JP2011151643A - パルス発生回路 - Google Patents

Abstract

【課題】極めて短いパルス幅のパルス電圧を発生するパルス発生回路を提供する。
【解決手段】パルス発生回路は、誘導エネルギーを蓄積するトランスと、トランスへの直流の供給経路と、供給経路を開閉するスイッチと、トランスの第１端と第２端とを自律的に短絡に近い状態にする補助回路と、トランスからのパルス電圧の出力経路と、直流を供給する直流電源と、直流電源からの直流の供給を安定させるキャパシタと、を備える。補助回路は、トランスに誘導起電力が発生してから短い時間が経過した後に第１端と第２端とを自律的に短絡に近い状態にする。補助回路は、短絡経路を流れる電流を直流電源へ回生する回生回路を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、パルス発生回路に関する。

特許文献１，２は、インダクタ・トランス等への直流の供給経路を開閉しパルス電圧を発生する誘導エネルギー蓄積型のパルス発生回路（パルス電源回路）に関する。

特許文献１のパルス発生回路は、ターンオフが高速な静電誘導サイリスタ等を用いたスイッチにより供給経路を開閉し、パルス幅が短いパルス電圧を発生する。

特許文献２のパルス発生回路は、パルス電圧が発生しているときにトランスの巻線の両端をスイッチにより短絡し、パルス幅の短いパルス電圧を発生する。

特許第３８１１６８１号公報 特開２００９−５４９８号公報

特許文献１のパルス発生回路では、スイッチ・インダクタ・トランス等の浮遊容量のため、極めて短いパルス幅、例えば、数１００ｎｓｅｃ以下のパルス幅のパルス電圧を発生することは困難である。

また、特許文献２のパルス発生回路では、パルス幅が短いパルス電圧を発生させようとすると、トランスの巻線の両端を短絡するスイッチによる開閉のタイミングを高精度で制御する必要がある。このため、特許文献２のパルス発生回路でも、極めて短いパルス幅のパルス電圧を発生させることは困難である。

さらに、特許文献２のパルス発生回路では、トランスの巻線の両端を短絡する回路を流れる電流Ｉ３のエネルギーが出力されないため、効率を向上することが困難である。

加えて、特許文献２のパルス発生回路では、パルス電圧の出力が終わった後であっても、電流Ｉ３が０に近くなるまで減衰しなければ、次のパルス電圧を発生することができず、パルス電圧の繰り返し周波数を上げることが困難である。

本発明は、この問題を解決するためになされたもので、極めて短いパルス幅のパルス電圧を発生するパルス発生回路を提供することを目的とする。さらに望ましくは、効率が向上しパルス電圧の繰り返し周波数を上げることができるパルス発生回路を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、パルス発生回路であって、誘導エネルギーを蓄積する誘導エネルギー蓄積体と、直流の供給源から前記誘導エネルギー蓄積体への直流の供給経路と、前記供給経路を開閉するスイッチと、前記供給経路が開かれたときに誘導起電力が発生する前記誘導エネルギー蓄積体の第１端と第２端とを接続する補助回路と、を備え、前記補助回路は、誘導起電力の短絡経路と、前記短絡経路に挿入される可飽和リアクトルと、前記短絡経路を流れる電流を前記供給源へ回生する回生回路と、を備える。

請求項２の発明は、請求項１のパルス発生回路において、前記回生回路は、前記短絡経路に挿入される１次側巻線から２次側巻線へ電流を伝達するトランスと、前記２次側巻線から前記供給源への回生経路と、電流が回生されるときに順バイアスされるように前記回生経路に挿入されるダイオードと、を備える。

請求項３の発明は、請求項１のパルス発生回路において、前記誘導エネルギー蓄積体からのパルス電圧の出力経路、をさらに備え、前記誘導エネルギー蓄積体は、磁気結合された第１の巻線と第２の巻線とを備えるトランスであり、前記供給経路により前記第１の巻線へ直流が供給され、前記出力経路により前記第２の巻線からパルス電圧が出力され、前記補助回路は、前記第１の巻線の両端を接続する。

請求項４の発明は、請求項１のパルス発生回路において、前記誘導エネルギー蓄積体からのパルス電圧の出力経路、をさらに備え、前記誘導エネルギー蓄積体は、磁気結合された第１の巻線と第２の巻線とを備えるトランスであり、前記供給経路により前記第１の巻線へ直流が供給され、前記出力経路により前記第２の巻線からパルス電圧が出力され、前記補助回路は、前記第２の巻線の両端を接続する。

請求項５の発明は、請求項１のパルス発生回路において、前記誘導エネルギー蓄積体からのパルス電圧の出力経路、をさらに備え、前記誘導エネルギー蓄積体は、磁気結合された第１の巻線と第２の巻線と第３の巻線とを備えるトランスであり、前記供給経路により前記第１の巻線へ直流が供給され、前記出力経路により前記第２の巻線からパルス電圧が出力され、前記補助回路は、前記第３の巻線の両端を接続する。

本発明によれば、誘導エネルギー蓄積体に誘導起電力が発生してから短い時間が経過した後に誘導エネルギー蓄積体の第１端と第２端とが自律的に短絡される。このため、短いパルス幅のパルス電圧を発生させることが容易になる。また、短絡経路に流れる電流が直流の供給源へ回生されるので、パルス発生回路の効率が向上する。さらに、短絡経路を流れる電流が急速に減衰するので、パルス電圧の繰り返し周波数を上げることができる。

