KR100510178B1 - ２단의 비선형 캐패시터와 자력압축을 이용하는 나노초펄스전압 발생기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고성능 유해가스 정화기 등에 사용할 수 있는 고전압 의 짧은 펄스폭을 가진 나노초 펄스전압 발생기를 제공하는 것을 목적으로 하며, 이를 위한 구성으로서, 고전압 기본펄스 발생기(PPG)와 독립적인 1차 권선과 2차 권선을 가지는 복수개의 선형펄스변압기(LPT)를 포함하고, 기본펄스 발생기의 출력단에 그 LPT의 1차권선 들을 직렬로 결합 하여 연결되며 선형 펄스 변압기들의 2차 권선의 각각의 양단에 병렬로 결합되는 복수개의 비선형 캐패시터(NLC)와 그 비선형 캐패시터들을 직렬로 연결 하여 그 양단에 연결되는 부하(Load)를 포함하고, 복수의 비선형 캐패시터는 직렬로 결합되어, 각 비선형 캐패시터의 내부 펄스전압을 중첩시켜 부하 양단에 가하는 것을 특징으로 한다.

Description

２단의 비선형 캐패시터와 자력압축을 이용하는 나노초 펄스전압 발생기{NANOSECOND PULSE GENERATOR WITH TWO STAGES OF NONLINEAR CAPACITOR AND MAGNETIC POWER COMPRESSIONS}
본 발명은 나노초 펄스전압 발생기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수의 선형 펄스 변압기 및 그 2차측에 각각 결합된 비선형 캐패시터를 포함하는 고전압의 나노초의 펄스를 발생시키는 장치에 관한 것이다.
자동차의 매연가스 처리장치나 산성비 정화장치 등 유해가스를 정화하는 장치에서는 다량의 유해가스(예컨대 SOx, NOx)를 효율적으로 분해하기 위해서는 극히 짧은 펄스폭의 고전압 을 필요로 한다. 예를 들어, 아황산가스(SO2)를 황이온(S2+)과 산소이온(O2 2-)로 분해하는 경우, 가스를 분해하기 위해서는 그 가스에 높은 강도의 전계충격을 가해야 하는데, 이때 그 이온 간의 결합력을 넘어 설 수 있는 고 파워 (power)의 짧은 펄스가 필요하다. 이때, power가 높고 펄스가 짧을수록(즉, 피크 전압이과 전류의 곱이 크고, 펄스의 지속기간이 짧을수록) 이온분리에 효과적이다.
고전압의 나노초의 펄스를 만들기 위한 시도에는 반도체 스위치를 이용하는 방식과 고전압 방전 펄스 스위치(예컨대 사이라트론(thyratron), 스파크 갭 스위치(spark gap switch), 진공관 스위치(vacuum tube switch) 등)를 이용하는 방식이 있다.
첫째로, 반도체 스위치는 장수명과 고 신뢰성의 장점을 가지고 있으나, 그 동작 전압에 제한이 있기 때문에 고속, 고압 펄스의 전압을 생성하는데 직접적으로 이용하지 못한다는 문제점이 있다.
