KR20050067223A - 고전압 전력 공급장치 - Google Patents

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KR20050067223A
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마쥐 살라마
춘 호 람
메흐대드 카제라니
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허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
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Abstract

본 발명의 고-전압 전력 공급장치(10)는 입력 전압 신호를 수신하고, 상기 입력 전압 신호를 제어가능한 DC 전압으로 변환하는 전력 조정 섹션(130); 상기 제어 가능한 DC 전압을 고-주파수 파로 변환하는 푸쉬-풀 변환기(140); 및 상기 푸쉬-풀 변환기(140)에 의해서 발생된 고-주파수 파를 수신하고, 연속적인 전압 배가 동작을 수행하여 고-전압 DC 출력을 발생하는 전압 승산기(200)를 포함한다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 전압 승산기(200)는 액 100kHz의 주파수를 갖는 구형파를 수신하고, 약 0-30 kHz의 조정가능한 DC 전압을 출력한다. 본 발명의 하나의 구현예에 있어서, 고전압 전력 공급장치(10)은 전압 승산기 모듈(200)에 대해서 절연 시스템(250)을 포함하고, 절연 시스템은 n 개의 절연층 위에 형성되고, m개의 도전성 스트립은 절연 시스템 사이에 위치한다.

Description

고전압 전력 공급장치{High-Voltage Power Supply}
본 발명은 2002. 11. 1 자로 출원된 35 USC 119(e)조에 의거한 미국 가출원 60/422,845호에 기초한 우선권을 주장하는 출원으로서, 본 출원에는 그 출원의 모든 내용을 참조로 포함한다.
본 발명은 전력 공급 기술과 관련되어 있고, 더욱 구체적으로는 개선된 kV/volume 특성을 갖는 고 전압 전력 공급에 관한 것이다.
예를들어 고전압 부하에 DC 전력을 공급하는 등의 전형적인 전력 공급장치는 전압 승압과, 입력 출력 사이의 격리를 위한 변압기와, 변압기 출력으로부터 요구되는 고전압을 발생하기 위해서 적합한 구성을 갖는 전압 승산기(multiplier)를 갖는 전력용 전자장치를 사용한다. 일반적으로, 항공용 장치에 사용되는 고 전압 공급장치의 체적은, 격리 요구조건, 동작 주파수, 전압 승산기에 있어서 일반적인 입력(예를들어, 25V)에 요구되는 전압 배가(doubler) 스테이지의 수, 전력 전자장치에서의 자기적 구성요소(인덕터 및 변압기)들의 사이즈와 같은 요인들 때문에, 일반적으로는 0.5 입방 피트 보다 더 큰 사이즈를 갖는다. 또한, 연속적인 전압 배가 스테이지의 동작 특성 때문에 부하에서 증가하는 출력 전압 리플 및 전압 하강이 발생한다.
본 발명의 완벽한 이해는 도면과 관련되어 기재되는 다음의 상세한 설명에 의해서 명확하게 될 것이다.
도1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 고 전압 전력 공급장치의 기능적인 블럭 다이어 그램이다.
도2은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전력 전자장치 모듈의 기능적인 블럭 다이어 그램이다.
도 3은 본 발명의 하나의 예시적인 구현에 따른 고-전압 전력 공급 시스템의 전력 전자장치 모듈의 도식도이다.
도 4는 본 발명의 하나의 예시적인 구현에 따른 고 전압 전력 공급 시스템의 전압 승산기 모듈의 기능적인 구조도이다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 고 전압 전력 공급장치의 전력 전자장치 제어 모듈의 기능적인 블럭 다이어 그램이다.
도 6은 본 발명의 하나의 예시적인 구현에 따른 고 전압 전력 공급 시스템의 전력 전자장치 제어 모듈의 도식도이다.
도 7A -7E는 본 발명의 하나의 예시적인 구현에 따른 고 전압 전력 공급장치에 대한 회로 보드의 상호연결 구조를 도시하는 구성도이다.
도 8은 본 발명의 구현에 따른 전압 승산기 절연 시스템의 단면도이다.
도 9은 본 발명의 하나의 예시적인 구현에 따른 고 전압 전력 공급장치의 전압 승산기의 전압 배가 스테이지의 배열을 설명하는 도식도이다.
본 발명의 하나의 측면은 고 전압 전력 공급장치에 관한 것이다. 본 발명의 하나의 측면에 따르면, 본 발명은 연속적으로 변동하는 고 전압 전력 공급장치에 관한 것이다. 본 발명의 하나의 실시예에 따른 고 전압 전력 공급장치는, 입력 전압 신호를 수신하고, 상기 입력 전압 신호를 제어가능한 DC 전압으로 변환하는 전력 조정 섹션; 상기 제어 가능한 DC 전압을 고-주파수 파로 변환하는 푸쉬-풀 변환기; 및 상기 푸쉬-풀 변환기에 의해서 발생된 고-주파수 파를 수신하고, 연속적인 전압 배가 동작을 수행하여 고 전압 DC 출력을 발생하는 전압 승산기를 포함한다.
