[논문]고전압 구형파 펄스 발생기에 관한 연구

김영배; 유홍제; 김종수

[국내논문] 고전압 구형파 펄스 발생기에 관한 연구
A study on High Voltage Squarewave Pulse Generator 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.57 no.6, 2008년, pp.1022 - 1025

김영배 (한국전기연구원) , 유홍제 (한국전기연구원) , 김종수 (한국전기연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the generation of the high voltage squarewave pulse using distributed RLC circuit. The demonstrated test was performed with the distributed RLC circuit which consists of the resistance, the inductance and the capacitance. Pspice simulation was also conducted about the experiment circuit. The result of the experiment was in good agreement with the result of the simulation. Theoretical analysis of the initial peak value at the squraewave pulse was derived from the results of the experiment and simulation. Additionally, the characteristics of the time delay was analyzed about the spherical gap switch and the surface discharge gap switch, respectively. It is concluded that the surface discharge gap switch is better than the spherical gap switch to reduce the time delay.

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문제 정의

본 논문에서는 간단한 펄스 중첩의 형태로 인가되는 새로운 구형파 펄스 파워 발생기에 대하여 기술하였다. 제안한 방식은 기존의 Marx Generator를 수정하여 다단의 펄스를 중첩함으로써 궁극적으로 간단하게 구형파 형태의 flat top 출력 펄스를 발생시킬 수 있는 장치 이다.
본 논문에서는 Marx Generator의 전압파형을 개선하기 위하여 간단한 파형 중첩을 통하여 구형파 발생이 가능한 새로운 구형파 펄스전원 발생장치에 대하여 연구하였다. 제안된 방식은 고가의 반도체 스위치 소자를 이용한 펄스 전원 장치에 비하여 간단하고 저렴한 펄스전원발생장치의 형태로 구현이 가능하며 간단한 구조로 인해 제어 또한 복잡하지 않은 장점을 가지는 것을 보였다.

제안 방법

제안한 방식은 기존의 Marx Generator를 수정하여 다단의 펄스를 중첩함으로써 궁극적으로 간단하게 구형파 형태의 flat top 출력 펄스를 발생시킬 수 있는 장치 이다. 이러한 구조는 간단하여 저가이며, 복잡한 제어를 요구하지 않는 장점을 지니게 된다.
같은 회로를 이용하면 된다. 부하 저항 R에서 볼때 초기에는 가까운 거리에 있는 C에서 R, C방전을 하고, 그 다음에는 먼거리에 있는 L, C에서 시정수만큼의 시간차를 가지면서 순차적으로 방전을 하는 회로를 사용하였다.
구형파 발생기의 조립은 그림 9와 같이 커패시터 12개 와인 덕 터 11개를 1모듈(module)씩 하여 2모듈을 2층으로 쌓아서 설치하고, 접지 저항 10kQ을 사용하여 1단과 2단을 연결하였다.
직류 고전압 발생기를 이용하여 15kV를 충전하여 실험 결과와 시뮬레이션이 일치하는가를 확인 하였으며, 또한 트리거 스위치를 구갭스위치와 연면방전스위치 2종류를 제작하여 동작 특성 등을 비교 실험 하였다.

대상 데이터

커패시터는 무라다사의 30kV 2nF의 세라믹 커패시터 24 개를 사용하였으며, 인덕터는 직경 2mm 동에나멜선을 지름 30 mm, 30회를 감아서 lOnH 22개를 제작 하였다. 트리거 스위치는 연면 방전 스위치를 2개 제작하여 설치 하였다(그림 6과 같은 구조의 갭 스위치도 2개 제작 하였슴).

