JP6709144B2 - パルス電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子管等の負荷にパルス状高電圧を印加するパルス電源装置に関する。

従来から、数十ｋＶオーダーのパルス状高電圧を発生させるために、マルクス回路を備えた種々のパルス電源装置が検討されている。その一例として、特許文献１には、半導体スイッチをオンさせることにより、単一の直流電源によって予め充電されていた複数のコンデンサを直列的に接続し、該複数のコンデンサを一斉に放電させるよう構成されたパルス電源装置が開示されている。

特開２００５−２３７１４７号公報

上記従来のパルス電源装置では、コンデンサとほぼ同数の半導体スイッチの制御が必要になる。このため、このパルス電源装置は、より高い電圧を発生させるためにマルクス回路の段数を増加させると、制御すべき半導体スイッチの数が増加し、制御が複雑化するという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、同じ段数のマルクス回路を備えた従来のパルス電源装置よりも高いパルス状高電圧を発生させることができるパルス電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るパルス電源装置は、ｎ段（ただし、ｎは２以上の整数）のユニット回路からなるマルクス回路を備えたパルス電源装置であって、
正極用可変直流電源と、負極用可変直流電源とをさらに備え、
ユニット回路は、第１正極端子および第２正極端子と、第１負極端子および第２負極端子と、第１中間端子および第２中間端子と、第１出力端子および第２出力端子と、第２正極端子および第２中間端子の間に接続された第１正極コンデンサと、第２中間端子および第２負極端子の間に接続された第１負極コンデンサと、第１正極端子および第２正極端子の間に接続された第１スイッチと、第１出力端子および第２正極端子の間に接続された第２スイッチと、カソードが第１負極端子に接続されるとともにアノードが第２負極端子に接続された第１の一方向通電素子と、第２負極端子および第２出力端子の間に接続された第１出力配線とを有し、
第１中間端子と第２中間端子とが導通可能に接続され、１段目のユニット回路の第１正極端子および第１中間端子の間に正極用可変直流電源が接続され、１段目のユニット回路の第１中間端子および第１負極端子の間に負極用可変直流電源が接続され、１段目のユニット回路の第１出力端子が接地され、ｍ段目（ただし、ｍは１以上ｎ未満の整数）のユニット回路の第２正極端子、第２負極端子、第２中間端子および第２出力端子が、ｍ＋１段目のユニット回路の第１正極端子、第１負極端子、第１中間端子および第１出力端子にそれぞれ接続されており、さらに、ｎ段目のユニット回路の第２出力端子に負荷が接続されることを特徴とする。

この構成では、各段のユニット回路が２つのコンデンサ（第１正極コンデンサ，第１負極コンデンサ）を有し、第１正極コンデンサが正極用可変直流電源によって予め充電され、第１負極コンデンサが負極用可変直流電源によって予め充電される。したがって、この構成によれば、各段のユニット回路が単一の直流電源によって充電される１つのコンデンサを有する場合に比べ、１段あたりの出力電圧が２倍になる。すなわち、この構成によれば、同じ段数のマルクス回路を備えた従来のパルス電源装置よりも高いパルス状高電圧を発生させることができる。

上記ユニット回路は、第１出力配線に介装された限流コイルと、限流コイルに並列接続された、還流ダイオードを含む還流回路とをさらに有していることが好ましい。

この構成によれば、負荷の短絡により生じる短絡電流が限流コイルによって制限され、第２スイッチのオフ時に限流コイルのエネルギーが還流回路で吸収されるので、ユニット回路を構成する各素子の過電流または過電圧による破損を防ぐことができる。

上記ユニット回路は、第１スイッチおよび第２スイッチを駆動するために、第１スイッチを駆動する第１駆動部と、第２スイッチを駆動する第２駆動部と、第１駆動部および第２駆動部に電源電圧を供給する第１電源部とをさらに備えていてもよい。

この場合、第１電源部は、第２中間端子および第２負極端子の間の電圧からの電力変換により電源電圧を生成する、との構成をとることができる。

また、この場合、上記パルス電源装置は、正極用可変直流電源、負極用可変直流電源、並びにユニット回路の第１駆動部および第２駆動部を制御する第１制御部をさらに備えていてもよい。

上記パルス電源装置は、パルス状高電圧の頂部における電圧を一定に保つために、正極用可変直流電源および負極用可変直流電源と１段目のユニット回路との間に設けられた、ｋ段（ただし、ｋは１以上の整数）のバウンサユニット回路からなるバウンサ回路をさらに備えていることが好ましい。

この場合、上記バウンサユニット回路は、例えば、第３正極端子および第４正極端子と、第３負極端子および第４負極端子と、第３中間端子および第４中間端子と、第３出力端子および第４出力端子と、第４正極端子および第４中間端子の間に接続された第２正極コンデンサと、第４中間端子に一端が接続された第２負極コンデンサと、第３正極端子および第４正極端子の間に接続された第３スイッチと、第３出力端子および第２負極コンデンサの他端の間に接続された第４スイッチと、第４負極端子および第２負極コンデンサの他端の間に接続された第５スイッチと、カソードが第３負極端子に接続されるとともにアノードが第２負極コンデンサの他端に接続された第２の一方向通電素子と、第４正極端子および第４出力端子の間に接続された第２出力配線と、第２正極コンデンサおよび第２負極コンデンサからなるコンデンサ部に並列接続された、バウンサコイルおよびバウンサスイッチを含むバウンサ部とを有し、
第３中間端子と第４中間端子とが導通可能に接続され、１段目のバウンサユニット回路の第３正極端子および第３中間端子の間に正極用可変直流電源が接続され、１段目のバウンサユニット回路の第３中間端子および第３負極端子の間に負極用可変直流電源が接続され、１段目のバウンサユニット回路の第３出力端子が接地され、ｋ段目のバウンサユニット回路の第４正極端子、第４負極端子、第４中間端子および第４出力端子が、１段目のユニット回路の第１正極端子、第１負極端子、第１中間端子および第１出力端子にそれぞれ接続されており、さらに、ｋが２以上の場合には、ｊ段目（ただし、ｊは１以上ｋ未満の整数）のバウンサユニット回路の第４正極端子、第４負極端子、第４中間端子および第４出力端子が、ｊ＋１段目のバウンサユニット回路の第３正極端子、第３負極端子、第３中間端子および第３出力端子にそれぞれ接続されている、との構成をとることができる。

