KR101485342B1 - Power supply unit for magnetron including protection circuit - Google Patents

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최영욱
최재구
김관호
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한국전기연구원
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Abstract

The present invention relates to a magnetron power supply, and more particularly, to a magnetron power supply including a protective circuit for a temporary overvoltage or overcurrent when configuring the magnetron power supply by using a semiconductor switch device. The present invention discloses the magnetron power supply including the following: a unit power supply including two semiconductor switch devices, which are serially connected; a unit power module including a power condenser serially connected to the unit power switch; a power supply, in which one or more of the unit power modules are serially connected; a charging circuit to charge the power condenser; a pulse transformer coil to amplify a voltage of a power output signal of the power supply; and a protective diode connected in parallel with both ends of each semiconductor switch device and the power condenser, which is serially connected to each semiconductor switch device. According to the present invention, by configuring the magnetron power supply by using the semiconductor switch device and connecting the protective circuit to the semiconductor switch device, the magnetron power supply having a semi-permanent lifespan can be implemented because the semiconductor switch device can be prevented from damage or deterioration according to environment of usage.

Description

보호 회로를 포함하는 마그네트론 전원 공급 장치 {Power supply unit for magnetron including protection circuit}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a magnetron power supply including a protection circuit,

본 발명은 마그네트론 전원 공급 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 반도체 스위치 소자를 사용하여 마그네트론 전원 공급 장치를 구성함에 있어, 일시적인 과전압 내지 과전류에 대한 보호 회로를 포함하여 구성된 마그네트론 전원 공급 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a magnetron power supply device, and more particularly, to a magnetron power supply device including a protection circuit against transient overvoltage or overcurrent in the construction of a magnetron power supply device using a semiconductor switch device.

마그네트론(Magnetron)은 전기장과 자기장이 서로 수직으로 인가되는 교차장(crossed field)이 존재하는 진공 환경에서 발생된 전자빔의 전기 에너지를 고출력 전자기파 에너지로 변환하여 방사하는 고효율, 고출력의 전자기파 발생 장치이다. 마그네트론은 다양한 용도로 응용되고 있는데, 915MHz 대역의 마이크로파 해동/가열 시스템으로부터 2.45GHz의 마이크로파 오븐, 9.5GHz 대역의 선박용 레이더, 35GHz 대역의 기상 관측용 레이더, 95GHz 대역의 공항 관제용 레이더 등의 시스템에 적용되고 있고, 그 외에도 다양한 분야에서 사용되고 있다.Magnetron is a high-efficiency, high-power electromagnetic wave generator that converts electric energy of an electron beam generated in a vacuum environment in which a crossed field, in which an electric field and a magnetic field are vertically applied, into high-output electromagnetic wave energy. The magnetron is used for various purposes. It is used for various applications such as microwave oven of 2.45GHz, microwave oven of 9.5MHz band, marine radar of 9.5GHz band, weather radar of 35GHz band, and airborne radar of 95GHz band And is used in various fields.

