KR20110012055A - 아크제어수단을 구비한 플라즈마용 펄스전원장치 및 그 장치에서의 아크 제어 방법 - Google Patents

아크제어수단을 구비한 플라즈마용 펄스전원장치 및 그 장치에서의 아크 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마용 펄스 전원 장치에서 고속으로 아크를 검지하고 펄스 전압의 출력을 차단하는 방법 및 그 장치에 대하여 개시한다. 본 발명에 따른 펄스 전원 장치에서의 아크 제어는, 부하 측에서 발생하는 아크를 고속으로 검출하고 출력 전압을 차단하여 아크 에너지의 전달을 최소화하기 위한 것으로서, 출력단의 전압변화를 검지하는 단계, 검지된 전압변화에 대하여 아크 발생 여부를 판단하는 단계, 아크 발생 여부 판단에 따른 아크 발생 신호를 펄스출력 동작을 제어하는 주제어기에 공급하는 단계, 아크 차단용 게이트 신호를 통해 펄스 출력 모듈부의 각 스위칭 소자를 Off하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따르면, 고속으로 아크를 검지하고 부하 측으로의 펄스출력을 차단함으로써 부하 측으로의 축적된 아크 에너지의 전이를 감소시킬 수 있다.
플라즈마, 펄스출력, 아크제어

Description

플라즈마용 펄스전원장치의 아크 제어 방법 및 그 장치 { Arc control method for plasma pulse power supply and apparatus thereof }
본 발명은 플라즈마용 펄스 전원 장치의 아크 제어방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히 펄스 전원장치를 이용한 플라즈마 박막 증착 공정에서 부하 측에서 발생하는 아크를 고속으로 검출하고 이에 따라 펄스출력을 차단하여 아크 에너지의 전달을 최소화함으로써 부하에 안정적인 출력전력을 공급하기 위한 제어 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
종래에는 부하 측의 아크 발생시 동작하는 전압이나 전류값을 검출하여 출력을 차단하는데 사용하여 아크 발생에 대한 검지 시간이 길어 부하로 전달되는 아크 에너지가 컸고, 이로 인해 코팅품질을 저하시키는 문제가 발생하였다. 또 이로 인해 아크 발생의 빈도가 늘어나고 안정적인 플라즈마 상태의 제어가 어려웠다.
또한 아크 발생 상태에 대해서 아크 상태의 강도를 구분하기 어려웠음에 따라 공정 시 아크 빈도에 의한 공정차단의 판단이 어려웠다.
본 발명은 상기한 종래 기술들의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 플라즈마용 펄스 전원 장치에서 부하 측에 발생한 아크를 고속으로 감지하고 부하 측으로의 펄스 출력을 차단하기 위한 방법 및 그 장치를 제공함에 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는,
제1 관점으로서,
입력되는 교류신호를 정류하는 정류부와; 상기 정류부에서 출력되는 신호를 필터링하는 필터부와; 상기 필터부에서 필터링된 신호를 다른 크기의 신호로 변환하여 출력하는 DC/DC 컨버터와; 4 개의 스위칭 소자가 H 브리지 형으로 형성되고, 제어부의 스위칭 제어 신호에 따라 상기 DC/DC 컨버터에서 출력된 신호를 펄스 신호로 변환하여 출력하는 펄스 출력부와; 상기 DC/DC 컨버터와 상기 펄스 출력부 사이에 위치하고, 1차 권선 및 2차 권선으로 구성된 인덕터를 갖추어 상기 펄스 출력부에서 출력되는 신호의 급격한 변화를 검지하는 아크 검지부와; 상기 펄스 출력부의 각 스위칭 소자를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 아크 검지부는 2차 권선에 유도된 전압이 일정 기준치 이상일 경우 아크 신호가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하고,
상기 아크 검지부에서 아크 신호가 발생한 것으로 판단된 경우에는, 상기 제 어부에서 상기 펄스 출력부, 또는 상기 DC/DC 컨버터, 또는 상기 펄스 출력부 및 상기 DC/DC 컨버터의 출력을 차단하도록 제어하는 것을 특징으로 하고,
상기 펄스 출력부는 각 스위칭 소자가 Off 됨으로써 출력이 차단되고,
상기 DC/DC 컨버터는 출력단의 스위치가 Off 됨으로써 출력이 차단되는 것을 특징으로 한다.
