KR20140001857A

KR20140001857A - 고전압 고전류 조절기 회로

Info

Publication number: KR20140001857A
Application number: KR1020137008323A
Authority: KR
Inventors: 커티스 에이. 비른바흐
Original assignee: 어드밴스드 퓨젼 시스템스 엘엘씨
Priority date: 2010-10-05
Filing date: 2011-10-05
Publication date: 2014-01-07
Also published as: CA2938102C; US20150187501A1; KR20160113729A; AU2011312045A1; ES2683772T3; EP2625581A1; EP3156874A1; CA2809883A1; IL249070A; US9025353B2; CA2809883C; US20150187531A1; JP2016146744A; JP2016146745A; JP5908913B2; IL249070A0; EP3156874B1; NZ625923A; JP6376568B2; EP3157040A1

Abstract

전류를 조절하는 고전압 고전류 조절기 회로는 외부 회로에 연결되는 제1 및 제2 단자들 사이에 삽입되고 제1 및 제2 단자들 사이에서 전류를 전도시키는 적어도 하나의 주전류 운반 냉음극 필드 방사 전자관을 포함한다. 제1 및 제2 그리드 제어 냉음극 필드 방사 전자관들은 각각 제1 및 제2 단자들 상의 포지티브 및 네거티브 전압 이탈들에 대한 적어도 하나의 주전류 운반 냉음극 필드 방사 전자관의 제1 및 제2 그리드들을 위해 제어 신호들을 제공한다. 전류 조절기 회로는 적어도 하나의 냉음극 필드 방사 전자관을 포함하는 전압 클램핑 회로에 의해 동반될 수 있다. 고전압 및 고전류에서 동작하도록 구성된 적어도 두개의 냉음극 필드 방사 전자관들은 단일 진공 인클로저 내에 포함되고 회로 기능을 제공하기 위해 서로 연결되어 고전압 고전류 진공 집적 회로를 형성한다.

Description

고전압 고전류 조절기 회로{HIGH VOLTAGE HIGH CURRENT REGULATOR CIRCUIT}

본 발명은 고전압, 고전류 조절기 회로에 관한 것으로, 일 양태는 회로에서 고전류를 제어하는 것에 관한 것이고, 다른 양태는 회로에서 전압을 클램핑하는 것에 관한 것이며, 또 다른 양태는 진공 집적 회로에 관한 것이다.

관련 출원들에 대한 상호 참조

본 출원은 현재의 발명자에 의한 2개의 이전 출원, 즉 2009년 1월 23일자로 출원되고, 발명의 명칭이 고전압 인버터인 미국 출원 제12/359,198호; 및 2009년 9월 4일자로 출원되고, 발명의 명칭이 이상 전자기 펄스들로부터 전력 시스템들을 보호하는 방법 및 장치인 미국 출원 제12/554,818호에 관한 것이다.

고전압 고전력 회로들을 위해 신뢰가능한 효율적인 전류 조절기들뿐만 아니라, 전압 클램핑 회로들의 요구가 있다. 전력 그리드 내의 임계 제어 기능들에서 의료 진단 및 치료 시스템들 및 군사 무기들까지 이르는 그러한 기술에 대한 다수의 응용들이 있다. 본 명세서에 사용되는 "전력 그리드"는 개인 주택들, 산업 및 정부 사용자들에게 전력을 공급하는 전력 및 분배 그리드를 의미한다.

전력 그리드들의 전류 조절

고전압 및 고전류에서 동작하는 대규모 전력 그리드들에 관하여, 가장 중요한 문제들 중 하나는 고장 전류를 제한하는 것이다. 전력 그리드 상의 효과적인 고장 전류 조절기들에 대한 요구가 증가함에 따라, 미국 및 다른 국가들의 전력 그리드를 현대화시키는 강제적인 요구가 있다. 전형적인 현재의 실시는 그리드를 다르게 불안정하게 하는 과도 고장 전류 조건들에 견디기 위해 실제 부하 용량의 상당한 배수로 크기가 정해지는 전기 전송 시스템들을 위한 것이다. 이것은 그리드가 단지 실제 부하 용량을 위해 설계된 경우에 요구되는 것보다 약 75% 위일 수 있는 비용 추가 인자(cost overhead factor)를 생성한다. 따라서, 고장 전류 과도 현상들의 감소는 그리드의 유효 용량을 극적으로 증가시킬 수 있다. 게다가, 전력 흐름 조절과 같은 효과적인 고장 전류 조절기로부터 이득을 얻을 수 있는 전력 그리드 운영에서의 다른 전력 조절 응용들이 있다.

종래의 전류 고장 제한기들은 전형적으로 저항 또는 인덕턴스의 삽입과 같은 기술들에 기초하는데, 이는 종래의 또는 초전도 인덕턴스 코일들, 또는 금속 산화물 배리스터들과 같은 고체 상태 디바이스들의 사용일 수 있다. 이 기법들 중 아무것도 전력 산업의 요구들을 충족시킬 수 없다. 현재, 개발 중인 가장 강력한 시스템들은 최대 정격 전류의 대략 50%의 고장 전류 제한을 제공하는 한편, 전력 산업은 최대 정격 전류의 80% 이상의 제한을 요구한다. 게다가, 종래의 기술들은 그들의 설계의 고유 성질로 인해 전압 및 전류 처리 용량에서 제한된다.

순수 저항성 전류 제한은 전류를 제한하는 가장 오래된 최소 효율 방법이다. 그것은 단지 어떤 최대 전류량이 흐르는 것을 가능하게 하기 위해 값이 계산된 직렬 저항을 전류 운반 컨덕터에 삽입하는 것을 포함한다. 초과 전류는 열로 직접 변환되어, 효율이 매우 낮아진다. 저항성 전류 제한은 효율이 종종 단지 약 50%이므로 전력 회로에 드물게 사용된다.

종래의 유도성 전류 제한은 저항성 전류 제한보다 약간 더 좋고 실제로 전력 산업에 광범위하게 사용된다. 유도성 전류 제한의 단점은 전류가 전압과 위상이 다르게 시프트되어 역률이 나쁘다는 것이다. 더 고가의 유도성 전류 제한 리액터들에서, 커패시터는 종종 역률을 보정하기 위해 인덕터와 쌍을 이룬다. 이것은 인덕터들 및 커패시터들의 전력 처리 및 내전압 정격들이 제한되므로, 고전력 시스템들에 문제가 있게 된다. 더 신뢰가능한 효과적인 전류 제한 기법들을 위해 전력 산업에서 현재의 개발 노력들을 추진한 것은 주로 이 제한이다.

초전도 기술의 사용이 제안되었고 원형들은 전력 그리드들에서의 고장 전류 제한을 위해 구축되었다. 그러나, 초전도 기술의 신뢰성은 초전도 소자들을 그들의 임계 온도에서 또는 이 온도보다 아래에서 유지하기 위해 복합 초저온 냉동 시스템들에 대한 요구에 의해 방해된다. 초저온 시스템들이 고장나면, 초전도 소자들은 초전도성을 손실하고 "정상"으로 작동되어 전력 라인들 내의 저항들이 된다. 복합 기계적 구성요소들로 인한 비신뢰성 시스템 설계를 제외하고, 이 기술에 기초한 제한기들의 비용이 높아져서 그들이 현재 최대 약 138KV로 제한된다. 그리드가 강력해지기 위해, 약 500KV 이상에서 동작할 수 있는 제한기들이 요구된다. 저전압들, 전형적으로 4KV와 35KV 사이에서, 크기 및 비용 둘 다는 초전도 전류 조절기들의 사용을 배제한다.

전류 제한을 위한 고체 상태 기법들의 경우에, 다른 고체 상태 전력 전자 시스템들의 특징인 동일한 결점들이 적용된다. 필요한 전압 또는 전류를 처리할 수 있는 어떤 단일 고체 상태 디바이스도 없으므로, 설계자들이 다수의 디바이스들을 직렬 및 병렬 둘 다로 보정하여 전압 및 전류 처리 용량들 각각을 증가시켜야 한다. 그러나, 디바이스들을 직렬 및 병렬로 배치하는 것은 전압 및 전류가 디바이스들의 배열에 걸쳐 균일하게 분배되는 것을 보장하기 위해 "평형 회로망들"을 필요로 한다. 이것은 시스템의 복잡성 및 비용을 추가하고 그의 신뢰성을 감소시킨다. 고체 상태 디바이스들은 또한 단일 아크 장애들에 영향을 받는다. 단일 아크 장애는 개별 디바이스가 절연 파괴를 겪고 아크가 반도체 자체의 결정 내에 발생할 때 야기된다. 이것은 결정을 손상시키고, 종종 카본 트랙을 남기며, 반도체 디바이스가 동작을 정지시키게 한다.

상기 논의는 기존 기술들이 고전력 전력 그리드들 내의 전류 조절(예를 들어, 전류 제한)에서의 사용에 만족스럽지 않은 수개의 이유들을 증명한다. 따라서, 전력 그리드들 또는 다른 회로들에 사용될 수 있는 신뢰가능한 효과적인 고장 전류 조절기에 대한 요구가 있다.

전력 그리드들의 전압 조절

전력 그리드들에 관한 추가적인 관심은 그리드 내의 전기적 구성요소들을 파괴할 수 있는 과도 전압들이다. 과도 전압들은 각종 원인들로부터 발생할 수 있고, 실질적인 고장 전류가 있는 경우에 실질적으로 항상 발생한다.

따라서, 강력한 전압 조절기, 예를 들어 전력 그리드 또는 다른 회로 내의 고전압 및 고전류에서 동작할 수 있는 전압 클램핑 회로를 위한 요구가 존재한다.

바람직한 실시예에서, 외부 회로에 연결되는 제1 및 제2 단자들 사이에 삽입되는 고전압 고전류 조절기 회로는 제1 및 제2 단자들 사이에 연결되어 제1 및 제2 단자들 사이에서 전류를 수신 및 조절하는 양방향 전류 조절 회로를 포함한다. 전류 조절 회로는 제1 및 제2 단자들 사이에서 전류를 전도시키는 적어도 하나의 주전류 운반 냉음극 필드 방사 전자관을 포함한다. 적어도 하나의 주전류 운반 냉음극 필드 방사 전자관은 제1 및 제2 단자들 상의 전압이 각각 포지티브(positive) 및 네거티브(negative)일 때 제1 및 제2 단자들 사이에서 전류 전도를 제어하는 제1 및 제2 제어 그리드들을 갖는다. 제1 및 제2 그리드 제어 냉음극 필드 방사 전자관들은 제1 및 제2 그리드들을 위해 제어 신호들을 각각 제공한다.