이러한 마그네트론에 전력을 공급하기 위한 전원 공급 장치도 또한 그 용도에 따라 다양한데, 특히 고전압 대전류가 사용되는 마그네트론의 경우, 그 특성에 따라 통상 싸이러트론(Thyratron)을 스위치로 사용하여 전원 공급 장치를 구성하여 마그네트론을 구동시켜 왔다. 예를 들어, 근래 의료용 중입자 가속기 등 다양한 용도로 사용되고 있는 입자 가속기의 경우, 마그네트론의 양극 전압(anode volatage)은 약 30 ~ 50kV, 양극 전류(anode current)는 약 80 ~ 100A를 가지며, 주기적으로 약 4 ~ 5μs의 펄스폭(pulse width)을 가지는 펄스가 생성되는 규격의 전원 공급 장치가 구성되어 적용된다. 이에 따라서 여기에 적용되는 스위치도 고전압 및 대전류의 전원을 제어할 수 있는 특성을 가지는 싸이러트론(Thyratron)이 많이 사용되어 왔다. 도 1에서는 상기한 구조를 가지는 종래의 마그네트론 전원 공급 장치를 도시하고 있고, 도 2에서는 상기한 펄스를 포함하는 전원의 파형을 예시하고 있다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 펄스 형성 네트워크(Pulse Forming Network, PFN)와 연결된 싸이러트론(110)이 스위치로서 동작하면서 펄스 파형을 형성하게 된다. 그런데, 이러한 싸이러트론(110)은 양극과 음극 사이에 그리드를 하나 또는 둘 가진 열음극방전관(음극을 가열하여 열전자방출을 이용하는 방전관) 내지 그리드 제어 방전관으로서 관 속에 음극, 그리드, 양극의 전극이 있고 수소, 비활성기체, 수은증기 등의 가스가 봉입되어 있는 구조를 가지는 바, 사용 환경에 따라 달라질 수는 있으나, 일반적인 반도체 스위치 소자와 비교할 때 그 수명이 짧다는 문제가 있다. 이와 함께, 싸이러트론(110)은 높은 규격의 전기적 특성이 요구되는 바 그 단가가 상당히 높기 때문에, 짧은 수명에 따른 주기적인 교체 비용이 크게 상승하게 된다는 문제점이 있다.The power supply for supplying power to the magnetron also varies according to the application. In particular, in the case of a magnetron in which a high voltage and a large current are used, a power supply is usually constituted by using a thyratron as a switch, To drive the magnetron. For example, recently, in the case of a particle accelerator used for various purposes such as medical accelerator for medical use, the magnetron has an anode voltage of about 30 to 50 kV, an anode current of about 80 to 100 A, A power supply of a standard in which a pulse having a pulse width of 4 to 5 μs is generated is applied and configured. Accordingly, a thyratron, which has a characteristic to control a high voltage and a high current power source, has been widely used. FIG. 1 shows a conventional magnetron power supply apparatus having the above-described structure. FIG. 2 illustrates a waveform of a power source including the above-described pulse. As shown in FIG. 1, a cyclotron 110 connected to a pulse forming network (PFN) operates as a switch to form a pulse waveform. The cyclotron 110 has a cathode, a grid, and an anode in a tube as a hot cathode discharge tube (a discharge tube that uses a cathode to heat and emit thermoelectrons) or a grid control discharge tube having one or two grids between an anode and a cathode Hydrogen, inert gas, mercury vapor, or the like is enclosed. However, there is a problem that the lifetime is shorter than that of a general semiconductor switch element, although it may vary depending on the use environment. In addition, since a high standard electric characteristic is required for the cyclotron 110, the cyclotron 110 has a considerably high unit price, and therefore, there is a problem in that the cyclic replacement cost increases significantly with a short lifetime.

이에 대한, 개선책으로 반도체 스위치 소자를 사용하여 상기 싸이러트론(110)을 대체하는 전원 공급 장치를 구성하는 방안을 고려할 수 있다. 도 3에서는 복수개의 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 사용하여 전원 공급 장치를 구성한 예를 도시하고 있다. 그러나 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 등 반도체 스위치 소자를 포함하는 전원 공급 장치를 사용하는 경우, 전원 공급 장치에 연결되는 마그네트론 등 부하나 외부 회로의 특성에 따라 시정수(time constant)가 달라지거나, 경우에 따라서는 전압 또는 전류 파형에 오버슈트(overshoot)가 발생하게 되어, 상기 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 정격 전압 내지 전류의 범위를 순간적으로 넘어서면서 상기 소자를 파손시키거나, 또는 소자 내부에 손상이 축적되면서 상기 반도체 스위치 소자를 열화시키는 문제점을 일으킬 수 있다.As a solution to this problem, it is possible to consider a method of constructing a power supply for replacing the above-mentioned cyclotron 110 by using a semiconductor switch element. FIG. 3 shows an example in which a plurality of insulated gate bipolar transistors are used to configure a power supply. However, when a power supply device including a semiconductor switch device such as an insulated gate bipolar transistor is used, the time constant varies depending on the characteristics of the external circuit such as a magnetron connected to the power supply device, Overshoot occurs in the voltage or current waveform, and the element breaks down instantaneously beyond the rated voltage or current range of the insulated gate bipolar transistor, or damage is accumulated inside the element, It may cause a problem of deteriorating the device.

