KR100450431B1 - 필라멘트 램프 점등장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 필라멘트 램프를 조광하는 필라멘트 램프 점등장치에 있어서, 전원측에 미치는 고조파 일그러짐의 영향을 제거하고자 하는 것이다.

복수의 필라멘트 램프 4-1∼4-n에 대응시켜 각각 램프 점등 제어회로 1-1∼1-n을 형성한다. 램프 점등 제어회로 1-1∼1-n는 스위칭 소자가 ON일 때 입력전류를 필라멘트 램프 4-1∼4-n로 공급하고, 스위칭 소자가 OFF일 때 인덕턴스(L)에 축적된 에너지에 의해 필라멘트 램프 4-1∼4-n로 전류를 계속 흐르게 하고, 이후, 상기 ON/OFF를 반복함으로써 전체로서 입력전류파형과 대략 동일한 파형의 출력전류를 공급한다. 또한, 제어부(3)는 스위칭 소자의 ON/OFF신호의 듀티를 변화시키는 출력전류를 제어함과 아울러 상기 램프 점등 제어회로 1-1∼1-n에 타이밍을 겹치지 않게 하여 ON/OFF 신호를 공급한다.

Description

필라멘트 램프 점등장치{DEVICE FOR LIGHTING FILAMENT LAMP}

필라멘트 램프 점등장치는 가열처리나 일반조명 등에 널리 사용되고 있다. 필라멘트 램프 점등장치의 가열처리에의 응용예의 하나로서, 반도체 웨이퍼(이하, 웨이퍼라 한다)의 광조사식(光照射式) 가열처리장치를 들 수 있다.

반도체 제조공정에서의 가열처리는 웨이퍼를 급속가열·고온유지·급속냉각 처리를 하는 것으로, 성막(成膜), 확산, 어닐링 등 넓은 범위에 걸쳐 행해지고 있다.

상기한 모든 처리가 웨이퍼를 고온으로 가열처리하는 것이며, 이 가열처리에 상기 광조사식 가열처리장치를 사용하면, 웨이퍼를 급속히 가열할 수 있고, 1000℃ 이상까지 수십초에서 수십초 사이에 승온시킬 수 있다. 그리고, 광조사를 정지하면, 급속히 냉각할 수 있다.

그런데, 웨이퍼를 가열할 때에 웨이퍼에 온도 분포의 불균일이 발생하면, 웨이퍼에 슬립이라고 불리는 현상, 즉 결정전이의 결함이 발생하고, 불량품이 될 우려가 있다.

그래서, 광조사식 가열처리장치를 이용하여 웨이퍼를 가열처리할 경우에 웨이퍼의 온도분포가 균일하게 되도록, 가열·고온유지·냉각할 필요가 있다.

웨이퍼의 온도분포가 균일하게 되도록 광조사가 가능하게 한 광조사식 가열처리장치로서는 예를 들면, 일본 특허공개 평8-45863호 공보에 개시되어 있는 것을 들 수 있다. 상기 공보에 기재된 광조사식 가열처리장치의 광원부는 각각 직경이 다른 복수의 원형상의 적외선 램프가 동심원상에 배치된 구조로 되어 있다. 램프를 그와 같이 배치함으로써, 웨이퍼를 동심원상의 구역마다 분할할 수 있고, 온도제어가 용이하게 된다.

웨이퍼의 온도를 균일하게 하기 위해서는 웨이퍼의 각 구역의 온도를 측정하고, 각 구역에 대응하는 적외선 램프의 발열량을 제어한다. 즉, 웨이퍼의 주변부의 온도가 낮아지면, 웨이퍼의 주변부에 배치한 램프의 입력 전력을 크게 하여, 램프의 발열량을 높여 웨이퍼를 더 가열한다. 이하, 웨이퍼의 발열량을 변화시키는 것을 여기서는 「조광한다」라고 표현하도록 한다.

광조사식 가열처리장치의 적외선 램프에는 일반적으로 효율적으로 적외선을 방사하는 필라멘트를 갖는 할로겐 램프가 이용되고, 또한 점등용의 전원으로서는 교류전원이 이용된다.

필라멘트 램프의 조광은 다음과 같이 행해진다.

(1) 일반적인 조명기구의 필라멘트 램프의 조광에는 통상적으로 트라이악(triac)을 이용한 회로가 사용되고, 트라이악의 도통각(導通角)을 제어함으로써 행해진다.

(2) 광조사식 가열처리장치의 조광도 기본적으로는 이 회로를 적용한 것으로, 사이리스터(thyristor)가 이용된다. 사이리스터를 이용한 램프 점등장치의 기본적인 구성을 도 9에 도시한다. 또한, 1개의 램프에 이 램프 점등장치가 1대 대응한다. 따라서, 복수개의 램프를 점등 제어하는 장치에 있어서는 램프의 개수 만큼 이와 같은 램프의 점등장치가 있고, 장치 전원 박스안에 수납된다.

도 9에 도시한 점등장치에 있어서는 사이리스터 SCR1, SCR2의 게이트 전류를 흘리는 타이밍을 변화시킴으로써, 램프에 입력하는 전력을 제어하여 조광한다.

