KR20230073919A - 고주파 펄스 전원 장치 및 그의 운전 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 고주파 펄스 전원 장치는, 고주파 부하에 고주파 펄스를 인가하는 고주파 펄스 전원 장치에 있어서, 컨버터 제어 신호에 따라 정류 전압을 직류 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터; 레귤레이터 제어 신호에 제어되어 상기 DC/DC 컨버터로부터 출력되는 직류 전압을 이용하여 소정 레벨의 전압 및 전류를 증폭하여 펄스 형태의 가변 직류 전압을 생성하는 선형 직류 전압 레귤레이터; 상기 선형 직류 전압 레귤레이터로부터 출력되는 가변 직류 전압을 증폭 제어 신호에 따라 증폭하여 펄스 상의 고주파 전력 신호를 생성하는 고주파 전력 증폭기; 및 상기 고주파 부하의 전단에 배치되는 센서로부터 출력되는 전기적 검출 신호를 이용하여 반사파 전력 성분을 감소시키는 방향으로 전류 성분을 제어하기 위한 상기 증폭 제어 신호를 생성하는 컨트롤러를 포함한다.
Description
본 발명은 고주파 펄스 전원 장치 및 그의 운전 방법에 관한 것으로, 과도 특성을 향상시킨 고주파 펄스 전원 장치 및 그의 운전 방법에 관한 것이다.
플라스마 에칭(plasma etching)은 반도체 제조 공정에서 빈번히 사용된다. 플라스마 에칭에서, 이온은 기판 상에 노출된 표면을 에칭하기 위하여 전계(electric field)에 의해 가속된다. 전계는 고주파 전력 시스템의 고주파 발생기에 의해 발생되는 고주파 전력 신호들에 따라 발생된다. 고주파 발생기에 의해 발생되는 고주파 전력 신호들은 플라스마 에칭을 효율적으로 실행하도록 정밀하게 제어된다.
그런데 반도체 식각, 증착 공정 기술은 집적화된 수십 nm의 미세 패턴을 제어할 수 있는 펄스형 고주파 전원을 이용한 플라즈마 식각 및 플라즈마 원자층 증착 공정 설비가 요구되고 있다.
이러한 공정 설비의 개발을 위해서 플라즈마 발생을 위한 고성능의 고주파 펄스 전원 장치가 요구된다. 펄스형 고주파 플라즈마는 고주파 전력의 인가시간이 수 ms로 매우 짧기 때문에 짧은 시간 동안 고주파 전력 전달의 효율성을 높이고 플라즈마 방전에 의한 기판 손상을 최소화하고 식각 패턴 형상을 선택적으로 제거할 수 있는 특성이 있다. 그러므로 과도특성이 우수한 플라즈마 발생을 위한 고주파 펄스 전원 장치가 요구된다.
본 발명은 펄싱 운전시 급변하는 챔버 내 부하 상태에 대응하여 과도 상태에서 고주파 제너레이터를 보호할 수 있는 과도 특성이 우수한 고주파 펄스 전원 장치 및 그의 운전 방법을 제공함에 목적이 있다.
또한, 본 발명은 펄싱 운전에 의한 급변 부하에서의 반사파 전력을 저감할 수 있는 과도 특성이 우수한 고주파 펄스 전원 장치 및 그의 운전 방법을 제공함에 다른 목적이 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 고주파 펄스 전원 장치는, 고주파 부하에 고주파 펄스를 인가하는 고주파 펄스 전원 장치에 있어서, 컨버터 제어 신호에 따라 정류 전압을 직류 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터; 레귤레이터 제어 신호에 제어되어 상기 DC/DC 컨버터로부터 출력되는 직류 전압을 이용하여 소정 레벨의 전압 및 전류를 증폭하여 펄스 형태의 가변 직류 전압을 생성하는 선형 직류 전압 레귤레이터; 상기 선형 직류 전압 레귤레이터로부터 출력되는 가변 직류 전압을 증폭 제어 신호에 따라 증폭하여 펄스 상의 고주파 전력 신호를 생성하는 고주파 전력 증폭기; 및 상기 고주파 부하의 전단에 배치되는 센서로부터 출력되는 전기적 검출 신호를 이용하여 반사파 전력 성분을 감소시키는 방향으로 전류 성분을 제어하기 위한 상기 증폭 제어 신호를 생성하는 컨트롤러를 포함한다.
