 어느 하나를 제어하고, 상기 엔진은 전력 증폭기 및 변환기 중 어느 하나인 단계; 비선형 부하의 임피던스를 측정하는 단계; 및 측정된 임피던스에 대응하는 보상 신호를 전기 발전기로 공급하는 단계로서, 보상 신호는 비선형 부하의 임피던스의 부하의 변화에 실질적으로 둔감한 주 제어 신호에 대해 전기 발전기의 출력 전력의 전달 함수를 만들어 전기 발전기의 출력 전력을 안정화시키는 단계를 포함한다.
다른 실시예는, 전기 발전기에 의해 비선형 부하로 전달되는 출력 전력, 출력 전류 및 출력 전압 중 적어도 어느 하나를 제어하는 주 제어 신호를 수신하도록 구성되고 전력 증폭기 및 변환기 중의 어느 하나인 엔진; 및 비선형 부하의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정 회로, 및 측정된 임피던스에 대응하는 보상 신호를 전기 발전기로 공급하는 보상 신호 발생 회로로서, 보상 신호는 비선형 부하의 임피던스의 부하의 변화에 실질적으로 둔감한 주 제어 신호에 대해 전기 발전기의 출력 전력의 전달 함수를 만들어 전기 발전기의 출력 전력을 안정화시키는 보상 신호 발생 회로를 포함하는 보상 서브시스템을 포함하는 전기 발전기이다.
이러한 실시예 및 다른 실시예가 여기에서 더욱 상세히 설명된다.
첨부된 도면과 함께 후술하는 실시예 및 첨부된 청구범위를 참조함으로써 본 발명의 다양한 목적 및 이점과 더욱 완벽한 이해가 명백해지고 즉각적으로 평가된다.
도 1a는 발전기의 안정성의 분석을 용이하게 하기 위해 비선형 부하에 접속된 발전기의 블록도.
도 1b는 P가 불안정한 상황에서 발전기 제어 신호 C의 함수로서 도 1a에 도시된 발전기의 출력 전력 P의 그래프.
도 1c는 도 1b에서와 동일한 상황에서 시간의 함수로서 도 1a에 도시된 발전기의 출력 전력 P의 그래프.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 부하에 접속된 발전기의 블록도.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기에 대한 보상 시스템의 블록도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기와 비선형 부하간의 상호작용을 수정하는 방법의 흐름도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비선형 부하에 접속된 발전기의 블록도.
도 5a는 본 발명의 일 실시에에 따른 특정의 출력 전력 PO에 대해 한 세트의 부하 임피던스 각각에 대한 필요한 발전기 제어 신호 C를 나타내는 단순화된 스미스 도표를 나타내는 도.
도 5b는 본 발명의 일 실시에에 따른 도 5a에서와 동일한 출력 전력 PO에 대해 한 세트의 부하 임피던스 각각에 대한 보상 신호 P를 나타내는 단순화된 스미스 도표를 나타내는 도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전기와 비선형 부하간의 상호작용을 수정하는 방법의 흐름도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비선형 부하에 접속된 발전기의 블록도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 및 제2 제어 입력 모두를 포함하는 전력 증폭기의 회로도.
도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 발전기와 비선형 부하간의 상호작용을 수정하는 방법의 흐름도.
전기 발전기의 출력 전력의 불안정이 발전기와 그 발전기가 접속되는 비선형 부하의 임피던스간의 상호작용의 결과로서 얼마만큼 발생할 수 있는지를 분석하는 것은, 본 발명의 다양한 실시예의 이해에 도움이 된다. 도 1a는 이러한 분석을 용이하게 하기 위해 비선형 부하(105)에 접속된 발전기의 블록도이다. 발전기(100)는 출력 전력 P(115)를 비선형 부하(105)로 전달하는 전력 증폭기(110)를 포함한다. 다음, 비선형 부하(105)는 저항 R(120) 및 리액턴스 X(125)가 각각 실수 및 허수 성분인 임피던스 Z를 전력 증폭기(110)에 제공한다. 즉, Z=R+jX이다.
전력 증폭기(110)는 제어 신호 C(135)를 수신하는 제어 입력(130)을 포함한다. 제어 신호(135)는 전력 증폭기(110)에 의해 발생되는 출력 전력(115)을 제어하는데 사용된다. 제어 신호(135)는 주 전력 제어 루프(도 1a에 도시하지 않음)에 의해 발생된다.