둘째로, 고전압 방전 펄스 스위치 중에서도, 유해가스의 정화와 같은 환경적 응용분야에서는, 펄스화 된 코로나 스트리머 방전이 고전압의 나노초의 펄스 범위를 가지는 주기적 펄스를 생성하는데 널리 시도 되고 있다. 전통적으로, 고전압 변압기와 자력 압축 시스템을 이용한 펄스 발생기가 많이 이용되고 있다. 제11회 IEEE 국제 펄스전력 회의(미국 메릴랜드 볼티모어, 1997년)의 기술논문 요약집 제2권 1620~1625쪽에 개시된, 엔 고바야시(N. Kobayashi) 등이 저술한 "High Voltage and Short Rise-Time Pulse Transformer with Amorphous Cores"에는 펄스 전력 변압기와 자기펄스 압축회로를 이용한 펄스회로가 나타나 있다. 이 논문은 가스 레이저를 발생시키기 위한 펄스회로에 관한 것으로, 펄스전력용 변압기에서는 유전성 브레이크다운 길이와 변압기의 사이즈의 증가로 인해 루프 인덕턴스가 커지기 때문에 고전압 특성 및 짧은 특성을 동시에 가지는 펄스를 얻기 어려운 점에 대하여, 큰 자속밀도를 가진 코발트 어몰퍼스 합금 코어로 좋은 히트싱크 설계를 통해 고압, 빠른 상승시간, 고주파, 고속(짧은 주기)의 펄스파워 변압기를 제공할 수 있다는 것을 제안하였다. 이 장치에 의하면 최적의 상태에서 출력 전압이 80kV, 상승시간이 65ns인 펄스전력이 제공된다. 그런데, 상기 장치에서 변압기는 최적의 상태라 하더라도 그 전달효율이 73%~83%로서 낮기 때문에 장치 전체의 에너지효율은 이보다 훨씬 떨어진다는 문제점이 있을 뿐 아니라, 장치를 구동하기 위한 부피가 크다는 문제점을 가지고 있다.
상기와 같이 반도체 스위칭 장치와 고전압 방전 펄스 스위치 양자 모두 문제점을 가지고 있음에 따라, 최근에는 비선형 세라믹 캐패시터의 전압 증폭효과를 이용하여 고전압의 고속 펄스를 만드는 연구가 이루어지고 있다. 고전압 고주파 펄스전력 생성에 이용되는 비선형 캐패시터는, 소정의 양 이상의 전하가 통과되면 그 캐패시턴스(용량 C) 값이 10분의 1 정도 까지도 감소하는 특성을 가지는데, 용량 C가 감소하면 캐패시턴스에 저장 되어 있는 에너지(1/2 CV2) 는 일정 하므로 (예를 들면, 캐패시턴스 값이 1/4 로 되었을 때 1/2 C/4*(2V)2)로 되어 캐패시터 양단의 전압이 2배 상승) 그에 따른 캐패시터 양단간 전압이 급격히 상승하게 된다. 제11회 IEEE 국제 pulsed power symposium (미국 메릴랜드 볼티모어, 1997년)의 기술논문 요약집 제2권 1548~1553쪽에 게재된, 신지 이부카(Shinji Ibuka) 등이 저술한 "Voltage Amplification Effect of Nonlinear Transmission Lines For Fast High Voltage Pulse Generation"에는, 강유전성 세라믹 캐패시터를 구비한 비선형 전송선 내에서 솔리톤(soliton)의 충돌 및 배열 과정에 의한 전압증폭효과를 이용하여 11kV 크기의 76ns의 폭을 가진 고전압 펄스전력을 얻는 과정이 설명되어 있다. 자기압축기술을 이용한 펄스 변압기가 낮은 전송효율과 장치의 큰 부피에 문제점이 있던 점에 대하여, 이 연구논문에서는 비선형 전송선(NLTL)의 전압 증폭효과를 활용하여 그 문제를 해결하고자 하고 있다. 상기 논문에서는, 빠른 상승시간의 고전압 펄스를 얻기 위해 비선형 전송선의 펄스 샤프닝 효과를 이용한다. 또한, 고전압 비선형 캐패시턴스를 실현하는 것은 BaTiO3 강유전성 세라믹 캐패시터에 의해 이루어지고, 두개의 솔리톤을 충돌시키면 2배의 크기를 가지고 보다 짧은 펄스폭을 가진 솔리톤이 생성되는 것을 이용한다.
