반도체 스위치 소자와 잡음 제거 회로를 이용하는 마그네트론 전원 공급 장치 {Power supply unit for magnetron using semiconductor switch component and noise reduction circuit}
본 발명은 마그네트론 전원 공급 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 반도체 스위치 소자를 사용하여 마그네트론 전원 공급 장치를 구성함에 있어, 마그네트론 히터 전원 등 외부로부터 유입되는 잡음을 제거할 수 있는 잡음 제거 회로를 포함하여 구성된 마그네트론 전원 공급 장치에 관한 것이다.
마그네트론(Magnetron)은 전기장과 자기장이 서로 수직으로 인가되는 교차장(crossed field)이 존재하는 진공 환경에서 발생된 전자빔의 전기 에너지를 고출력 전자기파 에너지로 변환하여 방사하는 고효율, 고출력의 전자기파 발생 장치이다. 마그네트론은 다양한 용도로 응용되고 있는데, 915MHz 대역의 마이크로파 해동/가열 시스템으로부터 2.45GHz의 마이크로파 오븐, 9.5GHz 대역의 선박용 레이더, 35GHz 대역의 기상 관측용 레이더, 95GHz 대역의 공항 관제용 레이더 등의 시스템에 적용되고 있고, 그 외에도 다양한 분야에서 사용되고 있다. 이러한 마그네트론에 전력을 공급하기 위한 전원 공급 장치도 또한 그 용도에 따라 다양한데, 특히 고전압 대전류가 사용되는 마그네트론의 경우, 그 특성에 따라 통상 싸이러트론(Thyratron)을 스위치로 사용하여 전원 공급 장치를 구성하여 마그네트론을 구동시켜 왔다. 예를 들어, 근래 의료용 중입자 가속기 등 다양한 용도로 사용되고 있는 입자 가속기의 경우, 마그네트론의 양극 전압(anode volatage)은 약 30~50kV, 양극 전류(anode current)는 약 80~100A를 가지며, 주기적으로 약 4~5μs의 펄스폭(pulse width)을 가지는 펄스가 생성되는 규격의 전원 공급 장치가 구성되어 적용된다. 이에 따라서 여기에 적용되는 스위치도 고전압 및 대전류의 전원을 제어할 수 있는 특성을 가지는 싸이러트론(Thyratron)이 많이 사용되어 왔다. 도 1에서는 상기한 구조를 가지는 종래의 마그네트론 전원 공급 장치를 도시하고 있고, 도 2에서는 상기한 펄스를 포함하는 전원의 파형을 예시하고 있다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 펄스 형성 네트워크(Pulse Forming Network, PFN)와 연결된 싸이러트론(110)이 스위치로서 동작하면서 펄스 파형을 형성하게 된다. 그런데, 이러한 싸이러트론(110)은 양극과 음극 사이에 그리드를 하나 또는 둘 가진 열음극방전관(음극을 가열하여 열전자방출을 이용하는 방전관) 내지 그리드 제어 방전관으로서 관 속에 음극, 그리드, 양극의 전극이 있고 수소, 비활성기체, 수은증기 등의 가스가 봉입되어 있는 구조를 가지는 바, 사용 환경에 따라 달라질 수는 있으나, 일반적인 반도체 스위치 소자와 비교할 때 그 수명이 짧다는 문제가 있다. 이와 함께, 싸이러트론(110)은 높은 규격의 전기적 특성이 요구되는 바 그 단가가 상당히 높기 때문에, 짧은 수명에 따른 주기적인 교체 비용이 크게 상승하게 된다는 문제점이 있다. 이에 대한, 개선책으로 반도체 스위치 소자를 사용하여 상기 싸이러트론(110)을 대체하는 전원 공급 장치를 구성하는 방안을 고려할 수 있다. 도 3에서는 복수개의 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 사용하여 전원 공급 장치를 구성한 예를 도시하고 있다. 그러나 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 등 반도체 스위치 소자를 포함하는 전원 공급 장치를 사용하여 마그네트론에 전원을 공급하는 경우, 마그네트론에 포함되는 열방출 필라멘트를 가열하기 위한 마그네트론 히터 전원 등 외부에서 발생하는 잡음이 상기 전원 공급 장치로 유입되어 전원의 품질을 떨어뜨리는 등 정상적인 동작을 방해하거나, 더 나아가 순간적으로 반도체 스위치 소자의 정격 전압 범위를 넘어서면서 상기 소자를 파손시키거나, 이에 이르지는 않더라도 소자 내부에 손상을 가하여 그 성능을 열화시킬 수 있게 된다. 