데이터처리

제안된 방식은 고가의 반도체 스위치 소자를 이용한 펄스 전원 장치에 비하여 간단하고 저렴한 펄스전원발생장치의 형태로 구현이 가능하며 간단한 구조로 인해 제어 또한 복잡하지 않은 장점을 가지는 것을 보였다. 또한 제안한 방식에 효과적으로 적용 가능한 새로운 연면방전 스위치를 설계 제작하였으며, 스파크 갭을 사용한 구형파 펄스발생장치와 그 결과를 비교하였다. 실험과 시뮬레이션을 통하여 제안한 구형 파 펄스 발생 장치는 펄스의 상단이 편평한 flat top 펄스의 발생이 가능하여, 기존의 Marx Generator의 단점을 보완 할 수 있었으며 이러한 장점으로 X-ray, 마그네트론과 같이 구형파 형태의 펄스를 요구하는 분야에 효과적으로 적용 가능함을 입증하였다.

성능/효과

그리고 설계된 새로운 구형파 펄스 발생장치는 간단한 실험을 통하여 그 성능이 검증되는 것을 보였으며, 향후 구형파를 요구하는 저가의 펄스파워 응용분야에 효과적으로 적용될 수 있음을 보였다. 또한 효과적인 구형파 발생을 위한 새로운 연면방전스위치를 설계 제작하여 기존의 스파크 갭스위치를 사용하는 방식을 대체할 경우 각 적층 회로에 설치되어 있는 스위치의 Jitter를 줄일 수 있는 기술적 장점을 보였다.
시뮬레이션은 Pspice 프로그램을 이용하여 각 소자의 특성값을 임의로 바꾸어서 수행한 결과 커패시터는 2nF, 인덕터는 10uH가 적당한 것을 알 수가 있었다. 그리고 부하 저항은 150Q 과 커패시터는 230pF이 적합 하였다.
제안된 방식은 고가의 반도체 스위치 소자를 이용한 펄스 전원 장치에 비하여 간단하고 저렴한 펄스전원발생장치의 형태로 구현이 가능하며 간단한 구조로 인해 제어 또한 복잡하지 않은 장점을 가지는 것을 보였다. 또한 제안한 방식에 효과적으로 적용 가능한 새로운 연면방전 스위치를 설계 제작하였으며, 스파크 갭을 사용한 구형파 펄스발생장치와 그 결과를 비교하였다.
또한 제안한 방식에 효과적으로 적용 가능한 새로운 연면방전 스위치를 설계 제작하였으며, 스파크 갭을 사용한 구형파 펄스발생장치와 그 결과를 비교하였다. 실험과 시뮬레이션을 통하여 제안한 구형 파 펄스 발생 장치는 펄스의 상단이 편평한 flat top 펄스의 발생이 가능하여, 기존의 Marx Generator의 단점을 보완 할 수 있었으며 이러한 장점으로 X-ray, 마그네트론과 같이 구형파 형태의 펄스를 요구하는 분야에 효과적으로 적용 가능함을 입증하였다.

후속연구

이러한 구조는 간단하여 저가이며, 복잡한 제어를 요구하지 않는 장점을 지니게 된다. 그리고 설계된 새로운 구형파 펄스 발생장치는 간단한 실험을 통하여 그 성능이 검증되는 것을 보였으며, 향후 구형파를 요구하는 저가의 펄스파워 응용분야에 효과적으로 적용될 수 있음을 보였다. 또한 효과적인 구형파 발생을 위한 새로운 연면방전스위치를 설계 제작하여 기존의 스파크 갭스위치를 사용하는 방식을 대체할 경우 각 적층 회로에 설치되어 있는 스위치의 Jitter를 줄일 수 있는 기술적 장점을 보였다.

참고문헌 (8)

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상세보기
Young-Wook Choi, In-Wha Jeong, Geun-Hie Rim, E. P. Pavlov, Chang-Sik Choi, Hong-Ki Chang, Mee-Hye Woo and Seong-Poong Lee, "Development of a Magnetic Pulse Compression Modulator for flue gas treatment", IEEE Trans. on Plasma Science, Vol. 30, No. 5, pp. 1632-1636, 2002

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High Voltage Engineering, E.Kuffel & W.S. Zaengl, 1984

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