JP4013634B2 - Pulse power supply - Google Patents

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JP4013634B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力用半導体スイッチを用いたパルス発生回路と磁気パルス圧縮回路を組み合わせ、狭幅の大電流パルスを繰り返し発生するパルス電源装置に係り、特に高い繰り返し運転ができ負荷としてのレーザ電極の消耗を抑え、寿命を延ばすための装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
エキシマレーザ等を駆動するパルス電源装置は、まず、電力用コンデンサを充電器にて所定の電圧まで充電した後、トリガ指令によって制御スイッチを点弧させることによってコンデンサからレーザ電極等の負荷に電流パルスを供給する。制御スイッチには、従来のサイラトロンに代わってGTOやIGBTなどの電力用半導体素子を用いることが多い。その理由は、サイラトロンでは、高繰り返し運転時の寿命が短い、ミスファイヤーの発生、フィラメントのヒートアツプに時間がかかって瞬時起動ができないといった問題があるためである。
【0003】
他方、電力用半導体素子の場合、素子単体では耐電圧やパルス電流通電能力がサイラトロンに較べて約1桁劣るため、通常はパルストランスによる昇圧と磁気スイッチを用いた磁気パルス圧縮とを併用することで、素子の能力不足を補うことが多い。
【0004】
図4はその一例を示す。パルス発生回路1は、初段コンデンサC0を高圧充電器2により初期充電しておき、半導体スイッチQ1のオン制御でコンデンサC0からパルストランスT2にパルス電流を供給する。可飽和リアクトルT1は半導体スイッチQ1の責務を軽減するものである。
【0005】
パルストランスT2の二次側には3段の磁気パルス圧縮回路31〜33が縦続接続され、初段の磁気パルス圧縮回路31ではパルストランスPTで昇圧したパルス電流でコンデンサC1が高圧充電され、このコンデンサC1の充電電圧で可飽和リアクトルT3が磁気スイッチ動作することにより磁気パルス圧縮した狭幅のパルス電流を次段の磁気パルス圧縮回路32に供給する。同様に、コンデンサC2,C3の高圧充電と可飽和リアクトルT4、T5の磁気スイッチ動作により、磁気パルス圧縮回路32、33でパルス幅の磁気パルス圧縮を行う。
【0006】
磁気パルス圧縮回路33のパルス出力は、レーザヘッドのチャンバなどの負荷4に狭幅・高電圧のパルス電流を供給し、ピーキングコンデンサCPが一定電圧レベルまで充電されたときに、コンデンサCPから放電電極(レーザ電極)LHに放電を得る。
【0007】
可飽和リアクトルT1,T3,T4,T5にはそれぞれ磁気リセット巻線を設け、これら巻線には磁気リセット回路5から直流バイアス電流を供給することで、パルストランスT2の鉄心の磁気飽和防止、および可飽和リアクトルT3〜T5の飽和動作後にそれらを逆極性に飽和させておく。
【0008】
このように、パルス電源装置は、パルストランスT2による昇圧回路と磁気スイッチによるパルス圧縮回路を併用してレーザが必要とする電圧とパルス幅のエネルギーに変換して、レーザ電極に注入している。
【0009】
ここで、レーザ電極の消耗を起こす主因は、異常放電であると云われており、特にレーザが発振した後にレーザ電極に発振時と逆極性の電圧が印加されると、その値がわずか300V程度と、発振時の20〜40kVに対して桁違いに低くても影響を受けるといわれている。
【0010】
このため、レーザ電極に逆極性の電圧が現れるのを抑制する方法が、例えば特開平11−251675号公報で提案されている。この方法では、レーザ逆極性電圧(ここでは、レーザ発振時には負極性の電圧パルスのため、正極性となっている)の抑制とパルストランスT2での磁化の初期化までの時間を両立させるために、図4に示すように、ダイオードクランプ回路6として抵抗またはツェナーダイオードを組み合わせた回路を設ける。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特開平11−251675号公報にも記述されるように、パルストランスT2の初期化を短時間で済ませるためには、クランプ回路6のクランプ電圧を高くする必要があるが、この高いクランプ電圧はレーザ電極の寿命に対しては好ましくない残留電圧となる。
【0012】
現在、リソグラフィー装置の光源用としてのエキシマレーザば、生産性の向上のため繰り返し運転周波数をより高くしていくことが求められている。前記の特開平11−251675号公報の提案時期では、パルスの繰り返し周波数は1kHzであったが、現在では2kHzを経て4kHzに移行しようとしている。さらに研究開発レベルでは6〜8kHzも着手されつつある。
【0013】
こうした高繰り返し運転が必要になると、パルストランスT2の磁化の初期化に必要な時間はさらにいっそうの短縮化が求められる。結果として特開平11−251675号公報のクランプ回路方式では、パルストランスT2の高速初期化と電極寿命の延命は両立が難しくなっている。
【0014】
そこで、その対策法の一例として、図5に示すように、図4の回路におけるクランプ回路6中の抵抗あるいは定電圧ダイオードをなくしてクランプ電圧を下げる代わりに、パルストランスT2の磁化状態をリセットするために必要な電圧が保持できるように、パルストランスT2の二次側巻線の一方とコンデンサC1との接続部の間にリセット用ダイオード回路DLを介挿させる方法が考えられる。
