KR20010088926A - Pulsed or step-like high-voltage generator composed of semiconductor switches and high-frequency transformers - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 스위치와 고주파 변압기를 이용한 고전압 발생장치로서, 특히 펄스파형 또는 계단파형의 고전압을 저압의 직류로부터 생성하여 출력전압의 크기와 폭(또는 주기) 및 주파수 조절이 가능한 구조를 가지는 고전압 발생장치에 관한 것이다.The present invention is a high voltage generator using a semiconductor switch and a high-frequency transformer, in particular, a high voltage generation having a structure capable of adjusting the magnitude, width (or period) and frequency of the output voltage by generating a high voltage of pulse waveform or step waveform from low voltage direct current. Relates to a device.
일반적으로 고전압 펄스 발생회로는 각종 시험장비와 저온 및 고온 플라즈마 발생장치 레이저 전원 등 고전압 펄스 전계를 필요로 하는 특수한 용도에 널리 사용되고 있다.In general, high voltage pulse generator circuits are widely used for various applications such as test equipment and low voltage and high temperature plasma generator laser power supplies.
현재까지는 각 용도에 맞추어 산업계에서 여러 가지 펄스 발생회로를 사용하고 있는데, 종래의 고전압 펄스 발생회로는 장치의 수명 문제, 펄스폭 가변, 동작 주파수의 증대, 펄스전압의 조절, 직류 고전압 전원의 필요성 등의 측면에 있어서 그 나름대로의 단점들을 가지고 있다.Until now, various pulse generation circuits have been used in the industry for each purpose. Conventional high voltage pulse generation circuits have problems such as device life, variable pulse width, increase of operating frequency, adjustment of pulse voltage, and need for DC high voltage power supply. It has its own disadvantages in terms of.
즉, 기존의 고전압 펄스 발생장치는 전기 기기의 임펄스 시험에 널리 쓰이는 스파크 갭을 이용한 막스 제너레이터(Marx generator)방식과 고압 직류전원을 이용하여 충전소자에 에너지를 저장한 뒤에 이를 고압 스위치로 스위칭하여 펄스를 성형하는 방식 또는 펄스 변압기를 이용하여 저압 펄스를 고압으로 승압하는 방식등이 있는데 이러한 스파크 갭을 이용하거나 진공관식 고전압 스위치를 이용하는 기존의 방식은 장치의 수명이 짧으며 또한, 고압 전원회로가 필요하므로 회로가 복잡하다는 단점이 있고, 또 펄스 변압기를 직접 이용하는 방식은 승압비가 클수록 상승시간을 얻는데에 많은 어려움이 있다.In other words, the existing high voltage pulse generator device uses a Marx generator method using a spark gap widely used in the impulse test of an electric device, and stores energy in a charging device using a high voltage DC power source, and then switches the voltage to a high voltage switch to switch the pulse. There is a method of shaping or boosting low voltage pulse to high pressure by using pulse transformer. Conventional method using spark gap or vacuum tube high voltage switch has short life span and requires high voltage power circuit. Therefore, there is a disadvantage in that the circuit is complicated, and the method of directly using the pulse transformer has a lot of difficulty in obtaining the rise time as the boost ratio is large.
도 1은 스파크 갭을 이용한 종래의 펄스전압 발생회로를 도시한 것이고, 도2는 사이라트론(thyratron) 또는 사이리스터(thyristor)를 이용한 종래의 펄스전압 발생회로를 도시한 것으로서, 도 1의 펄스전압 발생회로는 수 메가볼트(MV) 및 메가암페어(XA)급의 대전력 분야에 사용되고 있으며, 도 2의 펄스전압 발생회로는 사이라트론 또는 사이리스터와 같은 투입전용 고압 스위치를 이용하여 에너지 저장회로에 충전된 고전압을 방전시키므로써, 출력단에 고전압 펄스를 만들어내는 것으로 주로 중용량급 펄스 발생회로에 사용되고 있다.FIG. 1 illustrates a conventional pulse voltage generation circuit using a spark gap, and FIG. 2 illustrates a conventional pulse voltage generation circuit using a thyratron or a thyristor, and the pulse voltage of FIG. 1. The generator circuit is used in high power fields of several megavolts (MV) and mega amps (XA), and the pulse voltage generator circuit of FIG. 2 is connected to an energy storage circuit by using a high-voltage switch for input such as cyratron or thyristors. By discharging the charged high voltage, it produces a high voltage pulse at the output stage, and is mainly used in the medium capacity pulse generating circuit.
