KR100393260B1 - a pulse power supply using zero crossing control method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 펄스형 레이저 시스템 등에 스위칭 전원을 공급하는 펄스파워 전원장치에 관한 것으로, 특히 입력되는 교류전압의 영점과 위상을 검출하는 영점/위상 검출부와; 상기 영점/위상 검출부의 출력신호에 따라 교류전압의 영점에서 구형파인 트리거 펄스를 발생하는 컨트롤러와; 상기 컨트롤러의 출력신호인 구형파의 트리거 펄스를 미분하여 펄스폭이 짧은 파형으로 변환시키는 트리거 펄스 증폭부; 및 상기 트리거 펄스 증폭부의 출력신호에 따라 스위칭소자를 턴온시켜 부하로 고전압 펄스를 공급하는 펄스파워 공급부를 구비하는 것을 특징으로 한다. 상기와 같이 본 발명은 정류부와 평활용 콘덴서를 사용하지 않고 교류전압을 직접 제어함에 따라 출력전압의 제어가 용이하고 정류부에 의한 전압강하의 손실이 없으며, 아울러 교류전압의 영점에서 스위칭소자인 실리콘제어정류기(SCR)를 스위칭시킴에 따라 스위칭에 의한 손실을 줄여 전체적인 효율을 상승시킬 수 있다.The present invention relates to a pulse power power supply for supplying switching power to a pulsed laser system and the like, and in particular, a zero / phase detection unit for detecting a zero point and a phase of an input AC voltage; A controller for generating a trigger pulse that is a square wave at the zero point of an AC voltage according to the output signal of the zero / phase detection unit; A trigger pulse amplifier configured to differentiate a trigger pulse of a square wave which is an output signal of the controller and convert the trigger pulse into a waveform having a short pulse width; And a pulse power supply unit which turns on the switching element according to the output signal of the trigger pulse amplifier and supplies a high voltage pulse to the load. As described above, according to the present invention, the AC voltage is directly controlled without using the rectifier and the smoothing capacitor, so that the output voltage can be easily controlled, and there is no loss of voltage drop by the rectifier. By switching the rectifier (SCR) it is possible to reduce the losses due to switching to increase the overall efficiency.
Description
본 발명은 펄스파워 전원장치에 관한 것으로, 특히 입력되는 교류전압의 영점에서 스위칭소자를 턴온시켜 부하로 고전압 펄스를 공급함에 따라 제어가 용이하고 스위칭 손실이 적으며 펄스반복율이 증가할수록 많은 에너지를 부하로 공급할 수 있는 제로 크로싱 제어방식을 이용한 펄스파워 전원장치에 관한 것이다.The present invention relates to a pulse power power supply device, and in particular, by switching on a switching element at a zero point of an input AC voltage and supplying a high voltage pulse to a load, the control is easy, the switching loss is small, and as the pulse repetition rate increases, more energy is loaded. The present invention relates to a pulse power power supply using a zero crossing control method that can be supplied with
일반적으로 펄스형 레이저 시스템 등에서는 스위칭 전원이 사용되는데, 스위칭 전원을 부하로 공급하기 위해서 종래의 전원장치는 변압기의 2차측에 교류전압을 직류전압으로 변환시키는 정류부와 평활용 콘덴서를 필수적으로 구비하게 되며, 상기 정류부와 평활용 콘덴서를 통해 변환된 직류전압을 스위칭시켜 부하로 고전압 펄스를 공급하게 된다.In general, a switching power supply is used in a pulsed laser system. In order to supply switching power to a load, a conventional power supply essentially includes a rectifier and a smoothing capacitor for converting an AC voltage into a DC voltage on a secondary side of a transformer. The DC voltage converted by the rectifier and the smoothing capacitor is switched to supply a high voltage pulse to the load.
그러나, 직류의 고전압은 통상적으로 제어하기 어려우며 아울러 상기와 같은 종래의 전원장치는 직류전압의 후단부를 스위칭하게 되므로 그 구조가 복잡하고 스위칭에 의한 손실이 크며 펄스반복율(pulse repetition rate)이 증가할수록 콘덴서에 저장된 에너지가 부하로 충분히 전달되지 못함에 따라 레이저의 출력효율을 저감시키는 요인으로 작용하게 된다는 단점이 있었다.However, the high voltage of the DC is usually difficult to control, and the conventional power supply as described above switches the rear end of the DC voltage, and thus the structure thereof is complicated, the loss due to switching is large, and as the pulse repetition rate increases, the capacitor As the energy stored in the circuit is not sufficiently transmitted to the load, there is a disadvantage in that it acts as a factor to reduce the output efficiency of the laser.
