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WO2018038398A1 - 펄스 전원 보상 장치 및 이를 포함하는 고전압 펄스 전원 시스템. - Google Patents

펄스 전원 보상 장치 및 이를 포함하는 고전압 펄스 전원 시스템. Download PDF

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Publication number
WO2018038398A1
WO2018038398A1 PCT/KR2017/007657 KR2017007657W WO2018038398A1 WO 2018038398 A1 WO2018038398 A1 WO 2018038398A1 KR 2017007657 W KR2017007657 W KR 2017007657W WO 2018038398 A1 WO2018038398 A1 WO 2018038398A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pulse
power
voltage
compensation
input
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2017/007657
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
장성록
김형석
유찬훈
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Korea Electrotechnology Research Institute KERI
Original Assignee
Korea Electrotechnology Research Institute KERI
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Korea Electrotechnology Research Institute KERI filed Critical Korea Electrotechnology Research Institute KERI
Publication of WO2018038398A1 publication Critical patent/WO2018038398A1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
    • H01J37/32174—Circuits specially adapted for controlling the RF discharge
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/02—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC
    • H02M3/04—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/06—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/53—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback
    • H03K3/57—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback the switching device being a semiconductor device

Definitions

  • the present invention relates to a pulse power compensation device and a high voltage pulse power system including the same, and more particularly, to be connected to a high voltage pulse power device to compensate for a voltage drop of a pulse power so that a pulse power of a constant voltage can be provided to a load side.
  • the present invention relates to a pulse power compensation device and a high voltage pulse power supply system including the same.
  • a high voltage pulse power supply device refers to a device for supplying high voltage pulse power to a load such as various test equipments and plasma generators (PSII, etc.).
  • the high voltage pulse power supply device controls the power supply unit 10, the switching unit 20 connected between the power supply unit 10 and the load 40, and the power supply unit 10 and the switching unit 20. It is configured to include a controller (30).
  • the power supply 10 rectifies the input power and charges a high voltage DC power supply to a plurality of capacitors connected in series with each other.
  • the switching unit 20 When the switching unit 20 is turned on and energized with the load 40, the power charged in the capacitors is supplied. By discharging at a time, a high voltage pulse is supplied to the load 40 side, and when the switching unit 20 is turned off, the discharged capacitors are charged again.
  • the high voltage pulse power is supplied to the load 40 side, and by controlling the switching unit 20 to control the pulse width, repetition rate and the like of the high voltage pulse power.
  • Such a switching unit 20 is implemented using a mechanical switch, but recently, it has been implemented using semiconductor switch elements.
  • the semiconductor switch device is inexpensive and not only can implement the switching unit 20 at low cost, but also has an excellent response characteristic, thereby reducing the rise time of the pulse and minimizing energy loss.
  • This voltage loop phenomenon occurs as the voltage of the charging capacitor gradually decreases as the voltage of the charging capacitor is discharged to the load 40 while the pulse is applied with the charged energy to the charging capacitor, which is caused by the application of the pulsed power system. It may not be a big problem.
  • t denotes time
  • V pulse denotes a high voltage power pulse generated at the high voltage pulse power supply and finally applied to the load 40.
  • the voltage loop amount (voltage drop) ⁇ V droop is related to the capacitance (C storage ), the pulse current (I pulse ), the pulse width (t pw ) of the entire charging capacitor in the pulse power supply.
  • a voltage loop is generated for each pulse generated while the high voltage power pulse is applied, and at this time, the voltage drops in an application field such as an electron accelerator, a radar pulse power supply, and a klystron. That is, by applying a low reference value for the voltage drop rate, a small voltage drop rate within the reference value is required. Therefore, there is a need for a high voltage pulse power supply device capable of minimizing a voltage drop rate while having a wide pulse width.
  • a method of greatly increasing the capacity of the charging capacitor may be considered.
  • a capacitor capacity of a level that is practically impossible is required, particularly a high voltage power supply.
  • Increasing the capacitance of a capacitor in a device not only requires a large cost, but also becomes quite bulky, and there is a limit to even longer pulse widths.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a pulse power compensation device capable of compensating for a voltage drop occurring during the application of a high voltage power pulse by additionally providing a simple circuit configuration without a significant increase in cost or volume.
  • Pulse power compensation device for solving the above problems is connected in series between the pulse power supply and the load, the voltage of the power supply pulse provided to the load at a predetermined time period in the pulse power supply
  • a pulse power compensation device for compensating a droop to provide a power pulse having a constant voltage magnitude to the load comprising: calculating a voltage droop amount of the power pulse and calculating a compensation pulse having a voltage value corresponding to the voltage droop amount;
  • a compensation controller for outputting a control signal for generating; And a power pulse having a constant voltage level to the load by generating a compensation pulse having a voltage value having a magnitude corresponding to a voltage droop amount by changing the magnitude of the DC voltage according to a control signal input from the compensation controller. It includes; pulse power compensation unit to be provided.
  • the compensation control unit calculates the voltage droop amount of the power pulse by using the current value measured by the current sensor for measuring the current flowing through the load, the pulse power compensation unit rectifies the input AC power, DC voltage And generate a compensation pulse having a voltage value of a magnitude corresponding to the voltage droop amount by changing the magnitude of the DC voltage according to the control signal input from the compensation controller.
  • the pulse power compensator may include: a rectifier configured to rectify and output the input AC power into DC power; A smoothing capacitor that smoothes the unsmoothed DC power input from the rectifier; A charging unit which receives the smoothed voltage from the smoothing capacitor and converts the magnitude of the voltage to correspond to the voltage droop amount according to a control signal input from the compensation controller to charge the discharge capacitor; And a discharge capacitor that smoothes the DC voltage input from the charging unit, charges to a voltage having a magnitude corresponding to the voltage droop amount, and outputs and discharges a compensation pulse of the charged voltage to the load side.
  • the charging unit may include: an inverter circuit converting DC power charged in the smoothing capacitor into AC power according to a control signal input from the compensation controller; A transformer for boosting or stepping down AC power input from the inverter circuit to output the transformer; And a rectifying circuit rectifying the AC power input from the transformer into a DC power and outputting the DC power to the discharge capacitor, thereby charging the discharge capacitor to a voltage having a magnitude corresponding to the voltage droop amount.
  • the pulse power compensation device while the power pulse is not generated, transfers the power charged in the discharge capacitor to the smoothing capacitor to transfer the energy charged in the discharge capacitor to the
  • the regenerative unit may further include a regenerative unit which prevents energy waste by transferring the regenerative unit to an input terminal.
  • the regenerative unit may include: a switching element configured to turn on when a power pulse is turned off according to a control signal of the compensation controller to output power charged in a discharge capacitor to an input terminal of the charging unit; A transformer for converting and outputting power input through the switching element; And a diode outputting the voltage output from the transformer to an input terminal of the charging unit, and blocking current from flowing from the input terminal of the charging unit to the transformer.
  • the compensation controller may include an inverter configured to receive a timing signal indicating a generation timing of the power pulse and generate an inverted timing signal inverting the timing signal; An inactive signal generator for generating an inactive signal and outputting the inactive signal to the switching signal generator while the inversion timing signal is high; The drooped voltage value of the power pulse is calculated using the current value input from the current sensor while the inactive signal is not input, and a compensation pulse having a compensation voltage equal to the drooped voltage value is generated by the compensation gate drive circuit.
