KR19990070934A - 공진방식을 이용한 고압펄스발생장치 - Google Patents

Abstract

장치의 크기를 대폭 줄일 수 있는 고압펄스발생장치를 제공하기 위하여, 브릿지 회로 형태로 연결된 4개의 스위치로 구성된 인버터와, 커패시터와 인덕터의 직렬연결로 구성되고 상기 인버터의 한쪽 출력에 연결된 공진부와, 상기 인버터의 다른쪽 출력과 상기 공진부와의 사이에 직렬로 연결된 전류센서와, 입력단자가 상기 공진부의 상기 커패시터에 병렬로 연결되고 출력이 부하에 연결되는 정류부와, 부하사이에 병렬로 연결된 전압센서와, 상기 전류센서와 상기 전압센서의 출력에 따라 상기 4개의 스위치의 온오프를 제어하는 제어부를 구비한다. 상기 제어부는 상기 스위치의 스위칭이 영전류 상태에서 이루어지도록 스위치를 제어한다.

Description

공진방식을 이용한 고압펄스발생장치

본 발명은 공진방식을 이용한 고압펄스 발생장치에 관한 것이다.

종래부터, 고전압펄스 발생장치로 고주파 인버터와 공진 변압기와 정류기를 사용하는 방식이 사용되고 있었다. 이들 방식에 대해서는 예를 들면, 미국특허 제4,672,528호, 제4,794,506호, 제5,285,372호, 제5,406,051호 등에 소개되어 있다. 또한, 변압기 대신 공진회로만을 사용하는 방식도 제안되었는데, 이들에 대해서는 미국특허 제4,855,888호, 제5,594,635호 등에 소개되어 있다.

이들중에서 트랜스포머를 사용하는 방식에서는 고압 펄스가 인가되기 때문에 트랜스포머 자체도 고압용을 사용하여야 하며 따라서 장치의 크기가 커진다는 단점이 있다.

또한, 이들 방식에서는 모두 펄스를 발생시키기 위해 브릿지 형식으로 연결된 스위치가 사용되고 있는데, 이 스위치에는 높은 전류가 흐르기 때문에 서지의 발생을 막고 장치의 파손을 방지하기 위한 고안이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 안출된 것으로서, 장치의 크기를 대폭 줄일 수 있는 고압펄스발생장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 스위칭시에 서지의 발생이나 스위칭에 의한 손실이 적은 고압펄스발생장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 고압펄스발생장치의 일실시예의 개략회로도,

도 2는 상기 장치의 스위칭 소자의 동작을 설명하기 위한 도면,

도 3은 본 발명에 따른 고압펄스 발생장치의 고압펄스 발생동작을 설명하기 위한 파형도,

도 4는 본 발명에 따른 고전압 펄스발생 장치의 게인(gain)과 응답특성을 고려하기 위한 등가회로도,

도 5는 본 발명의 다른 실시예의 개략회로도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 직류전원, 2 제어부,

3 인버터, 4 정류부,

5 부하, 6 전압센서,

7 전류센서 8 트랜스포머.

이러한 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 고압펄스발생장치는 브릿지 회로 형태로 연결된 4개의 스위치로 구성된 인버터와, 커패시터와 인덕터의 직렬연결로 구성되고, 상기 인버터의 한쪽 출력에 연결된 공진부와, 상기 인버터의 다른쪽 출력과 상기 공진부와의 사이에 직렬로 연결된 전류센서와, 입력단자가 상기 공진부의 상기 커패시터에 병렬로 연결되고 출력이 부하에 연결되는 정류부와, 부하사이에 병렬로 연결된 전압센서와, 상기 전류센서와 상기 전압센서의 출력에 따라 상기 4개의 스위치의 온오프를 제어하는 제어부를 구비하며, 상기 제어부는, 상기 전압센서의 출력이 소정 전압값을 넘어선 것을 나타내는 값일 때에는 상기 4개의 스위치를 오프시키며, 상기 전압센서의 출력이 상기 소정 전압값 이하인 것을 나타내는 값일 때에는 상기 전류센서의 출력이 상기 스위치에 흐르는 전류가 0인 것을 나타낼 때에만 상기 4개의 스위치를 토글시키며, 상기 토클 동작은 상기 4개의 스위치가 브릿지 정류회로에서와 동일한 전류경로를 형성하도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 태양에 따르면, 본 발명의 고압펄스발생장치는 브릿지 회로 형태로 연결된 4개의 스위치로 구성된 인버터와, 커패시터와 트랜스포머의 직렬연결로 구성되고, 상기 인버터의 한쪽 출력에 연결된 공진부와, 상기 인버터의 다른쪽 출력과 상기 공진부와의 사이에 직렬로 연결된 전류센서와, 입력단자가 상기 트랜스포머의 2차측에 연결되고, 출력이 부하에 연결된 정류부와, 부하사이에 병렬로 연결된 전압센서와, 상기 전류센서와 상기 전압센서의 출력에 따라 상기 4개의 스위치의 온오프를 제어하는 제어부를 구비하며, 상기 제어부는, 상기 전압센서의 출력이 소정 전압값을 넘어선 것을 나타내는 값일 때에는 상기 4개의 스위치를 오프시키며, 상기 전압센서의 출력이 상기 소정 전압값 이하인 것을 나타내는 값일 때에는 상기 전류센서의 출력이 상기 스위치에 흐르는 전류가 0인 것을 나타낼 때에만 상기 4개의 스위치를 토글시키며, 상기 토클 동작은 상기 4개의 스위치가 브릿지 정류회로에서와 동일한 전류경로를 형성하도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 고압펄스발생장치의 일실시예의 개략회로도이고, 도 2는 상기 장치의 스위칭 소자의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 실시예의 장치는 직류전원(1)으로부터 직류전압을 받아서, 제어부(2)의 제어에 의해 인버터(3)가 스위칭되어 상기 직류전압을 고주파 펄스로 변환시키고, 이 펄스는 L1과 C1의 직렬접속으로 이루어진 공진회로로 주어져서 고압펄스가 되며, 공진 커패시터 C1에 인가된 고압 펄스는 정류부(4)를 거쳐 부하(5)에 인가된다. 이때, 영전류에서 스위칭하기 위해 인버터(3)와 공진회로와의 사이에는 전류센서(7)가 직렬로 연결되며, 원하는 전압을 얻기 위해 부하 양단에는 전압센서(6)가 병렬로 연결된다. 이들 센서의 출력은 제어부(2)로 연결되어 원하는 제어동작이 이루어진다.

