KR20210124480A - 직류 펄스 전원 장치, 및 직류 펄스 전원 장치의 듀티 제어 방법 - Google Patents

직류 펄스 전원 장치, 및 직류 펄스 전원 장치의 듀티 제어 방법 Download PDF

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이쯔오 유즈리하라
토시유키 아다치
토모히로 요네야마
코이치 미야자키
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가부시끼가이샤교산세이사꾸쇼
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Abstract

본 발명의 직류 펄스 전원 장치는, 펄스 동작의 기동 시에 있어서, 캐패시터 전압이 직류 리액터의 자기 포화를 리셋하기에 충분한 전압까지 충전될 때까지의 동안, 초퍼 회로의 펄스 동작의 듀티를 제어해서, 스위칭 소자를 온 상태로 하여 직류 리액터를 통전 상태로 하는 펄스 폭을 가변으로 한다. 펄스 폭을 점증시키는 것에 의해 직류 리액터 전류의 증가 정도를 억제하여, 직류 리액터 전류를 자기 포화 레벨 이하로 억제한다. 이것에 의해, 펄스 동작의 기동 시에 있어서, 직류 리액터의 자기 포화를 억제한다.

Description

직류 펄스 전원 장치, 및 직류 펄스 전원 장치의 듀티 제어 방법
본 발명은, 자기 포화를 억제하는 제어 회로를 구비하는 직류 펄스 전원 장치, 및 직류 펄스 전원 장치가 구비하는 직류 리액터의 자기 포화를 억제하는 제어 방법에 관한 것이다.
직류 펄스 전원 장치는, 펄스 출력을 발생하는 펄스 발생 회로로서, 직류 리액터와 스위칭 소자의 직렬 회로를 구비한 회로 구성이 알려져 있다. 펄스 발생 회로는, 스위칭 소자의 온/오프 동작을 반복함으로써 직류 전압을 단속(斷續)시켜 펄스 파형의 펄스 출력을 발생시킨다.
직류 펄스 전원 장치가 출력하는 펄스 출력은, 직류 전압의 온 상태와 오프 상태를 수 ㎐∼수백 ㎑에서 반복하는 고주파 출력이다.
직류 펄스 전원 장치는, 플라즈마 발생 장치, 펄스 레이저 여기, 방전 가공기 등의 부하에 펄스 출력을 공급하는 전원 장치로서 이용된다. 예를 들면, 직류 펄스 전원 장치를 플라즈마 발생 장치에 이용하는 경우에는, 펄스 출력을 플라즈마 발생 챔버 내의 전극 사이에 공급하여, 전극 간의 방전에 의한 플라즈마를 착화시키고, 발생된 플라즈마를 유지한다.
도 11은 직류 펄스 전원 장치의 1구성예이고, 초퍼 회로를 이용한 펄스 발생 회로를 구비한 구성예를 도시하고 있다. 직류 펄스 전원 장치에서는 펄스 파형을 생성하는 회로로서 승압 초퍼 회로가 알려져 있다. 직류 펄스 전원 장치(100)는 직류 전원부(110)와 펄스부(120)와 제어 회로부(140)에 의해 구성된다. 펄스부(120)의 승압 초퍼 회로는, 직류 리액터(121)와 스위칭 소자(122)의 직렬 접속에 의해 구성되고, 스위칭 소자(122)는 제어 회로부(140)에 의해 제어되는 구동 회로(123)의 구동 신호에 기초하여 온/오프 동작하고, 직류 전원부(110)의 직류 전압을 승압시킨 펄스 출력을 부하(150)에 공급한다(특허문헌 1, 2).
일본공개특허 평8－222258호 공보(도 1, 단락 0012) 일본공개특허 제2006－6053호 공보(도 1)
직류 펄스 전원 장치를 플라즈마 발생 장치에 이용하는 경우에는, 직류 펄스 전원 장치의 펄스 출력을 플라즈마 발생 장치의 챔버 내의 전극 사이에 공급하여, 전극 사이에서 발생하는 방전에 의해 플라즈마를 착화시키고, 발생된 플라즈마를 유지한다. 직류 펄스 전원 장치는, 플라즈마를 부하로 할 때, 이그니션 모드, 직류 모드, 및 펄스 모드의 각 모드에 의해 플라즈마 부하에 펄스 출력을 공급한다. 이그니션 모드에 의해 플라즈마를 착화시키고, 직류 모드에서 일정(一定)의 방전 전압 상태를 거친 후, 펄스 모드에 의해 펄스 동작을 개시한다.
도 12는 직류 펄스 전원 장치로부터 플라즈마 부하에 펄스 출력을 공급하는 각 모드를 설명하기 위한 개략 플로우차트(흐름도)이다.
통상, 플라즈마 발생 장치는 직류 펄스 전원 장치에 있어 전기적인 부하에 상당하고, 플라즈마 방전이 발생할 때까지의 플라즈마 방전 개시 시의 부하와, 플라즈마 방전이 안정되게 발생하고 있는 통상 운전시의 부하는 임피던스 상태가 다르다. 그 때문에, 통상, 직류 전원 장치는, 플라즈마 방전을 발생시키기 위해서 전압을 점차 증가시켜, 통상 운전시의 전압보다도 큰 전압을 전극에 일정 기간 인가한다. 이 출력 모드는 이그니션 모드라고 칭해진다(S10).
이그니션 모드에 의해, 플라즈마 방전 발생 후는, 일정의 방전 전압 상태로 된다. 이 출력 모드는 직류 모드라고 칭해진다(S20).
직류 모드 후, 직류 전압을 소정 듀티로 온/오프 시켜, 펄스 출력 상태로 된다. 이 출력 모드는 펄스 모드라고 칭해진다(S30).
도 13의 (a)에 도시하는 펄스부(120A)의 초퍼 회로에서는, 스위칭 소자(122A)의 드레인(D)과 소스(S) 사이의 DS 전압은, 스위칭 소자(122A)의 오프 시에 있어서 직류 리액터(121A)에 포함되는 누설 인덕턴스에 의해 서지 전압이 발생한다. 본 출원의 발명자는, 서지 전압에 의한 스위칭 소자(122A)의 손상을 회피하기 위해서, 직류 리액터(121B)의 양단 전압을 소정 전압으로 클램프하는 전압 클램프부(130B)를 마련하는 구성을 제안하고 있다. 도 13의 (b)는 제안하는 회로 구성의 개략을 도시하고 있다. 전압 클램프부(130B)는, 직류 리액터(121B)에 병렬 접속된 콘덴서(C)를 구비한다. 전압 클램프부(130B)는, 콘덴서(C)의 전압(VC)을 서지 전압보다도 낮은 전압으로 클램프함으로써 DS 전압의 과잉 서지 전압 상승을 억제한다.
통상, 리액터는 리액터 전류의 증가에 수반하여 자계가 증가하면 투자율(透磁率)이 저하해 가고, 자성 재료가 갖는 최대 자속 밀도에 도달하면 자기 포화의 상태로 된다. 자기 포화의 상태에서는 투자율이 저하한다. 리액터의 저투자율은 과잉 전류의 요인으로 된다. 리액터의 자기 포화의 리셋은, 리액터에 대해서 극성이 다른 전압을 인가하고, 인가하는 전압과 시간의 곱(積)인 전압 시간곱(ET곱)이 역극성이고 크기가 동등해지는 것에 의해 행해진다.
도 13의 (c)에 있어서, 스위칭 소자(122B) 온 기간의 전압 시간곱(Son)과 오프 기간의 전압 시간곱(Soff)을 역극성이고 크기를 동등하게 함으로써, 직류 리액터(121B)의 자기 포화는 리셋된다.
도 14는, 직류 리액터의 자기 포화 상태를 설명하기 위한 도면이고, 도 14의 (a)는 직류 전원 장치의 출력 전압 파형을 도시하고, 도 14의 (b)는 직류 리액터 전류(iDCL)의 포화 전류 파형을 도시하고, 도 14의 (c)는 콘덴서(C)의 전압 파형을 도시하고 있다.
전압 클램프부를 구비한 회로 구성에서는, 직류 리액터의 자기 포화 리셋이 불충분하다는 문제가 발생한다. 도 13의 (c)는 자기 포화의 발생 상태를 도시하고 있다. 스위칭 소자(122B) 오프 기간(Toff)의 전압(Voff)은 리셋 전압으로서 작용하지만, 전압(Voff)은 펄스 발생 기동 시에 있어서는 0V로부터 점차 상승하지만, 전압 클램프부(130B)의 콘덴서(C)의 캐패시터 전압(VC)에 의해 클램프되기 때문에, 초기 단계에서는, 리셋 전압은 자기 포화를 리셋하기에 충분한 전압까지 상승하지 않는다. 그 때문에, 펄스 발생 기동 시의 초기시의 펄스 모드에서는, 스위칭 소자(122B) 오프 기간의 전압 시간곱(Soff)은 스위칭 소자(122B) 온 기간(Ton)의 전압 시간곱(Son)보다도 작고, 직류 리액터의 편자(偏磁)는 리셋되는 일 없이 자기 포화에 이른다.
직류 리액터(121)가 자기 포화되면 인덕턴스가 감소하기 때문에, 과잉 전류가 흐른다. 도 15는 직류 리액터의 전류예이고, 자기 포화에 의해 과잉 전류가 발생하는 상태를 도시하고 있다. 따라서, 펄스 발생 기동 시의 초기시의 펄스 모드에 있어서, 자기 포화를 리셋하는 리셋 전압이 불충분하기 때문에, 자기 포화에 의해 과잉 전류가 발생한다는 과제가 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하고, 직류 펄스 전원 장치에 있어서, 펄스 발생 기동 시에 있어서의 직류 리액터의 자기 포화를 억제하여, 자기 포화에 의한 과잉 전류의 발생을 억제하는 것을 목적으로 한다.
또, 상세하게는, 펄스 발생 기동 시에 있어서, 직류 리액터에 병렬 접속된 캐패시터의 캐패시터 전압이 자기 포화의 리셋에 충분한 전압으로 될 때까지의 동안에 있어서, 직류 리액터 전류를 억제하여, 자기 포화를 억제하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 직류 펄스 전원 장치는, 펄스부가 구비하는 초퍼 회로의 직류 리액터의 누설 인덕턴스에 의해 발생하는 서지 전압의 상승을 억제하기 위해서, 직류 리액터에 병렬 접속된 캐패시터를 포함하는 전압 클램프부를 구비한다. 직류 펄스 전원 장치에서는, 초퍼 회로의 스위칭 소자가 오프 상태에 있을 때의 리액터 전압이 전압 클램프부에 의해 억제되어, 직류 리액터가 자기 포화되는 요인으로 된다. 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제어 회로부는, 스위칭 소자의 동작의 듀티를 제어함으로써 직류 리액터의 자기 포화를 리셋하여 자기 포화의 발생을 억제한다.
본 발명의 직류 펄스 전원 장치는, 펄스 모드의 초기 단계인 펄스 동작의 기동 시에 있어서, 캐패시터 전압이 직류 리액터의 자기 포화를 리셋하기에 충분한 전압까지 충전될 때까지의 동안, 초퍼 회로의 펄스 동작의 듀티를 제어해서, 스위칭 소자를 온 상태로 하여 직류 리액터를 통전 상태로 하는 펄스 폭을 가변으로 한다. 듀티 또는 펄스 폭을 점증(漸增)시키는 것에 의해, 스위칭 소자 온 상태의 전압 시간곱의 증가를 점증시킨다. 듀티 및 펄스 폭을 점증시키는 것에 의해, 스위칭 소자의 오프 동작에 의해 클램프 전압이 억제되는 상태에 있더라도, 스위칭 소자 온 상태의 전압 시간곱과, 스위칭 소자 오프 상태의 전압 시간곱의 차분이 증가하는 것을 억제하여, 직류 리액터의 자기 포화를 억제한다.