  • a switching signal generator for outputting a compensation control signal to stop the generation of the compensation control signal when the inactive signal is input; And a compensation gate drive circuit configured to output a gate control signal to the charger to control turn-on and turn-off of each semiconductor switching element included in the inverter of the charger according to the compensation control signal.
  • the compensation controller may further include: a third differentiator generating a regeneration start pulse signal at a timing corresponding to a rising edge of the inversion timing signal and outputting the regeneration start pulse signal to a regeneration gate drive circuit; And a regenerative gate drive circuit configured to input a turn-on pulse V RE _GATE to turn on the semiconductor switching element included in the regenerative unit when the regenerative start pulse signal is input.
  • a high voltage pulse power supply system for solving the above technical problem, the pulse power compensation device according to a preferred embodiment of the present invention described above;
  • the current sensor for measuring a current flowing in the load;
  • a pulse power supply generating the power pulse at a predefined time period and providing the power pulse to the load.
  • the present invention installs a pulse power compensation device in series between a high voltage pulse power supply and a load, and measures the voltage of the high voltage power pulse output from the high voltage pulse power supply using a current flowing through the load, After calculating the voltage droop of the power pulses supplied to the load, the pulse power compensation device generates and outputs a compensation pulse that compensates this so that a constant voltage is supplied to the load, without increasing the capacity of the capacitor.
  • the pulse power compensation device by installing an additional pulse power compensation device with a simple circuit structure, it is possible to supply a constant voltage pulse power supply without charge droop to the load.
  • the present invention does not consume energy charged in the discharge capacitor inside the pulse power compensating device as heat, but can supply energy to the charging unit and regenerate it to prevent energy waste.
  • FIG. 1 is a view showing a schematic configuration of a general high voltage pulse power supply according to the prior art.
  • FIG. 2 is a view showing the waveform of a pulse generated in a general high voltage pulse power supply according to the prior art.
  • FIG. 3A illustrates a simplified configuration of a pulse power compensation device according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 3B is a conceptual view illustrating a method of compensating a voltage droop of a pulse power supply using the pulse power compensation device.
  • FIG. 4 is a diagram showing a detailed configuration of a pulse power compensation device according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a detailed configuration of a compensation control unit and a power control unit according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a timing diagram of signals output from a power controller and a compensation controller according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A illustrates a simplified configuration of a high voltage pulse power supply device and a pulse power compensation device according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 3B is a conceptual view illustrating a method of compensating a voltage droop of a pulse power supply using a pulse power compensation device. to be.
  • the pulse power compensating device 400 is connected in series between a conventional high voltage pulse power supply 300 and a load 500, and thus the high voltage pulse power supply 300. While the high-voltage power supply pulse is supplied to the load 500 side from the power supply, the power supply having a uniform voltage magnitude as a whole by supplying additional compensation pulses corresponding to the voltage drop of the high-voltage power supply pulse to the load 500 side. Allow pulses to be supplied.
  • a plurality of capacitors connected in series to each other is equivalent to one capacitor (C storage ) 313, and a plurality of semiconductor switching elements connected in series to each other are equivalent to one switch (SW) 311. Indicated by.
  • a power pulse in which a voltage droop occurs as a power pulse output from the high voltage pulse power supply 300 is represented by V pulse , t represents time, and ⁇ V droop represents a voltage drop amount.
  • V pulse represents a high voltage power pulse output from the high voltage pulse power supply 300
  • Vcomp represents a compensation pulse output from the pulse power compensation apparatus 400 according to the preferred embodiment of the present invention
  • V LOAD is a voltage drop compensated by adding the voltage values of the high voltage power pulse V pulse output from the high voltage pulse power supply device 300 connected in series with each other and the compensation pulse Vcomp output from the pulse power compensation device 400. The waveform of the pulse power supply provided to the load is shown.
  • the pulse power compensator 400 of the present invention is synchronized with the high voltage pulse power supply 300 so that the voltage drop is generated by the high voltage power pulse output from the high voltage pulse power supply 300. Since a compensation pulse having a voltage value of 0 is output in real time, and a power pulse provided to the load side is provided by combining a high voltage power pulse and a compensation pulse, the load receives a power pulse having a constant voltage magnitude. To this end, as shown in FIG. 3B, the voltage of the high voltage power supply pulse monotonically increases as time passes, and the compensation pulse increases monotonically as time passes.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a detailed configuration of a pulse power compensation device 400 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the high voltage pulse power supply device 300 of the present invention includes a pulse power supply 310 for generating high voltage pulse power and supplying it to a load side, and a power controller 320 for controlling the pulse power supply 310.
  • the pulse power compensation device 400 of the present invention includes a pulse power compensation unit 410 for generating a compensation pulse and supplying it to a load side, and a compensation control unit 420 for controlling the pulse power compensation unit 410. .
  • the pulse power compensator 410 includes a rectifier 411, a smoothing capacitor 412, a charging unit 413, a discharge capacitor 414, and a regenerative unit 415.
  • a rectifier 411 rectifier 411
  • a smoothing capacitor 412 charging unit 413
  • a discharge capacitor 414 discharge capacitor 414
  • a regenerative unit 415 regenerative unit 415
  • the rectifier 411 rectifies the input AC power to a DC power and outputs the same to the smoothing capacitor 412.
  • the smoothing capacitor 412 smoothes and smoothes the unsmoothened DC power input from the rectifying part 411.
  • voltage (V Link) is input to the charging section 413.
  • the charging unit 413 includes an inverter circuit 413a, a transformer 413b, and a rectifier circuit 413c, and the smoothed voltage V Link is input to the inverter circuit 413a.
  • the inverter circuit 413a converts the DC power charged in the smoothing capacitor 412 into an AC power having a frequency and a voltage magnitude necessary to compensate for the voltage drop of the power pulse in accordance with a control signal input from the compensation controller 420.
  • 413b outputs the transformer 413b to the rectifier circuit 413c by stepping up or down the input AC power.
  • the rectifier circuit 413c rectifies the AC power input from the transformer 413b into DC power. By outputting to the discharge capacitor 414, the discharge capacitor 414 is charged to a voltage having a magnitude corresponding to the voltage droop amount.
  • the discharge capacitor 414 smoothes the DC power input from the charging unit 413 to charge the voltage having a magnitude corresponding to the voltage droop amount, and outputs a compensation pulse Vcomp of the charged voltage to the load side, thereby lowering the voltage of the pulse power supply. To compensate.
  • the regenerative unit 415 is connected to the discharge capacitor 414 so that the residual voltage charged in the discharge capacitor 414 after the compensation pulse is output, that is, while the power supply pulse is terminated and no power supply pulse is generated. It is delivered to the input terminal of the charging unit 413 and regenerated to prevent waste of energy.
  • the regenerative unit 415 outputs the remaining power of the discharge capacitor 414 to the smoothing capacitor 412, which is an input terminal of the charging unit 413, from the time when the power supply pulse ends.
  • the remaining power is charged to the smoothing capacitor 412 to be used for generating a compensation pulse when the next power supply pulse is output, thereby preventing energy waste.
