KR20040035385A - High-voltage pulse generator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 플라즈마의 생성에 사용되는 고전압 펄스 발생장치에 관한것으로, 더욱 상세하게는 펄스폭이 매우 좁은 고전압 대전류 펄스 에너지의 승압 및 압축 효율을 높여 단일 또는 연속적으로 최종 부하단에 공급함과 동시에 장치의 수명 연장 및 연속 운전의 신뢰성을 증대시키기 위한 고전압 펄스 발생장치에 관한 것이The present invention relates to a high voltage pulse generator used to generate a plasma, and more particularly, to increase the boosting and compression efficiency of a high voltage high current pulse energy with a very narrow pulse width, and to supply the final load to a single load or at the same time. High voltage pulse generator for extending the life and increasing the reliability of continuous operation
다.All.
일반적으로, 특정량의 에너지를 모두 방출하는 데 소요되는 시간이 짧을수록 그 파워는 커진다. 특히, 고전압 대전류의 에너지를 상기와 같이 폭이 매우 좁은 펄스로 변환시키는 기술은 펄스 레이저, 레이다, 전자포 혹은 전열화학포, 전자 가속기, 전자빔/이온빔 발생장치, 암반 파쇄, 수중의 미생물 처리, 저온 플라즈마의 생성 등 군사용에서부터 과학 기술용, 산업분야에 이르기까지 그 응용분야가 매우 광범위하다.In general, the shorter the time it takes to release all of a certain amount of energy, the greater the power. In particular, the technology for converting high-voltage, high-current energy into such narrow pulses includes pulse lasers, radars, electron guns or electrothermal chemical guns, electron accelerators, electron beam / ion beam generators, rock fractures, microbial treatment in water, and cold plasma. The fields of application are very wide, ranging from military use to science and technology, and industrial fields.
종래의 펄스 발생장치는 도 1a에 도시된 바와 같이 상용 교류를 직류로 변환하는 장치(12)와 그 출력 에너지를 충전하는 소자(13), 그리고 충전된 에너지를 극히 짧은 시간에 그 다음 장치나 최종 부하단으로 넘겨주는 대전력 펄스용 스위치In the conventional pulse generator, as shown in FIG. 1A, a device 12 for converting commercial alternating current into direct current, an element 13 for charging its output energy, and the next device or final device in a very short time are charged energy. High power pulse switch to load stage
(14) 등으로 구성되며, 이러한 주요 구성요소 중에서도 대전력 펄스용 스위치(14)가 펄스 발생장치의 효율이나 수명, 신뢰도를 나타내는 핵심 소자이다.(14) and the like, and among these main components, the high power pulse switch 14 is a key element that shows the efficiency, lifetime, and reliability of the pulse generator.
종래의 펄스 발생장치 중 대전력 펄스용 스위치(14)로는 스파크 갭, 회전식또는 트리거 스파크 갭, 싸이라트론, 이그나이트론, 반도체 스위치 등이 있으며, 도 1a에서 충전소자(콘덴서)(13)와 대전력 펄스용 스위치(14)의 위치를 바꾸게 되면 스파크 갭 또는 회전식 스파크 갭 대신에 싸이라트론이나 반도체 스위치를 이용할 수도 있다.Among the conventional pulse generators, the high power pulse switch 14 includes a spark gap, a rotary or trigger spark gap, a cytrontron, an ignitron, a semiconductor switch, and the like. When the position of the power pulse switch 14 is changed, a cyclotron or a semiconductor switch may be used instead of the spark gap or the rotary spark gap.
종래 펄스 발생장치의 동작원리는 도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같이 상용 교류 전원(10)을 입력받아서 승압시킨 후 변압기(11)를 사용하여 교류를 직류로 정류시킨다. 혹은 교류를 입력받아서 직류로 정류시킨 후 승압할 수도 있다. 이 후, 변환된 직류는 콘덴서(13)를 충전하며 충전 전위가 정류기(12)의 최대치와 같아지면 더 이상 충전하지 않고 스파크 갭(14)이 도통(Close)되면서 짧은 시간에 펄스 형태의 에너지를 부하(15)로 넘겨 준다.1A and 1B, the operation principle of the conventional pulse generator is to receive and boost a commercial AC power supply 10, and rectify AC to DC using a transformer 11. Alternatively, AC may be input and rectified to DC, and then boosted. After that, the converted direct current charges the condenser 13, and when the charging potential is equal to the maximum value of the rectifier 12, no more charging is performed and the spark gap 14 is closed, so that energy in the form of pulses is shortened in a short time. Turn over to the load (15).
그러나, 상술한 종래의 펄스 발생장치는 부하단에 높은 전압의 펄스가 인가될 수 있도록 대전력 펄스용 스위치와 부하단 사이에 승압용 일반 펄스 변압기를 사용하여 부하단에서 직접 승압이 가능하지만 일반 펄스 변압기의 승압비가 높아지게 되면 변압기의 누설 인덕턴스가 커져서 변압기 2차측 출력 펄스의 상승 시간이나 펄스 폭을 사용자가 원하는 정격 이내로 맞추어 설계하기가 매우 어려운 문제점이 있었다.However, the above-mentioned conventional pulse generator is capable of boosting directly at the load stage by using a general pulse transformer for boosting between a large power pulse switch and the load stage so that a high voltage pulse can be applied to the load stage. When the boost ratio of the transformer is increased, the leakage inductance of the transformer is increased, and it is very difficult to design the rise time or pulse width of the transformer secondary output pulse within a desired rating.
