KR102141684B1 - 전류 펄스를 제어하는 모듈레이터 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

모듈레이터는 1차측과 2차측을 통해 공급되는 전압을 변압하여 구동 장치로 전류 펄스를 인가하는 고전압 변압기, 고전압 변압기의 1차측과 연결되어 있는 연결 라인으로 자화 펄스와 주 펄스를 인가하는 이극형 펄스 발생기, 그리고 자화 펄스와 주 펄스를 인가하는 시간 차를 조절하는 타이밍 제어기를 포함하고, 이극형 펄스 발생기는 양극 전원을 이용하여 자화 펄스를 생성하는 자화 펄스 발생부, 그리고 음극 전원을 이용하여 음극 펄스를 생성하는 주 펄스 발생부를 포함한다. 그리고 모듈레이터는 고전압 변압기의 2차측에 작은 변압기를 통하여 동일한 구조의 복수의 단위모듈들이 직렬로 배치된 펄스 파형 제어기를 포함한다. 이 두 가지 구성은 독립적으로 고전압 전류펄스의 크기와 파형을 각기 제어할 수 있으며, 동시에 두 가지 기능을 동시에 구현할 수 있다.

Description

전류 펄스를 제어하는 모듈레이터 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING CURRENT PULSE}
전류 펄스를 제어하는 모듈레이터 및 그 방법이 제공된다.
일반적으로 마그네트론이나 클라이스트론과 같은 고출력 펄스 고주파원 구동 전원 장치로 모듈레이터가 사용된다. 최근 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor, 절연게이트 양극성 트랜지스터) 고전압 고체 소자 스위치를 적용한 모듈레이터가 개발되어 기존에 보편적으로 사용되었던 라인형 모듈레이터에 비해 펄스 길이의 제한이 완화되고, 펄스 파형의 제어가 개선되었다.
하지만, 선형성이 큰 클라이스트론과는 달리 마그네트론은 비 선형성이 크다는 특징으로 인해, 마그네트론이 동작하고 있을 때에는 작은 전압 변화에도 큰 전류 값의 변화가 발생한다.
이러한 비 선형성이 큰 마그네트론의 적절한 펄스 전류 크기 또는 파형을 얻기 위해서 제어하는 기술이 연구되고 있다.
관련 선행문헌으로 한국특허 1,773,878호는 "전자 가속기용 마그네트론 제어 장치"을 개시한다.
한국등록특허 1,773,878
본 발명의 한 실시예는 마그네트론을 구동하는 모듈레이터에서 실시간으로 전류 펄스의 크기를 제어하는 기능 및 전류 펄스의 파형을 제어하는 기능을 각각 독립적으로 구현하거나 동시에 구현하기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 모듈레이터는 1차측과 2차측을 통해 공급되는 전압을 변압하여 구동 장치로 전류 펄스를 인가하는 고전압 변압기, 고전압 변압기의 1차측과 연결되어 있는 연결 라인으로 자화 펄스와 주 펄스를 인가하는 이극형 펄스 발생기, 그리고 자화 펄스와 주 펄스를 인가하는 시간 차를 조절하는 타이밍 제어기를 포함하고, 이극형 펄스 발생기는, 양극 전원을 이용하여 자화 펄스를 생성하는 자화 펄스 발생부, 그리고 음극 전원을 이용하여 음극 펄스를 생성하는 주 펄스 발생부를 포함한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 모듈레이터는 1차측과 2차측을 통해 공급되는 전압을 변압하여 구동 장치로 전류 펄스를 인가하는 고전압 변압기, 고전압 변압기의 2차측과 별도의 변압기로 직렬로 배치되어 있는 복수 개의 단위 모듈로 구성된 펄스 파형 제어기, 그리고 단위 모듈내의 고체 소자 스위치의 온 또는 오프를 조절하는 타이밍 제어기를 포함하고, 단위 모듈은, 고전압 변압기의 2차측 전압을 조절하는 별도의 변압기와 파형 제어 전원의 음극 전원과 연결되고 별도의 변압기의 1차측에 연결되어 있는 제1 다이오드, 파형 제어 전원의 양극 전원과 연결되고, 제1 다이오드와 연결되며 온 또는 오프 제어하는 제1 고체 소자 스위치, 파형 제어 전원의 음극 전원과 연결되고, 온 또는 오프 제어하는 제2 고체 소자 스위치, 그리고 파형 제어 전원의 양극 전원과 연결되고 별도의 변압기의 1차측의 제1다이오드 맞은편에 연결되어 있는 제2 다이오드를 포함한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 모듈레이터의 전류 펄스의 크기 제어 방법은 고전압 변압기의 1차측에 연결되어 있는 연결 라인을 통해 이극형 펄스 발생기는 주펄스와 반대 극성을 가지는 자화 펄스를 인가하는 단계, 자화 펄스가 1차측에 인가되고, 1차측에 인접하게 위치하는 고전압 변압기의 2차측에 전압이 유도되는 단계, 미리 설정된 시간 차에 대응하여 이극형 펄스 발생기는 연결 라인을 통해 주 펄스를 1차측으로 인가하는 단계, 그리고 주 펄스가 1차측에 인가되고, 2차측에 주 펄스의 전압이 유도되어 전압의 크기가 제어되는 단계를 포함한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 모듈레이터의 전류 펄스 파형 제어 방법은 구동 장치로 인가하는 전류 펄스의 파형에 대응하는 조건을 입력받는 단계, 입력받은 조건에 기초하여 타이밍 제어기에 펄스 파형 제어기 내의 고체 소자 스위치의 온 오프 설정 시점을 스케줄링하는 단계, 설정된 스케줄링에 따라 고체 소자 스위치의 온 또는 오프 상태를 제어하는 단계, 고체 소자 스위치의 온 또는 오프 상태에 따라 고체 소자 스위치에 연결되어 있는 펄스 파형 전원 공급기를 통해 전압이 가감되어 고전압 변압기의 2차측에 인가되는 단계, 그리고 고전압 변압기의 2차측에 인가되는 전압의 크기에 따라 고전압의 전류 펄스의 파형이 조절되는 단계를 포함한다.
