KR20160081893A - 전원장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 플라즈마 발생 장치 및 전원장치를 포함하는 시스템에서 투입 전력량을 일정하게 관리하고 당해 투입 전력량을 플라즈마 발생 장치에 대해 안정하게 공급할 수 있는 전원장치를 제공한다. 본 발명에 관한 전원장치(10)는 다음의 동작을 행하는 제어부(6)를 갖고 있다. 당해 제어부(6)는 외부에서의 입력에 응하여, 목표 직류 전력량치를 결정한다. 그리고 당해 제어부(6)는 인버터(3)에 입력되는 직류 전력량이 목표 직류 전력량치가 되도록 피드백 제어한다.

Description

전원장치{POWER-SUPPLY DEVICE}
본 발명은, 오존 가스나 라디칼 가스를 생성하는 것이 가능한 플라즈마 발생 장치(용량성 부하 장치)에 대해 교류 전력을 출력하고 당해 출력하는 교류 전력을 제어할 수 있는 전원장치에 관한 것이다.
일반적으로, 다량의 오존 가스나 다량의 라디칼 가스를 생성하는 용량성 부하 장치인 플라즈마 발생 장치는 복수개의 방전 셀이 병렬 접속됨에 의해 구성되어 있다. 여기서 각 방전 셀은, 한 쌍의 전극이 대향 배치되어 있고 당해 전극 사이에 유전체를 통하여 방전 공간이 형성되어 있다. 근래, 플라즈마 발생 장치에서는 당해 방전 셀이 복수개, 적층 또는 블록화하고 병렬 접속됨으로써, 매우 대규모적의 플라즈마 발생 장치가 요구되도록 되어 있다. 당해 플라즈마 발생 장치에서 방전 공간 내에 원료 가스를 공급하고 전원장치는 각 방전 셀 사이에 대해 교류 고전압을 인가한다. 당해 전압의 인가에 의해 생기는 전계에 의해 방전 공간 내의 가스는 여기되어, 다량의 오존 가스나 다량 라디칼 가스가 생성된다.
생성된 오존 가스 및 라디칼 가스는 주로, 반도체 제조 분야, 태양전지 패널 제조 분야 및 플랫 디스플레이 제조 분야 등에서 산화 절연막 등의 기능막의 성막용 가스, 또는 부품의 세정용 가스로서 많이 이용되고 있다. 그리고 상기한 분야에서 오존 가스나 라디칼 가스가 이용되는 경우에는 이들 가스의 다량 공급이 요구되고 있고 또한, 고농도·고순도의 이들 가스를 24시간 연속으로 안정 공급할 수 있음과 함께, 생성하여 출력되는 가스량이나 가스의 농도가 안정적으로 용이하게 제어하여 출력할 수 있을 것이 요구되고 있다.
그런데, 일반적으로, 교류 전압을 인가하여 구동하는 부하에는 열전기기(熱電機器)와 같은 저항(R) 부하 이외에, 모터 부하와 같은 유도성(L) 부하, 및 전하를 축적하거나, 고전압을 인가하는 기기에 속하는 용량성(C) 부하가 있다. 열전기기와 같은 저항(R) 부하 이외에, 모터 부하와 같은 유도성(L) 부하의 경우는 일반적으로 부하의 임피던스는 일정하고 전원으로부터 부하에 공급하는 전압을 업하면, 전압 업률에 비례하여 투입 전력이 증가하는 부하이다. 이 때문에, 비교적 안정한 부하였다. 그에 대해 플라즈마 발생 장치 등의 용량성 부하 장치(C)는 부하의 임피던스가 일정하지가 않고 부하 상태에 의해 임피던스가 변동한다는 비선계(非線系)의 부하이다. 그 때문에, 전원장치로부터 전압을 공급하여 플라즈마 발생 장치를 안정하게 가동하기는 매우 어렵다. 이 때문에, 종래의 플라즈마 발생 장치에서는 장치 내의 방전 셀부의 파손 등이 일어나기 쉽다. 따라서 전원장치로부터의 전압을 이용하여, 플라즈마 발생 장치를 장시간, 안정하게 가동시키기는 어렵다.
유도성 부하나 용량성 부하인 경우에는 부하에 교류 전압을 인가하면, 인가한 부하 전압(Vd)에 대해 부하 전류(Id)의 위상이 지연되거나, 진행되거나 한다. 그리고 이에 의해 부하에 공급하는 유효 전력(PW)에 대한, 실질 공급하는 전력 용량(PQ)(=Vd×Id)의 비율(부하 역률(ηd)=PW/PQ)이 매우 낮은 상태가 된다. 따라서 부하 역률(ηd)이 나쁜 전원장치에서는 유효 전력(PW)을 크게 하기 위해서는 전력 용량(PQ)(=PW/ηd)도 커지고 매우 큰 전원장치가 필요해진다.
그래서 전원장치를 소형화하기 위해 전원장치의 출력부에 부하 역률(ηd) 개선용의 역률 개선 장치(역률 개선 수단)를 부착하는 것은, 종래로부터 알려져 있다. 역률 개선 장치는 유도성 부하와 용량성 부하에서 다르고 유도성 부하인 경우에는 L 부하를 개선하기 위해 콘덴서 뱅크가 이용되고 용량성 부하인 경우에는 C 부하를 개선하기 위해 리액터가 이용된다. 그리고 유도성 부하(또는 용량성 부하)와 역률 개선 장치에 의해 부하측과 전원장치와의 사이에서 공진 상태를 만들어 내는 교류 전압 주파수(fc)(공진 주파수) 부근에서 전원장치를 동작시킨다.
여기서 공진 주파수(fc)는 fc=1/2·π·(L·C)0.5(이하, (1)식)로 구하여진다.
유도성 부하인 경우에는 (1)식의 C에, 역률 개선 장치인 콘덴서 뱅크를 대입하여, 공진 주파수를 구하고 이에 대해 용량성 부하인 경우에는 (1)식의 L에, 역률 개선 장치인 리액터(Lp)를 대입하여, 공진 주파수(fc)를 구한다. 그리고 당해 공진 주파수(fc)의 주파수역에서 전원장치를 동작시킴에 의해 전원장치의 역률 개선을 도모하고 있다.
여기서 용량성 부하인 플라즈마 발생 장치에 대해 교류 전력을 인가하는 전원장치에 있어서 역률 개선에 관한 종래 기술로서 예를 들면, 특허 문헌 1∼3이 존재한다.
특허 문헌 1에 개시되어 있는 교류 부하용의 전원장치에서는 플라즈마가 발생하는 방전 부하(방전 셀)에 대해 역률 개선용의 변성기(인덕터)가 배설되어 있다.
또한, 특허 문헌 2에 개시되어 있는 교류 부하용의 전원장치에서는 플라즈마가 발생하는 방전 부하(방전 셀)에 대해 역률 개선용의 변성기(인덕터)가 배설되어 있다. 또한, 인버터 회로부가 주파수 제어 기능을 가짐으로써, 부하 투입 전력이 높은 영역에서 인버터 출력부에서의 역률을 최적으로 제어하는 것이 특허 문헌 2에는 개시되어 있다. 특허 문헌 2에 관한 전원장치에서는 일부의 방전 셀에서 문제가 발생하여도 나머지 방전 셀로 적절한 운전을 할 수 있도록 주파수 제어를 행한다.
또한, 특허 문헌 3에 관한 기술에서는 복수의 방전 셀에 의해 구성된 플라즈마 발생 장치에서 각 방전 셀에 대해 부하 차단용의 퓨즈가 배설되어 있다. 그리고 특허 문헌 3에 관한 기술에서는 방전 셀의 일부가 고장나면, 당해 방전 셀에 대응하여 배설되어 있는 퓨즈가 끊어지고 당해 방전 셀에 대한 전력의 공급이 차단된다. 또한, 특허 문헌 3에는 3상의 교류 부하용의 전원장치가 개시되어 있고 전원장치측에서 소정 주파수가 고정되어 있고 당해 소정 주파수에서 부하의 용량치와 리액터에 의해 공진 가까이에서 운전하고 역률을 개선시키는 방식이 개시되어 있다.
상기 각 특허 문헌에 관한 전원장치는 전원장치의 출력측과 플라즈마 발생 장치와의 사이에, 유도성의 인덕턴스(리액터)를 마련하여, 역률 개선을 도모하고 있다.
특허 문헌 1 : 일본 특허 제3719352호 명세서 특허 문헌 2 : 일본 특허 제4108108호 명세서 특허 문헌 3 : 일본 특개평10-25104호 공보
그런데, 플라즈마 발생 장치에 대해 전력을 공급할 때, 당해 전력이 안정적으로 플라즈마 발생 장치에 공급되는 것이 중요하다. 이것은, 전력이 안정적으로 공급되지 않는 경우에는 플라즈마 발생 장치에서 발생하는 가스의 농도 등이 변동하여 버리기 때문이다. 그리고 전력이 안정적으로 공급되기 위해서는 전원장치의 투입 전력을 정밀도 좋고 일정하게 관리·제어하는 것이 중요하다.
종래의 용량성 부하용 전원에서는 부하의 전기량을 제어하는 수단으로서는 부하 전류 또는 인버터 출력 전류였다. 이 때문에, 부하 조건에 의해 부하 역률이 가변하는 경우에는 인버터 출력 및 부하 출력의 전류·전압의 위상이 수시로 변하고 검출하는 부하 전류 또는 부하에 투입되는 전력량은, 비례적인 1대1의 대응은 하지 않는다. 따라서 부하에 투입하는 전력량을 비례적으로 피드백 제어하기가 어렵고 상대적인 피드백 제어로, 간접적으로 투입 전력을 가변 제어하고 있다. 그 때문에, 플라즈마 발생 장치를 장시간 안정하게 운전시키는 경우, 부하의 외란이나 외부 설정 조건이 변화하고 있는 경우에는 플라즈마 부하 상태가 변화하고 있기 때문에, 전원장치로부터 공급하는 투입 전력이 일정한 보증이 없고 결과로서 장치의 보다 신뢰성이 높은 제어를 행할 수가 없었다.
그래서 본 발명은, 플라즈마 발생 장치 및 전원장치를 포함하는 시스템에서 투입 전력량을 일정하게 관리하고 당해 투입 전력량을 플라즈마 발생 장치에 대해 안정하게 공급할 수 있는 전원장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 관한 전원장치는 복수의 방전 셀이 접속됨에 의해 구성된, 용량성 부하인 플라즈마 발생 장치에 대해 교류 전압을 출력하는 전원장치로서 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터와, 상기 인버터의 동작을 제어하는 제어부와, 상기 인버터에 입력되는 직류 전력을 검지하는 검출부를 구비하고 있고 상기 제어부는 (A) 외부로부터의 입력에 응하여, 목표 직류 전력량치를 결정하고 (B) 상기 검출부가 검지한 직류 전류를 적어도 이용하여, 상기 인버터에 입력되는 직류 전력량이 상기 목표 직류 전력량치가 되도록 피드백 제어한다.
본 발명에 관한 전원장치는 복수의 방전 셀이 접속됨에 의해 구성된, 용량성 부하인 플라즈마 발생 장치에 대해 교류 전압을 출력하는 전원장치로서 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터와, 상기 인버터의 동작을 제어하는 제어부와, 상기 인버터에 입력되는 직류 전력을 검지하는 검출부를 구비하고 있고 상기 제어부는 (A) 외부로부터의 입력에 응하여, 목표 직류 전력량치를 결정하고 (B) 상기 검출부가 검지한 직류 전류를 적어도 이용하여, 상기 인버터에 입력되는 직류 전력량이 상기 목표 직류 전력량치가 되도록 피드백 제어한다.
이와 같이 상기 전원장치에서는 부하 전류 등보다도 작은 값의 직류 전류 등을 이용한 피드백 제어를 행하고 또한 직류 전류 등은, 인버터(3)에 입력되는 직류 전력량(환언하면, 투입 전력량)에 1대1로 대응하고 있다. 따라서 당해 전원장치에서는 투입 전력량이 가스의 소망 농도에 응한 목표 투입 전력량치로 일정하게 되도록 정밀도 좋게 제어할 수 있다. 또한, 검출되는 직류 전류 등은, 부하 전류 등에 비하여, 노이즈 등이 중첩되지 않는다. 이것으로부터도 투입 전력량이 가스의 소망 농도에 응한 목표 투입 전력량치로 일정하게 되도록 정밀도 좋게 제어할 수 있다. 결과, 당해 전원장치는 안정된 전력을 플라즈마 발생 장치에 계속 공급할 수 있다.
본 발명의 목적, 특징, 국면, 및 이점은, 이하의 상세한 설명과 첨부 도면에 의해 보다 명백하게 된다.
도 1은 본 발명에 관한 전원장치(10)의 내부 구성 및 전원장치(10)에 접속되는 플라즈마 발생 장치(5)를 도시하는 블록도.
도 2는 실시의 형태 1에 관한 전원장치(10)의 동작을 설명하기 위한 특성도.
도 3은 실시의 형태 1에 관한 전원장치(10)의 동작을 설명하기 위한 특성도.
도 4는 인버터(3)에 입력되는 신호 및 인버터(3)로부터 출력되는 파형을 도시하는 도면.
도 5는 플라즈마 발생 장치(5)에서의 병렬로 접속된 방전 셀의 양상을 도시하는 분포 등가 회로도.
도 6은 플라즈마 발생 장치(5)에서의 병렬로 접속된 방전 셀을 합성한 등가 회로를 도시하는 도면.
도 7은 실시의 형태 2에 관한 전원장치(10)를 설명하기 위해 이용되는 특성도.
도 8은 실시의 형태 2에 관한 전원장치(10)를 설명하기 위해 이용되는 전류―전압 벡터도.
도 9는 실시의 형태 2에 관한 전원장치(10)를 설명하기 위해 이용되는 회로를 도시하는 도면.
도 10은 실시의 형태 2에 관한 전원장치(10)를 설명하기 위해 이용되는 전류―전압 벡터도.
도 11은 실시의 형태 2에 관한 전원장치(10)를 설명하기 위해 이용되는 회로를 도시하는 도면.
도 12는 실시의 형태 2에 관한 전원장치(10)를 설명하기 위해 이용되는 전류―전압 벡터도.
도 13은 실시의 형태 2에 관한 전원장치(10)를 설명하기 위해 이용되는 트랜스 등가 회로를 도시하는 도면.
도 14는 실시의 형태 4에 관한 전원장치(10)를 설명하기 위해 이용되는 특성도.
도 15는 트랜스(4)를 복수단 병렬 접속한 양상을 도시하는 도면.
도 16은 인버터 주파수(f)에 대한 인버터 출력 역률(η)의 특성을 도시하는 도면.
도 17은 인버터 주파수(f)에 대한 인버터 출력 역률(η)의 특성을 도시하는 도면.
본 발명은, 용량성 부하인 플라즈마 발생 장치에 대해 교류 전압을 출력하는 전원장치에 관한 것이다. 여기서 당해 플라즈마 발생 장치는 복수의 방전 셀이 접속됨에 의해 구성되어 있고 고순도·고농도의 오존이나 라디칼 가스를 생성할 수 있다. 또한, 당해 플라즈마 발생 장치의 용량성 역률(부하 역률)은, 예를 들면 50% 이하이다. 또한, 대상으로 하는 전원장치의 출력 범위로서는 전원장치 1대당, 예를 들면 1㎾∼100㎾ 범위의 것으로 한다. 플라즈마 발생 장치로서의 대상은, 예를 들면 주파수 10㎑∼60㎑ 범위의 교류 출력을 하는 전원장치로부터의 전원 공급에 의해 동작하는 것으로 한다.
도 1은, 본 발명에 관한 전원장치와 용량성 부하인 플라즈마 발생 장치를 포함하는 시스템의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 1에서 플라즈마 발생 장치(5)는 복수개의 방전 셀이 병렬 접속됨에 의해 구성된, 용량성 부하이다. 전술한 바와 같이 방전 셀은, 한 쌍의 전극을 방전 공간이 형성되도록 대면하여 배치시킴에 의해 구성된다. 여기서 당해 방전 공간에 면하도록 전극에 대해 유전체가 배치되어 있다. 플라즈마 발생 장치(5)의 대표례로서는 오존 가스 발생 장치(오조나이저)가 있다. 일반적으로는 당해 오존 발생 장치는 수처리 분야에서의 오존 살균이나 화학 플랜트에서의 오존 표백 용도의 산업·공업 분야에서 주로 이용되고 왔다.
플라즈마 발생 장치(5)에는 산소 가스 등의 원료 가스가 공급되는데, 당해 원료 가스의 유량 제어는 간이한, 가스 유량계와 가스 유량 밸브와의 조합으로 실시되어 있다. 또한, 플라즈마 발생 장치(5) 내의 가스 압력은, 당해 장치(5)에 마련한 가스 유출구의 출력 가스 밸브를 이용함에 의해 조정되고 있다. 또한, 플라즈마 발생 장치(5) 내에 물 등의 냉매를 흘림으로써, 방전 셀에서 발생하는 열을 제거하여, 방전 셀의 온도를 식히고 있다. 당해 냉매의 유량은, 수냉 밸브 등에 의해 조정된다.
이상과 같이 가스 유량, 가스 압력 및 냉매 유량 등은, 간이한 밸브 등으로 조정되고 있기 때문에, 가스 유량, 가스 압력, 냉매 유량의 설정치에 대한 변동이 커질 가능성이 있다. 따라서 후술하는 바와 같이 플라즈마 발생 장치(5)가 안정하게 계속 운전할 수 있기 위해서는 이들 물리량의 변동을 억제하는 것이 중요하고 또한, 이들 물리량을 소정치 내로 관리 유지하는 것이 중요하다.
도 1에 도시하는 바와 같이 플라즈마 발생 장치(5)에는 본 발명에 관한 전원장치(10)가 접속되어 있고 당해 전원장치(10)로부터, 예를 들면 1000V 이상의 고전압의 교류가 플라즈마 발생 장치(5)의 각 방전 셀에 인가된다. 방전 셀의 전극 사이에, 유전체 및 방전 공간을 통하여 전압이 인가됨으로써, 방전 공간에 고전계 방전이 발생한다. 당해 방전에 의해 방전 공간에 공급된 원료 가스가 여기된다. 그리고 플라즈마 광화학 반응에 의해 원료 가스로부터, 오존 가스나 라디칼 가스 등의 플라즈마 가스가 생성된다.
또한, 전원장치(10)는 플라즈마 발생 장치(5)에 대해 예를 들면 0∼4000W의 가변의 교류 전력을 출력할 수 있다.