여기서, 점증은 초기값으로부터 소정값을 향해 점차 증가시키는 것을 의미한다. 듀티 또는 펄스 폭에 있어서, 점증에 의해 이르는 소정값은, 스위칭 소자 온 상태에 의해, 캐패시터 전압이 직류 리액터의 자기 포화를 리셋하기에 충분한 전압으로 되는 듀티 또는 펄스 폭이다. 초기값은, 리액터를 자기 포화시키지 않는 값이고, 소정값보다도 충분히 작은 값으로 설정된다.
펄스 동작이 기동된 후, 초기 단계에 있어서 캐패시터 전압이 증가해서 정상 단계로 된다. 정상 단계에서는, 직류 리액터에 인가되는 전압은, 캐패시터 전압의 클램프 전압으로 억제되지만, 이 캐패시터 전압은 직류 리액터의 자기 포화를 리셋하기에 충분한 전압으로 설정함으로써, 정상 단계의 듀티로 전환한 펄스 모드에 있어서 직류 리액터의 자기 포화는 억제된다.
본 발명은, 직류 펄스 전원 장치, 및 직류 펄스 전원 장치의 듀티 제어 방법의 각 형태를 구비한다.
[직류 펄스 전원 장치]
본 발명의 직류 펄스 전원 장치는, 직류 전원과, 직류 전원에 접속되고, 직류 리액터와 스위칭 소자의 직렬 회로를 구비한 승압 초퍼 회로에 의해 펄스 출력을 발생하는 펄스부와, 펄스부의 직류 리액터에 병렬 접속된 캐패시터를 포함하고, 캐패시터의 캐패시터 전압에 의해 직류 리액터의 양단 전압을 클램프 전압으로 제한하는 전압 클램프부와, 펄스부의 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 제어 회로부를 구비한다.
제어 회로부는, 일정 주기로 펄스 출력을 생성하는 펄스 모드의 펄스 동작을 제어하는 펄스 모드 제어부를 구비한다. 펄스 모드에 의한 펄스 동작에서는, 일정 주기에 있어서 스위칭 소자를 소정의 듀티비로 온/오프 동작을 반복함으로써, 직류 전원으로부터 부하에 대해서 듀티비에 따른 전력이 펄스 출력에 의해 공급된다.
본 발명의 펄스 모드 제어부는, 펄스 폭을 가변으로 하는 듀티 제어부를 구비하고, 초기 단계와 정상 단계의 두 단계에 의해 듀티 제어를 행한다. 듀티 제어부는, 펄스 동작의 초기 단계에 있어서, 스위칭 소자를 닫아서 온 상태로 하는 펄스 폭을 점증시켜, 직류 리액터에 리액터 전류가 흐르는 기간을 점증시킨다. 초기 단계에 있어서, 스위칭 소자 오프 상태의 전압 시간곱은, 직류 리액터의 전압이 클램프되어 있이기 때문에 작다. 스위칭 소자 온 상태의 펄스 폭을 정상 상태의 크기인 채로 펄스 동작을 반복하면, 전압 시간곱의 차분이 증가해서 자기 포화에 이른다.
본 발명의 듀티 제어는, 초기 단계에 있어서, 스위칭 소자를 닫아서 온 상태로 하는 펄스 폭을 초기값으로부터 정상 단계의 듀티의 펄스 폭을 향해 점증시키는 것에 의해, 초기 단계에 있어서의 스위칭 소자 온 상태의 전압 시간곱을 억제하고, 스위칭 소자 오프 상태의 전압 시간곱과의 차분의 증가를 억제하여, 초기 단계에서의 자기 포화의 발생을 억제한다.
정상 단계에서는, 펄스 모드의 정상 듀티의 펄스 폭으로 스위칭 소자를 온/오프 동작해서, 부하에 대해서 정상 전력을 공급한다. 정상 단계에서는, 캐패시터 전압은 직류 리액터의 자기 포화를 리셋하기에 충분한 전압이기 때문에, 캐패시터 전압에 의해 전압이 클램프된 상태이더라도, 정상 단계의 듀티로 전환한 펄스 모드에 있어서 직류 리액터가 자기 포화되는 일은 없다.
본 발명의 듀티 제어는, 직류 리액터의 자기 포화를 회피하기 위해서, 초기 단계에 있어서 직류 리액터의 자기 포화를 억제하는 듀티로 하고, 캐패시터 전압이 자기 포화를 리셋하기에 충분한 전압으로 충전된 후는, 정상 단계의 듀티로 한다.
본 발명의 듀티 제어는, 펄스 동작의 주파수를 일정 주파수로 하여, 듀티를 제어하고 있다. 일정 주파수의 펄스 동작에 있어서, 펄스 동작의 1주기의 시간 폭은 일정하기 때문에, 듀티를 가변으로 하는 것은 펄스 폭을 가변으로 하는 것에 상당한다. 따라서, 본 발명의 듀티 제어에 있어서 듀티를 점증시키는 것에 의해, 캐패시터 전압이 자기 포화를 리셋하기에 충분한 전압에 이르기 전의 초기 단계에 있어서, 직류 리액터가 자기 포화되는 것을 방지한다.
펄스 동작의 초기 단계에서는, 캐패시터 전압은 직류 리액터의 자기 포화를 리셋하는 리셋 전압까지 충전되고 있지 않기 때문에, 캐패시터 전압에 의해 직류 리액터의 자기 포화를 리셋하는 것은 곤란하다.
본 발명은, 펄스 동작을 기동하는 초기 단계에 있어서, 캐패시터 전압이 직류 리액터의 자기 포화를 리셋하기에 충분한 전압까지 충전될 때까지의 동안, 초퍼 회로의 펄스 동작의 듀티를 제어해서 스위칭 소자를 온 상태로 하고, 직류 리액터를 흐르는 직류 리액터 전류의 펄스 폭을 점증시킨다. 직류 리액터는, 스위칭 소자가 온 상태 또는 오프 상태의 어느 상태에 있어서도 통전 상태이지만, 온 상태의 직류 리액터에 흐르는 직류 리액터 전류는, 오프 상태에 있어서의 직류 리액터보다도 큰 전류가 흐른다. 이것에 의해, 펄스 폭에 따른 기간 동안, 직류 리액터에 전류가 증가되고 직류 리액터 전류를 흐르게 함으로써, 캐패시터의 충전은 촉진된다. 본 발명은, 펄스 폭을 초기값으로부터 소정값을 향해 점증시키는 것에 의해, 초기 단계에 있어서 자기 포화의 발생을 억제하면서, 캐패시터 전압을 증가시킨다.
본 발명의 듀티 제어부는, 펄스 모드에 있어서, 초기 단계에 있어서의 개시 듀티값, 및 듀티가 점증하는 천이 듀티값, 그리고 정상 단계에 있어서의 정상 듀티값의 각 듀티값을 구비하고, 각 듀티값에 의해 각 주기의 펄스 동작을 행한다.
펄스 동작의 개시 시에는 개시 듀티값에 기초한 듀티 또는 펄스 폭에 의해 펄스 동작을 개시한다. 펄스 동작이 개시한 후, 개시 듀티값으로부터 천이 듀티값으로 전환하고, 점증하는 천이 듀티값에 기초하는 듀티 또는 펄스 폭에 따라 펄스 동작을 행한다. 캐패시터 전압이 자기 포화를 리셋하기에 충분한 전압으로 된 후, 천이 듀티값으로부터 펄스 모드의 정상 듀티값으로 전환한다. 캐패시터 전압이 자기 포화를 리셋하기에 충분한 전압에 도달했는지 여부는, 캐패시터의 캐패시터 전압의 전압값 또는 전압 변화에 기초하여 검출할 수가 있다. 천이 듀티값은 주기마다 듀티를 증가시킴으로써 점증시킨다. 듀티의 증가폭은, 개시 듀티값으로부터 정상 듀티값에 이를 때까지의 주기 수 등의 구동 조건에 따라 설정할 수가 있다.
펄스 모드 제어부는 캐패시터 전압이 충전 전압에 도달했는지 여부를 판정하는 전압 판정부를 구비한다. 듀티 제어부는, 전압 판정부가 캐패시터 전압의 전압값 또는 전압 변화에 의해 판정한 결과에 기초하여, 천이 듀티값으로부터 펄스 모드의 정상 듀티값으로 전환한다. 캐패시터 전압의 전압값을 설정 전압과 비교하여, 캐패시터 전압이 설정 전압을 넘었을 때, 또는, 캐패시터 전압의 전압 변화(ΔVC)를 설정값과 비교하여, 전압 변화(ΔVC)가 설정값 이내일 때, 캐패시터의 충전이 완료되고, 캐패시터 전압이 직류 리액터의 자기 포화를 리셋하기에 충분한 전압에 이른 것이라 판정한다. 설정 전압은, 예를 들면 미리 설정된 충전 완료 전압을 이용할 수가 있다.
본 발명의 직류 펄스 전원 장치는, 직류 리액터의 리액터 전압 중, 설정 전압을 넘는 전압분을 직류 전원으로 회생시키는 회생부를 구비하고, 이 회생부는 직류 리액터에 병렬 접속된 캐패시터를 구비하는 구성으로 하고, 이 캐패시터는, 서지 전압을 억제하는 클램프 전압을 직류 리액터에 인가하는 전압 클램프부, 리셋 전압을 회생시키는 회생부로서 기능한다.
[직류 펄스 전원 장치의 듀티 제어 방법]
본 발명의 듀티 제어 방법은, 직류 전원과, 직류 전원에 접속되고, 직류 리액터와 스위칭 소자의 직렬 회로를 구비한 승압 초퍼 회로에 의해 펄스 출력을 발생하는 펄스부와, 펄스부의 직류 리액터에 병렬 접속된 캐패시터를 포함하고, 캐패시터의 캐패시터 전압에 의해 직류 리액터의 양단 전압을 클램프 전압으로 제한하는 전압 클램프부와, 펄스부의 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 제어 회로부를 구비한 직류 펄스 전원 장치의 제어 방법이고, 캐패시터 전압이 직류 리액터의 자기 포화를 리셋하는 충분한 전압으로 될 때까지의 동안의 스위칭 동작의 듀티를 제어함으로써, 직류 리액터의 자기 포화를 리셋한다.
제어 회로부는, 일정 주기의 펄스 출력을 생성하는 펄스 모드의 펄스 동작을 제어하는 펄스 모드 제어부에 있어서, 스위칭 소자를 온/오프 동작시키는 시간 주기를 제어하고, 직류 리액터 전류가 증가하고 있는 구간의 펄스 폭을 가변하는 듀티 제어를 행한다.
이 듀티 제어에 있어서,
(a) 펄스 동작의 초기 단계에 있어서, 펄스 폭을 펄스 동작 개시 시의 초기값으로부터 정상 단계의 정상값을 향해 점증시킨다.
(b) 초기 단계 후의 펄스 동작의 정상 단계에 있어서, 펄스 폭을 소정 고정폭의 정상값으로 유지한다.
펄스 동작의 초기 단계에 있어서, 펄스 폭을 초기값으로부터 정상값을 향해 점증시키는 과정에서 캐패시터 전압은 충전되고, 충분히 충전된 후는 캐패시터 전압의 증가는 정지하고 일정 전압으로 된다. 이 때의 캐패시터 전압을, 직류 리액터의 자기 포화를 리셋하기에 충분한 전압으로 설정함으로써, 직류 리액터의 자기 포화를 리셋할 수가 있다.
본 발명은, 이 때의 캐패시터 전압을 규정 전압이라 한다. 규정 전압은, 펄스 모드에 있어서 캐패시터의 자기 포화를 정상적으로 리셋하기에 충분한 캐패시터 전압이고, 정상 듀티로의 전환 시점을 정하는 전압으로 된다. 캐패시터 전압이 규정 전압에 도달했는지 여부는, 캐패시터 전압의 전압값 또는 전압 변화에 기초하여 검출할 수 있고, 캐패시터 전압의 전압값이 규정 전압값으로 된 것, 또는 캐패시터 전압의 전압 변화가 정지한 것을 검출함으로써, 캐패시터 전압이 규정 전압에 도달했다고 판정한다. 규정 전압값은, 자기 포화를 리셋하기에 충분한 전압까지 충전되었을 때의 캐패시터 전압의 전압값을 미리 구해 둠으로써 정할 수가 있다.
