JP5900004B2

JP5900004B2 - パルス電源装置

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Publication number: JP5900004B2
Application number: JP2012033486A
Authority: JP
Inventors: 長田　俊宏; 俊宏長田
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2032-02-20
Also published as: JP2013172493A

Description

本発明は、パルス電源装置に係わり、特にプリパルス電圧を低減して短パルス化を可能とするパルス電源装置に関するものである。

パルスレーザ励起やパルスプラズマ発生などに用いられるパルス電源装置としては、特許文献１や特許文献２などによって公知である。図6は従来のパルス電源の回路構成図を示したもので、初段回路ユニットのエネルギー蓄積用のコンデンサＣ0に充電器Ｃhを介して直流電圧が蓄積される。負荷にエネルギーを供給する場合には、ＩＧＢＴ等よりなるスイッチング素子Ｓwをオンし、可飽和リアクトルＳＲ1が飽和することで初段ユニット間でＣ0→ＳＲ1→トランスＴＣ1→ＳwのループでＩのループ電流が流れ、蓄積されたエネルギーはトランスＴＣ1を介してコンデンサＣ1に転送される。

その後、2段目回路ユニットの可飽和リアクトルＳＲ2が飽和することでＩＩのループ電流が流れ、蓄積されたエネルギーはコンデンサＣ2に転送される。次に、3段目（終段回路ユニット）の可飽和リアクトルＳＲ3が飽和することでＩＩＩのループ電流が流れ、蓄積されたエネルギーは終段回路ユニットのコンデンサＣpに転送され、放電管ＤTにエネルギーが注入される。

特開平５−２９１８８９特開平７−２２９１８

図6で示すようなパルス電源回路では、必要とするパルス幅を得るためには可飽和リアクトルとコンデンサの組合せ回路をはしご状に複数設けられるが、出力電圧の短パルス化の要求時には、コンデンサＣ0，Ｃ1，Ｃ2，Ｃp、特にコンデンサＣpの容量Ｃを小さくする必要がある。しかし、コンデンサＣのインピーダンスは、算出式１／ωＣよりＣが小さくなればなるほど、各コンデンサＣ0，Ｃ1，Ｃ2，Ｃpのインピーダンスは小さくなる。

図７のパルス転送時の波形図で示すように、例えばコンデンサＣ1からＣ2へエネルギーを転送するループＩＩの転送期間において、コンデンサＣ1からＣpにもエネルギーが転流してコンデンサＣpに電圧Ｖrが残留する。以下、この残留電圧Ｖrをプリパルス電圧と称す。このプリパルス電圧Ｖrが影響して終段ユニットの可飽和リアクトルＳＲ3の飽和前にコンデンサＣpの放電現象が発生する。このため、出力電圧をより短パルス化するめにコンデンサ容量を小さくすることには限界が生じていた。なお、特許文献１及び２には、プリパルス電圧の縮小化についての課題については記載されていない。

本発明が目的とするところは、上記のプリパルス電圧を縮小してより短パルスの実現を可能とするパルス電源装置を提供することにある。

本発明は、可飽和リアクトルとエネルギー蓄積用コンデンサよりなる回路ユニットを複数段組合せ、初段のエネルギー蓄積用コンデンサと直列に接続されたスイッチング素子のオンにより、初段回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサに蓄積されたエネルギーを、可飽和リアクトルを介して次段回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサへ順次転送してパルスを圧縮し、終段回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサに蓄積されたエネルギーを放電管に供給するよう構成したものにおいて、
前記終段回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサと並列に、エネルギー転送時にはオン状態に維持されるスイッチ部を接続すると共に、終段回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサの電圧を検出するスイッチ制御部を設け、スイッチ制御部は、前記終段回路ユニットの１段前の回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサから終段回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサへのエネルギー転送時の電圧が所定値に達したとき、前記スイッチ部をオンからオフに切換え、且つ終段回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサのピーク値電圧近辺までオフ期間を継続するよう構成したことを特徴としたものである。