따라서, 마그네트론 전원 공급 장치의 수명을 제한할 수 있는 싸이러트론 등의 부품을 반도체 스위치 소자로 대체하여 전원 공급 장치를 구성함과 동시에, 사용 환경에 따른 상기 반도체 스위치 소자의 파손과 열화를 방지할 수 있는 보호 회로를 포함하는 것이 필요하나, 아직까지 이를 만족시킬 수 있는 적절한 마그네트론 전원 공급 장치가 제시되지 못하고 있다.Therefore, it is possible to replace the semiconductor switch element with a component such as a syratron which can limit the lifetime of the magnetron power supply device to constitute a power supply device, and to prevent breakage and deterioration of the semiconductor switch element according to the use environment However, a suitable magnetron power supply device that can satisfy such a demand has not been proposed yet.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 마그네트론 전원 장치에서 사용되는 싸이러트론 스위치의 단수명에 의한 높은 유지 관리 비용 문제를 해결할 수 있도록 반도체 스위치 소자를 사용하여 전원 공급 장치를 구성하면서도, 사용 환경에 따른 상기 반도체 스위치 소자의 파손 또는 열화를 방지할 수 있는 보호 회로를 포함하는 마그네트론 전원 공급 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the problems of the prior art as described above, and it is an object of the present invention to provide a semiconductor switch device, which is capable of solving the problem of high maintenance cost due to short life of a silatron switch used in a magnetron power supply, And it is an object of the present invention to provide a magnetron power supply device including a protection circuit that can prevent breakage or deterioration of the semiconductor switch element according to the use environment while constituting the device.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 마그네트론 전원 공급 장치는 직렬 연결되는 두 개의 반도체 스위치 소자를 포함하여 구성되는 단위 전원 스위치; 상기 단위 전원 스위치와 직렬 연결되는 전원 콘덴서를 포함하여 구성되는 단위 전원 모듈; 하나 이상의 상기 단위 전원 모듈이 직렬로 연결되어 구성되는 전원부; 상기 전원 콘덴서를 충전하는 충전 회로; 상기 전원부의 전원 출력 신호를 승압시키는 펄스 트랜스포머 코일; 및 상기 각 반도체 스위치 소자 및 그에 직렬 연결되는 전원 콘덴서의 양쪽 끝단에 병렬 연결되는 보호 다이오드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a magnetron power supply including: a unit power switch including two semiconductor switch elements connected in series; A unit power supply module including a power capacitor connected in series with the unit power switch; A power unit having at least one unit power module connected in series; A charging circuit for charging the power capacitor; A pulse transformer coil for boosting a power output signal of the power supply unit; And a protection diode connected in parallel to both ends of the semiconductor switch element and the power supply capacitor connected in series to the semiconductor switch element.

여기서, 상기 반도체 스위치 소자로서 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 사용할 수 있다.Here, an insulated gate bipolar transistor may be used as the semiconductor switch element.

또한, 상기 보호 다이오드를 2개 이상 병렬 연결하여 사용할 수 있다.In addition, two or more protection diodes may be connected in parallel.

또한, 상기 펄스 트랜스포머 코일의 2차측 단자에 직렬 연결되는 보호 저항을 더 포함할 수 있다.The protection circuit may further include a protection resistor connected in series to a secondary terminal of the pulse transformer coil.

또한, 상기 보호 저항은 5 ~ 20 Ohm의 저항값을 가질 수 있다.In addition, the protection resistor may have a resistance value of 5 to 20 Ohm.

또한, 상기 충전 회로와 전원 스위치의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.The controller may further include a controller for controlling operations of the charging circuit and the power switch.

또한, 상기 전원부의 전원 출력 신호의 왜곡(Distortion)을 보상하여 주는 전원 보정 회로를 더 포함할 수 있다.The apparatus may further include a power correction circuit that compensates for a distortion of the power output signal of the power unit.

또한, 상기 전원 보정 회로는 병렬로 연결된 콘덴서와 인덕터를 포함하여 구성되는 것일 수 있다.The power correction circuit may include a capacitor and an inductor connected in parallel.

본 발명의 다른 측면에 따른 마그네트론은 앞서 기재된 마그네트론 전원 공급 장치를 포함하여 구성되는 마그네트론 전원부; 및 상기 마그네트론 전원부로부터 전원을 공급받아 마이크로웨이브를 발생시키는 마이크로웨이브 발진부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a magnetron comprising: a magnetron power supply unit including the magnetron power supply unit; And a microwave oscillation unit for generating microwaves by receiving power from the magnetron power supply unit.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 입자 가속기는 앞서 기재된 마이크로웨이브를 발생시키는 마그네트론; 입자를 발생시키는 입자 생성부; 및 상기 마이크로웨이브를 이용하여 상기 입자를 가속시키는 입자 가속부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a particle accelerator comprising: a magnetron generating a microwave as described above; A particle generating unit for generating particles; And a particle accelerator for accelerating the particle using the microwave.

