KR20120106760A - 산업적 프로세스 작동 방법 - Google Patents

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KR20120106760A
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미카엘 글뤼크
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헛팅거 일렉트로닉 게엠베하 + 코 카게
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Abstract

펄스형 전력 출력 작동식으로 반도체 스위칭 요소를 이용하여 플라즈마 설비, 유도 가열 설비, 또는 레이저 여기 설비를 작동시키기 위한 방법에서, 전력 출력 시간 주기 ΔT1에 제 1 전력 POUT1.1을 생성하여 플라즈마 프로세스, 유도 가열 프로세스 또는 레이저 여기 프로세스로 전력을 공급하는 발전기의 전력 출력부에서 방출하며; 플라즈마 프로세스, 유도 프로세스 또는 레이저 여기 프로세스의 작동에 또는 개시에 적합한 전력POUT2.1을 펄스 중단 시간 주기 ΔT2에 제어되는 발전기의 하나 이상의 반도체 스위칭 요소(9)에 의해 발전기의 전력 출력부에서 출력하지 않으며; 제 1 전력 손실 PV1을 제 1 전력 POUT1 .1의 생성과 동시에 전력 출력 시간 주기 ΔT1 동안 하나 이상의 반도체 스위칭 요소(9) 내에서 생성하며; 제 2 전력 손실 PV2를 하나 이상의 반도체 스위칭 요소(9)에서 펄스 중단 시간 주기 ΔT2 동안 생성하며; 이들 생성되는 전력 손실 PV1, PV2를 열로 변환하며; 미리 결정된 값보다 큰 만큼의 반도체 스위칭 요소(9)의 온도의 감소를 반도체 스위칭 요소의 적절한 제어에 의해 방지하며; 전력 출력 작동 및 펄스 중단 작동을 연속적으로 교호하게 행한다.

Description

산업적 프로세스 작동 방법{METHOD FOR OPERATING AN INDUSTRIAL PROCESS}
본 발명은 플라즈마 설비, 유도 가열 설비, 또는 레이저 여기(excitation) 설비 작동 방법에 관한 것이다.
가스 레이저의 여기 또는 유도 가열 또는 플라즈마 여기와 같은 산업적인 프로세스를 위해, 교류 전력, 특히 고주파 전력을 생성하기 위해서, 증폭기 튜브를 가지는 교류 전력 생성 장치가 높은 전력 레벨을 위해서 아직도 종종 이용되고 있다. 이러한 이유는, 특히 급속한 로드(load) 변화에 대한 증폭기 튜브의 강건한 성질 때문이다. 그러나, 증폭기 튜브를 가지는 그러한 교류 전력 생성 장치는 열등한 효율 레벨을 가지고 그리고 증폭기 튜브는 마모된다. 결과적으로, 이러한 교류 전력 생성 장치를 반도체 스위칭 요소들에 의해 작동하는 것들로 대체하기 위한 노력이 계속적으로 있어 왔다. 이는, 예를 들어, 트랜지스터들일 수 있다. 현재 이용 가능한 트랜지스터들을 이용하여, 트랜지스터마다 약 500 W까지의 전력 레벨이 생성될 수 있다. 그러나, 몇 킬로와트로부터 메가와트까지의 레벨이 요구된다. 그러한 전력 레벨을 생성하기 위해서, 복수의 트랜지스터들이 함께 연결되어 전력 변환기 유닛 내에 설치되는 트랜지스터 모듈들을 형성하여야 한다. 또한, 복수의 전력 변환기 유닛들이 함께 연결되어 교류 전력 생성 장치를 형성하여야 한다. 결과적으로, 교류 전력 생성 장치 내의 트랜지스터의 수는 필요한 각각의 킬로와트마다 적어도 2개의 트랜지스터만큼 증가된다. 결과적으로, 개별적인 트랜지스터들의 신뢰성에 대한 요건이 기하급수적으로 높아지는데, 이는 각각의 트랜지스터의 고장이 전체 교류 전력 생성 장치의 차단을 초래할 수 있기 때문이다. 산업적인 프로세스들에서, 교류 전력 생성 장치가, 때때로 매 초(every second)로부터 몇 ㎲까지의 매우 다양한 펄스 주파수로, 펄스화된(pulsed) 방식으로 종종 작동된다. 트랜지스터들은 종종 약 3 MHz 초과의 고주파수로 작동된다. 출력 전력의 변조가 또한 산업적인 프로세스들에서 공지된 방법이다. 이러한 경우에, 예를 들어 유도 가열 프로세스들 중에, 예를 들어, 유도 가열 프로세스에서, 공작물(workpiece) 내에서 특정 온도에 도달하였을 때 그리고 이어서 단지 유지되도록 또는 약간만 변화되도록 의도된 경우에, 출력 전력이 변화된다. 레이저를 이용하여 공작물을 프로세싱할 때, 예를 들어, 프로세싱되는 공작물을 변화시킬 때, 전력 변환기는 전력을 필요로 하지 않는 비교적 긴 중단 시간 또는 대기 시간에 브리지(bridge)되어야 한다.
예를 들어, 높은 전류 레벨에서 작동되고 그리고 결과적으로 예를 들어 100 W 보다 큰 높은 전력 레벨을 생성하기 위해서 작동되는 트랜지스터, IGBT, MOSFET 또는 그로부터 구성되는 트랜지스터 모듈들과 같은 반도체 스위칭 요소들은, 특히 반도체 스위칭 요소의 작업이 펄스형 전력 변화를 이용하여 실행되는 경우에, 종종 조기에 고장나는 경향을 가진다. 이는 특히 이하의 2가지 현상으로 설명된다: 첫 번째로, (예를 들어, 기판, 반도체 기판, 본드 와이어와 같이) 반도체 스위칭 요소에서 사용되는 물질의 서로 다른 열 팽창 계수. 만약 반도체 스위칭 요소의 모든 부품들이 일정한 방식으로 소정 온도까지 가열된다고 하더라도, 물질들의 상이한 열 팽창 계수는 내부의 기계적 장력을 초래하고, 그러한 장력은, 시간이 경과하면, 그리고 온도 변화에 따른 팽창 운동에 의해서, 파괴 및 고장을 초래하고 그리고, 두 번째로, 특히 집중적으로 냉각되는 부품들에서의 상이한 온도 분포를 초래한다. 반도체 스위칭 요소를 이용하여 100 W 초과의 전력을 생성할 때, 일반적으로 반도체 스위칭 요소를 강제적인 방식으로 냉각시키는 것이 필수적이며, 다시 말해서, 예를 들어, 강제 공기 유동으로 부재들을 냉각시키는 것에 의해서 또는 유체 냉각에 의해서 냉각시키는 것이 필수적이다. 이러한 경우에, 예를 들어, 반도체 스위칭 요소의 반도체층으로부터 냉각 플레이트까지 온도 구배가 생성된다. 이는, 상이한 온도 분포로 인해서 전술한 로드에 대해서 부가적인 로드가 또한 부가된다는 것을 의미한다. 이러한 경우에, 또한 반도체 스위칭 요소의 영역에 걸쳐서 여전히 균일하지 못한 온도 분포가 존재하게 되고, 이는 또한 기계적인 장력을 유도한다.
반도체 스위칭 요소는 온도 변동이 있을 때 고장을 일으킨다. 전력 생성 작동 중에, 반도체 스위칭 요소는 가온되기 시작하고 전술한 현상들이 발생하기 시작한다. 그러나, 2개의 전력 작동 페이즈(phase; 단계) 사이에는, 냉각이 존재하고, 이는 추가적인 기계적인 장력을 초래한다. 그에 따라, 2개의 작동들 사이의 전력 작동과 중단(pausing) 사이의 일정한 변화는 항상 온도-관련 기계적 장력 및 운동을 초래한다.
본 발명의 목적은 펄스형 전력 출력 작동식의 반도체 스위칭 요소를 이용하여 플라즈마 설비, 유도 가열 설비, 또는 레이저 여기 설비를 작동시키기 위한 방법을 제공하며, 상기 반도체 스위칭 요소의 서비스-수명을 연장시키기 위한 것이다.
