JP6727436B2 - パルス電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、バイポーラ出力、すなわち両極性出力可能なパルス電源装置に関する。

プラズマ応用機器の電源としてパルス電源装置が広く利用されている。プラズマ応用機器は、プラズマからの放射光又は電子若しくはイオン等の荷電粒子を対象物に作用させる。プラズマ応用機器は、例えばパルスアーク放電による殺菌、水処理、レーザ発振、排気ガス浄化又はオゾン生成に用いられる。また、プラズマ応用機器は高密度プラズマ放射による極端紫外線（ＥＵＶ：Extreme Ultra-Violet）光源にも利用される。

従来、パルス電源装置のスイッチにはギャップスイッチ又はサイラトロン等の気体放電スイッチが広く用いられてきた。しかしながら、安定した高繰り返し動作が求められる場合、気体放電スイッチには寿命及び安定性に問題がある。

そこで近年、パルス電源装置のスイッチに半導体スイッチング素子を適用すべく、研究開発が盛んに行われている。また、磁気スイッチに適用可能な、磁気特性に優れた磁性材料も開発されている。高電圧且つ大電流の短パルスを発生させるためには、複数の半導体スイッチング素子を直列接続及び並列接続することで、所望の定格電圧及び電流を得ることが考えられる。しかしながら、半導体スイッチング素子を多直列化すると、各半導体スイッチング素子のスイッチングタイミングに差異が生じた場合には、各半導体スイッチング素子の印加電圧の分圧バランスが不平衡となり、一部に過電圧を生じ、半導体スイッチング素子が破壊されるおそれがある。

そこで、特許文献１に開示されるように、誘導加算型のパルス電源装置を用いることが考えられる。特許文献１には、複数の半導体スイッチング素子の特性のばらつき又はターンオンするタイミングのばらつきがあっても、一部の半導体スイッチング素子に過電圧が印加されることがなく、駆動回路間の絶縁及び高耐圧の半導体スイッチング素子が不要なパルス電力発生用スイッチ回路が開示されている。

特開２００１−２３８４７０号公報

しかしながら、上記の従来技術のパルス電源装置の出力は単極性である。そのため、交流出力を要するプラズマ応用機器には適用することが困難である、という問題があった。

また、単極性の出力では、繰り返し周波数を高くするとトランスの磁性体コアが磁束飽和してしまうので、繰り返し周波数を高くすることが困難である、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高い繰り返し周波数で両極性出力が可能な誘導加算型のパルス電源装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、各々の二次巻線が直列接続された複数のトランスと、複数のトランスの各々の第１の一次巻線の両端に接続された複数のスイッチング回路とを備え、複数のトランスの第１の一次巻線に印加される電圧が時間的に切り替わることで、複数のトランスの直列接続された二次巻線の両端に、正極性の誘導起電力と負極性の誘導起電力とを時間的に切り替えて出力し、複数のトランスは、少なくとも第１のトランス及び第２のトランスを含み、複数のスイッチング回路は、第１のトランスの第１の一次巻線の両端に接続された第１のスイッチング回路と、第２のトランスの第１の一次巻線の両端に接続された第２のスイッチング回路とを含み、第１のスイッチング回路は、直流電源に直列接続された第１のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子に直列接続されて正極性に充電される第１のコンデンサとを備え、第２のスイッチング回路は、直流電源に直列接続された第２のスイッチング素子と、第２のスイッチング素子に直列接続されて負極性に充電される第２のコンデンサとを備え、第１のトランス及び第２のトランスの各々は第２の一次巻線を含み、第２の一次巻線に電流が流れると、第１のトランス及び第２のトランスの一方を磁気リセットし、第１のトランス及び第２のトランスの他方を磁束飽和させることを特徴とする。

本発明によれば、高い繰り返し周波数で両極性出力が可能な誘導加算型のパルス電源装置を得ることができるという効果を奏する。

実施の形態１に係るパルス電源装置の構成を示す図 実施の形態１において、複数のコンデンサの各々に対応する複数の直流電源を備える形態を示す図 実施の形態１において、１つの直流電源を備える形態を示す図 実施の形態１に係るパルス電源装置の第１の動作例を説明する第１図 実施の形態１に係るパルス電源装置の第１の動作例を説明する第２図 実施の形態１に係るパルス電源装置の第１の動作例を説明する第３図 実施の形態１に係るパルス電源装置の第１の動作例を説明する第４図 実施の形態１において、第１の動作例である図４から図７についてのタイミングチャートを示す図 実施の形態１における第２の動作例についてのタイミングチャートを示す図 実施の形態２に係るパルス電源装置の構成を示す図 実施の形態２に係るパルス電源装置の動作例を説明する第１図 実施の形態２に係るパルス電源装置の動作例を説明する第２図 実施の形態２において、第１の動作例である図１１及び図１２についてのタイミングチャートを示す図 実施の形態３に係るパルス電源装置の構成を示す図 実施の形態３に係るパルス電源装置の動作例を説明する第１図 実施の形態３に係るパルス電源装置の動作例を説明する第２図 実施の形態４において、図８のタイミングチャートの変形例を示す図 実施の形態４に係るパルス電源装置の一構成例を示す第１図 実施の形態４に係るパルス電源装置の一構成例を示す第２図

