JP2004350338A - パルス電源 - Google Patents
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Abstract
【課題】装置の小型化を図りながら、大電流・超短パルスを得る。
【解決手段】初期充電されるコンデンサＣ０から可飽和リアクトルＳＩと半導体スイッチＳＷを通して可飽和トランスＳＴの一次側に高圧パルスを印加し、可飽和トランスの降圧動作で大電流でパルスフォーミングラインＰＦＬを充電し、可飽和トランスの磁気スイッチ動作でダイオードＤを通して負荷ＬＯＡＤに大電流・超短パルスを供給する。
パルスフォーミングラインＰＦＬに代えて、パルスフォーミングネットワークＰＦＮとする構成、ダイオードＤに代えて可飽和リアクトルとする構成、ダイオードまたは可飽和リアクトルに並列に負荷に電離電流を供給するインダクタを設けた構成、パルス発生回路に磁気パルス圧縮回路を設けた構成を含む。
【選択図】 図１
【解決手段】初期充電されるコンデンサＣ０から可飽和リアクトルＳＩと半導体スイッチＳＷを通して可飽和トランスＳＴの一次側に高圧パルスを印加し、可飽和トランスの降圧動作で大電流でパルスフォーミングラインＰＦＬを充電し、可飽和トランスの磁気スイッチ動作でダイオードＤを通して負荷ＬＯＡＤに大電流・超短パルスを供給する。
パルスフォーミングラインＰＦＬに代えて、パルスフォーミングネットワークＰＦＮとする構成、ダイオードＤに代えて可飽和リアクトルとする構成、ダイオードまたは可飽和リアクトルに並列に負荷に電離電流を供給するインダクタを設けた構成、パルス発生回路に磁気パルス圧縮回路を設けた構成を含む。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、極端紫外光発生用のキャピラリー放電やプラズマフォーカス、ピンチプラズマ用の駆動電源として、大電流・超短パルスを発生するパルス電源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パルスレーザ励起やパルスプラズマ発生，パルス脱硝装置等の駆動電源にされるパルス電源には、コンデンサを充電してサイラトロンスイッチやトリガトロンスイッチ等の放電スイッチを用いて直接に高電圧・大電流をスイッチングすることでパルスを発生するものがある。
【０００３】
一方、半導体スイッチで比較的時間幅の大きいパルスを発生して、それを磁気パルス圧縮回路で短パルス化するものがある（例えば、非特許文献１）。さらには、磁気パルス圧縮回路として、分布定数線路あるいは波形整形線路を用いて、高電圧短パルスを発生させるものもある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図７は、半導体スイッチで発生するパルスを可飽和リアクトルを用いて磁気パルス圧縮するパルス電源の回路例を示す。コンデンサＣ０は、高圧直流電源ＨＤＣによって初期充電される。パルストランスＰＴの一次巻線とサイリスタ等の半導体スイッチＳＷとの直列接続回路がコンデンサＣ０に並列接続され、半導体スイッチＳＷの点弧によってパルストランスＰＴにパルス性の一次電流を供給する。
【０００５】
トランスＰＴの二次巻線にはコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３と可飽和リアクトルＳＲ１，ＳＲ２，ＳＲ３からなる３段の磁気パルス圧縮回路が縦続接続で設けられ、パルストランスＰＴで昇圧されたパルス電流に対するパルス圧縮した電流を得、最終段の可飽和リアクトルＳＲ３とレーザ・ヘッドＬＨにパルス圧縮した高電圧・大電流パルスを得る。リアクトルＬは、レーザ・ヘッドＬＨへのプリパルス発生を防止する。
【０００６】
図８は、分布定数線路を使用して磁気パルス圧縮するパルス電源の回路例を示す。図７と同様に、半導体スイッチＳＷのオンによりコンデンサＣ０から可飽和トランスＳＴにパルス電流を供給し、可飽和トランスＳＴの二次側に昇圧したパルス電圧を得る。可飽和トランスＳＴは、非飽和状態で昇圧動作し、この後の飽和状態への移行で磁気スイッチ動作を得る。
【０００７】
可飽和トランスＳＴの二次巻線にはブルームラインＢＬの入力側充電ループの端子ａ−ｂが接続される。ブルームラインＢＬの出力側充電ループの入力端子ｂ−ｃ間には可飽和リアクトルＳＩが接続される。ブルームラインＢＬの出力側充電ループの出力端子には負荷ＬＯＡＤが接続される。
【０００８】
ブルームラインＢＬは、端子ａ−ｂ、ａ−ｃ間に油や純水を満たしたコンデンサを形成し、可飽和トランスＳＴの出力により端子ａ−ｂ、ａ−ｃのコンデンサが並列に充電される。このとき、可飽和リアクトルＳＩは端子ａ−ｃ間を充電する方向にリセット状態（飽和状態）にされ、端子ａ−ｃ間への充電電流には低いインピーダンスを呈して効率良く充電できるようにしておく。
【０００９】