본 발명의 다른 측면은, 고 전력 공급장치를 제공하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명의 하나의 실시예에 따른 고 전압 공급장치를 공급하기 위한 방법은, 입력 전압 신호를 수신하여 전력 조정 섹션에서 입력 전압 신호를 제어 가능한 DC 전압으로 조정하는 단계; 푸쉬-풀 변환기를 사용하여 상기 제어 가능한 DC 전압을 고 주파수 파로 변환하는 단계; 상기 푸쉬-풀 변환기에 의해서 발생된 고주파수 파를 수신하고, 연속적인 전압 배가 동작을 수행하여 고 전압 DC 출력을 발생하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 측면 및 장점은 도면을 참조한 명세서 상세한 설명의 기재에 의해서 더욱 명확하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 원리에 따른 고 전압 전력 공급장치 (HVPS) (10)의 기능적 블럭 다이어 그램이다. 일반적으로, HVPS (10)은, DC (직류 전류) 또는 AC (교류 전류) 전압을 격리된, 높은 정확도를 갖는, 또한 연속적으로 조정가능한 고 전압의 DC, 예를들어, 수십 킬로 볼트의 고전압으로 변경한다. 본 발명에 따라서 구성된 고 전압 전력 공급장치(10)는 0.6 kV/inch3 의 kV/체적(volume)을 갖고, 30 kV/lb 크기의 kV/무게(weight)를 갖는다. 본 발명의 전력 공급장치는 자연적으로 냉각(예들들어, 대류 냉각)되고 넓은 범위의 환경조건(예를들어, 지구의 해수면 및 우주 공간)에서 동작될 수 있다.
도 1에 도시된 HVPS(10)은 전력 전자장치 모듈(100); 전압 승산기 모듈(200); 전력 전자장치 제어 모듈 (300) 등의 3개의 주요 모듈을 갖는다. 전력 전자장치 모듈(100)은 입력되는 AC 또는 DC 전압을 조정가능한 DC 전압으로 변환하고, 조정가능한 DC 전압을, 바람직한 실시예에 있어서는, 조정가능한 진폭을 갖는 구형파의 고 주파수 파로 변환한다. 본 발명의 하나의 구현에 있어서는, 전력 전자장치 모듈(100)에 의해서 발생되는 고 주파수 파는 약 20 kHz보다 더 큰 주파수를 갖는다. 본 발명의 다른 하나의 실시예에 있어서는, 전력 전자장치 모듈(100)에 의해서 발생되는 고 주파수 파는 약 100 kHz의 주파수를 갖는다. 전력 전자장치 모듈(100)은 고 주파수 동작을 사용하여 부피가 크고 무거운 리액턴스 요소의 필요성을 감소시킨다. 또한, 고 주파수 동작은 HVPS(100)의 전력 밀도를 증가시키고, 출력 전압 리플을 감소시키고, 다음에서 상세하게 설명되는 이유에 의한 부하에서의 전압 저하 조건을 감소시킨다. 전력 전자장치 모듈(100)의 고주파수 변압기는 출력 및 입력 사이의 격리를 제공한다.
전압 승산기 모듈(200)은 전력 전자장치 모듈(100)에 의해서 출력되는 고주파수 파(wave)를 고전압으로 변환한다. 본 발명의 하나의 구현에 있어서는, 전압 승산기 모듈(200)은 약 1kV DC보다 더 큰 조정 가능한 전압을 출력할 수 있다. 본 발명의 하나의 실시예에 있어서, 전압 승산기 모듈은 약 30kV DC의 조정 가능한 전압을 출력할 수 있다. HVPS(10)의 상위(upper) 범위는 더 많은 수의 전압 배가 스테이지를 사용하는 것에 의해서 증가될 수 있다. 절연 시스템 (250)이 전압 승산기 모듈(200)에 제공된다. 절연 시스템(250)(이하에서 상세히 설명됨)은 작은 체적에서 고 전압을 가능하게 한다. 제어 모듈(300)은 아날로그 또는 디지털 명령 신호에 따라 폐-루프로 전력 전자장치 모듈(100)의 파 출력의 진폭을 조정한다.
보다 구체적으로는, 전력 전자장치 모듈(100)은 예를들어, 약 28V DC의 전력 신호와, 예를들어, 0-30 kV DC의 범위에 있는 연속적으로 변동가능한 고전압 전력 공급 출력 전압을 표시하는 변동 가능한 명령 신호, 예를들어, 0-10 V, DC를 수신한다. 전력 전자장치 모듈 (100)에 있어서는, 소위 "버크-변환기(buck-converter)"가 채용되어 입력 전압을 출력 전압의 함수로 조정가능한 DC 전압로 변환한다. 그리고, 푸쉬-풀 변환기는 이 전압을 예를들어, 약 0-1 kV의 진폭을 갖는 구형파를 갖는 고주파수 파 전압으로 변환하는데 사용한다. 폐루프 제어 시스템은, 전력 전자장치 모듈(100)과 전력 전자장치 제어 모듈(300)사이의 피드백 신호를 사용하여, HVPS (10)의 출력전압이 명령에 의해서 정해지도록 한다.