따라서, 마그네트론 전원 공급 장치의 수명을 제한할 수 있는 싸이러트론 등의 부품을 반도체 스위치 소자로 대체하여 전원 공급 장치를 구성함과 동시에, 마그네트론 히터 전원 등 외부로부터 유입되는 잡음을 적절하게 제거할 수 있는 잡음 제거 회로를 포함하는 것이 필요하나, 아직까지 이를 만족시킬 수 있는 적절한 마그네트론 전원 공급 장치가 제시되지 못하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 마그네트론 전원 장치에서 사용되는 싸이러트론 스위치의 단수명에 의한 높은 유지 관리 비용 문제를 해결할 수 있도록 반도체 스위치 소자를 사용하여 전원 공급 장치를 구성하면서도, 마그네트론 히터 전원 등 외부로부터 유입되는 잡음을 적절하게 제거할 수 있는 잡음 제거 회로를 포함하는 마그네트론 전원 공급 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 마그네트론 전원 공급 장치는 반도체 스위치 소자를 포함하는 전원 스위치; 상기 전원 스위치와 직렬 연결되는 전원 콘덴서를 포함하여 구성되는 단위 전원 모듈; 하나 이상의 상기 단위 전원 모듈이 직렬로 연결되어 구성되는 전원부; 상기 전원 콘덴서를 충전하는 충전 회로; 상기 전원부의 전원 출력 신호를 승압시키는 펄스 트랜스포머 코일; 및 마그네트론 열방출 필라멘트의 양 입력 단자에 병렬 연결되는 잡음 제거 회로를 포함하여 구성되며, 상기 펄스 트랜스포머 코일의 2차측 출력은 상기 마그네트론 열방출 필라멘트의 일 입력 단자에 연결되는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 반도체 스위치 소자로서 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 사용할 수 있다. 또한, 상기 잡음 제거 회로는 2개 이상 병렬로 연결된 콘덴서가 포함된 것일 수 있다. 또한, 상기 잡음 제거 회로는 서로 용량이 다른 것 2개 이상의 콘덴서를 포함할 수 있다. 또한, 상기 잡음 제거 회로는 1 ~ 3μF의 용량 및 8 ~ 12μF의 용량을 가지는 2개의 콘덴서를 포함할 수 있다. 또한, 상기 충전 회로와 전원 스위치의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 전원부의 전원 출력 신호의 왜곡(Distortion)을 보상하여 주는 전원 보정 회로를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 전원 보정 회로는 병렬로 연결된 콘덴서와 인덕터를 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명의 다른 측면에 따른 마그네트론은 앞서 기재된 마그네트론 전원 공급 장치를 포함하여 구성되는 마그네트론 전원부; 및 상기 마그네트론 전원부로부터 전원을 공급받아 마이크로웨이브를 발생시키는 마이크로웨이브 발진부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 또 다른 측면에 따른 입자 가속기는 앞서 기재된 마이크로웨이브를 발생시키는 마그네트론; 입자를 발생시키는 입자 생성부; 및 상기 마이크로웨이브를 이용하여 상기 입자를 가속시키는 입자 가속부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 반도체 스위치 소자를 사용하여 전원 스위치를 구성하고, 이와 함께 잡음 제거 회로 포함하여 마그네트론 전원 공급 장치를 구성함으로써, 마그네트론 히터 전원 등 외부로부터 유입되는 잡음을 적절하게 제거할 수 있고 반영구적 수명을 가지는 마그네트론 전원 공급 장치를 구현하는 효과를 갖는다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 싸이러트론을 이용한 마그네트론 전원 공급 장치의 회로도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 싸이러트론을 이용한 마그네트론 전원 공급 장치의 파형 그래프이다.
