KR20200127476A - 펄스 전원 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 펄스 전원 장치를 공개한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 전원 장치는 복수의 펄스 발생 모듈을 연결함으로써 부하로 제공되는 펄스 전원의 크기를 크게 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 각 펄스 발생 모듈이 펄스 전원을 발생시키는 타이밍을 조절하여 부하에 펄스 전원이 제공되는 반복률을 조절할 수 있다. 특히, 본 발명은 각 펄스 발생 모듈의 2차측 코일을 복수개로 권선하고, 각각의 2차측 코일을 인접하는 다른 펄스 발생 모듈의 2차측 코일과 병렬로 연결함으로써, 복수의 펄스 발생 모듈을 연결하는 과정에서 펄스 발생 모듈의 모든 파라미터들이 완벽하게 일치하지 않아서 발생하는 유도 전압 및 전류의 불균형 문제를 해소할 수 있다. 또한, 본 발명의 펄스 전원 장치는 펄스 발생 모듈의 트랜스포머의 권선 방향을 이용하여, 별도의 복잡한 회로를 부가하지 않고서도, 간단하게 양극성 펄스를 발생시킬 수 있다.

Description

펄스 전원 장치{Pulse power supply}
본 발명은 펄스 전원 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 복수의 펄스 발생 모듈을 구비하는 펄스 전원 장치에 관한 것이다.
일반적으로 펄스 전원 장치는 복수의 커패시터들을 직렬로 연결시키고, 각각의 커패시터에 에너지를 저장한 후, 커패시터들에 직렬로 연결된 복수의 스위치들을 동시에 스위치 온(ON)시켜 커패시터들에 저장된 에너지를 동시에 출력단으로 방출함으로써, 고전압의 펄스 전원을 부하측으로 제공한다.
이러한 펄스 전원 장치의 종래 기술은 한국특허 제 10-1739882 호 및 제 10-0820171 호 등에 공개되어 있다.
그런데, 종래의 반도체 스위치를 이용하는 고전압 펄스 발생 장치의 경우, rising time 과 falling time 이 짧은 비교적 깔끔한 펄스 파형을 만들어 낼 수 있는 큰 장점이 있으나, 다수의 스위칭 소자들에 의해서 발생되는 전력 손실이 큰 단점이 있다.
예컨대, 펄스 전원을 공급받는 부하가 플라즈마 발생 장치인 경우를 가정하면, 플라즈마 발생 장치는 고전압의 전원을 공급받을 것을 요구하지만, 고전류를 요구하는 것은 아니므로, 상대적으로 소모되는 전력은 크지 않다.
이 경우, 부하인 플라즈마 발생 장치에서 소모되는 전력보다 펄스 전원 장치에 포함된 다수의 스위치들에 의해서 발생 되는 전력 손실이 더 커지는 문제점이 존재한다. 즉, 실제 부하로 전달되는 에너지보다 스위치에서의 전력 손실이 더 커지게 될 뿐만 아니라, 이에 따라서, 펄스 전원 장치에 큰 방열판이 요구되고, 직렬 스태킹 된 다수의 스위치 및 그 구동회로 등에 의해 전원 장치의 사이즈 증가하는 문제점이 존재한다.
이 뿐만 아니라, 이러한 종래의 펄스 전원 장치는 양극성 펄스를 만들기 위해서는 복잡한 회로가 추가로 필요한 문제가 존재한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 복수의 스위치 구동이 간편하면서도 전력 손실이 적으며, 복잡한 회로의 추가 없이도 양극성 펄스의 제공이 가능한 펄스 전원 장치를 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 전원 장치는, 복수의 펄스 발생 모듈들이 연결되어 부하로 펄스 전원을 공급하는 펄스 전원 장치로서, 상기 펄스 발생 모듈 각각은 전기 에너지를 저장하여 트랜스포머를 통해서 전기 에너지를 변환하여 부하로 출력하되, 상기 트랜스포머는 복수의 2차측 코일을 구비하고, 2차측 코일은 다른 펄스 발생 모듈의 트랜스포머에 포함된 2차측 코일과 병렬로 연결될 수 있다.
또한, 상기 펄스 전원 장치가 상기 펄스 발생 모듈을 2개 포함하는 경우에, 상기 펄스 발생 모듈에 포함된 트랜스포머의 2차측 코일들은 다른 펄스 발생 모듈에 포함된 트랜스포머의 2차측 코일들과 병렬로 연결되고, 서로 병렬로 연결된 2차측 코일들은 다시 직렬로 서로 연결될 수 있다.
또한, 상기 펄스 전원 장치가 상기 펄스 발생 모듈을 3개 이상 포함하는 경우에, 상기 각 펄스 발생 모듈에 포함된 트랜스포머의 2차측 코일들은 서로 다른 펄스 발생 모듈에 포함된 트랜스포머의 2차측 코일들과 병렬로 연결되고, 서로 병렬로 연결된 2차측 코일들은 다시 직렬로 서로 연결될 수 있다.
또한, 상기 펄스 발생 모듈들은 서로 다른 타이밍에 전원 펄스를 발생시켜, 상기 펄스 전원 장치의 펄스 전원 공급 반복률을 조절할 수 있다.
