KR102448125B1 - High voltage pulse power supply and operation method thereof - Google Patents

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KR102448125B1
KR102448125B1 KR1020210043135A KR20210043135A KR102448125B1 KR 102448125 B1 KR102448125 B1 KR 102448125B1 KR 1020210043135 A KR1020210043135 A KR 1020210043135A KR 20210043135 A KR20210043135 A KR 20210043135A KR 102448125 B1 KR102448125 B1 KR 102448125B1
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류홍제
박수미
정우철
송승호
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중앙대학교 산학협력단
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Abstract

Disclosed are a high voltage pulse power supply and an operation method of the high voltage pulse power supply. The high voltage pulse power supply includes n semiconductor switches having a semiconductor switch stack structure connected in series. The high voltage pulse power supply comprises: a pulse generator which generates an on or off gate pulse; n/2 gate transformers, each of which has a single turn high voltage cable as a primary side, and which receive the on or off gate pulse from the pulse generator through the primary side and transmit the on or off gate pulse through a secondary side; and n gate driving units which convert the on or off gate pulses transmitted through the gate transformers into gate signals and transmit the signals to the n semiconductor switches, respectively. The primary side windings of the n/2 gate transformers have a structure that the high voltage cable, wound as a single turn, passes through the n/2 gate transformer cores and can be connected to an output terminal of the pulse generator. Therefore, the present invention can control multiple semiconductor switches, which have a serial stack structure, to synchronize simultaneously.

Description

고전압 펄스 전원 장치 및 이의 동작 방법{High voltage pulse power supply and operation method thereof}High voltage pulse power supply and operation method thereof

본 발명은 고전압 펄스 전원 장치 및 이의 동작 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a high voltage pulsed power supply and a method of operating the same.

일반적으로 반도체 스위치 기반 고전압 펄스 응용 기술은 환경, 국방, 의료 등 매우 다양한 분야에 적용 가능하다. 직렬 스태킹 구조의 고전압 반도체 스위치를 구동하기 위해서는 각 스위치에 절연과 동기화된 게이트 신호를 전달하는 것이 주 고려사항이며, 이를 위해 종래에는 별도의 광 케이블을 사용하여 게이트에 신호를 전달하거나 게이트 구동 회로에 별도의 보조 회로를 추가하였다.In general, semiconductor switch-based high voltage pulse application technology can be applied to a wide variety of fields such as environment, national defense, and medical care. In order to drive a high-voltage semiconductor switch of a series stacking structure, it is a major consideration to transmit a gate signal synchronized with insulation to each switch. A separate auxiliary circuit was added.

그러나, 종래의 별도의 광 신호나 보조 회로를 사용하는 경우 추가적인 소자와 회로가 요구되며, 추가된 소자와 회로들로 인해 게이트 구동회로가 비교적 복잡한 동작 원리를 갖게 된다.However, when a conventional separate optical signal or auxiliary circuit is used, additional elements and circuits are required, and the gate driving circuit has a relatively complicated operating principle due to the additional elements and circuits.

추가로, 여러 개의 스위치 소자에 절연된 게이트 구동 신호를 전달하기 위해 스위치 개수와 동일한 수의 절연된 파워 서플라이가 요구되기도 한다. 이는 부피 및 단가 상승을 일으키는 단점이 된다. In addition, the same number of isolated power supplies as the number of switches may be required to transmit isolated gate driving signals to several switch elements. This becomes a disadvantage of causing an increase in volume and unit cost.

본 발명은 고전압 펄스 전원 장치 및 이의 동작 방법을 제공하기 위한 것이다.An object of the present invention is to provide a high voltage pulsed power supply and a method of operating the same.

또한, 본 발명은 직렬 스택 구조를 가지는 다수의 반도체 스위치를 동시에 동기 제어할 수 있는 고전압 펄스 전원 장치 및 이의 동작 방법을 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to provide a high voltage pulse power supply capable of simultaneously controlling a plurality of semiconductor switches having a series stack structure synchronously and an operating method thereof.

또한, 본 발명은 고전압 케이블과 다수의 소형 게이트 변압기를 사용하여 고압 절연과 동기화를 동시에 구현 가능한 고전압 펄스 전원 장치 및 이의 동작 방법을 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to provide a high voltage pulse power supply device capable of simultaneously implementing high voltage insulation and synchronization using a high voltage cable and a plurality of small gate transformers, and an operating method thereof.

본 발명의 일 측면에 따르면, 고전압 케이블과 다수의 소형 게이트 변압기를 사용하여 고압 절연과 동기화를 동시에 구현 가능한 장치가 제공된다.According to one aspect of the present invention, there is provided an apparatus capable of simultaneously implementing high voltage insulation and synchronization using a high voltage cable and a plurality of small gate transformers.

본 발명의 일 실시예에 따르면, n개의 반도체 스위치-상기 n개의 반도체 스위치는 직렬 연결된 반도체 스위치 스택 구조를 가짐; 온(On) 또는 오프(Off) 게이트 펄스를 생성하는 펄스 생성기; 단일 턴의 고전압 케이블을 일차측으로 가지며, 상기 펄스 생성기의 온(On) 또는 오프(Off) 게이트 펄스를 일차측을 통해 전달받아 이차측을 통해 전달하는 n/2개의 게이트 변압기; 및 상기 게이트 변압기를 통해 전달된 온(On) 또는 오프(Off) 게이트 펄스를 게이트 신호로 변환하여 상기 n개의 반도체 스위치로 각각 전달하는 n개의 게이트 구동부를 포함하되, 상기 n/2개의 게이트 변압기의 일차측 권선은 상기 고전압 케이블이 단일 턴으로 n/2개의 게이트 변압기 코어를 관통하여 지나도록 감는 구조로 구성되며, 상기 펄스 생성기의 출력단과 연결되는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전원 장치가 제공될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, n semiconductor switches-the n semiconductor switches have a semiconductor switch stack structure connected in series; a pulse generator for generating an on or off gate pulse; n/2 gate transformers having a single-turn high voltage cable as a primary side, receiving the on or off gate pulses of the pulse generator through the primary side and transmitting them through the secondary side; and n gate drivers for converting the on or off gate pulses transmitted through the gate transformer into gate signals and transmitting them to the n semiconductor switches, respectively, of the n/2 gate transformers. The primary winding has a structure in which the high voltage cable is wound to pass through n/2 gate transformer cores in a single turn, and is connected to the output terminal of the pulse generator. A high voltage pulse power supply may be provided. .

