KR20180006583A - 플라즈마 공정용 llcc 공진컨버터 - Google Patents

플라즈마 공정용 llcc 공진컨버터 Download PDF

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KR20180006583A
KR20180006583A KR1020160087030A KR20160087030A KR20180006583A KR 20180006583 A KR20180006583 A KR 20180006583A KR 1020160087030 A KR1020160087030 A KR 1020160087030A KR 20160087030 A KR20160087030 A KR 20160087030A KR 20180006583 A KR20180006583 A KR 20180006583A
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Abstract

본 발명은 플라즈마 공정에 사용되는 플라즈마 공정용 LLCC 공진컨버터에 관한 것으로서, 직류전원을 인가받아 스위칭 신호에 의해 구형파를 발생시키는 구형파 발생회로부; 및 상기 구형파 발생회로부의 출력단에 설치되는 공진 커패시터(Cr), 공진 인덕터(Lr), 자화 인덕터(Lm), 및 출력 커패시터(Co)를 포함하는 LLCC 공진회로부를 포함하며, 상기 스위칭 신호는 초기에는 스위칭 주파수 제어에 의해 공급되며, 상기 LLCC 공진회로부에서 출력되는 전압이득이 스위칭 주파수 제어 상에서 최대가 되는 지점 이후에는 스위칭 주파수를 고정하고 듀티 제어에 의해 공급된다.
본 발명에 따르면, 출력 커패시터를 고려한 LLCC 공진컨버터의 전압이득 특성을 이용하여 초기에는 스위칭 주파수 제어를 수행하며 전압이득이 최대가 되는 지점 이후에는 듀티 제어를 수행하여 전압이득을 더욱 향상시킴으로써, 출력 커패시터가 작은 커패시턴스를 갖는 경우에도 전압이득을 향상시킬 수 있음은 물론 무부하 조건에서 출력전압이 조절 가능한 효과가 있다.

Description

플라즈마 공정용 LLCC 공진컨버터{LLCC RESONANT CONVERTER FOR A PLASMA PROCESS}
본 발명은 플라즈마 공정에 사용되는 LLCC 공진컨버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 출력 커패시터를 이용하여 기존의 LLC 공진컨버터와 다른 이득 특성을 보이며 플라즈마 공정의 무부하 조건에서도 전압 조절이 가능하도록 하는 플라즈마 공정용 LLCC 공진컨버터에 관한 것이다.
플라즈마 공정은 반도체, LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Panel Display) 등 첨단 IT 산업에서부터 섬유분야, 의료분야 등 많은 분야에서 사용되고 있는 산업기술이다. 플라즈마 공정에는 플라즈마를 생성하기 위한 전원정치를 필요로 하게 되는데, 높은 전력밀도와 ZVS(Zero Voltage Switching)를 통해 고효율을 달성할 수 있는 LLC 공진컨버터가 DC 플라즈마 공정용 전원장치로 적용되고 있다.
그런데, 플라즈마 공정에는 플라즈마가 불안정할 경우 아크(Arc)가 발생할 수 있다는 문제점이 있다. 아크를 방지하기 위한 방법 중 하나로, 출력 커패시턴스 값을 작게 설정하는 방법이 있는데, 이때 LLC 공진 컨버터는 기존과 다른 이득특성을 보이게 된다.
또한, 플라즈마 공정에서는 플라즈마를 생성하기 위한 무부하 동작을 필요로 하는데, 기존의 LLC 공진컨버터는 이론적인 해석과 달리 실제 출력전압이 조절되지 않는다는 문제가 발생한다. 이는 무부하조건의 동작을 필요로 하는 플라즈마 공정에 적용하는데 어려움이 된다.