可飽和トランスＳＴの出力によるブルームラインＢＬの充電完了時点で可飽和トランスＳＴが磁気スイッチ動作し（二次側が低インピーダンス）、ブルームラインＢＬから負荷Ｌに矩形波状の電圧（最大値は、可飽和トランスＳＴの出力電圧）を発生すると共に、可飽和リアクトルＳＩがリセット状態から非飽和状態へ移行して高インピーダンスとなり電流の逆流を妨げる。
【００１０】
【非特許文献１】
Ｒ．Ｍ．Ｎｅｓｓ． Ｗ．Ｎ．Ｐａｒｔｉｏ：Ｐｒｏｃ．１３ｔｈ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｐｕｌｓｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｆ．，（２００１）１２６８
【００１１】
【特許文献１】
特開平８−１３０４４３号
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
極端紫外光発生用のプラズマ発生などには、電圧数ｋＶで電流１０ｋＡ以上、パルス幅１００ｎｓ以下の大電流・超短パルスが必要となり、前記のようなパルス電源では最適化構成が困難となる。
【００１３】
すなわち、サイラトロンなどの放電スイッチを利用したパルス電源では、数１０ｋＶ以上の高電圧スイッチには向いているが、比較的電圧の低い数ｋＶで大電流のスイッチには向かない。
【００１４】
一方、磁気パルス圧縮回路をもつパルス電源を極端紫外光発生用のプラズマ発生に利用する場合、立ち上がりの速い大電流パルスを得るには磁気パルス圧縮回路の縦続段数が増加する傾向があり、多数の可飽和リアクトルが必要となって装置全体の大型化を招くし、それらの磁気リセット回路も複雑になる。また、磁気パルス圧縮回路は、ＬＣ共振による正弦波状のパルス波形のため、急峻な立ち上がりが要求されるパルス幅１００ｎｓ以下の超短パルスを得るのが困難となる。
【００１５】
また、ブルームラインＢＬを利用したパルス電源では、ブルームラインＢＬには、高圧パルスが印加される端子ａ−ｂ、ａ−ｃの２層を積層したコンデンサ構成になり、大電流パルス出力のために大容量化を図るにはブルームラインの長さおよび径が非常に大きくなる。
【００１６】
本発明の目的は、装置の小型化を図りながら、大電流・超短パルスを発生できるパルス電源を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題の解決を図るため、従来の磁気パルス圧縮回路やブルームラインに代えて、分布定数線路になるパルスフォーミングラインまたはＬＣ集中定数回路になるパルスフォーミングネットワークを使用したもので、以下の構成を特徴とする。
【００１８】
（１）初期充電されるコンデンサからスイッチを通してパルス電流を発生させ、このパルス電流で可飽和トランスの一次側に高圧パルスを印加する初段パルス発生回路と、
同軸円筒線路または平行平板線路を構成する一対の電極を有し、前記可飽和トランスで降圧した二次側に前記一対の電極の入力端が接続され、該可飽和トランスで降圧したパルス出力で充電され、該可飽和トランスの磁気スイッチ動作で前記一対の電極の出力端から急峻波形に整形したパルス放電を得るパルスフォーミングラインと、
前記パルスフォーミングラインの出力端と負荷との間に設けられ、該パルスフォーミングラインの充電時に前記負荷への電流を阻止し、かつ該パルスフォーミングラインから負荷への放電時の電流路を形成するダイオードまたは可飽和リアクトルとを備えたことを特徴とする。
【００１９】
（２）初期充電されるコンデンサからスイッチを通してパルス電流を発生させ、このパルス電流で可飽和トランスの一次側に高圧パルスを印加する初段パルス発生回路と、
コンデンサとインダクタをはしご状に多段接続したＬＣ集中定数回路に構成され、前記可飽和トランスで降圧した二次側に入力端が接続され、該可飽和トランスで降圧したパルス出力で充電され、該可飽和トランスの磁気スイッチ動作で前記出力端から急峻波形に整形したパルス放電を得るパルスフォーミングネットワークと、
前記パルスフォーミングネットワークの出力端と負荷との間に設けられ、該パルスフォーミングネットワークの充電時に前記負荷への電流を阻止し、かつ該パルスフォーミングネットワークから負荷への放電時の電流路を形成するダイオードまたは可飽和リアクトルとを備えたことを特徴とする。
【００２０】
（３）前記ダイオードまたは可飽和リアクトルに並列に設けられ、前記パルスフォーミングラインまたはパルスフォーミングネットワークの充電時に前記負荷に予備電離電流を供給するインダクタを設けたことを特徴とする。
【００２１】
（４）前記初段パルス発生回路は、前記パルス電流を磁気パルス圧縮して前記可飽和トランスの一次側に高圧パルスを印加する磁気パルス圧縮回路を設けたことを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１は、本実施形態を示す回路構成図（ａ）と電流波形図（ｂ）である。可飽和トランスＳＴと初段エネルギー蓄積用コンデンサＣ０と可飽和リアクトルＳＩ及び半導体スイッチＳＷを直列接続した初段パルス発生回路は、高圧直流電源ＨＤＣによりコンデンサＣ０が初期充電され、この後の半導体スイッチＳＷのオンと可飽和リアクトルＳＩの磁気スイッチ動作でコンデンサＣ０から可飽和トランスＳＴにパルス電流Ｉ０を供給し、可飽和トランスＳＴの二次側に降圧したパルス電流Ｉ１を得る。
