[ Article ]

Journal of the Korean Society of Marine Engineering - Vol. 38, No. 1, pp.48-55

ISSN: 2234-7925 (Print) 2234-8352 (Online)

Print publication date Jan 2014

Received 25 Oct 2013 Revised 17 Dec 2013 Accepted 26 Dec 2013

DOI: https://doi.org/10.5916/jkosme.2014.38.1.48

Design of the self-oscillation UV flash lamp power supply and the characteristic of its operation using self-resonance of the transformer

KimShin-Hyo¹ ; ChoDae-Kweon^†

1Research and Development Team, Korea Ship Safety Technology Authority

트랜스포머의 자가 공진(Self-Resonance)특성을 이용한 자가 발진(Self-Oscillation) UV(Ultra Violet) 발생 플래시램프 전원장치설계 및 그 동작 특성

Correspondence to: ^† Cho Dae Kweon: Research and Development Team, Sangyoung Research and New Development, Gyeongnam College of Information, 45, Jurye-ro, Sasang-gu, Busan, 617-701, Korea, E-mail: jdk9890@naver.com, Tel: 070-8845-9890

These Xenon flashlamp power supply for Ultra Violet has converter with high voltage conversion ratio. General model is composed of transformer with high voltage conversion ratio and voltage doubler rectifier circuit. Purpose of power supply leads dielectric breakdown of Xenon flashlamp and passes current rapidly. When passing current, it has to limit current to avoid over-heat, damage of electrode and acceleration of gas oxidation which are cause of performance degradation of lamps. Generally, inductors and resistors, which are called as "Ballast," are used to limit currents.

Generally, Transformer has high turn ratio to make high voltages. But we can get high voltages using the transformer with low turn ratio which is driven with self resonance. Also, an advantage of self resonance is to make a circuit simply through impedance of transformer in resonance frequency which filters output voltage. As using an unique impedance of transformer, the circuit does not need other impedance elements like the ballast. So the power supply assures high efficiency of the arc discharge.

초록

UV 발생용 플래시램프의 전원공급장치는 강력한 아크방전을 유발하기 위하여 높은 승압 비를 갖는 전압변환회로를 가지고 있다. 일반적인 구조는 높은 승압비의 트랜스포머와 배전압정류방식(코크라프트 올튼 회로 등)으로 방전관의 절연을 파괴함과 동시에 방전관에 전류를 급격히 통과시키는 방식으로 구동한다. 이 때, 제논방전관의 방전특성상 입력전류를 제한하지 않으면 방전관의 과다 발열, 전극손실, 봉입기체의 산화가속 등으로 수명저하의 원인이 되므로, 반드시 방전관에 유입되는 전류를 제한해야 되며, 이를 Ballast라 하는데 일반적으로 인덕터나 저항을 사용하여 인입전류량을 제한한다.

트랜스포머의 자가 공진(self-resonance)을 이용하면 낮은 1, 2차권선 비에도 고유주파수의 전후에서 비교적 높은 피크 전압을 얻을 수 있다. 또한 트랜스포머의 특정주파수에서 고유임피던스 성분을 이용하여 출력전압을 필터링하면 제논방전관이 자가 발진방식으로 동작하므로 종래의 회로구성보다 간단하고 경제적인 아크방전 파워 스테이지의 구성이 가능하다.

Keywords:

Self-oscillation, Self-resonance, Ultra Violet(UV), Xenon flash lamp, Power supply, 자가 발진, 자가 공진, 자외선, 제논플래시램프, 전원공급장치

1. 서 론

제논 아크방전은 매우 넓은 범위에서 응용되어지고 있으며, 대표적으로 flash photography, 고체 레이저 optical pumping과 Ultra Violet(이하 UV) 발생장치에 주로 사용되었다[1]-[4].

본 연구에서는 UV 발생용 제논플래시램프의 전원공급장치를 설계함에 있어 제논방전관의 점등 특성에서 중요한 충·방전 특성 및 이를 적절히 제어할 수 있는 회로 구조를 통하여 시스템의 크기와 구성을 간소화하여 소출력 UV 발생 장치 시스템에 적용을 목적으로 한다.

