JP2000031566A - パルス電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高繰り返し周波数のパルスパワーを実現する。 【解決手段】可飽和リアクトルおよびコンデンサを有し
て構成される各段のＬＣ回路を複数個の可飽和リアクト
ル５〜８および複数個のコンデンサ１〜４の並列回路に
分割する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、レーザ用パルス
放電などに利用される磁気スイッチ（可飽和リアクト
ル）を用いたパルス電源装置に関し、特に高繰り返し周
波数のパルスパワーを実現するための改良に関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】高出
力パルスレーザや加速器用のパルス電源装置として、
近年、サイラトロン、ＧＴＯなどの主スイッチの耐久性
の向上のために磁気パルス圧縮回路を使用したものが用
いられることが多い。

【０００３】図９はパルスレーザのパルス電源に用いら
れる一般的な容量移行型の磁気パルス圧縮装置の等価回
路を示すもので、図１０は図９の回路各部における電圧
及び電流の波形例を示すものである。

【０００４】この図９の放電回路は、可飽和リアクトル
から成る３個の磁気スイッチＡＬ0〜ＡＬ2の飽和現象を
利用した２段の磁気パルス圧縮回路である。

【０００５】図９においては、まず、コンデンサＣ0
に、磁気スイッチＡＬ0、コイルＬ1を介して高電圧電源
ＨＶからの電荷をチャージしておく。

【０００６】この後、パルスレーザ発振の繰り返し周波
数に同期してオンになるパルス発振同期信号（トリガ信
号）ＴＲが入力されると、この時点で主スイッチＳＷが
オンにされる（図１０時刻ｔ0）。主スイッチＳＷがオ
ンになると、主スイッチＳＷの電位ＶSWが０に急激に下
がり、この後磁気スイッチＡＬ0の両端電圧であるコン
デンサＣ0と主スイッチＳＷの電圧差ＶC0−ＶSWの時間
積（電圧ＶC0の時間積分値）Ｓ0が磁気スイッチＡＬ0の
設定特性で決まる限界値に達すると、この時点ｔ1にお
いて磁気スイッチＡＬ0は飽和し、コンデンサＣ0、磁気
スイッチＡＬ0、主スイッチＳＷ、コンデンサＣ1のルー
プに電流パルスｉ0が流れる。

【０００７】この電流パルスｉ0が流れ始めてから０に
なる（時刻ｔ2）までの時間δ0、即ちコンデンサＣ0か
らコンデンサＣ1に電荷が完全に移行されるまでの電荷
転送時間δ0は、主スイッチＳＷなどによる損失を無視
すれば、磁気スイッチＡＬ0の飽和時のインダクタン
ス、コンデンサＣ0、コンデンサＣ1の各容量によって決
定される。

【０００８】一方、コンデンサＣ1の電圧ＶC1の時間積
Ｓ1が磁気スイッチＡＬ1の設定特性で決まる限界値に達
すると、この時点ｔ3において磁気スイッチＡＬ1は飽和
し、低インダクタンスとなる。これにより、コンデンサ
Ｃ1、コンデンサＣ2、磁気スイッチＡＬ1のループに電
流パルスｉ1が流れる。この電流パルスｉ1は、コンデン
サＣ1、Ｃ2の容量および磁気スイッチＡＬ1の飽和時の
インダクタンスによって決定される所定の転送時間δ1
を経由した後、時刻ｔ4で０になる。

【０００９】また、コンデンサＣ2の電圧ＶC2の時間積
Ｓ2が磁気スイッチＡＬ2の設定特性で決まる限界値に達
すると、この時点ｔ5において磁気スイッチＡＬ2は飽和
し、これにより、コンデンサＣ2、ピーキングコンデン
サＣP、磁気スイッチＡＬ2のループに電流パルスｉ2が
流れる。

【００１０】その後、ピーキングコンデンサＣpの電圧
ＶCpは充電の進展とともに上昇し、この電圧ＶCpが所定
の主放電開始電圧に達すると、この時点ｔ6において主
電極１０間のレーザガスが絶縁破壊されて主放電が開始
される。この主放電によってレーザ媒質が励起され、数
ｎｓｅｃ後にレーザ光が発生される。

【００１１】この後、主放電によってピーキングコンデ
ンサＣpの電圧は急速に低下し、所定時間経過後に充電
開始前の状態に戻る。

【００１２】このような放電動作が、トリガ信号ＴＲに
同期した主スイッチＳＷのスイッチング動作によって繰
り返し行われることにより、所定の繰り返し周波数（パ
ルス発振周波数）でのパルスレーザ発振が行われる。

