KR20010009821A

KR20010009821A - 고전압, 대전류 펄스 발생장치의 펄스 트랜스포머 결합구조 및결합방법

Info

Publication number: KR20010009821A
Application number: KR1019990028414A
Authority: KR
Inventors: 허창회
Original assignee: 이종수; 엘지산전 주식회사
Priority date: 1999-07-14
Filing date: 1999-07-14
Publication date: 2001-02-05
Also published as: KR100310610B1

Abstract

본 발명은 고전압, 대전류 펄스 발생장치의 펄스 트랜스포머 결합구조 및 결합방법에 관한 것으로, 종래에는 부품정수의 과다, 유지 보수의 곤란함 및 공간의 비효율적인 이용 등과 같은 문제점이 있었다. 따라서 본 발명은 상측이 막혀있고, 하측이 개방된 도우넛 형태의 동축통의 외부동관에 토로이날 형태의 코아를 삽입하고, 상기 동축통의 내부동관에 전선이 관통되도록 하고, 상기 동축통을 도전체로 코팅하여 직접 피씨비(PCB)에 조립되도록 펄스 트랜스포머를 구성하고, 이 구성된 펄스 트랜스포머를 다수개 결합시 1장의 피씨비 상,하단에 다수의 펄스 트랜스포머를 교대로 조립하고, 1장의 피씨비 하단에 다수의 펄스 트랜스포머를 직렬로 연결하고, 실드 파이프를 이용하여 한 열의 종단의 펄스 트랜스포머와 다른 열의 첫단의 펄스 트랜스포머를 연결함으로써 과다한 부품정수를 줄일 수 있고, 보수 상황이 발생했을 때 보수를 용이하게 할 수 있으며, 유효하고도 효율적인 공간이용을 할 수 있도록 한 것이다.

Description

고전압, 대전류 펄스 발생장치의 펄스 트랜스포머 결합구조 및 결합방법{THE COUPLING STRUCTURE AND METHOD OF PULSE TRANSFORMER FOR HIGH VOLTAGE AND LARGE CURRENT PULSE GENERATOR}

본 발명은 고전압, 대전류 펄스를 발생함에 있어서, 빠른 상승시간과 짧은 펄스폭의 펄스를 얻도록 한 고전압, 대전류 펄스 발생장치의 펄스 트랜스포머 결합구조 및 결합방법에 관한 것으로, 특히 고전압을 얻기위하여 1장의 피씨비 상,하단에 다수의 펄스 트랜스포머를 교대로 조립하고, 1장의 피씨비 하단에 다수의 펄스 트랜스포머를 직렬로 연결하고, 실드 파이프를 이용하여 한 열의 종단의 펄스 트랜스포머와 다른 열의 첫단의 펄스 트랜스포머를 연결함으로써 부품정수를 줄이고, 보수를 용이하도록 하고, 아울러 공간을 효율적으로 사용할 수 있도록 한 고전압, 대전류 펄스 발생장치의 펄스 트랜스포머 결합구조 및 결합방법에 관한 것이다.

일반적으로 고전압, 대전류 펄스 발생장치는 콘덴서, 인덕터 등에 저장된 초기 에너지를 수[ns]∼수[ms]의 시간 안에 인출하여 짧은 시간 동안에 막대한 에너지를 부하에 집중 공급하는 기술이다.

이렇게 전기 에너지를 짧은 시간안에 방출하면, 정상적으로는 실현되지 않는 초고온, 초강자계, 초고전계와 같은 극한 상태를 용이하게 실현 가능하다.

이러한 고전압, 대전류 펄스발생 기술은 1940년대 핵융합을 위한 고온 플라주마 연구에서 시작되어 지금에 와서의 응용분야는 레이저, X-ray, 전자가속, 핵융합 발생, 전자빔의 발생, 바위/건물 발파 및 플라즈마 발생 등 여러 산업분야에서 급속히 이용이 확산중인 핵심 기술이다.

그런데 이러한 펄스발생 기술에 있어서, 고전압 펄스의 빠른 상승시간과 짧은 펄스폭의 실현은 전자가 가질 수 있는 에너지를 더 크게 함은 물론 전체 시스템의 에너지 효율을 높일 수 있어 두 가지가 모두 매우 중요한 요소이다.

