KR20190038582A - 전기 펄스 발생기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 충전 구간 동안 DC 전압원 (30)에 의해 상기 발생기 (10)의 2 개의 전원 공급 단자에 전달되는 에너지를 저장하고, 방전 구간 동안 승압 변압기 (Ts)를 매개로 하여 상기 에너지를 상기 유전체-장벽 방전 장치 (20)에 전달하는 인덕터 (Lstock)를 포함하는 펄스 발생기 (10)에 관한 것으로서, 상기 발생기 (10)는
- 상기 발생기 (10)의 노드 N 에서 제 1 회로 (40) 와 제 2 회로 (50)가 직렬로 연결되는 배치부;
- 병렬로 연결된 2개의 분기(41, 42)를 포함하는 상기 제 1 회로 (40), 이 때, 2개의 분기 중 하나 (41)는 인덕터 (Lstock)를 포함하며, 다른 분기 (42)는 다이오드 (D1)와 변압기 (Ts)를 포함하며, 상기 보조 회로(Ts2)는 상기 유전체-장벽 방전 장치 (20)에 연결되며;
- 제어 스위치 (T1)를 구비하는 제 2 회로 (50)를 더 포함한다.

Description

전기 펄스 발생기
본 발명은 유전체-장벽 방전 장치에 전원을 공급하기 위한 전기 펄스 발생기에 관한 것이다.
유전체-장벽 방전은 특히, 플라즈마를 발생시키는 기술과 관련된다.
이와 관련하여, 도 1은 2 개의 전극 (2, 3) 사이에 배치된 가스 내에서 유전체-장벽 방전을 생성하는데 바람직한 장치 (1)의 예를 나타낸다 (다만, 유전체-장벽 방전을 생성하는 것은 도 1에 도시된 장치에 한정되는 것은 아니다). 여기에서, 장치 (1)는 2 개의 전극 (2, 3) 중 하나와 접촉하는 유전체 재료 (4)를 더 포함한다. 따라서, 항복 전압 (Vc)보다 큰 전압 (V)이 인가되는 가스가 2 개의 전극 (2, 3)에 노출되는 경우에, 유전체-장벽 방전이 나타날 수 있다. 그러나, 방전 과정에서, 절연성을 가지는 유전체 재료는 충전이 이루어지는 것을 차단하고, 2 개의 전극 (2, 3)에 의해 형성된 전기장에 대항하는 전기장을 생성함으로써, 방전 과정에 과도기적 특성을 제공한다. 이러한 과도기적 특성은 주변 온도에 가까운 온도, 그리고 대기압을 포함하는 광범위한 압력 하에서 다양하게 응용이 가능한 "열역학적 평형으로부터 이탈된(out of thermodynamic equilibrium)" 상태에서 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 한다. 특히, 이러한 플라즈마는 표면 처리, 물리-화학적 방법, 또는 빛을 방사하기 위해 사용될 수 있다. 당업자는 명세서의 마지막에 언급된 문헌 [1]에서 유전체-장벽 방전에 적용 가능한 잠재적인 방법에 대한 설명을 확인할 수 있을 것이다.
그러나, 유전체-장벽 방전을 생성하고 유지하기 위해서는, 가스의 항복 전압 (Vc)보다 큰 전압 (V)을 주기적으로 인가할 수 있는 발생기를 구현할 필요가 있다. 사실, 유전체-장벽 방전은 과도기적 현상의 특성을 가지기 때문에, 생성된 플라즈마가 평균적으로 안정한 상태가 될 수 있도록 이러한 방전이 주기적으로 재발생 되어야 한다.
또한, 유전체-장벽 방전에 정현파가 아닌 펄스파 (이하, 전기 펄스라 한다) 전압 (V)을 인가하는 방법에 관심이 높아지고 있다 (펄스 전압이라는 용어는 급격한 기울기의 상승 에지 및 하강 에지를 가지는 전압을 의미한다).
상세한 설명의 끝 부분에 언급된 문서 [2]는 주기적인 전기 펄스를 발생하기에 바람직한 발생기를 나타낸다. 문서 [2]는 유전체-장벽 방전 과정에서 커패시터의 방전을 통해 급격한 전압 펄스를 전송하고, 특정 회로가 방전 과정에서 소모되지 않은 에너지를 회복할 수 있도록 하는 초기의 토폴로지를 제시한다. 이러한 토폴로지를 통해 규칙적인 파형(regular wave form)을 생성하고 기생적인 진동을 제거할 수 있다.
그러나, 이러한 장치만으로는 충분하지 않다.
사실, 이러한 방전 과정에서 발생되는 상당한 전류는 회로의 기생 소자, 특히, 권선의 저항과 발생기의 누설 인덕턴스에 의해서만 제한된다. 이러한 소자는 제어하기가 어렵다.
또한, 제안하는 발생기는 동작 중에 스토리지 커패시터를 갑자기 유전체-장벽 방전에 접촉되도록 배치한다. 이는 피크 전류를 유지하기 위해 구성되는 전원 스위치를 통해서 상당한 피크 전류가 흐르도록 한다.
또한, 고전압 다이오드가 구비되는 에너지 회복 회로는 상당한 회복 전류가 흐를 수 있도록 이루어져야 한다. 이러한 고전압 다이오드는 고가의 소자이기 때문에 이를 사용하는데 제한이 있게 된다.
결국, 발생기는 일반적으로 방전 사이클 동안 상당한 전류가 흐르는 전원 스위치를 포함하기 때문에, 스위칭 과정에서 높은 손실이 야기된다. 이러한 스위칭 손실로 인해 스위치의 제어는 복잡하게 되고, 스위치의 크기가 증가하게 된다.
[2] EP0781078B1,
[1] U. Kogelschatz and al., "Dielectric-Barrier Discharges. Principle and Applications", Journal de Physique IV Colloque, 1997, 07 (C4), pp. C4-47-C4-66, [3] Electronics Engineer's Reference Book" published by F.F. Mazda, 2013 ISBN 1483161064, [4] Hubert Piquet, Sounil Bhosle, Rafael Diez, and Michael V. Erofeev, "Pulsed Current-Mode Supply of Dielectric Barrier Discharge Excilamps for the Control of the Radiated Ultraviolet Power", IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 38, no. 10, October 2010.
본 발명의 목적은 유전체-장벽 방전 장치에 전원을 공급하기 위한 전기 펄스 발생기를 제안하는 것이며, 이는 종래의 발생기에서 나타나는 스위칭 손실을 제한할 수 있도록 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 이들 구성 소자의 크기를 증가시키지 않으면서, 제조 비용이 산업의 요구 조건에 부합하는 소형 및 경량의 전기 펄스 발생기를 제공하는데 있다.
이에 따라, 본 발명의 목적은 부분적으로 유전체-장벽 방전 장치에 전원을 공급하는 전기 펄스 발생기에 관한 것으로서, 상기 발생기는 충전 구간 동안 DC 전압원에 의해 2 개의 전원 공급 단자에 전달되는 에너지를 저장하고, 방전 구간 동안 승압 변압기를 매개로 하여 상기 에너지를 상기 유전체-장벽 방전 장치에 전달하는 인덕터를 포함하되, 상기 발생기는 다음을 더 포함한다:
- 상기 발생기의 노드 N 에서 제 1 회로 와 제 2 회로가 직렬로 연결되는 배치부,
- 병렬로 연결된 2개의 분기(branch)를 포함하는 제 1 회로, 이 때, 2개의 분기 중 하나는 인덕터를 포함하며, 다른 분기는 애노드가 노드 N에 직렬로 연결되고, 캐소드가 상기 승압 변압기의 주 회로(primary circuit)에 연결되는 다이오드를 포함하며, 상기 승압 변압기의 보조 회로(secondary circuit)는 상기 유전체-장벽 방전 장치에 연결됨,
- 충전 및 방전 구간에 각각 폐쇄 제어 및 개방 제어가 이루어지는 제어 스위치를 포함하는 제 2 회로.
일 실시예에 따르면, 상기 제 2 회로는 상기 제어 스위치와 전기적으로 직렬 연결되고, 애노드를 통해 노드 N에 연결되는 다이오드를 더 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 승압 변압기는 자기 코어를 더 포함하고, 상기 전기 펄스 발생기는 상기 유전체-장벽 방전 장치를 더 포함하며, 상기 유전체-장벽 장치는 상기 유전체-장벽 방전 장치의 구동 전압 (VD)보다 큰 전압 (V)이 인가될 때 유전체-장벽 방전을 발생시키기에 바람직한 가스가 상기 장치에 형성됨으로써, 상기 유전체-장벽 방전은 미리 정해진 상기 구동 전압 (VD)에 의해 상기 자기 코어를 통해 자속의 제 1 변화를 발생시키고, 상기 자기 코어는 상기 자속의 제 1 변화보다 큰 자속의 변화가 통과할 때 자기적으로 포화되도록 구성된다.
