JP2002134818A - 高電圧発生用スイッチング回路 - Google Patents
高電圧発生用スイッチング回路Info
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Abstract
された複数の半導体スイッチに高繰り返し周波数の高圧
電圧を印加した際、各半導体スイッチに印加される電圧
を均等に振り分け、半導体スイッチの破損を防ぐこと。 【解決手段】 直列に接続された半導体スイッチSW1
〜SW6の放熱用の金属板3は絶縁部材2を介して金属
性の水冷プレート1上に置かれる。各半導体スイッチS
W1〜SW6の端子間にはバランス抵抗R1〜R6が接
続される。また、上記金属板3−絶縁部材2−水冷プレ
ート1に生ずる寄生容量により各半導体スイッチSW1
〜SW6に不均一な電圧が加わるのを防ぐため、各半導
体スイッチSW1〜SW6にコンデンサCa2〜Ca6
を接続する。これにより、バランス抵抗R2〜R6に流
れる電流をほぼ等しくし、半導体スイッチSW1〜SW
6にかかる電圧を均一化することができる。
Description
装置に用いられる磁気パルス圧縮回路を備えた高電圧パ
ルス発生回路のスイッチング回路に関し、さらに詳細に
は、磁気パルス圧縮回路に電荷を移行する複数のスイッ
チング素子に電圧を均等に配分するための回路構成に関
する。
励起型レーザは、放電電極間において短時間に放電を繰
返しパルスレーザを発振する。放電電極には短時間に高
電圧を供給する必要があり、高電圧パルス発生回路が設
けられる。放電励起型レーザ装置に用いる高電圧パルス
発生回路として、磁気パルス圧縮回路が知られている。
図10に、放電励起型レーザ装置に設けられる一般的な
高電圧パルス発生回路の構成を示す。図10の構成は、
可飽和リアクトルからなる磁気スイッチSR2、SR3
を用いた2段の磁気パルス圧縮回路を含む例であり、図
中点線で囲まれた部分が2段の磁気パルス圧縮回路であ
る。この高電圧パルス発生回路の動作を以下に説明す
る。
ら、電荷がコンデンサCoに、インダクタンスL1を介
してチャージされる。 (2) スイッチSWは、半導体スイッチであり、例えばI
GBTが使用される。スイッチSWが閉じられてオンと
なり、コンデンサCo、磁気スイッチSR1、コンデン
サC1、スイッチSWのループに電流が流れ、コンデン
サCoの電荷がコンデンサC1に移行する。 (3) その際、チャージ後のコンデンサCoには20〜3
0kVの高電圧が印可されているので、スイッチオン時
にはスイッチSW(以下、半導体スイッチSWとも称す
る)にも同様の電圧がかかる。半導体スイッチSWのモ
ジュールの定格電圧は、通常、数kVであるため、半導
体スイッチSWのモジュールを複数直列に接続してスイ
ッチ回路を構成する。 (4) コンデンサC1の電圧の時間積分値が磁気スイッチ
SR2の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチ
SR2が飽和して、コンデンサC1、磁気スイッチSR
2、コンデンサC2のループに電流が流れ、コンデンサ
C1の電荷がコンデンサC2に移行する。この時、電流
のパルス幅が圧縮される。パルス幅の圧縮比率は、磁気
スイッチSR2のコアに巻かれる配線のターン数に依存
する。このような回路は磁気パルス圧縮回路と呼ばれ
る。 (5) この後、コンデンサC2における電圧V2の時間積
分値が磁気スイッチSR3の特性で決まる限界値に達す
ると、磁気スイッチSR3が飽和して、コンデンサC
2、ピーキングコンデンサCP、磁気スイッチSR3の
ループに電流が流れ、コンデンサC2の電荷がピーキン
グコンデンサCPに移行し、ピーキングコンデンサCP
が充電される。この時、電流のパルス幅が圧縮される。
パルス幅の圧縮比率は、磁気スイッチSR3のコアに巻
かれる配線のターン数に依存する。ピーキングコンデン
サCPが充電される。 (6) 充電が進むにつれてピーキングコンデンサCPの電
圧VPが上昇し、この電圧VPがある値Vbに達する
と、電極E間のレーザガスが絶縁破壊されて主放電が開
始し、この主放電によりレーザ媒質が励起され、レーザ
光が発生する。なお、主放電が発生する前に、不図示の
予備電離手段により電極E間のレーザ媒質であるレーザ
ガスが予備電離される。 (7) この後、主放電によりピーキングコンデンサCPの
電圧が急速に低下し、やがて充電開始前の状態に戻る。 (8) このような放電動作が半導体スイッチSWのスイッ
チング動作によって繰り返し行なわれることにより、所
定の繰り返し周波数でのパルスレーザ発振が行なわれ
る。
スイッチおよびコンデンサとで構成される各段の容量移
行回路のインダクタンスを後段に行くにつれ小さくなる
ように設定することにより、各段を流れる電流パルスの
ピーク値が順次高くなり、かつ、そのパルス幅が順次狭
くなるようなパルス圧縮動作が行なわれ、電極E間に短
