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慶北大學校 工學碩士學位論文

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孫 錀 奎

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論文 工學碩士 學位論文 提出

産業大學院 産業工學科 電氣工學專攻

孫 錀 奎

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2008年 06月

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委員

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다 또 감시도 공 나 만 등에 마약 비

등 감지 는 에 사 것 특 검사 가 식

지 않는 상태 감시 므 사 야 가능 도 크게 어들

것 다 그러나 라헤 빔라 내 어 고

에 고 는 실 다 포 가 연 에 는

라헤 빔 라 가 고주 폭 원 사

는 듈 계 시험 내 룩 고

- 2 -

에 라헤 생 짧 주

태 안 빔 압 는 가 에

원 우 들림 없어야 고 시간 운 재 는 사

양 다

본 연 동 연 는

1 안 빔 압 얻 고 고 원 계

시험 산 달 심 보 고

2 압 안 도 50 kV에 plusmn5 V가 도 어 는 어 과

어 체 개 는 것 다

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- 3 -

12 연 내 과

본 에 는 라헤 빔 얻

사 는 듈 계 시험에 내 에

연 다

라 헤 빔 라 직 원 공 는 고 압 원

만드는 듈 트랜 포 가 어 다 빔 라

비 에 고 다 산

고 계 는 어 과 시에 것 살펴보고

듈 계에 어 고 야 사 는

1 고 압 과 비닛사 연에 계 계

에 는

2 상 생 는 과 과 압 과 단락사고

에 보 보 계 시 고

본 연 는 료 야 미지 60 MeV

빔가 에 빔 사 는 계 여 다양

사 에게 빔 사 비 공 는 것 고 다 근

내 산 연에 도 빔 야 식 여 빔

사 에 가 많다 그러나 십 MeV 빔 사

는 업 나 등에 감당 어 울 도 많 비 드는

단 다 라 본 연 는 빔 가 사 에

원 계 시험 통 상 고 안 도 개 고

- 4 -

가 빔 라 에 는 라헤 듈 능

11에 보여주고 다

Parameter Valve

RF pulse width [] 17

Pulse repetition rate [Hz] 60

Peak RF Power [MW] 55

Beam voltage stability [PPM] 100 RMS

Klystron Toshiba E3712 klystron or equivalent

Pulse transformer step up ratio 17

11 라헤 듈 사양

Table 11 Specification of fs-THz module

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- 5 -

Ⅱ 계

21 S- 드 듈 시

211 계 RF 시

라헤 빔 라 RF GUN과 2 m 가

2개 가 사 고 다 주 는 S- 드 2856 MHz

사 다 RF 다 드 타 열 극 갖는 드

애 드 간에 RF 가 고 드 극에 주

어난다 가 는 클라 트 에 폭 RF

워 가 사 게 고 폭 17 다 그림 21

빔 라 시 보여주고 다 RF가 에 에

지는 1에 나타내었고 운 주 는 60 Hz 다

Parameter Value

Beam energy [MeV] 60

Beam charge [nC] 02-05

Beam Emittance [mm-mrad] lt 5

Bean Length

Before chicane [ps] 03 - 2

After chicane [fs] 50 - 150

21 라헤 빔 라 계 라 타

Table 21 Design parameter of fs-THz beam line

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- 6 -

그림 21 빔 라

Fig 21 Femto second beam line composition

그림 22 극 RF

Fig 22 Photocathode RF electron gun

- 7 -

그림 22는 포 드 RF 나타내었다 직 사 는

드 극에 압 가 열 생 고 드

애 드 극 간에 -80 kV 상 가 압 가 여 계에

가 도 어 다 RF 가 압 신에 RF 가 고

극 에 주 여 생 게 다 21

가 빔 라 타 것 다

Beam Parameter Value

Average energy [MeV] 566

Energy Spread [] 065

Bean Length [fs] 412

Transverse Emittance [mm-mrad] 165

Beam Size(x y) [mm] 134 134

22 Z=15 Cm 빔 라 타Table 22 Beam parameter at the Z =15 Cm(gun exit)

212 S- 드 RF 시

원 생 는 듈 원 압 승압

직 원 변 여 다 직 원 생

커 시 에 압 고 싸 라트 폐

여 변압 여 승압 압 클라 트 브

에 가 게 다 클라 트 에는 신 RF신 가 여 드

애 드 간 가 압 압에 신 RF신 가 폭

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- 8 -

다 폭 신 는 가 고 에 사 가 RF

폭 마 크 웨 브 에 가 어난다 RF 사 주

는 2856 MHz S- 드 고 폭 사 는 클라 트

40 도 다 클라 트 브에 에 지 공 는 듈

는 브 고 량 계 야 다 라

압 고 압 RF 워 변 는 변 듈

에 는 략 67 도 다 라 변 지 못 에 지

는 실 에 당 고 에 직 변 는 실

는 계 변압 상승시간과 강시간 빠 게 계 변

상 다

그림 23 RF 시 변 원리

Fig 23 Conversion principle of RF system

변압 누 는 상승시간에 미

에 게 계 는 것 심 다 는 평탄 만 사

므 실 변 에 어 상승시간과 강시간 실 에 당 다

라 실 변압 상승시간과 강시간 빠

게 는 것 계 심 다

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- 9 -

Ⅲ 계 특징

31 듈

311 계 특징

듈 는 공 원 식에 라 라 타 과 드타 고

여 는 라 타 원 사 는

변 가 다 는 클라 트 폭 사 므

드 극에 가 는 압과 그 는 결 다 원과

는 변압 연 고 시 사양 결 는 것 변압

비 결 는 것 시 게 다 시 계에

변압 에 압과 에 는 값 계산 여

에 사 는 커 시 격 압과 에 사양 결

게 다 그림 31 시 변압 비에 PFN커

시 양단에 가 는 압 크 도식 것 다 그

림31에 보듯 상 시 는 커 시 는 압 내압 50 kV

감안 다 변압 1 압크 계 보 다

라 사 가능 커 시 고 나 1 압크 에

변압 비 다 본 시 에 는 1 17 비 갖

는 변압 다

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- 10 -

Pulse Transformer N [Turn]

12 13 14 15 16 17 18 19

PF

N V

olta

ge [

kV

]

40

45

50

55

60

Dis

char

gin

g C

urr

ent

[A]

5500

6000

6500

7000

7500

8000PFN voltage [kV]

Discharging Current [A]

Voltage Limit

Operating Point

그림 31 변압 비에 압

Fig 31 Voltage and current plotted as a function of the pulse

transformer turn ratio

312 시 계

듈 내 는 다 는 고

압 원 에 지 는 PFN(Pulse Forming Network) 포

는 원 고 는 생 는 싸 라트

변압 클라 트 지 말 다

고 식에 듈 는 그림 32에 보 는 같 고

압 압원 VG 공진 LC 통 커 시 ZPFN 에

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- 11 -

다 커 시 에 는 압 주어진 식

(31)(32)과 같다

i PFN=V DC

ωL Csinωt (3 1)

V PFN=1

C PFN

⌠⌡

t

0i PFN dt=V DC(1- cosωt) (3 2)

ω=1

L CC PFN

RF 폭 에 가 는 생 압 3상 압 승

압변압 사 여 고 압 변 게 다 고 압 다

드에 직 압 변 후 거쳐 커 시 에

다 직 압 운 상태에 라 가변 압 압

단에 3상 상 어 사 다 상 어는 도체 싸

리 사 여 어 각에 통 어 크

압 생 다 어 시에 생 는 크 압 단 승압변

압 상 어 사 에 2 mH 3상 직 사 다[2] 상 주

60 Hz 사 므 나 크 가 커 공간 많 지

게 다 라 듈 는 에 직 원 가 지

는 비 체크 50 도 다 가 에 사 는 변 시

듈 는 다 사 므 공간 약 다

도체 달과 빠 진보 주

가능 여 직 원 가 19 랙에 는

아 다

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- 12 -

그림 32 듈 도

Fig 32 A modulator electrical circuit

그림 33 압과

Fig 33 Charging voltage and charging current waveform

- 13 -

그림 32는 고 생 는 듈 도

나타내었고 승압변압 승압 비만큼 고 압 통 직

원 커 시 에 게 다

그림 33 과 PFN커 시 에 는 압

안 도 시 것 다 압 안 도 게 de-Q`ing

사 동 시에 2 에 는

시 압 보여주고 다[3]

고압 에 어 가 큰 들 원

듈 경우는 만 남게 어 고 사

보다 크 다 31 원 듈

사양 보여주고 다

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- 14 -

  Klystron Designed

System Peak RF Power Prf-peak (MW) 656

Parameters Tube Efficiency Eff () 406

Tube Pulse Width Tp (usESW) 17

Beam Voltage Vk (kV) 370

  Beam Current Ik (A) 430

Average Collector Power (kW) 389

Klystron Perveance k (micro) 194

  Klystron Impedance Zk (Ohm) 8467

Design Maximum Reputation Rate f (Hz) 60

Guideline  Minimum Turn Ratio n 148

     

  Modulator  

Design Modulator Pulse Width Tp (usESW) 47

Variables Design Turn Ratio n 17

Impedance Mismatch M () 00

Parallel PFN NO Kpfn 20

PFN Stage Npfn 150

PFN Peak Power Pm (MW) 1617

Pulse Energy (Joule) 7599

PFN Impedance Zpfn (Ohm) 29

PFN Voltage Vpfn (kV) 435

PFN Capacitance Cpfn-t (uF) 080

PFN Inductance Lpfn-t (uH) 69

PFN Capacitor Cpfn (nF) 501

Capacitor RMS Current Icrms (A) 279

  PFN Inductor Lpfn (uH) 14

Thyratron Peak Anode Current Ib (A) 74290

RMS Current Irms (A) 1248

  Inverter  

Inverter Average Charging Power Pch-av (kW) 4560

System Charging Current Ich (A) 22

  Average Charging Current Ich-av (A) 21

31 클라 트 듈 계사양

Table 31 Design parameter of klystron modulator

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- 15 -

그림 34는 새 게 안 직 원 듈

나타내고 다 직 원 리 거 크 과

커 시 공진 킹 크 등 체 가 큰

들 사 고 다 들 들 시 는 어

공간 지 고 다 새 게 안 안 시 에 는 직

가 능 신 고 어 직 원 여 트 다

그림 34 듈 다 어그램

Fig 34 Electrical circuit diagram of modulator

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- 16 -

32 링과 시뮬

321 링

시 계 검 는 단계 계가 료 등가 나타

내고 컴퓨 사 사 실시 다 산 사에 고 압 듈

포 체 등가 여 그림 35에 나타내었다

클라 트 RF 폭 는 I P= αtimesV15P [A] 드 애

드 간에 가 는 압 15승에 비 다 산 사에 는 사

는 클라 트 등가 는 식 등가 링 다

컴퓨 산 사에 는 실 운 에 생 는 단락시험과

보 계 에 내량과 압 등 평가 게 다

사 는 클라 트 극과 양극 간에 가 는 압과

값 계산 다 원 듈

연 는 변압 사 다 에 지 는

는 폭 생 가변 커 시 여

사 게 는 특 는 같 값 가지도 계 여야

가 는 동안 원 가 직 어

에 압 어난다 변압 는 변압 1 에

가 압 승압비 만큼 승압 압 공 게 다 같

원 가 동 값 었 에 지

달 다 같 원 간 에 민감

는 식 라 타 라고 다 가 원

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- 17 -

보다 크게 역 매 라 고 경우

는 매 라 다 개 경우는 매 도

계 다

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- 18 -

그림 35 산 사 등가

Fig 35 Equivalence circuit for simulation

- 19 -

322 클라 트 브 등가

산 사에 클라 트 브 링 식 변 여

사 다 변압 등가 고 2 1

여 변 다 그림 3 5 다 그림 3 7

클라 트 브 빔 식 여 나타낸 것 다

R P=R K

N2 =

V K

I K

N2 =

V K

KV 15K

N2 =

1

N2KV

05K

=

1

N2K(SNV

05P )=

1

S05N25KV

05P

[Ω]

(3 3)

I P=V P

R P=S 05N 25KV 15

P [A] I P= αtimesV15P [A] (3 4)

α=N 25KS 05 (3 5)

Klystron tube Modeling(PSiM 60)

Rk = Klystron impedance

N = PT step-up ratio

Vk = Klystron voltage

Ik = Klystron current

K = Klystron perveance

S = Scale factor

Example) N= 17 K=18 u s=1 α=000109

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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- 27 -

그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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- 28 -

Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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- 30 -

그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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[7] J S Oh S D Jang Y G Son M H Cho W Namkung

Development of a Capacitor-Charging Power Supply for a Smart

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[8] Y G Son S D Jang J S Oh Design of a High-Voltage

High-Power Resonant Inverter Power Supply using IsSpice The

KoreanInstitute of Power Electronics pp160-164 Konkuk

University Seoul Korea June 14 2002

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Control and Zero-Current Switchingrdquo IEEE Transactions on

industrial electronics VOL38 NO6 1991

[10] F E Terman Radio Engineers Handbook pp 53-55 McGraw-Hill

New York 1943

[11] E B Rosa and F W Grover Bur Standards Bull Vol 8 p

119 1917

[12] Study on Smart Modulator for Large-Scale e+e- Linear

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공 과 사 (1999)

[13] H A Wheeler Simple Inductance Formulas for Radio Coils

Proceedings of the IRE Vol 16 p1398 October 1928

[14] ldquo 신 워공 rdquo 내 사 2003

[15] The English Electric Valve Co Hydrogen Thyratron Product Data

1966

[16] C A Pirrie et al Thyratron and Modulator Design

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July 2 1998

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Vol E pp2167-2169 1999

[18] A R Donaldson A Hybrid Anode Reactor for the SLAC

Modulator Conference Record of the 1994 Twenty-First

International Power Modulator Symposium pp 136-139 1994

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Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

Electron Laser Conference (FEL2005) Stanford University CA

USA August 21 - 26 2005

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
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孫 錀 奎

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2008年 06月

委員長

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委員

慶北大學校 大學院委員會

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목 차

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Ⅱ 계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

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그림 320 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

그림 321 커 시 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

그림 322 S- 드 듈 가변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

그림 323 싸 라트 주변 도(CX2412X E2V) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

그림 325 승압 변압 등가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

그림 326 변압 (117) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot50

그림 327 변압 등가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 328 듈 등가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot53

그림 329 역 압 지 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot54

그림 330 단 과 다 드 결 도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot55

그림 331 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58

그림 332 R-C middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot59

그림 333 듈 내 ( ) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot60

그림 334 듈 어 도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot61

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot62

그림 336 병 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot64

그림 337 시간에 크 결 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot66

그림 338 시간에 원 량 크 결 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot66

그림 339 듈 시 등가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot67

그림 340 1 압

(Upper charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10 Vdiv) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot68

그림 41 폭

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification Zpfn =304 Ohm) middotmiddotmiddot70

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 ) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot71

- v -

그림 43 클라 트 비언 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot72

그림 44 압 35 kV에 시

리 압 34 V middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot73

- vi -

11 라헤 듈 사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

21 라헤 빔 라 계 라 타 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

22 Z=15 Cm 빔 라 타middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

31 클라 트 듈 계사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

32 원 사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

33 커 시 사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

34 각 특 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

35 L-4888 싸 라트 사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

36 트랜 포 계 라미 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot52

37 시간에 동 간 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot63

- 1 -

11 연 동

라헤 는 마 크 사 에 여 는 01-10 THz

마 크 나 가 과 없는 질 게 과 고 에

는 특 가지고 다 또 라헤 는 에

보 질 과 갖는 단 역에 고 실 에 보

가능 공간 능 여 질 시 미지 얻는 가

능 다 또 과 똑같 식 취 운 도 어

사경 등 사 여 계 거나 공간 내

거리 여 동 또는 운 시키는 것도 가능 다 그리고 근

진단 미지 진단 시 다양 가능 안

고 다[1] 라 가 시 야는 암 견

상연 비 단 료 야 도체 결 에 비 연

그리고 경과 비 등 것 망

다 또 감시도 공 나 만 등에 마약 비

등 감지 는 에 사 것 특 검사 가 식

지 않는 상태 감시 므 사 야 가능 도 크게 어들

것 다 그러나 라헤 빔라 내 어 고

에 고 는 실 다 포 가 연 에 는

라헤 빔 라 가 고주 폭 원 사

는 듈 계 시험 내 룩 고

- 2 -

에 라헤 생 짧 주

태 안 빔 압 는 가 에

원 우 들림 없어야 고 시간 운 재 는 사

양 다

본 연 동 연 는

1 안 빔 압 얻 고 고 원 계

시험 산 달 심 보 고

2 압 안 도 50 kV에 plusmn5 V가 도 어 는 어 과

어 체 개 는 것 다

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- 3 -

12 연 내 과

본 에 는 라헤 빔 얻

사 는 듈 계 시험에 내 에

연 다

라 헤 빔 라 직 원 공 는 고 압 원

만드는 듈 트랜 포 가 어 다 빔 라

비 에 고 다 산

고 계 는 어 과 시에 것 살펴보고

듈 계에 어 고 야 사 는

1 고 압 과 비닛사 연에 계 계

에 는

2 상 생 는 과 과 압 과 단락사고

에 보 보 계 시 고

본 연 는 료 야 미지 60 MeV

빔가 에 빔 사 는 계 여 다양

사 에게 빔 사 비 공 는 것 고 다 근

내 산 연에 도 빔 야 식 여 빔

사 에 가 많다 그러나 십 MeV 빔 사

는 업 나 등에 감당 어 울 도 많 비 드는

단 다 라 본 연 는 빔 가 사 에

원 계 시험 통 상 고 안 도 개 고

- 4 -

가 빔 라 에 는 라헤 듈 능

11에 보여주고 다

Parameter Valve

RF pulse width [] 17

Pulse repetition rate [Hz] 60

Peak RF Power [MW] 55

Beam voltage stability [PPM] 100 RMS

Klystron Toshiba E3712 klystron or equivalent

Pulse transformer step up ratio 17

11 라헤 듈 사양

Table 11 Specification of fs-THz module

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- 5 -

Ⅱ 계

21 S- 드 듈 시

211 계 RF 시

라헤 빔 라 RF GUN과 2 m 가

2개 가 사 고 다 주 는 S- 드 2856 MHz

사 다 RF 다 드 타 열 극 갖는 드

애 드 간에 RF 가 고 드 극에 주

어난다 가 는 클라 트 에 폭 RF

워 가 사 게 고 폭 17 다 그림 21

빔 라 시 보여주고 다 RF가 에 에

지는 1에 나타내었고 운 주 는 60 Hz 다

Parameter Value

Beam energy [MeV] 60

Beam charge [nC] 02-05

Beam Emittance [mm-mrad] lt 5

Bean Length

Before chicane [ps] 03 - 2

After chicane [fs] 50 - 150

21 라헤 빔 라 계 라 타

Table 21 Design parameter of fs-THz beam line

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- 6 -

그림 21 빔 라

Fig 21 Femto second beam line composition

그림 22 극 RF

Fig 22 Photocathode RF electron gun

- 7 -

그림 22는 포 드 RF 나타내었다 직 사 는

드 극에 압 가 열 생 고 드

애 드 극 간에 -80 kV 상 가 압 가 여 계에

가 도 어 다 RF 가 압 신에 RF 가 고

극 에 주 여 생 게 다 21

가 빔 라 타 것 다

Beam Parameter Value

Average energy [MeV] 566

Energy Spread [] 065

Bean Length [fs] 412

Transverse Emittance [mm-mrad] 165

Beam Size(x y) [mm] 134 134

22 Z=15 Cm 빔 라 타Table 22 Beam parameter at the Z =15 Cm(gun exit)

212 S- 드 RF 시

원 생 는 듈 원 압 승압

직 원 변 여 다 직 원 생

커 시 에 압 고 싸 라트 폐

여 변압 여 승압 압 클라 트 브

에 가 게 다 클라 트 에는 신 RF신 가 여 드

애 드 간 가 압 압에 신 RF신 가 폭

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- 8 -

다 폭 신 는 가 고 에 사 가 RF

폭 마 크 웨 브 에 가 어난다 RF 사 주

는 2856 MHz S- 드 고 폭 사 는 클라 트

40 도 다 클라 트 브에 에 지 공 는 듈

는 브 고 량 계 야 다 라

압 고 압 RF 워 변 는 변 듈

에 는 략 67 도 다 라 변 지 못 에 지

는 실 에 당 고 에 직 변 는 실

는 계 변압 상승시간과 강시간 빠 게 계 변

상 다

그림 23 RF 시 변 원리

Fig 23 Conversion principle of RF system

변압 누 는 상승시간에 미

에 게 계 는 것 심 다 는 평탄 만 사

므 실 변 에 어 상승시간과 강시간 실 에 당 다

라 실 변압 상승시간과 강시간 빠

게 는 것 계 심 다

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Ⅲ 계 특징

31 듈

311 계 특징

듈 는 공 원 식에 라 라 타 과 드타 고

여 는 라 타 원 사 는

변 가 다 는 클라 트 폭 사 므

드 극에 가 는 압과 그 는 결 다 원과

는 변압 연 고 시 사양 결 는 것 변압

비 결 는 것 시 게 다 시 계에

변압 에 압과 에 는 값 계산 여

에 사 는 커 시 격 압과 에 사양 결

게 다 그림 31 시 변압 비에 PFN커

시 양단에 가 는 압 크 도식 것 다 그

림31에 보듯 상 시 는 커 시 는 압 내압 50 kV

감안 다 변압 1 압크 계 보 다

라 사 가능 커 시 고 나 1 압크 에

변압 비 다 본 시 에 는 1 17 비 갖

는 변압 다

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Pulse Transformer N [Turn]

12 13 14 15 16 17 18 19

PF

N V

olta

ge [

kV

]

40

45

50

55

60

Dis

char

gin

g C

urr

ent

[A]

5500

6000

6500

7000

7500

8000PFN voltage [kV]

Discharging Current [A]

Voltage Limit

Operating Point

그림 31 변압 비에 압

Fig 31 Voltage and current plotted as a function of the pulse

transformer turn ratio

312 시 계

듈 내 는 다 는 고

압 원 에 지 는 PFN(Pulse Forming Network) 포

는 원 고 는 생 는 싸 라트

변압 클라 트 지 말 다

고 식에 듈 는 그림 32에 보 는 같 고

압 압원 VG 공진 LC 통 커 시 ZPFN 에

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다 커 시 에 는 압 주어진 식

(31)(32)과 같다

i PFN=V DC

ωL Csinωt (3 1)

V PFN=1

C PFN

⌠⌡

t

0i PFN dt=V DC(1- cosωt) (3 2)

ω=1

L CC PFN

RF 폭 에 가 는 생 압 3상 압 승

압변압 사 여 고 압 변 게 다 고 압 다

드에 직 압 변 후 거쳐 커 시 에

다 직 압 운 상태에 라 가변 압 압

단에 3상 상 어 사 다 상 어는 도체 싸

리 사 여 어 각에 통 어 크

압 생 다 어 시에 생 는 크 압 단 승압변

압 상 어 사 에 2 mH 3상 직 사 다[2] 상 주

60 Hz 사 므 나 크 가 커 공간 많 지

게 다 라 듈 는 에 직 원 가 지

는 비 체크 50 도 다 가 에 사 는 변 시

듈 는 다 사 므 공간 약 다

도체 달과 빠 진보 주

가능 여 직 원 가 19 랙에 는

아 다

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그림 32 듈 도

Fig 32 A modulator electrical circuit

그림 33 압과

Fig 33 Charging voltage and charging current waveform

- 13 -

그림 32는 고 생 는 듈 도

나타내었고 승압변압 승압 비만큼 고 압 통 직

원 커 시 에 게 다

그림 33 과 PFN커 시 에 는 압

안 도 시 것 다 압 안 도 게 de-Q`ing

사 동 시에 2 에 는

시 압 보여주고 다[3]

고압 에 어 가 큰 들 원

듈 경우는 만 남게 어 고 사

보다 크 다 31 원 듈

사양 보여주고 다

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  Klystron Designed

System Peak RF Power Prf-peak (MW) 656

Parameters Tube Efficiency Eff () 406

Tube Pulse Width Tp (usESW) 17

Beam Voltage Vk (kV) 370

  Beam Current Ik (A) 430

Average Collector Power (kW) 389

Klystron Perveance k (micro) 194

  Klystron Impedance Zk (Ohm) 8467

Design Maximum Reputation Rate f (Hz) 60

Guideline  Minimum Turn Ratio n 148

     

  Modulator  

Design Modulator Pulse Width Tp (usESW) 47

Variables Design Turn Ratio n 17

Impedance Mismatch M () 00

Parallel PFN NO Kpfn 20

PFN Stage Npfn 150

PFN Peak Power Pm (MW) 1617

Pulse Energy (Joule) 7599

PFN Impedance Zpfn (Ohm) 29

PFN Voltage Vpfn (kV) 435

PFN Capacitance Cpfn-t (uF) 080

PFN Inductance Lpfn-t (uH) 69

PFN Capacitor Cpfn (nF) 501

Capacitor RMS Current Icrms (A) 279

  PFN Inductor Lpfn (uH) 14

Thyratron Peak Anode Current Ib (A) 74290

RMS Current Irms (A) 1248

  Inverter  

Inverter Average Charging Power Pch-av (kW) 4560

System Charging Current Ich (A) 22

  Average Charging Current Ich-av (A) 21

31 클라 트 듈 계사양

Table 31 Design parameter of klystron modulator

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- 15 -

그림 34는 새 게 안 직 원 듈

나타내고 다 직 원 리 거 크 과

커 시 공진 킹 크 등 체 가 큰

들 사 고 다 들 들 시 는 어

공간 지 고 다 새 게 안 안 시 에 는 직

가 능 신 고 어 직 원 여 트 다

그림 34 듈 다 어그램

Fig 34 Electrical circuit diagram of modulator

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32 링과 시뮬

321 링

시 계 검 는 단계 계가 료 등가 나타

내고 컴퓨 사 사 실시 다 산 사에 고 압 듈

포 체 등가 여 그림 35에 나타내었다

클라 트 RF 폭 는 I P= αtimesV15P [A] 드 애

드 간에 가 는 압 15승에 비 다 산 사에 는 사

는 클라 트 등가 는 식 등가 링 다

컴퓨 산 사에 는 실 운 에 생 는 단락시험과

보 계 에 내량과 압 등 평가 게 다

사 는 클라 트 극과 양극 간에 가 는 압과

값 계산 다 원 듈

연 는 변압 사 다 에 지 는

는 폭 생 가변 커 시 여

사 게 는 특 는 같 값 가지도 계 여야

가 는 동안 원 가 직 어

에 압 어난다 변압 는 변압 1 에

가 압 승압비 만큼 승압 압 공 게 다 같

원 가 동 값 었 에 지

달 다 같 원 간 에 민감

는 식 라 타 라고 다 가 원

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- 17 -

보다 크게 역 매 라 고 경우

는 매 라 다 개 경우는 매 도

계 다

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- 18 -

그림 35 산 사 등가

Fig 35 Equivalence circuit for simulation

- 19 -

322 클라 트 브 등가

산 사에 클라 트 브 링 식 변 여

사 다 변압 등가 고 2 1

여 변 다 그림 3 5 다 그림 3 7

클라 트 브 빔 식 여 나타낸 것 다

R P=R K

N2 =

V K

I K

N2 =

V K

KV 15K

N2 =

1

N2KV

05K

=

1

N2K(SNV

05P )=

1

S05N25KV

05P

[Ω]

(3 3)

I P=V P

R P=S 05N 25KV 15

P [A] I P= αtimesV15P [A] (3 4)

α=N 25KS 05 (3 5)

Klystron tube Modeling(PSiM 60)

Rk = Klystron impedance

N = PT step-up ratio

Vk = Klystron voltage

Ik = Klystron current

K = Klystron perveance

S = Scale factor

Example) N= 17 K=18 u s=1 α=000109

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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- 30 -

그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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- 51 -

3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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- 64 -

Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

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- 65 -

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- 66 -

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Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

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Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

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상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

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그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

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그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

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클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

Electron Laser Conference (FEL2005) Stanford University CA

USA August 21 - 26 2005

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 3: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- i -

목 차

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그 림 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ

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Ⅰ middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

11 연 동 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

12 연 내 과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

Ⅱ 계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

21 S- 드 듈 시 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

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212 S- 드 RF 시 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

Ⅲ 계 특징 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

31 듈 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

311 계 특징 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

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32 링과 시뮬 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

321 링 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

322 클라 트 브 등가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

33 계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

331 원 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

3311 시 사양 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

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332 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

3321 커 시 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

3322 가변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

333 싸 라트 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

334 변압 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

3341 변압 등가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

335 보 계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot52

3351 보 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot54

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper) middotmiddotmiddot55

3353 변압 보 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot56

3354 RC middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58

3355 고 어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot61

3356 어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot63

Ⅳ 결과 고 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot69

41 생 시험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot69

411 실험결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot69

Ⅴ 결 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot74

고 헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot75

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot78

- iii -

그림

그림 21 빔 라 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot6

그림 22 극 RF middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot6

그림 23 RF 시 변 원리middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot8

그림 31 변압 비에 압 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

그림 32 듈 도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

그림 33 압과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

그림 34 듈 다 아그램middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

그림 35 산 사 등가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

그림 36 클라 트 브(E3712) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 38 실 과 산 사 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

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그림 312 압과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

그림 313 원 내 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

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그림 318 컨 어신 변압 양단 압middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

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- iv -

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그림 321 커 시 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

그림 322 S- 드 듈 가변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

그림 323 싸 라트 주변 도(CX2412X E2V) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

그림 325 승압 변압 등가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

그림 326 변압 (117) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot50

그림 327 변압 등가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 328 듈 등가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot53

그림 329 역 압 지 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot54

그림 330 단 과 다 드 결 도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot55

그림 331 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58

그림 332 R-C middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot59

그림 333 듈 내 ( ) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot60

그림 334 듈 어 도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot61

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot62

그림 336 병 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot64

그림 337 시간에 크 결 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot66

그림 338 시간에 원 량 크 결 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot66

그림 339 듈 시 등가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot67

그림 340 1 압

(Upper charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10 Vdiv) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot68

그림 41 폭

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification Zpfn =304 Ohm) middotmiddotmiddot70

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 ) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot71

- v -

그림 43 클라 트 비언 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot72

그림 44 압 35 kV에 시

리 압 34 V middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot73

- vi -

11 라헤 듈 사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

21 라헤 빔 라 계 라 타 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

22 Z=15 Cm 빔 라 타middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

31 클라 트 듈 계사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

32 원 사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

33 커 시 사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

34 각 특 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

35 L-4888 싸 라트 사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

36 트랜 포 계 라미 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot52

37 시간에 동 간 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot63

- 1 -

11 연 동

라헤 는 마 크 사 에 여 는 01-10 THz

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- 3 -

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- 4 -

가 빔 라 에 는 라헤 듈 능

11에 보여주고 다

Parameter Valve

RF pulse width [] 17

Pulse repetition rate [Hz] 60

Peak RF Power [MW] 55

Beam voltage stability [PPM] 100 RMS

Klystron Toshiba E3712 klystron or equivalent

Pulse transformer step up ratio 17

11 라헤 듈 사양

Table 11 Specification of fs-THz module

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- 5 -

Ⅱ 계

21 S- 드 듈 시

211 계 RF 시

라헤 빔 라 RF GUN과 2 m 가

2개 가 사 고 다 주 는 S- 드 2856 MHz

사 다 RF 다 드 타 열 극 갖는 드

애 드 간에 RF 가 고 드 극에 주

어난다 가 는 클라 트 에 폭 RF

워 가 사 게 고 폭 17 다 그림 21

빔 라 시 보여주고 다 RF가 에 에

지는 1에 나타내었고 운 주 는 60 Hz 다

Parameter Value

Beam energy [MeV] 60

Beam charge [nC] 02-05

Beam Emittance [mm-mrad] lt 5

Bean Length

Before chicane [ps] 03 - 2

After chicane [fs] 50 - 150

21 라헤 빔 라 계 라 타

Table 21 Design parameter of fs-THz beam line

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- 6 -

그림 21 빔 라

Fig 21 Femto second beam line composition

그림 22 극 RF

Fig 22 Photocathode RF electron gun

- 7 -

그림 22는 포 드 RF 나타내었다 직 사 는

드 극에 압 가 열 생 고 드

애 드 극 간에 -80 kV 상 가 압 가 여 계에

가 도 어 다 RF 가 압 신에 RF 가 고

극 에 주 여 생 게 다 21

가 빔 라 타 것 다

Beam Parameter Value

Average energy [MeV] 566

Energy Spread [] 065

Bean Length [fs] 412

Transverse Emittance [mm-mrad] 165

Beam Size(x y) [mm] 134 134

22 Z=15 Cm 빔 라 타Table 22 Beam parameter at the Z =15 Cm(gun exit)

212 S- 드 RF 시

원 생 는 듈 원 압 승압

직 원 변 여 다 직 원 생

커 시 에 압 고 싸 라트 폐

여 변압 여 승압 압 클라 트 브

에 가 게 다 클라 트 에는 신 RF신 가 여 드

애 드 간 가 압 압에 신 RF신 가 폭

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- 8 -

다 폭 신 는 가 고 에 사 가 RF

폭 마 크 웨 브 에 가 어난다 RF 사 주

는 2856 MHz S- 드 고 폭 사 는 클라 트

40 도 다 클라 트 브에 에 지 공 는 듈

는 브 고 량 계 야 다 라

압 고 압 RF 워 변 는 변 듈

에 는 략 67 도 다 라 변 지 못 에 지

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상 다

그림 23 RF 시 변 원리

Fig 23 Conversion principle of RF system

변압 누 는 상승시간에 미

에 게 계 는 것 심 다 는 평탄 만 사

므 실 변 에 어 상승시간과 강시간 실 에 당 다

라 실 변압 상승시간과 강시간 빠

게 는 것 계 심 다

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Ⅲ 계 특징

31 듈

311 계 특징

듈 는 공 원 식에 라 라 타 과 드타 고

여 는 라 타 원 사 는

변 가 다 는 클라 트 폭 사 므

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는 변압 연 고 시 사양 결 는 것 변압

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시 양단에 가 는 압 크 도식 것 다 그

림31에 보듯 상 시 는 커 시 는 압 내압 50 kV

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변압 비 다 본 시 에 는 1 17 비 갖

는 변압 다

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Pulse Transformer N [Turn]

12 13 14 15 16 17 18 19

PF

N V

olta

ge [

kV

]

40

45

50

55

60

Dis

char

gin

g C

urr

ent

[A]

5500

6000

6500

7000

7500

8000PFN voltage [kV]

Discharging Current [A]

Voltage Limit

Operating Point

그림 31 변압 비에 압

Fig 31 Voltage and current plotted as a function of the pulse

transformer turn ratio

312 시 계

듈 내 는 다 는 고

압 원 에 지 는 PFN(Pulse Forming Network) 포

는 원 고 는 생 는 싸 라트

변압 클라 트 지 말 다

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압 압원 VG 공진 LC 통 커 시 ZPFN 에

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(31)(32)과 같다

i PFN=V DC

ωL Csinωt (3 1)

V PFN=1

C PFN

⌠⌡

t

0i PFN dt=V DC(1- cosωt) (3 2)

ω=1

L CC PFN

RF 폭 에 가 는 생 압 3상 압 승

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드에 직 압 변 후 거쳐 커 시 에

다 직 압 운 상태에 라 가변 압 압

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그림 32 듈 도

Fig 32 A modulator electrical circuit

그림 33 압과

Fig 33 Charging voltage and charging current waveform

- 13 -

그림 32는 고 생 는 듈 도

나타내었고 승압변압 승압 비만큼 고 압 통 직

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그림 33 과 PFN커 시 에 는 압

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시 압 보여주고 다[3]

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사양 보여주고 다

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  Klystron Designed

System Peak RF Power Prf-peak (MW) 656

Parameters Tube Efficiency Eff () 406

Tube Pulse Width Tp (usESW) 17

Beam Voltage Vk (kV) 370

  Beam Current Ik (A) 430

Average Collector Power (kW) 389

Klystron Perveance k (micro) 194

  Klystron Impedance Zk (Ohm) 8467

Design Maximum Reputation Rate f (Hz) 60

Guideline  Minimum Turn Ratio n 148

     

  Modulator  

Design Modulator Pulse Width Tp (usESW) 47

Variables Design Turn Ratio n 17

Impedance Mismatch M () 00

Parallel PFN NO Kpfn 20

PFN Stage Npfn 150

PFN Peak Power Pm (MW) 1617

Pulse Energy (Joule) 7599

PFN Impedance Zpfn (Ohm) 29

PFN Voltage Vpfn (kV) 435

PFN Capacitance Cpfn-t (uF) 080

PFN Inductance Lpfn-t (uH) 69

PFN Capacitor Cpfn (nF) 501

Capacitor RMS Current Icrms (A) 279

  PFN Inductor Lpfn (uH) 14

Thyratron Peak Anode Current Ib (A) 74290

RMS Current Irms (A) 1248

  Inverter  

Inverter Average Charging Power Pch-av (kW) 4560

System Charging Current Ich (A) 22

  Average Charging Current Ich-av (A) 21

31 클라 트 듈 계사양

Table 31 Design parameter of klystron modulator

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- 15 -

그림 34는 새 게 안 직 원 듈

나타내고 다 직 원 리 거 크 과

커 시 공진 킹 크 등 체 가 큰

들 사 고 다 들 들 시 는 어

공간 지 고 다 새 게 안 안 시 에 는 직

가 능 신 고 어 직 원 여 트 다

그림 34 듈 다 어그램

Fig 34 Electrical circuit diagram of modulator

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- 16 -

32 링과 시뮬

321 링

시 계 검 는 단계 계가 료 등가 나타

내고 컴퓨 사 사 실시 다 산 사에 고 압 듈

포 체 등가 여 그림 35에 나타내었다

클라 트 RF 폭 는 I P= αtimesV15P [A] 드 애

드 간에 가 는 압 15승에 비 다 산 사에 는 사

는 클라 트 등가 는 식 등가 링 다

컴퓨 산 사에 는 실 운 에 생 는 단락시험과

보 계 에 내량과 압 등 평가 게 다

사 는 클라 트 극과 양극 간에 가 는 압과

값 계산 다 원 듈

연 는 변압 사 다 에 지 는

는 폭 생 가변 커 시 여

사 게 는 특 는 같 값 가지도 계 여야

가 는 동안 원 가 직 어

에 압 어난다 변압 는 변압 1 에

가 압 승압비 만큼 승압 압 공 게 다 같

원 가 동 값 었 에 지

달 다 같 원 간 에 민감

는 식 라 타 라고 다 가 원

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- 17 -

보다 크게 역 매 라 고 경우

는 매 라 다 개 경우는 매 도

계 다

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- 18 -

그림 35 산 사 등가

Fig 35 Equivalence circuit for simulation

- 19 -

322 클라 트 브 등가

산 사에 클라 트 브 링 식 변 여

사 다 변압 등가 고 2 1

여 변 다 그림 3 5 다 그림 3 7

클라 트 브 빔 식 여 나타낸 것 다

R P=R K

N2 =

V K

I K

N2 =

V K

KV 15K

N2 =

1

N2KV

05K

=

1

N2K(SNV

05P )=

1

S05N25KV

05P

[Ω]

(3 3)

I P=V P

R P=S 05N 25KV 15

P [A] I P= αtimesV15P [A] (3 4)

α=N 25KS 05 (3 5)

Klystron tube Modeling(PSiM 60)