第１実施形態のパルス発生回路の回路図である。 可飽和リアクトルの磁性体コアのＢ−Ｈカーブの例を示す図である。 第１実施形態のパルス発生回路の動作を説明する図である。 第１実施形態のパルス発生回路の動作を説明する図である。 第１実施形態のパルス発生回路の動作を説明する図である。 第１実施形態のパルス発生回路の動作を説明する図である。 第１実施形態のパルス発生回路の動作を説明する図である。 第１実施形態のパルス発生回路の動作を説明する図である。 第２実施形態のパルス発生回路の回路図である。 第３実施形態のパルス発生回路の回路図である。 本願発明に関連するパルス発生回路の回路図である。 本願発明に関連するパルス発生回路の動作を説明する図である。 本願発明に関連するパルス発生回路の動作を説明する図である。 本願発明に関連するパルス発生回路の回路図である。 本願発明に関連するパルス発生回路の回路図である。

以下では、本願発明と関連する非公知の関連技術及びその問題点を説明した後に、本願発明の第１実施形態、第２実施形態及び第３実施形態を説明する。

＜本願発明と関連する非公知の関連技術及びその問題点＞
（パルス発生回路８００４の概略）
図１１は、パルス発生回路８００４の回路図である。パルス発生回路８００４は、誘導性素子に誘導エネルギーを蓄積しパルス電圧を出力する誘導エネルギー蓄積型のパルス発生回路である。

図１１に示すように、パルス発生回路８００４は、誘導エネルギーを蓄積するトランス８００８と、トランス８００８の第１の巻線８２０４への直流の供給経路８０１２と、供給経路８０１２を開閉するスイッチ８０１６と、第１の巻線８２０４の第１端８２１２と第２端８２１６とを自律的に短絡に近い状態にする補助回路８０２０と、トランス８００８の第２の巻線８２０８からのパルス電圧の出力経路８０２４と、直流を供給する直流電源８０２８と、直流電源８０２８からの直流の供給を安定させるキャパシタ８０３２と、を備える。

パルス発生回路８００４においては、スイッチ８０１６が供給経路８０１２を閉じると、第１の巻線８２０４に電流が流れ、トランス８００８に誘導エネルギーが蓄積される。トランス８００８に誘導エネルギーが蓄積された後に、スイッチ８０１６が供給経路８０１２を開くと、第１の巻線８２０４には自己誘導により誘導起電力が発生し、第２の巻線８２０８には相互誘導により誘導起電力が発生する。トランス８００８の第２の巻線８２０８に発生した誘導起電力は、パルス電圧として出力経路８０２４を経由して負荷８０３６へ出力される。

補助回路８０２０は、誘導起電力の短絡経路８１０４と、印加される電圧の時間積分が特定値を超過するとインダクタンスが急激に低下する可飽和リアクトル８１０８と、短絡経路８１０４の電流の流れやすさに異方性を付与するダイオード８１８０と抵抗８１８４との並列接続体８１１２と、を備える。

補助回路８０２０は、第１の巻線８２０４に誘導起電力が発生してから短い時間が経過した後に第１の巻線８２０４の第１端８２１２と第２端８２１６とを自律的に短絡に近い状態にする。これにより、第２の巻線８２０８からのパルス電圧の出力が停止され、パルス幅が短いパルス電圧が発生する。

（パルス発生回路８００４の動作）
図１２及び図１３は、パルス発生回路８００４の動作を説明する図である。図１２及び図１３は、それぞれ、スイッチ８０１６の状態及び補助回路８０２０を流れる電流Ｉ３の時間変化を示す。タイミングｔ０において、図１２に示すように、スイッチ８０１６がＯＮ状態になり供給経路８０１２が閉じられると、トランス８００８への誘導エネルギーの蓄積が始まるとともに、図１３に示すように、電流Ｉ３が負方向へ増加し始める。電流Ｉ３は、直流電源８０２８の出力電圧と抵抗８１８４の抵抗値とで決まる定常値まで負方向に増加する。

タイミングｔ１において、図１２に示すように、スイッチ８０１６がＯＦＦ状態になり供給経路８０１２が開かれると、第２の巻線８２０８から負荷８０３６へのパルス電圧の出力が始まる。しかし、この時点では、可飽和リアクトル８１０８の磁性体コア８１１６は飽和しておらず、可飽和リアクトル８１０８のインダクタンスも低下していないので、第１の巻線８２０４の第１端８２１２と第２端８２１６とは短絡に近い状態にはなっておらず、図１３に示すように、電流Ｉ３は０に近い。

タイミングｔ２において、磁性体コア８１１６が飽和し、可飽和リアクトル８１０８のインダクタンスが低下すると、図１３に示すように、電流Ｉ３が正方向に増加し、第１の巻線８２０４の第１端８２１２と第２端８２１６とが短絡に近い状態になる。第１の巻線８２０４の第１端８２１２と第２端８２１６とが短絡に近い状態になると、第２の巻線８２０８から負荷８０３６へのパルス電圧の出力が終わる。

