KR102324685B1

KR102324685B1 - 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치

Info

Publication number: KR102324685B1
Application number: KR1020210011217A
Authority: KR
Inventors: 윤중석; 태진우
Original assignee: 주식회사 이레이
Priority date: 2021-01-27
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2021-11-11

Abstract

본 발명은 단일의 멀티 플라이어 회로부를 이용하여 서로 다른 3개의 고전압을 발생시킴으로써 구조를 간소화하고 크기를 줄일 수 있는 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치에 관한 것으로서, 필라멘트와 양극판 사이에 고전압을 인가시키는 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치에 있어서, 입력 전압을 승압하는 트랜스의 2차측에 다이오드와 커패시터가 직렬로 연결되는 배압 회로가 복수개 다단으로 병렬 접속되어 N배(여기서, N은 3보다 큰 양의 정수)의 다배압 회로를 구성하는 멀티 플라이어 회로부; 상기 멀티 플라이어 회로부의 최대 배압 출력단에 접속되는 제1 고전압 출력부; 상기 멀티 플라이어 회로부의 상기 배압 회로들이 접속되는 접속점 중 어느 하나에서 분기된 M배(여기서, M은 N보다 작은 양의 정수)의 중간 배압 출력단에 접속되는 제2 고전압 출력부; 및 상기 멀티 플라이어 회로부의 상기 배압 회로들이 접속되는 접속점 중 다른 하나에서 분기된 K배(여기서, K는 M보다 작은 양의 정수)의 중간 배압 출력단에 접속되는 제3 고전압 출력부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 단일의 멀티 플라이어 회로부의 최대 배압 출력단에서 제1 고전압 출력부를 인출하고, 서로 다른 중간 접속점에서 각각 서로 다른 중간 배압을 갖는 제2 고전압 출력부와 제3 고전압 출력부를 인출하되, 제2 고전압 출력부와 제3 고전압 출력부는 고전압 스위칭수단에 의해 선택적으로 출력되도록 함으로써, 단일의 멀티 플라이어 회로부를 이용하여 서로 다른 3개의 고전압을 구현할 수 있고 고전압 발생 회로부를 컴팩트하게 설계할 수 있어 사용자 편의성을 증진시키는 효과가 있다.

Description

단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치{HIGH VOLTAGE POWER SUPPLY WITH SINGLE CIRCUIT MULTIPLE OUTPUT}

본 발명은 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단일의 멀티 플라이어 회로부를 이용하여 서로 다른 3개의 고전압을 발생시킴으로써 구조를 간소화하고 컴팩트화가 가능한 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치에 관한 것이다.

일반적으로, 미세 시료를 분석하거나 육안으로 확인하기 위하여 현미경이 사용된다. 종래의 광학 현미경은 수천 배 정도로 시료를 확대할 수 있지만, 광학 기구 구조의 한계가 있어 배율을 더 높이는 것이 어려운 문제가 있었다. 이에 반해 전자 주사 현미경(SEM: Scanning Electron Microscope)은 수십만 배까지 배율을 확대할 수 있어 최근 다양한 산업군에서 널리 사용되고 있다.

주사 전자 현미경은 집속 렌즈(Condenser lens)나 대물 렌즈(Objective lens)를 가지고 있으나, 광학 현미경이 광학 법칙에 근거하여 화면을 형성하는 것과 달리 전자기 렌즈 모듈이 전기가 통하는 시편의 표면에 초점을 형성한 전자빔 spot을 형성하고 이 spot이 관찰하고자 하는 시편 부위를 주사하여 영상을 형성한다.

주사 전자 현미경에서의 전자총의 역할은 전자를 만들고 가속시키는 역할을 한다. 전자총은 전자선(electron ray)의 형태로 사용되는 안정된 전자원을 공급하게 되는데, 충분한 양의 2차 전자를 생산할 수 있을 만큼 많은 양의 1차 전자를 만들되, 자기렌즈에 의해서 작은 빔을 효과적으로 형성하도록 고안되어 있다.

