JP4810655B2 - パルス発生装置およびパルス発生方法 - Google Patents

Description

本発明は、マルクス回路を利用したパルス発生装置およびパルス発生方法に関する。

近年急速に拡大しつつある、大気・水質改善等の環境浄化技術や、細菌・細胞制御等のバイオ技術などでは、高電圧のパルス電圧を印加することにより、パルスパワーのエネルギーが利用されるようになっている。このような高電圧のパルス電圧を発生するための装置（パルス発生装置）としては、例えば磁気回路を用いたものや、バイポーラトランジスタを含むマルクス回路を用いたものが挙げられる。

このうち、マルクス回路を用いたパルス発生装置としては、例えば特許文献１に開示されているもの（プラズマ処理装置）が挙げられる。

また、特許文献２には、このようなマルクス回路を用いるのではなく、パルス信号の発生を光学系によって行うようにしたパルス発生装置が開示されている。

特開平７−１４２９７２号公報 特開２００２−２６３４７１号公報

ところで、上記したような技術分野において、パルスパワーのエネルギー供給による処理のスループットを向上させるためには、パルス発生装置からの出力パルスの立ち上がり時間および立ち下がり時間を、できるだけ短くすることが重要である。なぜならば、これらの時間を短縮して高速化すれば、その分だけ、パルスパワーのエネルギー供給による処理を行う時間が増えるからである。

ところが、上記した磁気回路を用いたパルス発生装置や、上記特許文献１に開示されているような技術では、出力パルスの立ち上がり時間および立ち下がり時間は数μｓ程度であり、実用上十分なレベルまで至っていなかった。

一方、上記特許文献２によれば、パルス信号を光学系により発生しているので、高速な立ち上がりを実現することが可能である。しかしながら、この特許文献２に開示されている技術によっても、高速な立ち下がりを実現することはできない。

このように従来の技術では、パルス発生装置において、出力パルスの立ち上がりおよび立ち下がりの両者を、実用上十分なレベルまで高速化するのは困難であった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、出力パルスの立ち上がりおよび立ち下がりをより高速化することが可能なパルス発生装置およびパルス発生方法を提供することにある。

本発明のパルス発生装置は、整流素子からなる第１のスイッチ素子を用いた第１のマルクス回路を含み、第１のパルス電圧を発生する第１のパルス発生部と、整流素子からなる第２のスイッチ素子を用いた第２のマルクス回路を含み、第１のパルス電圧とは電圧極性が異なる第２のパルス電圧を発生する第２のパルス発生部と、これら第１および第２のパルス発生部同士を接続すると共に、第１のパルス発生部から第２のパルス発生部への方向を順方向とする整流素子からなる第３のスイッチ素子を含むパルス結合部と、上記第１および第２のパルス電圧を互いに時間差をもって発生させると共に互いに重畳させるようにして、第１および第２のパルス発生部を制御する制御部とを備えたものである。

ここで、「マルクス回路」とは、互いに並列接続された複数の容量素子同士を、直列接続に切り換えることが可能な回路を意味する。

本発明のパルス発生方法は、整流素子からなる第１のスイッチ素子を用いた第１のマルクス回路を含む第１のパルス発生部により、第１のパルス電圧を発生させ、整流素子からなる第２のスイッチ素子を用いた第２のマルクス回路を含む第２のパルス発生部により、第１のパルス電圧とは電圧極性が異なる第２のパルス電圧を発生させ、第１のパルス発生部から第２のパルス発生部への方向を順方向とする整流素子からなる第３のスイッチ素子を含むパルス結合部により、これら第１および第２のパルス発生部同士を接続させ、上記第１および第２のパルス電圧を互いに時間差をもって発生させると共に互いに重畳させるようにして、第１および第２のパルス発生部を制御するようにしたものである。

本発明のパルス発生装置およびパルス発生方法では、第１のスイッチ素子を用いた第１のマルクス回路から、高速な立ち上がりを有する第１のパルス電圧が発生する。また、第２のスイッチ素子を用いた第２のマルクス回路から、高速な立ち上がりを有すると共に第１のパルス電圧とは電圧極性が異なる第２のパルス電圧が発生する。また、これら第１および第２のマルクス回路をそれぞれ含む第１または第２のパルス発生部同士は、第３のスイッチ素子を含むスイッチ素子を含むパルス結合部によって、互いに接続されている。ここで、第１のパルス電圧および第２のパルス電圧のうちの一方のみが発生したときには、そのパルス電圧は、第３のスイッチ素子を構成する整流素子の降伏電圧を越えることはなく、第３のスイッチ素子はオフ状態となる。よって、そのパルス電圧がそのまま、高速な立ち上がりを有する出力パルス電圧として出力される。一方、時間差をもって他方のパルス電圧も発生し、第１および第２のパルス電圧の両方が発生した状態となると、それらのパルス電圧の総和が上記降伏電圧を越えることから、第３のスイッチ素子が降伏状態となり、オン状態となる。よって、それらのパルス電圧は互いに電圧極性が異なることから、重畳されると互いに打ち消し合う方向に作用し、他方のパルス電圧の高速な立ち上がりに応じて、出力パルス電圧の立ち下がりも高速化される。このようにして、両パルス電圧の発生する時間差に応じたパルス幅によって、出力パルス電圧が出力される。

