KR20100038493A - 반도체 스위칭 소자를 이용한 고압 펄스 전원 장치 - Google Patents
반도체 스위칭 소자를 이용한 고압 펄스 전원 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 위상 정류기와, 제1 평활용 커패시터와, 인버터를 포함하는 입력 교류 전압 제어용 위상 정류기 및 인버터부와, 다출력 변압기와, 반도체 스위칭 소자를 포함하고, 상기 다출력 변압기로부터 입력된 교류 전압을 상기 반도체 스위칭 소자가 턴온 될 경우에 펄스 전압으로 출력하는 복수 개의 공진 모듈이 직렬 연결된 공진 회로부와, 상기 공진 모듈의 온/오프를 제어하는 제어부와 공진 회로부터 출력된 펄스 전압의 피크치를 상승시켜주는 펄스 변압기를 포함하는 반도체 스위칭 소자를 사용한 고압 펄스 전원 장치에 관한 것으로, 시스템의 크기와 무게를 감소시키며 부하에 인가되는 펄스 전압의 크기 및 펄스의 주기와 폭을 사용자가 필요에 따라 조정할 수 있으며 또한, 고압 펄스 발생을 위한 스위칭 소자로 반도체 스위칭 소자를 사용함으로서 제어가 간단한 반도체 스위칭 소자를 사용한 고압 펄스 전원 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
반도체 스위칭 소자, 고압 펄스 전원 장치, 공진회로부, 펄스 변압기
Description
고압 펄스 전원 장치 설계 및 제작 기술은 아직 보편화되지 않은 기술로서, 고압 펄스 전원 장치의 요구성능이 더욱 다양해지고, 그 응용 분야가 확대됨으로 인해 고압 펄스 전원 장치의 개발 필요성이 더욱 증가되고 있는 현실이며 특히, 환경 분야와 금속 표면 처리 및 각종 장비 시험 분야에서 그 쓰임새가 날로 확대되고 있다. 그러나, 종래의 고압 펄스 전원 장치는 고압 펄스를 만들기 위해서 통상 고압 전류를 감당해야함과 더불어 고압 스위치, 충전 및 결합 커패시터와 펄스 발생용 전원 등이 필요하므로 일반 전원 방식에 비해 약 수 배 ~ 수십 배 정도의 가격 상승이 필요하다는 단점이 있다. 또한, 고압 펄스를 만들기 위해 일반적으로 스파크갭(Spark gap)이나 싸이라트론(Thyratron) 등의 특수 스위치가 사용되는데 이러한 스위치들은 가격이 비싸고 수명이 짧은 단점이 있다.
종래의 스파크 갭을 이용한 막스 제너레이터(Mrax generator)방식과 고압 직 류전원을 이용하여 충전소자에 에너지를 저장한 뒤에 이를 고압 스위치로 스위칭하여 펄스를 성형하는 방식은 장치의 수명이 짧으며 또한, 고압 전원회로가 필요하므로 회로가 복잡하다는 단점이 있다.
도 1은 스파크 갭을 이용한 종래의 펄스전압 발생회로를 도시한 것이고, 도 2는 사이라트론(thyratron) 또는 사이리스터(thyristor)를 이용한 종래의 펄스전압 발생회로를 도시한 것으로서, 도 1의 펄스전압 발생회로는 수 메가볼트(MV) 및 메가암페어(XA)급의 대전력 분야에 사용되고 있으며, 도 2의 펄스전압 발생회로는 사이라트론 또는 사이리스터와 같은 투입전용 고압 스위치를 이용하여 에너지 저장회로에 충전된 고전압을 방전시키므로써, 출력단에 고전압 펄스를 만들어내는 것으로 주로 중용량급 펄스 발생회로에 사용되고 있다.
