JP2015220929A - Pulse power supply device and design method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パルス電源装置及びその設計方法に関し、特に高電圧の短パルスを発生するパルス電源装置及びその設計方法に関する。 The present invention relates to a pulse power supply device and a design method thereof, and more particularly to a pulse power supply device that generates a high-voltage short pulse and a design method thereof.
従来、高電圧の短パルス(以下「高電圧パルス」という。)は、例えば高密度プラズマの生成、オゾン生成、排ガス処理或いは水処理等に利用されている。また、近年では、植物に高電圧パルスを印加することにより、植物の細胞膜を破壊し、細胞内の有効成分を効率的に抽出する、或いは液体を殺菌する等の活用が研究されている。また、医療分野においては、ガン細胞に高電圧パルスを印加することにより、ガン治療や、創傷或いは潰瘍などの回復促進等にも利用され始めている。 Conventionally, high-voltage short pulses (hereinafter referred to as “high-voltage pulses”) are used for, for example, high-density plasma generation, ozone generation, exhaust gas treatment, or water treatment. In recent years, research has been conducted on the application of high voltage pulses to plants to destroy plant cell membranes, efficiently extract intracellular active ingredients, or sterilize liquids. In the medical field, application of high voltage pulses to cancer cells has begun to be used for cancer treatment and promotion of recovery of wounds or ulcers.
この高電圧パルスを得る技術として、エネルギーを電界の形でコンデンサに蓄える容量性エネルギー蓄積方式と、磁界の形でインダクタに蓄える誘導性エネルギー蓄積方式との2種類が知られている。特に、誘電性エネルギー蓄積方式によるエネルギー蓄積密度は、容量性エネルギー蓄積方式のエネルギー蓄積密度より2桁大きいことが知られている。そのため、容量性エネルギー蓄積方式より誘電性エネルギー蓄積方式の方が、装置の小型・軽量化の点で可能性を秘めていると考えられている。 As a technique for obtaining this high voltage pulse, two types are known: a capacitive energy storage system in which energy is stored in a capacitor in the form of an electric field, and an inductive energy storage system in which energy is stored in an inductor in the form of a magnetic field. In particular, it is known that the energy storage density by the dielectric energy storage system is two orders of magnitude larger than the energy storage density of the capacitive energy storage system. Therefore, it is considered that the dielectric energy storage method has more potential in terms of reducing the size and weight of the device than the capacitive energy storage method.
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この誘電性蓄積型の高電圧パルス発生装置に関し、これまで様々な提案がされている(例えば非特許文献1参照)。
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Various proposals have been made regarding this dielectric storage type high voltage pulse generator (see Non-Patent
非特許文献1によれば、充電コンデンサC1,ギャップスイッチ,パルストランス,1次エネルギー蓄積コンデンサC2,2次エネルギー蓄積インダクタL,半導体オープニングスイッチ(SOS;Semiconductor Opening Switch)ダイオード等を備え、SOSダイオードの逆方向電流の遮断を利用してSOSダイオードの両端に高電圧パルスを発生させるパルス電源が開示されている。
According to Non-Patent
この非特許文献1のパルス電源による高電圧パルスの電圧は約28kV、パルス幅は、半値幅で50ns程度であり、その立上時間が略20ns〜30ns程度で形成されている。しかし、例えば近年の医療分野等では、ガン細胞の死滅或いは変異等に結びつけるため、さらに高電圧で立上時間が短い高電圧パルスによる高繰り返しの刺激を、ガン細胞に印加する技術に対するニーズが高まっている。
The voltage of the high voltage pulse by the pulse power source of
そこで、本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高電圧でしかも極めて立上時間が短い高電圧パルスを発生させるパルス電源装置及びその設計方法を提供することにある。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a pulse power supply device that generates a high voltage pulse with a high voltage and a very short rise time, and a design method thereof. It is in.
請求項1の発明は、初期充電される第1コンデンサから半導体スイッチのオン制御でパルス電流を発生するパルス発生回路と、前記パルス電流を可飽和トランスで取り込み、前記パルス電流を磁気圧縮して負荷に供給する磁気パルス圧縮回路とを備えるパルス電源装置であって、前記磁気パルス圧縮回路は、前記可飽和トランスの2次側巻線に直列接続される第2コンデンサと、前記2次側巻線と前記第2コンデンサとの前記直列接続に並列接続されるファーストリカバリダイオードとを備え、前記パルス電流によって前記2次側巻線に発生する電流は、前記ファーストリカバリダイオードの順方向電流であり、前記順方向電流の最大値近傍で前記可飽和トランスが磁気飽和する、パルス電源装置である。 A first aspect of the present invention is a pulse generation circuit that generates a pulse current from a first capacitor that is initially charged by turning on a semiconductor switch. The pulse current is captured by a saturable transformer, and the pulse current is magnetically compressed and loaded. The magnetic pulse compression circuit includes a second capacitor connected in series to a secondary winding of the saturable transformer, and the secondary winding. And a first recovery diode connected in parallel to the series connection of the second capacitor, the current generated in the secondary winding by the pulse current is a forward current of the first recovery diode, In the pulse power supply device, the saturable transformer is magnetically saturated in the vicinity of the maximum value of the forward current.
請求項2の発明は、請求項1記載のパルス電源装置において、前記ファーストリカバリダイオードに並列接続される1個又は複数のファーストリカバリダイオードを更に備えることを特徴とする。
The invention according to
請求項3の発明は、請求項1又は2記載のパルス電源装置において、前記可飽和トランスの角形比が、0.9以上であることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the pulse power supply device according to the first or second aspect, the squareness ratio of the saturable transformer is 0.9 or more.
請求項4の発明は、請求項3記載のパルス電源装置において、前記可飽和トランスの磁心は、コバルトを主成分とするアモルファス合金を含むことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the pulse power supply device according to the third aspect, the magnetic core of the saturable transformer includes an amorphous alloy containing cobalt as a main component.
