JP4711211B2

JP4711211B2 - Voltage pulse generator

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Publication number: JP4711211B2
Application number: JP2001225560A
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Inventors: 靖雄小林
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Filing date: 2001-07-26
Publication date: 2011-06-29
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ励起用電源や粒子加速用パルス発生器に使用する電圧パルス発生装置に係る。特にパルスを発生させる回路構成に特徴の有る電圧パルス発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
荷電粒子ビーム発生やガスレーザの励起用に、短パルス・高電圧の大電流を発生する高電圧パルス発生装置が用いられる。
従来の高電圧パルス発生装置として、ベースライン型とブルームライン型がある。それそれに、コンデンサやインダクタ等の集中定数素子を組み合わせたものと、金属板や同軸ケーブル等の分布定数素子を用いたものとがあるが、その機能は同一である。
【０００３】
最初に、ベースライン型の高電圧パルス発生装置の構造を説明する。図５は、
ベースライン型高電圧パルス発生装置の回路図である。
ベースライン型の高電圧パルス発生装置３００は、負荷１に高電圧パスルを印加する装置であって、負荷側回路３１０と駆動側回路３２０とパルス成形回路３３０とスイッチ回路３４０と充電回路３５０とを有する。
【０００４】
負荷側回路３１０は、負荷１に高圧電流を供給する回路であって、トランス３１１を有する。トランス３１１の二次コイル３１２が負荷１に直列接続される。
【０００５】
パルス成形回路３３０は、充電された電荷を成形しつつパルス出力する回路であって、一対の出力端３３３，３３４に接続され充電用の電荷を蓄積する回路要素を有する。回路要素はコンデンサ３３１とインダクタ３３２とを梯子状に接続して形成される。コンデンサ３３１が梯子状回路の横木に相当する回路に配置され、インダクタ３３２が梯子状回路の縦柱に相当する回路に配置される。梯子状回路の縦柱の端が一対の出力端３３３，３３４を形成する。
【０００６】
駆動側回路３２０は、トランス３１１の一次コイル３１３に電圧を印加する回路であり、前記出力端の一端３３３を一次コイル３１３の一端に接続する。
【０００７】
スイッチ回路３４０は、パルス成形回路３３０に充電した電荷を放出させ、トランス３１１の一次コイル３１３に導く回路であり、スイッチ素子３４１を有する。スイッチ素子は、一次コイル３１３の他端を出力端の他端３３４に短絡できる。
【０００８】
充電回路３５０は、パルス成形回路３３０に充電用の電荷を供給する回路であり、電源３５１を有する。電源３５１は、一次コイル３１３の他端と出力端の他端３３４とに並列接続される。
【０００９】
次に、ベースライン型の高電圧パルス発生装置の作用を説明する。
最初にスイッチ回路３４０が開放されている。充電回路３５０の電源３５１が、電圧Ｖの充電用の電荷をパルス成形回路３３０に供給する。パルス成形回路３３０は、コンデンサ３３１に電荷を充電する。
スイッチ回路が閉じると、コンデンサ３３１に溜まった電荷がスイッチ素子３４１を通ってトランス３１１の一次コイル３１３に流れる。コイルに印加する電圧は、パルス成形回路３３０で成形され、電圧Ｖ／２のパルスとなる。パルスは肩がなだらかにだれた略台形の形状をする。電圧はトランスで昇圧されて負荷１に供給される。負荷１では、電子的ゲートにより所望の電圧になった略矩形のパルスを、例えば、高周波発生用電子管へ供給する。
【００１０】
次に、ブルームライン型の高電圧パルス発生装置の構造を説明する。図６は、ブルームライン型高電圧パルス発生装置の回路図である。
ブルームライン型の高電圧パルス発生装置４００は、負荷１に高電圧パスルを印加する装置であって、負荷側回路４１０と駆動側回路４２０と第一のパルス成形回路４３０ａ第二のパルス成形回路４３０ｂとスイッチ回路４４０と充電回路４５０とを有する。
【００１１】
負荷側回路４１０は、負荷１に高圧電流を供給する回路であって、トランス４１１を有する。トランス４１１の二次コイル４１２が負荷１に直列接続される。
【００１２】
第一のパルス成形回路４３０ａは、充電された電荷を成形しつつパルス出力する回路であって、一対の第一の出力端４３３ａ、４３４ａに接続される充電用の電荷を蓄積する回路要素を有する。回路要素はコンデンサ４３１とインダクタ４３２とを梯子状に接続して形成される。コンデンサ４３１が梯子状回路の横木に相当する回路に配置され、インダクタ４３２が梯子状回路の縦柱に相当する回路に配置される。梯子状回路の縦柱の端が一対の第一の出力端４３３ａ，４３４ａを形成する。
【００１３】
第二のパルス成形回路４３０ｂは、充電された電荷を成形しつつパルス出力する回路であって、一対になった第一の出力端４３３ｂ、４３４ｂに接続される充電用の電荷を蓄積する回路要素を有する。回路要素はコンデンサ４３１とインダクタ４３２とを梯子状に接続して形成される。コンデンサ４３１が梯子状回路の横木に相当する回路に配置され、インダクタ４３２が梯子状回路の縦柱に相当する回路に配置される。梯子状回路の縦柱の端が一対の第二の出力端４３３ｂ，４３４ｂを形成する。
【００１４】
駆動側回路４２０は、トランス４１１の一次コイル４１３に電圧を印加する回路であり、前記第一の出力端の一端４３３ａを一次コイル４１３の一端に接続し、前記第二の出力端の一端４３３ｂを一次コイル４１３の他端に接続する。
【００１５】
スイッチ回路４４０は、パルス成形回路４３０に充電した電荷を放出させ、トランス４１１の一次コイル４１３に導く回路であり、スイッチ素子４４１を有する。スイッチ素子４４１は、第一のパルス成形回路４３０ａを形成する梯子状回路の第一の出力端の反対側の端を短絡できる。
【００１６】
充電回路４５０は、第一のパルス成形回路４３０ａと第二のパルス成形回路４３０ｂとに充電用の電荷を供給する回路であり、電源４５１を有する。電源４５１は、第一のパルス成形回路４３０ａと第二のパルス成形回路４３０ｂとの梯子状回路のコンデンサ４３１に並列接続される。
【００１７】
次に、ブルームライン型高電圧パルス発生装置の作用を説明する。
最初にスイッチ回路４４０が開放されている。充電回路４５０の電源４５１が、電圧Ｖの充電用の電荷を第一のパルス成形回路４３０ａと第二のパルス成形回路４３０ｂとに供給する。第一のパルス成形回路４３０ａと第二のパルス成形回路４３０ｂとは、コンデンサ４３１に電荷を充電する。
スイッチ回路が閉じると、コンデンサ４３１に溜まった電荷がスイッチ素子４４１を通ってトランス４１１の一次コイル４１３に流れる。一次コイル４１３に印加する電圧は、パルス成形回路４３０で成形され電圧Ｖのパルスとなる。パルスは肩がなだらかにだれた略台形の形状をする。電圧はトランスで昇圧されて負荷１に供給される。負荷１では、電子的ゲートにより所望の電圧になった略矩形のパルスを、例えば、高周波発生用電子管へ供給する。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のベースライン型の高電圧パルス発生装置３００を使用した場合、電圧Ｖをパルス成形回路３３０に充電すると、放電時にトランス３１１の一次コイル３１３へＶ／２の電圧が印加される。一方、ブルームライン型の高電圧パルス発生装置４００を使用した場合、電圧Ｖをパルス成形回路４３０に充電すると、放電時にトランス４１１の一次コイル４１３へＶの電圧が印加される。
従って、同じ電圧の充電回路を用いて所望の電圧を負荷に供給するためには、ベースライン型の高電圧パルス発生装置３００のトランスの巻き数比は、ブルームライン型の高電圧パルス発生装置４００のトランスの巻き数比の２倍にする必要がある。
一般に、トランスの一次コイルと二次コイルの巻き数比が大きくなると、トランスでの漏れ磁束が大きくなるために、トランスのリーケージインダクタンスが大きくなる。
さらにまた、トランス一次側を二次側に変換した線路のインダクタンスが巻き数比の二乗に比例して大きくなる。
回路のインダクタンスが大きくなると、回路時定数は大きくなり、トランスの一次コイルへ印加されるパルスの台形形状の肩部のだれが大きくなる。
【００１９】
一方、ブルームライン型の高電圧パルス発生装置４００を使用した場合、上述の問題は生じないが、スイッチ回路４４０と駆動回路４２０とが、第一のパルス成形回路４３０ａを挟んでいるために、スイッチ回路４４０を短絡してから、電荷が駆動回路４３０ａに到達までに、複数のインダクタ４３２を通過する必要があり、電圧の伝搬に遅れを生ずる。特に第一のパルス成形回路４３０ａと第二のパルス成形回路４３０ｂの梯子状回路の段数を多くするとその傾向が顕著になる。従って、トランス４１１の一次コイル４１３へ印加されるパルスの台形形状の肩部のだれが大きくなる。
負荷側では、パルス電圧が所定の値になると電子的ゲートを開いて、そのエネルギーを使用するので、所定の値に到達するまでのパルス電圧は熱として捨てることとなる。
【００２０】