상기 n개의 게이트 구동부는 각각, 상기 반도체 스위치로 인가되는 게이트 신호의 크기를 클램핑하여 조절하거나 유지하는 제1 및 제2 제너 다이오드; 상기 게이트 변압기를 통해 입력되는 온(On) 또는 오프(Off) 게이트 펄스를 저장하는 스토리지 커패시터로 동작되는 커패시터; 및 상기 커패시터와 연결되는 저항을 포함할 수 있다. Each of the n gate drivers includes first and second Zener diodes for clamping and controlling or maintaining the magnitude of the gate signal applied to the semiconductor switch; a capacitor operating as a storage capacitor for storing an on or off gate pulse input through the gate transformer; and a resistor connected to the capacitor.

상기 게이트 구동부는 각각, 상기 게이트 변압기를 통해 온(On) 게이트 펄스가 인가됨에 따라 턴-온 모드로 동작되되, 상기 온(On) 게이트 펄스에 상응하여 연결된 반도체 스위치의 게이트 단으로 양의 전압이 인가되며, 상기 커패시터가 충전되되, 상기 제1 제너 다이오드는 역방향 바이어스 상태이며, 상기 제2 제너 다이오드는 순방향 바이어스 상태이다. Each of the gate drivers operates in a turn-on mode as an on-gate pulse is applied through the gate transformer, and a positive voltage is applied to the gate terminal of the semiconductor switch connected in response to the on-gate pulse. is applied, and the capacitor is charged, wherein the first Zener diode is in a reverse bias state and the second Zener diode is in a forward bias state.

상기 게이트 구동부는, 각각 상기 턴-온 모드로 동작된 이후 상기 게이트 변압기로부터 온(On) 게이트 펄스가 인가되지 않으면 상기 게이트 변압기로부터 오프(Off) 게이트 펄스가 인가되기 전까지, 상기 커패시터가 방전되며 턴-온 전압을 연결된 반도체 스위치의 게이트 단으로 인가하며 턴-온 유지 모드로 동작하되, 상기 커패시터의 전압과 상기 연결된 반도체 스위치의 게이트 전압은 역도통 상태인 제2 제너 다이오드의 항복 전압만큼의 크기로 클램핑되어 턴-온 상태가 유지될 수 있다. The gate driving unit, after each operation in the turn-on mode, if an on gate pulse is not applied from the gate transformer until an off gate pulse is applied from the gate transformer, the capacitor is discharged and turned -Applying an on voltage to the gate terminal of the connected semiconductor switch and operating in a turn-on maintenance mode, wherein the voltage of the capacitor and the gate voltage of the connected semiconductor switch are as large as the breakdown voltage of the second Zener diode in reverse conduction state It may be clamped to maintain a turn-on state.

상기 게이트 구동부는 각각, 상기 게이트 변압기를 통해 오프(Off) 게이트 펄스가 인가됨에 따라 상기 반도체 스위치의 게이트 단으로 턴-오프 전압이 인가되며, 상기 커패시터는 방전되어 턴-오프 모드로 동작될 수 있다. Each of the gate drivers may apply a turn-off voltage to the gate terminal of the semiconductor switch as an off gate pulse is applied through the gate transformer, and the capacitor may be discharged to operate in a turn-off mode. .

상기 게이트 구동부는 각각, 상기 오프(Off) 게이트 펄스가 사라지면, 상기 반도체 스위치의 게이트 전압과 상기 커패시터의 전압은 제1 제너 다이오드의 항복 전압으로 클램핑되어 다음 턴의 온(On) 게이트 펄스가 인가될때까지 턴-오프 상태를 유지할 수 있다. When the off gate pulse disappears from each of the gate drivers, the gate voltage of the semiconductor switch and the voltage of the capacitor are clamped to the breakdown voltage of the first Zener diode, and when the on gate pulse of the next turn is applied Turn-off state can be maintained until

본 발명의 다른 측면에 따르면, 고전압 펄스 전원 장치의 구동 방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, a method of driving a high voltage pulse power supply is provided.

고전압 펄스 전원 장치에서 직렬 스택 구조로 구성된 복수의 반도체 스위치의 구동 방법에 있어서, 단일 턴의 고전압 케이블을 통해 인가되는 온(On) 게이트 펄스에 따라 반도체 스위치의 게이트 단으로 양의 전압이 인가되어 상기 반도체 스위치가 턴-온되며, 커패시터가 충전되는 단계; 및 상기 온(On) 게이트 펄스가 사라짐에 따라 오프(Off) 게이트 펄스가 인가되기 전까지, 상기 커패시터가 방전되며 턴-온 전압을 상기 반도체 스위치의 게이트 단으로 인가하여 턴-유 상태를 유지하는 단계를 포함하는 직렬 스태킹 기반 반도체 스위치의 구동 방법이 제공될 수 있다. In the driving method of a plurality of semiconductor switches configured in a series stack structure in a high voltage pulse power supply, a positive voltage is applied to a gate terminal of a semiconductor switch according to an on gate pulse applied through a single-turn high voltage cable, turning on the semiconductor switch and charging the capacitor; and as the on gate pulse disappears, until an off gate pulse is applied, the capacitor is discharged and a turn-on voltage is applied to the gate terminal of the semiconductor switch to maintain a turn-y state. A method of driving a series stacking-based semiconductor switch comprising a may be provided.