바람직하게는, 상기 증폭 제어 신호는 상기 출력 센서로부터 출력되는 전기적 검출 신호를 회전 좌표 변환을 통해 순방향 전력과 반사 전력의 크기를 제어하는 신호인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 컨트롤러는, 상기 센서로부터 출력되는 역방향 검출전압값과 역방향 검출전류값에 각각 코사인값을 승산하여 정지좌표계 상의 
전압값과 
전류값을 출력하는 복수의 전역 통과 필터; 상기 역방향 검출전압값과 상기 역방향 검출전류값 그리고 상기 정지좌표계 상의 
전압값과 
전류값에 대하여 dq 전류와 dq 전압으로 dq 변환하는 정지/회전 좌표 변환부; dq 변환된 전압 및 전류값을 이용하여 dq 전력을 계산하는 순방향/반사 전력 계산부; 소정의 dq 전력 기준치와 상기 dq 전력의 편차를 계산하는 dq 전력 감산부; 상기 dq 전력을 비례 적분하여 생성되는 dq 전류 기준치와 상기 dq 전류의 편차를 계산하는 dq 전류 감산부; 상기 dq 전류 감산부로부터 출력되는 dq 전류 편차분을 비례적분하여 생성되는 dq 전류 편차 적분값을 정지좌표계 값으로 변환하는 회전/정지 좌표 변환부; 및 상기 회전/정지 좌표 변환부로부터의 출력을 이용하여 증폭 제어 신호를 생성하는 증폭 제어 신호 발생부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 전역 통과 필터는, 역방향 검출전압값과 환류되는 역위상의 
전압값을 승산하는 승산기; 상기 승산기의 출력 중 저역분을 통과시키는 저역 통과 필터; 상기 저역 통과 필터의 출력을 비례적분하여 출력하는 PI 제어기; 운전주파수를 이용하여 위상각을 계산하는 위상각 계산기; 상기 PI 제어기의 출력과 상기 위상각을 가산하는 가산기; 상기 가산기의 출력에 코사인값을 승산하여 상기 역위상의 
전압값을 출력하는 코사인값 계산기를 포함한다.
바람직하게는, 상기 컨트롤러는 상기 증폭 제어 신호를 이용하여 상기 고주파 전력 증폭기의 출력 레벨을 소정의 설정값에 도달하도록 전류 제어를 통해 조정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 선형 직류 전압 레귤레이터는, 복수의 앰프가 케스케이드 방식으로 결합되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 선형 직류 전압 레귤레이터는, 상기 레귤레이터 제어 신호에 제어되어 DC/DC 컨버터로부터 출력되는 직류 전압을 소정 레벨의 전압으로 증폭시키는 저전력 앰프; 및 상기 저전력 앰프의 출력에 의해 구동되어 소정 레벨의 전류 증폭을 통해 소정 레벨의 전력으로 증폭시키는 복수의 드라이버 앰프를 포함한다.
바람직하게는, 상기 저전력 앰프 및 복수의 드라이버 앰프는 적어도 일부가 서로 다른 전위를 가진 전압원에 의해 전원을 공급받는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고주파 펄스 전원 장치의 운전 방법은, 고주파 부하에 고주파 펄스를 인가하는 고주파 펄스 전원 장치의 운전 방법에 있어서, 컨트롤러로부터 출력되는 컨버터 제어 신호에 따라 DC/DC 컨버터가 정류 전압을 직류 전압으로 변환하는 단계; 컨트롤러로부터 출력되는 레귤레이터 제어 신호에 제어되어 선형 직류 전압 레귤레이터가 상기 DC/DC 컨버터로부터 출력되는 직류 전압을 이용하여 소정 레벨의 전압 및 전류를 증폭하여 펄스 형태의 가변 직류 전압을 생성하는 단계; 및 상기 선형 직류 전압 레귤레이터로부터 출력되는 가변 직류 전압을 증폭 제어 신호에 따라 증폭하여 펄스 상의 고주파 전력 신호를 생성하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 증폭 제어 신호는 상기 센서로부터 출력되는 전기적 검출 신호를 회전 좌표 변환을 통해 순방향 전력과 반사 전력의 크기를 제어하는 신호인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고주파 펄스 전원 장치에 따르면, 펄싱 운전시 급변하는 챔버 내 부하 상태에 대응하여 과도 상태에서 고주파 제너레이터를 보호할 수 있고, 펄싱 운전에 의한 급변 부하에서의 반사파 전력을 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고주파 펄스 전원 장치의 전체 블록도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 선형 직류 전압 레귤레이터 구체 회로도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 증폭 제어 신호 생성 블록도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제1 전역 통과 필터의 구체 블록도, 및
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 제2 전역 통과 필터의 구체 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 선형 직류 전압 레귤레이터 구체 회로도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 증폭 제어 신호 생성 블록도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제1 전역 통과 필터의 구체 블록도, 및
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 제2 전역 통과 필터의 구체 블록도이다.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고주파 펄스 전원 장치의 전체 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 선형 직류 전압 레귤레이터 구체 회로도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 고주파 펄스 전원 장치는, 3상 전원(100), 정류기(105), DC/DC 컨버터(110), 선형 직류 전압 레귤레이터(115), 고주파 전력 증폭기(120), 공진 필터(125), 출력 센서(130), 가변 매칭 네트워크(135), 및 컨트롤러(140)를 포함한다.
