JP2010200446A

JP2010200446A - 磁気パルス圧縮回路およびパルス電源装置

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Publication number: JP2010200446A
Application number: JP2009041018A
Authority: JP
Inventors: Itsuo Yuzurihara; 逸男譲原; Ryosuke Oma; 亮介大間
Original assignee: Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2029-02-24
Also published as: JP5270399B2

Abstract

【課題】磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルにおいて、負荷に印加するパルスに必要な電圧時間積を満たし、印加するパルスの立上り時間を短くするというインダクタンス条件を満たし、かつコアの断面積を小さくして可飽和リアクトルを小型化する。
【解決手段】磁気パルス圧縮回路の電圧分圧の可飽和リアクトルの飽和前のインダクタンスの設定において、可飽和リアクトルのインダクタンスとリセット回路のチョークコイルの等価インダクタンスとの合成インダクタンスが、磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチに要する飽和前のインダクタンスより十分小さく設定することによって、電圧分圧の可飽和リアクトルのインダクタンスのみによって設定した場合よりも、磁気スイッチに要する可飽和リアクトルを、小さくすることができ、磁気スイッチに要する可飽和リアクトルのインダクタンスを小さな値に設定することによって、可飽和リアクトルの断面積を小さくしてサイズを小型化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高電圧で狭幅のパルスを発生するパルス電源装置および、このパルス電源装置に用いる磁気パルス圧縮回路に関し、特に、磁気パルス圧縮に用いる可飽和リアクトルの小型化に関する。

リソグラフィ光源、オゾン発生装置、水処理などに用いられる電源では、高電圧、大電流、狭幅のパルスが求められる。

パルス電源装置では、例えばインダクタンスでつながれた容量の等しい二つのコンデンサ間の容量移行でエネルギーを授受し、多段に構成された比較的インダクタンスの大きいコンデンサ放電回路からインダクタンスの小さいコンデンサ放電回路にエネルギーを転送することによってパルス圧縮を行う容量移行回路が知られており、さらに前記の二つのコンデンサ容量の割合を変更することで、電圧を昇降圧させながらエネルギー転送を行う容量移行回路も知られている。

また、パルス電源装置に用いられる回路においては瞬時に大電流を流すため、半導体スイッチ素子のみでの回路のオンおよびオフが難しく、可飽和リアクトルの磁気スイッチを代用もしくは併用してパルス圧縮を行う磁気パルス圧縮回路などが知られている（非特許文献１参照）。

また、繰り返しパルスを発生させる場合は磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルに対して磁気リセット回路を設ける構成が知られている。磁気リセット回路は、磁気スイッチ動作の後、可飽和リアクトルのコアに逆励磁電流を流して磁気リセットを行うことによって、次回の磁気スイッチ動作時までの電圧時間積を大きくし、これによって可飽和リアクトルの小型化とパルス圧縮を可能としている（特許文献１、２参照）。

この磁気リセット回路において、可飽和リアクトル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チョークコイルを設ける構成が知られており、チョークコイルは飽和する前に誘起する電圧によって過大な電流が流れないように選定され、可飽和リアクトルに施したリセット巻き線に誘起される電圧によって流れる誘導電流を制限して、リセット回路を保護する（特許文献３、４参照）。

特開２００７−１０４７９７号公報特開平３−１７７０８６号公報特許第３６０５８９６号公報特開平７−５９３８号公報

ＥＥText高電圧パルスパワー工学編集者秋山秀典発行所株式会社オーム社、P93-P100

前記した磁気パルス圧縮回路において、エネルギーの転送時間は可飽和リアクトルのインダクタンスとコンデンサの容量の積の平方根に比例するため、磁気パルス圧縮回路においてパルスの立ち上り時間を短くするためには、可飽和リアクトルの飽和後のインダクタンスが小さいことが求められる。

一方、可飽和リアクトルには高電圧が印加されるが、エネルギーの転送時間よりも十分長い時間飽和しないために電圧時間積（Ｖ・ｔ積）の大きなものが必要である。

電圧時間積（Ｖ・ｔ積）は、コアの断面積Ａとコイルの巻き数Ｎと未飽和から飽和へ遷移するときの磁束密度ΔＢの積（Ｎ・ΔＢ・Ａ）で表される。このコアの断面積Ａと巻き数Ｎの積の式において、ΔＢは可飽和リアクトルのコアの強磁性材によって定まるため、Ａ・Ｎは、負荷に印加する電圧Ｖと時間幅の積に基づいて定められる。

図７に示した従来技術における回路構成の可飽和リアクトルＳＬ₁は、電圧時間積（Ｖ・ｔ積）が大きいという条件と飽和後のインダクタンスが小さいという条件を満たすためには、可飽和リアクトルの巻き数Ｎを少なくし、かつコアの断面積Ａを大きく設計する必要がある。

また、図７に示したトランスＴＲについて、通常のトランスに使用されるコアは、残留磁束が存在するため、次のサイクルのパルス出力時に必要な電圧時間積を満たすことができなくなる問題がある。

この残留磁束の問題に対して、コアの磁束をリセットするリセット回路を設けることが知られている。リセット回路を搭載したトランスは、具体的には可飽和コアを用いた可飽和トランスが挙げられる。