【００２３】
半導体スイッチＳＷは、ＧＴＯサイリスタ，ＳＩサイリスタ，ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子とそのゲート制御回路，スナバ回路を有して構成される。なお、半導体スイッチに代えて、サイラトロンなどの放電スイッチとすることもできる。
【００２４】
可飽和リアクトルＳＩは、半導体スイッチＳＷのオン後に磁気スイッチ動作することで、半導体スイッチＳＷのスイッチング損失を軽減する磁気アシストとして設ける。この可飽和リアクトルＳＩおよび後述の可飽和トランスＳＴは、磁心材にフェライト、鉄系およびコバルト系アモルファス合金、鉄系微結晶質合金とし、高角形比（０．８以上）になるものが好ましい。
【００２５】
可飽和トランスＳＴは、１次と２次の巻数比をｎ：１（ｎ＞１）とする降圧トランス構造にされ、非飽和状態で２次側に降圧したパルス電圧を得、この後の磁気飽和状態への移行で磁気スイッチ動作を得る。
【００２６】
可飽和トランスＳＴの二次巻線にはパルスフォーミングラインＰＦＬを接続する。このパルスフォーミングラインＰＦＬは、内側の円筒電極Ｐ１と、これと同軸にされた外側の円筒電極Ｐ２を有し、これら電極Ｐ１，Ｐ２間の磁性材として脱イオン水または絶縁油、もしくは高誘電率の媒質で満たした構成とし、等価的には、単位長当たりで、半径方向に容量成分Ｃ１が形成され、長手方向にインダクタンス成分Ｌ１が形成された分布定数線路になり、比較的短いパルス幅（数１０〜数１００ｎｓ）をもつ急峻波形への整形が可能な構造とする。
【００２７】
なお、パルスフォーミングラインＰＦＬの電極形状としては、電極Ｐ１，Ｐ２が互いに対向した平行平板構成にして分布定数線路を構成することもできる。
【００２８】
パルスフォーミングラインＰＦＬは、その入力側は電極Ｐ１とＰ２の間に可飽和トランスＳＴの二次出力が印加され、出力側は電極Ｐ１とＰ２の間に逆流阻止用ダイオードＤを介して負荷ＬＯＡＤ（例えば、極端紫外光発生用のキャピラリー放電管）が直列接続される。
【００２９】
以上の構成において、可飽和トランスＳＴはパルス電圧が入力されたときには降圧（１／ｎ）した二次出力を得、このパルス電圧によりパルスフォーミングラインＰＦＬの電極Ｐ１，Ｐ２間を充電電流Ｉ１で充電する。この充電電流は、可飽和トランスＳＴが降圧トランスになることから、一次電流Ｉ０をｎ倍した電流増幅になる。また、この充電時にはダイオードＤによって負荷ＬＯＡＤ側への不要な漏れ電流を阻止し、パルスフォーミングラインＰＦＬの充電効率を高める。
【００３０】
この後、可飽和トランスＳＴが飽和動作すると、その磁気スイッチ動作によって、パルスフォーミングラインＰＦＬの充電電荷でダイオードＤを通して負荷ＬＯＡＤに電流Ｉ２のパルス放電を得る。
【００３１】
このパルス放電電流Ｉ２は、可飽和トランスＳＴが降圧トランスになることから、その一次巻線に比べてターン数が１／ｎになる二次巻線がもつ極めて小さいインダクタンスを通して流れ、負荷ＬＯＡＤには大電流で超短パルスを供給することができる。
【００３２】
また、パルスフォーミングラインＰＦＬは、図７のように、可飽和トランスＳＴと負荷ＬＯＡＤとの間に可飽和リアクトルＳＩなどの磁気スイッチ手段が不要になるため、電源と負荷周りの浮遊インダクタンスを低減できる。
【００３３】
（実施形態２）
図２は、本実施形態を示す回路構成図である。本実施形態では、図１のパルスフォーミングラインＰＦＬに代えて、コンデンサＣ１−１〜Ｃ１−ＮとインダクタＬをはしご状に多段接続したＬＣ集中定数回路構成のパルスフォーミングネットワークＰＦＮを設ける。
【００３４】
このパルスフォーミングネットワークは、パルスフォーミングラインＰＦＬと同様に、等価的には分布定数線路になり、比較的短いパルス幅をもつ急峻波形への整形が可能となる。
【００３５】
本実施形態は、図１の場合と同様に、可飽和トランスＳＴを降圧トランスとして大電流化し、パルスフォーミングネットワークＰＦＮによる超短パルス化して負荷ＬＯＡＤに供給することができる。
【００３６】
これに加えて、パルスフォーミングネットワークＰＦＮを使用することで、ＬＣはしご状回路の段数増減、つまりコンデンサＣ１−１〜Ｃ１−ＮとインダクタＬの調整が容易になり、負荷の要求に応じた出力パルス幅の調整が容易になる。しかも、図７の磁気パルス圧縮回路の縦続接続での可飽和リアクトルＳＲ１〜３が不要になり、インダクタとコンデンサで済むことから、装置の小型化を図ることができる。
【００３７】
なお、パルスフォーミングネットワークＰＦＮでは超短パルスを取り扱うため、インダクタＬのインダクタンス値としては極めて小さくなることから、コンデンサＣ１−１〜Ｃ１−Ｎ間を接続する配線で代用することもできる。
