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KR20040095877A - Nanosecond pulse generator with nonlinear capacitors and magnetic power compressions - Google Patents

Nanosecond pulse generator with nonlinear capacitors and magnetic power compressions Download PDF

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KR20040095877A
KR20040095877A KR1020030026895A KR20030026895A KR20040095877A KR 20040095877 A KR20040095877 A KR 20040095877A KR 1020030026895 A KR1020030026895 A KR 1020030026895A KR 20030026895 A KR20030026895 A KR 20030026895A KR 20040095877 A KR20040095877 A KR 20040095877A
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South Korea
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voltage
linear
capacitors
nonlinear
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임근희
김종현
이병국
파브로프이.피.
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한국전기연구원
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Abstract

PURPOSE: A nano second pulse voltage generator using a non-linear capacitor and a magnetic compression method is provided to generate a high-voltage and high-speed pulse by coupling a linear pulse transformer or a non-linear capacitor to a conventional pulse generator. CONSTITUTION: A nano second pulse voltage generator using a non-linear capacitor and a magnetic compression method includes a high-voltage basic pulse generator, a linear pulse transformer, a plurality of non-linear capacitors, and a load. The linear pulse transformer includes a plurality of primary coils connected serially to an output terminal of the high-voltage basic pulse generator and a plurality of secondary coils. The non-linear capacitors are coupled in parallel to the secondary coils of the linear pulse transformer. The load is connected to both ends of the non-linear capacitors. The non-linear capacitors are serially coupled to each other. The internal pulse voltages of the non-linear capacitors are applied to both ends of the load.

Description

비선형 캐패시터와 자력압축을 이용하는 나노초 펄스전압 발생기{NANOSECOND PULSE GENERATOR WITH NONLINEAR CAPACITORS AND MAGNETIC POWER COMPRESSIONS}NANOSECOND PULSE GENERATOR WITH NONLINEAR CAPACITORS AND MAGNETIC POWER COMPRESSIONS}

본 발명은 고전압의 나노 펄스 발생기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수의 선형 펄스 변압기 및 그 2차측에 각각 결합된 비선형 캐패시터를 포함하는 고전압의 나노초의 펄스를 발생시키는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a high voltage nano pulse generator, and more particularly, to an apparatus for generating a high voltage nanosecond pulse including a plurality of linear pulse transformers and nonlinear capacitors respectively coupled to a secondary side thereof.

자동차의 매연가스 처리장치나 산성비 정화장치 등 유해가스를 정화하는 장치에서는 다량의 유해가스(예컨대 SOx, NOx)를 효율적으로 분해하기 위해서는 극히 짧은 펄스폭의 고전압 을 필요로 한다. 예를 들어, 아황산가스(SO2)를 황이온(S2+)과 산소이온(O2 2-)로 분해하는 경우, 가스를 분해하기 위해서는 그 가스에 높은 강도의 전계충격을 가해야 하는데, 이때 그 이온 간의 결합력을 넘어 설 수 있는 고 파워 (power)의 짧은 펄스가 필요하다. 이때, power가 높고 펄스가 짧을수록(즉, 피크 전압이과 전류의 곱이 크고, 펄스의 지속기간이 짧을수록) 이온분리에 효과적이다.A device for purifying harmful gases such as an exhaust gas treatment device or an acid rain purifier of an automobile requires a high voltage having an extremely short pulse width to efficiently decompose a large amount of harmful gases (eg, SOx and NOx). For example, when sulfur dioxide (SO 2 ) is decomposed into sulfur ions (S 2+ ) and oxygen ions (O 2 2- ), a high intensity electric shock must be applied to the gas to decompose the gas. In this case, a short pulse of high power is needed to overcome the bonding force between the ions. At this time, the higher the power and the shorter the pulse (i.e., the higher the peak voltage and the product of the current and the shorter the duration of the pulse), the more effective the ion separation.

고전압의 나노초의 펄스를 만들기 위한 시도에는 반도체 스위치를 이용하는 방식과 고전압 방전 펄스 스위치(예컨대 사이라트론(thyratron), 스파크 갭 스위치(spark gap switch), 진공관 스위치(vacuum tube switch) 등)를 이용하는 방식이 있다.Attempts to produce high voltage nanosecond pulses use semiconductor switches and high voltage discharge pulse switches (eg thyratron, spark gap switch, vacuum tube switch, etc.). There is this.

첫째로, 반도체 스위치는 장수명과 고 신뢰성의 장점을 가지고 있으나, 그 동작 전압에 제한이 있기 때문에 고속, 고압 펄스의 전압을 생성하는데 직접적으로 이용하지 못한다는 문제점이 있다.First, the semiconductor switch has the advantages of long life and high reliability, but there is a problem that can not be directly used to generate a high-speed, high-voltage pulse voltage because of the limitation of the operating voltage.

