KR101034239B1 - 펄스전원용 풀다운 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고전압 펄스발생회로에 관한 것으로서, 고압충전기, 상기 고압충전기의 고전압에 의해 충전되는 커패시터, 상기 커패시터의 충전전압을 이용하여 부하단에 원하는 펄스의 형태로 제어하여 인가하는 스위치(반도체 스위치 등 사용)를 포함하여 구성되는 고전압 펄스발생회로에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 부하에 충전된 전압을 제거하기 위하여 불필요한 전력을 소모하면서 고압에 의한 저항 발열 문제와 비용 문제 등을 발생시키는 종래의 풀다운 저항을 사용하지 않고도 동등한 효과를 얻을 수 있는 펄스전원용 풀다운 회로(pull-down circuit)를 제공하는데 그 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 커패시터의 후단에 제1다이오드와, 제2다이오드 또는 풀다운 저항을 직, 병렬로 연결하되, 상기 제2다이오드 또는 풀다운 저항을 상기 커패시터와 부하 사이에 배치하여 연결하고, 스위치와 제1다이오드, 부하를 접지단으로 연결하며, 상기 제2다이오드로서 긴 회복시간을 갖는 저속 회복 다이오드를 사용하여 구성한 풀다운 회로가 개시된다.
고전압, 펄스발생회로, 고압충전기, 커패시터, 다이오드, 챔버, 풀다운 저항

Description

펄스전원용 풀다운 회로{Pull-down circuit}
본 발명은 고전압 펄스발생회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고압충전기, 상기 고압충전기의 고전압에 의해 충전되는 커패시터, 상기 커패시터의 충전전압을 이용하여 부하단에 원하는 펄스의 형태로 제어하여 인가하는 스위치를 포함하여 구성되는 고전압 펄스발생회로에 관한 것이다.
일반적으로 펄스전원장치에서는 소정 폭 및 주파수의 고전압 펄스를 수 kV ~ 수십 kV의 (-) 전압 형태로 발생시켜 챔버 등의 부하에 인가하게 된다.
첨부한 도 1은 종래의 고전압 펄스발생회로를 도시한 회로도로서, 도시된 바와 같이, 종래의 고전압 펄스발생회로는 고전압을 인가하는 고압충전기, 고압충전기의 고전압에 의해 충전되는 커패시터, 커패시터의 충전 전압을 펄스 형태로 부하에 인가하는 스위치(반도체 스위치, 기계적 스위치 등 사용), 부하가 되는 챔버, 풀다운(pull-down) 저항 등으로 구성된다.
도시한 구성에서, 펄스를 만들어내기 위해서는 고압충전기로 고전압을 인가 하여 커패시터를 충전해주고 이어 스위치를 닫아주게 되면(switch turn on) 고전압이 챔버에 인가된 뒤 이후 스위치가 다시 오프될 경우(turn off) 전압의 공급이 중단되면서 하나의 펄스가 생성, 인가될 수 있게 된다.
그러나, 상기와 같이 부하가 용량성(capacitive) 부하인 경우 펄스발생회로에서는 부하에 충전된 전압이 스위치를 오프시키더라도 방전 경로가 형성되지 않은 경우 서서히 방전되면서 유지되는 현상이 발생하며, 이러한 문제로 인해 실제 챔버에 걸리는 전압을 보면 첨부한 도 2와 같이 서서히 감쇄하는 형태가 된다.
도 2는 실제 챔버에 인가되는 펄스 형태를 예시한 도면으로, 도시된 바와 같이, 스위치를 오프시키더라도 전압이 급격하게 떨어지지는 것이 아니기 때문에 원하는 완전한 형태의 펄스를 얻기가 어려워진다.
특히, 풀다운 저항이 없고 부하가 커패시터 성분인 경우에는 스위치를 오프시키더라도 전압이 완만하게 떨어지면서 구형파 펄스 형태와는 거리가 먼 원하지 않은 펄스를 얻을 수밖에 없다.