일 실시예에 따르면, 상기 발생기는 제어 스위치의 개방 및 폐쇄를 제어하기 위한 제어 신호 (Sc)를 생성하기에 바람직한 제어 모듈을 더 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 제어 모듈은 상기 인덕터를 흐르는 전류 (Istock)와 기준 전류 (Iref)의 비교 수단을 포함하며, 상기 제어 모듈의 제어 신호는 전류 Istock 이 전류 Iref 보다 큰 경우에, 상기 제어 스위치의 개방을 제어한다.
일 실시예에 따르면, 상기 비교 수단은 제 1 비교기를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 제어 모듈은 제어 신호 (Sc)를 상기 제어 스위치에 전송하기 위하여 출력 Sc 를 구성하는 플립-플롭 (D)을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 제어 모듈은 외부 제어 신호가 수신되는 경우에 상기 제어 스위치의 폐쇄를 위한 제어 신호 (Sc)를 생성하는 것이 더욱 바람직하며, 바람직하게는 상기 외부 제어 신호는 타임 슬롯을 가지는 클럭 신호 (H1)이고, 상기 폐쇄를 위한 제어 신호 (Sc)는 상기 클럭 신호 (H1)의 각 상승 에지에서 발생된다.
일 실시예에 따르면, 상기 외부 제어 신호는 상기 플립-플롭 (D)의 입력 C 로 인가되고, 상기 전류 Istock 과 상기 기준 전류 Iref 의 비교값은 상기 플립-플롭 (D)의 입력 D 와 RST # 으로 인가된다.
일 실시예에 따르면, 상기 제어 모듈은 상기 노드 N 에서의 전압 부호 결정 수단을 더 포함하며, 상기 제어 모듈은 상기 노드 N 의 전압이 음의 값을 가지는 경우에, 상기 제어 스위치를 폐쇄하도록 제어하는 제어 신호 (Sc)를 생성하는 것이 바람직하다.
일 실시예에 따르면, 상기 전압 부호 결정 수단은 제 2 비교기이다.
일 실시예에 따르면, 상기 전압 부호 결정 수단은 플립-플롭 (D)의 입력 C에 연결되고, 상기 전압 부호 결정 수단은 상기 노드 N의 전압 V(ad1)이 음의 값을 가지는 경우에, 상기 플립-플롭 (D)의 입력 C에 하이 상태를 인가하는 것이 바람직하다.
일 실시예에 따르면, 상기 제어 모듈은 상기 전압 부호 결정 수단과 플립-플롭 (D)의 입력 C 사이에 내재되는 논리 OR 게이트를 포함하고, 상기 전압 부호 결정 수단의 출력은 상기 논리 OR 게이트의 입력에 연결되고, 점화 발생기가 상기 논리 OR 게이트의 제 2 입력에 연결되며, 상기 점화 발생기는 상기 논리 OR 게이트의 입력이 소위 말하는 "하이" 상태를 발생시키는 것이 바람직하다.
일 실시예에 따르면, 상기 제어 모듈은 상기 비교 수단과 상기 플립-플롭 (D)의 입력 D 사이에 내재된 논리 AND 게이트를 더 포함하고, 상기 논리 게이트는 상기 비교 수단으로부터 인가되는 제 1 입력 및 임의의 신호가 인가되는 제 2 입력을 포함하고, 상기 논리 AND 게이트는 상기 플립-플롭 (D)의 입력 D 에 신호를 인가하며, 상기 논리 AND 게이트는 상기 전류 Istock 이 상기 기준 전류 Iref 보다 크고, 상기 신호가 하이인 경우에, 상기 입력 D에 하이 신호를 인가하는 것이 바람직하며, 로우 ENABLE 신호는 상기 전기 펄스 발생기를 정지시킬 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 제한이 없는 실시예로서 본 발명에 따른 전기 펄스 발생기에 대한 이하의 설명에 따라 그 밖의 특징 및 효과가 제시될 것이다.
- 도 1은 본 발명에 따른 전기 펄스 발생기에 의해 인가될 수 있는 유전체-장벽 방전 장치를 개략적으로 도시한 도면이며,
- 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 펄스 발생기의 간단한 토폴로지를 나타낸 도면이며,
- 도 3(a), 3(b), 3(c) 및 3(d)는 본 발명에 따른 전기 펄스 발생기에 흐르는 전류 루프를 개략적으로 도시한 도면으로서, 특히 도 3(a), 3(b), 3(c) 및 3(d)는 각각 제 1, 제 2, 및 제 4 시퀀스에서의 전류 루프의 방향을 나타내며,
- 도 4(a)는 단일 펄스의 경우에, 본 발명에 따른 전기 펄스 발생기에서 4 개의 동작 시퀀스가 이루어지는 동안, 시간의 함수 (수평 축)로서 인덕터 (Lstock)를 통해 흐르는 전류의 강도 (수직 축)에 대한 디지털 시뮬레이션을 통해 얻은 그래프이며,
- 도 4(b)는 본 발명에 따른 전기 펄스 발생기로부터 유전체-장벽 방전 장치에 단일 펄스가 인가되는 경우에, 시간의 함수 (수평 축)로서 전압 V (dbd) (왼쪽 수직 축) 및 전류 I (dbd)의 강도 (오른쪽 수직 축)에 대한 디지털 시뮬레이션을 통해 얻은 그래프이며,
- 도 5(a)는 음의 전압 Vkd1 에 의해 제어 스위치 (T1)가 폐쇄된 상황에서, 시간의 함수로서 (자속은 상기 변압기의 자기 상태에 대한 지표에 해당함) 자기 코어를 포함하는 승압 변압기에서의 자속 (수직 축을 따라)의 변화를 나타낸 도면으로서,
Figure pct00001
sat 는 상기 변압기의 자기 코어에 대한 포화상태 흐름을 나타내며,
- 도 5(b)는 음의 전압 Vkd1 에 의해 제어 스위치 (T1)가 폐쇄된 상황에서, 다이오드 D1 을 흐르는 전압 Vkd1 과 전류의 변화를 나타낸 도면이며,
- 도 6(a)는 양의 전압 Vkd1 에 의해 제어 스위치 (T1)가 폐쇄된 상황에서, 시간의 함수로서 (자속은 상기 변압기의 자기 상태에 대한 지표에 해당함) 자기 코어를 포함하는 승압 변압기에서의 자속 (수직 축을 따라)의 변화를 나타낸 도면으로서,
Figure pct00002
sat 는 상기 변압기의 자기 코어에 대한 포화상태 흐름을 나타내며,
- 도 6(b)는 양의 전압 Vkd1 에 의해 제어 스위치 (T1)가 폐쇄된 상황에서, 다이오드 D1 을 흐르는 전압 Vkd1 과 전류 I(d1)의 변화를 나타낸 도면이며,
- 도 7은 제한 전류를 이용한 제어 전략에 따라, 상기 제어 스위치 (T1)를 제어하기 위한 제어 모듈의 토폴로지를 개략적으로 나타낸 도면이며,
- 도 8(a)는 제한 전류를 이용한 제어 전략의 경우에서, 본 발명에 따른 전기 펄스 발생기의 동작에 대한 디지털 시뮬레이션 그래프로서, 그래프는 시간의 함수 (수평 축)로서 인덕터 (Lstock) 를 통해 흐르는 전류 (Istock) (오른쪽 수직 축), 클럭 신호 (H1) (왼쪽 수직 축), 및 플립-플롭 (D) 에서 발생해서 제어 스위치 (T1)에 인가되는 제어 신호 (Sc)를 나타내며,
- 도 8(b)는 제한 전류를 이용한 제어 전략의 경우에서, 본 발명에 따른 전기 펄스 발생기의 동작에 대한 디지털 시뮬레이션 그래프로서, 그래프는 시간의 함수 (수평 축)로서 유전체-장벽 방전 장치를 통해 흐르는 전류 I(dbd) (오른쪽 수직 축)과, 상기 장치의 단자에서의 전압 V(dbd) 을 나타내며,
- 도 8(c)는 제한 전류를 이용한 제어 전략의 경우에서, 본 발명에 따른 전기 펄스 발생기의 실험 결과에 따른 그래프로서, 그래프는 시간의 함수 (수평 축)로서 유전체-장벽 방전 장치를 통해 흐르는 전류 I(dbd) (오른쪽 수직 축), 및 상기 장치의 단자에서의 전압 V(dbd) (왼쪽 수직 축)을 나타내며,
- 도 9는 최적의 전원 제어 전략에 따라 제어 스위치 (T1)를 제어하기 위한 제어 모듈의 토폴로지를 개략적으로 나타낸 도면이며,
- 도 10(a)는 최적의 전원 제어 전략의 상황에서, 본 발명에 따른 전기 펄스 발생기의 동작에 대한 디지털 시뮬레이션의 그래프로서, 그래프는 시간의 함수 (수평 축)로서 인덕터 Lstock (오른쪽 수직 축)를 흐르는 전류 Istock, 및 플립-플롭 (D)에서 발생되어 제어 스위치 (T1)에 인가되는 제어 신호 (Sc)를 나타내며,
- 도 10(b)는 최적의 전원 제어 전략의 상황에서, 본 발명에 따른 전기 펄스 발생기의 동작에 대한 디지털 시뮬레이션의 그래프로서, 그래프는 시간의 함수 (수평 축)로서 유전체-장벽 방전 장치를 통해 흐르는 전류 I(dbd) (오른쪽 수직 축), 및 상기 장치의 단자에서의 전압 V(dbd) (왼쪽 수직 축)을 나타내며,
- 도 10(c)는 최적의 전원 제어 전략의 상황에서, 본 발명에 따른 전기 펄스 발생기의 실험 결과에 따른 그래프로서, 그래프는 시간의 함수 (수평 축)로서 유전체-장벽 방전 장치를 통해 흐르는 전류 I(dbd) (오른쪽 수직 축), 및 상기 장치의 단자에서의 전압 V(dbd) (왼쪽 수직 축)을 나타내며,
- 도 11은 점화 신호 발생기의 예시를 나타내며,
- 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라, 인덕터 (Lstock)로부터 유전체-장벽 방전 장치로 전체 에너지를 전달하는 구조에서, 시간의 함수 (수평 축)로서 전류 Istock (수직 축) 의 변화를 나타낸 도면이다.
