KR100567169B1 - Bi-polar high voltage pulse power supply using semiconductor component - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기존의 양방향 고압 전원 장치와 비교해서 간단한 회로 구조를 가지고 있어 경제적이며, 출력에 전달하고 남은 에너지가 공진에 의해 직류 링크 커패시터로 회생되는 방식을 이용하여 효율이 높으며, 고압 펄스 전압의 크기, 상승 시간, 지속 시간, 펄스 반복율 등의 조절이 편리하여 높은 융통성을 가진 반도체 소자를 이용한 양방향 고압 펄스 전원 장치를 제공한다. 이를 위해 본 발명은, 3상 입력 전압을 받아 위상 제어 정류하는 프리레귤레이터와; 상기 프리레귤레이터의 위상제어 정류를 제어하는 전압 컨트롤러와; 상기 프리레귤레이터의 출력단에 직렬 접속된 인덕터를 매개로 병렬 접속된 직류 링크 커패시터와; 상기 직류 링크 커패시터와 병렬 접속된 푸시-풀 형태의 스위치로 구성된 푸시-풀 컨버터와; 상기 푸시-풀 컨버터의 사이에 1차측 코일이 직렬 접속된 변압기와; 상기 변압기의 2차측 코일에 병렬 접속된 2차측 커패시터와; 출력단에 병렬로 접속된 로드 정합기와; 상기 2차측 커패시터의 일단과 상기 로드 정합기의 일단 사이에 설치되어 상기 2차측 커패시터에 저장된 에너지를 양방향 출력 펄스 전압 형태로 출력단측으로 전달하는 반도체 스위칭 모듈과; 상기 양방향 출력 펄스의 반복률 및 지속시간을 조정하기 위하여 상기 반도체 스위칭 모듈 및 상기 푸시-풀 컨버터를 제어하는 반복률/지속시간 컨트롤러를 포함하여 구성된다.Compared with the conventional bidirectional high voltage power supply device, the present invention is economical because it has a simple circuit structure, and the efficiency is high by using the method in which the remaining energy transferred to the output is regenerated into the DC link capacitor by resonance, and the magnitude of the high voltage pulse voltage is high. It is easy to adjust the rise time, duration, pulse repetition rate, etc. to provide a bidirectional high voltage pulse power supply using a semiconductor device with high flexibility. To this end, the present invention includes a pre-regulator for phase-controlled rectification by receiving a 3-phase input voltage; A voltage controller controlling phase controlled rectification of the preregulator; A DC link capacitor connected in parallel with an inductor connected in series with an output terminal of the preregulator; A push-pull converter composed of a push-pull type switch connected in parallel with the DC link capacitor; A transformer having a primary coil connected in series between the push-pull converters; A secondary capacitor connected in parallel to the secondary coil of the transformer; A load matcher connected in parallel to the output terminal; A semiconductor switching module installed between one end of the secondary capacitor and one end of the load matcher to transfer energy stored in the secondary capacitor to the output end in the form of a bidirectional output pulse voltage; And a repetition rate / duration controller controlling the semiconductor switching module and the push-pull converter to adjust the repetition rate and duration of the bidirectional output pulse.

양방향 고압 펄스, 반도체 소자,펄스 반복률, 펄스 지속시간, 펄스 상승 시간Bidirectional high voltage pulse, semiconductor device, pulse repetition rate, pulse duration, pulse rise time

Description

반도체 소자를 이용한 양방향 고압 펄스 전원 장치 {Bi-polar high voltage pulse power supply using semiconductor component} Bi-polar high voltage pulse power supply using semiconductor component             

도 1은 종래 양방향 고압 펄스 전원장치의 회로도,1 is a circuit diagram of a conventional bidirectional high voltage pulse power supply,

도 2는 본 발명에 따른 반도체 소자를 이용한 양방향 고압 펄스 전원장치의 요부 회로도,2 is a main circuit diagram of a bidirectional high voltage pulse power supply apparatus using a semiconductor device according to the present invention;

도 3은 본 발명에 따른 반도체 소자를 이용한 양방향 고압 펄스 전원장치의 블록 구성도,3 is a block diagram of a bidirectional high voltage pulse power supply apparatus using a semiconductor device according to the present invention;