상기와 같은 단점을 보완하기 위하여 PWM(pulse width modulation), ZCS (zero current switching), ZVS(zero voltage switching) 방식 등을 채택하여 변압기의 2차측 출력전압을 제어하려는 노력이 있었으나, 이와같은 제어방식도 교류전압을 직류전압으로 변환시키는 정류부와 평활용 콘덴서를 필수적으로 구비하여야 함에따라 구조가 복잡하고 고가라는 문제점이 있었다.In order to compensate for the above disadvantages, efforts have been made to control the secondary output voltage of the transformer by adopting pulse width modulation (PWM), zero current switching (ZCS), and zero voltage switching (ZVS). In addition, there is a problem in that the structure is complicated and expensive, as it must be provided with a rectifier and a smoothing capacitor for converting AC voltage to DC voltage.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 입력되는 교류전압의 영점에서 스위칭소자를 턴온시켜 부하로 고전압 펄스를 공급함에 따라 제어가 용이하고 스위칭 손실이 적으며 펄스반복율이 증가할수록 많은 에너지를 부하로 공급할 수 있는 제로 크로싱 제어방식을 이용한 펄스파워 전원장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Accordingly, the present invention has been invented to solve the above problems, and as the switching device is turned on at the zero point of the input AC voltage to supply a high voltage pulse to the load, the control is easy, the switching loss is small, and the pulse repetition rate is increased. It is an object of the present invention to provide a pulse power power supply using a zero crossing control method capable of supplying a large amount of energy to a load.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 펄스파워 전원장치에 있어서: 입력되는 교류전압의 영점과 위상을 검출하는 영점/위상 검출부와; 상기 영점/위상 검출부의 출력신호에 따라 교류전압의 영점에서 구형파인 트리거 펄스를 발생하는 컨트롤러와; 상기 컨트롤러의 출력신호인 구형파의 트리거 펄스를 미분하여 펄스폭이 짧은 파형으로 변환시키는 트리거 펄스 증폭부; 및 상기 트리거 펄스 증폭부의 출력신호에 따라 스위칭소자를 턴온시켜 부하로 고전압 펄스를 공급하는 펄스파워 공급부를 구비하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a pulse power supply device comprising: a zero point / phase detection unit for detecting a zero point and a phase of an input AC voltage; A controller for generating a trigger pulse that is a square wave at the zero point of an AC voltage according to the output signal of the zero / phase detection unit; A trigger pulse amplifier configured to differentiate a trigger pulse of a square wave which is an output signal of the controller and convert the trigger pulse into a waveform having a short pulse width; And a pulse power supply unit which turns on the switching element according to the output signal of the trigger pulse amplifier and supplies a high voltage pulse to the load.
또한, 상기 펄스파워 공급부는: 입력되는 교류전압을 승압시키는 변압기와; 상기 컨트롤러에서 발생된 제1 트리거 펄스에 따라 스위칭되어 변압기의 2차측 전압을 콘덴서에 충전시키는 제1 실리콘제어정류기; 및 상기 컨트롤러에서 발생된 제2 트리거 펄스에 따라 스위칭되어 콘덴서에 충전된 전압을 다이오드와 인덕턴스를 통해 부하로 공급하는 제2 실리콘제어정류기를 포함하되; 상기 제1 및 제2 트리거 펄스의 위상차로 인해 제1 및 제2 실리콘제어정류기는 교번하여 턴온되는 것을 특징으로 한다.The pulse power supply may include: a transformer for boosting an input AC voltage; A first silicon controlled rectifier switched according to the first trigger pulse generated by the controller to charge the capacitor with a secondary voltage of the transformer; And a second silicon controlled rectifier switched according to a second trigger pulse generated by the controller and supplying a voltage charged in a capacitor to a load through a diode and an inductance. Due to the phase difference between the first and second trigger pulses, the first and second silicon controlled rectifiers are alternately turned on.