먼저, 인버터(3)에서의 동작을 설명한다. 인버터(3)와 공진회로를 다시 간단하게 그리면 도 2의 (a)와 같이 된다. 이 회로는 도 2의 (b)에 도시한 브릿지 정류회로와 유사함을 알 수 있다. 제어부(2)는 브릿지 정류회로에서와 같은 전류 경로가 형성되도록 스위치 S1∼S4를 제어한다. 즉, 처음에는 S3과 S4를 턴온시키고 S1과 S2는 턴오프시킨다. 그러면, 도 2의 (c)에 도시한 것처럼 전류 i(t)가 흐르게 된다. 그 다음에는 반대로 S1과 S2를 턴온시키고 S3과 S4는 턴오프시킨다. 그러면, 도 2의 (d)에 도시한 것처럼 아까와는 반대의 방향으로 전류 i(t)가 흐르게 된다.

이때 제어부(2)에서 스위치 S1∼S4를 스위칭하는 시점은 전류센서(7)로부터 i(t)가 0임을 나타내는 신호가 올 때이다. 즉, 상기 스위치들에 흐르는 전류 i(t)가 0일 때에만 스위칭을 함으로써 써지의 발생을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 사용하는 스위치의 정격도 그다지 높지 않은 것을 사용할 수 있으므로 저가로 회로를 구성할 수 있게 된다. 또한, 상기 스위치 S1∼S4를 싸이리스터로 구성하면, 스위칭 손실이 적으므로 더 유리하다.

다음에 도 3을 참조하여 본 실시예의 고압펄스 발생장치의 고압펄스 발생동작을 설명한다.

공진 인덕터 L1의 값을 L, 공진 커패시터 C1의 값을 C, 인버터(3)의 출력전압을 V_ab, 인버터의 입력 전압을 V_i, 인버터(4) 출력전류를 i, 공진 커패시터 C1에 인가된 전압 v_c라고 할 경우,

T=t_o상태에서 i(t_o)=0, v_c(t_o)=0일 때 시스템 동작이 시작되면서 먼저, S1과 S2가 온된다. S1와 S2가 온되는 순간부터 도 2의 (d)에 도시된 것처럼 S1 - C1 - L1 - S2 의 경로를 따라 공진이 발생된다. 이것을 수식적으로 나타내면,

여기서,

T = t₁일 때 i(t₁)=0, v_c(t₁)= +2V_i이 되며 인버터(3)에 흐르는 출력전류 방향이 변화되므로, 즉 전류가 0인 지점을 지나므로, 이때 제어부(2)에서는 S1와 S2를 오프하고 S3과 S4는 온 상태로 한다. 그러므로, V_ab의 극성도 변하며 공진 과정은 다음과 같은 식으로 표현된다.

T=t₂일 때 i(t₂)=0, v_c(t₂)= -4V_o이다. 이 순간에 인버터(4)의 출력전류 방향은 다시 변하므로 S3와 S4는 오프되고 S1과 S2는 온된다. 그러므로, 공진 과정은 다음과 같은 식으로 나타난다.

T=t₃일 때 i(t₃)=0, v_c(t₃)=6V_i이다.