도 3은 종래 기술에 따른 반도체 스위치 소자를 이용한 마그네트론 전원 공급 장치의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 스위치 소자와 잡음 제거 회로를 이용하는 마그네트론 전원 공급 장치의 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시에에 따른 잡음 제거 회로에 의한 전압 파형 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 발명은, 종래 기술에 따라 싸이러트론(Thyratron)을 사용하여 마그네트론 전원 장치를 구성할 경우, 싸이러트론의 단수명 및 높은 단가로 인하여 주기적인 교체 비용이 커지게 되어 마그네트론의 유지 관리 비용이 크게 증가하게 되고, 또한 상기 싸이러트론 대신 반도체 스위치 소자를 사용하여 상기 전원 장치를 구성하는 경우 마그네트론 히터 전원 등 외부로부터 유입되는 잡음(noise)에 의하여 상기 반도체 스위치 소자의 파손 또는 열화가 발생할 수 있다는 문제점에 착안하여, 상기 싸이러트론을 사용한 마그네트론 전원 공급 장치의 수명을 개선하기 위하여 반도체 스위치 소자를 사용하고 여기에 마그네트론 히터 전원 등 외부로부터 유입되는 잡음(noise)을 적절하게 제거할 수 있는 잡음 제거 회로를 포함하여 상기 마그네트론 전원 공급 장치를 구성함으로써 상기 반도체 스위치 소자의 파손 또는 열화를 방지할 수 있고 반영구적 수명을 가지는 마그네트론 전원 공급 장치를 개시하는 것을 특징으로 한다. 도 4에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 스위치 소자와 잡음 제거 회로를 이용한 마그네트론 전원 공급 장치(400)의 회로도를 도시하고 있다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르는 반도체 스위치 소자와 잡음 제거 회로를 이용한 마그네트론 전원 공급 장치(400)는 반도체 스위치 소자를 포함하는 전원 스위치(314), 상기 전원 스위치(314)와 직렬 연결되는 전원 콘덴서(312)를 포함하여 구성되는 단위 전원 모듈(310), 하나 이상의 상기 단위 전원 모듈(310)이 직렬로 연결되어 구성되는 전원부, 상기 전원 콘덴서(312)를 충전하는 충전 회로(320), 상기 전원부의 전원 출력 신호를 승압시키는 펄스 트랜스포머 코일(340) 및 마그네트론(410) 열방출 필라멘트의 양 입력 단자에 병렬 연결되는 잡음 제거 회로를 포함하여 구성되며, 이때 상기 펄스 트랜스포머 코일(340)의 2차측 출력은 상기 마그네트론(410) 열방출 필라멘트의 일 입력 단자에 연결되게 된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 스위치 소자와 잡음 제거 회로를 이용한 마그네트론 전원 공급 장치(400)를 보다 구체적으로 살핀다면, 앞서 살핀 바와 같이 마그네트론 전원 공급 장치의 출력 전압은 통상 상당히 높은 값(예를 들어, 선형 가속기 등에 사용되는 경우 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이 약 40kV 내외)을 가지며, 이와 같은 높은 전압을 반도체 스위치 소자로 스위칭하기 위해서 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이 복수개의 반도체 스위치 소자를 직렬로 연결하여 사용하게 된다. 또한, 상기와 같이 높은 전압을 출력하기 위하여 복수개의 전원 콘덴서(312)에 충전 회로(320)를 연결하여 각 전원 콘덴서(312)를 충전하여 준 후, 동기화된 제어 신호를 통하여 상기 반도체 스위치 소자를 도통시켜 줌으로써 도 2와 같은 출력을 얻을 수 있게 된다. 이와 같이, 상기 충전 회로(320)가 상기 전원 콘덴서(312)를 충전시켜 소정의 전압 레벨까지 상승시키게 되고, 이러한 일련의 단위 전원 모듈(310)이 직렬로 연결되어 구성되는 전원부의 출력은 각 단위 전원 모듈(310)의 전압 레벨의 합에 근접하게 된다. 예를 들어 도 4의 경우를 살펴보면, 각 단위 전원 모듈(310)의 전원 콘덴서(312)에는 600V의 전압이 걸려 있는 상태이므로, 상기 단위 전원 모듈(310)이 12개 직렬로 연결되어 구성된 전원부의 출력 전압은 7.2kV에 근접하게 된다. 