CN113366753A - 直流脉冲电源装置 - Google Patents

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安达俊幸
米山知宏
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Abstract

一种直流脉冲电源装置，其具备直流电源部(10)和通过与直流电源部连接的升压斩波电路产生脉冲输出的脉冲部(20)，箝位电压部(30)的输出端连接于直流电抗器(21)与开关元件(22)的连接点s，对开关元件(22)的一端施加箝位电压VC。通过在升压斩波电路的断开期间Toff对开关元件的两端电压进行箝位，从而防止开关元件的损伤，并且抑制伴随负载电流变动的输出电压的变动、以及负载电流、放电电流流过电阻所引起的电力损失。

Description

直流脉冲电源装置
技术领域
本发明涉及向负载供给脉冲输出的直流脉冲电源装置。
背景技术
直流脉冲电源装置输出的脉冲输出是以数Hz～数百kHz反复进行直流电压的接通状态和断开状态的高频(RF)输出。
直流脉冲电源装置被用作向等离子体产生用装置、脉冲激光激励、放电加工机等负载供给脉冲输出的电源装置。在将直流电源装置用于等离子体产生用装置的情况下，将脉冲输出供给到等离子体产生腔内的电极间，使由电极间的放电引起的等离子体点火，维持所产生的等离子体。
图11中的(a)表示直流脉冲电源装置的一个结构例。在直流脉冲电源装置中，已知作为产生脉冲波形的电路，具备升压斩波电路的结构。直流脉冲电源装置100由直流电源110和升压斩波电路120构成，将通过升压斩波电路120对直流电源110的直流电压进行升压而得的脉冲输出供给到负载130(专利文献1、2)。
图11中的(b)表示升压斩波电路的结构例(专利文献3)。升压斩波电路120通过在直流电源侧与负载侧之间串联连接电感器121，并对负载侧并联连接开关元件122而构成，根据开关元件122的接通期间和断开期间的时间宽度的占空比而形成升压的脉冲输出。在该接通/断开动作中，在电感器121的直流电抗器中蓄积与接通期间的时间宽度对应的能量，根据蓄积能量形成升压的振幅的脉冲输出。就脉冲输出而言，根据开关元件的接通/断开期间的时间宽度的占空比来决定升压的振幅，但在开关元件122断开时，由于在直流电抗器的漏电感中产生的振动等，产生超过所设定的振幅的浪涌电压。
在图11中的(b)所示的升压斩波电路中，将与电源同极性的二极管123和电阻124的串联电路并联连接于电感器121，利用电阻124消耗由蓄积在电感器121中的能量所产生的反向电压，抑制由过剩的电压上升引起的浪涌电压。
除了通过电阻来抑制浪涌电压以外，还已知通过将缓冲电路并联连接于开关元件，并使缓冲电路的缓冲电容器吸收浪涌电压来抑制浪涌电压的方法(专利文献4)。图11中的(c)表示具备开关元件127的升压斩波装置的结构例，该升压斩波装置与直流电源125连接，通过使开关元件127接通而使能量蓄积于直流电抗器126，通过在开关元件127的断开期间将蓄积能量向输出侧电容器128充电而向负载供给比直流电源125高的电压，利用缓冲电容器吸收在开关元件127断开时产生的浪涌电压，防止开关元件127的过剩电压引起的破坏。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平8-222258号公报(图1、段落0012)
专利文献2：日本特开2006-6053号公报(图1)
专利文献3：日本特开平1-252165号公报(图1)
专利文献4：日本特开2004-254401号公报(段落0005、段落0010、图5)
发明内容
发明所要解决的课题
若产生浪涌电压，则开关元件的漏极源极间的电压因浪涌电压而成为过剩电压，开关元件有可能损伤。作为抑制浪涌电压的方法，已知有(i)利用电阻来抑制浪涌电压的方法、(ii)使用缓冲电路的方法，但存在输出电压的变动、电力损失的问题。
(i)在通过利用电阻消耗电感的积蓄能量的释放来抑制浪涌电压的方法中，由于电感L的积蓄能量而产生电抗器电压VDCL，因此在与电感并联连接的电阻R中产生与电抗器电压VDCL大致相同电压的电阻电压VR。该电阻R抑制因电感的积蓄能量的释放而急剧地电压上升的浪涌电压以及因开关元件的接通/断开而产生的浪涌电压。
图11中的(d)表示脉冲周期中的输出电压Vo。在开关元件为接通状态的接通期间Ton，输出电压Vo成为开关元件的接通电压，在开关元件为断开状态的断开期间Toff，输出电压Vo成为对直流电源的直流电压VAB加上了电阻电压VR的Vo＝VAB+VR。另外，在图11中的(b)所示的电路中，开关元件122的源极端S的电压Vs成为与输出电压Vo相同的电压。电阻R通过设为低电阻能够抑制浪涌电压，但由于被施加与电抗器电压VDCL同样的电压，因此电阻R越小则电阻的损失越大。因此，在电阻损失与浪涌电压之间存在相对于电阻R彼此相反的关系，电阻R越大，电阻的损失越小，但浪涌电压越大，另一方面，电阻R越小，浪涌电压越小，但电阻损失越大。
电抗器电压VDCL根据电抗器电流iL(负载电流Io)而变动。若将负载电流为Io时在电阻R产生的电压设为VR1，则在负载电流变动为K倍的K×Io时，在电阻R产生的电压VR2为VR2＝K×VR1。此外，在此，K依赖于开关元件的占空比、负载电流Io的条件而变化。因此，由于电感L的浪涌，电阻电压VR以及输出电压Vo受到占空比、负载电流Io的变动的影响而变动。
因此，直流脉冲电源装置的输出电压Vo和开关元件的端子电压受到负载电流Io的变动的影响而变动。另外，在电阻R中产生电力损失，因此直流脉冲电源装置的效率降低。
(ii)在通过使缓冲电路的缓冲电容器吸收浪涌电压来抑制浪涌电压的方法中，通过使由缓冲电容器吸收的能量流过缓冲放电电阻来消耗，因此通过在缓冲放电电阻中流过放电电流而产生电流损耗，直流脉冲电源装置的效率降低。
因此，在目前已知的防止浪涌电压引起的开关元件的损伤的方法中，存在输出电压变动这样的课题、因电流流过电阻而产生的电力损失的课题。
本发明的目的在于解决上述以往的问题点，在直流脉冲电源装置中，防止由浪涌电压的过剩电压引起的开关元件的损伤。
进而，目的在于防止开关元件的损伤，并且解决伴随负载电流变动的输出电压发生变动的课题、以及由负载电流、放电电流流过电阻而引起的电力损失的课题。
用于解决课题的手段
本发明的直流脉冲电源装置通过在升压斩波电路的断开期间对电抗器的两端电压进行箝位，来抑制电抗器中产生的浪涌电压，防止开关元件的损伤，并且抑制伴随负载电流变动的输出电压的变动、以及负载电流、放电电流流过电阻而引起的电力损失。
本发明的直流脉冲电源装置具备：直流电源部；以及脉冲部，其通过与直流电源部连接的升压斩波电路产生脉冲输出。脉冲部的升压斩波电路具备直流电抗器和开关元件的串联电路，直流电抗器连接于箝位电压部。箝位电压部的输出端连接于直流电抗器与开关元件的连接点。由此，对开关元件的一端施加箝位电压。
