KR100430670B1 - 승압형 컨버터의 직렬 배열 구조를 갖는 펄스전압발생회로 - Google Patents

승압형 컨버터의 직렬 배열 구조를 갖는 펄스전압발생회로 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 승압형 컨버터의 직렬 배열 구조를 갖는 펄스전압 발생회로는, 교류 전원으로부터 교류 전압을 입력받아 펄스전압 발생을 위한 직류 전원을 공급하는 직류전원 공급부; 및 상기 직류전원 공급부의 후단에 접속되어 펄스 전압을 발생하는 것으로서, 상기 직류전원 공급부의 양극(+) 단에 직렬로 접속되는 인덕터와, 그 인덕터의 후단에 위치되어 상기 직류전원 공급부의 양극 단에 접속되는 반도체 스위칭 소자와, 그 반도체 스위칭 소자의 음극(-) 단 및 상기 직류전원 공급부의 음극 단에 캐소드가 접속되는 다이오드와, 그 다이오드의 애노드에 음의 단자가 연결되고 양의 단자는 상기 반도체 스위칭 소자의 양극 단과 접속되는 커패시터로 이루어지는 승압형 컨버터를 포함하여 구성되되, 이 승압형 컨버터는 그것을 하나의 단위 스택으로 하여 다수개의 단위 스택이 직렬 연결 구조를 갖는다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 전력용 반도체 소자를 이용한 승압형 컨버터의 직렬 배열구조를 도입하고 있어 고전압 직류 전원의 사용없이 고전압 펄스를 얻을 수 있고, 빠른 펄스전압 상승 시간을 얻을 수 있으며, 펄스 전압의 폭을 자유롭게 가변할 수 있고, 동작주파수를 수 kHz로 증가시킬 수 있다. 또한, 전체 장치의 절연 내력을 한층 낮출 수 있고, 전체 크기를 대폭 줄일 수 있으며, 장치의 수명을 반영구적으로 연장할 수 있다.

Description

승압형 컨버터의 직렬 배열 구조를 갖는 펄스전압 발생회로{Circuit for generating voltage pulse having serial arrangement of boost type converter}
본 발명은 펄스전압 발생회로에 관한 것으로서, 더 상세하게는 펄스전압 발생을 위해 전력용 반도체 소자를 이용한 승압형 컨버터의 직렬 배열구조를 도입함으로써, 장치의 수명을 연장하고, 펄스폭의 가변이 가능하며, 입력전원으로 직류 고전압 전원을 필요로 하지 않는 승압형 컨버터의 직렬 배열 구조를 갖는 펄스전압 발생회로에 관한 것이다.
일반적으로, 고전압 펄스 발생회로는 각종 시험장비 및 플라즈마 발생장치, 레이저 전원 등 특수한 용도에 널리 사용되고 있다. 현재까지는 각 용도에 맞추어 산업계에서 여러 가지 다양한 형태의 펄스 발생회로를 사용하고 있는 실정이다.
종래 펄스 발생회로는 대전력 분야에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 스파크 갭을 이용한 마르크스 제너레이터(Marx generator)(101)를 채용하여 수 MV, MA급 용도에 주로 사용되고 있고, 대,중용량급 펄스 발생회로에는 도 2에 도시된 바와 같이, 싸이라트론(thyratron)과 같은 진공관식 고전압 스위치(201)를 이용하여 에너지 저장회로에 충전된 고전압을 방전시켜 출력단에 고전압 펄스를 만들어내는 방식이 이용되고 있다.
이상과 같은 종래 펄스 발생회로는 간단한 구조에 손쉽게 고전압 대전력 펄스를 만들 수는 있으나, 도 1의 회로는 기본적으로 스파크 갭의 동작을 위한 입력단 직류 고전압 전원(102)이 필요하며, 펄스 전압의 발생 시점을 정확히 맞추기 위해서는 특수한 트리거(trigger) 회로가 요구된다. 또한, 도 2의 회로는 진공관 스위치를 이용한 방식으로 수십 kV, 수 kA급의 펄스 발생에 주로 이용되는 것으로서, 대전력 분야에는 적합하지만 중,소용량의 펄스 발생회로에는 적합하지 않다. 특히, 장치의 수명이 매우 짧고, 구형파 펄스를 얻으려면 펄스성형회로(202)가 부가되어야 하며, 입력단에 반드시 고전압 직류 전원이 필요하다.
한편, 그 밖의 펄스 발생회로로서 단순히 펄스 변압기에 의한 승압 방식이 있으나, 승압비가 크면 변압기의 누설 인덕턴스가 커지므로 펄스 변압기의 특성을 만족시키지 못하는 단점이 있다. 그리고, 펄스 압축회로를 이용한 방식은 펄스 폭은 줄이고, 전류의 크기는 증대시키는 방식으로서, 손실이 비교적 크고 현실적으로 수단계의 압축은 가능하나 수십단계로 압축하는 것은 불가능하므로, 역시 입력 전압이 고전압이어야 하고 펄스폭 또한 고정될 수 밖에 없다.