本発明のパルス発生装置では、上記第１のパルス発生部が複数段の第１のマルクス回路を含むようにしてもよく、また、上記第２のパルス発生部が複数段の第２のマルクス回路を含むようにしてもよい。このように構成した場合、出力パルス電圧の波高値をより高めることができる。

本発明のパルス発生装置では、第１ないし第３のスイッチ素子を構成する整流素子の少なくとも１つを、バイポーラトランジスタとするようにしてもよい。また、これら第１ないし第３のスイッチ素子を構成する整流素子がいずれもバイポーラトランジスタである場合には、これらバイポーラトランジスタの特性を全て同一とすると共に、第１ないし第３のスイッチ素子の個数も全て同一とするようにしてもよい。なお、「バイポーラトランジスタの特性」とは、バイポーラトランジスタの降伏特性を意味する。

本発明のパルス発生装置では、上記制御部が、パルス電圧の発生順序を調整することにより、出力パルス電圧の電圧極性を制御するようにしてもよい。また、第１のパルス電圧と第２のパルス電圧との発生時間差を調整することにより、出力パルス電圧のパルス幅を制御するようにしてもよく、パルス発生部における充電電圧を調整することにより、出力パルス電圧の波高値を制御するようにしてもよい。

本発明のパルス発生装置またはパルス発生方法によれば、第１のマルクス回路から第１のパルス電圧を発生させると共に第２のマルクス回路から第１のパルス電圧とは電圧極性が異なる第２のパルス電圧を発生させ、両パルス電圧のうちの一方のみが発生したときにはそれらを結合する第３のスイッチ素子をオフ状態として、高速な立ち上がりを有するそのパルス電圧をそのまま出力パルス電圧として出力する一方、時間差をもって他方のパルス電圧も発生させたときには、第３のスイッチ素子をオン状態として両パルス電圧を互いに打ち消し合う方向に重畳させるようにしたので、他方のパルス電圧の高速な立ち上がりに応じて出力パルス電圧の立ち下がりも高速化することができ、従来と比べて出力パルスの立ち上がりおよび立ち下がりをより高速化することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係るパルス発生装置の構成を表すものである。このパルス発生装置は、後述する出力端子Ｔout1，Ｔout2間から、高速な立ち上がりおよび立ち下がりを有する出力パルス電圧Ｖoutを出力するものであり、一対のトリガ発生部１０，２０と、トリガ発生部１０に接続された第１のパルス回路１１と、トリガ発生部２０に接続された第２のパルス回路２１と、これら第１および第２のパルス回路１１，２１の出力同士を接続して上記出力端子Ｔout1，Ｔout2へと導くパルス結合部３と、トリガ発生部１０，２０を制御する制御部４とを備えている。なお、本発明の一実施の形態に係るパルス発生方法は、本実施の形態に係るパルス発生装置によって具現化されるので、以下、併せて説明する。

トリガ発生部１０，２０は、第１のパルス発生回路１１または第２のパルス発生回路２１を動作させるためのトリガ信号ＳＴ１，ＳＴ２をそれぞれ、これら第１のパルス発生回路１１または第２のパルス発生回路２１へ出力するものである。なお、これらトリガ回路１０，２０がそれぞれトリガ信号ＳＴ１，ＳＴ２を出力するタイミングや順序については、制御部４によって制御されるようになっている。

第１のパルス発生回路１１は、トリガ信号ＳＴ１が入力されるのに応じて、電源端子Ｔ１への供給電源ＶＤＣに基づく負極性のパルス電圧（第１のパルス電圧ＶＰ１）を発生するものであり、Ｎチャネルトランジスタからなる電界効果型（ＭＯＳ；Metal Oxide Semiconductor）トランジスタＭ１と、抵抗器Ｒ１０と、コンデンサＣ１０と、ダイオードＤ１と、３つのマルクス回路１１１〜１１３とを有している。なお、これらマルクス回路１１１〜１１３はそれぞれ、電源端子Ｔ１から接続点Ｐ１３へ導かれた高圧ラインＬ１Ｈと、接地（接続点Ｐ１２）から接続点Ｐ１４へ導かれた低圧ラインＬ１Ｌとの間に挿入配置されるようになっている。

ＭＯＳトランジスタＭ１は、トリガ発生部１０に接続されると共に、高圧ラインＬ１Ｈ上の接続点Ｐ１１と、低圧ラインＬ１Ｌ上の接続点Ｐ１２との間に挿入配置されている。具体的には、ＭＯＳトランジスタＭ１のゲートはトリガ発生部１０に接続され、ソースは接続点Ｐ１２に接続され、ドレインは接続点Ｐ１１に接続されている。このような構成によりＭＯＳトランジスタＭ１は、トリガ発生部１０からのトリガ信号ＳＴ１の発生に応じてオン状態となり、後述するマルクス回路１１１〜１１３の動作を起動させるようになっている。