이러한 목적은 펄스형 전력 출력 작동식의 반도체 스위칭 요소를 이용하여 플라즈마 설비, 유도 가열 설비, 또는 레이저 여기 설비를 작동시키기 위한 방법에 의해서 달성되는데, 여기서, 전력 출력 시간 주기 ΔT1에 제 1 전력 POUT1.1을 생성하여 플라즈마 프로세스, 유도 가열 프로세스 또는 레이저 여기 프로세스로 전력을 공급하는 발전기의 전력 출력부에서 방출하며; 플라즈마 프로세스, 유도 프로세스 또는 레이저 여기 프로세스의 작동에 또는 개화(ignition)에 적합한 전력 POUT2.1을 펄스 중단 시간 주기 ΔT2에 제어되는 발전기의 하나 이상의 반도체 스위칭 요소에 의해 발전기의 전력 출력부에서 출력하지 않으며; 제 1 전력 손실 PV1을 제 1 전력 POUT1.1의 생성과 동시에 전력 출력 시간 주기 ΔT1 동안 하나 이상의 반도체 스위칭 요소 내에서 생성하며, 제 2 전력 손실 PV2를 하나 이상의 반도체 스위칭 요소에서 펄스 중단 시간 주기 ΔT2 동안 생성하며; 이들 생성되는 전력 손실 PV1, PV2를 열로 변환하며; 미리 결정된 값보다 큰 만큼의 반도체 스위칭 요소의 온도의 감소를 반도체 스위칭 요소의 적절한 제어에 의해 방지하며; 그리고 전력 출력 작동 및 펄스 중단 작동을 연속적으로 교호(alternating)하게 행한다.
그에 따라, 전력이 제공되지 않을 때 또는 플라즈마 프로세스가 개시될 수 없는 또는 플라즈마 프로세스, 유도 가열 프로세스 또는 레이저 여기 프로세스가 작동될 수 없는 그러한 낮은 레벨의 전력이 제공될 때, 반도체 스위칭 요소 내에서는 항상 의도적인(deliberate) 전력 손실 증가가 있게 된다. 통상적인 방식에서, 제 1 전력이 생성될 때, 반도체 스위칭 요소에서의 제 1 전력 손실이 열로 변환될 것이다. 만약, 효율 레벨이 변화되지 않는다고 가정하면, 제 2의 낮은 전력이 생성될 때 비례적으로 낮은 전력 손실이 열로 변환될 것이다. 이는 전력이 생성되지 않을 때 특히 심각하다. 통상적인 방식에 따라서, 이러한 경우에 전력 손실이 열로 변환되지 않으며 그리고 반도체 스위칭 요소가 냉각된다. 예를 들어, 제 1 전력까지의 다음 전력 증가 동안에, 다시 가열될 수 있을 것이다. 이는 기계적 열 팽창 장력으로 인해서 반도체 스위칭 요소에 대해서 유해한 로드를 초래한다. 이러한 경우에 설명된 방법으로, 반도체 스위칭 요소에서, 펄스 중단 시간 주기 동안에 생성되는 전력 손실 및 결과적인 열 생성을 선택적인 방식으로 증대시키는 것이 가능하다. 결과적으로, 전력 변화들 사이의 온도 차이가 감소되고 그리고 민감한 반도체 스위칭 요소에 대해서 덜 심각한 영향을 미친다. 이러한 방법은 효율을 최대화하고 그리고 전력 손실을 최소화하기 위한 목적과 상충된다. 그러나, 그 방법은 큰 이점을 제공하는데, 이는 반도체 스위칭 요소의 고장 비율의 감소가 전력 손실의 추가적인 감소보다 더 사용자-친화적이고 그리고 비용-효과적이기 때문이다. 제 1 전력 손실 PV1을 줄이기 위해서 이루어지는 추가적인 시도에 의해서 전력 손실을 줄이려는 목표를 향한 추가적인 성공적 단계들을 추가로 취할 수 있을 것이다. 반도체 스위칭 요소는, 예를 들어, 전도성 상태로부터 차단 상태가 될 수 있는, 제어 입력을 가지는 IGBT 또는 MOSFET 또는 다이오드와 같은 트랜지스터일 수 있다. 선택적으로, 그들은 또한 적어도 일시적으로 부분적 전도성 상태가 될 수 있을 것이다.
펄스 중단 중에, POUT2.1이 0 와트일 때, 0 보다 큰 제 2 전력 손실 PV2 또한 생성되어 반도체 스위칭 요소 내의 열로 변환되는 것이 바람직하다.
반도체 스위칭 요소 또는 반도체 스위칭 요소들이 제어 회로로부터의 제어 신호에 의해서 제어될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 방법은, 산업적인 프로세스가 펄스형 전력 출력 작동식으로 작동될 수 있고, 제 1 시간 범위 동안에 특정의 전력 레벨이 출력부로부터 요청되고 그리고 제 2 시간 범위 동안에, 다시 말해서, 처리될 공작물이, 예를 들어, 플라즈마의 경우에는 웨이퍼, 콤팩트디스크, FPD 등, 유도 가열 작동의 경우에 가열될 공작물, 또는 레이저의 경우에 금속 시트가 교체되거나 다른 프로세스에 노출될 때는 실질적으로 전력이 요청되지 않는다.
제 1 및 제 2 시간 범위는 연속적으로 반복된다. 이는 일정한 주파수로 또는 일정한 펄스 중단으로 반드시 실시되어야 하는 것은 아니나, 제어 시스템에 의해서 예측될 수 있을 것이다. 본 발명에 따른 방법을 이용할 때, 온도 변동은 특히 민감한 부품들에서 감소될 수 있다. 특히, 민감한 부품들이 펄스 중단 동안에, 다시 말해서, 출력 전력이 요청되지 않는 이러한 시간 동안에, 과도하게 냉각되는 것이 방지될 수 있다. 이는 무엇보다도 특정의 최대 온도를 초과하지 않도록 하는 것을 문제로 하는 것이 아니라, 펄스 중단 시간 주기 동안에 특히 민감한 부품의 온도 감소를 줄이고자 하는 것이다.
그러나, 일부 산업적인 프로세스들에서, 전력 출력 시간 주기 및 펄스 중단 시간 주기를 플라즈마 설비, 유도 가열 설비 또는 레이저 여기 설비에 의해서 미리 결정된 주파수 fp로 교번시키는 것이 유리할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 방법은, 원칙적으로, 교류 전력이 공급되는 산업적인 프로세스 그리고 직류 전력이 공급되는 산업적인 프로세스 모두에 대해서 사용될 수 있다. 만약, 산업적인 프로세스가 교류 전력을 필요로 한다면, 전력 출력 시간 주기 동안에 fp보다 큰 주파수 fn(fn > fp)으로 교류 전력을 생성하는 것이 유리할 것이다. 그에 따라, 전력 출력 시간 주기 동안에, 교류 전력이 공급된다. 따라서, 반도체 스위칭 요소가 배치되는 발전기의 출력부에서, 펄스형 교류 전력이 출력된다.
이러한 경우에, 주파수 fp가 0.01 Hz 내지 50 kHz 범위가 될 수 있을 것이다.
제 1 전력 손실 PV1은 제 1 전력 POUT1 .1에 대한 미리 결정된 또는 측정된 값으로부터 설정될 수 있고, 조정될 제 2 전력 손실 PV2는 설정된 제 1 전력 손실 PV1을 기초로 결정될 수 있으며, 하나 이상의 반도체 스위칭 요소는 제 2 전력 손실 PV2를 생성하도록 제어될 수 있다. 결과적으로, 제 1 전력 손실 PV1은 측정될 필요가 없다. 그것은 매우 복잡할 것이고 그리고 매우 신속하게 실시되어야 할 것이며, 다시 말해서, 또한 반도체 스위칭 요소에 인접하여 실시되어야 할 것이다. PV1은 반도체 스위칭 요소를 제어하는 제어 회로를 이용하여 결정될 수 있을 것이다. 제어 회로가 제 1 전력 POUT1.1에 대한 미리 결정된 희망 값을 수신할 때, 제어 회로가 제 1 전력을 조정하도록 구성될 수 있다. 연관된 전력 손실 PV1을 결정하도록 구성될 수 있다. 이를 위해서, 예를 들어, 데이터 테이블에 접근할 수 있고, 또는 식(formula)을 참조하여 그것을 계산할 수 있으며 또는 저장된 함수를 참조하여 그것을 결정할 수 있을 것이다. 제 2의 미리 결정된 전력 POUT2 .1의 경우에, 제 2 전력 손실 PV2는 명령 PV2 > PV1 *(POUT2 .1)을 참조하여 제어 회로를 이용하여 결정될 수 있을 것이며, 그에 따라 반도체 스위칭 요소가 제어될 수 있을 것이며, 다시 말해서, PV2 및 POUT2 .1이 생성되는 방식으로 제어될 수 있을 것이다. 제어 회로는, PV2와 관련된 변수를 측정할 필요가 없이, PV1을 조정하기 위해서 모든 정보에 접근할 수 있다.