캐패시터 전압이 규정 전압으로 충전된 후에는 듀티 제어에 의한 전력 공급의 제한을 해소하고, 펄스 폭을 소정폭의 정상값으로 유지해서 부하에 대해서 소정의 전력을 공급한다. 플라즈마를 부하로 하는 경우에는, 펄스 모드의 소정 듀티에 기초한 펄스 폭에 의해 펄스 출력을 형성하고, 이 펄스 출력을 플라즈마 부하에 공급해서 플라즈마 방전을 유지한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 직류 펄스 전원 장치에 있어서, 펄스 동작에 의한 직류 리액터의 자기 포화를 억제하여, 자기 포화에 의한 과잉 전류의 발생을 억제할 수가 있다.
또, 직류 펄스 전원 장치의 펄스 동작 중에, 직류 리액터에 병렬 접속된 캐패시터의 캐패시터 전압이 자기 포화를 리셋하기에 충분한 전압으로 될 때까지의 동안의 초기 단계에 있어서, 듀티를 제어함으로써 부하에 공급하는 전력을 제한해서 자기 포화를 억제하고, 캐패시터 전압이 자기 포화의 리셋에 충분한 전압에 도달한 정상 단계에 있어서, 듀티 제어에 의한 전력 공급을 정지하고, 펄스 모드의 정상 듀티값에 의해 전력 공급을 행한다.
도 1은 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 듀티 제어를 설명하는 플로우차트이다.
도 2는 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 듀티 제어에 의한 전압, 전류 상태를 설명하기 위한 파형도이다.
도 3은 본 발명의 듀티 제어시의 직류 리액터 전류의 전류 파형도이다.
도 4는 본 발명의 자기 포화 리셋부의 개략 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 직류 펄스 전원의 제1 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 회생부가 구비하는 인버터 회로의 회로 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 직류 펄스 전원의 제2 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 직류 펄스 전원의 제3 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 직류 펄스 전원의 제4 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 직류 펄스 전원의 제5 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 종래의 직류 펄스 전원 장치의 1구성예를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 직류 펄스 전원 장치로부터 플라즈마 부하에 펄스 출력을 공급하는 각 모드를 설명하기 위한 개략 플로우차트이다.
도 13은 직류 리액터의 자기 포화를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 직류 리액터의 자기 포화 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 직류 리액터의 전류예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 직류 펄스 전원 장치가 구비하는 펄스부는 직류 전압으로부터 펄스 출력을 생성하는 초퍼 회로를 구비하고, 초퍼 회로의 직류 리액터의 누설 인덕턴스에 의해 발생하는 서지 전압의 상승을 억제하기 위해서, 초퍼 회로의 직류 리액터에 병렬 접속된 캐패시터를 포함하는 전압 클램프부를 구비한다. 전압 클램프부는, 직류 리액터의 양단 전압을 캐패시터 전압으로 클램프함으로써, 서지 전압의 상승을 억제한다.
한편, 직류 펄스 전원 장치에서는, 초퍼 회로의 스위칭 소자가 오프 상태에 있을 때의 리액터 전압이 전압 클램프부에 의해 억제되기 때문에, 자기 포화를 리셋하는 전압 시간곱이 불충분하게 되어, 직류 리액터가 자기 포화되는 요인으로 된다.
본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제어 회로부는, 스위칭 소자의 동작의 듀티를 제어함으로써, 스위칭 소자 오프 상태에서의 전압 시간곱을 자기 포화의 리셋에 충분한 양으로 하여, 리셋 전압이 클램프되는 것에 의한 자기 포화의 발생을 억제한다.
본 발명의 직류 펄스 전원 장치는, 펄스 모드의 초기 단계인 펄스 동작의 기동 시에 있어서, 캐패시터 전압이 직류 리액터의 자기 포화를 리셋하기에 충분한 전압까지 충전될 때까지의 동안, 초퍼 회로의 펄스 동작의 듀티 또는 펄스 폭을 제어해서, 스위칭 소자를 온 상태로 하여, 오프 상태보다도 큰 전류의 직류 리액터 전류가 흐르는 펄스 폭을 가변으로 한다. 듀티 또는 펄스 폭을 점증시키는 것에 의해, 스위칭 소자 온 상태의 전압 시간곱의 증가를 점차 점증시킨다.
듀티 및 펄스 폭을 점증시키는 것에 의해, 스위칭 소자의 오프 동작에 의해 클램프 전압이 억제되는 상태에 있더라도, 오프 상태의 시간 폭을 상대적으로 길게 함으로써, 스위칭 소자 온 상태의 전압 시간곱에 비해서, 스위칭 소자 오프 상태의 전압 시간곱이 적은 것에 의해 생기는 직류 리액터의 자기 포화를 억제한다.
여기서, 점증은 초기값으로부터 소정값을 향해 점차 증가시키는 것을 의미한다. 점증에 의해 이르는 정상값은, 스위칭 소자 온 상태에 의해, 캐패시터 전압이 직류 리액터의 자기 포화를 리셋하기에 충분한 전압으로 되는 듀티 또는 펄스 폭이다. 초기값은 정상값보다도 충분히 작은 값이다.
펄스 모드에 있어서, 펄스 동작은, 기동 시의 초기 단계와 기동 후의 정상 단계를 구비하고, 초기 단계에 있어서 캐패시터 전압이 증가하고, 캐패시터 전압이 리셋하기에 충분한 전압에 도달한 후에 정상 단계로 이행한다. 정상 단계에서는, 캐패시터 전압에 의한 클램프 전압이 직류 리액터의 자기 포화를 리셋하기에 충분한 전압으로 된다. 이 정상 단계에서는, 직류 리액터에 인가되는 전압은, 캐패시터 전압의 클램프 전압으로 억제되지만, 이 캐패시터 전압은 직류 리액터의 자기 포화를 리셋하기에 충분한 전압이기 때문에, 정상 단계에 있어서 정상 듀티로 전환한 펄스 모드에 있어서 직류 리액터가 자기 포화되는 일은 없다.
본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 듀티 제어에 대하여 도 1 내지 도 3을 이용하여 설명하고, 본 발명의 직류 펄스 전원의 개략 구성에 대해서 도 4를 이용하여 설명한다. 본 발명의 직류 펄스 전원의 구성예에 대하여 도 5 내지 도 10을 이용하여 설명한다.
[듀티 제어]
도 1은 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 듀티 제어를 설명하는 플로우차트이고, 펄스 모드에 있어서의 듀티 제어를 도시하고 있다. 도 2는 듀티 제어에 의한 출력 전압(도 2의 (a)), 직류 리액터 전류(도 2의 (b)), 캐패시터 전압(도 2의 (c))의 각 파형을 도시하고 있다. 또, 도 2의 (d)는 펄스 모드의 초기 단계에 있어서 자기 포화가 억제되는 상태를 도시하고 있다.
직류 펄스 전원 장치는, 플라즈마를 부하로 하는 경우는, 이그니션 모드, 직류 모드, 및 펄스 모드의 각 모드의 펄스 동작에 의해 플라즈마 부하에 대해서 전력 공급을 행한다. 펄스 동작은, 처음에 이그니션 모드에 의해 플라즈마를 착화시키고, 직류 모드에서 일정의 방전 전압 상태를 거친 후, 펄스 모드에 의해 생성한 펄스 출력을 부하로 보낸다. 펄스 모드에서는, 직류 전압을 소정의 듀티로 온/오프 동작시키는 것에 의해 생성한 펄스 출력을 플라즈마 부하에 공급하고, 플라즈마 방전을 유지한다.
도 2에서는, 이그니션 모드를 IG 모드로 표기하고, 직류 모드를 DC 모드로 표기하고 있다. 도 2의 (a)에 도시하는 출력 전압 파형에 있어서, 이그니션 모드에서는 출력 전압은 접지 레벨(GND 레벨)로부터 직선형으로 증가한다. 플라즈마가 착화된 후, 이그니션 모드로부터 직류 모드로 전환하고, 직류 모드에서 일정 전압의 직류 전압을 인가한 후, 펄스 모드로 전환하여 펄스 출력을 생성한다.
본 발명의 듀티 제어는, 펄스 모드에 있어서, 개시 듀티값(DutyA), 천이 듀티값(DutyB), 및 펄스 모드의 정상 듀티값(DutyPU)의 각 듀티값으로 듀티를 전환하면서 펄스 출력을 생성한다.
본 발명의 듀티 제어는, 펄스 모드를 초기 단계와 정상 단계의 2단계로 제어한다. 초기 단계는, 클램프 전압을 형성하는 캐패시터 전압(VC)이 0V로부터 충전을 개시하여, 정상 듀티에 있어서 자기 포화를 리셋하기에 충분한 전압으로 상승할 때까지의 기간이다. 이 초기 단계에서는, 캐패시터 전압(VC)은 직류 리액터의 자기 포화를 리셋하기에는 충전이 불충분한 상태에 있다. 그 때문에, 듀티를 정상 상태의 정상 듀티로 구동하면 직류 리액터는 자기 포화로 되어, 과잉 전류가 발생할 우려가 있다. 이 자기 포화의 발생을 억제하기 위해, 초기 단계에서는 듀티를 점증시켜, 개시 듀티값(DutyA)으로부터 정상 듀티값(DutyB)을 향해 점차 증가시킨다.
정상 단계는, 정상 상태의 펄스 출력을 생성하는 기간이고, 정상 듀티값(DutyPU)의 듀티에 의해 직류 전압으로부터 펄스 출력을 생성한다. 이 정상 단계에서는, 캐패시터 전압(VC)이 자기 포화를 리셋하기에 충분한 전압으로 충전되고 있기 때문에, 정상 듀티값(DutyPU)에 의해 스위칭 소자를 온/오프 동작시키는 상태이더라도 직류 리액터의 자기 포화는 리셋된다. 이하, 펄스 모드의 초기 단계와 정상 단계에 대하여 설명한다.
[펄스 모드의 초기 단계]
펄스 모드의 초기 단계는 개시 시부터 천이 기간으로 나아가고, 그 후 정상 단계로 이행한다.
(펄스 모드의 개시 시)
펄스 모드의 개시 시에서는, 직류 리액터 전류(iDCL)는 영(零)이고(도 2의 (b)), 캐패시터 전압(VC)은 접지 전압 레벨(GND)에 있다(도 2의 (c)). 캐패시터 전압(VC)은 직류 리액터의 자기 포화를 리셋하는 전압으로서 이용되지만, 펄스 모드의 개시 시에서는 접지 전압 레벨(GND)에 있기 때문에, 직류 리액터의 자기 포화를 리셋하기에는 불충분하다.
펄스 모드의 개시 시부터 펄스 모드의 정상 단계의 정상 듀티값(DutyPU)으로 펄스 동작이 행해지면, 정상 듀티값(DutyPU)에 따른 온/오프 동작이 복수회 반복되고, 펄스 폭에 따른 상태의 직류 리액터 전류가 직류 리액터에 흐른다.
정상 듀티값(DutyPU)은, 플라즈마 상태를 유지하기 위해서 필요한 전력을 공급하기에 충분한 전력이 얻어지도록 설정되기 때문에, 자기 포화의 리셋 전압이 불충분한 상태에서 펄스 출력이 반복해서 출력되면, 그 동안에 직류 리액터는 자기 포화에 이른다.