上記バウンサユニット回路は、第３スイッチ、第４スイッチ、第５スイッチおよびバウンサスイッチを駆動するために、第３スイッチを駆動する第３駆動部と、第４スイッチを駆動する第４駆動部と、第５スイッチを駆動する第５駆動部と、バウンサスイッチを駆動する第６駆動部と、第３駆動部、第４駆動部、第５駆動部および第６駆動部に電源電圧を供給する第２電源部とをさらに備えていてもよい。

この場合、第２電源部は、第４中間端子および第２負極コンデンサの他端の間の電圧からの電力変換により電源電圧を生成する、との構成をとることができる。

また、この場合、上記バウンサユニット回路を備えたパルス電源装置は、正極用可変直流電源、負極用可変直流電源、ユニット回路の第１駆動部および第２駆動部、並びにバウンサユニット回路の第３駆動部、第４駆動部、第５駆動部および第６駆動部を制御する第２制御部をさらに備えていてもよい。

本発明によれば、同じ段数のマルクス回路を備えた従来のパルス電源装置よりも高いパルス状高電圧を発生させることができるパルス電源装置を提供することができる。

本発明の第１実施例に係るパルス電源装置の概略的な構成を示す図である。 第１実施例に係るパルス電源装置に備えられたマルクス回路を構成するユニット回路の回路図である。 第１実施例に係るパルス電源装置の初期状態における電流経路を示す図である。 第１実施例に係るパルス電源装置の一次充電状態における電流経路を示す図である。 第１実施例に係るパルス電源装置の二次充電状態における電流経路を示す図である。 第１実施例に係るパルス電源装置のパルス出力状態における電流経路を示す図である。 第１実施例に係るパルス電源装置の動作波形図である。 本発明の第２実施例に係るパルス電源装置の概略的な構成を示す図である。 第２実施例に係るパルス電源装置に備えられたバウンサ回路を構成するバウンサユニット回路の回路図である。 第２実施例に係るパルス電源装置の初期状態における電流経路を示す図である。 第２実施例に係るパルス電源装置の一次充電状態における電流経路を示す図である。 第２実施例に係るパルス電源装置の一次充電状態における電流経路を示す図である。 第２実施例に係るパルス電源装置の一次充電状態における電流経路を示す図である。 第２実施例に係るパルス電源装置のバウンサ始動状態における電流経路を示す図である。 第２実施例に係るパルス電源装置の二次充電状態における電流経路を示す図である。 第２実施例に係るパルス電源装置のパルス出力状態における電流経路を示す図である。 第２実施例に係るパルス電源装置のパルス出力状態における電流経路を示す図である。 第２実施例に係るパルス電源装置の動作波形図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明に係るパルス電源装置の実施例について説明する。

［第１実施例］
（パルス電源装置１Ａの構成）
図１に、本発明の第１実施例に係るパルス電源装置１Ａを示す。同図に示すように、パルス電源装置１Ａは、ｎ段のユニット回路Ｕ（Ｕ１〜Ｕｎ）からなるマルクス回路２と、これに接続された２つの可変直流電源（正極用可変直流電源３，負極用可変直流電源４）と、不図示の第１制御部とを備えている。パルス電源装置１Ａは、負のパルス状高電圧を発生させ、これを電子管等の負荷３０に印加することにより、電流Ｉを生じさせる。

なお、マルクス回路２の段数ｎは、発生させるべき電圧に基づいて決定された２以上の任意の整数である。

図２に示すように、マルクス回路２を構成するユニット回路Ｕは、第１正極端子Ｔ１１および第２正極端子Ｔ２１と、第１負極端子Ｔ１４および第２負極端子Ｔ２４と、第１中間端子Ｔ１３および第２中間端子Ｔ２３と、第１出力端子Ｔ１２および第２出力端子Ｔ２２と、第２正極端子Ｔ２１および第２中間端子Ｔ２３の間に接続された第１正極コンデンサＣｍｐと、第２中間端子Ｔ２３および第２負極端子Ｔ２４の間に接続された第１負極コンデンサＣｍｎと、第１正極端子Ｔ１１および第２正極端子Ｔ２１の間に接続された第１スイッチＳＷ１と、第１出力端子Ｔ１２および第２正極端子Ｔ２１の間に接続された第２スイッチＳＷ２と、第１中間端子Ｔ１３および第２中間端子Ｔ２３の間に接続された第１抵抗器Ｒ１と、カソードが第１負極端子Ｔ１４に接続されるとともにアノードが第２負極端子Ｔ２４に接続された第１ダイオードＤ１（これは、本発明の「第１の一方向通電素子」に相当する）と、第２負極端子Ｔ２４および第２出力端子Ｔ２２の間に接続された第１出力配線１０とを有している。

第１正極コンデンサＣｍｐおよび第１負極コンデンサＣｍｎは、数ｍＦオーダーの同一の静電容量を有している。

ユニット回路Ｕは、さらに、第１スイッチＳＷ１を駆動する第１駆動部１３と、第２スイッチＳＷ２を駆動する第２駆動部１４と、第１駆動部１３および第２駆動部１４に電源電圧を供給する第１電源部１２とを有している。

第１スイッチＳＷ１は、ｎ型のＭＯＳＦＥＴで構成されている。第１スイッチＳＷ１は、ドレインが第１正極端子Ｔ１１に接続され、ソースが第２正極端子Ｔ２１に接続され、ゲートが第１駆動部１３に接続されている。