본 발명의 한 실시예는 마그네트론을 고주파 발생원으로 사용하는 고주파 가속기나 자유전자레이저에서 전자빔이나 레이저 출력의 크기나 파형을 자유롭게 변화시킬 수 있다.
본 발명의 한 실시예는 레이더에서도 고주파 출력 파형을 정밀하게 제어함으로써 더 정확한 측정이 가능하다.
본 발명의 한 실시예는 듀얼 에너지 엑스선 검색기의 펄스 간격을 조절하여 성능을 개선하거나 더 많은 수의 다중 펄스를 임의로 발생하는 것이 가능하므로 다중 에너지 엑스선 검색기와 같은 새로운 기능의 구현을 통해 검색 성능을 획기적으로 향상시키는 것이 가능하다.
본 발명의 한 실시예는 비파괴 검사에 활용하는 고주파 가속기기반 엑스선 스캐너에서도 검사 능력을 극대화시키는 최적의 전자빔 에너지와 펄스의 선택적 조합이 가능하다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 전류 펄스를 제어하는 모듈레이터를 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 전류 펄스의 크기를 제어하는 이극형 펄스 발생기를 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 복수 개의 이극형 펄스 발생기를 병렬로 연결한 모듈레이터를 나타내는 구성도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 이극형 펄스 발생기의 인가 시간 차이를 나타내는 예시도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 이극형 펄스 발생기의 구동 시간 차이에 따라 달라지는 전압 크기를 나타내는 예시도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 전류 펄스의 파형을 제어하는 모듈레이터를 나타내는 구성도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 전류 펄스의 파형을 제어하는 펄스 파형 제어기를 나타낸 구성도이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 제2 유형의 펄스 파형 제어기를 나타낸 구성도이다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 펄스 파형 제어기를 통해 전류 펄스의 파형의 제어하는 구성을 나타낸 예시도이다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 전류 펄스의 크기와 전류 펄스의 파형을 제어하는 모듈레이터를 나타내는 구성도이다.
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 모듈레이터를 통해 제어되는 전류 펄스를 나타낸 예시도이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 도 1을 이용하여 전류 펄스의 크기 또는 전류 펄스의 파형을 실시간 임의로 조절할 수 있는 전류 펄스를 제어하는 모듈레이터에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 전류 펄스를 제어하는 모듈레이터를 나타내는 구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 전류 펄스를 제어하는 모듈레이터(100)는 이극형 펄스 발생기(110), 고전압 변압기(120), 펄스 파형 제어기(130) 그리고 타이밍 제어기(140)를 포함한다.
먼저, 이극형 펄스 발생기(110)는 고전압 변압기의 1차측과 연결되어 있는 연결 라인으로 자화 펄스와 주 펄스를 인가한다
이극형 펄스 발생기(110)는 양극 전원을 이용하여 자화 펄스를 생성하는 자화 펄스 부와 음극 전원을 이용하여 음극 펄스를 생성하는 주 펄스 발생부를 포함한다.
이때, 이극형 펄스 발생기(110)는 고전압 변압기(120)의 효율을 증가시키기 위해 주 펄스와 반대 극성을 가지며 상이한 크기를 가지는 자화 펄스를 주 펄스를 인가하기 전에 생성하여 고전압 변압기(120)의 1차측에 인가한다.
다음으로 고전압 변압기(120)는 1차측과 2차측을 통해 공급되는 전압을 변압하여 구동 장치(200)로 전류 펄스를 인가한다.
여기서, 구동 장치(200)는 마그네트론을 나타내지만 반드시 한정하는 것은 아니다.
그리고 펄스 파형 제어기(130)는 고전압 변압기(120)의 2차측과 직렬로 연결되어 있는 적어도 하나의 단위 모듈로 구성된다.
펄스 파형 제어기(130)는 단위 모듈에서 전압을 가감하고, 가감된 전압으로 인한 파형의 합을 고전압 변압기(120)의 2차측에 인가하여 전류 펄스의 파형을 제어할 수 있다. 이때, 단위 모듈의 전압을 가감하는 기능은 타이밍 제어기(140)를 통해 제어된다.
다음으로, 타이밍 제어기(140)는 이극형 펄스 발생기(110)의 자화 펄스와 주 펄스를 인가하는 시간 차를 조절하고, 펄스 파형 제어기(130)의 단위 모듈내의 고체 소자 스위치의 온 또는 오프를 조절한다.
타이밍 제어기(140)는 사용자로부터 입력받은 전류 펄스의 크기 또는 전류 펄스의 파형의 조건에 따라 각 이극형 펄스 발생기(110)와 펄스 파형 제어기(130)의 구동 조건을 스케줄링할 수 있다. 이때, 구동 조건은 고체 소자 스위치의 온으로 설정되는 시점 및 시간, 오프로 설정되는 시점 및 시간을 포함하며, 복수의 고체 소자 스위치간의 유기적인 관계를 고려하여 설정될 수 있다.
다시 말해, 타이밍 제어기(140)는 각 이극형 펄스 발생기(110)가 포함하는 복수개의 고체 소자 스위치와 펄스 파형 제어기(130)가 포함하는 복수개의 고체 소자 스위치를 각각 제어한다.
여기서, 고체 소자 스위치는 IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터, Insulated Gate Bipolar Transistor)를 나타낸다. 고체 소자 스위치는 금속 산화막 반도체 전계 효과 트렌지스터(MOSFET)와 양극성 정합 트랜지스터(BJT)를 결합한 전력 소자이다. 고체 소자 스위치는 게이트와 이미터 간에 입력 임피던스가 매우 높아서 양극성 접합 트랜지스터보다 구동하기 쉬우며, 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터보다 훨씬 큰 전류를 흘릴 수 있다.
