KR20220071153A - Power supply for high voltage generation - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 플라즈마 부하의 특성을 고려하여 신뢰성, 내구성 및 경제성을 향상시킬 수 있는 고전압 발생용 전원공급장치에 관한 것이다. The present invention relates to a power supply for generating a high voltage that can improve reliability, durability, and economy in consideration of the characteristics of a plasma load.
플라즈마(plasma)는 고온 상태에서 기체 분자가 원자핵(양이온)과 전자로 분리된 상태(이온화된 기체)를 말한다. Plasma refers to a state in which gas molecules are separated into atomic nuclei (cations) and electrons (ionized gas) at a high temperature.
플라즈마 방전 구조체는 통상 두 개의 전극 및 유전체(dielectric)로 이루어진다. 두 개의 전극 사이에 교류 전압이 인가되면 유전체와 전극 사이에서 유전체 장벽 방전 현상, 즉 저온 플라즈마 방전이 일어난다. A plasma discharge structure is usually composed of two electrodes and a dielectric. When an alternating voltage is applied between the two electrodes, a dielectric barrier discharge phenomenon, that is, a low-temperature plasma discharge, occurs between the dielectric and the electrode.
플라즈마 방전을 위해서 전원공급장치가 플라즈마 방전 구조체에 조절된 교류 전압을 인가해야 하는데, 전원공급장치의 내부 요인 또는 플라즈마 부하 변동에 따른 외부 요인으로 인해 전원공급장치에서 출력하는 교류 전압에 변동이 발생하여 신뢰성 및 내구성이 문제되고 있다. For plasma discharge, the power supply device must apply a controlled AC voltage to the plasma discharge structure, and the AC voltage output from the power supply device fluctuates due to internal factors of the power supply device or external factors according to plasma load fluctuations. Reliability and durability are problematic.
또한, 종래의 플라즈마 전원공급장치는 개별 프로그래밍과 교정이 필요한 전압 안정화를 위해 디지털 회로를 사용하고 자동 튜닝과 동기화를 위한 고속 가공 부품을 포함하고 있어서 설계가 복잡하며 경제성이 떨어진다는 문제점이 있다. In addition, the conventional plasma power supply uses a digital circuit for voltage stabilization that requires individual programming and calibration, and includes high-speed machining parts for automatic tuning and synchronization, so the design is complicated and economical is poor.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 플라즈마 방전을 위해 전원을 공급하는 장치의 내구성, 신뢰성 및 경제성을 향상시키는 것이다. The present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to improve durability, reliability, and economy of a device for supplying power for plasma discharge.
이를 위해, 본 발명에 따른 고전압 발생용 전원공급장치는 직류 전압을 입력받아 변압부를 통해 승압된 교류 전압을 출력하는 하프 브릿지 LLC 컨버터와, 상기 하프 브릿지 LLC 컨버터의 변압부 1차 측 전류 및 전압을 감지하여 상기 하프 브릿지 LLC 컨버터로 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 위한 신호를 출력하는 아날로그 주파수 검출기를 포함한다. To this end, the power supply device for generating a high voltage according to the present invention includes a half-bridge LLC converter that receives a DC voltage and outputs an AC voltage boosted through a transformer, and a primary side current and voltage of the transformer of the half-bridge LLC converter. and an analog frequency detector that detects and outputs a signal for PWM (Pulse Width Modulation) control to the half-bridge LLC converter.