이하, 첨부한 도면에 의거하여 종래의 기술에 따른 고전압, 대전류 펄스 발생장치의 펄스 트랜스포머의 구성을 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 종래 고전압, 대전류 펄스 발생장치의 구성을 보여주는 레이아웃도로서, 이에 도시된 바와같이, 저전압의 정전 에너지를 저장하고 있는 에너지 저장부(1)와, 상기 에너지 저장부(1)에 저장되어 있는 에너지를 짧은 순간동안 도통되어 펄스 형태로 출력시키는 스위치부(2)와, 상기 스위치부(2)를 통해 펄스형태로 입력되는 에너지를 승압하여 고전압의 펄스를 부하부(4)로 제공하는 펄스 트랜스포머(3)로 구성된다.

이와같이 구성된 종래 고전압, 대전류 펄스 발생장치의 동작은 다음과 같다.

먼저, 에너지 저장부(1)에 저장된 저전압의 정전에너지는 스위치부(2)에 의해 짧은 순간 도통되어 펄스형태로 펄스 트랜스포머(3)에 입력된다.

이에 상기 펄스 트랜스포머(3)는 입력된 펄스형태의 에너지를 승압하여 부하부(4)로 출력한다.

따라서 상기 부하부(4)는 입력된 에너지에 의해 동작한다.

이때 상기 펄스 트랜스포머(3)는, 도 2에 도시된 바와같이, E,I 코아(a) 또는 토로이달 코어(b)에 전선(6)(11)으로 각각 1,2차를 n1:n2의 권선비로 감겨있다.

또한 펄스 트랜스포머의 등가회로는, 도 3에 도시된 바와같이, 입력되는 펄스 자체가 매우 고주파이고, 1차 및 2차 권선수가 승압을 위하여 각각 n1,n2이므로 1,2차 권선간에 큰 값의 분포용량(Cd1, Cd2)이 존재하며, 1,2차 권선이 코아를 완전히 감싸지 못하므로 상대적으로 큰 값의 1,2차 누설 리액턴스(Xl1,Xl2) 또한 존재하게 된다.

그런데 상기에서와 같은 펄스 트랜스포머는 자체내에 존재하는 분포용량 및 누설 리액턴스가 펄스 상승시간을 제한하는 요소로 작용하여 짧은 펄스폭을 유지하기 어려우므로 고압의 펄스를 발생시키지 못하여 부하에 전달되는 에너지레벨을 저하시키는 문제점이 있다.

따라서 상기에서와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 도 2에 도시된, E,I코아(a)와 토로이달 코아(b)에 전선으로 각각 1,2차를 권선하는 구조를 사용한다.

도 4는 종래의 펄스 트랜스포머 구조에 대한 단면도로서, 이에 도시된 바와같이, 상측이 막히고, 하측이 개방된 도우넛 형태 동관의 외부동관(7)에 토로이달 형태의 코아(9)가 삽입되고, 내부 동관에 전선(11)이 관통되도록 하며, 상기 외부동관 표면상측 및 하측에 각각 2개의 금속 핀(8)이 부착되어 피씨비(PCB)에 고정되도록 구성되어 있다.

이때 내부동관(6)과 외부동관(7)이 1턴(turn)의 1차권선이고, 전선(11)과 외부동관(7)이 1턴(turn)의 2차권선이다.

따라서 1차권선과 2차권선이 각각 1턴이므로 분포용량(Cd1,Cd2)이 거의 존재하지 않고, 1차권선과 2차권선이 동관형태로 코아(9)를 완전히 감싸고 있으므로 누설자속(Xl1,Xl2)도 거의 없어 빠른 펄스 상승시간 및 짧은 펄스폭을 실현할 수 있다.

그러나 빠른 펄스 상승시간과 짧은 펄스폭을 실현하였지만 1,2차 권선비가 1:1이므로 하나의 펄스 트랜스포머(3) 만으로는 고전압을 발생시킬 수 없다.