한편, 모듈레이터(100)는 실시예에 따라, 이극형 펄스 발생기(110)와 펄스 파형 제어기(130)를 선택적으로 포함할 수 있다.
예를 들어, 전류 펄스의 크기만을 제어하는 모듈레이터(100)의 경우, 이극형 펄스 발생기(110), 고전압 변압기(120), 그리고 타이밍 제어기(140)을 포함할 수 있으며, 전류 펄스의 파형만을 제어하는 모듈레이터(100)의 경우, 펄스 고전압 변압기(120), 펄스 파형 제어기(130), 그리고 타이밍 제어기(140)을 포함할 수 있다. 이러한 모듈레이터(100)의 구성 및 기능은 추후에 사용자에 의해 용이하게 선택 및 설계될 수 있다.
이하에서는 도 2 내지 도 3을 이용하여 이극형 펄스 발생기를 통해 전류 펄스의 크기를 제어하는 모듈레이터에 대해서 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 전류 펄스의 크기를 제어하는 이극형 펄스 발생기를 나타내는 구성도이고, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 복수 개의 이극형 펄스 발생기를 병렬로 연결한 모듈레이터를 나타내는 구성도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 이극형 펄스 발생기(110)는 고전압 변압기(120)의 연결 라인에 일측에는 자화 펄스 발생부(110a)로 구성되고 타측에는 주 펄스 발생부(110b)로 구성된다.
먼저, 자화 펄스 발생부(110a)는 자화 펄스의 전원을 공급하는 제1 전원 공급 장치(Pre-magnetizing PS), 제1 전원 공급 장치(Pre-magnetizing PS)로부터 양극 전원을 인가받아 충전하고 충전된 양극 전원을 방전하는 제1 캐패시터를 포함한다. 그리고 자화 펄스 발생부(110a)는 연결 라인의 연결 지점과 제1 캐패시터에 연결되어 있는 제1 다이오드, 그리고 제1 캐패시터와 제1 다이오드 사이에 연결되어 온 또는 오프 제어하는 제1 고체 소자 스위치를 포함한다.
자화 펄스 발생부(110a)의 제1 다이오드는 제1 캐패시터 방향으로 전류의 흐름을 제어하고, 제1 고체 소자 스위치는 주 펄스 발생부(110b)가 위치하는 방향으로 전류의 흐름을 제어한다.
이러한 자화 펄스 발생부(110a)가 자화 펄스를 발생하여 인가하는 과정은 다음과 같다. 양극의 자화 펄스 전원을 공급하는 제1 전원 공급 장치(Pre-magnetizing PS)로부터 양극 전원을 인가받아 제1 캐패시터가 충전하고, 타이밍 제어부(140)의 제어 신호에 기초하여 제1 고체 소자 스위치가 온 상태로 설정된다. 그리고 제1 캐패시터가 방전되면서 양극의 특성을 가지는 자화 펄스를 생성하면, 생성된 자화 펄스를 고전압 변압기(120)의 1차 측에 인가한다.
한편, 주 펄스 발생부(110b)는 주 펄스의 전원을 공급하는 제2 전원 공급 장치(Main PS), 제2 전원 공급 장치(Main PS)로부터 음극 전원을 인가받아 충전하고 충전된 상기 음극 전원을 방전하는 제2 캐패시터를 포함한다. 그리고 주 펄스 발생부(110b)는 제2 캐패시터와 연결되고, 제1 고체 소자 스위치와 연결되어 온 또는 오프 제어하는 제2 고체 소자 스위치, 제1 다이오드 및 제2 고체 소자 스위치와 연결되어 있고, 연결 라인과의 연결 지점 위치에 연결되어 있는 제2 다이오드를 포함한다.
그리고 주 펄스 발생부(110b)의 제2 다이오드는 연결 라인의 연결 지점으로 전류의 흐름을 제어하고, 제2 고체 소자 스위치는 제2 캐패시터가 위치하는 방향으로 전류의 흐름을 제어한다.
이와 같은 주 펄스 발생부(110b)가 주 펄스 발생하여 인가하는 과정은 다음과 같다. 음극의 주 펄스 전원을 공급하는 제2 전원 공급 장치(Main PS)로부터 음극 전원을 인가받아 제2 캐패시터가 충전하면, 미리 설정된 시간 차에 대응하여 제2 고체 소자 스위치를 상기 온 상태로 설정된다. 이와 같이 설정된 시간 차는 타이밍 제어기(140)로부터 수신하며, 사용자로부터 미리 입력받아 스케줄링되어 구동될 수 있다. 그리고 제2 캐패시터가 방전되면서 음극의 특성을 가지는 주 펄스를 생성하면, 생성된 주 펄스를 고전압 변압기(120)의 1차 측에 인가한다.
이러한 자화 펄스와 주 펄스의 생성하고 인가되는 과정은 순차적으로 발생할 수 있으며, 자화 펄스의 인가가 종료되면, 제1 고체 소자 스위치와 제2 고체 소자 스위치는 모두 오프 상태가 된다. 그리고 타이밍 제어기(140)에 의해 제2 고체 소자 스위치가 온으로 설정되어 이극형 펄스 발생기(110)는 주 펄스를 생성하고 생성된 주 펄스를 고전압 변압기(120)의 1차측에 인가한다.
이처럼, 타이밍 제어기(140)는 제1 고체 소자 스위치와 상기 제2 고체 소자 스위치의 온 또는 오프되는 시점을 제어하여 자화 펄스가 1차측에 인가되는 시간, 주 펄스가 1차측에 인가되는 시간, 그리고 자화 펄스의 인가가 종료된 시점부터 주 펄스가 인가되는 시점까지의 시간을 제어할 수 있다.
한편, 도 3에 도시한 바와 같이, 복수 개의 이극형 펄스 발생기(110-1,??,110-N,BIPOLAR PULSE GANERATOR SUBUNIT)가 고전압 변압기(HV TRANSFORMER)에 연결될 수 있다. 이때, 각각의 이극형 펄스 발생기는 고전압 변압기의 1차측과 연결된 복수의 연결 라인(PLURALITY OF TRANSMISSION LINES)에 병렬로 연결될 수 있다.
