2.1 펄스 출력 증대를 위한 연구

전력용 반도체 소자 정격의 한계를 극복하여 고전압, 대전력 펄스발생을 위해 다양한 토폴로지가 제안되었고 크게 3가지 형태로 구분할 수 있다⁽¹⁾.

첫 번째는 반도체 소자를 자체적으로 직·병렬 스택킹하여 대용량 반도체 소자를 구현하고 Fig. 1의 회로와 같이 충전된 커패시터의 전압을 스위칭 하는 방식이다^(3-4). 회로가 간단한 장점으로 많이 이용된 토폴로지인 반면 신뢰성 높은 스택킹 스위치 구현을 위한 기술개발이 필수적이다. 스위치 스택킹을 위해서 소자간의 전압 밸런싱을 위한 연구와 다수의 소자를 동기 구동하기 위한 연구가 진행 되었다. 소자간 밸런싱을 위해 스너버 회로(Snubber Circuit)를 적용하는 방식이 높은 신뢰성을 가지기 때문에 일반적으로 사용되었으나 추가적인 손실을 줄이기 위해 게이트 전압의 능동제어 기법, 전압 클램프(Clamp) 회로를 적용하는 기법 등 다양한 방식이 제안되었으며 각각의 방식이 가지는 장·단점이 비교 분석되었다^(1,5). 다수의 소자 구동을 위해서는 개별 소자에 절연된 구동전력을 공급하는 것과 동기화된 구동신호를 전달하는 것이 필요하다. 회로 구성이 비교적 간단한 장점으로 소자별로 고전압 절연 변압기를 이용해 구동전력을 확보하고 광소자를 이용해 동기구동 신호를 전달하는 방식이 많이 사용되었다⁽⁶⁾. 소자수가 많아짐에 따라 많은 수의 광소자 및 케이블이 가지는 단점을 극복하기 위해 변압기를 통해 절연 구동전력과 동기 구동신호를 동시에 전달할 수 있는 방식이 구동회로와 함께 제안되어 다양한 펄스전원 토폴로지에 적용 되었다⁽¹⁾.

펄스 출력 증대를 위해 제안된 두 번째 토폴로지는 펄스 변압기를 이용해 승압하여 고전압 펄스를 발생시키는 것이다⁽⁷⁾. 충전전압 및 반도체 소자의 정격전압 이상의 펄스를 부하단에 인가할 수 있는 장점을 가지고 있어 가속기와 같은 비교적 높은 전압을 요구하는 응용분야에 주로 적용되었다. 그러나 펄스 승압을 위해 고전압 변압기를 사용함에 따라 변압기의 누설 인덕턴스(Leakage Inductance)와 기생 커패시턴스(Parasitic Capacitance)에 의한 출력펄스의 빠른 상승시간 구현의 어려움과 변압기 포화 문제로 펄스폭이 제한되는 한계가 있다.

세 번째 방식은 병렬로 다수의 커패시터를 충전하고 스위치를 통해 직렬로 구성하는 막스 제너레이터(Marx Gernerator) 구조에 반도체 스위치를 적용한 것이다⁽⁸⁾. 커패시터 충전기의 출력 전압을 증가시키지 않고도 충전커패시터와 스위치의 수만큼 펄스 출력전압을 높일 수 있는 장점을 가지고, 특히 충전전압을 단일 스위치 정격전압 이하로 사용하게 되면 전압 밸런싱을 고려한 스택킹이 필요 없기 때문에 반도체 스위치 기반 펄스전원으로 가장 많이 사용되는 방식이다.

한국전기연구원에서도 막스 방식을 기반으로 반도체 스위치 기반 펄스전원을 개발해 왔으며, Fig. 3의 개념 회로도를 통해 설명할 수 있다. 에너지 저장 커패시터(Cstorage)와 펄스 인가를 위한 스위치(SW), 그리고 바이패스 다이오드(Dbypass)로 하나의 펄스 스위칭 셀을 구성하고 셀 단위로 스택킹하여 펄스 출력전압을 증대시키는 방식이다.