그러한 방법은, 제 1 전력 손실 PV1이 데이터 저장 장치로부터 읽혀진 제 1 전력 POUT1 .1과 연관된 값에 의해서 결정된다는 점을 특징으로 할 수 있을 것이다. 제어 회로는, 프로세스 디지털 신호들 또는 디지털 및 아날로그 신호들을 프로세싱하고, 데이터를 프로세싱하거나 계산을 실시하며, 그에 따라 반도체 스위칭 요소를 제어하는 제어 신호를 생성한다는 점을 특징으로 할 수 있을 것이다.
제 2 전력 손실 PV2는 이하의 값들 중 하나 또는 둘 이상에 따라서 조정될 수 있다:
- 전력 출력 시간 주기의 지속시간
- 펄스 중단 시간 주기의 지속시간
- 전력의 시간 추이(progression in time)
- 반도체 스위칭 요소에서 전력 손실의 시간 추이
- 설정된 온도 또는 온도 곡선
- 설정된 전압 값 또는 전압 곡선
- 설정된 전류 값 또는 전류 곡선
- 교류 전력의 곡선, 반도체 스위칭 요소에서 전력 손실의 곡선, 온도 곡선, 전압 곡선 또는 전류 곡선의 시간 도함수(derivative).
제 2 전력 손실 PV2의 조정을 위해서, 예를 들어, 주변 온도, 예를 들어, 건물 내부의, 교류 전력 생성 장치 내의 온도, 냉각 장치의 온도, 예를 들어, 냉각 플레이트 또는 냉각 매체의 온도, 또는 반도체 스위칭 요소의 온도를 고려할 수 있다. 반도체 스위칭 요소의 온도로서, 바로 인접한 곳의 온도, 다시 말해서, 예를 들어, 바로 반도체 스위칭 요소의 상에서의 온도, 또는 미리 정해진 거리만큼 떨어진 위치에서의 온도, 다시 말해서, 예를 들어, 반도체 스위칭 요소의 하우징 상에서의 온도를 이용할 수 있을 것이다. 이러한 온도들은 측정될 수 있고 그리고 제 1 또는 제 2 시간 범위의 지속 시간과 조합하여 제 2 전력 손실 PV2의 조정을 위해서 또한 사용될 수 있다. 변조된 신호의 경우에, 전력의, 특히 교류 전력의, 반도체 스위칭 요소 또는 전력 변환기 유닛의 출력부에서의 특정 전압의 시간 추이, 또는 예를 들어, 반도체 스위칭 요소를 지나는 전류의 시간 추이를, 제 2 전력 손실 PV2의 조정을 위해서 고려할 수 있을 것이다. 모든 언급된 데이터는 저장 장치에 저장될 수 있고, 제어 회로가 그러한 저장 장치에 접근하여 제 2 전력 손실 PV2를 결정할 수 있을 것이다. 데이터는 주기적인 방식으로 링 저장 장치(ring store)에 저장될 수 있고 그리고 특정 데이터 양 후에는 덮어 쓰기될 수 있을 것이다. 이어서, 제어 회로는 가장 최근의 데이터에 대해서 항상 접근할 수 있을 것이고, 이는 제 2 전력 손실 PV2의 조정에 있어서 중요하다. 이들 모든 값들은 평가를 위해서 개별적으로 사용될 수 있고 또는 서로 조합되어 또는 POUT1 .1, POUT2 .1에 대한 전술한 값들과 조합되어 또는 가중치를 두고 조합되어 또는 시간 도함수와 조합되어 이용될 수 있을 것이다.
제 2 전력 손실 PV2는 제 1 전력 손실 PV1과 크기가 같을 수 있을 것이다. 이는 일반적으로 고려될 수 있는 상황인데, 이는 모든 반도체 스위칭 요소에서 온도 편차가 없다고 가정할 수 있기 때문이다.
제 2 전력 손실 PV2이제 1 전력 손실 PV1 ± 50% 또는 ± 30% 또는 ±20%와 크기가 같을 수 있다. 목표 PV2 = PV1에 도달하기 위해서, 큰 노력을 필요로 하는 경우가 종종 있다. 결과적으로, 일부 경우에, 조정에 대한 보다 큰 한계를 설정하는 것이 유리하다. 또한, 이는 주변 온도 또는 냉각 매체의 온도와 무관하게 이루어질 수 있는데, 이는 반도체 스위칭 요소에 대한 고장 위험이 절대 온도가 더 높은 경우에 동일한 온도 변화에서 발생 가능성이 더 높기 때문이다. 제 2 전력 손실 PV2이제 1 전력 손실 PV1 보다 더 크게 하는 방식으로 반도체 스위칭 요소를 제어하는 것은 실질적으로 유리하지 못한데, 이는 신뢰성과 관련하여 어떠한 이점도 얻어질 수 없기 때문이고 그리고 유리하지 못한 방식으로 증대된 전력 손실이 발생하기 때문이다. 그러나, 만약 특정 한계치들 이내에서 이러한 것이 실행된다면, 부정확성(imprecision)으로 인해서, 동시에, 전력 손실을 결정할 때 적은 노력을 유지하기 위해서, 그럼에도 불구하고 이는 유리할 수 있을 것이다.
방법의 변형에 따라서, 적어도 하나의 반도체 스위칭 요소는 전력 출력 시간 주기 ΔT1 동안에는 전도성 상태와 차단 상태 모두로 수회에 걸쳐 제어되고 펄스 중단 시간 주기 ΔT2 동안에는 적어도 일시적으로 부분적 전도성 상태로 스위칭될 수 있도록 할 수 있으며, 상기 전도성 상태에서는 상기 반도체 스위칭 요소가 스위칭 저항 Ron을 가지고 그리고 상기 차단 상태에서는 상기 반도체 스위칭 요소가 차단 저항 Roff를 가지며, 상기 부분적 전도성 상태에서는 상기 반도체 스위칭 요소가 전이 저항 Rv를 가지며, 상기 저항들은 Ron < Rv 및 Rv < Roff로 주어진다. 통상적으로, 반도체 스위칭 요소를, 가능하다면 전도성 상태로부터 비-전도성 상태로부터 그리고 그 반대로 반복하여 반도체 스위칭 요소를 스위칭하기 위한, 그리고 사이에 위치되는 부분적인 전도성 상태를 가능한 한 짧게 유지하기 위한 그리고 가능한 한 적은 양의 전력 손실이 반도체 스위칭 요소 내에서 생성되도록 시도하게 되었는데, 이는 Ron이 매우 낮을 때, 매우 적은 양의 전압만이 반도체 스위칭 요소에 걸쳐 강하(drop)될 것이고 그리고 전력 손실이 적을 것이기 때문이고 그리고, Roff가 매우 높을 때, 적은 전류만이 반도체 스위칭 요소에 걸쳐서 흐르게 될 것이고 전력 손실 역시 작을 것이기 때문이다. 그러나, 상기 방법에서 기술한 바와 같이, 상당한 전력 손실을 달성하기 위해서 반도체 스위칭 요소를 의도적으로 적어도 일시적으로 부분적 전도성 상태로 유도하고 그리고 유지하는 것이 유리할 것이다. 이러한 상태에서, 전류(I) 또는 전압(U)을 알고 있고 그에 따라 전력 손실 PV2 = U2/Rv 또는 PV2 = I2 * Rv이 조정되는 방식으로 저항 Rv이 조정될 때, 전력 손실은 매우 정밀하게 조정될 수 있을 것이다.