Rk = Klystron impedance

N = PT step-up ratio

Vk = Klystron voltage

Ik = Klystron current

K = Klystron perveance

S = Scale factor

Example) N= 17 K=18 u s=1 α=000109

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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- 27 -

그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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- 28 -

Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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- 30 -

그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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- 68 -

그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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International Power Modulator Symposium pp 136-139 1994

[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

Ko W Namkung ldquoDevelopment of an Ultra Stable

Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

Electron Laser Conference (FEL2005) Stanford University CA

USA August 21 - 26 2005

[20] J S Oh S D Jang Y G Son S J Kwon J H Seo I S Ko W

Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 4: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- ii -

3314 동 원리middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

332 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

3321 커 시 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

3322 가변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

333 싸 라트 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

334 변압 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

3341 변압 등가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

335 보 계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot52

3351 보 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot54

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper) middotmiddotmiddot55

3353 변압 보 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot56

3354 RC middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58

3355 고 어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot61

3356 어 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot63

Ⅳ 결과 고 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot69

41 생 시험 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot69

411 실험결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot69

Ⅴ 결 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot74

고 헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot75

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot78

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그림

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그림 32 듈 도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

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그림 36 클라 트 브(E3712) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

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그림 38 실 과 산 사 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

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그림 312 압과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

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그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

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그림 326 변압 (117) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot50

그림 327 변압 등가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 328 듈 등가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot53

그림 329 역 압 지 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot54

그림 330 단 과 다 드 결 도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot55

그림 331 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58

그림 332 R-C middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot59

그림 333 듈 내 ( ) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot60

그림 334 듈 어 도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot61

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot62

그림 336 병 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot64

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그림 338 시간에 원 량 크 결 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot66

그림 339 듈 시 등가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot67

그림 340 1 압

(Upper charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10 Vdiv) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot68

그림 41 폭

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification Zpfn =304 Ohm) middotmiddotmiddot70

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 ) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot71

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그림 43 클라 트 비언 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot72

그림 44 압 35 kV에 시

리 압 34 V middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot73

- vi -

11 라헤 듈 사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

21 라헤 빔 라 계 라 타 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

22 Z=15 Cm 빔 라 타middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

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32 원 사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

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35 L-4888 싸 라트 사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

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- 3 -

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- 4 -

가 빔 라 에 는 라헤 듈 능

11에 보여주고 다

Parameter Valve

RF pulse width [] 17

Pulse repetition rate [Hz] 60

Peak RF Power [MW] 55

Beam voltage stability [PPM] 100 RMS

Klystron Toshiba E3712 klystron or equivalent

Pulse transformer step up ratio 17

11 라헤 듈 사양

Table 11 Specification of fs-THz module

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- 5 -

Ⅱ 계

21 S- 드 듈 시

211 계 RF 시

라헤 빔 라 RF GUN과 2 m 가

2개 가 사 고 다 주 는 S- 드 2856 MHz

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워 가 사 게 고 폭 17 다 그림 21

빔 라 시 보여주고 다 RF가 에 에

지는 1에 나타내었고 운 주 는 60 Hz 다

Parameter Value

Beam energy [MeV] 60

Beam charge [nC] 02-05

Beam Emittance [mm-mrad] lt 5

Bean Length

Before chicane [ps] 03 - 2

After chicane [fs] 50 - 150

21 라헤 빔 라 계 라 타

Table 21 Design parameter of fs-THz beam line

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- 6 -

그림 21 빔 라

Fig 21 Femto second beam line composition

그림 22 극 RF

Fig 22 Photocathode RF electron gun

- 7 -

그림 22는 포 드 RF 나타내었다 직 사 는

드 극에 압 가 열 생 고 드

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가 도 어 다 RF 가 압 신에 RF 가 고

극 에 주 여 생 게 다 21

가 빔 라 타 것 다

Beam Parameter Value

Average energy [MeV] 566

Energy Spread [] 065

Bean Length [fs] 412

Transverse Emittance [mm-mrad] 165

Beam Size(x y) [mm] 134 134

22 Z=15 Cm 빔 라 타Table 22 Beam parameter at the Z =15 Cm(gun exit)

212 S- 드 RF 시

원 생 는 듈 원 압 승압

직 원 변 여 다 직 원 생

커 시 에 압 고 싸 라트 폐

여 변압 여 승압 압 클라 트 브

에 가 게 다 클라 트 에는 신 RF신 가 여 드

애 드 간 가 압 압에 신 RF신 가 폭

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- 8 -

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폭 마 크 웨 브 에 가 어난다 RF 사 주

는 2856 MHz S- 드 고 폭 사 는 클라 트

40 도 다 클라 트 브에 에 지 공 는 듈

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압 고 압 RF 워 변 는 변 듈

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그림 23 RF 시 변 원리

Fig 23 Conversion principle of RF system

변압 누 는 상승시간에 미

에 게 계 는 것 심 다 는 평탄 만 사

므 실 변 에 어 상승시간과 강시간 실 에 당 다

라 실 변압 상승시간과 강시간 빠

게 는 것 계 심 다

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- 9 -

Ⅲ 계 특징

31 듈

311 계 특징

듈 는 공 원 식에 라 라 타 과 드타 고

여 는 라 타 원 사 는

변 가 다 는 클라 트 폭 사 므

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시 양단에 가 는 압 크 도식 것 다 그

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는 변압 다

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- 10 -

Pulse Transformer N [Turn]

12 13 14 15 16 17 18 19

PF

N V

olta

ge [

kV

]

40

45

50

55

60

Dis

char

gin

g C

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ent

[A]

5500

6000

6500

7000

7500

8000PFN voltage [kV]

Discharging Current [A]

Voltage Limit

Operating Point

그림 31 변압 비에 압

Fig 31 Voltage and current plotted as a function of the pulse

transformer turn ratio

312 시 계

듈 내 는 다 는 고

압 원 에 지 는 PFN(Pulse Forming Network) 포

는 원 고 는 생 는 싸 라트

변압 클라 트 지 말 다

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압 압원 VG 공진 LC 통 커 시 ZPFN 에

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- 11 -

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(31)(32)과 같다

i PFN=V DC

ωL Csinωt (3 1)

V PFN=1

C PFN

⌠⌡

t

0i PFN dt=V DC(1- cosωt) (3 2)

ω=1

L CC PFN

RF 폭 에 가 는 생 압 3상 압 승

압변압 사 여 고 압 변 게 다 고 압 다

드에 직 압 변 후 거쳐 커 시 에

다 직 압 운 상태에 라 가변 압 압

단에 3상 상 어 사 다 상 어는 도체 싸

리 사 여 어 각에 통 어 크

압 생 다 어 시에 생 는 크 압 단 승압변

압 상 어 사 에 2 mH 3상 직 사 다[2] 상 주

60 Hz 사 므 나 크 가 커 공간 많 지

게 다 라 듈 는 에 직 원 가 지

는 비 체크 50 도 다 가 에 사 는 변 시

듈 는 다 사 므 공간 약 다

도체 달과 빠 진보 주

가능 여 직 원 가 19 랙에 는

아 다

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- 12 -

그림 32 듈 도

Fig 32 A modulator electrical circuit

그림 33 압과

Fig 33 Charging voltage and charging current waveform

- 13 -

그림 32는 고 생 는 듈 도

나타내었고 승압변압 승압 비만큼 고 압 통 직

원 커 시 에 게 다

그림 33 과 PFN커 시 에 는 압

안 도 시 것 다 압 안 도 게 de-Q`ing

사 동 시에 2 에 는

시 압 보여주고 다[3]

고압 에 어 가 큰 들 원

듈 경우는 만 남게 어 고 사

보다 크 다 31 원 듈

사양 보여주고 다

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- 14 -

  Klystron Designed

System Peak RF Power Prf-peak (MW) 656

Parameters Tube Efficiency Eff () 406

Tube Pulse Width Tp (usESW) 17

Beam Voltage Vk (kV) 370

  Beam Current Ik (A) 430

Average Collector Power (kW) 389

Klystron Perveance k (micro) 194

  Klystron Impedance Zk (Ohm) 8467

Design Maximum Reputation Rate f (Hz) 60

Guideline  Minimum Turn Ratio n 148

     

  Modulator  

Design Modulator Pulse Width Tp (usESW) 47

Variables Design Turn Ratio n 17

Impedance Mismatch M () 00

Parallel PFN NO Kpfn 20

PFN Stage Npfn 150

PFN Peak Power Pm (MW) 1617

Pulse Energy (Joule) 7599

PFN Impedance Zpfn (Ohm) 29

PFN Voltage Vpfn (kV) 435

PFN Capacitance Cpfn-t (uF) 080

PFN Inductance Lpfn-t (uH) 69

PFN Capacitor Cpfn (nF) 501

Capacitor RMS Current Icrms (A) 279

  PFN Inductor Lpfn (uH) 14

Thyratron Peak Anode Current Ib (A) 74290

RMS Current Irms (A) 1248

  Inverter  

Inverter Average Charging Power Pch-av (kW) 4560

System Charging Current Ich (A) 22

  Average Charging Current Ich-av (A) 21

31 클라 트 듈 계사양

Table 31 Design parameter of klystron modulator

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- 15 -

그림 34는 새 게 안 직 원 듈

나타내고 다 직 원 리 거 크 과

커 시 공진 킹 크 등 체 가 큰

들 사 고 다 들 들 시 는 어

공간 지 고 다 새 게 안 안 시 에 는 직

가 능 신 고 어 직 원 여 트 다

그림 34 듈 다 어그램

Fig 34 Electrical circuit diagram of modulator

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- 16 -

32 링과 시뮬

321 링

시 계 검 는 단계 계가 료 등가 나타

내고 컴퓨 사 사 실시 다 산 사에 고 압 듈

포 체 등가 여 그림 35에 나타내었다

클라 트 RF 폭 는 I P= αtimesV15P [A] 드 애

드 간에 가 는 압 15승에 비 다 산 사에 는 사

는 클라 트 등가 는 식 등가 링 다

컴퓨 산 사에 는 실 운 에 생 는 단락시험과

보 계 에 내량과 압 등 평가 게 다

사 는 클라 트 극과 양극 간에 가 는 압과

값 계산 다 원 듈

연 는 변압 사 다 에 지 는

는 폭 생 가변 커 시 여

사 게 는 특 는 같 값 가지도 계 여야

가 는 동안 원 가 직 어

에 압 어난다 변압 는 변압 1 에

가 압 승압비 만큼 승압 압 공 게 다 같

원 가 동 값 었 에 지

달 다 같 원 간 에 민감

는 식 라 타 라고 다 가 원

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- 17 -

보다 크게 역 매 라 고 경우

는 매 라 다 개 경우는 매 도

계 다

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- 18 -

그림 35 산 사 등가

Fig 35 Equivalence circuit for simulation

- 19 -

322 클라 트 브 등가

산 사에 클라 트 브 링 식 변 여

사 다 변압 등가 고 2 1

여 변 다 그림 3 5 다 그림 3 7

클라 트 브 빔 식 여 나타낸 것 다

R P=R K

N2 =

V K

I K

N2 =

V K

KV 15K

N2 =

1

N2KV

05K

=

1

N2K(SNV

05P )=

1

S05N25KV

05P

[Ω]

(3 3)

I P=V P

R P=S 05N 25KV 15

P [A] I P= αtimesV15P [A] (3 4)

α=N 25KS 05 (3 5)

Klystron tube Modeling(PSiM 60)

Rk = Klystron impedance

N = PT step-up ratio

Vk = Klystron voltage

Ik = Klystron current

K = Klystron perveance

S = Scale factor

Example) N= 17 K=18 u s=1 α=000109

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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- 27 -

그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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- 28 -

Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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- 30 -

그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
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그림

그림 21 빔 라 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot6

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그림 32 듈 도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

그림 33 압과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

그림 34 듈 다 아그램middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

그림 35 산 사 등가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

그림 36 클라 트 브(E3712) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 38 실 과 산 사 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 39 압원에 변 다 어그램middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

그림 310 원 안 도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

그림 311 원 블 다 아그램middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 312 압과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

그림 313 원 내 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

그림 314 공진 에 는 공진 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

그림 315 원 도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

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그림 317 트 φB신 가시 동 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

그림 318 컨 어신 변압 양단 압middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

그림 319 도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

- iv -

그림 320 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

그림 321 커 시 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

그림 322 S- 드 듈 가변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

그림 323 싸 라트 주변 도(CX2412X E2V) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

그림 325 승압 변압 등가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

그림 326 변압 (117) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot50

그림 327 변압 등가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 328 듈 등가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot53

그림 329 역 압 지 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot54

그림 330 단 과 다 드 결 도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot55

그림 331 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58

그림 332 R-C middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot59

그림 333 듈 내 ( ) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot60

그림 334 듈 어 도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot61

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot62

그림 336 병 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot64

그림 337 시간에 크 결 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot66

그림 338 시간에 원 량 크 결 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot66

그림 339 듈 시 등가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot67

그림 340 1 압

(Upper charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10 Vdiv) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot68

그림 41 폭

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification Zpfn =304 Ohm) middotmiddotmiddot70

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 ) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot71

- v -

그림 43 클라 트 비언 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot72

그림 44 압 35 kV에 시

리 압 34 V middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot73

- vi -

11 라헤 듈 사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

21 라헤 빔 라 계 라 타 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

22 Z=15 Cm 빔 라 타middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

31 클라 트 듈 계사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

32 원 사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

33 커 시 사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

34 각 특 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

35 L-4888 싸 라트 사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

36 트랜 포 계 라미 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot52

37 시간에 동 간 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot63

- 1 -

11 연 동

라헤 는 마 크 사 에 여 는 01-10 THz

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- 2 -

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1 안 빔 압 얻 고 고 원 계

시험 산 달 심 보 고

2 압 안 도 50 kV에 plusmn5 V가 도 어 는 어 과

어 체 개 는 것 다

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- 3 -

12 연 내 과

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1 고 압 과 비닛사 연에 계 계

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2 상 생 는 과 과 압 과 단락사고

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단 다 라 본 연 는 빔 가 사 에

원 계 시험 통 상 고 안 도 개 고

- 4 -

가 빔 라 에 는 라헤 듈 능

11에 보여주고 다

Parameter Valve

RF pulse width [] 17

Pulse repetition rate [Hz] 60

Peak RF Power [MW] 55

Beam voltage stability [PPM] 100 RMS

Klystron Toshiba E3712 klystron or equivalent

Pulse transformer step up ratio 17

11 라헤 듈 사양

Table 11 Specification of fs-THz module

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- 5 -

Ⅱ 계

21 S- 드 듈 시

211 계 RF 시

라헤 빔 라 RF GUN과 2 m 가

2개 가 사 고 다 주 는 S- 드 2856 MHz

사 다 RF 다 드 타 열 극 갖는 드

애 드 간에 RF 가 고 드 극에 주

어난다 가 는 클라 트 에 폭 RF

워 가 사 게 고 폭 17 다 그림 21

빔 라 시 보여주고 다 RF가 에 에

지는 1에 나타내었고 운 주 는 60 Hz 다

Parameter Value

Beam energy [MeV] 60

Beam charge [nC] 02-05

Beam Emittance [mm-mrad] lt 5

Bean Length

Before chicane [ps] 03 - 2

After chicane [fs] 50 - 150

21 라헤 빔 라 계 라 타

Table 21 Design parameter of fs-THz beam line

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- 6 -

그림 21 빔 라

Fig 21 Femto second beam line composition

그림 22 극 RF

Fig 22 Photocathode RF electron gun

- 7 -

그림 22는 포 드 RF 나타내었다 직 사 는

드 극에 압 가 열 생 고 드

애 드 극 간에 -80 kV 상 가 압 가 여 계에

가 도 어 다 RF 가 압 신에 RF 가 고

극 에 주 여 생 게 다 21

가 빔 라 타 것 다

Beam Parameter Value

Average energy [MeV] 566

Energy Spread [] 065

Bean Length [fs] 412

Transverse Emittance [mm-mrad] 165

Beam Size(x y) [mm] 134 134

22 Z=15 Cm 빔 라 타Table 22 Beam parameter at the Z =15 Cm(gun exit)

212 S- 드 RF 시

원 생 는 듈 원 압 승압

직 원 변 여 다 직 원 생

커 시 에 압 고 싸 라트 폐

여 변압 여 승압 압 클라 트 브

에 가 게 다 클라 트 에는 신 RF신 가 여 드

애 드 간 가 압 압에 신 RF신 가 폭

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다 폭 신 는 가 고 에 사 가 RF

폭 마 크 웨 브 에 가 어난다 RF 사 주

는 2856 MHz S- 드 고 폭 사 는 클라 트

40 도 다 클라 트 브에 에 지 공 는 듈

는 브 고 량 계 야 다 라

압 고 압 RF 워 변 는 변 듈

에 는 략 67 도 다 라 변 지 못 에 지

는 실 에 당 고 에 직 변 는 실

는 계 변압 상승시간과 강시간 빠 게 계 변

상 다

그림 23 RF 시 변 원리

Fig 23 Conversion principle of RF system

변압 누 는 상승시간에 미

에 게 계 는 것 심 다 는 평탄 만 사

므 실 변 에 어 상승시간과 강시간 실 에 당 다

라 실 변압 상승시간과 강시간 빠

게 는 것 계 심 다

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Ⅲ 계 특징

31 듈

311 계 특징

듈 는 공 원 식에 라 라 타 과 드타 고

여 는 라 타 원 사 는

변 가 다 는 클라 트 폭 사 므

드 극에 가 는 압과 그 는 결 다 원과

는 변압 연 고 시 사양 결 는 것 변압

비 결 는 것 시 게 다 시 계에

변압 에 압과 에 는 값 계산 여

에 사 는 커 시 격 압과 에 사양 결

게 다 그림 31 시 변압 비에 PFN커

시 양단에 가 는 압 크 도식 것 다 그

림31에 보듯 상 시 는 커 시 는 압 내압 50 kV

감안 다 변압 1 압크 계 보 다

라 사 가능 커 시 고 나 1 압크 에

변압 비 다 본 시 에 는 1 17 비 갖

는 변압 다

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Pulse Transformer N [Turn]

12 13 14 15 16 17 18 19

PF

N V

olta

ge [

kV

]

40

45

50

55

60

Dis

char

gin

g C

urr

ent

[A]

5500

6000

6500

7000

7500

8000PFN voltage [kV]

Discharging Current [A]

Voltage Limit

Operating Point

그림 31 변압 비에 압

Fig 31 Voltage and current plotted as a function of the pulse

transformer turn ratio

312 시 계

듈 내 는 다 는 고

압 원 에 지 는 PFN(Pulse Forming Network) 포

는 원 고 는 생 는 싸 라트

변압 클라 트 지 말 다

고 식에 듈 는 그림 32에 보 는 같 고

압 압원 VG 공진 LC 통 커 시 ZPFN 에

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다 커 시 에 는 압 주어진 식

(31)(32)과 같다

i PFN=V DC

ωL Csinωt (3 1)

V PFN=1

C PFN

⌠⌡

t

0i PFN dt=V DC(1- cosωt) (3 2)

ω=1

L CC PFN

RF 폭 에 가 는 생 압 3상 압 승

압변압 사 여 고 압 변 게 다 고 압 다

드에 직 압 변 후 거쳐 커 시 에

다 직 압 운 상태에 라 가변 압 압

단에 3상 상 어 사 다 상 어는 도체 싸

리 사 여 어 각에 통 어 크

압 생 다 어 시에 생 는 크 압 단 승압변

압 상 어 사 에 2 mH 3상 직 사 다[2] 상 주

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게 다 라 듈 는 에 직 원 가 지

는 비 체크 50 도 다 가 에 사 는 변 시

듈 는 다 사 므 공간 약 다

도체 달과 빠 진보 주

가능 여 직 원 가 19 랙에 는

아 다

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그림 32 듈 도

Fig 32 A modulator electrical circuit

그림 33 압과

Fig 33 Charging voltage and charging current waveform

- 13 -

그림 32는 고 생 는 듈 도

나타내었고 승압변압 승압 비만큼 고 압 통 직

원 커 시 에 게 다

그림 33 과 PFN커 시 에 는 압

안 도 시 것 다 압 안 도 게 de-Q`ing

사 동 시에 2 에 는

시 압 보여주고 다[3]

고압 에 어 가 큰 들 원

듈 경우는 만 남게 어 고 사

보다 크 다 31 원 듈

사양 보여주고 다

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  Klystron Designed

System Peak RF Power Prf-peak (MW) 656

Parameters Tube Efficiency Eff () 406

Tube Pulse Width Tp (usESW) 17

Beam Voltage Vk (kV) 370

  Beam Current Ik (A) 430

Average Collector Power (kW) 389

Klystron Perveance k (micro) 194

  Klystron Impedance Zk (Ohm) 8467

Design Maximum Reputation Rate f (Hz) 60

Guideline  Minimum Turn Ratio n 148

     

  Modulator  

Design Modulator Pulse Width Tp (usESW) 47

Variables Design Turn Ratio n 17

Impedance Mismatch M () 00

Parallel PFN NO Kpfn 20

PFN Stage Npfn 150

PFN Peak Power Pm (MW) 1617

Pulse Energy (Joule) 7599

PFN Impedance Zpfn (Ohm) 29

PFN Voltage Vpfn (kV) 435

PFN Capacitance Cpfn-t (uF) 080

PFN Inductance Lpfn-t (uH) 69

PFN Capacitor Cpfn (nF) 501

Capacitor RMS Current Icrms (A) 279

  PFN Inductor Lpfn (uH) 14

Thyratron Peak Anode Current Ib (A) 74290

RMS Current Irms (A) 1248

  Inverter  

Inverter Average Charging Power Pch-av (kW) 4560

System Charging Current Ich (A) 22

  Average Charging Current Ich-av (A) 21

31 클라 트 듈 계사양

Table 31 Design parameter of klystron modulator

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그림 34는 새 게 안 직 원 듈

나타내고 다 직 원 리 거 크 과

커 시 공진 킹 크 등 체 가 큰

들 사 고 다 들 들 시 는 어

공간 지 고 다 새 게 안 안 시 에 는 직

가 능 신 고 어 직 원 여 트 다

그림 34 듈 다 어그램

Fig 34 Electrical circuit diagram of modulator

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32 링과 시뮬

321 링

시 계 검 는 단계 계가 료 등가 나타

내고 컴퓨 사 사 실시 다 산 사에 고 압 듈

포 체 등가 여 그림 35에 나타내었다

클라 트 RF 폭 는 I P= αtimesV15P [A] 드 애

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는 클라 트 등가 는 식 등가 링 다

컴퓨 산 사에 는 실 운 에 생 는 단락시험과

보 계 에 내량과 압 등 평가 게 다

사 는 클라 트 극과 양극 간에 가 는 압과

값 계산 다 원 듈

연 는 변압 사 다 에 지 는

는 폭 생 가변 커 시 여

사 게 는 특 는 같 값 가지도 계 여야

가 는 동안 원 가 직 어

에 압 어난다 변압 는 변압 1 에

가 압 승압비 만큼 승압 압 공 게 다 같

원 가 동 값 었 에 지

달 다 같 원 간 에 민감

는 식 라 타 라고 다 가 원

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- 17 -

보다 크게 역 매 라 고 경우

는 매 라 다 개 경우는 매 도

계 다

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- 18 -

그림 35 산 사 등가

Fig 35 Equivalence circuit for simulation

- 19 -

322 클라 트 브 등가

산 사에 클라 트 브 링 식 변 여

사 다 변압 등가 고 2 1

여 변 다 그림 3 5 다 그림 3 7

클라 트 브 빔 식 여 나타낸 것 다

R P=R K

N2 =

V K

I K

N2 =

V K

KV 15K

N2 =

1

N2KV

05K

=

1

N2K(SNV

05P )=

1

S05N25KV

05P

[Ω]

(3 3)

I P=V P

R P=S 05N 25KV 15

P [A] I P= αtimesV15P [A] (3 4)

α=N 25KS 05 (3 5)

Klystron tube Modeling(PSiM 60)

Rk = Klystron impedance

N = PT step-up ratio

Vk = Klystron voltage

Ik = Klystron current

K = Klystron perveance

S = Scale factor

Example) N= 17 K=18 u s=1 α=000109

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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- 27 -

그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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- 28 -

Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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- 30 -

그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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- 51 -

3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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USA August 21 - 26 2005

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 6: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- iv -

그림 320 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

그림 321 커 시 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

그림 322 S- 드 듈 가변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

그림 323 싸 라트 주변 도(CX2412X E2V) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

그림 325 승압 변압 등가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

그림 326 변압 (117) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot50

그림 327 변압 등가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 328 듈 등가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot53

그림 329 역 압 지 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot54

그림 330 단 과 다 드 결 도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot55

그림 331 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot58

그림 332 R-C middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot59

그림 333 듈 내 ( ) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot60

그림 334 듈 어 도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot61

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot62

그림 336 병 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot64

그림 337 시간에 크 결 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot66

그림 338 시간에 원 량 크 결 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot66

그림 339 듈 시 등가 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot67

그림 340 1 압

(Upper charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10 Vdiv) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot68

그림 41 폭

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification Zpfn =304 Ohm) middotmiddotmiddot70

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 ) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot71

- v -

그림 43 클라 트 비언 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot72

그림 44 압 35 kV에 시

리 압 34 V middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot73

- vi -

11 라헤 듈 사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

21 라헤 빔 라 계 라 타 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

22 Z=15 Cm 빔 라 타middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

31 클라 트 듈 계사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

32 원 사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

33 커 시 사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

34 각 특 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

35 L-4888 싸 라트 사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

36 트랜 포 계 라미 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot52

37 시간에 동 간 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot63

- 1 -

11 연 동

라헤 는 마 크 사 에 여 는 01-10 THz

마 크 나 가 과 없는 질 게 과 고 에

는 특 가지고 다 또 라헤 는 에

보 질 과 갖는 단 역에 고 실 에 보

가능 공간 능 여 질 시 미지 얻는 가

능 다 또 과 똑같 식 취 운 도 어

사경 등 사 여 계 거나 공간 내

거리 여 동 또는 운 시키는 것도 가능 다 그리고 근

진단 미지 진단 시 다양 가능 안

고 다[1] 라 가 시 야는 암 견

상연 비 단 료 야 도체 결 에 비 연

그리고 경과 비 등 것 망

다 또 감시도 공 나 만 등에 마약 비

등 감지 는 에 사 것 특 검사 가 식

지 않는 상태 감시 므 사 야 가능 도 크게 어들

것 다 그러나 라헤 빔라 내 어 고

에 고 는 실 다 포 가 연 에 는

라헤 빔 라 가 고주 폭 원 사

는 듈 계 시험 내 룩 고

- 2 -

에 라헤 생 짧 주

태 안 빔 압 는 가 에

원 우 들림 없어야 고 시간 운 재 는 사

양 다

본 연 동 연 는

1 안 빔 압 얻 고 고 원 계

시험 산 달 심 보 고

2 압 안 도 50 kV에 plusmn5 V가 도 어 는 어 과

어 체 개 는 것 다

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- 3 -

12 연 내 과

본 에 는 라헤 빔 얻

사 는 듈 계 시험에 내 에

연 다

라 헤 빔 라 직 원 공 는 고 압 원

만드는 듈 트랜 포 가 어 다 빔 라

비 에 고 다 산

고 계 는 어 과 시에 것 살펴보고

듈 계에 어 고 야 사 는

1 고 압 과 비닛사 연에 계 계

에 는

2 상 생 는 과 과 압 과 단락사고

에 보 보 계 시 고

본 연 는 료 야 미지 60 MeV

빔가 에 빔 사 는 계 여 다양

사 에게 빔 사 비 공 는 것 고 다 근

내 산 연에 도 빔 야 식 여 빔

사 에 가 많다 그러나 십 MeV 빔 사

는 업 나 등에 감당 어 울 도 많 비 드는

단 다 라 본 연 는 빔 가 사 에

원 계 시험 통 상 고 안 도 개 고

- 4 -

가 빔 라 에 는 라헤 듈 능

11에 보여주고 다

Parameter Valve

RF pulse width [] 17

Pulse repetition rate [Hz] 60

Peak RF Power [MW] 55

Beam voltage stability [PPM] 100 RMS

Klystron Toshiba E3712 klystron or equivalent

Pulse transformer step up ratio 17

11 라헤 듈 사양

Table 11 Specification of fs-THz module

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- 5 -

Ⅱ 계

21 S- 드 듈 시

211 계 RF 시

라헤 빔 라 RF GUN과 2 m 가

2개 가 사 고 다 주 는 S- 드 2856 MHz

사 다 RF 다 드 타 열 극 갖는 드

애 드 간에 RF 가 고 드 극에 주

어난다 가 는 클라 트 에 폭 RF

워 가 사 게 고 폭 17 다 그림 21

빔 라 시 보여주고 다 RF가 에 에

지는 1에 나타내었고 운 주 는 60 Hz 다

Parameter Value

Beam energy [MeV] 60

Beam charge [nC] 02-05

Beam Emittance [mm-mrad] lt 5

Bean Length

Before chicane [ps] 03 - 2

After chicane [fs] 50 - 150

21 라헤 빔 라 계 라 타

Table 21 Design parameter of fs-THz beam line

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- 6 -

그림 21 빔 라

Fig 21 Femto second beam line composition

그림 22 극 RF

Fig 22 Photocathode RF electron gun

- 7 -

그림 22는 포 드 RF 나타내었다 직 사 는

드 극에 압 가 열 생 고 드

애 드 극 간에 -80 kV 상 가 압 가 여 계에

가 도 어 다 RF 가 압 신에 RF 가 고

극 에 주 여 생 게 다 21

가 빔 라 타 것 다

Beam Parameter Value

Average energy [MeV] 566

Energy Spread [] 065

Bean Length [fs] 412

Transverse Emittance [mm-mrad] 165

Beam Size(x y) [mm] 134 134

22 Z=15 Cm 빔 라 타Table 22 Beam parameter at the Z =15 Cm(gun exit)

212 S- 드 RF 시

원 생 는 듈 원 압 승압

직 원 변 여 다 직 원 생

커 시 에 압 고 싸 라트 폐

여 변압 여 승압 압 클라 트 브

에 가 게 다 클라 트 에는 신 RF신 가 여 드

애 드 간 가 압 압에 신 RF신 가 폭

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- 8 -

다 폭 신 는 가 고 에 사 가 RF

폭 마 크 웨 브 에 가 어난다 RF 사 주

는 2856 MHz S- 드 고 폭 사 는 클라 트

40 도 다 클라 트 브에 에 지 공 는 듈

는 브 고 량 계 야 다 라

압 고 압 RF 워 변 는 변 듈

에 는 략 67 도 다 라 변 지 못 에 지

는 실 에 당 고 에 직 변 는 실

는 계 변압 상승시간과 강시간 빠 게 계 변

상 다

그림 23 RF 시 변 원리

Fig 23 Conversion principle of RF system

변압 누 는 상승시간에 미

에 게 계 는 것 심 다 는 평탄 만 사

므 실 변 에 어 상승시간과 강시간 실 에 당 다

라 실 변압 상승시간과 강시간 빠

게 는 것 계 심 다

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- 9 -

Ⅲ 계 특징

31 듈

311 계 특징

듈 는 공 원 식에 라 라 타 과 드타 고

여 는 라 타 원 사 는

변 가 다 는 클라 트 폭 사 므

드 극에 가 는 압과 그 는 결 다 원과

는 변압 연 고 시 사양 결 는 것 변압

비 결 는 것 시 게 다 시 계에

변압 에 압과 에 는 값 계산 여

에 사 는 커 시 격 압과 에 사양 결

게 다 그림 31 시 변압 비에 PFN커

시 양단에 가 는 압 크 도식 것 다 그

림31에 보듯 상 시 는 커 시 는 압 내압 50 kV

감안 다 변압 1 압크 계 보 다

라 사 가능 커 시 고 나 1 압크 에

변압 비 다 본 시 에 는 1 17 비 갖

는 변압 다

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Pulse Transformer N [Turn]

12 13 14 15 16 17 18 19

PF

N V

olta

ge [

kV

]

40

45

50

55

60

Dis

char

gin

g C

urr

ent

[A]

5500

6000

6500

7000

7500

8000PFN voltage [kV]

Discharging Current [A]

Voltage Limit

Operating Point

그림 31 변압 비에 압

Fig 31 Voltage and current plotted as a function of the pulse

transformer turn ratio

312 시 계

듈 내 는 다 는 고

압 원 에 지 는 PFN(Pulse Forming Network) 포

는 원 고 는 생 는 싸 라트

변압 클라 트 지 말 다

고 식에 듈 는 그림 32에 보 는 같 고

압 압원 VG 공진 LC 통 커 시 ZPFN 에

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- 11 -

다 커 시 에 는 압 주어진 식

(31)(32)과 같다

i PFN=V DC

ωL Csinωt (3 1)

V PFN=1

C PFN

⌠⌡

t

0i PFN dt=V DC(1- cosωt) (3 2)

ω=1

L CC PFN

RF 폭 에 가 는 생 압 3상 압 승

압변압 사 여 고 압 변 게 다 고 압 다

드에 직 압 변 후 거쳐 커 시 에

다 직 압 운 상태에 라 가변 압 압

단에 3상 상 어 사 다 상 어는 도체 싸

리 사 여 어 각에 통 어 크

압 생 다 어 시에 생 는 크 압 단 승압변

압 상 어 사 에 2 mH 3상 직 사 다[2] 상 주

60 Hz 사 므 나 크 가 커 공간 많 지

게 다 라 듈 는 에 직 원 가 지

는 비 체크 50 도 다 가 에 사 는 변 시

듈 는 다 사 므 공간 약 다

도체 달과 빠 진보 주

가능 여 직 원 가 19 랙에 는

아 다

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그림 32 듈 도

Fig 32 A modulator electrical circuit

그림 33 압과

Fig 33 Charging voltage and charging current waveform

- 13 -

그림 32는 고 생 는 듈 도

나타내었고 승압변압 승압 비만큼 고 압 통 직

원 커 시 에 게 다

그림 33 과 PFN커 시 에 는 압

안 도 시 것 다 압 안 도 게 de-Q`ing

사 동 시에 2 에 는

시 압 보여주고 다[3]

고압 에 어 가 큰 들 원

듈 경우는 만 남게 어 고 사

보다 크 다 31 원 듈

사양 보여주고 다

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- 14 -

  Klystron Designed

System Peak RF Power Prf-peak (MW) 656

Parameters Tube Efficiency Eff () 406

Tube Pulse Width Tp (usESW) 17

Beam Voltage Vk (kV) 370

  Beam Current Ik (A) 430

Average Collector Power (kW) 389

Klystron Perveance k (micro) 194

  Klystron Impedance Zk (Ohm) 8467

Design Maximum Reputation Rate f (Hz) 60

Guideline  Minimum Turn Ratio n 148

     

  Modulator  

Design Modulator Pulse Width Tp (usESW) 47

Variables Design Turn Ratio n 17

Impedance Mismatch M () 00

Parallel PFN NO Kpfn 20

PFN Stage Npfn 150

PFN Peak Power Pm (MW) 1617

Pulse Energy (Joule) 7599

PFN Impedance Zpfn (Ohm) 29

PFN Voltage Vpfn (kV) 435

PFN Capacitance Cpfn-t (uF) 080

PFN Inductance Lpfn-t (uH) 69

PFN Capacitor Cpfn (nF) 501

Capacitor RMS Current Icrms (A) 279

  PFN Inductor Lpfn (uH) 14

Thyratron Peak Anode Current Ib (A) 74290

RMS Current Irms (A) 1248

  Inverter  

Inverter Average Charging Power Pch-av (kW) 4560

System Charging Current Ich (A) 22

  Average Charging Current Ich-av (A) 21

31 클라 트 듈 계사양

Table 31 Design parameter of klystron modulator

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- 15 -

그림 34는 새 게 안 직 원 듈

나타내고 다 직 원 리 거 크 과

커 시 공진 킹 크 등 체 가 큰

들 사 고 다 들 들 시 는 어

공간 지 고 다 새 게 안 안 시 에 는 직

가 능 신 고 어 직 원 여 트 다

그림 34 듈 다 어그램

Fig 34 Electrical circuit diagram of modulator

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- 16 -

32 링과 시뮬

321 링

시 계 검 는 단계 계가 료 등가 나타

내고 컴퓨 사 사 실시 다 산 사에 고 압 듈

포 체 등가 여 그림 35에 나타내었다

클라 트 RF 폭 는 I P= αtimesV15P [A] 드 애

드 간에 가 는 압 15승에 비 다 산 사에 는 사

는 클라 트 등가 는 식 등가 링 다

컴퓨 산 사에 는 실 운 에 생 는 단락시험과

보 계 에 내량과 압 등 평가 게 다

사 는 클라 트 극과 양극 간에 가 는 압과

값 계산 다 원 듈

연 는 변압 사 다 에 지 는

는 폭 생 가변 커 시 여

사 게 는 특 는 같 값 가지도 계 여야

가 는 동안 원 가 직 어

에 압 어난다 변압 는 변압 1 에

가 압 승압비 만큼 승압 압 공 게 다 같

원 가 동 값 었 에 지

달 다 같 원 간 에 민감

는 식 라 타 라고 다 가 원

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- 17 -

보다 크게 역 매 라 고 경우

는 매 라 다 개 경우는 매 도

계 다

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- 18 -

그림 35 산 사 등가

Fig 35 Equivalence circuit for simulation

- 19 -

322 클라 트 브 등가

산 사에 클라 트 브 링 식 변 여

사 다 변압 등가 고 2 1

여 변 다 그림 3 5 다 그림 3 7

클라 트 브 빔 식 여 나타낸 것 다

R P=R K

N2 =

V K

I K

N2 =

V K

KV 15K

N2 =

1

N2KV

05K

=

1

N2K(SNV

05P )=

1

S05N25KV

05P

[Ω]

(3 3)

I P=V P

R P=S 05N 25KV 15

P [A] I P= αtimesV15P [A] (3 4)

α=N 25KS 05 (3 5)

Klystron tube Modeling(PSiM 60)

Rk = Klystron impedance

N = PT step-up ratio

Vk = Klystron voltage

Ik = Klystron current

K = Klystron perveance

S = Scale factor

Example) N= 17 K=18 u s=1 α=000109

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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- 28 -

Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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- 30 -

그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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- 64 -

Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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- 68 -

그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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- 70 -

시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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- 71 -

폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 7: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- v -