본 발명은 이하에서 유전체-장벽 방전 장치에 전원을 공급하기 위한 전기 펄스 발생기의 구현을 자세히 설명하도록 한다. 상세한 설명의 나머지 부분에서 상술하는 바와 같이, 본 발명에 따른 발생기는 충전 구간 동안 DC 전압원으로부터 공급되는 에너지를 저장하고, 승압 변압기를 매개로 하여 유전체-장벽 방전 장치에 펄스 형태의 에너지를 저장하기 위한 인덕터 (Lstock)를 포함한다. 또한, 특정 조건에서, 이러한 전기 펄스 발생기는 전원 스위치를 스위칭하지 않더라도 유전체-장벽 방전 장치에 의해 소모되지 않은 에너지를 회복할 수 있도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 전기 펄스 발생기 (10)를 개략적으로 나타내고 있다.
전기 펄스 발생기 (10)는 DC 전압원 (30)에 연결되는 2 개의 전원 공급 단자 (A, B)를 포함한다.
DC 전압원 (30)은 광범위한 전압의 범위, 예를 들어 10V 와 350V 사이의 전압을 커버할 수 있다.
특히, DC 전압원 (30)은 10V 와 50V 사이의 매우 낮은 전압원일 수 있다.
전기 펄스 발생기 (10)는 인덕터 (Lstock)를 포함한다. 인덕턴스라는 용어는 강자성 재료로 이루어진 코어의 둘레에 도전성 와이어가 권선 형태로 이루어진 코일을 의미한다.
전기 펄스 발생기 (10)는 주 회로 (Ts1) 및 보조 회로 (Ts2)를 구비하는 승압 변압기 (Ts)를 포함한다. 승압 변압기는 일반적으로 주 회로 (Ts1) 와 보조 회로 (Ts2) 가 주위에 권선된 자기 코어를 포함한다.
인덕턴스 (Lstock)는 충전 구간 동안 DC 전압원 (30)에서 공급된 에너지를 저장하고, 방전 구간 동안 승압 변압기 (Ts)를 매개로 하여 상기 에너지를 유전체-장벽 방전 장치 (20)에 전달하도록 구성된다. 따라서, 전기 펄스 발생기 (10)는 충전 구간과 방전 구간 사이에 전환을 위한 스위칭 수단을 더 포함한다. 따라서, 충전 구간 동안, 스위칭 수단은 DC 전압원 (30)에 의해 전달된 전압이 인덕터 (Lstock)의 단자에 인가되도록 폐쇄된다. 방전 구간 동안, 스위칭 수단은 인덕터 (Lstock)가 DC 전압원 (30)으로부터 차단되도록 개방된다. 따라서, 방전 구간 동안, 인덕터 (Lstock)는 주 회로 (Ts1)에 전류 I(d1)을 발생시킴으로써 (다시 말해서, 전류 루프는 인덕터 (Lstock)와 주 회로 (Ts1) 사이에 형성된다).저장된 에너지를 전달한다.
스위칭 수단은 제어 스위치 (T1)를 포함할 수 있으며, 보다 구체적으로 제어 스위치 (T1)는 전원 스위치, 예를 들어 절연 게이트형 전계 효과 트랜지스터 ("금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터", 또는 "MOSFET")일 수 있다.
전기 펄스 발생기 (10)는 또한 다이오드 D1 을 포함한다.
또한, 보조 회로 (Ts2)의 단자는 유전체-장벽 방전 장치 (20)의 단자에 전압 및/또는 전류를 인가하게 된다.
제한이 없는 실시예로서 제시된 전기 펄스 발생기 (10)의 구체적인 구성을 이하에서 설명하기로 한다.
전기 펄스 발생기 (10)는 노드 N의 레벨에서 전기적으로 직렬 연결되는 제 1 회로 (40) 및 제 2 회로 (50)를 포함한다.
제 1 회로 (40)는 전기 펄스 발생기 (10)의 노드 N 과 단자 A 에 각각 연결되는 두 개의 분기 (41, 42)를 포함한다.
제 1 회로 (40)는 스위칭 수단을 구비하지 않는 것이 바람직하다.
분기 41 은 인덕터 (Lstock) 을 포함한다.
분기 42 는 승압 변압기 (Ts)의 주 회로 (Ts)에 캐소드가 직렬로 연결되는 다이오드 D1 을 포함한다. 다이오드 D1 의 애노드는 노드 N 에 연결된다.
노드 N 및 단자 B 에 연결되는 제 2 회로 (50)는 제어 스위치 (T1)를 포함한다.
바람직하게, 제 2 회로 (50)는 제어 스위치 (T1)와 노드 N 사이에 내재되며, 제어 스위치 (T1)가 폐쇄 위치에 있는 경우에 제어 스위치 (T1)에 흐르는 전류의 방향을 결정하는 다이오드 D2를 더 포함할 수 있다. 전기 펄스 발생기 (10)가 "최적의 전원 전략"으로 지칭되는 전략에 따라 제어되는 경우에, 다이오드 D2 가 특히 바람직하다는 것을 아래에서 알 수 있을 것이다.
상세한 설명의 다른 부분에서 알 수 있는 바와 같이, 제 1 회로 (40)는 방전 구간 동안에만 동작한다. 이러한 방전 구간은 "종래 기술" 부분에서 기술된 바와 같이, 제 1 회로 (40)를 구성하는 소자에만 인가되는 전압과 전류에 상당한 변화를 야기한다. 특히, 자기 코어가 포화될 수 있는 경우에, 방전이 이루어지는 동안에 발생하는 피크 전류는 승압 변압기 (Ts)의 보조 회로 (Ts2)에 의해서만 유지될 수 있다. 사실상, 변압기 (Ts)의 자기 코어는 방전 구간 동안 포화되도록 구성될 수 있다. 따라서, 보조 회로 (Ts2)의 인덕터 값 (L2)이 감소하게 된다. 이는 주 회로 (Ts1)와 보조 회로 (Ts2) 사이에 유도되는 커플링의 적어도 일부를 손상시키는 결과를 가져온다. 따라서, 자기 코어가 포화될 수 있는 경우에, 방전 구간 동안 제어 스위치 (T1)를 통해 전류가 흐르지 않도록 하는 것이 특히 바람직하다. 이는 문서 [2]에서 기술된 장치와 관련해서 상당한 효과를 나타낸다.
포화상태의 자기 코어는 보조 회로 (Ts2)의 권선 방향에 따라 포화 자기장을 가지는 자기 코어를 의미한다.
포화 자기장은 자기 코어에서 형성될 수 있는 최대 자기장으로 정의된다.
유전체-장벽 방전 장치는 전압 VD 보다 큰 전압 V가 그 단자에 인가될 때, 유전체-장벽 방전을 발생시킬 수있다. 전압 VD 는 유전체 재료의 성질, 그 형태, 장치 (20) 내에서의 위치, 및 유전체-장벽 방전 장치에 포함된 가스의 항복 전압에 따라 달라진다. 전압 VD 는 유전체-장벽 방전 장치 (20)의 특성값이며, 상세한 설명의 끝 부분에서 언급한 문헌 [1]을 참조할 수 있는 당업자에게는 자명하다. 따라서, 전압 VD 는 유전체-장벽 방전 장치 (20)의 구동 전압에 해당한다.
따라서, 구동 전압 VD 는 유전체-장벽 방전 장치 (20)가 유전체-장벽 방전을 발생시킬 수 있는 값 이상의 전압으로 정의된다.
