JP2009065663A

JP2009065663A - 高電圧、高速、高パルス繰返し数のパルス発生器

Info

Publication number: JP2009065663A
Application number: JP2008225374A
Authority: JP
Inventors: Fengfeng Tao; フェンフェン・タオ; Frank Jakob Mueller; フランク・ジェイコブ・ミュエラー; Robert Carl Murray; ロバート・カール・ミュレイ; Abdelkrim Younsi; アブデルクリム・ユンシ; Seyed Gholamali Saddoughi; セイード・ゴラマリ・サッドウギ; Joseph Taher Mossoba; ジョセフ・タヘール・モッソバ; John Stanley Glaser; ジョン・スタンリー・グレイサー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2008-09-03
Publication date: 2009-03-26
Also published as: CH697870B1; DE102008044468A1; US8023296B2; US20090066391A1; CN101453174A; CH697870A2

Abstract

【課題】ＲＦ電力増幅器と関連する高パルス繰返し数の制限を解決する高電圧、高速、および高繰返し数パルス発生器（３０）を提供する。
【解決手段】パルス発生器（３０）は共振技術を利用して、短絡および開回路の双方の負荷状態中に、パルス発生器（３０）の機能障害なしに、パルス発生器（３０）の継続的な高電圧、高速、および高繰返しパルス数動作を可能にする電流制限特徴をもたらす。本発明の好適な実施例において、パルス発生器（３０）は、ＤＣ電圧を高周波ＡＣ電圧に変換するように構成されているインバータ（４０）と、前記ＡＣ電圧に応答して、ＡＣ電流源として動作するように構成されているコンバータ（５０）と、前記ＡＣ電流源によって発生するＡＣ入力電流に応答して、高電圧、高速、高繰返し数電圧パルスを発生させるように構成されているパルス整形部分（６０）とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、概して、電子電力変換に関し、より詳細には、ソフトスイッチングおよびパルス整形技術を使用する高電圧、高速、高パルス繰返し数のパルス発生器に関する。

高電圧、高速、および高パルス繰返し数で動作できる発生器は、一般に、無線周波数（ＲＦ）電力増幅器および関連技術を利用して、高電圧、高速および高パルス繰返し数の発生および伝播を達成している。この種のＲＦ電力増幅器は、製造するのに高い費用がかかり、高パルス繰返し数の発生中に内部熱が上昇するので、信頼性においての弱点がある。また、ＲＦ増幅器は、かなりのスペースを必要とし、一般には、低い電気効率を有するので、好ましくない。さらには、ＲＦ電力増幅器技術は、とりわけ熱損失があるので、高パルス繰返し数の発生には、特に適さない。

ＲＦ電力増幅器と関連する高パルス繰返し数の制限を解決する高電圧、高速、高パルス繰返し数のパルス発生器を提供することは、有利になるとともに、有益にもなるであろう。高電圧、高速、高パルス繰返し数のパルス発生器が、短絡および開回路の双方の負荷状態中に、パルス発生器の機能障害なしに継続的に動作可能である場合、さらに有利になるであろう。

一実施形態により、簡潔には、高電圧、高速、高繰返し数のパルスを発生させるためのパルス発生器が提供される。このパルス発生器は、
ＤＣ電圧を高周波ＡＣ電圧に変換するように構成されているインバータと、
ＡＣ電圧に応答して、ＡＣ電流源として動作するように構成されているコンバータと、
ＡＣ電流源によって発生するＡＣ入力電流に応答して、高電圧、高速、高繰返し数電圧パルスを発生させるように構成されているパルス整形部分と、を備える。

別の実施形態によれば、高電圧、高速、高繰返し数電圧パルスを発生させる方法は、
ＤＣ電圧を高周波ＡＣ電圧に変換することと、
ＡＣ電圧に応答して、ＡＣ電流を発生させることと、
ＡＣ電流に応答して、高電圧、高速、高繰返し数電圧パルスを発生させることと、を含む。

さらに別の実施形態によれば、パルス発生器は、
ＤＣ電圧を高周波ＡＣ電圧に変換するための手段と、
ＡＣ電圧に応答して、ＡＣ電流を発生させるための手段と、
ＡＣ電流に応答して、高電圧、高速、高繰返し数電圧パルスを発生させるための手段と、を含む。

本発明のこれら、ならびに他の特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明を、図面全体を通じて同様の文字が同様の部品を示している添付の図面を参照して読むと、よりよく理解されるであろう。

