KR101633763B1 - 진행파관을 위한 고전압전원 공급기 및 그의 출력 고전압 안정화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진행파관이 급격한 부하변동을 하여 캐소드 전압이 저하 또는 상승하더라도 캐소드 전압을 빠르게 보상하여 캐소드 전압 변동을 최소화할 수 있는 고전압전원 공급기(스위칭 모드 고전압전원 공급기) 및 그의 출력 고전압 안정화 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 진행파관에 전압을 공급하는 고전압전원 공급기는, 고전압 생성을 위한 PWM(pulse width modulation) 펄스를 발생시키는 PWM제어기; 상기 발생된 펄스를 이용하여 절연된 스위칭 펄스를 전달하는 펄스변압기; 상기 스위칭 펄스를 증폭 및 변환하는 펄스증폭기; 상기 증폭된 펄스를 고전압 펄스로 승압하는 고전압변압기; 상기 고전압 펄스를 정류하는 고전압정류부; 상기 정류된 고전압을 직류 캐소드 전압으로 평활하는 고전압평활부; 상기 평활된 캐소드 전압을 제어하여 안정화하는 고전압안정화부; 및 상기 고전압안정화부의 제어전압에 따라 상기 PWM제어기의 펄스폭을 가변하기 위한 전압을 생성하는 오차증폭기를 포함할 수 있.

Description

진행파관을 위한 고전압전원 공급기 및 그의 출력 고전압 안정화 방법{HIGH VOLTAGE POWER SUPPLY FOR TRAVELING WAVE TUBE AND STABILIZATION METHOD OF OUTPUT HIGH VOLTAGE THEREOF}

본 발명은 진행파관 및 이를 위한 스위칭 모드 고전압전원 공급기에 관한 것으로 보다 상세하게는 캐소드 전압을 안정시킬 수 있는 진행파관을 위한 스위칭 모드 고전압전원 공급기의 출력 고전압을 안정화하는 방법에 관한 것이다.

종래 기술에 따른 진행파관은 미세한 고주파 신호를 약 100만배 증폭시켜 고출력으로 송신하는 부품이다. 진행파관은 수kV 또는 수십kV에 달하는 고전압이 인가되어야 하므로, 별도의 고전압전원 공급기를 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 용한 상태로 여기되고, 여기된 전자는 캐소드(2)로부터 분리되어 그리드(3)에 의해 제어를 받으면서 전자빔을 형성하게 된다. 이와 같이 형성된 전자빔은 헬릭스(4)를 통과하여 콜렉터(5)로 수집된다. 이때, 헬릭스(4)의 입력단에 고주파(RF) 신호가 입력되어 약 100만배 정도 증폭된 후 출력단을 통해 출력된다. 진행파관을 위한 고전압전원 공급기는 진행파관에 전원을 공급하는데, 안정된 캐소드 전압을 공급하지 않으면, 진행파관 RF 성능이 불안정한 문제가 있다. 안정된 캐소드 전압을 생성하기 위해 고전압 평활 캐패시터 용량을 증가하게 되면 고전압전원 공급기 크기/무게 증가 및 아킹 에너지 증가에 따른 진행파관 손상의 요인이 된다.

한국특허 출원번호 제10-2005-0004699호

본 발명은 진행파관이 급격한 부하변동을 하여 캐소드 전압이 저하 또는 상승하더라도 캐소드 전압을 빠르게 보상하여 캐소드 전압 변동을 최소화할 수 있는 고전압전원 공급기(스위칭 모드 고전압전원 공급기) 및 그의 출력 고전압 안정화 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 본 발명의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 진행파관에 전압을 공급하는 고전압전원 공급기는, 고전압 생성을 위한 PWM(pulse width modulation) 펄스를 발생시키는 PWM제어기; 상기 발생된 펄스를 이용하여 절연된 스위칭 펄스를 전달하는 펄스변압기; 상기 스위칭 펄스를 증폭 및 변환하는 펄스증폭기; 상기 증폭된 펄스를 고전압 펄스로 승압하는 고전압변압기; 상기 고전압 펄스를 정류하는 고전압정류부; 상기 정류된 고전압을 직류 캐소드 전압으로 평활하는 고전압평활부; 상기 평활된 캐소드 전압을 제어하여 안정화하는 고전압안정화부; 및 상기 고전압안정화부의 제어전압에 따라 상기 PWM제어기의 펄스폭을 가변하기 위한 전압을 생성하는 오차증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 PWM제어기는 상기 제어전압에 따라서 펄스폭이 가변된 펄스를 발생시키는 것이 바람직하다. 이때 상기 제어전압은 상기 캐소드 전압에 상응하는 제어된 전압이며, 상기 PWM제어기는 상기 제어전압이 클수록 상기 펄스폭을 줄이고 상기 제어전압이 작을수록 상기 펄스폭을 늘리는 것이 바람직하다.