또, 에너지 효율을 향상시키기 위한 다른 시도로서, IEEE 트랜스 온 플라즈마 사이언스(Trans on Plasma Science) 28권 No.5(2001년 10월), 1362~1367쪽에는 본 발명자 및 파블로브(E.P. Pavlov) 등이 저술한 "Fast High Voltage Pulse Generation Using Nonlinear Capacitors"가 개시되어 있다. 이 논문에 개시된 고속의 고전압 펄스는 반도체 스위치와 비선형 캐패시터를 포함하는 것으로서, 비선형 캐패시터에 소정량 이상의 전하가 통과되면 1/10 로 그 비선형 캐패시터의 용량이 감소한다는 특성을 이용한 것이다. 도 1에 나타난 회로는 이 논문에 게시된 회로 중에서 IGBT를 개방스위치로 이용한 것으로서 정류기, IGBT, 인덕턴스, 비선형 캐패시터와 부하가 나타나 있다. 이 설계에서 이용된 비선형 캐패시터는 DE1207F103Z2K로서 무라타(Murata) 사에 의해 제조된 것으로 10nF의 용량과 2kV의 정격전압을 가지고 짧은 기간동안 대략 5~6kV를 견딜 수 있으며, IGBT는 3300V의 정격전압을 가지고 제1 개방 스위치로 이용된다. 낮은 캐패시터(C1) 전압의 에너지가 IGBT를 통해 인덕터(L1)에 저장된다. 인덕터(L1)에서의 전류 상승시간은 55㎲이고, 전류의 크기는 370A이다. IGBT 스위치가 개방되면, 인덕터(L1)내의 전류는 캐패시터(C2)로 충전되기 시작하고, 제2 인덕터(L2)는 캐패시터(C3)를 통해 에너지가 여기된다. 비선형 캐패시터(C3)가 포화되면, 인덕터(L1,L2)와 캐패시터(C2)로부터의 전류는 캐패시터(C3)를 통하게 되며 이로써 부하에는 고전압 펄스가 가해지게 된다. 그 출력 전압은 4.3kV의 크기와 300ns의 펄스폭을 가진다.
그런데, 상기의 비선형 캐패시터를 이용한 장치만으로는 고성능 유해가스 정화장치 등에 필요한 극히 높은 전압의 고속 펄스를 만들어 낼 수 없다. 고성능 유해가스 정화장치 등에 이용하기 위해서는 적어도 50kV 정도의 출력전압으로서 그 펄스폭은 120nS(FWHM) 이하의 고속 펄스이어야 한다. 여기서, FWHM(Full Wave Half Magnitude)는 최대 펄스의 1/2 크기에서의 펄스폭을 말한다.
따라서, 고전압 펄스를 생성하는데 비선형 캐패시터를 이용하기 위해서는, 복수의 비선형 캐패시터를 직렬로 연결함으로써 정격전압을 증가시키는 것을 고려할 수 있다. 그러나, 단순히 캐패시터를 직렬로 여러개 연결하면, 비선형 동작구간에서의 중첩으로 인한 문제가 발생한다. 이것은 비선형 동작구간에서 용량의 변화가 발생하는데 있어서, 각 비선형 캐패시터에서 용량의 변화가 비동시적(non-simultaneous)일 뿐 아니라 그 크기의 변화도 동일(non-identical)하지 않기 때문이다. 여러 캐패시터의 각각의 용량 또는 전압이 분배가 균일해야 원하는 파형이 발생될 수 있으므로, 직렬로 연결된 복수의 캐패시터에서 불균일한 전압이 발생하면 요구되는 전압에 도달하기도 전에 한개 또는 일부에서 브레이크다운(breakdown)이 발생하게 된다. 이때, 저항으로 그 캐패시터들간의 불균일한 전압들을 균일화시키는 것을 고려해 볼 수 있으나, 저항으로 인하여 에너지 전달량이 실질적으로 감소함으로 인해 시스템의 효율이 떨어지게 된다는 문제점이 발생한다.
상기 문제점을 개선하고자 하는 시도로서, 본 발명자는 단순히 복수의 캐패시터를 직렬로 연결하는 방안과 달리, 각각의 비선형 캐패시터에 별도로 펄스 발생기를 연결함으로써 각 출력 비선형 캐패시터의 전압을 균일화시키는 방식을 고안하였다(1988년 4월25일 한국 호남대학교에서 열린 KIEE 제15차 회의 발표논문, "A Nonlinear Capacitor Based Pulse genertor").