도 1 및 도 2와 같은 종래의 펄스전압 발생회로는 간단한 구조로 손쉽게 고전압 대전력 펄스를 만들 수 있는 장점이 있으나 도 1의 구조는 기본적으로 스파크갭의 동작을 위하여 입력단에 직류 고전압이 필요하며, 펄스전압의 발생시점을 맞추기 위한 특수한 트리거 회로가 요구된다. 도 2의 회로는 투입스위치를 이용한 방식으로 수십 kV, 수 kA급의 펄스 발생에 주로 이용되는데 이러한 회로는 소용량의 펄스 발생회로에는 적합하지가 않고, 특히 장치의 수명이 매우 짧으며 구형파 펄스를 얻으려면 펄스 성형회로가 부가되어야 하며, 펄스 폭 제어가 아주 어렵다.Conventional pulse voltage generation circuits as shown in FIGS. 1 and 2 have the advantage of easily making high voltage and high power pulses with a simple structure, but the structure of FIG. 1 basically requires a DC high voltage at an input terminal to operate a spark gap. Special trigger circuits are required to meet the timing of the generation of pulse voltages. The circuit of FIG. 2 is mainly used for generating pulses of several tens of kV and several kA by input switch method. Such a circuit is not suitable for small-capacity pulse generating circuits. To do this, a pulse shaping circuit must be added, and the pulse width control is very difficult.
또한, 그 밖에 펄스 발생회로는 단순히 펄스 변압기에 의한 직접 승압방식이 있으나, 승압비가 크면 변압기의 누설인덕턴스가 커지므로 펄스전압의 상승시간 및 폭 등의 특성을 만족시키지 못하는 단점을 가진다. 그리고 포화인덕터를 이용하는 펄스 압축회로를 이용한 방식은 펄스 폭은 줄이고, 전류 크기를 키우는 방식으로 손실이 크므로 특수한 경우의 한두단계 압축만이 가능하며 요구되는 코어가 아주 고가이다.In addition, the pulse generating circuit has a direct boosting method using a pulse transformer. However, if the boosting ratio is large, the leakage inductance of the transformer is increased, and thus the pulse generation circuit does not satisfy the characteristics such as the rise time and width of the pulse voltage. In addition, the pulse compression circuit using the saturation inductor reduces the pulse width and increases the current size, so that only one or two stage compression is possible in a special case, and the required core is very expensive.
상기에서 언급한 종래의 펄스발생 회로들에서의 문제점을 간단히 요약하면다음과 같다.Briefly summarized the problems in the conventional pulse generating circuits mentioned above are as follows.
도 1의 회로는 스파크 갭의 손상에 의한 장치 수명이 짧은 단점이 있고, 도 2의 회로는 사이라트론과 사이리스터의 전압정격과 평균 스위칭 전류가 낮은 단점을 가지며 또, 도 1 및 도 2의 회로 모두 반드시 고전압 직류전원을 입력전원으로 필요한다. 또한, 도 1 및 도 2에 사용된 스위치들은 턴 온만이 가능한 구조이므로 구형파 펄스를 얻기 위해서는 펄스 성형회로가 부가되어야 하고, 출력 펄스의 폭을 가변할 수가 없다는 문제가 있었다. 그 밖에 자주 이용되는 펄스 변압기를 이용한 방식 역시 승압비가 큰 구조에서는 느린 상승시간으로 인해 원하는 펄스를 얻을 수가 없다. 이외에 펄스 압축회로를 이용한 펄스 발생기 등이 있으나 펄스 폭 가변이 불가능하고, 직류 고전압 회로가 입력단에 필요하므로, 변환 효율이 낮다는 단점 등이 있었다.The circuit of FIG. 1 has a disadvantage of short device life due to damage of the spark gap, and the circuit of FIG. 2 has a disadvantage of low voltage rating and average switching current of the cyratron and thyristors. All must use high voltage DC power as input power. In addition, since the switches used in FIG. 1 and FIG. 2 have only a turn-on structure, a pulse shaping circuit must be added to obtain a square wave pulse, and there is a problem in that the width of the output pulse cannot be changed. In addition, the method using a pulse transformer that is frequently used also can not obtain the desired pulse due to the slow rise time in the structure of large boost ratio. In addition, there is a pulse generator using a pulse compression circuit, but the pulse width is not variable, and since a DC high voltage circuit is required at the input terminal, the conversion efficiency is low.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 수명이 길고 출력 전압폭, 주파수, 전압 가변이 가능하며 또한, 입력단 전원을 낮은 직류전압 또는 상용전압으로부터 정류 사용할 수 있도록 하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a long life, variable output voltage, frequency and voltage, and to rectify the input terminal power supply from a low DC voltage or a commercial voltage.
