[논문]양방향 스위치 기반 RF플라즈마 시스템 적용 전기적 가변 커패시터

민주화; 채범석; 서용석; 김진호; 김현배

양방향 스위치 기반 RF플라즈마 시스템 적용 전기적 가변 커패시터
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민주화 (전북대학교 공과대학 전기공학과) , 채범석 (전북대학교 공과대학 전기공학과) , 서용석 (전북대학교 공과대학 전기공학과) , 김진호 (삼성전자 생산기술연구소) , 김현배 (삼성전자 생산기술연구소)

최근 다양한 산업응용분야에서 가변커패시터의 필요성은 점점 증가하고 있다. 특히 고전력 RF플라즈마 시스템에서 임피던스 정합 회로에 사용되는 가변커패시터는 빠른 고전압 차단능력이 요구된다. 본 논문에서는 RF플라즈마 시스템의 임피던스 정합 회로에 활용되는 단방향 스위치를 사용한 전기적 가변 캐패시터 (Electrical Variable Capacitor, 이하 EVC) 회로의 전압 스트레스를 저감하는 방법에 대해서 제안한다. 제안된 방법은 13.56Mhz의 주파수와 1kW이상의 고전력 RF플라즈마 시스템에서 단방향 스위치의 전압 스트레스를 양방향스위치를 사용한 EVC 회로를 활용하여 저감한다. 본 논문에서 제안된 방법으로 전압 스트레스가 감소하여 EVC 회로를 고전력 초고속 RF플라즈마 시스템의 임피던스 정합 회로에 좀 더 효과적 으로 적용할 수 있게 된다. 시뮬레이션 및 실험을 통해 EVC 회로의 스위치에 걸리는 전압 스트레스가 40%이상 저감되는 것을 검증하였다.

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 단방향스위치를 사용한 EVC회로를 양방향 스위치를 사용한 EVC회로로 바꾸는 것을 제안한다. 양방향 스위치를 사용하여 기존의 단방향스위치에 걸리는 전압 쏠림 문제를 해결하고 이를 시뮬레이션과 실험으로 검증한다.
본 논문은 RF plasma system에 사용되는 양방향 스위치를 사용한 EVC회로를 제안하였다. 제안된 양방향 스위치를 사용한 EVC회로는 기존의 회로에서 스위치에 전압쏠림 현상이 일어나는 한계를 극복했다.

제안 방법

단방향 EVC회로와 양방향 EVC회로에서 스위치의 전압 스트레스가 감소하는 것을 시뮬레이션으로 검증하기 위해 그림 8과 같은 회로를 시뮬레이션에서 구성하였다. 또한 표 1은 simulation parameter를 보여준다.
그림 3의 단방향 스위치를 사용한 EVC회로는 스위치에 전압 쏠림 현상이 일어나게 되어 고전력 어플리케이션에서 적용이 어렵다. 따라서 그림 4의 왼쪽의 단방향 스위치를 사용한 EVC회로를 그림 4의 오른쪽의 양방향 스위치를 사용한 EVC회로로 변경을 제안한다.
부하는 회로해석, 시뮬레이션 및 실험을 위해 고정부하로 나타내었다. 또한 임피던스 정합을 하기 위해서는 EVC회로가 병렬로 여러개 연결^[1,2]되어야 하지만 본 논문에서는 스위치의 전압을 중점적으로 보기위해 하나의 leg만 사용하였다.
스위치에 걸리는 전압 스트레스를 해석하기 위해 단방향 스위치를 사용한 EVC회로와 양방향 스위치를 사용한 EVC회로의 회로해석을 수행한다. 그림 5는 회로해석을 하기 위한 시뮬레이션 회로를 보여주며, 그림 6과 7은 각각 단방향과 양방향 EVC회로의 과도상태 해석을 보여준다.
따라서 본 논문에서는 단방향스위치를 사용한 EVC회로를 양방향 스위치를 사용한 EVC회로로 바꾸는 것을 제안한다. 양방향 스위치를 사용하여 기존의 단방향스위치에 걸리는 전압 쏠림 문제를 해결하고 이를 시뮬레이션과 실험으로 검증한다.

성능/효과

그림 9의 시뮬레이션 결과는 단방향스위치를 사용한 EVC회로에서 스위치에 걸리는 전압스트레스보다 양방향 스위치를 사용한 EVC회로에서 스위치에 걸리는 전압 스트레스가 확연히 줄어드는 것을 성공적으로 검증하였다.
그림 11에서 단방향 스위치에 걸리는 전압은 140V이고 그림 12에서 양방향 스위치에 걸리는 전압은 80V이다. 실험결과를 토대로 양방향 스위치를 사용하면 스위치의 전압 스트레스를 40%이상 낮출 수 있음을 검증하였다.
제안된 양방향 스위치를 사용한 EVC회로는 기존의 회로에서 스위치에 전압쏠림 현상이 일어나는 한계를 극복했다. 이는 시뮬레이션과 실험에서 스위치의 전압 스트레스를 40%이상 저감되는 것을 성공적으로 검증되었다. 따라서 양방향 스위치를 사용한 EVC회로를 초고속, 고전력 RF plasma system의 임피던스 정합 회로에 좀 더 효과적으로 적용할 수 있다.
본 논문은 RF plasma system에 사용되는 양방향 스위치를 사용한 EVC회로를 제안하였다. 제안된 양방향 스위치를 사용한 EVC회로는 기존의 회로에서 스위치에 전압쏠림 현상이 일어나는 한계를 극복했다. 이는 시뮬레이션과 실험에서 스위치의 전압 스트레스를 40%이상 저감되는 것을 성공적으로 검증되었다.

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