또한, 상기 펄스 발생 모듈들 중 일부 펄스 발생 모듈들에 포함되는 트랜스포머의 1차측 또는 2차측 코일의 권선 방향을, 다른 펄스 발생 모듈들에 포함되는 트랜스포머의 1차측 또는 2차측 코일의 권선 방향과 반대로 하여, 양극성 전원 펄스를 부하로 공급할 수 있다.
또한, 상기 펄스 발생 모듈들은, 반도체 스위칭 소자; 상기 반도체 스위칭 소자의 온/오프를 제어하는 제어 신호를 출력하는 제어부; 상기 제어 신호에 따라서 상기 반도체 스위칭 소자를 스위치 온/오프 시키는 스위치 드라이버; 전기 에너지를 축전하고, 상기 반도체 스위칭 소자가 스위치 온 되면 전기 에너지를 방전하는 전원 공급 소자; 상기 전원 공급 소자에서 출력되는 전기 에너지를 변환하여 부하로 출력하는 트랜스포머; 및 상기 트랜스포머의 1차측 코일에 병렬로 형성된 자화 인덕터를 포함하고, 상기 트랜스포머의 2차측 코일은 복수개로 형성되고, 각각의 2차측 코일은 다른 펄스 발생 모듈의 2차측 코일과 병렬로 연결될 수 있다.
또한, 상기 반도체 스위칭 소자가 스위치 온되면, 상기 전원 공급 소자는 축전된 전기 에너지를 방전하고, 방전된 전기 에너지에 의해서 상기 자화 인덕터 및 상기 반도체 스위칭 소자를 통해서 전류가 흐르면서 상기 자화 인덕터에 에너지가 저장되며, 상기 반도체 스위칭 소자가 스위치 오프되면, 상기 자화 인덕터에 저장된 전기 에너지가 방출되면서 상기 트랜스포머의 1차측 코일로 전류가 흐르면서 상기 트랜스포머의 2차측 코일에 전류가 유도되어 부하로 펄스 전원이 공급될 수 있다.
또한, 상기 펄스 전원 장치가 상기 펄스 발생 모듈을 2개 포함하는 경우에,
상기 펄스 발생 모듈에 포함된 트랜스포머의 2차측 코일들은 다른 펄스 발생 모듈에 포함된 트랜스포머의 2차측 코일들과 병렬로 연결되고, 서로 병렬로 연결된 2차측 코일들은 다시 직렬로 서로 연결될 수 있다.
또한, 상기 펄스 전원 장치가 상기 펄스 발생 모듈을 3개 이상 포함하는 경우에, 상기 각 펄스 발생 모듈에 포함된 트랜스포머의 2차측 코일들은 서로 다른 펄스 발생 모듈에 포함된 트랜스포머의 2차측 코일들과 병렬로 연결되고, 서로 병렬로 연결된 2차측 코일들은 다시 직렬로 서로 연결될 수 있다.
또한, 상기 제어부는 다른 펄스 발생 모듈의 제어부와 서로 다른 타이밍에 제어 신호를 출력함으로써, 상기 펄스 발생 모듈들이 서로 다른 타이밍에 전원 펄스를 발생시키도록 하여, 상기 펄스 전원 장치의 펄스 전원 공급 반복률을 조절할 수 있다.
또한, 상기 펄스 발생 모듈들 중 일부 펄스 발생 모듈들에 포함되는 트랜스포머의 1차측 또는 2차측 코일의 권선 방향을, 다른 펄스 발생 모듈들에 포함되는 트랜스포머의 1차측 또는 2차측 코일의 권선 방향과 반대로 하여, 양극성 전원 펄스를 부하로 공급할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 전원 장치는 복수의 펄스 발생 모듈을 연결함으로써 부하로 제공되는 펄스 전원의 크기를 크게 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 각 펄스 발생 모듈이 펄스 전원을 발생시키는 타이밍을 조절하여 부하에 펄스 전원이 제공되는 반복률을 조절할 수 있다.
특히, 본 발명은 각 펄스 발생 모듈의 2차측 코일을 복수개로 권선하고, 각각의 2차측 코일을 인접하는 다른 펄스 발생 모듈의 2차측 코일과 병렬로 연결함으로써, 복수의 펄스 발생 모듈을 연결하는 과정에서 펄스 발생 모듈의 모든 파라미터들이 완벽하게 일치하지 않아서 발생하는 유도 전압 및 전류의 불균형 문제를 해소할 수 있다.
또한, 본 발명의 펄스 전원 장치는 펄스 발생 모듈의 트랜스포머의 권선 방향을 이용하여, 별도의 복잡한 회로를 부가하지 않고서도, 간단하게 양극성 펄스를 발생시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 펄스 전원 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 펄스 전원 장치에서 출력되는 펄스 파형을 도시하는 타이밍도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예의 변형 실시예에 따른 펄스 전원 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 펄스 전원 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 펄스 전원 장치에서 출력되는 펄스 파형을 도시하는 타이밍도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예의 변형 실시예에 따른 펄스 전원 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예의 변형 실시예에 따른 펄스 전원 장치에서 출력되는 펄스 파형을 도시하는 타이밍도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 전원 장치는 복수의 펄스 발생 모듈들이 서로 연결되어 구성된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 펄스 전원 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 펄스 전원 장치는 2개의 펄스 발생 모듈(제 1 펄스 발생 모듈(110) 및 제 2 펄스 발생 모듈(120))이 서로 연결된 구조를 갖는다.