본 발명에 따르면, 반도체 스위치 소자를 사용하고 여기에 보호 회로를 연결하여 전원 공급 장치를 구성함으로써, 사용 환경에 따른 상기 반도체 스위치 소자의 파손 또는 열화를 방지할 수 있어 반영구적 수명을 가지는 마그네트론 전원 공급 장치를 구현하는 효과를 갖는다.According to the present invention, since the semiconductor switch element is used and the protection circuit is connected thereto to constitute the power supply, it is possible to prevent breakage or deterioration of the semiconductor switch element according to the use environment, and thus the magnetron power supply . ≪ / RTI >

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 싸이러트론을 이용한 마그네트론 전원 공급 장치의 회로도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 싸이러트론을 이용한 마그네트론 전원 공급 장치의 파형 그래프이다.
도 3은 종래 기술에 따른 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)를 이용한 마그네트론 전원 공급 장치의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)와 보호 회로를 이용한 마그네트론 전원 공급 장치의 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 보호 회로에 의한 전압 출력 파형 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 보호 회로에 의한 전류 출력 파형 그래프이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are included to provide a further understanding of the invention and are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.
FIG. 1 is a circuit diagram of a magnetron power supply apparatus using a conventional silatron.
2 is a waveform graph of a magnetron power supply apparatus using a quiltingron according to the prior art.
3 is a circuit diagram of a magnetron power supply device using an insulated gate bipolar transistor (IGBT) according to the prior art.
4 is a circuit diagram of a magnetron power supply device using an insulation gate bipolar transistor (IGBT) and a protection circuit according to an embodiment of the present invention.
5 is a voltage output waveform graph of a protection circuit according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph of current output waveforms by a protection circuit according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms, and the terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another Is used.

본 발명은, 종래 기술에 따라 싸이러트론(Thyratron)을 사용하여 마그네트론 전원 장치를 구성할 경우, 싸이러트론의 단수명 및 높은 단가로 인하여 주기적인 교체 비용이 커지게 되어 마그네트론의 유지 관리 비용이 크게 증가하게 되고, 또한 상기 싸이러트론 대신 반도체 스위치 소자를 사용하여 상기 전원 장치를 구성하는 경우 사용 환경에 따른 상기 반도체 스위치 소자의 파손 또는 열화가 발생할 수 있다는 문제점에 착안하여, 상기 싸이러트론을 사용한 마그네트론 전원 공급 장치의 수명을 개선하기 위하여 반도체 스위치 소자를 사용하고 여기에 보호 회로를 연결하여 상기 마그네트론 전원 공급 장치를 구성함으로써, 사용 환경에 따른 상기 반도체 스위치 소자의 파손 또는 열화를 방지할 수 있어 반영구적 수명을 가지는 마그네트론 전원 공급 장치를 개시하는 것을 특징으로 한다.According to the present invention, when a magnetron power supply apparatus is constructed using a Thyratron according to the prior art, the replacement cost of the magnetron is increased due to a short lifetime and a high unit price of the thyratron, When the power supply device is constituted by using a semiconductor switch device instead of the above-mentioned thyratron, damage or deterioration of the semiconductor switch device depending on the use environment may occur. Thus, In order to improve the service life of the used magnetron power supply device, a semiconductor switch device is used and a protection circuit is connected to the magnetron power supply device to prevent breakage or deterioration of the semiconductor switch device depending on the use environment Magnetron power supply with semi-permanent life Characterized in that the start value.

도 4에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)와 보호 회로를 이용한 마그네트론 전원 공급 장치(400)의 회로도를 도시하고 있다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르는 마그네트론 전원 공급 장치(400)는 직렬 연결되는 두 개의 반도체 스위치 소자를 포함하여 구성되는 단위 전원 스위치(314), 상기 단위 전원 스위치(314)와 직렬 연결되는 전원 콘덴서(312)를 포함하여 구성되는 단위 전원 모듈(310), 하나 이상의 상기 단위 전원 모듈(310)이 직렬로 연결되어 구성되는 전원부, 상기 전원 콘덴서(312)를 충전하는 충전 회로(320), 상기 전원부의 전원 출력 신호를 승압시키는 펄스 트랜스포머(transformer) 코일(340) 및 상기 각 반도체 스위치 소자 및 그에 직렬 연결되는 전원 콘덴서(312)의 양쪽 끝단에 병렬 연결되는 보호 다이오드(420)를 포함하여 구성될 수 있다.FIG. 4 shows a circuit diagram of a magnetron power supply 400 using an insulation gate bipolar transistor (IGBT) and a protection circuit according to an embodiment of the present invention. 4, the magnetron power supply 400 according to the embodiment of the present invention includes a unit power switch 314 including two semiconductor switch elements connected in series, the unit power switch A unit power supply module 310 including a power supply capacitor 312 connected in series with the power supply unit 314, a power supply unit including at least one unit power supply module 310 connected in series, A charging circuit 320, a pulse transformer coil 340 for boosting the power output signal of the power supply unit, and a protection diode (not shown) connected in parallel at both ends of each semiconductor switch element and the power supply capacitor 312 connected thereto in series 420).

