JP2000022249A - パルス電源装置 - Google Patents

パルス電源装置

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JP2000022249A
JP2000022249A JP10181722A JP18172298A JP2000022249A JP 2000022249 A JP2000022249 A JP 2000022249A JP 10181722 A JP10181722 A JP 10181722A JP 18172298 A JP18172298 A JP 18172298A JP 2000022249 A JP2000022249 A JP 2000022249A
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capacitor
pulse
current
power supply
circuit
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JP10181722A
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English (en)
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Takehisa Koganezawa
竹久 小金澤
Yasuo Kataoka
康夫 片岡
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Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 パルス発生回路1からパルス電流を発生し、
昇圧・磁気パルス圧縮回路3でパルス圧縮して負荷装置
4に狭幅のパルス電流を供給するのに、半導体スイッチ
SWのオンタイミングでパルス電流発生の予測タイミン
グを得るのでは、電圧の変化や温度変化で予測タイミン
グが変動する。 【解決手段】 電流検出器11が最終段のコンデンサC
2の充放電電流を検出し、電流検出回路12で放電電流
タイミングを得、スイッチSWのオン後の一定時間を求
める単安定マルチバイブレータ13の出力を条件にアン
ド回路14に予測タイミング信号を得る。タイマ15
は、予測タイミング信号に対して実際に負荷に供給され
る時間だけ遅れたタイミング信号を得る。電流検出器1
1が可飽和リアクトルの飽和動作で誘導される電流又は
電圧を検出すること、及び信号処理回路が電圧指令等で
補正することも含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電力用半導体スイ
ッチを用いたパルス発生回路と磁気圧縮回路を組み合わ
せて狭幅の大電流パルスを高い繰り返しで発生するパル
ス電源装置に係り、特にパルス電流を負荷に供給するタ
イミングの検出方式に関する。
【0002】
【従来の技術】図7にパルス電源装置の構成例を示す。
パルス発生回路1は、電力用の初段コンデンサC0を設
け、このコンデンサC0を充電器2により初期充電して
おき、半導体スイッチSWのオン制御でコンデンサC0
から昇圧・磁気パルス圧縮回路3の入力段パルストラン
スPTにパルス電流を供給する。可飽和リアクトルL1
は、半導体スイッチSWのスイッチング動作に磁気アシ
ストを行う。
【0003】昇圧・磁気パルス圧縮回路3は、磁気パル
ス圧縮回路を複数段構成とし、パルストランスPTで昇
圧したパルス電流I0でコンデンサC1を高圧充電し、こ
のコンデンサC1の充電電圧で可飽和リアクトルL2が磁
気スイッチ動作することによりコンデンサC1からコン
デンサC2への狭幅のパルス電流I1を発生させてコンデ
ンサC2を高圧充電し、さらにコンデンサC2の充電電圧
で可飽和リアクトルL3が磁気スイッチ動作することに
よりコンデンサC2からエキシマレーザなどの負荷装置
4に狭幅・高電圧のパルス電流を供給する。
【0004】このような構成のパルス電源装置におい
て、負荷装置4になる放電負荷は、与えられたパルス電
力を全て消費することなく、一部のエネルギーがパルス
電源装置に戻ってくる。この戻ってくるエネルギーのこ
とをキックバックエネルギーと称しているが、このキッ