第２スイッチＳＷ２は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタで構成されている。第２スイッチＳＷ２は、コレクタが第２正極端子Ｔ２１に接続され、エミッタが第１出力端子Ｔ１２に接続され、ゲートが第２駆動部１４に接続されている。

第１電源部１２は、第２中間端子Ｔ２３および第２負極端子Ｔ２４の間の電圧が予め定められた電圧を超えると、当該電圧からの電力変換により生成した電源電圧を第１駆動部１３および第２駆動部１４に供給する。各駆動部１３，１４は、電源電圧が供給されているときに限り、第１制御部（不図示）の制御下で対応するスイッチＳＷ１，ＳＷ２をオンさせることができる。逆に言うと、第１電源部１２が電源電圧を供給していないとき、各スイッチＳＷ１，ＳＷ２はオフしている。

ユニット回路Ｕは、さらに、第１出力配線１０に介装された限流コイルＬｃと、限流コイルＬｃに並列接続された、還流ダイオードを含む還流回路１１とを有している。

限流コイルＬｃおよび還流回路１１は、負荷３０の短絡により生じる短絡電流を制限するためのものである。限流コイルＬｃが短絡電流を制限し、還流回路１１が第２スイッチＳＷ２のオフ時に限流コイルＬｃの電磁エネルギーを吸収することにより、ユニット回路Ｕを構成する各素子（例えば、第２スイッチＳＷ２）の過電流または過電圧による破損が防がれる。なお、負荷３０の短絡を考慮する必要がない場合は、限流コイルＬｃおよび還流回路１１を省略することができる。

正極用可変直流電源３および負極用可変直流電源４は、第１制御部によって設定された任意の直流電圧を出力する。

図１および図２から理解されるように、正極用可変直流電源３は、１段目のユニット回路Ｕ（Ｕ１）の第１正極端子Ｔ１１および第１中間端子Ｔ１３の間に接続され、負極用可変直流電源４は、ユニット回路Ｕ１の第１中間端子Ｔ１３および第１負極端子Ｔ１４の間に接続されている。ユニット回路Ｕ１の第１出力端子Ｔ１２は接地されている。

また、ｍ段目（ただし、ｍは１以上ｎ未満の整数）のユニット回路Ｕｍ、すなわちｎ段目のユニット回路Ｕｎを除く各ユニット回路Ｕの第２正極端子Ｔ２１、第２負極端子Ｔ２４、第２中間端子Ｔ２３および第２出力端子Ｔ２２は、次段（ｍ＋１段目）のユニット回路Ｕｍ＋１の第１正極端子Ｔ１１、第１負極端子Ｔ１４、第１中間端子Ｔ１３および第１出力端子Ｔ１２にそれぞれ接続されている。そして、最終段（ｎ段目）のユニット回路Ｕｎの第２出力端子Ｔ２２は、片方が接地された負荷３０に接続されている。

（パルス電源装置１Ａの動作）
続いて、図３〜図７を参照しながら、本発明の第１実施例に係るパルス電源装置１Ａ（ただし、ｎ＝３）の動作について説明する。なお、図４〜図６においては、一部の参照符号が省略されている。

１．初期状態（図７の時刻ｔ０〜ｔ１参照）
図３に示すように、正極用可変直流電源３および負極用可変直流電源４の設定電圧がゼロである初期状態においては、各ユニット回路Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３に電流は流れない。

２．一次充電状態（図７の時刻ｔ１〜ｔ２参照）
時刻ｔ１において、第１制御部が負極用可変直流電源４の設定電圧をゼロから予め定められた一次充電電圧Ｅｎ０（例えば、３００Ｖ）に変更すると、図４に示された経路でユニット回路Ｕ１の第１負極コンデンサＣｍｎ（以下、参照符号をＣｍｎ１とすることもある）に電流が流れ、第１負極コンデンサＣｍｎ１が一次充電電圧Ｅｎ０まで充電される。すなわち、ユニット回路Ｕ１の第２中間端子Ｔ２３の電圧が緩やかに上昇する。この途中で、ユニット回路Ｕ１の第１電源部１２は、ユニット回路Ｕ１の第１駆動部１３および第２駆動部１４に電源電圧を供給し始める。なお、本明細書では、この一次充電電圧Ｅｎ０までの充電を「一次充電」と称する。

第１負極コンデンサＣｍｎ１の一次充電がある程度まで進行すると、ユニット回路Ｕ２の第１負極コンデンサＣｍｎ（以下、参照符号をＣｍｎ２とすることもある）の一次充電が始まる。この一次充電の途中で、ユニット回路Ｕ２の第１電源部１２は、ユニット回路Ｕ２の第１駆動部１３および第２駆動部１４に電源電圧を供給し始める。

そして、第１負極コンデンサＣｍｎ２の充電がある程度まで進行すると、ユニット回路Ｕ３の第１負極コンデンサＣｍｎ（以下、参照符号をＣｍｎ３とすることもある）の一次充電が始まる。この一次充電の途中で、ユニット回路Ｕ３の第１電源部１２は、ユニット回路Ｕ３の第１駆動部１３および第２駆動部１４に電源電圧を供給し始める。

このように、本実施例では、第１制御部が負極用可変直流電源４に一次充電電圧Ｅｎ０を出力させると、ユニット回路Ｕ１の第１電源部１２、ユニット回路Ｕ２の第１電源部１２およびユニット回路Ｕ３の第１電源部１２が順次起動し、各ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３の第１駆動部１３および第２駆動部１４に電源電圧を出力し始める。