비선형 부하(105)의 임피던스의 변화에 응답하여 발전기 출력 전력(115)의 변화가 동시에 발생하고, 이와 유사하게 비선형 부하(105)로의 출력 전력(115)이 변화할 때 비선형 부하(105)의 임피던스의 변화가 동시에 발생한다고 가정하면, 도 1a에 도시된 시스템은 다음과 같은 3개의 식에 의해 모델링될 수 있다.
Figure 112009067520519-PCT00001
이러한 함수가 미분가능하다고 가정하고 테일러 급수에서 1차 항만을 사용하면, 동작점 주위에서 다음과 같이 선형화된 식을 얻을 수 있다.
Figure 112009067520519-PCT00002
여기서,
Figure 112009067520519-PCT00003
는 벡터
Figure 112009067520519-PCT00004
와
Figure 112009067520519-PCT00005
의 내적이다. 제1 벡터는 비선형 부하(105)의 임피던스 변화에 대한 발전기(100)의 민감도를 모델링하고, 제2 벡터는 발전기 전력(115)의 변화에 대한 비선형 부하(105)의 임피던스의 민감도를 모델링한다.
상기 내적이 1보다 작으면, 발전기(100)의 주 전력 제어 루프의 이득의 강하는 제어 신호(135)에 대한 출력 전력(115)의 이득의 증가를 보상할 수 있다. 그러나, 상기 내적이 1보다 크면, 제어 신호(135)로부터 출력 전력(115)으로의 전달 함수의 부호가 반전될 수 있고, 발전기의 주 전력 제어 루프의 이득의 어떠한 수정도 안정을 회복할 수 없다. 불안정한 상태에서, 발전기(100)는 원하는 만큼 일정한 출력 전력(115)을 발생시키지 못한다.
발전기(100)와 비선형 부하(105)간의 상호작용에 의해 발생될 수 있는 불안정이 도 1b에 도시된다. 도 1b는 P가 불안정한 상황에서 제어 신호 C(135)의 함수로서 발전기(100)의 출력 전력 P(115)의 그래프(140)이다. 그래프(140)는 일대일이 아니다(즉, 함수가 아닌 관계이다). 즉, C의 일부 값에 대해서 다수의 P 값이 존재한다. C1(145)의 제어 신호(135)에 대해, 초기에 P는 점(150)에 있지만, 그 후에 P는 점(155)으로 강하한다. 제어 신호(135)를 C2로 변화시킴으로써 출력 전력(115)의 강하를 보상하는 것은 초기에 점(165)에 P를 만들 수 있지만, 그 후에 P는 점(170)으로 도약한다. 점(150)으로부터 점(155)으로의 천이 또는 점(165)으로부터 점(170)으로의 천이는 일부 애플리이션에서 2~3 ㎲ 정도에 발생할 수 있다.
시간의 함수로서 발전기(100)의 결과 출력 전력(100)이 도 1c에 그래프(175)로 도시된다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 부하(205)에 접속된 발전기(200)의 블록도이다. 발전기(200)는 어떤 종류의 엔진을 포함한다. 예를 들어, 엔진은 전력 증폭기 및 변환기를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 도 2에 도시된 특정 실시예에서, 발전기(200)는 출력 전력 P(215)를 비선형 부하(205)로 전달하는 전력 증폭기(210)를 포함한다. 일 실시예에서, 발전기(200)는 고저항성 소스 임피던스를 가지는 무선 주파수 발전기이고, 비선형 부하(205)는 매칭 네트워크 및 케이블링(cabling)과 같은 다른 것들 중에서 플라즈마를 포함한다. 이러한 시스템은, 예를 들어, 증착 및 에칭 애플리케이션에 사용될 수 있다. 비선형 부 하(205)는 전력 증폭기(210)에 저항 R(220) 및 리액턴스 X(225)가 각각 실수 및 허수 성분인 복소수 임피던스 Z(Z=R+jX)를 제공한다.
전력 증폭기(210)는 주 제어 신호 C(235)가 공급되는 제어 입력(230)을 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서 주 제어 신호(235)는 전압이다. 일반적으로, 주 제어 신호(235)는 발전기(200)에 의해 비선형 부하(205)로 전달되는 출력 전력, 출력 전압, 출력 전류, 또는 이들의 조합을 제어하는데 사용된다. 주 제어 신호(235)는 주 전력 제어 루프(도 2a에 도시하지 않음)에 의해 발생된다. 예를 들어, 주 전력 제어 루프의 전형적인 구현례에서, 부하 및 전력 설정점(원하는 출력 전력(215))에서 측정되는 피드백 전력은 미분 증폭기의 입력으로 공급되고, 미분 증폭기의 출력(에러 신호)은 주 제어 신호(235)이다.
