KR19980018756A - 코로나 방전 오염 물질 파괴 장치용 전력 처리 회로 및 방법(Power Processor Circuit and Method for Corona Discharge Pollutant Destruction Apparatus) - Google Patents

코로나 방전 오염 물질 파괴 장치용 전력 처리 회로 및 방법(Power Processor Circuit and Method for Corona Discharge Pollutant Destruction Apparatus) Download PDF

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완다 케이. 덴슨-로우
에이치이홀딩스,인크.디비에이휴우즈일렉트로닉스
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Abstract

고체 소자 전력 처리 회로 및 방법이 사용되어 코로나 방전 오염 물질 파괴 장치(corona discharge pollutant destruction apparatus) 내에 방전을 일으키기 위해서 전력을 공급한다. 회로는 전계 효과 트랜지스터 (FETs) 및 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터 (MOSFETs) 기술에 기초한 집적 회로 장치를 사용하여 저전압 펄스 신호를 고전압 레벨로 증폭한다. 전력 처리 회로 내의 공진 회로는 고전압 펄스로부터 정현 발진을 일으키고, 코로나 방전에 필요한 고전압, 고주파수의 전력을 제공한다.

Description

코로나 방전 오염 물질 파괴 장치용 전력 처리 회로 및 방법
본 발명은 코로나 방전 오염 물질 파괴(corona discharge pollutant destruction) 코로나 방전 반응기에 코로나 방전을 일으키기 위해서 전력을 공급하기 위한 전력 처리 회로 및 방법에 관한 것이다.
오염 물질을 함유한 기체를 코로나 방전 사이트(corona discharge site)를 통과시키는 것은 기체로부터 오염 물질을 제거하는 공지된 방법이다. 이와 같은 기법의 일반적인 고찰이 푸카레프 등(Puchkarev et al.)이 플라즈마 과학에 관한 1994 국제 학술회의 논문집(Proceedings of the 1994 International Conf. on Plasma Science, 6-8 June, 1994, Santa Fe, New Mexico), 논문번호 1E6, 88 페이지에 개재한 표면 방전에 의한 유독성 가스 분해(Toxic Gas Decomposition by Surface Discharge)에 기재되어 있다. 제목이 코로나 방전을 생성하기 위한 코로나원과 코로나 방전을 이용한 액체 폐기물 처리(Corona Source for Producing Corona Discharge and Fluid Waste Treatment with Corona Discharge)이고, 1994년 8월 25일에 출원되고, 현재는 휴즈 전자(Hughes Electronics)로 영업하고 있는 휴즈 에어크래프트 캄파니(Hughes Aircraft Company)에 양도된 미합중국 출원 번호 제08/295,959호에 개시되어 있는 바와 같이, 액체에 대해서도 코로나 오염 물질 제거가 제안되었다.
오염 물질 제어를 위한 비열 플라즈마 기법(Non-Thermal Plasma Techniques for Pollution Control, NATO ASI Series VOl. G34 Part B, Ed. by B.M Penetrante and S.E Schultheis, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1993) 87-89 페이지에 야마모토(Yamamoto) 등이 개재한 밀집된 베드 반응기와 펄스형 코로나 플라즈마 반응기에 의한 가용성 유기화합물의 분해(Decomposition of Volatile Organic Compounds by a Packed Bed Reactor and a Pulsed-Corona Plasma Reactor)에서 설명된 한 시스템에서는 지속시간이 120-130 나노세컨드인 짧은 고전압 펄스를 동축(coaxial) 코로나 반응기 -이를 통해 기체가 흐르고 있음- 의 중심 전도체에 인가한다. 각 펄스는 활동 전자(energetic electron)가 5-10keV이고, 중심 와이어로부터 발산하여(emanate) 반응기 내부에 가득 퍼지는(floods) 코로나 방전을 생성한다. 유사한 시스템이 미합중국 특허 제4,695,358호에 설명되어 있는데, 여기에서는 양성(positive) DC 전압 펄스가 DC 바이어스 전압에 부가되어(superimposed) 기체 흐름으로부터 SOx, NOx를 제거하기 위한 스트리머(streamer) 코로나를 생성한다. 이와 같은 과정의 에너지 효율은 비교적 낮다. 선택된 반응기 형태(geometry)에 따라, 전극간의 아크 브레이크다운(arc breakdown)과 이에 따른 손상을 방지하기 위해 매우 짧은 펄스를 전달하여야 한다. 펄스 형성 회로는 고전압 전원으로부터의 전력의 반 정도를 충전 저항(charging resistor)에서 소실하고, 에너지가 이중 스파크 간극(double spark gap)에서 더 소모된다. 더욱이, 동축 코로나 반응기의 용량성 부하(capacitive load)가 충전되어야 하고, 이 충전 에너지는 전형적으로 코로나 반응에서 실제로 사용되는 에너지보다 훨씬 크고, 오염 물질 제거에 기여하는 바 없이 각 펄스 발생후에 열로 소실된다(decay away into heat).
