KR101233746B1 - 장펄스 전압 생성용 스위치 및 장펄스 전류 생성 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 장펄스 전압 생성용 스위치는 모의하고자 하는 장펄스 파형의 파고의 앞 구간은 주파수가 점진적으로 증가하고, 뒷 구간은 상기 점진적으로 증가된 주파수가 점진적으로 감소하는 제어 신호를 생성하는 스위치 제어부 및 상기 생성된 제어 신호에 의해 온오프(on-off)되며, 상기 온오프에서 온(on) 시간이 일정한 스위치를 포함함으로써 모의하고자 하는 장펄스 파형의 기준 전압 파형을 용이하게 생성할 수 있으며, 이를 이용해 장펄스 전류를 용이하게 생성할 수 있다.

Description

장펄스 전압 생성용 스위치 및 장펄스 전류 생성 장치{SWITCH FOR GENERATING LONG PULSE VOLTAGE AND APPARATUS FOR GENERATING LONG PULSE CURRENT}
본 발명은 장펄스 전압 생성용 스위치 및 장펄스 전류 생성 장치에 관한 것으로, 상세하게는 주파수의 점진적인 증감을 통해 장펄스 전압 파형을 생성하는 스위치 및 이를 이용하여 장펄스 전류를 생성하는 장펄스 전류 생성 장치에 관한 것이다.
전자통신기술의 발달에 따라 전자, 통신, 제어 장비들은 점점 소형화 집적화되고 있으며 현대 생활에서 필수적인 요소가 되고 있다. 이러한 디지털 기기들의 소손이나 오동작 등은 지식기반 사회에 있어 실생활의 불편뿐만 아니라 국가적으로 직간접적인 막대한 손실을 유발할 수 있다. 이러한 전자장비에 장해를 유발할 수 있는 요인으로는 낙뢰 등과 같은 자연현상에 기인하는 임펄스와 핵폭발 등 인위적인 조작에 의해서 발생 가능한 전자기파 등이 있다. 이러한 임펄스성 전자기파는 정밀한 전자기기에 치명적인 요소이므로 이에 대한 보호 대책이 필요하다. 그러나 이러한 보호대책을 연구하기 위해서는 전자기 임펄스에 대한 보호소자의 특성분석이 필요하며 시험용 임펄스를 발생시킬 수 있는 대용량 임펄스 발생장치에 대한 연구가 선행되어야 한다.
임펄스 전류 발생기는 일반적으로 커패시터(C)-저항(R)-인덕터(L)의 직렬회로로 구성되며 커패시터에 충전된 전하를 R-L을 통해 방전함으로써 임펄스 전류 파형을 발생시킨다. 여기서 R, L, C 값의 상호관계에 따라 과진동파형, 감쇠진동파형, 비진동성파형이 발생한다.
임펄스 전류 파형 중 장펄스 전류 파형은 빠른 상승시간에 비해 수십초 정도의 매우 긴 감쇠시간을 갖는 파형이다. 종래의 방법으로 이를 발생하기 위해서는 RC 시정수가 매우 큰 회로를 필요로 한다. 이를 위해서는 매우 큰 용량의 커패시터가 요구되며 커패시터의 내전압을 고려하면 매우 방대한 규모의 설비가 필요하다.
또 다른 방법으로는 파두부는 R, L, C 직렬회로를 감쇠 진동조건으로 정형하며, 파미부는 R, L 직렬회로로 구성하여 시정수 L/R에 따라 전류가 지수함수로 감쇠하도록 구성할 수 있다. 파형 발생을 위해서는 RLC 직렬회로에 의한 초기 진동 파형의 최고점 즉 초기 파고치(1/4 주기) 시각까지 방전 스위치를 동작시키며 이후에는 RL회로로 방전이 되도록 파고치 시각에 별도의 방전 스위치를 구동시키는 방법이다. 이 경우에는 상호 동기화된 2개의 방전 스위치 즉 커패시터 방전용 스위치와 인덕터 에너지 방전용 스위치가 각각 필요하며 두 스위치를 상호 동기시키기 위한 고정밀 트리거 장치가 필요하다. 이 경우에도 역시 각각의 R, L, C 소자는 매우 큰 규모가 예상되며 피시험품 회로의 임피던스에 따라 인덕터를 변경해야 하는 불편함이 따른다.