보상 시스템(240)은 비선형 부하(205)의 임피던스를 측정하고, 측정된 부하 임피던스에 대응하는(좌우되는) 보상 신호 K(245)를 발생시킨다. 전력 증폭기(210)로 공급되는 보상 신호(245)는 비선형 부하(205)의 임피던스의 변화에 실질적으로 둔감한 주 제어 신호(235)에 대해 발전기(200)의 출력 전력(215)의 전달 함수를 만든다. 그 결과, 주 제어 신호(235)의 함수로서 출력 전력(215)을 선형화함으로써 시스템을 안정시킨다. 소정의 측정된 부하 임피던스에 대한 보상 신호(245)는 특정의 실시예에 따라 변화한다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 보상 서브시스템(240)의 블록도이다. 보상 서브시스템(240)은 측정된 부하 임피던스(255)를 출력하는 임피던스 측정 회로(250), 및 보상 신호(245)를 발생시키는 보상 신호 발생 회로(260)를 포함한다.
보상 신호(245)는 다음과 같은 적당한 캘리브레이션을 통해 사전에 결정될 수 있다. 첫째, 발전기(200)는 조절가능한 임피던스를 가지는 테스트 부하(예를 들어, 튜닝회로)에 접속된다. 이 부하는 발전기(200)가 동작하도록 설계된 통상의 기준 임피던스(예를 들어, 50Ω)에 초기에 설정된다. 둘째, 원하는 전력 설정점 PO가 발전기(200)로 입력되고, 발전기(200)는 출력 전력 PO에서 안정되게 된다. 셋째, 주 제어 신호(235)는 출력 전력 PO를 기준 임피던스로 발생시키는 전류값에서 고정된다. 넷째, 부하 임피던스는 변화하고, 그 부하 임피던스를 가지는 PO의 출력 전력(215)을 유지시키기 위해 필요한 보상 신호(245)가 기록된다. 네 번째 단계는 다수의 부하 임피던스값에 대해 원하는 만큼 반복된다. 상술한 전체 캘리브레이션 과정은 다수의 다른 출력 설정점에 대해 원하는 만큼 반복된다.
일 실시예에서, 보상 서브시스템(240)은 당해 기술분야에서 "반사 계수 도메인"으로 불리는 고속의 디지털 알고리즘을 사용하여 구현된다. 일 실시예에서, 예를 들어, 보상 서브시스템(240)은 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA; field-programmable gate array)에서 발전기(200)의 다른 기능과 함께 구현된다. 다른 실시예에서, 보상 서브시스템(240)은 펌웨어 또는 소프트웨어를 실행하는 프로세서를 사용하여 구현된다. 일반적으로, 보상 서브시스템(240)의 기능은 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다.
이 실시예에서, 약 500 kHZ 아래에서 불안정과 관련된 주파수를 제거하면, 임피던스 측정 회로(250)는 대략 1㎲마다 한번씩 비선형 부하(205)의 임피던스를 측정할 수 있다. 이러한 샘플링 속도는 다른 실시예에서 더 낮거나 또는 더 높다.
일 실시예에서, 보상 신호 발생 회로(260)는 복수의 출력 전력 레벨(215) 각각에 대해 룩업 테이블을 포함한다. 소정의 출력 전력(215)에 대한 각각의 룩업 테이블은 측정된 부하 임피던스(255)의 한 세트의 이산값 각각을 대응하는 보상 신호(245)의 이산값에 매핑한다. 이러한 실시예에서, 보상 신호 발생 회로(260)는 아날로그 보상 신호(245)를 발생시키는 디지털 아날로그 변환기(도 2b에 도시하지 않음)를 포함한다.