ここで可飽和コアは非常に高い透磁率をもつため、可飽和トランスの相互インダクタンスは高い値を示す。このとき、図７に示す可飽和リアクトルＳＬ₁は、パルス圧縮動作時の印加電圧をすべて負わなければならない。したがって、可飽和リアクトルＳＬ₁の飽和前のインダクタンスは、可飽和トランスの相互インダクタンスに対して、十分大きなインダクタンス値を選定する必要がある。また同時に、磁気パルス圧縮回路のエネルギーの転送時間よりも十分長い時間飽和しないための電圧時間積を持つ必要がある。

さらに、磁気パルス圧縮回路においてパルスの立ち上り時間を短くするためには、可飽和リアクトルＳＬ₁の飽和後のインダクタンスが小さくなければならない。

したがって、可飽和リアクトルの電圧時間積を大きく、飽和後のインダクタンスを小さく設計した場合には、断面積が大きくなり大型化するという問題がある。

一方、可飽和リアクトルをリセットする磁気リセット回路に設けるチョークコイルは、可飽和リアクトルを設計した後、この可飽和リアクトルに発生する誘起電圧に基づいて設定される。

そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、磁気パルス圧縮回路において磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルは、負荷に印加するパルスに必要な電圧時間積を満たし、かつ、印加するパルスの立上り時間を短くするというインダクタンス条件を満たし、更に、可飽和リアクトルを小型化することを目的とする。

本願発明は、磁気パルス圧縮回路の態様と、この磁気パルス圧縮回路を備えたパルス電源装置の態様の２つの態様を備える。

本願発明は、磁気パルス圧縮回路において、磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルをリセットするリセット回路が備えるチョークコイルを利用することによって可飽和リアクトルのインダクタンスを低減させ、これによって可飽和リアクトルのサイズを小型とする。

本願発明は、このリセット回路に設けられたチョークコイルのインダクタンスが、磁気パルス圧縮回路側からリセット回路側を見たとき、リセット巻き線によるトランス作用によってインダクタンスとして作用することを利用するものである。磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルの等価インダクタンスは、この可飽和リアクトルのインダクタンスとリセット回路のチョークコイルの磁気パルス圧縮回路側に投影されたインダクタンスとが並列接続された合成インダクタンスとして表される。なお、チョークコイルの等価インダクタンスは、チョークコイルのインダクタンスにリセット巻き線の巻き数比の２乗を乗じた値で表される。

本願発明の磁気パルス圧縮回路は、電圧分圧用の可飽和リアクトルのインダクタンスの設定において、電圧分圧用可飽和リアクトルのインダクタンスとリセット回路のチョークコイルの等価インダクタンスとの合成インダクタンスを小さく設定することによって、磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチに求められるインダクタンス値を小さく設定でき、可飽和リアクトルのインダクタンスのみによって設定した場合よりも小さなインダクタンスとする。これにより、磁気スイッチに求められる可飽和リアクトルのインダクタンスを小さな値に設定することができ、磁気スイッチに求められる可飽和リアクトルの断面積を小さくしてサイズを小型化する。

本願発明の磁気パルス圧縮回路の態様は、可飽和リアクトルの磁気スイッチ動作によって充電コンデンサから放電される電流を圧縮してパルス電流を流す磁気パルス圧縮回路であり、２つの構成とすることができる。

本願発明の磁気パルス圧縮回路の第１の構成は、電圧分圧用の可飽和リアクトルを負荷に対して並列接続することによって、磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルに印加する電圧を大きくする構成に適用する構成であり、磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチを構成する可飽和リアクトル、および電圧分圧用の可飽和リアクトルのそれぞれに対してリセット巻き線を施し、このリセット巻き線を介してリセット回路を接続する構成である。

第１の構成の磁気パルス圧縮回路は、磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルを飽和状態から不飽和状態にリセットするリセット回路を備え、このリセット回路はリセット巻き線と直流電源間にチョークコイルを接続する。

第１の構成では、磁気パルス圧縮回路は、充電コンデンサと負荷との間に直列接続する第１の可飽和リアクトルと、第１の可飽和リアクトルと負荷との間において、負荷に対して並列接続する第２の可飽和リアクトルとを備える。

ここで、第１の可飽和リアクトルの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路の第１の可飽和リアクトルと第１のリセット回路のチョークコイルとが等価的に並列接続されて形成される合成インピーダンスにより設定し、第２の可飽和リアクトルの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路の第２の可飽和リアクトルと第２のリセット回路のチョークコイルとが等価的に並列接続されて形成される合成インピーダンスにより設定する。

このインダクタンスの設定において、第２の可飽和リアクトルのインダクタンスを磁気スイッチに求められる電圧時間積を満たすインダクタンス値よりも小さな値とする。

また、第１の可飽和リアクトルと第２の可飽和リアクトルの分圧比を、第１のリセット回路のチョークコイルのインダクタンスおよび第２のリセット回路のチョークコイルのインダクタンスによって定める。