둘째로, 고전압 방전 펄스 스위치 중에서도, 유해가스의 정화와 같은 환경적 응용분야에서는, 펄스화 된 코로나 스트리머 방전이 고전압의 나노초의 펄스 범위를 가지는 주기적 펄스를 생성하는데 널리 시도 되고 있다. 전통적으로, 고전압 변압기와 자력 압축 시스템을 이용한 펄스 발생기가 많이 이용되고 있다. 제11회 IEEE 국제 펄스전력 회의(미국 메릴랜드 볼티모어, 1997년)의 기술논문 요약집 제2권 1620~1625쪽에 개시된, 엔 고바야시(N. Kobayashi) 등이 저술한 "High Voltageand Short Rise-Time Pulse Transformer with Amorphous Cores"에는 펄스 전력 변압기와 자기펄스 압축회로를 이용한 펄스회로가 나타나 있다. 이 논문은 가스 레이저를 발생시키기 위한 펄스회로에 관한 것으로, 펄스전력용 변압기에서는 유전성 브레이크다운 길이와 변압기의 사이즈의 증가로 인해 루프 인덕턴스가 커지기 때문에 고전압 특성 및 짧은 특성을 동시에 가지는 펄스를 얻기 어려운 점에 대하여, 큰 자속밀도를 가진 코발트 어몰퍼스 합금 코어로 좋은 히트싱크 설계를 통해 고압, 빠른 상승시간, 고주파, 고속(짧은 주기)의 펄스파워 변압기를 제공할 수 있다는 것을 제안하였다. 이 장치에 의하면 최적의 상태에서 출력 전압이 80kV, 상승시간이 65ns인 펄스전력이 제공된다. 그런데, 상기 장치에서 변압기는 최적의 상태라 하더라도 그 전달효율이 73%~83%로서 낮기 때문에 장치 전체의 에너지효율은 이보다 훨씬 떨어진다는 문제점이 있을 뿐 아니라, 장치를 구동하기 위한 부피가 크다는 문제점을 가지고 있다.Secondly, among high voltage discharge pulse switches, in environmental applications such as purification of noxious gases, pulsed corona streamer discharges have been widely attempted to generate periodic pulses with a high voltage nanosecond pulse range. Traditionally, pulse generators using high voltage transformers and magnetic compression systems are widely used. "High Voltage and Short Rise-Time Pulse Transformer with" by N. Kobayashi, published on the 11th IEEE International Pulse-Power Conference (Baltimore, MD, 1997), vol. Amorphous Cores "shows a pulse circuit using a pulse power transformer and magnetic pulse compression circuit. This paper relates to a pulse circuit for generating a gas laser. In the pulse power transformer, it is difficult to obtain a pulse having both high voltage characteristics and short characteristics because the loop inductance increases due to the increase in dielectric breakdown length and the size of the transformer. We have proposed that a cobalt amorphous alloy core with a large magnetic flux density can provide a high pressure, fast rise time, high frequency, and high speed (short cycle) pulse power transformer through good heat sink design. The device provides pulse power with 80 kV output voltage and 65 ns rise time under optimal conditions. However, even in the optimum state, the transformer has a problem that the energy efficiency of the entire device is much lower than that of the transformer because the transmission efficiency is low as 73% to 83%. Have.

상기와 같이 반도체 스위칭 장치와 고전압 방전 펄스 스위치 양자 모두 문제점을 가지고 있음에 따라, 최근에는 비선형 세라믹 캐패시터의 전압 증폭효과를 이용하여 고전압의 고속 펄스를 만드는 연구가 이루어지고 있다. 고전압 고주파 펄스전력 생성에 이용되는 비선형 캐패시터는, 소정의 양 이상의 전하가 통과되면 그 캐패시턴스(용량 C) 값이 10분의 1 정도 까지도 감소하는 특성을 가지는데, 용량 C가 감소하면 캐패시턴스에 저장 되어 있는 에너지(1/2 CV2) 는 일정 하므로 (예를 들면, 캐패시턴스 값이 1/4 로 되었을 때 1/2 C/4*(2V)2)로 되어 캐패시터 양단의 전압이 2배 상승) 그에 따른 캐패시터 양단간 전압이 급격히 상승하게 된다. 제11회 IEEE 국제 pulsed power symposium (미국 메릴랜드 볼티모어, 1997년)의 기술논문 요약집 제2권 1548~1553쪽에 게재된, 신지 이부카(Shinji Ibuka) 등이 저술한 "Voltage Amplification Effect of Nonlinear Transmission Lines For Fast High Voltage Pulse Generation"에는, 강유전성 세라믹 캐패시터를 구비한 비선형 전송선 내에서 솔리톤(soliton)의 충돌 및 배열 과정에 의한 전압증폭효과를 이용하여 11kV 크기의 76ns의 폭을 가진 고전압 펄스전력을 얻는 과정이 설명되어 있다. 자기압축기술을 이용한 펄스 변압기가 낮은 전송효율과 장치의 큰 부피에 문제점이 있던 점에 대하여, 이 연구논문에서는 비선형 전송선(NLTL)의 전압 증폭효과를 활용하여 그 문제를 해결하고자 하고 있다. 상기 논문에서는, 빠른 상승시간의 고전압 펄스를 얻기 위해 비선형 전송선의 펄스 샤프닝 효과를 이용한다. 또한, 고전압 비선형 캐패시턴스를 실현하는 것은 BaTiO3강유전성 세라믹 캐패시터에 의해 이루어지고, 두개의 솔리톤을 충돌시키면 2배의 크기를 가지고 보다 짧은 펄스폭을 가진 솔리톤이 생성되는 것을 이용한다.As both the semiconductor switching device and the high voltage discharge pulse switch have problems as described above, recently, a study of making a high voltage high speed pulse using a voltage amplification effect of a nonlinear ceramic capacitor has been conducted. Non-linear capacitors used to generate high-voltage high-frequency pulse power have a characteristic that the capacitance (capacity C) value decreases by about one tenth when a predetermined amount or more of charge passes, and when the capacitance C decreases, it is stored in the capacitance. Since the energy (1/2 CV 2 ) is constant (for example, 1/2 C / 4 * (2V) 2 when the capacitance value is 1/4, the voltage across the capacitor doubles). As a result, the voltage between the capacitors increases rapidly. "Voltage Amplification Effect of Nonlinear Transmission Lines For Fast," by Shinji Ibuka and others, published on the 11th IEEE International Pulsed Power Symposium (Baltimore, MD, 1997). High Voltage Pulse Generation "describes the process of obtaining a high voltage pulse power with a width of 11 ns of 76 ns using the voltage amplification effect of soliton collision and arrangement in a nonlinear transmission line with ferroelectric ceramic capacitors. It is. In the case of the pulse transformer using the self-compression technique, there is a problem in low transmission efficiency and a large volume of the device. In this paper, this paper tries to solve the problem by utilizing the voltage amplification effect of the nonlinear transmission line (NLTL). In this paper, the pulse sharpening effect of a nonlinear transmission line is used to obtain a high rise pulse of fast rise time. In addition, the realization of high voltage nonlinear capacitance is achieved by a BaTiO 3 ferroelectric ceramic capacitor, and when two solitons are collided, a soliton having twice the size and a shorter pulse width is used.

