JP2007536890A - 固体スイッチを用いた高電圧パルス電源 - Google Patents

Abstract

高電圧パルスを発生するシステムおよび方法。充電コンデンサを並列に充電し、直列に放電することができるように、一連の電圧セルを接続する。各セルは、主スイッチとリターン・スイッチとを含む。主スイッチがオンになると、セル内のコンデンサは直列となり放電する。主スイッチがオフとなり、リターン・スイッチがオンになると、コンデンサは並列に充電される。パルスの発生を阻害することなく、１つ以上のセルをインアクティブにすることができる。電圧セルによって、振幅、期間、立ち上がり時間、および立ち下がり時間を制御することができる。また、各電圧セルは、各電圧セルから見た浮遊容量と一致させる平衡回路も含む。

Description

本発明は、高電圧パルスの発生システムおよび方法に関する。更に特定すれば、本発明は、固体スイッチ（ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｓｗｉｔｃｈ）によって制御する高電圧パルスを発生するシステムおよび方法に関する。

高電圧パルスを供給することができるパルス電源を必要とする用途は数多くある。分光計、加速度計、レーダ送信機、高インピーダンス電子銃、イオン・チューブ、液体分極セル（ｌｉｑｕｉｄ ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ ｃｅｌｌ）等は、高電圧パルスを必要とする用途の例である。従来のシステムでは、パルス電源は、高電圧パルス形成ネットワーク、およびスパーク・ギャップ（ｓｐａｒｋ ｇａｐ）またはサイラトロン（ｔｈｙｒａｔｒｏｎ）のようなある種のスイッチを用いている。

これらの種類のパルス電源は、マルクス発電機（Ｍａｒｘ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）の原理を用いて作成される場合が多い。一般に、マルクス発電機は、１群のコンデンサを並列に充電し、次いで直列にコンデンサを放電することによって、電圧パルスを発生する。図１において、充電電圧１０１をパルス形成ネットワーク１００に印加する。多段コンデンサ１０４は、抵抗器１０２を介して並列に充電される。スパーク・ギャップ１０６は、ある条件が満たされるまで、コンデンサ１０４が負荷１０８に放電することを防止する。

コンデンサ１０４が十分に充電されると、通例、最も狭いギャップの絶縁破壊が可能となる、即ち、誘発される。最も狭いギャップの絶縁破壊が誘発されると、２つのコンデンサは事実上直列となり、次のギャップが絶縁破壊する。非常に迅速に、全てのギャップが絶縁破壊する。このプロセスの結果、コンデンサ１０４は直列に接続され、電圧パルスが発生し、負荷１０８に供給される。マルクス発電機のコンデンサ１０４は、インダクタまたは一連の変圧器を用いても充電することができる。他の例では、抵抗器１０２がインダクタで置き換えられる。また、スパーク・ギャップは、例えば、サイラトロンのようなスイッチで置き換えることもできる。

マルクス発電機は並列に充電されるので、追加の充電区間を追加することによって、電圧パルスの大きさを増大させることができる。しかしながら、互いに積層することができる区間の数は、事実上浮遊容量によって制限されることがわかっている。パルス形成ネットワークにおいて区間の数が増加するに連れて、接地に対する浮遊容量も増大する。浮遊容量の効果の１つに、電流の方向が接地に対して方向転換させられることがあげられる。また、浮遊容量は電圧パルスの立ち上がり時間および／または立ち下がり時間にも悪影響を及ぼす。したがって、浮遊容量によって、パルス発生器内に含ませることができる区間の数が制限されることになる。

また、浮遊容量は、個々の区間の電圧にも影響を及ぼす可能性がある。加えて、１つの区間から見た浮遊容量は、通常、マルクス発電機の他の区間から見た浮遊容量とは異なる。浮遊容量はパルス発生器の各区間を通じて均衡していないので、区間の一部では電圧が高くなり、したがって誤動作を起こす場合がある。殆どのシステムは浮遊容量の影響を受けるが、パルス発生器においてコンデンサを充電するために必要なインダクタ、抵抗器、変圧器、および絶縁電源も浮遊容量をパルス発生器に付加する。言い換えると、従来のパルス発生器の構成部品は、システムに余分な浮遊容量を混入させ、更に互いに好適に接続可能な区間の数を減少させる。

マルクス発電機は高電圧を発生するために用いられることが多いので、これらはサイズおよび重量双方が非常に大きくなる可能性がある。加えて、マルクス発電機により数百キロボルトを発電する場合、オイルを用いなければならない。オイルは、通例必要であるが、望ましくない場合が多い。従来のパルス電源またはマルクス発電機は、大型で高価であることが多く、浮遊容量による制約があり、それらの信頼性を低下させる（サイラトロンのような）構成部品を用いている。