도 4는 본 발명에 따른 반도체 소자를 이용한 양방향 고압 펄스 전원장치의 주요 부분의 전압 및 전류 특성도,4 is a voltage and current characteristics of the main part of the bidirectional high voltage pulse power supply using the semiconductor device according to the present invention,

도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 반도체 소자를 이용한 양방향 고압 펄스 전원장치의 시험 출력 파형도,5 and 6 is a test output waveform diagram of the bidirectional high voltage pulse power supply using the semiconductor device according to the present invention,

도 7은 본 발명에 따른 반도체 소자를 이용한 양방향 고압 펄스 전원장치의 고압 출력 펄스 전압 지속 시간 변화 파형도,7 is a waveform diagram of a change in the duration of the high voltage output pulse voltage of the bidirectional high voltage pulse power supply using the semiconductor device according to the present invention,

도 8은 본 발명에 따른 반도체 소자를 이용한 양방향 고압 펄스 전원장치의 상승시간 변화에 따른 고압 출력 펄스 전압 파형도.Figure 8 is a high-voltage output pulse voltage waveform diagram according to the rise time change of the bidirectional high-voltage pulse power supply using the semiconductor device according to the present invention.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>

10 : 프리레귤레이터 20 : 직류 링크부10: preregulator 20: DC link unit

30 : 푸시-풀 컨버터 40 : 변압기30: push-pull converter 40: transformer

50 : 커패시터 60 : 스위치 모듈50 capacitor 60 switch module

70 : 로드 정합기 80 : 직류 모터70: rod matcher 80: DC motor

90 : 모터 구동부 100 : 펄스 상승 시간 컨트롤러90: motor drive unit 100: pulse rise time controller

110 : 반복률/지속시간 컨트롤러110: repetition rate / duration controller

120 : 전압 컨트롤러120: voltage controller

본 발명은 반도체 소자를 이용한 양방향 고압 펄스 전원 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 간단한 회로 구조를 가지고 있어 경제적이며 출력에 전달하고 남은 에너지가 공진에 의해 직류 링크(DC link) 커패시터로 회생되는 방식이기에 효율이 높으며, 고압 펄스 전압의 크기(magnitude), 상승 시간(rising time), 지속 시간(width) 등의 조절이 편리한 반도체 소자를 이용한 양방향 고압 펄스 전원 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a bidirectional high voltage pulse power supply using a semiconductor device, and more particularly, because it has a simple circuit structure and is economical and transfers the remaining energy to the output to the DC link capacitor by resonance. The present invention relates to a bidirectional high voltage pulse power supply using a semiconductor device having high efficiency and easy to control the magnitude, rising time, and duration of a high voltage pulse voltage.

일반적으로 펄스 전원 장치는 고전압 또는 대전류의 대전력 펄스를 고속으로 제어하는 장치로 그 핵심은 기계적인 또는 전기적인 장치에 에너지를 저장하였다가 어느 정도의 짧은 시간에 부하로 방출하는 기술로 전자성형, 전기폭파와 같이 펄스 파워 자체를 이용하는 분야에서부터 기초과학, 군용기기, 의료기기, 환경설비, 농업기술, 산업설비 등의 다양한 분야에서 응용되고 있다.In general, pulsed power supplies are devices that control high-voltage or high-current large-power pulses at high speed. The core is a technology that stores energy in a mechanical or electrical device and releases it to a load in a short time. It is applied in various fields such as electric bombing, pulse power itself, basic science, military equipment, medical equipment, environmental equipment, agricultural technology, and industrial equipment.