보다 구체적으로 살핀다면, 앞서 살핀 바와 같이 마그네트론 전원 공급 장치의 출력 전압은 통상 상당히 높은 값(예를 들어, 선형 가속기 등에 사용되는 경우 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이 약 40kV 내외)을 가지며, 이와 같은 높은 전압을 반도체 스위치 소자로 스위칭하기 위해서 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이 복수개의 반도체 스위치 소자를 직렬로 연결하여 사용하게 된다. 또한, 상기와 같이 높은 전압을 출력하기 위하여 복수개의 전원 콘덴서(312)에 충전 회로(320)를 연결하여 각 전원 콘덴서(312)를 충전하여 준 후, 동기화된 제어 신호를 통하여 상기 반도체 스위치 소자를 도통시켜줌으로써 도 2와 같은 출력을 얻을 수 있게 된다.More specifically, as discussed above, the output voltage of the magnetron power supply typically has a fairly high value (e.g., about 40 kV, as seen in FIG. 2 when used in a linear accelerator, etc.) In order to switch a high voltage to a semiconductor switch element, a plurality of semiconductor switch elements are connected in series as shown in FIG. In order to output the high voltage as described above, the charging circuit 320 is connected to the plurality of power capacitors 312 to charge the respective power capacitors 312, The output as shown in FIG. 2 can be obtained.

이와 같이, 상기 충전 회로(320)가 상기 전원 콘덴서(312)를 충전시켜 소정의 전압 레벨까지 상승시키게 되고, 이러한 일련의 단위 전원 모듈(310)이 직렬로 연결되어 구성되는 전원부의 출력은 각 단위 전원 모듈(310)의 전압 레벨의 합에 근접하게 된다. 예를 들어 도 4의 경우를 살펴보면, 각 단위 전원 모듈(310)의 전원 콘덴서(312)에는 600V의 전압이 걸려 있는 상태이므로, 상기 단위 전원 모듈(310)이 12개 직렬로 연결되어 구성된 전원부의 출력 전압은 7.2kV에 근접하게 된다. 이어서, 상기 단위 전원 스위치(314)를 단속하면서 펄스 파형을 형성하게 된다. 덧붙여, 상기 충전 회로(320)는 하나의 회로로서 구성될 수도 있으나, 각 단위 전원 모듈(310) 별로 독립적으로 구성되는 충전 모듈이 집합을 이루어 전체 충전 회로(320)를 구성할 수도 있다.In this way, the charging circuit 320 charges the power supply capacitor 312 to a predetermined voltage level. The output of the power supply unit, which is formed by connecting the series of unit power supply modules 310 in series, The voltage level of the power module 310 becomes close to the sum of the voltage levels of the power module 310. For example, in the case of FIG. 4, since a voltage of 600 V is applied to the power capacitor 312 of each unit power supply module 310, the power supply unit 312, which is formed by connecting the unit power supply modules 310 in series, The output voltage is close to 7.2 kV. Then, a pulse waveform is formed while interrupting the unit power switch 314. In addition, the charging circuit 320 may be configured as a single circuit, but the charging modules formed independently for each unit power source module 310 may be a set of the entire charging circuits 320.

이때, 상기 전원 스위치(314)는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) 등 반도체 스위치 소자를 사용하여 구성될 수 있다. 종래 많이 사용되었던 싸이러트론(110)의 수명이 길지 못한데 반하여, 고체 소자로 형성되는 반도체 스위치 소자를 사용하여 상기 단위 전원 스위치(314)를 구성할 경우, 그 수명을 크게 늘릴 수 있게 된다. 이에 따라, 높은 단가의 싸이러트론(110)의 교체에 따른 높은 유지 관리 비용을 상당 부분 절감할 수 있게 된다.At this time, the power switch 314 may be formed using a semiconductor switch device such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT). The lifetime of the conventional unit switch 314 can be significantly increased when the unit switch 314 is formed using a semiconductor switch device formed of a solid device. Accordingly, a high maintenance cost due to the replacement of the high cost unit of the cyclotron 110 can be considerably reduced.