한편, 대한민국 공개특허 제10-2014-0144874호는 공진 컨버터와, 이를 포함하는 전원공급장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 전원공급장치에서 LLC 공진 컨버터가 과부하 조건인 용량성 모드로 동작하는 것을 감지하면, 동작 주파수를 증가시켜 유도성 모드로 전환하고 ZVS 동작을 수행하도록 하여 스위칭 효율을 높이고 회로 안정성을 확보하는 기술을 개시하고 있다.
하지만, 위에서 언급한 바와 같이 출력 커패시턴스를 작게 설정할 때 이득 특성이 좋지 않고 무부하 조건에서 전압 조절이 어려운 문제에 여전히 직면해 있다.
대한민국 공개특허 제10-2014-0144874호
본 발명은 기존의 LLC 공진컨버터를 대체하여 출력 커패시터를 추가한 LLCC 공진 컨버터를 제공하며, 출력 커패시턴스를 작게 하여도 높은 전압이득을 얻을 수 있고 무부하 전압 제어를 위해 주파수 및 듀티 제어 방식을 도입하여 플라즈마 공정의 무부하 조건에서도 전압 조절이 가능하도록 하는 플라즈마 공정용 LLCC 공진컨버터를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 공정용 LLCC 공진컨버터는, 플라즈마 공정에 사용되는 플라즈마 공정용 LLCC 공진컨버터에 있어서, 직류전원을 인가받아 스위칭 신호에 의해 구형파를 발생시키는 구형파 발생회로부; 및 상기 구형파 발생회로부의 출력단에 설치되는 공진 커패시터(Cr), 공진 인덕터(Lr), 자화 인덕터(Lm), 및 출력 커패시터(Co)를 포함하는 LLCC 공진회로부를 포함하며, 상기 스위칭 신호는 초기에는 스위칭 주파수 제어에 의해 공급되며, 상기 LLCC 공진회로부에서 출력되는 전압이득이 스위칭 주파수 제어 상에서 최대가 되는 지점 이후에는 스위칭 주파수를 고정하고 듀티 제어에 의해 공급된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 공정용 LLCC 공진컨버터는, 상기 전압이득은 아래의 (수학식 17)에 의해 연산된다.
(수학식 17)
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
는 상기 LLCC 공진회로부에서 출력되는 전압이득이고,
Figure pat00003
은 상기 공진 인덕터(Lr)의 인덕턴스(
Figure pat00004
)와 상기 자화 인덕터(Lm)의 인덕턴스(
Figure pat00005
) 비율로서 수식 "
Figure pat00006
"에 의해 연산되고,
Figure pat00007
은 공진 주파수(
Figure pat00008
)와 스위칭 주파수(
Figure pat00009
)의 비율로서 수식 "
Figure pat00010
"에 의해 연산되고,
Figure pat00011
은 상기 공진 커패시터(Cr)의 커패시턴스이고,
Figure pat00012
는 출력 임피던스로서 수식"
Figure pat00013
"에 의해 연산되고,
Figure pat00014
는 상기 출력 커패시터(Co)의 커패시턴스이고,
Figure pat00015
는 부하측 저항 값이다.
본 발명의 플라즈마 공정용 LLCC 공진컨버터에 따르면, 출력 커패시터를 고려한 LLCC 공진컨버터의 전압이득 특성을 이용하여 초기에는 스위칭 주파수 제어를 수행하며 전압이득이 최대가 되는 지점 이후에는 듀티 제어를 수행하여 전압이득을 더욱 향상시킴으로써, 출력 커패시터가 작은 커패시턴스를 갖는 경우에도 전압이득을 향상시킬 수 있음은 물론 무부하 조건에서 출력전압이 조절 가능한 효과가 있다.