유전체-장벽 방전이 진행되는 동안, 자기 코어의 자기 상태 (즉, 코어 내부의 자기장)는 변경된다. 특히, 코어의 자기 상태는 유전체-장벽 방전이 발생함으로써 유전체-장벽 방전 장치의 단자 전압에 나타나는 자속의 변화에 따라 변경된다.
따라서, 자속의 변화는 유전체-장벽 방전 장치 (20)의 구동 전압 VD 에 의해 주어진다. 결과적으로, 구동 전압 VD 를 알면, 유전체-장벽 방전이 발생하는 시점에 상기 자기 코어가 자기적으로 포화되도록 승압 변압기의 자기 코어를 구성할 수 있게 된다.
전술한 사용 조건에서 포화될 수 있도록 자기 코어를 구성하기 위해, 특정의 자성 재료 (예를 들어, 페라이트 형태의 재료), 및/또는 상기 코어의 형태, 및/또는 상기 코어의 크기를 선택할 수 있다.
자기 코어가 유전체-장벽 방전 장치 (20)에 요구되는 사용 조건에서 포화될 수 있도록 하는 구성은 상기 자기 코어의 자성체 영역에 대한 조절을 포함할 수 있다.
이와 관련하여, 당업자는 상세한 설명의 끝 부분에 언급된 문헌 [3]에서 자기 코어의 구성에 필요한 모든 사항을 확인할 수 있을 것이다.
또한, 본 출원인은 수학식 1에서 정의된 자성체 영역 (Amin)보다 작은 자성체 영역 (A)을 가지는 자기 코어가 본 발명의 실시에 바람직할 것으로 인식 하였다 (즉, 전술한 사용 조건에서 포화될 수 있는 자기 코어를 얻을 수 있음).
Figure pct00003
(1)
여기에서, Ceq1 은 유전체-장벽 방전 장치의 유전체 재료에 대한 등가 커패시턴스이고, N1 은 승압 변압기 (Ts)의 주 회로 권선수이고, Imax 는 제 1 시퀀스의 마지막에 인덕터 Lstock 에 흐르는 전류이며 (Imax는 상세한 설명의 나머지 부분에서 정의하기로 함), Bsat 는 코어에서의 포화 자기장 값이다.
일반적으로, 승압 변압기의 자기 코어가 포화되는 것은 주 회로와 보조 회로 사이의 결합이 단절되기 때문에, 바람직하지 않은 결과이다.
본 발명의 구조에서, 이러한 결합의 단절은 유전체-장벽 방전 장치에서 소모되지 않는 에너지의 일부를 상기 유전체-장벽 방전 장치로 재전송할 수 있도록 한다.
따라서, 유전체-장벽 방전 장치의 단자 전압은 유전체-장벽 방전의 단자 전압이 특정 값으로부터 시작해서 포화되도록 구성된 변압기 (Ts)의 코어 내 자속을 증가시키게 된다.
또한, 유전체-장벽 방전 장치의 동작 조건에서 자기 코어가 포화될 수 있도록 상기 자기 코어의 크기를 감소시킬 수 있다.
도 3(a) 내지 3(d), 도 4(a) 및 도 4(b)와 관련하여, 단일 전기 펄스에 의한 전기 펄스 발생기 (10)의 4 개의 동작 시퀀스가 아래에 기술될 것이다. 이하의 상세한 설명에서는 전기 펄스 발생기가 다이오드 D2를 포함하고, 유전체-장벽 방전이 발생할 때 승압 변압기 (Ts)의 자기 코어가 자기적으로 포화되도록 구성된 경우를 나타낸다. 다시 말해서, 승압 변압기의 자기 코어는 유전체-장벽 방전 장치의 구동 전압 VD 에 의해 구성된다.
제 1 시퀀스 (도 3(a))는 인덕터 (Lstock)의 충전 구간에 해당한다. 이러한 제 1 시퀀스 동안, 제어 스위치 (T1) 는 시간 t1 동안 폐쇄된다. DC 전압원 (30)의 전압 Vs 는 인덕턴스 (Lstock) 에 인가된다. 그에 따라, 강도 Istock이 선형적으로 증가하는 전류 루프는 DC 전압원 (30), 인덕터 (Lstock), 다이오드 D2, 및 제어 스위치 (T1) 으로 형성되는 유닛 내부에 흐르게 된다 (도 4(a)).
시간 t1 이후에, 전류 Istock 은 Imax 값에 도달한다. 전기 펄스 발생기 (10)에서 발생되어야 하는 전압 및 전류의 파형에 대한 필요에 따라, 시간 t1 을 조절함으로써, Imax 값은 용이하게 조정될 수 있다. 결과적으로, 원하는 Imax 값에 따라 충전 시간 t1 을 설정하기만 함으로써, 광범위한 전압 값 Vs 의 범위 내에서 토폴로지를 적용할 수 있게 된다.
시간 t1 이후에, 제어 스위치 (T1)가 개방됨으로써 제 2 시퀀스 (도 3(b))가 시작된다. 제 2 시퀀스는 시간 t2 동안 지속된다. 이러한 제 2 시퀀스 동안, 인덕터 (Lstock)에 저장된 에너지는 공진에 의해 승압 변압기 (Ts)를 통하여 유전체-장벽 방전 장치 (20)로 전달된다. 유전체-장벽 방전 장치는 방전 공간이 가스로 채워진 커패시터와 같이 동작한다. 따라서, 저장된 에너지가 전달되는 동안, 단자 전압 V(dbd)는 정현파 부분을 따라 증가하는 것을 볼 수 있다 (도 4(b)).
바람직하게, 이러한 전압 V(dbd)의 증가율은 전류 Imax를 조절함으로써, 따라서 제어 스위치 (T1) 를 폐쇄하는 기간 (다시 말해서, 시간 t1) 동안에 제어될 수 있다.
유전체-장벽 방전 장치 (20)에 함유된 가스에 인가되는 전압이 상기 가스의 항복 전압 Vc (점화 전압이라고도 함)에 도달하면, 이온으로 분리되어 과도기적 방전이 발생한다. 유전체-장벽 방전 장치의 단자 전압은 유전체-장벽 방전의 특정 단자 전압 VD 로부터 시작해서 자기적으로 포화되도록 구성된 변압기 (Ts) 의 코어 내 자속이 증가되도록 하는데, 특정 전압 VD 는 가스의 항복 전압 (Vc)보다 큰 값을 가진다.
제 2 시퀀스의 종료 순간에, 인덕터 (Lstock)로부터 유전체-장벽 방전 장치로 전체 에너지가 전달되기 이전 또는 그 이후에, 승압 변압기 (Ts)의 자기 코어에 포화가 발생한다.
도 12는 인덕터 (Lstock)의 전체 에너지가 유전체-장벽 방전 장치 (20)에 전달되는 구조에서, 시간 함수 (수평 축)로서 전류 Istock 의 변화 (수직 축)를 나타낸다. 제 2 시퀀스의 종료 순간 (도 12의 S2 지점)에 전류 Istock 의 소멸을 분명하게 관찰할 수 있다.
그에 따라, 제 3 시퀀스는 승압 변압기 (Ts) 의 자기 코어가 포화됨으로써 시작된다. 전술한 바와 같이, 승압 변압기 (Ts) 의 자기 코어가 포화되는 경우, 보조 회로 (Ts2)의 인덕터 (L2)의 값이 감소된다 (변압기는 누설 인덕턴스로 변환된다). 이는 주 회로 (Ts1)와 보조 회로 (Ts2) 사이에 유도된 결합의 적어도 일부를 손상시키게 되고, 인덕터 (Lstock), 다이오드 D1 및 주 회로 (Ts1)에 의해 형성된 루프를 흐르는 전류가 자유롭게 순환하도록 한다.
이와 동시에, 유전체-장벽 방전 장치 (20)는 제 2 시퀀스 동안 상부로 전달된 저장 에너지의 적어도 일부를 소모하게 된다. 소모되지 않은 잔여 에너지는 유전체-장벽 방전 회로 (20)의 유전체 또는 복수 유전체의 표면에 전하의 형태로 저장되어 유지된다. 유전체-장벽 방전 장치 (20)는 (자기 코어의 포화로 인해) 보조 회로 (Ts2)에 의해 형성된 낮은 인덕턴스와 동시에 낮은 고유 주파수 쌍극자(eigenfrequency dipole)를 형성한다. 이 때, 잔여 에너지는 유전체-장벽 방전 장치 (20) 사이의 공진 방식에 의해, 시간 t3 동안 포화될 수 있는 승압 변압기 (Ts) 의 누설 인덕턴스로 전달된다. 그에 따라, 유전체-장벽 방전 장치 (20) 의 단자에서는 전압 V(dbd)의 급격하고 짧은 하강이 관찰된다 (도 3(c) 및 도 4(b)).
