KR100600451B1 - 인덕터 에너지 저장 방식의 고속 펄스 발생장치 - Google Patents

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Abstract

전압형 출력이 아니라 인덕터에 에너지를 저장하는 전류형 방식, 트랜스포머와 마그네틱 스위치(magnetic switch) 기능을 동시에 수행하는 펄스 변압기, 및 개방 스위치(opening switch)로서 일반 다이오우드로 구성된 회로를 사용함으로써 빠른 상승시간을 얻을 수 있는 인덕터 에너지 저장 방식의 고속 펄스 발생장치가 개시된다. 장치는, A) 입력전원을 충전하는 1 차측 캐패시터(C1); B) 입력전원을 상기 캐패시터(C1)에 충전하기 위한 인덕터(L1) 및 싸이리스터(X1); C) 상기 캐패시터(C1)에 충전된 에너지를 2 차측으로 전달하기 위한 싸이리스터(X2); D) 변압기와 마그네틱 스위치 기능을 동시에 수행하고, 1 차측에서 충전된 에너지를 승압하여 2 차측으로 전달하는 펄스 변압기(PT1); E) 1 차측으로 전달된 에너지를 충전하기 위한 2 차측 캐패시터(C2); 및 F) 상기 캐패시터(C2)로 충전할 경우에는 다이오우드 로서 그리고 상기 캐패시터(C2)의 에너지를 역으로 방전 시킬 경우에는 개방 스위치(opening switch)로 동작하는 다수개의 다이오우드(D1)로 구성된다.
고속 펄스 발생기, SI-싸이리스터, SOS 다이오우드, MOSFET

Description

인덕터 에너지 저장 방식의 고속 펄스 발생장치{HIGH-SPEED FULSE GENERATOR HAVING INDUCTOR ENERGY STORING TYPE}
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면 들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해 시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 막스 펄스 발생기(Marx generator)를 이용한 고전압 펄스 발생기의 동작을 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 SI-싸이리스터(Static Induction thyristor)를 사용한 인덕터 에너지 저장 방식의 고전압 펄스 발생기를 나타내는 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 인덕터 에너지 저장 방식의 고속 펄스 발생장치의 구성을 나타낸 회로도이고
도 4 내지 도 7은 도 3에서 고속 펄스 발생장치의 동작을 설명하기 위한 도로서,
도 4는 본 발명에 따른 고속 펄스 발생장치의 1 차측 캐패시터에 에너지가 충전되는 단계를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 고속 펄스 발생장치의 1 차측 캐패시터에 저장된 에너지를 2 차측 캐패시터에 전달하는 단계를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 본 발명에 따른 고속 펄스 발생장치에서, 펄스 변압기의 포화동작을 통해 2 차 개패시터에 저장된 에너지를 인덕터에 저장하는 단계를 설명하기 위한 개념도이다.
도 7은 본 발명에 따른 고속 펄스 발생장치에서 2 차측 다이오우드가 개방 스위치로 동작함으로써 포화된 펄스 변압기의 인덕터에 저장된 에너지가 부하로 전달되는 단계를 설명하기 위한 개념도이다.
도 8은 본 발명에 따른 고속 펄스 발생장치의 T형 등가회로를 나타낸 회로도이다.
도 9는 도 8의 T형 등가회로에서 1 차측 캐패시터(C1)의 충전 및 방전을 나타내는 파형도이다.
도 10은 도 8의 T형 등가회로에서 2 차측 캐패시터에 충전되는 전압과 출력전압의 파형을 나타낸 도이다.
도 11은 도 8의 T형 등가회로에서 2 차측 캐패시터와 부하의 출력전압을 확대한 파형도이다.
본 발명은 고속의 펄스 발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전압형 출력이 아니라 인덕터에 에너지를 저장하는 전류형 방식, 트랜스포머와 마그네틱 스위치(magnetic switch) 기능을 동시에 수행하는 펄스 변압기, 및 개방 스위치(opening switch)로서 일반 다이오우드로 구성된 회로를 사용함으로써 빠른 상승시간을 얻을 수 있는 인덕터 에너지 저장 방식의 고속 펄스 발생장치에 관한 것이다.
환경분야에 대한 관심이 고조 되면서 대기 오염의 주된 원인이 되는 자동차의 배기 가스에 대한 규제가 강화 되고 있는 시점에서, 소형이고 저가로 제작이 가능하며 고전압을 고속의 펄스로 발생시킬 수 있는 배기가스 처리 장치에 필요한 펄스 전원장치의 개발 필요성이 절실한 시점이다.
