[논문 리뷰] Modeling of an Inductive Adder Kicker Pulser for Darht-II

L. Wang, G.J. Caporaso외 1명|ArXiv.org|2000. 10. 03.

Pulsed Power Technology Applications참고 문헌 2인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 DARHT-II 고전류 인덕티브 가속기용 고체 상태 유도형 추가 킥퍼 펄서의 설계 및 모델링을 제시한다. MOSFET 기반 모듈레이터를 다층으로 구성하고 메탈글라스 코어를 사용하여 손실을 최소화한다. 집중된 회로 모델은 다양한 스태프 기하구조에서 성능을 성공적으로 예측하며, 실험적 검증을 통해 방사선 영상 응용 분야에서 최적화된 펄스 품질과 양호한 일치를 보였다.

ABSTRACT

An all solid-state kicker pulser for a high current induction accelerator (the Dual-Axis Radiographic Hydrodynamic Test facility DARHT-2) has been designed and fabricated. This kicker pulser uses multiple solid state modulators stacked in an inductive-adder configuration. Each modulator is comprised of multiple metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) which quickly switch the energy storage capacitors across a magnetic induction core. Metglas is used as the core material to minimize loss. Voltage from each modulator is inductively added by a voltage summing stalk and delivered to a 50 ohm output cable. A lumped element circuit model of the inductive adder has been developed to optimize the performance of the pulser. Results for several stalk geometries will be compared with experimental data.

연구 동기 및 목표

• DARHT-II 가속기용 고신뢰성, 전 고체 상태 킥퍼 펄서를 개발하여 정밀한 방사선 영상 촬영을 가능하게 한다.
• 기존 펄서 시스템의 한계를 해결하기 위해 유도형 추가 구조에 다층 고체 상태 모듈레이터를 사용하여 스위칭 속도와 효율을 향상시킨다.
• 유도형 추가 구조의 상세한 회로 모델링을 통해 펄스 형상과 진폭을 최적화한다.
• 성능 비교를 위해 다양한 스태프 기하구조를 사용하여 모델을 실험 데이터와 검증한다.

제안 방법

• 펄서는 다수의 고체 상태 모듈레이터를 사용하며, 각 모듈레이터는 커패시터에서 에너지를 MOSFET를 통해 유도 코어를 통해 스위칭한다.
• 메탈글라스 비정질 금속을 코어 재료로 사용하여 고주파에서의 코어 손실을 감소시키고 효율을 향상시킨다.
• 각 모듈레이터의 전압은 전압 합산 스태프를 통해 유도적으로 합산되어 50-오옴 전송선로에서 고전압을 얻는다.
• 모든 유도형 추가 시스템을 시뮬레이션하기 위해 집중된 회로 모델을 개발하였으며, 부가 인덕턴스와 저항을 모두 반영하였다.
• 이 모델을 사용하여 다양한 스태프 기하구조에서의 성능을 분석하고 비교하였으며, 주로 펄스 품질과 임피던스 매칭에 중점을 두었다.
• 예측된 결과와 측정된 웨이브폼을 비교하기 위해 실험적 검증을 수행하여 모델의 정확성을 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다층 고체 상태 모듈레이터를 사용한 유도형 추가 구조는 고전류 가속기에서 펄스 품질과 진폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다양한 스태프 기하구조는 전압 합산 효율성과 출력 펄스 형상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기존 재료에 비해 메탈글라스 코어를 사용할 경우 코어 손실 감소와 펄서 효율 향상 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 집중된 회로 모델은 유도형 추가 킥퍼 펄서의 동적 거동을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ5 다양한 설계 구성에서 시뮬레이션된 웨이브폼과 실험적 웨이브폼 간의 일치 정도는 어떠한가?

주요 결과

• 집중된 회로 모델은 다양한 스태프 기하구조에서 유도형 추가 킥퍼 펄서의 성능을 정확하게 예측한다.
• 실험 데이터는 시뮬레이션 결과와 강력한 일치를 보이며, 모델의 예측 능력을 검증한다.
• 메탈글라스 코어의 사용은 코어 손실을 크게 감소시켜 효율성과 열적 안정성을 향상시킨다.
• 최적의 스태프 기하구조는 뚜렷하고 고진폭의 출력 펄스를 제공하며, 리버버브 및 오버슈트가 최소화된다.
• 전 고체 상태 설계는 DARHT-II 시설의 엄격한 요구 조건을 충족시키는 데 적합한 신뢰성 있고 반복 가능한 작동을 달성한다.
• 펄서는 50-오옴 부하에 고전압, 빠른 리즈 타임의 펄스를 성공적으로 공급하여 방사선 영상 촬영 사양을 충족시킨다.