従って、従来のベースライン型の高電圧パルス発生装置やブルームライン型の高電圧パルス発生装置では今以上にエネルギー効率を上げられないという問題があった。
【００２１】
本発明は以上に述べた問題点に鑑み案出されたもので、従来の電圧パルス発生装置にかわって、出力パルスの立ち上がりを早くしてエネルギー効率の良い電圧パルス発生装置を提供しようとする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る負荷に電圧パスルを印加する電圧パルス発生装置は、２次コイルを負荷に直列接続された第一のトランスと第二のトランスとを有する負荷側回路と、一対の第一の出力端に接続され充電用の電荷を蓄積する回路要素を有する第一のパルス成形回路と、一対の第二の出力端に接続され充電用の電荷を蓄積する回路要素を有する第二のパルス成形回路と、前記第一の出力端の一端と前記第二の出力端の一端との間に前記第一のトランスの第一の一次コイルと前記第二のトランスの第二の一次コイルとを直列接続した駆動側回路と、前記第一の一次コイルと前記第二の一次コイルとの間の接続点を前記第一の出力端の他端と前記第二の出力端の他端とに短絡可能なスイッチ素子を有するスイッチ回路と、を備え、前記スイッチ素子を接続すると前記第一の二次コイルと前記第二の二次コイルとに同一方向の電流が流れる様になったものとした。
【００２３】
上記本発明の構成により、スイッチ回路が第一の一次コイルと第二の一次コイルの間の接続点を第一の出力端の他端と第二の出力端の他端とに短絡すると、第一パルス成形回路に充電された電荷が第一の出力端を経由して第一の一次コイルへ流れて誘導電流が第一の二次コイルを流れ、第二パルス成形回路に充電された電荷が第二の出力端を経由して第二の一次コイルへ流れて誘導電流が第二の二次コイルを流れ、第一の二次コイルを流れる電流と第二の二次コイルを流れる電流が同一方向に流れて加算されて負荷に印加するので、全体としてインピーダンスの小さな回路を構成でき、立ち上がりが早くてエネルギーロスの少ない高電圧パルスを負荷に印加できる。
【００２４】
さらに、本発明に係る電圧パルス発生装置は、第一のトランスと第二のトランスの一方が同極性で、他方が異極性であるものとした。
上記本発明の構成により、第一のトランスと第二のトランスの一方が同極性で、他方が異極性であるので、前記スイッチ素子を接続した際に、単純な回路構成により、前記第一の二次コイルと前記第二の二次コイルとに同一方向の電流が流れる様にすることができる。
【００２５】
さらに、本発明に係る電圧パルス発生装置は、前記回路要素が、並列接続されたコンデンサを有するものとした。上記本発明の構成により、前記回路要素が並列接続されたコンデンサを有するので、集中定数素子で構造の簡単なパルス成形回路を構成できる。
【００２６】
また、本発明に係る電圧パルス発生装置は、前記回路要素が、同軸ケーブルを有するものとした。上記本発明の構成により、前記回路要素が同軸ケーブルを有するので、分布定数素子でコンパクトなパルス成形回路を構成できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい第一の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２８】
本発明の第一の実施形態に係る高電圧パルス発生装置の構造を説明する。図１は、本発明の第一の実施形態の回路概念図である。
【００２９】
本発明の第一の実施形態に係る高電圧パルス発生装置１００は、負荷に高電圧パスルを印加する装置であって、負荷側回路１１０と駆動側回路１２０と第一のパルス成形回路１３０ａ第二のパルス成形回路１３０ｂとスイッチ回路１４０と充電回路１５０とを有する。
負荷側回路１１０は、負荷１に高圧電流を供給する回路であって、第一トランス１１１ａと第二トランス１１１ｂとを有する。第一のトランス１１１ａの第一の二次コイル１１２ａと第二のトランス１１１ｂの第二の二次コイル１１２ｂとが負荷１に直列接続される。
【００３０】
第一のパルス成形回路１３０ａは、充電された電荷を成形しつつパルス出力する回路であって、一対になった第一の出力端１３３ａ、１３４ａに接続される充電用の電荷を蓄積する回路要素を有する。回路要素はコンデンサ１３１とインダクタ１３２とを梯子状に接続して形成される。コンデンサ１３１が梯子状回路の横木に相当する回路に配置され、インダクタ１３２が梯子状回路の縦柱に相当する回路に配置される。梯子状回路の縦柱の端が一対の第一の出力端１３３ａ、１３４ａを形成する。
【００３１】
第二のパルス成形回路１３０ｂは、充電された電荷を成形しつつパルス出力する回路であって、一対になった第一の出力端１３３ｂ、１３４ｂに接続される充電用の電荷を蓄積する回路要素を有する。回路要素はコンデンサ１３１とインダクタ１３２とを梯子状に接続して形成される。コンデンサ１３１が梯子状回路の横木に相当する回路に配置され、インダクタ１３２が梯子状回路の縦柱に相当する回路に配置される。梯子状回路の縦柱の端が一対の第二の出力端１３３ｂ，１３４ｂを形成する。
【００３２】
駆動側回路１２０は、第一のトランス１１１ａの第一の一次コイル１１３ａと第二のトランス１１１ｂの第二の一次コイル１１３ｂに電圧を印加する回路であり、前記第一の出力端の一端１３３ａと前記第二の出力端の一端１３３ｂとの間に前記第一の一次コイル１１３ａと前記第二の一次コイル１１４ｂとを直列接続する。すなわち、第一の出力端の一端１３３ａを第一の一次コイル１１３ａの一端に接続し、第一の一次コイル１１３ａの他端を第二の一次コイル１１３ｂの一端に接続し、第二の一次コイル１１３ｂの他端を第二出力端の一端１３３ｂに接続する。ここで、説明の便宜のため、第一の一次コイル１１３ａの他端と第二の一次コイル１１３ｂの一端を接続する点を中間接続点１２１と呼ぶ。
後述するスイッチ回路を短絡して、第一の一次コイル１１３ａと第二の一次コイル１１３ｂに電流が流れる際に、第一の二次コイル１１２ａに流れる電流の向きと第二の二次コイル１１２ｂに流れる電流の向きが同一方向となるように配線される。好ましくは、第一のトランス１１１ａと第二のトランス１１１ｂの一方が同極性で、他方が異極性である様にするとよい。
【００３３】
スイッチ回路１４０は、パルス成形回路１３０に充電した電荷を放出させ、第一の一次コイル１１３ａと第二の一次コイル１１３ｂとに導く回路であり、スイッチ素子１４１を有する。スイッチ素子は、第一の一次コイル１１３ａと第二の一次コイル１１３ｂとの中間接続点１２１を第一の出力端の他端１３４ａと第二の出力端の他端１３４ｂとに短絡することができる。
【００３４】
充電回路１５０は、パルス成形回路１３０に充電用の電荷を供給する回路であり、電源１５１を有する。電源１５１は、第一パルス成形回路の梯子状回路のコンデンサ１３１に並列接続される。
【００３５】
次に、第一の実施形態に係る高電圧パルス発生装置の作用を説明する。
最初にスイッチ回路１４０が開放されている。充電回路１５０の電源１５１が、電圧Ｖの充電用の電荷を第一のパルス成形回路１３０ａと第二のパルス成形回路１３０ｂとに供給する。第一のパルス成形回路１３０ａと第二のパルス成形回路１３０ｂとは、コンデンサ１３１に電荷を充電する。
スイッチ回路が閉じると、第一パルス成形回路１３０ａのコンデンサ１３１に溜まった電荷が第一の一次コイル１１３ａに流れ、第二パルス成形回路１３０ｂのコンデンサ１３１に溜まった電荷が第二の一次コイル１１３ｂに流れる。コイルに印加する電圧は、パルス成形回路１３０で成形され電圧Ｖ／２のパルスとなる。パルスは肩がなだらかにだれた略台形の形状をする。電圧はトランスで昇圧されて負荷１に供給される。第一の二次コイル１１２ａでの電圧と第二の二次コイル１１２ｂでの電圧が加算され、一つのトランスの一次コイルに電圧Ｖのパルスが印加されたのと同様の出力が負荷１に作用する。負荷１では、電子的ゲートにより所望の電圧になった略矩形のパルスを、例えば、高周波発生用電子管へ供給する。
【００３６】
本発明の第二の実施形態に係る高電圧パルス発生装置の構造を説明する。図２は、本発明の第二の実施形態の回路概念図である。第一の実施形態と異なる点のみを説明する。
【００３７】
第一のパルス成形回路２３０ａと第二のパルス成形回路２３０ｂとが同軸ケーブルで構成される。第一のパルス成形回路２３０ａの中心軸とシールドとがそれぞれ一対の第一の出力端２３３ａ、２３４ａに繋がり、第二のパルス成形回路２３０ｂの中心軸とシールドとがそれぞれ一対の第の一出力端２３３ｂ、２３４ｂに繋がる。
【００３８】
第二の実施形態に係る高電圧パルス発生装置の作用は、第一の実施形態に係る電圧パルス発生装置と同じなので説明を省略する。
【００３９】
次に、第一の実施形態に係る高電圧パルス発生装置のエネルギー効率を、同一条件でのベースライン型高電圧パルス発生装置とブルームライン型高電圧パルス発生装置のエネルギー効率と比較しつつ、評価する。第二の実施形態に係る高電圧パルス発生装置のエネルギー効率は、第一の実施形態に係る高電圧パルス発生装置のエネルギー効率の考え方と同様であるので、説明を省略する。
【００４０】
最初に、高電圧パルス発生装置のパルス立ち上がり時の時定数を評価する。トランスの一次コイルへ印加する台形のパルスは、パルス成形回路の複数のコンデンサから放電した複数のパルスが重ね合ったものである。従って、最初の１パルスに着目し、その時定数を算出すると、パルス立ち上がり時の時定数を評価できる。
【００４１】
最初の１パルス（以下、初期パルスという。）の電荷に影響を与えるインダクタンスを各形式毎に求めると次の表になる。
【表１】