어떤 실시예에서, 소정의 출력 전력 레벨에 대한 캘리브레이션 과정은 단지 수 개의 점(예를 들어, 스미스 도표 상의 기준 임피던스를 괄호로 묶는 기준 임피던스 이외의 4개의 부하 임피던스값)에 대해서만 수행된다. 측정된 부하 임피던스(255)의 다른 값에 대해, 보상 신호 K는, 예를 들어, 삽입에 의해 수개의 저장된 값으로부터 얻을 수 있다. 어떤 실시예에서, 측정된 부하 임피던스(255)의 함수로서 보상 신호(245)의 기울기는 룩업 테이블에 저장되고, 특정의 측정된 부하 임피던스(255)에 대한 보상 신호(245)는 적합한 기울기에 측정된 부하 임피던스(255)와 기준 임피던스간의 차이만큼 곱함으로써 삽입된다. 또한, 어떤 실시예에서, 연속 근사와 같은 고속 수치 알고리즘은 보상 서브시스템(240)의 속도를 향상시키는 나눗셈과 같은 수학 연산을 수행하는데 사용된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기와 비선형 부하간의 상호작용을 수정하는 방법의 흐름도이다. 305에서, 전력 증폭기(210)는 제어 입력(230)에서 주 제어 신호(235)를 수신한다. 310에서, 임피던스 측정 회로(250)는 비선형 부 하(205)의 임피던스(255)를 측정한다. 315에서, 보상 신호 발생 회로(260)는 전력 증폭기(210)로 공급되는 보상 신호(245)를 발생시킨다. 보상 신호(245)는 비선형 부하(205)의 임피던스의 부하에 실질적으로 둔감한 주 제어 신호(235)에 대해 발전기(200)의 출력 전력(215)의 전달 함수를 만든다. 따라서, 보상 신호(245)는 주 제어 신호(235)와 결합하여, 비선형 부하(205)의 임피던스의 변화에도 불구하고 발전기(200)가 안정한(실질적으로 일정한) 출력 전력(215)을 원하는 레벨 PO에서 유지하도록 한다. 320에서, 과정은 종료한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비선형 부하(205)에 접속되는 발전기(400)의 블록도이다. 발전기(400)는 제어 입력(410)을 가지는 전력 증폭기(405)를 포함한다. 보상 서브시스템(415)은 주 제어 신호(425)에 따라 가산(summing) 회로(430)에 공급되는 보상 신호 K(420)를 발생시킨다. 가산 회로(430)의 출력은 제어 입력(410)에 공급된다. 도 2a 내지 도 3을 참조하여 설명한 실시예에서와 같이, 보상 신호(420)는, 발전기(400)와 비선형 부하(205)의 부하간의 상호작용에 기인한 출력 전력(215)의 불안정성을 방지하기 위해, 비선형 부하(205)의 임피던스의 부하에 실질적으로 둔감한 주 제어 신호(425)에 대해 발전기(400)의 출력 전력(215)의 전달 함수를 만든다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 특정 출력 전력 PO(215)에 대해 한 세트의 부하 임피던스 각각에 대한 제어 입력(410)에서의 필요한 전력 증폭기 제어 신호를 나타내는 간단화된 스미스 도표(500)를 나타낸다. 도 5a의 가설적인 예에 서, 50Ω(기준 임피던스)으로 100W(PO)의 원하는 출력 전력 레벨을 발생시키기 위해 필요한 주 제어 신호(425)는 20V이다. 기준 임피던스는 스미스 도표(500)의 중심에 있는 점(505)에 대응한다. 점(510, 515, 520 및 525)은 기준 임피던스(505)와는 다른 측정된 부하 임피던스(255)에 대응한다. 이러한 임피던스 각각에 대해 원하는 출력 전력 PO를 발생시키기 위해 필요할 수 있는 제어 입력(410)에서의 제어 신호는 간단화된 스미스 도표(500)에 도시된다. 부하 임피던스의 함수로써 제어 입력(410)에서 필요한 제어 신호의 다양한 값은, 상술한 바와 같은 캘리브레이션 과정을 통해 결정될 수 있고, 보상 신호 발생 회로(260)가 액세스한 룩업 테이블에 저장될 수 있다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 동일한 원하는 출력 전력 PO에 대해 도 5a에 도시된 한 세트의 부하 임피던스(505, 510, 515, 520 및 525) 각각에 대응하는 보상 신호 K(420)를 나타내는 간단화된 스미스 도표(530)를 나타낸다. 이러한 특정 실시예에서, 보상 신호(420)는, 비선형 부하(205)의 임피던스가 측정된 임피던스일 때 발전기(400)가 PO의 특정 출력 전력(215)을 발생시키게 하는 제어 신호와, 발전기(400)가 동일한 출력 전력 PO를 기준 임피던스로 발생시키게 하는 제어 신호간의 차이이다. 이 차이는 간단화된 스미스 도표(530) 상에 점(505, 510, 515, 520 및 525) 각각에 대해 도시된다.