본 발명은 주파수의 점진적인 증감을 통해 장펄스 전압 파형을 생성하는 스위치 및 이를 이용하여 장펄스 전류를 생성하는 장펄스 전류 생성 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장펄스 전압 생성용 스위치는 모의하고자 하는 장펄스 파형의 파고의 앞 구간은 주파수가 점진적으로 증가하고, 뒷 구간은 상기 점진적으로 증가된 주파수가 점진적으로 감소하는 제어 신호를 생성하는 스위치 제어부 및 상기 생성된 제어 신호에 의해 온오프(on-off)되며, 상기 온오프에서 온(on) 시간이 일정한 스위치를 포함할 수 있다.
이때, 상기 뒷 구간은 적어도 상기 파고의 50% 지점까지의 구간을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 주파수 인가가 개시된 시점부터 상기 파고의 50%지점까지의 시간을 tE라 할 때, 상기 뒷 구간의 끝 지점은 4×tE 범위 내일 수 있다.
또한, 상기 제어 신호는 상기 스위치의 온 시간이 일정하도록 하는 신호일 수 있다.
또한, 상기 스위치는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 장펄스 전류 생성 장치는 일정 전압의 전원, 상기 전원에 연결되며, 모의하고자 하는 장펄스 파형의 파고의 앞 구간은 주파수가 점진적으로 증가하고, 뒷 구간은 상기 점진적으로 증가된 주파수가 점진적으로 감소하는 제어 신호에 의해 온오프(on-off)되며 상기 온오프에서 온(on) 시간이 일정한 장펄스 전압 생성용 스위치, 상기 장펄스 전압 생성용 스위치의 온오프에 따라 장펄스 전압 파형을 생성하는 펄스 성형부, 상기 생성된 장펄스 전압 파형을 장펄스 전류 파형으로 변환하는 저항 및 상기 장펄스 전압 생성용 스위치와 상기 펄스 성형부의 사이에 병렬로 연결되는 환류 다이오드를 포함할 수 있다.
이때, 상기 펄스 성형부는 상기 장펄스 전압 생성용 스위치와 상기 저항의 사이에 직렬로 연결되는 인덕터 및 상기 인덕터와 상기 저항의 사이에 병렬로 연결되는 커패시터를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 인덕터 L과 상기 커패시터 CL은 다음의 수학식을 만족할 수 있다.
Figure 112011025731835-pat00001
,
Figure 112011025731835-pat00002
여기서,
Figure 112011025731835-pat00003
이고,
Vin은 전원의 전압이며,
τu는 장펄스 전압 생성용 스위치의 온 시간이고,
f는 제어 신호의 주파수이며,
Figure 112011025731835-pat00004
은 장펄스 전압 생성용 스위치의 출력 전류의 리플이고,
RL은 저항의 저항값이다.
또한, 상기 저항에 인가되는 전압 Vout은 다음의 수학식으로 정의될 수 있다.
Figure 112011025731835-pat00005
여기서, Vin은 전원의 전압이고,
τu는 장펄스 전압 생성용 스위치의 온 시간이며,
f는 제어 신호의 주파수이다.
또한, 상기 제어 신호의 최소 주파수 fmin은 다음의 수학식을 만족할 수 있다.
Figure 112011025731835-pat00006
여기서, tr은 파두장이고,
tFWHM은 파미장이다.
본 발명의 장펄스 전압 생성용 스위치는 점진적으로 증감되는 주파수에 따라 온오프됨으로써 모의하고자 하는 장펄스 전류의 파형을 대응되는 전압 파형으로 구현할 수 있다.
이를 이용해 장펄스 전류 생성 장치를 용이하게 설계 및 구현할 수 있다.
