KR101389413B1 - 고전압 펄스 전원장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고전압 전원을 스위칭하여 고전압 펄스를 출력하는 고전압 펄스 전원장치로, 고전압 펄스 전원장치는 복수의 스위칭모듈(120-1, …, 120-n)을 구비하며, 복수의 스위칭모듈 각각은, 고전압 전원을 스위칭하는 스위칭소자(127)와, 스위칭소자의 구동을 제어하는 제어회로(126)와, 구동전력과 제어데이터 입력에 의해 광을 발생하는 발광다이오드(123)와, 발광다이오드가 발생하는 광을 전기에너지로 변환하여 제어회로에 공급하는 태양전지(124)와, 발광다이오드가 발생하는 광에서 제어데이터를 검출하여 제어회로에 공급하는 포토 다이오드(125)로 이루어진다.

Description

고전압 펄스 전원장치{HIGH VOLTAGE PULSE POWER SUPPLY }
본 발명은 고전압 펄스 전원장치에 관한 것으로, 특히, 스위칭방식에 의해 고전압 전원으로부터 고전압 펄스를 발생시키는 고전압 펄스 전원장치에 관한 것이다.
고전압 펄스 전원장치는 수십 킬로볼트(KV) 내지는 수백 킬로볼트의 펄스전압을 발생하는 장치이나, 이와 같은 고전압을 스위칭하는 스위칭소자는 통상 수 킬로볼트 정도에서만 동작이 가능한 경우가 대부분이다.
따라서 수 킬로볼트 정도에서 동작하는 스위칭소자에 의해 수십 내지 수백 킬로볼트의 고전압 펄스 전원장치를 구동시키기 위해서는 이들 스위칭소자를 일정 단위로 모듈화해서 복수의 스위칭모듈로 하여, 복수의 스위칭모듈을 직렬로 접속하여 사용하게 된다.
그러나 복수의 스위칭모듈에 의한 제어에서는 각 모듈 간의 거리의 차에 따른 전위차가 발생하므로 각각의 모듈에 공급되는 제어용 전원 및 제어신호에 차이가 발생한다는 문제가 있고, 이의 해소를 위해서는 각 모듈별 전위차를 고려하여 전원 및 제어신호를 공급할 필요가 있다.
한편, 트랜스 등의 전자유도적인 방식에 의해 상용전원의 전원을 승압 또는 강압하는 직류공급방식의 전원장치에서는 상용전원에 혼입되어 있는 노이즈가 2차 측으로 방출되어서, 결과적으로 2차 측인 직류전원 측에 혼입되어 출력되게 되는 문제 등의 방지를 위해 상용전원에 의해 발광하는 발광다이오드의 광을 태양전지에서 수광하여 직류전압으로 변환하여 공급하는 전원장치가 알려져 있다(특허문헌 1).
도 1은 특허문헌 1의 전원장치의 구성을 나타내는 전기회로도이다.
도 1과 같이 특허문헌 1의 전원장치는 제한저항(2)에 직렬로 접속된 복수의 발광다이오드(2)와, 상기 발광다이오드(2)와 격리되어서 서로 마주보도록 직렬로 접속된 복수의 태양전지(4)를 설치하여, 상용전원(10)의 공급에 의해 발광다이오드(2)에서 광을 발생시켜서, 이 광을 태양전지(4)에서 수광하여 다시 직류전압으로 변환함으로써 직류전원으로 전자회로 등에 공급하도록 하고 있다.
상기 특허문헌 1의 전원회로를 고전압 펄스 전원회로에 이용하면 앞에서 설명한 복수의 스위칭모듈 간의 전위차의 문제를 해결하여 안정적인 제어 전원의 공급은 가능하나, 복수의 스위칭모듈의 동시 동작을 위해서는 각 모듈 간의 동기가 필요하고, 또, 제어신호도 별도로 공급할 필요가 있다.
일본국 특개평 5-111197호 공보
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 고전압 펄스 전원회로의 제어 전원으로 기본적으로는 특허문헌 1의 전원장치를 이용하면서, 동시에 제어신호의 공급이 가능하고, 또한, 복수의 스위칭모듈 간의 동기를 맞출 수 있는 고전압 펄스 전원회로를 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 고전압 펄스 전원회로는, 고전압 전원을 스위칭하여 고전압 펄스를 출력하는 고전압 펄스 전원장치로, 상기 고전압 펄스 전원장치는 복수의 스위칭모듈을 구비하며, 상기 복수의 스위칭모듈 각각은, 상기 고전압 전원을 스위칭하는 스위칭소자와, 상기 스위칭소자의 구동을 제어하는 제어회로와, 구동전력과 제어데이터 입력에 의해 광을 발생하는 발광다이오드와, 상기 발광다이오드가 발생하는 광을 전기에너지로 변환하여 상기 제어회로에 공급하는 태양전지와, 상기 발광다이오드가 발생하는 광에서 상기 제어데이터를 검출하여 상기 제어회로에 공급하는 포토 다이오드를 포함한다.
