고전압 디스크 커패시터를 사용한 반파 전압 배가기/4배 배가기 및 엑시머 레이저 시스템

레이저 시스템은 특히 전력 전달 회로에서 구성 요소에 극심한 요구를 부과할 수 있습니다. 에너지 저장 + 방전을 위한 과정에서는 높은 정전 용량, 낮은 손실 계수 등을 가지는 디스크 커패시터가 훌륭한 선택입니다. 이 기사에서는 최대 50kV까지 고전압 애플리케이션에 사용되는 Vishay의 최신 디스크 커패시터 기술 개요를 확인할 수 있습니다.

소개

고전압 디스크 커패시터는 최대 50kV의 작동 전압 능력, 5000pF 이상의 용량, 낮은 인덕턴스, 그리고 0.5% 이하의 손실 계수(DF)가 필요한 여러 응용 분야에서 사용됩니다. 이 백서에서는 레이저 시스템 응용 분야에서 에너지 저장 및 방출을 위한 이러한 커패시터의 사용에 중점을 둘 것입니다. 또한, 2개의 다이오드, 2개의 커패시터, 그리고 AC 입력 전압원이 구성 요소인 전압 승수 회로인 반파 전압 배가기에 대해 논의할 것입니다. 이 회로는 X-레이 시스템, 고전압 전원 공급장치, 입자 가속기, 이온 펌프 등 다양한 응용 분야에서 사용되며, 출력 전압 크기는 입력 전압 크기의 두 배에 달합니다. 이와 더불어, 추가적인 다이오드-커패시터 단계를 포함하는 전압 4배 회로에서의 사용도 탐구할 것입니다.

하프 웨이브 전압 배가기

반파 전압 배가기의 회로도는 아래 그림에 나와 있습니다. 양의 반주기 동안 다이오드 D1은 순방향 바이어스가 되어 전류가 흐릅니다. 이 전류는 커패시터 C1으로 흐르며 입력 전압 VM의 피크 값까지 충전됩니다. 그러나 다이오드 D2는 역방향 바이어스되어 있기 때문에 커패시터 C2로는 전류가 흐르지 않습니다. 따라서 다이오드 D2는 커패시터 C2로 흐르는 전류를 차단합니다. 따라서 양의 반주기 동안 커패시터 C1은 충전되고 커패시터 C2는 충전되지 않습니다.

부정 반주기 동안, 다이오드 D1은 역바이어스 상태가 됩니다. 따라서, 부정 반주기 동안 캐패시터 C1은 충전되지 않습니다. 그러나 캐패시터 C1에 저장된 전하(Qm)는 방전됩니다. 부정 반주기 동안에는 다이오드 D2가 순방향 바이어스 상태가 되며, 입력 전압 VM과 캐패시터 C1 전압 VM이 C2 캐패시터에 더해지므로 캐패시터 C2는 2 VM 값으로 충전됩니다. 따라서, 부정 반주기 동안 캐패시터 C2는 입력 공급 전압 VM과 캐패시터 C1에 저장된 전압으로 충전됩니다.

결과적으로, 캐패시터 C2는 2 VM으로 충전됩니다.

출력단에 부하가 연결되어 있는 경우, 캐패시터 C2에 저장된 전하(2 VM)는 방전되어 출력으로 흐르게 됩니다.

다음 긍정 반주기 동안, 다이오드 D1은 순방향 바이어스 상태가 되고 다이오드 D2는 역바이어스 상태가 됩니다. 따라서, 캐패시터 C1은 VM으로 충전되며 캐패시터 C2는 충전되지 않습니다. 그러나 캐패시터 C2에 저장된 전하(2 VM)는 방전되어 출력 부하로 흐르게 됩니다. 이로써, 반파 전압 승압기는 2 VM의 전압을 출력 부하로 전달합니다.

