KR100962904B1 - Ｌｃ 공진을 이용한 고전압 발생 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고전압을 발생시키는 장치에 관한 것으로서, 동작 안정성이 뛰어나고 에너지 전달 효율이 높으며 설계 및 제작이 용이한 고전압 발생 장치를 제공하고자 한다. 본 발명에 의한 고전압 발생 장치는 교류 전원 장치와, 교류 전원 장치에 연결되어 교류 전원 장치로부터 교류 전원을 공급 받는 LC 공진부와, LC 공진부에 연결된 스파크 갭 스위치와, 교류 전원의 주파수를 조정하는 주파수 조정기를 포함한다.
Figure R1020090110246
고전압, LC, 공진

Description

ＬＣ 공진을 이용한 고전압 발생 장치{High Voltage Generator Based On LC Resonance}
본 발명은 고전압을 발생시키는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 LC 공진을 이용하여 고전압을 발생시키는 장치에 관한 것이다.
수 kV 이상의 전압 진폭을 갖는 고전압을 발생시키기 위해서 종래에 막스 발생기(Marx Generator) 방식과 테슬라 트랜스포머(Tesla Transformer) 방식의 전압 발생 장치가 보편적으로 사용된다.
막스 발생기 방식은 1924년 Orwin otto Marx가 개발한 방식이다. 막스 발생기 방식은 공급된 전압을 병렬로 연결된 다수의 캐패시터(Capacitor)에 충전한 후, 스파크 갭 스위치(Spark Gap Switch)를 이용하여 캐패시터의 충전 전압이 직렬로 연결되도록 방전하여 고전압을 발생시키는 방식이다. 이때 발생된 전압의 진폭은 캐패시터와 스파크 갭 스위치로 구성된 스테이지(Stage) 개수에 비례하여 커진다. 막스 발생기 방식은 설계 및 제작이 용이한 장점이 있다. 그러나 스파크 갭 스위치의 턴 온(Turn-On) 특성이 일정하지 않아, 스테이지 개수가 증가할수록 발생기의 동작이 불안정해지는 단점이 있다.
테슬라 트랜스포머 방식은 1891년에 Nikola Tesla가 개발한 방식이다. 테슬라 트랜스포머 방식은 1차 코일과 2차 코일이 공심으로 결합된 변압기(Air Core Coupled Transformer)로써, 두 개의 공진회로의 공진현상을 이용하여 고전압을 발생시킨다. 테슬라 트랜스포머 방식은 단일 스파크 갭 스위치를 사용하기 때문에 다수의 스파크 갭 스위치를 사용하는 막스 발생기에 비해 동작 특성이 안정적이다. 그러나 테슬라 트랜스포머 방식은 상대적으로 설계 및 제작이 난해하고, 코일 간의 낮은 결합계수(Coupling Coefficient)로 인해 에너지 전달 효율이 낮은 단점이 있다.
따라서 본 발명은 종래에 고전압을 발생시키기 위해 보편적으로 이용되던 막스 발생기 방식과 테슬라 트랜스포머 방식의 단점을 개선하고자 한다. 본 발명은 동작 안정성이 뛰어나고, 에너지 전달 효율이 높으며, 설계 및 제작이 용이한 고전압 발생 장치를 제공한다.
전술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 고전압 발생 장치는 교류 전원 장치와, 교류 전원 장치에 연결되어 교류 전원 장치로부터 교류 전원을 공급 받는 LC 공진부와, LC 공진부에 연결된 스파크 갭 스위치와, 교류 전원의 주파수를 조정하는 주파수 조정기를 포함한다.
본 발명은 막스 발생기 방식의 고전압 발생 장치보다 동작 안정성이 뛰어나고, 테슬라 트랜스포머 방식의 고전압 발생 장치보다 설계 및 제작이 용이하다.
본 발명은 교류 전원을 공급 받는 LC 공진부와, LC 공진부에 연결된 스파크 갭 스위치, 교류 전원의 주파수를 조정하는 주파수 조정기를 포함하는 고전압 발생 장치를 제공한다. 주파수 조정기가 교류 전원의 주파수를 LC 공진부의 고유 공진 주파수에 최대한 근접하도록 (바람직하게는 LC 공진부의 고유 공진 주파수와 일치하도록) 조정하면, LC 공진부는 공급 받은 교류 전원의 전압을 크게 증폭하게 된다. 이 때 증폭된 전압이 스파크 갭 스위치의 절연 한계를 넘으면 스파크 갭 스위치가 턴 온(Turn-on)되고, 고전압 발생 장치는 증폭된 전압을 출력한다.
