JP2013172493A - Pulse power supply device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パルス電源装置に係わり、特にプリパルス電圧を低減して短パルス化を可能とするパルス電源装置に関するものである。 The present invention relates to a pulse power supply device, and more particularly, to a pulse power supply device capable of shortening a pulse by reducing a prepulse voltage.
パルスレーザ励起やパルスプラズマ発生などに用いられるパルス電源装置としては、特許文献1や特許文献2などによって公知である。図6は従来のパルス電源の回路構成図を示したもので、初段回路ユニットのエネルギー蓄積用のコンデンサC0に充電器Chを介して直流電圧が蓄積される。負荷にエネルギーを供給する場合には、IGBT等よりなるスイッチング素子Swをオンし、可飽和リアクトルSR1が飽和することで初段ユニット間でC0→SR1→トランスTC1→SwのループでIのループ電流が流れ、蓄積されたエネルギーはトランスTC1を介してコンデンサC1に転送される。
A pulse power supply device used for pulse laser excitation, pulse plasma generation, or the like is known from
その後、2段目回路ユニットの可飽和リアクトルSR2が飽和することでIIのループ電流が流れ、蓄積されたエネルギーはコンデンサC2に転送される。次に、3段目(終段回路ユニット)の可飽和リアクトルSR3が飽和することでIIIのループ電流が流れ、蓄積されたエネルギーは終段回路ユニットのコンデンサCpに転送され、放電管DTにエネルギーが注入される。 Thereafter, the saturable reactor SR2 of the second-stage circuit unit is saturated, whereby a loop current II flows and the stored energy is transferred to the capacitor C2. Next, the saturable reactor SR3 in the third stage (final stage circuit unit) is saturated, so that a loop current of III flows, and the accumulated energy is transferred to the capacitor Cp of the final stage circuit unit, and is transferred to the discharge tube DT. Is injected.
図6で示すようなパルス電源回路では、必要とするパルス幅を得るためには可飽和リアクトルとコンデンサの組合せ回路をはしご状に複数設けられるが、出力電圧の短パルス化の要求時には、コンデンサC0,C1,C2,Cp、特にコンデンサCpの容量Cを小さくする必要がある。しかし、コンデンサCのインピーダンスは、算出式1/ωCよりCが小さくなればなるほど、各コンデンサC0,C1,C2,Cpのインピーダンスは小さくなる。
In the pulse power supply circuit as shown in FIG. 6, in order to obtain a required pulse width, a plurality of combination circuits of saturable reactors and capacitors are provided in a ladder shape, but when the output voltage is required to be shortened, the capacitor C0 , C1, C2, Cp, especially the capacitance C of the capacitor Cp needs to be reduced. However, the impedance of the capacitors C 0,
図7のパルス転送時の波形図で示すように、例えばコンデンサC1からC2へエネルギーを転送するループIIの転送期間において、コンデンサC1からCpにもエネルギーが転流してコンデンサCpに電圧Vrが残留する。以下、この残留電圧Vrをプリパルス電圧と称す。このプリパルス電圧Vrが影響して終段ユニットの可飽和リアクトルSR3の飽和前にコンデンサCpの放電現象が発生する。このため、出力電圧をより短パルス化するめにコンデンサ容量を小さくすることには限界が生じていた。なお、特許文献1及び2には、プリパルス電圧の縮小化についての課題については記載されていない。
As shown in the waveform diagram at the time of pulse transfer in FIG. 7, for example, in the transfer period of the loop II in which energy is transferred from the capacitors C1 to C2, energy commutates to the capacitors C1 to Cp, and the voltage Vr remains in the capacitor Cp. . Hereinafter, this residual voltage Vr is referred to as a pre-pulse voltage. The pre-pulse voltage Vr affects the discharge phenomenon of the capacitor Cp before the saturation of the saturable reactor SR3 of the final stage unit. For this reason, there has been a limit to reducing the capacitor capacity in order to make the output voltage shorter. Note that
本発明が目的とするところは、上記のプリパルス電圧を縮小してより短パルスの実現を可能とするパルス電源装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a pulse power supply device that can realize a shorter pulse by reducing the pre-pulse voltage.