각각의 펄스 발생 모듈(110,120)은 전기 에너지를 저장하고 방전하는 전원 공급 소자(113), 상기 전원 공급 소자(113,123)에서 출력되는 전기 에너지를 변환하여 부하(200)측으로 출력하는 트랜스포머(T1,T2), 상기 트랜스포머(T1,T2)의 1차측 코일과 병렬로 연결된 자화 인덕터(Lm1,Lm2), 일단이 상기 자화 인덕터(Lm1,Lm2) 및 1차측 코일과 연결되고 타단이 접지된 반도체 스위칭 소자(Q1,Q2), 제어 신호에 따라서 스위칭 소자의 온/오프를 제어하는 스위치 드라이버(112,122), 및 상기 스위치 드라이버(112,122)로 제어 신호를 출력하는 제어부(111,121)를 포함한다.
또한, 트랜스포머(T1,T2)는 코어에 1차측 코일과 2차측 코일이 함께 권선되는데, 본 발명의 2차측 코일은 2개의 코일로 구성되고, 각각의 2차측 코일은 다른 펄스 발생 모듈의 트랜스포머에 포함된 2차측 코일과 각각 병렬로 연결된다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 펄스 전원 장치에서는 2개의 펄스 발생 모듈(110,120)을 포함하므로, 각 펄스 발생 모듈(110,120)의 2차측 코일들은 나머지 펄스 발생 모듈(120,110)의 2차측 코일들과 각각 병렬로 연결된다. 즉, 제 1 펄스 발생 모듈(110)에 속하는 2차측 코일들이 동일한 펄스 발생 모듈(120)에 속하는 2차측 코일들과 각각 병렬로 연결된다. 그러나, 펄스 전원 장치가 3개 이상의 펄스 발생 모듈을 포함하는 경우에는, 각 펄스 발생 모듈에 속하는 2개의 2차측 코일들은 각각 서로 다른 펄스 발생 모듈에 속하는 2차측 코일들과 병렬 연결된다. 이에 대해서는 자세하게 후술한다.
한편, 전원 공급 소자(113,123)는 외부 전원이 연결되어 내부에 전기 에너지를 축전하는 커패시터(C1,C2)로 구현되는 것이 바람직하고, 스위칭 소자(Q1,Q2)가 스위치 온(턴 온)되면 내부에 저장된 전원을 방전하여 출력하고, 스위칭 소자(Q1,Q2)가 스위치 오프(턴 오프)되면 외부 전원으로부터 전원을 공급받아 축전된다.
1차측 코일은 일반적인 트랜스포머와 동일하게 코어에 권선되고, 자연스럽게 1차측 코일과 병렬로 자화 인덕터(Lm1,Lm2)가 형성된다.
반도체 스위칭 소자(Q1,Q2)는 제어 신호에 따라서 온/오프될 수 있는 것이라면 그 구현에 제한이 없다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 반도체 스위칭 소자(Q1,Q2)의 소오스 단자 또는 에미터 단자는 접지되고, 드레인 단자 또는 콜렉터 단자는 1차측 코일 및 자화 인덕터(Lm1,Lm2)와 연결된다.
제어부(111,121)는 PWM 제어 신호를 생성하여 스위치 드라이버(112,122)로 출력함으로써 반도체 스위칭 소자(Q1,Q2)를 제어하고, 스위치 드라이버(112,122)는 제어부(111,121)로부터 입력되는 제어신호에 따라서, 반도체 스위칭 소자(Q1,Q2)의 게이트 또는 베이스로 전압을 인가하여 반도체 스위칭 소자(Q1,Q2)를 스위치 온/오프 시킨다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 펄스 전원 장치에서 출력되는 펄스 파형을 도시하는 도면이다.
도 2(a)를 더 참조하여, 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 펄스 전원 장치의 동작을 설명한다. 먼저, 제 1 펄스 발생 모듈(110) 및 제 2 펄스 발생 모듈(120)이 동일한 타이밍에 펄스 전원을 발생시키는 예를 설명하면, 전원 공급 소자(113,123)인 커패시터(C1,C2)에 전기 에너지가 축전된 상태에서 제 1 제어부(111)와 제 2 제어부(121)가 동시에 스위치 온을 지시하는 제어신호를 각각 제 1 스위치 드라이버(112) 및 제 2 스위치 드라이버(122)로 출력한다.
제 1 스위치 드라이버(112) 및 제 2 스위치 드라이버(122)는 제 1 반도체 스위칭 소자(Q1) 및 제 2 반도체 스위칭 소자(Q2)로 스위치 온(턴 온)을 위한 신호(게이트 신호)(VQ1 및 VQ2)를 각각 출력하고, 반도체 스위칭 소자들(Q1,Q2)은 스위치 온 된다.
반도체 스위칭 소자들(Q1,Q2)이 스위치 온되면, 전원 공급 소자(113,123)가 방전을 시작하여 전류가 자화 인덕터(Lm1,Lm2)와 스위칭 소자(Q1,Q2)를 통해서 흐르게 된다. 이 때, 2차측으로부터 1차측 코일에 투영되어 나타나는 1차측 코일의 임피던스는 자화 인덕터(Lm1,Lm2)의 리액턴스와 비교하여 매우 크기 때문에, 전류(ILm1,ILm2) 대부분이 자화 인덕터(Lm1,Lm2)를 통해서 흐르게 되고, 이에 따라서, 전원 공급 소자(113,123)에서 방출된 전기 에너지가 자화 인덕터(Lm1,Lm2)에 저장된다.