【００１３】また、この場合、磁気スイッチおよびコン
デンサで構成される各段の電荷転送回路のインダクタン
スが後段にいくにつれ小さくなるように設定されている
ので、電流パルスｉ0〜ｉ2のピーク値が順次高くなりか
つその通電幅も順次狭くなるようなパルス圧縮動作が行
われ、この結果主電極６間に短時間での強い放電が得ら
れることになる。

【００１４】このような磁気圧縮回路において、例えば
コンデンサＣ0からコンデンサＣ1への電荷転送を考えた
場合、その電荷転送時間δ0は下式のようになる。

【００１５】δ0／２＝２π√（ＬＣ） …(1) ただし、Ｃ＝Ｃ0・Ｃ1／(Ｃ0＋Ｃ1)で、Ｌは磁気スイッ
チＡＬ0の飽和時のインダクタンスである。

【００１６】コンデンサＣ1からコンデンサＣ2への電荷
転送、コンデンサＣ2からコンデンサＣpへの電荷転送も
同様であり、それらの電荷転送時間も上式(1)によって
決定される。

【００１７】このようにコンデンサ間の電荷転送時間
は、磁気スイッチの飽和時のインダクタンスおよび転送
側コンデンサ及び被転送側コンデンサの容量によって決
定される。

【００１８】しかしながら、従来の磁気圧縮回路におい
ては、各段毎に１個のコンデンサと１個の磁気スイッチ
を設け、これら１個のコンデンサ及び磁気スイッチから
成る回路構成を多段接続することで電流パルスの圧縮を
行なうようにしていたので、上記式(1)によって決定さ
れる電荷転送時間より短い電荷転送時間を実現すること
が困難であった。この転送時間を短くするには、上記
(1)式のＣまたはＬ或いはその双方を小さくしなければ
ならない。Ｃを小さくすることはパルスエネルギーを小
さくすることになり、Ｌは物理的な形状などからの制約
故にこれを小さくすることは困難である。

【００１９】この発明はこのような実情に鑑みてなされ
たもので、高繰り返し周波数のパルスパワーを実現する
パルス電源装置を提供することを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段及び作用効果】請求項１に
対応する発明では、充電電源に対し直列に接続された複
数の可飽和リアクトルと、充電電源によって充電される
初段のコンデンサと、充電電源に対し並列に接続された
複数のコンデンサとによって複数段のＬＣ回路を構成
し、初段のコンデンサの電荷を可飽和リアクトルの磁気
飽和現象を利用して順次後段のコンデンサに磁気パルス
圧縮して転送するパルス電源装置において、前記可飽和
リアクトルおよびコンデンサを有して構成される各段の
ＬＣ回路を複数個の可飽和リアクトルおよび複数個のコ
ンデンサの並列回路に分割するようにしたことを特徴と
する。

【００２１】かかる請求項１の発明によれば、可飽和リ
アクトルおよびコンデンサを有して構成される各段のＬ
Ｃ回路を複数個（ｎ個）の可飽和リアクトルおよび複数
個（ｎ個）のコンデンサの並列回路に分割する。

【００２２】転送側コンデンサ（容量Ｃ1）をｎ個のコ
ンデンサの並列回路に分割しているので、各コンデンサ
の容量はＣ1／ｎとなる。被転送側コンデンサ（容量Ｃ
2）も同様であり、各コンデンサの容量はＣ2／ｎとな
る。

【００２３】従って、各段での電荷転送時間δは、次式
のようになる。

【００２４】δ／２＝２π√（Ｌ・(Ｃ/ｎ)） ただし、Ｃ＝Ｃ1・Ｃ2／(Ｃ1＋Ｃ2) このように、各段のＬＣ回路をｎ個の可飽和リアクトル
およびｎ個のコンデンサの並列回路に分割するようにし
ているので、各段での電荷転送時間は、これと同じ容量
の１個の転送コンデンサから被転送コンデンサへ電荷転
送を行った場合に比べ、１／√（ｎ）となる。

【００２５】したがって、この発明では、電荷転送量を
増やすことなく電荷転送時間を従来に比べ短くすること
ができ、これにより高繰り返し周波数のパルスパワーを
実現することができる。

