KR20070108261A - 가변 부하 초음파 변환기를 제어하기 위한 전력 구동 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 특히 압축성 유체를 포함하는 변동 부하에 고출력 초음파 에너지를 전달하는데 사용하기 위한 고출력의(예컨대, > 500W) 초음파 발생기에 관한 것이다. 발생기는 펄스 폭 변조기와 연결된 가변 주파수 삼각 파형 발생기를 포함한다. 펄스 폭 변조기로부터의 출력은 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)의 게이트와 연결되며, IGBT는 신호를 증폭하여 그 증폭 신호를 자왜 변환기를 구동하는 데 사용되는 코일에 전달한다. 일 실시예에서, 신호가 전달된 후 0-600V DC의 고전압은 IGBT의 콜렉터 및 이미터를 가로질러 전달된다. IGBT의 출력은 +/- 600V의 전압을 갖는 구형 파형이다. 이 전압은 초음파 변환기를 둘러싸는 코일에 전송된다. 전압은 변환기에 대해 자기장을 생성하고, 변환기의 자왜 특성으로 인해 변환기는 자기장의 결과로서 진동하게 된다. 증폭 장치로서 IGBT를 사용함으로써, 통상적으로 저출력의 초음파 변환기에 사용되며 이러한 고출력 및 부하 변동 응용예에서는 과열되어 작동하지 않게 될 실리콘 제어 정류기(SCR) 회로에 대한 필요성을 제거한다.

Description

가변 부하 초음파 변환기를 제어하기 위한 전력 구동 회로 {POWER DRIVING CIRCUIT FOR CONTROLLING A VARIABLE LOAD ULTRASONIC TRANSDUCER}

본 발명은 일반적으로 초음파 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 변동 부하(varying load)와 함께 사용하기 위한 고출력 초음파 변환기를 구동하는 방법 및 회로에 관한 것이다.

초음파 기술은 보석의 가공 및 세정, 수술 집행에서 탄화수소를 포함한 유체의 처리까지 다양한 응용예에 이용된다. 초음파 시스템의 기본 개념은 변환 소자를 사용하여 고주파수 전기 에너지를 초음파 주파수 기계적 진동으로 변환하는 것을 포함한다. 이러한 시스템은 통상적으로 압전(또는 자왜) 변환기 어셈블리를 여기시키는 전기 신호를 발생시키는 구동 회로를 포함한다. 프로브와 같은 전송 요소는 변환기 어셈블리에 접속하고, 타겟에 기계적 에너지를 전달하는 데 사용된다.

초음파 변환기는 산업 및 의학 공진기(resonator)를 포함한다. 산업 공진기는 공진기가 접촉하고 있는 재료에 실질적으로 영향을 미치기 위해 고에너지 밀도를 전달한다. 산업 공진기의 일반적인 사용은 플라스틱 및 비철 금속의 용접, 세정, 경질 재료의 연마 가공, 절단, 화학 반응의 향상[초음파 화학(sonochemistry)], 유체 처리, 소포(defoaming) 및 원자화(atomization)를 포함 한다. 이러한 동작을 위한 보통의 주파수는 15 kHz 내지 40 kHz의 범위이지만, 주파수는 10 kHz 정도의 낮은 범위일 수 있고, 100+ kHz 정도의 높은 범위일 수 있다. 의학 공진기는 절단, 분해, 부식, 스크랩핑, 캐비태이팅, 치과 디스케일링 등을 위한 장치를 포함한다.

산업 초음파 응용예를 위한 변환기 어셈블리는 산업 초음파 스택으로 지칭될 수 있고, 프로브(또는 소노트로드, 또는 혼), 부스터, 및 변환기(또는 컨버터)를 포함할 수 있다. 프로브는 부하와 접촉하고 전력을 부하에 전달한다. 프로브의 형상은 부하의 형상 및 필요로 하는 이득에 따라 좌우된다. 프로브는 통상적으로 티타늄, 알루미늄 및 철로 이루어진다. 부스터는 변환기로부터의 진동 출력을 조정하고, 프로브에 초음파 에너지를 이동한다. 부스터는 또한 일반적으로 구조물을 지지하기 위해 초음파 스택을 장착하는 방법을 제공한다. 능동 소자는 보통 압전 세라믹이지만, 자왜 재료도 사용된다.

