JP2800029B2 - 高電圧パルス発生回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 イ．発明の目的 （産業上の利用分野） 本発明は、磁気スイッチといわれる可飽和リアクトル
を用いたレーザ励起回路に関する。特に、高周波インバ
ータ及び可飽和リアクトルを用いたレーザ励起回路に関
する。

（従来の技術） 従来、レーザ励起回路としては各種の励起回路が知ら
れていた。これらの例としては第３図に示す容量移行励
起回路といわれるサイラトロン４のスイッチングを利用
したものがあった。

ここで、Ｅは高圧直流電源、R₁は主コンデンサの充電
抵抗、C₂はピーキングコンデンサである。L₀₁、L₀₂、及
びL₀₃は配線により生ずるインダクタンス、L₂は主コン
デンサC₁の充電用インダクタンス、ＧはUV（紫外線）予
備電離用ギャップである。

このタイプではサイラトロンのスイッチング損失がピ
ーク時に10MW以上に達するためサイラトロンの寿命が10
⁸ショツト程度以下と短く寿命の点で問題があった。

このため磁気スイッチといわれる可飽和リアクトルが
注目され高電圧パルス発生回路としての利用が図られて
きた。このタイプとしては第４図に示す磁気アシスト回
路がある。

ここで、第３図と同一の記号を用いたものは同様の機
能を有する。可飽和磁心５をサイラトロン４のアノード
側に挿入したもので容量移行励起回路等に適用されてい
る。

このタイプは、極めて簡単な回路構成であるがサイラ
トロン４のターンオン時のスイッチング損失及びアフタ
ーカレントにおける反転電流の制限が可能なことであ
る。しかしながらサイラトロンのアノード電流波高値を
低下させられないためサイラトロンの寿命を数倍程度し
か増加できず、さらに、可飽和リアクトルの磁心損失が
極めて大きいことからレーザ総合効率の低下をきたすも
のであった。

このほか磁気パルス圧縮回路を用いたレーザ用電源が
考案されていた。これは実用化されなかったがその後ア
モルファス磁性材料が開発されるに及んで磁気パルス圧
縮回路を用いた容量移行励起回路がエキシマレーザ用と
して市販されるに至った。

このほかに、パルス整形回路と磁気圧縮回路を用いた
パルス幅を数百ns程度までのロング・パルスとして狭帯
域化が容易となるレールギャップとパルス整形回路を用
いたものがある。しかしながら原理的に高繰り返しが不
可能であった。この欠点を解決したものとして、レール
ギャップを可飽和リアクトルに変更したものがあった。

また、エキシマレーザ用としてはスパイカ・サステー
ナ回路がある。これには磁気ダイオード・スパイカ方式
や可飽和リアクトル・スパイカ方式等がある。これらは
エキシマレーザの放電開始前後のインピーダンスの急激
な変化に基づく励起回路のミスマッチングを解決でき
た。

これらの繰り返し高電圧パルス発生装置における主コ
ンデンサの充電方式としては共振充電方式が用いられて
いるが、より高い繰り返しにおける安定動作上問題があ
った。

第５図はこの問題を解決するための一方式で、インバ
ータによるコマンド充電方式と呼ばれている。インバー
タ１にパルストランス２を経てダイオード３、サイラト
ロン４、コンデンサ６、７及びリアクトル10が図のよう
に接続され、11はレーザ放電電極である。この方式は前
記共振充電方式において高い繰り返し動作時にサイラト
ロン４がターンオフする前にサイラトロン４のアノード
に電圧が印加するするのを防止するのに十分な時間、主
コンデンサの充電電流を流さないよう構成されている。
このためサイラトロン等の素子の破壊を防止できるもの
である。この場合、パルストランス１の２次側に挿入さ
れたダイオード３に流れる電流の波高値を共振充電方式
に比べて大となるためダイオードに固有のリバースリカ
バリー電流の影響が顕著となる。すなわち、前記ダイオ
ード３のリカバリー損失による温度上昇によりダイオー
ド自身の特性が変化し、その結果出力の変動及びジッタ
時間が長くなるという問題が発生する。

このジッタは大電流及び高繰り返しの高電圧パルス発
生回路にあっては極めて重大な問題を生ぜしめる。この
対策にはダイオードの冷却装置の大型化、ひいては装置
全体の大型化につながる問題があった。