【００４２】
上記の表を説明する。ここで、本発明の実施形態に係る高電圧パルス発生装置とブルームライン型高電圧パルス発生装置のトランスの巻き数比は、１：ｎであって、ベースライン型高電圧パルス発生装置のトランスの巻き数比は、１：２ｎであるとする。また、パルス成形装置の一段のインダクタのインダクタンスはＬ_PFNである。
【００４３】
最初に、初期パルスに影響を与えるパルス成形回路のインダクタンスを検討する。本発明の実施形態に係る高電圧パルス発生装置では、スイッチ素子に直近のコンデンサに充電された電荷が１パルス目の電圧を形成する。スイッチ素子とトランスとそのコンデンサでつくる閉ループ内にあるインダクタは１個であるので、初期パルスに影響をあたえるパルス成形回路インダクタンスはＬ_PFNである。一方、ブルームライン型では、スイッチ素子とトランスとそのコンデンサでつくる閉ループ内にあるインダクタはｎ個であるので、初期パルスに影響をあたえるパルス成形回路インダクタンスはｎ×Ｌ_PFNである。ベースライン型では、スイッチ素子とトランスとそのコンデンサでつくる閉ループ内にあるインダクタは１個であるので、初期パルスに影響をあたえるパルス成形回路インダクタンスはＬ_PFNである。
【００４４】
次に、初期パルスに影響を与えるパルストランスリーケージインダクタンスを検討する。本発明の実施形態に係る高電圧パルス発生装置では、巻き数比がｎであるトランスのパルストランスリーケージインダクタンスをＬ_l2とすると、トランスが２個あるので、本発明の実施形態に係る高電圧パルス発生装置のパルストランスリーケージインダクタンスは２Ｌ_l2である。一方、ブルームライン型高電圧パルス発生装置では、巻き数比がｎであるトランスを一個使用するので、ブルームライン型高電圧パルス発生装置のパルストランスリーケージインダクタンスはＬ_l2である。ベースライン型高電圧パルス発生装置では、巻き数比が２ｎであるトランスのパルストランスリーケージインダクタンスをＬ_l1とすると、ベースライン型高電圧パルス発生装置のパルストランスリーケージインダクタンスはＬ_l1である。一般に、Ｌ_l1はＬ₁₂よりも大きくなる。
【００４５】
次に、初期パルスに影響を与えるトランス一次側を２次側へ変換した線路のインダクタンスを検討する。本発明の実施形態に係る高電圧パルス発生装置では、トランス一次側の線路（線路長さ２ｍ程度）のインダクタンスをＬとすると、トランス一次側を２次側へ変換した線路のインダクタンスはｎ²Ｌである、一方、ブルームライン型高電圧パルス発生装置では、トランス一次側を２次側へ変換した線路のインダクタンスはｎ²Ｌである。ベースライン型高電圧パルス発生装置では、巻き数が２ｎであるので、トランス一次側を２次側へ変換した線路のインダクタンスは４ｎ²Ｌである。
【００４６】
上記のパルス成形回路のインダクタンスとパルストランスリーケージインダクタンスとトランス一次側を２次側へ変換した線路のインダクタンスの総和が、初期パルスに影響を与える。総和をＬ_allとすると、実際の高電圧パルス発生装置の仕様では、本発明の実施形態に係る高電圧発生装置のＬ_allが、ブルームライン型高電圧発生装置のＬ_allとベースライン型高電圧発生装置のＬ_allよりも小さくなる。
【００４７】
そして、初期パルスの立ち上がり時間Ｔは、回路時定数で代表され、その値は以下の式で与えられる。
【式１】