초음파 프로브를 구동하기 위한 현존 기술은 특정 프로세스를 위한 전력 레벨과 하나의 원하는 주파수에서 시스템을 구동하기 위한 것으로 개발되어 왔다. 이러한 공지의 기술은 실리콘 제어 정류기(SCR: Silicon Controlled Rectifier)에 기초하는 전기 시스템을 이용한다. 통상적으로, SCR의 전기 시스템은 전기 시스템의 동작 주파수를 제한하는 SCR을 제어하고 오프시키기 위해 특정 커패시터 값을 갖는 강제 턴 오프 시스템(forced turn off system)을 필요로 한다. 또한, SCR 시스템은 더 높은 전력 레벨에서는 초음파 프로브의 효과적인 제어를 허용하지 않는 매우 낮은 전력 레벨에 제한된다. 여기에 사용될 때, 고전력 레벨은 적어도 500 W의 전력 레벨을 지칭한다. 예를 들어, SCR 기반 초음파 발생기는 용강과 같은 특수 부하를 위해 고안된 초음파 프로브를 구동한다. 그러나, SCR 기반 초음파 발생기는 유체 탄화수소의 처리와 같이 변하는 부하 상태에 대해 부속의 초음파 프로브를 노출시키는 프로세스에 사용되는 경우, 상이한 유체에 있어서의 프로브의 효과를 제한한다. 이 제한된 효과는 상이한 유체가 초음파 프로브에 대해 가질 로딩 효과로 인한 것이다. 또한, 주어진 유체에 대해서라도, 밀도 및 상 변화의 영향으로 초음파 프로브에 대한 로딩이 변할 수 있다.

따라서 SCR 기반 초음파 발생기의 단점을 겪지 않는 초음파 발생기를 위한 고출력 및 가변 부하(variable load) 구동 회로에 대한 필요성이 존재한다.

본 발명은 20 kHz까지의 동작 주파수와 60 kW까지의 전력 레벨에서 가변 부하와 함께 사용하기 위한 동적 초음파 프로브 시스템을 구동하는 초음파 발생기를 제공한다. 시스템은 다양하고 조정가능한 전압, 주파수, 및 전류 레벨에서 공진 주파수에서 초음파 프로브를 구동하기 위해 풀 브릿지(Full Bridge) 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT: Isolated Gate Bipolar Transistor) 시스템을 이용한다. 초음파 프로브가 상이한 부하를 경험할 때마다 전기 전력 요건은 변할 것이다. 예를 들어, 본 출원인에 의해 특허된 것과 같은 다양한 탄화수소 처리(예컨대, 탈황) 기술 중에 (예를 들어, 다양한 유형의 원유, 디젤유 등과 같은) 다양한 유체가 처리될 때 초음파 변환기에 의해 다양하며 변화하는 많은 부하가 보인다. 본 출원인에 의해 특허된 다양한 탄화수소 처리 기술은 미국 특허 제6,827,844호, 제6,500,219호 및 제6,402,939호에 개시되어 있고, 이의 개시는 참조에 의해 여기에 포함된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 풀 브릿지 IGBT 기반 시스템과 같은 시스템을 사용함으로써, 변동 부하에 대한 초음파 프로브의 성능을 효과적으로 관리하기 위해 주파수, 전압 및 전류와 같은 필요한 변수를 제어할 수 있다. 변동 부하는 통상적으로 다양한 압축 및 비압축 탄화수소 유체를 포함한다.

일 양상에서, 본 발명의 실시예는 고출력 초음파 에너지를 변동 부하에 전달하기 위한 고출력의(예컨대, > 500 W) 초음파 발생기에 관한 것이다. 일 실시예에서, 초음파 발생기는 펄스 폭 변조기와 연결된 가변 주파수 삼각 파형(triangular waveform) 발생기를 포함한다. 펄스 폭 변조기로부터의 출력은 IGBT의 게이트와 연결되며, IGBT는 신호를 증폭하여 그 증폭 신호를 자왜 변환기를 구동하는 데 사용되는 코일에 전달한다. 일 실시예에서, 신호가 전달된 후 0-600VDC의 고전압은 IGBT의 콜렉터 및 이미터를 가로질러 전달된다. IGBT의 출력은 +/- 600V의 전압을 갖는 구형 파형(square waveform)이다. 이 전압은 초음파 변환기를 둘러싸는 코일에 전송된다. 전압은 변환기에 대해 자기장을 생성하고, 변환기의 자왜(magnetostrictive) 특성으로 인해 변환기는 자기장의 결과로서 진동하게 된다. 증폭 소자로서 IGBT를 사용함으로써, 통상적으로 저출력의 초음파 변환기에 사용되며 이러한 고출력 및 부하 변동 응용예에서는 과열되어 작동하지 않게 될 실리콘 제어 정류기(SCR) 회로에 대한 필요성을 제거한다.

본 발명의 특징 및 이점의 부가적인 이해를 위해 첨부 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 참조한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 공진 자기 수렴형(magneto-constrictive) 변환기를 갖는 풀 브릿지 IGBT 회로의 모델을 도시하는 개략 회로도이다.

도 2는 도 1의 자기 수렴형 초음파 변환기의 팽창 및 수축을 구동하는, 서로 반전되며 180도 위상 차이를 갖는 두 개의 펄스 트레인을 도시한다.

