[논문]3상 PFC 부스트 컨버터를 채용한 상압플라즈마 세정기용 고역률 정형파 펄스 출력형 전원장치에 관한 연구

한희민; 김민영; 서광덕; 김준석

3상 PFC 부스트 컨버터를 채용한 상압플라즈마 세정기용 고역률 정형파 펄스 출력형 전원장치에 관한 연구
A Study On High Power Factor Sine Pulse Type Power Supply For Atmospheric Pressure Plasma Cleaning System with 3-Phase PFC Boost Converter 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.14 no.1, 2009년, pp.72 - 81

한희민 (이엔테크놀로지(주)) , 김민영 ((주)에이치디전력기술단) , 서광덕 (이엔테크놀로지(주) 연구소) , 김준석 (인천대 전기공학과)

초록
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본 논문에서는 대기압 플라즈마 발생용 정현파펄스형 교류 전원 장치에 대한 연구를 진행하였다. 정현파펄스형 전원장치는 기존의 LC공진을 이용한 교류 전원장치보다 높은 dv/dt를 갖게 되므로 안정적인 플라즈마 공급이 가능하며 펄스형에 비해 고조파 노이즈가 적고, 정전류 턴온-영전압 턴오프 형태로 동작하므로 매우 높은 효율을 갖는다. 또한 플라즈마 점화 기능을 강화하고 안정적인 전압제어를 위해 3상 부스트형 컨버터를 입력단에 사용하여 입력 역률이 매우 높은 시스템을 구성할 수 있다. 실험실 수준의 10kW부하시설을 사용하여 본 연구의 결과를 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents quasi-resonant type high power factor ac power supply for atmospheric pressure plasma cleaning system adopting three phase PFC boost converter and it's control method. The presented ac power supply consists of single phase H-bridge inverter, step-up transformer for generating high voltage and three phase PFC boost converter for high power factor on source utility. Unlikely to the traditional LC resonant converter, the propose one has an inductor inside only. A single resonant takes place through the inside inductor and the capacitor from the plasma load modeled into two series capacitor and one resistance. The quasi-resonant can be achieved by cutting the switching signal when the load current decrease to zero. To obtain power control ability, the propose converter controlled by two control schemes. One is the changing output pulse period scheme in the manner of PFM(Pulse Frequency Modulation) control. On the other, to provide more higher power to load, the DC rail voltage is directly controlled by the 3-phase PFC boost converter. The significant merits of the proposed converter are the uniform power providing capability for high quality plasma generation and low reactive power in AC and DC side. The proposed work is verified through digital simulation and experimental implementation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 플라즈마 전원 장치의 응용도를 높이고 보다 큰 전력을 부하에 공급시키기 위한 목적으로 DC 전압을 가변하는 PAM(Pulse Amplitude Modulation)기법을 도입하였다. DC 전압을 제어하는 방식은 여러 가지가 있을 수 있으나 본 연구에서는 전원의 역률을 획기적으로 높이면서 아울러 DC전압을 자유로이 제어할 수 있는 3상 PFC(Power Factor Correction) 부스트 컨버테를 도입하여 여러 가지목적을 두루 달성하도록 연구를 진행하였다.
본 논문에서 제안한 정현파 펄스 형 전원장치의 동작특성을 보이기 위해 실 부하를 이용한 실험을 진행하였다. 플라즈마 세정장치에 사용하도록 개발 되어진 전원 장치이므로 세정효과에 대한 검증이 필요하지만 현재 이를 검증할 수 있는 유일한 방법이 '접촉각' 측정방법이며 이마저도 공인된 방법이 아니기 때문에 최종적인 동작 검증은 다음을 기약하기로 하고, 본 장에서는 제안된 전원 장치의 동작성능 및 이론적 적합성 등을 검증하는데 중점을 두었다.
본 논문에서는 고성능 상압 플라즈마 발생장치에 적용하는 정현파 고역률 펄스 형 교류 전원장치를 제안하였다. 기존의 LC 공진 형과는 달리 부하의 커패시터를직접 공진에 사용함으로써 매우 높은 dv/dt를 갖기 때문에 고밀도 플라즈마를 발생시키기에 적합하며 기존의 펄스형과는 달리 정현파에 가까운 불연속 공진 전류를 부하에 인가함으로써 안정된 출력을 얻을 수 있는 장점이 있다.
본 논문에서는 상압 플라즈마 발생에 적합한 새로운 방식의 정현파 펄스 출력형 전원 장치를 제안한다. 새로운 전원 장치는 크게 3상 PFC(Power Factor Control) 기능을 갖는 승압 컨버터와 H-Bridge 방식의 단상 인버터, 그리고 하나의 내장 인덕턴스 및 승압용 변압기로 구성된다.
이때마다 변압기의 권선을 바꿀 수는 있으나 전원장치의 응용성이 매우 떨어지는 문제가 있다. 본 연구에서는 플라즈마 전원 장치의 응용도를 높이고 보다 큰 전력을 부하에 공급시키기 위한 목적으로 DC 전압을 가변하는 PAM(Pulse Amplitude Modulation)기법을 도입하였다. DC 전압을 제어하는 방식은 여러 가지가 있을 수 있으나 본 연구에서는 전원의 역률을 획기적으로 높이면서 아울러 DC전압을 자유로이 제어할 수 있는 3상 PFC(Power Factor Correction) 부스트 컨버테를 도입하여 여러 가지목적을 두루 달성하도록 연구를 진행하였다.

