JP3658957B2

JP3658957B2 - Pulse power supply

Info

Publication number: JP3658957B2
Application number: JP34350297A
Authority: JP
Inventors: 貴志佐久川; 広行日吉
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 1997-12-15
Filing date: 1997-12-15
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2017-12-15
Also published as: JPH11177395A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高電圧・大電流の短パルスを発生するパルス電源に係り、特にパルス電源の組み立て構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パルスレーザ励起やパルスプラズマ発生、パルス脱硝装置等のパルス電源として、半導体スイッチと磁気スイッチになる可飽和リアクトル又は可飽和トランスを組合せたものがある。
【０００３】
図３は、半導体スイッチと可飽和リアクトルを組み合わせたパルス電源の回路例を示す。同図において、初段エネルギー蓄積用コンデンサＣ₀は、インバータと整流回路等で構成された高圧直流電源になる充電器ＤＣＨＶにより初期充電される。ＧＴＯで示す半導体スイッチＳＷは、１つの半導体スイッチング素子とそのゲート制御回路とスナバ回路を有して構成された初段スイッチにされる。可飽和リアクトルＳＩ₀は、スイッチＳＷのオンによるコンデンサＣ₀から矢印で示す経路の放電パルス電流Ｉ₀に対して、その飽和までの遅れでスイッチＳＷのスイッチング損失を減らす磁気アシスト手段になる。
【０００４】
パルストランスＰＴは、放電パルス電流Ｉ₀により一次巻線に印加されるパルス電圧を昇圧してコンデンサＣ₁を充電する。可飽和リアクトルＳＩ₁は、コンデンサＣ１の充電が所定レベルまで達したときに飽和し、低インピーダンスになってコンデンサＣ₁からコンデンサＣ₂への放電パルス電流Ｉ₁を発生する磁気パルス圧縮手段になる。
【０００５】
同様に、可飽和リアクトルＳＩ₂は、コンデンサＣ₂の充電でピーキングコンデンサＣ_Pへの放電パルス電流Ｉ₂を発生する磁気パルス圧縮手段になる。
【０００６】
ピーキングコンデンサＣ_Pは、レーザヘッドＬＨと共にレーザ発振器を構成したパルス電源の負荷となり、磁気パルス圧縮されたパルス電流により高圧充電され、一定電圧までの充電でレーザヘッドＬＨに放電パルス電流を供給する。
【０００７】
なお、パルス電源の構成は、図３に示すものに限らず、パルストランスＰＴに代えて可飽和トランスを用いたもの、さらにトランスを複数段設けたものなど種々の変形例がある。また、半導体スイッチＳＷには、サイリスタやＧＴＯ、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ等が使用される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のパルス電源は、充電器ＤＣＨＶを除いて、初段コンデンサＣ₀からピーキングコンデンサＣ_P前段までを１つの筺体内に収めた一体型となっている。
【０００９】
これは、磁気パルス圧縮で短パルスを得るために、ＬＣ振動電流の発生時のインダクタンス成分を極力小さくすることが要求されることから、回路要素間を至近距離に配置するためのものである。
【００１０】
この一体化構造において、磁気パルス圧縮に用いる可飽和トランスや可飽和リアクトルは、鉄を主成分とする磁心が大部分の容積を占め、重量物になる。
【００１１】
このため、パルス電源としては、磁気パルス圧縮段数及び電流容量の増大に伴って大型で重い装置になり、その組み立てや修理、運搬、据え付けなどの取り扱いが難しくなるし、大掛かりな作業になる。特に、絶縁や冷却を考慮したパルス電源の場合、絶縁油を入れたタンク内に主回路全体を入れる場合に問題となる。
【００１２】
このような課題を解消する方法として、半導体スイッチユニットと磁気スイッチユニットのように２つのユニットに完全に分離した構造のものがある。
