소용량급 고전압 나노 펄스 발생 회로의 최적화 구현 및 전류원 기반의 대용량급 고전압 펄스 발생 회로에 관한 연구 :Optimization of High Voltage Nano-Pulse Generator Circuit at Low Power and Design of Current Sourced High Voltage Pulse Generator Circuit at High Power

오현준

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자료유형: 학위논문

저자정보: 오현준 (국민대학교, 국민대학교 일반대학원)

지도교수: 노정욱

발행연도: 2021

저작권: 국민대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2021

소용량급 고전압 나노 펄스 발생 회로의 최적화 구현 및 전류원 기반의 대용량급 고전압 펄스 발생 회로에 관한 연구

오현준 전자공학과 2021.01 학위논문

2020

펄스 전기장 방식을 위한 전류원 기반의 고전압 펄스 발생 회로

오현준 , 강윤수 , 황훈하 외 1명 전력전자학회 학술대회 논문집 2020.08 학술대회자료

2019

입자가속기 Ion gate 구동을 위한 고전압 nano-pulse 발생기 회로 설계

오현준 , 정구영 , 송관석 외 1명 전력전자학회 학술대회 논문집 2019.07 학술대회자료

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물리학, 생명공학, 의학 등 다양한 분야에서 고전압 펄스가 사용되고 있다. 하지만 사용 분야에 따라 각기 다른 특성과 고전압이라는 특성에서 수반되는 위험성과 큰 비용 등의 문제로 지금까지 활발히 연구되고 있다. 특히 본 논문에서는 소용량급 부하에서의 고전압 펄스 발생 회로를 고안하였으며, 고안 회로가 대용량급 부하에 적용되었을 때의 문제점을 제기하고 그 문제점을 해결하기 위한 회로를 제안하였다.
소용량 부하인 입자가속기 Ion Gate의 Ion Shutter 동작을 위한 고전압 펄스 발생 회로의 경우 구성은 간단하나 고전압과 고속이라는 특성에 의해 발생하는 다양한 기생 성분에 의해 기존 회로의 경우 고속 스위칭에 한계가 있다. 따라서 본 논문에서는 Ion Gate Ion Shutter 동작을 위한 소용량급의 Nano-Pulse Generator를 고안하고 MODE 해석을 통해 각 파라미터의 설계 가이드를 제시한다. 또한 Input Filter 회로를 추가하여 Nano-Pulse Generator에 사용되는 고전압 전원 장치의 최대 발생 전력을 저감하였다. 설계 회로의 이론적 분석을 바탕으로 PSIM 프로그램을 이용해 모의실험을 수행하고 시작품을 제작하여 실제 Ion Gate를 이용한 실험을 통해 설계 회로의 타당성과 실효성을 검증하였다. 또한 고안 회로가 대용량급의 부하에 적용되었을 때, 발생되는 문제점을 제기하고 해당 문제 해결을 위한 회로를 제안하였다. 전압원을 기반으로 하는 기존 고전압 펄스 발생 회로는 충전 에너지의 제한을 위해 저항 소자가 사용되고 이로 인해 비용 발생과 전력 손실 문제가 발생하게 된다. 해당 문제점을 보완하기 위하여 본 논문에서는 전류원 기반의 고전압 펄스 발생 회로를 제안하였다. 제안 회로의 PSIM 모의실험을 통해 이론적 분석을 수행하고 실험을 통해 제안 고전압 펄스 발생 회로의 효과를 확인하고 실효성을 검증하였다.