また、コマンド充電方式によるサイラトロン４の長寿
命化を図るためには、第６図に示すように第５図の回路
に磁気パルス圧縮回路を付加することが有効であるが、
この場合には、前記ダイオード３のリバースリカバリー
電流により可飽和リアクトル８の磁束密度は、サイラト
ロン４のターンオンに先立って動作してしまい、サイラ
トロン４がターンオン後に利用できる動作磁束密度が減
少することとなり圧縮比を十分にとることができない欠
点があった。さらに、前記ダイオード３のリバースリカ
バリー電流は、多くの場合、リンギング電流となり、こ
の場合には、サイラトロン４のターンオンに先立つ可飽
和リアクトル８の動作磁束密度の変動もリンギング状と
なり、同様に可飽和リアクトル８の磁心損失が増加する
他ジッタも増大する。このダイオード３のリバースリカ
バリー電流によるサイラトロン４がターンオン後の可飽
和リアクトル８の動作磁束密度の減少は、可飽和リアク
トル８を常時リセットするためのバイアス回路13を付加
することにより抑制することは可能であるが、この場合
には、前記リセット電流を大としなければならずバイア
ス回路13の大型化を招く欠点があった。また、前記ダイ
オード３のリカバリー損失による温度上昇によりダイオ
ード自身の特性が変化することにより、サイラトロンの
ターンオン前の前記可飽和リアクトル８の磁束密度の変
化も変動するため、同方式による高電圧パルス発生回路
の出力の変動及びジッタは大きくなるといった問題があ
った。

（発明が解決しようとする課題） 本発明では、上記課題を解決し、新しい高電圧パルス
発生回路を提供することを目的とする。

ロ．発明の構成 （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため本発明の高電圧パルス発生回
路は、高周波インバータ出力を昇圧するパルストランス
と、その出力を整流する素子と、サイラトロンによる容
量移行レーザ励起回路において、前記整流する素子、可
飽和リアクトル、該可飽和リアクトルを通じて高電圧に
充電されるコンデンサ、第２の可飽和リアクトル及びリ
アクトルとを直列に接続させるとともに、前記整流する
素子に直列接続されたサイラトロンと、該サイラトロン
と前記コンデンサ及び第２のコンデンサとで形成した閉
回路と、前記第２のコンデンサと前記第２のリアクトル
及び第３のコンデンサとで形成した閉回路と、前記第３
のコンデンサとリアクトルとで形成した閉回路と、前記
リアクトルとレーザ放電電極とで形成した閉回路とから
なり、前記サイラトロンを導通させ前記コンデンサに充
電した電荷を第２のコンデンサに移送し高電圧に充電さ
せ、移送された電荷を第２の可飽和リアクトルを通じて
放電電極に印加することを特徴とする高電圧パルス発生
回路によって提供される。

さらに、本発明を効果的に達成されるために以下の特
徴を具備することが好適である。

大電流、高繰り返しパルス電源でジッタ時間を5ns以
下とした場合や可飽和リアクトルに、プリセット用バイ
アス回路を含む場合が好適である。

また、第２の可飽和リアクトルに、リセット用バイア
ス回路を含む場合や第２の可飽和リアクトルを複数とし
て磁気パルス圧縮回路を構成した前記の高電圧パルス発
生回路によって提供される。

（作用） 上記のように構成された高電圧パルス発生回路のその
作用は以下のとおりである。

この高電圧パルス発生回路は、インバータ１からの出
力をパルストランス２により昇圧してダイオード３によ
り整流された半波直流電圧でコンデンサ６をリアクトル
10の閉回路を通じて高電圧に充電する。その後サイラト
ロン４を導通させコンデンサ６、コンデンサ７を含む閉
回路を通じてコンデンサ６の電荷をコンデンサ７に移送
し高電圧に充電する。このコンデンサ７の充電過程にお
いて、リアクトル10及び可飽和リアクトル８の回路を通
じてコンデンサ６の自己放電電流も流れるが、この電流
は可飽和リアクトル８の磁気不飽和時におけるリアクタ
ンスが回路内のリアクタンスより極めて大きいことから
コンデンサ７の充電完了時まで大きくならず無視でき
る。

さらに、コンデンサ７へ電荷が移送され充電が完了す
ると、可飽和リアクトル８を通じてレーザ放電電極11に
高電圧が印加され、同時にコンデンサ９に充電する。こ
の際、レーザ放電電極11に付加した補助電極があればそ
の間の容量分に充電するがコンデンサ９の容量に比して
小さいため微妙な小電流により高電圧に充電され補助電
極間にアーク放電が生じ導通状態となる。可飽和リアク
トル８の磁束は充電電流の増加で飽和に達し、リアクタ
ンスが極めて小となりレーザ放電電極11はレーザ放電が
誘発される。