以下に、本発明の実施の形態に係るパルス電源装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るパルス電源装置の構成を示す図である。図１に示すパルス電源装置１０は、直流電源１と、第１の正極性モジュール１１と、第１の負極性モジュール１２と、第２の正極性モジュール１３と、第２の負極性モジュール１４とを備え、誘導起電力によりパルスを出力する。なお、以下の説明において、誘導起電力によりパルスを出力することを、誘導起電力を出力すると記載することもあり、又はパルスを出力すると記載することもあるものとする。

ここで、正極性モジュール及び負極性モジュールの組は２組であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、この組数は、パルス電源装置１０の出力電圧に応じて決定される。

第１の正極性モジュール１１は、第１の正極性モジュール第１回路１１１と、第１の正極性モジュール第２回路１１２と、トランスＴ１の第１の一次巻線Ｌａ１とを備える。第１の正極性モジュール第１回路１１１は、直流電源１に直列接続されたスイッチング素子Ｓ１１と、スイッチング素子Ｓ１１に直列接続されて正極性に充電されるコンデンサＣ１１とを備える。第１の正極性モジュール第２回路１１２は、直流電源１に直列接続されたスイッチング素子Ｓ１２と、スイッチング素子Ｓ１２に直列接続されて正極性に充電されるコンデンサＣ１２とを備える。

第１の負極性モジュール１２は、第１の負極性モジュール第１回路１２１と、第１の負極性モジュール第２回路１２２と、トランスＴ２の第１の一次巻線Ｌａ２とを備える。第１の負極性モジュール第１回路１２１は、直流電源１に直列接続されたスイッチング素子Ｓ２１と、スイッチング素子Ｓ２１に直列接続されて負極性に充電されるコンデンサＣ２１とを備える。第１の負極性モジュール第２回路１２２は、直流電源１に直列接続されたスイッチング素子Ｓ２２と、スイッチング素子Ｓ２２に直列接続されて負極性に充電されるコンデンサＣ２２とを備える。

第２の正極性モジュール１３は、第２の正極性モジュール第１回路１３１と、第２の正極性モジュール第２回路１３２と、トランスＴ３の第１の一次巻線Ｌａ３とを備える。第２の正極性モジュール第１回路１３１は、直流電源１に直列接続されたスイッチング素子Ｓ３１と、スイッチング素子Ｓ３１に直列接続されて正極性に充電されるコンデンサＣ３１とを備える。第２の正極性モジュール第２回路１３２は、直流電源１に直列接続されたスイッチング素子Ｓ３２と、スイッチング素子Ｓ３２に直列接続されて正極性に充電されるコンデンサＣ３２とを備える。

第２の負極性モジュール１４は、第２の負極性モジュール第１回路１４１と、第２の負極性モジュール第２回路１４２と、トランスＴ４の第１の一次巻線Ｌａ４とを備える。第２の負極性モジュール第１回路１４１は、直流電源１に直列接続されたスイッチング素子Ｓ４１と、スイッチング素子Ｓ４１に直列接続されて負極性に充電されるコンデンサＣ４１とを備える。第２の負極性モジュール第２回路１４２は、直流電源１に直列接続されたスイッチング素子Ｓ４２と、スイッチング素子Ｓ４２に直列接続されて負極性に充電されるコンデンサＣ４２とを備える。

なお、正極性モジュール及び負極性モジュールの各々のトランスＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４の二次巻線Ｗｃが全て直列接続されることで負荷２には高電圧パルスが出力される。

また、正極性モジュール及び負極性モジュールの各々のトランスＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４の第２の一次巻線は全て直列接続されて交流電源３に接続されている。ここで、交流電源３は、磁気リセット用である。

また、正極性モジュール及び負極性モジュールの各々では、スイッチング素子とコンデンサとが直列接続された回路の並列数が２であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、この並列数は、パルス電源装置１０の出力電流に応じて決定される。