이하, 본 발명에 관한 전원장치(10)를 그 실시의 형태를 도시하는 도면에 의거하여 구체적으로 설명한다.
<실시의 형태 1>
본 실시의 형태에 관한 전원장치(10)는 부하의 단락 보호를 위해 방전 셀마다 퓨즈를 배설하는 대신에, 인버터 출력부 이후의 부하 단락에 대한 보호 협조 기능을 가지며, 이상 발생시에는 인버터 출력 전압을 매우 단시간에 차단할 수 있도록 구성되어 있다. 즉, 본 실시의 형태에 관한 전원장치(10)는 고장이 생긴 경우의 대책이 강구되어 있다. 또한, 본 실시의 형태에 관한 전원장치(10)에서는 고장이 생기면, 고장 개소를 표시한다. 당해 표시에 의해 유저는 고장으로부터 전원장치(10)를 단시간에 복구시킬 수 있다.
도 1에 도시하는 바와 같이 전원장치(10)는 직류 전압 출력부(20), 인버터(3) 및 트랜스(4)를 포함하고 있다.
직류 전압 출력부(20)는 상용 교류 전원을 직류 전압으로 변환하고 당해 직류 전압을 출력하는 직류 컨버터, 또는 축적하고 있는 직류 전압을 출력하는 직류 전지이다. 직류 컨버터는 외부로부터 단상 또는 3상의 상용 교류 전원(예를 들면, 200V)을 입력하고 교류 전압을 정류하고 직류 전압으로 변환하고 승압한 직류 전압을 출력한다. 또한, 직류 전지는 다단으로 접속된 전지 셀로부터 출력하는 직류 전압을 소정의 직류 전압까지 승압하고 당해 승압 후의 직류 전압을 출력한다.
직류 전압 출력부(20)의 후단에는 인버터(3)가 접속되어 있다. 직류 전압 출력부(20)로부터 출력된 직류 전압은, 인버터(3)에서 고주파 교류 전압으로 변환되고 인버터(3)는 당해 고주파 교류 전압을 출력한다.
인버터(3)의 후단에는 트랜스(4)가 접속되어 있다. 트랜스(4)에서는 인버터(3)로부터 출력된 고주파 교류 전압을 플라즈마 발생 장치(5)에서 방전이 유기될 수 있는 전압까지 승압한다. 그리고 트랜스(4)의 후단에는 플라즈마 발생 장치(5)가 접속되어 있고 트랜스(4)는 당해 승압 후의 고주파 교류 전압을 용량성 부하인 플라즈마 발생 장치(5)에 대해 인가한다.
또한, 전원장치(10) 내에는 인버터(3)의 동작을 제어하는 제어부(6)가 마련되어 있다. 당해 제어부(5)의 제어에 의해 도 1에 도시하는 시스템의 안정된 구동 및 고장시의 신속한 정지 및 고장시의 신속 대응이 가능해지고 장시간 안정하게 운전할 수 있는 전원장치(10)가 제공된다.
또한, 전원장치(10) 내에는 인버터(3)와 트랜스(4)와의 사이에서 단락 전류를 억제하는 한류(限流) 리액터(Lc)가 배설되어 있다. 당해 한류 리액터(Lc)에 의해 전원장치(10)는 인버터(3) 출력부 이후의 부하가 단락하여도 본 전원장치(10) 내부에서 보호 협조가 취하여져, 전원장치(10) 밖의 배전반 등에 대해 영향이 미치는 것을 방지할 수 있고 전원장치(10)의 주요 부품 자신의 고장도 방지할 수 있고 신속하게 전원 정지를 행할 수 있다.
종래의 플라즈마 발생 장치에서는 교류 부하용의 전원장치의 인버터 출력 직후의 부하가 용량성이기 때문에, 하기한 이유에 의해 전원장치 내의 주요 부품이 파손되고 또한 방전 셀도 파손될 가능성이 있다. 즉, 그 이유는 큰 돌입 전류(부하 콘덴서 전류)가 흐르는 것, 방전 셀 면의 일부분에 방전이 집중하는 것, 및 방전 셀부 이외에서의 이상 방전이 생기는 것이다. 따라서 특허 문헌 3에 관한 기술에서는 각 방전 셀에 보호용의 퓨즈를 배설시키고 있다. 본 발명에서는 당해 보호용의 퓨즈 대신에, 인버터(3)의 출력측에 전류 억제용의 한류 리액터(Lc)를 배설시키고 있다. 또한, 인버터(3)의 펄스 폭을 제어함으로써, 방전 셀 면의 일부분에 방전이 집중하지 않도록 부하 전류 관리 및 부하 전압 관리하고 있다. 이들에 의해 부하 단락시의 단락 전류를 억제하고 장시간 안정한 교류 전압을 부하측에 공급할 수 있도록 전원장치의 출력을 제어하고 있다.
또한, 전원장치(10)에서는 인버터(3)의 출력측에, 단락을 검지하는 검출부(31, 32, 41, 42)가 배설되어 있다. 검출부(31, 32)는 인버터(3)와 트랜스(4)와의 사이에 배설되어 있다. 검출부(31)는 인버터(3)로부터의 출력 전류(Io)를 검출하고 검출부(32)는 인버터(3)로부터의 출력 전압(Vo)을 검출한다. 또한, 검출부(41, 42)는 트랜스(4)와 플라즈마 발생 장치(5)와의 사이에 배설되어 있다. 검출부(41)는 트랜스(4)로부터 출력되는 부하 전류(Id)를 검출하고 검출부(42)는 트랜스(4)로부터 출력되는 부하 전압(Vd)을 검출한다.
검출부(31, 32, 41, 42)는 항상 검출 동작을 행하고 있고 검출한 결과를 신호로서 제어부(6)에 송신하고 있다. 그리고 제어부(6)는 검출부(31, 32, 41, 42)가 단락을 검지한 때, 인버터(3)를 정지시킨다. 즉, 검출부(31, 32, 41, 42)로부터 송신되는 상기 검출 결과에 의거하여, 제어부(6)는 부하의 단락 상태를 판단한다. 그리고 당해 단락 상태가 검지된 때, 제어부(6)는 논리 회로(61)를 통하여 게이트 차단 신호를 인버터 드라이브 회로(62)에 보낸다. 이에 의해 인버터(3)의 출력을 정지할 수 있다. 여기서 논리 회로(61)에는 구동 신호(f : 인버터(3)의 구동 펄스 주기(1/f), τ: 인버터(3)의 (출력)펄스 폭)가 제어부(6)로부터 송신되어 있다.
상기에 의해 부하의 단락이 생기면, 마이크로초 정도로, 인버터(3)의 출력이 정지된다. 또한, 제어부(6)는 단락의 원인이 되는 이상 개소를 표시(통지)하여, 교류 부하용의 전원장치의 안정 정지 기능 성능을 높이도록 하고 있다.
구체적으로, 다음과 같다. 플라즈마 발생 장치(5)의 정상시의 부하 전압(Vd)의 특성은, 통상, 도 2에 도시한 부하 전류(Id)에 의존하고 있다. 즉, 부하 전압(Vd)=f(Id)이고(도 2의 실선), 플라즈마 발생 장치(5)는 부하 전압(Vd)을 유지하여 구동하고 있다. 그런데, 플라즈마 발생 장치(5)에 이상이 발생하면, 플라즈마 발생 장치(5)에서 부하 전압(Vd)으로 운전을 유지할 수 없게 되고 매우 낮은 전압이 검출된다.
그래서 예를 들면, 부하 전압(Vd)의 약 0.3배 이하가 되는 근사(近似)의 소정 전압(Vth)=c×Id+d(c, d : 정수이고 도 2의 1점 쇄선)을 제어부(6)에 설정한다. 여기서 트랜스(4)와 플라즈마 발생 장치(5)와의 사이에는 전류 검출기(41)와 전압 검출기(42)가 배설되어 있고 각 검출기(41, 42)는 항상, 플라즈마 발생 장치(5)에 공급되는 전류치·전압치를 검지하고 있다.
전류 검출기(41)가 전류치(Id1)를 검출하고 당해 전류치(Id1) 검출시에 있어서의 전압 검출기(42)에서의 전압 검출치가 V1였다고 한다. 제어부(6)는 각 검출치(Id1, V1)를 수신하고 전압 검출(치V1)가 소정 전압(Vth)(=c×Id1+d) 이하라고 판단하였다고 한다.
이 경우에는 제어부(6)는 플라즈마 발생 장치(5)에서 이상이 발생하였다고 판단하고(플라즈마 발생 장치(5)의 입력측에서 단락이 생겼다고 판단하고), 제어부(6)는 인버터(3)의 출력을 정지하는 게이트 차단 신호를 발신한다. 논리 회로(61)는 상기 구동 신호(f, τ)와 당해 게이트 차단 신호를 수신하고 논리 결과인 게이트 차단 신호를 인버터 드라이브 회로(62)에 대해 출력한다. 그리고 당해 게이트 차단 신호에 의거하여, 인버터(3)의 출력이 정지된다. 상기 경우에 있어서 제어부(6)는 또한, 플라즈마 발생 장치(5)에서 이상이 발생한 취지를 통지하기 위해 표시 장치(도시 생략)에서 이상 표시를 행하여, 당해 이상을 유저에게 통지한다.
한편으로, 인버터(3)로부터 출력되는 전압(Vo)은, 고압의 트랜스(4)의 1차측의 전압이고 이 전압(Vo)을 감시함으로써, 트랜스(4)를 포함하는 출력 부하부의 이상 상태를 검지할 수 있다.
정상시의 인버터 출력 전압(Vo)의 특성은, 통상, 도 3에 도시한 인버터 출력 전류(Io)에 의존하고 있다. 즉, 부하 전압(Vo)=f(Io)이고(도 3의 실선), 전원장치(1o)는 인버터 출력 전압(Vo)을 유지하여 구동하고 있다. 그런데, 플라즈마 발생 장치(5)나 트랜스(4)에서 이상이 발생하면, 전원장치(10)는 인버터 출력 전압(Vo)을 유지할 수가 없게 되고 매우 낮은 전압이 검출된다.
그래서 예를 들면, 인버터 출력 전압(Vo)의 약 0.3배 이하가 되는 근사의 소정 전압(V'th)=a×Io+b(a, b : 정수이고 도 3의 1점 쇄선)을 제어부(6)에 설정한다. 여기서 인버터(3)와 트랜스(4)와의 사이에는 전류 검출기(31)와 전압 검출기(32)가 배설되어 있고 각 검출기(31, 32)는 항상, 인버터(3)로부터 출력되는 전류치·전압치를 검지하고 있다.
전류 검출기(31)가 전류치(Io2)를 검출하고 당해 전류치(Io2) 검출시에 있어서의 전압 검출기(32)에서의 전압 검출치가 V2였다고 한다. 제어부(6)는 각 검출치(Id2, V2)를 수신하고 전압 검출치(V2)가 소정 전압(V'th)(=a×Io2+b) 이하라고 판단하였다고 한다.
이 경우에는 제어부(6)는 트랜스(4) 및/또는 플라즈마 발생 장치(5)에서 이상이 발생하였다고 판단하고(인버터(3)의 출력측에서 단락이 생겼다고 판단하고), 제어부(6)는 인버터(3)의 출력을 정지하는 게이트 차단 신호를 발신한다. 논리 회로(61)는 상기 구동 신호(f, τ)와 당해 게이트 차단 신호를 수신하고 논리 결과인 게이트 차단 신호를 인버터 드라이브 회로(62)에 대해 출력한다. 그리고 당해 게이트 차단 신호에 의거하여, 인버터(3)의 출력이 정지된다. 상기 경우에 있어서 제어부(6)는 또한, 인버터(3)의 출력측에서 이상이 발생한 취지를 통지하기 위해 표시 장치(도시 생략)에서 이상 표시를 행하여, 당해 이상을 유저에게 통지한다.
이와 같이 전원장치(10)에서는 인버터(3)의 출력부에 한류 리액터(Lc)가 배설됨에 의해 고장(단락)이 생긴 경우의 대책을 강구할 수 있다(즉, 단락 전류의 억제가 가능해진다). 20μH∼수백μH 정도의 한류 리액터(Lc)는 인버터(3)의 출력부 이후에 단락이 생긴 경우에도 매우 큰 단락 전류를 억제하게 된다. 따라서 당해 한류 리액터(Lc)의 배설은, 전원장치(10)의 고장뿐만 아니라, 전원장치(10) 자신을 보호 협조가 취하여진 안전한 전원으로 하고 있다.
예를 들면, 전원장치(10)의 보호 협조가 불충분하면, 도 1에 도시하는 시스템에서 단락 등의 고장이 생긴 경우, 당해 시스템을 설치하고 있는 공장 전체의 배전반의 브레이커를 정지하는 사태가 된다. 그러나, 본 발명에서는 전원장치(10)가 상기 한류 리액터(Lc)를 갖기 때문에, 상기한 바와 같은 사태를 방지할 수 있다.
한류 리액터(Lc)는 인버터(3)의 출력 전류치의 2승(乘)(=2·π·f·L·I2)으로 전기 용량이 증가하고 부하가 용량성인 경우는 인버터(3)의 출력 전압에 대해 한류 리액터(Lc)에 인가하는 전압은 승압한다. 이 때문에, 한류 리액터(Lc)의 리액터값(L)이 커지면, 한류 리액터(Lc)의 전기 용량도 매우 커지고 전원장치(10) 외형 전체가 커지고 전원장치(10)의 중량도 무겁게 된다. 그래서 복수개의 방전 셀을 갖는 플라즈마 발생 장치(5)에 전원을 공급하는 본 발명에 관한 전원장치(10)에서는 당해 전원장치(10)에 배설되는 한류 리액터(Lc)의 리액터값(L)은, 전원장치(10)의 소형화·경량화의 관점에서 특히, 20μH∼70μH 정도가 바람직하다.
또한, 전원장치(10)는 단락 발생시에, 속단(速斷)으로 인버터(3)의 출력을 정지할 수 있는 기능이 마련되어 있음에 의해 조기 복구가 가능해진다. 즉, 즉시, 전원장치(10)에 의한 전원 공급이 정지되고 이상 발생 장소가 통지됨에 의해 조기의 전원 공급 재개가 가능해진다.
그런데, 플라즈마 발생 장치(5)에 공급하는 전력, 원료 가스의 공급 가스 유량, 플라즈마 발생 장치(5) 내의 가스 압력 및 방전 셀의 온도에 응하여,플라즈마 발생 장치(5)의 부하 상태도 변동한다. 이 때문에, 플라즈마 발생 장치(5)에서 플라즈마에 의해 오존 등을 소망하는 발생량·발생 농도로 안정적으로 발생시키기 위해서는 다음의 것도 중요한 제어이다. 즉, 각 방전 셀에 공급되는 원료 가스(70)의 공급 가스 유량, 플라즈마 발생 장치(5) 내의 가스 압력, 방전 셀을 냉각하기 위해 플라즈마 발생 장치(5) 내에 순환 공급되는 냉매(78)의 냉매 유량, 당해 냉매에 의한 온도 및 플라즈마 발생 장치(5)로부터 출력되는 가스(74)의 농도를 일정 정밀도 범위 내에 수속되게 하도록 전원장치측에서 플라즈마 발생 장치(5)를 제어한다. 당해 제어에 의해 플라즈마 발생 장치(5)에서 발생하는 플라즈마 상태를 안정한 영역에서 동작시킬 수 있고 결과적으로, 플라즈마 발생 장치(5)를 안정적으로 가동시킬 수 있다.
그래서 플라즈마 발생 장치(5)의 배설측에서 원료 가스(70)의 공급 가스 유량을 측정·조정할 수 있는 가스 유량 조정부(71), 방전 셀 내의 가스 압력을 측정·조정할 수 있는 가스 압력 조정부(73), 플라즈마 발생 장치(5) 내에 순환 공급하는 냉매(78)의 온도를 측정·조정할 수 있는 냉매 온도 조정부(74), 및 당해 냉매의 유량을 측정·조정할 수 있는 냉매 유량 조정부(75) 및 플라즈마 발생 장치(5)에서 생성한 가스(74)의 농도를 측정을 할 수 있는 농도 검출기(모니터)(72)가 마련되어 있다(도 1 참조).
여기서 가스 유량 조정부(71)는 설정 가스 유량에 대해 예를 들면 ±5% 이내의 정밀도(소망 범위 이내)로, 원료 가스의 공급 가스 유량을 조정한다. 또한, 가스 압력 조정부(73)는 설정 가스 압력에 대해 예를 들면 ±5% 이내의 정밀도(소망 범위 이내)로, 방전 셀 내의 가스 압력을 조정한다. 또한, 냉매 온도 조정부(74)는 설정 냉매 온도에 대해 예를 들면 ±10% 이내의 정밀도(소망 범위 이내)로, 냉매의 온도를 조정한다. 또한, 냉매 유량 조정부(75)는 설정 냉매 유량에 대해 예를 들면 ±10% 이내의 정밀도(소망 범위 이내)로, 냉매의 순환 유량을 조정한다. 플라즈마 발생 장치(5)에서 생성한 가스(74)의 농도는 예를 들면 ±2% 이내의 정밀도(소망 범위 이내)로, 측정된다. 플라즈마 발생 장치(5)와 전원장치(10)와의 사이에서의 신호의 송수신에 의해 이들의 범위에서 각 항목을 제어·관리함에 의해 플라즈마 발생 장치(5)로부터, 소망하는 가스량·가스 농도의 가스(74)가 출력된다.
또한, 가스 유량 조정부(71)에 설정되는 공급 가스 유량 설정치, 가스 유량 조정부(71)에 의해 측정된 공급 가스 유량치, 가스 압력 조정부(73)에 설정되는 가스 압력 설정치, 가스 압력 조정부(73)에 의해 측정된 가스 압력치, 냉매 온도 조정부(74)에 의해 측정된 냉매 온도 및 냉매 유량 조정부(75)에 설정되는 냉매의 유량 설정치, 및 냉매 유량 조정부(75)에 의해 측정된 냉매의 유량치는 각각, 전원장치(10)의 외부 신호 인터페이스(63)를 통하여 제어부(6)와 수시로 송수신된다. 당해 송수신에 의해 전원장치(10)로부터 플라즈마 발생 장치(5)에 출력하는 전력량을 제어·관리한다. 이에 의해 플라즈마 발생 장치(5)에서는 유량·농도가 안정된 가스(74)가 생성·출력되고 또한, 플라즈마 발생 장치(5)에서의, 상기 각 물리량을 감시하고 있다.
