KR20140127212A

KR20140127212A - 펄스 출력 제어용 설비 및 방법

Info

Publication number: KR20140127212A
Application number: KR1020147018779A
Authority: KR
Inventors: 야오홍 리우; 추안시앙 탕; 신쉬 얀; 웨이 쟈; 지앙준 가오; 진솅 리우; 웨이 잉; 씨잉 리우; 하오 쉬
Original assignee: 눅테크 컴퍼니 리미티드; 칭화대학교
Priority date: 2011-12-31
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2014-11-03
Also published as: JP5951042B2; EP2800273A1; EP2800273A4; JP2015505236A; US10340783B2; CN102545846B; CN102545846A; US20140320105A1; PL2800273T3; WO2013097298A1; EP2800273B1; KR101650315B1

Abstract

본 발명은 방전 시 직렬 연결되는 복수개의 방전 모듈, 상기 복수개의 방전 모듈에 대응되며 대응되는 방전 모듈이 ON 되도록 각자가 해당 대응되는 방전 모듈에 트리거 신호를 제공하는 복수개의 트리거, 상기 복수개의 방전 모듈을 순차적으로 지연하여 ON 되도록 트리거 신호를 제어하기 위한 제어 로직 모듈, 및 전압을 출력하기 위한 출력단을 포함하는 펄스 변조 전원을 제공한다.

Description

펄스 출력 제어용 설비 및 방법{ DEVICE AND METHOD FOR USE IN CONTROLLING PULSE OUTPUT}

본 발명은 펄스 출력 제어에 관한 것이며, 특히 펄스 출력 리딩 에지 제어에 관한 것이며, 구체적으로는 막스 발생기 원리를 이용한 솔리드 스테이트 펄스 변조 전원 중 출력 펄스 리딩 에지를 제어하는 것에 관한 것이다.

막스 발생기는 펄스 변조 전원을 실현하는 방법 중의 하나이며, 커패시티를 이용하여 병렬로 충전하고 직렬로 방전하는 장치이다. 막스 발생기는 나노초급의 좁은 펄스와 상당히 높은 펄스 주파수를 실현할 수 있다. 솔리드 스테이트 펄스 변조 전원은 솔리드 스테이트 스위치, 예를 들어 IGBT(절연 게이트 쌍극성 트랜지스터)로 펄스 변조를 진행하는 전원이다. 현재 직선 가속기에 응용되는 막스 발생기 원리를 이용한 솔리드 스테이트 펄스 변조 전원은 일반적으로 거의 다 각 IGBT를 동시에 트리거링하는 작동 방식을 적용하고 있다.

마그네트론을 부하로 하는 전원 시스템에 있어서, 마그네트론 자체의 임피던스 특성으로 인해, 마그네트론을 특정 펄스 전류에서 작동시키려면 펄스 리딩 에지 경사율이 특정수요를 만족시켜야 한다. 도 1은 펄스 리딩 에지 경사율이 수요를 만족할 때의 펄스 전류 파형을 보여주는 모식도이다. 도 2는 펄스 리딩 에지 경사율이 너무 클 때의 펄스 전류 파형을 보여주는 모식도이며, 도면에서와 같이, 펄스 탑부분에는 현저한 탑 폴(top fall) 현상이 존재한다. 도 3은 펄스 리딩 에지 경사율이 너무 작을 때 펄스 전류의 파형 모식도이며, 도면에서 나타낸 바와 같이, 펄스 탑부분에는 현저한 탑 라이즈(top rise) 현상이 존재한다. 또한 펄스 전류의 진폭이 변할 시, 펄스 전류 파형의 탑부분을 평탄하게 유지할 수 있는 펄스 리딩 에지의 경사율도 변화되며, 진폭이 커질수록, 필요로 하는 리딩 에지의 경사율은 더 크다.

펄스 탑부분이 평탄하지 않은 문제를 해결하기 위하여, 현재 통상의 해결 방법은 펄스 전원의 출력단에 인덕턴스를 직렬로 연결하는 것이다. 펄스 전류의 진폭을 조절해야 할 경우, 인덕턴스의 인덕턴스 양을 조절하는 것을 통해 임피던스와 매칭되는 목적을 이룰 수 있다. 이러한 방법의 단점은 펄스 전류 진폭을 빈번하게 조절해야 할 필요가 있을 시 인덕턴스 조절이 아주 번거로운 작업이 되며, 특히 듀얼 에너지 가속기 제품에 사용되는 솔리드 스테이트 펄스 변조 전원 인 경우, 펄스 전류 진폭은 각 펄스 주기에 따라 교차적으로 변화되기에, 인덕턴스 양을 조절하는 방법으로는 이러한 제품을 실현할 수 없는 단점이 있다.