３．二次充電状態（図７の時刻ｔ２〜ｔ３参照）
全ての第１駆動部１３および第２駆動部１４に電源電圧が供給されている時刻ｔ２において、第１制御部は、各ユニット回路Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３の第１駆動部１３を制御して第１スイッチＳＷ１をオンさせる。これとともに、第１制御部は、正極用可変直流電源３の設定電圧をゼロから予め定められた二次充電電圧Ｅｐ（例えば、３ｋＶ）に変更し、さらに、負極用可変直流電源４の設定電圧を一次充電電圧Ｅｎ０から予め定められた二次充電電圧Ｅｎ（例えば、３ｋＶ。Ｅｎ＝Ｅｐ）に変更する。これにより、図５に示された経路でユニット回路Ｕ１の第１正極コンデンサＣｍｐ（以下、参照符号をＣｍｐ１とすることもある）、ユニット回路Ｕ２の第１正極コンデンサＣｍｐ（以下、参照符号をＣｍｐ２とすることもある）、ユニット回路Ｕ３の第１正極コンデンサＣｍｐ（以下、参照符号をＣｍｐ３とすることもある）および第１負極コンデンサＣｍｎ１，Ｃｍｎ２，Ｃｍｎ３に電流が流れ、第１正極コンデンサＣｍｐ１，Ｃｍｐ２，Ｃｍｐ３が二次充電電圧Ｅｐまで充電されるとともに、第１負極コンデンサＣｍｎ１，Ｃｍｎ２，Ｃｍｎ３が二次充電電圧Ｅｎまで充電される。なお、本明細書では、この二次充電電圧Ｅｐまたは二次充電電圧Ｅｎまでの充電を「二次充電」と称する。

上記の通り、第１正極コンデンサＣｍｐおよび第１負極コンデンサＣｍｎの静電容量は等しく、二次充電電圧Ｅｐおよび二次充電電圧Ｅｎも等しい。しかしながら、第１負極コンデンサＣｍｎは一次充電電圧Ｅｎ０まで予め一次充電されているので、二次充電における第１正極コンデンサＣｍｐの充電電流と第１負極コンデンサＣｍｎの充電電流の間には、若干の不均衡が生じ得る。この不均衡は、第１正極コンデンサＣｍｐと第１負極コンデンサＣｍｎの接続点から第１抵抗器Ｒ１に電流が流れることにより解消される。

４．パルス出力状態（図７の時刻ｔ３〜ｔ４参照）
第１正極コンデンサＣｍｐおよび第１負極コンデンサＣｍｎの二次充電が完了している時刻ｔ３において、第１制御部は、各ユニット回路Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３の第１駆動部１３を制御して第１スイッチＳＷ１をオフさせるとともに、各ユニット回路Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３の第２駆動部１４を制御して第２スイッチＳＷ２をオンさせる。これにより、図６に示された電流経路が構築され、負荷３０に負の電圧Ｖｏｕｔが印加されるとともに、負荷３０からユニット回路Ｕ１の第１出力端子Ｔ１２に向かって電流Ｉが流れる。電圧Ｖｏｕｔのピーク値は、二次充電電圧Ｅｐ×３と二次充電電圧Ｅｎ×３との和電圧にほぼ等しい。

時刻ｔ４において、第１制御部は、各ユニット回路Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３の第２駆動部１４を制御して第２スイッチＳＷ２をオフさせる。これにより、上記電流Ｉの経路は失われ、パルス出力は終了する。

図７は、上記動作を示す動作波形図である。同図において、Ｖｃｍｎ１は、ユニット回路Ｕ１の第２中間端子Ｔ２３を基準とした第１負極コンデンサＣｍｎ１の電圧であり、Ｖｃｍｎ２は、ユニット回路Ｕ２の第２中間端子Ｔ２３を基準とした第１負極コンデンサＣｍｎ２の電圧であり、Ｖｃｍｎ３は、ユニット回路Ｕ３の第２中間端子Ｔ２３を基準とした第１負極コンデンサＣｍｎ３の電圧である。Ｖｃｍｐ１は、ユニット回路Ｕ１の第２中間端子Ｔ２３を基準とした第１正極コンデンサＣｍｐ１の電圧であり、Ｖｃｍｐ２は、ユニット回路Ｕ２の第２中間端子Ｔ２３を基準とした第１正極コンデンサＣｍｐ２の電圧であり、Ｖｃｍｐ３は、ユニット回路Ｕ３の第２中間端子Ｔ２３を基準とした第１正極コンデンサＣｍｐ３の電圧である。また、Ｖｏｕｔは、接地電位を基準としたユニット回路Ｕ３の第２出力端子Ｔ２２の電圧である。

［第２実施例］
（パルス電源装置１Ｂの構成）
図８に、本発明の第２実施例に係るパルス電源装置１Ｂを示す。同図に示すように、パルス電源装置１Ｂは、ｎ段のユニット回路Ｕ（Ｕ１〜Ｕｎ）からなるマルクス回路２と、２つの可変直流電源（正極用可変直流電源３，負極用可変直流電源４）と、これらの間に設けられたｋ段のバウンサユニット回路ＢＵ（ＢＵ１〜ＢＵｋ）からなるバウンサ回路５と、不図示の第２制御部とを備えている。パルス電源装置１Ａと同様、パルス電源装置１Ｂは、負のパルス状高電圧を発生させ、これを電子管等の負荷３０に印加することにより、電流Ｉを生じさせる。

なお、マルクス回路２の段数ｎは、発生させるべき電圧に基づいて決定された２以上の任意の整数であり、バウンサ回路５の段数ｋは、必要とされる補償の程度に応じて決定された１以上ｎ未満の任意の整数である。一例として、段数ｋは、段数ｎの１／５〜１／１０の範囲内で決定される。