この第１の構成によれば、電圧分圧用の可飽和リアクトルのインダクタンスを磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルとリセット回路のチョークコイルとが等価的に並列接続されて形成される並列合成インピーダンスにより設定し、この並列合成インピーダンスを小さくすることによって、磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチ側の可飽和リアクトルのインダクタンスを小さく設定することでインダクタンスを低減させることができる。

本願発明の磁気パルス圧縮回路の第２の構成は、前記した第１の構成において、電圧分圧用の可飽和リアクトルとしてパルストランスを用いる構成である。

第２の構成の磁気パルス圧縮回路は、充電コンデンサと負荷との間に直列接続する第１の可飽和リアクトルと、第１の可飽和リアクトルおよび負荷との間において、負荷に対して並列接続する可飽和リアクトルからなるパルストランスとを備える。

ここで、第１の可飽和リアクトルの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路の第１の可飽和リアクトルと第１のリセット回路のチョークコイルとが等価的に並列接続されて形成される合成インピーダンスにより設定し、パルストランスの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路のパルストランスと第２のリセット回路のチョークコイルとが等価的に並列接続されて形成される合成インピーダンスにより設定する。

このインダクタンスの設定において、パルストランスの相互インダクタンスを磁気スイッチに求められる電圧時間積を満たすインダクタンス値よりも小さな値とする。

また、第１の可飽和リアクトルとパルストランスの分圧比は、第１のリセット回路のチョークコイルのインダクタンスおよび第２のリセット回路のチョークコイルのインダクタンスによって定める。

この第２の構成によれば、第１の構成と同様に、電圧分圧用のパルストランスの相互インダクタンスを磁気パルス圧縮回路のパルストランスとリセット回路のチョークコイルとが等価的に並列接続されて形成される並列合成インピーダンスにより設定し、この並列合成インピーダンスを小さくすることによって、磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチ側の可飽和リアクトルのインダクタンスを小さく設定することでインダクタンス値を低減させることができる。

本願発明のパルス電源装置の態様は、高電圧・狭電流幅のパルスを負荷に供給するパルス電源装置であり、直流電源で充電される充電コンデンサと本願発明の磁気パルス圧縮回路を備える。磁気パルス圧縮回路は前記した２つの構成とすることができる。

本願発明の態様によれば、磁気パルス圧縮回路に用いる可飽和リアクトルのコアを小型化することによって、コストを低減させることができる

また、本願発明の態様によれば、リセット回路側は磁気パルス圧縮回路側よりも低電圧であるため、リセット回路側のチョークコイルのインダクタンスによって低電圧で分圧の調整が可能となるため、絶縁処理が容易となり、コストを抑制することができる。

以上説明したように、本発明のパルス電源装置および磁気パルス圧縮回路によれば、磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルにおいて、負荷に印加するパルスに必要な電圧時間積を満たし、かつ、印加するパルスの立ち上り時間を短くするというインダクタンス条件を満たし、更に、可飽和リアクトルを小型化することができる。

本発明のパルス電源装置および磁気パルス圧縮回路の第１の構成の概略を説明するための図である。本発明の第１の構成の磁気パルス圧縮回路の等価回路に表す図である。本発明のパルス電源装置および磁気パルス圧縮回路の第２の構成の概略を説明するための図である。本発明の第２の構成の磁気パルス圧縮回路の等価回路を表す図である。本発明のパルス電源装置の信号図である。本発明の第１の構成の磁気パルス圧縮回路の動作図である。可飽和リアクトルの磁気スイッチを用いてパルス圧縮を行う磁気パルス圧縮回路の従来技術の一構成例を示す図である。

本発明の図１に示す第１の構成は、磁気パルス圧縮回路において、電圧分圧用の可飽和リアクトルＳＬ_ｂを負荷に対して並列接続することによって、未飽和の磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルＳＬ_ａに印加する電圧を大きくする構成に適用する構成であり、磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルＳＬ_ａ、および電圧分圧用の可飽和リアクトルＳＬ_ｂのそれぞれに対してリセット巻き線を施し、このリセット巻き線を介してリセット回路を接続する構成である。

[第１の構成例]
はじめに、本発明のパルス電源装置および磁気パルス圧縮回路の第１の構成例について説明する。図１は本発明のパルス電源装置および磁気パルス圧縮回路の第１の構成の概略を説明するための図であり、図２は図１に示す磁気パルス圧縮回路４ａを等価的に表す図である。

図１において、本発明のパルス電源装置１Ａは、充電器２に接続されたパルス発生回路３と、パルス発生回路３で発生したパルスのパルス幅を圧縮し、圧縮した狭幅のパルス電流を負荷５に供給する磁気パルス圧縮回路４ａと、リセット回路６ａ、６ｂ、６ｃを備える。リセット回路６ａは、パルス発生回路３の可飽和リアクトルＳＬ_Ｐを飽和状態から不飽和状態にリセットし、リセット回路６ｂは、磁気パルス圧縮回路４ａの可飽和リアクトルＳＬ_ａを飽和状態から不飽和状態にリセットし、リセット回路６ｃは、磁気パルス圧縮回路４ａの可飽和リアクトルＳＬ_ｂを飽和状態から不飽和状態にリセットする。