【００１３】
図４は、ユニット化した構造を示し、パルス電源の充電器（ＤＣＨＶ）ユニット１と、コンデンサＣ０と可飽和リアクトルＳＩ０及び半導体スイッチＳＷからなる初段パルス発生回路ユニット２と、パルストランスＰＴと可飽和リアクトルＳＩ１，ＳＩ２及びコンデンサＣ１，Ｃ２からなる磁気パルス圧縮回路ユニット３と、電源コントローラユニット４に分離構成し、各ユニット間を同軸ケーブルや導体バーで接続する。さらに、磁気パルス圧縮回路ユニットが多段の構成になる場合に可飽和リアクトルとコンデンサの組み別にユニット化した構成にする場合もある。
【００１４】
このユニット化構造では、個々のユニットの重量を軽くできるが、各ユニット間を比較的長い同軸ケーブルや導体バーで接続することになり、接続部でのインダクタンスが大きくなって狭幅のパルス特性に影響を及ぼしたり、接続部のケーブルや導体が大型化してしまう。また、接続部での発生ノイズの漏洩が起こり易く、接続部のノイズ対策のために大型のシールドが必要となる。
【００１５】
本発明の目的は、電気的性能を落とすことなく、装置の小型化及び取り扱いを容易にするパルス電源を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、初段パルス発生回路と磁気パルス圧縮回路を剥き出しのまま１つの筺体内に収納し、しかも初段パルス発生回路をカートリッジ化して筺体から着脱可能にした構造とするもので、以下の構成を特徴とする。
【００１７】
充電器と、この充電器で初期充電されるコンデンサ及びこのコンデンサからのパルス放電電流を制御する半導体スイッチを設けた初段パルス発生回路と、このパルス発生回路からのパルス電流をトランスや可飽和リアクトルを有してパルス圧縮する磁気パルス圧縮回路とを備えたパルス電源において、
前記初段パルス発生回路と磁気パルス圧縮回路を剥き出しのまま１つの筺体内に収納して接続できる構造とし、前記初段パルス発生回路は前記筺体に着脱可能なカートリッジ構造としたことを特徴とする。
【００１８】
また、前記初段パルス発生回路は、前記コンデンサと半導体スイッチ及び可飽和リアクトルとした回路構成、該可飽和リアクトルを前記磁気パルス圧縮回路側に移した回路構成、前記磁気パルス圧縮回路との接続端の一方を接地端子とする回路構成、前記磁気パルス圧縮回路との接続部分から前記可飽和リアクトルを移した回路構成の何れかの回路構成を特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態を示すユニット構成である。同図が図４と異なる部分は、初段パルス発生回路ユニット２の構成部品と磁気パルス圧縮回路ユニット３を１つの筺体５内に一括収納し、筺体内では初段パルス発生回路５Ａをカートリッジとして筺体５から着脱可能にし、磁気パルス圧縮回路５Ｂは筺体内に固定した構造とする点にある。
【００２０】
カートリッジ構造になる初段パルス発生回路５Ａ及び磁気パルス圧縮回路５Ｂは、従来のカバーで密閉化したユニット２、３と異なり、構成部品を剥き出しのままにした構造とし、その軽量化やコストの低減を得る。
【００２１】
また、回路部品の絶縁や冷却を行う構造では、筺体５内に絶縁油を入れ、磁気パルス圧縮回路５Ｂは筺体５内に固定とし、初段パルス発生回路５Ａはカートリッジとして出し入れする構造とする。
【００２２】
このような構造によれば、パルス発生回路と磁気パルス圧縮が１つの筺体５内に収納され、従来の完全分離したユニット構造に比べて、構造部品の点数が少なく、装置全体としては小型化が可能となるし、コストダウンを図ることができる。また、カートリッジ５Ａを筺体５から抜き出して分離できるため、ユニット単位では従来のユニット構造と同等以上の軽量化を図ることができる。
【００２３】
また、カートリッジ５Ａと磁気パルス圧縮回路５Ｂの接続部分は、従来のユニット構造に比べて短い間隙に渡す導体で済み、接続部で発生するインダクタンスを容易に小さくすることができ、狭幅のパルス電流にも影響が少なくなるし、回路的責務も軽減される。
【００２４】