High voltage pulses are used in various fields, including physics, biotechnology, and medicine. However, it has been actively studied so far due to the risks and high costs associated with different characteristics and high voltages depending on the field of use. In particular, in this paper, we devise a high voltage pulse generating circuit under a small-scale load, and propose a circuit to raise the problem when the designed circuit is applied to a large-scale load and to solve the problem.
The construction of a high voltage pulse generating circuit for Ion Shutter operation of a particle accelerator Ion Gate, a small load, is simple, but due to various parasitic components caused by its high voltage and high speed characteristics, there is a limit to high speed switching for conventional circuits. Therefore, in this paper, we devise a small-scale Nano-Pulse Generator for Ion Gate Ion Shutter behavior and present a design guide for each parameter via MODE interpretation. In addition, the input filter circuit was added to reduce the maximum generated power of the high voltage power unit used in the Nano-Pulse Generator. Based on the theoretical analysis of the design circuit, we conduct theoretical analysis through PSIM simulations and produce the starting products to validate the validity and effectiveness of the design circuit through experiments using real Ion Gate. We also raise the problems that arise when the devising circuit is applied to loads of high capacities and propose a circuit for solving those problems. Conventional high voltage pulse generating circuits based on a voltage source are used to limit charging energy, resulting in cost-generating and power loss problems. To compensate for the problem, this paper proposed a source-based high voltage pulse generating circuit. Through PSIM simulation of the proposed circuit, we conduct a theoretical analysis and experimentally verify the effectiveness and effectiveness of the proposed high voltage pulse generating circuit by generating pulse output at low voltages.

Ⅰ. 서론 1
1.1 연구배경 1
1.2 입자가속기 Ion Shutter 동작을 위한 고전압 펄스 발생 회로 2
1.3 대용량급에서의 고전압 펄스 발생 회로 4
Ⅱ. 입자가속기 Ion Gate의 Ion Shutter 동작을 위한 고전압 Nano-Pulse 발생 회로 설계 6
2.1 고전압 Nano-Pulse 발생 회로의 구성 및 동작 원리 6
2.1.1 고안 회로의 동작 원리 7
2.1.2 고안 회로의 고전압 전원장치(HVPS) 8
2.1.3 고안 회로의 스위치 9
2.2 Nano-Pulse Generator 기본 회로의 MODE 해석 10
2.3 고안된 Nano-Pulse Generator 기본 회로의 Parameter 설계 15
2.3.1 Damping Resistor(RD)의 설계 15
2.3.2 Pull Down Resistor(Rp)의 설계 16
2.4 고안된 Nano-Pulse Generator 회로의 Input Filter 18
2.4.1 Input Filter의 필요성 18
2.4.2 Input Filter를 적용한 Nano-Pulse Generator 회로의 해석 19
2.4.3 Input Filter Capacitor(Cf)의 설계 20
2.4.4 Input Filter Resistor(Rf)의 설계 21
2.5 고안된 고전압 Nano-Pulse 발생 회로의 모의실험 22
2.6 고안된 고전압 nano-pulse 발생 회로의 실험결과 25
2.6.1 Ion Gate Equivalent Circuit Model을 부하로 하는 고안 회로의 펄스 발생 실험 25
2.6.2 동축 케이블의 기생 Capacitance에 관한 고찰 27
2.6.3 Wire의 기생 Inductance에 관한 고찰 29
2.6.4 Ion Gate의 등가 Capacitance에 관한 고찰 32
2.6.5 실제 Ion Gate를 부하로 하는 고안 회로의 펄스 발생 실험 33
2.7 결론 34
Ⅲ. 전류원 기반의 제안 고전압 펄스 발생 회로 35
3.1 전압원 기반의 기존 고전압 펄스 발생 회로의 문제점 35
3.2 전류원 기반의 제안 고전압 펄스 발생 회로의 특징 39
3.3 제안 고전압 펄스 발생 회로의 실험 42
3.3.1 전압원 기반의 고전압 펄스 발생 회로 모의실험 42
3.3.2 전류원 기반의 고전압 펄스 발생 회로 모의실험 45
3.3.3 제안 고전압 펄스 발생 회로의 실제 실험 결과 48
3.4 결론 50
Ⅳ. 결론 51
Ⅴ. 향후계획 53
참고문헌 54
Abstract 57

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