따라서 마그네트론 부하에 더 잘 적응할 수 있도록 출력 펄스 리딩 에지를 비교적 편리하게 제어하는 것을 필요로 한다.

본 발명은 순차적으로 지연되는 트리거 신호를 통해 펄스 출력을 제어하기 위한 설비 및 방법을 제공한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 방전 시 직렬 연결되는 복수개의 방전 모듈, 상기 복수개의 방전 모듈에 대응되며,대응되는 방전 모듈이 ON 되도록 각자가 해당 대응되는 방전 모듈에 트리거 신호를 제공하는 복수개의 트리거, 상기 복수개의 방전 모듈이 순차적으로 지연되어 ON 되도록 트리거 신호를 제어하기 위한 제어 로직 모듈, 및 전압을 출력하기 위한 출력단을 포함하는 펄스 변조 전원을 제공한다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 방전 시 직렬 연결되는 복수개의 방전 모듈을 포함하는 펄스 변조 전원에서 펄스 출력을 제어하는 방법에 있어서, 상기 복수개의 방전 모듈이 순차적으로 ON 되도록 하는 상기 복수개의 방전 모듈에 순차적으로 지연되는 트리거 신호를 제공하는 단계, 및 방전 전압을 출력하는 단계를 포함하는 펄스 변조 전원에서 펄스 출력을 제어하는 방법을 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시예 중, 본 발명은 막스 발생기 원리를 이용한 솔리드 스테이트 펄스 변조 전원에 있어, 각 IGBT 모듈의 오픈 지연 시간을 조절하는 것을 통해, 양호한 펄스 출력 파형을 얻고자 한다.

본 발명을 이용시, 펄스 전원의 출력단에 하나의 인덕턴스을 직렬 연결하지 않고도 펄스 전류의 진폭을 조절할 수 있으며, 따라서 출력 펄스 리딩 에지 및 펄스 탑부분의 이그러짐에 대해 보다 편리하게 제어 및 조절할 수 있어, 마그네트론과 같은 부하에 더 잘 적응할 수 있다.

도 1은 펄스 리딩 에지 경사율이 수요를 만족할 때의 펄스 전류 파형을 보여주는 모식도이다.
도 2는 펄스 리딩 에지의 경사율이 너무 클 때 펄스 전류 파형을 보여주는 모식도이다.
도 3은 펄스 리딩 에지의 경사율이 너무 작을 때 펄스 전류 파형을 보여주는 모식도이다.
도 4는 종래 상용되는 막스 발생기를 이용한 솔리드 스테이트 펄스 변조 전원 원리를 보여주는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 막스 발생기를 이용한 솔리드 스테이트 펄스 전원을 보여주는 모식도이다.
도 6은 리딩 에지 제어가 없는 솔리드 스테이트 전원 트리거링 및 펄스 출력의 작동 타이밍을 보여주는 모식도이다.
도 7은 리딩 에지 제어 로직을 추가한 솔리드 스테이트 펄스 변조 전원 트리거링 및 펄스 출력의 작동 타이밍을 보여주는 모식도이다.
도 8은 도 7의 펄스 리딩 구간의 세부를 보여주는 모식도이다.

본 발명에서 도 1 내지 도 8은 단지 해당 특허 문서 중 본 발명 원리의 각종 실시예를 설명하는데 목적을 두며, 어떠한 방식으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 이해해서는 안된다. 본 기술분야의 당업자는 본 발명의 원리가 임의의 유형의 적합하게 배치된 설비 또는 시스템으로 실현할 수 있음을 이해해야 한다.

도 4는 종래 상용되는 막스 발생기를 이용한 솔리드 스테이트 펄스 변조 전원의 원리을 보여주는 모식도이다. 해당 도면 중, PS는 하이 파워 직류 정전압 전원이며, 솔리드 스테이트 펄스 변조 전원의 전력 공급 전원이며, 전원 전압은 Vin이다. M1~Mm는 m개의 IGBT 모듈 유닛이다. Trig(1)~ Trig(m)는 IGBT 모듈 그룹에 대응되는 트리거 신호이다. Vout는 솔리드 스테이트 펄스 변조 전원의 출력단 전압이다.

