JP4223176B2 - パルス電力発生用スイッチ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術】
本発明は、高電圧大電流のパルス電力を発生させるための半導体スイッチ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、プラズマを発生させるために急峻に立ち上がりかつ十数ＫＶから数百ＫＶの高電圧で、数千Ａの大電流のきわめて幅の狭いパルスを生成して放電させる必要がある。図１は、このような放電回路の概念図を示すものである。エネルギー蓄積素子である静電容量を構成するキャパシタＣを、図示しない電流抑制素子により通常ミリ秒オーダーの時間をかけて直流電源Ｐの高電圧Ｅ０まで充電した後、超高速のスイッチング動作を行うスイッチング素子ＳＷをスイッチオンし、きわめてインダクタンスの低い導体（そのインダクタンスをＬで示す）を介して放電部Ｈに高電圧を印加して放電させるように構成されている。
【０００３】
従来、超高速のスイッチング素子ＳＷとしては、高電圧・大電流で動作することができる真空管の一種であるサイラトロンが一般に使用されてきたが、次に述べるような問題がある。
（１）高い繰り返し周波数での動作ができない。
（２）ミス点弧による動作不良がある。
（３）寿命が短く、メンテナンスが面倒であり、コストが嵩む。
（４）ヒータ回路やガスコントロールが必要であり、構成が複雑である。
（５）特にスイッチングオン時にジッタがあり、動作の信頼性に欠ける。
【０００４】
一方、近年半導体スイッチはパワーエレクトロニクスとともに発展してきており、高電圧・大電流で高速スイッチングが可能なものが出現しつつある。中でも静電誘導サイリスタ（通常ＳＩサイリスタと称されている）がパルスパワー用の半導体スイッチとして注目されている。しかしながら、このようなＳＩサイリスタを従来のスイッチであるサイラトロンに直接置き換えるには耐電圧が大きく不足しているので、図２に示すように、多数のＳＩサイリスタＳ−１〜Ｓ−ｎを直列に接続して回路電圧を分担するようにしている。
【０００５】
上述したように従来のパルス電力発生用スイッチ回路においては、直流電源Ｐを高電圧とする必要があり、大規模なものとなり、またコンデンサＣも高耐圧のものとする必要があるので、大型で高価なものが必要になると共に多数のＳＩサイリスタＳ−１〜Ｓ−ｎを直列に接続した半導体スイッチにおいては、以下のような問題がある。
【０００６】
半導体スイッチの特性、特に電圧印加オフ時の漏れ電流のばらつきによる分担電圧のアンバランスがあり、多数の半導体スイッチの特性をできるだけ合わせるための素子選別が必要となる。しかしながら、この素子選別にも限界があるので、アンバランス調整のために図２に示すように各サイリスタＳ−１〜Ｓ−ｎと並列にバランサ抵抗Ｒ−１〜Ｒ−ｎを接続している。このバランサ抵抗Ｒ−１〜Ｒ−ｎには、サイリスタＳ−１〜Ｓ−ｎを流れる漏れ電流の１０倍程度の大きな電流を流す必要があり、抵抗によって大きな損失が発生し、効率が低下する問題がある。また、バランサ抵抗Ｒ−１〜Ｒ−ｎで発生する熱の処理問題もある。さらに各サイリスタの対地浮遊容量のバラツキによるターンオン時過渡電圧分担のアンバランスも大きな問題点として挙げられる。
【０００７】
多数のサイリスタＳ−１〜Ｓ−ｎのトリガタイミングにばらつきがあると、ターンオンが遅れたサイリスタに過大の電圧が印加され、これを破壊してしまうので、多数のサイリスタＳ−１〜Ｓ−ｎのトリガタイミングを正確に一致させる必要がある。しかしながら、多数のサイリスタＳ−１〜Ｓ−ｎのトリガタイミングを正確に一致させることは非常に困難である。同様に、誤動作によって一つのサイリスタがターンオンしてしまう場合、他のサイリスタに過電圧が印加され、これを破壊してしまうという問題がある。
【０００８】
図２に示すように、サイリスタＳ−１〜Ｓ−ｎを駆動するゲート駆動回路Ｄ−１〜Ｄ−ｎが各サイリスタ毎に設けられているが、多数のサイリスタで高電圧を分担しているので、これらのゲート駆動回路Ｄ−１〜Ｄ−ｎの電位は大きく異なるため、各ゲート駆動回路の電源およびゲート駆動信号は互いに絶縁する必要がある。この場合の絶縁耐圧は数十ＫＶにも達し、回路構成が非常に複雑となると共に動作の信頼性の点でも大きな問題となる。
【０００９】
直列に接続されたサイリスタＳ−１〜Ｓ−ｎにも数十ＫＶの高電圧が印加されるるため、シャーシなどの機構部分との間を油入り絶縁としたり、多大の工夫が必要とされるのに加えて、完全な絶縁を行うことは難しく、やはり動作の信頼性に問題がある。
【００１０】
本発明者等は、上述した従来の多数の半導体スイッチを直列に配置したスイッチング回路の種々の欠点を解消若しくは軽減し、半導体スイッチのばらつきがあったり、トリガタイミングにばらつきがあっても半導体スイッチに過大な電圧が印加されず、したがって破壊することがなく、しかも駆動回路間に高度の絶縁を施す必要がないパルス電力発生用スイッチ回路を既に提案している。
【００１１】
このパルス電力用スイッチ回路は、共通の直流電源と並列に複数のコンデンサを接続し、これらコンデンサの各々と並列に、複数の磁気コアの各々と磁気的に結合された１次側導体を経てそれぞれ半導体スイッチを接続し、前記複数の磁気コアの各々に磁気的に結合された複数の２次側導体を、各磁気コアにおいて発生される誘導電圧が加算されるように直列に接続したものである。
【００１２】
このようなパルス電力発生用スイッチ回路においては、各半導体スイッチには高電圧を分担する電圧が印加されることがないので、半導体スイッチの特性にばらつきがあっても半導体スイッチが破壊してしまうような問題は起こらない。また、すべての半導体スイッチには同じ電圧が印加されるため、駆動回路間に高電圧が印加されることがなく、したがって駆動回路の電源および信号間を互いに絶縁する必要はなく、同一の直流電源および駆動信号ですべての駆動回路を動作させることができる。さらに、直流電源やコンデンサも従来に比べて高電圧のものを必要としないので、特別の構成のものを使用する必要はなく、通常容易に入手できる直流電源やコンデンサを使用でき、コストも低減できる。
【００１３】
【発明が解決すべき課題】
このようなパルス電力発生用スイッチ回路においては、１次側導体および２次側導体を磁気コアの中心開口にどのように通すのかが実際のスイッチ装置を製作する上では重要となる。特に２次側導体による漂遊インダクタンスをできるだけ小さくして、高周波での動作に適するようにするには２次側導体をどのように配置するのかが問題となる。さらにパルス電力発生用スイッチ装置全体としてコンパクトに構成すると共に製造プロセスも簡単となるようにする必要がある。
【００１４】
したがって、本発明の目的は、上述したような回路構成を有するパルス電力発生用スイッチ装置において、複数の磁気コア、半導体スイッチおよびコンデンサを効率よく配置すると共に、１次側導体および２次側導体を適切に配置することによって、高周波動作に適しており、コンパクトに構成することができ、しかも製造プロセスも簡単となるようなパルス電力発生用スイッチ装置を提供しようとするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置は、複数の磁気コアを同心的に配置した磁気コア列の少なくとも１列と、複数の平形半導体スイッチを同心的に配置した平形半導体スイッチ列の少なくとも１列とを互いに平行に設け、前記平形半導体スイッチ列の両端にそれぞれ押え板を配置し、これら押え板の間で平形半導体スイッチ列を適切な圧接力を与えるための弾性部材を介して保持し、前記磁気コア列の複数の磁気コアの各々の中心開口を貫通する導電材料の円筒で構成される１次側導体の一端を、配列方向と直交する方向に延在する第１の電極部材を介してそれぞれの平形半導体スイッチの一方の主電極に接続し、前記それぞれの磁気コアの中心開口を貫通する１次側導体の他端を、配列方向と直交する方向に前記第１の電極部材と平行に延在する第２の電極部材を介してそれぞれコンデンサの一方の端子に接続し、それぞれのコンデンサの他端をそれぞれの平形半導体スイッチの他方の主電極に接続し、前記第２の電極部材を直流電源の一方の端子に共通に接続すると共にそれぞれのコンデンサと平形半導体スイッチの他方の主電極との接続点を直流電源の他方の端子に共通に接続するように構成し、前記磁気コア列の複数の磁気コアの中心開口を直線的に貫通する１本の導体で構成された２次側導体を設け、前記複数の平形半導体スイッチの各々をそれぞれ駆動する複数の駆動回路を設けたことを特徴とするものである。