パルスの強い放電が実現される。よって、電極間でグロ
ー放電が安定に維持されて、レーザ発光の安定性が増大
し、また、レーザの発振効率も向上する。近年、露光用
光源として使用されるエキシマレーザは、スループット
増大のため、放電の数kHzでの高繰り返しが要請され
始めている。そのためには、スイッチSWのスイッチン
グ動作を高繰り返しで行なう必要がある。また、磁気パ
ルス圧縮でパルス幅を小さくすることによって、放電電
圧の立ち上がりが早くなり、高繰り返しが可能になると
考えられている。
回路図の一例を示す。図11では、半導体スイッチSW
を6個使用しており、それぞれ半導体スイッチ(以下で
はスイッチング素子ともいう)SW1、SW2…SW6
と表示する。半導体スイッチSW1〜SW6は直列に接
続されている。半導体スイッチSWがOFFの時、直流
高圧電源(充電器:定電流源)からの電圧(例えば15
kV)が、各半導体スイッチSW1〜SW6に2.5k
Vずつ均等にかかるように電圧バランスを取るための抵
抗(バランス抵抗と呼ぶ)R1〜R6(R1=R2=,
…,=R6)が各半導体スイッチSW1〜SW6に並列
に取りつけられている。また、図示しないが、各半導体
スイッチSW1〜SW6には周知のスナバ回路が取り付
けられ、また、各半導体スイッチSW1〜SW6には、
これらを駆動するためのゲート信号が入力される。上記
の半導体スイッチSWは、スイッチング動作中高温にな
るので冷却が必要である。半導体スイッチSWを効率良
く冷却し、小型化できる構造として、本出願人は先に特
願2000−195551号を提案した。
の冷却構造を適用した例を示す。図12において、半導
体スイッチSW1〜SW6は、伝熱性の良い絶縁部材
(セラミック)2を介して金属性の水冷プレート1上に
置かれる。市販されている半導体スイッチSWは、通
常、底面に放熱用の金属板3が取りつけられモールドさ
れている。したがって、半導体スイッチSW1〜SW6
は該金属板を介して上記絶縁部材2上に置かれることに
なる。各半導体スイッチSW1〜SW6の端子間には、
バランス抵抗R1〜R6が接続され、各半導体スイッチ
SW1〜SW6に加わる電圧が等しくなるようにしてい
る。図11、図12の例は、1個のスイッチング素子を
1モジュールとした半導体スイッチを用いた場合である
が、2個のスイッチング素子を1モジュールとした半導
体スイッチも市販されている。図13に上記2個のスイ
ッチング素子を1モジュールとした半導体スイッチを用
いた場合の冷却構造を示す。図13に示すように、半導
体スイッチSW1〜SW6は、2個のスイッチング素子
毎に1モジュール(各モジュールをSWM1〜SWM3
という)内に収納され、各モジュールSWM1〜SWM
3の底面には、モジュール内に収納した各スイッチング
素子に共通の放熱用の金属板3が取り付けられている。
したがって、この場合は、各モジュールSWM1〜SW
M3の金属板3を伝熱性の良い絶縁部材(セラミック)
2を介して金属性の水冷プレート1上に配置する。
に構成した装置に、実際に高電圧電源(充電器)からチ
ャージしたところ、過渡的に各半導体スイッチSW1〜
SW6に、不均一に電圧がかかっていることがわかっ
た。例えば図12のものにおいては、SW1にかかる電
圧は2.3kVであるが、SW2ではそれよりも大き
く、SW3、SW4と徐々に電圧は大きくなり、SW6
は3.2kVの電圧がかかっていた。このような、各半
導体スイッチにかかる電圧が不均一になると、素子の耐
圧電圧を越えることも考えられ、場合によっては素子が
壊れてしまう。本発明は上記事情に鑑みなされたもので
あって、その目的とするところは、絶縁部材を介して金
属性のプレート上に配置された複数の直列接続された半
導体スイッチに、高繰り返し周波数の高圧電圧を印加し
た際、各半導体スイッチに印加される電圧を均等に振り
分け、半導体スイッチの破壊を防ぐことである。
かかる電圧が不均一になる原因を調べた所、半導体スイ
ッチの放熱用の金属板3−絶縁部材2−水冷プレート1
により、寄生容量(ストレイ・キャパシタ)が生じてい
ることがわかった。上記したように、市販の半導体スイ
ッチは、その底面に放熱用の金属板が取りつけられてモ
ールドされている。また、水冷プレートは、金属性であ
り、その中を市水(水道水)相当の冷却水が循環するの
で、接地されていることになる。したがって、半導体ス
イッチの放熱用の金属板−絶縁部材−水冷プレートは、
一種のコンデンサを構成することになる。上記寄生容量
は、主にこの構成によって発生する。なお、水冷プレー
トに替え冷却用のフィン等を用いた場合でも、通常冷却
用のフィンは接地されるので、上記と同様に寄生容量が
生ずる。このため、上記半導体スイッチSW1〜SW6
の直列回路に高繰り返し周波数の高電圧を印加すると、
上記寄生容量を介して電流が流れ、各半導体スイッチS
W1〜SW6に接続されたバランス抵抗R1〜R6に流