본 발명에 의한 고전압 발생 장치는 LC 공진부와 주파수 조정기를 사용함으로써 설계 및 제작이 용이하며, 스파크 갭 스위치를 하나만 사용해도 무방하므로 동작 안정성이 뛰어나다. 이에 더하여 본 명세서에서는 본 발명의 실시예로서, 절연 특성이 우수하거나, LC 공진부의 정밀한 제작이 용이하거나, 휴대에 용이한 고전압 발생 장치의 구조들을 제공한다.
<본 발명의 동작 원리>
우선 도 1을 참조하여 본 발명 동작의 기본 개념인 LC 공진에 대해 설명한다. 도 1은 주파수가 f0인 교류 전원 장치(101), 저항 성분의 크기가 R인 저항(102), 자기 인덕턴스(Self-Inductance)가 L인 인덕터(103), 전기용량이 C인 캐패시터(104)가 직렬로 연결된 회로이다.
도 1과 같은 회로에 흐르는 진동전류 I는 수학식 1로 표현된다. 따라서 저항 R이 일정할 때 회로의 유도성 리액턴스(XL)과 용량성 리액턴스(XC)가 같으면 회로의 임피던스 Z = R이 되고 진동전류 I는 최대가 된다. 이때 공진 주파수 f는 수학식 2로 표현된다. 이와 같이 진동회로의 고유 진동 주파수와 같은 진동 주파수를 가진 에너지가 외부에서 주어지면 회로에 큰 진동 전류가 흐르게 되는데 이러한 현상을 전기 공진(Electric Resonance)라 한다.
공진의 양호도 Q(Quality Factor)는 공급 전압 V에 대한 공진 시 인덕터 또는 캐패 시터에 걸리는 전압비로서, 공진 시 인덕터에 인가되는 전압을 VL, 캐패시터에 인가되는 전압을 VC 라고 할 때 공급전압 V에 대한 식으로 표현하면, 각각 수학식 3과 수학식 4와 같다.
Figure 112009070136224-pat00001
Figure 112009070136224-pat00002
Figure 112009070136224-pat00003
Figure 112009070136224-pat00004
또한 공진 시에는 XC = XL 의 관계가 성립하므로, QL = QC = Q가 되어 Q는 수학식 5와 같다.
Figure 112009070136224-pat00005
따라서 공진 시 인덕터 및 캐패시터에 인가되는 전압 VL, VC 는 수학식 6과 같다.
Figure 112009070136224-pat00006
즉, 공진 시 L 또는 C 양단의 전압은 공급전압 V의 Q배가 되므로, Q가 큰 값인 경우, 공진회로는 전압증폭기 역할을 한다.
<발명의 기술적 사상>
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고전압 발생 장치(200)의 블록도를 도시한다. 고전압 발생 장치(200)는 교류 전원 장치(210), LC 공진부(220), 스파크 갭 스위치(230), 주파수 조정기(240)로 구성된다.
교류 전원 장치(210)는 LC 공진부(220)로 교류 전원을 공급한다. LC 공진부(220)는 특정한 자기 인덕턴스를 갖는 인덕터와 특정한 전기용량을 갖는 캐패시터의 직렬 또는 병렬 연결로 구성되며, 인덕터의 자기 인덕턴스와 캐패시터의 전기용량에 따라 고유의 공진 주파수를 갖는다. 스파크 갭 스위치(230)는 LC 공진부(220)에 연결되며, LC 공진부(220)의 캐패시터에 충전된 에너지를 부하(250)로 전달한다. 주파수 조정기(240)는 교류 전원 장치(210)에서 출력되는 교류 전원의 주파수를 LC 공진부(220)의 고유 진동 주파수에 근접 또는 일치하도록 조정한다.