【００１６】
本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置の好適な実施例においては、それぞれ同数の磁気コアを有する第１および第２の２列の磁気コア列と、全ての磁気コアの個数に等しい平形半導体スイッチを有する１列の平形半導体スイッチ列とを互いに平行に並べて配置し、この平形半導体スイッチ列においては、順次の平形半導体スイッチが逆向きとなるように配列すると共に順次の平形半導体スイッチを前記第１および第２の磁気コア列の磁気コアの１次側導体に交互に接続し、前記２次側導体を、前記第１の磁気コア列の中心開口を第１の方向から直線状に貫通し、ほぼＵ字状に曲げられた後、前記第２の磁気コア列の中心開口を第１の方向とは反対の第２の方向から貫通する１本の導体で構成する。このような実施例においては、前記第１の磁気コア列の各磁気コアの中心開口を貫通する１次側導体の一端を対応する平形半導体スイッチの一方の主電極に接続する第１の電極部材を、前記第２の磁気コア列の対応する磁気コアの中心開口を貫通する１次側導体の一端を対応する半導体スイッチの一方の主電極に接続する第１の電極部材とを一体に構成するのが好適である。このように、第１および第２の磁気コア列を設けた実施例においては、これら第１および第２の磁気コア列を、その配列方向に見て、磁気コアが部分的に重なるように配置することによって一層コンパクトとすることができる。
【００１７】
本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置の他の実施例においては、前記磁気コア列の１列と、前記平形半導体スイッチ列の１列とを互いに平行に並べて配置し、この平形半導体スイッチ列においては、順次の平形半導体スイッチを同じ方向に配列するとともに順次の平形半導体スイッチの間を絶縁分離し、前記２次側導体を前記磁気コア列の中心開口を貫通する直線状の１本の導体で構成する。
【００１８】
本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置のさらに他の実施例においては、第１および第２の磁気コア列と、第１および第２の平形半導体スイッチ列とを互いに平行に並べて配置し、第１の平形半導体スイッチ列においては、順次の平形半導体スイッチを同じ方向に配列するとともに順次の平形半導体スイッチの間を絶縁分離し、第２の平形半導体スイッチ列においては、順次の平形半導体スイッチを、前記第１の平形半導体スイッチ列における平形半導体スイッチの配列方向とは反対の方向に配列するともに順次の平形半導体スイッチの間を絶縁分離し、前記２次側導体を前記第１の磁気コア列の中心開口を第１の方向から直線状に貫通し、ほぼＵ字状に曲げられて前記第２の磁気コア列の中心開口を第１の方向とは反対の第２の方向から直線状に貫通する１本の導体で構成する。
【００１９】
さらに、本発明においては、前記平形半導体スイッチを静電誘導サイリスタとし、前記駆動回路をゲート駆動回路とするのが特に好適である。この場合、各ゲート駆動回路の電位は同じとなるので、これらを相互に絶縁する必要がなくなり、これらゲート駆動回路の配置に対して余裕が生じることになり、これによってもコンパクト化が図れると共に製造プロセスの簡易化が図れることになる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図３は本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置の基本的な回路構成を示す回路図である。直流電源１１に複数のコンデンサ１２−１〜１２−ｎを並列に接続し、これらコンデンサの各々と並列に半導体スイッチ１３−１〜１３−ｎと１次側導体１４−１〜１４−ｎの直列回路を接続する。各１次側導体１４−１〜１４−ｎは複数の磁気コア１５−１〜１５−ｎの各々に磁気的に結合されている。さらにこれら複数の磁気コア１５−１〜１５−ｎの各々と磁気的に結合された複数の２次側導体１６−１〜１６−ｎを互いに直列に接続して設ける。これらの２次側導体１６−１〜１６−ｎの直列回路の両端を放電部１７に接続する。また、複数の半導体スイッチ１３−１〜１３−ｎは駆動回路１８−１〜１８−ｎによってオンオフが制御される。
【００２１】
このような本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置の動作を次に説明する。先ず、全ての半導体スイッチ１２−１〜１２−ｎをオフ状態として直流電源１１から複数のコンデンサ１２−１〜１２−ｎを図示しない電流抑制機能により比較的ゆっくりと同時に充電する。今、直流電源１１の電圧をＥとすると、各コンデンサ１２−１〜１２−ｎの端子電圧もＥまで充電される。後述するように、この直流電源１１の電圧Ｅは、所望の出力電圧をＥ０とすると、そのｎ分の１となっている。
【００２２】
次に、駆動回路１８−１〜１８−ｎを同時に駆動して半導体スイッチ１３−１〜１３−ｎを同時にターンオンし、コンデンサ１２−１〜１２−ｎの各々の電荷を１次側導体１４−１〜１４−ｎの各々を経て放電させる。このようにして１次側導体１４−１〜１４−ｎを流れる放電電流によって２次側導体１６−１〜１６−ｎの各々に２次電圧が誘起される。今、１次側導体１４−１〜１４−ｎおよび２次側導体１６−１〜１６−ｎによる漂遊インダクタンスを小さくするために、これらの導体は磁気コアに１回巻回されているものとする。この場合には、１次側導体１４−１〜１４−ｎと２次側導体１６−１〜１６−ｎとの間の巻線比は１となり、これらの２次側導体１６−１〜１６−ｎの各々には直流電源１１の電圧と等しい電圧Ｅが誘起される。また、これらの２次側導体１６−１〜１６−ｎは、それぞれに誘起される電圧が加算されるように直列に接続されているので、これらの２次側導体１６−１〜１６−ｎの直列回路の両端にはｎ×Ｅ＝Ｅ０の所望の高電圧が現れることになる。
【００２３】
このような本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置においては、半導体スイッチ１３−１〜１３−ｎの特性にばらつきがあり、同時にターンオンとならなくても半導体スイッチに過度の高電圧が印加されることはなく、したがって破壊するようなことはない。また、全ての半導体スイッチ１３−１〜１３−ｎには同じ電圧が印加されるので、駆動回路１８−１〜１８−ｎには高電圧が印加されることはなく、したがってこれらの駆動回路の電源および駆動信号を互いに絶縁する必要はない。さらに、直流電源１１は高電圧を発生する必要はなく、コンデンサ１２−１〜１２−ｎも高電圧のものを使用する必要はない。このように回路構成自体は図１に示した従来のパルス電力発生用スイッチ回路よりも若干複雑となるが、個々の素子は高耐圧のものとする必要はなく、しかも特別な絶縁を施す必要もないので、全体としての構成はきわめて簡単となり、コストも低減することになる。
【００２４】