도 1은 막스 펄스 발생기(Marx generator)를 이용한 고전압 펄스 발생기의 동작을 설명하기 위한 개략도로서, 이의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
초기에 스위치들이 모두 소거된 상태에서 입력전원을 통하여 캐패시터에 병렬로 전압이 충전되고 충전이 완료된 후에 모든 스위치가 동시에 도통하게 되면, 캐패시터 전압이 직렬로 연결되어 출력단에서 고전압을 얻을 수 있다.
상기 방식은 부하에 단락이 일어 날 경우 발생하는 단락전류를 제한하지 못한다는 단점을 가지고 있다. 또한, 연결하는 단이 수가 적을수록 각 단에서 감당해야 하는 전압이 올라가게 되고 이에 따라 스위치의 내전압도 올라가며, 반대로 각 단의 내전압을 낮게 하면 필요한 전압을 얻기 위해서는 많은 단을 연결해야 하는 단점이 있다.
요즘에는 IGBT 등의 소자를 직렬로 연결하여 고내압을 얻을 수 있는 방식을 사용하고 있으나 동시에 스위치를 구동하는 문제, 균등전압 분배 등의 동작에 대한 제약조건이 까다로워 제품의 신뢰성에 문제를 일으킬 수 있는 소지를 안고 있다. 그리고 고압으로 올라갈수록 단 수가 많아지게 되므로 시스템이 커지는 단점도 있다. 또한 IGBT 소자를 사용할 경우 일반적으로 펄스 상승시간은 수백 ns 이하를 얻기가 현실적으로 어렵다.
도 2는 SI-싸이리스터(Static Induction thyristor)를 사용한 인덕터 에너지 저장 방식의 고전압 펄스 발생기를 나타내는 회로도이다.
이 소자의 특징은 턴-온(turn-on)과 턴-오프(turn-off)가 아주 빠르다는 특징을 가지고 있다.
회로의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 아래의 MOSFET가 ON 되면 SI-싸이리스터는 정상적으로 ON 소자이므로 전류가 흐르기 시작한다. 전류가 목적치에 도달하게 되어 MOSFET를 소거하게 되면 전류가 SI-사이리스트의 게이트를 통하여 흐르게 됨으로써 SI-사이리스트 소자의 특징으로 인해 고속으로 턴-온(turn-on) 되어 전류의 흐름을 끊게 된다. 이때, 펄스 변압기에 저장된 에너지가 2차측으로 전달되어 고압의 펄스를 얻게 된다.
인덕터 에너지 저장 방식의 펄스전원 장치는 크기가 작고 상승시간이 아주 빠른 펄스를 만들 수 있는 장점이 있다.
그러나, 상기 장치에는 고속으로 전류를 끊을 수 있는 성능의 소자가 필요하게 된다. 이런 특징을 가진 반도체로는 SI-싸이리스터와 SOS(Semiconductor Opening Switch) 다이오우드가 있다.
그러나 불행하게도, 아직 SI-사이리스트는 양산 단계에 접어들지 못하고 있으며 SOS 다이오우드의 경우 러시아에서 만 생산되고 있으며 단가가 너무 높다는 단점을 안고 있다. 이 방식을 사용하여 발생된 펄스의 상승시간은 50ns ~ 60ns 대가 일반적이라 할 수 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 전압형 출력이 아니라 인덕터에 에너지를 저장하는 전류형 방식, 트랜스포머와 마그네틱 스위치(magnetic switch) 기능을 동시에 수행하는 펄스 변압기, 및 개방 스위치(opening switch)로서 일반 다이오우드로 구성된 회로를 사용함으로써 빠른 상승시간을 얻을 수 있는 인덕터 에너지 저장 방식의 고속 펄스 발생장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 인덕터 에너지 저장 방식의 고속 펄스 발생장치는, A) 입력전원을 충전하는 1 차측 캐패시터(C1); B) 입력전원을 상기 캐패시터(C1)에 충전하기 위한 인덕터(L1) 및 싸이리스터(X1); C) 상기 캐패시터(C1)에 충전된 에너지를 2 차측으로 전달하기 위한 싸이리스터(X2); D) 변압기와 마그네틱 스위치 기능을 동시에 수행하고, 1 차측에서 충전된 에너지를 승압하여 2 차측으로 전달하는 펄스 변압기(PT1); E) 1 차측으로 전달된 에너지를 충 전하기 위한 2 차측 캐패시터(C2); 및 F) 상기 캐패시터(C2)로 충전할 경우에는 다이오우드 로서 그리고 상기 캐패시터(C2)의 에너지를 역으로 방전 시킬 경우에는 개방 스위치(opening switch)로 동작하는 다수개의 다이오우드(D1)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 전압형 출력이 아니라 인덕터에 에너지를 저장하는 전류형 방식, 변압기와 마그네틱 스위치(magnetic switch) 기능을 동시에 수행하는 펄스 변압기, 그리고 개방 스위치(opening switch)로서 일반 다이오우드로 구성된 회로를 사용함으로써 빠른 상승시간을 얻을 수 있으며 제품의 크기를 줄일 수 있다.