도 1은 일반적인 주사 전자 현미경의 전자총 구조를 예시하고 있다. 도 1을 참조하면, 음극을 형성하는 필라멘트(10)의 주위를 감싸도록 웨넬트 실린더(Wehnelt cylinder, 20)가 배치되며, 가속 전극 역할을 수행하는 양극판(Anode plate, 30)이 필라멘트(10)에 이격 배치된다. 가속 전원(40)이 필라멘트(10)와 양극판(30) 사이에 30kV 내외의 고전압을 인가한다. 웨넬트 실린더(20)에 바이어스 전압이 가해지면, 웨넬트 실린더(20)는 음극인 필라멘트(10)보다 더 마이너스 전압을 띠게 되고, 이로 인해 필라멘트(10)에서 방출된 전자는 척력을 받게 되어 가운데로 집속된다. 그리고, 음극인 필라멘트와 양극판 사이에 가해지는 전압을 가속 전압(Accelerator voltage)이라고 하는데 이에 의해 필라멘트에서 방출된 전자가 가속되어 아래 방향으로 방사되면서 전자빔을 형성한다.

주사 전자 현미경의 제품 경쟁력은 배율, 분해능, 장비의 크기에 따라 결정된다. 전자총의 구조와 성능에 의해 배율과 분해능이 결정되며, 고전압 발생 회로부의 설계에 의해(예컨대, 서로 다른 고전압을 생성시키는 회로들의 수에 의해) 장비의 크기가 결정된다. 최근에는 주사 전자 현미경의 보급이 늘어가면서 연구실이나 사무실 등에서 편리하게 사용할 수 있는 탁상형 SEM의 요구가 증가하고 있으며, 고전압 발생 회로부를 더욱 컴팩트하게 설계하는 것이 요구되고 있다.

또한, 주사 전자 현미경 이외에도 서로 다른 고전압이 사용되는 다양하고 수많은 고전압 사용 장치 또한 고전압 전원장치 측의 크기를 줄일 수 있다면 제품 경쟁력이 높아질 수 있는 것은 자명할 것이다.

대한민국 공개특허 제 10-2011-0121004호(2011.11.07.)

본 발명은 단일의 멀티 플라이어 회로부를 이용하여 서로 다른 3개의 고전압을 발생시킴으로써 고전압 발생 회로부를 매우 간소하게 설계할 수 있고 장치의 크기를 줄일 수 있는 새로운 구조의 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치는, 필라멘트와 양극판 사이에 고전압을 인가시키는 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치에 있어서, 입력 전압을 승압하는 트랜스의 2차측에 다이오드와 커패시터가 직렬로 연결되는 배압 회로가 복수개 다단으로 병렬 접속되어 N배(여기서, N은 3보다 큰 양의 정수)의 다배압 회로를 구성하는 멀티 플라이어 회로부; 상기 멀티 플라이어 회로부의 최대 배압 출력단에 접속되는 제1 고전압 출력부; 상기 멀티 플라이어 회로부의 상기 배압 회로들이 접속되는 접속점 중 어느 하나에서 분기된 M배(여기서, M은 N보다 작은 양의 정수)의 중간 배압 출력단에 접속되는 제2 고전압 출력부; 및 상기 멀티 플라이어 회로부의 상기 배압 회로들이 접속되는 접속점 중 다른 하나에서 분기된 K배(여기서, K는 M보다 작은 양의 정수)의 중간 배압 출력단에 접속되는 제3 고전압 출력부를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치는, 상기 N은 10이고, 상기 M은 6 내지 8이고, 상기 K는 2 내지 4이다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치는, 상기 멀티 플라이어 회로부는 상기 배압 회로가 10개 다단으로 병렬 접속되어 10배의 다배압 회로를 구성한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치는, 상기 트랜스의 1차측 권선과 2차측 권선 간의 권선비는 1:100이다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치는, 상기 제1 고전압 출력부의 최대 출력 전압은 100kV이다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치는, 상기 제2 고전압 출력부는 상기 멀티 플라이어 회로부의 상기 배압 회로들 중 6번째 배압 회로의 출력단에서 분기되며, 상기 제2 고전압 출력부의 최대 출력 전압은 60kV이다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치는, 상기 제3 고전압 출력부는 상기 멀티 플라이어 회로부의 상기 배압 회로들 중 2번째 배압 회로의 출력단에서 분기되며, 상기 제3 고전압 출력부의 최대 출력 전압은 20kV이다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치는, 상기 제2 고전압 출력부는 상기 M배의 중간 배압 출력단에 소스 단자가 접속되고 접지 단자에 드레인 단자가 접속되며 게이트 단자에는 상기 제2 고전압 출력부의 출력을 궤환한 스위칭 입력 전압(Vin-2)이 인가되는 제1 고전압 스위칭수단(Q1)을 포함하며, 상기 제3 고전압 출력부는 상기 K배의 중간 배압 출력단에 소스 단자가 접속되고 접지 단자에 드레인 단자가 접속되며 게이트 단자에는 상기 제3 고전압 출력부의 출력을 궤환한 스위칭 입력 전압(Vin-3)이 인가되는 제2 고전압 스위칭수단(Q2)을 포함한다.