請求項5の発明は、初期充電される第1コンデンサから半導体スイッチのオン制御でパルス電流を発生するパルス発生回路と、前記パルス電流を可飽和トランスで取り込み、前記パルス電流を磁気圧縮して負荷に供給する磁気パルス圧縮回路とを備え、前記磁気パルス圧縮回路は、前記可飽和トランスの2次側巻線に直列接続される第2コンデンサと、前記2次側巻線と前記第2コンデンサとの前記直列接続に並列接続されるファーストリカバリダイオードとを含み、前記パルス電流によって前記2次側巻線に発生する電流は、前記ファーストリカバリダイオードの順方向電流であるパルス電源装置の設計方法であって、前記可飽和トランスの1次側巻線の巻数及び/又は前記可飽和トランスの磁心の断面積をパラメータとし、前記順方向電流の最大値近傍で、前記可飽和トランスを磁気飽和させる、パルス電源装置の設計方法である。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a pulse generation circuit for generating a pulse current from a first capacitor that is initially charged by on-control of a semiconductor switch, and the pulse current is captured by a saturable transformer, and the pulse current is magnetically compressed and loaded. A magnetic pulse compression circuit for supplying a second capacitor connected in series to a secondary winding of the saturable transformer, the secondary winding and the second capacitor; A first recovery diode connected in parallel to the series connection, and a current generated in the secondary winding by the pulse current is a forward power current of the first recovery diode. And the number of turns of the primary side winding of the saturable transformer and / or the cross-sectional area of the magnetic core of the saturable transformer as parameters, A maximum value near the Allowed to saturation transformer magnetically saturated is the design method of the pulsed power supply.
本発明によれば、初期充電される第1コンデンサから半導体スイッチのオン制御でパルス電流を発生するパルス発生回路と、前記パルス電流を可飽和トランスで取り込み、前記パルス電流を磁気圧縮して負荷に供給する磁気パルス圧縮回路とを備えるパルス電源装置であって、前記磁気パルス圧縮回路は、前記可飽和トランスの2次側巻線に直列接続される第2コンデンサと、前記2次側巻線と前記第2コンデンサとの前記直列接続に並列接続されるファーストリカバリダイオードとを備え、前記パルス電流によって前記2次側巻線に発生する電流は、前記ファーストリカバリダイオードの順方向電流であり、前記順方向電流の最大値近傍で前記可飽和トランスが磁気飽和する構成であるから、可飽和トランスが磁気飽和することにより、ファーストリカバリダイオードの順方向電流の周期が短縮され、最大値近傍であった順方向電流が急激に立ち下がってファーストリカバリダイオードの逆回復期間に入ることで大きな逆回復電流となり、その逆回復電流が急激に遮断されることで、ファーストリカバリダイオードの両端に発生する出力パルスの電圧が高くなるとともに立上時間が極めて短くなるため、高電圧でしかも極めて立上時間が短い高電圧パルスを発生させるパルス電源装置を提供できる。 According to the present invention, a pulse generation circuit that generates a pulse current from a first capacitor that is initially charged by on-control of a semiconductor switch, the pulse current is captured by a saturable transformer, and the pulse current is magnetically compressed to a load. And a magnetic pulse compression circuit for supplying the magnetic pulse compression circuit, wherein the magnetic pulse compression circuit includes a second capacitor connected in series to a secondary winding of the saturable transformer, and the secondary winding. A first recovery diode connected in parallel to the second capacitor in series, and a current generated in the secondary winding by the pulse current is a forward current of the first recovery diode, and the forward recovery diode Since the saturable transformer is magnetically saturated in the vicinity of the maximum value of the directional current, when the saturable transformer is magnetically saturated, The period of the forward current of the first recovery diode is shortened, the forward current near the maximum value suddenly falls and enters the reverse recovery period of the first recovery diode, resulting in a large reverse recovery current. Is suddenly interrupted, the voltage of the output pulse generated at both ends of the fast recovery diode becomes high and the rise time becomes extremely short, so that a high voltage pulse with a high voltage and a very short rise time is generated. A pulse power supply device can be provided.
また、前記ファーストリカバリダイオードに並列接続される1個又は複数のファーストリカバリダイオードを更に備える構成であるから、前記逆回復電流が更に増加し、更に立上時間が短い高電圧パルスを発生可能なパルス電源装置を提供できる。 In addition, since the structure further includes one or a plurality of first recovery diodes connected in parallel to the first recovery diode, the reverse recovery current is further increased, and a pulse capable of generating a high voltage pulse with a short rise time. A power supply device can be provided.
また、前記可飽和トランスの角形比が、0.9以上である構成であるから、可飽和トランスの非飽和状態から磁気飽和状態への移行が、急激に切り替わるため、更に立上時間が短い高電圧パルスを発生可能なパルス電源装置を提供できる。 In addition, since the saturable transformer has a squareness ratio of 0.9 or more, the transition of the saturable transformer from the non-saturated state to the magnetic saturated state is abruptly switched, so that the rise time is further short. A pulse power supply device capable of generating a voltage pulse can be provided.
また、前記可飽和トランスの磁心は、コバルトを主成分とするアモルファス合金を含む構成であるから、角形比の高い可飽和トランスを実現できる。 Moreover, since the magnetic core of the saturable transformer includes an amorphous alloy mainly composed of cobalt, a saturable transformer having a high squareness ratio can be realized.