또 다른 문제점으로는 펄스 발생장치의 핵심 소자인 대전력 펄스용 스위치가 상대적으로 낮은 전압에서 스위칭되거나, 싸이라트론과 반도체 스위치와 같은 대전력 펄스용 스위치는 상대적으로 처리할 수 있는 전압이나 전류 정격이 낮다는 기술적인 단점이 있으며, 그 외에 상기에서 열거한 스위치들은 공통적으로 수명이 매우 짧다는 단점과 사용 가능한 펄스 반복율이 상대적으로 매우 낮은 문제점이 있었다.Another problem is that high power pulsed switches, the core components of the pulse generator, are switched at relatively low voltages, or high power pulsed switches, such as cyiratron and semiconductor switches, can handle relatively high voltage or current ratings. There is a technical disadvantage of this low, in addition to the above-mentioned switch has the disadvantage of a very short life in common and relatively low pulse repetition rate available.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 정류된 직류전압을 펄스전압으로 변환시키고 상기의 변환된 펄스전압을 승압시킴과 동시에 압축시켜 최종적으로는 고전압의 펄스를 연속적으로 출력하는 장치의 효율성을 높이는 한편 장치의 크기를 상대적으로 소형/단순화시킬 뿐만 아니라, 전압 이배화 회로를 통해 펄스전압의 전위를 승압시킴으로써 변압기의 승압 부담을 줄여 승압효율 및 신뢰성을 높여주는 고전압 펄스 발생장치를 제공하는 데 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to convert a rectified DC voltage into a pulse voltage and to boost the converted pulse voltage at the same time to compress the final high voltage. In addition to increasing the efficiency of the device that outputs pulses continuously, the size of the device is relatively small / simplified, and the voltage boosting potential is increased by increasing the potential of the pulse voltage through the voltage doubling circuit, thereby increasing the boosting efficiency and reliability. The main object is to provide a high voltage pulse generator.
또 다른 목적으로는 장치의 수명, 효율 및 신뢰성을 결정하는 펄스용 스위치를 반영구적이고 신뢰성이 높은 자기 펄스 압축소자로 구성된 펄스 스위칭 모듈로 설계하여 장 수명 및 신뢰성을 높인 고전압 펄스 발생장치를 제공하는 데 있다.Another object is to provide a high voltage pulse generator with high longevity and reliability by designing a pulse switch that determines the lifetime, efficiency and reliability of the device as a pulse switching module composed of semi-permanent, highly reliable magnetic pulse compression elements. have.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명 고전압 펄스 발생장치는 상용의 교류전압을 인가받아 직류전압으로 변환시키는 고전압 직류 공급장치;In order to achieve the above object, the present invention provides a high voltage pulse generator comprising: a high voltage DC supply device configured to receive a commercial AC voltage and convert the DC voltage into a DC voltage;
상기 고전압 직류 공급장치로부터 인가받은 직류전압을 충전하고, 스위칭 제어신호를 입력받으면 방전하면서 LC 공진에 의해 유사 펄스전압을 공급하는 저장부;A storage unit which charges a DC voltage applied from the high voltage DC supply device and supplies a pseudo pulse voltage by LC resonance while discharging when a switching control signal is input;
상기 저장부에 충전된 유사 펄스전압을 인가시키기 위한 스위칭 제어신호를 상기 저장부로 지령하는 제어모듈;A control module for instructing the storage unit a switching control signal for applying the similar pulse voltage charged in the storage unit;
상기 저장부로부터 방전된 유사 펄스전압을 인가받아 설정된 전압값까지 승압 및 압축을 다단계적으로 수행하는 다중 승압압축부; 및A multiple booster compression unit configured to receive the pulsed discharged voltage discharged from the storage unit and perform step-up and compression up to a predetermined voltage value in multiple stages; And
상기 각 압축부의 자기펄스 압축소자를 승압 및 압축 동작이 수행되기전에 감자시키는 역자화부로 구성된 것을 특징으로 한다.The magnetic pulse compression element of each compression unit is characterized by comprising a demagnetizing unit for demagnetizing before the step-up and compression operation.
도 1a는 종래의 스파크 갭 또는 회전식 스파크 갭을 스위치로 이용한 펄스 발생장치의 구성을 나타낸 도면,Figure 1a is a view showing the configuration of a pulse generator using a conventional spark gap or rotary spark gap as a switch,
도 1b는 도 1a에 따른 종래의 주 스위치와 부하 사이에 승압용 펄스 변압기를 이용한 펄스 발생장치의 구성을 나타낸 도면,Figure 1b is a view showing the configuration of a pulse generator using a boost voltage transformer between the conventional main switch and the load according to Figure 1a,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 펄스 발생장치의 세부 구성을 나타낸 도면,2 is a view showing a detailed configuration of a high voltage pulse generator according to an embodiment of the present invention,
도 3a는 도 2에 따른 고전압 펄스 발생장치에서 운전자에 의해 제어모듈로 입력되는 운전 시작신호를 나타낸 도면,3A is a view illustrating an operation start signal input by a driver to a control module in the high voltage pulse generator according to FIG. 2;
도 3b는 도 2에 따른 고전압 펄스 발생장치에서 고전압 직류 공급장치의 출력 전압 파형을 나타낸 도면,3b is a view showing the output voltage waveform of the high voltage direct current supply device in the high voltage pulse generator according to FIG.
도 3c는 도 2에 따른 고전압 펄스 발생장치에서 역자화부의 출력을 지시하는 제어모듈의 출력신호를 나타낸 도면,3c is a view showing an output signal of a control module instructing the output of the demagnetizer in the high voltage pulse generator according to FIG.
도 3d는 도 2에 따른 고전압 펄스 발생장치에서 저장부에 완전 충전되도록 시간 지연을 준 다음 대전력 반도체 스위치 모듈의 도통을 지시하는 도면,FIG. 3D is a diagram illustrating the conduction of a large power semiconductor switch module after giving a time delay to fully charge the storage unit in the high voltage pulse generator according to FIG. 2; FIG.