在升压斩波电路的开关元件从接通切换为断开时，通过在开关元件处于接通状态时蓄积于直流电抗器的蓄积能量而产生作为过剩电压的浪涌电压。在开关元件的断开期间，箝位电压部将开关元件的元件间电压箝位于预定电压。通过将箝位的预定电压设为开关元件的容许电压内，抑制浪涌电压引起的元件破坏。
箝位电压部不受负载电流的变动的影响，因此输出电压不会产生与负载电流变动相伴的变动。另外，箝位电压部不会发生因负载电流、放电电流流过缓冲电路的电阻所造成的电力损失。
(箝位电压部)
箝位电压部的一个结构例由再生部构成。再生部连接在升压斩波电路的直流电抗器的两端之间，将在直流电抗器的电抗器电压内的超过设定电压的电压量再生到直流电源部。再生部将超过设定电压的电压量再生到直流电源部，因此该设定电压成为箝位电压部的箝位电压，在开关元件断开的状态下，将与箝位电压部的输出端连接的直流电抗器的端部以及开关元件的一端的电压箝位于箝位电压。
再生部的一个结构例具备：电容器，其与脉冲部的电抗器电压并联连接；逆变器电路，其对电容器的电容器电压进行直流交流变换；变压器，其对逆变器电路的交流电压进行变压；以及整流器，其对变压器的交流电压进行整流。再生部将设定电压作为电容器的两端电压，将超过两端电压的电压量再生至直流电源部。箝位电压可以根据变压器的变压比而改变。
在将再生部的一端与脉冲部的低电压侧输入端连接的电路结构中，将以低电压侧的电压为基准的直流电抗器的电抗器电压作为再生输入电压。
(直流电抗器)
直流电抗器可以通过带抽头的单匝变压器的形态构成，或以无抽头单匝变压器或多匝变压器构成磁耦合的2个直流电抗器。
在具备将直流电抗器磁耦合的第二直流电抗器的结构中，直流电抗器的一端与直流电源部的输出端连接，第二直流电抗器的一端与脉冲部的输出端连接，将直流电抗器与第二直流电抗器的连接点与升压斩波电路的开关元件的源极侧连接。在直流电抗器与第二直流电抗器的连接点连接箝位电压部的输出端。
在开关元件断开的状态下，箝位电压部将连接箝位电压部的输出端的直流电抗器的端部与第二直流电抗器的连接点、以及开关元件的一端的电压箝位于箝位电压。
直流电抗器可以设为将直流电抗器设置在脉冲部的低电压侧的第一方式和设置在脉冲部的高电压侧的第二方式。第一方式以及第二方式均将直流电抗器的高电压侧连接于箝位电压部(再生部)的高电压侧，将直流电抗器的低电压侧连接于箝位电压部(再生部)的低电压侧。直流电抗器的电抗器电压作为以直流电源部的低电压侧的电压为基准的再生输入电压被输入到再生部。
发明效果
如以上说明的那样，根据本发明，通过在升压斩波电路的断开期间对开关元件的两端电压进行箝位，能够防止开关元件的损伤，并且抑制伴随负载电流变动的输出电压的变动、以及负载电流、放电电流流过电阻而引起的电力损失。
附图说明
图1是用于说明本发明的直流脉冲电源装置的概略结构的图。
图2是用于说明本发明的直流脉冲电源装置的概略结构的图。
图3是用于说明本发明的直流脉冲电源装置的第一结构例的图。
图4是用于说明本发明的直流脉冲电源装置的第一结构例的电压状态的图。
图5是用于说明本发明的直流脉冲电源装置的输出电压Vo的图。
图6是用于说明本发明的直流脉冲电源装置的再生部的结构例的图。
图7是用于说明本发明的直流脉冲电源装置的第二结构例的图。
图8是用于说明本发明的直流脉冲电源装置的第三结构例的图。
图9是用于说明本发明的直流脉冲电源装置的第四结构例的图。
图10是用于说明本发明的直流脉冲电源装置的第五结构例的图。
图11是用于说明现有的直流脉冲电源装置、升压斩波电路的结构例的图。
具体实施方式
本发明的直流脉冲电源装置通过在升压斩波电路的断开期间对开关元件的两端电压进行箝位，从而防止开关元件的损伤，并且抑制伴随负载电流变动的输出电压的变动、以及负载电流、放电电流流过电阻而引起的电力损失。
以下，对本发明的直流脉冲电源装置的2个方式进行说明。第一方式是将升压斩波电路的直流电抗器作为1个直流电抗器的方式，能够通过无抽头单匝变压器构成。第二方式是设为磁耦合的2个直流电抗器的方式，能够通过基于带抽头的单匝变压器的结构、或者通过磁耦合的2个直流电抗器或多匝变压器构成。
图1中的(a)～(e)是用于说明本发明的直流脉冲电源装置所具备的脉冲部和箝位电压部的概略结构以及电压的图，使用图1中的(a)、(b)对第一方式进行说明，使用图1中的(c)～(e)对第二方式进行说明。另外，图1中的(a)～(e)表示将直流电抗器设置在脉冲部的低电压侧的结构。
直流脉冲电源装置具备：直流电源部10；脉冲部20，其通过与直流电源部10连接的升压斩波电路产生脉冲输出；以及箝位电压部30。另外，在图1中示出了将直流电源部侧的端子用A、B表示，将低电压侧作为端子A，将高电压侧作为端子B的例子。
(脉冲部)
脉冲部20具备由直流电抗器21和开关元件22的串联连接构成的升压斩波电路，直流电抗器21串联连接在直流电源部10与负载之间，开关元件22与负载并联连接。在图1中，用脉冲部20的输出端连接的电容器表示负载。
在脉冲部20中，在升压斩波电路的接通动作时，蓄积能量被蓄积于直流电抗器21，在断开动作时，通过该蓄积能量在直流电抗器21中产生电抗器电压。电抗器电压通过反复进行升压斩波电路的接通动作和断开动作而升压。
图1中的(a)、(b)表示在无抽头单匝变压器的负载侧的端部连接开关元件22的源极S侧的结构，图1中的(c)～(e)表示在带抽头的单匝变压器的抽头连接开关元件22的源极S侧的结构。
(箝位电压部)
箝位电压部30是将开关元件22的元件间电压箝位于预定电压的电路部，能够由再生部构成。再生部输入直流电抗器21的电抗器电压VDCL，将超过设定电压即再生输入电压Vin的过剩电压量(VDCL-Vin)再生到直流电源部。
再生部在电抗器电压VDCL不超过设定电压的情况下不进行再生，在超过设定电压的情况下将超过了设定电压的电压量再生至直流电源部。由此，升压斩波电路的升压被箝位于设定电压，抑制了过剩电压的产生。
设定电压由再生部的再生输入电压Vin决定，在直流电抗器21的电抗器电压VDCL不超过再生部的再生输入电压Vin的情况下，不进行再生部的再生，在超过了再生部的再生输入电压Vin的情况下，通过再生部向直流电源部侧再生超过的电压量(VDCL-Vin)。作为规定再生动作的设定电压的再生部的再生输入电压Vin能够基于直流电源部的直流电压VAB以及再生部来设定。
再生部的一个结构例具备：电容器，其与脉冲部20的电抗器电压并联连接；逆变器电路，其对电容器两端的电容器电压进行直流交流变换；变压器，其对逆变器电路的交流电压进行变压；以及整流器，其对变压器的交流电压进行整流，整流器的输出端与直流电源部连接。
变压器的变压比决定电容器的两端电压与直流电源部的电压的电压比。再生部的电容器电压由直流电源部的电压和变压器的变压比来决定，因此再生部将该电容器电压作为再生输入电压Vin的设定电压，进行再生动作的开始以及停止的动作。设定电压依赖于直流电源部的电压以及变压器的变压比，因此能够通过改变变压器的变压比来变更设定电压。通过变更设定电压，能够变更升压斩波电路中的箝位电压，并且变更再生动作的动作电压。
