KR100732011B1 - 펄스형 전원장치 - Google Patents

Abstract

펄스형 전원장치가 개시된다. 본 발명에 따른 펄스형 전원장치는, 입력된 전원을 정류하는 정류부, 정류부에 의해 정류된 전원을 충전 및 방전시키기 위한 복수의 커패시터 뱅크, 복수의 커패시터 뱅크 각각의 일단에 연결되어 각각의 커패시터 뱅크의 충전 및 방전을 개별적으로 단속하는 복수의 단속부, 및 복수의 단속부 각각의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다. 이로써, 펄스형 전원장치는 커패시터 뱅크를 사용하고, 시간적으로 다양하게 사이리스터를 턴 온/오프 제어함으로써, 출력되는 펄스의 상승시간을 높일 수 있고, 다양한 모양의 펄스를 만들 수 있게 된다.

펄스, 전원장치, 정류, 사이리스터, SCR

Description

펄스형 전원장치{Power supply with variable pulse form}

도 1은 펄스 전원장치의 응용 예를 나타낸 도면으로서, 자기장 치료기에 사용된 펄스 전원장치의 예를 나타낸다.

도 2는 일반적인 자기장 의료기기의 자기장 펄스 파형을 나타낸 도면이다.

도 3은 종래의 기술(등록특허공보 : 10-0317390호)에 따른 펄스형 전원장치의 회로도이다.

도 4는 본 발명에 따른 펄스형 전원장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.

도 5는 도 4의 펄스형 전원장치의 회로도이다.

도 6은 도 4의 제어부를 개략적으로 도시한 블록도이다.

도 7은 도 4의 출력부로 출력되는 출력전류파형의 예를 나타낸 도면이다.

도 8은 단일 콘덴서의 경우와 여러 개의 콘덴서를 병렬로 연결한 경우의 전류파형을 비교한 도면이다.

도 9는 단일 콘덴서의 경우와 여러 개의 콘덴서를 병렬로 연결한 경우의 시간에 따른 자기장의 감소량을 비교한 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

110, 210 : 입력부 120, 220 : 정류부

240, 260 : 커패시터 뱅크 140, 250, 270 : 단속부

150, 280 : 제어부

본 발명은 펄스형 전원장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 커패시터 뱅크를 사용하고, 시간적으로 다양하게 사이리스터(Thyristor)를 턴 온/오프(turn on/off) 제어함으로써 펄스의 상승시간을 높일 수 있고, 다양한 모양의 펄스를 만들 수 있는 펄스형 전원장치에 관한 것이다.

일반적으로 펄스형 전원장치는 고전압 또는 대전류의 펄스를 고속으로 제어하는 장치로서, 그 핵심은 기계적인 또는 전기적인 장치에 에너지를 저장하였다가 어느 정도의 짧은 시간에 부하로 방출하는 기술이며, 이와 같은 펄스형 전원장치는 전자성형, 전기 폭파와 같이 펄스파워(pulse power) 자체를 이용하는 분야에서부터 기초과학, 군용기기, 의료기기, 환경설비, 농업기술, 산업설비 등의 다양한 분야에서 응용되고 있다.

도 1은 펄스형 전원장치의 응용 예를 나타낸 도면으로서, 자기장 치료기에 사용된 펄스형 전원장치의 예를 나타낸다.

도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같이, 자극용 코일(A)에 순간적으로 강한 전류를 흘리면 자극용 코일(A) 주변에는 전류에 의한 자기장이 발생하며, 환자의 골반상 근육(pelvic floor muscle) 주변에 와전류(B)가 유도된다. 유도된 와전류(B)는 운동신경(motor nerve)을 자극하여 근육을 수축시키며, 자극코일(A)에 흘려주는 전류의 주파수에 따라서 근육은 수축과 이완을 반복하는 운동을 하게 된다.

이와 같이 자기장을 이용한 치료기는 일반적으로 CMF(Constant Magnetic Field)형, VMF(Variable Magnetic Field)형, PMF(Pulse Magnetic Field)형 등이 있다. 현재 국내에서 판매되고 있는 자기장 치료기는 VMF형을 이용한 요실금 치료기 및 근육통증 완화기기가 주종을 이루고 있으며, 최근 들어 PMF형의 자기장 치료기가 연구개발되고 있다.

자기장을 이용한 의료기기는 일반적으로 자기장의 펄스 파형에 따라 단상 타입(monophasic type), 양상 타입(biphasic type), 다상 타입(polyphasic type)의 세 가지 형태로 대별된다.