図４は、ｎ＝１０の場合の本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置の一実施例の回路構成を示す回路図である。直流電源２１と直列に限流抵抗２２を接続し、これら直流電源および限流抵抗の直列回路と並列に10個のコンデンサ２３−１〜２３−１０を接続する。これらコンデンサ２３−１〜２３−１０の一方の端子を１次側導体２４−１〜２４−１０の各々を経て平形（プレスパック形）半導体スイッチ、本例では平形静電誘導サイリスタ２５−１〜２５−１０のアノードに接続し、これらサイリスタのカソードをコンデンサ２３−１〜２３−１０の他方の端子に接続する。１次側導体２４−１〜２４−１０の各々は磁気コア２６−１〜２６−１０に１ターン巻回されている。さらに、複数の磁気コア２６−１〜２６−１０には２次側導体として作用する１本の導体２７を直列に通し、この導体の両端を放電部２８に接続する。また、複数のサイリスタ２５−１〜２５−１０の各々のカソードとゲートとの間にはそれぞれゲート駆動回路２９−１〜２９−１０を接続する。
【００２５】
本例のパルス電力発生用スイッチ回路の動作は上述した図３に示した基本回路の動作と同様であるのでその詳細な説明は省略する。本例では、使用する半導体スイッチの耐電圧を数ｋVとすると直流電源２１も数ｋVとなるため放電部２８に数十kＶの高電圧を出力することが可能となる。直流電源２１は数ｋＶのものとすれば良く、この程度の電源であれば使用する部品も特殊なものは必要なく、また油入りのような高度の絶縁も必要ないので、簡単で安価なものとすることができる。さらに、コンデンサ２３−１〜２３−１０やサイリスタ２５−１〜２５−１０も数ｋＶ程度の耐圧のもので足り、小型で安価なものとすることができる。しかも、全てのサイリスタ２５−１〜２５−１０のカソードは同電位となっているので、ゲート駆動回路２９−１〜２９−１０間に高電圧が印加されることはなく、これらを相互に絶縁する必要はない。
【００２６】
図５〜９は、本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置の第１の実施例を示すもので、図５は、その全体の構成を示す正面図、図６は同じくその一部を断面で示す側面図、図７は同じくその１ユニットの平面図、図８は磁気コア列および半導体スイッチ列の配置を示す斜視図、図９は２列の磁気コア列の一部分を示す側面図である。本例では１０個の磁気コア２６−１〜２６−１０を、それぞれが５つの磁気コアを同心的に配列した第１および第２の磁気コア列５１および５２に分け、これら第１および第２の磁気コア列を互いに並列に配置する。
【００２７】
また、10個の平形サイリスタ２５−１〜２５−１０を同心的に配列した平形サイリスタ列５３を、第１および第２の磁気コア列５１および５２と平行に配置する。この平形サイリスタ列５３においては、順次の平形サイリスタのアノード同士およびカソード同士が接続されるようにその向きを交互に変えて配列すると共に順次の平形半導体スイッチを、第１および第２の磁気コア列５１および５２の磁気コアの１次側導体に交互に接続する。また、順次の平形サイリスタの間には、所望の配線を行うための導電板が積層されている。すなわち、第１の平形サイリスタ２５−１のアノードと、第１０の平形サイリスタ２５−１０のアノードとが第１の電極部材５５−１を介して積層され、この第１０の平形サイリスタ２５−１０のカソードと第２の平形サイリスタ２５−２のカソードとが第２の電極部材５７−２を介して積層され、この第２の平形サイリスタ２５−２のアノードと、第９の平形サイリスタ２５−９のアノードとが第１の電極部材５５−２を介して積層され、以下同様に、順次の平形サイリスタのアノード同士が第１の電極部材を介して積層され、カソード同士が第２の電極部材を介して積層されている。なお、第１の平形サイリスタ２５−１のカソードは第２の電極部材５７−１に接続され、一番下側の第６の平形サイリスタ２５−６のカソードは第２の電極部材５７−６に接続されている。
【００２８】
本例においては、コンデンサ２３−１〜２３−１０を設けるが、これらのコンデンサは１本または複数本の列に配列し、このコンデンサ列を第１および第２の磁気コア列５１および５２およびサイリスタ列５３と平行に配置するが、図５〜９では省略する。本発明においては、これらのコンデンサは必ずしも列状に配列する必要はなく、サイリスタ列５３の周囲に分散するように配置してスペースファクタを改善することもできる。
【００２９】
図９は、主として磁気コア２６−２、２６−３、２６−８、２６−９の部分を示すものであるが、これらの磁気コアの中心開口を貫通して延在する１次側導体２４−２、２４−３、２４−８、２４−９は、それぞれ導電性の円筒で形成されている。ここで、図８にも示すように、磁気コア２６−２の中心開口に設けられた１次側導体２４−２の一端（図面では下端）と、隣接する磁気コア２６−９の中心開口に設けられた１次側導体２４−９の他端（図面では上端）とは、第２の平形サイリスタ２５−２のアノードと第９の平形サイリスタ２５−９のアノードとの間に介挿された第１の電極部材５５−２に共通に連結されており、同様に磁気コア２６−３の中心開口に設けられた１次側導体２４−３の一端（図面では下端）と、隣接する磁気コア２６−８の中心開口に設けられた１次側導体２４−８の他端（図面では上端）とは、第３の平形サイリスタ２５−３のアノードと第８の平形サイリスタ２５−８のアノードとの間に介挿された第１の電極部材５５−３に共通に連結されている。また、磁気コア２６−２の中心開口に設けられた１次側導体２４−２の他端（図面では上端）は導電部材５６−２に連結されており、隣接する磁気コア２６−９の中心開口に設けられた１次側導体２４−９の一端（図面では下端）は導電部材５６−９に連結されている。
【００３０】
図４および８に示すように、第１の電極部材５５−１〜５５−５は、それぞれ平形サイリスタ２５−１、２５−１０；２５−２、２５−９；…２５−５、２５−６のアノード間に介挿されている。また、導電部材５６−１〜５６−１０は、それぞれコンデンサ２３−１〜２３−１０の一方の端子に接続されており、これらのコンデンサの他方の端子は、それぞれ平形サイリスタ２５−１〜２５−１０のカソードに接続されている。さらに、図６に示すように、平形サイリスタ２５−１〜２５−１０のゲートは、それぞれゲート駆動回路２９−１〜２９−１０に接続されている。また、導電部材５６−１は第２の電極部材５７−１と同じレベルに配置され、導電部材５６−２と５６−１０は第２の電極部材５７−２と同じレベルに配置され、以下同様に、導電部材と第２の電極部材とが同じレベルに配置されている。
【００３１】
図６に示すように、第１および第２の磁気コア列５１および５２は、第１の電極部材５５−１〜５５−５と導電部材５６−１〜５６−１０によって支持されており、図８に示すように、第１の磁気コア列５１の互いに整列された中心開口を貫通するように２次側導体２７が直線的に挿通され、さらにこの２次側導体は、最下層の磁気コア２６−５の中心開口を出た後、ほぼＵ字状に折り返され、第２の磁気コア列５２の互いに整列された中心開口を直線的に貫通するように配置されている。したがって、本例では、２次側導体の両端は装置の同じ側から取り出されることになる。
【００３２】
また、平形サイリスタ列５３を、上部円板６１および下部円板６２の間に挟み、これらの円板を２本のシャフト６３−１および６３−２で連結する。本例では、平形サイリスタ列５３に所定の圧接力が均一に加わるようにするために、平形サイリスタ列の下端と下部円板６２との間には皿ばね６４を介挿し、平形サイリスタ列の上端に設けた保持部材６５と上部円板６１との間にはボール６６を介挿する。
【００３３】
図１０〜１２は、本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置の第２の実施例の構成を示すものであり、上述した第１の実施例と同様の部分には同じ符号を付けて示した。本例では、5個の磁気コア２６−１〜２６−５を同心的に配列して１本の磁気コア列５１を構成し、５個の平形サイリスタ２５−１〜２５−５を同心的に配列して１本の平形サイリスタ列５３を構成する。また、平形サイリスタ列５３の周りに４本のコンデンサ列５４−１〜５４−４を配置する。これら磁気コア列５１、平形サイリスタ列５３およびコンデンサ列５４−１〜５４−４を互いに平行に配列する。