그림 43 클라 트 비언 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot72

그림 44 압 35 kV에 시

리 압 34 V middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot73

- vi -

11 라헤 듈 사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

21 라헤 빔 라 계 라 타 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

22 Z=15 Cm 빔 라 타middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

31 클라 트 듈 계사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

32 원 사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

33 커 시 사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

34 각 특 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

35 L-4888 싸 라트 사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

36 트랜 포 계 라미 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot52

37 시간에 동 간 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot63

- 1 -

11 연 동

라헤 는 마 크 사 에 여 는 01-10 THz

마 크 나 가 과 없는 질 게 과 고 에

는 특 가지고 다 또 라헤 는 에

보 질 과 갖는 단 역에 고 실 에 보

가능 공간 능 여 질 시 미지 얻는 가

능 다 또 과 똑같 식 취 운 도 어

사경 등 사 여 계 거나 공간 내

거리 여 동 또는 운 시키는 것도 가능 다 그리고 근

진단 미지 진단 시 다양 가능 안

고 다[1] 라 가 시 야는 암 견

상연 비 단 료 야 도체 결 에 비 연

그리고 경과 비 등 것 망

다 또 감시도 공 나 만 등에 마약 비

등 감지 는 에 사 것 특 검사 가 식

지 않는 상태 감시 므 사 야 가능 도 크게 어들

것 다 그러나 라헤 빔라 내 어 고

에 고 는 실 다 포 가 연 에 는

라헤 빔 라 가 고주 폭 원 사

는 듈 계 시험 내 룩 고

- 2 -

에 라헤 생 짧 주

태 안 빔 압 는 가 에

원 우 들림 없어야 고 시간 운 재 는 사

양 다

본 연 동 연 는

1 안 빔 압 얻 고 고 원 계

시험 산 달 심 보 고

2 압 안 도 50 kV에 plusmn5 V가 도 어 는 어 과

어 체 개 는 것 다

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- 3 -

12 연 내 과

본 에 는 라헤 빔 얻

사 는 듈 계 시험에 내 에

연 다

라 헤 빔 라 직 원 공 는 고 압 원

만드는 듈 트랜 포 가 어 다 빔 라

비 에 고 다 산

고 계 는 어 과 시에 것 살펴보고

듈 계에 어 고 야 사 는

1 고 압 과 비닛사 연에 계 계

에 는

2 상 생 는 과 과 압 과 단락사고

에 보 보 계 시 고

본 연 는 료 야 미지 60 MeV

빔가 에 빔 사 는 계 여 다양

사 에게 빔 사 비 공 는 것 고 다 근

내 산 연에 도 빔 야 식 여 빔

사 에 가 많다 그러나 십 MeV 빔 사

는 업 나 등에 감당 어 울 도 많 비 드는

단 다 라 본 연 는 빔 가 사 에

원 계 시험 통 상 고 안 도 개 고

- 4 -

가 빔 라 에 는 라헤 듈 능

11에 보여주고 다

Parameter Valve

RF pulse width [] 17

Pulse repetition rate [Hz] 60

Peak RF Power [MW] 55

Beam voltage stability [PPM] 100 RMS

Klystron Toshiba E3712 klystron or equivalent

Pulse transformer step up ratio 17

11 라헤 듈 사양

Table 11 Specification of fs-THz module

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- 5 -

Ⅱ 계

21 S- 드 듈 시

211 계 RF 시

라헤 빔 라 RF GUN과 2 m 가

2개 가 사 고 다 주 는 S- 드 2856 MHz

사 다 RF 다 드 타 열 극 갖는 드

애 드 간에 RF 가 고 드 극에 주

어난다 가 는 클라 트 에 폭 RF

워 가 사 게 고 폭 17 다 그림 21

빔 라 시 보여주고 다 RF가 에 에

지는 1에 나타내었고 운 주 는 60 Hz 다

Parameter Value

Beam energy [MeV] 60

Beam charge [nC] 02-05

Beam Emittance [mm-mrad] lt 5

Bean Length

Before chicane [ps] 03 - 2

After chicane [fs] 50 - 150

21 라헤 빔 라 계 라 타

Table 21 Design parameter of fs-THz beam line

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- 6 -

그림 21 빔 라

Fig 21 Femto second beam line composition

그림 22 극 RF

Fig 22 Photocathode RF electron gun

- 7 -

그림 22는 포 드 RF 나타내었다 직 사 는

드 극에 압 가 열 생 고 드

애 드 극 간에 -80 kV 상 가 압 가 여 계에

가 도 어 다 RF 가 압 신에 RF 가 고

극 에 주 여 생 게 다 21

가 빔 라 타 것 다

Beam Parameter Value

Average energy [MeV] 566

Energy Spread [] 065

Bean Length [fs] 412

Transverse Emittance [mm-mrad] 165

Beam Size(x y) [mm] 134 134

22 Z=15 Cm 빔 라 타Table 22 Beam parameter at the Z =15 Cm(gun exit)

212 S- 드 RF 시

원 생 는 듈 원 압 승압

직 원 변 여 다 직 원 생

커 시 에 압 고 싸 라트 폐

여 변압 여 승압 압 클라 트 브

에 가 게 다 클라 트 에는 신 RF신 가 여 드

애 드 간 가 압 압에 신 RF신 가 폭

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다 폭 신 는 가 고 에 사 가 RF

폭 마 크 웨 브 에 가 어난다 RF 사 주

는 2856 MHz S- 드 고 폭 사 는 클라 트

40 도 다 클라 트 브에 에 지 공 는 듈

는 브 고 량 계 야 다 라

압 고 압 RF 워 변 는 변 듈

에 는 략 67 도 다 라 변 지 못 에 지

는 실 에 당 고 에 직 변 는 실

는 계 변압 상승시간과 강시간 빠 게 계 변

상 다

그림 23 RF 시 변 원리

Fig 23 Conversion principle of RF system

변압 누 는 상승시간에 미

에 게 계 는 것 심 다 는 평탄 만 사

므 실 변 에 어 상승시간과 강시간 실 에 당 다

라 실 변압 상승시간과 강시간 빠

게 는 것 계 심 다

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Ⅲ 계 특징

31 듈

311 계 특징

듈 는 공 원 식에 라 라 타 과 드타 고

여 는 라 타 원 사 는

변 가 다 는 클라 트 폭 사 므

드 극에 가 는 압과 그 는 결 다 원과

는 변압 연 고 시 사양 결 는 것 변압

비 결 는 것 시 게 다 시 계에

변압 에 압과 에 는 값 계산 여

에 사 는 커 시 격 압과 에 사양 결

게 다 그림 31 시 변압 비에 PFN커

시 양단에 가 는 압 크 도식 것 다 그

림31에 보듯 상 시 는 커 시 는 압 내압 50 kV

감안 다 변압 1 압크 계 보 다

라 사 가능 커 시 고 나 1 압크 에

변압 비 다 본 시 에 는 1 17 비 갖

는 변압 다

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Pulse Transformer N [Turn]

12 13 14 15 16 17 18 19

PF

N V

olta

ge [

kV

]

40

45

50

55

60

Dis

char

gin

g C

urr

ent

[A]

5500

6000

6500

7000

7500

8000PFN voltage [kV]

Discharging Current [A]

Voltage Limit

Operating Point

그림 31 변압 비에 압

Fig 31 Voltage and current plotted as a function of the pulse

transformer turn ratio

312 시 계

듈 내 는 다 는 고

압 원 에 지 는 PFN(Pulse Forming Network) 포

는 원 고 는 생 는 싸 라트

변압 클라 트 지 말 다

고 식에 듈 는 그림 32에 보 는 같 고

압 압원 VG 공진 LC 통 커 시 ZPFN 에

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- 11 -

다 커 시 에 는 압 주어진 식

(31)(32)과 같다

i PFN=V DC

ωL Csinωt (3 1)

V PFN=1

C PFN

⌠⌡

t

0i PFN dt=V DC(1- cosωt) (3 2)

ω=1

L CC PFN

RF 폭 에 가 는 생 압 3상 압 승

압변압 사 여 고 압 변 게 다 고 압 다

드에 직 압 변 후 거쳐 커 시 에

다 직 압 운 상태에 라 가변 압 압

단에 3상 상 어 사 다 상 어는 도체 싸

리 사 여 어 각에 통 어 크

압 생 다 어 시에 생 는 크 압 단 승압변

압 상 어 사 에 2 mH 3상 직 사 다[2] 상 주

60 Hz 사 므 나 크 가 커 공간 많 지

게 다 라 듈 는 에 직 원 가 지

는 비 체크 50 도 다 가 에 사 는 변 시

듈 는 다 사 므 공간 약 다

도체 달과 빠 진보 주

가능 여 직 원 가 19 랙에 는

아 다

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- 12 -

그림 32 듈 도

Fig 32 A modulator electrical circuit

그림 33 압과

Fig 33 Charging voltage and charging current waveform

- 13 -

그림 32는 고 생 는 듈 도

나타내었고 승압변압 승압 비만큼 고 압 통 직

원 커 시 에 게 다

그림 33 과 PFN커 시 에 는 압

안 도 시 것 다 압 안 도 게 de-Q`ing

사 동 시에 2 에 는

시 압 보여주고 다[3]

고압 에 어 가 큰 들 원

듈 경우는 만 남게 어 고 사

보다 크 다 31 원 듈

사양 보여주고 다

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- 14 -

  Klystron Designed

System Peak RF Power Prf-peak (MW) 656

Parameters Tube Efficiency Eff () 406

Tube Pulse Width Tp (usESW) 17

Beam Voltage Vk (kV) 370

  Beam Current Ik (A) 430

Average Collector Power (kW) 389

Klystron Perveance k (micro) 194

  Klystron Impedance Zk (Ohm) 8467

Design Maximum Reputation Rate f (Hz) 60

Guideline  Minimum Turn Ratio n 148

     

  Modulator  

Design Modulator Pulse Width Tp (usESW) 47

Variables Design Turn Ratio n 17

Impedance Mismatch M () 00

Parallel PFN NO Kpfn 20

PFN Stage Npfn 150

PFN Peak Power Pm (MW) 1617

Pulse Energy (Joule) 7599

PFN Impedance Zpfn (Ohm) 29

PFN Voltage Vpfn (kV) 435

PFN Capacitance Cpfn-t (uF) 080

PFN Inductance Lpfn-t (uH) 69

PFN Capacitor Cpfn (nF) 501

Capacitor RMS Current Icrms (A) 279

  PFN Inductor Lpfn (uH) 14

Thyratron Peak Anode Current Ib (A) 74290

RMS Current Irms (A) 1248

  Inverter  

Inverter Average Charging Power Pch-av (kW) 4560

System Charging Current Ich (A) 22

  Average Charging Current Ich-av (A) 21

31 클라 트 듈 계사양

Table 31 Design parameter of klystron modulator

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- 15 -

그림 34는 새 게 안 직 원 듈

나타내고 다 직 원 리 거 크 과

커 시 공진 킹 크 등 체 가 큰

들 사 고 다 들 들 시 는 어

공간 지 고 다 새 게 안 안 시 에 는 직

가 능 신 고 어 직 원 여 트 다

그림 34 듈 다 어그램

Fig 34 Electrical circuit diagram of modulator

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- 16 -

32 링과 시뮬

321 링

시 계 검 는 단계 계가 료 등가 나타

내고 컴퓨 사 사 실시 다 산 사에 고 압 듈

포 체 등가 여 그림 35에 나타내었다

클라 트 RF 폭 는 I P= αtimesV15P [A] 드 애

드 간에 가 는 압 15승에 비 다 산 사에 는 사

는 클라 트 등가 는 식 등가 링 다

컴퓨 산 사에 는 실 운 에 생 는 단락시험과

보 계 에 내량과 압 등 평가 게 다

사 는 클라 트 극과 양극 간에 가 는 압과

값 계산 다 원 듈

연 는 변압 사 다 에 지 는

는 폭 생 가변 커 시 여

사 게 는 특 는 같 값 가지도 계 여야

가 는 동안 원 가 직 어

에 압 어난다 변압 는 변압 1 에

가 압 승압비 만큼 승압 압 공 게 다 같

원 가 동 값 었 에 지

달 다 같 원 간 에 민감

는 식 라 타 라고 다 가 원

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- 17 -

보다 크게 역 매 라 고 경우

는 매 라 다 개 경우는 매 도

계 다

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- 18 -

그림 35 산 사 등가

Fig 35 Equivalence circuit for simulation

- 19 -

322 클라 트 브 등가

산 사에 클라 트 브 링 식 변 여

사 다 변압 등가 고 2 1

여 변 다 그림 3 5 다 그림 3 7

클라 트 브 빔 식 여 나타낸 것 다

R P=R K

N2 =

V K

I K

N2 =

V K

KV 15K

N2 =

1

N2KV

05K

=

1

N2K(SNV

05P )=

1

S05N25KV

05P

[Ω]

(3 3)

I P=V P

R P=S 05N 25KV 15

P [A] I P= αtimesV15P [A] (3 4)

α=N 25KS 05 (3 5)

Klystron tube Modeling(PSiM 60)

Rk = Klystron impedance

N = PT step-up ratio

Vk = Klystron voltage

Ik = Klystron current

K = Klystron perveance

S = Scale factor

Example) N= 17 K=18 u s=1 α=000109

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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- 27 -

그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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- 28 -

Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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- 30 -

그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 8: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- vi -

11 라헤 듈 사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

21 라헤 빔 라 계 라 타 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

22 Z=15 Cm 빔 라 타middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

31 클라 트 듈 계사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

32 원 사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

33 커 시 사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

34 각 특 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot46

35 L-4888 싸 라트 사양middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot48

36 트랜 포 계 라미 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot52

37 시간에 동 간 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot63

- 1 -

11 연 동

라헤 는 마 크 사 에 여 는 01-10 THz

마 크 나 가 과 없는 질 게 과 고 에

는 특 가지고 다 또 라헤 는 에

보 질 과 갖는 단 역에 고 실 에 보

가능 공간 능 여 질 시 미지 얻는 가

능 다 또 과 똑같 식 취 운 도 어

사경 등 사 여 계 거나 공간 내

거리 여 동 또는 운 시키는 것도 가능 다 그리고 근

진단 미지 진단 시 다양 가능 안

고 다[1] 라 가 시 야는 암 견

상연 비 단 료 야 도체 결 에 비 연

그리고 경과 비 등 것 망

다 또 감시도 공 나 만 등에 마약 비

등 감지 는 에 사 것 특 검사 가 식

지 않는 상태 감시 므 사 야 가능 도 크게 어들

것 다 그러나 라헤 빔라 내 어 고

에 고 는 실 다 포 가 연 에 는

라헤 빔 라 가 고주 폭 원 사

는 듈 계 시험 내 룩 고

- 2 -

에 라헤 생 짧 주

태 안 빔 압 는 가 에

원 우 들림 없어야 고 시간 운 재 는 사

양 다

본 연 동 연 는

1 안 빔 압 얻 고 고 원 계

시험 산 달 심 보 고

2 압 안 도 50 kV에 plusmn5 V가 도 어 는 어 과

어 체 개 는 것 다

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- 3 -

12 연 내 과

본 에 는 라헤 빔 얻

사 는 듈 계 시험에 내 에

연 다

라 헤 빔 라 직 원 공 는 고 압 원

만드는 듈 트랜 포 가 어 다 빔 라

비 에 고 다 산

고 계 는 어 과 시에 것 살펴보고

듈 계에 어 고 야 사 는

1 고 압 과 비닛사 연에 계 계

에 는

2 상 생 는 과 과 압 과 단락사고

에 보 보 계 시 고

본 연 는 료 야 미지 60 MeV

빔가 에 빔 사 는 계 여 다양

사 에게 빔 사 비 공 는 것 고 다 근

내 산 연에 도 빔 야 식 여 빔

사 에 가 많다 그러나 십 MeV 빔 사

는 업 나 등에 감당 어 울 도 많 비 드는

단 다 라 본 연 는 빔 가 사 에

원 계 시험 통 상 고 안 도 개 고

- 4 -

가 빔 라 에 는 라헤 듈 능

11에 보여주고 다

Parameter Valve

RF pulse width [] 17

Pulse repetition rate [Hz] 60

Peak RF Power [MW] 55

Beam voltage stability [PPM] 100 RMS

Klystron Toshiba E3712 klystron or equivalent

Pulse transformer step up ratio 17

11 라헤 듈 사양

Table 11 Specification of fs-THz module

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- 5 -

Ⅱ 계

21 S- 드 듈 시

211 계 RF 시

라헤 빔 라 RF GUN과 2 m 가

2개 가 사 고 다 주 는 S- 드 2856 MHz

사 다 RF 다 드 타 열 극 갖는 드

애 드 간에 RF 가 고 드 극에 주

어난다 가 는 클라 트 에 폭 RF

워 가 사 게 고 폭 17 다 그림 21

빔 라 시 보여주고 다 RF가 에 에

지는 1에 나타내었고 운 주 는 60 Hz 다

Parameter Value

Beam energy [MeV] 60

Beam charge [nC] 02-05

Beam Emittance [mm-mrad] lt 5

Bean Length

Before chicane [ps] 03 - 2

After chicane [fs] 50 - 150

21 라헤 빔 라 계 라 타

Table 21 Design parameter of fs-THz beam line

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- 6 -

그림 21 빔 라

Fig 21 Femto second beam line composition

그림 22 극 RF

Fig 22 Photocathode RF electron gun

- 7 -

그림 22는 포 드 RF 나타내었다 직 사 는

드 극에 압 가 열 생 고 드

애 드 극 간에 -80 kV 상 가 압 가 여 계에

가 도 어 다 RF 가 압 신에 RF 가 고

극 에 주 여 생 게 다 21

가 빔 라 타 것 다

Beam Parameter Value

Average energy [MeV] 566

Energy Spread [] 065

Bean Length [fs] 412

Transverse Emittance [mm-mrad] 165

Beam Size(x y) [mm] 134 134

22 Z=15 Cm 빔 라 타Table 22 Beam parameter at the Z =15 Cm(gun exit)

212 S- 드 RF 시

원 생 는 듈 원 압 승압

직 원 변 여 다 직 원 생

커 시 에 압 고 싸 라트 폐

여 변압 여 승압 압 클라 트 브

에 가 게 다 클라 트 에는 신 RF신 가 여 드

애 드 간 가 압 압에 신 RF신 가 폭

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- 8 -

다 폭 신 는 가 고 에 사 가 RF

폭 마 크 웨 브 에 가 어난다 RF 사 주

는 2856 MHz S- 드 고 폭 사 는 클라 트

40 도 다 클라 트 브에 에 지 공 는 듈

는 브 고 량 계 야 다 라

압 고 압 RF 워 변 는 변 듈

에 는 략 67 도 다 라 변 지 못 에 지

는 실 에 당 고 에 직 변 는 실

는 계 변압 상승시간과 강시간 빠 게 계 변

상 다

그림 23 RF 시 변 원리

Fig 23 Conversion principle of RF system

변압 누 는 상승시간에 미

에 게 계 는 것 심 다 는 평탄 만 사

므 실 변 에 어 상승시간과 강시간 실 에 당 다

라 실 변압 상승시간과 강시간 빠

게 는 것 계 심 다

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- 9 -

Ⅲ 계 특징

31 듈

311 계 특징

듈 는 공 원 식에 라 라 타 과 드타 고

여 는 라 타 원 사 는

변 가 다 는 클라 트 폭 사 므

드 극에 가 는 압과 그 는 결 다 원과

는 변압 연 고 시 사양 결 는 것 변압

비 결 는 것 시 게 다 시 계에

변압 에 압과 에 는 값 계산 여

에 사 는 커 시 격 압과 에 사양 결

게 다 그림 31 시 변압 비에 PFN커

시 양단에 가 는 압 크 도식 것 다 그

림31에 보듯 상 시 는 커 시 는 압 내압 50 kV

감안 다 변압 1 압크 계 보 다

라 사 가능 커 시 고 나 1 압크 에

변압 비 다 본 시 에 는 1 17 비 갖

는 변압 다

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Pulse Transformer N [Turn]

12 13 14 15 16 17 18 19

PF

N V

olta

ge [

kV

]

40

45

50

55

60

Dis

char

gin

g C

urr

ent

[A]

5500

6000

6500

7000

7500

8000PFN voltage [kV]

Discharging Current [A]

Voltage Limit

Operating Point

그림 31 변압 비에 압

Fig 31 Voltage and current plotted as a function of the pulse

transformer turn ratio

312 시 계

듈 내 는 다 는 고

압 원 에 지 는 PFN(Pulse Forming Network) 포

는 원 고 는 생 는 싸 라트

변압 클라 트 지 말 다

고 식에 듈 는 그림 32에 보 는 같 고

압 압원 VG 공진 LC 통 커 시 ZPFN 에

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- 11 -

다 커 시 에 는 압 주어진 식

(31)(32)과 같다

i PFN=V DC

ωL Csinωt (3 1)

V PFN=1

C PFN

⌠⌡

t

0i PFN dt=V DC(1- cosωt) (3 2)

ω=1

L CC PFN

RF 폭 에 가 는 생 압 3상 압 승

압변압 사 여 고 압 변 게 다 고 압 다

드에 직 압 변 후 거쳐 커 시 에

다 직 압 운 상태에 라 가변 압 압

단에 3상 상 어 사 다 상 어는 도체 싸

리 사 여 어 각에 통 어 크

압 생 다 어 시에 생 는 크 압 단 승압변

압 상 어 사 에 2 mH 3상 직 사 다[2] 상 주

60 Hz 사 므 나 크 가 커 공간 많 지

게 다 라 듈 는 에 직 원 가 지

는 비 체크 50 도 다 가 에 사 는 변 시

듈 는 다 사 므 공간 약 다

도체 달과 빠 진보 주

가능 여 직 원 가 19 랙에 는

아 다

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그림 32 듈 도

Fig 32 A modulator electrical circuit

그림 33 압과

Fig 33 Charging voltage and charging current waveform

- 13 -

그림 32는 고 생 는 듈 도

나타내었고 승압변압 승압 비만큼 고 압 통 직

원 커 시 에 게 다

그림 33 과 PFN커 시 에 는 압

안 도 시 것 다 압 안 도 게 de-Q`ing

사 동 시에 2 에 는

시 압 보여주고 다[3]

고압 에 어 가 큰 들 원

듈 경우는 만 남게 어 고 사

보다 크 다 31 원 듈

사양 보여주고 다

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  Klystron Designed

System Peak RF Power Prf-peak (MW) 656

Parameters Tube Efficiency Eff () 406

Tube Pulse Width Tp (usESW) 17

Beam Voltage Vk (kV) 370

  Beam Current Ik (A) 430

Average Collector Power (kW) 389

Klystron Perveance k (micro) 194

  Klystron Impedance Zk (Ohm) 8467

Design Maximum Reputation Rate f (Hz) 60

Guideline  Minimum Turn Ratio n 148

     

  Modulator  

Design Modulator Pulse Width Tp (usESW) 47

Variables Design Turn Ratio n 17

Impedance Mismatch M () 00

Parallel PFN NO Kpfn 20

PFN Stage Npfn 150

PFN Peak Power Pm (MW) 1617

Pulse Energy (Joule) 7599

PFN Impedance Zpfn (Ohm) 29

PFN Voltage Vpfn (kV) 435

PFN Capacitance Cpfn-t (uF) 080

PFN Inductance Lpfn-t (uH) 69

PFN Capacitor Cpfn (nF) 501

Capacitor RMS Current Icrms (A) 279

  PFN Inductor Lpfn (uH) 14

Thyratron Peak Anode Current Ib (A) 74290

RMS Current Irms (A) 1248

  Inverter  

Inverter Average Charging Power Pch-av (kW) 4560

System Charging Current Ich (A) 22

  Average Charging Current Ich-av (A) 21

31 클라 트 듈 계사양

Table 31 Design parameter of klystron modulator

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- 15 -

그림 34는 새 게 안 직 원 듈

나타내고 다 직 원 리 거 크 과

커 시 공진 킹 크 등 체 가 큰

들 사 고 다 들 들 시 는 어

공간 지 고 다 새 게 안 안 시 에 는 직

가 능 신 고 어 직 원 여 트 다

그림 34 듈 다 어그램

Fig 34 Electrical circuit diagram of modulator

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- 16 -

32 링과 시뮬

321 링

시 계 검 는 단계 계가 료 등가 나타

내고 컴퓨 사 사 실시 다 산 사에 고 압 듈

포 체 등가 여 그림 35에 나타내었다

클라 트 RF 폭 는 I P= αtimesV15P [A] 드 애

드 간에 가 는 압 15승에 비 다 산 사에 는 사

는 클라 트 등가 는 식 등가 링 다

컴퓨 산 사에 는 실 운 에 생 는 단락시험과

보 계 에 내량과 압 등 평가 게 다

사 는 클라 트 극과 양극 간에 가 는 압과

값 계산 다 원 듈

연 는 변압 사 다 에 지 는

는 폭 생 가변 커 시 여

사 게 는 특 는 같 값 가지도 계 여야

가 는 동안 원 가 직 어

에 압 어난다 변압 는 변압 1 에

가 압 승압비 만큼 승압 압 공 게 다 같

원 가 동 값 었 에 지

달 다 같 원 간 에 민감

는 식 라 타 라고 다 가 원

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- 17 -

보다 크게 역 매 라 고 경우

는 매 라 다 개 경우는 매 도

계 다

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- 18 -

그림 35 산 사 등가

Fig 35 Equivalence circuit for simulation

- 19 -

322 클라 트 브 등가

산 사에 클라 트 브 링 식 변 여

사 다 변압 등가 고 2 1

여 변 다 그림 3 5 다 그림 3 7

클라 트 브 빔 식 여 나타낸 것 다

R P=R K

N2 =

V K

I K

N2 =

V K

KV 15K

N2 =

1

N2KV

05K

=

1

N2K(SNV

05P )=

1

S05N25KV

05P

[Ω]

(3 3)

I P=V P

R P=S 05N 25KV 15

P [A] I P= αtimesV15P [A] (3 4)

α=N 25KS 05 (3 5)

Klystron tube Modeling(PSiM 60)

Rk = Klystron impedance

N = PT step-up ratio

Vk = Klystron voltage

Ik = Klystron current

K = Klystron perveance

S = Scale factor

Example) N= 17 K=18 u s=1 α=000109

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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- 30 -

그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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- 68 -

그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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- 70 -

시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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- 71 -

폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 9: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 1 -

11 연 동

라헤 는 마 크 사 에 여 는 01-10 THz

마 크 나 가 과 없는 질 게 과 고 에

는 특 가지고 다 또 라헤 는 에

보 질 과 갖는 단 역에 고 실 에 보

가능 공간 능 여 질 시 미지 얻는 가

능 다 또 과 똑같 식 취 운 도 어

사경 등 사 여 계 거나 공간 내

거리 여 동 또는 운 시키는 것도 가능 다 그리고 근

진단 미지 진단 시 다양 가능 안

고 다[1] 라 가 시 야는 암 견

상연 비 단 료 야 도체 결 에 비 연

그리고 경과 비 등 것 망

다 또 감시도 공 나 만 등에 마약 비

등 감지 는 에 사 것 특 검사 가 식

지 않는 상태 감시 므 사 야 가능 도 크게 어들

것 다 그러나 라헤 빔라 내 어 고

에 고 는 실 다 포 가 연 에 는

라헤 빔 라 가 고주 폭 원 사

는 듈 계 시험 내 룩 고

- 2 -

에 라헤 생 짧 주

태 안 빔 압 는 가 에

원 우 들림 없어야 고 시간 운 재 는 사

양 다

본 연 동 연 는

1 안 빔 압 얻 고 고 원 계

시험 산 달 심 보 고

2 압 안 도 50 kV에 plusmn5 V가 도 어 는 어 과

어 체 개 는 것 다

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- 3 -

12 연 내 과

본 에 는 라헤 빔 얻

사 는 듈 계 시험에 내 에

연 다

라 헤 빔 라 직 원 공 는 고 압 원

만드는 듈 트랜 포 가 어 다 빔 라

비 에 고 다 산

고 계 는 어 과 시에 것 살펴보고

듈 계에 어 고 야 사 는

1 고 압 과 비닛사 연에 계 계

에 는

2 상 생 는 과 과 압 과 단락사고

에 보 보 계 시 고

본 연 는 료 야 미지 60 MeV

빔가 에 빔 사 는 계 여 다양

사 에게 빔 사 비 공 는 것 고 다 근

내 산 연에 도 빔 야 식 여 빔

사 에 가 많다 그러나 십 MeV 빔 사

는 업 나 등에 감당 어 울 도 많 비 드는

단 다 라 본 연 는 빔 가 사 에

원 계 시험 통 상 고 안 도 개 고

- 4 -

가 빔 라 에 는 라헤 듈 능

11에 보여주고 다

Parameter Valve

RF pulse width [] 17

Pulse repetition rate [Hz] 60

Peak RF Power [MW] 55

Beam voltage stability [PPM] 100 RMS

Klystron Toshiba E3712 klystron or equivalent

Pulse transformer step up ratio 17

11 라헤 듈 사양

Table 11 Specification of fs-THz module

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Ⅱ 계

21 S- 드 듈 시

211 계 RF 시

라헤 빔 라 RF GUN과 2 m 가

2개 가 사 고 다 주 는 S- 드 2856 MHz

사 다 RF 다 드 타 열 극 갖는 드

애 드 간에 RF 가 고 드 극에 주

어난다 가 는 클라 트 에 폭 RF

워 가 사 게 고 폭 17 다 그림 21

빔 라 시 보여주고 다 RF가 에 에

지는 1에 나타내었고 운 주 는 60 Hz 다

Parameter Value

Beam energy [MeV] 60

Beam charge [nC] 02-05

Beam Emittance [mm-mrad] lt 5

Bean Length

Before chicane [ps] 03 - 2

After chicane [fs] 50 - 150

21 라헤 빔 라 계 라 타

Table 21 Design parameter of fs-THz beam line

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그림 21 빔 라

Fig 21 Femto second beam line composition

그림 22 극 RF

Fig 22 Photocathode RF electron gun

- 7 -

그림 22는 포 드 RF 나타내었다 직 사 는

드 극에 압 가 열 생 고 드

애 드 극 간에 -80 kV 상 가 압 가 여 계에

가 도 어 다 RF 가 압 신에 RF 가 고

극 에 주 여 생 게 다 21

가 빔 라 타 것 다

Beam Parameter Value

Average energy [MeV] 566

Energy Spread [] 065

Bean Length [fs] 412

Transverse Emittance [mm-mrad] 165

Beam Size(x y) [mm] 134 134

22 Z=15 Cm 빔 라 타Table 22 Beam parameter at the Z =15 Cm(gun exit)

212 S- 드 RF 시

원 생 는 듈 원 압 승압

직 원 변 여 다 직 원 생

커 시 에 압 고 싸 라트 폐

여 변압 여 승압 압 클라 트 브

에 가 게 다 클라 트 에는 신 RF신 가 여 드

애 드 간 가 압 압에 신 RF신 가 폭

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다 폭 신 는 가 고 에 사 가 RF

폭 마 크 웨 브 에 가 어난다 RF 사 주

는 2856 MHz S- 드 고 폭 사 는 클라 트

40 도 다 클라 트 브에 에 지 공 는 듈

는 브 고 량 계 야 다 라

압 고 압 RF 워 변 는 변 듈

에 는 략 67 도 다 라 변 지 못 에 지

는 실 에 당 고 에 직 변 는 실

는 계 변압 상승시간과 강시간 빠 게 계 변

상 다

그림 23 RF 시 변 원리

Fig 23 Conversion principle of RF system

변압 누 는 상승시간에 미

에 게 계 는 것 심 다 는 평탄 만 사

므 실 변 에 어 상승시간과 강시간 실 에 당 다

라 실 변압 상승시간과 강시간 빠

게 는 것 계 심 다

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Ⅲ 계 특징

31 듈

311 계 특징

듈 는 공 원 식에 라 라 타 과 드타 고

여 는 라 타 원 사 는

변 가 다 는 클라 트 폭 사 므

드 극에 가 는 압과 그 는 결 다 원과

는 변압 연 고 시 사양 결 는 것 변압

비 결 는 것 시 게 다 시 계에

변압 에 압과 에 는 값 계산 여

에 사 는 커 시 격 압과 에 사양 결

게 다 그림 31 시 변압 비에 PFN커

시 양단에 가 는 압 크 도식 것 다 그

림31에 보듯 상 시 는 커 시 는 압 내압 50 kV

감안 다 변압 1 압크 계 보 다

라 사 가능 커 시 고 나 1 압크 에

변압 비 다 본 시 에 는 1 17 비 갖

는 변압 다

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Pulse Transformer N [Turn]

12 13 14 15 16 17 18 19

PF

N V

olta

ge [

kV

]

40

45

50

55

60

Dis

char

gin

g C

urr

ent

[A]

5500

6000

6500

7000

7500

8000PFN voltage [kV]

Discharging Current [A]

Voltage Limit

Operating Point

그림 31 변압 비에 압

Fig 31 Voltage and current plotted as a function of the pulse

transformer turn ratio

312 시 계

듈 내 는 다 는 고

압 원 에 지 는 PFN(Pulse Forming Network) 포

는 원 고 는 생 는 싸 라트

변압 클라 트 지 말 다

고 식에 듈 는 그림 32에 보 는 같 고

압 압원 VG 공진 LC 통 커 시 ZPFN 에

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다 커 시 에 는 압 주어진 식

(31)(32)과 같다

i PFN=V DC

ωL Csinωt (3 1)

V PFN=1

C PFN

⌠⌡

t

0i PFN dt=V DC(1- cosωt) (3 2)

ω=1

L CC PFN

RF 폭 에 가 는 생 압 3상 압 승

압변압 사 여 고 압 변 게 다 고 압 다

드에 직 압 변 후 거쳐 커 시 에

다 직 압 운 상태에 라 가변 압 압

단에 3상 상 어 사 다 상 어는 도체 싸

리 사 여 어 각에 통 어 크

압 생 다 어 시에 생 는 크 압 단 승압변

압 상 어 사 에 2 mH 3상 직 사 다[2] 상 주

60 Hz 사 므 나 크 가 커 공간 많 지

게 다 라 듈 는 에 직 원 가 지

는 비 체크 50 도 다 가 에 사 는 변 시

듈 는 다 사 므 공간 약 다

도체 달과 빠 진보 주

가능 여 직 원 가 19 랙에 는

아 다

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그림 32 듈 도

Fig 32 A modulator electrical circuit

그림 33 압과

Fig 33 Charging voltage and charging current waveform

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그림 32는 고 생 는 듈 도

나타내었고 승압변압 승압 비만큼 고 압 통 직

원 커 시 에 게 다

그림 33 과 PFN커 시 에 는 압

안 도 시 것 다 압 안 도 게 de-Q`ing

사 동 시에 2 에 는

시 압 보여주고 다[3]

고압 에 어 가 큰 들 원

듈 경우는 만 남게 어 고 사

보다 크 다 31 원 듈

사양 보여주고 다

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- 14 -

  Klystron Designed

System Peak RF Power Prf-peak (MW) 656

Parameters Tube Efficiency Eff () 406

Tube Pulse Width Tp (usESW) 17

Beam Voltage Vk (kV) 370

  Beam Current Ik (A) 430

Average Collector Power (kW) 389

Klystron Perveance k (micro) 194

  Klystron Impedance Zk (Ohm) 8467

Design Maximum Reputation Rate f (Hz) 60

Guideline  Minimum Turn Ratio n 148

     

  Modulator  

Design Modulator Pulse Width Tp (usESW) 47

Variables Design Turn Ratio n 17

Impedance Mismatch M () 00

Parallel PFN NO Kpfn 20

PFN Stage Npfn 150

PFN Peak Power Pm (MW) 1617

Pulse Energy (Joule) 7599

PFN Impedance Zpfn (Ohm) 29

PFN Voltage Vpfn (kV) 435

PFN Capacitance Cpfn-t (uF) 080

PFN Inductance Lpfn-t (uH) 69

PFN Capacitor Cpfn (nF) 501

Capacitor RMS Current Icrms (A) 279

  PFN Inductor Lpfn (uH) 14

Thyratron Peak Anode Current Ib (A) 74290

RMS Current Irms (A) 1248

  Inverter  

Inverter Average Charging Power Pch-av (kW) 4560

System Charging Current Ich (A) 22

  Average Charging Current Ich-av (A) 21

31 클라 트 듈 계사양

Table 31 Design parameter of klystron modulator

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- 15 -

그림 34는 새 게 안 직 원 듈

나타내고 다 직 원 리 거 크 과

커 시 공진 킹 크 등 체 가 큰

들 사 고 다 들 들 시 는 어

공간 지 고 다 새 게 안 안 시 에 는 직

가 능 신 고 어 직 원 여 트 다

그림 34 듈 다 어그램

Fig 34 Electrical circuit diagram of modulator

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- 16 -

32 링과 시뮬

321 링

시 계 검 는 단계 계가 료 등가 나타

내고 컴퓨 사 사 실시 다 산 사에 고 압 듈

포 체 등가 여 그림 35에 나타내었다

클라 트 RF 폭 는 I P= αtimesV15P [A] 드 애

드 간에 가 는 압 15승에 비 다 산 사에 는 사

는 클라 트 등가 는 식 등가 링 다

컴퓨 산 사에 는 실 운 에 생 는 단락시험과

보 계 에 내량과 압 등 평가 게 다

사 는 클라 트 극과 양극 간에 가 는 압과

값 계산 다 원 듈

연 는 변압 사 다 에 지 는

는 폭 생 가변 커 시 여

사 게 는 특 는 같 값 가지도 계 여야

가 는 동안 원 가 직 어

에 압 어난다 변압 는 변압 1 에

가 압 승압비 만큼 승압 압 공 게 다 같

원 가 동 값 었 에 지

달 다 같 원 간 에 민감

는 식 라 타 라고 다 가 원

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- 17 -

보다 크게 역 매 라 고 경우

는 매 라 다 개 경우는 매 도

계 다

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- 18 -

그림 35 산 사 등가

Fig 35 Equivalence circuit for simulation

- 19 -

322 클라 트 브 등가

산 사에 클라 트 브 링 식 변 여

사 다 변압 등가 고 2 1

여 변 다 그림 3 5 다 그림 3 7

클라 트 브 빔 식 여 나타낸 것 다

R P=R K

N2 =

V K

I K

N2 =

V K

KV 15K

N2 =

1

N2KV

05K

=

1

N2K(SNV

05P )=

1

S05N25KV

05P

[Ω]

(3 3)

I P=V P

R P=S 05N 25KV 15

P [A] I P= αtimesV15P [A] (3 4)

α=N 25KS 05 (3 5)

Klystron tube Modeling(PSiM 60)

Rk = Klystron impedance

N = PT step-up ratio

Vk = Klystron voltage

Ik = Klystron current

K = Klystron perveance

S = Scale factor

Example) N= 17 K=18 u s=1 α=000109

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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- 27 -

그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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- 28 -

Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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- 30 -

그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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- 51 -

3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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Twenty-First International Power Modulator Symposium pp 1-4

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USA August 21 - 26 2005

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 10: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 2 -