여기서 가스 유량 조정부(71) 및 냉매 유량 조정부(75)로서 예를 들면, 가스 유량을 정밀도 좋게 컨트롤 제어하는 매스 플로 컨트롤러(MFC)를 채용할 수 있다. 또한, 가스 압력 조정부(73)로서 예를 들면, 가스 압력을 항상 일정 제어하는 오토 프레셔 컨트롤러(APC)를 채용할 수 있다.
또한, 플라즈마 발생 장치(5) 배설측에서 생성되는 오존 가스의 가스 농도 및 당해 오존 가스의 유량을 검출하는 가스 검지기(72)도 마련되어 있다(도 1 참조). 그리고 당해 가스 검지기(72)에서 검출된, 가스 농도 및 가스 유량도 외부 신호 인터페이스(63)를 통하여 제어부(6)로 수시로 송신된다.
그런데, 본 실시의 형태에서는 제어부(6)는 원료 가스의 공급 가스 유량(가스 유량 조정부(71)의 설정치 신호 및 검출치)가 송수신되고 설정 가스 유량에 대해 상기 소망 범위 이내인지의 여부를 판단하고 전원장치(10)는 흐르고 있는 가스 유량과 생성되는 가스(74)의 농도에 응한 전력을 출력하도록 인버터(3)의 펄스 폭 또는 펄스 주파수를 제어하고 있다. 또한, 제어부(6)는 방전 셀 내의 압력(가스 압력 조정부(73)의 설정치 신호 및 검출치)가 설정 가스 압력에 대해 상기 소망 범위 이내인지의 여부를 판단한다. 또한, 제어부(6)는 냉매의 온도(냉매 온도 조정부(74)의 검출치)가 설정 냉매 온도에 대해 상기 소망 범위 이내인지의 여부를 판단한다. 또한, 제어부(6)는 냉매의 유량(냉매 유량 조정부(75)의 설정치 신호 및 검출치)이 설정 냉매 유량에 대해 상기 소망 범위 이내인지의 여부를 판단한다. 각 검출 신호(검출치)가 소망 범위 이외라면, 전원장치(10) 자신이 이상 신호를 발하고 플라즈마 발생 장치(5)를 즉석에서 정지하든지. 또는 검출 신호(검출치)에 응하여, 출력 전력을 인버터(3)의 펄스폭 제어 등을 행한다. 이에 의해 생성하는 가스의 농도가 소망치 범위 밖이 되지 않도록 플라즈마 발생 장치(5)가 안정 운전할 수 있도록 감시할 수 있다.
상기 각 판단에서 제어부(6)는 원료 가스의 공급 가스 유량(가스 유량 조정부(71)의 검출치)가 설정 가스 유량에 대해 상기 소망 범위 밖인 것을 검지하였다고 한다. 또는 제어부(6)는 방전 셀 내의 압력(가스 압력 조정부(73)의 검출치)가 설정 가스 압력에 대해 상기 소망 범위 밖인 것을 검지하였다고 한다. 또는 제어부(6)는 냉매의 온도(냉매 온도 조정부(74)의 검출치)가 설정 냉매 온도에 대해 상기 소망 범위 밖인 것을 검지하였다고 한다. 또는 제어부(6)는 냉매의 유량(냉매 유량 조정부(75)의 검출치)이 설정 냉매 유량에 대해 상기 소망 범위 밖인 것을 검지하였다고 한다.
상기 각 케이스에서는 제어부(6)는 논리 회로(61)를 통하여 게이트 차단 신호(602)를 인버터 드라이브 회로(62)에 보낸다. 이에 의해 인버터(3)의 즉 출력을 정지할 수 있다. 여기서 논리 회로(61)에는 구동 신호(f : 인버터(3)의 구동 펄스 주기(1/f), τ: 인버터(3)의 펄스 폭)(601)가 제어부(6)로부터 송신되고 있다.
상기에 의해 플라즈마 발생 장치(5)에서의 각 물리량에서 이상이 생기면, 마이크로초 정도로, 인버터(3)의 출력을 정지할 수 있다. 또한, 제어부(6)는 플라즈마 발생 장치(5)에서 이상이 발생하고 있는 것을(어느 물리량이 이상한지를), 표시 장치(도시 생략)에 표시(통지)시킨다. 이에 의해 플라즈마 발생 장치(5)에서 상기 물리량이 이상한 것을 유저는 즉시에 인식할 수 있다.
이와 같이 본 실시의 형태에서는 플라즈마 발생 장치(5)에서의 운전의 환경 조건을 일정하게 유지하도록 함과 함께, 전원장치(10)는 플라즈마 발생 장치(5)에서 발생한 유량·압력·온도 등의 물리량에 응하여 최적의 전력량을 전원장치(10)가 출력할 수 있도록 인버터(3)를 조정함과 함께, 당해 물리량의 이상을 즉석에서 검지하여, 이상하면, 전원장치(10)는 인버터(3)의 출력을 정지시킬 수 있다. 또한, 전원장치(10)는 물리량의 이상 발생시에는 당해 이상을 통지하고 있기 때문에, 유저는 즉시에 플라즈마 발생 장치(5)에서 발생한 이상을 인식할 수 있다. 플라즈마 발생 장치(5)에서 부하의 단락 요인이 될 수 있는 가스 유량의 급감이나 방전 셀 내의 압력의 급감이나 냉각수량의 저하나 냉각수 온도 상승 등의 이상 상태를 전원장치(10)측에서 감시한다. 이에 의해 플라즈마 발생 장치(5) 자신의 불안정 요인을 사전에 찾을 수 있고 부하의 단락 이상이나 과전압 이상 상태가 일어나지 않도록 전원장치(10) 자신을 제어한다.
여기서 제어부(6)가 구동 신호(601) 및 게이트 차단 신호(602)를 논리 회로(61)에 출력하고 당해 출력에 응하여, 인버터(3)의 출력 파형이 어떻게 변화하는지를 도 4를 이용하여 설명한다. 도 4의 2, 3단째에서는 2개의 게이트 신호의 ON-OFF 신호가 도시되어 있고 이들 2개의 신호를 합침으로써, 하나의 구동 신호(601)가 된다.
인버터(3)를 직접 구동하는 구동 신호(게이트 신호이고 ON-OFF 신호)(601)를 제어부(6)는 논리 회로(61)에 대해 송신한다. 당해 구동 신호는 도 4의 2, 3단째에 도시하고 있다. 그리고 논리 회로(61)는 당해 구동 신호에 의거하여, 인버터(3)의 구동 펄스 주기(1/f)와 펄스 폭(τ)을 인버터(3)를 구동하는 인버터 드라이브 회로(62)에 지령한다. 그리고 당해 지령을 받은 인버터 드라이브 회로(62)는 구동 펄스 주기(1/f)와 펄스 폭(τ)에 의해 인버터(3)를 구동시킨다(도 4의 1단째(최상단) 참조).
여기서 게이트 차단 신호(도 4의 최하단)(602)가 H 신호인 경우(정상시), 상기 동작을 행하지만, 게이트 차단 신호(602)가 L 신호인 경우(이상 발생시)에는 구동 신호의 입력에 관계없이 논리 회로(61)는 인버터(3)를 정지시키는 지령을 인버터 드라이브 회로(62)에 송신한다. 그리고 당해 지령을 받은 인버터 드라이브 회로(62)는 인버터(3)의 출력을 정지한다. 또한, 게이트 차단 신호(602)가 L 신호라면, 상술한 바와 같이 마이크로초 정도로, 인버터(3)의 출력을 정지할 수 있다.
또한, 정상시에서는 인버터(3)로부터는 구동 펄스 주기(1/f)와 펄스 폭(τ)의 파형이 출력되고 당해 파형에 의거하여, 전원장치(10)가 플라즈마 발생 장치(5)에 대해 고주파·고전압의 전력을 공급한다. 그리고 플라즈마 발생 장치(5)에서는 공급 가스 유량, 가스 압력, 냉매 유량 및 냉매 온도가 소망 범위 이내이고 안정된 플라즈마 발생 장치(5)의 운전이 가능해진다.
플라즈마 발생 장치(5)와 전원장치(10)와의 사이에서 공급 가스 유량, 가스 압력, 냉매 유량 및 냉매 온도 등의 설정 신호 및 검출 신호치가 송수신되고 있다. 이에 의해 플라즈마 발생 장치(5)의 안정 운전이 가능해진다. 즉, 최적의 전력을 플라즈마 발생 장치(5)에 공급할 수 있도록 전원장치(10)는 설정 신호 및 검출 신호치에 응하여, 인버터(3)의 펄스 폭·펄스 주파수를 포워드 제어·피드백 제어를 하고 있다.
<실시의 형태 2>
본 실시의 형태에 관한 전원장치(10)는 후술로부터 알 수 있는 바와 같이 부하 변동에 강한 병렬 공진을 주체로 한 구성을 채용하고 있다.
플라즈마 발생 장치(5)와 같은 용량성의 부하인 경우, 전압 파형 위상에 대해 전류 위상이 거의 90°정도 진행된다. 즉, 플라즈마 발생 장치(5)에 공급되는 전기 용량은 매우 크지만, 유효 전력이 전기 용량의 1/5∼1/10 정도(부하 역률이 약 10%∼20% 정도)로의 상태밖에, 안정하게, 플라즈마 발생 장치(5)에 에너지를 투입할 수가 없다. 그 때문에, 전기 용량의 매우 큰 전원장치(10)가 요구되고 있다. 그래서 유도성의 리액터를 마련함으로써, 전원장치(10)에서의 부하 역률의 역률 개선을 행한다(플라즈마 발생 장치(5)와 전원장치(10)와의 사이에서 공진 상태를 만들어 낸다).
본 실시의 형태에서는 실시의 형태 1에서 설명한 전원장치(10)에서 트랜스(4)는 2차측 여자 인덕턴스는 누설 인덕턴스의 5배보다도 큰, 고기능 트랜스이다. 공진 주파수((1)식 참조)가 플라즈마 발생 장치(5)의 동작 주파수역이 되도록 플라즈마 발생 장치(5)의 정전용량치와 동작 주파수를 (1)식에 대입하여, 인덕턴스 값을 산출한다. 당해 산출한 인덕턴스 값이 트랜스(4)의 2차측 여자 인덕턴스, 누설 인덕턴스를 합성한 인덕턴스 값(이후, 트랜스 인덕턴스 값이라고 부른다)이 되도록 한다. 이에 의해 본 실시의 형태에 관한 트랜스(4)는 종래의 승압·절연 기능을 가질 뿐만 아니라, 부하와 공진 기능도 겸비한, 플라즈마 발생 장치(5) 전용의 고기능 트랜스가 된다. 이하, 본 실시의 형태에 관해 상세히 설명한다.
도 5는 플라즈마 발생 장치(5)에서의, 방전 셀을 복수개 병렬 접속한 등가 회로도이다. 또한, 도 6은, 도 5에 도시한 복수개의 방전 셀을 합성한 등가 회로도이다. 도 6에 도시하는 등가 회로를 갖는 플라즈마 발생 장치(5)에 대해 전원장치(10)가 부하 전압(Vd0)을 인가하여, 당해 플라즈마 발생 장치(5)에 부하 전류(Id0)를 흘려도 실제로 각 방전 셀에 흐르는 전류는 하기한 이유로 변동한다.
즉, 도 5에서 도시하는 바와 같이 방전 셀을 복수개 병렬 접속한 경우, 배선의 길이 부분에는 배선에서 만드는 배선 인덕턴스(LN)가 있다. 따라서 플라즈마 발생 장치(5)에 대해 부하 전압(Vd0)을 인가하여도 각 방전 셀에 인가되는 전압은, 배선에 흐르는 전류와 배선 인덕턴스(LN)에 의한 전압 강하 작용(또는 전압 승압 작용)에 의해 흐트러진다. 이에 의해 각 방전 셀에는 균등한 전류가 흐르지 않는다. 또한, 복수개의 방전 셀을 병렬 접속한 경우에는 각 방전 셀에 투입되는 전력(전류)의 변동이 커진다.
즉, 도 5에 도시한 각 전류치(Id0, Id1, Id2 … Idn)에서 Id0/n(n : 방전 셀의 수)≠Id1≠Id2…≠Idn의 관계가 된다.
또한, 윗식에 표시한 방전 셀마다 흐르는 방전 셀 전류(Id1, Id2 … Idn)의 변동폭은, 방전 셀마다의 제조 정밀도 및 설정 조건(원료 가스의 공급 가스 유량의 설정치, 방전 셀의 가스압의 설정치, 냉매의 공급량의 설정치 및 냉매의 온도의 설정치 등)으로부터 편차 등에 크게 의존하고 있다. 따라서 복수개의 방전 셀을 병렬 접속하여 구성되는 플라즈마 발생 장치에서는 방전 셀마다의 제조 정밀도 및 설정 조건 이외에, 배선 인덕턴스(LN)에 의해 각 방전 셀에 흐르는 각 방전 셀 전류가 크게 변동하고 있다.
또한, 도 6에 도시한 등가 회로(플라즈마 발생 장치(5))에 부하 전압(Vd0)을 인가한 경우, 플라즈마 발생 장치(5)에 투입되는 플라즈마 부하 전력(Pw)은, 배선 인덕턴스(LN)를 제외한, 방전 셀 자신의 각 정수로 나타내는 다음 식과 같이 된다.
Pw=α·V*·Ib0=4·Cg0·V*·f·{20.5·Vd0-(1+Ca0/Cg0)·V*}=[A·F(Vd0)+B]·f (2)식
여기서 α는 방전 공간에서의 플라즈마 방전 통류율(<1.0)이다. V*는 방전 유지 전압이다. Ib0은, 도 6에 도시하는 바와 같이 토탈 방전 플라즈마 전류이다. Cg0은, 도 6에 도시하는 바와 같이 각 방전 셀에서의 유전체 부분의 정전용량치를 합성한 유전체 정전용량치이다. f는 플라즈마 발생 장치(5)에 인가되는 고주파 교류 전압의 동작 주파수(㎑)이다. Ca0는 도 6에 도시하는 바와 같이 각 방전 셀에서의 방전 공간 부분의 정전용량치를 합성한 방전 공간 정전용량치이다. F(Vd0)는 방전 셀 사이에 인가하는 부하 전압(Vd0)에 의존한 함수 값인 것을 나타낸다. 그리고 A 및 B는 플라즈마 발생 장치(5)에 의해 결정되는 정수이다.
플라즈마 부하 전력(Pw)은, 상기 정수(A, B) 및 주파수(f)가 정하여지면, 방전 셀 자신에게 인가하는 플라즈마 부하 전압(Vd0)(kV)에 대응하여 일의적으로 정하여진다. 즉, Pw에 관한 윗식에 의해 도 7에 도시하는 바와 같이 플라즈마 부하 전력(Pw)(W)은, 플라즈마 부하 전압(Vd0)(kV)에 대해 직선적으로 증가하는 특성을 나타낸다.
여기서 도 7에서 왼쪽의 종축은, 플라즈마 부하 전력(Pw)(W)이고 우종축은, 플라즈마 발생 장치(5)에 전원을 공급하는 전원장치(10)가 구비하는 인버터(3)의 인버터 출력(%)이고 횡축은, 플라즈마 부하 전압(Vd0)(kV)이다. 또한, 도 7에서 특성 2003은, 주파수(f)=15.5㎑로 일정한 경우이고 특성 2004는 주파수(f)=16.0㎑로 일정한 경우이고 특성 2005는 주파수(f)=16.5㎑로 일정한 경우이다.
다음에, 도 6에서 도시한 플라즈마 발생 장치(5)에 인가하는 플라즈마 부하 전압(Vd0)의 위상 벡터, 및 당해 플라즈마 발생 장치(5)에 흐르는 플라즈마 부하(Id0)의 위상 벡터에 관해 검증하면, 도 8과 같이 된다. 단, 도 8의 위상 벡터는 등가 회로의 방전 공간에 인가되는 방전 유지 전압(V*)과 방전 공간에 흐르는 전류(방전 전류)(Ib0)와의, 위상 벡터를 기준으로 하여, 방전 셀의 각 부분에 인가하고 있는 전압·전류 위상을 벡터로 표현한 것이디.
도 8에서 도 6의 등가 회로에서 도시한 방전 공간에서는 유전체 콘덴서(Cg0) 사이에 대전하는 전하(Q)가 방전 공간에서의 방전 유지 전압(V*)을 초과하면 방전하고 전하(Q)가 방전하면, 즉석에서 방전 공간에서의 방전은 정지한다. 그 때문에, 방전 공간에서는 일정한 방전 유지 전압(V*)으로의 간헐 방전이 전극면 전체에서 반복된다.
방전 공간에서 생기는 방전부에서의 방전 임피던스는 순수한 저항 부하(Rp0)(도 6 참조)로 간주되기 때문에, 방전 공간에 흐르는 전류(방전 전류)(Ib0)와, 방전 전압에 상당하는 방전 유지 전압(V*)과의 사이에서 위상차는 없고 전류(Ib0)는 방전 유지 전압(V*)과 동위상(0상)이다.
도 8의 벡터도는 위상 0°상태를 수평 벡터로 나타내고 위상이 90°진행된 벡터를 상방의 수직 방향으로 나타내고 역으로 위상이 90° 지연된 벡터 상태를 하방의 수직 방향으로 정의하고 있다.
도 8의 벡터도에서 위상 0°이고 인가 전압 α·V*이고 방전 전류(Ib0)가 흐르면, 방전 공간에서 방전하지 않는 공간(1-α)에서는(방전 공간에서의 정전용량(Ca0)에는), 토탈 콘덴서 전류(Ia0)가 흐른다. 여기서 토탈 콘덴서 전류(Ia0)는 위상 0의 방전 전류(Ib0)에 대해 위상이 90°진행되어 있다. 다음에, 토탈 부하 전류(Id0)는 도 6의 등가 회로가 나타내는 바와 같이 상기 위상이 0°의 방전 전류(Ib0)와 위상이 90°진행된 토탈 콘덴서 전류(Ia0)와의 벡터 합성한 것으로 되어, 도 8에 도시하는 위상의 토탈 부하 전류(Id0)가 흐른다.
다음에, 방전 셀 내의 유전체의 토탈 정전용량(Cg0) 사이에 걸리는 전압(Vcg)의 위상은, 벡터 표시한 토탈 부하 전류(Id0)에 대해 90° 지연된 위상이라고 정의된다. 따라서 도 8에 도시하는 바와 같이 위상의 전압(Vcg)이 인가된다.
