[논문]40kV 나노초 펄스발생용 모듈형 solid-state Marx modulator 설계

배정수; 김태현; 손성호; 유찬훈; 김형석; 장성록

40kV 나노초 펄스발생용 모듈형 solid-state Marx modulator 설계
Modular design of solid-state Marx modulator for 40kV nanosecond pulse 원문보기

배정수 (과학기술연합대학원대학교) , 김태현 (과학기술연합대학원대학교) , 손성호 (과학기술연합대학원대학교) , 유찬훈 (한국전기연구원) , 김형석 (한국전기연구원) , 장성록 (과학기술연합대학원대학교)

본 논문은 40 kV 나노초 펄스발생을 위한 모듈형 solid-state Marx modulator(SSMM) 설계에 대해 기술한다. 가속기 및 플라즈마 어플리케이션과 같은 다양한 응용분야에 요구되는 전압 및 전류 사양을 만족시키기 위해 10 kV(출력 전압), 50 ns(펄스폭), 20 ns(상승&하강 시간), 100 kHz(반복률)의 사양을 만족하는 단위모듈기반으로 모듈형 설계를 제안한다. 독립적인 제어가 가능한 4개의 단위모듈을 기반으로 제안된 SSMM은 임의의 출력 파워 및 임피던스를 만족시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 예를 들어, 모든 단위모듈의 위상을 같게 했을 때 출력전압을 증가시킬 수 있으며 각 모듈의 위상을 지연하였을 경우는 펄스의 반복률을 크게 높일 수 있다. 개발된 SSMM은 직렬 스택 MOSFET의 스위칭 성능을 향상시키기 위해 게이트 구동 회로는 동기 신호와 구동 전력을 제공하는 1 턴 변압기로 설계되었다. 출력 펄스의 폭과 하강시간을 최소화하기 위해 다이오드 대신 기생 커패시턴스에 저장된 에너지를 빠르게 방출하는 액티브 풀다운 회로가 적용되었다. 또한, 출력 펄스의 빠른 상승을 달성하기 위해 게이트의 라인 인덕턴스를 최소화하고 모든 게이트 신호의 동기화는 필수적이다. 개발된 ns급 펄스전원장치는 단위모듈을 기반으로 최대 펄스전압이 40 kV 까지 출력이 가능하며 이에 대한 상세설계 및 구현은 실험결과를 바탕으로 검증한다.

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문제 정의

본 논문에서는 이러한 요구사항을 만족시키기 위해 SiC MOSFET 기반의 solid-state Marx modulator (SSMM) 설계를 바탕으로 한다. 개발된 SSMM은 다양한 응용분야 사양을 만족하기 위해 모듈형 구조로 설계되었으며, 각 단위모듈 펄스 전원장치는 위상 제어가 가능한 입력신호를 이용하여 다양한 전압 및 반복률 조성이 가능하다.
본 논문은 가속기 및 플라즈마 어플리케이션과 같은 다양한 응용분야에 요구되는 전압 및 전류 사양을 만족시키기 위해 단위모듈기반으로 한 모듈형 펄스전원장치 설계에 대해 소개하였다. 특히 중요하게 요구되는 조건으로 펄스의 빠른 상승, 하강시간을 달성하기 위해 여러 가지 고려사항을 적용하여 설계하였으며, 이를 실험을 통해 검증하였다.

제안 방법

가속기 및 플라즈마 시스템과 같은 다양한 응용분야로부터 요구되는 사양을 만족시키기 위해서 개발된 SSMM은 모듈형 구조를 바탕으로 설계되었다. 위상 제어가 가능한 디지털 신호 발생기가 내장된 단위 모듈을 기반으로 각 모듈의 출력 펄스를 독립적으로 제어할 수 있다.
개발된 SSMM은 상대적으로 최소 누설 인덕턴스와 기생 커패시턴스 성분을 갖는 2kΩ 부하저항을 이용하여 테스트가 진행되었다. 그림 3과 같이 실험 파형은 출력펄스가 40 kV, 46 ns (펄스폭), 10 ns (상승시간), 8 ns (하강시간)로 측정 되었음을 보여준다.
개발된 SSMM은 다양한 응용분야 사양을 만족하기 위해 모듈형 구조로 설계되었으며, 각 단위모듈 펄스 전원장치는 위상 제어가 가능한 입력신호를 이용하여 다양한 전압 및 반복률 조성이 가능하다. 또한 SiC MOSFET의 스위칭 속도를 극대화시키기 위해 게이트 구동전류, 기생 커패시턴스, 누설 인덕턴스 등을 고려하여 설계된다. 특히 다수의 스위치를 동기 구동하는 것이 출력 펄스의 상승 및 하강시간을 결정하는 가장 큰 요소이며, 이를 구현하기 위해 한 턴의 컨트롤 루프 구조를 제안하여 게이트 신호를 동기화 한다.
또한 SiC MOSFET의 스위칭 속도를 극대화시키기 위해 게이트 구동전류, 기생 커패시턴스, 누설 인덕턴스 등을 고려하여 설계된다. 특히 다수의 스위치를 동기 구동하는 것이 출력 펄스의 상승 및 하강시간을 결정하는 가장 큰 요소이며, 이를 구현하기 위해 한 턴의 컨트롤 루프 구조를 제안하여 게이트 신호를 동기화 한다.
본 논문은 가속기 및 플라즈마 어플리케이션과 같은 다양한 응용분야에 요구되는 전압 및 전류 사양을 만족시키기 위해 단위모듈기반으로 한 모듈형 펄스전원장치 설계에 대해 소개하였다. 특히 중요하게 요구되는 조건으로 펄스의 빠른 상승, 하강시간을 달성하기 위해 여러 가지 고려사항을 적용하여 설계하였으며, 이를 실험을 통해 검증하였다. 또한 독립적인 제어가 가능한 4개의 단위모듈을 기반으로 제안된 SSMM은 모듈화 및 유연성에 적합한 구조로 설계되었다.

대상 데이터

40 kV 나노초 펄스의 실험을 수행하기 위해 제안된 SSMM은 48개의 파워셀로 구성된다. 동일한 위상을 가지는 입력 신호를 바탕으로 48개의 온, 오프 스위치의 게이트 동기 신호가 그림 2와 같이 측정된다.

성능/효과

본 논문에서는 이러한 요구사항을 만족시키기 위해 SiC MOSFET 기반의 solid-state Marx modulator (SSMM) 설계를 바탕으로 한다. 개발된 SSMM은 다양한 응용분야 사양을 만족하기 위해 모듈형 구조로 설계되었으며, 각 단위모듈 펄스 전원장치는 위상 제어가 가능한 입력신호를 이용하여 다양한 전압 및 반복률 조성이 가능하다. 또한 SiC MOSFET의 스위칭 속도를 극대화시키기 위해 게이트 구동전류, 기생 커패시턴스, 누설 인덕턴스 등을 고려하여 설계된다.
특히 중요하게 요구되는 조건으로 펄스의 빠른 상승, 하강시간을 달성하기 위해 여러 가지 고려사항을 적용하여 설계하였으며, 이를 실험을 통해 검증하였다. 또한 독립적인 제어가 가능한 4개의 단위모듈을 기반으로 제안된 SSMM은 모듈화 및 유연성에 적합한 구조로 설계되었다.

후속연구

검증된 실험결과를 바탕으로 향후 고 반복률 및 양극성 펄스에 대해서도 테스트 할 예정이다.

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