JP2004194441A - パルス電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】正負両極性の圧縮パルスを容易に得る。
【解決手段】パルス発生回路からのパルス電流をパルストランスＰＴにより昇圧し、このパルス電流を極性切替端子９を介して磁気パルス圧縮回路に供給し、負荷２に狭幅・高電圧のパルス電流を繰り返し供給する。このパルス出力の極性は、極性切替端子９の切替により切り替わる。又、極性切替端子９の切替により、磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルＳＩ１，ＳＩ２のリセット巻線４，５を流れるリセット電流の方向も逆になり、リセットも正常に行われる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、パルス電源装置に関し、特にパルス発生回路と磁気パルス圧縮回路とを用いた高繰り返しパルス電源において、１つのパルス電源で出力を正負両方の極性で発生させる技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のパルス電源においては、特許文献１に示されるように、主回路同士を接続するために端子構造とすることはよくあることであり、また極性を変えるために端子接続を逆にすることもある。しかしながら、高電圧パルスを発生させる磁気パルス圧縮電源回路で１つの装置で正極性パルス電圧と負極性パルス電圧とを簡便に切り替えて出力できるものはほとんど無く、正極性出力専用の電源と負極性出力専用の電源を別々に用意して正負それぞれの出力極性に対応している。特に、リセット回路を持つ磁気パルス圧縮回路を用いた電源においては、１台の電源で正極性と負極性を切り替えて出力できる電源は見当たらない。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２３２７９５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来のパルス電源においては、正負両極性を用いる実験や試験などを同一電源により出力極性を切り替えて行う場合、高繰り返し動作が可能で高電圧・大電流、短パルスを出力可能な電源はほとんどなく、特に磁気パルス圧縮電源では見当たらない。そのために、正極性の電源と負極性の電源を２台用意する必要がある。又、コンデンサを放電してパルスを出力する回路では、逆極性の出力を得るためには、逆極性でのコンデンサ充電を行う充電器と両方向でスイッチングできるスイッチが必要となる。さらに、高繰り返し動作のために半導体スイッチを用いたパルス電源では、上記のように両方向に高速でスイッチングできる半導体素子はほとんど無く、簡素な方法で高速で両方向にスイッチできるスイッチ回路を構成することは困難である。又、磁気パルス圧縮回路を用いる電源においては、磁気スイッチのリセットによるパルス磁界を逆方向に掛ける必要がある。
【０００５】
この発明は上記のような課題を解決するために成されたものであり、正負両極性の出力を容易に得ることができるパルス電源装置を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係るパルス電源装置は、初期充電される初段コンデンサから半導体スイッチのオン制御によりパルス電流を発生させるパルス発生回路と、このパルス電流を可飽和リアクトルとコンデンサとによってパルス幅を圧縮して負荷に供給する磁気パルス圧縮回路と、直流電源から磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルのリセット巻線にリセット電流を供給して可飽和リアクトルの鉄心を逆励磁しておくリセット回路とを備えたパルス電源装置において、パルス発生回路と磁気パルス圧縮回路との間、及びリセット回路の直流電源側とリセット巻線側との間に、正極性出力と負極性出力との切替を行う極性切替端子を設けたものである。