도 1은 LLC 공진컨버터의 회로도,
도 2는 LLC 공진컨버터의 AC 등가 회로도,
도 3은 LLC 공진컨버터의 전압이득 특성을 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 LLCC 공진컨버터의 AC 등가 회로도,
도 5는 본 발명에 따른 LLCC 공진컨버터의 전압이득 특성을 나타낸 그래프,
도 6은 LLCC 공진컨버터의 주파수에 따른 무부하 전압을 측정한 그래프,
도 7은 LLCC 공진컨버터 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프,
도 8은 시뮬레이션 결과 파형을 정리한 그래프,
도 9는 무부하 조건에서 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프,
도 10은 무부하 조건의 주파수 및 Duty 제어 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프(180kHz),
도 11은 무부하 조건의 주파수 및 Duty 제어 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프(160kHz),
도 12는 무부하 조건의 주파수 및 Duty 제어 실험 결과를 측정한 그래프(180kHz), 및
도 13은 무부하 조건의 주파수 및 Duty 제어 실험 결과를 측정한 그래프이다.(160kHz)
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구체적인 실시예가 설명된다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대하여 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
명세서 전체에 걸쳐 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 그리고 본 발명에 첨부된 도면은 설명의 편의를 위한 것으로서, 그 형상과 상대적인 척도는 과장되거나 생략될 수 있다.
실시예를 구체적으로 설명함에 있어서, 중복되는 설명이나 당해 분야에서 자명한 기술에 대한 설명은 생략되었다. 또한, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 기재된 구성요소 외에 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "~부", "~기", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 전기적으로 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.
도 1은 LLC 공진컨버터의 회로도로서, 일반적인 플라즈마 공정용 LLC 공진컨버터를 예시한 것이다.
도 1을 참조하면, LLC 공진컨버터는 직류전원(10)을 인가받아 2개의 스위치(Q1, Q2)를 이용하여 구형파를 발생시키는 구형파 발생회로부(12)와, 구형파 발생회로부(12)의 출력단에 설치되는 공진 커패시터(Cr), 공진 인덕터(Lr), 및 자화 인덕터(Lm)으로 구성된다. LLC 공진컨버터의 변압기(14)를 거쳐 정류회로부(16)가 설치되며, 저항(Rload)은 부하를 나타낸다.
구형파 발생회로부(12)는 도 1에서 하프 브리지(Half bridge)로 구성되어 있으나, 응용분야에 따라 풀 브리지(Full bridge)로 구성할 수 도 있다. 정류회로부(16)는 센터 탭(Center Tapped), 풀 브리지(Full bridge), 배전압 정류회로(Voltage Doubler) 등 다양하게 적용될 수 있다.
LLC 공진컨버터의 전압이득 특성을 분석하기 위해 일반적으로 FHA(First Harmonic Approximation) 근사방법을 사용한다. FHA 근사방법은 구형파를 단일 기본파로 근사하고 모든 고차 고조파를 무시하여 해석하는 방식으로, 도 2에서와 같이 FHA를 적용하여 LLC 공진 컨버터의 AC 등가회로를 얻을 수 있다.
도 2는 LLC 공진컨버터의 AC 등가 회로도이며, LLC 공진컨버터의 전압이득을 도출하기 위하여 도 2의 등가회로에서 각 변수와의 관계를 수학식으로 정리하면 아래와 같다.
입력 측 구형파 전압의 기본파 전압인
Figure pat00016
는 (수학식 1)로 정의할 수 있다.
(수학식 1)
Figure pat00017
따라서 RMS 값은 (수학식 2)와 같다.
(수학식 2)
Figure pat00018
출력 측 기본전압
Figure pat00019
는 (수학식 3)으로 나타낼 수 있다.
(수학식 3)
Figure pat00020
여기서,
Figure pat00021
는
Figure pat00022
와
Figure pat00023
간의 위상각이다.
출력전압의 RMS는 (수학식 4)와 같다.
(수학식 4)
Figure pat00024
Figure pat00025
와
Figure pat00026
에 해당하는 기본 구성전류는 (수학식 5)와 같다.
(수학식 5)
Figure pat00027
여기서,
Figure pat00028
는
Figure pat00029
와
Figure pat00030
사이의 위상각 이다.
출력 전류의 RMS는 (수학식 6)으로 나타낼 수 있다.