また、絶縁と冷却のために絶縁油やパーフロロカーボンを使う場合、筺体５をタンクとし、初段パルス発生回路５Ａのメンテナンスにはカートリッジを引き出して行うことができ、メンテナンスが容易になる。なお、メンテナンスを必要とするのは、回路的には、能動部品になる半導体スイッチＳＷを持つ初段パルス発生回路５Ａの方が多く、受動部品の組み合わせになる磁気パルス圧縮回路５Ｂのメンテナンスは極めて少ない。
【００２５】
次に、初段パルス発生回路５Ａと磁気パルス圧縮回路５Ｂの内部に設ける回路構成の実施形態を図２の（ａ）〜（ｄ）に示す。
【００２６】
同図の（ａ）は、カートリッジにされる初段パルス発生回路５Ａに初段のコンデンサＣ₀と半導体スイッチＳＷを一括収納し、磁気パルス圧縮回路５Ｂには可飽和リアクトルＳＩ₀以降の回路部品を一括接続した構造とする場合である。
【００２７】
この構成では、可飽和リアクトルＳＩ₀を初段パルス発生回路５Ａから磁気パルス圧縮回路５Ｂに移すため、カートリッジ自体の軽量、小型化を図り、メンテナンスを容易にする。
【００２８】
図２の（ｂ）は、（ａ）の構成に加えて、半導体スイッチＳＷとパルストランスＰＴの接続端を接地端子とする回路構成とする場合である。
【００２９】
この構成では、初段パルス発生回路５Ａと磁気パルス圧縮回路５Ｂの接続箇所の１つが接地端子になるため、両回路間を接続するための絶縁が１カ所で済む。また、同一筺体内で底板を両回路のアースとすることで共通化でき、接続構造が簡単になるのに加えて、発生ノイズの軽減にもなる。
【００３０】
図２の（ｃ）は、（ｂ）の構成に加えて、可飽和リアクトルＳＩ₀を初段パルス発生回路５Ａ側に移した回路構成とする場合である。
【００３１】
この構成では、（ｂ）の構成の作用効果に加えて、初段パルス発生回路５Ａと磁気パルス圧縮回路５Ｂとの重量バランスの平均化を図ることができる。
【００３２】
図２の（ｄ）は、（ｃ）の構成に加えて、初段コンデンサＣ₀の充電ループから可飽和リアクトルＳＩ₀を外した回路構成とする場合である。
【００３３】
この構成では、（ｃ）の作用効果に加えて、磁気パルス圧縮回路５Ｂとの接続部に可飽和リアクトルＳＩ₀が介在することがなくなり、接続部の構造を簡単にすることができる。
【００３４】
以上までの実施形態は、初段パルス発生回路及び磁気パルス圧縮回路の構成を適宜設計変更した装置に適用して同等の作用効果を得ることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、初段パルス発生回路と磁気パルス圧縮回路を剥き出しのまま１つの筺体内に収納し、しかも初段パルス発生回路をカートリッジ化して筺体から着脱可能にした構造とするため、以下の効果がある。
【００３６】
（１）初段パルス発生回路と磁気パルス圧縮回路を１つの筺体に収納することで、それらをユニット化する従来構造に比べて、装置の小型化及び部品点数を少なくしてコストダウンを図ることができる。
【００３７】
（２）初段パルス発生回路と磁気パルス圧縮回路の接続部分のループインダクタンスを小さくでき、一体型と同等の電気的性能を得ることができる。
【００３８】
（３）初段パルス発生回路をカートリッジ化するため、メンテナンスや運搬などその取り扱いが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示すパルス電源のユニット構成。
【図２】実施形態におけるカートリッジの回路構成。
【図３】パルス電源の回路例。
【図４】従来のパルス電源のユニット構成。
【符号の説明】
１…充電器ユニット
２…初段パルス発生回路ユニット
３…磁気パルス圧縮回路ユニット
４…電源コントローラ
５…筺体
５Ａ…カートリッジ化した初段パルス発生回路
５Ｂ…磁気パルス圧縮回路
Ｃ₀、Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ_P…コンデンサ
ＳＩ₀、ＳＩ₁、ＳＩ₂…可飽和リアクトル
ＳＷ…半導体スイッチ
ＰＴ…パルストランス
ＬＨ…レーザヘッド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a pulse power source that generates a short pulse of high voltage and large current, and more particularly to an assembly structure of a pulse power source.