【0015】
このダイオード回路DLには、パルス発生時にコンデンサC0→C1への負荷移行に伴って、高レベルのパルス電流が流れる。また、コンデンサC1に完全に電荷が移行(極性はアースに対して負方向)すると、20〜40kVの電圧が印加される。この電圧はコンデンサC1→C2への負荷移行が始まると徐々に下がり、C2へ完全に移行すれば0電圧になる。
【0016】
しかし、ダイオード回路DLは、短時間であるが20〜40kVの高電圧が印加されるため、多数のダイオードの直列接続が必要で、しかもクランプ回路6のダイオードと違って、個々のダイオードは前述のようにコンデンサC0→C1への負荷移行に際して数μ秒で数百乃至2〜3000Aピークの大電流が流れるため、通電容量の大きいものが必要である。さらに、図示省略するが、個々のダイオードには電圧分担をとるためにコンデンサと抵抗から成るスナバ回路が必要になるため、ダイオード回路DLは全体として極めて大きなスペースを必要とし、コスト的にも不利であり、実用性に劣る。
【0017】
本発明の目的は、高い繰り返し運転のためのパルストランスの初期化時間の短縮とレーザ電極の寿命を延ばすことができるパルス電源装置を提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題を解決するため、レーザ電極への放電後に該レーザ電極に逆極性で現れる電圧を抑制するクランプ回路のクランプ電圧を低くすることでレーザ電極の寿命を延ばし、パルストランスの二次側巻線と磁気パルス圧縮回路のコンデンサとの間にリセット用ダイオード回路を介挿させることでパルストランスの磁化状態をリセットするために必要な電圧を保持するにおいて、
リセット用ダイオード回路に並列に抵抗器を設けることで、磁気パルス圧縮回路のコンデンサが高い充電電圧になるも、リセット用ダイオード回路のダイオードに印加される電圧を1直列のリセット用ダイオードの逆耐圧以下にし、さらに、パルストランスに3次巻線を設け、この3次巻線には磁気パルス圧縮回路のコンデンサからの反射エネルギーをパルス発生回路のコンデンサに初期充電方向で回生するためのダイオードを設け、かつ反射エネルギーが戻ってくるタイミングではパルス発生回路の半導体スイッチをオフ状態にしておくことで、パルストランスを通してリセット用ダイオード回路に逆電圧が印加されるのを防止するもので、以下の構成を特徴とする。
【0019】
(1)初期充電されるコンデンサから半導体スイッチのオン制御でパルストランスを通してパルス電流を発生するパルス発生回路と、前記パルストランスの二次側に得るパルス電流でコンデンサが充電され、可飽和リアクトルの磁気スイッチ動作で該コンデンサから磁気パルス圧縮した放電電流をレーザ電極に印加する磁気パルス圧縮回路と、前記レーザ電極と並列に設けられ該レーザ電極での放電後に該レーザ電極に逆極性で現れる電圧を抑制するダイオードクランプ回路と、前記パルストランスの二次側巻線と前記磁気パルス圧縮回路のコンデンサとの間に設けられ、該パルストランスの磁化状態をリセットするために必要な電圧を保持するリセット用ダイオード回路とを備えたパルス電源装置において、
前記ダイオードクランプ回路は、前記レーザ電極での放電後に該レーザ電極に逆極性で現れる電圧で該レーザ電極が異常放電するのを抑制できる低いクランプ電圧をもつ構成とし、
前記リセット用ダイオード回路は、1直列のリセット用ダイオードに並列に抵抗器を設け、該抵抗器は前記磁気パルス圧縮回路のコンデンサから印加される電圧を該リセット用ダイオードの逆耐圧以下にする抵抗値をもつ構成とし
前記パルストランスは3次巻線を設け、この3次巻線には前記磁気パルス圧縮回路のコンデンサからの反射エネルギーを前記パルス発生回路のコンデンサに初期充電方向で回生するためのダイオードを設け、かつ該反射エネルギーが戻ってくるタイミングでは該パルス発生回路の半導体スイッチをオフ状態にしておく構成としたことを特徴とする。
【0022】
また、本発明は、前記の構成において、ダイオードクランプ回路に並列にリアクトルを設けることで、負荷オープンによる反射電圧でリセット用ダイオード回路に逆電圧が印加されるのを防止するもので、以下の構成を特徴とする。
【0023】
(2)前記ダイオードクランプ回路と並列にリアクトルを設け、該リアクトルは前記磁気パルス圧縮回路の負荷オープン時に発生する反射電圧の極性を反転させるインピーダンス値にした構成を特徴とする。
【0024】
【発明の実施の形態】
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態を示す回路図である。同図が図5と異なる部分は、リセット用ダイオード回路DLに代えて、1直列のダイオードDxと、これに並列接続した抵抗器Rxで構成したリセット用ダイオード回路7とした点にある。また、パルストランスT2には、3次巻線を設け、この3次巻線にはコンデンサC1からの反射エネルギーをコンデンサC0に初期充電方向で回生するためのダイオードDRCを設けた構成としている。
【0025】
本実施形態におけるダイオード回路7の構成で、ダイオードDxとして、一般的な耐電圧1200〜2500V級のものが1直列でよい理由を以下に説明する。
【0026】
