JP2017112669A - パルス電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パルス電源装置において、一方向の極性で短時間のパルス電圧波形以外の電圧を抑制する。【解決手段】初期充電用コンデンサＣ０と、初期充電用コンデンサＣ０に直列接続されたスイッチＳＷ１と、初期充電用コンデンサＣ０に１次巻線が直列接続された第１変圧器Ｔ１と、第１変圧器Ｔ１の２次巻線に並列接続された第１コンデンサＣ１と、第１コンデンサＣ１と直列接続された可飽和リアクトルＳＲ１と、可飽和リアクトルＳＲ１と直列接続された第２コンデンサＣ２と、第２コンデンサＣ２と並列接続されたリアクトルＬ１と、第２コンデンサＣ２と並列接続された第１ダイオードＤ１と第３コンデンサＣ３を有する直列回路と、第３コンデンサＣ３と並列接続された抵抗Ｒと、をパルス電源装置に設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、パルス電源装置に係り、特に、出力電圧のリンギング（振動）を抑制する技術に関する。

図５は、従来の磁気圧縮回路（一段）を用いたパルス電源装置の回路構成を示し、図６はそのＶＣ０，ＶＣ１，ＶＣ２のタイミングチャートを示す。ここで、初期充電用コンデンサＣ０，第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧をＶＣ０，ＶＣ１，ＶＣ２としている。

パルス電源装置が出力したい波形は一方向の極性で短時間のパルス波形であり、例えば、正弦半波のような波形である。

まず、充電器１から初期充電用コンデンサＣ０に所定の一定電圧になるまで充電する。その後、スイッチＳＷ１をＯＮし、初期充電用コンデンサＣ０→第１変圧器Ｔ１の１次巻線→スイッチＳＷ１の経路で電流ｉ０が流れ、第１変圧器Ｔ１の２次巻線→第１コンデンサＣ１の経路で電流ｉ０’が流れ、第１コンデンサＣ１にエネルギーが転送される。その後、可飽和リアクトルＳＲ１が飽和することで第１コンデンサＣ１→可飽和リアクトルＳＲ１→第２コンデンサＣ２の経路で電流ｉ１が流れ、第２コンデンサＣ２にエネルギーが転送される。

負荷２は所定の電圧まではインピーダンスが非常に大きく、この値を超すと急激にインピーダンスが低くなる特性で、例えばギャップのような負荷である。第２コンデンサＣ２と並列にリアクトルＬ１を設けているのは短時間のみ出力するためである。リアクトルＬ１が無いと長時間出力電圧が発生してしまう。

しかし、第２コンデンサＣ２の電圧はリアクトルＬ１により図６に示す電流ｉ２，ｉ３が流れることでリンギングが起こり、負荷２には不要な電圧が印加され続ける。そのため、放電負荷は、プラズマ状態を維持できずにアーク放電が起こる。さらには、可飽和リアクトルＳＲ１に正負の電圧が高い周波数で印加されるため、可飽和リアクトルＳＲ１の損失も増大する。

また、他のパルス電源装置として、特許文献１が開示されている。

特開平７−２２９１８号公報

パルス電源装置が出力したい波形は一方向の極性で短時間のパルス電圧波形である。しかし、現在の技術では負荷２に不要な電圧が印加し続けるため、放電負荷はプラズマ状態を維持できず、アーク放電が起こる。さらには、可飽和リアクトルＳＲ１に正負の電圧が高い周波数で印加し続けるという問題が生じている。

以上示したようなことから、パルス電源装置において、一方向の極性で短時間のパルス電圧波形以外の電圧を抑制することが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、磁気圧縮回路を用いたパルス電源装置であって、初期充電用コンデンサと、前記初期充電用コンデンサに直列接続されたスイッチと、前記初期充電用コンデンサに１次巻線が直列接続された第１変圧器と、前記第１変圧器の２次巻線に並列接続された第１コンデンサと、前記第１コンデンサと直列接続された可飽和リアクトルと、前記可飽和リアクトルと直列接続された第２コンデンサと、前記第２コンデンサと並列接続されたリアクトルと、前記第２コンデンサと並列接続された第１ダイオードと第３コンデンサを有する直列回路と、前記第３コンデンサと並列接続された抵抗と、を備えたことを特徴とする。