두차례 트리거링의 간격 기간 내에, PS는 충전 인덕턴스(L) 및 다이오드를 통해 IGBT 모듈 유닛의 캐퍼시티(C)에 대해 충전하며, 하나의 병렬 충전하는 캐퍼시티 어레이를 형성하고, 또한 다음 트리거링 전까지 캐퍼시티(C)의 전압이 Vin을 유지하도록 한다. 트리거링 시, 각 IGBT 모듈은 ON 되며, 모듈의 캐퍼시티(C)는 각 IGBT 모듈 유닛을 통해 하나의 직렬 연결 방전 회로를 형성하며, 이 때, 솔리드 스테이트 펄스 변조 전원의 출력 전압(Vout)=n* Vin이며, 그 중, n는 현재 시각에 ON 되는 IGBT 모듈의 수량이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 막스 발생기를 이용한 솔리드 스테이트 펄스 변조 전원을 보여주는 모식도이다. 도 5에서 나타낸 솔리드 스테이트 펄스 변조 전원은 도 4에서 나타낸 바와 같은 막스 발생기를 이용한 전형적인 솔리드 스테이트 펄스 변조 전원이며, 그 중, m개의 트리거(1) … 트리거(n), 트리거(n+1) …트리거(m)는 솔리드 스테이트 펄스 변조 전원에 트리거 신호(Trig1) … (Trign),(Trign+1)… (Trigm)를 제공한다. 트리거(1)~트리거(m)는 제어 로직 모듈의 제어를 받으며 제어 로직 모듈은 솔리드 스테이트 펄스 변조 전원 중의 m개의 IGBT 모듈 유닛이 순차적으로 지연되어 ON 되도록 트리거(1)~트리거(m)에서 생성되는 트리거 신호(Trig1)~ 트리거 신호(Trigm)를 제어한다.

트리거링 시, 막스 발생기를 이용한 솔리드 스테이트 펄스 변조 전원 중의 각 IGBT 모듈 유닛(M1)~ IGBT 모듈 유닛(Mm)은 각각 순차적으로 지연되는 트리거 신호(Trig1)~ 트리거 신호(Trigm)를 접수하여 순차적으로 지연되어 ON 된다. 이와 같이, 솔리드 스테이트 펄스 변조 전원의 출력단에서 하나의 계단형의 출력 리딩 에지 Vout가 생성된다. 전류 전송 네트워크의 여파 작용을 거쳐 마그네트론 부하단(미도시)에서는 매끄러운 출력(Vout')을 얻을 수 있다.

제어 로직 모듈은 트리거(1)~트리거(m)가 각각 지연되지 않은 Trig(1), …, △t(n-1) 지연된 Trig(n), △t(n) 지연된 Trig(n+1), …, △t(m-1) 지연된 Trig(m)를 출력하도록 트리거(1)~트리거(m)를 제어한다. 제어 로직 모듈은, 특정된 수요를 만족하는 펄스 리딩 에지 경사율을 얻도록 지연 시간 △t1~△t(m-1)의 각각의 크기를 제어할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 펄스 리딩 에지 경사율이 너무 클 때, 펄스 탑부분은 도 2에서 나타낸 현저한 탑 폴 현상이 발생한다. 이 때, 제어 로직 모듈은 경사율이 감소하는 펄스 출력의 펄스 리딩 에지를 얻도록 지연 시간 △t1~△t(m-1)을 증가시킨다. 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 있어서, 펄스 리딩 에지 경사율이 너무 작을 때, 펄스 톱부분에는 도 3에서 나타낸 현저한 탑 라이즈 현상이 발생한다. 이때, 제어 로직 모듈은 경사율이 증가하는 펄스 출력의 펄스 리딩 에지를 얻도록 지연 시간 △t1~△t(m-1)을 감소시킨다.

도 5에서 본 발명에 따른 솔리드 스테이트 펄스 변조 전원의 일 예를 설명하였지만, 도 5에 대해 여러가지 변형을 진행할 수 있다. 도 5에서 나타낸 막스 발생기를 이용한 솔리드 스테이트 펄스 변조 전원은 단지 펄스 변조를 실현하는 전원의 한가지 방식이다. 실제로, 본 발명은 임의의 트리거링을 이용한 솔리드 스테이트 펄스 변조 전원에 이용될 수 있다. 그 외, 솔리드 스테이트 펄스 변조 전원 중의 솔리드 스테이트 스위치는 IGBT(절연 게이트 쌍극성 트랜지스터)형 솔리드 스테이트 스위치에 한정되지 않고, 방전 시 직렬 연결되는 방전 모듈에 적합한 임의의 디바이스와 장치일 수 있다. 본 기술 분야의 당업자는 본 발명의 상세한 설명부분에 근거하여, 본 발명은 막스 발생기를 이용한 솔리드 스테이트 펄스 변조 전원 중의 펄스 리딩 에지 경사율을 조절하는데 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 임의의 직렬로 연결되어 방전하는 솔리드 스테이트 펄스 변조 전원 중 펄스 탑부분이 평탄하지 않은 문제도 해소할 수 있다는 것을 알 수 있다.

