KR20180004566A - Switching circuit for pulse power supply - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a switching circuit included in a high voltage pulse power device. The present invention is provided to control supply of a load side of a high voltage power pulse by arranging the switching circuit between a power supply device and a load, and to constitute the switching circuit having a plurality of switching modules which are connected to each other in parallel, thereby solving a current rating problem of a semiconductor switch device by distributing current supplied to the load from the high voltage pulse power device. The switching module can solve a voltage rating problem of a conventional semiconductor switch device by supplying power through a plurality of semiconductor switch devices which are connected to each other in series. The present invention is provided to implement the switching circuit by stacking cheap semiconductor switch devices having low voltage and current ratings in series and parallel, thereby offering the switching circuit which has a rapid pulse rising time with low costs, and minimizes a power loss. The present invention comprises: the plurality of switching modules which are connected to each other; and a controlling device which controls the plurality of switching modules.

Description

펄스 전원 장치의 스위칭 회로{Switching circuit for pulse power supply}[0001] Switching circuit for pulse power supply [0002]

본 발명은 스위칭 회로에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 고전압 펄스 전원 장치의 스위칭 회로에 관한 것이다.The present invention relates to a switching circuit, and more particularly, to a switching circuit of a high voltage pulse power supply.

일반적으로 고전압 펄스 전원 장치는 각종 시험장비와 플라즈마 발생장치(PSII 등)와 같은 부하로 고전압 펄스 전원을 공급하는데, 종래의 고전압 펄스 전원 장치는 장치의 수명 문제, 펄스폭 가변, 동작 주파수의 증대, 펄스 전압의 조절, 직류 고전압 전원의 필요성 등의 측면에 있어서 많은 문제점이 발견되고 있다.Generally, a high voltage pulse power supply supplies a high voltage pulse power to a load such as various test equipment and a plasma generation device (PSII, etc.). The conventional high voltage pulse power supply device has problems such as a life span of a device, a pulse width variable, There have been found many problems in terms of adjustment of pulse voltage and necessity of a DC high voltage power source.

도 1은 일반적인 고전압 펄스 전원 장치의 개략적인 구조를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 고전압 펄스 전원 장치는 전원 공급 장치(10), 및 전원 공급 장치(10)와 부하(30) 사이에 연결된 스위칭 회로(20)를 포함하여 구성된다.1 is a diagram showing a schematic structure of a general high-voltage pulse power supply apparatus. Referring to FIG. 1, a high voltage pulse power supply apparatus includes a power supply 10 and a switching circuit 20 connected between the power supply 10 and the load 30.

전원 공급 장치(10)는 고전압 전원을 서로 직렬로 연결된 복수의 커패시터에 충전하고 있다가, 스위칭 회로(20)가 온 되어 부하(30)와 통전되면, 커패시터들에 충전된 전원을 일시에 방전함으로써 고전압 펄스를 부하(30)측으로 공급하고, 스위칭 회로(20)가 오프되면 방전된 커패시터들을 다시 충전한다. The power supply device 10 charges a plurality of capacitors connected in series to each other with a high voltage power supply. When the switching circuit 20 is turned on and the load 30 is energized, the power supply 10 charges the capacitors at one time A high voltage pulse is supplied to the load 30 side and the discharged capacitors are charged again when the switching circuit 20 is turned off.

이러한 과정을 통해서, 고전압 펄스 전원이 부하(30)측으로 공급되고, 스위칭 회로(20)를 제어함으로써 고전압 펄스 전원의 펄스 폭, 반복률 등의 제어를 수행하게 된다.Through this process, a high voltage pulse power source is supplied to the load 30 side, and the control of the switching circuit 20 controls the pulse width and the repetition rate of the high voltage pulse power source.

종래에는 이러한 스위칭 회로(20)를 기계식 스위치를 이용하여 구현하였으나, 최근에는 반도체 스위치 소자들을 이용하여 구현하는 연구들이 진행중이다. 반도체 스위치 소자는 수명이 반영구적이며, jitter없이 반복률 및 펄스폭 제어가 가능한 장점이 있다.Conventionally, such a switching circuit 20 has been implemented using a mechanical switch. However, in recent years, studies for implementing the switching circuit 20 using semiconductor switch elements are underway. Semiconductor switch devices have a semi-permanent life span, and can be repetition rate and pulse width control without jitter.

그러나, 반도체 스위치 소자는 정격 전압과 정격 전류가 존재하므로, 고전압 펄스 전원 장치와 같이 고전압과 고전류의 펄스 전원을 공급하는 경우에는 전압 및 전류 정격이 높은 반도체 스위치 소자를 이용해야 하는데, 이러한 고정격의 반도체 스위치 소자는 가격이 고가이면서도 스위칭 특성이 좋지 않은 문제점이 존재한다.However, since a semiconductor switch element has a rated voltage and a rated current, when a high-voltage and high-current pulse power supply such as a high-voltage pulse power supply device is used, a semiconductor switch element having a high voltage and current rating should be used. There is a problem that the semiconductor switch device is expensive and has poor switching characteristics.

따라서, 전압 및 전류 정격은 낮지만 스위칭 특성이 양호한 반도체 스위치 소자를 복수개 결합하여, 저비용으로 고신뢰성을 담보할 수 있는 스위칭 회로의 개발이 필요한 실정이다. Therefore, it is necessary to develop a switching circuit capable of assuring high reliability at a low cost by combining a plurality of semiconductor switching elements having low voltage and current ratings but good switching characteristics.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 저렴하면서도 응답 특성이 양호한 반도체 스위치 소자들을 이용하여 구현된 스위칭 회로를 제공하되, 전원 공급 장치에서 부하측으로 고전압 펄스 전원의 공급을 높은 신뢰도로 제어할 수 있는 스위칭 회로를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a switching circuit realized by using semiconductor switch elements that are inexpensive and have good response characteristics, and that can provide a switching circuit capable of highly reliably controlling the supply of a high- .