上記およびその他の制限は、電圧パルスの発生システムおよび方法に関する本発明の実施形態によって克服する。本発明の一実施形態では、比較的電圧要件が低い直列電圧セルを互いに直列に積層することができ、各電圧セルは、オンおよびオフに切り換えることができる（固体スイッチのような）スイッチと直列に接続されているコンデンサを含む。多数の電圧セルを接続してパルス発生器を形成する場合、１つ以上のスイッチを用いて電圧セルのコンデンサを並列に充電し、直列に放電する。主スイッチは、少なくとも、コンデンサを放電するために用いられ、リターン・スイッチは、少なくともコンデンサを充電するために用いられる。

電圧セルを積層する場合、例えば、複数のコンデンサおよび複数の主スイッチを直列に接続する。主スイッチをオフにすると、複数のコンデンサは互いに分離される。主スイッチをオンにすると、複数のコンデンサは直列に接続され、電圧パルスが発生する。主スイッチがオフのとき、リターン・スイッチをオンにすると、電圧セル内のコンデンサを充電する電流の帰還経路を設けることができる。このように、主スイッチがオンのときにリターン・スイッチをオフにして、コンデンサを負荷に対して放電させる。コンデンサは、インダクタ、抵抗器、または絶縁電源を用いることなく充電することができ、これによって、従来のマルクス発電機に伴う浮遊容量の一部を低減させることができるという利点がある。加えて、スイッチは、インダクタ、抵抗器、絶縁電源、またはステップ・ダウン電源を用いることなく、補助電源の使用によって駆動することができる。

各電圧セルにおけるコンデンサは、ダイオード・ストリング電源線を通じて充電することができる。充電電流のための帰還経路は、リターン・スイッチを経由して設けられる。コンデンサが充電している最中、または充電されるとき、連続する複数のコンデンサの間に配置された主スイッチはオフ状態にあり、複数のコンデンサが直列に放電するのを防止する。主スイッチをオンにすると、複数のコンデンサは直列に接続され、放電する。放電の間、リターン・スイッチはオフになる。コンデンサを再度充電するには、主スイッチをオフにして、リターン・スイッチを再度オンにする。一実施形態では、放電の間もリターン・スイッチをオンにすると、浮遊容量が放電する経路が設けられることにより、パルスの立ち下がり時間が短縮するのを促進することができる。

また、電圧セルは、正または負の電圧パルスのいずれでも発生するように構成することができる。一実施形態では、双極パルス発生器は、正のパルスを発生するように構成された一連の電圧セルを含むコンデンサ・バンクを有し、負のパルスを発生するように構成された一連の電圧セルを含むコンデンサ・バンクと接続することができる。この双極パルス発生器は、同時に、双方の電圧セルグループにおけるコンデンサの全てを充電することができる。それぞれのコンデンサ・バンクにおけるスイッチは、一方のコンデンサグループを放電させ、正または負のいずれかのパルスを発生するように制御することができる。加えて、直列に充電するように構成された電圧セルを追加して、垂下制御を行い、発生した電圧パルスの形状を制御することもできる。

また、各電圧セルは、当該電圧セルから見た浮遊容量を均衡させる平衡回路も含むことができる。一連の電圧セルにおける各電圧セルは異なる浮遊容量を「見込む」ので、電圧セルから見た浮遊容量を一致させるように平衡回路を調整することができる。これは、各セルの電圧を均衡させるという利点がある。

電圧セルは、どの電圧セルをアクティブにするか制御することによって、電圧パルスを調節するために用いることができる。言い換えると、１つ以上の電圧セルをインアクティブにすると、電圧パルスを発生できることには影響を及ぼさずに、電圧パルスを変化させることができる。同時に、特定のセルが不良となっても、パルス発生器がパルスを発生できなくなることはない。このように、本発明の実施形態は、電圧パルスの振幅、電圧パルスの期間、即ち電圧パルスの幅、電圧パルスの立ち上がりおよび立ち下がり時間等、あるいはその組み合わせを制御することができる。

本発明の更に別の特徴および利点は、以下に記載された説明及びその説明から自明であり、本発明の実施によって得ることができる。本発明の特徴および利点は、添付した特許請求の範囲に特定して指摘されている手段および組み合わせによって実現および収得することができる。本発明のこれらおよびその他の特徴は、以下の説明および添付した特許請求の範囲から一層明らかとなり、以下に記載する本発明の実施によって習得することもできる。

本発明の利点および特徴を得るための手段を説明するために、先に端的に述べた本発明について、添付図面に示すその具体的な実施形態を参照しながら、更に具体的な説明を行う。これらの図面は本発明の典型的な実施形態のみを図示し、したがってその範囲を限定するように解釈すべきではない。以下、本発明を、更に具体的にそして詳細に、添付図面を通じて説明する。

本発明は、電圧パルスの発生システムおよび方法に関する。本発明の実施形態は、電圧パルスの振幅、電圧パルスの期間即ち電圧パルスの幅、電圧パルスの立ち上がり時間、電圧パルスの立ち下がり時間等、あるいはそのいずれの組み合わせでも制御することができる。