【００２６】請求項２に対応する発明では、請求項１の
発明において、同一段のＬＣ回路に含まれる前記複数の
過飽和リアクトルは、１つの共通の磁心と、この共通の
磁心に巻回される複数のコイルとを有して構成されるこ
とを特徴とするこの請求項２の発明では、同一段のＬＣ
回路に含まれる複数の過飽和リアクトルの各コイルを共
通の磁心（コア）に巻回することにより、同一段の複数
の可飽和リアクトルが飽和するタイミングを一致させ、
これにより並列に構成した同一段の複数の磁気パルス圧
縮回路の電荷転送タイミングを一致させるようにしてい
る。

【００２７】請求項３に対応する発明では、請求項１の
発明において、同一段のＬＣ回路に含まれる前記複数の
可飽和リアクトルは、複数個の磁心と、これら複数個の
磁心のうちの２つ以上の磁心にまたがるように巻回され
た複数のコイルを有して構成されることを特徴とする。

【００２８】この請求項３の発明では、同一段のＬＣ回
路に含まれる複数の過飽和リアクトルとして、複数個の
コアを用い、各可飽和リアクトルのコイルを２つ以上の
コアに跨るように巻回する磁気結合を利用することで、
同一段の複数の可飽和リアクトルが飽和するタイミング
を一致させ、これにより並列に構成した同一段の複数の
磁気パルス圧縮回路の電荷転送タイミングを一致させる
ようにしている。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施形態を添付図
面に従って詳細に説明する。

【００３０】図１はこの発明にかかる磁気パルス圧縮回
路の一実施形態を示す等価回路図である。この場合、磁
気パルス圧縮回路は１段の圧縮回路である。

【００３１】図１においては、充電電源ＨＶの出力端に
サイラトロン、ＧＴＯなどの主スイッチが並列に接続さ
れている。

【００３２】充電電源ＨＶの電荷が最初に充電される初
段のコンデンサは並列に接続された４つのコンデンサ１
〜４に分割されている。これら４つのコンデンサの容量
は、Ｃa／４であるので、その合成容量はＣaとなる。各
コンデンサ１〜４に対し直列に第１段目の可飽和リアク
トル５〜８が接続されている。これら可飽和リアクトル
５〜８の飽和時のインダクタンスはそれぞれＬとする。

【００３３】初段のコンデンサ１〜４の電荷がそれぞれ
転送される２段目のコンデンサは、並列接続された４つ
のコンデンサ１１〜１４に分割されている。これら４つ
のコンデンサ１１〜１４の各容量はＣb／４であるの
で、それらの合成容量はＣbとなる。

【００３４】第２段目の可飽和リアクトルは、並列接続
された４つの可飽和リアクトル１５〜１８に分割されて
おり、第２段目のコンデンサ１１〜１４にそれぞれ並列
接続されている。

【００３５】第２段目のコンデンサ１１〜１４の電荷が
転送される最終段のコンデンサ（ピーキングコンデン
サ）Ｃpは分割されてはいない。このピーキングコンデ
ンサＣpに放電電極１０、コイルＬが並列に接続されて
いる。

【００３６】図１の磁気パルス圧縮回路は次のように動
作する。

【００３７】すなわち、まず、コンデンサ１〜４に、可
飽和リアクトル５〜８、可飽和リアクトル１５〜１８、
コイルＬを介して高電圧電源ＨＶからの電荷をチャージ
しておく。

【００３８】この後、主スイッチＳＷがオンになると、
可飽和リアクトル５の両端にコンデンサ１による放電電
圧がかかり、この放電電圧の時間積が可飽和リアクトル
５の設定特性で決まる限界値に達すると、この時点に可
飽和リアクトル５は飽和し、コンデンサ１、主スイッチ
ＳＷ、コンデンサ１１、可飽和リアクトル５のループに
電流パルスｉ11が流れる。

【００３９】また、主スイッチＳＷがオンになると、可
飽和リアクトル６の両端にコンデンサ２による放電電圧
がかかり、この放電電圧の時間積が可飽和リアクトル６
の設定特性で決まる限界値に達すると、この時点に可飽
和リアクトル６は飽和し、コンデンサ２、主スイッチＳ
Ｗ、コンデンサ１２、可飽和リアクトル６のループに電
流パルスｉ12が流れる。

【００４０】また、同様にして、コンデンサ３、主スイ
ッチＳＷ、コンデンサ１３、可飽和リアクトル７のルー
プに電流パルスｉ13が流れ、コンデンサ４、主スイッチ
ＳＷ、コンデンサ１４、可飽和リアクトル８のループに
電流パルスｉ14が流れる。