제논 플래시램프는 2~3단계의 방전 단계를 거쳐 발광을 하게 되는데, 일반적인 제논플레시 램프의 방전특성은 Figure 2와 같이 트리거를 통한 절연파괴와 동시에 아크방전을 일으키며[5], 고출력의 경우는 절연파괴, 예비 장전, 아크방전의 순서로 방전을 유지한다. 여기서 예비방전용 전원공급장치를 별도로 적용하는 것은 플래시램프의 수명과 램프의 임피던스를 감소시기 위한 목적이 있다[5][6].

아울러, UV 발생 장치에 사용되는 제논 방전의 특성은 펄스특성을 갖게 된다.

Figure 2와 같이 기존 제논 플래시 전원장치는 SCR, IGBT와 같은 대용량, 대전류 스위치를 이용하여 제논방전관에 고전압펄스를 인가하는 방식으로 점등 및 광펄스 발생률을 제어하는 방식을 적용하고 있으며, 이 방식은 시스템이 크고 특별히 구성된 제어기구와 구동 드라이버를 포함하는 반도체 스위치소자가 필수적으로 사용됨으로 시스템이 복잡화되는 원인이 된다[7]-[9].

Figure 1:

Voltage characteristics of Xenon lamp regarding discharge step

Figure 2:

Circuit for operating xenon flash lamp using strobo

Figure 3:

Circuit for operating xenon flash lamp using pulsed power stage

따라서 본 연구에서는 아크 방전을 위해 제논램프에 공급되는 전류를 Ballast(저항, 인덕터)를 통하여 제한하지 않고, 승압트랜스포머의 커패시터 기생성분과의 공진과 내부 임피던스를 이용한 구동주파수 특성에 따른 전압의 특성 변화를 이용하여 UV 발생 장치용 자가 공진방식의 제논램프 전원공급장치의 설계 방법과 그 동작특성을 소개한다[10]-[13].

2. 본론

2.1 회로 구성

안전을 고려하여 수십 Voltage(이하 V)의 저 전압 입력을 통하여 1~2kV의 피크전압으로 변환하기에 용이한 트랜스포머의 자가 공진을 이용하고, 출력 펄스발생은 트랜스포머의 고유임피던스 성분과 출력 측 충전 커패시터와의 충전 시정수를 이용하여 시간지연을 유도하며, 방전요구전압에 충분히 출력전압이 도달하면 방전관을 턴 온(turn–on) 되게 하여, 이를 스스로 연속적으로 반복하는 방식으로 광펄스를 방출하는 방법이다. 즉, 출력 측의 아크방전과 관련하여 별도의 Micro controller unit(MCU)와 스위치 구동 드라이버 등을 필요하지 않으며 소형화, 간소화할 수 있으므로 저출력 제논 플래시램프의 전원공급방법으로 적합하여 아크방전 유지 및 제어를 위한 고전압, 대전류 스트레스에 강한 고가의 SCR, IGBT와 같은 스위치 소자를 적용하지 않아도 됨으로 경제성이 고려된 구조의 회로 (Figure 10)를 제안한다.

2.2 자가 공진형 트랜스포머 설계

설계에 있어서 일반적으로는 높은 전압변환 비를 얻기 위해 1, 2차 측간의 권선 비에 의존하는 기존의 방법이 주를 이루며, 일예로 10~20V의 비교적 낮은 전압을 1~2kV의 고전압으로 승압시키는 경우, 통상 SMPS설계방식에 의하면 트랜스포머의 1, 2차간 1:100의 높은 권선 비에 의해서 기본 설계 정수가 결정된다. 또한, 1, 2차 측간 높은 권선비로 설계된 트랜스포머는 권선간 커패시터 기생용량으로부터 기인하는 부유용량이 존재하며, 이 부유용량과 트랜스포머의 1차 측 자화 인덕턴스 간에 공진을 유발하는 조건이 성립한다. 아울러 동일한 권선수로도 권선하는 방법 및 층간 절연에 따라서 내부 기생요소가 변동함은 이미 알려진 사실이다. 트랜스포머제작 시 소밀(疏密) 권선방법으로 2차 측을 권선할 경우, 조밀(稠密)한 권선방법에서 보다 기생용량이 줄어들고 커패시터 기생용량과 자화인덕턴스의 조합으로 결정되는 자가 공진 주파수는 높아지는 경향을 갖게 된다. 이와 같은 특성을 적극 이용하여 고역의 주파수에서 스위치소자를 구동할 경우 트랜스포머의 권선량을 줄일 수 있고 그로 인하여 트랜스포머의 크기가 줄어드는 장점이 있기 때문에 본 연구에서는 일반적인 구동주파수보다 다소 높은 200k~400khz에서 구동하는 용도로 트랜스포머를 설계하였다.

