KR20160149341A - 양 방향 펄스전원장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양 방향 펄스전원장치에 관한 것으로서, 펄스전압의 상승과 하강 속도가 빠르고 양 방향 펄스전압의 주파수가 수 kHz에서 수 백 kHz까지 가변되며, +방향, -방향의 펄스전압의 펄스 크기 및 폭을 가변할 수 있는 양 방향 펄스전원장치에 관한 것이다.
본 발명의 양 방향 펄스전원장치에 있어서, 직류 전원부와, 복수 개의 반도체 스위치 및 커패시터를 포함하여 구성하며 직류 전원부로부터 공급되는 전압을 커패시터에 충전하고 방전하도록 하여 출력 펄스전압을 생성하는 펄스 변조부와, 반도체 스위치에 바이어스 전원을 독립적으로 공급하는 바이어스 전원부 및 직류 전원부, 펄스 변조부, 바이어스 전원부를 제어하는 제어부를 포함하되, 직류 전원부는 2개의 커패시터에 전압을 각각 독립적으로 공급하는 것을 특징으로 하는 양 방향 펄스전원장치를 포함함에 기술적 특징이 있다.

Description

양 방향 펄스전원장치{Pulse power supply apparatus for providing bi-directional high voltage pulse}

본 발명은 양 방향 펄스전원장치에 관한 것으로서, 펄스전압의 상승과 하강 속도가 빠르고 양 방향 펄스전압의 주파수가 수 kHz에서 수 백 kHz까지 가변되며, +방향, -방향의 펄스전압의 펄스 크기 및 폭을 가변할 수 있는 양 방향 펄스전원장치에 관한 것이다.

일반적으로 펄스전원장치는 반도체 공정기술의 발달로 전력반도체의 성능향상과 단가가 낮아지면서 고가의 기체 방전 스위치 대신에 전력반도체를 통해서 고전압/고전류 스위칭을 구현하는 기술들이 시도되어 왔는데, 이러한 펄스전원장치는 인덕터와 커패시터로 구성된 펄스 구성회로의 커패시터에 전압을 충전하고 이 회로를 통하여 커패시터 전압을 방전하여 출력 펄스전압을 얻는 방식을 사용하고 있다.

하지만, 이러한 방식은 펄스전압의 폭이 고정되어있으며 상승하강 속도가 수 uS가 되므로, 짧은 상승하강 속도를 필요로 하는 공정에 적합한 펄스전압을 만들어 내는데 어려움이 있다.

종래기술인 대한민국 등록특허공보 10-0820171 "반도체를 이용한 펄스전원장치"는 서로 직렬로 연결된 반도체 스위치, 충전 커패시터, 다이오드 등을 포함하는 복수의 파워 셀들이 상기 반도체 스위치 간 직렬로 연결되어 이루어진 복수의 파워 스테이지를 구성하고, 전체 반도체 스위치가 직렬로 연결되도록 상기 파워 스테이지 간에도 직렬로 연결되도록 구성함으로써, 고전압 펄스의 제어가 가능하도록 하는 반도체를 이용한 펄스전원장치에 관하여 기재되어 있다.

하지만, 반도체 스위치를 사용한 전원도 한 개의 스위치를 이용하여 단 방향 펄스전압만을 출력하므로 양 방향 펄스전압을 필요로 하는 공정장비에는 적용할 수 없는 문제점이 있다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 펄스전원장치의 출력을 단순히 반도체 스위치의 개폐로 조정하는 것이 아니라, 펄스전압의 상승과 하강 속도가 빠르고 양 방향 펄스전압의 주파수가 수 kHz에서 수 백 kHz까지 가변되며, +방향, -방향의 양 방향 펄스전압의 펄스 크기, 주파수 및 폭을 가변하도록 하기 위한 목적이 있다.

또한, 범용 반도체 스위칭 소자를 이용하여 고전압을 고속으로 스위칭할 수 있는 반도체 스위치를 개발하기 위한 다른 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 양 방향 펄스전원장치에 있어서, 직류 전원부와, 복수 개의 반도체 스위치 및 커패시터를 포함하여 구성하며 상기 직류 전원부로부터 공급되는 전압을 상기 커패시터에 충전하고 방전하도록 하여 출력 펄스전압을 생성하는 펄스 변조부와, 상기 반도체 스위치에 바이어스 전원을 독립적으로 공급하는 바이어스 전원부 및 상기 직류 전원부, 상기 펄스 변조부, 상기 바이어스 전원부를 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 직류 전원부는 2개의 상기 커패시터에 전압을 각각 독립적으로 공급하는 것을 특징으로 하는 양 방향 펄스전원장치에 의해 달성된다.