방법의 변형에 따라서, 제 2 전력 POUT2.1이0으로 되도록 하고 제 1 전력 손실 PV1 및 제 2 전력 손실 PV2이 2배 이하만큼 상이하도록 하는 방식으로, 펄스 중단 시간 주기 ΔT2 동안에 하나 이상의 반도체 스위칭 요소가 제어되도록 할 수 있을 것이다. 이는 통상적인 용도에서 적당한 복잡성과 반도체 스위칭 요소의 고장 위험의 충분한 감소 사이의 매우 양호한 절충안을 제공한다.
또한, 하나 이상의 반도체 스위칭 요소를, 전력 출력 시간 주기 ΔT1 동안에는 스위칭-온 시간 범위 ΔTon1 중에 전도성 상태로 제어하고 스위칭-오프 시간 범위 ΔToff1 중에 차단 상태로 제어하며, 펄스 중단 시간 주기 ΔT2 동안에는 스위칭-온 시간 범위 ΔTon2 중에 전도성 상태로 제어하고 스위칭-오프 시간 범위 ΔToff2에 대해서 차단 상태로 제어하며, 그리고 ΔTon2가 ΔTon1보다 작게 되도록 제어하도록 할 수도 있을 것이다. 반도체 스위칭 요소가 전류를 안내하도록 그러나 출력부에서 전력을 생성하지 않도록, ΔTon2가 작게 선택될 수 있을 것이다. 이러한 것이 기술적으로 가능한데, 이는 많은 반도체 스위칭 요소를 스위칭 온하였을 때, 예를 들어, 전류가 반도체 스위칭 요소의 출력부에서 분명히 나타나기 이전에 또는 출력부에서 전압 변화를 초래하기 이전에, 전하 캐리어들이 먼저 반도체 층 내에서 반드시 재분배되어야 하기 때문이다. 이러한 전류는 반도체 스위칭 요소 내에서 전력 손실을 초래할 수 있다. 이는 PV2의 조정을 위해서 이용될 수 있다. 그러나, ΔTo n2도 보다 크게 선택될 수 있으나, 이러한 방식으로 생성된 짧은 전력 펄스가, 예를 들어, 필터 요소와 같은 후속 출력 회로의 반도체 스위칭 요소의 출력을 통과하도록 허용하지 않을 정도로 또는 강력하게 댐핑될(damped) 수 있을 정도로 여전히 작다. 만약 짧은 펄스 ΔTon2가 원하는 전력 손실 PV2를 생성할 수 있기에 충분하지 못하다면, 복수의 이러한 펄스들이 미리 정해진 주파수 또는 가변 주파수를 이용하여 생성될 수 있을 것이다.
하나 이상의 부가적인 반도체 스위칭 요소를 제어함으로써, 부가적인 제 1전력 POUT1.2가 전력 출력 시간 주기 ΔT1 동안에 생성되고 부가적인 제 2 전력 POUT2.2가 펄스 중단 시간 주기 ΔT2 동안에 생성되도록 할 수 있을 것이다. 제 1 및 부가적인 제 1 전력은 각각 그들 자체의 전력 변환기 유닛 내에서 생성될 수 있다. 복수의 전력 변환기 유닛에 의해서 생성된 전력들이 함께 결합되어 출력 전력을 형성할 수 있다. 이는 후속 프로세스로 공급될 수 있다. 그러한 방법은 몇 가지 이점을 가진다. 첫 번째로, 특히 두 개의 전력뿐만 아니라 부가적인 전력들이 전력 변환기 유닛 내에서 생성되고 그리고 함께 연결되는 경우에 보다 더 높은 출력 전력이 달성할 수 있다. 그러나, 이러한 경우에 신뢰성이 매우 특히 중요한데, 이는 반도체 스위칭 요소의 고장이 전체 전력 생성 장치의 고장을 유도할 수 있기 때문이다. 또한, 그러한 방법은 다음과 같은 이점, 예를 들어, 반도체 스위칭 요소가 적은 출력 전력(예를 들어, POUT2.1, POUT2.2)을 그리고 동시에 비교적 적은 수의 부품들을 이용하여 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 동일한 범위까지 감소되지 않은 전력 손실(예를 들어, PV2)을 생성하는 방식으로 반도체 스위칭 요소가 제어될 수 있다는 이점을 제공할 수 있을 것이다. 이러한 것은 유효하게 작용하는데, 이는 낮은 출력 전력 생성의 경우에 서로 상호간에 부하를 가하도록 하는 방식으로 2개의 반도체 스위칭 요소가 제어될 수 있기 때문이다. 또한, 전력 커플러를 통해서 서로 연결되는 것은 반영된 전력에 대한 증대된 오작동의 내성을 제공하고 그리고 반도체 스위칭 요소들이 결과적으로 부가적으로 보호된다.
하나 이상의 반도체 스위칭 요소 및 하나 이상의 부가적인 반도체 스위칭 요소 각각이 서로 상이한 그들 고유의 제어 절차에 따라서 제어될 수 있다. 특히, 제어 절차는 전력 POUT1 .1 및 POUT1 .2의 생성 중에 동일할 수 있을 것이고, 그리고 전력 POUT2.1 및 POUT2 .2의 생성 중에 상이할 수 있을 것이다. 그에 따라, 동일한 제어 절차로 특별한 낮은-손실의 대칭적인 제어를 달성할 수 있고, 그리고 상이한 제어 절차로 보다 큰 손실을 의도적으로 포함하는 비-대칭적 제어를 달성할 수 있을 것이다. 가능한 제어 절차는, 예를 들어, 펄스 폭 제어, 위상(phase) 변위 또는 주파수 변동이 될 수 있을 것이다.
그러한 방법은, 다른 제 1 제어 절차에 따라서 전력 POUT1.1 및 POUT1.2를 생성할 때 그리고 제 2 제어 절차에 따라서 전력 POUT2 .1 및 POUT2 .2를 생성할 때 반도체 스위칭 요소들이 제어되고, 상기 제어 절차들은 서로 상이하다는 점을 특징으로 할 수 있다. 그에 따라, 반도체 스위칭 요소에서, 부가적인 제 1 제어 절차는 특별히 낮은 손실 레벨을 생성하는 제어 절차일 수 있고 부가적인 제 2 제어 절차는 특정 제어 가능한 손실을 생성할 수 있을 것이다. 또한, 이러한 경우에, 가능한 제어 절차들은, 예를 들어, 펄스 폭 제어, 위상 천이 또는 주파수 변동이 될 수 있을 것이다.
그러한 방법은 제 1 전력 POUT1 .1과 제 1의 부가적인 전력 POUT1 .2 간의 제 1 위상(phase) 관계가 조정될 수 있고 그리고 상기 제 1 위상 관계와 상이한 제 2 전력 POUT2.1과 제 2의 부가적인 전력 POUT2 .2 간의 제 2 위상 관계가 조정될 수 있다는 점을 특징으로 한다. 이러한 방법에 있어서, 제 2 전력 손실 PV2가 특히 정밀하고 정확하게 재현 가능한 방식으로 생성될 수 있다. 생성 및 교정과 관련하여 상당한 복잡성을 필요로 하지만, 이는 매우 범용적으로 그리고 신뢰할 수 있는 방식으로 이용될 수 있을 것이다.