なお、図１においては全てのコンデンサが１つの直流電源１によって充電されているが、本発明はこれに限定されるものではない。図２は、複数のコンデンサの各々に対応する複数の直流電源を備える形態を示す図である。図２には、コンデンサＣ１を充電する直流電源１ａと、コンデンサＣ２を充電する直流電源１ｂと、コンデンサＣ３を充電する直流電源１ｃとが示されている。図２に示すように、本発明のパルス電源装置は、複数のコンデンサの各々を複数の直流電源の各々が充電可能であってもよい。図３は、１つの直流電源を備える形態を示す図である。図３には、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３を充電可能な直流電源１ｄが示されている。図３に示すように、本発明のパルス電源装置は、複数のコンデンサの全てを１つの直流電源が充電可能であってもよい。なお、図１は、図３に示す形態である。

次に、図１に示すパルス電源装置１０の動作について、第１の正極性モジュール１１及び第１の負極性モジュール１２に着目して説明する。

図４は、本実施の形態に係るパルス電源装置の第１の動作例を説明する第１図である。図４に示すように、コンデンサＣ１１，Ｃ１２は正極性に充電され、コンデンサＣ２１，Ｃ２２は負極性に充電される。スイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１２がオンすると、第１の正極性モジュール１１のトランスＴ１及び第１の負極性モジュール１２のトランスＴ２の二次巻線Ｗｃは全て直列接続されているので、二次巻線Ｗｃに電流が流れると、トランスＴ２の第１の一次巻線Ｌａ２を介して第１の負極性モジュール１２に素子破壊のおそれがある逆電圧が印加される。これを防止するため、図５に示すように、トランスＴ２の磁性体コアが磁束飽和するように、予め、トランスＴ２の第２の一次巻線Ｌｂに交流電源３を用いて電流を流しておく。

図５は、本実施の形態に係るパルス電源装置の第１の動作例を説明する第２図である。スイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１２がオンすると、トランスＴ１を介して二次巻線Ｗｃに電流が流れ、トランスＴ２の磁性体コアが磁束飽和し、トランスＴ２の二次巻線Ｗｃのインダクタンスが小さくなることで短絡しているかのように動作する。これにより、負荷２への出力は正極性となる。ここで、トランスＴ２の磁性体コアが磁束飽和しているため、第１の負極性モジュール１２にはトランスＴ２の第１の一次巻線Ｌａ２を介した逆電圧が印加されることはない。

図６は、本実施の形態に係るパルス電源装置の第１の動作例を説明する第３図である。図６に示すように、交流電源３によって図４とは逆方向に電流を流すことで、トランスＴ２の磁性体コアの磁束飽和をリセットし、トランスＴ１の磁性体コアを磁束飽和させる。

図７は、本実施の形態に係るパルス電源装置の第１の動作例を説明する第４図である。スイッチング素子Ｓ２１，Ｓ２２がオンすると、トランスＴ１の磁性体コアが磁束飽和し、トランスＴ１の二次巻線Ｗｃのインダクタンスが小さくなることで短絡しているかのように動作する。これにより、負荷２への出力は負極性となる。ここで、トランスＴ１の磁性体コアが磁束飽和しているため、第１の正極性モジュール１１にはトランスＴ１の第１の一次巻線Ｌａ１を介した逆電圧が印加されることはない。

図８は、第１の動作例である図４から図７についてのタイミングチャートを示す図である。図８において、横軸に示す時間ｔにおける期間ａは図４に対応し、期間ｂは図５に対応し、期間ｃは図６に対応し、期間ｄは図７に対応する。図８に示すように４つの状態を繰り返すことで、両極性パルスの出力が可能である。

なお、上述のように、正極性モジュール及び負極性モジュールの組数は、パルス電源装置１０の出力電圧に応じて決定される。正極性モジュール及び負極性モジュールの組数を増加させて電圧をトランスの二次側で加算していくことで、直流電源１の電圧の整数倍の高電圧パルスを出力することができる。

例えば、図１において直流電源１の電圧を５００Ｖとして正極性モジュールを全て１００ｎｓのオン幅でスイッチングすると、１００ｎｓ幅の＋１ｋＶのパルスを出力することができる。次に、負極性モジュールを全て１００ｎｓのオン幅でスイッチングすると、１００ｎｓ幅の−１ｋＶのパルスを出力することができる。従って、この正極性モジュール及び負極性モジュールの組数を３０とすると、±３０ｋＶの高電圧パルスを出力することができる。

なお、図１においては、正極性モジュールと負極性モジュールとが交互に配置されているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図１において、コンデンサＣ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２を正極性に充電し、コンデンサＣ３１，Ｃ３２，Ｃ４１，Ｃ４２を負極性に充電してもよい。

また、本実施の形態においては正極性モジュールと負極性モジュールとを交互に動作させたが、本発明はこれに限定されるものではない。動作させるモジュール側のトランスを磁気リセットし、動作させないモジュール側のトランスが磁束飽和するように交流電源３を制御すればよい。図９は、本実施の形態における第２の動作例についてのタイミングチャートを示す図である。図９に示すように、第１の正極性モジュール１１を３回動作させ、第１の負極性モジュール１２を２回動作させてもよい。図９に示すように、正極性パルスを連続出力した後に負極性パルスを出力することも可能である。