이에 따라, 스위치 후단에는 작은 저항값을 갖는 큰 부하, 즉 풀다운 저항을 병렬로 연결하게 되는데, 스위치를 오프시는 순간 커패시터의 충전 전압이 빠르게 풀다운 저항을 통해 방전되면서 좀더 완전한 구형파 형태의 펄스를 얻을 수 있게 된다.
그러나, 상기한 풀다운 저항을 상시 연결한 상태에서는 다음과 같은 문제점이 있다.
즉, 커패시터 성분의 부하 상태에서 빠른 전압 감쇄 및 완전한 구형파 형태 의 펄스를 얻기 위해 풀다운 저항을 설치하는 경우, 이렇게 풀다운 저항을 상시 연결한 상태에서 고전압을 걸어주게 되면 커패시터뿐만 아니라 풀다운 저항쪽으로도 전류가 흐르게 되고, 결국 풀다운 저항에 의해 펄스 발생 및 인가시에 많은 전력이 소모됨은 물론 풀다운 저항의 발열 등의 문제가 발생하게 된다. 또한 이로 인해 인가하는 펄스의 주파수를 높이는데 제약이 따르게 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 불필요한 전력을 소모하면서 고압에 의한 저항 발열 문제와 비용 문제 등을 발생시키는 풀다운 저항을 사용하지 않고도 보다 빠르게 전압을 떨어뜨려 좀더 완전한 구형파 형태의 고전압 펄스를 생성시키는 개선된 고전압 펄스발생회로를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 고압충전기, 상기 고압충전기의 고전압에 의해 충전되는 커패시터, 상기 커패시터의 충/방전 제어를 위한 스위치를 포함하여 구성되는 펄스전원용 풀다운 회로에 있어서, 상기 커패시터의 후단에 제1다이오드와, 제2다이오드 또는 풀다운 저항을 직, 병렬로 연결하되, 상기 제2다이오드 또는 풀다운 저항을 상기 커패시터와 부하 사이에 배치하여 연결하고, 상기 스위치와 제1다이오드, 부하를 접지단으로 연결하며, 상기 제2다이오드로서 긴 회복시간을 갖는 저속 회복 다이오드를 사용하여 구성한 것을 특징으로 하는 펄스전원용 풀다운 회로를 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 제1다이오드로는 상대적으로 짧은 회복시간을 갖는 고속 회복 다이오드가 사용되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 고압충전기의 출력단에 정전류 인가를 위한 인덕터가 설치되어, 상기 커패시터가 상기 인덕터의 후단에 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제1다이오드와 제2다이오드는 각각 복수개의 다이오드가 직렬, 병렬, 또는 직병렬의 형태로 연결된 다이오드 스택의 형태로 구성되어 사용되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 고전압 펄스발생회로에 의하면, 부하에 충전된 전압을 제거하기 위하여 불필요한 전력을 소모하면서 고압에 의한 저항 발열 문제 및 비용 문제 등을 발생시키는 종래의 풀다운 저항을 사용하지 않고도 동등한 형태의 고전압 펄스를 발생시킬 수 있고, 이에 종래의 풀다운 저항이 가지는 전력 소모 및 발열 문제, 비용 문제 등을 효과적으로 해소할 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 특징 및 이점들은 첨부 도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
첨부한 도 3은 본 발명에 따른 펄스전원용 풀다운 회로의 구성을 나타낸 회 로도로서, 고압충전기(11)의 출력단에 인덕터(L1)를 설치하고 상기 인덕터(L1)의 후단에 스위치(SW1)와 커패시터(C1)를 설치하며 상기 커패시터(C1)의 후단에 두 개의 다이오드(D1,D2)를 직, 병렬로 연결하여 구성한 것에 주된 특징이 있는 것이다.
도시된 본 발명의 회로 구성에서, 고압충전기(11)는 커패시터(C1)를 충전하기 위해 전류원의 형태로 동작을 하는데, 일정 전압의 인가를 위해 정전류를 인가하게 되며, 이러한 정전류를 커패시터(C1)에 인가하기 위해 커패시터의 출력단에 인덕터(L1)가 연결 구비된다. 상기 인덕터(L1)는 커패시터(C1)에 흐르는 전류를 일정하게 유지시켜 주는 전류원으로 동작한다.