기존의 양방향 고압 전원 장치는 도 1과 같이 다이오드(D1~D6)를 이용한 AC/DC 정류 후 DC/DC 변환을 거쳐 원하는 DC 전압을 얻고, 고압 변압기(T1)의 누설 인덕턴스 성분을 이용하기 위해 위상 천이 직렬 공진 영 전압 스위칭 풀 브리지(phase-shifted series resonant ZVS full bridge) 변환기를 사용하여 2차 측에 에너지를 전달하고, 2차 측에서는 탭(tap)을 내고 각각을 정류하여, 양의 전압은 커패시터(C4)에 저장하고 음의 전압은 커패시터(C5)에 저장 한 후, 각각의 반도체 스위치 모듈(SW1,SW2)을 교대로 구동하여 양방향 고압 펄스를 발생하였다. 따라서 기존의 전원 장치는 여러 번의 에너지 변환 과정을 거치고, 2차 측에 에너지를 DC 형태로 저장하였다가 부하로 전달하기 때문에 전체적으로 복잡하고 효율이 떨어지는 단점이 있었다. The conventional bidirectional high voltage power supply device obtains a desired DC voltage through DC / DC conversion after AC / DC rectification using diodes D1 to D6 as shown in FIG. 1, and uses a phase to use the leakage inductance component of the high voltage transformer T1. Using a phase-shifted series resonant ZVS full bridge transducer to transfer energy to the secondary side, tapping on the secondary side and rectifying each, so that the positive voltage After storing in (C4) and the negative voltage is stored in the capacitor (C5), each of the semiconductor switch modules (SW1, SW2) are alternately driven to generate a bidirectional high voltage pulse. Therefore, the conventional power supply device has a disadvantage in that it is complicated and inefficient overall because the power supply goes through several energy conversion processes and stores energy in the form of DC on the secondary side and transfers it to the load.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 기존의 양방향 고압 전원 장치와 비교해서 간단한 회로 구조를 가지고 있어 경제적이며, 출력에 전달하고 남은 에너지가 공진에 의해 직류 링크(DC link) 커패시터로 회생되는 방식을 이용하여 효율이 높으며, 고압 펄스 전압의 크기, 상승 시간, 지속 시간, 펄스 반복율 등의 조절이 편리하여 높은 융통성을 가진 반도체 소자를 이용한 양방향 고압 펄스 전원 장치를 제공함에 그 목적이 있다. The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, has a simple circuit structure compared to the conventional two-way high-voltage power supply device is economical, and the remaining energy delivered to the output by the resonance DC link (DC link) The purpose of the present invention is to provide a bidirectional high voltage pulse power supply using a semiconductor device having high flexibility by using the regenerative method of the capacitor with high efficiency and convenient adjustment of the size, rise time, duration, pulse repetition rate, etc. of the high voltage pulse voltage. There is this.                         

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자를 이용한 양방향 고압 펄스 전원 장치는, 3상 입력 전압을 받아 위상 제어 정류하는 프리레귤레이터와; 상기 프리레귤레이터의 위상제어 정류를 제어하는 전압 컨트롤러와; 상기 프리레귤레이터의 출력단에 직렬 접속된 인덕터를 매개로 병렬 접속된 직류 링크 커패시터와; 상기 직류 링크 커패시터와 병렬 접속된 푸시-풀 형태의 스위치로 구성된 푸시-풀 컨버터와; 상기 푸시-풀 컨버터의 사이에 1차측 코일이 직렬 접속된 변압기와; 상기 변압기의 2차측 코일에 병렬 접속된 2차측 커패시터와; 출력단에 병렬로 접속된 로드 정합기와; 상기 2차측 커패시터의 일단과 상기 로드 정합기의 일단 사이에 설치되어 상기 2차측 커패시터에 저장된 에너지를 양방향 출력 펄스 전압 형태로 출력단측으로 전달하는 반도체 스위칭 모듈과; 상기 양방향 출력 펄스의 반복률 및 지속시간을 조정하기 위하여 상기 반도체 스위칭 모듈 및 상기 푸시-풀 컨버터를 제어하는 반복률/지속시간 컨트롤러를 포함하여 구성된다.In order to achieve the above object, a bidirectional high voltage pulse power supply apparatus using a semiconductor device according to a preferred embodiment of the present invention includes a pre-regulator for rectifying phase control by receiving a three-phase input voltage; A voltage controller controlling phase controlled rectification of the preregulator; A DC link capacitor connected in parallel with an inductor connected in series with an output terminal of the preregulator; A push-pull converter composed of a push-pull type switch connected in parallel with the DC link capacitor; A transformer having a primary coil connected in series between the push-pull converters; A secondary capacitor connected in parallel to the secondary coil of the transformer; A load matcher connected in parallel to the output terminal; A semiconductor switching module installed between one end of the secondary capacitor and one end of the load matcher to transfer energy stored in the secondary capacitor to the output end in the form of a bidirectional output pulse voltage; And a repetition rate / duration controller controlling the semiconductor switching module and the push-pull converter to adjust the repetition rate and duration of the bidirectional output pulse.