(수학식 6)
Figure pat00031
여기서, AC 등가 부하저항
Figure pat00032
는 (수학식 4)와 (수학식 6)을 통하여 아래의 (수학식 7)과 같이 계산할 수 있다.
(수학식 7)
Figure pat00033
각 주파수를 아래의 (수학식 8)과 같이 나타내게 된다면,
(수학식 8)
Figure pat00034
공진 커패시터(Cr), 공진 인덕터(Lr), 및 자화 인덕터(Lm)의 리액턴스는
Figure pat00035
,
Figure pat00036
,
Figure pat00037
이며, 자화전류의 RMS는 (수학식 9)로부터 얻을 수 있다.
(수학식 9)
Figure pat00038
이제 다음과 같이 LLC 공진컨버터의 AC 등가회로의 변수관계를 통해서 전압이득 함수를 유도할 수 있다.
DC 입력전압과 출력전압은 스위칭 모드로 변환되고 AC 전압비율의
Figure pat00039
의
Figure pat00040
와
Figure pat00041
로 (수학식 10)과 같이 근사화 될 수 있다.
(수학식 10)
Figure pat00042
식을 표준화 된 형식으로 표현하기 위해 먼저 정규화 된 주파수로 표현하면 (수학식 11)과 같다.
(수학식 11)
Figure pat00043
여기서,
Figure pat00044
는 스위칭 주파수,
Figure pat00045
는 공진주파수 이다.
또한 두 개의 인덕턴스를 결합하여 인덕턴스 비율로 정의하게 되면 (수학식 12)로 나타낼 수 있다.
(수학식 12)
Figure pat00046
따라서 직렬공진회로의 Q Factor는 다음과 같이 (수학식 13)으로 정의된다.
(수학식 13)
Figure pat00047
이러한 정정의 도움으로, 전압이득 함수는 정규화 될 수 있으며 다음의 (수학식 14)와 같이 표현할 수 있다.
(수학식 14)
Figure pat00048
도 3은 LLC 공진컨버터의 전압이득 특성을 나타낸 그래프로서, (수학식 14)를 통해 얻은 전압이득의 곡선을 나타낸다. 또한, 도 3은 일반적인 LLC 공진 컨버터의 이득특성을 나타내는 곡선으로 부하조건에 따라 다음과 같은 특성을 보이게 된다.
LLC 공진컨버터는 부하조건에 따라 최대이득을 갖는 스위칭 주파수가 공진주파수보다 낮은 영역에 존재한다는 특징을 갖는다. 또한, 공진점(
Figure pat00049
=1)에서 최대 이득을 갖는 곡선의 우측 영역은 ZVS 영역으로, 이 영역에서 동작할 경우 ZVS 조건을 달성할 수 높은 효율을 낼 수 있게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 LLCC 공진컨버터의 AC 등가 회로도이다. 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 LLCC 공진컨버터의 전압이득 특성을 살펴보기로 한다. 기존의 LLC 공진 컨버터에서는 출력단 커패시턴스 값이 충분히 크기 때문에 이득 특성을 해석하는 경우 고려하지 않는다. 하지만, 플라즈마 공정용 LLC 공진컨버터에서는 도 1에 도시된 출력 커패시턴스(
Figure pat00050
)를 작게 설정하게 되면서 기존의 LLC 공진컨버터와 다른 이득 특성을 보이게 된다. 이와 같이 변화하는 이득 특성을 분석하기 위해
Figure pat00051
값이 작은 경우
Figure pat00052
도 함께 고려한 LLC 공진컨버터, 즉 도 4에 도시된 바와 같은 LLCC 공진컨버터의 이득특성을 분석하고자 한다. 도 4의
Figure pat00053
는 LLC 공진컨버터의
Figure pat00054
의 등가 커패시터이다.