도 3은 타원형 윈도우의 자기 수렴형 변환기 측면의 개략도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라서 마이크로프로세서가 전압 제어 발진기(VCO)의 동작 주파수에 대응하는 전압을 출력하는 경우에 도 1의 풀 브릿지 IGBT 구동 회로를 구현하는 시스템에 대한 개략 회로도이다.

도 5는 도 4의 전력 구동 회로에 의해 형성된 예시적인 출력 전력 파형의 그래프이다.

본 발명의 초음파 발생기에 앞서, 종래의 초음파 발생기는 실리콘 제어 정류기("SCR"; Silicon Controlled Rectifier) 기술에 의존하였다. 이 발생기에서, SCR은 대략 17.5 kHz의 주파수에서 초음파 프로브를 통해 전류를 펄스한다. 이 빠른 스위칭 주파수(switching frequency)에서, SCR은 쉽게 과열되어 작동하지 않게 될 수 있다. 이러한 과열 문제점에 대처하기 위하여, SCR은 일반적으로 전력 전기 분야에서 “강제 전류(Forced Commutation)”라고 알려져 있는 강제 턴 오프 시스템을 필요로 한다. 이는 SCR을 온시키기 위해 신호가 시스템에 전달되는 경우 그 신 호가 오프된 후에도 특정 시간 동안 온 상태로 남아있을 것이라는 것을 의미한다. 강제 전류를 통해 SCR의 오프 전환을 더 빠르게 하는 것이 가능하다. 17.5 kHz의 더 빠른 스위칭 주파수에 대해서는 이 강제 전류가 필요하다. 종종 이 프로세스로 인해 SCR은 약화되고 작동하지 않게 된다. SCR 시스템이 갖는 또 다른 문제점은 강제 전류를 발생시키기 위해 특수한 커패시터 배치가 필요하다는 것이다. 이러한 추가된 커패시터의 결과로 전력의 상당한 손실을 초래한다. 여기에서 본 발명자에 의해 개발된 바와 같은 초음파 발생기는 소량의 커패시턴스를 필요로 하고, 그에 따라 일반적으로 사용되는 SCR 기반 시스템보다 더 신뢰성이 있다. 예를 들어, 여기에서 본 발명자는 신규 IGBT 기반 발생기를 종래의 SCR 기술을 사용한 발생기와 비교하였고, 초음파 프로브를 위한 SCR 기반 시스템은 총 대략 3800W의 입력을 필요로 하지만, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 발생기는 2800W만 사용하는 초음파 프로브로 더 우수한 결과를 형성하는 것으로 보고되었다. 일반적으로 사용되는 SCR 시스템보다 더 효율적인 것에 더하여, 발생기의 컴포넌트, 즉 IGBT는 SCR보다 비용이 덜 들고 보다 용이하게 이용가능하다.

본 발명의 실시예에 따른 초음파 발생기는 SCR보다 IGBT를 사용한다. IGBT는 IGBT의 게이트에 전송되는 펄스 신호를 확대하는 증폭기로서의 역할을 한다. IGBT의 게이트에 전송되는 펄스는 가변 펄스 폭 발생기로부터 생성된다. 일 실시예에서, 이 펄스 폭 발생기는 그 신호가 가변 기준 전압을 갖는 비교기 회로에 전송되는 것인 가변 주파수 삼각 파형 발생기를 사용한다. 그 결과로는 비교기 회로의 기준 전압을 조정함으로써 펄스 폭이 변한다는 것이다. 발생기의 이 부분(예컨대, 가 변 펄스 폭 발생기)은 때때로 A.C. 모터를 제어하기 위해 IGBT와 함께 사용된다. 가변 주파수/펄스 폭 신호는 IGBT의 게이트에 전송되어 확대된다. 가변 전압(예컨대, 0-600VDC 사이의 범위)은 신호가 전달된 후 IGBT의 콜렉터 및 이미터를 가로질러 전달된다. IGBT의 출력은 +/- 600V의 전압을 갖는 구형 파형이다. 이 전압은 초음파 변환기를 둘러싸는 코일에 전송된다. 전압은 변환기에 대해 자기장을 생성하고, 변환기의 자왜 특성으로 인해 자기장의 결과로서 변환기는 진동하게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 초음파 변환기용 전력 구동 회로는 이전의 초음파 변환기용 구동 회로 이상의 혁신을 나타낸다. 회로에서, 전력 컴포넌트는 풀 브릿지(full bridge) 전력 구성의 매칭된 IGBT를 포함한다. 여기서 사용될 때, 풀 브릿지는 두 개의 하프 브릿지(half-bridge) 푸쉬 풀 증폭기를 포함한다. 각각의 하프 브릿지는 비대칭 방형(asymmetrical rectangular) 펄스 트레인에 의해 구동된다. 풀 브릿지를 구동하는 두 개의 펄스 트레인은 180도 위상 차이를 가지며 반전된다. 각각의 하프 브릿지부를 구동하는 펄스의 대칭(예컨대, 포지티브 및 네가티브 펄스 성분의 비율)은 임의의 원하는 초음파 출력 전력을 위해 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 IGBT 기반 구동 회로에 대해 아래에 보다 상세하게 설명한다. IGBT 회로는 다음의 주요 컴포넌트, 즉 DC 전원, IGBT, 게이트 구동 회로, 및 폐쇄 루프 전류 감지 회로를 포함한다. 이들 컴포넌트의 각각은 아래에 상세하게 설명한다.