前記のように、ダイオードDxに逆電圧が印加されるのはパルス発生時にコンデンサC0からC1への電圧移行が終了した後、可飽和リアクトルT3が飽和してコンデンサC1からC2への電圧移行が終了するまでの時間である。この時間は、パルス圧縮回路の設計にも依るが、通常1μ秒以下である。
【0027】
このタイミングでの等価回路を図2に示す。ここでは理想的にスイッチQ1のオン抵抗を0、コンデンサC0の残留電圧も0とする。ここで、可飽和リアクトルT1とパルストランスT2の励磁インダクタンスは、コアが非飽和時の値となるため、一般的にその数値が高く、実機で実測してみると、それぞれ33mH、6mHであった。ここで,上記の1μ秒を半周期とする角周波数を計算すると、3.14MHzになり、T1,T2の励磁インピーダンスとしては、それぞれ104kΩ、18kΩに相当する。したがって、ダイオードDxと並列に抵抗器Rxを仮に300Ωつなぐとすると、コンデンサC1の電圧のピーク値が40kVとしても、ダイオードに印加される逆電圧は、40kV×300/(104kΩと18kΩの並列インピーダンス)=780Vになり、ダイオードDxの耐圧としては1200V級のものを1直列で充分なことが分かる。
【0028】
次に、図5と図1では負荷で反射されたエネルギーの処理方法が違っているが、その理由を説明する。負荷からの反射エネルギーはコンデンサC3→C2→C1と移行してくるが、各コンデンサの電圧の極性は負荷にエネルギーを供給するときとは反対の極性になる。すなわち、図5や図1において、アース電位とは逆の部位が+の極性方向で順次、電圧が移行する。ここで、図5の場合、Q1はオン状態を持続しているため、反射されて戻ってきたC1電圧は、パルストランスT2の二次(高圧)巻線→一次(低圧)巻線を介して可飽和リアクトルT1→コンデンサC1→C0のループでコンデンサC0に移行する。
【0029】
すなわち、コンデンサC0電圧の極性についても初期状態と反対の極性になる。半導体スイッチQ1にIGBTを使用していると、IGBTモジュールに内蔵された逆並列ダイオードを通じ、可飽和リアクトルT1が上向き(パルストランスT2側)の方向に飽和した後は、パルストランスT2の巻線間経由で昇圧された電圧がダイオードDxに印加される。反射されて逆極性に充電されたコンデンサC0電圧は初期の正極性の充電電圧に較べて、数分の1に減衰しているが、それでも元が高圧側換算で40kVあるので、その数分の1といっても数kVの電圧であり、ダイオードDxが1200V級のものの1直列では完全に耐圧オーバーで破損する。
【0030】
この逆電圧印加を防止するために、半導体スイッチQ1と直列にブロック用のダイオードを挿入すればよいが、パルス発生時に大電流が流れるため、この素子の分だけ損失が大きくなり、電源の効率を下げ、好ましい手段とはいえない。
【0031】
そこで、本実施形態では、パルストランスT2に3次巻線を設け、かつ反射エネルギーが戻ってくるタイミングでは、半導体スイッチQ1をオフ状態にしておく。これにより、反射されて戻ってきたコンデンサC1の電圧はパルストランスT2を介してその3次巻線(下向きが正の電圧が誘起)→コンデンサC0→ダイオードDRCのループで電流が流れ、コンデンサC0に反射エネルギーが戻ってくる。このときの極性は初期状態と同一極性である。回生されたコンデンサC0の電圧は低圧側のダイオードDRCでブロックされるため、パルストランスT2の巻線に印加されることはなく、したがって、ダイオードDxに印加されることなく、Dxの耐圧としては1200V級のものの1直列で充分となる。
【0032】
(実施形態2)
図3は、本発明の実施形態を示す。図1においては、作業ミス等で万一、負荷オープンで使用されたとき、反射エネルギーは電圧極性が反転することなく、コンデンサC3→C2→C1と移行してくる。パルストランスT2の鉄心はパルス発生時の電圧で既に励磁されているので、同一の極性で反射電圧が印加されると、鉄心が飽和しやすい。もし、飽和するとパルストランスT2の励磁インピーダンスが急激に下がって、ダイオードDxには反射されたコンデンサC1の電圧の大部分が印加されて、1200V級のダイオードDxの1直列では耐圧オーバーで破損する。
【0033】
これを防止するため、本実施形態では、負荷がオープンでも反射電圧の極性が必ず反転するように、ダイオードクランプ回路6に並列にリアクトルLpを設ける。
【0034】
リアクトルLpのインピーダンス値としては、負荷4が正規に接続されているときにコンデンサC3のエネルギーがリアクトルLpに分流することなく、ピーキングコンデンサCpに移行するだけの値を最小限有し、かつ負荷オープン時にはコンデンサC3の電圧がリアクトルLpで反転する前に可飽和リアクトルT4が逆方向に飽和し、コンデンサC2にバックすることのないような値にする。
【0035】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、装置の高い繰り返し運転のためのパルストランスの初期化時間の短縮とレーザ電極の放電後の電圧低下のためのリセット用ダイオード回路は、その逆耐圧を低くした構成にでき、その小型化とコストダウンを図ることができる。具体的には、以下の効果がある。
【0036】
(1)リセット用ダイオード回路に並列に抵抗器を設けるため、磁気パルス圧縮回路のコンデンサが高い充電電圧になるも、リセット用ダイオード回路のダイオードを1直列など低い逆耐圧にできる。