コンデンサＣ１０の一端は高圧ラインＬ１Ｈに接続され、その他端は低圧ラインＬ１Ｌに接続されている。また、抵抗器Ｒ１０は、低圧ラインＬ１Ｌ上で接続点Ｐ１２とコンデンサＣ１０の他端との間に配置されている。

また、ダイオードＤ１は、アノードが接続点Ｐ１４に接続され、カソードが接地（接続点Ｐ１２）に接続されている。

マルクス回路１１１〜１１３はそれぞれ、接続点Ｐ１１，Ｐ１２側から順に位置する３段構成となっており、ＭＯＳトランジスタＭ１がオン状態となるのに応じて、高速な立ち上がりを有すると共にこれらの回路の時定数に応じた立ち下がりを有する第１のパルス電圧ＶＰ１を出力するものである。また、マルクス回路１１１は、ＮＰＮトランジスタからなるバイポーラトランジスタＢ１１と、抵抗器１１Ａ，１１Ｂと、コンデンサＣ１１とから構成され、マルクス回路１１２は、バイポーラトランジスタＢ１２と、抵抗器１２Ａ，１２Ｂと、コンデンサＣ１２とから構成され、マルクス回路１１３は、バイポーラトランジスタＢ１３と、抵抗器１３Ａ，１３Ｂと、コンデンサＣ１３とから構成されている。また、これらバイポーラトランジスタＢ１１〜Ｂ１３はそれぞれ、低圧ラインＬ１Ｌから高圧ラインＬ１Ｈへの方向を順方向とする整流素子（スイッチ素子）として機能しており、これらに印加される電圧がバイポーラトランジスタの降伏電圧を超えると、バイポーラトランジスタＢ１１〜Ｂ１３がブレークダウン（降伏）し、コンデンサＣ１０〜Ｃ１３が互いに並列接続から直列接続へと切り替わるようになっている。

マルクス回路１１１〜１１３の構成を詳細に説明すると、抵抗器１１Ａは高圧ラインＬ１Ｈ上に配置されており、一端はコンデンサＣ１０の一端に接続され、他端はコンデンサＣ１１の一端に接続されている。また、抵抗器１１Ｂは低圧ラインＬ１Ｌ上に配置されており、一端はコンデンサＣ１０の他端に接続され、他端はコンデンサＣ１１の他端に接続されている。また、バイポーラトランジスタＢ１１のエミッタは、コンデンサＣ１０の他端およびベースに接続され、コレクタは抵抗器Ｒ１１Ａの他端およびコンデンサＣ１１の一端に接続されている。また、抵抗器１２Ａは高圧ラインＬ１Ｈ上に配置されており、一端はコンデンサＣ１１の一端に接続され、他端はコンデンサＣ１２の一端に接続されている。また、抵抗器１２Ｂは低圧ラインＬ１Ｌ上に配置されており、一端はコンデンサＣ１１の他端に接続され、他端はコンデンサＣ１２の他端に接続されている。また、バイポーラトランジスタＢ１２のエミッタは、コンデンサＣ１１の他端およびベースに接続され、コレクタは抵抗器Ｒ１２Ａの他端およびコンデンサＣ１２の一端に接続されている。また、抵抗器１３Ａは高圧ラインＬ１Ｈ上に配置されており、一端はコンデンサＣ１２の一端に接続され、他端はコンデンサＣ１３の一端（接続点Ｐ１３）に接続されている。また、抵抗器１３Ｂは低圧ラインＬ１Ｌ上に配置されており、一端はコンデンサＣ１２の他端に接続され、他端はコンデンサＣ１３の他端（接続点Ｐ１４）に接続されている。また、バイポーラトランジスタＢ１３のエミッタは、コンデンサＣ１２の他端およびベースに接続され、コレクタは抵抗器Ｒ１３Ａの他端およびコンデンサＣ１３の一端に接続されている。

一方、第２のパルス発生回路２１は、トリガ信号ＳＴ２が入力されるのに応じて、電源端子Ｔ２への供給電源（−ＶＤＣ）に基づく正極性のパルス電圧（第２のパルス電圧ＶＰ２）を発生するものである。すなわち、この第２のパルス発生回路２１は、第１のパルス電圧ＶＰ１と電圧極性が異なると共に、絶対値の等しい第２のパルス電圧ＶＰ２を発生するようになっている。また、詳細は後述するが、制御部４による制御により、この第２のパルス電圧ＶＰ２は、第１のパルス電圧ＶＰ１に対して所定の時間差をもって発生するようになっている。この第２のパルス発生回路２１は、ＮチャネルトランジスタからなるＭＯＳトランジスタＭ２と、抵抗器Ｒ２０と、コンデンサＣ２０と、ダイオードＤ２と、３つのマルクス回路２１１〜２１３とを有している。なお、これらマルクス回路２１１〜２１３はそれぞれ、電源端子Ｔ２から接続点Ｐ２３へ導かれた低圧ラインＬ２Ｌと、接地（接続点Ｐ２２）から接続点Ｐ２４へ導かれた高圧ラインＬ２Ｈとの間に挿入配置されるようになっている。