도 4a는 도 2에 따른 고전압 펄스 발생장치에서 무유도 저항 부하를 대상으로 출력을 테스트한 파형을 나타낸 도면,Figure 4a is a view showing a waveform test output for a non-inductive resistance load in the high voltage pulse generator according to Figure 2,
도 4b는 도 2에 따른 고전압 펄스 발생장치에서 각각의 스위칭 동작시 각 주요 부분에서의 전압 및 전류의 파형을 나타낸 도면이다.4B is a view showing waveforms of voltages and currents in respective main parts during each switching operation in the high voltage pulse generator according to FIG. 2.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100 : 고전압 직류 공급장치 200 : 저장부100: high voltage DC supply device 200: storage unit
210 : LC 공진용 인덕터 220 : 대전력 반도체 스위치 모듈210: LC resonant inductor 220: large power semiconductor switch module
230 : 저장용 콘덴서 300 : 제어모듈230: storage capacitor 300: control module
400 : 다중 승압압축부 410 : 제 1 자기 펄스 승압압축부400: multiple booster compression unit 410: first magnetic pulse booster compression unit
420 : 제 1 배화 회로부 430 : 제 2 자기 펄스 압축부420: first multiplication circuit unit 430: second magnetic pulse compression unit
440 : 제 2 배화 회로부 500 : 역자화부440: second doubled circuit portion 500: reverse magnetizer
41 : 최종단에서의 출력 전압 펄스41: Output voltage pulse at the last stage
42 : 최종단에서의 출력 전류 펄스42: output current pulse at final stage
43 : 고전압 직류공급 장치에서 측정한 출력 전압43: Output voltage measured by high voltage DC power supply
44 : 제 1 자기 펄스 승압압축부 후단에서 측정한 출력 전압44: Output voltage measured at the rear end of the first magnetic pulse booster
45 : 제 2 자기 펄스 압축부 후단에서 측정한 출력 전압45: output voltage measured at the rear end of the second magnetic pulse compression unit
46 : 대전력 반도체 스위치 모듈의 도통 전류46: Conduction Current of High Power Semiconductor Switch Module
이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 고전압 펄스 발생장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a high voltage pulse generator according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 고전압 펄스 발생장치의 기능블록도로2 is a functional block diagram of a high voltage pulse generator according to an embodiment of the present invention;
서,book,
본 발명의 일 실시예에 의한 고전압 펄스 발생장치는 고전압 직류 공급장치High voltage pulse generator according to an embodiment of the present invention is a high voltage DC supply device
(100), 저장부(200), 제어모듈(300), 다중 승압압축부(400) 및 역자화부(500)로 구성되어 있다.100, the storage unit 200, the control module 300, the multiple booster compression unit 400 and the reverse magnetizer 500.
상기 고전압 직류 공급장치(100)는 상기 저장부(200)에 접속되어, 교류전원부로부터 상용의 교류전압을 인가받으면 이를 직류전압으로 변환시켜 상기 저장부The high voltage direct current supply device 100 is connected to the storage unit 200, and when a commercial AC voltage is applied from the AC power supply unit, converts the DC voltage into the DC voltage to the storage unit.
(200)로 인가하는 역할을 한다. 이 때, 상기 고전압 직류 공급장치(100)는 도면에 도시되지 않은 공진회로를 사용한 풀 브리지 인버터, 공진형 교류-직류 컨버터 및 배압회로로 구성되어 있다.Act as an authorization to 200. At this time, the high voltage direct current supply device 100 is composed of a full bridge inverter using a resonant circuit (not shown), a resonant AC-DC converter, and a back voltage circuit.
또한, 상기 저장부(200)는 상기 고전압 직류 공급장치(100)로부터 인가받은 직류전압을 충전하고, 상기 제어모듈(300)로부터 스위칭 제어신호를 입력받으면 방전하면서 LC 공진에 의해 생성된 유사 펄스전압을 상기 다중 승압압축부(400)로 공급하는 역할을 하며, LC 공진용 인덕터(210), 대전력 반도체 스위치 모듈(220), 저장용 콘덴서(230)로 구성되어 있다.In addition, the storage unit 200 charges a DC voltage applied from the high voltage DC supply device 100 and discharges when a switching control signal is input from the control module 300, and similar pulse voltage generated by LC resonance. It serves to supply to the multiple boosting compression unit 400, and consists of an LC resonance inductor 210, a large power semiconductor switch module 220, a storage capacitor 230.
상기 저장부(200)내 LC 공진용 인덕터(210)는 상기 고전압 직류 공급장치The LC resonance inductor 210 in the storage 200 is the high voltage DC supply device
(100)에 직렬로 접속되고 상기 대전력 반도체 스위치 모듈(220)에 병렬로 접속되는 한편 상기 저장용 콘덴서(230)에 직렬로 접속되어, 상기 저장용 콘덴서(230)에 충전된 직류전압이 방전될 때 상기 다중 승압압축부(400)로 인가되는 유사 펄스전압을 생성하는 공진값(L)을 제공하는 역할을 한다.A DC voltage connected to the storage capacitor 230 and connected in series to the high power semiconductor switch module 220 and connected in series to the storage capacitor 230 in series. When it is to serve to provide a resonance value (L) for generating a similar pulse voltage applied to the multi-compression unit 400.
또한, 상기 저장부(200)내 대전력 반도체 스위치 모듈(220)은 상기 고전압 직류 공급장치(100)에 병렬로 접속되고 상기 LC 공진용 인덕터(210)에 병렬로 접속되는 한편 상기 제어모듈(300)과 접속되어, 상기 제어모듈(300)로부터 스위칭 제어신호를 입력받으면 상기 저장용 콘덴서(230)에 충전된 직류전압이 방전되어 상기 다중 승압압축부(400)로 인가되도록 도통되는 역할을 한다.In addition, the high power semiconductor switch module 220 in the storage unit 200 is connected in parallel to the high voltage DC supply device 100 and in parallel to the LC resonance inductor 210 while the control module 300 When the switching control signal is input from the control module 300, the direct current voltage charged in the storage capacitor 230 is discharged to be applied to the multiple boosting compression unit 400.