이렇게 구현된 장펄스 전류 생성 장치는 대용량의 커패스터를 설비하는 대신 장펄스 전압 생성용 스위치를 제어하는 제어 신호의 주파수를 조절함으로써 소망하는 장펄스 전류를 용이하게 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 장펄스 전압 생성용 스위치를 나타낸 블럭도.
도 2는 모의하고자 하는 장펄스 파형의 일예를 나타낸 개략도.
도 3은 제어 신호의 일예를 나타낸 개략도.
도 4는 본 발명의 장펄스 전류 생성 장치를 나타낸 블럭도.
도 5는 본 발명의 장펄스 전류 생성 장치를 나타낸 회로도.
도 6은 본 발명의 장펄스 전류 생성 장치에서 스위치가 온/오프되는 경우의 전류 흐름을 나타낸 개략도.
도 7은 본 발명의 장펄스 전압 생성용 스위치에서 스위치 제어부의 일예를 나타낸 회로도.
도 8은 옵틱 링크에서 스위치에 전기적으로 연결되는 스위치측 옵틱 링크를 나타낸 회로도.
도 9는 V/F 변환 회로 관련 파형을 나타낸 그래프.
도 10은 주파수 변화에 무관하게 스위치의 온 시간이 일정하도록 하는 제어 신호를 나타낸 개략도.
도 11은 파형 성형 회로에 포함되는 인덕터의 전압 리플을 나타낸 개략도.
도 12는 장펄스 전류 생성 장치의 출력 파형의 예를 나타낸 그래프.
이하, 본 발명의 장펄스 전압 생성용 스위치 및 장펄스 전류 생성 장치에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 장펄스 전압 생성용 스위치를 나타낸 블럭도이다.
도 1에 도시된 장펄스 전압 생성용 스위치는 모의하고자 하는 장펄스 파형의 파고의 앞 구간은 주파수가 점진적으로 증가하고, 뒷 구간은 상기 점진적으로 증가된 주파수가 점진적으로 감소하는 제어 신호를 생성하는 스위치 제어부(190) 및 상기 생성된 제어 신호에 의해 온오프(on-off)되며, 상기 온오프에서 온(on) 시간이 일정한 스위치(180)를 포함하고 있다.
스위치 제어부(190)는 스위치(180)를 온오프시키는 제어 신호를 생성한다. 이때 생성되는 제어 신호는 점진적으로 증가하거나 감소하는 주파수를 포함하고 있다. 이때, 주파수의 증감은 모의하고자 하는 장펄스 파형, 즉 장펄스 전류 파형과 관련된다.
장펄스 전류 파형은 임펄스 전류 파형의 일종이며, 임펄스 전류 파형은 도 2와 같이 나타낼 수 있다. 임펄스 전류 파형은 매 순간 불규칙한 모습을 나타낼 수 있는데 도 2에서는 이를 정규화(normalize)하여 나타내었다.
파고의 10% 지점과 90% 지점을 직선으로 연결하고, 이 선과 전류 0% 및 100% 와의 교점 사이의 시간 간격(T1)을 파두장이라 한다. 이는 최대치의 10% 지점의 시각(t1)과 90% 지점의 시각(t2)과의 차로 나타내는 상승 시간 Tr의 1.25배에 해당한다. 또한 파고의 50% 값에 이르는 시각 t3에서 규약 원점(t0)의 차를 파미장(T2)으로 나타내며 임펄스 전류 파형은 일반적으로 파두장(T1)/파미장(T2)으로 표현한다. 따라서, 장펄스 전류 파형 역시 파두장/파미장으로 표현될 수 있다.
본 발명에서는 전류 최대값 1000A, 파두장 0.2초, 파미장 25초인 장펄스 전류 파형을 생성하는 것을 예로 들어 설명하고 있으나, 이때의 각 값은 국한되는 것이 아님을 환기한다.
도 1에 도시된 장펄스 전압 생성용 스위치에서 파두장/파미장으로 표현되는 장펄스 전류 파형과 관련된 장펄스 전압 파형을 생성하기 위해 스위치 제어부(190)는 장펄스 파형의 파고의 앞 구간은 주파수가 점진적으로 증가하고, 뒷 구간은 점진적으로 증가된 주파수가 점진적으로 감소하는 제어 신호를 생성한다.