단상 타입은 도 2(a)에 도시된 바와 같은 펄스 파형을 출력하는 의료 기기로서, 양상 타입보다 노이즈(noise)와 열이 적게 발생하지만, 뇌의 양측피질(Bilateral cortical)에 반응이 잘 되지 않는다는 단점이 있다.

양상 타입은 도 2(b)에 도시된 바와 같은 펄스 파형을 출력하는 의료 기기로서, 펄스가 짧고, 고반복율이 가능하며, 뇌의 양측 피질 자극에 적당하지만, 노이즈가 많고, 단상 타입보다는 정밀하지 못하다는 단점이 있다.

다상 타입은 도 2(c)에 도시된 바와 같은 펄스 파형을 출력하는 의료 기기로서, 뇌의 양측 피질 자극에 아주 효과적이지만, 방전 노이즈가 크고 열이 아주 많이 발생하며, 자극 발생후 방전에너지를 바로 회복할 수 없어 고 반복율 실현이 불가능하며, 단상 타입보다 정밀하지 못하다는 단점이 있다.

자기장 치료기에서 치료효과를 높이기 위해서는 펄스가 구형파에 가깝고,펼 스의 상승시간(rise time)이 빠른 것이 좋다. 또한 노이즈가 적고 열이 적게 발생할수록 인체 자기치료용으로 가장 적합하다. 따라서, 인체 자기치료용으로 가장 적합한 파형은 양상 타입이라고 할 수 있고, 국내외 내부분의 PMF(Pulse Magnetic Field)형은 양상 타입의 펄스 파형을 사용하고 있다.

도 3은 종래의 기술(등록특허공보 : 10-0317390호)에 따른 펄스형 전원장치의 회로도이다. 도면을 참조하면, 펄스형 전원장치는 입력전원을 변압하는 변압부(110), 변압부(110)에 의해 변압된 전원을 정류하는 정류부(120), 복수개의 충전 소자를 구비하여 정류부(120)에 의해 정류된 전원을 충전 및 방전하는 충방전부(130), 각 충전 소자의 충전 및 방전 경로를 단속하는 단속부(140), 및 충방전부(130)의 복수개의 충전 소자가 순차적으로 충전 및 방전되어 부하(170)에 안정된 전원이 공급되도록 단속부(140)의 단속동작을 제어하는 제어부(150)로 구성되어 있으며, 단속부(140)의 스위칭 소자를 실리콘 제어 정류기(SCR : Silicon Controlled Rectifier)로 구성할 경우, 제어부(150)의 제어에 따라 실리콘 제어 정류기를 트리거하는 트리거회로(160)를 구비한다.

도면을 참조하면, 입력전원은 변압부(110)를 통하여 변압되고, 정류부(120)를 통하여 정류된 후, 단속부(140)에 제공된다. 이때, 제공되는 전원의 펄스 반복율이 150pps(pulse per second)라면, 제어부(150)의 제어에 따른 단속부(140)의 실리콘제어정류기(S1~S6)의 순차적인 온/오프 동작으로 인해 충방전부(130)의 콘덴서(C2~C4)는 순차적으로 충방전되기 때문에, 각 콘덴서(C2, C3, C4)는 실제로 펄스 반복율이 50pps 씩 동작하게 된다. 즉, 150pps의 총 펄스 반복율을 3개의 콘덴서 (C2, C3, C4)가 3등분하여 동작하므로, 기존의 단일 콘덴서가 펄스 반복율 150pps로 구동될 때에 비하여 콘덴서에 더 많은 에너지가 저장된다. 따라서, 그 콘덴서(C2, C3, C4)의 충전시간을 더 많이 확보하면서 고출력을 얻을 수 있다.

상기 콘덴서(C2, C3, C4)는 제어부(150)를 통하여 각 실리콘제어 정류기(S1~S6)의 게이트 신호를 제어함으로써, 순차적인 충전 및 방전 동작을 반복하게 되므로, 2개의 실리콘제어 정류기(S2, S4)가 온(ON) 되면 콘덴서(C2)에 충전된 에너지가 부하 플래쉬램프(170)로 방전됨과 동시에 콘덴서(C3)에 충전되기 시작하고, 다른 2개의 실리콘제어 정류기(S1, S6)가 온(ON) 되면, 콘덴서(C4)에 충전된 에너지가 부하 플래쉬램프(170)로 방전됨과 동시에 콘덴서(C2)에 충전되기 시작하며, 또 다른 2개의 실리콘제어 정류기(S3, S5)가 온(ON) 되면 콘덴서(C3)에 충전된 에너지가 부하 플래쉬램프(170)로 방전됨과 동시에 콘덴서(C4)에 충전되기 시작한다. 이와 같은 3단 순차 충전 및 방전 방식에서 제어부(150)는 상술된 바와 같이, 각 콘덴서(C2, C3, C4)의 충전 및 방전 순서가 선충전(FIRST-CHARGE), 후방전(LAST-DISCHARGE) 형식으로 순차적 충전 및 방전되도록 각 실리콘제어 정류기(S1~S6)의 온/오프 동작을 제어한다. 이때, 상기 오프 동작은 트리거회로(160)의 실리콘제어 정류기(S7)의 게이트에 통전 제어신호를 인가하여 실리콘제어 정류기(S1~S6)를 트리거함으로써 이루어진다.