【0037】
(2)パルストランスに3次巻線を設け、この3次巻線には磁気パルス圧縮回路のコンデンサからの反射エネルギーをパルス発生回路のコンデンサに初期充電方向で回生するためのダイオードを設け、かつ反射エネルギーが戻ってくるタイミングではパルス発生回路の半導体スイッチをオフ状態にしておくため、パルストランスを通してリセット用ダイオード回路に逆電圧が印加されるのを防止できる。
【0038】
(3)ダイオードクランプ回路に並列にリアクトルを設けることで、負荷オープンによる反射エネルギーでリセット用ダイオード回路に逆電圧が印加されるのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1を示すパルス電源装置の回路図。
【図2】実施形態におけるリセット用クランプ回路部分の等価回路図。
【図3】本発明の実施形態2を示すパルス電源装置の回路図。
【図4】従来のパルス電源装置の回路例(その1)。
【図5】従来のパルス電源装置の回路例(その2)。
【符号の説明】
1…パルス発生回路
2…高圧充電器
1、32、33…磁気パルス圧縮回路
4…負荷
5…磁気リセット回路
6…ダイオードクランプ回路
7…リセット用ダイオード回路
Q1…半導体スイッチ
1,T3,T4,T5…可飽和リアクトル
2…パルストランス
Rx…抵抗器
Dx,DRC…ダイオード
Lp…リアクトル
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a pulse power supply device that combines a pulse generation circuit using a power semiconductor switch and a magnetic pulse compression circuit, and repeatedly generates a large current pulse with a narrow width. The present invention relates to an apparatus for suppressing wear and extending the life.
[0002]
[Prior art]
A pulse power supply device for driving an excimer laser or the like first charges a power capacitor to a predetermined voltage with a charger, and then fires a control switch in response to a trigger command to cause a current pulse from the capacitor to a load such as a laser electrode. Supply. For the control switch, a power semiconductor element such as GTO or IGBT is often used instead of the conventional thyratron. The reason for this is that thyratron has problems such as short life in high-repetition operation, occurrence of misfire, and time-consuming heating of the filament, which cannot be started instantly.
[0003]
On the other hand, in the case of a power semiconductor element, the withstand voltage and pulse current conduction capability of the element alone is inferior to one order of magnitude compared to a thyratron, so normally, boosting with a pulse transformer and magnetic pulse compression using a magnetic switch are used in combination. In many cases, the lack of capability of the element is compensated.
[0004]
FIG. 4 shows an example. The pulse generation circuit 1 initially charges the first stage capacitor C 0 with the high-voltage charger 2 and supplies a pulse current from the capacitor C 0 to the pulse transformer T 2 by turning on the semiconductor switch Q 1 . The saturable reactor T 1 reduces the duty of the semiconductor switch Q1.