본 발명의 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치에 따르면, 단일의 멀티 플라이어 회로부의 최대 배압 출력단에서 제1 고전압 출력부를 인출하고, 서로 다른 중간 접속점에서 각각 서로 다른 중간 배압을 갖는 제2 고전압 출력부와 제3 고전압 출력부를 인출하되, 제2 고전압 출력부와 제3 고전압 출력부는 고전압 스위칭수단에 의해 선택적으로 출력되도록 함으로써, 단일의 멀티 플라이어 회로부를 이용하여 서로 다른 3개의 고전압을 구현할 수 있고 고전압 발생 회로부를 컴팩트하게 설계할 수 있으므로 사용자 편의성을 증진시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 가변형 전원을 사용하는 경우 제2 고전압 출력부 및 제3 고전압 출력부는 각각 그 출력 성분을 궤환하여 스위칭 신호 입력성분으로 활용함으로써 제1 고전압 출력분이 가변되어도 제2 고전압 출력분과 제3 고전압 출력분이 그에 영향받지 않고 원하는 전압으로 유지되도록 할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 주사 전자 현미경의 전자총 구조를 예시한 단면 구성도, 및
도 2는 본 발명에 따른 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치를 예시한 회로도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구체적인 실시예가 설명된다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대하여 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

명세서 전체에 걸쳐 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 그리고 본 발명에 첨부된 도면은 설명의 편의를 위한 것으로서, 그 형상과 상대적인 척도는 과장되거나 생략될 수 있다.

실시예를 구체적으로 설명함에 있어서, 중복되는 설명이나 당해 분야에서 자명한 기술에 대한 설명은 생략되었다. 또한, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 기재된 구성요소 외에 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 “~부”, “~기”, “~모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 전기적으로 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.

본 발명의 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치는, 필라멘트와 양극판 사이에 고전압을 인가하기 위한 장치로서, 서로 다른 3개의 독립적인 고전압을 단일의 멀티 플라이어(multiplier) 회로부로 발생시키는 특징을 갖는다. 적용 대상의 구조 및 기능은 도 1 및 배경기술의 설명을 참조하여 이해할 수 있다. 이하에서는 도 2의 회로도를 참조하여 본 발명에 따른 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치를 예시한 회로도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치는 멀티 플라이어 회로부(110)와, 제1 고전압 출력부(120)와, 제2 고전압 출력부(130)와, 제3 고전압 출력부(140)로 구성된다.

멀티 플라이어 회로부(110)는 입력 전압을 승압하는 트랜스(T1)의 2차측에 다이오드(D1-D10)와 커패시터(C1-C10)가 직렬로 연결되는 배압 회로가 복수개 다단으로 병렬 접속되어 N배(여기서, N은 3보다 큰 양의 정수)의 다배압 회로를 구성한다.

제1 고전압 출력부(120)는 멀티 플라이어 회로부(110)의 최대 배압 출력단에 접속된다.

제2 고전압 출력부(130)는 멀티 플라이어 회로부(110)의 배압 회로들이 접속되는 접속점 중 어느 하나에서 분기된 M배(여기서, M은 N보다 작은 양의 정수)의 중간 배압 출력단에 접속되는 출력부이다.

제3 고전압 출력부(140)는 멀티 플라이어 회로부(110)의 배압 회로들이 접속되는 접속점 중 다른 하나에서 분기된 K배(여기서, K는 M보다 작은 양의 정수)의 중간 배압 출력단에 접속되는 출력부이다.

