KR101044003B1 - 진행파관을 위한 고전압 파워서플라이 및 그의 공급전압 안정화 방법 - Google Patents

진행파관을 위한 고전압 파워서플라이 및 그의 공급전압 안정화 방법 Download PDF

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Abstract

진행파관을 위한 고전압 파워서플라이 및 그의 공급전압 안정화 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 진행파관 증폭기에 전압을 공급하는 고전압 파워서플라이는, 고전압 생성을 위한 펄스를 발생시키는 펄스 발생기; 상기 발생된 펄스를 이용하여 스위칭 펄스를 생성하는 드라이버; 상기 스위칭 펄스를 증폭 및 변환하여 상기 진행파관의 캐소드 및 콜렉터에 인가하는 트랜스포머와 정류/평활 회로; 및 상기 진행파관의 헬릭스 전류에 따라서 상기 펄스 발생기로부터 출력되는 펄스의 펄스폭을 가변하기 위한 제어전압을 생성하는 가변 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명에 의하면 헬릭스 전류에 따라서 펄스 발생기의 출력 펄스폭을 제어함으로써 콜렉터 전압을 안정시킬 수 있다.
진행파관 증폭기, 고전압 파워서플라이

Description

진행파관을 위한 고전압 파워서플라이 및 그의 공급전압 안정화 방법{High voltage power supply for traveling wave tube and stabilization method of supply voltage thereof}
본 발명은 진행파관 및 이를 위한 고전압 파워서플라이에 관한 것으로 보다 상세하게는 콜렉터 전압을 안정시킬 수 있는 진행파관을 위한 고전압 파워서플라이 및 그의 공급전압 안정화 방법에 관한 것이다.
진행파관은 미세한 고주파 신호를 고출력 고주파 신호로 약 100만배 증폭시키는 고가의 부품이다. 진행파관은 수kV 또는 수십kV에 달하는 고전압이 인가되어야 하므로, 별도의 고전압 파워서플라이를 필요로 한다.
도 1은 일반적인 진행파관의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 진행파관은 히터(1)에 의하여 캐소드(2)가 가열되어 전자가 캐소드(2)로부터 이탈되기 용이한 상태로 여기되고, 여기된 전자는 캐소드(2)로부터 분리되어 그리드(3)에 의해 제어를 받으면서 전자빔을 형성하게 된다. 이와 같이 형성된 전자빔은 헬릭스(helix)(4)를 통과하여 콜렉터(collector)(5)로 수집된다. 이때, 헬릭스(4)의 입력단에 고주파(RF) 신호가 입 력되어 100만배 정도 증폭된 후 출력단을 통해 출력된다.
진행파관을 위한 고전압 파워서플라이는 진행파관에 전원을 공급하는데, 진행파관에 RF 신호가 인가되지 않을 때 또는 펄스 형태의 RF 신호가 인가되었을 때 부하의 불균형에 의해 콜렉터의 전압이 불안정한 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 진행파관에 RF 신호가 인가되지 않을 때 또는 펄스 형태의 RF 신호가 인가되었을 때 콜렉터의 전압을 안정화할 수 있는 고전압 파워서플라이 및 공급전압 안정화 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른, 진행파관 증폭기에 전압을 공급하는 고전압 파워서플라이는, 고전압 생성을 위한 펄스를 발생시키는 펄스 발생기; 상기 발생된 펄스를 이용하여 스위칭 펄스를 생성하는 드라이버; 상기 스위칭 펄스를 증폭 및 변환하여 상기 진행파관의 캐소드 및 콜렉터에 인가하는 트랜스포머와 정류/평활 회로; 및 상기 진행파관의 헬릭스 전류에 따라서 상기 펄스 발생기로부터 출력되는 펄스의 펄스폭을 가변하기 위한 제어전압을 생성하는 가변 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 펄스 발생기는 상기 제어전압에 따라서 펄스폭이 가변된 펄스를 발생시키는 것이 바람직하다. 이때 상기 제어전압은 상기 헬릭스 전류에 상응하는 전압이 증폭된 전압이며, 상기 펄스 발생기는 상기 제어전압이 클수록 상기 펄스폭을 늘리고 상기 제어전압이 작을수록 상기 펄스폭을 줄이는 것이 바람직하다.
또한, 상기 가변 회로는 상기 헬릭스 전류를 검출하기 위한 저항; 및 상기 헬릭스 전류에 상응하는 전압을 증폭하여 상기 펄스 발생기에 상기 제어전압으로서 제공하는 증폭부를 포함할 수 있다.