정류기(105)는 인가되는 3상 전압을 정류 전압으로 정류하여 출력한다. 여기서 도면부호 Srec는 컨트롤러(140)로부터 인가되는 역률 제어용 신호이다.
DC/DC 컨버터(110)는 정류기(105)로부터 출력되는 정류 전압을 시비율을 조정하여 출력되는 직류 전압 레벨이 수 마이크로초(us) 내에 설정값에 도달하도록 변환하여 출력한다. 구체적으로 DC/DC 컨버터(110)는 컨트롤러(140)로부터 출력되는 컨버터 제어 신호(SDC)에 따라 정류기(105)로부터 출력되는 정류 전압을 안정된 직류 전압으로 변환하여 선형 직류 전압 레귤레이터(115)에 공급한다.
선형 직류 전압 레귤레이터(115)는 DC/DC 컨버터(110)의 출력을 이용하여 Pulsing 운전 모드로 동작하여 반도체 공정에서 필요한 펄스 형태의 가변 직류 전압을 생성하여 고주파 전력 증폭기(120)에 공급한다. 이러한 선형 직류 전압 레귤레이터(115)는 Pulsing 운전 모드로 동작할 때, 원하는 출력 레벨을 주어진 시간 내에 도달시키기 위해 선형적 특성으로 동작하여 과도 특성 지연을 개선하고 주어진 시간 내에 고주파 전력 증폭기(120)의 출력이 원하는 시간 내에 도달하기 위해 적용한다. 본 발명의 일실시예에 따른 선형 직류 전압 레귤레이터(115)는 복수의 전압원(210)과, 케스케이드 전류증폭기(220)를 포함한다(도 2 참조).
복수의 전압원(210)은 적어도 일부가 상이한 레벨의 전위를 가지는바, 예컨대, 제1 전압원(V1, 211)은 직류 12V, 제2 전압원(V2, 213)은 직류 24V, 제3 내지 제5 전압원(V3, 215)(V4, 217)(V5, 219)은 직류 50V이다. 복수의 전압원(210)은 DC/DC 컨버터(110)의 복수의 출력으로 대응될 수 있다.
케스케이드 전류증폭기(220)는, 예컨대, 저전력 앰프(221) 및 제1 내지 제4 드라이버 앰프(223, 225, 227, 229)의 증폭기가 다단으로 결합된다. 저전력 앰프(221)는 컨트롤러(140)로부터 인가되는 0 내지 1볼트(V)의 직류 전압을 레귤레이터 제어 신호(Sg)로 받아 0 내지 12볼트(V)의 직류전압으로 증폭시킬 수 있다. 제1 드라이버 앰프(223)는 저전력 앰프(221)의 출력에 의해 구동되어 100와트(W)까지 증폭시킬 수 있다. 제2 드라이버 앰프(225)는 제1 드라이버 앰프(223)의 출력에 의해 구동되어 500와트(W)까지 증폭시킬 수 있다. 제3 드라이버 앰프(227)는 제2 드라이버 앰프(225)의 출력에 의해 구동되어 1000와트(W)까지 증폭시킬 수 있다. 제4 드라이버 앰프(229)는 제3 드라이버 앰프(227)의 출력에 의해 구동되어 3000와트(W)까지 증폭시킬 수 있다.
제1 내지 제4 드라이버 앰프(223, 225, 227, 229)는 단계적으로 전류를 증폭시킬 수 있다.
이와 같이 선형 직류 전압 레귤레이터(115)는 DC/DC 컨버터(115)의 출력을 이용하여 전압 및 전류 증폭을 통해 반도체 공정에서 Pulsing 운전 모드에서 필요한 펄스 형태의 가변 직류 전압을 생성할 수 있게 된다.