本発明は、可飽和リアクトルとエネルギー蓄積用コンデンサよりなる回路ユニットを複数段組合せ、初段のエネルギー蓄積用コンデンサと直列に接続されたスイッチング素子のオンにより、初段回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサに蓄積されたエネルギーを、可飽和リアクトルを介して次段回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサへ順次転送してパルスを圧縮し、終段回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサに蓄積されたエネルギーを放電管に供給するよう構成したものにおいて、
前記終段回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサと並列に、エネルギー転送時にはオン状態に維持されるスイッチ部を接続すると共に、終段回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサを検出するスイッチ制御部を設け、スイッチ制御部は、前記終段回路ユニットの1段前の回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサから終段回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサへのエネルギー転送時の電圧が所定値に達したとき、前記スイッチ部をオンからオフに切換え、且つ終段回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサのピーク値電圧近辺までオフ期間を継続するよう構成したことを特徴としたものである。
In the present invention, a circuit unit composed of a saturable reactor and an energy storage capacitor is combined in a plurality of stages, and is stored in the energy storage capacitor of the first stage circuit unit by turning on the switching element connected in series with the first stage energy storage capacitor. The energy stored in the energy storage capacitor of the final circuit unit is supplied to the discharge tube by sequentially transferring the stored energy to the energy storage capacitor of the subsequent circuit unit via the saturable reactor. In the composition,
In parallel with the energy storage capacitor of the final circuit unit, a switch unit that is kept on during energy transfer is connected, and a switch control unit that detects the energy storage capacitor of the final circuit unit is provided to control the switch. When the voltage at the time of energy transfer from the energy storage capacitor of the circuit unit immediately before the final circuit unit to the energy storage capacitor of the final circuit unit reaches a predetermined value, the switch unit turns on the switch unit. And the off period is continued to the vicinity of the peak value voltage of the energy storage capacitor of the final stage circuit unit.
本発明の請求項2は、前記スイッチ部を、リアクトルとスイッチの直列体により構成したことを特徴としたものである。 A second aspect of the present invention is characterized in that the switch section is constituted by a series body of a reactor and a switch.
本発明の請求項3は、前記スイッチ制御部による電圧の所定値は、前記終段回路ユニットの1段前の回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサ電圧のピーク値、若しくはピーク値近辺の電圧であることを特徴としたものである。 According to a third aspect of the present invention, the predetermined value of the voltage by the switch control unit is a peak value of the capacitor voltage for energy storage of the circuit unit one stage before the final stage circuit unit or a voltage in the vicinity of the peak value. It is characterized by.
本発明の請求項4は、前記スイッチ制御部による検出電圧は、終段回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサ電圧に代えて、終段回路ユニットの可飽和リアクトルの端子電圧であることを特徴としたものである。 According to a fourth aspect of the present invention, the voltage detected by the switch controller is a terminal voltage of a saturable reactor of the final stage circuit unit instead of the capacitor voltage for storing energy of the final stage circuit unit. It is.
本発明の請求項5は、前記スイッチ部は、可飽和リアクトルよりなる磁気スイッチを用いたことを特徴としたものである。 According to a fifth aspect of the present invention, the switch unit uses a magnetic switch made of a saturable reactor.
以上のとおり、本発明によれば、終段のコンデンサCpより1段前のコンデンサCp-1(C2)のピーク電圧近辺から終段のコンデンサCpの電圧がピーク値近辺になるまでオフ期間を継続し、その以外の転送時にはオン状態としたことで、
転送されるエネルギーは、プリパルス電圧が発生する期間はコンデンサCpと並列接続されたスイッチ部を通して流れるため、コンデンサCpに発生するプリパルス電圧は小さくなる。
As described above, according to the present invention, the off period is continued from the vicinity of the peak voltage of the capacitor Cp −1 (C2) one stage before the final stage capacitor Cp until the voltage of the final stage capacitor Cp becomes near the peak value. However, it is in the on state during other transfers,
Since the transferred energy flows through the switch unit connected in parallel with the capacitor Cp during the period in which the prepulse voltage is generated, the prepulse voltage generated in the capacitor Cp becomes small.
また、コンデンサC2からCpへのエネルギー転送が開始されると、スイッチ部はオフ状態となることから、全てのエネルギーはコンデンサC2からCpへ転送されることになり、エネルギー転送効率が向上することで、出力電圧のより短パルス化が図れるものである。 Further, when energy transfer from the capacitor C2 to Cp is started, the switch part is turned off, so that all energy is transferred from the capacitor C2 to Cp, and the energy transfer efficiency is improved. The output voltage can be made shorter.