本発明の実施形態は、その典型では、コンデンサおよびスイッチの双方を直列に有する電圧セルを含む。一連の電圧セルにおける最初および最後の電圧セルは、負荷を制御するように適合させることができる。また、殆どの電圧セルには、リターン・スイッチも含まれる。リターン・スイッチは、ダイオード・チェーンまたはダイオード・チェーン電源線を通じて供給される充電電流の経路を設ける。リターン・スイッチは、従来のパルス発生器において広く用いられているインダクタ、抵抗器、絶縁電源の使用を不要とするという利点がある。スイッチ駆動回路には、補助ダイオード・チェーンを通じてエネルギも供給され、これによって、スイッチ駆動回路に補助電力を供給するために必要であったインダクタ、抵抗器、絶縁電源、およびステップ・ダウン電源が不要となる。また、これらの構成部品が不要となるので、ここに記載するシステムおよび方法に伴う、接地への浮遊容量が減少し、直列に積層することができる電圧セルまたは電圧部の数を増やすことが可能となる。

図２は、高電圧パルスを発生して負荷に供給するパルス発生器またはシステムの一実施形態のブロック図である。更に特定すれば、システム２００は、高電圧パルスを発生し負荷２０６に供給する。システム２００は、スイッチ・コンデンサ・バンク（ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｂａｎｋ）２０２が１つ以上のコンデンサ即ち複数の電圧セル２１０を含み、これらは直列に配列される。複数の電圧セル２１０は、負荷２０６に電圧パルスとして供給するエネルギを蓄積するために用いられる。

複数の電圧セル２１０は、複数のスイッチ２１２と連動し、該複数のスイッチ２１２は、複数のスイッチ・ドライバ２０４によって制御される。複数の制御信号２０８を制御することにより、複数のスイッチ・ドライバ２０４は、複数のスイッチ２１２をオン／オフに切り換えることができる。複数のスイッチ２１２の状態は、複数の電圧セル２１０が充電しているかまたは負荷２０６を介して放電しているかを決定する。一実施形態では、直列に接続する電圧セルを増加させることができるように、浮遊容量の効果を低減する。直列に接続することができる電圧セルが増加するので、低い電圧の電圧源を用いても、発生するパルス電圧の電圧を高くすることができる。また、スイッチ・ドライバの定格電圧を下げることも可能となる。その結果、パルス発生器のコストが低下しサイズが縮小する。

システム２００の一実施形態では、複数のスイッチ２１２の状態を制御することにより、電圧セルを並列に充電し、直列に放電する。システム２００の利点の１つは、１つ以上の電圧セル２１０が不良となっても、システム２００が高電圧パルスを負荷２０６に供給することが妨げられないことである。システム２００は、正の電圧パルスを供給し、負の電圧パルスを供給し、あるいは正または負のいずれかの電圧パルス（双極出力）を供給するように構成することができる。加えて、制御信号２０８は、電圧パルスの期間、電圧パルスの大きさ、電圧パルスの立ち上がり時間等、あるいはその組み合わせを制御するために用いることができる。一実施形態では、複数の制御信号を、任意に、複数のスイッチ・ドライバ２０４に結合してもよい。

図３Ａは、高電圧パルスを蓄積し、および／または負荷に供給するシステムの一実施形態の図を示す。図３Ａは、直列に接続されている数個の電圧セルを示すが、これよりも多いまたは少ない電圧セルを含み得ることを当業者は理解し得る。各電圧セルは同様に構成され、（ｉ）コンデンサを並列に、または他の電圧セルとは独立して充電し、（ｉｉ）コンデンサを直列に放電するように、共に動作する。

例えば、電圧セル３６２は、この例では、電荷を蓄積するために用いられるコンデンサ３６６を含む。同時に、電圧セル３７４におけるコンデンサ３７８も電荷を蓄積している。電荷を蓄積しているとき、スイッチ３６４および３７６（ならびに他の電圧セルにおける同様のスイッチ）はオフになっている。このため、コンデンサ３６６および３７８は、並列に、または独立して充電することができる。

コンデンサ３６６および３７８は、電源線３８８によって充電され、スイッチ３６４および３７６がオフになっているので、リターン・スイッチ３６８および３８０をオンにして、電源線３８８を通じて供給される充電電流の帰還経路を設ける。図３Ｂに示すように、電源線３８８はダイオード・ストリングであり、通常、電圧セルを分離するために１つ以上のダイオードを含む。スイッチ駆動回路３７０および３８２は、それぞれ、スイッチ３６４および３７６の状態を制御する。スイッチ駆動回路３７２および３８４は、それぞれ、リターン・スイッチ３６８および３８０の状態を制御する。制御線３９０は、スイッチ３６４および３７６の状態、ならびにリターン・スイッチ３６８、３８０の状態を制御するために用いることができる。