本発明の請求項２は、前記スイッチ部を、リアクトルとスイッチの直列体により構成したことを特徴としたものである。

本発明の請求項３は、前記スイッチ制御部による電圧の所定値は、前記終段回路ユニットの１段前の回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサ電圧のピーク値、若しくはピーク値近辺の電圧であることを特徴としたものである。

本発明の請求項４は、前記スイッチ制御部による検出電圧は、終段回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサ電圧に代えて、終段回路ユニットの可飽和リアクトルの端子電圧であることを特徴としたものである。

本発明の請求項５は、前記スイッチ部は、可飽和リアクトルよりなる磁気スイッチを用いたことを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、終段のコンデンサＣpより１段前のコンデンサＣｐ_-1（Ｃ2）のピーク電圧近辺から終段のコンデンサＣpの電圧がピーク値近辺になるまでオフ期間を継続し、その以外の転送時にはオン状態としたことで、
転送されるエネルギーは、プリパルス電圧が発生する期間はコンデンサＣpと並列接続されたスイッチ部を通して流れるため、コンデンサＣpに発生するプリパルス電圧は小さくなる。

また、コンデンサＣ2からＣpへのエネルギー転送が開始されると、スイッチ部はオフ状態となることから、全てのエネルギーはコンデンサＣ2からＣpへ転送されることになり、エネルギー転送効率が向上することで、出力電圧のより短パルス化が図れるものである。

本発明の実施形態を示す回路構成図。エネルギー転送状態の波形図。本発明の他の実施形態を示す回路構成図。エネルギー転送状態の波形図。本発明の他の実施形態を示すスイッチ部の構成図。従来のパルス電源装置の回路構成図。従来のエネルギー転送状態の波形図。

本発明は、パルス電源装置におけるパルス転送時に残留する終段回路ユニットのコンデンサＣpでのプリパルス電圧を抑制するために、コンデンサＣpと並列にスイッチ部を接続し、コンデンサＣpに対してエネルギーを蓄積するための目的動作時以外の他のパルス転送時にはスイッチ部をオンし、転送目的がコンデンサＣpへのエネルギー蓄積時にのみスイッチ部をオフとすることで、プリパルス電圧の発生を抑制するものである。以下実施例に基づいて詳述する。

図１は、本発明の第１の実施例を示す構成図で、図6で示す回路部品と同一、若しくは相当する部分に同一符号を付している。ただし、図1では必要とするパルス幅を得るための磁気スイッチとしての可飽和リアクトルと、エネルギー蓄積用のコンデンサのはしご状回路の組合せを、ＳＲ1とC1、ＳＲ2とＣ2、及びＳＲ3とＣpの３段回路ユニットとしているが、この組合せユニット数は任意の複数段ユニットでよいことは勿論である。

実施例１では、終段回路ユニットのコンデンサＣpと並列にスイッチ部２０を接続したものである。スイッチ部２０は、この実施例ではリアクトルＬ1と、サイラトロン等の電子管やＩＧＢＴなどの半導体素子よりなるスイッチＳＷ1より構成されている。また、このスイッチＳＷ1用のスイッチ制御部１が設けられ、スイッチ制御部１は、電圧検出部２、比較器３及び出力制御部４を有している。電圧検出部２は、終段回路ユニットの1段前であるコンデンサＣ2のピーク電圧を検出し、検出電圧は比較器３の一方の端子に入力される。比較器３の他方の端子には、予めコンデンサＣ2のピーク電圧値に近い値に設定された設定値が入力されており、検出電圧が所定値に達したとき信号を出力する。

出力制御部４は比較器３からの入力信号をトリガとし、且つコンデンサＣ2からコンデンサＣpへエネルギーを転送するに要する所定時間、スイッチＳＷ1をオフに維持するための信号を出力する。このスイッチＳＷ1をオフに維持するための所定時間は、可飽和リアクトルＳＲ3の鉄心飽和特性から予め設定される。なお、スイッチＳＷ1は、後述のように転送ループＩＩＩ以外にはオン状態となっており、転送ループＩＩＩ時にのみオフ状態となるよう制御される。