이때 상기 증폭부는, 상기 헬릭스 전류에 상응하는 전압을 증폭하는 비반전 증폭기와, 상기 증폭된 전압을 정류하는 정류 회로를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 고전압 파워서플라이가 진행파관 증폭기에 공급될 공급전압을 안정화하는 방법은, (a) 고전압 생성을 위한 펄스를 발생시키는 단계; (b) 상기 발생된 펄스를 이용하여 스위칭 펄스를 생성하는 단계; (c) 상기 스위칭 펄스를 증폭 및 변환하여 상기 진행파관의 캐소드 및 콜렉터에 인가하는 단계; 및 (d) 상기 진행파관의 헬릭스 전류에 따라서 상기 펄스 발생기로부터 출력되는 펄스의 펄스폭을 가변하기 위한 제어전압을 생성하는 단계를 포함하고, 상기 (a) 단계는 상기 제어전압에 따라서 펄스폭이 가변된 펄스를 발생시키는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제어전압은 상기 헬릭스 전류에 상응하는 전압이 증폭된 전압이며, 상기 (a) 단계는 상기 제어전압이 클수록 상기 펄스폭을 늘리고 상기 제어전압이 작을수록 상기 펄스폭을 줄이는 것이 바람직하다.
상기된 본 발명에 따른 고전압 파워서플라이 및 공급전압 안정화 방법에 의하면, 헬릭스 전류에 따라서 펄스 발생기의 출력 펄스폭을 제어함으로써 콜렉터 전압을 안정시킬 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 진행파관 및 기존의 고전압 파워서플라이의 구성을 나타낸다.
도시된 고전압 파워서플라이는 모듈레이터(10), 히터 전원공급부(20), 비교기(30), 펄스 발생기(40), 드라이버(50), 트랜스포머(60), 정류/평활 회로(70) 등으로 이루어진다.
모듈레이터(10)는 그리드 전극에 필요한 펄스 전압을 생성시키고, 히터 전원공급부(20)는 캐소드를 가열시키는 히터에 필요한 전원을 공급한다.
펄스 발생기(40)는 진행파관에 인가될 공급전압을 위한 펄스를 발생시키고, 드라이버(50)는 이 펄스를 이용하여 스위칭 펄스를 생성한다. 스위칭 펄스는 트랜스포머(60)에 의해 증폭 및 변환되고, 정류/평활 회로(70)에 의해 정류 및 평활되어 진행파관의 캐소드와 콜렉터에 인가된다.
한편, 진행파관의 캐소드에 인가되는 전압은 전압 분배 회로(R1, R2)에 의해 검출되어 비교기(30)의 일 입력단자에 입력되고, 비교기(30)의 타 입력단자에는 소정의 기준 전압이 입력된다. 비교기(30)는 검출된 전압과 기준전압을 비교하여 펄스 발생기(40)로 On/Off 제어 신호를 공급한다. 펄스 발생기(40)는 이 On/Off 제어 신호에 따라 펄스를 발생시킨다.
상기된 기존의 고전압 파워서플라이에 의하면, 진행파관에 RF 신호가 인가되지 않을 때 또는 펄스 형태의 RF 신호가 인가되었을 때 부하의 불균형에 의해 콜렉 터의 전압이 불안정한 문제가 있다. 특히 그리드 인가 초기에 콜렉터 전압이 급격하게 저하되는 현상이 발생하게 되어 인해 진행파관 빔 전류의 저하 및 헬릭스 전류의 증가로 인해 진행파관의 수명에 좋지 않은 영향을 준다. 또한, 콜렉터 전압 저하시 드라이버(50)의 인버팅 전류가 급격하게 증가하여 스위칭 부품에 손상을 입힐 수가 있다.
도 2를 참조하면, 고전압 파워서플라이는 크기를 소형화하기 위해 캐소드 전원과 콜렉터 전원을 하나의 고전압 트랜스포머로 구성한다. 이처럼 하나의 트랜스포머로 구성하는 경우 상기된 바와 같이, 펄스 발생기(40)의 제어 기준은 캐소드에 인가되는 전압이 된다. 따라서 콜렉터 전압은 캐소드 전압에 종속된다.
진행파관은 RF 신호의 인가 여부에 따라 헬릭스와 콜렉터에 흐르는 전류의 비율이 다르다. 진행파관마다 특성에 차이는 있으나 보통 RF 인가시 10(헬릭스) : 100(콜렉터) 수준이고, RF 미인가시 0.3(헬릭스) : 100(콜렉터) 수준으로 현저한 차이를 보인다. 따라서 RF 미인가 또는 펄스 형태의 RF 신호가 인가 상태에서 그리드에 전압을 인가하는 경우 낮은 헬릭스 전류로 인해 스위칭 속도에는 큰 변화가 없고 콜렉터 전류가 급격하게 증가하여 콜렉터 전압이 저하되는 현상이 일어난다.
상기된 바와 같이, 캐소드 전압에 따라 펄스 발생기(40)를 On/Off 하는 방식이므로 제어량이 0%와 100%를 오가는 특성을 가지고 있어 캐소드 부하 (헬릭스 전류)의 크기에 따라 On/Off 속도가 달라지게 된다. 즉, 부하가 커지면 On/Off 속도가 빨라지고 부하가 작아지면 On/Off 속도가 느려진다.
요컨대, RF 신호가 인가되지 않은 때 또는 펄스 형태의 RF 신호가 인가되었 을 때 그리드에 전압이 인가되면, 헬릭스 전류가 낮고 캐소드 전압을 기준으로 전압 조정이 이루어지는 고전압 파워서플라이의 특성상, 스위칭 주기가 길어지며 대부분의 전류가 흐르는 콜렉터의 전압이 저하되는 문제점이 발생한다.