スイッチ３６４、３７６をオンにして、リターン・スイッチ３６８、３８０をオフにすると、コンデンサ３６６、３７８が直列に接続されて負荷３９２に放電を行う。言い換えると、コンデンサ３６６、３７８を直列に接続し放電することにより、高電圧パルスが発生して負荷３９２に印加される。スイッチ３６４、３７６をオフにすると、パルスが消滅する。このように、スイッチ３６４、３７６を制御することによってパルスの期間を制御することができる。ある特定の電圧セルが機能しない場合、電源線３８８は、パルスの供給中に電流が辿り得る経路の一例となる。言い換えると、機能していない電圧セルが、パルスの発生及びパルスの負荷３９２への供給を妨げることはない。

図３Ｂは、高電圧パルス発生器の一実施形態を示す。この実施形態は、３つの電圧セルを含むが、前述のように、これよりも多いまたは少ない段を含み得ることは、当業者は理解し得る。この例では、コンデンサ３１０、３１４、および３１８が電荷を蓄積する。電荷を蓄積するには、スイッチ３０８、３１２、および３１６をオフ状態に切り換える。

コンデンサ３１０、３１４、および３１８を充電するとき、リターン・スイッチ３３２、３３４、および３３６はオン状態にあり、主スイッチ３０８、３１２、および３１６はオフになっている。経路３２６は、コンデンサ３１８を充電する電源３０４からの電流の経路を例示する。同時に、電源３０４は、経路３２４を通じて電流を供給し、コンデンサ３１４を充電する。経路３２４は、コンデンサ３１４を通過した後、接続部３３０を経由してリターン・スイッチ３３６を通過する。ダイオード３２０およびリターン・スイッチ３３４を通過する同様の経路を用いて、コンデンサ３１０を充電する。コンデンサ３１０を充電する電流は、接続部３２８を通過し、次いでリターン・スイッチ３３４および３３６を通過する。ダイオード３２０および３２２は、電源３０４をパルスから絶縁し、放電中に電流が負荷３０６に確実に流れるようにする。同時に、これらのダイオードは、機能していないいずれのダイオード・セルも、パルスが迂回できるようにする。

コンデンサの放電中、スイッチ駆動回路３３８、３４２、および３４６にそれぞれ供給されている制御信号を用いて、スイッチ３０８、３１２、および３１６をオンにする。同時に、制御信号をスイッチ駆動回路３４０、３４４、および３４８に供給して、リターン・スイッチ３３２、３３４、および３３６をオフにする。リターン・スイッチ３３２、３３４、および３３６をオフにすると、放電電流はリターン・スイッチを介して流れずに、負荷３０６に供給される。

図３Ｂに示すように、接続部３２８は、ワイヤまたは短絡として示されており、一方接続部３３０はインダクタとして示されている。通常、電圧セルにおける接続部の全ては同一であるが、この例では、本発明の更に別の実施形態を記載するために、２種類の接続部を示している。接続部が接続部３３０のようにインダクタである場合、スイッチ３１６をオンにするときとリターン・スイッチをオフにするときとの間のタイミングを遅らせることができる。誘導性接続部３３０は、パルスの先縁の立ち上がり時間を長くすることができる。

例えば、スイッチ３０８、３１２、および３１６をオンにし、リターン・スイッチ３３２、３３４、および３３６もオンにすると、電流は、接続部３３０のような、誘導性接続部内に結集し始める。インダクタンスを発生させた後、リターン・スイッチ３３２、３３４、および３３６をオフにする。これにより、スイッチ３０８、３１２、および３１６をオフにする際、およびリターン・スイッチ３３２、３３４、および３３６をオンにする際に遅延が生ずる。次いで、誘導性接続部３３０に蓄積されたエネルギは、コンデンサ２１０、３１４、および３１８から放電されるエネルギに追加される。誘導性接続部３３０の誘導性エネルギを、コンデンサ３１０、３１４、および３１８に蓄積されている容量性エネルギと組み合わせることによって、電圧パルスの立ち上がり時間が速くなる。しかしながら、誘導性接続部は、スイッチ３０８、３１２、および３１６をオン状態に切り換えるときと、スイッチ３３２、３３４、および３３６をオフ状態に切り換えるときとの間に遅延を組み入れる必要はないことを、当業者は理解し得る。

パルス発生器が高電圧パルスを終了する準備ができると、通常、スイッチ３０８、３１２、および３１６はオフされる。高電圧パルスの立ち下がり時間は、リターン・スイッチ３３２、３３４、および３３６をオンにすることによって改善することができる。リターン・スイッチによって経路を開放することにより、浮遊容量および／または負荷容量を放電するのに役立ち、これによって高電圧パルスの立ち下がり時間を改善することができる。

図４は、多数の電圧セル（ここでは、段または区間とも呼ぶ）を含むパルス発生器のブロック図を示す。図４に示すパルス発生器の例は、正の電圧パルスを発生する。図４は、電圧セル４７４、４７２、４７０、および４６８を示し、これらは、前述のように、スイッチ駆動回路４４８、４５２、４５６、および４６０によって制御される主スイッチ４１４、４１６、４１８、および４２０、ならびにスイッチ駆動回路４４６、４５０、４５４、および４５８によって制御されるリターン・スイッチ４３８、４４０、４４２、および４４４を用いて接続される。この例では、電源線４０４からの帰還経路は、リターン・スイッチを介した充電コンデンサ４２２、４２４、４２６、および４２６からの誘導性接続部４１５、４１７、および４１９を含む。

