[논문]대칭적인 스위치 구조 기반 RF 플라즈마 시스템 적용 전기적 가변 커패시터

민주화; 채범석; 김현배; 서용석

doi:10.6113/tkpe.2019.24.3.161

대칭적인 스위치 구조 기반 RF 플라즈마 시스템 적용 전기적 가변 커패시터
Electrical Variable Capacitor based on Symmetrical Switch Structure for RF Plasma System 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.24 no.3, 2019년, pp.161 - 168

민주화 (Dept. of Electrical Engineering, Smart Grid Research Center, Chonbuk Nat'l University) , 채범석 (Dept. of Electrical Engineering, Smart Grid Research Center, Chonbuk Nat'l University) , 김현배 (Manufacturing Technology Center, Samsung Electronics) , 서용석 (Dept. of Electrical Engineering, Smart Grid Research Center, Chonbuk Nat'l University)

Abstract ▼ AI-Helper

This study introduces a new topology to decrease the voltage stress experienced by a 13.56 MHz electrical variable capacitor (EVC) circuit with an asymmetrical switch structure applied to the impedance matching circuit of a radio frequency (RF) plasma system. The method adopts a symmetrical switch structure instead of an asymmetrical one in each of the capacitor's leg in the EVC circuit. The proposed topology successfully reduces voltage stress in the EVC circuit due to the symmetrical charging and discharging mode. This topology can also be applied to the impedance matching circuit of a high-power and high-frequency RF etching system. The target features of the proposed circuit topology are investigated via simulation and experiment. Voltage stress on the switch of the EVC circuit is successfully reduced by more than 40%.

주제어

표/그림 (22)

그림 Fig. 1. Block diagram of RF plasma system.
그림 Fig. 2. RF plasma circuit with EVC using multi leg asymmetrical switch structure.
그림 Fig. 3. Ideal case and real case of EVC circuit. (left : ideal case, right : real case)
그림 Fig. 7. Equivalent circuit of Dnn off and Dpn on during switch turn off – Mode 2. (left : conventional circuit, right : proposed circuit)
그림 Fig. 8. Equivalent circuit of Dnn off and Dpn off during switch turn off – Mode 3. (left : conventional circuit, right : proposed circuit)
그림 Fig. 4. RF plasma circuit with EVC using one leg asymmetrical switch structure.
그림 Fig. 5. Two types of EVC circuit. (left : conventional circuit, right : proposed circuit)
그림 Fig. 6. Equivalent circuit of switch turn on – Mode 1. (left : conventional circuit, right : proposed circuit)
그림 Fig. 9. Equivalent circuit of Dnn on and Dpn off during switch turn off – Mode 4. (left : conventional circuit, right : proposed circuit)
그림 Fig. 11. Steady state analysis of EVC circuit using asymmetrical switch structure.
그림 Fig. 10. Transient analysis of EVC circuit using asymmetrical switch structure.
그림 Fig. 12. Transient analysis of EVC circuit using symmetrical switch structure.
그림 Fig. 13. Steady state analysis of EVC circuit using symmetrical switch structure.
그림 Fig. 14. V_spn of EVC circuit using asymmetrical switch structure in simulation result [50V/div] [2us/div].
그림 Fig. 15. V_spn of EVC circuit using symmetrical switch structure in simulation result [50V/div] [2us/div].
그림 Fig. 16. Circuit configuration.
그림 Fig. 17. Hardware configuration.
표 TABLE I CIRCUIT PARAMETERS OF SIMULATION
그림 Fig. 18. V_spn of EVC circuit using asymmetrical switch structure in experiment result. (300W)
그림 Fig. 19. V_spn and V_snn of EVC circuit using symmetrical switch structure in experiment result. (300W)
그림 Fig. 20. V_spn of EVC circuit using asymmetrical switch structure in experiment result. (500W)
그림 Fig. 21. V_spn and V_snn of EVC circuit using symmetrical switch structure in experiment result. (500W)

