펄스 모듈레이터 구동용 캐패시터 충전 전원 장치{Capacitor charging power supply device for driving pulse-modulator}
본 발명은 캐패시터 충전 전원 장치에 관한 것으로 특히 선형 가속기에 적용되는 펄스 모듈레이터 구동용 캐패시터 충전 전원 장치에 관한 것이다.
원자핵이나 소립자(素粒子)에 관한 물질의 심층 구조를 탐구하는 물리실험에 입자 가속기가 사용되고 있으며, 암치료에 응용하는 방법도 연구되고 있다. 이러한 입자 가속기는 원자핵파괴장치, 이온가속기, 또는 선형가속기라고도 칭해진다. 이하에서는 선형 가속기라고 칭하기로 한다. 도 1에는 선형 가속기에 적용되는 펄스 모듈레이터의 일반적인 전기 회로도로써 나타내었다. 도 1을 참조하면, 고전압 공급부(10)와 동축 케이블(12)과 에너지를 저장하는 에너지 저장부(14)와 스위치(15) 및 스위치 절환에 의하여 저장된 에너지를 사용하여 입자를 가속하는 부하(16)로 이루어진다. 이러한 선형 가속기는 에너지 저장부(14)에 소망하는 전압까지 빠른 시간내에 50kV 정도의 매우 높은 전압이 충전될 수 있어야 한다. 하지만, 종래의 선형 가속기에 사용되는 펄스 모듈레이터 구동용 캐패시터 충전 전원 장치는 도 2에 도시한 바와 같이 설정 전압(V SET )까지 도달하면서 오버슈트(overshoot) 전압을 만들거나 정확한 설정값에 도달하는 시간이 길어 선형 가속기를 고속으로 운용하기가 까다롭다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 선형 가속기에서 요구되는 고전압을 생성하여 공급할 때 소망하는 설정 전압에 상당히 짧은 시간에 오버슈트없이 정밀하게 도달할 수 있는 펄스 모듈레이터 구동용 캐패시터 충전 전원 장치를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 펄스 모듈레이터 구동용 캐패시터 충전 전원 장치는 선형가속기의 펄스 모듈레이터에 적용되는 펄스 모듈레이터 구동용 캐패시터 충전 전원 장치로서, 교류전압을 입력하여 정류하는 제1 직류 전압 레벨의 직류 전압을 출력하는 AC 입력 전압 정류부(30)와; 출력 전력이 순차적으로 낮아지는 복수 개의 인버터들이 다단으로 병렬 접속되고, 상기 인버터는 접속 순서를 기준으로 출력 전력은 순차적으로 낮아지도록 접속되며 상기 입력 전압 정류부로부터 입력되는 직류 전압을 제1 교류 전압 레벨의 교류 전압으로 변환하여 출력하는 인버터부(32)와; 초기에는 모든 인버터들을 가동하고, 고전압 출력부(36)에서의 전압과 전류를 피드백 받아 피드백된 전압 및 전류를 참조하여 접속 순서를 기준으로 출력 전력이 높은 인버터부터 하나씩 순차적으로 오프시키도록 제어 신호를 출력하는 제어부(34); 및 상기 인버터부(32)로부터의 교류 전압을 제2 직류 전압 레벨으로 변환하여 출력하는 고전압 출력부(36);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인버터부(32)는 출력 전력이 순차적으로 낮아지는 복수 개의 인버터들이 다단으로 병렬 접속되고, 상기 인버터는 접속 순서를 기준으로 출력 전력은 순차적으로 낮아지고 출력 임피던스는 순차적으로 높아지도록 접속되며 상기 입력 전압 정류부로부터 입력되는 직류 전압을 제1 교류 전압 레벨의 교류 전압으로 변환하여 출력하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 인버터부(32)는 접속 순서에 따라 출력 임피던스는 순차적으로 높아지고 공진 L값은 증가되며 공진 C값은 감소되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 복수 개의 인버터들로 이루어지는 인버터부(32)는 N을 인버터의 갯수를 나타내는 자연수라 할 때, 각각 제1 내지 제N 전력을 가지는 제1 인버터 파워 서플라이 내지 제N 인버터 파워 서플라이가 순차적으로 가동되도록 접속되되, 제1 전력에서 제N 전력으로 갈수록 전력은 낮게 병렬 접속되고, 상기 제어부(34)는 제1 내지 제N 인버터 파워 서플라이를 순차적으로 오프시키면서 오프되지 않은 나머지 인버터 파워 서플라이를 사용하여 충전하는 단계;를 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 선형 가속기의 펄스 모듈레이터에서 요구되는 고전압을 생성하여 공급할 때 빠른 시간내에 소망하는 설정 전압에 오버슈트 전압이 없이 정확하게 도달할 수 있는 펄스 모듈레이터 구동용 캐패시터 충전 전원 장치가 제공된다.