사이리스터에 의한 전력제어로는 이하의 2가지 방식, 도통각 제어와 제로 크로스 제어를 들 수 있다. 또한, 여기서 이하의 단어를 정의한다. 램프 점등장치로의 상용교류전원에 의한 입력을 「입력」이라고 한다. 램프 점등장치로부터 램프로의 출력을 「출력」이라고 한다. 따라서, 「출력전력」은 「램프 입력전력」이다.

(a)도통각제어

도 9에서, 램프 점등장치(100)에 교류상용전원(21)으로부터 교류를 입력한다. 램프 점등장치(100)에는 제1 사이리스터(SCR1)와 제2 사이리스터(SCR2)로 이루어진 램프 점등 제어회로(200)을 설치하고 있다. 램프 점등 제어회로(200)의 사이리스터 SCR1, SCR2의 게이트 G1, G2에 제어부(300)의 게이트 신호 발생회로가 발생하는 게이트 신호에 의해 게이트 전류를 흐르게 하면, 램프 점등 제어회로(200)의 사이리스터 SCR1, SCR2에 공급된 전류가 0이 될 때까지 램프 점등장치(100)로부터 램프(23)로 전류가 출력된다.

도 10은 도 9에서 사이리스터의 도통각 제어를 행한 경우의 각부의 파형을 나타낸 도면이다. 도 10(a)는 램프 점등장치(100)의 입력전압 파형을 나타낸다. 도 10(b)는 사이리스터 SCR1, SCR2의 게이트 G1, G2에 게이트 전류를 흐르게 하는 타이밍의 예를 나타낸 도면이고, ①은 제1 사이리스터(SCR1)의 게이트 전류를, ②는 제2 사이리스터(SCR2)의 게이트 전류를 나타낸다. 도 10(c)는 도 10(a)의 타이밍으로 게이트 전류를 흐르게 했을 때의 출력전류의 파형을 나타낸다. 또한, 필라멘트 램프 점등장치의 경우에는 출력전압도 출력전류와 마찬가지의 파형이 된다.

따라서, 램프 점등장치(100)로부터의 출력전력은 도 10(c)의 사선부에서 나타나는 출력전압 파형과 출력전류 파형을 곱한 것이 된다. 사이리스터 SCR1, SCR2에 부여되는 게이트 전류의 타이밍을 변화시킴으로써 도 2(c)의 출력전류 파형 및 출력전압 파형을 변화시킬수 있기 때문에, 출력전력, 즉 램프 입력전력을 변화시켜 조광할 수 있다.

(b) 제로 크로스 제어

도 11은 도 9에서 사이리스터의 제로 크로스 제어를 행한 경우의 각부의 파형을 나타낸 도면이다. 제어회로 구성은 도 9와 동일하고, 사이리스터 SCR1, SCR2의 게이트 전류를 흐르게 한 타이밍을 도 11(b)와 같이 한다. 여기서, ①은 제1 사이리스터(SCR1)의 게이트 전류를, ②는 제2 사이리스터(SCR2)의 게이트 전류를 나타낸다.

도 11(b)의 타이밍으로 게이트 전류를 흐르게 했을 때의 출력전류 및 출력전압은 도 11(c)와 같이 된다. 즉, 도 11(c)에 도시한 바와 같이, 파형이 중간이 끊긴 전류·전압을 출력함으로써, 램프 입력출력을 변화시켜 조광할 수 있다.

그런데, 상기 2개의 제어방식에는 다음과 같은 문제점이 있다.

(1) 상승 노이즈의 발생(도통각 제어의 경우)

도 10에 도시한 도통각 제어방식의 경우, 도 10(c)에 도시한 바와 같이, 조광시에 램프에 대해 급격히 큰 전압이 인가되게 된다. 이 때문에 상승 노이즈라고 불리는 노이즈가 램프 점등장치 내에 발생하고, 장치의 제어계가 오동작하는 원인이 되는 경우가 있다. 또한, 램프 필라멘트에 돌입전류가 흐르기 때문에, 필라멘트는 과부하 상태가 되고, 필라멘트 끊김이 발생하기 쉽다.

(2) 응답속도가 저하, 연속적인 제어가 불가능하다(제로 크로스 제어의 경우)

제로 크로스 제어의 경우에는 전원전압이 제로 크로스하는 시점에서 사이리스터를 도통시키게 되므로, 램프에 대해 급격히 큰 전압이 인가되지는 않는다. 그러나, 도 11(b)와 같이, 입력된 상용 주파수의 파가 중간이 끊기기 때문에, 조광의 응답속도를 입력하는 상용전원의 주파수 보다 빨리 할 수 없고, 신속한 조광을 할 수 없다. 또한, 출력전력을 연속적으로 변화시킬 수 없기 때문에, 미세한 조광을 할 수 없다.

(3) 고조파 일그러짐의 발생

도 10에 도시한 도통각 제어를 행하는 경우를 예로 들면, 상기한 바와 같이, 출력측의 전력제어를 행하는 경우, 출력전압과 출력전류는 각각 도 12(a)(b)와 같이 된다.

한편, 램프 점등장치(100)의 입력전압의 파형은 도 12(c)와 같이 상용교류전원(21)의 전압파형이다. 또한, 입력전류의 파형은 도 12(d)와 같이 출력전류의 파형과 동일하게 된다.