앞서 LLC 공진컨버터를 살펴본 것과 마찬가지로 전압이득을 도출하기 위하여 등가회로의 각 변수와 관계를 정리하게 되면, 입력 구형파 전압의 기본파 전압인
Figure pat00055
, 출력 기본파 전압
Figure pat00056
는 (수학식 1) 내지 (수학식 4)와 같이 기존의 LLC 공진컨버터와 같은 관계를 갖게 된다.
기존의 LLC 공진컨버터에서는 출력
Figure pat00057
에 해당하는 출력 전류를 계산하는 방법과 동일하게 저항
Figure pat00058
와 커패시턴스
Figure pat00059
의 병렬 임피던스 합
Figure pat00060
에 흐르는 전류
Figure pat00061
를 (수학식 15)와 같이 계산할 수 있게 된다.
(수학식 15)
Figure pat00062
이때, 전류
Figure pat00063
는 도 1의 출력 커패시터
Figure pat00064
와 부하저항
Figure pat00065
를 통해 흐르는 전류의 합이 된다.
여기서 AC 등가 부하저항
Figure pat00066
와 등가 출력커패시터
Figure pat00067
의 병렬 임피던스의 합
Figure pat00068
는 도 1에서의 부하저항
Figure pat00069
와 출력 커패시터
Figure pat00070
의 병렬 합과의 관계식인 (수학식 16)으로 표현할 수 있게 된다.
(수학식 16)
Figure pat00071
앞서 살펴본 (수학식 8) 내지 (수학식 13)을 이용하여 전압이득 함수를 정규화 하게 되면 다음의 (수학식 17)로 표현할 수 있다.
Figure pat00072
여기서,
Figure pat00073
이다.
도 5는 본 발명에 따른 LLCC 공진컨버터의 전압이득 특성을 나타낸 그래프로서, 유도된 수학식을 통해 LLCC 공진컨버터의 전압이득 곡선을 나타낸 것이다.
도 5는 작은 값의 출력 Capacitance 값을 고려한 LLCC 공진컨버터의 이득 곡선으로, 작은 출력 Capacitance값을 갖는 LLCC 공진컨버터는 기존의 LLC 공진컨버터와 다르게 부하조건에 따라 최대이득을 갖는 스위칭 주파수가 공진주파수보다 높은 영역에 존재하는 것을 확인할 수 있다.
일반적인 LLC 공진 컨버터의 이득 곡선을 확인해보면 무부하 조건에서 공진 주파수 이상으로 스위칭 주파수가 상승할 경우 선형적으로 이득이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 하지만 실험을 통해 실제 시스템을 확인해 보게 되면 출력 전압이 조절되지 않게 되는 것을 확인할 수 있는데, 이러한 문제는 LLC 공진 컨버터의 이득 특성을 분석하는 방법에서 기생성분을 고려하지 않은 FHA의 한계를 보여주게 된다.
도 6은 LLCC 공진컨버터의 주파수에 따른 무부하 전압을 측정한 그래프로서, 실험을 통해 출력 Capacitor 값을 작게 설정한 LLCC 공진 컨버터의 스위칭 주파수에 따른 무부하 출력 전압 파형이다.
Ch1은 출력 전압을 필터링한 값이며, Ch3은 Duty비 , Ch4는 스위칭 주파수를 DA보드를 통해 측정한 파형이다. 0.5 Duty에서 스위칭 주파수가 200kHz 에서 100kHz 까지 스윕(Sweep)되는 동작 파형이다.
무부하 상태에서의 스위칭 주파수에 따른 출력전압은 주파수가 증가함에 따라 전체적인 이득이 증가하며, 또한 톱니파와 같은 흔들리는 전압파형을 확인할 수 있다. 실제 출력 Capacitance 값을 크게 설정한 LLC 공진컨버터 또한 위 그림과 같이 톱니파와 같은 전압의 크기를 따라가게 된다.