이상에서와 같은 장치들은 스파크 갭의 손상에 의한 장치 수명이 짧고, 진공관 소자가 반도체 소자에 비해 수명이 상대적으로 많은 짧은 단점과, 입력전원으로 반드시 고전압 직류 전원을 필요로 하는 단점이 있다. 또한, 구형파 펄스를 얻기 위해서는 펄스성형회로가 부가되어야 하고, 출력 펄스의 폭을 가변할 수 없는 등의 단점이 있다.
본 발명은 이상과 같은 종래 펄스 발생회로에서의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 전력용 반도체 소자를 이용하여 회로를 구성함으로써 장치의 수명을 연장하고, 펄스폭의 가변이 가능하며, 입력전원으로 직류 고전압 전원을 필요로 하지 않는 승압형 컨버터의 직렬 배열 구조를 갖는 펄스전압 발생회로를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 장치의 크기를 최적화할 수 있는 승압형 컨버터의 직렬 배열 구조를 갖는 펄스전압 발생회로를 제공하는 것이다.
도 1은 종래 스파크 갭을 이용한 펄스전압 발생회로의 구성을 보여주는 도면.
도 2는 종래 싸이라트론을 이용한 펄스전압 발생회로의 구성을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 승압형 컨버터의 직렬 배열 구조를 갖는 펄스전압 발생회로의 회로구성도.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 승압형 컨버터의 직렬 배열 구조를 갖는 펄스전압 발생회로의 동작 원리를 동작 모드별로 구분하여 보여주는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
310...교류전원 320...직류전원 공급부
330...승압형 컨버터 340...부하
350...스위치
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 승압형 컨버터의 직렬 배열 구조를 갖는 펄스전압 발생회로는, 외부의 교류 전원과 부하 사이에 위치되어 펄스 전압을 발생시키기 위한 회로에 있어서,
상기 교류 전원으로부터 교류 전압을 입력받아 펄스전압 발생을 위한 직류 전원을 공급하는 직류전원 공급부; 및
상기 직류전원 공급부의 후단에 접속되어 펄스 전압을 발생하는 것으로서, 상기 직류전원 공급부의 양극(+) 단에 직렬로 접속되는 인덕터와, 그 인덕터의 후단에 위치되어 상기 직류전원 공급부의 양극 단에 접속되는 반도체 스위칭 소자와, 그 반도체 스위칭 소자의 음극(-) 단 및 상기 직류전원 공급부의 음극 단에 캐소드가 접속되는 다이오드와, 그 다이오드의 애노드에 음의 단자가 연결되고 양의 단자는 상기 반도체 스위칭 소자의 양극 단과 접속되는 커패시터로 이루어지는 승압형 컨버터를 포함하여 구성되되, 이 승압형 컨버터는 그것을 하나의 단위 스택으로 하여 다수개의 단위 스택이 직렬 연결 구조를 갖는 점에 그 특징이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 승압형 컨버터의 직렬 배열 구조를 갖는 펄스전압 발생회로의 회로구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 승압형 컨버터의 직렬 배열 구조를 갖는 펄스전압 발생회로는, 외부의 교류 전원(310)과 부하(340) 사이에 위치되어 펄스 전압을 발생시키기 위한 회로로서 직류전원 공급부(320)와 다수의 승압형 컨버터 (330)로 크게 구성된다.
직류전원 공급부(320)는 상기 교류 전원(310)으로부터 교류 전압(예를 들면, AC 380V)을 입력받아 펄스전압 발생을 위한 직류 전원(예컨대, DC 630V)을 공급한다. 이 직류전원 공급부(320)는 브리지 다이오드(321)와 커패시터(322)의 병렬 접속회로로 구성된다.
승압형 컨버터(330)는 상기 직류전원 공급부(320)의 후단에 접속되어 펄스 전압을 발생하는 것으로서, 상기 직류전원 공급부(320)의 양극(+) 단에 직렬로 접속되는 인덕터(331)와, 그 인덕터(331)의 후단에 위치되어 상기 직류전원 공급부 (320)의 양극 단에 접속되는 반도체 스위칭 소자(332)와, 그 반도체 스위칭 소자 (332)의 음극(-) 단 및 상기 직류전원 공급부(320)의 음극 단에 캐소드가 접속되는 다이오드(333)와, 그 다이오드(333)의 애노드에 음의 단자가 연결되고 양의 단자는 상기 반도체 스위칭 소자(332)의 양극 단과 접속되는 커패시터(334)로 이루어진다. 이와 같은 승압형 컨버터(330)는 그것을 하나의 단위 스택으로 하여 다수개의 단위 스택이 직렬 연결 구조를 갖는다.