また、他の態様として、磁気圧縮回路を用いたパルス電源装置であって、初期充電用コンデンサと、前記初期充電用コンデンサに直列接続されたスイッチと、前記初期充電用コンデンサに１次巻線が直列接続された第１変圧器と、前記第１変圧器の２次巻線に並列接続された第１コンデンサと、前記第１コンデンサと直列接続された可飽和リアクトルと、前記可飽和リアクトルと直列接続された第２コンデンサと、前記第２コンデンサと並列接続されたリアクトルと、前記第２コンデンサと並列接続された第３ダイオードと第３コンデンサを有する直列回路と、１次巻線が前記第３コンデンサに並列接続され、２次巻線が前記初期充電用コンデンサに並列接続された第２変圧器と、前記第２変圧器の２次巻線と初期充電用コンデンサとの間に介挿された第２ダイオードと、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、パルス電源において、一方向の極性で短時間のパルス電圧波形以外の電圧を抑制することが可能となる。

実施形態１におけるパルス電源装置を示す回路図。 実施形態１におけるＶＣ０，ＶＣ１，ＶＣ２のタイミングチャート。 実施形態２におけるパルス電源装置を示す回路図。 実施形態２におけるＶＣ０，ＶＣ１，ＶＣ２，ｉ３，ｉ４，ｉ５のタイミングチャート。 従来のパルス電源装置を示す回路図。 従来のパルス電源装置におけるＶＣ０，ＶＣ１，ＶＣ２を示すタイミングチャート。

以下、本願発明に係る磁気圧縮回路を用いたパルス電源装置おける実施形態１，２を図１〜図４に基づいて詳述する。

［実施形態１］
図１は、本実施形態１におけるパルス電源装置を示す回路図である。初期充電用コンデンサＣ０の両端には充電器が接続されているが図示は省略している。

初期充電用コンデンサＣ０には第１変圧器Ｔ１の１次巻線が直列接続される。初期充電用コンデンサＣ０と第１変圧器Ｔ１の１次巻線との間にはスイッチＳＷ１が介挿される。第１変圧器Ｔ１の２次巻線には第１コンデンサＣ１が並列接続され、さらに、第１コンデンサＣ１には可飽和リアクトルＳＲ１と第２コンデンサＣ２が直列接続される。

この第２コンデンサＣ２の両端には第１ダイオードＤ１と第３コンデンサＣ３とを有する直列回路が接続される。また、この第３コンデンサＣ３には抵抗Ｒが並列接続される。さらに、第２コンデンサＣ２にはリアクトルＬ１が並列接続される。

次に、図１，図２に基づいて、本実施形態１におけるパルス電源装置の動作を説明する。図２に示すＶＣ０，ＶＣ１，ＶＣ２は初期充電用コンデンサＣ０，第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧を示す。

まず、充電器から初期充電用コンデンサＣ０に所定の一定電圧になるまで充電する。一定電圧になるまで充電した時刻をｔ０とする。

その後、時刻ｔ１でスイッチＳＷ１をＯＮすると、初期充電用コンデンサＣ０→第１変圧器Ｔ１の１次巻線→スイッチＳＷ１の経路で電流ｉ０が流れる。その結果、第１変圧器Ｔ１の２次巻線→第１コンデンサＣ１の経路で電流ｉ０’が流れ、第１コンデンサＣ１にエネルギーが転送される。時刻ｔ２で、初期充電用コンデンサＣ０の電圧ＶＣ０は０となり、第１コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１が最大値となる。