가산 회로(420)에 의해 발생되는 주 제어 신호(425)와 보상 신호(420)의 합 은, 부하 임피던스에 관계없이 본질적으로 동일한 주 제어 신호값(425)에 대해 전력 증폭기(405)가 원하는 출력 전력 PO을 측정된 부하 임피던스(255)로 발생시켜 비선형 부하(205)의 임피던스의 부하에 둔감한 주 제어 신호(425)를 만들게 하는 제어 입력(410)에서의 제어 신호이다. 물론, 측정된 부하 임피던스(255)는 기준 임피던스(도 5b에서의 점(505))일 때, 보상 신호(420)는 제로이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전기와 비선형 부하간의 상호작용을 수정하는 방법의 흐름도이다. 310에서, 임피던스 측정 회로(250)는 비선형 부하(205)의 임피던스(255)를 측정한다. 605에서, 주 제어 신호(425)와 보상 신호(420)의 합은 전력 증폭기(405)의 제어 입력(410)에 공급되고, 보상 신호(420)는 비선형 부하(205)의 임피던스가 측정된 임피던스일 때 발전기(400)가 PO의 특정 출력 전력(215)을 발생시키게 하는 제어 신호와, 발전기(400)가 동일한 출력 전력 PO을 기준 임피던스로 발생시키게 하는 제어 신호간의 차이이다. 그 결과, 발전기(400)와 비선형 부하(205)의 임피던스의 상호작용에 의해 발생될 수 있는 출력 전력(215)의 불안정성이 방지된다. 610에서 과정은 종료한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비선형 부하(205)에 접속되는 발전기(700)의 블록도이다. 이 실시예에서, 전력 증폭기(705)는 제1 제어 입력(710)과 제2 제어 입력 모두를 포함한다. 제1 제어 입력(710)은 주 제어 신호 C(730)를 수신한다.
보상 서브시스템(720)은 제2 제어 입력(715)과 접속하기 위해 특별히 맞추어 진 보상 신호(725)를 발생시킨다. 부하 임피던스의 함수로서 특정의 보상 신호(725)는 전력 증폭기(705)의 설계에 따라 좌우된다는 것을 주목해야 한다. 그러나, 전력 증폭기(705)의 설계에 관계없이, 상술한 캘리브레이션 과정은 소정의 원하는 출력 전력 P에 대해 측정된 부하 임피던스(255)의 한 세트의 값 각각에 대한 보상 신호(725)를 결정하기 위해 수행될 수 있다.
주 제어 신호(730)와 보상 신호(725)의 결합은 전력 증폭기(705)가 비선형 부하(205)의 임피던스의 변화에도 불구하고 원하는 출력 전력 PO를 발생시키게 한다. 달리 말하면, 보상 신호(725)는 비선형 부하(205)의 임피던스의 부하의 변화에 실질적으로 둔감한 주 제어 신호(730)에 대해 발전기(700)의 출력 전력(215)의 전달 함수를 만듦으로써, 주 제어 신호(730)의 함수로써 발전기(700)의 출력 전력(215)을 안정화시킨다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 및 제2 제어 입력(710 및 715) 각각을 모두 포함하는 전력 증폭기(705)의 회로도이다. 도 8에서, 주 제어 입력(710)은 초크 코일(805)에 접속된다. 인덕터(810) 및 커패시터(815)를 포함하는 공진 회로는 초크 코일(805)의 대향(opposite) 노드와 비선형 부하(205) 사이에 접속된다. 오실레이터(820)는 커패시터(825)에 접속되고, 커패시터(825)의 대향 노드는 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET; metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)의 게이트에 접속된다. 특정 실시예에서, 제2 제어 입력(715)은 초크 코일(835)에 직렬로 접속되는 바이어스 전압이고, 초크 코일(835)의 대향 노 드는 커패시터(825)의 일 노드와 MOSFET(830)의 게이트 사이에 접속된다. 도 8은 제2 제어 입력(715)의 일례일 뿐이다. 다른 실시예에서, 제2 제어 입력(715)은 도 8에 도시된 바이어스 전압의 예와는 다르다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전기와 비선형 부하간의 상호작용을 수정하는 방법의 흐름도이다. 905에서, 전력 증폭기(705)는 제1 제어 입력(710)에서 주 제어 신호(730)를 수신한다. 310에서, 임피던스 측정 회로(250)는 비선형 부하(205)의 임피던스(255)를 측정한다. 910에서, 보상 서브시스템(720)은 보상 신호(725)를 전력 증폭기(705)의 제2 입력(715)에 공급하고, 보상 신호(725)는 비선형 부하의 임피던스의 변화에 실질적으로 둔감한 주 제어 신호(730)에 대해 발전기(700)의 출력 전력(215)의 전달 함수를 만듦으로써, 발전기(700)와 비선형 부하(205)의 임피던스간의 상호작용에 의해 발생될 수 있는 출력 전력(215)의 불안정성을 방지한다. 915에서 과정은 종료한다.
