KR101304525B1 - Power supply having variable pulse width for pulsed laser - Google Patents

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Abstract

본 발명은 펄스폭의 조절이 가능한 펄스형 레이저를 위한 전원장치에 관한 것으로, 특히 의료용으로 사용되는 레이저를 위한 것으로 캐패시터뱅크 다수를 구비하고 이들을 레이저의 펄스폭에 따라 직렬 또는 병렬로 연결함으로써 큰 펄스폭에서 출력변동이 안정적인 레이저 발생이 가능한 전력공급 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 가변 펄스폭을 갖는 펄스형 레이저를 위한 전원장치는 다수의 캐패시터뱅크; 상기 캐패시터뱅크를 충전시키는 충전부; 상기 캐패시터뱅크의 충전전원을 방전시켜 펄스형 레이저발진기에 인가하는 방전부; 상기 레이저발진기에서 출력되는 레이저의 펄스폭에 따라 상기 다수의 캐패시터뱅크 전부 또는 일부를 직렬 또는 병렬로 연결시키는 직병렬전환부; 상기 방전부와 직병렬전환부를 제어하는 컨트롤러;를 포함하여 이루어진다. The present invention relates to a power supply device for a pulsed laser that can adjust the pulse width, and particularly for lasers used for medical purposes, having a large number of capacitor banks, and connecting them in series or in parallel according to the pulse width of the laser. The present invention relates to a power supply device capable of generating a laser with stable output fluctuations in width.
A power supply device for a pulsed laser having a variable pulse width according to the present invention includes a plurality of capacitor banks; A charging unit for charging the capacitor bank; A discharge unit for discharging the charging power of the capacitor bank and applying it to a pulsed laser oscillator; A serial and parallel conversion unit for connecting all or part of the plurality of capacitor banks in series or in parallel according to the pulse width of the laser output from the laser oscillator; It comprises a; controller for controlling the discharge unit and the serial-to-parallel switching unit.

Description

가변 펄스폭을 갖는 펄스형 레이저를 위한 전원장치{Power supply having variable pulse width for pulsed laser}Power supply for pulsed laser with variable pulse width

본 발명은 펄스폭의 조절이 가능한 펄스형 레이저를 위한 전원장치에 관한 것으로, 특히 의료용으로 사용되는 레이저를 위한 것으로 캐패시터뱅크 다수를 구비하고 이들을 레이저의 펄스폭에 따라 직렬 또는 병렬로 연결함으로써 큰 펄스폭에서 출력변동이 안정적인 레이저 발생이 가능한 전력공급 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a power supply device for a pulsed laser that can adjust the pulse width, and particularly for lasers used for medical purposes, having a large number of capacitor banks, and connecting them in series or in parallel according to the pulse width of the laser. The present invention relates to a power supply device capable of generating a laser with stable output fluctuations in width.

레이저는 산업용, 가공용, 의료용, 군사용, 측정용 등 그 응용범위가 매우 넓다. 특히, 의료분야에서는 고통이 거의 없고, 사용이 간편하여 큰 경쟁력을 갖는 것으로 인식되고 있다.
Lasers have a wide range of applications, including industrial, processing, medical, military, and measurement. In particular, it is recognized that there is little pain in the medical field, and that it is easy to use and has great competitiveness.

펄스형 레이저는 사용목적에 적합한 펄스 형상을 발생시킬 수 있어야 한다. 즉, 사용목적에 따라 펄스폭의 조절이 필요하거나 펄스 에너지(펄스의 진폭)의 조절이 필요하게 된다.
Pulsed lasers must be capable of generating pulse shapes suitable for their intended use. That is, it is necessary to adjust the pulse width or to adjust the pulse energy (pulse amplitude) according to the purpose of use.

도1은 종래기술에 따른 펄스형 레이저를 위한 전원치를 도시한 것이고, 도7의 좌측은 도1의 종래기술에 따른 전원장치의 방전파형과, 그에 따른 레이저발진기의 레이저 파형을 도시한 것이다.
1 shows a power supply value for a pulsed laser according to the prior art, and the left side of FIG. 7 shows a discharge waveform of the power supply according to the prior art of FIG. 1 and a laser waveform of the laser oscillator accordingly.

도1을 참조하여 종래기술에 따른 레이저용 전력공급 장치의 작동을 간략히 설명하면, 충전부(2)는 외부 상용전원으로부터 공급되는 전원으로 캐패시터뱅크(1)를 레이저 에너지에 해당되는 전압에 따라 일정전압으로 충전시키고, 방전부(3)는 매순간 가변이 가능한 펄스폭을 만들 수 있도록 트랜지스터(Q)를 사용하며, 레이저의 고전압, 고전류(순간전류 1000A 이상)에 적합한 대용량의 IGBT(Q)를 주로 사용하고, 방전부(3)의 IGBT를 통해 캐패시터뱅크(1)에 충전된 전원은 레이저발진기(L)로 해당 펄스폭의 시간 만큰 인가되어 레이저를 발생시키게 된다.
Referring briefly to the operation of the laser power supply device according to the prior art with reference to Figure 1, the charging unit 2 is a power source supplied from an external commercial power source to the capacitor bank (1) according to a voltage corresponding to the laser energy Charging, and the discharge part 3 uses the transistor Q to make the pulse width variable every moment, and mainly uses a large capacity IGBT (Q) suitable for the high voltage and high current of the laser (more than 1000A of instantaneous current). Then, the power charged in the capacitor bank 1 through the IGBT of the discharge unit 3 is applied to the laser oscillator (L) only a time of the corresponding pulse width to generate a laser.