  • the regenerative unit 415 is turned on when the power supply pulse is turned off according to the control signal of the compensation controller 420 so as to output the power charged in the discharge capacitor 414 to the input terminal of the charging unit 413,
  • the transformer 415b for converting and outputting the power input through the switching element 415a, and the voltage output from the transformer 415b are output to the input terminal of the charging unit 413, and the regenerative unit (from the input terminal of the charging unit 413).
  • 415c is configured to include a diode (415c) to block the flow of current.
  • the compensation control unit 420 senses the current flowing through the load to measure the voltage drop of the pulse power supply in real time, and controls the charging unit 413 to generate a compensation power pulse of the corresponding size.
  • the pulse power supply 310 discharges the capacitor (C_storage) so that the output current flows to the load This generates a pulse power supply. Therefore, when a large output current flows, the size of the voltage droop of the pulse power supply increases, and when the current decreases, the size of the voltage droop also decreases.
  • the compensation control unit 420 may calculate the magnitude of the voltage droop when the output current is sensed, and the pulse power compensation device 400 generates a constant current corresponding to the magnitude of the droop to charge the discharge capacitor 414.
  • a compensating voltage having a larger voltage must be generated, and in order to generate a larger compensating voltage, a larger constant current flows to the discharge capacitor 414 to discharge the discharge capacitor 414. ) Should be charged.
  • the compensation controller 420 predicts the magnitude of the final droop of the pulse output voltage based on the current sensed by the current sensor 600, and generates a current suitable for the magnitude of the final droop based on the current.
  • the inverter 413a of the charging unit 413 adjusts the switching frequency of operation.
  • the current value output from the transformer 413b to the rectifier 413c is adjusted, and accordingly, the current value charged in the discharge capacitor 414 is adjusted so that the voltage charged is adjusted to the pulse droop amount. It is adjusted to correspond.
  • the current supplied to the discharge capacitor 414 through the transformer 413b and the rectifier circuit 413c flows a larger current than the current flowing to the load by the power pulse, so that the discharge capacitor ( The voltage charged to 414 becomes a triangular wave shape gradually increasing as shown in FIG. 3B.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a detailed configuration of the compensation controller 420 and the power controller 320 according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a diagram illustrating signals output from the power controller 320 and the compensation controller 420. Timing diagram.
  • the power controller 320 generates and outputs a pulse width reference value Vref1 that determines a pulse width of a preset power pulse, and outputs the pulse width reference value setting unit 321.
  • Frequency reference value setting unit 322 for generating and outputting a frequency reference value for determining the frequency of the pulse
  • frequency conversion unit 323 for outputting a square pulse having a frequency corresponding to the voltage value input from the frequency reference value setting unit 322
  • a triangular wave generator 324 for generating and outputting a triangular wave Vsaw corresponding to the corresponding frequency by using a square pulse input from the frequency converter 323, and a pulse width reference value V ref1 and a triangular wave Vsaw.
  • a comparator 325 for generating and outputting the timing signal V T of the power supply pulse (see FIGS. 6A and 6B).
  • the timing signal V T output from the comparator 325 is inputted to the current booster 326 and the current value is amplified, and then the signal V T2 of the same timing is inputted to the first differentiator 327 and inverted.
  • the timing signal V T1 is input to the second differentiator 328, and the first differentiator 327 and the second differentiator 328 are signals V ON corresponding to the rising edges of the timing signal V T , respectively.
  • a signal V OFF corresponding to the falling edge is output to the power supply gate drive circuit 329 (see FIGS. 6C and 6D).
  • the compensation controller 420 may include a compensation gate drive circuit 426, an inverter 421, a third differentiator 422, a regenerative gate drive circuit 423, a switching signal generator 425, and an inactive signal generator. And 424.
  • the timing signal V T output from the comparator 325 of the power controller 320 is input to the current booster 326 and to the inverter 421.
  • the inverting unit 421 inverts the input timing signal V T (High-> Low, Low-> High, respectively), and inverts the inverted timing signal V inv by the third differentiator 422. (See (f) of FIG. 6) Therefore, while the timing signal V T of the power supply pulse is High (that is, while the high voltage power supply pulse is generated), the inversion timing signal ( V inv ) is a low state, and while the timing signal V T of the power supply pulse is Low (that is, while no high voltage power supply pulse is generated), the inversion timing signal V inv is High.
  • the inverted timing signal (V inv) inactive signal generator 424 While the inverted timing signal (V inv) inactive signal generator 424, the input to the inverted timing signal (V inv) is High (i.e., while the high-voltage power supply pulse is not generated), the instruction to stop the output of the compensation pulse The inactive signal V fault is generated and output to the switching signal generator 425 (see FIG. 6 (i)).
  • the inverted timing signal (V inv) (during the generation that is, the high voltage power pulse) inactive signal generator 424 receives input the is as long as the inverted timing signal (V inv) Low, the switch signal generation unit 425 Does not generate an inactive signal V fault to control the charging unit 413 to generate a compensation pulse.
  • the switching signal generator 425 While the inactive signal is not input, the switching signal generator 425 measures the voltage value of the current high voltage power pulse using the current value input from the current sensor 600, and the voltage value drooped from the measured high voltage power pulse. , And outputs a compensation control signal to generate a compensation pulse having a compensation voltage equal to the voltage value drooped to the compensation gate drive circuit 426, and the compensation gate drive circuit 426 is charged according to the compensation control signal. Outputs a gate control signal (V CO_GATE ) that controls the turn on / turn off of each semiconductor switching element included in the inverter of the inverter to provide a compensation pulse to the load side to provide a high voltage power pulse having a constant voltage value to the load. On the other hand, the switching signal generator 425 outputs the compensation gate drive circuit 426 when the inactive signal V fault is input. Stops the compensation control signal.
  • V CO_GATE gate control signal
  • the third differentiator 422 generates a regeneration start pulse signal V RE at a timing corresponding to the rising edge of the inversion timing signal V inv (a timing corresponding to the falling edge of the timing signal VT) and regenerates it.
  • the regenerative gate drive circuit 423 is a semiconductor switching element included in the regenerative unit 415 when the regenerative start pulse signal V RE is inputted.
  • the turn-on pulse V RE _GATE to turn on is input to the regenerative unit 415 (see FIG. 6H ).
  • the semiconductor switching element 415a of the regenerative unit 415 is turned on by the turn-on pulse V RE _GATE to convert energy stored in the discharge capacitor 414 of FIG. 4 through the transformer 415b, and a diode Output energy to the smoothing capacitor 412 which is an input terminal of the charging unit 413 through 415c to recycle energy.

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Abstract

본 발명은 펄스 전원 보상 장치를 공개한다. 본 발명은 고전압 펄스 전원 장치와 부하 사이에 직렬로 펄스 전원 보상 장치를 설치하고, 고전압 펄스 전원 장치에서 출력하는 고전압 전원 펄스의 전압을 부하에 흐르는 전류를 이용하여 측정하며, 측정된 전류값으로부터 현재 부하에 공급되는 전원 펄스의 전압 드룹량을 계산한 후, 이를 보상하여 부하에 일정한 전압이 공급되도록 하는 보상 펄스를 펄스 전원 보상 장치에서 생성하여 부하로 출력함으로써, 커패시터의 용량의 크게 증가시키지 않고서도, 간단한 회로 구조의 펄스 전원 보상 장치를 추가로 설치함으로써 부하로 전하 드룹이 없는 일정한 전압의 펄스 전원을 공급할 수 있다. 또한, 본 발명은 펄스 전원 보상 장치 내부의 방전 커패시터에 충전된 에너지를 열로서 소비하지 않고, 다시 충전부로 공급하여 회생시킴으로써 에너지 낭비를 방지할 수 있다.