본 연구에서 설계하고자 하는 자가공진형 트랜스포머는 아래와 같은 식으로 일반화할 수 있다. 특히 소밀권선방법이란 Figure 6과 같이 2차 측의 권선을 1~2mm의 간격으로 권선하는 방법으로 정의하고자 한다.

Figure 4:

Equivalent circuit of the self-resonance transformer output characteristics

Figure 5:

Output waveform by self resonance according to variable frequencies. (Push-Pull topology, turn ratio 2:80, primary inductance(Lm) 3.3uH, Left:300khz/2k Vpeak, Right: 265khz/ 2.66kVpeak)

Figure 6:

Sparse winding method (1~2mm)

시중에 널리 사용되는 페라이트코어가 적용된 트랜스포머에 대한 소밀 권선법에 따른 권선비와 부유용량 (Cs)과의 관계식은 아래의 식 (1)과 같이 정리할 수 있으며 이에 따른 공진주파수는 식 (2)로 산출할 수 있다.

또한, 충전 시정수를 결정하는 중요한 인자인 트랜스포머의 임피던스는 아래와 같이 근사할 수 있다.

2.3 제논 방전관의 방전 조건

종래에는 방전관에 충분한 전류가 도통하기 위하여 예비방전 유지전압 보다 높은 전압을 출력 측의 커패시터에 충전하고, 이를 일시에 방전관에 도통하는 방식으로 아크방전을 발생시켰으나, 방전관 고유임피던스와 수명을 고려한다면 적절하지 않은 방법이라 할 수 있다. 특히 과전압을 방전관에 인가하면 강력한 아크 방전이 발생되기는 하나 예비방전의 불안정과 봉입가스의 조기 산화 및 높은 발열로 인한 관구(flashlamp)의 파손까지 유발될 수 있음으로 상기의 문제를 보완하고 최적방전을 위한 관구상태를 유지하기 위해서는 아래의 커패시터 충전전압 조건을 만족하여야 한다.

아울러, 방전을 통한 광 방출량의 조절은 상기와 같이 조절된 전압범위 내에서 충분한 커패시터용량을 통한 방전관 통전 전류량에 의해서 결정된다.

여기서, 실재 관구에 도통하는 전류량의 관계식은 다음과 같다.

식 (6)에 따라 방전관의 아크방전에 따른 고유임피던스는 방전 전류량의 변화에 의해 변화하는 것을 알 수 있으며, 종래의 주장과 달리 최대방전 전류량은 커패시터 bank의 최대축전전류량과 동일하지 않음을 알 수 있고, 방전관에 가해지는 에너지는 다음과 같이 정리된다.

또한, 충전 커패시터의 용량을 Cb라 할 때 충전정수 Vc는 아래 Figure 7과 같다.

Figure 7:

Pulse peak voltage of transformer secondary winding, Vs Driving frequency (Lm2=4.5mH, 2:80 turn)

Cb에 급전될 수 있는 전압의 최대값과 주파수와의 상관관계를 살펴보면, Figure 7에서와 같이 Cb의 충전전압 상승시간은 측정치에서와 같이 주파수 증가에 따라서 선형적으로 감소하는 패턴을 갖는다.

Figure 8:

Charging time of capacitor Vs. frequency (Cb = 34uF, Vmax = 240V, Lm2 = 4.5mH)

따라서 펄스 출력전압 Vout이 결정되어야만 출력 측 커패시터 Cb에 충전되는 전압의 시정수 t가 결정됨으로, 아래의 식 (11) 에서와 같이 표현할 수 있다.

따라서 t 에 대해서 정리하면 식 (12)와 같이 결정된다.

최대 충전시간 t는 자가 발진의 최대 주기로 정의할 수 있으며, 1/t는 방전발진 주파수 f_l로 놓을 수 있다. 다만, 설계 시 구동 주파수 f_s는 트랜스포머의 자가 공진주파수를 피하여 구동해야 돌발적인 과전압, 과전류 상태를 막을 수 있으며, 상기 출력전압 설계 공식에 따라서 구현이 가능한 점을 최적화하여 설정하여야 한다.