図４は、更に、補助経路４７３も含む。補助経路４７３は、電源４６６がスイッチ駆動回路４４６、４４８、４５０、４５２、４５４、４５６、４５８、および４６０（４４６〜４６０）に電力を供給するために用いられる。補助経路４７２は、補助ダイオード４７６、４７８、４８０、および４８２（４７６〜４８２）を含む。補助ダイオード４７６〜４８２は、電源４６６を分離するのに役立ち、パルスを負荷４０２に供給するのに役立つ。

補助ダイオード・ストリングは、補助ダイオード４７６〜４８２を含み、ダイオード・ストリングにおける各ダイオードの電圧降下を表す。したがって、特定の段において得られる電圧は、ダイオード・ストリングにおけるダイオードの順方向電圧降下による影響を受ける。補助電源４６６が供給する電圧は、単にダイオードの順方向電圧降下および／または充電スイッチの電圧降下を克服するために十分な電圧を供給するに過ぎない。多数の電圧セルが含まれる場合、昇圧電圧源を含ませて、適当な電圧レベルを得るようにするとよい。

スイッチ駆動回路またはスイッチ４４６〜４６０は、一実施形態では、当技術分野において公知のいずれの種類のソリッド・ステート・スイッチでも可能である。バイポーラ接合トランジスタ、電界効果トランジスタ、ＩＧＢＴ、ダーリントン・バイポーラ・トランジスタ、ソリッド・ステート・トランジスタ等は、ここに記載するように用いることができるスイッチの例である。各電圧セルは、主スイッチに１つのスイッチ駆動回路、そしてリターン・スイッチに１つのスイッチ駆動回路を含む。例えば、電圧セル４６８は、主スイッチ４１４を制御するために用いられるスイッチ駆動回路４４８を含む。この例では、主スイッチ４１４のゲートは、スイッチ駆動回路４４８によって制御される。スイッチ駆動回路４４６は、リターン・スイッチ４３８の状態を制御する。

スイッチ駆動回路４４６〜４６０に得られる電圧は、連続するスイッチ駆動回路において、ダイオード・ストリングにおける前段のダイオード間およびスイッチの電圧降下によって減少することが多い。各スイッチ駆動回路は、接地からまたは前段の電圧セルから駆動することができる。一実施形態では、ＤＣ−ＤＣ変換器を用いて適当な電圧を供給することもできる。他の実施形態では、スイッチ駆動回路を光学的に接地から結合する。

エネルギ蓄積コンデンサ４２２、４２４、４２６、および４２８は、ダイオード４０６、４０８、４１０、および４１２、ならびにリターン・スイッチによって充電される。このようにコンデンサを充電することにより、従来のマルクス発電機では一般的であるインダクタ、抵抗器、および絶縁電源の使用が不要となる。加えて、スイッチを駆動するために必要なエネルギも、補助経路４７３においてダイオード・ストリングを通じて供給することができ、他の場合には必要であったインダクタ、抵抗器、あるいは絶縁電源またはステップ・ダウン電源の使用が不要となる。スイッチは、一例として、光ファイバ結合、変圧器結合、または補助電力ダイオードによって動作を開始させることができる。

ダイオード４０６、４０８、４１０、および４１２を含むダイオード・ストリングには様々な利点がある。第１に、ダイオード・ストリングは、パルスの間、各電圧セル即ち電圧段を他の電圧セル即ち電圧セル段から絶縁する。また、ダイオード・ストリングは、スイッチのある特定のセルがオンになっていないまたは遅延している場合、当該電圧セル即ち電圧セル段を迂回する代わりの電流路にもなる。ダイオード・ストリングは、電圧セルが遅延していてもまたは不良であっても、電圧パルスを供給することを可能にする。

更に、図４は、平衡回路４３０、４３２、４３４、および４３６も示す。各平衡回路は、通例、抵抗器と直列のコンデンサを含み、各平衡回路は接地への浮遊容量を均衡化する。平衡回路における容量は、電圧パルスの立ち上がり時間および立ち下がり時間の期間において区間毎に等しく電圧を分配するのに役立つ。特定の電圧セルに伴う接地への浮遊容量は、通常、パルス変圧器の他の電圧セルに伴う接地への浮遊容量とは異なるので、各電圧セルの容量および／または抵抗は、当該電圧セルが「見込む」浮遊容量と一致するように調整することができる。つまり、平衡回路４３０の容量は、平衡回路４３２、４３４、および４３６の容量とは異なることも可能である。各平衡回路における抵抗は、浮遊インダクタンスおよび／または浮遊容量のリンギングを低減するのに役立つ。