また、初期充電される第1コンデンサから半導体スイッチのオン制御でパルス電流を発生するパルス発生回路と、前記パルス電流を可飽和トランスで取り込み、前記パルス電流を磁気圧縮して負荷に供給する磁気パルス圧縮回路とを備え、前記磁気パルス圧縮回路は、前記可飽和トランスの2次側巻線に直列接続される第2コンデンサと、前記2次側巻線と前記第2コンデンサとの前記直列接続に並列接続されるファーストリカバリダイオードとを含み、前記パルス電流によって前記2次側巻線に発生する電流は、前記ファーストリカバリダイオードの順方向電流であるパルス電源装置の設計方法であって、前記可飽和トランスの1次側巻線の巻数及び/又は前記可飽和トランスの磁心の断面積をパラメータとし、前記順方向電流の最大値近傍で、前記可飽和トランスを磁気飽和させる構成であるから、可飽和トランスが飽和することにより、ファーストリカバリダイオードの順方向電流の周期が短縮され、最大値近傍であった順方向電流が急激に立ち下がってファーストリカバリダイオードの逆回復期間に入ることで大きな逆回復電流となり、その逆回復電流が急激に遮断されることで、ファーストリカバリダイオードの両端に発生する出力パルスの電圧が高くなるとともに立上時間が極めて短くなるため、高電圧でしかも極めて立上時間が短い高電圧パルスを発生させるパルス電源装置の設計方法を提供できる。 A pulse generation circuit that generates a pulse current from the first capacitor that is initially charged by on-control of a semiconductor switch; A compression circuit, and the magnetic pulse compression circuit includes a second capacitor connected in series to the secondary winding of the saturable transformer, and the series connection of the secondary winding and the second capacitor. A method of designing the pulse power supply device, wherein the current generated in the secondary winding by the pulse current is a forward current of the first recovery diode, the first power recovery diode being connected in parallel; Using the number of turns of the primary winding of the transformer and / or the cross-sectional area of the magnetic core of the saturable transformer as parameters, the forward current near the maximum value Thus, since the saturable transformer is magnetically saturated, when the saturable transformer is saturated, the forward current period of the first recovery diode is shortened, and the forward current that was near the maximum value suddenly rises. When the reverse recovery period of the first recovery diode falls and becomes a large reverse recovery current, and the reverse recovery current is suddenly cut off, the voltage of the output pulse generated at both ends of the fast recovery diode increases and rises. Since the time is extremely short, it is possible to provide a design method of a pulse power supply device that generates a high voltage pulse with a high voltage and a very short rise time.
本発明の基本的な考え方について、図1を用いて説明する。図1(a)は、本発明に係るパルス電源装置の基本回路構成図である。図1(b)は、従来の回路動作を説明する概念波形図である。図1(c)は、本発明に係るパルス電源装置の動作を説明する概念波形図である。 The basic concept of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1A is a basic circuit configuration diagram of a pulse power supply device according to the present invention. FIG. 1B is a conceptual waveform diagram for explaining a conventional circuit operation. FIG. 1C is a conceptual waveform diagram illustrating the operation of the pulse power supply device according to the present invention.
本発明に係るパルス電源装置の基本回路10は、図1(a)に示すように、パルス発生回路12と、磁気パルス圧縮回路14とを備える。
まず、パルス発生回路12は、図1(a)に示すように、初期充電される第1コンデンサ13と、第1コンデンサ13の一端側に直列接続されるスイッチS1とを備える。そして、図1(a)に示すように、第1コンデンサ13の他端側は接地される。
The
First, as shown in FIG. 1A, the
次に、磁気パルス圧縮回路14は、図1(a)に示すように、可飽和トランスSTと、第2コンデンサ18と、ファーストリカバリダイオード16(以下「FRD16」とも言う。)とを備える。
可飽和トランスSTは、例えば周回状の磁心に1次側巻線20と2次側巻線22とが、1:nの巻比で設けられて形成される。この可飽和トランスSTは、後述する様にパルス電流I0の半周期Th/2の近傍で磁気飽和する(以下、単に「飽和する」ともいう。)様に、一次側巻線の巻数及び/又は可飽和トランスSTの磁心の断面積をパラメータとして設計される。そして、1次側巻線に流れるパルス電流I0により、2次側巻線22にパルス電流が誘起される。なお、1次側巻線20の巻数は、少なくとも1巻以上であれば良い。
また、FRD16は、逆回復時間Trrが100ns以下の市販のダイオード素子を用いることができる。
Next, as shown in FIG. 1A, the magnetic
The saturable transformer ST is formed, for example, by providing a primary-side winding 20 and a secondary-side winding 22 in a 1: n winding ratio on a circular magnetic core. As will be described later, the saturable transformer ST is magnetically saturated in the vicinity of the half cycle T h / 2 of the pulse current I 0 (hereinafter also simply referred to as “saturation”). The cross-sectional area of the magnetic core of the saturable transformer ST is designed as a parameter. A pulse current is induced in the secondary winding 22 by the pulse current I 0 flowing through the primary winding. The number of turns of the primary winding 20 may be at least one or more.
Further, FRD16 the reverse recovery time T rr can be used the following commercially
そして、図1(a)に示すように、可飽和トランスSTの1次側巻線20の一端側は、第1コンデンサ13の接地側に接続され、1次側巻線20の他端側は、スイッチS1に接続される。また、図1(a)に示すように、可飽和トランスSTの2次側巻線22の一端側に、第2コンデンサ18が直列接続される。そして、可飽和トランスSTの2次側巻線22と第2コンデンサ18との直列接続に対して、FRD16が並列接続される。その際、図1(a)に示すように、例えばFRD16のアノード側が第2コンデンサ18と接続される。
As shown in FIG. 1A, one end side of the primary winding 20 of the saturable transformer ST is connected to the ground side of the
次に、図1(a)及び図1(b)を用い、従来の回路動作について説明する。
まず、図1(a)に示すように、パルス発生回路12の第1コンデンサ13が所定の電圧VCで充電され、スイッチS1のオンによりパルス電流I0が発生する。このパルス電流I0は、可飽和トランスSTの1次側に取り込まれ、2次側巻線22には、図1(a)及び図1(b)に示すように、パルス電流I0と同位相で、FRD16の順方向電流I1が発生する。言い換えると、可飽和トランスSTは、例えば1次側巻線20及び/又は2次側巻線の巻方向を調整することで、パルス電流I0によって順方向電流I1が発生する様に構成される。
この順方向電流I1の周期Thは、非飽和状態の可飽和トランスSTのインダクタンスをL(非飽和)、第1コンデンサ13の容量をC0とすると、LCの共振による周期Th=2Π(L(非飽和)×C0)1/2)で表わされる。
Next, a conventional circuit operation will be described with reference to FIGS. 1 (a) and 1 (b).