特定した作図は代替の実施形態を示しているが、本発明の他の実施形態もこの論考で示すように熟慮される。すべての場合において、本開示は、本発明の例示的実施形態を、説明のために示しており、限定のために示していない。本発明の原理の範囲および精神の中にある多数の他の修正形態および実施形態は、当業者によって考案可能である。

まず、図１および２を、後述する図３と関連する論考をよりよく理解することに役立つ背景を提供するために述べる。ここで図１を見ると、簡略化した回路図が一実施形態による基本のソフトスイッチング、パルス整形回路構成１０を示している。回路１０は、入力電圧パルス１３に応答して、電流源として機能する相互コンダクタンス増幅器１２を含む。

クランプダイオード１６との組合せにおいてＭＯＳＦＥＴデバイス１４が、所望負荷１８の両端間に方形または長方形の電圧パルスを発生させるために、パルス整形回路として一緒に動作する。回路１０は、パルス整形回路を駆動する電流源のため、短絡および開回路の負荷に対してロバストである。

ＭＯＳＦＥＴデバイス１４のゲート入力駆動部は、ＭＯＳＦＥＴデバイス１４がソフトスイッチングモードでオンにすることが可能になる形で制御される。スイッチング周波数が上昇すると、ソフトスイッチングにより、ＭＯＳＦＥＴスイッチングデバイス１４と関連するスイッチング損失が抑制される。ソフトスイッチングとパルス整形との組合せにより、回路１０は、開回路および短絡の双方の負荷に対してロバストである高電圧、高速、高繰返し数パルス発生器として動作することが可能になる。

図２は、一実施形態による高電圧、高速、高繰返し数電圧パルスを発生させるための方法の例示的ステップを示す流れ図２０である。方法は、ブロック２２に示すように、主要ＤＣ入力電圧を供給することから開始する。次いで、ＤＣ入力電圧は、ブロック２４に示すように、高周波（例えば、２５ＭＨｚ）ＡＣ電圧を発生させるために、インバータを通過する。ＡＣ電圧は、ブロック２６に示すように、ＡＣ電流を発生させるために、電流源に変換される。電流源により、パルス発生器は、図１に示すように純粋な電圧源を使用して動的負荷１８を駆動する場合に達成できない電流制限の手段を提供することによって、ロバストな形で機能することが可能になる。次いで、ＡＣ電流は、ブロック２８に示すように、方形または長方形の出力電圧パルスを発生させるために、電圧整形回路を駆動する。

図３は、一実施形態によるソフトスイッチング、パルス整形発生器３０をより詳細に示す回路図である。発生器３０の回路構成により、発生器３０は、高電圧、高速、および高繰返し数電圧出力パルスを発生させることが可能になる。

発生器３０は、インバータ４０、コンバータ５０、およびパルス整形部分６０を含むように見なされることが可能である。インバータ４０は、自然共振周波数をともに有するコンデンサＣ１とインダクタＬ１とを含む第１のタンク回路を含む。また、インバータ４０は、図３に示すように、１つの端部で正のＤＣ電圧源３２に接続され、その対向する端部でコンデンサＣ１に接続されている上側ソフトスイッチ４２を含む。上側ソフトスイッチ４２は、オン−オフのスイッチング動作を制御するためにゲート駆動素子４３を介してソフトスイッチングモードで動作する。下側スイッチ４６の両端間の電圧を制限するクランプダイオード４４は、スイッチ４２の寄生ボディダイオードであることが可能であろう。インバータ４０は、やはり図３に示すように、１つの端部で発生器アース端子３４に接続され、その対向する端部でコンデンサＣ１に接続されている下側ソフトスイッチ４６をさらに含む。下側ソフトスイッチ４６は、オン−オフのスイッチング動作を制御するために対応するゲート駆動素子４７を介してソフトスイッチングモードで動作する。上側スイッチ４２の両端間の電圧を制限するクランプダイオード４８は、スイッチ４６の寄生ボディダイオードであることが可能であろう。上側ソフトスイッチ４２および下側ソフトスイッチ４６は、下側ソフトスイッチ４６がオフにされると、上側スイッチ４２がオンにされるように、およびその逆も同様になるように構成されている。スイッチ４２、４６はそれぞれ、コンデンサＣ１およびインダクタＬ１によって形成されるタンク回路の自然共振周波数、例えば、２５ＭＨｚなどと等しいまたはその周波数より高い高周波率においてソフトスイッチングモードで、一実施形態により動作する。