본 발명의 듀티 제어에서는, 개시 시의 1주기째에 있어서, 정상 듀티값(DutyPU)의 펄스 폭보다도 짧은 펄스 폭을 가지는 개시 듀티값(DutyA)에 의해 펄스 동작을 개시한다(S1). 개시 시의 1주기째의 펄스 동작에 있어서, 스위칭 소자가 온 상태로 되는 펄스 폭 동안, 직류 리액터 전류(iDCL) 및 캐패시터 전압(VC)은 증가한다(도 2의 (b), (c)). 캐패시터 전압(VC)은 0V로부터 증가해 가기 때문에, 자기 포화를 리셋하기에는 불충분하다.
(듀티의 천이 기간)
펄스 모드의 개시 시에서는, 캐패시터 전압(VC)은 자기 포화를 리셋하기에는 불충분하기 때문에, 계속되는(잇따르는) 천이 기간에 있어서 캐패시터 전압(VC)을 증가시킨다.
펄스 모드의 개시 시의 1주기의 펄스 동작을 행한 후(S2), 캐패시터 전압(VC)이 자기 포화 리셋에 충분한 전압에 도달했는지 여부를 판정한다. 이 판정은, 캐패시터 전압(VC)의 전압값, 또는, 캐패시터 전압(VC)의 전압 변화(ΔVC)를 검출함으로써 행할 수가 있다. 캐패시터 전압(VC)의 충전이 완료되고 자기 포화 리셋에 충분한 전압에 도달한 단계에서는, 캐패시터 전압(VC)은 일정 전압의 충전 완료 전압으로 되고, 전압 변화(ΔVC)는 변화하지 않게 된다. 또한, 캐패시터 전압(VC)의 충전 완료 전압은, 자기 포화를 리셋하기에 충분한 전압에 대응해서 설정한 설정 전압으로 한다.
캐패시터 전압(VC)과 설정 전압의 비교에 의해, 캐패시터 전압(VC)이 설정 전압에 도달한 것이 검출되었을 때, 또는, 캐패시터 전압(VC)의 전압 변화(ΔVC)와 설정값의 비교에 의해, 전압 변화(ΔVC)가 감소해서 설정값 이내로 된 것이 검출되었을 때, 캐패시터의 충전이 완료되고, 캐패시터 전압이 직류 리액터의 자기 포화를 리셋하기에 충분한 전압에 이른 것이라 판정한다. 또한, 설정 전압 및 설정값은 전압 클램프부에 마련된 캐패시터의 충전 완료 전압, 및 캐패시터의 충전 완료시의 전압 변동폭을 이용할 수가 있다.
캐패시터가 충전 완료 상태에 이르지 못하여, 캐패시터 전압(VC)이 설정 전압에 도달하지 않은 경우, 혹은 전압 변화(ΔVC)가 설정값을 넘는 경우에는, 개시 시에 계속되는 천이 기간에 있어서, 개시 듀티값(DutyA) 대신에 천이 듀티값(DutyB)에 의해 듀티를 증가시킨다. 천이 기간의 천이 듀티값(DutyB)은, 예를 들면, 전(前)주기의 듀티에 ΔDuty를 가산함으로써 정할 수가 있다. 천이 기간의 최초 주기의 천이 듀티값(DutyB)은 개시 듀티값(DutyA)에 ΔDuty를 가산함으로써 정하고, 천이 기간의 다음 주기부터는, 전회(前回)의 천이 듀티값(DutyB)에 ΔDuty를 가산함으로써 정할 수가 있다. 가산 분의 ΔDuty는 듀티의 천이 폭이고, 예를 들면, 초기 단계의 펄스 폭 변화 구간의 주기 수(N), 개시 듀티값(DutyA), 정상 듀티값(DutyPU)에 기초하여 (DutyPU－DutyA)/N에 의해 정할 수가 있다.
또한, 이 가산분(ΔDuty)의 증가량은 일례이고, 주기 수(N), 개시 듀티값(DutyA), 및 정상 듀티값(DutyPU)의 조건 범위 내에서 임의로 설정할 수가 있다.
듀티의 천이 기간에서는, 캐패시터 전압(VC)은 각 주기의 펄스 동작에 의해 충전 완료 전압을 향해 증가한다. 한편, 직류 리액터 전류(iDCL)는 스위칭 소자가 온 상태로 되는 구간에서의 증가와, 오프 상태로 되는 구간에서의 감소를 반복해서 점차 증가하지만, 캐패시터 전압(VC)의 증가에 의해 오프 상태에서의 전압 시간곱이 증가하기 때문에 자기 포화가 리셋되어 가므로, 직류 리액터 전류(iDCL)의 상한은 자기 포화 레벨 이하로 제한된다.
듀티의 천이 기간의 최후 주기에 있어서, 캐패시터 전압(VC)은 직류 리액터의 자기 포화를 리셋하기에 충분한 전압으로 충전된다. S3의 공정에 있어서, 캐패시터 전압(VC)의 충전 완료 상태가 검출되면, 듀티를 천이 듀티값(DutyB)으로부터 정상 듀티값(DutyPU)으로 전환해서, 정상 듀티값(DutyPU)에 의한 펄스 동작에 의해 펄스 출력을 생성한다(S5).
도 2의 (d)는 펄스 모드의 초기 단계의 전압 시간곱의 상태를 도시하고 있다. 펄스 모드의 초기 단계에서는, 스위칭 소자가 온 상태인 기간(Ton)에는, 스위칭 소자의 온 저항 전압에 상당하는 전압이 인가되고, 스위칭 소자가 오프 상태인 기간(Toff)에는 직류 리액터의 양단 전압에는 클램프 전압이 인가된다. 클램프 전압은 캐패시터의 충전 전압인 캐패시터 전압이고, 초기 단계에서는 0V로부터 점차 증가한다. 초기 단계의 당초의 동안은, 스위칭 소자 오프 기간(Toff)의 전압 시간곱(Soff)은 스위칭 소자 온 기간(Ton)의 전압 시간곱(Son)보다도 작고, 직류 리액터는 편자하는 상태에 있지만, 클램프 전압이 점차 증가함에 따라서 전압 시간곱 Soff와 전압 시간곱 Son의 차분은 감소하고, 자기 포화는 리셋되는 상태로 된다.
[펄스 모드의 정상 단계]
펄스 모드의 정상 단계에서는, 정상 듀티값(DutyPU)의 듀티에 의해 펄스 동작을 행한다. 이 정상 단계에서는, 캐패시터 전압(VC)은 직류 리액터의 자기 포화를 리셋하기에 충분한 전압으로 충전되고 있기 때문에, 직류 리액터는 자기 포화되는 일 없이 리셋되고, 직류 리액터 전류(iDCL)는 각 주기 내에서 증감해서 변동하지만 자기 포화 레벨을 넘는 일은 없다.
도 3은, 본 발명의 듀티 제어에 의해 직류 리액터 전류의 전류 파형을 도시하고 있다. 도시하는 전류 파형은, 이그니션 모드, 직류 모드, 및 펄스 모드의 초기 단계, 및 정상 단계의 어느 모드에 있어서도, 직류 리액터 전류는 과잉 전류로 되지 않음을 나타내고 있다.
[직류 펄스 전원 장치의 개략 구성]
도 4는 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 구성예를 도시하고 있다. 직류 펄스 전원 장치는 직류 전원부(10), 펄스부(20), 제어 회로부(40), 및 전압 검출부(60)를 구비하고, 펄스부(20)는 직류 전원부(10)의 직류 전압으로부터 생성한 펄스 출력을 부하(50)에 공급한다.
펄스부(20)는, 승압 초퍼 회로에 의해 구성할 수가 있다. 도 4에 있어서, 펄스부(20)는 직류 리액터(21)와 스위칭 소자(22)의 직렬 접속에 의해 구성된 승압 초퍼 회로를 구비한다. 직류 리액터(21)는 직류 전원부(10)측과 부하(50)측 사이에 직렬 접속되고, 스위칭 소자(22)는 부하(50)측에 대해 병렬 접속된다. 구동 회로(23)는 스위칭 소자(22)를 온/오프 동작시켜, 직류 전압을 변환해서 펄스 파형의 펄스 출력을 생성한다. 또, 직류 리액터(21)에는 전압 클램프부(30clamp)의 캐패시터(C)가 병렬 접속된다.
도시하는 구성예에서는, 펄스부(20)의 직류 전원측은, 고전압측의 접지된 단자(B)와, 저전압측으로서 부전압의 단자(A)를 구비한다. 도면에서는, 스위칭 소자(22)가 FET인 예를 나타내고, 소스(S)측을 저전압측의 단자(A)에 드레인(D)측을 접지 전압의 고전압측의 단자(B)에 접속하고, 게이트(G)측에는 구동 회로(23)로부터의 구동 신호가 입력된다.
제어 회로부(40)는, 목표의 펄스 출력에 대응한 스위칭 소자(22)의 온 시간과 오프 시간의 시간 폭 내지는 듀티비를 정하는 제어 신호를 생성하고, 구동 회로(23)를 거쳐 승압 초퍼 회로를 제어한다. 구동 회로(23)는, 제어 회로부(40)의 제어 신호에 기초하여 스위칭 소자(22)의 게이트(G)로 구동 신호를 출력하여, 스위칭 소자(22)를 온/오프 동작시킨다.
스위칭 소자(22)의 소스(S)측은 직류 리액터(21)의 부하측에 접속되고, 스위칭 소자(22)의 드레인(D)측은 접지된다. 스위칭 소자(22)가 온 상태일 때는, 직류 리액터(21)의 부하측은 접지되고, 단자 B로부터 온 상태에 있는 스위칭 소자(22), 및 직류 리액터(21)를 통하여 단자 A로 직류 리액터 전류(iDCL)가 흐른다. 이 때, 직류 리액터(21)에는 전자 에너지가 축적된다. 다음에, 스위칭 소자(22)가 온 상태로부터 오프 상태로 전환되면, 직류 리액터(21)에 축적된 축적 에너지에 의해 직류 리액터(21)에는 리액터 전압(VDCL)이 발생한다. 승압 초퍼 회로는, 스위칭 소자(22)의 온 동작과 오프 동작을 반복함으로써 온/오프 시간의 듀티에 따라 출력 전압(Vo)을 상승시킨다.
제어 회로부(40)는, 이그니션 모드에 의해 플라즈마를 착화시키는 이그니션 모드 제어부(42), 플라즈마가 착화된 후, 직류 모드에 의해 일정의 방전 전압 상태로 되게 하는 직류 모드 제어부(43), 펄스 모드의 듀티 제어에 의해 펄스 출력을 형성하는 펄스 모드 제어부(44), 및 각 모드를 전환하는 모드 전환부(41)를 구비한다.
펄스 모드 제어부(44)는, 듀티값을 전환함으로써 스위칭 소자(22)를 닫아서 온 상태로 하는 펄스 폭을 변경한다. 초기 단계에 있어서는, 처음에 개시 듀티값을 이용하여 1주기분의 펄스 동작을 행하고, 계속해서 천이 듀티값에 의해 복수의 주기 동안에서 듀티를 점증시킨다. 초기 단계에서 듀티를 증가시킨 후, 이후의 펄스 모드의 각 주기에서는 정상 듀티에 의해 펄스 동작을 행해서 펄스 출력을 형성한다.
펄스 모드 제어부(44)는, 펄스 폭을 가변으로 하는 듀티 제어부(44c)를 구비하고, 펄스 동작의 초기 단계에 있어서, 스위칭 소자를 닫는 펄스 폭을 점증시키고, 스위칭 소자를 온 상태로 하여, 직류 리액터에 큰 직류 리액터 전류가 흐르는 시간을 길게 한다. 펄스 폭을 점증시키는 것에 의해, 스위칭 소자 온 상태의 전압 시간곱과, 스위칭 소자 오프 상태의 전압 시간곱의 차분이 증가하는 것을 억제하고, 초기 단계에서의 자기 포화의 발생을 억제한다. 펄스 동작의 정상 단계에서는, 펄스 모드의 정상 듀티의 펄스 폭으로 스위칭 소자를 닫아, 부하에 대해서 정상 전력을 공급한다. 정상 단계에서는, 캐패시터 전압은 직류 리액터의 자기 포화를 리셋하기에 충분한 전압이기 때문에, 캐패시터 전압에 의해 전압이 클램프된 상태이더라도, 정상 단계의 듀티로 전환한 펄스 모드에 있어서 직류 리액터가 자기 포화되는 일은 없다.