DC 전원

DC 전원은 여기에 사용될 때 표준(예컨대, 60 Hz) AC 전압을 DC 전압으로 정 류 및 필터링하는 임의의 전원일 수 있다. 일반적으로 이 전력 변환은 사이리스터 또는 기타 이러한 장치를 사용함으로써 선형 주파수를 증가시킴으로써 달성된다. 그 다음 고주파수 AC는 커패시터 탱크 및/또는 DC 초크를 사용하여 정류 및 필터링되어 AC 리플을 제거한다. DC 전원은 초음파 프로브가 마주칠 수 있는 최대형의 부하를 동작시키기 위해 충분한 전력을 필요로 한다. 통상적으로 50A의 암페어 규격에 대해 최대 30kV를 제공하는 0-600V 까지의 DC 전압이 적합하다. 1200V까지의 전압을 생성하는 더 큰 시스템이 사용될 수 있지만, 통상적으로 1200V인 IGBT의 최대 전압 규격을 고려하여야 한다.

DC 전원은 이상적으로 매우 높은 동작 주파수 및 높은 전압으로 인한 스위칭 스파이크를 감소시키기 위해 큰 값을 갖는 극성 커패시터 뱅크를 통해 IGBT에 접속된다. DC 커패시터는 시스템에서의 최대 전압 및 발생할 수 있는 어떠한 전압 스파이크도 다룰 수 있도록 충분하게 규격을 정한다.

DC 전원은 바람직하게는 상이한 로딩 상태 사이에 전압 조정을 허용하기 위해 가변 전압 제어를 갖는다. 또한, 전압 조정은 원한다면 더 낮은 전력 레벨에서 초음파 변환기를 운영할 기회를 허용할 것이다. 일 실시예에서, 전압 조정은 수동 인터페이스를 갖는 단순한 전위차계 방식일 수 있다. 대안으로, 전압 조정은 센서 회로에 인가되는 아날로그 전압이나 전류 또는 디지털 프로그래밍된 인터페이스를 통해 달성될 수 있다. 전원이 시스템을 오버로딩으로부터 방지할 최대 전류 제한 제어를 갖는 것이 또한 바람직할 수 있다.

절연 게이트 바이폴라 트랜지스터( Isolated Gate Bipolar Transistor )

IGBT는 DC 전압을 펄스된 바이폴라 방형 파형으로 반전하는 데 사용된다. IGBT는 가변 주파수 구동에 있어서 모터 제어를 위해 가장 일반적으로 사용되는 것이다. IGBT의 동작은 대부분의 다른 트랜지스터와 유사하며, 신호가 그의 게이트에 인가되는 동안 버스 전압이 콜렉터 및 이미터에 인가된다. 그 다음 DC 버스는 인가된 버스 전압 및 주파수에서 게이트 신호의 듀티 사이클로 펄스된다.

본 출원인의 기술에 현존하는 바와 같이, 자왜 변환기와 함께 사용하기 위한 IGBT는 변환기에 대한 부하에 따라 크기 조정될 수 있다. IGBT의 스위칭 동안, 유도성이 높은 자왜 부하로 인해 대전류 스파이크가 존재한다. 따라서, 사용되는 IGBT는 종종 이 전류 스파이크에 대해 매우 높게 규격이 정해진다. 예를 들어, 통상적인 자왜 변환기는 9-10A RMS를 필요로 할 수 있다. 그러나, 스위칭 중의 1-2 마이크로초 동안에만 전류 스파이크가 300A 정도로 높을 수 있다. 따라서, 이러한 유형의 동작을 위해 적합한 IGBT는 300A의 전류 규격과 600A의 피크 전류 규격을 가져야 한다.