앞서 설명한 바와 같이, 교류 전원 장치(210)에서 출력되는 교류 전원의 주파수가 LC 공진부(220)의 고유 진동 주파수와 일치하게 되면 전기적으로 공진이 일어나며, LC 공진부(220)에 큰 에너지가 저장된다. 스파크 갭 스위치(230)가 턴 온(Turn-on)되면 LC 공진부(220)에 충전된 고전압의 에너지가 부하(250)로 전달된다. 이와 같은 고전압 발생 장치(200)는 막스 발생기 방식의 고전압 발생 장치보다 동작이 안정적이고, 테슬라 트랜스포머 방식의 고전압 발생 장치보다 설계 및 제작이 용이하다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이 실시예에 따라서 교류 전원 장치(210)는 직류 전원 장치(212)와 인버터(214)로 구성될 수 있다. 인버터는(214) 직류 전원 장치(212)의 출력을 교류 전원으로 변환하는 장치로서, 페라이트 코어(Ferrite Core)를 사용하는 펄스 변압기로 구성될 수 있다. 직류 전원 장치(212)는 배터리 등으로 구현될 수 있기 때문에, 직류 전원 장치(212)와 인버터(214)의 결합으로 교류 전원 장치(210)를 구성한 고전압 발생 장치(200)는 휴대에 용이하다. 이 경우, 주파수 조정기(240)는 디지털 주파수 발진기(244)와 마이크로프로세서(242)로 구성될 수 있다. 디지털 주파수 발진기(244)는 마이크로프로세서(242)의 디지털 명령어에 의해 주파수를 발생시킬 수 있으며, 이때 발생 주파수를 조정하고자 할 경우 디지털 명령어의 변경으로 쉽고 미세하게 조정할 수 있다. 인버터(214)는 주파수 조정기(240)에 의해서 발생 된 주파수를 구동 주파수로 사용할 수 있으며, 구동 주파수에 응답하여 직류 전원 장치의 출력을 스위칭하여 교류 전원으로 변환한다.
한편, LC 공진부(220)의 인덕터는 솔레노이드(Solenoid) 형태로 제작될 수 있고, 캐패시터는 인덕터의 중심축과 동일한 중심축을 갖는 원통형 캐패시터로 제작될 수 있다. 특히 설계의 용이를 위해 인덕터는 단층 솔레노이드(Single-Layer Solenoid)로 제작될 수 있다. 정확한 고유 공진 주파수를 얻기 위해 인덕터의 자기 인덕턴스를 미세히 변화시키면서 제작할 필요가 있는데, 단층 솔레노이드 형태의 인덕터는 이를 용이하게 한다. 또한, 원통형 캐패시터가 인덕터와 동일한 중심축 상에서 연결되는 경우, 원통형 커패시터와 인덕터가 직렬로 연결(직렬 LC회로)되므로 공진주파수에서 총 리액턴스는 0이 되어 진동 전류는 최대가 되므로 우수한 공진 특성을 가질 수 있다. 또한 고전압 발생 장치를 패키징하기에 용이하며 고전압 발생장치 내부에 균일한 전계 분포 특성을 가질 수 있어 전기적 절연내력을 강화할 수 있다.
원통형 캐패시터는 반지름이 다른 두 개의 도체 원형관을 포함할 수 있다. 두 개의 도체 원형관이 서로 동일한 중심축 상에 배치되고 어느 하나가 다른 하나의 내부에 위치하게 되면, 두 원형관 사이의 공간에 형성되는 전계를 통해 원통형 캐패시터가 전기 에너지를 저장한다. 이 경우 솔레노이드 형태의 인덕터는 내부에 배치된 원형관과 전기적으로 연결되고, 외부에 배치된 원형관과 전기적으로 절연될 수 있다. 이와 같은 구성은 인덕터와 원통형 캐패시터를 전기적 직렬로 연결한다. 인덕터의 중심축과 나란히 배치된 원통형 캐패시터의 내부 원형관만을 연결하면 되기 때문에, 제작이 용이하다.
이때, 스파크 갭 스위치는 서로 이격된 두 개의 전극을 포함하고, 어느 한 전극만이 내부 원형관에 연결되도록 구성될 수 있다. 나머지 한 전극은 부하와 연결되고, 부하는 외부 원형관에 연결될 수 있다. 원형관 캐패시터에 형성되는 전압(외부 원 형관과 내부 원형관 사이에 걸리는 전압)이 스파크 갭 스위치의 두 전극 사이의 절연파괴 전압을 넘으면, 스파크 갭 스위치가 턴 온(Turn-on) 된다. 이렇게 스파크 갭 스위치가 턴 온(Turn-on) 되면 원형관 캐패시터에 축적된 전기 에너지가 부하에 전달된다.
추가적으로 원통형 캐패시터의 외부 원형관의 양단에 하우징을 연결하면, 외부 원형관과 하우징으로 밀폐공간을 형성할 수 있다. 이때, 인덕터와 내부 원형관을 밀폐공간 내부에 배치되도록 구성하면, 원통형 캐패시터의 외부 원형관을 활용하여 패키징이 가능하기 때문에 고전압 발생 장치의 제작이 용이하고, 효율적인 설계가 가능한 이점이 있다.