상기 푸시-풀 컨버터와 상기 변압기의 누설 인덕턴스와 상기 2차 측 커패시터와의 공진을 이용하여 2차 측에 직류 형태의 에너지 저장 없이 정현파 형태의 양방향 펄스 출력 전압을 출력한다. 그리고, 출력단으로 전달하고 남은 에너지를 상기 푸시-풀 컨버터와 상기 변압기의 누설 인덕턴스와 상기 2차 측 커패시터와의 공진에 의하여 상기 직류 링크 커패시터로 에너지를 회생하도록 구성된다. By using the resonance between the leakage inductance of the push-pull converter and the transformer and the secondary capacitor, a sine wave bidirectional pulse output voltage is output to the secondary side without energy storage in the direct current form. The energy remaining after the transfer to the output terminal is regenerated by the leakage inductance of the push-pull converter and the transformer and the resonance of the secondary capacitor.

상기 로드 정합기는 가변 커패시터를 포함하여 구성되고, 상기 가변 커패시터의 값을 조정하여 펄스 전압의 상승 시간을 제어하기 위한 수단을 더 포함하여 구성된다.The load matcher includes a variable capacitor, and further includes means for adjusting a value of the variable capacitor to control a rise time of a pulse voltage.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자를 이용한 양방향 고압 펄스 전원 장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a bidirectional high voltage pulse power supply apparatus using a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명에 따른 반도체 소자를 이용한 양방향 고압 펄스 전원장치의 요부 회로도이고, 도 3은 본 발명에 따른 반도체 소자를 이용한 양방향 고압 펄스 전원장치의 블록 구성도이다.2 is a main circuit diagram of a bidirectional high voltage pulse power supply using the semiconductor device according to the present invention, Figure 3 is a block diagram of a bidirectional high voltage pulse power supply using the semiconductor device according to the present invention.

본 발명에 따른 반도체 소자를 이용한 양방향 고압 펄스 전원 장치의 동작과 원리를 살펴보면 다음과 같다.The operation and principle of the bidirectional high voltage pulse power supply apparatus using the semiconductor device according to the present invention are as follows.

먼저, 3상 입력 전압(R,S,T)을 받아 원하는 DC 출력 전압을 위상제어정류기로서의 프리레귤레이터(10)의 위상을 전압 컨트롤러(120)에 의하여 제어함으로써 얻는다. 그후, 이 프리레귤레이터(10)로부터 인덕터(L1)와 직류 링크 커패시터(C1)를 포함하는 직류 링크부(20)를 통과한 DC 출력이 푸시-풀 컨버터(30), 변압기(40), 커패시터(50), 스위칭 모듈(60) 및 로드 정합기(70)를 거치면서, 푸시-풀 컨버터(30) 및 스위치 모듈(60)에서는 반복률/지속시간 컨트롤러(110)에 의한 제어를 통해서 원하는 고압 출력 펄스의 크기를 제어한다.First, by receiving the three-phase input voltage (R, S, T), the desired DC output voltage is obtained by controlling the phase of the preregulator 10 as a phase controlled rectifier by the voltage controller 120. Thereafter, the DC output from the preregulator 10 through the DC link unit 20 including the inductor L1 and the DC link capacitor C1 is push-pull converter 30, transformer 40, and capacitor ( 50), through the switching module 60 and the load matcher 70, the push-pull converter 30 and the switch module 60, the desired high voltage output pulse through the control by the repetition rate / duration controller 110 Control the size of the.

다음으로 제안된 양방향 고압 펄스 전원장치의 핵심이 되는 2차 측 커패시터(C2)(50)의 전압(VC2)이 만들어지는 과정과 그 원리는 다음과 같다.Next, the process and principle of the voltage V C2 of the secondary capacitor C2 50, which is the core of the proposed bidirectional high voltage pulse power supply, are made as follows.