【００３４】
磁気コア列５１の互いに整列された中心開口には、１本の２次側導体２７が直線的に挿通されている。また、各磁気コア２６−１〜２６−５の中心開口には絶縁リングを介して導電性の円筒より成る１次側導体２４−１〜２４−５が挿通されている。これら１次側導体２４−１〜２４−５のそれぞれの上端を第１の電極部材５５−１〜５５−５を介してそれぞれのサイリスタ２５−１〜２５−５のアノードに接続し、他端を導電部材５６−１〜５６−５を介してそれぞれのコンデンサ２３−１〜２３−５（それぞれのコンデンサは4個のコンデンサの並列接続で構成されている）の一方の端子に接続し、これらコンデンサの他方の端子は第２の電極部材５７−１〜５７−５を介して平形サイリスタのカソードに接続する。図１０に明瞭に示すように、順次の平形サイリスタ２５−１〜２５−５を同じ向きに配列し、これらの間を絶縁スペーサ５８−１〜５８−４によって絶縁分離している。
【００３５】
平形サイリスタ列５３は上部円板６１および下部円板６２の間に挟持されており、これらの円板は２本のシャフト６３−１および６３−２で連結されている。ただし、本例では平形サイリスタ列５３の上端と上部円板６１との間には絶縁ワッシャ６７およびスイベルワッシャ６８が介挿され、平形サイリスタ列５３の下端と下部円板６２との間には絶縁ワッシャ６９および弾性部材７０が介挿されている。
【００３６】
上述したように、本例では２次側導体２７は１本の磁気コア列５１を貫通するように配置されているので、その両端は装置の両側から取り出されるものとなる。また、第１の実施例ではこの２次側導体２７をＵ字状に折り返したが、本例では１つの磁気コア列１５１を直線状に貫通するだけであるので、２次側導体の加工が簡単となる。
【００３７】
本発明は上述した実施例にのみ限定されるものではなく、幾多の変更や変形が可能である。例えば、上述した実施例では、半導体スイッチとして高電圧、大電流を高速でスイッチングするのに適した静電誘導サイリスタを用いたが、他の形式のサイリスタやトランジスタなどの半導体スイッチを用いることもできる。また、上述した実施例ではコンデンサ、半導体スイッチおよび磁気コアを具えるユニットを10個または5個設けたが、その個数は直流電源の電圧や必要な出力高電圧などを考慮して任意に設定することができる。ただし、第１の実施例のように複数の磁気コア列を設ける場合には、磁気コアの個数は偶数個とするのが好適である。さらに、図１０〜１１に示した実施例の磁気コア列および平形サイリスタ列を２組用い、これら平形サイリスタ列の平形サイリスタの向きが反対となるように並列に配置し、Ｕ字状の２次側導体を２つの磁気コア列に順次に通すこともできる。
【００３８】
上述したように本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置においては、１次側の回路には高電圧が印加されないので、１次側回路と構成部分との間の絶縁が容易となり、油入りなどの特殊な絶縁手段を講ずる必要はない。また、２次側の回路には高電圧が印加されるが、本例のように複数の２次側導体を容易に入手可能な高電圧に耐える１本の絶縁導体２７を以て構成するので何ら問題は起こらない。さらに、このように２次側導体を１本の導体２７で構成するので、漂遊インダクタンスを最小とすることができ、高周波数特性を改善することができる。さらに、磁気コア列、半導体スイッチ列およびコンデンサ列を互いに平行に配置するので、装置全体の構成は簡易となり、スペースファクタも良好となり、さらに製造も簡単となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】サイラトロンを用いた従来パルス電力発生用スイッチ回路の構成を示す回路図である。
【図２】複数のサイリスタの直列配置を用いた従来のパルス電力発生用スイッチ回路の構成を示す回路図である。
【図３】本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置の基本的な回路構成を示す回路図である。
【図４】本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置の一実施例の回路構成を示す回路図である。
【図５】同じくその正面図である。
【図６】同じくその側面図である。
【図７】同じくその平面図である。
【図８】同じくその全体の構成を線図的に示す斜視図である。
【図９】同じくその磁気コア列の一部分の構造を一部を断面として示す側面図である。
【図１０】本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置の他の実施例の構成を示す側面図である。
【図１１】同じくその平面図である。
【図１２】同じくその１つのユニットの構成を示す側面図である。
【符号の説明】
１１ 直流電源、 １２−１〜１２−ｎ コンデンサ、 １３−１〜１３−ｎ 半導体スイッチ、１４−１〜１４−ｎ １次側導体、 １５−１〜１５−ｎ 磁気コア、 １６−１〜１６−ｎ ２次側導体、 １７ 放電部、 １８−１〜１８−ｎ 駆動回路、 ２１ 直流電源、 ２２ 限流抵抗、 ２３−１〜２３−１０ コンデンサ、 ２４−１〜２４−１０ １次側導体、 ２５−１〜２５−１０ サイリスタ、 ２６−１〜２６−１０ 磁気コア、 ２７ ２次側導体、２８ 放電部、 ２９−１〜２９−１０ ゲート駆動回路、 ５１、５２ 磁気コア列、 ５３ サイリスタ列、 ５４−１〜５４−４ コンデンサ列、 ５５−１〜５５−５ 第１の電極部材、 ５６−１〜５６−１０ 導電部材、 ５７−１〜５７−１０ 第２の電極部材、 ５８−１〜５８−４ 絶縁スペーサ、６１ 上部円板、 ６２ 下部円板、 ６３−１〜６３−３ シャフト、 ６４ 皿ばね、 ６５ スペーサ ６６ ボール、 ６７ 絶縁ワッシャ、 ６８スイベルワッシャ、 ６９ 絶縁ワッシャ、 ７０ 弾性部材
【発明の属する技術】
本発明は、高電圧大電流のパルス電力を発生させるための半導体スイッチ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、プラズマを発生させるために急峻に立ち上がりかつ十数ＫＶから数百ＫＶの高電圧で、数千Ａの大電流のきわめて幅の狭いパルスを生成して放電させる必要がある。図１は、このような放電回路の概念図を示すものである。エネルギー蓄積素子である静電容量を構成するキャパシタＣを、図示しない電流抑制素子により通常ミリ秒オーダーの時間をかけて直流電源Ｐの高電圧Ｅ０まで充電した後、超高速のスイッチング動作を行うスイッチング素子ＳＷをスイッチオンし、きわめてインダクタンスの低い導体（そのインダクタンスをＬで示す）を介して放電部Ｈに高電圧を印加して放電させるように構成されている。
【０００３】
従来、超高速のスイッチング素子ＳＷとしては、高電圧・大電流で動作することができる真空管の一種であるサイラトロンが一般に使用されてきたが、次に述べるような問題がある。
（１）高い繰り返し周波数での動作ができない。
（２）ミス点弧による動作不良がある。
（３）寿命が短く、メンテナンスが面倒であり、コストが嵩む。
（４）ヒータ回路やガスコントロールが必要であり、構成が複雑である。
（５）特にスイッチングオン時にジッタがあり、動作の信頼性に欠ける。
【０００４】
一方、近年半導体スイッチはパワーエレクトロニクスとともに発展してきており、高電圧・大電流で高速スイッチングが可能なものが出現しつつある。中でも静電誘導サイリスタ（通常ＳＩサイリスタと称されている）がパルスパワー用の半導体スイッチとして注目されている。しかしながら、このようなＳＩサイリスタを従来のスイッチであるサイラトロンに直接置き換えるには耐電圧が大きく不足しているので、図２に示すように、多数のＳＩサイリスタＳ−１〜Ｓ−ｎを直列に接続して回路電圧を分担するようにしている。
【０００５】