유익하게, 상기 전류 조절기는 전력 그리드들에 사용될 수 있는 신뢰성있는 효과적인 고장 전류 조절기를 제공할 뿐만 아니라, 후술되는 것과 같은 다른 기능들을 제공한다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 독립적으로 사용되거나 상기 전류 조절기와 함께 사용될 수 있는 전압 클램핑 회로는 외부 회로에 연결되는 제1 및 제2 단자들 사이에 삽입된다. 전압 클램핑 회로는 적어도 하나의 냉음극 필드 방사 전자관을 포함하는 양방향 전압 클램프를 포함한다. 양방향 전압 클램프는 임계 동작 전압을 갖는다. 제1 및 제2 제어 그리드들은 적어도 하나의 냉음극 필드 방사 전자관과 연관되고 제1 및 제2 단자들 사이의 주전류 전도 경로에서 전압을 변조하는 각 제어 신호들을 수용한다. 회로는 임계 동작 전압을 설정하기 위해 제1 및 제2 제어 그리드들을 통해 전압 클램프를 바이어싱한다.

유익하게, 상기 전압 클램핑 회로는 전력 그리드 또는 다른 회로들 내의 고전압 및 고전류에서 동작할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예는 서로 함께 상기 전류 조절기 및 전압 클램프를 포함한다. 그것은 아싱(arcing)에 기인하는 고장들에 대한 그의 한계 저항에 의해 고체 상태 디바이스들과 구별된다. 고체 상태 디바이스에서, 단일 전기적 아크는 파국적 고장을 야기하는 한편, 언급된 실시예에서, 회로는 본 명세서에 기초하여 본 기술 분야의 일상적인 기술을 사용하여 아싱에 크게 내성이 있도록 제조될 수 있다.

본 실시예는 실질적으로 넓은 온도 동작 범위를 갖기 때문에 고체 상태 버전을 통해 더 구별된다. 고체 상태 디바이스들에서, 성능은 전형적으로 냉음극 필드 방사 전자관들을 사용할 때 언급된 실시예와 대조적으로 약 26℃에서만 신속히 감퇴하기 시작하는데, 이는 특수 제조된 냉각 수단의 사용 없이 650℃의 온도들에서 성공적으로 동작할 수 있다. 냉음극 필드 방사 전자관들에 대한 상부 온도 제한은 약 760℃에서 발생하고, 그 시점에 튜브 전극들은 자연적인 열이온 방사를 시작하고 관은 전류를 계속적으로 전도시키기 시작한다. 일부 새로운 반도체 디바이스들은, 통상 탄화 규소에 기초하여, 실리콘계 디바이스들보다 다소 높은 온도들, 즉 최대 약 200℃에서 동작할 수 있다. 이것이 실질적인 개선일지라도, 그것은 냉음극 필드 방사 전자관들에 대한 온도 제한보다 실질적으로 더 낮고, 탄화 규소는 단일 아크 장애들에 더 영향을 받아서, 거의 실리콘계 디바이스들만큼 취약해진다. 탄화 규소는 또한 매우 고가이고 낮은 개별 디바이스 전압 및 전류 처리 정격들을 갖고, 전형적으로 약 1500 볼트보다 높지 않은 전압 정격을 가지며, 높은 전압 정격들을 달성하기 위해 직렬 및 병렬 회로망들의 대규모 사용을 필요로 한다.

전류 조절기 및 전압 클램프를 조합하는 본 발명의 언급된 실시예에서, 단일 냉음극 필드 방사 전자관은 전류가 수백 킬로암페어로 측정되는 용량들을 처리하면서, 어떤 공지된 반도체 디바이스도 달성할 수 없는 백만 볼트의 초과인 전압을 처리하도록 구축될 수 있다.

고전압 고전류 진공 집적 회로는 공통 진공 인클로저를 포함한다. 진공 인클로저는 (1) 적어도 하나의 내부 진공 펌핑 수단; (2) 진공 인클로저를 진공화하고 그 후에 적어도 하나의 외부 진공 펌프로부터 진공 인클로저를 밀봉 및 분리하는 적어도 하나의 배출관통; (3) 전기적 컨덕터들을 진공 인클로저 외부로부터 인클로저 내부로 통과시킴과 동시에 진공 인클로저로부터 전기적 컨덕터들을 전기적으로 절연시키고 진공 밀봉을 유지하는 진공 밀봉된 전기적 절연 피드스루들; 및 (4) 진공 인클로저에 대한 전체 크기 요건을 최소화하고, 내부 전기적 단락들을 방지하는 내부 전기적 절연물을 포함한다. 진공 인클로저 내의 적어도 두개의 냉음극 필드 방사 전자관들은 고전압 및 고전류에서 동작하도록 구성되고 회로 기능을 구현하도록 상호 서로 연결된다.

상기 고전압 고전류 진공 집적 회로는 개별 진공 하우징에 각 냉음극 필드 방사 전자관을 수용시키는 종래의 실시와 비교해서 시스템 신뢰성을 증가시키고 시스템으로의 설치를 단순화한다.

본 발명의 추가 특징들 및 장점들은 도면과 함께 본 발명의 이하의 상세한 설명을 판독할 때 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 부분 블록 형태인 고전압 고전류 조절기의 전기 배선도이다.
도 2는 도 1의 전류 조절기에 사용될 수 있는 양방향 냉음극 필드 방사 4극관, 또는 바이트론관(Bi-tron tube)의 간략화된 부분 절개 사시도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 바이트론관 대신에 사용될 수 있는 한 쌍의 백-투-백 냉음극 필드 방사관들의 전기 배선도이다.
도 4는 지자기 유도 전류들(GIC)로부터의 보호를 위해 본 발명의 전류 조절 양태를 이용하는 전력 변압기 쌍의 부분 블록 형태인 전기 배선도이다.
도 5는 지자기 유도 전류들(GIC)로부터 변압기들을 보호하기 위해 사용될 때 도 4의 전류 조절기들을 제어하는 회로의 전기 배선도이다.
도 6은 도 4와 유사하지만, 본 발명의 전류 조절 양태의 상이한 사용을 도시한다.
도 7은 도 1과 유사하지만, 도 1에서와 같은 전류 조절기 회로, 및 전압 클램핑 회로 둘 다를 갖는 고전압 고전류 조절기 회로를 도시한다.
도 8은 전경 내의 내부 구성요소들을 나타내도록 수정되는 고전압 고전류 진공 집적 회로의 중심축을 통과하는 간략화된 종단면도이다.
도 9는 HVHC VIC 및 각종 외부 진공 펌프들의 블록도이다.
도 10은 실드의 양측 상에서 진공을 균등화하기 위한 관통을 갖는 자기적 실드의 일부의 측단면도이다.
도 11은 도 8 내의 도 11, 도 11로 표시된 화살표들에서 절취되는 확대 간략화된 단면도이다.
도 12는 도 8의 고전압 고전류 진공 집적 회로에 사용될 수 있는 집적된 커패시터를 갖는 페라이트 저역 통과 필터 의 부분 절개 사시도이다.

참조 숫자들 및 관련 부분들의 리스트는 상세한 설명의 끝 부근에 출현된다.

이하의 정의들은 본 명세서에서 사용되는 용어들에 관한 것이다.

정의들

"전력 그리드"는 본 명세서에서 개인 주택들, 산업 및 정부 사용자들에게 전력을 공급하는 전력 및 분배 그리드를 의미한다. 전형적으로, 전력 그리드는 복수의 전력 발생기들 및 전기를 복수의 배전 변전소들에 전송하는 수단을 가질 것이며, 그 변전소들의 기능은 개인 주택들, 산업 및 정부 사용자들에게 전력을 분배하는 것이다.

"고장 전류"는 심각한 과전류 상태를 의미한다.

"고전류"는 본 명세서에서 50 Amp보다 큰 것을 의미한다.

"고전압"은 본 명세서에서 400 볼트 AC보다 큰 것을 의미한다.

고전압 전류 조절기

본 발명의 제1 양태에 따르면, 도 1은 전류가 조절되도록 소망되는 회로에 삽입되는 제1 및 제2 단자들(13 및 15)을 갖는 고전압 전류 조절기 회로(10)를 도시한다. 바람직하게는, 전류 조절기 회로(10)는 고전류 용량을 가지며, "고전류"는 위에 정의되어 있다. 제1 및 제2 단자들(13 및 15) 상의 전압의 극성이 포지티브일 때, 파선 루프(18)에 의해 거의 완전히 한정되는 회로(10)의 일부는 조절기 회로(10)의 동작을 제어한다. 반대로, 제1 및 제2 단자들(13 및 15)에서의 전압의 극성이 네거티브일 때, 파선 루프(20)에 의해 거의 완전히 한정되는 회로(10)의 일부는 조절기 회로(10)의 동작을 제어한다. 물론, 제1 및 제2 단자들(13 및 15) 사이의 수평으로 예시된 회로 경로에서, 컨덕터(번호 없음), 바이트론관(Bi-tron tube)(23)의 주전류 운반 전극들(캐쓰애노드들(cathanode들)로 칭해짐)(28 및 29) 및 션트 저항기(47)는 제1 및 제2 단자들(13 및 15) 상의 포지티브 및 네거티브 전압 이탈들 둘 다를 위해 사용된다. 바이트론(23)의 그리드들(26 및 31)은 제1 및 제2 단자들(13 및 15) 상의 포지티브 및 네거티브 전압 이탈들 동안 각각 사용된다.

파선 루프들(18 및 20)은, 회로 토폴로지 및 구성요소 값들 모두에 관하여, 단지 파선 루프(18)와 관련된 회로의 설명이 파선 루프(20)와 관련된 회로를 설명하는데 충분하도록 서로 대칭적으로 배치되는 것이 바람직하다.

파선 루프(18)의 회로는 본 명세서에서 바이트론관으로서 단순화된 형태로 언급되는 양방향 냉음극 필드 방사관(23)을 포함한다. 바이트론관(23)의 구조는 도 2를 참조하여 더 용이하게 인식될 수 있는데, 이는 도 1의 경우에 바이트론(23)과 공통 부분 번호들을 공유한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 바이트론관(23)은 음극 및 양극으로 번갈아 기능하는 주전류 운반 컨덕터를 의미하는 내부 "캐쓰애노드"(26)를 포함한다. 캐쓰애노드(26)는 원통 형상이고, 도시된 바와 같이 원통 솔리드(cylindrical solid)의 형태일 수 있다. 원통 형상의 제2 캐쓰애노드(29)는 캐쓰애노드(26)를 둘러싸고 동일한 종축(도시되지 않음)을 공유한다. 원통 형상 그리드(28)는 캐쓰애노드(26)를 둘러싸고, 그러한 캐쓰애노드에 인접하고, 이와 관련된다. 원통 형상 그리드(31)는 캐쓰애노드(29)에 의해 둘러싸여지고, 그러한 캐쓰애노드에 인접하고, 이와 관련된다. 바이트론관들의 추가 상세들은 2010년 8월 5일자이고, 발명의 명칭이 유전체 세라믹 및 적층 세라믹 커패시터인 공개 제US2010/0195266 A1호에서 입수될 수 있다.

