[논문]IGBT 스위치를 이용한 전력용 반도체 Marx Generator와 EMTP 시뮬레이션

성영훈; 이근용; 고광철

IGBT 스위치를 이용한 전력용 반도체 Marx Generator와 EMTP 시뮬레이션
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성영훈 (한양대학교, 전자전기컴퓨터공학부) , 이근용 (한양대학교, 전자전기컴퓨터공학부) , 고광철 (한양대학교, 전자전기컴퓨터공학부)

기존의 Gap switch를 이용한 Marx generator는 트리거-펄스 발생회로가 따로 필요하여 복잡한 구조를 가질 뿐만 아니라, 스위치의 짧은 수명과 스위치 내부의 스파크전류의 Jitter 현상, 그리고 순차적인 스위치 turn-on과 스위치 내외부의 인덕턴스로 인한 전압 상승시간의 지연 등의 단점을 가지고 있다. 본 논문에서는 이러한 단점들을 해결하기 위해 기존의 Gap switch대신 전력용 반도체 소자인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistors) 스위치를 이용한 Marx generator를 제안하고, 제안된 회로의 동작을 구현하기 위해 전력계통용 전자기과도현상 해석프로그램인 EMTP(Electromagnetic Transient Program)를 사용하여 시뮬레이션 하여 IGBT스위치가 이상적인 동작을 할 때 얻어지는 이 점을 알아보기로 한다.

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

문제 정의

본 논문에서는 고전압 펄스를 얻기 위해서 필요한 고압 스위치를 전려용반도체 스위치 IGBT로 이용한 출력이 12kV, 185A인 Marx Generator를 제안하고, EMTP(Electromagnetic Transient Program)을 이용하여 시뮬레이션 해 보도록 하겠다.

제안 방법

Marx generator에서 각 컨덴서의 전압과 출력 전압과 전류의 파형을 시간별로 분석하였다.
본 논문에서는 기존의 Gap switch를 이용한 Marx Generator의 스위치 동작 특성으로 인한 문제점 해결을 위해 전력용 반도체 스위치 IGBT를 이용한 Marx Generator를 제안하고, 설계를 고려하여 1.5μF의 컨덴서와 정격전압 3kV 정격전류 200A인 IGBT소자로 출력전압 12kV, 출력전류 185A인 4단 Marx Generator 회로를 전력계통용 전자기파도현상 해석프로그램인 EMTP를 이용하여 시뮬레이션을 하였다.
스위치와 LOAD사이에 선로 상에서 생길 수 있는 inductance값을 고려하여 O.OlmH값을 주었다. 펄스 전원을 필요로 하는 대부분의 시스템은 용량성 부하로 근사할 수 있으므로, LOAD는 용량성 부하를 사용하였다.
ATP draw를 이용해서 모델링 한 것이다. 실제 회로에 가깝게 구현하기 위해 스위치와 컨덴서사이에 발생될 수 있는 inductance와 capacitance 를 고려한 RLC직렬소자를 이용했다.
중전 저항 값인 Rc와 RLC( 1, 2, 3) 직렬소자들의 값은 고저항으로서 정해 잔다 Bl IGBT 소자의 정격전압을 고려한 입력전압 (3000V) 과 실제 회로 구성에 사용될 컨덴서의 값1.5μF)을 고려하여 충전 저항 값인 Rc와 RLC(1, 2, 3) 직렬소자를 결정하였고, RLC(4, 5, 6) 직렬소자들은 충전 시 접지와 같은 역할을 하기위해, 상대적으로 낮은 저항을 선택하였다. 이러한 저항들은 충, 방전-시간상수를 결정하므로, 저항을 조절함으로서 각 컨덴서의 충전시간과 방전시간을 조절할 수 있다.
현재 최대 3300V-1200A 의 IGBT가 상용화되었으므로[4] 이번 모델링에서는 실제 IGBT의 특성예서 가깝게 하기 위해, 입력전원을 3000V 출력 전압을 약 200A가 되도록 소자들의 값을 선택하였다.

성능/효과

위의 식에서 알 수 있듯이 컨덴서의 중전된 전압의 합과 출력 전암의 비료서 voltage efficiency를 계산해 보았을 때 9419%가 나왔다.
표3에서 출력 전압과 전류의 파형에 따른 값들을 정리를 했다. 전압과 전류 모두 0.05s 에서 상승하여서 0.050001s 이내에서 peak 값을 가짐으로서 rising time이 0.000001s 이하라는 것을 확인할 수 있다.
제안된 회로는 Gap switch를 이용한 Marx Generator에서 고려해야 하는 선로, 스위치 내부, 연결점 인덕턴스가 거의 없고, 또한 스위치 개폐동작에 있어서 동시성을 부여하므로, 고속 동작이 가능하고, 효율성이 증대되었다. 또한, 시뮬레이션 결과에서는 나타나지 않지만, 실제 제작 시, 제안된 전력용 반도체 Marx generator는 Gap switch의 spark로 인한 짧은 수명과 Jitter현상을 해결할 것으로 예상된다.
01% 이내로 충전됨을 확인하였다. 충분히 완충된 시간인 0.05초에 전원을 off시키고 스위치 4개를 동시에 on시킴으로서 방전회로를 구성하여 0.05s에서 펄스파형이 나옴을 확인하였다. 이때 12kv가 순간적으로 출력됨을 알 수 있다.
방 전시전압 파형을 나타낸 그림이다. 표2에서 알 수 있듯이 0.044806초에 네 개의 컨덴서가 모두 이상적인 3kv에서 0.01% 이내로 충전됨을 확인하였다. 충분히 완충된 시간인 0.

후속연구

증대되었다. 또한, 시뮬레이션 결과에서는 나타나지 않지만, 실제 제작 시, 제안된 전력용 반도체 Marx generator는 Gap switch의 spark로 인한 짧은 수명과 Jitter현상을 해결할 것으로 예상된다.

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