이때, 캐패시터뱅크(1)의 용량이 클수록 레이저출력시 방전되면서 줄어드는 리플전압이 작기 때문에 출력안정도에는 유리하게 된다.At this time, the larger the capacity of the capacitor bank 1, the smaller the ripple voltage is reduced when discharged during laser output is advantageous to the output stability.

그래서 캐패시터뱅크(1)는 방전시 레이저 출력 에너지의 변동을 최소화 하기 위한 전압리플을 줄이기 위해 가능한 대용량의 커패시터를 사용하지만, 용량에 비례하여 캐패시터뱅크(1)의 부피가 커지고, 그에 따라 용량에 따른 공간문제에 한계가 있고, 비용부담이 커지기 때문에 각 레이저장치의 용도에 맞는 용량의 캐패시터뱅크(1)를 사용한다.
Therefore, the capacitor bank 1 uses a capacitor as large as possible to reduce the voltage ripple to minimize the variation of the laser output energy during discharge, but the volume of the capacitor bank 1 increases in proportion to the capacity, and accordingly The space problem is limited and the cost is increased, so the capacitor bank 1 having a capacity suitable for each laser device is used.

비용과 공간의 한계로 대용량의 캐패시터뱅크(1)를 사용하지 아니하고 레이저장치의 용도에 맞는 용량(즉, 상대적으로 적은 용량)의 캐패시터뱅크를 사용하면, 도7의 좌측에서 보는 바와 같이 짧은 펄스폭에서는 방전후 전압강하가 낮지만 긴 펄스폭에서는 전압강하가 크게 되어 방전되는동안 레이저 출력이 안정되지 못하게 된다.
If a capacitor bank of a capacity (that is, a relatively small capacity) suitable for the purpose of the laser device is used without using a large capacity capacitor bank 1 due to cost and space limitation, as shown on the left side of FIG. At discharge, the voltage drop after discharge is low, but at long pulse width, the voltage drop becomes large and the laser output becomes unstable during discharge.

레이저 출력이 안정적이지 못하면 정밀한 레이저 작업을 요구하는 곳에서는 사용하기 곤란하다. 특히 인체를 치료하는 의료분야에서는 의료사고를 발생시킬 수 있다.
If the laser output is not stable, it is difficult to use where precision laser work is required. Especially in the medical field to treat the human body can cause medical accidents.

비용과 공간의 문제는 무시하고 대용량의 캐패시터뱅크를 사용하면, 레이저 출력의 불안정성은 예방할 수 있지만, 레이저 작업시 캐패시터뱅크의 용량을 모두 사용하는 경우는 드물어 활용효율이 저조하게 되는 문제가 있다.
When using a large-capacity capacitor bank while ignoring cost and space problems, the instability of the laser output can be prevented, but there is a problem that the utilization efficiency of the capacitor bank is rarely used when the capacity of the capacitor bank is completely used during laser work.

본 발명은 위와 같이 종래기술에 따른 가변 펄스폭을 갖는 펄스형 레이저를 위한 전원장치가 갖는 비용과 공간의 문제로 대용량의 캐패시터뱅크를 사용하지 못함으로써 발생되는 레이저 출력의 불안정성을 해결하기 위해 안출된 발명으로서, The present invention is devised to solve the instability of the laser output generated by not using a large capacitor bank due to the cost and space of the power supply device for a pulsed laser having a variable pulse width according to the prior art as described above. As an invention,

상대적으로 저용량이 캐패시터뱅크를 사용하여 공간과 비용의 문제를 해결하되, 캐패시터뱅크 다수의 펄스폭에 따라 직렬 또는 병렬로 연결함으로써 레이저의 펄스폭이 길어지더라도 안정적인 출력이 유지되는 가변 펄스폭을 갖는 펄스형 레이저를 위한 전원장치를 제공함을 목적으로 하고, Relatively low-capacity capacitor bank solves the problem of space and cost, but has a variable pulse width that maintains stable output even when the pulse width of the laser is increased by connecting in series or parallel according to the multiple pulse widths of the capacitor bank. To provide a power supply for the pulsed laser,

캐패시터뱅크를 충전시키는 충전부 출력단의 전압스트레스가 감소하여 소자 선정에 따른 비용절감과 제작시 고전압에 따른 기술적 난점을 극복할 수 있는 가변 펄스폭을 갖는 펄스형 레이저를 위한 전원장치를 제공함을 또 다른 목적으로 한다.
Another object of the present invention is to provide a power supply device for a pulsed laser having a variable pulse width capable of reducing the cost of device selection and overcoming technical difficulties due to high voltage during fabrication by reducing the voltage stress at the output stage of the charging unit charging the capacitor bank. It is done.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가변 펄스폭을 갖는 펄스형 레이저를 위한 전원장치는The power supply device for a pulsed laser having a variable pulse width according to the present invention for achieving the above object

다수의 캐패시터뱅크;A plurality of capacitor banks;