어떤 실시예에서, 보상 신호는 상술한 식 1의 내적을 효과적으로 무효로 한다. 즉, 보상 신호는 비선형 부하의 임피던스의 변화에 대한 전력 증폭기의 민감도를 무효화한다. 다른 실시예에서, 식 1의 내적을 제로 이외로 만들기 위해 추가적인 보상이 보상 신호를 통해 전력 증폭기에 인가되어, 전력 증폭기와 비선형 부하의 임피던스가 특정의 원하는 방법으로 상호작용하게 할 수 있다.
어떤 실시예에서, 발전기와 비선형 부하간의 원하는 상호작용을 달성하기 위한 이러한 추가적인 보상은 발전기의 사용자에 의해 구체화될 수 있다. 이러한 추가적인 보상은, 예를 들어, 부하 임피던스의 변화에 대한 전력 증폭기의 민감도를 단순히 무효화함으로써 제공되는 것을 넘어서는 추가적인 안정성을 제공할 수 있다.
결론적으로, 본 발명은, 다른 것들 중에서, 전기 발전기와 비선형 부하간의 상호작용을 수정하는 방법 및 장치를 제공한다. 당업자는 본 발명, 본 발명의 사용 및 본 발명의 구성에서 다양한 변화 및 대체로 여기서 설명한 실시예에 의해 달성되는 것과 실질적으로 동일한 결과를 달성할 수 있음을 즉각적으로 인식할 수 있다. 따라서, 본 발명을 개시된 예시적인 형태로 한정하고자 하는 것이 아니다. 다양한 변화, 변형 및 대체적인 구성인 청구범위에 표현된 본 발명의 범위 및 사상 내에 있다.

Claims (23)

  1. 전기 발전기와 상기 전기 발전기의 출력에 접속된 비선형 부하간에 상호작용을 수정하는 방법으로서,
    상기 전기 발전기의 엔진의 제어 입력에서 주 제어 신호를 수신하는 단계로서, 상기 주 제어 신호는 상기 전기 발전기에 의해 상기 비선형 부하로 전달되는 출력 전력, 출력 전류 및 출력 전압 중 적어도 어느 하나를 제어하고, 상기 엔진은 전력 증폭기 및 변환기 중 어느 하나인 단계;
    상기 비선형 부하의 임피던스를 측정하는 단계; 및
    측정된 임피던스에 대응하는 보상 신호를 상기 전기 발전기에 공급하는 단계로서, 상기 보상 신호는 상기 비선형 부하의 임피던스의 변화에 실질적으로 둔감한 주 제어 신호에 대해 상기 전기 발전기의 출력 전력의 전달 함수를 만들어 상기 전기 발전기의 출력 전력을 안정화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 발전기와 비선형 부하간에 상호작용을 수정하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주 제어 신호와 보상 신호의 합이 상기 제어 입력으로 공급되는 것을 특징으로 하는 전기 발전기와 비선형 부하간에 상호작용을 수정하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 보상 신호는, 상기 비선형 부하의 임피던스가 측정된 임피던스일 때 상기 전기 발전기가 특정의 출력 전력을 발생시키게 하는 제어 신호와, 상기 전기 발전기가 상기 특정의 출력 전력을 기준 임피던스로 발생시키게 하는 제어 신호간의 차이인 것을 특징으로 하는 전기 발전기와 비선형 부하간에 상호작용을 수정하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보상 신호는 상기 제어 입력으로부터 분리된 엔진의 제2 제어 입력에 공급되는 것을 특징으로 하는 전기 발전기와 비선형 부하간에 상호작용을 수정하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 제어 입력은 바이어스 전압 입력인 것을 특징으로 하는 전기 발전기와 비선형 부하간에 상호작용을 수정하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 보상 신호는, 상기 비선형 부하의 임피던스의 변화에 실질적으로 둔감한 주 제어 신호에 대해 상기 전기 발전기의 출력 전력의 전달 함수를 만들기 전에, 사용자에 의해 구체화된 방법으로 상기 전기 발전기가 상기 비선형 부하의 임피던스와 상호작용하게 하는 것을 특징으로 하는 전기 발전기와 비선형 부하간에 상호작용을 수정하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전기 발전기는 무선 주파수 발전기인 것을 특징으로 하는 전기 발전기와 비선형 부하간에 상호작용을 수정하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 비선형 부하는 플라즈마를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 발전기와 비선형 부하간에 상호작용을 수정하는 방법.