고전압 전자관(35)은 파선 루프(18)에 포함되고, 이제 설명되는 회로에 따르면, 제1 단자(13) 상에서 전압을 감지하고 바이트론(23)의 그리드(31)를 제어한다. 또한 풀사트론관(Pulsatron tube)으로서 공지되어 있는 고전압 전자관(35)은 양극(37), 음극(39) 및 그러한 음극(39)에 인접하고 이와 관련되는 그리드(41)를 갖는 냉음극 필드 방사관이다. 실제 실시예에서, 양극(37), 음극(39) 및 그리드(41)는 원통 형상이다. 풀사트론관의 추가 상세들은 1990년 8월 21일자로 발행되고, 발명의 명칭이 고전압 스위치관인 미국 특허 제4,950,962호에서 입수된다. 제1 단자(13) 및 제2 단자(15)는 전력 그리드 내의 전력 흐름의 방향 순서로 전력 그리드(도시되지 않음)에 서로 연결되는 것이 바람직하다.

도 1의 파선 루프(18)에서, 제1 및 제2 단자들(13 및 15) 상의 포지티브 전압을 가정하면, 저항기(42) 및 조정가능한 저항기(44)는 바이트론(23)의 그리드(31)를 위한 바이어스 전압을 설정하는데, 이는 직렬 전류 조절기로서 기능한다. 저항기(42)은 또한 유도성 성분을 가질 수 있다. 바이트론(23)은 이 회로 내의 FET와 기능적으로 유사하다. 바이트론관(23)으로부터 흐르는 전류는 저항기(47) 양단의 전압을 전개하기 위해 션트 저항기(47)를 통해 흐른다. 이 전압은 저항기들(50 및 52)로 구성된 전압 분배기를 통해 공급된다. 풀사트론관(35)의 그리드(41)는 저항기들(50 및 52)의 접합점에 연결된다. REF. 1로 표시된 기준 전압은 저항기(50)의 상부측에 인가된다. 제2 단자(15)에서 취득되는 션트 저항기(47)의 전압, 및 기준 전압(REF. 1) 사이의 비율은 풀사트론관(35)의 전도의 정도를 결정하는데, 풀사트론관(35)은 이어서 바이트론관(23)의 전도를 제어한다. 저항(52) 양단에 연결된 커패시터(55)는 회로가 제로 교차점까지의 전도에 체류하는 것을 보장하기 위해 저항기(50)와의 제1 시정수를 설정한다. 기준 전압(REF. 1)의 값들 및 전압 분배기(50 및 52)의 저항기값들을 조정함으로써, 상이한 전류 조절 모드들이 구현될 수 있다. 기준 전압(REF. 1)은 다른 회로에 의해 제공되고, 당업자가 구현하는 것은 일상적인 작업일 것이다.

고조파의 억제

고주파수 고조파는 시스템 비효율들을 초래하는 경우에 전력 그리드들에 바람직하지 않다. 고주파수 고조파를 제거하기 위해 상당한 노력이 공공기업체에 의해 소비되므로, 그것을 생성하는 임의의 스위칭 소자는 전력 그리드 응용들에 대한 부적절한 설계이다. 고전압 전류 조절기(10)(도 1)에 의한 스위칭 동작들에서의 고조파 성분의 감소는 (1) 도 2에 도시된 바와 같이 캐쓰애노드들(26 및 29)로 형성된 전자총 어셈블리들의 길이를 증가시킴으로써, 및 (2) 바이트론(23)를 제어하기 위해 도 1 내의 각 파선 루프(18 또는 20)에 제2 시정수 회로를 포함시킴으로써 구현되는 것이 바람직하다.

따라서, 파선 루프(18) 내의 회로는 저항기(42) 및 커패시터(58)에 의해 형성되는 RC 시정수 회로를 포함하는데, 이는 전력 분배 그리드 회로에서 60Hz 또는 다른 전형적인 주파수의 주기의 대략 1/8로 상승 시간을 생성하기 위해 산정되었다. 대안적인 시정수 회로는 바이트론관(23)의 그리드(29)와 직렬로, 저항기(42) 대신에 인덕터를 사용한다. 설명된 시간 저항기-커패시터(RC) 시정수 회로 또는 인덕터 커패시터(LC) 시정수 회로는 상술한 바와 같이, 고조파를 최소화하기 위해 요구된 느린 상승 시간을 제공한다.

저항기(64)는, 풀사트론(35)의 그리드 바이어스를 설정하기 위한, 조정가능한 저항기(44)와의 조정가능한 전압 분배기의 일부이다. 저항기(64)는 또한 바이트론관(23)의 관련된 그리드(31)의 바이어스에 영향을 끼친다. 가상선들로 도시된 추가 저항기(66)는 풀사트론관(35)의 그리드(41)를 바이어싱하는데 사용될 수도 있다.

도 3은 도 1에서 양방향 냉음극 필드 방사관, 또는 바이트론관(23)을 사용하는 것에 대한 대안을 도시한다. 따라서, 도 3은 관(24)의 양극이 바이트론(23)(도 1)의 캐쓰애노드(26)에 대응하는 주전류 운반 전극(27)의 전위에 있고, 관(25)의 양극이 바이트론(23)의 캐쓰애노드(29)에 대응하는 주전류 운반 전극(30)의 전위에 있도록, 한 쌍의 백-투-백, 또는 역병렬, 접속된 냉음극 필드 방사 전자관들(24 및 25)을 도시한다. 관들(24 및 25)은 도 1에서의 바이트론(23)의 제어 그리드들(31 및 28)에 대응하는 각 제어 그리드들(33 및 34)을 갖는다. 전자관들(24 및 25)은 원통형 전자 외형을 갖는 것이 바람직하고, 상술한 풀사트론관들을 포함할 수 있다.

고전압 전류 조절기 회로(10)의 동작에 대해, 제1 및 제2 단자들(13 및 15) 상의 전압의 극성이 네거티브일 때, 파선 루프(20) 내의 회로는 파선 루프(18) 내의 상술한 회로에 대해 상보적인 방식으로 기능한다. 파선 루프(20) 내의 대응하는 구성요소들은 선두의 "10"에 의해 증가되는, 대응하는 참조 숫자들을 제공받았으며; 그것에 의해, 하부 루프(20) 내의 풀사트론관(1135)은 상부 루프(18) 내의 풀사트론관(35)에 대응한다.

전류 조절 회로의 바람직한 설계 특징들

바람직하게는, 도 1의 고전압 전류 조절기 회로(10)는 이하의 특징들 중 하나 이상을 갖도록 설계된다:

ㆍ 고장 전류 조절기는 전력 그리드에서 고장 전류들을 제한하고, 도 7과 관련하여 후술되는 바와 같이, 또한 전력 그리드에서 과전압 조건들을 제한하기 위해 충분한 전압 및 전류 처리 용량을 갖는다.

ㆍ GIC 보호는 전력 그리드의 변압기 또는 발전기의 와이(Wye) 연결된 권선의 그라운드 레그에 배치될 때, 양방향 전류 조절 회로가 지자기 유도 전류들을 조절해서 권선 또는 발생기에 대한 손상을 방지하도록 충분한 전압 및 전류 용량을 갖는다. 본 발명의 회로는 GIC 신호들을 대표하는 초장파(의사-DC)에서 기능한다.

ㆍ 전력 흐름 제어는 전력 그리드에서 전력 흐름을 제어하기 위해 충분한 전압 및 전류 처리 용량을 갖는다.

ㆍ 회로 차단기는 전류 조절기 회로(10)가 회로 차단기로서 사용될 수 있도록, 요구될 경우 제1 및 제2 단자들(13 및 15) 사이의 전류를 최대 전도(100 %)에서 최대 차단(즉, 제로 전류 흐름)까지 연속적인 아날로그 기능으로 조절하는 능력을 갖는다.

이전 능력들을 구현하는 것은 본 명세서를 고려하는 당업자에게 일상적인 작업일 것이다. 이 능력들은 다음과 같이 더 설명된다.

고장 전류 조절기. 고장 전류 제한은 전력 그리드 내의 많은 위치에서 구현될 수 있는 매우 중요한 기법이다. 그것은 회로 차단기들 및 변압기들과 같은 그러한 그리드의 개별 요소들을 보호하기 위해 사용될 수 있고; 소위 "스마트 그리드들" 내의 능동 제어 요소로서 사용될 수 있으며; 다음과 같이 논의되는 지자기 유도 전류들(GIC)로부터의 보호를 위해 사용될 수 있다.

GIC 보호. 본 발명의 전류 조절 회로의 하나의 용도는 전류를 제한하고 GIC로 인한 손상으로부터 장비를 보호하는 고장 전류 조절기이다. 도 4는 전력 그리드 소자들(85 및 86) 사이에 연결된 3상 변압기들(70 및 80)을 도시하며, 요소들은 "전력 그리드"의 상기 정의에 설명된 것들이다. 변압기(70)는 델타 구성으로 연결되는 3상을 갖는 1차 권선(72), 및 와이 구성으로 연결되는 3상을 갖는 2차 권선(74)을 갖는다. 변압기(80)는 유사하게 와이 구성으로 연결되는 1차 권선(82) 및 델타 구성으로 연결되는 3상을 갖는 2차 권선(84)을 갖는다. 참조 숫자 87은 표면 및 접지의 상부 크러스트(crust) 영역을 가로지르는 일부 유형의 거리를 지칭하고, 그라운드들(88 및 89)은 접지 그라운드들이다. GIC(90)는 일련의 화살표들에 의해 표시되고, 의사 DC 전류를 구성한다. GIC들은 2010년 4월 22일자이고, 발명의 명칭이 이상 전자기 펄스들로부터 전력 시스템들을 보호하는 방법 및 장치인 미국 특허 공개 제2010/0097734 A1호에 상세히 기재되어 있다.

도 4는 또한 각각 접지 그라운드들(88 및 89)에 부속되는 변압기들(70 및 80)의 와이 연결된 권선들(74 및 82)의 각 그라운드 레그들에 고전압, 고전류 조절기들(91 및 95)의 포함을 도시한다. 도 1의 고전압 전류 조절기 회로(10)를 각각 포함할 수 있는 전류 조절기들(91 및 95)은 예를 들어 초장파 의사 DC 전류, 또는 와이 연결된 변압기 권선들의 그라운드 레그들로 이동하는 다른 DC 전류인 GIC를 제한하는 역할을 한다. 이와 같이, 변압기들(70 및 80)은 변압기를 용이하게 손상 또는 파괴할 수 있는 그러한 의사 DC 또는 DC 고장 전류들에 대해 보호된다.