도 1은 본 발명에 따른 펄스파워 전원장치를 개략적으로 나타낸 도면,1 is a view schematically showing a pulse power supply apparatus according to the present invention;
도 2는 도 1에 도시된 영점/위상 검출부의 일예를 나타낸 회로도,FIG. 2 is a circuit diagram illustrating an example of a zero / phase detector illustrated in FIG. 1;
도 3은 도 1에 도시된 트리거 펄스 증폭부의 일예를 나타낸 회로도,3 is a circuit diagram illustrating an example of a trigger pulse amplifier shown in FIG. 1;
도 4는 도 1에 도시된 펄스파워 공급부의 일예를 나타낸 회로도,4 is a circuit diagram showing an example of the pulse power supply unit shown in FIG.
도 5는 본 발명이 적용된 펄스형 Nd:YAG 레이저 시스템의 구성도,5 is a configuration diagram of a pulsed Nd: YAG laser system to which the present invention is applied;
도 6은 영점검출신호 및 실리콘제어정류기의 턴온신호를 나타낸 도면,6 is a diagram illustrating a zero detection signal and a turn-on signal of a silicon controlled rectifier;
도 7은 플래쉬램프의 전류파형 및 레이저 빔 프로파일을 나타낸 도면,7 is a view showing a current waveform and a laser beam profile of a flash lamp;
도 8는 펄스반복율에 따른 플래쉬램프의 전류파형을 나타낸 도면,8 is a view showing a current waveform of a flash lamp according to the pulse repetition rate;
도 9는 플래쉬램프의 출력특성을 나타낸 도면,9 is a view showing the output characteristics of the flash lamp,
도 10은 펄스반복율에 따른 레이저 출력특성을 나타낸 도면.10 is a view showing the laser output characteristics according to the pulse repetition rate.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings
10 : 영점/위상 검출부 20 : 컨트롤러10: zero / phase detection unit 20: controller
30 : 트리거 펄스 증폭부 40 : 펄스파워 공급부30: trigger pulse amplifier 40: pulse power supply
41 : 펄스 공급 회로부 42 : 시머 회로부41 pulse supply circuit 42 42 shimmer circuit
43 : 트리거 회로부 44 : 플래쉬램프43: trigger circuit 44: flash lamp
T : 변압기 S : 실리콘제어정류기T: Transformer S: Silicon Controlled Rectifier
C : 콘덴서 D : 다이오드C: capacitor D: diode
L : 인덕턴스L: inductance
이하 본 발명의 바람직한 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 제로 크로싱 제어방식을 이용한 펄스파워 전원장치를 개략적으로 나타낸 도면으로, 교류입력전압의 영점과 위상을 검출하는 영점/위상 검출부(10)의 출력단에 PIC 원칩 마이크로프로세서인 컨트롤러(20)가 접속되어 있는데, 상기 컨트롤러(20)는 영점/위상 검출부(10)를 통해 검출된 교류입력전압의 영점에서 위상차를 갖는 5V의 구형파인 제1 및 제2 트리거 펄스를 발생한다.1 is a schematic diagram showing a pulse power supply apparatus using a zero crossing control method according to the present invention, wherein the controller is a PIC one-chip microprocessor at an output terminal of a zero / phase detection unit 10 for detecting a zero point and a phase of an AC input voltage. 20 is connected, and the controller 20 generates first and second trigger pulses, which are 5 V square waves having a phase difference at the zero point of the AC input voltage detected by the zero / phase detector 10.
한편, 상기 컨트롤러(20)의 출력단에 접속된 트리거 펄스 증폭부(30)는 부하로 고전압 펄스를 공급하는 스위칭소자인 실리콘제어정류기(SCR)의 턴오프 시간에 미치는 영향을 최소화하는 동시에 스위칭 손실을 줄이기 위하여 컨트롤러(20)에서 출력되는 구형파의 제1 및 제2 트리거 펄스를 미분하여 펄스폭이 짧은 파형으로 변환시킨다.On the other hand, the trigger pulse amplifier 30 connected to the output terminal of the controller 20 minimizes the influence on the turn-off time of the silicon control rectifier (SCR), which is a switching element that supplies a high voltage pulse to the load and at the same time reduces the switching loss. In order to reduce, the first and second trigger pulses of the square wave output from the controller 20 are differentiated and converted into a waveform having a short pulse width.
