[논문]마그네트론 구동용 단일단 공진형 전원장치

정진범; 연재을; 김희준

문제 정의

본 논문에서는 부스트 입력 형태를 갖는 마그네트론용 단일단 공진형 전원 장치를 제안하였다. 제안된 전원장치는 전류 연속 모드 펄스폭 변조 방식을 적용함으로써 간단한 하나의 제어회로를 이용하여 입력측 역률개선과 출력전력을 동시에 제어할 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 부스트 입력 형태를 갖는 새로운 마그네트론 구동용 단일단 공진형 전원장치를 제안하였다. 제안된 전원장치는 입력측 역률개선과 출력전력을 동시에 제어하는 하나의 제어회로를 지닌 단일단 구조로서, 프로토타입 제작을 통한 실험으로부터 98% 이상의 고역률과 약 71%의 최대 효율을 달성할 수 있었다.

제안 방법

제안된 전원장치는 전류 연속 모드 펄스폭 변조 방식을 적용함으로써 간단한 하나의 제어회로를 이용하여 입력측 역률개선과 출력전력을 동시에 제어할 수 있도록 하였다. 또한 변압기 누설 인덕턴스와 공진 커패시터 간의 직렬 공진을 이용한 영전압 스위칭을 통해 스위칭 손실을 저감시킬 수 있도록 하였고, 마그네트론 발진 초기의 과전압으로 인한 모딩(moding) 및 파괴를 방지할 수 있도록 주파수 가변기법을 적용한 기동방식을 제안하여 마그네트론 음극의 충분한 예열이 가능하도록 하였다. [1][2]
마그네트론 전 원장치의 출력을 측정하는 방법은 마그네트론에서 발생하는 마이크로웨이브를 고주파 측정 장비나 도파관등을 이용하여 직접적으로 측정하는 방법과 전자레인지의 마그네트론과 같이 물을 이용하여, 물이 흡수한 열량으로부터 출력을 계산하는 IEC 법이 있다. 본 논문에서는 마그네트론의 정확한 출력이 실시간으로 확인 가능한 도파관을 이용하여 측정하였으며 결과 값의 평균으로부터 효율을 계산하였다. 최종 출력에 따른 효율 그래프를 그림 18에 나타내었다.
본 논문에서는 인버터 출력 전압이 음극을 충분히 예열시키면서도 마그네트론 정격 내 전압보다 낮게 발생하도록 하기 위해 그림 12의 입력 전류 및 마그네트론 발진 검출회로를 이용하여, 기동 시 스위칭 주파수를 인버터 1차측 고유 공진 주파수 근처에서 동작하도록 하였으며 마그네트론이 발진하여 정상적인 부하로 작용하게 되면 안정적인 영전압 스위칭이 이루어지는 주파수로 상승시켜 운전하는 방식을 적 용하였다.
마그네트론의 양극 전압을 측정한 파형을 그림 17에 나타내었다. 실험 파형은 마그네트론에 인가되는 음전압의 형태로 측정하였다. (a)는 음극의 충분한 예열이 이루어지지 않아 이상 발진이 발생한 경우로서 발진 이후에 양극 전압이 일정하게 유지되지 못하고 약 1kV 정도의 전압 변동이 지속적으로 발생하는 모딩 현상이 관찰된다.
제안된 마그네트론 구동용 전 원장치의 유효성을 검증하기 위해 프로토타입의 전원장치를 제작하였으며 표 1에 정격사양 및 주요 소자들의 파라미터 값을 나타내었다.
4.1 역률 개선 및 출력 제어

제안된 마그네트론용 단일단 공진형 전원 장치는 그림 10에 나타낸 것과 같이, 마그네트론 출력 제어를 위해 AC 입력단의 전류를 CT(Current Transformer), 정류기 및 저역통 과필터(LPF)를 이용해 직류 전압화 한 후 오차 증폭기를 이용해 기준전압(V_ref)과 비교하는 피드포워드 회로를 구성한다. 이 결과 값을 승산기를 통해 모델 전류 즉 입력전압과 곱해지고 이는 기준 전류가 된다.
본 논문에서는 부스트 입력 형태를 갖는 마그네트론용 단일단 공진형 전원 장치를 제안하였다. 제안된 전원장치는 전류 연속 모드 펄스폭 변조 방식을 적용함으로써 간단한 하나의 제어회로를 이용하여 입력측 역률개선과 출력전력을 동시에 제어할 수 있도록 하였다. 또한 변압기 누설 인덕턴스와 공진 커패시터 간의 직렬 공진을 이용한 영전압 스위칭을 통해 스위칭 손실을 저감시킬 수 있도록 하였고, 마그네트론 발진 초기의 과전압으로 인한 모딩(moding) 및 파괴를 방지할 수 있도록 주파수 가변기법을 적용한 기동방식을 제안하여 마그네트론 음극의 충분한 예열이 가능하도록 하였다.
제안된 회로는 입력측 역률개선을 위해 전류연속모드 펄 스폭 변조 방식을 적용하였다. 따라서 그림 15에 나타난 것과 같이 입력 인덕터에 흐르는 전류 i_L은 일정한 밴드를 형성하면서 연속적으로 유지되는 형태를 지니게 되고 이는 일반적인 부스트형 능동 역률개선회로의 입력 측 인덕터에서 측정되는 전류 파형과 동일하다.

