JP2000209876A - パルス電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数のユニットコアを有する磁気スイッチを
用いた磁気パルス圧縮回路方式のパルス電源装置におい
て、コンデンサの残留電荷の影響を排除して、磁気スイ
ッチの飽和のタイミングを正確に制御することを可能に
する。 【解決手段】 このパルス電源装置は、三つのユニット
コア３１〜３３および各ユニットコアごとに巻かれたバ
イアス用巻線３７〜３９を有する磁気スイッチ３０と、
この磁気スイッチ３０のバイアス用巻線３７〜３９にユ
ニットコア３１〜３３のリセット用のバイアス電流を流
すバイアス電源回路５０とを備えている。バイアス電源
回路５０は、磁気スイッチ３０の少なくとも一つのバイ
アス用巻線に対して、他のバイアス用巻線に流すリセッ
ト用のバイアス電流とは逆方向のバイアス電流を流す機
能を有している。

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、例えばパルスレ
ーザ装置、オゾン発生装置、放電殺菌装置、放電ガス処
理装置等において、負荷に高電圧、大電流のパルス電力
を供給すること等に用いられるパルス電源装置に関し、
より具体的には、複数のユニットコアを有する磁気スイ
ッチ（可飽和リアクトルとも呼ばれる。以下同じ）を用
いた磁気パルス圧縮回路方式のパルス電源装置におい
て、磁気スイッチの飽和のタイミングを正確に制御する
ことを可能にする手段に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気パルス圧縮回路は、負荷に高電圧、
大電流のパルス電力を供給するパルス電源装置に広く用
いられている回路である。この磁気パルス圧縮回路は、
簡単に言えば、１以上の磁気スイッチおよび１以上のコ
ンデンサを用いて構成されている。その一例を図４に示
す。

【０００３】この例の磁気パルス圧縮回路は、初期コン
デンサ４と、それに充電する高圧の充電電源２と、放電
を開始させるスイッチ６と、初期コンデンサ４からの電
荷を蓄積するこの例では二つのコンデンサ１０および１
２と、磁気スイッチ２０とを備えている。磁気スイッチ
２０とコンデンサ１０および１２とは、互いに梯子形
（ラダー形）に接続されている。スイッチ６の出力ライ
ンには、回路インダクタンス８が存在する。

【０００４】磁気スイッチ２０は、コア２１にスイッチ
用巻線２２およびバイアス用巻線２３を巻いた構造をし
ている。バイアス用巻線２３には、磁気スイッチ２０
（より具体的にはそのコア２１）の飽和状態から、次回
の放電までに初期の逆飽和状態に戻す（即ちリセットす
る）ためのバイアス電源２４およびスイッチ２６が接続
されている。

【０００５】この磁気パルス圧縮回路の動作を、図５を
も参照して説明すると、充電電源２によって初期コンデ
ンサ４に初期電荷を充電しておいた後、スイッチ６をオ
ンする（図５中の時刻ｔ₁ ）と、初期コンデンサ４の電
荷はコンデンサ１０に移行する。従ってコンデンサ１０
の有する電圧Ｖ₁ は徐々に上昇する。このときの電荷移
行の電流Ｉ₁ のパルス幅は、コンデンサ４、１０の静電
容量および回路インダクタンス８の値により決まるが、
スイッチ６の通電電流値からの制約およびスイッチ６の
部分のインダクタンス等のために、通常は比較的緩やか
に設定される。この電荷移行時には磁気スイッチ２０は
未飽和状態にあり、そのインダクタンスは十分に大き
い。従ってコンデンサ１２には電流Ｉ₂ は流れない。