その後、可飽和リアクトルＳＲ１が飽和することで、第１コンデンサＣ１→可飽和リアクトルＳＲ１→第２コンデンサＣ２の経路で電流ｉ１が流れ、第２コンデンサＣ２にエネルギーが転送される。時刻ｔ３で、第１コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１が０、第２コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２が最大値となる。

第２コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２が負に反転しようとするとき（時刻ｔ４）、第２コンデンサＣ２→第３コンデンサＣ３→第１ダイオードＤ１の経路で電流ｉ３が流れ、第３コンデンサＣ３にエネルギーが転送される。そして、第３コンデンサＣ３に並列接続された抵抗Ｒで第３コンデンサＣ３のエネルギーが消費される。

本実施形態１の第３コンデンサＣ３は、その容量（キャパシタンス）が電流ｉ３を十分吸収するものとしている。そのため、図２に示すように、第２コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２には負側の電圧が生じていない。第３コンデンサＣ３の容量（キャパシタンス）が小さく、電流ｉ３を吸収できないと第２コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２に負側の電圧が発生する。

以上示したように、本実施形態１におけるパルス電源装置によれば、可飽和リアクトルＳＲ１に正負の電圧が印加されることが抑制される。また、負荷２に正電圧を印加した後、負電圧が印加されなくなりリンギングが抑制され、負荷２は、アーク放電に至らず、プラズマ状態を維持することができ、コアの損失が低減される。

［実施形態２］
図３は、本実施形態２におけるパルス電源装置を示す回路図である。初期充電用コンデンサＣ０の両端には充電器が接続されているが図示は省略している。

初期充電用コンデンサＣ０には第１変圧器Ｔ１の１次巻線が接続される。初期充電用コンデンサＣ０と第１変圧器Ｔ１の１次巻線との間にはスイッチＳＷ１と電流検出器ＣＴが介挿される。この第１変圧器Ｔ１の２次巻線には第１コンデンサＣ１が並列接続され、さらに、可飽和リアクトルＳＲ１と第２コンデンサＣ２が並列接続される。この第２コンデンサＣ２にはリアクトルＬ１が並列接続される。

また、第２コンデンサＣ２には、第３ダイオードＤ３と第３コンデンサＣ３とを有する直列回路が並列接続される。第３コンデンサＣ３には第２変圧器Ｔ２の１次巻線が並列接続される。第２変圧器Ｔ２の２次巻線は初期充電用コンデンサＣ０と並列接続される。第２変圧器Ｔ２の２次巻線と初期充電用コンデンサＣ０との間には第２ダイオードＤ２が介挿される。

第２ダイオードＤ２は初期充電用コンデンサＣ０充電時の電圧をブロックするために設けられている。第３ダイオードＤ３は、可飽和リアクトルＳＲ１が飽和しコンデンサＣ２に電圧が印加され始める時に第３コンデンサＣ３に電流が流れ込まないようにするために設けられる。

次に、図３，図４に基づいて、本実施形態２におけるパルス電源装置の動作を説明する。図４のＶＣ０，ＶＣ１，ＶＣ２，ＶＣ３は初期充電用コンデンサＣ０，第１，第２，第３コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３の電圧を示す。

まず、充電器から初期充電用コンデンサＣ０に所定の一定電圧になるまで充電する。一定電圧になるまで充電した時刻をｔ０とする。

その後、時刻ｔ１でスイッチＳＷ１をＯＮすると、初期充電用コンデンサＣ０→第１変圧器Ｔ１の１次巻線→スイッチＳＷ１→の経路で電流ｉ０が流れる。その結果、第１変圧器Ｔ１の２次巻線→第１コンデンサＣ１の経路で電流ｉ０’が流れ、第１コンデンサＣ１にエネルギーが転送される。時刻ｔ２で、初期充電用コンデンサＣ０の電圧ＶＣ０は０となり、第１コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１が最大値（可飽和リアクトルＳＲ１が飽和）となる。