在升压斩波电路中，直流电抗器21连接在直流电源部与升压斩波电路的开关元件22的源极S侧之间。升压斩波电路的开关元件22的源极S侧与直流电抗器21的负载侧的端部、或者直流电抗器21的抽头连接。
(箝位电压部(再生部)与直流电抗器的连接方式)
箝位电压部30与脉冲部20的直流电抗器的连接能够设为多个方式。第一方式是作为直流电抗器具备无抽头单匝变压器，将箝位电压部30的输出端与直流电抗器21的负载侧连接，将另一端与直流电源部侧连接的方式(图1中的(a)所示的结构例)。
第二方式是作为直流电抗器具备带抽头的单匝变压器，将箝位电压部30的输出端与第一直流电抗器21a和第二直流电抗器21b的连接点s连接，将另一端与直流电源部侧的端子A连接的方式(图1中的(c)所示的结构例)。
(第一方式)
在第一方式中，如图1中的(a)所示，将升压斩波电路的开关元件22的源极S侧与直流电抗器21的负载侧的端部连接，并且将箝位电压部30的输出端与该连接点s连接。直流电抗器21和开关元件22的源极S侧的s被箝位电压部30的箝位电压VC箝位，连接点s的电压Vs成为在直流电源部的直流电压VAB上叠加了箝位电压VC的(VAB+VC)。
图1中的(b)示出了第一方式的结构的电压状态，并且示出了连接点s的电压Vs和输出电压Vo。此外，在第一方式的结构中，连接点s的电压Vs和输出电压Vo为相同电压。即使在由于蓄积于直流电抗器21的能量的释放而电压上升的情况下，连接点s的电压也被箝位电压部30的箝位电压VC箝位。由此，电压Vs和输出电压Vo的电压被保持为(VAB+VC)，抑制了过剩的电压上升。与此相对，在将电阻R并联连接于图11中的(b)所示的电感的结构中，如图1中的(b)的点划线的电压变化所示，在开关元件断开时急剧增加而产生浪涌电压。电阻R通过设为低电阻能够抑制浪涌电压，但由于被施加与电抗器电压VDCL同样的电压，因此损耗变大。
在第一方式中，在由再生部构成箝位电压部30的情况下，向再生部输入直流电抗器21的全电抗器电压，基于与再生部的设定电压的比较来进行再生动作。再生目的地例如能够设为直流电源部。
(第二方式)
在第二方式中，如图1中的(c)所示，直流电抗器21由磁耦合的第一直流电抗器21a和第二直流电抗器21b的串联电路构成，将升压斩波电路的开关元件22的源极S侧连接于第一直流电抗器21a与第二直流电抗器21b的抽头，并且将该抽头作为连接点s连接于箝位电压部30的输出端。因此，在连接点s上连接有直流电抗器21的抽头、以及箝位电压源的输出端以及升压斩波电路的开关元件22的源极S侧。
直流电抗器21的抽头与开关元件22的源极S侧的连接点s被箝位电压部30的箝位电压VC箝位，连接点s的电压Vs成为在直流电源部直流电压VAB上叠加了箝位电压VC的(VAB+VC)。
图1中的(d)、(e)示出第二方式的结构的电压状态，图1中的(d)示出连接点s的电压Vs，图1中的(e)示出输出电压Vo。即使在由于蓄积于直流电抗器21的能量的释放而电压上升的情况下，连接点s的电压也被箝位电压部30的箝位电压VC箝位。由此，电压Vs被保持为(VAB+VC)，输出电压Vo的电压被保持为(VAB+VC+VDCL2)，抑制了过剩的电压上升。与此相对，在将电阻R并联连接于图11中的(b)所示的电感的结构中，如图1中的(d)、(e)的点划线的电压变化所示，在开关元件断开时急剧增加而产生浪涌电压。电阻R通过设为低电阻能够抑制浪涌电压，但由于被施加与电抗器电压VDCL同样的电压，因此损耗变大。
在第二方式中，在由再生部构成箝位电压部30的情况下，向再生部输入直流电抗器21的第一直流电抗器21a的两端电压作为电抗器电压，基于与再生部的设定电压的比较来进行再生动作。再生目标例如能够设为直流电源部。
在第二方式中，为了抑制对开关元件的浪涌电压，优选将箝位电压部30连接于直流电抗器21与开关元件22的连接点即中点的结构。
在将箝位电压部30的输出端连接于直流电抗器21与开关元件22的连接点的结构中，在直流电抗器21由第一直流电抗器21a和第二直流电抗器21b构成的情况下，将箝位电压部30的输出端连接于第一直流电抗器21a与第二直流电抗器21b的连接点。
在磁耦合的第一直流电抗器21a和第二直流电抗器21b中，理想情况下的耦合系数为1，但实际的耦合系数小于1。这是由于漏磁通的影响而导致的，该漏磁通成为与第一直流电抗器21a及第二直流电抗器21b串联连接的漏电感21c。在该结构中，通过连接箝位电压部30来抑制由漏电感21c引起的浪涌电压的产生。
使用图2，说明箝位电压部30的输出端与直流电抗器21的连接位置与浪涌电压的关系。
图2中的(a)～(c)表示将箝位电压部30的输出端的一方与直流电源部侧连接，将另一方与第二直流电抗器21b的负载侧连接的情况。
在该结构例中，开关元件22的源极端S处的电压Vs不被箝位电压部30的箝位电压VC箝位。在第一直流电抗器21a中产生的电压成为VDCL1。另外，由漏电感21c产生的浪涌电压成为VL。即，在电压Vs中产生VDCL1+VL的电压。如图2中的(b)所示，电压Vs成为Vs＝VAB+VDCL1+VL，包含浪涌电压VL，因此电压Vs受到浪涌电压的影响。
另外，输出电压Vo为Vo＝VAB+VDCL1+VDCL2+VL。输出电压Vo中包含的电压量(VDCL1+VDCL2+VL)是将由第一直流电抗器21a的电感引起的电压量(VDCL1)和由第二直流电抗器21b的电感引起的电压量(VDCL2)和由漏电感21c的漏电感引起的浪涌电压量(VL)相加而得到的，因此输出电压Vo受到浪涌电压的影响。
为了根据上述的说明抑制浪涌电压VL的产生，在第一直流电抗器21a与第二直流电抗器21b的连接点连接箝位电压部30的输出端。
使用图3～图10对本发明的直流脉冲电源装置的第一结构例～第五结构例进行说明。在第一结构例～第五结构例的各结构例中，示出了由再生部30A构成箝位电压部30的例子。
第一结构例是对升压斩波电路的直流电抗器的两端的电抗器电压进行再生的结构，第二～第五结构例是对升压斩波电路的磁耦合的两个直流电抗器中的一方的直流电抗器的电抗器电压进行再生的结构，第二、第五结构例是将磁耦合的两个直流电抗器作为带抽头的单匝变压器的结构，第三、第四结构例是将磁耦合的两个直流电抗器作为多匝变压器的结构。
另外，关于再生的电抗器电压，第一～第五结构例以直流电源部的低电压侧的电压为基准电压。
[直流脉冲电源装置的第一结构例]
使用图3及图4、图5对本发明的直流脉冲电源装置的第一结构例和电压状态进行说明。
本发明的直流脉冲电源装置具备：直流电源部(DC部)10；脉冲部20A，其将由与直流电源部10连接的升压斩波电路产生的脉冲输出向负载4供给；以及再生部30A，其将由脉冲部20A产生的过剩的电压上升量再生到直流电源部10侧，作为将开关元件22的源极端及直流脉冲电源装置的输出端的上限电压箝位于箝位电压的箝位电压部，经由输出线缆3向负载4供给脉冲输出。控制电路部40控制直流电源部10、脉冲部20A以及再生部30A。在图3中，作为负载4示出了等离子体产生装置的例子，但负载4不限于等离子体产生装置，也可以应用于脉冲激光激励、放电加工机等。