이러한 특성은 플라즈마 공정에서 플라즈마를 생성하기 위한 무부하 기동에 있어 제한사항이 되는데, 이때 공정에 적용하기 위한 방법으로 무부하 동작시 고정주파수에서 Duty를 조절하는 방법이 사용될 수 있다. 하지만 이 방법은 조절할 수 있는 출력전압의 범위가 좁다는 점과, 공정 시스템을 미리 알아야 고정시키게 될 주파수를 설정할 수 있기 때문에 다른 시스템에 적용하기 위해서는 주파수를 수정해야하는 경우가 생길 수 있다는 단점이 존재한다.
문제를 해결하기 위한 방법으로 스위칭주파수와 Duty를 함께 조절하는 방법이 이용될 수 있다. 스위칭 주파수와 Duty를 함께 조절하는 방법은 먼저 스위칭 주파수를 조절하게 되면 공정에 따라 전압이득이 증가하거나 감소하게 되는데, 이때 전압이 최대한 증가할 수 있는 지점까지 주파수 조절을 통해 제어한 뒤 전압이 최대가 되는 지점에 도달하게 되면 그 시점의 주파수를 고정 주파수로 사용하여 이후 Duty를 조절하는 방법이다.
이러한 방법을 사용하게 되면 기존의 고정주파수에서 Duty만을 제어하는 방법보다 더 넓은 범위의 출력전압을 제어할 수 있게 되며, 다른 공정 시스템에 적용된 경우에도 수정 없이 적용이 가능하다는 장점이 생기게 된다.
플라즈마 공정용 LLCC 컨버터의 Duty를 조절하기 위하여 구형파 발생단을 Full bridge로 구성하여 준 구형파 방식을 통해 PWM을 발생시킬 수 있다.
준 구형파 방식의 PWM을 발생시키기 위해서는 Full bridge 각 폴에서 하나의 폴의 스위칭 온, 오프 시간은 아래의 (수학식 18) 및 (수학식 19)로 설정할 수 있다.
(수학식 18)
Figure pat00074
(수학식 19)
Figure pat00075
나머지 폴의 온 오프 시간은 아래의 (수학식 20) 및 (수학식 21)로 설정할 수 있다.
(수학식 20)
Figure pat00076
Figure pat00077
이때
Figure pat00078
를 조절함으로 준 구형파의 Duty를 결정할 수 있게 된다.
LLCC 공진컨버터의 이득 특성의 분석내용을 확인하기 위한 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션은 플라즈마 공정용 LLC 공진 컨버터의 모델로 출력 필터 커패시터를 0.03uF 으로 설정하고 시뮬레이션 스위칭 주파수를 150kHz 에서 50kHz 까지 스윕(Sweep) 하면서 출력전압을 확인해 보았다.
도 7은 LLCC 공진컨버터 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다. 도 7을 참조하면, 시뮬레이션 파형은 부하 5Ω, 15Ω. 그리고 25Ω에서의 각 주파수에 따른 출력 전압
Figure pat00079
과 출력전압을 필터링한
Figure pat00080
값을 보여준다. 마지막 파형은 PSIM DLL기능을 통해 스위칭 주파수를 보여주는 파형이다.
파형을 정리해 보면 도 8에 도시된 바와 같은 시뮬레이션 결과 그래프를 도출할 수 있다. 시뮬레이션 결과를 통해
Figure pat00081
값이 작을 경우 부하특성에 따라 최대이득이 되는 주파수점이 높아지는 것을 확인할 수 있으며, 해석된 이득특성 결과와 유사한 것을 확인할 수 있다.
시뮬레이션을 통해 제안한 LLCC 공진컨버터의 무부하 조건에서 전압 조절을 위한 동작을 확인해 보았다. 시뮬레이션은 플라즈마 공정용 LLCC 공진컨버터 스펙으로 구성하였으며 먼저 200kHz에서 100kHz로 주파수를 스윕한 경우 출력 전압을 확인해 보았다.