First, as shown in FIG. 1A, the
Period T h of the forward current I 1 is the inductance of the saturable transformer ST desaturation state L (non-saturation), the capacitance of the
そして、図1(b)に示すように、半周期Th/2の近傍で可飽和トランスSTが飽和すると、順方向電流I1の極性が反転しつつ可飽和トランスSTのインダクタンスが低下し、図1(b)に示すように、FRD16が逆回復状態(Trr)に入って逆回復電流Irが流れる。 As shown in FIG. 1B, when the saturable transformer ST is saturated in the vicinity of the half cycle T h / 2, the polarity of the forward current I 1 is reversed and the inductance of the saturable transformer ST is decreased. as shown in FIG. 1 (b), the reverse recovery current I r flowing enters the reverse recovery state (T rr) is FRD16.
そして、ある時間を経てFRD16の空乏層の蓄積電荷が消滅したときに急激な電流遮断が起こり、FRD16の両端に出力パルスVoutが出力され、負荷LOADに供給される。この出力パルスVoutは、磁気パルス圧縮回路14のインダクタンスをLとするとVout=L(dI/dt)の関係で表される。従って、逆回復電流Irの戻り(図1(b)で示す、ΔIrの部分)の傾斜が急峻な程、出力パルスVoutの立上時間Tr(図1(b)参照)が短くなる。
このように、磁気パルス圧縮回路14は、磁気スイッチとして機能する可飽和トランスSTを用いてパルス電流I0を時間圧縮する。なお、インダクタンスLは、可飽和トランスSTが飽和した状態なので、略磁気パルス圧縮回路14の寄生インダクタンスで形成される。
Then, when the accumulated charge in the depletion layer of the
As described above, the magnetic
発明者は、特に可飽和トランスST及びファーストリカバリダイオードに着目し、この出力パルスVoutの高電圧化及び立上時間Trを短くする研究に鋭意取組んだ。その結果、図1(c)に示すように、この順方向電流I1の最大値近傍で可飽和トランスSTを磁気飽和させることで、FRD16の逆回復電流Irが大きくなり、その結果、逆回復電流Irの戻りΔIrがさらに急峻となることから、出力パルスVoutの電圧が高くなるとともに、立上時間Trが短くなる知見を得て本発明に至ったのである。 The inventor has paid particular attention to the saturable transformer ST and the fast recovery diode, and has eagerly studied to increase the voltage of the output pulse Vout and shorten the rise time Tr . As a result, as shown in FIG. 1 (c), the forward current saturable transformer ST at the maximum value near the I 1 it is to magnetic saturation, the greater the reverse recovery current I r of FRD16, resulting, contrary since the return [Delta] I r of recovery current I r becomes steeper, with the voltage increases the output pulse V out, is the rise time T r has reached the present invention obtained a finding that shortened.
以下、本発明の実施形態に係る実施例及び比較例について説明する。
本実施形態に係る実施例1〜3のパルス電源装置30について図2及び図3を用いて説明する。
実施例1のパルス発生回路12は、図2に示すように、例えば100nfの容量の第1コンデンサ13、第1コンデンサ13を充電する充電器31、スイッチS1としての半導体スイッチ33、可飽和リアクトルSI0、パルストランスPT等を備える。
そして、図2に示すように、半導体スイッチ33は、第1コンデンサ13のアース側に接続され、可飽和リアクトルSI0は、第1コンデンサ13の高圧側に接続される。また、パルストランスPTは、図2に示すように、1次側巻線と2次側巻線との巻数比が1:4で形成され、半導体スイッチ33と可飽和リアクトルSI0との間にその1次側巻線が接続される。
本実施例のパルス発生回路12によれば、電力用の第1コンデンサ13を充電器31により初期充電しておき、半導体スイッチ33のオン制御で第1コンデンサ13から可飽和リアクトルSI0を通してパルストランスにパルス電流I0を供給する。可飽和リアクトルSI0は、半導体スイッチ33の完全なオン後に飽和動作してパルス電流を発生させることで半導体スイッチ33のスイッチング時の電力損失を軽減する磁気アシストとして機能する。
Examples and comparative examples according to embodiments of the present invention will be described below.
The pulse
As shown in FIG. 2, the
According to the
次に、実施例1の磁気パルス圧縮回路14は、図2示すように、可飽和トランスSTと、第2コンデンサ18と、FRD16とを備える。
本実施例の可飽和トランスSTは、トロイダル形状の磁心に1次側巻線20と2次側巻線22とを巻き付けて形成される。より詳しくは、可飽和トランスSTは、例えば外径が34mm、内径が21mm、厚さ9mmのトロイダル形状の磁心部材を例えば3個重ねて形成される。従って、磁心の断面形状は矩形状で形成されるとともに、その断面積は((34−21)×9)×3=351mm2となる。なお、磁心部材の個数は3個に限るものではなく、1次側巻線の巻数との関係で、例えば1個でもよいし、複数個であってもよい。このように、重ねられる磁心部材の個数により磁心の断面積を調整できる。
Next, the magnetic
The saturable transformer ST of the present embodiment is formed by winding a primary side winding 20 and a secondary side winding 22 around a toroidal magnetic core. More specifically, the saturable transformer ST is formed by stacking, for example, three toroidal magnetic core members having an outer diameter of 34 mm, an inner diameter of 21 mm, and a thickness of 9 mm. Accordingly, the cross-sectional shape of the magnetic core is formed in a rectangular shape, and the cross-sectional area thereof is ((34-21) × 9) × 3 = 351 mm 2 . Note that the number of magnetic core members is not limited to three, and may be one or more, for example, in relation to the number of turns of the primary winding. Thus, the cross-sectional area of the magnetic core can be adjusted by the number of magnetic core members stacked.