본 발명의 또 다른 목적은, 높은 전압이 요구될 경우에는 고전압의 입력전원을 사용할 수 있으며, 빠른 전압상승 및 원하는 크기의 출력전압을 자유로이 얻을 수 있다는데 있다.Still another object of the present invention is to use a high voltage input power supply when a high voltage is required, and to freely obtain a fast voltage rise and an output voltage of a desired size.
본 발명의 또 다른 목적은, 입력전압과 출력 펄스전압에 대한 절연 내력만을 고려하면 되도록하여 장치의 크기를 보다 소형화하고 펄스파형 및 계단파형의 고전압 출력전압회로를 제공하는데 있다.Still another object of the present invention is to reduce the size of the device and to provide a high voltage output voltage circuit having a pulse waveform and a step waveform, by considering only the dielectric strength of the input voltage and the output pulse voltage.
도 1은 스파크 갭을 이용한 종래의 펄스전압 발생회로도,1 is a conventional pulse voltage generation circuit diagram using a spark gap,
도 2는 사이라트론 또는 사이리스터 등을 이용한 종래의 펄스전압 발생회로도,2 is a conventional pulse voltage generation circuit diagram using a thyrrone or a thyristor, etc.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고전압 발생회로도,3 is a high voltage generation circuit diagram according to an embodiment of the present invention;
도4의 (a), (b), (c)는 본 발명의 고주파 변압기의 상세 구성도,4 (a), (b) and (c) are detailed configuration diagrams of the high frequency transformer of the present invention;
도 5의 (a), (b)는 본 발명의 동작 특성을 나타내는 파형도,5A and 5B are waveform diagrams showing operating characteristics of the present invention;
도 6은 본 발명의 동작 특성을 나타내는 파형도,6 is a waveform diagram showing an operating characteristic of the present invention;
도 7은 본 발명의 동작 특성을 나타내는 파형도이다.7 is a waveform diagram showing an operating characteristic of the present invention.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)(Explanation of symbols for the main parts of the drawing)
100: 저전압 직류전원 200: 단상 고주파 인버터100: low voltage DC power supply 200: single phase high frequency inverter
300, 310: 고주파 변압기 410: 변환회로300, 310: high frequency transformer 410: conversion circuit
500: 부하 (Load)500: Load
D1, D2Dn: 다이오드 브릿지D 1 , D 2 D n : Diode Bridge
d1, d2dn: 바이패스 다이오드d 1 , d 2 d n : bypass diode
C1, C2Cn: 캐패시터C 1 , C 2 C n : Capacitor
S1, S2Sn: 반도체 스위치(IGBT)S 1 , S 2 S n : semiconductor switch (IGBT)
V1, V2Vn: 캐패시터의 충전전압V 1 , V 2 V n : Charge voltage of capacitor
T11, T12Tn3, T1aTna: 변압기 권선T 11 , T 12 T n3 , T 1a T na : transformer winding
Vout: 출력전압Vout: Output Voltage
VGS, VGS1 VGSn: IGBT의 케이트 전압V GS , V GS1 V GSn : Kate voltage of IGBT
t1,t3, t2n-1: 스위치 turn-on 시점t 1 , t 3 , t 2n-1 : Switch turn-on time
t2,t4, t2n: 스위치 turn-off 시점t 2 , t 4 , t 2 n : switch turn-off time
ton: 스위치 on-timet on : switch on-time
toff: 스위치 off-timet off : switch off-time
T: 펄스전압, 또는 계단파형의 주기T: period of pulse voltage or step waveform
N11, N12, N13, N1a: 3권선 변압기의 1차, 2차,3차 권선수 및 스위치 구동 전원용 저전력 보조권선수N 11 , N 12 , N 13 , N 1a : Low-power auxiliary winding for primary, secondary and tertiary windings and switch drive power of three-winding transformer
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 이하, 첨부도면을 이용하여 상세하게 설명한다.In order to achieve the above object, it will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명에 따른 고전압 발생회로로서, 저전압 직류전원(100)으로부터 단상 고주파 인버터(200)에서 교류로 변환하고, 고주파 변압기(300)에서 필요로 하는 전압으로 승압(V12= N12V11/N11)하며, 다이오드 브릿지(D1)로 직류 변환한 후, 용량성의 에너지 저장장치인 캐패시터(C1)에 V1로 충전 저장한다. 그리고, 제1단의 고주파 변압기(300)의 제3권선(T13)은 제1권선(T11)의 권선수비(N13/N11)로 승압하여 다음단의 고주파 변압기(310)에 에너지를 전달하도록 하는 구조를 가지는 캐스캐이드(Cascade)형의 에너지 변환 및 전달구조를 가지도록 연결되며 복수개의 변압기(300, 310)와 변환회로(410)를 직렬로 연결하여 원하는 전압을 출력하도록 되어 있다.3 is a high voltage generating circuit according to the present invention, which converts from a low voltage DC power supply 100 into an alternating current in a single phase high frequency inverter 200 and boosts the voltage required by the high frequency transformer 300 (V 12 = N 12 V). 11 / N 11), and a diode bridge (which D 1) to the storage charging the direct current converted by then, V 1 to a capacitor (C 1) energy storage capacity castle. The third winding T 13 of the high frequency transformer 300 of the first stage is boosted by the winding ratio N 13 / N 11 of the first winding T 11 to energize the high frequency transformer 310 of the next stage. It is connected to have a cascade-type energy conversion and transmission structure having a structure to transmit the power, and outputs a desired voltage by connecting a plurality of transformers 300 and 310 and the conversion circuit 410 in series. have.