【００３８】
（実施形態３）
図３は、本実施形態を示す回路構成図である。本実施形態が図１と異なる部分は、ダイオードＤに代えて、可飽和リアクトルＳＩ１を設けた点にある。
【００３９】
この可飽和リアクトルＳＩ１は、ダイオードＤと同様に、パルスフォーミングラインＰＦＬの充電時に負荷ＬＯＡＤ側への電流を阻止する方向に磁気リセットしておき、パルスフォーミングラインＰＦＬの充電完了時には磁気飽和することで超短パルス電流路を形成する。
【００４０】
本実施形態は、前記までの実施形態と同様の作用効果を得ることができる他、パルスフォーミングラインＰＦＬの充電電圧に対するダイオードＤの耐電圧定格、および負荷に流す大電流に対する導通電流定格が不十分な場合に、これに代えて可飽和リアクトルＳＩ１とすることで、阻止電圧や負荷電流の耐量を高めたパルス電源とすることができる。
【００４１】
（実施形態４）
図４は、本実施形態を示す回路構成図である。本実施形態が図２と異なる部分は、ダイオードＤに代えて、可飽和リアクトルＳＩ１を設けた点にある。
【００４２】
本実施形態は、図３で示す実施形態３と同様に、ダイオードに代えて可飽和リアクトルＳＩ１とすることで、阻止電圧や負荷電流の耐量を高めたパルス電源とすることができる。
【００４３】
（実施形態５）
図５は、本実施形態を示す要部回路構成図である。本実施形態は、前記までの実施形態におけるダイオードＤまたは可飽和リアクトルＳＩ１に並列にバイパス用インダクタＬｂを設ける。
【００４４】
この構成によれば、パルスフォーミングラインＰＦＬまたはパルスフォーミングネットワークＰＦＮの充電時にインダクタＬｂを通して小電流Ｉ１’を負荷ＬＯＡＤに供給することができる。この小電流Ｉ１’を負荷ＬＯＡＤに供給することで、例えば、負荷ＬＯＡＤが極端紫外光発生用のキャピラリー放電やプラズマフォーカスなどを発生させる場合に、主電流の供給前に予備電離電流を供給することを可能にする。
【００４５】
なお、インダクタＬｂのインダクタンス値としては、負荷が必要とする予備電離電流が極めて小さいことから、ダイオードＤや可飽和リアクトルＳＩ１がもつインピーダンスよりも十分に大きくしたものにされ、パルスフォーミングラインＰＦＬ等の充電効率を低下させることはない。
【００４６】
（実施形態６）
図６は、本実施形態を示す回路構成図である。本実施形態は、図１で示す実施形態１の構成において、可飽和トランスＳＴの一次側に１段の磁気パルス圧縮回路を設けたものである。
【００４７】
この磁気パルス圧縮回路は、コンデンサＣと可飽和リアクトルＳＩとで構成され、半導体スイッチＳＷのオンで、可飽和リアクトルＳＩ０が磁気スイッチ動作し、初段コンデンサＣ０からコンデンサＣにパルス電流が流れてそれが充電され、この充電終了時に可飽和リアクトルＳＩが磁気スイッチ動作することでパルス圧縮した電圧を可飽和トランスＳＴに供給する。
【００４８】
この磁気パルス圧縮回路により、図１の構成に比べて、可飽和トランスＳＴには急峻なパルス電圧を印加し、パルスフォーミングラインＰＦＬに要求される性能を軽減すること、換言すればパルスフォーミングラインＰＦＬの長さまたは径を小さくした小型化を図ることができる。
【００４９】
本実施形態は、前記までの実施形態２〜５に適用して、さらには実施形態５を含めた構成にしてパルスフォーミングラインまたはパルスフォーミングネットワークの小型化を図ることができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、分布定数線路になるパルスフォーミングラインまたはＬＣ集中定数回路になるパルスフォーミングネットワークによって急峻波形に整形したパルス放電を得るようにしたため、装置の小型化を図りながら、極端紫外光発生用のキャピラリー放電等の駆動電源にして大電流・超短パルスを発生できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１を示す回路構成と電流波形図。
【図２】本発明の実施形態２を示す回路構成図。
【図３】本発明の実施形態３を示す回路構成図。
【図４】本発明の実施形態４を示す回路構成図。
【図５】本発明の実施形態５を示す要部回路構成図。
【図６】本発明の実施形態６を示す磁気パルス圧縮付回路構成図。
【図７】従来の回路図。
【図８】従来の回路図。
【符号の説明】
ＨＤＣ…直流高圧電源
ＳＷ…半導体スイッチ
ＳＴ…可飽和トランス
ＳＩ、ＳＩ１，ＳＩ２…可飽和リアクトル
Ｄ…ダイオード
Ｌｂ…インダクタ
ＬＯＡＤ…負荷
ＰＦＬ…パルスフォーミングライン
ＰＦＮ…パルスフォーミングネットワーク
【発明の属する技術分野】