도 1은 선형 가속기에 적용되는 펄스 모듈레이터의 일반적인 전기 회로도,
도 2는 종래의 펄스 모듈레이터 구동용 캐패시터 충전 전원 장치에서 발생되는 오버슈트 전압을 설명하기 위한 파형도의 예시,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 펄스 모듈레이터 구동용 캐패시터 충전 전원 장치의 구조를 도시한 블록도,
도 4는 도 3의 펄스 모듈레이터 구동용 캐패시터 충전 전원 장치에 구비되는 인버터의 사양을 설명하기 위한 도면,
도 5는 도 3의 펄스 모듈레이터 구동용 캐패시터 충전 전원 장치에 구비되는 AC 전압/정류부의 세부 구조의 일예를 나타낸 블록도,
도 6은 도 3의 펄스 모듈레이터 구동용 캐패시터 충전 전원 장치에 구비되는 제어부의 제어 과정의 일 예를 나타낸 흐름도, 및
도 7은 본 발명에 따른 펄스 모듈레이터 구동용 캐패시터 충전 전원 장치의 작용 효과를 설명하기 위한 파형도.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 3에는 본 발명의 실시예에 따른 펄스 모듈레이터 구동용 캐패시터 충전 전원 장치의 구조를 블록도로써 나타내었다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 펄스 모듈레이터 구동용 캐패시터 충전 전원 장치는 선형가속기에 적용되는 펄스 모듈레이터 구동용 캐패시터 충전 전원 장치로서 AC 입력 전압 정류부(30)와 인버터(32)와 제어부(34) 및 고전압 출력부(36) 를 구비한다.
AC 입력 전압 정류부(30)는 교류전압을 입력하여 정류함으로써 제1 직류 전압 레벨, 예컨대 640 ~ 820 V DC 의 직류 전압을 출력한다.
인버터부(32)는 복수 개의 인버터(322, 324, 326, 328)가 다단으로 순차적 병렬 접속되고, 상기 인버터(32)는 접속 순서를 기준으로 출력 전력은 순차적으로 낮아지고 출력 임피던스는 순차적으로 높아지도록 접속되며 상기 입력 전압 정류부로부터 입력되는 직류 전압을 제1 교류 전압 레벨의 교류 전압으로 변환하여 출력한다.
도 4에는 도 3의 펄스 모듈레이터 구동용 캐패시터 충전 전원 장치에 구비되는 인버터의 사양을 설명하기 위한 도면을 나타내었다. 도 4를 참조하면, 제1 인버터 내지 제4 인버터에 입력 DC 뱅크는 동일한 전압 범위인 648V이나, 최대 출력 전력은 제1 인버터가 37.6kW인데 반하여 제2 인버터는 25kW이고, 제3 인버터는 12.5kW이며, 제4 인버터는 6.25kW이다. 특히 제1 인버터의 출력 임피던스는 3.46 Ω인데 반하여, 제2 인버터의 출력 임피던스는 5.2 Ω, 제3 인버터의 출력 임피던스는 10.39 Ω, 제4 인버터의 출력 임피던스는 20.79 Ω으로 접속 순서를 기준으로 출력 전력은 순차적으로 낮아지고 출력 임피던스는 순차적으로 높아지도록 접속된다는데 주목할 필요가 있다.
최대 출력 전력은 낮지만 출력 임피던스가 높아짐으로써 빠른 시간 내에 적은 전압폭으로 원하는 전압까지 정확하게 전압을 상승시킬 수 있다. 상기 인버터부(32)는 접속 순서에 따라 출력 임피던스는 순차적으로 높아지고 이를 위해서 도 4에 나타낸 바와 같이 제1 인버터 파워 서플라이의 11.13μH, 0.93μF에서, 제2 인버터 파워 서플라이의 16.74μH, 0.62μF, 제3 인버터 파워 서플라이의 33.48μH, 0.31μF, 및 제4 인버터 파워 서플라이의 66.96μH, 0.155μF로 접속 순서를 기준으로 공진 L값은 순차적으로 증가되며 공진 C값은 순차적으로 감소한다. 공진 RMS 전류는 116.78, 77.75, 38.87, 및 19.44로 점차 낮아진다. 공진 L 값은 증가하고 공진 C값은 감소하는 이유를 설명한다. 출력 전력에 관계없이 모든 단의 공진주파수는 49kHz로 동일한데, 출력전력이 작아지면 c에 걸리는 공진전류가 작아지므로 C용량을 작게 설계가능하므로 L값은 상대적으로 커지게 되는 것이다.
