KR20060076653A - High pressure pulse generator - Google Patents
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Abstract
반도체 스위치 스택을 이용한 플라즈마 소스 이온 주입(Plasma Source Ion Implantation, 이하 PSII)용 고압펄스 발생장치가 개시된다. 이를 위하여, 상용전압으로부터 가변 AC전압을 만들어 고압으로 승압하고, 상기 승압된 AC전압을 DC전압으로 정류시킨 후, 상기 정류된 고압 DC전압을 통해 충전되는 커패시터 충전부; 및 IGBT 기반으로 한 스위치 스택(이하, IGBT 스택)을 이용하여 상기 고압충전부를 통해 고압 펄스전압을 발생시키는 펄스발생부를 포함함으로써, 펄스 반복률, 폭과 크기 등에서 높은 유연성을 갖는다.A high pressure pulse generator for plasma source ion implantation (PSII) using a semiconductor switch stack is disclosed. To this end, by making a variable AC voltage from a commercial voltage and boosted to a high voltage, rectifying the boosted AC voltage to a DC voltage, the capacitor charging unit is charged through the rectified high voltage DC voltage; And a pulse generating unit for generating a high voltage pulse voltage through the high voltage charging unit using an IGBT based switch stack (hereinafter, referred to as an IGBT stack), and thus has high flexibility in pulse repetition rate, width and size.
고압펄스, IGBT 스택, 펄스 반복률High Voltage Pulse, IGBT Stack, Pulse Repetition Rate
Description
도 1a는 종래기술에 따른 PFL(Pulse Forming line)방식의 펄스발생기를 나타내는 도면,Figure 1a is a view showing a pulse generator of the pulse forming line (PFL) method according to the prior art,
도 1b는 종래기술에 따른 하드-튜브(hard-tube)방식의 펄스발생기를 나타내는 도면,Figure 1b is a view showing a pulse generator of the hard-tube (hard-tube) method according to the prior art,
도 2는 본 발명에 따른 고압펄스 발생장치를 나타내는 회로도,2 is a circuit diagram showing a high-voltage pulse generator according to the present invention,
도 3은 본 발명에 따른 고압펄스 발생장치를 나타내는 구성도,3 is a block diagram showing a high-pressure pulse generator according to the present invention,
도 4는 본 발명에 따른 IGBT 스택을 나타내는 구성도,4 is a block diagram showing an IGBT stack according to the present invention;
도 5는 본 발명에 따른 고압펄스 발생장치의 변수를 나타내는 도면,5 is a view showing a variable of the high-pressure pulse generator according to the present invention,
도 6은 본 발명에 따른 IGBT 스택을 나타내는 도면,6 illustrates an IGBT stack according to the present invention;
도 7은 본 발명에 적용된 IGBT 스택들 간의 전류분포를 나타내는 그래프,7 is a graph showing the current distribution between the IGBT stacks applied to the present invention;
도 8은 본 발명에 따른 고압펄스 발생장치의 플라즈마 부하에서의 최대출력전압을 나타내는 파형도,8 is a waveform diagram showing the maximum output voltage at the plasma load of the high-voltage pulse generator according to the present invention,
도 9는 본 발명에 따라 고압펄스 발생장치의 플라즈마 부하에서 펄스 폭 변화시 발생되는 파형을 나타내는 도면,9 is a view showing a waveform generated when the pulse width changes in the plasma load of the high-pressure pulse generator according to the present invention,
도 10a 및 도 10b는 고압펄스 발생장치의 플라즈마 부하에서 펄스 반복률 변 화시 발생되는 파형을 나타내는 도면. 10A and 10B are diagrams illustrating waveforms generated when a pulse repetition rate is changed in a plasma load of a high pressure pulse generator.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100 : 충전부 110 : 위상제어기100: charging unit 110: phase controller
120 : 승압변환기 130 : 정류기120: boost converter 130: rectifier
140 : LC필터 200 : 고압펄스 발생부140: LC filter 200: high pressure pulse generator
본 발명은 고압펄스 발생장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 스위치 스택을 이용한 플라즈마 소스 이온 주입(Plasma Source Ion Implantation, 이하 PSII)용 고압펄스 발생장치에 관한 것이다.The present invention relates to a high pressure pulse generator, and more particularly, to a high pressure pulse generator for plasma source ion implantation (PSII) using a semiconductor switch stack.