도2은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전력 전자 장치 모듈의 기능적인 블럭 다이어 그램이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전력 전자장치 모듈(100)은 전력 조정 섹션(130); 푸쉬-풀 변환기(140); 및 전력 공급 포션(120)을 포함한다. 전력 조정 섹션(130)은 입력 전력 신호(예를들어 28V DC)와, 요구되는 고 전압 전력 공급 출력 전압을 나타내는 조정 제어 신호를 수신하는 버크-변환기(buck-converter)이다. 전력 조정 섹션(130)은 전력 전자장치 제어 모듈(300)으로부터 수신된 스위치 게이팅 신호에 의해서 ON/OFF 게이트되는 스위칭 요소(Q1)을 포함하여 입력 전력 신호를, 예를들어, 0-28V의 범위에서 제어 가능한 DC 전압으로 변환한다.
푸쉬-풀 변환기(140)은 전력 조정 섹션(130)의 출력을 앞으로 구체적으로 설명할 고주파수 변환기 구성을 사용하여, 예를들어, 0-1kV의 피크치를 갖는 고주파수 파 전압으로 변환한다. 푸쉬-풀 변환기(140)에 의해서 발생하는 고주파수 파는 본 발명의 구현에 있어서, 구형파로서, 그것에 의해서 후속하는 전압 승압을 가능하게 하고, 또한, HVPS (10)의 더 낮은 전압 저하 및 리플 레벨을 포함하는 안정도 특성을 개선한다. 푸쉬-풀 변환기(140)는 입력과 출력 사이의 격리 및 전압 상승을 제공한다. 푸쉬-풀 변환기(140)에 의한 고전압 출력은 전압 승산기 모듈(200)이 더 적은 수의 전압 배가 스테이지를 갖고 요구되는 출력 전압 범위를 달성하도록 한다. 예를들어, HVPS (10)의 최대 요구 출력 전압이 30 kV DC이고, 푸쉬-풀 변환기가 0-1 kV를 출력한다면, 전압 승산기는 16 개의 배가(doubler) 스테이지에 의해서 구현된다. 이러한 구현에 있어서, 부가적인 전압 배가 스테이지는 각각의 전압 승산기 스테이지에서 다이오드 양단의 전압 하강을 보상하고, 부하에서의 전압 하강을 보상하고, 전압 승산기 모듈의 각 스테이지에서 손실이 초래되는 출력 부하의 전체 범위에 걸쳐서 30 kV DC 출력 전압이 얻어질 수 있도록 한다. 이하에서 설명되는 본 발명의 구체적인 예에 있어서, 전압 승산기 스테이지는 2개의 보드(예를들어, 각각의 보드에 8 스테이지를 갖음)로 분리된다.
전력 공급 포션 (120)은 입력 전력 신호를 수신하고, 전력 전자장치 제어 모듈(300)의 다양한 회로에 대해서 전력 전압(예를들어, 5V, 15V)을 발생한다. 전력 공급 포션 (120)은, 공급 전압이 외부에서 공급될 수 있다는 점에서 선택적인 요소이다.
도 3은 본 발명의 하나의 예시적인 구현에 따른 고전압 전력 공급 시스템의 전력 전자 장치 모듈의 기능적인 구조도로서, 전력 조정 섹션(130), 푸쉬-풀 변환기(140); 및 전력 공급 포션(120)의 예시적인 구현 회로를 포함하고 있다. 도3에 도시된 바와 같이, 전력 조정 섹션(130)의 예시적인 구현회로는 (P, N 접속을 통하여), 도 3의 예시적인 구현에 있어서는 DC 전력인 입력 전력 신호를 수신하도록 접속된다. 전력 조정 섹션(130)은 IRF 530 MOSFET와 같은 스위칭 요소 Q1을 포함하고, 그것의 듀티 사이클은 전력 전자장치 제어 모듈(300)으로부터 수신된 스위치-게이팅 신호 G1P에 따라서 입력 전압을 조정하도록 제어된다. 도3에 도시된 전력 조정 섹션(130)은 게이팅 신호 G1P를 스위칭 요소 Q1에 인가하기 위해서 저항 R1 및 R2을 포함한다. 전력 조정 섹션(130)은 조정된 출력 전압을 평활하고/필터링하기 위해서, 인덕터(L1)과 캐패시터(C7 및 C8)를 포함하는 필터링 배열과, 전력 전자장치 제어 모듈(300)에 피드백되는 전력 조정 섹션(130)의 출력을 나타내는 피드백 신호 VF를 발생하기 위해서 레지스터 R4, R5 및 캐패시터 C11을 포함하는 RC 구성을 추가로 포함한다. 레지스터 R4, R5는 전압 분배기로서 작용하여 피드백 신호 VF를 제공하고, 캐패시터 C11은 피드백 신호를 필터링한다. 전력 조정 섹션 (130)은 입력 전압 잡음을 감소하기 위해서 입력 전압을 필터링하는 캐패시터 C1, C3의 구성과, 도 3의 버크 변환기의 자유 송신 다이오드인 다이오드 D2의 구성을 추가로 포함한다.