그리고, 상기 저장부(200)내 저장용 콘덴서(230)는 상기 LC 공진용 인덕터In addition, the storage capacitor 230 in the storage unit 200 is the LC resonance inductor.
(210)에 직렬로 접속되어 공진값(C)을 제공하는 역할을 하며 상기 다중 승압압축부And connected in series to 210 to provide a resonance value C.
(400)에 접속되어, 상기 고전압 직류 공급장치(100)로부터 상기 LC 공진용 인덕터400 is connected to the LC resonance inductor from the high voltage direct current supply device 100
(210)를 통해 직류전압을 충전한 후 상기 대전력 반도체 스위치 모듈(220)이 도통되면 방전이 일어나면서 LC 공진에 의해 유사 펄스전압을 상기 다중 승압압축부When the large power semiconductor switch module 220 is electrically charged after charging the DC voltage through 210, discharge occurs and the pseudo boost voltage is increased by the LC resonance.
(400)로 공급하는 역할을 한다. 이 때, 상기 저장용 콘덴서(230)에 저장된 전기에너지는 상기 저장용 콘덴서(230)에 충전된 전압의 제곱과 상기 저장용 콘덴서(230)의 정전용량과의 곱에 비례한다.It serves to supply 400. At this time, the electrical energy stored in the storage capacitor 230 is proportional to the product of the square of the voltage charged in the storage capacitor 230 and the capacitance of the storage capacitor 230.
그리고, 상기 제어모듈(300)은 상기 저장부(200) 및 다중 승압압축부(400)에 접속되어, 상기 저장부(200)내 저장용 콘덴서(230)에 충전된 직류전압을 상기 다중 승압압축부(400)로 방전시키기 위한 스위칭 제어신호를 상기 저장부(200)내 대전력 반도체 스위치 모듈(220)로 출력하는 한편, 역자화 스위칭을 수행하는 제어신호를 상기 역자화부(500)로 출력하는 역할을 한다.In addition, the control module 300 is connected to the storage unit 200 and the multiple booster compression unit 400, the multi-voltage booster to compress the DC voltage charged in the storage capacitor 230 in the storage unit 200 A switching control signal for discharging to the unit 400 is output to the large power semiconductor switch module 220 in the storage unit 200, and a control signal for performing reverse magnetization switching is output to the demagnetizing unit 500. Play a role.
또한, 상기 다중 승압압축부(400)는 상기 저장부(200)내 저장용 콘덴서(230)와 상기 제어모듈(300)과 상기 역자화부(500)에 접속되어, 상기 저장부(200)로부터 방전된 유사 펄스전압을 인가받아 설정된 전압값까지 승압 및 압축을 다단계적으로 수행하는 역할을 하며, 제 1 자기 펄스 승압압축부(410), 제 1 배화 회로부(420), 제 2 자기 펄스 압축부(430) 및 제 2 배화 회로부(440)로 구성되어 있다.In addition, the multi-compression unit 400 is connected to the storage capacitor 230, the control module 300, and the demagnetizer 500 in the storage unit 200, and discharges from the storage unit 200. The multi-stage boosting and compression up to the set voltage value is applied by receiving the similar pulse voltage, and the first magnetic pulse boosting compression unit 410, the first multiplication circuit unit 420, and the second magnetic pulse compression unit ( 430 and the second doubling circuit unit 440.
상기 다중 승압압축부(400)내 제 1 자기 펄스 승압압축부(410)는 유사 펄스전압의 승압 및 압축을 수행하기 위해, 도면에 도시되지 않은 비정질 합금 소재의 주위를 권선하여 만든 자기 펄스 압축소자로 구성되는 한편, 상기 저장용 콘덴서The first magnetic pulse booster compression unit 410 in the multiple booster compression unit 400 is a magnetic pulse compression device made by winding a periphery of an amorphous alloy material not shown in the drawing to perform boosting and compression of a pseudo pulse voltage. Meanwhile, the storage capacitor
(230)에 상기 자기 펄스 압축소자의 1차측 권선이 접속되고 상기 제 1 배화 회로부A primary winding of the magnetic pulse compression element is connected to the first multiplication circuit;
(420) 및 상기 역자화부(500)에는 상기 자기 펄스 압축소자의 2차측 권선이 접속되어, 상기 저장부(200)내 저장용 콘덴서(230)로부터 유사 펄스전압이 방전되면서 생성되는 펄스전압을 인가받아서 승압시킴과 동시에 상기 제 1 배화 회로부(420)로인가하는 한편, 상기 제 1 배화 회로부(420)에 충전된 펄스전압이 설정치(최고치) 이상되면 상기 제 1 자기 펄스 승압압축부(410)는 도통되어 상기 제 1 배화 회로부A secondary side winding of the magnetic pulse compression element is connected to the 420 and the demagnetizer 500, and a pulse voltage generated while dissipating a similar pulse voltage from the storage capacitor 230 in the storage unit 200 is applied. The first magnetic pulse booster and compression unit 410 is turned on when the pulse voltage charged in the first multiplier circuit unit 420 is equal to or higher than a predetermined value. The first multiplication circuit section
(420)에 충전된 펄스전압을 이배화시키는 역할을 한다. 여기서, 상기 제 1 자기 펄스 승압압축부(410)는 상기 저장부(200)내 상기 저장용 콘덴서(230)가 충전을 완료한 직후에 상기 역자화부(500)의 역자화 스위칭에 의해 초기화되며, 그 이후에 승압작용을 시작한다. 이 때, 상기 제 1 자기 펄스 승압압축부(410)의 승압 비율은 상기 저장용 콘덴서(230)에 접속된 상기 자기 펄스 압축소자의 1차 권선비와 상기 제 1 배화 회로부(420)에 접속된 상기 자기 펄스 압축소자의 2차 출력단의 권선비에 의해서 결정된다.It serves to double the pulse voltage charged in 420. Here, the first magnetic pulse booster compression unit 410 is initialized by reverse magnetization switching of the demagnetizer 500 immediately after the storage capacitor 230 in the storage unit 200 completes charging, After that, the boosting operation starts. At this time, the boost ratio of the first magnetic pulse booster compression unit 410 is the primary winding ratio of the magnetic pulse compression element connected to the storage capacitor 230 and the first multiplier circuit unit 420 It is determined by the turns ratio of the secondary output terminal of the magnetic pulse compression element.