PSII는 금속과 폴리머 재질의 표면처리를 위한 각광받는 기술의 하나이다. 이러한 PSII는 고압펄스 발생기와 처리될 목표재질이 놓여지는 진공챔버로 구성된다. PSII is one of the hottest technologies for surface treatment of metal and polymer materials. This PSII consists of a high pressure pulse generator and a vacuum chamber in which the target material to be treated is placed.
상기 구성을 토대로 PSII의 기본적인 원리를 간단히 설명하면, 상기 고압펄스 발생기에서 발생된 고압 음극펄스 전압을 상기 진공챔버의 접지와 목표재질 사이에 인가한다. 그러면, 고압 음극펄스 전압이 유지되는 동안 전자들은 쉬스(sheath)를 남기고 목표재질로부터 밀려난다. 이에 따라, 쉬스 밖의 이온들은 가속되어 목표재질에 부딪히게 되고, 그 결과 상기 이온들이 목표재질의 모든 면에 주 입된다.The basic principle of the PSII will be briefly described based on the above configuration. The high-voltage cathode pulse voltage generated by the high-pressure pulse generator is applied between the ground of the vacuum chamber and the target material. Then, while the high voltage cathode pulse voltage is maintained, the electrons are pushed out of the target material, leaving a sheath. As a result, the ions outside the sheath are accelerated to hit the target material, and as a result, the ions are injected into all sides of the target material.
이와 같은 PSII를 이용함으로써, 기존 이온 빔 방법에서 반드시 처리되어야 했던 목표재질의 조작과정이 필요 없어지게 되어 금속, 플라스틱 및 세라믹 등과 같은 물질의 표면성질을 획기적으로 개선하였다. By using such PSII, the process of manipulating the target material, which had to be processed in the conventional ion beam method, was eliminated, thereby dramatically improving the surface properties of materials such as metal, plastic, and ceramics.
그러므로, 최근에는 PSII에서 핵심이 되는 고압발생장치의 개선/개발이 시급히 필요한 과제로 떠오르고 있다. Therefore, in recent years, the improvement / development of a high pressure generator, which is the core of PSII, has emerged as an urgent problem.
이러한 PSII용 고압발생장치에 대하여 좀 더 상세히 설명한다.This high pressure generator for PSII will be described in more detail.
도 1a는 종래기술에 따른 PFL(Pulse Forming Line)방식의 펄스발생기를 나타내는 도면이다. Figure 1a is a view showing a pulse generator of the pulse forming line (PFL) method according to the prior art.
도 1a에 도시한 바와 같이, 상기 펄스발생기는 펄스형성(pulse forming)회로(110)와 사이러트론(thyratron) 스위치(120)를 포함한다. As shown in FIG. 1A, the pulse generator includes a
이처럼 구성된 펄스발생기는, 고효율을 갖는 장점은 있으나, 완전한 직사각형 모양의 펄스 형태를 갖지 못하고, 좁은 임피던스 일치구간을 갖으며, 짧은 수명(109pulse)을 갖는 문제점이 있었다.The pulse generator configured as described above has the advantage of having high efficiency, but has a problem of not having a perfectly rectangular pulse shape, having a narrow impedance matching interval, and having a short lifespan (10 9 pulses).
한편, 도 1b는 종래기술에 따른 하드-튜브(hard-tube)방식의 펄스발생기를 나타내는 도면이다.On the other hand, Figure 1b is a view showing a pulse generator of the hard-tube (hard-tube) method according to the prior art.