れる電流値が異なることとなる。すなわち、高電圧端子
側に近いバランス抵抗に流れる電流は、接地側端子に近
いバランス抵抗に流れる電流より大きくなる。これによ
り各半導体スイッチSW1〜SW6に加わる電圧も変化
し、高電圧端子側に近い半導体スイッチ程、高い電圧が
印加される。
返し周波数が高くなっており、これに伴い、上記半導体
スイッチのオン/オフの繰り返しも早くなり、従来約2
kHzであったものが近年では約4kHzとなってい
る。このため、ピーキングコンデンサCPの充電速度が
速くなり、図14(a)に示すように、約15kVまで
電圧が上昇する時間が従来約350μSであったもの
が、約150μSと早くなった。これに伴い、上記寄生
容量に流れる電流が増加した。例えば前記図13に示し
た2個のスイッチング素子を1モジュールにした半導体
スイッチを用いた回路を例について説明すると、図14
(b)に示すように各モジュールSWM1〜SWM3に
上記寄生容量Cs1,Cs2,Cs3が発生する。ここ
で、寄生容量Cs1,Cs2,Cs3に流れる電流Is
はIs=Cs×(dV/dt)〔Cs:寄生容量〕で表
すことができるので、ピーキングコンデンサCPの充電
速度(dV/dt)が速くなり、図14(a)に示すよ
うに約15kVまで電圧が上昇する時間が350μsか
ら150μsになると、寄生容量Cs1,Cs2,Cs
3には、約2.3倍の電流が流れる。寄生容量による電
流は、図14(b)に示すように、バランス抵抗R2,
R3にはIs1、バランス抵抗R4,R5にはIs1+
Is2、バランス抵抗R6にはIs1+Is2+Is3
が流れるが、各バランス抵抗に流れる寄生電流の差が大
きい程、各半導体スイッチにかかる電圧バランスが悪く
なる。このため、放電励起ガスレーザ装置の繰り返し周
波数が高くなり、ピーキングコンデンサCPの充電速度
が高くなると、各バランス抵抗に流れる寄生電流の差が
大きくなり、各半導体スイッチにかかる電圧バランスが
一層悪くなる。
ては、上記寄生容量によりバランス抵抗に流れる電流を
バイパスするコンデンサを半導体スイッチに接続し、上
記寄生容量による電流がバランス抵抗に流れないように
した。これにより、各バランス抵抗R1〜R6に流れる
電流を等しくすることができ、各半導体スイッチSW1
〜SW6に加わる電圧を等しくすることができる。上記
コンデンサは、接地側に接続された半導体スイッチを除
く他の半導体スイッチに接続されたバランス抵抗に並列
に接続すればよい。これにより、上記寄生容量による電
流を上記コンデンサによりバイパスすることができ、各
バランス抵抗に流れる電流を略等しくすることができ
る。また、前記したように2個のスイッチング素子が1
モジュール内に収納された半導体スイッチを用いる場合
には、1モジュール内に収納された2個のスイッチング
素子にそれぞれ接続されるバランス抵抗の接続点間に、
上記寄生容量に流れる電流をバイパスさせるコンデンサ
を接続してもよい。なお、この場合には、次に述べるよ
うにモジュールの底面に取り付けられた放熱用の金属板
と、該モジュールの各半導体スイッチに接続されたバラ
ンス抵抗の接続点を接続線で接続し同電位とする必要が
ある。
底面に取り付けられた放熱用の金属板は、通常、半導体
スイッチの各端子とは接続されておらず、電位的に浮い
た状態である場合が多い。したがって、半導体スイッチ
の各端子と、上記放熱用の金属板は容量結合されている
こととなり、前記した寄生容量(以下寄生容量Aとい
う)は、金属板−絶縁部材−水冷プレートにより形成さ
れる寄生容量Bだけでなく、上記半導体スイッチの端子
と放熱用金属板間に形成される寄生容量Cにも依存する
こととなる。上記寄生容量Bは金属板の面積と、絶縁部
材の厚さおよび誘電率により定まるが、上記寄生容量C
は半導体スイッチ毎にばらつく可能性がある。上記寄生
容量Cにばらつきがあると、半導体スイッチ毎の寄生容
量Aにばらつきが生ずる。
れた放熱用の金属板と、半導体スイッチの一方の端子
(すなわちバランス抵抗の一方の端子)を接続線により
接続するのが望ましい。例えば、1個のスイッチング素
子を1モジュールとした半導体スイッチを用いる場合
(図12参照)には、各半導体スイッチの接地側に近い
端子と上記放熱用の金属板を接続線で接続し同電位とす
る。また、2個のスイッチング素子を1モジュールとし
た半導体スイッチを用いる場合(図13参照)には、該
モジュール内の2個のスイッチング素子の接続点と上記
放熱用の金属板を接続線で接続する。これにより、放熱
用の金属板と半導体スイッチの端子を同電位とすること
ができ、前記した寄生容量Aは、金属板−絶縁部材−水
冷プレートにより形成される寄生容量Bと等しくなる。
このようにすれば、半導体スイッチ毎の寄生容量のばら
つきを小さくすることができ、また、2個のスイッチン
グ素子の接続点と、上記放熱用の金属板とを接続してい