また、磁心材は、コバルトを主成分とするアモルファス合金(以下「Co系」ともいう。)の磁心材で、角形比が0・91のものを用いた。ここで、角形比は、可飽和トランスSTの残留磁束密度Brを飽和磁束密度Bsで除した値である。
また、可飽和トランスSTの1次側巻線20と2次側巻線22との巻数比は2:5の様に、1次側巻線20の巻数より2次側巻線22の巻数を大きく形成した。パルストランスPTを省略し、可飽和トランスST単体なら巻数比を1:10でもよい。
The magnetic core material was an amorphous alloy (hereinafter also referred to as “Co-based”) having a cobalt as a main component and having a squareness ratio of 0.91. Here, the squareness ratio is a value obtained by dividing the residual magnetic flux density Br of the saturable transformer ST by the saturation magnetic flux density Bs.
Further, the turn ratio of the primary side winding 20 and the secondary side winding 22 of the saturable transformer ST is 2: 5, so that the number of turns of the secondary side winding 22 is larger than the number of turns of the primary side winding 20. Largely formed. If the pulse transformer PT is omitted and the saturable transformer ST is a single unit, the turns ratio may be 1:10.
そして、図2に示すように、可飽和トランスSTの1次側巻線は、パルストランスPTの2次側巻線に接続され、可飽和トランスSTの2次側巻線22の一端側に、例えば1nFの容量の第2コンデンサ18が接続され、第2コンデンサ18の他端側は接地される。さらに、図2に示すように、可飽和トランスSTの2次側巻線と第2コンデンサ18との直列接続に対して、FRD16が並列接続される。
As shown in FIG. 2, the primary side winding of the saturable transformer ST is connected to the secondary side winding of the pulse transformer PT, and one end side of the secondary side winding 22 of the saturable transformer ST is For example, a
次に、実施例2及び実施例3のパルス電源装置30と実施例1のパルス電源装置30との相違点は、図3に示すように、FRD16を並列で複数設けた点である。具体的には、実施例2では、同じスペックのFRD16を2個並列で構成し、実施例3では、同じスペックのFRD16を3個並列で構成した。
Next, the difference between the pulse
実施例1の動作波形例を図4に、実施例2の動作波形例を図5に、実施例3の動作波形例を図6にそれぞれ示す。図4〜図6は、それぞれの実施例のパルス電源装置30を動作させ、オシロスコープで計測した波形例を示し、横軸は時間tであり、縦軸は電圧・電流である。また、図4〜図6において、t0は半導体スイッチ33がONした時間を示し、I1はFRD16の順方向電流波形を示し、VoutはFRD16の両端の出力パルス波形を示す。
An operation waveform example of the first embodiment is shown in FIG. 4, an operation waveform example of the second embodiment is shown in FIG. 5, and an operation waveform example of the third embodiment is shown in FIG. 4 to 6 show examples of waveforms measured by an oscilloscope when the pulse
図4に示すように、実施例1のパルス電源装置30では、FRD16の逆回復電流Irの最大値がー84.1A、出力パルスVoutの最大値が30.9kVで、出力パルスVoutの立上時間は略4nsであり、高電圧でしかも極めて立上時間が短い出力パルス(Vout)が発生している。
次に、図5に示すように、実施例2のパルス電源装置30では、FRD16の逆回復電流Irの最大値がー98.68A、出力パルスVoutの最大値が39.41kVで、出力パルスVoutの立上時間は略3nsであり、高電圧でしかも極めて立上時間が短い出力パルス(Vout)が発生している。
また、図6に示すように、実施例3のパルス電源装置30では、FRD16の逆回復電流Irの最大値がー108A、出力パルスVoutの最大値が44.9kVで、出力パルスVoutの立上時間は略2nsの出力パルス(Vout)が発生している。
As shown in FIG. 4, the pulse
Next, as shown in FIG. 5, the pulsed
Further, as shown in FIG. 6, the pulse
図4〜図6では、順方向電流I1が最大値近傍I1MAXから立下がっているが、これは、可飽和トランスSTが最大値近傍I1MAXで飽和して、可飽和トランスSTのインダクタンスが飽和時のインダクタンスLsatに低下するため、上述した順方向電流I1の周期がTh=2Π(L(非飽和)×C0)1/2)からTh´=2Π(Lsat×C0)1/2)へと短くなり、最大値近傍I1MAXから減少に転じるためである。 4 to 6, the forward current I 1 falls from the vicinity of the maximum value I 1MAX . This is because the saturable transformer ST is saturated at the vicinity of the maximum value I 1MAX and the inductance of the saturable transformer ST is increased. In order to decrease to the inductance Lsat at the time of saturation, the period of the forward current I 1 described above is changed from T h = 2Π (L (non-saturated) × C 0 ) 1/2 ) to T h ′ = 2Π (Lsat × C 0 ). This is because it becomes shorter to 1/2 ) and starts to decrease from the maximum value vicinity I 1MAX .