입력전류가 이와 같이 파형이 되면 다음과 같은 문제가 발생한다. 도 12(d)의 동그라미 표시한 파형부분이 비선형인 부분이고, 이에 의해 입력전류에 고조파 일그러짐이 발생한다. 이와 같은 고조파 일그러짐은 규제의 대상이 되고 있다.

마찬가지의 문제는 상기 도 11에 도시한 제로 크로스 제어에서도 발생한다. 도 12(e)의 동그라미 표시한 부분은 파형이 비선형이고, 고조파 일그러짐이 발생한다.

(4)무효전력의 발생

도 12에 있어서, 입력전압을 V, 입력전류를 I라고 하고, W를 실효전력, V×I를 피상전력이라고 하면, 입력전압의 파형과 입력전류의 파형이 모두 정현파로 위상차가 없으면, 다음과 같은 관계가 성립한다.

V ×I = W

여기서, W는 출력전력(램프 입력전력)이라고 생각할 수 있다.

그러나, 도 12(d)와 같이 일그러진 파형인 경우, 무효전력(=V×I-W)이 반드시 발생한다. 따라서, 도 12(d)와 같은 일그러진 파형에서 어떤 실효전력(W)을 출력하고자 하면, 파형이 정현파인 것에 비해 보다 큰 피상전력(V×I)이 필요하게 된다.

마찬가지로, 제로 크로스 제어의 경우에는 도 12(e)의 화살표 부분이 1주기라고 생각되기 때문에 무효전력이 생긴다.

상기, 무효전력에 관해 설명하면, 출력전력을 제어하자마자 무효전력이 발생하게 된다. 이것은 실용 장치를 제작하는 경우에서 큰 문제가 된다.

즉, 이하의 이유에 의해 램프 점등장치(100)의 출력전력은 항상 제어되기 때문에, 램프 점등장치(100)에는 반드시 무효전력이 발생하게 되고, 램프 점등장치로서 효율이 떨어지게 된다.

① 실용상, 광조사식 가열처리장치와 같은 장치에 있어서는 예를 들면, 램프 점등장치에 상용의 200V를 입력하는 경우, 10%의 전압변동을 고려해서 사용하는 램프는 입력전압보다도 약10% 작은 정격, 예를 들면 180V 정격인 것을 이용하고, 장치에 여유를 갖게 하는 것이 상식이다. 따라서, 램프를 정격으로 점등하는 경우에도 램프 점등장치의 출력은 제어되게 된다.

② 또한, 광조사식 가열처리장치에서는 복수개의 램프를 점등·조광하는데, 사용하는 램프에 따라 정격이 다른(필라멘트의 길이가 다른) 경우가 있다. 이 경우도 항상 출력전력을 제어하게 된다.

한편, 상술한 무효전력의 문제를 해결하는 방식으로서 교류 초퍼(chopper) 제어방식이 제안되고 있다. 교류 초퍼 제어방식은 입력전압(전류)을 스위칭 회로에 의해 초핑(chopping)함으로써 출력전압(전류)을 제어하는 것으로, 스위칭 동작에서의 ON 시간을 제어함으로써 출력전압(출력전류)을 제어할 수 있다.

도 13에 교류 초퍼 제어방식을 이용한 경우의 각부의 파형을 나타낸다.

즉, 도 13(a)에 도시한 입력전압(전류)을 도 13(b)에 도시한 스위칭 신호로 ON/OFF 하고, 도 13(c)에 도시한 출력전류를 얻는다. 또한, 상기 도면은 듀티가 약 50%인 경우를 나타내고 있고, 또한 부하에 병렬로 전류용(轉流用) 스위칭 회로를 형성함과 아울러, 필라멘트 램프에 직렬로 인덕턴스를 형성하고, 입력측에 직렬로 접속된 스위칭 회로가 OFF가 됐을 때, 상기 전류용 스위칭 회로를 ON으로 하고, 출력전류를 상기 전류회로를 통해 계속적으로 흐르도록 구성한 경우를 나타내고 있다.

도 13(c)에 도시한 파형에서도 스위칭 신호의 주파수를 높게 하면, 정현파에 가까운 파형을 얻을 수 있는데, 상기 도 13(c)에 도시한 출력전류를 보다 필터링함으로써 도 13(d)에 도시한 정현파 출력을 얻을 수 있다. 입력전류도 저역통과 필터를 통과함으로써 정현파로 할 수 있다.

상기 교류 초퍼 제어방식을 이용하면, 입력, 출력파형을 정현파로 할 수 있고, 또한 전압·전류 위상이 거의 일치하기 때문에, 상기한 무효전력의 문제는 발생하지 않는다.

또한, 출력전류가 급격히 상승하지 않기 때문에, 상승 노이즈의 문제도 발생하지 않고, 또한 스위칭 신호의 듀티를 제어함으로써 신속하고 미세한 조광도 가능하게 된다.

이상과 같이, 필라멘트 램프에 입력하는 전력을 변화시켜 램프의 발열량을 제어하는 램프 점등장치에 있어서는 램프에 대해 급격히 전압을 인가하지 않도록(노이즈를 발생하지 않고, 램프에 큰 돌입전류를 흐르게 하지 않도록), 또한 응답속도가 신속하고 연속적으로 조광할 수 있도록 출력전력을 변화시키는 것이 요구된다. 또한, 입력전류에 고조파 일그러짐이 발생하지 않고, 또한 무효전력이 발생하지 않도록 출력전력을 변화시킬 필요가 있다.