하기 설명 및 첨부 도면에서 구체적인 처리 흐름과 같은 많은 특정 상세 들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있다. 이들 특정 상세 들 없이 본 발명이 실시될 수 있다는 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. 그리고, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 인덕터 에너지 저장 방식의 고속 펄스 발생장치의 바람직한 실시예를 상술한다.
도 3은 본 발명에 따른 인덕터 에너지 저장 방식의 고속 펄스 발생장치의 구성을 나타낸 회로도이고, 도 4 내지 도 7은 도 3에서 고속 펄스 발생장치의 동작을 설명하기 위한 도이다.
기능별로 회로의 구성을 살펴보면 다음과 같다.
1 차측에는, 먼저 입력전원을 캐패시터(C1)에 충전하기 위한 인덕터(L1)와 싸이리스터(X1)가 있으며 여기에 저장된 에너지를 2 차측으로 넘기기 위한 싸이리스터(X2)와 펄스 변압기와 마그네틱 스위치 기능을 동시에 하는 변압기(PT1)가 구성되어 있다.
그리고, 2 차측에는, 1 차측에서 넘어온 에너지를 저장할 캐패시터(C2)가 있고 상기 캐패시터(C2)에 충전할 때는 다이오우드 로서 그리고 상기 캐패시터(C2)의 에너지를 역으로 방전 시킬 때는 개방 스위치(opening switch)로 동작하는 다이오우드(D1)로 구성되어 있다.
일반적으로 이런 기능을 하는 다이오우드는, 전술한 바와 같이, SOS 다이오우드가 있으나 러시아에서만 생산되고 있으면 단가가 아주 높다. 따라서, 본 발명에서는 일반적인 다이오우드를 직렬 접속함으로써 SOS 다이오우드와 같은 기능을 구현 하게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 고속 펄스 발생장치의 1 차측 캐패시터에 에너지가 충전되는 단계를 설명하기 위한 개념도로서, 이에도시된 바와 같이, 싸이리스터 스위치(X1)를 도통 시킴으로써 입력 직류전원으로부터 에너지가 1 차측 캐패시터(C1)에 저장되는 초기동작을 의미한다.
여기서, L1은 동작 주파수에 의해 결정되며 동작 주파수 이내에 에너지를 상기 1 차측 캐패시터(C1)에 저장 시킬 수 있을 정도의 크기로 결정되며, 이 동작 모드에서는 빠른 상승시간과 같은 고속 충전이 필요하지 않으므로 전류가 천천히 저장된다.
도 5는 본 발명에 따른 고속 펄스 발생장치의 1 차측 캐패시터에 저장된 에너지를 2 차측 캐패시터에 전달하는 단계를 설명하기 위한 개념도이다.
다음 동작모드는, 도시된 바와 같이, 싸이리스터 스위치(X2)를 도통하여 상기 1 차측 캐패시터(C1)에 저장된 에너지를 펄스 변압기(PT1)를 통하여 2 차측 캐패시터(C2)로 넘기는 과정이다.
상기 펄스 변압기(PT1)의 1 차측은 1 턴수(turn)로 구성되어 있고, 2 차측은 전압 증가를 위하여 여러 턴수(turn)로 구성되어 있다. 상기 펄스 변압기(PT1)는 누설 인덕턴스를 최대한 줄이는 것이 빠른 상승시간의 펄스를 얻기 위해서는 필수적이다. 따라서, 2 차측 권선을 고압전선으로 미리 감고, 그 바깥쪽에 1 차측 권선으로 동박을 이용하여 감싸고, 그 연결선은 동축구조(coaxial type)로 제작하여 누설 인덕턴스를 최대한 줄였다.