도 2는 3개의 비선형 캐패시터에 각각 펄스 발생기를 결합시킨 적층식 펄스 발생기(stacked pulse generator)로서 공통부하에 일시에 동작하는 펄스 발생기의 일례를 나타내고 있다. 도 3은 상기 펄스 발생기에 의한 출력 전압의 파형을 나타낸다. 그런데, 실험결과에 따르면, 50Ω의 부하에 대해 각 펄스 발생기가 2.4kV 전압 및 0.53㎲(FWHM) 펄스폭의 펄스를 제공할 수 있음에도 불구하고, 펄스 발생기의 수에 정비례하는 출력을 얻어낼 수 없었다. 실험결과, 대략 6.3kV의 전압 및 0.53㎲(FWHM) 펄스폭의 펄스가 생성되었다. 즉, 7.2kV의 전압펄스가 생성되지 못하였다. 펄스 발생기의 수에 정비례하는 출력이 나타나지 않는 원인은, 각각의 펄스 발생기와 비선형 캐패시터에 있어서 완전히 동일하게 일치시킬 수 없는 소자 파라미터가 존재하고, 더욱이 도 3에 나타난 파형에서 볼 수 있듯이 중첩된 파형간에 시차(time jittering)가 존재하기 때문인 것으로 분석된다.
결국, 복수의 비선형 캐패시터에 각각 펄스 발생기를 연결하는 구성만으로는, 고전압 펄스를 얻는데 최적의 시스템을 이끌어내기 곤란함을 알 수 있다. 또한, 상기 시스템은 복잡한 제어 및 높은 제조비용이라는 실질적인 문제점도 가지고 있다.
따라서, 본 발명자들은 기본 펄스 발생기에 선형 펄스 변압기 및 비선형 캐패시터를 결합시켜, 고전압 고속의 펄스를 생성하는 장치를 안출하였다.
본 발명은 상기와 같이 종래의 고전압 고속의 펄스 발생기의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 고성능 유해가스 정화기 등에 유효적절하게 이용할 수 있도록 종래기술과 비교하여 보다 높은 전압의 펄스를 생성할 수 있는 펄스 발생기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 고성능 유해가스 정화기 등에 필요한 보다 짧은 펄스폭을 가진 펄스를 고전압으로 생성할 수 있는 펄스 발생기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은, 부하에서 요구되는 전압에 따라 용이하게 설계를 변경할 수 있는 구조를 채용하고, 제어가 용이하면서도 우수한 효율을 가지는 펄스 발생기를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출된 것으로서, 복수의 선형 펄스 변압기의 1차측 권선을 직렬로 연결하여 기본펄스 발생기(PPG)와 결합하고, 2차측 권선 각각에는 비선형 캐패시터를 병렬로 연결한 후 그 연결단의 한편에 새튜러블 인덕터 (마그네틱 스위치; MS-2)를 다시 연결 하고, MS-2의 다른 한 단 과 그전단의 비선형 캐패시터의 다른 한단에 두 번째 비선형 캐태시터를 연결 하여 파이(∏)형의 회로를 구성 함으로써 고전압 및 고속(나노초 수준)의 출력펄스를 발생시키는 구조로 이루어져 있다.
즉, 본 발명에 의한 나노초 펄스전압 발생기는 고전압 기본펄스 발생기(PPG;Primary Pulse Generator)와, 복수의 독립적인 1차측 권선과 2차측 권선을 포함하고 기본펄스 발생기(PPG)의 출력단에 상기의 1차측 권선들을 직렬로 연결 후 결합되는 선형 펄스 변압기(LPT;Linear Pulse Transformer)와 선형 펄스 변압기 2차측 권선 각각에 병렬로 결합되는 제1 비선형 캐패시터(NLC1;NonLinear Capacitor)와, 제1 비선형 캐패시터의 상단에 연결되며, 페라이트(ferrite) 코어로 이루어진 마그네틱 스위치(MS-2;Magnetic Switch-2)와, 복수의 마그네틱 스위치(MS-2)의 타단과 제1 비선형 캐패시터의 하단과의 사이에 연결되는 복수의 제2 비선형 캐패시터(NLC2)와, 복수의 제2 비선형 캐패시터들을 직렬로 연결 한 후 그 양단에 연결되는 부하(Load)를 포함하고, 직렬로 연결된 복수의 제2 비선형 캐패시터들의 내부 펄스전압을 중첩시켜 부하 양단에 가하는 것을 특징으로 한다.