クバックエネルギーを初段のコンデンサC0に回生して
おき,次の充電サイクルに充電エネルギーの一部として
利用する回生形が実用化されている。
【0005】なお、昇圧・磁気パルス圧縮回路3は、入
力段パルストランスに代えて可飽和トランスとするな
ど、磁気圧縮のための種々の回路が提案されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従来のパルス電源装置
において、負荷装置4ではそれに供給されるパルス電流
の大きさや幅に高い精度が要求される他に、パルス電流
が供給されるタイミングにも高い精度が要求される。
【0007】パルス励起型レーザの場合、レーザ発光は
離散的に行われることから、発光タイミングを事前に掴
むことがその応用上で重要となる。その理由は、照射光
を被加工物の正確な位置に当てるには、被加工物を搭載
するステージに対して正確な位置制御を行わなければな
らない。そして、照射前に位置決めをするためには、タ
イミング信号を得てから正確に何μs後に光が出ること
を掴んでおかなければならない。
【0008】このタイミング制御は、半導体スイッチS
Wのオン制御タイミングで行われている。すなわち、パ
ルス発生回路1のコンデンサC0が初期充電された後、
半導体スイッチSWに与えるターンオン指令信号に対し
て実際に負荷装置4にパルスが供給されるまでの時間遅
れを考慮してターンオン指令信号を発生するようにして
いる。
【0009】この時間遅れは、可飽和リアクトルL1
2,L3が飽和するまでの時間を決定する電圧時間積や
コンデンサC0の充電電圧等からほぼ予測できる。
【0010】しかしながら、コンデンサC0の充電電圧
の変動が可飽和リアクトルの飽和タイミングを変動さ
せ、パルス供給タイミングにずれを起こす。また、可飽
和リアクトルの温度変化や、コンデンサの温度変化によ
るコンデンサ容量の変化による共振周期の変動でその飽
和タイミングが変動してしまう。
【0011】このうち、コンデンサC0の充電電圧は、
充電器2側では充電電圧精度を高める構成にされる。
【0012】本発明の目的は、負荷装置に供給するパル
ス出力の予測タイミング信号を精度良く求めることがで
きるパルス電源装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題を
解決するため、磁気パルス圧縮回路のコンデンサの充放
電電流など負荷装置に供給するパルス電流にタイミング
的に関連する電流又は電圧を検出し、この検出信号から
予測タイミング信号を得るようにし、さらに予測タイミ
ング信号を出力電圧やコンデンサの充放電時間等に応じ
て補正するようにしたもので、以下の構成を特徴とす
る。
【0014】(第1の発明)初期充電されるコンデンサ
から半導体スイッチのオン制御でパルス電流を発生する
パルス発生回路と、前記パルス電流で充放電されるコン
デンサと可飽和リアクトルの飽和動作で磁気パルス圧縮
して負荷装置に供給する磁気パルス圧縮回路とを備えた
パルス電源装置において、前記コンデンサの充放電電流
又は電圧から充放電タイミングを検出する検出手段と、
前記充放電タイミング信号から前記負荷装置に供給する
パルス電流の予測タイミング信号を得る信号処理回路と
を備えたことを特徴とする。
【0015】(第2の発明)前記検出手段は、前記コン
デンサの電圧を極性を有して検出する電圧検出器とした
ことを特徴とする。
【0016】(第3の発明)前記検出手段は、前記コン
デンサに並列に小容量の分流コンデンサを設け、この分
流コンデンサの電流を検出する電流検出器としたことを
特徴とする。
【0017】(第4の発明)前記検出手段は、前記コン
デンサが複数のコンデンサの並列接続で構成される場合
にその1つのコンデンサの電流を検出する電流検出器と
したことを特徴とする。
【0018】(第5の発明)初期充電されるコンデンサ
から半導体スイッチのオン制御でパルス電流を発生する
パルス発生回路と、前記パルス電流で充放電されるコン
デンサと可飽和リアクトルの飽和動作で磁気パルス圧縮
して負荷装置に供給する磁気パルス圧縮回路とを備えた
パルス電源装置において、前記可飽和リアクトルの巻線
に誘導される電流又は電圧から飽和動作タイミングを検
出する検出手段と、前記飽和動作タイミング信号から前
記負荷装置に供給するパルス電流の予測タイミング信号