Description

펄스 전원 보상 장치 및 이를 포함하는 고전압 펄스 전원 시스템.
본 발명은 펄스 전원 보상 장치 및 이를 포함하는 고전압 펄스 전원 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 고전압 펄스 전원 장치에 연결되어 펄스 전원의 전압 강하를 보상하여 일정한 전압의 펄스전원이 부하측으로 제공될 수 있도록 하는 펄스 전원 보상 장치 및 이를 포함하는 고전압 펄스 전원 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 고전압 펄스 전원 장치는 각종 시험장비와 플라즈마 발생장치(PSII 등)와 같은 부하로 고전압 펄스 전원을 공급하는 장치를 칭한다.
도 1은 일반적인 고전압 펄스 전원 장치의 개략적인 구조를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 고전압 펄스 전원 장치는 전원 공급부(10), 전원 공급부(10)와 부하(40) 사이에 연결된 스위칭부(20), 및 전원 공급부(10)와 스위칭부(20)를 제어하는 제어기(30)를 포함하여 구성된다.
전원 공급부(10)는 입력 전원을 정류하여 서로 직렬로 연결된 복수의 커패시터에 고전압 직류 전원을 충전하고 있다가, 스위칭부(20)가 온 되어 부하(40)와 통전되면, 커패시터들에 충전된 전원을 일시에 방전함으로써 고전압 펄스를 부하(40)측으로 공급하고, 스위칭부(20)가 오프되면 방전된 커패시터들을 다시 충전한다.
이러한 과정을 통해서, 고전압 펄스 전원이 부하(40)측으로 공급되고, 스위칭부(20)를 제어함으로써 고전압 펄스 전원의 펄스 폭, 반복율 등의 제어를 수행하게 된다.
종래에는 이러한 스위칭부(20)를 기계식 스위치를 이용하여 구현하였으나, 최근에는 반도체 스위치 소자들을 이용하여 구현하고 있다. 반도체 스위치 소자는 가격이 저렴하여 저비용으로 스위칭부(20)를 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 응답 특성이 뛰어나 펄스의 상승시간을 감소시키고 에너지 손실을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
그런데, 종래의 펄스 전원 공급 장치에서 생성된 고전압 펄스가 부하로 인가되는 동안 부하(40)로 출력되는 고전압 펄스에는 도 2에 도시된 바와 같이 각 펄스마다 전압이 조금씩 떨어지는 전압 드룹(voltage droop) 현상이 발생한다.
이러한 전압 두룹 현상은 충전 커패시터에 충전된 에너지로 펄스를 인가하는 동안 충전 커패시터의 전압이 부하(40)로의 방전됨에 따라서 전압이 점점 떨어지면서 발생하는데, 전압 두룹 현상은 펄스 전원 시스템의 응용 분야에 따라 크게 문제가 되지 않을 수도 있다.
그러나, 펄스 전원 시스템을 전자가속기용 전원 또는 레이더용 펄스 전원으로 사용하거나 클라이스트론(klystron) 응용 분야에 적용할 경우 까다로운 전압 두룹 조건이 요구된다.
도 2에 도시된 예에서, t는 시간을, Vpulse는 고전압 펄스 전원 장치에서 생성되어 부하(40)로 최종 인가되는 고전압 전원 펄스를 나타낸다.
이때, 전압 두룹량(전압 강하량)(ΔVdroop)은 펄스 전원 장치 내 전체 충전 커패시터의 커패시턴스(Cstorage)와 펄스 전류(Ipulse), 펄스 폭(tpw)과 관계된다.
도 2에서와 같이 고전압 펄스 전원 장치에서는 고전압 전원 펄스가 인가되는 동안 생성된 각 펄스마다 전압 두룹이 발생하고, 이때 전자가속기나 레이더용 펄스 전원, 클라이스트론(klystron) 등의 응용 분야에서는 전압이 떨어지는 정도, 즉 전압 강하율에 대한 낮은 기준치를 적용하여 기준치 이내의 작은 전압 강하율을 요구하고 있다. 따라서, 넓은 펄스 폭을 갖으면서도 전압 강하율을 최소화할 수 있는 고전압 펄스 전원 장치가 요구되고 있다.
전압 두룹을 줄이기 위한 방법으로 충전 커패시터의 용량을 크게 증대시키는 방법이 고려될 수 있으나, 실질적으로 커패시터의 용량을 증대시켜 전압 두룹 최소화를 위해서는, 실질적으로 불가능한 수준의 커패시터 용량이 필요하며, 특히 고전압 전원장치에서 커패시터의 용량을 증대시키면 큰 비용이 필요할 뿐만 아니라 부피가 상당히 커지게 되고, 이마저 펄스 폭이 길어질 경우에는 한계가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 비용이나 부피의 큰 증가 없이 간단한 회로 구성을 추가로 구비하여 고전압 전원 펄스를 인가하는 동안 발생하는 전압 강하 현상을 보상할 수 있는 펄스 전원 보상 장치를 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 전원 보상 장치는, 펄스 전원 장치와 부하 사이에 직렬로 연결되어, 상기 펄스 전원 장치에서 일정한 시간 주기로 상기 부하로 제공하는 전원 펄스의 전압 드룹을 보상하여 상기 부하로 일정한 전압 크기를 갖는 전원 펄스가 제공되도록 하는 펄스 전원 보상 장치로서, 상기 전원 펄스의 전압 드룹량을 계산하고, 전압 드룹량에 대응되는 크기의 전압값의 갖는 보상 펄스를 생성하기 위한 제어 신호를 출력하는 보상 제어부; 및 상기 보상 제어부로부터 입력되는 제어신호에 따라서 DC 전압의 크기를 변경하여 전압 드룹량에 대응되는 크기의 전압값의 갖는 보상 펄스를 생성하여 상기 부하로 제공함으로써 상기 부하로 일정한 전압 크기를 갖는 전원 펄스가 제공되도록 하는 펄스 전원 보상부;를 포함한다.
또한, 상기 보상 제어부는, 상기 부하에 흐르는 전류를 측정하는 전류 센서에서 측정된 전류값을 이용하여 상기 전원 펄스의 전압 드룹량을 계산하고, 상기 펄스 전원 보상부는, 입력 AC 전원을 정류하여 DC 전압을 생성하고, 상기 보상 제어부로부터 입력되는 제어신호에 따라서 DC 전압의 크기를 변경하여 전압 드룹량에 대응되는 크기의 전압값을 갖는 보상 펄스를 생성하여 상기 부하로 제공할 수 있다.