여기서, 복수개의 이극형 펄스 발생기(110-1,??,110-N)와 고전압 변압기(120)의 1차측과 연결된 복수 개의 연결라인은 동일한 임피던스와 길이를 가진다.
예를 들어 주 펄스(MAIN PS)가 생성되어 제공되는 동안, 동일한 임피던스와 동일한 길이의 연결라인을 통해, 각각의 이극형 펄스 발생기(110-1,??,110-N )의 제2 캐패시터(C2) 값은 동일하다.
또한, 복수개의 이극형 펄스 발생기(110-1,??,110-N) 내의 제1 전원 장치(PREMAGNETIZING PS)와 제2 전원 장치(MAIN PS)는 이극형 펄스 발생기(110)와 독립적으로 위치하여 복수 개의 이극형 펄스 발생기(110-1,??,110-N) 내의 각각의 자화 펄스 발생부와 주 펄스 발생부와 연결될 수 있다.
이처럼, 복수 개의 이극형 펄스 발생기(110-1,??,110-N)로 구성되면, 타이밍 제어기(140)는 각 이극형 펄스 발생기 내의 제1 고체 소자 스위치(IGBT DRIVER 1)와 제2 고체 소자 스위치(IGBT DRIVER 2)의 온 오프 시점을 제어할 수 있다.
보다 상세하게는, 타이밍 제어기(140)는 적어도 하나의 이극형 펄스 발생기 내의 제1 고체 소자 스위치와 상기 제2 고체 소자 스위치의 온 또는 오프되는 시점을 제어하여 자화 펄스가 1차측에 인가되는 시간, 주 펄스가 1차측에 인가되는 시간, 그리고 자화 펄스의 인가가 종료된 시점부터 주 펄스가 인가되는 시점까지의 시간을 제어할 수 있다.
따라서, 타이밍 제어기(140)에 의해 자화 펄스와 주 펄스가 제1차측에 인가되는 시간 차이를 제어하여 고전압 변압기(120)의 2차측에 유도되는 전압의 크기를 조절할 수 있다.
이하에서는 도 4 및 도 5를 이용하여 자화 펄스 및 주 펄스를 인가함으로써 고전압 변압기의 유도되는 전압의 크기의 변화를 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 이극형 펄스 발생기의 구동 시간 차이를 나타내는 예시도이고, 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 이극형 펄스 발생기의 인가 시간 차이에 따라 달라지는 전압 크기를 나타내는 예시도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 이극형 펄스 발생기(110)는 자화 펄스(PREMAGNETIZING)를 TP 동안 생성하여 고전압 변압기(120)에 인가하고, 주 펄스(MAIN PULSE)를 TM 동안 생성하여 고전압 변압기(120)에 인가한다.
이때, 자화 펄스의 인가가 종료된 시점과 주 펄스의 인가가 시작된 시점간의 차이(TB)만큼 공백 시간(BLANK TIME)이 생성된다.
이러한 자화 펄스를 인가하는 시간(TP), 주 펄스를 인가하는 시간(TM) 그리고 자화 펄스의 인가가 종료된 시점으로부터 주 펄스의 인가가 시작된 시점의 시간 차(TB)가 타이밍 제어기(140)를 통해 제어되며, 미리 사용자로부터 구동 조건을 수신하는 경우, 해당 구동 조건에 대응하여 스케줄링될 수 있다.
따라서, 타이밍 제어기(140)에 의해 자화 펄스와 주 펄스가 차례로 고전압 변압기(120)의 1차측에 인가되고, 1차측에 인접한 2차측에 유도되는 전압의 크기가 제어된다.
도 5의 (a), (b) 그리고 (c)는 이러한 시간 차(TB, Delay)의 값에 따라 고전압 변압기(120)의 2차측에 유도되는 전압의 크기 값의 변화를 나타낸다.
도 5의 (a), (b) 그리고 (c)는 고전압 변압기(120)의 1차측(Primary Winding)에 자화 펄스의 인가가 종료된 시점에서 주 펄스가 인가되는 시점만의 차이를 두어 고전압 변압기(120)에서 측정되는 전압의 크기의 변화를 나타낸 그래프이다. 그리고 도 5의 (a), (b) 그리고 (c)는 주 펄스가 인가되는 시점 외에 인가되는 양극성의 자화 펄스(Pre-magnetizing Pulse)와 음극성의 주 펄스(Main Pulse)는 각각 일정한 시간과 일정한 크기로 인가된다.
도 5의 (a), (b) 그리고 (c)를 보면, 고전압 변압기(120)의 2차측(Secondary Winding)을 보면, 자화 펄스가 인가된 1차측(Primary Winding)의 영향으로 각각의 일정한 크기의 전압이 유도된 후, 자화 펄스의 인가가 종료된 시점부터 전압의 크기가 상이하게 달라지는 것을 알 수 있다.
다시 말해, 자화 펄스의 인가가 종료된 시점부터 고전압 변압기(120)의 2차측은 누설 인덕턴스(leakage inductance)와 전류 용량(capacitance)의 크기에 의해 전압이 점차 감소한다.
그리고 메인 펄스가 1차측(Primary Winding)에 인가되는 시점의 차이에 따라 2차측에서 유도되는 시점에서의 시작되는 전압의 크기가 각각 다른 것을 알 수 있다.
이러한 차이를 통해 메인 펄스가 인가되는 시점의 상이함에 따라 최종적으로 전압의 크기가 달라짐을 알 수 있다.
특히, 도 5의 (c)에서와 같이, 자화 펄스의 인가가 종료된 직후 주 펄스를 인가하면 고전압 변압기(120)의 2차측에 유도되는 전압이 최대 전압을 얻을 수 있고, 도 5의 (a)와 같이, 자화 펄스와 주 펄스의 인가되는 시간의 차이가 커지면, 일정 시간까지는 점차 더 낮은 전압의 크기를 얻을 수 있다.