그리고, 상기 다중 승압압축부(400)내 제 1 배화 회로부(420)는 상기 제 1 자기 펄스 승압압축부(410)로부터 펄스전압을 인가받아 이배화시키기 위해 이중으로 충전한 후 충전된 펄스전압이 최고치가 됨과 동시에 상기 제 1 자기 펄스 승압압축부(410)의 권선 2차측이 도통되면 펄스전압을 이배화시켜 상기 제 2 자기 펄스 압축부(430)로 상기 제 1 배화 회로부(420)에 충전된 전기 에너지를 전달하는 역할을 하며, 제 1 콘덴서(421)와 제 2 콘덴서(422)로 구성되어 있다.In addition, the first multiplication circuit unit 420 in the multi-compression unit 400 receives the pulse voltage from the first magnetic pulse boost-compression unit 410 and doubles the charge to double the charge voltage, and the charged pulse voltage is the highest value. At the same time, when the winding secondary side of the first magnetic pulse booster compression unit 410 is turned on, the pulse voltage is doubled and the electric energy charged in the first multiplication circuit unit 420 by the second magnetic pulse compression unit 430 is doubled. It serves to transfer, and is composed of a first condenser 421 and a second condenser 422.
상기 제 1 배화 회로부(420)내 제 1 콘덴서(421)는 상기 제 1 자기 펄스 승압압축부(410)의 권선 2차측 출력단 상단에 접속되고 상기 제 2 자기 펄스 압축부The first capacitor 421 in the first multiplication circuit unit 420 is connected to the upper end of the winding secondary side output terminal of the first magnetic pulse booster compression unit 410 and the second magnetic pulse compression unit
(430)에 접속되어, 상기 제 1 자기 펄스 승압압축부(410)로부터 펄스전압이 모두 충전된 후 그 충전된 전압이 최고치에 이르면 상기 제 2 자기 펄스 압축부(430)로 상기 제 1 콘덴서(421)에 충전된 전기에너지를 전달하는 역할을 한다.And the first condenser (430) is connected to the second magnetic pulse compression unit 430 when the charged voltage reaches the highest value after all the pulse voltages are charged from the first magnetic pulse booster compression unit 410. 421 serves to transfer the electric energy charged in.
또한, 상기 제 1 배화 회로부(420)내 제 2 콘덴서(422)는 상기 제 1 자기 펄스 승압압축부(410)의 권선 2차측 출력단 상단에 병렬로 접속되고 상기 제 1 콘덴서(421) 하단에 접속되는 한편 접지측에 접속되어, 상기 제 1 자기 펄스 승압압축부(410)로부터 펄스전압이 모두 충전된 후 그 충전된 전압이 최고치에 이르면 상기 제 1 자기 펄스 승압압축부(410)가 도통되고, 상기 제 1 콘덴서(421)의 극성과 동일한 극성으로 반전시켜 상기 제 2 자기 펄스 압축부(430)로 이배화된 펄스전압을 인가하는 역할을 한다.In addition, the second capacitor 422 in the first multiplication circuit unit 420 is connected in parallel to the upper end of the winding secondary side output terminal of the first magnetic pulse booster compression unit 410 and connected to the lower end of the first capacitor 421. On the other hand, is connected to the ground side, the first magnetic pulse boosting compression unit 410 is turned on when all the pulse voltage is charged from the first magnetic pulse boosting compression unit 410 and the charged voltage reaches the maximum value, It inverts to the same polarity as that of the first condenser 421 and serves to apply the pulse voltage doubled to the second magnetic pulse compression unit 430.
그리고, 상기 제 2 자기 펄스 압축부(430)는 펄스전압의 압축을 수행하기 위해 도면에 도시되지 않은 비정질 합금 소재의 주위를 권선하여 만든 자기 펄스 압축소자로 구성되는 한편, 상기 제 1 배화 회로부(420)와 제 2 배화 회로부(440)에 직렬로 접속되고 상기 역자화부(500)에 접속되어, 상기 제 1 배화 회로부(420)로부터 이배화된 펄스전압을 인가받으면 그 이배화된 펄스전압을 압축시켜 상기 제 2 배화 회로부(440)의 1차 권선측에 병렬로 각각 인가하는 역할을 한다. 여기서, 상기 제 2 자기 펄스 압축부(430)는 상기 제 1 자기 펄스 승압압축부(410)와 동일한 순간, 동일한 방법으로 상기 역자화부(500)의 역자화 스위칭에 의해 초기화된다.In addition, the second magnetic pulse compression unit 430 is composed of a magnetic pulse compression element made by winding a periphery of an amorphous alloy material not shown in the drawing to perform compression of the pulse voltage, and the first multiplication circuit unit ( 420 is connected in series with the second doubling circuit 440 and is connected to the demagnetizer 500, and when the doubling pulse voltage is applied from the first doubling circuit 420, the doubling pulse voltage is compressed. The second winding circuit portion 440 serves to apply in parallel to the primary winding side, respectively. Here, the second magnetic pulse compression unit 430 is initialized by the reverse magnetization switching of the demagnetization unit 500 in the same instant as the first magnetic pulse booster compression unit 410.