여기서, 상기 다수의 직렬 배열 구조의 승압형 컨버터(330)의 최종 승압형 컨버터(330n)의 커패시터(Cn)와 입력전압 간에는 승압된 전압차 만큼 전위차가 있으므로, 부하(340)를 통해 각 승압형 컨버터의 각 커패시터들이 방전하는 것을 방지하기 위하여 바람직하게는 상기 최종 승압형 컨버터(330n)의 커패시터(Cn)와 부하 사이에는 스위치(350)가 더 마련된다.
그러면, 이상과 같은 구성을 갖는 본 발명의 승압형 컨버터의 직렬 배열 구조를 갖는 펄스전압 발생회로의 동작에 대해 도 4a 내지 도 4c를 참조하면서 설명해 보기로 한다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 승압형 컨버터의 직렬 배열 구조를 갖는 펄스전압 발생회로의 동작 원리를 각 모드 별로 보여주는 도면이다.
여기서, 각 모드별의 동작에 대한 설명을 하기에 앞서, 본 발명의 펄스전압 발생회로에 있어서의 커패시터 전압 및 스택의 출력전압에 대해 먼저 설명해 보기로 한다.
전력용 반도체 스위칭 소자(332), 다이오드(333), 인덕터(331), 커패시터 (334) 각 1개씩을 한 조로 하여 이를 한 스택으로 볼 때, 본 발명의 회로에 의해서는 원하는 펄스전압이 직렬 접속된 스택 수에 비례하여 얻어진다. 스택의 각 커패시터 전압은 입력측의 전압과 펄스폭에 따라 아래와 같이 나타낼 수 있다. 이때, 커패시터 전압은 스위칭 소자의 턴 온 구간에서 일정하고, 인덕터 전류는 연속적이라고 가정한다.
여기서, Vcn은 n번째 커패시터 전압이고, D는 듀티 사이클, Ton은 스위치 턴 온 시간, Tsw은 스위칭 한 주기의 시간이다. 따라서, 직렬 연결된 스택의 출력 전압은 다음과 같이 표현될 수 있다.
위의 수학식 2로부터 바라는 출력전압의 크기는 입력전압에 대해 차례로 승압된 커패시터의 합임을 알 수 있다.
회로의 동작은 인덕터 전류가 연속인 경우에 위의 설명과 같이 이루어지지만, 불연속일 경우는 커패시터의 충전 전압이 달라지게 된다. 그리고, 다이오드의 역회복 손실과 승압 전압을 고려할 때, 인덕터 전류가 불연속이 되게 동작하는 것이 펄스 발생회로에서는 유리하다. 인덕터 전류가 불연속일 경우 출력전압은 입력전압에 대해 다음과 같이 표현될 수 있다.
여기서, Vo는 출력전압, Vi는 입력전압, ton은 스위치 턴 온 시간, toff는 스위치 턴 오프 이후 인덕터 전류가 영(zero)으로 도달하는 시간을 각각 나타낸다.
그러면, 이제 각 모드별의 동작에 대해 설명해 보기로 한다.
n개의 스택에 있어서, 입력전압의 n배로 승압된 펄스를 얻는 경우를 예로 들어 설명해 보기로 한다. 동작 모드는 인덕터 전류가 불연속인 경우에 다음과 같이크게 3가지의 모드로 구분할 수 있다.
도 4a는 모드 1의 경우를 나타낸 것으로서, 전체 스위치들(S1,S2,...,Sn)이 턴 온하고, 각 커패시터들(C1,C2,...,Cn)은 직렬로 연결되어 부하에 인가된다. 이에 따라 출력전압은 각 커패시터들의 전압의 합으로 나타나며, 인덕터 전류가 불연속인 경우에 입력전압(Vi)에 대해 출력전압(Vo)은 상기 수학식 3과 같이 나타난다.
도 4b는 모드 2의 경우를 나타낸 것으로서, 전체 스위치들(S1,S2,...,Sn)이 턴 오프하고, 입력전압에 대해 승압된 전압으로 C1, C2,...,Cn의 전압을 충전한다. 이때, 충전 경로는 각 다이오드들(D1,D2,...,Dn)이 모두 온되고, 각 단위 스택마다 입력전압에 대해 인덕터 전류 iL1,iL2,...iLn가 환류하면서 출력 커패시터C1,C2,...,Cn를 충전시킨다. 이때, 충전전압은 위에서 설명한 바와 같이, 연속적인 인덕터 전류에 대해서는 승압형 컨버터의 일반적인 입출력 관계식을 따른다. 불연속인 전류에 대해서도 역시 인덕터의 전압 평형관계식에 따라 커패시터 충전전압이 얻어진다. 스위치 Sb는 인덕터 전류가 0(zero)이 되는 시점에서 턴 오프한다. 만약 Sb가 계속 턴 온하면 부하를 통해 각 커패시터(C1,C2,...,Cn)의 차전압이 방전하게 되며, 턴 오프때에 방전전류에 의한 전압이 부하에 나타난다.