그 후, 제어부(111,121)가 제어 신호의 출력을 중단하면, 스위치 드라이버(112,122)가 반도체 스위칭 소자(Q1,Q2)를 스위치 오프(턴 오프)시키고, 전원 공급 소자(113,123)의 에너지 방전은 중단된다. 이 때, 자화 인덕터(Lm1,Lm2)는 기존에 자화 인덕터(Lm1,Lm2)에 흐르던 전류(ILm1,ILm2)와 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 함으로써, 내부에 저장된 에너지를 방출한다.
반도체 스위칭 소자(Q1,Q2)가 오프된 상태에서 자화 인덕터(Lm1,Lm2)에 전류(iLm1,iLm2)가 지속적으로 흐르는 경우, 전류(iLm1,iLm2)는 트랜스포머(T1,T2)의 1차측 코일로 흐르게 되고, 이에 따라서 트랜스포머(T1,T2)의 2차측 코일에도 유도된 전류(io1_1,io1_2,io2_1,io2_2)가 흐르게 된다. 2차측 코일에 흐르는 전류(io1_1,io1_2,io2_1,io2_2)의 방향은 화살표로 표시하였다.
도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 2차측 코일에서 유도된 전류들(io1_1,io1_2,io2_1,io2_2)은 부하(200)로 입력되고, 입력된 전류에 의해서 부하(200)에는 고전압(VO)이 제공된다.
한편, 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 제 1 반도체 스위칭 소자(Q1) 및 제 2 반도체 스위칭 소자(Q2)의 스위치 온/오프 타이밍을 조절하면, 부하(200)측으로 펄스 전원이 제공되는 반복률을 조절할 수 있다.
도 2(b)를 참조하여, 제 1 펄스 발생 모듈(110) 및 제 2 펄스 발생 모듈(120)이 서로 다른 타이밍에 펄스 전원을 발생시키는 예를 설명하면, 전원 공급 소자(113)인 커패시터(C1)에 전원이 축전된 상태에서 제 1 제어부(111)가 먼저 스위치 온을 지시하는 제어신호를 제 1 스위치 드라이버(112)로 출력한다. 그러면, 제 1 스위치 드라이버(112)는 제 1 반도체 스위칭 소자(Q1)로 스위치 온(턴 온)을 위한 신호(게이트 신호)(VQ1)를 출력하고, 제 1 반도체 스위칭 소자(Q1)는 스위치 온 된다.
제 1 반도체 스위칭 소자(Q1)가 스위치 온되면, 제 1 전원 공급 소자(113)가 방전을 시작하여 전류가 자화 인덕터(Lm1)와 제 1 반도체 스위칭 소자(Q1)를 통해서 흐르게 된다. 그 후, 제 1 제어부(111)가 제어 신호의 출력을 중단하면, 제 1 스위치 드라이버(112)가 제 1 반도체 스위칭 소자(Q1)를 스위치 오프(턴 오프)시키고, 전원 공급 소자(113)의 전기 에너지 방전은 중단된다. 이 때, 자화 인덕터(Lm1)는 기존에 자화 인덕터(Lm1)에 흐르던 전류(iLm1)와 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 함으로써, 내부에 저장된 에너지를 방출한다.
제 1 반도체 스위칭 소자(Q1)가 오프된 상태에서 자화 인덕터(Lm1)에 전류가 지속적으로 흐르는 경우, 전류(iLm1)는 제 1 트랜스포머(T1)의 1차측 코일로 흐르게 되고, 이에 따라서 제 1 트랜스포머(T1)의 2차측 코일에도 유도된 전류(io1_1,io1_2)가 흐르게 된다. 2차측 코일에 흐르는 전류의 방향은 화살표로 표시하였다.
도 2(b) 에 도시된 바와 같이, 2차측 코일에서 유도된 전류들(io1_1,io1_2)은 부하(200)로 입력되고, 입력된 전류에 의해서 부하(200)에는 고전압(VO)이 제공된다. 이 때, 부하(200)측에 제공되는 전류의 크기가 도 2(a)에 도시된 경우에 공급되는 전류 크기의 대략 50% 정도라고 가정하면, 부하(200)에 공급되는 전압(VO)의 크기도 대략 50% 정도이다.
한편, 제 1 펄스 발생 모듈(110)에 의한 펄스 전원이 부하(200)측으로 공급된 후, 제 2 제어부(121)가 스위치 온을 지시하는 제어신호를 제 2 스위치 드라이버(122)로 출력하고, 제 2 스위치 드라이버(122)가 제 2 반도체 스위칭 소자(Q2)로 스위치 온(턴 온)을 위한 신호(게이트 신호)(VQ2)를 출력하면, 제 2 반도체 스위칭 소자(Q2)는 스위치 온(턴 온) 된다.