반응실의 중심부에 배치된(centered) 단일한 동축 내부 전극은 환형 전계선(electirc field line)을 생성하여 절연체(dielectric)의 내부 표면상에 비교적 균일하게 전하가 분포되게 한다. 그러나, 동축 내부 전극의 큰 단점은 반응실 내에 구조적으로 지지되지 않고 반응실의 말단부에 매달려야 된다는 것이다. 더욱이, 고전압이 내부 전극에 인가되면 다량의 열이 발생한다. 동축 내부 전극은 배기 가스에 의해서만 둘러싸여 있고 따라서 과열될 수 있고 고온에 장기간 노출되면 타버릴(burn out) 수 있다.
오염 물질 제어를 위한 비열 플라즈마 기법(Non-Thermal Plasma Techniques for Pollution Control, NATO ASI Series VOl. G34 Part B, Ed. by B.M Penetrante and S.E Schultheis, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1993) 79-80 페이지에 로소샤(Rosocha) 등이 개재한 정적-방전 플라즈마를 이용한 위험한 유기 폐기물의 처리(Treatment of Hazardous Organic Wastes Using Silent-Discharge Plasmas),에 다른 반응기 형태를 이용하는 유사한 접근 방법이 개시되어 있는데 여기에서는 평행 플레이트간에 코로나 방전이 발생하도록 되어 있다. 이 시스템은 펄스 형성이 비효율적이고 반응기 충전 에너지가 회복되지 않기 때문에 유효 에너지가 적다는 단점을 갖는다(suffer from a poor specific energy).
코로나 방전을 발생시키기 위해서 인덕터-커패시터(inductor-capacitor) 공진 회로를 사용하는 오염 물질 파괴 시스템이 1995년 5월 25일 출원되고 본 발명의 양수인인 휴즈 에어크래프트 컴퍼니(Huges Aircraft Company)에게 양도된 미합중국 특허출원 제08/450,449호 자가-공진 코로나 방전을 이용하는 기체 오염 물질 파괴 장치 및 방법(Gaseous Polytant Destruction Apparatus and Method Using Self-Resonant Corona Discharge)에 개시되어 있다. 개시된 내용은 LC 공진 회로에 의해서 구동되는 단일 단계(single stage) 코로나 방전 반응기이며, 고압 펄스 에너지를 코로나 방전으로 변환하는데 효과적이다. 고압 펄스는 탄화수소 (HC) 및 일산화탄소 (CO)를 파괴하는데 매우 효과적이지만, 산화질소 (NOx)를 이가의 질소 (N2) 및 산소 (O2)로 환원하는 것을 이용하지 않고 있다. 높은 전압 (12 kV 까지)을 사용하면 소정의 NOx가 부가적으로 생성된다는 사실이 실험으로 밝혀졌다. 반면, 낮은 전압은 NOx를 감소시키는데 효과적이지만, HC를 산화시키는데에는 매우 부적합하다. 그러므로, 요구되는 처리에 따라서 넓은 범위의 전압 레벨과 주파수가 사용될 수 있다.
코로나 방전을 생성하기 위해서는 고전압 및 고주파수 전기가 공급되어야 한다. 필요한 전압은 일반적으로 대략 5 - 20 kV의 범위에 있으며, 필요한 주파수는 일반적으로 대략 5 내지 15 MHz의 범위에 있다. 필요한 파형을 생성하기 위해서 궤환 제어 루프를 사용하는 직렬 공진 인버터가 미합중국 특허 제4,757,432호에 개시되어 있다. 코로나 방전용으로 고전압 펄스를 생성하기 위해서 스파크 간극 회로(spark gap circuits)가 사용되어 왔으며, 이러한 내용은 1995년도 IEEE Transactions on Industry Applications 제31권, 페이지 957-962에 게제된 에이. 미즈노(A. Mizuno) 등의 펄스화된 방전 플라즈마를 사용한 NOx제거 공정(NOxRemoval Process Using Pulsed Discharge Plasma)과 1993년도 IEEE Transactions on Industry Applications 제29권, 페이지 98-102에 게재된 T. Fujii 등의 펄스 코로나 특성(Pulse Corona Characteristics)에 개시되어 있다.
본 발명은 코로나 방전 오염 물질 파괴 반응기에 코로나 방전을 일으키도록 전력을 공급하기 위한 전력 처리 회로에 관한 것이다. 본 발명의 일부 실시예는 분리된 고체 소자 전계 효과 트랜지스터 (solid state field effect transistor; FET) 회로 또는 FET 집적 회로 (ICs)를 사용하여 단지 수백 볼트의 직류(DC) 전력 공급원을 이용하여 고전압을 구동함으로써, 회로의 부피, 무게, 및 비용을 크게 감소시킨다.