マルクス回路２は、第１実施例におけるマルクス回路２と同一の構成を有している。

図９に示すように、バウンサ回路５を構成するバウンサユニット回路ＢＵは、第３正極端子Ｔ３１および第４正極端子Ｔ４１と、第３負極端子Ｔ３４および第４負極端子Ｔ４４と、第３中間端子Ｔ３３および第４中間端子Ｔ４３と、第３出力端子Ｔ３２および第４出力端子Ｔ４２と、第４正極端子Ｔ４１および第４中間端子Ｔ４３の間に接続された第２正極コンデンサＣｂｐと、第４中間端子Ｔ４３に一端ａが接続された第２負極コンデンサＣｂｎと、第３正極端子Ｔ３１および第４正極端子Ｔ４１の間に接続された第３スイッチＳＷ３と、第３出力端子Ｔ３２および第２負極コンデンサＣｂｎの他端ｂの間に接続された第４スイッチＳＷ４と、第４負極端子Ｔ４４および第２負極コンデンサＣｂｎの他端ｂの間に接続された第５スイッチＳＷ５と、第３中間端子Ｔ３３および第４中間端子Ｔ４３の間に接続された第２抵抗器Ｒ２と、カソードが第３負極端子Ｔ３４に接続されるとともにアノードが第２負極コンデンサＣｂｎの他端ｂに接続された第２ダイオードＤ２（これは、本発明の「第２の一方向通電素子」に相当する）と、第４正極端子Ｔ４１および第４出力端子Ｔ４２の間に接続された第２出力配線２０と、第２正極コンデンサＣｂｐおよび第２負極コンデンサＣｂｎからなるコンデンサ部に並列接続されたバウンサ部２１とを有している。

第２正極コンデンサＣｂｐおよび第２負極コンデンサＣｂｎは、数ｍＦオーダーの同一の静電容量を有している。

バウンサ部２１は、一端が第４出力端子Ｔ４２に接続されたバウンサコイルＬｂと、バウンサコイルＬｂの他端にカソードが接続されたバウンサダイオードＤｂと、バウンサコイルＬｂの他端にアノードが接続されたバウンサスイッチＳＷｂ（サイリスタ）とを含んでいる。バウンサダイオードＤｂのアノードおよびバウンサスイッチＳＷｂのカソードは、第２負極コンデンサＣｂｎの他端ｂに接続されている。

バウンサユニット回路ＢＵは、さらに、第３スイッチＳＷ３を駆動する第３駆動部２３と、第４スイッチＳＷ４を駆動する第４駆動部２４と、第５スイッチＳＷ５を駆動する第５駆動部２５と、バウンサスイッチＳＷｂを駆動する第６駆動部２６と、第３駆動部２３、第４駆動部２４、第５駆動部２５および第６駆動部２６に電源電圧を供給する第２電源部２２とを有している。

第３スイッチＳＷ３は、ｎ型のＭＯＳＦＥＴで構成されている。第３スイッチＳＷ３は、ドレインが第３正極端子Ｔ３１に接続され、ソースが第４正極端子Ｔ４１に接続され、ゲートが第３駆動部２３に接続されている。また、第３スイッチＳＷ３には、順方向（第３正極端子Ｔ３１から第３スイッチＳＷ３に向けて導通する方向）に接続されたダイオードが付随している。

第４スイッチＳＷ４は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタで構成されている。第４スイッチＳＷ４は、コレクタが第２負極コンデンサＣｂｎの他端ｂに接続され、エミッタが第３出力端子Ｔ３２に接続され、ゲートが第４駆動部２４に接続されている。また、第４スイッチＳＷ４には、順方向（第４スイッチＳＷ４から第３出力端子Ｔ３２に向けて導通する方向）に接続されたダイオードが付随している。

第５スイッチＳＷ５は、ｎ型のＭＯＳＦＥＴで構成されている。第５スイッチＳＷ５は、ドレインが第４負極端子Ｔ４４に接続され、ソースが第２負極コンデンサＣｂｎの他端ｂに接続され、ゲートが第５駆動部２５に接続されている。

バウンサスイッチＳＷｂは、前述の通り、サイリスタで構成されている。バウンサスイッチＳＷｂのゲートは、第６駆動部２６に接続されている。

第２電源部２２は、第４中間端子Ｔ４３および第２負極コンデンサＣｂｎの他端ｂの間の電圧が予め定められた電圧を超えると、当該電圧からの電力変換により生成した電源電圧を第３駆動部２３、第４駆動部２４、第５駆動部２５および第６駆動部２６に供給する。各駆動部２３，２４，２５，２６は、電源電圧が供給されているときに限り、第２制御部（不図示）の制御下で対応するスイッチＳＷ３，ＳＷ４，ＳＷ５，ＳＷｂをオンさせることができる。逆に言うと、第２電源部２２が電源電圧を供給していないとき、各スイッチＳＷ３，ＳＷ４，ＳＷ５，ＳＷｂはオフしている。

正極用可変直流電源３および負極用可変直流電源４は、第２制御部によって設定された任意の直流電圧を出力する。

図８および図９から理解されるように、正極用可変直流電源３は、１段目のバウンサユニット回路ＢＵ（ＢＵ１）の第３正極端子Ｔ３１および第３中間端子Ｔ３３の間に接続され、負極用可変直流電源４は、バウンサユニット回路ＢＵ１の第３中間端子Ｔ３３および第３負極端子Ｔ３４の間に接続されている。バウンサユニット回路ＢＵ１の第３出力端子Ｔ３２は接地されている。

また、段数ｋが２以上の場合、ｊ段目（ただし、ｊは１以上ｋ未満の整数）のバウンサユニット回路ＢＵｊ、すなわちｋ段目のバウンサユニット回路ＢＵｋを除く各バウンサユニット回路ＢＵの第４正極端子Ｔ４１、第４負極端子Ｔ４４、第４中間端子Ｔ４３および第４出力端子Ｔ４２は、次段（ｊ＋１段目）のバウンサユニット回路ＢＵｊ＋１の第３正極端子Ｔ３１、第３負極端子Ｔ３４、第３中間端子Ｔ３３および第３出力端子Ｔ３２にそれぞれ接続されている。そして、最終段（ｋ段目）のバウンサユニット回路ＢＵｋの第４正極端子Ｔ４１、第４負極端子Ｔ４４、第４中間端子Ｔ４３および第４出力端子Ｔ４２は、それぞれ、マルクス回路２を構成する１段目のユニット回路Ｕ１の第１正極端子Ｔ１１、第１負極端子Ｔ１４、第１中間端子Ｔ１３および第１出力端子Ｔ１２に接続される。