가설 설정

그림 16. 은 출력 주파수가 40kHz일 때의 파형이며 그림 17. 은출력 주파수가 30kHz에서의 파형이다. 시험에서와 같이 필요로 하는 DC 전압을 설정한 후에 출력 주파수를 변동하여 부하에 인가되는 평균 전력을 제어할 수 있다.

제안 방법

좌측에는 플라즈마 방전을 간이실험 할 수 있도록 유전체 장벽 방전 전극을 설치하였고 가운데는 본 연구를 통해 제작된 정현파 펄스 출력 전원 장치이다. 20kV의 전압 측정이 가능한 고전압 프로브(Probe)와 전류 앰프를이용하여 파형을 측정하였다. 대기압 플라즈마발생장치가 동작하면 상당한 양의 오존이 발생하므로 실제실험에 임할 때에는 격리된 챔버에 플라즈마 발생부를밀폐시켜서 실험하였으며 별도의 공정용 가스(Gas)는사용하지 않았다.
현재에는 전원장치 자체의 특성에 대한 연구만이 진행되었지만 향후 주변 여건의 발달과 함께 응용분야에서의 동특성에 대한 구체적 연구가 보다 원활하게 진행될 수 있을 것으로 기대된다. 끝으로 표2.에 현재 산업계에 실용화 되고 있는 상압 플라즈마용 전원장치의 간략한 비교표를 수록하였다.
기존의 LC 공진 형과는 달리 부하의 커패시터를직접 공진에 사용함으로써 매우 높은 dv/dt를 갖기 때문에 고밀도 플라즈마를 발생시키기에 적합하며 기존의 펄스형과는 달리 정현파에 가까운 불연속 공진 전류를 부하에 인가함으로써 안정된 출력을 얻을 수 있는 장점이 있다. 또한, 동작 전압이 다른 여러가지 부하에 손쉽게 적용하고 초기 플라즈마 이그니션(점화) 동작을 원활하게 하기 위하여 3상 부스트 컨버터를 입력단에 적용하였으며 PFC 기능을 이용하여 역률을 크게 개선시켰다.
이때 일정한 LC로 인하여 공진 주파수가 일정하게 유지되며 연속으로 공진을일으키면 출력 주파수가 고정되는 문제가 있다. 본 연구에서는 연속적인 공진 대신 전류의 크기를 검출하여준공진 형태의 불연속 공진을 발생시키고 공진과 공진 사이의 간격을 조절하여 전력을 제어하는 방식을 도입하였다.
이때의 부하 전압과 부하전류 파형을 그 아래 단에 표시하였다. 시간 축이 매우 길기 때문에 자세한 파형의 관찰을 위하여 부하전압 파형의 원호 부분을 확대하여 아랫단 그림에 도시하였다. 전압을 가변함에 따라 출력전압이 변동하고 플라즈마 방전이 개시되면서 부하전류가 급격하게 증가하는 것을 볼 수 있다.
출력제어의 기본알고리즘은 출력펄스의 인가 주기를 변경하여 에너지밀도를 높이는 방법과 DC 전압을 제어하여 출력을 제어하는 기법 두 가지를 혼용하여 사용한다. 제안되는 방식은 기존 LC 공진 방식과는 다르게 준공진을 이용 하므로 공진이 연속적으로 일어나지 않으며 PWM 출력 펄스의 폭을 임의로 조절하기가 어렵다. 따라서 펄스를 인가하는 주기를 변경하는 일종의 PFM(Pulse Frequency Modulation)방법을 사용하여 출력을 조절한다.
또한, 기본적으로 매우 높은 공진주파수를 갖기 때문에 상대적으로 높은 dv/dt를 갖는 정현파 출력이 부하에 인가됨으로써 매우 안정적인 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 제안된 컨버터는 출력제어의 자유도를 높이기 위하여 두 가지 방식의 제어 알고리즘이 적용되었다. 출력제어의 기본알고리즘은 출력펄스의 인가 주기를 변경하여 에너지밀도를 높이는 방법과 DC 전압을 제어하여 출력을 제어하는 기법 두 가지를 혼용하여 사용한다.
에는 전형적인 3상 PFC 부스트 컨버터가 도시되어 있다. 제어 방식은 전통적인 상전압기준 벡터 제어 방식을 도입하였으며 DC 전압을 400-800V 사이로 제어할 수 있도록 알고리즘을 구성하였다.
없다. 제어기는 32Bit DSP(Digital Signal Process)로구성된 전용제어기를 사용하였으며 FPGA를 사용하여대부분의 기능을 하드웨어적으로 처리하도록 시스템을 구성하였다. 제안된 전원 장치의 주요 구성요소에대한 제정수를 표.
플라즈마 세정장치에 사용하도록 개발 되어진 전원 장치이므로 세정효과에 대한 검증이 필요하지만 현재 이를 검증할 수 있는 유일한 방법이 '접촉각' 측정방법이며 이마저도 공인된 방법이 아니기 때문에 최종적인 동작 검증은 다음을 기약하기로 하고, 본 장에서는 제안된 전원 장치의 동작성능 및 이론적 적합성 등을 검증하는데 중점을 두었다. 그림 11.