한 실시예에서는, 직렬 공진 인덕터-커패시터 (LC) 회로가 1000 볼트 및 20 암페어 정도의 전압과 전류에서 동작하며 900 볼트 정도의 직류 전압으로 구동되는 완전 브리지(full bridge) 배치로 접속된 네 개의 고전력 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터 (Metal Oxide semiconductor field effect transistors; MOSFETs)에 의해서 구동된다. 상기 LC 회로는 대략 5 - 15MHz에서 공진한다. 대칭적으로 배치된 MOSFET는 LC 공진회로를 구동하고, 각각의 MOSFET은 복수의 병렬 FET단을 포함하는 구동 회로(driving circuit)와 접속된다. 구동 회로의 각 FET는 한 개 이상의 증폭 및 아이솔레이션(isolation) 회로와 접속되며, 증폭 및 아이솔레이션 회로는 저전압 신호원으로부터 구형 펄스를 입력받는다. 한 실시예에서 사용되는 아이솔레이션 회로는 FET와 초기 증폭기 간에 전류를 분리 절연하는 변압기이다. 구동 회로는 또한 신호원으로부터 분리되어 신호원을 구동 회로의 고전압 및 고전류로부터 보호한다. 아이솔레이션은 신호원으로부터 구동 회로로 전압과 전류를 차단하면서 광 펄스 신호를 송신하는 섬유 광학(fiber optic) 송신기/수신기 링크와 같은 원격 송신기/수신기로 달성될 수 있다.
다른 실시예에서는, 두 개의 고전력 MOSFET가 반 브리지(half bridge) 배치로 직렬의 LC 공진 회로의 한쪽 종단에만 접속되며 대략 ±200 볼트 정도의 DC 전압에 의해서 바이아징된다(biased). 각각의 MOSFET은 고주파수 펄스를 증폭할 수 있는 복수의 직렬 고속 FET IC 드라이버단을 포함하는 구동 회로에 접속된다. 저전압 신호원은 구형파를 구동 회로로 송신하지만, 전기적으로 분리되어 있어서 고전압 및 고전류에 의한 손상을 피할 수 있다. 아이솔레이션은 예를 들면 섬유 광학 송신기/수신기 링크 또는 다른 원격 송신기/수신기 수단에 의해서 달성될 수 있다. 상기 구동 회로에는, 변압기가 필요하지 않으며 병렬 구동단 각각에 단지 한 개의 고속 드라이버(high speed driver)가 섬유 광학 수신기 및 고전력 MOSFET 사이에 접속되어 있다.
도 1은 완전 브리지(full bridge) 배치를 갖는 본 발명의 한 실시예에 사용하기 위한 전력단의 개략도.
도 2는 도 1의 전력 처리 회로의 구동 회로(driving circuits) 중 한 개의 개략도.
도 3은 구동 회로 중 한 개에 제공되는 전형적인 펄스를 도시한 도면.
도 4는 전형적인 배기 가스실 전압으로서, 시간 영역에서 다중의 펄스를 도시한 도면.
도 5는 도 4의 일부를 확대된 시간 축상에 도시한 것으로서, 단일 펄스 내에 강제 공진에 의해서 구동된 정현파를 도시한 도면.
도 6은 배기 가스실을 통해 흐르는 전형적인 전류를 시간 영역에서 도시한 도면.
도 7a 및 7b는 각각 방전이 없는 경우와 방전 동안의 코로나 방전 반응기(corona discharge reactor)의 등가 회로도.
도 8은 전력 처리 회로가 반 브리지(half bridge) 배치를 갖는 본 발명의 다른 실시예에 의한 전력단의 개략도.
도 9는 복수의 고속 드라이버(high speed drivers)를 갖는 도 3의 전력 처리 회로의 구동 회로 중 한 개의 개략도.
도 10은 도 4에 사용된 고속 드라이버 중 한 개의 다른 실시예의 개략도.
도 11은 엔진 배기 가스를 처리하기 위해 코로나 방전을 일으키도록 전력을 공급하기 위한 본 발명에 따른 전력 처리 회로를 포함하는 자동차의 블록도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
2a, 2b, 2c, 2d : 고전력 FET
4a, 4b, 4c, 4d : 게이트
6a, 6b, 6c, 6d : 드레인
8a, 8b, 8c, 8d : 소오스
10a, 10b, 10c, 10d : 구동 회로
12 : LC 공진 회로
14 : 인덕터
16 : 커패시터
18 : 코로나 방전 반응기
20 : DC 전압원
22 : 필터 커패시터
본 발명은 분리된(discrete) 고체 소자 전계 효과 트랜지스터 (FETs) 또는 FET 집적 회로 (ICs), 및 고전압을 발생하기 위해서 비교적 낮은 DC 전압과 코로나 방전을 일으키기 위해서 고주파수 펄스를 사용하는 전력 처리 회로에 관한 것이다. 상기 회로는 코로나 방전을 일으키기 위해서 전력단의 고전력 FET 증폭기로 LC 공진 회로를 구동하고, 각각의 고전력 FET 증폭기는 분리된 FET 및/또는 FET IC를 포함하는 구동 회로에 의해서 구동되어 중간 레벨의 전압에서 증폭된 펄스를 전력단으로 공급한다. 상기 고전력 증폭 회로에는 또한 고전력 회로 내의 고전압 및 고전류가 저전압 신호원을 손상시키는 것을 막을 필요가 있을 때에는 적당한 아이솔레이션 회로가 제공되며, 저전압 신호원은 바람직하게는 시간 영역에서 구형인 적당한 펄스파를 제공한다. 구형파를 사용함으로써 얻을수 있는 한가지 효과는, 펄스 반복 주기에 대한 펄스폭의 비율로 정의되는 듀티 사이클(duty cycle)이 고전력 회로의 어떠한 부품 또는 파라미터를 변화시키지 않고 저전압 신호원 내에서 쉽게 조정될 수 있다는 것이다.