(直流电源部)
直流电源部(DC部)10具备：整流器11，其将交流电源2的交流电压整流为直流电压；缓冲电路12，其吸收并抑制在整流时产生的过渡性地产生的尖峰状的高电压；单相逆变器电路13，其将直流电压变换为交流电压；单相变压器14，其将单相逆变器电路13的交流电压变换为预定的电压值；整流器15，其将由单相变压器14进行了电压变换的交流电压整流为直流电压；以及电容器16(CF)，其将两端电压作为直流电源部的直流电压。电容器16的一端接地，另一端形成负电压的低电压。另外，在图3所示的结构中，作为负载4而示出等离子体产生装置的电容负载的例子。在此，由于将等离子体产生装置的一端接地而供给负电压，因此直流电源部10表示产生负电压的脉冲输出的结构。
单相逆变器电路13根据来自控制电路部40的控制信号进行开关动作，将直流电压转换为预定频率的交流电压。构成直流电源部10的整流器11、15、缓冲电路12、单相逆变器电路13、单相变压器14的各电路要素能够设为通常已知的任意的电路结构。
(脉冲部)
脉冲部20A通过升压斩波电路从直流电压生成脉冲波形。升压斩波电路具备串联连接在直流电源部侧与负载侧之间的直流电抗器21A、与负载侧并联连接的开关元件(Q1)22、以及驱动开关元件22的接通/断开动作的驱动电路23。脉冲部20A的直流电源部侧具备接地的端子B和作为低电压侧的负电压的端子A。图示的开关元件22表示FET的例子，将源极S侧与低电压侧连接，将漏极D侧与接地电压侧连接，向栅极G侧输入来自驱动电路23的驱动信号。
控制电路部40为了使升压斩波电路进行动作，与目标的脉冲输出对应地生成确定开关元件22的接通期间和断开期间的时间宽度或占空比的信号，并且基于直流电源部10的输出端的电压和电流生成控制信号。
驱动电路23基于控制电路部40的控制信号向开关元件22的栅极G输出驱动信号，进行开关元件22的接通/断开动作。
开关元件22的源极S侧与直流电抗器21A的负载侧连接，开关元件22的漏极D侧接地。在开关元件22为接通状态时，直流电抗器21A的负载侧接地，电流从端子B经由处于接通状态的开关元件22以及直流电抗器21A流向端子A。此时，在直流电抗器21A中蓄积电磁能量。接着，当开关元件22从接通状态切换为断开状态时，通过在直流电抗器21A中蓄积的蓄积能量在直流电抗器21A中产生电抗器电压VDCL。升压斩波电路通过反复进行开关元件22的接通动作和断开动作，根据接通/断开时间的占空比使输出电压Vo上升。
(箝位电压部：再生部)
再生部30A将升压斩波电路的直流电抗器的电抗器电压中的超过设定电压的电压量再生到直流电源部。再生部30A具备：二极管31、电容器32(C1)、逆变器电路33、变压器34、整流器35。在电抗器电压超过设定电压时，再生部30A将超过设定电压的电压量再生到直流电源部，由此作为将电抗器电压箝位到电容器32(C1)的电容器电压VC1的箝位电压部发挥作用。此时，箝位电压部的箝位电压由电容器电压VC1确定。再生部30A(箝位电压部30)将开关元件22的源极端和直流脉冲电源装置的输出端的上限电压箝位于电容器电压VC1，抑制对开关元件22的漏极源极电压VDS施加过剩电压，抑制伴随负载电流变动的输出电压变动。
电容器32(C1)的一端与直流电抗器21A的负载侧端部连接，另一端经由二极管31与直流电抗器21A的直流电源部侧的端部连接，被施加在第一直流电抗器21a中产生的电抗器电压。电容器32(C1)的电容器电压VC1基于直流电源部的直流电压VAB而被确定，在变压器34的变压比为(n2：n1)的情况下，成为VC1＝(n2/n1)×VAB的设定电压。二极管31将从脉冲部20A朝向再生部30A的电容器32(C1)的方向作为正方向而连接，在直流电抗器21A的电抗器电压VDCL超过了电容器32(C1)的电容器电压VC1的情况下，关于电抗器电压VDCL超过了电容器32(C1)的电容器电压VC1的电压量，利用再生部30A进行再生。因此，再生部30A将电容器32(C1)的电容器电压VC1作为阈值进行再生动作。另外，电容器电压VC1是与图1的再生输入电压Vin对应的电压。
作为确定电容器电压VC1的方法，除了变更变压器34的变压比以外，还有控制逆变器电路33的输出的方式。例如，有PWM控制、相位偏移控制等，但只要是控制逆变器电路的输出的方式，则不限于此。
另外，在图3所示的电路结构中，再生部30A是一端与脉冲部20A的低电压侧输入端连接的结构，以低电压侧的电压(负电压)为基准，将直流电抗器21a的电抗器电压VDCL作为再生输入电压Vin进行再生。
逆变器电路33在电容器32侧的直流电压与变压器34侧的交流电压之间进行直流交流变换，基于直流电源部的直流电压VAB将电容器32(C1)的电容器电压VC1保持为恒定电压，并且在电抗器电压VDCL超过了电容器32(C1)的电容器电压VC1的情况下，将该超过的电压量变换为交流而向直流电源部侧再生。电容器电压VC1被保持为恒定电压，因此，直流电抗器21A的电抗器电压VDCL被箝位于电容器电压VC1。逆变器电路33例如能够由开关元件的电桥电路构成。开关元件的开闭动作由来自控制电路部40的控制信号α控制。
变压器34基于变压比对直流电源部10的直流电压VAB与电容器32(C1)的电容器电压VC1的电压比率进行调制。在变压器34的变压比为(n2：n1)的情况下，直流电压VAB与电容器电压VC1之间的电压关系由VC1＝(n2/n1)×VAB表示。
整流器35将变压器34侧的交流电压整流为直流电源部10侧的直流电压。整流器35的直流侧端子与直流电源部10的端子A、B连接，仅在电容器电压VC1超过基于直流电压VAB的电压的情况下，向直流电源部10再生电力。
另外，再生部30A的结构只要是具备将直流电抗器21A的两端电压箝位在预定电压的功能、以及将超过预定电压的电力向直流电源部侧再生的功能的结构，则不限于上述的结构。
(直流脉冲电源装置的电压状态)
使用图4及图5对直流脉冲电源装置的电压状态进行说明。在图4中，图4中的(a)表示开关元件22(Q1)的接通状态(on)和断开状态(off)，图4中的(b)表示直流电抗器21A的电抗器电压VDCL，图4中的(c)表示开关元件22的漏极源极电压VDS，图4中的(d)表示输出电压Vo。
以下，图中的S1～S14表示各阶段的接通状态及断开状态。S1、S3、···S13的标注奇数编号的状态表示开关元件22接通状态(on)，S2、S4、···S14的标注偶数编号的状态表示开关元件22断开的状态(off)。
(i)接通状态(S1、S3、···、S13)：
开关元件22处于接通状态(图4中的(a))，直流电抗器21A的负侧的端子接地，因此开关元件22的漏极源极电压VDS的电压为0(图4中的(c))，直流电抗器21A的电抗器电压VDCL成为直流电源部的直流电压VAB(图4中的(b))。输出电压Vo为0V(图4中的(d))。
(ii)断开状态(S2、S4、···、S14)：
关于断开状态，对电抗器电压VDCL达到作为再生动作的阈值的电容器电压VC1之前的状态(S2、S4、S6)和达到电容器电压VC1后的状态(S8、S10、S12、S14)进行说明。