이때 파고점은 앞 구간에 포함되거나 뒷 구간에 포함될 수 있다.
뒷 구간은 적어도 파고의 50% 지점까지의 구간을 포함할 수 있다. 장펄스 전류 파형이 파두장/파미장까지 표현되므로 적어도 파미장까지의 구간을 포함하여야 장펄스의 의미를 갖기 때문이다. 여기서, 주파수 인가가 개시된 시점부터 파고의 50%지점까지의 시간을 tE라 할 때, 뒷 구간의 끝 지점은 4×tE 범위 내일 수 있다.
이와 같이 뒷 구간의 끝 지점이 긴 이유는 장펄스 전류 파형의 특성상 감쇠 시간이 긴 특성을 포함시키기 위함이다.
스위치(180)는 스위치 제어부(190)에서 생성된 제어 신호에 의해 온오프된다. 제어 신호의 주파수가 증가할수록 온오프 횟수는 증가하고 주파수가 감소할수록 온오프 횟수는 감소한다. 따라서 온오프 횟수가 증가하면 온 횟수 또한 증가하므로 출력 전압이 증가되고, 온오프 횟수가 감소하면 온 회수 또한 감소하므로 출력 전압이 감소된다. 이때 주의할 것은 온 시간이 변동된다는 점이다. 즉, 주파수가 증가하면 온되는 횟수가 증가하는 대신 온 상태에 머무르는 시간이 줄어들게 된다. 반대로 주파수가 감소하면 온되는 횟수가 감소하는 대신 온 상태에 머무르는 시간이 증가하게 된다. 따라서, 주파수를 이용해 출력 전압을 신뢰성 있게 제어하기 위해서는 온 상태에서 머무르는 시간 τu가 주파수 변화와 무관하게 일정해야 한다. 이를 위해 스위치는 온 시간(온 상태에서의 지속 시간)이 일정하도록 하는 수단을 포함할 수 있다.
또는 스위치 제어부에서 스위치의 온 시간 τu가 일정하도록 하는 제어 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어 제어 신호의 하이(high) 구간에서 스위치가 온 되는 구성인 경우 스위치 제어부는 하이 구간이 모두 일정한 시간 구간을 갖는 제어 신호를 생성하여 스위치에 제공할 수 있다.
어느 구성에 따르던 온 시간 τu가 일정하다면 스위치는 주파수 변화를 통해 출력 전압을 제어할 수 있게 된다.
이때의 스위치는 고속 스위칭에 적용 가능한 IGBT((Insulated Gate Bipolar Transistor)를 포함할 수 있다.
이상에서 설명된 장펄스 전압 생성용 스위치를 이용하면 모의하고자 하는 장펄스 전류 파형의 근간이 되는 장펄스 전압 파형을 생성할 수 있다. 이를 이용하면 종래와 비교하여 적은 용량의 커패시터와 인덕터 및 저항을 이용하여 다양한 장펄스 전류 파형을 용이하게 생성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 장펄스 전류 생성 장치를 나타낸 블럭도로서, 도 1에서 살펴본 장펄스 전압 생성용 스위치(110)가 포함되어 있다.
도 4에 도시된 장펄스 전류 생성 장치는 일정 전압의 전원(170), 상기 전원에 연결되며, 모의하고자 하는 장펄스 파형의 파고의 앞 구간은 주파수가 점진적으로 증가하고, 뒷 구간은 상기 점진적으로 증가된 주파수가 점진적으로 감소하는 제어 신호에 의해 온오프(on-off)되며 상기 온오프에서 온(on) 시간이 일정한 장펄스 전압 생성용 스위치(110), 상기 장펄스 전압 생성용 스위치의 온오프에 따라 장펄스 전압 파형을 생성하는 펄스 성형부(120), 상기 생성된 장펄스 전압 파형을 장펄스 전류 파형으로 변환하는 저항(130) 및 상기 장펄스 전압 생성용 스위치와 상기 펄스 성형부의 사이에 병렬로 연결되는 환류 다이오드를 포함하고 있다.