ここで、ダイオード３について触れると、ダイオード
の順バイアスから逆バイアスとなる時のリバースリカバ
リー電流が流れている間インバータ１の休止とサイラト
ロン４のターンオンとの間に休止期間を必要とするた
め、タイミングをずらしターンオンしていた。このとき
可飽和リアクトル８を入れることによりリバースリカバ
リー電流に対し可飽和リアクトルのリアクタンスを充分
に大きくしてリバースリカバリー電流を抑制できる。こ
の結果ダイオード３のリバースリカバリー電流波高値を
小さくすることができ、同ダイオードのリバースリカバ
リー損失を大幅に低減でき、ダイオードの冷却が容易と
なる。また、同ダイオードのリバースリカバリー電流に
より生ずる前記高電圧パルス発生回路出力の変動及びジ
ッタを大幅に低減できる。

さらに、可飽和リアクトル８にリセット用バイアス回
路13を付加した場合には、この可飽和リアクトルを常時
リセットすることができる。

また、プリセット用バイアス回路12を付加した場合に
は、可飽和リアクトル５の挿入に伴い発生するインバー
タ１における主スイッチがターンオン後のコンデンサ６
の充電電流の立ち上がり時間の遅れを防止することがで
きる。ここで、プリセット電流の向きはコンデンサ６の
充電電流の方向と同一とする。この第１の可飽和リアク
トル５にプリセット用バイアス回路12を付加すること
は、同ダイオードの挿入に伴うインバータ１の主スイッ
チのターンオン後のコンデンサ６の充電電流の立ち上が
りの遅れの防止、サイラトロン４の誤動作の防止を可能
とした。

（実施例） 以下に本発明の一実施例について図面を参照して説明
する。

本発明の高電圧パルス発生回路は第１図ないし第２図
について目的を達成できる。

第１図には高電圧パルス発生回路を具体的に示した。
インバータ１は高周波インバータで負荷のレーザの種類
によって異なるが極めて高速、大電流で高繰り返しのも
のが要求されている背景から従来の高電圧直流電源を使
用しなかった。

本発明では極めて高速（エキシマレーザで、1kHz、銅
蒸気レーザで5kHz）、大電流（〜10kA）、高電圧（〜15
0kV）、早い立ち上がり時間（〜100kA/μＳ）及び高繰
り返しに伴い長寿命（10⁸以上）等が要求されている背
景から、実施例では銅蒸気レーザで5kHzのインバータ１
を用いた。インバータ１（内部図示せず）としてはトラ
ンジスタ等の半導体を複数使用してゲート回路の制御に
よりスイッチングさせ出力を得た。トランジスタ等は繰
り返しのパルス数、スイッチング速度及びスイッチング
電流により適宜数を決定する。5kHzでは並列数は２程度
となる。

パルストランス２はインバータ１の出力を昇圧させる
もので、高圧用半導体の利用が困難なためである。さら
に、パルストランス２の出力を可飽和リアクトル５、ダ
イオード３を通してコンデンサ6,可飽和リアクトル８を
経てレーザ放電電極11に接続してある。また、サイラト
ロン４をダイオード３とコンデンサ６との間に、コンデ
ンサ7,9を可飽和リアクトル８の両端に接続する。これ
らの他端はパルストランス２の他方へ接続される。リア
クトル10はコンデンサ９と並列に接続される。図示しな
い補助電極を利用する場合はレーザ放電電極11に並列接
続される。このほかプリセット用バイアス回路12及びリ
セット用バイアス回路13が可飽和リアクトル5,8それぞ
れに付加される。プリセット用バイアス回路12及びリセ
ット用バイアス回路13は電流源を持ち可飽和リアクトル
5,8の鉄心動作点を制御するためのものである。

第２図は他の実施例である。第２の可飽和リアクトル
８及びコンデンサ９の後に可飽和リアクトル14及びコン
デンサ16と、同時にプリセット用バイアス回路12及びリ
セット用バイアス回路13a、13bを付加した。これらの目
的は磁気パルス圧縮を行うためである。

この磁気圧縮回路ではパルス幅の圧縮に伴いパルス出
力電流の波高値を高める効果がある。

以上の回路は基本回路を示したがこれらを組み合わせ
たいわゆるマルチ回路とすることができ、特に、レーザ
装置等の並列同期運転等に有効である。

さらに、過電流防止回路、過電圧防止回路の付加の
他、ノイズ対策を施すと良い。かかる場合にあっても本
発明の範囲に含むものである。

例えば、リップルノイズに対しては、次のような方法
を講ずることができる。ダイオード３はCRのスナバー回
路による過渡的な電流変化を抑制できる。

入力側へのバックノイズについては本発明はコンデン
サＣを電源に並列に用いることがよいし、高周波回路側
のリードを短くしたり、必要に応じてシールドを行って
もよい。