図２は図１の磁気パルス圧縮回路４ａを等価的に表した等価回路を示している。図２の等価回路において、可飽和リアクトルＳＬ_ａの飽和前のインダクタンスをＬ_１１とし、可飽和リアクトルＳＬ_ｂの飽和前のインダクタンスをＬ_２１としている。

可飽和リアクトルＳＬ_ａには、磁気パルス圧縮回路４ａの回路を構成する巻き線とリセット回路６ｂを構成する巻き線が施され、また、可飽和リアクトルＳＬ_ｂには磁気パルス圧縮回路４ａの回路を構成する巻き線とリセット回路６ｃを構成する巻き線が施されているため、可飽和リアクトルの巻き線とリセット回路の巻き線との間でトランスアクションが行われる。

リセット回路６ｂのチョークコイルＬ_ｃｂのインダクタンスＬ_１０１およびリセット回路６ｃのチョークコイルＬ_ｃｃのインダクタンスＬ_１０２は、磁気パルス圧縮回路４ａ側から見てそれぞれ換算インダクタンスＬ_１１１（＝Ｌ_１０１・ｎ_１ ^２）、Ｌ_１１２（＝Ｌ_１０２・ｎ_２ ^２）で表される。したがって、可飽和リアクトルＳＬ_ａのインピーダンスは、可飽和リアクトルＳＬ_ａ自体のインピーダンスＬ_１１と換算インダクタンスＬ_１１１との合成インピーダンスＬ_１で表すことができ、可飽和リアクトルＳＬ_ｂのインピーダンスは、可飽和リアクトルＳＬ_ｂ自体のインピーダンスＬ_１２と換算インダクタンスＬ_１１２との合成インピーダンスＬ_２で表すことができる。

パルス発生回路３は、充電器２に対して、可飽和リアクトルＳＬ_ＰとパルストランスＰＴ_１と半導体スイッチＳＷとを直列接続した回路と、コンデンサＣ_Ｐとを並列接続して構成される。コンデンサＣ_Ｐを充電器２によって初期充電した後、半導体スイッチＳＷをオン制御することによって、コンデンサＣ_ＰからパルストランスＰＴ_１にパルス電流を供給する。可飽和リアクトルＳＬ_ｐは、半導体スイッチＳＷがオン動作した後に、不飽和状態から飽和状態とすることによって半導体スイッチＳＷのスイッチング損失を軽減する。

充電コンデンサＣ_０はパルス発生回路３で発生させたパルス電流によって、パルストランスＰＴ_１を介して高圧充電される。この充電の間、可飽和リアクトルＳＬ_ａは不飽和状態にある。可飽和リアクトルＳＬ_ａは、充電コンデンサＣ_０の充電電圧によって不飽和状態から飽和状態となることで磁気スイッチ動作し、磁気パルス圧縮した狭幅のパルス電圧を可飽和リアクトルＳＬ_ｂに発生させる。

可飽和リアクトルとして繰り返して使用するには、次回の磁気スイッチ動作時までの電圧時間積を大きくするためにリセット制御が必要となる。リセット制御は、磁気スイッチ動作の後、可飽和リアクトルのコアに逆励磁電流を流して磁気リセットを行う。

図２において、可飽和リアクトルＳＬ_ａの換算インダクタンスＬ_１１１は、リセット回路６ｂのチョークコイルＬ_ｃｂのインダクタンスＬ_１０１と可飽和リアクトルＳＬ_ａのリセット巻き線とメイン巻き線の巻き数比ｎ_１を用いて、
Ｌ_１１１＝ｎ₁ ^２・Ｌ_１０１
で表される。

したがって、図２に示す可飽和リアクトルＳＬ_ａの合成インダクタンスＬ_１は、可飽和リアクトルＳＬ_ａの飽和前のインピーダンスＬ_１１と可飽和リアクトルＳＬ_ａの換算インダクタンスＬ_１１１との並列回路接続から
Ｌ_１＝Ｌ_１１//Ｌ_１１１
となる。

また、図２に示す可飽和リアクトルＳＬ_ｂの換算インダクタンスＬ_１１２は、リセット回路６ｃのチョークコイルＬ_ｃｃのインダクタンスＬ_１０２と可飽和リアクトルＳＬ_ｂのリセット巻き線とメイン巻き線の巻き数比ｎ_２を用いて、
Ｌ_１１２＝ｎ_２ ^２・Ｌ_１０２
となる。

したがって、図２に示す可飽和リアクトルＳＬ_ｂの合成インダクタンスＬ_２は、可飽和リアクトルＳＬ_ｂの飽和前のインピーダンスＬ_２１と可飽和リアクトルＳＬ_ｂの換算インダクタンスＬ_１１２との並列回路接続から
Ｌ_２＝Ｌ_２１//Ｌ_１１２
となる。

ここで、可飽和リアクトルＳＬ_ａと可飽和リアクトルＳＬ_ｂは、充電コンデンサＣ_０の電圧Ｖｃを分圧する。

可飽和リアクトルＳＬ_ａおよび可飽和リアクトルＳＬ_ｂが飽和していないとき、この分圧によって可飽和リアクトルＳＬ_ａに印加する電圧Ｖ_ＳＬａは、
Ｖ_ＳＬａ＝（Ｌ_１／（Ｌ_１＋Ｌ_２））・Ｖ_Ｃ
で表される。