【０００７】
請求項２にかかるパルス電源装置は、パルス発生回路と極性切替端子との間に、パルス電流の昇圧を行うパルストランスを設けたものである。
【０００８】
請求項３に係るパルス電源装置は、パルス発生回路に、半導体スイッチの責務を軽減するための可飽和リアクトルを設けたものである。
【０００９】
請求項４に係るパルス電源装置は、リセット回路の直流電源側と極性切替端子との間に、パルス発生回路の可飽和リアクトルのリセット巻線を設けたものである。
【００１０】
請求項５に係るパルス電源装置は、リセット回路の直流電源側と極性切替端子との間に、パルストランスのリセット巻線を設けたものである。
【００１１】
請求項６に係るパルス電源装置は、極性切替端子の端子コネクタを、パルス発生回路と磁気パルス圧縮回路を有する主回路側の端子コネクタとリセット回路側の端子コネクタとの大きさ又は形状を異ならせたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施形態１
以下、この発明の実施の形態を図面とともに説明する。図１はこの発明の実施形態１によるパルス電源装置の回路図を示し、１は高圧の直流電圧を発生する充電器、２はレーザヘッドのチャンバなどの負荷、ＳＩ０は磁気アシストを行う可飽和リアクトル、ＳＩ１，ＳＩ２はパルス圧縮用の可飽和リアクトル、ＳＷはＧＴＯサイリスタ、ＳＩサイリスタ、ＩＧＢＴ、ＧＣＴなどの半導体スイッチ、ＰＴはリセット式パルストランスであり、可飽和リアクトルＳＩ０，ＳＩ１，ＳＩ２及びパルストランスＰＴに用いる磁性材料は、パルス特性が良いもの、例えば鉄系やコバルト系のアモルファス合金、鉄系の超微結晶質合金、フェライト等とする。Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２は各段のコンデンサであり、初段コンデンサＣ０は有極性あるいは無極性のいずれでもよいが、Ｃ１，Ｃ２は極性を持たないコンデンサとする。充電器１、初段コンデンサＣ０、可飽和リアクトルＳＩ０及び半導体スイッチＳＷによりパルス発生回路が構成され、可飽和リアクトルＳＩ１，ＳＩ２及びコンデンサＣ１，Ｃ２により磁気パルス圧縮回路が構成される。
【００１３】
一方、３〜６は可飽和リアクトルＳＩ０，ＳＩ１，ＳＩ２及びパルストランスＰＴのリセット巻線、７は直流電源、８はダイオード、Ｒは抵抗、Ｌ１はリアクトルである。リセットは一括リセット方式とする。なお、リセット巻線３〜６における矢印はリセット電流の方向を示す。
【００１４】
又、パルストランスＰＴと磁気パルス圧縮回路との間、及びリセット回路のリセット巻線４，５と直流電源７を含むその他の部分との間に極性切替端子９が設けられる。極性切替端子９においては、Ｐ極端子（Ｐ−１，Ｐ−２，Ｐ−Ｒ１，Ｐ−Ｒ２）とＮ極端子（Ｎ−１，Ｎ−２，Ｎ−Ｒ１，Ｎ−Ｒ２）が設けられ、対となるＰ極端子とＮ極端子（例えばＰ−１とＮ−１）は同形状とし、交互に脱着できるようにする。この結果、パルス発生回路、磁気パルス圧縮回路、パルストランスＰＴ及び極性切替端子９により主回路が構成され、またリセット巻線３〜６、直流電源７、ダイオード８、抵抗Ｒ、リアクトルＬ１及び極性切替端子９によりリセット回路が構成される。
【００１５】