[0005]
Three-stage magnetic pulse compression circuits 3 1 to 3 3 are cascaded on the secondary side of the pulse transformer T 2. In the first stage magnetic pulse compression circuit 3 1 , the capacitor C 1 has a high voltage with the pulse current boosted by the pulse transformer PT. It is charged, and supplies the saturable reactor T 3 at the charging voltage of the capacitor C 1 is the magnetic pulse compression circuit 3 2 pulse current narrow that magnetic pulse compression the next stage by operating magnetic switches. Similarly, magnetic pulse compression with a pulse width is performed by the magnetic pulse compression circuits 3 2 and 3 3 by high voltage charging of the capacitors C 2 and C 3 and magnetic switch operation of the saturable reactors T 4 and T 5 .
[0006]
Pulse output of the magnetic pulse compression circuit 3 3, when supplying a pulse current of narrow and high voltage to a load 4 such as a chamber of the laser head, the peaking capacitor C P is charged to a predetermined voltage level, the capacitor C P To a discharge electrode (laser electrode) LH.
[0007]
Each of the saturable reactors T 1 , T 3 , T 4 , and T 5 is provided with a magnetic reset winding, and a DC bias current is supplied from the magnetic reset circuit 5 to these windings, so that the iron core of the pulse transformer T 2 is provided. After saturation of the magnetic saturation prevention and saturable reactors T 3 to T 5 , they are saturated to the opposite polarity.
[0008]
Thus, the pulse power supply converts the energy of the voltage and pulse width laser requires a combination of pulse compression circuit according to the step-up circuit and the magnetic switch by pulse transformer T 2, are injected into the laser electrodes .
[0009]
Here, it is said that the main cause of the consumption of the laser electrode is abnormal discharge. In particular, when a voltage having a polarity opposite to that at the time of oscillation is applied to the laser electrode after the laser oscillates, the value is only about 300V. It is said that even if it is an order of magnitude lower than 20-40 kV at the time of oscillation, it is affected.
[0010]
For this reason, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-251675 proposes a method for suppressing the appearance of reverse polarity voltage on the laser electrode. In this method, in order to achieve both the suppression of the laser reverse polarity voltage (here, it is positive because of the negative voltage pulse during laser oscillation) and the time until the magnetization is initialized by the pulse transformer T 2. In addition, as shown in FIG. 4, a circuit in which a resistor or a Zener diode is combined is provided as the diode clamp circuit 6.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
As also described in JP-A 11-251675 JP above, in order to have the initialization of the pulse transformer T 2 in a short time, it is necessary to increase the clamping voltage of the clamping circuit 6, the high clamping The voltage becomes a residual voltage which is not preferable for the lifetime of the laser electrode.
[0012]
Currently, excimer lasers for use as light sources in lithography apparatuses are required to have a higher repetition frequency for improving productivity. In the proposal period of the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-251675, the pulse repetition frequency was 1 kHz, but now it is going to shift to 4 kHz via 2 kHz. Furthermore, 6-8 kHz is being started at the research and development level.
[0013]
When such high repetition operation is required, the time required for the initialization of the magnetization of the pulse transformer T 2 is required to be further shortened. The clamp circuit system of JP-A-11-251675 discloses as a result, life of the pulse transformer T Fast Initialization of 2 and the electrode life balance is difficult.
[0014]
Therefore, as an example of the countermeasure, as shown in FIG. 5, the magnetization state of the pulse transformer T 2 is reset instead of reducing the clamp voltage by eliminating the resistor or the constant voltage diode in the clamp circuit 6 in the circuit of FIG. as you can hold the voltage needed to a method of interposed reset diode circuit D L between the connection portion between the one and the capacitor C 1 of the secondary winding of the pulse transformer T 2 are considered.
[0015]
A high level pulse current flows through the diode circuit D L as the load is transferred from the capacitor C 0 to C 1 when a pulse is generated. Further, when the charge is completely transferred to the capacitor C 1 (the polarity is negative with respect to the ground), a voltage of 20 to 40 kV is applied. This voltage gradually decreases when the load shift from the capacitor C 1 to C 2 starts, and becomes 0 voltage when the load shifts completely to C 2 .
[0016]
However, diode circuit D L, since it is a short high voltage 20~40kV is applied, requires a series connection of a number of diodes, yet unlike diode clamp circuit 6, the individual diodes above As described above, when a load is transferred from the capacitor C 0 to C 1 , a large current of several hundred to 3000 A peak flows in a few microseconds, so that a large current carrying capacity is required. Moreover, disadvantageous although not shown, because they require a snubber circuit consisting of a capacitor in order to take a voltage division resistor for each diode, the diode circuit D L requires a very large space as a whole, in cost It is inferior in practicality.