ここで、目標としたい出力電圧のパルス幅をａとすると、コンデンサＣ2，Ｃpの容量Ｃと可飽和リアクトルＳＲ3のリアクタンスＬで決まる共振周波数
π√（ＬＣ）を（1）式になるように設定する。
ａ／２＝π√｛Ｌ・（Ｃ2・Ｃp）／（Ｃ2＋Ｃp）｝…… （１）
さらに、スイッチＳＷ1と直列に接続されるリアクトルＬ1の値を（２）式になるよう設定される。
ａ／２＝π√（Ｃ2・Ｃp） …… （２）
以上のように構成された本発明の動作について、図2に基づいて説明する。
通常、スイッチＳＷ1はオンに維持されてスイッチ部２０はコンデンサＣpに並列接続された状態となっている。エネルギー転送時には、従来と同様に可飽和リアクトルＳＲ1が飽和することで、初段回路ユニットのコンデンサＣ0に蓄積されたエネルギーを、転送ループＩでコンデンサＣ1に転送する。その後、2段目回路ユニットの可飽和リアクトルＳＲ2が飽和することでＩＩのループ電流が流れ、コンデンサＣ1に蓄積されたエネルギーはコンデンサＣ2に転送される。

転送ループＩＩの時点において、電圧検出部２はコンデンサＣ2の充電電圧を検出し、比較器３はその充電電圧と設定値とを比較してコンデンサＣ2の電圧が設定されたピーク値近辺になったとき信号を出力し、出力制御部４を介してスイッチＳＷ1をオンからオフに切り換える。このスイッチＳＷ1のオフ期間ＩＩＩは、図2で示すように可飽和リアクトルＳＲ3の鉄心の飽和特性から予め設定される所定の時間後にオフからオンに制御される。

すなわち、結果的にはコンデンサＣ2のピーク電圧近辺から終段のコンデンサＣpの電圧がピーク値近辺になるまでオフ期間が継続し、その後はオンに戻される。このことから、オフ時間ＩＩＩは、別途コンデンサＣpのピーク値電圧を直接検出し、ピーク値近辺になったときにオフからオンに切り換えるようにしてもよい。

以上のように、コンデンサＣ1からコンデンサＣ2にエネルギーを転送中に発生するプリパルス電圧発生期間中にスイッチＳＷ1をオンすることで、エネルギーはＣ1→Ｌ1→Ｃ1のルートで転送され、終段ユニットのコンデンサＣpに発生するプリパルス電圧は小さくなる。また、コンデンサＣ2からＣpへのエネルギー転送開始後は、スイッチＳＷ1はオフ状態であるため、Ｃ2→Ｌ1→Ｃ2のループによるエネルギー転送は防止され、コンデンサＣ2からＣpへのエネルギー転送効率が向上するものである。

図３は第2の実施例を示した構成図で、図1との相違点は、電圧検出位置を終段ユニットの可飽和リアクトルＳＲ3の両端電圧を検出したことである。これに伴って、スイッチ制御部１０は、電圧検出部１１、飽和点検出部１２及び出力制御部１３により構成される。他の構成は図1と同様である。

飽和点検出部１２は、予め可飽和リアクトルＳＲ3の電圧・時間面積Ｖtより飽和点を算出して記憶しておく。そして、電圧検出部１１によって検出された電圧を入力して飽和点を演算し、この算出値が記憶値に達したとき飽和と判断して出力制御部１３へ出力し、この出力制御部１３を介してオン状態のスイッチＳＷ1をオフにする。この状態を示したものが図4で、転送ループＩＩＩの期間中スイッチＳＷ1はオフ状態が維持される。

したがって、第2の実施例においても、実施例１と同様にコンデンサＣ1からコンデンサＣ2にエネルギーを転送中に発生するプリパルス電圧発生期間中にスイッチＳＷ1をオンすることで、エネルギーはＣ1→Ｌ1→Ｃ1のルートで転送され、終段ユニットのコンデンサＣpに発生するプリパルス電圧は小さくなる。また、コンデンサＣ2からＣpへのエネルギー転送開始後は、スイッチＳＷ1はオフ状態であるため、Ｃ2→Ｌ1→Ｃ2のループによるエネルギー転送は防止され、コンデンサＣ2からＣpへのエネルギー転送効率が向上するものである。

