인덕터 에너지 저장 기반의 고전압 펄스전원장치(IES_PM) 설계 및 응용 = Design and application of inductive energy storage based high voltage pulsed modulator(IES_PM)

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 인덕터 에너지 저장 기반의 고전압 펄스전원장치(IES_PM)의 설계와 응용실험에 대해 기술한다. 국방 분야에서 주로 발전되어 온 대용량 고전압 펄스파워 기술에 비해 최근 환경, 의료, 농업 등 다양한 분야에서 비교적 소용량의 고반복률 펄스파워 기술이 요구되고 있다. 따라서 제안된 펄스전원장치는 다양한 분야에 적용하기 위해 플라이백 회로를 기반으로 하여 소용량에서 높은 반복률 동작이 가능하도록 개발되었다. 기존 플라이백 회로의 특성에 따라 변압기는 자화인덕턴스에 에너지를 저장하는 저장소자의 역할과 1, 2차측 사이에 절연을 제공 하고 1차측의 스위치 내압을 줄일 수 있는 형태의 승압비를 제공하는 변압기의 역할을 모두 수행하게 된다. 따라서 변압기, 스위치만으로 기본적인 회로 구성이 가능한 장점을 가지고 있다.
하지만 출력 측면에서 제안된 펄스전원장치는 기존 플라이백 회로와 달리 인덕턴스에 저장된 에너지가 2차측으로 전달되면서 변압기의 기생 인덕턴스와 부하 커패시턴스의 공진에 의해 출력전압이 생성되는 차이점을 가진다. 이러한 동작 과정에서 변압기의 기생 성분과 부하의 커패시턴스에 의한 현상들을 분석하여 출력 전압에 대한 해석을 진행한다. 또한 이에 대한 해석을 바탕으로 부하의 임피던스에 따라 변화되는 출력전압을 보상하기 위해 입력전압제어와 인덕턴스에 저장되는 에너지를 제어하는 방식을 제안한다.
해석을 바탕으로 제안된 펄스전원장치의 설계 절차에 대해 기술하며 고전압 변압기 설계 및 고려사항과 인덕터 에너지 제어방식을 위한 제어회로 설계에 대해 기술한다. 또한 동작 해석과 설계 절차의 검증을 위해 7.5kV급 프로토타입을 설계하여 PSpice 시뮬레이션 및 실험을 진행한다.
프로토타입을 통해 검증된 설계 절차를 바탕으로 다양한 응용분야에 필요한 3가지 모델(2.5kV IES_PM, 10kV IES_PM, 40kV IES_PM)의 개발내용에 대해 기술한다. 이를 이용하여 코로나 방전, Dielectric Barrier Discharge(DBD) 방전 등 다양한 플라즈마 응용실험 결과에 대해 소개한다. 또한 40kV IES_PM을 이용해 가속기 분야에 사용되는 고출력 가스 스위치인 Triggered Vacuum Switch(TVS)와의 연계 실험을 진행하고 결과에 대해 기술한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper presents the design of inductor energy storage based high voltage pulsed modulator(IES_PM) and experiments with accelerator and plasma applications. Compared to the high power pulse technology that has been mainly developed in the defense field, recently, relatively small power and high repetition rate pulse technology is required in various fields such as environment, medicine and agriculture. Therefor, the proposed pulsed modulator is developed based on the flyback circuit to apply small and high repetition rate applications . The role of flyback transformer is not only to step up the voltage but also to store the energy in the magnetizing inductance of transformer. Therefore, it is possible to design the pulsed modulator using only a transformer and a switch.
However, in terms of output, the proposed pulsed modulator differ from the conventional flyback circuit analysis in that the output pulse voltage is generated by the resonance with parasitic inductance of the transformer and the load capacitance. In this operation, the output voltage is described by analyzing the phenomena caused by the parasitic components of the transformer and the capacitance of the load. Also, based on the analysis, we propose a method of controlling the input voltage and the energy stored in the inductance to compensate for the output pulse voltage which changes according to the load impedance.
Operation of each mode of proposed pulse modulator according to the switch operation will be explained. In oder to compensate the output pulse voltage depending on the change of load capacitance, the output pulse voltage according to the adjustment of the input voltage and the switch gate signal is analyzed.
Based on the analysis, this paper describes the design procedure of the proposed pulsed modulator. considerations of the high voltage transformer and the control circuit design for the inductor energy control method. In order to verification of the design procedure, PSpice simulation and experiments with the 7.5kV prototype IES_PM is conducted.
Based on the verified design procedure of prototype , the development of three models(2.5kV IES_PM, 10kV IES_PM, 40kV IES_PM) for various applications are described. Using this models, the results of various plasma applications such as corona discharge and DBD will be introduced. In addition, experiment with the Triggered Vacuum Switch(TVS), which is a high-power gas switch used in the accelerator field, is conducted with 40kV IES_PM and experimental results are described.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• Ⅱ. IES_PM 동작 설명 및 해석 4
• Ⅲ. IES_PM 설계 12
• 1. IES_PM 설계 절차 12
• 2. 고전압 변압기 설계 15
• 3. 펄스 전압 제어회로 설계 17
• Ⅳ. 프로토타입(7.5kV IES_PM) 설계 검증 22
• 1. 7.5kV IES_PM 설계 및 시뮬레이션 22
• 2. 7.5kV IES_PM 제작 및 실험 28
• Ⅴ. 사양 별 IES_PM 개발 및 응용 31
• 1. 2.5kV IES_PM 개발 및 응용 31
• 2. 10kV IES_PM 개발 및 응용 36
• 3. 40kV IES_PM 개발 및 응용 41
• Ⅵ. 결 론 50
• 참고문헌 51