상기 오프(Off) 게이트 펄스가 인가됨에 따라 상기 반도체 스위치의 게이트 단으로 턴-오프 전압이 인가되며, 상기 커패시터는 방전되는 단계를 더 포함할 수 있다. The method may further include applying a turn-off voltage to the gate terminal of the semiconductor switch as the off gate pulse is applied, and discharging the capacitor.

상기 오프(Off) 게이트 펄스가 인가되지 않으면, 상기 반도체 스위치의 게이트 전압과 상기 커패시터의 전압이 제너 다이오드의 항복 전압으로 클램핑되어 다음 턴의 온(On) 게이트 펄스가 인가될때까지 턴-오프 상태를 유지하는 단계를 더 포함할 수 있다. When the off gate pulse is not applied, the gate voltage of the semiconductor switch and the voltage of the capacitor are clamped to the breakdown voltage of the Zener diode, and the turn-off state is maintained until the On gate pulse of the next turn is applied. It may further include the step of maintaining.

본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 펄스 전원 장치 및 이의 구동 방법을 제공함으로써, 직렬 스택 구조를 가지는 다수의 반도체 스위치를 동시에 동기 제어할 수 있는 이점이 있다. By providing a high voltage pulse power supply device and a driving method thereof according to an embodiment of the present invention, there is an advantage in that it is possible to simultaneously control a plurality of semiconductor switches having a series stack structure.

또한, 본 발명은 고전압 케이블과 다수의 소형 게이트 변압기를 사용하여 고압 절연과 동기화를 동시에 구현 가능한 이점이 있다.In addition, the present invention has an advantage in that high voltage insulation and synchronization can be simultaneously implemented using a high voltage cable and a plurality of small gate transformers.

또한, 본 발명은 고밀도 제작이 가능한 이점이 있다. In addition, the present invention has the advantage that high-density fabrication is possible.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 펄스 전원 장치의 구조도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 구동부의 회로도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 턴-온 모드의 전류 흐름을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 턴-온 유지 모드의 전류 흐름을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 턴-오프 모드의 전류 흐름을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 구동부의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 구동부를 적용한 직렬 스택 기반 고전압 반도체 스위치의 펄스 방전 시뮬레이션 결과를 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 펄스 전원 장치의 직렬 스택 구조로 구성된 다수의 반도체 스위치의 구동 방법을 나타낸 순서도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 온(On) 또는 오프(Off) 게이트 펄스에 따른 게이트 구동부의 각 구성 및 반도체 스위치의 펄스 파형을 예시한 도면.
1 is a structural diagram of a high voltage pulse power supply device according to an embodiment of the present invention.
2 is a circuit diagram of a gate driver according to an embodiment of the present invention;
3 is a view showing a current flow in a turn-on mode according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating a current flow in a turn-on maintenance mode according to an embodiment of the present invention.
5 is a view showing a current flow in a turn-off mode according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating a simulation result of a gate driver according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram illustrating a pulse discharge simulation result of a series stack-based high voltage semiconductor switch to which a gate driver is applied according to an embodiment of the present invention.
8 is a flowchart illustrating a method of driving a plurality of semiconductor switches configured in a series stack structure of a high voltage pulse power supply device according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram illustrating each configuration of a gate driver according to an on or off gate pulse and a pulse waveform of a semiconductor switch according to an embodiment of the present invention.

본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.As used herein, the singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as “consisting of” or “comprising” should not be construed as necessarily including all of the various components or various steps described in the specification, some of which components or some steps are It should be construed that it may not include, or may further include additional components or steps. In addition, terms such as "...unit" and "module" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software, or a combination of hardware and software. .

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 펄스 전원 장치의 구조도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 구동부의 회로도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 턴-온 모드의 전류 흐름을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 턴-온 유지 모드의 전류 흐름을 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 턴-오프 모드의 전류 흐름을 나타낸 도면이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 구동부의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 구동부를 적용한 직렬 스택 기반 고전압 반도체 스위치의 펄스 방전 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 온(On) 또는 오프(Off) 게이트 펄스에 따른 게이트 구동부의 각 구성 및 반도체 스위치의 펄스 파형을 예시한 도면이다. 1 is a structural diagram of a high voltage pulse power supply according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a circuit diagram of a gate driver according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a turn-on according to an embodiment of the present invention. A view showing the current flow in the mode, FIG. 4 is a view showing the current flow in the turn-on maintenance mode according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a current flow in the turn-off mode according to an embodiment of the present invention. 6 is a diagram showing simulation results of a gate driver according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a series stack-based high voltage semiconductor switch to which a gate driver according to an embodiment of the present invention is applied. It is a view showing a pulse discharge simulation result, and FIG. 9 is a view illustrating each configuration of a gate driver according to an on or off gate pulse and a pulse waveform of a semiconductor switch according to an embodiment of the present invention .

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 펄스 전원 장치(100)는 수십 ~ 수백 kV 수준에 이르는 고전압을 다루기 위해 IGBT, MOSFET과 같은 반도체 기반 스위치(이하, 반도체 스위치라 칭하기로 함)가 직렬 스택 구조로 구성된다. As shown in FIG. 1 , the high voltage pulse power supply 100 according to an embodiment of the present invention is a semiconductor-based switch (hereinafter referred to as a semiconductor switch) such as an IGBT or a MOSFET to handle a high voltage ranging from several tens to several hundreds of kV. ) is configured in a series stack structure.