도 3은 도 2에 도시된 고전압 파워서플라이의 제어 타이밍도이다. 도 3을 참조하면, 그리드에 전압이 인가되는 순간, 캐소드는 헬릭스 전류가 적어서 전압강하가 적고, 콜렉터는 콜렉터 전류가 커서 전압강하가 큰 것을 알 수 있다. 또한, 느린 스위칭 주기로 인해 드라이버(50)의 인버팅 전류는 급격하게 증가한다.
본 발명에서는 상기된 문제점을 해결하기 위하여, 헬릭스 전류가 흐르지 않거나 낮더라도 스위칭 주기를 짧게 하여 콜렉터의 전압 저하를 최소화한다. 여기서, 스위칭 주기에 영향을 주는 요소는 헬릭스 전류(캐소드 부하)의 크기와 펄스 발생기(40)에서 발생되는 펄스의 폭이다. 본 발명에서는 헬릭스 전류에 따라 스위칭 펄스 폭을 가변하도록 한다.
도 4는 진행파관 증폭기 및 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 파워서플라이의 구성을 나타낸다. 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 고전압 파워 서플라이는 도 2에 도시된 고전압 파워 서플라이에 헬릭스 전류에 따라 스위칭 On/Off 주기를 가변하기 위한 가변 회로(80)가 추가된다. 가변 회로(80)는 스위칭 On/Off 주기를 가변하기 위해서 펄스 발생기(40)의 출력 펄스폭을 제어한다. 즉, 가변 회로(80)는 헬릭스 전류에 따라서 펄스 발생기(40)의 출력 펄스폭을 제어한다.
가변 회로(80)는 도시된 바와 같이, 헬릭스 전류를 검출하기 위한 저항(R5)과, 헬릭스 전류에 상응하는 전압을 증폭하여 펄스 발생기(40)의 출력 펄스폭을 가 변하기 위한 제어 전압으로서 제공하는 증폭부(81)로 이루어진다. 증폭부(81)는 오피앰프(82)와 저항(R6, R7)으로 이루어진 비반전 증폭기, 다이오드(D1)과 커패시터(C1)로 이루어진 정류 회로, 증폭부(81)의 출력 전압이 미리 정하여진 일정 전압을 초과하지 않도록 하기 위한 제한기 역할을 하는 제너다이오드(ZD)로 이루어진다.
헬릭스 전류는 저항(R5)에 흐르게 되고, 따라서 오피앰프(82)의 비반전단자에는 헬릭스 전류에 상응하는 전압이 입력된다. 이 전압은 비반전 증폭기에 의해 증폭된 후 정류 회로에 의해 정류되어 펄스 발생기(40)의 출력 펄스폭을 가변하기 위한 제어 전압으로서 제공된다.
펄스 발생기(40)는 이 제어 전압에 따라 출력 펄스폭을 가변한다. 구체적으로, 제어 전압이 클수록 펄스폭을 늘리고, 제어 전압이 작을수록 펄스폭을 줄인다.
헬릭스 전류에 따라 출력 펄스폭을 가변하는 것은 스위칭 주기를 항상 빠르게 유지하기 위함이다. 만약, 헬릭스 전류가 많이 흐를 때 펄스 폭을 넓히지 않으면, 스위칭 주기는 더욱 빨라지며, 좁은 펄스 폭 만큼의 전력이 캐소드에 공급되어 캐소드 전압이 저하하게 된다. 헬릭스 전류가 적게 흐를 때는 펄스 발생기(40)의 펄스 폭을 좁게하여 스위칭 주기를 빠르게 하고, 헬릭스 전류가 많이 흐를 때는 펄스 발생기(40)의 펄스 폭을 넓혀 스위칭 주기를 유지한다.
도 5는 기존 고전압 파워 서플라이의 파형(a)과 본 발명에 따른 고전압 파워서플라이의 파형(b)의 실험 결과를 나타낸 그래프로서, 고전압 파워서플라이의 공급전압 안정화 정도를 나타내는 척도 중 하나인 트랜지언트(Transient) 및 리 플(Ripple)의 비교 결과를 나타낸다. 트랜지언트란 부하 변동에 따른 파워서플라이의 초기 응답 특성을 나타내는 것으로 출력전압 변동이 작을수록 우수하다. 리플이란 파워서플라이 운용 중 출력전압의 흔들리는 정도를 나타내는 것으로 변동이 작을수록 우수하다. 도 5를 참조하면, 기존 고전압 파워 서플라이의 경우 트랜지언트가 1KVp, 리플이 400Vpp를 나타내는 반면, 본 발명에 따른 고전압 파워서플라이의 경우 트랜지언트가 185Vp, 리플이 150Vpp로 기존에 비해 매우 우수함을 알 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 일반적인 진행파관의 개념도이다.
도 2는 진행파관 및 기존의 고전압 파워서플라이의 구성을 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 고전압 파워서플라이의 제어 타이밍도이다.
도 4는 진행파관 증폭기 및 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 파워서플라이의 구성을 나타낸다.
도 5는 기존 고전압 파워 서플라이의 파형과 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 파워서플라이의 파형의 실험 결과를 나타낸 그래프이다.