이와 같이, 자화 펄스와 주 펄스의 인가 시점을 제어함으로써 고전압 변압기(120)에 인가되고 유도되는 전압의 크기가 달라져, 최종적으로 구동 장치에 공급하는 전류 펄스의 크기를 조절할 수 있다.
이하에서는 도 6 내지 도 9를 이용하여 펄스 파형 제어기를 포함하는 모듈레이터를 통해 전류 펄스의 파형을 제어하는 구성에 대해서 상세하게 설명한다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 전류 펄스의 파형을 제어하는 모듈레이터를 나타내는 구성도이고, 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 전류 펄스의 파형을 제어하는 펄스 파형 제어기를 나타낸 구성도이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 모듈레이터(100)는 필라멘트 전원 공급 장치(FIAMENT PS)와 고전압 변압기(HV TRANSFORMER)의 사이에 위치하는 펄스 파형 제어기(130)를 포함할 수 있다.
펄스 파형 제어기(130)는 고전압 변압기의 2차측과 직렬로 배치된 작은 별도의 변압기를 가지는 복수 개의 단위 모듈로 구성되며, 펄스 발생기(PULSE GENERATOR)로부터 부하로 전달되는 전류 펄스의 전압 크기를 빼거나 더할 수 있다.
펄스 파형 제어기(130)는 복수개의 단위 모듈(130a, 130b, 130c)를 포함할 수 있으며, 도 6과 도 7에는 3개의 단위 모듈로 표시하였으나, 전류 파형 제어기(130)는 한 개 또는 두 개의 단위 모듈을 포함하거나 3개 이상의 단위 모듈로 구성될 수 있다.
그리고 펄스 플래터링 회로(Pulse Flattering Circuit, PFC)가 펄스 파형 제어기(130)로 구현될 수 있다.
다음으로 타이밍 제어기(140)가 펄스 파형 제어기(130) 내의 고체 소자 스위치의 온 또는 오프를 조절하여 고전압 변압기(120)에 인가되는 전압의 크기를 제어할 수 있다.
먼저, 펄스 파형 제어기(130)를 구성하는 복수개의 단위 모듈은 도 7과 같은 형태를 가질 수 있다.
도 7을 보면, 펄스 파형 제어기(130)을 구성하는 단위 모듈은 별도의 변압기, 고체 소자 스위치, 다이오드 등으로 구성되며, 공통의 파형 제어 전원(U2)를 포함할 수 있다.
단위 모듈은 파형 제어 전원(U2)의 음극 전원과 연결되고, 고전압 변압기의 2차측 전압을 조절하는 별도의 변압기의 1차측에 연결되어 있는 제1 다이오드, 파형 제어 전원(U2)의 양극 전원과 연결되고, 제1 다이오드와 연결되며 온 또는 오프 제어하는 제1 고체 소자 스위치(VT1)를 포함한다. 그리고 단위 모듈은 파형 제어 전원(U2)의 음극 전원과 연결되고, 온 또는 오프 제어하는 제2 고체 소자 스위치(VT2), 그리고 파형 제어 전원(U2)의 양극 전원과 연결되고 별도의 변압기의 1차측의 제1 다이오드 맞은편에 연결되어 있는 제2 다이오드를 포함한다. 여기서, 고체 소자 스위치는 병렬로 연결된 반대 극성의 다이오드를 포함할 수 있다.
이때, 제1 다이오드는 고전압 변압기의 2차측이 위치하는 방향으로 전류를 흐르게 하고, 제1 고차 소자 스위치는 고전압 변압기의 2차측이 위치하는 역방향으로 전류를 통과시킨다. 그리고 제2 다이오드는 고전압 변압기의 2차측이 위치하는 방향으로 전류를 흐르게 하고, 제2 고체 소자 스위치는 고전압 변압기의 2차측이 위치하는 역방향으로 전류를 통과시킨다.
이와 같은, 단위 모듈은 풀 브릿지(full-bridge) 또는 포워드 컨버트(forward convert) 회로 구조와 별도의 변압기로 형성될 수 있다.
또한 단위 모듈은 각각의 단위 모듈은 제1 고체 소자 스위치(VT1)와 제2 고체 소자 스위치(VT2)의 온 오프 상태에 따라 3가지 값을 가지는 펄스형태로 전류 펄스를 보정할 수 있다.
도 7의 130a는, 제1 고체 소자 스위치(VT1)과 제2 고체 소자 스위치(VT2)가 모두 오프 상태로 설정된 상황에서의 전류의 흐름을 나타낸다.
제1 고체 소자 스위치(VT1)과 제2 고체 소자 스위치(VT2)가 모두 오프 상태로 설정되면, 각 제1 다이오드와 제2 다이오드의 전류 방향으로 흘러가고, 고전압 변압기 2차측의 음전압에 양전압이 더해질 수 있다(
Figure 112018084159998-pat00001
). 결과적으로 전압의 크기가 줄어든다. 따라서 인가되는 고전압 2차측 전압이 감소한다.
반면, 도 7의 130b와 같이, 제1 고체 소자 스위치(VT1)는 오프로 설정되고 제2 고체 소자 스위치(VT2)가 온으로 설정된 상태로 제1 다이오드의 방향과 제2 스위치의 방향으로 흘러가며, 전압에 가감이 되지 않고 변화가 없다. 마찬가지로, 제1 고체 소자 스위치(VT1)는 온으로 설정되고 제2 고체 소자 스위치(VT2)가 오프로 설정되어도 전압에 가감이 되지 않고 변화가 없다.
그리고 도 7의 130c와 같이, 제1 고체 소자 스위치(VT1)과 제2 고체 소자 스위치(VT2)가 모두 온 상태로 설정되면, 제1 고체 소자 스위치(VT1)과 제2 고체 소자 스위치(VT2)의 전류 방향으로 흘러가고 2차측 음전압은 더 증가한다(
Figure 112018084159998-pat00002
).