전원(170)은 일정 전압, 즉 직류를 공급하는 장치이다.
이때의 전원은 예를 들어 전압 조정 회로(140), 정류 회로(150), 전압 안정화 회로(160)를 포함할 수 있다.
전압 조정 회로(140)는 상용 교류 전원(60Hz, 220V/단상 또는 380V/3선)을 공급받아 출력 전압의 크기를 조정하기 위한 것으로 슬라이닥스를 이용하거나 기타 다른 방법을 사용할 수 있다. 또한 고전압 전력을 얻기 위해 고압 변압기가 구비된 승압 회로를 포함할 수 있다.
정류 회로(150)는 교류 전압을 커패시터에 충전시키기 위하여 직류 전압으로 변환하며 이때 정류 회로에 이용되는 다이오드 소자의 내전압 및 전류 용량을 고려하여 복수개의 다이오드가 직병렬로 조합되는 구성을 가질 수 있다.
전압 안정화 회로(160)는 평활을 위해 커패시터 뱅크로 구성될 수 있으며, 입력 전압의 변동에 따른 맥동률을 줄이기 위해 가능한 대용량인 것이 바람직하다.
장펄스 전압 생성용 스위치(110)는 스위치(180)와 스위치 제어부(190)로 구성된다. 스위치(180)는 예를 들어 1kHz 내지 10kHz 주기의 고주파 신호에 따라 온오프(on-off) 동작을 수행할 수 있는 고속 IGBT일 수 있다. IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)는 고전력 스위칭용 반도체 소자로서 FET 등의 소자에 비하여 고전압, 대전류에서 안정적인 동작이 가능하다. 스위치(180)의 온오프 동작은 스위치 제어부(190)에서 생성되는 제어 신호에 의존한다.
펄스 성형 회로(120)는 인덕터와 커패시터의 조합으로 구성되며 스위치의 온오프 동작에 따라 출력 파형을 생성한다.
저항(130)은 최종적으로 장펄스 전류 파형을 얻는 곳으로 예를 들어 5옴일 수 있다.
스위치 제어부(190)는 고전압, 대전류 환경에서 발생될 수 있는 전기적 노이즈에 의한 영향을 억제하기 위해 TTL 로직회로로 구성될 수 있다. 스위치 제어부는 예를 들어 도 7에 도시된 바와 같이 기준 파형 생성 회로(191), 타이머 회로(192), V/F 변환 회로(193), 멀티 바이브레이터(194), 드라이버 회로(195)를 포함할 수 있다.
기준 파형 생성 회로는 저항에서 출력되는 장펄스 전류 파형과 동일한 시간 파라미터를 갖는 기준 파형을 생성하는 요소로, 예를 들어 도 7에 도시된 바와 같이 커패시터, 방전 저항, FET 스위치 및 반전 증폭기로 구성될 수 있다.
타이머 회로(192)는 IGBT 등으로 구성되는 스위치의 동작 시간을 제한하기 위해 LM555 IC 등을 이용하여 구성된다.
V/F 변환 회로(193)는 V/F 변환 IC, 예를 들어 LM331과 OP 앰프를 이용하여 전압을 주파수로 변환한다.
이때 입력되는 전압 VIN과 출력 주파수 fout의 관계는 다음의 수학식 1과 같다.
Figure 112011025731835-pat00007
도 9는 V/F 변환 회로 관련 파형을 나타낸 그래프로서, 기준 파형 생성부에서 생성된 전압 파형의 전압이 증가할수록 주파수가 증가하며 전압이 감소할수록 주파수가 감소한다.
멀티 바이브레이터 회로(194)는 V/F 변환된 신호를 입력받아 스위치를 구동하기 위한 드라이버 출력 신호를 생성하는 요소로, 멀티 바이브레이터 IC, 예를 들어 74HC221을 포함하여 구성될 수 있다. 이때 입력되는 주파수의 변화에 무관하게 스위치의 온 시간 τu가 일정하게 유지되도록 IC 외부에 연결된 R(저항), C(커패시터)를 조정하여 스위치 동작 시간을 제어한다. 이에 따라 도 9에서와 같이 주파수 변화에 따라 변화하는 온 시간은 도 3과 같이 일정한 τu를 갖게 된다.