이와 함께, 본 발명의 일 실시예에 따르는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터와 보호 회로를 이용한 마그네트론 전원 공급 장치(400)는 전원 출력 신호를 승압시켜주는 펄스 트랜스포머(transformer) 코일(340)을 포함하여 구성된다. 앞서 살핀 바와 같이, 도 4의 실시예에서 12개의 단위 전원 모듈(310)로 구성되는 전원부는 약 7.2kV의 펄스 파형을 가지게 되므로, 1:6 비율의 펄스 트랜스포머 코일(350)을 거치게 되면서 승압이 되어 약 43kV의 펄스 파형을 형성하게 된다.In addition, the magnetron power supply 400 using the insulated gate bipolar transistor and the protection circuit according to an embodiment of the present invention includes a pulse transformer coil 340 for boosting a power output signal. 4, the power supply unit formed of twelve unit power supply modules 310 has a pulse waveform of about 7.2 kV. Therefore, when a pulse transformer coil 350 having a ratio of 1: 6 is used, So that a pulse waveform of about 43 kV is formed.

그런데, 앞서 살핀 바와 같이, 마그네트론의 특성 내지 사용 환경에 따라서는 단위 전원 스위치(314)를 단속하여 마그네트론 등의 부하에 전원을 공급하거나 공급되는 전원을 끊는 경우, 순간적으로 전압 또는 전류 파형에 오버슈트(overshoot)가 나타날 수 있다. 도 5와 도 6은 도 4의 B지점에서의 출력 전압 및 전류 파형 그래프이며, 도 5(a)에서는 전압 파형에 대하여, 도 6(a)에서는 전류 파형에 대하여 오버슈트가 나타나는 경우의 예를 보여주고 있다.However, as described above, depending on the characteristics of the magnetron or the usage environment, when the unit power switch 314 is interrupted and power is supplied to a load such as a magnetron or the supplied power is turned off, overshoot may occur. Figs. 5 and 6 are graphs of output voltage and current waveform at point B in Fig. 4, and Fig. 6 (a) shows an example in which an overshoot occurs with respect to the current waveform, .

이와 같이 전압 또는 전류 파형에 오버슈트가 나타날 경우, 그 오버슈트의 정도에 따라서는 각 반도체 스위치 소자의 정격 전압 또는 정격 전류를 넘어설 수 있어, 각 반도체 스위치 소자를 파손시키거나, 소자의 내부 구조에 손상을 가하면서 그 성능을 열화시킬 수 있게 된다.If an overshoot occurs in the voltage or current waveform, the rated voltage or the rated current of each semiconductor switch element may exceed the degree of the overshoot, thereby damaging each semiconductor switch element, It is possible to deteriorate its performance while damaging it.

따라서, 본 발명에서는 이를 방지하기 위한 보호 회로를 부가하도록 하였다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 단위 전원 스위치(314)를 직렬 연결되는 두 개의 반도체 스위치 소자를 포함하여 구성한 후, 상기 각 반도체 스위치 소자 및 그에 직렬 연결되는 전원 콘덴서(312)의 양쪽 끝단에 병렬 연결되는 보호 다이오드(420)를 추가하여 줌으로써 도 5(a)에서 볼 수 있는 출력 전압의 오버슈트를 클램핑(clamping)하여 도 5(b)와 같이 안정적인 전압 출력 파형을 유지하도록 할 수 있다. 이때, 사용 환경 및 보호 다이오드(420)의 특성에 따라서는 상기 보호 다이오드(420)를 2개 이상 병렬 연결하여 사용하는 것도 가능하다.Therefore, in the present invention, a protection circuit for preventing this is added. As shown in FIG. 4, after the unit power switch 314 includes two semiconductor switch elements connected in series, the semiconductor switch elements and the power capacitor 312 connected in series are connected in parallel 5 (b) by clamping an overshoot of the output voltage as shown in FIG. 5 (a) by adding a protective diode 420 connected thereto. At this time, depending on the use environment and the characteristics of the protection diode 420, it is possible to use two or more protection diodes 420 connected in parallel.