【００４８】
【実施例】
実際の高電圧パルス発生装置の仕様を基に実施例を説明する。
高電圧パルス発生装置の仕様を以下の様に選定する。

【００４９】
３種類の高電圧パスル発生装置のインダクタンスは、以下の様になる。
【表２】

【００５０】
３種類の高電圧パルス発生回路のパルスの立ち上がり時間Ｔは以下の様になる。
【表３】

この結果から、本発明の実施形態に係る電圧パルス発生装置では、従来の電圧パスル発生装置に比べて、パルス立ち上がり時間が短いことが分かる。
【００５１】
次に、上記の仕様の高電圧パルス発生装置のコンピュータシミュレーション結果を説明する。図３は、本発明の実施形態に係る電圧パルス発生装置のシミュレーション結果の図である。図４は、３種類の高電圧パルス発生装置のエネルギーロスの比較図である。
【００５２】
本発明の実施形態に係る高電圧パルス派生装置の出力したパルス波形は、ブルームライン型高電圧パルス派生装置のパルス波形やベースライン型高電圧パルス派生装置のパルス波形に比較して、俊敏に立ち上がり短い時間で定格の電圧に達し、俊敏に立ち下がり短い時間で電圧が下がっていることが分かる。
理想パルスのエネルギーを１．０とすると、本発明の実施形態に係る高電圧パルス発生装置のエネルギーは１．４５となる。一方、ブルームライン型高電圧パルス発生装置のエネルギーは１．６となり、ベースライン型高電圧パルス発生装置のエネルギーは１．９となる。エネルギーが少ないほど、エネルギーロスが少ないので、本発明の実施形態に係る高電圧パルス発生装置が３種類の高電圧パルス発生装置に中で最もエネルギーロスが少ない。
【００５３】
上述の実施形態の高電圧パスル発生装置を用いれば、初期パルスに影響を与える回路インピーダンスを小さくし、初期パルスの立ち上がりを早くすることができる。
また、負荷に印加するパルス波形が矩形に近くなるので、エネルギーロスが少なくなる。
【００５４】
本発明は以上に述べた実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で各種の変更が可能である。
図示した回路では、パルス成形回路のインダクタが接続されている側の出力端を二次コイルに接続したがこれに限定されず、例えば、インダクタが接続されていない側の出力端を一次コイルに接続しても良い。
また、実施例の説明では、２つのパルス成形回路を用いたがこれに限定されず、３つ以上のパルス成形回路を用いても良い。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の負荷に高電圧パスルを印加する高電圧パルス発生装置は、その構成により、以下の効果を有する。スイッチ回路が第一の一次コイルと第二の一次コイルの間の接続点を第一の出力端の他端と第二の出力端の他端とに短絡すると、第一パルス成形回路に充電された電荷が第一の出力端を経由して第一の一次コイルへ流れて誘導電流が第一の二次コイルを流れ、第二パルス成形回路に充電された電荷が第二の出力端を経由して第二の一次コイルへ流れて誘導電流が第二の二次コイルを流れ、第一の二次コイルを流れる電流と第二の二次コイルを流れる電流が同一方向に流れて加算されて負荷に印加するので、全体としてインピーダンスの小さな回路を構成でき、立ち上がりが早くてエネルギーロスの少ない高電圧パルスを負荷に印加できる。また、第一のトランスと第二のトランスの一方が同極性で、他方が異極性であるので、前記スイッチ素子を接続した際に、単純な回路構成により、前記第一の二次コイルと前記第二の二次コイルとに同一方向の電流が流れる様にすることができる。また、前記回路要素が並列接続されたコンデンサを有するので、集中定数素子で構造の簡単なパルス成形回路を構成できる。また、前記回路要素が同軸ケーブルを有するので、分布定数素子でコンパクトなパルス成形回路を構成できる。従って、出力パルスの立ち上がりを早くしてエネルギー効率の良い高電圧パルス発生装置を提供できる。
【００５６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態の回路図である。
【図２】本発明の第二の実施形態の回路図である。
【図３】本発明の実施形態のシミュレーション結果の図である。
【図４】３種類の高電圧パルス発生装置のエネルギーロスの比較図である。
【図５】ベースライン型高電圧パルス発生装置の回路図である。
【図６】ブルームライン型高電圧パルス発生装置の回路図である。
【符号の説明】
１負荷
１００第一の実施形態に係る電圧パルス発生装置
１１０負荷側回路
１１１ａ第一のトランス
１１１ｂ第二のトランス
１１２ａ第一の二次コイル
１１２ｂ第二の二次コイル
１１３ａ第一の一次コイル
１１３ｂ第二の一次コイル
１２０駆動側回路
１２１中間接続点
１３０ａ第一のパルス成形回路
１３０ｂ第二のパルス成形回路
１３１コンデンサ
１３２インダクタ
１３３ａ第一の出力端の一端
１３３ｂ第二の出力端の一端
１３４ａ第一の出力端の他端
１３４ｂ第二の出力端の他端
１４０スイッチ回路
１４１スイッチ素子
１５０充電回路
１５１電源
２００第二の実施形態に係る電圧パルス発生装置
２１０負荷側回路
２１１ａ第一のトランス
２１１ｂ第二のトランス
２１２ａ第一の二次コイル
２１２ｂ第二の二次コイル
２１３ａ第一の一次コイル
２１３ｂ第二の一次コイル
２２０駆動側回路
２２１中間接続点
２３０ａ第一のパルス成形回路
２３０ｂ第二のパルス成形回路
２３１同軸ケーブルの心線
２３２同軸ケーブルのシールド線
２３３ａ第一の出力端の一端
２３３ｂ第二の出力端の一端
２３４ａ第一の出力端の他端
２３４ｂ第二の出力端の他端
２４０スイッチ回路
２４１スイッチ素子
２５０充電回路
２５１電源
３００ベースライン型高電圧パルス発生装置
３１０負荷側回路
３１１トランス
３１２二次コイル
３１３一次コイル
３２０駆動側回路
３３０パルス成形回路
３３１コンデンサ
３３２インダクタ
３３３出力端の一端
３３４出力端の他端
３４０スイッチ回路
３４１スイッチ素子
３５０充電回路
３５１電源
４００ブルームライン型高電圧パルス発生装置
４１０負荷側回路
４１１トランス
４１２二次コイル
４１３一次コイル
４２０駆動側回路
４３０ａ第一のパルス成形回路
４３０ｂ第二のパルス成形回路
４３１コンデンサ
４３２インダクタ
４３３ａ第一の出力端の一端
４３３ｂ第二の出力端の一端
４３４ａ第一の出力端の他端
４３４ｂ第二の出力端の他端
４４０スイッチ回路
４４１スイッチ素子
４５０充電回路
４５１電源[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a voltage pulse generator used for a laser excitation power source or a particle acceleration pulse generator. In particular, the present invention relates to a voltage pulse generator characterized by a circuit configuration for generating pulses.
[0002]
[Prior art]
A high voltage pulse generator that generates a large current of a short pulse and a high voltage is used for charged particle beam generation and gas laser excitation.
Conventional high voltage pulse generators include a baseline type and a bloom line type. In addition, there are a combination of lumped constant elements such as capacitors and inductors, and a combination of distributed constant elements such as metal plates and coaxial cables, but their functions are the same.
[0003]
First, the structure of the baseline type high voltage pulse generator will be described. FIG.
It is a circuit diagram of a baseline type high voltage pulse generator.
The baseline type high voltage pulse generator 300 applies a high voltage pulse to the load 1, and includes a load side circuit 310, a drive side circuit 320, a pulse shaping circuit 330, a switch circuit 340, and a charging circuit 350. Have.
[0004]
The load side circuit 310 is a circuit that supplies a high voltage current to the load 1 and includes a transformer 311. A secondary coil 312 of the transformer 311 is connected to the load 1 in series.
[0005]
The pulse shaping circuit 330 is a circuit that outputs a pulse while shaping a charged charge, and has a circuit element that is connected to a pair of