이에 따라 고주파 전력 증폭기(120)의 출력 레벨을 RF Generator의 Pulsing 운전 모드에서 수 마이크로초(us) 내에 설정값에 도달하도록 제어할 수 있다. 여기서 RF Generator의 Pulsing 운전 모드라 함은 RF Generator가 고주파를 연속적으로(Continously) 출력하는 것이 아니라 플라즈마 식각 및 플라즈마 원격 증착 공정에서 필요로 하는 펄스 형태로 출력하도록 운전하는 모드를 의미한다. 이와 같이 DC/DC 컨버터(110)에 선형 직류 전압 레귤레이터(115)를 결합함으로써 RF Generator가 Pulsing 운전 모드로 동작할 때 과도 특성이 개선된 DC 입력 전압을 고주파 전력 증폭기(120)에 공급할 수 있다.
이는 선형 직류 전압 레귤레이터(115)로부터 고주파 전력 증폭기(120)로 펄스 형태의 DC 입력 전압이 공급됨에 따라 고주파 전력 증폭기(120)가 자체적으로 Pulsing 운전 모드 동작을 위한 스위칭 소자의 열화 부담을 줄여줄 수 있다. 여기서, 고주파 전력 증폭기(120)가 정전압 형태의 DC 입력 전압을 공급받아 펄스 형태의 RF 출력 전압으로 출력하려 할 경우, 고주파 전력 증폭기(120)의 스위칭 소자에서는 Pulsing 운전 모드 동작을 통해 원하는 출력 레벨 이상의 에너지를 열로 소모시켜야 하므로 열화 부담이 커질 수 밖에 없다.
도 2에 도시된 바와 같이, 고주파 전력 증폭기(230)는 브릿지 회로로 구현될 수 있다. 고주파 전력 증폭기(230)는 컨트롤러(145)로부터 전달되는 증폭 제어 신호(Spa)를 이용하여 스위칭 제어한다. 증폭 제어 신호(Spa)는 반사파 전력(reflected power) 을 줄이고 순방향 전력(forward power) 성분을 조정시키기 위한 스위칭 신호이다. 증폭 제어 신호(Spa)는 도 3의 과정을 통해 생성될 수 있다.
공진 필터(125)는 직병렬로 결합된 인덕터와 캐패시터를 구비하고, 고주파 전력 증폭기(120)로부터 출력되는 고주파 전력 신호로부터 소정의 공진 주파수를 가진 사인파형의 공진 신호(vR)를 출력한다.
입력 센서(130)는 공진 필터(125)와 가변 매칭 네트워크(135) 사이에 배치되고, 고주파 전원측으로부터 RF 부하로 출력되는 전기적 신호를 검출하여 전기적 검출 신호를 출력한다. 여기서, 전기적 검출 신호는 순방향 검출전류값(Ii), 순방향 검출전압값(Vi), 고주파 전원측으로부터 RF 부하(150)로 공급되는 포워드 전력(PFWD) 중 적어도 어느 하나 이상일 수 있다.
가변 매칭 네트워크(135)는 가변 네트워크 제어 신호(Snet)에 제어되어 스위칭하는 가변 인덕터 및/또는 가변 캐패시터를 포함하고, RF 부하(160)로부터 반사되는 반사 전력을 감소시키는 기능을 수행한다.
출력 센서(140)는 가변 매칭 네트워크(135)와 RF 부하(150) 사이에 배치되고, RF 부하로부터 고주파 전원측으로 반사되는 전기적 신호를 검출하여 전기적 검출 신호를 출력한다. 여기서, 전기적 검출 신호는 역방향 검출전류값(Io), 역방향 검출전압값(Vo), RF 부하(150)로부터 고주파 전원측으로 반사되는 반사 전력(PREF) 중 적어도 어느 하나 이상일 수 있다.