(ii-1)S2、S4、S6的状态：
开关元件22处于断开状态(图4中的(a))，在直流电抗器21A中产生由蓄积的蓄积能量的释放引起的电抗器电压VDCL。电抗器电压VDCL的电压值在从接通状态切换为断开状态时上升。在该电压上升中，电抗器电压VDCL未达到再生部的电容器电压VC1，因此不进行再生。另外，在图4中表示负侧的电压值增加的状态(图4中的(b))。
开关元件22的漏极源极电压VDS的电压成为与电抗器电压VDCL对应的电压而逐渐增加，但未达到再生部的电容器电压VC1。另外，在图4中表示负侧的电压值增加的状态(图4中的(c))。向输出电压Vo输出对直流电源部的直流电压VAB加上电抗器电压VDCL而得到的电压量(图4中的(d))。
(ii-2)S8、S10、S12、S14的状态：
与S2、S4、S6的状态同样地，开关元件22处于断开状态(图4中的(a))，在直流电抗器21A中产生由蓄积的蓄积能量的释放引起的电抗器电压VDCL。在S8、S10、S12、S14的状态下，电抗器电压VDCL的电压值达到电容器电压VC1，因此电抗器电压VDCL的电压值被箝位于电容器电压VC1，抑制了其以上的电压上升。在图4中的(b)中，以实线表示的电抗器电压VDCL表示被箝位于电容器电压VC1的状态，虚线所示的电抗器电压VDCL表示未被箝位于电容器电压VC1的情况作为比较例。
开关元件22的漏极源极电压VDS的电压成为与电抗器电压VDCL对应的电压，保持于再生部的电容器电压VC1的电压。在图4中的(c)中，以实线表示的漏极源极电压VDS表示被箝位于电容器电压VC1的状态，虚线所示的漏极源极电压VDS表示未被箝位于电容器电压VC1的情况作为比较例。另外，在图4中表示负侧的电压值增加的状态(图4中的(c))。
向输出电压Vo输出对直流电源部的直流电压VAB加上电抗器电压VDCL而得到的电压量。由于电抗器电压VDCL被箝位，因此输出电压Vo被保持为恒定电压(图4中的(d))。
图5中的(a)表示在第一结构例中再生状态下的输出电压Vo。直流脉冲电源装置将升压斩波电路的切换周期作为脉冲周期T，对输出电压Vo的脉冲输出进行输出。脉冲输出在脉冲周期T内具有开关元件成为接通状态的接通期间Ton、和开关元件成为断开状态的断开期间Toff。接通期间Ton的输出电压Vo是与漏极源极电压VDS对应的电压值。
另一方面，断开期间Toff的输出电压Vo成为在直流电源部的直流电压VAB上叠加有电抗器电压VDCL的(VAB+VDCL)，但由于电抗器电压VDCL被箝位于电容器电压VC1因此而成为(VAB+VC1)。由于直流电压VAB以及电容器电压VC1为恒定电压，因此脉冲输出的输出电压Vo保持为恒定电压。图5的(a)中的虚线部分表示从电抗器电压VDCL减去箝位后的电容器电压VC1而得到的抑制电压量(VDCL-VC1)。与此相对，在图11中的(b)所示的电感上并联连接电阻R的结构中，如图5中的(a)的点划线的电压变化所示，在开关元件断开时急剧增加而产生浪涌电压。
(再生部的结构例)
使用图6对本发明的直流脉冲电源装置的再生部所具备的逆变器电路的电路结构例进行说明。
再生部30A包含将对电容器32(C1)的电容器电压VC1的直流电压进行直流交流变换而得到的交流电压向变压器34输出的逆变器电路33。逆变器电路33具备：电桥电路33a，其由开关元件QR1～QR4构成；以及驱动电路33b，其根据控制信号α而生成对开关元件QR1～QR4进行驱动的驱动信号。另外，在此，作为电桥电路33a而示出全桥电路的例子，但也可以使用半桥电路、多相逆变器电路。
[直流脉冲电源装置的第二结构]
本发明的直流脉冲电源装置的第二结构与第一结构相同，具备直流电源部(DC部)10、将由与直流电源部10连接的升压斩波电路产生的脉冲输出向负载4供给的脉冲部20B、将脉冲部20B的过剩的电压上升量向直流电源部10侧再生的再生部30A、控制直流电源部10、脉冲部20b及再生部30A的控制电路部40，经由输出线缆3向负载4供给脉冲输出。
使用图7对本发明的直流脉冲电源装置的第二结构例进行说明。第二结构例在脉冲部20的升压斩波电路的结构中与第一结构例不同，其他结构与第一结构例相同。以下，对与第一结构例不同的结构进行说明，省略其他共同的结构的说明。
第一结构例的升压斩波电路所具备的直流电抗器21A由单一的线圈构成。与此相对，代替第一结构例的升压斩波电路的单一线圈，第二结构例的直流电抗器21B由带抽头的单匝变压器构成。基于带抽头的单匝变压器的直流电抗器21B能够将磁耦合的第一直流电抗器21a和第二直流电抗器21b串联连接而构成，将第一直流电抗器21a与第二直流电抗器21b的连接点作为抽头点。第一直流电抗器21a的一端与直流电源部的低电压侧的端子A连接，第二直流电抗器21b的一端与负载侧连接，第一直流电抗器21a与第二直流电抗器21b的连接点的抽头点被连接于开关元件22的源极S端。
在开关元件22为接通状态时，直流电抗器21B的连接点的抽头点接地，电流从端子B经由处于接通状态的开关元件22以及直流电抗器21B的第一直流电抗器21a流向端子A。此时，在第一直流电抗器21a中蓄积电磁能量。
接着，当开关元件22从接通状态切换为断开状态时，通过在直流电抗器21B的第一直流电抗器21a中蓄积的蓄积能量而流动的电抗器电流iL，在第一直流电抗器21a中产生电抗器电压VDCL1，在第二直流电抗器21b中产生电抗器电压VDCL2。升压斩波电路通过反复进行开关元件22的接通动作和断开动作，与第一结构例同样地使输出电压Vo上升。
第一直流电抗器21a的电抗器电压VDCL1与第二直流电抗器21b的电抗器电压VDCL2的电压比成为对应于第一直流电抗器21a与第二直流电抗器21b的电感比的比率的值。在将直流电抗器21B的第一直流电抗器21a与第二直流电抗器21b的带抽头的单匝线圈的匝数比设为n1p：n2p的情况下，第一直流电抗器21a的电抗器电压VDCL1与第二直流电抗器21b的电抗器电压VDCL2的电压比(VDCL1/VDCL2)成为匝数比(n1p/n2p)。
第二结构例的再生部30A应用直流电抗器21B的第一直流电抗器21a的电抗器电压VDCL1而代替第一结构例的直流电抗器21A的电抗器电压VDCL，由此同样地进行动作。在电抗器电压超过设定电压时，再生部30A将超过设定电压的电压量再生到直流电源部，由此作为将电抗器电压箝位于电容器32(C1)的电容器电压VC1的箝位电压部发挥作用。此时，箝位电压部的箝位电压由电容器电压VC1确定。再生部30A(箝位电压部30)将开关元件22的源极端和直流脉冲电源装置的输出端的上限电压箝位于电容器电压VC1，抑制对开关元件22的漏极源极电压VDS施加过剩电压，抑制伴随负载电流变动的输出电压变动。