IGBT 게이트 구동 회로

IGBT의 성공적인 동작의 중요한 양상은 그 게이트의 적당한 구동이다. 모터 제어에 사용되는 일반적인 IGBT 게이트의 제어 방법으로는 자왜 초음파 프로브와 함께 사용되는 IGBT를 동작하는 데 충분하지 않다. 일반적으로, 모터 제어 게이트 구동 회로는 콘센트에서 발견되는 표준 50/60 Hz AC와 유사한 교호 전류를 시뮬레이팅하려고 시도한다. 따라서, IGBT는 매우 높은 주파수에서 변동 듀티 사이클로 펄스된다. 낮은 듀티 사이클(예컨대, 10 %)에서 소량의 전류가 존재하고, 듀티 사 이클이 증가함에 따라 전류도 증가한다. 초음파 프로브와 함께 사용하기 위한 IGBT를 구동할 때 성공적인 동작을 위해 DC 바이어스가 존재한다. DC 바이어스의 양은 도 2에 도시된 바와 같이 다양한 IGBT 게이트의 듀티 사이클을 변동시킴으로써 풀 브릿지 시스템에서 직접 제어될 수 있다. DC 바이어스의 양은 펄스 트레인 A의 듀티 사이클이 높아짐에 따라 증가할 것이고, 그에 따라 펄스 트레인 B의 듀티 사이클을 감소시켜 두 개의 상이한 펄스가 동시에 높아지지 않는다.

이러한 유형의 게이트 구동을 형성하기 위해, 파형 발생기가 사용된다. 파형 발생기는 발생된 파형의 주파수 및/또는 듀티 사이클을 변동시킬 수 있는 임의의 표준 파형 발생기일 수 있다. 게이트 구동 회로의 일 실시예에서는 삼각 파형 발생기가 사용된다. 예를 들어, 삼각 파형은 8038 삼각 파형 발생기에 의해 형성된다. 8038 칩은 풀 브릿지 IGBT 회로의 전력 관리에 영향을 미치는 동상(in phase) 및 직교(quadrature) IGBT 제어 파형의 펄스 폭 제어를 허용한다. 일 실시예에서, 구동 회로는 가변 주파수 제어 및 가변 펄스 폭 제어가 되는 이 회로를 사용한다. 삼각파는 두 개의 LF 353 비교기에 전송되며, 비교기는 프리셋 전압을 포지티브 및 네가티브 삼각 파형과 비교하여 풀 브릿지 IGBT 회로에 대한 동상 및 직교 제어 파형을 발생시킨다. 풀 브릿지 IGBT 회로에 대한 직교 제어 파형은, 포지티브 삼각파가 프리셋 전압보다 더 큰 동안에는 펄스 폭 제어된 방형파가 발생되고, 네가티브 삼각파가 프리셋 전압보다 더 작은 동안에는 직교 제어 방형파가 발생되도록 발생된다. 대안의 실시예에서, 전력 구동 회로는 Global Specialties 2 MHz 파형 발생기를 사용한다. 이 파형 발생기는 또한 포지비브 및 네가티브 비교기를 갖는 기본 8038 삼각 파형 발생기를 사용할 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 병렬 공진 자기 수렴형 변환기를 갖는 풀 브릿지 IGBT 회로의 모델을 도시하는 개략 회로도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, Q1, Q2, Q3, Q4는 도시된 풀 브릿지 회로를 구성하는 네 개의 IGBT이다. D1, D2, D3, D4는 IGBT에 손상을 입힐 수 있는 IGBT를 통한 역전류(reverse current)를 방지하는 네 개의 보호 다이오드이다. L1 및 L2는 풀 브릿지 회로에 의해 구동되는 자기 수렴형 변환기의 권선(winding)의 인덕턴스이다. 하나의 권선만 도 1의 풀 브릿지 도면에 도시된다. C1은 자기 수렴형을 공진 상태로 동작시킬 수 있는 병렬 커패시턴스이다. 그러나, 실제로는 작은 소자 기생 커패시턴스로 인해 자기수렴형 변환기를 15KHz 내지 20KHz 영역에서 공진 상태로 동작시킬 수 있기 때문에 이 커패시터는 빠질 수 있다.

동작시, 풀 브릿지 회로는 도 2에 도시된 바와 같이 게이트 구동 펄스 트레인 A 및 B에 의해 구동된다. 제1 펄스 트레인(트레인 A)은 IGBT Q1 및 Q4의 게이트에 인가되고, 제2 펄스 트레인(트레인 B)은 IGBT Q2 및 Q3의 게이트에 인가된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 두 개의 펄스 트레인은 서로 반전되고 180도 위상이 달라 자기 수렴형 초음파 변환기의 팽창 및 수축을 구동한다. 이 신호들은 옵토커플러(optocoupler) 게이트 드라이버에 의해 IGBT 게이트로부터 광 절연된다. 다른 IGBT 드라이버 보호 회로는 콜렉터 대 이미터 전압이 너무 높은 경우 게이트 전압을 제한하고 이 신호를 막는다. 게이트 드라이버 회로는 또한 여러 암페어의 구동 전류를 제공하는 버퍼 증폭기를 포함한다.