【００４１】このようにして初段のコンデンサ１〜４の
電荷が第２段目のコンデンサ１１〜１４に転送される。

【００４２】つぎに、コンデンサ１１の電圧の時間積が
可飽和リアクトル１５の設定特性で決まる限界値に達す
ると、この時点において可飽和リアクトル１５は飽和
し、これにより、コンデンサ１１、ピーキングコンデン
サＣp、可飽和リアクトル１５のループに電流パルスｉ2
1が流れる。

【００４３】同様にして、電流パルスｉ21と並行に、コ
ンデンサ１２、ピーキングコンデンサＣp、可飽和リア
クトル１６のループに電流パルスｉ22が流れ、コンデン
サ１３、ピーキングコンデンサＣp、可飽和リアクトル
１７のループに電流パルスｉ23が流れ、コンデンサ１
４、ピーキングコンデンサＣp、可飽和リアクトル１８
のループに電流パルスｉ24が流れる。

【００４４】ピーキングコンデンサＣpの電圧は充電の
進展とともに上昇し、この電圧が所定の主放電開始電圧
に達すると、主電極１０間のレーザガスが絶縁破壊され
て主放電が開始される。この主放電によってレーザ媒質
が励起され、レーザ光が発生される。この後、主放電に
よってピーキングコンデンサＣpの電圧は急速に低下
し、所定時間経過後に充電開始前の状態に戻る。

【００４５】このような放電動作が、トリガ信号ＴＲに
同期した主スイッチＳＷのスイッチング動作によって繰
り返し行われることにより、所定の繰り返し周波数（パ
ルス発振周波数）でのパルスレーザ発振が行われる。

【００４６】このようにこの磁気パルス圧縮回路におい
ては、可飽和リアクトルおよびコンデンサを有して構成
される各段のＬＣ回路を複数個の可飽和リアクトルおよ
び複数個のコンデンサの並列回路に分割するようにして
いる。

【００４７】ここで、初段のコンデンサ１〜４から第２
段目のコンデンサ１１〜１４への電荷転送を考える。

【００４８】初段のコンデンサ１〜４の各容量はＣa／
４で、第２段目のコンデンサの各容量はＣb／４である
ので、これら電荷転送時間δは次式のようになる。

【００４９】δ／２＝２π√（Ｌ・(Ｃ/４)） ただし、Ｃ＝Ｃa・Ｃb／(Ｃa＋Ｃb) すなわち、この場合の電荷転送時間δは、これと同じ容
量の１個の転送コンデンサから被転送コンデンサへ電荷
転送を行った場合に比べ、１／√（４）となる。したが
って、この実施形態では、電荷転送量を低下させずに電
荷転送時間を従来に比べ短くすることができ、これによ
り高繰り返し周波数のパルスパワーを実現することがで
きる。

【００５０】図２にこの発明の他の実施形態を示す。

【００５１】この図２に示す実施形態においては、同一
段のＬＣ回路に含まれる複数の可飽和リアクトルの磁心
（コア）を共通にするようにしている。

【００５２】すなわち、図１に示したように、各段のＬ
Ｃ回路を複数個に分割して、電荷転送を行ったとして
も、最終段では各電流パルスを１つにまとめる必要があ
る。すなわち、各圧縮段で電流パルス幅を圧縮して短い
パルスをつくったとしても、最終段でこれらをまとめる
タイミングがずれると、これら短いパルスが時間がずれ
て重畳されることになり、最終的に目的とする短いパル
スは得られない。そこで、図２の磁気パルス圧縮回路に
おいては、同一段のＬＣ回路に含まれる複数の可飽和リ
アクトルの磁心（コア）を共通にすることで、同一段の
複数の可飽和リアクトルの飽和タイミングを一致させる
ようにしている。

【００５３】図３は、その具体的構成を示すもので、こ
の場合は初段のＬＣ回路の４個の可飽和リアクトル５〜
８を示している。図３において、２０は可飽和リアクト
ル５の巻き線で、２１は可飽和リアクトル６の巻き線
で、２２は可飽和リアクトル７の巻き線で、２３は可飽
和リアクトル８の巻き線であり、これらの巻き線２０〜
２３を共通の１つのコア２５に巻回するようにしてい
る。

【００５４】可飽和リアクトルにおいては、可飽和リア
クトルに電圧が印加されたとしても最初はコアの透磁率
が極めて大きいため巻き線のインダクタンスも充分大き
く、このため巻き線を流れる電流は極めてゆっくり増え
ていく。この電流が作る磁束がコアの飽和磁束密度を超
えたときコアは飽和し、これによりコアの透磁率が急激
に小さくなって巻き線を流れる電流が一気に増加する。
これが可飽和リアクトルの動作である。

