고전압 진폭 변조 파형 생성 인버터 및 저소비 전력 플라즈마 발생장치의 응용 = High-Voltage Amplitude-Modulated Inverter for Low-Power Plasma Generation Applications

국문 초록 (Abstract)

최근 미세먼지 및 각종 오염물질의 증가는 단순한 환경문제를 넘어 인간의 건강에 직접적인 영향을 미치고 있다. 이로 인해 자연스럽게 위생 및 살균에 대한 관심이 증가하고 있으며, 친환경적 기술의 중요성 또한 커지고 있다. 그중 플라즈마는 고온에 취약한 물질에서도 손상을 최소화할 수 있는 특징이 있으며 집진, 살균, 식각 공정 등 응용분야가 다양해 관련 연구와 시장이 점점 발전하고 있다. 하지만 플라즈마 방전에는 고전압 인가가 거의 필수적으로 요구되어 필연적으로 소비전력이 증가하는 문제점이 있다.
이에 따라 본 논문에서는 이러한 단점을 해결하기 위해, 플라즈마 부하가 결합된 Half Bridge LLC 인버터 모드 해석을 진행하고 PSIM 시뮬레이션과 실제 실험을 병행하여 플라즈마 부하의 전기적인 등가 모델링을 진행한다. 모델링된 플라즈마 부하와 고턴비 트랜스포머를 고려해 공진 소자 설계를 진행하고, 설계된 공진 소자 파라미터를 바탕으로 주파수-이득 곡선을 도출하고 분석한다. 또한 플라즈마 방전 효율을 유사하게 유지하면서 평균 전력 소비를 줄일 수 있는 고전압 진폭 변조 구동 방식을 제안하고 PSIM을 통한 모의실험과 실제 실험을 통해 해당 제안 구동 방식의 타당성을 검증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The recent increase in fine dust and various air pollutants is directly affecting human health beyond simple environmental problems. Therefore, the demand for hygiene and sterilization is increasing, and the importance of eco-friendly technologies is also increasing. Among them, plasma can be applied to materials vulnerable to heat because it can be subjected to non-contact and non-thermal processes, and interest in research and industry is increasing due to its wide application range such as dust collection, purification, and sterilization. However, since high voltage application is almost essential for plasma discharge, there is a problem that power consumption inevitably increases.
Accordingly, in order to solve this problem, this paper analyzes the mode of the Half Bridge LLC inverter circuit combined with the plasma load and models the electrical equivalence of the plasma load through PSIM simulation and actual experiments. The resonant device is designed in consideration of the modeled plasma load and the Gorton ratio transformer, and the frequency-gain curve is derived and analyzed based on the designed resonant device parameters. In addition, by generating a high voltage amplitude modulation waveform, a driving method that can reduce average power consumption while maintaining similar plasma discharge efficiency was proposed, and the validity of the proposed driving method was verified through simulation and actual experiments through PSIM.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.2. 개요 4
• Ⅱ. DBD 플라즈마용 Half Bridge LLC 전원장치 설계 5
• 2.1. 플라즈마 구성 및 기본 원리 5
• 2.2. Half Bridge LLC 기반 DBD 플라즈마 전원장치 9
• 2.2.1. Half Bridge LLC 기반 플라즈마 전원장치 모드 해석 10
• 2.2.2. 플라즈마 부하의 전기적인 모델링 14
• 2.2.3. 플라즈마 부하의 커패시터를 고려한 공진형 인버터 16
• 2.2.4. Half Bridge LLC 플라즈마 발생장치 주파수-이득 곡선 20
• 2.3. Half Bridge LLC 플라즈마 전원장치 모의 실험 24
• 2.4 실제 보드를 통한 구성 및 실험 29
• Ⅲ. 제안 플라즈마 구동 방식-고전압 진폭 변조 파형 생성 방식 36
• 3.1. 별도의 Iext를 이용한 이온화 효율 향상 기법 36
• 3.2. 제안 고전압 진폭 변조 파형 생성 기법의 원리 39
• 3.3. 실제 보드를 통한 제안 구동 방식의 구성 44
• 3.4. 제안 구동 방식의 모의 실험 결과 46
• 3.5. 제안 구동 방식의 실제 실험 결과 49
• 3.6. 제안 구동 방식의 실제 살균력 실험 결과 52
• Ⅳ. 결론 55
• Ⅴ. 향후 계획 56
• 참고 문헌 57
• Abstract 59