또한, 방전 셀에 인가하는 토탈 부하 전압(Vd0)의 위상은, 유전체의 토탈 정전용량(Cg0) 사이에 걸리는 전압(Vcg)과 방전 공간에 걸리는 방전 유지 전압(V*)과의 합성 벡터라고 정의된다. 따라서 도 8에 도시하는 바와 같이 위상의 토탈 부하 전압(Vd0)이 인가된다.
따라서 도 8에 의해 방전 셀 사이에 걸리는 토탈 부하 전압(Vd0)의 위상에 대한, 토탈 부하 전류(Id0)의 위상차는 φ°의 진행 부하(용량성)로 되어 있다고 말하는 것이 명백하게 된다. 도 8로부터, 방전 전력(Pw)(=α·V*·Ib0)에 대한 방전 셀에 필요한 공급 전력 용량(PQ)은, 토탈 부하 전류(Id0)와 토탈 부하 전압(Vd0)과의 벡터 합성으로 나타낼 수 있고 다음 식과 같이 된다.
PQ=Id0·Vd0 (kVA)
방전 전력(Pw)에 대해 공급 전력 용량(PQ)은 매우 큰 값이 된다.
또한, 도 6에서 도시한 플라즈마 발생 장치(5)에서의 부하 역률(또는 플라즈마 부하 역률)(ηd)(=Pw/PQ×100)은, 수% 정도로 매우 낮은 진행 부하로 되어 있다. 그 때문에, 용량성 부하인 플라즈마 발생 장치(5)에서는 소정의 방전 전력(Pw)을 공급하기 위해 플라즈마 발생 장치(5)의 출력 용량은 매우 커지고 장치가 크게 되어 있다. 당해 문제를 해결하는 수단이 부하의 역률을 개선하는 역률 개선 수단이다.
발명자들은, 직렬 공진 방식의 역률 개선 수단 및 병렬 공진 방식의 역률 개선 수단에 대해 조사하여, 용량성 부하인 플라즈마 발생 장치(5)를 안정적으로 운전할 수 있는 공진 방식을 발견하였다. 즉, 복수개의 방전 셀을 병렬 접속한 플라즈마 발생 장치(5)에서 방전 셀마다 투입하는 방전 전력량의 변동이 가능한 한 작게 하여, 역률 개선이 가능한 공진 방식을 발명자들은 발견하였다. 이하, 구체적으로 설명이 이루어진다.
도 9는 직렬 공진 방식의 역률 개선 수단을 도시한 도면이다. 도 9에서 도 6에서 도시한 플라즈마 발생 장치(5)에, 실시의 형태 1에서 설명한 전원장치(10)가 접속되어 있다. 그리고 당해 전원장치(10)의 트랜스(4)의 출력부에, 직렬로, 부하 공진용 변성기(7)가 배설되어 있다. 또한, 도 10은, 직렬 공진 방식을 채용한 경우의 벡터 특성을 도시하는 도면이다.
또한, 도 11은, 병렬 공진 방식의 역률 개선 수단을 도시한 도면이다. 도 11에서 도 6에서 도시한 플라즈마 발생 장치(5)에, 실시의 형태 1에서 설명한 전원장치(10)가 접속되어 있다. 그리고 당해 전원장치(10)의 트랜스(4)의 출력부에, 병렬로, 부하 공진용 변성기(7)가 배설되어 있다. 또한, 도 12는 병렬 공진 방식을 채용한 경우의 벡터 특성을 도시하는 도면이다.
직렬 공진 방식을 채용한 전원장치(10)에서는 도 9로 도시하는 바와 같이 트랜스(4)에 대해 직렬로, 부하 공진용 변성기(7)로서의 리액터(Lr)가 마련되어 있다. 부하가 용량성이고 토탈 부하 전압(Vd0)의 위상과 토탈 부하 전류(Id0)의 위상이 다른 경우, 도 9에 도시하는 바와 같이 전원장치(10)로부터 공급되는 전류(Is)뿐만 아니라, 무효 전류(반사 전류)(Ic)가 트랜스(4)를 통하여 환류한다(도 9의 파선 화살표 참조). 여기서 무효 전류(Ic)는 플라즈마 발생 장치(부하)(5)측부터 전원장치(10)측으로 되돌아오는 흐름의 전류이다.
플라즈마 발생 장치(5)에 전원장치(10)로부터 공급되는 전류(Is)에 무효 전류(Ic)가 중첩된 토탈 부하 전류(Id0)(=Is+Ic)가 부하에 대해 직렬로 배치한 리액터(Lr)를 통하여 흐른다. 그리고 리액터(Lr)에 토탈 부하 전류(Id0)가 흐름에 의해 리액터(Lr) 사이에, 리액터 전압(VL)이 유기된다. 당해 리액터 전압(VL)은, 당연하지만, 도 8로 도시한 토탈 부하 전류(Id0)에 대해 90°진행된 전압이 된다. 즉, 토탈 부하 전압(Vd0)의 벡터 전압으로부터, 리액터 전압(VL)의 벡터 전압을 공제한 벡터 전압(Vs)이 트랜스(4)로부터 출력되는 트랜스 전압(Vs)이 된다.
상기 직렬 공진 방식을 채용한 전원장치(10)에서의 벡터 특성을 도시하는 도면이 도 10이다. 즉, 트랜스(4)로부터 출력하는 토탈 부하 전류(Id0)와, 트랜스(4)의 2차 전압인 트랜스 전압(Vs)은, 동위상으로 되어 있고 트랜스(4)의 출력부에서의 전력 용량(=Id0·Vs)은, 플라즈마 부하 전력(Pw)의 값 가까이까지 개선된다(즉, 트랜스(4)의 출력부에서의 역률(η)이 100% 가까이까지 개선된다).
직렬 공진 방식에서는 트랜스 전압(Vs)이 부하에 인가하는 토탈 부하 전압(Vd0)에 대해 매우 작은 값을 나타내기 때문에, 직렬 공진 방식은 전원 출력에 대해 전압 증폭하는 공진 방식인 것을 알 수 있다. 환언하면, 트랜스 전압(Vs)이 방전 셀부에 대해 직렬로 되어 있는 공진용 리액터(Lr)에 의해 부하 전압(Vd)까지 증폭되게 된다. 이 직렬 공진 방식에서는 도 5와 같이 복수개의 방전 셀을 병렬로 접속하여 구성하면, 각 방전 셀 사이의 배선 인덕턴스(LN)가 직렬 공진 기능의 일부의 역할을 다하는 것으로 된다. 그러면, 복수개의 방전 셀을 병렬로 접속하면, 배선 인덕턴스(LN)의 크기의 차이에 의해 전압 증폭도(增幅度)가 변한다. 이에 의해 방전 셀 사이에 걸리는 부하 전압(Vd)이 크게 변동하게 되고 각 방전 셀에 주입되는 전력량도 크게 변동하는 요소를 내포하고 있다.
한편, 병렬 공진 방식을 채용한 전원장치(10)에서는 도 11로 도시하는 바와 같이 트랜스(4)에 대해 병렬로, 부하 공진용 변성기(7)로서의 리액터(Lr)가 마련되어 있다. 부하가 용량성이고 토탈 부하 전압(Vd0)의 위상과 토탈 부하 전류(Id0)의 위상이 다른 경우, 도 11에 도시하는 바와 같이 전원장치(10)로부터 공급되는 전류(Is)뿐만 아니라, 무효 전류(반사 전류)(Ic)가 공진용의 리액터(Lr)를 통하여 환류한다(도 11의 파선 화살표 참조). 여기서 무효 전류(Ic)는 플라즈마 발생 장치(부하)(5)측부터 전원장치(10)측으로 되돌아오는 흐름의 전류이다.
플라즈마 발생 장치(5)에 전원장치(10)로부터 공급되는 전류(Is)에 무효 전류(Ic)가 중첩된 토탈 부하 전류(Id0)(=Is+Ic)가 전원장치(10)측부터 플라즈마 발생 장치(5)를 향하여 흐른다. 여기서 병렬 공진 방식에서는 무효 전류(Ic)만이 트랜스(4)에 대해 병렬로 배치한 리액터(Lr)를 흐른다. 병렬로 접속된 리액터(Lr)에 흐르는 무효 전류(Ic)는 부하측부터의 반사 전류이기 때문에, 당해 무효 전류(Ic)는 부하측에 인가된 토탈 부하 전압(Vd0)에 대해 90° 지연된 위상의 전류가 된다. 즉, 토탈 부하 전류(Id0)와 무효 전류(Ic)를 합성한 벡터 전류가 트랜스(4)로부터 출력되는 전류(Is)가 된다.
상기 병렬 공진 방식을 채용한 전원장치(10)에서의 벡터 특성을 도시하는 도면이 도 12이다. 즉, 트랜스(4)로부터 출력하는 토탈 부하 전압(Vd0)과, 트랜스(4)로부터의 출력 전류인 전류(Is)는 동위상으로 되어 있고 트랜스(4)의 출력부에서의 전력 용량(=Vd0·Is)은, 플라즈마 부하 전력(Pw)의 값 가까이까지 개선된다(즉, 트랜스(4)의 출력부에서의 역률(η)이 100% 가까이까지 개선된다).
병렬 공진 방식에서는 트랜스(4)로부터 출력 전류(Is)가 부하에 흐르는 토탈 부하 전류(Id0)에 대해 매우 작은 값을 나타내기 때문에, 병렬 공진 방식은 전원 출력에 대해 전류 증폭하는 공진 방식인 것을 알 수 있다.
그런데, 발명자들은, 직렬 공진 방식을 채용한 전원장치(10)가 복수의 방전 셀을 접속한 플라즈마 발생 장치(5)에 전원을 공급하는 경우와, 병렬 공진 방식을 채용한 전원장치(10)가 복수의 방전 셀을 접속한 플라즈마 발생 장치(5)에 전원을 공급하는 경우를 검토하고 어느쪽이 보다 안정하게 당해 플라즈마 발생 장치(5)를 구동시킬 수 있는지의 실증 시험을 실시하였다.
그 결과, 도 9에 도시한 직렬 공진 방식을 채용한 전원장치(10)가 상기 플라즈마 발생 장치(5)에 전력을 공급한 경우에는 이하의 요인에 의해 부하의 안정 운전이 손상되거나, 일부의 방전 셀이 파손되거나 하는 것이 밝혀졌다.
즉, 도 5에 도시한 바와 같이 각 방전 셀을 병렬 접속하면, 부하의 합성 임피던스 및 토탈 방전 플라즈마 저항(Rp0)이 n(방전 셀의 수)에 반비례하여 작아지고 부하 전류가 n에 비례하여 커지고 토탈 부하 전류(Id0)의 변동폭이 커진다. 나아가서는 각 방전 셀 사이의 접속 배선 부분에서의 배선 인덕턴스 값(LN)의 무시를 할 수 없게 된다. 그러면, 직렬 공진 방식을 주체로 한 공진 방식이라면, 배선 인덕턴스 값(LN)이 전원장치(10)에서 직렬로 배치한 부하 공진용 변성기(7)(리액터(Lr))의 전압 증폭 기능의 역할을 한다. 이에 의해 전압 증폭한 부하 전압(Vd)의 변동폭이 조장되고 (2)식으로 표시하는 방전 셀 자신에게 인가되는 부하 전압(Vd)에 의해 플라즈마 부하 전력(Pw)이 정하여진다. 이에 의해 각 방전 셀부에 공급하는 전력 용량 변동이 커지고 방전 셀부에 큰 전력 용량이 주입된 방전 셀이 파손될 수 있다.
이에 대해 도 11에 도시한 병렬 공진 방식을 채용한 전원장치(10)가 상기 플라즈마 발생 장치(5)에 전력을 공급한 경우에는 이하의 요인에 의해 부하의 안정 운전이 가능한 것이 밝혀졌다.
병렬 공진 방식을 주체로 한 공진 방식이라면, 부하부에서 전압 증폭 기능을 내려, 전류 증폭이 주체로 된다. 이 때문에, 방전 셀에 걸리는 부하 전압(Vd)은, 거의 트랜스 전압(Vs)과 동등하게 된다. 따라서 복수개의 방전 셀을 배설함으로써, 배선 인덕턴스 값(LN)이 크게 변동하여도 그 배선 인덕턴스 값(LN)에 의한 전압 증폭도는 직렬 공진 방식의 전압 증폭도에 비하여, 매우 작은 값이 된다. 이 때문에, 각 방전 셀에 인가하는 부하 전압(Vd)의 변동폭은 매우 작게 억제된다. 결과로서 각 방전 셀부에 공급하는 전력 용량 변동이 작고 균등하게 전력이 공급되고 일부의 방전 셀에 큰 전력 주입이 집중하여, 방전 셀이 파손되는 등의 요인을 해소할 수 있다.
즉, 토탈 부하 전압(Vd0)이 일정하게, 트랜스(4)에 대해 병렬로 마련한 리액터(Lr)에 인가되기 때문에, 부하측에서 반사된 무효 전류(Ic)를 이용한 전류 증폭 공진 방식이 된다. 따라서 각 방전 셀 사이의 접속 배선 부분에서의 배선 인덕턴스 값(LN)에 의한 전압 공진이 행하여지지 않는 조건이 된다. 이 때문에, 배선 인덕턴스 값(LN)과 전원장치(10)에 마련한 부하 공진용 변성기(7)(리액터(Lr))와의 상호 간섭은 거의 없고 각 방전 셀에 인가되는 부하 전압(Vd)은 거의 일정하게 된다. 이와 같이 부하 전압(Vd)의 변동이 작기 때문에, (2)식의 플라즈마 부하 전력(Pw)에 의해 정하여지는 각 방전 셀부에 공급하는 전력 용량의 변동도 작아지는 것이 요인이다.
여기서 실제의 전원장치(10)에서는 트랜스(4) 등의 구성상, 직렬 공진 방식과 병렬 공진 방식이 공존하는 것도 알았다. 그래서 발명자들은, 플라즈마 발생 장치(5)의 안정 운전의 관점에서 2개의 공진 비율을 어느 정도의 비율이 적절한지를 시험하였다.
그리고 당해 시험의 결과, 전원장치(10)의 출력 부분에서 직렬 리액터 성분에 대해 병렬 리액터 성분이 약 5배보다 커지도록 구성하는 것이 알맞음을 알았다. 또한, 트랜스(4)의 내부에 대해 부하 공진용 변성기(7)(즉, 트랜스(4)에서의 합성 공진 리액터(Lr))의 기능을 마련하도록 당해 트랜스(4)를 설계하고 본 발명에 관한 트랜스(4)를 플라즈마 발생 장치(5)에 대한 전용 트랜스(고기능 트랜스)로 한다.
본 실시의 형태에서는 상기 공진 비율 조건을 충족시키도록(즉, 병렬 공진이 메인이 되도록), 전원장치(10)를 제공한다. 보다 구체적으로는 상기 공진 비율 조건을 충족시키도록 부하 공진용 변성기의 기능을 트랜스(4)에 갖게 한, 신규 트랜스(4)를 본 실시의 형태에서 제공한다. 도 13은, 당해 신규의 트랜스(고기능 트랜스)(4)의 등가 회로 구성을 도시하는 도면이다. 또한, 도 14는 트랜스(4)의 성능 특성을 도시하는 도면이다.
여기서 도 14에서 좌종축은, 여자 인덕턴스(임의 단위)이고 우종축은, 누설 인덕턴스(임의 단위)이고 횡축은, 트랜스 갭 길이(㎜)이다. 또한, 2001은, 트랜스(4)의 2차측에서 환산한 여자 인덕턴스(Ls2) 특성이고 2002는 트랜스(4)의 2차측에서 환산한 누설 인덕턴스 특성(Ld2)이다.
도 13에는 실시의 형태 1에서 설명한 한류 리액터(Lc)에 더하여, 신규의 트랜스(4)의 등가 회로가 도시되어 있다. Ls1은, 1차측 트랜스 코일에서의, 자계를 형성하기 위한 여자 인덕턴스 성분이다. 또한, Ld2는 1차측 코일과 2차측 코일과의 자속의 결합 손실분으로부터 상정할 수 있는 누설 인덕턴스 성분이다.
통상, 트랜스의 2차측에 접속되는 부하로서는 모터 등의 유도성 부하, 열전기기 등의 저항 부하, 또는 본 발명과 같은 플라즈마 발생 장치 등의 용량성 부하이고 일반적으로, 트랜스는 상기한 다양한 부하에 대응하도록 설계되어 있다. 즉, 통상의 트랜스에서는 부하로부터의 무효(반사) 전류(Ic)가 없는 조건으로 최적 설계되고 제작되어 있다. 따라서 이와 같은 통상의 트랜스에서는 1차측에서 공급된 여자 되기 위한 1차 전류를 가능한 한 작게 하기 위해 여자 인덕턴스 성분(Ls1)은, 가능한 한 커지도록 설계하고 또한 1차측 코일과 2차측 코일과의 자장 결합도를 늘리도록 누설 인덕턴스 성분(Ld2)을 작게 하도록 설계하고 있다.
따라서 통상 트랜스에서는 트랜스 자성체 코어 갭(트랜스 갭 길이 이하 단지 갭 길이라고 칭하는 일도 있다)이 0.2㎜ 이하인 영역 3001의 범위 이내가 되도록 설계되어 있다(도 14 참조).
상기한 바와 같이 종래의 통상 트랜스에서는 여자 인덕턴스는 1차측에서 형성하는 인덕턴스(Ls1)였다. 이에 대해 본 발명에 관한 신규의 트랜스(4)에서는 상술한 무효 전류(Ic)가 트랜스(4)의 2차측에 흐르는 것에 주목하고 당해 무효 전류(Ic)에 의해 2차측 트랜스(4)에서 형성되는 2차측 여자 인덕턴스(Ls2)에 주목한 설계를 행한다.
본 실시의 형태에서는 트랜스(4)의 2차측 여자 인덕턴스(Ls2)와 부하측의 플라즈마 발생 장치(5)에서 병렬 공진 작용을 갖게 한다. 이에 의해 부하 공진용 변성기(7)의 기능을 트랜스(4) 내에 마련할 수 있고 트랜스(4)의 2차측에 있어서 부하와의 병렬 공진을 행할 수 있다.