또, 에너지 효율을 향상시키기 위한 다른 시도로서, IEEE 트랜스 온 플라즈마 사이언스(Trans on Plasma Science) 28권 No.5(2001년 10월), 1362~1367쪽에는 본 발명자 및 파블로브(E.P. Pavlov) 등이 저술한 "Fast High Voltage Pulse Generation Using Nonlinear Capacitors"가 개시되어 있다. 이 논문에 개시된 고속의 고전압 펄스는 반도체 스위치와 비선형 캐패시터를 포함하는 것으로서, 비선형 캐패시터에 소정량 이상의 전하가 통과되면 1/10 로 그 비선형 캐패시터의 용량이 감소한다는 특성을 이용한 것이다. 도 1에 나타난 회로는 이 논문에 게시된 회로 중에서 IGBT를 개방스위치로 이용한 것으로서 정류기, IGBT, 인덕턴스, 비선형 캐패시터와 부하가 나타나 있다. 이 설계에서 이용된 비선형 캐패시터는 DE1207F103Z2K로서 무라타(Murata) 사에 의해 제조된 것으로 10nF의 용량과 2kV의 정격전압을 가지고 짧은 기간동안 대략 5~6kV를 견딜 수 있으며, IGBT는 3300V의 정격전압을 가지고 제1 개방 스위치로 이용된다. 낮은 캐패시터(C1) 전압의 에너지가 IGBT를 통해 인덕터(L1)에 저장된다. 인덕터(L1)에서의 전류 상승시간은 55㎲이고, 전류의 크기는 370A이다. IGBT 스위치가 개방되면, 인덕터(L1)내의 전류는 캐패시터(C2)로 충전되기 시작하고, 제2 인덕터(L2)는 캐패시터(C3)를 통해 에너지가 여기된다. 비선형 캐패시터(C3)가 포화되면, 인덕터(L1,L2)와 캐패시터(C2)로부터의 전류는 캐패시터(C3)를 통하게 되며 이로써 부하에는 고전압 펄스가 가해지게 된다. 그 출력 전압은 4.3kV의 크기와 300ns의 펄스폭을 가진다.In addition, as another attempt to improve energy efficiency, IEEE Trans on Plasma Science No. 28 No. 5 (October 2001), pages 1362 to 1367, the inventors of the present invention, EP Pavlov, etc. This written "Fast High Voltage Pulse Generation Using Nonlinear Capacitors" is disclosed. The high-speed, high-voltage pulse disclosed in this paper includes a semiconductor switch and a nonlinear capacitor, and uses the characteristic that the capacity of the nonlinear capacitor is reduced to 1/10 when a predetermined amount or more of charge passes through the nonlinear capacitor. The circuit shown in Fig. 1 uses the IGBT as an open switch among the circuits published in this paper, and shows a rectifier, an IGBT, an inductance, a nonlinear capacitor, and a load. The nonlinear capacitor used in this design is DE1207F103Z2K, manufactured by Murata, with a capacity of 10 nF and rated voltage of 2 kV, capable of withstanding approximately 5-6 kV for a short period of time, and the IGBT has a rated voltage of 3300 V. Used as a first open switch. The energy of the low capacitor C1 voltage is stored in the inductor L1 via the IGBT. The current rise time in the inductor L1 is 55 mA and the magnitude of the current is 370 A. When the IGBT switch is open, the current in the inductor L1 starts to charge to the capacitor C2, and the second inductor L2 is energized through the capacitor C3. When the nonlinear capacitor C3 is saturated, the currents from the inductors L1 and L2 and the capacitor C2 pass through the capacitor C3, thereby applying a high voltage pulse to the load. The output voltage has a size of 4.3kV and a pulse width of 300ns.

그런데, 상기의 비선형 캐패시터를 이용한 장치만으로는 고성능 유해가스 정화장치 등에 필요한 극히 높은 전압의 고속 펄스를 만들어 낼 수 없다. 고성능 유해가스 정화장치 등에 이용하기 위해서는 적어도 50kV 정도의 출력전압으로서 그 펄스폭은 120nS(FWHM) 이하의 고속 펄스이어야 한다. 여기서, FWHM(Full Wave Half Magnitude)는 최대 펄스의 1/2 크기에서의 펄스폭을 말한다.By the way, the device using the nonlinear capacitor alone cannot produce a high-speed pulse of extremely high voltage required for a high-performance harmful gas purification device or the like. In order to be used for a high-performance noxious gas purification device, the pulse width should be at least 50kV and its pulse width should be 120nS (FWHM) or less. Here, FWHM (Full Wave Half Magnitude) refers to the pulse width at 1/2 of the maximum pulse.

따라서, 고전압 펄스를 생성하는데 비선형 캐패시터를 이용하기 위해서는, 복수의 비선형 캐패시터를 직렬로 연결함으로써 정격전압을 증가시키는 것을 고려할 수 있다. 그러나, 단순히 캐패시터를 직렬로 여러개 연결하면, 비선형 동작구간에서의 중첩으로 인한 문제가 발생한다. 이것은 비선형 동작구간에서 용량의 변화가 발생하는데 있어서, 각 비선형 캐패시터에서 용량의 변화가 비동시적(non-simultaneous)일 뿐 아니라 그 크기의 변화도 동일(non-identical)하지 않기 때문이다. 여러 캐패시터의 각각의 용량 또는 전압이 분배가 균일해야 원하는 파형이 발생될 수 있으므로, 직렬로 연결된 복수의 캐패시터에서 불균일한 전압이 발생하면 요구되는 전압에 도달하기도 전에 한개 또는 일부에서 브레이크다운(breakdown)이 발생하게 된다. 이때, 저항으로 그 캐패시터들간의 불균일한 전압들을 균일화시키는 것을 고려해 볼 수 있으나, 저항으로 인하여 에너지 전달량이 실질적으로 감소함으로 인해 시스템의 효율이 떨어지게 된다는 문제점이 발생한다.Therefore, in order to use a nonlinear capacitor to generate a high voltage pulse, it may be considered to increase the rated voltage by connecting a plurality of nonlinear capacitors in series. However, simply connecting a plurality of capacitors in series causes a problem due to overlapping in the nonlinear operating section. This is because a change in capacity occurs in the nonlinear operating period, because the change in capacity in each nonlinear capacitor is not only non-simultaneous but also the size change is not non-identical. Since the capacitance or voltage of each of the different capacitors must be uniformly distributed to produce the desired waveform, if non-uniform voltages occur in multiple capacitors connected in series, one or some breakdowns can occur before the required voltage is reached. This will occur. At this time, it may be considered to equalize the non-uniform voltages between the capacitors with the resistor, but the problem occurs that the efficiency of the system is lowered due to the substantially reduced energy transfer amount due to the resistance.