바람직하게는, 상기 복수의 스위칭모듈의 스위칭동작을 동기시키는 동기수단을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 동기수단은, 동기신호를 광신호로 변환하는 광 송신기와, 상기 광 송신기로부터 전송되는 광신호를 수신하여 전기신호로 변환하여 상기 제어회로에 공급하는 광 수신기로 이루어진다.
바람직하게는, 상기 포토 다이오드는 상기 태양전지보다 응답속도가 더 빠르다.
상기 구성에 의해 본 발명은 수 킬로볼트의 동작전압에서 동작하는 스위칭소자를 갖는 스위칭모듈을 복수 직렬로 접속하여 수십 내지 수백 킬로볼트의 고전압 전원을 스위칭함으로써 고전압 펄스를 발생할 수 있는 동시에, 스위칭모듈을 복수로 함에 따라서 각 스위칭모듈 간에 발생하는 전위차의 문제를 해소하여, 안정적이면서도 정확한 동작이 가능한 고전압 펄스 전원장치를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 전원장치의 구성을 나타내는 전기회로도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시형태의 고전압 펄스 전원장치의 구성을 나타내는 전기회로도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시형태의 고전압 펄스 전원장치의 구성을 나타내는 전기회로도이다.
도 2에서 보는 것과 같이 본 실시형태의 고전압 펄스 전원장치는 고전압 펄스를 출력하는 고전압 전원(110)과, 상기 고전압 전원(110)을 제어하는 복수의 스위칭모듈(120-1, …, 120-n)로 이루어진다.
복수의 스위칭모듈(120-1, …, 120-n)은 모두 동일한 구성으로 이루어지며, 그 동작도 동일하므로, 이하에서는 스위칭모듈(120-1)의 구성 및 동작을 중심으로 설명한다.
또, 스위칭모듈(120-1, …, 120-n)의 개수는 각 스위칭모듈을 구성하는 스위칭소자의 스위칭전압 및 고전압 전원(110)이 출력하는 펄스 출력의 전압 등에 의해 적절하게 결정할 수 있다.
복수의 스위칭모듈(120-1, …, 120-n)은 상기 고전압 전원(110)을 제어하여 고전압 펄스를 발생시키기 위한 것으로, 각각의 스위칭모듈(120-1, …, 120-n)은 각각 고전압 전원(110)을 스위칭하는 스위칭소자(127)와, 스위칭소자(127)의 동작을 제어하는 제어회로(126)와, 제어회로(126)의 동작에 필요한 전원을 공급하는 태양전지(124)를 구비하고 있고, 태양전지(124)는 발광다이오드(123)의 발광에 의해 발생하는 광을 전기 에너지로 변환함으로써 제어회로(126)의 동작에 필요한 전력을 공급한다.
또, 스위칭모듈(120-1, …, 120-n)은 포토 다이오드(125)를 더 구비하며, 이 포토 다이오드(125)는 광에 대한 응답속도가 태양전지(124)보다 더 빠른 소자를 이용한다. 포토 다이오드(125)는 후술하는 제어데이터 입력단(Data-In)으로부터 입력되는, 예를 들어 펄스 폭, 반복주파수, 동작모드 등의 제어변수에 대한 데이터를 수신하여 제어회로(126)에 제어데이터로서 공급한다.
또, 스위칭모듈(120-1, …, 120-n)은 복수의 스위칭모듈(120-1, …, 120-n)의 동기를 맞추기 위한 동기수단을 더 구비하며, 이에 대해서는 후술한다.
상기 태양전지(124)와 상기 포토 다이오드(125)는 광을 발생하는 발광다이오드(123)와 미리 정해진 거리만큼 떨어져서 마주보는 상태로 배치되어 있고, 이들 발광다이오드(123)와 태양전지(124) 및 포토 다이오드(125)는 차광성 절연재료로 이루어지는 케이스 등에 수납되며, 이에 의해 외부로부터의 광의 침입이 방지되게 되어 있다.
발광다이오드(123)는 LED 구동전력 입력단(LED-In)을 통해서 입력되는 구동전력과 제어데이터 입력단(Data-In)으로부터 입력되는 제어데이터에 따라서 OP앰프(121)가 발광다이오드(123)의 구동전류를 전류감지저항(R3)으로 인식하여 제어함으로써 LED 구동소자(122)가 온 또는 오프됨으로써 구동되어서 광을 발생하게 된다.
발광다이오드(123)가 발광하면 이 광은 태양전지(124)에 수광되며, 태양전지(124)는 발광다이오드(123)가 발광하는 광을 전기 에너지로 변환하는 작용을 하여 발광다이오드(123)의 광량에 따른 전압을 발생하고, 발생한 전력을 제어회로(126)의 동작용 전력으로서 공급하게 된다.
상기 발광다이오드(123)는 발광다이오드의 정격 등을 감안하여 복수 개의 발광다이오드를 직렬로 접속하여 사용할 수 있다.
또, 태양전지(124)도 제어회로(126)에서 필요로 하는 동작용 전원의 전압 및 개별 태양전지 소자의 출력전압을 감안하여 복수 개의 태양전지를 직렬로, 또는 직병렬로 접속하여 사용할 수 있다.