또, 비선형 캐패시터(NLC1 및 NCL2)는 소정량의 전하가 통과됨에 비례하여 대략 1/10로 용량이 감소하는 것을 특징으로 한다.
또, 기본펄스 발생기는 충전장치(charger) 및 그 양단에 결합된 싸이라트론과 싸이라트론의 양단에 피치회로(Fitch Circuit)로서 결합된 인덕터와 두개의 캐패시터 및 상기 캐패시터의 일단에 연결된 마그네틱 스위치(MS-1)를 포함하고, 그 마그네틱 스위치의 출력 단이 복수의 선형 펄스 변압기의 1차측을 직렬로 결선 하여 결합되는 것을 특징으로 한다.
비선형 펄스 변압기(LPT) 각각은 독립적인 코어로 이루어져 있으며, 1차측 권선이 직렬로 연결되어 회로 인덕턴스와 시차(time jittering)발생을 최소화하도록 한다. 누설 인덕턴스를 최소화하기 위하여 는, 와인딩 및 코어 사이의 간극(gap)을 최소로 하고, 각 코어의 턴수를 최소로(예컨대 n=1)로 하여 저유도성 회로로 디자인하는 것이 바람직하다. 회로 인덕턴스 및 시차발생을 최소화해야, 비선형 캐패시터의 충전시간의 최소화 및 최대 펄스파워를 이루어 낼 수 있기 때문이다.
기본 펄스 발생기의 출력 측에 새튜러블 인덕터(saturable inductor)로 마그네틱 스위치(MS-1)를 설치하면, 포화 시에 전류압축 효과가 발생한다. 마그네틱 스위치(MS-1) 앞에 캐패시터를 배치하고, 싸이라트론의 스위칭을 통해 상부 캐패시터의 전압 극성을 바꾸어 두캐패시터의 전압의 합으로 MS-1에 인가되는 전압을 두배로 증폭시킨다. 마그네틱 스위치(MS-1)에서는 전류가 증폭되는데, 에너지는 일정 하므로 E=1/2 LI2=1/2 L'(I')2 에서 L>>L'의 조건에서는 I'= (L/L')1/2 I 가 되어 순간 전류가 압축 증폭되며, 이 압축 증폭된 전류가 선형 펄스 변압기(LPT)의 1차측으로 공급된다.
기본펄스 발생기(PPG)에서 공급된 고전압 펄스전류는 선형 펄스 변압기(LPT)의 1차측을 흐르고, 그 2차측에도 변압기의 권선수에 비례하는 전압이 유기되어 흐른다. 이 전압이 2차측의 권선에 각각 병렬로 연결되어 있는 비선형 캐패시터(NLC1)에 인가된다. 본 발명에서 채택된 비선형 캐패시터(NLC1 및 NCL2)는 소정량의 전하가 통과됨에 비례하여 대략 1/10로 용량이 감소하는 특성을 가진다. 캐패시터 용량과 전압 은 E=1/2 CV2=1/2C'(V')2의 관계에서 C>>C' 이면, V'= (C/C')1/2V 로 증폭된다. 비선형 캐패시터는 양단간 전압이 커짐에 따라 그 캐패시턴스 용량이 급격히 감소하는 특성(도 4)이 있으므로, 비선형 캐패시터에 인가된 전압으로 인해 그 용량이 변할 수 있다. 이때, 비선형 캐패시터가 포화되면 전압 압축이 발생하게 되어 더 짧은 펄스가 생성된다. 캐패시턴스 용량이 감소하면 펄스폭(시간)이 짧아지고 전압이 증폭 된다.