바람직하게는, N은 10이고, M은 6 내지 8이고, K는 2 내지 4의 값을 가질 수 있다.

도 2의 예시에서 트랜스(T1)의 권선비는 1:100이며, 1차측에 인가되는 입력 전압(Vin-1)이 AC 100V라고 가정할 때, 2차측에 인가되는 출력 전압(Vt)은 10kV이다.

도 2를 참조하면, 제1 다이오드(D1)와 제1 커패시터(C1)가 쌍을 이루어 하나의 배압 회로를 형성한다. 트랜스(T1) 2차측에 인가되는 교류 전원의 반주기에서 제1 다이오드(D1)가 순방향으로 도통되며, 이때 제1 커패시터(C1)에는 트랜스(T1) 2차측 양단의 전압(Vt)이 충전된다. 다음 반주기에서 제2 다이오드(D2)를 통해 제1 커패시터(C1)에 충전되었던 전압이 방전되고, 제2 커패시터(C2)에 Vt의 2배에 달하는 전압이 충전된다.

이와 동일하게 다음 반주기에서 제3 커패시터(C3)에 Vt의 3배에 달하는 전압이 충전되며, 멀티 플라이어 회로부(110)는 최종적으로 배압 회로 쌍의 수만큼의 다배압 출력을 발생시킨다. 도 2의 예에서, 멀티 플라이어 회로부(110)는 10개의 배압 회로 쌍을 가지며, 최종적으로 Vt의 10배에 달하는 출력을 갖는다. 예컨대, 제1 고전압 출력부(120)의 최대 출력 전압은 100kV이다.

도시된 예에서 제2 고전압 출력부(130)는 제6 다이오드(D6)와 제7 다이오드(D7)의 접속점에서 분기되며, 제6 커패시터(C6)의 충전전압인 Vt의 6배에 달하는 출력을 갖는다. 예컨대, 제2 고전압 출력부(130)의 최대 출력 전압은 60kV이다.

도 2를 참조하면, 제3 고전압 출력부(140)는 제2 다이오드(D2)와 제3 다이오드(D3)의 접속점에서 분기되며, 제2 커패시터(C2)의 충전전압인 Vt의 2배에 달하는 출력을 갖는다. 예컨대, 제3 고전압 출력부(140)의 최대 출력 전압은 20kV이다.

한편, 본 발명의 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치는 제2 고전압 출력부(130) 및 제3 고전압 출력부(140)가 각각 그 출력 성분을 궤환하여 스위칭 신호 입력성분으로 활용함으로써 제1 고전압 출력분이 가변되어도 제2 고전압 출력분과 제3 고전압 출력분이 그에 영향받지 않고 원하는 전압으로 유지되도록 할 수 있는 기능을 더 제공한다.

도 2를 참조하면, 제2 고전압 출력부(130)는 M배의 중간 배압 출력단(도시된 예시에서는 제6 커패시터(C6)의 출력단)에 소스 단자가 접속되고 접지 단자에 드레인 단자가 접속되며 게이트 단자에는 제2 고전압 출력부의 출력을 궤환한 스위칭 입력 전압(Vin-2)이 인가되는 제1 고전압 스위칭수단(Q1)을 포함한다. 제1 고전압 스위칭수단(Q1)의 게이트 단자에 인가되는 전압의 레벨에 따라 소스 단자와 드레인 단자 사이를 흐르는 전류가 제어되며, 제2 고전압 출력부(130)의 출력 전압이 결정된다.

제3 고전압 출력부(140)는 K배의 중간 배압 출력단(도시된 예시에서는 제2 커패시터(C2)의 출력단)에 소스 단자가 접속되고 접지 단자에 드레인 단자가 접속되며 게이트 단자에는 제3 고전압 출력부의 출력을 궤환한 스위칭 입력 전압(Vin-3)이 인가되는 제2 고전압 스위칭수단(Q2)을 포함한다. 제2 고전압 스위칭수단(Q2)의 게이트 단자에 인가되는 전압의 레벨에 따라 소스 단자와 드레인 단자 사이를 흐르는 전류가 제어되며, 제3 고전압 출력부(140)의 출력 전압이 결정된다.