상기 캐패시터뱅크를 충전시키는 충전부;A charging unit for charging the capacitor bank;

상기 캐패시터뱅크의 충전전원을 방전시켜 펄스형 레이저발진기에 인가하는 방전부;A discharge unit for discharging the charging power of the capacitor bank and applying it to a pulsed laser oscillator;

상기 레이저발진기에서 출력되는 레이저의 펄스폭에 따라 상기 다수의 캐패시터뱅크 전부 또는 일부를 직렬 또는 병렬로 연결시키는 직병렬전환부;A serial and parallel conversion unit for connecting all or part of the plurality of capacitor banks in series or in parallel according to the pulse width of the laser output from the laser oscillator;

상기 방전부와 직병렬전환부를 제어하는 컨트롤러;를 포함하여 이루어진다.
It comprises a; controller for controlling the discharge unit and the serial-to-parallel switching unit.

그리고 상기 직병렬전환부는 And the serial and parallel conversion unit

기준 캐패시터뱅크에 다른 캐패시터뱅크들 각각을 동일 극성끼리 연결하는 다이오드와,A diode which connects each of the other capacitor banks with the same polarity to the reference capacitor bank,

캐패시터뱅크들 상호 간을 다른 극성끼리 연결하며, 상기 컨트롤러에 의해 온오프 제어되는 싸이리스터를 포함하는 것을 특징으로 하고,
Capacitor banks are connected to each other between the different polarity, and characterized in that it comprises a thyristor that is controlled on and off by the controller,

상기 방전부는 상기 컨트롤러에 의해 온오프 제어되는 IGBT를 포함하는 것을 특징으로 하고,
The discharge unit is characterized in that it comprises an IGBT controlled on and off by the controller,

상기 충전부는 상기 다수의 캐패시터뱅크에 일대일로 연결되며, 서로 절연된 다수의 출력단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
The charging unit is connected to the plurality of capacitor banks one-to-one, characterized in that it comprises a plurality of output terminals insulated from each other.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 가변 펄스폭을 갖는 펄스형 레이저를 위한 전원장치는 비용과 공간의 문제가 없으면서 레이저의 펄스폭이 커짐에 따라 방전직후 캐패시터뱅크의 충전전압이 저하되는 폭이 커서 실제 출력되는 레이저에너지가 방전초기와 방전직후에 달라지는 문제를 예방하여 레이저의 출력 안정성이 뛰어나다.
The power supply device for a pulsed laser having a variable pulse width according to the present invention having such a configuration has a large width in which the charge voltage of the capacitor bank is reduced immediately after the discharge as the pulse width of the laser increases without a problem of cost and space. The output power of laser is excellent because it prevents the problem that the actual laser energy is different from the beginning of discharge and immediately after discharge.

다수이 캐패시터 뱅크가 상호 절연되어 각각이 충전부 또는 절연된 출력단으로부터 충전이 되므로 충전전압의 불균형이 없어 신뢰성이 높고 수명이 단축되지 않는다.
Since many capacitor banks are insulated from each other and each is charged from the charging section or the isolated output terminal, there is no charge voltage imbalance, so that reliability is high and life is not shortened.

충전부 출력단의 전압스트레스가 적어, 소자선정에 따른 비용절감과 제작시 고전압에 따른 기술적 난점을 극복할 수 있다.
Since the voltage stress at the output stage of the charging part is small, the cost reduction due to device selection and the technical difficulties due to the high voltage in manufacturing can be overcome.

도 1 은 종래기술에 따른 펄스형 레이저 전원장치의 회로도.
도 2 는 본 발명에 따른 가변 펄스폭을 갖는 펄스형 레이저의 회로도.
도 3 은 절연된 다수의 출력단을 갖는 충전부의 회로도.
도 4 는 장 펄스시 캐패시터뱅크가 병렬 연결된 회로의 방전 전원 흐름도.
도 5 는 단 펄스시 캐패시터뱅크가 직렬 연결된 회로의 방전 전원 흐름도.
도 6 은 방전부와 직병렬전환부 제어를 위한 컨트롤러의 요부 회로도.
도 7 은 종래기술과 본 발명에 따른 방전파형과 레이저파형을 비교한 도면. 1 is a circuit diagram of a pulsed laser power supply according to the prior art.
2 is a circuit diagram of a pulsed laser having a variable pulse width in accordance with the present invention.
3 is a circuit diagram of a charging unit having a plurality of output terminals insulated.
4 is a discharge power flow diagram of a circuit in which capacitor banks are connected in parallel during long pulses.
5 is a discharge power flow chart of a circuit in which a capacitor bank is connected in series during a short pulse.
6 is a main circuit diagram of a controller for controlling a discharge unit and a series-parallel switching unit;
Figure 7 is a view comparing the discharge waveform and the laser waveform according to the prior art and the present invention.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 가변 펄스폭을 갖는 펄스형 레이저를 위한 전원장치에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, a power supply device for a pulsed laser having a variable pulse width according to the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도2에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 가변 펄스폭을 갖는 펄스형 레이저를 위한 전원장치는 충전부(20), 다수의 캐패시터뱅크(10), 방전부(30), 직병렬전환부(40), 컨트롤러(50)를 포함하여 구성된다.
As shown in FIG. 2, a power supply device for a pulsed laser having a variable pulse width according to the present invention includes a charging unit 20, a plurality of capacitor banks 10, a discharge unit 30, a parallel-parallel conversion unit 40, It is configured to include a controller (50).