도 3은 타원형 윈도우의 자기 수렴형 변환기 측면의 개략도이다. 도 3에 도시된 것은 초음파 자기 수렴형 변환기를 구동하는 두 개의 권선이다. 이 권선들은 동작의 최적 주파수에서 IGBT 전원에 의해 병렬로 구동된다. 풀 브릿지의 제1 출력은 Q1 및 Q3에 대해 각 하프 브릿지의 센터탭에 접속한다. 풀 브릿지의 제2 출력은 하프 브릿지 Q2 및 Q4의 센터탭 출력에 접속한다. 이 전력 펄스 구성에 대하여, 자기 수렴형 토로이달(torroidal) 링을 통한 자속은 동상이다. 도 3에 도시된 구성에 대하여, 두 개의 권선은 정반대이다.

동작시, 도 1 내지 도 3의 회로는 초음파 변환기의 새로운 구동 방법을 가능하게 한다. 초음파 변환기를 구동하는 풀 브릿지 방법은 도 1, 도 2 및 도 3에 도시된다. 풀 브릿지 IGBT 시스템의 두 개의 하프 브릿지 회로는 각각 변환기 자기 수렴형 재료를 수축 상태(네가티브 펄스) 및 팽창 상태(포지티브 펄스)로 구동한다. 풀 브릿지 설계에 포함되지만 도 1에는 도시되지 않은 기타 안전 컴포넌트로는 도 1에 도시된 바와 같이 두 개의 하프 브릿지 IGBT 회로에 대한 DC 전력 입력을 가로지른 입력 스너버(snubber) 커패시터가 있다. 도 1의 회로에서, IGBT는 15kHz 내지 20 kHz의 저주파수 영역에 대한 선택의 고체 상태 소자이다. 대안으로, 모스 전계 효과 트랜지스터 소자는 초음파 화학 처리를 위한 200 kHz 내지 300 kHz 영역에 사용된다.

IGBT는 방형 전력 펄스에 의존하기 때문에, 인덕터의 빠른 전류 변화는 전압 스파이크를 야기하는 L*dI/dT를 형성한다. 고전압 스파이크의 문제점으로 인해 공진 변환기 회로의 평균 동작 전압보다 큰 고전압 커패시티를 갖는 IGBT가 필요하 다. 풀 브릿지 병렬 공진 드라이버는 SCR 구동 초음파 변환기보다 더 효율적이지만, SCR 기반 시스템이 전압 스파이크를 형성하지 않는 반면에 스파이크를 형성한다. 이는 SCR은 포지티브 상태에서 능동으로만 트리거되고 변환기가 전류(commutative) 모드에서 공진하는 경우 전류 모드로 오프 전환되기 때문이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 마이크로프로세서가 전압 제어 발진기(VCO: voltage controlled oscillator)의 동작 주파수에 대응하는 전압을 출력하는 경우 도 1의 풀 브릿지 IGBT 구동 회로를 구현하는 시스템에 대한 개략 회로도이다. 마이크로프로세서는 동작 주파수 범위에 걸쳐서 스캔하고 DC 전력 발생기에 대한 직렬 포트 접속을 통해 초음파 변환기로 가는 암페어 단위의 대응하는 RMS 전류를 기록한다. 주파수 범위(예컨대, 16 KHz 내지 18 KHz)에 걸쳐 스캔하고 각 단계에서 전력 전류를 기록한 후에, 마이크로프로세서는 최대 전력에 대응하는 전압을 선택하고, 이 동작 주파수 값에 고정한다. 배치 반응기(batch reactor)에서는 이 최적화 프로세스가 각 배치 사이클의 시작에서 발생한다. 동작 주파수가 설정된 후에, 피크 공진 전압은 펄스 트레인 듀티 사이클을 올리거나 낮춤으로써 IGBT 브레이크다운 전압보다 낮은 포인트로 설정된다.