아울러, 상기 트리거 펄스 증폭부(30)의 출력단에는 펄스폭이 짧은 파형으로 변환된 제1 및 제2 트리거 펄스에 따라 스위칭소자인 실리콘제어정류기을 턴온시켜콘덴서에 충전된 에너지를 부하로 공급하는 펄스파워 공급부(40)가 접속되어 있다. 미설명된 도면부호 50은 컨트롤러(20)의 제어에 사용되는 제어용 컴퓨터를 나타낸 것이다.In addition, the output pulse of the trigger pulse amplifying unit 30 turns on the silicon controlled rectifier, which is a switching element, in accordance with the first and second trigger pulses converted into a waveform having a short pulse width to supply the energy charged in the capacitor to the load. The supply part 40 is connected. Unexplained reference numeral 50 denotes a control computer used for controlling the controller 20.
한편, 도 2는 교류입력전압의 영점과 위상을 검출하는 영점/위상 검출부의 일예를 나타낸 회로도로, 변압기(T1)의 2차측에 접속된 3개의 트랜지스터(Q1∼Q3)가 교류입력전압의 영점을 검출하고 상기 변압기(T1)의 1차측에 접속된 1개의 트랜지스터(Q4)가 교류입력전압의 위상을 검출하게 되는데, 이와같은 구성은 당해 기술분야에서 통상적으로 사용되기 때문에 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.2 is a circuit diagram showing an example of a zero / phase detection unit for detecting a zero point and a phase of an AC input voltage, wherein three transistors Q1 to Q3 connected to the secondary side of the transformer T1 are zero point of the AC input voltage. Is detected and one transistor Q4 connected to the primary side of the transformer T1 detects a phase of an AC input voltage. Since such a configuration is commonly used in the art, a detailed description thereof will be omitted. Shall be.
도 3은 트리거 펄스를 미분하여 펄스폭이 짧은 파형으로 변환시키는 트리거 펄스 증폭부의 일예를 나타낸 회로도로, 상기 영점/위상 검출부(10)에서 출력되는 영점 및 위상검출신호에 따라 PIC 원칩 마이크로프로세서인 컨트롤러(20)는 위상차를 갖는 제1 및 제2 트리거 펄스를 출력하게 되는데, 상기 트리거 펄스들은 포터커플러(PC1,PC2)를 통해 트리거 펄스 증폭부(30)로 각각 인가된다.FIG. 3 is a circuit diagram illustrating an example of a trigger pulse amplifying unit which differentiates a trigger pulse into a waveform having a short pulse width. The controller is a PIC one-chip microprocessor according to a zero and phase detection signal output from the zero / phase detection unit 10. 20 outputs first and second trigger pulses having a phase difference, and the trigger pulses are respectively applied to the trigger pulse amplifiers 30 through the port couplers PC1 and PC2.
상기와 같이 제1 및 제2 트리거 펄스가 인가되면 트리거 펄스 증폭부(30)는 이를 미분하여 펄스폭이 짧은 파형으로 변환시켜 출력한다. 이처럼 제1 및 제2 트리거 펄스를 미분하는 것은 트리거 펄스가 펄스파워 공급부(40)를 구성하는 스위칭소자인 실리콘제어정류기(SCR)의 턴오프에 미치는 영향을 최소화하고 동시에 스위칭 손실을 줄이기 위함이다.As described above, when the first and second trigger pulses are applied, the trigger pulse amplifying unit 30 differentiates them into a waveform having a short pulse width and outputs the waveform. The differentiation of the first and second trigger pulses is to minimize the effect of the trigger pulse on the turn-off of the silicon controlled rectifier (SCR), which is the switching element constituting the pulse power supply 40, and at the same time reduce the switching loss.
도 4는 상기 트리거 펄스 증폭부에서 출력되는 제1 및 제2 트리거 펄스에 따라 구동되어 부하로 고전압 펄스를 공급하는 펄스파워 공급부를 나타낸 도면으로,부하로 펄스형 레이저 시스템의 플래쉬램프(flashlamp)(44)가 사용된 경우를 나타낸 것이다.4 is a diagram illustrating a pulse power supply unit driven according to first and second trigger pulses output from the trigger pulse amplifier and supplying a high voltage pulse to a load. 44) is used.
이와같이 플래쉬램프(44)가 사용되면 이 플래쉬램프(44)를 낮은 전압에서 점등시키기 위한 예비점등회로(simmer trigger circuit)가 필요한데, 이를 위해서 시머(simmer) 회로부(42)와 트리거(trigger) 회로부(43)가 일반적으로 사용된다.When the flash lamp 44 is used in this manner, a simmer trigger circuit for lighting the flash lamp 44 at a low voltage is required. For this purpose, a simmer circuit part 42 and a trigger circuit part ( 43) is commonly used.