（パルス発生回路８００４の問題点）
パルス発生回路８００４は、特開２００９−５４９８号公報のパルス発生回路と同じく、パルス電圧の出力が終わった後であっても、電流Ｉ３が０に近くなるまで減衰しなければ、次のパルス電圧を発生することができない。電流Ｉ３が十分に減衰しないうちに次のパルス電圧を発生すると、トランス８００８に誘導エネルギーが残存している状態のままトランス８００８への新たな誘導エネルギーの蓄積が始まり、発生するパルス電圧のエネルギーが次第に大きくなるからである。このため、パルス発生回路８００４においては、繰り返し周波数を上げることが困難である。また、パルス発生回路８００４においては、特開２００９−５４９８号公報のパルス発生回路と同じく、補助回路８０２０を流れる電流Ｉ３のエネルギーが出力されないため、効率を向上することが困難である。

（パルス発生回路８００４の繰り返し周波数の上限）
パルス発生回路８００４において電流Ｉ３が０に近くなるまで減衰するのに必要な時間ｔは、第１の巻線８２０４の励磁インダクタンスＬｅｘ、可飽和リアクトル８１０８が飽和したときに補助回路８０２０に流れる電流Ｉ３の電流値Ｉ３ｓ及びダイオード８１８０の順方向電圧Ｖｆを用いて、式（１）であらわされる。

励磁インダクタンスＬｅｘが３μＨ、電流値Ｉ３ｓが５０Ａ、順方向電圧Ｖｆが０．６Ｖである場合は、時間ｔは２５０μｓｅｃとなり、繰り返し周波数の上限は約５ｋｐｐｓとなる。

（抵抗８１２０，８１８８の挿入による繰り返し周波数の向上）
電流Ｉ３の減衰を促進し、繰り返し周波数を上げるため、図１４及び図１５に示すように、電流Ｉ３が流れる経路に抵抗８１２０，８１８８を挿入することも考えられる。

抵抗８１２０，８１８８が挿入された場合、電流Ｉ３が電流値Ｉ３ｓの１％まで減衰するまでに必要な時間ｔは、励磁インダクタンスＬｅｘ及び抵抗８１２０，８１８８の抵抗値Ｒを用いて、式（２）であらわされる。式（２）におけるＬｎ（０．０１）は、０．０１（１％）の自然対数を意味する。

励磁インダクタンスＬｅｘが３μＨ、抵抗値Ｒが１Ωである場合は、時間ｔは１３．８μｓｅｃとなり、繰り返し周波数の上限は約５０ｋｐｐｓとなる。

しかし、抵抗８１２０，８１８８が挿入されても、補助回路８０２０を流れる電流Ｉ３のエネルギーが出力されないことに変わりはなく、効率を向上することが困難であることに変わりはない。また、補助回路８０２０を流れる電流Ｉ３により抵抗８１２０，８１８８が著しく発熱するという問題が生じる。

トランス８００８に蓄積されるエネルギーＥ１は、励磁インダクタンスＬｅｘ及びトランス８００８への誘導エネルギーの蓄積に使われる電流の電流値Ｉｃを用いて、式（３）であらわされる。抵抗８１２０，８１８８で消費されるエネルギーＥ２は、励磁インダクタンスＬｅｘ及び電流値Ｉ３ｓを用いて、式（４）であらわされる。

電流値Ｉｃが１００Ａ、電流値Ｉ３ｓが５０Ａである場合は、トランス８００８に蓄積される誘導エネルギーは１５ｍＪ、抵抗８１２０，８１８８で消費されるエネルギーは３．７５ｍＪとなる。このときのパルス発生回路８００４の効率は７５％である。また、繰り返し周波数を２０ｋｐｐｓとすると抵抗８１２０，８１８８で消費される電力は３．７５ｍＪ×５ｋｐｐｓ＝１９Ｗとなるので、大型の抵抗８１２０，８１８８が必要になる。

＜第１実施形態＞
（パルス発生回路１００４の概略）
図１は、パルス発生回路８００４を改良した第１実施形態のパルス発生回路１００４の回路図である。パルス発生回路１００４には、短絡経路１１０４を流れる電流を回生する回生回路１１１８が設けられる。回生回路１１１８は、補助回路１０２０を流れる電流Ｉ３の減衰を促進し、パルス発生回路１００４の繰り返し周波数の上限を上げることに寄与するとともに、パルス発生回路１００４の効率を向上する。

図１に示すように、パルス発生回路１００４は、誘導エネルギーを蓄積するトランス１００８と、トランス１００８の第１の巻線１２０４への直流の供給経路１０１２と、供給経路１０１２を開閉するスイッチ１０１６と、第１の巻線１２０４の第１端１２１２と第２端１２１６とを自律的に短絡に近い状態にする補助回路１０２０と、トランス１００８の第２の巻線１２０８からのパルス電圧の出力経路１０２４と、直流を供給する直流電源１０２８と、直流電源１０２８からの直流の供給を安定させるキャパシタ１０３２と、を備える。

パルス発生回路１００４においては、スイッチ１０１６が供給経路１０１２を閉じると、第１の巻線１２０４に電流が流れトランス１００８に誘導エネルギーが蓄積される。トランス１００８に誘導エネルギーが蓄積された後に、スイッチ１０１６が供給経路１０１２を開くと、第１の巻線１２０４には自己誘導により誘導起電力が発生し、第２の巻線１２０８には相互誘導により誘導起電力が発生する。トランス１００８の第２の巻線１２０８に発生した誘導起電力は、パルス電圧として出力経路１０２４を経由して負荷１０３６へ出力される。