상기 문제점을 개선하고자 하는 시도로서, 본 발명자는 단순히 복수의 캐패시터를 직렬로 연결하는 방안과 달리, 각각의 비선형 캐패시터에 별도로 펄스 발생기를 연결함으로써 각 출력 비선형 캐패시터의 전압을 균일화시키는 방식을 고안하였다(1988년 4월25일 한국 호남대학교에서 열린 KIEE 제15차 회의 발표논문, "A Nonlinear Capacitor Based Pulse genertor").In an attempt to remedy the above problem, the inventors devised a method of equalizing the voltage of each output nonlinear capacitor by connecting a pulse generator to each nonlinear capacitor separately from the method of simply connecting a plurality of capacitors in series. Paper presented at the 15th KIEE Conference, Honam University, Korea, April 25, 1988, "A Nonlinear Capacitor Based Pulse Genertor".

도 2는 3개의 비선형 캐패시터에 각각 펄스 발생기를 결합시킨 적층식 펄스 발생기(stacked pulse generator)로서 공통부하에 일시에 동작하는 펄스 발생기의 일례를 나타내고 있다. 도 3은 상기 펄스 발생기에 의한 출력 전압의 파형을 나타낸다. 그런데, 실험결과에 따르면, 50Ω의 부하에 대해 각 펄스 발생기가 2.4kV 전압 및 0.53㎲(FWHM) 펄스폭의 펄스를 제공할 수 있음에도 불구하고, 펄스 발생기의 수에 정비례하는 출력을 얻어낼 수 없었다. 실험결과, 대략 6.3kV의 전압 및 0.53㎲(FWHM) 펄스폭의 펄스가 생성되었다. 즉, 7.2kV의 전압펄스가 생성되지 못하였다. 펄스 발생기의 수에 정비례하는 출력이 나타나지 않는 원인은, 각각의 펄스 발생기와 비선형 캐패시터에 있어서 완전히 동일하게 일치시킬 수 없는 소자 파라미터가 존재하고, 더욱이 도 3에 나타난 파형에서 볼 수 있듯이 중첩된 파형간에 시차(time jittering)가 존재하기 때문인 것으로 분석된다.FIG. 2 shows an example of a pulse generator that is operated at one time at a common load as a stacked pulse generator in which a pulse generator is coupled to three nonlinear capacitors, respectively. 3 shows the waveform of the output voltage by the pulse generator. However, according to the experimental results, although each pulse generator can provide a pulse of 2.4 kV voltage and 0.53 kHz (FWHM) pulse width for a load of 50 Ω, an output proportional to the number of pulse generators could not be obtained. . The experiment resulted in a pulse of approximately 6.3 kV and a pulse width of 0.53 kW (FWHM). That is, a 7.2 kV voltage pulse could not be generated. The reason that the output does not appear in direct proportion to the number of pulse generators is that there are device parameters that cannot be matched exactly the same for each pulse generator and nonlinear capacitor, and moreover, as shown in the waveform shown in FIG. It is analyzed that there is time jittering.

결국, 복수의 비선형 캐패시터에 각각 펄스 발생기를 연결하는 구성만으로는, 고전압 펄스를 얻는데 최적의 시스템을 이끌어내기 곤란함을 알 수 있다. 또한, 상기 시스템은 복잡한 제어 및 높은 제조비용이라는 실질적인 문제점도 가지고 있다.As a result, it can be seen that it is difficult to derive an optimal system for obtaining a high voltage pulse only by connecting a pulse generator to each of a plurality of nonlinear capacitors. The system also has the practical problem of complicated control and high manufacturing costs.

따라서, 본 발명자들은 기본 펄스 발생기에 선형 펄스 변압기 및 비선형 캐패시터를 결합시켜, 고전압 고속의 펄스를 생성하는 장치를 안출하였다.Accordingly, the inventors have devised an apparatus for generating a high voltage high speed pulse by combining a linear pulse transformer and a nonlinear capacitor with a basic pulse generator.

본 발명은 상기와 같이 종래의 고전압 고속의 펄스 발생기의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 고성능 유해가스 정화기 등에 유효적절하게 이용할 수 있도록 종래기술과 비교하여 보다 높은 전압의 펄스를 생성할 수 있는 펄스 발생기를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to improve the problems of the conventional high voltage high speed pulse generator as described above, the pulse generator capable of generating a pulse of higher voltage compared to the prior art to be effectively used in high-performance harmful gas purifier, etc. It aims to provide.

본 발명의 다른 목적은 고성능 유해가스 정화기 등에 필요한 보다 짧은 펄스폭을 가진 펄스를 고전압으로 생성할 수 있는 펄스 발생기를 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a pulse generator capable of generating a pulse having a shorter pulse width at a high voltage required for a high performance noxious gas purifier.

본 발명의 또 다른 목적은, 부하에서 요구되는 전압에 따라 용이하게 설계를 변경할 수 있는 구조를 채용하고, 제어가 용이하면서도 우수한 효율을 가지는 펄스 발생기를 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a pulse generator that adopts a structure that can be easily changed in design according to a voltage required by a load, and is easy to control and has excellent efficiency.