여기서, 제1 비선형 캐패시터(NCL1)의 상단에 직렬로 결합된 마그네틱 스위치(MS-2)의 포화에 의해 다시 더 짧은 전류로 압축 된다. 즉, 마그네틱 스위치(MS-2)에서는 전류가 증폭되고, 이 압축 증폭된 전류는 최종단의 제2 비선형 캐패시터(NCL2)로 흐르며, 최종단의 제2 비선형 캐패시터에서는 인가된 전압으로 인해 용량이 감소하고, 포화에 따라 펄스폭이 짧아짐으로 인해 다시 전압이 짧게 증폭하게 된다. 결국 최종단의 제2 비선형 캐패시터에서는 매우 짧은 펄스폭과 매우 높은 전압의 펄스가 얻어지며, 이러한 복수의 제2 비선형 캐패시터가 직렬로 결합하여 부하에 인가된다.
최종단의 각각의 캐패시터에서 발생되는 펄스전압이 짧기 때문에, 이 짧은 전압을 중첩시키더라도 각 펄스폭과 시간차를 최소화하는 효과를 얻어낼 수 있다. 또, 각 캐패시터에 인가되는 전압은 선형 펄스 변압기의 출력전압에 의해 정하여 지며 균분되므로, 복수의 캐패시터 중 어느 하나 또는 일부 캐패시터에만 전압이 집중되는 불균일을 방지할 수 있다. 또한, 선형 펄스 변압기 출력단과 비선형 직렬 캐패시터의 수를 변화시킴으로써, 부하에서 요구되는 전압에 따라 용이하게 설계 변경이 가능하다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 가장 바람직한 실시예와 함께 본 발명의 구성을 보다 상세히 설명하고자 한다.
도 5는 본 발명의 일부에 따른 나노초 펄스전압 발생기의 일례를 나타내는 회로도이다.
좌측에는 충전기 및 그 양단에 결합된 싸이라트론(thyratron)이 도시되어 있고, 그 싸이라트론의 양단에는 피치회로(Fitch Circuit)로서 결합된 두개의 캐패시터와 인덕터가 연결되어 있다. 또, 상부 캐패시터에는 새튜러블 인덕터(saturable inductor)가 마그네틱 스위치(Magnetic Switch)로서 연결되어 있다. 마그네틱 스위치의 출력단은 선형 펄스 변압기의 1차측에 결합됨으로써 소정의 기본적인 고전압 펄스를 선형 펄스 변압기(LPT)에 공급하도록 한다.
기본펄스 발생기(PPG)는 선형 펄스 변압기(LPT)의 1차측 및 2차측의 복수의 비선형 캐패시터(NLC)의 합 전압을 20kV까지 상승시킨다. 먼저, 충전장치는 직류 10kV의 고전압을 공급한다. 싸이라트론과 두개의 캐패시터(80nF)와의 사이에 있는 인덕터 (0.3 μH)는 충전전류 제한용 인덕터이다. 충전기로부터의 10kV 전압은 충전전류 제한용 인덕터를 통하여 두개의 캐패시터를 10kV의 고전압으로 충전한다. 이때, 싸이라트론 스위치를 온(On)시켜서 하부의 캐패시터의 극성을 반전시키면 마그네틱 스위치(MS-1)에 걸리는 전압이 두배(20kV)로 되고 곧이어 마그네틱 스위치(MS-1)가 포화된다. 이때 흐르는 전류는 짧고 크기가 커지는 압축을 겪게 된다. 이러한 전류가 선형 펄스 변압기(LPT)의 1차측을 통하여 흐르게 된다. 선형 펄스 변압기의 2차측에는 변압기의 권선수에 비례하는 전압이 유기되며, 이 전압이 2차측 권선에 병렬로 연결되어 있는 복수의 비선형 캐패시터(160nF)에 인가된다.
도 5에서 선형 펄스 변압기(LPT)의 1차, 2차측 권선의 수와 비선형 캐패시터의 수는 3개가 아니라 8개이다. 이때, 각 코일에 걸리는 전압은 20kV가 8등분되어 각각 2.5kV씩 인가된다.
