JP4612234B2 - パルス電源 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はコンデンサ放電を用いたパルス電源に関わり、主にエネルギーの回生効率を改善したパルス電源に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、パルス電源はパルスレーザ装置や粒子ビーム装置などの電源に用いられ、研究設備や産業上の需要が高まっている。このような短パルスを発生させる一手法として、初期充電されたコンデンサから、半導体スイッチをオンすることによって、初期パルスを発生させ次段のコンデンサを充電し、更に可飽和リアクトルの飽和特性を利用してパルス幅の圧縮を行う、いわゆる磁気圧縮回路がよく用いられる。この種のパルスレーザ装置用のパルス電源の従来例を図2に示す。
【0003】
図2において、共振リアクトルLrとエネルギー回生ダイオードDrを直列に接続したエネルギー回生回路を充放電用コンデンサC0と並列に接続する。エネルギー回生ダイオードDrの極性は充放電用コンデンサC0の初期充電電圧を阻止する方向とする。充放電用コンデンサC0の出力には半導体スイッチSWとリアクトルL0を直列に接続してパルス発生回路1を構成し、次段の磁気圧縮回路2と接続する。磁気圧縮回路2はコンデンサC1と可飽和リアクトルL1とを組み合わせたもので、複数段用いることが多くその一般例を示した。コンデンサをC1〜Cn、可飽和リアクトルをL1〜Ln とする。接続はコンデンサC1 と可飽和リアクトルL1とコンデンサC2が櫛形となるようにする。最終段は可飽和リアクトルLnによって出力し次段の負荷部3に接続される。負荷部3はピーキングコンデンサCpと負荷Lpとが並列に接続されている。なお、リアクトルL0は半導体スイッチSWの保護用として設けたインピーダンスである。
【0004】
次に動作を説明する。パルス発生回路1は図示しない高電圧直流電源により充放電用コンデンサC0を初期充電しておき、半導体スイッチSWのオン制御で充放電用コンデンサC0からリアクトルL0を介してコンデンサC1に電荷を供給する。
【0005】
磁気圧縮回路2において、コンデンサC1に電荷が供給されると電圧が上昇して可飽和リアクトルL1が励磁されて、所定の磁気容量(電圧×時間)に達すると可飽和リアクトルL1が磁気飽和をしてインダクタンス値が激減する。すなわち、磁気スイッチが動作したことになり次段のコンデンサC2に電荷が移動する。以下同じ動作が繰り返されて行くが、後段のリアクトルほど飽和後のインダクタンスが小さく設計されているために充電時間が短くなり、パルス圧縮されることになる。このようにして負荷部3に電荷が供給されると、ピーキングコンデンサCpは極めて狭幅にパルス充電され負荷Lpのレーザ極間ギャップの電圧が上昇し、絶縁破壊されてコンデンサCpに蓄積された電荷はレーザ触媒中に注入されレーザが励起される。
【0006】
このようにして移動してきたエネルギーに比べると、レーザ電極に注入されるエネルギーは大変少なく、レーザ電極間ギャップに到達したエネルギーがここで全て消費されずに、一部のエネルギーが充放電用コンデンサC0まで戻ってくることがある。これをキックバックエネルギーと呼ぶ。例えばピーキングコンデンサCpに充電される電圧が最大値に到達する以前に負荷Lpのレーザ電極間ギャップが放電すると、コンデンサCnに電荷が残った状態でピーキングコンデンサCpの両端がレーザ電極間ギャップを通して短絡状態となるため、コンデンサCnとリアクトルLnと負荷Lpの閉回路を介してコンデンサCnの極性は反転し逆極性に充電される。そして同様の作用によりこの反転したキックバックエネルギーは前段へと移動して行き、最終的には充放電用コンデンサC0を逆極性に充電する。そして、その後充放電用コンデンサC0と並列に接続されたエネルギー回生ダイオードDrと共振リアクトルLrを介して、再度充放電用コンデンサC0を逆充電させて当初の極性に戻す。すなわち、当初の電荷の一部が充放電用コンデンサC0に回生されたことになる。
【0007】
このようにしてエネルギーを回生しないと、キックバックエネルギーは再度レーザ発生部へと向かい、不安定なレーザ発振を繰り返し、また、レーザ極間電極を著しく消耗させ、かつ、回路構成素子の寿命を低下させることになる。よって、エネルギーの回生は長寿命化の達成、長期的な信頼性の向上、およびエネルギーの効率的活用のために有効な手段となる。
【0008】