나아가서는 본 실시의 형태에 관한 신규의 트랜스(4)에서는 상기한 바와 같이 병렬 공진을 주체로 하고 있다. 즉, 트랜스(4)의 2차측의 여자 인덕턴스(Ls2)와 플라즈마 발생 장치(5)의 토탈 정전용량(C0)과의 관계에서 생기는 병렬 공진의 정도를 인버터(3)의 출력부에 배설된 한류 리액터(Lc)와 트랜스(4)의 누설 인덕턴스(Ld2)와 플라즈마 발생 장치(5)의 토탈 정전용량(C0)과의 관계에서 생기는 직렬 공진의 정도보다도 크게 한다. 환언하면, 당해 트랜스(4)에서는 2차측의 여자 인덕턴스(Ls2)에 비하여, 누설 인덕턴스 성분(Ld2)을 가능한 한 작게 한다. 구체적으로는 도 13에서 다음 식의 관계를 충족시키도록 설계된 트랜스(4)가 본 실시의 형태에 관한 신규의 트랜스(4)이다.
2차측의 여자 인덕턴스(Ls2)>5·누설 인덕턴스 성분(Ld2)
즉, 본 실시의 형태에 관한 신규의 트랜스(4)에서는 2차측 여자 인덕턴스(Ls2)는 누설 인덕턴스(Ld2)의 5배보다도 크다. 또한, 공진 주파수((1)식)가 플라즈마 발생 장치(5)의 동작 주파수역이 되도록 부하의 정전용량치와 동작 주파수를 (1)식에 대입하여, 인덕턴스 값을 산출한다. 산출한 인덕턴스 값이 트랜스 인덕턴스 값이 되도록 하였다.
역률 개선을 위해 상기 요건을 충족시키는 트랜스(4)를 이용함으로써, 상기 무효 전류의 대부분을 트랜스(4)의 2차측 여자 인덕턴스에 환류시킬 수 있다.
상기 요건을 갖는 트랜스(4)에서는 2차측 여자 인덕턴스(Ls2)를 조정한다. 즉, 트랜스(4)의 갭 길이를 통상 이용한 트랜스의 갭 길이보다도 넓힐 필요가 있다. 발명자들의 고찰의 결과, 본 실시의 형태에 관한 신규의 트랜스(4)에서는 갭 길이를 3.5㎜ 이하로 이용하는 것이 알맞음을 알았다. 또한, 실제의 트랜스(4)의 사용을 고려하면, 트랜스(4)의 갭 길이는 1㎜ 이상이 알맞은 것도 알았다. 즉, 본 실시의 형태에 관한 신규의 트랜스(4)에서는 도 14에 도시하는 바와 같이 영역 3002의 범위 이내에서 갭 길이를 설정하는 것이 알맞다.
여기서 2차측의 여자 인덕턴스(Ls2)>5·누설 인덕턴스 성분(Ld2)의 관계를 충족시킨다면, 트랜스(4)의 갭 길이는 3.5㎜보다 커도 좋다(도 14 참조). 그러나, 트랜스(4)의 갭 길이를 3.5㎜보다 크게 하면, 갭 사이에의 누설 자속이 증대하고 이 누설 자속에 의해 전원장치(10) 내의 부품이 발열하는 등의 문제가 생길 가능성이 있다. 그래서 양호한 전원장치(10)의 사용의 관점에서 갭 길이를 3.5㎜ 이하로 설정하는 것이 바람직하다.
또한, 트랜스(4)의 갭 길이를 1㎜보다 작게 하여, 여자 인덕턴스(Ls2)를 크게 하고 (1)식에서의 공진 주파수를 일정하게 하면, 전원장치(10)의 전기 용량이 작아진다. 그러나, 전기 용량이 작은 전원장치(10)와 부하를 공진시켰다고 하여도 전원장치(10)의 컴팩트화나 저가격화에는 그다지 기여하지 않는다. 그래서 상기 문제를 감안하여, 본 발명의 트랜스(4)의 갭 길이를 1.0㎜ 이상으로 설정하는 것이 바람직하다. 이에 의해 전원장치(10)의 입력 용량은 1㎾ 이상이 된다.
또한, 본 실시의 형태에서는 회로 계산으로부터, 전원장치(10)의 동작 교류 주파수(공진 주파수)(fc)는 정확하게는 한류 리액터(Lc)의 인덕턴스 성분과, 본 실시의 형태에 관한 신규의 트랜스(4)의 인덕턴스 성분(누설 인덕턴스 및 여자 인덕턴스 등)과, 플라즈마 발생 장치(5)의 토탈 정전용량(C0)으로부터 구하여진다. 전원장치(10)는 당해 구한 fc를 갖는 고주파·고전압을 고기능 트랜스(4)를 통하여 플라즈마 발생 장치(5)에 대해 출력한다. 구체적으로, 제어부(6)는 인버터(3)가 공진 주파수(fc)가 되고 고주파 전압이 출력되도록 당해 인버터(3)를 제어한다(보다 구체적으로는 인버터(3)의 펄스 주기를 설정하고 인버터(3)의 펄스 폭으로 출력 전압을 제어한다).
여기서 당해 fc는 상기 식(1)으로부터 산출된다. 여기서 식(1)의 L은, 상기 한류 리액터(Lc)의 인덕턴스 성분과, 트랜스(4)의 인덕턴스 성분을 합성한 합성 인덕턴스(L0)이다. 환언하면, 식(1)의 L은, 인버터(3)의 출력측 이후에서의 전원장치(10)의 합성 인덕턴스(L0)이다. 또한, 식(1)의 C는 플라즈마 발생 장치(5)의 합성 정전용량(C0)이다.
이상과 같이 본 실시의 형태에서는 트랜스(4)에서는 2차측 여자 인덕턴스(Ls2)는 누설 인덕턴스(Ld2)의 5배보다도 크다. 따라서 전원장치(10)는 병렬 공진을 주체로 한 역률이 개선할 수 있게 되고 전원장치(10)의 컴팩트화 및 저비용화와 함께, 안정한 공진 동작을 행할 수 있다. 따라서 당해 전원장치(10)로부터의 전력 공급을 받은 플라즈마 발생 장치(5)는 매우 안정한 동작이 실시 가능해진다.
또한, 본 실시의 형태에서는 실시의 형태 1에서 설명한, 한류 리액터(Lc) 및 이상 발생시 정지 기능 및 이상 통지 기능을 갖는 전원장치(10)에 대해 고기능 트랜스(4)에서 2차측 여자 인덕턴스(Ls2)를 누설 인덕턴스(Ld2)의 5배보다도 크게 하는 경우에 관해 설명하였다.
그러나, 실시의 형태 1에서 설명한, 한류 리액터(Lc) 및 이상 발생시 정지 기능 및 이상 통지 기능을 갖지 않는 전원장치(10)에 대해서도 트랜스(4)에서 2차측 여자 인덕턴스(Ls2)를 누설 인덕턴스(Ld2)의 5배보다도 크게 하는 형태도 채용할 수 있고 마찬가지로, 안정한 병렬 공진 동작이 행하여진다는 효과가 이루어진다. 또한, 마찬가지로, 한류 리액터(Lc)가 배설되어 있고 이상 발생시 정지 기능 및 이상 통지 기능을 갖지 않는 전원장치(10)에 대해서도 트랜스(4)에서 2차측 여자 인덕턴스(Ls2)를 누설 인덕턴스(Ld2)의 5배보다도 크게 하는 형태도 채용할 수 있다.
<실시의 형태 3>
실시의 형태 1에서는 인버터(3)의 출력부와 트랜스(4)의 입력부와 사이에, 한류 리액터(Lc)를 배설하는 경우에 관해 설명을 행하였다(도 1 참조). 본 실시의 형태에서는 당해 한류 리액터(Lc)의 기능을 고기능 트랜스(4)의 1차측 코일의 인덕턴스가 겸비하는 구성으로 한다. 이에 의해 한류 리액터(Lc)의 물리적 부품을 생략할 수 있고 전원장치(10)는 직류 전압 출력부(20), 인버터부 및 고기능 트랜스(4)만에 의해 구성된 주회로로 구축할 수 있다. 이하, 본 실시의 형태에 관한 트랜스(4)에 관해 설명한다.
한류 리액터(Lc)의 기능을 트랜스(4)가 갖기 위해서는 한류 리액터(Lc)의 인덕턴스 성분을 트랜스(4)의 1차측 누설 인덕턴스 및/또는 1차측 여자 인덕턴스가 갖도록 한다. 즉, 트랜스(4)의 1차측 코일의 권수를 조정하고 1차측 누설 인덕턴스 및/또는 1차측 여자 인덕턴스가 한류 리액터 성분을 겸하도록 한다.
예를 들면, 트랜스(4)의 1차측 코일에서 발생하는 자속(φ0)의 일부인 자속(φL)을 리크시켜, 트랜스(4)의 2차측 코일에 쇄교하는 자속(φ2)을 작게 하면, 트랜스(4)의 1차측 누설 인덕턴스가 커진다. 당해 1차측 누설 인덕턴스의 증가분을 한류 리액터 성분이 되도록 1차측의 코일의 권수를 조정한다.
이와 같이 본 실시의 형태에서는 트랜스(4)가 한류 리액터의 기능을 갖고 있다. 따라서 한류 리액터(Lc)의 물리적 부품을 생략할 수 있고 트랜스(4)만으로, 단락 전류를 억제할 수 있다.
여기서 실시의 형태 1에서 설명한 트랜스(4)가 한류 리액터의 기능을 갖도록 하여도 좋고 실시의 형태 2에서 설명한 트랜스(4)가 한류 리액터의 기능을 갖도록 하여도 좋다.
<실시의 형태 4>
본 실시의 형태에서는 실시의 형태 2에서 설명한 전원장치(10)의 용량 업에 관한 것이다. 대용량화된 플라즈마 발생 장치(5)에 전력을 공급하는 경우에, 본 실시의 형태에 관한 전원장치(10)는 유익하다.
상기한 바와 같이 전원장치에 탑재되는 일반적인 트랜스에 관해서는 유도성 부하, 저항 부하, 용량성 부하의 다양한 부하에 대응한 사양이 되도록 설계되어 있다. 따라서 전원 구동에서 부하로부터의 전압 반사(무효 전류)를 고려하지 않고 또한 트랜스 자신의 열손실이 최소가 되는 것에 중점을 두고 종래의 트랜스는 설계되어 있다.
즉, 트랜스의 1차측의 여자 임피던스가 커지도록 트랜스의 여자 인덕턴스 값은 가능한 한 크게, 트랜스가 누설 인덕턴스를 작게 하여, 전기적 로스를 억제한 상태에서 교류 전력을 공급할 수 있도록 트랜스 코어 조건이 정하여 있다. 따라서 종래의 트랜스에서는 갭 길이를 제로 또는 극소가 되도록 설계되어 있다(도 14의 영역 3001 참조).
이와 같은 트랜스를 병렬 접속하여 운전(이하, (트랜스의) 병렬 운전이라고 칭한다)한 경우에는 하기한 이유에 의해 트랜스마다 흐르는 전류의 편차도 커지는 결점을 갖고 있다. 그 때문에, 작은 용량의 트랜스를 복수개 병렬 접속된 전원장치는 없고 1대의 트랜스 자신을 키움으로써, 전원장치의 전기 용량 업이 도모되어 있다.
즉, 통상의 트랜스는 다양한 부하에 대응할 수 있는 만능의 트랜스로서 사양 설계되어 있다. 그 때문에, 통상의 트랜스는 트랜스의 자속 결합만을 고려하여, 코일 인덕턴스를 크게(트랜스의 갭 길이를 매우 작게) 한 설계로 되어 있다. 즉, 도 14의 트랜스 성능 특성에 도시하는 바와 같이 트랜스의 갭 길이가 작은 영역 3001로 설계된다. 따라서 여자 인덕턴스 값은 큰 값을 나타내지만, 여자 인덕턴스 특성 2001이 매우 가파른 영역으로 된다. 이에 의해 제작 정밀도의 관점에서 본다면, 개개의 트랜스의 여자 인덕턴스의 편차가 ±25% 정도로 커진다. 이 때문에, 종래의 트랜스를 복수개로 병렬 운전시키면, 트랜스 개개의 여자 인덕턴스의 편차에 의해 트랜스의 1차 여자 전류의 편차 폭이 최대 50% 정도 변동한다. 이와 같이 종래의 트랜스를 병렬 운전한 경우에는 트랜스마다 공급된 전류의 편차가 커진다.
종래의 트랜스에서는 1차측의 여자 전류로, 트랜스의 2차측에 전달하는 전력 용량이 좌우된다. 이 때문에, 상기한 바와 같이 트랜스마다 전류의 편차가 생기면, 트랜스를 병렬 운전한 경우, 하나의 트랜스에 집중하여 전류가 흐른다. 당해 전류의 집중은, 트랜스 자신의 발열(열손실)을 초래한다. 따라서 통상은, 트랜스의 병렬 운전은 행하여지지 않는 것이 보통이다.
그러나, 본 실시의 형태에서는 역률 개선 기능을 갖는 실시의 형태 2에 관한 트랜스를 이용함에 의해 트랜스를 병렬 운전하는 것이 가능해진다. 즉, 실시의 형태 2에 관한 트랜스를 병렬 운전하고 트랜스에 공급하는 전기 용량을 업 시켜도 각 트랜스에 전달하는 전력을 균등하게 분배하는 것이 가능해진다.
본 발명에서는 부하는 플라즈마 발생 장치(5)(즉 용량성 부하)로 한정되어 있다. 이 때문에, 실시의 형태 2에 관한 트랜스(4)에서는 부하로부터 전원장치(10)측의 트랜스(4)에 반사되는 무효 전류(Ic)를 이용하여, 역률 개선을 도모하고 있다(실시의 형태 2 참조). 이에 의해 병렬 구성으로 한 트랜스에 전력이 균등하게 분배한다.
도 15는 실시의 형태 2에서 설명한 복수의 트랜스(4)가 병렬 접속되어 있는 양상을 도시하는 도면이다. 도 15에서는 도면 간략화를 위해 전원장치(10) 내에 마련된 복수의 트랜스(4) 및 한류 리액터(Lc)만을 도시하고 있다. 또한, 도 15와 달리, 한류 리액터(Lc)를 생략하여도 좋고 또한 당해 한류 리액터(Lc)의 기능을 트랜스(4)에서 겸하도록 하여도 좋다(실시의 형태 3 참조). 또한, 여기서의 트랜스(4)는 실시의 형태 2에서 설명한 병렬 공진 기능을 갖는 고기능 트랜스이다.
다음에, 당해 트랜스(4)의 병렬 운전에 관해 설명한다.
당해 트랜스(4)는 부하측부터 반사하는 무효 전류(Ic)로 만드는 2차측의 여자 인덕턴스를 이용한 것이다. 따라서 당해 트랜스(4)에는 1차측에 공급되는 전류로부터 무효 전류(Ic)분만 공제한 분의 전류가 흐르고 플라즈마 발생 장치(5)에 공급된다. 즉, 트랜스(4)의 1차측에서 공급되고 각 트랜스(4)에 흐르는 전류(부하의 무효 전류(Ic)를 제외한 유효 전류만의 전류)는 작아진다. 당해 작은 전류가 트랜스(4)의 2차측 코일에 흐를 뿐으로, 부하의 역률 개선을 도모하고 있고 트랜스 자신의 발열(열손실)이 커지는 것도 방지할 수 있다.
또한, 통상 트랜스에서는 2차측의 부하 전압(Vd2)(kV)은, 1차측의 코일 권수와 2차측의 코일 권수비로 일의적으로 정하여진다. 한편, 본 실시의 형태에서 설명한 트랜스(4)의 2차측의 부하 전압(Vd2)(kV)은, 1차, 2차의 코일 권수비뿐만 아니라, 하기 식으로 표시하는 바와 같이 부하측부터 2차측 코일에 반사하는 무효 전류(Ic)로 유기하는 전압치로 정하여진다. 즉, 트랜스(4)의 2차측의 여자 인덕턴스 값에 무효 전류(Ic)가 흐름으로써, 유기하는 코일 전압이 좌우되게 된다. 이 유기된 전압치는 다음 식의 관계로 되어 있다.
Vd2=2·π·f·Ls2·Ic
여기서 윗식에서 f는 공진 주파수이고 이 공진 주파수역에서 전원장치(10)는 동작하고 있기 때문에, 거의 공진 주파수 수는 동작 주파수와 동등하다. Ls2는 2차측의 여자 인덕턴스이다.
복수개의 트랜스(4)를 병렬 접속하여 사용하고 트랜스(4)의 (2차측) 여자 인덕턴스에 편차가 생겨도 윗식에서 정하여지는 2차측의 부하 전압(Vd2)이 일정하게 되도록(병렬 접속이므로, Vd2는 각 트랜스(4)에서 동전위이다), 개개의 트랜스(4)에의 무효 전류(Ic)가 흐른다.
여기서 실시의 형태 2에서 설명한 고기능 트랜스(4)에서는 2차측의 여자 인덕턴스(Ls2)의 제작 정밀도는 높아진다. 이것은, 실시의 형태 2에서도 설명한 바와 같이 트랜스(4)의 갭을 크게(수㎜ 정도) 취하기 때문이다. 구체적으로, 실시의 형태 2에 관한 트랜스(4)에서는 2차측의 여자 인덕턴스(Ls2)의 제작 정밀도는 약 ±3% 이내이다(도 14의 영역 3002 참조).
따라서 실시의 형태 2에 관한 트랜스(4)를 이용함에 의해 각 트랜스(4) 사이에서의, 2차측의 여자 인덕턴스(Ls2)의 편차를 극소로 멈추는 것이 가능해진다. 따라서 각 트랜스(4)에서 흐르는 무효 전류(Ic)의 편차도 거의 없고 각 트랜스(4)에서 거의 균등하게 무효 전류(Ic)는 흐른다. 그리고 트랜스(4)의 1차측에서 2차측에 공급하는 전력량은, 부하에 공급하는 무효 전력량을 제외한 유효 전력분만으로, 또한, 각 병렬로 접속한 트랜스(4)에서 1차측 전압 2차측 전압과는 동전위이다. 이 때문에, 각 트랜스(4)에 분배하는 유효 전력의 편차는 각 코일의 인덕턴스의 편차 정밀도 내로 수속된다. 이 각 코일의 인덕턴스의 편차에 대해서도 고기능 트랜스(4)에서는 상술의 제작 정밀도(약 ±3% 이내)이기 때문에, 병렬 접속한 트랜스(4)의 1차측부터 2측에 전달하는 유효 전력에 대해서도 거의 트랜스(4)마다 균등하게 된다. 따라서 트랜스(4)를 열 손상시키는 일은 없다.