도 9는 무부하 조건에서 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프로서, 무부하 조건에서 스위칭 주파수를 200kHz에서 70kHz 까지 스윕한 파형이다. 파형은 출력전압
Figure pat00082
, 스위칭 주파수
Figure pat00083
, Duty를 측정하였으며 Duty는 0.5 로 설정하였다. 앞서 설명한 내용과 같이 스위칭 주파수에 따른 출력전압이 조절되지 않으며 출력 전압이 스위칭 주파수에 따라 흔들리는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 무부하 조건의 주파수 및 Duty 제어 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프(180kHz)로서, 제안한 무부하 조건에서 주파수와 Duty를 함께 제어하는 방법의 시뮬레이션 파형이다. 초기 스위칭 주파수는 180kHz, Duty 비는 0.5 가 된다. 파형은 제안한 제어방법의 출력전압 Vout1, 스위칭 주파수 Fs1, Duty비를 측정한 파형이다. 또한 도 9와 같이 스위칭주파수를 스윕한 경우의 출력전압 Vout1_1, 스위치주파수 Fs1_1, Duty비 Duty1_1을 함께 측정하여 비교하였다.
180kHz에서 처음 이득을 상승시키기 위하여 주파수를 낮추는 방향으로 제어를 시작하게 되며 이때 전압이득이 감소하는 것을 감지하여 반대로 스위칭 주파수를 상승시키게 된다. 주파수를 증가시키며 이득이 증가하게 되고 최대 주파수 200kHz에 도달하게 되면 Duty 제어를 시작해 이득을 증가시키게 된다.
도 11은 무부하 조건의 주파수 및 Duty 제어 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프(160kHz)로서, 제안한 무부하 조건에서 주파수와 Duty를 함께 제어하는 방법의 시뮬레이션 파형이다. 초기 스위칭 주파수는 160kHz, Duty 비는 0.5 가 된다. 파형은 제안한 제어방법의 출력전압 Vout1, 스위칭 주파수 Fs1, Duty비를 측정한 파형이다. 또한 위와 같이 스위칭주파수를 스윕한 경우의 출력전압 Vout1_1, 스위치주파수 Fs1_1, Duty비 Duty1_1을 함께 측정하여 비교하였다. 바로 앞의 시뮬레이션과 같이 처음 스위칭 주파수를 낮추며 제어를 시작하게 되며 이득이 상승하는 구간동안에는 계속하게 주파수를 낮추게 된다. 이후 이득이 감소하는 것을 감지하게 되면 주파수를 높이는 방향으로 제어하게 된다. 다시 이득이 감소하는 것을 감지하게 되면 지금까지 이득이 최대가 되는 스위칭 주파수를 감지하여 그 스위칭 주파수 까지 다시 주파수를 감소시켜 제어하게 된다. 이후 최대이득을 갖는 스위칭 주파수에서 Duty 제어를 시작해 이득을 증가시키게 된다. 시뮬레이션을 통해 무부하 조건에서 플라즈마 공정용 LLCC 공진 컨버터의 이득을 주파수와 Duty 제어를 통해 조절 가능하도록 구현하였다.
실험을 통하여 제안한 무부하조건 LLCC 공진컨버터의 제어방법을 확인하였다. 실험은 실제 플라즈마 공정용 LLCC 공진컨버터의 모델로 출력 커패시터 값을 0.03uF의 작은 출력 Capacitance 값을 갖도록 하엿다.
도 12는 무부하 조건의 주파수 및 Duty 제어 실험 결과를 측정한 그래프(180kHz)로서, 무부하 조건에서 LLCC 공진컨버터의 주파수 및 Duty 제어 실험으로 180kHz에서 스위칭을 시작하는 파형이다.
Ch1은 출력 전압, Ch3~4는 Duty 비와 스위칭 주파수를 DA를 통해 측정한 값이다. 실험은 초기 180kHz와 0.5 Duty 비로 스위칭을 시작하게 된다. 먼저 스위칭 주파수를 낮추는 방향으로 제어를 시작하며, 이득이 감소하는 것을 감지하여 스위칭 주파수를 증가시키게 된다. 최대주파수에 도달하게 되면 Duty를 증가시켜 이득을 최대로 증가시키게 된다.