따라서, 본 발명의 양 방향 펄스전원장치는 +, - 양 방향의 구형파 펄스전압을 구현함으로써 펄스전압의 상승과 하강 속도가 빠르고 양 방향 펄스전압의 주파수가 수 kHz에서 수 백 kHz까지 가변 되며, 입력되는 양 방향 전압의 크기를 독립적으로 제어함으로써 +방향, -방향의 펄스전압의 펄스 크기, 주파수 및 폭을 가변할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 범용 반도체 스위칭 소자를 이용하여 고전압을 고속으로 스위칭할 수 있는 반도체 스위치에 관한 것으로, 사용전압에 따라 직렬연결하는 스위칭 소자의 수를 가변함으로써 유연하게 대처할 수 있는 다른 효과가 있다.

이러한 반도체 스위치의 구성은 상승 하강속도가 빠른 구형파 펄스전원을 만드는데 필수적이며, 광 신호를 사용하여 수백 kHz의 고전압 펄스 생성이 가능하며, 게이트 구동신호를 자유롭게 가변할 수 있으므로 다양한 형태의 펄스전원장치의 구성이 가능하고, 범용 반도체를 사용하므로 제품의 가격이 저렴해지며 유지 보수가 용이한 또 다른 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 양 방향 펄스전원장치의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 양 방향 펄스전원장치의 상세도,
도 3은 본 발명에 따른 양 방향 펄스전원장치의 펄스 변조부의 상세도,
도 4는 본 발명에 따른 양 방향 펄스전원장치의 반도체 스위치의 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 양 방향 펄스전원장치의 고속 차단회로의 상세도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양 방향 펄스전원장치의 출력 펄스전압을 나타내는 예시도이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 양 방향 펄스전원장치의 구성도이며, 도 2는 본 발명에 따른 양 방향 펄스전원장치의 상세도이다. 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 양 방향 펄스전원장치는 직류 전원부(100), 펄스 변조부(200), 바이어스 전원부(300) 및 제어부(400)를 포함하여 구성된다.

직류 전원부(100)는 상기 펄스 변조부(200)의 2 개의 커패시터에 직류 전원을 각각 독립적으로 공급하는데, 이때 각 커패시터의 전압은 서로 반대의 극성을 가지도록 하며 상기 제어부(400)의 설정 전압에 따라 상기 직류 전원부(100)에 의해 독립적으로 공급된다.

펄스 변조부(200)는 직렬 연결형의 고전압 반도체 스위치를 적용하였는데, 1200 V 범용 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor, 절연 게이트 양극성 반도체), FET(field effect transistor, 전계 효과 트랜지스터) 등의 반도체 스위칭 소자를 직렬로 연결하여 구성하였다.

도 3은 본 발명에 따른 양 방향 펄스전원장치의 펄스 변조부의 상세도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 펄스 변조부(200)는 복수 개의 반도체 스위치(210), 복수 개의 커패시터 및 트리거모듈(220)을 포함하여 구성하며, 상기 직류 전원부(100)로부터 공급받은 직류 전원을 상기 커패시터에 충전하고 상기 커패시터의 충전전압을 방전하도록 조절하면서 원하는 출력 펄스전압을 생성하도록 한다.

즉, 상기 제어부(400)의 제어신호에 따라 상기 트리거모듈(220)을 통하여 상기 반도체 스위치(210) 각각의 개폐 시간 및 순서를 조절함으로써, 출력되는 펄스 전압의 크기, 주파수 및 펄스 폭 중 어느 하나 이상을 가변할 수 있도록 한다.

도 4는 본 발명에 따른 양 방향 펄스전원장치의 반도체 스위치의 구성도이다. 도 4에 도시된 바와 같이 상기 펄스 변조부(200)를 구성하는 4개의 반도체 스위치(210)인 QA 내지 QD는 각각 직렬로 연결되는 1 ~ n 개의 스위칭소자(211)를 포함하도록 구성하여 수 십 kV의 고전압을 스위칭하도록 한다.

스위칭소자(211)는 각각 독립된 광소자 구동회로(212), 바이어스 구동회로(213) 및 게이트 구동회로(214)를 포함하여 구성한다.

상기 스위칭소자(211)는 상기 바이어스 전원부(300)로부터 공급되는 게이트 전원을 상기 바이어스 구동회로(213)를 통해 공급받는데, 상세하게는 TR1 ~ TRn 개의 고주파 변압기의 1차 측에 100 kHz의 고주파 전류를 흘림으로써 게이트 전원을 독립적으로 공급받도록 하며, 이때 상기 변압기의 1, 2차 간은 10 kV 이상의 절연 내력을 가지도록 하여 2차 측 회로에 고전압의 인가 시 1차 측 회로가 손상을 입지 않도록 하였다.