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 전원 장치의 스위칭 회로는, 전원 공급 장치와 부하 사이에서 전원 공급을 제어하도록, 상호 병렬로 연결된 복수의 스위칭 모듈; 및 상기 스위칭 모듈의 스위칭을 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 복수의 스위칭 모듈 각각은 서로 직렬로 연결된 복수의 반도체 스위치 소자, 및 상기 제어기의 제어에 따라서 상기 복수의 반도체 스위치 소자를 각각 제어하는 복수의 드라이브 회로를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a switching circuit of a pulse power supply device including: a plurality of switching modules connected in parallel to each other to control power supply between a power supply device and a load; And a controller for controlling switching of the switching module, wherein each of the plurality of switching modules includes: a plurality of semiconductor switch elements connected in series to each other; and a plurality of semiconductor switch elements each controlling the plurality of semiconductor switch elements under the control of the controller Drive circuit.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 전원 장치의 스위칭 회로의 상기 드라이브 회로는, 상기 제어기로부터 콘트롤 변압기의 1차측 권선을 통해서 펄스 제어 신호(구동 펄스)를 전달받아 내부의 제 1 커패시터(C1)를 충전시키고, 상기 1차측 권선에 구동 펄스가 종료되는 시점에 상기 1차측 권선에 유기되는 스파이크 전압에 의해서, 상기 드라이브 회로에 연결된 반도체 스위치 소자에 연결된 제 2 커패시터(C2)를 충전시켜 상기 제 2 커패시터(C2)의 충전 전압으로 상기 반도체 스위치 소자를 턴 온 시키면서, 상기 제 1 커패시터(C1)의 방전을 개시하며, 상기 제 1 커패시터(C1)에 충전된 전압이 사전에 정의된 레벨까지 방전되면 상기 제 2 커패시터(C2)를 방전시켜 상기 반도체 스위치 소자를 턴 오프시킬 수 있다.The drive circuit of the switching circuit of the pulse power supply according to the preferred embodiment of the present invention receives the pulse control signal (drive pulse) from the controller through the primary side winding of the control transformer and receives the internal first capacitor C1 ), Charging the secondary capacitor (C2) connected to the semiconductor switch element connected to the drive circuit by the spike voltage induced in the primary winding at the time when the drive pulse is terminated at the primary winding, The first capacitor C1 starts discharging while the semiconductor switch element is turned on with the charging voltage of the first capacitor C1 and the voltage charged in the first capacitor C1 is discharged to a predefined level The second capacitor C2 may be discharged to turn off the semiconductor switch element.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 전원 장치의 스위칭 회로의 상기 드라이브 회로는 상기 제 2 커패시터(C2)의 양단에 연결된 드라이브 스위칭 소자가 더 포함하고, 상기 드라이브 스위칭 소자는, 상기 제 1 커패시터(C1)에 충전된 전압이 사전에 정의된 레벨까지 방전되면 턴 온되어 상기 제 2 커패시터(C2)를 방전시킴으로써 상기 반도체 스위치 소자를 턴 오프시키고, 상기 반도체 스위치 소자의 턴 오프 상태를 유지하며, 상기 제 1 커패시터(C1)가 사전에 정의된 레벨 이상으로 충전되면 오프될 수 있다.Further, the drive circuit of the switching circuit of the pulse power supply device according to the preferred embodiment of the present invention further includes a drive switching element connected to both ends of the second capacitor (C2), and the drive switching element When the voltage charged in the capacitor C1 is discharged to a predefined level, the capacitor C2 is turned on to turn off the semiconductor switch element to maintain the turn-off state of the semiconductor switch element, And can be turned off if the first capacitor C1 is charged above a predefined level.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 전원 장치의 스위칭 회로에서, 동일한 스위칭 모듈에 포함된 복수의 1차측 권선은 서로 직렬로 연결될 수 있다.Also, in the switching circuit of the pulse power supply device according to the preferred embodiment of the present invention, the plurality of primary windings included in the same switching module may be connected in series with each other.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 전원 장치의 스위칭 회로의 상기 드라이브 회로는, 드레인이 제 1 노드에 연결되고, 게이트가 제 2 노드에 연결되며, 소오스가 제 3 노드에 연결되는 드라이브 스위칭 소자; 일단이 상기 반도체 스위치 소자의 게이트에 연결되고, 타단이 상기 제 3 노드에 연결되어 상기 반도체 스위치 소자의 구동을 제어하는 제 2 커패시터(C2); 일단이 상기 제 1 노드에 연결되고, 타단이 상기 반도체 스위치 소자의 게이트에 연결되는 제 2 저항(R2); 상기 제 2 노드와 상기 제 3 노드 사이에 연결되어 상기 드라이브 스위칭 소자의 구동을 제어하는 제 1 커패시터(C1); 상기 제 2 노드와 상기 제 3 노드 사이에 상기 제 1 커패시터(C1)와 병렬로 연결된 제 1 저항(R1); 상기 제어기로부터 펄스 제어 신호를 입력받는 1차측 권선 및 상기 1차측 권선에 대응되고, 일단이 상기 제 3 노드에 연결되는 2차측 권선을 포함하는 콘트롤 변압기; 상기 2차측 권선의 타단과 상기 제 1 노드 사이에, 상기 제 1 노드 방향이 순방향이 되도록 설치된 제 1 다이오드(D1); 및 상기 2차측 권선의 타단과 상기 제 2 노드 사이에, 상기 제 2 노드 방향이 역방향이 되도록 설치된 제 2 다이오드(D2);를 포함할 수 있다.Further, the drive circuit of the switching circuit of the pulse power supply device according to the preferred embodiment of the present invention is characterized in that the drive circuit has a drain connected to the first node, a gate connected to the second node, device; A second capacitor (C2) having one end connected to the gate of the semiconductor switch element and the other end connected to the third node to control driving of the semiconductor switch element; A second resistor (R2) having one end connected to the first node and the other end connected to a gate of the semiconductor switch element; A first capacitor (C1) connected between the second node and the third node for controlling driving of the drive switching element; A first resistor (R1) connected in parallel with the first capacitor (C1) between the second node and the third node; A control transformer including a primary winding receiving a pulse control signal from the controller and a secondary winding having one end connected to the third node and corresponding to the primary winding; A first diode (D1) disposed between the other end of the secondary winding and the first node such that the direction of the first node is forward; And a second diode (D2) disposed between the other end of the secondary winding and the second node such that the direction of the second node is opposite to the direction of the second node.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 전원 장치의 스위칭 회로는 상기 제 1 노드와 상기 제 3 노드 사이에 연결된 제너 다이오드를 더 포함할 수 있다.In addition, the switching circuit of the pulse power supply according to the preferred embodiment of the present invention may further include a zener diode connected between the first node and the third node.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 전원 장치의 스위칭 회로는 상기 제어기로부터 1차측 권선에 펄스 제어 신호(구동 펄스)가 인가되면, 상기 1차측 권선에 대응되는 2차측 권선에 구동 펄스가 전달되고, 상기 2차측 권선, 상기 제 1 저항과 상기 제 1 커패시터(C1) 및 상기 제 2 다이오드(D2)를 따라서 폐루프가 형성되어, 상기 제 1 커패시터(C1)가 충전될 수 있다.In the switching circuit of the pulse power supply according to the preferred embodiment of the present invention, when a pulse control signal (drive pulse) is applied to the primary winding from the controller, a drive pulse is transmitted to the secondary winding corresponding to the primary winding And a closed loop is formed along the secondary side winding, the first resistor and the first capacitor C1 and the second diode D2 so that the first capacitor C1 can be charged.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 전원 장치의 스위칭 회로는, 상기 1차측 권선에 구동 펄스가 종료되는 시점에 상기 1차측 권선에 유기되는 스파이크 전압에 의해서, 상기 2차측 권선, 상기 제 1 다이오드, 상기 제 2 저항 및 상기 제 2 커패시터(C2)를 따라서 폐루프가 형성되어 제 2 커패시터(C2)가 충전되고, 상기 제 2 커패시터(C2)의 충전 전압으로 상기 반도체 스위치 소자가 턴 온되는 것을 특징으로 하는 스위칭 회로.Further, the switching circuit of the pulse power supply according to the preferred embodiment of the present invention is characterized in that, at the time when the drive pulse is terminated at the primary winding, by the spike voltage induced in the primary winding, A closed loop is formed along the diode, the second resistor and the second capacitor C2 to charge the second capacitor C2 and the semiconductor switch element is turned on with the charging voltage of the second capacitor C2 The switching circuit comprising:

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 전원 장치의 스위칭 회로는, 상기 제 2 커패시터(C2)에 충전된 전압이 유지되는 동안 상기 반도체 스위치 소자의 턴 온 상태가 유지되고, 상기 제 1 커패시터(C1)에 충전된 전압은 제 1 저항(R1)을 통해서 방전될 수 있다.Also, the switching circuit of the pulse power supply according to the preferred embodiment of the present invention maintains the turn-on state of the semiconductor switch element while the voltage charged in the second capacitor (C2) is maintained, C1 may be discharged through the first resistor R1.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 전원 장치의 스위칭 회로는, 상기 제 1 커패시터(C1)에 충전된 전압이 사전에 정의된 레벨까지 방전되면, 상기 드라이브 스위칭 소자가 턴 온되고, 상기 드라이브 스위칭 소자와 상기 제 2 커패시터(C2) 및 상기 제 2 저항(R2)이 폐루프를 형성하여, 상기 제 2 커패시터(C2)의 충전 전압이 상기 제 2 저항(R2)을 통해서 방전되어, 상기 반도체 스위치 소자가 턴 오프될 수 있다.In the switching circuit of the pulse power supply according to the preferred embodiment of the present invention, when the voltage charged in the first capacitor C1 is discharged to a predefined level, the drive switching element is turned on, The switching element and the second capacitor C2 and the second resistor R2 form a closed loop so that the charging voltage of the second capacitor C2 is discharged through the second resistor R2, The switch element can be turned off.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 전원 장치의 스위칭 회로는, 동일한 스위칭 모듈에 포함된 복수의 1차측 권선은 서로 직렬로 연결될 수 있다.Also, in the switching circuit of the pulse power supply device according to the preferred embodiment of the present invention, the plurality of primary windings included in the same switching module may be connected in series with each other.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 펄스 전원 장치의 스위칭 회로는, 상기 콘트롤 변압기는 토로이달 코어를 이용하여 구현될 수 있다.In the switching circuit of the pulse power supply apparatus according to the preferred embodiment of the present invention, the control transformer may be implemented using a toroidal core.

본 발명은 전원 공급 장치와 부하 사이에 스위칭 회로를 배치하여 고전압 전원 펄스의 부하측 공급을 제어하되, 스위칭 회로를 서로 병렬로 연결된 복수의 스위칭 모듈로 구성함으로써, 고전압 펄스 전원 장치로부터 부하로 공급되는 전류를 분산시켜 반도체 스위치 소자의 전류 정격 문제를 해결할 수 있다. The present invention is characterized in that a switching circuit is arranged between a power supply unit and a load to control the supply of a high voltage power pulse on the load side so that the switching circuit is constituted by a plurality of switching modules connected in parallel with each other, It is possible to solve the current rating problem of the semiconductor switch element.

또한, 본 발명은 스위칭 모듈이, 서로 직렬로 연결된 복수의 반도체 스위치 소자를 통해서 전원을 공급하도록 함으로써, 기존의 반도체 스위치 소자의 전압 정격 문제를 해결할 수 있다.Further, according to the present invention, the switching module supplies power through a plurality of semiconductor switch elements connected in series to each other, thereby solving the voltage rating problem of the conventional semiconductor switch element.