완전 브리지 배치를 사용하는 제1 실시예에서, 도 1의 전력단은 네 개의 고전력 FET(2a, 2b, 2c, 2d)를 포함하며, 각각의 FET는 게이트(4a, 4b, 4c, 4d), 드레인(drains) (6a, 6b, 6c, 6d), 및 소오스(sources) (8a, 8b, 8c, 8d)를 각각 갖는다. 고전력 FET(2a, 2b, 2c, 2d)는 바람직하게는 n-채널 트랜지스터이다. 또한, FET(2a, 2b, 2c, 2d)가 금속 산화막 반도체 FET (MOSFETs)일 것이 요망되며, 이것은 FET가 게이트에 고전압이 가해졌을 때 절연 파괴되지 않고 고전력을 발생할 수 있기 때문이다. 이러한 고전력 MOSFET는 바람직하게는 공업형 DE375X2 102N20이다. 고전력 FET 게이트(4a, 4b, 4c, 4d)는 각각 구동 회로(10a, 10b, 10c, 10d)에 접속되어 중간 전압의 펄스를 고전압으로 증폭한다. LC 공진 회로(12)는 직렬로 연결된 인덕터(14) 및 커패시터(16)로 형성되며, 인덕터(14)는 코로나 방전 반응기(18)와 병렬로 접속되어 있다. LC 공진 회로(12)에 의한 공진 주파수 f는 다음과 같이 주어지며
여기서, L은 인덕터(14)의 인덕턴스(inductance)를 헨리(henry)로 표시한 것이고, C는 커패시터(16)의 커패시턴스(capacitance)를 패럿(farad)으로 표시한 것이며, f는 헤르쯔(hertz)로 표시된 공진 주파수이다. 최적의 코로나 방전을 위한 대략 15 MHz의 적당한 공진 주파수를 발생하기 위해서, 인덕터(14)는 대략 4.5 nH 정도의 인덕턴스를 갖고, 커패시터(16)는 대략 25 pF 정도의 커패시턴스를 가질 것이 요망된다. 공진을 일으키기 위해서 병렬 LC 공진 회로와 같은 다른 공진 회로가 이론적으로 사용될 수 있지만, 인덕터(14)와 커패시터(16)가 직렬로 접속되어 커패시터의 파괴를 방지하는 것이 바람직하다.
네 개의 고전력 FET(2a, 2b, 2c, 2d)는 공진 회로(12)에 대하여 대칭적으로 배치되어 FET(2a, 2b)가 공진 회로(12)의 한쪽 종단에 접속되고 FET(2c, 2d)는 다른 종단에 접속되어 있다. FET(2a, 2c)는 드레인(6a, 6c)이 DC 전압원(20)에 접속되어 있고, DC 전압원은 바람직하게는 대략 900 볼트 정도의 바이아스 전압 V+를 제공한다. 필터 커패시터(filter capacitor)(22)는 DC 전압원(20) 및 접지 사이에 접속되어 증폭된 전압 파형에서 바이아스 전압 V+에 의해서 발생된 DC 성분을 제거하여 DC 전압원(20)이 접지와 단락되지 않도록 한다. FET(2a, 2c)의 소오스(8a, 8c)는 FET(2b, 2d)의 드레인(6b, 6d)에 각각 접속되고, FET(2b, 2d)의 소오스(8b, 8d)는 접지된다. 공진 회로(12)는 FET(2a, 2c)의 소오스(8a, 8c)의 양단에 접속되어 완전 브리지 회로를 형성한다.