コンバータ５０も、コンデンサＣ２およびインダクタＬ２を含むタンク回路（第２のタンク回路）を有するように見なされることが可能である。一実施形態において、インバータ４０の第１のタンク回路と、コンバータ５０の第２のタンク回路は、Ｃ１およびＬ１の共振周波数がともに、Ｃ２と組み合わせられるＣ１と、Ｌ２と組み合わせられるＬ１とを含む組合せタンク回路として、同じ共振周波数を有するように構成されている。この構成により、コンデンサＣ１およびインダクタＬ１を含む第１のタンク回路内に蓄積される実質的にすべてのエネルギーは、スイッチング処理中に、コンデンサＣ２およびインダクタＬ２を含む第２のタンク回路に伝達されることが可能になる。また、この構成により、インダクタＬ２を流れるピーク電流が、スイッチング処理中に、インダクタＬ１を流れるピーク電流の実質的に２倍になるような電流倍増も可能になる。一実施形態により、第３のスイッチ５２は、ゲート駆動部５３を介してソフトスイッチングモードで、およびダイオード５４と、ダイオード５６と、コンデンサＣ２およびインダクタＬ２を含む第２のタンク回路との組合せにおいて、インダクタＬ２を通じてＡＣ電流を発生させるために動作する。ダイオード５４は、ツェナーダイオードが好ましいが、スイッチ５２の寄生ボディダイオードであることが可能であろう。次いで、図３における負荷ＲＬは、インダクタＬ２によって蓄積されるエネルギーからその電力を受け取り、インバータ４０およびコンバータ５０によってＤＣ電圧源から分離されている。この分離特徴は、発生器３０が、短絡と開回路の間で変動する可能性のある動的負荷を駆動することを可能にし、短絡状態と開回路状態の間のいずれの場所にも広がる領域内で、定常状態動作中に、動的負荷を駆動することを含むことが可能であるので有利である。

発生器３０は、動的に変動する負荷を効率的に駆動するように、およびインダクタＬ２を流れるエネルギーに応答して、方形波または長方形の電圧パルスを発生させるようにも構成されているパルス整形部分６０をさらに含む。パルス整形部分は、ソフトスイッチ６２を含み、ゲート駆動素子６４を介してソフトスイッチングモードで動作する。ソフトスイッチ６２は、スイッチング処理中に、方形または長方形の電圧パルスを発生させるために、ダイオード６６およびダイオード６８との組合せにおいて機能する。上述の共振周波数スイッチング処理により、動的に変動する負荷状態の存在下で、高周波数（ＭＨｚレンジ）において純粋な電圧スイッチングが可能になるので有利である。

図４は、一実施形態による、図３に示す発生器３０の定常状態動作中の動作回路の電圧および電流を示す波形の組である。最上部の波形は、発生器３０によって発生する高電圧（約１０００ボルト）、高周波数（ＭＨｚレンジ）、および高繰返し数出力電圧パルスを示している。中間の波形は、発生器３０によって達成されるピーク電流の倍増を示している。最下部の波形は、パルス発生器３０の通常の定常状態動作中に、インバータ、コンバータおよびパルス整形スイッチを流れるＡＣ電流を示している。

図５は、一実施形態による、図３に示す発生器３０について短絡負荷状態中の動作回路の電圧および電流を示す波形の組である。短絡回路動作波形は、出力において短絡負荷中でさえも、パルス発生器３０の動作性能を示している。波形は、パルス発生器３０が、電流制限特徴により、いずれの負の効果なしに継続して動作することを示している。

図６は、一実施形態による、図３に示す発生器３０について開回路負荷状態中の動作回路の電圧および電流を示す波形の組である。開回路動作波形は、発生器出力において開回路負荷中でさえも、パルス発生器３０の動作性能を示している。波形は、パルス発生器３０が、電流制限特徴により、いずれの負の効果なしに開回路負荷中でさえも、継続して動作することを示している。

本発明の特定の特徴のみを本明細書に示し、説明してきたが、当業者は多数の修正形態および変更形態を思いつくであろう。したがって、添付の特許請求の範囲が、本発明の真の精神の中にあるようなこの種の修正形態および変更形態のすべてをカバーするように意図されていることを理解すべきである。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

一実施形態によるソフトスイッチング、パルス整形発生器を示す簡略化した回路図である。一実施形態による高電圧、高速、高繰返し数電圧パルスを発生させるための方法の例示的なステップを示す流れ図である。一実施形態によるソフトスイッチング、パルス整形発生器をより詳細に示す回路図である。一実施形態による、図３に示す発生器の定常状態動作中の動作回路の電圧および電流を示す波形の組を示すグラフである。一実施形態による、図３に示す発生器について短絡負荷状態中の動作回路の電圧および電流を示す波形の組を示すグラフである。一実施形態による、図３に示す発生器について開回路負荷状態中の動作回路の電圧および電流を示す波形の組を示すグラフである。