에 라헤 생 짧 주

태 안 빔 압 는 가 에

원 우 들림 없어야 고 시간 운 재 는 사

양 다

본 연 동 연 는

1 안 빔 압 얻 고 고 원 계

시험 산 달 심 보 고

2 압 안 도 50 kV에 plusmn5 V가 도 어 는 어 과

어 체 개 는 것 다

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- 3 -

12 연 내 과

본 에 는 라헤 빔 얻

사 는 듈 계 시험에 내 에

연 다

라 헤 빔 라 직 원 공 는 고 압 원

만드는 듈 트랜 포 가 어 다 빔 라

비 에 고 다 산

고 계 는 어 과 시에 것 살펴보고

듈 계에 어 고 야 사 는

1 고 압 과 비닛사 연에 계 계

에 는

2 상 생 는 과 과 압 과 단락사고

에 보 보 계 시 고

본 연 는 료 야 미지 60 MeV

빔가 에 빔 사 는 계 여 다양

사 에게 빔 사 비 공 는 것 고 다 근

내 산 연에 도 빔 야 식 여 빔

사 에 가 많다 그러나 십 MeV 빔 사

는 업 나 등에 감당 어 울 도 많 비 드는

단 다 라 본 연 는 빔 가 사 에

원 계 시험 통 상 고 안 도 개 고

- 4 -

가 빔 라 에 는 라헤 듈 능

11에 보여주고 다

Parameter Valve

RF pulse width [] 17

Pulse repetition rate [Hz] 60

Peak RF Power [MW] 55

Beam voltage stability [PPM] 100 RMS

Klystron Toshiba E3712 klystron or equivalent

Pulse transformer step up ratio 17

11 라헤 듈 사양

Table 11 Specification of fs-THz module

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- 5 -

Ⅱ 계

21 S- 드 듈 시

211 계 RF 시

라헤 빔 라 RF GUN과 2 m 가

2개 가 사 고 다 주 는 S- 드 2856 MHz

사 다 RF 다 드 타 열 극 갖는 드

애 드 간에 RF 가 고 드 극에 주

어난다 가 는 클라 트 에 폭 RF

워 가 사 게 고 폭 17 다 그림 21

빔 라 시 보여주고 다 RF가 에 에

지는 1에 나타내었고 운 주 는 60 Hz 다

Parameter Value

Beam energy [MeV] 60

Beam charge [nC] 02-05

Beam Emittance [mm-mrad] lt 5

Bean Length

Before chicane [ps] 03 - 2

After chicane [fs] 50 - 150

21 라헤 빔 라 계 라 타

Table 21 Design parameter of fs-THz beam line

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- 6 -

그림 21 빔 라

Fig 21 Femto second beam line composition

그림 22 극 RF

Fig 22 Photocathode RF electron gun

- 7 -

그림 22는 포 드 RF 나타내었다 직 사 는

드 극에 압 가 열 생 고 드

애 드 극 간에 -80 kV 상 가 압 가 여 계에

가 도 어 다 RF 가 압 신에 RF 가 고

극 에 주 여 생 게 다 21

가 빔 라 타 것 다

Beam Parameter Value

Average energy [MeV] 566

Energy Spread [] 065

Bean Length [fs] 412

Transverse Emittance [mm-mrad] 165

Beam Size(x y) [mm] 134 134

22 Z=15 Cm 빔 라 타Table 22 Beam parameter at the Z =15 Cm(gun exit)

212 S- 드 RF 시

원 생 는 듈 원 압 승압

직 원 변 여 다 직 원 생

커 시 에 압 고 싸 라트 폐

여 변압 여 승압 압 클라 트 브

에 가 게 다 클라 트 에는 신 RF신 가 여 드

애 드 간 가 압 압에 신 RF신 가 폭

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다 폭 신 는 가 고 에 사 가 RF

폭 마 크 웨 브 에 가 어난다 RF 사 주

는 2856 MHz S- 드 고 폭 사 는 클라 트

40 도 다 클라 트 브에 에 지 공 는 듈

는 브 고 량 계 야 다 라

압 고 압 RF 워 변 는 변 듈

에 는 략 67 도 다 라 변 지 못 에 지

는 실 에 당 고 에 직 변 는 실

는 계 변압 상승시간과 강시간 빠 게 계 변

상 다

그림 23 RF 시 변 원리

Fig 23 Conversion principle of RF system

변압 누 는 상승시간에 미

에 게 계 는 것 심 다 는 평탄 만 사

므 실 변 에 어 상승시간과 강시간 실 에 당 다

라 실 변압 상승시간과 강시간 빠

게 는 것 계 심 다

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Ⅲ 계 특징

31 듈

311 계 특징

듈 는 공 원 식에 라 라 타 과 드타 고

여 는 라 타 원 사 는

변 가 다 는 클라 트 폭 사 므

드 극에 가 는 압과 그 는 결 다 원과

는 변압 연 고 시 사양 결 는 것 변압

비 결 는 것 시 게 다 시 계에

변압 에 압과 에 는 값 계산 여

에 사 는 커 시 격 압과 에 사양 결

게 다 그림 31 시 변압 비에 PFN커

시 양단에 가 는 압 크 도식 것 다 그

림31에 보듯 상 시 는 커 시 는 압 내압 50 kV

감안 다 변압 1 압크 계 보 다

라 사 가능 커 시 고 나 1 압크 에

변압 비 다 본 시 에 는 1 17 비 갖

는 변압 다

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Pulse Transformer N [Turn]

12 13 14 15 16 17 18 19

PF

N V

olta

ge [

kV

]

40

45

50

55

60

Dis

char

gin

g C

urr

ent

[A]

5500

6000

6500

7000

7500

8000PFN voltage [kV]

Discharging Current [A]

Voltage Limit

Operating Point

그림 31 변압 비에 압

Fig 31 Voltage and current plotted as a function of the pulse

transformer turn ratio

312 시 계

듈 내 는 다 는 고

압 원 에 지 는 PFN(Pulse Forming Network) 포

는 원 고 는 생 는 싸 라트

변압 클라 트 지 말 다

고 식에 듈 는 그림 32에 보 는 같 고

압 압원 VG 공진 LC 통 커 시 ZPFN 에

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- 11 -

다 커 시 에 는 압 주어진 식

(31)(32)과 같다

i PFN=V DC

ωL Csinωt (3 1)

V PFN=1

C PFN

⌠⌡

t

0i PFN dt=V DC(1- cosωt) (3 2)

ω=1

L CC PFN

RF 폭 에 가 는 생 압 3상 압 승

압변압 사 여 고 압 변 게 다 고 압 다

드에 직 압 변 후 거쳐 커 시 에

다 직 압 운 상태에 라 가변 압 압

단에 3상 상 어 사 다 상 어는 도체 싸

리 사 여 어 각에 통 어 크

압 생 다 어 시에 생 는 크 압 단 승압변

압 상 어 사 에 2 mH 3상 직 사 다[2] 상 주

60 Hz 사 므 나 크 가 커 공간 많 지

게 다 라 듈 는 에 직 원 가 지

는 비 체크 50 도 다 가 에 사 는 변 시

듈 는 다 사 므 공간 약 다

도체 달과 빠 진보 주

가능 여 직 원 가 19 랙에 는

아 다

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그림 32 듈 도

Fig 32 A modulator electrical circuit

그림 33 압과

Fig 33 Charging voltage and charging current waveform

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그림 32는 고 생 는 듈 도

나타내었고 승압변압 승압 비만큼 고 압 통 직

원 커 시 에 게 다

그림 33 과 PFN커 시 에 는 압

안 도 시 것 다 압 안 도 게 de-Q`ing

사 동 시에 2 에 는

시 압 보여주고 다[3]

고압 에 어 가 큰 들 원

듈 경우는 만 남게 어 고 사

보다 크 다 31 원 듈

사양 보여주고 다

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  Klystron Designed

System Peak RF Power Prf-peak (MW) 656

Parameters Tube Efficiency Eff () 406

Tube Pulse Width Tp (usESW) 17

Beam Voltage Vk (kV) 370

  Beam Current Ik (A) 430

Average Collector Power (kW) 389

Klystron Perveance k (micro) 194

  Klystron Impedance Zk (Ohm) 8467

Design Maximum Reputation Rate f (Hz) 60

Guideline  Minimum Turn Ratio n 148

     

  Modulator  

Design Modulator Pulse Width Tp (usESW) 47

Variables Design Turn Ratio n 17

Impedance Mismatch M () 00

Parallel PFN NO Kpfn 20

PFN Stage Npfn 150

PFN Peak Power Pm (MW) 1617

Pulse Energy (Joule) 7599

PFN Impedance Zpfn (Ohm) 29

PFN Voltage Vpfn (kV) 435

PFN Capacitance Cpfn-t (uF) 080

PFN Inductance Lpfn-t (uH) 69

PFN Capacitor Cpfn (nF) 501

Capacitor RMS Current Icrms (A) 279

  PFN Inductor Lpfn (uH) 14

Thyratron Peak Anode Current Ib (A) 74290

RMS Current Irms (A) 1248

  Inverter  

Inverter Average Charging Power Pch-av (kW) 4560

System Charging Current Ich (A) 22

  Average Charging Current Ich-av (A) 21

31 클라 트 듈 계사양

Table 31 Design parameter of klystron modulator

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- 15 -

그림 34는 새 게 안 직 원 듈

나타내고 다 직 원 리 거 크 과

커 시 공진 킹 크 등 체 가 큰

들 사 고 다 들 들 시 는 어

공간 지 고 다 새 게 안 안 시 에 는 직

가 능 신 고 어 직 원 여 트 다

그림 34 듈 다 어그램

Fig 34 Electrical circuit diagram of modulator

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- 16 -

32 링과 시뮬

321 링

시 계 검 는 단계 계가 료 등가 나타

내고 컴퓨 사 사 실시 다 산 사에 고 압 듈

포 체 등가 여 그림 35에 나타내었다

클라 트 RF 폭 는 I P= αtimesV15P [A] 드 애

드 간에 가 는 압 15승에 비 다 산 사에 는 사

는 클라 트 등가 는 식 등가 링 다

컴퓨 산 사에 는 실 운 에 생 는 단락시험과

보 계 에 내량과 압 등 평가 게 다

사 는 클라 트 극과 양극 간에 가 는 압과

값 계산 다 원 듈

연 는 변압 사 다 에 지 는

는 폭 생 가변 커 시 여

사 게 는 특 는 같 값 가지도 계 여야

가 는 동안 원 가 직 어

에 압 어난다 변압 는 변압 1 에

가 압 승압비 만큼 승압 압 공 게 다 같

원 가 동 값 었 에 지

달 다 같 원 간 에 민감

는 식 라 타 라고 다 가 원

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- 17 -

보다 크게 역 매 라 고 경우

는 매 라 다 개 경우는 매 도

계 다

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- 18 -

그림 35 산 사 등가

Fig 35 Equivalence circuit for simulation

- 19 -

322 클라 트 브 등가

산 사에 클라 트 브 링 식 변 여

사 다 변압 등가 고 2 1

여 변 다 그림 3 5 다 그림 3 7

클라 트 브 빔 식 여 나타낸 것 다

R P=R K

N2 =

V K

I K

N2 =

V K

KV 15K

N2 =

1

N2KV

05K

=

1

N2K(SNV

05P )=

1

S05N25KV

05P

[Ω]

(3 3)

I P=V P

R P=S 05N 25KV 15

P [A] I P= αtimesV15P [A] (3 4)

α=N 25KS 05 (3 5)

Klystron tube Modeling(PSiM 60)

Rk = Klystron impedance

N = PT step-up ratio

Vk = Klystron voltage

Ik = Klystron current

K = Klystron perveance

S = Scale factor

Example) N= 17 K=18 u s=1 α=000109

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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- 30 -

그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 11: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 3 -

12 연 내 과

본 에 는 라헤 빔 얻

사 는 듈 계 시험에 내 에

연 다

라 헤 빔 라 직 원 공 는 고 압 원

만드는 듈 트랜 포 가 어 다 빔 라

비 에 고 다 산

고 계 는 어 과 시에 것 살펴보고

듈 계에 어 고 야 사 는

1 고 압 과 비닛사 연에 계 계

에 는

2 상 생 는 과 과 압 과 단락사고

에 보 보 계 시 고

본 연 는 료 야 미지 60 MeV

빔가 에 빔 사 는 계 여 다양

사 에게 빔 사 비 공 는 것 고 다 근

내 산 연에 도 빔 야 식 여 빔

사 에 가 많다 그러나 십 MeV 빔 사

는 업 나 등에 감당 어 울 도 많 비 드는

단 다 라 본 연 는 빔 가 사 에

원 계 시험 통 상 고 안 도 개 고

- 4 -

가 빔 라 에 는 라헤 듈 능

11에 보여주고 다

Parameter Valve

RF pulse width [] 17

Pulse repetition rate [Hz] 60

Peak RF Power [MW] 55

Beam voltage stability [PPM] 100 RMS

Klystron Toshiba E3712 klystron or equivalent

Pulse transformer step up ratio 17

11 라헤 듈 사양

Table 11 Specification of fs-THz module

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- 5 -

Ⅱ 계

21 S- 드 듈 시

211 계 RF 시

라헤 빔 라 RF GUN과 2 m 가

2개 가 사 고 다 주 는 S- 드 2856 MHz

사 다 RF 다 드 타 열 극 갖는 드

애 드 간에 RF 가 고 드 극에 주

어난다 가 는 클라 트 에 폭 RF

워 가 사 게 고 폭 17 다 그림 21

빔 라 시 보여주고 다 RF가 에 에

지는 1에 나타내었고 운 주 는 60 Hz 다

Parameter Value

Beam energy [MeV] 60

Beam charge [nC] 02-05

Beam Emittance [mm-mrad] lt 5

Bean Length

Before chicane [ps] 03 - 2

After chicane [fs] 50 - 150

21 라헤 빔 라 계 라 타

Table 21 Design parameter of fs-THz beam line

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그림 21 빔 라

Fig 21 Femto second beam line composition

그림 22 극 RF

Fig 22 Photocathode RF electron gun

- 7 -

그림 22는 포 드 RF 나타내었다 직 사 는

드 극에 압 가 열 생 고 드

애 드 극 간에 -80 kV 상 가 압 가 여 계에

가 도 어 다 RF 가 압 신에 RF 가 고

극 에 주 여 생 게 다 21

가 빔 라 타 것 다

Beam Parameter Value

Average energy [MeV] 566

Energy Spread [] 065

Bean Length [fs] 412

Transverse Emittance [mm-mrad] 165

Beam Size(x y) [mm] 134 134

22 Z=15 Cm 빔 라 타Table 22 Beam parameter at the Z =15 Cm(gun exit)

212 S- 드 RF 시

원 생 는 듈 원 압 승압

직 원 변 여 다 직 원 생

커 시 에 압 고 싸 라트 폐

여 변압 여 승압 압 클라 트 브

에 가 게 다 클라 트 에는 신 RF신 가 여 드

애 드 간 가 압 압에 신 RF신 가 폭

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다 폭 신 는 가 고 에 사 가 RF

폭 마 크 웨 브 에 가 어난다 RF 사 주

는 2856 MHz S- 드 고 폭 사 는 클라 트

40 도 다 클라 트 브에 에 지 공 는 듈

는 브 고 량 계 야 다 라

압 고 압 RF 워 변 는 변 듈

에 는 략 67 도 다 라 변 지 못 에 지

는 실 에 당 고 에 직 변 는 실

는 계 변압 상승시간과 강시간 빠 게 계 변

상 다

그림 23 RF 시 변 원리

Fig 23 Conversion principle of RF system

변압 누 는 상승시간에 미

에 게 계 는 것 심 다 는 평탄 만 사

므 실 변 에 어 상승시간과 강시간 실 에 당 다

라 실 변압 상승시간과 강시간 빠

게 는 것 계 심 다

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Ⅲ 계 특징

31 듈

311 계 특징

듈 는 공 원 식에 라 라 타 과 드타 고

여 는 라 타 원 사 는

변 가 다 는 클라 트 폭 사 므

드 극에 가 는 압과 그 는 결 다 원과

는 변압 연 고 시 사양 결 는 것 변압

비 결 는 것 시 게 다 시 계에

변압 에 압과 에 는 값 계산 여

에 사 는 커 시 격 압과 에 사양 결

게 다 그림 31 시 변압 비에 PFN커

시 양단에 가 는 압 크 도식 것 다 그

림31에 보듯 상 시 는 커 시 는 압 내압 50 kV

감안 다 변압 1 압크 계 보 다

라 사 가능 커 시 고 나 1 압크 에

변압 비 다 본 시 에 는 1 17 비 갖

는 변압 다

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Pulse Transformer N [Turn]

12 13 14 15 16 17 18 19

PF

N V

olta

ge [

kV

]

40

45

50

55

60

Dis

char

gin

g C

urr

ent

[A]

5500

6000

6500

7000

7500

8000PFN voltage [kV]

Discharging Current [A]

Voltage Limit

Operating Point

그림 31 변압 비에 압

Fig 31 Voltage and current plotted as a function of the pulse

transformer turn ratio

312 시 계

듈 내 는 다 는 고

압 원 에 지 는 PFN(Pulse Forming Network) 포

는 원 고 는 생 는 싸 라트

변압 클라 트 지 말 다

고 식에 듈 는 그림 32에 보 는 같 고

압 압원 VG 공진 LC 통 커 시 ZPFN 에

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- 11 -

다 커 시 에 는 압 주어진 식

(31)(32)과 같다

i PFN=V DC

ωL Csinωt (3 1)

V PFN=1

C PFN

⌠⌡

t

0i PFN dt=V DC(1- cosωt) (3 2)

ω=1

L CC PFN

RF 폭 에 가 는 생 압 3상 압 승

압변압 사 여 고 압 변 게 다 고 압 다

드에 직 압 변 후 거쳐 커 시 에

다 직 압 운 상태에 라 가변 압 압

단에 3상 상 어 사 다 상 어는 도체 싸

리 사 여 어 각에 통 어 크

압 생 다 어 시에 생 는 크 압 단 승압변

압 상 어 사 에 2 mH 3상 직 사 다[2] 상 주

60 Hz 사 므 나 크 가 커 공간 많 지

게 다 라 듈 는 에 직 원 가 지

는 비 체크 50 도 다 가 에 사 는 변 시

듈 는 다 사 므 공간 약 다

도체 달과 빠 진보 주

가능 여 직 원 가 19 랙에 는

아 다

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그림 32 듈 도

Fig 32 A modulator electrical circuit

그림 33 압과

Fig 33 Charging voltage and charging current waveform

- 13 -

그림 32는 고 생 는 듈 도

나타내었고 승압변압 승압 비만큼 고 압 통 직

원 커 시 에 게 다

그림 33 과 PFN커 시 에 는 압

안 도 시 것 다 압 안 도 게 de-Q`ing

사 동 시에 2 에 는

시 압 보여주고 다[3]

고압 에 어 가 큰 들 원

듈 경우는 만 남게 어 고 사

보다 크 다 31 원 듈

사양 보여주고 다

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  Klystron Designed

System Peak RF Power Prf-peak (MW) 656

Parameters Tube Efficiency Eff () 406

Tube Pulse Width Tp (usESW) 17

Beam Voltage Vk (kV) 370

  Beam Current Ik (A) 430

Average Collector Power (kW) 389

Klystron Perveance k (micro) 194

  Klystron Impedance Zk (Ohm) 8467

Design Maximum Reputation Rate f (Hz) 60

Guideline  Minimum Turn Ratio n 148

     

  Modulator  

Design Modulator Pulse Width Tp (usESW) 47

Variables Design Turn Ratio n 17

Impedance Mismatch M () 00

Parallel PFN NO Kpfn 20

PFN Stage Npfn 150

PFN Peak Power Pm (MW) 1617

Pulse Energy (Joule) 7599

PFN Impedance Zpfn (Ohm) 29

PFN Voltage Vpfn (kV) 435

PFN Capacitance Cpfn-t (uF) 080

PFN Inductance Lpfn-t (uH) 69

PFN Capacitor Cpfn (nF) 501

Capacitor RMS Current Icrms (A) 279

  PFN Inductor Lpfn (uH) 14

Thyratron Peak Anode Current Ib (A) 74290

RMS Current Irms (A) 1248

  Inverter  

Inverter Average Charging Power Pch-av (kW) 4560

System Charging Current Ich (A) 22

  Average Charging Current Ich-av (A) 21

31 클라 트 듈 계사양

Table 31 Design parameter of klystron modulator

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- 15 -

그림 34는 새 게 안 직 원 듈

나타내고 다 직 원 리 거 크 과

커 시 공진 킹 크 등 체 가 큰

들 사 고 다 들 들 시 는 어

공간 지 고 다 새 게 안 안 시 에 는 직

가 능 신 고 어 직 원 여 트 다

그림 34 듈 다 어그램

Fig 34 Electrical circuit diagram of modulator

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32 링과 시뮬

321 링

시 계 검 는 단계 계가 료 등가 나타

내고 컴퓨 사 사 실시 다 산 사에 고 압 듈

포 체 등가 여 그림 35에 나타내었다

클라 트 RF 폭 는 I P= αtimesV15P [A] 드 애

드 간에 가 는 압 15승에 비 다 산 사에 는 사

는 클라 트 등가 는 식 등가 링 다

컴퓨 산 사에 는 실 운 에 생 는 단락시험과

보 계 에 내량과 압 등 평가 게 다

사 는 클라 트 극과 양극 간에 가 는 압과

값 계산 다 원 듈

연 는 변압 사 다 에 지 는

는 폭 생 가변 커 시 여

사 게 는 특 는 같 값 가지도 계 여야

가 는 동안 원 가 직 어

에 압 어난다 변압 는 변압 1 에

가 압 승압비 만큼 승압 압 공 게 다 같

원 가 동 값 었 에 지

달 다 같 원 간 에 민감

는 식 라 타 라고 다 가 원

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- 17 -

보다 크게 역 매 라 고 경우

는 매 라 다 개 경우는 매 도

계 다

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- 18 -

그림 35 산 사 등가

Fig 35 Equivalence circuit for simulation

- 19 -

322 클라 트 브 등가

산 사에 클라 트 브 링 식 변 여

사 다 변압 등가 고 2 1

여 변 다 그림 3 5 다 그림 3 7

클라 트 브 빔 식 여 나타낸 것 다

R P=R K

N2 =

V K

I K

N2 =

V K

KV 15K

N2 =

1

N2KV

05K

=

1

N2K(SNV

05P )=

1

S05N25KV

05P

[Ω]

(3 3)

I P=V P

R P=S 05N 25KV 15

P [A] I P= αtimesV15P [A] (3 4)

α=N 25KS 05 (3 5)

Klystron tube Modeling(PSiM 60)

Rk = Klystron impedance

N = PT step-up ratio

Vk = Klystron voltage

Ik = Klystron current

K = Klystron perveance

S = Scale factor

Example) N= 17 K=18 u s=1 α=000109

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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- 30 -

그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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- 51 -

3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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- 64 -

Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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- 68 -

그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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- 70 -

시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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- 71 -

폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 12: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 4 -

가 빔 라 에 는 라헤 듈 능

11에 보여주고 다

Parameter Valve

RF pulse width [] 17

Pulse repetition rate [Hz] 60

Peak RF Power [MW] 55

Beam voltage stability [PPM] 100 RMS

Klystron Toshiba E3712 klystron or equivalent

Pulse transformer step up ratio 17

11 라헤 듈 사양

Table 11 Specification of fs-THz module

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- 5 -

Ⅱ 계

21 S- 드 듈 시

211 계 RF 시

라헤 빔 라 RF GUN과 2 m 가

2개 가 사 고 다 주 는 S- 드 2856 MHz

사 다 RF 다 드 타 열 극 갖는 드

애 드 간에 RF 가 고 드 극에 주

어난다 가 는 클라 트 에 폭 RF

워 가 사 게 고 폭 17 다 그림 21

빔 라 시 보여주고 다 RF가 에 에

지는 1에 나타내었고 운 주 는 60 Hz 다

Parameter Value

Beam energy [MeV] 60

Beam charge [nC] 02-05

Beam Emittance [mm-mrad] lt 5

Bean Length

Before chicane [ps] 03 - 2

After chicane [fs] 50 - 150

21 라헤 빔 라 계 라 타

Table 21 Design parameter of fs-THz beam line

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그림 21 빔 라

Fig 21 Femto second beam line composition

그림 22 극 RF

Fig 22 Photocathode RF electron gun

- 7 -

그림 22는 포 드 RF 나타내었다 직 사 는

드 극에 압 가 열 생 고 드

애 드 극 간에 -80 kV 상 가 압 가 여 계에

가 도 어 다 RF 가 압 신에 RF 가 고

극 에 주 여 생 게 다 21

가 빔 라 타 것 다

Beam Parameter Value

Average energy [MeV] 566

Energy Spread [] 065

Bean Length [fs] 412

Transverse Emittance [mm-mrad] 165

Beam Size(x y) [mm] 134 134

22 Z=15 Cm 빔 라 타Table 22 Beam parameter at the Z =15 Cm(gun exit)

212 S- 드 RF 시

원 생 는 듈 원 압 승압

직 원 변 여 다 직 원 생

커 시 에 압 고 싸 라트 폐

여 변압 여 승압 압 클라 트 브

에 가 게 다 클라 트 에는 신 RF신 가 여 드

애 드 간 가 압 압에 신 RF신 가 폭

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다 폭 신 는 가 고 에 사 가 RF

폭 마 크 웨 브 에 가 어난다 RF 사 주

는 2856 MHz S- 드 고 폭 사 는 클라 트

40 도 다 클라 트 브에 에 지 공 는 듈

는 브 고 량 계 야 다 라

압 고 압 RF 워 변 는 변 듈

에 는 략 67 도 다 라 변 지 못 에 지

는 실 에 당 고 에 직 변 는 실

는 계 변압 상승시간과 강시간 빠 게 계 변

상 다

그림 23 RF 시 변 원리

Fig 23 Conversion principle of RF system

변압 누 는 상승시간에 미

에 게 계 는 것 심 다 는 평탄 만 사

므 실 변 에 어 상승시간과 강시간 실 에 당 다

라 실 변압 상승시간과 강시간 빠

게 는 것 계 심 다

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Ⅲ 계 특징

31 듈

311 계 특징

듈 는 공 원 식에 라 라 타 과 드타 고

여 는 라 타 원 사 는

변 가 다 는 클라 트 폭 사 므

드 극에 가 는 압과 그 는 결 다 원과

는 변압 연 고 시 사양 결 는 것 변압

비 결 는 것 시 게 다 시 계에

변압 에 압과 에 는 값 계산 여

에 사 는 커 시 격 압과 에 사양 결

게 다 그림 31 시 변압 비에 PFN커

시 양단에 가 는 압 크 도식 것 다 그

림31에 보듯 상 시 는 커 시 는 압 내압 50 kV

감안 다 변압 1 압크 계 보 다

라 사 가능 커 시 고 나 1 압크 에

변압 비 다 본 시 에 는 1 17 비 갖

는 변압 다

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Pulse Transformer N [Turn]

12 13 14 15 16 17 18 19

PF

N V

olta

ge [

kV

]

40

45

50

55

60

Dis

char

gin

g C

urr

ent

[A]

5500

6000

6500

7000

7500

8000PFN voltage [kV]

Discharging Current [A]

Voltage Limit

Operating Point

그림 31 변압 비에 압

Fig 31 Voltage and current plotted as a function of the pulse

transformer turn ratio

312 시 계

듈 내 는 다 는 고

압 원 에 지 는 PFN(Pulse Forming Network) 포

는 원 고 는 생 는 싸 라트

변압 클라 트 지 말 다

고 식에 듈 는 그림 32에 보 는 같 고

압 압원 VG 공진 LC 통 커 시 ZPFN 에

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다 커 시 에 는 압 주어진 식

(31)(32)과 같다

i PFN=V DC

ωL Csinωt (3 1)

V PFN=1

C PFN

⌠⌡

t

0i PFN dt=V DC(1- cosωt) (3 2)

ω=1

L CC PFN

RF 폭 에 가 는 생 압 3상 압 승

압변압 사 여 고 압 변 게 다 고 압 다

드에 직 압 변 후 거쳐 커 시 에

다 직 압 운 상태에 라 가변 압 압

단에 3상 상 어 사 다 상 어는 도체 싸

리 사 여 어 각에 통 어 크

압 생 다 어 시에 생 는 크 압 단 승압변

압 상 어 사 에 2 mH 3상 직 사 다[2] 상 주

60 Hz 사 므 나 크 가 커 공간 많 지

게 다 라 듈 는 에 직 원 가 지

는 비 체크 50 도 다 가 에 사 는 변 시

듈 는 다 사 므 공간 약 다

도체 달과 빠 진보 주

가능 여 직 원 가 19 랙에 는

아 다

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그림 32 듈 도

Fig 32 A modulator electrical circuit

그림 33 압과

Fig 33 Charging voltage and charging current waveform

- 13 -

그림 32는 고 생 는 듈 도

나타내었고 승압변압 승압 비만큼 고 압 통 직

원 커 시 에 게 다

그림 33 과 PFN커 시 에 는 압

안 도 시 것 다 압 안 도 게 de-Q`ing

사 동 시에 2 에 는

시 압 보여주고 다[3]

고압 에 어 가 큰 들 원

듈 경우는 만 남게 어 고 사

보다 크 다 31 원 듈

사양 보여주고 다

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  Klystron Designed

System Peak RF Power Prf-peak (MW) 656

Parameters Tube Efficiency Eff () 406

Tube Pulse Width Tp (usESW) 17

Beam Voltage Vk (kV) 370

  Beam Current Ik (A) 430

Average Collector Power (kW) 389

Klystron Perveance k (micro) 194

  Klystron Impedance Zk (Ohm) 8467

Design Maximum Reputation Rate f (Hz) 60

Guideline  Minimum Turn Ratio n 148

     

  Modulator  

Design Modulator Pulse Width Tp (usESW) 47

Variables Design Turn Ratio n 17

Impedance Mismatch M () 00

Parallel PFN NO Kpfn 20

PFN Stage Npfn 150

PFN Peak Power Pm (MW) 1617

Pulse Energy (Joule) 7599

PFN Impedance Zpfn (Ohm) 29

PFN Voltage Vpfn (kV) 435

PFN Capacitance Cpfn-t (uF) 080

PFN Inductance Lpfn-t (uH) 69

PFN Capacitor Cpfn (nF) 501

Capacitor RMS Current Icrms (A) 279

  PFN Inductor Lpfn (uH) 14

Thyratron Peak Anode Current Ib (A) 74290

RMS Current Irms (A) 1248

  Inverter  

Inverter Average Charging Power Pch-av (kW) 4560

System Charging Current Ich (A) 22

  Average Charging Current Ich-av (A) 21

31 클라 트 듈 계사양

Table 31 Design parameter of klystron modulator

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- 15 -

그림 34는 새 게 안 직 원 듈

나타내고 다 직 원 리 거 크 과

커 시 공진 킹 크 등 체 가 큰

들 사 고 다 들 들 시 는 어

공간 지 고 다 새 게 안 안 시 에 는 직

가 능 신 고 어 직 원 여 트 다

그림 34 듈 다 어그램

Fig 34 Electrical circuit diagram of modulator

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32 링과 시뮬

321 링

시 계 검 는 단계 계가 료 등가 나타

내고 컴퓨 사 사 실시 다 산 사에 고 압 듈

포 체 등가 여 그림 35에 나타내었다

클라 트 RF 폭 는 I P= αtimesV15P [A] 드 애

드 간에 가 는 압 15승에 비 다 산 사에 는 사

는 클라 트 등가 는 식 등가 링 다

컴퓨 산 사에 는 실 운 에 생 는 단락시험과

보 계 에 내량과 압 등 평가 게 다

사 는 클라 트 극과 양극 간에 가 는 압과

값 계산 다 원 듈

연 는 변압 사 다 에 지 는

는 폭 생 가변 커 시 여

사 게 는 특 는 같 값 가지도 계 여야

가 는 동안 원 가 직 어

에 압 어난다 변압 는 변압 1 에

가 압 승압비 만큼 승압 압 공 게 다 같

원 가 동 값 었 에 지

달 다 같 원 간 에 민감

는 식 라 타 라고 다 가 원

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- 17 -

보다 크게 역 매 라 고 경우

는 매 라 다 개 경우는 매 도

계 다

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- 18 -

그림 35 산 사 등가

Fig 35 Equivalence circuit for simulation

- 19 -

322 클라 트 브 등가

산 사에 클라 트 브 링 식 변 여

사 다 변압 등가 고 2 1

여 변 다 그림 3 5 다 그림 3 7

클라 트 브 빔 식 여 나타낸 것 다

R P=R K

N2 =

V K

I K

N2 =

V K

KV 15K

N2 =

1

N2KV

05K

=

1

N2K(SNV

05P )=

1

S05N25KV

05P

[Ω]

(3 3)

I P=V P

R P=S 05N 25KV 15

P [A] I P= αtimesV15P [A] (3 4)

α=N 25KS 05 (3 5)

Klystron tube Modeling(PSiM 60)

Rk = Klystron impedance

N = PT step-up ratio

Vk = Klystron voltage

Ik = Klystron current

K = Klystron perveance

S = Scale factor

Example) N= 17 K=18 u s=1 α=000109

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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- 28 -

Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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- 30 -

그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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- 51 -

3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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- 70 -

시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 13: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 5 -

Ⅱ 계

21 S- 드 듈 시

211 계 RF 시

라헤 빔 라 RF GUN과 2 m 가

2개 가 사 고 다 주 는 S- 드 2856 MHz

사 다 RF 다 드 타 열 극 갖는 드

애 드 간에 RF 가 고 드 극에 주

어난다 가 는 클라 트 에 폭 RF

워 가 사 게 고 폭 17 다 그림 21

빔 라 시 보여주고 다 RF가 에 에

지는 1에 나타내었고 운 주 는 60 Hz 다

Parameter Value

Beam energy [MeV] 60

Beam charge [nC] 02-05

Beam Emittance [mm-mrad] lt 5

Bean Length

Before chicane [ps] 03 - 2

After chicane [fs] 50 - 150

21 라헤 빔 라 계 라 타

Table 21 Design parameter of fs-THz beam line

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- 6 -

그림 21 빔 라

Fig 21 Femto second beam line composition

그림 22 극 RF

Fig 22 Photocathode RF electron gun

- 7 -

그림 22는 포 드 RF 나타내었다 직 사 는

드 극에 압 가 열 생 고 드

애 드 극 간에 -80 kV 상 가 압 가 여 계에

가 도 어 다 RF 가 압 신에 RF 가 고

극 에 주 여 생 게 다 21

가 빔 라 타 것 다

Beam Parameter Value

Average energy [MeV] 566

Energy Spread [] 065

Bean Length [fs] 412

Transverse Emittance [mm-mrad] 165

Beam Size(x y) [mm] 134 134

22 Z=15 Cm 빔 라 타Table 22 Beam parameter at the Z =15 Cm(gun exit)

212 S- 드 RF 시

원 생 는 듈 원 압 승압

직 원 변 여 다 직 원 생

커 시 에 압 고 싸 라트 폐

여 변압 여 승압 압 클라 트 브

에 가 게 다 클라 트 에는 신 RF신 가 여 드

애 드 간 가 압 압에 신 RF신 가 폭

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- 8 -

다 폭 신 는 가 고 에 사 가 RF

폭 마 크 웨 브 에 가 어난다 RF 사 주

는 2856 MHz S- 드 고 폭 사 는 클라 트

40 도 다 클라 트 브에 에 지 공 는 듈

는 브 고 량 계 야 다 라

압 고 압 RF 워 변 는 변 듈

에 는 략 67 도 다 라 변 지 못 에 지

는 실 에 당 고 에 직 변 는 실

는 계 변압 상승시간과 강시간 빠 게 계 변

상 다

그림 23 RF 시 변 원리

Fig 23 Conversion principle of RF system

변압 누 는 상승시간에 미

에 게 계 는 것 심 다 는 평탄 만 사

므 실 변 에 어 상승시간과 강시간 실 에 당 다

라 실 변압 상승시간과 강시간 빠

게 는 것 계 심 다

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- 9 -

Ⅲ 계 특징

31 듈

311 계 특징

듈 는 공 원 식에 라 라 타 과 드타 고

여 는 라 타 원 사 는

변 가 다 는 클라 트 폭 사 므

드 극에 가 는 압과 그 는 결 다 원과

는 변압 연 고 시 사양 결 는 것 변압

비 결 는 것 시 게 다 시 계에

변압 에 압과 에 는 값 계산 여

에 사 는 커 시 격 압과 에 사양 결

게 다 그림 31 시 변압 비에 PFN커

시 양단에 가 는 압 크 도식 것 다 그

림31에 보듯 상 시 는 커 시 는 압 내압 50 kV

감안 다 변압 1 압크 계 보 다

라 사 가능 커 시 고 나 1 압크 에

변압 비 다 본 시 에 는 1 17 비 갖

는 변압 다

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- 10 -

Pulse Transformer N [Turn]

12 13 14 15 16 17 18 19

PF

N V

olta

ge [

kV

]

40

45

50

55

60

Dis

char

gin

g C

urr

ent

[A]

5500

6000

6500

7000

7500

8000PFN voltage [kV]

Discharging Current [A]

Voltage Limit

Operating Point

그림 31 변압 비에 압

Fig 31 Voltage and current plotted as a function of the pulse

transformer turn ratio

312 시 계

듈 내 는 다 는 고

압 원 에 지 는 PFN(Pulse Forming Network) 포

는 원 고 는 생 는 싸 라트

변압 클라 트 지 말 다

고 식에 듈 는 그림 32에 보 는 같 고

압 압원 VG 공진 LC 통 커 시 ZPFN 에

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- 11 -

다 커 시 에 는 압 주어진 식

(31)(32)과 같다

i PFN=V DC

ωL Csinωt (3 1)

V PFN=1

C PFN

⌠⌡

t

0i PFN dt=V DC(1- cosωt) (3 2)

ω=1

L CC PFN

RF 폭 에 가 는 생 압 3상 압 승

압변압 사 여 고 압 변 게 다 고 압 다

드에 직 압 변 후 거쳐 커 시 에

다 직 압 운 상태에 라 가변 압 압

단에 3상 상 어 사 다 상 어는 도체 싸

리 사 여 어 각에 통 어 크

압 생 다 어 시에 생 는 크 압 단 승압변

압 상 어 사 에 2 mH 3상 직 사 다[2] 상 주

60 Hz 사 므 나 크 가 커 공간 많 지

게 다 라 듈 는 에 직 원 가 지

는 비 체크 50 도 다 가 에 사 는 변 시

듈 는 다 사 므 공간 약 다

도체 달과 빠 진보 주

가능 여 직 원 가 19 랙에 는

아 다

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- 12 -

그림 32 듈 도

Fig 32 A modulator electrical circuit

그림 33 압과

Fig 33 Charging voltage and charging current waveform

- 13 -

그림 32는 고 생 는 듈 도

나타내었고 승압변압 승압 비만큼 고 압 통 직

원 커 시 에 게 다

그림 33 과 PFN커 시 에 는 압

안 도 시 것 다 압 안 도 게 de-Q`ing

사 동 시에 2 에 는

시 압 보여주고 다[3]

고압 에 어 가 큰 들 원

듈 경우는 만 남게 어 고 사

보다 크 다 31 원 듈

사양 보여주고 다

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- 14 -

  Klystron Designed

System Peak RF Power Prf-peak (MW) 656

Parameters Tube Efficiency Eff () 406

Tube Pulse Width Tp (usESW) 17

Beam Voltage Vk (kV) 370

  Beam Current Ik (A) 430

Average Collector Power (kW) 389

Klystron Perveance k (micro) 194

  Klystron Impedance Zk (Ohm) 8467

Design Maximum Reputation Rate f (Hz) 60

Guideline  Minimum Turn Ratio n 148

     