도 4의 전류 조절기들(91 및 95)은 각 고속 전류 션트들(93 및 97)의 저항들(92 및 96) 상의 전압으로부터 측정되는 권선들(74 및 82)의 언급된 그라운드 레그들 내의 전류에 대응하여 제어된다. 예를 들어, 전류 조절기들(91 및 95)의 REF. 1 및 REF. 2 기준 전압들(도 1)을 설정하는 저항들(92 및 96) 상의 전압들은 예를 들어 도 5의 각 DC - AC 미분기 회로(100)로 제공된다. 그러한 전압들은 도 5의 각 DC - AC 미분기 회로들의 입력 단자(101)에 전송되는 것이 바람직한데, 이는 AC 과도 전류들이 제한 없이 전류 조절기들을 간단히 통과하는 것을 가능하게 하는 방법으로 전류 조절기들을 제어한다.

저항들(92 및 96)(도 4) 상의 전압들은 각 동축 연결 수단(94 및 98)에 의해 도 5의 각 회로들의 입력 단자들(101)에 전송되는 것이 바람직하다. 고속 전류 션트들의 상기 및 다른 상세들은 2010년 4월 22일자이고, 발명의 명칭이 이상 전자기 펄스들로부터 전력 시스템들을 보호하는 방법 및 장치인 상기 인용된 미국 특허 공개 제2010/0097734 A1호를 통한 본 기술 분야의 일상적인 기술 내에 있다. 동축 연결 수단(94 및 98)의 사용에 대한 덜 바람직한 대안은 입력단에서의 전기-광 스테이지 및 출력단에서의 광-전기 스테이지를 갖는 광섬유 링크(도시되지 않음)이다.

도 5 회로의 각 입력 단자들(101)에 의해 수신되는 저항들(92 및 96)의 전압들은 다른 출력이 그라운드(105)에 연결되는 차동 증폭기(104)의 하나의 입력에 인가된다. 변압기 권선들(74 및 82)의 상술한 그라운드 레그들에 DC, 또는 GIC를 특징 짓는 것과 같은 의사 DC 전류가 있는 경우에, 각 차동 증폭기들(104)은 매우 적은 출력을 생성한다. 그러나, 언급된 그라운드 레그들에 과도 AC 전류가 있는 경우에, 차동 증폭기들(104)은 샤프 스파이크(sharp spike)를 각각 생성한다. 차동 증폭기(104)로부터 출력을 수신하는 한쪽 입력 및 REF. 3 기준 전압에서의 다른 쪽 입력을 갖는 각 슈미트 트리거(106)는 상기 스파이크를 검출하고, 정상 REF. 1 및 REF. 2 기준 전압들(도 1)보다 상당히 높은 전압을 각 출력 단자(103)에서 생성하고, 높은 과도 AC 전류값이 전류 조절기들(93 및 97)를 통해 방해받지 않고 통과될 수 있도록 그의 기준 전압들을 오버라이드(override)한다. REF. 1 및 REF. 2 기준 전압들의 선택을 포함하는 전류 조절기들(93 및 97)의 설계는 AC 과도 전류가 있는 경우에 통과될 수 있는 높은 전류값의 범위를 결정한다.

슈미트 트리거(106)의 다른 쪽 입력은 슈미트 트리거(106)가 상술한 것을 송신하게 하는 임계값을 설정하기 위해 사용되는 기준 전압(REF. 3)이고, 높은 과도 AC 전류값이 전류 조절기들(93 및 97)을 통해 방해받지 않고 통과될 수 있도록 출력 단자(103) 상의 출력 전압을 오버라이드한다. REF. 3에 의해 설정되는 임계값이 낮을수록, 전류 조절기들(93 및 97)을 통해 방해받지 않고 통과될 수 있는 과도 AC 전류의 범위가 커진다.

도 4에서의 와이 연결된 권선들(74 및 82)의 상술한 그라운드 레그들에 검출된 과도 AC 전류가 없는 경우에, 전류 조절기들(91 및 95) 각각에 대한 REF. 1 및 REF. 2 기준 전압들(도 1)은 도 5의 각 DC - AC 미분기 회로(100)의 출력(103)으로부터 오버라이드되지 않고 동작한다.

차동 증폭기(104) 및 슈미트 트리거(106), 또는 다른 임계 전압 검출기는 냉음극 필드 방사관들, 또는 직면되는(encountered) 전압들 및 전류 레벨들에서 적절히 동작할 수 있는 다른 회로를 사용하여 구현될 수 있다. 그러한 전압 및 전류 레벨들은 10 KV 이상, 또는 심지어 20-30 KV의 범위에 있을 수 있고, 100 킬로암페어 이상의 범위에 있을 수 있다. DC - AC 미분기 회로(100)의 구현은 본 명세서에 기초하여 당업자들에게 일상적일 것이다.

저항들 및 커패시터들은 고장나기 쉽고 따라서 번 아웃(burn out)되는 퓨즈들처럼 작용하고 그 결과 개방 회로를 생성하므로, 도 4의 회로 내의 고전압, 고전류 조절기들(91 및 95)의 사용은 와이 연결된 변압기의 그라운드 레그들 내의 저항들 또는 커패시터들(도시되지 않음)의 사용보다 우수하다. 저항 또는 커패시터가 번 아웃되고 개방 회로를 생성하면, 그들이 위치되는 회로는 비접지되고 매우 위험해진다. 커패시터들은 또한 도 4의 전류 조절기들(91 및 95)이 안전하게 및 반복적으로 처리될 수 있는 것보다 낮은 자릿수인 그의 전압 및 전류 정격들에 의해 제한된다.

전력 흐름 제어. 도 1의 고전압 고전류 조절기(10)의 중요한 응용은 전력 그리드에서 전력 흐름을 제어하는 것이다. 이 기능은 보호 기능인 고장 전류 제한과 별개이다. 전력 흐름 제어는 전력 그리드의 전송 용량을 최적화하기 위해 사용되는 에너지 관리 기법이다. 도 6은 이 응용의 구현을 도시하고, 전체적으로 도 4와 유사하므로 동일한 부분들에 동일한 참조 숫자들을 사용한다. 도 6은 예를 들어 각 컨덕터들(111, 113 및 115)이 변압기(70)의 와이 연결된 권선들(74)과 변압기(80)의 와이 연결된 권선들(82)을 서로 연결할 경우에, 도 1의 고전압 전류 조절기 회로(10)를 각각 포함할 수 있는 전류 조절기들(110, 112, 및 114)의 삽입를 도시한다. 전류 조절기들(110, 112 및 114)은 그러한 그리드들의 전압이 대략 일정하게 조정되므로 전력 그리드에서 전력 흐름을 제어할 수 있다. 따라서, 전류 레벨의 제어는 전력 흐름을 직접 제어한다. 전력 흐름 제어를 위해 사용될 때, 전류 조절기들(110, 112 및 114)은 전형적으로 과전류의 과도 현상들을 제한하기 위해 사용될 때보다 연속적으로 또는 더 연속적으로 전류를 조절하는 기능을 한다.

유익하게, 도 6의 회로 내의 전류 조절기들(110, 112, 및 114)은 예를 들어 전력 그리드에서 과전류 상태를 제거하기 위해 사용될 수도 있다.

회로 차단기. 도 1의 고전압 고전류 조절기 회로(10)는 요구될 경우 제1 및 제2 단자들(13 및 15) 사이의 전류를 연속적인 아날로그 기능으로 제로값으로 조절하기 위해 유리하게 사용될 수 있다. 이와 같이, 전류 조절기 회로(10)는 회로 차단기로서 사용될 수 있다.

도 1의 고전압 고전류 조절기(10)에 대한 다른 응용들은 본 명세서에 기초하여 당업자들에게 명백해질 것이다.

조합된 전압 조절기 및 전류 조절기

예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이 전압 클램핑 회로의 추가에 의해 도 1의 상술한 고전압 고전류 조절기 회로(10)의 기능성을 더 증대시키는 것이 바람직하다. 이것은 고장 전류 서지들이 예를 들어 종종 과전압의 과도 현상들에 의해 동반되고, 때때로 과전압의 과도 현상들이 그들 자신에 의해 발생하기 때문이다. 크기가 충분하면, 그러한 과전압의 과도 현상들이 전기적 절연 파괴들을 야기시켜, 심각한 시스템 손상을 초래할 수 있다.

따라서, 도 7은 도 1의 전류 조절기 회로(10)와 유사하고, 도 7에 관한 설명이 이와 같이 불필요해지는 동일한 부분을 지시하는 도 1에서와 동일한 참조 숫자들을 갖는 전류 조절기 회로(120)를 도시한다. 도 7은 또한 제1 및 제2 단자들(13 및 15) 사이에 삽입되는 고전압 고전류 전압 클램핑 회로(130)를 도시한다. 도 1의 상술한 바이트론관(23)과 동일한 설명의 양방향 냉음극 필드 방사 전자관, 또는 바이트론관(140)은 도2의 캐쓰애노드(29)와 비교되고, 저항(148)을 통해 그라운드(145)에 연결되는 그의 최외각 전극 또는 캐쓰애노드(141) 및 전류를 전류 조절 회로(120)에 공급하는 컨덕터(150)에 연결되는 그의 중심 전극 또는 캐쓰애노드(143)를 갖는 것이 바람직하다. 바이트론관(140)은 임계 동작 전압을 갖는다. 제1 제어 그리드(142)는 바이트론관(140)의 외부 전극 또는 캐쓰애노드(141)와 연관되고, 제2 제어 그리드(144)는 바이트론관(140)의 내부 전극 또는 캐쓰애노드(143)와 연관된다. 이 그리드들(142 및 144)은 바이트론관(140)을 통해 전류 흐름의 제어를 위한 수단을 제공한다.

바이트론관(140)을 바이어싱하고, 저항(148) 및 저항들(152, 154 및 157)을 포함하는 외부 회로는 예를 들어 관(140)의 동작을 위해 임계 동작 전압을 설정하기 위해 사용된다. 구성요소 값들의 선택뿐만 아니라 바이어싱 회로 내의 변형들은 본 명세서에 기초하여 당업자들에게 일상적일 것이다. 바람직하게는 페라이트, 제1 저역 통과 필터(160)는 바이트론관(140)의 상술한 임계 동작 전압보다 아래의 과도 현상들의 억제를 위해 제1 단자(13)와 양방향 전류 조절기 회로(120) 사이에 제공될 수 있다. 페라이트 필터의 사용은 보호된 회로에 강자성 공진들을 유리하게 회피한다.