【００５５】この実施形態では、同一のコア２５を用い
て同一段の複数の可飽和リアクトルを構成しているため
に、各種のばらつき要因によってコアが飽和する前に、
巻き線２０〜２３を流れる電流の変化に多少のばらつき
があったとしても、これら同一段の複数の可飽和リアク
トルの飽和タイミングが一致し、これらの可飽和リアク
トル２０〜２３が介在する電荷転送のタイミングを揃え
ることができる。

【００５６】なお、図２においては、第２段目の可飽和
リアクトル１５〜１８に関しても、同一のコアが用いら
れている。

【００５７】次に、図４及び図５に、同一段の複数の可
飽和リアクトルの飽和タイミングを一致させるための他
の形態を示す。図５は、図４の平面図である。

【００５８】この図４及び図５の実施形態も、図２の初
段のＬＣ回路の４個の可飽和リアクトル５〜８を示して
いる。この図４及び図５の実施形態では、複数（この場
合４個）のコア３０〜３３を用い、２つのコアに跨って
各可飽和リアクトル５〜８の巻き線３５〜３８を巻回す
るようにしている。３５は可飽和リアクトル５の巻き
線、３６は可飽和リアクトル６の巻き線、３７は可飽和
リアクトル７の巻き線、３８は可飽和リアクトル８の巻
き線とする。

【００５９】すなわち、巻き線３５をコア３０および３
１に跨って巻き、巻き線３６をコア３１及び３２に跨っ
て巻き、巻き線３７をコア３２および３３に跨って巻
き、巻き線３８をコア３３及び３０に跨って巻くように
している。

【００６０】図５に付した矢印のうち巻き線に平行して
付した矢印は電流の向きを示しており、各コア３０〜３
３中に示した矢印は、各巻き線によって作られる磁界の
向きを示している。ここで、これらの磁界の向きは、反
時計方向→時計方向→反時計方向というように１個単位
に逆向きになるようにコイルの巻き方向および電流の向
きを調整する必要がある。また、このような１個単位に
逆向きの磁界を実現するためには、図４の実施形態のよ
うにコアを環状に結合した場合、コアの個数は偶数であ
ることが必要となる。

【００６１】図４及び図５の可飽和リアクトル５〜８は
次のように動作する。

【００６２】各巻き線３５〜３８を流れる電流にはばら
つきがあり、また各コア３０〜３３の飽和密度にも差が
あるとする。

【００６３】各巻き線３５〜３８に電圧が印加される
と、各コア３０〜３３の巻き線には、各巻き線を流れる
電流を打ち消すように電圧が発生し、これが電流の増加
を抑える。最初は各コア３０〜３３の透磁率が極めて大
きいため巻き線のインダクタンスも充分大きく、このた
め巻き線を流れる電流は極めてゆっくり増えていく。こ
の電流増加によって各コア３０〜３３の磁束密度も増加
し、同じように飽和に近づいていく。そして、電流が作
る磁束がコアの飽和磁束密度を超えたときコアは飽和す
る。

【００６４】仮に１つのコア３０が飽和に達したとする
と、このコア３０に巻回されている巻き線３５および３
８を流れる電流が急激に増加する。これらの電流増加に
よってコア３０に隣接しているコア３１および３３の磁
束密度も急激に増加し、これによってコア３１及び３３
も直ちに飽和する。

【００６５】この結果、コア３１及び３３に巻回されて
いる巻き線３６および３７を流れる電流が急激に増加す
る。

【００６６】そして、これらの電流増加によって残るコ
ア３２も直ちに飽和する。

【００６７】このようにして、４個のコアのうちのどれ
が先に飽和したとしても、残り３個のコアも直ちに飽和
することになり、これら４個の可飽和リアクトル５〜８
の飽和タイミングを一致させることが可能になる。

【００６８】この図４および図５に示す実施形態では、
複数のコアを用いてこれら複数のコアの飽和タイミング
を揃えるようにしているので、先の図３に示した１つの
コアに複数の巻き線を巻く場合に比べ、並列回路の個数
が多くなった場合の対処が容易である。

【００６９】なお、図４及び図５の場合は、巻き線を２
つのコアに跨って巻回するようにしたが、３つ以上のコ
アに跨って巻き線を巻回するようにしてもよい。

【００７０】図６にこの発明の他の実施形態を示す。

【００７１】この図６の実施形態においても、各段のＬ
Ｃ回路の可飽和リアクトルおよびコンデンサを複数の並
列回路に分割した点は先の図１に示した実施形態と同様
であるが、この図６の実施形態では電荷転送の手法が先
の図１の実施形態と異なっている。