補助回路１０２０は、第１の巻線１２０４に誘導起電力が発生してから短い時間が経過した後に第１の巻線１２０４の第１端１２１２と第２端１２１６とを自律的に短絡に近い状態にする。これにより、第２の巻線１２０８からのパルス電圧の出力が停止され、パルス幅が短いパルス電圧が発生する。短絡に近い状態にすることが自律的であることは、複雑な制御を不要にし、短いパルス幅のパルス電圧を発生させることを容易にする。「自律的」とは、短絡のタイミングを決める信号の入力を受けることなく、誘導起電力の発生に応答して短絡に近い状態にすることを意味する。

（補助回路１０２０）
補助回路１０２０は、第１の巻線１２０４の第１端１２１２と第２端１２１６とを接続する。

補助回路１０２０は、誘導起電力の短絡経路１１０４と、印加される電圧値の時間積分が特定値を超過するとインダクタンスが急激に低下する可飽和リアクトル１１０８と、短絡経路１１０４の電流の流れやすさに異方性を付与するダイオード１１８０と抵抗１１８４との並列接続体１１１２と、を備える。加えて、補助回路１０２０は、短絡経路１１０４を流れる電流を直流の供給源となる直流電源１０２８とキャパシタ１０３２との並列接続体１０３４へ回生する回生回路１１１８を備える。

可飽和リアクトル１１０８は、短絡経路１１０４に挿入される。並列接続体１１１２は、スイッチ１０１６が供給経路１０１２を開いたときに第１の巻線１２０４に発生する誘導起電力によりダイオード１１８０が順バイアスされるように短絡経路１１０４に挿入される。すなわち、ダイオード１１８０のカソードが可飽和リアクトル１１０８及びトランス１４０４の１次側巻線１５０４を介して第１の巻線１２０４の第１端１２１２に接続され、ダイオード１１８０のアノードが第１の巻線１２０４の第２端１２１６に接続される。なお、可飽和リアクトル１１０８の挿入位置と並列接続体１１１２の挿入位置と１次側巻線１５０４の挿入位置とを入れ替えてもよい。

図２は、可飽和リアクトル１１０８の磁性体コア１１１６のＢ−Ｈカーブの例を示す図である。

スイッチ１０１６が供給経路１０１２を閉じると、第１の巻線１２０４の第１端１２１２の電圧が第２端１２１６の電圧よりも高くなる。これにより、補助回路１０２０においては、ダイオード１１８０が逆バイアスされ、第１の巻線１２０４の第１端１２１２から第２端１２１６へ向かう電流が流れる。第１の巻線１２０４の第１端１２１２から第２端１２１６へ向かう電流は、１次側巻線１５０４、可飽和リアクトル１１０８及び抵抗１１８４を主に経由する。

抵抗１１８４の抵抗値は、このときに可飽和リアクトル１１０８に流れる電流により磁性体コア１１１６が図２に示す飽和状態Ｓ１となるように決められる。これにより、スイッチ１０１６により供給経路１０１２が閉じられるごとに可飽和リアクトル１１０８が一定の状態に初期化される。この動作を以下では「初期化動作」という。初期化動作は、パルス発生回路１００４がパルス電圧を繰り返し発生する場合にパルス電圧を均一化することに寄与する。ただし、抵抗１１８４の抵抗値が小さくなりすぎると、抵抗１１８４で消費される電力が大きくなり、電力容量が大きい抵抗を使用したり大掛かりな放熱対策を行ったりする必要が発生するため、抵抗１１８４の抵抗値は、上記の初期化動作を妨げない範囲で、できるだけ大きく決められる。

一方、スイッチ１０１６が供給経路１０１２を開くと、第１の巻線１２０４の第２端１２１６の電圧が第１端１２１２の電圧よりも高くなる。これにより、補助回路１０２０においては、ダイオード１１８０が順バイアスされ、可飽和リアクトル１１０８には、上記の初期化動作のときとは逆方向の電圧が印加される。

このとき、可飽和リアクトル１１０８に印加される電圧により、磁性体コア１１１６は、磁化反転を起こし、図２に示す飽和状態Ｓ２となる。これにより、可飽和リアクトル１１０８のインダクタンスが急激に低下し、第１の巻線１２０４の第１端１２１２と第２端１２１６とが短絡に近い状態になる。この動作を以下では「短絡動作」という。

並列接続体１１１２に代えて、並列接続体１１１２と同様の電流の流れ易さの異方性を有する素子又は素子群を使用してもよい。

（トランス１００８）
トランス１００８は、誘導エネルギーを蓄積する誘導エネルギー蓄積体である。誘導エネルギーとは、誘導性素子に電流を流すことによって蓄積される磁気エネルギーを意味する。トランス１００８の第１の巻線１２０４と第２の巻線１２０８とは磁気結合される。第１の巻線１２０４に電流を流すことによってトランス１００８に蓄積された誘導エネルギーは、第２の巻線１２０８から電気エネルギーとして取り出される。