上述したように従来のパルス電力発生用スイッチ回路においては、直流電源Ｐを高電圧とする必要があり、大規模なものとなり、またコンデンサＣも高耐圧のものとする必要があるので、大型で高価なものが必要になると共に多数のＳＩサイリスタＳ−１〜Ｓ−ｎを直列に接続した半導体スイッチにおいては、以下のような問題がある。
【０００６】
半導体スイッチの特性、特に電圧印加オフ時の漏れ電流のばらつきによる分担電圧のアンバランスがあり、多数の半導体スイッチの特性をできるだけ合わせるための素子選別が必要となる。しかしながら、この素子選別にも限界があるので、アンバランス調整のために図２に示すように各サイリスタＳ−１〜Ｓ−ｎと並列にバランサ抵抗Ｒ−１〜Ｒ−ｎを接続している。このバランサ抵抗Ｒ−１〜Ｒ−ｎには、サイリスタＳ−１〜Ｓ−ｎを流れる漏れ電流の１０倍程度の大きな電流を流す必要があり、抵抗によって大きな損失が発生し、効率が低下する問題がある。また、バランサ抵抗Ｒ−１〜Ｒ−ｎで発生する熱の処理問題もある。さらに各サイリスタの対地浮遊容量のバラツキによるターンオン時過渡電圧分担のアンバランスも大きな問題点として挙げられる。
【０００７】
多数のサイリスタＳ−１〜Ｓ−ｎのトリガタイミングにばらつきがあると、ターンオンが遅れたサイリスタに過大の電圧が印加され、これを破壊してしまうので、多数のサイリスタＳ−１〜Ｓ−ｎのトリガタイミングを正確に一致させる必要がある。しかしながら、多数のサイリスタＳ−１〜Ｓ−ｎのトリガタイミングを正確に一致させることは非常に困難である。同様に、誤動作によって一つのサイリスタがターンオンしてしまう場合、他のサイリスタに過電圧が印加され、これを破壊してしまうという問題がある。
【０００８】
図２に示すように、サイリスタＳ−１〜Ｓ−ｎを駆動するゲート駆動回路Ｄ−１〜Ｄ−ｎが各サイリスタ毎に設けられているが、多数のサイリスタで高電圧を分担しているので、これらのゲート駆動回路Ｄ−１〜Ｄ−ｎの電位は大きく異なるため、各ゲート駆動回路の電源およびゲート駆動信号は互いに絶縁する必要がある。この場合の絶縁耐圧は数十ＫＶにも達し、回路構成が非常に複雑となると共に動作の信頼性の点でも大きな問題となる。
【０００９】
直列に接続されたサイリスタＳ−１〜Ｓ−ｎにも数十ＫＶの高電圧が印加されるるため、シャーシなどの機構部分との間を油入り絶縁としたり、多大の工夫が必要とされるのに加えて、完全な絶縁を行うことは難しく、やはり動作の信頼性に問題がある。
【００１０】
本発明者等は、上述した従来の多数の半導体スイッチを直列に配置したスイッチング回路の種々の欠点を解消若しくは軽減し、半導体スイッチのばらつきがあったり、トリガタイミングにばらつきがあっても半導体スイッチに過大な電圧が印加されず、したがって破壊することがなく、しかも駆動回路間に高度の絶縁を施す必要がないパルス電力発生用スイッチ回路を既に提案している。
【００１１】
このパルス電力用スイッチ回路は、共通の直流電源と並列に複数のコンデンサを接続し、これらコンデンサの各々と並列に、複数の磁気コアの各々と磁気的に結合された１次側導体を経てそれぞれ半導体スイッチを接続し、前記複数の磁気コアの各々に磁気的に結合された複数の２次側導体を、各磁気コアにおいて発生される誘導電圧が加算されるように直列に接続したものである。
【００１２】
このようなパルス電力発生用スイッチ回路においては、各半導体スイッチには高電圧を分担する電圧が印加されることがないので、半導体スイッチの特性にばらつきがあっても半導体スイッチが破壊してしまうような問題は起こらない。また、すべての半導体スイッチには同じ電圧が印加されるため、駆動回路間に高電圧が印加されることがなく、したがって駆動回路の電源および信号間を互いに絶縁する必要はなく、同一の直流電源および駆動信号ですべての駆動回路を動作させることができる。さらに、直流電源やコンデンサも従来に比べて高電圧のものを必要としないので、特別の構成のものを使用する必要はなく、通常容易に入手できる直流電源やコンデンサを使用でき、コストも低減できる。
【００１３】
【発明が解決すべき課題】
このようなパルス電力発生用スイッチ回路においては、１次側導体および２次側導体を磁気コアの中心開口にどのように通すのかが実際のスイッチ装置を製作する上では重要となる。特に２次側導体による漂遊インダクタンスをできるだけ小さくして、高周波での動作に適するようにするには２次側導体をどのように配置するのかが問題となる。さらにパルス電力発生用スイッチ装置全体としてコンパクトに構成すると共に製造プロセスも簡単となるようにする必要がある。
【００１４】
したがって、本発明の目的は、上述したような回路構成を有するパルス電力発生用スイッチ装置において、複数の磁気コア、半導体スイッチおよびコンデンサを効率よく配置すると共に、１次側導体および２次側導体を適切に配置することによって、高周波動作に適しており、コンパクトに構成することができ、しかも製造プロセスも簡単となるようなパルス電力発生用スイッチ装置を提供しようとするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置は、複数の磁気コアを同心的に配置した磁気コア列の少なくとも１列と、複数の平形半導体スイッチを同心的に配置した平形半導体スイッチ列の少なくとも１列とを互いに平行に設け、前記平形半導体スイッチ列の両端にそれぞれ押え板を配置し、これら押え板の間で平形半導体スイッチ列を適切な圧接力を与えるための弾性部材を介して保持し、前記磁気コア列の複数の磁気コアの各々の中心開口を貫通する導電材料の円筒で構成される１次側導体の一端を、配列方向と直交する方向に延在する第１の電極部材を介してそれぞれの平形半導体スイッチの一方の主電極に接続し、前記それぞれの磁気コアの中心開口を貫通する１次側導体の他端を、配列方向と直交する方向に前記第１の電極部材と平行に延在する第２の電極部材を介してそれぞれコンデンサの一方の端子に接続し、それぞれのコンデンサの他端をそれぞれの平形半導体スイッチの他方の主電極に接続し、前記第２の電極部材を直流電源の一方の端子に共通に接続すると共にそれぞれのコンデンサと平形半導体スイッチの他方の主電極との接続点を直流電源の他方の端子に共通に接続するように構成し、前記磁気コア列の複数の磁気コアの中心開口を直線的に貫通する１本の導体で構成された２次側導体を設け、前記複数の平形半導体スイッチの各々をそれぞれ駆動する複数の駆動回路を設けたことを特徴とするものである。
【００１６】
本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置の好適な実施例においては、それぞれ同数の磁気コアを有する第１および第２の２列の磁気コア列と、全ての磁気コアの個数に等しい平形半導体スイッチを有する１列の平形半導体スイッチ列とを互いに平行に並べて配置し、この平形半導体スイッチ列においては、順次の平形半導体スイッチが逆向きとなるように配列すると共に順次の平形半導体スイッチを前記第１および第２の磁気コア列の磁気コアの１次側導体に交互に接続し、前記２次側導体を、前記第１の磁気コア列の中心開口を第１の方向から直線状に貫通し、ほぼＵ字状に曲げられた後、前記第２の磁気コア列の中心開口を第１の方向とは反対の第２の方向から貫通する１本の導体で構成する。このような実施例においては、前記第１の磁気コア列の各磁気コアの中心開口を貫通する１次側導体の一端を対応する平形半導体スイッチの一方の主電極に接続する第１の電極部材を、前記第２の磁気コア列の対応する磁気コアの中心開口を貫通する１次側導体の一端を対応する半導体スイッチの一方の主電極に接続する第１の電極部材とを一体に構成するのが好適である。このように、第１および第２の磁気コア列を設けた実施例においては、これら第１および第２の磁気コア列を、その配列方向に見て、磁気コアが部分的に重なるように配置することによって一層コンパクトとすることができる。
【００１７】