도 4c는 모드 3의 경우를 나타낸 것으로서, 충전이 끝나면 회로의 다이오드들 (D1,D2,...,Dn)은 모두 꺼지고, 커패시터들(C1,C2,...,Cn)의 전압은 스위치 Sb가 턴 오프되면 승압된 전압으로 유지된다. 따라서, 회로의 전압은 고전압 상태가 아닌 저전압 상태로 유지된다.
이후의 동작 모드는 스위치들(S1,S2,...,Sn)이 다시 턴 오프되면 모드 1부터 반복하게 된다. 스위치들(S1,S2,...,Sn)의 동작은 미세한 차이가 있어서 일반적인 단순한 직렬 스위치에서는 과도한 전압이 가장 동작이 늦은 소자에 집중되어 소자의 파손을 초래한다. 그러나, 본 발명의 회로에서는 스위치(S1,S2,...,Sn)와 병렬로 다이오드(D1,D2,...,Dn)와 커패시터(C1,C2,...,Cn)가 연결되어 있으므로, 스위치 전압이 입력전압으로 상승하면 자동으로 다이오드(D1,D2,...,Dn)가 온되어 커패시터 전압으로 스위치 전압이 묶이게 된다. 따라서, 직렬 동작이 스위치(S1,S2,...,Sn)의 턴 온과 오프에서 매우 자연스럽게 이루어지게 된다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 승압형 컨버터의 직렬 배열 구조를 갖는 펄스 전압 발생회로는 펄스전압 발생을 위해 전력용 반도체 소자를 이용한 승압형 컨버터의 직렬 배열구조를 도입하고 있으므로, 다음과 같은 장점 및 효과를 갖는다.
첫째, 고전압 직류 전원의 사용없이 상용 입력 직류 전원을 사용하면서 승압형 컨버터 구조의 스택 개수를 늘려 고전압 펄스를 발생하거나, 고전압 직류를 사용하면서 스택 내부의 구성 소자의 정격을 직렬 구조로 증가시켜 스택 정격을 증대시킴으로써 소수의 스택에 의해 고전압 펄스를 얻을 수 있는 장점이 있다.
둘째, 전력용 반도체 스위칭 소자의 상승 시간에 해당하는 수 ns(nano second) 내지 수십 ns의 빠른 펄스전압 상승 시간을 얻을 수 있다.
셋째, 펄스 전압의 폭을 자유롭게 가변할 수 있고, 동작주파수를 수 kHz로 증가시킬 수 있다.
넷째, 전체 장치의 절연 내력을 한층 낮출 수 있고, 전체 크기를 대폭 줄일 수 있다.
다섯째, 전력용 반도체 소자를 사용하므로, 장치의 수명을 반영구적으로 연장할 수 있다.

Claims (2)

  1. 외부의 교류 전원과 부하 사이에 위치되어 펄스 전압을 발생시키기 위한 회로에 있어서,
    상기 교류 전원으로부터 교류 전압을 입력받아 펄스전압 발생을 위한 직류 전원을 공급하는 직류전원 공급부; 및
    상기 직류전원 공급부의 후단에 접속되어 펄스 전압을 발생하는 것으로서, 상기 직류전원 공급부의 양극(+) 단에 직렬로 접속되는 인덕터와, 그 인덕터의 후단에 위치되어 상기 직류전원 공급부의 양극 단에 접속되는 반도체 스위칭 소자와, 그 반도체 스위칭 소자의 음극(-) 단 및 상기 직류전원 공급부의 음극 단에 캐소드가 접속되는 다이오드와, 그 다이오드의 애노드에 음의 단자가 연결되고 양의 단자는 상기 반도체 스위칭 소자의 양극 단과 접속되는 커패시터로 이루어지는 승압형 컨버터를 포함하여 구성되되, 이 승압형 컨버터는 그것을 하나의 단위 스택으로 하여 다수개의 단위 스택이 직렬 연결 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 승압형 컨버터의 직렬 배열 구조를 갖는 펄스전압 발생회로.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 직렬 배열 구조의 승압형 컨버터의 최종 승압형 컨버터의 커패시터와 상기 부하 사이에는 그 부하를 통해 각 승압형 컨버터의 각 커패시터들이승압된 전압차 만큼 방전하는 것을 방지하기 위한 스위치가 더 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 승압형 컨버터의 직렬 배열 구조를 갖는 펄스전압 발생회로.
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KR100984011B1 (ko) 2008-07-07 2010-09-28 정대택 직병렬 구동회로 장치 및 직병렬 구동회로 구성 방법

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