【００７２】まず、図７を用いて各段のＬＣ回路の可飽
和リアクトルおよびコンデンサを複数の並列回路に分割
しない場合の電荷転送動作について説明する。

【００７３】図７に示す磁気パルス圧縮回路では、スイ
ッチ素子ＳＷと、直列接続された可飽和リアクトルＳＬ
1およびコンデンサＣ1とがそれぞれ充電用直流電源ＨＶ
に並列接続される。また、直列接続された可飽和リアク
トルＳＬ2およびコンデンサＣ2はコンデンサＣ1に並列
接続される。さらに、直列接続された可飽和リアクトル
ＳＬ3、ダイオードＤ1およびピーキングコンデンサＣp
はコンデンサＣ2に並列接続される。また、レーザ放電
部ＬＤがピーキングコンデンサＣpに並列接続される。
この場合、ダイオードＤ1はピーキングコンデンサＣpか
ら可飽和リアクトルＳＬ3への方向を導通方向としてい
る。即ち、ダイオードＤ1は、パルス圧縮転送時におけ
るエネルギー転送方向を導通方向としている。

【００７４】この図７の磁気パルス圧縮回路の動作を図
８のタイムチャートを用いて説明する。

【００７５】まず、図７において、充電用直流電源１に
よって印加される直流高電圧によってコンデンサＣ1お
よびコンデンサＣ2が充電される。コンデンサＣ1には、
可飽和リアクトルＳＬ1を介して充電され、コンデンサ
Ｃ2には、可飽和リアクトルＳＬ1，ＳＬ2を介して充電
される。この充電は、可飽和リアクトルＳＬ1，ＳＬ2が
飽和しなくても十分な時間をかけて直流高電圧を印加す
ることによって実現できる。電流の急激な変動がない場
合、インダクタンスは小さくなるからである。一方、ピ
ーキングコンデンサＣpは充電されない。ダイオードＤ1
によってピーキングコンデンサＣpへの電荷移動が阻止
されるからである。

【００７６】従って、図８に示すように、充電が完了し
た段階におけるコンデンサＣ1，Ｃ2の端子電圧ＶC1，Ｖ
C2はそれぞれ＋Ｅボルト（点Ｐ１）、ピーキングコンデ
ンサＣpの端子電圧Ｖcpは０ボルト（点Ｐ２）となって
いる。

【００７７】その後、主スイッチＳＷをオンにするとコ
ンデンサＣ1に蓄積された電荷の転送が開始される。す
なわち、スイッチ素子ＳＷのオンによって可飽和リアク
トルＳＬ1の端子電圧が急激に増大し、この後この電圧
時間積が可飽和リアクトルＳＬ1の飽和限界に達すると
可飽和リアクトルＳＬ1は飽和し、可飽和リアクトルＳ
Ｌ1のインダクタンスが急激に減少してオン状態とな
る。

【００７８】この結果、コンデンサＣ1に蓄積された電
荷は電流Ｉ1として流れ、コンデンサＣ1の極性が反転す
る。すなわち、図８に示すようにコンデンサＣ1の端子
電圧ＶC1は＋Ｅボルトから−Ｅボルトに変化する。この
コンデンサＣ1の極性反転の期間Ｔ１において、コンデ
ンサＣ2に蓄積されていた電荷は、可飽和リアクトルＳ
Ｌ1，ＳＬ2間の電圧降下によって可飽和リアクトルＳＬ
2がオフ状態であるにもかかわらず、可飽和リアクトル
ＳＬ1を介して放電し、またコンデンサＣ2、リアクトル
ＳＬ2、コンデンサＣ1を経て放電して、微小な電圧降下
が生じる（点Ｐ３）。