밀폐공간은 절연재로 채워질 수 있다. 절연재는 절연파괴 전압이 높은 기체, 액체, 고체로서, 일반적으로 절연가스 또는 절연유가 사용될 수 있다. 절연가스로는 공기 외에도 산소, 질소, 수소 등과 같은 일반 기체는 물론이고 SF6(헥사플루오르화황), CF4(테트라플루오르화탄소), CHF3(트리플루오르메탄) 등이 사용될 수 있다. 절연유로는 석유계 절연유, 실리콘유, 염소화유 등의 합성절연유가 사용될 수 있다.
LC 공진부에 축적된 에너지는 스파크 갭 스위치를 통해서 전달되어야 하는데, 인덕터 또는 캐패시터의 절연내력이 작으면 절연파괴가 일어날 수 있다. LC 공진부를 밀폐공간으로 패키징하고 절연재를 채움으로써, 인덕터와 캐패시터의 절연내력을 강화할 수 있고 고전압 누설을 방지할 수 있다.
<구체적인 실시예 >
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 구체적인 실시예로 제작된 고전압 발생장치(300)의 2 차원 및 3차원 도면을 각각 도시한다. 인덕터(302)는 단층 솔레노이드(Single-Layer Solenoid) 형태로 권선하여 제작된다. 캐패시터(303)는 도체 원형관1(304)와 도체 원형관2(305)가 대향(對向)된 형태이며, 두 원형관(304, 305) 사이에는 절연가스 또는 절연유가 채워진다.
도체 원형관1(304)와 도체 하우징(301)은 서로 연결되어 밀폐 공간을 형성하며, 이 밀폐 공간 내부에 인덕터(302)와 원형관2(305)가 배치된다. 인덕터(302)와 캐패시터(303)는 직렬로 연결되며, 스패크 갭 스위치(306)의 어느 한 전극은 캐패시터(303)에 직렬로 연결되며, 나머지 한 전극은 부하와 직렬로 연결된다.
도 4a는 도 3a 및 도 3b에 도시된 고전압 발생 장치(300)의 등가 회로를 도시하며, 도 4b, 도4c, 도4d,도4e는 고전압 발생 장치(300)의 각 노드에서의 동작 파형을 나타낸다. 도 4b는 입력 전압의 파형을 나타내고, 도 4c는 인덕터 전류의 파형을 나타내며, 도 4d는 캐패시터 전압의 파형을 나타내고, 도 4e는 50㎲동안 캐패시터에 충전되는 전압의 파형을 나타낸다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 입력 전압(vi)은 첫 번째 반주기 동안 진폭이 +Vd 이고, 두 번째 반주기 동안 진폭이 -Vd 인 구형파이며 LC 회로의 공진 주파수와 동일한 동작 주파수를 가진다. 인덕터 전류를 iL, 캐패시터 전압을 vC, 인덕터 초기 전류를 IL0, 캐패시터 초기 전압을 VC0라고 한다. 저항 양단의 전압이 인덕터 및 캐패시터 전압에 비해 매우 작으므로 이를 무시하면, 키히르호프 전압법칙(Kirchhoff's Voltage Law)에 의해 수학식 7이 성립하며, 시간 변화에 따른 캐패시터의 전압 변 화량은 수학식 8과 같이 표현된다.
Figure 112009070136224-pat00007
Figure 112009070136224-pat00008
수학식 7과 수학식 8을 이용하여 시간에 대한 전류 및 전압 변화량을 구하면, 이는 각각 수학식 9와 수학식 10과 같이 유도된다.
Figure 112009070136224-pat00009
Figure 112009070136224-pat00010
수학식 9와 수학식 10에서 Z0는 특성 임피던스를 나타내며,t≥t0, t=0인 관계가 성립한다. 수학식 9와 수학식 10에 의해 시간에 대한 전류 및 전압 송출 파형은 다음과 같이 유도된다.
1) 구형파의 첫 번째 반주기( t 0 ~ t 1 )
첫 번째 반주기 동안 IL0 = VC0 = 0 이므로 전류 및 전압은 수학식 11과 수학식 12로 표현된다.
Figure 112009070136224-pat00011
Figure 112009070136224-pat00012
즉, 반주기의 시작과 끝점에서의 인덕터 전류 iL은 0이며, 최댓값은 Vd/Z0 이다. 캐패시터 전압 vC는 0V에서 시작하여 t1지점에서 2Vd가 된다.
2) 구형파의 두 번째 반주기( t 1 ~ t 2 )
두 번째 반주기 동안 IL0 = 0, VC0 = 2Vd 이므로 전류 및 전압은 수학식 13과 수학식 14로 표현된다.