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

기존의 전기적 가변 커패시터와 제안된 전기적 가변커패시터를 검증하기 위해 실험을 진행하였다. 그림 16 은 내부 회로의 모습을 나타내고 있으며, 그림 17은 전체 실험 세트를 보여준다.
따라서 본 논문에서는 대칭적인 스위치 구조를 사용하는 새로운 구조의 전기적 가변 커패시터를 제안한다. 대칭적인 스위치 구조로 인해 각 스위치 레그에서 커패시터의 충전 및 방전은 대칭방식으로 이루어지므로 커패시터에서 DC 오프셋 전압이 거의 영에 가깝게 된다.
다음 그림과 같이 비대칭적인 스위치 구조를 갖는 전기적 가변 커패시터 회로의 경우 스위치(S伽)와 커패시터(G)에 높은 전압 스트레스를 유발한다. 따라서 본 논문에서는 스위치의 전압과 커패시터의 전압을 줄이기 위해서 대칭적인 스위치 구조를 사용하는 전기적 가변 커패시터를 제안한다. 그림 5는 기존의 비대칭적인 구조를 사용하는 전기적 가변 커패시터와 제안된 대칭적인 구조를 사용하는 전기적 가변 커패시터를 보여준다.
본 논문에서는 13.56Mhz의 고출력 RF 플라즈마 시스템에 대칭적인 스위치 구조를 적용한 새로운 전기적 가변 커패시터 회로를 제안한다. 제안된 전기적 가변 커패시터 회로는 비대칭 스위치 구조를 갖춘 최첨단 전기적 가변 커패시터 회로에서 볼 수 있는 고전압 스트레스 문제를 성공적으로 해결했다.

가설 설정

스위치가 켜져 있는 동안에는 출력전압(Vs)과 커패시터(G)의 전압은 동일하다. 그림 10에서 커패시터에 흐르는 전류(負이 양일 때 스위치는 꺼진다고 가정한다. 반대의 경우, 즉 커패시터 전류(姦)가 음일 때 스위치가 꺼져도 동일한 최종결과가 도출된다.

제안 방법

그림 16 은 내부 회로의 모습을 나타내고 있으며, 그림 17은 전체 실험 세트를 보여준다. RF 주파수의 특성을 고려하여 임피던스의 영향이 작은 무유도 저항과 구리판을 이용해서 임피던스의 영향을 최소화하였다. 또한 스위치를 동작시키기 위한 게이트 드라이버를 최대한 가깝게 위치시켜서 임피던스의 영향을 최소화하는 방법으로 회로를 설계하였다.
시뮬레이션에 대한 파라미터 값은 표 1에 나열되어 있다. 다이오드와 스위치의 기생 커패시턴스의 값은 반도체 제조사에서 제공하는 일반적인 값으로 설정하였다. 그림 3에서 알 수 있듯이 전원장치는 50Q의 저항을 갖고 있는 것으로 등가화 되며 부하는 직렬연결된 저항 및 커패시터와 인덕터의 직렬연결로 묘사할 수 있다.
RF 주파수의 특성을 고려하여 임피던스의 영향이 작은 무유도 저항과 구리판을 이용해서 임피던스의 영향을 최소화하였다. 또한 스위치를 동작시키기 위한 게이트 드라이버를 최대한 가깝게 위치시켜서 임피던스의 영향을 최소화하는 방법으로 회로를 설계하였다. 또한 회로 외부의 EMI 차단을 위해 구리판으로 케이스를 설치하였으며, 가변 AC 전원장치는RF 전원장치에 전압을 인가한다.
하지만 스위치의 전압 정격이 낮아지면 전체 전기적 가변 커패시터 회로의 비용과 부피를 감소할 수 있다. 본 논문에서는 기존의 비대칭구조의 전기적 가변 커패시터 회로와 대칭구조의 전기적 가변 커패시터 회로를 회로분석을 통해 설명하고 시뮬레이션 및 실험을 통해 대칭 구조 회로의 장점을 검증한다.
실험 파라미터는 표 1에서 제시한 시뮬레이션과 동일하게 구성하였으며 입력전력의 범위는 300W에서 500W 까지 실험을 진행했다. 그림 18부터 그림 21까지 대표적인 실험결과 파형인 300W와 500W에서의 실험 결과를 보여준다.

