[논문]음극선 발생기를 위한 고전압 발생 장치의 설계 및 제작

주동만; 민경일; 황재효

음극선 발생기를 위한 고전압 발생 장치의 설계 및 제작
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본 연구에서는 의료용 X선 발생기의 고전압 발생장치를 설계하는 방법을 제시한다. 고전압의 발생을 위해 인버터를 사용하였다. 또한 라인필터회로, 정류회로, 펄스 복 변조 제어회로, 전 브리지 구동회로, 고전압 트랜스, 고전압 정류회로를 설계 제작하였다. 본 논문에서 제시된 설계 방법에 의해 스위칭 주파수 40 KHz인 고전압 발생장치를 제작·실험하여 가변전압 0∼620 V. 가변전류 50 ∼500 mA를 얻었다.

The design method of high potential generator of diagnostic X-ray apparatus by using inverter is presented. For the high potential generator, a line filter, a rectifier, a Pulse width modulation control, bridge drive, a high potential transformer and a high potential rectifier circuit were adopted. The high potential generator with switching frequency to be 40 KHz is fabricated by using design method presented in this method. The experimental results are as followings; variable volts of 0∼620 V and variable currents 50∼500 mA.

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문제 정의

• 본 논문은 중소기먾첨 지원에 의한 산학 공동 연구과제로 개발한 것이며, 그 핵심 내용은 의료욤 X-RAY 기기의 음극선 발샘기를 위한 고전압 반생 장치의 사례와 인버터 방식을 이용하여 점밀제어와 소형화를 위한 방법에 관한것이다. 이는 윰극선 발생기른 위한 고전입 발 생 장치의 성능을 개선하고 소형화른 실현하기 뮈한 개발 기술이다.

제안 방법

인버터를 이용한 의료용 X선 발생기의 고전압 발생 장치를 설계하는 방법을 제시하였다. 또한, 펄스 폭 변조 방식으로 출력전압을 제어한 고진압 발생장치를 제작하였다. 이때의 인버터는 공진형을 사용하였다.
본 논문에서는 기족에 상용화되어진 인버터 스위칭 주파수는 250 Hz~30 KHz, 관전압 맥동률은 1% 이상을 개선하기 위하여 기존에 비해 상승된 스위칭 주파수 40 KHz를 사용하고, 펄스 폭 변조 제이회로를 이용하여 부하에 따른 츨럭 전압과 출력 전류를 실시간 신헝 제어하고, 난전압 백동을을 1% 이하로 감소시킬 수 있 게 한다. 인버더 스위침 주파수를 높일 수 있게 함으로써 고전압 변압기를 소형화하고, 장치 주회로의 고속 스위칭 및 관전압의 되먹임에 의해 전원에서부터 X선관에 이르기까지 고정밀 제어가 가능한 인버터 방식 의료용 X선 발생기 의 설계방법을 제시 하고 제 작 · 실험하여 그 결과를 고찰한다.
이 경우 스위칭트렌지스터의 주파수 특성과 고전압 트렌스의 주파수 특성에 따라 복합적인 비선형 특성을 나타내게 된다. 본 논문에서는 스위칭 주파수를 고정시키고 스위칭 펄스 폭을 변화시켜 제어함으로써 비선형 특성 요인을 감소시키고, 또한 제어 정밀도 와 안정도를 향상시켰다.
펄스 폭 변조 제어 방식을 이용한 제어 회로는 Figure 5 와 같이 구성. 이 회로에서는 TU94 비교형 펄스 폭 변조 회로와 자체 발진 회로를 내장한 스위칭 레귤레이터용 LC를 사용하여 펄스 트랜스(Tl, T2)를 스위칭 시키고 펄스 트렌스(Tl, T2)2차 측의 유도 진압으로 전 브리지 구동 회로의 POWER MOS-FET들의 각 게이트 소오스간을 스위칭 시켜 준다. 이 회로에 의해 출력되어지는 펄스 폭 변조 파형을 Figure 6과 같다.
이러한 점을 개선하기 위해서 본 고전압 발생 장치는 인버터 방식을 채용하여 고전압 발생 장치에 적용하였다. 인버터 방식은 보통 20~40 KHz의 고주파를 사용 함으로써 승압용 변압 트랜스의 소형화가 가능하며 펄스 푹 변조(Pulse Width Modulation : PWM)제어 방식을 이용하여 승압 트랜스를 구동하는 펄스 폭의 비용을 제어하므로 출력 전압의 정밀 제어를 할 수 있다[3, 6, 7].
본 논문에서는 기족에 상용화되어진 인버터 스위칭 주파수는 250 Hz~30 KHz, 관전압 맥동률은 1% 이상을 개선하기 위하여 기존에 비해 상승된 스위칭 주파수 40 KHz를 사용하고, 펄스 폭 변조 제이회로를 이용하여 부하에 따른 츨럭 전압과 출력 전류를 실시간 신헝 제어하고, 난전압 백동을을 1% 이하로 감소시킬 수 있 게 한다. 인버더 스위침 주파수를 높일 수 있게 함으로써 고전압 변압기를 소형화하고, 장치 주회로의 고속 스위칭 및 관전압의 되먹임에 의해 전원에서부터 X선관에 이르기까지 고정밀 제어가 가능한 인버터 방식 의료용 X선 발생기 의 설계방법을 제시 하고 제 작 · 실험하여 그 결과를 고찰한다.
인버터를 이용한 의료용 X선 발생기의 고전압 발생 장치를 설계하는 방법을 제시하였다. 또한, 펄스 폭 변조 방식으로 출력전압을 제어한 고진압 발생장치를 제작하였다.
제작된 고선압 발생 장치의 동작과 성능을 실험하기 위해 공급 전원은 교류 80V/3A, 스위칭 주파수는 40kHz, 펄스 폭 비율은 10-90%까지 변화시커 출력 전압을 측정하였다.