동작시, 도 4의 회로는 자기 수렴형 재료 특성의 변화에 응하여, 초음파 반응기의 온도 변화에 응하여, 초음파 자기 수렴형 변환기의 동작 주파수의 새로운 제어 방법을 가능하게 한다. 이 제어 방식은 D/C 및 A/D 커패시티를 갖는 마이크로세서를 사용한다. 다른 실시예에서는, 마이크로프로세서 대신에 프로그래밍가능한 로직 제어기(PLC: Programmable Logic Controller)가 사용된다. 마이크로프로세서 또는 제어기는 (A/D 포트를 통해) 최대 전압 또는 피크 인벌로프(envelope) 전압을 샘플링한다. 피크 인벌로프 전압은 평균 구동 전력 펄스 폭을 제어하기 위해 마이크로세서에 의해 사용된다. 도 2의 정기적인 포지티브 및 네가티브 펄스 트레인은 제한되므로, 전압 스파이크는 IGBT의 제한하는 브레이크다운 전압을 넘어가지 않는다. 공진 변환기 주파수를 설정하기 위해, 평균 DC 입력 전류는 DC 전력 발생기의 직렬 포트를 통해 마이크로프로세서 또는 PLC의 직렬 포트에 의해 판독된다. 일 실시예에서, 동작 주파수가 스캔될 때 편향(deflection) 변환기 또는 수동 자기 수렴형 요소의 최대 RMS 전류가 판독되어 초음파 진동 주파수를 최적화한다. 바람직하게는, 마이크로프로세서 또는 제어기는 (d/a 포트를 통해) 전압 제어 발진기 출력 전압을 증가시킴으로써 16KHz 내지 18KHz에 대한 동작 주파수 영역을 스캔한다. 각 스캔 주파수에서 암페어의 RMS 전류는 직렬 포트를 통해 감지 및 기록된다. 동작 주파수가 설정된 후에 펄스 폭은 올라가거나 낮추어질 수 있고, 그에 따라 공진 전압은 IGBT 브레이크다운 전압을 넘어가지 않는다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 전력 구동 회로에 의해 형성되는 예시적인 출력 전력 파형의 그래프(500)이다. 구형파(502)는 마이크로프로세서 제어된 DC 전압 공급원으로부터 나오는 0 내지 400V를 도시한다. +200 및 -200 볼트는 풀 브릿지 전력 회로의 각 측로부터 나온다. 더 낮은 파형(504)은 전체 유효(real) 및 무효(reactive) 전류 파형을 도시한다. 전류 파형의 무효 컴포넌트는 식 V=L*di/dt 로부터 알 수 있고, 여기서 L은 환형(looped) 자왜 자석을 감는 더블 코일의 인덕턴스이다. 나오는 총 RMS 전류는 20A이다. 이 전류는 대략 4KW의 총 유효 전력을 제공한다. 파형은 0 내지 60A의 전류를 도시한다. 무효 전류는 자왜 적층 코어 및 변환기 베이스와 웨어 팁(wear tip)의 진동을 유지하는 데 사용되는 무효 전력이 된다. 코어의 손실은 와전류(eddy current) 손실에 의해 야기된다. 5004 mil 적층으로 이루어진 2인치 코어에 대하여, 총 손실은 대략 300W이고 열로 손실된다. 변환기 베이스와 웨어 팁의 유효 손실은 손실 열에 기여하기도 하는, 베이스와 웨어 팁의 중력 및 기계적 손실에 대항하여 동작하기 위해 필요한 전력으로부터 발생한다.

일 실시예에서, 전압 제어 발진기는 포지티브 및 네가티브 방형 컴포넌트를 갖는 풀 사이클 구형파를 발생시키는 8038 칩에 기초한다. 전압 제어 발진기로부터의 출력은 도 2에 도시된 바와 같이 풀 사이클 파를 두 개의 빠른 LF353 칩을 사용하여 포지티브 및 네가티브 출력의 연산 증폭기에 통과시킴으로써 두 개의 포지티브 및 네가티브 펄스 트레인으로 분리된다. 반전 및 비반전 증폭기는 피크 포지티브 및 네가티브 펄스 전압을 네 개의 IGBT에 의해 요구되는 15 볼트로 올린다. 대안으로, 전력 최적화 방식에 있어서 VCO 대신에 RS 232 포트에 의해 컴퓨터 제어에 접근 가능한 상용 파형 발생기가 사용될 수 있다.

대안의 실시예에서는, VCO가 사용되지 않는다. VCO 대신에, 홀(hall) 효과 센서가 제로 전류 크로싱(crossing)으로 가는 포지티브 및 네가티브를 검출한다. 포지티브 전류 크로싱에서 포지티브 펄스는 도 1의 Q1 및 Q4의 베이스에 전송되고, 네가티브 제로 전류 크로싱에서 네가티브 펄스는 Q2 및 Q3 IGBT의 베이스로 전송된다.

당해 기술 분야에서 숙련된 자들이라면, 본 발명의 실시예에 따른 고출력 및 가변 부하 초음파 변환기를 구동하기 위한 기타 등가물 또는 대안의 방법 및 회로를 본 발명의 요지를 벗어나지 않고서 고려할 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, IGBT 게이트는 상기 설명한 바와 같이 임의의 적합한 파 발생 장치 또는 시스템에 의해 형성되는 펄스 트레인에 의해 구동될 수 있다. 따라서, 전술한 개시는 다음의 청구범위에서 설명하는 본 발명의 범위를 예시하기 위한 것으로, 이에 한정되어서는 안된다.

