JP2001320116A - パルス放電回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザ装置等に使用されるパルス放電回路に
おいて、発振時に消費しきれないエネルギーの反射によ
るスイッチ素子の破壊防止を確実にして寿命の延長を実
現できるパルス放電回路を実現すること。 【解決手段】 充電電源１０に電力用半導体スイッチ素
子１３を接続し、該スイッチ素子の両端にはパルストラ
ンスＰＴの一次側巻線とチャージングキャパシタ１２と
の直列接続回路を接続し、パルストランスの二次側巻線
にはパルスの幅を圧縮するための磁気パルス圧縮部Ｅと
放電用の電極部Ｆとを接続して成るパルス放電回路にお
いて、チャージングキャパシタに直列に磁気スイッチ５
を挿入接続すると共に、前記スイッチ素子に直列にダイ
オードＤｐを挿入接続した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はパルス放電回路に関
する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ装置に使用されている従来の電力
用半導体スイッチ素子を用いたパルス放電回路につい
て、図２を用いて説明する。従来のパルス放電回路は、
パルス発生部Ｄと、磁気パルス圧縮部Ｅと、電極部Ｆと
で構成されている。

【０００３】パルス発生部Ｄは、充電電源１０に対して
直列に接続された抵抗１４及び電力用半導体スイッチ素
子１３と、抵抗１４と電力用半導体スイッチ素子１３の
アノードとの接続点に一端を接続した磁気アシスト１１
と、磁気アシスト１１の他端に接続したチャージングキ
ャパシタ１２と、磁気アシスト１１及びチャージングキ
ャパシタ１２を介して電力用半導体スイッチ素子１３の
両端に一次側巻線を接続したパルストランスＰＴとで構
成されている。パルストランスＰＴには、巻数比１：８
〜１：１２程度のものが使用される。

【０００４】磁気パルス圧縮部Ｅは、パルストランスＰ
Ｔの二次側巻線から得られるパルスをより急峻に圧縮す
るためのものである。磁気パルス圧縮部Ｅは、互いに並
列に接続されたｎ段のキャパシタ１５−１〜１５−ｎ
と、各段の間に接続されたｎ個の磁気スイッチ１６−１
〜１６−ｎと、各磁気スイッチをリセットするためのｎ
個のリセット回路１７−１〜１７−ｎとで構成されてい
る。電極部Ｆは、ピーキングキャパシタ１８と電極（予
備電離を含む）１９とで構成される。

【０００５】このパルス放電回路の動作は、以下の通り
である。充電電源１０からチャージングキャパシタ１２
に貯えられたエネルギーを、電力用半導体スイッチ素子
１３にトリガ信号を与えてオンすることによってパルス
を発生させる。発生されたパルスを、パルストランスＰ
Ｔの巻数比（通常１：１０程度）に応じて昇圧し、磁気
パルス圧縮部Ｅへ移行させる。磁気パルス圧縮部Ｅで
は、昇圧されたパルスをｎ段のキャパシタ１５−１〜１
５−ｎ及びｎ個の磁気スイッチ１６−１〜１６−ｎによ
り所定のパルス幅まで圧縮する。圧縮されたパルスをピ
ーキングキャパシタ１８へ移行させ、電極１９において
放電させる。

【０００６】ここで、磁気アシストについて説明する。
磁気アシストはコアに巻線を巻回して作製され、その作
製方法、動作は磁気スイッチのそれと同じであるが、挿
入目的、設計方法が異なる。

【０００７】磁気アシストの場合、挿入目的は半導体ス
イッチ素子の損失を低減することにある。すなわち、図
３に示されるように、半導体スイッチ素子のターンオン
時に電圧が十分に低下してから電流を流すことによっ
て、Ｖ×Ｉ（損失）を減らす動作をする。図３におい
て、磁気アシストが無い場合、電流は破線のように流れ
るので、この時の損失（Ｖ×Ｉ）は電圧と電流とが重な
っている部分の面積となる。そして、大電力をスイッチ
ングする場合、電圧、電流の値はｋＶ、ｋＡのオーダと
なるのでスイッチング時間が短くても損失（Ｖ×Ｉ）の
値は無視できなくなる。なお、時間ΔＴは、以下の式で
設計される。

【０００８】ΔＴ＝（ΔＢ・Ｎ・Ｓ）／Ｖ 但し、ΔＢは磁束密度の変化量、Ｎは巻線の巻数、Ｓは
コアの断面積、Ｖは磁気アシストに加わる電圧である。
設計の際、時間ΔＴは半導体スイッチ素子のスイッチン
グ時間より大きい値で設計する。いずれにしても、磁気
アシストを挿入すると、磁性体のヒステリシス特性によ
り流れる電流を遅らせることができ、流れる電流は図３
において実線で示すようになる。その結果、損失（Ｖ×
Ｉ）を十分に小さくすることができる。

【０００９】次に、磁気スイッチとそのリセット回路に
ついて説明する。リセット回路は、磁気スイッチにおけ
る磁性体の磁束密度の変化量をできるだけ多くするため
に、あらかじめ飽和電流が流れる方向と逆方向に電流を
流す回路である。

