JP4702156B2 - パルス電源 - Google Patents
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Description
本発明は、電力用半導体スイッチ、可飽和リアクトル等を用いたパルス発生回路と、可飽和リアクトルとコンデンサによる磁気パルス圧縮回路を組み合わせ、高繰り返しで狭幅の大電流パルスを発生するパルス電源に係り、特にパルス電流出力の高繰り返し化を図ったパルス電源に関する。
図9は従来のパルス電源の回路例を示す。パルス発生回路1は、電力用の初段コンデンサC0を設け、このコンデンサC0を充電器2により初期充電しておき、半導体スイッチSWのオン制御でコンデンサC0から可飽和リアクトルSI1を経て昇圧・磁気パルス圧縮回路3の入力段パルストランスPTにパルス電流I0を供給する。可飽和リアクトルSI1は、半導体スイッチSWの完全なオン後に飽和することで半導体スイッチSWのスイッチングロスを軽減する磁気アシストになる。
昇圧・磁気パルス圧縮回路3は、パルストランスPTで昇圧したパルス電流I1でコンデンサC1を高圧充電し、このコンデンサC1の充電電圧で可飽和リアクトルSI2が磁気スイッチ動作することによりコンデンサC1からコンデンサC2へ磁気パルス圧縮したパルス電流I2を発生させてコンデンサC2を高圧充電し、さらにコンデンサC2の充電電圧で可飽和リアクトルSI3が磁気スイッチ動作することによりコンデンサC2からエキシマレーザなどの負荷4に磁気パルス圧縮した高電圧のパルス電流I3を供給する。
なお、パルス電源の回路構成は、種々のものがある。例えば、可飽和リアクトルSI2、SI3とコンデンサC1、C2の2段縦続回路は、それぞれの段で磁気パルス圧縮動作によりパルス幅を狭くするもので、必要に応じて段数を増した構成にされる。また、パルストランスPTの部分を可飽和トランスとする構成やパルストランスと可飽和トランスの2段構成とするものがある。
以上のような構成にされるパルス電源において、出力パルスエネルギーの増大(大電流化や高電圧化)や出力パルスの高繰り返し化が要望されてきている。これらの要求に応えるためには、半導体スイッチSWの電気的性能(耐電圧、可制御電流、スイッチング速度など)の向上、初段コンデンサC0の大容量化、充電器2の高精度/高速充電機能などが必要となる。
回路構成上で上記の要求に応える方式として、例えば出力パルスエネルギーの増大には、半導体スイッチSWの並列接続で電流容量を高め、または直列接続で耐電圧を高めることが知られている。しかし、この方式では、半導体スイッチの直並列接続には各スイッチの分担電圧や電流の均等化のために種々の対策回路(タイミング調整回路など)が必要となるし、確実で安定した動作が難しくなる。
他の方式として、初段スイッチ回路1を2回路設け、これらのパルストランスの出力巻線を直列接続して可飽和トランスの一次巻線入力としてその二次巻線出力を磁気パルス圧縮回路に印加するものがある(例えば、特許文献1参照)。
また、他の方式として、図10に例を示すように、2つの充電器2a、2bと2つの初段スイッチ回路1a、1bを設け、これらのパルストランス出力巻線を並列接続して磁気パルス圧縮回路に印加するものがある。同様の方式として、図11に例を示すように、磁気パルス圧縮回路3の初段コンデンサを初段パルス発生回路別に分割したものもある(例えば、特許文献2参照)。
特開平7−122979号公報
特開2002−280648号公報
従来の図10または図11の方式は、パルスエネルギーの増大に伴う回路部品責務を下げるために設けた2並列のパルス発生回路を同時に動作させる方式である。このため、半導体スイッチSWを同時にオン/オフ制御し、両パルストランスPTの二次巻線に同じタイミングでパルス電流出力を得ることになり、このタイミング調整が非常に難しくなるし、安定した動作を得るのが難しくなる。
また、動作タイミングのずれ発生は、パルストランスの二次巻線側で横流が発生したり、初段スイッチ回路に短絡電流が流れて半導体スイッチを破損するおそれがある。
さらに、パルス発生の繰り返し周波数が高くなるほど動作時間の確保が難しくなり、例えば可飽和リアクトル(SI1〜SI3)、およびパルストランス(PT)のリセット(直流励磁して、所定の電流方向に対して飽和させること)の時間がなくなり、パルス圧縮回路が正常に動作しなくなる。