구동 회로(10a, 10b, 10c, 10d)의 한가지 실시예가 도 2에 도시되어 있다. 고전력 FET(40)은 FET(2a, 2b, 2c, 2d) 중의 하나를 나타내며, 게이트(42)는 중간 n-채널(intermediate n-channel) FET(44a, 44b)를 구비한 복수의 병렬 아이솔레이션-증폭단(43a, 43b), 및 중간 p-채널 FET(46a, 46b)를 구비한 복수의 병렬 아이솔레이션-증폭단(45a, 45b)에 접속되어, 증폭된 중간-전압 펄스를 고전력 FET(40)의 게이트(42)에 제공한다. 바람직하게는 1 내지 2 Ω 범위의 작은 저항값을 갖는 저항(48a, 48b, 50a, 50b)이 드레인(52a, 52b, 54a, 및 54b)에 각각 추가된다. n-채널 FET(44a, 44b)의 게이트(60a, 60b)는 각각 1:1 권선비 변압기(64a, 64b)의 제2 권선에 동일한 극성으로 접속되어 있으며, p-채널 FET(46a, 46b)의 게이트(62a, 62b)는 각각 1:1 권선비 변압기(66a, 66b)의 제2 권선에 반대 극성으로 접속되어 있다. 바람직하게는 5 내지 20 Ω 범위의 작은 저항값을 갖는 저항(68a, 68b, 70a, 70b)이 변압기(64a, 64b, 66a, 66b) 및 게이트(60a, 60b, 62a, 62b) 사이에 각각 접속되어 있어서, FET들 사이에 바람직스럽지 못한 공진을 야기할 수 있는 중간 FET(44a, 44b, 46a, 46b)에 의한 공명을 감쇠시킨다. 변압기(64a, 64b, 66a, 66b)의 주권선(primary coils)은 각각 커패시터(72a, 72b, 74a, 74b)에 접속되어 있어서 DC 전압으로 바이아징된 펄스의 DC 성분을 제거한다. 비록 도 2에는 n-채널 FET로 된 두 개의 아이솔레이션-증폭단 및 p-채널 FET로 된 두 개의 아이솔레이션-증폭단이 도시되어 있지만, 증폭된 펄스 신호를 고전력 FET(40)의 게이트(42)에 제공하고자 한다면 동일한 구성의 더 많은 아이솔레이션-증폭단이 병렬로 추가될 수 있다.
n-채널 FET로 된 모든 아이솔레이션-증폭단으로의 입력은 한 쌍의 npn 바이폴라(bipolar) 트랜지스터(76a, 76b)로 접속되고, p-채널 FET로 된 모든 아이솔레이션-증폭단으로의 입력은 한 쌍의 pnp 바이폴라 트랜지스터(78a, 78b)로 접속된다. npn 트랜지스터(76a, 78a)의 콜렉터(80a, 82a)는 바람직하게는 12 내지 15 V 범위의 양의 DC 전압을 갖는 바이아스 전압 +V1으로 접속된다. pnp 트랜지스터(76b, 78b)의 콜렉터(80b, 82b)는 접지된다. npn 트랜지스터(76a, 78a)의 에미터(84a, 86a)는 각각 pnp 트랜지스터(76b, 78b)의 에미터(84b, 86b)로 접속되어, 하나는 n-채널 FET 아이솔레이션-증폭단용이고 다른 하나는 p-채널 아이솔레이션-증폭단용인 두 개의 거의 동일한 바이폴라 트랜지스터 쌍을 형성한다. 접속된 에미터(84a, 84b)는 n-채널 FET단에 펄스 신호를 공급하고, 접속된 에미터(86a, 86b)는 p-채널 FET단에 펄스 신호를 공급한다. 바이폴라 트랜지스터 쌍은 아이솔레이션-증폭단에 구동 펄스를 제공하는 푸쉬-풀 스위칭 회로를 형성한다. 한 쌍의 트랜지스터(76a, 76b)의 베이스(88a, 88b)는 고속 드라이버(92)에 접속되고, 한 쌍의 트랜지스터(78a, 78b)는 다른 고속 드라이버(94)에 접속된다. 고속 드라이버(92, 94)는 빠른 상승 시간 및 하강 시간을 갖는 복수의 고체 소자 증폭 회로를 포함하는 IC이다. 고속 드라이버는 바람직하게는 엘란텍(Elantec) EL7104CN 형 MOSFET IC 고속 드라이버이다. 드라이버(92, 94)는 각각 입력쌍 (96, 98과 100, 102)를 가지며, 각각의 입력쌍은 입력 펄스 신호를 입력받도록 직접 접속될 수 있다. 바람직한 실시예에서는, 그것은 구동 펄스의 상승 및 하강을 분리하고 펄스의 상승 시간 및 하강 시간을 제어하여 요망되는 펄스형을 유지하고, 서로 반대 방향인 다이오드(112, 114)는 각각 저항(104, 106)을 거쳐 드라이버(92)의 두 개의 입력(96 및 98)에 접속된다. 저항(104, 106)은 바람직하게는 5 Ω 또는 그 이하의 작은 저항값을 갖는다. 