상기와 같이 접속된 인버터부(32)의 인버터들은 제어부(34)에 의하여 제어된다. 제어부(34)는 초기에는 모든 인버터들(322, 324, 326, 328)을 모두 가동하고, 전압이 일정 수준에 도달하거나 미리 설정된 시간부터 전압 출력부(36)에서의 전압과 전류를 피드백 받아 피드백된 전압 및 전류를 참조하여 접속 순서를 기준으로 하나의 인버터씩 순차적으로 오프시키도록 제어 신호를 출력한다. 고전압 출력부(36)는 상기 인버터부(32)로부터의 교류 전압을 제2 교류 전압 레벨으로 변환하여 출력한다.
다음으로, 고전압 출력부(36)는 상기 인버터부(32)로부터의 교류 전압을 제2 교류 전압 레벨으로 변환하여 출력한다.
도 5에는 도 3의 펄스 모듈레이터 구동용 캐패시터 충전 전원 장치에 구비되는 AC 전압/정류부의 세부 구조의 일 예를 나타낸 블록도로써 나타내었다. 도 5를 참조하면, 입력 전압 정류부(30)의 EMI 필터(502)는 AC 입력을 받아 EMI를 필터링하고 정류부(504)에서 정류하여 PFC부(506)에서 파워 팩터 커렉션하고 돌입전류제한부(508)와 필터 캐패시터(510)를 통해 640 ~ 820 V DC 의 DC 전압이 인버터(32)로 입력된다.
도 6에는 도 3의 펄스 모듈레이터 구동용 캐패시터 충전 전원 장치에 구비되는 제어부의 제어 과정의 일 예를 흐름도로써 나타내었으며, 도 7에는 본 발명에 따른 펄스 모듈레이터 구동용 캐패시터 충전 전원 장치의 작용 효과를 설명하기 위한 파형도를 나타내었다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 인버터부(32)는 복수 개의 인버터가 다단으로 순차적 병렬 접속되고, 상기 인버터는 접속 순서를 기준으로 출력 전력은 순차적으로 낮아지고 출력 임피던스는 순차적으로 높아지도록 접속되며 상기 입력 전압 정류부로부터 입력되는 직류 전압을 제1 교류 전압 레벨의 교류 전압으로 변환하여 출력하되, 제어부(34)는 초기에는 모든 인버터들을 가동(단계 S60)하고, 고전압 출력부(36)에서의 전압과 전류를 피드백 받아 피드백된 전압 및 전류를 참조하여 접속 순서를 기준으로 하나의 인버터씩 순차적으로 오프시키도록 제어 신호를 출력한다. 예컨대, 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한 바와 같은 구조로 이루어진 펄스 모듈레이터 구동용 캐패시터 충전 전원 장치의 제어부는 초기에는 모든 인버터들을 가동(단계 S60)하고, 고전압 출력부에서의 전압 및 전류를 감지하여 제1 인버터를 오프시키도록 제어 신호를 출력하여 제1 인버터의 가동을 중지하고 제2 내지 제4 인버터는 가동을 유지(단계 S62)한다. 다음으로, 제2 인버터를 오프시키도록 제어 신호를 출력하여 제2 인버터의 가동을 중지하고 제3 및 제4 인버터는 가동을 유지(단계 S64)한다. 다음으로, 제3 인버터를 오프시키도록 제어 신호를 출력하여 제3 인버터의 가동을 중지하고, 제4 인버터만 가동을 유지(단계 S66)한다. 이제, 제4 인버터만 PWM 모드로 가동하면서 스위치의 동작에 의한 방전이 개시되기까지 50 kV를 유지(단계 S68)하도록 한다.
본 발명에 따른 펄스 모듈레이터 구동용 캐패시터 충전 전원 장치는 도 7에 도시한 바와 같이 선형 가속기에서 요구되는 고전압을 생성하여 공급할 때 소망하는 설정 전압에 오버슈트 전압이 없이 신속하고 정확하게 도달할 수 있게 한다.
30 : AC 입력 전압 정류부
32 : 인버터부
322, 324, 326, 328 : 복수 개의 인버터
34 : 제어부 36 : 고전압 출력부 |