이와 같이, 하나의 단위 모듈은 제1 고체 스위치와 제2 고체 스위치의 온 또는 오프 설정을 통해 고전압 변압기(120)에 인가되는 전류의 전압이 더해지거나 감소되며, 전압의 변화가 없도록 하는 3 가지 형태의 보정을 수행할 수 있다.
펄스 파형 제어기(130)가 복수의 단위 모듈로 구성된 경우, 각 단위 모듈은 3가지 형태의 보정을 수행할 수 있으므로, n개(n은 자연수)의 단위 모듈의 경우, 2n+1단계로 이루어진 임의의 파형으로 제어될 수 있다.
한편, 펄스 파형 제어기(130)는 제2 유형으로 구성될 수 있다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 제2 유형의 펄스 파형 제어기를 나타낸 구성도이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 펄스 파형 제어기(CORRETOR)가 포함하는 단위 모듈(CORRECTOR SUBUNIT 1, CORRECTOR SUBUNIT 2, CORRECTOR SUBUNIT 3)은 4개의 다이오드, 제1 고체 소자 스위치, 제2 고체 소자 스위치를 포함할 수 있다. 보다 자세하게는, 도 7에 도시한 바와 같이 제1 다이오드 및 제2 다이오드를 포함하는 펄스 파형 제어기(130)에서 제1 고체 소자 스위치에 연결되어, 제1 고체 소자 스위치의 전류 흐름 방향과 반대되는 전류 흐름을 유도하는 제3 다이오드, 제2 고체 소자 스위치에 연결되어, 제2 고체 소자 스위치의 전류 흐름 방향과 반대되는 전류 흐름을 유도하는 제4 다이오드를 더 포함할 수 있다.
여기서, 펄스 발생기(130)는 단극성 또는 양극성의 특징을 가질 수 있다.
그리고 모든 단위 모듈의 2차권선은 직렬로 연결될 수 있으며, 총 출력의 전압은 단위 모듈에 의해 생성된 전압의 합을 나타낸다.
이와 같은 펄스 파형 제어기(130)에 따라 전압이 가감되는 전류 펄스의 파형을 살펴보면 도 9와 같다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 펄스 파형 제어기를 통해 전류 펄스의 파형의 제어하는 구성을 나타낸 예시도이다.
도 9에 도시한 바와 같이, 펄스 발생기로부터 인가되는 DR_PG의 펄스 파형을 나타내고, 3개의 단위 모듈의 각각의 고체 소자 스위치에 온 오프 상태를 나타낸다.
예를 들어 제1 단위 모듈의 제1 고체 소자 스위치(DR6)과 제2 고체 소자 스위치(DR1)을 살펴 보면, 제1 고체 소자 스위치(DR6)는 1단계에서 6단계까지 온 상태로 설정되고 제2 고체 소자 스위치(DR1)는 6 단계에서만 온 상태로 설정된다. 따라서, 제1 고체 소자 스위치(DR6)과 제2 고체 소자 스위치(DR1)가 모두 오프 상태로 설정된 0구간에서 전압이 더해지고, 제1 고체 소자 스위치(DR6)과 제2 고체 소자 스위치(DR1)가 모두 온 상태로 설정된 6 구간에서는 전압이 가해지는 제1 단위 모듈의 제어된 파형이 OUTPUT의 SUBUNIT 1 UW2와 같다.
동일한 방법으로 제2 단위 모듈의 제1 고체 소자 스위치(DR5)과 제2 고체 소자 스위치(DR2)의 온 또는 오프 상태 설정과 제3 단위 모듈의 제1 고체 소자 스위치(DR4)과 제2 고체 소자 스위치(DR3)의 온 또는 오프 상태 설정을 통해 OUTPUT의 SUBUNIT 2 UW2와 OUTPUT의 SUBUNIT 3 UW2 과 같이 전압이 가감된 파형이 도출된다.
이와 같이, 펄스 파형 제어기(130)을 통해 제어된 파형(OUTPUT의 SUBUNIT 1 UW2, OUTPUT의 SUBUNIT 2 UW2 그리고 OUTPUT의 SUBUNIT 3 UW2)은 각각 단계별로 파형이 합해지게 된다.
펄스 파형 제어기(130)가 3개의 단위 모듈을 포함하는 경우, 출력 전압 값의 세트는 3, 2, 1, 0, -1, -2, -3이다. 이때, 원칙적으로 새로운 펄스마다 새로운 모양 생성을 위해 새로운 입력 데이터 집합을 로딩할 수 있다.
이처럼, 펄스 파형 제어기(130)의 출력 전압의 진폭은 천천히 변화될 수 있다. 따라서, 각 단위 모듈로부터 가감된 전압의 파형의 합(CORRECTOR OUTPU VOLATE UCO)이 최종적으로 고전압 변압기(120)의 2차측에 인가되어 전류 펄스의 파형을 제어할 수 있다.
이하는 도 10과 도 11을 이용하여 이극형 펄스 발생기와 펄스 파형 제어기를 포함하는 모듈레이터에 대해서 상세하게 설명한다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 전류 펄스의 크기와 전류 펄스의 파형을 제어하는 모듈레이터를 나타내는 구성도이고 도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 모듈레이터를 통해 제어되는 전류 펄스를 나타낸 예시도이다.
도 10과 같이, 모듈레이터(100)는 전류펄스의 크기를 제어하는 이극형 펄스 발생기(110)와 전류 펄스의 파형을 제어하는 펄스 파형 제어기(130)를 모두 포함할 수 있다.
각각의 이극형 펄스 발생기(110)와 펄스 파형 제어기(130)에 대한 설명은 앞서 도 2 및 도 8에 설명하였으므로 생략한다.