（パルス電源装置１Ｂの動作）
続いて、図１０〜図１８を参照しながら、本発明の第２実施例に係るパルス電源装置１Ｂ（ただし、ｎ＝３、ｋ＝２）の動作について説明する。なお、図１１〜図１７においては、一部の参照符号が省略されている。

１．初期状態（図１８の時刻ｔ０〜ｔ１参照）
図１０に示すように、正極用可変直流電源３および負極用可変直流電源４の設定電圧がゼロである初期状態においては、各バウンサユニット回路ＢＵ１，ＢＵ２に電流は流れない。１段目のユニット回路Ｕ１の第１正極端子Ｔ１１と第１中間端子Ｔ１３の間の電圧、および第１中間端子Ｔ１３と第１負極端子Ｔ１４の間の電圧がゼロなので、各ユニット回路Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３にも電流は流れない（図３参照）。

２．一次充電状態１（図１８の時刻ｔ１〜ｔ２参照）
時刻ｔ１において、第２制御部が負極用可変直流電源４の設定電圧をゼロから予め定められた一次充電電圧Ｅｎ０（例えば、３００Ｖ）に変更すると、図１１に示された経路でバウンサユニット回路ＢＵ１の第２負極コンデンサＣｂｎ（以下、参照符号をＣｂｎ１とすることもある）に電流が流れ、第２負極コンデンサＣｂｎ１が一次充電される。この途中で、バウンサユニット回路ＢＵ１の第２電源部２２は、バウンサユニット回路ＢＵ１の第３駆動部２３、第４駆動部２４、第５駆動部２５および第６駆動部２６に電源電圧を供給し始める。

３．一次充電状態２（図１８の時刻ｔ２〜ｔ３参照）
第２負極コンデンサＣｂｎ１の一次充電が完了している時刻ｔ２において、第２制御部は、バウンサユニット回路ＢＵ１の第５駆動部２５を制御して第５スイッチＳＷ５をオンさせる。これにより、図１２に示された経路でバウンサユニット回路ＢＵ２の第２負極コンデンサＣｂｎ（以下、参照符号をＣｂｎ２とすることもある）に電流が流れ、第２負極コンデンサＣｂｎ２が一次充電される。この途中で、バウンサユニット回路ＢＵ２の第２電源部２２は、バウンサユニット回路ＢＵ２の第３駆動部２３、第４駆動部２４、第５駆動部２５および第６駆動部２６に電源電圧を供給し始める。

４．一次充電状態３（図１８の時刻ｔ３〜ｔ４参照）
第２負極コンデンサＣｂｎ２の一次充電が完了している時刻ｔ３において、第２制御部は、バウンサユニット回路ＢＵ２の第５駆動部２５を制御して第５スイッチＳＷ５をオンさせる。これにより、図１３および図４に示された経路で各ユニット回路Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３の第１負極コンデンサＣｍｎ１，Ｃｍｎ２，Ｃｍｎ３に電流が流れ、第１負極コンデンサＣｍｎ１，Ｃｍｎ２，Ｃｍｎ３が順次一次充電される。

５．二次充電状態（図１８の時刻ｔ４〜ｔ５参照）
全ての第１駆動部１３、第２駆動部１４、第３駆動部２３、第４駆動部２４、第５駆動部２５および第６駆動部２６に電源電圧が供給されている時刻ｔ４において、第２制御部は、各バウンサユニット回路ＢＵ１，ＢＵ２の第３駆動部２３を制御して第３スイッチＳＷ３をオンさせるとともに、正極用可変直流電源３の設定電圧をゼロから予め定められた二次充電電圧Ｅｐ（例えば、３ｋＶ）に変更し、さらに、負極用可変直流電源４の設定電圧を一次充電電圧Ｅｎ０から予め定められた二次充電電圧Ｅｎ（例えば、３ｋＶ。Ｅｎ＝Ｅｐ）に変更する。これにより、図１４に示された経路でバウンサユニット回路ＢＵ１の第２正極コンデンサＣｂｐ（以下、参照符号をＣｂｐ１とすることもある）、バウンサユニット回路ＢＵ２の第２正極コンデンサＣｂｐ（以下、参照符号をＣｂｐ２とすることもある）および第２負極コンデンサＣｂｎ１，Ｃｂｎ２に電流が流れ、第２正極コンデンサＣｂｐ１，Ｃｂｐ２が二次充電電圧Ｅｐまで二次充電されるとともに、第２負極コンデンサＣｂｎ１，Ｃｂｎ２が二次充電電圧Ｅｎまで二次充電される。また、時刻ｔ４において、第１制御部は、各ユニット回路Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３の第１駆動部１３を制御して第１スイッチＳＷ１をオンさせる。これにより、図５に示された経路で第１正極コンデンサＣｍｐ１，Ｃｍｐ２，Ｃｍｐ３および第１負極コンデンサＣｍｎ１，Ｃｍｎ２，Ｃｍｎ３に電流が流れ、第１正極コンデンサＣｍｐ１，Ｃｍｐ２，Ｃｍｐ３が二次充電電圧Ｅｐまで二次充電されるとともに、第１負極コンデンサＣｍｎ１，Ｃｍｎ２，Ｃｍｎ３が二次充電電圧Ｅｎまで二次充電される。

６．バウンサ始動状態（図１８の時刻ｔ５〜ｔ６参照）
全てのコンデンサＣｂｐ，Ｃｂｎ，Ｃｍｐ，Ｃｍｎの二次充電が完了している時刻ｔ５において、第２制御部は、各バウンサユニット回路ＢＵ１，ＢＵ２の第６駆動部２６を制御してバウンサスイッチＳＷｂをオンさせる。これにより、図１５に示された経路、すなわち、バウンサコイルＬｂ→バウンサスイッチＳＷｂの経路で第２正極コンデンサＣｂｐおよび第２負極コンデンサＣｂｎが放電する。この放電により、第２正極コンデンサＣｂｐおよび第２負極コンデンサＣｂｎの両端の電圧は緩やかに減少していく。そして、時刻ｔ７において、第２正極コンデンサＣｂｐおよび第２負極コンデンサＣｂｎの両端の電圧は極性が反転する。