상기한 교류 초퍼 제어방식을 이용하면 출력전류·출력전압·입력전류의 파형을 대략 정현파로 할 수 있기 때문에, 무효전력을 발생시키지 않고, 또한 램프에 큰 돌입전류를 흐르게 하지 않으며, 또한 응답속도가 신속하고 연속적으로 조광할 수 있다.

그러나, 교류 초퍼 제어방식은 상기 도 13에 도시한 바와 같이, 입력전압(전류)을 도 13(b)에 도시한 스위칭 신호로 ON/OFF하기 때문에, 입력측에 필터 회로를 형성하지 않으면, 입력전류에 고조파 일그러짐이 발생한다.

특히, 광조사식 가열처리장치에 있어서는 복수의 필라멘트 램프를 조광할 필요가 있고, 상기 스위칭된 입력전류도 커지기 때문에 고조파 일그러짐이 전원측에 미치는 영향도 커진다.

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 복수의 필라멘트 램프를 조광하는 필라멘트 램프 점등장치에 있어서, 입력측에 고조파 일그러짐 제거용의 필터 회로를 형성할 필요가 없거나 혹은 극히 소형화할 수 있고, 전원측에 고조파 일그러짐의 영향을 미치지 않는 필라멘트 램프 점등장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 일반조명, 가열처리장치 등에 이용되는 필라멘트 램프 점등장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 출력측에 필라멘트 램프를 접속하고, 출력전력을 제어하는 필라멘트 램프 점등장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예의 필라멘트 램프 점등장치의 구성을 나타낸 도면,

도 2는 본 발명의 제1 실시예의 램프 점등 제어회로의 구성을 나타낸 도면,

도 3은 램프 점등 제어회로의 각 스위칭 소자를 구동하는 게이트 신호를 설명하는 도면,

도 4는 램프 점등 제어회로 2-1∼2-n으로 공급된 게이트 신호의 타이밍의 일예를 나타낸 도면,

도 5는 시간차를 갖는 게이트 신호에 의해 복수의 램프 점등 제어회로를 동작시켰을 때의 입력전류파형을 나타낸 도면,

도 6은 복수의 램프를 같은 타이밍에서, 같은 듀티로 스위칭하여 점등시켰을 경우의 입력전류파형을 나타낸 도면,

도 7은 본 발명의 제2 실시예의 램프 점등장치의 구성을 나타낸 도면,

도 8은 제2 실시예의 램프 점등 제어회로의 각부의 파형을 나타낸 도면,

도 9는 사이리스터를 이용한 램프 점등장치의 기본적인 구성예를 나타낸 도면,

도 10은 도 9에서 사이리스터의 도통각 제어를 행한 경우의 각부의 파형을 나타낸 도면,

도 11은 도 9에서 사이리스터의 제로 크로스 제어를 행한 경우의 각부의 파형을 나타낸 도면,

도 12는 도통각 제어, 제로 크로스 제어를 행한 경우의 입력, 출력의 전류, 전압파형을 나타낸 도면,

도 13은 교류 초퍼 제어방식을 이용한 경우의 각부의 파형을 나타낸 도면이다.

상기 과제를 본 발명에서는 다음과 같이 해결한다.

입력측에 교류전원을 접속하고, 그 출력전력을 제어하여 복수의 필라멘트 램프를 점등시키는 필라멘트 램프 점등장치에 있어서, 상기 복수의 필라멘트 램프에 대응시켜 각각 점등 제어회로를 형성함과 아울러, 그 점등 제어회로를 제어하는 제어부를 형성한다.

상기 점등 제어회로는 상기 교류전원으로부터 공급되는 정현파 전류 혹은 그 전파정류된 전류를 스위칭하는 스위칭 소자를 포함하고, 이 스위칭 소자가 ON일 때, 입력전류를 필라멘트 램프에 공급하고, 스위칭 소자가 OFF일 때에 그 필라멘트 램프와 직렬로 접속된 인덕턴스 요소에 축적된 에너지에 의해 필라멘트 램프에 지속적으로 전류를 흐르게 하고, 이후, 상기 ON/OFF를 반복함으로써 전체로서 입력전류파형과 대략 동일한 형상의 출력전류를 필라멘트 램프에 공급한다.

또한, 상기 제어부는 상기 스위칭 소자의 ON/OFF 신호의 듀티를 변화시킴으로써 상기 출력전류의 피크값을 변화시킴과 아울러 상기 각 점등 제어회로에 타이밍을 겹치지 않게 한 ON/OFF 신호를 공급한다.

본 발명에서는 상기와 같이 각 점등제어회로에 공급하는 ON/OFF 신호의 타이밍을 겹치지 않게 하였기 때문에, 필터 회로가 필요가 없거나 혹은 극히 소형화할 수 있고, 필라멘트 램프 점등장치 전체에 흘러들어가는 입력전류의 파형을 정현파로 할 수 있고, 전원측에 고조파 일그러짐의 영향을 미치지 않는다. 이 때문에 장치의 구성을 간단하게 하고, 비용절감을 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예의 필라멘트 램프 점등장치의 구성을 나타낸 도면이다.