本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置の他の実施例においては、前記磁気コア列の１列と、前記平形半導体スイッチ列の１列とを互いに平行に並べて配置し、この平形半導体スイッチ列においては、順次の平形半導体スイッチを同じ方向に配列するとともに順次の平形半導体スイッチの間を絶縁分離し、前記２次側導体を前記磁気コア列の中心開口を貫通する直線状の１本の導体で構成する。
【００１８】
本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置のさらに他の実施例においては、第１および第２の磁気コア列と、第１および第２の平形半導体スイッチ列とを互いに平行に並べて配置し、第１の平形半導体スイッチ列においては、順次の平形半導体スイッチを同じ方向に配列するとともに順次の平形半導体スイッチの間を絶縁分離し、第２の平形半導体スイッチ列においては、順次の平形半導体スイッチを、前記第１の平形半導体スイッチ列における平形半導体スイッチの配列方向とは反対の方向に配列するともに順次の平形半導体スイッチの間を絶縁分離し、前記２次側導体を前記第１の磁気コア列の中心開口を第１の方向から直線状に貫通し、ほぼＵ字状に曲げられて前記第２の磁気コア列の中心開口を第１の方向とは反対の第２の方向から直線状に貫通する１本の導体で構成する。
【００１９】
さらに、本発明においては、前記平形半導体スイッチを静電誘導サイリスタとし、前記駆動回路をゲート駆動回路とするのが特に好適である。この場合、各ゲート駆動回路の電位は同じとなるので、これらを相互に絶縁する必要がなくなり、これらゲート駆動回路の配置に対して余裕が生じることになり、これによってもコンパクト化が図れると共に製造プロセスの簡易化が図れることになる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図３は本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置の基本的な回路構成を示す回路図である。直流電源１１に複数のコンデンサ１２−１〜１２−ｎを並列に接続し、これらコンデンサの各々と並列に半導体スイッチ１３−１〜１３−ｎと１次側導体１４−１〜１４−ｎの直列回路を接続する。各１次側導体１４−１〜１４−ｎは複数の磁気コア１５−１〜１５−ｎの各々に磁気的に結合されている。さらにこれら複数の磁気コア１５−１〜１５−ｎの各々と磁気的に結合された複数の２次側導体１６−１〜１６−ｎを互いに直列に接続して設ける。これらの２次側導体１６−１〜１６−ｎの直列回路の両端を放電部１７に接続する。また、複数の半導体スイッチ１３−１〜１３−ｎは駆動回路１８−１〜１８−ｎによってオンオフが制御される。
【００２１】
このような本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置の動作を次に説明する。先ず、全ての半導体スイッチ１２−１〜１２−ｎをオフ状態として直流電源１１から複数のコンデンサ１２−１〜１２−ｎを図示しない電流抑制機能により比較的ゆっくりと同時に充電する。今、直流電源１１の電圧をＥとすると、各コンデンサ１２−１〜１２−ｎの端子電圧もＥまで充電される。後述するように、この直流電源１１の電圧Ｅは、所望の出力電圧をＥ０とすると、そのｎ分の１となっている。
【００２２】
次に、駆動回路１８−１〜１８−ｎを同時に駆動して半導体スイッチ１３−１〜１３−ｎを同時にターンオンし、コンデンサ１２−１〜１２−ｎの各々の電荷を１次側導体１４−１〜１４−ｎの各々を経て放電させる。このようにして１次側導体１４−１〜１４−ｎを流れる放電電流によって２次側導体１６−１〜１６−ｎの各々に２次電圧が誘起される。今、１次側導体１４−１〜１４−ｎおよび２次側導体１６−１〜１６−ｎによる漂遊インダクタンスを小さくするために、これらの導体は磁気コアに１回巻回されているものとする。この場合には、１次側導体１４−１〜１４−ｎと２次側導体１６−１〜１６−ｎとの間の巻線比は１となり、これらの２次側導体１６−１〜１６−ｎの各々には直流電源１１の電圧と等しい電圧Ｅが誘起される。また、これらの２次側導体１６−１〜１６−ｎは、それぞれに誘起される電圧が加算されるように直列に接続されているので、これらの２次側導体１６−１〜１６−ｎの直列回路の両端にはｎ×Ｅ＝Ｅ０の所望の高電圧が現れることになる。
【００２３】
このような本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置においては、半導体スイッチ１３−１〜１３−ｎの特性にばらつきがあり、同時にターンオンとならなくても半導体スイッチに過度の高電圧が印加されることはなく、したがって破壊するようなことはない。また、全ての半導体スイッチ１３−１〜１３−ｎには同じ電圧が印加されるので、駆動回路１８−１〜１８−ｎには高電圧が印加されることはなく、したがってこれらの駆動回路の電源および駆動信号を互いに絶縁する必要はない。さらに、直流電源１１は高電圧を発生する必要はなく、コンデンサ１２−１〜１２−ｎも高電圧のものを使用する必要はない。このように回路構成自体は図１に示した従来のパルス電力発生用スイッチ回路よりも若干複雑となるが、個々の素子は高耐圧のものとする必要はなく、しかも特別な絶縁を施す必要もないので、全体としての構成はきわめて簡単となり、コストも低減することになる。
【００２４】
図４は、ｎ＝１０の場合の本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置の一実施例の回路構成を示す回路図である。直流電源２１と直列に限流抵抗２２を接続し、これら直流電源および限流抵抗の直列回路と並列に10個のコンデンサ２３−１〜２３−１０を接続する。これらコンデンサ２３−１〜２３−１０の一方の端子を１次側導体２４−１〜２４−１０の各々を経て平形（プレスパック形）半導体スイッチ、本例では平形静電誘導サイリスタ２５−１〜２５−１０のアノードに接続し、これらサイリスタのカソードをコンデンサ２３−１〜２３−１０の他方の端子に接続する。１次側導体２４−１〜２４−１０の各々は磁気コア２６−１〜２６−１０に１ターン巻回されている。さらに、複数の磁気コア２６−１〜２６−１０には２次側導体として作用する１本の導体２７を直列に通し、この導体の両端を放電部２８に接続する。また、複数のサイリスタ２５−１〜２５−１０の各々のカソードとゲートとの間にはそれぞれゲート駆動回路２９−１〜２９−１０を接続する。
【００２５】
本例のパルス電力発生用スイッチ回路の動作は上述した図３に示した基本回路の動作と同様であるのでその詳細な説明は省略する。本例では、使用する半導体スイッチの耐電圧を数ｋVとすると直流電源２１も数ｋVとなるため放電部２８に数十kＶの高電圧を出力することが可能となる。直流電源２１は数ｋＶのものとすれば良く、この程度の電源であれば使用する部品も特殊なものは必要なく、また油入りのような高度の絶縁も必要ないので、簡単で安価なものとすることができる。さらに、コンデンサ２３−１〜２３−１０やサイリスタ２５−１〜２５−１０も数ｋＶ程度の耐圧のもので足り、小型で安価なものとすることができる。しかも、全てのサイリスタ２５−１〜２５−１０のカソードは同電位となっているので、ゲート駆動回路２９−１〜２９−１０間に高電圧が印加されることはなく、これらを相互に絶縁する必要はない。
【００２６】
図５〜９は、本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置の第１の実施例を示すもので、図５は、その全体の構成を示す正面図、図６は同じくその一部を断面で示す側面図、図７は同じくその１ユニットの平面図、図８は磁気コア列および半導体スイッチ列の配置を示す斜視図、図９は２列の磁気コア列の一部分を示す側面図である。本例では１０個の磁気コア２６−１〜２６−１０を、それぞれが５つの磁気コアを同心的に配列した第１および第２の磁気コア列５１および５２に分け、これら第１および第２の磁気コア列を互いに並列に配置する。