Claims (11)

1. 변동 부하에 고출력 초음파 에너지를 전달하는 초음파 발생기로서,

   가변 주파수 파형 발생기;

   상기 파형 발생기와 연결되며 출력 신호를 제공하도록 구성되는 펄스 폭 변조기;

   상기 펄스 폭 변조기의 출력과 연결되는 게이트를 갖는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT);

   상기 IGBT의 콜렉터 및 이미터를 가로질러 연결되는 전압원으로서, 상기 IGBT는 상기 펄스 폭 변조기로부터의 출력 신호를 증폭하여 증폭 신호를 형성하도록 구성되는 것인, 전압원; 및

   고출력 초음파 에너지를 변동 부하에 전달하기 위해 상기 증폭 신호를 수신하도록 구성되는 코일을 갖는 자왜 변환기

   를 포함하는 초음파 발생기.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 가변 주파수 파형 발생기는 삼각 파형을 전달하도록 구성되는 것인 초음파 발생기.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 IGBT는 풀 브릿지 전력 구성에 있어서 매칭된 두 개의 하프 IGBT 세트의 하나의 하프 IGBT의 일부인 것인 초음파 발생기.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 매칭된 IGBT의 각 하프 IGBT의 각 게이트는 펄스 트레인 신호를 수신하도록 구성되고, 상기 두 개의 펄스 트레인 신호는 180도 위상 차이를 가지며 서로에 대하여 반전되는 것인 초음파 발생기.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 전압원은 가변 전압 조정 DC원인 것인 초음파 발생기.
6. 청구항 1에 있어서,

   동작 주파수 범위에 걸쳐서 스캔하고 상기 전압원에 대한 그 직렬 포트 접속을 통해 상기 변환기로 가는 암페어 단위의 대응하는 RMS 전류를 기록하도록 구성되는 마이크로프로세서; 및

   상기 마이크로프로세서와 연결되는 전압 제어 발진기로서, 상기 마이크로프로세서는 상기 전압 제어 발진기의 동작 주파수에 대응하는 전압을 출력하는 것인, 전압 제어 발진기

   를 더 포함하고,

   상기 주파수 범위에 걸쳐 스캔하고 각 단계에서 전력 전류를 기록하고, 상기 마이크로프로세서는 최대 전력에 대응하는 전압을 선택하여 상기 변환기에 대해 이 동작 주파수 값에 고정하는 것인 초음파 발생기.
7. 변동 부하에 대하여 작동하는 초음파 변환기에 고출력 초음파 에너지를 전달하기 위한 초음파 변환기용 구동 회로로서,

   가변 주파수 파형 발생기;

   상기 파형 발생기의 출력과 연결되는 게이트를 갖는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT);

   상기 IGBT의 콜렉터 및 이미터를 가로질러 연결되는 전압원으로서, 상기 IGBT는 상기 파형 발생기의 출력을 증폭하여 증폭 신호를 형성하도록 구성되는 것인 전압원; 및

   고출력 초음파 에너지를 변동 부하에 전달하기 위해 상기 증폭 신호를 수신하도록 구성되는 자왜 변환기를 위한 코일

   을 포함하는 초음파 변환기용 구동 회로.
8. 청구항 7에 있어서,

   상기 IGBT는 풀 브릿지 전력 구성에 있어서 매칭된 두 개의 하프 IGBT 세트의 하나의 하프 IGBT의 일부인 것인 초음파 변환기용 구동 회로.
9. 청구항 8에 있어서,

   상기 매칭된 IGBT의 각 하프 IGBT의 각 게이트는 펄스 트레인 신호를 수신하도록 구성되고, 두 개의 펄스 트레인 신호는 180도 위상 차이를 가지며 서로에 대해 반전되는 것인 초음파 변환기용 구동 회로.
10. 청구항 7에 있어서,

    상기 전압원은 가변 전압 조정 DC원인 것인 초음파 변환기용 구동 회로.
11. 청구항 7에 있어서,

    동작 주파수 범위에 걸쳐서 스캔하고 상기 전압원에 대한 그 직렬 포트 접속을 통해 상기 변환기로 가는 암페어 단위의 대응하는 RMS 전류를 기록하도록 구성되는 마이크로프로세서; 및

    상기 마이크로프로세서에 연결되는 전압 제어 발진기로서, 상기 마이크로프로세서는 상기 전압 제어 발진기의 동작 주파수에 대응하는 전압을 출력하는 것인 전압 제어 발진기

    를 더 포함하고,

    상기 주파수 범위에 걸쳐 스캔하고 각 단계에서 전력 전류를 기록한 후에, 상기 마이크로프로세서는 최대 전력에 대응하는 전압을 선택하여 상기 변환기에 대해 이 동작 주파수 값에 고정하는 것인 초음파 변환기용 구동 회로.

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