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유도전압합성기를 이용한 고전압 펄스발생기 설계
Induction Voltage Adder for High Power Pulse Generator 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.16 no.5, 2013년, pp.703 - 711  

양종원 (국방과학연구소) ,  신진우 (국방과학연구소) ,  류한용 (국방과학연구소) ,  허훈 (포항가속기연구소) ,  이우상 (국방과학연구소) ,  김창구 (국방과학연구소) ,  남상훈 (포항가속기연구소) ,  소준호 (국방과학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we have proposed high power generator with Induction Voltage Adder of three cells. IVA which has n cells can generate n-th times high power pulse, is a more stable system than Marx generator in the view of breakdown. We applied amorphous metal magnetic cores as an energy storing mater...

주제어

#유도전압합성기   #고출력 펄스발생기   #막스 펄스발생기   #블룸라인 펄스형성기  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 위의 식을 고려하면 낮은 임피던스를 얻기 위해서는 높은 유전상수를 가지는 유전체를 사용하여야 하는데 초순수는 유전상수가 81로 높고 고순도일 경우에 높은 비저항을 가지고 있어서 고전압 Blumlein에 널리 사용된다. 따라서 본 논문에서는 펄스 상승시간과 Blumlein PFL의 내부 절연 성능 등을 고려할 때 최적의 Blumlein 임피던스는 다음과 같다.
  • 본 논문에서는 유도전압합성 방식을 이용한 고출력 펄스전원 장치를 설계하였다. 유도전압합성 방식은 단일 펄스전원으로 구현하기 어려운 고전압의 펄스를 발생시키기 위하여 단일 셀을 다중으로 직렬 연결하여 배수의 출력을 얻을 수 있는 방식으로써 본 연구에서는 200 kV급 단일 셀 3 개를 연결하여 600 kV급의 출력을 절연파괴 없이 구현하였다.

가설 설정

  • 단위 유도전압합성 셀을 구동하는 펄스전원은 특성 임피던스가 13 Ω인 TML(Transmission Line)과 스위치 모형으로 구성하였는데 스위치의 인덕턴스는 60 nH로, 스파크 갭 스위치의 전극 사이의 축전용량은 1 pF으로, 마그네틱 코 아의 투자율 상수는 100로 가정하였다.
  • 스위치는 중간 실린더와 외각 실린더 사이에서 작동된다. 스파크 갭 스위치의 인덕턴스는 20 nH로 가정하였다.
  • 본 설계에서는 장치의 크기 및 제작기간을 고려하여 막스(Marx)형태를 사용하였으며 고전압 축전기로는 에너지밀도가 크고, 부품 수급이 용이하며 소형화에 유리한 세라믹 축전기(Murata 사; DHS4E4G202KT2B)를 사용하였다. 축전기의 최대전압이 40 kV이므로 충전전압을 30 kV로 가정할 경우에 출력 전압 125 kV를고려하면 최소 4 단 이상이 필요하며, 막스의 전압 승압 효율을 70 %로 가정하여 6 단으로 설계하였으며 막스형 트리거 펄스발생기의 설계 파라미터는 Table 4와 같다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
고출력의 펄스전원을 발생시키는 방법은 어떻게 구분되는가? 일반적으로 수십～수백 kV급 이상의 고출력의 펄스전원을 발생시키는 방식은 다단의 축전기와 고전압 스위치로 구성된 막스(Marx)방식, 펄스 변압기(Transformer)를 이용한 변압기방식과 마그네틱 코아를 이용한 유도전압합성기(IVA : Induction Voltage Adder)로 구분된다. 막스형태는 축전기, 저항과 고출력스위치의 조합으로 하나의 단을 구성하여 n 개로 중첩할 경우 입력된 펄스 전압의 n 배 크기의 출력 전압을 생성시킬 수 있는 방법이지만, 고출력 스위치에 의한 절연파괴 현상 및 축전기에 의한 기생용량 성분으로 인해 펄스 평탄도(Flat Top)가 높은 안정적인 펄스 형상을 얻기 힘든 단점이 있다.
막스형태란 어떤 방법인가? 일반적으로 수십～수백 kV급 이상의 고출력의 펄스전원을 발생시키는 방식은 다단의 축전기와 고전압 스위치로 구성된 막스(Marx)방식, 펄스 변압기(Transformer)를 이용한 변압기방식과 마그네틱 코아를 이용한 유도전압합성기(IVA : Induction Voltage Adder)로 구분된다. 막스형태는 축전기, 저항과 고출력스위치의 조합으로 하나의 단을 구성하여 n 개로 중첩할 경우 입력된 펄스 전압의 n 배 크기의 출력 전압을 생성시킬 수 있는 방법이지만, 고출력 스위치에 의한 절연파괴 현상 및 축전기에 의한 기생용량 성분으로 인해 펄스 평탄도(Flat Top)가 높은 안정적인 펄스 형상을 얻기 힘든 단점이 있다. 변압기 방식은 펄스변압기를 이용하여 코일에 감긴 횟수에 비례하여 1 : n의 비율일 경우 입력 전압의 n배의 출력을 발생시키는 방법으로써 펄스변압기의 특성에 의존되며 인덕턴스 성분이 증가하여 상승시간이 길어지는 한계로 인해 저주파 또는 긴펄스에 사용되지만, 고주파 또는 짧은 펄스에는 사용하기 어려운 단점이 있다.
유도전압합성기방식의 장단점은? 이에 반해서 유도전압합성기방식은 비교적 낮은 전압의 전원장치를 사용하여 고전압으로 승압하는 방식으로써 n 개의펄스발생기에서 공급된 개별 고전압의 펄스를 직렬 연결된 n 개의 단위 셀로 구성된 유도전압 합성기에 의해 합성되어 n 배의 고전압 펄스를 형성하는 장치이다. 낮은 전압에서 펄스의 생산 및 가공이 이루어지므로 절연파괴 등의 기술적 위험도 측면에서 상대적으로 유리하며 전압의 승압은 유도전압합성기의 개수를 늘려감에 따라 구현할 수 있는 장점이 있으나, 상대적으로 장치가 복잡해지는 특징을 가진다.
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참고문헌 (4)

  1. I. D. Smith, "Induction Voltage Adders and Induction Accelerator Family", Phys. Rev. Sp. Top. Accel. Beams, Vol. 7, pp. 64801-64041, 2004. 

    상세보기 crossref

  2. J. J. Ramirez, K. R. Prestwich, I. D. Smith, "High Power, Short Pulse Generator Based on Induction Voltage Adder", Proceeding of the IEEE, Vol. 80, pp. 946-957, 1992. 

    상세보기 crossref

  3. H. Heo, O. R. Choi, S. H. Nam, "Design and Evaluation of Water Blumlein Pulse Generator", IEEE Pulsed Power Conference 2011, pp. 1347-1349, 2011. 

  4. H. Heo, "Design and Test of Induction Voltage Adder Derived by 3 Blumlein PFLs", IEEE Internatinal Power Modulator and High Voltage Conference 2012. 

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