컨트롤러(145)는 외부에서 인가되는 컨트롤 신호(Scon)와 입력 센서(130) 및 출력 센서(140)로부터 출력되는 전기적 검출 신호를 이용하여 역률 제어 신호(Srec), 컨버터 제어 신호(SDC), 레귤레이터 제어 신호(Sg), 증폭 제어 신호(Spa) 및 가변 네트워크 제어 신호(Snet)를 출력한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 증폭 제어 신호 생성 블록도이다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 컨트롤러(145)는 RF 부하(150) 전단의 센서 즉, 입력 센서(130) 및 출력 센서(140) 중 적어도 어느 하나로부터 출력되는 역방향 검출전류값(Io), 및 역방향 검출전압값(Vo)을 이용하여 증폭 제어 신호를 생성하기 위하여 제1 전역 통과 필터(305), 제2 전역 통과 필터(310), 전압 정지/회전변환부(315), 전류 정지/회전변환부(320), 순방향/반사 전력 계산부(325), 제1 감산부(330), 제2 감산부(335), 제1 PI 제어부(340), 제2 PI 제어부(345), 제3 감산부(350), 제4 감산부(355), 제3 PI 제어부(360), 제4 PI 제어부(365), 회전/정지변환부(370), 증폭 제어 신호 발생부(375)를 포함한다.
컨트롤러(145)는 증폭 제어 신호를 생성함에 있어서 센서로부터 검출되는 전압 및 전류 값에 대해 회전 좌표계에 의한 d-q 변환을 이용하되, 반사파 전력 성분을 감소하는 방향으로 전류 성분을 제어하고, 순방향 전력 성분을 원하는 전력으로 조정하는 방향으로 전류 성분을 제어하는 증폭 제어 신호(Spa)를 생성하여 고주파 전력 증폭기(120)로 제공한다.
여기서, 회전 좌표계에 의한 d-q 변환은 반사파 전력 성분과 순방향 전력 성분을 구별하여 고주파 전력 증폭기(120)의 제어를 위한 증폭 제어 신호(Spa)를 생성하기 용이하게 할 뿐만 아니라, 전압 성분을 배제하여 고주파 전력 증폭기(120)의 제어를 전류 성분만으로 제어하는 것을 가능하게 하여 고주파 전력 증폭기(120)의 출력을 고속으로 제어할 수 있게 된다.
제1 전역 통과 필터(305)는 인가되는 역방향 검출전압값(Vo)에 노이즈를 제거하고 코사인값을 승산하여 정지좌표계 상의 
전압값(
)을 출력한다. 즉, 제1 전역 통과 필터(305)는 인가되는 역방향 검출전압(Vo) 벡터에 직교하는 전압벡터값(
)을 출력한다. 제1 전역 통과 필터(305)는 입력 센서(130)와 출력 센서(140) 중 적어도 어느 하나로부터 검출된 전압 신호를 이용하여 저역통과필터(LFP)와 PI 제어기를 통해 센서를 통해 검출된 신호와 90도 위상차를 갖는 신호를 발생시킨다.
제2 전역 통과 필터(310)는 인가되는 역방향 검출전류값(Io)에 노이즈를 제거하고 코사인값을 승산하여 정지좌표계 상의 
전류값(
)을 출력한다. 즉, 제2 전역 통과 필터(310)는 인가되는 역방향 검출전류(Io) 벡터에 직교하는 전류벡터값(
)을 출력한다. 제2 전역 통과 필터(310)는 입력 센서(130)와 출력 센서(140) 중 적어도 어느 하나로부터 검출된 전류 신호를 이용하여 저역통과필터(LFP)와 PI 제어기를 통해 센서를 통해 검출된 신호와 90도 위상차를 갖는 신호를 발생시킨다.
전압 정지/회전변환부(315)는 인가되는 정지좌표계 상의 역방향 검출전압값(Vo)과 
전압값(
)을 회전좌표계 상의 d축 전압(Vd)과 q축 전압(Vq)으로 변환하여 출력한다.
전류 정지/회전변환부(320)는 인가되는 정지좌표계 상의 역방향 검출 전류값(Io)과 
전류값(
)을 회전좌표계 상의 d축 전류(Id)와 q축 전류(Iq)로 변환하여 출력한다.
순방향/반사 전력 계산부(325)는 인가되는 d축 전압(Vd)과 q축 전압(Vq) 그리고 d축 전류(Id)와 q축 전류(Iq)를 이용하여 순방향 전력(Pq)과 반사 전력(Pd)을 계산하여 출력한다. 여기서, 순방향 전력(Pq)과 반사 전력(Pd)은 다음의 수학식 1 및 수학식 2와 같이 계산한다.
제1 감산부(330)는 외부로부터 인가되는 순방향 전력 기준치(Pq_ref)와 순방향 전력(Pq)을 감산하여 순방향 전력 편차분(Pq_error)을 출력한다.