따라서 상기 펄스 트랜스포머에 의해 고전압을 발생시키기 위한 방법으로 도 5에서와 같이 결합하는 방법을 적용한다.

즉, 펄스 트랜스포머(3) N개를 적층하는데, 피씨비(10)를 지지부재로써 각각의 펄스 트랜스포머(3)를 사이에 두고 전체 펄스 트랜스포머(3)의 내부동관(6) 사이로 전선(11)이 관통하며, 외부동관(7)은 금속핀(8)에 의해 서로 연결하고, 2차권선의 일단은 외부동관(7)에 연결한다.

따라서 2차권선이 코아(9) 전체를 조밀하게 감싸는 구조가 되어, 2차측의 합성누설자속(N×Xl2)은 최소가 된다.

그리고 이와동시에 결합구조상 입력전압(Vi)에 대하여 펄스 트랜스포머(3)의 적층수(N)에 상응하는 고전압출력(Vo) 즉, Vo = N ×Vi를 얻을 수 있다.

따라서, 도 1의 에너지 저장부(1)의 정전 에너지가 스위치부(2)에 의해 펄스형태로 펄스 트랜스포머(3)에 입력되면, 빠른 펄스 상승시간 및 짧은 펄스폭을 갖는 펄스 트랜스포머(3)의 동작특성 및 결합구조 특성에 따라 출력단 즉, 반대편 동축통의 외면과 2차권선의 타단을 통해 펄스 트랜스포머의 수에 상응하는 만큼의 고전압, 대전류의 펄스가 출력된다.

그러나 상기에서와 같은 종래기술에 있어서, 하나의 피씨비(PCB)에 한개의 펄스 트랜스포머를 조립할 경우 N개의 펄스 트랜스포머가 필요할 경우 부품정수는 피씨비의 부품정수*N개가 되므로 부품정수가 과다하게 소비되는 문제점이 있고, 펄스 트랜스포머 조립시 상,하에 있는 피씨비에 모두 조립해야 하므로 소자 파괴등의 보수 상황이 발생했을 때 피씨비 상에서 펄스 트랜스포머들을 떼어내야 하므로 보수의 어려움이 있고, 또한 N개의 트랜스포머를 일렬로 직렬 연결하여 고전압을 얻는 경우 요구되는 전압이 수십 KV 이상의 전압일 경우 피씨비와 펄스 트랜스포머가 상당히 높이 쌓여지게 되어 공간을 효율적으로 사용하지 못하는 문제점이 있다.

도 1은 종래 고전압, 대전류 펄스 발생장치의 구성을 보여주는 레이아웃도.

도 2는 도 1에서, 펄스 트랜스포머의 구조도.

도 3은 도 1에서, 펄스 트랜스포머의 등가회로도.

도 4는 도 1에서, 펄스 트랜스포머의 또 다른 구조도.

도 5는 종래 펄스 트랜스포머의 결합상태를 보여주는 단면도.

도 6은 본 발명 고전압, 대전류 펄스 발생장치의 펄스 트랜스포머 구조에 대한 제1실시예.

도 7은 본 발명 고전압, 대전류 펄스 발생장치의 펄스 트랜스포머 구조에 대한 제2실시예.

도 8과 도 9는 본 발명 펄스 트랜스포머의 결합상태를 보여주는 단면도.

도 10은 도 8 및 도 9와 같이 결합된 펄스 트랜스포머의 등가회로도.

도 11은 도 5의 결합방법에 의한 펄스 상승시간과 펄스 하강시의 과전압 특성도.

도 12는 도 8 및 도 9의 결합방법에 의한 펄스 상승시간과 펄스 하강시의 과전압 특성도.

***** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *****

1 : 에너지 저장부 2 : 스위치부

3 : 펄스 트랜스포머 4 : 부하부

6 : 내부동관 7 : 외부동관

8 : 금속 핀 9 : 코아

10 : 피씨비(PCB) 11 : 전선

12 : 도전체 13 : 스프링 캡

따라서, 상기에서와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 부품정수의 과다, 유지 보수의 곤란함 및 공간의 비효율적인 이용 등을 해결하도록 한 고전압, 대전류 펄스 발생장치의 펄스 트랜스포머 결합구조 및 결합방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 1장의 피씨비 상,하단에 다수의 펄스 트랜스포머를 교대로 조립하고, 1장의 피씨비 하단에 다수의 펄스 트랜스포머를 직렬로 연결하여부품정수를 줄이고, 보수가 용이하도록 한 고전압, 대전류 펄스 발생장치의 펄스 트랜스포머 결합구조 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 실드(SHIELD) 파이프를 이용하여 한 열의 종단의 펄스 트랜스포머와 다른 열의 첫단의 펄스 트랜스포머를 연결함으로써 공간을 효율적으로 사용할 수 있도록 한 고전압, 대전류 펄스 발생장치의 펄스 트랜스포머 결합구조 및 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 상측이 막혀있고, 하측이 개방된 도우넛 형태의 동축통의 외부동관에 토로이날 형태의 코아를 삽입하고, 상기 동축통의 내부동관에 전선이 관통되도록 하고, 상기 동축통을 도전체로 코팅하여 직접 피씨비(PCB)에 조립되도록 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 6은 본 발명 고전압, 대전류 펄스 발생장치의 펄스 트랜스포머 결합구조에 대한 일실시예로서, 이에 도시한 바와같이, 상측이 막혀있고, 하측이 개방된 도우넛 형태의 동축통의 외부동관에 토로이날 형태의 코아를 삽입하고, 상기 동축통의 내부동관에 전선이 관통되도록 하고, 상기 동축통을 도전체로 코팅하여 직접 피씨비(PCB)에 조립되도록 구성한다.

도 7은 본 발명 고전압, 대전류 펄스 발생장치의 펄스 트랜스포머 결합구조에 대한 또다른 실시예로서, 이에 도시한 바와같이, 하측이 막혀있고, 상측이 개방된 도우넛 형태 동축통의 외부동관에 토로이날 형태를 코아를 삽입하고, 상기 동축통의 내부동관을 길게 빼어내고, 상기에서 길게 빼내어진 내부동관에 전선이 관통되도록 하고, 상기 외부동관 표면상측 및 하측에 각각 다수개의 금속핀이 상기 외부동관의 수평방향으로 부착되도록 구성한다.

도 8은 본 발명 고전압, 대전류 펄스 발생장치의 펄스 트랜스포머 결합상태를 보여주는 단면도로서, 이에 도시한 바와같이, 상측이 막혀있고, 하측이 개방된 도우넛 형태의 동축통의 외부동관에 토로이날 형태의 코아를 삽입하고, 상기 동축통의 내부동관에 전선이 관통되도록 하고, 상기 동축통을 도전체로 코팅된 펄스 트랜스포머를 피씨비(PCB)의 상단에 조립하고, 이 상단에 상단에 조립되는 피씨비의 하단에는 스프링 캡을 이용하여 펄스 트랜스포머를 조립하는 방식으로, 1장의 피씨비 상,하단에 다수의 펄스 트랜스포머를 교대로 조립하도록 구성한다.

도 9는 본 발명 고전압, 대전류 펄스 발생장치의 펄스 트랜스포머 결합상태에 대한 또 다른 단면도로서, 이에 도시한 바와같이, 하측이 막혀있고, 상측이 개방된 도우넛 형태 동축통의 외부동관에 토로이날 형태를 코아를 삽입하고, 상기 동축통의 내부동관을 길게 빼어내고, 상기에서 길게 빼내어진 내부동관에 전선이 관통되도록 하고, 상기 외부동관 표면상측 및 하측에 각각 다수개의 금속핀이 상기 외부동관의 수평방향으로 부착된 펄스 트랜스포머를 금속핀을 이용하여 피씨비의 하단에 직렬로 다수개 연결하도록 구성한다.

이와같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용 효과에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

펄스 트랜스포머 구성시 1턴의 1차 권선을 구성하기 위하여, 도 6에서와 같이, 상측을 막고, 하측을 개방한 도우넛 형태의 동축통의 외부동관(7)에 토로이달 형태의 코아(9)가 삽입한다.