이와 같이 캐패시터(C1, C2,Cn)에 저장된 에너지는 IGBT 스위치(S1, S2,Sn)에 의해 직렬로 연결되어 최대 피크전압(V1+ V2++Vn)에 이르는 출력전압을 낼 수 있는 구조이다. 한편, IGBT 스위치(S1, S2,Sn)중 한 개 또는 복수개의 스위치가 턴온(turn-on)되지 못하면 직렬로 연결된 캐패시터 및 스위치 쌍(C1- S1, C2- S2,Cn- Sn)에 병렬로 연결되어 있는 바이패스 다이오드(d1, d2,dn)중의 해당 다이오드를 통해 회로가 연결되는 구조이다.As such, the energy stored in capacitors C 1 , C 2 , and C n is connected in series by the IGBT switches S 1 , S 2 , and S n to the maximum peak voltage (V 1 + V 2 ++ V n ). It is a structure that can produce output voltage up to. Meanwhile, when one or a plurality of switches of the IGBT switches S 1 , S 2 , and S n are not turned on, capacitors and switch pairs C 1 -S 1 , C 2 -S 2 , which are connected in series C n -S n ) is a structure in which a circuit is connected through a corresponding diode among the bypass diodes (d 1 , d 2 , d n ) connected in parallel.
이러한 구조는 각 IGBT 스위치의 동작 특성의 차에 따라 생길 수 있는 스위치의 과전압문제를 해결할 수 있는 구조이다.This structure can solve the overvoltage problem of the switch which may occur according to the difference in the operation characteristics of each IGBT switch.
상기와 같이 본 발명에 따른 회로구조를 고주파를 이용한 소형 경량 변압기와 제어회로에 의해 용이하게 제어 가능한 반도체 스위치인 IGBT를 이용하여 동작주파수, 펄스폭가변, 출력전압의 크기 및 파형 등을 가변하도록 하여 기존의 고전압 펄스 발생장치의 수명과 가변성 문제를 해소하였다.As described above, by using the IGBT which is a semiconductor switch capable of easily controlling the circuit structure according to the present invention by using a small-weight transformer and a control circuit using a high frequency, the operating frequency, the pulse width variable, the magnitude of the output voltage and the waveform are varied. The lifetime and variability of the existing high voltage pulse generator have been solved.
도 4의 (a), (b) 및 (c)는 본 발명을 구성하는 고주파 변압기의 상세 구조 도면으로서 먼저, 도 4의 (a)는 단상 고주파 인버터(200)의 출력전압(V11)이 N11의 권선수를 가지는 고주파 변압기(300)의 제1차 권선(T11)에 연결되어 제2차 권선(T12)으로 출력되고, 제3차 권선(T13)을 통하여 다음단의 변압기(310)로 연결된다. 한편 보조권선(T1a)은 각 스위치의 구동회로에서 요구되는 전원을 공급하기 위한 것으로 낮은 전압으로 변환(V1a= V11N1a/ N11)되어 공급된다.4 (a), (b) and (c) are detailed structural diagrams of the high frequency transformer constituting the present invention. First, FIG. 4 (a) shows that the output voltage V 11 of the single phase high frequency inverter 200 is It is connected to a primary winding (T 11) of the high-frequency transformer (300) having a number of turns of N 11 is output to the second primary winding (T 12), the tertiary winding (T 13), the transformer of the next stage through the And connected to 310. On the other hand, the auxiliary winding (T 1a ) is for supplying the power required by the drive circuit of each switch is converted to a low voltage (V 1a = V 11 N 1a / N 11 ) is supplied.