도 1 및 도 2와 같은 종래의 펄스전압 발생회로는 간단한 구조로 손쉽게 고전압 대전력 펄스를 만들 수 있는 장점이 있으나 도 1의 구조는 기본적으로 스파크갭의 동작을 위하여 입력단에 직류 고전압이 필요하며, 펄스전압의 발생시점을 맞추기 위한 특수한 트리거 회로가 요구된다. 도 2의 회로는 투입스위치를 이용한 방식으로 수십 kV, 수 kA급의 펄스 발생에 주로 이용되는데 이러한 회로는 소용량의 펄스 발생회로에는 적합하지가 않고, 특히 장치의 수명이 매우 짧으며 구형파 펄스를 얻으려면 펄스 성형회로가 부가되어야 하며, 펄스 폭 제어가 아주 어렵다는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 인식하고 이를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 시스템의 크기와 무게를 감소시키며, 부하에 인가되는 펄스 전압의 크기 및 펄스의 주기와 폭을 사용자가 필요에 따라 조정할 수 있는 것을 목적으로 한다.
고압 펄스 발생을 위한 스위칭 소자로 반도체 스위칭 소자를 사용함으로서 제어가 간단하고 시스템의 크기와 무게를 감소시키는 고압 펄스 전원 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 반도체 스위칭 소자를 이용한 고압 펄스 전원 장치를 사용하는 경우는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 가격이 싸며 수명이 긴 반도체 스위칭 소자를 사용함으로써, 고압 펄스 전원 장치의 가격 절감 및 수명을 늘릴 수 있는 효과가 있다.
둘째, 반도체 스위칭 소자를 사용함으로써, 낮은 입력 전압을 사용한 순간 공진과 펄스 변압기에 의해 고압 펄스 파형을 얻도록 함으로써, 종래의 고압 펄스 전원 장치에 비해 절연 공간이 줄어들고 크기와 무게가 감소하는 효과가 있다.
셋째, 반도체 스위칭 소자의 온/오프 개수를 조절하여 각종 리액터에 인가되 는 펄스 전압의 피크치 크기 및 펄스의 주기와 폭을 사용자가 필요에 따라 간단하게 조정할 수 있는 효과가 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의한 반도체 스위칭 소자를 사용한 고압 펄스 전원 장치는 교류 전압을 입력 받아서 직류 전압으로 정류하는 위상 정류기와, 정류된 직류 전압을 충전하는 제1 평활용 커패시터와, 입력된 직류 전압을 교류 전압으로 출력하는 인버터를 포함하는 입력 교류 전압 제어용 위상 정류기 및 인버터부와, 상기 인버터로부터 출력된 교류 전압을 원하는 크기만큼 변압하여 복수의 출력 탭으로 출력하는 다출력 변압기와, 반도체 스위칭 소자를 포함하고, 상기 다출력 변압기로부터 입력된 교류 전압을 상기 반도체 스위칭 소자가 턴온 될 경우에 펄스 전압으로 출력하는 복수 개의 공진 모듈이 직렬 연결된 공진 회로부와, 상기 반도체 스위칭 소자의 턴온/턴오프를 제어하는 제어부와, 상기 공진 회로부로부터 출력된 펄스 전압의 피크치를 상승시키는 펄스 변압기를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 공진 회로부는, 상기 다출력 변압기로부터 입력된 교류 전압을 정류하는 제1 다이오드와, 정류된 직류 전압을 충전하는 제2 평활용 커패시터와, 상기 제1 다이오드의 애노드 단자와 상기 제2 평활용 커패시터의 일측과의 접점에 일측이 연결된 상기 반도체 스위칭 소자와, 상기 반도체 스위칭 소자가 오프된 경우에 펄스 전류 흐름을 유지하도록 상기 반도체 스위칭 소자의 다른 측에 애노드 단자가 연결되는 제2 다이오드와 상기 제2 다이오드의 캐소드 단자와 상기 제2 평활용 커패시터의 다른 측에 연결되는 펄스 전류 유지 변압기를 포함하는 복수의 제1 공진 모듈과,