[0017]
An object of the present invention is to provide a pulse power supply device capable of shortening the initialization time of a pulse transformer for high repetitive operation and extending the life of a laser electrode.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention extends the life of the laser electrode by lowering the clamp voltage of the clamp circuit that suppresses the voltage appearing in the reverse polarity after the discharge to the laser electrode. In holding the voltage necessary to reset the magnetization state of the pulse transformer by inserting a reset diode circuit between the secondary winding and the capacitor of the magnetic pulse compression circuit,
By providing a resistor in parallel with the reset diode circuit, the voltage applied to the diode of the reset diode circuit is less than the reverse breakdown voltage of one series of reset diodes even though the capacitor of the magnetic pulse compression circuit has a high charging voltage. Furthermore, a tertiary winding is provided in the pulse transformer, and a diode for regenerating reflected energy from the capacitor of the magnetic pulse compression circuit in the capacitor of the pulse generation circuit in the initial charging direction is provided in the tertiary winding, At the timing when reflected energy returns, the semiconductor switch of the pulse generation circuit is turned off to prevent reverse voltage from being applied to the reset diode circuit through the pulse transformer. And
[0019]
(1) A pulse generation circuit that generates a pulse current through a pulse transformer from a capacitor that is initially charged by turning on a semiconductor switch, and the capacitor is charged with a pulse current that is obtained on the secondary side of the pulse transformer. A magnetic pulse compression circuit that applies a discharge current, which is magnetic pulse compressed from the capacitor in a switch operation, to the laser electrode, and a voltage that is provided in parallel with the laser electrode and that appears in the laser electrode after discharge at the laser electrode is suppressed. A diode clamping circuit, and a reset diode provided between a secondary winding of the pulse transformer and a capacitor of the magnetic pulse compression circuit and holding a voltage necessary for resetting the magnetization state of the pulse transformer In a pulse power supply device comprising a circuit,
The diode clamp circuit is configured to have a low clamp voltage capable of suppressing abnormal discharge of the laser electrode with a voltage appearing in the laser electrode with a reverse polarity after discharge at the laser electrode ,
The reset diode circuit is provided with a resistor in parallel with one series of reset diodes, and the resistor has a resistance value that makes a voltage applied from a capacitor of the magnetic pulse compression circuit equal to or lower than a reverse breakdown voltage of the reset diode. And a configuration with
The pulse transformer is provided with a tertiary winding, and the tertiary winding is provided with a diode for regenerating the reflected energy from the capacitor of the magnetic pulse compression circuit in the capacitor of the pulse generation circuit in the initial charging direction, and It is characterized in that the semiconductor switch of the pulse generation circuit is turned off at the timing when the reflected energy returns .
[0022]
In addition, the present invention prevents the reverse voltage from being applied to the reset diode circuit by the reflected voltage due to the load open by providing a reactor in parallel with the diode clamp circuit in the above configuration. It is characterized by.
[0023]
(2) A reactor is provided in parallel with the diode clamp circuit, and the reactor has an impedance value that reverses the polarity of the reflected voltage generated when the load of the magnetic pulse compression circuit is opened .
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention. Portions figure differs from FIG. 5, instead of the reset diode circuit D L, a certain series of diodes Dx, in that a reset diode circuit 7 constituted by a parallel connected resistor Rx thereto. The pulse transformer T 2 is provided with a tertiary winding, and the tertiary winding is provided with a diode D RC for regenerating the reflected energy from the capacitor C 1 in the capacitor C 0 in the initial charging direction. It is said.
[0025]
In the configuration of the diode circuit 7 in this embodiment, the reason why one diode having a general withstand voltage of 1200 to 2500 V may be connected in series will be described below.
[0026]
As described above, the reverse voltage is applied to the diode Dx after the voltage transition from the capacitor C 0 to C 1 is completed when the pulse is generated, and then the saturable reactor T 3 is saturated and the capacitor C 1 to C 2 is saturated. This is the time until the voltage transition ends. This time is usually 1 μsec or less although it depends on the design of the pulse compression circuit.
[0027]
An equivalent circuit at this timing is shown in FIG. Here, ideally, the on-resistance of the switch Q 1 is 0, and the residual voltage of the capacitor C 0 is also 0. Here, the exciting inductances of the saturable reactor T 1 and the pulse transformer T 2 are values when the core is non-saturated. Therefore, the numerical values are generally high. When actually measured, they are 33 mH and 6 mH, respectively. there were. Here, when the angular frequency with the half period of 1 μs is calculated, it becomes 3.14 MHz, and the excitation impedances of T1 and T2 correspond to 104 kΩ and 18 kΩ, respectively. Therefore, if the resistor Rx is connected in parallel with the diode Dx and the resistor Rx is 300 Ω, the reverse voltage applied to the diode is 40 kV × 300 / (104 kΩ and 18 kΩ in parallel impedance) even if the peak value of the voltage of the capacitor C 1 is 40 kV. ) = 780V, and it can be seen that one diode of 1200V class is sufficient for the withstand voltage of the diode Dx.