【０００６】初期コンデンサ４の電荷がコンデンサ１０
に移行完了した時点（図５中の時刻ｔ₂ ）で、コンデン
サ１０の有する電圧Ｖ₁ は最大になり、かつ磁気スイッ
チ２０は飽和してオン状態になる。これによって、コン
デンサ１０の電荷はコンデンサ１２へと移行し、コンデ
ンサ１２の有する電圧Ｖ₂ は上昇する。このときの電荷
移行の電流Ｉ₂ は、回路インダクタンス８に比べて飽和
時の磁気スイッチ２０のインダクタンスが十分に小さい
ため、電流Ｉ₁ よりもパルス幅が小さくなり急峻にな
る。

【０００７】このようにして、磁気スイッチ２０を利用
して、電荷をよりパルス幅の小さい回路に転流して、電
圧・電流のパルス幅を圧縮することを磁気パルス圧縮と
言う。

【０００８】上記スイッチ６には、サイラトロン等の放
電スイッチや、サイリスタ、ＧＴＯ（ゲートターンオフ
サイリスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトラン
ジスタ）等の半導体スイッチ等が用いられるが、特に半
導体スイッチの場合は、放電スイッチに比べて電流定格
が小さく、初期の電荷移行のパルス幅を長くせざるを得
ないので、所定の短パルス幅を得るために磁気パルス圧
縮回路は多用される。

【０００９】効率の良い磁気パルス圧縮を行うために
は、図５に示す例のように、前段からの電荷移行による
電圧Ｖ₁ が最大になった時点ｔ₂ で磁気スイッチ２０を
オン（飽和）させることが必要である。

【００１０】磁気スイッチ２０の飽和のタイミングは、
磁気スイッチ２０に印加される磁束の総量、つまり電圧
−時間積によって決定されるので、スイッチ用巻線２２
の巻数およびコア２１の断面積等を適切に選定してコア
２１の飽和磁束密度を適切に設定することによって、磁
気スイッチ２０の飽和のタイミングを上述したように設
定することができる。

【００１１】しかしながら、上記のようにして設定され
た磁気スイッチ２０の飽和のタイミングは、特定の仕
様、例えば特定の電圧に対して設定されたものであるの
で、上記のような磁気パルス圧縮回路を用いたパルス電
源装置の例えば出力電圧を変化させたい場合、効率の良
い磁気パルス圧縮を行うためには、その電圧に応じたも
のに磁気スイッチ２０を交換する必要がある。これは非
常に面倒である。

【００１２】このような問題を解決することのできるパ
ルス電源装置が、特許第２７３８０７７号公報に記載さ
れている。その一例を図６に示す。

【００１３】このパルス電源装置では、磁気スイッチ３
０を構成するコアを複数（この例では三つ）のユニット
コア３１〜３３に分割し、各ユニットコア３１〜３３ご
とにバイアス用巻線３７〜３９を巻き、かつ各バイアス
用巻線３７〜３９ごとにバイアス電源４１〜４３とスイ
ッチ４４〜４６とを設けている。スイッチ用巻線３４
は、例えば各ユニットコア３１〜３３ごとに巻いてい
る。磁気スイッチ３０の出力側にはこの例では負荷１４
を接続している。

【００１４】このパルス電源装置によれば、複数のユニ
ットコア３１〜３３の内の任意のユニットコアのみリセ
ットを行うことが可能であり、リセットを行ったユニッ
トコアのみ逆飽和状態となるため、磁気スイッチ３０の
飽和磁束密度の制御が可能である。従って、異なる出力
電圧、より具体的には初期コンデンサ４への異なる充電
電圧に対しても、任意のユニットコアのみリセットを行
って磁気スイッチ３０の飽和のタイミングを調整するこ
とが可能であり、それによって、原理的には、効率の良
い磁気パルス圧縮が可能である。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ところが上記パルス電
源装置においては、何らかの原因で各段のコンデンサ
（図６の例の場合は１段なのでコンデンサ１０）に残留
電荷があった場合、その残留電荷による電圧が磁気スイ
ッチ３０に加わり、その電圧の極性によっては磁気スイ
ッチ３０を構成するユニットコア３１〜３３が完全また
は不完全に逆飽和する場合がある。