電源４６２は、負荷４０２の高電圧端において電力源を設けることができる。例えば、負荷４０２がパルス・チューブ（ｐｕｌｓｅｄ ｔｕｂｅ）である場合、電源４６２はパルス・チューブのフィラメントまたはヒータのために電力を供給することができる。このように、電源４６２は、追加の機器を用いることなく、高電圧端において電源を供給する。

図５は、パルス発生器の別の実施形態を示す。図５は、図４に示したパルス発生器と同様であり、図５におけるパルス発生器は負の電圧パルスを発生するのに対して、図４のパルス発生器は正のパルスを発生するという相違がある。充電ダイオード５０２、５０４、５０６、５０８、および５１０、ならびに補助ダイオード５１２、５１４、５１６、および５１８は、負電源５００、５２０に対応するように構成されている。スイッチおよびリターン・スイッチも負の電源に適応されている。

図６は、双極出力を有するパルス発生器の実施形態を示す。言い換えると、図６に示すパルス発生器６００は、正および負両種類の電圧パルスを発生することができる。双極パルスは、正電圧パルスを発生するように構成された電圧セルを、負電圧パルスを発生するように構成された電圧セルと直列に積層することによって発生することができる。

図６において、正電圧セル６１８は正型電圧パルスを発生し、負電圧セル６２０は負型電圧パルスを発生する。電圧セル６１８は、電圧セル６２０と直列である。この例では、ダイオード・ストリング６０２は、電圧セル６１８においてコンデンサを充電するために用いられ、接続部６０６を経由して、電圧セル６２０の帰還配線スイッチ・ストリング６０４と接続されている。同様に、ダイオード・ストリング６１０は、電圧セル６２０においてコンデンサを充電するために用いられ、接続部６０８を経由して、電圧セル６１８の帰還配線スイッチ・ストリング６２２と直列に接続されている。反転ＤＣ?ＤＣ電源６１２を用いて、負電源補助ダイオード・ストリング６１４が、正電源補助ダイオード・ストリング６１６と接続されている。正電圧セル６１８および負電圧セル６２０におけるコンデンサは全て、同時に充電することができる。

図７は、垂下補正（ｄｒｏｏｐ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）を含むパルス発生器の一実施形態を示す。更に特定すれば、図７は、負型パルス発生器のための垂下補正を示す。図７に示すパルス発生器の実施形態は、前述のような複数の電圧セル７１４を含む。この例では、電圧セル７１４は、一連のセル７０２と接続されているが、これらのセル７０２は電圧セル７１４とは異なる。

この例では、電圧セル７０２は、これらが直列に充電し並列に放電するように構成されている。スイッチ駆動回路７０８、７１６、７１８、７２０、および７２２は、コンデンサ７０４、７２４、７２６、７２８、７３０、および７４０が直列に充電するように、スイッチ７０６、７３２、７３４、７３６、および７３８を制御する。同時に、電圧セル７１６の蓄積コンデンサは並列に充電している。しかしながら、電圧セル７０２は、垂下補正を行うように構成されている。

電圧セル７０２におけるスイッチがオンであるとき、コンデンサは直列に充電する。電圧パルスの間、電圧パルスの形状を調節することができるように、電圧セル７０２を放電することができる。一実施形態では、電圧セル７０２におけるコンデンサの放電を制御する、即ち、遅延させることによって、パルス全体にわたって垂下を補正することができる。

本発明の別の実施形態では、パルスは、リセットする必要があるコアを有するパルス変圧器を駆動することができる。リセット電源を充電スイッチの接地端に直列に含ませ、コア・リセット電流を供給することができる。これによって、コア・リセット・インダクタ不要となる。

本発明は、その思想または本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定的な形態にも具体化することができる。記載した実施形態は、あらゆる面において限定的ではなく、例示的にのみ解釈される。したがって、本発明の範囲は、前述の説明ではなく、添付した特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の意味および均等の範囲に該当するあらゆる変更は、その範囲に包含される。

電圧パルスを発生するためにスパーク・ギャップを用いるマルクス発電機の一例を示す。 一連の電圧セルを制御するためにスイッチを用いたパルス発生器の一実施形態を示す。 一連の電圧セルを示し、電圧セルにおけるコンデンサを直列に接続するために用いられる主スイッチ、および充電電流の帰還経路を設けるリターン・スイッチを示す。 パルス発生器の一実施形態の更に詳細な図であり、電圧セル毎のダイオード・ストリング電源を介した充電電流の経路を示し、補助電力をスイッチ駆動回路に供給するダイオード・ストリングを示す。 正の電圧パルスを発生するように配置した一連の電圧セルの一実施形態を示す。 負の電圧パルスを発生するように配置した一連の電圧セルの一実施形態を示す。 正および負双方のパルスを発生することができるパルス発生器の実施形態を示す。 電圧パルスの垂下制御を行うように配置された電圧セルを含むパルス発生器の別の実施形態を示す。

Claims (33)