듀티 제어부(44c)는, 개시 듀티부(44c1), 천이 듀티부(44c2), 및 정상 듀티부(44c3)를 구비한다. 개시 듀티부(44c1)는 개시 듀티값(DutyA)을 구비하고, 천이 듀티부(44c2)는 천이 듀티값(DutyB), 정상 듀티부(44c3)는 정상 듀티값(DutyPU)을 구비한다. 또, 펄스 모드 제어부(44)는, 듀티 제어부(44c) 외에도, 1주기분을 검출하는 주기 검출부(44a), 및 캐패시터 전압(VC) 또는 캐패시터 전압의 전압 변화(ΔVC)를 이용하여, 캐패시터의 충전 상태를 판정하는 전압 판정부(44b)를 구비한다. 캐패시터 전압(VC)은 전압 검출부(60)에 의해 검출된다.
모드 전환부(41)는, 외부로부터의 개시 신호를 받아서, 이그니션 모드 제어부(42)로 이그니션을 개시하는 신호를 보낸다. 이그니션 모드 제어부(42)는 개시 신호를 받아서 이그니션 동작을 행한다.
모드 전환부(41)는, 출력 전압(Vo)을 모니터링하고, 출력 전압(Vo)에 기초하여 이그니션 모드로부터 직류 모드로 전환하는 전환 신호를 직류 모드 제어부(43)로 보낸다. 직류 모드 제어부(43)는 일정 전압의 직류 전압의 인가에 의해 방전 전압 상태로 되게 한다.
모드 전환부(41)는, 직류 모드 후, 펄스 모드로 전환하는 전환 신호를 펄스 모드 제어부(44)로 보낸다.
펄스 모드 제어부(44)에 있어서, 듀티 제어부(44c)는, 개시 듀티부(44c1)의 개시 듀티값(DutyA)을 이용하여 펄스 모드의 제어를 개시한다. 구동 회로(23)는 개시 듀티값(DutyA)의 펄스 폭으로 1주기의 온/오프 동작을 행한다.
주기 검출부(44a)는 펄스 모드의 전환 신호를 받은 후, 펄스 동작의 각 주기를 검출한다. 주기 검출부(44a)는 펄스 동작의 주기를 검출할 때마다 전압 판정부(44b)에 캐패시터의 충전 상태의 판정을 지시한다. 전압 판정부(44b)는 펄스 동작의 주기마다, 전압 검출부(60)에서 검출한 캐패시터 전압(VC)이 설정 전압에 도달했는지 여부의 판정, 또는 캐패시터 전압(VC)과 전(前)주기의 캐패시터 전압(VC)의 차인 전압 변화(ΔVC)가 설정값보다도 큰 전압 변화인지 여부의 판정을 행한다.
캐패시터 전압(VC)이 설정 전압에 도달하지 않은 경우, 혹은 전압 변화(ΔVC)가 설정값을 넘는 경우에는, 듀티 제어부(44c)는, 천이 듀티부(44c2)의 천이 듀티값(DutyB)을 이용하여 구동 회로(23)를 제어한다. 천이 듀티부(44c2)는, 주기마다, 천이 듀티값(DutyB)을 점증시켜서 갱신한다.
천이 듀티부(44c2)는, 전회의 천이 듀티값(DutyB)에 ΔDuty를 가산함으로써 천이 듀티값(DutyB)을 갱신한다. 최초의 천이 듀티값(DutyB)은, 전회의 천이 듀티값으로서 개시 듀티값(DutyA)을 이용한다.
캐패시터 전압(VC)이 설정 전압에 도달한 경우, 혹은 전압 변화(ΔVC)가 설정값을 넘지 않는 경우에는, 천이 듀티값(DutyB)으로부터 펄스 모드의 정상 듀티값(DutyPU)으로 전환하고, 정상 듀티부(44c3)의 정상 듀티값(DutyPU)을 이용하여 구동 회로(23)를 제어한다.
[직류 펄스 전원 장치의 구성예]
이하, 직류 펄스 전원 장치의 구성예에 대하여 설명한다. 구성예의 직류 펄스 전원 장치의 펄스부는, 직류 리액터의 리액터 전압을 회생시키는 회생부를 구비한다. 회생부는 직류 리액터의 리액터 전압을 회생시키는 구성으로서, 직류 리액터에 병렬 접속된 캐패시터를 구비한다.
제1 구성예는 승압 초퍼 회로의 직류 리액터의 양단의 리액터 전압을 회생시키는 구성이고, 제2 내지 제5 구성예는 승압 초퍼 회로의 자기 결합되는 두 직류 리액터의 한쪽 직류 리액터의 리액터 전압을 회생시키는 구성이고, 제2, 제5 구성예는 자기 결합되는 두 직류 리액터를 유탭 단권(單卷) 변압기로 하는 구성이고, 제3, 제4 구성예는 자기 결합되는 두 직류 리액터를 복권(複卷) 변압기로 하는 구성이다.
또, 회생시키는 리액터 전압에 대하여, 제1 내지 제5 구성예는 직류 전원의 저전압측의 전압을 기준 전압으로 하고 있다.
[직류 펄스 전원 장치의 제1 구성예]
본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제1 구성예에 대하여 도 5를 이용하여 설명한다.
본 발명의 직류 펄스 전원 장치는, 직류 전원부(DC부)(10)와, 직류 전원부(10)에 접속된 승압 초퍼 회로에 의해 발생한 펄스 출력을 부하(5)에 공급하는 펄스부(20A)와, 펄스부(20A)에서 발생하는 과잉 전압 상승분을 직류 전원부(10)측으로 회생시키는 회생부(30)와, 직류 전원부(10), 펄스부(20A), 구동 회로(23)와 회생부(30)를 제어하는 제어 회로부(40), 및 캐패시터 전압을 검출하는 전압 검출부(60)를 구비하고, 출력 케이블(3)을 거쳐 부하(5)로 펄스 출력을 공급한다. 도 5에서는, 부하(5)로서 플라즈마 발생 장치의 예를 나타내고 있지만, 부하(5)는 플라즈마 발생 장치에 한하지 않고, 펄스 레이저 여기, 방전 가공기 등에 적용해도 된다.
(직류 전원부)
직류 전원부(DC부)(10)는, 교류 전원(2)의 교류 전압을 직류 전압으로 정류하는 정류기(11)와, 정류시에 과도적으로 발생하는 스파이크의 고전압을 흡수해서 억제하는 스너버 회로(12)와, 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 단상 인버터 회로(13)와, 단상 인버터 회로(13)의 교류 전압을 소정의 전압값으로 전압 변환하는 단상 변압기(14)와, 단상 변압기(14)에서 전압 변환된 교류 전압을 직류 전압으로 정류하는 정류기(15)와, 양단 전압을 직류 전원부의 직류 전압으로 하는 캐패시터(16)(CF)를 구비한다. 캐패시터(16)의 일단은 접지되고, 타단에 부전압의 저전압이 형성된다. 또한, 도 5에 도시하는 구성에서는, 부하(5)로서 플라즈마 발생 장치의 용량 부하의 예를 나타내고 있다. 여기에서는, 플라즈마 발생 장치의 일단을 접지해서 부전압을 공급하고 있기 때문에, 직류 전원부(10)는 부전압의 펄스 출력을 발생하는 구성을 나타내고 있다.
단상 인버터 회로(13)는, 제어 회로부(40)로부터의 제어 신호에 의해 스위칭 동작을 행해서, 직류 전압을 소정 주파수의 교류 전압으로 변환한다. 직류 전원부(10)를 구성하는, 정류기(11, 15), 스너버 회로(12), 단상 인버터 회로(13), 단상 변압기(14)의 각 회로요소는 통상적으로 알려진 임의의 회로 구성으로 할 수가 있다.
(펄스부)
펄스부(20A)는 승압 초퍼 회로에 의해 직류 전압으로부터 펄스 파형을 생성한다. 승압 초퍼 회로는, 직류 전원측과 부하측 사이에 직렬 접속된 직류 리액터(21a)와, 부하측에 대해서 병렬 접속된 스위칭 소자(Q1)(22)와, 스위칭 소자(22)의 온/오프 동작을 구동하는 구동 회로(23)를 구비한다. 펄스부(20A)의 직류 전원측은, 접지된 단자(B)와 저전압측으로서 부전압의 단자(A)를 구비한다. 도시하는 스위칭 소자(22)는 FET(전계 효과 트랜지스터)인 예를 나타내고, 소스(S)측을 저전압측에, 드레인(D)측을 접지 전압측에 접속하고, 게이트(G)측에는 구동 회로(23)로부터의 구동 신호가 입력된다.
제어 회로부(40)는, 승압 초퍼 회로를 동작시키기 위해서, 목표의 펄스 출력에 대응해서 스위칭 소자(22)의 온 시간과 오프 시간의 시간 폭 내지는 듀티비를 정하는 신호를 생성함과 함께, 직류 전원부(10)의 출력단의 전압, 및 전류에 기초하여 제어 신호를 생성한다.
구동 회로(23)는, 제어 회로부(40)의 제어 신호에 기초하여 스위칭 소자(22)의 게이트(G)로 구동 신호를 출력하고, 스위칭 소자(22)의 온/오프 동작을 행하게 한다.
스위칭 소자(22)의 소스(S)측은 직류 리액터(21a)의 부하측에 접속되고, 스위칭 소자(22)의 드레인(D)측은 접지된다. 스위칭 소자(22)가 온 상태일 때는, 직류 리액터(21a)의 부하측은 접지되고, 단자 B로부터 온 상태에 있는 스위칭 소자(22), 및 직류 리액터(21a)를 통하여 단자 A로 전류가 흐르고, 직류 리액터(21a)에는 직류 리액터 전류가 흐른다. 이 때, 직류 리액터(21a)에는 직류 리액터 전류에 의해 전자 에너지가 축적된다. 다음에, 스위칭 소자(22)가 온 상태로부터 오프 상태로 전환되면, 직류 리액터(21a)에 축적된 축적 에너지에 의해 직류 리액터(21a)에는 리액터 전압(VDCL)이 발생한다. 승압 초퍼 회로는, 스위칭 소자(22)의 온 동작과 오프 동작을 반복함으로써 온/오프 시간의 듀티비에 따라 출력 전압(Vo)을 상승시킨다.
(회생부)
회생부(30)는 승압 초퍼 회로의 직류 리액터의 리액터 전압 중, 설정 전압을 넘는 전압분을 직류 전원으로 회생시킨다. 회생부(30)는, 다이오드(31), 캐패시터(32)(C1), 인버터 회로(33), 변압기(34), 정류기(35)를 구비한다. 회생부(30)는, 회생 기능과 함께 전압 클램프부(30clamp)의 기능을 구성하고 있다.
캐패시터(32)(C1)의 일단은 직류 리액터(21a)의 부하측 단부에 접속되고, 타단은 다이오드(31)를 거쳐 직류 리액터(21a)의 직류 전원측 단부에 접속되고, 직류 리액터(21a)에 발생하는 리액터 전압이 인가된다. 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)은, 직류 전원의 직류 전압(VAB) 및 변압기의 변압비에 기초하여 정해지고, 변압기(34)의 변압비가 (n2：n1)인 경우에는 VC1=(n2/n1)×VAB의 설정 전압으로 된다. 다이오드(31)는 펄스부(20A)로부터 회생부(30)의 캐패시터(32)(C1)로 향하는 방향을 순방향으로 해서 접속되고, 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 넘은 경우에, 리액터 전압(VDCL)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 넘은 전압분에 대하여 회생부(30)에 의한 회생이 행해진다. 따라서, 회생부(30)는 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 임계값으로 해서 회생 동작을 행한다.