도 13은 무부하 조건의 주파수 및 Duty 제어 실험 결과를 측정한 그래프(160kHz)로서, 무부하 조건에서 LLCC 공진컨버터의 주파수 및 Duty 제어 실험으로 160kHz에서 스위칭을 시작하는 파형이다.
Ch1은 출력전압, Ch3 ~ 4는 Duty비와 스위칭 주파수를 DA를 통해 측정한 값이다. 실험은 초기 160kHz와 0.5 Duty비로 스위칭을 시작하게 된다. 먼저 스위칭 주파수를 낮추는 방향으로 제어를 시작하며 전압이득이 감소하는 것이 감지되기 전까지 계속해서 스위칭 주파수를 낮추게 된다. 이때 이득이 감소하는 것을 감지하는 순간 스위칭 주파수는 증가 시키게 되며, 다시 이득이 감소하는 것을 감지하여 마지막으로 최대 이득을 보이는 스위칭 주파수 까지 감소시키게 된다. 최대주파수에 도달하게 되면 Duty를 증가시켜 이득을 최대로 증가시키게 된다.
위에서 개시된 발명은 기본적인 사상을 훼손하지 않는 범위 내에서 다양한 변형예가 가능하다. 즉, 위의 실시예들은 모두 예시적으로 해석되어야 하며, 한정적으로 해석되지 않는다. 따라서 본 발명의 보호범위는 상술한 실시예가 아니라 첨부된 청구항에 따라 정해져야 하며, 첨부된 청구항에 한정된 구성요소를 균등물로 치환한 경우 이는 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 보아야 한다.
10 : 직류전원 12 : 구형파 발생회로부
14 : 변압기 16 : 정류회로부

Claims (2)

  1. 플라즈마 공정에 사용되는 플라즈마 공정용 LLCC 공진컨버터에 있어서,
    직류전원을 인가받아 스위칭 신호에 의해 구형파를 발생시키는 구형파 발생회로부; 및
    상기 구형파 발생회로부의 출력단에 설치되는 공진 커패시터(Cr), 공진 인덕터(Lr), 자화 인덕터(Lm), 및 출력 커패시터(Co)를 포함하는 LLCC 공진회로부
    를 포함하며,
    상기 스위칭 신호는 초기에는 스위칭 주파수 제어에 의해 공급되며, 상기 LLCC 공진회로부에서 출력되는 전압이득이 스위칭 주파수 제어 상에서 최대가 되는 지점 이후에는 스위칭 주파수를 고정하고 듀티 제어에 의해 공급되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정용 LLCC 공진컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압이득은 아래의 (수학식 17)에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정용 LLCC 공진컨버터.
    (수학식 17)
    Figure pat00084

    여기서,
    Figure pat00085
    는 상기 LLCC 공진회로부에서 출력되는 전압이득이고,
    Figure pat00086
    은 상기 공진 인덕터(Lr)의 인덕턴스(
    Figure pat00087
    )와 상기 자화 인덕터(Lm)의 인덕턴스(
    Figure pat00088
    ) 비율로서 수식 "
    Figure pat00089
    "에 의해 연산되고,
    Figure pat00090
    은 공진 주파수(
    Figure pat00091
    )와 스위칭 주파수(
    Figure pat00092
    )의 비율로서 수식 "
    Figure pat00093
    "에 의해 연산되고,
    Figure pat00094
    은 상기 공진 커패시터(Cr)의 커패시턴스이고,
    Figure pat00095
    는 출력 임피던스로서 수식"
    Figure pat00096
    "에 의해 연산되고,
    Figure pat00097
    는 상기 출력 커패시터(Co)의 커패시턴스이고,
    Figure pat00098
    는 부하측 저항 값이다.
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