즉, 시머 회로부(42)는 220V의 교류입력전압을 변압기(T5)를 통해 770V로 승압시키고 다이오드(DR)를 통해 변압기(T5)의 2차측 교류전압을 반파정류하며 콘덴서 (CS), 저항(RS)을 통해 생성된 1KV의 직류전압을 다이오드(DB2)를 통해 플래쉬램프 (44)로 인가한다. 아울러, 트리거 회로부(43)의 스위치(SW)가 턴온되면 변압기(T6)를 통해 교류입력전압이 인가됨에 따라 플래쉬램프(44)의 양단에 예비방전인 스트리머 방전(streamer discharge)이 유기되어 플래쉬램프(44)는 낮은 전압에도 점등이 가능하게 된다.That is, the excimer circuit 42 is half-wave rectifying the secondary alternating voltage of the transformer (T5) steps up the AC input voltage of 220V to 770V with a transformer (T5) and via a diode (D R) and capacitor (C S), The DC voltage of 1 KV generated through the resistor R S is applied to the flash lamp 44 through the diode D B2 . In addition, when the switch SW of the trigger circuit unit 43 is turned on, as the AC input voltage is applied through the transformer T6, streamer discharges, which are preliminary discharges, are induced at both ends of the flash lamp 44 to flash. The lamp 44 can be turned on even at a low voltage.
한편, 제1 및 제2 트리거 펄스에 따라 구동되어 부하인 플래쉬램프(44)로 고전압 펄스를 공급하는 펄스 공급 회로부(41)의 변압기(T4)는 교류입력전압을 승압시키고, 이와같이 승압된 변압기(T4)의 2차측 전압은 컨트롤러(20)에서 출력된 제1 트리거 펄스에 따라 스위칭되는 제1 실리콘제어정류기(S1)를 통해 콘덴서(CM)에 충전된다.On the other hand, the transformer T4 of the pulse supply circuit portion 41 which is driven in accordance with the first and second trigger pulses and supplies the high voltage pulse to the flash lamp 44 serving as a load boosts the AC input voltage and thus boosts the transformer ( The secondary voltage of T4) is charged to the capacitor C M through the first silicon controlled rectifier S 1 which is switched according to the first trigger pulse output from the controller 20.
아울러, 상기 컨트롤러(20)에서 출력된 제2 트리거 펄스에 따라 제2 실리콘제어정류기(S2)가 스위칭되면 콘덴서(CM)에 충전된 에너지는 다이오드(DB1)와 인덕턴스(LM)를 통해 부하인 플래쉬램프(44)로 인가되는데, 상기된 것처럼 제1 및 제2 실리콘제어정류기(S1,S2)를 스위칭시키는 제1 및 제2 트리거 신호는 소정의 위상차를 갖는다.In addition, when the second silicon-controlled rectifier S 2 is switched according to the second trigger pulse output from the controller 20, the energy charged in the capacitor C M may cause the diode D B1 and the inductance L M. The first and second trigger signals for switching the first and second silicon controlled rectifiers S 1 and S 2 have a predetermined phase difference as described above.
다음에는 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 제로 크로싱 제어방식을 이용한 펄스파워 전원장치의 동작방법을 상세히 설명한다.Next, the operation method of the pulse power power supply apparatus using the zero crossing control method according to the present invention configured as described above will be described in detail.
교류전압이 인가되면 영점/위상 검출부(10)는 교류입력전압의 영점과 위상을 검출하고 그에따른 신호를 PIC 원칩 마이크로프로세서인 컨트롤러(20)로 출력하게 되는데, 이와같이 영점검출신호가 인가되면 컨트롤러(20)는 교류입력전압의 영점에서 5V의 구형파인 위상차를 갖는 제1 및 제2 트리거 펄스를 발생하여 트리거 펄스 증폭부(30)로 출력하게 된다.When the AC voltage is applied, the zero / phase detection unit 10 detects the zero point and phase of the AC input voltage and outputs a corresponding signal to the controller 20 which is a PIC one-chip microprocessor. When the zero detection signal is applied, the controller ( 20) generates first and second trigger pulses having a phase difference that is a square wave of 5V at the zero point of the AC input voltage, and outputs the trigger pulse amplification unit 30.