上記したように、図2の従来の回路構成では、キックバックエネルギーを充放電用コンデンサC0に一旦逆極性に充電し、その後エネルギー回生ダイオードDrと共振リアクトルLrの直列回路を介して当初の極性に回生していた。この方法によると大きな共振リアクトルLrが必要であり、共振周波数が高いこともあって巻線や鉄芯による損失が大きくなるという問題がある。また、負荷Lpが電磁石のようにインダクタンス負荷である場合には、その供給したエネルギーのほとんどがキックバックして来るため、エネルギー回生効率の向上が重要な課題であった。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような問題があったため、大きな共振リアクトルを使用せず、巻線や磁芯による損失をなくし、かつインダクタンス負荷を接続した場合でも、キックバックエネルギーの回生効率を十分に向上させることができる回路構成が要求されていた。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、初期充電された充放電用コンデンサC0から半導体スイッチSWのオン制御によりパルスを発生させ、発生したパルスを負荷Lpに供給するパルス電源において、上記半導体スイッチSWが複数の半導体素子SW1〜SW4のタスキがけ回路で構成され、上記タスキがけ回路で構成された半導体スイッチSWと負荷Lpとの間に、前記半導体スイッチSWの出力側に一端が接続されたリアクトルL 0 と、前記リアクトルL 0 の他端と上記負荷Lpとの間に接続された少なくとも1以上の可飽和リアクトルL 1 〜Lnと、各可飽和リアクトルL 1 〜Lnの入力側にその一端が接続され、前記半導体スイッチSWと並列に接続されたコンデンサC 1 〜Cnとを接続した磁気圧縮回路2を設け、上記タスキがけ回路が、上記充放電用コンデンサC 0 の一端と上記リアクトルL 0 との間に第1の半導体素子SW 1 を上記充放電用コンデンサC 0 の一端から上記リアクトルL 0 に向けて順方向となるように接続し、上記充放電用コンデンサC 0 の他端と上記磁器圧縮回路2のコンデンサC 1 〜Cnの他端との間に第2の半導体素子SW 2 を上記充放電用コンデンサC 0 の他端から上記磁器圧縮回路2のコンデンサC 1 〜Cnの他端に向けて逆方向となるように接続し、上記第1の半導体素子SW 1 のアノードと上記第2の半導体素子SW 2 のアノードとの間に第3の半導体素子SW 3 を上記第1の半導体素子SW 1 のアノードから上記第2の半導体素子SW 2 のアノードに向けて逆方向となるように接続し、上記第1の半導体素子SW 1 のカソードと上記第2の半導体素子SW 2 のカソードとの間に第4の半導体素子SW 4 を上記第1の半導体素子SW 1 のカソードから上記第2の半導体素子SW 2 のカソードに向けて逆方向となるように接続してなり、上記負荷Lpからのキックバックエネルギーを上記タスキがけ回路を介して、上記充放電用コンデンサC0に回生することを特徴とするパルス電源である。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図1は本発明の実施例である。図2と同一回路を構成する素子については同一記号を付記したのでその説明を省略する。
【0014】
図1において、パルス発生回路1は充放電コンデンサC0と半導体スイッチSWを接続し、その出力はリアクトルL0と接続する。半導体スイッチSWは半導体素子SW1〜SW4によって構成され、充放電用コンデンサC0の一端とリアクトルL0との間に第1の半導体素子を順方向接続し、充放電用コンデンサC0の他端と上記磁気圧縮回路2との間に第2の半導体素子SW2を逆方向接続し、第1の半導体素子SW1のアノードと第2の半導体素子SW2のアノードとの間に第3の半導体素子SW3を逆方向接続し、第1の半導体素子SW1のカソードと第2の半導体素子SW2のカソードとの間に第4の半導体素子SW4を逆方向接続してなる。この半導体素子SW1〜SW4の接続方法を「タスキがけ回路」と呼ぶ。その他の回路、すなわち、磁気圧縮回路2および負荷部3については、図2をそのまま引用したので説明を省略する。
【0015】
次に動作を説明する。パルス発生回路1は、図示しない高電圧直流電源により充放電用コンデンサC0を初期充電しておき、半導体スイッチSWの半導体素子SW1と半導体素子SW2をオン制御し、充放電用コンデンサC0からリアクトルLoを介してコンデンサC1に電荷を供給する。以降は図2と同一であるのでその説明を省略するが、タスキがけ回路を介したキックバックエネルギーの回生方法が異なるのでその動作について説明する。キックバックエネルギーによってコンデンサC1が逆極性に充電されると、半導体素子SW2、充放電用コンデンサC0、半導体素子SW1、およびリアクトルL0の共振回路で充放電用コンデンサC0を逆極性に充電し始める段階で半導体素子SW3およびSW4をオン動作させて半導体素子SW1およびSW2をオフ動作させる。そうするとコンデンサC1、半導体素子SW3、充放電用コンデンサC0、半導体素子SW4およびリアクトルL0の共振回路へと転流して、充放電用コンデンサC0は初期の極性に充電され、エネルギーは回生される。本発明によれば充放電用コンデンサC0はコンデンサC1から直接エネルギーが回生されるため、回生効率はきわめて良くなる。