바이트론관(140)에 대한 언급된 바이어싱 회로는 관(140)이 도 7의 회로에 구성되는 션트 구성에 의해 초과 전압을 제1 단자(13)로부터 그라운드로 선택적으로 빼냄으로써 미리 결정된 값으로 전압 클램핑을 달성한다. 당업자는 본 명세서를 고려하여 바이트론관(140)에 대한 언급된 바이어싱 회로를 설계하는 것이 일상적이라는 것을 인지할 것이다.

바람직하게는, 전압 클램핑 회로(130)는 전력 그리드 내의 전력 흐름 방향으로 양방향 전류 조절기 회로(120)를 앞선다. 이것은 전류의 위상각이 전압의 위상각 뒤에서 90도 지연되기 때문이고, 전압 클램핑 회로(130)로 전압의 과도 현상들을 클램핑하는 것은 전류 조절기 회로(120)로 전류를 조절하기 전에 바람직할 수 있다. 그러나, 전압 클램핑 회로(130)는 전력 그리드 내의 전력 흐름 방향으로 양방향 전류 조절기 회로(120)를 따를 수 있다.

양방향 전류 조절기 회로(120)에서, 바람직하게는 페라이트, 제2 저역 통과 필터(170)는 이전 필터링 및 억제를 벗어날 수 있는 임의의 과도 현상들을 억제하기 위해 사용될 수 있다.

도 6의 전압 클램핑 회로(130)에서 바이트론관(140)을 사용하는 대안은 도 3의 한 쌍의 백-투-백, 또는 역병렬, 접속된 냉음극 필드 방사 전자관들(24 및 25)을 사용하는 것이다.

고전압 고전류 진공 집적 회로

본 발명자에 의해 생각된 바와 같이, 반도체 산업에서 흔히 있는 일이지만, 회로 기능의 통합은 고전압 고전류 진공관 회로들에 유리해질 것이다. 전자관 회로들의 경우에, 통합은 개별 구성요소들과 대조적으로 회로의 기능 블록들을 제공하는 방법을 제공하지만, 종종 대단히 상이한 전압 및 전류 동작 방식들뿐만 아니라, 전체적으로 상이한 물리적 명시들 및 동작 원리들로 인해 반도체 집적 회로들과 구별된다.

일 실시예에서, 도 1의 고전압 전류 조절기 회로(10)는 예를 들어 2010년 8월 5일자이고, 발명의 명칭이 이상 전자기 펄스들로부터 전력 시스템들을 보호하는 방법 및 장치인 공개 제US 2010/0195256 A1호의 도 6e, 도 12 및 도 13에 도시된 것과 같고, 회로로 서로 연결되는 3개의 개별적인 관으로서 구현된다. 대조적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 바람직한 실시예는 고전압 고전류 진공 집적 회로(high voltage high current vacuum integrated circuit; HVHC VIC)를 형성하도록, 도 1 또는 도 7의 냉음극 필드 방사 전자관들을 도 8에 도시된 바와 같이 그의 길이, 또는 수평 방향을 따라 원형 단면의 단일 스테인리스 강 진공 인클로저(180)로 적어도 통합시킨다.

도 7을 참조하면, 전자관들(140, 23, 35 및 1135)을 공통 진공 인클로저(180)(도 8)로 배치하는 것에 더하여, 인클로저(180)는 예를 들어 저역 통과 필터들(160 및 170)을 수용할 수도 있다. 진공 인클로저(180) 내에서 전기적 구성요소들을 수리하는 것이 곤란하므로, 통상 인클로저 내에서 내진공 및 신뢰가능 전기적 구성요소들만을 수용하는 것이 최상의 실시이다. 이 실시는 도 7에 도시된 관련 저항들 및 커패시터들의 일부 또는 모두가 진공 인클로저의 외부에 위치되어야 하는 것을 나타낼 수 있다.

도 8의 진공 인클로저(180) 내의 부분들과 도 7의 회로 사이의 대응은 다음과 같다:

도 8을 다시 참조하면, 진공 인클로저(180)는 또한 각각 종래의 진공 밀봉된 전기적 절연 피드스루들(241, 243, 245 및 247) 상에 장착된 것으로 도시되는 종래의 화학적 게터 펌프들(240, 242, 244 및 246)을 포함한다. 도시되지 않을지라도, 바람직하게는, 게터 펌프들(240, 242, 244 및 246)은 하나 이상의 종래의 진공 밀봉된 전기적 절연 피드스루들에 차례로 연결되는 하나 이상의 내부 전기적 버스들 상에 장착된다. 화학적 게터 펌프들에 더하여, 또는 화학적 게터 펌프들에 대한 대안으로서, 진공 인클로저(180) 내부의 또는 외부의 전기적 진공 펌프들(도시되지 않음)이 사용될 수 있었다. 임의의 특정 진공 인클로저를 위해 요구되는 진공 펌프들의 용량, 및 수는 당업자들에게는 일상적인 결정이다.

다른 전기적 리드들은 도 7에 도시된 것들과 같은 외부 회로 및 외부 저항들, 커패시터들 또는 다른 전기적 구성요소들에 전기적 연결들을 가능하게 하도록 진공 인클로저(180)에서 인클로저 내의 다른 전기적 구성요소들로 표출된다. 연결들은 바이트론관(200)에 대한 종래의 진공 밀봉된 전기적 절연 피드스루들(202, 204 및 206), 바이트론관(210)에 대한 동일한 타입의 피드스루들(212, 214 및 216), 풀사트론관(220)에 대한 동일한 타입의 피드스루들(222, 224 및 226), 및 풀사트론관(230)에 대한 동일한 타입의 피드스루들(232, 236 및 236)일 수 있다. 대안적으로, 가요성 리드들이 요구되면, 방금 언급된 통상의 강성 진공 밀봉된 전기적 절연 피드스루들과 비교해서, 외부 연결을 진공 인클로저(180) 내의 전자관들 또는 다른 전기적 구성요소들의 전극들에 가능하게 하기 위해 이 때 종래의 가요성 "플라잉 리드들(flying leads)"이 사용될 수 있다.

진공 인클로저(180) 내의 각종 전기적 구성요소들은 많은 상이한 방식들로 배치될 수 있다. 바람직한 접근법은 바이트론들(200 및 210)이 도 8에 도시된 바와 같이 서로 오프셋되는 것보다는 오히려 그의 각 종축들을 따라 서로 정렬되는 것이다. 추가 변형은 도 7의 회로에 도시된 모든 부분들보다 적게 수용하기 위한 그 자체의 진공 인클로저를 각각 갖는 하나보다 많은 HVHC VIC를 사용하는 것인데, 이는 예를 들어 모든 집합 회로 구성요소들의 전체 치수들에 더 큰 가요성을 제공할 수 있다.

도 8은 전기적 리드들이 진공 인클로저(180)로부터 빠져 나오는 전이 영역들에서 종래의 고진공 전기적 피드스루들의 컨덕터들 사이에 전기적 절연을 제공하기 위해 선택적인 바람직한 사용의 전기적 포팅 화합물(Potting compound)(250 및 252)을 도시한다. 그러한 포팅 화합물들은 각종 고무들 및 다른 엘라스토머들, 플라스틱스, 및 세라믹스로부터 선택될 수 있으며, 세라믹스가 가장 높은 온도 사용을 위해 바람직하다. 상술한 바와 같이 "플라잉 리드들"의 대안을 사용할 때, 포팅 화합물의 사용이 확실히 바람직하다.

도 9는 외부 진공 펌프(402)에 연결되는 도 8에 도시된 것과 같은 HVHC VIC(400)를 도시하며, 그의 목적은 동작 동안 HVHC VIC(400) 내에서 필요한 고진공을 유지하는 것이다.

도 9는 또한 큰 외부 진공 펌핑 시스템(406)에 연결되는 HVHC VIC(400)를 도시하며, 그의 목적은 배출관통(404)에 의해 제조 동안 HVHC VIC(400)를 진공화하는 것이다. 배출관통(404)은 전형적으로 금속 파이프의 짧은 길이이다. 진공화 프로세스를 끝맺음에 있어서, 배출관통(404)은 본 명세서로부터 당업자들에게 일상적인 것처럼, HVHC VIC(400) 및 외부 진공 펌핑 시스템(406) 둘 다를 위해 강력한 진공 밀봉을 제공하도록 도구(도시되지 않음)에 의해 "핀치 오프"된다.

도 8의 HVHC VIC(190)를 다시 참조하면, 핀치 오프 배출관통(404)은 도면의 하부 우측 코너에 도시되어 있다.

HVHC VIC로 구현되는 다수의 회로 기능들

상술한 것이 명백해지는 바와 같이, 공통 진공 인클로저 내에 수용되는 다수의 전기적 구성요소들은 도 8의 HVHC VIC(190) 내에서 다수의 회로 기능들을 가능하게 한다. 진공 인클로저(180) 내부의 전기적 구성요소들로부터 외부 회로 또는 전기적 구성요소들로의 각종 전기적 연결들은 외부 전기적 구성요소들을 단지 변경함으로써 단일, 다수의 관 HVHC VIC가 다른 요건들을 처리하는 것을 가능하게 한다.

도 8의 진공 인클로저(180)는 또한 전형적으로 아래에 상세히 논의되는 내부 자기적 실드들(260, 262, 264 및 266)과 같은 각종 전기적 절연 기계 지지 구조들, 및 바이트론(200)에 대한 전기적 그라운딩 지지(275)를 포함한다. 그라운딩 지지(275)에는 전형적으로 진공 컨덕턴스를 개선하기 위해 및 진공 인클로저(180) 내에 압력 균등화를 제공하기 위해 통기 개구부들(도시되지 않음)이 제공된다. 인클로저(180)는 또한 전형적으로 진공 인클로저(180) 내에만 원통 형상 절연체(270)와 같은 많은 세라믹 절연체들을 포함한다. 도 8은 예시의 명확화를 위해 각종 전기적 절연 기계 지지 구조들 및 세라믹 절연체들을 생략하고; 그러한 지지 구조들 및 절연체들의 사용은 당업자들에게 일상적일 것이다.

고전압 고전류 진공 집적 회로의 이점들

다수의 냉음극 필드 방사 전자관들, 및 바람직하게는 다른 전기적 구성요소들 공통 진공 인클로저(180)를 HVHC VIC(190)에 통합시킴으로써, 인클로저 내에 수용되는 회로의 설치는 단순화되고, 전형적으로 더 작은 설치 공간을 필요로 한다. 이것은 설치 비용을 감소시키고, 본 HVHC VIC에 대한 고장들의 평균 시간의 감소에 의해 시스템 신뢰성을 증가시킨다.