캐패시터 전압(VC1)을 정하는 방법으로서는, 변압기(34)의 변압비를 변경하는 것 외에도, 인버터 회로(33)의 출력을 제어하는 방식이 있다. 예를 들면, PWM 제어나 위상 시프트 제어 등이 있지만, 인버터 회로의 출력을 제어하는 방식이라면, 그에 한정되는 것만은 아니다.
또, 도 5에 도시하는 회로 구성에서는, 회생부(30)는, 일단이 펄스부(20A)의 저전압측 입력단에 접속된 구성이고, 저전압측의 전압(부전압)을 기준으로 해서 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL)을 회생 입력 전압(Vin)으로 해서 회생을 행한다.
인버터 회로(33)는 캐패시터(32)측의 직류 전압과 변압기(34)측의 교류 전압 사이에서 직교 변환을 행하고, 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 직류 전원의 직류 전압(VAB)에 기초하여 일정 전압으로 유지함과 함께, 리액터 전압(VDCL)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 넘은 경우에는 그 넘은 전압분을 교류로 변환해서 직류 전원측으로 회생시킨다. 캐패시터 전압(VC1)은 일정 전압으로 유지되는 것으로 인해, 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL)은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프된다. 따라서, 회생부(30)는 전압 클램프부(30clamp)의 기능을 구성하고 있다. 인버터 회로(33)는, 예를 들면, 스위칭 소자의 브리지 회로로 구성할 수가 있다. 스위칭 소자의 개폐 동작은 제어 회로부(40)로부터의 제어 신호(α)에 의해 제어된다.
변압기(34)는, 직류 전원부(10)의 직류 전압(VAB)과 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)의 전압 비율을 변압비에 기초하여 변조한다. 변압기(34)의 변압비가 (n2：n1)인 경우에는, 직류 전압(VAB)과 캐패시터 전압(VC1) 사이의 전압 관계는, VC1=(n2/n1)×VAB로 표시된다.
정류기(35)는 변압기(34)측의 교류 전압을 직류 전원부(10)측의 직류 전압으로 정류한다. 정류기(35)의 직류측 단자는 직류 전원부(10)의 단자(A, B)에 접속되고, 캐패시터 전압(VC1)이 직류 전압(VAB)에 기초한 전압을 넘는 경우에만, 직류 전원부(10)로 전력을 회생시킨다.
전압 검출부(60)는, 직류 리액터(21a)에 캐패시터 전압(VC1)에 의한 클램프 전압을 검출하고, 검출 신호(β)를 제어 회로부(40)로 보낸다. 제어 회로부(40) 중의 전압 판정부(44b)는, 검출 신호(β)에 의한 캐패시터 전압(VC)에 기초하여 캐패시터의 충전 상태를 판정한다.
또한, 회생부(30)의 구성은 직류 리액터(21a)의 양단 전압을 소정 전압으로 클램프하는 기능, 및 소정 전압을 넘는 전력분을 직류 전원측으로 회생시키는 기능을 구비하는 구성이라면, 상기한 구성에 한정되는 것은 아니다.
(회생부의 구성예)
도 6을 이용하여 직류 펄스 전원 장치의 회생부가 구비하는 인버터 회로의 회로 구성예를 설명한다.
회생부(30)는, 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)의 직류 전압을 직교 변환해서 얻어진 교류 전압을 변압기(34)로 출력하는 인버터 회로(33)를 포함하고 있다. 인버터 회로(33)는, 스위칭 소자(QR1∼QR4)로 이루어지는 브리지 회로(33a)와, 제어 신호(α)에 기초하여 스위칭 소자(QR1∼QR4)를 구동하는 구동 신호를 생성하는 구동 회로(33b)를 구비한다. 또한, 여기에서는, 브리지 회로(33a)로서 풀 브리지 회로의 예를 나타내고 있지만, 하프 브리지 회로나 다상 인버터 회로를 이용해도 된다.
[직류 펄스 전원 장치의 제2 구성]
도 7을 이용하여 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제2 구성예에 대하여 설명한다. 제2 구성예는, 펄스부(20)의 승압 초퍼 회로의 구성에 있어서 제1 구성예와 상위하고, 그 밖의 구성은 제1 구성예와 마찬가지이다. 이하, 제1 구성예와 상위한 구성에 대하여 설명하고, 그 밖의 공통된 구성의 설명은 생략한다.
제1 구성예의 승압 초퍼 회로가 구비하는 직류 리액터(21a)는 단일의 코일로 구성된다. 이에 비해, 제2 구성예의 직류 리액터(21b)는, 제1 구성예의 승압 초퍼 회로의 단일 코일 대신에 유탭 단권 변압기로 구성된다. 유탭 단권 변압기에 의한 직류 리액터(21b)는, 자기 결합된 제1 직류 리액터(21b－1)와 제2 직류 리액터(21b－2)를 직렬 접속해서 구성할 수 있고, 제1 직류 리액터(21b－1)와 제2 직류 리액터(21b－2)의 접속점을 탭점으로 하고 있다. 제1 직류 리액터(21b－1)의 일단은 직류 전원의 저전압측의 단자(A)에 접속되고, 제2 직류 리액터(21b－2)의 일단은 부하측에 접속되고, 제1 직류 리액터(21b－1)와 제2 직류 리액터(21b－2)의 접속점의 탭점은 스위칭 소자(22)의 소스(S)단에 접속된다.
스위칭 소자(22)가 온 상태일 때는, 직류 리액터(21b)의 접속점의 탭점은 접지되고, 단자 B로부터 온 상태에 있는 스위칭 소자(22), 및 직류 리액터(21b)의 제1 직류 리액터(21b－1)를 통하여 단자 A로 직류 리액터 전류가 흐른다. 이 때, 직류 리액터에 의해 제1 직류 리액터(21b－1)에 전자 에너지가 축적된다.
다음에, 스위칭 소자(22)가 온 상태로부터 오프 상태로 전환되면, 직류 리액터(21b)의 제1 직류 리액터(21b－1)에 축적된 축적 에너지에 의해 제1 직류 리액터(21b－1)에는 리액터 전압(VDCL1)이 발생하고, 제2 직류 리액터(21b－2)에는 리액터 전압(VDCL2)이 발생한다. 승압 초퍼 회로는, 스위칭 소자(22)의 온 동작과 오프 동작을 반복함으로써, 제1 구성예와 마찬가지로 출력 전압(Vo)을 상승시킨다.
제1 직류 리액터(21b－1)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b－2)의 리액터 전압(VDCL2)의 전압비는, 제1 직류 리액터(21b－1)와 제2 직류 리액터(21b－2)의 인덕턴스비의 비율에 대응한 값으로 된다. 직류 리액터(21b)의 제1 직류 리액터(21b－1)와 제2 직류 리액터(21b－2)의 유탭 단권 코일의 권수비(卷數比)를 n1p：n2p로 한 경우에는, 제1 직류 리액터(21b－1)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b－2)의 리액터 전압(VDCL2)의 전압비(VDCL1/VDCL2)는 권수비(n1p/n2p)로 된다.
제2 구성예의 회생부(30)는, 제1 구성예의 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL) 대신에 직류 리액터(21b)의 제1 직류 리액터(21b－1)의 리액터 전압(VDCL1)을 적용함으로써 마찬가지로 동작한다.
회생부(30)에 있어서, 캐패시터(32)(C1)의 일단은 직류 리액터(21b)의 제1 직류 리액터(21b－1)와 제2 직류 리액터(21b－2)의 접속점에 접속되고, 타단은 다이오드(31)를 거쳐 제1 직류 리액터(21b－1)의 직류 전원측 단부에 접속되고, 제1 직류 리액터(21b－1)에 발생하는 리액터 전압(VDCL1)이 인가된다. 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)은, 직류 전원의 직류 전압(VAB) 및 변압기(34)의 변압비에 기초하여 정해지고, 변압기(34)의 변압비가 (n2：n1)인 경우에는 VC1=(n2/n1)×VAB의 설정 전압으로 된다. 다이오드(31)는 펄스부(20B)로부터 회생부(30)의 캐패시터(32)(C1)로 향하는 방향을 순방향으로 해서 접속되고, 제1 직류 리액터(21b－1)의 리액터 전압(VDCL1)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 넘은 경우에, 리액터 전압(VDCL1)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 넘은 전압분에 대하여 회생부(30)에 의한 회생이 행해진다. 따라서, 회생부(30)는 제1 구성예와 마찬가지로 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 임계값으로 해서 회생 동작을 행한다.
회생부(30)는, 제1 구성예와 마찬가지로 전압 클램프부를 구성하고, 제1 직류 리액터(21b－1)의 양단 전압을 전압 클램프한다. 또, 전압 검출부(60)는, 제1 직류 리액터(21b－1)의 캐패시터 전압(VC1)에 의한 클램프 전압을 검출하고, 검출 신호(β)를 제어 회로부(40)로 보낸다. 제어 회로부(40)의 전압 판정부(44b)는, 검출 신호(β)에 의한 캐패시터 전압(VC)에 기초하여 캐패시터의 충전 상태를 판정한다.
출력 전압(Vo)에는, 직류 전원의 직류 전압(VAB)에 제1 직류 리액터(21b－1)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b－2)의 리액터 전압(VDCL2)이 중첩된 전압(Vo=VAB＋VDCL1＋VDCL2)이 출력된다. 제1 직류 리액터(21b－1)의 리액터 전압(VDCL1)은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프되기 때문에, 출력 전압(Vo)은 Vo=VAB＋VC1＋VDCL2로 된다.
[직류 펄스 전원 장치의 제3 구성]
도 8을 이용하여 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제3 구성예에 대하여 설명한다. 제3 구성예는, 펄스부(20C)의 승압 초퍼 회로의 구성에 있어서 제1, 제2 구성예와 상위하고, 그 밖의 구성은 제1, 제2 구성예와 마찬가지이다. 이하, 제1, 제2 구성예와 상위한 구성에 대하여 설명하고, 그 밖의 공통된 구성의 설명은 생략한다.
제2 구성예의 승압 초퍼 회로가 구비하는 직류 리액터(21b)는 유탭 단권 변압기로 구성된다. 이에 비해, 제3 구성예의 직류 리액터(21c)는, 제2 구성예의 승압 초퍼 회로의 유탭 단권 변압기 대신에 복권 변압기로 구성된다. 직류 리액터(21c)의 복권 변압기는 가극성(加極性)의 변압기의 예를 나타내고 있다.
복권 변압기에 의한 직류 리액터(21c)는, 자기 결합된 제1 직류 리액터(21c－1)와 제2 직류 리액터(21c－2)가 병렬 접속된 구성이다. 제1 직류 리액터(21c－1)의 일단은 직류 전원의 저전압측의 단자(A)에 접속되고, 타단은 스위칭 소자(22)의 소스(S)단에 접속된다. 제2 직류 리액터(21c－2)의 일단은 스위칭 소자(22)의 소스(S)단에 접속되고, 타단은 부하측에 접속된다.
스위칭 소자(22)가 온 상태일 때는, 직류 리액터(21c)의 제1 직류 리액터(21c－1)의 스위칭 소자(22)측의 단부는 접지되고, 단자 B로부터 온 상태에 있는 스위칭 소자(22), 및 제1 직류 리액터(21c)를 통하여 단자 A로 직류 리액터 전류가 흐른다. 이 때, 직류 리액터에 의해 제1 직류 리액터(21c)에 전자 에너지가 축적된다.