本発明の目的は、複数台のパルス発生回路の並列接続方式における動作タイミングの調整及び動作時間確保を容易にして高繰り返しでパルス出力を得ることができるパルス電源を提供することにある。
本発明は、前記の課題を解決するため、パルス発生回路さらには磁気パルス圧縮回路を複数台構成とし、これらパルス発生回路を時分割運転し、磁気パルス圧縮回路は各パルス電流出力を並列入力して各パルス電流を磁気パルス圧縮するようにしたもので、以下の構成を特徴とする。
(1)予備充電される初段コンデンサから半導体スイッチによる放電でパルス電流を発生するパルス発生回路と、前記パルス電流で充電されるコンデンサを可飽和リアクトルの磁気スイッチ動作により磁気パルス圧縮したパルス電流を得る磁気パルス圧縮回路とを組み合わせたパルス電源において、
前記パルス発生回路は複数台構成とし、各パルス発生回路の時分割運転でそれぞれパルス電流を発生し、
前記磁気パルス圧縮回路は、前記複数台のパルス発生回路のパルス電流出力を並列入力して各パルス電流を磁気パルス圧縮することを特徴とする。
前記パルス発生回路は複数台構成とし、各パルス発生回路の時分割運転でそれぞれパルス電流を発生し、
前記磁気パルス圧縮回路は、前記複数台のパルス発生回路のパルス電流出力を並列入力して各パルス電流を磁気パルス圧縮することを特徴とする。
(2)前記磁気パルス圧縮回路は、前記各パルス発生回路のパルス電流出力をそれぞれ入力とした複数台構成とし、各磁気パルス圧縮回路の出力を並列接続してパルス電流出力を得ることを特徴とする。
(3)前記磁気パルス圧縮回路は、前記可飽和リアクトルに電流回り込み防止用ダイオードを直列接続してパルス電流を並列入力することを特徴とする。
(4)前記磁気パルス圧縮回路は、前記各パルス発生回路のパルス電流出力を並列入力する部位に並列に、誘起電圧抑制用インピーダンス回路を設けたことを特徴とする。
(5)前記各パルス発生回路は、前記磁気パルス圧縮回路側からのキックバックエネルギを前記初段コンデンサに回生する回生回路を設けたことを特徴とする。
以上のとおり、本発明によれば、パルス発生回路さらには磁気パルス圧縮回路を複数台構成とし、これらパルス発生回路を時分割運転し、磁気パルス圧縮回路は各パルス電流出力を並列入力して各パルス電流を磁気パルス圧縮するようにしたため、複数台のパルス発生回路の並列接続方式における動作タイミングの調整及び動作時間確保を容易にして高繰り返しでパルス出力を得ることができる。具体的には、
(1)パルス発生回路を並列接続し、時分割運転することで、高繰り返し化が可能となる。
(1)パルス発生回路を並列接続し、時分割運転することで、高繰り返し化が可能となる。
(2)磁気パルス圧縮回路は、可飽和リアクトルに電流回り込み防止用ダイオードを直列に介挿することで、各パルス発生回路のパルス出力動作中に、他方の回路に影響を与えることはない。
(3)各パルス発生回路さらには磁気パルス圧縮回路は、互いに影響しない構成にされるため、それぞれ独立した、リセット時間および充電時間が確保され、1台あたりの繰り返し周波数は低く抑えられる(簡単に高繰り返し化が実現される)。
(4)各パルス発生回路は、充電器から初段コンデンサへの充電時間を長く確保できるため、充電電流ピークが抑えられ、等価的に充電のデッドタイム(パルス発生回路動作中など充電ができない期間)も少なくなる。
(5)パルス発生回路を並列に接続した部位に、並列にインピーダンス回路を接続することで、後段の可飽和リアクトルのリセットによる誘起電圧を抑制することで、他方のパルス発生回路に影響を与えることはない。
(6)各パルス発生回路は、回生回路を設けることで、電源効率を高めるとともに、トランスの偏磁を防止できる。
電源効率を高めることができる。
電源効率を高めることができる。
(実施形態1)
図1は、本実施形態1を示すパルス電源の回路図であり、図10と同等の部分は同一符号で示す。
図1は、本実施形態1を示すパルス電源の回路図であり、図10と同等の部分は同一符号で示す。
図1において、初段の磁気パルス圧縮回路3a、3bはそれぞれコンデンサC1a、C1bと可飽和リアクトルSI2a、s12bおよび電流回り込み防止用ダイオードD1a、D1bを有した2並列構成とし、2並列のパルス発生回路1a、1bから発生するパルス電流を個別に磁気パルス圧縮する。これら磁気パルス圧縮回路3a、3bにより狭幅にしたパルス電流は合成し(突き合わせ)、後段の磁気パルス圧縮回路3に印加する。