【００７９】その後、コンデンサＣ1の極性反転による
電荷転送終了直後に可飽和リアクトルＳＬ2がオンとな
り、極性反転によって転送されてコンデンサＣ1に蓄積
された電荷およびコンデンサＣ2に蓄積された電荷が電
流Ｉ2として流れ、コンデンサＣ2の極性が反転されると
ともに、コンデンサＣ1の電荷がコンデンサＣ2に転送さ
れる。コンデンサＣ1とコンデンサＣ2との容量比が３：
１のときには、図８に示すように、コンデンサＣ1の端
子電圧ＶC1は−Ｅボルトから０ボルトとなり、コンデン
サＣ2の端子電圧ＶC2はほぼ＋Ｅボルトから−Ｅボルト
に変化する。このコンデンサＣ1からコンデンサＣ2への
電荷転送およびコンデンサＣ2の極性反転の期間Ｔ2にお
いて、ピーキングコンデンサＣpの電荷は、ダイオード
Ｄ1および可飽和リアクトルＳＬ3を介して漏れることに
なるが、可飽和リアクトルＳＬ2がオンになった時点で
は、可飽和リアクトルＳＬ3の電位に対して可飽和リア
クトルＳＬ2の電位の方が高いため、ピーキングコンデ
ンサＣpの電荷は漏れない。そして、可飽和リアクトル
ＳＬ2と可飽和リアクトルＳＬ3との電位が同じとなった
時点Ｐ５から、ピーキングコンデンサＣpの電荷の漏れ
が開始する。この結果、ピーキングコンデンサＣpの漏
れ電荷による端子電圧Ｖcpの電圧降下ΔＶの値は、可飽
和リアクトルＳＬ2がオンとなる時点Ｐ４から電荷漏れ
が開始した場合の電圧降下ΔＶ１の値に比較して半減あ
るいはそれ以下の微小な値となる。これにより、ピーキ
ングコンデンサＣpに電荷が転送される前のピーキング
コンデンサＣpの端子電圧Ｖcpの値は０ボルト近傍に効
果的に抑えられることになる。

【００８０】ここで、通常、レーザ放電部ＬＤからのレ
ーザ発振出力を制御する場合、レーザ放電部ＬＤに対す
る印加電圧を制御することが行われるが、上述したよう
にレーザ放電部ＬＤに供給すべきピーキングコンデンサ
Ｃpからの印加電圧量、電荷量等のエネルギー量を正確
に把握することができ、精度の高い、安定したパルスレ
ーザ出力に制御することが可能となる。

【００８１】その後、コンデンサＣ2への電荷転送終了
直後に可飽和リアクトルＳＬ3がオンとなり、コンデン
サＣ2に蓄積された電荷が電流Ｉ3として流れ、コンデン
サＣ2の電荷がピーキングコンデンサＣpに転送される。
すなわち、図８に示すように、期間Ｔ３において、コン
デンサＣ2の端子電圧ＶC2は−Ｅボルトから０ボルトに
向かい、ピーキングコンデンサＣpの端子電圧ＶCPはほ
ぼ０ボルトから−Ｅボルトに向かって変化する。

【００８２】そして、ピーキングコンデンサＣpに転送
された電荷は、電流Ｉ4としてレーザ放電部ＬＤに印加
され、レーザ放電部ＬＤの放電によってレーザ媒質が励
起され、レーザ発振することになる。レーザ放電部ＬＤ
で消費された電流以外の残余の電流は、その後レーザ放
電部ＬＤとピーキングコンデンサＣpおよびリアクトル
ＳＬ1，ＳＬ2，ＳＬ3、コンデンサＣ1，Ｃ2間で数回共
振するが、その都度ダイオードＤ1、可飽和リアクトル
ＳＬ2，ＳＬ3を介して電流Ｉ5としてコンデンサＣ1，Ｃ
2に回生される。しかも、ダイオードＤ1の整流作用によ
ってダイオードＤ1を介してコンデンサＣ1，Ｃ2に回生
された電荷はピーキングコンデンサＣpに戻ることが阻
止される。このため、ピーキングコンデンサＣpの電位
は負にバイアスされることはあっても、正にバイアスさ
れることはない。

【００８３】このように、ピーキングコンデンサＣpに
転送された電荷は、レーザ放電部ＬＤの放電に寄与する
とともに、残余の電荷は再びコンデンサＣ1，Ｃ2に回生
され、次の充電エネルギーを削減することができ、エネ
ルギー消費効率を非常に大きくすることができる。

【００８４】図６の実施形態は、図７の磁気パルス圧縮
回路の各段の可飽和リアクトル及びコンデンサを並列接
続したものであり、第１段目のＬＣ回路を複数の（この
場合３個）可飽和リアクトルＳＬ11〜ＳＬ13の並列回路
および複数の初段コンデンサＣ11〜Ｃ13の並列回路によ
って分割し、第２段目のＬＣ回路を複数の可飽和リアク
トルＳＬ21〜ＳＬ23の並列回路および複数のコンデンサ
Ｃ21〜Ｃ23の並列回路によって分割し、第３段目の可飽
和リアクトルを複数の可飽和リアクトルＳＬ31〜ＳＬ33
によって並列分割し、第３段目の可飽和リアクトルＳＬ
31〜ＳＬ33に対して直列に図７のダイオードＤ1と同様
の作用をなすダイオードＤ1〜Ｄ3を接続するようにして
いる。