또한, 다수의 반도체 스위치의 양단에는 전압 발란성을 위해 RC 스버너 회로가 형성될 수 있다. In addition, an RC sburner circuit may be formed at both ends of the plurality of semiconductor switches for voltage balancing.

직렬 스택 구조로 구성된 다수의 반도체 스위치를 통시에 온(On) 또는 오프(Off)시키기 위해 본 발명의 일 실시예에서는 고전압 케이블과 n/2개의 게이트 변압기를 이용하며, 짧은 폭을 가지는 온(On)/오프(Off) 게이트 펄스를 이용하여 다수의 변압기의 포화를 방지할 수 있다. In an embodiment of the present invention, a high voltage cable and n/2 gate transformers are used to turn on or off a plurality of semiconductor switches configured in a series stack structure at the same time, and a short width On (On) )/Off gate pulses can be used to prevent saturation of multiple transformers.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 펄스 전원 장치(100)는 펄스 생성기(110), n/2개의 게이트 변압기(120), 다수의 게이트 구동부(130) 및 다수의 반도체 스위치(140)를 포함하여 구성된다. Referring to FIG. 1 , a high voltage pulse power supply device 100 according to an embodiment of the present invention includes a pulse generator 110 , n/2 gate transformers 120 , a plurality of gate drivers 130 , and a plurality of semiconductor switches. (140) is included.

펄스 생성기(110)는 짧은 펄스 폭을 가지는 온(On) 또는 오프(Off) 게이트 펄스를 생성하여 다수의 게이트 변압기(120)의 일차측으로 공급하기 위한 수단이다. The pulse generator 110 is a means for generating an on or off gate pulse having a short pulse width and supplying it to the primary side of the plurality of gate transformers 120 .

다수의 게이트 변압기(120)는 단일 턴의 고전압 케이블을 일차측으로 가지며, 펄스 생성기(110)로부터 공급되는 온(On) 또는 오프(Off) 게이트 펄스를 일차측을 통해 전달받아 이차측을 통해 게이트 구동부(130)로 전달할 수 있다. The plurality of gate transformers 120 have a single-turn high voltage cable as a primary side, and receive an On or Off gate pulse supplied from the pulse generator 110 through the primary side and a gate driver through the secondary side. It can be passed to (130).

n/2개의 게이트 변압기(120)의 일차측 권선은 고전압 케이블이 단일 턴으로 n/2개의 게이트 변압기 코어를 관통하여 지나도록 감는 구조로 구성되며, 펄스 생성기(110)의 출력단과 연결될 수 있다.The primary side winding of the n/2 gate transformer 120 has a structure in which a high voltage cable is wound to pass through the n/2 gate transformer core in a single turn, and may be connected to an output terminal of the pulse generator 110 .

이와 같이, 단일 턴의 고전압 케이블을 일차측으로 가지도록 n/2개의 게이트 변압기(120)가 구성됨으로써, 펄스 생성기(110)의 온(On) 또는 오프(Off) 게이트 펄스가 단일 턴의 고전압 케이블을 통해 동시에 n/2개의 게이트 변압기(120)로 공급되며, 이차측을 통해 온(On) 또는 오프(Off) 게이트 펄스가 게이트 구동부(130)로 제공될 수 있다. In this way, n/2 gate transformers 120 are configured to have a single-turn high-voltage cable as the primary side, so that the on or off gate pulses of the pulse generator 110 are the single-turn high-voltage cables. It is simultaneously supplied to n/2 gate transformers 120 through the n/2 gate transformer 120 , and an on or off gate pulse may be provided to the gate driver 130 through the secondary side.

각각의 게이트 변압기에는 각각의 게이트 구동부(130)가 연결되며, 각각의 게이트 구동부(130)는 게이트 변압기(120)를 통해 전달된 온(On) 또는 오프(Off) 게이트 펄스를 게이트 신호로 변환하여 연결된 각 반도체 스위치로 전달할 수 있다. Each gate driver 130 is connected to each gate transformer, and each gate driver 130 converts the on or off gate pulse transmitted through the gate transformer 120 into a gate signal. It can be transmitted to each connected semiconductor switch.

본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 구동부(130)는 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 제너 다이오드(ZD1, ZD2)(210, 215)와 커패시터 및 저항을 포함할 수 있다. As shown in FIG. 2 , the gate driver 130 according to an embodiment of the present invention may include first and second Zener diodes ZD1 and ZD2 210 and 215 , capacitors and resistors.

제1 및 제2 제너 다이오드(ZD1, ZD2)는 반도체 스위치(140)로 인가되는 게이트 전압의 크기를 클램핑하여 조절하거나 유지하는 역할을 수행한다. The first and second Zener diodes ZD1 and ZD2 clamp and adjust or maintain the magnitude of the gate voltage applied to the semiconductor switch 140 .

커패시터(220)는 게이트 변압기(120)를 통해 입력받은 온(On) 게이트 펄스 또는 오프(Off) 게이트 펄스를 저장하는 스토리지 커패시터의 역할을 수행한다. The capacitor 220 serves as a storage capacitor for storing an on gate pulse or an off gate pulse input through the gate transformer 120 .

본 발명의 일 실시예에 따르면, 게이트 구동부(130)는 온(On) 또는 오프(Off) 게이트 펄스에 따라 턴-온 모드, 턴-온 유지 모드, 턴-오프 모드로 동작될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the gate driver 130 may be operated in a turn-on mode, a turn-on maintenance mode, and a turn-off mode according to an on or off gate pulse.