제 2 반도체 스위칭 소자(Q2)가 스위치 온되면, 제 2 전원 공급 소자(123)가 방전을 시작하여 전류가 자화 인덕터(Lm2)와 제 2 반도체 스위칭 소자(Q2)를 통해서 흐르게 되고, 제 2 제어부(121)가 제어 신호의 출력을 중단하면, 제 2 스위치 드라이버(122)가 제 2 반도체 스위칭 소자(Q2)를 스위치 오프(턴 오프)시키며, 전원 공급 소자(123)의 전기 에너지 방전은 중단된다.
이 때, 자화 인덕터(Lm2)는 기존에 자화 인덕터(Lm2)에 흐르던 전류(iLm2)와 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 함으로써, 내부에 저장된 에너지를 방출하고, 제 2 반도체 스위칭 소자(Q2)가 오프된 상태에서 자화 인덕터(Lm2)에 흐르던 전류(iLm2)는 제 2 트랜스포머(T2)의 1차측 코일로 흐르며, 이 전류에 의해서 제 2 트랜스포머(T2)의 2차측 코일에 유도된 전류(io2_1,io2_2)가 흐르된다.
2차측 코일에서 유도된 전류들(io2_1,io2_2)은 부하(200)로 입력되고, 입력된 전류에 의해서 부하(200)에는 고전압(VO)이 제공된다. 마찬가지로, 부하(200)측에 제공되는 전류의 크기는 도 2(a)에 도시된 경우에 공급되는 전류 크기의 대략 50% 정도라고 가정하면, 부하(200)에 공급되는 전압(VO)의 크기도 대략 50% 정도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 펄스 전원 장치는 복수의 펄스 발생 모듈을 포함하므로, 펄스 발생 모듈에서 펄스 전원을 발생시키는 타이밍을 조절함으로써, 부하(200)로 제공되는 펄스 전원의 반복률을 조절할 수 있다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명의 펄스 전원 장치는 복수의 펄스 전원 모듈을 연결함으로써 부하(200)로 제공되는 펄스 전원의 크기를 크게 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 각 펄스 전원 모듈이 펄스 전원을 발생시키는 타이밍을 조절하여 부하(200)에 펄스 전원이 제공되는 반복률을 조절할 수 있다.
특히, 본 발명은 각 펄스 발생 모듈의 2차측 코일을 복수개로 분리하여 권선하고, 각각의 2차측 코일을 인접하는 다른 펄스 발생 모듈의 2차측 코일과 병렬로 연결함으로써, 복수의 펄스 발생 모듈을 연결하는 과정에서 펄스 발생 모듈의 모든 파라미터들이 완벽하게 일치하지 않아서 발생하는 유도 전압 및 전류의 불균형 문제를 해소하였다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예의 변형 실시예에 따른 펄스 전원 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 제 1 실시예의 변형 실시예는 2개의 펄스 발생 모듈(110,120)의 트랜스포머(T1,T2)의 권선 방향을 서로 다르게 함으로써 양극성 펄스를 발생시킬 수 있도록 구성한다.
도 3의 (a)를 참조하면, 제 1 실시예의 변형 실시예의 경우, 제 2 트랜스포머(T2)의 1차측 코일의 권선 방향을 제 1 트랜스포머(T1)의 1차측 코일의 권선 방향과 서로 다르게 하였다는 점에서만 제 1 실시예와 차이가 있다.
그 동작을 살펴보면, 도 1 및 도 2의 (b)를 참조하여 설명한 바와 같이, 제 1 제어부와 제 2 제어부는 서로 다른 타이밍에 제어 신호를 출력함으로써, 제 1 펄스 발생 모듈(110)과 제 2 펄스 발생 모듈(120)이 서로 다른 타이밍에 펄스 전원을 발생시킨다. 제 1 펄스 발생 모듈(110)이 펄스 전원을 발생시키는 과정은 도 1 및 도 2의 (b)를 참조하여 설명한 바와 동일하다.
제 2 펄스 발생 모듈(120)이 펄스 전원을 발생시키는 과정을 간략하게 설명하면, 도 1 및 도 2의 (b)를 참조하여 설명한 바와 같은 방식으로 제 2 반도체 스위칭 소자(Q2)가 스위치 온되어 전류가 자화 인덕터(Lm2)와 제 2 반도체 스위칭 소자(Q2)를 통해서 흐르고, 제 2 반도체 스위칭 소자(Q2)가 스위치 오프(턴 오프)되면, 자화 인덕터(Lm2)는 기존에 자화 인덕터(Lm2)에 흐르던 전류와 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 함으로써, 내부에 저장된 에너지를 방출한다.
이 때, 제 2 트랜스포머(T2)의 1차측 코일은 제 1 트랜스포머(T1)의 1차측 코일과 반대 방향으로 권선되어 있으므로(또한, 도 1에 도시된 제 2 트랜스포머(T2)의 1차측 코일과도 반대 방향으로 권선되어 있으므로), 2차측 코일에 유도된 전류(io2_1,io2_2)의 방향 역시 제 1 트랜스포머(T1)의 2차측 코일에 유도된 전류(io1_1,io1_2)의 방향과 서로 반대 방향이 되어, 부하(200)에 공급되는 펄스 전원의 극성이 제 1 펄스 발생 모듈(110)에서 부하(200)로 공급된 펄스 전원과 반대가 된다.