도 1은 종래기술에 의한 펄스 발생기의 회로도,1 is a circuit diagram of a pulse generator according to the prior art,

도 2는 기본펄스 발생기를 중첩시킨 일례로서의 시스템 회로도,2 is a system circuit diagram as an example in which a basic pulse generator is superimposed;

도 3은 도 2의 시스템에 의해 발생되는 펄스의 파형도,3 is a waveform diagram of pulses generated by the system of FIG.

도 4는 본 발명에서 사용되는 비선형 캐패시터의 특성을 나타내는 그래프,Figure 4 is a graph showing the characteristics of the nonlinear capacitor used in the present invention,

도 5는 본 발명에 의한 고전압 나노 펄스 발생기의 일례를 나타내는 회로도,5 is a circuit diagram showing an example of a high voltage nano-pulse generator according to the present invention;

도 6은 도 5의 펄스 발생기에 의해 발생되는 펄스의 파형도이다.6 is a waveform diagram of pulses generated by the pulse generator of FIG. 5.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출된 것으로서, 복수의 선형 펄스 변압기의 1차측을 직렬로 연결하여 기본펄스 발생기를 결합하고 2차측 권선 각각에 비선형 캐패시터를 연결 후 비선형 캐패시터들을 직렬로 연결 하여 고전압의 고속(나노초 수준) 펄스 전압을 발생시키는 구조로 이루어져 있다.The present invention has been made in order to achieve the above object, by coupling the primary pulse generator in series by connecting the primary side of the plurality of linear pulse transformer and connecting the non-linear capacitors in each of the secondary windings in series to connect the non-linear capacitors in series To generate a high voltage (nanosecond) pulse voltage.

즉, 본 발명에 의한 고전압 나노 펄스 발생기는 고전압 기본펄스 발생기(PPG;Primary Pulse Generator)와; 독립적인 1차측 권선 과 2차측 권선을 가지는 복수개의 선형 펄스 변압기(LPT;Linear Pulse Transformer)와; 선형 펄스 변압기의 2차측 권선 각각의 양단에 비선형 캐패시터가 병렬로 결합되는 복수개의 비선형 캐패시터(NLC;NonLinear Capacitor)와; 그 비선형 캐패시터의 양단에 연결되는 부하(Load)를 포함하고, 복수의 비선형 캐패시터는 직렬로 결합되어 각 비선형 캐패시터의 내부 펄스전압을 중첩시켜 부하 양단에 가하는 것을 특징으로 한다.That is, the high voltage nano pulse generator according to the present invention includes a high voltage basic pulse generator (PPG); A plurality of linear pulse transformers (LPTs) having independent primary windings and secondary windings; A plurality of nonlinear capacitors (NLCs) in which nonlinear capacitors are coupled in parallel at each end of each of the secondary windings of the linear pulse transformer; And a load connected to both ends of the nonlinear capacitor, and the plurality of nonlinear capacitors are coupled in series to superimpose the internal pulse voltages of the respective nonlinear capacitors to be applied to both ends of the load.

또, 비선형 캐패시터(NLC)는 소정량의 전하가 통과됨에 비례하여 대략 1/10정도로 용량이 감소하는 것을 특징으로 한다.In addition, the nonlinear capacitor NLC is characterized in that its capacity decreases to about 1/10 in proportion to the passage of a predetermined amount of charge.

또, 기본펄스 발생기는 고전압 충전장치(charger) 및 그 양단에 결합된 싸이라트론과 싸이라트론의 양단에 피치회로(Fitch Circuit)로서 결합된 인덕터와 두개의 캐패시터 및 상기 캐패시터의 일단에 연결된 새튜러블(saturable) 인덕터를 포함하고, 새튜러블 인덕터의 출력단이 직렬로 연결된 선형 펄스 변압기의 1차측에 결합되는 것을 특징으로 한다.In addition, the basic pulse generator is a high-voltage charger, a cyclone coupled to both ends and an inductor coupled as a pitch circuit at both ends of the cyclone, two capacitors, and a shunt connected to one end of the capacitor. And a flexible inductor, wherein the output terminal of the satutable inductor is coupled to a primary side of a linear pulse transformer connected in series.

비선형 펄스 변압기(LPT)는 복수의 독립적인 코어로 이루어져 있으며, 1차측이 직렬로 연결되어 회로 인덕턴스와 시차(time jittering)발생을 최소화하도록 한다. 누설 인덕턴스를 최소화 하기 위하여는, 와인딩 및 코어 사이의 간극(gap)을 최소로 하고, 각 코어의 턴수를 최소로(예컨대 n=1)로 하여 저유도성 회로로 디자인하는 것이 바람직하다. 회로 인덕턴스 및 시차발생을 최소화해야, 비선형 캐패시터의 충전시간의 최소화 및 최대 펄스파워를 이루어 낼 수 있기 때문이다.A nonlinear pulse transformer (LPT) consists of a plurality of independent cores, and the primary side is connected in series to minimize the occurrence of circuit inductance and time jittering. In order to minimize the leakage inductance, it is desirable to design a low inductive circuit with a minimum gap between the windings and the cores and a minimum number of turns of each core (for example, n = 1). Minimizing the circuit inductance and parallax can minimize the charging time of the nonlinear capacitor and achieve the maximum pulse power.

기본 펄스 발생기의 출력 측에 새튜러블 인덕터(saturable inductor;MS-1)를 설치하면, 전류압축 효과를 발생시킨다. 새튜러블 인덕터의 앞에 캐패시터를 배치하고, 그 캐패시터의 전압의 극성 변환을 통해 캐패시터의 전압을 두배로 증폭시킨다. 새튜러블 인덕터에서는, 전압이 증폭되는 순간 전류도 압축 증폭되며(V = Lㆍdi/dt), 이 압축 증폭된 전류가 선형 펄스 변압기(LPT)의 1차측으로 공급된다.Installing a saturable inductor (MS-1) at the output side of the basic pulse generator produces a current compression effect. The capacitor is placed in front of the satable inductor, and the voltage of the capacitor is doubled through the polarity change of the voltage of the capacitor. In the satutable inductor, the instantaneous current when voltage is amplified is also compressed and amplified (V = L.di / dt), and this compressed and amplified current is supplied to the primary side of the linear pulse transformer LPT.