잔여 에너지가 누설 인덕턴스로 전달되는 경우, 상기 잔여 에너지 또한 공진에 의해 유전체-장벽 방전 회로 (20)로 재전송되어, 제 2 시퀀스에서 전달된 제 1 펄스와 반대의 극성을 가지는 제 2 전압 펄스가 유전체-장벽 방전 장치 (20)의 단자에 생성된다. 전압의 급격한 하강은 제 2 방전에 의해 나타나는데, 제 1 방전과 방향이 반대되는 피크 전류와 일치한다.
제 3 시퀀스 동안에 나타나는 자기 코어의 포화는 유전체-장벽 방전 장치 (20)의 단자에서 전압 V(dbd) 가 급격하게 감소되는 현상과 함께, 상기 장치 (20)의 전류 펄스 (피크 전류)의 진폭을 증가시킨다. 또한, 문헌 [2]에 기술된 장치와는 달리, 전류 피크는 오로지 보조 회로 (Ts2)와 유전체 방전 장치 (20) 사이에서만 흐르게 된다. 이들 소자들은 높은 강도의 과도기적 신호가 없더라도 유지될 수 있다. 특히, 전류 피크는 제어 스위치 (T1)를 통해서 흐르지 않기 때문에, 종래 기술에서 언급된 경우와 달리 이들 구성요소의 크기를 증가시킬 필요가 없다.
제 2 전압 펄스의 진폭은 (절대값에 있어서) 일반적으로 제 1 전압 펄스의 진폭보다 작다. 이러한 축소는 적어도 부분적으로 회로의 소모성 소자에 의한 것이다. 따라서, 제 2 전압 펄스의 낮은 진폭은 방전 과정에서 인덕터에 의해 전송된 에너지가 제대로 전달되었음을 나타낸다.
제 3 시퀀스 동안, 보조 회로 (Ts2) 및 유전체-장벽 방전 장치 (20)를 순환하는 전류의 방향은 승압 변압기 (Ts)의 자기 코어에 대한 포화 상태를 유지한다.
시간 t4 동안 이어지는 제 4 시퀀스에서, 에너지는 (절대값에 있어서) 제 2 전압 펄스의 최대값으로 유전체-장벽 방전 장치 (20)에 전체적으로 다시 저장된다. 유전체-장벽 방전 장치 (20)의 에너지는 공진에 의해 보조 회로 (Ts2)로 귀환된다. 그러나, 전류의 방향은 제 3 시퀀스에 대해 반전되어 있으므로 (도 3(d)), 자기 코어를 포화시키지 않으며 주 회로 (Ts1) 와 보조 회로 (Ts2) 회로 사이에 커플링을 다시 설정하게 된다.
공진에 의한 전달은 더 이상 유전체-장벽 방전 장치 (20)와 보조 회로 (Ts2) 사이에서 이루어지지 않고, (D1을 통해) 인덕터 (Lstock) 에 병렬로 연결된 주 회로 (Ts1) 와 상기 장치 (20) 사이에서 이루어진다. 따라서, 유전체-장벽 방전 장치 (20) 내부의 잔여 에너지는 포화될 수 있는 승압 변압기 (Ts) 와 인덕터 (Lstock) 사이에서 회복되고 분배된다.
제어 스위치 (T1)가 이후 다시 도통되지 않는 경우, 유전체-장벽 방전 장치 (20), 포화될 수있는 승압 변압기 (Ts), 및 인덕터 (Lstock) 사이에 공진이 계속된다. 유전체-장벽 방전 장치 (20)의 단자에서는 전압 V(dbd)의 진동이 나타난다. 일반적으로, 유전체-장벽 방전 장치의 단자 전압 V(dbd)의 진동 폭은 가스로부터 새로운 방전을 점화시키기에는 충분하지 않고, 소모성 기생 소자 (특히, 주 회로 (Ts1) 및 보조 회로 (Ts2)의 저항과 인덕터 (Lstock))로 인해 진동은 감쇄된다.
제어 스위치 (T1)를 폐쇄하기 위한 다양한 경우가 고려될 수 있다.
첫 번째 경우, 제어 스위치 (T1)는 전압 V(dbd)의 진동 완화 시간보다 긴 시간이 지난 후에 폐쇄될 수 있다. 이 경우, 시스템은 초기 상태가 되므로 이 때의 시퀀스는 시퀀스 1과 동일하게 된다.
두 번째 경우에, 제어 스위치 (T1)는 전압 V(dbd)의 진동 완화 이전에 폐쇄될 수 있다.
이 경우, 인덕터 (Lstock) 와 주 회로 (Ts1)에 흐르는 전류는 0이 아니다 (다이오드 D1는 도통 상태임). 다이오드 D1의 애노드와 캐소드는 각각 V(ad1) 및 V(kd1)의 전위를 가지며, Vs 를 중심으로 진동하고 수렴한다.
따라서, 제어 스위치 (T1)가 폐쇄된 상태에서, 전위 V(kd1)는 양의 값 또는 음의 값을 가진다.
제어 스위치 (T1)가 폐쇄된 시점에 V(kd1)이 음의 값이면, 다이오드 D2는 차단 상태가 된다. 결과적으로, 제어 스위치 (T1)는 전류가 0인 경우에 폐쇄되므로, 이러한 제어 스위치 (T1)를 스위칭함으로써 스위칭 손실을 방지한다. 제어 스위치 (T1)가 폐쇄되는 경우, (도 5(b)에 도시된) 전위 V(kd1)는 시간 t5 에서 다시 0을 통과하므로, 다이오드 D2를 도통 상태로 만든다. 또한, 주 회로의 단자 전압은 DC 전압원 (30)에 의해 인가되는 Vs 값으로 유지되므로, 시간 tdem 이후에는 승압 변압기 (Ts)의 자기 코어에 대한 자성을 약화시킨다 (도 5(a) 및 5(b)).
이와 반대로, 제어 스위치 (T1)의 폐쇄 시점에 V(kd1)이 양의 값을 가지는 경우 (도 6(b)), 다이오드 D2는 도통 상태가 되고, T1의 폐쇄로 인해 다이오드 D1의 애노드 전위는 0에 근접하게 되므로, 다이오드 D1이 차단되어 주 회로 (Ts1)에 흐르는 전류는 갑자기 차단된다. 그 결과, 변압기 (Ts)로부터 유전체-장벽 방전 장치 (20)로 잔여 에너지가 전달된다. 유전체-장벽 방전 장치 (20)는 승압 변압기 (Ts)를 통해, 시간 t5 동안 0 값에 도달할 때까지 다이오드 D1의 캐소드 전위를 감소시키고, 이로 인해 다이오드 D1은 다시 도통 상태로 전환되고 전압 Vs 에서 주 회로 (Ts1)에 극성을 부여하게 된다. 이후에는 앞에서 언급한 바와 같이, 시간 tdem 동안 자성이 약화되는 과정이 이어진다 (도 6(a)와 6(b)).
승압 변압기 (Ts)의 자기 코어에 대항 자성이 약화된 후에, 주 회로에서는 전류 I(d1) (도 5(b) 및 6(b))가 소멸하고, 승압 변압기 (Ts)와 유전체-장벽 방전 장치 (20)의 다이오드 D1 을 구성하는 시스템은 고정 상태로 유지된다. 그러나, 유전체-장벽 방전 장치 (20)와 보조 회로 (Ts2)의 인덕터 사이에 전압 V(dbd)의 진동 여파가 잔존할 수 있다.
장치 (20)에서 유전체-장벽 방전을 생성하고 유지하기 위해 제어 스위치 (T1)를 제어하는 다른 전략이 이하에 기술될 것이다.
전술한 바와 같이, 특정 스위칭 모드는 유전체-장벽 방전을 생성하고 유지하기 위한 다른 방법보다 더욱 유용한 것으로 보인다. 또한, 전압 Vkd1이 음의 값이거나 노드 N의 전압이 음의 값을 가지는 경우에는, 제어 스위치 (T1)를 폐쇄하는 것이 바람직할 수 있는데, 이는 제어 전략의 관점에 해당하는 것이다.
제어 스위치 (T1)를 제어하기 위한 3 가지 전략을 이하에서 설명하기로 한다.
전기 펄스 발생기 (10)에는 제어 스위치 (T1)의 제어 모듈 (60)이 포함될 수 있다. 특히, 제어 모듈 (60)은 제어 스위치 (T1)의 개방 및 폐쇄를 제어하기 위한 제어 신호 (Sc)를 생성하는 것이 바람직할 수 있다.
"PWM 제어 전략"이라고 하는 첫 번째 전략을 적용할 수 있다.