【００８５】この図６の回路における電荷転送動作は先
の図７のものと基本的には同じであるが、この図６の回
路では、各段の可飽和リアクトル及びコンデンサを並列
回路に分割するようにしているので、各段のコンデンサ
容量がＣ／ｎとなり、各電荷転送段での電荷転送時間を
図７の回路に比べ１／√ｎに短くすることが可能にな
る。また、図３に示した手法または図４に示した手法を
用いて同一段の複数の可飽和リアクトルの飽和タイミン
グを揃えるようにしているので、パルス幅の狭い電流パ
ルスを実現することができる。

【００８６】なお、上記図１、図２、あるいは図６に示
す実施形態では、全ての段のコンデンサおよび過飽和リ
アクトルを並列回路に分割するようにしたが、図１１
(a)(b)に示すように、スピードが要求される２段目以降
のみを並列回路に分割するようにしてもよく、また図１
１(c)(d)に示すように、最終団のＬＣ回路のみを並列回
路に分割するようにしてもよい。なお、図１１(a)(c)の
回路は図１または図２の実施形態の回路を基にしてお
り、また図１１(b)(d)の回路は図６の実施形態の回路を
基にしている。

【００８７】また、上述した実施の形態におけるスイッ
チ素子ＳＷは、高速動作が可能で大電力用のスイッチ素
子であればよく、例えばサイリスタ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲ
ート型バイポーラトランジスタ）、バイポーラトランジ
スタ、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体電力デバイスが適用でき
る。

【００８８】また、スイッチ素子ＳＷは、複数のスイッ
チ素子を直列接続した構成として各スイッチ素子にかか
る耐圧を軽減するようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施形態を示す等価回路図。

【図２】この発明の他の実施形態を示す等価回路図。

【図３】可飽和リアクトルの構造を示す斜視図。

【図４】可飽和リアクトルの他の構造例を示す斜視図。

【図５】図４の可飽和リアクトルの平面図。

【図６】この発明の他の実施形態を示す等価回路図。

【図７】図６の実施形態における基本的回路構成を示す
等価回路図。

【図８】図７の回路の各部の電圧波形を示すタイムチャ
ート。

【図９】従来技術を示す回路図。

【図１０】図９の回路の各部の電圧電流波形を示すタイ
ムチャート。

【図１１】この発明の他の実施形態を示す等価回路図。

【符号の説明】

１〜４，１１〜１４…コンデンサ ５〜８，１５〜１８…可飽和リアクトル ＨＶ…充電電源 ＳＷ…主スイッチ Ｃp…ピーキングコンデンサ １０…放電電極 ２５、３１〜３３…コア

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松木 康彦 神奈川県平塚市四之宮2597 株式会社小松 製作所エレクトロニクス事業本部内 (72)発明者 野村 良雄 神奈川県平塚市四之宮2597 株式会社小松 製作所エレクトロニクス事業本部内 Ｆターム(参考） 5F071 GG05 HH07 JJ07

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】充電電源に対し直列に接続された複数の可
   飽和リアクトルと、充電電源によって充電される初段の
   コンデンサと、充電電源に対し並列に接続された複数の
   コンデンサとによって複数段のＬＣ回路を構成し、初段
   のコンデンサの電荷を可飽和リアクトルの磁気飽和現象
   を利用して順次後段のコンデンサに磁気パルス圧縮して
   転送するパルス電源装置において、 前記可飽和リアクトルおよびコンデンサを有して構成さ
   れる各段のＬＣ回路を複数個の可飽和リアクトルおよび
   複数個のコンデンサの並列回路に分割するようにしたこ
   とを特徴とするパルス電源装置。
2. 【請求項２】同一段のＬＣ回路に含まれる前記複数の過
   飽和リアクトルは、１つの共通の磁心と、この共通の磁
   心に巻回される複数のコイルとを有して構成されること
   を特徴とする請求項１記載のパルス電源装置。
3. 【請求項３】同一段のＬＣ回路に含まれる前記複数の可
   飽和リアクトルは、複数個の磁心と、これら複数個の磁
   心のうちの２つ以上の磁心にまたがるように巻回された
   複数のコイルを有して構成されることを特徴とする請求
   項１記載のパルス電源装置。