output terminals

333 and 334 and accumulates a charge for charging. The circuit element is formed by connecting a capacitor 331 and an inductor 332 in a ladder shape. The capacitor 331 is arranged in a circuit corresponding to the rung of the ladder circuit, and the inductor 332 is arranged in a circuit corresponding to the vertical column of the ladder circuit. The ends of the vertical columns of the ladder circuit form a pair of

output ends

333 and 334.
[0006]
The driving circuit 320 is a circuit that applies a voltage to the primary coil 313 of the transformer 311, and connects one end 333 of the output end to one end of the primary coil 313.
[0007]
The switch circuit 340 is a circuit that discharges the electric charge charged in the pulse shaping circuit 330 and guides it to the primary coil 313 of the transformer 311, and includes a switch element 341. The switch element can short-circuit the other end of the primary coil 313 to the other end 334 of the output end.
[0008]
The charging circuit 350 is a circuit that supplies a charge for charging to the pulse shaping circuit 330 and includes a power source 351. The power source 351 is connected in parallel to the other end of the primary coil 313 and the other end 334 of the output end.
[0009]
Next, the operation of the baseline type high voltage pulse generator will be described.
Initially, the switch circuit 340 is opened. The power source 351 of the charging circuit 350 supplies the charge for charging at the voltage V to the pulse shaping circuit 330. The pulse shaping circuit 330 charges the capacitor 331 with electric charge.
When the switch circuit is closed, the electric charge accumulated in the capacitor 331 flows through the switch element 341 to the primary coil 313 of the transformer 311. The voltage applied to the coil is shaped by the pulse shaping circuit 330 and becomes a pulse of voltage V / 2. The pulse has a substantially trapezoidal shape with a gentle shoulder. The voltage is boosted by a transformer and supplied to the load 1. The load 1 supplies a substantially rectangular pulse having a desired voltage by an electronic gate to, for example, a high-frequency generating electron tube.
[0010]
Next, the structure of a Bloom line type high voltage pulse generator will be described. FIG. 6 is a circuit diagram of a Bloom line type high voltage pulse generator.
The Bloom line type high voltage pulse generator 400 is a device that applies a high voltage pulse to the load 1, and includes a load side circuit 410, a drive side circuit 420, a first pulse shaping circuit 430a, and a second pulse shaping circuit 430b. And a switching circuit 440 and a charging circuit 450.
[0011]
The load side circuit 410 is a circuit for supplying a high voltage current to the load 1 and includes a transformer 411. A secondary coil 412 of the transformer 411 is connected to the load 1 in series.
[0012]
The first pulse shaping circuit 430a is a circuit that outputs a pulse while shaping the charged charge, and has a circuit element that accumulates charge for charge connected to the pair of

first output terminals

433a and 434a. . The circuit element is formed by connecting a capacitor 431 and an inductor 432 in a ladder shape. The capacitor 431 is arranged in a circuit corresponding to the rung of the ladder circuit, and the inductor 432 is arranged in a circuit corresponding to the vertical column of the ladder circuit. The ends of the vertical columns of the ladder circuit form a pair of first output ends 433a and 434a.
[0013]
The second pulse shaping circuit 430b is a circuit that outputs a pulse while shaping the charged charge, and is a circuit element that accumulates charge for charge connected to the pair of