도 4의 (b)는 복수단에서 사용되는 변압기 구조로서 제1단 변압기(300)와 같은 구조를 가지며, n단으로 구성되는 전체회로의 마지막 단인 n단의 변압기는 도4의 (c)와 같이 제3차 권선이 없는 제1차 권선(Tn1)과 제2차 권선(Tn2) 및 스위치 구동전원 공급용 저전력 보조권선(Tna) 만을 가지는 변압기를 보여준다.Figure 4 (b) is a transformer structure used in a plurality of stages having the same structure as the first stage transformer 300, the n stage of the last stage of the entire circuit composed of n stages are shown in (c) of FIG. Similarly, a transformer having only a primary winding T n1 , a secondary winding T n2 , and a low power auxiliary winding T na for supplying a switch driving power is shown.
또, 도 5, 6, 7은 본 발명의 바람직한 동작예를 나타내는 도면으로서, 도 5의 (a)는 IGBT 스위치(S1, S2,Sn)의 게이트 시그널(VGS)을 동일 시점인 t1에서 t2까지 턴온한 후, 다시 t3에서 t4까지 턴온했을 때, 출력전압은 각 캐패시터(C1, C2,Cn)에 저장된 전압(V1, V2,Vn)이 중첩되어 나타난 구형의 펄스파형이며, 턴온스위치 숫자를 조정하여 펄스전압의 크기를 조절할 수 있으고, 미세한 전압조정은 직류전압의 크기를 제어하므로 가능하다.5, 6, and 7 are views showing a preferred operation example of the present invention, and FIG. 5A shows the gate signals V GS of the IGBT switches S 1 , S 2 , and S n at the same time point. After turning on t 1 to t 2 and then turning on t 3 to t 4 , the output voltage is the voltage (V 1 , V 2 , V n ) stored in each capacitor (C 1 , C 2 , C n ). The superimposed rectangular pulse waveforms can be adjusted by adjusting the number of turn-on switches, and the fine voltage adjustment is possible by controlling the magnitude of the DC voltage.
도 5의 (b)는 i단까지만의 스위치를 턴온했을 때 출력전압(V1+ V2++Vi)을 출력할 수 있는 것을 보여주고 있다.5 (b) shows that the output voltage (V 1 + V 2 + + V i ) can be output when the switch up to i stages is turned on.
도 6, 7은 각 스위치의 게이트 시그널(VGS)의 시차와 시간을 제어하여 계단파형의 고전압 출력을 얻을 수 있는 것을 보여 주고 있다.6 and 7 show that a stepped waveform high voltage output can be obtained by controlling the time difference and the time of the gate signal V GS of each switch.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 회로 및 장치에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.As described above, the circuit and the device according to the present invention have the following effects.
첫째, 고전압 직류전원의 사용없이 전압의 직류전원 또는 상용 교류전원을 정류하여 사용하고, 고주파 변압기와 변환회로를 사용하여 펄스폭, 주파수, 출력전압의 크기 제어가 가능한 출력을 발생할 수 있다.First, it is possible to generate an output capable of controlling the pulse width, the frequency, and the magnitude of the output voltage by using a rectified DC power source or a commercial AC power source without using a high voltage DC power source and using a high frequency transformer and a conversion circuit.
둘째, 수명이 긴 변압기와 반도체 스위치를 사용하므로 장치의 수명을 반영구적으로 할 수 있다.Second, long life transformers and semiconductor switches are used to make the life of the device semi-permanent.
셋째, 고전압 장치의 스위치 구동시 요구되는 구동회로의 절연이 각 변압기간 절연으로 가능하므로 그 절연구조를 변압기 권선간 절연으로 저압화 할 수 있다.Third, since the insulation of the driving circuit required for driving the switch of the high voltage device is possible by the insulation between each transformer, the insulation structure can be reduced by the insulation between the transformer windings.
넷째, 입력의 직류전원 앞단에 사용교류 전원을 연결 정류하여 사용하면 출력전압의 미세 조정도 용이하게 할 수 있다.Fourth, if the AC power supply is connected and rectified in front of the DC power supply of the input, fine adjustment of the output voltage can be facilitated.
마지막으로 현재까지 개발된 전력용 반도체의 전압정격에 제한받지 않고 아주 높은 전압을 발생시킬 수 있는 전원장치 구성이 가능하다.Lastly, it is possible to construct a power supply unit capable of generating a very high voltage without being limited by the voltage rating of the power semiconductor developed to date.
Claims (5)
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