在再生部30A中，电容器32(C1)的一端连接于直流电抗器21B的第一直流电抗器21a与第二直流电抗器21b的连接点，另一端经由二极管31与第一直流电抗器21a的直流电源部侧的端部连接，被施加在第一直流电抗器21a中产生的电抗器电压VDCL1。电容器32(C1)的电压电容器VC1基于直流电源部的直流电压VAB及变压器34的变压比而确定，在变压器34的变压比为(n2：n1)的情况下，成为VC1＝(n2/n1)×VAB的设定电压。二极管31将从脉冲部20B朝向再生部30A的电容器32(C1)的方向作为正向进行连接，在第一直流电抗器21a的电抗器电压VDCL1超过了电容器32(C1)的电容器电压VC1的情况下，对电抗器电压VDCL1超过了电容器32(C1)的电容器电压VC1的电压量进行再生部30A的再生。因此，再生部30A与第一结构例同样地以电容器32(C1)的电容器电压VC1为阈值进行再生动作。
在输出电压Vo中，输出了在直流电源部的直流电压VAB上叠加有第一直流电抗器B的电抗器电压VDCL1和第二直流电抗器21b的电抗器电压VDCL2的电压(Vo＝VAB+VDCL1+VDCL2)。第一直流电抗器21a的电抗器电压VDCL1被箝位于电容器电压VC1，因此输出电压Vo成为Vo＝VAB+VC1+VDCL2。
图5中的(b)表示在第二结构例中再生状态下的输出电压Vo。直流脉冲电源装置将升压斩波电路的切换周期作为脉冲周期T，对输出电压Vo的脉冲输出进行输出。脉冲输出在脉冲周期T内具有开关元件成为接通状态的接通期间Ton、和开关元件成为断开状态的断开期间Toff。接通期间Ton的输出电压Vo是与电抗器电压VDCL2对应的电压值。
另一方面，断开期间Toff的输出电压Vo成为第一直流电抗器21a的电抗器电压VDCL1和第二直流电抗器21b的电抗器电压VDCL2叠加于直流电源部的直流电压VAB的(VAB+VDCL1+VDCL2)，但电抗器电压VDCL1被箝位于电容器电压VC1，因此输出电压Vo成为(VAB+VC1+VDCL2)。由于直流电压VAB以及电容器电压VC1为恒定电压，因此脉冲输出的输出电压Vo被保持为大致恒定电压。
图5中的(b)中的虚线部分表示抑制电压部分。通过基于再生的电容器电压VC1的箝位，对开关元件的源极端施加的电压从VDCL1成为VC1，由此(VDCL1-VC1)的电压被抑制。另外，通过抑制电抗器电压VDCL1，第二直流电抗器21b产生的电抗器电压VDCL2也同样地根据匝数比被抑制为(VDCL1-VC1)×(n2p/n1p)。因此，输出电压的箝位量为(VDCL1-VC1)×(1+n2p/n1p)。与此相对，在图11中的(b)所示的电感上并联连接电阻R的结构中，如图5中的(b)的点划线的电压变化所示，在开关元件断开时急剧增加而产生浪涌电压。
[直流脉冲电源装置的第三结构]
本发明的直流脉冲电源装置的第三结构与第一、第二结构同样地，具备：直流电源部(DC部)10；脉冲部20C，其通过与直流电源部10连接的升压斩波电路产生脉冲输出，并向负载4供给；再生部30A，其将脉冲部20C的过剩的电压上升量再生到直流电源部10侧；以及控制电路部40，其控制直流电源部10、脉冲部20C以及再生部30A，经由输出线缆3向负载4供给脉冲输出。
使用图8对本发明的直流脉冲电源装置的第三结构例进行说明。第三结构例在脉冲部20C的升压斩波电路的结构中与第一、二结构例不同，其他结构与第一、二结构例相同。以下，对与第一、第二结构例不同的结构进行说明，省略其他共同的结构的说明。
第二构成例的升压斩波电路所具备的直流电抗器21B由带抽头的单匝变压器构成。与此相对，第三结构例的直流电抗器21C由多匝变压器构成，来代替第二结构例的升压斩波电路的带抽头的单匝变压器。直流电抗器21C的多匝变压器表示加极性的变压器的例子。
基于多匝变压器的直流电抗器21C是磁耦合的第一直流电抗器21a和第二直流电抗器21b并联连接的结构。第一直流电抗器21a的一端与直流电源部的低电压侧的端子A连接，另一端与开关元件22的源极S端连接。第二直流电抗器21b的一端与开关元件22的源极S端连接，另一端与负载侧连接。
在开关元件22为接通状态时，直流电抗器21C的第一直流电抗器21a的开关元件22侧的端部接地，电流从端子B经由处于接通状态的开关元件22以及第一直流电抗器21a流向端子A。此时，在第一直流电抗器21a中蓄积电磁能量。
接着，当开关元件22从接通状态切换为断开状态时，通过在直流电抗器21C的第一直流电抗器21a中蓄积的蓄积能量而流动的电抗器电流iL，在第一直流电抗器21a中产生电抗器电压VDCL1，在第二直流电抗器21b中通过与第一直流电抗器21a的磁耦合而产生电抗器电压VDCL2。升压斩波电路通过反复进行开关元件22的接通动作和断开动作，与第一、第二结构例同样地使输出电压Vo上升。
第一直流电抗器21a的电抗器电压VDCL1和第二直流电抗器21b的电抗器电压VDCL2的电压比成为与第一直流电抗器21a和第二直流电抗器21b的电感比的比率对应的值。在将直流电抗器21C的第一直流电抗器21a与第二直流电抗器21b的多匝线圈的匝数比设为(n1p：n2p)的情况下，第一直流电抗器21a的电抗器电压VDCL1与第二直流电抗器21b的电抗器电压VDCL2的电压比(VDCL1/VDCL2)成为匝数比(n1p/n2p)。
第三结构例的再生部30A与第二结构例的直流电抗器21B的第一直流电抗器21a的电抗器电压VDCL1同样地进行动作。在电抗器电压超过设定电压时，再生部30A将超过设定电压的电压量再生到直流电源部，由此作为将电抗器电压箝位到电容器32(C1)的电容器电压VC1的箝位电压部发挥作用。此时，箝位电压部的箝位电压由电容器电压VC1确定。再生部30A(箝位电压部30)将开关元件22的源极端和直流脉冲电源装置的输出端的上限电压箝位于电容器电压VC1，抑制对开关元件22的漏极源极电压VDS施加过剩电压，抑制伴随负载电流变动的输出电压变动。
在再生部30A中，电容器32(C1)的一端与直流电抗器21C的第一直流电抗器21a的开关元件侧的端部连接，另一端经由二极管31与第一直流电抗器21a的直流电源部侧的端部连接，被施加在第一直流电抗器21a中产生的电抗器电压VDCL1。电容器32(C1)的电容器电压VC1基于直流电源部的直流电压VAB以及变压器的变压比而被决定，在变压器34的变压比为(n2：n1)的情况下，成为VC1＝(n2/n1)×VAB的设定电压。二极管31将从脉冲部朝向再生部30A的电容器32(C1)的方向作为正向进行连接，在第一直流电抗器21a的电抗器电压VDCL1超过了电容器32(C1)的电容器电压VC1的情况下，对电抗器电压VDCL1超过了电容器32(C1)的电容器电压VC1的电压量进行再生部30A的再生。因此，再生部30A与第一、第二结构例同样地以电容器32(C1)的电容器电压VC1为阈值进行再生动作。
在输出电压Vo中，输出了在直流电源部的直流电压VAB上叠加有第一直流电抗器21a的电抗器电压VDCL1和第二直流电抗器21b的电抗器电压VDCL2的电压(Vo＝VAB+VDCL1+VDCL2)。第一直流电抗器21a的电抗器电压VDCL1被箝位于电容器电压VC1，因此输出电压Vo成为Vo＝VAB+VC1+VDCL2。此外，在第一直流电抗器21a与第二直流电抗器21b的匝数比为(n1p/n2p)时，电抗器电压VDCL1以及VDCL2由(VDCL1/VDCL2＝n1p/n2p)表示。