이렇게, 본 발명은 낮은 전압 및 전류 정격을 갖으며 가격이 저렴한 반도체 스위칭 소자를 직렬 및 병렬로 스택킹하여 스위칭 회로를 구현함으로써, 저비용으로 펄스 상승 시간이 빠르고 전력 손실을 최소화할 수 있는 스위칭 회로를 제공할 수 있다. In this way, the present invention realizes a switching circuit by stacking serial and parallel semiconductor switching devices with low voltage and current ratings and inexpensive cost, thereby realizing a switching circuit capable of shortening the rise time of the pulse at a low cost and minimizing the power loss .

도 1은 일반적인 고전압 펄스 전원 장치의 개략적인 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스위칭 회로의 전체 구성을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스위칭 회로 전체의 세부 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스위칭 모듈의 세부 구성을 도시하는 회로도이다.
도 5a 내지 도 5e 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스위칭 모듈의 동작을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따를 스위칭 모듈의 동작 타이밍도이다.1 is a diagram showing a schematic structure of a general high-voltage pulse power supply apparatus.
2 is a view conceptually showing the overall configuration of a switching circuit according to a preferred embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing the detailed configuration of the entire switching circuit according to the preferred embodiment of the present invention.
4 is a circuit diagram showing a detailed configuration of a switching module according to a preferred embodiment of the present invention.
5A to 5E are views for explaining the operation of the switching module according to the preferred embodiment of the present invention.
6 is an operational timing diagram of a switching module according to a preferred embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스위칭 회로의 전체 구성을 개념적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스위칭 회로 전체의 세부 구성을 도시한 도면이다.FIG. 2 is a conceptual diagram showing the entire configuration of a switching circuit according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a diagram showing a detailed configuration of the entire switching circuit according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스위칭 회로(200)는 전원 공급 장치(10)와 부하(30) 사이에 서로 병렬로 연결된 복수의 스위칭 모듈들(220-1~220-M)과 이들을 제어하는 제어기(210)로 구성된다. 2 and 3, a switching circuit 200 according to a preferred embodiment of the present invention includes a plurality of switching modules 220-1 to 220-3 connected in parallel to each other between a power supply 10 and a load 30, 220-M and a controller 210 for controlling them.

또한, 각각의 스위칭 모듈들(220-1~220-M)은 그 내부에 서로 직렬로 연결된 복수의 반도체 스위치 소자들(S1-1~SN-M)을 포함하고, 각 반도체 스위치 소자에는 드라이브 회로(222-1-1~222-N-M)가 하나씩 연결되어 각 반도체 스위치 소자의 온/오프를 제어한다.Each of the switching modules 220-1 to 220-M includes a plurality of semiconductor switch elements S1-1 to SN-M connected in series with each other, (222-1-1 to 222-NM) are connected one by one to control ON / OFF of each semiconductor switch element.

또한, 각각의 스위칭 모듈(220-1~220-M)에는 서로 직렬로 연결되어 제어기(210)로부터 펄스 제어 신호(구동 펄스)를 동시에 공급받는 복수의 1차측 권선(221a-1-1 ~ 221a-N-M), 및 1차측 권선에 대응되어 펄스 제어 신호(구동 펄스)를 드라이브 회로(222-1-1 ~ 222-N-M)로 전달하는 2차측 권선(221b-1-1 ~ 221b-N-M)을 포함하는 콘트롤 변압기(221)를 포함한다. 여기서, 콘트롤 변압기(221)는 토로이달 코어(Toroidal Core)를 이용하여 구현될 수 있고, 콘트롤 변압기(221)의 2차측 권선(221b-1-1 ~ 221b-N-M)의 일단은 후술하는 제 3 노드에 연결된다.Each of the switching modules 220-1 to 220-M includes a plurality of primary windings 221a-1-1 to 221a (hereinafter referred to as " secondary windings ") that are connected in series to each other and are simultaneously supplied with a pulse control signal And secondary side windings 221b-1-1 to 221b-NM for transmitting pulse control signals (drive pulses) to the drive circuits 222-1-1 to 222-NM in correspondence with the primary side windings And a control transformer 221 including a control transformer 221. Here, the control transformer 221 may be implemented using a toroidal core, and one end of the secondary windings 221b-1-1 to 221b-NM of the control transformer 221 may be implemented by a third Lt; / RTI >

한편, 각각의 드라이브 회로(222-1-1 ~ 222-N-M)는 2차측 권선(221b-1-1 ~ 221b-N-M)으로부터 펄스 제어 신호를 입력받으면, 반도체 스위치 소자(S1-1 ~ SN-M)의 턴 온/턴 오프를 제어한다.On the other hand, when each of the drive circuits 222-1-1 to 222-NM receives a pulse control signal from the secondary windings 221b-1-1 to 221b-NM, the semiconductor switch elements S1-1 to SN- M) is turned on / off.