또한, 상기 스위칭소자(211)는 상기 제어부(400)로부터 게이트 제어신호를 공급받게 되는데, 상세하게는 고전압의 상기 반도체 스위치(210)를 구동하기 위하여 OPT1 ~ OPTn 개의 광소자를 직렬로 구동하는 상기 광소자 구동회로(212)를 통하여 광신호를 발생하여 상기 게이트 구동회로(214)에서 게이트 제어신호를 공급받도록 한다.

한편, 상기 광소자 구동회로(212)는 각각의 스위치 개폐 시 각 게이트 제어신호가 각 스위치의 고속 직렬구동에 필요한 시간인 10 nS 이내의 Time Jitter를 갖도록 하며, 광신호를 사용하므로 전기적으로 절연되며 고속으로 정확한 스위칭이 가능하도록 하였다.

한편, 상기 스위칭소자(211)의 스위칭 속도를 높이기 위하여 ±18 V의 양 전압을 공급하고 스위치 Turn OFF 시 (-) 전압을 인가하여 게이트 충전 전하를 고속으로 방전시키도록 한다.

바이어스 전원부(300)는 직렬로 연결되는 각각의 상기 반도체 스위치(210)를 독립적으로 동작시키기 위한 바이어스 구동전원을 상기의 바이어스 구동회로(213)에 공급한다.

제어부(400)는 상기 직류 전원부(100), 상기 펄스 변조부(200) 및 상기 바이어스 전원부(300)를 제어하도록 하는데, 원하는 펄스전압의 크기, 주파수 및 각 구간의 펄스 폭을 설정하여 제어한다.

즉, 상기 제어부(400)는 상기 펄스 변조부(200)를 구성하는 각 반도체 스위치(210)를 구동하기 위해 상기 광소자 구동회로(212)를 통해 광신호 처리하여 동기화된 게이트 제어신호를 상기 게이트 구동회로(214)에 제공하며, 상기 바이어스 전원부(300)로부터 공급되는 바이어스 구동전원은 상기 게이트 구동회로(214)의 노이즈 영향을 최소화하고 고 전압으로부터 회로 보호를 위해 분리된 변압기를 통해 공급하도록 한다.

한편, 상기 제어부(400)는 컴퓨터 또는 스마트기기와 연결하여 장비의 운전 조건 및 장비 상태에 관한 정보를 통신하도록 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양 방향 펄스전원장치의 고속 차단회로의 상세도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 펄스 변조부(200)에 충전 단의 상기 커패시터에 되돌아오는 전류를 감시하여 단락 전류에 도달하면 상기 광소자 구동회로(212)의 광신호에 관계없이 상기 반도체 스위치(210)의 구동을 1.2 μS 이내에 차단함으로써 상기 반도체 스위치(210)와 부하를 동시에 보호하도록 하는 고속 차단회로를 구성하였다.

상세하게는, 전류 변환기(CT)로부터 부하전류를 계측하고 계측된 전류의 값이 전압으로 환산되어 제너 다이오드(zener diode) CR15에 직렬로 가해지는데, 이때 상기 CR15의 제너 전압을 넘어서면 포토 커플러(photo coupler) ISO1을 활성화시켜 이 출력이 U1 게이트의 3번 입력을 트리거(trigger)하여 U1 게이트의 출력 신호를 LOW로 만들게 되고, 이 신호는 반도체 스위치(210)의 광 구동신호를 제어하는 U3 게이트의 입력으로 연결되어 외부 입력 신호인 상기 광소자 구동회로(212)의 광 신호를 무시하고 U3 게이트의 출력을 즉시 OFF 하게 된다. 따라서 상기 반도체 스위치(210)의 제어신호는 모두 OFF 되어 부하 단락시 스위치를 안전하게 보호하도록 한다.

도 6은 본 발명에 따른 양 방향 펄스전원장치의 출력 펄스전압을 나타내는 예시도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 2개의 커패시터 CA, CB에 충전되는 전압을 원하는 구형파 펄스전압으로 부하에 출력하기 위하여 QA ~ QD까지 4조의 반도체 스위치(210)를 이용한다.

상기 제어부(400)에 의해 가변되는 설정전압이 CA에는 (-)전압, CB 에는 (+)전압이 충전되도록 한다. 이때 CA, CA에 충전되는 전압은, 예를 들어 커패시터 CA에는 -8 kV가 커패시터 CB에는 +1 kV의 전압이 걸리도록 하여, 서로 반대의 극성을 가지며 상기 직류전원부(100)에 의해 각각 독립적으로 공급되도록 제어된다.