모듈레이터(100)는 사용자로부터 전류 펄스의 크기와 파형에 대응하는 조건을 입력받아, 입력받은 조건에 대응하여 이극형 펄스 발생기(110)와 펄스 파형 제어기(130) 내의 각각의 고체 소자 스위치의 온 오프 설정 시점을 스케줄링할 수 있다.
여기서, 모듈레이터(100)는 사용자로부터 복수의 전류 펄스의 크기, 펄스 폭과 펄스 사이의 시간 간격이 조절된 조건과 같은 임의의 다중 전류 펄스를 제어하는 구성을 입력받을 수 있다. 모듈레이터(100)는 입력받은 조건에 기초하여 입력받은 전압의 크기가 커질수록 자화 펄스와 주펄스가 제1 차측에 인가되는 시간 차가 작아지도록 스케줄링할 수 있다.
그리고 타이밍 제어기(140)를 통해 스케줄링에 따라 각각의 고체 소자 스위치를 제어함으로써 실시간으로 전류 펄스의 크기와 전류 펄스의 파형을 제어할 수 있다.
이때, 이극형 펄스 발생기와 펄스 파형 제어기의 구동 순서는 특정하게 한정되지 않는다.
도 11은 사용자로부터 입력받은 조건에 기초하여 고전압 펄스 전류의 크기와 모양을 조절하여 구동 장치인 마그네트론에 공급하는 예시를 나타낸다.
도 11의 (a)는 두 가지 크기의 펄스 출력을 일정한 시간(T, T/2) 간격으로 제어하여 공급하는 경우를 나타내고, (b)는 두 가지 크기의 펄스를 출력하는 과정에서 두번째 크기의 펄스 출력의 반복주기를 (a) 보다 매우 빠르게 조절하여 공급하는 경우를 나타낸다. 그리고 도 10의 (c)는 출력이 다른 세가지 이상의 펄스(다중 펄스) 출력을 적절한 시간 간격으로 제어하여 공급하는 경우를 나타낸다.
다중 펄스 사이의 간격도 임의로 조절할 수 있기 때문에 모듈레이터(100)를 통해 다양한 응용이 가능하다. 예를 들어, 듀얼 에너지 컨테이너 검색기에 본 발명의 모듈레이터(100)를 적용하여 두 펄스 사이에 시간적인 간격을 제어하면, 시간적인 간격이 가까운 두 펄스가 만드는 검색 이미지가 매번 거의 동일한 위치이기 때문에 두 이미지를 합하여 영상처리 할 때 별도의 보정이 필요 없다. 그리고 다중 펄스로 2개 보다 더 다양한 에너지의 엑스선을 발생시켜서 사용하면 대상물의 종류를 더 정밀하게 검색할 수 있다.
이와 같이, 모듈레이터(100)는 이극형 펄스 발생기(120) 내에서 발생하는 자화 펄스와 주 펄스의 고전압 변압기(120)의 1차측에 인가되는 시간 시점을 통해 전류 펄스의 크기를 제어하고, 펄스 파형기 제어기(130)를 통해 전압의 크기를 가감함으로써 전류 펄스의 파형을 제어하여 마그네트론에 공급할 수 있다.
이러한 전류 펄스의 크기를 제어 기능과 전류 펄스의 파형을 제어하는 기능은 필요에 따라 선택적으로 작용할 수 있으며, 실시간으로 동시에 구현 될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 모듈레이터 110: 이극형 펄스 발생기
110a: 자화 펄스 발생부 110b: 주 펄스 발생부
120: 고전압 변압기 130: 펄스 파형 제어기
140: 타이밍 제어기 200: 구동 장치

Claims (30)

1차측과 2차측을 통해 공급되는 전압을 변압하여 구동 장치로 전류 펄스를 인가하는 고전압 변압기,
상기 고전압 변압기의 1차측과 연결되어 있는 연결 라인으로 자화 펄스와 주 펄스를 인가하는 이극형 펄스 발생기, 그리고
상기 자화 펄스와 상기 주 펄스를 인가하는 시간 차를 조절하는 타이밍 제어기를 포함하고,
상기 이극형 펄스 발생기는,
양극 전원을 이용하여 자화 펄스를 생성하는 자화 펄스 발생부, 그리고
음극 전원을 이용하여 음극 펄스를 생성하는 주 펄스 발생부
를 포함하는 모듈레이터.
제1항에서,
자화 펄스 발생부는
상기 자화 펄스의 전원을 공급하는 제1 전원 공급 장치,
상기 제1 전원 공급 장치로부터 양극 전원을 인가받아 충전하고 충전된 상기 양극 전원을 방전하는 제1 캐패시터,
상기 연결 라인의 연결 지점과 상기 제1 캐패시터에 연결되어 있는 제1 다이오드, 그리고
상기 제1 캐패시터와 상기 제1 다이오드 사이에 연결되어 온 또는 오프 제어하는 제1 고체 소자 스위치를 포함하는 모듈레이터.
제2항에서,
주 펄스 발생부는,
상기 주 펄스의 전원을 공급하는 제2 전원 공급 장치,
상기 제2 전원 공급 장치로부터 음극 전원을 인가받아 충전하고 충전된 상기 음극 전원을 방전하는 제2 캐패시터,
상기 제2 캐패시터와 연결되고, 상기 제1 고체 소자 스위치와 연결되어 온 또는 오프 제어하는 제2 고체 소자 스위치, 그리고
상기 제1 다이오드 및 상기 제2 고체 소자 스위치와 연결되어 있고, 상기 연결 라인과의 연결 지점 위치에 연결되어 있는 제2 다이오드로 구성된 주 펄스 발생부를 포함하는 모듈레이터.
제3항에서,
상기 타이밍 제어기는,
상기 제1 고체 소자 스위치와 상기 제2 고체 소자 스위치의 온 또는 오프되는 시점을 제어하여 상기 자화 펄스가 상기 1차측에 인가되는 시간, 상기 주 펄스가 상기 1차측에 인가되는 시간, 그리고 상기 자화 펄스의 인가가 종료된 시점부터 상기 주 펄스가 인가되는 시점까지의 시간을 제어하는 모듈레이터.