도 4에 도시된 예에서, 제어기(210)가 펄스 제어 신호(Vprimary)를 발생시켜 출력하면, 펄스 제어 신호는 복수의 스위칭 모듈들(220-1~220-M)로 동시에 입력되고, 각 스위칭 모듈에 입력된 펄스 제어 신호는 서로 직렬로 연결된 모든 1차측 권선(221a-1-1 ~ 221a-N-M)으로 제공됨으로써, 모든 반도체 스위치 소자들(S1-1 ~ SN-M)을 제어하게 된다. 이 때, 제어기(210)는 펄스 제어 신호의 펄스 폭과 반복률을 조절함으로써, 전원 공급 장치(10)에서 부하(30)측으로 전달되는 고전압 전원 펄스의 폭과 반복률 등을 제어할 수 있게 된다. 4, when the controller 210 generates and outputs the pulse control signal V primary , the pulse control signal is simultaneously input to the plurality of switching modules 220-1 to 220-M, The pulse control signal input to the switching module is provided to all the primary windings 221a-1-1 to 221a-NM connected in series with each other, thereby controlling all the semiconductor switch elements S1-1 to SN-M . At this time, the controller 210 can control the width and the repetition rate of the high-voltage power supply pulse transmitted from the power supply apparatus 10 to the load 30 side by adjusting the pulse width and repetition rate of the pulse control signal.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스위칭 모듈의 세부 구성을 도시하는 회로도이다. 도 4에서는 설명의 편의를 위하여, 하나의 드라이브 회로(222) 및 이에 연결된 콘트롤 변압기(TX1)와 반도체 스위치 소자(Q1)를 도시하였고, 도시가 생략된 나머지 드라이브 회로 및 반도체 스위치 소자와 콘트롤 변압기 등도 동일한 구성을 갖으며, 동일한 방식으로 동작됨을 주의해야 한다. 4 is a circuit diagram showing a detailed configuration of a switching module according to a preferred embodiment of the present invention. 4, one drive circuit 222 and a control transformer TX1 and a semiconductor switch element Q1 connected thereto are shown, and the remaining drive circuits and semiconductor switch elements and control transformers It should be noted that they have the same configuration and operate in the same manner.

도 4를 참조하여 스위칭 모듈의 세부 구성을 설명하면, 제어기(210)는 각 스위칭 모듈(220-1~220-M)에 설치된 콘트롤 변압기(221)의 1차측 권선(221a)에 직렬로 연결된 스위칭 소자에 펄스(VMOSFET drive)를 인가하여 스위칭 소자를 턴 온/턴 오프 시킴으로써, 콘트롤 변압기(221)의 1차측 권선(221a)에, 도 4에 도시된 바와 같은 펄스 제어 신호(Vprimary)를 인가하고, 1차측 권선(221a)에 공급된 펄스 제어 신호는 2차측 권선(221b)을 통해서 드라이브 회로(222)로 입력된다. Referring to FIG. 4, the controller 210 controls the switching of the switching transformer 221 connected to the primary winding 221a of the control transformer 221 installed in each of the switching modules 220-1 to 220- A pulse control signal V primary as shown in FIG. 4 is applied to the primary winding 221a of the control transformer 221 by applying a pulse (V MOSFET drive ) to the element to turn on / off the switching element And the pulse control signal supplied to the primary winding 221a is input to the drive circuit 222 through the secondary winding 221b.

드라이브 회로(222)의 구성을 살펴보면, 드라이브 회로(222)는, 드라이브 스위칭 소자(M1), 제 1 다이오드(D1), 제 2 다이오드(D2), 제 1 저항(R1), 제 2 저항(R2), 제 1 커패시터(C1), 제 2 커패시터(C2) 및 제너 다이오드(D4)를 포함하여 구성된다.The drive circuit 222 includes a drive switching device M 1, a first diode D 1, a second diode D 2, a first resistor R 1, a second resistor R 2 ), A first capacitor C1, a second capacitor C2, and a zener diode D4.

먼저, 드라이브 스위칭 소자(M1)는 드레인이 제 1 노드(N1)에 연결되고, 게이트가 제 2 노드(N2)에 연결되며, 소오스가 제 3 노드(N3)에 연결된다. First, the drain of the drive switching device M1 is connected to the first node N1, the gate is connected to the second node N2, and the source is connected to the third node N3.

제 2 커패시터(C2)는 일단이 제어 대상인 반도체 스위치 소자(Q1)의 게이트에 연결되고, 타단이 제 3 노드(N3)에 연결되어 반도체 스위치 소자(Q1)의 구동을 제어한다.The second capacitor C2 is connected at one end to the gate of the semiconductor switch element Q1 to be controlled and at the other end to the third node N3 to control the drive of the semiconductor switch element Q1.

제 1 커패시터(C1)는 제 2 노드(N2)와 제 3 노드(N3) 사이에 연결되어 드라이브 스위칭 소자(M1)의 구동을 제어한다. The first capacitor C1 is connected between the second node N2 and the third node N3 to control driving of the drive switching device M1.

제 2 저항(R2)은 일단이 제 1 노드(N1)에 연결되고, 타단이 상기 반도체 스위치 소자(Q1)의 게이트 및 제 2 커패시터(C2)에 연결되며, 제 1 저항(R1)은 제 2 노드(N2)와 제 3 노드(N3) 사이에 제 1 커패시터(C1)와 병렬로 연결된다. 제 1 저항(R1) 및 제 2 저항(R2)은 각각 제 1 커패시터(C1) 및 제 2 커패시터(C2)에 충전된 전압을 방전시키는 용도로서 이용된다.The second resistor R2 has one end connected to the first node N1 and the other end connected to the gate of the semiconductor switch element Q1 and the second capacitor C2, And is connected in parallel with the first capacitor C1 between the node N2 and the third node N3. The first resistor R1 and the second resistor R2 are used to discharge the voltage charged in the first capacitor C1 and the second capacitor C2, respectively.

제 1 다이오드(D1)는 상기 2차측 권선의 타단(제 3 노드(N3)와 연결되지 않은 일단)과 제 1 노드(N1) 사이에, 제 1 노드(N1) 방향이 순방향이 되도록 설치되고, 제 2 다이오드(D2)는 2차측 권선의 타단(제 3 노드(N3)와 연결되지 않은 일단)과 제 2 노드(N2) 사이에, 제 2 노드(N2)를 향하는 방향이 역방향이 되도록 설치된다.The first diode D1 is provided between the first node N1 and the other end of the secondary winding N1 so that the first node N1 is in the forward direction, The second diode D2 is installed between the second node N2 and the other end of the secondary winding (one end not connected to the third node N3) such that the direction toward the second node N2 is opposite .