  Modulator  

Design Modulator Pulse Width Tp (usESW) 47

Variables Design Turn Ratio n 17

Impedance Mismatch M () 00

Parallel PFN NO Kpfn 20

PFN Stage Npfn 150

PFN Peak Power Pm (MW) 1617

Pulse Energy (Joule) 7599

PFN Impedance Zpfn (Ohm) 29

PFN Voltage Vpfn (kV) 435

PFN Capacitance Cpfn-t (uF) 080

PFN Inductance Lpfn-t (uH) 69

PFN Capacitor Cpfn (nF) 501

Capacitor RMS Current Icrms (A) 279

  PFN Inductor Lpfn (uH) 14

Thyratron Peak Anode Current Ib (A) 74290

RMS Current Irms (A) 1248

  Inverter  

Inverter Average Charging Power Pch-av (kW) 4560

System Charging Current Ich (A) 22

  Average Charging Current Ich-av (A) 21

31 클라 트 듈 계사양

Table 31 Design parameter of klystron modulator

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- 15 -

그림 34는 새 게 안 직 원 듈

나타내고 다 직 원 리 거 크 과

커 시 공진 킹 크 등 체 가 큰

들 사 고 다 들 들 시 는 어

공간 지 고 다 새 게 안 안 시 에 는 직

가 능 신 고 어 직 원 여 트 다

그림 34 듈 다 어그램

Fig 34 Electrical circuit diagram of modulator

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- 16 -

32 링과 시뮬

321 링

시 계 검 는 단계 계가 료 등가 나타

내고 컴퓨 사 사 실시 다 산 사에 고 압 듈

포 체 등가 여 그림 35에 나타내었다

클라 트 RF 폭 는 I P= αtimesV15P [A] 드 애

드 간에 가 는 압 15승에 비 다 산 사에 는 사

는 클라 트 등가 는 식 등가 링 다

컴퓨 산 사에 는 실 운 에 생 는 단락시험과

보 계 에 내량과 압 등 평가 게 다

사 는 클라 트 극과 양극 간에 가 는 압과

값 계산 다 원 듈

연 는 변압 사 다 에 지 는

는 폭 생 가변 커 시 여

사 게 는 특 는 같 값 가지도 계 여야

가 는 동안 원 가 직 어

에 압 어난다 변압 는 변압 1 에

가 압 승압비 만큼 승압 압 공 게 다 같

원 가 동 값 었 에 지

달 다 같 원 간 에 민감

는 식 라 타 라고 다 가 원

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- 17 -

보다 크게 역 매 라 고 경우

는 매 라 다 개 경우는 매 도

계 다

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- 18 -

그림 35 산 사 등가

Fig 35 Equivalence circuit for simulation

- 19 -

322 클라 트 브 등가

산 사에 클라 트 브 링 식 변 여

사 다 변압 등가 고 2 1

여 변 다 그림 3 5 다 그림 3 7

클라 트 브 빔 식 여 나타낸 것 다

R P=R K

N2 =

V K

I K

N2 =

V K

KV 15K

N2 =

1

N2KV

05K

=

1

N2K(SNV

05P )=

1

S05N25KV

05P

[Ω]

(3 3)

I P=V P

R P=S 05N 25KV 15

P [A] I P= αtimesV15P [A] (3 4)

α=N 25KS 05 (3 5)

Klystron tube Modeling(PSiM 60)

Rk = Klystron impedance

N = PT step-up ratio

Vk = Klystron voltage

Ik = Klystron current

K = Klystron perveance

S = Scale factor

Example) N= 17 K=18 u s=1 α=000109

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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- 27 -

그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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- 28 -

Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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- 30 -

그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 14: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 6 -

그림 21 빔 라

Fig 21 Femto second beam line composition

그림 22 극 RF

Fig 22 Photocathode RF electron gun

- 7 -

그림 22는 포 드 RF 나타내었다 직 사 는

드 극에 압 가 열 생 고 드

애 드 극 간에 -80 kV 상 가 압 가 여 계에

가 도 어 다 RF 가 압 신에 RF 가 고

극 에 주 여 생 게 다 21

가 빔 라 타 것 다

Beam Parameter Value

Average energy [MeV] 566

Energy Spread [] 065

Bean Length [fs] 412

Transverse Emittance [mm-mrad] 165

Beam Size(x y) [mm] 134 134

22 Z=15 Cm 빔 라 타Table 22 Beam parameter at the Z =15 Cm(gun exit)

212 S- 드 RF 시

원 생 는 듈 원 압 승압

직 원 변 여 다 직 원 생

커 시 에 압 고 싸 라트 폐

여 변압 여 승압 압 클라 트 브

에 가 게 다 클라 트 에는 신 RF신 가 여 드

애 드 간 가 압 압에 신 RF신 가 폭

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다 폭 신 는 가 고 에 사 가 RF

폭 마 크 웨 브 에 가 어난다 RF 사 주

는 2856 MHz S- 드 고 폭 사 는 클라 트

40 도 다 클라 트 브에 에 지 공 는 듈

는 브 고 량 계 야 다 라

압 고 압 RF 워 변 는 변 듈

에 는 략 67 도 다 라 변 지 못 에 지

는 실 에 당 고 에 직 변 는 실

는 계 변압 상승시간과 강시간 빠 게 계 변

상 다

그림 23 RF 시 변 원리

Fig 23 Conversion principle of RF system

변압 누 는 상승시간에 미

에 게 계 는 것 심 다 는 평탄 만 사

므 실 변 에 어 상승시간과 강시간 실 에 당 다

라 실 변압 상승시간과 강시간 빠

게 는 것 계 심 다

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Ⅲ 계 특징

31 듈

311 계 특징

듈 는 공 원 식에 라 라 타 과 드타 고

여 는 라 타 원 사 는

변 가 다 는 클라 트 폭 사 므

드 극에 가 는 압과 그 는 결 다 원과

는 변압 연 고 시 사양 결 는 것 변압

비 결 는 것 시 게 다 시 계에

변압 에 압과 에 는 값 계산 여

에 사 는 커 시 격 압과 에 사양 결

게 다 그림 31 시 변압 비에 PFN커

시 양단에 가 는 압 크 도식 것 다 그

림31에 보듯 상 시 는 커 시 는 압 내압 50 kV

감안 다 변압 1 압크 계 보 다

라 사 가능 커 시 고 나 1 압크 에

변압 비 다 본 시 에 는 1 17 비 갖

는 변압 다

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Pulse Transformer N [Turn]

12 13 14 15 16 17 18 19

PF

N V

olta

ge [

kV

]

40

45

50

55

60

Dis

char

gin

g C

urr

ent

[A]

5500

6000

6500

7000

7500

8000PFN voltage [kV]

Discharging Current [A]

Voltage Limit

Operating Point

그림 31 변압 비에 압

Fig 31 Voltage and current plotted as a function of the pulse

transformer turn ratio

312 시 계

듈 내 는 다 는 고

압 원 에 지 는 PFN(Pulse Forming Network) 포

는 원 고 는 생 는 싸 라트

변압 클라 트 지 말 다

고 식에 듈 는 그림 32에 보 는 같 고

압 압원 VG 공진 LC 통 커 시 ZPFN 에

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다 커 시 에 는 압 주어진 식

(31)(32)과 같다

i PFN=V DC

ωL Csinωt (3 1)

V PFN=1

C PFN

⌠⌡

t

0i PFN dt=V DC(1- cosωt) (3 2)

ω=1

L CC PFN

RF 폭 에 가 는 생 압 3상 압 승

압변압 사 여 고 압 변 게 다 고 압 다

드에 직 압 변 후 거쳐 커 시 에

다 직 압 운 상태에 라 가변 압 압

단에 3상 상 어 사 다 상 어는 도체 싸

리 사 여 어 각에 통 어 크

압 생 다 어 시에 생 는 크 압 단 승압변

압 상 어 사 에 2 mH 3상 직 사 다[2] 상 주

60 Hz 사 므 나 크 가 커 공간 많 지

게 다 라 듈 는 에 직 원 가 지

는 비 체크 50 도 다 가 에 사 는 변 시

듈 는 다 사 므 공간 약 다

도체 달과 빠 진보 주

가능 여 직 원 가 19 랙에 는

아 다

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그림 32 듈 도

Fig 32 A modulator electrical circuit

그림 33 압과

Fig 33 Charging voltage and charging current waveform

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그림 32는 고 생 는 듈 도

나타내었고 승압변압 승압 비만큼 고 압 통 직

원 커 시 에 게 다

그림 33 과 PFN커 시 에 는 압

안 도 시 것 다 압 안 도 게 de-Q`ing

사 동 시에 2 에 는

시 압 보여주고 다[3]

고압 에 어 가 큰 들 원

듈 경우는 만 남게 어 고 사

보다 크 다 31 원 듈

사양 보여주고 다

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  Klystron Designed

System Peak RF Power Prf-peak (MW) 656

Parameters Tube Efficiency Eff () 406

Tube Pulse Width Tp (usESW) 17

Beam Voltage Vk (kV) 370

  Beam Current Ik (A) 430

Average Collector Power (kW) 389

Klystron Perveance k (micro) 194

  Klystron Impedance Zk (Ohm) 8467

Design Maximum Reputation Rate f (Hz) 60

Guideline  Minimum Turn Ratio n 148

     

  Modulator  

Design Modulator Pulse Width Tp (usESW) 47

Variables Design Turn Ratio n 17

Impedance Mismatch M () 00

Parallel PFN NO Kpfn 20

PFN Stage Npfn 150

PFN Peak Power Pm (MW) 1617

Pulse Energy (Joule) 7599

PFN Impedance Zpfn (Ohm) 29

PFN Voltage Vpfn (kV) 435

PFN Capacitance Cpfn-t (uF) 080

PFN Inductance Lpfn-t (uH) 69

PFN Capacitor Cpfn (nF) 501

Capacitor RMS Current Icrms (A) 279

  PFN Inductor Lpfn (uH) 14

Thyratron Peak Anode Current Ib (A) 74290

RMS Current Irms (A) 1248

  Inverter  

Inverter Average Charging Power Pch-av (kW) 4560

System Charging Current Ich (A) 22

  Average Charging Current Ich-av (A) 21

31 클라 트 듈 계사양

Table 31 Design parameter of klystron modulator

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그림 34는 새 게 안 직 원 듈

나타내고 다 직 원 리 거 크 과

커 시 공진 킹 크 등 체 가 큰

들 사 고 다 들 들 시 는 어

공간 지 고 다 새 게 안 안 시 에 는 직

가 능 신 고 어 직 원 여 트 다

그림 34 듈 다 어그램

Fig 34 Electrical circuit diagram of modulator

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32 링과 시뮬

321 링

시 계 검 는 단계 계가 료 등가 나타

내고 컴퓨 사 사 실시 다 산 사에 고 압 듈

포 체 등가 여 그림 35에 나타내었다

클라 트 RF 폭 는 I P= αtimesV15P [A] 드 애

드 간에 가 는 압 15승에 비 다 산 사에 는 사

는 클라 트 등가 는 식 등가 링 다

컴퓨 산 사에 는 실 운 에 생 는 단락시험과

보 계 에 내량과 압 등 평가 게 다

사 는 클라 트 극과 양극 간에 가 는 압과

값 계산 다 원 듈

연 는 변압 사 다 에 지 는

는 폭 생 가변 커 시 여

사 게 는 특 는 같 값 가지도 계 여야

가 는 동안 원 가 직 어

에 압 어난다 변압 는 변압 1 에

가 압 승압비 만큼 승압 압 공 게 다 같

원 가 동 값 었 에 지

달 다 같 원 간 에 민감

는 식 라 타 라고 다 가 원

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보다 크게 역 매 라 고 경우

는 매 라 다 개 경우는 매 도

계 다

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그림 35 산 사 등가

Fig 35 Equivalence circuit for simulation

- 19 -

322 클라 트 브 등가

산 사에 클라 트 브 링 식 변 여

사 다 변압 등가 고 2 1

여 변 다 그림 3 5 다 그림 3 7

클라 트 브 빔 식 여 나타낸 것 다

R P=R K

N2 =

V K

I K

N2 =

V K

KV 15K

N2 =

1

N2KV

05K

=

1

N2K(SNV

05P )=

1

S05N25KV

05P

[Ω]

(3 3)

I P=V P

R P=S 05N 25KV 15

P [A] I P= αtimesV15P [A] (3 4)

α=N 25KS 05 (3 5)

Klystron tube Modeling(PSiM 60)

Rk = Klystron impedance

N = PT step-up ratio

Vk = Klystron voltage

Ik = Klystron current

K = Klystron perveance

S = Scale factor

Example) N= 17 K=18 u s=1 α=000109

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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- 68 -

그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 15: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 7 -

그림 22는 포 드 RF 나타내었다 직 사 는

드 극에 압 가 열 생 고 드

애 드 극 간에 -80 kV 상 가 압 가 여 계에

가 도 어 다 RF 가 압 신에 RF 가 고

극 에 주 여 생 게 다 21

가 빔 라 타 것 다

Beam Parameter Value

Average energy [MeV] 566

Energy Spread [] 065

Bean Length [fs] 412

Transverse Emittance [mm-mrad] 165

Beam Size(x y) [mm] 134 134

22 Z=15 Cm 빔 라 타Table 22 Beam parameter at the Z =15 Cm(gun exit)

212 S- 드 RF 시

원 생 는 듈 원 압 승압

직 원 변 여 다 직 원 생

커 시 에 압 고 싸 라트 폐

여 변압 여 승압 압 클라 트 브

에 가 게 다 클라 트 에는 신 RF신 가 여 드

애 드 간 가 압 압에 신 RF신 가 폭

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다 폭 신 는 가 고 에 사 가 RF

폭 마 크 웨 브 에 가 어난다 RF 사 주

는 2856 MHz S- 드 고 폭 사 는 클라 트

40 도 다 클라 트 브에 에 지 공 는 듈

는 브 고 량 계 야 다 라

압 고 압 RF 워 변 는 변 듈

에 는 략 67 도 다 라 변 지 못 에 지

는 실 에 당 고 에 직 변 는 실

는 계 변압 상승시간과 강시간 빠 게 계 변

상 다

그림 23 RF 시 변 원리

Fig 23 Conversion principle of RF system

변압 누 는 상승시간에 미

에 게 계 는 것 심 다 는 평탄 만 사

므 실 변 에 어 상승시간과 강시간 실 에 당 다

라 실 변압 상승시간과 강시간 빠

게 는 것 계 심 다

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Ⅲ 계 특징

31 듈

311 계 특징

듈 는 공 원 식에 라 라 타 과 드타 고

여 는 라 타 원 사 는

변 가 다 는 클라 트 폭 사 므

드 극에 가 는 압과 그 는 결 다 원과

는 변압 연 고 시 사양 결 는 것 변압

비 결 는 것 시 게 다 시 계에

변압 에 압과 에 는 값 계산 여

에 사 는 커 시 격 압과 에 사양 결

게 다 그림 31 시 변압 비에 PFN커

시 양단에 가 는 압 크 도식 것 다 그

림31에 보듯 상 시 는 커 시 는 압 내압 50 kV

감안 다 변압 1 압크 계 보 다

라 사 가능 커 시 고 나 1 압크 에

변압 비 다 본 시 에 는 1 17 비 갖

는 변압 다

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Pulse Transformer N [Turn]

12 13 14 15 16 17 18 19

PF

N V

olta

ge [

kV

]

40

45

50

55

60

Dis

char

gin

g C

urr

ent

[A]

5500

6000

6500

7000

7500

8000PFN voltage [kV]

Discharging Current [A]

Voltage Limit

Operating Point

그림 31 변압 비에 압

Fig 31 Voltage and current plotted as a function of the pulse

transformer turn ratio

312 시 계

듈 내 는 다 는 고

압 원 에 지 는 PFN(Pulse Forming Network) 포

는 원 고 는 생 는 싸 라트

변압 클라 트 지 말 다

고 식에 듈 는 그림 32에 보 는 같 고

압 압원 VG 공진 LC 통 커 시 ZPFN 에

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다 커 시 에 는 압 주어진 식

(31)(32)과 같다

i PFN=V DC

ωL Csinωt (3 1)

V PFN=1

C PFN

⌠⌡

t

0i PFN dt=V DC(1- cosωt) (3 2)

ω=1

L CC PFN

RF 폭 에 가 는 생 압 3상 압 승

압변압 사 여 고 압 변 게 다 고 압 다

드에 직 압 변 후 거쳐 커 시 에

다 직 압 운 상태에 라 가변 압 압

단에 3상 상 어 사 다 상 어는 도체 싸

리 사 여 어 각에 통 어 크

압 생 다 어 시에 생 는 크 압 단 승압변

압 상 어 사 에 2 mH 3상 직 사 다[2] 상 주

60 Hz 사 므 나 크 가 커 공간 많 지

게 다 라 듈 는 에 직 원 가 지

는 비 체크 50 도 다 가 에 사 는 변 시

듈 는 다 사 므 공간 약 다

도체 달과 빠 진보 주

가능 여 직 원 가 19 랙에 는

아 다

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그림 32 듈 도

Fig 32 A modulator electrical circuit

그림 33 압과

Fig 33 Charging voltage and charging current waveform

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그림 32는 고 생 는 듈 도

나타내었고 승압변압 승압 비만큼 고 압 통 직

원 커 시 에 게 다

그림 33 과 PFN커 시 에 는 압

안 도 시 것 다 압 안 도 게 de-Q`ing

사 동 시에 2 에 는

시 압 보여주고 다[3]

고압 에 어 가 큰 들 원

듈 경우는 만 남게 어 고 사

보다 크 다 31 원 듈

사양 보여주고 다

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  Klystron Designed

System Peak RF Power Prf-peak (MW) 656

Parameters Tube Efficiency Eff () 406

Tube Pulse Width Tp (usESW) 17

Beam Voltage Vk (kV) 370

  Beam Current Ik (A) 430

Average Collector Power (kW) 389

Klystron Perveance k (micro) 194

  Klystron Impedance Zk (Ohm) 8467

Design Maximum Reputation Rate f (Hz) 60

Guideline  Minimum Turn Ratio n 148

     

  Modulator  

Design Modulator Pulse Width Tp (usESW) 47

Variables Design Turn Ratio n 17

Impedance Mismatch M () 00

Parallel PFN NO Kpfn 20

PFN Stage Npfn 150

PFN Peak Power Pm (MW) 1617

Pulse Energy (Joule) 7599

PFN Impedance Zpfn (Ohm) 29

PFN Voltage Vpfn (kV) 435

PFN Capacitance Cpfn-t (uF) 080

PFN Inductance Lpfn-t (uH) 69

PFN Capacitor Cpfn (nF) 501

Capacitor RMS Current Icrms (A) 279

  PFN Inductor Lpfn (uH) 14

Thyratron Peak Anode Current Ib (A) 74290

RMS Current Irms (A) 1248

  Inverter  

Inverter Average Charging Power Pch-av (kW) 4560

System Charging Current Ich (A) 22

  Average Charging Current Ich-av (A) 21

31 클라 트 듈 계사양

Table 31 Design parameter of klystron modulator

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그림 34는 새 게 안 직 원 듈

나타내고 다 직 원 리 거 크 과

커 시 공진 킹 크 등 체 가 큰

들 사 고 다 들 들 시 는 어

공간 지 고 다 새 게 안 안 시 에 는 직

가 능 신 고 어 직 원 여 트 다

그림 34 듈 다 어그램

Fig 34 Electrical circuit diagram of modulator

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32 링과 시뮬

321 링

시 계 검 는 단계 계가 료 등가 나타

내고 컴퓨 사 사 실시 다 산 사에 고 압 듈

포 체 등가 여 그림 35에 나타내었다

클라 트 RF 폭 는 I P= αtimesV15P [A] 드 애

드 간에 가 는 압 15승에 비 다 산 사에 는 사

는 클라 트 등가 는 식 등가 링 다

컴퓨 산 사에 는 실 운 에 생 는 단락시험과

보 계 에 내량과 압 등 평가 게 다

사 는 클라 트 극과 양극 간에 가 는 압과

값 계산 다 원 듈

연 는 변압 사 다 에 지 는

는 폭 생 가변 커 시 여

사 게 는 특 는 같 값 가지도 계 여야

가 는 동안 원 가 직 어

에 압 어난다 변압 는 변압 1 에

가 압 승압비 만큼 승압 압 공 게 다 같

원 가 동 값 었 에 지

달 다 같 원 간 에 민감

는 식 라 타 라고 다 가 원

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보다 크게 역 매 라 고 경우

는 매 라 다 개 경우는 매 도

계 다

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그림 35 산 사 등가

Fig 35 Equivalence circuit for simulation

- 19 -

322 클라 트 브 등가

산 사에 클라 트 브 링 식 변 여

사 다 변압 등가 고 2 1

여 변 다 그림 3 5 다 그림 3 7

클라 트 브 빔 식 여 나타낸 것 다

R P=R K

N2 =

V K

I K

N2 =

V K

KV 15K

N2 =

1

N2KV

05K

=

1

N2K(SNV

05P )=

1

S05N25KV

05P

[Ω]

(3 3)

I P=V P

R P=S 05N 25KV 15

P [A] I P= αtimesV15P [A] (3 4)

α=N 25KS 05 (3 5)

Klystron tube Modeling(PSiM 60)

Rk = Klystron impedance

N = PT step-up ratio

Vk = Klystron voltage

Ik = Klystron current

K = Klystron perveance

S = Scale factor

Example) N= 17 K=18 u s=1 α=000109

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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- 30 -

그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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- 51 -

3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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- 64 -

Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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- 68 -

그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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- 70 -

시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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- 71 -

폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 16: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 8 -

다 폭 신 는 가 고 에 사 가 RF

폭 마 크 웨 브 에 가 어난다 RF 사 주

는 2856 MHz S- 드 고 폭 사 는 클라 트

40 도 다 클라 트 브에 에 지 공 는 듈

는 브 고 량 계 야 다 라

압 고 압 RF 워 변 는 변 듈

에 는 략 67 도 다 라 변 지 못 에 지

는 실 에 당 고 에 직 변 는 실

는 계 변압 상승시간과 강시간 빠 게 계 변

상 다

그림 23 RF 시 변 원리

Fig 23 Conversion principle of RF system

변압 누 는 상승시간에 미

에 게 계 는 것 심 다 는 평탄 만 사

므 실 변 에 어 상승시간과 강시간 실 에 당 다

라 실 변압 상승시간과 강시간 빠

게 는 것 계 심 다

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Ⅲ 계 특징

31 듈

311 계 특징

듈 는 공 원 식에 라 라 타 과 드타 고

여 는 라 타 원 사 는

변 가 다 는 클라 트 폭 사 므

드 극에 가 는 압과 그 는 결 다 원과

는 변압 연 고 시 사양 결 는 것 변압

비 결 는 것 시 게 다 시 계에

변압 에 압과 에 는 값 계산 여

에 사 는 커 시 격 압과 에 사양 결

게 다 그림 31 시 변압 비에 PFN커

시 양단에 가 는 압 크 도식 것 다 그

림31에 보듯 상 시 는 커 시 는 압 내압 50 kV

감안 다 변압 1 압크 계 보 다

라 사 가능 커 시 고 나 1 압크 에

변압 비 다 본 시 에 는 1 17 비 갖

는 변압 다

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Pulse Transformer N [Turn]

12 13 14 15 16 17 18 19

PF

N V

olta

ge [

kV

]

40

45

50

55

60

Dis

char

gin

g C

urr

ent

[A]

5500

6000

6500

7000

7500

8000PFN voltage [kV]

Discharging Current [A]

Voltage Limit

Operating Point

그림 31 변압 비에 압

Fig 31 Voltage and current plotted as a function of the pulse

transformer turn ratio

312 시 계

듈 내 는 다 는 고

압 원 에 지 는 PFN(Pulse Forming Network) 포

는 원 고 는 생 는 싸 라트

변압 클라 트 지 말 다

고 식에 듈 는 그림 32에 보 는 같 고

압 압원 VG 공진 LC 통 커 시 ZPFN 에

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다 커 시 에 는 압 주어진 식

(31)(32)과 같다

i PFN=V DC

ωL Csinωt (3 1)

V PFN=1

C PFN

⌠⌡

t

0i PFN dt=V DC(1- cosωt) (3 2)

ω=1

L CC PFN

RF 폭 에 가 는 생 압 3상 압 승

압변압 사 여 고 압 변 게 다 고 압 다

드에 직 압 변 후 거쳐 커 시 에

다 직 압 운 상태에 라 가변 압 압

단에 3상 상 어 사 다 상 어는 도체 싸

리 사 여 어 각에 통 어 크

압 생 다 어 시에 생 는 크 압 단 승압변

압 상 어 사 에 2 mH 3상 직 사 다[2] 상 주

60 Hz 사 므 나 크 가 커 공간 많 지

게 다 라 듈 는 에 직 원 가 지

는 비 체크 50 도 다 가 에 사 는 변 시

듈 는 다 사 므 공간 약 다

도체 달과 빠 진보 주

가능 여 직 원 가 19 랙에 는

아 다

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그림 32 듈 도

Fig 32 A modulator electrical circuit

그림 33 압과

Fig 33 Charging voltage and charging current waveform

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그림 32는 고 생 는 듈 도

나타내었고 승압변압 승압 비만큼 고 압 통 직

원 커 시 에 게 다

그림 33 과 PFN커 시 에 는 압

안 도 시 것 다 압 안 도 게 de-Q`ing

사 동 시에 2 에 는

시 압 보여주고 다[3]

고압 에 어 가 큰 들 원

듈 경우는 만 남게 어 고 사

보다 크 다 31 원 듈

사양 보여주고 다

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  Klystron Designed

System Peak RF Power Prf-peak (MW) 656

Parameters Tube Efficiency Eff () 406

Tube Pulse Width Tp (usESW) 17

Beam Voltage Vk (kV) 370

  Beam Current Ik (A) 430

Average Collector Power (kW) 389

Klystron Perveance k (micro) 194

  Klystron Impedance Zk (Ohm) 8467

Design Maximum Reputation Rate f (Hz) 60

Guideline  Minimum Turn Ratio n 148

     

  Modulator  

Design Modulator Pulse Width Tp (usESW) 47

Variables Design Turn Ratio n 17

Impedance Mismatch M () 00

Parallel PFN NO Kpfn 20

PFN Stage Npfn 150

PFN Peak Power Pm (MW) 1617

Pulse Energy (Joule) 7599

PFN Impedance Zpfn (Ohm) 29

PFN Voltage Vpfn (kV) 435

PFN Capacitance Cpfn-t (uF) 080

PFN Inductance Lpfn-t (uH) 69

PFN Capacitor Cpfn (nF) 501

Capacitor RMS Current Icrms (A) 279

  PFN Inductor Lpfn (uH) 14

Thyratron Peak Anode Current Ib (A) 74290

RMS Current Irms (A) 1248

  Inverter  

Inverter Average Charging Power Pch-av (kW) 4560

System Charging Current Ich (A) 22

  Average Charging Current Ich-av (A) 21

31 클라 트 듈 계사양

Table 31 Design parameter of klystron modulator

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- 15 -

그림 34는 새 게 안 직 원 듈

나타내고 다 직 원 리 거 크 과

커 시 공진 킹 크 등 체 가 큰

들 사 고 다 들 들 시 는 어

공간 지 고 다 새 게 안 안 시 에 는 직

가 능 신 고 어 직 원 여 트 다

그림 34 듈 다 어그램

Fig 34 Electrical circuit diagram of modulator

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32 링과 시뮬

321 링

시 계 검 는 단계 계가 료 등가 나타

내고 컴퓨 사 사 실시 다 산 사에 고 압 듈

포 체 등가 여 그림 35에 나타내었다

클라 트 RF 폭 는 I P= αtimesV15P [A] 드 애

드 간에 가 는 압 15승에 비 다 산 사에 는 사

는 클라 트 등가 는 식 등가 링 다

컴퓨 산 사에 는 실 운 에 생 는 단락시험과

보 계 에 내량과 압 등 평가 게 다

사 는 클라 트 극과 양극 간에 가 는 압과

값 계산 다 원 듈

연 는 변압 사 다 에 지 는

는 폭 생 가변 커 시 여

사 게 는 특 는 같 값 가지도 계 여야

가 는 동안 원 가 직 어

에 압 어난다 변압 는 변압 1 에

가 압 승압비 만큼 승압 압 공 게 다 같

원 가 동 값 었 에 지

달 다 같 원 간 에 민감

는 식 라 타 라고 다 가 원

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- 17 -

보다 크게 역 매 라 고 경우

는 매 라 다 개 경우는 매 도

계 다

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- 18 -

그림 35 산 사 등가

Fig 35 Equivalence circuit for simulation

- 19 -

322 클라 트 브 등가

산 사에 클라 트 브 링 식 변 여

사 다 변압 등가 고 2 1

여 변 다 그림 3 5 다 그림 3 7

클라 트 브 빔 식 여 나타낸 것 다

R P=R K

N2 =

V K

I K

N2 =

V K

KV 15K

N2 =

1

N2KV

05K

=

1

N2K(SNV

05P )=

1

S05N25KV

05P

[Ω]

(3 3)

I P=V P

R P=S 05N 25KV 15

P [A] I P= αtimesV15P [A] (3 4)

α=N 25KS 05 (3 5)

Klystron tube Modeling(PSiM 60)

Rk = Klystron impedance

N = PT step-up ratio

Vk = Klystron voltage

Ik = Klystron current

K = Klystron perveance

S = Scale factor

Example) N= 17 K=18 u s=1 α=000109

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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- 27 -

그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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- 28 -

Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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- 30 -

그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 17: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 9 -

Ⅲ 계 특징

31 듈

311 계 특징

듈 는 공 원 식에 라 라 타 과 드타 고

여 는 라 타 원 사 는

변 가 다 는 클라 트 폭 사 므

드 극에 가 는 압과 그 는 결 다 원과

는 변압 연 고 시 사양 결 는 것 변압

비 결 는 것 시 게 다 시 계에

변압 에 압과 에 는 값 계산 여

에 사 는 커 시 격 압과 에 사양 결

게 다 그림 31 시 변압 비에 PFN커

시 양단에 가 는 압 크 도식 것 다 그

림31에 보듯 상 시 는 커 시 는 압 내압 50 kV

감안 다 변압 1 압크 계 보 다

라 사 가능 커 시 고 나 1 압크 에

변압 비 다 본 시 에 는 1 17 비 갖

는 변압 다

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Pulse Transformer N [Turn]

12 13 14 15 16 17 18 19

PF

N V

olta

ge [

kV

]

40

45

50

55

60

Dis

char

gin

g C

urr

ent

[A]

5500

6000

6500

7000

7500

8000PFN voltage [kV]

Discharging Current [A]

Voltage Limit

Operating Point

그림 31 변압 비에 압

Fig 31 Voltage and current plotted as a function of the pulse

transformer turn ratio

312 시 계

듈 내 는 다 는 고

압 원 에 지 는 PFN(Pulse Forming Network) 포

는 원 고 는 생 는 싸 라트

변압 클라 트 지 말 다

고 식에 듈 는 그림 32에 보 는 같 고

압 압원 VG 공진 LC 통 커 시 ZPFN 에

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- 11 -

다 커 시 에 는 압 주어진 식

(31)(32)과 같다

i PFN=V DC

ωL Csinωt (3 1)

V PFN=1

C PFN

⌠⌡

t

0i PFN dt=V DC(1- cosωt) (3 2)

ω=1

L CC PFN

RF 폭 에 가 는 생 압 3상 압 승

압변압 사 여 고 압 변 게 다 고 압 다

드에 직 압 변 후 거쳐 커 시 에

다 직 압 운 상태에 라 가변 압 압

단에 3상 상 어 사 다 상 어는 도체 싸

리 사 여 어 각에 통 어 크

압 생 다 어 시에 생 는 크 압 단 승압변

압 상 어 사 에 2 mH 3상 직 사 다[2] 상 주

60 Hz 사 므 나 크 가 커 공간 많 지

게 다 라 듈 는 에 직 원 가 지

는 비 체크 50 도 다 가 에 사 는 변 시

듈 는 다 사 므 공간 약 다

도체 달과 빠 진보 주

가능 여 직 원 가 19 랙에 는

아 다

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그림 32 듈 도

Fig 32 A modulator electrical circuit

그림 33 압과

Fig 33 Charging voltage and charging current waveform

- 13 -

그림 32는 고 생 는 듈 도

나타내었고 승압변압 승압 비만큼 고 압 통 직

원 커 시 에 게 다

그림 33 과 PFN커 시 에 는 압

안 도 시 것 다 압 안 도 게 de-Q`ing

사 동 시에 2 에 는

시 압 보여주고 다[3]

고압 에 어 가 큰 들 원

듈 경우는 만 남게 어 고 사

보다 크 다 31 원 듈

사양 보여주고 다

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  Klystron Designed

System Peak RF Power Prf-peak (MW) 656

Parameters Tube Efficiency Eff () 406

Tube Pulse Width Tp (usESW) 17

Beam Voltage Vk (kV) 370

  Beam Current Ik (A) 430

Average Collector Power (kW) 389

Klystron Perveance k (micro) 194

  Klystron Impedance Zk (Ohm) 8467

Design Maximum Reputation Rate f (Hz) 60

Guideline  Minimum Turn Ratio n 148

     

  Modulator  

Design Modulator Pulse Width Tp (usESW) 47

Variables Design Turn Ratio n 17

Impedance Mismatch M () 00

Parallel PFN NO Kpfn 20

PFN Stage Npfn 150

PFN Peak Power Pm (MW) 1617

Pulse Energy (Joule) 7599

PFN Impedance Zpfn (Ohm) 29

PFN Voltage Vpfn (kV) 435

PFN Capacitance Cpfn-t (uF) 080

PFN Inductance Lpfn-t (uH) 69

PFN Capacitor Cpfn (nF) 501

Capacitor RMS Current Icrms (A) 279

  PFN Inductor Lpfn (uH) 14

Thyratron Peak Anode Current Ib (A) 74290

RMS Current Irms (A) 1248

  Inverter  

Inverter Average Charging Power Pch-av (kW) 4560

System Charging Current Ich (A) 22

  Average Charging Current Ich-av (A) 21

31 클라 트 듈 계사양

Table 31 Design parameter of klystron modulator

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- 15 -

그림 34는 새 게 안 직 원 듈

나타내고 다 직 원 리 거 크 과

커 시 공진 킹 크 등 체 가 큰

들 사 고 다 들 들 시 는 어

공간 지 고 다 새 게 안 안 시 에 는 직

가 능 신 고 어 직 원 여 트 다

그림 34 듈 다 어그램

Fig 34 Electrical circuit diagram of modulator

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- 16 -

32 링과 시뮬

321 링

시 계 검 는 단계 계가 료 등가 나타

내고 컴퓨 사 사 실시 다 산 사에 고 압 듈

포 체 등가 여 그림 35에 나타내었다

클라 트 RF 폭 는 I P= αtimesV15P [A] 드 애

드 간에 가 는 압 15승에 비 다 산 사에 는 사

는 클라 트 등가 는 식 등가 링 다

컴퓨 산 사에 는 실 운 에 생 는 단락시험과

보 계 에 내량과 압 등 평가 게 다

사 는 클라 트 극과 양극 간에 가 는 압과

값 계산 다 원 듈

연 는 변압 사 다 에 지 는

는 폭 생 가변 커 시 여

사 게 는 특 는 같 값 가지도 계 여야

가 는 동안 원 가 직 어

에 압 어난다 변압 는 변압 1 에

가 압 승압비 만큼 승압 압 공 게 다 같

원 가 동 값 었 에 지

달 다 같 원 간 에 민감

는 식 라 타 라고 다 가 원

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보다 크게 역 매 라 고 경우

는 매 라 다 개 경우는 매 도

계 다

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- 18 -

그림 35 산 사 등가

Fig 35 Equivalence circuit for simulation

- 19 -

322 클라 트 브 등가

산 사에 클라 트 브 링 식 변 여

사 다 변압 등가 고 2 1

여 변 다 그림 3 5 다 그림 3 7

클라 트 브 빔 식 여 나타낸 것 다

R P=R K

N2 =

V K

I K

N2 =

V K

KV 15K

N2 =

1

N2KV

05K

=

1

N2K(SNV

05P )=

1

S05N25KV

05P

[Ω]

(3 3)

I P=V P

R P=S 05N 25KV 15

P [A] I P= αtimesV15P [A] (3 4)

α=N 25KS 05 (3 5)

Klystron tube Modeling(PSiM 60)

Rk = Klystron impedance

N = PT step-up ratio

Vk = Klystron voltage

Ik = Klystron current

K = Klystron perveance

S = Scale factor

Example) N= 17 K=18 u s=1 α=000109

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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- 28 -

Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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- 30 -

그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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강조

- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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- 70 -

시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

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USA August 21 - 26 2005

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 18: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 10 -

Pulse Transformer N [Turn]

12 13 14 15 16 17 18 19

PF

N V

olta

ge [

kV

]

40

45

50

55

60

Dis

char

gin

g C

urr

ent

[A]

5500

6000

6500

7000

7500

8000PFN voltage [kV]

Discharging Current [A]

Voltage Limit

Operating Point

그림 31 변압 비에 압

Fig 31 Voltage and current plotted as a function of the pulse

transformer turn ratio

312 시 계

듈 내 는 다 는 고

압 원 에 지 는 PFN(Pulse Forming Network) 포

는 원 고 는 생 는 싸 라트

변압 클라 트 지 말 다

고 식에 듈 는 그림 32에 보 는 같 고

압 압원 VG 공진 LC 통 커 시 ZPFN 에

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- 11 -

다 커 시 에 는 압 주어진 식

(31)(32)과 같다

i PFN=V DC

ωL Csinωt (3 1)

V PFN=1

C PFN

⌠⌡

t

0i PFN dt=V DC(1- cosωt) (3 2)

ω=1

L CC PFN

RF 폭 에 가 는 생 압 3상 압 승

압변압 사 여 고 압 변 게 다 고 압 다

드에 직 압 변 후 거쳐 커 시 에

다 직 압 운 상태에 라 가변 압 압

단에 3상 상 어 사 다 상 어는 도체 싸

리 사 여 어 각에 통 어 크

압 생 다 어 시에 생 는 크 압 단 승압변

압 상 어 사 에 2 mH 3상 직 사 다[2] 상 주

60 Hz 사 므 나 크 가 커 공간 많 지

게 다 라 듈 는 에 직 원 가 지

는 비 체크 50 도 다 가 에 사 는 변 시

듈 는 다 사 므 공간 약 다

도체 달과 빠 진보 주

가능 여 직 원 가 19 랙에 는

아 다

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- 12 -

그림 32 듈 도

Fig 32 A modulator electrical circuit

그림 33 압과

Fig 33 Charging voltage and charging current waveform

- 13 -

그림 32는 고 생 는 듈 도

나타내었고 승압변압 승압 비만큼 고 압 통 직

원 커 시 에 게 다

그림 33 과 PFN커 시 에 는 압

안 도 시 것 다 압 안 도 게 de-Q`ing

사 동 시에 2 에 는

시 압 보여주고 다[3]

고압 에 어 가 큰 들 원

듈 경우는 만 남게 어 고 사

보다 크 다 31 원 듈

사양 보여주고 다

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- 14 -

  Klystron Designed

System Peak RF Power Prf-peak (MW) 656

Parameters Tube Efficiency Eff () 406

Tube Pulse Width Tp (usESW) 17

Beam Voltage Vk (kV) 370

  Beam Current Ik (A) 430

Average Collector Power (kW) 389

Klystron Perveance k (micro) 194

  Klystron Impedance Zk (Ohm) 8467

Design Maximum Reputation Rate f (Hz) 60

Guideline  Minimum Turn Ratio n 148

     