ＭＯＳトランジスタＭ２は、トリガ発生部２０に接続されると共に、低圧ラインＬ２Ｌ上の接続点Ｐ２１と、高圧ラインＬ２Ｈ上の接続点Ｐ２２との間に挿入配置されている。具体的には、ＭＯＳトランジスタＭ２のゲートはトリガ発生部２０に接続され、ソースは接続点Ｐ２２に接続され、ドレインは接続点Ｐ２１に接続されている。このような構成によりＭＯＳトランジスタＭ２は、トリガ発生部２０からのトリガ信号ＳＴ２の発生に応じてオン状態となり、後述するマルクス回路２１１〜２１３の動作を起動させるようになっている。

コンデンサＣ２０の一端は低圧ラインＬ２Ｌに接続され、その他端は高圧ラインＬ２Ｈに接続されている。また、抵抗器Ｒ２０は、高圧ラインＬ２Ｈ上で接続点Ｐ２２とコンデンサＣ２０の他端との間に配置されている。また、ダイオードＤ２は、アノードが接地（接続点Ｐ２２）に接続され、カソードが接続点Ｐ２４に接続されている。

マルクス回路２１１〜２１３はそれぞれ、前述のマルクス回路１１１〜１１３と同様に、接続点Ｐ２１，Ｐ２２側から順に位置する３段構成となっており、ＭＯＳトランジスタＭ２がオン状態となるのに応じて、高速な立ち上がりを有すると共にこれらの回路の時定数に応じた立ち下がりを有する第２のパルス電圧ＶＰ２を出力するものである。また、マルクス回路２１１は、ＮＰＮトランジスタからなるバイポーラトランジスタＢ２１と、抵抗器２１Ａ，２１Ｂと、コンデンサＣ２１とから構成され、マルクス回路２１２は、バイポーラトランジスタＢ２２と、抵抗器２２Ａ，２２Ｂと、コンデンサＣ２２とから構成され、マルクス回路２１３は、バイポーラトランジスタＢ２３と、抵抗器２３Ａ，２３Ｂと、コンデンサＣ２３とから構成されている。また、これらバイポーラトランジスタＢ２１〜Ｂ２３はそれぞれ、第１のパルス発生回路１１内のバイポーラトランジスタＢ１１〜Ｂ１３と同じ特性（バイポーラトランジスタの降伏特性）になるように構成されていると共に、低圧ラインＬ２Ｌから高圧ラインＬ２Ｈへの方向を順方向とする整流素子（スイッチ素子）として機能しており、これらに印加される電圧がバイポーラトランジスタの降伏電圧を超えると、バイポーラトランジスタＢ２１〜Ｂ２３がブレークダウン（降伏）し、コンデンサＣ２０〜Ｃ２３が互いに並列接続から直列接続へと切り替わるようになっている。

マルクス回路２１１〜２１３の構成を詳細に説明すると、抵抗器２１Ａは高圧ラインＬ２Ｈ上に配置されており、一端はコンデンサＣ２０の一端に接続され、他端はコンデンサＣ２１の一端に接続されている。また、抵抗器２１Ｂは高圧ラインＬ２Ｈ上に配置されており、一端はコンデンサＣ２０の他端に接続され、他端はコンデンサＣ２１の他端に接続されている。また、バイポーラトランジスタＢ２１のエミッタは、コンデンサＣ２０の他端およびベースに接続され、コレクタは抵抗器Ｒ２１Ａの他端およびコンデンサＣ２１の一端に接続されている。また、抵抗器２２Ａは低圧ラインＬ２Ｌ上に配置されており、一端はコンデンサＣ２１の一端に接続され、他端はコンデンサＣ２２の一端に接続されている。また、抵抗器２２Ｂは高圧ラインＬ２Ｈ上に配置されており、一端はコンデンサＣ２１の他端に接続され、他端はコンデンサＣ２２の他端に接続されている。また、バイポーラトランジスタＢ２２のエミッタは、コンデンサＣ２１の他端およびベースに接続され、コレクタは抵抗器Ｒ２２Ａの他端およびコンデンサＣ２２の一端に接続されている。また、抵抗器２３Ａは低圧ラインＬ２Ｌ上に配置されており、一端はコンデンサＣ２２の一端に接続され、他端はコンデンサＣ２３の一端（接続点Ｐ２３）に接続されている。また、抵抗器２３Ｂは高圧ラインＬ２Ｈ上に配置されており、一端はコンデンサＣ２２の他端に接続され、他端はコンデンサＣ２３の他端（接続点Ｐ２４）に接続されている。また、バイポーラトランジスタＢ２３のエミッタは、コンデンサＣ２２の他端およびベースに接続され、コレクタは抵抗器Ｒ２３Ａの他端およびコンデンサＣ２３の一端に接続されている。