【００１６】特に、負荷１４が、前述したようなパルス
レーザ装置（例えばエキシマレーザ装置）、放電ガス処
理装置（例えば放電殺菌装置）等の放電負荷のような時
変抵抗負荷（時間的に抵抗が変化する負荷）の場合は、
負荷１４とパルス電源装置とのインピーダンス不整合が
起こりやすく、負荷１４に対してパルス放電を行うコン
デンサ（図６の例の場合はコンデンサ１０）に残留電荷
が生じることが多いので、上述した、ユニットコア３１
〜３３が完全または不完全に逆飽和する現象が非常に起
きやすい。

【００１７】しかも、負荷１４における個々の放電現象
のばらつきによる放電インピーダンスのばらつきによっ
て、コンデンサ１０における残留電荷の発生の度合い
も、パルス間（換言すればパルス放電のショット間）に
よってばらつきがある。従って、残留電荷による磁気ス
イッチ３０中のユニットコア３１〜３３の逆飽和の度合
いにもばらつきが生じる。

【００１８】磁気スイッチ３０を構成するユニットコア
３１〜３３に不完全にでも逆飽和が生じた場合は、その
ぶんリセットが不完全になるので、リセット用のバイア
ス電流（これはリセット電流とも言う）を流さないこと
による磁気スイッチ３０の飽和磁束密度の調整効果は減
少する。また、逆飽和にばらつきがあった場合、リセッ
ト用のバイアス電流を流さないユニットコアがあれば、
当該ユニットコアについては逆飽和のばらつきを解消で
きないため、磁気スイッチ３０の飽和のタイミングにば
らつきが生じる。

【００１９】以上のような理由で、図６に示す従来のパ
ルス電源装置では、磁気スイッチ３０の飽和のタイミン
グ調整が不十分になったり、飽和のタイミングそのもの
にばらつき（ジッタ）が生じたりする可能性がある。従
ってその分、磁気パルス圧縮の効果が低下する。

【００２０】そこでこの発明は、複数のユニットコアを
有する磁気スイッチを用いた磁気パルス圧縮回路方式の
パルス電源装置において、コンデンサの残留電荷の影響
を排除して、磁気スイッチの飽和のタイミングを正確に
制御することを可能にすることを主たる目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】この発明のパルス電源装
置は、前記磁気スイッチのバイアス用巻線に前記ユニッ
トコアのリセット用のバイアス電流を流す回路であっ
て、前記磁気スイッチの少なくとも一つのバイアス用巻
線に対して、他のバイアス用巻線に流すリセット用のバ
イアス電流とは逆方向のバイアス電流を流す機能を有す
るバイアス電源回路を備えることを特徴としている。

【００２２】上記のようなバイアス電源回路を備えるこ
とによって、磁気スイッチを構成する複数のユニットコ
アの内で、リセットを行うユニットコア以外のユニット
コアのバイアス用巻線に、リセット用のバイアス電流と
は逆方向のバイアス電流を流すことができる。他のバイ
アス用巻線には、リセット用のバイアス電流を流すこと
ができる。それによって、リセットを行ったユニットコ
アは完全に逆飽和状態になると共に、それ以外のユニッ
トコアは完全に飽和状態に保持される。完全に飽和状態
に保持されるということは、仮にコンデンサに残留電荷
が生じたとしても、当該残留電荷による中途半端な飽和
状態にはならない、即ち残留電荷の影響を受けない、と
いうことである。従って、磁気スイッチの飽和のタイミ
ングを正確に制御することが可能になり、ひいては効率
の良い磁気パルス圧縮が可能になる。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１は、この発明に係るパルス電
源装置の一例を示す回路図である。図４および図６に示
した従来例と同一または相当する部分には同一符号を付
し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明す
る。