그리고, 본 발명의 회로 구성에서 커패시터(C1) 후단에 두 개의 다이오드(D1,D2)가 연결되는데, 두 다이오드 중 하나로 고속 회복 다이오드(fast recovery diode)(D1)가 연결되고, 나머지 하나로는 저속 회복 다이오드(slow recovery diode)(D2)가 연결된다.
여기서, 상기 저속 회복 다이오드(D2)는 저항(풀다운 저항)(R1)으로 대체할 수 있으며(도 9 참조), 상기 저항(R1)으로 대체하는 경우에도 유사한 효과를 얻을 수 있게 된다. 이 경우 부하로의 펄스 인가시와 부하 커패시터 방전시에 발라스트 저항의 역할을 겸하게 된다.
또한 상기 저속 회복 다이오드(D2)의 후단에는 부하가 되는 부하(챔버, chamber)(12)가 연결되고, 상기 스위치(SW1)와 고속 회복 다이오드(D1), 부하(12)는 접지단(GND)으로 연결된다.
이와 같이 본 발명에서는 커패시터(C1)의 후단에 고속 회복 다이오드(D1)와, 저속 회복 다이오드(D2) 또는 풀다운 저항(R1)을 직, 병렬로 연결하되, 상기 저속 회복 다이오드(D2) 또는 풀다운 저항(R1)을 상기 커패시터(C1)와 부하(12) 사이에 배치하여 연결하고, 상기 스위치(SW1)와 제1다이오드(D1), 부하(12)를 접지단(GND)으로 연결하여 펄스전원용 풀다운 회로를 구성한다.
이러한 구성의 펄스발생회로에서는 3가지 모드(모드1 ~ 모드3)로 동작이 이루어지는데, 첨부한 도 4 ~ 도 6은 본 발명에 따른 펄스발생회로의 각 동작모드를 나타낸 것이다.
우선, 모드1은 고압충전기(11)에서 인가되는 전류에 의해 커패시터(C1)가 충전되는 모드로서, 이 모드1의 동작상태는 도 4에 나타낸 바와 같다. 스위치(SW1)가 오프된 상태에서(SW1 off) 고압충전기(11)의 출력 전류가 커패시터(C1)와 고속 회복 다이오드(D1)를 통해 접지로 흐르면서 커패시터(C1)를 충전한다.
다음으로, 모드2는 커패시터(C1)에 충전된 고전압이 부하에 인가되는 모드, 즉 펄스 인가시 모드로서, 이 모드2의 동작상태는 도 5에 나타낸 바와 같다. 모 드1 상황에서 스위치(SW1)가 닫히면(SW1 on), 커패시터(C1)에 충전된 고전압이 부하에 인가되며, 이때 전류는 커패시터(C1)부하(chamber)(12)저속 회복 다이오드(D2)의 경로로 흐르게 된다. 이와 더불어 고압충전기(11)의 출력 전류는 스위치(SW1)를 통해 접지단(GND)으로 흐르게 된다
다음으로, 모드3은 저속 회복 다이오드(D2)의 회복시간(recovery time) 동안에 충전 전압이 방전되면서 리셋되는 모드로서, 이 모드3의 동작상태는 도 6에 나타낸 바와 같다. 모드2에서 스위치(SW1)가 오프되면(SW1 on), 모드2에서 도통되고 있던 저속 회복 다이오드(D2)는 역전압이 인가되더라도 그 회복시간(recovery time) 동안에는 턴온(turn on) 상태를 유지하게 된다. 이때, 인덕터(L1)에 흐르는 충전 전류는 스위치(SW1)의 오픈(open)과 함께 그 경로가 차단되므로 다시 커패시터(C1)를 충전하면서 저속 회복 다이오드(D2)를 경유하여 접지단(GND)으로 흐르는 바, 짧은 회복시간 동안에 충전 전류가 커패시터(C1)저속 회복 다이오드(D2)접지단(GND)의 전류 경로를 따라 흐르면서 커패시터(C1)의 충전이 이루어지게 된다. 이와 동시에 저속 회복 다이오드(D2)의 회복시간(recovery time) 동안(다이오드 도통상태임)에 충전 전류는 상대적으로 전위가 더 낮은 쪽 방향으로 전류 경로를 구성하게 되며, 이에 따라 저속 회복 다이오드(D2)와 부하(챔버)(12)를 통해 흐르게 되면서 부 하(12)의 커패시터 성분에 충전된 전압을 급격히 방전시켜 0으로 만든다. 이후 회복시간이 지나 저속 회복 다이오드(D2)가 오프되면, 즉 역방향으로 바이어스가 되어 차단이 이루어지면, 다시 모드1의 상태가 되어 커패시터(C1)를 충전하게 된다.