먼저, 양의 전압을 살펴보면, 도 4의 S1 파형에서 보는 바와 같이 t0시간에서 1차 측 스위치(S1)가 온(ON)상태로 되면, 변압기(40)의 누설 인덕턴스(Ll1)와 커 패시터(C2)의 공진이 시작되어 커패시터(C2)의 전압과 변압기(40)의 누설 인덕턴스(Ll1)의 전류가 정현파 형태로 증가한다. 누설 인덕턴스(Ll1)의 전류는 증가하다가 t1시간에서 커패시터(C2)의 전압을 권선 비 n으로 나눈 값(VC2/n)이 입력전압(C1의 전압)의 크기보다 커지면, 감소하기 시작하며 커패시터(C2)의 전압은 1차 측 전류가 감소하여 영이 될 때(t2 시간)까지 계속 증가한다. 이후 누설 인덕턴스(Ll1)의 전류의 방향이 바뀌어 음의 전류가 흐르기 시작하면 커패시터(C2)의 전압은 감소하기 시작하고, 이 누설 인덕턴스(Ll1)의 전류는 커패시터(C2)의 전압을 권선 비 n으로 나눈 값(VC2/n)이 입력전압(C1의 전압)의 크기와 같을 때(t3 시간) 최소 값을 가지며, 커패시터(C2)의 전압이 입력전압(C1의 전압)의 크기보다 작아지면 증가하고 전류가 영이 되면(t4시간) 커패시터(C2)의 전압도 영이 되어 공진 주기의 한 사이클(cycle)이 끝이 난다. 이때 1차측 스위치(S1)의 온(ON) 시간(t0-t4)은 공진 주기의 반(t0-t2) 이상이 되고 공진 주기(t0-t4) 보다는 작아야 된다.First, referring to the positive voltage, as shown in the waveform S1 of FIG. 4, when the primary side switch S1 is turned ON at time t 0 , the leakage inductance L 11 of the transformer 40 is large. Resonance of the capacitor C2 starts to increase the voltage of the capacitor C2 and the current of the leakage inductance L l1 of the transformer 40 in the form of a sine wave. The current in the leakage inductance L l1 increases and begins to decrease when the voltage of capacitor C2 divided by the winding ratio n (V C2 / n) becomes greater than the magnitude of the input voltage (voltage of C1) at t 1 time. The voltage on capacitor C2 continues to increase until the primary current decreases to zero (t 2 hours). After that, when the current of the leakage inductance L l1 is changed and a negative current starts to flow, the voltage of the capacitor C2 begins to decrease, and the current of the leakage inductance L l1 winds up the voltage of the capacitor C2. It has a minimum value when the value divided by the ratio n (V C2 / n) is equal to the magnitude of the input voltage (voltage of C1) (t 3 hours), and the voltage of the capacitor C2 is the magnitude of the input voltage (voltage of C1). If it becomes smaller, it increases, and when the current becomes zero (t 4 hours), the voltage of the capacitor C2 also becomes zero, ending one cycle of the resonance period. At this time, the ON time (t 0- t 4 ) of the primary side switch (S1) is equal to or more than half (t 0 -t 2 ) of the resonance period and must be smaller than the resonance period (t 0 -t 4 ).

2차 측 커패시터(C2)의 음의 전압(VC2)의 모양과 그 원리를 살펴보면, 양의 전압을 만드는 방법과 유사하며, 차이점은 도 4의 S2 파형에서 보는 바와 같이 스위치(S2)가 동작하는 것이다. 이때 공진은 누설 인덕턴스(Ll2)와 커패시터(C2)사이에 이루어지며, 음의 정현파가 발생된다.Looking at the shape of the negative voltage (V C2 ) of the secondary capacitor (C2) and its principle, it is similar to the method of making a positive voltage, the difference is that the switch (S2) as shown in the S2 waveform of FIG. It is. At this time, the resonance is made between the leakage inductance L l2 and the capacitor C2, and a negative sine wave is generated.