제4항에 있어서,
상기 이극형 펄스 발생기는,
제1 시점에서 상기 자화 펄스를 상기 1차측에 인가하면, 상기 타이밍 제어기의 제어에 대응하여 미리 설정된 시간이 경과된 후, 제2 시점에서 상기 주 펄스를 상기 1차측에 인가하는 모듈레이터.
제5항에 있어서,
상기 자화 펄스와 상기 주 펄스가 상기 1차측에 인가되는 시간 차이를 제어하여 상기 2차측에 유도되는 전압의 크기를 조절하는 모듈레이터.
제1항에서,
복수개의 상기 이극형 펄스 발생기를 포함하고,
복수개의 상기 이극형 펄스 발생기는 동일한 임피던스와 길이를 가지는 복수의 연결 라인을 통해 상기 고전압 변압기의 1차측과 병렬로 연결되는 모듈레이터.
제7항에서,
상기 고전압 변압기의 상기 2차측을 통해 공급되는 전압을 조절하는 별도의 변압기와 파형 제어 전원의 양극 전원과 일단이 연결되는 제3 고체 소자 스위치와 상기 별도의 변압기 1차측에 연결되며, 파형 제어 전원의 음극 전원과 일단이 연결되는 제4 고체 소자 스위치를 포함하는 복수개의 단위 모듈로 구성되는 펄스 파형 제어기를 더 포함하고,
상기 타이밍 제어기는 상기 펄스 파형 제어기의 제3 고체 소자 스위치 및 제4 고체 소자 스위치의 온 또는 오프 설정 시점을 제어하는 모듈레이터.
제8항에서,
상기 제3 고체 소자 스위치와 상기 제4 고체 소자 스위치가 온 상태로 설정되면, 인가되는 전류의 전압이 더 증가하고,
상기 제3 고체 소자 스위치와 상기 제4 고체 소자 스위치가 오프 상태로 설정되면, 인가되는 전류의 전압이 더 낮아지게 되는 모듈레이터.
제1항에서,
상기 이극형 펄스 발생기를 통해 자화 펄스와 주 펄스의 인가 시점의 차이에 따라 조절된 크기의 전류 펄스를 마그네트론에 공급하는 모듈레이터.
삭제
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삭제
삭제
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고전압 변압기의 1차측에 연결되어 있는 연결 라인을 통해 이극형 펄스 발생기는 주펄스와 반대 극성을 가지는 자화 펄스를 인가하는 단계,
상기 자화 펄스가 상기 1차측에 인가되고, 상기 1차측에 인접하게 위치하는 상기 고전압 변압기의 2차측에 전압이 유도되는 단계,
미리 설정된 시간 차에 대응하여 이극형 펄스 발생기는 상기 연결 라인을 통해 상기 주 펄스를 상기 1차측으로 인가하는 단계, 그리고
상기 주 펄스가 상기 1차측에 인가되고, 상기 2차측에 주 펄스의 전압이 유도되어 전압의 크기가 제어되는 단계,
를 포함하는 모듈레이터의 전류 펄스의 크기 제어 방법.
제18항에 있어서,
상기 자화 펄스를 인가하는 단계는,
양극의 자화 펄스 전원을 공급하는 제1 전원 공급 장치로부터 양극 전원을 인가받아 제1 캐패시터가 충전되는 단계,
상기 제1 캐패시터와 상기 1차측과 연결되어 있는 연결 라인에 연결되어 있는 제1 고체 소자 스위치를 온 상태로 설정하는 단계,
상기 제1 캐패시터가 방전되면서 상기 자화 펄스를 생성하는 단계, 그리고
상기 1차측과 연결되어 있는 연결 라인과 연결 지점 위치에서 일측 방향으로만 상기 자화 펄스를 흐르게 하여 상기 1차 측에 인가하는 단계를 포함하는 모듈레이터의 전류 펄스의 크기 제어 방법.
제19항에 있어서,
상기 주 펄스를 상기 1차측으로 인가하는 단계는,
음극의 주 펄스 전원을 공급하는 제2 전원 공급 장치로부터 음극 전원을 인가받아 제2 캐패시터가 충전하는 단계,
상기 제2 캐패시터와 상기 1차측과 연결되어 있는 연결 라인에 연결되어 있는 제2 고체 소자 스위치를 상기 미리 설정된 시간 차에 대응하여 온 상태로 설정하는 단계,
상기 제2 캐패시터가 방전되면서 상기 주 펄스를 생성하는 단계, 그리고
상기 1차측과 연결되어 있는 연결 라인과 연결 지점 방향으로만 상기 주 펄스를 흐르게 하여 상기 1차 측에 인가하는 단계를 포함하는 모듈레이터의 전류 펄스의 크기 제어 방법.
제 20항에 있어서,
상기 자화 펄스를 인가한 직후에 상기 주 펄스를 상기 1차측에 인가하면 상기 2차측에 유도되는 전압의 크기가 최대가 되고,
상기 미리 설정된 시간 차가 커질수록 상기 2차 측에 유도되는 전압의 크기가 작아지는 모듈레이터의 전류 펄스의 크기 제어 방법.
제 18항에 있어서,
고전압 변압기의 2차측에 연결되어 인가되는 전압을 가감하여 전류 펄스의 파형을 제어하는 단계를 더 포함하는 모듈레이터의 전류 펄스의 크기 제어 방법.
제 22항에 있어서,
상기 전류 펄스의 파형을 제어하는 단계는,
상기 고전압 변압기의 2차측과 별도의 변압기가 직렬로 연결되어 있는 펄스 파형 제어기의 n개(n은 자연수)의 단위 모듈에 기초하여 각각의 단위 모듈로부터 조절된 전압 크기를 인가받고, 인가받은 전압 펄스의 파형의 합을 통해 최종적으로 전류 펄스의 파형이 제어되는 모듈레이터의 전류 펄스의 크기 제어 방법.
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