[논문]친환경 응용 40-kV, 300-A 반도체 기반 펄스 전원장치

송승호; 조현빈; 이승희; 장성록; 류홍제

친환경 응용 40-kV, 300-A 반도체 기반 펄스 전원장치
40-kV, 300-A Solid-State Pulsed Power Modulator for Environmental Applications 원문보기

송승호 (중앙대학교) , 조현빈 (중앙대학교) , 이승희 (중앙대학교) , 장성록 (한국전기연구원) , 류홍제 (중앙대학교)

This paper describes design of the 40-kV, 300-A solid-state pulsed power modulator for environmental applications. The modulator has been modified based on a solid-state pulsed power modulator with 150-A current capacity. To improve the pulsed power modulator, the discharge IGBT was changed. In addition, the gate driver was tuned according to the characteristics of the switch. Finally, experimental results proved the reliability of the modified solid-state pulsed power modulator.

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문제 정의

본 논문은 40kV, 300A 반도체기반 펄스 전원장치의 설계 및 실험에 대해 다루었다. 전류 용량을 증가시키기 위하여 펄스 방전 IGBT가 교체되었다.
본 논문은 친환경 응용분야의 반응기 병렬구동을 위한 펄스 전원장치의 개선된 설계에 대해 다룬다. 출력 전류를 증가시키기 위해 반도체 스위치가 변경됐으며, 게이트 드라이버 및 펄스 컨트롤러가 수정 설계 되었다.

제안 방법

고전압을 출력하기 위해 Marx-generator 구조를 기반으로, 변압기 2차 측은 24개의 다중권선으로 설계되었으며, 충전 시에는 병렬로 구성되고 방전 시에는 직렬로 구성되어 고전압을 출력한다. LCC 공진형 컨버터는 직렬 공진주파수 이상의 영역에서 동작한다.
기존의 40kV, 150A 펄스 전원장치를 기반으로 40kV, 300A 펄스 전원장치를 설계하기 위해, 펄스 방전 IGBT가 변경 되었으며, 이에 따라 게이트 드라이버가 수정되었다.
전류 용량을 증가시키기 위하여 펄스 방전 IGBT가 교체되었다. 기존의 IGBT에 비해 3배의 전류용량을 갖는 스위치에 대응하기 위해 게이트 드라이버와 펄스 컨트롤러 출력이 변경되었다.
인버터는 풀브릿지로 설계되어 양극성 전류를 출력한다. 변경된 IGBT에 대응하기 위해 펄스 컨트롤 인버터의 출력 전류를 증가 시켰다.
이를 바탕으로 구현된 40kV, 300A 펄스 전원장치의 신뢰성을 검증하기 위해, 가스처리 리액터 병렬구동실험이 수행되었다. 리액터는 총 4개를 병렬로 연결하여 구동하였으며 33kV, 254A의 펄스가 출력되었다.
친환경 응용에서 요구하는 펄스 전원장치 에는 고전압과 고반복률이 요구된다. 이를 위해 Marx-generator구조의 반도체 소자 기반 40-kV, 150-A, 3-kHz의 사양을 갖는 펄스 전원장치가 개발되었다.^[2] 개발된 모듈레이터는 가스처리 반응기와 함께 조선소 도장시설에서 발생되는 휘발성 유기 화합물 처리에 사용되었다.
반면에 공진형 주파수 이상의 영역에서 동작하는 LCC 공진형 컨버터는 스위칭 주파수 조절을 통해 출력이 조절되므로 경부하 영역에서는 스위칭 손실로 인해 경부하 출력이 제한된다. 이를 해결하기 위해 스위칭 동작을 일정시간 ON, OFF 시켜 출력을 제어하는 릴레이 모드가 설계되었다. 이를 통해 설계된 커패시터 충전기는 최소 0 - 40kV의 출력조절이 가능하다.
본 논문은 친환경 응용분야의 반응기 병렬구동을 위한 펄스 전원장치의 개선된 설계에 대해 다룬다. 출력 전류를 증가시키기 위해 반도체 스위치가 변경됐으며, 게이트 드라이버 및 펄스 컨트롤러가 수정 설계 되었다. 개발된 펄스 전원장치는 친환경 응용을 위한 가스처리기 구동실험이 진행됐으며, 이를 통해 설계된 펄스 전원장치가 친환경 응용에 효과적으로 사용될 수 있음을 검증하였다.
커패시터 충전기는 높은 효율과 전류원 특성을 갖기 위해, LCC 공진형 컨버터로 설계되었으며 충전기 회로를 그림 1 에, 사양을 표 1 에 각각 나타내었다.
펄스 전원장치는 커패시터에 에너지를 저장하고 스위치를 통해 원하는 형태의 펄스를 출력하는 형태로 설계되었다. 커패시터에 에너지를 충전하기 위해, LCC 공진형 컨버터 기반의 고효율 충전부가 설계됐으며 충전된 에너지를 방전하기 위해, Marx-generator 구조의 펄스 방전부가 설계되었다.
펄스 방전 부는 여러 개의 셀이 직렬로 연결되어 낮은 전압정격의 소자들이 고전압 출력을 분담하는 구조로 설계되었다. 각 셀은 하나의 스토리지 커패시터와 하나의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 그리고 하나의 바이패스 다이오드로 이루어져 있으며, 이를 그림 2에 나타내었다.
펄스 전원장치는 커패시터에 에너지를 저장하고 스위치를 통해 원하는 형태의 펄스를 출력하는 형태로 설계되었다. 커패시터에 에너지를 충전하기 위해, LCC 공진형 컨버터 기반의 고효율 충전부가 설계됐으며 충전된 에너지를 방전하기 위해, Marx-generator 구조의 펄스 방전부가 설계되었다.

대상 데이터

40kV를 출력하기 위해, 펄스 방전 부는 48개의 셀로 설계되었으며 펄스 방전 스위치에는 Fairchild사의 FGL40N120AN (1200V/40A) IGBT가 사용되었다. 40A의 전류용량은 연속전류조건이며, 수 μs의 펄스 출력 조건에서는 150A 이상의 전류출력이 가능하다.

성능/효과

출력 전류를 증가시키기 위해 반도체 스위치가 변경됐으며, 게이트 드라이버 및 펄스 컨트롤러가 수정 설계 되었다. 개발된 펄스 전원장치는 친환경 응용을 위한 가스처리기 구동실험이 진행됐으며, 이를 통해 설계된 펄스 전원장치가 친환경 응용에 효과적으로 사용될 수 있음을 검증하였다.
변경된 IGBT는 기존의 IGBT와 비교하여 전류용량이 증가 되었으며, 스위치의 기생 커패시턴스 또한 이전보다 높은 값을 갖는다. Cies(input capacitance)가 증가되면, 더욱 많은 게이트 구동전력이 요구되며, 높아진 Coes(output capacitance)로 인하여 스위치 양단 전압의 변화량과 출력 전류의 상승시간이 감소된다.

후속연구

리액터는 총 4개를 병렬로 연결하여 구동하였으며 33kV, 254A의 펄스가 출력되었다. 이를 통해 설계된 펄스 전원장치가 친환경 응용분야에 효과적으로 사용될 수 있음이 검증되었다.

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