【００２７】
また、10個の平形サイリスタ２５−１〜２５−１０を同心的に配列した平形サイリスタ列５３を、第１および第２の磁気コア列５１および５２と平行に配置する。この平形サイリスタ列５３においては、順次の平形サイリスタのアノード同士およびカソード同士が接続されるようにその向きを交互に変えて配列すると共に順次の平形半導体スイッチを、第１および第２の磁気コア列５１および５２の磁気コアの１次側導体に交互に接続する。また、順次の平形サイリスタの間には、所望の配線を行うための導電板が積層されている。すなわち、第１の平形サイリスタ２５−１のアノードと、第１０の平形サイリスタ２５−１０のアノードとが第１の電極部材５５−１を介して積層され、この第１０の平形サイリスタ２５−１０のカソードと第２の平形サイリスタ２５−２のカソードとが第２の電極部材５７−２を介して積層され、この第２の平形サイリスタ２５−２のアノードと、第９の平形サイリスタ２５−９のアノードとが第１の電極部材５５−２を介して積層され、以下同様に、順次の平形サイリスタのアノード同士が第１の電極部材を介して積層され、カソード同士が第２の電極部材を介して積層されている。なお、第１の平形サイリスタ２５−１のカソードは第２の電極部材５７−１に接続され、一番下側の第６の平形サイリスタ２５−６のカソードは第２の電極部材５７−６に接続されている。
【００２８】
本例においては、コンデンサ２３−１〜２３−１０を設けるが、これらのコンデンサは１本または複数本の列に配列し、このコンデンサ列を第１および第２の磁気コア列５１および５２およびサイリスタ列５３と平行に配置するが、図５〜９では省略する。本発明においては、これらのコンデンサは必ずしも列状に配列する必要はなく、サイリスタ列５３の周囲に分散するように配置してスペースファクタを改善することもできる。
【００２９】
図９は、主として磁気コア２６−２、２６−３、２６−８、２６−９の部分を示すものであるが、これらの磁気コアの中心開口を貫通して延在する１次側導体２４−２、２４−３、２４−８、２４−９は、それぞれ導電性の円筒で形成されている。ここで、図８にも示すように、磁気コア２６−２の中心開口に設けられた１次側導体２４−２の一端（図面では下端）と、隣接する磁気コア２６−９の中心開口に設けられた１次側導体２４−９の他端（図面では上端）とは、第２の平形サイリスタ２５−２のアノードと第９の平形サイリスタ２５−９のアノードとの間に介挿された第１の電極部材５５−２に共通に連結されており、同様に磁気コア２６−３の中心開口に設けられた１次側導体２４−３の一端（図面では下端）と、隣接する磁気コア２６−８の中心開口に設けられた１次側導体２４−８の他端（図面では上端）とは、第３の平形サイリスタ２５−３のアノードと第８の平形サイリスタ２５−８のアノードとの間に介挿された第１の電極部材５５−３に共通に連結されている。また、磁気コア２６−２の中心開口に設けられた１次側導体２４−２の他端（図面では上端）は導電部材５６−２に連結されており、隣接する磁気コア２６−９の中心開口に設けられた１次側導体２４−９の一端（図面では下端）は導電部材５６−９に連結されている。
【００３０】
図４および８に示すように、第１の電極部材５５−１〜５５−５は、それぞれ平形サイリスタ２５−１、２５−１０；２５−２、２５−９；…２５−５、２５−６のアノード間に介挿されている。また、導電部材５６−１〜５６−１０は、それぞれコンデンサ２３−１〜２３−１０の一方の端子に接続されており、これらのコンデンサの他方の端子は、それぞれ平形サイリスタ２５−１〜２５−１０のカソードに接続されている。さらに、図６に示すように、平形サイリスタ２５−１〜２５−１０のゲートは、それぞれゲート駆動回路２９−１〜２９−１０に接続されている。また、導電部材５６−１は第２の電極部材５７−１と同じレベルに配置され、導電部材５６−２と５６−１０は第２の電極部材５７−２と同じレベルに配置され、以下同様に、導電部材と第２の電極部材とが同じレベルに配置されている。
【００３１】
図６に示すように、第１および第２の磁気コア列５１および５２は、第１の電極部材５５−１〜５５−５と導電部材５６−１〜５６−１０によって支持されており、図８に示すように、第１の磁気コア列５１の互いに整列された中心開口を貫通するように２次側導体２７が直線的に挿通され、さらにこの２次側導体は、最下層の磁気コア２６−５の中心開口を出た後、ほぼＵ字状に折り返され、第２の磁気コア列５２の互いに整列された中心開口を直線的に貫通するように配置されている。したがって、本例では、２次側導体の両端は装置の同じ側から取り出されることになる。
【００３２】
また、平形サイリスタ列５３を、上部円板６１および下部円板６２の間に挟み、これらの円板を２本のシャフト６３−１および６３−２で連結する。本例では、平形サイリスタ列５３に所定の圧接力が均一に加わるようにするために、平形サイリスタ列の下端と下部円板６２との間には皿ばね６４を介挿し、平形サイリスタ列の上端に設けた保持部材６５と上部円板６１との間にはボール６６を介挿する。
【００３３】
図１０〜１２は、本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置の第２の実施例の構成を示すものであり、上述した第１の実施例と同様の部分には同じ符号を付けて示した。本例では、5個の磁気コア２６−１〜２６−５を同心的に配列して１本の磁気コア列５１を構成し、５個の平形サイリスタ２５−１〜２５−５を同心的に配列して１本の平形サイリスタ列５３を構成する。また、平形サイリスタ列５３の周りに４本のコンデンサ列５４−１〜５４−４を配置する。これら磁気コア列５１、平形サイリスタ列５３およびコンデンサ列５４−１〜５４−４を互いに平行に配列する。
【００３４】
磁気コア列５１の互いに整列された中心開口には、１本の２次側導体２７が直線的に挿通されている。また、各磁気コア２６−１〜２６−５の中心開口には絶縁リングを介して導電性の円筒より成る１次側導体２４−１〜２４−５が挿通されている。これら１次側導体２４−１〜２４−５のそれぞれの上端を第１の電極部材５５−１〜５５−５を介してそれぞれのサイリスタ２５−１〜２５−５のアノードに接続し、他端を導電部材５６−１〜５６−５を介してそれぞれのコンデンサ２３−１〜２３−５（それぞれのコンデンサは4個のコンデンサの並列接続で構成されている）の一方の端子に接続し、これらコンデンサの他方の端子は第２の電極部材５７−１〜５７−５を介して平形サイリスタのカソードに接続する。図１０に明瞭に示すように、順次の平形サイリスタ２５−１〜２５−５を同じ向きに配列し、これらの間を絶縁スペーサ５８−１〜５８−４によって絶縁分離している。
【００３５】
平形サイリスタ列５３は上部円板６１および下部円板６２の間に挟持されており、これらの円板は２本のシャフト６３−１および６３−２で連結されている。ただし、本例では平形サイリスタ列５３の上端と上部円板６１との間には絶縁ワッシャ６７およびスイベルワッシャ６８が介挿され、平形サイリスタ列５３の下端と下部円板６２との間には絶縁ワッシャ６９および弾性部材７０が介挿されている。
【００３６】
上述したように、本例では２次側導体２７は１本の磁気コア列５１を貫通するように配置されているので、その両端は装置の両側から取り出されるものとなる。また、第１の実施例ではこの２次側導体２７をＵ字状に折り返したが、本例では１つの磁気コア列１５１を直線状に貫通するだけであるので、２次側導体の加工が簡単となる。
【００３７】