상기 충전부(20)는 외부로부터 전원을 공급받아 상기 캐패시터뱅크(10)를 일정 전압으로 충전시킨다.
The charging unit 20 receives power from the outside to charge the capacitor bank 10 to a predetermined voltage.

상기 충전부(20)는 하나를 구비하여 모든 캐패시터뱅크(10)를 충전시킬 수도 있지만, 그럴 때에는 캐패시터뱅크(10)의 특성상 직렬로 연결된 캐패시터뱅크(10)들에 충전전압 불균형을 초래하여 신뢰성을 저하시키고 수명을 단축시킨다. 특히 레이저를 위한 고전압 충전시는 더 큰 신뢰성 저하와 수명 단축 문제를 발생시킨다.
The charging unit 20 may include one to charge all the capacitor banks 10, but in this case, due to the characteristics of the capacitor banks 10, charge voltage imbalances may occur in the capacitor banks 10 connected in series, thereby reducing reliability. And shorten the life. In particular, high voltage charging for lasers leads to greater reliability degradation and shorter lifespan.

그래서 본 발명에서는 충전부(20)를 다수의 캐패시터뱅크(10)에 일대일로 연결되는 다수를 구비하여, 캐패시터뱅크(10)간의 충전전압 불균형이 초래되지 않도록 하였다.
Thus, in the present invention, the charging unit 20 is provided with a plurality of capacitor banks 10 connected one-to-one, so that the charging voltage imbalance between the capacitor banks 10 is not caused.

충전부(20)를 다수 구비하더라도 다수 충전부(20)의 용량 합과, 충전부(20)를 하나 구비하는 단일 충전부(20)의 용량은 같기 때문에 비용적인 면에서 큰 차이가 없다. 또한, 다수의 충전부(20)의 출력전압을 합한 전압은 단일 충전부(20)의 충전전압과 같은 전압이 되게 캐패시터뱅크(10)를 충전한다.
Even if the charging unit 20 is provided with a large number, the sum of the capacities of the plurality of charging units 20 and the capacity of the single charging unit 20 including one charging unit 20 are the same, so there is no significant difference in terms of cost. In addition, the sum of the output voltages of the plurality of charging units 20 charges the capacitor bank 10 to be the same voltage as the charging voltage of the single charging unit 20.

즉 캐패시터뱅크(10)가 두 개 구비된다고 할 때, 두 캐패시터뱅크(10) 전체를 Vch만큼 충전할 때 두 충전부(20)의 경우 Vch/2의 전압을 각각의 캐패시터뱅크(10)에 충전하게 되는 것이다. 따라서 각 충전부(20)에서 요구하는 용량(Watt)도 1/2로 되기 때문에 크기 및 비용면에서 1/2로 줄어들게 되어 비용면에서 같은 경제성을 가진다.
That is, when two capacitor banks 10 are provided, when the two capacitor banks 10 are charged as much as Vch, the two charging units 20 charge Vch / 2 to each capacitor bank 10. Will be. Therefore, the capacity (Watt) required by each charging unit 20 is also reduced to 1/2 in terms of size and cost, thereby having the same economics in terms of cost.

그리고 충전부(20)를 하나만 사용하면서도 캐패시터뱅크(10) 충전의 충전전압 불균형의 문제를 초래하지 않도록 하는 방법은, 충전부(20)에 캐패시터뱅크(10)와 각각 일대일로 연결되는 다수의 출력단을 구비하되, 출력단들은 서로 절연되도로록 하여 서로 간에 영향을 주지 않도록 것이다.
In addition, a method of using only one charging unit 20 so as not to cause a problem of charging voltage imbalance of charging the capacitor bank 10 includes a plurality of output terminals connected to the capacitor bank 10 one-to-one, respectively, in the charging unit 20. However, the output stages should be insulated from each other so as not to affect each other.

이에 대한 충전부(20)의 회로에서 요부가 도3에 도시되어 있다. 도3을 보면, 충전부(20)에 다수의 캐패시터뱅크(10)가 각각 연결되는 다수의 절연 변압기(T1, T2)를 구비하거나, 하나의 절연 변압기(T3)를 사용하면서 2차측에 다수의 캐패시터뱅크(10)가 연결되는 다수의 분리권선을 구비하여, 서로 전기적으로 절연되며 캐패시터뱅크(10)가 일대일로 연결되는 출력단을 다수 구비하였다. 절연 변압기를 이용하여 절연 출력단을 다수 구비하는 방식은 구현이 쉽고, 종래기술과 비교하여 충전부(20)는 비용이나 공간의 문제가 전혀 발생되지 않는다고 할 수 있다.
The main part of the circuit of the charging section 20 is shown in FIG. 3. Referring to FIG. 3, the charging unit 20 includes a plurality of capacitor transformers 10 connected to the capacitor banks 10, respectively, or a plurality of capacitors on the secondary side while using one insulation transformer T3. A plurality of separate windings to which the banks 10 are connected are provided, and a plurality of output terminals are electrically insulated from each other and the capacitor banks 10 are connected one to one. It is easy to implement a method having a plurality of insulation output stages using an isolation transformer, and compared to the prior art, the charging unit 20 can be said that no problem of cost or space occurs.