상기와 같이 구형파인 제1 및 제2 트리거 펄스가 인가되면 트리거 펄스 증폭부(30)는 트리거 펄스가 제1 및 제2 실리콘제어정류기(S1,S2)의 턴오프 시간에 미치는 영향을 최소시키는 동시에 스위칭 손실을 줄이기 위하여 구형파인 제1 및 제2 트리거 펄스를 미분하여 펄스폭이 짧은 파형으로 변환시킨다.As described above, when the first and second trigger pulses, which are square waves, are applied, the trigger pulse amplifier 30 minimizes the influence of the trigger pulse on the turn-off times of the first and second silicon controlled rectifiers S 1 and S 2 . In order to reduce the switching loss, the first and second trigger pulses, which are square waves, are differentiated into a waveform having a short pulse width.
한편, 부하인 플래쉬램프(44)를 낮은 전압에서 점등시키기 위하여 펄스파워 공급부(40)는 시머 회로부(42)를 통해 플래쉬램프(44)의 양단에 1KV의 직류전압을 가하게 되며, 트리거 회로부(43)의 스위치(SW)가 턴온되면 교류입력전압이 인가되어 플래쉬램프(44)의 양단에는 예비방전인 스트리머 방전(streamer discharge)이 유기된다.On the other hand, in order to turn on the flash lamp 44 as a load at a low voltage, the pulse power supply 40 applies a DC voltage of 1 KV to both ends of the flash lamp 44 through the shimmer circuit 42, and the trigger circuit 43 When the switch SW is turned on, an AC input voltage is applied, and a streamer discharge, which is a preliminary discharge, is induced at both ends of the flash lamp 44.
또한, 트리거 펄스 증폭부(30)로 부터 출력된 제1 및 제2 트리거 신호가 제1 및 제2 실리콘제어정류기(S1,S2)의 게이트 단자로 인가되면 제1 및 제2 실리콘제어정류기(S1,S2)가 교번하여 턴온되어 부하인 플래쉬램프(44)로 고전압 펄스를 인가하게 된다.In addition, when the first and second trigger signals output from the trigger pulse amplifier 30 are applied to the gate terminals of the first and second silicon controlled rectifiers S 1 and S 2 , the first and second silicon controlled rectifiers may be used. (S 1 , S 2 ) are alternately turned on to apply a high voltage pulse to the flash lamp 44 as a load.
다시말해, 제1 트리거 펄스에 의해 제1 실리콘제어정류기(S1)이 턴온되면 콘덴서(CM)에는 변압기(T4)의 2차측 전압이 충전된다. 또한, 상기 제1 트리거 신호에 의해 제1 실리콘제어정류기(S1)가 턴오프되고 제2 트리거 신호에 의해 제2 실리콘제어정류기(S2)가 턴온되면 콘덴서(CM)에 충전된 에너지가 다이오드(DB1)와 인덕턴스 (LM)를 통해 부하인 플래쉬램프(44)로 인가되게 된다.In other words, when the first silicon controlled rectifier S 1 is turned on by the first trigger pulse, the capacitor C M is charged with the secondary voltage of the transformer T4. In addition, when the first silicon controlled rectifier S 1 is turned off by the first trigger signal and the second silicon controlled rectifier S 2 is turned on by the second trigger signal, the energy charged in the capacitor C M is increased. Through the diode D B1 and the inductance L M , it is applied to the flash lamp 44 which is the load.
도 5는 본 발명에 따른 제로 크로싱 제어방식을 이용한 펄스파워 전원장치의 성능실험을 위한 구성예를 나타낸 도면으로, 펄스형 고체 레이저인 Nd:YAG 레이저 시스템을 나타낸 구성도이다.5 is a view showing a configuration example for the performance test of the pulse power power supply apparatus using a zero crossing control method according to the present invention, a configuration diagram showing a Nd: YAG laser system as a pulsed solid-state laser.
도면에 도시된 것처럼, 레이저 헤드(61a)가 캐비티(cavity), 제논 플래쉬램프(xe flashlamp), Nd:YAG 로드로 이루어진 레이저 공진기(61)의 좌우측에 전반사경(61b)과 부분반사경(61c)을 장착하고, 상기 레이저 공진기(61)의 제논 플래쉬램프를 구동시키기 위해 본 발명에 따른 펄스파워 전원장치(63)를 접속하였다.As shown in the figure, the laser head 61a has a total reflection mirror 61b and a partial reflection mirror 61c on the left and right sides of the laser resonator 61 made of a cavity, a xen flashlamp, and an Nd: YAG rod. In order to drive the xenon flash lamp of the laser resonator 61, the pulse power power supply 63 according to the present invention was connected.