도 1b에 도시한 바와 같이, 상기 펄스발생기는, 하드 튜브(Hard-tube) 스위치(130)와 테일비터(Tail biter) 스위치(140)를 사용하여 입력된 고전압을 트리거링시켜 직사각형 모양의 고전압 펄스를 발생한다.As shown in FIG. 1B, the pulse generator uses a hard-
상기 하드-튜브 펄스발생기는, 직사각형 모양의 펄스 형태를 갖고 있고, 넓은 임피던스 일치구간과 긴 수명 등의 장점을 가지고 있으나, 자체 소자의 전압감소가 커서 효율이 낮은 문제점이 있었다.The hard-tube pulse generator has a rectangular pulse shape, and has advantages such as a wide impedance matching interval and a long service life, but has a problem of low efficiency due to large voltage reduction of its own device.
본 발명의 목적은 반도체 스위치를 기반으로 한 스위치 스택을 통해 짧은 수명, 낮은 효율, 낮은 응용성 등과 같은 종래의 문제점을 극복할 수 있는 고압펄스 발생장치를 제공하는 데 있다.
An object of the present invention is to provide a high pressure pulse generator that can overcome the conventional problems such as short life, low efficiency, low applicability, etc. through a switch stack based on a semiconductor switch.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고압펄스 발생장치는, 상용전압으로부터 가변 AC전압을 만들어 고압으로 승압하고, 상기 승압된 AC전압을 DC전압으로 정류시킨 후, 상기 정류된 고압 DC전압을 통해 충전되는 커패시터 충전부; 및 IGBT 기반으로 한 스위치 스택(이하, IGBT 스택)을 이용하여 상기 고압충전부를 통해 고압 펄스전압을 발생시키는 펄스발생부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the high-voltage pulse generator according to the present invention, by making a variable AC voltage from the commercial voltage to step up to a high voltage, rectifying the boosted AC voltage to a DC voltage, and then the rectified high-voltage DC voltage A capacitor charging unit charged through; And a pulse generator for generating a high voltage pulse voltage through the high voltage charger using an IGBT based switch stack (hereinafter, referred to as an IGBT stack).
여기서, 상기 커패시터 충전부는, 적어도 하나 이상의 사이리스터를 포함하여, 상기 상용전압으로부터 가변 AC전압으로 변환하는 위상제어기; 상기 가변 AC전압을 고압으로 승압하는 승압변압기; 적어도 하나 이상의 다이이오드 모듈을 포함하며, 상기 승압된 고압AC전압을 고압DC로 정류하는 정류기; 및 상기 DC전압을 충전하는 DC링크 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다. Here, the capacitor charging unit, including at least one or more thyristor, a phase controller for converting from the commercial voltage to a variable AC voltage; A boost transformer for boosting the variable AC voltage to a high pressure; Rectifier comprising at least one diode module, rectifying the boosted high voltage AC voltage to a high voltage DC; And a DC link capacitor charging the DC voltage.
또한, 상기 펄스발생부는, 적어도 하나 이상의 IGBT 스택; 적어도 하나 이상의 다이오드; 적어도 하나 이상의 고압커패시터; 및 상기 IGBT 스택을 구동하는 능동구동기를 포함하며, 상기 IGBT 스택이 오프되면, 상기 고압 DC전압이 상기 다이오드를 통해 상기 고압커패시터을 충전하고, 상기 IGBT 스택이 온되면 상기 고압커패시터의 에너지가 출력부하(Load)로 전달되는 것을 특징으로 한다.The pulse generator may include at least one IGBT stack; At least one diode; At least one high voltage capacitor; And an active driver for driving the IGBT stack. When the IGBT stack is off, the high voltage DC voltage charges the high voltage capacitor through the diode, and when the IGBT stack is on, energy of the high voltage capacitor is output. Load) characterized in that it is delivered.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 고압펄스 발생장치를 나타내는 회로도이고, 도 3은 본 발명에 따른 고압펄스 발생장치를 나타내는 구성도이다.2 is a circuit diagram showing a high pressure pulse generator according to the present invention, Figure 3 is a block diagram showing a high pressure pulse generator according to the present invention.