또한, 상기 펄스 전원 보상부는, 입력되는 AC 전원을 DC 전원으로 정류하여 출력하는 정류부; 상기 정류부로부터 입력되는 평활화되지 않은 DC 전원을 평활화하는 평활 커패시터; 상기 평활 커패시터에서 평활화된 전압을 입력받고, 상기 보상 제어부로부터 입력되는 제어신호에 따라서, 상기 전압 드룹량에 대응되도록 전압의 크기를 변환하여 방전 커패시터를 충전시키는 충전부; 및 상기 충전부로부터 입력된 DC 전압을 평활화하여 상기 전압 드룹량에 대응되는 크기의 전압으로 충전되고, 충전된 전압의 보상 펄스를 부하측으로 출력하여 방전하는 상기 방전 커패시터;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 충전부는, 상기 보상 제어부로부터 입력되는 제어 신호에 따라서 상기 평활 커패시터에 충전된 DC 전원을 AC 전원으로 변환하여 출력하는 인버터 회로; 상기 인버터 회로에서 입력되는 AC 전원을 승압 또는 강압하여 출력하는 트랜스포머; 및 상기 트랜스포머로부터 입력된 AC 전원을 DC 전원으로 정류하여 상기 방전 커패시터로 출력함으로써, 상기 방전 커패시터를 전압 드룹량에 대응되는 크기의 전압으로 충전시키는 정류 회로;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 상기 펄스 전원 보상 장치는, 상기 전원 펄스가 생성되지 않는 동안에, 상기 방전 커패시터에 충전된 전원을 상기 평활 커패시터로 전달하여 상기 방전 커패시터에 충전된 에너지를 상기 충전부의 입력단으로 전달하여 회생시킴으로써 에너지 낭비를 방지하는 회생부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 회생부는, 상기 보상 제어부의 제어신호에 따라서 전원 펄스가 오프될 때 턴 온되어 방전 커패시터에 충전된 전력을 상기 충전부의 입력단으로 출력하도록 하는 스위칭 소자; 상기 스위칭 소자를 통해서 입력된 전력을 변환하여 출력하는 트랜스포머; 및 상기 트랜스포머에서 출력된 전압을 상기 충전부의 입력단으로 출력하고, 상기 충전부의 입력단으로부터 상기 트랜스포머로 전류가 유입되는 것을 차단하는 다이오드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 보상 제어부는, 상기 전원 펄스의 생성 타이밍을 나타내는 타이밍 신호를 입력받아 상기 타이밍 신호를 반전시킨 반전 타이밍 신호를 생성하는 반전부; 상기 반전 타이밍 신호가 하이 상태인 동안 비활성 신호를 생성하여 스위칭 신호 생성부로 출력하는 비활성 신호 생성부; 상기 비활성 신호가 입력되지 않는 동안에 상기 전류 센서로부터 입력되는 전류값을 이용하여 상기 전원 펄스의 드룹된 전압값을 계산하고, 보상 게이트 드라이브 회로로 드룹된 전압값 만큼의 보상 전압을 갖는 보상 펄스를 생성하도록 보상 제어 신호를 출력하며, 상기 비활성 신호가 입력되면 상기 보상 제어 신호의 생성을 중단하는 스위칭 신호 생성부; 및 상기 보상 제어 신호에 따라서 상기 충전부의 인버터에 포함된 각 반도체 스위칭 소자들의 턴 온 및 턴-오프를 제어하는 게이트 제어신호를 상기 충전부로 출력하는 보상 게이트 드라이브 회로를 포함할 수 있다.
또한, 상기 보상 제어부는, 상기 반전 타이밍 신호의 상승 엣지에 해당하는 타이밍에 회생 개시 펄스 신호를 생성하여 회생 게이트 드라이브 회로로 출력하는 제 3 미분기; 및 상기 회생 개시 펄스 신호가 입력되면, 회생부에 포함된 반도체 스위칭 소자를 턴온시키는 턴-온 펄스(VRE _GATE)를 회생부로 입력하는 회생 게이트 드라이브 회로를 더 포함할 수 있다.
또한, 상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고전압 펄스 전원 시스템은, 상기한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 전원 보상 장치; 상기 부하에 흐르는 전류를 측정하는 상기 전류 센서; 및 사전에 정의된 시간 주기로 상기 전원 펄스를 생성하여 상기 부하로 제공하는 펄스 전원 장치;를 포함할 수 있다.
본 발명은 고전압 펄스 전원 장치와 부하 사이에 직렬로 펄스 전원 보상 장치를 설치하고, 고전압 펄스 전원 장치에서 출력하는 고전압 전원 펄스의 전압을 부하에 흐르는 전류를 이용하여 측정하며, 측정된 전류값으로부터 현재 부하에 공급되는 전원 펄스의 전압 드룹량을 계산한 후, 이를 보상하여 부하에 일정한 전압이 공급되도록 하는 보상 펄스를 펄스 전원 보상 장치에서 생성하여 부하로 출력함으로써, 커패시터의 용량의 크게 증가시키지 않고서도, 간단한 회로 구조의 펄스 전원 보상 장치를 추가로 설치함으로써 부하로 전하 드룹이 없는 일정한 전압의 펄스 전원을 공급할 수 있다.
또한, 본 발명은 펄스 전원 보상 장치 내부의 방전 커패시터에 충전된 에너지를 열로서 소비하지 않고, 다시 충전부로 공급하여 회생시킴으로써 에너지 낭비를 방지할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 일반적인 고전압 펄스 전원 장치의 개략적인 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 일반적인 고전압 펄스 전원 장치에서 발생되는 펄스의 파형을 도시하는 도면이다.
도 3a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 전원 보상 장치의 간략한 구성을 도시하고, 도 3b는 펄스 전원 보상 장치를 이용하여 펄스 전원의 전압 드룹을 보상하는 방식을 설명하는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 전원 보상 장치의 세부 구성을 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보상 제어부 및 전원 제어부의 세부 구성을 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전원 제어부 및 보상 제어부에서 출력되는 신호들의 타이밍도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.
도 3a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고전압 펄스 전원 장치 및 펄스 전원 보상 장치의 간략한 구성을 도시하고, 도 3b는 펄스 전원 보상 장치를 이용하여 펄스 전원의 전압 드룹을 보상하는 방식을 설명하는 개념도이다.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 전원 보상 장치(400)는 종래의 고전압 펄스 전원 장치(300)와 부하(500) 사이에 직렬로 연결되어, 고전압 펄스 전원 장치(300)에서 부하(500)측으로 고전압 전원 펄스가 공급되는 동안, 고전압 전원 펄스의 전압 강하량에 대응되는 만큼의 보상 펄스를 추가로 부하(500)측으로 공급함으로써 부하(500)측이 전체적으로 일정한 전압 크기를 갖는 전원 펄스를 공급받을 수 있도록 한다.
참고로, 종래의 펄스 전원 장치에서 서로 직렬로 연결된 복수의 커패시터들은 하나의 커패시터(Cstorage)(313)로, 서로 직렬로 연결된 복수의 반도체 스위칭 소자는 하나의 스위치(SW)(311)로 등가적으로 표시하였다.
도 3b를 더 참조하면, 고전압 펄스 전원 장치(300)에서 출력되는 전원 펄스로서 전압 드룹이 발생한 전원 펄스은 Vpulse으로 나타내고, t는 시간을, ΔVdroop은 전압 강하량을 각각 나타낸다.