パルス結合部３は、第１のパルス発生回路１１と第２のパルス発生回路１２の出力同士を接続するものであり、ＮＰＮトランジスタのバイポーラトランジスタからなる３つのスイッチ素子３１〜３３を有している。また、これらスイッチ素子３１〜３３はそれぞれ、第１のパルス発生回路１１内のバイポーラトランジスタＢ１１〜Ｂ１３、および第２のパルス発生回路２１内のバイポーラトランジスタＢ２１〜Ｂ２３と同じ特性（バイポーラトランジスタの降伏特性）になるように構成されていると共に、第１のパルス発生回路１１から第２のパルス発生回路１２への方向を順方向とする整流素子として機能している。具体的には、スイッチ素子３１のエミッタは、ベース、接続点Ｐ１４および出力端子Ｔout1に接続され、コレクタは、スイッチ素子３２のエミッタおよびベースに接続されている。また、スイッチ素子３２のコレクタは、スイッチ素子３３のエミッタおよびベースに接続され、スイッチ素子３３のコレクタは、接続点Ｐ２４および出力端子Ｔout2に接続されている。

また、詳細は後述するが、これらスイッチ素子３１〜３３は、第１のパルス電圧ＶＰ１および第２のパルス電圧ＶＰ２のうちの一方が発生しているときには、そのパルス電圧がバイポーラトランジスタ（整流素子）の降伏電圧を越えないようになっている一方、両方のパルス電圧が発生しているときには、そのパルス電圧が降伏電圧を越えることにより、バイポーラトランジスタ（整流素子）がブレークダウン（降伏）するようになっている。このような構成により、パルス結合部３では、パルス電圧の一方のみが発生しているときには、スイッチ素子３１〜３３がオフ状態となる一方、両方のパルス電圧が発生しているときには、スイッチ素子３１〜３３がオン状態となるようになっている。

ここで、トリガ発生部１０および第１のパルス発生回路１１が本発明における「第１のパルス発生部」の一具体例に対応し、トリガ発生部２０および第２のパルス発生回路２１が本発明における「第２のパルス発生部」の一具体例に対応する。バイポーラトランジスタＢ１１〜Ｂ１３が本発明における「第１のスイッチ素子」の一具体例に対応し、バイポーラトランジスタＢ２１〜Ｂ２３が本発明における「第２のスイッチ素子」の一具体例に対応する。また、マルクス回路１１１〜１１３が本発明における「第１のマルクス回路」の一具体例に対応し、マルクス回路２１１〜２１３が本発明における「第２のマルクス回路」の一具体例に対応する。また、スイッチ素子３１〜３３が、本発明における「第３のスイッチ素子」の一具体例に対応する。また、トリガ発生部１０，２０、パルス発生回路１１，２１およびパルス結合部３が、本発明における「パルス発生回路」の一具体例に対応する。

次に、図１および図２を参照して、このような構成のパルス発生装置の動作について、詳細に説明する。図２は、各電圧波形をタイミング図で表したものであり、（Ａ）はトリガ信号ＳＴ１の電圧（トリガ電圧ＶＴ１）の波形を、（Ｂ）は第１のパルス電圧ＶＰ１の波形を、（Ｃ）はトリガ信号ＳＴ２の電圧（トリガ電圧ＶＴ２）の波形を、（Ｄ）は第２のパルス電圧ＶＰ２の波形を、（Ｅ）は出力端子Ｔout1，Ｔout2間から出力される出力パルス電圧Ｖoutの波形を、それぞれ表している。

まず、タイミングｔ１において、制御部４からの制御により、トリガ発生部１０がトリガ信号ＳＴ１を発生する（トリガ電圧ＶＴ１を出力する）と（図２（Ａ））、第１のパルス発生回路１１では、ＭＯＳトランジスタＭ１がオン状態となり、それに応じて３段構成のマルクス回路１１１〜１１３が、それぞれ動作状態となる。よって、この第１のパルス発生回路１１から、高速な立ち上がりを有する負極の第１のパルス電圧ＶＰ１が発生し（図２（Ｂ））、タイミングｔ２において完全に立ち上がることとなる。なお、このときはトリガ発生部２０からはトリガ信号ＳＴ２は発生していない（トリガ電圧ＶＴ２が出力されていない）ので（図２（Ｃ））、第２のパルス発生回路２１ではＭＯＳトランジスタＭ２はオフ状態である。よって、マルクス回路２１１〜２１３の動作は開始されず、第２のパルス電圧ＶＰ２は出力されていない（図２（Ｄ））。