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 고압펄스 발생장치는, 입력된 상용전압으로부터 DC링크 커패시턴스를 충전시키는 커패시터 충전부(200)와, IGBT를 기반으로 하여 상기 DC링크로부터 고압펄스를 발생하는 펄스발생부(300)를 포함한다.As shown in Figures 2 and 3, the high-voltage pulse generator, the
여기서, 상기 커패시터 충전부(200)는, 위상제어기(210); 승압변환기(220); 정류기(230); DC링크 커패시터(240) 및 전압제어부(250)를 포함한다.Here, the
이와 같이 구성된 커패시터 충전부(200)는, 사이리스터(SCR1-SCR6)를 이용한 위상제어기(210)가 상용전압으로부터 가변 AC전압을 만들고, 이 전압은 승압변압기(220)에 의해 고압으로 승압되며, 승압된 고압AC전압은 다이오드 모듈(DM1-DM6)을 이용한 정류기(230)에 의해 고압 DC(최대 10kV)로 정류되고, 이 DC전압이 DC링크 커패시터(240)를 충전한다. 이와 더불어, 상기 DC링크 커패시터의 출력을 통해, 상기 위상제어기(210)의 가변 AC전압을 컨트롤하기 위하여 피드백한다.In the
그리고, 펄스발생부(300)는 IGBT를 기반으로 한 스위치 스택을 이용하여 고압 DC링크 커패시터(240)로부터 펄스전압을 만든다. In addition, the
즉, 상기 펄스발생부(300)의 전류정격을 증가시키기 위해, IGBT 스택(313)으로 이루어진 펄스발생기(310) 세개를 병렬로 사용하며, IGBT 스택(313)이 오프되면, DC링크 커패시터(240) 에너지가 다이오드(D1~D3)를 통해 고압커패시터(C
1-C3)을 충전하고, IGBT 스택(313)이 온되면 고압커패시터의 에너지가 승압변압기(220)를 통해 출력부하(Load)로 전달된다. 바람직하게는, 승압변압기(220)의 권선비는 1:6.6 이다. 따라서, 최대출력전압은 60kV가 가능하다. 여기서, 상기 펄스발생부(300)의 포화를 막기위하여 회로초기화부(320) 및 강압변압기(330)의 Vreset 과 Lchoke를 이용하여 역전류를 공급한다.That is, in order to increase the current rating of the
한편, 제어기(340)는, 본 발명의 특징중에 하나인 고압펄스 발생장치의 유연성을 제공한다. 즉, 출력전압 및 전류를 검출하여 과전압이나 과전류 등의 이상상태 발생시 상기 고압펄스 발생장치를 보호한다. 이를 좀 더 상세히 설명한다.On the other hand, the controller 340 provides flexibility of the high pressure pulse generator, which is one of the features of the present invention. That is, the output voltage and the current are detected to protect the high-voltage pulse generator when an abnormal state such as overvoltage or overcurrent occurs. This is explained in more detail.
제어기(340)는 출력전압 및 전류를 검출하다가 과전류가 발생하게 되면, 빠른 시간내에 능동구동기(311, 312)를 통해 IGBT 스택(313)을 끄고 발생된 과전류는 IGBT 스택(313)에 과전압을 형성시키므로 이에 대한 전류 통로를 다이오드 Doc1~Doc3을 통해 Cin1~Cin3을 충전하도록 구성하여 과전압 발생으로 인한 IGBT 스택(313)의 파괴를 막는다. When the controller 340 detects an output voltage and a current and an overcurrent occurs, the controller 340 turns off the IGBT stack 313 through the active drivers 311 and 312 within a short time, and the generated overcurrent forms an overvoltage in the IGBT stack 313. Therefore, the current path is configured to charge C in1 to C in3 through diodes D oc1 to D oc3 to prevent destruction of the IGBT stack 313 due to overvoltage generation.