제2 감산부(335)는 외부로부터 인가되는 반사 전력 기준치(Pd_ref)와 반사 전력(Pd)을 감산하여 반사 전력 편차분(Pd_error)을 출력한다.
제1 PI 제어부(340)는 순방향 전력 편차분(Pq_error)을 비례 적분하여 q축 전류 기준치(Iq_ref)를 출력한다.
제2 PI 제어부(345)는 반사 전력 편차분(Pd_error)을 비례 적분하여 d축 전류 기준치(Id_ref)를 출력한다.
제3 감산부(350)는 전류 정지/회전변환부(320)로부터 출력되는 d축 전류(Id)와 d축 전류 기준치(Id_ref)를 감산하여 d축 전류 편차분(Id_error)을 출력한다.
제4 감산부(355)는 전류 정지/회전변환부(320)로부터 출력되는 q축 전류(Iq)와 q축 전류 기준치(Iq_ref)를 감산하여 q축 전류 편차분(Iq_error)을 출력한다.
제3 PI 제어부(360)는 d축 전류 편차분(Id_error)를 비례 적분하여 d축 전류 편차 적분값(Id_error_pi)을 출력한다.
제4 PI 제어부(365)는 q축 전류 편차분(Iq_error)를 비례 적분하여 q축 전류 편차 적분값(Iq_error_pi)을 출력한다.
회전/정지변환부(370)는 회전좌표계 상의 d축 전류 편차 적분값(Id_error_pi)과 q축 전류 편차 적분값(Iq_error_pi)을 정지좌표계 상의 
축전류(
)와 
축전류(
)로 변환한다.
증폭 제어 신호 발생부(375)는 
축전류(
)와 
축전류(
)를 이용하여 증폭 제어 신호(Spa)를 생성한다.
이에 따라, 외부로부터 인가되는 반사 전력 기준치(Pd_ref)를 제공함으로써 펄싱 운전에서 급변하는 무효분 전력에 해당하는 반사 전력을 빠르게 감소시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제1 전역 통과 필터의 구체 블록도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 제1 전역 통과 필터(305)는 제1 승산기(410), 제1 저역통과필터(420), 제5 PI 제어기(430), 제1 위상각 계산기(440), 제1 가산기(450), 제1 사인값 계산기(460), 제1 코사인값 계산기(470), 및 제2 승산기(480)를 포함한다.
제1 승산기(410)는 역방향 검출전압값(Vo)과 환류되는 역위상의 
전압값(-
)을 승산하여 출력한다.
제1 저역통과필터(420)는 제1 승산기(410)의 출력 중 고조파분을 제거하고 저역분을 통과시킨다.
제5 PI 제어기(430)는 제1 저역통과필터(420)의 출력을 비례적분하여 출력한다.
제1 위상각 계산기(440)는 고주파 펄스 전원 장치의 운전주파수(fop)를 이용하여 위상각을 계산하여 출력한다.
제1 가산기(450)는 제5 PI 제어기(430)의 출력과 위상각을 가산하여 출력한다.
제1 코사인값 계산기(470)는 제1 가산기(450)의 출력에 코사인값을 승산하여 역위상의 
전압값(-
)을 출력한다.
제2 승산기(480)는 제1 코사인값 계산기(470)로부터 출력되는 역위상의 
전압값(-
)에 (-)를 승산하여 
전압값(
)을 출력한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 제2 전역 통과 필터의 구체 블록도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 제2 전역 통과 필터(310)는 제3 승산기(510), 제2 저역통과필터(520), 제6 PI 제어기(530), 제2 위상각 계산기(540), 제2 가산기(550), 제2 사인값 계산기(560), 제2 코사인값 계산기(570), 및 제4 승산기(580)를 포함한다.
제3 승산기(310)는 역방향 검출전류값(Io)과 환류되는 역위상의 
전류값(-
)을 승산하여 출력한다.
제2 저역통과필터(520)는 제3 승산기(510)의 출력 중 고조파분을 제거하고 저역분을 통과시킨다.
제6 PI 제어기(530)는 제2 저역통과필터(520)의 출력을 비례적분하여 출력한다.
제2 위상각 계산기(540)는 고주파 펄스 전원 장치의 운전주파수(fop)를 이용하여 위상각을 계산하여 출력한다.
제2 가산기(550)는 제6 PI 제어기(530)의 출력과 위상각을 가산하여 출력한다.