を得る信号処理回路とを備えたことを特徴とする。 (第6の発明)前記検出手段は、前記磁気パルス圧縮回
路がコンデンサと可飽和リアクトルの組みを複数段構成
とする場合にはその最終段の前記コンデンサ又は可飽和
リアクトルから充放電タイミング又は飽和動作タイミン
グを検出することを特徴とする。
【0019】(第7の発明)前記信号処理回路は、負荷
装置に供給する出力電圧指令又は装置温度に応じて、も
しくは出力電圧指令及び装置温度に応じて前記予測タイ
ミング信号を遅延補正する遅延手段を備えたことを特徴
とする。
【0020】(第8の発明)前記信号処理回路は、前記
磁気パルス圧縮回路のコンデンサの充放電時間に応じて
前記予測タイミング信号を遅延補正する遅延手段を備え
たことを特徴とする。
【0021】
【発明の実施の形態】(第1の実施形態)図1は、本発
明の実施形態を示す回路図である。同図が図7と異なる
部分は、電流検出器11と、信号処理回路になる電流検
出回路12と単安定マルチバイブレータ(MM)13と
論理ゲート(アンド回路)14とタイマ15を設けた点
にある。
【0022】電流検出器11は、磁気パルス圧縮回路3
の最終段のコンデンサC2のパルス性の充放電電流を検
出するもので、例えば、カレント・トランスフォーマ、
サーチコイル、ホールCT、ロゴスキーコイル、シャン
ト抵抗等で構成される。
【0023】信号処理回路のうち、電流検出回路12
は、電流検出器11が検出した充放電電流のうちの放電
電流を検出し、論理レベルの検出出力を得る。すなわ
ち、コンデンサC2には電流I1による充電電流と、電流
2による放電電流が発生し、このうちの電流I2の極性
判別機能を有して電流を検出する。
【0024】MM13は、パルス発生回路1の半導体ス
イッチSWのオン指令で起動され、一定時間幅のパルス
信号を得る。この時間幅は、スイッチSWがターンオン
された時点から負荷装置4に実際にパルスが供給される
までの遅れ時間、又はそれよりも少し長い時間に設定さ
れる。
【0025】アンド回路14は、電流検出回路12の検
出出力をMM回路13の出力を条件として取り出す。す
なわち、スイッチSWがターンオンされた時点から一定
時間内での電流検出回路12の検出出力を正当な検出出
力として取り出し、キックバックエネルギー等による誤
った電流検出を防止する。アンド回路14の出力は、負
荷装置4に実際にパルス電流が供給される時点から一定
時間前になる予測タイミング信号として取り出される。
【0026】タイマ15は、アンド回路14の出力で起
動され、その時限だけ遅れたパルス供給タイミング信号
を得る。このための時限は、予測タイミング信号に対し
て負荷装置4に実際にパルス電流が供給されるまでの遅
れ時間にされる。
【0027】この遅れ時間の発生について説明する。負
荷装置4がエキシマレーザの場合、レーザヘッドは、図
1に示すように、ピーキングコイルCPと予備電離電極
ACCと主電極MCで構成され、コンデンサC2からの放
電でピーキングコイルCPが充電され、この電圧で予備
電離電極ACCがチャンバ内ガスを電離させ、主電極M
Cに主放電を得る。これら一連の動作に伴う遅れ時間が
上記のタイマ15の時限として設定される。
【0028】したがって、本実施形態によれば、負荷装
置4に供給するパルス電流にタイミング的に関連する信
号として、磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサC
2の充放電電流から予測タイミング信号や主電極MC等
での予測放電タイミング信号を得ることができる。これ
らタイミング信号は、コンデンサC0の初期充電電圧の
変動や可飽和リアクトルL1〜L3の温度変動に影響され
ることが無く、精度良いタイミング信号になる。
【0029】なお、図1の回路要素12〜15とその組
み合わせ回路は、適宜設計変更して同等の作用効果を得
ることができる。
【0030】また、電流検出器11に代えて、図2に示
すような構成とすることもできる。図2の(a)は、コ
ンデンサC2の電圧を極性を有して検出する電圧検出器
16を設けた場合である。この電圧検出器16は、例え
ば、多数の抵抗器を直列接続して一部の抵抗の電圧を検
出する構成にされる。
【0031】図2の(b)は、コンデンサC2に並列に
小容量の分流コンデンサC2’を設け、このコンデンサ