이상과 같이 본 실시의 형태에서는 실시의 형태 2에서 설명한 고기능 트랜스(4)를 이용함에 의해 당해 트랜스(4)를 병렬 운전시켰다고 하여도 트랜스(4)의 발열이 과잉하게 발생하지 않는다. 따라서 트랜스(4)의 병렬 운전이 가능해지고 플라즈마 발생 장치(5)가 대용량화 하였다고 하여도 그에 맞추어서 전원장치(10)의 용량 업도 가능해진다.
또한, 하나의 트랜스로 용량 업을 도모하게 되면, 트랜스의 대형화뿐만 아니라 비용이 대폭적으로 증가한다. 그러나, 본 실시의 형태에서는 트랜스(4)의 병렬 운전이 가능해지기 때문에, 저비용으로, 전원장치(10)의 용량 업을 도모할 수 있다.
<실시의 형태 5>
예를 들면, 플라즈마 발생 장치(5)에서 생성된 오존 가스 등의 가스 농도를 변경하기 위해 전원장치(10)의 투입 전력량(전원장치(10)가 플라즈마 발생 장치(5)에 투입하는 전력량)을 가변으로 하는 일이 있다. 여기서 일반적으로, 투입 전력량을 보다 크게 함에 의해 보다 고농도의 가스가 생성되고 1대1의 관계에 있다. 또한, 투입 전력량의 가변은, 전원장치(10)의 정격 전력의 0∼100%의 범위이다.
여기서 전원장치(10)의 투입 전력량을 소망하는 전력량치가 되도록 가변하고 정상적으로 당해 소망하는 전력량치를 부하에 공급(투입)하는 제어 방법으로서는 이하와 같은 것이 생각되고 종래 기술이었다.
구체적으로는 통상, 플라즈마 발생 장치(5)에 공급하는 고주파 교류의 부하 전류(Id0)를 검출한다. 그리고 당해 부하 전류(Id0)가 목표 전류치(소망하는 전력치가 되는 전류치이다)가 되도록 제어부(6)가 인버터(3)의 제어 신호(인버터 주파수(f) 또는 인버터의 펄스 폭(τ))를 변경한다. 그리고 변경 후의 당해 제어 신호를 이용하여, 인버터(3)의 인버터 출력의 교류 파형이 제어되는 제어 방법이다.
이와 같이 상기 제어 방법에서는 전원장치(10)로부터 공급되는 투입 전력량을 직접적으로 제어량으로 하지 않고 검출한 부하 전류(Id0)를 제어량으로 하여, 당해 부하 전류(Id0)가 목표 전류치가 되도록 인버터(3)에 대해 피드백 제어 방식을 시행하고 있다. 즉, 상기 제어 방식에서는 간접적으로, 전원장치(10)로부터 공급되는 무효 전력량도 포함한 투입 전력량을 가변 제어하고 있다.
이 때문에, 상기 제어 방법에서는 투입 전력량(Pw)은, 하기 식에 의해 도 1의 검출기(41)에서 검출한 부하 전류 파형의 실효 부하 전류(Id0)와, 도 1의 검출기(42)에서 검출한 부하 전압 파형의 실효 부하 전압(Vd0)과, 투입 전력량에 의존하는 부하 역률(ηd)을 이용한 연산으로 구할 필요성이 있다.
Pw=(실효 부하 전류(Id0))×(실효 부하 전압(Vd0))×(부하 역률(ηd))
=(실효 부하 전류(Id0))×(실효 부하 전압(Vd0))×cosφ
플라즈마 발생 장치(5)에 인가하는 부하 전압, 및 플라즈마 발생 장치(5)에 공급하는 가스 유량에 의해 부하 상태가 변한다. 따라서 윗식에 의한 투입 전력량(Pw)을 산출하는 방법은, 검출한, 부하 전류 신호 및 부하 전압 신호치로부터, 실효 전류치와, 실효 전압과, 부하 전류와 부하 전압과의 위상차(φ)를 항상 정밀도 좋게 구하는 것이 어렵다. 특히, 고주파 고전압화된, 실효 부하 전류(Id0) 및 실효 부하 전압(Vd0)으로부터, 정밀도가 좋은 위상차(φ)를 구하는 것은, 매우 어렵다. 따라서 상기 제어 방법에서는 투입 전력량(Pw)의 정밀도가 나쁘고 투입 전력량(Pw)을 일정하게 관리하는 것이 곤란하였다.
그런데, 발명자들은, 전원장치(10)로부터 플라즈마 발생 장치(5)에 투입되는 교류의 투입 전력량과, 전원장치(10) 내의 인버터(3)에 입력되는 직류 전력량이 1대1로 대응하는 것에 주목하였다. 즉, 부하의 고전압부가 아니라, 전원장치(10)의 저전압인 직류 전력량이 정하여지면, 당해 직류 전력량에 대응하여 투입 전력량이 일의적으로 결정한다(이 반대도 성립한다). 따라서 직류 전력량이 소망하는 직류 전력량치로 일정이 되도록 제어하면, 플라즈마 발생 장치(5)에 투입되는 투입 전력량도 소망하는 투입 전력량치로 일정이 되도록 제어할 수 있는 것에 주목하였다.
그래서 본 실시의 형태에서는 전원장치(10)의 인버터(3)에 입력되는 직류 전력량을 직접적인 제어량치로 한, 피드포워드 제어 및 피드백 제어에 의해 투입 전력량을 일정하게 관리하고 당해 투입 전력량을 플라즈마 발생 장치(5)에 대해 안정하게 공급할 수 있는 전원장치(10)를 제공한다.
우선, 플라즈마 발생 장치(5) 내에서는 플라즈마 처리에 의해 오존 가스 등의 가스가 생성되는데, 유저는 당해 생성되는 가스의 농도를 선택한다(가스의 소망 농도(C)의 선택). 즉, 본 실시의 형태에 관한 전원장치(10)에 대해 유저가 상기 가스의 소망 농도(C)를 입력한다(또한, 소망 농도(C)가 아니라, 소망 농도(C)의 가스를 생성하기 위해 투입 전력량으로서 후술하는 목표 투입 전력량치(Po')를 입력할 수도 있다).
그러면, 제어부(6)는 플라즈마 발생 장치(5)의 운전 상황 및 가스의 소망 농도(C)(또는 목표 투입 전력치(Po'))에 응하여, 목표 직류 전력량치(Po)를 산출한다(피드포워드 제어). 상기로부터 알 수 있는 바와 같이 목표 직류 전력량치(Po)로부터, 목표 투입 전력량치(Po')가 일의적으로 결정된다. 여기서 플라즈마 발생 장치(5)의 상기 운전 상황에서 목표 투입 전력량치(Po')의 투입 전력량이 플라즈마 발생 장치(5)에 투입되면, 당해 플라즈마 발생 장치(5)에서는 소망 농도(C)의 가스가 생성된다.
또한, 제어부(6)는 당해 목표 직류 전력량치(Po)로부터, 인버터 주파수(fo) 또는 인버터 펄스 폭(τo)을 결정한다. 그리고 제어부(6)는 당해 결정한 인버터 주파수(fo) 또는 인버터 펄스 폭(τo)(인버터 제어치로 파악할 수 있다)으로, 인버터(3)의 출력을 제어한다(피드포워드 제어). 당해 fo, τo를 이용한 인버터(3)의 제어에 의해 전원장치(10)로부터 플라즈마 발생 장치(5)에 투입되는 투입 전력량은, 목표 투입 전력량치(Po')에 가까운 값이 된다.
다음에, 제어부(6)는 직류 전압 출력부(20)의 출력부에서의, 직류 전류(Ii) 및 직류 전압(Vi)을 검출한다. 여기서 도 1에 도시하는 전류 검출기(21)가 직류 전류(Ii)를 수시로 검출하고 당해 검출한 값을 수시로, 제어부(6)에 송신하고 있다. 또한, 도 1에 도시하는 전압 검출기(22)가 직류 전압(Vi)을 수시로 검출하고 당해 검출한 값을 수시로, 제어부(6)에 송신하고 있다. 또한, 도 1에 도시하는 바와 같이 각 검출기(21, 22)는 직류 전압 출력부(20)와 인버터(3)와의 사이에 마련되어 있다.
그리고 제어부(6)는 당해 검출 결과(Ii, Vi)로부터 직류 전력량치(Pi)(=Ii×Vi)를 산출한다. 또한, 제어부(6)는 목표 직류 전력량치(Po)와 직류 전력량치(Pi)와의 차분(ΔP)(=Po-Pi)이 제로가 되도록 인버터 주파수(f) 또는 인버터 펄스 폭(τ)(인버터 제어치로 파악할 수 있다)을 미조정하고 당해 미조정 후의, 인버터 주파수(f) 또는 인버터 펄스 폭(τ)으로, 인버터(3)의 출력을 제어한다(피드백 제어).
예를 들면, 목표 직류 전력량치(Po)>직류 전력량치(Pi)인 경우에는 인버터 주파수(f)를 크게 하고 및/또는 인버터 펄스 폭(τ)을 크게 한다.
상기한 바와 같이 차분(ΔP)을 제로가 되도록 제어함에 의해 결과적으로는 플라즈마 발생 장치(5)에 투입되는 투입 전력량을 상기 목표 투입 전력량치(Po')로 일정하게 할 수 있다.
상기 제어 동작의 결과로서 전원장치(10)는 유저에 의해 선택된 가스의 소망 농도(C)에 응한, 플라즈마 발생 장치(5)에 대한 투입 전력량이 목표 투입 전력량치(Po')로 일정하게 되도록 제어·관리할 수 있다.
여기서 상기한 바와 같이 전원장치(10)는 가스의 소망 농도에 응하여, 투입 전력량을 정격 전력의 0∼100%의 범위에서 변화시킬 수 있다.
또한, 상기한 목표 직류 전력량치(Po)의 산출은, 다음과 같이 하여 행하여진다. 즉, 제어부(6)에는 테이블이나 연산식이 데이터로서 미리 기억되어 있다. 당해 테이블이나 연산식은, 플라즈마 발생 장치(5)의 운전 상황 및 가스의 소망 농도(C)에 응하여, 일의적으로 목표 직류 전력량치(Po)를 구하고 결정할 수 있는 것이다.
여기서 플라즈마 발생 장치(5)의 운전 상황을 나타내는 값으로서는 원료 가스의 가스 공급 유량(Q), 방전 셀 내에서의 압력(P), 장치(5) 내에 흐르는 냉매의 유량(Qw), 및 당해 냉매의 온도(Tw)이다(실시의 형태 1에서 기술한 물리량). 제어부(6)는 플라즈마 발생 장치(5)로부터, 외부 신호 인터페이스(63)를 통하여 플라즈마 발생 장치(5)의 운전 상황을 나타내는 이들의 값(Q, P, Qw, Tw)을 입력 데이터로서 수시로 취득하고 있다.
제어부(6)는 상기 테이블 또는 연산식 등의 데이터에, 취득한 상기 값(Q, P, Qw, Tw)과, 유저에 의해 선택·입력된 가스의 소망 농도(C)를 적용하여, 목표 직류 전력량치(Po)를 산출한다.
또한, 제어부(6)에서는 당해 목표 직류 전력량치(Po)에 대해 일의적으로 특정되는 인버터 주파수(fo) 또는 인버터 펄스 폭(τo)의 값도 데이터로서 미리 설정·기억되어 있다. 따라서 상기한 바와 같이 제어부(6)는 산출된 목표 직류 전력량치(Po)에 대해 일의적으로, 인버터 주파수(fo) 또는 인버터 펄스 폭(τo)을 결정할 수 있다. 상기한 바와 같이 당해 fo, τo를 이용한 인버터(3)의 제어에 의해 전원장치(10)로부터 플라즈마 발생 장치(5)에 투입되는 투입 전력량을 목표 투입 전력량치(Po')에 가깝게 한다(fo, τo는 이론에 의거한 값이기 때문에, 목표 투입 전력량(Po')과 같지가 않다).
또한, 상기 각 값(Q, P, Qw, Tw)이 일정하면, 투입 전력량을 목표 투입 전력량치(Po')로 일정하게 함에 의해(인버터(3)에 입력되는 직류 전력량을 목표 직류 전력량치(Po)로 일정하게 함에 의해), 플라즈마 발생 장치(5)에서는 일정한 상기 가스의 소망 농도(C)로 생성된다.
또한, 상기에서는 피드백 제어에서 직류 전압 출력부(20)의 출력부에서의, 직류 전류(Ii) 및 직류 전압(Vi)을 검출하는 경우에 관해 설명하였다. 그러나, 직류 전압 출력부(20)의 출력 전압을 일정 전압이 되도록 제어하여 두면, 피드백 제어에서 직류 전압 출력부(20)의 출력부에서의 직류 전류(Ii)만을 검출하면, 투입 전력량치(Pi)(=Ii×일정 전압)를 산출할 수 있다. 즉, 직류 전압 출력부(20)의 출력부에서의 직류 전류(Ii)만의 검출과 피드백 제어에 의해 전원장치(10)의 투입 전력량을 목표 투입 전력량치(Po')로 일정하게 제어할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 실시의 형태에서는 제어부(6)는 피드포워드 제어(목표 직류 전력량치(Po)의 산출, 당해 목표 직류 전력량치(Po)를 이용한, 인버터 주파수(fo) 또는 인버터 펄스 폭(τo)의 결정, 당해 인버터 주파수(fo) 또는 인버터 펄스 폭(τo)을 이용한 인버터(3)의 제어)와, 피드백 제어(목표 직류 전력량치(Po)와, 직류 전압 출력부(20)의 출력부에서의, 실제의 검출 결과(적어도 직류 전류의 검출 결과)를 이용한, 인버터 주파수(f) 또는 인버터 펄스 폭(τ)의 미조정, 당해 미조정 후의, 인버터 주파수(f) 또는 인버터 펄스 폭(τ)을 이용한 인버터(3)의 제어)를 행하고 있다.
즉, 본 실시의 형태에서는 전원장치(10)는 직류 전압 출력부(20)로부터의 직류 출력 결과를 검출하고 제어부(6)는 당해 검출 결과와 제어치인 목표 직류 전력량치(Po)를 이용하여, 투입 전력량이 목표 투입 전력량치(Po')로 일정하게 되도록(인버터(3)에 입력되는 직류 전력량이 목표 직류 전력량치(Po)로 일정하게 되도록) 피드백 제어를 행하고 인버터 주파수(f) 또는 인버터 펄스 폭(τ)을 미조정하고 있다.
부하 전류 등보다도 작은 값의 직류 전류 등을 이용한 피드백 제어를 행하고 직류 전류 등은, 인버터(3)에 입력되는 직류 전력량(환언하면, 투입 전력량)에 1대1로 대응하고 있다(투입 전력량을 직접적인 제어량치로 하고 있다고 해석된다). 따라서 투입 전력량이 가스의 소망 농도에 응한 목표 투입 전력량치(Po')로 일정하게 되도록 정밀도 좋게 제어할 수 있다. 또한, 검출되는 직류 전류 등은, 부하 전류 등에 비하여, 노이즈 등이 중첩되지 않는다(인버터(3)나 트랜스(4)에서 노이즈가 생긴다). 이것으로부터도 투입 전력량이 가스의 소망 농도에 응한 목표 투입 전력량치(Po')로 일정하게 되도록 정밀도 좋게 제어할 수 있다. 결과, 당해 전원장치(10)는 안정된 전력을 플라즈마 발생 장치(5)에 계속 공급할 수 있다.
여기서 본 실시의 형태에서 제어부(6)는 상기 피드포워드 제어의 일부를 생략하고 상기 피드백 제어에 의해 투입 전력량을 목표 투입 전력량치(Po')로 일정하게 되도록 인버터(3)를 제어할 수도 있다.
즉, 상기에 의해 제어부(6)가 목표 직류 전력량치(Po)를 산출한다. 그 직후로부터, 제어부(6)는 직류 전류 등의 검출 결과 이용하여, 피드백 제어를 행하고 인버터 주파수(f) 또는 인버터 펄스 폭(τ)을 결정하고 인버터(3)에 입력되는 직류 전력량을 목표 직류 전력량치(Po)에 일치된다(환언하면, 투입 전력량을 목표 투입 전력량치(Po')에 일치시킨다). 이와 같이 인버터 주파수(fo) 또는 인버터 펄스 폭(τo)의 결정, 당해 인버터 주파수(fo) 또는 인버터 펄스 폭(τo)을 이용한 인버터(3)의 제어를 생략할 수도 있다. 그러나, 이와 같은 제어를 행하는 경우에는 응답성이 나빠지고 투입 전력량이 목적으로 하는 값에 도달하기 까지, 긴 시간이 걸리는 경우도 있을 수 있다.
그래서 상기한 바와 같이 하기한 동작을 행한다. 즉, 피드포워드 제어에 의해 인버터 주파수(fo) 또는 인버터 펄스 폭(τo)으로 인버터(3)를 제어하고 투입 전력량을 목표 투입 전력량치(Po')에 가까운 값(직류 전력량을 목표 직류 전력량치(Po)에 가까운 값)으로 한다. 그 후에, 피드백 제어에 의해 인버터 주파수(f) 또는 인버터 펄스 폭(τ)을 미조정하고 당해 미조정한, 인버터 주파수(f) 또는 인버터 펄스 폭(τ)을 이용한, 인버터(3)의 제어를 행한다.
이와 같이 당해 피드포워드 제어와 피드백 제어를 당해 순서로 조합시킴에 의해 투입 전력량이 목표 투입 전력량치(Po')에, 단시간에 도달할 수 있다.
또한, 제어부(6)는 인버터 주파수 및 인버터 펄스 폭의 양방, 또는 어느 일방만을 변경하여, 투입 전력량을 목표 투입 전력량치(Po')(직류 전력량을 목표 직류 전력량치(Po))가 되도록 제어할 수도 있다.
또한, 본 실시의 형태에서 설명한, 피드포워드 제어·피드백 제어를 행하는 제어부(6)는 상기 어느 하나의 실시의 형태 1-4에 기재한 전원장치(10)에 적용하여도 좋고 모든 실시의 형태를 조합시킨 전원장치(10)에 적용하여도 좋다.
예를 들면, 실시의 형태 1에서 설명한 한류 리액터를 생략하고 본 실시의 형태에서 설명한 동작을 행하는 제어부(6) 및 인버터(3)를 갖는 전원장치(10)라도 좋고 또는 실시의 형태 2에서 설명한 구성의 트랜스(4)가 아니라, 일반적인 트랜스(4)와, 본 실시의 형태에서 설명한 동작을 행하는 제어부(6) 및 인버터(3)를 갖는 전원장치(10)라도 좋다.