るので、上記寄生容量Aに加わる電圧もモジュールの中
間電位に定まるので、寄生容量に流れる電流をバイパス
させるためのコンデンサの値を、上記寄生容量Cを実測
することなく定めることができる。
す図であり、同図は前記した図12の冷却構造に本発明
を適用した実施例を示している。図1において、半導体
スイッチSW1〜SW6は直列に接続されており、該直
列回路には前記した直流高圧電源(充電器:定電流源)
から高電圧が印加される。半導体スイッチSW1〜SW
6は、伝熱性の良い絶縁部材(セラミック)2を介して
金属性の水冷プレート1上に置かれる。半導体スイッチ
SW1〜SW6は底面には放熱用の金属板3が取り付け
られており、半導体スイッチSW1〜SW6は該金属板
3を介して上記絶縁部材2上に置かれる。各半導体スイ
ッチSW1〜SW6の端子間には、バランス抵抗R1〜
R6が接続され、該バランス抵抗R1〜R6の内、バラ
ンス抵抗R2〜R6に並列に、前記した寄生容量による
電流をバイパスするためのコンデンサCa2〜Ca6が
接続されている。また、各半導体スイッチSW1〜SW
6の接地側の近い端子と上記金属板3は接続線4により
接続されている。さらに、図示しないが、前記したよう
に各半導体スイッチSW1〜SW6には周知のスナバ回
路が取り付けられ、また、各半導体スイッチSW1〜S
W6には、これらを駆動するためのゲート信号が入力さ
れる。
取り付けていない前記図11の回路において、寄生容量
が生じている様子を模式的に示す。図2において、点線
で示す容量Cs1〜Cs6が、前記した「半導体スイッ
チ素子の金属板」と「絶縁部材」と「水冷プレート等の
金属性のプレート」により生ずる寄生容量である。半導
体スイッチSW1〜SW6には、図2で説明したように
バランス抵抗R1〜R6が取りつけられている。半導体
スイッチSW1〜SW6の直列回路に印加される全体の
電圧はここでは例えば15kVであるとする。半導体ス
イッチSW1〜SW6にはバランス抵抗R1〜R6が設
けられているので、理想的には、各半導体スイッチSW
1〜SW6に均等に電圧が振り分けられるはずであり、
各半導体スイッチSW1〜SW6には電圧は、2.5k
Vずつかかることになる。すなわち、アースからの電位
は、図2の(a) 点において2.5kV、(b) 点において
5.0kV、(c) 点において7.5kV、…、(f) 点に
おいて15kVとなる。
す通り、半導体スイッチSW1〜SW6の端子と放熱用
の金属板3とが接続線により接続されていないので、寄
生容量Cs1が発生し、この寄生容量Cs1にかかる電
圧は、半導体スイッチSW1の両端にかかる電圧の半分
であると考えてよい。したがって、寄生容量Cs1にか
かる電圧は1.25kVになる。Cs2にかかる電圧
は、これに+2.5kVを加算して3.75kV、以下
同様に計算し、Cs6にかかる電圧は、13.75kV
となる。寄生容量がない場合に各バランス抵抗Rに流れ
る電流をIとする。寄生容量がある場合、寄生容量Cs
1に流れる電流をIs1、寄生容量Cs2に流れる電流
をIs2、以下Cs3〜Cs6に流れる電流をIs3〜
Is6とする。寄生容量がある場合、半導体スイッチS
W1の抵抗R1に流れる電流はIであるが、R2に流れ
る電流(即ち(a) 点の電流)はI+Is1、R3に流れ
る電流(即ち(b) 点の電流)はI+Is1+Is2、
…、以下R6に流れる電流(即ち(e) 点の電流)はI+
Is1+Is2+Is3+Is4+Is5となる。ある
半導体スイッチSWnに発生する寄生容量Csnに対応
する電流とその下位の半導体スイッチに発生する電流の
和が、一段高圧側の半導体スイッチSWn+1のバラン
ス抵抗Rn+1に流れる。すなわち、各半導体スイッチ
SW1〜SW6のバランス抵抗R1〜R6に異なる値の
電流が流れるために、各半導体スイッチSW1〜SW6
にかかる電圧が不均一になる。
容量に流れる電流Isnが、バランス抵抗Rn+1に流
れないように、図1に示すように半導体スイッチSWn
+1にコンデンサCan+1を設ける。ここで、例えば
寄生容量Cs1に流れる電流Is1は、Is1=Cs1
×(dV/dt)で表される。Vは寄生容量Cs1にか
かる電圧、dV/dtはその変化速度である。図3に、
上記コンデンサCa2〜Ca6を取り付けた場合の回路
を模式的に示す。ここでは、図1に示したように各半導
体スイッチSW1〜SW6の接地側の端子と放熱用の金
属板3を接続線4で接続した場合について説明する。な
お、図3においては、半導体スイッチSW1の底面の取
り付けられた金属板3が接続線4により半導体スイッチ
SW1の接地側の端子に接続されているので、寄生容量
Cs1は生じないと考えることができる。しかし、半導
体スイッチSW2のエミッタ側から、その底面に取り付
けた金属板に接続した接続線を介して、寄生容量Cs2
に電流Is2が流れ、したがってバランス抵抗R2に電
流Is2が流れる。図3に示すように、半導体スイッチ