【００２４】このパルス電源装置は、前述したようなユ
ニットコア式の磁気スイッチ３０と、この磁気スイッチ
３０のバイアス用巻線３７〜３９にユニットコア３１〜
３３のリセット用のバイアス電流を流すバイアス電源回
路５０とを備えている。バイアス電源回路５０は、磁気
スイッチ３０の少なくとも一つのバイアス用巻線に対し
て、他のバイアス用巻線に流すリセット用のバイアス電
流とは逆方向のバイアス電流を流す機能を有している。

【００２５】より具体的には、図１に示すバイアス電源
回路５０は、磁気スイッチ３０の三つの各バイアス用巻
線３７〜３９にリセット用のバイアス電流をそれぞれ流
す三つのバイアス電源５１〜５３と、当該バイアス電流
供給をそれぞれオンオフする三つのスイッチ５５〜５７
と、各バイアス電源５１〜５３から各バイアス用巻線３
７〜３９に流すバイアス電流をそれぞれ反転する三つの
電流反転手段５９〜６１とを備えている。各電流反転手
段５９〜６１は、例えば電流反転スイッチである。

【００２６】図１の例では、一例として、バイアス用巻
線３９のみに対して、他のバイアス用巻線３７および３
８に流すリセット用のバイアス電流とは逆方向のバイア
ス電流を流すように設定している。但し、各電流反転手
段５９〜６１を切り換えることによって、バイアス用巻
線３７〜３９の内の任意のバイアス用巻線に対して、リ
セット用のバイアス電流とは逆方向のバイアス電流を流
すことができる。

【００２７】上記のようなバイアス電源回路５０を備え
ることによって、磁気スイッチ３０を構成する複数のユ
ニットコア３１〜３３の内で、リセットを行うユニット
コア以外のユニットコアのバイアス用巻線に（図１の例
の場合はバイアス用巻線３９に）、リセット用のバイア
ス電流とは逆方向のバイアス電流を流すことができる。
他のバイアス用巻線３７および３８には、リセット用の
バイアス電流を流すことができる。それによって、リセ
ットを行ったユニットコア（図１の例の場合はユニット
コア３１および３２）は完全に逆飽和状態になると共
に、それ以外のユニットコア（図１の例の場合はユニッ
トコア３３）は完全に飽和状態に保持される。完全に飽
和状態に保持されるということは、仮にコンデンサ１０
中に残留電荷が生じたとしても、当該残留電荷による中
途半端な飽和状態にはならない、即ち残留電荷の影響を
受けない、ということである。換言すれば、前回の放電
後に各ユニットコア３１〜３３がどのような飽和状態に
あったとしても、強制的に、図１の例ではユニットコア
３１および３２は完全に逆飽和状態にリセットされ、ユ
ニットコア３３は完全に飽和状態に移行させられる。従
って、磁気スイッチ３０の飽和のタイミングを、ばらつ
きを生じさせることなく正確に制御することが可能にな
り、ひいては効率の良い磁気パルス圧縮が可能になる。

【００２８】しかも、異なる出力電圧、より具体的には
初期コンデンサ４への異なる充電電圧に対しても、任意
のユニットコアのみリセットを行って磁気スイッチ３０
の飽和のタイミングを調整することが可能であるので、
異なる出力電圧に対しても効率の良い磁気パルス圧縮動
作が可能である。

【００２９】より具体例を説明すると、磁気スイッチ３
０は、例えば各ユニットコア３１〜３３が全て逆飽和の
状態（即ち各バイアス用巻線３７〜３９に正規にリセッ
ト用のバイアス電流を流した状態）において、初期コン
デンサ４の想定される最大充電電圧に対して適正な飽和
のタイミングになるように設定しておけば良い。

【００３０】そして初期コンデンサ４に対する充電電圧
を小さくする場合は、即ちこのパルス電源装置から出力
するパルス電圧を小さくする場合は、それに応じて、ユ
ニットコア３１〜３３の内の一部のユニットコアのバイ
アス用巻線に流すバイアス電流を反転する（即ちリセッ
ト方向とは逆方向に流す）ことにより、磁気スイッチ３
０の飽和のタイミングを適正化することができる。例え
ば、図１の例のようにユニットコアの数が３個で、各ユ
ニットコア３１〜３３の断面積が互いに同一であり、か
つ初期コンデンサ４への最大充電電圧が６０ｋＶの場
合、充電電圧を４０ｋＶにする場合は一つの、２０ｋＶ
にする場合は二つのユニットコアのバイアス電流を反転
すれば良い。