즉, 전원장치(10)는 상기 각 실시의 형태와는 분리하여, 본 실시의 형태에서 설명한 구성(피드포워드 제어·피드백 제어를 행하는 구성)을 단독으로 구축하는 것도 가능하다.
또한, 상기 실시의 형태에서 설명한 바와 같이 공진 진동이 일정하게 전원장치(10)(보다 구체적으로는 인버터(3))를 구동시키는 경우에는 피드포워드 제어·피드백 제어에 의해 인버터 펄스 폭만을 가변으로 하여, 투입 전력량을 목표 투입 전력량치(Po')가 되도록 하면 좋다.
<실시의 형태 6>
상기한 도 4에서 최상단에 도시하는 파형은, 인버터(3)로부터 출력되는 사각형상의 교류 전압 파형이다. 이 사각형 교류 전압 파형이 트랜스(4) 등을 통함으로써, 플라즈마 발생 장치(5)에 대해 정현파형상의 고주파·고전압이 공급된다. 여기서 플라즈마 발생 장치(5)에 공급되는 전력량이 높아지면, 플라즈마 발생 장치(5)에서 생성되는 가스 등의 생산량(농도)이 늘어난다.
즉, 전원장치(10)로부터 플라즈마 발생 장치(5)에 공급되는 전력량과, 플라즈마 발생 장치(5)에서 생성되는 가스의 농도 등은, 밀접한 관계에 있다. 따라서 플라즈마 발생 장치(5)에서 생성되는 가스의 농도를 안정적으로 컨트롤하기 위해서는 도 4에서로 도시한 인버터(3)의 제어치인, 인버터 주파수(f)(펄스 주기(1/f)) 또는 인버터 펄스 폭(τ)을 제어하여, 상기 전력량을 일정하게 하는 것이 중요하다. 여기서 당해 전력량의 일정 제어에 관해서는 실시의 형태 5에서 설명한 바와 같다.
또한, 플라즈마 발생 장치(5)의 부하 임피던스(생성되는 가스의 농도)는 전원장치(10)로부터 공급되는 전력량뿐만 아니라, 당해 플라즈마 발생 장치(5)에서의 부하의 상태(상기한 「플라즈마 발생 장치(5)의 운전 상황」)에 의해서도 변화한다. 여기서 플라즈마 발생 장치(5)의 운전 상황을 나타내는 값으로서는 상기한 바와 같이 원료 가스의 가스 공급 유량(Q), 방전 셀 내에서의 압력(P), 장치(5) 내에 흐르는 냉매의 유량(Qw), 및 당해 냉매의 온도(Tw)이다.
따라서 플라즈마 발생 장치(5)를 안정적으로 구동하기 위해서는 플라즈마 발생 장치(5)의 운전 상황을 나타내는 상기 각 값(Q, P, Qw, Tw)의 변동이 작아지도록(거의 일정하게 유지하도록), 관리할 필요가 있다. 그러나, 신호선에 중첩하는 노이즈 등 외란에 의해 상기 각 값(Q, P, Qw, Tw)을 변화시키는 경우나 크게 변동하는 경우가 있고 상기 각 값(Q, P, Qw, Tw)을 거의 일정하게 유지하는 것은, 실제적으로 어렵다.
그 때문에, 실시의 형태 1에서도 기술한 바와 같이 제어부(6)는 플라즈마 발생 장치(5)의 운전 상황을 나타내는 상기 각 값(Q, P, Qw, Tw)을 전원장치(10)와 플라즈마 발생 장치(5)와의 사이에서의 송수신에 의해 항상 받아들인다. 그리고 제어부(6)는 당해 각 값(Q, P, Qw, Tw)에 응하여, 인버터(3)의 제어치인, 인버터 주파수(f)(펄스 주기(1/f)) 또는 인버터 펄스 폭(τ)을 제어하여, 상기 전력량을 적량치가 되도록 일정 제어로 하고 있다.
또한, 플라즈마 발생 장치(5)는 용량성 부하이고 통상, 매우 부하 역률이 나쁜 것이다. 따라서 역률 개선을 위해 전원장치(10) 내에서 전원장치(10)와 플라즈마 발생 장치(5)와의 사이에서 공진 상태를 만들어 내는 공진 수단을 배설하고 당해 인버터(3)의 구동 주파수(동작 주파수)를 공진 주파수 가까이에 맞추고 있다. 당해 역률 개선을 위한 기술로서는 실시의 형태 2에 관한 발명 또는 실시의 형태 2에서 기술한, 직렬 공진 방식의 역률 개선 수단 및 병렬 공진 방식의 역률 개선 수단이 있다.
본 실시의 형태에 관한 전원장치(10)는 상기한 어느 하나의 역률 개선 수단을 가지며, 당해 전원장치(10)는 자동적으로 인버터(3)의 구동 주파수를 결정하는 기능을 갖는다. 즉, 공진 주파수를 자동적으로 파헤쳐 조사하는 기능을 갖고 있다.
우선 최초에, 제어부(6)에서 투입 전력량, 초기 전원 출력 주파수, 설정 가스 유량, 설정 가스 압력, 설정 냉매 온도 및 설정 냉매 유량 등이 설정된다. 또한, 설정 가스 유량, 설정 가스 압력, 설정 냉매 온도 및 설정 냉매 유량은, 제어부(6)로부터, 외부 신호 인터페이스(63)를 통하여 플라즈마 발생 장치(5) 내에서의, MFC 및 APC 등에 대해 출력된다.
또한, 실시의 형태 1에서 설명한 바와 같이 플라즈마 발생 장치(5)의 운전중에서는 항상, 당해 플라즈마 발생 장치(5)로부터, 외부 신호 인터페이스(63)를 통하여 제어부(6)로, 측정치인, 원료 가스의 가스 공급 유량(Q), 방전 셀 내에서의 압력(P), 장치(5) 내에 흐르는 냉매의 유량(Qw) 및 당해 냉매의 온도(Tw)(측정치인 각 물리량)가 송신된다.
그리고 실시의 형태 1에서 기술한 바와 같이 제어부(6)는 가스 공급 유량(Q)이 설정 가스 유량에 대해 소망 범위 이내인지의 여부, 방전 셀 내에서의 압력(P)이 설정 가스 압력에 대해 소망 범위 이내인지의 여부, 냉매의 유량(Qw)이 설정 냉매 유량에 대해 소망 범위 이내인지의 여부, 및 냉매의 온도(Tw)가 설정 냉매 온도에 대해 소망 범위 이내인지의 여부를 판단한다.
그리고 당해 각 판단의 결과, 플라즈마 발생 장치(5)에서 각 물리량에서 이상이 생기고 있다고 판단한 때, 실시의 형태 1에서 설명한 바와 같이 제어부(6)는 인버터(3)의 출력을 정지하는 등의 처치가 이루어지고 있다. 또한, 제어부(6)는 플라즈마 발생 장치(5)에서 이상이 발생하고 있는 것을(어느 물리량이 이상한지를) 외부에 통지한다.
상기까지에서 플라즈마 발생 장치(5)에서의 이상이 생기지 않은 경우에는 제어부(6)는 실시의 형태 1에서 기술한 바와 같이 전원장치(10) 내에서 측정된, 각 전압치·전류치를 이용하여, 부하의 단락이 생기고 있는지의 여부를 판단한다(도 2, 3을 이용한 설명 참조).
그리고 당해 판단의 결과, 단락이 생기고 있다고 판단한 때, 실시의 형태 1에서 설명한 바와 같이 제어부(6)는 인버터(3)의 출력을 정지한다. 또한, 제어부(6)는 단락의 원인이 되는 이상 개소를 외부에 통지한다.
상기까지에서 이상이나 단락이 생기지 않은 경우에는 전원장치(10) 내의 부품의 동작에 관해 이상·정상을 제어부(6)는 판단한다. 당해 판단의 결과, 부품 동작에 이상이 있다고 판단한 때, 제어부(6)는 인버터(3)의 출력을 정지한다. 또한, 제어부(6)는 이상이라고 판단된 부품을 외부에 통지한다.
상기까지의 각 판단에서 전부 정상이라고 판단된 때, 이하의 동작을 행한다. 여기서 제어부(6)는 상기까지의 각 판단의 동작을 생략하고 이하의 동작(본 실시의 형태에 관한 특징적 기술)부터 동작을 시작하여도 좋다.
제어부(6)에서 상기 투입 전력량이 설정되면, 제어부(6)는 당해 투입 전력량이 전원장치(10)의 정격 전력에 대해 100%에 상당하는 전력치인지의 여부를 판단한다. 또는 제어부(6)는 당해 투입 전력량이 전원장치(10)의 정격 전력에 대해 100% 이하이고 임계치% 이상에 상당하는 전력치인지의 여부를 판단한다. 여기서 당해 임계치%는 제어부(6)에 미리 설정되어 있다. 예를 들면, 임계치%가 90%인 경우에는 제어부(6)는 투입 전력량이 전원장치(10)의 정격 전력에 대해 90% 이상부터 100% 이하인지의 여부를 판단한다.
또한, 하기에 설명하는 동작은, 전원 최대 용량 운전시(또는 전원 최대 용량 가까운 용량으로의 운전시)에서의, 인버터(3)의 구동 주파수를 결정하는 동작이고 이른바 조건을 내는 동작이다. 따라서 플라즈마 발생 장치(5)를 전원장치(10)에 접속하고 시스템을 꾸민 후의 초기 동작 단계에서는 일반적으로, 제어부(6)에 대해 정격 전력의 100% 또는 정격 전력의 임계치%∼100%의 값의 투입 전력량이 최초에 설정 지시된다.
그런데, 상기에서 설정 지시된 투입 전력량이 전원장치(10)의 정격 전력에 대해 100%(또는 전원장치(10)의 정격 전력에 대해 100% 이하이고 임계치% 이상)인 경우에는 제어부(6)는 인버터(3)에 대한 제어치인 인버터 주파수(f)를 수시로 변화시켜, 각 인버터 주파수(f)에 의거하여 인버터(3)의 출력을 제어한다.
여기서 제어부(6)는 상기에서 설정된 초기 전원 출력 주파수를 중심으로, 소정의 주파수 범위(예를 들면, ±2㎑)로, 인버터 주파수(f)를 변화(소인(掃引))시킨다. 전주파수 범위에 걸쳐서 인버터 주파수(f)를 소인시켜도 좋다. 그러나, 상기한 바와 같이 소인 범위를 한정함에 의해 공진 주파수를 구할 때까지의 시간을 단축할 수 있다.
또한, 전원장치(10)와 플라즈마 발생 장치(5)를 접속하고 시스템을 꾸민 단계에서 상기 식(1)으로부터 이론치의 공진 주파수가 산출된다(식(1)의 L은, 인버터(3)의 출력측 이후에서의 전원장치(10)의 합성 인덕턴스이다. 또한, 식(1)의 C는 플라즈마 발생 장치(5)의 합성 정전용량이다). 그래서 공진 신주파수를 구할 때까지의 시간을 단축하는 관점에서 식(1)으로부터 산출되는 값을 상기 초기 전원 출력 주파수로서 제어부(6)에서 설정하고 당해 초기 전원 출력 주파수를 중심으로, 소정의 주파수 범위에서 인버터 주파수(f)를 변화(소인)시킨다((예를 들면 이산적으로 변화시킨다)).
또한, 인버터 주파수(f)를 변화시킬 때, 설정 지시된 투입 전력량이 만족되도록 제어부(6)는 당해 인버터 주파수(f)의 변화에 응하여, 인버터 펄스 폭(τ)도 변화시켜, 인버터(3)에 대해 제어치로서 송신한다.
제어부(6)는 인버터 주파수(f)를 변화시키는데, 각 인버터 주파수(f)마다, 검출부(31, 32)로부터 취득한 전기량에 의거하여, 인버터 출력 역률을 각각 구한다. 여기서 전기량이란, 인버터 출력 역률을 구할 때에 이용되는 인버터(3)의 출력측에서의 전기에 관한 값이다.
구체적으로, 소인한 인버터 주파수(f)마다, 도 1에 도시하는 전류 검출기(31)가 인버터(3)의 출력부에서의 실효 전류치를 검출하고 당해 검출한 결과를 제어부(6)로 송신하고 도 1에 도시하는 전압 검출기(32)가 인버터(3)의 출력부에서의 실효 전압치를 검출하고 당해 검출한 결과를 제어부(6)로 송신한다. 그리고 제어부(6)는 소인한 인버터 주파수(f)마다, 상기 실효 전류치 및 상기 실효 전압치로부터, 인버터(3)의 출력부에서의 유효 전력을 구한다.
그리고 제어부(6)는 소인한 인버터 주파수(f)마다, 상기 실효 전류치 및 상기 실효 전압치 및 상기 유효 전력을 이용하여, 인버터(3)의 출력부에서의 인버터 출력 역률(η)을 연산한다. 여기서 인버터 출력 역률(η)={(유효 전력)/(실효 전류치×실효 전압치)}×100(%)이다.
도 16은, 소정의 주파수 범위에서 인버터 주파수(f)를 변화(소인)시켜, 인버터 주파수(f)마다 구한 인버터 출력 역률(η)의 변화의 양상을 도시하는 도면이다. 여기서 도 16의 종축은, 인버터 출력 역률(η)(%)이고 도 16의 횡축은, 인버터 주파수(f)(㎑)이다.
도 16에 도시하는 바와 같이 소인한 인버터 주파수(f)마다 인버터 출력 역률(η)이 구하여진 후, 제어부(6)는 구한 인버터 출력 역률(η) 중에서 가장 높은 값인 최대 인버터 출력 역률(ηmax)을 검출한다. 그리고 제어부(6)는 최대 인버터 출력 역률(ηmax)이 얻어진 때 인버터 주파수(공진 주파수(fc)이고 도 16의 fc 참조)를 인버터(3)의 구동 주파수(fc)로서 결정한다.
그리고 구동 주파수(fc)가 결정된 후는 제어부(6)는 인버터 주파수(f)로서 구동 주파수(fc)를 인버터(3)에 대해 송신한다. 또한, 제어부(6)는 상기에서 설정된 투입 전력량과 구동 주파수(fc)로부터 결정되는 인버터 펄스 폭(τc)을 인버터(3)에 대해 송신한다.
이에 의해 인버터(3)로부터는 구동 주파수(fc)와 인버터 펄스 폭(τc)으로 이루어지는 고주파 파형이 출력되고 상기에서 설정된 투입 전력량에 응한 부하 전력이 플라즈마 발생 장치(5)에 대해 공급된다.
그런데, 유저가 플라즈마 발생 장치(5)에서 생성되는 가스의 농도를 변화시키고 싶은 경우, 또는 생성되는 가스 농도는 변화시키지 않고 플라즈마 발생 장치(5)의 운전 상황을 나타내는 상기 각 값(각 물리량)(Q, P, Qw, Tw)을 변화시키고 싶은 경우가 있다. 이 경우에는 유저는 전원장치(10)에 대해 투입 전력량을 상기 변화시키고 싶은 양에 응하여, 변화시키게 된다.
이에 따라, 예를 들면, 유저가 전원장치(10)에 대해 설정되는 투입 전력량을 변경하였다고 한다.
당해 변경이 행하여진 때, 제어부(6)는 변경 후의 투입 전력량이 전원장치(10)의 정격 전력에 대해 100% 미만의 투입 전력치인지의 여부를 판단한다. 또는 제어부(6)는 변경 후의 투입 전력량이 전원장치(10)의 정격 전력에 대해 상기 임계치% 미만의 투입 전력치인지의 여부를 판단한다.
여기서 변경 후의 투입 전력량은, 정격 전력에 대해 100% 미만(또는 정격 전력에 대해 상기 임계치% 미만)이라고 한다. 따라서 제어부(6)는 변경 후의 투입 전력량이 전원장치(10)의 정격 전력에 대해 정격 전력에 대해 100% 미만(또는 정격 전력에 대해 상기 임계치% 미만)이라고 판단한다.
그래서 제어부(6)는 인버터 주파수(f)로서 구동 주파수(fc)를 인버터(3)에 대해 송신한다. 환언하면, 투입 전력량의 변경이 지시되어도 인버터 주파수(f)는 상기 구동 주파수(fc)로 고정이다. 또한, 제어부(6)는 상기에서 변경된 투입 전력량과 구동 주파수(fc)로부터 결정되는 인버터 펄스 폭(τr)을 인버터(3)에 대해 송신한다.
이에 의해 인버터(3)로부터는 구동 주파수(fc)와 인버터 펄스 폭(τr)으로 이루어지는 고주파 파형이 출력되고 상기에서 변경된 투입 전력량에 응한 부하 전력이 플라즈마 발생 장치(5)에 대해 공급된다.
또한, 이후에 있어서 전원장치(10)에 대해 투입 전력량의 변경이 지시되었다고 하여도 변경 후의 투입 전력량이 정격 전력에 대해 100% 미만(또는 정격 전력에 대해 상기 임계치% 미만)이라면, 제어부(6)는 인버터(3)에 대해 인버터 주파수(f)로서 구동 주파수(fc)를 고정적으로 계속 출력한다. 또한, 인버터 펄스 폭(τ)은, 변경 후의 투입 전력량에 응하여, 그때마다 변경된다.
그런데, 변경 후의 투입 전력량이 정격 전력에 대해 100%(또는 정격 전력에 대해 100% 이하∼상기 임계치% 이상)인 경우도 상정할 수 있다. 이 경우에는 전원장치(10)는 다음의 동작을 실시한다.
전원장치(10)는 상기에서 구한 공진 주파수를 재차 다시 결정하는지의 여부의 선택을 할 수 있는 전환부(도 1 등에는 도시 생략)를 갖고 있다.
한번, 전원장치(10) 및 플라즈마 발생 장치(5)를 포함하는 시스템이 꾸며지면, 공진 주파수는 거의 변경하지 않는다. 그래서 유저는 전환부를 조작하여, 구동 주파수의 재차 결정 불실시를 선택한다.
이 경우에는 제어부(6)는 인버터 주파수(f)로서 상기에서 구한 구동 주파수(fc)를 인버터(3)에 대해 송신한다. 즉, 투입 전력량으로서 재차 정격 전력에 대해 100%(또는 정격 전력에 대해 100% 이하∼상기 임계치% 이상)가 지시 설정되었다고 하여도 인버터 주파수(f)는 상기 구동 주파수(fc)로 고정이다. 또한, 제어부(6)는 상기에서 설정된 투입 전력량과 구동 주파수(fc)로부터 결정되는 인버터 펄스 폭(τc)을 인버터(3)에 대해 송신한다.