도 4는 본 발명에 따른 IGBT 스택을 나타내는 구성도이다.4 is a block diagram showing an IGBT stack according to the present invention.
상기 IGBT 스택(313)은, 12개의 IGBT(1.1, 2.1, ...,12.1), 2개의 능동구동기(311,312) 및 11개의 수동구동기(RCD회로, 313_A)를 포함한다. 그리고, RCD회로(313_A)는 각각의 IGBT스위치의 게이트 구동기와 RCD스너버 역할을 동시에 수행한다. The IGBT stack 313 includes 12 IGBTs (1.1, 2.1, ..., 12.1) , two active drivers (311, 312) and 11 passive drivers (RCD circuit, 313_A). The RCD circuit 313_A simultaneously serves as a gate driver and an RCD snubber of each IGBT switch.
이하, IGBT 스택(313)이 켜지는 과정을 설명한다. 이때, RCD회로(313_A)는 각각의 IGBT스위치의 게이트 구동기로 동작한다.Hereinafter, the process of turning on the IGBT stack 313 will be described. At this time, the RCD circuit 313_A operates as a gate driver of each IGBT switch.
먼저, IGBT(1.1)이 제1능동구동기(311)에 구동되면, 상기 IGBT(1.1)의 컬렉터-이미터 전압은 감소하기 시작한다. 이 감소된 컬렉터-이미터 전압이 IGBT(2.1)의 게이트-이미터에 에너지를 제공한다. 그러면, IGBT(2.1)의 컬렉트-이미터 전압이 감소하기 시작한다. 이 감소된 컬렉트-이미터 전압이 IGBT(3.1)의 게이트-이미터에 에너지를 제공하고, 이러한 방법으로 12개의 IGBT가 켜진다. First, when the IGBT 1.1 is driven by the first active driver 311, the collector-emitter voltage of the IGBT 1.1 starts to decrease. This reduced collector-emitter voltage provides energy to the gate-emitter of the IGBT (2.1) . Then, the collect-emitter voltage of the IGBT 2.1 starts to decrease. This reduced collect-emitter voltage provides energy to the gate-emitter of the IGBT 3.1, and in this way twelve IGBTs are turned on.
다음으로, IGBT 스택(313)이 꺼지는 과정을 설명한다. 12개의 모든 IGBT가 켜져 있을때, 능동구동기 2개가 12개의 FET를 동시에 켜면, 12개의 IGBT의 게이트-이미터 전압은 동시에 방전되고 모든 IGBT는 꺼진다. 이러한 방법으로 단지 2개의 능동구동기(311, 312)만을 이용하여 12개의 IGBT들을 거의 동시에 켜고 끌 수 있다. Next, the process of turning off the IGBT stack 313 will be described. When all 12 IGBTs are on, if two active drivers turn on 12 FETs simultaneously, the gate-emitter voltages of the 12 IGBTs are discharged simultaneously and all IGBTs are turned off. In this way, only two active drivers 311 and 312 can be used to turn on and off twelve IGBTs at about the same time.
또한, 두개의 능동구동기(311, 312)의 위치가 접지쪽에 위치하여 구동기의 절연이 필요없어 간단하고, 그로인해 능동구동기의 크기가 작아진다.In addition, since the positions of the two active drivers 311 and 312 are located on the ground side, the insulation of the driver is not necessary, so that the size of the active driver is reduced.
이어, IGBT가 꺼진 상태(blocking mode)에서 전압균형은 IGBT와 병렬로 부착된 저항 RB로 얻을 수 있고, IGBT가 켜지거나 꺼질 때(과도상태)의 전압균형은 RCD회로(313_A)로부터 얻어진다. 이때, RCD회로(313-A)는 RCD스너버로 동작한다.Then, in the blocking mode, the voltage balance can be obtained by the resistor R B attached in parallel with the IGBT, and the voltage balance when the IGBT is turned on or off (transient state) is obtained from the RCD circuit 313_A. . At this time, the RCD circuit 313 -A operates as an RCD snubber.