제2 코사인값 계산기(570)는 제2 가산기(550)의 출력에 코사인값을 승산하여 역위상의 
전류값(-
)을 출력한다.
제4 승산기(580)는 제2 코사인값 계산기(570)로부터 출력되는 역위상의 
전류값(-
)에 (-)를 승산하여 
전류값(
)을 출력한다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 3상 전원
105: 정류기
110: DC/DC 컨버터
115: 선형 직류 전압 레귤레이터
120: 고주파 전력 증폭기
125: 공진 필터
130: 입력 센서
135: 가변 매칭 네트워크
140: 출력 센서
145: 컨트롤러
305: 제1 전역 통과 필터
310: 제2 전역 통과 필터
315: 전압 정지/회전변환부
320: 전류 정지/회전변환부
325: 순방향/반사 전력 계산부
330: 제1 감산부
335: 제2 감산부
340: 제1 PI 제어부
345: 제2 PI 제어부
350: 제3 감산부
355: 제4 감산부
360: 제3 PI 제어부
365: 제4 PI 제어부
370: 회전/정지변환부
375: 레귤레이터 제어 신호 발생부
105: 정류기
110: DC/DC 컨버터
115: 선형 직류 전압 레귤레이터
120: 고주파 전력 증폭기
125: 공진 필터
130: 입력 센서
135: 가변 매칭 네트워크
140: 출력 센서
145: 컨트롤러
305: 제1 전역 통과 필터
310: 제2 전역 통과 필터
315: 전압 정지/회전변환부
320: 전류 정지/회전변환부
325: 순방향/반사 전력 계산부
330: 제1 감산부
335: 제2 감산부
340: 제1 PI 제어부
345: 제2 PI 제어부
350: 제3 감산부
355: 제4 감산부
360: 제3 PI 제어부
365: 제4 PI 제어부
370: 회전/정지변환부
375: 레귤레이터 제어 신호 발생부
Claims (10)
- 고주파 부하에 고주파 펄스를 인가하는 고주파 펄스 전원 장치에 있어서,
컨버터 제어 신호에 따라 정류 전압을 직류 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터;
레귤레이터 제어 신호에 제어되어 상기 DC/DC 컨버터로부터 출력되는 직류 전압을 이용하여 소정 레벨의 전압 및 전류를 증폭하여 펄스 형태의 가변 직류 전압을 생성하는 선형 직류 전압 레귤레이터;
상기 선형 직류 전압 레귤레이터로부터 출력되는 가변 직류 전압을 증폭 제어 신호에 따라 증폭하여 펄스 상의 고주파 전력 신호를 생성하는 고주파 전력 증폭기; 및
상기 고주파 부하의 전단에 배치되는 센서로부터 출력되는 전기적 검출 신호를 이용하여 반사파 전력 성분을 감소시키는 방향으로 전류 성분을 제어하기 위한 상기 증폭 제어 신호를 생성하는 컨트롤러
를 포함하는 고주파 펄스 전원 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 증폭 제어 신호는 상기 출력 센서로부터 출력되는 전기적 검출 신호를 회전 좌표 변환을 통해 순방향 전력과 반사 전력의 크기를 제어하는 신호인 것을 특징으로 하는 고주파 펄스 전원 장치.
- 청구항 2에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 센서로부터 출력되는 역방향 검출전압값과 역방향 검출전류값에 각각 코사인값을 승산하여 정지좌표계 상의전압값과
전류값을 출력하는 복수의 전역 통과 필터;
상기 역방향 검출전압값과 상기 역방향 검출전류값 그리고 상기 정지좌표계 상의전압값과
전류값에 대하여 dq 전류와 dq 전압으로 dq 변환하는 정지/회전 좌표 변환부;
dq 변환된 전압 및 전류값을 이용하여 dq 전력을 계산하는 순방향/반사 전력 계산부;
소정의 dq 전력 기준치와 상기 dq 전력의 편차를 계산하는 dq 전력 감산부;
상기 dq 전력을 비례 적분하여 생성되는 dq 전류 기준치와 상기 dq 전류의 편차를 계산하는 dq 전류 감산부;
상기 dq 전류 감산부로부터 출력되는 dq 전류 편차분을 비례적분하여 생성되는 dq 전류 편차 적분값을 정지좌표계 값으로 변환하는 회전/정지 좌표 변환부; 및
상기 회전/정지 좌표 변환부로부터의 출력을 이용하여 증폭 제어 신호를 생성하는 증폭 제어 신호 발생부
를 포함하는 고주파 펄스 전원 장치.