선형 펄스 변압기의 2차측 권선에 병렬로 연결되어 있는 8개의 비선형 캐패시터에 전압이 유기되면, 도 4에 나타난 바와 같이 비선형 캐패시터의 특성으로 인해 그 용량은 급격히 감소하게 된다. 캐패시턴스 용량이 감소하면 그에 따른 전압이 상승하게 되며, 제1 비선형 캐패시터의 포화로 인해 전압이 압축 된다. 즉, 짧은 펄스폭 시간동안 전압은 더욱 커지고 펄스폭이 짧아지는 전압 압축이 이루어져 고전압의 짧은 펄스폭을 가진 펄스가 생성되며, 이 고전압 고속펄스가 직렬로 연결된 160nF의 제1 비선형 캐패시터 각각의 전압에 가해진다.
제1 비선형 캐패시터(160nF)의 상단에 연결된 마그네틱 스위치(MS-2)가 포화되면 짧은 시간동안 전류가 급증하게 되므로 다시 더 짧은 전류로 압축된다. 각 마그네틱 스위치(MS-2)의 타단에는 각각 최종단의 제2 비선형 캐패시터(30nF)가 연결되어 있다. 제2 비선형 캐패시터(30nF)는 제1 비선형 캐패시터와 연결된 각 마그네틱 스위치(MS-2)의 반대편 타단과 복수의 제1 비선형 캐패시터의 하단과의 사이에 연결되며, 또한 복수의 제2 비선형 캐패시터(30nF)끼리는 직렬로 연결되어 있다.
제2 비선형 캐패시터(30nF)에 전압이 유기되어 용량이 감소하면 단위시간당 전압이 급증하면서도 짧은 펄스폭으로 압축이 이루어진다.
결국 2회의 전류압축 과 2회 전압압축을 거친, 극히 짧은 펄스폭(80nS)의 고전압(70kV) 펄스가 500Ω의 부하에 인가된다.
실험에 의하면, 도 6에서와 같이 70kV의 전압 및 80nS(FWHM)의 펄스폭을 가진 펄스가 생성됨을 확인할 수 있었다. 도 6을 관찰함에 있어 유의할 점은, 도 3에서는 전압을 표시하는 세로 한 칸이 1kV를 나타내고, 시간을 표시하는 가로 한 칸이 1μS를 나타내는데 대하여, 도 6에서는 한 칸 당 각각 15kV의 전압레벨 및 200nS의 시간레벨을 가진다는 점이다.
이와 같이 스케일이 크게 다르다는 점으로부터, 본 발명에 의한 고속의 나노초 펄스전압 발생기에서 출력되는 스케일에 있어서, 펄스의 크기가 비약적으로 증가되는 점과 펄스폭이 비약적으로 좁아지는 탁월한 효과가 있음을 알 수 있다. 최종단의 각각의 캐패시터에서 발생되는 펄스 전압이 짧으므로, 이를 중첩시키더라도 전체적인 펄스폭 및 시간차를 최소화하는 효과가 생긴다.
각 캐패시터에 인가되는 전압은 선형 펄스 변압기의 출력전압에 의해 정해지며 복수의 코일에 균분되므로, 여러 캐패시터의 어느 하나 또는 일부분에 전압이 편중되거나 시차(time jittering)가 발생되는 현상 최소화된다.
또, 선형 펄스 변압기의 출력단 코일 및 비선형 직렬 캐패시터의 수를 변화시켜 부하에서 요구되는 펄스의 특성(펄스 크기 및 펄스폭)을 얻을 수 있다. 예를 들어, 선형 펄스 변압기의 출력단 코일 및 비선형 직렬 캐패시터의 수를 8개 미만으로 감소시켜 펄스의 크기를 감소시키고, 펄스폭을 증가시킬 수 있다. 반대로, 캐패시터의 수를 8개 초과로 증가시키는 경우, 펄스의 크기가 증가하고 펄스폭을 감소시킬 수 있다. 다만, 이 경우 각 소자가 견뎌낼 수 있는 임계전압 및 임계전류을 넘지 않도록 설계에 주의할 필요가 있다.
