[논문]고주파 공진형 인버터식 X선 발생장치의 설계

이성길; 박수강; 백형래; 정수복

고주파 공진형 인버터식 X선 발생장치의 설계
Design of High Frequency Resonant Inverter Type X-Ray Generator 원문보기

전기학회논문지. The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. B, 전기기기 및 에너지변환시스템부문, v.51 no.1, 2002년, pp.34 - 39

이성길 (광주보건대학 방사선과) , 박수강 (조선대 공대 전기공학과 박사과정수료) , 백형래 (조선대 공대 전기공학과) , 정수복 (조선대 공대 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Most X-ray generator had been used do rectifier type transformer high tension generator which is supplied in a clinical diagnosis. But it is difficult to miniaturize and become light weight. Also, because the ripple rate of tube voltage is high, X-ray generating efficiency is very low. Therefore, it is supplied gradually from abroad being developed high tension generator for inverter type X-ray generator which use semi-conductor switching element for electric power that have high speed switching ability to solved these problem. But, semi-conductor element of big capacity are used by X-ray tube's big consumption power and diffusion is difficult in the small size hospital because production cost is ascending by doing digital control through DSP and product price becomes expensive. Therefore, in this paper, design and manufactured CR type voltage divider for feedback control of tube voltage of high frequency resonance type inverter and high tension transformer for high frequency to apply economical diffusion type X-ray generator which have wide output voltage and load extent. It is Proved do X-ray generator and stability of X-ray tube's output characteristics through an experiment.

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 정밀 제어가 가능하고, 넓은 출력 전 압과 부하 범위를 갖으며 경제적인 보급형 X선발생장치에 적용할 고주파 공진형 인버터와 고주파용 고압 변압기, X선 발생장치의 특성 분석 및 고정도의 관전압의 피드백 제어를 위한 CR형 분압기를 설계제작하여 X선관의 출력 특성의 안정성을 입증하였다.

제안 방법

고주파 공진형 인버터식 X선 발생장치를 설계, 제작하여 출력 전압, 전류 파형 등 출력 특성을 실험하였다.
공진 회로로 인버터를 구성하고 고주파로 동작시킴으로써 고압 변압기를 포함한 전체시스템의 소형, 경량화를 도모하였 고 X선 투시시 장 시간 부하로 인하여 고압 변압기의 2차 측 권선층 간의 부유용량이 증가하여 발생하는 스파크 현상을 에폭시 진공몰딩 기법을 이용하여 제거할 수 있었다. 또한, X선 장비의 특성 분석 및 고정도의 관전압의 피드백 제어를 위해 고주파 고압 변압기의 2차 측의 관전압, 관전류 검출용 CR분압 기를 설계하였다.
그러나 이것은 원리적으로 구조가 소형, 경량화가 어려운 점과 관전압의 맥동률이 커 서 X선발생 효율이 매우 낮고 X선관 출력 제어장치의 동작이 정밀치 못해 신뢰성이 문제점으로 지적되어 왔다. 따라서 종 래의 진단용 X선 발생장치의 문제점들을 개선하기 위해서 고속 스위칭 능력을 갖는 전력용 반도체 스위칭 소자를 이용한 인버터 식 X선 발생용 고압 발생장치가 개발되어 고압변압기의 입력 전압을 고주파화함으로써 변압기 크기를 소형, 경량화 할 수 있고, 관전압의 빠른 상승시간으로 인해 1ms 정도의 짧은 시간도 조사가 가능하였다. 그러나 X선관의 소비전력 이 큼으로 대용량의 반도체 소자들을 사용하고 DSP를 통한 디지털 제어를 함으로써 생산원가가 상승하고 제품 가격이 비싸져 소형병원에는 보급이 어려운 실정이다.
공진 회로로 인버터를 구성하고 고주파로 동작시킴으로써 고압 변압기를 포함한 전체시스템의 소형, 경량화를 도모하였 고 X선 투시시 장 시간 부하로 인하여 고압 변압기의 2차 측 권선층 간의 부유용량이 증가하여 발생하는 스파크 현상을 에폭시 진공몰딩 기법을 이용하여 제거할 수 있었다. 또한, X선 장비의 특성 분석 및 고정도의 관전압의 피드백 제어를 위해 고주파 고압 변압기의 2차 측의 관전압, 관전류 검출용 CR분압 기를 설계하였다.
제작된 분압기의 분압비는 약 15,000 : 1로 하였다. 또한, 제작된 분압기는 고압 변압기 및 고압 다이오드로 구성된 고압정류부와 함께 절연유에 유침시켰다. X선용 고압 발생장치에서는 관의 양극측 또한 음극측의 고압 측정이 필요하므로 분압기가 두개 필요하였다.
본 논문에서 설계, 제작된 병렬 CR형 분압기는 고압용 저항(200MQ) 2개를 병렬로 1조씩 연결 5조를 직렬로 연결하고 끝단에 출력 저항 33㏀을 연결하고 이에 대해 각각의 저항에 커패시터를 연결하였다. 제작된 분압기의 분압비는 약 15,000 : 1로 하였다.
본 논문의 X선발생장치에서는 전파브리지 직렬 공진형 인버터를 사용하였다.
본 연구에서 설계한 X선 발생장치의 구성은 저압부인 고 압변압기 전단에 구성되어지는 정류부와 평활콘덴서, 식텯공진형 인버터로 구성되어지고 고압부인인버터의 선간 전안은 승압하여 고압을 얻기 위한 고주파 고압 변압기와 고압을 정류하여 X선관 양단에 직류고압을 공급하기 위한 고압징뷰 부와 X선관 입력 전압 공급선(feeder)으부서 출력 측의 평홤필터로 사용되는 고압케이블이 있고, X선관 음극의 필라멘 트를 가열하기 위한 필라멘트 가열회로로 인버터와. 핀 라멘드 가 열용 변압기로 이루어진다 그림8은 실험장치의 모습으나타낸다.
그림 1은 고주파 공진형 인버터를 도입한 X선 발생장치의 전력변환 시스템의 구성을 나타낸다. 인버터에 공급되는 직류 전원은 저전압 정류장치를 이용하였고 직류 입력 전압을 높은 주파수의 교류출력전압으로 만들기 위해 고속 스위칭소자인 IGBT를 사용하여 공진형 PWM 인버터를 구성하였다. 인버터 출력을 고전압으로 승압시키기 위한 고압 변압기와 고압케이블이 연결되고 부하로 작용하는 X 선관에 직류고전압을 가하기 위한 다이오느정류회로와 X-선관의 핌라멘트 선류를 제어하는 고주파인버터로 구성되어 있다.
X선용 고압 발생장치에서는 관의 양극측 또한 음극측의 고압 측정이 필요하므로 분압기가 두개 필요하였다. 저항의 내 전력을 줄이기 위하여 서항 2개를 - 병렬로 사용하였고 콘덴서의 내압을 줄이기 위하여 직렬로 콘덴서를 연결하여 회 로를 구성하였다. 분압기의 전달함 수식은 식(4)와 같다.