제2 관점으로서,
전원장치와 접속하기 위한 접속부와; 4 개의 스위칭 소자가 H 브리지 형으로 형성되고, 제어부의 스위칭 제어 신호에 따라 상기 접속부를 통한 신호를 펄스 신호로 변환하여 출력하는 펄스 출력부와; 상기 접속부와 상기 펄스 출력부 사이에 위치하고, 1차 권선 및 2차 권선으로 구성된 인덕터를 갖추어 상기 펄스 출력부에서 출력되는 신호의 급격한 변화를 검지하는 아크 검지부와; 상기 펄스 출력부의 각 스위칭 소자를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 아크 검지부는 2차 권선에 유도된 전압이 일정 기준치 이상일 경우 아크 신호가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하고,
상기 아크 검지부에서 아크 신호가 발생한 것으로 판단된 경우에는, 상기 제어부에서 상기 펄스 출력부의 출력을 차단하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 방법적 관점으로서,
입력 교류 신호를 정류하는 정류부와; 상기 정류부에서 정류된 신호를 필터링하는 필터부와; 상기 필터부에서 필터링된 신호를 다른 크기의 신호로 변환하여 출력하는 DC/DC 컨버터와; 스위칭 소자를 이용하여 상기 DC/DC 컨버터에서 출력된 신호를 펄스 신호로 변환하여 출력하는 펄스 출력부와; 상기 펄스 출력부와 상기 DC/DC 컨버터 사이에 위치하고 펄스 출력부의 출력 신호의 급격한 변화를 검지하는 아크 검지부와; 상기 펄스 출력부 및 상기 DC/DC 컨버터를 제어하는 제어부를 포함하는 펄스 전원 장치에서 아크 발생을 제어하는 방법에 있어서,
상기 아크 검지부에서 유도 전압의 발생에 의해 펄스 출력 신호의 급격한 변화를 검지하는 1 단계; 상기 아크 검지부에서 검지된 유도 전압이 일정 기준치 이상인지를 판단하는 2 단계; 일정 기준치 이상으로 판단된 경우, 상기 제어부에서 상기 펄스 출력부, 상기 DC/DC 컨버터 중 어느 하나 이상의 출력을 차단하도록 제어하는 3 단계;를 포함한다.
또한,
전원장치와 접속하기 위한 접속부와; 스위칭 소자를 이용하여 상기 접속부를 통한 신호를 펄스 파형으로 변환하여 출력하는 펄스 출력부와; 상기 펄스 출력부와 상기 접속부 사이에 위치하고 펄스 출력부의 출력 신호의 급격한 변화를 검지하는 아크 검지부와; 상기 펄스 출력부를 제어하는 제어부를 포함하는 펄스 전원 장치에서 아크 발생을 제어하는 방법에 있어서,
상기 아크 검지부에서 유도 전압의 발생에 의해 펄스 출력 신호의 급격한 변화를 검지하는 1 단계; 상기 아크 검지부에서 검지된 유도 전압이 일정 기준치 이상인지를 판단하는 2 단계; 일정 기준치 이상으로 판단된 경우, 상기 제어부에서 상기 펄스 출력부의 출력을 차단하도록 제어하는 3 단계;를 포함한다.
상기한 본 발명의 실시에 따라 기대되는 효과는 다음과 같다.
첫째, 펄스 전원 장치에서도 부하에서 발생하는 아크 상태에 대해서 고속으로 아크 신호를 검지할 수 있게 된다.
둘째, 고속으로 아크를 차단하므로 아크 발생시 부하로 전이되는 전원장치의 축적된 아크 에너지를 저감시키고 이로 인한 피코팅물에 품질 저하를 최소화 할 수 있다.
셋째, 고속의 아크검지와 차단, 재기동 제어로 인해 원활한 플라즈마 코팅공정을 가능하게 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예의 구성 및 동작을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 실시예에 따른 플라즈마용 펄스 전원 장치의 구성도이다.
도 1에서 볼 수 있듯이, 정류부(10), 필터부(20), DC/DC 컨버터(30), 아크 검지부(40), 펄스출력부(50) 및 주제어부(60)를 포함하여 구성될 수 있으며, 교류입력전압을 공급받아 플라즈마의 발생 및 제어를 위한 펄스 전력을 부하에 공급한다.
정류부(10)는 3상 교류입력을 공급받아 직류로 정류한다.