다음으로, 2차 측 커패시터(C2)로부터 출력에 에너지가 전달되는 과정을 살 펴보면 다음과 같다. VC2가 최대일 때 스위치 모듈(60)의 스위치(SW1)를 도 4의 파형 SW1과 같이 온(ON)시키면 커패시터(C2)의 에너지는 저항(R1), 다이오드(D7), 스위치(SW1) 및 다이오드(D8)를 거쳐 출력으로 전달되어 출력 전압(V0)이 양의 펄스로 출력된다. 도 4와 같이 양의 펄스가 출력되고 VC2가 최소일 때 스위치 모듈(60)의 스위치(SW1)를 도 4의 파형 SW1과 같이 온(ON)시키면 커패시터(C2)의 에너지는 저항(R1), 다이오드(D10), 스위치(SW1) 및 다이오드(D9)를 거쳐 출력으로 전달되어 출력전압(V0)이 도 4와 같이 음의 펄스로 출력된다. 여기서, 중요한 것은 스위치 모듈(60)의 스위치(SW1)이 온 타이밍(ON timing)이며, 이것을 VC2의 최대, 최소 값에 맞추어야 최대의 출력을 얻을 수 있다.Next, look at the process of energy transfer to the output from the secondary capacitor (C2) as follows. When the switch SW1 of the switch module 60 is turned on as shown by the waveform SW1 of FIG. 4 when the V C2 is maximum, the energy of the capacitor C2 is the resistance R1, the diode D7, and the switch SW1. And output to the output via the diode D8 and the output voltage V 0 is output as a positive pulse. When the positive pulse is output as shown in FIG. 4 and V C2 is minimum, when the switch SW1 of the switch module 60 is turned on as shown by the waveform SW1 of FIG. 4, the energy of the capacitor C2 is the resistance R1. After being transferred to the output via the diode D10, the switch SW1 and the diode D9, the output voltage V 0 is output as a negative pulse as shown in FIG. Here, the important thing is that the switch SW1 of the switch module 60 is ON timing, and the maximum output can be obtained only by matching this to the maximum and minimum values of V C2 .

도 5는 본 발명에 따른 펄스 전원 장치를 구현하여 얻은 실험 파형으로 11kV 출력 전압이 200[pps]의 간격으로 나오고 있는 파형이며, 도 6은 본 발명에 따른 펄스 전원 장치를 구현하여 얻은 실험 파형으로 11kV 출력 전압이 20 [pps]의 간격으로 나오고 있는 파형이다. Figure 5 is an experimental waveform obtained by implementing the pulse power supply according to the present invention is a waveform that 11kV output voltage is coming out at intervals of 200 [pps], Figure 6 is an experimental waveform obtained by implementing a pulse power supply according to the present invention It is a waveform with 11kV output voltage coming out at intervals of 20 [pps].

또한, 스위치 모듈(60)의 스위치(SW1)의 온(ON) 지속시간을 조정하여 출력의 지속시간을 조정할 수 있다. 이 경우의 실험 파형은 도 7과 같다. 도 7은 스위치 모듈(60)의 스위치(SW1)의 온(ON) 지속시간을 500-1500[nsec] 변화시켰을 때 양의 출력 파형이다.In addition, it is possible to adjust the duration of the output by adjusting the ON duration of the switch SW1 of the switch module 60. The experimental waveform in this case is as shown in FIG. 7 is a positive output waveform when the ON duration of the switch SW1 of the switch module 60 is changed by 500-1500 [nsec].

마지막으로 펄스 상승 시간은 출력에 병렬로 접속되어 있는 로드 정합기(70) 의 커패시터(C3)의 커패시턴스 값을 조정하여 조정할 수 있다. 이 경우, 커패시터(C3)의 커패시턴스는 직류 모터(80)의 회동방향에 따라 변동되도록 할 수 있으며, 이 직류모터(80)는 모터구동부(90)를 통하여 펄스 상승시간 컨트롤러(100)에 의하여 제어된다. 이와 같이 정합기(70)의 커패시터(C3)의 커패시턴스 값을 조정에 의한 펄스 상승 시간의 변화에 따른 고압 출력 펄스 전압 파형은 도 8과 같으며, 도 8의 파형은 상승 시간이 각각 200nsec와 400nsec인 양의 전압의 파형이다.Finally, the pulse rise time can be adjusted by adjusting the capacitance value of the capacitor C3 of the load matcher 70 connected in parallel to the output. In this case, the capacitance of the capacitor C3 may be varied according to the rotational direction of the DC motor 80, and the DC motor 80 is controlled by the pulse rise time controller 100 through the motor driver 90. do. As described above, the high-voltage output pulse voltage waveform according to the change of the pulse rise time by adjusting the capacitance value of the capacitor C3 of the matcher 70 is as shown in FIG. 8, and the rise time is 200 nsec and 400 nsec, respectively. Phosphorus is the waveform of positive voltage.