ハ．発明の効果 本発明は、上述のように構成されているので、次に記
載されている効果を奏する。

極めて高速、大電流、高電圧、早い立ち上がり時間及
び高繰り返しに伴う長寿命等が要求されている苛酷な条
件のもとでサイラトロンを用いた高電圧パルス発生回路
を可能としたものである。

この結果、ダイオードのリカバリー損失による温度上
昇を抑制し、ダイオード自身の特性の変化を防止し、ダ
イオードの冷却装置の小型化を達成した。

整流ダイオードと直列に接続した可飽和リアクトル
と、移送された電荷を第２の可飽和リアクトルを通じて
放電電極に印加することにより、いわゆる出力変動及び
ジッタ時間を減少させた。

さらに、第２の可飽和リアクトルにリセット用バイア
ス回路を付加した場合には、この可飽和リアクトルを常
時リセットすることができる。この場合には、リセット
電流を小さくできバイアス回路の小型化を達成できた。

また、プリセット用バイアス回路を付加した場合に
は、第１の可飽和リアクトルの挿入に伴い発生するイン
バータにおける主スイッチがターンオン後のコンデンサ
６の充電電流の立ち上がり時間の遅れを防止することが
できる。

この第１の可飽和リアクトルにプリセット用バイアス
回路を付加することは、ダイオードの挿入に伴うインバ
ータの主スイッチのターンオン後のコンデンサの充電電
流の立ち上がりの遅れの防止及びサイラトロンの誤動作
の防止を可能とした。

さらに、第２の可飽和リアクトル及びコンデンサを複
数として磁気パルス圧縮回路を構成したため高電圧パル
ス発生を容易にした。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の高電圧パルス発生回路の基本構成を示
した回路図、第２図は本発明の他の実施例を示す回路
図、第３図は従来の高電圧パルス発生回路の例で容量移
行励起回路の概略図、第４図は従来の他の実施例を示す
回路の概略図で磁気アシスト回路、第５図は従来のイン
バータによるコマンド充電方式を用いた回路の概略図で
ある。第６図は第５図の回路に磁気圧縮回路を用いた従
来の高電圧パルス発生回路の概略図である。 1:インバータ、2:パルストランス 3:ダイオード、4:サイラトロン ５、８、14、21:可飽和リアクトル 6,7,9、16、C₁、C₂:コンデンサ （ピーキングコンデンサ） 10:リアクトル、11:レーザ放電電極 12:プリセット用バイアス回路 13、13a、13b:リセット用バイアス回路 G:UV予備電離用ギャップ

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−23777（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−48274（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−110064（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02M 9/00 - 9/06

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高周波インバータ出力を昇圧するパルスト
   ランスと、その出力を整流する素子と、サイラトロンに
   よる容量移行レーザ励起回路において、前記整流する素
   子、可飽和リアクトル、該可飽和リアクトルを通じて高
   電圧に充電されるコンデンサ、第２の可飽和リアクトル
   及びリアクトルとを直列に接続させるとともに、前記整
   流する素子に直列接続されたサイラトロンと、該サイラ
   トロンと前記コンデンサ及び第２のコンデンサとで形成
   した閉回路と、前記第２のコンデンサと前記第２のリア
   クトル及び第３のコンデンサとで形成した閉回路と、前
   記第３のコンデンサとリアクトルとで形成した閉回路
   と、前記リアクトルとレーザ放電電極とで形成した閉回
   路とからなり、前記サイラトロンを導通させ前記コンデ
   ンサに充電した電荷を第２のコンデンサに移送し高電圧
   に充電させ、移送された電荷を第２の可飽和リアクトル
   を通じて放電電極に印加することを特徴とする高電圧パ
   ルス発生回路。
2. 【請求項２】大電流、高繰り返しパルス電源でジッタ時
   間を5ns以下とした請求項１記載の高電圧パルス発生回
   路。
3. 【請求項３】可飽和リアクトルに、プリセット用バイア
   ス回路を含んだ請求項１または２記載の高電圧パルス発
   生回路。
4. 【請求項４】第２の可飽和リアクトルに、リセット用バ
   イアス回路を含んだ請求項１ないし３のいずれか記載の
   高電圧パルス発生回路。
5. 【請求項５】第２の可飽和リアクトルを複数として磁気
   パルス圧縮回路を構成した請求項１ないし４のいずれか
   記載の高電圧パルス発生回路。