SW2に寄生容量Cs2の容量に相当するコンデンサC
a2を取りつければ、電流Is2はコンデンサCa2に
流れ、Is2がバランス抵抗R2に流れないようにする
ことができる。また、寄生容量Cs3には寄生容量Cs
2に比べて2倍の電圧がかかっているので、寄生容量に
流れる電流Is3は、Is3=Cs3×2×(dV/d
t)となる。したがって、電流Is3がバランス抵抗R
3に流れないようにするためには、寄生容量Cs2の2
倍の大きさに相当するコンデンサを取りつければよい
が、バランス抵抗R3には、上記電流Is3に加え寄生
容量Cs2に流れる電流Is2も流れる。すなわち、半
導体スイッチSW3のバランス抵抗R3に流れる寄生容
量による電流は、Is2+Is3である。したがって、
この電流がバランス抵抗R3に流れないようにするため
には、(Cs2+2×Cs3)に相当する容量のコンデ
ンサCa3を、半導体スイッチSW3に取りつける。同
様に、Cs4にはCs2に比べて3倍の電圧がかかって
いるので、寄生容量Cs4に流れる電流Is4は、Is
4=Cs3×3×(dV/dt)となる。したがって、
半導体スイッチSW4のバランス抵抗R4に寄生容量に
よる電流Is2+Is3+Is4が流れないようにする
ためには、半導体スイッチSW4に、(Cs1+2×C
s2+3×Cs3)に相当する容量のコンデンサCa4
を取りつける。以下同様に、各バランス抵抗R5、R6
に、寄生容量による電流が流れないようにするために
は、コンデンサCa5、Ca6の容量を上記のように計
算して求め、半導体スイッチSW5、SW6に取りつけ
る。
静電容量を求める式Cs=ε×(S/D)から計算によ
り求めることができる。ここで、ε:誘電率、S:面
積、D:厚さ、である。具体的には、半導体スイッチS
Wと水冷プレートとの間におかれる絶縁部材の誘電率ε
と厚さD、及び半導体スイッチの金属板の面積Sを代入
すれば計算できる。また、専用の測定器を用いれば静電
容量を実測することもできる。半導体スイッチSW1〜
SW6は同種を使用し、絶縁部材も同材質で同じ大きさ
・厚さのものを使用したとすると、生じる寄生容量Cs
1〜Cs6は同じ大きさになる。ここで、Cs2=Cs
2=…Cs6=50pFとすると、コンデンサCa2〜
Ca6の容量は、上記により求めると以下の値になる。 Ca2=50pF、Ca3=150pF、Ca4=30
0pF、Ca5=500pF、Ca6=750pF
〜SW6の接地側の近い端子と金属板3を接続線4によ
り接続した場合について説明したが、必ずしも上記接続
線4を設ける必要はない。上記接続線4を設けない場
合、各寄生容量には前記図2に示す電圧がかかり、ま
た、図2に示すように寄生容量Cs1が生ずる。したが
って、この場合に各半導体スイッチSW1〜SW6に取
り付けるコンデンサの容量は次のようになる。半導体ス
イッチSW2のバランス抵抗R2には寄生容量Cs1に
よる電流Is1が流れるので、半導体スイッチSW2に
は寄生容量Cs1の容量に相当するコンデンサCa2を
取りつける。また、寄生容量Cs2には寄生容量Cs1
に比べて3倍の電圧がかかっているので、寄生容量に流
れる電流Is2は、Is2=Cs2×3×(dV/d
t)となる。半導体スイッチSW3のバランス抵抗R3
に流れる寄生容量による電流は、Is1+Is2である
ので、半導体スイッチSW3には、(Cs1+3×Cs
2)に相当する容量のコンデンサCa3を取りつける。
同様に、寄生容量Cs3にはCs1に比べて5倍の電圧
がかかっているので、Is3=Cs3×5×(dV/d
t)となる。半導体スイッチSW3のバランス抵抗R3
に流れる寄生容量による電流は、Is1+Is2+Is
3であるので、半導体スイッチSW4に、(Cs1+3
×Cs2+5×Cs3)に相当する容量のコンデンサC
a4を取りつける。以下同様に計算をし、Cs1=Cs
2=…Cs6=50pFとすると、コンデンサCa2〜
Ca6の容量は、以下の値になる。 Ca2=50pF、Ca3=200pF、Ca4=45
0pF、Ca5=800pF、Ca6=1250pF すなわち、各半導体スイッチSW1〜SW6の接地側の
近い端子と金属板3を接続しない場合には、接続線4で
接続した場合より、各半導体スイッチSW1〜S2に接
続するコンデンサ容量は増加する。
り、本実施例は、前記図13に示したように2個のスイ
ッチング素子を1モジュールとした半導体スイッチを用
いた場合の実施例を示している。図4に示すように、半
導体スイッチSW1〜SW6は、2個のスイッチング素
子毎に1モジュール(各モジュールをSWM1〜SWM
3という)内に収納され、各モジュールSWM1〜SW
M3の底面には、モジュール内に収納した各スイッチン
グ素子に共通の放熱用の金属板3が取り付けられてい
る。各モジュールSWM1〜SWM3は該金属板3を介
して上記絶縁部材2上に置かれる。各モジュールSWM