７．パルス出力状態（図１８の時刻ｔ６〜ｔ８参照）
時刻ｔ５と時刻ｔ７の間の時刻ｔ６において、第２制御部は、各バウンサユニット回路ＢＵ１，ＢＵ２の第３駆動部２３および第５駆動部２５を制御して第３スイッチＳＷ３および第５スイッチＳＷ５をオフさせるとともに、各バウンサユニット回路ＢＵ１，ＢＵ２の第４駆動部２４を制御して第４スイッチＳＷ４をオンさせる。また、時刻ｔ６において、第１制御部は、各ユニット回路Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３の第１駆動部１３を制御して第１スイッチＳＷ１をオフさせるとともに、各ユニット回路Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３の第２駆動部１４を制御して第２スイッチＳＷ２をオンさせる。これにより、図１６および図６に示された電流経路が構築され、負荷３０に負の電圧Ｖｏｕｔが印加されるとともに、負荷３０からバウンサユニット回路ＢＵ１の第３出力端子Ｔ３２に向かって電流Ｉが流れる。

時刻ｔ６において、バウンサ部２１は、電流Ｉの電流経路に対しマルクス回路２とは逆極性の電圧を与えている。このため、図１８に示すように、電圧Ｖｏｕｔは、バウンサ回路５が存在しない場合よりも小さい。その後、時刻ｔ７において、バウンサ部２１を流れる電流の極性は反転する（図１７参照）。その結果、図１８に示すように、電圧Ｖｏｕｔは、バウンサ回路５が存在しない場合よりも大きくなる。これにより、電圧Ｖｏｕｔの頂部における変動（単調減少）が補償される。

時刻ｔ８において、第２制御部は、各バウンサユニット回路ＢＵ１，ＢＵ２の第４駆動部２４を制御して第４スイッチＳＷ４をオフさせるとともに、各ユニット回路Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３の第２駆動部１４を制御して第２スイッチＳＷ２をオフさせる。これにより、上記電流Ｉの経路は失われ、パルス出力は終了する。

図１８は、上記動作を示す動作波形図である。同図において、Ｖｃｂｎ１は、バウンサユニット回路ＢＵ１の第４中間端子Ｔ４３を基準とした第２負極コンデンサＣｂｎ１の電圧であり、Ｖｃｂｎ２は、バウンサユニット回路ＢＵ２の第４中間端子Ｔ４３を基準とした第２負極コンデンサＣｂｎ２の電圧である。また、Ｖｃｂｐ１は、バウンサユニット回路ＢＵ１の第４中間端子Ｔ４３を基準とした第２正極コンデンサＣｂｐ１の電圧であり、Ｖｃｂｐ２は、バウンサユニット回路ＢＵ２の第４中間端子Ｔ４３を基準とした第２正極コンデンサＣｂｐ２の電圧である。Ｖｃｍｎ１、Ｖｃｍｎ２、Ｖｃｍｎ３、Ｖｃｍｐ１、Ｖｃｍｐ２、Ｖｃｍｐ３およびＶｏｕｔについては、図７と同様である。

以上、本発明に係るパルス電源装置の第１実施例および第２実施例について説明してきたが、本発明に係るパルス電源装置の構成は、これらに限定されない。

例えば、ユニット回路Ｕの段数ｎおよびバウンサユニット回路ＢＵの段数ｋは、ｎ＝３、ｋ＝２に限定されない。

また、ユニット回路Ｕの第１抵抗器Ｒ１は、適当なスイッチに置き換えることができる。この場合は、当該スイッチを駆動するための駆動部を設け、さらに、当該駆動部に電源電圧を供給するために第１電源部１２の接続位置を変更する必要がある。バウンサユニット回路ＢＵの第２抵抗器Ｒ２についても同様である。

１Ａ パルス電源装置（第１実施例）
１Ｂ パルス電源装置（第２実施例）
２ マルクス回路
３ 正極用可変直流電源
４ 負極用可変直流電源
５ バウンサ回路
１０ 第１出力配線
１１ 還流回路
１２ 第１電源部
１３ 第１駆動部
１４ 第２駆動部
２０ 第２出力配線
２１ バウンサ部
２２ 第２電源部
２３ 第３駆動部
２４ 第４駆動部
２５ 第５駆動部
２６ 第６駆動部
３０ 負荷
ＢＵ，ＢＵ１，ＢＵ２，・・・，ＢＵｋ バウンサユニット回路
Ｃｍｐ 第１正極コンデンサ
Ｃｍｎ 第１負極コンデンサ
Ｃｂｐ 第２正極コンデンサ
Ｃｂｎ 第２負極コンデンサ
Ｄ１ 第１ダイオード（第１の一方向通電素子）
Ｄ２ 第２ダイオード（第２の一方向通電素子）
Ｄｂ バウンサダイオード
Ｌｃ 限流コイル
Ｒ１ 第１抵抗器
Ｒ２ 第２抵抗器
ＳＷ１ 第１スイッチ
ＳＷ２ 第２スイッチ
ＳＷ３ 第３スイッチ
ＳＷ４ 第４スイッチ
ＳＷ５ 第５スイッチ
ＳＷｂ バウンサスイッチ
Ｔ１１ 第１正極端子
Ｔ１２ 第１出力端子
Ｔ１３ 第１中間端子
Ｔ１４ 第１負極端子
Ｔ２１ 第２正極端子
Ｔ２２ 第２出力端子
Ｔ２３ 第２中間端子
Ｔ２４ 第２負極端子
Ｔ３１ 第３正極端子
Ｔ３２ 第３出力端子
Ｔ３３ 第３中間端子
Ｔ３４ 第３負極端子
Ｔ４１ 第４正極端子
Ｔ４２ 第４出力端子
Ｔ４３ 第４中間端子
Ｔ４４ 第４負極端子
Ｕ，Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，・・・，Ｕｎ ユニット回路