제너 다이오드(D4)는 제 1 노드(N1)와 제 3 노드(N3) 사이에 연결되어, 제 1 노드(N1)와 제 3 노드(N3) 사이에 과전압이 인가되는 것을 방지함으로써, 드라이브 스위칭 소자(M1) 및 제 2 커패시터(C2) 등을 과전압으로부터 보호한다.The Zener diode D4 is connected between the first node N1 and the third node N3 to prevent an overvoltage from being applied between the first node N1 and the third node N3, The first capacitor M1, the second capacitor C2, and the like from the overvoltage.

도 5a 내지 도 5e 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스위칭 모듈의 동작을 설명하는 도면이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따를 스위칭 모듈의 동작 타이밍도이다.FIGS. 5A to 5E are diagrams for explaining the operation of the switching module according to the preferred embodiment of the present invention, and FIG. 6 is an operational timing diagram of the switching module according to the preferred embodiment of the present invention.

이하에서는, 도 5a 내지 도 6을 더 참조하여, 본 발명의 스위칭 회로의 동작을 살펴본다.Hereinafter, the operation of the switching circuit of the present invention will be described with reference to Figs. 5A to 6B.

먼저, 제어기(210)는 도 6에 도시된 타이밍도의 M1 구간동안, 스위칭 모듈 내부에서 서로 직렬로 연결된 복수의 1차측 권선(221a)과 직렬로 연결된 제어기(210) 내부의 스위치로 온 펄스(VMOSFET drive)를 인가함으로써, 도 5a에 도시된 바와 같이, 1차측 권선(221a)에 펄스 제어 신호(구동 펄스)(Vprimary)를 공급한다.First, the controller 210 generates a switch-on pulse (hereinafter, referred to as a switch-on pulse) in the controller 210 connected in series with a plurality of primary-side windings 221a connected in series with each other in the switching module during a period M1 of the timing chart shown in FIG. V MOSFET drive ) as shown in Fig. 5A to supply a pulse control signal (drive pulse) V primary to the primary winding 221a, as shown in Fig. 5A.

그러면, 1차측 권선(221a)에 공급된 구동 펄스는 콘트롤 변압기(221)의 2차측 권선(221b)으로 전달되고, 2차측 권선(221b)에 유기된 전압에 의해서, 2차측 권선(221b), 제 1 저항(R1)과 제 1 커패시터(C1) 및 제 2 다이오드(D2)를 따라서 폐루프가 형성되어, 제 1 커패시터(C1)가 충전된다.The driving pulses supplied to the primary winding 221a are then transmitted to the secondary winding 221b of the control transformer 221 and the secondary pulses 221b and 221b are generated by the voltage induced in the secondary winding 221b, A closed loop is formed along the first resistor R1 and the first capacitor C1 and the second diode D2 to charge the first capacitor C1.

그 후, 도 5b에 도시된 바와 같이, 1차측 권선(221a)에 구동 펄스가 종료되는 시점부터 도 6에 도시된 타이밍도의 M2 구간동안, 1차측 권선(221a)에 유기되는 스파이크 전압에 의해서, 제 2 권선(221b), 제 1 다이오드(D1), 제 2 저항(R2) 및 제 2 커패시터(C2)를 따라서 폐루프가 형성되어, 제 2 커패시터(C2)가 충전되고, 제 2 커패시터(C2)의 충전 전압으로 반도체 스위치 소자(Q1)가 턴 온 된다. Thereafter, as shown in Fig. 5B, during the period M2 of the timing diagram shown in Fig. 6 from the end of the drive pulse to the primary winding 221a, by the spike voltage induced in the primary winding 221a A closed loop is formed along the first capacitor C1, the second winding 221b, the first diode D1, the second resistor R2 and the second capacitor C2 so that the second capacitor C2 is charged and the second capacitor C2 The semiconductor switching element Q1 is turned on with the charging voltage of the capacitor C2.

이 때, 도 5c에 도시된 바와 같이, 제 2 커패시터(C2)에 충전된 전압이 유지되는 동안(도 6의 M3 구간 동안) 반도체 스위치 소자(Q1)의 턴 온 상태가 유지되고, 제 1 커패시터(C1)에 충전된 전압은 제 1 저항(R1)을 통해서 방전된다.At this time, as shown in FIG. 5C, the turn-on state of the semiconductor switch element Q1 is maintained while the voltage charged in the second capacitor C2 is maintained (during the period M3 in FIG. 6) The voltage charged in the capacitor C1 is discharged through the first resistor R1.

그 후, 도 5d에 도시된 바와 같이, 제 1 커패시터(C1)가 지속적으로 방전되어 사전에 정의된 레벨까지 방전되면, 드라이브 스위칭 소자(M1)가 턴 온되고, 드라이브 스위칭 소자(M1)와 제 2 커패시터(C2) 및 상기 제 2 저항(R2)이 폐루프를 형성하여, 제 2 커패시터(C2)의 충전 전압이 제 2 저항(R2)을 통해서 방전되어, 반도체 스위치 소자(Q1)가 턴 오프된다(도 6의 M4 구간 참조).5D, when the first capacitor C1 is continuously discharged and discharged to a predefined level, the drive switching element M1 is turned on and the drive switching elements M1 and M2 2 capacitor C2 and the second resistor R2 form a closed loop so that the charging voltage of the second capacitor C2 is discharged through the second resistor R2 so that the semiconductor switching element Q1 is turned off (See section M4 of FIG. 6).

제 2 커패시터(C2)가 방전되어 반도체 스위치 소자(Q1)가 턴 오프된 구간(도 6의 M5 구간)에서, 도 5e에 도시된 바와 같이, 드라이브 스위칭 소자(M1)는 턴 온 상태를 유지하며, 반도체 스위치 소자(Q1)의 게이트 전압을 풀 다운시켜, 반도체 스위치 소자(Q1)가 임의로 턴온되는 것을 방지한다. 5E, the drive switching device M1 maintains the turn-on state during the period in which the second capacitor C2 is discharged and the semiconductor switch element Q1 is turned off (section M5 in Fig. 6) , The gate voltage of the semiconductor switch element Q1 is pulled down to prevent the semiconductor switch element Q1 from turning on arbitrarily.