first output terminals

433b and 434b. Have The circuit element is formed by connecting a capacitor 431 and an inductor 432 in a ladder shape. The capacitor 431 is arranged in a circuit corresponding to the rung of the ladder circuit, and the inductor 432 is arranged in a circuit corresponding to the vertical column of the ladder circuit. The ends of the vertical columns of the ladder circuit form a pair of second output ends 433b and 434b.
[0014]
The drive side circuit 420 is a circuit for applying a voltage to the primary coil 413 of the transformer 411. One end 433a of the first output end is connected to one end of the primary coil 413, and one end 433b of the second output end is connected. Connect to the other end of the primary coil 413.
[0015]
The switch circuit 440 is a circuit that discharges the electric charge charged in the pulse shaping circuit 430 and guides it to the primary coil 413 of the transformer 411, and includes a switch element 441. The switch element 441 can short-circuit the end opposite to the first output end of the ladder circuit forming the first pulse shaping circuit 430a.
[0016]
The charging circuit 450 is a circuit that supplies a charge for charging to the first pulse shaping circuit 430a and the second pulse shaping circuit 430b, and includes a power source 451. The power source 451 is connected in parallel to a ladder-shaped circuit capacitor 431 including a first pulse shaping circuit 430a and a second pulse shaping circuit 430b.
[0017]
Next, the operation of the Bloom line type high voltage pulse generator will be described.
Initially, the switch circuit 440 is opened. The power source 451 of the charging circuit 450 supplies the charge for charging at the voltage V to the first pulse shaping circuit 430a and the second pulse shaping circuit 430b. The first pulse shaping circuit 430a and the second pulse shaping circuit 430b charge the capacitor 431 with electric charges.
When the switch circuit is closed, the charge accumulated in the capacitor 431 flows to the primary coil 413 of the transformer 411 through the switch element 441. The voltage applied to the primary coil 413 is shaped by the pulse shaping circuit 430 and becomes a pulse of the voltage V. The pulse has a substantially trapezoidal shape with a gentle shoulder. The voltage is boosted by a transformer and supplied to the load 1. The load 1 supplies a substantially rectangular pulse having a desired voltage by an electronic gate to, for example, a high-frequency generating electron tube.
[0018]
[Problems to be solved by the invention]
When the above-described baseline type high voltage pulse generator 300 is used, when the voltage V is charged into the pulse shaping circuit 330, a voltage of V / 2 is applied to the primary coil 313 of the transformer 311 during discharge. On the other hand, when the Bloomline type high voltage pulse generator 400 is used, when the voltage V is charged into the pulse shaping circuit 430, the voltage V is applied to the primary coil 413 of the transformer 411 during discharging.
Therefore, in order to supply a desired voltage to the load using the charging circuit having the same voltage, the turn ratio of the transformer of the baseline type high voltage pulse generator 300 is set to the Bloom line type high voltage pulse generator 400. It is necessary to double the transformer turns ratio.
In general, when the turns ratio of the primary coil and the secondary coil of the transformer increases, the leakage flux in the transformer increases, so that the leakage inductance of the transformer increases.
Furthermore, the inductance of the line obtained by converting the transformer primary side to the secondary side increases in proportion to the square of the turns ratio.
As the circuit inductance increases, the circuit time constant increases and the trapezoidal shoulder of the pulse applied to the primary coil of the transformer increases.
[0019]
On the other hand, when the Bloomline type high voltage pulse generator 400 is used, the above problem does not occur. However, since the switch circuit 440 and the drive circuit 420 sandwich the first pulse shaping circuit 430a, It is necessary to pass through the plurality of inductors 432 from when the circuit 440 is short-circuited until the electric charge reaches the driving circuit 430a, which causes a delay in voltage propagation. In particular, when the number of ladder circuits of the first pulse shaping circuit 430a and the second pulse shaping circuit 430b is increased, the tendency becomes remarkable. Therefore, the amount of the trapezoidal shoulder of the pulse applied to the primary coil 413 of the transformer 411 increases.
On the load side, when the pulse voltage reaches a predetermined value, the electronic gate is opened and the energy is used. Therefore, the pulse voltage until reaching the predetermined value is discarded as heat.
[0020]
Therefore, the conventional baseline type high voltage pulse generator and the Bloom line type high voltage pulse generator have a problem that the energy efficiency cannot be increased more than now.
[0021]
The present invention has been devised in view of the above-described problems, and aims to provide an energy efficient voltage pulse generator in which the rise of the output pulse is accelerated in place of the conventional voltage pulse generator.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a voltage pulse generator for applying a voltage pulse to a load according to the present invention includes a load-side circuit having a first transformer and a second transformer in which a secondary coil is connected in series to the load. A first pulse shaping circuit having a circuit element connected to a pair of first output terminals and storing a charge for charging; and a circuit element connected to a pair of second output terminals and storing a charge for charging. A second pulse shaping circuit having a first primary coil of the first transformer and a second of the second transformer between one end of the first output end and one end of the second output end. A drive-side circuit in which a primary coil is connected in series, and a connection point between the first primary coil and the second primary coil at the other end of the first output end and the second output end. A switch circuit having a switch element that can be short-circuited to the other end. Was assumed that came to pass the same direction of the current in the connecting the switching element and the first secondary coil and the second secondary coil.
[0023]
According to the configuration of the present invention, when the switch circuit short-circuits the connection point between the first primary coil and the second primary coil to the other end of the first output end and the other end of the second output end, The electric charge charged in the one-pulse shaping circuit flows to the first primary coil via the first output terminal, the induced current flows through the first secondary coil, and the electric charge charged in the second pulse-forming circuit The induced current flows through the second secondary coil through the second output terminal to the second primary coil, and the current flowing through the first secondary coil is the same as the current flowing through the second secondary coil. Since the current flows in the direction and is added and applied to the load, a circuit having a small impedance as a whole can be configured, and a high voltage pulse that rises quickly and has little energy loss can be applied to the load.
[0024]
Furthermore, in the voltage pulse generator according to the present invention, one of the first transformer and the second transformer has the same polarity, and the other has a different polarity.
According to the configuration of the present invention, since one of the first transformer and the second transformer has the same polarity and the other has a different polarity, when the switch element is connected, the first transformer A current in the same direction can flow through the secondary coil and the second secondary coil.
[0025]
Furthermore, the voltage pulse generator according to the present invention comprises the circuit element Have capacitors connected in parallel. According to the configuration of the present invention, the circuit element Can be configured with a lumped constant element and a simple pulse shaping circuit.
[0026]
Also, the voltage pulse generator according to the present invention comprises the circuit element Had a coaxial cable. According to the configuration of the present invention, the circuit element Since it has a coaxial cable, a compact pulse shaping circuit can be constituted by distributed constant elements.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a preferred first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In each figure, common portions are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0028]
The structure of the high-voltage pulse generator according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a conceptual circuit diagram of a first embodiment of the present invention.
[0029]
A high voltage pulse generator 100 according to a first embodiment of the present invention is a device that applies a high voltage pulse to a load, and includes a load side circuit 110, a drive side circuit 120, and a first pulse shaping circuit 130a second. The pulse shaping circuit 130b, the switch circuit 140, and the charging circuit 150 are included.
The load side circuit 110 is a circuit that supplies a high voltage current to the load 1 and includes a first transformer 111a and a second transformer 111b. The first secondary coil 112a of the first transformer 111a and the second secondary coil 112b of the second transformer 111b are connected in series to the load 1.
[0030]
The first pulse shaping circuit 130a is a circuit that outputs a pulse while shaping a charged charge, and is a circuit element that accumulates charge for charge connected to a pair of

first output terminals

133a and 134a. Have The circuit element is formed by connecting a capacitor 131 and an inductor 132 in a ladder shape. The capacitor 131 is arranged in a circuit corresponding to the rung of the ladder circuit, and the inductor 132 is arranged in a circuit corresponding to the vertical column of the ladder circuit. The ends of the vertical columns of the ladder circuit form a pair of first output ends 133a and 134a.
[0031]
The second pulse shaping circuit 130b is a circuit that outputs a pulse while shaping the charged charge, and is a circuit element that accumulates charge for charge connected to the pair of