도 1에서, 1은 램프 점등장치, 20은 교류전원, 2-1∼2-n은 램프 점등 제어회로이다. 램프 점등 제어회로 2-1∼2-n의 스위칭 소자는 제어부(3)로부터 받는 게이트 신호에 의해 제어되고, 교류전원(20)으로부터 공급된 교류입력을 제어하여 필라멘트 램프 4-1∼4-n을 조광한다.

제어부(3)는 램프 점등 제어회로 2-1∼2-n의 스위칭 소자에 게이트 신호(GS)를 주는 게이트 신호 발생회로(3a)와 CPU(3b)로 구성되고, 게이트 신호 발생회로(3a)는 CPU(3b)의 출력에 근거하여 상기 도 13(b)에 도시한 스위칭 신호를 발생하고, 각 램프 점등 제어회로 2-1∼2-n의 스위칭 소자를 ON/OFF시킨다.

이어서, 도 1에 도시한 램프 점등 제어회로의 동작에 대해 설명한다.

도 2는 도 1에 도시한 본 실시예의 램프 점등 제어회로의 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시한 램프 점등 제어회로의 하나를 빼내어 도시한 것이다.

도 2에서, 2는 램프 점등 제어회로, 20은 교류전원, Tr1∼Tr4는 스위칭 소자, D1∼D4는 다이오드, C는 콘덴서, L은 인덕턴스, 4는 필라멘트 램프(이하, 램프라 약칭한다)이다.

스위칭 소자 Tr1∼Tr4는 도 1에 도시한 게이트 신호 발생회로(3a)가 발생하는 게이트 신호에 의해 상기 도 13에 도시한 바와 같이 소정의 구동 주파수로 ON/OFF된다. 이 구동 주파수는 소정의 고주파, 예를 들면 20㎑ 정도에서 선정된다. 이 주파수는 너무 낮으면 출력측에 형성한 콘덴서(C)의 용량이 커지고, 또한 소리가 나게 된다. 한편, 너무 높으면 스위칭 소자에서의 효율이 악화된다. 양자 사이의 영역에서 적정 설정하면 좋다.

도 2에서 램프 점등 제어회로(2)는 다음과 같이 동작한다.

램프 점등 제어회로(2)에 교류전원(20)으로부터 상용교류전원을 공급한다. 입력전류는 도 2의 A방향으로 흐르는 경우와 B방향으로 흐르는 경우가 있다. 각각의 경우에 도 3에 도시한 바와 같이 각 스위칭 소자를 제어한다.

(1) 입력전류가 A방향으로 흐르는 경우

① 제1 및 제3 스위칭 소자(Tr1, Tr3)를 ON, 그 이외의 스위칭 소자(Tr2, Tr4)는 OFF로 한다. 출력전류는 제1 스위칭 소자(Tr1)→인덕턴스(L)→램프(4)→제4 다이오드(D4)로 흐른다.

② 제3 스위칭 소자를 ON으로 한 상태에서, 제1 스위칭 소자(Tr1)를 OFF로 하고, 그 이외의 스위칭 소자(Tr2, Tr4)는 그대로 OFF로 둔다. 인덕턴스(L)에 잔류하는 전류가 인덕턴스(L)→램프(4)→제3 스위칭 소자(Tr3)→제2 다이오드(D2)→인덕턴스(L)로 흐른다.

③ 상기 ①②의 조합의 스위칭을 반복한다.

(2) 입력전류가 B방향으로 흐르는 경우

④ 제2 및 제4 스위칭 소자를 ON, 그 이외의 스위칭 소자(Tr1, Tr2)는 OFF로한다. 출력전류는 제4 스위칭 소자(Tr4)→램프(4)→인덕턴스(L)→제1 다이오드(D1)로 흐른다.

⑤ 제2 스위칭 소자(Tr2)를 ON으로 한 상태에서, 제4 스위칭 소자(tr4)를 OFF로 하고, 그 이외의 스위칭 소자(Tr1, Tr3)는 그대로 OFF로 둔다. 인덕턴스(L)에 잔류하는 전류가 인덕턴스(L)→제2 스위칭 소자(Tr2)→제3 다이오드(D3)→램프(4)→인덕턴스(L)로 흐른다.

⑥ 상기 ④⑤의 조합의 스위칭을 반복한다.

상기한 바와 같이 제어함으로써, 램프 점등 제어회로(2)의 각부의 파형은 상기 도 13에 도시한 바와 같이 된다. 또한, 여기서는, 램프 점등 제어회로(2)에는 50㎐의 상용교류전원이 입력되고, 스위칭 소자 Tr1∼Tr4의 스위칭 주파수는 20㎑가 되도록 한다.

입력전압의 파형은 상기 도 13(a)에 도시한 파형이고, 스위칭을 약 50%의 듀티에서 행한 경우, 스위칭 신호는 상기 도 13(b)에 도시한 바와 같이 된다. 도 13(b)에서 ①은 회로가 상기 (1) ①의 동작을 하고 있을 때, ②는 (1) ②의 동작을 하고 있을 때를 나타낸다. ④⑤도 마찬가지로, 회로가 (2) ④⑤의 동작을 하고 있을 때이다.