이어서, 상기 전원 스위치(314)를 단속하면서 펄스 파형을 형성하게 된다. 덧붙여, 상기 충전 회로(320)는 하나의 회로로서 구성될 수도 있으나, 각 단위 전원 모듈(310) 별로 독립적으로 구성되는 충전 모듈이 집합을 이루어 전체 충전 회로(320)를 구성할 수도 있다. 이때, 상기 전원 스위치(314)는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) 등 반도체 스위치 소자를 사용하여 구성될 수 있다. 종래 많이 사용되었던 싸이러트론(110)은 그 수명이 길지 못한데 반하여, 고체 소자로 형성되는 반도체 스위치 소자를 사용하여 상기 전원 스위치(314)를 구성할 경우, 그 수명을 크게 늘릴 수 있게 된다. 이에 따라, 높은 단가의 싸이러트론(110)의 교체에 따른 높은 유지 관리 비용을 상당 부분 절감할 수 있게 된다. 이와 함께, 본 발명의 일 실시예에 따르는 반도체 스위치 소자와 잡음 제거 회로를 이용한 마그네트론 전원 공급 장치(400)는 전원 출력 신호를 승압시켜주는 펄스 트랜스포머(transformer) 코일(340)을 포함하여 구성된다. 앞서 살핀 바와 같이, 도 4의 실시예에서 12개의 단위 전원 모듈(310)로 구성되는 전원부는 약 7.2kV의 펄스 파형을 가지게 되므로, 1:6 비율의 펄스 트랜스포머 코일(350)을 거치게 되면서 승압이 되어 약 43kV의 펄스 파형을 형성하게 된다. 그런데, 상기 마그네트론(410)은 그 동작 과정에서 마그네트론 히터 전원(420) 등 외부로부터의 잡음(noise)에 의한 문제에 노출될 수 있다. 마그네트론(410)의 동작 과정에 대한 상세한 내용은 아래와 같다. 먼저, 마그네트론(410)은 그 구동에 앞서 마그네트론 히터 전원(420)을 이용하여 마그네트론(410) 내부의 열방출 필라멘트에 약 15A의 전류를 흘려주어 2000°C 까지 가열하면서 열전자 방출을 유도한다. 이어서, 마그네트론(410) 전원 장치를 이용하여 40kV의 전압 등 해당 마그네트론(410)이 요구하는 전원을 상기 마그네트론(410)의 캐쏘드(Cathode)에 인가한다. 그런데, 이때 상기 마그네트론 히터 전원(420)은 접지(Ground)가 없는 전기 회로로서 그 작동에 따라 많은 잡음(noise)을 발생시키게 되고, 그 중 일부 잡음은 마그네트론 전원 장치로 유입되어 정상 동작을 방해하거나, 나아가서 상기 마그네트론 전원 장치의 반도체 소자 등을 파손시키는 등의 문제점을 유발할 수 있다. 종래 기술에 따른 싸이러트론(110)을 이용한 마그네트론 전원 장치의 경우에는 상기와 같은 잡음(noise)에 노출되더라도 그 동작에 문제가 발생할 수는 있더라도, 싸이러트론(110) 등 소자 자체가 파손되지는 않으나, 본 발명의 경우에는 마그네트론 전원 장치가 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) 등 반도체 스위치 소자를 포함하여 구성되므로, 상기와 같은 마그네트론 히터 전원(420)의 잡음이 과도할 경우 상기 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) 등 반도체 스위치 소자가 파손되거나 손상될 수 있어, 보다 심각한 결과를 야기할 수 있다. 또한, 상기 마그네트론 히터 전원(420)에 의하여 유발되는 잡음이 상기 반도체 스위치 소자를 파손 내지 손상시킬 정도에 이르지는 않는 경우에도, 그 잡음에 의하여 전원 공급이 불안정하게 될 수 있으므로, 마그네트론(410)의 안정적인 동작을 방해할 수 있게 된다. 도 5(a)에서는 마그네트론 히터 전원(420)에 의하여 유발된 잡음(noise)에 의한 마그네트론 전원 장치의 전압 파형을 예시하고 있다. 도 5(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 전압 파형이 잡음에 의하여 불규칙적으로 유동하게 되고, 경우에 따라서는 도 5(a)에 표시된 A, B의 경우처럼 순간적으로 매우 높거나(B), 매우 낮은(A) 전압 레벨을 초래할 수 있다. 