본 발명에 따른 고전압 발생용 전원공급장치는 직류 전압을 펄스로 변환하여 교류 전압을 생성하고 변압기를 통해 승압된 교류 전압을 출력하는 컨버터와, 상기 컨버터의 변압기 1차 측 전류신호 및 전압신호를 감지하여, 1차 측 전류신호에 따른 제로 크로싱 신호(Zd) 및 제로 크로싱 신호(Zd)에 따른 램프신호(Vr)에 근거해 펄스폭변조(PWM) 제어를 위한 신호를 생성하여 상기 컨버터로 출력하는 주파수 검출기를 포함한다. A power supply device for generating a high voltage according to the present invention includes a converter that converts a DC voltage into a pulse to generate an AC voltage and outputs an AC voltage boosted through a transformer, and a transformer primary side current signal and voltage signal of the converter In this way, a signal for pulse width modulation (PWM) control is generated based on the zero crossing signal Zd according to the primary side current signal and the ramp signal Vr according to the zero crossing signal Zd and output to the converter. Includes a frequency detector.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고전압 발생용 전원공급장치는 모든 회로가 아날로그 소자로 구성되어 있어서, 불필요한 신호처리 없이 처리 속도가 빠르고 동작 신뢰성이 우수하며 EMI/EMC 요구사항을 충족할 수 있는 효과가 있다. As described above, in the power supply device for generating high voltage according to the present invention, since all circuits are composed of analog elements, the processing speed is high without unnecessary signal processing, the operation reliability is excellent, and the EMI/EMC requirements can be satisfied there is
본 발명은 플라즈마 부하의 변동에 따른 출력 주파수 및 전압의 감소를 감지하여 기존 출력과의 오차 수정 후 안정화를 통해 일정한 주파수 및 전압이 공급되도록 함으로써 내구성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. The present invention has the effect of improving durability and reliability by detecting a decrease in output frequency and voltage according to a change in plasma load, correcting an error with the existing output, and supplying a constant frequency and voltage through stabilization.
본 발명에 따른 고전압 발생용 전원공급장치는 회로 작동을 위한 별도의 데이터 입력이 없고 동기화를 위한 회로가 필요 없기 때문에 설계 공정의 단순화로 인해 필요한 부품의 개수가 감소하여 경제성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. Since the power supply device for generating high voltage according to the present invention does not require a separate data input for circuit operation and does not require a circuit for synchronization, the number of parts required due to the simplification of the design process is reduced, thereby improving economic efficiency. have.
도 1은 본 발명에 따른 고전압 발생용 전원공급장치의 내부 구성을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 스위칭부의 회로 구성을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 공진부 및 변압부의 회로 구성을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 제로 크로싱 검출부의 회로 구성을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 램프 생성부의 회로 구성을 나타낸 도면.
도 6는 본 발명에 따른 제로 크로싱 검출부 및 램프 생성부의 신호를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 피크 검출부의 회로 구성을 나타낸 도면
도 8은 본 발명에 따른 PI 제어부의 회로 구성을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명에 따른 PWM 생성부의 회로 구성을 나타낸 도면.
도 10은 본 발명에 따른 PWM 생성부의 입력 및 출력 신호를 나타낸 도면.1 is a view showing the internal configuration of a power supply for generating a high voltage according to the present invention.
2 is a diagram showing a circuit configuration of a switching unit according to the present invention.
3 is a view showing the circuit configuration of the resonance unit and the transformer according to the present invention.
4 is a diagram showing a circuit configuration of a zero-crossing detection unit according to the present invention.
5 is a diagram showing a circuit configuration of a lamp generating unit according to the present invention.
6 is a diagram illustrating signals of a zero-crossing detection unit and a ramp generating unit according to the present invention;
7 is a diagram illustrating a circuit configuration of a peak detection unit according to the present invention;
8 is a diagram showing the circuit configuration of the PI control unit according to the present invention.
9 is a diagram showing a circuit configuration of a PWM generator according to the present invention.
10 is a view showing input and output signals of a PWM generator according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명한다. 각 도면에서 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. Hereinafter, embodiments disclosed herein will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In each drawing, like elements are assigned the same reference numerals, and overlapping descriptions thereof will be omitted.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "…모듈" 이나 "…부" 또는 "…부재" 등은 명세서 작성의 용이성이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미나 역할을 갖는 것이 아니다. The suffixes “…module”, “…part”, or “…member” for the components used in the following description are given or mixed in consideration of the ease of writing the specification, and have a meaning or role that is distinct from each other by itself. not to have
또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. In addition, in describing the embodiments disclosed in the present specification, if it is determined that detailed descriptions of related known technologies may obscure the gist of the embodiments disclosed in the present specification, the detailed description thereof will be omitted.
또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.In addition, the accompanying drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in the present specification, and the technical idea disclosed herein is not limited by the accompanying drawings, and all changes included in the spirit and scope of the present invention, It should be understood to include equivalents and substitutes.
도 1은 본 발명에 따른 고전압 발생용 전원공급장치의 구성을 나타낸 것이다. 1 shows the configuration of a power supply device for generating a high voltage according to the present invention.