성능/효과

본 논문에서 제작한 고압 변압기는 고주파용으로 설계함으로 철심 재료에는 고주파의 외부 자계를 가할 때, 자성체에 유도되는 외부 자계가 매우 작아서 인덕터 및 변압기의 철심으로 사용되는 페라이트를[3][4] 사용하여 와 전류를 줄임으로 옴손실을 줄일 수 있었다. 그림 3은 고압 변압기의 구조를 나타낸 것이다.
이와 같은 방법으로 검출하는 출력선 압은 다양한 주파수의 리플도 제어가 가능할 뿐만 아니라 전 원장치의 과도 응답 특성을 향상시킬 수 있었다. 그림7은 분압기의 회로 릎 나타낸다.
제작한 CR분압기는 스!제의 출력 특성과 거의 일치된 신호를 얻을 수 있어 인버터 식 X선 발생 장치의 정확한 제어를 가능케 하였고 고밀도 전력, 저노이즈와 빠른 과도 응답특성을 갖는 X선 발생장치를 제작할 수 있었다.

참고문헌 (7)

T. F. Wu and J. C. Hung, 'A PDM Controlled Series Resonant Multi-level Converter Applied X-ray Generators' IEEE Transcations on Industry Applications, Vol. 34, pp.1177-1182, 1999
H. S. Kim, C. Y. Won, D. W. Yoo, S. W. Ha. 'A Study on High Power Resonant Converter for X-ray Generator', Proceedings of ICPE'95, pp.288-294, 1995
高橋透影, イソパ一タ式 X-線高電壓裝置の特性と臨床效果', 日本放射線技術學會雜誌, Vol. 46(12), pp.1901-1908, 1990
Y. J. Kim, T. Hatakeyama, M. Nakaoka, 'Comparative Evaluations of Phase-Shifted PWM Resonant Inverter-fed DC-DC Converter with High-Voltage High-Frequency Transformer Link,' Proceedings of PEDS'95, pp.657-664, 1995
Y. J. Kim, M. Nakaoka, H. Takano and T. Hatakeyama, 'Comparative Performance Evaluations of High-Voltage Transformer Parameter Resonant Inverter-Linked High-Power DC-DC Converter with Phase-Shifted PWM Scheme,' Proceedings of Power Electronics Specialists Conference, pp.120-127, 1995
M. Nakaoka, S. Nagai, Y. J. Kim, Y. Ogino, and Y. Murakami, 'The State of the art Phase-shifted ZVS-PWM Series & Parrellel Resonant DC-DC Power Converter Using Internal Parasitic Circuit Components and New Digital Control', Proceedings of Power Electronics Specialists Conference, pp.62-70, 1992
Jun TAkahashi, Hiroshi Takano, Mutsuo Nakaoka, 'A State-of-the-art 50kW-10 kHz Soft-Switching Assisted PWM DC-DC Converter for X-ray Power Generator,' Proceedings of PCC'93, Yo-kohama, Japan, pp.165-170, 1993

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