一方、可飽和リアクトルＳＬ_ｂに印加する電圧Ｖ_ＳＬｂは、
Ｖ_ＳＬｂ＝（Ｌ_２／（Ｌ_１＋Ｌ_２））・Ｖ_Ｃ
で表される。

ここで、磁気パルス圧縮回路でパルス圧縮するパルスの幅は飽和時のインダクタンスとコンデンサとの積の平方根に比例するため、パルス幅を圧縮するにはインダクタンスが小さいことが求められる。

一方、インダクタンスはコアの断面積と巻き数の二乗との積に比例する。また、可飽和リアクトルの磁気スイッチ特性はコアの特性による飽和時のインダクタンス値に依存する。すなわち、磁気スイッチが必要とする電圧・時間積を満たすと共にインダクタンスＬを小さくするには、巻き数を減らすと共に断面積を増やす必要がある。この断面積を増すと、可飽和リアクトルのサイズが大きくなるという問題が生じる。

また、可飽和リアクトルＳＬ_ａおよび可飽和リアクトルＳＬ_ｂにおいて、磁気パルス圧縮を行うには、これらの飽和前のインダクタンスＬ_１とＬ_２との間において、可飽和リアクトルＳＬ_ａの合成インピーダンスＬ_１と可飽和リアクトルＳＬ_ｂの合成インピーダンスＬ_２とは、
Ｌ_１≫Ｌ_２
の関係となるように選定する必要がある。

さらに可飽和リアクトルＳＬ_ａが飽和した後のインダクタンスをＬ_１２とすると、負荷へパルスパワーを効率よく供給できるためには、飽和後のインピーダンスＬ_１２と合成インピーダンスＬ_２とは、
Ｌ_１２≪Ｌ_２
の関係となるように選定する必要がある。

このとき、Ｌ_２＝Ｌ_２１//Ｌ_１１２の関係から、チョークコイルＬ_ｃｃの可飽和リアクトルＳＬ_ｂへの換算インダクタンスＬ_１１２を有効に利用して、可飽和リアクトルＳＬ_ｂの合成インダクタンスＬ_２を、要求された値に選定することができる。

また、Ｌ_１＝Ｌ_１１//Ｌ_１１１の関係から、Ｌ_１≫Ｌ_２の関係を満たす可飽和リアクトルＳＬ_ａの合成インピーダンスＬ₁についても可飽和リアクトルＳＬ_ｂの換算インダクタンスＬ_１１２を選定することによって小さくすることができる。

したがって、磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルと電圧分圧用の可飽和リアクトルの分圧比は、電圧分圧用の可飽和リアクトルに接続されるリセット回路のチョークコイルのインダクタンスによって定めることができる。

図２に示すパルス圧縮回路の等価回路４ａ´において、合成インピーダンスＬ１と合成インピーダンスＬ２との間の必要条件はＬ_１≫Ｌ_２である。

このＬ_１≫Ｌ_２の条件は、任意の係数ｋを用いてＬ_１＝ｋＬ_２によって選定することでき、Ｌ_１＝Ｌ_１１//Ｌ_１１１とＬ_２＝Ｌ_２１//Ｌ_１１２の関係を用いて、Ｌ_１１//Ｌ_１１１＝ｋ(Ｌ_２１//Ｌ_１１２)とすることができる。

ここで、例えばリセット回路６ｃにおける可飽和インピーダンスＬ_ｃｃのインダクタンスＬ_１０２を有効に利用し、合成インピーダンスＬ_２を磁気パルス圧縮回路側から見た換算インダクタンスＬ_１１２に依存させて選定した場合、合成インダクタンスＬ_２は換算インダクタンスＬ_１１２がない場合と比較して小さなインダクタンスとすることができる。

したがってＬ₁＝ｋＬ₂を満たすＬ₁＝Ｌ_１１//Ｌ_１１１のインダクタンス値を小さくすることができ、ここでＬ_１１のインダクタンスを小さくする。

したがって、リセット回路６ｃのチョークコイルＬ_１０２を利用することによって、可飽和リアクトルを小型化することができる。

本発明の形態によれば、可飽和リアクトルＳＬ_ａのインダクタンスを小さくすることによって、可飽和リアクトルのサイズを小型化し、可飽和リアクトルを形成するコアの量を低減させてコストを低減させることができる。

また、本発明の形態によれば、リセット回路側のチョークコイルのインダクタンスによって電圧分圧を調整することができ、リセット回路側は磁気パルス圧縮回路側よりも低電圧であるため、低電圧において分圧調整が可能となるため、絶縁処理が容易となり、コストを低減させることができる。

[第２の構成例]
次に、本発明のパルス電源装置および磁気パルス圧縮回路の第２の構成例について説明する。図３に示す第２の構成は、前記した第１の構成の電圧分圧用の可飽和リアクトルＳＬ_ｂに代えてパルストランスＰＴ_２を備える構成である。

次に、本発明のパルス電源装置および磁気パルス圧縮回路の第２の構成例について説明する。図３は本発明のパルス電源装置および磁気パルス圧縮回路の第２の構成の概略を説明するための図であり、図４は図３の磁気パルス圧縮回路４ｂを等価的に表す図である。