아울러, 레이저 공진기(61)의 상부에는 제논 플래쉬램프와 Nd:YAG 로드를 냉각시키기 위한 냉각장치(62)를 장착하고 사용자의 명령에 따라 실험조건을 가변하기 위한 제어장치(64)가 전원장치(63)와 냉각장치(62)에 각각 접속되어 있는데, 상기 제어장치(64)에는 실험결과를 모니터링하기 위한 디스플레이 및 사용자가 실험조건을 설정하기 위한 키보드가 포함된 모니터링장치(65)가 접속되어 있다.In addition, the upper portion of the laser resonator 61 is equipped with a cooling device 62 for cooling the xenon flash lamp and the Nd: YAG rod, and the control device 64 for varying the experimental conditions according to the user's command is the power supply device ( 63) and a cooling device 62, respectively. The control device 64 is connected to a monitoring device 65 including a display for monitoring the test results and a keyboard for setting the test conditions by the user. .
상기와 같이 구성된 Nd:YAG 레이저 시스템의 입력전압으로 850V의 전압을 사용하고 펄스반복율은 1∼60pps(pulse per second)의 범위를 사용하였으며, 플래쉬램프의 전류파형 측정장치로는 오실로스코프(LeCroy사 모델명 9310AM) 및 0.001V/A 변류기(Pearson Electronics Co.)를 사용하고 레이저 출력측정장치로는 Nd:YAG용 에너니미터(SCIENTECH사 모델명 AD30-1420)를 사용하였다.A voltage of 850 V was used as the input voltage of the Nd: YAG laser system configured as described above, and a pulse repetition rate was used in the range of 1 to 60 pps (pulse per second) .As the current waveform measuring device of the flash lamp, an oscilloscope (LeCroy's model name) 9310AM) and a 0.001 V / A current transformer (Pearson Electronics Co.) were used, and an Nd: YAG Ennamometer (model name AD30-1420) was used as a laser output measuring device.
도 6은 펄스반복율이 60pps인 경우에 검출된 영점검출신호 및 실리콘제어정류기의 턴온신호를 나타낸 도면으로, 영점/위상 검출부(10)가 교류입력전압(A)에 대한 영점을 검출하여 영점검출신호(B)를 출력하면 컨트롤러(20)는 제1 및 제2 트리거 신호(C,D)를 출력하여 트리거 펄스 증폭부(30)를 통해 펄스파워 공급부(40)로 인가하게 되는데, 이때 제1 및 제2 트리거 펄스간에는 8.4ms의 지연시간을 가짐에 따라 제1 및 제2 실리콘제어정류기(S1,S2)는 시간차를 갖고 순차적으로 턴온하게 된다.FIG. 6 is a diagram illustrating a zero detection signal detected when a pulse repetition rate is 60pps and a turn-on signal of a silicon-controlled rectifier. The zero / phase detection unit 10 detects a zero point of an AC input voltage A to detect a zero point. When outputting (B), the controller 20 outputs the first and second trigger signals C and D and applies them to the pulse power supply unit 40 through the trigger pulse amplifier 30. As the second trigger pulse has a delay time of 8.4 ms, the first and second silicon controlled rectifiers S 1 and S 2 turn on sequentially with time differences.
한편, 도 7은 콘덴서의 충전전압이 850V이고 펄스반복율이 1pps인 경우에 검출된 플래쉬램프의 전류파형 및 레이저 빔 프로파일(laser beam profile)을 나타낸 도면으로, 플래쉬램프의 전류파형은 감도 0.001V/A인 변류기(pearson Electronics Co.)로 측정하였고 레이저 빔 프로파일은 APD(Model ; Hamamatsu C5331)로 측정하였다. 도면에 도시된 것처럼, 플래쉬램프의 상승시간(rising time)이 70%인 지점에서 문턱치(threshold point)에 도달하였다. 이때의 전류 및 프로파일 파형의 FWHM (full width at half maximum)은 100㎲로 거의 동일함을 알 수 있다.FIG. 7 is a diagram illustrating a current waveform and a laser beam profile of a flash lamp detected when a capacitor has a charging voltage of 850 V and a pulse repetition rate of 1 ppm. The current waveform of the flash lamp has a sensitivity of 0.001 V / The laser beam profile was measured by APD (Model; Hamamatsu C5331). As shown in the figure, a threshold point was reached at a point where the rise time of the flash lamp was 70%. It can be seen that the FWHM (full width at half maximum) of the current and profile waveforms at this time is almost equal to 100 Hz.