이와 같이 본 발명의 회로 구성에서는 열을 발생시키고 불필요하게 전력을 소모하는 종래의 풀다운 저항 없이 다이오드 2개의 설치만으로 동등한 펄스 발생 효과를 얻을 수 있게 된다.
첨부한 도 7은 다이오드의 동작상태를 보여주는 도면으로, 도시된 바와 같이, 다이오드는 도통상태에서 순간적으로 역전압을 인가해주면 소정의 회복시간(recovery time) 동안 역방향으로 전류가 흐르게 되며, 저속 회복 다이오드에서는 상기 회복시간이 고속 회복 다이오드에 비해 길게 나타난다.
상기와 같은 다이오드의 특성에 따라 모드3에서 스위치(SW1)가 오프될 경우 저속 회복 다이오드(D2)는 역전압이 인가되더라도 스위치 오프 시점부터 짧은 시간 동안, 즉 회복시간(recovery time) 동안에는 턴온(turn on) 상태(역전류 도통상태)를 유지하게 된다. 이에 인덕터(L1)에 흐르던 전류가 커패시터(C1)저속 회복 다이오드(D2)접지단(GND)의 전류 경로로 흐르게 된다.
첨부한 도 8은 본 발명에 따른 회로 구성에서 발생된 펄스 형태의 예를 나타낸 것으로, 본 발명의 회로 구성에 따르면 종래의 풀다운 저항 없이도 구형파에 가까운 형태의 고전압 펄스가 생성 및 인가될 수 있게 된다.
또한 첨부한 도 9는 저속 회복 다이오드(D2)를 저항(R1)으로 대치한 경우이며, 이 경우의 동작모드 또한 전술한 동작모드와 동일하다. 단, 저항(R1)을 사용하여 펄스가 인가되거나 부하의 방전모드 구성시 저항이 발라스트 저항과 같이 동작하여, 전류를 제한하고 보호회로 구성을 용이하게 만드는 장점을 지니게 된다.
또한 본 발명에서 구성되는 고속 회복 다이오드(D1)와 저속 회복 다이오드(D2)는 전압, 전류의 정격상의 문제로 각각 복수개의 다이오드가 직렬, 병렬, 또는 직병렬의 형태로 연결된 다이오드 스택이 사용될 수 있다.
첨부한 도 10은 고속 회복 다이오드와 저속 회복 다이오드로서 각각 복수개의 다이오드를 직렬로 연결하여 구성한 직렬 다이오드 스택을 사용한 실시예의 회로도이고, 도 11은 고속 회복 다이오드와 저속 회복 다이오드로서 각각 복수개의 다이오드를 병렬로 연결하여 구성한 병렬 다이오드 스택을 사용한 실시예의 회로도이다.
첨부한 도 12는 고속 회복 다이오드와 저속 회복 다이오드로서 각각 복수개의 다이오드를 직병렬로 연결하여 구성한 직병렬 다이오드 스택을 사용한 실시예의 회로도이다.
이상으로 본 발명에 따른 특정의 바람직한 실시예에 대해 설명하였다.