이렇듯, 본 발명의 펄스 전원 장치는 펄스 발생 모듈의 트랜스포머에 포함된 코일들의 권선 방향을 이용하여, 별도의 복잡한 회로를 부가하지 않고서도, 간단하게 양극성 펄스를 발생시킬 수 있다. 아울러, 도 3에 도시된 예에서는 제 2 트랜스포머(T2)의 1차측 코일의 권선 방향을 반대로 하였으나, 제 2 트랜스포머(T2)의 1차측 코일의 권선 방향은 제 1 트랜스포머(T1)의 1차측 권선 방향과 동일하게 하고, 2차측 코일의 권선 방향을 제 1 트랜스포머(T1)의 2차측 권선 방향과 반대로 하여도 양극성 펄스 전원을 제공할 수 있음을 당업자는 알 수 있을 것이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 펄스 전원 장치의 구성을 도시하는 도면이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 펄스 전원 장치에서 출력되는 펄스 파형을 도시하는 타이밍도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 제 2 실시예에 따른 펄스 전원 장치는 펄스 발생 모듈이 3개 이상이라는 점과 이에 따라서 2차측 코일이 병렬로 연결되는 대상이 서로 다른 펄스 발생 모듈의 2차측 코일이라는 점에서만 차이가 있고, 나머지 구성은 동일하다.
따라서, 제 1 실시예와 다른 구성을 중심으로 설명하면, 제 2 실시예의 펄스 전원 장치는 4개의 펄스 발생 모듈들(제 1 펄스 발생 모듈(110) 내지 제 4 펄스 발생 모듈(140))이 서로 연결되어 구성된다.
각각의 펄스 발생 모듈(110,120,130,140)의 세부 구성은 제 1 실시예와 동일하고, 각 펄스 발생 모듈(110,120,130,140)에 포함된 트랜스포머(T1,T2,T3,T4)의 2차측 코일은 2개로 구성되어 있다. 동일한 트랜스포머에 포함된 2차측 코일들은 각각 서로 다른 펄스 발생 모듈의 트랜스포머에 포함된 2차측 코일들과 각각 병렬로 연결된다.
도 4를 참조하면, 제 1 펄스 발생 모듈(110)의 트랜스포머(T1)에 포함된 2개의 2차측 코일 중 하나는 제 2 트랜스포머(T2)의 2차측 코일과 병렬로 연결되고, 다른 하나는 제 3 트랜스포머(T3)의 2차측 코일과 병렬로 연결된다.
마찬가지로, 제 2 펄스 발생 모듈(120)의 트랜스포머(T2)에 포함된 2개의 2차측 코일 중 하나는 제 1 트랜스포머(T1)의 2차측 코일과 병렬로 연결되고, 다른 하나는 제 4 트랜스포머(T4)의 2차측 코일과 병렬로 연결된다.
동일한 방식으로, 제 3 펄스 발생 모듈(130)의 트랜스포머(T3)에 포함된 2개의 2차측 코일 중 하나는 제 1 트랜스포머(T1)의 2차측 코일과 병렬로 연결되고, 다른 하나는 제 4 트랜스포머(T4)의 2차측 코일과 병렬로 연결된다.
또한, 제 4 펄스 발생 모듈(140)의 트랜스포머(T4)에 포함된 2개의 2차측 코일 중 하나는 제 2 트랜스포머(T2)의 2차측 코일과 병렬로 연결되고, 다른 하나는 제 3 트랜스포머(T3)의 2차측 코일과 병렬로 연결된다.
이렇게 병렬로 연결된 2차측 코일들은 서로 직렬로 연결되어 부하(200)로 펄스 전원을 공급한다.
지금까지 설명한 바와 같이, 트랜스포머의 복수의 2차측 코일 각각이 서로 다른 펄스 발생 모듈의 트랜스포머에 포함된 2차측 코일과 병렬로 연결됨으로써, 각 펄스 발생 모듈간에 균일한 전압과 전류가 유발되어 부하(200)측으로 안정적인 펄스 전원을 공급할 수 있다.
제 2 실시예에 따른 펄스 전원 장치의 동작을 살펴보면, 먼저, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 제 1 펄스 발생 모듈(110) 내지 제 4 펄스 발생 모듈(140)의 제 1 제어부 내지 제 4 제어부가 동시에 스위치 드라이버들로 제어신호를 출력하고, 스위치 드라이버들이 반도체 스위칭 소자를 스위치 온(턴 온)시키기 위한 신호(VQ1,VQ2,VQ3,VQ3)를 동시에 반도체 스위칭 소자(Q1~Q4)로 출력하여 스위치 온 시키면, 각 펄스 발생 모듈(110~140)의 전원 공급 소자(C1~C4)로부터 전기 에너지가 방출되어 자화 인덕터(Lm1~Lm4) 및 반도체 스위칭 소자(Q1~Q4)로 전류가 흐르면서 자화 인덕터(Lm1~Lm4)에 에너지가 저장되고, 반도체 스위칭 소자(Q1~Q4)가 스위치 오프되면, 자화 인덕터(Lm1~Lm4)에 흐르는 전류가 트랜스포머(T1~T4)의 1차측 코일로 흐르면서 2차측 코일에 유도된 전류(io1_1,io1_2,io2_1,io2_2,io3_1,io3_2,io4_1,io4_2)가 흐르게 된다.