도 8는 콘덴서의 충전전압이 850V이고 펄스반복율이 1pps, 30pps, 60pps인 경우에 검출된 플래쉬램프의 전류파형을 나타낸 것이다. 파형 A, B, C의 전류피크치는 각각 930A, 860A, 835A이며 펄스반복율이 증가할수록 콘덴서에 충전된 에너지가 플래쉬램프로 충분히 전달되지 못하여 전류피크치가 다소 감소하게 됨을 알 수 있다.8 shows the current waveform of the flash lamp detected when the charging voltage of the capacitor is 850V and the pulse repetition rate is 1pps, 30pps, 60pps. The current peaks of waveforms A, B, and C are 930A, 860A, and 835A, respectively, and as the pulse repetition rate increases, the energy peaks of the capacitors are not sufficiently transferred to the flash lamps.
도 9는 플래쉬램프의 출력특성을 나타낸 도면으로, 펄스반복율이 60pps에 도달하기 까지는 플래쉬램프의 전류파형이 임계제동(critical damping)에 가까운 동작을 보임에 따라 플래쉬램프에 손상을 주지 않으며 안정된 출력특성을 나타내고 있음을 알 수 있다.9 is a view showing the output characteristics of the flash lamp, the current waveform of the flash lamp until the pulse repetition rate reaches 60pps does not damage the flash lamp as the current waveform is close to the critical damping (stable operation) It can be seen that it represents.
도 10은 펄스반복율에 따른 레이저 출력특성을 나타낸 도면으로, 종래의 전원장치는 펄스반복율이 증가할수록 레이저 출력이 6%씩 감소하여 60pps에서는 11W 의 출력을 나타내고 있는 반면, 본 발명에 따른 전원장치는 펄스반복율이 증가할수록 레이저의 출력이 2.3%씩 감소하여 60pps에서는 15W의 출력을 얻는다. 따라서 기존의 제어방식을 이용한 전원장치 보다는 20%정도 효율이 상승되었음을 확인할 수 있다.10 is a view showing the laser output characteristics according to the pulse repetition rate, while the conventional power supply device shows a power output of 11W at 60pps, while the laser output decreases by 6% as the pulse repetition rate increases. As the pulse repetition rate increases, the laser output decreases by 2.3%, yielding 15W at 60pps. Therefore, it can be confirmed that the efficiency is increased by about 20% compared to the power supply using the conventional control method.
상기와 같이 본 발명은 정류부와 평활용 콘덴서를 사용하지 않고 교류전압을직접 제어함에 따라 출력전압의 제어가 용이하고 정류부에 의한 전압강하의 손실이 없으며, 아울러 교류전압의 영점에서 스위칭소자인 실리콘제어정류기(SCR)를 스위칭시킴에 따라 스위칭에 의한 손실을 줄여 전체적인 효율을 상승시킬 수 있다.As described above, according to the present invention, the AC voltage is directly controlled without using the rectifier and the smoothing capacitor, so that the output voltage can be easily controlled and there is no loss of voltage drop caused by the rectifier. By switching the rectifier (SCR) it is possible to reduce the losses due to switching to increase the overall efficiency.
또한 펄스반복율이 증가할수록 기존의 전원장치 보다 많은 에너지를 부하에 전달할 수 있으며, 정류부와 평활용 콘덴서, 전류제한용 저항, 스위칭소자인 실리콘제어정류기(SCR)를 자연전류(self-commutation)시키기 위한 인덕턴스등을 사용하지 않음에 따라 소형으로 제작할 수 있다.In addition, as the pulse repetition rate increases, more energy can be transferred to the load than the existing power supply, and the self-commutation of the rectifier, the smoothing capacitor, the current limiting resistor, and the silicon controlled rectifier (SCR), the switching element, is performed. It can be made compact by not using inductance.
본 발명은 도면에 도시된 일실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the drawings, this is merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be defined only by the appended claims.
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