도 3 내지 도 5에는 턴-온 모드, 턴-온 유지 모드, 턴-오프 모드에 따른 전류 패스가 예시되어 있다. 도 3 내지 도 5를 참조하여, 각각의 동작 모드에 대해 설명하기로 한다. 3 to 5 illustrate current paths according to the turn-on mode, the turn-on sustain mode, and the turn-off mode. 3 to 5 , each operation mode will be described.

도 3을 참조하여 턴-온 모드에 대해 설명하기로 한다. The turn-on mode will be described with reference to FIG. 3 .

단일 턴의 고전압 케이블을 일차측으로 가지는 n/2개의 게이트 변압기(120)의 이차측을 통해 각각의 게이트 구동부(130)로 온(On) 게이트 펄스가 인가될 수 있다. An on gate pulse may be applied to each gate driver 130 through the secondary side of the n/2 gate transformers 120 having a single-turn high voltage cable as the primary side.

이와 같은 턴-온 모드의 경우 도 3에 도시된 바와 같이, 양의 전류가 게이트 구동부(130)를 통해 연결된 반도체 스위치의 게이트 단으로 인가될 수 있다. In this turn-on mode, as shown in FIG. 3 , a positive current may be applied to the gate terminal of the semiconductor switch connected through the gate driver 130 .

또한, 온(On) 게이트 펄스에 따라 턴-온 전압이 반도체 스위치의 게이트단으로 인가됨과 동시에 스토리지 커패시터 역할을 하는 커패시터(C)(220)가 충전될 수 있다. In addition, the capacitor (C) 220 serving as a storage capacitor may be charged while the turn-on voltage is applied to the gate terminal of the semiconductor switch according to the on gate pulse.

각각의 게이트 구동부(130)에 구비된 제1 및 제2 제너 다이오드는 도 3과 같은 전류 흐름(편의상 순방향으로의 전류 흐름이라 칭하기로 함)에 따라 제1 제너 다이오드는 역방향 바이어스 상태가 되며, 제2 제너 다이오드는 순방향 바이어스 상태가 된다. The first and second Zener diodes provided in each gate driver 130 are reverse biased according to the current flow (referred to as a forward current flow for convenience) as shown in FIG. 3 , 2 The Zener diode is forward biased.

따라서, 각 게이트 구동부(130)에 연결된 각 반도체 스위치의 게이트 전압은 30V의 온(On) 게이트 펄스 전압에서 제1 제너 다이오드(ZD1)의 항복 전압을 뺀 크기만큼 가질 수 있다. Accordingly, the gate voltage of each semiconductor switch connected to each gate driver 130 may have a magnitude obtained by subtracting the breakdown voltage of the first Zener diode ZD1 from the on gate pulse voltage of 30V.

다시 정리하면, 단일 턴의 고전압 케이블의 일차측 권선을 통해 각 게이트 변압기(120)로 온(On) 게이트 펄스가 인가되면, 이차측을 통해 각 게이트 구동부(130)로 전달되며, 이에 따라 반도체 스위치(140)로 턴-온 전압이 인가됨과 동시에 각 게이트 구동부(130)에 구비된 커패시터가 제너 다이오드의 역 바이어스 전압만큼 충전될 수 있다. In other words, when an on gate pulse is applied to each gate transformer 120 through the primary winding of the single-turn high voltage cable, it is transmitted to each gate driver 130 through the secondary side, and accordingly, the semiconductor switch At the same time as the turn-on voltage of 140 is applied, the capacitor provided in each gate driver 130 may be charged by the reverse bias voltage of the Zener diode.

턴-온 모드 이후에 온(On) 게이트 펄스가 사라지면(인가되지 않으면), 본 발명의 일 실시예에 따른 각 게이트 구동부(130)는 충전된 커패시터와 제너 다이오드를 통해 오프(Off) 게이트 펄스가 인가되기 전까지 턴-온 유지 모드로 동작될 수 있다. When the on gate pulse disappears (if not applied) after the turn-on mode, each gate driver 130 according to an embodiment of the present invention generates an Off gate pulse through a charged capacitor and a Zener diode. It may operate in a turn-on maintenance mode until it is applied.

도 4를 참조하여 이에 대해 설명하기로 한다. This will be described with reference to FIG. 4 .

턴-온 모드 이후에 온(On) 게이트 펄스가 사라지면, 충전된 커패시터(220)가 방전되며 턴-온 전압을 반도체 스위치의 게이트 단으로 인가하게 된다. When the on gate pulse disappears after the turn-on mode, the charged capacitor 220 is discharged and the turn-on voltage is applied to the gate terminal of the semiconductor switch.

커패시터(220)의 전압과 반도체 스위치의 게이트 전압은 역도통 상태인 제2 제너 다이오드(ZD2)의 항복 전압만큼의 크기로 클램핑되어 유지될 수 있다. The voltage of the capacitor 220 and the gate voltage of the semiconductor switch may be clamped and maintained as much as the breakdown voltage of the second Zener diode ZD2 in the reverse conduction state.

턴-유 유지 모드 이후에 단일 턴의 고전압 케이블의 일차측 권선을 통해 각 게이트 변압기(120)로 오프(Off) 게이트 펄스가 인가되면, 이차측을 통해 각 게이트 구동부(130)로 전달됨에 따라 턴-오프 모드가 동작될 수 있다. After the turn-your maintenance mode, when an off gate pulse is applied to each gate transformer 120 through the primary winding of a single-turn high voltage cable, the turn is transmitted to each gate driver 130 through the secondary side. -Off mode can be operated.