図３は極性切替端子９の断面図を示し、パルストランスＰＴ側の端子Ｐ−１，Ｎ−１，Ｐ−Ｒ１，Ｎ−Ｒ１と磁気パルス圧縮回路側の端子Ｐ−２，Ｎ−２，Ｐ−Ｒ２，Ｎ−Ｒ２とは別々の絶縁物１０，１１に取り付けられ、絶縁物１０はねじ１２を介して、また絶縁物１１はモールド材１７及びローレットねじ１３を介して支持部材１４に取り付けられる。各端子のコネクタは主回路側のコネクタ１５とリセット回路側のコネクタ１６とは大きさ又は形状を異ならせ、主回路側とリセット回路側が誤って接続されないようにする。又、主回路側のコネクタ１５とリセット回路側のコネクタ１６とは絶縁する必要があるので、絶縁物１０，１１において大きな間隔を開けるかあるいは絶縁沿面距離を長くするために溝１０ａ，１１ａを設ける。コネクタ１５，１６は、容易に挿抜可能なもの、例えばＢＡＬＳＥＡＬ社製の斜め巻コイルスプリングコンタクト付きコネクタ等を用いる。磁気パルス圧縮回路のコンデンサＣ１側と接続される端子Ｐ−２，Ｎ−２及びリセット巻線４，５と接続される端子Ｐ−Ｒ２，Ｎ−Ｒ２には、フレキシブルなケ−ブルが接続される。
【００１６】
上記構成において、図１は端子Ｐ−１と端子Ｐ−２、同じくＮ−１とＮ−２、Ｐ−Ｒ１とＰ−Ｒ２、Ｎ−Ｒ１とＮ−Ｒ２が接続され、出力パルスが正極性の状態である。パルス発生回路は、電力用の初段コンデンサＣ０を設け、このコンデンサＣ０を高圧充電器１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から可飽和リアクトルＳＩ０を通してパルストランスＰＴにパルス電流Ｉ０を供給する。可飽和リアクトＳＩ０は、半導体スイッチＳＷの完全なオン後に飽和動作してパルス電流Ｉ０を発生させることで半導体スイッチＳＷの責務を軽減する。パルストランスＰＴの二次側には２段の磁気パルス圧縮回路が縦続接続され、初段の磁気パルス圧縮回路ではパルストランスＰＴで昇圧したパルス電流Ｉ０′でコンデンサＣ１が高圧充電され、このコンデンサＣ１の充電電圧で可飽和リアクトルＳＩ１が磁気スイッチ動作することにより磁気パルス圧縮した狭幅のパルス電流Ｉ１を図示の極性で流し、次段の磁気パルス圧縮回路に供給する。即ち、コンデンサＣ２を急速充電し、この充電電圧で可飽和リアクトルＳＩ２の磁気スイッチ動作によりパルス幅の磁気パルス圧縮を行い、パルス電流Ｉ２を図示の極性で出力する。磁気パルス圧縮回路の出力はレーザヘッドのチャンバなどの負荷２に狭幅・高電圧のパルス電流を高い繰り返しで供給する。
【００１７】
一方、可飽和リアクトルＳＩ０，ＳＩ１，ＳＩ２を磁気スイッチ手段として用いると、可飽和リアクトルＳＩ０，ＳＩ１，ＳＩ２は磁気スイッチ動作後に飽和状態から非飽和状態に戻るが、鉄心に残留磁気が存在し、次回の磁気スイッチ動作時にパルス圧縮効果が有効に得られなくなる。このため、鉄心に逆励磁電流を流して磁気リセットを行う必要がある。パルストランスＰＴにおいても、同様である。このリセット回路においては、直流電源７から各リセット巻線３〜６に供給されるリセット電流路に抵抗Ｒ、リアクトルＬ１、ダイオード８が設けられ、抵抗Ｒはリセット巻線３〜６へのリセット電流即ち逆励磁電流の大きさを設定するために設けられ、リアクトルＬ１は可飽和リアクトルＳＩ０、ＳＩ１，ＳＩ２の磁気スイッチ動作時に発生する誘導電流を抑制するために設けられる。ダイオード８にはリセット電流が流れず、ダイオード８は磁気スイッチ動作時の誘導電流を抵抗Ｒ、リアクトルＬ１を介して循環させ、誘導電流が直流電源７に流れるのを阻止するために設けられる。矢印はリセット電流の方向を示す。
【００１８】
ここで、図２に示すように、極性切替端子９を切り替えると、端子Ｐ−１と端子Ｎ−２、Ｎ−１とＰ−２、Ｐ−Ｒ１とＮ−Ｒ２、Ｎ−Ｒ１とＰ−Ｒ２が接続され、主回路においては、パルス電流Ｉ０′，Ｉ１，Ｉ２が逆方向となり、負荷２へのパルスは負極性となる。一方、可飽和リアクトルＳＩ１，ＳＩ２の磁化飽和方向は逆となるので、リセット回路においても極性切替によりリセット巻線４，５を流れるリセット電流の方向も逆にする。
【００１９】