【００３１】バイアス電源回路５０を構成するバイアス
電源を１台にして、それを、磁気スイッチ３０の各ユニ
ットコア３１〜３３のバイアス用巻線３７〜３９への通
電手段に兼用しても良い。そのようにした例を図２に示
す。

【００３２】このバイアス電源回路５０は、磁気スイッ
チ３０の各バイアス用巻線３７〜３９を互いに直列接続
する直列接続手段６２と、この直列接続手段６２によっ
て直列接続された各バイアス用巻線３７〜３９に一括し
てリセット用のバイアス電流を供給する１台のバイアス
電源５４と、バイアス電流供給をオンオフする一つのス
イッチ５８とを備えている。直列接続手段６２は、電流
反転手段を兼ねており、少なくとも一つのバイアス用巻
線に（図２の例の場合はバイアス用巻線３９に）、他の
バイアス用巻線とは逆方向のバイアス電流を流すことが
できる。

【００３３】直列接続手段６２は、例えば、単なる端子
台でも良いし、切換スイッチ等を含んでいても良い。単
なる端子台の場合は、それへの結線の仕方を変えること
によって、どのバイアス用巻線に流す電流を反転させる
かを切り換えることができる。

【００３４】この図２の例は、バイアス電源５４および
スイッチ５８が一つで済むので、バイアス電源回路５０
の構成を簡素化することができるという利点を有してい
る。これに対して図１の例は、各バイアス用巻線３７〜
３９ごとにバイアス電源および電流反転手段を備えてい
るので、バイアス電流を反転させるか否かの切り換えが
容易であるという利点を有している。

【００３５】なお、磁気スイッチ３０のパルス電流が流
れるスイッチ用巻線３４は、各ユニットコア３１〜３３
ごとに個別に巻いても良いし、図３に示す例のように、
全てのユニットコア３１〜３３に一括して巻いても良
い。後者の場合、前者の場合に比べて、スイッチ用巻線
３４とユニットコア３１〜３３との間の電気絶縁等のた
めのデッドスペースが小さくて済むので、磁気スイッチ
３０を小型化することができ、ひいては当該磁気スイッ
チ３０の飽和時のインダクタンスを小さくすることがで
きる。その結果、磁気パルス圧縮効果をより高めること
ができる。なお、図３では、便宜上、スイッチ用巻線３
４およびバイアス用巻線３７〜３９の巻数を実際よりも
少なく表している。

【００３６】磁気スイッチ３０を構成するユニットコア
およびバイアス用巻線の数は、上記例のような三つに限
られるものではなく、複数であれば任意である。

【００３７】各ユニットコアの断面積は、前述した例の
ように互いに同一であっても良いし、互いに同一でなく
ても良い。

【００３８】また出力電圧の調整範囲、即ち初期コンデ
ンサ４への充電電圧の調整範囲等によっては、バイアス
用巻線の電流を反転させないユニットコアがあっても良
い。

【００３９】上記例は、コンデンサ１０と磁気スイッチ
３０とが一つずつの１段の磁気パルス圧縮回路を用いた
例であるが、この発明はそれに限られるものではなく、
コンデンサ１０と磁気スイッチ３０とを複数ずつ有する
多段の磁気パルス圧縮回路の１以上の磁気スイッチ３０
に適用することができる。

【００４０】

【発明の効果】この発明は、上記のとおり構成されてい
るので、次のような効果を奏する。

【００４１】請求項１記載の発明によれば、リセットを
行うユニットコアは完全に逆飽和状態にし、それ以外の
ユニットコアは完全に飽和状態に保持することができる
ので、コンデンサの残留電荷の影響を受けない。従っ
て、磁気スイッチの飽和のタイミングを正確に制御する
ことが可能になり、ひいては効率の良い磁気パルス圧縮
が可能になる。