1. 負荷に印加する電圧パルスを発生するパルス発生器であって、
   直列に接続された１つ以上の電圧セルを備えており、各電圧セルが、
   コンデンサと、
   前記コンデンサと直列の主スイッチであって、該主スイッチがオンのとき、前記コンデンサが前記１つ以上の電圧セルにおける他のコンデンサと直列に接続される、主スイッチと、
   前記主スイッチがオフのとき、前記コンデンサを充電する電流の帰還経路を設けるリターン・スイッチと、
   前記１つ以上の電圧セルの各々と接続されたダイオード・ストリングであって、該ダイオード・ストリングを介して前記コンデンサに充電電流が供給される、ダイオード・ストリングと、
   を含む、パルス発生器。
2. 請求項１記載のパルス発生器において、
   各電圧セルは更に、前記主スイッチを制御する第１スイッチ駆動回路を含む、パルス発生器。
3. 請求項２記載のパルス発生器において、
   各電圧セルは更に、前記リターン・スイッチを制御する第２スイッチ駆動回路を含む、パルス発生器。
4. 請求項３記載のパルス発生器は更に、
   各電圧セルの前記第１スイッチ駆動回路と前記第２スイッチ駆動回路とに接続された第２ダイオード・ストリングを備えている、パルス発生器。
5. 請求項１記載のパルス発生器は更に、
   前記コンデンサから前記リターン・スイッチへの誘導性接続部を備えている、パルス発生器。
6. 請求項５記載のパルス発生器は、
   前記誘導性接続部において誘導性エネルギを蓄積することにより、前記主スイッチのターン・オン時間に対する前記リターン・スイッチのターン・オフ時間を制御して、電圧パルスの立ち上がり時間を短縮する、パルス発生器。
7. 請求項１記載のパルス発生器において、
   前記ダイオード・ストリング、前記主スイッチ、および前記リターン・スイッチは、負型電圧パルス、正型電圧パルス、および双極型電圧パルスの１つを発生するように構成されている、パルス発生器。
8. 請求項１記載のパルス発生器は更に、
   前記リターン・スイッチに直列にリセット電源を備えており、該リセット電源がリセット電流を前記負荷に供給する、パルス発生器。
9. 請求項１記載のパルス発生器は更に、
   充電する追加のコンデンサを直列に有する１つ以上の追加の電圧セルを備えており、追加のスイッチが、前記電圧パルスの垂下を調節するように前記追加のコンデンサの放電を制御する、パルス発生器。
10. 請求項１記載のパルス発生器において、
    各電圧セルは更に、前記主スイッチおよび前記コンデンサと接続された平衡回路を含み、該平衡回路は、前記電圧セルから見た浮遊容量と一致する容量を有する、パルス発生器。
11. 負荷に印加する電圧パルスを発生するパルス発生器であって、
    第１コンデンサ・バンクを備えており、当該第１コンデンサ・バンクが、
    １つ以上の主スイッチと、
    各スイッチの後段にコンデンサが位置するように、前記１つ以上のスイッチと直列に接続された１つ以上のコンデンサと、
    前記第１コンデンサ・バンクと接続されたダイオード・ストリング電源であって、ダイオード・ストリングを通じて前記１つ以上のコンデンサに充電電流が供給される、ダイオード・ストリング電源と、
    前記第１コンデンサ・バンクと接続された１つ以上のリターン・スイッチであって、前記１つ以上のリターン・スイッチがオンになったとき前記充電電流の帰還経路を設ける、１つ以上のリターン・スイッチと、
    前記１つ以上の主スイッチをオンに切り換えて前記１つ以上のコンデンサを放電し、前記１つ以上の主スイッチをオフに切り換えて前記１つ以上のコンデンサを充電する１つ以上の主スイッチ駆動回路と、
    を含む、パルス発生器。
12. 請求項１１記載のパルス発生器は更に、
    前記１つ以上のリターン・スイッチをオンに切り換えて前記充電電流の帰還経路を設ける１つ以上のリターン・スイッチ駆動回路であって、前記１つ以上の主スイッチがオンになるとき、前記１つ以上のリターン・スイッチ駆動回路がオフに切り換えられる、１つ以上のリターン・スイッチ駆動回路を備えている、パルス発生器。
13. 請求項１２記載のパルス発生器は更に、
    前記１つ以上の主スイッチ駆動回路および前記１つ以上のリターン・スイッチ駆動回路に電力を共有する、補助ダイオード・ストリング電源を備えている、パルス発生器。
14. 請求項１１記載のパルス発生器は更に、
    前記１つ以上のリターン・スイッチを前記コンデンサ・バンクと接続する１つ以上のコネクタを備えている、パルス発生器。
15. 請求項１４記載のパルス発生器において、
    前記１つ以上のコネクタは、短絡接続部である、パルス発生器。
16. 請求項１４記載のパルス発生器において、
    前記１つ以上のコネクタは、誘導性接続部である、パルス発生器。
17. 請求項１６記載のパルス発生器において、
    前記１つ以上のリターン・スイッチのターン・オフ時間は、誘導性エネルギが前記誘導性接続部に結集して前記電圧パルスの立ち上がり時間を短縮することができるように、前記１つ以上の主スイッチのターン・オン時間に対して遅延される、パルス発生器。