도 1을 참조하면, 고전압 발생용 전원공급장치는 크게 하프 브릿지 LLC 컨버터(half-bridge LLC converter)(100) 및 아날로그 주파수 검출기(analog frequency detection with controller)(200)로 구성된다. Referring to FIG. 1 , a power supply for generating a high voltage is largely composed of a half-
하프 브릿지 LLC 컨버터(100)는 DC 전압을 입력받아 일련의 회로를 동작시켜 AC 전압을 출력한다. 본 발명의 실시예에서 하프 브릿지 LLC 컨버터(100)는 DC 12V를 AC 6kV로 변환하여 플라즈마 발생장치(플라즈마 방전 구조체)로 출력한다. The half-
아날로그 주파수 검출기(200)는 하프 브릿지 LLC 컨버터(100)의 변압부(103) 1차 측 전류 및 전압을 감지하여 하프 브릿지 LLC 컨버터(100)의 스위칭부(101)로 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 위한 신호를 출력한다. The
하프 브릿지 LLC 컨버터(100)는 스위칭부(101), 공진부(102) 및 변압부(103)를 포함한다. The half-
스위칭부(101)는 직류 전압을 입력받아 펄스(pulse)를 출력한다. 스위칭부(101)에서 출력되는 펄스의 펄스폭(pulse width)은 아날로그 주파수 검출기(200)의 PWM 제어를 위한 신호(게이트 트리거링 신호)에 의해 조정된다. The
도 2는 본 발명에 따른 스위칭부(101)의 회로 구성을 나타낸 것이다. 2 shows the circuit configuration of the
도 2에 도시된 바와 같이, 스위칭부(101)는 2개의 MOSFET 트랜지스터(11, 12)를 포함한다. As shown in FIG. 2 , the
게이트 드라이버(gate driver)(10)는 2개의 MOSFET 트랜지스터(11, 12)를 동작시키기 위한 신호를 출력한다. 게이트 드라이버(10)는 아날로그 주파수 검출기(200)의 PWMM 생성부(205)에 포함되는 부품으로서, 의사(quasi) PWM 신호 및 제로 크로싱 신호(Vd)를 입력받고(이에 대해서는 후술한다), 게이트 트리거링(gate triggering) 신호를 생성하여 2개의 MOSFET(11, 12)의 게이트로 출력한다. 2개의 MOSFET(11, 12)의 중간 지점에서 펄스 신호가 발생하여 공진부(102)로 입력된다.The
공진부(102)는 스위칭부(101)에서 출력된 펄스를 사인파(교류)로 변환하고 노이즈를 제거한다. 변압부(103)는 공진부(102)에서 출력된 1차 전압을 2차 전압으로 출력한다. The
도 3은 본 발명에 따른 공진부(102) 및 변압부(103)의 회로 구성을 나타낸 것이다. 3 shows the circuit configuration of the
도 3에 도시된 바와 같이, 공진부(102)는 LC 저역 통과 필터(20)를 사용해 펄스를 사인파로 변환하고 공진주파수에서 최대전압이득을 통해 전압을 상승시킨다. 변압부(103)는 1차 코일(21)과 2차 코일(22)의 권선비를 통해 공진부(102)의 전압을 승압시켜 출력한다. As shown in FIG. 3 , the
아날로그 주파수 검출기(200)는 변압부(103)의 1차 측 전압 및 전류를 입력받는다. 변압부(103)의 1차 측 전압신호는 피크 검출부(203)로 입력되고, 1차 측 전류신호는 제로 크로싱 검출부(201)로 입력된다. The
아날로그 주파수 검출기(200)는 제로 크로싱(zero crossing) 검출부(201), 램프(ramp) 생성부(202), 피크(peak) 검출부(203), PI(Proprtional Integral) 제어부(204), PWM 생성부(205) 등을 포함한다. The
도 4는 본 발명에 따른 제로 크로싱 검출부(201)의 회로 구성을 나타낸 것이다. 4 shows the circuit configuration of the zero-
도 4에 도시된 바와 같이, 제로 크로싱 검출부(201)는 다이오드(30)를 이용해 전류신호를 반파 정류하여 반파 정류 신호(Vct)를 출력하고, 비교기(31)를 통해 반파 정류 신호(Vct)와 접지 전위를 비교하여 신호(Zd)를 출력한다. 비교기(31)는 양의 사이클에서 하이 신호를 출력하고, 음의 사이클에서 로우 신호를 출력한다. As shown in FIG. 4 , the zero-
도 5는 본 발명에 따른 램프 생성부(202)의 회로 구성을 나타낸 것이다. 5 shows the circuit configuration of the
도 5에 도시된 바와 같이, 램프 생성부(202)가 제로 크로싱 검출부(201)로부터 하이신호를 입력받으면 저항(40)을 통해 커패시터(41)에 전압을 충전한다. 반면 램프 생성부(202)가 로우신호를 입력받으면 커패시터(41)에 저장된 전압을 다이오드(42)를 통해 빠르게 방전시킨다. 커패시터(41)에 충전된 전압이 램프신호(Vr)가 되어 PWM 생성부(205)로 입력된다. As shown in FIG. 5 , when the