필터부(20)는 상기 정류부(10)에서 정류된 전압을 원하는 형태로 필터링한다. 필터부는 상기 정류부(10)와 직렬로 연결되는 인덕터(Lf)와 상기 정류부(10)와 병렬로 연결되는 콘덴서(Cf)로 구성될 수 있다.
DC/DC 컨버터(30)는 상기 필터부(20)에 의해 필터링된 직류를 출력하고자 하는 직류 전압으로 바꾸어주기 위한 것으로, 다양한 전력 변환 기법의 적용이 가능하다. 또한, 상기 주제어부로부터 출력 차단 신호를 전달받으면 출력단에 구비된 스위치를 Off시켜 펄스 출력부로의 출력을 차단하게 된다.
아크 검지부(40)는 펄스 출력부(50)의 출력 펄스 전압에 발생하는 아크를 검지하기 위한 것으로서, 1차 권선과 2차 권선으로 분리된 인덕터(La)를 사용하여 펄스 출력부에서 출력되는 펄스 전압에 아크가 발생하였는지를 검지하고, 검지된 아크 신호가 일정 기준치 이상일 경우에는 아크 발생 신호를 상기 주제어부(60)로 전달한다.
즉, 상기 인덕터(La)의 1차 권선은 상기 펄스출력부(50)와 직렬로 연결되고, 상기 펄스출력부의 출력 펄스에 아크가 발생한 경우 상기 인덕터(La)의 1차 권선에 아크 발생에 따른 1차 전압이 유도되고, 유도된 1차 전압에 의해 2차 권선에 2차 전압이 유도된다.
상기 아크 검지부(40)는 이 2차 전압이 설정된 기준치 이상일 경우에는 아크 발생 신호를 상기 주제어부(60)로 전달한다.
펄스 출력부(50)는 스위칭 소자인 FET 4 개가 H 브리지 형으로 이루어지고 각 스위칭 소자에는 다이오드가 각각 병렬로 연결되어 있고, H 브리지의 중간 2개의 노드에서 출력 전압(Vout)을 인출하게 된다
4개의 스위칭 소자 각각의 게이트(Ga,Gb,Gc,Gd)에 상기 주제어부(60)로부터 의 게이트 제어 신호가 인가됨에 따라 각각의 스위치는 On/Off 되며, 각 스위치의 On/Off 상태 조합에 따라 펄스 전압이 출력된다.
예를 들면, Ga와 Gd가 On일 경우에는 정(+)의 펄스 전압이, Gb와 Gc가 On일 경우에는 부(-)의 펄스전압이 각각 출력된다.
주제어부(60)는 상기 펄스 출력부(50)의 각 스위치에 게이트 제어 신호를 인가하여 펄스 전압이 출력되게 한다.
또한, 상기 주제어부는 상기 아크 검지부로부터 아크 발생 신호를 전달받으면, 상기 DC/DC 컨버터부에 출력 차단 신호를, 상기 펄스출력부에 게이트 차단 신호를 전달한다.
출력 차단 신호를 전달받은 DC/DC 컨버터는 펄스 출력부로의 전압 출력을 차단하고, 게이트 차단 신호를 인가받은 펄스 출력부의 각 스위치는 Off되어 출력 전압(Vout)의 펄스 출력이 차단된다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 대한 플라즈마용 펄스 전원장치의 구성도이다.
도 1에서 아크 검지부와 펄스출력부만을 따로 구성한 것이로서, 외부의 DC전원장치와 접속하기 위한 접속부(210)를 갖는다. 도 1을 참조한 설명에서 아크검지부, 펄스출력부, 주제어부와 관계되는 설명이 그대로 적용된다. 여기서, 주제어부는 도시되어 있지 않다.
펄스출력부(50)는 상기 접속부(210)를 통한 DC 신호를 펄스 출력으로 변환하여 출력한다.
상기 접속부(210)와 상기 펄스출력부(50) 사이에는 아크검지부(40)가 위치한다.
도 3은 펄스 출력과 게이트 신호와 아크 신호의 관계를 설명하는 타이밍도이다.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 스위치의 게이트 신호의 조합에 따라 펄스 출력부에서 정의 펄스 또는 부의 펄스가 출력되고, 펄스 출력에 급격한 변화가 발생할 경우에 상기 아크 검지부에는 그러한 펄스 출력의 급격한 변화에 따른 아크 신호가 검지되게 된다.