도 6은 리딩 에지 제어가 없는 솔리드 스테이트 펄스 변조 전원 트리거링 및 펄스 출력의 작동 타이밍도이다. 이러한 작동 패턴에서, 트리거 신호(Trig1)~ 트리거 신호(Trigm) 사이에 지연이 없을 때, 각 IGBT 모듈은 동시에 트리거링 되며, 동시에 ON 된다. 출력 전압의 상승 시간은 오직 IGBT 모듈 파라미터 및 출력회로 파라미터와 관련된다.

도 7은 리딩 에지 제어 로직을 추가한 솔리드 스테이트 펄스 변조 전원 트리거링 및 펄스 출력의 작동 타이밍을 나타내는 모식도이며, 도 8은 도 7의 펄스 선행 구간의 세부를 보여주는 모식도이다.

도 8에서 나타낸 바와 같이, 각 IGBT 모듈의 트리거 신호(Trign+1) …(Trigm)는 동시에 ON 되는 것이 아니라, 순차적으로 지연되어 ON 되며, 전원의 출력단에서 하나의 계단형 출력 리딩 에지 Vout가 생성되며, 전류 전송 네트워크의 여파 작용을 거쳐 마그네트론 부하단(미도시)에서는 매끄러운 출력(Vout')을 얻을 수 있다. 각 IGBT 트리거링의 지연 시간 △t1~△t(m-1)를 조절하는 것을 통해, Vout'의 리딩 에지 경사율을 변화시킬 수 있다.

이로부터 알 수 있다시피, 본 발명에서 제공하는 순차적으로 지연되는 트리거 신호를 통해 펄스 출력을 제어하기 위한 설비 및 방법은 펄스 전원 출력단에서 인덕턴스를 직렬 연결하는 것을 피하여, 직렬 연결된 인덕턴스가 초래하는 문제를 방지할 수 있다.

본 발명의 기본 구조를 나타내기 위하여 구조의 일부 구성을 설명하였지만, 본 기술분야의 당업자는 본 발명의 특허청구범위에 속하는 기타 변형도 가능하다는 것을 이해해야 한다. 본 발명은 현재 가장 실용적이고 바람직하다고 생각되는 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 공개된 실시예에 한정되지 않으며, 그 취지는 특허청구의 요지 및 범위 내의 각종 변경 및 등가의 방안을 포함하는데 있다.

Claims

방전 시 직렬 연결되는 복수개의 방전 모듈,
상기 복수개의 방전 모듈에 대응되며, 대응되는 방전 모듈이 ON 되도록 해당 대응되는 방전 모듈에 트리거 신호를 제공하는 복수개의 트리거,
상기 복수개의 방전 모듈이 순차적으로 지연되어 ON 되도록 트리거 신호를 제어하기 위한 제어 로직 모듈, 및
전압을 출력하기 위한 출력단을 포함하는 펄스 변조 전원.
제1항에 있어서,
상기 펄스 변조 전원이 막스 발생기를 이용한 펄스 변조 전원인 펄스 변조 전원.
제2항에 있어서,
상기 출력단에 계단형의 출력 리딩 에지가 생성되는 펄스 변조 전원.
제3항에 있어서,
상기 계단형의 출력 리딩 에지는 전류 전송 네트워크를 거쳐 매끈하게 되는 펄스 변조 전원.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방전 모듈은 IGBT 모듈인 펄스 변조 전원.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
펄스 탑부분에 탑 폴(top fall)이 나타날 때, 상기 지연을 증가시키는 펄스 변조 전원.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
펄스 탑부분에 탑 라이즈(top rise)가 나타날 때, 상기 지연을 감소시키는 펄스 변조 전원.
방전 시 직렬 연결되는 복수개의 방전 모듈을 포함하는 펄스 변조 전원 중 펄스 출력을 제어하는 방법에 있어서,
상기 복수개의 방전 모듈이 순차적으로 ON 되도록 상기 복수개의 방전 모듈에 순차적으로 지연되는 트리거 신호를 제공하는 단계, 및
방전 전압을 출력하는 단계를 포함하는 펄스 변조 전원 중 펄스 출력을 제어하는 방법.
제8항에 있어서,
상기 펄스 변조 전원은 막스 발생기를 이용한 펄스 변조 전원인 방법.
제9항에 있어서,
상기 출력단에 계단형의 출력 리딩 에지가 생성되는 방법.
제10항에 있어서,
상기 계단형의 출력 리딩 에지를 매끈하게 하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방전 모듈은 IGBT 모듈 인 방법.
제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
펄스 탑부분에 탑 폴이 나타날 때, 상기 지연을 증가시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
펄스 탑부분에 탑 라이즈가 나타날 때, 상기 지연을 감소시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.