마찬가지로, 서로 반대 방향인 다이오드 쌍(116, 118)은 각각 저항(108, 110)을 거쳐 접속되어 입력 펄스 신호를 다른 드라이버(94)의 입력(100, 102)에 공급한다. 두 쌍의 바이폴라 트랜지스터(76a, 76b와 78a, 78b) 및 그들과 연관된 드라이버(92, 94)는 펄스-형성(pulse-shaping) 다이오드 및 저항과 함께 프리앰프 회로(101a, 101b)를 각각 형성한다. 이 프리앰프 회로들은 변압기(64a, 64b, 66a, 66b)에 의해서 중간 FET(44a, 44b, 46a, 46b)의 큰 전류로부터 분리된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 신호원(120)은 거의 구형파의 펄스(200)를 발생한다. 구형파는 일반적으로 펄스 폭 t 와 펄스 반복 주기 T를 갖는다. 듀티 사이클은 t/T로 정의되고, 펄스 판복율은 1/T로 정의된다. 신호원(120)은 예를 들면 5 볼트 정도의 낮은 전압 레벨의 펄스를 발생하는데 필요하다. 도 2에서, 신호원(120)은 송신기(122)에 접속되며, 송신기는 통신 링크(126)를 거쳐 수신기(124)로 펄스를 송신한다. 본 구성에서, 신호원(120)은 통신 링크(126)에 의해서 구동 회로의 고전압 및 고전류로부터 분리되어 신호원을 손상시키는 것을 막는다. 송신기(122) 및 수신기(124)는 바람직하게는 섬유 광학 송신 및 수신 방식을 사용하고, 링크(126)는 섬유 광학 케이블(cable)이어서 신호원(120)과 구동 회로의 나머지 부분 간에 높은 수준의 아이솔레이션을 이룰 수 있다. 송신기/수신기 아이솔레이션 방식은 도 1의 구동 회로(10a, 10c)에 필요하며, 그 이유는 구동 회로가 통상 +900 볼트 정도의 높은 DC 전압 V+에서 동작하기 때문이다. 저 전압 레벨에서 동작하는 도 1의 구동 회로(10b, 10d)에 대해서는, 신호원(120)이 아이솔레이션 없이 구동 회로의 다이오드(112, 114, 116, 118)로 직접 접속될 수 있다.
도 3의 구형파(200)는 도 2의 구동 회로 및 도 1의 전력단 회로 내의 고전력 FET 트랜지스터(6a, 6b, 6c, 6d)에 의해서 증폭된다. 증폭된 구형파 각각은 LC 공진 회로(12)를 여자하고(excites), 공명(ring), 즉 회로(12)의 공진 주파수에서 발진하는 고전압 파형을 발생한다. 펄스폭 t 동안에는, 전력이 공진 회로(12)로 연속적으로 공급되고, 공진 정현파의 전압 진폭을 포화 레벨까지 급속하게 증가시킨다. 최고 전압 레벨은 그 이후로 펄스가 꺼질 때까지 실질적으로 일정하게 유지된다.
도 4는 LC 공진 회로(12)가 도 3에 도시된 구형 전압파에 의해서 공진하게 된 결과 발생한 코로나 방전 반응기(18) 양단의 전압 파형(202)을 도시한 것이다. 도 5는 도 4의 한 개의 펄스 주기 동안의 전압 파형을 시간 영역으로 확대한 것으로서, 신호원(120)으로부터의 단일 펄스의 강제 공진에 의해 발생한 코로나 방전 반응기(18) 양단의 정현 전압(204)을 도시한 것이다. 초기에, 전압(204)의 진폭은 펄스(200)에 의해 강제된 LC 공진 회로(12)의 공명으로 인해 급속하게 증가하지만, 코로나 방전에 필요한 전압 레벨까지는 미치지 못한다. 코로나 방전 반응실 내에는 방전이 일어나지 않으며, 반응기(18) 양단의 전류는 도 6에 도시된 바와 같이 무시할 수 있는 정도이다. 상기의 방전이 없는 주기 동안 코로나 방전 반응기의 전기적 특성은 도 7a에 도시된 바와 같이 높은 임피던스의 단일 저항(212)으로 구성된 등가 회로로 표현될 수 있다. 또는, 코로나 방전 반응기는 방전이 없는 주기 동안 단순히 개방 회로로 취급될 수도 있다. 코로나 방전 반응기(18) 양단의 전압이 소정 항복(breakdown) 레벨(206)에 도달하면, 코로나 방전이 일어나고, 많은 전류가 반응기(18)에 흐른다. 전압이 초기 방전 이후에 정현 로브(lobe) 각각의 양의 최고점 및 음의 최고점에 매우 가까운 항복 레벨(206)에 도달되기 때문에, 코로나 방전 반응기(18)를 흐르는 전류는 각 방전의 극히 짧은 시간 간격으로 인해 양의 스파이크 및 음의 스파이크(210)를 보인다. 전압이 항복 레벨(206) 이하로 떨어지면, 반응기(18)를 흐르는 전류는 급속하게 무시할 수 있는 수준으로 돌아온다.