상기 아크 검지부(40)에서는 정상적인 펄스 출력에 따른 급격한 변화에 대하여는 아크 발생으로 판단하지 않고, 비정상적인 변화에 대하여 아크 발생으로 판단하게 되는데, 보통 정상적인 변화에 의한 유도 전압값을 기준치로 하여 유도 전압값이 그 이상이 되는 경우에 아크가 발생한 것으로 판단하게 된다.
도 4는 아크 발생에 따라 펄스 출력부의 게이트를 차단하기 위한 논리회로이다.
주제어부에서는 아크 검지부로부터 아크 발생 신호를 전달받을 경우 펄스 출력부의 모든 스위치의 게이트를 Off하기 위한 게이트 차단 신호를 각 스위치에 전달하게 되며, 이때 펄스 출력은 차단된다.
구체적으로, 정의 펄스(Ga, Gd가 On인 상태) 또는 부의 펄스(Gb, Gc가 On인 상태)가 출력되고 있는 동안에 아크 발생 신호가 전달되면 게이트 차단 신호가 발생하게 되고, 이때 논리회로에 인가되는 아크 발생 신호는 일정 시간 폭을 가진 펄 스가 될 것이고, 일정 시간이 지나게 되면 게이트 차단 신호는 "0"가 되어 펄스 발생부는 정상적으로 재기동하게 되는데, 이는 DC/DC 컨버터의 출력을 차단하는 경우에도 같이 적용된다.
이러한 일정 시간 폭은 구체적인 예에 따라 다르게 설정될 수 있으며, 상기 주제어부에 일정 시간 폭을 조절할 수 있는 조절수단을 포함하는 것도 가능하다.
즉, 사용자가 시간 폭을 설정할 수 있도록 자유롭게 설정하면, 주제어부에서는 아크 발생 신호시로부터 일정 시간 동안 펄스 출력을 차단하게 하고, 일정 시간 후에는 정상적으로 펄스를 출력하도록 제어한다.
위에서 설명한 펄스 전원 장치에서 아크를 검지하고 펄스 출력을 제어하는 방법을 보면,
먼저, 상기 아크 검지부에서 유도 전압의 발생에 의해 펄스 출력 신호의 급격한 변화를 검지하고,
상기 아크 검지부에서 검지된 유도 전압이 일정 기준치 이상인지를 판단하고,
일정 기준치 이상으로 판단된 경우, 상기 제어부에서 상기 펄스 출력부를 제어하여 펄스 출력을 차단하게 된다.
이때, 상기 아크 검지부 전단에 입력신호를 특정 크기로 변환하는 DC/DC 컨버터를 더 포함할 경우에는,
상기 제어부는 상기 DC/DC 컨버터를 제어하여 DC/DC 컨버터의 출력을 차단하도록 하는 것을 더 포함하여 펄스의 출력을 제어할 수 있다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상기 발명의 상세한 설명에서 언급된 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 기술적 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 실시예에서는 설명되지 않았지만, 아크 신호의 레벨에 따라 아크의 강도를 여러 스텝으로 구분하여 검지할 수 있도록 하여 사용자에게 다양한 공정 변수를 제공할 수도 있을 것이다.
또한, 본 발명에 의해 아크 발생시 출력전압의 변화분을 검지하기 위해 2차 권선을 포함한 아크 검지부의 인덕터(Inductor)는 정상상태에서 급속한 전류의 증가를 억제하고 출력 동작점을 안정화시키며 아크발생의 억제효과를 도모하는 역할도 아울러 수행한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마용 펄스 전원 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 대한 플라즈마용 펄스 전원장치의 구성도이다.
도 3은 펄스 출력과 게이트 신호와 아크 신호의 관계를 설명하는 타이밍도이다.
도 4는 아크 발생에 따라 펄스 출력부의 게이트를 차단하기 위한 논리회로이다.