기본펄스 발생기(PPG)에서 공급된 고전압 펄스전류는 선형 펄스 변압기(LPT)의 1차측 권선에 흐르고, 그 2차측 권선 에도 변압기의 권선수에 비례하는 전압이 유기되어 흐른다. 이 전압이 2차측의 코일에 각각 병렬로 연결되어 있는 비선형 캐패시터(NLC)에 인가된다. 본 발명에서 채택된 비선형 캐패시터(NLC)는 소정량의 전하가 통과 되면 대략 1/10 로 의 용량이 감소한다. 그러나 캐패시턴스(C)에 저장된 에너지 값은(E=1/2 CV2)변화 하지 않으므로 변화한 캐패시턴스 값(C')에 따른 변화된 전압 (V')은 V'=(C/C')1/2V 관계가 있고, 역으로 전압이 커짐에 따라 그 용량이 급격히 감소하는 특성(도 4) 도 가지고 있다. 즉, 비선형 캐패시터가 포화되면 전압 압축이 발생하게 되어 더 짧은 펄스(110nS(FWHM) 이하)가 생성된다. 용량이 감소하고 펄스폭(시간)이 짧아짐에 따라 i = Cㆍdv/dt의 관계에서 단위시간당 전압이 급격히 증가하게 된다. 이 짧은 펄스가 직렬로 연결된 160nF의 비선형 캐패시터 각각의 전압에 더해진 후 50Ω의 부하에 인가된다.The high voltage pulse current supplied from the basic pulse generator (PPG) flows in the primary winding of the linear pulse transformer (LPT), and a voltage proportional to the number of turns of the transformer also flows in the secondary winding. This voltage is applied to the nonlinear capacitors NLC which are respectively connected in parallel to the secondary coil. In the nonlinear capacitor NLC adopted in the present invention, a capacity of approximately 1/10 is reduced when a predetermined amount of charge passes. However, since the energy value stored in the capacitance C does not change (E = 1/2 CV 2 ), the changed voltage V 'according to the changed capacitance value C' is V '= (C / C') 1 /. There is also a 2 V relationship, and conversely, as the voltage increases, its capacity also rapidly decreases (Fig. 4). That is, when the nonlinear capacitor saturates, voltage compression occurs and shorter pulses (110 nS (FWHM) or less) are generated. As the capacitance decreases and the pulse width (time) becomes shorter, the voltage per unit time increases rapidly in the relationship of i = C.dv / dt. This short pulse is added to the voltage of each of the 160nF nonlinear capacitors connected in series and then applied to a 50Ω load.

최종단의 각각의 캐패시터에서 발생되는 펄스전압이 짧기 때문에, 이 짧은 전압을 중첩시키더라도 각 펄스폭과 시간차를 최소화하는 효과를 얻어낼 수 있다. 또, 각 캐패시터에 인가되는 전압은 선형 펄스 변압기의 출력전압에 의해 정하여 지며 균분되므로, 복수의 캐패시터 중 어느 하나 또는 일부 캐패시터에만 전압이 집중되는 불균일을 방지할 수 있다. 또한, 선형 펄스 변압기 출력단과 비선형 직렬 캐패시터의 수를 변화시킴으로써, 부하에서 요구되는 전압에 따라 용이하게 설계 변경이 가능하다.Since the pulse voltage generated in each capacitor of the last stage is short, the effect of minimizing each pulse width and time difference can be obtained even if these short voltages are superimposed. In addition, since the voltage applied to each capacitor is determined by the output voltage of the linear pulse transformer and is evenly divided, it is possible to prevent nonuniformity in which the voltage is concentrated only on one or some of the plurality of capacitors. In addition, by changing the number of linear pulse transformer output stage and the number of nonlinear series capacitors, the design can be easily changed according to the voltage required at the load.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 가장 바람직한 실시예와 함께 본 발명의 구성을 보다 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, with reference to the drawings will be described in more detail the configuration of the present invention with the most preferred embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명에 의한 고전압 나노 펄스 발생기의 일례를 나타내는 회로도이다.5 is a circuit diagram showing an example of a high voltage nano pulse generator according to the present invention.

좌측에는 충전장치 및 그 양단에 결합된 싸이라트론(thyratron)이 도시되어 있고, 그 싸이라트론의 양단에는 피치회로(Fitch Circuit)로서 결합된 두개의 캐패시터와 인덕터가 연결되어 있다. 또, 상부 캐패시터에는 새튜러블 인덕터(saturable inductor)가 연결되어 있다. 새튜러블 인덕터의 출력단은 선형 펄스 변압기의 1차측에 결합됨으로써 소정의 기본적인 고전압 펄스를 선형 펄스 변압기(LPT)에 공급하도록 한다.The left side shows a charging device and a thyratron coupled to both ends thereof, and two capacitors and an inductor coupled as a pitch circuit are connected to both ends of the thyrahron. In addition, a saturable inductor is connected to the upper capacitor. The output stage of the satutable inductor is coupled to the primary side of the linear pulse transformer to supply certain basic high voltage pulses to the linear pulse transformer (LPT).