第１の巻線１２０４の第１端１２１２は、直流電源１０２８の正極及びキャパシタ１０３２の一端に接続され、第１の巻線１２０４の第２端１２１６は、スイッチ１０１６を介して直流電源１０２８の負極及びキャパシタ１０３２の他端に接続される。

トランス１００８に代えて単一の巻線を備えるインダクタを誘導エネルギー蓄積体として使用し、インダクタから直接的にパルス電圧を出力してもよい。

（スイッチ１０１６）
図１に示すように、スイッチ１０１６は、供給経路１０１２を開閉するＭＯＳＦＥＴ（酸化金属半導体電界効果トランジスタ）１３０４と、ＭＯＳＦＥＴ１３０４を駆動する駆動回路１３０８と、ＭＯＳＦＥＴ１３０４に続いて供給経路１０１２を開閉するＳＩサイリスタ（静電誘導サイリスタ）１３１２と、ＳＩサイリスタ１３１２へのバイアス付与経路１３１４と、ＳＩサイリスタ１３１２のゲートへ電流が流入することを抑制しＳＩサイリスタ１３１２のゲートから電流が流出することを許容するダイオード１３１８と、を備える。

ＳＩサイリスタ１３１２及びＭＯＳＦＥＴ１３０４は、ターンオンしたときに供給経路１０１２を閉じターンオフしたときに供給経路１０１２を開くように供給経路１０１２に直列に挿入される。すなわち、ＳＩサイリスタ１３１２のアノードは、第１の巻線１２０４の第２端１２１６に接続され、ＳＩサイリスタ１３１２のカソードは、ＭＯＳＦＥＴ１３０４のドレインに接続され、ＭＯＳＦＥＴ１３０４のソースは、直流電源１０２８の負極及びキャパシタ１０３２の他端に接続される。ＳＩサイリスタ１３１２のゲートは、バイアス付与経路１３１４により第１の巻線１２０４の第１端１２１２に接続される。バイアス付与経路１３１４により、第１の巻線１２０４に発生した誘導起電力でＳＩサイリスタ１３１２がバイアスされる。ダイオード１３１８は、バイアス付与経路１３１４に挿入される。ダイオード１１８０のカソードは、第１の巻線１２０４の第１端１２１２に接続され、ダイオード１１８０のアノードは、ＳＩサイリスタ１３１２のゲートに接続される。ダイオード１１８０により、ＳＩサイリスタ１３１２が電圧駆動により正バイアスされ電流駆動により負バイアスされる。

ＭＯＳＦＥＴ１３０４がターンオンすると、高インピーダンスのダイオード１３１８を介してＳＩサイリスタ１３１２のゲートが正バイアスされ、ＳＩサイリスタ１３１２もターンオンする。これにより、供給経路１０１２が閉じられ、第１の巻線１２０４への直流の供給が始まる。

ＭＯＳＦＥＴ１３０４がターンオフすると、トランス１００８に蓄積されたエネルギーにより、ＳＩサイリスタ１３１２のカソードに流れていた電流がゲートへ転流し、ＳＩサイリスタ１３１２の内部に充電されていたキャリアが排出され、ＳＩサイリスタ１３１２も高速にターンオフする。これにより、供給経路１０１２が開かれ、第１の巻線１２０４への直流の供給が終わる。

図１に示すスイッチ１０１６には、単純であるにもかかわらず、供給経路１０１２を高速に開くことができるという利点がある。このことは、立ち上がりの早いパルス電圧を発生することに寄与する。しかし、他の形式のスイッチ１０１６で供給経路１０１２が開閉されてもよい。

例えば、ＳＩサイリスタ１３１２がバイポーラトランジスタ・ＧＴＯ（ゲートターンオフ）サイリスタ・ＭＯＳＦＥＴ・ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）・ＳＩＴ（静電誘導トランジスタ）等の他の種類のスイッチング素子に変更されてもよい。ＳＩサイリスタ１３１２が他の種類のスイッチング素子に変更される場合は、必要に応じて、スイッチング素子の挿入位置が変更され、バイアス付与経路が変更される。

ＭＯＳＦＥＴ１３０４がバイポーラトランジスタ・ＧＴＯサイリスタ・ＩＧＢＴ・ＳＩＴ・ＳＩサイリスタ等の他の種類のスイッチング素子に変更されてもよい。ＭＯＳＦＥＴ１３０４が他の種類のスイッチング素子に変更される場合は、必要に応じて、駆動回路１３０８が変更され、転流回路が設けられる。