【００１０】図４は磁性体のヒステリシス特性を示して
おり、磁気スイッチがオンするまでの時間Δｔは、前述
した式と同じ、 Δｔ＝（ΔＢ・Ｎ・Ｓ）／Ｖ で表される。この場合、時間Δｔは磁気スイッチのコア
の磁束密度の変化量ΔＢに比例する。一方、磁界Ｈは以
下の式で表される。

【００１１】Ｈ＝（Ｎ・Ｉ）／Ｌ 但し、Ｉは電流、Ｌは磁性体の平均磁路長である。この
式から、磁界Ｈは電流Ｉに比例する。

【００１２】上記の点から、より小さい磁気スイッチで
十分なスイッチ待ち時間を得るためには、ΔＢを大きく
することが必要となる。このために、リセット回路（定
電流源）を接続し、あらかじめコアをリセットするよう
にしている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、通常のレー
ザ装置においては、投入エネルギーの一部は放電によっ
て消費されず、反射エネルギーとなりパルス放電回路で
構成されるＬＣＲ減衰共振によって消費される。その
際、従来のパルス放電回路の構成では、負荷によって消
費されないエネルギーがパルス発生部Ｄ内に戻り、電力
用半導体スイッチ素子１３に逆電流となって現れる。

【００１４】また、繰り返し動作周波数の大きいレーザ
装置の場合、前ショットでの残留ガスにより不安定アー
ク放電が起り、その際の反射エネルギーは大きいものと
なる。電力用半導体スイッチ素子のほとんどは、逆方向
電流増加率（ｄｉ／ｄｔ）が順方向に比べ小さいという
特性を持っており、このような逆電流により電力用半導
体スイッチ素子及びそのゲート駆動回路が破壊してしま
うおそれがある。

【００１５】一方、電力用半導体スイッチ素子に代えて
サイラトロン等の電子管を使用した場合、逆電流は電子
管電極の劣化及び破壊を招き、寿命を短くしてしまうと
いう欠点がある。

【００１６】そこで、本発明の課題は、レーザ装置等に
使用されるパルス放電回路において、発振時に消費しき
れないエネルギーの反射によるスイッチ素子の破壊防止
を確実にして寿命の延長を実現できるパルス放電回路を
実現することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、充電電源にス
イッチ素子を接続し、該スイッチ素子の両端にはパルス
トランスの一次側巻線とチャージングキャパシタとの直
列接続回路を接続し、前記パルストランスの二次側巻線
には該二次側巻線に得られるパルスの幅を圧縮するため
の磁気パルス圧縮部と放電用の電極部とを接続して成る
パルス放電回路において、前記チャージングキャパシタ
に直列に磁気スイッチを挿入接続すると共に、前記スイ
ッチ素子に直列にダイオードを挿入接続したことを特徴
とする。

【００１８】なお、前記スイッチ素子には、電力用半導
体スイッチ素子あるいは電子管が使用されている。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１を参照して、本発明によるパ
ルス放電回路の実施の形態について説明する。回路構成
としては、図２に示した従来例とほぼ同じであるが、パ
ルス発生部Ａにおける磁気アシスト１１に代えて磁気ス
イッチ５を設けると共に、電力用半導体スイッチ素子１
３に、新たに高速回復ダイオードと呼ばれるタイプのダ
イオードＤｐを直列に挿入接続した点に特徴を有する。
なお、電力用半導体スイッチ素子１３に代えてサイラト
ロン等の電子管が用いられる場合もある。ダイオードＤ
ｐは、高周波整流用の高耐圧特性を持つシリコンダイオ
ードが望ましい。

【００２０】本形態で使用される磁気スイッチ５は、図
２における磁気アシスト１１とは異なる。すなわち、そ
の挿入目的は、直列に接続されているダイオードＤｐの
逆回復時間中に電流が流れることを防ぐことにある。ま
た、通常、半導体スイッチ素子のオン時間よりもダイオ
ードの逆回復時間の方が長いので、磁気アシストの効果
も兼ねている。このため、上記の時間ΔＴは、半導体ス
イッチ素子のスイッチング時間ではなく、ダイオードＤ
ｐの逆回復時間として設計される。

【００２１】本パルス放電回路の場合、回路動作として
は、放電に到るまでは従来例の場合と同様に動作し、パ
ルス発生部Ａによりパルスを発生し、磁気パルス圧縮部
Ｅで所定のパルス幅に圧縮し、電極部Ｆへとエネルギー
を伝送する。

【００２２】一方、反射エネルギーがパルス発生部Ａに
戻ろうとする際には、パルス発生部ＡにはダイオードＤ
ｐが挿入接続されていることにより、パルストランスＰ
Ｔにおける二次側（電極部Ｆ側から見たパルス発生部）
がオープンになり、パルストランスＰＴがパルストラン
スとしてではなく、磁気スイッチ１６−１〜１６−ｎと
同様の磁気スイッチとして作用する。