또한, 상기 제 2 배화 회로부(440)의 1차 권선측은 다수단으로 구성되며, 상기 제 2 자기 펄스 압축부(430)에 접속되어, 상기 제 1 자기 펄스 승압압축부(410)로부터 이배화된 펄스전압을 병렬로 각각 인가받으면 각각 승압하여 상기 제 2 배화 회로부(440) 출력단인 2차 권선에 직렬로 접속된 최종단 부하에 배화시켜 공급하는 역할을 하며, 다수개의 비정질 합금 소재로 만든 자기 펄스 압축소자로 구성되어 있다. 이 때, 상기 제 2 배화 회로부(440)는 각단의 권선비와 총 입력단 수를 곱한 비에 의해 승압비가 결정된다. 여기서, 상기 제 2 배화 회로부(440)는 상기 제 1 자기 펄스 승압압축부(410)와 상기 제 2 자기 펄스 승압압축부(430)와 동일한 순간, 동일한 방법으로 상기 역자화부(500)의 역자화 스위칭에 의해 초기화된다.In addition, the primary winding side of the second multiplication circuit unit 440 has a plurality of stages, and is connected to the second magnetic pulse compression unit 430 and doubled from the first magnetic pulse boosting compression unit 410. When the voltage is applied in parallel, respectively, the voltage is boosted and multiplied to the final stage load connected in series to the secondary winding, which is the output terminal of the second multiplication circuit unit 440, and serves to supply magnetic pulse compression made of a plurality of amorphous alloy materials. It consists of elements. In this case, the boost ratio is determined by the ratio of the winding ratio of each stage multiplied by the total number of input stages. Here, the second multiplication circuit unit 440 is the same as the first magnetic pulse boosting compression unit 410 and the second magnetic pulse boosting compression unit 430, the demagnetization of the demagnetization unit 500 in the same manner It is initialized by switching.
그리고, 상기 다수개의 역자화부(500)는 상기 제 1 자기 펄스 승압압축부The plurality of demagnetizers 500 may include the first magnetic pulse booster compression unit.
(410), 제 2 자기 펄스 압축부(430) 및 제 2 배화 회로부(440)에 각각 접속되는 한편, 상기 제어모듈(300)에 접속되어, 상기 제어모듈(300)로부터 각각의 역자화 제어신호를 동시에 입력받으면 역자화 스위칭을 통해 각각의 자기 펄스 압축소자를 초기화시키는 역할을 한다.410, a second magnetic pulse compression unit 430, and a second multiplication circuit unit 440, respectively, while being connected to the control module 300, each demagnetization control signal from the control module 300. Simultaneously inputs serves to initialize each magnetic pulse compression element through reverse magnetization switching.
그러면, 하기에서는 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 의한 고전압 펄스 발생장치의 동작과정에 대해 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.Next, an operation process of the high voltage pulse generator according to the exemplary embodiment of the present invention having the above configuration will be described with reference to FIGS. 2 to 4.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이 운전 시작을 알리는 제어신호가 상기 제어모듈(300)로 입력되면, 상기 고전압 직류 공급장치(100)는 상용의 교류전압을 인가받아서 이를 직류전압(VDC)으로 정류하여 상기 LC 공진용 인덕터(210)를 통해 상기 저장용 콘덴서(230)에 충전하기 시작한다. 이 때, 최대 충전전압은 상기 직류전압First, as shown in FIG. 3A, when a control signal indicating the start of operation is input to the control module 300, the high voltage DC supply device 100 receives a commercial AC voltage and converts it into a DC voltage V DC . It rectifies and starts to charge the storage capacitor 230 through the LC resonant inductor 210. At this time, the maximum charging voltage is the DC voltage
(VDC)과 동일하다.Same as (V DC ).
이어서, 상기 제어모듈(300)은 상기 저장용 콘덴서(230)에 충전되는 직류전압이 설정치에 도달하면, 도 3c에 도시된 바와 같이 상기 다중 승압압축부(400)내 제 1 자기 펄스 승압압축부(410), 제 2 자기 펄스 압축부(430) 및 제 2 배화 회로부(440)를 초기화시키기 위해 상기 역자화부(500)로 역자화 제어신호를 각각 출력하도록 제어신호를 지령하고 상기 제어신호를 입력받은 각각의 역자화부(500)는 역자화 스위칭을 출력한다.Subsequently, when the DC voltage charged in the storage capacitor 230 reaches a set value, the control module 300 includes a first magnetic pulse booster in the multiple booster compressor 400 as shown in FIG. 3C. 410, a control signal is commanded to output a demagnetization control signal to the demagnetizer 500, and the control signal is input to initialize the second magnetic pulse compression unit 430 and the second multiplication circuit unit 440, respectively. Each demagnetizer 500 received receives the demagnetization switching.
이 후, 도 3d에 도시된 바와 같이 상기 제어모듈(300)은 상기 역자화부(500)로 제어신호를 지령함과 동시에 약 120㎲의 시간 지연을 가진후 상기 대전력 반도체 스위치 모듈(220)로 스위칭 제어신호를 출력하여 도통시킨다.Thereafter, as shown in FIG. 3D, the control module 300 commands a control signal to the demagnetizer 500 and has a time delay of about 120 ms to the large power semiconductor switch module 220. Outputs a switching control signal to conduct it.