기본펄스 발생기(PPG)는 선형 펄스 변압기(LPT)의 1차측 및 2차측의 권선비(여기서는 1:1)에 따라 비선형 캐패시터(NLC) 각각에 인가되는 전압을 20kV까지 상승시킨다. 먼저, 충전장치는 직류 10kV의 고전압을 공급한다. 싸이라트론과 두개의 캐패시터(80nF)와의 사이에 있는 인덕터 (0.3 μH)는 충전전류 제한용 인덕터이다. 충전기로부터의 10kV 전압은 충전전류 제한용 인덕터를 통하여 두개의 캐패시터를 10kV의 고전압으로 충전한다. 이때, 싸이라트론 스위치를 온(On)시켜서 하부의 캐패시터의 극성을 반전시키면 새튜러블 인덕터(MS-1)에 걸리는 전압이 두배(20kV)로 되어 MS-1이 포화된다. 이때 흐르는 전류는, V = Lㆍdi/dt 관계에서 알 수 있듯이 단위 시간당 전류의 크기가 커지는 압축을 겪게 된다. 이러한 전류가 선형 펄스 변압기(LPT)의 1차측을 통하여 흐르게 된다. 선형 펄스 변압기의 2차측에는 변압기의 권선수에 비례하는 전압이 유기되며, 이 전압이 2차측 권선에 병렬로 연결되어 있는 8개의 비선형 캐패시터(160nF)에 인가된다.The basic pulse generator PPG raises the voltage applied to each of the nonlinear capacitors NLC to 20 kV according to the turns ratio (here 1: 1) of the primary side and the secondary side of the linear pulse transformer LPT. First, the charging device supplies a high voltage of direct current 10kV. The inductor (0.3 μH) between cyiratron and two capacitors (80nF) is the charge current limiting inductor. The 10kV voltage from the charger charges two capacitors to a high voltage of 10kV through the charge current limiting inductor. At this time, if the polarity of the lower capacitor is inverted by turning on the cyclotron switch, the voltage applied to the satutable inductor MS-1 is doubled (20 kV) to saturate the MS-1. At this time, the flowing current undergoes a compression in which the magnitude of the current per unit time increases, as can be seen from the relationship of V = L · di / dt. This current flows through the primary side of the linear pulse transformer (LPT). A voltage proportional to the number of turns of the transformer is induced on the secondary side of the linear pulse transformer, and this voltage is applied to eight non-linear capacitors 160 nF connected in parallel to the secondary winding.

이 8개의 비선형 캐패시터의 각각은 2차측 권선에 대해서는 각 코일에 대해 병렬로 연결되어 있지만, 8개의 비선형 캐패시터 전체는 직렬로 연결되어 있다.선형 펄스 변압기의 2차측 권선에 병렬로 연결되어 있는 8개의 비선형 캐패시터에 전압이 유기되면, 도 4에 나타난 바와 같이 비선형 캐패시터의 특성으로 인해 그 용량은 급격히 감소하게 된다. 용량이 감소하면, E=1/2 CV2=1/2 C'V’2관계로부터, 전압이 급격히 변하게 되며, 즉, 비선형 캐패시터의 포화로 인해 전압증폭 된다. 짧은 펄스폭 시간동안 전압은 더욱 커지는 전압 압축이 이루어져 고전압 의 짧은 펄스폭을 가진 펄스가 생성되며, 이 고전압 고속펄스가 직렬로 연결된 160nF의 캐패시터 각각의 전압에 가해진 후 50Ω의 부하에 인가되게 된다.Each of these eight nonlinear capacitors are connected in parallel to each coil for the secondary windings, but all eight nonlinear capacitors are connected in series. When the voltage is induced in the nonlinear capacitor, as shown in FIG. 4, the capacity of the nonlinear capacitor decreases rapidly. When the capacity decreases, from the relationship E = 1/2 CV 2 = 1/2 C'V ' 2 , the voltage changes rapidly, i.e., voltage amplification due to saturation of the nonlinear capacitor. During the short pulse width time, the voltage becomes larger and the voltage is compressed to generate a pulse with a short pulse width of high voltage, which is applied to a load of 50 Ω after being applied to the voltage of each 160nF capacitor connected in series.

실험에 의하면, 도 6에서와 같이 52kV의 전압 및 110nS (FWHM)의 펄스폭을 가진 펄스가 생성됨을 확인할 수 있었다. 도 6을 관찰함에 있어 유의할 점은, 도 3에서는 전압을 표시하는 세로 한 칸이 1kV를 나타내고, 시간을 표시하는 가로 한 칸이 1μS를 나타내는데 대하여, 도 6에서는 한 칸 당 각각 10kV 및 200nS를 가진다는 점이다.According to the experiment, as shown in FIG. 6, a pulse having a voltage of 52 kV and a pulse width of 110 nS (FWHM) was generated. In observing FIG. 6, it is noted that in FIG. 3, a vertical column representing voltage represents 1 kV, and a horizontal column representing time represents 1 μS, whereas in FIG. 6, each column has 10 kV and 200 nS, respectively. Is the point.

이와 같이 스케일이 크게 다르다는 점으로부터, 본 발명에 의한 고속의 나노 펄스 발생기에서 출력되는 스케일에 있어서, 펄스의 크기가 비약적으로 증가되는 점과 펄스폭이 비약적으로 좁아지는 탁월한 효과가 있음을 알 수 있다. 최종단의 각각의 캐패시터에서 발생되는 펄스 전압이 짧으므로, 이를 중첩시키더라도 전체적인 펄스폭 및 시간차를 최소화하는 효과가 생긴다.In this way, the scale is greatly different, and it can be seen that the scale output from the high speed nanopulse generator according to the present invention has an excellent effect of the remarkably increasing pulse size and the remarkably narrowing of the pulse width. . Since the pulse voltage generated in each capacitor of the final stage is short, even if they overlap, there is an effect of minimizing the overall pulse width and time difference.

각 캐패시터에 인가되는 전압은 선형 펄스 변압기의 출력전압에 의해 정해지며 복수의 코일에 균분되므로, 여러 캐패시터의 어느 하나 또는 일부분에 전압이 편중되거나 시차(time jittering)가 발생되는 현상이 최소화 된다.Since the voltage applied to each capacitor is determined by the output voltage of the linear pulse transformer and is evenly distributed among the plurality of coils, the phenomenon of voltage biasing or time jittering in one or a part of several capacitors is minimized.