또한, 상기 고전압 안정화 회로는 상기 캐소드 전압을 검출하기 위한 저항; 및 상기 캐소드 전압에 상응하는 전압을 증폭하여 상기 제어전압을 제공하는 FET를 포함할 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 고전압전원공급기가 진행파관에 공급될 캐소드 전압을 안정화하는 방법은, (a) 고전압 생성을 위한 펄스를 발생시키는 단계; (b) 상기 발생된 펄스를 이용하여 스위칭 펄스를 생성하는 단계; (c) 상기 스위칭 펄스를 증폭하는 단계; (d) 상기 증폭된 펄스를 승압하는 단계; (e) 상기 승압된 고전압을 정류하는 단계; (f) 상기 정류된 고전압을 직류 캐소드 전압으로 평활하는 단계; (g) 상기 평활된 캐소드 전압에 따라서 제어전압을 생성하여 안정된 캐소드 전압을 제어하는 단계; 및 (h) 상기 제어전압에 상응하는 전압을 반전 증폭하는 단계를 포함하고, 상기 (a) 단계는 상기 반전 증폭된 전압에 따라서 펄스폭이 가변된 펄스를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제어전압은 상기 캐소드 전압에 상응하는 전압을 증폭하여 상기 제어전압을 제공하는 FET 로 생성되며, 상기 캐소드 전압이 클수록 상기 제어전압을 올리고 상기 캐소드 전압이 작을수록 상기 제어전압을 내리는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에 따른 진행파관을 위한 고전압전원 공급기 및 그의 출력 고전압 안정화 방법은, 캐소드 전압에 따라서 고전압안정화부를 제어함으로써 캐소드 전압을 안정시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 진행파관의 개념도이다.
도 2는 기존의 고전압전원 공급기의 구성을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고전압전원 공급기의 구성을 나타낸다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위하여, 본 발명의 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 하지만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

도 2는 기존의 고전압전원공급기의 구성을 나타낸다.

도 2에 도시된 바와 같이, 고전압전원 공급기는 PWM(pulse width modulation) 제어기(10), 펄스변압기(20), 펄스증폭기(30), 고전압변압기(40), 고전압정류부(50), 고전압평활부(60), 오차증폭기(70) 등으로 이루어진다.

PWM제어기는(10)는 고전압 생성을 위한 PWM 펄스를 생성시키고, 펄스변압기(20)는 이 PWM 펄스를 이용하여 스위칭 펄스를 생성한다. 스위칭 펄스는 펄스증폭기(30)에 의해 전압 및 전류 증폭되고, 고전압변압기(50)에 의해 고전압 펄스로 승압된다. 그 승압된 고전압 펄스는 고전압 정류부(50)에 의해 정류되고 고전압 평활부(60)에 의해 평활되어 진행파관의 캐소드와 콜렉터에 인가된다.

한편, 진행판관의 캐소드에 인가되는 전압은 저항으로 이루어진 전압분배회로에 의해 캐소드 전압에 상응하는 낮은 전압으로 변환되고 오차증폭기(70)를 통해 PWM제어기(10) 입력에 맞는 레벨로 변환되어 PWM제어기(10)에 입력되며 레벨의 크기에 따라 펄스폭이 가변되는 펄스를 발생시킨다.

상기 기존의 고전압전원 공급기에 의하면, 진행파관에 소모되는 전류의 변화가 발생하여, 캐소드 전압이 불안정한 문제가 있다. 특히, 그리드 인가 시 캐소드 전압이 급격하게 저하되는 현상이 발생하게 되며, 이로 인해 진행파관 빔 전류의 저하 및 헬릭스 전류의 증가로 진행파관의 RF 성능이 저하되고, 진행파관의 수명에 좋지 않은 영향을 준다.

도 2를 참조하면, 고전압전원 공급기는 캐소드 전압에 따라 PMW제어기(10)에서 출력되는 펄스의 펄스폭을 가변하여 캐소드 전압을 일정하게 유지하게 된다. 진행파관은 그리드 인가시 급격히 소모전류가 증가하게 되는데, 이때 캐소드 전압은 저하되고 그 저하된 캐소드 전압을 상승시키기 위해 PWM제어기(10)의 펄스폭을 증가시키게 된다. 반대로 진행파관은 그리드 차단시 급격히 소모전류가 감소하게 되며 이때 캐소드 전압은 상승되고 그 상승된 캐소드 전압을 저하시키기 위해 PWM제어기(10)의 펄스폭을 감소시키게 된다.

상기된 바와 같이, 캐소드 전압에 따라 PWM제어기(10)의 펄스폭을 제어하는 방식은 일반적으로 캐소드 전압 저하 또는 상승에 따라 캐소드 전압을 보상하는 속도가 진행파관의 그리드 인가 및 차단과 같이 급격한 부하변동보다 느려 캐소드 전압이 저하 또는 상승하는 문제점이 발생한다.