2’の電流を検出する場合である。この場合、電流検
出器11には小電流を検出できるもので済む。さらに、
電流検出器11がもつループインダクタンスがコンデン
サC2に介在することが無くなり、パルス圧縮動作に悪
影響を及ぼすことがなくなる。
【0032】図2の(c)は、コンデンサC2が複数の
コンデンサC21,C22,C23の並列接続で構成される場
合に適用されるもので、その1つのコンデンサC23の電
流を検出する。この場合、検出電流も小さく、しかも分
流コンデンサC2’が不要になる。
【0033】なお、コンデンサの充放電電流検出は、最
終段が最も好ましいが、それよりも前段のコンデンサ、
例えばコンデンサC0の充放電電流から検出することも
できる。
【0034】(第2の実施形態)図3は、本発明の他の
実施形態を示す。同図が図1と異なる部分は、コンデン
サC2の電流検出器11に代えて、可飽和リアクトルL1
〜L3の磁気リセット回路17の電流検出により予測タ
イミング信号を得ることにある。
【0035】可飽和リアクトルL1〜L3は、飽和動作後
にそのリセットを行うことで次回の飽和動作に備える。
このための磁気リセット回路17は、可飽和リアクトル
〜Lのリセット巻線に直流電源からリアクトルL
を通すことで定電流を供給している。
【0036】したがって、可飽和リアクトルL1〜L3
リセット巻線にはそれらの飽和動作により主巻線から誘
導されたパルス性の交流分が発生する。この交流分Δi
は、コンデンサC0の充電電圧によらず、下記のように
可飽和リアクトルL1〜L3のコアの電圧時間積(Vt1
〜Vt3)と、主巻線とリセット巻線の巻数比n1〜n3
で決まる。すなわち、誘導される交流分Δiは、コアの
磁束密度と等価になる。
【0037】
【数1】Δi={(Vt1/n1)+(Vt2/n2)+
(Vt3/n3)}/L そこで、本実施形態では、磁気リセット回路17から各
可飽和リアクトルL1〜L3のリセット巻線に至る通電路
に電流検出器18を設け、この通電路に誘導される交流
分Δiの検出により可飽和リアクトルの飽和動作タイミ
ングを検出し、図1と同様の信号処理回路19から予測
タイミング信号を得る。
【0038】本実施形態においても、コンデンサC0
初期充電電圧の変動や可飽和リアクトルL1〜L3の温度
変動に影響されることが無い。
【0039】なお、可飽和リアクトルのリセット巻線で
の誘導電流を検出するのに代えて、可飽和リアクトルの
コアに誘導巻線を別途に追加し、この誘導巻線からコア
の磁束変化を等価的に検出し、可飽和リアクトルの飽和
動作タイミング、すなわち予測タイミング信号を得るこ
とができる。
【0040】この場合、最終段の可飽和リアクトルL3
に誘導巻線を設けることにより、他の可飽和リアクトル
1,L2等による遅れ時間に影響される事なく予測タイ
ミング信号を得ることができる。
【0041】また、可飽和リアクトルの飽和動作検出
は、最終段が最も好ましいが、それよりも前段の検出と
することもできる。
【0042】(第3の実施形態)図4は、本発明の他の
実施形態を示す信号処理回路である。電流検出回路20
は、回路12と同様に、電流(又は電圧)検出信号から
極性判別機能を有して論理レベルで検出出力を得る。
【0043】遅延回路21は、検出回路20で検出した
信号を遅延させて予測タイミング信号を得るが、この遅
延時間を制御可能とする。遅延時間演算部22は、遅延
回路21の遅延時間を調節するもので、この遅延時間決
定のためのパラメータとして出力電圧指令値と温度検出
値を取り込む。
【0044】出力電圧指令値は、負荷装置4に供給する
パルス電流レベルの指令値になり、充電器2の出力電
圧、すなわちコンデンサC0の初期充電電圧を制御す
る。この電圧の違いは、磁気パルス圧縮回路3及び負荷
装置4の遅れ時間の変化として現れる。
【0045】この遅れ時間のうち、電流検出器11や1
8の検出位置よりも前段の回路での遅れ時間の変化は、
予測タイミングに影響を及ぼさないが、検出位置よりも
後段の回路での遅れ時間の変化が予測タイミングの誤差
となって現れる。
【0046】そこで、遅延時間演算部22は、出力電圧
指令値の変化に応じて検出器の検出位置よりも後段の遅
れ時間変化を求め、この変化分で遅延回路21の遅延時
間を補正する。これにより、出力電圧の変化による遅れ
時間の変化分を補償した予測タイミング信号を得ること