드라이버 회로(195)는 스위치 구동을 위한 요소로 동작의 신뢰성을 위해 FET 스위치를 사용하였다.
한편, 옵틱 링크(optic link)를 드라이버 회로의 출력단과 스위치에 추가로 설비함으로써 스위치 제어부를 전기적으로 스위치와 분리함으로써 안정성을 확보할 수 있다.
도 8은 옵틱 링크에서 스위치에 전기적으로 연결되는 스위치측 옵틱 링크를 나타낸 회로도이다. 살펴보면 옵틱 링크를 통해 입력된 신호에 의해 스위칭되는 트랜지스터를 이용하여 스위치로 펄스 신호를 공급하는 구조임을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 장펄스 전류 생성 장치를 나타낸 회로도이다.
도 5에 도시된 장펄스 전류 생성 장치는 도 4에 도시된 블럭도를 구현한 일예에 따른 회로도이다.
전압 조정 회로(140)로서 변압기가 배치되고, 정류 회로(150)로서 브릿지 다이오드 DR이 배치되며, 전압 안정화 회로(160)로서 커패시터 Cr이 배치되어 있다.
스위치(180)로서 IGBT(npn형)가 배치되며, 구체적으로 브릿지 다이오드의 출력단에 드레인이 연결되고 스위치 제어부(190)에 게이트가 연결되어 있다. 스위치와 스위치 제어부는 장펄스 전압 생성용 스위치(110)를 구성한다.
펄스 성형부(120)는 장펄스 전압 생성용 스위치(110), 구체적으로 스위치(180)에 해당하는 IGBT와 저항 RL(Rℓ)의 사이에 직렬로 연결되는 인덕터 L 및 인덕터 L과 저항 RL의 사이에 병렬로 연결되는 커패시터 CL(Cℓ)을 포함하고 있다.
환류 다이오드(121) VD는 IGBT의 소스단과 인덕터 L의 사이에 음의 단자가 연결되는 방향으로 병렬로 연결된다.
이와 같은 회로에서의 전류 흐름을 도 6을 통하여 살펴본다.
IGBT가 온(on)되면 전류가 L을 통하여 RL에 흐름과 동시에 L에는 에너지가 축적된다. 이후, IGBT가 오프(off)되면 L에 축적된 에너지가 VD를 통하여 출력측으로 방출된다.
IGBT의 동작 주기를 도 10에서와 같이 T라 하고, τu 시간동안만 스위치가 On 상태라고 가정하면 저항 RL에 인가되는 출력 전압 Vout은 다음의 수학식 2와 같다.
Figure 112011025731835-pat00008
이때,
Figure 112011025731835-pat00009
라 하면, 수학식 2를 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011025731835-pat00010
여기서, Vin은 전원의 전압이고,
τu는 장펄스 전압 생성용 스위치의 온 시간이며,
f는 제어 신호의 주파수이다.
따라서, 출력 전압 Vout은 IGBT의 온 시간 τu가 일정하다면 IGBT의 스위칭 주파수에 따라 가변되는 것을 알 수 있다. 앞에서 스위치 또는 스위치 제어부의 구성에 의해 τu가 일정하게 되므로, 스위칭 주파수만을 조정함으로써 원하는 전압 파형을 얻을 수 있다. IGBT의 스위칭 주파수는 스위치 제어부에서 생성되어 공급되는 제어 신호의 주파수이다.
수학식 3에 따르면, 스위칭 주파수 f가 증가하면 출력 전압이 상승하고, 스위칭 주파수가 감소하면 출력 전압이 감소한다.