제 1 전력 POUT1 .1과 관련된 변수는 측정 수단에 의해서 검출될 수 있고 그리고 원하는 값으로 조정될 수 있다. 이는, 예를 들어, 전력 변환기의 출력 전력, 출력 전압 또는 출력 전류가 될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 방법이 이용되어야 하는지의 여부, 특히 전력 손실이 의도적으로 생성되어야 하는지의 여부에 대한 결정을 위해서, 이하의 값들 중 하나 및/또는 이하의 값들 중 복수의 값의 조합이 이용될 수 있다:
- 전력 출력 시간 주기 ΔT1의 지속시간
- 펄스 중단 시간 주기 ΔT2의 지속시간
- 전력의 시간 추이
- 반도체 스위칭 요소에서 전력 손실의 시간 추이
- 설정된 온도 또는 온도 곡선
- 설정된 전압 값 또는 전압 곡선
- 설정된 전류 또는 전류 곡선
- 전력의 곡선, 반도체 스위칭 요소에서의 전력 손실의 곡선, 온도 곡선, 전압 곡선 또는 전류 곡선의 시간 도함수. 이러한 절차는 독립적인 발명으로 간주될 수 있다. 그에 따라, 전력 손실을 의도적으로 생성하는 본 발명에 따른 방법을, 예를 들어 매우 짧은 펄스 중단 또는 매우 적은 전력 변화에 따라 이용하는 것이 아니라, 펄스 중단이 특정 길이를 초과하거나 전력 변화가 특정 한계치를 초과하는 경우의 특정 한계치에 기초하여 이용하는 것이 분명히 유리하다.
본 발명의 다른 특징들 및 장점들은, 본 발명에 대해서 중요한 그리고 특허청구범위로부터 중요한 상세한 구성을 도시하는 첨부 도면들을 참조한, 본 발명의 실시예에 관한 이하의 설명으로부터 이해될 수 있을 것이다. 이러한 경우에 도시된 특징들은 반드시 크기대로 도시된 것이 아니라는 것을 이해할 수 있을 것이고 그리고 본 발명에 따른 특징들이 명확하게 보여질 수 있도록 하는 방식으로 도시된 것임을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 변형예들에서, 여러 가지 특징들이 개별적으로 또는 임의 조합으로 함께 실행될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예들이 개략적인 도면들에 도시되어 있고 그리고 이하의 기재에서 보다 구체적으로 설명된다.
도 1은 교류 전력 생성 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 2개의 전력 변환 유닛을 가지는 교류 전력 생성 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 3dB 90°하이브리드 커플러 및 2개의 풀 브릿지 전력 변환기 유닛을 가지는 교류 전력 생성 장치를 도시한 도면이다.
도 4는 2개의 하프(half) 브릿지를 가지는 교류 전력 생성 장치를 도시한 도면이다.
도 5a는 펄스 작동에서 전력 곡선을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5b는 변조 작동에서 전력 곡선을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 2개의 클래스(class) E 인버터를 가지는 교류 전력 생성 장치를 도시한 도면이다.
도 7a, 7b 및 도 8a, 8b는 펄스형 전력 출력 작동식의 교류 전력의 생성을 위한 시간 추이를 도시한 도면이다.
도 1은 고주파 전력 생성 장치일 수 있는 교류 전력 생성 장치(5)를 도시한다. 그러한 교류 전력 생성 장치는 전력 변환기 유닛(7)을 구비하고, 그러한 전력 변환기 유닛 내에는 하나 이상의 반도체 스위칭 요소(9)가 배치된다. 이는 3가지의 주로 이용되는 반도체 스위칭 요소(MOSFET, IGBT, SCR)에 대해서 3개의 상이한 심볼을 이용하여 표시되었고, 그리고 이러한 경우에, 다른 방식으로 연결될 수 있는 모든 가능한 반도체 스위칭 요소들이 포함되는 방식으로 이해되어야 할 것이다. 전력 변환기 유닛(7)은, 예를 들어, 하프 브릿지, 또는 풀 브릿지, 클래스 E 인버터 또는 클래스 D 인버터를 구비할 수 있을 것이다. 반도체 스위칭 요소(9)는 냉각 장치(17)에 의해서 냉각될 수 있을 것이다. 이는, 예를 들어, 공기중으로 또는 액체 냉각 매체로 열을 방출하는 냉각 부재일 수 있을 것이다. 반도체 스위칭 요소(9)는 제어 회로(11)에 의해서 제어된다. 생성되는 전력, 본 예의 경우에 교류 전력, 특히 고주파 전력이 교류 전력 생성 장치(5)의 출력부(14)로 공급된다. 온도가 여러 지점들에서 측정될 수 있다. 제 1 온도 센서(18)가 교류 전력 생성 장치(5)의 하우징 내부의 주변 온도를 측정할 수 있고, 제 2 온도 센서(19)가 냉각 장치(17)의 온도를 측정할 수 있으며, 제 3 온도 센서(20)가 반도체 스위칭 요소(9)의 온도를 측정할 수 있다. 또한, 이러한 경우에 측정 센서(21)에 의해 표시되는 전력, 전압 및 전류가 결정될 수 있다. 이들 전기적 변수들의 측정은 교류 전력 생성 장치(5)의 출력부(14)에서 또는 전력 변환기 유닛(7)의 출력부에서 또는 반도체 스위칭 요소(9)들 중 하나에서 실시될 수 있다.
제어 회로(11)는, 반도체 스위칭 요소(9)를 제어하기 위한 적절한 제어 신호를 생성하기 위해서 제어 회로(11)에 영향을 미칠 수 있는 모니터링 제어 회로(15)를 구비한다. 선택적인 방식으로 반도체 스위칭 요소(들)의 전력 손실에 영향을 미치기 위해서 제어 신호가 생성될 수 있다. 이러한 것은, 예를 들어 출력부(14)에서 제 1 전력 생성 및 출력에 있어서, 반도체 스위칭 요소(9) 내의 제 1 전력 손실 PV1이 열로 변환되도록 하는 방식으로 이루어진다. 예를 들어 출력부(14)에서, 제 1 전력 생성 및 출력에 비해서 보다 낮은 제 2 전력 생성 및 출력의 경우에, 제 2 전력 손실 PV2가 반도체 스위칭 요소(9) 내에서 열로 변환되고, 이를 위해서 PV2 > PV1 *(POUT2.1/POUT1.1)이 되고, 바람직하게 POUT2.1 는 0 W 범위가 된다. 그러한 구성 또는 그러한 방법에서, 적어도 하나의 반도체 스위칭 요소(9)가 빈번한 및/또는 큰 온도 변화로 인한 조기 손상으로부터 보호될 수 있다. 동시에, 그러한 구성은 에너지-절감이 가능한데, 이는 전력 손실이 문제 해결을 위해서 필요한 범위까지만 증대되기 때문이다. 만약 제 1 전력 손실 PV1이 대응하는 수단 또는 장치에 의해서 추가로 감소된다면, 또한 제 2 전력 손실을 상응하게 감소시키도록 제어가 그에 따라 맞춰서 구성될 수 있다.
예를 들어, 출력부(14)에서 출력 전력을 제어 또는 조정하기 위해서, 희망하는 값(22)이 제어 회로(11)에 대해서 미리 결정될 수 있다.
제 1 교류 전력 POUT1.1로부터 제 1 전력 손실 PV1을 설정하기 위해서, 모니터링 제어 회로(15)가 데이터 저장 장치(34) 및 프로그램 메모리(35)를 가지는 디지털 데이터 프로세싱 장치(33)를 구비할 수 있다.
모니터링 제어 회로(15)는, 제 2 전력 손실 PV2를 설정하기 위해서 측정 기술을 이용하여 제 1 전력 손실을 설정할 필요가 없으나, 그 대신에, 데이터 프로세싱 장치(33), 데이터 저장 장치(34) 및 프로그램 메모리(35)를 이용하여, 저장된 데이터베이스로부터 신속하고도 신뢰할 수 있게 제 1 전력 손실을 설정할 수 있고 그리고 제 2 전력 손실 PV2의 생성을 위한 제어 신호를 생성하기 위해서 제어 회로(11)에 영향을 미칠 수 있다.
명쾌한 방식으로, 데이터 프로세싱 장치가 미리 정해진 시간 내에 계산 복잡성과 관련하여 취급할 수 있는 만큼 많은 과제(tasks)들이, 전력 손실 PV2 및 필요한 제어 신호를 설정하기 위해서, 데이터 프로세싱 장치(33)로 전달된다. 이는 또한 교정 프로세스 및 작동 중에 설정된 데이터의 저장, 로딩 및 프로세싱을 처리할 수 있을 것이다. 전력 손실이 반드시 재조정되어야 하는 속도는 특히 부품들의 크기, 온도 전도도 및 냉각에 의존한다. 1 kW보다 큰 전력 범위에서 일반적으로 이용되는 부품들에 있어서, 100 ㎲로부터 100 ms까지의 반응 시간은 손상으로부터 부품들을 보호하기에 충분하다. 이러한 과제들의 경우에, 결과적으로, 다른 제어 과제도 수행할 수 있는 데이터 프로세싱 장치 또는 보통(moderate) 속도를 가지는 데이터 프로세싱 장치를 이용할 수 있을 것이다.