위에서 개시된 발명은 기본적인 사상을 훼손하지 않는 범위 내에서 다양한 변형예가 가능하다. 즉, 위의 실시예들은 모두 예시적으로 해석되어야 하며, 한정적으로 해석되지 않는다. 따라서 본 발명의 보호범위는 상술한 실시예가 아니라 첨부된 청구항에 따라 정해져야 하며, 첨부된 청구항에 한정된 구성요소를 균등물로 치환한 경우 이는 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

110 : 멀티 플라이어 회로부 120 : 제1 고전압 출력부
130 : 제2 고전압 출력부 140 : 제3 고전압 출력부

Claims

필라멘트와 양극판 사이에 고전압을 인가시키는 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치에 있어서,
입력 전압을 승압하는 트랜스의 2차측에 다이오드와 커패시터가 직렬로 연결되는 배압 회로가 복수개 다단으로 병렬 접속되어 N배(여기서, N은 3보다 큰 양의 정수)의 다배압 회로를 구성하는 멀티 플라이어 회로부;
상기 멀티 플라이어 회로부의 최대 배압 출력단에 접속되는 제1 고전압 출력부;
상기 멀티 플라이어 회로부의 상기 배압 회로들이 접속되는 접속점 중 어느 하나에서 분기된 M배(여기서, M은 N보다 작은 양의 정수)의 중간 배압 출력단에 접속되는 제2 고전압 출력부; 및
상기 멀티 플라이어 회로부의 상기 배압 회로들이 접속되는 접속점 중 다른 하나에서 분기된 K배(여기서, K는 M보다 작은 양의 정수)의 중간 배압 출력단에 접속되는 제3 고전압 출력부
를 포함하며,
상기 제2 고전압 출력부는 상기 M배의 중간 배압 출력단에 소스 단자가 접속되고 접지 단자에 드레인 단자가 접속되며 게이트 단자에는 상기 제2 고전압 출력부의 출력을 궤환한 스위칭 입력 전압(Vin-2)이 인가되는 제1 고전압 스위칭수단(Q1)을 포함하고, 상기 제1 고전압 스위칭수단(Q1)의 게이트 단자에 인가되는 전압의 레벨에 따라 소스 단자와 드레인 단자 사이를 흐르는 전류가 제어되어 상기 제2 고전압 출력부의 출력 전압이 결정되며,
상기 제3 고전압 출력부는 상기 K배의 중간 배압 출력단에 소스 단자가 접속되고 접지 단자에 드레인 단자가 접속되며 게이트 단자에는 상기 제3 고전압 출력부의 출력을 궤환한 스위칭 입력 전압(Vin-3)이 인가되는 제2 고전압 스위칭수단(Q2)을 포함하고, 상기 제2 고전압 스위칭수단(Q2)의 게이트 단자에 인가되는 전압의 레벨에 따라 소스 단자와 드레인 단자 사이를 흐르는 전류가 제어되어 상기 제3 고전압 출력부의 출력 전압이 결정되는 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치.
제1항에 있어서,
상기 N은 10이고, 상기 M은 6 내지 8이고, 상기 K는 2 내지 4인 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치.
제2항에 있어서,
상기 멀티 플라이어 회로부는 상기 배압 회로가 10개 다단으로 병렬 접속되어 10배의 다배압 회로를 구성하는 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치.
제3항에 있어서,
상기 트랜스의 1차측 권선과 2차측 권선 간의 권선비는 1:100인 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치.
제4항에 있어서,
상기 제1 고전압 출력부의 최대 출력 전압은 100kV인 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치.
제3항에 있어서,
상기 제2 고전압 출력부는 상기 멀티 플라이어 회로부의 상기 배압 회로들 중 6번째 배압 회로의 출력단에서 분기되며, 상기 제2 고전압 출력부의 최대 출력 전압은 60kV인 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치.
제3항에 있어서,
상기 제3 고전압 출력부는 상기 멀티 플라이어 회로부의 상기 배압 회로들 중 2번째 배압 회로의 출력단에서 분기되며, 상기 제3 고전압 출력부의 최대 출력 전압은 20kV인 단일 회로 다중 출력 고전압 전원장치.
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