ができる。
【0047】同様に、可飽和リアクトルの温度変化によ
る遅れ時間の変動を補償する場合には、遅延時間演算部
22で温度による変動分を求め、これを出力電圧による
変動分に加えて変動時間を求め、遅延時間を補正する。
【0048】遅延時間演算部22による演算はアナログ
演算方式又はディジタル演算方式で行われ、演算式を使
った演算又は遅れ時間変化の実測による特性から演算す
ることができる。
【0049】本実施形態によれば、図1の信号処理回路
では電圧指令値等の変化にも電流検出位置の後段の遅れ
時間は一定として予測タイミング信号として得るのに対
して、電圧指令値の変化等による電流検出位置の後段の
遅れ時間の変化を補正した予測タイミング信号を得るこ
とができ、予測タイミングの精度を一層高めることがで
きる。
【0050】また、電流検出位置を最終段のコンデンサ
2位置とするに限らず、コンデンサC1を電流検出位置
とするなど、電流検出が比較的簡単な前段の回路位置と
することができる。
【0051】(第4の実施形態)図5は、本発明の他の
実施形態を示す信号処理回路図である。基準信号発生部
23は、電流検出器11や18が検出する電流検出信号
からコンデンサC2の放電タイミングに一致する基準信
号を発生する。この基準信号発生は、例えば、電流検出
信号を波形整形することでなされる。
【0052】充放電時間検出部24は、電流検出信号か
らコンデンサC2の充電から放電までの時間を検出す
る。この検出は、例えば、カウンタと基準クロックを設
け、充電開始時点から放電開始時点まで、カウンタが基
準クロック信号を計数することでなされる。
【0053】遅延時間演算部25は、検出部24が検出
する充放電時間に比例した遅延時間を求める。遅延回路
26は、図4の遅延回路21と同様に、遅延時間演算部
25で求めた遅延時間だけ基準信号を遅らせて予測タイ
ミング信号を発生する。
【0054】本実施形態による各部の波形は、図6に示
すようになる。コンデンサC2の電流検出波形は、その
充電電流期間とその後の放電電流期間が発生する。この
うち、基準信号発生部23で放電電流の立ち上がり時点
で基準信号を発生する。充放電時間検出部24では、充
放電時間に一致するパルス幅の信号を充放電時間として
得る。遅延時間演算部25は、充放電時間に比例した時
間TDを求める。遅延回路26は、この時間TDだけ基準
信号を遅延させ、予測タイミング信号とする。これによ
り、予測タイミング信号と実際のパルス出力発生との間
の期間Tに一定のものを得る。
【0055】本実施形態では、コンデンサC2の充放電
時間の変化によって放電タイミング(基準信号)から遅
延時間TDだけ遅らせて予測タイミング信号を得る。こ
こで、コンデンサC2の充放電時間の変化は、可飽和リ
アクトルの飽和タイミングの変化に対応、すなわち出力
電圧指令の変化や温度変化に対応する。このことから、
充放電時間に応じて基準信号を遅延させることにより、
出力電圧の変化等に影響されることなく予測タイミング
信号を得ることができる。
【0056】なお、電流検出信号は、最終段のコンデン
サC2の電流検出に限らず、前段のコンデンサC1等の電
流検出とすることができる。また、磁気リセット回路側
に誘導される電流検出信号とすることができる。さら
に、基準信号は、コンデンサの充電開始時点とすること
もできる。また、図4の信号処理回路との組み合わせ構
成とすることもできる。
【0057】
【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、磁気パ
ルス圧縮回路のコンデンサの充放電電流など負荷装置に
供給するパルス電流にタイミング的に関連する電流又は
電圧を検出し、この検出信号から予測タイミング信号を
得るようにし、さらに予測タイミング信号を出力電圧や
コンデンサの充放電時間等に応じて補正するようにした
ため、電圧変化や温度変化に影響されることなく予測タ
イミング信号を精度良く求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を示す回路図(その1)。
【図2】実施形態におけるコンデンサの充放電タイミン
グ検出の変形例。
【図3】本発明の他の実施形態を示す回路図(その
2)。
【図4】本発明の実施形態を示す信号処理回路図(その
1)。