단일 턴의 고전압 케이블의 일차측 권선을 통해 각 게이트 변압기(120)로 게이트 변압기(120)를 통해 오프(Off) 게이트 펄스가 인가되면, 도 5에 도시된 바와 같이, 전류가 턴-온 모드와는 반대로 흐르면서 반도체 스위치(140)가 턴-오프된다. When an off gate pulse is applied through the gate transformer 120 to each gate transformer 120 through the primary winding of the single-turn high voltage cable, as shown in FIG. 5, the current flows in the turn-on mode and flows in the opposite direction, and the semiconductor switch 140 is turned off.

반도체 스위치(140)의 게이트 단에는 오프(Off) 게이트 펄스 전압의 크기에서 역방향 바이어스 상태인 제2 제너 다이오드(ZD2)의 항복 전압을 뺀 만큼의 턴-오프 전압이 인가되며, 커패시터(C)(220)는 방전될 수 있다. A turn-off voltage is applied to the gate terminal of the semiconductor switch 140 by subtracting the breakdown voltage of the second Zener diode ZD2 in the reverse bias state from the magnitude of the off gate pulse voltage, and the capacitor C ( 220) may be discharged.

턴-오프 모드 이후에 다음 온(On) 게이트 펄스가 인가되기 전까지, 턴-오프 상태가 유지될 수 있다. 이에 대해 설명하기로 한다. 오프(Off) 게이트 펄스가 사라지면 반도체 스위치의 게이트 전압과 커패시터(C)(220)의 전압이 제1 제너 다이오드(ZD1)의 항복 전압으로 클램핑되어 다음 온(On) 게이트 펄스가 인가될 때까지 턴-오프 상태가 유지될 수 있다. After the turn-off mode, the turn-off state may be maintained until the next on gate pulse is applied. This will be explained. When the off gate pulse disappears, the gate voltage of the semiconductor switch and the voltage of the capacitor (C) 220 are clamped to the breakdown voltage of the first Zener diode ZD1 and turn until the next On gate pulse is applied. -off state can be maintained.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 구동부의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다. 6 is a diagram illustrating a simulation result of a gate driver according to an embodiment of the present invention.

펄스 생성기(110)는 +30V, -30V 크기의 온(On)/오프(Off) 게이트 펄스를 발생시키며, 각 펄스의 펄스 폭은 약

Figure 112021038852801-pat00001
로 게이트 변압기(120)의 포화를 방지할 수 있다. 온(On)/오프(Off) 게이트 펄스의 폭과 반복율을 조절하여 반도체 스위치 스택의 출력 펄스의 펄스 폭과 반복율을 가변할 수 있다. The pulse generator 110 generates on/off gate pulses of +30V and -30V magnitudes, and the pulse width of each pulse is about
Figure 112021038852801-pat00001
Saturation of the raw gate transformer 120 can be prevented. By adjusting the width and repetition rate of the on/off gate pulses, the pulse width and repetition rate of the output pulses of the semiconductor switch stack may be varied.

도 6에서 보여지는 바와 같이, 각 반도체 스위치의 게이트 전압으로 온/오프 게이트 펄스 형태의 전압이 게이트 구동부의 커패시터와 제너 다이오드를 통해 각 반도체 스위치에 알맞은 턴-온/오프 전압 형태로 인가되는 것을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 6 , as the gate voltage of each semiconductor switch, it is confirmed that a voltage in the form of an on/off gate pulse is applied in the form of a turn-on/off voltage suitable for each semiconductor switch through the capacitor and Zener diode of the gate driver. can

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 구동부를 적용한 직렬 스택 기반 고전압 반도체 스위치의 펄스 방전 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다. 7 is a diagram illustrating a pulse discharge simulation result of a series stack-based high voltage semiconductor switch to which a gate driver is applied according to an embodiment of the present invention.

도 7에서는 12개의 IGBT(반도체 스위치)를 직렬 구성하여 게이트 구동부와 RC 스버너를 적용하여 10kV 100A 펄스 방전 상황을 시뮬레이션한 결과로, 출력 펄스폭은

Figure 112021038852801-pat00002
, 반복율 100Hz(주기 10ms), 100옴 저항 부하 조건에서의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. In FIG. 7, 12 IGBTs (semiconductor switches) are configured in series to simulate a 10kV 100A pulse discharge situation by applying a gate driver and an RC burner, and the output pulse width is
Figure 112021038852801-pat00002
, shows the simulation results under the conditions of a repetition rate of 100 Hz (period of 10 ms) and a 100 ohm resistive load.

온(On) 또는 오프(Off) 게이트 펄스에 따라 턴-온 모드, 턴-온 유지 모드, 턴-오프 모드에 따른 게이트 구동부의 각 구성과 반도체 스위치의 펄스 파형은 도 9에 도시된 바와 같다. Each configuration of the gate driver according to the turn-on mode, the turn-on maintenance mode, and the turn-off mode according to the on or off gate pulses and the pulse waveform of the semiconductor switch are as shown in FIG. 9 .

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 펄스 전원 장치의 직렬 스택 구조로 구성된 다수의 반도체 스위치의 구동 방법을 나타낸 순서도이다. 8 is a flowchart illustrating a method of driving a plurality of semiconductor switches configured in a series stack structure of a high voltage pulse power supply device according to an embodiment of the present invention.

단계 810에서 고전압 펄스 전원 장치(100)는 단일 턴의 고전압 케이블을 통해 온(On) 게이트 펄스를 공급한다. In step 810, the high voltage pulse power supply device 100 supplies an on gate pulse through a single-turn high voltage cable.