Figure 112009070136224-pat00013
Figure 112009070136224-pat00014
즉, 반주기의 시작과 끝점에서 인덕터 전류 iL은 0이며, 최댓값은 -3Vd/Z0이 되며 캐패시터 전압은 2Vd에서 시작하여 t2지점에서 -4Vd가 된다.
3) 구형파의 세 번째 반주기( t 2 ~ t 3 )
세 번째 반주기 동안 IL0 = 0, VC0 = -4Vd 이므로 전류 및 전압은 수학식 15와 수학식 16로 표현된다.
Figure 112009070136224-pat00015
Figure 112009070136224-pat00016
즉, 반주기의 시작과 끝점에서 인덕터 전류 iL은 0이며, 최댓값은 +5Vd/Z0 이다. 캐패시터 전압 vC 는 -4Vd에서 시작하여 t3 지점에서 6Vd가 된다.
이와 같은 과정은 스위치가 턴 온(Turn-on) 될 때까지 반복되며, 인덕터 전류 iL은 각 반주기의 중간지점에서 Vd/Z0, -3Vd/Z0, +5Vd/Z0, -7Vd/Z0 등의 최댓값을 갖으며, 캐패시터 전압 vC는 각 반주기의 끝점에서 2Vd, -4Vd, 6Vd, -8Vd 등의 최댓값을 갖는 다. 즉, 공진 반주기마다 입력 전압이 변하면 입력전압이 변할 때 마다 전원으로부터 LC 회로에 에너지가 공급되고, 에너지를 소모하는 소자가 없으므로 공급된 에너지는 계속 증가한다. 따라서 도 4d와 같이 캐패시터 충전 전압은 입력 전압이 변경 될 때 마다 증가하게 된다.
도 4e는 본 발명의 구체적인 실시예로 제작된 고전압 발생장치(300)에서 충전되는 전압의 파형을 50㎲동안 측정한 결과를 나타내고 있다.
본 발명은 의료 진단용 X-ray 발생 장치, 전자빔 발생 장치, 고출력 마이크로웨이브 발생 장치, 고출력 UWB(Ultra Wide Band) 신호 발생 등 펄스 파워(Pulsed Power) 응용 분야의 고전압 발생원으로 활용될 수 있다.
도 1은 교류 전원 장치(101), 저항(102), 인덕터(103), 캐패시터(104)가 직렬로 연결된 회로를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 발생 장치(200)의 블록도를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 구체적인 실시예로 제작된 고전압 발생장치(300)의 2차원 및 3차원 도면을 각각 도시한다.
도 4a는 도 3a 및 도 3b에 도시된 고전압 발생 장치(300)의 등가 회로를 도시한다.
도 4b 내지 도 4e는 고전압 발생 장치(300)의 각 노드에서의 동작 파형을 나타낸다.

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 교류 전원 장치(210)와,
    LC 공진부(220)와,
    스파크 갭 스위치(230)가 직렬 연결된 구조에 있어서,
    상기 LC 공진부(220)는 인덕터(302)와 원통형 커패시터(303)를 포함하며,
    상기 원통형 캐패시터(303)는
    서로 동일한 중심축을 갖으며 도체로 형성된 제 1 원형관(304) 및 제 2 원형관(305)을 포함하고,
    상기 제 2 원형관(305)은 상기 제 1 원형관(304)과 이격되어 상기 제 1 원형관(304)의 내부에 배치되며,
    상기 인덕터(302)는 상기 제 2 원형관(305)과 전기적으로 연결되고 상기 제 1 원형관(304)과 전기적으로 절연된, 고전압 발생 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 스파크 갭 스위치(230)는 서로 이격된 제 1 전극과 제 2 전극을 포함하고,
    상기 제 1 전극은 상기 제 2 원형관(305)과 전기적으로 연결된, 고전압 발생 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 원형관(304)의 양단에 부착되어 상기 제 1 원형관(304)과 함께 밀폐공간을 형성하는 하우징을 더 포함하고,
    상기 인덕터(302)와 상기 제 2 원형관(305)은 상기 밀폐공간 내부에 배치되며,
    상기 밀폐공간은 절연재로 채워진, 고전압 발생 장치.
  8. 삭제
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US4181112A (en) 1976-03-19 1980-01-01 Robert Bosch Gmbh High-voltage ignition system to generate a spark for an internal combustion engine, and method to generate the spark energy
JP2000173741A (ja) * 1998-12-03 2000-06-23 Nippon Paint Co Ltd スパークギャップスイッチ及びそのスイッチング方法
US20090225559A1 (en) * 2008-03-10 2009-09-10 The Hong Kong Polytechnic University method and system for automatically controlling power supply to a lamp of a vehicle

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