[0002]
[Prior art]
As a pulse power source for pulse laser excitation, pulse plasma generation, pulse denitration apparatus, etc., there is a combination of a saturable reactor or a saturable transformer that becomes a semiconductor switch and a magnetic switch.
[0003]
FIG. 3 shows a circuit example of a pulse power source combining a semiconductor switch and a saturable reactor. In the figure, a first-stage energy storage capacitor C ₀ is initially charged by a charger DCHV that is a high-voltage DC power source including an inverter and a rectifier circuit. The semiconductor switch SW indicated by GTO is a first-stage switch configured with one semiconductor switching element, its gate control circuit, and a snubber circuit. The saturable reactor SI ₀ serves as a magnetic assist means for reducing the switching loss of the switch SW with a delay until the saturation with respect to the discharge pulse current I _{0 in the} path indicated by the arrow from the capacitor C ₀ when the switch SW is turned on.
[0004]
The pulse transformer PT boosts the pulse voltage applied to the primary winding by the discharge pulse current I ₀ and charges the capacitor C ₁ . The saturable reactor SI ₁ is saturated when the charging of the capacitor C1 reaches a predetermined level, and becomes a low-impedance magnetic pulse compression means that generates a discharge pulse current I ₁ from the capacitor C ₁ to the capacitor C ₂ . .
[0005]
Similarly, the saturable reactor SI ₂ will magnetic pulse compression means for generating a discharge pulse current I ₂ to peaking capacitor C _P at the charging capacitor C _2.
[0006]
Peaking capacitor C _P becomes a load of the pulse power source to constitute a laser oscillator with the laser head LH, is a high-pressure charged by the magnetic pulse compression pulse current, supplies a discharge pulse current to the laser head LH in charge up to a certain voltage.
[0007]
The configuration of the pulse power supply is not limited to that shown in FIG. 3, and there are various modifications such as a configuration using a saturable transformer instead of the pulse transformer PT, and a configuration in which a plurality of transformers are provided. For the semiconductor switch SW, a thyristor, GTO, IGBT, FET, or the like is used.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Conventional pulse power supply, except for the charger DCHV, are integrated type of matches from the first stage capacitor C ₀ to the peaking capacitor C _P front in one housing.
[0009]
In order to obtain a short pulse by magnetic pulse compression, it is required to minimize the inductance component when the LC oscillation current is generated, so that the circuit elements are arranged at a close distance.
[0010]
In this integrated structure, a saturable transformer or saturable reactor used for magnetic pulse compression occupies a large volume of a magnetic core mainly composed of iron, and becomes a heavy object.
[0011]
For this reason, the pulse power source becomes a large and heavy device as the number of magnetic pulse compression stages and the current capacity increase, and it becomes difficult to handle assembly, repair, transportation, installation, and the like, which is a large-scale work. In particular, in the case of a pulse power supply considering insulation and cooling, a problem arises when the entire main circuit is placed in a tank filled with insulating oil.
[0012]
As a method for solving such a problem, there is a method of completely separating two units such as a semiconductor switch unit and a magnetic switch unit.
[0013]
FIG. 4 shows a unitized structure, a pulse power supply charger (DCHV) unit 1, a first-stage pulse generation circuit unit 2 comprising a capacitor C0, a saturable reactor SI0 and a semiconductor switch SW, a pulse transformer PT and a saturable state. The magnetic pulse compression circuit unit 3 including the reactors SI1 and SI2 and the capacitors C1 and C2 and the power supply controller unit 4 are separated from each other, and the units are connected by a coaxial cable or a conductor bar. Further, when the magnetic pulse compression circuit unit has a multi-stage configuration, there may be a configuration in which the unit is divided into a combination of a saturable reactor and a capacitor.
[0014]
With this unitized structure, the weight of each unit can be reduced, but each unit will be connected with a relatively long coaxial cable or conductor bar, and the inductance at the connection will increase, resulting in narrow pulse characteristics. It will have an effect, and the cables and conductors at the connection will be enlarged. In addition, leakage of noise generated at the connection portion is likely to occur, and a large shield is required to prevent noise at the connection portion.