図５は、スイッチ部２０として可飽和リアクトルＳＲを磁気スイッチとして用いた場合の実施例を示したものである。可飽和リアクトルＳＲには、スイッチ動作を行うために励磁コイルＲＣを備え、この励磁コイルＲＣには直列に電源ＥとスイッチＳＷが接続されており、スイッチＳＷをオンすることで励磁コイルＲＣに直流電流を流すことで可飽和リアクトルＳＲを飽和させる。

可飽和リアクトルＳＲを飽和状態を解くタイミングは、コンデンサＣ2からＣpへのエネルギー転送時でのコンデンサＣ2のピーク電圧近辺であり、このＣ2のピーク電圧近辺から終段のコンデンサＣpのピーク電圧近辺まで不飽和状態を継続させる。なお、励磁コイルＲＣと直列接続されたスイッチＳＷに対するオン・オフ指令は、図1で示したスイッチ制御部１や図4で示したスイッチ制御部１０が用いられる。

したがって、この実施例では、コンデンサＣ1からコンデンサＣ2にエネルギーを転送中でのプリパルス電圧発生期間のスイッチＳＷをオンすることで、エネルギーはＣ1→ＳＲ→Ｃ1のルートで転送され、終段ユニットのコンデンサＣpに発生するプリパルス電圧は小さくなる。また、コンデンサＣ2からＣpへのエネルギー転送開始後は、スイッチＳＷはオフ状態であるため、Ｃ2→ＳＲ→Ｃ2のループによるエネルギー転送は防止され、コンデンサＣ2からＣpへのエネルギー転送効率が向上するものである。

１，１０… スイッチ制御部
２，１１… 電圧検出部
３… 比較器
４，１３… 出力制御部
１２… 飽和点検出部
２０… スイッチ部
ＳＲ，ＳＲ１〜ＳＲ３…可飽和リアクトル
Ｃ１，Ｃ２，Ｃｐ…コンデンサ
Ｌ１…リアクトル
ＳＷ…スイッチ

Claims

可飽和リアクトルとエネルギー蓄積用コンデンサよりなる回路ユニットを複数段組合せ、初段のエネルギー蓄積用コンデンサと直列に接続されたスイッチング素子のオンにより、初段エネルギー蓄積用コンデンサに蓄積されたエネルギーを、可飽和リアクトルを介して次段回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサへ順次転送してパルスを圧縮し、終段回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサに蓄積されたエネルギーを放電管に供給するよう構成したものにおいて、
前記終段回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサと並列に、エネルギー転送時にはオン状態に維持されるスイッチ部を接続すると共に、終段回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサの電圧を検出するスイッチ制御部を設け、スイッチ制御部は、前記終段回路ユニットの１段前の回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサから終段回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサへのエネルギー転送時の電圧が所定値に達したとき、前記スイッチ部をオンからオフに切換え、且つ終段回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサのピーク値電圧近辺までオフ期間を継続するよう構成したことを特徴としたパルス電源装置。
前記スイッチ部は、リアクトルとスイッチの直列体により構成したことを特徴とした請求項1記載のパルス電源装置。
前記スイッチ制御部による電圧の所定値は、前記終段回路ユニットの１段前の回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサ電圧のピーク値、若しくはピーク値近辺の電圧であることを特徴とした請求項1又は２記載のパルス電源装置。
前記スイッチ制御部による検出電圧は、終段回路ユニットのエネルギー蓄積用コンデンサ電圧に代えて、終段回路ユニットの可飽和リアクトルの端子電圧であることを特徴とした請求項1乃至３記載の何れかであるパルス電源装置。
前記スイッチ部は、可飽和リアクトルよりなる磁気スイッチを用いたことを特徴とした請求項1又は３又は４記載の何れかであるパルス電源装置。