더 나아가, 도 4에서와 같이 상기 펄스 트랜스포머 코일(340)의 2차측 단자에 연결되는 보호 저항(430)을 더 포함함으로써, 도 6(a)에서 볼 수 있는 전류 파형의 오버슈트를 도 6(b)와 같이 감쇄시켜 상기 반도체 스위치 소자를 보호하는 것도 가능하다. 여기서, 상기 보호 저항(430)은 그 사용 환경에 따라 5 내지 20 Ohm의 범위 내에서 선택하여 사용할 수 있다.6, the overshoot of the current waveform shown in FIG. 6 (a) is further reduced by the protection resistor 430 connected to the secondary terminal of the pulse transformer coil 340 as shown in FIG. 6 it is also possible to protect the semiconductor switch element by attenuating it as shown in Fig. Here, the protection resistor 430 may be selected within a range of 5 to 20 Ohm according to the use environment.

또한, 상기 본 발명의 일 실시예에 따르는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터와 보호 회로를 이용한 마그네트론 전원 공급 장치(400)는 충전 회로(320)와 단위 전원 스위치(314)의 동작을 제어하는 제어부(330)를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부(330)는 마그네트론에 필요한 전압 및 펄스 파형을 고려하여 각 단위 전원 모듈(310)의 전원 콘덴서(312)에 충전되는 전압 레벨을 결정하여 충전하고, 필요한 펄스의 폭 등 파형을 고려하여 상기 단위 전원 스위치(314)와 충전 회로(320)가 적절하게 동작할 수 있도록 제어하는 역할을 수행하게 된다.In addition, the magnetron power supply 400 using the insulated gate bipolar transistor and the protection circuit according to an embodiment of the present invention includes a controller 330 for controlling the operation of the charging circuit 320 and the unit power switch 314 . The control unit 330 determines and charges the voltage level charged in the power supply capacitor 312 of each unit power module 310 considering the voltage and pulse waveform required for the magnetron, And controls the unit power switch 314 and the charging circuit 320 to operate properly.

또한, 상기 본 발명의 일 실시예에 따르는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)와 보호 회로를 이용한 마그네트론 전원 공급 장치(400)는 상기 전원부의 전원 출력 신호의 왜곡(Distortion)을 보상하여 주는 전원 보정 회로를 더 포함할 수도 있다. 상기 전원 보정 회로는 병렬로 연결된 콘덴서와 인덕터를 포함하여 구성될 수 있으며, 도 4의 A지점에 삽입되어 상기 전원부의 출력 파형이 정확한 펄스 파형을 유지할 수 있도록 보상해 주는 역할을 수행한다.In addition, the magnetron power supply device 400 using the insulated gate bipolar transistor (IGBT) and the protection circuit according to an embodiment of the present invention includes a power correction circuit that compensates for distortion of a power output signal of the power supply unit . The power correction circuit may include a capacitor and an inductor connected in parallel. The power correction circuit may be inserted at point A in FIG. 4 to compensate the output waveform of the power supply unit to maintain a correct pulse waveform.

더 나아가, 앞서 기술한 본 발명의 일 실시예에 따르는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터와 보호 회로를 이용한 마그네트론 전원 공급 장치(400)는 이를 포함하여 구성되는 마그네트론 전원부를 구성할 수 있고, 이와 함께 상기 마그네트론 전원부로부터 전원을 공급받아 마이크로웨이브를 발생시키는 마이크로웨이브 발진부를 포함하여 마그네트론을 구성하는 것도 당연히 가능하다.Further, the magnetron power supply device 400 using the insulated gate bipolar transistor and the protection circuit according to an embodiment of the present invention described above can constitute a magnetron power supply unit including the same, and the magnetron power supply unit It is also possible to construct a magnetron by including a microwave oscillation unit which generates microwaves by receiving power.

또한, 이렇게 구성된 마그네트론은 입자를 발생시키는 입자 발생부 및 상기 마그네트론에서 발생되는 마이크로웨이브를 이용하여 상기 입자를 가속시키는 입자 가속부를 포함하여 구성되는 입자 가속기를 이용하여 의료 목적의 중입자 가속기 등 다양한 입자 가속기를 구성할 수 있다.In addition, the magnetron constructed as described above includes a particle accelerator having a particle generating part for generating particles and a particle accelerating part for accelerating the particle using a microwave generated from the magnetron, and various particle accelerators .