[0015]
An object of the present invention is to provide a pulse power source that facilitates downsizing and handling of an apparatus without degrading electrical performance.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has a structure in which the first-stage pulse generation circuit and the magnetic pulse compression circuit are housed in a single casing without being exposed, and the first-stage pulse generation circuit is formed into a cartridge so that it can be detached from the casing. Features.
[0017]
First-stage pulse generation circuit provided with a charger, a capacitor that is initially charged by this charger, and a semiconductor switch that controls the pulse discharge current from this capacitor, and a transformer and a saturable reactor for the pulse current from this pulse generation circuit In a pulse power supply comprising a magnetic pulse compression circuit having a pulse compression with
The first-stage pulse generation circuit and the magnetic pulse compression circuit are structured so as to be housed and connected in one casing without being exposed, and the first-stage pulse generation circuit has a cartridge structure that can be attached to and detached from the casing.
[0018]
The first-stage pulse generation circuit includes a circuit configuration including the capacitor, a semiconductor switch, and a saturable reactor, a circuit configuration in which the saturable reactor is moved to the magnetic pulse compression circuit side, and a connection end with the magnetic pulse compression circuit. One of the circuit configurations is a circuit configuration in which one side is a ground terminal and a circuit configuration in which the saturable reactor is moved from a connection portion with the magnetic pulse compression circuit.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a unit configuration showing an embodiment of the present invention. 4 is different from FIG. 4 in that the components of the first-stage pulse generation circuit unit 2 and the magnetic pulse compression circuit unit 3 are collectively stored in one housing 5, and the first-stage pulse generation circuit 5 A is used as a cartridge in the housing 5. The magnetic pulse compression circuit 5B is structured to be fixed in the housing.
[0020]
The first-stage pulse generation circuit 5A and magnetic pulse compression circuit 5B having a cartridge structure are different from the conventional units 2 and 3 sealed with a cover, and have a structure in which the component parts are left exposed, thereby reducing the weight and cost. obtain.
[0021]
In the structure for insulating and cooling the circuit components, insulating oil is put in the housing 5, the magnetic pulse compression circuit 5B is fixed in the housing 5, and the first-stage pulse generating circuit 5A is taken in and out as a cartridge.
[0022]
According to such a structure, the pulse generation circuit and the magnetic pulse compression are accommodated in one casing 5, and the number of structural parts is small compared to the conventional completely separated unit structure, and the overall apparatus can be downsized. This is possible and the cost can be reduced. Further, since the cartridge 5A can be extracted from the housing 5 and separated, the unit unit can be lighter than the conventional unit structure.
[0023]
Further, the connecting portion between the cartridge 5A and the magnetic pulse compression circuit 5B is a conductor passing through a short gap compared to the conventional unit structure, and the inductance generated at the connecting portion can be easily reduced, and the narrow pulse current Will be less affected, and the circuit duty will be reduced.
[0024]
In addition, when insulating oil or perfluorocarbon is used for insulation and cooling, the housing 5 can be used as a tank, and the maintenance of the first-stage pulse generation circuit 5A can be performed by pulling out the cartridge, facilitating maintenance. In terms of circuit, the first stage pulse generation circuit 5A having the semiconductor switch SW that is an active component requires more maintenance, and the maintenance of the magnetic pulse compression circuit 5B that is a combination of passive components is extremely small. .
[0025]
Next, an embodiment of the circuit configuration provided inside the first stage pulse generation circuit 5A and the magnetic pulse compression circuit 5B is shown in FIGS.
[0026]
(A) of the same figure shows that the first stage capacitor C ₀ and the semiconductor switch SW are collectively stored in the first stage pulse generation circuit 5A formed as a cartridge, and the circuit components after the saturable reactor SI ₀ are collectively stored in the magnetic pulse compression circuit 5B. This is a case of a connected structure.