[0028]
Next, the processing method of the energy reflected by the load is different between FIG. 5 and FIG. 1, and the reason will be described. The reflected energy from the load shifts from the capacitor C 3 → C 2 → C 1 , but the polarity of the voltage of each capacitor is opposite to that when supplying energy to the load. That is, in FIGS. 5 and 1, the voltage sequentially shifts in the positive polarity direction at the portion opposite to the ground potential. Here, in the case of FIG. 5, since Q1 is kept in the on state, the reflected C 1 voltage returns the secondary (high voltage) winding → primary (low voltage) winding of the pulse transformer T 2. through and transferred to the capacitors C 0 in a loop of the saturable reactor T 1 → capacitor C 1 → C 0.
[0029]
That is, the polarity of the capacitor C 0 voltage is opposite to that of the initial state. When an IGBT is used for the semiconductor switch Q 1 , the pulse transformer T 2 is used after the saturable reactor T 1 is saturated in the upward direction (the pulse transformer T 2 side) through the antiparallel diode built in the IGBT module. The voltage boosted via the windings is applied to the diode Dx. The capacitor C 0 voltage that is reflected and charged to the opposite polarity is attenuated by a fraction of the initial positive charge voltage, but the original voltage is still 40 kV on the high-voltage side. 1 is a voltage of several kV, and in one series of diodes Dx having a voltage of 1200 V, they are completely damaged due to overvoltage resistance.
[0030]
In order to prevent this reverse voltage application, a blocking diode may be inserted in series with the semiconductor switch Q 1. However, since a large current flows when a pulse is generated, the loss increases by this element, and the efficiency of the power supply Is not a preferable means.
[0031]
Therefore, in this embodiment, the pulse transformer T 2 to provide a third winding, and at the timing when the reflected energy returns, keep the off state of the semiconductor switch Q 1. As a result, the voltage of the capacitor C 1 that has been reflected back returns to the tertiary winding (a positive voltage is induced downward) through the pulse transformer T 2 → the current flows in the loop of the capacitor C 0 → diode D RC. The reflected energy returns to the capacitor C 0 . The polarity at this time is the same as the initial state. Since the voltage of the regenerated capacitor C 0 is blocked by the low-voltage side diode D RC , it is not applied to the winding of the pulse transformer T 2 , and therefore is not applied to the diode Dx, and the withstand voltage of Dx As a result, one series of 1200V class is sufficient.
[0032]
(Embodiment 2)
FIG. 3 shows an embodiment of the present invention. In FIG. 1, in the event that the load is opened due to a work error or the like, the reflected energy shifts from capacitor C 3 to C 2 to C 1 without reversing the voltage polarity. Since the iron core of the pulse transformer T 2 is already excited with the voltage at the time of pulse generation, the iron core is likely to be saturated when the reflected voltage is applied with the same polarity. If saturation occurs, the excitation impedance of the pulse transformer T 2 drops sharply, and most of the reflected voltage of the capacitor C 1 is applied to the diode Dx. To do.
[0033]
In order to prevent this, in this embodiment, a reactor Lp is provided in parallel with the diode clamp circuit 6 so that the polarity of the reflected voltage is always reversed even when the load is open.
[0034]
The impedance value of the reactor Lp, without energy of the capacitor C 3 is shunted to reactor Lp when the load 4 is connected to the normal, has a minimum value of only migrating to the peaking capacitor Cp, and the load At the time of opening, the saturable reactor T 4 is saturated in the reverse direction before the voltage of the capacitor C 3 is inverted by the reactor Lp, and is set to a value that does not return to the capacitor C 2 .
[0035]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the reset diode circuit for shortening the initialization time of the pulse transformer for the high repetitive operation of the apparatus and for reducing the voltage after the discharge of the laser electrode has its reverse breakdown voltage lowered. It is possible to reduce the size and cost. Specifically, the following effects are obtained.
[0036]
(1) Since the resistor is provided in parallel with the reset diode circuit, the diode of the reset diode circuit can have a low reverse breakdown voltage such as one series even though the capacitor of the magnetic pulse compression circuit has a high charging voltage.
[0037]
(2) A tertiary winding is provided in the pulse transformer, and a diode for regenerating reflected energy from the capacitor of the magnetic pulse compression circuit in the capacitor of the pulse generation circuit in the initial charging direction is provided in the tertiary winding, and Since the semiconductor switch of the pulse generation circuit is turned off at the timing when the reflected energy returns, it is possible to prevent a reverse voltage from being applied to the reset diode circuit through the pulse transformer.