- 청구항 3에 있어서, 상기 전역 통과 필터는,
역방향 검출전압값과 환류되는 역위상의전압값을 승산하는 승산기;
상기 승산기의 출력 중 저역분을 통과시키는 저역 통과 필터;
상기 저역 통과 필터의 출력을 비례적분하여 출력하는 PI 제어기;
운전주파수를 이용하여 위상각을 계산하는 위상각 계산기;
상기 PI 제어기의 출력과 상기 위상각을 가산하는 가산기;
상기 가산기의 출력에 코사인값을 승산하여 상기 역위상의전압값을 출력하는 코사인값 계산기
를 포함하는 고주파 펄스 전원 장치.
- 청구항 3에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 증폭 제어 신호를 이용하여 상기 고주파 전력 증폭기의 출력 레벨을 소정의 설정값에 도달하도록 전류 제어를 통해 조정하는 것을 특징으로 하는 고주파 펄스 전원 장치.
- 청구항 3에 있어서,
상기 선형 직류 전압 레귤레이터는, 복수의 앰프가 케스케이드 방식으로 결합되는 것을 특징으로 하는 고주파 펄스 전원 장치.
- 청구항 6에 있어서, 상기 선형 직류 전압 레귤레이터는,
상기 레귤레이터 제어 신호에 제어되어 DC/DC 컨버터로부터 출력되는 직류 전압을 소정 레벨의 전압으로 증폭시키는 저전력 앰프; 및
상기 저전력 앰프의 출력에 의해 구동되어 소정 레벨의 전류 증폭을 통해 소정 레벨의 전력으로 증폭시키는 복수의 드라이버 앰프
를 포함하는 고주파 펄스 전원 장치.
- 청구항 7에 있어서,
상기 저전력 앰프 및 복수의 드라이버 앰프는 적어도 일부가 서로 다른 전위를 가진 전압원에 의해 전원을 공급받는 것을 특징으로 하는 고주파 펄스 전원 장치.
- 고주파 부하에 고주파 펄스를 인가하는 고주파 펄스 전원 장치의 운전 방법에 있어서,
컨트롤러로부터 출력되는 컨버터 제어 신호에 따라 DC/DC 컨버터가 정류 전압을 직류 전압으로 변환하는 단계;
컨트롤러로부터 출력되는 레귤레이터 제어 신호에 제어되어 선형 직류 전압 레귤레이터가 상기 DC/DC 컨버터로부터 출력되는 직류 전압을 이용하여 소정 레벨의 전압 및 전류를 증폭하여 펄스 형태의 가변 직류 전압을 생성하는 단계; 및
상기 선형 직류 전압 레귤레이터로부터 출력되는 가변 직류 전압을 증폭 제어 신호에 따라 증폭하여 펄스 상의 고주파 전력 신호를 생성하는 단계
를 포함하는 고주파 펄스 전원 장치의 운전 방법.
- 청구항 9에 있어서,
상기 증폭 제어 신호는 상기 센서로부터 출력되는 전기적 검출 신호를 회전 좌표 변환을 통해 순방향 전력과 반사 전력의 크기를 제어하는 신호인 것을 특징으로 하는 고주파 펄스 전원 장치의 운전 방법.
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|---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210160814A KR20230073919A (ko) | 2021-11-19 | 2021-11-19 | 고주파 펄스 전원 장치 및 그의 운전 방법 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family
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| KR1020210160814A KR20230073919A (ko) | 2021-11-19 | 2021-11-19 | 고주파 펄스 전원 장치 및 그의 운전 방법 |
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101519319B1 (ko) | 2012-09-05 | 2015-05-11 | 가부시끼가이샤교산세이사꾸쇼 | 직류전원장치, 직류전원장치의 제어방법 |
| KR101609107B1 (ko) | 2013-09-27 | 2016-04-04 | 가부시끼가이샤교산세이사꾸쇼 | 직류전원장치, 직류전원장치의 제어방법 |
-
2021
- 2021-11-19 KR KR1020210160814A patent/KR20230073919A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101519319B1 (ko) | 2012-09-05 | 2015-05-11 | 가부시끼가이샤교산세이사꾸쇼 | 직류전원장치, 직류전원장치의 제어방법 |
| KR101609107B1 (ko) | 2013-09-27 | 2016-04-04 | 가부시끼가이샤교산세이사꾸쇼 | 직류전원장치, 직류전원장치의 제어방법 |
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