18. 請求項１７記載のパルス発生器において、
    前記１つ以上のリターン・スイッチは、前記電圧パルスの立ち下がり時間を短縮させるように、前記１つ以上の主スイッチがオフされる前にオンされる、パルス発生器。
19. 請求項１１記載のパルス発生器は更に、
    第２コンデンサ・バンクを備えており、前記第２コンデンサ・バンクの１つ以上の主スイッチ、および前記第２コンデンサ・バンクの１つ以上のリターン・スイッチは、第２の電圧セルのグループが負型パルスを供給するように反転される、パルス発生器。
20. 請求項１１記載のパルス発生器において、
    前記第１コンデンサ・バンクの１つ以上のコンデンサ、および前記第２コンデンサ・バンクの１つ以上のコンデンサは、同時に電源から充電される、パルス発生器。
21. 請求項２０記載のパルス発生器において、
    前記ダイオード・ストリングは、前記第２コンデンサ・バンクと接続されている１つ以上のリターン・スイッチと接続されており、
    前記充電電流を前記第２コンデンサ・バンクの１つ以上のコンデンサに供給する第２ダイオード・ストリングが、前記第１コンデンサ・バンクに接続されている１つ以上のリターン・スイッチと接続されている、パルス発生器。
22. 請求項１１記載のパルス発生器において、
    第２補助ダイオード・チェーンが、反転ＤＣ／ＤＣ電源を介して、第１補助ダイオード・チェーンと接続されている、パルス発生器。
23. 電圧パルスを発生するパルス発生器を形成するように、他の電圧セルと直列に接続可能な電圧セルであって、
    他の電圧セルのコンデンサと直列に接続するように構成されている主スイッチと、
    前記主スイッチと直列であり、異なる電圧セルの主スイッチと直列に接続するように構成されているコンデンサと、
    前記主スイッチをオンおよびオフに切り換えるように構成されている主スイッチ駆動回路と、
    他の電圧セルのリターン・スイッチと直列に接続するように構成されているリターン・スイッチと、
    前記リターン・スイッチをオンおよびオフに切り換えるように構成されているリターン・スイッチ駆動回路と、
    前記コンデンサと前記リターン・スイッチとの間にある接続部であって、前記コンデンサを充電するために用いられる充電電流に経路を設ける接続部と、
    を備えている、電圧セル。
24. 請求項２３記載の電圧セルにおいて、
    前記コンデンサと前記リターン・スイッチとの間の前記接続部は、短絡接続部である、電圧セル。
25. 請求項２３記載の電圧セルにおいて、
    前記コンデンサと前記リターン・スイッチとの間の前記接続部は、誘導性接続部である、電圧セル。
26. 請求項２３記載の電圧セルにおいて、
    前記主スイッチは、ＦＥＴ、ＢＩＴ、およびＩＧＢＴのうちの１つであり、前記リターン・スイッチは前記主スイッチと同じ種類のスイッチである、電圧セル。
27. 請求項２３記載の電圧セルは更に、
    前記主スイッチおよび前記コンデンサに接続されているダイオードを備えており、前記充電電流は前記ダイオードを介して受け取られ、前記コンデンサを充電する、電圧セル。
28. 請求項２３記載の電圧セルは更に、
    前記主スイッチおよび前記コンデンサを介して接続されている平衡回路を備えている、電圧セル。
29. 請求項２８記載の電圧セルにおいて、
    前記平衡回路は、抵抗器と直列の平衡コンデンサを含み、該平衡コンデンサは、前記電圧パルスにおけるリンギングを低減するために選択された前記電圧セルおよび前記抵抗器から見た浮遊容量と一致するように構成されている、電圧セル。
30. 請求項２３記載の電圧セルにおいて、
    前記主スイッチ駆動回路および前記リターン・スイッチ駆動回路は、前記主スイッチをオンおよびオフに切り換えるとともに、前記リターン・スイッチをオンおよびオフに切り換える制御信号を受け取る、電圧セル。
31. 請求項３０記載の電圧セルにおいて、
    電圧パルスの立ち上がり時間は、前記コンデンサと前記リターン・スイッチとの間の前記接続部に誘導性エネルギが結集するように、前記主スイッチがオンされてからある遅延の後に前記リターン・スイッチをオフにすることによって制御され、前記誘導性エネルギは、前記リターン・スイッチがオフにされるときの前記電圧パルスの立ち上がり時間を長くするために用いられる、電圧セル。
32. 請求項３０記載の電圧セルにおいて、
    前記リターン・スイッチは、負荷の不要容量を放電し、前記電圧パルスの立ち下がり時間を長くするように、前記電圧パルスの終端においてオンされる、電圧セル。
33. 請求項１３記載の電圧セルにおいて、
    前記電圧セルは他の電圧セルと接続されており、前記電圧セルは前記電圧パルスの振幅を減少させるように不活性化される、電圧セル。

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