푸쉬-풀 변환기 (140)는, 입력과 출력 사이의 전압 격리와 승압을 제공하는, 예를들어 권선수 비가 1 : 1 : 36 을 갖는 고주파수 변압기 T1과, 전력 전자장치 제어 모듈(300)으로부터 수신되는 스위치 게이팅 신호 G2P 및 G3P에 따라서 스위치되는 한 쌍의 스위치 Q2 및 Q3를 갖는다. 스위치 Q2 및 Q3는 100 kHz 정도의 고속으로 스위치되는 IRF 530과 같은 MOSFET 타입의 반도체 스위치이다.
따라서, 스위치 Q2 및 Q3는 변압기 T1의 제1차 권선에 연결되고, 변압기에 고주파수 전압을 제공하고, 변압기 T1에 의해서 상승되어 전압 승산기 모듈 (200)에 출력한다. 푸쉬-풀 변환기(140)은 스위치 게이팅 신호를 스위치 Q2에 제공하는 저항 R6, R7의 배열과, 스위치 게이팅 신호를 스위치 Q3에 제공하는 저항 R10, R11의 배열을 추가로 포함한다.
도 3의 구현에 따른 전력 공급 포션(120)은 제1 전압 공급 섹션 (122)와, 제2 전압 공급 섹션 (124)를 포함한다. 제1 전압 공급 섹션 (122)은 도 3에 도시된 바와 같이, 15V 전압 조정기 U1 (예를들어, 7815 집적회로)를 사용하여 구현된다. 도 3의 제 1 전압 공급 섹션 (122)의 도식적 구성은 입력 전압을 필터링 하기 위한 캐패시터 C2, 15 V 전압 조정기 U1의 출력 전압을 필터링하기 위한 캐패시터 C4, C5와, 바이패스 다이오드로 작용하는 피드백 다이오드 D1를 포함한다. 제2 전압 공급 섹션 (124)은 5V 전압 조정기 U2 (예를들어, 7805 집적회로)를 사용하여 구현된다. 도 3의 제 2 전압 공급 섹션 (122)의 도식적 구성은 입력 전압을 필터링 하고 출력을 필터링하는 캐패시터 C6, C9, 바이패스 다이오드 D4 를 포함한다. 도 3에 도시된 예시적인 구현에 있어서 전력 공급 포션(120)은 전력 조정 섹션(130)의 스위칭 소자(Q1)에 격리된 15V의 전력 공급을 제공하는 제 3의 공급 섹션(126)을 추가로 포함한다. 제 3의 공급 섹션(126)은 DC 에서 DC로 변환하는 변환기 U3 (예를들어, AA5-15 집적회로)를 포함한다.
도 4는 전압 승산기 (200)의 실시예의 회로 구성이다. 전압 승산기는 복수의 전압 승산기 스테이지 (210-1, 210-2, ... 210-n)을 포함하고, 각각의 스테이지는 복수의 캐패시터와 다이오드로 구성되어 있다. 도4에 도시된 바와같이, 각각의 전압 승산기 스테이지는 2개의 브랜치를 갖고 있고, 각각의 브랜치는 2개의 다이오드를 갖는다. 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 스테이지의 수와 각각의 요소의 개별적인 값이 전압 승산을 제어할 것이라는 것을 용이하게 알 수 있다. 예를들어, 하나의 구성에 있어서, 캐패시터는 0.1 마이크로 패러드를 갖고, 16 스테이지로 구성되고, (예를들어, 2개의 보드로 분리되고) 전압 승산기 모듈 (200)에 입력되는 파의 최대 피크 값이 1 kV인 경우에, 변압의 크기가 30 kV DC가 된다. 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 요소들의 다른 비율와 전압 승산 스테이지의 수가 소망되는 출력 전압 레벨에 기초하여 선택된다는 것을 인식할 수 있다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 고 전압 전력 공급장치의 전력 전자장치 제어 모듈의 기능적인 블럭 다이어 그램이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 전력 전자장치 제어 모듈(300)은 고 주파수 클럭 신호를 발생하는 클럭 발생기 (310); 전력 전자장치 모듈(100)의 푸쉬-풀 변환기 (140)의 스위치 Q2, Q3의 스위치 게이팅 신호를 발생하는 변환기 게이팅 신호 발생기(320); 전력 전자장치 모듈(100)의 전력 조정 섹션(130)의 스위치(Q1)에 스위치 게이팅 신호를 발생하는 조정 섹션 게이팅 신호 발생기(330)를 포함한다. 조정 섹션 게이팅 신호 발생기(330)는 요구되는 출력 전압을 나타내는 명령 신호와, 조정된 전압 크기 출력을 나타내는 전력 조정 섹션 (130)으로부터 푸쉬-풀 변환기(140)으로 출력하는 피드백 VF 신호에 따라서 전력 조정 섹션 (130)의 스위치 Q1의 듀티 사이클을 제어한다.