출력되는 펄스전압의 1 주기(T)는 T1 ~ T4 까지의 시간으로 구성되며, 상세하게는 1) T1 시간 동안 QA는 ON, QB, QC, QD는 OFF 상태를 유지하도록 하여, 커패시터 CA에 충전된 (-)전압을 부하 측에 출력한다. 2) 다음으로 T2 시간 동안에는 QA, QC, QD를 OFF시키고 QB를 ON시켜 부하와 고 전압부의 부유용량에 충전된 전압을 방전시킨다. 3) 다음으로 T3 시간 동안에는 QA, QD를 OFF하고 QB,QC를 ON시켜 (+)전압을 부하에 출력한다. 4) T4 시간에는 QA, QC를 OFF 시키고 QB, QD를 ON시켜 부하에 충전된 전압을 방전시킨다. 그리고 다음 주기(T)가 시작될 때까지 QA, QC는 OFF 상태로, QB, QD는 ON 상태를 유지시켜 부하 측의 전위를 접지 전위로 유지하도록 한다. 이러한 일련의 동작은 정밀하게 설계된 상기 제어부(400)의 Timing 회로에 의해 설정된 전압과 주파수 및 각 구간의 펄스 폭에 따라 제어된다.

이와 같이, (+), (-)의 독립된 전압을 커패시터에 충전시켜놓고 상기 반도체 스위치(210)를 이용하여 단속적으로 출력함으로써, 출력 펄스전압의 극성과 펄스 폭 및 주파수를 원하는 값으로 자유롭게 가변할 수 있게 된다.

또한, 입력되는 양 방향 전압의 크기를 독립적으로 제어함으로써 출력 펄스전압의 크기를 독립적으로 제어할 수 있게 된다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

100 : 직류 전원부 200 : 펄스 변조부
210 : 반도체 스위치 211 : 스위칭소자
212 : 광소자 구동회로 213 : 바이어스 구동회로
214 : 게이트 구동회로 220 : 트리거모듈
300 : 바이어스 전원부 400 : 제어부

Claims (8)

1. 양 방향 펄스전원장치에 있어서,
   직류 전원부;
   복수 개의 반도체 스위치 및 커패시터를 포함하여 구성하며 상기 직류 전원부로부터 공급되는 전압을 상기 커패시터에 충전하고 방전하도록 하여 출력 펄스전압을 생성하는 펄스 변조부;
   상기 반도체 스위치에 바이어스 전원을 독립적으로 공급하는 바이어스 전원부; 및
   상기 직류 전원부, 상기 펄스 변조부 및 상기 바이어스 전원부를 제어하는 제어부;
   를 포함하되,
   상기 직류 전원부는 2개의 상기 커패시터에 전압을 각각 독립적으로 공급하는 것을 특징으로 하는 양 방향 펄스전원장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 2개의 커패시터 충전 전압은 서로 반대의 극성을 가지며, 상기 제어부의 설정 전압에 따라 상기 직류 전원부에 의해 독립적으로 공급되는 것을 특징으로 하는 양 방향 펄스전원장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 펄스 변조부는 4개의 상기 반도체 스위치와 2개의 커패시터 및 트리거모듈을 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 양 방향 펄스전원장치.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 펄스 변조부는 상기 제어부의 제어신호에 따라 상기 트리거모듈을 통하여 상기 반도체 스위치의 개폐 시간 및 순서를 조절함으로써, 펄스전압의 크기, 주파수 및 폭 중 어느 하나 이상을 조절하는 것을 특징으로 하는 양 방향 펄스전원장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 반도체 스위치는 복수 개의 스위칭소자를 서로 직렬로 연결하여 고전압을 스위칭하도록 구성하고, 상기 각 스위칭소자에 고 절연내력을 가지는 고주파 변압기를 이용하여 게이트 전원을 독립적으로 공급하는 것을 특징으로 하는 양 방향 펄스전원장치.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 스위칭소자는 각각 독립된 광소자 구동회로, 바이어스 구동회로 및 게이트 구동회로를 갖는 것을 특징으로 하는 양 방향 펄스전원장치
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 광소자 구동회로는 고전압의 상기 반도체 스위치를 구동하기 위하여 광소자를 직렬로 구동하며, 각각의 상기 반도체 스위치 개폐 시 타임 지터(jitter)를 고속 직렬구동에 필요한 시간으로 줄이는 것을 특징으로 하는 양 방향 펄스전원장치.
   
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 펄스 변조부는 충전 단의 상기 커패시터에 되돌아오는 전류를 감시하여 단락 전류에 도달하면 상기 광소자 구동회로의 광신호에 관계없이 상기 반도체 스위치의 구동신호를 차단하도록 하는 고속 차단회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 양 방향 펄스전원장치.
   
   

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