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention but to illustrate the present invention. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.

110 : 싸이러트론
310 : 단위 전원 모듈
312 : 전원 콘덴서
314 : 단위 전원 스위치
320 : 충전 회로
330 : 제어부
340 : 펄스 트랜스포머 코일
400 : 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터와 보호 회로를 이용한 마그네트론 전원 공급 장치
410 : 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터
420 : 보호 다이오드
430 : 보호 저항110:
310: Unit power module
312: Power capacitor
314: Unit power switch
320: Charging circuit
330:
340: Pulse transformer coil
400: Magnetron power supply with insulation gate bipolar transistor and protection circuit
410: Insulated gate bipolar transistor
420: Protection diode
430: Protection resistor

Claims (10)

직렬 연결되는 두 개의 반도체 스위치 소자를 포함하여 구성되는 단위 전원 스위치;
상기 단위 전원 스위치와 직렬 연결되는 전원 콘덴서를 포함하여 구성되는 단위 전원 모듈;
하나 이상의 상기 단위 전원 모듈이 직렬로 연결되어 구성되는 전원부;
상기 전원 콘덴서를 충전하는 충전 회로;
상기 전원부의 전원 출력 신호를 승압시키는 펄스 트랜스포머 코일; 및
상기 각 반도체 스위치 소자 및 그에 직렬 연결되는 전원 콘덴서의 양쪽 끝단에 병렬 연결되는 보호 다이오드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마그네트론 전원 공급 장치.A unit power switch including two semiconductor switch elements connected in series;
A unit power supply module including a power capacitor connected in series with the unit power switch;
A power unit having at least one unit power module connected in series;
A charging circuit for charging the power capacitor;
A pulse transformer coil for boosting a power output signal of the power supply unit; And
And a protective diode connected in parallel to both ends of each semiconductor switch element and a power capacitor connected in series to the semiconductor switch element. 제1항에 있어서,
상기 반도체 스위치 소자로서 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 사용하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 전원 공급 장치.The method according to claim 1,
Wherein an insulated gate bipolar transistor is used as the semiconductor switch element. 제1항에 있어서,
상기 보호 다이오드를 2개 이상 병렬 연결하여 사용하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 전원 공급 장치.The method according to claim 1,
Wherein at least two protection diodes are connected in parallel. 제1항에 있어서,
상기 펄스 트랜스포머 코일의 2차측 단자에 직렬 연결되는 보호 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 전원 공급 장치.The method according to claim 1,
And a protection resistor connected in series to a secondary terminal of the pulse transformer coil. 제4항에 있어서,
상기 보호 저항은 5 ~ 20 Ohm의 저항값을 가지는 것을 특징으로 하는 마그네트론 전원 공급 장치.5. The method of claim 4,
Wherein the protection resistor has a resistance value of 5 to 20 Ohm. 제1항에 있어서,
상기 충전 회로와 전원 스위치의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 전원 공급 장치.The method according to claim 1,
And a control unit for controlling operations of the charging circuit and the power switch. 제1항에 있어서,
상기 전원부의 전원 출력 신호의 왜곡(Distortion)을 보상하여 주는 전원 보정 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 전원 공급 장치.The method according to claim 1,
Further comprising a power correction circuit for compensating for a distortion of a power output signal of the power unit. 제7항에 있어서,
상기 전원 보정 회로는 병렬로 연결된 콘덴서와 인덕터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마그네트론 전원 공급 장치.8. The method of claim 7,
Wherein the power correction circuit comprises a capacitor and an inductor connected in parallel. 제1항에 기재된 마그네트론 전원 공급 장치를 포함하여 구성되는 마그네트론 전원부; 및
상기 마그네트론 전원부로부터 전원을 공급받아 마이크로웨이브를 발생시키는 마이크로웨이브 발진부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마그네트론.A magnetron power supply unit including the magnetron power supply unit according to claim 1; And
And a microwave oscillation unit for generating a microwave by receiving power from the magnetron power supply unit. 제9항에 기재된 마이크로웨이브를 발생시키는 마그네트론;
입자를 발생시키는 입자 생성부; 및
상기 마이크로웨이브를 이용하여 상기 입자를 가속시키는 입자 가속부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 입자 가속기.A magnetron for generating the microwave according to claim 9;
A particle generating unit for generating particles; And
And a particle accelerator for accelerating the particle using the microwave.
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