２種類のスイッチング素子を備えるスイッチ１０１６に代えて１種類のスイッチング素子のみを備えるスイッチを使用してもよい。

（回生回路１１１８）
図１に示すように、回生回路１１１８は、１次側巻線１５０４から２次側巻線１５０８へ電流を伝達するカレントトランス等のトランス１４０４と、２次側巻線１５０８から並列接続体１０３４への回生経路１４０８と、回生経路１４０８の電流の流れやすさに異方性を付与するダイオード１４１２と、を備える。１次側巻線１５０４は、短絡経路１１０４に挿入される。回生経路１４０８は、２次側巻線１５０８の第１端１５１２を直流電源１０２８の正極及びキャパシタ１０２３の一端へ接続し、２次側巻線１５０８の第２端１５１６を直流電源１０２８の負極及びキャパシタ１０２３の他端へ接続する。ダイオード１４１２は、２次側巻線１５０４から直流電源１０２８へ電流が回生されるときに順バイアスされるように回生経路１４０８に挿入される。したがって、２次側巻線１５０８の第１端１５１２と直流電源１０２８の正極及びキャパシタ１０２３の一端との間にダイオード１４１２が挿入される場合は、ダイオード１４１２のアノードが２次側巻線１５０８の第１端１５１２に接続され、ダイオード１４１２のカソードが直流電源１０２８の正極及びキャパシタ１０２３の一端に接続される。もちろん、２次側巻線１５０８の第２端１５１６と直流電源１０２８の負極及びキャパシタ１０２３の他端との間にダイオード１４１２が挿入される場合は、ダイオード１４１２のアノードが直流電源１０２８の負極及びキャパシタ１０２３の他端へ接続され、ダイオード１４１２のカソードが２次側巻線１５０８の第２端１５１６へ接続される。

短絡動作が行われるときには、１次側巻線１５０４に流れる電流に応じた電流が２次側巻線１５０８に流れ、ダイオード１４１２が順バイアスされ、２次側巻線１５０８から並列接続体１０３４へ電流が回生される。これにより、パルス発生回路１００４の効率が向上する。また、電流Ｉ３の減衰が促進され、繰り返し周波数の上限が上がる。

一方、初期化動作が行われるときには、ダイオード１４１２が逆バイアスされ、電流は回生されない。

パルス発生回路１００４において電流Ｉ３が０に近くなるまで減衰するのに必要な時間ｔは、励磁インダクタンスＬｅｘ、電流値Ｉ３ｓ及び１次側巻線１５０４に印加される電圧Ｖｃｔを用いて、式（５）であらわされる。

励磁インダクタンスＬｅｘが３μＨ、電流値Ｉ３ｓが５０Ａ、電圧Ｖｃｔが１５０Ｖである場合は、時間ｔは３μｓｅｃとなり、繰り返し周波数の上限は約１００ｋｐｐｓとなる。

直流電源１０２８と並列にキャパシタ１０３２が接続される場合は、回生された電流によりキャパシタ１０３２が充電されるので、直流電源１０２８が回生された電流を回収する機能を有していない場合でも回生回路１１１８による回生は有効である。直流電源１０２８が回生された電流を回収する機能を有する場合は、キャパシタ１０３２が設けられなくても回生回路１１１８による回生は有効である。ただし、直流電源１０２８が蓄電池である場合は、回生された電流を回収する機能を有するものの、キャパシタ１０３２が設けられることが望ましい。蓄電池の充電には電気化学反応を伴うため、パルスに対する応答性が良好でなく、回生された電流が十分に活用されないからである。

（パルス発生回路１００４の動作）
図３〜図８は、パルス発生回路１００４の動作を説明する図である。図３〜図８は、それぞれ、ＭＯＳＦＥＴ１３０４の駆動信号、第１の巻線１２０４の第１端１２１２と第２端１２１６との間の電圧Ｖ１、第１の巻線１２０４を流れる電流Ｉ１、第２の巻線１２０８の第１端１２２０と第２端１２２４との間の電圧Ｖ２、第２の巻線１２０８を流れる電流Ｉ２及び補助回路１０２０を流れる電流Ｉ３の時間変化を示す。

タイミングｔ０において、図３に示すように駆動回路１３０８からＭＯＳＦＥＴ１３０４へのＯＮ信号の入力が始まると、ＭＯＳＦＥＴ１３０４及びＳＩサイリスタ１３１２がターンオンし、供給経路１０１２が閉じられる。供給経路１０１２が閉じられると、図５に示すように、電流Ｉ１が正方向に増加し始め、トランス１００８への誘導エネルギーの蓄積が始まる。このとき、図４に示すように、電圧Ｖ１が正方向へ上昇するので、図８に示すように、電流Ｉ３が負方向へ増加し始める。電流Ｉ３は、直流電源１０２８の出力電圧と抵抗１１８４の抵抗値で決まる定常値まで負方向に増加する。この負方向への電流Ｉ３の増加により、可飽和リアクトル１１０８の状態が初期化される。

タイミングｔ１において、図３に示すように駆動回路１３０８からＭＯＳＦＥＴ１３０４へのＯＮ信号の入力が終わると、ＭＯＳＦＥＴ１３０４及びＳＩサイリスタ１３１２がターンオフし、供給経路１０１２が開かれる。供給経路１０１２が開かれると、図４に示すように自己誘導により電圧Ｖ１が負方向に反転して電圧Ｖ１が負方向に急激に上昇し始め、図６に示すように相互誘導により電圧Ｖ２が負方向に急激に上昇し始める。これにともない、第２の巻線１２０８から負荷１０３６へのパルス電圧の出力が始まり、図７に示すように電流Ｉ２が負方向に急激に増加する。しかし、この時点では、磁性体コア１１１６は飽和しておらず、可飽和リアクトル１１０８のインダクタンスも低下していないので、第１の巻線１２０４の第１端１２１２と第２端１２１６とは短絡に近い状態にはなっておらず、図８に示すように、電流Ｉ３は０に近い。