설계 예제

다이오드: 2CL74

커패시터: HVCC103Y6P202KEAX

VM = 1000 V피크 입력일 때: Vo = 2(1000 V) = 2 kV

추가 단계 추가 - 전압 4배 배율 회로

전압 4배 증폭기는 전압 2배 증폭 회로에 다이오드-커패시터 단계를 하나 더 추가하여 얻을 수 있습니다. 따라서 이 구성으로 초기 전압 2배 증폭기에 N개의 단계를 추가하여 Vo = VMN의 출력 전압을 얻을 수 있습니다. 여기서 N은 추가된 단계의 수를 나타냅니다. 회로 작동은 다음과 같습니다. 입력 AC 신호의 첫 번째 양의 반주기 동안, 다이오드 D1은 순방향 바이어스 상태가 되며, 다이오드 D2, D3, D4는 역방향 바이어스 상태가 됩니다. 따라서 다이오드 D1은 전류를 통과시킵니다. 이 전류는 커패시터 C1으로 흘러가며 입력 전압 VM의 최대값으로 충전됩니다.

첫 번째 음의 반주기 동안, 다이오드 D2는 정방향 바이어스 상태가 되고 다이오드 D1, D3, 및 D4는 역방향 바이어스 상태가 됩니다. 따라서 다이오드 D2는 전류를 통과시킵니다. 이 전류는 커패시터 C2로 흐르게 되어 이를 충전합니다. 커패시터 C2는 입력 신호의 최대 전압의 두 배인 전압(2 VM)으로 충전됩니다. 이는 커패시터 C1에 저장된 전하(VM)가 음의 반주기 동안 방전되기 때문입니다. 따라서 커패시터 C1의 전압(VM)과 입력 전압(VM)이 커패시터 C2에 더해집니다. 커패시터 전압 + 입력 전압 = VM + VM = 2 VM. 결과적으로 커패시터 C2는 2 VM으로 충전됩니다.
두 번째 양의 반주기 동안, 다이오드 D3는 정방향 바이어스 상태가 되고 다이오드 D1, D2, 및 D4는 역방향 바이어스 상태가 됩니다. 다이오드 D1은 C1과 D1의 노드에서 C1에 걸린 전압 VM 때문에 전압이 음수가 되어 역방향 바이어스 상태가 됩니다. 또한 다이오드 D2와 D4는 그들의 방향 때문에 역방향 바이어스 상태가 됩니다. 결과적으로, 커패시터 C2에 걸린 전압(2 VM)이 방전됩니다. 이 전하는 커패시터 C3로 이동해 이를 2 VM의 동일한 전압으로 충전합니다.
두 번째 음의 반주기 동안, 다이오드 D2와 D4는 정방향 바이어스 상태가 되고, 다이오드 D1과 D3는 역방향 바이어스 상태가 됩니다. 결과적으로, 커패시터 C3에 저장된 전하(2 VM)가 방전됩니다. 이 전하는 커패시터 C4로 이동해 이를 동일한 전압(2 VM)으로 충전합니다.
커패시터 C2와 C4는 직렬로 연결되어 있으며, 출력 전압은 이 직렬로 연결된 커패시터 C2와 C4에 걸린 전압을 기준으로 측정됩니다. 커패시터 C2에 걸린 전압은 2 VM이고, 커패시터 C4에 걸린 전압도 2 VM입니다. 따라서 총 출력 전압은 커패시터 C2 전압과 커패시터 C4 전압의 합과 같습니다.
2 VM + 2 VM = 4 VM = VO
설계 예
다이오드: 2CL74

커패시터: HVCC103Y6P202KEAX

VM = 1000 V 피크 입력일 때, 우리는 다음을 얻습니다: VO = 2(1000 V) + 2(1000 V) = 4 kV

엑시머 레이저

엑시머 분자에서 레이저 작용은 결합된(연관된) 들뜬 상태를 가지지만 기저 상태는 반발적인(분리된) 상태를 가지기 때문에 발생합니다. 제논과 크립톤 같은 귀금속 가스는 매우 불활성이며 일반적으로 화학 화합물을 형성하지 않습니다. 하지만 전기 방전이나 고에너지 전자빔에 의해 들뜬 상태가 되었을 때, 자신들끼리(엑시머) 또는 플루오린과 염소 같은 할로겐(엑시플렉스)과 임시로 결합된 분자를 형성할 수 있습니다. 이 들뜬 화합물은 자발적 또는 자극 방출을 통해 초과 에너지를 방출함으로써 강한 반발력을 가진 기저 상태 분자를 생성합니다. 이 분자는 매우 빠르게(피코초의 시간 안에) 두 개의 결합되지 않은 원자로 분리됩니다. 이렇게 해서 인구 반전(population inversion)이 형성됩니다.