図３において、本発明のパルス電源装置１Ｂは、充電器２に接続されたパルス発生回路３と、パルス発生回路３で発生したパルスのパルス幅を圧縮し、圧縮した狭幅のパルス電流を負荷５に供給する磁気パルス圧縮回路４ｂと、リセット回路６ａ、６ｂ、６ｄを備える。リセット回路６ａは、パルス発生回路３の可飽和リアクトルＳＬ_Ｐを飽和状態から不飽和状態にリセットし、リセット回路６ｂは、磁気パルス圧縮回路４ｂの可飽和リアクトルＳＬ_ａを飽和状態から不飽和状態にリセットし、リセット回路６ｄは、パルストランスＰＴ_２の可飽和リアクトルを飽和状態から不飽和状態にリセットする。

図４は図３の磁気パルス圧縮回路４ｂを等価的に表した等価回路４ｂ´を示している。図４の等価回路において、可飽和リアクトルＳＬ_ａ飽和前のインダクタンスをＬ_１１とし、パルストランスＰＴ₂の飽和前の相互インダクタンスをＭ_１としている。

可飽和リアクトルＳＬ_ａには、磁気パルス圧縮回路４ｂの回路を構成する巻き線とリセット回路６ｂを構成する巻き線が施され、また、パルストランスＰＴ₂の可飽和リアクトルには磁気パルス圧縮回路４ｂの回路を構成する巻き線とリセット回路６ｄを構成する巻き線が施されているため、パルストランスの可飽和リアクトルの巻き線とリセット回路の巻き線との間でトランスアクションが行われる。

リセット回路６ｂのチョークコイルＬ_ｃｂのインダクタンスＬ_１０１およびリセット回路６ｄのチョークコイルＬ_ｃｄのインダクタンスＬ_１０３は、磁気パルス圧縮回路４ｂ側から見てそれぞれ換算インダクタンスＬ_１１１（＝Ｌ_１０１・ｎ_１ ^２）、Ｌ_１１３（＝Ｌ_１０３・ｎ_３ ^２）で表される。したがって、可飽和リアクトルＳＬ_ａのインピーダンスは、可飽和リアクトルＳＬ_ａ自体のインピーダンスＬ_１１と換算インダクタンスＬ_１１１との合成インピーダンスＬ_１で表すことができ、パルストランスＰＴ_２のインピーダンスは、パルストランスのＰＴ_２の相互インダクタンスＭ_１と換算インダクタンスＬ_１１３との合成インピーダンスＬ_３で表すことができる。

第２の構成のパルストランスＰＴ_２を用いた構成においても、第１の構成と同様に選定できる。

図４において、可飽和リアクトルＳＬ_ａの換算インダクタンスＬ_１１１は、リセット回路６ｂのチョークコイルＬ_ｃｂのインダクタンスＬ_１０１と可飽和リアクトルＳＬ_ａのリセット巻き線とメイン巻き線の巻き数比ｎ_１を用いて、
Ｌ_１１１＝ｎ₁ ^２・Ｌ_１０１
で表される。

したがって、図４に示す可飽和リアクトルＳＬ_ａの合成インダクタンスＬ_１は、可飽和リアクトルＳＬ_ａの飽和前のインピーダンスＬ_１１と可飽和リアクトルＳＬ_ａの換算インダクタンスＬ_１１１との並列回路接続から
Ｌ_１＝Ｌ_１１//Ｌ_１１１
となる。

また、図４に示すパルストランスＰＴ_２の換算インダクタンスＬ_１１３は、リセット回路６ｄのチョークコイルＬ_ｃｄのインダクタンスＬ_１０３とパルストランスＰＴ_２のリセット巻き線とメイン巻き線の巻き数比ｎ_３を用いて、
Ｌ_１１３＝ｎ_３ ^２・Ｌ_１０３
となる。

したがって、図４に示すパルストランスＰＴ_２の合成インダクタンスＬ_３は、飽和前の相互インピーダンスＭ_１とパルストランスＰＴ_２の換算インダクタンスＬ_１１３との並列回路接続から
Ｌ_３＝Ｍ_１//Ｌ_１１３
となる。

ここで、可飽和リアクトルＳＬ_ａとパルストランスＰＴ_２は、充電コンデンサＣ_０の電圧Ｖｃを分圧する。

可飽和リアクトルＳＬ_ａおよびパルストランスＰＴ_２が飽和していないとき、この分圧によって可飽和リアクトルＳＬ_ａに印加する電圧Ｖ_ＳＬａは、
Ｖ_ＳＬａ＝（Ｌ_１／（Ｌ_１＋Ｌ_３））・Ｖ_Ｃ
で表される。

一方、パルストランスＰＴ_２に印加する電圧Ｖ_ＰＴ２は、
Ｖ_ＰＴ２＝（Ｌ_３／（Ｌ_１＋Ｌ_３））・Ｖ_Ｃ
で表される。

また、可飽和リアクトルＳＬ_ａおよびパルストランスＰＴ_２において、磁気パルス圧縮を行うには、これらの飽和前のインダクタンスＬ_１とＬ_３との間において、可飽和リアクトルＳＬ_ａの合成インピーダンスＬ_１とパルストランスＰＴの合成インピーダンスＬ_３とは、
Ｌ₁≫Ｌ_３
の関係となるように選定する必要がある。