【００２３】この時、磁気スイッチの電圧保持能力は、
そこにおいて使用されている磁性材料（通常はフェライ
ト、アモルファス等）のトロイダルコアの断面積と巻数
の積で決まる。そして、パルストランスＰＴの場合、そ
の巻数は電圧昇圧のために多いので電圧保持能力は磁気
スイッチよりもパルストランスＰＴの方が大きくなる。
よって、反射エネルギーは、磁気スイッチ１６−１の飽
和により再び磁気パルス圧縮部Ｅへと移行していく。す
なわち、投入したエネルギーは一旦、磁気パルス圧縮部
Ｅへと移行すると、すべて磁気パルス圧縮部Ｅ及び電極
部Ｆで消費するようになり、反射エネルギーによるパル
ス発生部Ａ内の電力用半導体スイッチ素子１３（あるい
はサイラトロンのような電子管）に流れようとする逆電
流を防止できるようになる。

【００２４】しかしながら、厳密に言えば、通常のレー
ザ装置において電極に一様なグロー放電を起させるため
には、数百ｎｓｅｃの幅のパルスを電極に与えなければ
ならないので、パルス発生部Ａ内でパルスが発生してか
ら放電に到るまでの時間は、約１μｓｅｃ程度である。
また、不安定アーク放電が起きた場合、放電後反射して
エネルギーが戻ってくるまでの時間も約１μｓｅｃ程度
ということになる。

【００２５】このような高速ＬＣ共振動作においてダイ
オードＤｐを挿入した場合であっても、順方向電流が流
れた後、その逆回復時間中はｐ−ｎ接合間に残留電荷が
残るので、完全に阻止状態を形成することができない時
間帯がある。この場合、反射エネルギーの大部分は、パ
ルス発生部Ａに戻ってきてしまい、逆電流によって電力
用半導体スイッチ素子１３及びそのゲート駆動回路を破
壊してしまう場合がある。同様に、サイラトロン等の電
子管を使用した場合においては、逆電流によって電子管
電極の劣化及び破壊を招き、寿命を短くしてしまう場合
がある。

【００２６】これに対し、パルス発生部Ａにダイオード
Ｄｐと磁気スイッチ５との組合わせを備えていることに
より、不安定アーク放電による反射エネルギーがパルス
発生部Ａ内へ戻ってくるのを完全に防ぐことができ、以
下の効果を有する。

【００２７】１）高速なＬＣ共振動作で反射してくるエ
ネルギーに起因する逆電流に対して、ダイオードＤｐの
逆回復時間中については磁気スイッチ５の磁気ダイオー
ド効果によって阻止を行い、その後、阻止状態の回復し
たダイオードＤｐによって阻止を行うことにより、パル
ス発生部Ａに反射エネルギーが戻るのを確実に防止する
ことができる。

【００２８】２）パルス発生部Ａ内の電力用半導体スイ
ッチ素子１３をオンした時に発生するスイッチ損失を磁
気スイッチ５の磁気アシスト効果によって低減すること
ができる。これにより、パルス発生部Ａ内の電力用半導
体スイッチ素子１３あるいはサイラトロン等の電子管に
流れる逆電流を確実に防止できるようになり、電力用半
導体スイッチ素子１３及びそのゲート駆動回路の破壊防
止あるいはサイラトロン等の電子管の寿命延長を実現で
きる。

【００２９】本発明は、レーザ装置ばかりではなく、高
電圧パルスを必要とする装置全般に適用可能であり、例
えばパルスイオン源、プラズマ電源、電気集塵機等に適
用可能である。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、パルス放電回路におい
て発振時に消費しきれないエネルギーの反射によるスイ
ッチ素子の破壊防止を確実にして寿命の延長を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるパルス放電回路の回路図である。

【図２】従来のパルス放電回路を示した図である。

【図３】磁気アシストの機能を説明するための図であ
る。

【図４】磁気スイッチとそのリセット回路の機能を説明
するための図である。

【符号の説明】

１１ 磁気アシスト １２ チャージングキャパシタ ＰＴ パルストランス ５、１６−１、１６−ｎ 磁気スイッチ １９ 電極 Ｄｐ ダイオード

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 充電電源にスイッチ素子を接続し、該ス
   イッチ素子の両端にはパルストランスの一次側巻線とチ
   ャージングキャパシタとの直列接続回路を接続し、前記
   パルストランスの二次側巻線には該二次側巻線に得られ
   るパルスの幅を圧縮するための磁気パルス圧縮部と放電
   用の電極部とを接続して成るパルス放電回路において、
   前記チャージングキャパシタに直列に磁気スイッチを挿
   入接続すると共に、前記スイッチ素子に直列にダイオー
   ドを挿入接続したことを特徴とするパルス放電回路。
2. 【請求項２】 請求項１記載のパルス放電回路におい
   て、前記スイッチ素子は、電力用半導体スイッチ素子あ
   るいは電子管であることを特徴とするパルス発生回路。