本発明は、極端紫外光発生用のキャピラリー放電やプラズマフォーカス、ピンチプラズマ用の駆動電源として、大電流・超短パルスを発生するパルス電源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パルスレーザ励起やパルスプラズマ発生，パルス脱硝装置等の駆動電源にされるパルス電源には、コンデンサを充電してサイラトロンスイッチやトリガトロンスイッチ等の放電スイッチを用いて直接に高電圧・大電流をスイッチングすることでパルスを発生するものがある。
【０００３】
一方、半導体スイッチで比較的時間幅の大きいパルスを発生して、それを磁気パルス圧縮回路で短パルス化するものがある（例えば、非特許文献１）。さらには、磁気パルス圧縮回路として、分布定数線路あるいは波形整形線路を用いて、高電圧短パルスを発生させるものもある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図７は、半導体スイッチで発生するパルスを可飽和リアクトルを用いて磁気パルス圧縮するパルス電源の回路例を示す。コンデンサＣ０は、高圧直流電源ＨＤＣによって初期充電される。パルストランスＰＴの一次巻線とサイリスタ等の半導体スイッチＳＷとの直列接続回路がコンデンサＣ０に並列接続され、半導体スイッチＳＷの点弧によってパルストランスＰＴにパルス性の一次電流を供給する。
【０００５】
トランスＰＴの二次巻線にはコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３と可飽和リアクトルＳＲ１，ＳＲ２，ＳＲ３からなる３段の磁気パルス圧縮回路が縦続接続で設けられ、パルストランスＰＴで昇圧されたパルス電流に対するパルス圧縮した電流を得、最終段の可飽和リアクトルＳＲ３とレーザ・ヘッドＬＨにパルス圧縮した高電圧・大電流パルスを得る。リアクトルＬは、レーザ・ヘッドＬＨへのプリパルス発生を防止する。
【０００６】
図８は、分布定数線路を使用して磁気パルス圧縮するパルス電源の回路例を示す。図７と同様に、半導体スイッチＳＷのオンによりコンデンサＣ０から可飽和トランスＳＴにパルス電流を供給し、可飽和トランスＳＴの二次側に昇圧したパルス電圧を得る。可飽和トランスＳＴは、非飽和状態で昇圧動作し、この後の飽和状態への移行で磁気スイッチ動作を得る。
【０００７】
可飽和トランスＳＴの二次巻線にはブルームラインＢＬの入力側充電ループの端子ａ−ｂが接続される。ブルームラインＢＬの出力側充電ループの入力端子ｂ−ｃ間には可飽和リアクトルＳＩが接続される。ブルームラインＢＬの出力側充電ループの出力端子には負荷ＬＯＡＤが接続される。
【０００８】
ブルームラインＢＬは、端子ａ−ｂ、ａ−ｃ間に油や純水を満たしたコンデンサを形成し、可飽和トランスＳＴの出力により端子ａ−ｂ、ａ−ｃのコンデンサが並列に充電される。このとき、可飽和リアクトルＳＩは端子ａ−ｃ間を充電する方向にリセット状態（飽和状態）にされ、端子ａ−ｃ間への充電電流には低いインピーダンスを呈して効率良く充電できるようにしておく。
【０００９】
可飽和トランスＳＴの出力によるブルームラインＢＬの充電完了時点で可飽和トランスＳＴが磁気スイッチ動作し（二次側が低インピーダンス）、ブルームラインＢＬから負荷Ｌに矩形波状の電圧（最大値は、可飽和トランスＳＴの出力電圧）を発生すると共に、可飽和リアクトルＳＩがリセット状態から非飽和状態へ移行して高インピーダンスとなり電流の逆流を妨げる。
【００１０】
【非特許文献１】
Ｒ．Ｍ．Ｎｅｓｓ． Ｗ．Ｎ．Ｐａｒｔｉｏ：Ｐｒｏｃ．１３ｔｈ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｐｕｌｓｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｆ．，（２００１）１２６８
【００１１】
【特許文献１】
特開平８−１３０４４３号
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
極端紫外光発生用のプラズマ発生などには、電圧数ｋＶで電流１０ｋＡ以上、パルス幅１００ｎｓ以下の大電流・超短パルスが必要となり、前記のようなパルス電源では最適化構成が困難となる。
【００１３】
すなわち、サイラトロンなどの放電スイッチを利用したパルス電源では、数１０ｋＶ以上の高電圧スイッチには向いているが、比較的電圧の低い数ｋＶで大電流のスイッチには向かない。
【００１４】
一方、磁気パルス圧縮回路をもつパルス電源を極端紫外光発生用のプラズマ発生に利用する場合、立ち上がりの速い大電流パルスを得るには磁気パルス圧縮回路の縦続段数が増加する傾向があり、多数の可飽和リアクトルが必要となって装置全体の大型化を招くし、それらの磁気リセット回路も複雑になる。また、磁気パルス圧縮回路は、ＬＣ共振による正弦波状のパルス波形のため、急峻な立ち上がりが要求されるパルス幅１００ｎｓ以下の超短パルスを得るのが困難となる。
【００１５】
また、ブルームラインＢＬを利用したパルス電源では、ブルームラインＢＬには、高圧パルスが印加される端子ａ−ｂ、ａ−ｃの２層を積層したコンデンサ構成になり、大電流パルス出力のために大容量化を図るにはブルームラインの長さおよび径が非常に大きくなる。