ここで、パルス結合部３には、上記のように第１のパルス電圧ＶＰ１のみが供給されることから、この第１のパルス電圧ＶＰ１はスイッチ素子３１〜３３を構成するバイポーラトランジスタ（整流素子）の降伏電圧を越えることはなく、これらスイッチ素子３１〜３３はオフ状態となる。なぜならば、第１のパルス発生回路１１内のマルクス回路１１１〜１１３に含まれるバイポーラトランジスタＢ１１〜Ｂ１３の数（３個）と、スイッチ素子３１〜３３を構成するバイポーラトランジスタの数（３個）とが互いに同数であると共に、これらバイポーラトランジスタＢ１１〜Ｂ１３，Ｂ２１〜Ｂ２３の特性（バイポーラトランジスタの降伏特性）が同一となるように構成されているからである。よって、スイッチ素子３１〜３３がオフ状態であることから、第１のパルス電圧ＶＰ１がそのまま出力パルス電圧Ｖoutとして出力され、その結果、この出力パルス電圧Ｖoutも高速に立ち上がることとなる（図２（Ｅ））。

次いで、タイミングｔ１から所定の時間差をなすタイミングｔ３において、制御部４からの制御により、トリガ発生部２０がトリガ信号ＳＴ２を発生する（トリガ電圧ＶＴ２を出力する）（図２（Ｃ））。すると、第２のパルス発生回路２１では、ＭＯＳトランジスタＭ２がオン状態となり、それに応じて３段構成のマルクス回路２１１〜２１３が、それぞれ動作状態となる。よって、この第２のパルス発生回路２１から、高速な立ち上がりを有する正極の第２のパルス電圧ＶＰ２が発生し（図２（Ｄ））、タイミングｔ４において完全に立ち上がることとなる。

ここで、パルス結合部３には、第１のパルス電圧ＶＰ１および第２のパルス電圧ＶＰ２の両方が供給されているので、これら第１および第２のパルス電圧ＶＰ１，ＶＰ２の総和が、スイッチ素子３１〜３３を構成するバイポーラトランジスタ（整流素子）の降伏電圧を越えることとなり、その結果、これらスイッチ素子３１〜３３が瞬時にブレークダウン（降伏）し、オン状態となる。よって、これら第１および第２のパルス電圧ＶＰ１，ＶＰ２は互いに電圧極性が異なることから、スイッチ素子３１〜３３がオン状態となって重畳されると、互いに打ち消し合う方向に作用し、第２のパルス電圧ＶＰ２の高速な立ち上がりに応じて、出力パルス電圧Ｖoutの立ち下がりも高速化（タイミングｔ４で完全に立ち下がる）される（図２（Ｅ））。

このようにして、第１のパルス電圧ＶＰ１と第２のパルス電圧ＶＰ２の発生する時間差（タイミングｔ１〜ｔ３）に応じたパルス幅によって、高速な立ち上がりおよび立ち下がりを有する出力パルス電圧Ｖoutが出力されることとなる。

なお、タイミングｔ２またはタイミングｔ４において、パルス電圧ＶＰ１，ＶＰ２が立ち下がった後または立ち上がった後は、パルス発生回路１１，２１内のマルクス回路１１１〜１１３，２１１〜２１３における時定数に応じて、第１のパルス電圧ＶＰ１が立ち上がると共に、第２のパルス電圧ＶＰ２が立ち下がることとなる（図２（Ｂ），（Ｄ））。

次に、図３〜図５を参照して、本実施の形態のパルス発生装置の具体的な実施例について説明する。ここで、図３は、実施例に係るパルス発生装置を表す平面配置写真であり、平面基板上に、トリガ発生部１０，２０や、パルス発生回路１１，２１、電源ライン（＋ＶＤＣ，−ＶＤＣ）や接地ラインＧＮＤなどが配置されている様子を表している。また、図４は、図３に示したパルス発生装置による出力パルス電圧Ｖoutの波形を表しており、図５は、図４におけるパルス波形Ｗ１の部分を拡大して表したものである。なお、この実施例では、第１のパルス電圧ＶＰ１と第２のパルス電圧ＶＰ２の発生する時間差は、２８ｎｓに設定されており、３．３ｋΩの出力負荷抵抗（出力端子Ｔout1，Ｔout2間に接続された図示しない抵抗器）に対する出力パルス電圧Ｖoutを表している。

まず、図４に示したように、このパルス発生装置から出力される出力パルス電圧Ｖoutの波形Ｗ１は、完全な矩形状となっている。また、図５に示したように、このパルス波形Ｗ１のパルス幅は、第１のパルス電圧ＶＰ１と第２のパルス電圧ＶＰ２の発生する時間差に対応して、実際に約２８ｎｓになっていることが分かる。また、このパルス波形の立ち上がり時間および立ち下がり時間とも約２ｎｓとなっており、立ち下がり時間が約数μｓである従来のものと比べて、格段に短くなり（約１／１０００）、高速化されていることが分かる。