이렇게 유도된 전류(io1_1~io4_2)는 부하(200)로 출력됨으로써, 부하(200)에는 고전압(VO) 펄스가 제공된다.
한편, 도 5의 (b)는 도 2의 (b)를 참조하여 설명한 바와 동일하게, 각 펄스 발생 모듈(110~140)의 반도체 스위칭 소자(Q1~Q4)의 온/오프 타이밍을 조절하여 부하(200)측으로 펄스 전원이 제공되는 반복률을 조절하는 예를 도시한다.
도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 제 1 펄스 발생 모듈(110)의 제 1 반도체 스위칭 소자(Q1)와 제 2 펄스 발생 모듈(120)의 제 2 반도체 스위칭 소자(Q2)를 동시에 스위치 온시키면, 제 1 펄스 발생 모듈(110) 및 제 2 펄스 발생 모듈(120)의 트랜스포머의 2차측 코일에만 유도 전류(io1_1,io1_2,io2_1,io2_2)가 발생하여 부하(200)로 공급된다.
그 후, 마찬가지 방식으로, 제 3 펄스 발생 모듈(130)의 제 3 반도체 스위칭 소자(Q3)와 제 4 펄스 발생 모듈(140)의 제 4 반도체 스위칭 소자(Q4)를 동시에 스위치 온시키면, 제 3 펄스 발생 모듈(130) 및 제 4 펄스 발생 모듈(140)의 트랜스포머(T3,T4)의 2차측에만 유도 전류(io3_1,io3_2,io4_1,io4_2)가 발생하여 부하(200)로 공급된다.
이렇게, 복수의 펄스 발생 모듈들(110~140)을 순차적으로 동작시키면 펄스 전원 장치의 반복률을 조절할 수 있다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예의 변형 실시예에 따른 펄스 전원 장치의 구성을 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예의 변형 실시예에 따른 펄스 전원 장치에서 출력되는 펄스 파형을 도시하는 타이밍도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 제 2 실시예의 경우에도, 도 3에 도시된 바와 같이, 양극성 전원 펄스를 부하(200)로 제공할 수 있다. 양극성 펄스를 제공하기 위해서, 제 2 실시예의 변형예는, 제 3 트랜스포머(T3) 및 제 4 트랜스포머(T4)의 1차측 코일의 권선 방향을 제 1 트랜스포머(T1) 및 제 2 트랜스포머(T2)와 반대로 설정하였다.
이에 따라서, 제 3 트랜스포머(T3) 및 제 4 트랜스포머(T4)의 2차측에서 유도되는 전류(io3_1,io3_2,io4_1,io4_2)의 방향이, 도 4에 도시된 제 3 트랜스포머(T3) 및 제 4 트랜스포머(T4)의 2차측에서 유도되는 전류(io3_1,io3_2,io4_1,io4_2)의 방향과 서로 반대가 된다.
따라서, 도 7에 도시된 바와 같이, 제 3 반도체 스위칭 소자(Q3) 및 제 4 반도체 스위칭 소자(Q4)가 스위치 온(턴 온)되면, 제 3 자화 인덕터(Lm3) 및 제 4 자화 인덕터(Lm4)에 전류가 흐르면서 에너지가 저장되고, 제 3 반도체 스위칭 소자(Q3) 및 제 4 반도체 스위칭 소자(Q4)가 스위치 오프(턴 오프)되면, 제 3 자화 인덕터(Lm3) 및 제 4 자화 인덕터(Lm3)에 흐르던 전류(iLm3,iLm4)가 제 3 트랜스포머(T3) 및 제 4 트랜스포머(T4)의 1차측 코일로 흐르면서 제 3 트랜스포머(T3) 및 제 4 트랜스포머(T4)의 2차측 코일에 유도 전류(io3_1,io3_2,io4_1,io4_2)가 흐르고, 유도된 전류가 부하(200)로 유입되면서 부하(200)로 고전압(-VO) 펄스, 즉, 제 1 펄스 발생 모듈(110) 및 제 2 펄스 발생 모듈(120)가 부하(200)로 제공하는 고전압(VO) 펄스와 극성이 반대되는 고전압 펄스 전원(-VO)을 제공하게 된다.