상기 다출력 변압기로부터 입력된 교류 전압을 정류하는 제3 다이오드와, 정류된 직류 전압을 충전하는 제3 평활용 커패시터와, 상기 제3 다이오드의 캐소드 단자와 상기 제3 평활용 커패시터의 일측과의 접점에 일측이 연결된 상기 반도체 스위칭 소자와, 상기 반도체 스위칭 소자가 오프된 경우에 펄스 전류 흐름을 유지하도록 상기 반도체 스위칭 소자의 다른 측에 캐소드 단자가 연결되는 제4 다이오드와, 상기 제4 다이오드의 애노드 단자와 상기 제4 평활용 커패시터의 다른 측에 연결되는 펄스 전류 유지 변압기를 포함하는 복수의 제2 공진 모듈을 포함하고,
상기 제1 공진 모듈의 제2 평활용 커패시터와 펄스 전류 유지 변압기와의 접점과 상기 제2 공진 모듈의 제3 평활용 커패시터와 펄스 전류 유지 변압기와의 접점이 연결되고, 상기 제1 공진 모듈의 반도체 스위칭 소자와 상기 제2 다이오드와의 접점과 상기 제2 공진 모듈의 반도체 스위칭 소자와 상기 제4 다이오드와의 접점이 연결되고, 상기 제1 다이오드의 캐소드 단자와 상기 제3 다이오드의 애노드 단자가 연결되어, 상기 제1 공진 모듈과 상기 제2 공진 모듈이 교차로 직렬연결되고, 상기 공진회로부의 양 끝단이 상기 펄스 변압기에 연결되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 반도체 스위칭 소자는 양극 접합 트랜지스터(bipolar junction transistor), 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor), 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor)와 게이트 턴-오프 사이리스터(gate turn off thyristor) 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 반도체 스위칭 소자를 사용한 고압 펄스 전원 장치를 이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 스위칭 소자를 사용한 고압 펄스 전원 장치를 도시한 구성도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서의 반도체 스위칭 소자를 이용한 고압 펄스 전원 장치는 입력 교류 전원부(1)로부터 교류 전압을 입력 받아서 직류 전압으로 정류하는 위상 정류기(8)와, 정류된 직류 전압을 충전하는 제1 평활용 커패시터(9)와, 입력된 직류 전압을 교류 전압으로 출력하는 인버터(10)를 포함하는 입력 교류 전압 제어용 위상 정류기 및 인버터부(2)와, 상기 인버터(10)로부터 출력된 교류 전압을 원하는 크기만큼 변압하여 복수의 출력 탭으로 출력하는 다출력 변압기(3)와, 반도체 스위칭 소자를 포함하고, 상기 다출력 변압기로부터 입력된 교류 전압을 상기 반도체 스위칭 소자가 턴온 될 경우에 펄스 전압으로 출력하는 복수 개의 공진 모듈이 직렬 연결된 공진 회로부(4)와, 상기 반도체 스위칭 소자의 온/오프를 제어하는 제어부(6)와, 상기 공진 회로부로부터 출력된 펄스 전압의 피크치를 상승시켜 각종 리액터(7)에 입력하는 펄스 변압기(5)를 포함한다. 상기 입력 교류 전원부는(1) 펄스 전원의 용량에 따라 단상 또는, 3상 교류 전원을 사용할 수 있다. 상기 다출력 변압기(3)는 복수의 출력 탭을 가지며, 상기 인버터(10)의 출력이 입력되므로 20kHz 이상의 고주파 변압기가 바람직하다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 입력 교류 전압 제어용 위상 정류기 및 인버터부의 구성도이다. 상기 입력 교류 전압 제어용 위상 정류기 및 인버터부(2)는 브리지 회로 형태로 연결된 4개의 사이리스터(thyristor)로 구성된 상기 위상 정류기(8)와 상기 제1 평활용 커패시터(9)와 브리지 회로 형태로 연결된 4개의 반도체 스위칭 소자로 구성된 상기 인버터(10)로 이루어 진다. 상기 입력 교류 전압 제어용 위상 정류기 및 인버터부(2)는 일반적으로 사용되는 형태로 구성이 가능하다.