実施形態１においては、コンデンサＣ１の手前で極性切替端子９の切り替えを行うことにより、正負両極性の出力を同一のパルス電源で容易に得ることができる。しかも、可飽和リアクトルＳＩ０，ＳＩ１，ＳＩ２とパルストランスＰＴに極性に応じてリセットが掛けられるので、磁性体の逆バイアス磁化レベルが常に一定に保たれ、安定したパルス圧縮動作が正負両極性で得られる。極性切替は、極性切替端子９においてＰ極端子とＮ極端子を同一形状にすることにより、容易に行うことができる。リセット回路においても、極性切替端子９の切替操作により主回路と同時に極性切替を行うことができる。又、図３に示すように、極性切替端子９において２つの絶縁物１０，１１の部分で電源ユニットを２分割することができ、また絶縁物１０，１１に主回路側端子及びリセット側端子を共通に設けているので、リセット回路側の設置忘れや設置違いを無くすことができる。又、パルス発生回路と磁気パルスとの間の端子コネクタ即ち主回路側のコネクタ１５とリセット回路側のコネクタ１６の大きさ又は形状を相違させており、主回路側とリセット回路側を誤って接続することは防止される。
【００２０】
なお、図３で主回路側のコネクタ１５の数を４個としたが、電流値に応じて増減できる。又、半導体スイッチＳＷは、多数個の素子を直列、並列に接続して形成してもよい。
【００２１】
図４は極性切替端子９の変形例を示し、（ａ），（ｂ）は磁気パルス圧縮回路側の正面図及び縦断側面図であり、Ｐ極側とＮ極側が１つの絶縁物１８に取り付けられてコンパクトに形成されるとともに、主回路側のコネクタ１９及びリセット回路側のコネクタ２０は共に極性切替端子９の中心に対して対称に配置され、パルス発生回路側においても同様の配置となっている。このため、極性切替端子９の一方の側を１８０度回転させれば、容易に逆極性の出力が得られる。又、コネクタ１９，２０は大きさ又は形状が異なり、主回路側とリセット回路側が誤って接続されることはない。なお、絶縁物１８を矩形としたが、円形としてもよい。又，１８ａは各コネクタ１９，２０間の絶縁沿面距離を長くするための溝である。
【００２２】
実施形態２
図５及び図６は実施形態２によるパルス電源装置の正極性出力時および負極性出力時の回路図を示し、実施形態１との相違点は、パルストランスPTのリセット巻線６を無くしたことである。このように、パルストランスPTのリセットは必ずしも行わなくてもよい。その他の構成及び効果は実施形態１と同様である。
【００２３】
実施形態３
図７及び図８は実施形態３によるパルス電源装置の正極性出力時および負極性出力時の回路図を示し、実施形態１との相違点は、可飽和リアクトルSＩ０及びパルストランスPTのリセット巻線３，６を無くしたことである。このように、可飽和リアクトルSI０のリセットは必ずしも行わなくてもよい。その他の構成及び効果は実施形態１と同様である。
【００２４】
実施形態４
図９及び図１０は実施形態４によるパルス電源装置の正極性出力時および負極性出力時の回路図を示し、実施形態１との相違点は、可飽和リアクトルSI０及びそのリセット巻線３を無くし、かつパルストランスPTのリセット巻線６を無くしたことである。可飽和リアクトルSI０は半導体スイッチSWの責務を軽減するために設けてあるが、必ずしも設けなくても良い。その他の構成及び効果は実施形態１と同様である。
【００２５】
実施形態５
図１１及び図１２は実施形態５によるパルス電源装置の正極性出力時および負極性出力時の回路図を示し、実施形態１との相違点は、可飽和リアクトルＳＩ０、パルストランスＰＴ、及びそれぞれのリセット巻線３，６を無くしたことである。パルストランスＰＴはパルスを昇圧するために設けてあるが、必ずしも設けなくても良い。その他の構成及び効果は実施形態１と同様である。
【００２６】
【発明の効果】
以上のようにこの発明の請求項１〜５によれば、パルス発生回路と磁気パルス圧縮回路との間、及びリセット回路の直流電源側とリセット巻線側との間に、正極性出力と負極性出力との切替を行う極性切替端子を設けており、正負両極性の出力を同一のパルス電源で容易に得ることができる。しかも、リセット回路においても同時に極性切替が行われるので、可飽和リアクトル等のリセットが正常に行われ、可飽和リアクトル等の磁化レベルが一定に保たれ、安定したパルス圧縮動作が正負両極性で得られる。