상기와 같은 동작을 수행할 수 있도록, 본 발명의 바람직한 실시예는 반도체 스위치 소자(Q1)로 IGBT 또는 MOSFET을 이용하였고, 드라이브 스위칭 소자(M1)로 n 채널 JFET을 이용하였으나, 상기와 같은 기능을 수행할 수 있는 구성이라면, 이러한 소자에 한정되는 것은 아니다. In order to perform the above-described operation, in the preferred embodiment of the present invention, an IGBT or MOSFET is used as the semiconductor switch element Q1 and an n-channel JFET is used as the drive switching element M1. The present invention is not limited to such a configuration.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the preferred embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

10 : 전원 공급 장치 30 : 부하
200: 스위칭 회로 210: 제어기
220-1~220-M : 스위칭 모듈 221: 콘트롤 변압기
221a-1-1 ~ 221a-N-M: 1차측 권선
221b-1-1 ~ 221b-N-M: 2차측 권선
222-1-1 ~ 222-N-M : 드라이브 회로
S1-1 ~ SN-M: 반도체 스위치 소자10: power supply 30: load
200: switching circuit 210: controller
220-1 to 220-M: Switching module 221: Control transformer
221a-1-1 to 221a-NM: Primary winding
221b-1-1 to 221b-NM: secondary winding
222-1-1 to 222-NM: drive circuit
S1-1 to SN-M: semiconductor switch elements

Claims (12)