도 3b에서, Vpulse는 고전압 펄스 전원 장치(300)에서 출력되는 고전압 전원 펄스를 나타내고, Vcomp는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 전원 보상 장치(400)에서 출력되는 보상 펄스를 나타낸다. 또한 VLOAD는 서로 직렬로 연결된 고전압 펄스 전원 장치(300)에서 출력되는 고전압 전원 펄스 Vpulse 와 펄스 전원 보상 장치(400)에서 출력된 보상 펄스 Vcomp 의 전압값이 서로 합산됨으로써, 전압 강하가 보상되어 부하에 제공되는 펄스 전원의 파형을 나타낸다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 펄스 전원 보상 장치(400)는 고전압 펄스 전원 장치(300)와 동기화되어, 고전압 펄스 전원 장치(300)에서 출력되는 고전압 전원 펄스에서 전압 강하가 발행하는 만큼의 전압값을 갖는 보상 펄스를 실시간으로 출력하고, 부하측에 제공되는 전원 펄스는 고전압 전원 펄스와 보상 펄스가 합쳐져서 제공되므로 부하는 일정한 전압 크기를 갖는 전원 펄스를 공급받게 된다. 이를 위해서, 도 3b에 도시된 바와 같이, 고전압 전원 펄스가 시간이 경과함에 따라서 전압값이 단조 감소함에 비례하여 보상 펄스는 시간이 경과함에 따라서 전압값이 단조 증가하게 된다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 전원 보상 장치(400)의 세부 구성을 도시하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 고전압 펄스 전원 장치(300)는 고전압 펄스 전원을 생성하여 부하측으로 공급하는 펄스 전원 공급부(310) 및 펄스 전원 공급부(310)를 제어하는 전원 제어부(320)를 포함하고, 본 발명의 펄스 전원 보상 장치(400)는 보상 펄스를 생성하여 부하측으로 공급하는 펄스 전원 보상부(410) 및 펄스 전원 보상부(410)를 제어하는 보상 제어부(420)를 포함하여 구성된다.
또한, 펄스 전원 보상부(410)는 정류부(411), 평활 커패시터(412), 충전부(413), 방전 커패시터(414), 및 회생부(415)를 포함하여 구성된다. 이하 각 구성요소들의 기능을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 정류부(411)는 입력되는 AC 전원을 DC 전원으로 정류하여 평활 커패시터(412) 측으로 출력하고, 평활 커패시터(412)는 정류부(411)로부터 입력되는 평활화되지 않은 DC 전원을 평활화하고, 평활화된 전압(VLink)은 충전부(413)로 입력된다.
충전부(413)는 인버터 회로(413a), 트랜스포머(413b) 및 정류 회로(413c)를 포함하여 구성되고, 평활화된 전압(VLink)은 인버터 회로(413a)로 입력된다. 인버터 회로(413a)는 보상 제어부(420)로부터 입력되는 제어 신호에 따라서 평활 커패시터(412)에 충전된 DC 전원을 전원 펄스의 전압 강하의 보상에 필요한 주파수 및 전압 크기를 갖는 AC 전원으로 변환하여 트랜스포머(413b)로 출력하고, 트랜스포머(413b)는 입력된 AC 전원을 승압 또는 강압하여 정류 회로(413c)로 출력하며, 정류 회로(413c)는 트랜스포머(413b)로부터 입력된 AC 전원을 DC 전원으로 정류하여 방전 커패시터(414)로 출력함으로써, 방전 커패시터(414)를 전압 드룹량에 대응되는 크기의 전압으로 충전시킨다.
방전 커패시터(414)는 충전부(413)로부터 입력된 DC 전원을 평활화하여 전압 드룹량에 대응되는 크기의 전압으로 충전되고, 충전된 전압의 보상 펄스(Vcomp)를 부하측으로 출력함으로써 펄스 전원의 전압 강하를 보상한다.
한편, 회생부(415)는 방전 커패시터(414)와 연결되어, 보상 펄스가 출력된 후, 즉, 전원 펄스가 종료되고 전원 펄스가 생성되지 않는 동안에, 방전 커패시터(414)에 충전되어 있는 잔여 전압을 충전부(413)의 입력단으로 전달하여 회생시킴으로써 에너지의 낭비를 방지한다.
보상 펄스가 출력된 후, 방전 커패시터(414)에 충전된 잔여 전압은 대부분 저항을 통해서 열로서 소모되는 것이 보통인데, 이 경우, 에너지의 낭비가 초래된다. 따라서, 본 발명은 도 4에 도시된 바와 같이, 회생부(415)가 전원 펄스가 종료되는 시점부터 방전 커패시터(414)의 잔여 전력을 충전부(413)의 입력단인 평활 커패시터(412)로 출력함으로써 잔여 전력을 평활 커패시터(412)에 충전하여 다음 전원 펄스가 출력될 때 보상 펄스 생성에 활용되도록 함으로써 에너지 낭비를 방지한다.
회생부(415)는 보상 제어부(420)의 제어신호에 따라서 전원 펄스가 오프될 때 온되어 방전 커패시터(414)에 충전된 전력을 충전부(413)의 입력단으로 출력하도록 하는 스위칭 소자(415a), 스위칭 소자(415a)를 통해서 입력된 전력을 변환하여 출력하는 트랜스포머(415b), 및 트랜스포머(415b)에서 출력된 전압을 충전부(413)의 입력단으로 출력하고, 충전부(413)의 입력단으로부터 회생부(415)로 전류가 유입되는 것을 차단하는 다이오드(415c)를 포함하여 구성된다.
이 때, 보상 제어부(420)는 부하에 흐르는 전류를 센싱하여 펄스 전원의 전압 강하량을 실시간으로 측정하고, 이에 대응되는 크기의 보상 전원 펄스를 생성하도록 충전부(413)를 제어한다.
상술한 내용을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 전원 보상장치(400)의 전체적인 동작을 설명하면, 펄스 전원 공급부(310)는 커패시터(C_storage)를 방전시켜 출력 전류가 부하로 흐르도록 함으로써 펄스 전원을 발생시킨다. 따라서, 큰 출력 전류가 흐르면 펄스 전원의 전압 드룹의 크기가 커지고, 전류가 작아지면 전압 드룹의 크기 또한 작아진다.
따라서, 보상 제어부(420)는 출력 전류를 센싱하면 전압 드룹의 크기를 계산할 수 있고, 펄스 전원 보상 장치(400)는 이 드룹의 크기에 대응되는 정전류를 생성하여 방전 커패시터(414)를 충전시킴으로써 펄스 전원의 전압 드룹을 보상할 수 있다. 즉, 전원 펄스 공급부(310)가 부하측으로 전원 펄스를 공급하는 동안, 보상 제어부(420)가 펄스 전원 보상부(410)의 방전 커패시터(414)로 정전류가 흐르도록 제어하면, i=c*dV/dt에 따라서 방전 커패시터(414)에는 도 3b에 도시된 바와 같이 일정한 기울기를 갖는 보상 전압(Vcomp)이 충전된다.
본 발명에서는, 펄스 전원의 드룹의 크기가 커질수록 더 큰 전압을 갖는 보상 전압을 생성해야 하고, 더 큰 보상 전압을 생성하기 위해서는 더 큰 정전류를 방전 커패시터(414)에 흐도록 하여 방전 커패시터(414)를 충전해야 한다.