그런데, 상기와 같은 펄스형 전원장치는 고정된 일정 주파수 방식에 의한 스위칭 방식의 직류 고전압 발생장치로서, 위상차 제어회로에 의한 안정된 직류 고전압을 발생시키기 위한 것이며, 다양한 모양의 펄스를 출력하기는 어렵다는 문제점 이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 커패시터 뱅크를 사용하고, 시간적으로 다양하게 사이리스터(Thyristor)를 턴 온/오프(turn on/off) 제어함으로써 펄스의 상승시간을 높일 수 있고, 다양한 모양의 펄스를 만들 수 있는 펄스형 전원장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 펄스형 전원장치의 제1 실시 예는, 입력된 전원을 정류하는 정류부; 상기 정류부에 의해 정류된 전원을 충전 및 방전시키기 위한 복수의 커패시터 뱅크; 상기 복수의 커패시터 뱅크 각각의 일단에 연결되어 각각의 커패시터 뱅크의 충전 및 방전을 개별적으로 단속하는 복수의 단속부; 및 상기 복수의 단속부 각각의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 정류부는 브릿지형 전파정류회로로 구성된다.

또한, 상기 각각의 단속부는 스위칭 소자(SCR이나 GTO thyristor등)를 사용하여 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 각각의 커패시터 뱅크는 복수의 커패시터가 병렬로 연결되는 것이 바람직하다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 펄스형 전원장치의 제2 실시 예는, 입력된 전원을 정류하는 정류부; 상기 정류부에 의해 정류된 전원을 분압하여 충전 및 방전시키는 대용량 커패시터; 상기 대용량 커패시터의 일단에 각각 연결되며, 상기 대용량 커패시터에 의해 분압된 전원을 충전 및 방전시키기 위한 복수의 커패시터 뱅크; 일단이 상기 각각의 커패시터 뱅크에 직렬로 연결되며, 타단이 상기 대용량 커패시터의 타단과 각각 연결되어 상기 각각의 커패시터 뱅크의 충전 및 방전을 개별적으로 단속하는 복수의 단속부; 및 상기 복수의 단속부 각각의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 각각의 단속부는 충전을 위한 다이오드와 스위칭 소자가 서로 역방향으로 병렬로 연결되며, 상기 스위칭 소자에 의해 상기 각각의 커패시터 뱅크의 방전이 단속되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제어부는 소정 시간간격으로 각각의 상기 스위칭 소자의 온/오프를 순차적으로 제어하거나, 각각의 상기 스위칭 소자의 온/오프를 동시에 제어하는 것이 바람직하다.

이로써, 본 발명에 따른 펄스형 전원장치는 커패시터 뱅크를 사용하고, 시간적으로 다양하게 사이리스터(Thyristor)를 턴 온/오프(turn on/off) 제어함으로써 펄스의 상승시간을 높일 수 있고, 다양한 모양의 펄스를 만들 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 펄스형 전원장치를 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 펄스형 전원장치를 개략적으로 도시한 블록도이며, 도 5는 도 4의 펄스형 전원장치의 회로도이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 펄스형 전원장치는 입력부(210), 정류부(220), 커패시터(230), 제1 커패시터 뱅크(240), 제1 단속부(250), 제2 커패시터 뱅크(260), 제2 단속부(270), 및 제어부(280)를 포함한다.

입력부(210)는 일반적으로 상용되는 220V/60Hz의 교류전압이 입력될 수 있다. 또한, 입력부(210)는 1차측으로 입력되는 전압을 변압하여 2차측으로 유도하는 변압기(도시하지 않음)가 포함될 수 있다.

정류부(220)는 브릿지형 전파정류회로로 구성될 수 있으며, 정류부(220)의 출력단에는 저항(R)을 통하여 대용량 커패시터(230)와 복수의 커패시터 뱅크(240, 260)가 병렬로 연결되어 있다.