제 2 실시예의 변형 실시예에서, 제 3 트랜스포머(T3) 및 제 4 트랜스포머(T4)의 1차측 코일 대신에 2차측 코일을 제 1 트랜스포머(T1) 및 제 2 트랜스포머(T2)와 반대 방향으로 권선하여도 동일한 효과가 나타남은 물론이다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
110 : 제 1 펄스 발생 모듈
111 : 제 1 제어부 112 : 제 1 스위치 드라이버
113 : 전원 공급 소자 Q1 : 제 1 반도체 스위칭 소자
Lm1 : 자화 인덕터 T1 : 제 1 트랜스포머
120 : 제 2 펄스 발생 모듈
121 : 제 2 제어부 122 : 제 2 스위치 드라이버
123 : 전원 공급 소자 Q2 : 제 2 반도체 스위칭 소자
Lm2 : 자화 인덕터 T2 : 제 2 트랜스포머
130 : 제 3 펄스 발생 모듈
140 : 제 4 펄스 발생 모듈
200 : 부하

Claims (11)

  1. 복수의 펄스 발생 모듈들이 연결되어 부하로 펄스 전원을 공급하는 펄스 전원 장치로서,
    상기 펄스 발생 모듈 각각은 전기 에너지를 저장하여 트랜스포머를 통해서 전기 에너지를 변환하여 부하로 출력하되, 상기 트랜스포머는 복수의 2차측 코일을 구비하고, 2차측 코일은 다른 펄스 발생 모듈의 트랜스포머에 포함된 2차측 코일과 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 펄스 전원 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 펄스 전원 장치가 상기 펄스 발생 모듈을 2개 포함하는 경우에,
    상기 펄스 발생 모듈에 포함된 트랜스포머의 2차측 코일들은 다른 펄스 발생 모듈에 포함된 트랜스포머의 2차측 코일들과 병렬로 연결되고, 서로 병렬로 연결된 2차측 코일들은 다시 직렬로 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 펄스 전원 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 펄스 전원 장치가 상기 펄스 발생 모듈을 3개 이상 포함하는 경우에,
    상기 각 펄스 발생 모듈에 포함된 트랜스포머의 2차측 코일들은 서로 다른 펄스 발생 모듈에 포함된 트랜스포머의 2차측 코일들과 병렬로 연결되고, 서로 병렬로 연결된 2차측 코일들은 다시 직렬로 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 펄스 전원 장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 펄스 발생 모듈들은 서로 다른 타이밍에 전원 펄스를 발생시켜, 상기 펄스 전원 장치의 펄스 전원 공급 반복률을 조절하는 것을 특징으로 하는 펄스 전원 장치.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 펄스 발생 모듈들 중 일부 펄스 발생 모듈들에 포함되는 트랜스포머의 1차측 또는 2차측 코일의 권선 방향을, 다른 펄스 발생 모듈들에 포함되는 트랜스포머의 1차측 또는 2차측 코일의 권선 방향과 반대로 하여, 양극성 전원 펄스를 부하로 공급하는 것을 특징으로 하는 펄스 전원 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 펄스 발생 모듈들은
    반도체 스위칭 소자;
    상기 반도체 스위칭 소자의 온/오프를 제어하는 제어 신호를 출력하는 제어부;
    상기 제어 신호에 따라서 상기 반도체 스위칭 소자를 스위치 온/오프 시키는 스위치 드라이버;
    전기 에너지를 축전하고, 상기 반도체 스위칭 소자가 스위치 온 되면 전기 에너지를 방전하는 전원 공급 소자;
    상기 전원 공급 소자에서 출력되는 전기 에너지를 변환하여 부하로 출력하는 트랜스포머; 및
    상기 트랜스포머의 1차측 코일에 병렬로 형성된 자화 인덕터를 포함하고,
    상기 트랜스포머의 2차측 코일은 복수개로 형성되고, 각각의 2차측 코일은 다른 펄스 발생 모듈의 2차측 코일과 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 펄스 전원 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 반도체 스위칭 소자가 스위치 온되면, 상기 전원 공급 소자는 축전된 전기 에너지를 방전하고, 방전된 전기 에너지에 의해서 상기 자화 인덕터 및 상기 반도체 스위칭 소자를 통해서 전류가 흐르면서 상기 자화 인덕터에 에너지가 저장되며,
    상기 반도체 스위칭 소자가 스위치 오프되면, 상기 자화 인덕터에 저장된 전기 에너지가 방출되면서 상기 트랜스포머의 1차측 코일로 전류가 흐르면서 상기 트랜스포머의 2차측 코일에 전류가 유도되어 부하로 펄스 전원이 공급되는 것을 특징으로 하는 펄스 전원 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 펄스 전원 장치가 상기 펄스 발생 모듈을 2개 포함하는 경우에,
    상기 펄스 발생 모듈에 포함된 트랜스포머의 2차측 코일들은 다른 펄스 발생 모듈에 포함된 트랜스포머의 2차측 코일들과 병렬로 연결되고, 서로 병렬로 연결된 2차측 코일들은 다시 직렬로 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 펄스 전원 장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 펄스 전원 장치가 상기 펄스 발생 모듈을 3개 이상 포함하는 경우에,
    상기 각 펄스 발생 모듈에 포함된 트랜스포머의 2차측 코일들은 서로 다른 펄스 발생 모듈에 포함된 트랜스포머의 2차측 코일들과 병렬로 연결되고, 서로 병렬로 연결된 2차측 코일들은 다시 직렬로 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 펄스 전원 장치.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 제어부는 다른 펄스 발생 모듈의 제어부와 서로 다른 타이밍에 제어 신호를 출력함으로써, 상기 펄스 발생 모듈들이 서로 다른 타이밍에 전원 펄스를 발생시키도록 하여, 상기 펄스 전원 장치의 펄스 전원 공급 반복률을 조절하는 것을 특징으로 하는 펄스 전원 장치.
  11. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 펄스 발생 모듈들 중 일부 펄스 발생 모듈들에 포함되는 트랜스포머의 1차측 또는 2차측 코일의 권선 방향을, 다른 펄스 발생 모듈들에 포함되는 트랜스포머의 1차측 또는 2차측 코일의 권선 방향과 반대로 하여, 양극성 전원 펄스를 부하로 공급하는 것을 특징으로 하는 펄스 전원 장치.
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