本発明は、パルス電源装置におけるパルス転送時に残留する終段回路ユニットのコンデンサCpでのプリパルス電圧を抑制するために、コンデンサCpと並列にスイッチ部を接続し、コンデンサCpに対してエネルギーを蓄積するための目的動作時以外の他のパルス転送時にはスイッチ部をオンし、転送目的がコンデンサCpへのエネルギー蓄積時にのみスイッチ部をオフとすることで、プリパルス電圧の発生を抑制するものである。以下実施例に基づいて詳述する。 In the present invention, in order to suppress the pre-pulse voltage in the capacitor Cp of the final circuit unit remaining at the time of pulse transfer in the pulse power supply device, a switch unit is connected in parallel with the capacitor Cp, and energy is stored in the capacitor Cp. Therefore, the generation of the pre-pulse voltage is suppressed by turning on the switch unit at the time of pulse transfer other than the target operation for the purpose, and turning off the switch unit only when the purpose of transfer is energy storage in the capacitor Cp. This will be described in detail below based on examples.
図1は、本発明の第1の実施例を示す構成図で、図6で示す回路部品と同一、若しくは相当する部分に同一符号を付している。ただし、図1では必要とするパルス幅を得るための磁気スイッチとしての可飽和リアクトルと、エネルギー蓄積用のコンデンサのはしご状回路の組合せを、SR1とC1、SR2とC2、及びSR3とCpの3段回路ユニットとしているが、この組合せユニット数は任意の複数段ユニットでよいことは勿論である。 FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention, and the same or corresponding parts as those of the circuit component shown in FIG. However, in FIG. 1, a combination of a saturable reactor as a magnetic switch for obtaining a required pulse width and a ladder circuit of a capacitor for storing energy is SR1, C1, SR2 and C2, and SR3 and Cp. Although a stage circuit unit is used, it is needless to say that the number of combined units may be any plural stage unit.
実施例1では、終段回路ユニットのコンデンサCpと並列にスイッチ部20を接続したものである。スイッチ部20は、この実施例ではリアクトルL1と、サイラトロン等の電子管やIGBTなどの半導体素子よりなるスイッチSW1より構成されている。また、このスイッチSW1用のスイッチ制御部1が設けられ、スイッチ制御部1は、電圧検出部2、比較器3及び出力制御部4を有している。電圧検出部2は、終段回路ユニットの1段前であるコンデンサC2のピーク電圧を検出し、検出電圧は比較器2の一方の端子に入力される。比較器2の他方の端子には、予めコンデンサC2のピーク電圧値に近い値に設定された設定値が入力されており、検出電圧が所定値に達したとき信号を出力する。
In the first embodiment, the
出力制御部4は比較器2からの入力信号をトリガとし、且つコンデンサC2からコンデンサCpへエネルギーを転送するに要する所定時間、スイッチSW1をオフに維持するための信号を出力する。このスイッチSW1をオフに維持するための所定時間は、可飽和リアクトルSR3の鉄心飽和特性から予め設定される。なお、スイッチSW1は、後述のように転送ループIII以外にはオン状態となっており、転送ループIII時にのみオフ状態となるよう制御される。
The
ここで、目標としたい出力電圧のパルス幅をaとすると、コンデンサC2,Cpの容量Cと可飽和リアクトルSR3のリアクタンスLで決まる共振周波数
π√(LC)を(1)式になるように設定する。
a/2=π√{L・(C2・Cp)/(C2+Cp)}…… (1)
さらに、スイッチSW1と直列に接続されるリアクトルL1の値を(2)式になるよう設定される。
a/2=π√(C2・Cp) …… (2)
以上のように構成された本発明の動作について、図2に基づいて説明する。
通常、スイッチSW1はオンに維持されてスイッチ部20はコンデンサCpに並列接続された状態となっている。エネルギー転送時には、従来と同様に可飽和リアクトルSR1が飽和することで、初段回路ユニットのコンデンサC0に蓄積されたエネルギーを、転送ループIでコンデンサC1に転送する。その後、2段目回路ユニットの可飽和リアクトルSR2が飽和することでIIのループ電流が流れ、コンデンサC1に蓄積されたエネルギーはコンデンサC2に転送される。
Here, if the pulse width of the output voltage desired to be targeted is a, the resonance frequency π√ (LC) determined by the capacitance C of the capacitors C2 and Cp and the reactance L of the saturable reactor SR3 is set so as to satisfy the equation (1). To do.
a / 2 = π√ {L · (C 2 · C p) / (C 2 + C p)} (1)
Further, the value of the reactor L1 connected in series with the switch SW1 is set so as to satisfy the equation (2).
a / 2 = π√ (C2 · Cp) (2)
The operation of the present invention configured as described above will be described with reference to FIG.