以上の構成において、充電器2a、2bおよびパルス発生回路1a、1bを並列構成とし、これらを時分割運転することで、高繰り返しのパルス電流出力を得る。また、初段磁気パルス圧縮回路3a、3bを2並列とし、可飽和リアクトルSI2a、SI2bと電流回り込み防止用ダイオードD1a、D1bを介挿することにより、パルス発生回路1a、1bのパルス出力に対して、他方の回路への回り込みを阻止する。
例えば、コンデンサC1aからC2へエネルギが転送されるとき(電流i1)、ダイオードD1bを設けない場合には、コンデンサC1aからC2へ移るべきエネルギの一部がコンデンサC1bへ移行され、結果として、必要なエネルギが負荷へ供給されなくなる。同様に、コンデンサC1bからC2へエネルギが転送されるとき、ダイオードD1aを設けない場合には、コンデンサC1bからC2へ移るべきエネルギの一部がコンデンサC1aへ移行され、結果として、必要なエネルギが負荷へ供給されなくなる。
次に、コンデンサC2のエネルギは負荷4に供給されるが、負荷で吸収されなかったエネルギ(キックバックエネルギと呼ばれる)が、コンデンサC2に逆極性の電圧となり現れる(図1中で電流i2によりC2の上側が+となる)。このエネルギはコンデンサC2からC1aへ移行され(電流i3)、パルス発生回路1aの前段で消費あるいは、次パルス発生時のエネルギとして再利用される。ここで、可飽和リアクトルSI2bが無い場合、このうちの一部がC1bへ移行され、パルス発生回路1bへ供給される(ダイオードは順方向の電圧となるため阻止できない)。このとき、パルス発生回路1b内の可飽和リアクトルやパルストランスに電圧がかかり、この影響で初期状態へ戻すためのリセットに時間を要することになる。このコンデンサC2からC1bへのエネルギ移行を可飽和リアクトルSI2bで阻止し、パルス発生回路1aの動作時はパルス発生回路1bのリセットを確実、容易にする。
同様に、パルス発生回路1bの動作時は、可飽和リアクトルSI2aがエネルギ移行を阻止し、パルス発生回路1aのリセットを確実、容易にする。
したがって、本実施形態によれば、パルス発生回路を並列接続する方式における動作タイミングの調整及び動作時間確保を容易にして高繰り返しのパルス発生ができる。具体的には、以下の効果がある。
(1)パルス発生回路を並列接続し、時分割運転することで、高繰り返し化が可能となる。
(2)並列接続したパルス発生回路は、そのパルス出力動作中に、可飽和リアクトルとダイオードによって他方のパルス発生回路に影響を与えない。
(3)パルス発生回路は、互いに影響しないように接続されるため、それぞれ独立した、リセット時間および充電時間が確保され、1台あたりの繰り返し周波数は低く抑えられる。つまり、簡単に高繰り返し化が実現される。
(4)充電器からパルス発生回路の初段コンデンサヘの充電時間を長くできるため、充電電流ピークが抑えられる。つまり、等価的に充電のデッドタイム(パルス発生回路動作中など充電ができない期間)も少なくなり、充電効率を高めることができる。
図2は、本実施形態の変形例を示す。同図は、図1における初段の磁気パルス圧縮回路の出力端を並列接続した部位に並列に、インピーダンス回路Z1を接続する。
図1の構成において、可飽和リアクトルSI3をリセットする際、コンデンサC2に正極性の電圧が発生する。この電圧は可飽和リアクトルSI2aおよびSI2bを初期状態と逆方向に励磁する。このため、パルス発生前に適正な初期状態に戻す必要が生じる。この可飽和リアクトルSI3のリセット時の電圧を抑制するため、図2ではインピーダンス回路Z1を接続する。インピーダンス回路Z1は、例えば、「抵抗」、「ダイオード」、「リアクトル」、「コンデンサ」やその複合回路で構成される。
したがって、インピーダンス回路Z1を設けることで、後段の可飽和リアクトルSI3のリセットによる誘起電圧を抑制し、他方のパルス発生回路の動作を確実にすることができる。
なお、図1、図2は負荷4に負極性の電圧を供給する回路の場合で示すが、正極性の電圧を供給する回路でもダイオードD1a、D1bの極性の向きと可飽和リアクトルSI2a、SI2bの初期励磁の向きを逆にすることで容易に対応できる。
(実施形態2)