상기 캐패시터뱅크(10)는 상기 충전부(20)에 의해 충전되어 레이저발진기에 레이저발진을 위한 펌핑 에너지를 공급한다.
The capacitor bank 10 is charged by the charging unit 20 to supply pumping energy for laser oscillation to the laser oscillator.

캐패시터뱅크(10)에 충전되는 전압은 실제 발생되는 레이저에너지에 비례하고, 같은 충전전압일 때 레이저에너지는 방전시간에 비례한다.
The voltage charged in the capacitor bank 10 is proportional to the laser energy actually generated, and the laser energy is proportional to the discharge time at the same charging voltage.

종래기술에서 캐패시터뱅크(10)의 용량이 Cb일 때, 본 발명은 직렬 또는 병렬로 연결되는 다수의 캐패시터뱅크(10) 각각의 용량은 [Cb * 캐패시터뱅크(10)의 수]가 되어야 캐패시터뱅크(10)가 직렬 연결되었때 전체 용량이 Cb가 된다. 그러나 충전전압이 분할되므로 사용되는 각 캐패시터뱅크(10)의 커패시터 전압사양은 낮아지게 되어 실제 사용되는 커패시터뱅크의 전체 부피 및 비용은 같게 된다. 즉 종래기술에서 충전전압으로 Vch가 요구되도록 캐패시터뱅크(10)가 구성되면, 본 발명에서는 2개의 캐패시터뱅크(10) 사용시 각 캐패시터뱅크(10)의 충전전압이 Vch/2로 줄어들기 때문에, 1/2부피로 구성되는 캐패시터뱅크(10) 2개 존재하게 된다.
In the prior art, when the capacity of the capacitor bank 10 is Cb, the present invention provides that the capacity of each of the plurality of capacitor banks 10 connected in series or in parallel should be [Cb * the number of capacitor banks 10]. When (10) is connected in series, the total capacity becomes Cb. However, since the charging voltage is divided, the capacitor voltage specification of each capacitor bank 10 used is lowered, so that the total volume and cost of the capacitor bank actually used are the same. That is, when the capacitor bank 10 is configured to require Vch as the charging voltage in the prior art, in the present invention, when the two capacitor banks 10 are used, the charging voltage of each capacitor bank 10 is reduced to Vch / 2. There will be two capacitor banks 10 consisting of two volumes.

상기 방전부(30)는 상기 컨트롤러(50)의 제어에 의해 상기 캐패시터뱅크(10)에 충전된 전원을 레이저의 펄스폭 크기에 따른 시간만큼 방전시켜 레이저발진기에 인가되도록 한다.
The discharge unit 30 discharges the power charged in the capacitor bank 10 by the time according to the pulse width of the laser under the control of the controller 50 to be applied to the laser oscillator.

상기 방전부(30)는 상기 컨트롤러(50)에 의해 온오프 제어되어 방전을 제어하는 스위칭소자(Q1)와, 레이저발진기(L)로부터의 역전압을 차단하는 다이오드를(D8, D9) 포함하여 이루어진다.
The discharge unit 30 includes a switching element Q1 controlled on and off by the controller 50 to control discharge and diodes D8 and D9 which block reverse voltage from the laser oscillator L. Is done.

상기 방전부(30)의 스위칭소자(Q1)로는 매순간 가변이 가능한 펄스폭을 만들 수 있어야 하고, 고에너지의 레이저를 위한 방전시 전류가 1000A이상이되며 최대충전전압이 1000V이상이 될수 있으므로 용량 IGBT스위치를 사용하는 것이 바람직하다.
The switching element Q1 of the discharge unit 30 should be able to make a pulse width that can be varied every moment, and the capacitive IGBT switch because the current can be more than 1000A and the maximum charging voltage can be more than 1000V when discharging for a high energy laser. Preference is given to using.

레이저의 펄스폭이 보통 수백nsec에서 수msec까지 변경되어 수Joule의 레이저 에너지를 발생시킬 때 IGBT스위치를 따라 1000A이상의 순간전류가 흐르므로 대용량의 IGBT스위치가 필요하다.
When the pulse width of the laser is usually changed from several hundred nsec to several msec to generate several Joule of laser energy, instantaneous current of 1000A or more flows along the IGBT switch, so a large capacity IGBT switch is required.

IGBT(Q1)를 거쳐 충전된 전원이 레이저발진기로 해당 펄스폭의 시간만큼 흐르고 이는 해당 시간만큼 펄스폭을 가진 레이저를 발생시키게 된다.
The power charged through the IGBT Q1 flows to the laser oscillator for a time corresponding to the pulse width, which generates a laser having a pulse width for the corresponding time.

상기 직병렬전환부(40)는 상기 컨트롤러(50)의 제어에 의해 다수의 캐패시터뱅크(10) 전부 또는 일부는 직렬 또는 병렬 또는 직렬과 병렬이 혼합되도록 연결시킨다. 캐패시터뱅크(10)들의 직렬, 병렬, 직병렬 혼합 연결은 레이저의 펄스폭과 에너지(진폭)에 따라 결정된다.
The serial-to-parallel conversion unit 40 connects all or part of the plurality of capacitor banks 10 in series or in parallel or in series and in parallel by the control of the controller 50. The series, parallel, series-parallel mixed connection of the capacitor banks 10 is determined according to the pulse width and energy (amplitude) of the laser.