Claims (7)

  1. 진행파관 증폭기에 전압을 공급하는 고전압 파워서플라이에 있어서,
    고전압 생성을 위한 펄스를 발생시키는 펄스 발생기;
    상기 발생된 펄스를 이용하여 스위칭 펄스를 생성하는 드라이버;
    상기 스위칭 펄스를 증폭 및 변환하여 상기 진행파관의 캐소드 및 콜렉터에 인가하는 트랜스포머와 정류/평활 회로; 및
    상기 진행파관의 헬릭스 전류에 상응하는 전압을 증폭하여, 상기 펄스 발생기로부터 출력되는 펄스의 펄스폭을 가변하기 위한 제어전압을 생성하는 가변회로를 포함하고,
    상기 펄스 발생기는 상기 제어전압이 클수록 상기 펄스의 펄스폭을 늘리고 상기 제어전압이 작을수록 상기 펄스의 펄스폭을 줄이는 것을 특징으로 하는 고전압 파워서플라이.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가변 회로는
    상기 헬릭스 전류를 검출하기 위한 저항; 및
    상기 헬릭스 전류에 상응하는 전압을 증폭하여 상기 펄스 발생기에 상기 제어전압으로서 제공하는 증폭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 파워서플라이.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 증폭부는, 상기 헬릭스 전류에 상응하는 전압을 증폭하는 비반전 증폭기와, 상기 증폭된 전압을 정류하는 정류 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 파워서플라이.
  6. 고전압 파워서플라이가 진행파관 증폭기에 공급될 공급전압을 안정화하는 방법으로서,
    (a) 고전압 생성을 위한 펄스를 발생시키는 단계;
    (b) 상기 발생된 펄스를 이용하여 스위칭 펄스를 생성하는 단계;
    (c) 상기 스위칭 펄스를 증폭 및 변환하여 상기 진행파관의 캐소드 및 콜렉터에 인가하는 단계; 및
    (d) 상기 진행파관의 헬릭스 전류에 상응하는 전압을 증폭하여, 상기 (a) 단계에서 발생되는 펄스의 펄스폭을 가변하기 위한 제어전압을 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 (a) 단계는 상기 제어전압이 클수록 상기 펄스의 펄스폭을 늘리고 상기 제어전압이 작을수록 상기 펄스의 펄스폭을 줄이는 것을 특징으로 하는 공급전압 안정화 방법.
  7. 삭제
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