수학식의 3에 나타난 특성과 온 시간 τu를 일정하게 하는 구성을 통해, 장펄스 전류 생성 장치는 스위치의 주파수 가변에 따라 출력 파형을 제어하는 것으로 발생하고자 하는 소신호 기준파형을 기준 파형 생성부에서 미리 생성한 후 이를 V/F(Voltage to Frequency) 변환 회로를 사용하여 주파수 신호로 변환한다. 급준(急峻)한 상승부에서는 스위칭 주파수가 높으면 완만한 하강부에서는 주파수 역시 완만하게 감소하는 형태를 나타낸다. 이렇게 가변되는 주파수 신호에 따라 스위치를 동작시킴으로써 원하는 형태의 장펄스 전압이 발생되고 이를 저저항 부하를 통해 방류시키면 정펄스 전류를 얻을 수 있다.
출력 파형의 리플을 억제하고 정확한 파형을 얻기 위해서는 제어 신호의 최소 주파수 fmin은 다음의 수학식을 만족하여야 한다.
Figure 112012103430828-pat00043
여기서, tr은 파두장이고,
tFWHM은 파미장이다.
예를 들어 파두장은 0.2sec이고, 파미장은 25sec일 수 있다.
수학식 4의 조건을 만족하는 범위에서 안정적인 스위칭 동작을 유지하기 위해 스위칭 주기의 가변 범위를 다음과 같이 선정할 수 있다.
최대 주기 : Tmax = 1ms, fmin = 1kHz
최소 주기 : Tmin = 100㎲, fmax = 10kHz
또한, 듀티비는 최대 출력전류를 얻기 위해 최대 스위칭 주파수에서 0.9로 하였으며 이때 τu는 90㎲로 고정할 수 있다. τu는 스위칭 주파수의 변화와 무관한 상수값이므로 출력 전압은 수학식 3에 의해 아래와 같은 범위에서 가변하는 것이 가능하다.
Figure 112011025731835-pat00012
Figure 112011025731835-pat00013
인덕터 L는 아래와 같이 설계할 수 있다.
도 11에서 인덕터의 전압은 수학식 5와 같다.
Figure 112011025731835-pat00014
여기서, 스위칭 주파수가 충분히 높다고 가정할 경우 수학식 5는 수학식 6으로 가정할 수 있다.
Figure 112011025731835-pat00015
수학식 6에서
Figure 112011025731835-pat00016
은 수학식 7과 같다.
Figure 112011025731835-pat00017
수학식 7을 L에 대해 정리하면 수학식 8과 같다.
Figure 112011025731835-pat00018
여기서,
Figure 112011025731835-pat00019
이고,
Vin은 전원의 전압이며,
τu는 장펄스 전압 생성용 스위치의 온 시간이고,
f는 제어 신호의 주파수이며,
Figure 112011025731835-pat00020
은 장펄스 전압 생성용 스위치의 출력 전류의 리플이다.
Figure 112011025731835-pat00021
은 도 11에 나타낸 바와 같이 다음의 수학식 9와 같은 관계가 성립한다.
Figure 112011025731835-pat00022
Figure 112011025731835-pat00023
커패시터 CL은 출력 전압의 고주파 리플을 억제하는 필터로서 다음의 수학식 10을 만족하도록 설계할 수 있다.
Figure 112012103430828-pat00044
여기서, f는 제어 신호의 주파수이고,
RL은 저항의 저항값이다.
도 5, 7 및 8에 개시된 회로도에 따라 구성된 장펄스 전류 생성 장치의 출력 파형의 예를 도 12에 나타내었다. 도 12(a)는 장펄스 파형의 파두부와 그 때의 IGBT 제어 신호를 나타내며, 도 12(b)는 파미부와 그 때의 IGBT 제어 신호를 나타낸다. 도 12(c)는 전체 전류 파형과 파두부를 확대해서 나타낸 것으로 장펄스 전류가 발생됨을 확인할 수 있다.
이상의 구성에 따르면 낙뢰, 서지 등에 의해 발생 가능한 전자기파에 대한 전기전자기기 및 보호장치의 특성분석과 모의시험 등에 사용할 수 있는 장펄스 전류 발생 장치를 스위칭 소자를 사용하여 구성함으로써 전통적인 장펄스 전류 발생 방법보다 경제적이고 신뢰성 있는 시스템 구축이 가능하다.