【００１６】
本発明の目的は、装置の小型化を図りながら、大電流・超短パルスを発生できるパルス電源を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題の解決を図るため、従来の磁気パルス圧縮回路やブルームラインに代えて、分布定数線路になるパルスフォーミングラインまたはＬＣ集中定数回路になるパルスフォーミングネットワークを使用したもので、以下の構成を特徴とする。
【００１８】
（１）初期充電されるコンデンサからスイッチを通してパルス電流を発生させ、このパルス電流で可飽和トランスの一次側に高圧パルスを印加する初段パルス発生回路と、
同軸円筒線路または平行平板線路を構成する一対の電極を有し、前記可飽和トランスで降圧した二次側に前記一対の電極の入力端が接続され、該可飽和トランスで降圧したパルス出力で充電され、該可飽和トランスの磁気スイッチ動作で前記一対の電極の出力端から急峻波形に整形したパルス放電を得るパルスフォーミングラインと、
前記パルスフォーミングラインの出力端と負荷との間に設けられ、該パルスフォーミングラインの充電時に前記負荷への電流を阻止し、かつ該パルスフォーミングラインから負荷への放電時の電流路を形成するダイオードまたは可飽和リアクトルとを備えたことを特徴とする。
【００１９】
（２）初期充電されるコンデンサからスイッチを通してパルス電流を発生させ、このパルス電流で可飽和トランスの一次側に高圧パルスを印加する初段パルス発生回路と、
コンデンサとインダクタをはしご状に多段接続したＬＣ集中定数回路に構成され、前記可飽和トランスで降圧した二次側に入力端が接続され、該可飽和トランスで降圧したパルス出力で充電され、該可飽和トランスの磁気スイッチ動作で前記出力端から急峻波形に整形したパルス放電を得るパルスフォーミングネットワークと、
前記パルスフォーミングネットワークの出力端と負荷との間に設けられ、該パルスフォーミングネットワークの充電時に前記負荷への電流を阻止し、かつ該パルスフォーミングネットワークから負荷への放電時の電流路を形成するダイオードまたは可飽和リアクトルとを備えたことを特徴とする。
【００２０】
（３）前記ダイオードまたは可飽和リアクトルに並列に設けられ、前記パルスフォーミングラインまたはパルスフォーミングネットワークの充電時に前記負荷に予備電離電流を供給するインダクタを設けたことを特徴とする。
【００２１】
（４）前記初段パルス発生回路は、前記パルス電流を磁気パルス圧縮して前記可飽和トランスの一次側に高圧パルスを印加する磁気パルス圧縮回路を設けたことを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１は、本実施形態を示す回路構成図（ａ）と電流波形図（ｂ）である。可飽和トランスＳＴと初段エネルギー蓄積用コンデンサＣ０と可飽和リアクトルＳＩ及び半導体スイッチＳＷを直列接続した初段パルス発生回路は、高圧直流電源ＨＤＣによりコンデンサＣ０が初期充電され、この後の半導体スイッチＳＷのオンと可飽和リアクトルＳＩの磁気スイッチ動作でコンデンサＣ０から可飽和トランスＳＴにパルス電流Ｉ０を供給し、可飽和トランスＳＴの二次側に降圧したパルス電流Ｉ１を得る。
【００２３】
半導体スイッチＳＷは、ＧＴＯサイリスタ，ＳＩサイリスタ，ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子とそのゲート制御回路，スナバ回路を有して構成される。なお、半導体スイッチに代えて、サイラトロンなどの放電スイッチとすることもできる。
【００２４】
可飽和リアクトルＳＩは、半導体スイッチＳＷのオン後に磁気スイッチ動作することで、半導体スイッチＳＷのスイッチング損失を軽減する磁気アシストとして設ける。この可飽和リアクトルＳＩおよび後述の可飽和トランスＳＴは、磁心材にフェライト、鉄系およびコバルト系アモルファス合金、鉄系微結晶質合金とし、高角形比（０．８以上）になるものが好ましい。
【００２５】
可飽和トランスＳＴは、１次と２次の巻数比をｎ：１（ｎ＞１）とする降圧トランス構造にされ、非飽和状態で２次側に降圧したパルス電圧を得、この後の磁気飽和状態への移行で磁気スイッチ動作を得る。
【００２６】
可飽和トランスＳＴの二次巻線にはパルスフォーミングラインＰＦＬを接続する。このパルスフォーミングラインＰＦＬは、内側の円筒電極Ｐ１と、これと同軸にされた外側の円筒電極Ｐ２を有し、これら電極Ｐ１，Ｐ２間の磁性材として脱イオン水または絶縁油、もしくは高誘電率の媒質で満たした構成とし、等価的には、単位長当たりで、半径方向に容量成分Ｃ１が形成され、長手方向にインダクタンス成分Ｌ１が形成された分布定数線路になり、比較的短いパルス幅（数１０〜数１００ｎｓ）をもつ急峻波形への整形が可能な構造とする。
【００２７】
なお、パルスフォーミングラインＰＦＬの電極形状としては、電極Ｐ１，Ｐ２が互いに対向した平行平板構成にして分布定数線路を構成することもできる。