전압 드룹이 발생하면, 보상 제어부(420)는 전류 센서(600)에서 센싱된 전류를 기반으로 펄스 출력 전압의 최종 드룹의 크기를 예측하고, 이를 토대로 최종 드룹의 크기에 맞는 전류를 만들어 내기 위해, 충전부(413)의 인버터부(413a)가 동작하는 스위칭 주파수를 조절한다.
조절된 스위칭 주파수에 따라, 트랜스포머(413b)로부터 정류부(413c)로 출력되는 전류값이 조절되며, 이에 따라서, 방전 커패시터(414)에 충전되는 전류값이 조절되어, 충전되는 전압이 펄스 드룹양에 대응되도록 조절된다.
충전 인버터부(413a)의 스위칭 주파수가 커지게 되면, 보상 전원의 방전 커패시터로 출력되는 정전류 i가 커지게 되고 이에 따라 보상 전원의 출력 전압의 크기의 기울기가 증가 되며, 이에 따라서, 동일 펄스폭 동안 더 큰 전압 드룹을 보상할 수 있게 된다.
이 때, 트랜스포머(413b) 및 정류 회로(413c)를 통해서 방전 커패시터(414)에 공급되는 전류는 전원 펄스에 의해서 부하에 흐르는 전류보다 더 큰 전류가 흐르게 되므로, 펄스 전원이 인가되는 동안 방전 커패시터(414)에 충전되는 전압은 도 3b에 도시된 바와 같이 점차 증가하는 삼각파 형상이 된다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보상 제어부(420) 및 전원 제어부(320)의 세부 구성을 도시하는 도면이고, 도 6은 전원 제어부(320) 및 보상 제어부(420)에서 출력되는 신호들의 타이밍도이다.
도 5 및 도 6을 더 참조하여 설명하면, 전원 제어부(320)는 사전에 설정된 전원 펄스의 펄스 폭을 결정하는 펄스 폭 기준값(Vref1)을 생성하여 출력하는 펄스폭 기준값 설정부(321), 전원 펄스의 주파수를 결정하는 주파수 기준값을 생성하여 출력하는 주파수 기준값 설정부(322), 주파수 기준값 설정부(322)로부터 입력되는 전압값에 대응되는 주파수를 갖는 구형 펄스를 출력하는 주파수 변환부(323), 및 주파수 변환부(323)로부터 입력된 구형 펄스를 이용하여 해당 주파수에 대응되는 삼각파(Vsaw)를 생성하여 출력하는 삼각파 생성부(324), 및 펄스 폭 기준값(Vref1)과 삼각파(Vsaw)를 비교하여 전원 펄스의 타이밍 신호(VT)를 생성하여 출력하는 비교기(comparator)(325)를 포함한다(도 6의 (a) 및 (b) 참조).
비교기(325)에서 출력된 타이밍 신호(VT)는 전류 부스터(326)로 입력되어 전류값이 증폭된 후, 동일한 타이밍의 신호(VT2)가 제 1 미분기(327)로 입력되고, 반전된 타이밍의 신호(VT1)가 제 2 미분기(328)로 입력되며, 제 1 미분기(327) 및 제 2 미분기(328)는 각각 타이밍 신호(VT)의 상승 엣지에 대응되는 신호(VON) 및 하강 엣지에 대응되는 신호(VOFF)를 전원 게이트 드라이브 회로(329)로 출력한다.(도 6의 (c) 및 (d) 참조)
전원 게이트 드라이브 회로(329)는 제 1 미분기(327) 및 제 2 미분기(328)로부터 입력되는 신호에 따라서 펄스 전원 공급부(310)에 포함된 복수의 반도체 스위칭 소자를 온/오프시키는 제어 신호(VON /OFF)를 출력하여 펄스 전원 공급부(310)로 하여금 고전압 펄스 전원(Vpulse)을 생성하도록 제어하고, 펄스 전원 공급부(310)는 입력된 제어신호에 따라서 반도체 스위칭 소자를 턴 온/턴 오프하여 부하측으로 고전압 펄스 전원을 공급한다.(도 6의 (e) 참조) 결과적으로, 고전압 전원 펄스는 타이밍 신호(VT)가 High 상태인 동안에 생성되어 부하로 제공되고, 타이밍 신호(VT)가 Low 인 상태 동안에는 생성되지 않는다.
한편, 보상 제어부(420)는 보상 게이트 드라이브 회로(426), 반전부(421), 제 3 미분기(422), 회생 게이트 드라이브 회로(423), 스위칭 신호 생성부(425), 및 비활성 신호 생성부(424)를 포함하여 구성된다.
각 구성요소들의 동작을 살펴보면, 먼저, 전원 제어부(320)의 비교기(325)에서 출력된 타이밍 신호(VT)는 전류 부스터(326)에 입력되는 동시에 반전부(421)로 입력된다.
반전부(421)는 입력된 타이밍 신호(VT)를 반전시켜(High->Low로, Low->High 로 각각 반전시킴), 반전 타이밍 신호(Vinv)를 제 3 미분기(422) 및 비활성 신호 생성부(424)로 출력한다.(도 6의 (f) 참조) 따라서, 전원 펄스의 타이밍 신호(VT)가 High인 동안(즉, 고전압 전원 펄스가 생성되는 동안), 반전 타이밍 신호(Vinv)가 Low 상태이고, 전원 펄스의 타이밍 신호(VT)가 Low인 동안(즉, 고전압 전원 펄스가 생성되지 않는 동안), 반전 타이밍 신호(Vinv)가 High인 상태이다.
반전 타이밍 신호(Vinv)를 입력받은 비활성 신호 생성부(424)는 반전 타이밍 신호(Vinv)가 High 인 동안(즉, 고전압 전원 펄스가 생성되지 않는 동안), 보상 펄스의 출력을 중단하도록 지시하는 비활성 신호(Vfault)를 생성하여 스위칭 신호 생성부(425)로 출력한다.(도 6의 (i) 참조)
한편, 반전 타이밍 신호(Vinv)를 입력받은 비활성 신호 생성부(424)는 반전 타이밍 신호(Vinv)가 Low 인 동안(즉, 고전압 전원 펄스가 생성되는 동안), 스위치 신호 생성부(425)가 충전부(413)를 제어하여 보상 펄스를 생성할 수 있도록 비활성 신호(Vfault)를 생성하지 않는다.
스위칭 신호 생성부(425)는 비활성 신호가 입력되지 않는 동안에는, 전류 센서(600)로부터 입력되는 전류값을 이용하여 현재 고전압 전원 펄스의 전압값을 측정하고, 측정된 고전압 전원 펄스로부터 드룹된 전압값을 계산하여, 보상 게이트 드라이브 회로(426)로 드룹된 전압값 만큼의 보상 전압을 갖는 보상 펄스를 생성하도록 보상제어신호를 출력하고, 보상 게이트 드라이브 회로(426)는 보상 제어 신호에 따라서 충전부(413)의 인버터에 포함된 각 반도체 스위칭 소자들의 턴 온/턴-오프를 제어하는 게이트 제어신호(VCO_GATE)를 출력함으로써 보상 펄스를 부하측으로 제공하여 부하에 일정한 전압값을 갖는 고전압 전원 펄스를 제공한다.(도 6의 (j) 참조) 한편, 스위칭 신호 생성부(425)는 비활성 신호(Vfault)가 입력되면, 보상 게이트 드라이브 회로(426) 출력되는 보상제어신호를 중단한다.