도 6은 본 발명의 하나의 예시적인 구현에 따른 고 전압 전력 공급 시스템의 전력 전자장치 제어 모듈의 기능적인 구조도이다. 도6에 있어서, 클럭 발생기(310)은 예를들어 2 입력 NOR 게이트 CMOS 집적회로 (4001)의 직렬연결 구성인 NOR 게이트 U1A, U1B, U1C의 직렬연결 구성에 의해서 게이팅 클럭 신호 Dr2 및 Dr3 를 발생한다. NOR 게이트 U1C에 의한 출력 게이팅 클럭 신호 Dr2는 NOR 게이트 U1D에 의한 출력인 게이팅 클럭 신호 Dr3와 180도의 위상 편이를 갖고, 푸쉬-풀 변환기(140)의 스위칭 요소 (Q2, Q3) 중에서 하나 만이 특정 시간에 교대로 온 되도록 구동된다. 클럭 발생기 (310)은 Dr2 및 Dr3에서 펄스의 주파수를 발생하기 위해서 캐패시터 C1, 저항 R1, R2, R3 및 다이오드 D1를 포함하는 회로를 추가로 포함한다.
도 6의 변환기 게이팅 신호 발생기 (320)은 IR 2125 집적회로와 같은 고속 전력 MOSFET 구동기를 사용하여 구현될 수 있다. 제1 구동기 (322)는 클럭 신호 Dr2에 기초한 게이트 스위칭 신호 G2P를 발생하고, 제2 구동기 회로 (324)는 클럭 발생기 (310)으로부터 수신되는 클럭 신호 (Dr3)에 따라서 게이트 스위칭 신호 (G3P)를 발생한다. 도 6의 조정 섹션 게이팅 신호발생기(330)은 전력 조정 섹션 (130)으로부터의 피드백 신호 VF와 입력 명령 전압 Vcmd에 기초한 조정 제어 신호 Dr1를 발생하는 제어 회로 (334)를 포함한다. 도6에 도시된 구현에 있어서, 제어 회로 (334)는 Dr1 를 발생하기 위해서 스위칭 모드 전력 공급 제어기 집적회로 (예를들어, TL 494 집적회로)를 포함한다. 제어 회로 (334)는 칩 제조업자에 의해서 추천되고, PWM 동작의 스위칭 주파수를 정의하기 위해서 사용되는 여러가지 저항과 캐패시터를 포함하는 외부 요소를 포함한다. 고속 MOSFET 전력 구동기 (336)은 스위칭 제어 신호 (Dr1)에 기초하여 전력 조정 섹션 (130)에 스위치 게이팅 신호 GIP를 발생한다. 전력 구동기 (336)은 IR 2125 고속 전력 MOSFET 구동기와 같은 공지의 집적회로를 사용하여 구현된다. 도 6에 도시된 전력 전자장치 제어 모듈(330)은, 제어 회로(334)에 제어 신호를 발생하는 저항 (R8-R11) 및 트랜지스터 Q1를 포함하는 제어 이득 요소(332)를 추가로 포함한다. 제어 이득 요소(332)는 외부 명령 전압 Cmd를 수신하여, 본 발명의 구현에 있어서, Cmd에 대해서 조정된 Vcmd를 발생한다. 이러한 조정은 전력 조정 섹션(130)의 출력 전압의 폐-루프 제어의 일부로서 명령 신호 및 피드백 신호 VF 사이의 비교를 용이하게 하는 것을 수행한다. 제어 이득 요소 (332)는 제어 회로 (334)(Vdtc 입력)에 대해서 불감 시간(dead time) 제어 동작을 세트한다.
도 3, 4, 및 6은 본 발명의 예시적인 구현에 따른 도식도를 도시하고 있다. 본 발명의 통상인에 의해서 인식되는 바와 같이, 도시된 특정 구성요소 및 그것들의 값은 동일한 기능적 결과를 달성할 수 있다면 유사한 동작을 수행하는 구성요소 및 그것들의 결합에 의해서 상호 변화(예를 들어, 트랜지스터의 타입이 변화될 수 있음)될 수 있다. 또한, 구성요소의 그룹들의 복수의 요소 또는 동작은 하나의 구성요소(예를들어, ASICs, 하이브리드 장치 등)로 병합될 수 있다. 추가적으로, 도식도의 기능적인 부분은 다른 시스템으로부터 공급될 수 있다. 예를들어, 전력 공급 포션(120)은 적당한 외부 전력 공급원에 의해서 대치될 수 있다. 통상의 지식을 가진 자는 다양한 회로의 구성이 유사한 기능적인 결과를 얻기 위해서 도시된 회로에서 설명된 바와 같이 사용될 수 있다는 것을 인식할 수 있다.
도 7A-7E ( 통합해서 "도 7"로 언급됨)은 본 발명의 예시적인 구성에 따른 HVPS (10)에 대한 회로 보드 상호 결합 구성을 설명하고 있다. 이 구현에 있어서, 전력 전자장치 제어 모듈(300)과 관련된 회로는 제 1 회로 보드 (보드 1)에 제공되고, 전력 전자 장치 모듈 (100)과 관련된 회로는 제 2 회로 보드 (보드 2)에 제공된다. 전압 승산기 모듈(200)과 관련된 회로는 2개의 추가적인 보드 (보드 3, 보드 4)로 분할된다. 도 7에 구현된 회로 보드는 복수의 점퍼 (J1-J6)를 사용하여 복수의 보드 및 외부 연결 사이의 결합을 제공한다. 도 7에 도시된 회로 보드 구성에서, 제어 보드(보드 1) 및 전력 전자회로 보드(보드 2)는 전압 승산기 보드 (보드 3, 4) 밑에 제공된다. 보드 1와 보드 2 사이의 간격은 보드 3 및 4의 간격보다 상당히 적다. 그 예시적인 간격은 각각 약 0.5cm와 2.0cm 이다. 보드 2 및 3 사이의 간격은 적어도 보드 3 및 4의 간격 만큼은 되어야 한다.