タイミングｔ２において、磁性体コア１１１６が飽和し、可飽和リアクトル１１０８のインダクタンスが低下すると、図８に示すように電流Ｉ３が正方向に増加し、第１の巻線１２０４の第１端１２１２と第２端１２１６とが短絡に近い状態になる。第１の巻線１２０４の第１端１２１２と第２端１２１６とが短絡に近い状態になると、図４に示すように電圧Ｖ１が０に近くなり、図６に示すように電圧Ｖ２が０に近くなる。これにともない、第２の巻線１２０８から負荷１０３６へのパルス電圧の出力が終わり、図７に示すように電流Ｉ２が０に近くなる。

このとき、１次側巻線１５０４の両端には直流電源１０２８の出力電圧にほぼ等しい電圧が印加され、２次側巻線１５０８から直流電源１０２８へ電流が回生される。これにより、電流Ｉ３が急速に減衰し、補助回路１０２０を流れる電流Ｉ３のエネルギーが再利用される。

（パルス幅）
可飽和リアクトル１１０８の両端の電圧ｖ、すなわち、可飽和リアクトル１１０８に印加される電圧ｖは、可飽和リアクトル１１０８の巻き数Ｎ及び実効断面積Ａｅ並びに磁性体コア１１１６の中の磁束密度Ｂを用いて、式（６）であらわされる。

式（６）の両辺を時間ｔについて積分して変形すると、式（７）が得られる。

式（７）は、磁性体コア１１１６が図２に示す飽和状態Ｓ２になるまでの時間は、可飽和リアクトル１１０８に印加される電圧ｖの時間積分値が、磁性体コア１１１６の材質並びに可飽和リアクトル１１０８の巻き数Ｎ及び実効断面積Ａｅによって決まる特定値になるまでの時間によって決まることを示す。したがって、パルス電圧のパルス幅は、磁性体コア１１１６の材質並びに可飽和リアクトル１１０８の巻き数Ｎ及び実効断面積Ａｅによって決まる。なお、ダイオード１１８０の順方向電圧は、第１の巻線１２０４に発生する誘導起電力よりも著しく低いので、可飽和リアクトル１１０８に印加される電圧ｖは、電圧Ｖ１と同視され、可飽和リアクトル１１０８に印加される電圧ｖの時間積分値は、図４のハッチングを付した領域の面積と同視される。

ここで、電圧Ｖ１がピーク値に達したときに磁性体コア１１１６が図２の飽和状態Ｓ１になるように磁性体コア１１１６の材質並びに可飽和リアクトル１１０８の巻き数Ｎ及び実効断面積Ａｅを決めておけば、パルス電圧のピーク値を維持しながら、流れる電流を減らすことができる。

（用途）
第１実施形態のパルス発生回路１００４は、どのような用途に使用されてもよいが、例えば、パルスプラズマ放電を発生させる装置のパルス電源として使用される。パルスプラズマ放電を発生させる装置には、例えば、プラズマＣＶＤ（化学気相蒸着）装置、ガス処理装置、表面処理装置等がある。

＜第２実施形態＞
図９は、第２実施形態のパルス発生回路２００４の回路図である。パルス発生回路２００４は、補助回路１０２０が、第１の巻線１２０４の第１端１２１２と第２端１２１６とを接続するのではなく、第２の巻線１２０８の第１端１２２０と第２端１２２４とを接続し、第２の巻線１２０８の第１端１２２０と第２端１２２４とを自律的に短絡に近い状態にすること以外は、パルス発生回路１００４と同じく構成される。並列接続体１１１２は、スイッチ１０１６が供給経路１０１２を開いたときに第２の巻線１２０８に発生する誘導起電力によりダイオード１１８０が順バイアスされるように短絡経路１１０４に挿入される。

パルス発生回路２００４においては、スイッチ１０１６が供給経路１０１２を閉じると、第１の巻線１２０４に電流が流れトランス１００８に誘導エネルギーが蓄積される。トランス１００８に誘導エネルギーが蓄積された後に、スイッチ１０１６が供給経路１０１２を開くと、第１の巻線１２０４には自己誘導により誘導起電力が発生し、第２の巻線１２０８には相互誘導により誘導起電力が発生する。トランス１００８の第２の巻線１２０８に発生した誘導起電力は、パルス電圧として出力経路１０２４を経由して負荷１０３６へ出力される。

補助回路１０２０は、第２の巻線１２０８に誘導起電力が発生してから短い時間が経過した後に第２の巻線１２０８の第１端１２２０と第２端１２２４とを自律的に短絡に近い状態にする。これにより、第２の巻線１２０８からのパルス電圧の出力が停止され、パルス幅が短いパルス電圧が発生する。

短絡動作が行われるときには、１次側巻線１５０４に流れる電流に応じた電流が２次側巻線１５０８に流れ、ダイオード１４１２が順バイアスされ、２次側巻線１５０８から並列接続体１０３４へ電流が回生される。これにより、パルス発生回路２００４の効率が向上する。また、電流Ｉ３の減衰が促進され、繰り返し周波数の上限が上がる。

パルス発生回路２００４においても、スイッチ１０１６が供給経路１０１２を閉じたときに第２の巻線１２０８に発生する誘導起電力により、可飽和リアクトル１１０８の状態が初期化される。