다음에, 스위칭 소자(22)가 온 상태로부터 오프 상태로 전환되면, 직류 리액터(21c)의 제1 직류 리액터(21c－1)에 축적된 축적 에너지에 의해 제1 직류 리액터(21c－1)에는 리액터 전압(VDCL1)이 발생하고, 제2 직류 리액터(21c－2)에는 제1 직류 리액터(21c－1)와의 자기 결합에 의해 리액터 전압(VDCL2)이 발생한다. 승압 초퍼 회로는, 스위칭 소자(22)의 온 동작과 오프 동작을 반복함으로써, 제1, 제2 구성예와 마찬가지로 출력 전압(Vo)을 상승시킨다.
제1 직류 리액터(21c－1)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21c－2)의 리액터 전압(VDCL2)의 전압비는, 제1 직류 리액터(21c－1)와 제2 직류 리액터(21c－2)의 인덕턴스비의 비율에 대응한 값으로 된다. 직류 리액터(21c)의 제1 직류 리액터(21c－1)와 제2 직류 리액터(21c－2)의 복권 코일의 권수비를 (n1p：n2p)로 한 경우에는, 제1 직류 리액터(21c－1)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21c－2)의 리액터 전압(VDCL2)의 전압(VDCL1/VDCL2)은 권수비(n1p/n2p)로 된다.
제3 구성예의 회생부는, 제2 구성예의 직류 리액터(21b)의 제1 직류 리액터(21b－1)의 리액터 전압(VDCL1)과 마찬가지로 동작한다.
회생부(30)에 있어서, 캐패시터(32)(C1)의 일단은 직류 리액터(21c)의 제1 직류 리액터(21c－1)의 스위칭 소자측의 단부에 접속되고, 타단은 다이오드(31)를 거쳐 제1 직류 리액터(21c－1)의 직류 전원측 단부에 접속되고, 제1 직류 리액터(21c－1)에 발생하는 리액터 전압(VDCL1)이 인가된다. 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)은, 직류 전원의 직류 전압(VAB) 및 변압기의 변압비에 기초하여 정해지고, 변압기(34)의 변압비가 (n2：n1)인 경우에는 VC1=(n2/n1)×VAB의 설정 전압으로 된다. 다이오드(31)는 펄스부로부터 회생부(30)의 캐패시터(32)(C1)로 향하는 방향을 순방향으로 해서 접속되고, 제1 직류 리액터(21c－1)의 리액터 전압(VDCL1)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 넘은 경우에, 리액터 전압(VDCL1)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 넘은 전압분에 대하여 회생부(30)에 의한 회생이 행해진다. 따라서, 회생부(30)는 제1, 제2 구성예와 마찬가지로 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 임계값으로 해서 회생 동작을 행한다.
회생부(30)는, 제1 구성예와 마찬가지로 전압 클램프부를 구성하고, 직류 리액터(21c－1)의 양단 전압을 전압 클램프한다. 또, 전압 검출부(60)는, 직류 리액터(21c－1)의 캐패시터 전압(VC1)에 의한 클램프 전압을 검출하고, 검출 신호(β)를 제어 회로부(40)로 보낸다. 제어 회로부(40) 중의 전압 판정부(44b)는, 검출 신호(β)에 의한 캐패시터 전압(VC)에 기초하여 캐패시터의 충전 상태를 판정한다.
출력 전압(Vo)에는, 직류 전원의 직류 전압(VAB)에 제1 직류 리액터(21c－1)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21c－2)의 리액터 전압(VDCL2)이 중첩된 전압(Vo=VAB＋VDCL1＋VDCL2)이 출력된다. 제1 직류 리액터(21c－1)의 리액터 전압(VDCL1)은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프되기 때문에, 출력 전압(Vo)은 Vo=VAB＋VC1＋VDCL2로 된다. 또한, 제1 직류 리액터(21c－1)와 제2 직류 리액터(21c－2)의 권수비가 (n1p/n2p)일 때에는, 리액터 전압(VDCL1 및 VDCL2)은 (VDCL1/VDCL2=n1p/n2p)로 표시된다.
[직류 펄스 전원 장치의 제4 구성]
도 9를 이용하여 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제4 구성예에 대하여 설명한다. 제4 구성예는, 펄스부(20D)의 승압 초퍼 회로의 직류 리액터를 구성하는 변압기(트랜스)의 구성에 있어서 제3 구성예와 상위하고, 그 밖의 구성은 제3 구성예와 마찬가지이다.
제3 구성예의 승압 초퍼 회로가 구비하는 직류 리액터(21c)는 가극성의 복권 변압기로 구성된다. 이에 비해, 제4 구성예의 직류 리액터(21d)는, 제3 구성예의 승압 초퍼 회로의 가극성의 복권 변압기 대신에 감극성(減極性)의 복권 변압기로 구성된다.
복권 변압기에 의한 직류 리액터(21d)는, 자기 결합된 제1 직류 리액터(21d－1)와 제2 직류 리액터(21d－2)를 병렬 접속하는 구성이다. 제1 직류 리액터(21d－1)의 일단은 직류 전원의 저전압측의 단자(A)에 접속되고, 타단은 스위칭 소자(22)의 소스(S)단에 접속된다. 제2 직류 리액터(21d－2)의 일단은 직류 전원의 저전압측의 단자(A)에 접속되고, 타단은 부하측에 접속된다.
스위칭 소자(22)가 온 상태일 때는, 직류 리액터(21d)의 제1 직류 리액터(21d－1)의 스위칭 소자(22)측의 단부는 접지되고, 단자 B로부터 온 상태에 있는 스위칭 소자(22), 및 제1 직류 리액터(21d－1)를 통하여 단자 A로 직류 리액터 전류가 흐른다. 이 때, 직류 리액터에 의해 제1 직류 리액터(21d－1)에 전자 에너지가 축적된다.
다음에, 스위칭 소자(22)가 온 상태로부터 오프 상태로 전환되면, 직류 리액터(21d)의 제1 직류 리액터(21d－1)에 축적된 축적 에너지에 의해 제1 직류 리액터(21d－1)에는 리액터 전압(VDCL1)이 발생하고, 제2 직류 리액터(21d－2)에는 제1 직류 리액터(21d－1)와의 자기 결합에 의해 리액터 전압(VDCL2)이 발생한다. 승압 초퍼 회로는, 스위칭 소자(22)의 온 동작과 오프 동작을 반복함으로써, 제1, 제2, 제3 구성예와 마찬가지로 출력 전압(Vo)을 상승시킨다.
제1 직류 리액터(21d－1)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21d－2)의 리액터 전압(VDCL2)의 전압비는, 제1 직류 리액터(21d－1)와 제2 직류 리액터(21d－2)의 인덕턴스비의 비율에 대응한 값으로 된다. 직류 리액터(21d)의 제1 직류 리액터(21d－1)와 제2 직류 리액터(21d－2)의 복권 코일의 권수비를 (n1p：n2p)로 한 경우에는, 제1 직류 리액터(21d－1)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21d－2)의 리액터 전압(VDCL2)의 전압비(VDCL1/VDCL2)는 권수비(n1p/n2p)로 된다.
제4 구성예의 회생부의 직류 리액터(21d)는, 제3 구성예의 직류 리액터(21c)의 제1 직류 리액터(21c)의 리액터 전압(VDCL1)과 마찬가지로 동작한다.
회생부(30)에 있어서, 캐패시터(32)(C1)의 일단은 직류 리액터(21d)의 제1 직류 리액터(21d－1)의 스위칭 소자측의 단부에 접속되고, 타단은 다이오드(31)를 거쳐 제1 직류 리액터(21d－1)의 직류 전원측 단부에 접속되고, 제1 직류 리액터(21d－1)에 발생하는 리액터 전압(VDCL1)이 인가된다. 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)은, 직류 전원의 직류 전압(VAB) 및 변압기의 변압비에 기초하여 정해지고, 변압기(34)의 변압비가 (n2：n1)인 경우에는 VC1=(n2/n1)×VAB의 설정 전압으로 된다. 다이오드(31)는 펄스부로부터 회생부(30)의 캐패시터(32)(C1)로 향하는 방향을 순방향으로 해서 접속되고, 제1 직류 리액터(21d－1)의 리액터 전압(VDCL1)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 넘은 경우에, 리액터 전압(VDCL1)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 넘은 전압분에 대하여 회생부(30)에 의한 회생이 행해진다. 따라서, 회생부(30)는 제1, 제2, 제3 구성예와 마찬가지로 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 임계값으로 해서 회생 동작을 행한다.
회생부(30)는, 제1 구성예와 마찬가지로 전압 클램프부를 구성하고, 직류 리액터(21d－1)의 양단 전압을 전압 클램프한다. 또, 전압 검출부(60)는, 직류 리액터(21d－1)의 캐패시터 전압(VC1)에 의한 클램프 전압을 검출하고, 검출 신호(β)를 제어 회로부(40)로 보낸다. 제어 회로부(40) 중의 전압 판정부(44b)는, 검출 신호(β)에 의한 캐패시터 전압(VC)에 기초하여 캐패시터의 충전 상태를 판정한다.
출력 전압(Vo)에는, 직류 전원의 직류 전압(VAB)에 제2 직류 리액터(21d－2)의 리액터 전압(VDCL2)이 중첩된 전압(Vo=VAB＋VDCL2)이 출력된다. 또한, 제1 직류 리액터(21d－1)와 제2 직류 리액터(21d－2)의 권수비가 (n1p/n2p)일 때에는, 리액터 전압(VDCL1 및 VDCL2)는 (VDCL1/VDCL2=n1p/n2p)로 표시된다. 그 때문에, VDCL1이 VC1에 의해서 클램프되는 경우, 출력 전압(Vo)은 Vo=VAB+VC1×(n1p/n2p)로 표시된다.
[직류 펄스 전원 장치의 제5 구성]
도 10을 이용하여 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제5 구성예에 대하여 설명한다. 제5 구성예는, 승압 초퍼 회로의 직류 리액터의 설치 양태에 있어서 제2 구성예와 상위하고, 그 밖의 구성은 제2 구성예와 마찬가지이다. 이하, 제2 구성예와 상위한 구성에 대하여 설명하고, 그 밖의 공통된 구성의 설명은 생략한다.
제5 구성예의 승압 초퍼 회로가 구비하는 직류 리액터(21e)는 제2 구성예의 승압 초퍼 회로의 직류 리액터(21b)와 마찬가지로 유탭 단권 변압기로 구성되지만, 전원 라인에 대한 설치 양태에 있어서 상위하다. 제2 구성예의 직류 리액터(21b)는 직류 전원의 저전압측의 전원 라인에 접속되는데 비해, 제5 구성예의 직류 리액터(21e)는 직류 전원의 고전압측의 전원 라인에 접속된다.
유탭 단권 변압기에 의한 직류 리액터(21e)는, 자기 결합된 제1 직류 리액터(21e－1)와 제2 직류 리액터(21e－2)를 직렬 접속해서 구성되고, 제1 직류 리액터(21e－1)와 제2 직류 리액터(21e－2)의 접속점을 탭점으로 하고 있다. 제1 직류 리액터(21e－1)의 일단은 직류 전원의 고전압측의 단자(B)에 접속되고, 제2 직류 리액터(21e－2)의 일단은 부하측에 접속되어 접지되고, 제1 직류 리액터(21e－1)와 제2 직류 리액터(21e－2)의 접속점의 탭점은 스위칭 소자(22)의 드레인(D)단에 접속된다.
스위칭 소자(22)가 온 상태일 때는, 직류 리액터(21e)의 접속점의 탭점은 제2 직류 리액터(21e－2)를 거쳐 접지되고, 단자 B로부터 제1 직류 리액터(21e－1), 및 온 상태에 있는 스위칭 소자(22)를 통하여 단자 A로 직류 리액터 전류가 흐른다. 이 때, 직류 리액터에 의해 제1 직류 리액터(21e－1)에 전자 에너지가 축적된다.