방전 동안 코로나 방전 반응기(18)의 전기적 특성은 도 7b에 도시된 바와 같이 서로 반대 방향으로 직렬로 접속된 한쌍의 제너 다이오드(214, 216)로 구성된 등가 회로로 표현될 수 있다. 항복 이하의 양의 전압 또는 음의 전압 중 어느 하나가 등가 회로의 양단에 가해지면, 다이오드 (214, 216) 중의 한 개는 모든 현저한 전류의 흐름을 차단한다. 전압이 항복 레벨에 도달하면, 거의 단락된 회로처럼 전류가 제너 다이오드 쌍(214, 216)을 흐른다.
도 8은 반 브리지(half bridge) 배치의 전력단 회로의 바람직한 실시예를 도시한 것이다. 단지 두 개의 고전력 FET(300a, 300b)가 필요하고, 약 ±200 V 의 DC 바이아스 전압이 제공되면 된다. 고전력 FET(300a, 300b)는 바람직하게는 n-채널이고 게이트(302a, 302b), 드레인(304a, 304b), 및 소오스(306a, 306b)를 각각 갖는다. 고전력 FET(300a, 300b)는 공업형 DE375X2 501N40의 MOSFET일 것이 요망된다. FET(300a, 300b)의 게이트(302a, 302b)는 각각 구동 회로(308a, 308b)로 접속되며, 구동 회로는 구동 전압 펄스에 대하여 초기 증폭을 제공한다. 제1 FET(300a)의 드레인(304a)은 DC 전압원 V+로 접속되며, 전압원은 바람직하게는 약 +200볼트의 일정한 양의(positive) DC 전압 V+를 제공한다. 필터 커패시터(314)는 V+ 및 접지 사이에 접속되어 증폭된 전압 파형에서 V+로부터 발생된 DC 성분을 제거하여 V+가 접지와 단락되는 것을 막는다. 제2 FET(300b)의 소오스(306b)는 바람직하게는 약 -200 볼트의 음의 DC 전압원 V-로 접속된다. 제1 FET(300a)의 소오스(306a) 및 제2 FET(300b)의 드레인(304b)가 서로 접속되어 바람직하게는 직렬로 접속된 인덕터(318)와 커패시터(320)를 포함하는 공진 회로(316)의 한 단자를 형성한다. LC 공진 회로(316)의 반대 단자는 접지된다. 인덕터(318)는 코로나 방전 반응기(18)와 병렬로 접속된다.
바람직한 실시예에서는, 구동 회로(308a, 308b)가 각각 도 9와 같이 배치되어 비교적 낮은 구동 전압 펄스를 중간 전압 레벨로 증폭한다. 도 8의 FET(300a, 300b) 중의 하나를 나타내는 고전력 FET(330)는 게이트(332)가 구동 회로로 접속되며, 구동 회로는 서로 병렬로 접속된 복수의 고속 드라이버(334a, 334b, . . . , 334j)를 포함한다. 고속 드라이버(334a, 334b, . . . , 334j)는 MOSFET IC일 것이 요망되며, 바람직하게는 엘란텍(Elantec) EL7104CN형 고속 드라이버이다. 이러한 고속 드라이버(334a, 334b, . . . , 334j)는 각각 두 개의 출력이 바람직하게는 약 2.7Ω 정도의 낮은 저항값의 병렬 저항(336a, 336b, . . , 336j, 338a, 338b, . . . 338j)에 접속된다. 이 저항들은 FET(330)의 게이트(332)에 접속되어 병렬 고속 드라이버(334a, 334b, . . . , 334j)로부터의 증폭된 전압 펄스가 고전력 FET(330)의 게이트(332)에 동시에 보내지도록 한다. 고속 드라이버(334a, 334b, . . . , 334j)는 또한 각각의 입력이 입력 저항(340a, 340b, . . . , 340j)를 통해 접속되어 비교적 낮은 전압 펄스 신호를 입력받는다. 저전압 신호원(342)를 구동 회로로부터의 높은 전력에 의한 전위 손상(potential damage)으로부터 보호하기 위한 실시예에서는, 신호원(342)으로부터의 펄스가 광 송신기(344)에 의해서 섬유 광학 케이블(348)을 거쳐 광 수신기(346)로 전달된다. 수신기(346)는 입력 저항(340a, 340b, . . . , 340j)로 접속되어, 수신된 펄스 신호를 고속 드라이버(334a, 334b, . . . , 334j)로 전송한다. 바람직하게는, 신호원(342)으로부터 발생된 펄스는 시간 영역에서 실질적으로 직사각형의 형태이다. 신호원(342)은 예를 들면 5 볼트 정도의 낮은 전압 레벨에서 펄스를 발생할 필요가 있다. 상기 아이솔레이션 방식은 도 8의 두 개의 구동 회로(308a, 308b) 모두에 사용된다.
