플라즈마 발생용 전원 시스템에 적용되는 DC-DC 컨버터에 관한 연구

Abstract

본 논문에서는 플라즈마 발생용 전원시스템에 적용 가능한 새로운 고주파 링크 2차측 위상 시프트 PWM 제어 소프트 스위칭 DC-DC 컨버터의 회로 토폴로지와 FPGA 디바이스에 의한 제어 회로계를 제시하고, 시뮬레이션 및 실험을 통하여 그 유효성을 증명하였으며, 도출된 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째로, 반도체 제조에 사용되는 플라즈마 발생용 전원 시스템에 있어서, 고주파 링크 2차측 위상 시프트 PWM 제어 소프트 스위칭 DC-DC 컨버터는 수 10[MHz] 주파수 대역 고주파 선형 전력 증폭기와 조합하여 사용하는 전원 시스템에서의 정전압 제어, 수 MHz의 고주파 스위칭 전력 증폭기와 함께 사용되는 전원 시스템에서 정전력 제어의 특성을 밝혀 효과가 나타났다. 둘째로, 2차측 스위치와 다이오드 대신 신형 원칩 역저지IGBT를 적용할 수 있음을 확인하여 2차측 정류 제어 회로의 간략화와 소형화를 도모할 수 있는 가능성을 나타냈다. 셋째로 전부하 영역에서 소프트 스위칭을 행함에 있어서, 무손실 스너버 커패시터가 없는 하드 스위칭 동작과 무손실 스너버 커패시터와 고주파 변압기의 기생 인덕터 파라미터와 2차측 액티브 스위치에 의한 소프트 스위칭 동작을 비교하였다. 저출력 전력 설정 시에 본 논문에서 제안한 회로에 1차측 데드 타임 PWM과 2차측 위상 시프트 PWM을 조합한 듀얼 모드 변조 제어의 적용이 유효한 것을 확인하였다. 앞에 서술한 특징과 같이 제안한 고주파 링크 2차측 위상 시프트 PWM 제어 소프트 스위칭 DC-DC 컨버터는 많은 장점을 가지고 있으며, 몇 kW급 소용량 고체 고분자형 연료 전지 시스템, 신에너지를 이용한 시스템 등의 전력 제어 인터페스 회로로 소형 경량화, 고효율화 및 저노이즈화에 유효한 회로 방식임을 확인할 수 있다. 게다가 고주파 링크 2차측 위상 시프트 PWM 제어 소프트 스위칭 DC-DC 컨버터의 각 고주파 변압기 탭 부착 인덕터를 사용하는 병렬 출력방식 회로 변형 토폴로지 및 높은 출력 전압에 적합한 2채널 직렬 출력 회로 방식 및 이중 출력 채널 독립 제어 회로 변형을 나타내고 제어 방법 및 동작 원리를 설명하고 정상 특성 및 과도 특성의 시뮬레이션 분석을 통해 성능 평가 검토를 실시하여 그 효과를 밝혔다.