성능/효과

최종 출력에 따른 효율 그래프를 그림 18에 나타내었다. 500[W]의 출력에서 최대 71%, 1100[W]의 전부하에서 약 66%의 결과를 나타내었으며, 전체 부하 영역에서 양호한 결과를 보임을 확인할 수 있었다.
의 파형으로, 전류가 전압의 형태를 추종함으로써 입력측 역률이 개선되었음을 보여준다. 계측장비를 이용하여 측정한 결과 98% 이상의 고역률을 유지하는 것을 확인하였다. 입력전압과 전류 파형에서 나타나는 스위칭 리플의 영향은 입력 측 EMI 필터 값을 적절히 함으로써 저감시킬 수 있다.
따라서 고역률을 실현하기 위하여 능동 역률개선회로와 마그네트론 구동용 전 원장치가 다단으로 연결된 방식에 비해 제안한 마그네트론용 단일단 공진형 전원 장치의 경우, 하나의 제어회로를 가진 단일단의 형태로 출력 전압과 입력측 역률을 동시에 제어하므로 전력변환 손실을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 회로가 비교적 단순해지며 제조비용이 절감된다는 장점을 지니고 있다.
제안된 전원장치는 입력측 역률개선과 출력전력을 동시에 제어하는 하나의 제어회로를 지닌 단일단 구조로서, 프로토타입 제작을 통한 실험으로부터 98% 이상의 고역률과 약 71%의 최대 효율을 달성할 수 있었다. 또한 변압기 누설인덕턴스와 공진 커패시터의 공진을 이용하여 각 스위치에서 영전압 스위칭 동작이 가능하도록 하였으며 이를 통한 스위칭 손실의 저감으로 전체 효율이 개선됨을 확인하였다. 마그네트론의 초기 기동 시 발생할 수 있는 과전압 및 모딩 현상의 억제를 위해 주파수 가변기법을 적용함으로써 안정적인 동작을 확 보하였다.
또한 변압기 누설인덕턴스와 공진 커패시터의 공진을 이용하여 각 스위치에서 영전압 스위칭 동작이 가능하도록 하였으며 이를 통한 스위칭 손실의 저감으로 전체 효율이 개선됨을 확인하였다. 마그네트론의 초기 기동 시 발생할 수 있는 과전압 및 모딩 현상의 억제를 위해 주파수 가변기법을 적용함으로써 안정적인 동작을 확 보하였다.
제안된 전 원장치의 동작과 특성 고찰을 위해 입력전압 120[VAC] 마그네트론 출력 1.l[kW] 급의 프로토타입 전원 장치의 제작을 통한 실험 결과를 제시함으로써 제안한 전원 장치의 유효성을 입증하였다.
본 논문에서는 부스트 입력 형태를 갖는 새로운 마그네트론 구동용 단일단 공진형 전원장치를 제안하였다. 제안된 전원장치는 입력측 역률개선과 출력전력을 동시에 제어하는 하나의 제어회로를 지닌 단일단 구조로서, 프로토타입 제작을 통한 실험으로부터 98% 이상의 고역률과 약 71%의 최대 효율을 달성할 수 있었다. 또한 변압기 누설인덕턴스와 공진 커패시터의 공진을 이용하여 각 스위치에서 영전압 스위칭 동작이 가능하도록 하였으며 이를 통한 스위칭 손실의 저감으로 전체 효율이 개선됨을 확인하였다.

후속연구

최근 다양한 분야로 마그네트론의 적용이 확대되고 있음을 고려할 때, 비교적 간단한 단일단 구조로 고역률을 유지하고 안정적인 동작이 확보된 제안한 전 원장치는, 대용량 마그네트론 구동용 전원장치 등과 같은 산업용 분야에서 보다 효과적이고 실용적인 적용이 가능할 것으로 사료된다.

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