한편, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
장펄스 전류를 생성시키는 장치에 적용될 수 있다.
특히, 고품질의 전력 수요가 요구되는 시대 상황에 맞게 전기전자기기를 비롯하여 보호기기의 EMP(Electromagnetic pulse) 관련 시험 및 성능 평가 시스템에 활용할 수 있다.
110...장펄스 전압 생성용 스위치 120...펄스 생성 회로
130...저항 140...전압 조정 회로
150...정류 회로 160...전압 안정화 회로
170...전원 180...스위치
190...스위치 제어부 191...기준파형 생성 회로
192...타이머 회로 193...V/F 변환 회로
194...멀티 바이브레이터 195...드라이버 회로

Claims (10)

  1. 모의하고자 하는 장펄스 파형의 파고의 앞 구간은 주파수가 증가하고, 뒷 구간은 상기 증가된 주파수가 감소하는 제어 신호를 생성하는 스위치 제어부; 및
    상기 생성된 제어 신호에 의해 온오프(on-off)되며, 상기 온오프에서 온(on) 시간이 일정한 스위치;
    를 포함하는 장펄스 전압 생성용 스위치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 뒷 구간은 적어도 상기 파고의 50% 지점까지의 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 장펄스 전압 생성용 스위치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 주파수 인가가 개시된 시점부터 상기 파고의 50%지점까지의 시간을 tE라 할 때, 상기 뒷 구간의 끝 지점은 4×tE 범위 내인 것을 특징으로 하는 장펄스 전압 생성용 스위치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 신호는 상기 스위치의 온 시간이 일정하도록 하는 신호인 것을 특징으로 하는 장펄스 전압 생성용 스위치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장펄스 전압 생성용 스위치.
  6. 일정 전압의 전원;
    상기 전원에 연결되며, 모의하고자 하는 장펄스 파형의 파고의 앞 구간은 주파수가 증가하고, 뒷 구간은 상기 증가된 주파수가 감소하는 제어 신호에 의해 온오프(on-off)되며 상기 온오프에서 온(on) 시간이 일정한 장펄스 전압 생성용 스위치;
    상기 장펄스 전압 생성용 스위치의 온오프에 따라 장펄스 전압 파형을 생성하는 펄스 성형부;
    상기 생성된 장펄스 전압 파형을 장펄스 전류 파형으로 변환하는 저항; 및
    상기 장펄스 전압 생성용 스위치와 상기 펄스 성형부의 사이에 병렬로 연결되는 환류 다이오드;
    를 포함하는 장펄스 전류 생성 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 펄스 성형부는 상기 장펄스 전압 생성용 스위치와 상기 저항의 사이에 직렬로 연결되는 인덕터; 및
    상기 인덕터와 상기 저항의 사이에 병렬로 연결되는 커패시터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 장펄스 전류 생성 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 인덕터 L과 상기 커패시터 CL은 다음의 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 장펄스 전류 생성 장치.
    Figure 112012103430828-pat00025
    ,
    Figure 112012103430828-pat00045

    여기서,
    Figure 112012103430828-pat00027
    이고,
    Vin은 전원의 전압이며,
    τu는 장펄스 전압 생성용 스위치의 온 시간이고,
    f는 제어 신호의 주파수이며,
    Figure 112012103430828-pat00028
    은 장펄스 전압 생성용 스위치의 출력 전류의 리플이고,
    RL은 저항의 저항값이다.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 저항에 인가되는 전압 Vout은 다음의 수학식으로 정의되는 것을 특징으로 하는 장펄스 전류 생성 장치.
    Figure 112011025731835-pat00029

    여기서, Vin은 전원의 전압이고,
    τu는 장펄스 전압 생성용 스위치의 온 시간이며,
    f는 제어 신호의 주파수이다.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어 신호의 최소 주파수 fmin은 다음의 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 장펄스 전류 생성 장치.
    Figure 112012103430828-pat00046

    여기서, tr은 파두장이고,
    tFWHM은 파미장이다.
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