  Modulator  

Design Modulator Pulse Width Tp (usESW) 47

Variables Design Turn Ratio n 17

Impedance Mismatch M () 00

Parallel PFN NO Kpfn 20

PFN Stage Npfn 150

PFN Peak Power Pm (MW) 1617

Pulse Energy (Joule) 7599

PFN Impedance Zpfn (Ohm) 29

PFN Voltage Vpfn (kV) 435

PFN Capacitance Cpfn-t (uF) 080

PFN Inductance Lpfn-t (uH) 69

PFN Capacitor Cpfn (nF) 501

Capacitor RMS Current Icrms (A) 279

  PFN Inductor Lpfn (uH) 14

Thyratron Peak Anode Current Ib (A) 74290

RMS Current Irms (A) 1248

  Inverter  

Inverter Average Charging Power Pch-av (kW) 4560

System Charging Current Ich (A) 22

  Average Charging Current Ich-av (A) 21

31 클라 트 듈 계사양

Table 31 Design parameter of klystron modulator

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- 15 -

그림 34는 새 게 안 직 원 듈

나타내고 다 직 원 리 거 크 과

커 시 공진 킹 크 등 체 가 큰

들 사 고 다 들 들 시 는 어

공간 지 고 다 새 게 안 안 시 에 는 직

가 능 신 고 어 직 원 여 트 다

그림 34 듈 다 어그램

Fig 34 Electrical circuit diagram of modulator

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- 16 -

32 링과 시뮬

321 링

시 계 검 는 단계 계가 료 등가 나타

내고 컴퓨 사 사 실시 다 산 사에 고 압 듈

포 체 등가 여 그림 35에 나타내었다

클라 트 RF 폭 는 I P= αtimesV15P [A] 드 애

드 간에 가 는 압 15승에 비 다 산 사에 는 사

는 클라 트 등가 는 식 등가 링 다

컴퓨 산 사에 는 실 운 에 생 는 단락시험과

보 계 에 내량과 압 등 평가 게 다

사 는 클라 트 극과 양극 간에 가 는 압과

값 계산 다 원 듈

연 는 변압 사 다 에 지 는

는 폭 생 가변 커 시 여

사 게 는 특 는 같 값 가지도 계 여야

가 는 동안 원 가 직 어

에 압 어난다 변압 는 변압 1 에

가 압 승압비 만큼 승압 압 공 게 다 같

원 가 동 값 었 에 지

달 다 같 원 간 에 민감

는 식 라 타 라고 다 가 원

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- 17 -

보다 크게 역 매 라 고 경우

는 매 라 다 개 경우는 매 도

계 다

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- 18 -

그림 35 산 사 등가

Fig 35 Equivalence circuit for simulation

- 19 -

322 클라 트 브 등가

산 사에 클라 트 브 링 식 변 여

사 다 변압 등가 고 2 1

여 변 다 그림 3 5 다 그림 3 7

클라 트 브 빔 식 여 나타낸 것 다

R P=R K

N2 =

V K

I K

N2 =

V K

KV 15K

N2 =

1

N2KV

05K

=

1

N2K(SNV

05P )=

1

S05N25KV

05P

[Ω]

(3 3)

I P=V P

R P=S 05N 25KV 15

P [A] I P= αtimesV15P [A] (3 4)

α=N 25KS 05 (3 5)

Klystron tube Modeling(PSiM 60)

Rk = Klystron impedance

N = PT step-up ratio

Vk = Klystron voltage

Ik = Klystron current

K = Klystron perveance

S = Scale factor

Example) N= 17 K=18 u s=1 α=000109

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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- 27 -

그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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- 28 -

Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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- 30 -

그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

2006 12 pp146-156

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Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

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200-MW 트랜 포 능시험 계

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[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

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USA August 21 - 26 2005

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 19: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 11 -

다 커 시 에 는 압 주어진 식

(31)(32)과 같다

i PFN=V DC

ωL Csinωt (3 1)

V PFN=1

C PFN

⌠⌡

t

0i PFN dt=V DC(1- cosωt) (3 2)

ω=1

L CC PFN

RF 폭 에 가 는 생 압 3상 압 승

압변압 사 여 고 압 변 게 다 고 압 다

드에 직 압 변 후 거쳐 커 시 에

다 직 압 운 상태에 라 가변 압 압

단에 3상 상 어 사 다 상 어는 도체 싸

리 사 여 어 각에 통 어 크

압 생 다 어 시에 생 는 크 압 단 승압변

압 상 어 사 에 2 mH 3상 직 사 다[2] 상 주

60 Hz 사 므 나 크 가 커 공간 많 지

게 다 라 듈 는 에 직 원 가 지

는 비 체크 50 도 다 가 에 사 는 변 시

듈 는 다 사 므 공간 약 다

도체 달과 빠 진보 주

가능 여 직 원 가 19 랙에 는

아 다

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- 12 -

그림 32 듈 도

Fig 32 A modulator electrical circuit

그림 33 압과

Fig 33 Charging voltage and charging current waveform

- 13 -

그림 32는 고 생 는 듈 도

나타내었고 승압변압 승압 비만큼 고 압 통 직

원 커 시 에 게 다

그림 33 과 PFN커 시 에 는 압

안 도 시 것 다 압 안 도 게 de-Q`ing

사 동 시에 2 에 는

시 압 보여주고 다[3]

고압 에 어 가 큰 들 원

듈 경우는 만 남게 어 고 사

보다 크 다 31 원 듈

사양 보여주고 다

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- 14 -

  Klystron Designed

System Peak RF Power Prf-peak (MW) 656

Parameters Tube Efficiency Eff () 406

Tube Pulse Width Tp (usESW) 17

Beam Voltage Vk (kV) 370

  Beam Current Ik (A) 430

Average Collector Power (kW) 389

Klystron Perveance k (micro) 194

  Klystron Impedance Zk (Ohm) 8467

Design Maximum Reputation Rate f (Hz) 60

Guideline  Minimum Turn Ratio n 148

     

  Modulator  

Design Modulator Pulse Width Tp (usESW) 47

Variables Design Turn Ratio n 17

Impedance Mismatch M () 00

Parallel PFN NO Kpfn 20

PFN Stage Npfn 150

PFN Peak Power Pm (MW) 1617

Pulse Energy (Joule) 7599

PFN Impedance Zpfn (Ohm) 29

PFN Voltage Vpfn (kV) 435

PFN Capacitance Cpfn-t (uF) 080

PFN Inductance Lpfn-t (uH) 69

PFN Capacitor Cpfn (nF) 501

Capacitor RMS Current Icrms (A) 279

  PFN Inductor Lpfn (uH) 14

Thyratron Peak Anode Current Ib (A) 74290

RMS Current Irms (A) 1248

  Inverter  

Inverter Average Charging Power Pch-av (kW) 4560

System Charging Current Ich (A) 22

  Average Charging Current Ich-av (A) 21

31 클라 트 듈 계사양

Table 31 Design parameter of klystron modulator

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- 15 -

그림 34는 새 게 안 직 원 듈

나타내고 다 직 원 리 거 크 과

커 시 공진 킹 크 등 체 가 큰

들 사 고 다 들 들 시 는 어

공간 지 고 다 새 게 안 안 시 에 는 직

가 능 신 고 어 직 원 여 트 다

그림 34 듈 다 어그램

Fig 34 Electrical circuit diagram of modulator

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- 16 -

32 링과 시뮬

321 링

시 계 검 는 단계 계가 료 등가 나타

내고 컴퓨 사 사 실시 다 산 사에 고 압 듈

포 체 등가 여 그림 35에 나타내었다

클라 트 RF 폭 는 I P= αtimesV15P [A] 드 애

드 간에 가 는 압 15승에 비 다 산 사에 는 사

는 클라 트 등가 는 식 등가 링 다

컴퓨 산 사에 는 실 운 에 생 는 단락시험과

보 계 에 내량과 압 등 평가 게 다

사 는 클라 트 극과 양극 간에 가 는 압과

값 계산 다 원 듈

연 는 변압 사 다 에 지 는

는 폭 생 가변 커 시 여

사 게 는 특 는 같 값 가지도 계 여야

가 는 동안 원 가 직 어

에 압 어난다 변압 는 변압 1 에

가 압 승압비 만큼 승압 압 공 게 다 같

원 가 동 값 었 에 지

달 다 같 원 간 에 민감

는 식 라 타 라고 다 가 원

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- 17 -

보다 크게 역 매 라 고 경우

는 매 라 다 개 경우는 매 도

계 다

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- 18 -

그림 35 산 사 등가

Fig 35 Equivalence circuit for simulation

- 19 -

322 클라 트 브 등가

산 사에 클라 트 브 링 식 변 여

사 다 변압 등가 고 2 1

여 변 다 그림 3 5 다 그림 3 7

클라 트 브 빔 식 여 나타낸 것 다

R P=R K

N2 =

V K

I K

N2 =

V K

KV 15K

N2 =

1

N2KV

05K

=

1

N2K(SNV

05P )=

1

S05N25KV

05P

[Ω]

(3 3)

I P=V P

R P=S 05N 25KV 15

P [A] I P= αtimesV15P [A] (3 4)

α=N 25KS 05 (3 5)

Klystron tube Modeling(PSiM 60)

Rk = Klystron impedance

N = PT step-up ratio

Vk = Klystron voltage

Ik = Klystron current

K = Klystron perveance

S = Scale factor

Example) N= 17 K=18 u s=1 α=000109

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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- 27 -

그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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- 28 -

Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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- 30 -

그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 20: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 12 -

그림 32 듈 도

Fig 32 A modulator electrical circuit

그림 33 압과

Fig 33 Charging voltage and charging current waveform

- 13 -

그림 32는 고 생 는 듈 도

나타내었고 승압변압 승압 비만큼 고 압 통 직

원 커 시 에 게 다

그림 33 과 PFN커 시 에 는 압

안 도 시 것 다 압 안 도 게 de-Q`ing

사 동 시에 2 에 는

시 압 보여주고 다[3]

고압 에 어 가 큰 들 원

듈 경우는 만 남게 어 고 사

보다 크 다 31 원 듈

사양 보여주고 다

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  Klystron Designed

System Peak RF Power Prf-peak (MW) 656

Parameters Tube Efficiency Eff () 406

Tube Pulse Width Tp (usESW) 17

Beam Voltage Vk (kV) 370

  Beam Current Ik (A) 430

Average Collector Power (kW) 389

Klystron Perveance k (micro) 194

  Klystron Impedance Zk (Ohm) 8467

Design Maximum Reputation Rate f (Hz) 60

Guideline  Minimum Turn Ratio n 148

     

  Modulator  

Design Modulator Pulse Width Tp (usESW) 47

Variables Design Turn Ratio n 17

Impedance Mismatch M () 00

Parallel PFN NO Kpfn 20

PFN Stage Npfn 150

PFN Peak Power Pm (MW) 1617

Pulse Energy (Joule) 7599

PFN Impedance Zpfn (Ohm) 29

PFN Voltage Vpfn (kV) 435

PFN Capacitance Cpfn-t (uF) 080

PFN Inductance Lpfn-t (uH) 69

PFN Capacitor Cpfn (nF) 501

Capacitor RMS Current Icrms (A) 279

  PFN Inductor Lpfn (uH) 14

Thyratron Peak Anode Current Ib (A) 74290

RMS Current Irms (A) 1248

  Inverter  

Inverter Average Charging Power Pch-av (kW) 4560

System Charging Current Ich (A) 22

  Average Charging Current Ich-av (A) 21

31 클라 트 듈 계사양

Table 31 Design parameter of klystron modulator

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그림 34는 새 게 안 직 원 듈

나타내고 다 직 원 리 거 크 과

커 시 공진 킹 크 등 체 가 큰

들 사 고 다 들 들 시 는 어

공간 지 고 다 새 게 안 안 시 에 는 직

가 능 신 고 어 직 원 여 트 다

그림 34 듈 다 어그램

Fig 34 Electrical circuit diagram of modulator

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32 링과 시뮬

321 링

시 계 검 는 단계 계가 료 등가 나타

내고 컴퓨 사 사 실시 다 산 사에 고 압 듈

포 체 등가 여 그림 35에 나타내었다

클라 트 RF 폭 는 I P= αtimesV15P [A] 드 애

드 간에 가 는 압 15승에 비 다 산 사에 는 사

는 클라 트 등가 는 식 등가 링 다

컴퓨 산 사에 는 실 운 에 생 는 단락시험과

보 계 에 내량과 압 등 평가 게 다

사 는 클라 트 극과 양극 간에 가 는 압과

값 계산 다 원 듈

연 는 변압 사 다 에 지 는

는 폭 생 가변 커 시 여

사 게 는 특 는 같 값 가지도 계 여야

가 는 동안 원 가 직 어

에 압 어난다 변압 는 변압 1 에

가 압 승압비 만큼 승압 압 공 게 다 같

원 가 동 값 었 에 지

달 다 같 원 간 에 민감

는 식 라 타 라고 다 가 원

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보다 크게 역 매 라 고 경우

는 매 라 다 개 경우는 매 도

계 다

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그림 35 산 사 등가

Fig 35 Equivalence circuit for simulation

- 19 -

322 클라 트 브 등가

산 사에 클라 트 브 링 식 변 여

사 다 변압 등가 고 2 1

여 변 다 그림 3 5 다 그림 3 7

클라 트 브 빔 식 여 나타낸 것 다

R P=R K

N2 =

V K

I K

N2 =

V K

KV 15K

N2 =

1

N2KV

05K

=

1

N2K(SNV

05P )=

1

S05N25KV

05P

[Ω]

(3 3)

I P=V P

R P=S 05N 25KV 15

P [A] I P= αtimesV15P [A] (3 4)

α=N 25KS 05 (3 5)

Klystron tube Modeling(PSiM 60)

Rk = Klystron impedance

N = PT step-up ratio

Vk = Klystron voltage

Ik = Klystron current

K = Klystron perveance

S = Scale factor

Example) N= 17 K=18 u s=1 α=000109

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 21: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 13 -

그림 32는 고 생 는 듈 도

나타내었고 승압변압 승압 비만큼 고 압 통 직

원 커 시 에 게 다

그림 33 과 PFN커 시 에 는 압

안 도 시 것 다 압 안 도 게 de-Q`ing

사 동 시에 2 에 는

시 압 보여주고 다[3]

고압 에 어 가 큰 들 원

듈 경우는 만 남게 어 고 사

보다 크 다 31 원 듈

사양 보여주고 다

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  Klystron Designed

System Peak RF Power Prf-peak (MW) 656

Parameters Tube Efficiency Eff () 406

Tube Pulse Width Tp (usESW) 17

Beam Voltage Vk (kV) 370

  Beam Current Ik (A) 430

Average Collector Power (kW) 389

Klystron Perveance k (micro) 194

  Klystron Impedance Zk (Ohm) 8467

Design Maximum Reputation Rate f (Hz) 60

Guideline  Minimum Turn Ratio n 148

     

  Modulator  

Design Modulator Pulse Width Tp (usESW) 47

Variables Design Turn Ratio n 17

Impedance Mismatch M () 00

Parallel PFN NO Kpfn 20

PFN Stage Npfn 150

PFN Peak Power Pm (MW) 1617

Pulse Energy (Joule) 7599

PFN Impedance Zpfn (Ohm) 29

PFN Voltage Vpfn (kV) 435

PFN Capacitance Cpfn-t (uF) 080

PFN Inductance Lpfn-t (uH) 69

PFN Capacitor Cpfn (nF) 501

Capacitor RMS Current Icrms (A) 279

  PFN Inductor Lpfn (uH) 14

Thyratron Peak Anode Current Ib (A) 74290

RMS Current Irms (A) 1248

  Inverter  

Inverter Average Charging Power Pch-av (kW) 4560

System Charging Current Ich (A) 22

  Average Charging Current Ich-av (A) 21

31 클라 트 듈 계사양

Table 31 Design parameter of klystron modulator

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그림 34는 새 게 안 직 원 듈

나타내고 다 직 원 리 거 크 과

커 시 공진 킹 크 등 체 가 큰

들 사 고 다 들 들 시 는 어

공간 지 고 다 새 게 안 안 시 에 는 직

가 능 신 고 어 직 원 여 트 다

그림 34 듈 다 어그램

Fig 34 Electrical circuit diagram of modulator

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32 링과 시뮬

321 링

시 계 검 는 단계 계가 료 등가 나타

내고 컴퓨 사 사 실시 다 산 사에 고 압 듈

포 체 등가 여 그림 35에 나타내었다

클라 트 RF 폭 는 I P= αtimesV15P [A] 드 애

드 간에 가 는 압 15승에 비 다 산 사에 는 사

는 클라 트 등가 는 식 등가 링 다

컴퓨 산 사에 는 실 운 에 생 는 단락시험과

보 계 에 내량과 압 등 평가 게 다

사 는 클라 트 극과 양극 간에 가 는 압과

값 계산 다 원 듈

연 는 변압 사 다 에 지 는

는 폭 생 가변 커 시 여

사 게 는 특 는 같 값 가지도 계 여야

가 는 동안 원 가 직 어

에 압 어난다 변압 는 변압 1 에

가 압 승압비 만큼 승압 압 공 게 다 같

원 가 동 값 었 에 지

달 다 같 원 간 에 민감

는 식 라 타 라고 다 가 원

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보다 크게 역 매 라 고 경우

는 매 라 다 개 경우는 매 도

계 다

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그림 35 산 사 등가

Fig 35 Equivalence circuit for simulation

- 19 -

322 클라 트 브 등가

산 사에 클라 트 브 링 식 변 여

사 다 변압 등가 고 2 1

여 변 다 그림 3 5 다 그림 3 7

클라 트 브 빔 식 여 나타낸 것 다

R P=R K

N2 =

V K

I K

N2 =

V K

KV 15K

N2 =

1

N2KV

05K

=

1

N2K(SNV

05P )=

1

S05N25KV

05P

[Ω]

(3 3)

I P=V P

R P=S 05N 25KV 15

P [A] I P= αtimesV15P [A] (3 4)

α=N 25KS 05 (3 5)

Klystron tube Modeling(PSiM 60)

Rk = Klystron impedance

N = PT step-up ratio

Vk = Klystron voltage

Ik = Klystron current

K = Klystron perveance

S = Scale factor

Example) N= 17 K=18 u s=1 α=000109

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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강조
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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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Twenty-First International Power Modulator Symposium pp 1-4

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 22: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 14 -

  Klystron Designed

System Peak RF Power Prf-peak (MW) 656

Parameters Tube Efficiency Eff () 406

Tube Pulse Width Tp (usESW) 17

Beam Voltage Vk (kV) 370

  Beam Current Ik (A) 430

Average Collector Power (kW) 389

Klystron Perveance k (micro) 194

  Klystron Impedance Zk (Ohm) 8467

Design Maximum Reputation Rate f (Hz) 60

Guideline  Minimum Turn Ratio n 148

     

  Modulator  

Design Modulator Pulse Width Tp (usESW) 47

Variables Design Turn Ratio n 17

Impedance Mismatch M () 00

Parallel PFN NO Kpfn 20

PFN Stage Npfn 150

PFN Peak Power Pm (MW) 1617

Pulse Energy (Joule) 7599

PFN Impedance Zpfn (Ohm) 29

PFN Voltage Vpfn (kV) 435

PFN Capacitance Cpfn-t (uF) 080

PFN Inductance Lpfn-t (uH) 69

PFN Capacitor Cpfn (nF) 501

Capacitor RMS Current Icrms (A) 279

  PFN Inductor Lpfn (uH) 14

Thyratron Peak Anode Current Ib (A) 74290

RMS Current Irms (A) 1248

  Inverter  

Inverter Average Charging Power Pch-av (kW) 4560

System Charging Current Ich (A) 22

  Average Charging Current Ich-av (A) 21

31 클라 트 듈 계사양

Table 31 Design parameter of klystron modulator

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- 15 -

그림 34는 새 게 안 직 원 듈

나타내고 다 직 원 리 거 크 과

커 시 공진 킹 크 등 체 가 큰

들 사 고 다 들 들 시 는 어

공간 지 고 다 새 게 안 안 시 에 는 직

가 능 신 고 어 직 원 여 트 다

그림 34 듈 다 어그램

Fig 34 Electrical circuit diagram of modulator

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- 16 -

32 링과 시뮬

321 링

시 계 검 는 단계 계가 료 등가 나타

내고 컴퓨 사 사 실시 다 산 사에 고 압 듈

포 체 등가 여 그림 35에 나타내었다

클라 트 RF 폭 는 I P= αtimesV15P [A] 드 애

드 간에 가 는 압 15승에 비 다 산 사에 는 사

는 클라 트 등가 는 식 등가 링 다

컴퓨 산 사에 는 실 운 에 생 는 단락시험과

보 계 에 내량과 압 등 평가 게 다

사 는 클라 트 극과 양극 간에 가 는 압과

값 계산 다 원 듈

연 는 변압 사 다 에 지 는

는 폭 생 가변 커 시 여

사 게 는 특 는 같 값 가지도 계 여야

가 는 동안 원 가 직 어

에 압 어난다 변압 는 변압 1 에

가 압 승압비 만큼 승압 압 공 게 다 같

원 가 동 값 었 에 지

달 다 같 원 간 에 민감

는 식 라 타 라고 다 가 원

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- 17 -

보다 크게 역 매 라 고 경우

는 매 라 다 개 경우는 매 도

계 다

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- 18 -

그림 35 산 사 등가

Fig 35 Equivalence circuit for simulation

- 19 -

322 클라 트 브 등가

산 사에 클라 트 브 링 식 변 여

사 다 변압 등가 고 2 1

여 변 다 그림 3 5 다 그림 3 7

클라 트 브 빔 식 여 나타낸 것 다

R P=R K

N2 =

V K

I K

N2 =

V K

KV 15K

N2 =

1

N2KV

05K

=

1

N2K(SNV

05P )=

1

S05N25KV

05P

[Ω]

(3 3)

I P=V P

R P=S 05N 25KV 15

P [A] I P= αtimesV15P [A] (3 4)

α=N 25KS 05 (3 5)

Klystron tube Modeling(PSiM 60)

Rk = Klystron impedance

N = PT step-up ratio

Vk = Klystron voltage

Ik = Klystron current

K = Klystron perveance

S = Scale factor

Example) N= 17 K=18 u s=1 α=000109

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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강조
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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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Twenty-First International Power Modulator Symposium pp 1-4

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 23: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 15 -

그림 34는 새 게 안 직 원 듈

나타내고 다 직 원 리 거 크 과

커 시 공진 킹 크 등 체 가 큰

들 사 고 다 들 들 시 는 어

공간 지 고 다 새 게 안 안 시 에 는 직

가 능 신 고 어 직 원 여 트 다

그림 34 듈 다 어그램

Fig 34 Electrical circuit diagram of modulator

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- 16 -

32 링과 시뮬

321 링

시 계 검 는 단계 계가 료 등가 나타

내고 컴퓨 사 사 실시 다 산 사에 고 압 듈

포 체 등가 여 그림 35에 나타내었다

클라 트 RF 폭 는 I P= αtimesV15P [A] 드 애

드 간에 가 는 압 15승에 비 다 산 사에 는 사

는 클라 트 등가 는 식 등가 링 다

컴퓨 산 사에 는 실 운 에 생 는 단락시험과

보 계 에 내량과 압 등 평가 게 다

사 는 클라 트 극과 양극 간에 가 는 압과

값 계산 다 원 듈

연 는 변압 사 다 에 지 는

는 폭 생 가변 커 시 여

사 게 는 특 는 같 값 가지도 계 여야

가 는 동안 원 가 직 어

에 압 어난다 변압 는 변압 1 에

가 압 승압비 만큼 승압 압 공 게 다 같

원 가 동 값 었 에 지

달 다 같 원 간 에 민감

는 식 라 타 라고 다 가 원

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보다 크게 역 매 라 고 경우

는 매 라 다 개 경우는 매 도

계 다

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그림 35 산 사 등가

Fig 35 Equivalence circuit for simulation

- 19 -

322 클라 트 브 등가

산 사에 클라 트 브 링 식 변 여

사 다 변압 등가 고 2 1

여 변 다 그림 3 5 다 그림 3 7

클라 트 브 빔 식 여 나타낸 것 다

R P=R K

N2 =

V K

I K

N2 =

V K

KV 15K

N2 =

1

N2KV

05K

=

1

N2K(SNV

05P )=

1

S05N25KV

05P

[Ω]

(3 3)

I P=V P

R P=S 05N 25KV 15

P [A] I P= αtimesV15P [A] (3 4)

α=N 25KS 05 (3 5)

Klystron tube Modeling(PSiM 60)

Rk = Klystron impedance

N = PT step-up ratio

Vk = Klystron voltage

Ik = Klystron current

K = Klystron perveance

S = Scale factor

Example) N= 17 K=18 u s=1 α=000109

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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Twenty-First International Power Modulator Symposium pp 1-4

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- 77 -

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 24: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 16 -

32 링과 시뮬

321 링

시 계 검 는 단계 계가 료 등가 나타

내고 컴퓨 사 사 실시 다 산 사에 고 압 듈

포 체 등가 여 그림 35에 나타내었다

클라 트 RF 폭 는 I P= αtimesV15P [A] 드 애

드 간에 가 는 압 15승에 비 다 산 사에 는 사

는 클라 트 등가 는 식 등가 링 다

컴퓨 산 사에 는 실 운 에 생 는 단락시험과

보 계 에 내량과 압 등 평가 게 다

사 는 클라 트 극과 양극 간에 가 는 압과

값 계산 다 원 듈

연 는 변압 사 다 에 지 는

는 폭 생 가변 커 시 여

사 게 는 특 는 같 값 가지도 계 여야

가 는 동안 원 가 직 어

에 압 어난다 변압 는 변압 1 에

가 압 승압비 만큼 승압 압 공 게 다 같

원 가 동 값 었 에 지

달 다 같 원 간 에 민감

는 식 라 타 라고 다 가 원

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보다 크게 역 매 라 고 경우

는 매 라 다 개 경우는 매 도

계 다

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- 18 -

그림 35 산 사 등가

Fig 35 Equivalence circuit for simulation

- 19 -

322 클라 트 브 등가

산 사에 클라 트 브 링 식 변 여

사 다 변압 등가 고 2 1

여 변 다 그림 3 5 다 그림 3 7

클라 트 브 빔 식 여 나타낸 것 다

R P=R K

N2 =

V K

I K

N2 =

V K

KV 15K

N2 =

1

N2KV

05K

=

1

N2K(SNV

05P )=

1

S05N25KV

05P

[Ω]

(3 3)

I P=V P

R P=S 05N 25KV 15

P [A] I P= αtimesV15P [A] (3 4)

α=N 25KS 05 (3 5)

Klystron tube Modeling(PSiM 60)

Rk = Klystron impedance

N = PT step-up ratio

Vk = Klystron voltage

Ik = Klystron current

K = Klystron perveance

S = Scale factor

Example) N= 17 K=18 u s=1 α=000109

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 25: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 17 -

보다 크게 역 매 라 고 경우

는 매 라 다 개 경우는 매 도

계 다

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- 18 -

그림 35 산 사 등가

Fig 35 Equivalence circuit for simulation

- 19 -

322 클라 트 브 등가

산 사에 클라 트 브 링 식 변 여

사 다 변압 등가 고 2 1

여 변 다 그림 3 5 다 그림 3 7

클라 트 브 빔 식 여 나타낸 것 다

R P=R K

N2 =

V K

I K

N2 =

V K

KV 15K

N2 =

1

N2KV

05K

=

1

N2K(SNV

05P )=

1

S05N25KV

05P

[Ω]

(3 3)

I P=V P

R P=S 05N 25KV 15

P [A] I P= αtimesV15P [A] (3 4)

α=N 25KS 05 (3 5)

Klystron tube Modeling(PSiM 60)

Rk = Klystron impedance

N = PT step-up ratio

Vk = Klystron voltage

Ik = Klystron current

K = Klystron perveance

S = Scale factor

Example) N= 17 K=18 u s=1 α=000109

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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- 28 -

Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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- 30 -

그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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- 68 -

그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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- 70 -

시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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- 71 -

폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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Twenty-First International Power Modulator Symposium pp 1-4

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[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 26: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 18 -

그림 35 산 사 등가

Fig 35 Equivalence circuit for simulation

- 19 -

322 클라 트 브 등가

산 사에 클라 트 브 링 식 변 여

사 다 변압 등가 고 2 1

여 변 다 그림 3 5 다 그림 3 7

클라 트 브 빔 식 여 나타낸 것 다

R P=R K

N2 =

V K

I K

N2 =

V K

KV 15K

N2 =

1

N2KV

05K

=

1

N2K(SNV

05P )=

1

S05N25KV

05P

[Ω]

(3 3)

I P=V P

R P=S 05N 25KV 15

P [A] I P= αtimesV15P [A] (3 4)

α=N 25KS 05 (3 5)

Klystron tube Modeling(PSiM 60)

Rk = Klystron impedance

N = PT step-up ratio

Vk = Klystron voltage

Ik = Klystron current

K = Klystron perveance

S = Scale factor

Example) N= 17 K=18 u s=1 α=000109

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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- 27 -

그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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- 28 -

Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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- 30 -

그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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- 70 -

시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 27: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 19 -

322 클라 트 브 등가

산 사에 클라 트 브 링 식 변 여

사 다 변압 등가 고 2 1

여 변 다 그림 3 5 다 그림 3 7

클라 트 브 빔 식 여 나타낸 것 다

R P=R K

N2 =

V K

I K

N2 =

V K

KV 15K

N2 =

1

N2KV

05K

=

1

N2K(SNV

05P )=

1

S05N25KV

05P

[Ω]

(3 3)

I P=V P

R P=S 05N 25KV 15

P [A] I P= αtimesV15P [A] (3 4)

α=N 25KS 05 (3 5)

Klystron tube Modeling(PSiM 60)

Rk = Klystron impedance

N = PT step-up ratio

Vk = Klystron voltage

Ik = Klystron current

K = Klystron perveance

S = Scale factor

Example) N= 17 K=18 u s=1 α=000109

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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- 28 -

Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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- 30 -

그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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- 51 -

3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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- 64 -

Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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- 68 -

그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 28: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 20 -

timestimestimes timestimes

timestimestimes timestimes

α=N25KS

05=17

25times18times10

-6times1

05=000214

그림 36 클라 트 브(E3712)

Fig 36 klystron tube(E3712)

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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강조

- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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- 51 -

3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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- 64 -

Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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- 68 -

그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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- 70 -

시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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- 71 -

폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 29: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 21 -

그림 37 산 사에 사 클라 트 등가

Fig 37 Equivalent circuit of klystron used for

simulation

실 과 산 사 그림 3 8에 나타

내었고 실 산 사 는 것 다 실

산 사 에 비 후 에 약간 압강 가 는 것

었고 (+) 매 는 것 보여주고 다 산 사는

는 건 다

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 30: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 22 -

그림 38 실 과 산 사

Fig 38 Measurement waveform and simulation waveform

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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강조
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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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강조
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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 31: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 23 -

33 계

331 원

3311 시 사양

커 시 에 압 는 원 압원과 원

사 다 압원 압 원 내

가 0에 가 울 다 에 단락 생겼 경우에 사고

가 커 시 시 킬 다 그림 39는 압 압원

사 는 시 블 다 어그램 보여주고 다 원

가 원 가 infin에 가 고 단락 생겨도

상 가 지 않고 단 다 압원

에 압 여 후 다 지 시간동

안 고 압 에 게 다 고 압 에

랫동안 게 는 생겨 시 신뢰도 어뜨

리게 다

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

2006 12 pp146-156

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Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

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200-MW 트랜 포 능시험 계

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[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 32: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 24 -

그림 39 압원에 변 다 어그램

Fig 39 Diagram of electric power conversion by voltage source

그에 비 원 사 는 원 경우는 시 에 지

에 다 고 압 는 에 압

지 는 시간 짧고 에 료 다 지

원에 압 여 압 트 시 신뢰도가

아진다

원 압 어 사 는

PRM(Pulse Rate Modulated) 드 고 PWM(Pulse Width Modulated)

드 여 사 고 다 그림 310 어 에

원 안 도 나타내고 다 는 직 공진 동

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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- 27 -

그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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- 28 -

Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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- 30 -

그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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- 51 -

3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 33: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 25 -

에 동 고 료 후 커 시 누 에 리

크 는 양만큼 1 압 크 가 안 도 결 게 다

료 후에 폭 변 식에 간헐 안 도

여가는 식 사 안 압 얻 다

그림 310 원 안 도

Fig 310 Output stability of inverter power supply

3312 원 계

공 는 고주 원 워 라

커 시 직 공진에 고주 압 생 다

가 커 시 량에 라 시간 달라진다 병 연

결 여 크 게 시간도 빠 게 고 량

에 라 게 량 만들 다 그림 311 원

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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- 51 -

3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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- 64 -

Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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- 68 -

그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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- 70 -

시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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- 71 -

폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 34: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 26 -

블 나타낸 것 다 압 직 원

는 고주 변 는 고 압 생 는 고주

변압 다단 에 연결 는 다 드 고 압

어 다 압 어는 압 런 값과 압 비

여 압에 다다 지 도 어 다

개시 도 지 는 신 는 지 간신 허 신

허 시간에만 가능 다 32는 원 사양 보여

주고 다 러지 는 H-브리지 식에 폭 변 공진 식

사 고 다[4-6]

압 480 V 3상 원 여 직 압 태 직 압

변 고 H-브리지 에 가 동 게 어 매

시에 L-C 고 시 에 직 공진 어난다

원 삼상 원 직 원 는

고주 에 원 태 변 는 고주

원 고 압 승압 는 고주 변압 2 는 다단

갖고 브릿지 다 드 여 직 연결 어 직 고 압

어 다

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그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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- 51 -

3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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- 68 -

그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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[17] 규 80-MW 클라 트

200-MW 트랜 포 능시험 계

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[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

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[20] J S Oh S D Jang Y G Son S J Kwon J H Seo I S Ko W

Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 35: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 27 -

그림 311 원 블 다 어그램

Fig 311 Block diagram inverter power supply

압 과 과 돌 과 에 보 돌

보 압 과 지 신 등 어 가 게

압 여 안 도 어 지는 않는다 어에

폭 변 식에 H-브리지 여 복 어

압 어 게 다 는 IGBT 병 다

드에 는 는 평 지만 료 는 후 에 는

IGBT에만 가 러 평 가 다 복

어 여 는 압 지 므 상 원 사

는 공진 식에 비 비 빠 시간에 고 고주

사 여 는 다

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Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

2006 12 pp146-156

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Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

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[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

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USA August 21 - 26 2005

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 36: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

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Parameter Value

Peak charging rate (kJsec) 165

Maximum output voltage (kV) 68

Average output current (A) 055

Maximum duty () 80

Average output power (kW) 138

Resonant frequency (kHz) 480

Resonant capacitance () 06

Resonant inductance (μH) 100

Resonant impedance (Ω) 058

DC bank voltage (V) 628

Peak switching current (A) 15873

Efficiency () 90

32 원 사양

Table 32 Specification of inverter power supply

직 공진 에 P는

P=12V DCI AV=

1πV2DC

Z= f rE r

(3 6)

I AV=2π I P I P=

V DC

Z E r=

12C r(2V DC )

2 (3 7)

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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- 30 -

그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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- 51 -

3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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- 64 -

Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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- 68 -

그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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- 70 -

시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 37: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 29 -

여 f r 공진 주 C r 공진 커 시 V는 직 압 E o

는 공진 커 시 에 지 다 그림 312는 원 압

과 평균 다[7]

그림 312 압과

Fig 312 Inverter output voltage and current waveforms

그림 312에 T C는 시간 고 T D

는 고 압 는 시간 T I

는 지 간 T P는 체 운 주 다 그림 313 실 12

kJs 원 내 사진 다 과 직 원 커 시

크 직 공진 는 공 에 는 고 고주 변압

다 드는 탱크 내에 납 는 어 다

원 량 12 kJsec 지는 공냉에 냉각 식 계

고 그 상 냉에 냉각 식 사 고 다

상 매 는 냉 식 는 30 kJsec가 량 그

상 주 식에 특별 다

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- 30 -

그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 38: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 30 -

그림 313 원 내

Fig 313 Inverter power supply inside

그림 314 공진 에 는 공진

Fig 314 Flowing resonance current waveform in resonance

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 39: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 31 -

커 시 는 단락상태 지 고 공진 개시 어 압

그림 314 같 직 공진 IGBT 병

다 드 는 같 값 나 진 IGBT 는

가 나 다 드 는 감 게 다

I AVG=2π I PdD I RMS=

12I P dD (3 8)

I AVG IGBT=122+ k2I AVG (3 9)

I AVGFRED=122- k2I AVG (310)

I RMSIGBT= 1+ k+k2

312I RMS (311)

I RMSFRED= 1- k+k2

312I RM S (312)

I AVGTOTAL= I AVG I RMSTOTAL= 2(1+k2

3)I RMS (313)

P IGBT=2V CE I AVG IGBTP FRED=2V f I AVGFRED (314)

3313 DC-AC 브리지 컨 동

브리지 컨 에 공 는 직 원 병 연

결 고 직 공진 연결 다 공진 에 는 가 에

병 동 여 산시 다 에

사 는 IXDR 30N120D1(IXYS사) 16 개 여

다 공진 는 도체냉각 폴리 커 시

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- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 40: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 32 -

(CSM사 CSM 150 12500V300A) 2 개 직 사 다 공진

는 고주 변압 1 누 리쯔 사 여 2

개 병 다

그림 315 원 도

Fig 315 An electric circuit of inverter power supply

3314 동 원리

동 원리 등가 고 다 과 같 건

가 다 CF CB 압 맥동 없다고 가

다 그림 315는 직 공진 싱 지 브리지 컨

S1-S4 다 드 D1-D4 공진 Ls그리고 공진 Cs 고 압 변

압 직 압 CL 나타내었고 그림 318

컨 어신 고 압변압 1 양단 압 다

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는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 41: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 33 -

는 DC-AC 변 여 승압 고 압변압 1 에 공 다

에 는 는 고 압 승압 변압 2 다 드에

는 다 S1 S3( S4 S2) - 어 는 드 0( 드 2)

과 S4 S2( S1 S3)가 - 어 는 드 0( 드 3) 워링

드 동 다[8]

드 1 (t0-t1) S4-S2 S1-S3

t0에 S2-S4가 - 직

원 공진 Cs 고 공진 Ls 고주 승압변압 1

는 가 다 압 Vab 양단 압 +VBUS

고 S4-S2 공진 통과 는 공진 Ir (+)

가 다 어신 가 는 간동안 에는 공진

주 주 만큼 가 게 고 가 0가 드는 끝난

다 고주 변압 고압 에 병 다 드에

가 게 고 CL에 압 게 다

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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- 68 -

그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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- 71 -

폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 42: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 34 -

그림 316 트 φA신 가시 동

Fig 316 Working scheme of inverter control signal φA

드 2 (t1-t2) S4-S2 S1-S3

t1-t2시간동안 S2-S4가 - 고 공진 에 에 지가

D2-D4 통 귀 는 가 다 양단 압 VAB는

+VBUS 고 병 라 훨링 다 드에는 귀 는

(-) 공진 가 고주 변압 1 공진 공진

통 커 시 역 다 고주 변압 고압

에 는 압 역 고 역 는 다

드 거 가 러 CL에 압

게 다

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드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 43: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 35 -

드 3 (t2-t3) S1-S3 S2-S4

t2-t3시간동안 S1-S3 가 - 고 드 1에 동 과

압 VAB는 -VBUS 어 공진 에 는 는 S1-S3

과 공진 에 는 공진 (-) 다 드 1에

공진 공진 에 압 어 압

2 고 공진 에 는 도 2 다 에 런

상 5-6 도 생 고 시간 경과 에 라 안 다

그림 317 컨트 φB신 가시 동

Fig 317 Working scheme of inverter control signal φB

고주 변압 고압 에 는 어 다

드 거 뀌고 에 는 압

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- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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- 68 -

그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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- 71 -

폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 44: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 36 -

드 4 (t3-t4) S1-S3 S2-S4

t3-t4시간동안 S1-S3 - 고 공진 에 에

지가 D4-D2 통 귀 는 가 공진주 주 동안 다

압 VAB는 -VBUS 고 D2 고주 변압 1 공진 D4에

는 공진 는 -Ir 가 다 고주 변압 고압

에 병 연결 다 드 통 고

에는 압 다

그림 316 트 φA 신 가시 동 드 나타낸 것

고 그림 317 φB 신 가시 동 드 나타낸 것 다 고 압

만드는 는 드 1에 드 4 복 동

는 압에 도달 지 어신 가 게 다

에 압 만드는 다 드 에 는 압

크 는 다 드에 는 크 에 비 다 드 1과 드 4

드 2 - 드 3에 압 VAB는 극 지만 에

는 (+) 동 다[9]

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 45: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 37 -

그림 318 컨 어신 변압 양단 압

Fig 318 Converter control signal and transformer voltage

332

커 시 여 생 는 에 사

는 커 시 는 middot 는 에 사 는 것 량

계산 식 (315)(316)과 같다

12C PFNV

2=⌠⌡

T P

0V LI LdtPFN (315)