[直流脉冲电源装置的第四结构]
本发明的直流脉冲电源装置的第四结构与第一、第二、第三结构同样地，具备：直流电源部(DC部)10；脉冲部20D，其通过与直流电源部10连接的升压斩波电路产生脉冲输出，并向负载4供给；再生部30A，其将脉冲部20D的过剩的电压上升量再生到直流电源部10侧；以及控制电路部40，其控制直流电源部10、脉冲部20D以及再生部30A，经由输出线缆3向负载4供给脉冲输出。
使用图9对本发明的直流脉冲电源装置的第四结构例进行说明。第四结构例在构成脉冲部20D的升压斩波电路的直流电抗器的变压器的结构中与第三结构例不同，其他结构与第三结构例相同。
第三结构例的升压斩波电路所具备的直流电抗器21C由加极性的多匝变压器构成。与此相对，第四结构例的直流电抗器21D由减极性的多匝变压器构成而代替第三结构例的升压斩波电路的加极性的多匝变压器。
基于多匝变压器的直流电抗器21D是将磁耦合的第一直流电抗器21a和第二直流电抗器21b并联连接的结构。第一直流电抗器21a的一端与直流电源部的低电压侧的端子A连接，另一端与开关元件22的源极S端连接。第二直流电抗器21b一端与直流电源部的低电压侧的端子A连接，另一端与负载侧连接。
在开关元件22为接通状态时，直流电抗器21D的第一直流电抗器21a的开关元件22侧的端部接地，电流从端子B经由处于接通状态的开关元件22以及第一直流电抗器21a流向端子A。此时，在第一直流电抗器21a中蓄积电磁能量。
接着，当开关元件22从接通状态切换为断开状态时，通过在直流电抗器21D的第一直流电抗器21a中蓄积的蓄积能量而流动的电抗器电流iL，在第一直流电抗器21a中产生电抗器电压VDCL1，在第二直流电抗器21b中通过与第一直流电抗器21a的磁耦合而产生电抗器电压VDCL2。升压斩波电路通过反复进行开关元件22的接通动作和断开动作，与第一、二、三的结构例同样地使输出电压Vo上升。
第一直流电抗器21a的电抗器电压VDCL1和第二直流电抗器21b的电抗器电压VDCL2的电压比成为与第一直流电抗器21a和第二直流电抗器21b的电感比的比率对应的值。在将直流电抗器21D的第一直流电抗器21a与第二直流电抗器21b的多匝线圈的匝数比设为(n1p：n2p)的情况下，第一直流电抗器21a的电抗器电压VDCL1与第二直流电抗器21b的电抗器电压VDCL2的电压比(VDCL1/VDCL2)成为匝数比(n1p/n2p)。
第四结构例的再生部的直流电抗器21D与第三结构例的直流电抗器21C的第一直流电抗器21a的电抗器电压VDCL1同样地进行动作。在电抗器电压超过设定电压时，再生部30A将超过设定电压的电压量再生到直流电源部，由此作为将电抗器电压箝位到电容器32(C1)的电容器电压VC1的箝位电压部发挥作用。此时，箝位电压部的箝位电压由电容器电压VC1确定。再生部30A(箝位电压部30)将开关元件22的源极端和直流脉冲电源装置的输出端的上限电压箝位于电容器电压VC1，抑制对开关元件22的漏极源极电压VDS施加过剩电压，抑制伴随负载电流变动的输出电压变动。
在再生部30A中，电容器32(C1)的一端与直流电抗器21D的第一直流电抗器21a的开关元件侧的端部连接，另一端经由二极管31与第一直流电抗器21a的直流电源部侧的端部连接，被施加在第一直流电抗器21a中产生的电抗器电压VDCL1。电容器32(C1)的电容器电压VC1基于直流电源部的直流电压VAB以及变压器的变压比而决定，在变压器34的变压比为(n2：n1)的情况下，成为VC1＝(n2/n1)×VAB的设定电压。二极管31将从脉冲部朝向再生部30A的电容器32(C1)的方向作为正向进行连接，在第一直流电抗器21a的电抗器电压VDCL1超过了电容器32(C1)的电容器电压VC1的情况下，对电抗器电压VDCL1超过了电容器32(C1)的电容器电压VC1的电压量进行再生部30A的再生。因此，再生部30A与第一、二、三的结构例同样地以电容器32(C1)的电容器电压VC1为阈值进行再生动作。
在输出电压Vo中，输出了在直流电源部的直流电压VAB上叠加有第二直流电抗器21b的电抗器电压VDCL2的电压(Vo＝VAB+VDCL2)。此外，在第一直流电抗器21a与第二直流电抗器21b的匝数比为(n1p/n2p)时，电抗器电压VDCL1以及电抗器电压VDCL2由(VDCL1/VDCL2＝n1p/n2p)表示。因此，在电抗器电压VDCL1被VC1箝位的情况下，输出电压Vo由Vo＝VAB+VC1×(n1p/n2p)表示。
[直流脉冲电源装置的第五结构]
本发明的直流脉冲电源装置的第五结构与第一结构同样地，具备：直流电源部(DC部)10、将由与直流电源部10连接的升压斩波电路产生的脉冲输出向负载4供给的脉冲部20E、将脉冲部20E的过剩的电压上升量向直流电源部10侧再生的再生部30A、以及控制直流电源部10、脉冲部20E以及再生部30A的控制电路部40，经由输出线缆3向负载4供给脉冲输出。
使用图10对本发明的直流脉冲电源装置的第五结构例进行说明。第五结构例在升压斩波电路的直流电抗器的设置方式中与第二结构例不同，其他结构与第二结构例相同。以下，对与第二结构例不同的结构进行说明，省略其他共同的结构的说明。
第五结构例的升压斩波电路所具备的直流电抗器21E与第二结构例的升压斩波电路的直流电抗器21B同样地由带抽头的单匝变压器构成，但在相对于电源线的设置方式中不同。第二结构例的直流电抗器21B与直流电源部的低电压侧的电源线连接，与此相对，第五结构例的直流电抗器21E与直流电源部的高电压侧的电源线连接。
带抽头的单匝变压器的直流电抗器21E将磁耦合的第一直流电抗器21a和第二直流电抗器21b串联连接而构成，将第一直流电抗器21a和第二直流电抗器21b的连接点作为抽头点。第一直流电抗器21a的一端与直流电源部的高电压侧的端子B连接，第二直流电抗器21b的一端与负载侧连接而接地，第一直流电抗器21a与第二直流电抗器21b的连接点的抽头点被连接于开关元件22的漏极D端。
在开关元件22为接通状态时，直流电抗器21E的连接点的抽头点经由第二直流电抗器21b接地，电流从端子B经由第一直流电抗器21a以及处于接通状态的开关元件22流向端子A。此时，在第一直流电抗器21a中蓄积电磁能量。
接着，当开关元件22从接通状态切换为断开状态时，通过在直流电抗器21E的第一直流电抗器21a中蓄积的蓄积能量而流动的电抗器电流iL，在第一直流电抗器21a中产生电抗器电压VDCL1，在第二直流电抗器21b中产生电抗器电压VDCL2。升压斩波电路通过反复进行开关元件22的接通动作和断开动作，与第一结构例同样地使输出电压Vo上升。
第一直流电抗器21a的电抗器电压VDCL1和第二直流电抗器21b的电抗器电压VDCL2的电压比成为与第一直流电抗器21a和第二直流电抗器21b的电感比的比率对应的值。在将直流电抗器21E的第一直流电抗器21a与第二直流电抗器21b的带抽头的单匝线圈的匝数比设为n1p：n2p的情况下，第一直流电抗器21a的电抗器电压VDCL1与第二直流电抗器21b的电抗器电压VDCL2的电压比(VDCL1/VDCL2)成为匝数比(n1p/n2p)。