＜第３実施形態＞
図１０は、第３実施形態のパルス発生回路３００４の回路図である。パルス発生回路３００４は、トランス１００８が第１の巻線３２０４及び第２の巻線３２０８に加えて第３の巻線３２２８を備えるトランス３００８に置き換えられ、補助回路１０２０が、第１の巻線３２０４の第１端３２１２と第２端３２１６とを接続するのではなく、第３の巻線３２２８の第１端３２３２と第２端３２３６とを接続し、第３の巻線３２２８の第１端３２３２と第２端３２３６とを自律的に短絡に近い状態にすること以外は、パルス発生回路１００４と同じく構成される。並列接続体１１１２は、スイッチ１０１６により供給経路１０１２が開かれたときに第３の巻線３２２８に発生する誘導起電力によりダイオード１１８０が順バイアスされるように短絡経路１１０４に挿入される。

トランス３００８の第１の巻線３２０４と第２の巻線３２０８と第３の巻線３２２８とは磁気結合される。

パルス発生回路３００４においては、スイッチ１０１６が供給経路１０１２を閉じると、第１の巻線３２０４に電流が流れトランス３００８に誘導エネルギーが蓄積される。トランス３００８に誘導エネルギーが蓄積された後に、スイッチ１０１６が供給経路１０１２を開くと、第１の巻線３２０４には自己誘導により誘導起電力が発生し、第２の巻線３２０８及び第３の巻線３２２８には相互誘導により誘導起電力が発生する第２の巻線３２０８に発生した誘導起電力は、パルス電圧として出力経路１０２４を経由して負荷１０３６へ出力される。

補助回路１０２０は、第３の巻線３２２８に誘導起電力が発生してから短い時間が経過した後に第３の巻線３２２８の第１端３２３２と第２端３２３６とを自律的に短絡に近い状態にする。これにより、第２の巻線３２０８からのパルス電圧の出力が停止され、パルス幅が短いパルス電圧が発生する。

短絡動作が行われるときには、１次側巻線１５０４に流れる電流に応じた電流が２次側巻線１５０８に流れ、ダイオード１４１２が順バイアスされ、２次側巻線１５０８から並列接続体１０３４へ電流が回生される。これにより、パルス発生回路３００４の効率が向上する。また、電流Ｉ３の減衰が促進され、繰り返し周波数の上限が上がる。

パルス発生回路３００４においても、スイッチ１０１６により供給経路１０１２が閉じられたときに第３の巻線３２２８に発生する誘導起電力により、可飽和リアクトル１１０８の状態が初期化される。

＜その他＞
この発明は詳細に説明されたが、上記の説明は、すべての局面において例示であり、この発明は上記の説明に限定されない。例示されない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定されうる。

１００４，２００４，３００４ パルス発生回路
１００８，３００８ トランス
１０１２ 供給経路
１０１６ スイッチ
１０２０ 補助回路
１０２４ 出力経路
１１１６ 回生回路
１４０４ トランス
１４０８ 回生経路
１４１２ ダイオード

Claims (5)

1. パルス発生回路であって、
   誘導エネルギーを蓄積する誘導エネルギー蓄積体と、
   直流の供給源から前記誘導エネルギー蓄積体への直流の供給経路と、
   前記供給経路を開閉するスイッチと、
   前記供給経路が開かれたときに誘導起電力が発生する前記誘導エネルギー蓄積体の第１端と第２端とを接続する補助回路と、
   を備え、
   前記補助回路は、
   誘導起電力の短絡経路と、
   前記短絡経路に挿入される可飽和リアクトルと、
   前記短絡経路を流れる電流を前記供給源へ回生する回生回路と、
   を備えるパルス発生回路。
2. 請求項１のパルス発生回路において、
   前記回生回路は、
   前記短絡経路に挿入される１次側巻線から２次側巻線へ電流を伝達するトランスと、
   前記２次側巻線から前記供給源への回生経路と、
   電流が回生されるときに順バイアスされるように前記回生経路に挿入されるダイオードと、
   を備えるパルス発生回路。
3. 請求項１のパルス発生回路において、
   前記誘導エネルギー蓄積体からのパルス電圧の出力経路、
   をさらに備え、
   前記誘導エネルギー蓄積体は、磁気結合された第１の巻線と第２の巻線とを備えるトランスであり、
   前記供給経路により前記第１の巻線へ直流が供給され、
   前記出力経路により前記第２の巻線からパルス電圧が出力され、
   前記補助回路は、
   前記第１の巻線の両端を接続する、
   パルス発生回路。
4. 請求項１のパルス発生回路において、
   前記誘導エネルギー蓄積体からのパルス電圧の出力経路、
   をさらに備え、
   前記誘導エネルギー蓄積体は、磁気結合された第１の巻線と第２の巻線とを備えるトランスであり、
   前記供給経路により前記第１の巻線へ直流が供給され、
   前記出力経路により前記第２の巻線からパルス電圧が出力され、
   前記補助回路は、
   前記第２の巻線の両端を接続する、
   パルス発生回路。
5. 請求項１のパルス発生回路において、
   前記誘導エネルギー蓄積体からのパルス電圧の出力経路、
   をさらに備え、
   前記誘導エネルギー蓄積体は、磁気結合された第１の巻線と第２の巻線と第３の巻線とを備えるトランスであり、
   前記供給経路により前記第１の巻線へ直流が供給され、
   前記出力経路により前記第２の巻線からパルス電圧が出力され、
   前記補助回路は、
   前記第３の巻線の両端を接続する、
   パルス発生回路。

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