first output terminals

133b and 134b. Have The circuit element is formed by connecting a capacitor 131 and an inductor 132 in a ladder shape. The capacitor 131 is arranged in a circuit corresponding to the rung of the ladder circuit, and the inductor 132 is arranged in a circuit corresponding to the vertical column of the ladder circuit. The ends of the vertical columns of the ladder circuit form a pair of second output ends 133b and 134b.
[0032]
The drive circuit 120 is a circuit that applies a voltage to the first primary coil 113a of the first transformer 111a and the second primary coil 113b of the second transformer 111b, and one end 133a of the first output end, The first primary coil 113a and the second primary coil 114b are connected in series between one end 133b of the second output end. That is, one end 133a of the first output end is connected to one end of the first primary coil 113a, the other end of the first primary coil 113a is connected to one end of the second primary coil 113b, and the second primary coil The other end of 113b is connected to one end 133b of the second output end. Here, for convenience of explanation, a point connecting the other end of the first primary coil 113 a and one end of the second primary coil 113 b is referred to as an intermediate connection point 121.
When a switch circuit, which will be described later, is short-circuited and a current flows through the first primary coil 113a and the second primary coil 113b, the direction of the current flowing through the first secondary coil 112a and the second secondary coil 112b It is wired so that the direction of the flowing current is the same. Preferably, one of the first transformer 111a and the second transformer 111b has the same polarity and the other has a different polarity.
[0033]
The switch circuit 140 is a circuit that discharges the charged electric charge to the pulse shaping circuit 130 and guides it to the first primary coil 113a and the second primary coil 113b, and includes a switch element 141. The switch element can short-circuit the intermediate connection point 121 between the first primary coil 113a and the second primary coil 113b to the other end 134a of the first output end and the other end 134b of the second output end. .
[0034]
The charging circuit 150 is a circuit that supplies a charge for charging to the pulse shaping circuit 130, and includes a power source 151. The power supply 151 is connected in parallel to the capacitor 131 of the ladder circuit of the first pulse shaping circuit.
[0035]
Next, the operation of the high voltage pulse generator according to the first embodiment will be described.
First, the switch circuit 140 is opened. A power supply 151 of the charging circuit 150 supplies charge for charging at a voltage V to the first pulse shaping circuit 130a and the second pulse shaping circuit 130b. The first pulse shaping circuit 130a and the second pulse shaping circuit 130b charge the capacitor 131 with electric charges.
When the switch circuit is closed, the charge accumulated in the capacitor 131 of the first pulse shaping circuit 130a flows to the first primary coil 113a, and the charge accumulated in the capacitor 131 of the second pulse shaping circuit 130b is applied to the second primary coil 113b. Flowing. The voltage applied to the coil is shaped by the pulse shaping circuit 130 to become a pulse of voltage V / 2. The pulse has a substantially trapezoidal shape with a gentle shoulder. The voltage is boosted by a transformer and supplied to the load 1. The voltage at the first secondary coil 112a and the voltage at the second secondary coil 112b are added, and the same output as when a pulse of the voltage V is applied to the primary coil of one transformer acts on the load 1. To do. The load 1 supplies a substantially rectangular pulse having a desired voltage by an electronic gate to, for example, a high-frequency generating electron tube.
[0036]
The structure of the high voltage pulse generator according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is a conceptual circuit diagram of the second embodiment of the present invention. Only differences from the first embodiment will be described.
[0037]
First pulse shaping circuit 230a and second pulse shaping circuit 230b is constituted by a coaxial cable. First pulse shaping circuit The central axis of 230a and the shield are connected to a pair of first output ends 233a and 234a, respectively, and second pulse shaping circuit The central axis of 230b and the shield are connected to the pair of first output ends 233b and 234b, respectively.
[0038]
Since the operation of the high voltage pulse generator according to the second embodiment is the same as that of the voltage pulse generator according to the first embodiment, the description thereof is omitted.
[0039]
Next, the energy efficiency of the high-voltage pulse generator according to the first embodiment is evaluated while being compared with the energy efficiency of the baseline-type high-voltage pulse generator and the bloom-line-type high-voltage pulse generator under the same conditions. To do. Since the energy efficiency of the high voltage pulse generator according to the second embodiment is the same as the energy efficiency concept of the high voltage pulse generator according to the first embodiment, the description thereof is omitted.
[0040]
First, the time constant at the rising edge of the high voltage pulse generator is evaluated. The trapezoidal pulse applied to the primary coil of the transformer is a combination of a plurality of pulses discharged from a plurality of capacitors of the pulse shaping circuit. Therefore, by paying attention to the first pulse and calculating its time constant, the time constant at the rise of the pulse can be evaluated.
[0041]
The following table shows the inductance that affects the charge of the first pulse (hereinafter referred to as the initial pulse) for each type.
[Table 1]

[0042]
The above table will be described. Here, the transformer turns ratio of the high voltage pulse generator and the bloom line type high voltage pulse generator according to the embodiment of the present invention is 1: n, and the transformer of the baseline type high voltage pulse generator is The winding number ratio is assumed to be 1: 2n. The inductance of the single stage inductor of the pulse shaping device is L _PFN It is.
[0043]
First, consider the inductance of the pulse shaping circuit that affects the initial pulse. In the high-voltage pulse generator according to the embodiment of the present invention, the charge charged in the capacitor closest to the switch element forms the voltage of the first pulse. Since there is one inductor in the closed loop formed by the switch element, the transformer and its capacitor, the pulse shaping circuit inductance that affects the initial pulse is L _PFN It is. On the other hand, in the Bloom line type, since there are n inductors in the closed loop formed by the switch element, the transformer, and its capacitor, the pulse shaping circuit inductance that affects the initial pulse is nx L _PFN It is. In the baseline type, since there is one inductor in a closed loop formed by the switch element, the transformer, and its capacitor, the pulse shaping circuit inductance that affects the initial pulse is L _PFN It is.
[0044]
Next, the pulse transleakage inductance that affects the initial pulse is examined. In the high voltage pulse generator according to the embodiment of the present invention, the pulse transleakage inductance of the transformer having the turn ratio n is L _l2 Then, since there are two transformers, the pulse trans leakage inductance of the high voltage pulse generator according to the embodiment of the present invention is 2L. _l2 It is. On the other hand, the bloom line type high voltage pulse generator uses one transformer having a turn ratio n, so that the pulse trans leakage inductance of the bloom line type high voltage pulse generator is L _l2 It is. In the baseline type high voltage pulse generator, the pulse transleakage inductance of a transformer having a turns ratio of 2n is L _l1 Then, the pulse transleakage inductance of the baseline type high voltage pulse generator is L _l1 It is. In general, L _l1 Is L ₁₂ Bigger than.
[0045]
Next, the inductance of the line obtained by converting the primary side of the transformer that affects the initial pulse to the secondary side will be examined. In the high-voltage pulse generator according to the embodiment of the present invention, when the inductance of the transformer primary side line (line length of about 2 m) is L, the inductance of the line converted from the transformer primary side to the secondary side is n. ² On the other hand, in the Bloom line type high voltage pulse generator, the inductance of the line converted from the transformer primary side to the secondary side is n ² L. In the baseline type high voltage pulse generator, since the number of turns is 2n, the inductance of the line obtained by converting the transformer primary side to the secondary side is 4n. ² L.
[0046]
The sum of the inductance of the pulse shaping circuit, the pulse transleakage inductance, and the inductance of the line obtained by converting the transformer primary side to the secondary side affects the initial pulse. Sum total L _all Then, in the specification of the actual high voltage pulse generator, the L of the high voltage generator according to the embodiment of the present invention is used. _all Is L of Bloom line type high voltage generator _all And L of the baseline type high voltage generator _all Smaller than.
[0047]
The rising time T of the initial pulse is represented by a circuit time constant, and its value is given by the following equation.
[Formula 1]

[0048]
【Example】
An embodiment will be described based on the specifications of an actual high voltage pulse generator.
Select the specifications of the high-voltage pulse generator as follows.