【図5】本発明の他の実施形態を信号処理回路図(その
2)。
【図6】図5の信号処理回路の各部波形図。
【図7】パルス電源装置の回路例。
【符号の説明】
1…パルス発生回路 2…充電器 3…昇圧・磁気パルス圧縮回路 4…負荷装置 SW…半導体スイッチ L0、L1、L2…可飽和リアクトル C0、C1、C2…コンデンサ 11、18…電流検出器 12、20…電流検出回路 17…磁気リセット回路 19…信号処理回路 21…遅延回路 22、25…遅延時間演算部 23…基準信号発生部 24…充放電時間検出部

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 初期充電されるコンデンサから半導体ス
    イッチのオン制御でパルス電流を発生するパルス発生回
    路と、前記パルス電流で充放電されるコンデンサと可飽
    和リアクトルの飽和動作で磁気パルス圧縮して負荷装置
    に供給する磁気パルス圧縮回路とを備えたパルス電源装
    置において、 前記コンデンサの充放電電流又は電圧から充放電タイミ
    ングを検出する検出手段と、前記充放電タイミング信号
    から前記負荷装置に供給するパルス電流の予測タイミン
    グ信号を得る信号処理回路とを備えたことを特徴とする
    パルス電源装置。
  2. 【請求項2】 前記検出手段は、前記コンデンサの電圧
    を極性を有して検出する電圧検出器としたことを特徴と
    する請求項1に記載のパルス電源装置。
  3. 【請求項3】 前記検出手段は、前記コンデンサに並列
    に小容量の分流コンデンサを設け、この分流コンデンサ
    の電流を検出する電流検出器としたことを特徴とする請
    求項1に記載のパルス電源装置。
  4. 【請求項4】 前記検出手段は、前記コンデンサが複数
    のコンデンサの並列接続で構成される場合にその1つの
    コンデンサの電流を検出する電流検出器としたことを特
    徴とする請求項1に記載のパルス電源装置。
  5. 【請求項5】 初期充電されるコンデンサから半導体ス
    イッチのオン制御でパルス電流を発生するパルス発生回
    路と、前記パルス電流で充放電されるコンデンサと可飽
    和リアクトルの飽和動作で磁気パルス圧縮して負荷装置
    に供給する磁気パルス圧縮回路とを備えたパルス電源装
    置において、 前記可飽和リアクトルの巻線に誘導される電流又は電圧
    から飽和動作タイミングを検出する検出手段と、前記飽
    和動作タイミング信号から前記負荷装置に供給するパル
    ス電流の予測タイミング信号を得る信号処理回路とを備
    えたことを特徴とするパルス電源装置。
  6. 【請求項6】 前記検出手段は、前記磁気パルス圧縮回
    路がコンデンサと可飽和リアクトルの組みを複数段構成
    とする場合にはその最終段の前記コンデンサ又は可飽和
    リアクトルから充放電タイミング又は飽和動作タイミン
    グを検出することを特徴とする請求項1乃至5のいずれ
    か1に記載のパルス電源装置。
  7. 【請求項7】 前記信号処理回路は、負荷装置に供給す
    る出力電圧指令又は装置温度に応じて、もしくは出力電
    圧指令及び装置温度に応じて前記予測タイミング信号を
    遅延補正する遅延手段を備えたことを特徴とする請求項
    1乃至6のいずれか1に記載のパルス電源装置。
  8. 【請求項8】 前記信号処理回路は、前記磁気パルス圧
    縮回路のコンデンサの充放電時間に応じて前記予測タイ
    ミング信号を遅延補正する遅延手段を備えたことを特徴
    とする請求項1乃至7のいずれか1に記載のパルス電源
    装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009182021A (ja) * 2008-01-29 2009-08-13 Gigaphoton Inc パルスレーザ用高圧電源の充電器の制御方法
TWI506385B (zh) * 2010-11-09 2015-11-01 Zentr Mikroelekt Dresden Gmbh 脈寬調變功率轉換器及控制方法

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