【００２８】
パルスフォーミングラインＰＦＬは、その入力側は電極Ｐ１とＰ２の間に可飽和トランスＳＴの二次出力が印加され、出力側は電極Ｐ１とＰ２の間に逆流阻止用ダイオードＤを介して負荷ＬＯＡＤ（例えば、極端紫外光発生用のキャピラリー放電管）が直列接続される。
【００２９】
以上の構成において、可飽和トランスＳＴはパルス電圧が入力されたときには降圧（１／ｎ）した二次出力を得、このパルス電圧によりパルスフォーミングラインＰＦＬの電極Ｐ１，Ｐ２間を充電電流Ｉ１で充電する。この充電電流は、可飽和トランスＳＴが降圧トランスになることから、一次電流Ｉ０をｎ倍した電流増幅になる。また、この充電時にはダイオードＤによって負荷ＬＯＡＤ側への不要な漏れ電流を阻止し、パルスフォーミングラインＰＦＬの充電効率を高める。
【００３０】
この後、可飽和トランスＳＴが飽和動作すると、その磁気スイッチ動作によって、パルスフォーミングラインＰＦＬの充電電荷でダイオードＤを通して負荷ＬＯＡＤに電流Ｉ２のパルス放電を得る。
【００３１】
このパルス放電電流Ｉ２は、可飽和トランスＳＴが降圧トランスになることから、その一次巻線に比べてターン数が１／ｎになる二次巻線がもつ極めて小さいインダクタンスを通して流れ、負荷ＬＯＡＤには大電流で超短パルスを供給することができる。
【００３２】
また、パルスフォーミングラインＰＦＬは、図７のように、可飽和トランスＳＴと負荷ＬＯＡＤとの間に可飽和リアクトルＳＩなどの磁気スイッチ手段が不要になるため、電源と負荷周りの浮遊インダクタンスを低減できる。
【００３３】
（実施形態２）
図２は、本実施形態を示す回路構成図である。本実施形態では、図１のパルスフォーミングラインＰＦＬに代えて、コンデンサＣ１−１〜Ｃ１−ＮとインダクタＬをはしご状に多段接続したＬＣ集中定数回路構成のパルスフォーミングネットワークＰＦＮを設ける。
【００３４】
このパルスフォーミングネットワークは、パルスフォーミングラインＰＦＬと同様に、等価的には分布定数線路になり、比較的短いパルス幅をもつ急峻波形への整形が可能となる。
【００３５】
本実施形態は、図１の場合と同様に、可飽和トランスＳＴを降圧トランスとして大電流化し、パルスフォーミングネットワークＰＦＮによる超短パルス化して負荷ＬＯＡＤに供給することができる。
【００３６】
これに加えて、パルスフォーミングネットワークＰＦＮを使用することで、ＬＣはしご状回路の段数増減、つまりコンデンサＣ１−１〜Ｃ１−ＮとインダクタＬの調整が容易になり、負荷の要求に応じた出力パルス幅の調整が容易になる。しかも、図７の磁気パルス圧縮回路の縦続接続での可飽和リアクトルＳＲ１〜３が不要になり、インダクタとコンデンサで済むことから、装置の小型化を図ることができる。
【００３７】
なお、パルスフォーミングネットワークＰＦＮでは超短パルスを取り扱うため、インダクタＬのインダクタンス値としては極めて小さくなることから、コンデンサＣ１−１〜Ｃ１−Ｎ間を接続する配線で代用することもできる。
【００３８】
（実施形態３）
図３は、本実施形態を示す回路構成図である。本実施形態が図１と異なる部分は、ダイオードＤに代えて、可飽和リアクトルＳＩ１を設けた点にある。
【００３９】
この可飽和リアクトルＳＩ１は、ダイオードＤと同様に、パルスフォーミングラインＰＦＬの充電時に負荷ＬＯＡＤ側への電流を阻止する方向に磁気リセットしておき、パルスフォーミングラインＰＦＬの充電完了時には磁気飽和することで超短パルス電流路を形成する。
【００４０】
本実施形態は、前記までの実施形態と同様の作用効果を得ることができる他、パルスフォーミングラインＰＦＬの充電電圧に対するダイオードＤの耐電圧定格、および負荷に流す大電流に対する導通電流定格が不十分な場合に、これに代えて可飽和リアクトルＳＩ１とすることで、阻止電圧や負荷電流の耐量を高めたパルス電源とすることができる。
【００４１】
（実施形態４）
図４は、本実施形態を示す回路構成図である。本実施形態が図２と異なる部分は、ダイオードＤに代えて、可飽和リアクトルＳＩ１を設けた点にある。
【００４２】
本実施形態は、図３で示す実施形態３と同様に、ダイオードに代えて可飽和リアクトルＳＩ１とすることで、阻止電圧や負荷電流の耐量を高めたパルス電源とすることができる。
【００４３】
（実施形態５）
図５は、本実施形態を示す要部回路構成図である。本実施形態は、前記までの実施形態におけるダイオードＤまたは可飽和リアクトルＳＩ１に並列にバイパス用インダクタＬｂを設ける。
【００４４】
この構成によれば、パルスフォーミングラインＰＦＬまたはパルスフォーミングネットワークＰＦＮの充電時にインダクタＬｂを通して小電流Ｉ１’を負荷ＬＯＡＤに供給することができる。この小電流Ｉ１’を負荷ＬＯＡＤに供給することで、例えば、負荷ＬＯＡＤが極端紫外光発生用のキャピラリー放電やプラズマフォーカスなどを発生させる場合に、主電流の供給前に予備電離電流を供給することを可能にする。
【００４５】