Fig. 3. Conceptual diagram of solid-state pulsed power supply based on marx structure

Fig. 4. KERI’s marx based pulsed power supply

사실상 셀구조는 벅컨버터(Buck Converter)의 구성과 유사하며, 스위치의 동기가 맞지 않더라도 바이패스 다이오드의 동작으로 단일 스위치 양단 전압은 단일 커패시터 충전 전압으로 클램핑되어 높은 신뢰성을 보장할 수 있는 장점을 가진다.

이와 같은 구조적인 장점을 가지기 위해서는 다수의 커패시터를 동시에 동일 전압으로 충전하기 위한 커패시터 충전회로와 분리된 다수의 반도체 소자를 동기 구동하기 위한 게이트 구동 방식에 대한 연구가 필요하며, Fig. 3에서 볼 수 있듯이 변압기를 이용하는 방식을 제안하여 Fig. 4에 요약된 것과 같이 3가지 종류의 펄스전원을 개발하였다^(9-11).

2.2 대용량화 및 능동드룹제어 연구

반도체 소자 기반의 펄스전원 대용량화 연구는 대부분 국방, 핵융합 및 가속기 응용분야를 중심으로 수행되었다. 레일건 및 코일건 등 수십 kA 이상의 높은 전류와 비교적 낮은 반복률을 요구하는 국방응용분야에서는 주로 대용량 싸이리스터 기반의 펄스전원개발이 이루어 졌다⁽¹²⁾. 대형 핵융합 응용분야에서는 매우 높은 전력을 요구하기 때문에 저주파 변압기를 이용해 다수의 전압원을 만들고 벅 컨버터 방식을 기반으로 직렬로 연결하는 구조의 ‘Pulse Step Modulator’ 방식이 사용되었다⁽¹³⁾. 대용량 구현의 어려움을 가지고 있지만 회로적으로는 비교적 간단한 국방 및 핵융합 응용분야와 달리 가속기 기관에서는 펄스전원 대용량화와 함께 능동드룹제어 기술에 대한 연구가 활발히 진행되었다. 펄스 상승 직후의 전압과 펄스 하강 직전의 전압의 차이로 정의되는 전압드룹은 일정한 가속전압 인가가 필요한 가속기 응용에서 매우 중요한 사양으로 커패시터에 충전된 에너지를 방전하면서 높은 전력의 펄스를 부하단에 인가하는 방식과 같은 일반적인 펄스전원 구성방식을 적용하는 경우 커패시터의 전압드룹을 방지하기 위해 현실적으로 구현이 불가능한 수준의 커패시턴스가 필요한 한계가 있었다. 이러한 구현의 어려움으로 펄스 출력 전력과 동일한 DC 전원을 사용하여 DC 전압을 스위칭 하는 방식으로 일부 응용분야에서 적용되어 졌지만 높은 출력 사양의 DC 전원장치의 가격과 부피가 문제로 지적되어 능동드룹제어 기술이 연구되기 시작했다. 펄스 인가 중에 전압드룹을 보상하는 개념의 능동드룹제어 기술은 커패시터를 키우거나 DC 전원 용량을 키우는 방식대비 전원장치의 부피와 가격을 혁신적으로 줄일 수 있는 기술이다. 미국의 SLAC(Stanford Linear Accelerator Center)에서는 기본적으로 막스 방식을 기반으로 직렬로 추가 구성된 Vernier셀을 이용하는 연구를 진행하였다^(14-15). 최초의 펄스 전압 인가를 위한 셀들을 스위치를 통해 모두 직렬로 연결한 후에 전압드룹을 모니터링하여 Vernier셀 전압이 드룹을 보상하기 위해 순차적으로 더해지는 방식이다. 유럽 입자물리학 연구기구인 CERN(Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire)의 경우 Active Bouncer를 적용한 연구가 진행되었다⁽¹⁶⁾. 일정 전압드룹이 허용되는 펄스전원과 전압드룹에 상응하는 삼각파 형태의 전압을 더할 수 있는 바운서 컨버터가 직렬로 구성된 것이 특징이다. 이는 기존에 공진회로를 이용해 사인파의 일부를 삼각파로 활용하여 전압드룹을 보상하는 Resonant Bouncer 개념을 확대발전 시킨 것이다⁽¹⁷⁾. 미국과 유럽의 가속기 연구기관을 중심으로 연구된 능동드룹제어 기술은 펄스전원 관련 기업을 통해 상용화 연구가 진행 되었다^(18-19).