도 10에 도시된 다른 실시예에서는, 한 쌍의 분리된 FET가 도 9의 각 고속 드라이버(334a, 334b, . . . , 334j) 대신에 사용된다. p-채널 FET(250)와 n-채널 FET(252)는 게이트(254, 256)가 입력 저항(258)에 접속되어 입력 펄스 신호를 수신하고, 드레인(260, 262)은 출력 저항(264, 266)에 각각 접속되어 전력단으로 출력한다. p-채널 FET(250)의 소오스(268)는 양의 DC 전압 +V1로 접속되고, n-채널 FET(252)의 소오스(270)는 접지된다. 상기 회로가 기본적으로는 고속 드라이버에 대응하는 기능을 수행하지만, 구현하기가 복잡하고 그 동작이 도 9의 고속 드라이버(334a, 334b, . . . , 334j)보다 덜 안정하다.
도 8의 반 브리지에 의한 실시예에서는, 도 3의 증폭된 구형파(200)가 LC 공진 회로(316)를 공진하도록 강제하여, 코로나 방전 반응기(18) 양단에 도 4에 일반적으로 도시된 파형(202)의 전압을 발생시킨다. 도 1의 실시예에서처럼, 전압파(204)의 진폭은 도 5에 도시된 바와 같이 각 펄스의 초기에 급속하게 증가하지만, 코로나 방전을 일으킬만큼 높지는 않다. 도 6에 도시된 바와 같이, 코로나 방전이 없으면 코로나 방전 반응기(18)에는 거의 전류(208)가 통과하지 않는다. 전압파가 최고점에 가까운 항복 레벨(206)에 도달하면, 코로나 방전이 일어나고 매우 많은 전류가 반응기(18)를 급속하게 통과하며, 각각의 항복은 도 6의 전류 스파이크(210)에 해당하는 매우 짧은 시간 동안 지속된다.
도 11은 오염 물질을 함유한 배기 가스를 발생하는 연소 엔진을 내장한 자동차(390) 내에 본 발명에 따라서 전력 처리 회로(382)를 구현한 것을 도시한 것이다. 배기 가스는 배기 가스관(386)을 통해 코로나 방전 반응기(384)로 전달되고, 코로나 방전 반응기(384)는 배기 가스 내의 오염 물질을 코로나 방전에 의해 파괴한다. 전력 처리 회로(382)는 고전압 펄스를 반응기(384)에 공급하여 코로나 방전이 일어나게 한다. 처리된 배기 가스는 배출구(388)를 통해 반응기를 빠져 나간다.
본 발명은 자동차 응용 장치 내에 코로나 방전을 일으키기 위한 소형 전력원을 제공하는데, 상기 전력원은 특히 엄격한 기체 오염도 표준에 맞추기 위해서 코로나 방전 반응기를 사용하는 장래의 전자 촉매 변환로(electronic catalytic converters)에 응용될 수 있다. 본 발명에서 예시한 회로는 고체 소자 부품을 사용하여 무게, 비용, 및 에너지 소비 측면에서 많은 장점이 있어서, 자동차 응용 분야에 적용할 수 있다.
본 발명의 몇가지 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 당업자에게 많은 변형과 대체적인 실시예가 가능할 것이다. 이러한 변형과 대체적인 실시예는 첨부된 청구범위에서 정의된 본 발명의 본질과 범위를 벗어나지 않고 생각해 낼 수 있다.

Claims (5)

  1. 코로나 방전 오염 물질 파괴 장치(corona discharge pollutant destruction apparatus)용 전력 발생 회로에 있어서,
    비교적 낮은 전압에서 펄스를 발생할 수 있는 신호원,
    상기 펄스를 중간 전압(intermediate voltage)으로 증폭하도록 접속된 한 개 이상의 구동 회로,
    상기 펄스를 높은 전압으로 더욱 증폭하도록 접속된 한 개 이상의 고전력 트랜지스터,
    상기 고전력 트랜지스터로부터 상기 고전압 펄스가 인가되면 발진 고전압파(oscillating high voltage wave)를 발생하도록 접속된 공진 회로,
    상기 발진 고전압파를 입력받도록 접속된, 코로나 방전을 일으키기 위한 코로나 방전 반응기로서, 오염 물질 유출 기체(pollutant gas flow)를 수용하기에 적합한 코로나 방전 반응기
    를 포함하는 전력 발생 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공진 회로는 함께 접속된(connected together) 인덕터 및 커패시터를 포함하는 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 인덕터와 상기 커패시터는 직렬로 접속된 회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 인덕터는 상기 코로나 방전 반응기와 병렬로 접속된 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고전력 트랜지스터는 복수의 고전력 전계 효과 트랜지스터(field effect transistors) (FETs)를 포함하고, 각각의 고전력 전계 효과 트랜지스터는 게이트(gate)가 상기 구동 회로 중의 하나에 접속되어 상기 펄스를 중간 전압에서 고전압으로 증폭하는 회로.
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