도 6은 본 발명에 따른 고속 펄스 발생장치에서, 펄스 변압기의 포화동작을 통해 2 차 개패시터에 저장된 에너지를 인덕터에 저장하는 단계를 설명하기 위한 개념도로서, 이는 에너지가 2 차측에 저장되어지는 마지막 단계로서, 상기 펄스 변 압기(PT1)가 포화되어 마그네틱(magnetic switch)로 동작하는 모드를 나타낸다.
상기 펄스 변압기(PT1)가 포화가 되게 되면 자화 인덕턴스(magnetizing inductance)가 현저히 낮아져 1 차측에서 2 차측으로 에너지를 넘기는 변압기로서의 고유의 역할은 하지 못하게 되고, 마치 단락된 스위치 역할 하게 된다.
따라서, 2 차측 캐패시터(C2)에 저장된 에너지가 역으로 방전하여 포화된 상기 펄스 변압기(PT1)의 현저히 낮아진 자화 인덕터에 에너지를 저장하게 된다.
도 6에 표시된 전류는 다이오우드의 역방향으로 전류가 흐는 것으로 표시 되어 있다.
다이오우드는 일반적으로 순방향으로 전류를 흘리다가 전류를 끊게 되면 바로 끊어지는 것이 아니라 PN-접합의 특징에 의해 역방향 전류가 순간적으로 흐르다가 전류가 끊어지는 특성이 있다. 이 순간은 아주 짧은 시간이다.
도 6에 표시된 모드에서는, 이러한 순간적인 다이오우드의 역회복(reverse recover) 특성을 이용하여 단시간에 상기 2 차측 캐패시터(C2)에 저장된 에너지를 포화된 변압기를 통하여 흘리게 하고, 또한 다이오우드의 특성에 의해 순간적으로 꺼지는 개방 스위치(opening switch) 동작을 하게 된다.
본 발명에서는 이러한 다이오우드 특성을 이용하여 일반적인 상용 다이오우드를 직렬 연결하여 이러한 고속의 개방 스위치(opening switch) 기능을 구현 하였다.
도 7은 본 발명에 따른 고속 펄스 발생장치에서 2 차측 다이오우드가 개방 스위치로 동작함으로써 포화된 펄스 변압기의 인덕터에 저장된 에너지가 부하로 전달되는 단계를 설명하기 위한 개념도이다.
도시된 바와 같이, 상기 2 차측 캐패시터(C2)에 저장된 에너지가 포화된 상기 펄스 변압기(PT1)의 인덕터에 모두 저장되게 되면, 다이오우드는 순간적으로 끊어져 개방 스위치(opening switch) 역할을 하게 되고, 인덕터에 저장된 에너지가 부하로 전달 되게 된다.
여기서, 부하의 단락에 상관없이 인덕터에 흐르는 전류가 흐르게 되므로 캐패시터 출력을 갖는 전압형 방식에서와 같은 큰 단락전류가 흐르는 일이 발생할 수 없으므로 시스템이 근본적으로 안전하다. 이는, 인덕터 에너지 저장 방식의 중요한 특징이며 단락전류 방지를 위한 또 다른 장치가 전혀 필요 없다.
도 8은 본 발명에 따른 고속 펄스 발생장치의 T형 등가회로를 나타낸 회로도이다.
본 발명에 따른 고속 펄스 발생장치의 동작을 펄스 변압기의 T형 등가회로 상에서 보면 동작이 더욱 명확하다.
상기 펄스 변압기(PT1)가 포화 되지 않았을 때에는, 자화 인덕턴스(Lm)이 다른 누설 인덕턴스 보다 아주 크므로 대부분의 전류가 상기 싸이리스터 스위치(X2)와 상기 다이오우드(D1) 통하여 상기 2 차측 캐패시터 (C2)로 전달된다. 이후에, 상기 펄스 변압기(PT1)가 포화 되게 되면 상기 자화 인덕턴스(Lm)가 현저히 낮아지기 때문에 마그네틱 스위치(magnetic switch)로 동작을 하게 되고, 이 때 2 차측에 저장된 에너지가 역으로 방전을 하면서 포화된 자화 인덕터에 에너지를 저장하게 된다.
이후, 다이오우드의 역회복 특성에 의해 순간적으로 다이오우드가 꺼짐으로써 인덕터에 저장된 에너지가 부하로 전달된다.
도 9는 도 8의 T형 등가회로에서 1 차측 캐패시터(C1)의 충전 및 방전을 나타내는 파형도이고, 도 10은 도 8의 T형 등가회로에서 2 차측 캐패시터에 충전되는 전압과 출력전압의 파형을 나타낸 도이며, 도 11은 도 8의 T형 등가회로에서 2 차측 캐패시터와 부하의 출력전압을 확대한 파형도이다.