さらに可飽和リアクトルＳＬ_ａが飽和した後のインダクタンスをＬ_１２とすると、負荷へパルスパワーを効率よく供給できるためには、飽和後のインピーダンスＬ_１２と合成インピーダンスＬ_３とは、
Ｌ_１２≪Ｌ_３
の関係となるように選定する必要がある。

このとき、Ｌ_３＝Ｍ_１//Ｌ_１１３の関係から、チョークコイルＬ_ｃｄのパルストランスＰＴ_２への換算インダクタンスＬ_１１３を有効に利用して、パルストランスＰＴ_２の合成インダクタンスＬ_３を要求された値に選定することができる。

また、Ｌ_１＝Ｌ_１１//Ｌ_１１１の関係から、Ｌ_１≫Ｌ_３の関係を満たす可飽和リアクトルＳＬ_ａの合成インピーダンスＬ₁についてもパルストランスＰＴ_２の換算インダクタンスＬ_１１３を選定することによって小さくすることができる。

したがって、磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルと電圧分圧用のパルストランスの分圧比は、電圧分圧用のパルストランスに接続されるリセット回路のチョークコイルのインダクタンスによって定めることができる。

[動作例]
図５は図１および図３に示す構成例の信号図を表し、電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４は図１および図３の電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４に相当している。また、図６は不飽和状態での動作図（図６（ａ））、および飽和状態での動作図（図６（ｂ））を示している。

図５の信号図中の区間Ａ、および図６（ａ）の動作図は、磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルＳＬ_ａが不飽和状態を示している。

この可飽和リアクトルＳＬ_ａが不飽和状態にあるときには、印加電圧は合成インピーダンスＬ_１と合成インピーダンスＬ_２によって分圧される。

この不飽和状態では、合成インピーダンスＬ_１と合成インピーダンスＬ_２との間には、Ｌ_１≫Ｌ_２の条件により、可飽和リアクトルＳＬ_ａに印加する電圧Ｖ_ＳＬａは可飽和リアクトルＳＬ_ｂに印加する電圧Ｖ_ＳＬｂよりも大となる。図５（ｃ）のＶ３と図５（ｄ）のＶ４はこの関係を示している。

図５の信号図中の区間Ｂ、および図６（ｂ）の動作図は、磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルＳＬ_ａが飽和状態を示している。

この可飽和リアクトルＳＬ_ａが飽和状態にあるときには、可飽和リアクトルＳＬ_ａはトランスアクションしないため、印加電圧は飽和後のインピーダンスＬ_１２と合成インピーダンスＬ_２によって分圧される。

この飽和状態では、可飽和リアクトルのインピーダンスＬ_１２と合成インピーダンスＬ_２との間には、Ｌ_１２≪Ｌ_２の条件により、図５（ｄ）の区間Ｂに示すように、可飽和リアクトルＳＬ_ｂに印加する電圧Ｖ_ＳＬｂは急激に増大し、負荷にパルス電流が供給される。

なお、本発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明のパルス電源装置および磁気パルス圧縮回路は、成膜装置に限らず、スパッタリング装置やアッシング装置等のプラズマを用いる処理装置分野に適用することができる。

１Ａ，１Ｂパルス電源装置
２充電器
３パルス発生回路
４ａ，４ｂ磁気パルス圧縮回路
４ａ´，４ｂ´ 磁気パルス圧縮回路の等価回路
５負荷
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄリセット回路