첫 번째 전략은 펄스 폭 변조 제어 로직 (PWM)을 통해 제어 스위치를 제어하는 방법을 포함한다. 이러한 첫 번째 전략은 제어 모듈 (60)에 의해 구현될 수 있다. 특히, 제어 모듈 (60)은 당업자에게 공지된 PWM 논리 제어기를 포함할 수 있다. PWM 논리 제어 신호는 도 5(b) 및 6(b)의 타임 슬롯 함수로 표현된다. 그러나, 인덕터 (Lstock) 을 통해 흐르는 전류 (I(Lstock)) 가 제어 스위치 (T1)가 폐쇄된 동안에 선형 적으로 증가하는 경우에, 고정폭을 가지는 일련의 제어 타임 슬롯은 이론적으로 각 타임 슬롯에서 상당한 전류의 증가를 야기하게 될 것이다 (도 5(b) 및 도 6(b)에서 2 개의 타임 슬롯 구간에 나타난 바와 같이).
사실, 전류 Imax가 높을수록 유전체-장벽 방전은 더 많은 에너지를 흡수하기 때문에, 결국에는 평형 상태에서 영구적인 동작이 이루어질 수 있다.
도 2에 도시된 토폴로지의 구성은 20μF 커패시터로 이루어진 DC 전압원 (20) (Vs)에 병렬로 연결된 입력 필터를 구비하고, PWM 제어 모드에서 방전 램프를 포함하는 유전체-장벽 방전 장치 (20)에 안정적고 영구적인 동작을 제공한다 (상세한 설명의 끝 부분에 언급된 문헌 [4]에 기재). 컨버터 (10)의 변수는 표 1에 개시된다.
Figure pct00004
다이오드 D1 과 D2, 및 변압기 (Ts)의 구성은 당업자의 기술적 지식의 범위에 해당하므로, 본 명세서에서는 상세하게 기술하지 않는다.
"PWM 제어 전략"으로 지칭되는 첫 번째 전략의 이점은 본 발명에 따른 전기 펄스 발생기 (10)의 토폴로지를 구현하기가 용이하다는 것이다. 더욱이, PWM 제어 전략은 제어를 위한 두 가지의 자유로운 요소를 포함한다, 즉:
- Imax 값에 영향을 미치는 듀티 사이클
- 유전체-장벽 방전 장치에 전송되는 평균 전원에 영향을 미치는 주파수.
"제한 전류 제어 전략"으로 지칭되는 두 번째 전략을 적용할 수도 있다.
제한 전류 전략의 목적은, 예를 들어, 클럭 (H1)의 주파수와 같은 특정 주파수에서 제어 스위치 (T1)를 폐쇄하고, 인덕터 (Lstock)를 통해 흐르는 전류가 기준 전류값 Iref (예를 들어, 앞에서 기술된 Imax 값)을 초과할 때 상기 제어 스위치 (T1)를 개방하도록 제어하는 동작을 포함한다. 이러한 방법을 사용하면 안정적인 동작을 보장할 수 있다.
따라서, 제한 전류 제어 전략을 구현하기 위해, 인덕터 (Lstock)를 통해 흐르는 전류 (Istock) 와 기준 전류 (Iref)의 비교 수단 (61)을 구비하는 제어 모듈 (60) (도 7에 도시됨)을 포함하는 것이 흥미로울 수 있다. 따라서, 전류 Istock 이 전류 Iref 보다 큰 경우에, 제어 모듈 (60)은 제어 스위치 (T1)를 개방하기 위한 제어 신호 (Sc)를 발생하는 것이 바람직하다. 상기 비교 수단 (61)은 전류 프로브 (61b)로부터 전류 Istock 의 측정값을 수신 할 수 있다.
바람직하게, 상기 비교 수단 (61)은 제 1 비교기를 포함한다.
제 1 비교기라는 용어는 2 개의 아날로그 입력 크기를 구별하고, 그 차이의 부호에 따라 "하이" 또는 "로우"로 지칭되는 논리 출력 신호를 발생하기에 바람직한 비교기를 의미한다. 비교기는 당업자에게 자명한 사항이므로 상세한 설명에서 자세히 기술하지 않기로 한다. 본 발명의 구조에서, 전류 Istock 이 기준 전류 (Iref)보다 작은 경우에 제 1 비교기의 출력 신호는 "하이"가 될 것이고, 반대의 경우에는 로우가 될 것이다.
또한 바람직하게, 제어 모듈 (60)은 제어 스위치 (T1)를 제어하며, 제어 신호 (Sc)를 제어 스위치 (T1)에 전송하기 위한 출력 (Sc)을 구비하는 D 타입의 플립-플롭을 포함한다.
정의에 따라, 플립-플롭 D (70)는 C로 표시된 제어 입력, D로 표시되는 데이터 입력, 및 Q로 표시된 출력을 포함하는 논리 회로이다. 동작 과정에서, 입력 C의 각 상승 에지마다 입력 신호 D는 출력 Q 에 복사된다. 플립-플롭 D는 입력 D (72)와 C (71)의 상태와 상관없이, 출력 Q를 "하이" 및 "로우" 상태로 각각 인가하는 SET 및/또는 RESET 입력 (RST로 표시)이 제공될 수 있다. 제어 입력 (입력 C (71)) 및 데이터 입력 (입력 D (72))은 상세한 설명의 모든 부분에서 이러한 정의를 따를 것이다.
본 발명의 구조에서, 플립-플롭 D (70)의 출력 (Sc) 레벨이 하이 상태라는 용어는 제어 스위치 (T1)를 폐쇄하도록 제어하는 상태를 의미한다. 유사하게, 플립-플롭 D (70)의 출력 (Sc) 레벨이 로우 상태라는 용어는 제어 스위치 (T1)를 개방하도록 제어하는 상태를 의미한다.
본 발명과 관련하여, 전류 Istock 이 기준 전류 (Iref) 보다 작은 경우에, 플립-플롭 D (70)의 입력 D (72) 와 RST # (RESET, 논리 반전)에 인가되는 신호는 하이가 되고, 반대의 경우에 신호는 로우가 될 것이다.
바람직하게, 외부 제어 신호, 예를 들어 타임 슬롯을 가지는 클럭 신호 (H1)가 플립-플랍 D (70)의 입력 C (71)에 전달된다.
본 발명의 구조에서, 타임 슬롯을 가지는 클럭 신호 (H1)의 상승 에지는 플립-플롭 D (70)의 입력 C (71)에 인가되는 하이 상태에 해당된다. 따라서, 입력 C (71)에 하이 상태가 인가될 때, 입력 RST #에 인가되는 신호 (입력 D (72)에 인가되는 신호와 동일함)가 "하이"인 조건으로, 플립-플롭 D (70)로부터 폐쇄용 제어 신호 (Sc) 가 제어 스위치 (T1)에 전달된다.
도 8(a) 및 8(b)는 제어 모듈 (60)에 의해 제어되는 전기 펄스 발생기 (10)에 대한 디지털 시뮬레이션에 의해 얻어진 오실로그램을 나타내며, 도 8(c)는 제어 모듈 (60)에 의해 제어되는 전기 펄스 발생기 (10)의 실험 결과에 따라 얻어진 오실로그램을 나타낸다. 보다 구체적으로, 도 8(a)는 인덕터 (Lstock)를 통해 흐르는 전류 (Istock), 클럭 신호 (H1), 및 플립-플롭 D (70)에서 발생해서 제어 스위치 (T1)에 인가되는 제어 신호 (Sc)를 나타낸다. 도 8(b) 및 8(c)는 각각 본 발명의 디지털 시뮬레이션 및 실험 결과에 따른 구조에서. 유전체-장벽 방전 장치 (20)를 통해 흐르는 전류 I(dbd) 뿐만 아니라 상기 장치의 단자 전압 V(dbd)를 나타낸다.
디지털 시뮬레이션과 실험적으로 얻어진 오실로그램이 매우 유사한 것을 확인할 수 있다.
제어 신호 (Sc)의 각 타임 슬롯은 전류 Istock 의 펄스 (예를 들어, 도 8(a) 에서 E로 표시된 펄스)에 해당한다. 상기 장치 (20) 의 단자에서 측정된 전압 V(dbd) 및 전류 I(dbd)의 진폭이 크게 변동되기 때문에, 전류 펄스 Istock 을 따라 도 8(b)에서 특정될 수 있는 유전체-장벽 방전 장치 (20)의 내부에 방전이 나타난다.
도 7에 도시된 토폴로지는 DC 전압원 (30) (전압 Vs)에 병렬로 연결되는 입력 필터를 통해 구현된다. 입력 필터는 20μF 커패시터와, 인덕터 (Lstock) 에 병렬로 인결되는 서지 억제용 다이오드로 구성된다.
컨버터 (10)의 변수는 표 2에 개시된다.
Figure pct00005
제한 전류 전략은 안정적인 영구적인 동작을 가능하게 하며, 적정한 전원에서 사용하는데 완벽하게 부합한다. 명칭 그대로의 전류 설정을 유지하고 클럭 신호 (H1)의 주파수를 낮게 유지함으로써, 넓은 범위에서의 단계적 변화가 가능하고, 유전체-장벽 방전 장치 (20)에 인가되는 전원을 소멸시키지 않으면서 상당히 감소시키는 것이 가능하다.