図3は、本実施形態2を示す回路図であり、図1と異なる部分は、初段の磁気パルス圧縮回路3a、3bの2並列構成に加えて、後段の磁気パルス圧縮回路も2並列構成とした点にある。
図3は、本実施形態2を示す回路図であり、図1と異なる部分は、初段の磁気パルス圧縮回路3a、3bの2並列構成に加えて、後段の磁気パルス圧縮回路も2並列構成とした点にある。
後段の磁気パルス圧縮回路3c、3dは、それぞれコンデンサC2a、C2bと可飽和リアクトルSI3a、SI3bおよび電流回り込み防止用ダイオードD1a、D1bを有した2並列構成とし、これらの出力を合成(突き合わせ)して負荷4にパルス電流を印加する。なお、初段の磁気パルス圧縮回路3a、3bには電流回り込み防止用ダイオードを省く。
図3の構成において、例えば、コンデンサC2aから負荷4へエネルギが転送されるとき(電流i4)、ダイオードD1bを設けない場合には、コンデンサC2aから負荷4へ移るべきエネルギの一部がコンデンサC2bへ移行され、結果として、必要なエネルギが負荷へ供給されなくなる。同様に、コンデンサC2bから負荷4へエネルギが転送されるとき、ダイオードD1aを設けない場合には、コンデンサC2bから負荷へ移るべきエネルギの一部がコンデンサC2aへ移行され、結果として、必要なエネルギが負荷へ供給されなくなる。
これらコンデンサC2a、C2bへの不必要なエネルギ移行があると、上位のパルス発生回路1a、1b内の可飽和リアクトルやパルストランスに電圧がかかり、これらを初期状態に戻すためのリセットに時間を要することになり、パルス発生回路1a、1bでのリセットを確実、容易にする。
したがって、本実施形態によれば、前記の実施形態1と同様の効果がある。
なお、図2のように、並列接続点にインピーダンス回路Z1を設けることで、後段の可飽和リアクトルのリセットによる誘起電圧を抑制し、他方のパルス発生回路の動作を確実にすることができる。
また、図3は負荷4に負極性の電圧を供給する回路の場合で示すが、正極性の電圧を供給する回路でもダイオードD1a、D1bの極性の向きと可飽和リアクトルSI3a、SI3bの初期励磁の向きを逆にすることで容易に対応できる。
(実施形態3)
図4は、本実施形態3を示す回路図であり、図9(従来)と異なる部分は、2並列構成のパルス発生回路1a、1bの出力端と磁気パルス圧縮回路3との間に電流回り込み防止用ダイオードD1a、D1bを介挿した点にある。
図4は、本実施形態3を示す回路図であり、図9(従来)と異なる部分は、2並列構成のパルス発生回路1a、1bの出力端と磁気パルス圧縮回路3との間に電流回り込み防止用ダイオードD1a、D1bを介挿した点にある。
図4の構成において、例えば、コンデンサC0aからコンデンサC1へエネルギが転送されるとき(電流i0、i1)、ダイオードD1bを設けない場合には、コンデンサC0aからコンデンサC1へ移るべきエネルギの一部がパルストランスPTb→可飽和リアクトルSI1b→スイッチSWの経路でコンデンサC0bへ移行され、結果として、必要なエネルギが負荷へ供給されなくなる。同様に、コンデンサC0bからコンデンサC1へエネルギが転送されるとき、ダイオードD1aを設けない場合には、コンデンサC0bからコンデンサC1へ移るべきエネルギの一部がコンデンサC0aへ移行され、結果として、必要なエネルギが負荷へ供給されなくなる。
したがって、本実施形態によれば、前記の実施形態1と同様の効果がある。
図5は、本実施形態の変形例を示す。同図は、図4における可飽和リアクトルSI1a、SI1bをパルストランスPTa、PTbの二次側に移設したものであり、同様の作用効果を得ることができる。
なお、図2のように、並列接続点にインピーダンス回路Z1を設けることで、後段の可飽和リアクトルのリセットによる誘起電圧を抑制し、他方のパルス発生回路の動作を確実にすることができる。
また、図4、図5は負荷4に負極性の電圧を供給する回路の場合で示すが、正極性の電圧を供給する回路でもダイオードD1a、D1bの極性の向きと可飽和リアクトルSI2、SI3の初期励磁の向きを逆にすることで容易に対応できる。
(実施形態4)
図6は、本実施形態4を示す回路図であり、図1と異なる部分はパルス発生回路1a、1bに前記のキックバックエネルギを回生する回生回路5a、5bを設けた点にある。