Figure 9:

Circuit for increasing Arc discharge voltage

Figure 10:

Power stage for operating xenon flash lamp of self oscillating

따라서 트랜스포머를 설계할 때, t를 결정하면, 그에 맞는 각 정수의 결정을 통하여 방전관을 포함한 시스템의 자가 발진주파수를 결정할 수 있는 회로구조를 가짐으로, Micro controller unit(MCU)와 스위치소자 및 스위치 드라이버의 구비를 없애거나 최소화할 수 있으므로, 시스템의 공간적, 경제적 효율을 상승시킬 수 있다는 장점이 있다.

또한, 방전전력을 종래와 같이 방전관 양단 전압을 상승시키는 방법으로 통전 전류량을 강제로 늘리는 방법을 사용하지 않고, 예비방전 유지전압과 같거나 약간 높은 전압에 커패시터 뱅크의 축전전류량을 통한 방전제어방식으로 반복되는 자가 발진방전을 통해 방전관의 수명을 향상시키고, 과전류에 따른 방전관의 높은 발열, 파괴와 같은 안전상의 문제에 있어서도 유리한 방식이라 하겠다.

3. 실험

저속 자가 발진을 이용하여, 40Hz ~ 0.2Hz 까지 다양한 충전주기를 이용한 방전특성을 실험해 보았다. 커패시터의 충전전압은 Vpeak보다 적은 값에서 충전하며, 실험에서는 무부하시 Vpeak 1.6kV에 Vc=Vsm 인 240V로 충전이 완료됨과 동시에 방전되도록 설계 및 회로정수를 부여하였다. 이때 충·방전 주기에 따른 자가 발진 주파수는 계산식과 같이 일치함을 실험을 통하여 확인하였다.

Cb값을 각각 25uF, 50uF, 110uF로 하여 자가 발진을 일으키는 충전주기 및 아크 방전개시 전압, 방전 종료 전압, 예비방전 유지 전압을 비교하여 본론의 주장과 동일함을 보였으며, 또한 방전관에서 방출되는 빛 에너지의 량을 통해서 방전개시전압을 예비방전유지전압과 동일한 값으로 유지하면서 전류량만으로 광량을 충분히 조절할 수 있음을 보였으며, 실험 결과는 다음과 같다.

Figure 11은 본 연구를 통하여 설계 및 구현한 전원장치를 통하여 예비방전(Figure 11의 하)을 시작하고, 이후 자가발진을 통하여 아크방전(Figure 11의 상)을 통한 발광을 보여주는 그림이다.

Figure 11:

Experiment of discharging the Xenon flash lamp

실험을 통하여 광출력 패턴을 파악하면, Figure 12, 13와 같이 용량의 증가에 대하여 광 펄스 출력 Peak power와 광 펄스의 Pulse Width가 증가함을 알 수 있으며, Pulse width는 용량의 증가와 함께 증가기울기가 감소하며, 광 pulse 출력은 기울기가 증가하는 패턴을 보인다.

Figure 12:

Light peak power in proportion to capacitance values.

Figure 13:

Light pulsed width in proportion to capacitance values.

4. 결 론

이상과 같은 실험을 통하여, UV 발생 시스템장치의 전원장치로 40~50pps급 제논 방전 램프용 전원공급장치가 적절함을 보였다. 특히, 방전속도를 빨리하기 위해서는 전원공급장치의 전류용량만 증가시키면 되며, 여기에 부가하여 방전관의 최대방전전류 용량에 적합하도록 커패시터 뱅크의 용량만 적절히 가변하면 전류조절과 속도조절을 동시에 달성하여, 수십 pps급의 소용량 UV 펄스 발생장치를 콤팩트하게 설계할 수 있도록 하는 하나의 방법으로 제안 한다. 아울러, 100pps급 이상의 고속발진에서도 예비방전과 아크방전이 안정적으로 유지될 수 있도록 하는 심화연구가 필요할 것으로 판단한다.

Acknowledgments

본 연구는 선박안전기술공단 자체연구사업의 연구로 수행된 연구결과임.

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