상기 직병렬전환부(40)는 기준 캐패시터뱅크(10)에 다른 캐패시터뱅크(10)들 각각을 동일 극성끼리 연결하는 다이오드(D1, D2, D3, D4)와, 캐패시터뱅크(10)들 상호 간을 다른 극성끼리 연결하며, 상기 컨트롤러(50)에 의해 온오프 제어되는 싸이리스터(SR1, SR2)를 포함한다. The serial-to-parallel conversion unit 40 includes diodes D1, D2, D3, and D4 that connect the other capacitor banks 10 with the same polarity to the reference capacitor bank 10, and the capacitor banks 10. Are connected to different polarities, and include thyristors SR1 and SR2 controlled on and off by the controller 50.

여기서, 상기 기준 캐패시터뱅크(10)는 상기 방전부(30)의 스위칭소자(즉, IGBT)(Q1)가 직접 연결되어 있는 캐패시터뱅크(10)를 의미한다.
Here, the reference capacitor bank 10 means the capacitor bank 10 to which the switching element (ie, IGBT) Q1 of the discharge unit 30 is directly connected.

상기 컨트롤러(50)에 의해 스위칭(즉 온오프)이 제어되는 상기 싸이리스터(SR1, SR2)는 IGBT를 사용할 수 있으나, IGBT는 비용이 매우 고가이고 크기가 커지는 문제가 발생하기 때문에 사용하기가 부적합하며 사이리스터소자의 전류차단(즉, 오프)는 상기 방전부(30)의 IGBT(Q1)가 차단(오프)되면서 동기화되기 때문에, 상기 직병렬전환부(40)의 스위칭소자는 저가, 소형의 사이리스터소자를 사용하는 것이 바람직하다.
The thyristors SR1 and SR2 controlled by the controller 50 to control the switching (i.e., on / off) may use IGBTs, but IGBTs are not suitable for use because of their high cost and size. Since the current blocking (ie, off) of the thyristor element is synchronized while the IGBT (Q1) of the discharge unit 30 is blocked (off), the switching element of the series-parallel switching unit 40 is a low-cost, small thyristor It is preferable to use an element.

도4와 도5에는 두 개의 캐패시터뱅크(10)를 구비한 본 발명에 따른 전원장치에서 상기 직병렬전환부(40)에 의해 각각 병렬연결(도4)되고 직렬연결(도5)된 상태의 회로도와 그때의 방전 전류의 흐름을 도시한 것이다.
4 and 5, in the power supply apparatus according to the present invention having two capacitor banks 10, the parallel connection (Fig. 4) and the series connection (Fig. 5), respectively, by the series-parallel switching unit 40, respectively. The circuit diagram and the flow of discharge current at that time are shown.

캐패시터뱅크(10)들이 병렬로 연결된 도4는 펄스폭이 큰 레이저 출력하는데 사용되고, 캐패시터뱅크(10)들이 직렬로 연결된 도5는 펄스폭이 작은 레이저를 출력하는데 사용된다.
4, in which the capacitor banks 10 are connected in parallel, is used to output a laser having a large pulse width, and FIG. 5, in which the capacitor banks 10 are connected in series, is used to output a laser having a small pulse width.

도2와 도6을 참조하여, 도4와 도5의 병렬회로와 직렬회로가 구성되는 과정은 아래와 같다.
Referring to FIGS. 2 and 6, a process of configuring the parallel circuit and the series circuit of FIGS. 4 and 5 is as follows.

큰 펄스폭이 요구되는 때에는 컨트롤러(50)는 펄스폭에 따른 직렬/병렬의 구성을 정의하는 직병렬신호(L/H)와, 레이저의 펄스폭을 결정하는 펄스형태의 구동신호(pls)를 출력한다.
When a large pulse width is required, the controller 50 outputs a serial / parallel signal L / H that defines a series / parallel configuration according to the pulse width, and a pulse type driving signal pls that determines the pulse width of the laser. Output

큰 펄스폭이 요구되는 때에는 직병렬신호(L/H)는 High를 출력하여 직병렬전환부(40)의 싸이리스터(SR1)를 도통(즉, 온)시키는 트리거신호가 생성되지 않도록 한다.
When a large pulse width is required, the serial / parallel signal L / H outputs High so that a trigger signal for conducting (that is, turning on) the thyristor SR1 of the serial / parallel switching unit 40 is not generated.

그러면 펄스형태의 구동신호(pls)가 방전부(30)의 IGBT(Q1)에 인가되더라도 싸이리스터(SR1)는 오프상태를 유지하여, 구동신호(pls)의 하이(High) 영역에서 IGBT(Q1)가 도통(즉, 온)될 때 방전전류는 도4와 같이 다이오드(D2, D3)를 따라 흘러 병렬회로를 구성하고, 그에 따라 두 캐패시터뱅크(10)의 2Cb(Cb + Cb)가 된다.
Then, even when a pulse type driving signal pls is applied to the IGBT Q1 of the discharge unit 30, the thyristor SR1 remains off, so that the IGBT Q1 in the high region of the driving signal pls. When () is turned on (ie, turned on), the discharge current flows through the diodes D2 and D3 as shown in FIG. 4 to form a parallel circuit, thereby becoming 2Cb (Cb + Cb) of the two capacitor banks 10.