본 발명에서는 종래의 양방향 고압 전원 장치의 단점을 개선하기 위해 도 2 및 도 3과 같이 위상제어정류기를 이용하여 간단하게 AC입력에서 제어된 DC 출력을 얻고(프리레귤레이터(10)), 이 값을 제어하여 출력 전압의 크기(magnitude)를 쉽게 제어 할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 도 2 및 도 3과 같이 푸시-풀 형태의 스위치(S1~S2)로 구성된 푸시-풀 컨버터(30)와 변압기(30)의 누설 인덕턴스(Ll1, Ll2)와 2차 측 커패시터(C2)와의 공진을 이용하여 2차 측에 DC 형태의 에너지 저장 없이 간단하게 정현파 모양의 양방향 전압을 만들고, 그 전압이 각각 최대, 최소 값에 도달했을 때 반도체 스위치 모듈(60)의 스위치(SW1)를 구동하여 양방향 펄스 전압을 간단하게 얻었고 부수적으로 출력으로 전달하고 남은 에너지를 직류 링크(DC link) 커패시터(C1)로 회생하여 효율이 높다. 또한, 본 발명에서는 컨트롤러(110)에서 펄스의 반복률(PRR), 지속시간(Width) 등을 쉽게 조정할 수 있으며, 출력에 병렬로 접속된 로드 정합기(70)의 가변 커패시터(C3)를 조정으로 펄스 전압의 상승 시간(Rising time)이 조정되어 부하와의 정합성을 높일 수 있다.In the present invention, in order to improve the disadvantages of the conventional bidirectional high voltage power supply device, using a phase-controlled rectifier as shown in Figs. 2 and 3, simply obtain a controlled DC output from the AC input (preregulator 10), and set this value. By controlling, the magnitude of the output voltage can be easily controlled. In the present invention, Figs. 2 and pushed as 3-push consisting of the switch (S1 ~ S2) of the full-form-leakage inductance (L l1, L l2) of the full converter 30 and transformer 30 and the secondary By using resonance with the side capacitor (C2) to create a sinusoidal bidirectional voltage on the secondary side without the storage of DC-type energy simply, the switch of the semiconductor switch module 60 when the voltage reaches the maximum and minimum value, respectively By driving (SW1), a bi-directional pulse voltage was obtained simply, and incidentally transferred to the output, and the remaining energy is regenerated by a DC link capacitor (C1) to have high efficiency. In addition, in the present invention, it is possible to easily adjust the repetition rate (PRR), duration (Width), etc. of the pulse in the controller 110, by adjusting the variable capacitor (C3) of the load matcher 70 connected in parallel to the output The rising time of the pulse voltage is adjusted to increase the match with the load.

한편, 본 발명은 전술한 전형적인 바람직한 실시예에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.On the other hand, the present invention is not limited to the above-described typical preferred embodiment, it can be carried out in various ways without departing from the gist of the present invention various modifications, changes, substitutions or additions in the art Anyone who has this can easily understand it. If the implementation by such improvement, change, replacement or addition falls within the scope of the appended claims, the technical idea should also be regarded as belonging to the present invention.

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체 소자를 이용한 양방향 고압 펄스 전원 장치는 다음과 같은 효과가 있다.As described in detail above, the bidirectional high voltage pulse power supply apparatus using the semiconductor device according to the present invention has the following effects.

첫째, 부품수가 감소하여 경제적이다. 둘째, 출력에 전달하고 남은 에너지를 공진에 의해 직류 링크 커패시터로 에너지를 회생하여 효율이 높다. 셋째, 공진 특성으로 인해 커패시터의 전압이 증가하여 변압기 권선 비를 낮출 수 있다. 넷째, 변압기의 누설 인덕턴스 성분을 공진에 이용한다. 다섯째, 2차 측 스위치 모듈의 스위치 수를 1/2로 줄일 수 있다. 여섯째, 펄스 상승 시간을 변화하여 부하와의 정합성을 높일 수 있다.First, the number of parts is reduced and economical. Second, the efficiency is high by regenerating energy to the DC link capacitor by transmitting the remaining energy to the output by resonance. Third, the voltage of the capacitor increases due to the resonance characteristic, thereby lowering the transformer winding ratio. Fourth, the leakage inductance component of the transformer is used for resonance. Fifth, the number of switches of the secondary side switch module can be reduced to 1/2. Sixth, matching with the load can be improved by changing the pulse rise time.