상기 스위칭을 행함으로써 램프 점등 제어회로(2)의 출력전류파형은 상기 도 13(c)와 같이 된다.

즉, 도 13(b) ①일 때에는 교류상용전원으로부터의 전류가 그대로 출력되고, 램프의 전류값은 서서히 증가한다. 또한, 도 13(b) ②로 이동하면 출력측은 교류상용전원으로부터 분리되는데, 인덕턴스(L)에 전류가 남아 있기 때문에 램프(4)로 흐르는 전류가 서서히 작아진다. 남아있는 전류가 0이 되기 전에 다시 상기 ①이 되도록 하면, 출력전류는 다시 증가한다. 이것은 ④⑤에 대해서도 마찬가지이다.

또한, 도 13(c)에서는 설명을 위해 요철을 극단적으로 도시하였지만, 실제로는 예를 들면 20㎑에서 스위칭을 행하면 요철을 극히 작아지고, 출력파형은 출력측에 필터회로를 형성하지 않아도 대략 정현파로 된다. 필요하다면, 예를 들면 출력측에 형성한 콘덴서(C)에 의해 평탄화하면, 도 13(d)에 도시한 바와 같이 깨끗한 정현파가 된다.

여기서, 상기의 스위칭 주파수의 ① : ②(또는 ③ : ④)의 시간의 비를 듀티라 한다. 듀티가 1일 때에는 ①뿐이고 램프로의 입력파형은 램프 점등장치로 입력되는 파형과 같아지고, 한편, 듀티가 0일 때에는 ② 만으로 램프로의 입력 0이 된다.

따라서, 스위칭의 듀티를 0에서 1의 사이에서 변화시킴으로써, 0≤[출력전류의 피크값(Ip')]≤[입력전류의 피크값(Ip)]의 범위에서 피크값이 가변의 정현파인 파형의 출력전류를 얻을 수 있다. 즉, 램프(4)에 대해 연속적으로 변화가능한 전류를 부여할 수 있다.

한편, 램프 점등 제어회로(2)로의 입력전류의 파형은 스위칭 소자의 듀티에 의해 ON/OFF가 반복되기 때문에, 상기 도 13(a)와 같이 된다(도면에서 사선부분 참조).

도 13(a)에 도시한 바와 같이, 20㎑에서 스위칭 되기 때문에, 램프 점등 제어회로(2)의 입력전류는 고조파 일그러짐이 큰 파형이 된다.

그래서, 본 실시예에서는 각 램프 점등 제어회로의 스위칭 제어를 이하와 같이 함으로써, 입력측의 고조파 일그러짐을 작게 한다.

도 4는 램프 점등 제어회로 2-1∼2-n의 게이트 신호를 나타낸 도면으로, 도 4는 n=4인 경우를 나타내고 있다.

도 4에 도시한 바와 같이, 본 실시예에서는 스위칭 주파수를 램프의 개수 만큼 분할하고, 각각의 램프로 출력하는 램프 점등 제어회로 2-1∼2-n의 스위칭 소자 Tr1∼Tr4를 시간차를 두고 순서대로 동작시킨다.

스위칭 주파수 20㎑에서 4개의 램프를 점등시킨 경우를 예로 들면, 램프 1개에 대해 램프 점등 제어회로는 1개이고, 따라서, 램프 점등 제어회로는 1∼4까지 4개이다. 이 경우에는 20㎑(주기 50㎲)의 1주기를 4 분할하고, 각 게이트 신호의 시간차를 12.5㎲로 한다.

도 5는 상기한 바와 같이 시간차를 갖는 게이트 신호에 의해 복수의 램프 점등 제어회로를 동작시켰을 때의 입력전류 파형을 도시한 도면이고, 상기 도면은 램프가 4개인 경우를 나타낸다.

도 5에서, 램프(4-1)를 조광하는 램프 점등 제어회로(2-1)를 게이트 신호에 의해 스위칭 동작시키면, 스위칭 소자는 소정의 듀티로 동작하고, 램프 점등 제어회로(2-1)의 입력전류파형은 도 5(a)와 같이 된다.

이어서, 램프 점등 제어회로(2-1)의 동작으로부터 12.5㎲ 후에, 램프 점등 제어회로(2-2)의 스위칭 소자를 동작시키면, 램프 점등 제어회로(2-2)의 입력전류파형은 도 5(b)에 도시한 바와 같이 된다.

이어서, 마찬가지로 램프 점등 제어회로(2-3)→램프 점등 제어회로(2-4)로 순서대로 동작시키면, 각각의 입력전류파형은 도 5(c) 및 도5(d)와 같이 된다.

도 5(a) 내지 도5(d)의 전류파형을 겹치게 하면, 복수의 램프를 점등시키는 경우의 램프 점등장치 전체로서의 입력전류의 파형이 되고, 그것은 도 5(e)에 도시한 바와 같이 정현파가 된다.

예를 들면, n=4에서 듀티가 10%인 경우는 입력전류는 정현파가 되지 않지만, 입력전류의 주파수가 80㎑가 되고, 최대 전류값도 증가하지 않기 때문에, 소형의 필터회로에 의해 정현파를 얻을 수 있다.