【0016】
図1の磁気圧縮回路2は基本的な回路を記したが、用途によって色々な変形回路が用いられる。例えば、より高い電圧を必要とする場合には、パルス発生回路1と磁気圧縮回路2の間にパルス変圧器を接続し、昇圧した電圧をコンデンサC1に供給したり、またはコンデンサC1〜Cnの任意のコンデンサと並列にパルス変圧器を接続し、昇圧して使用することもある。他の例として可飽和リアクトルL1〜Lnにバイアス回路を設けた回路や、その他にも変形した回路があるが、キックバックエネルギーが存在し、これを前段のパルス発生回路1に伝送する回路構成であれば、本発明は有効である。
【0017】
また、半導体スイッチSWを構成する半導体素子SW1〜SW4は、電圧電流の大きさやパルス幅、そして放電頻度などによって仕様が決められる。主にIGBT、GTO、サイリスタやFETなどが用途によって選定される。
【0018】
さて、前記実施例では磁気圧縮回路2を用いてパルス電圧を発生する放電回路を説明したが、必ずしも本発明はこれに限定するものではない。例えば、充放電用コンデンサC0から放電される電荷を直接、電磁石負荷のようにほとんどのエネルギーを消費しないインダクタンス成分に供給しても同様の効果がある。すなわち、負荷で消費されずにその一部または大部分がもとの充放電用コンデンサC0にキックバックするような回路であればすべて有効に働く。
【0019】
【発明の効果】
上記したように、本発明は充放電用コンデンサC0に充電された逆極性の電荷を、エネルギー回生ダイオードDrと共振リアクトルLrとからなるエネルギー回生回路によらず、半導体スイッチSWの半導体素子SW1〜SW4のタスキがけ回路によって直接、エネルギーを回生するもので、エネルギー回生ダイオードDrや共振リアクトルLrが不要となる。したがって、共振リアクトルLrのエネルギー回生時の銅損、鉄損がなくなり、回生効率が大幅に改善されるために充放電用コンデンサC0を充電する高電圧直流電源(図示せず)の容量を低減することができ、大幅なコストダウンを図ることができた。よって、数kV〜数十kVの電圧、数Jから数百kJのエネルギーを扱い、かつ放電回数が1秒間に数千回の電源にも十分に対応することができ、工業的価値大なるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例によるパルス電源の回路図である。
【図2】従来例によるパルス電源の回路図である。
【符号の説明】
1 パルス発生回路
2 磁気圧縮回路
3 負荷部
SW 半導体スイッチ
SW1〜SW4 半導体素子
Lr 共振リアクトル
Dr エネルギー回生ダイオード
C0 充放電用コンデンサ
C1〜Cn コンデンサ
Cp ピーキングコンデンサ
L0 リアクトル
L1〜Ln 可飽和リアクトル
Lp 負荷
Claims (1)
- 初期充電された充放電用コンデンサから半導体スイッチのオン制御によりパルスを発生させ、発生したパルスを負荷に供給するパルス電源において、
上記半導体スイッチが複数の半導体素子のタスキがけ回路で構成され、
上記タスキがけ回路で構成された半導体スイッチと負荷との間に、前記半導体スイッチの出力側に一端が接続されたリアクトルと、前記リアクトルの他端と上記負荷との間に接続された少なくとも1以上の可飽和リアクトルと、各可飽和リアクトルの入力側にその一端が接続され、前記半導体スイッチと並列に接続されたコンデンサとを接続した磁気圧縮回路を設け、
上記タスキがけ回路が、上記充放電用コンデンサの一端と上記リアクトルとの間に第1の半導体素子を上記充放電用コンデンサの一端から上記リアクトルに向けて順方向となるように接続し、上記充放電用コンデンサの他端と上記磁器圧縮回路のコンデンサの他端との間に第2の半導体素子を上記充放電用コンデンサの他端から上記磁器圧縮回路のコンデンサの他端に向けて逆方向となるように接続し、上記第1の半導体素子のアノードと上記第2の半導体素子のアノードとの間に第3の半導体素子を上記第1の半導体素子のアノードから上記第2の半導体素子のアノードに向けて逆方向となるように接続し、上記第1の半導体素子のカソードと上記第2の半導体素子のカソードとの間に第4の半導体素子を上記第1の半導体素子のカソードから上記第2の半導体素子のカソードに向けて逆方向となるように接続してなり、
上記負荷からのキックバックエネルギーを上記タスキがけ回路を介して、上記充放電用コンデンサに回生することを特徴とするパルス電源。
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- 2001-06-25 JP JP2001191062A patent/JP4612234B2/ja not_active Expired - Lifetime
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