도 8은 본 발명의 구현에 따른 전압 승산기 모듈(200)의 회로 보드의 개선된 절연 시스템을 설명하고 있다. 절연 시스템 (250)은 다층 절연 시스템 내부의 전기장을 제어하는 것에 의해서 증가된 장애 전압 크기를 제공한다. 절연 시스템 (250)은 n 층의 절연층 (252-1, ...252-n)과, 연속되는 절연층의 사이에 위치하는 m 층의 매우 얇은 (예를들어, 약 1mm 이하)의 도전 스트립 (254-1, ..., 254-m)으로 구성된다. 각각의 층 252-1, ..., 252-n 은 복합(composite) 절연 물질과 같은 적당한 유전체 물질로 구성된다. 각각의 도전성 스트립 254-1,..., 254-m은 Ka로 표시되고, 각각의 절연층의 두께는 b로 표시되고, 복합 절연 시스템 (250)의 폭은 A로 표시되고, 복합 절연 시스템 (250)의 두께는 B로 표시된다. 본 발명의 하나의 구현에 있어서, 승산기 절연층은 전압 승산기 보드의 양측(예를들어, 도 7의 보드 3 및 4)에 제공된다.
각 층의 도전 스트립(254-1, ..., 254-m)은 인접층의 도전 스트립에 대하여 절연의 내전압을 최대화하는 이동 인자에 의해 결정된 일정 거리만큼 대칭적으로 이동된다. 복합 절연층 내의 전위 분포는 전계를 줄이기 위하여 다른 설계 파라메터에 대한 라플라스 방정식의 해로부터 결정될 수 있다. 절연 시스템(250)에 기초가 되는 원리는 『"Design of Field-Controlled Multilayer Insulation System" IEEE Transactions on Electrical Insulation, Vol, El-21, No.2,1986』의 논문에 상세히 기재되어 있으며, 상기 논문의 내용은 본 발명의 참고자료로 통합된다. n 및 m과 같은 상기 절연 시스템(250)의 파라메터는 HVPS(10)의 특정한 응용 및 특성에 의존할 것임을 주의해야 한다.
주어진 영역 내에서 열 소모를 향상시키고 다수의 전압 승산기 커패시터의 위치를 인에이블하기 위하여, 본 발명에 따른 하나의 실시형태는 도 9에 도시된 바와 같이, 연속된 전압 이중 단계의 커패시터(410)을 다이오드(420)에 대하여 지그재그 패턴으로 정렬한다. 이와 같이 배열된 절연 및 열 관리 기술을 결합함으로써 구성요소들의 거리 및 전압 승산기 보드간 간격을 줄일 수 있고, 이로써 HVPS(10)의 크기를 줄일 수 있다.
본 발명의 실시예 및 예시적인 실시형태가 구체적인 설명으로 제공되었으며, 각 실시예 및 예시적인 실시형태의 특징 및 장점들은 하기에서 설명된다. 일반적으로 고전압 전력 공급장치의 응용분야에서, 사인파가 전압 승산기의 입력으로 사용된다. 고주파에서 사인파를 발생하는 것은 쉬운 것이 아니지만, 구형파는 고주파에서 어려움 없이 발생될 수 있다. 또한 상기한 바와 같이 전압 승산기 모듈(200)의 구형파 입력은 전압 곱셈을 용이하게 하고, 부하에서 HVPS(10)의 안정성을 증가시킨다. 이로써 바람직한 실시형태에서는 상기 HVPS(10)는 상기 전압 승산기 모듈(200)의 입력으로서 고주파 구형파를 사용한다.
일반적으로, 고전압 전력 공급장치는 절연 요구 및 필요한 전압 이중 단계의 개수로 인하여 사이즈가 크다. 만약 종래의 전력 공급장치의 전압 승산기에 대한 입력으로 고전압 구형파의 사용이 시도된다면, 전압 승산기의 단계 내에 제공된 고전압 구형파는 서로에 대하여 다른 고전위를 갖는 구성요소 단자간에 섬락(스파크)을 야기할 수 것이다. 따라서 고전압 구형파 사용을 시도하려는 고전압 전력 공급장치는 사이즈면가 작게 제작될 수 없다. 본 발명의 HVPS(10)는 작은 크기의 보드 내에 고전압 레벨에 고주파 구형파를 사용한다.
고주파 작용의 사용은 자기적 구성요소, 즉 푸쉬 풀 변환기에서의 격리/승압 변압기 및 버크 변환기에서의 인덕터를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 고주파 동작을 사용하는 다른 이유는 출력 전압의 리플 및 부하에서의 전압 강하를 줄일 수 있기 때문이다. 이는 하기의 설명으로부터 명백해 질 것이다.