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- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 46: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 38 -

C PFN=2 V L I L T P

V 2PFN

(316)

CPFN = 체 커 시 량 []

VPFN = 커 시 압 [kV]

TP = 폭 []

VL = 단 압 [kV]

IL = 단 [A]

체 는 LPFN 주어진다

특 ZPFN

Z PFN=L PFN

C PFN

(317)

LPFN과 커 시 CPFN 커 시 개

NPFN 주어질 커 시 개 가 많

상승시간 빨라지고 평탄도 게 다

빠 상승시간과 원 는 평탄도 는 생 에는

L과 커 시 C 직 병 연결 여 동 L-C

트워크 다 것 PFN(Pulse Forming Network) 라고 다

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그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

2006 12 pp146-156

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Twenty-First International Power Modulator Symposium pp 1-4

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Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

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[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

Ko W Namkung ldquoDevelopment of an Ultra Stable

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USA August 21 - 26 2005

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 47: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 39 -

그림 319 도

Fig 319 Pulse-forming network

그림 319는 생 는 커 시

라 타 등가 다 커 시 간격

어나도 동 값 직 연결 고 커 시 는 병

연결 다 시 값에 결과 평

(trapezoidal) 가 만들어진다 는

가 마 크 원 등에 다 듈 에 사

커 시 는 동 량 량 사 고 폭

가변 가변 Guillemin Type E 타 L-C 트워크 사

다 상승시간 결 는 것 가 가 운 쪽에 는

첫 째 커 시 가 상승시간 결 다

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- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 48: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 40 -

그림 320

Fig 320 Definitions of waveform

parameters

폭 단 주 시간 진

다 커 시 특 가 같다

사가 어 사각 양 가 만들어진다 커 시 에

압 ( (無) 사)에 다 양단 압 커 시

가 직 어 압 12 다 커 시 에

는 단락 어났 값에 트가 생

다 보통 경우 트는 15 내 가 다 그림

320 양 나타내고 다

3321 커 시

커 시 에 는 사양 운 압에

량 말 는 것 아니 고 압 연내 과 가 ㆍ 역

운 도 고 야 다 트 듈

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 49: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 41 -

크 고 여 블엔드 타 라 틱 커 시 (Double-ended

plastic-cased paper capacitor) 다 통 에

는 듈 에 사 는 커 시 는 타 재 나 싱

갖는 커 시 가 많 사 고 다

진보 연재료 달 계열 고 재료가 많

사 고 고 그림 321 블엔드 타 라 틱 커 시 다

커 시 는 가 에 가 야

크 가 커 큰 내량 견 는 여야 다 33 PFN 커 시

에 사양(Model 450PD840) 나타내었다

그림 321 커 시

Fig 321 Photograph of the PFN condenser

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 50: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 42 -

Parameter Value

Nominal Capacitance 40 nF plusmn10

Maximum Charging Voltage 50 kV

Maximum Voltage Reversal 20

Self Inductance lt50 nH

Series Resistance 1 mΩ

Peak Discharge Current 50000 A

Stored Energy 50 J

Energy Density 398 kJm3

Life Expectancy 3 x 109 shots

Discharge Rate 120 Hz

Power Factor lt 02 at 012 kHz 20

Voltage Proof Test 100 kV DC for 1 minute

Insulation Resistance103 MΩ after 1 minute

at 500 V at 20

Max Ambient Temperature 40

Technology Usedoil-filled paper

polypropylene case

Dielectric Strength548-Vμm polypropylene

288-Vμm paper

Dimension 102 (W) x 152 (D) x 267 (L) mm3

33 커 시 사양

Table 33 Specifications of the PFN capacitor

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

[1] 곽민 승 ldquo 라헤

미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

2006 12 pp146-156

[2] Y G Son J S Oh M H Cho W Namkung Study on the

De-Qing System for the Output Voltage Stabilization of a 200MW

Modulator KIEE 1994 Annual Summer Conference Vol C

pp1612-1614 KyungJu Korea July 21-23 1994

[3] N S Nicholls Some Lessons from Two Generations of Pulsed

Power Electronic Systems Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp 1-4

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- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 51: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 43 -

3322 가변

주 에 사 는 단 감 드 LO 주어진

L o= Fn2d [μH] (318)

여 n 고 d 는 지 F는 지 과

비 에 라 지는 변 다 주어진 식

F = 254 times 003948 timesd4lK (319)

여 l K 는 비 에 라 지는 상 지 d

다[10-11]

주 역에 는 계산식 단 드에

주어진 값

L o =r2n2

9r + 10l[μH] (320)

여 r 지 공식 가 지 에 트

나타내고 l gt 08r 는 짧아지지 않는다[12] 실 나

양 oslash10-mm 리 만들어진다 지 10 193 9

가변 그림 322에 보여주고 다 (318)에

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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- 68 -

그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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- 71 -

폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 52: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 44 -

계산 는 3350 nH 다 식 (319) (320) 여 626

nH F 값 001346 F값에 주어진 값 25 다 동실린 (oslash70

mm) 단 가변 다 가변실린 가변

는 값 49 (=702100

2) 가지고 다

가변 값 plusmn25 가지고 다[13]

그림 322 S- 드 듈 가변

Fig 322 PFN coil of the S-band modulator

333 싸 라트

싸 라트 는 ㆍ 는 고 압 에 어 복

과 1011 As 상승 갖는 시간 리니어 라

나 산업 가 가능 사 다[14]

싸 라트 개 극 애 드 그리드 드 어

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다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 53: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 45 -

다 또 내 에는 어나지 않도 또는 체

워 다

3 극 진공 경우 그리드 극 지 극 에

억 고 트리거 신 에 (+) 그리드 식 사 다 어 그리

드 극사 에 가 삽 그리드는 DC 또는 사

에 상 억 사 다 러 열

어 그리드에 고 동

그림 323 싸 라트 주변 도(CX1836A E2V社)

Fig 323 Gradient grid and heater connections(CX1836A E2V)

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- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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Twenty-First International Power Modulator Symposium pp 1-4

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 54: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 46 -

동 압 동didt

[As] 복 [Hz] 시 간

Spark Gap lt MV lt MA 大 lt 10 Hz lt 10 lt 104

IGNITRON lt 50 kV lt 100 kA lt 1010

lt 100 Hz lt lt 106

Thyratron lt 100 kV lt 數十 kA lt 1011 lt 1 kHz lt 100 lt 109

Semiconductor

SWlt 數 kV lt 數 kA lt 109 lt 10 kHz lt 10 lt 109

Magnetic Sw lt MV lt 數 MA 大 lt 1 kHz lt 數十 lt 1010

34 각 특

Fig 34 Characteristic of high power switch

4 극 진공 싸 라트 가 에 사 고 지

(Jitter)가 고 복 에 동 원 능 가지고

다 싸 라트 능 내 체압 변 에 매우 민감 브 압

체 에 감 다 브내 압 지

탄 규 마그 나 과 같 원 사 여 05 Torr 도

체압 브 크 에 라 재 다공 니 에 티타

늄 (TiH2) 뜨겁게 가열 브에 압 지 게 다

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그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

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Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

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Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 55: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 47 -

그림 324 싸 라트 브(左 CX1836A 右 L-4888)

Fig 324 Thyratron tube(left CX1836A right L-4888)

고 압 사 는 경에 는 안 동 과 랜 지 도

브 건 압 도 닝 여 사 다 또 역

압 5 kV 상 양극 강 에 격 가 질

다 역 압 드 에 미 에 극

상 게 다 듈 보 태 클리 EOLC 삽

여 역 압 는 것 다 S- 드 듈 라미 고

여 L-4888 Liton 사 러트 택 다[15-16] 35는 L-4888 사

러트 에 사양 애 드 에 동 50000 시간 지

브 나타내고 다 S- 드 듈 는 167 A 평균 는 매

우 낮지만 진공 양극에 는 크 는 kA 다

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Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 56: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 48 -

Parameters Value

Peak Forward Anode Voltage + 50 kV

Peak Inverse Anode Voltage - 50 kV

Peak Anode Current 10 kA

Average Anode Current 10 A

Rate of Rise of Anode Current 10 kAμA

Maximum Operating Frequency 10 kHz

Anode Delay Time 200 ~ 350 ns

Anode Delay-time Drift 15 ~ 25 ns

Time Jitter 3 ~ 10 ns

Minimum Recovery Time 20 μs

Heater Voltage 63 V plusmn 5

Heater Current 80 ~ 100 A

Reservoir Voltage 63 V plusmn 5

Reservoir Current 6 ~ 8 A

35 L-4888 싸 라트 사양

Table 53 Specifications of the L-4888 thyratron

334 변압

사각 양 라 타 PFN 트워크 사 는 듈

에 승압 변압 사 다 그림

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- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 57: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 49 -

325는 승압 변압 등가 다

그림 325 승압 변압 등가

Fig 325 Step-up pulse transformer equivalence circuit

VG = PFN 압

SG =

RG = PFN

LW =

LL = 변압 누

Re = 변압 shunt

LP = 변압 shunt

CD = 변압 량

CL = 량(클라 트 포 )

RL =

변압 는 듈 에 생 압 에 변압 가 가

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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- 68 -

그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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- 70 -

시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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- 71 -

폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 58: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 50 -

지고 는 승압비 만큼 승압 게 다 생 원 듈

는 에 지 클라 브 는 병 고

개시 직 어 압 압 게 다 트랜 포

1 과 2 격거리는 고 압 연 고 여 에 100

kVcm 계강도가 도 계 다 누 게 고

간에 압 포 지 도 2 경사진 태

(tapered basket) 어 다 재료 는 심 어 4 개 사

각각 어는 막 께가 005 mm 실리 틸 다

게 여 커트 어 사 고 어 단

직 역 어 가 는 식 택 다 어 실

비 1600 다[17]

36 변압 계 라미 값

나타낸 것 다 그림 326 변압 직 어 직

립 양 보여주고 다

그림 326 변압 (117)

Fig 326 Pulse transformer(117)

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3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 59: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 51 -

3341 변압 등가

생 원 리 여 사 는 경우는

변압 가 게 다 상승시간과 강시간 빠 게 계

는 것 링 는 누 값과 커

시 값 게 는 것 다

그림 327 변압 등가 직 누 여

어 계산 여 병 다 변압 12 간

격거리에 라 생 는 커 시 클라 트 과 결 는

커 시 값 계산 여 병 시 다

그림 3 27 변압 등가

Fig 327 Equivalent circuit of pulse

transformer

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- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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강조
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그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 60: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 52 -

라 타 계 값

승압비 117

4

누 228 μH

포 량 689

10 mH

Droop 20

Overshoot 025

swing 241 T

어 단 1464

평균 료 1069

어 게 117

36 트랜 포 계 라미Table 36 Pulse transformer design parameter

335 보 계

에 압 여 에 생 는 등가

그림 328에 나타내었다 고 압 는 듈 에 직 고

압 공 는 원 고주 변압 사 여 고주

직 원 생 고 다 원과 듈 연결 는 동

블도 원 공 가 짧지만 곳에도 middot

어난다

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 61: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 53 -

그림 3 28 듈 등가

Fig 328 Equivalent circuit of inverter and modulator

DI = 다 드

CO = 량

RO =

LO =

CC = 량

Rt =

S1 = (싸 라트 )

CI = PFN 커 시

LI = PFN

RL = (클라 트 포 )

원 단 다 드가 직 연결 어 고 다단

직 원 연결 여 고 압 직 원 만들게 다

압 고압 고 는 크 는 암 어 다 다

드는 내압 크고 내량 크지않다 는 시에 변압

에 역 압 원 쪽

는 다 드 통 게 다 역 압에

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- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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- 68 -

그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

2006 12 pp146-156

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USA August 21 - 26 2005

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Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 62: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 54 -

는 압 그 시간 짧지만 크 가 커 다 드 시킬

다 보 단에 직 과 다

드 병 다

3351 보

과 연 는 에 사 는 원

간단락 역 압에 는 압에 생

는 보 계는 원 보 그 값

게 다 듈 보 는 원 공 는

원 보 직 과 병 결 다 드가 다

보 는 그림 329에 보여주고 다

그림 329 역 압 지

Fig 329 Protection circuit of reversal voltage

원과 가 RC는 가 시에 고압

블에 남아 는 에 지 거 삽 역 압 거

RR 트랜 포 1 에 에 지 거 는 역

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- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

[1] 곽민 승 ldquo 라헤

미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

2006 12 pp146-156

[2] Y G Son J S Oh M H Cho W Namkung Study on the

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pp1612-1614 KyungJu Korea July 21-23 1994

[3] N S Nicholls Some Lessons from Two Generations of Pulsed

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Twenty-First International Power Modulator Symposium pp 1-4

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[4] R E Tartler Solid-State Power Conversion Handbook Wiley

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Frequency Control and Zero-Current Switching IEEE

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Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

July 2 1998

[17] 규 80-MW 클라 트

200-MW 트랜 포 능시험 계

Vol E pp2167-2169 1999

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International Power Modulator Symposium pp 136-139 1994

[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

Ko W Namkung ldquoDevelopment of an Ultra Stable

Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

Electron Laser Conference (FEL2005) Stanford University CA

USA August 21 - 26 2005

[20] J S Oh S D Jang Y G Son S J Kwon J H Seo I S Ko W

Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 63: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 55 -

다 병 다 드는 내압 큰 것 원 내 에

다 드 나 큰 빠 게 값

큰 것 택 다[18]

계에 는 역 압 크 는 압 20 내가 도 계 여

야 다

3352 단 과 다 드 (end-of-line clipper)

커 시 PFN 끝단에 듈 내

가 같 값 가지도 계 여야 다 시에 달 지 못

고 원 쪽 는 고 단락 생 었

원 쪽 에 지 도 계 어야 다

단에 는 다 드 직 고 는 병

그림 3 30 단 과 다 드 결 도

Fig 330 End-of-line clipper

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

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미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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Twenty-First International Power Modulator Symposium pp 1-4

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Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

July 2 1998

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International Power Modulator Symposium pp 136-139 1994

[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

Ko W Namkung ldquoDevelopment of an Ultra Stable

Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

Electron Laser Conference (FEL2005) Stanford University CA

USA August 21 - 26 2005

[20] J S Oh S D Jang Y G Son S J Kwon J H Seo I S Ko W

Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 64: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 56 -

R EOLCleZ PFN (321)

Z PFN=L PFN

C PFN=

V Anode

I AnodeN2 [Ω] (322)

단 다 드 에 걸리는 압과 담

단 과 직 특 가지는 싸 라 트 사 여 직

에 는 열 고 양단에 걸리는 압

는 가지고 다 싸 라 트 사양 다 과 같다

① Working voltage 3 kV

② Part Number = 71W30100

③ Description = Metal-Oxide Varistor (MOV) - Discharge

protection

④ V(RMS) Max Applied Voltage = 1350

⑤ V(DC) Max Applied Voltage = 1500

⑥ V(C) Nom (V) Clamping Voltage = 75k

⑦ V(DC) Nom(V) Varistor Voltage = 144k

⑧ W(TM) Max(J) Transient Energy = 925k

3353 변압 보

는 에 가 달 고 난 후에 변압

가 에 지에 가능 경 통 에 지가 다

에 에 지는 달 지

못 에 지 변압 보 가 여 시키게 다 라

변압 보 값 같 값 도 계

다 Im는 끝 에 내에 도통 다

주어진 는

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I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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- 68 -

그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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- 70 -

시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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- 71 -

폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

[1] 곽민 승 ldquo 라헤

미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

2006 12 pp146-156

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[3] N S Nicholls Some Lessons from Two Generations of Pulsed

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Twenty-First International Power Modulator Symposium pp 1-4

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[7] J S Oh S D Jang Y G Son M H Cho W Namkung

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[8] Y G Son S D Jang J S Oh Design of a High-Voltage

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- 77 -

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Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

July 2 1998

[17] 규 80-MW 클라 트

200-MW 트랜 포 능시험 계

Vol E pp2167-2169 1999

[18] A R Donaldson A Hybrid Anode Reactor for the SLAC

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International Power Modulator Symposium pp 136-139 1994

[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

Ko W Namkung ldquoDevelopment of an Ultra Stable

Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

Electron Laser Conference (FEL2005) Stanford University CA

USA August 21 - 26 2005

[20] J S Oh S D Jang Y G Son S J Kwon J H Seo I S Ko W

Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 65: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 57 -

I m=V p T p

L p

(323)

여 VP 는 1 공 압 TP 는 폭 그리고 LP 는 단락

다 주어진 RTAIL 과 변압 승압비 n 역 압 VINV

주어진다

V INV = n I m R TAIL(324)

결 식 (325) 식 (326)

R TAIL =V INV L P

n V P T P

(325)

Power =12L p I

2m f =

V2PT

2P f

2 L P

(326)

여 f 는 복

주어진 라 타

Vp = 2175 kV

Tp = 47 μs

Lp = 10 mH

n = 17

에 는 는 1022 A 고 클리 (tail

clipper resistance) 10 Ω 값 가진다 값 3 Ω에 역

압 52 kV 다 에 비 는 522 W 계산 었다 본

시 에 는 9 Ω 150 W 4개 병 연결 등가 225

Ω 600 W 다

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그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

[1] 곽민 승 ldquo 라헤

미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

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[2] Y G Son J S Oh M H Cho W Namkung Study on the

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Frequency Control and Zero-Current Switching IEEE

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[6] E E Bowles et al A High Power Density High Voltage Power

Supply for a Pulsed Radar System Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp

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[7] J S Oh S D Jang Y G Son M H Cho W Namkung

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[8] Y G Son S D Jang J S Oh Design of a High-Voltage

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KoreanInstitute of Power Electronics pp160-164 Konkuk

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Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable Frequency

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Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

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200-MW 트랜 포 능시험 계

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[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

Ko W Namkung ldquoDevelopment of an Ultra Stable

Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

Electron Laser Conference (FEL2005) Stanford University CA

USA August 21 - 26 2005

[20] J S Oh S D Jang Y G Son S J Kwon J H Seo I S Ko W

Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 66: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 58 -

그림 331

Fig 331 Tail clipper circuits

3354 RC

과도 상에 생 는 과 압 나 과 보

사 는 보 계 에는 여러 가지가 는 에

나가 과 직 연결 여 사 는 RC 가 다

에 는 변압 에 병 에

료 다 변압 에 는 역 압

사 게 다 결 그림 3 32 같다

C SNU=I 0t f2V pulse

[nF] (327)

L S=V pulset rI 0

[uH] (328)

R S=2L S

C SNU[uH] (329)

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

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Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

[1] 곽민 승 ldquo 라헤

미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

2006 12 pp146-156

[2] Y G Son J S Oh M H Cho W Namkung Study on the

De-Qing System for the Output Voltage Stabilization of a 200MW

Modulator KIEE 1994 Annual Summer Conference Vol C

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[3] N S Nicholls Some Lessons from Two Generations of Pulsed

Power Electronic Systems Conference Record of the 1994

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1993 p528

[5] A C Lippincott R M Nelms A Capacitor-Charging Power Supply

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Frequency Control and Zero-Current Switching IEEE

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438-447 December 1991

[6] E E Bowles et al A High Power Density High Voltage Power

Supply for a Pulsed Radar System Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp

170-173 1994

- 76 -

[7] J S Oh S D Jang Y G Son M H Cho W Namkung

Development of a Capacitor-Charging Power Supply for a Smart

Modulator The Second Asian Accelerator Conference (APAC01)

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[8] Y G Son S D Jang J S Oh Design of a High-Voltage

High-Power Resonant Inverter Power Supply using IsSpice The

KoreanInstitute of Power Electronics pp160-164 Konkuk

University Seoul Korea June 14 2002

[9] Aaron C LipponcottldquoA Capacitor-Charging Power Supply Using a

Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable Frequency

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[12] Study on Smart Modulator for Large-Scale e+e- Linear

Collider and Improvement of Pulse Efficiency 울 원

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[13] H A Wheeler Simple Inductance Formulas for Radio Coils

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[14] ldquo 신 워공 rdquo 내 사 2003

[15] The English Electric Valve Co Hydrogen Thyratron Product Data

1966

[16] C A Pirrie et al Thyratron and Modulator Design

- 77 -

Considerations to Maximize Thyratron Life 1998 Klystron-

Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

July 2 1998

[17] 규 80-MW 클라 트

200-MW 트랜 포 능시험 계

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[18] A R Donaldson A Hybrid Anode Reactor for the SLAC

Modulator Conference Record of the 1994 Twenty-First

International Power Modulator Symposium pp 136-139 1994

[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

Ko W Namkung ldquoDevelopment of an Ultra Stable

Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

Electron Laser Conference (FEL2005) Stanford University CA

USA August 21 - 26 2005

[20] J S Oh S D Jang Y G Son S J Kwon J H Seo I S Ko W

Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 67: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 59 -

건 V S

R S=02 I L (330)

그림 332 R-C

Fig 332 R-C snubber circuit

그림 333 보 과 다 드

여 듈 내 보여주고 다 듈

크 는 24 (W)times14 (D)times18 (H) m 다

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

[1] 곽민 승 ldquo 라헤

미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

2006 12 pp146-156

[2] Y G Son J S Oh M H Cho W Namkung Study on the

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Modulator KIEE 1994 Annual Summer Conference Vol C

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[3] N S Nicholls Some Lessons from Two Generations of Pulsed

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July 2 1998

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USA August 21 - 26 2005

[20] J S Oh S D Jang Y G Son S J Kwon J H Seo I S Ko W

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KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

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of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

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- 79 -

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- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

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  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 68: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 60 -

그림 333 듈 내 ( )

Fig 333 Modulator pannel inside(PFN circuit)

- 61 -

3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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스티커 노트
거친 인버터 4 + 정밀 인버터 1
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스티커 노트
RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

[1] 곽민 승 ldquo 라헤

미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

2006 12 pp146-156

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pp1612-1614 KyungJu Korea July 21-23 1994

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Twenty-First International Power Modulator Symposium pp 1-4

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[7] J S Oh S D Jang Y G Son M H Cho W Namkung

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[8] Y G Son S D Jang J S Oh Design of a High-Voltage

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Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

July 2 1998

[17] 규 80-MW 클라 트

200-MW 트랜 포 능시험 계

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International Power Modulator Symposium pp 136-139 1994

[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

Ko W Namkung ldquoDevelopment of an Ultra Stable

Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

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USA August 21 - 26 2005

[20] J S Oh S D Jang Y G Son S J Kwon J H Seo I S Ko W

Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
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3355 고 어

고 어 는 병 연결 (coarse) 4

(fine) 1 병 연결 여 어 다 각각

에 나 여 듈 에 연결 어

다 어 어 듈 커 시

커 시 압 크 어 는 것 다 에는 체

동시에 운 개시 게 압 상승 게

원 나씩 압에 다다 1

마지막 어 게 다

그림 334 듈 어 도

Fig 334 Block diagram of modulator controller

커 시 에 는 압 고 압 브 여

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RF 드라이버+ 싸이러트론 드라이버
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- 62 -

값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

[1] 곽민 승 ldquo 라헤

미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

2006 12 pp146-156

[2] Y G Son J S Oh M H Cho W Namkung Study on the

De-Qing System for the Output Voltage Stabilization of a 200MW

Modulator KIEE 1994 Annual Summer Conference Vol C

pp1612-1614 KyungJu Korea July 21-23 1994

[3] N S Nicholls Some Lessons from Two Generations of Pulsed

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Twenty-First International Power Modulator Symposium pp 1-4

1994

[4] R E Tartler Solid-State Power Conversion Handbook Wiley

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[5] A C Lippincott R M Nelms A Capacitor-Charging Power Supply

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Frequency Control and Zero-Current Switching IEEE

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438-447 December 1991

[6] E E Bowles et al A High Power Density High Voltage Power

Supply for a Pulsed Radar System Conference Record of the 1994

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170-173 1994

- 76 -

[7] J S Oh S D Jang Y G Son M H Cho W Namkung

Development of a Capacitor-Charging Power Supply for a Smart

Modulator The Second Asian Accelerator Conference (APAC01)

pp719-721 Beijing China September 17-21 2001

[8] Y G Son S D Jang J S Oh Design of a High-Voltage

High-Power Resonant Inverter Power Supply using IsSpice The

KoreanInstitute of Power Electronics pp160-164 Konkuk

University Seoul Korea June 14 2002

[9] Aaron C LipponcottldquoA Capacitor-Charging Power Supply Using a

Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable Frequency

Control and Zero-Current Switchingrdquo IEEE Transactions on

industrial electronics VOL38 NO6 1991

[10] F E Terman Radio Engineers Handbook pp 53-55 McGraw-Hill

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[11] E B Rosa and F W Grover Bur Standards Bull Vol 8 p

119 1917

[12] Study on Smart Modulator for Large-Scale e+e- Linear

Collider and Improvement of Pulse Efficiency 울 원

공 과 사 (1999)

[13] H A Wheeler Simple Inductance Formulas for Radio Coils

Proceedings of the IRE Vol 16 p1398 October 1928

[14] ldquo 신 워공 rdquo 내 사 2003

[15] The English Electric Valve Co Hydrogen Thyratron Product Data

1966

[16] C A Pirrie et al Thyratron and Modulator Design

- 77 -

Considerations to Maximize Thyratron Life 1998 Klystron-

Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

July 2 1998

[17] 규 80-MW 클라 트

200-MW 트랜 포 능시험 계

Vol E pp2167-2169 1999

[18] A R Donaldson A Hybrid Anode Reactor for the SLAC

Modulator Conference Record of the 1994 Twenty-First

International Power Modulator Symposium pp 136-139 1994

[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

Ko W Namkung ldquoDevelopment of an Ultra Stable

Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

Electron Laser Conference (FEL2005) Stanford University CA

USA August 21 - 26 2005

[20] J S Oh S D Jang Y G Son S J Kwon J H Seo I S Ko W

Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 70: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

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값 원 드 사 게 다 압에 지 신

값(reference voltage) 압 원 사 게 어 에 는

압과 드 값 비 여 그 값 에러 값 게 다

그림 335 CCPS DSP 시간 타 트

Fig 335 CCPS DSP Timing Chart during charge time

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Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

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M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

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4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

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실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

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I2 R3

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ZPFN

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R2

S

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I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

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Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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- 70 -

시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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- 71 -

폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

[1] 곽민 승 ldquo 라헤

미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

2006 12 pp146-156

[2] Y G Son J S Oh M H Cho W Namkung Study on the

De-Qing System for the Output Voltage Stabilization of a 200MW

Modulator KIEE 1994 Annual Summer Conference Vol C

pp1612-1614 KyungJu Korea July 21-23 1994

[3] N S Nicholls Some Lessons from Two Generations of Pulsed

Power Electronic Systems Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp 1-4

1994

[4] R E Tartler Solid-State Power Conversion Handbook Wiley

1993 p528

[5] A C Lippincott R M Nelms A Capacitor-Charging Power Supply

Using a Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable

Frequency Control and Zero-Current Switching IEEE

Transactions on Industrial Electronics Vol 38 No 6 pp

438-447 December 1991

[6] E E Bowles et al A High Power Density High Voltage Power

Supply for a Pulsed Radar System Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp

170-173 1994

- 76 -

[7] J S Oh S D Jang Y G Son M H Cho W Namkung

Development of a Capacitor-Charging Power Supply for a Smart

Modulator The Second Asian Accelerator Conference (APAC01)

pp719-721 Beijing China September 17-21 2001

[8] Y G Son S D Jang J S Oh Design of a High-Voltage

High-Power Resonant Inverter Power Supply using IsSpice The

KoreanInstitute of Power Electronics pp160-164 Konkuk

University Seoul Korea June 14 2002

[9] Aaron C LipponcottldquoA Capacitor-Charging Power Supply Using a

Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable Frequency

Control and Zero-Current Switchingrdquo IEEE Transactions on

industrial electronics VOL38 NO6 1991

[10] F E Terman Radio Engineers Handbook pp 53-55 McGraw-Hill

New York 1943

[11] E B Rosa and F W Grover Bur Standards Bull Vol 8 p

119 1917

[12] Study on Smart Modulator for Large-Scale e+e- Linear

Collider and Improvement of Pulse Efficiency 울 원

공 과 사 (1999)

[13] H A Wheeler Simple Inductance Formulas for Radio Coils

Proceedings of the IRE Vol 16 p1398 October 1928

[14] ldquo 신 워공 rdquo 내 사 2003

[15] The English Electric Valve Co Hydrogen Thyratron Product Data

1966

[16] C A Pirrie et al Thyratron and Modulator Design

- 77 -

Considerations to Maximize Thyratron Life 1998 Klystron-

Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

July 2 1998

[17] 규 80-MW 클라 트

200-MW 트랜 포 능시험 계

Vol E pp2167-2169 1999

[18] A R Donaldson A Hybrid Anode Reactor for the SLAC

Modulator Conference Record of the 1994 Twenty-First

International Power Modulator Symposium pp 136-139 1994

[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

Ko W Namkung ldquoDevelopment of an Ultra Stable

Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

Electron Laser Conference (FEL2005) Stanford University CA

USA August 21 - 26 2005

[20] J S Oh S D Jang Y G Son S J Kwon J H Seo I S Ko W

Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 71: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 63 -

Parameter Value

T1 Coarse 4 fine full 공진 연 동 Start

t1~t2 Coarse 4 동 fine full 공진 연 동 ( 드)

t2 Coarse 4 지 fine full 공진 연 동

t2~t3 Fine full 공진 연 동

t3~t4 Fine PWM 연 동 (재 드)

t4 Fine 지

t4~t5 Delay time (Fine CCPS 지시간)

t5 Thyratron trigger time

t6 RF trigger time

t6~t7 지 시간 (운 parameter updata mode)

t7 t1 복 간

t1~t4 운 Parameter 실 time

t4~t7 New 운 parameter updata time

37 시간에 동 간

Table 37 Time chart Action section explanation

그림 335는 어 시간동안 동 시간 나타낸 것 고

37 시간 별 시간과 동 상태 나타 내었다

3356 어

고주 압 안 도 지

량 다 원 병 사 는 사 다

시간동안 원 고 는 압

에 다다 98 에 는 량 원만 사 여 고주

에 압 어 안 게 다 듈

는 에 지 는 커 시 포 커 시

클라 트 등가 는 복 상 고 다 체 시간

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Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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고 헌

[1] 곽민 승 ldquo 라헤

미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

2006 12 pp146-156

[2] Y G Son J S Oh M H Cho W Namkung Study on the

De-Qing System for the Output Voltage Stabilization of a 200MW

Modulator KIEE 1994 Annual Summer Conference Vol C

pp1612-1614 KyungJu Korea July 21-23 1994

[3] N S Nicholls Some Lessons from Two Generations of Pulsed

Power Electronic Systems Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp 1-4

1994

[4] R E Tartler Solid-State Power Conversion Handbook Wiley

1993 p528

[5] A C Lippincott R M Nelms A Capacitor-Charging Power Supply

Using a Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable

Frequency Control and Zero-Current Switching IEEE

Transactions on Industrial Electronics Vol 38 No 6 pp

438-447 December 1991

[6] E E Bowles et al A High Power Density High Voltage Power

Supply for a Pulsed Radar System Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp

170-173 1994

- 76 -

[7] J S Oh S D Jang Y G Son M H Cho W Namkung

Development of a Capacitor-Charging Power Supply for a Smart

Modulator The Second Asian Accelerator Conference (APAC01)

pp719-721 Beijing China September 17-21 2001

[8] Y G Son S D Jang J S Oh Design of a High-Voltage

High-Power Resonant Inverter Power Supply using IsSpice The

KoreanInstitute of Power Electronics pp160-164 Konkuk

University Seoul Korea June 14 2002

[9] Aaron C LipponcottldquoA Capacitor-Charging Power Supply Using a

Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable Frequency

Control and Zero-Current Switchingrdquo IEEE Transactions on

industrial electronics VOL38 NO6 1991

[10] F E Terman Radio Engineers Handbook pp 53-55 McGraw-Hill

New York 1943

[11] E B Rosa and F W Grover Bur Standards Bull Vol 8 p

119 1917

[12] Study on Smart Modulator for Large-Scale e+e- Linear

Collider and Improvement of Pulse Efficiency 울 원

공 과 사 (1999)

[13] H A Wheeler Simple Inductance Formulas for Radio Coils

Proceedings of the IRE Vol 16 p1398 October 1928

[14] ldquo 신 워공 rdquo 내 사 2003

[15] The English Electric Valve Co Hydrogen Thyratron Product Data

1966

[16] C A Pirrie et al Thyratron and Modulator Design

- 77 -

Considerations to Maximize Thyratron Life 1998 Klystron-

Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

July 2 1998

[17] 규 80-MW 클라 트

200-MW 트랜 포 능시험 계

Vol E pp2167-2169 1999

[18] A R Donaldson A Hybrid Anode Reactor for the SLAC

Modulator Conference Record of the 1994 Twenty-First

International Power Modulator Symposium pp 136-139 1994

[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

Ko W Namkung ldquoDevelopment of an Ultra Stable

Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

Electron Laser Conference (FEL2005) Stanford University CA

USA August 21 - 26 2005

[20] J S Oh S D Jang Y G Son S J Kwon J H Seo I S Ko W

Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 72: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 64 -

Tc 압 Vo 는 아래 주어진 식 (331)에

(m+n)t o=T C m(D+d)+nd=V o nd= jD

m+n= am2- am+ (a+b)j=0

(331)

여 to는 시간 m 원 체

시간 고 n 후 시간 다

a = Tc to b = Vo d 는 d = If to C

D = (Ic + If) to C C 는 커 시 If 는

Ic 는 j 는

과 다

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

VoltageVoV

0

A B C D

Timetom m+n

nd

M (D+d)

그림 336 병

Fig 336 Charge method of parallel circuit

라헤 듈 라 타 PRF = 60 Hz fr = 416 kHz Vo

=50 kV C =08 j = 006 β = 10400 라 Tc = 1487 1

드타 귤 과 복시간 to = 2404 α =

6256 Pav = 60 kJsec Ic 는 25A fine

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- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

[1] 곽민 승 ldquo 라헤

미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

2006 12 pp146-156

[2] Y G Son J S Oh M H Cho W Namkung Study on the

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[3] N S Nicholls Some Lessons from Two Generations of Pulsed

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Twenty-First International Power Modulator Symposium pp 1-4

1994

[4] R E Tartler Solid-State Power Conversion Handbook Wiley

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[5] A C Lippincott R M Nelms A Capacitor-Charging Power Supply

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438-447 December 1991

[6] E E Bowles et al A High Power Density High Voltage Power

Supply for a Pulsed Radar System Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp

170-173 1994

- 76 -

[7] J S Oh S D Jang Y G Son M H Cho W Namkung

Development of a Capacitor-Charging Power Supply for a Smart

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pp719-721 Beijing China September 17-21 2001

[8] Y G Son S D Jang J S Oh Design of a High-Voltage

High-Power Resonant Inverter Power Supply using IsSpice The

KoreanInstitute of Power Electronics pp160-164 Konkuk

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Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable Frequency

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[14] ldquo 신 워공 rdquo 내 사 2003

[15] The English Electric Valve Co Hydrogen Thyratron Product Data

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[16] C A Pirrie et al Thyratron and Modulator Design

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Considerations to Maximize Thyratron Life 1998 Klystron-

Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

July 2 1998

[17] 규 80-MW 클라 트

200-MW 트랜 포 능시험 계

Vol E pp2167-2169 1999

[18] A R Donaldson A Hybrid Anode Reactor for the SLAC

Modulator Conference Record of the 1994 Twenty-First

International Power Modulator Symposium pp 136-139 1994

[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

Ko W Namkung ldquoDevelopment of an Ultra Stable

Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

Electron Laser Conference (FEL2005) Stanford University CA

USA August 21 - 26 2005

[20] J S Oh S D Jang Y G Son S J Kwon J H Seo I S Ko W

Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 73: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 65 -

If 는 016 A 다 량 Pc 는 625 kJsec

량 Pf 는 40 kJsec 다 또 게 트 신 는

간헐 마지막 에 양에 라 압 크

결 게 다[19-20]

PRF = 운 주 [Hz]

fr = 공진주 [kHz]

Vo = 압 [kV]

C = 커 시 []

j =

α = 시간에 공진주 비

β = 압에

지연 시간동안에 압강 가 복 게 다

실험에 44 Vp-p 값 가지는 것 었다

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- 66 -

C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

ent

[A]

15

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

wer

[kJ

s]

0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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- 70 -

시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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- 71 -

폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

[1] 곽민 승 ldquo 라헤

미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

2006 12 pp146-156

[2] Y G Son J S Oh M H Cho W Namkung Study on the

De-Qing System for the Output Voltage Stabilization of a 200MW

Modulator KIEE 1994 Annual Summer Conference Vol C

pp1612-1614 KyungJu Korea July 21-23 1994

[3] N S Nicholls Some Lessons from Two Generations of Pulsed

Power Electronic Systems Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp 1-4

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1993 p528

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Using a Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable

Frequency Control and Zero-Current Switching IEEE

Transactions on Industrial Electronics Vol 38 No 6 pp

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[6] E E Bowles et al A High Power Density High Voltage Power

Supply for a Pulsed Radar System Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp

170-173 1994

- 76 -

[7] J S Oh S D Jang Y G Son M H Cho W Namkung

Development of a Capacitor-Charging Power Supply for a Smart

Modulator The Second Asian Accelerator Conference (APAC01)

pp719-721 Beijing China September 17-21 2001

[8] Y G Son S D Jang J S Oh Design of a High-Voltage

High-Power Resonant Inverter Power Supply using IsSpice The

KoreanInstitute of Power Electronics pp160-164 Konkuk

University Seoul Korea June 14 2002

[9] Aaron C LipponcottldquoA Capacitor-Charging Power Supply Using a

Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable Frequency

Control and Zero-Current Switchingrdquo IEEE Transactions on

industrial electronics VOL38 NO6 1991

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[11] E B Rosa and F W Grover Bur Standards Bull Vol 8 p

119 1917

[12] Study on Smart Modulator for Large-Scale e+e- Linear

Collider and Improvement of Pulse Efficiency 울 원

공 과 사 (1999)

[13] H A Wheeler Simple Inductance Formulas for Radio Coils

Proceedings of the IRE Vol 16 p1398 October 1928

[14] ldquo 신 워공 rdquo 내 사 2003

[15] The English Electric Valve Co Hydrogen Thyratron Product Data

1966

[16] C A Pirrie et al Thyratron and Modulator Design

- 77 -

Considerations to Maximize Thyratron Life 1998 Klystron-

Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

July 2 1998

[17] 규 80-MW 클라 트

200-MW 트랜 포 능시험 계

Vol E pp2167-2169 1999

[18] A R Donaldson A Hybrid Anode Reactor for the SLAC

Modulator Conference Record of the 1994 Twenty-First

International Power Modulator Symposium pp 136-139 1994

[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

Ko W Namkung ldquoDevelopment of an Ultra Stable

Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

Electron Laser Conference (FEL2005) Stanford University CA

USA August 21 - 26 2005

[20] J S Oh S D Jang Y G Son S J Kwon J H Seo I S Ko W

Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 74: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

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C haring C urren t [A ]

m (m +n)

05 06 0 7 0 8 0 9 1 0

Curr

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15

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2 5

3 0

3 5

4 0

4 5I_ C oarse [A ]

10 IF IN E [A

그림 337 시간에 크 결

Fig 337 Size decision of current by charge time

C harg ing P ow er [kJ s ]

m (m +n)

0 5 06 0 7 0 8 09 1 0

Po

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0

20

40

60

80

100

120 P C o arse [kJ s ]

P F in e [kJ s ]

그림 338 시간에 원 량 크 결

Fig 338 Size decision of the supply amount by charge time

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

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ZPFN

DI

R2

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I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