짧은 펄스폭이 요구되는 때에도 컨트롤러(50)는 펄스폭에 따른 직렬/병렬의 구성을 정의하는 직병렬신호(L/H)와, 레이저의 펄스폭을 결정하는 펄스형태의 구동신호(pls)를 출력한다.
Even when a short pulse width is required, the controller 50 generates a serial / parallel signal (L / H) that defines a series / parallel configuration according to the pulse width, and a pulse type driving signal (pls) that determines the pulse width of the laser. Output

짧은 펄스폭이 요구되는 때에 직병렬신호(L/H)는 Low를 출력하지만, 상기 구동신호(pls)의 하이신호가 입력되어야 동기화되어 트리거신호를 생성한다.
The serial / parallel signal L / H outputs Low when a short pulse width is required, but it is synchronized when the high signal of the drive signal pls is input to generate a trigger signal.

이처럼 구동신호(pls)와 이에 동기화된 트리거신호가 IGBT(Q1)와 싸이리스터(SR1)에 입력되면, 방전전류는 도5와 같이 싸이리스터(SR1)를 따라 흘러 직렬회로를 구성하고, 그에 따라 두 캐패시터뱅크(10)는 두배의 방전전압으로 방전한다. 다만, 이때 캐패시터뱅크(10)의 용량은 Cb/2가 되지만 짧은 펄스폭에서 방전후 전압강하가 크지 않기 때문에 레이저 출력의 안정성에는 영향을 거의 주지 않는다.
When the driving signal pls and the trigger signal synchronized thereto are input to the IGBT Q1 and the thyristor SR1, the discharge current flows along the thyristor SR1 as shown in FIG. 5 to form a series circuit. The two capacitor banks 10 discharge at twice the discharge voltage. In this case, however, the capacitor bank 10 has a capacity of Cb / 2, but since the voltage drop after discharge at a short pulse width is not large, it hardly affects the stability of the laser output.

본 발명에 따라 두개의 캐패시터뱅크(10)를 구비하는 경우, 충전부(20)의 용량을 보면 각 충전부(20)의 최대 충전전압이 Vch라 할 때 최대 방전전압은 2Vch가 된다. 충전전류가 일정하게 Ich로 설계된 경우 각 충전부(20)의 용량은 Vch * Ich (W)가 된다. 이를 단일 충전부(20)로 구성된 종래기술에 따른 전원장치에서는 충전전압이 2Vch가 요구되므로 충전부(20)의 용량이 2Vch * Ich가 되어, 이는 본 발며에서 각각 분리된 2개의 충전부(20)의 용량합이 된다.
According to the present invention, when two capacitor banks 10 are provided, the maximum discharge voltage becomes 2 Vch when the maximum charge voltage of each charge unit 20 is Vch. When the charging current is designed to be constant Ich, the capacity of each charging unit 20 becomes Vch * Ich (W). In the power supply according to the related art, which is composed of a single charging unit 20, the charging voltage is required 2Vch, so the capacity of the charging unit 20 becomes 2Vch * Ich, which is the capacity of the two charging units 20 separated from each other. Add up.

만일 큰 펄스폭 방전시에 같은 레이저에너지를 발생한다면 방전으로 인해 충전전압이 낮아지게 된다. If the same laser energy is generated during the large pulse width discharge, the charge voltage is lowered due to the discharge.

즉 캐패시터뱅크(10)를 사용하는 전원장치를 이용한 레이저장비의 경우 최대 출력의 레이저에너지가 사양으로 정해지는데 펄스폭에 관계없이 정해지는 것이 일반적인 사양이므로 짧은 펄스와 긴 펄스 시의 충전전압은 아래의 식과 같이 펄스폭에 근사적으로 반비례하게 된다
In other words, in the case of laser equipment using the power supply using the capacitor bank 10, the maximum output laser energy is determined as a specification. However, since the general specification is determined regardless of the pulse width, the charging voltage at the short pulse and the long pulse is as follows. It will be inversely proportional to the pulse width as shown in the equation.

레이저출력에너지 (J) = (Eff * Vch^3 * pls) / Ko^2 Eff : 펌핑에너지와 레이제에너지의 변환 효율Laser output energy (J) = (Eff * Vch ^ 3 * pls) / Ko ^ 2 Eff: Conversion efficiency of pumping energy and laser energy