Normally, the switch SW1 is kept on and the
転送ループIIの時点において、電圧検出部2はコンデンサC2の充電電圧を検出し、比較器3はその充電電圧と設定値とを比較してコンデンサC2の電圧が設定されたピーク値近辺になったとき信号を出力し、出力制御部4を介してスイッチSW1をオンからオフに切り換える。このスイッチSW1のオフ期間IIIは、図2で示すように可飽和リアクトルSR3の鉄心の飽和特性から予め設定される所定の時間後にオフからオンに制御される。
At the time of the transfer loop II, the voltage detector 2 detects the charging voltage of the capacitor C2, and the
すなわち、結果的にはコンデンサC2のピーク電圧近辺から終段のコンデンサCpの電圧がピーク値近辺になるまでオフ期間が継続し、その後はオンに戻される。このことから、オフ時間IIIは、別途コンデンサCpのピーク値電圧を直接検出し、ピーク値近辺になったときにオフからオンに切り換えるようにしてもよい。 That is, as a result, the off period continues from the vicinity of the peak voltage of the capacitor C2 until the voltage of the capacitor Cp at the final stage is close to the peak value, and then turned back on. For this reason, during the off time III, the peak value voltage of the capacitor Cp may be directly detected and switched from off to on when it is close to the peak value.
以上のように、コンデンサC1からコンデンサC2にエネルギーを転送中に発生するプリパルス電圧発生期間中にスイッチSW1をオンすることで、エネルギーはC1→L1→C1のルートで転送され、終段ユニットのコンデンサCpに発生するプリパルス電圧は小さくなる。また、コンデンサC2からCpへのエネルギー転送開始後は、スイッチSW1はオフ状態であるため、C2→L1→C2のループによるエネルギー転送は防止され、コンデンサC2からCpへのエネルギー転送効率が向上するものである。 As described above, when the switch SW1 is turned on during the pre-pulse voltage generation period during the transfer of energy from the capacitor C1 to the capacitor C2, the energy is transferred through the route C1 → L1 → C1, and the capacitor of the final stage unit. The pre-pulse voltage generated at Cp is reduced. Since the switch SW1 is in the OFF state after the energy transfer from the capacitor C2 to Cp is started, energy transfer by the loop of C2 → L1 → C2 is prevented, and the energy transfer efficiency from the capacitor C2 to Cp is improved. It is.
図3は第2の実施例を示した構成図で、図1との相違点は、電圧検出位置を終段ユニットの可飽和リアクトルSR3の両端電圧を検出したことである。これに伴って、スイッチ制御部10は、電圧検出部11、飽和点検出部12及び出力制御部13により構成される。他の構成は図1と同様である。
FIG. 3 is a block diagram showing the second embodiment. The difference from FIG. 1 is that the voltage across the saturable reactor SR3 of the final stage unit is detected at the voltage detection position. Accordingly, the switch control unit 10 includes a
飽和点検出部12は、予め可飽和リアクトルSR3の電圧・時間面積Vtより飽和点を算出して記憶しておく。そして、電圧検出部11によって検出された電圧を入力して飽和点を演算し、この算出値が記憶値に達したとき飽和と判断して出力制御部13へ出力し、この出力制御部13を介してオン状態のスイッチSW1をオフにする。この状態を示したものが図4で、転送ループIIIの期間中スイッチSW1はオフ状態が維持される。
The
したがって、第2の実施例においても、実施例1と同様にコンデンサC1からコンデンサC2にエネルギーを転送中に発生するプリパルス電圧発生期間中にスイッチSW1をオンすることで、エネルギーはC1→L1→C1のルートで転送され、終段ユニットのコンデンサCpに発生するプリパルス電圧は小さくなる。また、コンデンサC2からCpへのエネルギー転送開始後は、スイッチSW1はオフ状態であるため、C2→L1→C2のループによるエネルギー転送は防止され、コンデンサC2からCpへのエネルギー転送効率が向上するものである。 Therefore, in the second embodiment, as in the first embodiment, when the switch SW1 is turned on during the pre-pulse voltage generation period during the transfer of energy from the capacitor C1 to the capacitor C2, the energy is changed from C1 → L1 → C1. And the pre-pulse voltage generated in the capacitor Cp of the final stage unit is reduced. Since the switch SW1 is in the OFF state after the energy transfer from the capacitor C2 to Cp is started, energy transfer by the loop of C2 → L1 → C2 is prevented, and the energy transfer efficiency from the capacitor C2 to Cp is improved. It is.