第１コンデンサＣ１→可飽和リアクトルＳＲ１→第２コンデンサＣ２の経路で電流ｉ１が流れ、第２コンデンサＣ２にエネルギーが転送される。時刻ｔ３で、第１コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１が０、第２コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２が最大値となる。

電流ｉ０，ｉ０’が流れた直後、時刻ｔ４までにスイッチＳＷ１をＯＦＦにする。第２コンデンサＣ２が充電され始めると電流ｉ３が流れ始める。

第２コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２が反転しようとする時（ｔ４）から、第２コンデンサＣ２→第３コンデンサＣ３→第３ダイオードＤ３の経路で電流ｉ４が流れ、ｔ５で電流ｉ３が流れなくなる。そして、電流ｉ４により第３コンデンサＣ３にリアクトルＬ１の蓄積エネルギーが転送され、第２コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２が０となる（ｔ６）。その後、第３コンデンサＣ３→第２変圧器Ｔ２の１次巻線の経路で電流ｉ５’が流れ、第２変圧器Ｔ２の２次巻線→第２ダイオードＤ２→初期充電用コンデンサＣ０の経路で電流ｉ５が流れ、初期充電用コンデンサＣ０にエネルギーが回生される（ｔ７）。

この時、スイッチＳＷ１が閉じていると、電流ｉ０が流れてしまうので、時刻ｔ４までにスイッチＳＷ１を開にしておく。電流ｉ５が流れることにより初期充電用コンデンサＣ０にエネルギーが回生される。

以上示したように、本実施形態２におけるパルス電源装置によれば、時刻ｔ４以降、マイナスの電圧が生じているが、大幅に低減することが可能となる。

実施形態１では、負電圧を全部抵抗Ｒで消費していたが、さらに、実施形態２のような回路構成とすることにより、エネルギーを回生することができ、実施形態１よりも高効率にすることができる。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

Ｃ０…初期充電用コンデンサ
ＳＷ１…スイッチ
Ｔ１…第１変圧器
Ｃ１…第１コンデンサ
ＳＲ１…可飽和リアクトル
Ｃ２…第２コンデンサ
Ｄ１…第１ダイオード
Ｃ３…第３コンデンサ
Ｒ…抵抗
Ｌ１…リアクトル
２…負荷

Claims (2)

1. 磁気圧縮回路を用いたパルス電源装置であって、
   初期充電用コンデンサと、
   前記初期充電用コンデンサに直列接続されたスイッチと、
   前記初期充電用コンデンサに１次巻線が直列接続された第１変圧器と、
   前記第１変圧器の２次巻線に並列接続された第１コンデンサと、
   前記第１コンデンサと直列接続された可飽和リアクトルと、
   前記可飽和リアクトルと直列接続された第２コンデンサと、
   前記第２コンデンサと並列接続されたリアクトルと、
   前記第２コンデンサと並列接続された第１ダイオードと第３コンデンサを有する直列回路と、
   前記第３コンデンサと並列接続された抵抗と、
   を備えたことを特徴とするパルス電源装置。
2. 磁気圧縮回路を用いたパルス電源装置であって、
   初期充電用コンデンサと、
   前記初期充電用コンデンサに直列接続されたスイッチと、
   前記初期充電用コンデンサに１次巻線が直列接続された第１変圧器と、
   前記第１変圧器の２次巻線に並列接続された第１コンデンサと、
   前記第１コンデンサと直列接続された可飽和リアクトルと、
   前記可飽和リアクトルと直列接続された第２コンデンサと、
   前記第２コンデンサと並列接続されたリアクトルと、
   前記第２コンデンサと並列接続された第３ダイオードと第３コンデンサを有する直列回路と、
   １次巻線が前記第３コンデンサに並列接続され、２次巻線が前記初期充電用コンデンサに並列接続された第２変圧器と、
   前記第２変圧器の２次巻線と初期充電用コンデンサとの間に介挿された第２ダイオードと、
   を備えたことを特徴とするパルス電源装置。

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