Claims (6)

1. ｎ段（ただし、ｎは２以上の整数）のユニット回路からなるマルクス回路を備えたパルス電源装置であって、
   正極用可変直流電源と、
   負極用可変直流電源と、
   をさらに備え、
   前記ユニット回路は、
   第１正極端子および第２正極端子と、
   第１負極端子および第２負極端子と、
   第１中間端子および第２中間端子と、
   第１出力端子および第２出力端子と、
   前記第２正極端子および前記第２中間端子の間に接続された第１正極コンデンサと、
   前記第２中間端子および前記第２負極端子の間に接続された第１負極コンデンサと、
   前記第１正極端子および前記第２正極端子の間に接続された第１スイッチと、
   前記第１出力端子および前記第２正極端子の間に接続された第２スイッチと、
   カソードが前記第１負極端子に接続されるとともにアノードが前記第２負極端子に接続された第１の一方向通電素子と、
   前記第２負極端子および前記第２出力端子の間に接続された第１出力配線と、
   を有し、
   前記第１中間端子と前記第２中間端子とが導通可能に接続され、
   １段目の前記ユニット回路の前記第１正極端子および前記第１中間端子の間に前記正極用可変直流電源が接続され、
   １段目の前記ユニット回路の前記第１中間端子および前記第１負極端子の間に前記負極用可変直流電源が接続され、
   １段目の前記ユニット回路の前記第１出力端子が接地され、
   ｍ段目（ただし、ｍは１以上ｎ未満の整数）の前記ユニット回路の前記第２正極端子、前記第２負極端子、前記第２中間端子および前記第２出力端子が、ｍ＋１段目の前記ユニット回路の前記第１正極端子、前記第１負極端子、前記第１中間端子および前記第１出力端子にそれぞれ接続されており、さらに、
   ｎ段目の前記ユニット回路の前記第２出力端子に負荷が接続される
   ことを特徴とするパルス電源装置。
2. 前記ユニット回路は、
   前記第１出力配線に介装された限流コイルと、
   前記限流コイルに並列接続された、還流ダイオードを含む還流回路と、
   をさらに有している
   ことを特徴とする請求項１に記載のパルス電源装置。
3. 前記ユニット回路は、
   前記第１スイッチを駆動する第１駆動部と、
   前記第２スイッチを駆動する第２駆動部と、
   前記第１駆動部および前記第２駆動部に電源電圧を供給する第１電源部と、
   をさらに有し、
   前記第１電源部は、前記第２中間端子および前記第２負極端子の間の電圧からの電力変換により前記電源電圧を生成する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパルス電源装置。
4. 前記正極用可変直流電源、前記負極用可変直流電源、並びに前記ユニット回路の前記第１駆動部および前記第２駆動部を制御する第１制御部をさらに備えている
   ことを特徴とする請求項３に記載のパルス電源装置。
5. 前記正極用可変直流電源および前記負極用可変直流電源と１段目の前記ユニット回路との間に設けられた、ｋ段（ただし、ｋは１以上の整数）のバウンサユニット回路からなるバウンサ回路をさらに備え、
   前記バウンサユニット回路は、
   第３正極端子および第４正極端子と、
   第３負極端子および第４負極端子と、
   第３中間端子および第４中間端子と、
   第３出力端子および第４出力端子と、
   前記第４正極端子および前記第４中間端子の間に接続された第２正極コンデンサと、
   前記第４中間端子に一端が接続された第２負極コンデンサと、
   前記第３正極端子および前記第４正極端子の間に接続された第３スイッチと、
   前記第３出力端子および前記第２負極コンデンサの他端の間に接続された第４スイッチと、
   前記第４負極端子および前記第２負極コンデンサの他端の間に接続された第５スイッチと、
   カソードが前記第３負極端子に接続されるとともにアノードが前記第２負極コンデンサの他端に接続された第２の一方向通電素子と、
   前記第４正極端子および前記第４出力端子の間に接続された第２出力配線と、
   前記第２正極コンデンサおよび前記第２負極コンデンサからなるコンデンサ部に並列接続された、バウンサコイルおよびバウンサスイッチを含むバウンサ部と、
   を有し、
   前記第３中間端子と前記第４中間端子とが導通可能に接続され、
   １段目の前記バウンサユニット回路の前記第３正極端子および前記第３中間端子の間に前記正極用可変直流電源が接続され、
   １段目の前記バウンサユニット回路の前記第３中間端子および前記第３負極端子の間に前記負極用可変直流電源が接続され、
   １段目の前記バウンサユニット回路の前記第３出力端子が接地され、
   ｋ段目の前記バウンサユニット回路の前記第４正極端子、前記第４負極端子、前記第４中間端子および前記第４出力端子が、１段目の前記ユニット回路の前記第１正極端子、前記第１負極端子、前記第１中間端子および前記第１出力端子にそれぞれ接続されており、
   さらに、ｋが２以上の場合には、ｊ段目（ただし、ｊは１以上ｋ未満の整数）の前記バウンサユニット回路の前記第４正極端子、前記第４負極端子、前記第４中間端子および前記第４出力端子が、ｊ＋１段目の前記バウンサユニット回路の前記第３正極端子、前記第３負極端子、前記第３中間端子および前記第３出力端子にそれぞれ接続されている
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のパルス電源装置。
6. 前記バウンサユニット回路は、
   前記第３スイッチを駆動する第３駆動部と、
   前記第４スイッチを駆動する第４駆動部と、
   前記第５スイッチを駆動する第５駆動部と、
   前記バウンサスイッチを駆動する第６駆動部と、
   前記第３駆動部、前記第４駆動部、前記第５駆動部および前記第６駆動部に電源電圧を供給する第２電源部と、
   をさらに有し、
   前記第２電源部は、前記第４中間端子および前記第２負極コンデンサの他端の間の電圧からの電力変換により前記電源電圧を生成する
   ことを特徴とする請求項５に記載のパルス電源装置。

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