  9. 전기 발전기와 상기 전기 발전기의 출력에 접속된 비선형 부하간에 상호작용을 수정하는 방법으로서,
    상기 비선형 부하의 임피던스를 측정하는 단계; 및
    상기 전기 발전기의 엔진의 제어 입력에 주 제어 신호와 보상 신호의 합을 공급하는 단계로서, 상기 엔진은 전력 증폭기 및 변환기 중 어느 하나이고, 상기 주 제어 신호는 상기 전기 발전기에 의해 상기 비선형 부하로 전달되는 출력 전력, 출력 전류 및 출력 전압 중 적어도 어느 하나를 제어하고, 상기 보상 신호는, 상기 비선형 부하의 임피던스가 측정된 임피던스일 때 상기 전기 발전기가 특정의 출력 전력을 발생시키게 하는 제어 신호와, 상기 전기 발전기가 상기 특정의 출력 전력을 기준 임피던스로 발생시키게 하는 제어 신호간의 차이이고, 상기 보상 신호는 상기 비선형 부하의 임피던스의 변화에 실질적으로 둔감한 주 제어 신호에 대해 상기 전기 발전기의 출력 전력의 전달 함수를 만들어 상기 전기 발전기와 비선형 부하의 임피던스간의 상호작용에 의해 발생할 수 있는 출력 전력의 불안정성을 방지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 발전기와 비선형 부하간에 상호작용을 수정하는 방법.
  10. 전기 발전기와 상기 전기 발전기의 출력에 접속된 비선형 부하간에 상호작용을 수정하는 방법으로서,
    상기 전기 발전기의 엔진의 제1 제어 입력에서 주 제어 신호를 수신하는 단계로서, 상기 주 제어 신호는 상기 전기 발전기에 의해 상기 비선형 부하로 전달되는 출력 전력, 출력 전류 및 출력 전압 중 적어도 어느 하나를 제어하고, 상기 엔진은 전력 증폭기 및 변환기 중 어느 하나인 단계;
    상기 비선형 부하의 임피던스를 측정하는 단계; 및
    측정된 임피던스에 좌우되는 보상 신호를 제1 제어 입력과는 분리된 엔진의 제2 제어 입력으로 공급하는 단계로서, 상기 보상 신호는 상기 비선형 부하의 임피던스의 변화에 실질적으로 둔감한 주 제어 신호에 대해 상기 전기 발전기의 출력 전력의 전달 함수를 만들어 상기 전기 발전기와 비선형 부하의 임피던스간의 상호작용에 의해 발생할 수 있는 출력 전력의 불안정성을 방지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 발전기와 비선형 부하간에 상호작용을 수정하는 방법.