단계 815에서 고전압 펄스 전원 장치(100)는 단일 턴의 고전압 케이블을 통해 게이트 변압기의 일차측을 통해 공급된 온(On) 게이트 펄스를 이차측을 통해 게이트 구동부로 전달한다. In step 815 , the high voltage pulse power supply device 100 transmits the on gate pulse supplied through the primary side of the gate transformer through the single turn high voltage cable to the gate driver through the secondary side.

단계 820에서 고전압 펄스 전원 장치(100)는 온(On) 게이트 펄스가 인가됨에 따라 반도체 스위치의 게이트 단으로 양의 전압이 인가되어 반도체 스위치가 턴-온되며, 커패시터를 충전한다. In step 820 , in the high voltage pulse power supply device 100 , as an on gate pulse is applied, a positive voltage is applied to the gate terminal of the semiconductor switch, the semiconductor switch is turned on, and the capacitor is charged.

단계 825에서 고전압 펄스 전원 장치(100)는 온(On) 게이트 펄스가 사라짐에 따라 오프(Off) 게이트 펄스가 인가되기 전까지, 커패시터가 방전되며 턴-온 전압을 반도체 스위치의 게이트 단으로 인가하여 턴-유 상태를 유지한다.In step 825, the high voltage pulse power supply device 100 is turned on by applying the turn-on voltage to the gate terminal of the semiconductor switch until the capacitor is discharged until the off gate pulse is applied as the on gate pulse disappears. -Keep the status quo.

단계 830에서 고전압 펄스 전원 장치(100)는 오프(Off) 게이트 펄스가 인가됨에 따라 반도체 스위치의 게이트 단으로 턴-오프 전압이 인가되며, 커패시터는 방전된다. In step 830 , in the high voltage pulse power supply device 100 , as an OFF gate pulse is applied, a turn-off voltage is applied to the gate terminal of the semiconductor switch, and the capacitor is discharged.

단계 835에서 고전압 펄스 전원 장치(100)는 오프(Off) 게이트 펄스가 인가되지 않으면, 상기 반도체 스위치의 게이트 전압과 상기 커패시터의 전압이 제너 다이오드의 항복 전압으로 클램핑되어 다음 턴의 온(On) 게이트 펄스가 인가될때까지 턴-오프 상태를 유지한다. In step 835 , when the off gate pulse is not applied, the high voltage pulse power supply device 100 clamps the gate voltage of the semiconductor switch and the voltage of the capacitor to the breakdown voltage of the Zener diode, so that the on gate of the next turn The turn-off state is maintained until a pulse is applied.

이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.Up to now, the present invention has been looked at focusing on the embodiments thereof. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention may be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is indicated in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the present invention.

100: 고전압 펄스 전원 장치
110: 펄스 생성기
120: 게이트 변압기
130: 게이트 구동부
140: 직렬 스택 구조 기반 다수의 반도체 스위치
100: high voltage pulse power supply
110: pulse generator
120: gate transformer
130: gate driver
140: a plurality of semiconductor switches based on a series stack structure

Claims (10)