이와같이 상기 코아(9)를 완전히 감싸는 구조가 되어 누설 및 분포용량이 거의 존재하지 않게 되어 빠른 펄스 상승시간 및 짧은 펄스폭의 펄스를 유지할 수 있도록 한다.

그리고, 2차 권선을 구성하기 위하여 동축통의 내부동관(6) 사이로 1가닥의 전선(11)이 지나가도록 하여 외부동관(7)과 함께 2차 권선이 되도록 한다.

그리고 상기에서와 같은 구조로 되어 있는 펄스 트랜스포머를 피씨비(10)에 고정시키기 위하여 종래의 금속핀을 없애고, 상기 동축통을 도전체로 코팅(12)하여 피씨비(10)에 직접 납땜할 수 있도록 한다.

따라서 한장의 피씨비(PCB)에 다수의 트랜스포머를 조립할 수 있도록 하여 부품의 정수를 줄인다.

상기에서와 같은 구조를 갖는 펄스 트랜스포머를 이용하여 고전압을 얻고자할 경우의 결합방법은, 도 8에서와 같이, 펄스 트랜스포머를 납땜한 피씨비(10)의 반대편에 조립되어 있는 스프링 캡(13)을 이용하여 연결하도록 한다.

이와같은 방법으로 1차적으로 병렬로 피씨비를 다수개 연결하고, 이렇게 교대로 조립되어 있는 트랜스포머를 결합하고자 할 경우 실드(SHIELD) 파이프를 이용하여 결합한다.

이때 사용된 스프링 캡(13)은 보수 발생시 개개의 피씨비의 탈착이 용이하도록 되어 있다.

그리고 조립되어 있는 트랜스포머를 교대로 연결할 때 사용하는 실드 파이프(14)는 차폐 역할 뿐만아니라 트랜스포머 결합시 인덕턴스를최소로 하는 역하릉 하게 되어 출력의 리플을 제거하는 역할을 한다.

또한 종래 N개의 트랜스포머를 일렬로 결합하는 방식에 비해 공간을 효율적으로 이용할 수 있는 효과도 있다.

상기에서와 같이 고전압을 얻고자 도 8에서와 같이 구성한 등가회로는, 도 10에서와 같으며, 1차측은 개개의 펄스 트랜스포머들이 접지가 스프링 캡으로 공유된 병렬구조로 동일 1차전압을 유기하며, 2차측의 경우 N개의 트랜스포머를 관통하여 구성되므로 N*Vi의 출력을 얻을 수 있는 1차는 병렬, 2차는 직렬 구조로 되어 있다.

그리고, 부품 정수를 줄이면서 공간을 효율적으로 이용할 수 있고 보수, 유지가 용이한 펄스 트랜스포머의 또 다른 구조는, 도 7에 도시한 바와같이, 1턴의 구조의 도 6에 도시한 펄스 트랜스포머와 같고, 한장의 피씨비(PCB) 하단에 직렬 연결할 수 있도록 내부동관(6)과 접지를 길게 빼내고, 금속핀(8)을 동축통과 수평방향으로 설치하였다.

이와같은 구조를 갖는 펄스 트랜스포머를 이용하여 고전압을 얻는 방식은, 도 9에 도시한 바와같, 한장의 피씨비 하단에 조립된 트랜스포머들을 실드 파이프를 이용하여 여러장을 연결한다.

상기에서와 같이 실드 파이프를 이용하여 연결하였을 경우, 보수시 실드 파이프만 떼어내면 한장의 피씨비에 있는 모든 소자들의 보수를 할 수 있는 편리함이 있다.

도 11은 도 2에 도시한 펄스 트랜스포머 구조에서 토로이달 코어(b)에 전선만으로 권선을 행한 트랜스포머의 1,2차측 실험파형이고, 도 12는 도 6과 도 7에 도시한 펄스 트랜스포머를 가지고 트랜스포머를 결합한 실험파형이다.

펄스의 상승 시간에는 도 12의 경우 약 40ns정도이고, 도 11의 경우는 약 120ns 정도에서도 아직 상승시간이 끝나지 않은 것으로, 본 발명의 경우 빠른 상승시간을 갖음을 알 수 있다.