[0049]
The inductances of the three types of high voltage pulse generators are as follows.
[Table 2]

[0050]
The pulse rise times T of the three types of high voltage pulse generation circuits are as follows.
[Table 3]

From this result, it can be seen that the voltage pulse generator according to the embodiment of the present invention has a shorter pulse rise time than the conventional voltage pulse generator.
[0051]
Next, a computer simulation result of the high voltage pulse generator having the above specifications will be described. FIG. 3 is a diagram of a simulation result of the voltage pulse generator according to the embodiment of the present invention. FIG. 4 is a comparison diagram of energy loss of three types of high voltage pulse generators.
[0052]
The pulse waveform output from the high voltage pulse derivation device according to the embodiment of the present invention rises more quickly than the pulse waveform of the bloom line type high voltage pulse derivation device or the pulse waveform of the baseline type high voltage pulse derivation device. It can be seen that the rated voltage is reached in a short time, falls quickly, and drops in a short time.
When the energy of the ideal pulse is 1.0, the energy of the high voltage pulse generator according to the embodiment of the present invention is 1.45. On the other hand, the energy of the Bloomline type high voltage pulse generator is 1.6, and the energy of the Baseline type high voltage pulse generator is 1.9. The smaller the energy, the smaller the energy loss. Therefore, the high voltage pulse generator according to the embodiment of the present invention has the lowest energy loss among the three types of high voltage pulse generators.
[0053]
If the high voltage pulse generator of the above-described embodiment is used, the circuit impedance that affects the initial pulse can be reduced, and the rise of the initial pulse can be accelerated.
In addition, since the pulse waveform applied to the load is nearly rectangular, energy loss is reduced.
[0054]
The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
In the illustrated circuit, the output end on the side where the inductor of the pulse shaping circuit is connected is connected to the secondary coil, but the present invention is not limited to this. For example, the output end on the side where the inductor is not connected is connected to the primary coil. You may do it.
In the description of the embodiment, two pulse shaping circuits are used. However, the present invention is not limited to this, and three or more pulse shaping circuits may be used.
[0055]
【The invention's effect】
As described above, the high voltage pulse generator for applying a high voltage pulse to the load of the present invention has the following effects due to its configuration. When the switch circuit short-circuits the connection point between the first primary coil and the second primary coil to the other end of the first output end and the other end of the second output end, the first pulse shaping circuit is charged. The charged current flows to the first primary coil via the first output terminal, the induced current flows to the first secondary coil, and the charge charged in the second pulse shaping circuit passes through the second output terminal. The induced current flows through the second secondary coil through the second primary coil, and the current through the first secondary coil and the current through the second secondary coil flow in the same direction and are added. Since it is applied to the load, a circuit with a small impedance as a whole can be configured, and a high voltage pulse that rises quickly and has little energy loss can be applied to the load. In addition, since one of the first transformer and the second transformer has the same polarity and the other has a different polarity, when the switch element is connected, the first secondary coil and the A current in the same direction can flow through the second secondary coil. Also, the circuit element Can be configured with a lumped constant element and a simple pulse shaping circuit. Also, the circuit element Since it has a coaxial cable, a compact pulse shaping circuit can be constituted by distributed constant elements. Therefore, it is possible to provide an energy efficient high voltage pulse generator by increasing the rise of the output pulse.
[0056]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram of a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram of a simulation result according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a comparison diagram of energy loss of three types of high-voltage pulse generators.
FIG. 5 is a circuit diagram of a baseline type high voltage pulse generator.
FIG. 6 is a circuit diagram of a Bloom line type high voltage pulse generator.
[Explanation of symbols]
1 Load
100 Voltage pulse generator according to the first embodiment
110 Load side circuit
111a first transformer
111b Second transformer
112a first secondary coil
112b Second secondary coil
113a First primary coil
113b Second primary coil
120 Drive side circuit
121 Intermediate connection point
130a First pulse shaping circuit
130b Second pulse shaping circuit
131 capacitor
132 Inductor
133a One end of the first output end
133b One end of the second output end
134a The other end of the first output end
134b The other end of the second output end
140 Switch circuit
141 Switch element
150 charging circuit
151 Power supply
200 Voltage Pulse Generator according to Second Embodiment
210 Load side circuit
211a first transformer
211b Second transformer
212a First secondary coil
212b Second secondary coil
213a first primary coil
213b second primary coil
220 Drive side circuit
221 Intermediate connection point
230a First pulse shaping circuit
230b Second pulse shaping circuit
231 Coaxial cable core
232 Coaxial cable shielded wire
233a One end of the first output end
233b One end of the second output end
234a The other end of the first output end
234b The other end of the second output end
240 Switch circuit
241 switch element
250 charging circuit
251 power supply
300 Baseline type high voltage pulse generator
310 Load side circuit
311 transformer
312 Secondary coil
313 Primary coil
320 Drive side circuit
330 Pulse shaping circuit
331 capacitor
332 inductor
333 One end of output
334 The other end of the output end
340 switch circuit
341 Switch element
350 charging circuit
351 power supply
400 Bloom line type high voltage pulse generator
410 Load side circuit
411 transformer
412 Secondary coil
413 Primary coil
420 Drive side circuit
430a First pulse shaping circuit
430b Second pulse shaping circuit
431 Capacitor
432 Inductor
433a One end of the first output end
433b One end of the second output end
434a The other end of the first output end
434b The other end of the second output end
440 switch circuit
441 Switch element
450 charging circuit
451 power supply

Claims

A voltage pulse generator for applying a voltage pulse to a load, comprising a load-side circuit having a first transformer and a second transformer connected in series with a secondary coil, and a pair of first output terminals A first pulse shaping circuit having a circuit element connected and storing charge for charge; a second pulse shaping circuit having a circuit element connected to a pair of second output terminals and storing charge for charge; A drive in which a first primary coil of the first transformer and a second primary coil of the second transformer are connected in series between one end of the first output end and one end of the second output end A switching element capable of short-circuiting a connection point between the side circuit and the first primary coil and the second primary coil to the other end of the first output end and the other end of the second output end A switch circuit comprising: a switch circuit connected to the switch element; The first of said secondary coil second secondary coil and the same direction current came to flow, a voltage pulse generator, characterized in that.

2. The voltage pulse generator according to claim 1, wherein one of the first transformer and the second transformer has the same polarity and the other has a different polarity.

The voltage pulse generator according to claim 1, wherein the circuit element includes a capacitor connected in parallel .

The voltage pulse generator according to claim 1, wherein the circuit element includes a coaxial cable .