도 6은 제로 크로싱 검출부(201)의 반파 정류 신호(Vct) 및 비교기 출력신호(Zd), 램프 생성부(202)의 램프신호(Vr)를 상호 비교하여 나타낸 신호도이다. 6 is a signal diagram illustrating a half-wave rectified signal Vct and a comparator output signal Zd of the zero-
도 6에 도시된 바와 같이, 반파 정류 신호(Vct)는 변압부(103) 1차 측 전류신호가 반파 정류된 것이고, 비교기 출력신호(Zd)는 비교기(31)가 반파 정류 신호(Vct)와 접지 전위를 입력받아 출력한 것이고, 램프신호(Vr)은 커패시터(41)에 충전된 전압이다. 여기서 램프신호(Vr)가 변압부(103) 1차 측 전류신호의 위상과 동일하다는 것을 알 수 있다. As shown in FIG. 6 , the half-wave rectified signal Vct is a half-wave rectified current signal of the
도 7은 피크 검출부(203)의 회로 구성을 나타낸 것이다. 7 shows the circuit configuration of the
도 7에 도시된 바와 같이, 피크 검출부(203)는 전압신호를 입력받아 다이오드(50)를 통해 정류된 신호를 커패시터(51)에 충전하고 고임피던스 저항(52)을 통해 충전된 전압을 방전하여 커패시터의 평활(smoothing) 작용에 의한 신호를 출력하게 된다. 즉, 피크 검출부(203)는 변압부(103)의 1차 측 전압신호를 입력받아 피크 값을 출력한다. As shown in FIG. 7 , the
본 발명의 실시예에서는 직류 12V를 교류 6kV로 변환하여 플라즈마 발생장치로 공급한다. 직류 12V는 스위칭부(101)를 거쳐 공진부(102)에 의해 승압되어 변압부(103)의 1차 측으로 출력되는데, 이때 출력되는 교류 전압(pk-pk 전압)은 300V가가 된다. 따라서 1차 코일과 2차 코일의 권선비를 1:20으로 하게 되면 변압부(103)의 2차 측으로 6kV가 출력될 수 있다. In an embodiment of the present invention,
플라즈마 발생장치로 6kV 전압을 안정적으로 공급하려면 변압부(103)의 1차 코일 측에 걸리는 전압이 300V를 유지해야 한다. 변압부(103)의 1차 측에서 검출되는 전압신호는 1차 코일의 첫 번째 권선에서 검출되는 전압이다. 변압부(103)의 1차 코일 측에 걸리는 전압이 300V를 유지할 때 검출되는 전압신호는 3V가 되고, 3V 전압신호가 피크 검출부(203)를 통해 1.5V로 출력된다. 피크 검출부(203)에서 출력된 신호(피크 값)는 PI 제어부(204)로 입력된다. 본 발명의 실시예에 따라 6kV가 안정적으로 공급되려면 PI 제어부(204)의 기준 전압은 1.5V가 되어야 한다. In order to stably supply a 6kV voltage to the plasma generator, the voltage applied to the primary coil side of the
도 8은 PI 제어부(204)의 회로 구성을 나타낸 것이다. 8 shows the circuit configuration of the
도 8에 도시된 바와 같이, PI 제어부(204)는 RC 회로와 비교기로 구성되어 PI 제어를 통해 기준 전압(1.5V)과 피크 검출부(203)에서 출력된 입력신호(입력전압)를 비교하여 오차를 제거하는 역할을 수행한다. 도 8에서는 상기 이유로 PI 제어부(204)의 기준전압이 1.5V로 설정되어 있으나, 플라즈마 발생장치로 공급되는 전압에 따라 변경될 수 있다. As shown in FIG. 8, the
PI 제어부(204)는 입력전압과 기준전압을 비교하여 입력전압이 기준전압보다 크면 PI 제어부(204)의 출력을 상승시켜 회로 출력의 일정량을 감소시키고, 입력전압이 기준전압보다 작으면 PI 제어부(204)의 출력을 감소시켜 회로 출력의 일정량을 상승시킨다. PI 제어부(204)의 출력신호(Vpi)는 PWM 생성부(205)로 입력된다. The
도 9는 PWM 생성부(205)의 회로 구성을 나타낸 것이다. 9 shows the circuit configuration of the
도 9에 도시된 바와 같이, PWM 생성부(205)는 비교기(60), 게이트 드라이버(10) 등으로 구성되어 있다. As shown in FIG. 9 , the