しかも、図4〜6に示すように、順方向電流I1の最大値近傍I1MAXで可飽和トランスSTが飽和することにより、順方向電流I1が急激に立下がり、FRD16に大きな逆回復電流Irが流れ、この逆回復電流Irが急激に遮断されることで、逆回復電流Irの戻りΔIrの時間に対する変化が急峻になり、その結果、FRD16の両端に、高電圧でしかも極めて立上時間が短い高電圧パルス(Vout)が発生していることがわかる。
この理由の詳細は不明であるが、例えばFRD16の順方向電流I1の最大値近傍でFRDに注入された少数キャリアの数も略最大となり、その時点で可飽和トランスSTが急激に飽和することでFRD16に流れる電流の極性が急激に反転し、その少数キャリアが殆ど消滅しないまま急激にFRD16の逆回復状態(Trr)に入り、大きな逆回復電流Irにつながるためとも考えられる。
Moreover, as shown in FIGS. 4-6, by the saturable transformer ST is saturated at the maximum value near I 1MAX forward current I 1, the forward current I 1 rapidly falls, a large reverse recovery current in FRD16 I r flows, that the reverse recovery current I r is suddenly cut off, the change with time of the return [Delta] I r of the reverse recovery current I r becomes steep, as a result, both ends of FRD16, yet a high voltage It can be seen that a high voltage pulse (V out ) having an extremely short rise time is generated.
The details of the reason is unknown, for example, the number of minority carriers injected into FRD maximum value near the forward current I 1 of FRD16 also becomes substantially maximum, that at that time the saturable transformer ST rapidly saturate in rapidly reversed polarity of the current flowing through the FRD16, its remains minority carriers hardly disappear rapidly enters a reverse recovery state of FRD16 (T rr), also considered because it leads to a large reverse recovery current I r.
さらに、図4〜図6によれば、FRDを並列個数が多い程、高電圧でしかも立上時間が短い出力パルスVoutが得られていることがわかる。なお、並列個数は1〜4個が望ましい。 Further, according to FIGS. 4 to 6, it can be seen that as the number of FRDs in parallel increases, an output pulse V out having a higher voltage and a shorter rise time is obtained. It should be noted that the number in parallel is preferably 1 to 4.
[電圧時間積比]
次に、図1,図2,図3に示す回路構成において、可飽和トランスSTの磁心の材質、1次側巻線20の巻数、磁心の断面積及びFRD16の種類をパラメータとして種々の実施例及び比較例を更に作製し、可飽和トランスSTの電圧時間積比(以下「VT積比」という。)と出力パルスVoutの立上時間との関係を求めた。
以下に、図7を用いて可飽和トランスSTの特性を現わす電圧時間積(以下「VT積」という。)及びこのVT積を分母としたVT積比について説明する。
図7において横軸は時間tを示す。また、図7(a)においてV(t)は、図1(b)に示すパルス電流I0によって、可飽和トランスSTの1次側巻線20に印加される電圧である。図7(b)は、図7(a)の時間軸の中途までを示し、図7(c)は、図1(c)と同じ概念波形図を示す。
[Voltage time product ratio]
Next, in the circuit configurations shown in FIGS. 1, 2 and 3, various embodiments are described using the material of the magnetic core of the saturable transformer ST, the number of turns of the primary winding 20, the cross-sectional area of the magnetic core, and the type of the
Hereinafter, a voltage-time product (hereinafter referred to as “VT product”) showing the characteristics of the saturable transformer ST and a VT product ratio using the VT product as a denominator will be described with reference to FIG.
In FIG. 7, the horizontal axis indicates time t. In FIG. 7A, V (t) is a voltage applied to the primary winding 20 of the saturable transformer ST by the pulse current I 0 shown in FIG. FIG. 7B shows the middle of the time axis of FIG. 7A, and FIG. 7C shows the same conceptual waveform diagram as FIG.
まず、可飽和トランスのVT積は、
∫TSV(t)dt=Am×ΔB×N・・・・式(1)で現わされる。
式(1)で、TSは、半導体スイッチ33がONして可飽和トランスが磁気飽和するまでの時間、Amは磁心の断面積、ΔBは磁束密度変化量、Nは1次側巻線の巻数である。ここで、ΔBは、磁心の形状・材質によって決まる量であることから、式(1)の左辺であるV(t)の時間軸による積分値は、1次側巻線の巻数Nと磁心の断面積Amとの積に比例する。
First, the VT product of the saturable transformer is
TS V (t) dt = A m × ΔB × N... Expressed by equation (1).
In formula (1), TS is the time the
次に、VT積比は、
∫TSV(t)dt/∫ThV(t)dt・・・式(2)で現わされる。
式(2)の分母は、図7(a)に示すように、V(t)をt=0からt=TS=Th/2まで積分した値であり、Vt(100%)で示される領域に対応する。すなわち、パルス電流I0の半周期Th/2或いは半周期Th/2を越えた時間で磁気飽和する様に設計された可飽和トランスST´のVT積を示す。
次に、式(2)の分子は、図7(c)に示すように、V(t)を時間軸の0からTS=Tsatまで積分した値であり、Vtsで示される領域に対応する。ここで、Tsatは、図7(c)に示すように、I1が反転する時間、すなわち本実施形態における可飽和トランスSTが磁気飽和する時間を示す。従って、式(2)の分子は、本実施形態における可飽和トランスSTのVT積を現わす。
Next, the VT product ratio is
TS TS V (t) dt / ∫ Th V (t) dt... Expressed by equation (2).
As shown in FIG. 7A, the denominator of Expression (2) is a value obtained by integrating V (t) from t = 0 to t = TS = Th / 2, and is a region indicated by Vt (100%). Corresponding to That is, the VT product of the saturable transformer ST ′ designed to be magnetically saturated in a time exceeding the half period T h / 2 or half period T h / 2 of the pulse current I 0 is shown.
Next, as shown in FIG. 7C, the numerator of Expression (2) is a value obtained by integrating V (t) from 0 on the time axis to TS = Tsat, and corresponds to a region indicated by Vts. Here, as shown in FIG. 7C, Tsat indicates the time for which I 1 is inverted, that is, the time for which the saturable transformer ST in the present embodiment is magnetically saturated. Therefore, the numerator of the formula (2) represents the VT product of the saturable transformer ST in the present embodiment.