동일한 진공 인클로저에서 다수의 회로 기능들을 구현함으로써, 본 HVHC VIC는 반도체 회로들과 다소 유사하다. 그러나, HVHC VIC에 대한 동기 부여는 반도체 집적 회로(IC)의 것과 상당히 다르다. 반도체 IC에서, 통합을 위한 1차 이유는 회로 밀도를 증가시키는 것이다. VIC에서, 1차 동기 부여는 신뢰성을 증가시키고 시스템으로의 통합을 단순화한다. HVHC VIC들은 고전압, 고전류, 고전력 전자 장치 회로들, 반도체들이 동작할 수 없는 분야에서의 사용을 위해 주로 의도된다. 유사하게, HVHC VIC들은 400 볼트보다 아래의 전압들에 대해 제조하기에 비실용적이다. 400 볼트보다 아래에서, 반도체 디바이스들이 더 실용적이다. 실질적으로 400 볼트보다 위에서, 반도체들은 회로의 전압 및 전류 요건들이 증가하므로 점진적으로 덜 유용해진다. 26,000 볼트만큼, 공지된 어떤 단일 반도체 디바이스들도 없다. 비교해 보면, HVHC VIC 내의 냉음극 필드 방사 전자관들은 120만 볼트 및 이보다 높은 전압들을 포함하는 상당히 높은 전압들, 및 수백 내지 수천 메가암페어의 동시적인 전류들에서 동작하는 것을 달성할 수 있다. 게다가, 전자관들의 매우 높은 아크 저항 및 그들의 우수한 열 성능은 전자관들이 HVHC VIC로의 통합에 적절해지게 한다.

청구된 발명은 이전에 설명된 바와 같이, 상이한 외부 조건들과 상이한 응답 모드들에 대응하는 정교한 회로 기능들을 구현한다.

자기적 실드들에 관한 정의들

내부 자기적 실드 및 외부 자기적 실드에 관한 이하의 2개의 부분은 본 명세서에서 이하의 의미를 갖는 이하의 각종 용어들을 사용한다:

"자기적 실드"는 (1) 자기적 실드 금속으로 완전히, 또는 (2) 전기적 절연 세라믹과 같은 자기적 실드 금속 및 비자기적 재료의 혼합으로 형성되는 자기적 실드 재료를 포함하는 구조를 의미한다. 자기적 실드는 고전압들로부터 아싱을 방지하기 위해 전기적 절연 재료로 커버될 수 있다.

"자기적 절연물"은 "자기적 실드"의 상기 정의에 정의된 바와 같이 "자기적 실드 재료"와 교환가능하게 사용된다.

"전기적 절연물"은 전기적 절연 세라믹과 같은 유전체 재료를 의미한다.

"전기적 및 자기적 절연물"은 상기 정의된 "전기적 절연물" 및 "자기적 절연물"의 조합을 의미한다.

"자기적 절연" 및 "전기적 절연"과 같은 이전 용어들의 변형들은 이전 정의들에서 인지되는 바와 같이 유사한 의미들을 갖는다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "진공 그레이드"는 가스 배출의 성질; 즉, 감소된 압력 및 온도 또는 감소된 압력 및 온도 둘 다가 있는 경우에 그러한 재료의 원자 또는 분자 구조 내의 틈새 공간들로부터 방출되는 가스들의 성질을 나타내지 않는 재료들을 언급한다.

"얇은" 자기적 재료는 본 명세서에서 그의 표면적의 절대값이 그의 두께의 절대값보다 실질적으로 큰 재료로서 정의된다.

외부 자기적 실드

HVHC VIC를 설계할 경우에, 외부 자계들의 악영향은 임의의 그러한 외부 자계들이 HVHC VIC 내의 전기적 구성요소들의 성능에 악영향을 주지 않는 것을 확신하기 위해 고려되어야 한다. 이 점에 대하여, 진공 인클로저(180)(도 8)는 고투자율 자기적 실드 금속(도시되지 않음)으로 형성될 수 있거나, 그러한 재료의 라이너(도시되지 않음)는 금속 진공 인클로저(180)와 단지 인클로저(180) 내의 세라믹 절연체(270) 사이에 삽입될 수 있다. 증대된 자기적 실드를 위해, 고투자율 및 저투자율 자기적 실드 금속들을 교체하는 다수의 층들(도시되지 않음)이 사용될 수 있고; 훨씬 더 증대된 자기적 실드를 위해, 전기적 및 자기적 절연 유전체 재료(도시되지 않음)는 상기 교체 층들 사이에 삽입될 수 있다. 증대된 자기적 실드는 예를 들어 동일한 투자율을 갖는 재료의 층들 사이에 상기 타입의 유전체 재료를 삽입함으로써 달성될 수도 있다. 외부 자계들로부터 HVHC VIC 내의 전기적 구성요소들의 실드를 제공하는 임의의 상기 기법들, 및 다른 것들의 선택은 본 명세서에 기초하여 당업자들에게 일상적일 것이다.

내부 자기적 실드

도 8의 HVHC VIC(190)에 대한 설계 고려 사항은 예를 들어 서로 상대적으로 근접할 수 있는 공통 진공 인클로저(180) 내의 전기적 구성요소들에 의해 생성되는 자계들이 그러한 인클로저 내의 다른 전기적 구성요소들의 동작에 악향을 주지 않는지이다. 강한 자계들에 대한 소스들은 예를 들어 이하로부터 발생할 수 있다:

ㆍ 진공 인클로저(180)(도 8) 내의 전자관들은 전형적으로 전자관의 전극간 공간들을 통과하면서 강한 자계들을 생성하는 고에너지 전자 빔들을 가질 수 있다. 그러한 자계들이 충분히 강하면, 그러한 자계들은 인클로저(180) 내의 인접한 전자관들 내에서 전자 빔들의 궤도들 및 전체 대칭을 왜곡시킬 수 있다.

ㆍ 진공 인클로저(180) 내의 저역 통과 필터들(193 및 195)이 페라이트 타입일 때, 그러한 필터들은, 일부 상황들 하에서, 인클로저 내의 인접한 전자관들 내에서 전자 빔들의 궤도들 및 전체 대칭을 왜곡시킬 수 있는 실질적인 자계들을 생성할 수도 있다.

진공 인클로저(180) 내에서 불리하게 높은 자계들의 상기 문제를 처리하기 위해, 자기적 실드들(260, 262, 264 및 266)은 하나 이상의 다른 구성요소들로부터 진공 인클로저(180) 내의 전기적 구성요소들을 분리하기 위해 사용될 수 있다. 260, 262, 264 및 266과 같은 자기적 실드들의 수, 형상, 및 조성은 원하는 HVHC VIC의 특정 구성, 및 특히 동작이 내부 자계들에 악영향을 받게 될 수 있는 내부 자계 생성 구성요소들과 내부 전자관들 또는 다른 구성요소들 사이의 간격 상호 관계들에 의존한다.

고전압에서 동작하도록 구성될 수 있는 냉음극 필드 방사관들(200, 210, 220 및 230)을 갖는 공통 진공 인클로저(180)(도 8)에 자기적 실드 금속을 포함하는 자기적 실드를 배치하는 것은 내부 전기적 아킹 및 구성요소 고장의 바람직하지 않은 문제를 잠재적으로 일으킬 수 있다. 따라서, 적절한 절연 강도 및 두께의 전기적 절연 세라믹 또는 다른 내화 재료와 같은 전기적 절연체에 자기적 실드들을 캡슐화함으로써 자기적 실드들을 전기적으로 절연하는 것이 바람직하다. 발명의 명칭이 내부 자기적 실드인 이 부분의 나머지에 대한 설명의 단순화를 위해, "세라믹"에 대한 언급은 "세라믹"뿐만 아니라 세락믹에 대한 대안들을 의미하도록 의도된다.

따라서, 도 10은 바람직하게는 용접 및 어닐링에 의해 위치들(286 및 288)에서 함께 연관된 다음에, 전기적 절연 세라믹(290)에서 캡슐화되는 수직 연장 고투자율 자기적 실드 금속(282) 및 관형 형상 고투자율 자기적 실드 금속(284)을 갖는 자기적 실드(280)의 일부를 도시한다. 바람직하게는, 각 위치(286 및 288)에서, 세라믹(290)은 필드 집중으로 인해 응력을 감소시키기 위해 필렛(fillet)으로서 형성된다.

최종 중공 자기적 실드관(295)은 진공 인클로저(180)(도 8) 내에 통기 및 압력 균등화를 제공하고, 최적 진공 펌핑을 위한 화학적 게터 진공 펌프들에 가까이 위치되는 것이 바람직할 것이다. 자기적 실드관(295)은 1 내지 4 이상인 그의 내부 직경 대 그의 길이의 비율에 의해 정의되는 종횡비를 갖는 것이 바람직하다. 이 종횡비는 자계 라인들이 관형 구조 내의 애퍼처 주위에서 순환하는 방법으로 발생한다. 이 종횡비를 유지함으로써, 관을 통과하는 실드 벽의 자기적 실드 성질들이 유지된다. 하나 이상의 자기적 실드관들(295)은 도 8에 도시된 바와 같이 진공 인클로저(180) 내의 균일한 진공을 보장하기 위해 요구되지만, 그들은 단순화를 위해 도 8에 도시되지 않는다.

자기적 실드 금속(282 및 284)은 모든 금속인 것이 바람직하지만, 그 대신에 고농도의 미세 분할 자기적 실드 금속과 전기적 절연 세라믹의 고농도 혼합으로 형성될 수 있는데, 이는 그 후에 원하는 형상으로 성형되고, 전기적 절연 세라믹(290)에서 캡슐화된 다음에, 세라믹스를 소결 및 경화하기 위해 소성된다. 바람직하게는, 초기 미세 분할 세라믹 입자들 및 캡슐화 세라믹은 열팽창 불일치를 최소화하기 위해 동일한 화학적 조성을 갖는다. 상기 세라믹 캡슐화 개요들의 모두에서, 외부 세라믹, 및 선택적으로 내부 복합 세라믹 및 자기적 재료의 소성은 그의 완전한 실드 가능성(shielding potential)을 전개하기 위해 자기적 실드 금속을 어닐링하는 추가적 기능을 수행하는 것이 바람직하다.

외부 자기적 실드의 상기 설명은, 이전 표제 "외부 자기적 실드" 하에, 자기적 실드를 위한 고투자율 자기적 실드 금속의 단일 층의 사용으로부터 변형들을 포함한다. 그러한 변형들은 예로서 도 10의 고투자율 자기적 실드 금속들(282 및 284)이 고투자율 및 저투자율 자기적 실드 금속들의 교체 층들로 대체될 수 있도록 내부 자기적 실드에도 적용된다. 적절한 자기적 실드 금속들의 선택은 본 명세서에 기초하여 당업자들에게 일상적일 것이다.