비교기(60)는 램프신호(Vr)와 PI 출력신호(Vpi)에 의한 기준신호(Vref)를 비교하여 의사(quasi) PWM 신호(Q-PWM)를 출력한다. 게이트 드라이버(10)는 인에이블(enable) 단자를 통해 제로 크로싱 검출부(201)의 비교기 출력신호(Zd)를 입력받고, PWM 단자를 통해 의사 PWM 신호를 입력받아, 스위칭부(101)로 PWM 제어를 위한 게이트 트리거링 신호를 출력하게 된다. The
도 10은 도 6에 도시된 신호도에 기준신호(Vref), 의사 PWM 신호(Q-PWM) 및 PWM 신호(PWM)를 추가하여 나타낸 신호도이다. FIG. 10 is a signal diagram showing a reference signal Vref, a pseudo PWM signal Q-PWM, and a PWM signal PWM added to the signal diagram shown in FIG. 6 .
여기서, PWM 신호(PWM)은 게이트 드라이버(10)가 제로 크로싱 신호(Vd) 및 유사 PWM 신호(Q-PWM)을 입력받아 내부에서 유지하고 있는 신호를 말한다. Here, the PWM signal PWM refers to a signal that the
제로 크로싱 검출부(201)의 비교기 출력신호(Zd)는 게이트 드라이버(10)의 출력신호인 PWM 제어를 위한 게이트 트리거링 신호의 상승 에지(rising edge)로 작용하고, 의사 PWM 신호(Q-PWM)는 트리거링 신호의 하강 에지(falling edge)로 작용한다는 것을 알 수 있다. The comparator output signal Zd of the zero
이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 안 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.The above detailed description should not be construed as restrictive in all respects and should be considered as exemplary. The scope of the present invention should be determined by a reasonable interpretation of the appended claims, and all modifications within the equivalent scope of the present invention are included in the scope of the present invention.
100: 하프 브릿지 LLC 컨버터
101: 스위칭부
102: 공진부
103: 변압부
200: 아날로그 주파수 검출기
201: 제로크로싱 검출부
202: 램프 생성부
203: 피크 검출부
204: PI 제어부
205: PWM 생성부 100: half bridge LLC converter 101: switching unit
102: resonator 103: transformer
200: analog frequency detector 201: zero crossing detection unit
202: ramp generation unit 203: peak detection unit
204: PI control unit 205: PWM generation unit
Claims (1)
상기 하프 브릿지 LLC 컨버터의 변압부 1차 측 전류 및 전압을 감지하여, 1차 측 전류에 따라 출력되는 하이 또는 로우 신호 및 하이 또는 로우의 신호에 의해 충방전되는 전압에 따라 발생하는 신호를 입력받아, 상기 하프 브릿지 LLC 컨버터로 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 위한 신호를 출력하는 아날로그 주파수 검출기를 포함하는 고전압 발생용 전원공급장치.A half-bridge LLC converter that receives a DC voltage and outputs an AC voltage boosted through a transformer;
Detects the primary side current and voltage of the transformer of the half-bridge LLC converter, and receives a high or low signal output according to the primary side current and a signal generated according to the voltage charged and discharged by the high or low signal , A power supply for generating a high voltage including an analog frequency detector for outputting a signal for PWM (Pulse Width Modulation) control to the half-bridge LLC converter.
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