【００４２】しかも、異なる出力電圧に対しても、任意
のユニットコアのみリセットを行って磁気スイッチの飽
和のタイミングを調整することが可能であるので、異な
る出力電圧に対しても効率の良い磁気パルス圧縮動作が
可能である。

【００４３】請求項２記載の発明によれば、各バイアス
用巻線ごとにバイアス電源および電流反転手段を備えて
いるので、バイアス電流を反転させるか否かの切り換え
が容易であるという更なる効果を奏する。

【００４４】請求項３記載の発明によれば、バイアス電
源が一つで済むので、バイアス電源回路の構成を簡素化
することができるという更なる効果を奏する。

【００４５】請求項４記載の発明によれば、スイッチ用
巻線とユニットコアとの間の電気絶縁等のためのデッド
スペースが小さくて済むので、磁気スイッチを小型化す
ることができ、ひいては当該磁気スイッチの飽和時のイ
ンダクタンスを小さくすることができ、従って磁気パル
ス圧縮効果をより高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係るパルス電源装置の一例を示す回
路図である。

【図２】この発明に係るパルス電源装置の他の例を示す
回路図である。

【図３】ユニットコア式の磁気スイッチの一例を模式的
に示す断面図である。

【図４】磁気パルス圧縮回路の一例を示す回路図であ
る。

【図５】図４中の電圧および電流の波形の一例を示す図
である。

【図６】従来のパルス電源装置の一例を示す回路図であ
る。

【符号の説明】

２ 充電電源 ４ 初期コンデンサ ６ スイッチ １０ コンデンサ １４ 負荷 ３０ 磁気スイッチ ３１〜３３ ユニットコア ３４ スイッチ用巻線 ３７〜３９ バイアス用巻線 ５０ バイアス電源回路 ５１〜５４ バイアス電源 ５５〜５８ スイッチ ５９〜６１ 電流反転手段 ６２ 直列接続手段

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のユニットコアおよび当該各ユニッ
   トコアごとに巻かれたバイアス用巻線を有する磁気スイ
   ッチとコンデンサとを備える磁気パルス圧縮回路方式の
   パルス電源装置において、前記磁気スイッチのバイアス
   用巻線に前記ユニットコアのリセット用のバイアス電流
   を流す回路であって、前記磁気スイッチの少なくとも一
   つのバイアス用巻線に対して、他のバイアス用巻線に流
   すリセット用のバイアス電流とは逆方向のバイアス電流
   を流す機能を有するバイアス電源回路を備えることを特
   徴とするパルス電源装置。
2. 【請求項２】 前記バイアス電源回路が、前記磁気スイ
   ッチの各バイアス用巻線にリセット用のバイアス電流を
   それぞれ供給する複数のバイアス電源と、この各バイア
   ス電源と各バイアス用巻線との間に設けられていて各バ
   イアス電源から各バイアス用巻線に供給するバイアス電
   流をそれぞれ反転させる複数の電流反転手段とを備える
   請求項１記載のパルス電源装置。
3. 【請求項３】 前記バイアス電源回路が、前記磁気スイ
   ッチの各バイアス用巻線を互いに直列接続するものであ
   って、少なくとも一つのバイアス用巻線に他のバイアス
   用巻線とは逆方向のバイアス電流を流すことのできる直
   列接続手段と、この直列接続手段によって直列接続され
   た各バイアス用巻線に一括してリセット用のバイアス電
   流を供給する一つのバイアス電源とを備える請求項１記
   載のパルス電源装置。
4. 【請求項４】 前記磁気スイッチが、前記複数のユニッ
   トコアに一括して巻かれたスイッチ用巻線を有している
   請求項１、２または３記載のパルス電源装置。