図8は、上述した種々の実施例に係る可飽和トランスSTのVT積比と、出力パルスVoutの立上時間との関係を示すプロット図である。図8において、横軸は可飽和トランスSTのVT積比を示し、縦軸は、1ns当たりの出力パルスVoutの立上電圧(Vout/dt)を示す。従って、縦軸の値が大きいほど、出力パルスVoutの立上が急峻なことを示す。また、図8において、D1〜D6は、FRD16の種類、例えば逆回復時間Trrのスペックが異なることを示す。 FIG. 8 is a plot diagram showing the relationship between the VT product ratio of the saturable transformer ST and the rise time of the output pulse Vout according to the various embodiments described above. In FIG. 8, the horizontal axis represents the VT product ratio of the saturable transformer ST, and the vertical axis represents the rising voltage (V out / dt) of the output pulse V out per 1 ns. Therefore, the larger the value on the vertical axis, the steeper the rise of the output pulse Vout . Further, in FIG. 8, D1 to D6 indicates that the type of FRD16, for example reverse recovery time T rr specs different.
さらに、図8において、左側の二点鎖線で囲まれる一群のデータは、可飽和トランスSTの磁心をCo系とし、その角形比を0.91で形成したCo系実施例のデータを示す。これに対し、図8において、右側の二点鎖線で囲まれる一群のデータは、可飽和トランスSTの磁心を鉄系の材料(鉄を主成分とするアモルファス合金)で形成し、その角形比を0.9未満で形成した鉄系実施例のデータを示す。 Further, in FIG. 8, a group of data surrounded by a two-dot chain line on the left side shows data of a Co system example in which the magnetic core of the saturable transformer ST is a Co system and the squareness ratio is 0.91. On the other hand, in FIG. 8, a group of data surrounded by a two-dot chain line on the right side is formed by forming the magnetic core of the saturable transformer ST with an iron-based material (amorphous alloy containing iron as a main component), and calculating the squareness ratio. The data of the iron-type Example formed with less than 0.9 are shown.
例えば、図8において、VT積比が0.4で縦方向に並んだ6個のプロットは、磁心をCo系の材料で形成し、VT積が0.4となる様に、磁心の断面積と1次側巻数を調整した可飽和トランスSTに対して、D1〜D6の6個のFRD16をそれぞれ用いて構成された6つの実施例に係るデータであることを示している。
また、図8において、VT積比1.00にプロットされたデータは比較例のデータであり、図1(b)に示す様な、パルス電流I0の半周期Th/2の時に可飽和トランスSTが飽和する様に設計されたパルス電源装置のデータである。
For example, in FIG. 8, the six plots arranged in the vertical direction with a VT product ratio of 0.4 indicate that the magnetic core is formed of a Co-based material, and the cross-sectional area of the magnetic core is such that the VT product is 0.4. And the saturable transformer ST with the primary winding number adjusted, it is shown that the data is related to six examples configured using six
Further, in FIG. 8, the data plotted at the VT product ratio of 1.00 is the data of the comparative example, and is saturable at the half cycle T h / 2 of the pulse current I 0 as shown in FIG. This is data of a pulse power supply device designed to saturate the transformer ST.
図8から明らかな様に、可飽和トランスSTの磁心は、Co系の材料で形成した方が、鉄系の材料より出力パルスVoutの立上が急峻なパルス電源装置30を形成できる。このことは、Co系磁心と鉄系磁心の角形比の相違により、Co系磁心の可飽和トランスSTの非飽和状態から飽和状態への移行が、鉄系より急激に切り替わるため、すなわちCo系磁心を用いた可飽和トランスSTの磁気スイッチ特性が、鉄系磁心を用いた可飽和トランスSTより優れているためと考えられる。
As apparent from FIG. 8, the magnetic core of the saturable transformer ST can be formed of a Co-based material to form a pulse
ここで、鉄系の磁心を用い、VT積比が0.33となる様に、可飽和トランスSTを形成した場合の、パルス電源装置30の動作波形を図9に示す。
図9によれば、順方向電流I1の極性の切替りは、実施例1〜3(図4〜6参照)の切替りよりなだらかで、FRD16の逆回復電流Irの最大値もー20.4Aと、実施例1〜3の逆回復電流Irの最大値よりも小さいことが分かる。そのため、出力パルスVoutの最大値も5.90kVと、Co系よりも低く現れている。
Here, FIG. 9 shows an operation waveform of the pulse
According to FIG. 9, the polarity of Kirikaeri forward current I 1 is Examples 1 to 3 gradual switching Riyori (see FIGS. 4-6), the maximum value of the reverse recovery current I r is also over 20 FRD16 and .4A, it can be seen less than the maximum value of the reverse recovery current I r in examples 1-3. For this reason, the maximum value of the output pulse Vout is 5.90 kV, which is lower than that of the Co system.
また、図8から明らかな様に、鉄系の磁心を用いた場合、VT積比は0.7近傍でVout/dtが高くなっている。すなわち、鉄系の磁心を用いた場合には、1次側巻数と磁心断面積を調整してVT積比を略0.7近傍とすることで出力パルスVoutの立上を急峻なパルス電源装置を形成できる。このことは、鉄系の磁心を用いた場合には、VT積比を略0.7近傍になるように、1次側巻数及び/又は磁心断面積を調整して可飽和トランスSTを形成することで、順方向電流I1の最大値近傍で可飽和トランスSTが飽和するものと考えられる。 Further, as apparent from FIG. 8, when an iron-based magnetic core is used, V out / dt is high when the VT product ratio is around 0.7. In other words, when an iron-based magnetic core is used, the rise of the output pulse Vout is made steep by adjusting the primary winding number and the magnetic core cross-sectional area so that the VT product ratio is approximately 0.7. A device can be formed. This means that, when an iron-based magnetic core is used, the saturable transformer ST is formed by adjusting the primary winding number and / or the magnetic core cross-sectional area so that the VT product ratio is approximately 0.7. it is, saturable transformer ST is considered to be saturated at the maximum value near the forward current I 1.