[0038]
(3) By providing the reactor in parallel with the diode clamp circuit, it is possible to prevent the reverse voltage from being applied to the reset diode circuit due to the reflected energy due to the open load.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of a pulse power supply device showing Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of a reset clamp circuit portion in the embodiment.
FIG. 3 is a circuit diagram of a pulse power supply device showing Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 4 is a circuit example of a conventional pulse power supply device (part 1).
FIG. 5 is a circuit example of a conventional pulse power supply device (part 2).
[Explanation of symbols]
1 ... pulse generating circuit 2 ... high voltage charger 3 1, 3 2, 3 3 ... magnetic pulse compression circuit 4 ... load 5 ... magnetic reset circuit 6 ... diode clamp circuit 7 ... reset diode circuit Q1 ... semiconductor switches T 1, T 3 , T 4 , T 5 ... saturable reactor T 2 ... pulse transformer Rx ... resistors Dx, D RC ... diode Lp ... reactor

Claims (2)

初期充電されるコンデンサから半導体スイッチのオン制御でパルストランスを通してパルス電流を発生するパルス発生回路と、前記パルストランスの二次側に得るパルス電流でコンデンサが充電され、可飽和リアクトルの磁気スイッチ動作で該コンデンサから磁気パルス圧縮した放電電流をレーザ電極に印加する磁気パルス圧縮回路と、前記レーザ電極と並列に設けられ該レーザ電極での放電後に該レーザ電極に逆極性で現れる電圧を抑制するダイオードクランプ回路と、前記パルストランスの二次側巻線と前記磁気パルス圧縮回路のコンデンサとの間に設けられ、該パルストランスの磁化状態をリセットするために必要な電圧を保持するリセット用ダイオード回路とを備えたパルス電源装置において、
前記ダイオードクランプ回路は、前記レーザ電極での放電後に該レーザ電極に逆極性で現れる電圧で該レーザ電極が異常放電するのを抑制できる低いクランプ電圧をもつ構成とし、
前記リセット用ダイオード回路は、1直列のリセット用ダイオードに並列に抵抗器を設け、該抵抗器は前記磁気パルス圧縮回路のコンデンサから印加される電圧を該リセット用ダイオードの逆耐圧以下にする抵抗値をもつ構成とし
前記パルストランスは3次巻線を設け、この3次巻線には前記磁気パルス圧縮回路のコンデンサからの反射エネルギーを前記パルス発生回路のコンデンサに初期充電方向で回生するためのダイオードを設け、かつ該反射エネルギーが戻ってくるタイミングでは該パルス発生回路の半導体スイッチをオフ状態にしておく構成としたことを特徴とするパルス電源装置。
A pulse generation circuit that generates a pulse current through a pulse transformer by turning on a semiconductor switch from a capacitor that is initially charged, and the capacitor is charged by a pulse current obtained on the secondary side of the pulse transformer, and a magnetic switch operation of a saturable reactor. A magnetic pulse compression circuit that applies a discharge current magnetically compressed from the capacitor to a laser electrode; and a diode clamp that is provided in parallel with the laser electrode and suppresses a voltage appearing in a reverse polarity after the discharge at the laser electrode. A reset diode circuit that is provided between the circuit and the secondary winding of the pulse transformer and the capacitor of the magnetic pulse compression circuit and holds a voltage necessary for resetting the magnetization state of the pulse transformer. In the provided pulse power supply device,
The diode clamp circuit is configured to have a low clamp voltage capable of suppressing abnormal discharge of the laser electrode with a voltage appearing in the laser electrode with a reverse polarity after discharge at the laser electrode ,
The reset diode circuit is provided with a resistor in parallel with one series of reset diodes, and the resistor has a resistance value that makes a voltage applied from a capacitor of the magnetic pulse compression circuit equal to or lower than a reverse breakdown voltage of the reset diode. And a configuration with
The pulse transformer is provided with a tertiary winding, and the tertiary winding is provided with a diode for regenerating the reflected energy from the capacitor of the magnetic pulse compression circuit in the capacitor of the pulse generation circuit in the initial charging direction, and A pulse power supply device characterized in that the semiconductor switch of the pulse generation circuit is turned off at the timing when the reflected energy returns .
前記ダイオードクランプ回路と並列にリアクトルを設け、該リアクトルは前記磁気パルス圧縮回路の負荷オープン時に発生する反射電圧の極性を反転させるインピーダンス値にした構成を特徴とする請求項1に記載のパルス電源装置。2. The pulse power supply device according to claim 1 , wherein a reactor is provided in parallel with the diode clamp circuit, and the reactor has an impedance value that reverses a polarity of a reflected voltage generated when a load of the magnetic pulse compression circuit is opened. .
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