符号の説明

１０ソフトスイッチング、パルス整形回路
１２相互コンダクタンス増幅器
１３入力電圧パルス
１４ＭＯＳＦＥＴデバイス
１６クランプダイオード
１８負荷
２０流れ図
２２主要ＤＣ入力電圧を供給する
２４高周波ＡＣ電圧を発生させるために、主要ＤＣ入力電圧をインバータに通す
２６ＡＣ電流を発生させるために、ＡＣ電圧を電流源に変換する
２８ＡＣ電流に応答して電圧整形を介して出力電圧パルスを発生させる
３０ソフトスイッチング、パルス整形発生器
３２ＤＣ電圧源
３４発生器アース端子
４０インバータ
４２上側ソフトスイッチ
４３ゲート駆動素子
４４クランプダイオード
４６下側ソフトスイッチ
４７ゲート駆動素子
４８クランプダイオード
５０コンバータ
５２第３のスイッチ
５３ゲート駆動素子
５４ツェナーダイオード
５６ダイオード
６０パルス整形部分
６２ソフトスイッチ
６４ゲート駆動素子
６６ダイオード
６８ダイオード

Claims

ＤＣ電圧を高周波ＡＣ電圧に変換するように構成されているインバータ（４０）と、
前記ＡＣ電圧に応答して、ＡＣ電流源として動作するように構成されているコンバータ（５０）と、
前記ＡＣ電流源によって発生するＡＣ入力電流に応答して、高電圧、高速、高繰返し数電圧パルスを発生させるように構成されているパルス整形部分（６０）と、
を備えるパルス発生器（３０）。
前記インバータ（４０）が１対の高電圧スイッチ（４２）、（４６）を備え、前記スイッチのそれぞれは、対応するクランプダイオード（４４）、（４８）との組合せにおいて、ソフトスイッチングモードで、前記高周波ＡＣ電圧を発生させるために動作するように構成されている、請求項１記載のパルス発生器（３０）。
前記高電圧スイッチ（４２）、（４６）のそれぞれが、対応するゲート駆動素子（４３）、（４７）を介して駆動され、それにより、前記高電圧スイッチ（４２）、（４６）のそれぞれは、ソフトスイッチングモードで動作するようになる、請求項２記載のパルス発生器（３０）。
前記コンバータ（５０）が、対応するクランプダイオード（５４）との組合せにおいて、ソフトスイッチングモードで、前記ＡＣ入力電流を発生させるために動作するように構成されている高電圧スイッチ（５２）を備える、請求項１記載のパルス発生器（３０）。
前記コンバータ高電圧スイッチ（５２）が、対応するゲート駆動素子（５３）を介して駆動され、それにより、前記コンバータ高電圧スイッチ（５２）は、ソフトスイッチングモードで動作するようになる、請求項４記載のパルス発生器（３０）。
前記パルス整形部分（６０）が、対応するクランプダイオード（６６）との組合せにおいて、ソフトスイッチングモードで、前記高電圧、高速、高繰返し数電圧パルスを発生させるために動作するように構成されている高電圧スイッチ（６２）を備える、請求項１記載のパルス発生器（３０）。
前記パルス整形部分高電圧スイッチ（６２）が、対応するゲート駆動素子（６４）を介して駆動され、それにより、前記パルス整形部分高電圧スイッチ（６２）は、ソフトスイッチングモードで動作するようになる、請求項６記載のパルス発生器（３０）。
前記インバータ（４０）および前記コンバータ（５０）のそれぞれが、ＬＣタンク回路を備え、前記タンク回路はともに、インバータおよびコンバータのスイッチングモード中に、前記インバータのタンク回路内に蓄積される実質的にすべてのエネルギーを前記コンバータのタンク回路に伝達するように構成されている、請求項１記載のパルス発生器（３０）。
前記インバータ（４０）および前記コンバータ（５０）のそれぞれが、ＬＣタンク回路を備え、前記タンク回路はともに、前記コンバータのインダクタＬを流れるピーク電流が、前記インバータのインダクタＬを流れるピーク電流の実質的に２倍であるように構成されている、請求項１記載のパルス発生器（３０）。
前記パルス整形部分（６０）が、前記ＡＣ電流源によって発生する前記ＡＣ入力電流に応答して、方形または長方形の高電圧、高速、高繰返し数電圧パルスを発生させるように構成されている、請求項１記載のパルス発生器（３０）。