また、図8から明らかな様に、Co系の磁心を用いた場合、VT積比は0.2〜0.4近傍でVout/dtが高くなっている。すなわち、Co系の磁心を用いた場合には、1次側巻数及び/又は磁心断面積を調整してVT積比を0.2〜0.4とすることで出力パルスVoutの立上を急峻なパルス電源装置を形成できる。このことは、Co系の磁心を用いた場合には、VT積比を0.2〜0.4になるように、1次側巻数の巻数及び/又は磁心断面積を調整して可飽和トランスSTを形成することで、順方向電流I1の最大値近傍で可飽和トランスSTが飽和するものと考えられる。 As is apparent from FIG. 8, when a Co-based magnetic core is used, V out / dt is high in the vicinity of the VT product ratio of 0.2 to 0.4. That is, when a Co-based magnetic core is used, the rise of the output pulse Vout is increased by adjusting the primary winding number and / or the magnetic core cross-sectional area so that the VT product ratio is 0.2 to 0.4. A steep pulse power supply device can be formed. This is because when a Co-based magnetic core is used, the number of turns of the primary winding and / or the cross-sectional area of the magnetic core is adjusted so that the VT product ratio is 0.2 to 0.4. By forming ST, it is considered that the saturable transformer ST is saturated in the vicinity of the maximum value of the forward current I 1 .
これまで説明してきたように、上述してきた実施形態のパルス電源装置30によれば、高電圧でしかも極めて立上時間が短い高電圧パルスを発生させるパルス電源装置を提供できる。
As described above, according to the pulse
また同様に、初期充電される第1コンデンサ13から半導体スイッチ33のオン制御でパルス電流I0を発生するパルス発生回路12と、パルス電流I0を可飽和トランスSTで取り込み、パルス電流I0を磁気圧縮して負荷に供給する磁気パルス圧縮回路14とを備え、磁気パルス圧縮回路14は、可飽和トランスSTの2次側巻線22に直列接続される第2コンデンサ18と、2次側巻線22と第2コンデンサ18との直列接続に並列接続されるファーストリカバリダイオード(FRD16)とを含むパルス電源装置30の設計方法であって、可飽和トランスSTの1次側巻線20の巻数N及び/又は可飽和トランスSTの磁心の断面積Amをパラメータとし、ファーストリカバリダイオード(FRD16)の順方向電流I1であり、パルス電流I0によって発生する順方向電流I1の最大値近傍I1maxで、可飽和トランスSTを飽和させる、パルス電源装置の設計方法を提供できる。
Similarly, the
以上、本発明の実施形態のうちいくつかを図面に基づいて詳細に説明したが、これらはあくまでも例示であり、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。 As described above, some of the embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings. However, these are merely examples, and the present invention is variously modified and improved based on the knowledge of those skilled in the art. Can be implemented.
10 パルス電源装置の基本回路
12 パルス発生回路
13 第1コンデンサ
14 磁気パルス圧縮回路
16 ファーストリカバリダイオード(FRD)
18 第2コンデンサ
20 1次側巻線
22 2次側巻線
33 半導体スイッチ
LOAD 負荷
DESCRIPTION OF
18
Claims (5)
前記磁気パルス圧縮回路は、
前記可飽和トランスの2次側巻線に直列接続される第2コンデンサと、
前記2次側巻線と前記第2コンデンサとの前記直列接続に並列接続されるファーストリカバリダイオードとを備え、
前記パルス電流によって前記2次側巻線に発生する電流は、前記ファーストリカバリダイオードの順方向電流であり、前記順方向電流の最大値近傍で前記可飽和トランスが磁気飽和することを特徴とするパルス電源装置。 A pulse generation circuit that generates a pulse current from a first capacitor that is initially charged by turning on a semiconductor switch, and a magnetic pulse compression circuit that captures the pulse current with a saturable transformer and compresses the pulse current to supply it to a load. A pulse power supply device comprising:
The magnetic pulse compression circuit includes:
A second capacitor connected in series to the secondary winding of the saturable transformer;
A fast recovery diode connected in parallel to the series connection of the secondary winding and the second capacitor;
The pulse generated in the secondary winding by the pulse current is a forward current of the fast recovery diode, and the saturable transformer is magnetically saturated near the maximum value of the forward current. Power supply.
前記磁気パルス圧縮回路は、
前記可飽和トランスの2次側巻線に直列接続される第2コンデンサと、
前記2次側巻線と前記第2コンデンサとの前記直列接続に並列接続されるファーストリカバリダイオードとを含み、
前記パルス電流によって前記2次側巻線に発生する電流は、前記ファーストリカバリダイオードの順方向電流であるパルス電源装置の設計方法であって、
前記可飽和トランスの1次側巻線の巻数及び/又は前記可飽和トランスの磁心の断面積をパラメータとし、前記順方向電流の最大値近傍で、前記可飽和トランスを磁気飽和させることを特徴とするパルス電源装置の設計方法。
A pulse generation circuit that generates a pulse current from a first capacitor that is initially charged by turning on a semiconductor switch, and a magnetic pulse compression circuit that captures the pulse current with a saturable transformer and compresses the pulse current to supply it to a load. And
The magnetic pulse compression circuit includes:
A second capacitor connected in series to the secondary winding of the saturable transformer;
A first recovery diode connected in parallel to the series connection of the secondary winding and the second capacitor;
The current generated in the secondary winding by the pulse current is a method for designing a pulse power supply device that is a forward current of the first recovery diode,
The number of turns of the primary winding of the saturable transformer and / or the cross-sectional area of the magnetic core of the saturable transformer is used as a parameter, and the saturable transformer is magnetically saturated in the vicinity of the maximum value of the forward current. To design a pulse power supply device.
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