도 11은 단면에 있어서 Y-형상을 갖고, 순수 또는 혼합 자기적 금속과 같은 자기적 실드 금속(268) 위의 전기적 절연 세라믹(267)과 같은 전기적 절연체일 수 있으며, 상술한 바와 같은 도 11에서의 자기적 실드(280)와 유사한 도 8의 자기적 실드(266)의 더 좋은 도면을 도시한다. 바람직하게는, 자기적 실드 금속(268)은 진공 인클로저가 스테인리스 강 또는 다른 도전성 금속일 때 용접에 의해 진공 인클로저(180)에 부속되고, 도 8에 도시된 바와 같이, 또한 인접한 자기적 실드들(262 및 264)의 자기적 실드 재료에 부속된다. 유사하게, 도 8에서, 금속 음영으로 도시된 자기적 실드들(260, 262 및 264)에 대한 내부 자기적 실드 재료는 진공 인클로저가 스테인리스 강 또는 다른 도전성 금속일 때 진공 인클로저(180)에 용접된다.

바이트론관(210) 및 풀사트론관들(220 및 230)은 단일 원들로서 도시되고, 많은 다른 구조들은 명확화를 위해 생략된다. 따라서, 도 8 및 도 10은 바이트론관들(200 및 210), 풀사트론관들(220 및 230), 및 저역 통과 필터들(193 및 195) 각각이 관련된 전기적 및 자기적 절연 실드들(260, 262, 264 및 266)에 의해 서로로부터 분리되고, 각각이 그 자체의 전기적 및 자기적 절연 구획인 것으로 간주될 수 있는 것을 나타낸다. 물론, 하나보다 많은 내부 전기적 구성요소는 한쪽 구성요소로부터의 자계가 다른 구성요소들 등의 동작에 악영향을 주지 않으면 동일한 내부 전기적 및 자기적 절연 또는 전기적 절연 구획에 존재할 수 있다.

전자관 또는 관들을 포함하는 진공 인클로저(180)(도 8)의 임의의 구획 또는 영역에 화학적 게터 진공 펌프들을 갖는 것이 바람직하다. 이것은 컨덕턴스, 및 따라서 그러한 전자관들의 관점에서 화학적 게터 펌프들의 효율을 최대화한다. 구획들 사이에 개선된 진공 컨덕턴스 및 압력 균등화 오리피스들을 제공하는 전기적 및 자기적 절연 관들(295)(도 10)을 제공함으로써 게터 펌프들의 수를 최소화하는 것이 가능한데, 이것은 구획들 사이에서 실드들 및 분리기들의 전기적 및 자기적 절연물 성질들을 손상시키지 않고 달성될 수 있다.

현재 도 8에 도시된 바와 같이, 저역 통과 필터들(193 및 195)은 자기적 실드들(260, 262 및 264)에 의해 도 8의 HVHC VIC(190)의 진공 인클로저(180) 내의 다른 전기적 구성요소들로부터 실드된다. 저역 통과 필터들(193 및 195)을 자기적으로 실드하는 대안적인 또는 추가적인 방법은 이제 도 12와 함께 설명된다.

도 12는 조합된 저역 통과(200)의 바람직한 구성을 도시한다. 페라이트 필터 슬리브(303)는 컨덕터(305) 상에 배치되고, 바이패스 커패시터의 내부 판을 형성할 뿐만 아니라, 고주파수 신호들을 위해 차단 기능을 제공한다. 외부 관형 전극(307)은 바이패스 커패시터의 외부 판을 형성한다. 각 저역 통과 필터(300)는 도 7의 저역 통과 필터들(160 및 170)을 위해 상술한 필터링을 제공한다. 추가적인 또는 대안적인 RF 필터링 구성요소들(도시되지 않음)은 도 8의 예시된 저역 통과 필터들(193 및 195)의 근방에 통합될 수 있는데, 이는 각각 도 7의 저역 통과 필터들(160 및 170)을 구현한다.

저역 통과 필터(300)은 그라운딩 스포크들(grounding spokes)(309)을 포함한다. 도면들에 도시되지 않을지라도, 그라운딩 스포크들(309)은 바람직하게는 저역 통과 필터(300)를 위해 전기적 그라운딩 및 기계적 지지 둘 다를 유익하게 제공하는 방법으로 진공 인클로저(180)(도 8) 또는 다른 그라운드 구조에 부속될 수 있다.

저역 통과 필터들(193 및 195)(도 8)을 자기적으로 실드하는 대안적인 또는 추가적인 방법에 관하여, 외부 관형 전극(307)은 금속과 같은 자기적 실드 금속으로 형성될 수 있다. 그러한 실시예에서, 저역 통과 필터(300)는 저역 통과 필터들(193 및 195)에 의해 생성되는 자계들로부터 진공 인클로저(180)(도 8) 내의 다른 전기적 구성요소들을 자기적으로 실드하는 역할을 한다. 이 점에 대하여, 외부 관형 전극(307)의 우측 및 좌측 도시 단부들은 외부 관형 전극(307) 내로부터 자계들의 방사각을 제한하도록 페라이트 필터 슬리브(303)를 넘어 각각 확장될 수 있다.

내부 자기적 실드들의 추가적 이점들

전기적 및 자기적 절연물을 제공하는 것에 더하여, 도 8에서의 자기적 실드들(260, 262 및 264)은 상당한 기계적 지지를 각종 내부 전기적 구성요소들에 제공한다. 예를 들어, 212 및 214와 같은 각종 전기적 절연 피드스루들은 각종 전기적 절연 자기적 실드들, 예를 들어 260, 262 및 264를 관통하고, 그러한 실드들에 의해 유리하게 기계적으로 지지된다.

하기의 것은 명세서 및 도면들에서 사용되는 참조 숫자들 및 관련 부분들의 리스트이다:

본 발명이 예시로서 특정 실시예들에 대해 설명되었을지라도, 많은 수정들 및 변경들이 당업자들에게 떠오를 것이다. 예를 들어, 본 발명의 상술한 고전압 고전류 조절기 및 전압 클램프가 AC 회로들에서의 동작을 위해 주로 의도될지라도, 그것은 DC 및 의사 DC 회로들에서 동등하게 효과적으로 기능할 것이다. 추가적으로, 원통 전극 형상은 본 명세서에서 설명되거나, 도 2에 도시된 형상과 유사하거나 동일한 각종 전자관들에 대해 바람직하므로, 평면, 아치형 또는 구형과 같은 다른 형상들을 갖는 전자관들이 예로서 사용될 수 있다. 그러므로, 청구범위는 본 발명의 진정한 범위 및 사상 내에 있는 것으로서 모든 그러한 수정들 및 변경들을 커버하도록 의도되는 것이 이해되어야 한다.

10: 고전압 전류 조절기 회로
13: 제1 단자
15: 제2 단자
18: 파선 루프
20: 파선 루프
23: 양방향 냉음극 필드 방사 4극관/바이트론관
24: 냉음극 필드 방사 전자관
25: 냉음극 필드 방사 전자관
26: 캐쓰애노드
27: 주전류 운반 전극
28: 그리드
29: 캐쓰애노드
30: 주전류 운반 전극
31: 그리드
33: 그리드
34: 그리드
35 및 1035: 고전압 전자관/풀사트론관
37 및 1037: 양극
39 및 1039: 음극
42 및 1042: 저항
44 및 1044: 조정가능한 저항
47: 션트 저항
50 및 1050: 저항
52 및 1052: 저항
55 및 1055: 커패시터
58 및 1058: 커패시터
64 및 1064: 저항
66 및 1066: 저항
70: 3상 변압기
72: 1차 권선
74: 2차 권선
80: 3상 변압기
82: 2차 권선
84: 1차 권선
87: 접지
88: 접지 그라운드
89: 접지 그라운드
90: 지자기 유도 전류
91: 전류 조절기
92: 저항
93: 고속 전류 션트
94: 동축 케이블 연결
95: 전류 조절기
96: 저항
97: 고속 전류 션트
98: 동축 케이블 연결
100: DC - AC 미분기 회로
101: 입력 단자
103: 출력 단자
104: 차동 증폭기
105: 그라운드
106: 슈미트 트리거
110: 전류 조절기
111: 컨덕터
112: 전류 조절기
113: 컨덕터
114: 전류 조절기
115: 컨덕터
120: 전류 조절기 회로
130: 고전압 고전류 전압 클램핑 회로
140: 양방향 냉음극 필드 방사 전자관, 또는 바이트론관
141: 최외각 전극 또는 캐쓰애노드
142: 제1 제어 그리드
143: 중심 전극 또는 캐쓰애노드
144: 제2 그리드
145: 그라운드
148: 저항
150: 컨덕터
152: 저항
154: 저항
157: 저항
160: 제1 저역 통과 필터
170: 제2 저역 통과 필터
180: 진공 인클로저
190: 고전압 고전류 진공 집적 회로
193: 저역 통과 필터
195 저역 통과 필터
200: 냉음극 필드 방사 전자관, 또는 바이트론관
202: 전기적 절연 피드스루
204: 전기적 절연 피드스루
206: 전기적 절연 피드스루
210: 냉음극 필드 방사 전자관, 또는 바이트론관
212: 전기적 절연 피드스루
214: 전기적 절연 피드스루
216: 전기적 절연 피드스루
220: 냉음극 필드 방사 전자관, 또는 풀사트론
222: 전기적 절연 피드스루
224: 전기적 절연 피드스루
226: 전기적 절연 피드스루
230: 냉음극 필드 방사 전자관, 또는 풀사트론
232: 전기적 절연 피드스루
234: 전기적 절연 피드스루
236: 전기적 절연 피드스루
240: 화학적 게터 펌프
241: 전기적 절연 피드스루
242: 화학적 게터 펌프
243: 전기적 절연 피드스루
244: 화학적 게터 펌프
245: 전기적 절연 피드스루
246: 화학적 게터 펌프
247: 전기적 절연 피드스루
250: 포팅 화합물
252: 포팅 화합물
260: 자기적 실드
262: 자기적 실드
264: 자기적 실드
266: 자기적 실드
267: 세라믹
268: 고투자율 자기적 실드 금속
270: 세라믹 절연체
275: 그라운딩 지지
280: 자기적 실드
282: 고투자율 자기적 실드 금속
284: 고투자율 자기적 실드 금속
286: 위치
288: 위치
290: 세라믹
295: 자기적 실드관
300: 저역 통과 필터
303: 페라이트 필터 슬리브
305: 컨덕터
307: 외부 관형 전극
309: 그라운딩 스포크들
400: 진공 집적 회로
402: 외부 진공 펌프
404: 배출관통
405: 핀치 오프 배출관통
406: 배기 진공 펌핑 시스템
408: 핀치 오프의 위치