한편, 도 4b에 도시된 파형들과 같이 상기 고전압 직류공급장치(100)의 출력 직류전압(a)은 상기 대전력 반도체 스위치 모듈(220)이 도통(d)되는 순간에 저감되며, 이와 동시에 상기 저장용 콘덴서(230)에 저장된 직류전압은 방전되기 시작한Meanwhile, as shown in the waveforms of FIG. 4B, the output DC voltage a of the high voltage DC supply device 100 is reduced at the moment when the large power semiconductor switch module 220 becomes conductive (d). DC voltage stored in the storage capacitor 230 begins to discharge
다.All.
그러면, 상기 다중 승압압축부(400)내 제 1 자기 펄스 승압압축부(410)는 상기 저장용 콘덴서(230)로부터 방전된 펄스전압(VDC)을 승압(3VDC)하여 상기 제 1 배화 회로부(420)내 제 1 콘덴서(421) 및 제 2 콘덴서(422)에 모두 충전(b)시킨다. 이 때, 상기 제 1 배화 회로부(420)내 제 1 콘덴서(421) 및 제 2 콘덴서(422)에 충전되는 펄스전압(3 VDC)은 각각 다른 극(+/-)으로 충전(b)된다.Then, the first magnetic pulse booster compression unit 410 in the multiple booster compression unit 400 boosts the pulse voltage (V DC ) discharged from the storage capacitor 230 to boost the voltage (3V DC ) to the first multiplier circuit unit. Both the first capacitor 421 and the second capacitor 422 in 420 are charged (b). At this time, the pulse voltage (3 V DC ) charged in the first capacitor 421 and the second capacitor 422 in the first multiplication circuit unit 420 is charged (b) to different poles (+/-), respectively. .
이 후, 상기 제 1 배화 회로부(420)내 제 1 콘덴서(421) 및 제 2 콘덴서(422)에 충전(b)되는 펄스전압(3 VDC)이 설정치 이상되면 상기 제 1 자기 펄스 승압압축부(410)의 2차 권선측이 도통됨과 동시에 상기 제 2 콘덴서(422)에 충전된 펄스전압(3 VDC)의 극성이, (+)극과 (-)극으로 서로 반전되어 상기 제 1 콘덴서(421)에 충전된 펄스전압(3 VDC)과 합쳐져 이배화된 펄스전압(6 VDC,b')이 상기 제 2 자기 펄스 압축부(430)로 인가(b')된다.Thereafter, when the pulse voltage (3 V DC ) charged to the first capacitor 421 and the second capacitor 422 in the first multiplication circuit unit 420 (b) is greater than or equal to a set value, the first magnetic pulse booster and compression unit The polarity of the pulse voltage (3 V DC ) charged to the second capacitor 422 is inverted to the (+) pole and the (-) pole at the same time as the secondary winding side of 410 is turned on, and the first capacitor The pulse voltage 6V DC, b ', which is combined with the pulse voltage 3V DC charged in 421, is applied to the second magnetic pulse compression unit 430 (b').
이어서, 상기 제 2 자기 펄스 압축부(430)는 상기 제 1 배화 회로부(420)로부터 이배화된 펄스전압(6 VDC)이 인가(b')되면 그 이배화된 펄스전압(6 VDC)을 압축시켜 상기 제 2 배화 회로부(440)의 다수개(2개) 1차 권선측 입력단에 각각 병렬로 인가(c)한다.Subsequently, the second magnetic pulse compression unit 430 compresses the doubled pulse voltage 6 V DC when the doubled pulse voltage 6 V DC is applied (b ') from the first multiplication circuit unit 420. (C) are applied in parallel to a plurality of (two) primary winding side input terminals of the second multiplication circuit unit 440, respectively.
그러면, 도 4a에 도시된 바와 같이 상기 제 2 배화 회로부(440)의 1차 권선측에 상기 다수개(2개)의 입력을 병렬로 인가받은 이배화된 펄스전압(6 VDC)의 전위를 각각 승압하여 상기 제 2 배화 회로부(440)의 2차 권선 출력단으로 인가하면 상기 출력단은 각각 병렬로 승압되어 이배화된 펄스전압(12 VDC+ 12 VDC)을 직렬로 연결하고 최종단 부하와는 다시 병렬로 연결하여 최종적인 펄스 에너지 전압펄스Then, as illustrated in FIG. 4A, potentials of the doubled pulse voltages (6 V DC ) applied in parallel with the plurality of (two) inputs are respectively applied to the primary winding side of the second multiplication circuit unit 440. When the voltage is increased and applied to the secondary winding output terminal of the second multiplication circuit unit 440, the output terminals are respectively boosted in parallel to connect the doubled pulse voltages (12 V DC + 12 V DC ) in series and again with the final stage load. Final pulse energy voltage pulse in parallel
(41), 전류펄스(42))를 출력한다. 이 때, 상기 제 2 배화 회로부(440)의 1차 권선 입력단은 2개 또는 다수개로 형성하여 인가받은 펄스전압을 최종단 부하에 효율적으로 승압시킬 수 있다.(41) and current pulses 42) are output. In this case, two or more primary winding input terminals of the second multiplication circuit unit 440 may be formed to efficiently boost the applied pulse voltage to the final stage load.
이 때, 상기 제 1 자기 펄스 승압압축부(410)와 제 2 자기 펄스 압축부(430)의 포하 인덕턴스를 각각 L1sat과 L2sat라하면, [수학식 1]과 같은 관계가 성립되어야 한다.At this time, if the falling inductances of the first magnetic pulse boosting compression unit 410 and the second magnetic pulse compression unit 430 are L1sat and L2sat, respectively, the relationship as shown in [Equation 1] must be established.