이상에서 설명한 바와 같은 펄스발생기(300)의 실험결과를 설명한다.The experimental results of the
도 5는 본 발명의 고압펄스 발생장치의 변수들이다. 5 are variables of the high pressure pulse generator of the present invention.
도 5에 도시된 값들을 본 발명의 실시예에 적용하면, 도 7은 사용된 IGBT 스택들 간의 전류분포를 나타내는 결과로써, 각 스택들 간에 고른 전류균형을 보여주고, 도 8은 본 발명에 따른 고압펄스 발생기의 플라즈마 부하에서의 최대출력전압파형으로써, 출력전압은 60kV이고, 이때 펄스상승시간과 하강시간은 각각 1 μs와 2 μs이며, 도 9는 플라즈마 부하에서 펄스 폭 변화시의 파형을 나타내고, 최소 2 μs에서 최대 6μs까지로 1μs단위로 조절가능하고, 도 10a 및 도 10b는 플라즈마 부하에서 펄스 반복률 변화시의 파형으로써, 도 10a는 200pps이고, 도 10b는 2000pps일때의 파형을 나타낸다. When the values shown in FIG. 5 are applied to an embodiment of the present invention, FIG. 7 shows an even current balance between the stacks as a result of the current distribution between the used IGBT stacks, and FIG. As the maximum output voltage waveform at the plasma load of the high-voltage pulse generator, the output voltage is 60 kV, wherein the pulse rising time and the falling time are 1 μs and 2 μs, respectively. 10A and 10B are waveforms at the pulse repetition rate change in a plasma load, and FIG. 10A is 200pps and FIG. 10B is a waveform at 2000pps.
이상 도 6내지 도 10까지를 살펴보면, 본 발명에 따른 고압펄스 발생기는 펄스 반복률, 폭과 크기 등에서 높은 유연성을 갖음을 알 수 있다.6 to 10, it can be seen that the high-pressure pulse generator according to the present invention has high flexibility in pulse repetition rate, width and size.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 다르면, 반영구적인 반도체 소자를 이용하므로, 유지보수가 필요없어 편리하고 경제적인 효과가 있다. As described above, according to the present invention, since a semi-permanent semiconductor element is used, maintenance is unnecessary and thus there is a convenient and economical effect.
또한, 본 발명에 따르면, 반도체 스위치 및 간단한 구동회로만을 사용하므로 효율이 높고, 시스템의 크기가 작아지는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, since only a semiconductor switch and a simple driving circuit are used, the efficiency is high and the size of the system is reduced.
또한, 본 발명에 따르면, 모듈러디자인이 가능하여 출력증대가 용이하며, 여러 변수들의 간편한 조정을 통해 다양한 부하에 적용할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to increase the output by the modular design is possible, there is an effect that can be applied to a variety of loads through the easy adjustment of several variables.
Claims (5)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020040115138A KR20060076653A (en) | 2004-12-29 | 2004-12-29 | High pressure pulse generator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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Publications (1)
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Family Applications (1)
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010076909A1 (en) * | 2008-12-31 | 2010-07-08 | 한국수력원자력 주식회사 | Power supply for dual-mode plasma torch |
| CN108736760A (en) * | 2018-06-21 | 2018-11-02 | 威海广新电子技术开发有限责任公司 | A kind of high-voltage pulse generator based on solid-state switch |
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2004
- 2004-12-29 KR KR1020040115138A patent/KR20060076653A/en not_active Ceased
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| CN108736760B (en) * | 2018-06-21 | 2020-08-14 | 威海广新电子技术开发有限责任公司 | High-voltage pulse generator based on solid-state switch |
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