1〜SWM3内に収納された各半導体スイッチSW1〜
SW6の端子間には、バランス抵抗R1〜R6が接続さ
れ、該バランス抵抗R1〜R6の内、バランス抵抗R2
〜R6に並列に、コンデンサCa1〜Ca3が接続され
ている。また、各モジュールSWM1〜SWM3内の半
導体スイッチに並列に接続されたバランス抵抗の接続点
と、各モジュールSWM1〜SWM3の底面に接続され
る金属板3は接続線4で接続されている。なお、図示し
ないが、図1と同様、各半導体スイッチSW1〜SW6
には周知のスナバ回路が取り付けられ、また、各半導体
スイッチSW1〜SW6には、これらを駆動するための
ゲート信号が入力される。
り付けていない前記図13において、寄生容量が生じて
いる様子を模式的に示す。図5に示すように、点線で示
す容量Cs1〜Cs3が、前記した寄生容量であり、3
組のモジュールSWM1〜SWM3内に収納された6個
の半導体スイッチSW1〜SW6により、充電器からの
高電圧(例えば15kV)を分割する。また、寄生容量
Csは各モジュールSWM1〜SWM3に対して生じ、
同図の点線に示すようにそれぞれCs1、Cs2、Cs
3となる。また、各モジュールの寄生容量Cs1〜Cs
3は、各モジュールの中間の電位に対して生じていると
考えられる。即ち、Cs1には2.5kV、Cs2には
7.5kV、Cs3には12.5kVがかかっている。
寄生容量がない場合、各抵抗Rに流れる電流をI、寄生
容量Cs1に流れる電流をIs1、寄生容量Cs2に流
れる電流をIs2、寄生容量Cs3に流れる電流Is3
とする。半導体スイッチSW1の抵抗R1に流れる電流
I1は、I1=Iであり、寄生容量とは無関係である。
半導体スイッチSW2及びSW3の抵抗R2、R3に流
れる電流I2、I3は、I2=I3=I+Is1とな
る。さらに、R4、R5に流れる電流I4、I5は、I
4=I5=I+Is1+Is2となる。R6に流れる電
流I6は、I6=I+Is1+Is2+Is3となる。
ここで前記したように、寄生容量Cs1,Cs2,Cs
3に流れる電流Is1〜Is3は、それぞれ下記のよう
になる。 Is1=Cs1×(dV/dt) Is2=Cs2×3×(dV/dt) Is3=Cs3×5×(dV/dt) したがって、第1の実施例と同様に、図4に示すように
各半導体スイッチSW2〜SW6のバランス抵抗R2〜
R6に並列に、上記寄生容量Cs1,Cs2,Cs3に
よる電流に対応する容量のコンデンサCa1〜Ca3を
取りつければ、バランス抵抗R1〜R6に流れる電流を
略等しくすることができる。
〜Ca3を取り付けた場合の回路を模式的に示す。な
お、図4においては、各モジュールSWM1〜SWM3
内の半導体スイッチに並列に接続されたバランス抵抗の
接続点と、各モジュールSWM1〜SWM3の底面に接
続される金属板3が接続線4で接続されているので、前
記図5と同様、各モジュールの寄生容量Cs1〜Cs3
は、バランス抵抗の接続点、すなわち、各モジュールの
中間の電位に対して生ずる。ここで、Cs1=Cs2=
Cs3=100pFとすると、寄生容量Cs1,Cs
2,Cs3に流れる電流は前記Is1,Is2,Is3
となり、コンデンサCa1〜Ca3の容量は、以下の値
になる。 Ca1=100pF、Ca2=400pF、Ca3=9
00pF 図5に示すようにコンデンサCa1,Ca2,Ca3を
取り付けない場合には、SW1には2.3kV、SW6
には3.2kVという不均一な電圧がかかっていたが、
図4、図6のように構成することにより、半導体スイッ
チSW1〜SW6にほぼ2.5kVずつの均等な電圧を
かけることができた。なお、図4、図6においては、接
続線4によりバランス抵抗の接続点と、金属板3を接続
しているが、必ずしも上記接続線4を設ける必要はな
い。この接続線4を設けない場合でも、前記図5で説明
したように寄生容量Cs1,Cs2,Cs3に加わる電
圧はほぼ変わらないので、各半導体スイッチSW1〜S
W6に並列に接続するコンデンサCa1〜Ca3の容量
はほぼ上記した値となる。但し、前記したように、半導
体スイッチSW1〜SW6のばらつきにより、寄生容量
Cs1,Cs2,Cs3にばらつきがでる可能性があ
る。
り、本実施例は図4に示した2個のスイッチング素子を
1モジュールとした半導体スイッチを用いた場合におい
て、コンデンサCa1,Ca2,Ca3を、1モジュー
ル内に収納された2個のスイッチング素子のバランス抵
抗の接続点と他のモジュール内に収納された2個のスイ
ッチング素子のバランス抵抗の接続点間に接続した実施
例を示している。図7において、半導体スイッチSW1
〜SW6を収納した各モジュールSWM1〜SWM3の
底面には、モジュール内に収納した各スイッチング素子
に共通の放熱用の金属板3が取り付けられており、各モ
ジュールSWM1〜SWM3は該金属板3を介して上記
絶縁部材2上に置かれる。各モジュールSWM1〜SW