다음에, 스위칭 소자(22)가 온 상태로부터 오프 상태로 전환되면, 직류 리액터(21e)의 제1 직류 리액터(21e－1)에 축적된 축적 에너지에 의해 제1 직류 리액터(21e－1)에는 리액터 전압(VDCL1)이 발생하고, 제2 직류 리액터(21e－2)에는 리액터 전압(VDCL2)이 발생한다. 승압 초퍼 회로는, 스위칭 소자(22)의 온 동작과 오프 동작을 반복함으로써, 제1 구성예와 마찬가지로 출력 전압(Vo)을 상승시킨다.
제1 직류 리액터(21e－1)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21e－2)의 리액터 전압(VDCL2)의 전압비는, 제1 직류 리액터(21e－1)와 제2 직류 리액터(21e－2)의 인덕턴스비의 비율에 대응한 값으로 된다. 직류 리액터(21)의 제1 직류 리액터(21e－1)와 제2 직류 리액터(21e－2)의 유탭 단권 코일의 권수비를 n1p：n2p로 한 경우에는, 제1 직류 리액터(21e－1)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21e－2)의 리액터 전압(VDCL2)의 전압비(VDCL1/VDCL2)는 권수비(n1p/n2p)로 된다.
제5 구성예의 회생부(30)는, 제1 구성예의 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL) 대신에 직류 리액터(21e)의 제1 직류 리액터(21e－1)의 리액터 전압(VDCL1)을 적용함으로써 마찬가지로 동작한다.
회생부(30)에 있어서, 캐패시터(32)(C1)의 일단은 직류 리액터(21e)의 제1 직류 리액터(21e－1)와 제2 직류 리액터(21e－2)의 접속점에 접속되고, 타단은 다이오드(31)를 거쳐 제1 직류 리액터(21e－1)의 직류 전원측 단부에 접속되고, 제1 직류 리액터(21e－1)에 발생하는 리액터 전압(VDCL1)이 인가된다. 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)은, 직류 전원의 직류 전압(VAB) 및 변압기의 변압비에 기초하여 정해지고, 변압기(34)의 변압비가 (n2：n1)인 경우에는 VC1=(n2/n1)×VAB의 설정 전압으로 된다. 다이오드(31)는 펄스부(20D)로부터 회생부(30)의 캐패시터(32)(C1)로 향하는 방향을 역방향으로 해서 접속되고, 제1 직류 리액터(21e－1)의 리액터 전압(VDCL1)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 넘은 경우에, 리액터 전압(VDCL1)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 넘은 전압분에 대하여 회생부(30)에 의한 회생이 행해진다. 따라서, 회생부(30)는 제1 구성예와 마찬가지로 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 임계값으로 해서 회생 동작을 행한다.
회생부(30)는, 제1 구성예와 마찬가지로 전압 클램프부를 구성하고, 직류 리액터(21e－1)의 양단 전압을 전압 클램프한다. 또, 전압 검출부(60)는, 직류 리액터(21e－1)의 캐패시터 전압(VC1)에 의한 클램프 전압을 검출하고, 검출 신호(β)를 제어 회로부(40)로 보낸다. 제어 회로부(40) 중의 전압 판정부(44b)는, 검출 신호(β)에 의한 캐패시터 전압(VC)에 기초하여 캐패시터의 충전 상태를 판정한다.
출력 전압(Vo)에는, 직류 전원의 직류 전압(VAB)에 제1 직류 리액터(21e－1)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21e－2)의 리액터 전압(VDCL2)이 중첩된 전압(Vo=VAB＋VDCL1＋VDCL2)이 출력된다. 제1 직류 리액터(21e－1)의 리액터 전압(VDCL1)은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프되기 때문에, 출력 전압(Vo)은 Vo=VAB＋VC1＋VDCL2로 된다.
제1 구성예 내지 제5 구성예에 나타낸 직류 펄스 전원 장치에 있어서, 제어 회로부(40)는, 일정 주기로 펄스 출력을 생성하는 펄스 모드의 펄스 동작을 제어하는 펄스 모드 제어부를 구비하고, 펄스 모드 제어부는, 펄스 폭을 가변으로 하는 듀티 제어부를 구비한다. 듀티 제어부는, 펄스 동작의 초기 단계에 있어서, 스위칭 소자를 닫아서 직류 리액터에 흐르는 직류 리액터 전류의 펄스 폭을 점증시키는 것에 의해, 스위칭 소자 온 상태의 전압 시간곱과, 스위칭 소자 오프 상태의 전압 시간곱의 차분이 증가하는 것을 억제하여, 펄스 모드의 초기 단계에 있어서의 자기 포화의 발생을 억제한다.
또, 스위칭 소자의 S단자의 전압을 서지 전압보다도 낮은 전압으로 클램프해서, 스위칭 소자에 가해지는 과잉 전압 상승을 억제함과 함께, 펄스 모드 제어부의 듀티 제어에 의해, 직류 리액터(21a∼21e)의 자기 포화를 리셋시킨다.
또한, 상기 실시의 형태 및 변형예에 있어서의 기술은, 본 발명에 관계된 직류 펄스 전원 장치의 일례이고, 본 발명은 각 실시의 형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 취지에 기초하여 갖가지 변형하는 것이 가능하고, 이들을 본 발명의 범위로부터 배제하는 것은 아니다.
산업상의 이용가능성
본 발명의 직류 펄스 전원 장치는, 플라즈마 발생 장치로 전력을 공급하는 전력원으로서 적용하는 것 외에도, 펄스 레이저 여기, 방전 가공기 등의 부하에 펄스 출력을 공급하는 전원 장치로서 이용할 수가 있다.
1: 직류 펄스 전원 장치
2: 교류 전원
3: 출력 케이블
5: 부하
10: 직류 전원부
11: 정류기
12: 스너버 회로
13: 단상 인버터 회로
14: 단상 변압기
15: 정류기
16: 캐패시터
20: 펄스부
20A∼20D: 펄스부
21, 21a∼21e: 직류 리액터
22: 스위칭 소자
23: 구동 회로
30: 회생부
30clamp: 전압 클램프부
31: 다이오드
32: 캐패시터
33: 인버터 회로
33a: 브리지 회로
33b: 구동 회로
34: 변압기
35: 정류기
40: 제어 회로부
41: 모드 전환부
42: 이그니션 모드 제어부
43: 직류 모드 제어부
44: 펄스 모드 제어부
44a: 주기 검출부
44b: 전압 판정부
44c: 듀티 제어부
44c1: 개시 듀티부
44c2: 천이 듀티부
44c3: 정상 듀티부
44c: 듀티 제어부
50: 부하
60: 전압 검출부
100: 직류 펄스 전원 장치
110: 직류 전원부
120: 펄스부
121: 직류 리액터
122: 스위칭 소자
123: 구동 회로
140: 제어 회로부
150: 부하
QR1∼QR4: 스위칭 소자
iDCL: 직류 리액터 전류
ΔVC: 전압 변화
α: 제어 신호
β: 검출 신호

Claims (8)

  1. 직류 전원과,
    상기 직류 전원에 접속되고, 직류 리액터와 스위칭 소자의 직렬 회로를 구비한 승압 초퍼 회로에 의해 펄스 출력을 발생하는 펄스부와,
    상기 펄스부의 직류 리액터에 병렬 접속된 캐패시터를 포함하고, 그 캐패시터의 캐패시터 전압에 의해 직류 리액터의 양단 전압을 클램프 전압으로 제한하는 전압 클램프부와,
    상기 펄스부의 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 제어 회로부를 구비하고,
    상기 제어 회로부는, 일정 주기로 펄스 출력을 생성하는 펄스 모드의 펄스 동작을 제어하는 펄스 모드 제어부를 구비하고,
    상기 펄스 모드 제어부는, 펄스 폭을 가변으로 하는 듀티 제어부를 구비하고,
    상기 듀티 제어부는, 상기 펄스 동작의 초기 단계에 있어서, 상기 스위칭 소자를 닫아서 직류 리액터를 통전 상태로 하는 펄스 폭을 점증(漸增)시키는 것을 특징으로 하는 직류 펄스 전원 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 듀티 제어부는,
    상기 펄스 동작의 초기 단계에 있어서,
    펄스 동작의 개시 시의 초기 듀티값, 및
    상기 펄스 폭이 점증하는 천이 듀티값을 구비하고,
    상기 펄스 동작의 초기 단계 후의 정상 단계에 있어서,
    상기 펄스 폭이 고정된 정상 듀티값을 구비하고,
    상기 캐패시터의 캐패시터 전압 또는 캐패시터 전압의 전압 변화에 기초하여, 상기 천이 듀티값으로부터 정상 모드 듀티값으로 전환하는 것을 특징으로 하는, 직류 펄스 전원 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 펄스 모드 제어부는 상기 캐패시터 전압의 전압 또는 전압 변화에 기초하여 캐패시터의 충전 상태를 판정하는 전압 판정부를 구비하고,
    상기 듀티 제어부는, 상기 전압 판정부가 캐패시터 전압의 전압 또는 전압 변화에 의해 판정한 결과에 기초하여, 상기 천이 듀티값으로부터 정상 모드 듀티값으로 전환하는 것을 특징으로 하는, 직류 펄스 전원 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 직류 리액터의 리액터 전압 중, 설정 전압을 넘는 전압분을 상기 직류 전원으로 회생시키는 회생부를 구비하고,
    상기 회생부는 상기 직류 리액터에 병렬 접속된 상기 캐패시터를 구비하고, 상기 캐패시터는 상기 직류 리액터의 리액터 전압을 회생 입력 전압으로 하는 것을 특징으로 하는, 직류 펄스 전원 장치.
  5. 직류 전원과,
    상기 직류 전원에 접속되고, 직류 리액터와 스위칭 소자의 직렬 회로를 구비한 승압 초퍼 회로에 의해 펄스 출력을 발생하는 펄스부와,
    상기 직류 전원에 접속되고, 직류 리액터와 스위칭 소자의 직렬 회로를 구비한 승압 초퍼 회로에 의해 펄스 출력을 발생하는 펄스부와,
    상기 펄스부의 직류 리액터에 병렬 접속된 캐패시터를 포함하고, 그 캐패시터의 캐패시터 전압에 의해 직류 리액터의 양단 전압을 클램프 전압으로 제한하는 전압 클램프부와,
    상기 펄스부의 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 제어 회로부를 구비한 직류 펄스 전원 장치의 듀티 제어 방법이고,
    상기 제어 회로부는,
    상기 스위칭 소자를 일정 주기의 펄스 출력을 생성하는 펄스 모드의 펄스 동작을 제어하는 펄스 모드 제어에 있어서, 상기 스위칭 소자를 닫아서 직류 리액터를 통전 상태로 하는 펄스 폭을 가변으로 하는 듀티 제어를 행하고,
    상기 듀티 제어는,
    펄스 동작의 초기 단계에 있어서,
    상기 펄스 폭을 펄스 동작 개시 시의 초기값으로부터 점증시키고,
    초기 단계 후의 펄스 동작의 정상 단계에 있어서,
    상기 펄스 폭을 소정의 고정폭으로 유지하는 것을 특징으로 하는 직류 펄스 전원 장치의 듀티 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어 회로부는,
    상기 캐패시터의 캐패시터 전압의 규정 전압으로의 충전에 기초하여, 상기 초기 단계로부터 정상 단계로 전환하는 것을 특징으로 하는, 직류 펄스 전원 장치의 듀티 제어 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제어 회로부는,
    상기 캐패시터의 캐패시터 전압의 전압 변화가 소정의 변동폭 내에 드는 것에 기초하여, 상기 초기 단계로부터 정상 단계로 전환하는 것을 특징으로 하는, 직류 펄스 전원 장치의 듀티 제어 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 규정 전압은 상기 직류 리액터의 자기 포화를 리셋하는 리셋 전압인 것을 특징으로 하는, 직류 펄스 전원 장치의 듀티 제어 방법.
KR1020217029980A 2019-04-11 2019-11-08 직류 펄스 전원 장치, 및 직류 펄스 전원 장치의 듀티 제어 방법 KR20210124480A (ko)

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