이에 의해 인버터(3)로부터는 구동 주파수(fc)와 인버터 펄스 폭(τc)으로 이루어지는 고주파 파형이 출력되고 상기에서 설정된 투입 전력량에 응한 부하 전력이 플라즈마 발생 장치(5)에 대해 공급된다.
한편으로, 플라즈마 발생 장치(5)를 장기간 사용한 때, 플라즈마 발생 장치(5) 또는 전원장치(10)에서 설계 변경 등을 행한 때, 플라즈마 발생 장치(5)와 전원장치(10)를 접속하는 배선 또는 이들의 장치(5, 10) 내부의 배선에 변경을 가한 경우, 공진 주파수는 변경된다. 따라서 유저가 전환부를 조작하여, 구동 주파수의 재차 결정 실시를 선택하는 것도 상정된다.
이 선택의 경우에 있어서 변경 후의 투입 전력량이 정격 전력에 대해 100%(또는 정격 전력에 대해 100% 이하∼상기 임계치% 이상)인 경우라면, 전원장치(10)는 당해 투입 전력량이 설정된 때에, 구동 주파수를 결정하는 동작을 재차 실시한다(상기 인버터 주파수의 소인, 및 최대 인버터 출력 역률(ηmax)이 얻어진 때 인버터 주파수(공진 주파수)를 구하는 동작과 마찬가지). 그리고 당해 결정의 동작에 의해 구동 주파수(fc')가 결정된 경우에는 제어부(6)는 이후, 상기 구동 주파수(fc)를 새로운 구동 주파수(fc')로 치환하여, 전원장치(10)에 대해 설정되는 투입 전력량이 변경되면, 상기에서 설명한 동작과 같은 동작을 행한다(투입 전력량이 변경된 경우에, 제어부(6)가 인버터(3)에 대해 인버터 주파수(f)로서 구동 주파수를 고정적으로 계속 출력하는 동작과 마찬가지).
또한, 상기 구동 주파수(fc, fc')와 상기 설명에서 구하여진 인버터 펄스 폭으로, 인버터(3)의 출력은 제어된다. 여기서 투입 전력량이 일정하게 정밀도 좋게 제어되도록 실시의 형태 5에서 설명한 피드백 제어 등에 의해 제어부(6)는 인버터 펄스 폭을 미조정하여도 좋다.
이상과 같이 본 실시의 형태에 관한 전원장치(10)에서는 전원장치(10) 및 플라즈마 발생 장치(5)를 포함하는 시스템이 구축된 후에 있어서 최초에, 정격 전력의 100% 또는 정격 전력의 임계치%∼100%의 값이 투입 전력량으로서 설정 지시된 때, 자동으로, 구동 주파수(fc)를 결정하고 있다.
따라서 전원 최대 용량 운전시(또는 전원 최대 용량 가까운 용량으로의 운전시)에서 인버터 출력 역률(η)을 개선한 구동 주파수(공진 주파수)(fc)로, 전원장치(10)를 구동시킬 수 있다. 여기서 당해 구동 주파수(fc)는 플라즈마 발생 장치(5)의 기종이나 제조하는 로트 편차 등에 응하여 자동적으로 구하여진다.
또한, 본 실시의 형태에 관한 전원장치(10)에서는 구동 주파수(fc)를 구한 후에 있어서 투입 전력량으로서 정격 전력의 100% 미만 또는 정격 전력의 임계치% 미만의 값이 설정 지시된 때, 제어부(6)는 상기에서 구한 구동 주파수(fc)를 고정적으로 인버터(3)에 대해 출력하고 있다.
따라서 투입 전력량이 변경될 때마다, 구동 주파수를 구하는 동작을 행하는 것을 방지할 수 있고 전원장치(10)의 처리 능력 저하를 방지할 수 있다.
또한, 투입 전력량이 변경되어도 당해 투입 전력량에 응한 본래의 공진 주파수는 앞서서 구한 구동(공진) 주파수(fc)와는 그다지 차는 없다. 또한, 본래의 공진 주파수와, 앞서서 구한 구동(공진) 주파수(fc)와의 차에 기인하여, 인버터 출력 역률(η)은, 최대 인버터 출력 역률(ηmax)보다 다소 낮아진다.
그러나, 투입 전력량이 정격 전력의 100% 미만 또는 정격 전력의 임계치% 미만의 값인 경우에는 전원장치(10)의 용량은 여력이 있다. 따라서 투입 전력량이 정격 전력의 100% 미만 또는 정격 전력의 임계치% 미만의 값인 경우, 제어부(6)가 상기 구동 주파수(fc)로 인버터(3)를 제어하였다고 하여도 인버터 출력 역률(η)이 최대 인버터 출력 역률(ηmax)보다 다소 낮은 상태라도 전원장치(10)의 성능상 문제 없이 운전할 수 있다.
또한, 본 실시의 형태에 관한 전원장치(10)에서는 상기 선택이 가능한 전환부를 갖고 있다. 따라서 당해 전원장치(10) 및 플라즈마 발생 장치(5)를 포함하는 시스템에서 공진 주파수가 변화하는 사정이 생긴 때에, 유저의 희망에 응하여, 제어부(6)는 재차, 적정한 구동 주파수를 자동적으로 결정할 수 있다.
또한, 상기와 달리, 최초에 설정 지시된 투입 전력량이 전원장치(10)의 정격 전력에 대해 100%(또는 전원장치(10)의 정격 전력에 대해 100% 이하이고 임계치% 이상)가 아닌 경우도 상정할 수 있다.
이 경우에는 제어부(6)는 인버터 주파수(f)를 상기에서 설정된 초기 전원 출력 주파수로서 결정한다. 또한, 제어부(6)는 인버터 펄스 폭(τ)을 상기에서 설정된 투입 전력량과 상기에서 결정된 초기 전원 출력 주파수로부터 구한다. 그리고 제어부(6)는 당해 설정된 초기 전원 출력 주파수와, 당해 구한 인버터 펄스 폭을 인버터(3)에 대해 송신한다.
이에 의해 인버터(3)로부터는 그 설정된 초기 전원 출력 주파수와 당해 구한 인버터 펄스 폭으로 이루어지는 고주파 파형이 출력되고 상기에서 설정된 투입 전력량에 응한 부하 전력이 플라즈마 발생 장치(5)에 대해 공급된다.
그리고 전원장치(10)에서 설정되는 투입 전력량이 변경되고 최초에, 설정된 투입 전력량이 전원장치(10)의 정격 전력에 대해 100%(또는 전원장치(10)의 정격 전력에 대해 100% 이하이고 임계치% 이상)가 되었을 때, 제어부(6)는 상기 구동 주파수(fc)를 구하는 동작을 행한다. 이후에 있어서 투입 전력량이 변경된 경우는 상기와 같은 동작을 행한다(예를 들면, 투입 전력량이 변경된 경우에, 제어부(6)가 인버터(3)에 대해 인버터 주파수(f)로서 구동 주파수(fc)를 고정적으로 계속 출력하는 동작 등과 마찬가지).
또한, 본 실시의 형태에 관한 특징적 기술(구동 주파수의 자동 결정, 투입 전력량 변경의 때에 있어서 당해 구동 주파수의 고정 출력 등)는 상술한 실시의 형태 1∼5에, 조합시킬 수도 있고 다른 한편으로, 당해 본 실시의 형태에 관한 특징적 기술만을 갖는 전원장치(10)를 구성하는 것도 당연히 가능하다.
<실시의 형태 7>
실시의 형태 6에서 전원장치(10)는 역률 개선 수단을 가지며, 부하(플라즈마 발생 장치(5))측부터의 반사 전류를 이용하여 공진시키고 자동적으로 구동 주파수를 결정하고 있다. 여기서 실시의 형태 6에서는 구동 주파수는 최대 인버터 출력 역률(ηmax)이 얻어진 때 인버터 주파수(즉, 공진 주파수)이다.
상기한 바와 같이 반사 전류를 이용하여 공진시킨 경우, 전원장치(10)의 트랜스(4)의 출력으로부터 부하의 임피던스를 보면, 상기 역률 개선 수단의 유도성 임피던스분과 부하측의 용량성 임피던스분이 캔슬되는 것으로 된다. 그 때문에, 전원장치(10)의 구동 주파수를 공진 주파수(fc)에 맞추면, 상기 유도성 임피던스분과 부하측의 용량성 임피던스분이 서로 지워져서 0Ω이 된다. 따라서 플라즈마 발생 장치(5)에서 토탈 방전 플라즈마 임피던스(저항)Rp0(Ω)만이 남는다.
방전 셀의 병렬 접속수(n)가 적은 경우는 당해 n에 반비례하는 Rp0은, 큰 값으로 된다. 따라서 플라즈마 발생 장치(5)에서의 토탈 부하 전류(Id0)는 억제되고 결과로서 공진의 증폭도를 나타내는 Q값(환언하면, 도 16에 도시하는 인버터 출력 역률(η)의 특성)은, 인버터 주파수가 변화하여도 완만하게 변화하고 공진 주파수에 있어서 전원장치(10)는 안정한 동작을 행할 수가 있다.
이에 대해 방전 셀의 병렬 접속수(n)를 큰 경우나, 플라즈마 발생 장치(5)에서의 방전 셀의 방전 저항분이 매우 작은 경우에는 Rp0은 매우 작은 값으로 된다. 따라서 플라즈마 발생 장치(5)에서의 토탈 부하 전류(Id0)는 매우 커지고 결과로서 공진의 증폭도를 나타내는 Q값(환언하면, 도 17에 도시하는 바와 같이 인버터 출력 역률(η)의 특성)은, 인버터 주파수(f)가 변화한 때, 가파르게 변화한다. 이와 같은 상태에서 전원장치(10)를 공진 주파수로 구동시키면, 부하로부터의 반사 전류가 증대할 뿐만 아니라, 전류의 시간적 변화율이 매우 커지고 공진계에서 발진 모드가 유기된다.
당해 발진 모드는 전원장치(10)에서의 노이즈 증대의 원인이 된다. 그리고 노이즈가 증대함에 의해 전원장치(10) 내에서의 전기 부품의 전기적 손상의 발생, 전원장치(10)의 오동작, 및 플라즈마 발생 장치(5)의 파손의 발생을 야기하는 일도 있다.
그래서 본 실시의 형태에서는 실시의 형태 6에서 결정한 구동 주파수를 공진 주파수 그 자체가 아니라, 당해 공진 주파수(fc)를 이용하여 결정한다.
구체적으로, 실시의 형태 6과 마찬가지로, 제어부(6)는 인버터 주파수의 소인에 의해 최대 인버터 출력 역률(ηmax)이 얻어진 때 인버터 주파수(즉, 공진 주파수(fc))를 결정한다. 그 후, 본 실시의 형태에서는 제어부(6)는 당해 공진 주파수(fc)에 대해 미소 주파수(Δf)만큼 어긋낸 값을 구동 주파수(=fc±Δf)로서 결정한다.
여기서 당해 미소 주파수(Δf)는 실제로 사용하는 플라즈마 발생 장치(5)의 구성에 의해 개별적으로 결정되는 것이다. 전원장치(10) 및 플라즈마 발생 장치(5)를 포함하는 시스템에서 공진 주파수(fc)의 부근에서 당해 시스템을 사전에 실험적 운전을 행한다. 또한, 공진 주파수(fc)에 대해 플러스 방향으로 어긋나는지, 마이너스 방향으로 어긋나는지도 당해 실험적 운전을 통하여 결정된다. 그리고 당해 실험적 운전을 통하여 안정된 운전이 가능해지는 적정한 미소 주파수(Δf)가 결정된다. 그리고 당해 미소 주파수(Δf)는 전원장치(10)의 동작 전에, 제어부(6) 내에 미리 설정되어 있다.
또한, 미소 주파수 범위를 상기 실험적 운전을 통하여 결정하고 당해 결정한 미소 주파수 범위를 제어부(6)에 미리 설정할 수도 있다. 이 경우에는 다음과 같은 범위에서 구동 주파수는 결정된다. 예를 들면, 공진 주파수(fc)를 축으로 마이너스 방향으로 인버터 주파수를 어긋내어도 정상적으로 운전을 할 수 있는 주파수 하한치가 Δfr1였다고 한다. 다른 한편, 공진 주파수(fc)를 축으로 플러스측으로 인버터 주파수를 어긋내어도 정상적으로 운전을 할 수 있는 주파수 상한치가 Δfr2였다고 한다. 이 경우에는 구동 주파수는 다음 식의 범위에서 임의로 결정된다. 즉, fc-Δfr1≤구동 주파수≤fc+Δfr2이다(도 17 참조). 단, 상기한 바와 같이 본 실시의 형태에서는 공진 주파수(fc) 자신은 구동 주파수로서 채용하지 않는다(도 17 참조).
이상과 같이 본 실시의 형태에서는 제어부(6)는 공진 주파수(fc)를 피하여 구동 주파수를 결정하고 있다. 따라서 발진 모드를 유기하는 주파수대에서의 동작 운전을 사전에 피할 수 있고 전원장치(10)의 안정된 운전이 가능해진다.
상기에서는 용량성 부하 장치 전용의 전원장치(10)의 부하 출력부의 안정 기술에 관해 기술하였다. 전원장치(10)의 직류 전압을 출력하는 부분(20)은, 상용 교류 전압을 정류하고 직류화하는 컨버터라도 직류 전압이 출력될 수 있는 축전지 등의 전지(예를 들면, 다단 또는 다병렬 구성의 대용량 전지 뱅크 구성)라도 좋다.
여기서 직류 전압 출력부(20)를 대용량 전지 뱅크로 한 경우에는 전지에 상당하는 부분의 등가 회로는 전압 공급원과 용량성의 콘덴서로 구성되어 있는 것으로 된다. 따라서 대용량 전지 뱅크로부터 전압을 출력한 때의 배선 리액터(LN)분에서 대용량 전지 뱅크측으로 반사하는 전류가 전압 증폭하고 과전압이 대용량 전지 뱅크에 반사되는 일도 있다. 이에 의해 대용량 전지 뱅크의 안정 구동이 방해되는 일도 있다.
대용량 전지 뱅크를 안정하게 구동시키려면, 대용량 전지 뱅크에 과전압이 반사되지 않도록 하는 기술이 필요해진다. 그리고 당해 기술로서 실시의 형태 2 등에서 기술한 바와 같이 용량성 부하에 대해 병렬 리액터를 삽입하여, 역률 개선시키는 기술이 있다. 이와 마찬가지의 기술을 이용하여, 대용량 전지 뱅크에 병렬 리액터를 삽입한다. 이에 의해 대용량 전지 뱅크 내의 정전용량치와, 배선 리액터부에서의 인덕턴스 값과의 상호 작용으로, 반사 전류가 직렬 공진(전압 증폭)하는 작용을 억제하고 반사한 무효 전류분을 병렬 리액터로 바이패스 시킨다.
또한, 상기 각 실시의 형태에서 설명한 전원장치(10)는 오존 발생 장치나 라디칼 발생 장치 등의 반도체 제조 장치 분야에서 사용되는 용량성 부하 장치 전용의 전원장치로서 적용할 수 있다. 또한, 당해 전원장치(10)는 레이저 장치 분야의 방전 장치 및 펄프 표백 분야, 수처리 분야 또는 화학 플랜트 분야에서 사용되는 매우 대규모의 오존 발생 장치, 등의 용량성 부하 장치의 전원장치로서도 이용할 수 있다.
본 발명은 상세히 설명되었지만, 상기한 설명은, 모든 국면에서 예시이고 본 발명이 그것으로 한정되는 것은 아니다. 예시되지 않은 무수한 변형례가 본 발명의 범위로부터 벗어나는 일 없이 상정될 수 있는 것으로 해석된다. 또한, 상기 각 실시의 형태에 관한 발명의 특징부만을 갖는 발명, 및 상기 각 실시의 형태에 관한 발명의 특징부의 임의의 조합도 발명의 범위로부터 벗어나는 일 없이 상정할 수 있다.
3 : 인버터
4 : 트랜스
5 : 플라즈마 발생 장치
6 : 제어부
10 : 전원장치
20 : 직류 전압 출력부
Lc : 한류 리액터

Claims (7)

  1. 복수의 방전 셀이 접속됨에 의해 구성된, 용량성 부하인 플라즈마 발생 장치(5)에 대해 교류 전압을 출력하는 전원장치(10)로서,
    직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터(3)와,
    상기 인버터의 동작을 제어하는 제어부(6)와,
    상기 인버터에 입력되는 직류 전력을 검지하는 검출부를 구비하고 있고,
    상기 제어부는,
    (A) 외부로부터의 입력에 응하여, 목표 직류 전력량치를 결정하고,
    (B) 상기 검출부가 검지한 직류 전류를 적어도 이용하여, 상기 인버터에 입력되는 직류 전력량이 상기 목표 직류 전력량치가 되도록 상기 인버터를 피드백 제어하는 것을 특징으로 하는 전원장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 인버터에 입력된 직류 전압은 일정하고,
    상기 제어부는 상기(B)에서,
    상기 검출부가 검지한 직류 전류만을 이용하여, 상기 인버터에 입력되는 직류 전력량이 상기 목표 직류 전력량치가 되도록 상기 피드백 제어하는 것을 특징으로 하는 전원장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기(B)에서,
    상기 검출부가 검지한, 직류 전류 및 직류 전압을 이용하여, 상기 인버터에 입력되는 직류 전력량이 상기 목표 직류 전력량치가 되도록 상기 피드백 제어하는 것을 특징으로 하는 전원장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    (C) 상기 목표 직류 전력량치로부터, 제1의 인버터 제어치를 결정하고,
    (D) 상기 제1의 인버터 제어치로, 상기 인버터를 제어하고,
    상기 (D)의 후에, 상기 (B)를 행하는 것을 특징으로 하는 전원장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기(B)는,
    제2의 인버터 제어치를 조정함에 의해 상기 인버터에 입력되는 직류 전력량이 상기 목표 직류 전력량치가 되도록 하는 상기 피드백 제어인 것을 특징으로 하는 전원장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제1의 인버터 제어치 및 상기 제2의 인버터 제어치는 인버터 펄스 주파수 및 인버터 펄스 폭인 것을 특징으로 하는 전원장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 제1의 인버터 제어치 및 상기 제2의 인버터 제어치는 인버터 펄스 폭인 것을 특징으로 하는 전원장치.
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