Claims

외부 회로에 연결되는 제1 단자와 제2 단자 사이에 삽입되는 고전압 고전류 조절기 회로로서,
a) 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이에 연결되어, 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이에서 전류를 수신 및 조절하기 위한 양방향 전류 조절 회로 - 상기 전류 조절 회로는, 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이에 전류를 전도시키는 적어도 하나의 주전류 운반 냉음극 필드 방사 전자관(main-current carrying cold-cathode field emission electron tube)을 포함하고, 상기 적어도 하나의 주전류 운반 냉음극 필드 방사 전자관은, 상기 제1 단자 및 상기 제2 단자 상의 전압이 각각 포지티브 및 네거티브일 때 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이의 전류 전도를 제어하기 위한 제1 및 제2 제어 그리드들을 가짐 -; 및
b) 상기 제1 및 제2 그리드들에 대한 제어 신호들을 각각 제공하는 제1 및 제2 그리드 제어 냉음극 필드 방사 전자관들
을 포함하는 고전압 고전류 조절기 회로.
제1항에 있어서, 상기 제1 단자 및 상기 제2 단자 상에 존재하는 전압의 메인 주파수의 고조파들인 전압들의 생성을 감소시키기 위해서 고조파 감소 회로가 상기 제1 및 제2 제어 그리드들에 연결되는 고전압 고전류 조절기 회로.
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 주전류 운반 냉음극 필드 방사 전자관은 한 쌍의 백-투-백(back-to-back) 연결된 냉음극 필드 방사 전자관들을 포함하는 고전압 고전류 조절기 회로.
제3항에 있어서, 상기 백-투-백 연결된 냉음극 필드 방사 전자관들 각각은 원통형 지오메트리의 주전류 운반 전극들을 갖는 고전압 고전류 조절기 회로.
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 주전류 운반 냉음극 필드 방사 전자관은, 제1 및 제2 캐쓰애노드들(cathanodes) 및 각각 연관된 제1 및 제2 제어 그리드들을 갖는 단일 냉음극 필드 방사 전자관을 포함하는 고전압 고전류 조절기 회로.
제5항에 있어서, 상기 단일 냉음극 필드 방사 전자관은 원통형 지오메트리의 캐쓰애노드들을 갖는 고전압 고전류 조절기 회로.
제1항에 있어서, 상기 양방향 전류 조절 회로는, 상기 양방향 전류 조절 회로가 회로 차단기로서 사용될 수 있도록, 요구되는 경우에 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이의 전류를 연속적인 아날로그 기능(continuous analog function)으로 제로값으로 조절하도록 설계되는 고전압 고전류 조절기 회로.
제1항에 있어서, 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이에 삽입된 전압 클램핑 회로를 더 포함하고,
상기 전압 클램핑 회로는,
a) 적어도 하나의 냉음극 필드 방사 전자관을 포함하는 양방향 전압 클램프 - 상기 양방향 전압 클램프는 임계 동작 전압을 갖고, 제1 및 제2 제어 그리드들은 상기 적어도 하나의 냉음극 필드 방사 전자관과 연관되며, 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이의 주전류 전도 경로에서 전압을 변조하기 위한 각각의 제어 신호들을 수용함 -; 및
b) 상기 임계 동작 전압을 설정하기 위해서 상기 제1 및 제2 제어 그리드들을 통해 상기 전압 클램프를 바이어싱하기 위한 회로
를 포함하는 고전압 고전류 조절기 회로.
제8항에 있어서, 상기 주전류 전도 경로 상에서, 과도 전압(voltage transients)을 상기 조절기 회로의 상기 임계 동작 전압보다 아래로 억제하기 위한 하나 이상의 저역 통과 필터들을 더 포함하는 고전압 고전류 조절기 회로.
제1항의 고전압 고전류 조절기 회로를 사용하는 방법으로서,
a) 상기 양방향 전류 조절 회로는 전력 그리드의 전류 운반 컨덕터에 삽입되고;
b) 상기 양방향 전류 조절 회로는 상기 전력 그리드에서 과전류 상태(over-current condition)를 제거하도록 구성되는 방법.
제1항의 고전압 고전류 조절기 회로를 사용하는 방법으로서,
a) 상기 양방향 전류 조절 회로는 전력 그리드의 전류 운반 컨덕터에 삽입되고;
b) 상기 전력 그리드는, 전기 전송 라인들 상의 전압이 대략 일정하도록 조절되며;
c) 상기 양방향 전류 조절 회로는 상기 전류 운반 컨덕터를 통해 전력의 흐름을 제어하도록 구성되는 방법.
제1항의 고전압 고전류 조절기 회로를 사용하는 방법으로서,
a) 상기 양방향 전류 조절 회로는 전력 그리드의 전기 장비의 와이 연결된(Wye-connected) 권선의 그라운드 레그(ground leg)에 삽입되고;
b) DC-AC 미분기 회로는 상기 그라운드 레그에서 AC와 DC 또는 의사-DC 신호들을 구별하고, 바람직하지 않은 AC 과도 신호의 존재 동안에 전류 조절기 기능이 바이패스되게 하기 위한 제어 신호를 생성하며;
c) 상기 DC-AC 미분기 회로는, 상기 전기 장비에 대한 손상을 방지하도록 상기 그라운드 레그에서의 지자기 유도 전류들(geomagnetically-induced currents)의 존재 시에 전류 조절기 기능을 가능하게 하는 방법.
외부 회로에 연결되는 제1 단자와 제2 단자 사이에 삽입된 전압 클램핑 회로로서,
a) 적어도 하나의 냉음극 필드 방사 전자관을 포함하는 양방향 전압 클램프 - 상기 양방향 전압 클램프는 임계 동작 전압을 갖고, 제1 및 제2 제어 그리드들은 상기 적어도 하나의 냉음극 필드 방사 전자관과 연관되며, 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이의 주전류 전도 경로에서 전압을 변조하기 위한 각각의 제어 신호들을 수용함 -; 및
b) 상기 임계 동작 전압을 설정하기 위해서 상기 제1 및 제2 제어 그리드들을 통해 상기 전압 클램프를 바이어싱하기 위한 회로
를 포함하는 전압 클램핑 회로.
제13항에 있어서, 상기 주전류 전도 경로 상에서, 과도 전압을 상기 조절기 회로의 상기 임계 동작 전압보다 아래로 억제하기 위한 하나 이상의 저역 통과 필터들을 더 포함하는 전압 클램핑 회로.
고전압 고전류 진공 집적 회로로서,
a) 공통 진공 인클로저; 및
b) 적어도 2개의 냉음극 필드 방사 전자관들 - 상기 전자관들은 고전압 및 고전류에서 동작하도록 구성되며, 회로 기능을 구현하도록 서로 상호연결됨 -
을 포함하고,
상기 공통 진공 인클로저는,
i) 적어도 하나의 내부 진공 펌핑 수단,
ii) 상기 진공 인클로저를 진공화하고, 그 후에 적어도 하나의 외부 진공 펌프로부터 상기 진공 인클로저를 밀봉 및 분리하기 위한 적어도 하나의 배출 관상부(exhaust tubulation),
iii) 상기 진공 인클로저로부터 전기적 컨덕터들을 전기적으로 절연시키고 진공 밀봉을 유지하면서, 상기 전기적 컨덕터들을 상기 진공 인클로저의 외부로부터 상기 진공 인클로저의 내부로 통과시키는 진공 밀봉되며 전기적 절연된 피드스루들(feedthroughs), 및
iv) 상기 진공 인클로저에 대한 전체 크기 요건을 최소화하고, 내부 전기적 단락들을 방지하기 위한 내부 전기적 절연물
을 포함하는 고전압 고전류 진공 집적 회로.
제13항에 있어서, 상기 진공 인클로저에는, 상기 전자관들 내의 각각의 전자 빔들과의 해로운 간섭이 상기 진공 인클로저의 외부의 자계들로부터 발생하는 것을 방지하기 위한 하나 이상의 자기적 실드들(magnetic shields)이 제공되는 고전압 고전류 진공 집적 회로.
제13항에 있어서, 상기 진공 인클로저에는, 상기 전자관들 중 하나 이상의 전자관에 의해 생성된 자계들로부터 또는 상기 진공 인클로저 내의 다른 전기적 구성요소들로부터의 상기 전자관들 내의 해로운 간섭을 방지하기 위한 하나 이상의 내부 자기적 실드들이 제공되는 고전압 고전류 진공 집적 회로.
제16항에 있어서, 상기 내부 자기적 실드들 중 하나 이상의 내부 자기적 실드들은 상기 실드들의 부분들이 각각의 전기적 절연 재료들에 의해 커버되게 함으로써 전기적으로 절연되는 고전압 고전류 진공 집적 회로.
제13항에 있어서, 상기 하나 이상의 자기적 실드들은 상기 진공 인클로저 내의 하나 이상의 물리적 요소들에 대해 기계적 지지를 제공하는 고전압 고전류 진공 집적 회로.
제13항에 있어서, 상기 진공 인클로저에는, 동작 동안에 진공 레벨을 유지하기 위한 외부 진공 펌핑 수단이 제공되는 고전압 고전류 진공 집적 회로.
제18항에 있어서, 상기 하나 이상의 내부 자기적 실드들 각각은 얇은 자기적 재료를 포함하는 고전압 고전류 진공 집적 회로.
제21항에 있어서, 진공 컨덕턴스를 개선하며 압력 균등화를 제공하기 위한 상기 하나 이상의 내부 자기적 실드들의 관통부들(penetrations) 각각은,
a) 자기적 실드 재료를 포함하는 중공(hollow) 관형 구성요소를 포함하고,
b) 상기 중공 관형 구성요소는 그 내부 직경 대 그 길이의 종횡비(aspect ratio)가 1 대 4 또는 그 이상이고;
c) 상기 자기적 실드 재료는 진공 그레이드 내화 유전체(vacuum-grade refractory dielectric)로 절연되며;
d) 상기 중공 관형 구성요소는 상기 자기적 실드 재료 상의 상기 진공 그레이드 내화 유전체로 연속 방식으로(in a contiguous fashion) 전기적으로 절연되는 고전압 고전류 진공 집적 회로.
제18항에 있어서, 상기 하나 이상의 내부 자기적 실드들 각각은, 연관된 전기적 절연 재료에서 분산되며 완전(fully) 유전체 내화 층으로 오버코팅되는 미립자 형태의 자기적 재료를 포함하는 고전압 고전류 진공 집적 회로.