이론/모형

스트레스를 검증한다. 시뮬레이션은 전력전자 시뮬레이션 도구인 PLECS를 사용했다. 시뮬레이션에 대한 파라미터 값은 표 1에 나열되어 있다.

성능/효과

이 Sm이 가지는 음의 오프셋 전압으로 인해 Dm이 꺼질 수 있다. 결과적으로, 대칭적인 스위치 구조는 대칭적인 충전과 방전 전류의 경로를 제공하여 2개의 다이오드(Dm, Dpn)가 스위치의 바이어스 전압만 가지고 꺼지는 동작을 할 수 있게 된다. 또한 다이오드를 꺼진 상태로 만들기 위한 바이어스 전압이 스위치에 걸리게 되므로 커패시터(Cn)에는 영의 오프셋 전압이 걸리게 되어 Cn의 전압 스트레스 또한 감소시킬 수 있다.
제안된 전기적 가변 커패시터 회로는 비대칭 스위치 구조를 갖춘 최첨단 전기적 가변 커패시터 회로에서 볼 수 있는 고전압 스트레스 문제를 성공적으로 해결했다. 대칭적인 스위치 구조를 사용함으로써 스위치 레그의 전압이 대칭적으로 충전 및 방전하여 효과적으로 스위치의 전압 스트레스를 저감할 수 있다는 것을 확인하였다. 시뮬레이션과 실험은 제안된 대칭적인 스위치 구조의 전기적 가변 커패시터가 스위치의 전압스트레스를 40%이상 저감시킨다는 것을 성공적으로 검증하였다.
대칭적인 스위치 구조를 사용한 전기적 가변 커패시터의 경우 대칭적인 구조로 인해 양쪽의 스위치가 다이오드를 꺼진 상태로 동작하게 만들 바이어스 전압을 나눠 갖게 되며 이때는 스위치의 전압이 약 157V이다. 두 개의 시뮬레이션 결과에서 확인할 수 있듯이 제안된 대칭적인 구조의 전기적 가변 커패시터 회로를 사용하면 스위치의 전압이 약 49% 감소함을 검증했다.
실험결과에서 알 수 있듯이 스위치의 전압 스트레스가 약 40% 정도 감소되는것을 확인할 수 있다. 따라서 실험은 대칭적인 스위치구조를 사용한 전기적 가변 커패시터를 사용하면 스위치의 전압 스트레스를 저감할 수 있음을 성공적으로 검증하였다.
이것은 대칭적인 스위치 구조를 사용하면 커패시터에 걸리는 전압 스트레스가 감소되는 것을 의미한다. 또한, 기존의 비대칭적인 구조를 사용하는 전기적 가변 커패시터와 비교하여 제안된 토폴로지는 전력 반도체 스위치의 전압 스트레스를 감소시킨다. 스위치의 개수는 비대칭적인 구조를 사용하는 전기적 가변 커패시터에 비해 2배가 된다.
대칭적인 스위치 구조를 사용함으로써 스위치 레그의 전압이 대칭적으로 충전 및 방전하여 효과적으로 스위치의 전압 스트레스를 저감할 수 있다는 것을 확인하였다. 시뮬레이션과 실험은 제안된 대칭적인 스위치 구조의 전기적 가변 커패시터가 스위치의 전압스트레스를 40%이상 저감시킨다는 것을 성공적으로 검증하였다. 제안된 전기적 가변 커패시터 회로는 고주파 고전력 RF 플라즈마 시스템에 적용하기 용이하며, 임피던스 매칭 회로의 비용 및 볼륨을 줄이는데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
500W에서의 실험결과에서는 비대칭적인 스위치 구조의 전기적 가변 커패시터의 경우에는 그림 20에서 알 수 있듯이 스위치(Spn)의 전압이 280V이고 대칭적인 스위치 구조의 전기적 가변 커패시터의 경우에는 그림 21에서 볼 수 있듯이 스위치(Spn)의전압이 170V가 걸리게 된다. 실험결과에서 알 수 있듯이 스위치의 전압 스트레스가 약 40% 정도 감소되는것을 확인할 수 있다. 따라서 실험은 대칭적인 스위치구조를 사용한 전기적 가변 커패시터를 사용하면 스위치의 전압 스트레스를 저감할 수 있음을 성공적으로 검증하였다.
56Mhz의 고출력 RF 플라즈마 시스템에 대칭적인 스위치 구조를 적용한 새로운 전기적 가변 커패시터 회로를 제안한다. 제안된 전기적 가변 커패시터 회로는 비대칭 스위치 구조를 갖춘 최첨단 전기적 가변 커패시터 회로에서 볼 수 있는 고전압 스트레스 문제를 성공적으로 해결했다. 대칭적인 스위치 구조를 사용함으로써 스위치 레그의 전압이 대칭적으로 충전 및 방전하여 효과적으로 스위치의 전압 스트레스를 저감할 수 있다는 것을 확인하였다.
하지만 시뮬레이션에서는 기생성분을 고려하지 않은 이상적인 시스템이기 때문에 실험과 시뮬레이션에서 다소 차이가 발생할 수 있다. 하지만 시뮬레이션과 실험결과모두 스위치의 전압 스트레스를 저감할 수 있다는 것을 검증하였다.