상술한 본 발명의 구현을 위해서는 다이오드의 역 회복시간 내에 커패시터(C1)에 저장된 전압이 완전히 방전될 수 있도록 적절한 L(인덕터(L1))과 다이오 드(저속 회복 다이오드(D2))의 선택이 요구된다.
본 발명은 상술한 실시예로 한정되는 것은 아니며, 상술한 실시예가 본 발명의 원리를 응용한 다양한 실시예의 일부를 나타낸 것에 지나지 않음을 이해하여야 한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 고전압 펄스발생회로를 도시한 회로도,
도 2는 종래의 고전압 펄스발생회로에서 인가되는 펄스 형태를 예시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 고전압 펄스발생회로의 구성을 나타낸 회로도,
도 4 ~ 도 6은 본 발명에 따른 고전압 펄스발생회로의 각 동작모드를 나타낸 도면,
도 7은 통상의 다이오드에서 회복시간(recovry time)을 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명에 따른 고전압 펄스발생회로에서 발생되는 펄스 형태의 예를 나타낸 도면,
도 9는 본 발명에 따른 고전압 펄스발생회로에서 저속 회복 다이오드 대신 저항을 사용한 실시예의 회로도,
도 10은 본 발명에 따른 고전압 펄스발생회로에서 고속 회복 다이오드와 저속 회복 다이오드를 각각 직렬 다이오드 스택의 형태로 구성한 실시예의 회로도,
도 11은 본 발명에 따른 고전압 펄스발생회로에서 고속 회복 다이오드와 저속 회복 다이오드를 각각 병렬 다이오드 스택의 형태로 구성한 실시예의 회로도,
도 12는 본 발명에 따른 고전압 펄스발생회로에서 고속 회복 다이오드와 저속 회복 다이오드를 각각 직병렬 다이오드 스택의 형태로 구성한 실시예의 회로도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11 : 고압충전기 12 : 부하
L1 : 인덕터 SW1 : 스위치
C1 : 커패시터 D1 : 고속 회복 다이오드
D2 : 저속 회복 다이오드

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 고압충전기(11), 상기 고압충전기(11)의 고전압에 의해 충전되는 커패시터(C1), 상기 커패시터(C1)의 충/방전 제어를 위한 스위치(SW1)를 포함하여 구성되는 펄스전원용 풀다운 회로에 있어서,
    상기 커패시터(C1)의 후단에 제1다이오드(D1)와, 제2다이오드(D2) 또는 풀다운 저항(R1)을 직, 병렬로 연결하되, 상기 제2다이오드(D2) 또는 풀다운 저항(R1)을 상기 커패시터(C1)와 부하(12) 사이에 배치하여 연결하고, 상기 스위치(SW1)와 제1다이오드(D1), 부하(12)를 접지단(GND)으로 연결하며, 상기 제2다이오드(D2)로서 긴 회복시간을 갖는 저속 회복 다이오드를 사용하여 구성하고,
    상기 제1다이오드(D1)로는 상대적으로 짧은 회복시간을 갖는 고속 회복 다이오드가 사용되는 것을 특징으로 하는 펄스전원용 풀다운 회로.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 고압충전기(11)의 출력단에 정전류 인가를 위한 인덕터(L1)가 설치되어, 상기 커패시터(C1)가 상기 인덕터(L1)의 후단에 배치되는 것을 특징으로 하는 펄스전원용 풀다운 회로.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1다이오드(D1)와 제2다이오드(D2)는 각각 복수개의 다이오드가 직렬, 병렬, 또는 직병렬의 형태로 연결된 다이오드 스택의 형태로 구성되어 사용되는 것을 특징으로 하는 펄스전원용 풀다운 회로.
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US20030128554A1 (en) * 2002-01-04 2003-07-10 Walter Crewson Power modulator having at least one pulse generating module; multiple cores; and primary windings parallel-connected such that each pulse generating module drives all cores
KR20060124596A (ko) * 2005-05-31 2006-12-05 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이. 충전 커패시터, 특히 방전 램프로의 공급을 위한 충전커패시터의 충전 장치
JP2007288466A (ja) 2006-04-17 2007-11-01 Meidensha Corp パルス電源

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