도 5는 상기 실시예에 따른 공진회로부의 구성도이다. 상기 공진회로부(4)의 동작은 다음과 같이 이루어진다. 다이오드(D11, D31, D51 ...)는 특허청구범위에서 제1 다이오드에 해당한다. 다이오드(D13, D33. D53 ...)는 특허청구범위에서 제2 다이오드에 해당한다. 다이오드(D21, D41, D61 ...)는 특허청구범위에서 제3 다이오드에 해당한다. 다이오드(D23, D43, D63 ...)는 특허청구범위에서 제4 다이오드에 해당한다. 커패시터(C11, C31, C51 ...)는 특허청구범위에서 제2 평활용 커패시터에 해당한다. 커패시터(C21, C41, C61 ...)는 특허청구범위에서 제3 평활용 커패시터에 해당한다. 변압기(T1, T2, T3 ...)는 특허청구범위에서 펄스 전류 유지 변압기에 해당한다.
상기 다출력 변압기로부터 일정하게 변압된 교류 전압이 다이오드(D11, D21, D31 ~ Dn1)에서 정류되고 평활용 커패시터(C11, C21, C31 ~ Cn1)에 직류로 충전된다. 초기 상태에서 반도체 스위치(S1)을 턴온하면 상기 제2 평활용 커패시터(C11)에 충전되어 있던 전압에 의해 C11-R11-S1-펄스 변압기-Dn3-D(n-1)3 ... D33-D23-C11의 루프를 따라 전류 흐름이 생기고 이에 의해서 펄스 전압이 발생된다. 반도체 스위치 S1과 S2를 동시에 턴온하면 평활용 커패시터 C11과 C21에 충전해 있던 전압에 의해 C11-S1-펄스 변압기-Dn3-D(n-1)3 ... D33-S2-R21-C21-C11의 루프를 따라 전류 흐름이 생기고 이에 의해서 이전보다 2배의 펄스 전압이 발생된다. 따라서, 반도체 스위치의 턴온 개수가 증가할수록 펄스 발생을 위한 전압이 커지므로 원하는 펄스의 크기만큼 반도체 스위치의 턴온 개수를 조절하여 원하는 크기의 펄스 전압을 얻을 수 있다. 커패시터(C12, C22, C32, ...)와 저항(R13, R23, R33 ...)과 다이오드(D12, D22, D32 ...)는 반도체 스위치(S1, S2, S3 ...)가 스위칭 동작을 할 때 전압 스파이크 등을 제거하기 위한 스너버 회로이다. 저항(R11, R21, R31 ...)은 과전류 방지를 위한 저항이다. 저항(R12, R22, R32 ...)은 반도체 스위치의 양단 전압을 일정하게 유지시키는 저항이다. 다이오드(D13, D23, D33 ...)는 펄스 전류 흐름을 유지하기 위한 다이오드이다. 변압기(T1, T2, T3 ...)는 펄스 전류 흐름을 유지하고 상기 펄스 변압기의 포화 방지를 위한 감자 전원으로 구성된다.
도 6은 상기 실시예에 따른 반도체 스위칭 소자를 이용한 고압 펄스 전원 장치의 출력 파형을 나타낸 도면이다.
도 1은 스파크 갭을 이용한 종래의 펄스전압 발생회로도이다.
도 2는 사이라트론 또는 사이리스터 등을 이용한 종래의 펄스전압 발생회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 스위칭 소자를 사용한 고압 펄스 전원 장치를 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 입력 교류 전압 제어용 위상 정류기 및 인버터부의 구성도이다.
도 5는 상기 실시예에 따른 공진회로부의 구성도이다.
도 6은 상기 실시예에 따른 반도체 스위칭 소자를 이용한 고압 펄스 전원 장치의 출력 파형을 나타낸 도면이다.