도 6은 복수의 램프를 같은 타이밍에서, 같은 듀티로 스위칭하여 점등시켰을 경우의 입력전류파형이다. 도 6에서, 도 6(a), 도 6(c), 도 6(e), 도 6(g)는 램프 4-1∼4를 조광하는 램프 점등 제어회로 2-1∼4의 게이트 신호를, 도 6(b), 도 6(d), 도 6(f), 도 6(h)는 램프 점등 제어회로 2-1∼4는 입력전류파형을, 도 6(i)는 램프점등 제어회로로의 입력전류(합계)를 나타낸다.

이 경우에는 도 6에 도시한 바와 같이, 전류값이 겹쳐지게 되고, 전원측의 고조파 일그러짐이 극히 커진다. 이 때문에, 큰 전류값에 대응할 수 있고, 또한 20㎑를 필터링할 수 있는 필터회로가 필요하게 되여, 장치가 대형화되고, 비용상승의 요인이 된다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예의 램프 점등장치의 구성을 나타낸 도면이다.

도 7에서, 1은 램프 점등장치, 10-1∼10-n은 램프 점등 제어회로, 20은 교류전원, 11은 전파정류회로, Tr10은 스위칭 소자, D10은 다이오드, L은 인덕턴스, C는 콘덴서, 4는 필라멘트 램프, 3은 제어부, 3a는 게이트 신호 발생회로, 3b는 CPU이다.

도 7에 도시한 스위칭 소자(Tr10)는 게이트 신호 발생회로(3a)가 발생하는 게이트 신호(GS)에 의해 소정의 구동 주파수로 ON/OFF한다. 이 구동 주파수는 상기한 제1 실시예와 마찬가지로 소정의 고주파, 예를 들면 20㎑ 정도로 선정된다.

도 7에서, 램프 점등 제어회로는 다음과 같이 동작한다.

도 8은 본 실시예의 램프 점등 제어회로 10-1∼10-n의 각부의 파형을 나타낸 도면이고, 도 8로써 본 실시예의 램프 점등 제어회로의 동작을 설명한다.

램프 점등 제어회로에 교류전원(20)으로부터 상용교류전원을 공급한다. 입력 전류는 전파정류회로(11)에 의해 전파정류되고, 스위칭 소자(Tr10)에는 도 8(a)에 도시한 전파정류전압이 공급된다.

① 제어부(3)로부터 스위칭 소자(Tr10)에 ON신호가 공급되고, 스위칭 소자(Tr10)가 온이 되면, 출력전류는 전파정류회로(11)→스위칭 소자(Tr10)→인덕턴스(L)→램프(4)→전파정류회로(11)로 흐른다.

② 이어서, 스위칭 소자(Tr10)이 OFF가 되면, 인덕턴스 (L)에 남아 있는 전류가, 인덕턴스(L)→램프(4)→다이오드(D10)→인덕턴스(L)로 흐른다.

③ 상기 ①②의 조합의 스위칭을 반복한다.

상기와 같이 제어함으로써, 램프 점등 제어회로 10-1∼10-n의 각부의 파형은 도 8에 도시한 바와 같이 된다. 또한, 여기서는, 램프 점등 제어회로에는 50㎐의상용교류전원이 입력되고, 스위칭 소자 Tr1∼Tr4의 스위칭 주파수는 20㎑가 되도록 한다.

입력전압의 파형은 도 8(a)에 도시한 파형이고, 스위칭을 약 50%의 듀티에서 행한 경우, 램프 점등 제어회로의 출력전류파형은 상기 도 8(b)와 같이 된다.

즉, 스위칭 소자(Tr10)가 ON이 되었을 때에는 교류상용전원으로부터의 전류가 그대로 출력되고, 램프의 전류값은 서서히 증가한다. 또한, 스위칭 소자(Tr1)가 OFF로 되면, 출력측은 전파정류회로(11)로부터 분리되는데, 인덕턴스(L)에 전류가 남아 있기 때문에, 램프(4)로 흐르는 전류가 서서히 작아진다. 남아있는 전류가 0이 되기 전에 다시 스위칭 소자(Tr10)를 ON으로 하면, 출력전류는 다시 증가한다.

또한, 도 8(b)에서는 설명을 위해 요철을 극단적으로 도시하였지만, 실제로는 예를 들면 20㎑에서 스위칭을 행하면, 제1 실시예와 같이 요철이 극히 작아지고, 출력파형은 출력측에 필터회로를 형성하지 않아도 대략 정현파로 된다. 필요하다면, 예를 들면 출력측에 형성한 콘덴서(C)에 의해 평탄화하면, 도 8(d)에 도시한 바와 같이 깨끗한 정현파가 된다.

따라서, 스위칭 소자(Tr10)의 스위칭의 듀티를 0에서1 사이에서 변화시킴으로써, 상기한 바와 같이 피크값이 가변인 전파정류파형의 출력전류를 얻을 수 있다. 즉, 램프(4)에 대해 연속적으로 변화가능한 전류를 부여할 수 있다.