本発明は上述した実施例にのみ限定されるものではなく、幾多の変更や変形が可能である。例えば、上述した実施例では、半導体スイッチとして高電圧、大電流を高速でスイッチングするのに適した静電誘導サイリスタを用いたが、他の形式のサイリスタやトランジスタなどの半導体スイッチを用いることもできる。また、上述した実施例ではコンデンサ、半導体スイッチおよび磁気コアを具えるユニットを10個または5個設けたが、その個数は直流電源の電圧や必要な出力高電圧などを考慮して任意に設定することができる。ただし、第１の実施例のように複数の磁気コア列を設ける場合には、磁気コアの個数は偶数個とするのが好適である。さらに、図１０〜１１に示した実施例の磁気コア列および平形サイリスタ列を２組用い、これら平形サイリスタ列の平形サイリスタの向きが反対となるように並列に配置し、Ｕ字状の２次側導体を２つの磁気コア列に順次に通すこともできる。
【００３８】
上述したように本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置においては、１次側の回路には高電圧が印加されないので、１次側回路と構成部分との間の絶縁が容易となり、油入りなどの特殊な絶縁手段を講ずる必要はない。また、２次側の回路には高電圧が印加されるが、本例のように複数の２次側導体を容易に入手可能な高電圧に耐える１本の絶縁導体２７を以て構成するので何ら問題は起こらない。さらに、このように２次側導体を１本の導体２７で構成するので、漂遊インダクタンスを最小とすることができ、高周波数特性を改善することができる。さらに、磁気コア列、半導体スイッチ列およびコンデンサ列を互いに平行に配置するので、装置全体の構成は簡易となり、スペースファクタも良好となり、さらに製造も簡単となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】サイラトロンを用いた従来パルス電力発生用スイッチ回路の構成を示す回路図である。
【図２】複数のサイリスタの直列配置を用いた従来のパルス電力発生用スイッチ回路の構成を示す回路図である。
【図３】本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置の基本的な回路構成を示す回路図である。
【図４】本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置の一実施例の回路構成を示す回路図である。
【図５】同じくその正面図である。
【図６】同じくその側面図である。
【図７】同じくその平面図である。
【図８】同じくその全体の構成を線図的に示す斜視図である。
【図９】同じくその磁気コア列の一部分の構造を一部を断面として示す側面図である。
【図１０】本発明によるパルス電力発生用スイッチ装置の他の実施例の構成を示す側面図である。
【図１１】同じくその平面図である。
【図１２】同じくその１つのユニットの構成を示す側面図である。
【符号の説明】
１１ 直流電源、 １２−１〜１２−ｎ コンデンサ、 １３−１〜１３−ｎ 半導体スイッチ、１４−１〜１４−ｎ １次側導体、 １５−１〜１５−ｎ 磁気コア、 １６−１〜１６−ｎ ２次側導体、 １７ 放電部、 １８−１〜１８−ｎ 駆動回路、 ２１ 直流電源、 ２２ 限流抵抗、 ２３−１〜２３−１０ コンデンサ、 ２４−１〜２４−１０ １次側導体、 ２５−１〜２５−１０ サイリスタ、 ２６−１〜２６−１０ 磁気コア、 ２７ ２次側導体、２８ 放電部、 ２９−１〜２９−１０ ゲート駆動回路、 ５１、５２ 磁気コア列、 ５３ サイリスタ列、 ５４−１〜５４−４ コンデンサ列、 ５５−１〜５５−５ 第１の電極部材、 ５６−１〜５６−１０ 導電部材、 ５７−１〜５７−１０ 第２の電極部材、 ５８−１〜５８−４ 絶縁スペーサ、６１ 上部円板、 ６２ 下部円板、 ６３−１〜６３−３ シャフト、 ６４ 皿ばね、 ６５ スペーサ ６６ ボール、 ６７ 絶縁ワッシャ、 ６８スイベルワッシャ、 ６９ 絶縁ワッシャ、 ７０ 弾性部材
Claims (7)
- 複数の磁気コアを同心的に配置した磁気コア列の少なくとも１列と、複数の平形半導体スイッチを同心的に配置した平形半導体スイッチ列の少なくとも１列とを互いに平行に設け、前記平形半導体スイッチ列の両端にそれぞれ押え板を配置し、これら押え板の間で平形半導体スイッチ列を弾性部材を介して保持し、前記磁気コア列の複数の磁気コアの各々の中心開口を貫通する導電材料の円筒で構成される１次側導体の一端を、配列方向と直交する方向に延在する第１の電極部材を介してそれぞれの平形半導体スイッチの一方の主電極に接続し、前記それぞれの磁気コアの中心開口を貫通する１次側導体の他端を、配列方向と直交する方向に前記第１の電極部材と平行に延在する第２の電極部材を介してそれぞれコンデンサの一方の端子に接続し、それぞれのコンデンサの他端をそれぞれの平形半導体スイッチの他方の主電極に接続し、前記第２の電極部材を直流電源の一方の端子に共通に接続すると共にそれぞれのコンデンサと平形半導体スイッチの他方の主電極との接続点を直流電源の他方の端子に共通に接続するように構成し、前記磁気コア列の複数の磁気コアの中心開口を直線的に貫通する１本の導体で構成された２次側導体を設け、前記複数の平形半導体スイッチの各々をそれぞれ駆動する複数の駆動回路を設けたことを特徴とするパルス電力発生用スイッチ装置。
- それぞれ同数の磁気コアを有する第１および第２の磁気コア列と、全ての磁気コアの個数に等しい平形半導体スイッチを有する１列の平形半導体スイッチ列とを互いに平行に並べて配置し、この平形半導体スイッチ列においては、順次の平形半導体スイッチが逆向きとなるように配列すると共に順次の平形半導体スイッチを前記第１および第２の磁気コア列の磁気コアの１次側導体に交互に接続し、前記２次側導体を、前記第１の磁気コア列の中心開口を第１の方向から直線状に貫通し、ほぼＵ字状に曲げられた後、前記第２の磁気コア列の中心開口を第１の方向とは反対の第２の方向から貫通する１本の導体で構成したことを特徴とする請求項１に記載のパルス電力発生用スイッチ装置。
- 前記第１の磁気コア列の各磁気コアの中心開口を貫通する１次側導体の一端を対応する平形半導体スイッチの一方の主電極に接続する第１の電極部材を、前記第２の磁気コア列の対応する磁気コアの中心開口を貫通する１次側導体の一端を対応する半導体スイッチの一方の主電極に接続する第１の電極部材とを一体に構成したことを特徴とする請求項２に記載のパルス電力発生用スイッチ装置。
- 前記第１および第２の磁気コア列を、その配列方向に見て、磁気コアが部分的に重なるように配置したことを特徴とする請求項２または３の何れかに記載のパルス電力発生用スイッチ装置。
- 前記磁気コア列の１列と、前記平形半導体スイッチ列の１列とを互いに平行に並べて配置し、この平形半導体スイッチ列においては、順次の平形半導体スイッチを同じ方向に配列するとともに順次の平形半導体スイッチの間を絶縁分離し、前記２次側導体を前記磁気コア列の中心開口を貫通する直線状の導体で構成したことを特徴とする請求項１に記載のパルス電力発生用スイッチ装置。
- 第１および第２の磁気コア列と、第１および第２の平形半導体スイッチ列とを互いに平行に並べて配置し、第１の平形半導体スイッチ列においては、順次の平形半導体スイッチを同じ方向に配列するとともに順次の平形半導体スイッチの間を絶縁分離し、第２の平形半導体スイッチ列においては、順次の平形半導体スイッチを、前記第１の平形半導体スイッチ列における平形半導体スイッチの配列方向とは反対の方向に配列するともに順次の平形半導体スイッチの間を絶縁分離し、前記２次側導体を前記第１の磁気コア列の中心開口を第１の方向から直線状に貫通し、ほぼＵ字状に曲げられて前記第２の磁気コア列の中心開口を第１の方向とは反対の第２の方向から直線状に貫通する１本の導体で構成したことを特徴とする請求項１に記載のパルス電力発生用スイッチ装置。
- 前記平形半導体スイッチを、静電誘導サイリスタとし、前記駆動回路をゲート駆動回路としたことを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のパルス電力発生用スイッチ装置。
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