Vch : 방전시 커패시터뱅크 충전전압Vch: Charge voltage of capacitor bank during discharge

pls : 레이저 펄스폭pls: laser pulse width

Ko : 레이저발진기의 플래시램프 상수
Ko: Flashlamp constants for laser oscillators

종래기술에서 최대 충전전압이 2Vch까지 가능한 단일 충전부를 사용할 경우 충전전압이 Vch일 때 충전부에서 Vch까지만 충전하므로 충전부의 최대성능에 비해 1/2정도의 성능밖에 사용하지 않게 되고 아울러 캐패시터뱅크의 용량이 Cb/2가 되지만, 본 발명의 전원장치와 같이 직병렬 연결이 가능한 다수의 캐패시터뱅크(10)를 사용하여 용량을 분할하면 최대 충전전압 Vch의 충전부(20)를 2개(또는 충전부(20)의 절연된 출력단 2개) 사용할 경우 각 충전부(20)의 성능을 최대한 사용하여 Vch까지 충전하고 방전시 커패시터뱅크가 병렬연결이 되면 용량이 2Cb가 되어 같은 충전전압으로 4배의 커패시터 용량을 확보하게 되어 출력안정도가 4배 증가하게 된다. 종래기술과 대비한 본 발명의 출력안정도는 도7을 참조하여 확연하게 알 수 있다.
In the prior art, when a single charging unit having a maximum charging voltage of up to 2 Vch is used, the charging unit charges up to Vch only when the charging voltage is Vch, so that only half of the performance is used compared to the maximum performance of the charging unit. Cb / 2, but when the capacity is divided using a plurality of capacitor banks 10 that can be connected in series and parallel as in the power supply device of the present invention, the two charging parts 20 of the maximum charging voltage Vch (or the charging part 20) In case of using two isolated output stages), use the performance of each charging section 20 to the maximum to charge up to Vch, and when the capacitor bank is connected in parallel during discharge, the capacity becomes 2Cb to secure 4 times the capacitor capacity with the same charging voltage. The output stability is increased 4 times. The output stability of the present invention compared to the prior art can be clearly seen with reference to FIG.

본 발명의 구성상 캐패시터뱅크(10)의 직렬연결시는 종래기술에 따른 단일 충전부를 사용했을 때와 동일한 성능을 보이지만 병렬 연결시는 4배의 출력안정성을 증가시킬 수 있게 된다. 이 같은 전원장치는 동일한 레이저 출력에너지를 가진 레이저장치에서 범위가 매우 넓은 펄스폭을 가져야 할 때는 많은 수의 캐패시터뱅크(10)를 구비하면 큰 펄스폭에서 상대적으로 안정도를 매우 높게 가져갈 수 있게 된다.
In the configuration of the present invention, when the capacitor bank 10 is connected in series, the same performance as when using a single charging unit according to the prior art, but when connected in parallel it is possible to increase the output stability of 4 times. When such a power supply device needs to have a very wide pulse width in a laser device having the same laser output energy, when a large number of capacitor banks 10 are provided, relatively high stability can be obtained at a large pulse width.

이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 회로의 구성을 갖는 가변 펄스폭을 갖는 펄스형 레이저를 위한 전원장치에 대해 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
In the above description of the present invention, a power supply device for a pulsed laser having a variable pulse width having a specific circuit configuration has been described with reference to the accompanying drawings, but the present invention can be variously modified and changed by those skilled in the art. Such modifications and variations are to be interpreted as falling within the protection scope of the present invention.

10 : 캐패시터뱅크 20 : 충전부
30 : 방전부 40 : 직병렬전환부
50 : 컨트롤러10: capacitor bank 20: charging unit
30: discharge part 40: series-parallel conversion part
50: Controller

Claims (4)

다수의 캐패시터뱅크;
상기 캐패시터뱅크를 충전시키는 충전부;
상기 캐패시터뱅크의 충전전원을 방전시켜 펄스형 레이저발진기에 인가하는 방전부;
상기 레이저발진기에서 출력되는 레이저의 펄스폭에 따라 상기 다수의 캐패시터뱅크 전부 또는 일부를 직렬 또는 병렬로 연결시키는 직병렬전환부;
상기 방전부와 직병렬전환부를 제어하는 컨트롤러;를 포함하여 이루어지되,

상기 직병렬전환부는
기준 캐패시터뱅크에 다른 캐패시터뱅크들 각각을 동일 극성끼리 연결하는 다이오드와,
캐패시터뱅크들 상호 간을 다른 극성끼리 연결하며, 상기 컨트롤러에 의해 온오프 제어되는 싸이리스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 펄스폭을 갖는 펄스형 레이저를 위한 전원장치. A plurality of capacitor banks;
A charging unit for charging the capacitor bank;
A discharge unit for discharging the charging power of the capacitor bank and applying it to a pulsed laser oscillator;
A serial and parallel conversion unit for connecting all or part of the plurality of capacitor banks in series or in parallel according to the pulse width of the laser output from the laser oscillator;
The controller is configured to control the discharge unit and the serial-to-parallel switching unit.

The serial and parallel conversion unit
A diode which connects each of the other capacitor banks with the same polarity to the reference capacitor bank,
A power supply for a pulsed laser having a variable pulse width, characterized in that it comprises a thyristor which is connected to each other between the capacitor banks of the other polarity, the on-off control by the controller. 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 방전부는 상기 컨트롤러에 의해 온오프 제어되는 IGBT를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 펄스폭을 갖는 펄스형 레이저를 위한 전원장치. The method of claim 1,
And the discharge unit comprises an IGBT controlled on and off by the controller. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 충전부는 상기 다수의 캐패시터뱅크에 일대일로 연결되며, 서로 절연된 다수의 출력단을 구비하는 것을 특징으로 하는 가변 펄스폭을 갖는 펄스형 레이저를 위한 전원장치. The method according to claim 1 or 3,
The charging unit is connected to the plurality of capacitor banks in a one-to-one, the power supply device for a pulsed laser having a variable pulse width, characterized in that it comprises a plurality of output terminals insulated from each other.
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