도 2는 2개의 전력 변환기 유닛(7, 8)을 가지는 교류 전력 생성 장치(5)를 보여준다. 제 2 전력 변환기 유닛(8)은 또한 하나 이상의 반도체 스위칭 요소(10), 냉각 장치(27) 및 온도 센서(25, 26)를 가진다. 전력 변환기 유닛(8)은 또한, 예를 들어, 하프 브릿지 또는 풀 브릿지, 클래스 E 인버터 또는 클래스 D 인버터를 구비할 수 있을 것이다. 전력 변환기 유닛(7, 8)의 출력 전력이 전력 커플러(12)로 공급된다. 이러한 전력 커플러(12)는, 예를 들어, 전력 커플러(전송 라인 커플러), 윌킨슨(Wilkinson) 커플러 또는 90°하이브리드 커플러, 예를 들어, 3 dB 커플러일 수 있을 것이다. 90°하이브리드 커플러는, 2개의 입력 신호의 위상 위치를 기초로 2개의 입력 신호를 커플링하고 그리고 2개의 상이한 출력을 위상-의존 방식으로 공급하는 장점을 가진다. 그에 따라, 커플러(12)의 (전력) 출력부에서 다른 전력들을 생성하기 위해서, 위상 위치를 변화시킨 반도체 스위칭 요소(9, 10)에 의해서 생성되는 일정한 출력 및 전력 손실에 의해서, (커플러(12)의 입력 신호에 따라서) 2개의 출력 변환기 유닛(7, 8)의 출력 신호의 위상 위치를 변화시킴으로써, 커플러의 출력부에서의 여러 출력 전력에 대한 반도체 스위칭 요소(9, 10)에서의 전력 손실을 거의 일정하게 유지할 수 있다. 커플러(12)의 다른 출력부로 공급되는 전력은 직류 전력으로 변환될 수 있고 그리고 교류 전력 생성 장치(5)는 다시 입력 전력으로서 제공될 수 있을 것이다. 컴필레이션(compilation) 회로(13)가 또한 전력 커플러(12)에 연결될 수 있을 것이다. 이러한 것은, 예를 들어, 임피던스 변환 장치 또는 필터 또는 과전압 보호 장치일 수 있을 것이다. 또한, 다른 측정 장치(21), 예를 들어, 방향성 커플러가 제공될 수 있을 것이다. 이는, 출력부(14)에서 출력 전력, 예를 들어, 순방향 전력 및 역방향 전력을 설정하기 위해서 이용될 수 있고, 또는 전류, 전압, 및 전류와 전압 간의 위상을 설정하기 위해서 그리고 결과적으로 출력부(14)에서 임피던스를 설정하기 위해서 이용될 수 있다. 전압 및/또는 전류의 측정이 또한 전력 변환기 유닛(7, 8) 내부에서, 특히 반도체 스위칭 요소(9, 10)에서 실행될 수 있다. 생성된 측정 신호들이 제어 회로(11)로 공급될 수 있다.
사용되는 전력 변환기 유닛(7, 8)의 반도체 스위칭 요소(9, 10)는 미리 결정된 주기 동안 부분적으로 전도적인 상태가 되기에 적합할 수 있다. 그러한 장치를 이용할 때, 부분적인 전도성 상태의 저항이 단순한 방식으로 조정될 수 없는 경우에도, 반도체 스위칭 요소는 제어 회로에 의해서 단순하고 정밀한 방식으로 희망 전력 손실 레벨에 도달할 수 있다. 시간에 걸쳐 균일한 방식으로 분배되는 열 손실을 생성하기 위해서, 반도체 스위칭 요소는 짧은 주기 동안 몇 차례에 걸쳐 부분적인 전도성 상태가 될 수 있다. 이와 관련된 데이터가 모니터링 제어 회로(15)의 데이터 저장 장치(34) 내에 저장될 수 있다.
전력 변환기 유닛(7, 8)의 반도체 스위칭 요소(9, 10)는 부분적인 전도성 상태가 되기에 적합할 수 있고, 그러한 부분적인 전도성 상태에서 그 반도체 스위칭 요소들은 제어 회로(11)에 의해서 미리 결정될 수 있는 저항 Rv을 가질 수 있다. 그러한 장치를 이용할 때, 부분적인 전도성 상태의 지속시간이 단순한 방식으로 조정될 수 없는 경우에도, 반도체 스위칭 요소가 제어 회로에 의해서 단순하고 정밀한 방식으로 희망하는 전력 손실 레벨로 유도될 수 있다. 이와 관련된 데이터가 모니터링 제어 회로(15)의 데이터 저장 장치(34) 내에 저장될 수 있다.
전력 변환기 유닛(7, 8)의 반도체 스위칭 요소(9, 10)는 차단 상태로부터 반도체 스위칭 요소들이 계속적으로 차단 특성을 가지고 그리고 동시에 전력 손실이 열로 변환되는 그러한 상태로 유도되기에 적합하다. 이는 기술적으로 가능한데, 그 이유는 많은 반도체 스위칭 요소(9, 10)가 차단 상태로부터 전도성 상태로 제어될 때 내부 전하 캐리어의 재분포를 위한 소정 정도의 시간을 필요로 하기 때문이다. 이러한 시간 동안에, 반도체 스위칭 요소들은 차단 상태로 유지된다. 그러나, 전하 캐리어의 재분포는 반도체 스위칭 요소(9, 10) 내에서 전력 손실을 생성한다. 그러한 장치를 이용할 때, 반도체 스위칭 요소(9, 10)는 제어 회로에 의해서 단순하고 정밀한 방식으로 희망하는 전력 손실 레벨로 유도될 수 있다. 이러한 특성과 관련된 데이터가 모니터링 제어 회로(15)의 데이터 저장 장치(34) 내에 저장될 수 있다.
전력 변환기 유닛(7, 8)의 반도체 스위칭 요소(9, 10)는 전도성 상태로부터 반도체 스위칭 요소들이 계속적으로 전도성 특성을 가지고 그리고 동시에 전력 손실이 열로 변환되는 그러한 상태로 유도되기에 적합하다. 이는 기술적으로 가능한데, 그 이유는 많은 반도체 스위칭 요소(9, 10)가 전도성 상태로부터 차단 상태로 제어될 때 내부 전하 캐리어의 재분포를 위한 소정 정도의 시간을 필요로 하기 때문이다. 이러한 시간 동안에, 반도체 스위칭 요소들은 전도성 상태로 유지된다. 그러나, 전하 캐리어의 재분포는 반도체 스위칭 요소(9, 10) 내에서 전력 손실을 생성한다. 그러한 장치를 이용할 때, 반도체 스위칭 요소(9, 10)는 제어 회로에 의해서 단순하고 정밀한 방식으로 희망하는 전력 손실 레벨로 유도될 수 있다. 이러한 특성과 관련된 데이터가 모니터링 제어 회로(15)의 데이터 저장 장치(34) 내에 저장될 수 있다.
전력 변환기 유닛(7, 8)의 반도체 스위칭 요소(9, 10)는 적어도 시간 주기 ΔTon 동안에 전도성 상태로 이동될 수 있는데, 그 시간 주기는 교류 전력 생성 장치에 의해서 생성되는 주파수의 주기 지속시간의 1/4 보다 짧다. 그러한 장치를 이용할 때, 반도체 스위칭 요소(9, 10)는 제어 회로에 의해서 단순하고 정밀한 방식으로 희망하는 전력 손실 레벨로 유도될 수 있다. 이와 관련된 데이터가 모니터링 제어 회로(15)의 데이터 저장 장치(34) 내에 저장될 수 있다.