第五结构例的再生部30A通过应用直流电抗器21E的第一直流电抗器21a的电抗器电压VDCL1而代替第一结构例的直流电抗器21A的电抗器电压VDCL，同样地进行动作。在电抗器电压超过设定电压时，再生部30A将超过设定电压的电压量再生到直流电源部，由此作为将电抗器电压箝位到电容器32(C1)的电容器电压VC1的箝位电压部发挥作用。此时，箝位电压部的箝位电压由电容器电压VC1确定。再生部30A(箝位电压部30)将开关元件22的源极端和直流脉冲电源装置的输出端的上限电压箝位于电容器电压VC1，抑制对开关元件22的漏极源极电压VDS施加过剩电压，抑制伴随负载电流变动的输出电压变动。
在再生部30A中，电容器32(C1)的一端连接于直流电抗器21E的第一直流电抗器21a与第二直流电抗器21b的连接点，另一端经由二极管31与第一直流电抗器21a的直流电源部侧的端部连接，被施加在第一直流电抗器21a中产生的电抗器电压VDCL1。电容器32(C1)的电容器电压VC1基于直流电源部的电压VAB以及变压器的变压比而决定，在变压器34的变压比为(n2：n1)的情况下，成为VC1＝(n2/n1)×VAB的设定电压。二极管31将从脉冲部20E朝向再生部30A的电容器32(C1)的方向作为反向而连接，在第一直流电抗器21a的电抗器电压VDCL1超过了电容器32(C1)的电容器电压VC1的情况下，关于电抗器电压VDCL1超过了电容器32(C1)的电容器电压VC1的电压量，利用再生部30A进行再生。因此，再生部30A与第一结构例同样地以电容器32(C1)的电容器电压VC1为阈值进行再生动作。
在输出电压Vo中，输出在直流电源部的直流电压VAB上叠加有第一直流电抗器21a的电抗器电压VDCL1和第二直流电抗器21b的电抗器电压VDCL2的电压(Vo＝VAB+VDCL1+VDCL2)。第一直流电抗器21a的电抗器电压VDCL1被箝位于电容器电压VC1，因此输出电压Vo成为Vo＝VAB+VC1+VDCL2。
图5中的(b)与第二结构例同样地，表示在第五结构例中再生状态下的输出电压Vo。直流脉冲电源装置将升压斩波电路的切换周期作为脉冲周期T，对输出电压Vo的脉冲输出进行输出。脉冲输出在脉冲周期T内具有开关元件成为接通状态的接通期间Ton、和开关元件成为断开状态的断开期间Toff。接通期间Ton的输出电压Vo是与电抗器电压VDCL2对应的电压值。
另一方面，断开期间Toff的输出电压Vo成为第一直流电抗器21a的电抗器电压VDCL1和第二直流电抗器21b的电抗器电压VDCL2叠加于直流电源部的直流电压VAB的(VAB+VDCL1+VDCL2)，但电抗器电压VDCL1被箝位于电容器电压VC1，因此输出电压Vo成为(VAB+VC1+VDCL2)。由于直流电压VAB以及电容器电压VC1为恒定电压，因此脉冲输出的输出电压Vo被保持为大致恒定电压。
图5中的(b)中的虚线部分表示抑制电压量。通过基于再生的电容器电压VC1的箝位，对开关元件的源极端施加的电压从VDCL1成为VC1，由此(VDCL1-VC1)的电压被抑制。另外，通过抑制电抗器电压VDCL1，第二直流电抗器21b产生的电抗器电压VDCL2也同样地根据匝数比被抑制为(VDCL1-VC1)×(n2p/n1p)。因此，输出电压的箝位量为(VDCL1-VC1)×(1+n2p/n1p)。
此外，上述实施方式以及变形例中的记述是本发明的直流脉冲电源装置的一个例子，本发明并不限定于各实施方式，能够基于本发明的主旨进行各种变形，并不将它们从本发明的范围排除。
产业上的利用可能性
本发明的直流脉冲电源装置除了应用为向等离子体产生装置供给电力的电力源以外，还可以用作向脉冲激光激励、放电加工机等负载供给脉冲输出的电源装置。
附图标记说明
1 直流脉冲电源装置；
2 交流电源；
3 输出线缆；
4 负载；
10 直流电源部；
11 整流器；
12 缓冲电路；
13 单相逆变器电路；
14 单相变压器；
15 整流器；
16 电容器；
20，20A，20B，20C，20D，20E 脉冲部；
21，21A，21B，21C，21D，21E 直流电抗器；
21a 第一直流电抗器；
21b 第二直流电抗器；
21c 漏电感；
22 开关元件；
30 箝位电压部；
30A 再生部；
31 二极管；
32 电容器；
33 逆变器电路；
33a 电桥电路；
33b 驱动电路；
34 变压器；
35 整流器；
100 直流脉冲电源装置；
110 直流电源；
120 升压斩波电路；
121 电感器；
122 开关元件；
123 二极管；
124 电阻；
125 直流电源；
QR1～QR4 开关元件。

Claims (7)

1.一种直流脉冲电源装置，具备直流电源部以及通过与所述直流电源部连接的升压斩波电路产生脉冲输出的脉冲部，其特征在于，
所述升压斩波电路具备直流电抗器和开关元件的串联电路，
所述直流脉冲电源装置具备与所述直流电抗器连接的箝位电压部，
所述箝位电压部的输出端连接于所述直流电抗器与所述开关元件的连接点，
对所述开关元件的断开期间的两端电压进行箝位。
2.根据权利要求1所述的直流脉冲电源装置，其特征在于，
所述箝位电压部由将在所述直流电抗器的电抗器电压内的超过设定电压的电压量再生到所述直流电源部的再生部构成，
再生部连接在所述升压斩波电路的直流电抗器的两端之间，
所述箝位电压部的箝位电压是所述再生部的设定电压。
3.根据权利要求2所述的直流脉冲电源装置，其特征在于，
所述再生部具备：
电容器，其与所述脉冲部的电抗器电压并联连接；
逆变器电路，其对所述电容器的电容器电压进行直流交流转换；
变压器，其对所述逆变器电路的交流电压进行变压；以及
整流器，其对所述变压器的交流电压进行整流，
将所述设定电压作为所述电容器的两端电压，将超过该两端电压的电压量再生到所述直流电源部，
根据所述变压器的变压改变所述箝位电压。
4.根据权利要求1所述的直流脉冲电源装置，其特征在于，
所述直流电抗器具备磁耦合的第二直流电抗器，
所述箝位电压部的输出端连接于所述直流电抗器与所述第二直流电抗器的连接点。
5.根据权利要求4所述的直流脉冲电源装置，其特征在于，
所述直流电抗器的一端与所述直流电源部的输出端连接，
所述第二直流电抗器的一端与所述脉冲部的输出端连接，
直流电抗器与第二直流电抗器的连接点连接于所述升压斩波电路的开关元件的源极侧。
6.根据权利要求2或3所述的直流脉冲电源装置，其特征在于，
所述再生部的一端与所述脉冲部的低电压侧的输入端连接，将以所述低电压侧的电压为基准的直流电抗器的电抗器电压作为再生输入电压。
7.根据权利要求4或5所述的直流脉冲电源装置，其特征在于，
所述直流电抗器和所述第二直流电抗器由单匝变压器或多匝变压器构成。
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