図6は、本実施形態4を示す回路図であり、図1と異なる部分はパルス発生回路1a、1bに前記のキックバックエネルギを回生する回生回路5a、5bを設けた点にある。
この回生回路5a、5bは、パルストランスに設けた3次巻線に直列に電流回り込み防止用ダイオードD2a、D2bを設け、この直列回路をコンデンサC0a、C0bに並列に接続した構成とする。この構成により、キックバックエネルギがパルストランスPTa、PTbを通してコンデンサC0a、C0bを逆極性に充電する。この充電時に、ダイオードダイオードD2a、D2bを通して半周期の振動電流を流し、コンデンサC0a、C0bを初期充電極性に充電することで回生を得る。なお、回生電流をパルストランスPTa、PTbの3次巻線に流すことで、該トランスの偏磁を防止する。
したがって、本実施形態によれば、前記の実施形態1と同様の効果に加えて、電源効率を高めること、およびトランスの偏磁を防止できる。
なお、図2のように、並列接続点にインピーダンス回路Z1を設けることで、後段の可飽和リアクトルのリセットによる誘起電圧を抑制し、他方のパルス発生回路の動作を確実にすることができる。
また、図6は負荷4に負極性の電圧を供給する回路の場合で示すが、正極性の電圧を供給する回路でもダイオードD1a、D1bの極性の向きと可飽和リアクトルSI2、SI3の初期励磁の向きを逆にすることで容易に対応できる。
また、以上までの各実施形態1〜4においては、パルス発生回路さらには磁気パルス圧縮回路を2並列構成とする場合を示すが、これらを3並列以上の構成にしてパルス出力の高繰り返し効果を一層高めることができる。この構成例を図7に示し、パルス発生回路と磁気パルス圧縮回路を4並列接続で構成したものであり、各部の動作タイムチャートは図8に示すように互いの動作時間をオーバラップさせた時分割処理(タイムシェアリング)により高繰り返しパルスの発生を得ることができる。
1、1a、1b パルス発生回路
2、2a、2b 充電器
3、3a、3b 磁気パルス圧縮回路
4 負荷
SWa〜SWd 半導体スイッチ
PTa〜PTd パルストランス
C0a〜C0d 初段コンデンサ
SI2a〜SI2d、SI3、SI3a、SI3b 可飽和リアクトル
D1a、D1b 電流回り込み防止用ダイオード
Z1 誘起電圧抑制用インピーダンス回路
2、2a、2b 充電器
3、3a、3b 磁気パルス圧縮回路
4 負荷
SWa〜SWd 半導体スイッチ
PTa〜PTd パルストランス
C0a〜C0d 初段コンデンサ
SI2a〜SI2d、SI3、SI3a、SI3b 可飽和リアクトル
D1a、D1b 電流回り込み防止用ダイオード
Z1 誘起電圧抑制用インピーダンス回路
Claims (5)
- 予備充電される初段コンデンサから半導体スイッチによる放電でパルス電流を発生するパルス発生回路と、前記パルス電流で充電されるコンデンサを可飽和リアクトルの磁気スイッチ動作により磁気パルス圧縮したパルス電流を得る磁気パルス圧縮回路とを組み合わせたパルス電源において、
前記パルス発生回路は複数台構成とし、各パルス発生回路の時分割運転でそれぞれパルス電流を発生し、
前記磁気パルス圧縮回路は、前記複数台のパルス発生回路のパルス電流出力を並列入力して各パルス電流を磁気パルス圧縮することを特徴とするパルス電源。 - 前記磁気パルス圧縮回路は、前記各パルス発生回路のパルス電流出力をそれぞれ入力とした複数台構成とし、各磁気パルス圧縮回路の出力を並列接続してパルス電流出力を得ることを特徴とする請求項1に記載のパルス電源。
- 前記磁気パルス圧縮回路は、前記可飽和リアクトルに電流回り込み防止用ダイオードを直列接続してパルス電流を並列入力することを特徴とする請求項1または2に記載のパルス電源。
- 前記磁気パルス圧縮回路は、前記各パルス発生回路のパルス電流出力を並列入力する部位に並列に、誘起電圧抑制用インピーダンス回路を設けたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のパルス電源。
- 前記各パルス発生回路は、前記磁気パルス圧縮回路側からのキックバックエネルギを前記初段コンデンサに回生する回生回路を設けたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のパルス電源。
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