음의 값을 가지는 전압 V(kd1)의 경우에, 제어 스위치 (T1)의 확실히 폐쇄시킬 수 있도록 "최적의 전원 전략"이라고 지칭하는 세 번째 전략을 아래에서 설명하기로 한다.
최적의 전원 전략을 구현하기 위해, 제어 모듈 (60) (도 9에 도시됨)은 제한 전류 제어 전략을 구현할 수 있게 하는 제어 모듈 (60)에 대한 비교 수단 (61)을 사용한다.
바람직하게, 비교 수단 (61)은 제 1 비교기를 포함한다.
바람직하게, 제어 모듈 (60)은 제어 스위치 (T1)를 제어하며, 제어 신호 (Sc)를 상기 제어 스위치 (T1)에 전송하기 위한 출력 (Sc)을 포함하는 플립-플롭 D (70)를 구비한다 (도 9).
플립-플롭 D (70)는 C로 표시된 제어 입력, D로 표시되는 데이터 입력, 및 Q로 표시된 출력을 포함하는 논리 회로이다. 동작 과정에서, 입력 C (71)의 각 상승 에지마다 입력 신호 D (입력 D (72)의 레벨)는 출력 Q 에 복사된다. 플립-플롭 D는 입력 D (72)와 C (71)의 상태와 상관없이, 출력 Q를 "하이" 및 "로우" 상태로 각각 인가하는 SET 및/또는 RESET 입력이 제공될 수 있다.
본 발명과 관련하여, 전류 Istock 이 기준 전류 (Iref) 보다 작은 경우에 플립-플롭 D (70)의 입력 D (72)에 인가되는 신호는 하이가 되며, 반대의 경우에는 신호가 로우로 된다.
제어 모듈 (60)은 노드 N 에서의 전압 (62) (V(ad1)으로 표시) 의 부호를 결정하는 수단을 더 포함할 수 있으며, 제어 모듈 (60)은 노드 N 에서의 전압 (V(ad1))이 음의 값인 경우에 제어 스위치 (T1)를 폐쇄하도록 제어하는 제어 신호 (Sc)를 발생하는 것이 바람직하다.
전압 (62)의 부호를 결정하는 수단은 전압 프로브 (62b) 로부터 전압 V(ad1)의 측정값을 수신할 수 있다.
전압 (62)의 부호를 결정하는 수단은 예를 들어 제 2 비교기이다.
보다 구체적으로, 비교를 위한 제 2 수단은 전압 V(ad1)의 값과 접지 전위 사이의 차이를 측정하는 것이 바람직하다. 따라서, 동작 과정에서, 전압 V(ad1)의 측정값은 제 2 비교기의 제 1 입력 F의 레벨로 인가되고, 제 2 비교기의 제 2 입력 G는 접지된다.
바람직하게, 전압 (62)의 부호를 결정하는 수단은 플립-플롭 D (70)의 입력 C (71)에 연결되고, 전압 (62)의 부호를 결정하는 수단은 노드 N 에서의 전압 V(ad1)이 음의 값인 경우에 플립-플롭 D (70) 의 입력 C (71)에 하이 상태의 신호를 전달하는 것이 바람직하다. 이러한 점에서, 플립-플롭 D (70)는 입력 C (71)의 상승 에지에서, 출력 Sc 는 입력 D (72) 의 상태를 복제하게 된다.
따라서, 전류 Istock 이 전류 Iref 보다 큰 경우에, 플립-플랍 D (70)의 입력 RST 에서의 신호는 출력 Q 가 로우 상태가 되도록 한다.
반대로, 전류 Istock 이 전류 Iref 보다 작은 경우에, C (71)의 첫 번째 상승 에지에서, 즉 노드 N의 전압이 음의 값으로 스위칭되면, Q는 "하이" 상태로 스위칭된다.
바람직하게, 제어 모듈 (60)은 전압의 부호를 결정하는 수단 (62)과 플립-플롭 D (70)의 입력 C (71) 사이에 내재된 논리 OR 게이트 (63)를 포함할 수 있다. 전압의 부호를 결정하기 위한 수단 (62) 의 출력은 논리 OR 게이트 (63)의 하나의 입력에 연결된다. 또한, 점화 발생기 (64)는 논리 OR 게이트 (63)의 제 2 입력에 연결될 수 있으며, 점화 발생기 (64)는 전기 펄스 발생기 (10)를 구동하도록 구성된다.
논리 OR 게이트 라는 용어는 두 개의 입력 중에서 적어도 하나가 하이 상태에 있는 경우에, 출력에 하이 신호가 발생하는 논리 회로를 의미한다. 반대의 경우에는 로우 상태를 발생한다.
점화 생성기는 클럭이 수 있다. 점화 신호 (논리 OR 게이트 (63)의 입력에 하이 신호)는 전압 신호 V(kd1)가 음의 값을 가지지 않는 경우에 필요할 수 있다.
또한 바람직하게, 제어 모듈 (60)은 비교 수단 (61)과 플립-플롭 D (70)의 입력 D (72) 사이에 내재된 논리 AND 게이트 (65)를 더 포함할 수 있다. 논리 AND 게이트는 비교 수단 (61)으로부터 인가되는 제 1 입력, 및 ENABLE 신호가 인가되는 제 2 입력을 포함한다. 논리 AND 게이트 (65)는 플립-플롭 D (70)의 입력 D (72)를 공급하고, 논리 AND 게이트 (65)는 전류 Istock 이 기준 전류 (Iref) 보다 작고, ENABLE 신호도 하이 상태인 경우에, 입력 D (72) 에 하이 신호를 전송하는 것이 바람직하다.
논리 AND 게이트 라는 용어는 모든 입력이 동시에 하이 상태인 경우에 출력에 하이 신호를 발생하는 논리 회로를 의미한다. 반대의 경우에는 로우 상태를 발생한다.
"로우" ENABLE 신호는 전기 펄스 발생기 (10)를 정지시키도록 제어할 수 있다. 실제로, 유전체-장벽 방전 장치 (20)에서의 방전은 제어 모듈 (60) 및 전기 펄스 발생기의 작동 모드에 의해 자체적으로 유지되기 때문에, 사용자는 "로우" ENABLE 제어 신호를 통해 방전을 정지하도록 제어할 수 있다.
ENABLE 신호는 (전기 펄스 발생기 (10)에 대한) 스타트 신호일 수 있다. 발생기 (64)는 점화 신호와 연동될 수 있고, 스타트 신호의 상승 에지로부터 시작해서 기간 d 이후에, 연결된 OR 게이트 (63)의 입력에 펄스 (하이 신호)를 전송할 수 있다.
도 11은 점화 신호 발생기 (64)의 예시를 나타낸다. 후자는 상업용 집적 회로 또는 개별 부품과 함께 동작할 수 있다.
도 11의 점화 신호 발생기 (64)는 각각 OR 게이트 (65)의 출력으로부터 발생하는 신호 및 전압 V(ad1)의 부호를 수신하기 위한 2 개의 입력을 포함할 수 있다. 점화 신호 발생기 (64)는 2 개의 저항 (Rg1, Rg2), 와 커패시터 (Cg1)를 더 포함할 수 있다.
마지막으로, 점화 신호 발생기 (64)는 OR 게이트 (63)의 입력에 연결하기 위한 출력 S 를 포함한다.
도 10(a) 및 10(b)는 제어 모듈 (60)의 디지털 시뮬레이션에 의해 얻어진 오실로그램을 나타내며, 도 10(c)는 제어 모듈 (60)에 의해 제어되는 전기 펄스 발생기의 실험 결과로부터 얻어진 오실로그램을 나타낸다. 특히, 도 10(a)는 인덕터 (Lstock)를 통해 흐르는 전류 (Istock), ENABLE 신호, 및 플립-플롭 D (70)에서 발생해서 제어 스위치 (T1)에 전달되는 제어 신호 (Sc)를 나타낸다. 도 10(b) 및 10(c)는 각각 본 발명에 대한 디지털 시뮬레이션 및 실험 결과의 구조에서, 유전체-장벽 방전 장치 (20)를 통해서 흐르는 전류 I(dbd) 뿐만 아니라, 상기 장치의 단자 전압 V(dbd)를 나타낸다.
디지털 시뮬레이션과 실험적으로 얻은 오실로그램이 매우 유사한 것을 확인할 수 있다.
제어 신호 (Sc)의 각 타임 슬롯은 전류 Istock 의 펄스 (예를 들어, 도 10(a) 에서 E로 표시된 펄스)에 해당한다. 상기 장치 (20) 의 단자에서 측정된 전압 V(dbd) 및 전류 I(dbd)의 진폭이 크게 변동되기 때문에, 전류 펄스 Istock 을 따라 도 10(b) 및 10(c)에서 특정될 수 있는 유전체-장벽 방전 장치 (20)의 내부에 방전이 나타난다.