図5は、スイッチ部20として可飽和リアクトルSRを磁気スイッチとして用いた場合の実施例を示したものである。可飽和リアクトルSRには、スイッチ動作を行うために励磁コイルRCを備え、この励磁コイルRCには直列に電源EとスイッチSWが接続されており、スイッチSWをオンすることで励磁コイルRCに直流電流を流すことで可飽和リアクトルSRを飽和させる。
FIG. 5 shows an embodiment in which a saturable reactor SR is used as the
可飽和リアクトルSRを飽和状態を解くタイミングは、コンデンサC2からCpへのエネルギー転送時でのコンデンサC2のピーク電圧近辺であり、このC2のピーク電圧近辺から終段のコンデンサCpのピーク電圧近辺まで不飽和状態を継続させる。なお、励磁コイルRCと直列接続されたスイッチSWに対するオン・オフ指令は、図1で示したスイッチ制御部1や図4で示したスイッチ制御部10が用いられる。
The timing at which the saturable reactor SR is saturated is in the vicinity of the peak voltage of the capacitor C2 at the time of energy transfer from the capacitor C2 to Cp. Let saturation continue. Note that the
したがって、この実施例では、コンデンサC1からコンデンサC2にエネルギーを転送中でのプリパルス電圧発生期間のスイッチSWをオンすることで、エネルギーはC1→SR→C1のルートで転送され、終段ユニットのコンデンサCpに発生するプリパルス電圧は小さくなる。また、コンデンサC2からCpへのエネルギー転送開始後は、スイッチSWはオフ状態であるため、C2→SR→C2のループによるエネルギー転送は防止され、コンデンサC2からCpへのエネルギー転送効率が向上するものである。 Therefore, in this embodiment, by turning on the switch SW in the pre-pulse voltage generation period during which energy is being transferred from the capacitor C1 to the capacitor C2, the energy is transferred through the route C1 → SR → C1, and the capacitor of the final stage unit. The pre-pulse voltage generated at Cp is reduced. Further, since the switch SW is in the OFF state after the energy transfer from the capacitor C2 to Cp is started, energy transfer by the loop of C2 → SR → C2 is prevented, and the energy transfer efficiency from the capacitor C2 to Cp is improved. It is.
1,10… スイッチ制御部
2,11… 電圧検出部
3… 比較器
4,13… 出力制御部
12… 飽和点検出部
20… スイッチ部
SR,SR1〜SR3…可飽和リアクトル
C1,C2,Cp…コンデンサ
L1…リアクトル
SW…スイッチ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記終段回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサと並列に、エネルギー転送時にはオン状態に維持されるスイッチ部を接続すると共に、終段回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサを検出するスイッチ制御部を設け、スイッチ制御部は、前記終段回路ユニットの1段前の回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサから終段回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサへのエネルギー転送時の電圧が所定値に達したとき、前記スイッチ部をオンからオフに切換え、且つ終段回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサのピーク値電圧近辺までオフ期間を継続するよう構成したことを特徴としたパルス電源装置。 By combining multiple stages of circuit units consisting of a saturable reactor and an energy storage capacitor, and turning on the switching element connected in series with the first-stage energy storage capacitor, the energy stored in the first-stage energy storage capacitor is converted into a saturable reactor. In order to compress the pulse by sequentially transferring to the energy storage capacitor of the next stage circuit unit via, and to supply the energy stored in the energy storage capacitor of the final circuit unit to the discharge tube,
In parallel with the energy storage capacitor of the final circuit unit, a switch unit that is kept on during energy transfer is connected, and a switch control unit that detects the energy storage capacitor of the final circuit unit is provided to control the switch. When the voltage at the time of energy transfer from the energy storage capacitor of the circuit unit immediately before the final circuit unit to the energy storage capacitor of the final circuit unit reaches a predetermined value, the switch unit turns on the switch unit. The pulse power supply device is characterized in that the off-period is switched to the off-state and the off-period is continued to the vicinity of the peak value voltage of the energy storage capacitor of the final stage circuit unit.
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