후속연구

시뮬레이션과 실험은 제안된 대칭적인 스위치 구조의 전기적 가변 커패시터가 스위치의 전압스트레스를 40%이상 저감시킨다는 것을 성공적으로 검증하였다. 제안된 전기적 가변 커패시터 회로는 고주파 고전력 RF 플라즈마 시스템에 적용하기 용이하며, 임피던스 매칭 회로의 비용 및 볼륨을 줄이는데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

참고문헌 (12)

W. E. McKinzie, "Method and apparatus for adaptive impedance matching," U.S. Patent 10 050 598, Aug. 14, 2018.
W. Glazek and R. Bugyi, "Plasma impedance matching for supplying RF power to a plasma load," U.S. Patent 0 053 633, Feb. 22, 2018.
G. C. Martins and W. A. Serdijn, "Multistage compleximpedance matching network analysis and optimization," IEEE Transactions on circuits and system, Vol. 63, No. 9, Sep. 2016.
C. Jiang, C. Hu, Y. Xie, S. Chen, Q. Cui, and Y. Xie, "Analysis and experimental study of impedance matching characteristic of RF ion source on neutral beam injector," IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 46, No. 7, Jul. 2018.

상세보기
I. A. Bhutta, "RF impedance matching network," U.S. Patent 9 196 459, Nov. 24, 2015.
C. C. Mason, "High frequency solid state switching for impedance matching," U.S. Patent 8 436 643, Nov. 3, 2010.
F. Maier, "Impedance matching," U.S. Patent 8 542 076, Sep. 9, 2010.
G. J. Van Zyl and G. G. Gurov, "Impedance-matching network using BJT switches in variable-reactance circuit," U.S. Patent 8 416 008, Apr. 9, 2013.
Y. Ni, S. Pervaiz, M. Chan, and K. K. Afridi, "Energy density enhancement of stacked switched capacitor energy buffers through capacitance ratio optimization," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 32, No. 8, Aug. 2017.

상세보기
Y. Mahnashi and F. Z. Peng, "Generalization of the fundamental limit theory in switched-capacitor converter," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 32, No. 9, Sep. 2017.
V. Sreenath and B. George, "An improved closed-loop switched capacitor capacitance-to-frequency converter and its evaluation," IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 67, No. 5, May 2018.

상세보기
Y. Xu and P. R. Kinget, "A chopping switchedcapacitor RF receiver with integrated blocker detection," IEEE Journal of Solid-State Circuit, Vol. 53, No. 6, Jun. 2018.

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증