Claims

可飽和リアクトルの磁気スイッチ動作によって充電コンデンサから放電される電流を圧縮してパルス電流を流す磁気パルス圧縮回路であって、
前記磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルを飽和状態から不飽和状態にリセットするリセット回路を備え、
前記リセット回路はリセット巻き線と直流電源間にチョークコイルを接続し、
前記磁気パルス圧縮回路の電圧分圧用の可飽和リアクトルの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルとリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスにより設定し、当該並列合成インピーダンスを小さくすることによって、磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチ側の可飽和リアクトルのインダクタンスを小さく設定することを特徴とする、磁気パルス圧縮回路。
可飽和リアクトルの磁気スイッチ動作によって充電コンデンサから放電される電流を圧縮してパルス電流を流す磁気パルス圧縮回路であって、
前記磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルを飽和状態から不飽和状態にリセットするリセット回路を備え、
前記リセット回路はリセット巻き線と直流電源間にチョークコイルを接続し、
前記磁気パルス圧縮回路は、前記充電コンデンサと負荷との間に直列接続する第１の可飽和リアクトルと、前記第１の可飽和リアクトルと負荷との間に負荷に対して並列接続する第２の可飽和リアクトルとを備え、
前記第１の可飽和リアクトルの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路の第１の可飽和リアクトルと第１のリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスにより設定し、
前記第２の可飽和リアクトルの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路の第２の可飽和リアクトルと第２のリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスにより設定し、
第２の可飽和リアクトルと第２のリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスを小さくすることによって、磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチ側の可飽和リアクトルのインダクタンスを小さく設定することを特徴とする、磁気パルス圧縮回路。
前記第１の可飽和リアクトルと前記第２の可飽和リアクトルの分圧比は、第１のリセット回路のチョークコイルのインダクタンスおよび第２のリセット回路のチョークコイルのインダクタンスによって定まることを特徴とする、請求項２に記載の磁気パルス圧縮回路。
可飽和リアクトルの磁気スイッチ動作によって充電コンデンサから放電される電流を圧縮してパルス電流を流す磁気パルス圧縮回路であって、
前記磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルを飽和状態から不飽和状態にリセットするリセット回路を備え、
前記リセット回路はリセット巻き線と直流電源間にチョークコイルを接続し、
前記磁気パルス圧縮回路は、前記充電コンデンサと負荷との間に直列接続する第１の可飽和リアクトルと、
前記第１の可飽和リアクトルと負荷との間に負荷に対して並列接続するパルストランスとを備え、
前記第１の可飽和リアクトルの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路の第１の可飽和リアクトルと第１のリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスにより設定し、
前記パルストランスの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路のパルストランスと第２のリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスにより設定し、
磁気パルス圧縮回路のパルストランスと第２のリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスを小さくすることによって、磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチ側の可飽和リアクトルのインダクタンスを小さく設定することを特徴とする、磁気パルス圧縮回路。
前記第１の可飽和リアクトルと前記パルストランスの分圧比は、第１のリセット回路のチョークコイルのインダクタンスおよび第２のリセット回路のチョークコイルのインダクタンスによって定まることを特徴とする、請求項４に記載の磁気パルス圧縮回路。
高電圧・狭電流幅のパルスを負荷に供給するパルス電源装置であって、
直流電源で充電される充電コンデンサと、
可飽和リアクトルの磁気スイッチ動作によって前記充電コンデンサから負荷に圧縮したパルス電流を流す磁気パルス圧縮回路と、
前記磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルを飽和状態から不飽和状態にリセットするリセット回路とを備え、
前記リセット回路はリセット巻き線と直流電源間にチョークコイルを接続し、
前記磁気パルス圧縮回路の電圧分圧用の可飽和リアクトルの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルとリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスにより設定し、当該並列合成インピーダンスを小さくすることによって、磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチ側の可飽和リアクトルのインダクタンスを小さく設定することを特徴とする、パルス電源装置。
高電圧・狭電流幅のパルスを負荷に供給するパルス電源装置であって、
直流電源で充電される充電コンデンサと、
可飽和リアクトルの磁気スイッチ動作によって前記充電コンデンサから負荷に圧縮したパルス電流を流す磁気パルス圧縮回路と、
前記磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルを飽和状態から不飽和状態にリセットするリセット回路とを備え、
前記リセット回路はリセット巻き線と直流電源間にチョークコイルを接続し、
前記磁気パルス圧縮回路は、前記充電コンデンサと負荷との間に直列接続する第１の可飽和リアクトルと、
前記第１の可飽和リアクトルと負荷との間に負荷に対して並列接続する第２の可飽和リアクトルとを備え、
前記第１の可飽和リアクトルの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路の第１の可飽和リアクトルと第１のリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスにより設定し、
前記第２の可飽和リアクトルの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路の第２の可飽和リアクトルと第２のリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスにより設定し、
第２の可飽和リアクトルと第２のリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスを小さくすることによって、磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチ側の可飽和リアクトルのインダクタンスを小さく設定することを特徴とする、パルス電源装置。
前記第１の可飽和リアクトルと前記第２の可飽和リアクトルの分圧比は、第１のリセット回路のチョークコイルのインダクタンスおよび第２のリセット回路のチョークコイルのインダクタンスによって定まることを特徴とする、請求項７に記載のパルス電源装置。
高電圧・狭電流幅のパルスを負荷に供給するパルス電源装置であって、
直流電源で充電される充電コンデンサと、
可飽和リアクトルの磁気スイッチ動作によって前記充電コンデンサから負荷に圧縮したパルス電流を流す磁気パルス圧縮回路と、
前記磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルを飽和状態から不飽和状態にリセットするリセット回路とを備え、
前記リセット回路はリセット巻き線と直流電源間にチョークコイルを接続し、
前記磁気パルス圧縮回路は、前記充電コンデンサと負荷との間に直列接続する第１の可飽和リアクトルと、
前記第１の可飽和リアクトルと負荷との間に負荷に対して並列接続するパルストランスとを備え、
前記第１の可飽和リアクトルの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路の第１の可飽和リアクトルと第１のリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスにより設定し、
前記パルストランスの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路のパルストランスと第２のリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスにより設定し、
磁気パルス圧縮回路のパルストランスと第２のリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスを小さくすることによって、磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチ側の可飽和リアクトルのインダクタンスを小さく設定することを特徴とする、磁気パルス電源装置。
前記第１の可飽和リアクトルと前記パルストランスとの分圧比は、第１のリセット回路のチョークコイルのインダクタンスおよび第２のリセット回路のチョークコイルのインダクタンスによって定まることを特徴とする、請求項９に記載のパルス電源装置。