또, 포토 다이오드(125)는 광에 대한 응답속도가 태양전지(124)보다 더 빠른 소자가 이용되며, 포토 다이오드(125)는 상기 LED 구동전력 입력단(LED-In)을 통해서 입력되는 구동전력과 상기 제어데이터 입력단(Data-In)으로부터 입력되는 제어데이터 중에서 상기 제어데이터 입력단(Data-In)으로부터 입력되는 제어데이터에 의해 발광하는 태양전지(124)의 광을 분리하여 전기 신호로 변환함으로써 제어회로(126)에 제어데이터를 전송한다.
제어데이터 입력단(Data-In)으로부터 입력되는 제어데이터에 포함되는 제어변수로는 예를 들어 스위칭소자(127)의 스위칭 펄스 폭, 주파수, 동작 모드 등의 데이터이다.
또, 본 실시형태에서 복수의 스위칭모듈(120-1, …, 120-n)에 의해 고전압 전원(110)을 스위칭하기 위해서는 복수의 스위칭모듈(120-1, …, 120-n) 상호 간의 스위칭동작의 동기가 중요하며, 이를 위해 동기신호 입력단(Syn-In)으로부터 입력되는 동기신호는 광 송신기(128)에서 광신호로 변환되어서, 예를 들어 광파이버 등의 광 전송로를 통해서 복수의 스위칭모듈(120-1, …, 120-n) 각각으로 전송되고, 광 수신기(129)는 이 광신호를 수신해서 전기신호로 변환하여 제어회로(126)에 인가함으로써 각 스위칭모듈(120-1, …, 120-n) 상호 간의 스위칭동작의 동기를 맞춘다.
미설명부호 R1, R2는 제한저항이다.
이상의 구성에 의해 각각의 스위칭모듈(120-1, …, 120-n)의 제어회로(126)는 태양전지(124)로부터 동작에 필요한 전력을 공급받는 동시에, 포토 다이오드(125)로부터 제어데이터를 공급받아서, 제어데이터에 포함된 제어변수인 스위칭 펄스 폭, 주파수, 동작 모드 등의 데이터에 따라서 스위칭소자(127)를 동작시키고, 스위칭소자(127)가 고전압 전원(110)을 스위칭함으로써 고전압 펄스가 출력되게 된다.
이때, 고전압 전원(110)은 동기신호 입력단(Syn-In)에서 입력되는 동기신호에 의해 서로 동기를 맞춘 상태에서 스위칭동작이 이루어지므로, 직렬로 연결된 복수의 스위칭모듈(120-1, …, 120-n)에 의해서 정확한 고전압 펄스를 출력할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시형태에 의하면, 상기 구성에 의해 본 발명은 수 킬로볼트의 동작전압에서 동작하는 스위칭소자를 갖는 스위칭모듈을 복수 직렬로 접속하여 수십 내지 수백 킬로볼트의 고전압 전원을 스위칭함으로써 고전압의 펄스를 발생할 수 있는 동시에, 스위칭모듈을 복수로 함에 따라서 각 스위칭모듈 간에 발생하는 전위차의 문제를 해소하여, 안정적이면서도 정확한 동작이 가능한 고전압 펄스 전원장치를 제공할 수 있다.
110 고전압 전원
120-1, …, 120-n 스위칭모듈
123 발광다이오드
124 태양전지
125 포토 다이오드
126 제어회로
127 스위칭소자
128 광 송신기
129 광 수신기

Claims (4)

  1. 고전압 전원을 스위칭하여 고전압 펄스를 출력하는 고전압 펄스 전원장치로,
    상기 고전압 펄스 전원장치는 복수의 스위칭모듈을 구비하며,
    상기 복수의 스위칭모듈 각각은,
    상기 고전압 전원을 스위칭하는 스위칭소자와,
    상기 스위칭소자의 구동을 제어하는 제어회로와,
    구동전력과 제어데이터 입력에 의해 광을 발생하는 발광다이오드와,
    상기 발광다이오드가 발생하는 광을 전기에너지로 변환하여 상기 제어회로에 공급하는 태양전지와,
    상기 발광다이오드가 발생하는 광에서 상기 제어데이터를 검출하여 상기 제어회로에 공급하는 포토 다이오드를 포함하는 고전압 펄스 전원장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 스위칭모듈의 스위칭동작을 동기시키는 동기수단을 더 포함하는 고전압 펄스 전원장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 동기수단은,
    동기신호를 광신호로 변환하는 광 송신기와,
    상기 광 송신기로부터 전송되는 광신호를 수신하여 전기신호로 변환하여 상기 제어회로에 공급하는 광 수신기로 이루어지는 고전압 펄스 전원장치.
  4. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 포토 다이오드는 상기 태양전지보다 응답속도가 더 빠른 고전압 펄스 전원장치.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR900015460A (ko) * 1989-03-15 1990-10-27 미요시 도시오 반도체 릴레이 회로
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