원격 플라즈마 발생장치용 공진형 인버터의 설계 및 제어기법 :Design and control scheme of a resonant inverter for remote plasma generators

성원용

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자료유형: 학위논문

저자정보: 성원용 (성균관대학교, 성균관대학교 일반대학원)

지도교수: 이병국

발행연도: 2018

저작권: 성균관대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수9

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2018

원격 플라즈마 발생장치용 공진형 인버터의 설계 및 제어기법

성원용 전자전기컴퓨터공학과 2018.01 학위논문

2016

원격 플라즈마 발생장치를 위한 고주파 전력변환 토폴로지의 성능 분석

성원용 , 채훈규 , 구근완 외 1명 전력전자학회 학술대회 논문집 2016.07 학술대회자료

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최근 반도체와 디스플레이 관련 산업은 가파른 상승세를 보이고 있으며, 이와 더불어 반도체 및 디스플레이 공정을 위한 챔버 세정에 필요한 플라즈마 기술에 대한 수요가 확대되어가고 있는 추세이다. 특히, 스마트 가전, IoT 기술, 전기자동차의 등장으로 OLED 수요확대 및 디스플레이 대형화 추세에 대응하는 설비의 개발 필요성이 대두되고 있다. 따라서, 플라즈마를 이용하여 챔법 세정을 하기 위해서는 플라즈마 발생 장치인 Remote Plasma Generator (RPG)에 투입된 많은 양의 공정가스를 최대한 빠르게 이온화 시키기 위해서 충분한 전력을 공급해 주어야 한다. 이러한 조건을 만족 하기 위해서 RPG에 적합한 최적의 전력 변환 토폴로지에 대한 설계 및 제어방법이 필요하다.
플라즈마 부하는 기존의 저항 및 배터리 부하와는 다르게 플라즈마 특성 상 급격하게 부하가 변하거나 드롭아웃과 같은 특성을 가지고 있다. 따라서, RPG에 적합한 전력 변환 장치를 설계 하고 제어 하기 위해서는 플라즈마 부하의 특성 분석이 우선적으로 필요 하다. 본 논문에서는 플라즈마 및 플라즈마 부하의 전기적 특성을 분석하고 RPG에 적합한 전력변환장치의 구조 및 설계 방법과 안정적인 운전을 위한 제어 방법을 제안한다. 본 논문에서 다루고 있는 RPG의 구조는 3상 AC-DC PWM 컨버터와 DC-AC 인버터의 2-stage 구조로 구성되어 있다. 또한 DC-AC 인버터는 다수의 인버터가 변압기를 통하여 입력은 병렬, 출력은 직렬로 구성되어 있다. DC-AC 인버터에 안정적인 DC 전압을 공급하기 위해 PWM 컨버터는 DC-Link 제어를 수행 하며, 안정적인 DC-Link 제어와 동시에 높은 역률과 효율을 갖도록 하드웨어 설계 및 제어가 필요 하다. 또한 다수의 DC-AC 인버터가 연결 되어 있기 때문에, 입력 병렬, 출력 직렬 구조의 DC-AC 인버터 제어 방법과 플라즈마를 발생 시키고 유지 시킬 수 있도록 DC-AC 인버터의 공진 네트워크 설계가 필요하다.
따라서 본 논문에서는 PWM 컨버터와 입력 병렬, 출력 직렬로 연결된 DC-AC 인버터로 구성 된 RPG의 설계 방법과 제어 방법을 제안하고 시뮬레이션과 제작 한 프로토 타입 실험을 통하여 제안하는 설계 방법과 제어 방법의 타당성을 검증한다.

#Remote plasma generator #AC-DC PWM converter #Resonant inverter #Resonant converter #Input-parallel and output-series inverter

제1장 서 론 1
1.1 연구 배경 및 필요성 1
1.2 연구 동향 10
1.3 연구 목적 및 방법 14
1.4 논문의 구성 16
제2장 플라즈마 부하의 특성 17
2.1 플라즈마 17
2.1.1 탄성 충돌 19
2.1.2 비탄성 충돌 20
2.1.3 플라즈마의 유지 22
2.2 플라즈마 부하의 전기적 특성 25
2.2.1 부성 임피던스 특성 26
2.2.2 플라즈마 드롭아웃 현상 28
제3장 RPG 시스템의 설계 30
3.1 시스템 사양 30
3.2 RPG 시스템의 구성 32
3.2.1 AC-DC 정류기 32
3.2.2 고주파 DC-AC 인버터 34
3.3 AC-DC PWM 컨버터 하드웨어 설계 37
3.3.1 계통연계 인덕터 설계 37
3.3.2 전력 반도체 선정 39
3.3.3 DC-Link 커패시터 설계 41
3.4 DC-AC 인버터 하드웨어 설계 45
3.4.1 공진 네트워크 설계 46
3.4.2 전력 반도체 선정 69
제4장 RPG 시스템 제어기의 최적설계 71
4.1 AD-DC 컨버터 제어기 설계 71
4.1.1 Synchronous reference frame PLL (SRF-PLL) 제어기 71
4.1.2 전향 보상을 포함한 PWM 컨버터 제어기 구성 73
4.2 DC-AC 인버터 제어기 설계 77
4.2.1 기존 제어 방법 78
4.2.2 제안하는 제어 방법 80
4.2.3 제안하는 제어 방법의 제어기 구성 84
4.3 제안하는 제어기가 적용된 인버터 동작 특성 분석 86
4.3.1 DC-AC 인버터 출력 특성 분석 86
4.3.2 동작 모드 분석 90
제5장 시뮬레이션 및 실험 결과 99
5.1 하드웨어 구성 99
5.2 동작 시퀀스 103
5.3 시뮬레이션을 통한 설계 검증 106
5.4 PWM 컨버터 성능 검증 114
5.5 DC-AC 인버터 성능 검증 117
5.6 PWM 컨버터 / DC-AC 인버터 연계 성능 검증 120
제6장 결 론 123
참 고 문 헌 125

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