전원 공급 장치와 부하 사이에서 전원 공급을 제어하도록, 상호 병렬로 연결된 복수의 스위칭 모듈; 및
상기 스위칭 모듈의 스위칭을 제어하는 제어기를 포함하고,
상기 복수의 스위칭 모듈 각각은
서로 직렬로 연결된 복수의 반도체 스위치 소자, 및
상기 제어기의 제어에 따라서 상기 복수의 반도체 스위치 소자를 각각 제어하는 복수의 드라이브 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 회로.
A plurality of switching modules connected in parallel to each other to control power supply between the power supply and the load; And
And a controller for controlling switching of the switching module,
Each of the plurality of switching modules
A plurality of semiconductor switch elements connected in series with each other, and
And a plurality of drive circuits for respectively controlling the plurality of semiconductor switch elements under the control of the controller.
제 1 항에 있어서, 상기 드라이브 회로는
상기 제어기로부터 콘트롤 변압기의 1차측 권선을 통해서 펄스 제어 신호(구동 펄스)를 전달받아 내부의 제 1 커패시터(C1)를 충전시키고,
상기 1차측 권선에 구동 펄스가 종료되는 시점에 상기 1차측 권선에 유기되는 스파이크 전압에 의해서, 상기 드라이브 회로에 연결된 반도체 스위치 소자에 연결된 제 2 커패시터(C2)를 충전시켜 상기 제 2 커패시터(C2)의 충전 전압으로 상기 반도체 스위치 소자를 턴 온 시키면서, 상기 제 1 커패시터(C1)의 방전을 개시하며,
상기 제 1 커패시터(C1)에 충전된 전압이 사전에 정의된 레벨까지 방전되면 상기 제 2 커패시터(C2)를 방전시켜 상기 반도체 스위치 소자를 턴 오프시키는 것을 특징으로 하는 스위칭 회로.
The drive circuit according to claim 1, wherein the drive circuit
And receives a pulse control signal (drive pulse) from the controller through the primary side winding of the control transformer to charge the first capacitor C1 therein,
The second capacitor C2 connected to the semiconductor switch element connected to the drive circuit is charged by the spike voltage induced in the primary winding at the time when the drive pulse is terminated at the primary winding, The semiconductor switch element is turned on with the charging voltage of the first capacitor C1 to start the discharge of the first capacitor C1,
When the voltage charged in the first capacitor (C1) is discharged to a predetermined level, the second capacitor (C2) is discharged to turn off the semiconductor switch element.
제 2 항에 있어서,
상기 드라이브 회로는 상기 제 2 커패시터(C2)의 양단에 연결된 드라이브 스위칭 소자가 더 포함하고,
상기 드라이브 스위칭 소자는, 상기 제 1 커패시터(C1)에 충전된 전압이 사전에 정의된 레벨까지 방전되면 턴 온되어 상기 제 2 커패시터(C2)를 방전시킴으로써 상기 반도체 스위치 소자를 턴 오프시키고, 상기 반도체 스위치 소자의 턴 오프 상태를 유지하며, 상기 제 1 커패시터(C1)가 사전에 정의된 레벨 이상으로 충전되면 오프되는 것을 특징으로 하는 스위칭 회로.
3. The method of claim 2,
The drive circuit further includes a drive switching element connected to both ends of the second capacitor (C2)
The drive switching element turns off when the voltage charged in the first capacitor (C1) is discharged to a predefined level, discharges the second capacitor (C2) to turn off the semiconductor switch element, Off state of the switch element, and is turned off when the first capacitor (C1) is charged above a predefined level.
제 2 항에 있어서,
동일한 스위칭 모듈에 포함된 복수의 1차측 권선은 서로 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 스위칭 회로.
3. The method of claim 2,
Wherein a plurality of primary windings included in the same switching module are connected in series with each other.
제 1 항에 있어서, 상기 드라이브 회로는
드레인이 제 1 노드에 연결되고, 게이트가 제 2 노드에 연결되며, 소오스가 제 3 노드에 연결되는 드라이브 스위칭 소자;
일단이 상기 반도체 스위치 소자의 게이트에 연결되고, 타단이 상기 제 3 노드에 연결되어 상기 반도체 스위치 소자의 구동을 제어하는 제 2 커패시터(C2);
일단이 상기 제 1 노드에 연결되고, 타단이 상기 반도체 스위치 소자의 게이트에 연결되는 제 2 저항(R2);
상기 제 2 노드와 상기 제 3 노드 사이에 연결되어 상기 드라이브 스위칭 소자의 구동을 제어하는 제 1 커패시터(C1);
상기 제 2 노드와 상기 제 3 노드 사이에 상기 제 1 커패시터(C1)와 병렬로 연결된 제 1 저항(R1);
상기 제어기로부터 펄스 제어 신호를 입력받는 1차측 권선 및 상기 1차측 권선에 대응되고, 일단이 상기 제 3 노드에 연결되는 2차측 권선을 포함하는 콘트롤 변압기;
상기 2차측 권선의 타단과 상기 제 1 노드 사이에, 상기 제 1 노드 방향이 순방향이 되도록 설치된 제 1 다이오드(D1); 및
상기 2차측 권선의 타단과 상기 제 2 노드 사이에, 상기 제 2 노드 방향이 역방향이 되도록 설치된 제 2 다이오드(D2);를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 회로.
The drive circuit according to claim 1, wherein the drive circuit
A drive switching element having a drain connected to the first node, a gate connected to the second node, and a source connected to the third node;
A second capacitor (C2) having one end connected to the gate of the semiconductor switch element and the other end connected to the third node to control driving of the semiconductor switch element;
A second resistor (R2) having one end connected to the first node and the other end connected to a gate of the semiconductor switch element;
A first capacitor (C1) connected between the second node and the third node for controlling driving of the drive switching element;
A first resistor (R1) connected in parallel with the first capacitor (C1) between the second node and the third node;
A control transformer including a primary winding receiving a pulse control signal from the controller and a secondary winding having one end connected to the third node and corresponding to the primary winding;
A first diode (D1) disposed between the other end of the secondary winding and the first node such that the direction of the first node is forward; And
And a second diode (D2) provided between the other end of the secondary winding and the second node such that the direction of the second node is opposite to the direction of the second node.
제 5 항에 있어서,
상기 제 1 노드와 상기 제 3 노드 사이에 연결된 제너 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 회로.
6. The method of claim 5,
Further comprising a zener diode coupled between the first node and the third node.
제 5 항에 있어서,
상기 제어기로부터 1차측 권선에 펄스 제어 신호(구동 펄스)가 인가되면, 상기 1차측 권선에 대응되는 2차측 권선에 구동 펄스가 전달되고, 상기 2차측 권선, 상기 제 1 저항과 상기 제 1 커패시터(C1) 및 상기 제 2 다이오드(D2)를 따라서 폐루프가 형성되어, 상기 제 1 커패시터(C1)가 충전되는 것을 특징으로 하는 스위칭 회로.
6. The method of claim 5,
When a pulse control signal (drive pulse) is applied to the primary winding from the controller, a drive pulse is transmitted to the secondary winding corresponding to the primary winding, and the secondary winding, the first resistor and the first capacitor C1) and the second diode (D2), so that the first capacitor (C1) is charged.
제 7 항에 있어서,
상기 1차측 권선에 구동 펄스가 종료되는 시점에 상기 1차측 권선에 유기되는 스파이크 전압에 의해서, 상기 2차측 권선, 상기 제 1 다이오드, 상기 제 2 저항 및 상기 제 2 커패시터(C2)를 따라서 폐루프가 형성되어 제 2 커패시터(C2)가 충전되고, 상기 제 2 커패시터(C2)의 충전 전압으로 상기 반도체 스위치 소자가 턴 온되는 것을 특징으로 하는 스위칭 회로.
8. The method of claim 7,
The first diode, the second resistor, and the second capacitor (C2) by a spike voltage induced in the primary winding at the time when the driving pulse ends at the primary winding, Is formed to charge the second capacitor (C2), and the semiconductor switch element is turned on by the charging voltage of the second capacitor (C2).
제 8 항에 있어서,
상기 제 2 커패시터(C2)에 충전된 전압이 유지되는 동안 상기 반도체 스위치 소자의 턴 온 상태가 유지되고,
상기 제 1 커패시터(C1)에 충전된 전압은 제 1 저항(R1)을 통해서 방전되는 것을 특징으로 하는 스위칭 회로.
9. The method of claim 8,
The turn-on state of the semiconductor switch element is maintained while the voltage charged in the second capacitor C2 is maintained,
And the voltage charged in the first capacitor (C1) is discharged through the first resistor (R1).
제 9 항에 있어서,
상기 제 1 커패시터(C1)에 충전된 전압이 사전에 정의된 레벨까지 방전되면, 상기 드라이브 스위칭 소자가 턴 온되고, 상기 드라이브 스위칭 소자와 상기 제 2 커패시터(C2) 및 상기 제 2 저항(R2)이 폐루프를 형성하여, 상기 제 2 커패시터(C2)의 충전 전압이 상기 제 2 저항(R2)을 통해서 방전되어, 상기 반도체 스위치 소자가 턴 오프되는 것을 특징으로 하는 스위칭 회로.
10. The method of claim 9,
When the voltage charged in the first capacitor C1 is discharged to a predefined level, the drive switching element is turned on, and the drive switching element and the second capacitor C2 and the second resistor R2 are turned on, So that the charging voltage of the second capacitor (C2) is discharged through the second resistor (R2), and the semiconductor switching element is turned off.
제 5 항에 있어서,
동일한 스위칭 모듈에 포함된 복수의 1차측 권선은 서로 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 스위칭 회로.
6. The method of claim 5,
Wherein a plurality of primary windings included in the same switching module are connected in series with each other.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 콘트롤 변압기는 토로이달 코어를 이용하여 구현되는 것을 특징으로 하는 스위칭 회로.12. The method according to any one of claims 1 to 11,
Wherein the control transformer is implemented using a toroidal core.
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