도 3은 교류 전력 생성 장치(5)를, 이 경우에 풀 브릿지로서 각각 구축되는 2개의 전력 변환기 유닛(7, 8)을 가지는 고주파 전력 생성 장치를 보여준다. 전술한 구성요소들에 상응하는 구성요소들에 대해서는 동일한 참조 부호를 부여하였고 그리고 다시 설명하지 않는다. 전력 커플러(12)는 90°하이브리드 커플러이고, 그리고 보상 저항(24)이 그 제 2 출력부에 연결된다. 추가적으로, 교류 전력 생성 장치(5)의 일부인 직류 공급 장치(6a, 6b)가 본 예에서 또한 도시되어 있다. 물론, 이들이 조합되어 공통 직류 공급 장치(6)를 형성할 수 있고, 그러한 공통 직류 공급 장치는 양 전력 변환기 유닛(7, 8)으로 공급할 수 있다. 이들은 또한 교류 전력 생성 장치(5)의 외부에 위치될 수 있을 것이다.
도 4는 다른 교류 전력 생성 장치(5)를, 이 경우에 하프 브릿지로서 각각 구축되는 2개의 전력 변환기 유닛(7, 8)을 가지는 고주파 전력 생성 장치를 보여준다. 전술한 구성요소들에 상응하는 구성요소들에 대해서는 동일한 참조 부호를 부여하였고 그리고 다시 설명하지 않는다. 전력 커플러(12)는 커플링 인덕턴스 및 센터 탭핑(centre tapping; 29)을 가지는 변환기 장치로서 구성된다. 센터 탭핑(29)은 직류 공급부(6)로 연결된 2개의 보상 요소(30, 31) 사이의 연결 지점(32)으로 연결된다. 이러한 경우에, 2개의 전력 변환기 유닛(7, 8) 내의 제어 절차를 변경함으로써 출력 전력을 또한 변화시킬 수 있고, 동시에, 반도체 스위칭 요소(9a, 9b, 10a, 10b)에서의 전력 손실이 본 발명에 따라서 제어될 수 있다. 그에 따라, 반도체 스위칭 요소(10a, 10b)의 제어 신호의 위상에 대한 반도체 스위칭 요소(9a, 9b)의 제어 신호의 위상 변화는 출력부(14)에서 출력 전력의 변화를 발생시킨다. 만약 높은 전력 레벨이 출력부(14)에 도달하는 것을 의도하였다면, 전류 흐름이 반도체 스위칭 요소(9a, 10b)를 통해서 그리고 후속하여 반도체 스위칭 요소(9b, 10a)를 통해서 교호적인 방식으로 실행되도록 반도체 스위칭 요소가 제어된다. 만약 낮은 전력 레벨이 출력부(14)에 도달하는 것을 의도하였다면, 전류 흐름이 반도체 스위칭 요소(9a, 10b)를 통해서 그리고 후속하여 반도체 스위칭 요소(9a, 10a)를 통해서, 후속하여 반도체 스위칭 요소(9b, 10a)를 통해서, 그리고 후속하여 반도체 스위칭 요소(9b, 10b)를 통해서, 그리고 다시 반도체 스위칭 요소(9a, 10b)를 통해서 주기적인 방식으로 실행되도록 제어의 위상이 변경된다. 이러한 경우에, 바람직하게, 위상 천이 방법으로 지칭되는 이러한 제어 절차는 제어 신호들과 함께 적절한 크기의 전력 커플러(12) 및 보상 요소(30, 31)로 반도체 스위칭 요소(9a, 9b, 10a, 10b)에서의 전력 손실을 제어하기 위해서 이용될 수 있을 것이다. 전류가 반도체 스위칭 요소(9a, 10a, 또는 9b, 10b)를 통해서 각각 흐르는 경우에도, 전력 손실을 생성하기 위해서, 반도체 스위칭 요소(9a, 10a, 및 9b, 10b)를 통한 전류 유동은 반드시 유지되어야 한다. 보상 요소(30, 31)가 없는 상태에서, 전력 커플러(12) 내에 포함되는 인덕턴스 내의 전류는 급속하게 감소될 것이고, 그리고 이는 반도체 스위칭 요소(9a, 10a, 및 9b, 10b) 내에서의 전력 손실의 제어를 불가능하게 할 것이다. 전류 유동은 전력 커플러(12)를 보상 요소(30, 31)에 연결하는 것에 의해서 유지될 수 있다. 보상 요소(30, 31)는, 예를 들어, 특정 크기의 커패시터일 수 있고, 그리고 적어도 이론적으로 내부에서 전력 손실이 생성되지 않고, 이는 에너지 소모에 대한 긍정적인 효과를 가진다.
도 5a 및 도 5b는 교류 전력 및 전력 손실의 생성을 위한 통상적인 시간 추이를 보여준다. 교류 전력 생성 장치(5)의 출력부에서 또는 전력 변환기 유닛(7, 8)의 출력부에서 측정될 수 있는 바와 같이, 각각의 경우에 상부 신호 곡선(1)은 교류 주파수에 걸쳐 평균화된 교류 전력 신호의 값을 개략적으로 보여준다. 전력 출력 시간 주기 ΔT1 동안, 제 1 (교류) 전력 POUT1이 생성되고, 펄스 중단 시간 주기 ΔT2 동안에 제 2 (교류) 전력 POUT2가 생성되거나 전력이 생성되지 않으며, 이때 POUT1 는 POUT2 보다 크다. 동시에, 적어도 하나의 반도체 스위칭 요소에서, 제 1 전력 손실 PV1이 전력 출력 시간 기간 ΔT1 동안에 생성되고, 그리고 제 2 전력 손실 PV2가 펄스 중단 시간 기간 ΔT2 동안 생성되며, 이는 각각의 경우에 신호 곡선(2 및 3)의 하부 곡선에서 볼 수 있다. 신호 곡선(2)은 본 발명에 따른 장치 및 방법에서 교류 전력 생성 장치(5)의 작동 중에 전력 손실 신호가 어떻게 확장할 수 있는 지를 개략적으로 보여준다. 점선으로 도시된 신호 곡선(3)은 통상적인 방법에 따라서 전력 손실 신호가 어떻게 확장되는지를 개략적으로 보여준다.
도 6은 클래스 E 인버터로서 각각 구성되는 2개의 전력 변환기 유닛(7, 8)을 가지는 다른 교류 전력 생성 장치(5)를 도시한다. 전술한 구성요소들에 상응하는 구성요소들에 대해서는 동일한 참조 부호를 부여하였고 그리고 다시 설명하지 않는다. 클래스 E 인버터는 제어 회로(11)를 단순화시키는데, 그 이유는 모든 제어 신호가 접지와 관련되기 때문이다.
도 7a 및 도7b 그리고 도 8a 및 도 8b는 교류 전력의 생성하는 데에 있어서의 통상적인 시간 추이를 보여준다. 교류 전력 생성 장치(5)의 출력부에서 또는 전력 변환기 유닛(7, 8)의 출력부에서 측정될 수 있는 바와 같이, 각각의 도 7a의 상부 신호 곡선(52) 및 도 8a의 상부 신호 곡선(57)은 교류 주파수에 걸쳐 평균화된 교류 전력 신호의 값을 개략적으로 각각 보여준다. 각각의 도 7b의 하부 신호 곡선(54) 및 도 8b의 하부 신호 곡선(59)은 본 실시예에서 주파수 fp 및 주기 지속 시간 Tp=1/fp을 갖고 펄스 주기 지속시간 Tp=1/fp 보다 높은 기본 주파수 fn로 주기적으로 변화되는 교류 전력을 개략적으로 보여준다. 이러한 경우에, 기본 주파수는 교류 전력이 공급되는 산업적인 프로세스에 의해서 미리 결정된다. 산업적인 플라즈마 또는 가스 레이저 또는 유도 가열 프로세스의 공급과 같은 고주파 용도는 프로세스에 따라서 사용자가 미리 결정한 주파수로 동작한다. 주파수 fp는 또한 프로세스에 의해서 미리 결정될 수 있을 것이다. 전력 출력 시간 기간 ΔT1 동안에 제 1 교류 전력 POUT1.1이 생성될 수 있고 그리고 펄스 중단 시간 주기 ΔT2(56) 동안에 제 2 교류 전력 POUT2.1이 생성되거나 또는 교류 전력이 생성되지 않을 수 있다. 2개의 시간 기간들 각각에서, 전력 손실 Pv이 생성된다. Tp가 일정하지 않으나 전력 출력 시간 기간 ΔT1 및 펄스 중단 시간 주기 ΔT2가 단순하게 교호하는(alternate) 프로세스들이 또한 고려될 수 있을 것이다. 또한, 출력 전력 POUT이 반드시 교류 전력일 필요가 없고, 직류 전력도 될 수 있을 것이다.