여기서, L1sat은 상기 제 1 자기 펄스 승압압축부의 포하 인덕턴스를 나타내고,Here, L1sat represents a falling inductance of the first magnetic pulse booster compression part,
L2sat 상기 제 2 자기 펄스 압축부의 포하 인덕턴스를 나타낸다.L2sat represents a falling inductance of the second magnetic pulse compression unit.
또한, 하기에서는 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 이 실시예에 의한 고전압 펄스 발생장치의 동작과정에 대해 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명하기로 한다.In addition, the operation of the high voltage pulse generator according to the embodiment of the present invention having the above configuration will be described with reference to FIGS. 4A and 4B.
무유도 저항을 부하로 하여 펄스인가 테스트를 수행하였고, 그 때 실시간 대역폭이 500MHz인 오실로스코프의 화면상에 포획된 전압, 전류 파형들을 출력한 것이다.A pulse application test was performed with an inductive resistor as a load, and the voltage and current waveforms captured on the screen of an oscilloscope having a real-time bandwidth of 500 MHz were output.
도 4a는 출력전압 펄스(41)와 출력전류 펄스(42)를 도시하였으며, 각각 첨두값이 123.2kV와 6.6kA(전류-전압 변환율 1:1), 각 펄스 폭은 약 < 500ns임을 파형을 통하여 알 수 있다.4A shows an output voltage pulse 41 and an output current pulse 42, each having a peak value of 123.2 kV and 6.6 kA (current-to-voltage conversion ratio 1: 1) and a pulse width of about <500 ns. Able to know.
전압펄스(41)를 측정하기 위하여 계단신호에 대한 응답시간이 20ns 이하인저항형 분배기를 사용하였고, 전류펄스(42)를 측정하기 위하여 상승 시간이 20ns인 전류 변압기를 사용하였다.In order to measure the voltage pulse 41, a resistive divider having a response time of 20 ns or less for the step signal was used, and a current transformer having a rise time of 20 ns was used to measure the current pulse 42.
이 때, 고전압 펄스 발생장치의 각 주요 부분에 대한 파형들을 도 4b에 도시하였으며, 상기 고전압 직류 공급장치(100)의 출력전압(43)은 설정치인 10.1 kV까지 도달한 뒤 교류-직류 변환 동작을 멈추고, 상기 대전력 반도체 스위치 모듈In this case, the waveforms of the main parts of the high voltage pulse generator are shown in FIG. 4b, and the output voltage 43 of the high voltage direct current supply device 100 reaches a set value of 10.1 kV and then performs an AC-DC conversion operation. Stop, the high power semiconductor switch module
(220)이 스위칭(44(d))하면 그 출력전압은 일정시간(8㎲) 이내로 떨어지고 이와 동시에 상기 제 1 자기 펄스 승압압축부(410)를 거치면서 펄스폭은 2㎲ 이내로 떨어진다. 그리고, 상기 제 1 배화 회로부(420)를 거치면서 전압 이배화 동작이 진행됨과 동시에 상기 제 2 자기 펄스 압축부(430)는 다시 펄스폭을 0.5㎲ 이내로 압축시킨다. 단, 도 4b에서 고전압 직류 공급장치(100)의 출력전압(43) 파형을 제외한 다른 채널의 측정치는 임의 단위이다.When the switching switch 220 (44 (d)), the output voltage falls within a predetermined time (8 kW), and at the same time, the pulse width falls within 2 kW while passing through the first magnetic pulse booster compression unit 410. In addition, while the voltage doubling operation proceeds through the first multiplication circuit unit 420, the second magnetic pulse compression unit 430 again compresses the pulse width to within 0.5 μs. However, in FIG. 4B, the measurement values of other channels except for the waveform of the output voltage 43 of the high voltage DC supply device 100 are in arbitrary units.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 고전압 펄스 발생장치에 의하면, 펄스전압의 승압 및 압축을 한 소자에서 동시에 처리함으로써 최종적으로는 고전압의 펄스를 연속 출력하는 장치의 구성을 단순화시킬 뿐만 아니라 다중의 배화 회로를 통해 승압 효율을 높임으로써 단순히 권선비를 증가시킴으로써 상대적으로 증가하는 누설 인덕턴스의 영향을 최소화시킬 수 있기 때문에 원하는 펄스 형태로의 성형이 용이해지며 펄스 승압 및 압축 효율을 극대화시킬 수 있는 뛰어난 효과가 있다.As described above, according to the high voltage pulse generator according to the present invention, by simultaneously processing the step-up and compression of the pulse voltage in one device, the configuration of the device for continuously outputting the high voltage pulse is not only simplified, but also the multiple multiplication circuit. By increasing the boosting efficiency, it is possible to minimize the effect of the relatively increased leakage inductance by simply increasing the winding ratio, which facilitates the molding into the desired pulse shape, and has an excellent effect of maximizing the pulse boosting and compression efficiency. .
또 다른 효과로는 대전력 반도체 스위치 모듈과 비선형 동작 특성을 보이는비정질 합금 소재의 자기 펄스 압축소자를 사용하여 승압 및 압축을 동시에 수행함으로써 장치의 높은 신뢰성 및 장 수명을 비롯하여 펄스 스위치 소자의 수명이 늘어났으며 연속 운전시 장치의 신뢰성을 크게 향상시킨 뛰어난 효과가 있다.Another effect is the high power semiconductor switch module and the magnetic pulse compression element made of amorphous alloy material exhibiting nonlinear operation characteristics to simultaneously boost and compress, thereby increasing the life of the pulse switch element as well as high reliability and long life of the device. It has the outstanding effect of greatly improving the reliability of the device in continuous operation.
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- 2002-10-22 KR KR10-2002-0064515A patent/KR100488346B1/en active IP Right Grant
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| KR101042985B1 (en) * | 2009-10-15 | 2011-06-21 | 주식회사 포스코아이씨티 | Spark control apparatus using variable voltage reference and its mehtod |
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