이런 방식으로 v_c(t) 교류전압은 계속 상승하다가 출력전압 센서(6)에서 검지받은 값이 미리 설정된 목표 출력전압치와 같아지면 모든 스위치는 오프된다. 부하에 의해 출력 전압이 감소하여 목표출력전압치 이하로 되게 되면 다시 위에서 설명한 방식으로 스위치를 구동시켜서 다시 출력전압을 목표치로 증가시킨다. 이상과 같이, 출력전압을 감시하면서 스위치를 오프시키거나 0전류에서 스위칭시키는 동작을 반복함으로써 원하는 동작이 이루어진다.

도 4는 본 발명에 따른 고전압 펄스발생 장치의 게인(gain)과 응답특성을 고려하기 위한 등가회로로서 최대 전압값을 계산하려면 다음과 같다.

여기서, R1은 스위치, 권선등을 고려한 등가 저항이며 R2는 부하와 관련된 등가 저항값을 나타낸다.

정상 상태에서의 전류와 전압은,

여기서, V_ab(t)=V_isin _o

가 스위칭 주파수라면 정상상태에서 v_c(t) 값은 다음과 같은 식에 의해 최대값이 제한된다.

따라서, 과도상태에서 공진 커패시터(7)에 발생하는 전압의 포락선은 다음과 같은 식으로 나타내어진다.

여기서, a =이다.

도 5는 본 발명에 따른 고압펄스 발생장치의 다른 실시예로서, 본 실시예에서는 고주파 변압기(8)를 사용하여 인버터로부터의 펄스를 정류기(4)에 전달하고 있다. 변압기(8)의 자화 인덕턴스와 커패시터 C2는 공진회로가 형성되며, 기타 동작은 도 1의 실시예와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 영전류 상태에서 스위칭이 이루어지므로 소자의 정격이 높은 것이 요구되지 않고 따라서 저가로 회로를 구성할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 한 태양에 따르면, 고압변압기를 사용하지 않으므로 장치 크기가 작아도 되며, 따라서 동일한 공간에서 발생가능한 최대 전압의 크기가 증가된다는 장점이 있다.

Claims (4)

1. 브릿지 회로 형태로 연결된 4개의 스위치로 구성된 인버터와,

   커패시터와 인덕터의 직렬연결로 구성되고, 상기 인버터의 한쪽 출력에 연결된 공진부와,

   상기 인버터의 다른쪽 출력과 상기 공진부와의 사이에 직렬로 연결된 전류센서와,

   입력단자가 상기 공진부의 상기 커패시터에 병렬로 연결되고 출력이 부하에 연결되는 정류부와,

   부하사이에 병렬로 연결된 전압센서와,

   상기 전류센서와 상기 전압센서의 출력에 따라 상기 4개의 스위치의 온오프를 제어하는 제어부

   를 구비하며,

   상기 제어부는, 상기 전압센서의 출력이 소정 전압값을 넘어선 것을 나타내는 값일 때에는 상기 4개의 스위치를 오프시키며, 상기 전압센서의 출력이 상기 소정 전압값 이하인 것을 나타내는 값일 때에는 상기 전류센서의 출력이 상기 스위치에 흐르는 전류가 0인 것을 나타낼 때에만 상기 4개의 스위치를 토글시키며, 상기 토클 동작은 상기 4개의 스위치가 브릿지 정류회로에서와 동일한 전류경로를 형성하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 고압펄스 발생장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 4개의 스위치는 싸이리스터인 것을 특징으로 하는 고압펄스 발생장치.
3. 브릿지 회로 형태로 연결된 4개의 스위치로 구성된 인버터와,

   커패시터와 트랜스포머의 직렬연결로 구성되고, 상기 인버터의 한쪽 출력에 연결된 공진부와,

   상기 인버터의 다른쪽 출력과 상기 공진부와의 사이에 직렬로 연결된 전류센서와,

   입력단자가 상기 트랜스포머의 2차측에 연결되고, 출력이 부하에 연결된 정류부와,

   부하사이에 병렬로 연결된 전압센서와,

   상기 전류센서와 상기 전압센서의 출력에 따라 상기 4개의 스위치의 온오프를 제어하는 제어부

   를 구비하며,

   상기 제어부는, 상기 전압센서의 출력이 소정 전압값을 넘어선 것을 나타내는 값일 때에는 상기 4개의 스위치를 오프시키며, 상기 전압센서의 출력이 상기 소정 전압값 이하인 것을 나타내는 값일 때에는 상기 전류센서의 출력이 상기 스위치에 흐르는 전류가 0인 것을 나타낼 때에만 상기 4개의 스위치를 토글시키며, 상기 토클 동작은 상기 4개의 스위치가 브릿지 정류회로에서와 동일한 전류경로를 형성하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 고압펄스 발생장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 4개의 스위치는 싸이리스터인 것을 특징으로 하는 고압펄스 발생장치.