【００２７】
又、請求項６によれば、パルス発生回路と磁気パルス圧縮回路等により構成される主回路側の端子コネクタとリセット回路側の端子コネクタの大きさ又は形状を異ならせており、主回路側とリセット回路側の誤接続を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態１によるパルス電源装置の正極性出力時の回路図である。
【図２】実施形態１によるパルス電源装置の負極性出力時の回路図である。
【図３】実施形態１によるパルス電源装置の極性切替端子の断面図である。
【図４】実施形態１によるパルス電源装置の極性切替端子の変形例を示し、磁気パルス圧縮回路側の正面図及び縦断側面図である。
【図５】実施形態２によるパルス電源装置の正極性出力時の回路図である。
【図６】実施形態２によるパルス電源装置の負極性出力時の回路図である。
【図７】実施形態３によるパルス電源装置の正極性出力時の回路図である。
【図８】実施形態３によるパルス電源装置の負極性出力時の回路図である。
【図９】実施形態４によるパルス電源装置の正極性出力時の回路図である。
【図１０】実施形態４によるパルス電源装置の負極性出力時の回路図である。
【図１１】実施形態５によるパルス電源装置の正極性出力時の回路図である。
【図１２】実施形態５によるパルス電源装置の負極性出力時の回路図である。
【符号の説明】
１…充電器
２…負荷
３〜６…リセット巻線
７…直流電源
８…ダイオード
９…極性切替端子
１５，１９…主回路側コネクタ
１６，２０…リセット回路側コネクタ
ＳＩ０、ＳＩ１、ＳＩ２…可飽和リアクトル
Ｃ０、Ｃ１、Ｃ２…コンデンサ
ＰＴ…パルストランス
ＳＷ…半導体スイッチ
Ｒ…抵抗
Ｌ１…リアクトル

Claims (6)

1. 初期充電される初段コンデンサから半導体スイッチのオン制御によりパルス電流を発生させるパルス発生回路と、このパルス電流を可飽和リアクトルとコンデンサとによってパルス幅を圧縮して負荷に供給する磁気パルス圧縮回路と、直流電源から磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルのリセット巻線にリセット電流を供給して可飽和リアクトルの鉄心を逆励磁しておくリセット回路とを備えたパルス電源装置において、パルス発生回路と磁気パルス圧縮回路との間、及びリセット回路の直流電源側とリセット巻線側との間に、正極性出力と負極性出力との切替を行う極性切替端子を設けたことを特徴とするパルス電源装置。
2. パルス発生回路と極性切替端子との間に、パルス電流の昇圧を行うパルストランスを設けたことを特徴とする請求項１記載のパルス電源装置。
3. パルス発生回路に、半導体スイッチの責務を軽減するための可飽和リアクトルを設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のパルス電源装置。
4. リセット回路の直流電源側と極性切替端子との間に、パルス発生回路の可飽和リアクトルのリセット巻線を設けたことを特徴とする請求項３記載のパルス電源装置。
5. リセット回路の直流電源側と極性切替端子との間に、パルストランスのリセット巻線を設けたことを特徴とする請求項３又は４記載のパルス電源装置。
6. 極性切替端子の端子コネクタを、パルス発生回路と磁気パルス圧縮回路を有する主回路側の端子コネクタとリセット回路側の端子コネクタとの大きさ又は形状を異ならせたことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のパルス電源装置。

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