이러한 경우, 상기 마그네트론 전원 장치를 구성하는 반도체 스위치 소자의 정격 전압 범위를 넘어서게 될 수 있고, 이에 따라 상기 반도체 스위차 소자가 파손되거나, 또는 그 내부 구조에 손상을 가하여 성능을 열화시키는 문제를 유발할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명에서는 이를 방지하기 위한 잡음 제거 회로를 추가함으로써, 상기한 문제를 개선하고자 하였다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 마그네트론(410) 열방출 필라멘트의 양 입력 단자에 병렬 연결되는 잡음 제거 회로를 추가하여 줌으로써 도 5(a)에서 볼 수 있는 전압 파형의 잡음(noise)을 제거하여 도 5(b)와 같이 안정적인 전압 출력 파형을 유지하도록 할 수 있다. 이때, 상기 잡음 제거 회로로서 잡음제거 콘덴서(440)를 사용할 수 있으며, 경우에 따라서는 복수개의 잡음제거 콘덴서(440)를 병렬로 연결하여 사용하는 것도 가능하다. 보다 자세하게 살핀다면, 통상 잡음(noise)는 다양한 주파수 대역에 걸쳐 불규칙하게 나타나게 되므로, 다양한 주파수의 잡음을 제거할 수 있도록 다양한 용량의 잡음제거 콘덴서(440)를 포함하여 구성하는 것이 적절하다. 실험적으로는 마그네트론(410)의 전원 환경을 고려하였을 때, 고주파 잡음 제거를 위한 약 10μF의 콘덴서와 저주파 잡음 제거를 위한 약 2μF의 콘덴서를 병렬 연결하여 상기 잡음 제거 회로를 구성하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 본 발명의 일 실시예에 따르는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터와 보호 회로를 이용한 마그네트론 전원 공급 장치(400)는 충전 회로(320)와 전원 스위치(314)의 동작을 제어하는 제어부(330)를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부(330)는 마그네트론에 필요한 전압 및 펄스 파형을 고려하여 각 단위 전원 모듈(310)의 콘덴서에 충전되는 전압 레벨을 결정하여 충전하고, 필요한 펄스의 폭 등 파형을 고려하여 상기 전원 스위치(314)와 충전 회로(320)가 적절하게 동작할 수 있도록 제어하는 역할을 수행하게 된다. 또한, 상기 본 발명의 일 실시예에 따르는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)와 보호 회로를 이용한 마그네트론 전원 공급 장치(400)는 상기 전원부의 전원 출력 신호의 왜곡(Distortion)을 보상하여 주는 전원 보정 회로를 더 포함할 수도 있다. 상기 전원 보정 회로는 병렬로 연결된 콘덴서와 인덕터를 포함하여 구성될 수 있으며, 도 4의 A지점에 삽입되어 상기 전원부의 출력 파형이 정확한 펄스 파형을 유지할 수 있도록 보상해 주는 역할을 수행할 수 있다. 더 나아가, 앞서 기술한 본 발명의 일 실시예에 따르는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터와 보호 회로를 이용한 마그네트론 전원 공급 장치(400)는 이를 포함하여 구성되는 마그네트론 전원부를 구성할 수 있고, 이와 함께 상기 마그네트론 전원부로부터 전원을 공급받아 마이크로웨이브를 발생시키는 마이크로웨이브 발진부를 포함하여 마그네트론을 구성하는 것도 당연히 가능하다. 또한, 이렇게 구성된 마그네트론은 입자를 발생시키는 입자 발생부 및 상기 마그네트론에서 발생되는 마이크로웨이브를 이용하여 상기 입자를 가속시키는 입자 가속부를 포함하여 구성되는 입자 가속기를 이용하여 의료 목적의 중입자 가속기 등 다양한 입자 가속기를 구성할 수 있다. 이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110 : 싸이러트론
310 : 단위 전원 모듈
312 : 전원 콘덴서
314 : 전원 스위치
320 : 충전 회로
330 : 제어부
340 : 펄스 트랜스포머 코일
400 : 반도체 스위치 소자와 잡음 제거 회로를 이용하는 마그네트론 전원 공급 장치
410 : 마그네트론
420 : 마그네트론 히터 전원
430 : 변압 코일
440 : 잡음제거 콘덴서 |