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원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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고 헌

[1] 곽민 승 ldquo 라헤

미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

2006 12 pp146-156

[2] Y G Son J S Oh M H Cho W Namkung Study on the

De-Qing System for the Output Voltage Stabilization of a 200MW

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pp1612-1614 KyungJu Korea July 21-23 1994

[3] N S Nicholls Some Lessons from Two Generations of Pulsed

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Twenty-First International Power Modulator Symposium pp 1-4

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1993 p528

[5] A C Lippincott R M Nelms A Capacitor-Charging Power Supply

Using a Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable

Frequency Control and Zero-Current Switching IEEE

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438-447 December 1991

[6] E E Bowles et al A High Power Density High Voltage Power

Supply for a Pulsed Radar System Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp

170-173 1994

- 76 -

[7] J S Oh S D Jang Y G Son M H Cho W Namkung

Development of a Capacitor-Charging Power Supply for a Smart

Modulator The Second Asian Accelerator Conference (APAC01)

pp719-721 Beijing China September 17-21 2001

[8] Y G Son S D Jang J S Oh Design of a High-Voltage

High-Power Resonant Inverter Power Supply using IsSpice The

KoreanInstitute of Power Electronics pp160-164 Konkuk

University Seoul Korea June 14 2002

[9] Aaron C LipponcottldquoA Capacitor-Charging Power Supply Using a

Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable Frequency

Control and Zero-Current Switchingrdquo IEEE Transactions on

industrial electronics VOL38 NO6 1991

[10] F E Terman Radio Engineers Handbook pp 53-55 McGraw-Hill

New York 1943

[11] E B Rosa and F W Grover Bur Standards Bull Vol 8 p

119 1917

[12] Study on Smart Modulator for Large-Scale e+e- Linear

Collider and Improvement of Pulse Efficiency 울 원

공 과 사 (1999)

[13] H A Wheeler Simple Inductance Formulas for Radio Coils

Proceedings of the IRE Vol 16 p1398 October 1928

[14] ldquo 신 워공 rdquo 내 사 2003

[15] The English Electric Valve Co Hydrogen Thyratron Product Data

1966

[16] C A Pirrie et al Thyratron and Modulator Design

- 77 -

Considerations to Maximize Thyratron Life 1998 Klystron-

Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

July 2 1998

[17] 규 80-MW 클라 트

200-MW 트랜 포 능시험 계

Vol E pp2167-2169 1999

[18] A R Donaldson A Hybrid Anode Reactor for the SLAC

Modulator Conference Record of the 1994 Twenty-First

International Power Modulator Symposium pp 136-139 1994

[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

Ko W Namkung ldquoDevelopment of an Ultra Stable

Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

Electron Laser Conference (FEL2005) Stanford University CA

USA August 21 - 26 2005

[20] J S Oh S D Jang Y G Son S J Kwon J H Seo I S Ko W

Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 75: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 67 -

실 는 그림 339 같 복 트워크

ZL 통 다 크 압 변압 량과 (클

라 트 ) 변압 클라 트 에

감쇠진동 생 다 그림 340 상 킷에 다 평균

크 는 3 (CH 2)에 압 467 V 다

압 에는 압 크도 다 크 크는 보다

크다 그러나 그것 3 kHz 단 주 가지고 거

가 다

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

ZL

I1

ZPFN

DI

R2

S

R1

I2 R3

그림 339 듈 시 등가

Fig 339 Equivalence circuit of modulator system

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그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

[1] 곽민 승 ldquo 라헤

미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

2006 12 pp146-156

[2] Y G Son J S Oh M H Cho W Namkung Study on the

De-Qing System for the Output Voltage Stabilization of a 200MW

Modulator KIEE 1994 Annual Summer Conference Vol C

pp1612-1614 KyungJu Korea July 21-23 1994

[3] N S Nicholls Some Lessons from Two Generations of Pulsed

Power Electronic Systems Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp 1-4

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[4] R E Tartler Solid-State Power Conversion Handbook Wiley

1993 p528

[5] A C Lippincott R M Nelms A Capacitor-Charging Power Supply

Using a Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable

Frequency Control and Zero-Current Switching IEEE

Transactions on Industrial Electronics Vol 38 No 6 pp

438-447 December 1991

[6] E E Bowles et al A High Power Density High Voltage Power

Supply for a Pulsed Radar System Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp

170-173 1994

- 76 -

[7] J S Oh S D Jang Y G Son M H Cho W Namkung

Development of a Capacitor-Charging Power Supply for a Smart

Modulator The Second Asian Accelerator Conference (APAC01)

pp719-721 Beijing China September 17-21 2001

[8] Y G Son S D Jang J S Oh Design of a High-Voltage

High-Power Resonant Inverter Power Supply using IsSpice The

KoreanInstitute of Power Electronics pp160-164 Konkuk

University Seoul Korea June 14 2002

[9] Aaron C LipponcottldquoA Capacitor-Charging Power Supply Using a

Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable Frequency

Control and Zero-Current Switchingrdquo IEEE Transactions on

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[10] F E Terman Radio Engineers Handbook pp 53-55 McGraw-Hill

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[11] E B Rosa and F W Grover Bur Standards Bull Vol 8 p

119 1917

[12] Study on Smart Modulator for Large-Scale e+e- Linear

Collider and Improvement of Pulse Efficiency 울 원

공 과 사 (1999)

[13] H A Wheeler Simple Inductance Formulas for Radio Coils

Proceedings of the IRE Vol 16 p1398 October 1928

[14] ldquo 신 워공 rdquo 내 사 2003

[15] The English Electric Valve Co Hydrogen Thyratron Product Data

1966

[16] C A Pirrie et al Thyratron and Modulator Design

- 77 -

Considerations to Maximize Thyratron Life 1998 Klystron-

Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

July 2 1998

[17] 규 80-MW 클라 트

200-MW 트랜 포 능시험 계

Vol E pp2167-2169 1999

[18] A R Donaldson A Hybrid Anode Reactor for the SLAC

Modulator Conference Record of the 1994 Twenty-First

International Power Modulator Symposium pp 136-139 1994

[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

Ko W Namkung ldquoDevelopment of an Ultra Stable

Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

Electron Laser Conference (FEL2005) Stanford University CA

USA August 21 - 26 2005

[20] J S Oh S D Jang Y G Son S J Kwon J H Seo I S Ko W

Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 76: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 68 -

그림 340 1 압

Fig 340 Single charging voltage waveform (Upper

charging-I 02 Vdiv Lower PFN-V 10

Vdiv)

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

[1] 곽민 승 ldquo 라헤

미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

2006 12 pp146-156

[2] Y G Son J S Oh M H Cho W Namkung Study on the

De-Qing System for the Output Voltage Stabilization of a 200MW

Modulator KIEE 1994 Annual Summer Conference Vol C

pp1612-1614 KyungJu Korea July 21-23 1994

[3] N S Nicholls Some Lessons from Two Generations of Pulsed

Power Electronic Systems Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp 1-4

1994

[4] R E Tartler Solid-State Power Conversion Handbook Wiley

1993 p528

[5] A C Lippincott R M Nelms A Capacitor-Charging Power Supply

Using a Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable

Frequency Control and Zero-Current Switching IEEE

Transactions on Industrial Electronics Vol 38 No 6 pp

438-447 December 1991

[6] E E Bowles et al A High Power Density High Voltage Power

Supply for a Pulsed Radar System Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp

170-173 1994

- 76 -

[7] J S Oh S D Jang Y G Son M H Cho W Namkung

Development of a Capacitor-Charging Power Supply for a Smart

Modulator The Second Asian Accelerator Conference (APAC01)

pp719-721 Beijing China September 17-21 2001

[8] Y G Son S D Jang J S Oh Design of a High-Voltage

High-Power Resonant Inverter Power Supply using IsSpice The

KoreanInstitute of Power Electronics pp160-164 Konkuk

University Seoul Korea June 14 2002

[9] Aaron C LipponcottldquoA Capacitor-Charging Power Supply Using a

Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable Frequency

Control and Zero-Current Switchingrdquo IEEE Transactions on

industrial electronics VOL38 NO6 1991

[10] F E Terman Radio Engineers Handbook pp 53-55 McGraw-Hill

New York 1943

[11] E B Rosa and F W Grover Bur Standards Bull Vol 8 p

119 1917

[12] Study on Smart Modulator for Large-Scale e+e- Linear

Collider and Improvement of Pulse Efficiency 울 원

공 과 사 (1999)

[13] H A Wheeler Simple Inductance Formulas for Radio Coils

Proceedings of the IRE Vol 16 p1398 October 1928

[14] ldquo 신 워공 rdquo 내 사 2003

[15] The English Electric Valve Co Hydrogen Thyratron Product Data

1966

[16] C A Pirrie et al Thyratron and Modulator Design

- 77 -

Considerations to Maximize Thyratron Life 1998 Klystron-

Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

July 2 1998

[17] 규 80-MW 클라 트

200-MW 트랜 포 능시험 계

Vol E pp2167-2169 1999

[18] A R Donaldson A Hybrid Anode Reactor for the SLAC

Modulator Conference Record of the 1994 Twenty-First

International Power Modulator Symposium pp 136-139 1994

[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

Ko W Namkung ldquoDevelopment of an Ultra Stable

Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

Electron Laser Conference (FEL2005) Stanford University CA

USA August 21 - 26 2005

[20] J S Oh S D Jang Y G Son S J Kwon J H Seo I S Ko W

Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 77: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 69 -

Ⅳ 결과 고

41 생 시험

411 실험결과

커 시 에 압 는 원 는 원 사

다 빔 생 는 가 에 사 는 원 는 안

다 복 시 에 는

간 시간 결 주 동안에 원 고 야

다 개 경우는 시간 ms 는 압 지

트가 생 는 등 어가 어 워진다 실 사 압 50 kV

압 plusmn0001 지 어 야 다

본 에 는 ms동안 4 원과 1

원 병 운 다 5 원과 듈

여 과 동시에 는 어 어알고리

변 다 에는 원 가동 여 단계 원

개 는 지 에 다다랐

원 만 PWM 어 주 어 직 압

압 50 kV 5 V 내가 도 어 야 다 운 에 생

는 폴트 보 보 동 보 개

안 변 다 커 시 에 원 다 단락

생 었 동 지 고 커 시 에 어 는 에 지

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- 70 -

시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

[1] 곽민 승 ldquo 라헤

미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

2006 12 pp146-156

[2] Y G Son J S Oh M H Cho W Namkung Study on the

De-Qing System for the Output Voltage Stabilization of a 200MW

Modulator KIEE 1994 Annual Summer Conference Vol C

pp1612-1614 KyungJu Korea July 21-23 1994

[3] N S Nicholls Some Lessons from Two Generations of Pulsed

Power Electronic Systems Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp 1-4

1994

[4] R E Tartler Solid-State Power Conversion Handbook Wiley

1993 p528

[5] A C Lippincott R M Nelms A Capacitor-Charging Power Supply

Using a Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable

Frequency Control and Zero-Current Switching IEEE

Transactions on Industrial Electronics Vol 38 No 6 pp

438-447 December 1991

[6] E E Bowles et al A High Power Density High Voltage Power

Supply for a Pulsed Radar System Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp

170-173 1994

- 76 -

[7] J S Oh S D Jang Y G Son M H Cho W Namkung

Development of a Capacitor-Charging Power Supply for a Smart

Modulator The Second Asian Accelerator Conference (APAC01)

pp719-721 Beijing China September 17-21 2001

[8] Y G Son S D Jang J S Oh Design of a High-Voltage

High-Power Resonant Inverter Power Supply using IsSpice The

KoreanInstitute of Power Electronics pp160-164 Konkuk

University Seoul Korea June 14 2002

[9] Aaron C LipponcottldquoA Capacitor-Charging Power Supply Using a

Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable Frequency

Control and Zero-Current Switchingrdquo IEEE Transactions on

industrial electronics VOL38 NO6 1991

[10] F E Terman Radio Engineers Handbook pp 53-55 McGraw-Hill

New York 1943

[11] E B Rosa and F W Grover Bur Standards Bull Vol 8 p

119 1917

[12] Study on Smart Modulator for Large-Scale e+e- Linear

Collider and Improvement of Pulse Efficiency 울 원

공 과 사 (1999)

[13] H A Wheeler Simple Inductance Formulas for Radio Coils

Proceedings of the IRE Vol 16 p1398 October 1928

[14] ldquo 신 워공 rdquo 내 사 2003

[15] The English Electric Valve Co Hydrogen Thyratron Product Data

1966

[16] C A Pirrie et al Thyratron and Modulator Design

- 77 -

Considerations to Maximize Thyratron Life 1998 Klystron-

Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

July 2 1998

[17] 규 80-MW 클라 트

200-MW 트랜 포 능시험 계

Vol E pp2167-2169 1999

[18] A R Donaldson A Hybrid Anode Reactor for the SLAC

Modulator Conference Record of the 1994 Twenty-First

International Power Modulator Symposium pp 136-139 1994

[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

Ko W Namkung ldquoDevelopment of an Ultra Stable

Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

Electron Laser Conference (FEL2005) Stanford University CA

USA August 21 - 26 2005

[20] J S Oh S D Jang Y G Son S J Kwon J H Seo I S Ko W

Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 78: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 70 -

시킨다 간 마지막 단계에 압 90

상태가 연 5 운 었 동 게 다 시

상 상 생 닫아 시킴 보

게 다 료 고 다 단계 간 시 단계에

고 압 값 30 상 상태가 연 5 지 운 었

그림 41 폭

Fig 41 Output pulse width measurement waveform

(Tp = 485 us 70 gt 47 us specification

Zpfn =304 Ohm)

계 값 폭 485 에 값 계산 PFN커 시

는 304 Ω 계산 었다 그림 1 커 시 닝

다 폭 결 는 것 커 시 가변 값

에 결 다 평탄 에 안 도가 실 마 크 웨 브

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- 71 -

폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

[1] 곽민 승 ldquo 라헤

미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

2006 12 pp146-156

[2] Y G Son J S Oh M H Cho W Namkung Study on the

De-Qing System for the Output Voltage Stabilization of a 200MW

Modulator KIEE 1994 Annual Summer Conference Vol C

pp1612-1614 KyungJu Korea July 21-23 1994

[3] N S Nicholls Some Lessons from Two Generations of Pulsed

Power Electronic Systems Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp 1-4

1994

[4] R E Tartler Solid-State Power Conversion Handbook Wiley

1993 p528

[5] A C Lippincott R M Nelms A Capacitor-Charging Power Supply

Using a Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable

Frequency Control and Zero-Current Switching IEEE

Transactions on Industrial Electronics Vol 38 No 6 pp

438-447 December 1991

[6] E E Bowles et al A High Power Density High Voltage Power

Supply for a Pulsed Radar System Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp

170-173 1994

- 76 -

[7] J S Oh S D Jang Y G Son M H Cho W Namkung

Development of a Capacitor-Charging Power Supply for a Smart

Modulator The Second Asian Accelerator Conference (APAC01)

pp719-721 Beijing China September 17-21 2001

[8] Y G Son S D Jang J S Oh Design of a High-Voltage

High-Power Resonant Inverter Power Supply using IsSpice The

KoreanInstitute of Power Electronics pp160-164 Konkuk

University Seoul Korea June 14 2002

[9] Aaron C LipponcottldquoA Capacitor-Charging Power Supply Using a

Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable Frequency

Control and Zero-Current Switchingrdquo IEEE Transactions on

industrial electronics VOL38 NO6 1991

[10] F E Terman Radio Engineers Handbook pp 53-55 McGraw-Hill

New York 1943

[11] E B Rosa and F W Grover Bur Standards Bull Vol 8 p

119 1917

[12] Study on Smart Modulator for Large-Scale e+e- Linear

Collider and Improvement of Pulse Efficiency 울 원

공 과 사 (1999)

[13] H A Wheeler Simple Inductance Formulas for Radio Coils

Proceedings of the IRE Vol 16 p1398 October 1928

[14] ldquo 신 워공 rdquo 내 사 2003

[15] The English Electric Valve Co Hydrogen Thyratron Product Data

1966

[16] C A Pirrie et al Thyratron and Modulator Design

- 77 -

Considerations to Maximize Thyratron Life 1998 Klystron-

Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

July 2 1998

[17] 규 80-MW 클라 트

200-MW 트랜 포 능시험 계

Vol E pp2167-2169 1999

[18] A R Donaldson A Hybrid Anode Reactor for the SLAC

Modulator Conference Record of the 1994 Twenty-First

International Power Modulator Symposium pp 136-139 1994

[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

Ko W Namkung ldquoDevelopment of an Ultra Stable

Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

Electron Laser Conference (FEL2005) Stanford University CA

USA August 21 - 26 2005

[20] J S Oh S D Jang Y G Son S J Kwon J H Seo I S Ko W

Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 79: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 71 -

폭 는 간 평탄 가 평탄 곡 없

도 닝 는 것 다

생 담당 는 커 시 값 고 값

폭 평탄도에 여 는 것 가변 닝 여 plusmn1

가 도 다

그림 42 평탄도 22 us (평탄도 lt1 )

Fig 42 Pulse flat-top measurement 22 us (flatness lt1 )

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- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

[1] 곽민 승 ldquo 라헤

미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

2006 12 pp146-156

[2] Y G Son J S Oh M H Cho W Namkung Study on the

De-Qing System for the Output Voltage Stabilization of a 200MW

Modulator KIEE 1994 Annual Summer Conference Vol C

pp1612-1614 KyungJu Korea July 21-23 1994

[3] N S Nicholls Some Lessons from Two Generations of Pulsed

Power Electronic Systems Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp 1-4

1994

[4] R E Tartler Solid-State Power Conversion Handbook Wiley

1993 p528

[5] A C Lippincott R M Nelms A Capacitor-Charging Power Supply

Using a Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable

Frequency Control and Zero-Current Switching IEEE

Transactions on Industrial Electronics Vol 38 No 6 pp

438-447 December 1991

[6] E E Bowles et al A High Power Density High Voltage Power

Supply for a Pulsed Radar System Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp

170-173 1994

- 76 -

[7] J S Oh S D Jang Y G Son M H Cho W Namkung

Development of a Capacitor-Charging Power Supply for a Smart

Modulator The Second Asian Accelerator Conference (APAC01)

pp719-721 Beijing China September 17-21 2001

[8] Y G Son S D Jang J S Oh Design of a High-Voltage

High-Power Resonant Inverter Power Supply using IsSpice The

KoreanInstitute of Power Electronics pp160-164 Konkuk

University Seoul Korea June 14 2002

[9] Aaron C LipponcottldquoA Capacitor-Charging Power Supply Using a

Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable Frequency

Control and Zero-Current Switchingrdquo IEEE Transactions on

industrial electronics VOL38 NO6 1991

[10] F E Terman Radio Engineers Handbook pp 53-55 McGraw-Hill

New York 1943

[11] E B Rosa and F W Grover Bur Standards Bull Vol 8 p

119 1917

[12] Study on Smart Modulator for Large-Scale e+e- Linear

Collider and Improvement of Pulse Efficiency 울 원

공 과 사 (1999)

[13] H A Wheeler Simple Inductance Formulas for Radio Coils

Proceedings of the IRE Vol 16 p1398 October 1928

[14] ldquo 신 워공 rdquo 내 사 2003

[15] The English Electric Valve Co Hydrogen Thyratron Product Data

1966

[16] C A Pirrie et al Thyratron and Modulator Design

- 77 -

Considerations to Maximize Thyratron Life 1998 Klystron-

Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

July 2 1998

[17] 규 80-MW 클라 트

200-MW 트랜 포 능시험 계

Vol E pp2167-2169 1999

[18] A R Donaldson A Hybrid Anode Reactor for the SLAC

Modulator Conference Record of the 1994 Twenty-First

International Power Modulator Symposium pp 136-139 1994

[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

Ko W Namkung ldquoDevelopment of an Ultra Stable

Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

Electron Laser Conference (FEL2005) Stanford University CA

USA August 21 - 26 2005

[20] J S Oh S D Jang Y G Son S J Kwon J H Seo I S Ko W

Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 80: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 72 -

그림 43 클라 트 비언

Fig 43 Klystron perveance measurement

(CH2 Beam Current CH4 Beam Voltage)

[CVD = 83001 CT = 201 Zpfn = 304 Ω Vk = 311

kV Ik = 323 A uP = 187]

사 E3712 클라 트 비언 클라 트

압과 여 비언 계산 다 그림 3 비언

클라 트 압과 계산 비언 는 187 마

크 비언 었다 커 시 압안 도 35 kV에

리 압 34 V 다 그림 44는 커 시 단 압에 리

압 보여주고 고 는 동앰 (recory사

DA1855A) 사 다

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- 73 -

그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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강조

- 75 -

고 헌

[1] 곽민 승 ldquo 라헤

미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

2006 12 pp146-156

[2] Y G Son J S Oh M H Cho W Namkung Study on the

De-Qing System for the Output Voltage Stabilization of a 200MW

Modulator KIEE 1994 Annual Summer Conference Vol C

pp1612-1614 KyungJu Korea July 21-23 1994

[3] N S Nicholls Some Lessons from Two Generations of Pulsed

Power Electronic Systems Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp 1-4

1994

[4] R E Tartler Solid-State Power Conversion Handbook Wiley

1993 p528

[5] A C Lippincott R M Nelms A Capacitor-Charging Power Supply

Using a Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable

Frequency Control and Zero-Current Switching IEEE

Transactions on Industrial Electronics Vol 38 No 6 pp

438-447 December 1991

[6] E E Bowles et al A High Power Density High Voltage Power

Supply for a Pulsed Radar System Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp

170-173 1994

- 76 -

[7] J S Oh S D Jang Y G Son M H Cho W Namkung

Development of a Capacitor-Charging Power Supply for a Smart

Modulator The Second Asian Accelerator Conference (APAC01)

pp719-721 Beijing China September 17-21 2001

[8] Y G Son S D Jang J S Oh Design of a High-Voltage

High-Power Resonant Inverter Power Supply using IsSpice The

KoreanInstitute of Power Electronics pp160-164 Konkuk

University Seoul Korea June 14 2002

[9] Aaron C LipponcottldquoA Capacitor-Charging Power Supply Using a

Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable Frequency

Control and Zero-Current Switchingrdquo IEEE Transactions on

industrial electronics VOL38 NO6 1991

[10] F E Terman Radio Engineers Handbook pp 53-55 McGraw-Hill

New York 1943

[11] E B Rosa and F W Grover Bur Standards Bull Vol 8 p

119 1917

[12] Study on Smart Modulator for Large-Scale e+e- Linear

Collider and Improvement of Pulse Efficiency 울 원

공 과 사 (1999)

[13] H A Wheeler Simple Inductance Formulas for Radio Coils

Proceedings of the IRE Vol 16 p1398 October 1928

[14] ldquo 신 워공 rdquo 내 사 2003

[15] The English Electric Valve Co Hydrogen Thyratron Product Data

1966

[16] C A Pirrie et al Thyratron and Modulator Design

- 77 -

Considerations to Maximize Thyratron Life 1998 Klystron-

Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

July 2 1998

[17] 규 80-MW 클라 트

200-MW 트랜 포 능시험 계

Vol E pp2167-2169 1999

[18] A R Donaldson A Hybrid Anode Reactor for the SLAC

Modulator Conference Record of the 1994 Twenty-First

International Power Modulator Symposium pp 136-139 1994

[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

Ko W Namkung ldquoDevelopment of an Ultra Stable

Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

Electron Laser Conference (FEL2005) Stanford University CA

USA August 21 - 26 2005

[20] J S Oh S D Jang Y G Son S J Kwon J H Seo I S Ko W

Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 81: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

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그림 44 압 35 kV에 리 압 34 V

Fig 44 Pulse forming network output ripple voltage 34V

with measure in charge voltage 35 kV

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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- 75 -

고 헌

[1] 곽민 승 ldquo 라헤

미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

2006 12 pp146-156

[2] Y G Son J S Oh M H Cho W Namkung Study on the

De-Qing System for the Output Voltage Stabilization of a 200MW

Modulator KIEE 1994 Annual Summer Conference Vol C

pp1612-1614 KyungJu Korea July 21-23 1994

[3] N S Nicholls Some Lessons from Two Generations of Pulsed

Power Electronic Systems Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp 1-4

1994

[4] R E Tartler Solid-State Power Conversion Handbook Wiley

1993 p528

[5] A C Lippincott R M Nelms A Capacitor-Charging Power Supply

Using a Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable

Frequency Control and Zero-Current Switching IEEE

Transactions on Industrial Electronics Vol 38 No 6 pp

438-447 December 1991

[6] E E Bowles et al A High Power Density High Voltage Power

Supply for a Pulsed Radar System Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp

170-173 1994

- 76 -

[7] J S Oh S D Jang Y G Son M H Cho W Namkung

Development of a Capacitor-Charging Power Supply for a Smart

Modulator The Second Asian Accelerator Conference (APAC01)

pp719-721 Beijing China September 17-21 2001

[8] Y G Son S D Jang J S Oh Design of a High-Voltage

High-Power Resonant Inverter Power Supply using IsSpice The

KoreanInstitute of Power Electronics pp160-164 Konkuk

University Seoul Korea June 14 2002

[9] Aaron C LipponcottldquoA Capacitor-Charging Power Supply Using a

Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable Frequency

Control and Zero-Current Switchingrdquo IEEE Transactions on

industrial electronics VOL38 NO6 1991

[10] F E Terman Radio Engineers Handbook pp 53-55 McGraw-Hill

New York 1943

[11] E B Rosa and F W Grover Bur Standards Bull Vol 8 p

119 1917

[12] Study on Smart Modulator for Large-Scale e+e- Linear

Collider and Improvement of Pulse Efficiency 울 원

공 과 사 (1999)

[13] H A Wheeler Simple Inductance Formulas for Radio Coils

Proceedings of the IRE Vol 16 p1398 October 1928

[14] ldquo 신 워공 rdquo 내 사 2003

[15] The English Electric Valve Co Hydrogen Thyratron Product Data

1966

[16] C A Pirrie et al Thyratron and Modulator Design

- 77 -

Considerations to Maximize Thyratron Life 1998 Klystron-

Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

July 2 1998

[17] 규 80-MW 클라 트

200-MW 트랜 포 능시험 계

Vol E pp2167-2169 1999

[18] A R Donaldson A Hybrid Anode Reactor for the SLAC

Modulator Conference Record of the 1994 Twenty-First

International Power Modulator Symposium pp 136-139 1994

[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

Ko W Namkung ldquoDevelopment of an Ultra Stable

Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

Electron Laser Conference (FEL2005) Stanford University CA

USA August 21 - 26 2005

[20] J S Oh S D Jang Y G Son S J Kwon J H Seo I S Ko W

Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 82: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 74 -

Ⅴ 결

- 라헤 빔 라 가 고주 폭 고 원

산 계 공 에 연 다 고

식에 공진 는 에 는 압 안 도는

de-Q`ing 사 002 지 어가 가능 다 압

어 가 고 압변 에 약 는 단 다 에

비 PWM 식 식 원 크 가 큰

원과 크 가 병 연결 여 시간에 라

크 달리 여 커 시 에 는 압 크 게

어 다 커 시 에 는 압 안 도가 곧 빔 압 안 도

나타난다 압가변 가 어 신 게 어가 가능 게 는

다 RF 폭 에 마 크 안 공 안 고

원 개 내 다 과 같다

- 압 안 도 100 PPM 지 어

어알고리 개 료 다

- 고 압 생 는 듈 계 시험

체 다

- 계 보 고 시험 통 산

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스티커 노트
De-Qing 또는 PWM 방식 스위칭 방식 인버터 전원
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고 헌

[1] 곽민 승 ldquo 라헤

미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

2006 12 pp146-156

[2] Y G Son J S Oh M H Cho W Namkung Study on the

De-Qing System for the Output Voltage Stabilization of a 200MW

Modulator KIEE 1994 Annual Summer Conference Vol C

pp1612-1614 KyungJu Korea July 21-23 1994

[3] N S Nicholls Some Lessons from Two Generations of Pulsed

Power Electronic Systems Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp 1-4

1994

[4] R E Tartler Solid-State Power Conversion Handbook Wiley

1993 p528

[5] A C Lippincott R M Nelms A Capacitor-Charging Power Supply

Using a Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable

Frequency Control and Zero-Current Switching IEEE

Transactions on Industrial Electronics Vol 38 No 6 pp

438-447 December 1991

[6] E E Bowles et al A High Power Density High Voltage Power

Supply for a Pulsed Radar System Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp

170-173 1994

- 76 -

[7] J S Oh S D Jang Y G Son M H Cho W Namkung

Development of a Capacitor-Charging Power Supply for a Smart

Modulator The Second Asian Accelerator Conference (APAC01)

pp719-721 Beijing China September 17-21 2001

[8] Y G Son S D Jang J S Oh Design of a High-Voltage

High-Power Resonant Inverter Power Supply using IsSpice The

KoreanInstitute of Power Electronics pp160-164 Konkuk

University Seoul Korea June 14 2002

[9] Aaron C LipponcottldquoA Capacitor-Charging Power Supply Using a

Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable Frequency

Control and Zero-Current Switchingrdquo IEEE Transactions on

industrial electronics VOL38 NO6 1991

[10] F E Terman Radio Engineers Handbook pp 53-55 McGraw-Hill

New York 1943

[11] E B Rosa and F W Grover Bur Standards Bull Vol 8 p

119 1917

[12] Study on Smart Modulator for Large-Scale e+e- Linear

Collider and Improvement of Pulse Efficiency 울 원

공 과 사 (1999)

[13] H A Wheeler Simple Inductance Formulas for Radio Coils

Proceedings of the IRE Vol 16 p1398 October 1928

[14] ldquo 신 워공 rdquo 내 사 2003

[15] The English Electric Valve Co Hydrogen Thyratron Product Data

1966

[16] C A Pirrie et al Thyratron and Modulator Design

- 77 -

Considerations to Maximize Thyratron Life 1998 Klystron-

Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

July 2 1998

[17] 규 80-MW 클라 트

200-MW 트랜 포 능시험 계

Vol E pp2167-2169 1999

[18] A R Donaldson A Hybrid Anode Reactor for the SLAC

Modulator Conference Record of the 1994 Twenty-First

International Power Modulator Symposium pp 136-139 1994

[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

Ko W Namkung ldquoDevelopment of an Ultra Stable

Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

Electron Laser Conference (FEL2005) Stanford University CA

USA August 21 - 26 2005

[20] J S Oh S D Jang Y G Son S J Kwon J H Seo I S Ko W

Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 83: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 75 -

고 헌

[1] 곽민 승 ldquo 라헤

미징과 안 보안 야 rdquo 통신동 21 6

2006 12 pp146-156

[2] Y G Son J S Oh M H Cho W Namkung Study on the

De-Qing System for the Output Voltage Stabilization of a 200MW

Modulator KIEE 1994 Annual Summer Conference Vol C

pp1612-1614 KyungJu Korea July 21-23 1994

[3] N S Nicholls Some Lessons from Two Generations of Pulsed

Power Electronic Systems Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp 1-4

1994

[4] R E Tartler Solid-State Power Conversion Handbook Wiley

1993 p528

[5] A C Lippincott R M Nelms A Capacitor-Charging Power Supply

Using a Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable

Frequency Control and Zero-Current Switching IEEE

Transactions on Industrial Electronics Vol 38 No 6 pp

438-447 December 1991

[6] E E Bowles et al A High Power Density High Voltage Power

Supply for a Pulsed Radar System Conference Record of the 1994

Twenty-First International Power Modulator Symposium pp

170-173 1994

- 76 -

[7] J S Oh S D Jang Y G Son M H Cho W Namkung

Development of a Capacitor-Charging Power Supply for a Smart

Modulator The Second Asian Accelerator Conference (APAC01)

pp719-721 Beijing China September 17-21 2001

[8] Y G Son S D Jang J S Oh Design of a High-Voltage

High-Power Resonant Inverter Power Supply using IsSpice The

KoreanInstitute of Power Electronics pp160-164 Konkuk

University Seoul Korea June 14 2002

[9] Aaron C LipponcottldquoA Capacitor-Charging Power Supply Using a

Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable Frequency

Control and Zero-Current Switchingrdquo IEEE Transactions on

industrial electronics VOL38 NO6 1991

[10] F E Terman Radio Engineers Handbook pp 53-55 McGraw-Hill

New York 1943

[11] E B Rosa and F W Grover Bur Standards Bull Vol 8 p

119 1917

[12] Study on Smart Modulator for Large-Scale e+e- Linear

Collider and Improvement of Pulse Efficiency 울 원

공 과 사 (1999)

[13] H A Wheeler Simple Inductance Formulas for Radio Coils

Proceedings of the IRE Vol 16 p1398 October 1928

[14] ldquo 신 워공 rdquo 내 사 2003

[15] The English Electric Valve Co Hydrogen Thyratron Product Data

1966

[16] C A Pirrie et al Thyratron and Modulator Design

- 77 -

Considerations to Maximize Thyratron Life 1998 Klystron-

Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

July 2 1998

[17] 규 80-MW 클라 트

200-MW 트랜 포 능시험 계

Vol E pp2167-2169 1999

[18] A R Donaldson A Hybrid Anode Reactor for the SLAC

Modulator Conference Record of the 1994 Twenty-First

International Power Modulator Symposium pp 136-139 1994

[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

Ko W Namkung ldquoDevelopment of an Ultra Stable

Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

Electron Laser Conference (FEL2005) Stanford University CA

USA August 21 - 26 2005

[20] J S Oh S D Jang Y G Son S J Kwon J H Seo I S Ko W

Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 84: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 76 -

[7] J S Oh S D Jang Y G Son M H Cho W Namkung

Development of a Capacitor-Charging Power Supply for a Smart

Modulator The Second Asian Accelerator Conference (APAC01)

pp719-721 Beijing China September 17-21 2001

[8] Y G Son S D Jang J S Oh Design of a High-Voltage

High-Power Resonant Inverter Power Supply using IsSpice The

KoreanInstitute of Power Electronics pp160-164 Konkuk

University Seoul Korea June 14 2002

[9] Aaron C LipponcottldquoA Capacitor-Charging Power Supply Using a

Series-Resonant Topology Constant On-TimeVariable Frequency

Control and Zero-Current Switchingrdquo IEEE Transactions on

industrial electronics VOL38 NO6 1991

[10] F E Terman Radio Engineers Handbook pp 53-55 McGraw-Hill

New York 1943

[11] E B Rosa and F W Grover Bur Standards Bull Vol 8 p

119 1917

[12] Study on Smart Modulator for Large-Scale e+e- Linear

Collider and Improvement of Pulse Efficiency 울 원

공 과 사 (1999)

[13] H A Wheeler Simple Inductance Formulas for Radio Coils

Proceedings of the IRE Vol 16 p1398 October 1928

[14] ldquo 신 워공 rdquo 내 사 2003

[15] The English Electric Valve Co Hydrogen Thyratron Product Data

1966

[16] C A Pirrie et al Thyratron and Modulator Design

- 77 -

Considerations to Maximize Thyratron Life 1998 Klystron-

Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

July 2 1998

[17] 규 80-MW 클라 트

200-MW 트랜 포 능시험 계

Vol E pp2167-2169 1999

[18] A R Donaldson A Hybrid Anode Reactor for the SLAC

Modulator Conference Record of the 1994 Twenty-First

International Power Modulator Symposium pp 136-139 1994

[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

Ko W Namkung ldquoDevelopment of an Ultra Stable

Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

Electron Laser Conference (FEL2005) Stanford University CA

USA August 21 - 26 2005

[20] J S Oh S D Jang Y G Son S J Kwon J H Seo I S Ko W

Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 85: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 77 -

Considerations to Maximize Thyratron Life 1998 Klystron-

Modulator Workshop SLAC Stanford California USA June 29 -

July 2 1998

[17] 규 80-MW 클라 트

200-MW 트랜 포 능시험 계

Vol E pp2167-2169 1999

[18] A R Donaldson A Hybrid Anode Reactor for the SLAC

Modulator Conference Record of the 1994 Twenty-First

International Power Modulator Symposium pp 136-139 1994

[19] J S Oh S D Jang S J Kwon Y G Son J H Seo I S

Ko W Namkung ldquoDevelopment of an Ultra Stable

Klystron-Modulator for PAL XFELrdquo 27th International Free

Electron Laser Conference (FEL2005) Stanford University CA

USA August 21 - 26 2005

[20] J S Oh S D Jang Y G Son S J Kwon J H Seo I S Ko W

Namkung Ultra Stable Charging Power Supply for PAL XFEL 2005

KAPRA amp KPSDDP Joint Workshop July 8-9 2005

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 86: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 78 -

RF amplifier highshyprecision highshypower supply of femtoshysecond

terahertz beam line electron accelerator

Yoon-Kyoo Son

Department of Electrical Engineering Major

Graduate School of Industry Kyungpook National University

Taegu Korea

(Supervised by professor Moon Jae-Duk)

(Abstract)

The hardware RampD of the inverter charging system with 100 PPM stability

is performed The fabrication and design of high frequency amplifier for

electron accelerator used in femto-second terahertz beam line is

investigated for domestic production It is possible to control output

voltage stability to maximum 002 by using Traditional L-C resonant

charging scheme with de-Q`ing circuit There are shortcomings that extent

of voltage control is narrow and output voltage change is restricted

However Switching mode of PWM power supply controls inverter voltage and

current that shows big difference with output current according to charge

time controlled by parallel connection of fine inverter The charging

system of a PFN (pulse forming network) of a pulsed modulator for a

klystron RF source is responsible to the requirement Inverter charging

system is configured to guarantee the short-term stability by choosing a

suitable minimum resolution of a charging system Following are improved

contents of proposed precision inverter power supply to provide microwave

stably to RF amplifier

A thesis submitted to the Committee of the Graduate School of Industry Kyungpook

National University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of

Engineering in June 2008

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract
Page 87: 01★★★펨토초-테라헤르츠 빔라인 전자가속기의 고주파 증폭기용 고정밀 전원_000000044531_1335745193875_0.8941347009422123

- 79 -

- Completed control algorithm development of minuteness controller that

serves to keep stability of charge voltage under 100 PPM

- Achieved design of modulator and fabrication test that create pulse of

high voltage voluntarily

- Secure design technology of device and achieved domestic product through

fabrication test

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구동기 및 목표
    • 12 연구의 내용과 구성
      • Ⅱ 이론 및 설계
        • 21 S-밴드 모듈레이터 시스템
          • 211 일반적인 설계와 RF 시스템
          • 212 S-밴드 RF 시스템
              • Ⅲ 장치설계 및 특징
                • 31 모듈레이터
                  • 311 설계의 특징
                  • 312 시스템 설계
                    • 32 모델링과 시뮬레이션
                      • 321 모델링
                      • 322 클라이스트론 튜브의 등가회로
                        • 33 설계와 제작
                          • 331 충전전원장치
                            • 3311 인버터시스템의 일반적인 사양
                            • 3312 인버터 전원의 설계
                            • 3313 DC-AC 풀 브리지 컨버터의 동작설명
                            • 3314 동작원리
                              • 332 펄스 성형회로
                                • 3321 펄스 커패시터
                                • 3322 가변 인덕터
                                  • 333 싸이라트론 스위치
                                  • 334 펄스 변압기
                                    • 3341 펄스 변압기 등가회로
                                      • 335 보호회로설계
                                        • 3351 인버터 보호회로
                                        • 3352 종단 저항과 다이오드회로(end-of-line clipper)
                                        • 3353 펄스변압기 보호회로
                                        • 3354 RC 스너버
                                        • 3355 고 정밀 제어기
                                        • 3356 정밀 제어기 구성
                                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                                            • 41 펄스 생성시험
                                              • 411 실험결과 분석
                                                  • Ⅴ 결론
                                                  • 참고문헌
                                                  • Abstract