이상과 같이, 본 발명의 구성을 첨부된 도면을 참조하면서 바람직한 실시예를 통해 설명하였다. 그러나, 상기 실시예는 본 발명에 의한 나노초의 펄스전압 발생기의 일례를 나타낸 것일 뿐이고, 본 발명의 범위가 상기 실시 예에 한정되는 것이 아님은 물론, 첨부된 특허청구범위에 의하여 정의되는 본 발명의 기술적 사상에 포함되는 한 구성요소의 일부의 부가, 감소, 변경, 수정이 있더라도 본 발명의 범위에 속함을 부인할 수 없다.
상기의 구성에 있어서 8개의 제1 및 제2 비선형 캐패시터와 마그네틱 스위치를 이용하여 본 발명자들이 실험한 결과, 출력부하 500Ω에서 측정되는 펄스전압은 70kV이고, 그 펄스폭은 80nS (FWHM)이었다.
따라서, 본 발명에 따른 비선형 캐패시터와 자력압축을 이용하는 나노초 펄스전압 발생기에 의하면, 종래기술과는 비교할 수 없을 정도로 보다 높은 전압의 펄스를 보다 짧은 펄스폭으로 생성할 수 있게 된다. 그러므로 제어가 용이하면서도 우수한 효율을 가진 고성능 유해가스 정화기 등에 유효적절하게 이용할 수 있다.
또, 선형펄스 변압기의 2차측 코일 및 출력단의 직렬 비선형 캐패시터의 수를 변화시킴으로써 부하에서 요구되는 전압에 따라 용이하게 설계를 변경할 수 있게 된다.
도 1은 종래기술에 의한 펄스 발생기의 회로도,
도 2는 기본펄스 발생기를 중첩시킨 일례로서의 시스템 회로도,
도 3은 도 2의 시스템에 의해 발생되는 펄스의 파형도,
도 4는 본 발명에서 사용되는 비선형 캐패시터의 특성을 나타내는 그래프,
도 5는 본 발명에 의한 나노초 펄스전압 발생기의 일례를 나타내는 회로도,
도 6은 도 5의 펄스 발생기에 의해 발생되는 펄스의 파형도이다.

Claims (3)

  1. 고전압 기본펄스 발생기와;
    복수의 독립적인 1차측 권선와 2차측 권선을 포함하고, 상기 기본펄스 발생기의 출력단에 상기 1차측 권선이 직렬로 결합되는 선형 펄스 변압기와;
    상기 선형 펄스 변압기의 복수의 2차측 권선의 각각에 양단이 병렬로 결합되는 복수의 제1 비선형 캐패시터와;
    상기 복수의 제1 비선형 캐패시터의 상단에 연결되며, 페라이트 코어로 이루어진 복수의 마그네틱 스위치(MS-2)와;
    상기 복수의 마그네틱 스위치(MS-2)의 타단과 상기 복수의 제1 비선형 캐패시터의 하단과의 사이에 연결되는 복수의 제2 비선형 캐패시터와;
    상기 복수의 제2 비선형 캐패시터의 양단에 연결되는 부하를 포함하고,
    상기 복수의 제2 비선형 캐패시터는 직렬로 결합되어, 각 비선형 캐패시터의 내부 펄스전압을 중첩시켜 상기 부하 양단에 가하는 것을 특징으로 하는 2단의 비선형 캐패시터와 자력압축을 이용하는 나노초 펄스전압 발생기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비선형 캐패시터는 소정량 이상의 전하가 통과되면 캐패시턴스 용량이 1/10이내로 감소하는 것을 특징으로 하는 2단의 비선형 캐패시터와 자력압축을 이용하는 나노초 펄스전압 발생기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기본펄스 발생기는 충전기 및 그 양단에 결합된 싸이라트론과 상기 싸이라트론의 양단에 피치회로(Fitch Circuit)로서 결합된 인덕터와 두개의 캐패시터 및 상기 캐패시터의 일단에 연결된 마그네틱 스위치를 포함하고, 상기 마그네틱 스위치의 출력단이 상기 선형 펄스 변압기의 1차측에 결합되는 것을 특징으로 하는 2단의 비선형 캐패시터와 자력압축을 이용하는 나노초 펄스전압 발생기.
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