뿐만아니라 펄스 하강시의 과전압의 경우도 도 12의 경우 120V 정도인데 반해 도 11의경우 310V 정도이어서 누설에 의한 영향이 본 발명의 경우 현저히 줄어듬을 알 수 있다.

결국, 도 11과 도 12에 도시한 파형의 비교는 빠른 상승시간과 짧은 펄스폭을 유지하면서 보수의 용이성과 부품정수를 줄일 수 있음을 알 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와같이 본 발명은 1장의 피씨비 상,하단에 다수의 펄스 트랜스포머를 교대로 조립하고, 1장의 피씨비 하단에 다수의 펄스 트랜스포머를 직렬로 연결하고, 실드 파이프를 이용하여 한 열의 종단의 펄스 트랜스포머와 다른 열의 첫단의 펄스 트랜스포머를 연결함으로써 과다한 부품정수를 줄일 수 있고, 보수 상황이 발생했을 때 보수를 용이하게 할 수 있으며, 유효하고도 효율적인 공간이용을 할 수 있도록 한 효과가 있다.

Claims

상측이 막혀있고, 하측이 개방된 도우넛 형태의 동축통의 외부동관에 토로이날 형태의 코아를 삽입하고, 상기 동축통의 내부동관에 전선이 관통되도록 하고, 상기 동축통을 도전체로 코팅하여 직접 피씨비(PCB)에 조립되도록 구성된 것을 특징으로 하는 고전압, 대전류 펄스 발생장치의 펄스 트랜스포머 결합구조.
하측이 막혀있고, 상측이 개방된 도우넛 형태 동축통의 외부동관에 토로이날 형태를 코아를 삽입하고, 상기 동축통의 내부동관을 길게 빼어내고, 상기에서 길게 빼내어진 내부동관에 전선이 관통되도록 하고, 상기 외부동관 표면상측 및 하측에 각각 다수개의 금속핀이 상기 외부동관의 수평방향으로 부착된 것을 특징으로 하는 고전압, 대전류 펄스 발생장치의 펄스 트랜스포머 결합구조.
상측이 막혀있고, 하측이 개방된 도우넛 형태의 동축통의 외부동관에 토로이날 형태의 코아를 삽입하고, 상기 동축통의 내부동관에 전선이 관통되도록 하고, 상기 동축통을 도전체로 코팅된 펄스 트랜스포머를 피씨비(PCB)의 상단에 조립하고, 이 상단에 상단에 조립되는 피씨비의 하단에는 스프링 캡을 이용하여 펄스 트랜스포머를 조립하는 방식으로, 1장의 피씨비 상,하단에 다수의 펄스 트랜스포머를 교대로 조립하도록 한 것을 특징으로 하는 고전압, 대전류 펄스 발생장치의 펄스 트랜스포머 결합방법.
제3항에 있어서, 실드 파이프를 이용하여 한 열의 종단의 펄스 트랜스포머와 다른 열의 첫단의 펄스 트랜스포머를 연결하여 여러장의 피씨비 상의 펄스 트랜스포머를 결합하도록 한 것을 특징으로 하는 고전압, 대전류 펄스 발생장치의 펄스 트랜스포머 결합방법.
하측이 막혀있고, 상측이 개방된 도우넛 형태 동축통의 외부동관에 토로이날 형태를 코아를 삽입하고, 상기 동축통의 내부동관을 길게 빼어내고, 상기에서 길게 빼내어진 내부동관에 전선이 관통되도록 하고, 상기 외부동관 표면상측 및 하측에 각각 다수개의 금속핀이 상기 외부동관의 수평방향으로 부착된 펄스 트랜스포머를 금속핀을 이용하여 피씨비의 하단에 직렬로 다수개 연결하도록 한 것을 특징으로 하는 고전압, 대전류 펄스 발생장치의 펄스 트랜스포머 결합방법.
제5항에 있어서, 실드 파이프를 이용하여 여러장의 피씨비 상의 펄스 트랜스포머 결합하도록 한 것을 특징으로 하는 고전압, 대전류 펄스 발생장치의 펄스 트랜스포머 결합방법.