Claims (17)

  1. 펄스형 전력 출력 작동식으로 플라즈마 설비, 유도 가열 설비, 또는 레이저 여기 설비를 작동시키기 위한 방법으로서:
    전력 출력 시간 주기 ΔT1에 제 1 전력 POUT1.1을 생성하여 플라즈마 프로세스, 유도 가열 프로세스 또는 레이저 여기 프로세스로 전력을 공급하는 발전기의 전력 출력부에서 방출하며; 플라즈마 프로세스, 유도 프로세스 또는 레이저 여기 프로세스의 작동에 또는 개시에 적합한 전력POUT2.1을 펄스 중단 시간 주기 ΔT2에 제어되는 발전기의 하나 이상의 반도체 스위칭 요소(9)에 의해 발전기의 전력 출력부에서 출력하지 않으며; 제 1 전력 손실 PV1을 제 1 전력 POUT1 .1의 생성과 동시에 전력 출력 시간 주기 ΔT1 동안 하나 이상의 반도체 스위칭 요소(9) 내에서 생성하며; 제 2 전력 손실 PV2를 하나 이상의 반도체 스위칭 요소(9)에서 펄스 중단 시간 주기 ΔT2 동안 생성하며; 이들 생성되는 전력 손실 PV1, PV2를 열로 변환하며; 미리 결정된 값보다 큰 만큼의 반도체 스위칭 요소(9)의 온도의 감소를 반도체 스위칭 요소의 적절한 제어에 의해 방지하며; 전력 출력 작동 및 펄스 중단 작동을 연속적으로 교호(alternating)하게 행하는 것인 작동 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전력 출력 시간 주기 및 상기 펄스 중단 시간 주기를 플라즈마 설비, 유도 가열 설비 또는 레이저 여기 설비에 의해서 미리 결정된 주파수 fp로 교호시키는 것인 작동 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 전력 출력 시간 주기 동안에 교류 전력이 fp보다 큰 주파수 fn(fn > fp)으로 생성되는 것인 작동 방법.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 주파수 fp가 0.01 Hz 내지 50 kHz 범위인 것인 작동 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 전력 손실 PV1은 제 1 전력 POUT1 .1에 대한 미리 결정된 또는 측정된 값으로부터 설정되며, 조정될 제 2 전력 손실 PV2는 설정된 제 1 전력 손실 PV1을 기초로 결정되며, 하나 이상의 반도체 스위칭 요소(9)는 제 2 전력 손실 PV2를 생성하도록 제어되는 것인 작동 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 전력 손실 PV1이 데이터 저장 장치(34)로부터 읽혀진 제 1 전력 POUT1 .1과 연관된 값에 의해서 결정되는 것인 작동 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 전력 손실 PV2는:
    - 전력 출력 시간 주기 ΔT1의 지속시간;
    - 펄스 중단 시간 주기 ΔT2의 지속시간;
    - 전력의 시간 추이(progresssion in time);
    - 반도체 스위칭 요소에서 전력 손실의 시간 추이;
    - 설정된 온도 또는 온도 곡선;
    - 설정된 전압 값 또는 전압 곡선;
    - 설정된 전류 값 또는 전류 곡선;
    - 전력의 곡선, 반도체 스위칭 요소에서 전력 손실의 곡선, 온도 곡선, 전압 곡선 또는 전류 곡선의 시간 도함수
    중 하나 또는 둘 이상에 기초하여 조정되는 것인 작동 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 전력 손실 PV2의 크기가 제 1 전력 손실 PV1과 동일한 것인 작동 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 반도체 스위칭 요소(9, 10)는 상기 전력 출력 시간 주기 ΔT1 동안에는 전도성 상태와 차단 상태 모두로 수회에 걸쳐 제어되고 상기 펄스 중단 시간 주기 ΔT2 동안에는 적어도 일시적으로 부분적 전도성 상태로 스위칭되며,
    상기 전도성 상태에서는 상기 반도체 스위칭 요소가 스위칭 저항 Ron을 가지며 상기 차단 상태에서는 상기 반도체 스위칭 요소가 차단 저항 Roff를 가지며, 상기 부분적 전도성 상태에서는 상기 반도체 스위칭 요소가 전이 저항 Rv를 가지며, 상기 저항들은 Ron < Rv 및 Rv < Roff로 주어지는 것인 작동 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 전력 POUT2.1이 0으로 되도록 하고 상기 제 1 전력 손실 PV1 및 상기 제 2 전력 손실 PV2가 2배 이하만큼 상이하도록 하는 방식으로, 펄스 중단 시간 주기 ΔT2 동안에 하나 이상의 반도체 스위칭 요소(9)가 제어되는, 것인 작동 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 반도체 스위칭 요소(9)를, 전력 출력 시간 주기 ΔT1 동안에는 스위칭-온 시간 범위 ΔTon1 중에 전도성 상태로 제어하고 스위칭-오프 시간 범위 ΔToff1 중에 차단 상태로 제어하고, 그리고 펄스 중단 시간 주기 ΔT2 동안에는 스위칭-온 시간 범위 ΔTon2 중에 전도성 상태로 제어하고 스위칭-오프 시간 범위 ΔToff2 중에 차단 상태로 제어하며, 그리고 상기 ΔTon2가 상기 ΔTon1보다 더 작은, 것인 작동 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 부가적인 반도체 스위칭 요소(10)를 제어함으로써, 부가적인 제 1전력 POUT1.2를 전력 출력 시간 주기 ΔT1 동안에 생성되고 부가적인 제 2 전력 POUT2.2를 제 2 펄스 중단 시간 주기 ΔT2 동안에 생성하는 것인 작동 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 반도체 스위칭 요소(9) 및 상기 하나 이상의 부가적인 반도체 스위칭 요소(10) 각각이 서로 상이한 그들 고유의 제어 절차에 따라서 제어되는 것인 작동 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 다른 제 1 제어 절차에 따라서 전력 POUT1.1 및 POUT1.2를 생성할 때 그리고 부가적인 제 2 제어 절차에 따라서 전력 POUT2.1 및 POUT2.2를 생성할 때 반도체 스위칭 요소(9, 10)들이 제어될 수 있으며, 상기 제어 절차들이 서로 상이한 것인 작동 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 전력 POUT1 .1과 제 1의 부가적인 전력 POUT1 .2 간의 제 1 위상 관계가 조정되고 상기 제 1 위상 관계와 상이한 제 2 전력 POUT2 .1과 제 2의 부가적인 전력 POUT2 .2 간의 제 2 위상 관계가 조정되는 것인 작동 방법.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 전력 POUT1 .1과 관련된 전력이 측정 수단에 의해서 검출하여 그 원하는 값으로 조정되는 것인 작동 방법.
  17. 전력, 특히 고주파 전력 생성 방법으로서:
    제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 방법이 이용되어야 하는지의 여부를 결정하기 위해,
    - 전력 출력 시간 주기 ΔT1의 지속시간;
    - 펄스 중단 시간 주기 ΔT2의 지속시간;
    - 전력의 시간 추이;
    - 반도체 스위칭 요소에서 전력 손실의 시간 추이;
    - 설정된 온도 또는 온도 곡선;
    - 설정된 전압 값 또는 전압 곡선;
    - 설정된 전류 또는 전류 곡선;
    - 전력의 곡선, 반도체 스위칭 요소에서의 전력 손실의 곡선, 온도 곡선, 전압 곡선 또는 전류 곡선의 시간 도함수
    중 하나 및/또는 복수의 값의 조합을 이용하는 것인 전력 생성 방법.
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