본 발명에서는 상기된 문제점을 해결하기 위하여, 진행파관이 급격한 부하변동을 하여 캐소드 전압이 저하 또는 상승하더라도 캐소드 전압을 빠르게 보상하여 캐소드 전압 변동을 최소화한다. 여기서, 캐소드 전압 변동을 최소화하기 위해 별도의 고전압안정화부(80)를 구성한다. 본 발명에서는 PWM제어기(10)에서 캐소드 전압 보상이 이루어지기 전에 고전압안정화부(80)에서 캐소드 전압을 보상하도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압전원 공급기의 구성을 나타낸다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 고전압전원 공급기는 도 2에 도시된 고전압전원 공급기에 캐소드 전압을 빠르게 보상하기 위한 고전압안정화부(80)가 추가된다. 고전압안정화부(80)는 캐소드 전압을 일정하게 유지하기 위해 FET(field effect transistor)(82)의 드레인 전압을 제어한다. 즉, 고전압안정화부(80)는 캐소드 전압에 따라 FET 드레인 전압을 제어한다.

고전압안정화부(80)는 도시된 바와 같이, 캐소드 전압에 상응하는 낮은 전압으로 변환하기 위한 저항과 FET(82) 구동을 위한 증폭부로 이루어진다. 증폭부는 오피앰프(81)와 저항기(R3, R4)로 이루어진 비반전 증폭기로 이루어진다. 캐소드 전압은 저항기(R1, R2)에 인가되게 되고, 오피앰프(81)의 비반전단자에 캐소드 전압에 상응하는 전압이 입력된다. 이 전압은 비반전 증폭기에 의해 증폭된 후 FET(82)의 게이트로 인가되고 FET(82)의 드레인 전압을 제어하게 된다. 그 제어된 FET(82)의 드레인 전압에 따라 캐소드 전압은 일정하게 유지하게 된다.

도 2와 비교하여 도 3은 캐소드 전압 보상을 위해 펄스폭 제어가 되기 전에 고전압안정화부(80)를 통해 빠르게 캐소드 전압을 보상하여 캐소드 전압 변동이 획기적으로 개선된다.

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 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

1. 진행파관에 고전압을 공급하는 스위칭 모드 고전압전원 공급기에 있어서,
   캐소드 전압 생성을 위한 PWM 펄스를 생성시키는 PWM제어기;
   상기 발생된 펄스를 이용하여 스위칭 펄스를 생성하는 펄스변압기;
   상기 스위칭 펄스의 전압 및 전류를 증폭하는 펄스증폭기;
   상기 증폭된 펄스를 고전압 펄스로 승압하는 고전압변압기;
   상기 승압된 고전압 펄스를 정류하는 고전압평활부;
   상기 정류된 고전압 펄스를 캐소드 전압으로 평활하는 고전압평활부;
   상기 평활된 캐소드 전압을 안정화하기 위한 고전압안정화부; 및
   상기 고전압안정화부의 드레인 전압에 따라 상기 PWM 펄스의 펄스폭을 가변하기 위한 제어전압을 생성하는 오차증폭기를 포함하며,
   상기 고전압안정화부는, FET(field effect transistor)와, 상기 평활된 캐소드 전압에 상응하는 제1 전압을 출력하는 제1 저항기와, 상기 제1 전압을 증폭하는 증폭부를 포함하며, 상기 증폭된 전압을 상기 FET의 게이트에 인가하여 상기 FET의 드레인 전압을 제어함으로써 상기 캐소드 전압을 일정하게 유지하며, 상기 고전압안정화부의 드레인 전압은 상기 FET의 드레인 전압이며, 상기 FET의 드레인 전압은 상기 캐소드 전압에 상응하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 고전압전원공급기.
2. 제1항에 있어서, 상기 PWM제어기는 상기 제어전압에 따라 상기 펄스폭이 가변된 펄스를 발생시키는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 고전압전원공급기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제어전압은 상기 FET의 드레인 전압에 상응하는 전압이 변환된 전압이며, 상기 PWM제어기는 상기 제어전압이 클수록 상기 펄스폭을 줄이고 상기 제어전압이 작을수록 상기 펄스폭을 늘리는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 고전압전원공급기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 FET의 드레인 전압은 상기 캐소드 전압을 안정화하기 위해 제어된 전압이며, 상기 캐소드 전압이 클수록 상기 FET의 드레인 전압을 올리고 상기 캐소드 전압이 작을수록 상기 FET의 드레인 전압을 내리는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 고전압전원공급기.
5. 제1항에 있어서,
   상기 고전압안정화부는 상기 캐소드 전압에 상승하는 낮은 전압으로 변환하여 전류 증폭되고, 상기 전류 증폭된 신호는 상기 FET의 게이트에 인가되어 상기 FET의 드레인 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 고전압전원공급기.
6. 삭제

Images