以上のように、本実施の形態では、第１のパルス発生回路１１内のマルクス回路１１１〜１１３から第１のパルス電圧ＶＰ１を発生させると共に、第２のパルス発生回路２１内のマルクス回路２１１〜２１３から、第１のパルス電圧ＶＰ１とは電圧極性が異なる第２のパルス電圧ＶＰ２を発生させ、両パルス電圧のうちの一方のみが発生したときにはそれらを結合するためのスイッチ素子３１〜３３をオフ状態として、高速な立ち上がりを有する第１のパルス電圧ＶＰ１をそのまま出力パルス電圧Ｖoutとして出力する一方、時間差をもって第２のパルス電圧ＶＰ２も発生させたときには、スイッチ素子３１〜３３をオン状態として両パルス電圧を互いに打ち消し合う方向に重畳させるようにしたので、第２のパルス電圧ＶＰ２の高速な立ち上がりに応じて出力パルス電圧Ｖoutの立ち下がりも高速化することができ、従来と比べて出力パルスの立ち上がりおよび立ち下がりをより高速化することが可能となる。

また、出力パルス電圧Ｖoutの立ち上がりおよび立ち下がりを高速化することができるので、パルスパワーのエネルギー供給による処理の時間を増やすことができ、例えば大気・水質改善等の環境浄化技術や細菌・細胞制御等のバイオ技術などの分野において、このパルス発生装置による出力パルス電圧Ｖoutを適用した場合に、パルスパワーのエネルギー供給による処理のスループットを向上させることが可能となる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、制御部４によって、トリガ信号ＳＴ１，ＳＴ２のタイミング（第１のパルス電圧ＶＰ１と第２のパルス電圧ＶＰ２の発生する時間差）を調整するようにしてもよい。そのように構成した場合、例えば図６（Ａ）のパルス波形Ｗ１１〜Ｗ１４に示したように、出力パルス電圧Ｖoutのパルス幅を制御することが可能となる。

また、上記実施の形態では、第１のパルス電圧ＶＰ１を発生された後に第２のパルス電圧ＶＰ２を発生することにより、負極の出力パルス電圧Ｖoutを発生させる場合で説明したが、例えばそのようなパルス電圧の発生順序を逆にするなどの調整をするようにしてもよい。そのように構成した場合、例えば図６（Ｂ）のパルス波形Ｗ２１〜Ｗ２４に示したように、出力パルス電圧Ｖoutの極性を制御する（この場合、負極の波形から正極の波形に変更する）ことが可能となる。なお、その他にも例えば、パルス発生回路１１，２１内のマルクス回路１１１〜１１３，２１１〜２１３の充電極性を変更することによっても、出力パルス電圧Ｖoutの極性を制御することが可能である。

また、パルス発生回路１１，２１内のマルクス回路１１１〜１１３，２１１〜２１３の充電電圧を調整するようにしてもよい。そのように構成した場合、例えば図７のパルス波形Ｗ３１〜Ｗ３３に示したように、出力パルス電圧Ｖoutの波高値を制御することが可能となる。

また、上記実施の形態では、パルス発生回路１１，２１内でスイッチ素子として機能する整流素子（バイポーラトランジスタＢ１１〜Ｂ１３，Ｂ２１〜Ｂ２３）、およびパルス結合部３内のスイッチ素子３１〜３３が、いずれもバイポーラトランジスタにより構成されると共に、同一の特性（バイポーラトランジスタの降伏特性）および同じ個数により構成されている場合で説明したが、これら整流素子のうちの少なくとも１つを、バイポーラトランジスタにより構成するようにしてもよく、さらにこれら整流素子を、バイポーラトランジスタ以外の素子、例えばダイオードなどによって構成するようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、パルス発生回路１１，２１内のマルクス回路およびスイッチ素子を３段構成とした場合で説明したが、それらの段数はこれに限られない。例えば、図８のパルス波形Ｗ４１（２段構成）およびパルス波形Ｗ４２（３段構成）に示したように、このマルクス回路およびスイッチ素子の段数を変化させた場合、段数が増加することにより、出力パルス電圧Ｖoutの波高値も増加することが分かる。よって、マルクス回路の段数を調整することによっても、出力パルス電圧Ｖoutの波高値を制御することが可能となる。

さらに、上記実施の形態では、２つのパルス発生回路（パルス発生回路１１，２１）によって、パルス発生装置を構成した場合で説明したが、その個数についても、これには限られない。具体的には例えば、正極のパルス電圧を発生させる２つのパルス発生回路と、負極のパルス電圧を発生させる２つのパルス発生回路とからパルス発生装置を構成し、これら４つのパルス発生回路の出力同士をパルス結合部で接続させるようにしてもよい。また、このような偶数個のパルス発生回路から構成する場合には限られず、例えば、奇数個のパルス発生回路から接続するようにしてもよい。すなわち、パルス発生回路の個数には限定されず、所定の時間差をもってそれらから出力されるパルス電圧同士が互いに打ち消し合う方向に重畳されるようにすればよい。

本発明に係るパルス発生回路、パルス発生装置およびパルス発生方法は、例えば、大気や水質等を改善するための環境浄化技術や、殺菌や細胞等を制御するバイオ技術など、パルス電圧によるエネルギーを用いるあらゆる産業分野で利用することが可能である。