제1 커패시터 뱅크(240)로부터 부하측(290)으로의 경로상에는 제1 단속부(250)가 연결된다. 또한, 제2 커패시터 뱅크(240)로부터 부하측(290)으로의 경로상에는 제2 단속부(250)가 연결된다.

대용량 커패시터(230)와 각각의 커패시터 뱅크(240, 260)는 충분한 에너지를 충전 및 방전하며, 각각의 커패시터 뱅크(240, 260)의 출력측 경로상에 연결된 각각의 단속부(250, 270)는 각각의 커패시터 뱅크(240, 260)의 충전 및 방전을 개별적으로 단속한다.

이때, 각각의 커패시터 뱅크(240, 260)는 정류부(220)에 의해 정류된 전원 또는 커패시터(230)에 충전된 전원의 전하량을 나누어 저장할 수 있도록 복수의 커 패시터가 병렬로 연결되는 것이 바람직하며, 이 경우 각각의 커패시터 뱅크(240, 260)를 구성하는 각각의 커패시터는 정류부(220)에 의해 정류된 전원 또는 커패시터(230)에 충전된 전원의 전하량이 균등분되도록 동일한 용량으로 구현되는 것이 바람직하다. 도면에는 커패시터의 병렬연결을 '커패시터 뱅크'라는 용어로 표현하였다.

또한, 각각의 커패시터 뱅크(240, 260)는 부하측(290)으로 출력되는 펄스의 구현하고자 하는 모양에 따라 동일한 용량으로 구현될 수도 있으며, 서로 용량이 다르게 구현될 수도 있다.

또한, 각각의 단속부(250, 270)는 각각의 커패시터 뱅크(240, 260)의 충전 및 방전을 단속하기 위하여 스위칭 소자가 연결될 수 있으며, 충전을 위한 하나의 다이오드와 방전을 위한 하나의 스위칭 소자가 서로 역방향으로 병렬로 연결될 수도 있다. 여기서, 단속부(250, 270)의 스위칭 소자는 각종 사이리스터(thyristor)로 구현될 수 있다. 예를 들면, 실리콘 제어 정류기(SCR : Silicon Controlled Rectifier), GTO thyristor 등을 사용할 수 있다. 사이리스터는 양극(anode), 음극(cathode), 및 게이트(gate)의 세 단자로 구성되어 있으며, 게이트에 신호가 인가되면 양극과 음극 사이에 전류가 흐르고, 게이트 신호가 없으면 양극과 음극 사이에 전류는 흐르지 않고 높은 전압이 유지된다.

또한, 도면에는 펄스형 전원장치가 두 개의 커패시터 뱅크(240, 260)를 구비하고, 각각의 커패시터 뱅크(240, 260)를 두 개의 단속부(250, 270)가 단속하는 것으로 도시하였지만, 펄스형 전원장치는 셋 이상의 커패시터 뱅크로 구현될 수도 있 다. 이 경우 각각의 커패시터 뱅크는 개별적으로 단속되도록 구현되는 것이 바람직하다.

제어부(280)는 각각의 단속부(250, 270)의 동작을 개별적으로 제어한다. 이를 위하여 제어부(280)는 도 6에 도시한 바와 같이, 원칩 마이크로프로세서(282) 및 증폭회로(284)를 구비한다. 원칩 마이크로프로세서(282)에 의해 발생되어 증폭회로(284)에 의해 증폭된 각각의 신호(286)가 각각의 단속부(250, 270)의 SCR 게이트(288)로 전송됨으로써, 각각의 단속부(250, 270)가 온/오프 제어된다. 이때, 제어부(280)는 각각의 단속부(250, 270)를 소정 시간간격을 두고 순차적으로 온/오프제어하거나, 동시에 온/오프제어할 수 있다.

도 7은 도 4의 출력부로 출력되는 출력전류파형의 예를 나타낸 도면이다. 도면을 참조하면, 각각의 단속부(250, 270)를 일전한 지연시간을 두고 교번하여 턴 온/오프(turn on/off) 제어한 경우, 부하측(290)으로 출력되는 출력전류의 파형은 도 7(a)와 같이 되며, 각각의 단속부(250, 270)를 동시에 턴 온/오프(turn on/off) 제어한 경우, 부하측(290)으로 출력되는 출력전류의 파형은 각각의 파형이 완전히 중첩되어 도 7(b)와 같이 두 배의 크기로 출력된다. 또한, 각각의 단속부(250, 270)를 약간의 지연시간을 두고 턴 온/오프 제어하는 경우 즉, 제1 단속부(250)를 턴 온한 후 약간의 지연시간을 두고 제2 단속부(270)를 턴 온 한뒤, 제1 단속부(250) 및 제2 단속부(270)를 순차적으로 턴 온/오프(turn on/off) 제어한 경우, 부하측(290)으로 출력되는 출력전류의 파형은 각각의 파형이 일부 중첩되어 도 7(c)와 같이 된다.