M3内に収納された各半導体スイッチSW1〜SW6の
端子間には、バランス抵抗R1〜R6が接続されてい
る。また、バランス抵抗R1,R2の接続点とバランス
抵抗R3,R4の接続点間には、コンデンサCa1が接
続され、バランス抵抗R3,R4の接続点とバランス抵
抗R5,R6の接続点間には、コンデンサCa2が接続
されている。さらに、バランス抵抗R5,R6の接続点
と半導体スイッチSW6の高圧側端子間には、コンデン
サCa3が接続されている。また、各モジュールSW1
〜SW6内の半導体スイッチに並列に接続されたバラン
ス抵抗の接続点と、各モジュールSWM1〜SWM3の
底面に接続される金属板3は接続線4で接続されてい
る。
Cs3に流れる電流Is1〜Is3は、前記図4、図6
と同様、それぞれ下記のようになる。 Is1=Cs1×(dV/dt) Is2=Cs2×3×(dV/dt) Is3=Cs3×5×(dV/dt) また、コンデンサCa1には寄生容量Cs1にかかる電
圧の2倍の電圧が印加され、コンデンサCa2には、寄
生容量Cs2にかかる電圧の2/3の電圧が印加され
る。したがって、例えば、Cs1=Cs2=Cs3=1
00pFとすると、コンデンサCa1〜Ca3の容量
は、以下の値になる。 Ca1=50pF、Ca2=200pF、Ca3=90
0pF
記したように通常、スナバ回路が設けられる(前記した
図1〜図7ではスナバ回路は省略している)。図8にス
ナバ回路の一例を示す。スナバ回路は、半導体スイッチ
SW1,SW2,…のオンになるタイミングのずれをカ
バーするために設けられるものであり、半導体スイッチ
のオンになるタイミングがずれたとき、スナバ回路のコ
ンデンサCにより半導体スイッチの電圧上昇を抑える。
スナバ回路には、通常、図8に示すようにコンデンサC
に直列にダイオードD(もしくは抵抗)が設けられ、半
導体スイッチSW1,SW2,…がオンになってもコン
デンサCに充電された電荷は直ちに放電せず、コンデン
サCに並列に接続された抵抗Rを介してゆっくりと放電
する。このため、スナバ回路のコンデンサCの両端電圧
は、半導体スイッチSW1,SW2,…のオン/オフに
応じて脈動するが、半導体スイッチのオフ時の端子間電
圧に近い値に保たれる。したがって、上記コンデンサC
と抵抗Rによる損失は比較的小さく、図8に示すスナバ
回路の場合には1半導体スイッチ当たりの損失は15W
以下である。上記構成のスナバ回路においては、スナバ
回路のコンデンサCの両端電圧が上記のように半導体ス
イッチSW1,SW2,…のオフ時の端子間電圧に近い
値に保たれているため、半導体スイッチSW1,SW
2,…がオフになりその端子間電圧が上昇するとき、上
記コンデンサCには電流が流れ込まない。このため、上
記構成のスナバ回路のコンデンサCでは、前記した寄生
容量による影響を除去することができない。
らダイオードD(もしくは抵抗)を除去し、半導体スイ
ッチSW1〜SW6に並列に接続されたスナバ用のコン
デンサCにより、各半導体スイッチに印加される電圧を
均一化しようとすると、例えば寄生容量を100pFと
したとき、コンデンサCの容量は、約10000pF程
度となる。ここで、半導体スイッチSW1〜SW6の直
列回路に印加される全体の電圧を15kVとし、各半導
体スイッチSW1〜SW6に均等に電圧が加わるとする
と、半導体スイッチの1素子当たりの電圧は2500V
となる。図9の回路においては、半導体スイッチSW1
〜SW6がオンになると、コンデンサCの電荷が半導体
スイッチSW1〜SW6を介して放電されるため、コン
デンサCのエネルギーは半導体スイッチSW1〜SW6
の損失となる。ここで、1素子当たりの損失Wは、W=
(1/2)×C×V2 で表されるので、各素子に加わる
電圧VをV=2500Vとすると、図9の回路のおける
1素子当たりの損失WはW=(1/2)×10000p
F×(2500V)2 =31.25mJとなる。したが
って、繰り返し周波数が4kHzとすると、31.25
mJ×4kHz=125Wの損失となり、6素子を使用
すると損失の合計は125W×6=750Wとなる。す
なわち、半導体スイッチに並列に接続されたスナバ用の
コンデンサにより、各半導体スイッチに印加される電圧
の均一化を図ると、上記のように損失が非常に大きくな
り、現実的には使用することができない。これに対し、
前記第1〜第3の実施例に示したように、寄生容量に対
応した容量を持つコンデンサを各半導体スイッチに取付
け、各半導体スイッチの電圧を均一化すれば、損失を上
記と比べ著しく小さくすることができる。例えば図4、
図6に示した第2の実施例の場合、コンデンサCa2〜
Ca6を設けることによる損失は次のようになり、図9
の場合と比べ、損失は著しく小さい。 ・半導体スイッチSW6における損失 (1/2)×900pF×25002 =2.8125m