또, 선형 펄스 변압기의 출력단 권선 및 비선형 직렬 캐패시터의 수를 변화시켜 부하에서 요구되는 펄스의 특성(펄스 크기 및 펄스폭)을 얻을 수 있다. 예를 들어, 선형 펄스 변압기의 2차 출력 권선 및 비선형 직렬 캐패시터의 수를 감소시키거나 증가시켜 펄스의 크기를 증감 시킬 수 있다. 다만, 이 경우 각 소자가 견뎌낼 수 있는 임계 전압을 넘지 않도록 설계에 주의할 필요가 있다.The number of output windings of the linear pulse transformer and the number of nonlinear series capacitors can be varied to obtain the characteristics (pulse size and pulse width) of the pulse required by the load. For example, the magnitude of the pulse can be increased or decreased by decreasing or increasing the number of secondary output windings and non-linear series capacitors of the linear pulse transformer. In this case, however, care must be taken in the design so as not to exceed the threshold voltage that each device can withstand.

이상과 같이, 본 발명의 구성을 첨부된 도면을 참조하면서 바람직한 실시예를 통해 설명하였다. 그러나, 상기 실시예는 본 발명에 의한 나노 펄스 발생기의 일례를 나타낸 것일 뿐이고, 본 발명의 범위가 상기 실시 예에 한정되는 것이 아님은 물론, 첨부된 특허청구범위에 의하여 정의되는 본 발명의 기술적 사상에 포함되는 한 구성요소의 일부의 부가, 감소, 변경, 수정이 있더라도 본 발명의 범위에 속함을 부인할 수 없다.As described above, the configuration of the present invention has been described through preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. However, the above embodiment merely shows an example of the nano-pulse generator according to the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the above embodiment, as well as the technical idea of the present invention defined by the appended claims. Additions, reductions, changes, and modifications of some of the components as long as they are included in the scope of the present invention cannot be denied.

상기의 구성에 있어서 8개의 비선형 캐패시터를 이용하여 본 발명자들이 실험한 결과, 출력부하 50Ω에서 측정되는 펄스전압은 52kV이고, 그 펄스폭은 110nS (FWHM)이었다.In the above configuration, the inventors experimented with eight nonlinear capacitors. As a result, the pulse voltage measured at the output load of 50? Was 52 kV, and the pulse width was 110 nS (FWHM).

따라서, 본 발명에 따른 비선형 캐패시터와 자력압축을 이용하는 나노 펄스 발생기에 의하면, 종래기술과 비교하여 보다 높은 전압의 펄스를 보다 짧은 펄스폭으로 생성할 수 있게 된다. 그러므로, 제어가 용이하면서도 우수한 효율을 가진고성능 유해가스 정화기 등에 유효적절하게 이용할 수 있다.Therefore, according to the non-linear capacitor and the nano-pulse generator using the magnetic compression according to the present invention, it is possible to generate a pulse of a higher voltage with a shorter pulse width compared to the prior art. Therefore, it can be effectively used for a high-performance noxious gas purifier with easy control and excellent efficiency.

또, 선형펄스 변압기의 2차측 코일 및 출력단의 직렬 비선형 캐패시터의 수를 변화시킴으로써 부하에서 요구되는 전압에 따라 용이하게 설계를 변경할 수 있게 된다.In addition, by changing the number of the secondary coil of the linear pulse transformer and the series nonlinear capacitor of the output terminal, it is possible to easily change the design according to the voltage required by the load.

Claims (3)

고전압 기본펄스 발생기와;A high voltage elementary pulse generator; 복수의 독립적인 1차측 권선 과 2차측 권선을 포함하고, 상기 기본펄스 발생기의 출력단에 상기 1차측 권선이 직렬로 결합되는 선형 펄스 변압기와;A linear pulse transformer including a plurality of independent primary side windings and a secondary side windings, the primary windings being coupled in series to an output terminal of the basic pulse generator; 상기 선형 펄스 변압기의 복수의 2차측 권선 각각에 병렬로 결합되는 복수의 비선형 캐패시터와;A plurality of nonlinear capacitors coupled in parallel to each of the plurality of secondary windings of the linear pulse transformer; 상기 복수의 비선형 캐패시터들을 직렬로 연결 후 그 양단에 연결되는 부하를 포함하고,A load connected to both ends of the plurality of nonlinear capacitors in series, and 상기 복수의 비선형 캐패시터는 직렬로 결합되어, 각 비선형 캐패시터의 내부 펄스전압을 중첩시켜 상기 부하 양단에 가하는 것을 특징으로 하는 고전압 나노 펄스 발생기.And the plurality of nonlinear capacitors are coupled in series to superimpose the internal pulse voltages of the respective nonlinear capacitors and apply them across the load. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 비선형 캐패시터는 소정량의 전하가 통과됨에 비례하여 대략 1/10 로의 용량이 감소하는 것을 특징으로 하는 고전압 나노 펄스 발생기.The non-linear capacitor is a high voltage nano pulse generator, characterized in that the capacity is reduced to approximately 1/10 in proportion to the passage of a predetermined amount of charge. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 기본펄스 발생기는 충전장치 및 그 양단에 결합된 싸이라트론과 상기 싸이라트론의 양단에 피치회로(Fitch Circuit)로서 결합된 인덕터와 두개의 캐패시터 및 상기 캐패시터의 일단에 연결된 새튜러블 인덕터를 포함하고, 상기 새튜러블 인덕터의 출력단이 상기 선형 펄스 변압기의 1차측에 결합되는 것을 특징으로 하는 고전압 나노 펄스 발생기.The basic pulse generator includes a charging device, a cyclone coupled to both ends, an inductor coupled as a pitch circuit at both ends of the cyclone, two capacitors, and a satutable inductor connected to one end of the capacitor. And the output terminal of the satutable inductor is coupled to the primary side of the linear pulse transformer.
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