Claims (5)

3상 입력 전압을 받아 위상 제어 정류하는 프리레귤레이터와;A pre-regulator for phase-controlled rectification by receiving a three-phase input voltage; 상기 프리레귤레이터의 위상제어 정류를 제어하는 전압 컨트롤러와;A voltage controller controlling phase controlled rectification of the preregulator; 상기 프리레귤레이터의 출력단에 직렬 접속된 인덕터를 매개로 병렬 접속된 직류 링크 커패시터와; A DC link capacitor connected in parallel with an inductor connected in series with an output terminal of the preregulator; 상기 직류 링크 커패시터와 병렬 접속된 푸시-풀 형태의 스위치로 구성된 푸시-풀 컨버터와;A push-pull converter composed of a push-pull type switch connected in parallel with the DC link capacitor; 상기 푸시-풀 컨버터의 사이에 1차측 코일이 직렬 접속된 변압기와;A transformer having a primary coil connected in series between the push-pull converters; 상기 변압기의 2차측 코일에 병렬 접속된 2차측 커패시터와;A secondary capacitor connected in parallel to the secondary coil of the transformer; 출력단에 병렬로 접속된 로드 정합기와;A load matcher connected in parallel to the output terminal; 상기 2차측 커패시터의 일단과 상기 로드 정합기의 일단 사이에 설치되어 상기 2차측 커패시터에 저장된 에너지를 양방향 출력 펄스 전압 형태로 출력단측으로 전달하는 반도체 스위칭 모듈과;A semiconductor switching module installed between one end of the secondary capacitor and one end of the load matcher to transfer energy stored in the secondary capacitor to the output end in the form of a bidirectional output pulse voltage; 상기 양방향 출력 펄스의 반복률 및 지속시간을 조정하기 위하여 상기 반도체 스위칭 모듈 및 상기 푸시-풀 컨버터를 제어하는 반복률/지속시간 컨트롤러를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 소자를 이용한 양방향 고압 펄스 전원 장치.And a repetition rate / duration controller for controlling the semiconductor switching module and the push-pull converter to adjust the repetition rate and duration of the bidirectional output pulse. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 푸시-풀 컨버터와 상기 변압기의 누설 인덕턴스와 상기 2차 측 커패시 터와의 공진을 이용하여 2차 측에 직류 형태의 에너지 저장 없이 정현파 형태의 양방향 펄스 출력 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자를 이용한 양방향 고압 펄스 전원 장치.A semiconductor comprising: outputting a sinusoidal bidirectional pulse output voltage on a secondary side without using direct current storage by using resonance between the push-pull converter and the leakage inductance of the transformer and the secondary capacitor; Bidirectional high voltage pulse power supply using device. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 출력단으로 전달하고 남은 에너지를 상기 푸시-풀 컨버터와 상기 변압기의 누설 인덕턴스와 상기 2차 측 커패시터와의 공진에 의하여 상기 직류 링크 커패시터로 에너지를 회생하도록 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 소자를 이용한 양방향 고압 펄스 전원 장치.Bi-directional high voltage pulse using a semiconductor device, characterized in that for transmitting the energy remaining to the output terminal to the DC link capacitor by the resonance between the push-pull converter and the leakage inductance of the transformer and the secondary capacitor. Power unit. 제 1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 로드 정합기는 가변 커패시터를 포함하여 구성되고,The load matcher comprises a variable capacitor, 상기 가변 커패시터의 값을 조정하여 펄스 전압의 상승 시간을 제어하기 위한 수단을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 소자를 이용한 양방향 고압 펄스 전원 장치.And a means for controlling the rise time of the pulse voltage by adjusting the value of the variable capacitor. 제 1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 반복률/지속시간 컨트롤러는 상기 푸시-풀 컨버터를 구성하는 스위치의 온(ON) 시간의 크기를 공진 주파수에 따라 조정하고, 상기 반도체 스위칭 모듈의 온 타이밍을 상기 2차 측 커패시터 전압의 최대치에 맞추어 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자를 이용한 양방향 고압 펄스 전원 장치.The repetition rate / duration controller adjusts the size of the ON time of the switch constituting the push-pull converter according to the resonance frequency, and adjusts the ON timing of the semiconductor switching module to the maximum value of the secondary capacitor voltage. Bidirectional high voltage pulse power supply using a semiconductor device, characterized in that for controlling.
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