J 4kHz時:11.25W ・半導体スイッチSW4,SW5における損失 (1/2)×400pF×25002 =1.25mJ 4kHz時:5W ・半導体スイッチSW2,SW3における損失 (1/2)×100pF×25002 =0.3125m
J 4kHz時:1.25W ・6素子の合計の損失 11.25+5×2+1.25×2=23.75W
以下の効果を得ることができる。スイッチング素子を、
絶縁部材を介して金属性のプレート上に配置するとスイ
ッチング素子−絶縁部材−金属製プレートにより寄生容
量が発生し、スイッチング素子がオフになるとき、この
寄生容量に電流が流れる。本発明においては、上記寄生
容量に流れる電流をバイパスするコンデンサを各スイッ
チング素子に接続したので、各スイッチング素子に取り
付けたバランス抵抗に流れる電流をほぼ等しくすること
ができ、各スイッチング素子にかかる電圧を等しくする
ことが可能となる。このため、充電器からの高圧電圧
を、スイッチング素子に均等に振り分けることができ、
あるスイッチング素子に耐圧以上の電圧がかかることが
ないので、スイッチング素子の破壊を防ぐことができ
る。特に、高繰り返し周波数のエキシマレーザ、フッ素
レーザ等の放電励起型レーザにおいて、スイッチング素
子の冷却構造により、スイッチング素子と接地間に寄生
容量が生じても、その影響を除去して、充電器からの高
電圧を複数の半導体スイッチに均等に配分することがで
き、スイッチング素子の破壊を防ぐことができる。ま
た、スイッチング素子を効率よく冷却することが可能と
なるので、スイッチング素子の過熱を防止し、素子の小
型化を図ることができる。
子を模式的に示す図である。
を取り付けた場合を示す図である。
子を模式的に示す図である。
を取り付けた場合を示す図である。
サにより、各スイッチング素子に印加される電圧を均一
化する場合を説明する図である。
高電圧パルス発生回路の構成を示す図である。
一例を示す図である。
適用した例を示す図である。
た半導体スイッチを用いた場合の冷却構造を示す図であ
る。
量による電流を説明する図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 直列に接続された複数のスイッチング素
子を有するスイッチ回路と、このスイッチ回路の出力端
に接続された磁気圧縮回路と、この磁気圧縮回路の出力
端に接続された一対の主放電電極とを有する放電励起ガ
スレーザ装置に用いられる高電圧発生用スイッチング回
路であって、 上記複数のスイッチング素子は、その底面に放熱用の金
属板を有し、該金属板は接地された金属性のプレート上
に絶縁部材を介して配置され、 上記複数のスイッチング素子の各々の端子間にはバラン
ス抵抗が並列に接続されており、 上記各々のバランス抵抗には、コンデンサが接続され、 上記コンデンサにより、各スイッチング素子と上記絶縁
部材と上記金属性のプレートにより形成される寄生容量
に流れる電流が上記バランス抵抗に流れないようにバイ
パスし、各々のバランス抵抗に流れる電流を等しくした
ことを特徴とする高電圧発生用スイッチング回路。 - 【請求項2】 上記コンデンサは、各バランス抵抗に並
列に接続されていることを特徴とする請求項1の高電圧
発生用スイッチング回路。 - 【請求項3】 上記バランス抵抗の一方の端子と上記ス
イッチング素子の底面に設けられた放熱用の金属板を接
続線で接続したことを特徴とする請求項1または請求項
2の高電圧発生用スイッチング回路。 - 【請求項4】 上記スイッチング素子は、少なくも2個
のスイッチング素子が共通の放熱用金属板の上に取付け
られたものであり、 上記2個のスイッチング素子にそれぞれ接続されたバラ
ンス抵抗の接続点と上記共通の放熱用金属板が接続線に
より接続され、 上記2個のスイッチング素子のバランス抵抗の各接続点
間に、上記寄生容量に流れる電流が上記バランス抵抗に
流れないようにバイパスするためのコンデンサが接続さ
れていることを特徴とする請求項1の高電圧発生用スイ
ッチング回路。
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---|---|---|---|---|
JP2007104797A (ja) * | 2005-10-04 | 2007-04-19 | Meidensha Corp | パルス電源装置 |
JP2007300732A (ja) * | 2006-04-28 | 2007-11-15 | Nichicon Corp | パルス電源 |
JP2014153129A (ja) * | 2013-02-06 | 2014-08-25 | Keihin Corp | 電圧検出装置 |
JP2019115136A (ja) * | 2017-12-22 | 2019-07-11 | 株式会社明電舎 | パルス電源装置 |
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