도 9에 도시된 토폴로지의 구현은 다음의 요소들을 더 포함한다:
- DC 전압원 (30) 에 병렬로 연결되는 입력 필터로서, 20μF 커패시터를 포함하는 필터,
- Lstock 에 병렬로 연결되는 서지 억제 다이오드,
- 포화될 수있는 승압 변압기 (Ts) 의 누설 인덕턴스로 인해 인덕터 (Lstock) 의 단자에 피크 전압이 발생하는 것을 방지하기 위해, 다이오드 D1 의 애노드와 접지 사이에 위치하는 470pF 커패시터.
컨버터 (10)의 변수는 표 3에 개시된다.
Figure pct00006
특정한 경우, 특히 유전체-장벽 방전 장치가 전달되는 에너지의 많은 부분을 소모하면, 전압 V(ad1)은 시퀀스 3의 마지막 부분에서 고정 값 (Vs) 아래로 떨어지게 되지만, 음의 값을 가지지는 않는다. 이 경우에, 접지 대신에 제 2 전압 비교기에 양의 값을 가지는 극성 전압 (Vpol)을 인가하도록 이러한 최적의 전원 제어 전략의 대안을 구현할 수 있다. 이 경우에, 발생되는 신호는 전압 V(ad1)과 극성 전압 Vpol ("V(kd1) < Vpol") 사이의 차이에 해당하게 된다. 이는 V(ad1)이 음의 값을 가지지 않더라도, 제어 스위치 (T1)의 폐쇄할 수 있도록 한다. 이러한 경우, 0 전압에서 스위칭이 이루어지지는 않지만, 전압 Vpol 은 Vs 보다 작은 전압을 나타내는 경우가 제어 스위치 (T1)에 허용가능한 범위 내에서 강제 스위칭을 유지하기 위한 조건이 될 것이다.

Claims (14)

  1. 유전체-장벽 방전 장치 (20)에 전원을 공급하는 전기 펄스 발생기 (10)에 있어서, 상기 발생기 (10)는 충전 구간 동안 DC 전압원 (30)에 의해 상기 발생기 (10)의 2 개의 전원 공급 단자 (A, B)에 전달되는 에너지를 저장하고, 방전 구간 동안 승압 변압기 (Ts)를 매개로 하여 상기 에너지를 상기 유전체-장벽 방전 장치 (20)에 전달하는 인덕터 (Lstock)를 포함하되,
    - 상기 발생기 (10)의 노드 N 에서 제 1 회로 (40) 와 제 2 회로 (50)가 직렬로 연결되는 배치부,
    - 병렬로 연결된 2개의 분기(41, 42)를 포함하는 상기 제 1 회로 (40), 이 때, 2개의 분기 중 하나 (41)는 인덕터 (Lstock)를 포함하며, 다른 분기 (42)는 애노드가 노드 N에 직렬로 연결되고, 캐소드가 상기 승압 변압기 (Ts)의 주 회로 (Ts1)에 연결되는 다이오드 (D1)를 포함하며, 상기 승압 변압기의 보조 회로(Ts2)는 상기 유전체-장벽 방전 장치 (20)에 연결되며,
    - 충전 및 방전 구간에 각각 폐쇄 제어 및 개방 제어가 이루어지는 제어 스위치 (T1)를 포함하는 제 2 회로 (50)
    를 더 포함하는 발생기 (10).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 회로 (50)는 상기 제어 스위치 (T1)와 전기적으로 직렬 연결되고, 애노드를 통해 노드 N에 연결되는 다이오드 (D2)를 더 포함하는 발생기 (10).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 승압 변압기 (Ts)는 자기 코어를 더 포함하고, 상기 전기 펄스 발생기 (10)는 상기 유전체-장벽 방전 장치 (20)를 더 포함하며, 상기 유전체-장벽 장치 (20)는 상기 유전체-장벽 방전 장치 (20)의 구동 전압 (VD)보다 큰 전압 (V)이 인가될 때 유전체-장벽 방전을 발생시키기에 바람직한 가스가 상기 장치 (20)에 형성됨으로써, 상기 유전체-장벽 방전은 미리 정해진 상기 구동 전압 (VD)에 의해 상기 자기 코어를 통해 자속의 제 1 변화를 발생시키고, 상기 자기 코어는 상기 자속의 제 1 변화보다 큰 자속의 변화가 통과할 때 자기적으로 포화되도록 구성되는 발생기 (10).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발생기 (10)는 상기 제어 스위치 (T1)의 개방 및 폐쇄를 제어하기 위한 제어 신호 (Sc)를 발생하기에 바람직한 제어 모듈 (60)을 더 포함하는 발생기 (10).
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어 모듈 (60)은 상기 인덕터 (Lstock)를 흐르는 전류 (Istock)와 기준 전류 (Iref)의 비교 수단 (61)을 포함하며, 상기 제어 모듈 (60)의 제어 신호 (Sc)는 상기 전류 Istock 이 상기 전류 Iref 보다 큰 경우에, 상기 제어 스위치 (T1)가 개방되도록 제어하는 발생기 (10).
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 비교 수단 (61)은 제 1 비교기를 포함하는 발생기 (10).
  7. 제 5 항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 모듈 (60)은 상기 제어 신호 (Sc)를 상기 제어 스위치 (T1)에 전송하기 위하여 출력 (Sc) 을 구성하는 플립-플롭 D (70)를 포함하는 발생기 (10).
  8. 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 모듈 (60)은 외부 제어 신호가 수신되는 경우에 상기 제어 스위치 (T1)의 폐쇄를 위한 제어 신호 Sc 를 발생하는 것이 더욱 바람직하며, 바람직하게는 상기 외부 제어 신호가 타임 슬롯을 가지는 클럭 신호 H1 이고, 상기 폐쇄를 위한 제어 신호 Sc 는 상기 클럭 신호 H1 의 각 상승 에지에서 발생되는 발생기 (10).
  9. 제 7 항과 결합되는 제 8 항에 있어서,
    상기 외부 제어 신호는 상기 플립-플롭 D (70)의 입력 C (71) 로 인가되고, 상기 전류 Istock 과 상기 기준 전류 Iref 의 비교값은 상기 플립-플롭 D (70)의 입력 D (72)로 인가되는 발생기 (10).
  10. 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 모듈 (60)은 상기 노드 N 에서의 전압 부호 결정 수단 (62)을 더 포함하며, 상기 제어 모듈 (60)은 상기 노드 N 의 전압이 음의 값을 가지는 경우에, 상기 제어 스위치 (T1)를 폐쇄하도록 제어하는 제어 신호 Sc 를 발생하는 것이 바람직한 발생기 (10).
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전압 부호 결정 수단 (62)은 제 2 비교기인 발생기 (10).
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 전압 부호 결정 수단 (62)은 상기 플립-플롭 D (70)의 입력 C (71)에 연결되고, 상기 전압 부호 결정 수단 (62)은 상기 노드 N의 전압 V(ad1)이 음의 값을 가지는 경우에, 상기 플립-플롭 D (70)의 입력 C (71)에 하이 상태를 인가하는 것이 바람직한 발생기 (10).
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어 모듈 (60)은 상기 전압 부호 결정 수단 (62)과 상기 플립-플롭 D (70)의 입력 C (71) 사이에 내재되는 논리 OR 게이트 (63)를 포함하고, 상기 전압 부호 결정 수단 (62)의 출력은 상기 논리 OR 게이트 (63)의 입력에 연결되고, 점화 발생기 (64)가 상기 논리 OR 게이트 (63)의 제 2 입력에 연결되며, 상기 점화 발생기 (64)는 상기 논리 OR 게이트 (63)의 입력이 소위 말하는 "하이" 상태를 발생시키는 것이 바람직한 발생기 (10).
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제어 모듈 (60)은 상기 비교 수단 (61)과 상기 플립-플롭 D (70)의 입력 D (72) 사이에 내재된 논리 AND 게이트 (65)를 더 포함하고, 상기 논리 게이트는 상기 비교 수단 (61)으로부터 인가되는 제 1 입력 및 ENABLE 신호에 의해 인가되는 제 2 입력을 포함하고, 상기 논리 AND 게이트 (65)는 상기 플립-플롭 D (70)의 입력 D (72)에 신호를 인가하며, 상기 논리 AND 게이트 (65)는 상기 전류 Istock 이 상기 기준 전류 Iref 보다 크고, 상기 ENABLE 신호가 하이인 경우에, 상기 입력 D (72)에 하이 신호를 인가하는 것이 바람직하며, 로우 ENABLE 신호는 상기 전기 펄스 발생기 (10)를 정지시킬 수 있는 발생기 (10).

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