[0027]
In this configuration, the saturable reactor SI ₀ is moved from the first-stage pulse generation circuit 5A to the magnetic pulse compression circuit 5B, so that the cartridge itself is reduced in weight and size, and maintenance is facilitated.
[0028]
FIG. 2B shows a case in which, in addition to the configuration of FIG. 2A, a circuit configuration is used in which the connection end of the semiconductor switch SW and the pulse transformer PT is a ground terminal.
[0029]
In this configuration, one of the connection points between the first-stage pulse generation circuit 5A and the magnetic pulse compression circuit 5B serves as a ground terminal, so that only one insulation is required to connect the two circuits. In addition, the bottom plate can be shared by grounding both circuits in the same housing, which not only simplifies the connection structure but also reduces the generated noise.
[0030]
FIG. 2C shows a case where the saturable reactor SI ₀ is moved to the first stage pulse generation circuit 5A side in addition to the configuration of FIG.
[0031]
In this configuration, in addition to the operational effect of the configuration (b), the weight balance between the first-stage pulse generation circuit 5A and the magnetic pulse compression circuit 5B can be averaged.
[0032]
FIG. 2D shows a case where the circuit configuration is such that the saturable reactor SI ₀ is removed from the charging loop of the first stage capacitor C ₀ in addition to the configuration of FIG.
[0033]
In this configuration, in addition to the effect of (c), the saturable reactor SI ₀ is not interposed in the connection portion with the magnetic pulse compression circuit 5B, and the structure of the connection portion can be simplified.
[0034]
The above embodiments can be applied to an apparatus in which the configurations of the first-stage pulse generation circuit and the magnetic pulse compression circuit are appropriately changed in design, and the same operational effects can be obtained.
[0035]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the first-stage pulse generation circuit and the magnetic pulse compression circuit are accommodated in a single housing without being exposed, and the first-stage pulse generation circuit is formed into a cartridge so that it can be detached from the housing. There are the following effects.
[0036]
(1) By storing the first-stage pulse generation circuit and the magnetic pulse compression circuit in a single housing, it is possible to reduce the size of the device and the number of parts and reduce costs compared to the conventional structure in which they are unitized. it can.
[0037]
(2) It is possible to reduce the loop inductance of the connecting portion between the first stage pulse generation circuit and the magnetic pulse compression circuit, and to obtain the same electrical performance as that of the integrated type.
[0038]
(3) Since the first-stage pulse generation circuit is made into a cartridge, the handling such as maintenance and transportation becomes easy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a unit configuration of a pulse power supply showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit configuration of a cartridge according to the embodiment.
FIG. 3 is a circuit example of a pulse power supply.
FIG. 4 is a unit configuration of a conventional pulse power supply.
[Explanation of symbols]
1 ... charger unit 2 ... stage pulse generation circuit unit 3 ... magnetic pulse compression circuit unit 4 ... power controller 5 ... housing 5A ... cartridge was first-stage pulse generation circuit 5B ... magnetic pulse compression circuit _{_{_{C 0, C 1, C 2}}} , C _P ... Capacitors SI ₀ , SI ₁ , SI ₂ ... Saturable reactor SW ... Semiconductor switch PT ... Pulse transformer LH ... Laser head

Claims

First-stage pulse generation circuit provided with a charger, a capacitor that is initially charged by this charger, and a semiconductor switch that controls the pulse discharge current from this capacitor, and a transformer and a saturable reactor for the pulse current from this pulse generation circuit In a pulse power supply comprising a magnetic pulse compression circuit having a pulse compression with
A pulse power supply characterized in that the first-stage pulse generation circuit and the magnetic pulse compression circuit are accommodated in a single housing while being exposed, and the first-stage pulse generation circuit has a cartridge structure that can be attached to and detached from the housing. .

The first-stage pulse generation circuit includes a circuit configuration including the capacitor, a semiconductor switch, and a saturable reactor, a circuit configuration in which the saturable reactor is moved to the magnetic pulse compression circuit side, and one of connection ends to the magnetic pulse compression circuit. The pulse power supply according to claim 1, wherein the circuit configuration is a circuit configuration in which the saturable reactor is moved from a connection portion with the magnetic pulse compression circuit.