한편, 램프 점등 제어회로로의 입력전류의 파형은 스위칭 소자(Tr10)의 듀티에 의해 ON/OFF가 반복되고 있기 때문에, 상기 도 8(c)와 같이 되고, 램프 점등 제어회로의 입력전류는 고조파 일그러짐이 큰 파형이 된다.

그래서, 본 실시예에서도 제1 실시예와 마찬가지로 각 램프 점등 제어회로의 스위칭 제어의 타이밍을 겹치지 않게 함으로써 입력측의 고조파 일그러짐을 작게한다.

즉, 상기 도 4에 도시한 바와 같이, 스위칭 주파수를 램프의 개수만큼 분할하고, 각각의 램프로 출력하는 각 램프 점등 제어회로 10-1∼10-n의 스위칭 소자(Tr10)를 시간차를 두고 순서대로 동작시킨다.

스위칭 주파수 20㎑에서, 4개의 램프를 점등시킨 경우를 예로 들면, 상기한 바와 같이 20㎑(주기 50㎲)의 1주기를 4 분할하고, 각 게이트 신호의 시간차를 12.5㎲로 한다.

상기한 바와 같이 시간차를 갖는 게이트 신호에 의해 도 7에 도시한 복수의 램프 점등 제어회로 10-1∼10-n을 동작시키면, 상기 도 5에서 설명한 바와 같이 복수의 램프를 점등시켰을 때의 전파정류회로(11)의 출력전류파형은 전파정류파형이 되고, 램프 점등장치 전체로서의 교류입력전류의 파형도 대략 정현파가 된다.

본 실시예에서는 상기한 바와 같이, 전파정류파형을 램프 점등 제어회로에 의해 스위칭하고, 피크값이 가변인 전파정류파형을 얻어, 이것에 의해 램프를 점등시키도록 하고 있기 때문에, 상기한 도통각 제어와 같이 램프에 급격히 큰 전압이 인가되지 않고, 상기 제1 실시예와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

또한, 1개의 스위칭 소자로 램프 점등제어장치를 구성할 수 있고, 회로구성을 간단하게 할 수 있다.

또한, 교류입력의 1/2사이클마다 램프로의 출력전류가 대략 0에 가까운 값까지 저하하기 때문에, 직류로 점등시킨 경우와 같이, 필라멘트 끊김이 발생했을 때 아크가 지속되지 않는다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 이하의 효과를 얻을 수 있다.

(1) 출력전류·출력전압의 파형을 정현파로하고, 피크의 높이를 변화시킴으로써, 출력전력을 변화시키고, 복수의 필라멘트 램프의 발열량을 제어할 수 있다. 램프에 급격한 전압이 인가되지 않기 때문에, 소음이 발생하지 않는다. 램프 필라멘트로 돌입전류가 흐르지 않기 때문에, 램프의 수명이 길어진다. 스위칭 소자의 듀티를 변화시킴으로써 피크의 높이를 연속적으로, 즉시로 변화시킬 수 있기 때문에, 램프의 휘도도 연속적으로 그리고 즉시 변화시킬 수 있다.

(2) 복수의 점등 제어회로로 공급하는 ON/OFF신호의 타이밍을 피하고 있기 때문에, 입력측에 고조파 일그러짐 제거용 필터 회로를 형성할 필요가 없거나, 극히 소형화할 수 있고, 입력전류의 파형을 정현파로 할 수 있다. 이 때문에, 장치의 구성을 간단화할 수 있고, 비용 절감을 도모하는 것이 가능하다.

또한, 램프 점등장치로부터 제어한 전력을 출력하는 경우에 있어서도 무효전력이 발생하지 않는다. 이 때문에, 효율적인 램프 점등장치를 실현할 수 있다.

본 발명의 필라멘트 램프 점등장치는 가열처리나 일반 조명 등, 구체적으로는 반도체 웨이퍼의 광조사식 가열처리장치에 이용할 수 있다.

Claims (1)

1. 입력측에 교류전원을 접속하고, 그 출력전력을 제어하여 복수의 필라멘트 램프를 점등시키는 필라멘트 램프 점등장치에 있어서,

   상기 복수의 필라멘트 램프에 대응하여 각각 형성되고, 상기 교류전원으로부터 공급되는 정현파 전류 혹은 그 전파정류된 입력전류를 스위칭하는 스위칭 소자를 구비한 점등 제어회로와,

   상기 스위칭 소자의 ON/OFF 신호를 출력하는 제어부를 구비하고,

   상기 점등 제어회로는 상기 스위칭 소자가 ON일 때, 입력전류를 필라멘트 램프로 공급하고, 스위칭 소자가 OFF일 때, 해당 필라멘트 램프와 직렬로 접속된 인덕턴스 요소에 축적된 에너지에 의해 필라멘트 램프로 지속적으로 전류를 흐르게 하고, 이후, 상기 ON/OFF를 반복함으로써, 전체로서 입력전류파형과 대략 동일한 형상의 출력전류를 필라멘트 램프에 공급하고,

   상기 제어부는 각 점등 제어회로의 스위칭 소자의 ON/OFF신호의 듀티를 변화시킴으로써, 상기 출력전류의 피크값을 변화시킴과 아울러, 상기 각 점등 제어회로에 타이밍을 겹치지 않게 하여 ON/OFF 신호를 공급하는 것을 특징으로 하는 필라멘트 램프 점등장치.