들뜬 상태를 전기 방전으로 시작하는 경우, 기본 회로 구성은 아래와 같습니다. 여기서 저장 커패시터, 일반적으로 저장 뱅크가 플래시 램프에서 사용됩니다.

언급된 커패시터 뱅크는 Vishay의 715C 시리즈 클래스 2 세라믹 디스크 커패시터로 구성할 수 있으며, 적절한 커패시턴스 값, 전압 등급, 및 세라믹 타입을 선택하여 사용하면 됩니다.
펄스 애플리케이션에서 커패시터를 충전하는 가장 일반적으로 사용되는 방법은 완전 방전 및 부분 방전입니다. 완전 방전은 말 그대로 커패시터를 각 사이클마다 0으로 방전시키는 것을 의미합니다. 이후 전원 공급 장치가 작동되고, 커패시터는 설정된 전압으로 충전되며 방전 사이클을 반복합니다. 고전압 스위치는 일반적으로 SCR(Silicon Controlled Rectifier)이나 더 높은 전압 애플리케이션의 경우 Thyraton이 사용됩니다.
부분 방전 방식은 반도체 스위치를 활용하여 커패시터에서 부하로 방전을 켜거나 끄도록 합니다. 이를 통해 설계자는 펄스 폭 및 전달되는 에너지를 조절할 수 있습니다. 지정된 커패시터는 보통 충분히 큰 용량을 가지고 있어 특정 사이클에서 커패시터로부터 추출되는 에너지가 소량에 불과합니다. 따라서 “부분 방전”이라는 이름이 붙은 것입니다. 두 경우 모두 표준 공식을 사용하여 전원 공급 장치 크기를 확인하고 충전 시간을 계산할 수 있습니다. 애플리케이션에 필요한 에너지 양을 추산하는 가장 간단한 방법은 이러한 공식을 사용하는 것입니다.
설계 예: 2.5 kV 펄스
전원 공급 장치: Lumina CCPF-1500-XX

커패시터: Vishay 715C10KTD80

8000 pF의 커패시터 20개로 구성된 은행을 사용하는 시스템에서, 우리는 C = 0.16 μF입니다. 또한, 이 커패시터 뱅크를 2.5 kV로 충전하면 펄스당 에너지는 다음과 같이 계산됩니다:

에너지/펄스 = 1/2 CV² = 0.5(1.6 x 10^-5F)(2500 V)² = 50 J

커패시터는 충전된 후 시스템의 플래시 램프로 방전됩니다. 이 충전/방전 과정의 빈도가 반복 주기(repetition rate, rep rate)입니다. 따라서 충전률은 다음과 같이 계산됩니다:

충전률 = (에너지/펄스)(반복 주기)

여기서:

C는 커패시터의 용량(패럿 단위)

V는 요구되는 충전 전압

Rep-rate는 Hz 단위의 반복 주기입니다.

20 Hz 시스템의 경우, 위에서 계산한 펄스당 에너지를 적용하면:

충전률 = (50 J)(20 Hz) = 1000 J/s

이 공식은 대기 시간(설정 시간)을 고려하지 않았으며, 대기 시간이 대부분의 시스템에서 필요합니다. 따라서, 저빈 주기 응용 프로그램에서는 약간 더 큰 전원 공급 장치를 선택하는 것이 가장 좋습니다. 이 경우, 1500 J/s 전원 공급 장치가 적합한 모델일 것입니다.

부분 방전 응용의 경우, 커패시터가 방전하도록 허용된 시간이 설정 전압으로 커패시터를 재충전하는 데 필요한 에너지를 결정합니다. 펄스 폭은 수백 마이크로초에서 수십 밀리초까지 다양할 수 있으며, 이는 이에 상응하는 전압 강하를 유발합니다. 일반적으로 재충전 에너지는 다음 공식으로 계산할 수 있습니다:

E_Recharge = 1/2C (V²_max - V²_d)

여기서:

V_max는 최대 전압

V_d는 가장 낮은 드룹(droop) 전압입니다.

이제, 위 시스템에서 전압이 1 kV로 떨어지는 것을 가정하면:

E_Recharge = 0.5(1.6 x 10^-5F)((2500)² - (1000)²)=42 J

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