なお、インダクタＬｂのインダクタンス値としては、負荷が必要とする予備電離電流が極めて小さいことから、ダイオードＤや可飽和リアクトルＳＩ１がもつインピーダンスよりも十分に大きくしたものにされ、パルスフォーミングラインＰＦＬ等の充電効率を低下させることはない。
【００４６】
（実施形態６）
図６は、本実施形態を示す回路構成図である。本実施形態は、図１で示す実施形態１の構成において、可飽和トランスＳＴの一次側に１段の磁気パルス圧縮回路を設けたものである。
【００４７】
この磁気パルス圧縮回路は、コンデンサＣと可飽和リアクトルＳＩとで構成され、半導体スイッチＳＷのオンで、可飽和リアクトルＳＩ０が磁気スイッチ動作し、初段コンデンサＣ０からコンデンサＣにパルス電流が流れてそれが充電され、この充電終了時に可飽和リアクトルＳＩが磁気スイッチ動作することでパルス圧縮した電圧を可飽和トランスＳＴに供給する。
【００４８】
この磁気パルス圧縮回路により、図１の構成に比べて、可飽和トランスＳＴには急峻なパルス電圧を印加し、パルスフォーミングラインＰＦＬに要求される性能を軽減すること、換言すればパルスフォーミングラインＰＦＬの長さまたは径を小さくした小型化を図ることができる。
【００４９】
本実施形態は、前記までの実施形態２〜５に適用して、さらには実施形態５を含めた構成にしてパルスフォーミングラインまたはパルスフォーミングネットワークの小型化を図ることができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、分布定数線路になるパルスフォーミングラインまたはＬＣ集中定数回路になるパルスフォーミングネットワークによって急峻波形に整形したパルス放電を得るようにしたため、装置の小型化を図りながら、極端紫外光発生用のキャピラリー放電等の駆動電源にして大電流・超短パルスを発生できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１を示す回路構成と電流波形図。
【図２】本発明の実施形態２を示す回路構成図。
【図３】本発明の実施形態３を示す回路構成図。
【図４】本発明の実施形態４を示す回路構成図。
【図５】本発明の実施形態５を示す要部回路構成図。
【図６】本発明の実施形態６を示す磁気パルス圧縮付回路構成図。
【図７】従来の回路図。
【図８】従来の回路図。
【符号の説明】
ＨＤＣ…直流高圧電源
ＳＷ…半導体スイッチ
ＳＴ…可飽和トランス
ＳＩ、ＳＩ１，ＳＩ２…可飽和リアクトル
Ｄ…ダイオード
Ｌｂ…インダクタ
ＬＯＡＤ…負荷
ＰＦＬ…パルスフォーミングライン
ＰＦＮ…パルスフォーミングネットワーク
Claims (4)
- 初期充電されるコンデンサからスイッチを通してパルス電流を発生させ、このパルス電流で可飽和トランスの一次側に高圧パルスを印加する初段パルス発生回路と、
同軸円筒線路または平行平板線路を構成する一対の電極を有し、前記可飽和トランスで降圧した二次側に前記一対の電極の入力端が接続され、該可飽和トランスで降圧したパルス出力で充電され、該可飽和トランスの磁気スイッチ動作で前記一対の電極の出力端から急峻波形に整形したパルス放電を得るパルスフォーミングラインと、
前記パルスフォーミングラインの出力端と負荷との間に設けられ、該パルスフォーミングラインの充電時に前記負荷への電流を阻止し、かつ該パルスフォーミングラインから負荷への放電時の電流路を形成するダイオードまたは可飽和リアクトルとを備えたことを特徴とするパルス電源。 - 初期充電されるコンデンサからスイッチを通してパルス電流を発生させ、このパルス電流で可飽和トランスの一次側に高圧パルスを印加する初段パルス発生回路と、
コンデンサとインダクタをはしご状に多段接続したＬＣ集中定数回路に構成され、前記可飽和トランスで降圧した二次側に入力端が接続され、該可飽和トランスで降圧したパルス出力で充電され、該可飽和トランスの磁気スイッチ動作で前記出力端から急峻波形に整形したパルス放電を得るパルスフォーミングネットワークと、
前記パルスフォーミングネットワークの出力端と負荷との間に設けられ、該パルスフォーミングネットワークの充電時に前記負荷への電流を阻止し、かつ該パルスフォーミングネットワークから負荷への放電時の電流路を形成するダイオードまたは可飽和リアクトルとを備えたことを特徴とするパルス電源。 - 前記ダイオードまたは可飽和リアクトルに並列に設けられ、前記パルスフォーミングラインまたはパルスフォーミングネットワークの充電時に前記負荷に予備電離電流を供給するインダクタを設けたことを特徴とする請求項１または２に記載のパルス電源。
- 前記初段パルス発生回路は、前記パルス電流を磁気パルス圧縮して前記可飽和トランスの一次側に高圧パルスを印加する磁気パルス圧縮回路を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のパルス電源。
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