출력 전압의 리플은 하기 식1과 같이 주어진다.
[식1]
여기서, n은 전압 승산기에서의 전압 이중 단계의 개수이고, q는 커패시터로부터 각 주기당 부하로 전달된 전하값이다. C1=C2=...=Cn이면, 출력 전압 리플은 하기 식2와 같이 된다.
[식2]
상기 식2에서 알 수 있듯이, f가 증가되면 는 감소된다. 이것이 고주파 작용의 한 장점이다.
커패시터로부터 발생되어 상기 부하로 전달되는 전류로 인한 부하에서의 전압 강하()는 하기 식3과 같이 주어진다.
[식3]
상기 식들의 관계를 n>5에 대하여 간단히 하면,
[식4]
또는
[식5]
와 같다.
상기 식4 또는 식5에서 알 수 있듯이, f가 증가되면, 는 감소되며, 그 결과 최대 출력 전압은 증가한다. 상기 최대 출력 전압은 하기 식6과 같이 주어진다.
[식6]
본 발명의 HVPS(10)에서, 고주파 구형파를 사용함으로써 발생된 섬락에 대한 전위는 PCB기판 및 절연 설계의 실시형태를 통해 설명될 수 있다. 절연의 경우, 절연 재료의 표면보다는 벌크를 사용하는 필드-제어된 유전체 재료가 사용될 수 있다. 상기 벌크는 표면보다 적어도 10배의 절연 내력을 갖는 것으로 알려져 있다. 따라서, 전압 승산기를 탑재하는 보드의 크기를 현저히 줄일 수 있으며, 표면 상에 설정되는 대신 절연 내력이 큰 상기 유전체 재료 내를 통과하도록 전계가 강화된다.
전력 전자장치 제어 모듈(300)은 두 개의 주요 동작을 수행한다. 제1 주요 동작은 버크 변환기를 제어하여 명령 신호, 예를 들어 0과 DC 10V 사이의 아날로그 명령 신호를 기초로 하여 소스 전압으로부터 조정된 전압을 발생하도록 하는 것이다. 폐루프 제어는 MOSFET 스위치의 듀티 싸이클 조정을 통해 버크 변환기의 출력 전압의 크기를 조정하여. 상기 명령 신호에 대응하여 0과 30kV 사이에서 전력 공급장치의 고전압 출력을 제어한다. 상기 전력 전자장치 제어 모듈(300)의 제2 주요 동작은 푸시풀 변환기 MOSFET 스위치에 대한 게이팅 펄스를 발생하는 것이다. 상기 실시형태에서는, 이러한 스위치들은 50%의 듀티비 및 100kHz로 동작된다. 바람직한 실시형태에서, 아날로그 제어는 고속 특성(예:입력 명령의 밀리초(milliseconds) 내에 안정된 출력 전압을 얻는 것)의 장점을 적용하기 위한 상기 버크 변환기의 제어용으로 선택된다. 디지털 제어를 사용하여 100kHz의 스위칭 속도에서 기준 트래킹을 얻기 위해서는, 크고 고가의 마이크로컨트롤러 또는 DSP 보드가 필요하다. 아날로그 제어는 합리적인 크기 및 가격으로 매우 우수한 결과를 가져온다.
본 발명의 HVPS(10)는 작은 크기 및 무게(크기:5cm x 10cm x 15cm, 무게:<500 그램)로 특정될 수 있다. 상기 전압 멀티플레이어(200) 내에 절연 시스템(250)을 사용하면, 전압 이중 단계를 포함하는 PCB 기판의 크기 몇 거리를 현저히 줄일 수 있다. 커패시터 및 다이오드가 형성된 전압 승산기를 사용한 기존의 고전압 전력 공급장치의 경우, 제한된 절연 내력 및 종래의 절연 설계가 보드 크기를 작고 조밀하게 할 수 없었기 때문에 사이즈면에서 크다. 나아가, 높은 스위칭 주파수에서의 동작으로 인해, 자기적 구성요소(버크 변환기의 인덕터 및 푸쉬풀 변환기의 변압기)의 크기 및 무게가 현저히 줄어들게 되었다. 고전압 전력 공급장치의 크기 및 무게를 줄이는데 영향을 주는 세 번째 인자는, 상기 전력 공급장치가 자연적으로 냉각될 수 있으며 상기 스위칭 소자용으로 사용되는 히트싱크 외에 추가적인 냉각 메커니즘(예: 팬)이 필요하지 않다는 것이다.
상기에서 기술한 바와 같이, 상기 HVPS는 장비가 동작해야 하는 조건하에서의 환경적 조건(상기 장비에 의해 발생될 수 있는 주변 온도 및 압력 범위를 포함) 또는 70℃까지의 주변 온도로 가압되지 않은 환경을 정의하는, 예를 들어 MIL-E-5400 조건에서와 같이 다양한 환경에서 인스톨될 수 있다. 동작고도는 해수면 높이에서 해발 16,000m까지 다양하게 변할 수 있다.