本発明の一実施の形態に係るパルス発生装置の構成を表す回路図である。 図１に示したパルス発生装置の動作を説明するためのタイミング波形図である。 図１に示したパルス発生装置の一例を表す平面配置写真である。 図３に示したパルス発生装置による出力パルス電圧を表す波形図である。 図４に示した出力パルス電圧の拡大波形図である。 変形例に係るパルス発生装置による出力パルス電圧を表す波形図である。 変形例に係るパルス発生装置による出力パルス電圧を表す波形図である。 変形例に係るパルス発生装置による出力パルス電圧を表す波形図である。

符号の説明

１１…第１のパルス発生回路、１０，２０…トリガ発生部、１１１〜１１３，２１１〜２１３…マルクス回路、２１…第２のパルス発生回路、３…パルス結合部、３１〜３３…スイッチ素子、４…制御部、＋ＶＤＣ，−ＶＤＣ…電源電圧、ＳＴ１，ＳＴ２…トリガ信号、ＶＴ１，ＶＴ２…トリガ電圧、ＶＰ１……第１のパルス電圧、ＶＰ２…第２のパルス電圧、Ｖout…出力パルス電圧、Ｔ１，Ｔ２…電源端子、Ｔout1,Ｔout2…出力端子、Ｐ１１〜Ｐ１４，Ｐ２１〜Ｐ２４…接続点、Ｌ１Ｈ，Ｌ２Ｈ…高圧ライン、Ｌ１Ｌ，Ｌ２Ｌ…低圧ライン、Ｍ１，Ｍ２…ＭＯＳトランジスタ、Ｂ１１〜Ｂ１３，Ｂ２１〜Ｂ２３…バイポーラトランジスタ、Ｃ１０〜Ｃ１３，Ｃ２０〜Ｃ２３…コンデンサ、Ｒ１０〜Ｒ１３，Ｒ２０〜Ｒ２３…抵抗器、Ｄ１，Ｄ２…ダイオード、ｔ１〜ｔ６…タイミング、Ｗ１，Ｗ１１〜Ｗ１４，Ｗ２１〜Ｗ２４，Ｗ３１〜Ｗ３３，Ｗ４１，Ｗ４２…出力パルス電圧波形。

Claims (9)

1. 整流素子からなる第１のスイッチ素子を用いた第１のマルクス回路を含み、第１のパルス電圧を発生する第１のパルス発生部と、
   整流素子からなる第２のスイッチ素子を用いた第２のマルクス回路を含み、前記第１のパルス電圧とは電圧極性が異なる第２のパルス電圧を発生する第２のパルス発生部と、
   前記第１および第２のパルス発生部同士を接続すると共に、前記第１のパルス発生部から前記第２のパルス発生部への方向を順方向とする整流素子からなる第３のスイッチ素子を含むパルス結合部と、
   前記第１および第２のパルス電圧を互いに時間差をもって発生させると共に互いに重畳させるようにして、前記第１および第２のパルス発生部を制御する制御部と
   を備えたことを特徴とするパルス発生装置。
2. 前記第１のパルス発生部は、複数段の前記第１のマルクス回路を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載のパルス発生装置。
3. 前記第２のパルス発生部は、複数段の前記第２のマルクス回路を含む
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパルス発生装置。
4. 前記第１ないし第３のスイッチ素子を構成する整流素子の少なくとも１つが、バイポーラトランジスタである
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のパルス発生装置。
5. 前記第１ないし第３のスイッチ素子を構成する整流素子がいずれもバイポーラトランジスタであり、
   これらバイポーラトランジスタの特性が同一であると共に、前記第１ないし第３のスイッチ素子の個数も同一である
   ことを特徴とする請求項４に記載のパルス発生装置。
6. 前記制御部は、前記パルス電圧の発生順序を調整することにより、前記出力パルス電圧の電圧極性を制御する
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のパルス発生装置。
7. 前記制御部は、前記第１のパルス電圧と前記第２のパルス電圧との発生時間差を調整することにより、前記出力パルス電圧のパルス幅を制御する
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のパルス発生装置。
8. 前記制御部は、前記パルス発生部における充電電圧を調整することにより、前記出力パルス電圧の波高値を制御する
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のパルス発生装置。
9. 整流素子からなる第１のスイッチ素子を用いた第１のマルクス回路を含む第１のパルス発生部により、第１のパルス電圧を発生させ、
   整流素子からなる第２のスイッチ素子を用いた第２のマルクス回路を含む第２のパルス発生部により、前記第１のパルス電圧とは電圧極性が異なる第２のパルス電圧を発生させ、
   前記第１のパルス発生部から前記第２のパルス発生部への方向を順方向とする整流素子からなる第３のスイッチ素子を含むパルス結合部により、これら第１および第２のパルス発生部同士を接続させ、
   前記第１および第２のパルス電圧を互いに時間差をもって発生させると共に互いに重畳させるようにして、前記第１および第２のパルス発生部を制御する
   ことを特徴とするパルス発生方法。

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