< 도면의 주요 부호에 대한 설명 >
10 : 정류부 20 : 필터부
30 : DC/DC 컨버터부 40 : 아크 검지부
50 : 펄스 출력부 60 : 주제어부

Claims (9)

  1. 입력되는 교류신호를 정류하는 정류부와;
    상기 정류부에서 출력되는 신호를 필터링하는 필터부와;
    상기 필터부에서 필터링된 신호를 다른 크기의 신호로 변환하여 출력하는 DC/DC 컨버터와;
    4 개의 스위칭 소자가 H 브리지 형으로 형성되고, 제어부의 스위칭 제어 신호에 따라 상기 DC/DC 컨버터에서 출력된 신호를 펄스 신호로 변환하여 출력하는 펄스 출력부와;
    상기 DC/DC 컨버터와 상기 펄스 출력부 사이에 위치하고, 1차 권선 및 2차 권선으로 구성된 인덕터를 갖추어 상기 펄스 출력부에서 출력되는 신호의 급격한 변화를 검지하는 아크 검지부와;
    상기 펄스 출력부의 각 스위칭 소자를 제어하는 제어부를 포함하는 펄스 전원 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 아크 검지부는 2차 권선에 유도된 전압이 일정 기준치 이상일 경우 아크 신호가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 펄스 전원 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 아크 검지부에서 아크 신호가 발생한 것으로 판단된 경우에는, 상기 제어부에서 상기 펄스 출력부, 또는 상기 DC/DC 컨버터, 또는 상기 펄스 출력부 및 상기 DC/DC 컨버터의 출력을 차단하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 펄스 전원 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 펄스 출력부는 각 스위칭 소자가 Off 됨으로써 출력이 차단되고,
    상기 DC/DC 컨버터는 출력단의 스위치가 Off 됨으로써 출력이 차단되는 것을 특징으로 하는 펄스 출력 장치.
  5. 전원장치와 접속하기 위한 접속부와;
    4 개의 스위칭 소자가 H 브리지 형으로 형성되고, 제어부의 스위칭 제어 신호에 따라 상기 접속부를 통한 신호를 펄스 신호로 변환하여 출력하는 펄스 출력부와;
    상기 접속부와 상기 펄스 출력부 사이에 위치하고, 1차 권선 및 2차 권선으로 구성된 인덕터를 갖추어 상기 펄스 출력부에서 출력되는 신호의 급격한 변화를 검지하는 아크 검지부와;
    상기 펄스 출력부의 각 스위칭 소자를 제어하는 제어부를 포함하는 펄스 전원 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 아크 검지부는 2차 권선에 유도된 전압이 일정 기준치 이상일 경우 아크 신호가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 펄스 전원 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 아크 검지부에서 아크 신호가 발생한 것으로 판단된 경우에는, 상기 제어부에서 상기 펄스 출력부의 출력을 차단하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 펄스 전원 장치.
  8. 입력 교류 신호를 정류하는 정류부와; 상기 정류부에서 정류된 신호를 필터링하는 필터부와; 상기 필터부에서 필터링된 신호를 다른 크기의 신호로 변환하여 출력하는 DC/DC 컨버터와; 스위칭 소자를 이용하여 상기 DC/DC 컨버터에서 출력된 신호를 펄스 신호로 변환하여 출력하는 펄스 출력부와; 상기 펄스 출력부와 상기 DC/DC 컨버터 사이에 위치하고 펄스 출력부의 출력 신호의 급격한 변화를 검지하는 아크 검지부와; 상기 펄스 출력부 및 상기 DC/DC 컨버터를 제어하는 제어부를 포함하는 펄스 전원 장치에서 아크 발생을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 아크 검지부에서 유도 전압의 발생에 의해 펄스 출력 신호의 급격한 변화를 검지하는 1 단계;
    상기 아크 검지부에서 검지된 유도 전압이 일정 기준치 이상인지를 판단하는 2 단계;
    일정 기준치 이상으로 판단된 경우, 상기 제어부에서 상기 펄스 출력부, 상기 DC/DC 컨버터 중 어느 하나 이상의 출력을 차단하도록 제어하는 3 단계;
    를 포함하는 아크 발생 제어 방법.
  9. 전원장치와 접속하기 위한 접속부와; 스위칭 소자를 이용하여 상기 접속부를 통한 신호를 펄스 파형으로 변환하여 출력하는 펄스 출력부와; 상기 펄스 출력부와 상기 접속부 사이에 위치하고 펄스 출력부의 출력 신호의 급격한 변화를 검지하는 아크 검지부와; 상기 펄스 출력부를 제어하는 제어부를 포함하는 펄스 전원 장치에서 아크 발생을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 아크 검지부에서 유도 전압의 발생에 의해 펄스 출력 신호의 급격한 변화를 검지하는 1 단계;
    상기 아크 검지부에서 검지된 유도 전압이 일정 기준치 이상인지를 판단하는 2 단계;
    일정 기준치 이상으로 판단된 경우, 상기 제어부에서 상기 펄스 출력부의 출력을 차단하도록 제어하는 3 단계;
    를 포함하는 아크 발생 제어 방법.
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