이에 도시된 바와 같이, 출력전압의 크기는 20kV 이며 상승시간이 30ns (최대전압의 10% 에서 90% 까지 상승하는 시간)인 것을 볼 수 있다. 기존의 고속 펄스전원장치 보다 상승시간이 더 우수하며 출력 에너지 및 출력전압도 훨씬 크다는 것을 실험 결과로부터 알 수 있다.
본 발명에 따른 고속 펄스 발생장치는, 가스처리 같은 분야에서 상승시간이 처리 능력과 밀접한 연관이 있으므로 좋은 가스처리 결과를 내게 되고, 가스처리 장치에 적용할 경우 뛰어난 성능을 발휘할 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구 든지 다양한 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 따른 인덕터 에너지 저장 방식의 고속 펄스 발생장치는 다음과 같은 효과가 있다.
1. 출력측이 캐패시터인 전압형이 아니고 인덕터에 에너지를 저장하는 전류형이기 때문에, 부하의 단락에도 특별한 보호가 필요 없어 안정된 동작을 할 수 있다.
2. 빠른 상승시간을 얻기 위한 개방 스위치(opening switch) 소자로서 특수소자(SI-싸이리스터, SOS 다이오우드 등)가 아닌 일반적인 상용 다이오우드를 사용함으로써 제품의 제작 및 경제성에서 우수하다.
3. 전압형 출력이 아니라 인덕터에 에너지를 저장하는 전류형 방식, 변압기와 마그네틱 스위치(magnetic switch) 기능을 동시에 수행하는 펄스 변압기, 그리고 개방 스위치(opening switch)로서 일반 다이오우드로 구성된 회로를 사용함으로써 빠른 상승시간을 얻을 수 있으며 제품의 크기를 줄일 수 있다.

Claims (6)

  1. A) 입력전원을 충전하는 1 차측 캐패시터(C1);
    B) 입력전원을 상기 캐패시터(C1)에 충전하기 위한 인덕터(L1) 및 싸이리스터(X1);
    C) 상기 캐패시터(C1)에 충전된 에너지를 2 차측으로 전달하기 위한 싸이리스터(X2);
    D) 펄스 변압기와 마그네틱 스위치 기능을 동시에 수행하고, 1 차측에서 충전된 에너지를 승압하여 2 차측으로 전달하는 변압기(PT1)
    E) 1 차측으로 전달된 에너지를 충전하기 위한 2 차측 캐패시터(C2); 및
    F) 상기 캐패시터(C2)로 충전할 경우에는 다이오우드 로서 그리고 상기 캐패시터(C2)의 에너지를 역으로 방전 시킬 경우에는 개방 스위치(opening switch)로 동작하는 다수개의 다이오우드(D1)를 포함하는 인덕터 에너지 저장 방식의 고속 펄스 발생장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 다수개의 다이오우드(D1)는,
    직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 인덕터 에너지 저장 방식의 고속 펄스 발생장치.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 고속 펄스 발생장치는,
    전압형 출력이 아니라 인덕터에 에너지를 저장하는 전류형 방식인 것을 특징으로 하는 인덕터 에너지 저장 방식의 고속 펄스 발생장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 펄스 변압기(PT1)는,
    그 1 차측에 1 턴수(turn)가, 승압을 위하여 2 차측에 여러 턴수(turn)로 구성되는 것을 특징으로 하는 인덕터 에너지 저장 방식의 고속 펄스 발생장치.
  5. 청구항 2에 있어서, 상기 펄스 변압기(PT1)는,
    2 차측 권선을 고압전선으로 미리 감고, 그 바깥쪽에 1 차측 권선으로 동박을 이용하여 감싸고, 그 연결선은 동축구조(coaxial type)로 제작하여 누설 인덕턴스를 줄인 것을 특징으로 하는 인덕터 에너지 저장 방식의 고속 펄스 발생장치.
  6. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 고속 펄스 발생장치는,
    다이오우드의 역회복(reverse recover) 특성을 이용하여 단시간에 상기 2 차측 캐패시터(C2)에 저장된 에너지를 포화된 펄스 변압기(PT1)를 통하여 흘리게 하고, 순간적으로 다이오우드(D1)를 OFF 되도록 개방 스위치(opening switch)로 동작 시키는 것을 특징으로 하는 인덕터 에너지 저장 방식의 고속 펄스 발생장치.
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