< 도면부호의 간단한 설명 >
1. 입력 교류 전원부 2. 입력 교류 전압 제어용 위상 정류기 및 인버터부
3. 다출력 변압기 4. 공진회로부
5. 펄스 변압기 6. 제어부
7. 각종 리액터 8. 위상 정류기
9. 평활용 캐패시터 10. 인버터
11. 반도체 스위칭 소자
Claims (3)
- 고압 펄스 전원 장치에 있어서,교류 전압을 입력 받아서 직류 전압으로 정류하는 위상 정류기와, 정류된 직류 전압을 충전하는 제1 평활용 커패시터와, 입력된 직류 전압을 교류 전압으로 출력하는 인버터를 포함하는 입력 교류 전압 제어용 위상 정류기 및 인버터부와, 상기 인버터로부터 출력된 교류 전압을 원하는 크기만큼 변압하여 복수의 출력 탭으로 출력하는 다출력 변압기와, 반도체 스위칭 소자를 포함하고, 상기 다출력 변압기로부터 입력된 교류 전압을 상기 반도체 스위칭 소자가 턴온 될 경우에 펄스 전압으로 출력하는 복수 개의 공진 모듈이 직렬 연결된 공진 회로부와, 상기 반도체 스위칭 소자의 온/오프를 제어하는 제어부와, 상기 공진 회로부로부터 출력된 펄스 전압의 피크치를 상승시키는 펄스 변압기를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 소자를 사용한 고압 펄스 전원 장치
- 제 1 항에 있어서,상기 공진 회로부는, 상기 다출력 변압기로부터 입력된 교류 전압을 정류하는 제1 다이오드와, 정류된 직류 전압을 충전하는 제2 평활용 커패시터와, 상기 제1 다이오드의 애노드 단자와 상기 제2 평활용 커패시터의 일측과의 접점에 일측이 연결된 상기 반도체 스위칭 소자와, 상기 반도체 스위칭 소자가 오프된 경우에 펄스 전류 흐름을 유지하도록 상기 반도체 스위칭 소자의 다른 측에 애노드 단자가 연결되는 제2 다이오드와 상기 제2 다이오드의 캐소드 단자와 상기 제2 평활용 커패시터의 다른 측에 연결되는 펄스 전류 유지 변압기를 포함하는 복수의 제1 공진 모듈과, 상기 다출력 변압기로부터 입력된 교류 전압을 정류하는 제3 다이오드와, 정류된 직류 전압을 충전하는 제3 평활용 커패시터와, 상기 제3 다이오드의 캐소드 단자와 상기 제3 평활용 커패시터의 일측과의 접점에 일측이 연결된 상기 반도체 스위칭 소자와, 상기 반도체 스위칭 소자가 오프된 경우에 펄스 전류 흐름을 유지하도록 상기 반도체 스위칭 소자의 다른 측에 캐소드 단자가 연결되는 제4 다이오드와, 상기 제4 다이오드의 애노드 단자와 상기 제4 평활용 커패시터의 다른 측에 연결되는 펄스 전류 유지 변압기를 포함하는 복수의 제2 공진 모듈을 포함하고, 상기 제1 공진 모듈의 제2 평활용 커패시터와 펄스 전류 유지 변압기와의 접점과 상기 제2 공진 모듈의 제3 평활용 커패시터와 펄스 전류 유지 변압기와의 접점이 연결되고, 상기 제1 공진 모듈의 반도체 스위칭 소자와 상기 제2 다이오드와의 접점과 상기 제2 공진 모듈의 반도체 스위칭 소자와 상기 제4 다이오드와의 접점이 연결되고, 상기 제1 다이오드의 캐소드 단자와 상기 제3 다이오드의 애노드 단자가 연결되어, 상기 제1 공진 모듈과 상기 제2 공진 모듈이 교차로 직렬연결되고, 상기 공진회로부의 양 끝단이 상기 펄스 변압기에 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 소자를 사용한 고압 펄스 전원 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 반도체 스위칭 소자는 양극 접합 트랜지스터(bipolar junction transistor), 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor), 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor)와 게이트 턴-오프 사이리스터(gate turn off thyristor) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 스위칭 소자를 사용한 고압 펄스 전원 장치.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2008
- 2008-10-06 KR KR1020080097485A patent/KR20100038493A/ko not_active Application Discontinuation
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