n개의 반도체 스위치-상기 n개의 반도체 스위치는 직렬 연결된 반도체 스위치 스택 구조를 가짐;
온(On) 또는 오프(Off) 게이트 펄스를 생성하는 펄스 생성기;
단일 턴의 고전압 케이블을 일차측으로 가지며, 상기 펄스 생성기의 온(On) 또는 오프(Off) 게이트 펄스를 일차측을 통해 전달받아 이차측을 통해 전달하는 n/2개의 게이트 변압기; 및
상기 게이트 변압기를 통해 전달된 온(On) 또는 오프(Off) 게이트 펄스를 게이트 신호로 변환하여 상기 n개의 반도체 스위치로 각각 전달하는 n개의 게이트 구동부를 포함하되,
상기 n/2개의 게이트 변압기의 일차측 권선은 상기 고전압 케이블이 단일 턴으로 n/2개의 게이트 변압기 코어를 관통하여 지나도록 감는 구조로 구성되며, 상기 펄스 생성기의 출력단과 연결되는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전원 장치.
n semiconductor switches, wherein the n semiconductor switches have a semiconductor switch stack structure connected in series;
a pulse generator for generating an on or off gate pulse;
n/2 gate transformers having a single-turn high voltage cable as a primary side, receiving the on or off gate pulses of the pulse generator through the primary side and transmitting them through the secondary side; and
Including n gate driving units for converting an On or Off gate pulse transmitted through the gate transformer into a gate signal and transmitting each to the n semiconductor switches,
The primary winding of the n/2 gate transformer has a structure in which the high voltage cable is wound to pass through the n/2 gate transformer core in a single turn, and is connected to the output terminal of the pulse generator. pulsed power supply.
제1 항에 있어서,
상기 n개의 게이트 구동부는 각각,
상기 반도체 스위치로 인가되는 게이트 신호의 크기를 클램핑하여 조절하거나 유지하는 제1 및 제2 제너 다이오드;
상기 게이트 변압기를 통해 입력되는 온(On) 또는 오프(Off) 게이트 펄스를 저장하는 스토리지 커패시터로 동작되는 커패시터; 및
상기 커패시터와 연결되는 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전원 장치.
The method of claim 1,
Each of the n gate drivers,
first and second zener diodes clamping and controlling or maintaining the magnitude of the gate signal applied to the semiconductor switch;
a capacitor operating as a storage capacitor for storing an on or off gate pulse input through the gate transformer; and
and a resistor connected to the capacitor.
제1 항에 있어서,
상기 n개의 반도체 스위치의 양단에는 각각 RC 스버너 회로가 형성되는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전원 장치.
The method of claim 1,
RC sburner circuits are respectively formed at both ends of the n semiconductor switches.
제2 항에 있어서,
상기 게이트 구동부는 각각,
상기 게이트 변압기를 통해 온(On) 게이트 펄스가 인가됨에 따라 턴-온 모드로 동작되되,
상기 온(On) 게이트 펄스에 상응하여 연결된 반도체 스위치의 게이트 단으로 양의 전압이 인가되며, 상기 커패시터가 충전되되,
상기 제1 제너 다이오드는 역방향 바이어스 상태이며, 상기 제2 제너 다이오드는 순방향 바이어스 상태인 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전원 장치.
3. The method of claim 2,
Each of the gate drivers,
Operated in turn-on mode as an on gate pulse is applied through the gate transformer,
A positive voltage is applied to the gate terminal of the connected semiconductor switch in response to the on gate pulse, and the capacitor is charged,
and the first Zener diode is in a reverse bias state, and the second Zener diode is in a forward bias state.
제4 항에 있어서,
상기 게이트 구동부는, 각각
상기 턴-온 모드로 동작된 이후 상기 게이트 변압기로부터 온(On) 게이트 펄스가 인가되지 않으면 상기 게이트 변압기로부터 오프(Off) 게이트 펄스가 인가되기 전까지, 상기 커패시터가 방전되며 턴-온 전압을 연결된 반도체 스위치의 게이트 단으로 인가하며 턴-온 유지 모드로 동작하되,
상기 커패시터의 전압과 상기 연결된 반도체 스위치의 게이트 전압은 역도통 상태인 제2 제너 다이오드의 항복 전압만큼의 크기로 클램핑되어 턴-온 상태가 유지되는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전원 장치.
5. The method of claim 4,
Each of the gate drivers
If an on gate pulse is not applied from the gate transformer after operating in the turn-on mode, the capacitor is discharged until an off gate pulse is applied from the gate transformer, and a semiconductor connected to a turn-on voltage It is applied to the gate terminal of the switch and operates in turn-on maintenance mode,
and the voltage of the capacitor and the gate voltage of the connected semiconductor switch are clamped to a magnitude equal to the breakdown voltage of the second Zener diode in reverse conduction state to maintain a turn-on state.
제2 항에 있어서,
상기 게이트 구동부는 각각,
상기 게이트 변압기를 통해 오프(Off) 게이트 펄스가 인가됨에 따라 상기 반도체 스위치의 게이트 단으로 턴-오프 전압이 인가되며, 상기 커패시터는 방전되어 턴-오프 모드로 동작되는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전원 장치.
3. The method of claim 2,
Each of the gate drivers,
A high voltage pulse power supply device, characterized in that as an off gate pulse is applied through the gate transformer, a turn-off voltage is applied to the gate terminal of the semiconductor switch, and the capacitor is discharged to operate in a turn-off mode .
제6 항에 있어서,
상기 게이트 구동부는 각각,
상기 오프(Off) 게이트 펄스가 사라지면, 상기 반도체 스위치의 게이트 전압과 상기 커패시터의 전압은 제1 제너 다이오드의 항복 전압으로 클램핑되어 다음 턴의 온(On) 게이트 펄스가 인가될때까지 턴-오프 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전원 장치.
7. The method of claim 6,
Each of the gate drivers,
When the off gate pulse disappears, the gate voltage of the semiconductor switch and the voltage of the capacitor are clamped to the breakdown voltage of the first zener diode and turn-off until the on gate pulse of the next turn is applied. High voltage pulse power supply, characterized in that it maintains.
고전압 펄스 전원 장치에서 직렬 스택 구조로 형성된 복수의 반도체 스위치를 동시에 구동하는 방법에 있어서,
단일 턴의 고전압 케이블을 통해 인가되는 온(On) 게이트 펄스에 따라 반도체 스위치의 게이트 단으로 양의 전압이 인가되어 상기 반도체 스위치가 턴-온되며, 커패시터가 충전되는 단계; 및
상기 온(On) 게이트 펄스가 사라짐에 따라 오프(Off) 게이트 펄스가 인가되기 전까지, 상기 커패시터가 방전되며 턴-온 전압을 상기 반도체 스위치의 게이트 단으로 인가하여 턴-온 상태를 유지하는 단계;
상기 오프(Off) 게이트 펄스가 인가됨에 따라 상기 반도체 스위치의 게이트 단으로 턴-오프 전압이 인가되며, 상기 커패시터는 방전되는 단계; 및
상기 오프(Off) 게이트 펄스가 인가되지 않으면, 상기 반도체 스위치의 게이트 전압과 상기 커패시터의 전압이 제너 다이오드의 항복 전압으로 클램핑되어 다음 턴의 온(On) 게이트 펄스가 인가될때까지 턴-오프 상태를 유지하는 단계를 포함하는 직렬 스택 구조 기반 반도체 스위치의 구동 방법.

A method of simultaneously driving a plurality of semiconductor switches formed in a series stack structure in a high voltage pulse power supply, comprising:
a step of applying a positive voltage to a gate terminal of a semiconductor switch according to an on gate pulse applied through a single-turn high voltage cable to turn on the semiconductor switch, and charging a capacitor; and
maintaining a turn-on state by discharging the capacitor and applying a turn-on voltage to a gate terminal of the semiconductor switch until an off gate pulse is applied as the on gate pulse disappears;
applying a turn-off voltage to a gate terminal of the semiconductor switch as the off gate pulse is applied, and discharging the capacitor; and
When the off gate pulse is not applied, the gate voltage of the semiconductor switch and the voltage of the capacitor are clamped to the breakdown voltage of the Zener diode, and the turn-off state is maintained until the On gate pulse of the next turn is applied. A method of driving a semiconductor switch based on a series stack structure, comprising maintaining.

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