  11. 주 제어 신호를 수신하도록 구성되는 제어 입력을 포함하는 엔진으로서, 전기 발전기에 의해 비선형 부하로 전달되는 출력 전력, 출력 전류 및 출력 전압 중 적어도 어느 하나를 제어하고, 상기 엔진은 전력 증폭기 및 변환기 중 어느 하나인 엔진; 및
    상기 비선형 부하의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정 회로, 및 측정된 임피던스에 대응하는 보상 신호를 상기 전기 발전기에 공급하는 보상 신호 발생 회로로서, 상기 보상 신호는 상기 비선형 부하의 임피던스의 변화에 실질적으로 둔감한 주 제어 신호에 대해 상기 전기 발전기의 출력 전력의 전달 함수를 만들어 상기 전기 발전기의 출력 전력을 안정화시키는 보상 신호 발생 회로를 포함하는 보상 서브시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
  12. 제11항에 있어서,
    적어도 제1 입력, 제2 입력 및 출력을 가지는 가산 회로로서, 상기 제1 입력은 상기 주 제어 신호를 수신하고, 상기 제2 입력은 상기 보상 신호를 수신하고, 상기 가산 회로의 출력은 상기 제어 입력에 접속되고, 상기 가산 회로는 상기 출력에서 상기 주 제어 신호와 상기 보상 신호의 합을 발생시키는 가산 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 보상 신호는, 상기 비선형 부하의 임피던스가 측정된 임피던스일 때 상 기 전기 발전기가 특정의 출력 전력을 발생시키게 하는 제어 신호와, 상기 전기 발전기가 상기 특정의 출력 전력을 기준 임피던스로 발생시키게 하는 제어 신호간의 차이인 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 엔진은 상기 제어 입력과는 분리된 제2 제어 입력을 더 포함하고, 상기 제2 제어 입력은 상기 보상 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 제어 입력은 바이어스 전압 입력인 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 보상 신호는, 상기 비선형 부하의 임피던스의 변화에 실질적으로 둔감한 주 제어 신호에 대해 상기 전기 발전기의 출력 전력의 전달 함수를 만드는 것에 더하여, 상기 전기 발전기가 사용자에 의해 구체화되는 방법으로 상기 비선형 부하의 임피던스와 상호작용하게 하는 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 전기 발전기는 무선 주파수 발전기인 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 비선형 부하는 플라즈마를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 보상 신호 발생 회로는, 복수의 출력 전력 레벨 각각에 대해, 측정된 임피던스의 한 세트의 이산값을 대응하는 보상 신호의 한 세트의 이산값에 매핑시키는 룩업 테이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 전기 발전기의 소스 임피던스는 기준 부하 임피던스의 켤레 복소수와는 실질적으로 다른 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 기준 부하 임피던스는 50Ω인 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
  22. 제어 입력을 포함하고, 전력 증폭기 및 변환기 중의 어느 하나인 엔진;
    전기 발전기의 출력에 접속된 비선형 부하의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정 회로, 및 측정된 임피던스에 좌우되는 보상 신호를 발생시키는 보상 신호 발생 회로를 포함하는 보상 서브 시스템; 및
    적어도 제1 입력, 제2 입력 및 출력을 가지는 가산 회로로서, 상기 제1 입력은 상기 전기 발전기에 의해 상기 비선형 부하로 전달되는 출력 전력, 출력 전류 및 출력 전압 중 적어도 어느 하나를 제어하는 주 제어 신호를 수신하고, 상기 제2 입력은 상기 보상 신호를 수신하고, 상기 가산 회로의 출력은 상기 제어 입력에 접속되고, 상기 가산 회로는 상기 출력에서 상기 주 제어 신호와 상기 보상 신호의 합을 발생시키고, 상기 보상 신호는, 상기 비선형 부하의 임피던스가 측정된 임피던스일 때 상기 전기 발전기가 특정의 출력 전력을 발생시키게 하는 제어 신호와, 상기 전기 발전기가 상기 특정의 출력 전력을 기준 임피던스로 발생시키게 하는 제어 신호간의 차이이고, 상기 보상 신호는 상기 비선형 부하의 임피던스의 변화에 실질적으로 둔감한 주 제어 신호에 대해 상기 전기 발전기의 출력 전력의 전달 함수를 만들어 상기 전기 발전기와 비선형 부하의 임피던스간의 상호작용에 의해 발생할 수 있는 출력 전력의 불안정성을 방지하는 가산 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
  23. 제1 제어 입력 및 제2 제어 입력을 포함하는 엔진으로서, 상기 제1 제어 입력은 전기 발전기에 의해 비선형 부하로 전달되는 출력 전력, 출력 전류 및 출력 전압 중 적어도 어느 하나를 제어하는 주 제어 신호를 수신하고, 상기 엔진은 전력 증폭기 및 변환기 중 어느 하나인 엔진; 및
    전기 발전기의 출력에 접속된 비선형 부하의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정 회로, 및 측정된 임피던스에 좌우되는 보상 신호를 발생시키는 보상 신호 발 생 회로를 포함하는 보상 서브시스템으로서, 상기 보상 신호는 상기 비선형 부하의 임피던스의 변화에 실질적으로 둔감한 주 제어 신호에 대해 상기 전기 발전기의 출력 전력의 전달 함수를 만들어 상기 전기 발전기와 비선형 부하의 임피던스간의 상호작용에 의해 발생할 수 있는 출력 전력의 불안정성을 방지하는 보상 서브시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
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