이로써, 본 발명에 따른 펄스형 전원장치는 복수의 커패시터 뱅크에 각각 연결된 스위칭 소자의 스위칭 시간을 변화시킴으로써, 부하측으로 출력되는 펄스의 모양을 다양하게 변화시킬 수 있게 된다.

또한, 콘덴서 하나로 구성되는 경우의 전류파형이 일반적으로 도 8(a)과 같이 되는 것에 비하여 여러 개의 콘덴서가 병렬로 구성되는 경우의 전류파형은 도 8(b)와 같이 되기 때문에, 콘덴서의 병렬연결로 구성된 커패시터 뱅크를 구비한 본 발명의 펄스형 전원장치는 펄스의 상승시간을 줄이고, 펄스를 구형파에 가깝게 만드는 것이 가능하게 된다.

또한, 도 9에 도시한 바와 같이, 커패시터 뱅크를 하나의 콘덴서로 구성하는 것에 비하여 여러 개의 커패시터를 병렬로 연결하는 것이 시간에 따른 자기장의 감소량을 완화시킬 수 있기 때문에, 본 발명에 따른 펄스형 전원장치를 의료기기에 사용하는 경우에 더욱 안정적인 효과를 가져오게 된다.

본 발명에 따르면, 펄스형 전원장치는 커패시터 뱅크로서 저용량의 커패시터를 병렬로 연결할 수 있기 때문에 커패시터의 용량을 줄일 수 있어 그 제조비용이 절감된다.

또한, 본 발명에 따른 펄스형 전원장치는 복수의 커패시터 뱅크에 각각 연결된 스위칭 소자의 스위칭 시간을 변화시킴으로써, 부하측으로 출력되는 펄스의 모양을 다양하게 변화시킬 수 있게 된다. 따라서 부하를 자기발생 코일을 사용하여 자기장 치료기의 전원으로 사용할 경우 인체 부위마다 가해주어야 할 최적의 펄스 모양을 만들 수 있어 다양한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 펄스형 전원장치는 펄스의 상승시간을 줄이고, 펄스를 구형파에 가깝게 만드는 것이 가능하게 된다.

본 발명에 따른 펄스형 전원장치는 여러 개의 커패시터를 병렬로 연결하여 사용함으로써, 의료기기에 사용되는 경우 시간의 변화에 따른 자기장의 감소량을 완화시켜 더욱 안정적인 효과를 가져오게 된다.

Claims (5)

1. 입력된 전원을 정류하는 정류부;

   상기 정류부에 의해 정류된 전원을 충전 및 방전시키기 위한 복수의 커패시터 뱅크;

   상기 복수의 커패시터 뱅크 각각의 일단에 연결되어 각각의 커패시터 뱅크의 충전 및 방전을 개별적으로 단속하는 복수의 단속부; 및

   상기 복수의 단속부 각각의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스형 전원장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 각각의 커패시터 뱅크는 복수의 커패시터가 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 펄스형 전원장치.
3. 입력된 전원을 정류하는 정류부;

   상기 정류부에 의해 정류된 전원을 충전 및 방전시키는 대용량 커패시터;

   상기 대용량 커패시터의 일단에 각각 연결되며, 상기 대용량 커패시터에 의해 충전된 에너지를 충전 및 방전시키기 위한 복수의 커패시터 뱅크;

   일단이 상기 각각의 커패시터 뱅크에 병렬로부터 부하측으로의 경로상에 연결되며, 일단이 상기 대용량 커패시터의 일단과 각각 연결되어 상기 각각의 커패시 터 뱅크의 충전 및 방전을 개별적으로 단속하는 복수의 단속부; 및

   상기 복수의 단속부 각각의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스형 전원장치.
4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,

   상기 각각의 단속부는 충전을 위한 다이오드와 스위칭 소자가 서로 역방향으로 병렬로 연결되며, 상기 스위칭 소자에 의해 상기 각각의 커패시터 뱅크의 방전이 단속되는 것을 특징으로 하는 펄스형 전원장치.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 제어부는 동시 또는 소정 시간간격으로 각각의 상기 스위칭 소자의 온/오프를 순차적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 펄스형 전원장치.

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