대상 데이터

는 실 부하 실험 장치의 구성을 보여준다. 좌측에는 플라즈마 방전을 간이실험 할 수 있도록 유전체 장벽 방전 전극을 설치하였고 가운데는 본 연구를 통해 제작된 정현파 펄스 출력 전원 장치이다. 20kV의 전압 측정이 가능한 고전압 프로브(Probe)와 전류 앰프를이용하여 파형을 측정하였다.

이론/모형

제안되는 방식은 기존 LC 공진 방식과는 다르게 준공진을 이용 하므로 공진이 연속적으로 일어나지 않으며 PWM 출력 펄스의 폭을 임의로 조절하기가 어렵다. 따라서 펄스를 인가하는 주기를 변경하는 일종의 PFM(Pulse Frequency Modulation)방법을 사용하여 출력을 조절한다. 한편, 공진주파수 이상으로 줄력 주파수가 변동할 수 없는 경우이거나 부하가 변동되는 경우에는 3상 PFC의 전압 부스트 기능을 사용하여 DC 전압을 제어함으로써 전력 제어의 자유도를 크게 개선 시켰다.

성능/효과

둘f째, 커패시터의 충전 무효전력을 극복할 수 있는충분한 전류 내량을 가져야 하며, 부하의 형태에 따라임피던스의 변화가 심한 플라즈마 세정기의 특성상 부하 임피던스 변동에 대해 안정적이어야 한다.
통상적으로 부하의 커패시턴스가 수 nF 단위이므로 내장된 인덕턴스에 가변탭을 붙여서 인덕턴스를 가변함으로써 100kHz 정도의고주파 공진이 가능하다. 따라서 기존의 LC공진 방식에 비해 상대적으로 높은 dv/dt를 얻을 수 있으며, 펄스 형에 비해 전류가 정현파 형태로 인가되어 안정적인 전력 공급이 가능하므로 플라즈마 전원장치에 매우적합한 출력을 얻을 수 있다. 또한 공진으로 발생된전류가 직접 부하 C에 흐르기 때문에 공진전류가 곧부하전류가 되어 전통적인 LCQ공진 방식에 비하여 무효전력을 최대한 억제할 수 있다.
전압을 가변함에 따라 출력전압이 변동하고 플라즈마 방전이 개시되면서 부하전류가 급격하게 증가하는 것을 볼 수 있다. 실험에서 확인할 수 있는 바와 같이 제안된 대기압 플라즈마 전원 장치가 매우 안정된 동작을 하는 것을 알 수 있다.
제안된 방식은 기본적으로 높은 dv/dt를 갖는 정현파 펄스를 부하에 인가하여 플라즈마를 발생시키는 방법으로 기존의 LC 공진 형과 펄스 출력형 전원장치의 장점을 모두 수용한 우수한 특성을 갖게 되며 시뮬레이션과 실험을 통하여 제안된 전원 장치의 우수성을 입증하였다.
츳! 째, 플라즈마의 방전 메커니즘에서 플라즈마의 균일성을 확보하기 위해 출력 전압은 높은 dv/dt를 가져야 한다. 낮은 dv/dt는 플라즈마 방전과 밀도의 불균일을 초래하여 세정 효과를 감소시킬 수 있다.

후속연구

무엇보다도 응용 분야에서의 큰 문제는 상압 플라즈마 특성 자체에 대한 연구가 계속 진행 중이며 건식 세정 분야에서 세정의 정도를 판단할 수 있는 공인된 방법이 정의되어 있지 않다는 것이다. 현재에는 전원장치 자체의 특성에 대한 연구만이 진행되었지만 향후 주변 여건의 발달과 함께 응용분야에서의 동특성에 대한 구체적 연구가 보다 원활하게 진행될 수 있을 것으로 기대된다. 끝으로 표2.

참고문헌 (11)

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상세보기
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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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