Claims (15)

  1. 입력 전압 신호를 수신하고, 상기 입력 전압 신호를 제어가능한 DC 전압으로 변환하는 전력 조정 섹션(130);
    상기 제어 가능한 DC 전압을 고-주파수 파로 변환하는 푸쉬-풀 변환기(140); 및
    상기 푸쉬-풀 변환기(140)에 의해서 발생된 고-주파수 파를 수신하고, 연속적인 전압 배가(doubling) 동작을 수행하여 고-전압 DC 출력을 발생하는 전압 승산기(200)를 포함하는 고-전압 전력 공급장치(10).
  2. 청구항 제1항의 고-전압 전력 공급장치 (10)에 있어서,
    상기 전력 조정 섹션(130)과 상기 푸쉬-풀 변환기(140)를 제어하기 위한 제어 모듈(300)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고-전압 전력 공급장치
  3. 청구항 제2항의 고-전압 전력 공급장치 (10)에 있어서,
    상기 전력 조정 섹션(130)은 스위칭 요소(Q1)를 포함하고,
    스위칭 요소의 듀티 사이클은 상기 제어 가능한 DC 전압의 크기를 제어하고, 상기 제어 모듈(300)은 게이트 스위칭 신호를 상기 고-전압 전력 공급장치(10)의 요구되는 출력 전압의 함수로 상기 전력 조정 섹션(130)의 상기 스위칭 요소(Q1)에 출력하는 것을 특징으로 하는 고-전압 전력 공급장치.
  4. 청구항 제3항의 고-전압 전력 공급장치 (10)에 있어서,
    상기 제어 모듈(300)은 상기 게이트 스위칭 신호를 조정하기 위해서 상기 전력 조정 섹션(130)의 출력에 기초하여 피드백 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 고-전압 전력 공급장치.
  5. 청구항 제1항의 고-전압 전력 공급장치 (10)에 있어서, 상기 고-주파수 파는 구형파인 것을 특징으로 하는 고-전압 전력 공급장치.
  6. 청구항 제1항의 고-전압 전력 공급장치 (10)에 있어서, 상기 고-주파수 파의 주파수는 약 100 kHz 인 것을 특징으 로하는 고-전압 전력 공급장치.
  7. 청구항 제1항의 고-전압 전력 공급장치 (10)에 있어서, 상기 제어 가능한 DC 전압은 약 0 - 28 kV의 범위인 것을 특징으로 하는 고-전압 전력 공급장치.
  8. 청구항 제1항의 고-전압 전력 공급장치 (10)에 있어서,
    상기 전력 공급장치는 약 0 - 30 kV, DC 범위의 출력 전압을 발생하는 것을 특징으로 하는 고-전압 전력 공급장치.
  9. 청구항 제2항의 고-전압 전력 공급장치 (10)에 있어서,
    상기 제어 모듈(300)은 아날로그 제어기인 것을 특징으로 하는 고-전압 전력 공급장치.
  10. 청구항 제1항의 고-전압 전력 공급장치 (10)에 있어서,
    상기 전압 승산기(200)는 하나의 회로 보드위에 복수의 전압 배가(doulber) 스테이지 (210-1, ...,200-n)를 포함하고,
    상기 고-전압 전력 공급장치(10)는 상기 회로 보드와 연관된 절연 시스템(250)을 추가로 포함하는 것을 특징으로하는 고-전압 전력 공급장치.
  11. 청구항 제10항의 고-전압 전력 공급장치 (10)에 있어서,
    상기 절연 시스템(250)은 n 개의 절연층과, 연속되는 절연층 사이에 위치한 m 개의 도전 스트립의 멀티 층 시스템인 것을 특징으로하는 고-전압 전력 공급장치.
  12. 청구항 제10항의 고-전압 전력 공급장치 (10)에 있어서,
    상기 절연 시스템(250)은 장-제어 다층 절연 시스템인 것을 특징으로하는 고-전압 전력 공급장치.
  13. 청구항 제10항의 고-전압 전력 공급장치 (10)에 있어서,
    복수의 전압 배가기(doulber) 스테이지 (210-1, ...,200-n)는 상기 전력 조정 섹션(130)과 상기 푸쉬-풀 변환기 (140)과 분리되는 다수의 회로 보드에 분리되는 것을 특징으로하는 고-전압 전력 공급장치.
  14. 청구항 제10항의 고-전압 전력 공급장치 (10)에 있어서,
    복수의 전압 배가기(doulber) 스테이지 (210-1, ...,200-n)는 지그재그 패턴으로 배열된 캐패시터(410)을 포함하는 것을 특징으로하는 고-전압 전력 공급장치.
  15. 입력 전압 신호를 수신하여 상기 입력 전압 신호를 제어 가능한 DC 전압으로 조정하는 단계;
    상기 제어 가능한 DC 전압을 고 주파수 파로 변환하는 단계; 및
    상기 변환 단계에서 발생된 상기 고-주파수 파에 전압 증폭을 수행하여 고-전압 DC 출력을 발생하는 단계를 포함하는 고-전압 전력 제공 방법.
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