한국전기연구원은 드룹 Compensator 개념을 적용하여 Fig. 5와 같이 능동드룹제어기술을 개발하였다.

Fig. 5. Conceptual diagram of KERI’s active voltage droop technology

Fig. 6. KERI’s pulsed power supply with active voltage droop control

펄스전원의 대용량화를 위한 충전기술 및 장펄스 구동 기술을 연구하여 40kV, 50kW급 펄스전원을 개발하였다^(20-21). 개발된 펄스전원과 삼각파 출력이 가능한 드룹 Compensator를 직렬 구동하고 제어함으로써 Fig. 6과 같은 사양의 능동드룹제어 가능한 펄스전원장치 개발에 성공하였다.

2.3 출력 펄스의 고속화 연구

출력 펄스의 상승 및 하강시간, 펄스폭을 단축하고 반복률을 MHz까지 높이는 등 펄스의 고속화 연구는 플라즈마를 비롯한 레이져, 가속기 응용에서 지속적인 수요가 있었다. 반도체 소자의 스위칭 특성의 한계로 펄스폭 단축을 위해서 주로 펄스압축회로를 적용한 연구가 많았으며, Fig. 1의 우측과 유사한 구성으로 다이오드의 reverse recovery특성을 이용한 SOS (Semiconductor Opening Switch) 기반의 펄스전원이 연구되었다⁽²²⁾. 클로징 스위치를 적용한 구조에서는 반도체소자 게이트 구동전압과 펄스의 상승시간의 관계를 실험적으로 분석하여 고속펄스 발생을 위한 연구도 진행 되었다⁽²³⁾.

Fig. 7. Circuit diagram of high speed pulsed power supply based on modular structure

Fig. 8. KERI’s high speed pulsed power supply based on modular structure

반도체 소자 기반의 펄스전원 고속화 연구는 SiC 소자 기술의 발전과 함께 가속화 되었다. SiC-MOSFET이 가지는 작은 기생 커패시턴스 성분과 빠른 스위칭 특성, 낮은 턴온 저항 값 등의 장점을 펄스전원 개발에 적용하기 위해 소자의 정격전류보다 높은 조건에서의 SiC 소자 구동 및 동작특성 분석에 관한 연구가 진행되었다^(24-25). 최근 LTD(Linear Transformer Driver)를 기반의 펄스전원원과 막스 기반의 펄스전원에 SiC 소자를 적용하여 빠른 상승시간을 달성하기 위한 연구가 진행되고 있다^(26-27).

한국전기연구원에서는 SiC 소자를 적용하여 펨토 레이져 응용을 위해 6ns이하의 상승 및 하강시간, 최소 펄스폭 10ns, 최대 반복률 1MHz 사양의 5kV급 고속 펄스전원을 개발하였다⁽²⁸⁾. 또한 Fig. 7의 회로구성과 같이 막스 방식의 펄스 전원 개념을 발전시켜 펄스전원의 고속화와 모듈화 기술을 연구하여 Fig. 8과 같은 모듈형 고속펄스전원 개발에 성공하였다. 펄스전원 모듈화를 위해 Fig. 7과 같이 하나의 DC 전원으로부터 충전다이오드(Dcharging)와 오프스위치(SOFF)를 통해 다수의 커패시터(CS)를 병렬로 충전하고 펄스 인가를 위한 스위치(SON)를 턴온시켜 모든 커패시터를 직렬로 구성하여 고전압 펄스를 인가하는 방식을 제안하였다. 이러한 구조는 부하와 병렬로 연결되는 것으로 등가화 되는 오프스위치를 펄스하강 시점에 턴온 시킴으로써 빠른 펄스 하강시간을 달성할 수 있는 것과 스위칭 셀의 추가하여 병렬 충전이 용이하여 전압을 높일 수 있는 장점이 있다.