대상 데이터

이에 반해 누설 자속은 약간 발생하지만 권선이 용이한 EE형, EI형 그리고 PQ형 코어를 사용할 수 있다, 이 코어들 중 PQ형 코어는 유효 단면적이 넓으므로 실효투자율 µ_c가 크고 소헝화에 적합한 코이이다. 이와 같은 고려 사항들을 기준으로 고전압 발생 장치에서는 PQ4040형 코어를 사용하였다.

이론/모형

출력 전압을 정민 제어하기 위한 방법은 직렬 제어 방식, 병렬 제어 방식, 주파수 제어 방식(공진 방식), 펄스 폭 변조 제어 방식 등이 있다. 본 장치에서는 펄스 폭 변조 제어 방식을 사용하고 있다. 이 제어 방식은 스위칭 주파수는 고정시키고 스위칭 ON 시간(t_on)을 가변 시커 출력진압의 평균값을 가변 할 수 있다.

성능/효과

0 V까지 변동되었다. 이러한 결과로 볼 때 본 장비의 기본 설계 윈리인 인버터 방식이 정상적으로 동작되고 있음을 알 수 있다.

후속연구

기존의 고전압 발생 장치는 승압 트랜스의 권선비에 의헤 출력전압이 결정되어지는 구조이다. 그러나 본 고전압 발생 장치에서는 펄스 폭 변조 제어 방식을 사용 하여 스위칭 주파수는 고정시키고 스위칭 ON 시간(t_on)을 가변하므로써 출력 진압의 평균값을 가변 할 수 있는 방식을 채택하였으므로 고전압 트랜스에 의해 유도된 전압을 평균값으로 변환하는 회로가 필요하다. 또 한 본 고전압 발생 장치에 장착 예정인 X선간의 X신방출효율을 높이기 위해서는 교류성분의 고전압보다는 직류싱분의 고전압을 사용하는 깃이 유리하다.
본 논문에서 제시된 설계 방법은 향후 스위칭 주파수를 상승시키고, 스위칭 속도가 빠른 소자와 고투자율의 트랜스 코어를 이용하면 현재보다 높은 고전압을 얻을 수 있어 의료용 X선 발생기의 고전압 발생 장치에 적용 할 수 있을 것으로 예상된다.

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