한편, 제 3 미분기(422)는 반전 타이밍 신호(Vinv)의 상승 엣지에 해당하는 타이밍(타이밍 신호(VT)의 하락 엣지에 해당하는 타이밍)에 회생 개시 펄스 신호(VRE)를 생성하여 회생 게이트 드라이브 회로(423)로 출력하고(도 6의 (g) 참조), 회생 게이트 드라이브 회로(423)는 회생 개시 펄스 신호(VRE)가 입력되면, 회생부(415)에 포함된 반도체 스위칭 소자를 턴온시키는 턴-온 펄스(VRE _GATE)를 회생부(415)로 입력한다(도 6의 (h) 참조).
회생부(415)의 반도체 스위칭 소자(415a)는 턴-온 펄스(VRE _GATE)에 의해서 턴-온되어 도 4의 방전 커패시터(414)에 저장된 에너지를 트랜스포머(415b)를 통해서 변환하고, 다이오드(415c)를 통해서 충전부(413)의 입력단인 평활 커패시터(412)로 출력하여 에너지를 재활용하도록 한다.
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.

Claims (9)

  1. 펄스 전원 장치와 부하 사이에 직렬로 연결되어, 상기 펄스 전원 장치에서 일정한 시간 주기로 상기 부하로 제공하는 전원 펄스의 전압 드룹을 보상하여 상기 부하로 일정한 전압 크기를 갖는 전원 펄스가 제공되도록 하는 펄스 전원 보상 장치로서,
    상기 전원 펄스의 전압 드룹량을 계산하고, 전압 드룹량에 대응되는 크기의 전압값의 갖는 보상 펄스를 생성하기 위한 제어 신호를 출력하는 보상 제어부; 및
    상기 보상 제어부로부터 입력되는 제어신호에 따라서 DC 전압의 크기를 변경하여 전압 드룹량에 대응되는 크기의 전압값을 갖는 보상 펄스를 생성하여 상기 부하로 제공함으로써 상기 부하로 일정한 전압 크기를 갖는 전원 펄스가 제공되도록 하는 펄스 전원 보상부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 전원 보상 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보상 제어부는, 상기 부하에 흐르는 전류를 측정하는 전류 센서에서 측정된 전류값을 이용하여 상기 전원 펄스의 전압 드룹량을 계산하고,
    상기 펄스 전원 보상부는, 입력 AC 전원을 정류하여 DC 전압을 생성하고, 상기 보상 제어부로부터 입력되는 제어신호에 따라서 DC 전압의 크기를 변경하여 전압 드룹량에 대응되는 크기의 전압값을 갖는 보상 펄스를 생성하여 상기 부하로 제공하는 것을 특징으로 하는 펄스 전원 보상 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 펄스 전원 보상부는
    입력되는 AC 전원을 DC 전원으로 정류하여 출력하는 정류부;
    상기 정류부로부터 입력되는 평활화되지 않은 DC 전원을 평활화하는 평활 커패시터;
    상기 평활 커패시터에서 평활화된 전압을 입력받고, 상기 보상 제어부로부터 입력되는 제어신호에 따라서, 상기 전압 드룹량에 대응되도록 전압의 크기를 변환하여 방전 커패시터를 충전시키는 충전부; 및
    상기 충전부로부터 입력된 DC 전압을 평활화하여 상기 전압 드룹량에 대응되는 크기의 전압으로 충전되고, 충전된 전압의 보상 펄스를 부하측으로 출력하여 방전하는 상기 방전 커패시터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 전원 보상 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 충전부는
    상기 보상 제어부로부터 입력되는 제어 신호에 따라서 상기 평활 커패시터에 충전된 DC 전원을 AC 전원으로 변환하여 출력하는 인버터 회로;
    상기 인버터 회로에서 입력되는 AC 전원을 승압 또는 강압하여 출력하는 트랜스포머; 및
    상기 트랜스포머로부터 입력된 AC 전원을 DC 전원으로 정류하여 상기 방전 커패시터로 출력함으로써, 상기 방전 커패시터를 전압 드룹량에 대응되는 크기의 전압으로 충전시키는 정류 회로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 전원 보상 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 전원 펄스가 생성되지 않는 동안에, 상기 방전 커패시터에 충전된 전원을 상기 평활 커패시터로 전달하여 상기 방전 커패시터에 충전된 에너지를 상기 충전부의 입력단으로 전달하여 회생시킴으로써 에너지 낭비를 방지하는 회생부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 전원 보상 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 회생부는
    상기 보상 제어부의 제어신호에 따라서 전원 펄스가 오프될 때 턴 온되어 방전 커패시터에 충전된 전력을 상기 충전부의 입력단으로 출력하도록 하는 스위칭 소자;
    상기 스위칭 소자를 통해서 입력된 전력을 변환하여 출력하는 트랜스포머; 및
    상기 트랜스포머에서 출력된 전압을 상기 충전부의 입력단으로 출력하고, 상기 충전부의 입력단으로부터 상기 트랜스포머로 전류가 유입되는 것을 차단하는 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 전원 보상 장치.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 보상 제어부는
    상기 전원 펄스의 생성 타이밍을 나타내는 타이밍 신호를 입력받아 상기 타이밍 신호를 반전시킨 반전 타이밍 신호를 생성하는 반전부;
    상기 반전 타이밍 신호가 하이 상태인 동안 비활성 신호를 생성하여 스위칭 신호 생성부로 출력하는 비활성 신호 생성부;
    상기 비활성 신호가 입력되지 않는 동안에 상기 전류 센서로부터 입력되는 전류값을 이용하여 상기 전원 펄스의 드룹된 전압값을 계산하고, 보상 게이트 드라이브 회로로 드룹된 전압값 만큼의 보상 전압을 갖는 보상 펄스를 생성하도록 보상 제어 신호를 출력하며, 상기 비활성 신호가 입력되면 상기 보상 제어 신호의 생성을 중단하는 스위칭 신호 생성부; 및
    상기 보상 제어 신호에 따라서 상기 충전부의 인버터에 포함된 각 반도체 스위칭 소자들의 턴 온 및 턴-오프를 제어하는 게이트 제어신호를 상기 충전부로 출력하는 보상 게이트 드라이브 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 전원 보상 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 보상 제어부는
    상기 반전 타이밍 신호의 상승 엣지에 해당하는 타이밍에 회생 개시 펄스 신호를 생성하여 회생 게이트 드라이브 회로로 출력하는 제 3 미분기; 및
    상기 회생 개시 펄스 신호가 입력되면, 회생부에 포함된 반도체 스위칭 소자를 턴온시키는 턴-온 펄스(VRE _GATE)를 회생부로 입력하는 회생 게이트 드라이브 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 전원 보상 장치.
  9. 제 1 항의 펄스 전원 보상 장치;
    상기 부하에 흐르는 전류를 측정하는 상기 전류 센서; 및
    사전에 정의된 시간 주기로 상기 전원 펄스를 생성하여 상기 부하로 제공하는 펄스 전원 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전원 시스템.
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