なお、本実施の形態に係るパルス電源装置が出力可能な最大パルス幅は、トランスの磁性体が飽和するか否かによって決定される。そのため、トランスに用いる磁性体コアには、意図しない磁束飽和を防止するためにアモルファス合金又はナノ結晶合金等の磁気特性に優れた磁性材料を用いることが好ましい。

本実施の形態に係るパルス電源装置では、正極性モジュール及び負極性モジュールの各々が備えるスイッチング素子及びコンデンサに高電圧が印加されない。そのため、駆動回路間の絶縁及び高耐圧のスイッチング素子が不要である。高耐圧のスイッチング素子は、一般に、耐圧以外の電気特性が低く、且つ高コストである。本実施の形態によれば、低コストで電気特性が高いスイッチング素子を用いて、正極性モジュール及び負極性モジュールを多段にすることで、製造コストを抑えつつ両極性出力が可能な誘導加算型のパルス電源装置を得ることができる。そのため、本実施の形態に係るパルス電源装置は、誘導体バリア放電を利用したオゾン生成装置及びガスレーザ発振器等の交流出力を要するプラズマ応用機器にも適用することができる。

なお、本実施の形態において、各トランスの一次巻線及び二次巻線は、インダクタンスを小さくするために磁性体コアに対して１回貫通させた構成とすることが好ましい。これにより、パルス出力を良好なものとすることが可能である。また、二次巻線は、正極性モジュール及び負極性モジュールの全てにおいて共通となるように１本の導体で構成すると、浮遊インダクタンスを小さくすることができる。

実施の形態２．
実施の形態１の構成によれば、パルス電圧出力後に一方のトランスを飽和させ、他方のトランスを磁気リセットするリセット期間を要し、繰り返し周波数を高くするためには、このリセット期間を短くすべきである。本実施の形態では、実施の形態１において磁気リセットに用いる交流電源をパルス電源装置に置き換えた形態について説明する。本実施の形態では２つのパルス電源装置を用い、一方の出力を他方の磁気リセット用とする。誘導体バリア放電を利用したオゾン生成装置及びガスレーザ発振器等のプラズマ応用機器では複数のパルス電源を備えることが多く、このような構成が有効である。

なお、本実施の形態では、実施の形態１と同様の構成には同様の符号を付してその説明を省略する。

図１０は、本発明の実施の形態２に係るパルス電源装置の構成を示す図である。図１０に示す第１のパルス電源装置１０Ａは、図示しない直流電源と、第１の正極性モジュール１１Ａと、第２の正極性モジュール１２Ａとを備える。図１０に示す第２のパルス電源装置１０Ｂは、図示しない直流電源と、第１の負極性モジュール１１Ｂと、第２の負極性モジュール１２Ｂとを備え、誘導起電力によりパルスを出力する。

ここで、正極性モジュール及び負極性モジュールの組は各パルス電源装置において１組であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、この組数は、パルス電源装置の出力電圧に応じて決定される。

第１の正極性モジュール１１Ａは、第１の正極性モジュール第１回路２１１と、第１の正極性モジュール第２回路２１２と、トランスＴ１Ａの第１の一次巻線Ｌａ１Ａとを備える。第１の正極性モジュール第１回路２１１は、図示しない直流電源に直列接続されたスイッチング素子Ｓ１１Ａと、スイッチング素子Ｓ１１Ａに直列接続されて正極性に充電されるコンデンサＣ１１Ａとを備える。第１の正極性モジュール第２回路２１２は、図示しない直流電源に直列接続されたスイッチング素子Ｓ１２Ａと、スイッチング素子Ｓ１２Ａに直列接続されて正極性に充電されるコンデンサＣ１２Ａとを備える。

第２の正極性モジュール１２Ａは、第２の正極性モジュール第１回路２２１と、第２の正極性モジュール第２回路２２２と、トランスＴ２Ａの第１の一次巻線Ｌａ２Ａとを備える。第２の正極性モジュール第１回路２２１は、図示しない直流電源に直列接続されたスイッチング素子Ｓ２１Ａと、スイッチング素子Ｓ２１Ａに直列接続されて正極性に充電されるコンデンサＣ２１Ａとを備える。第２の正極性モジュール第２回路２２２は、図示しない直流電源に直列接続されたスイッチング素子Ｓ２２Ａと、スイッチング素子Ｓ２２Ａに直列接続されて正極性に充電されるコンデンサＣ２２Ａとを備える。

第１の負極性モジュール１１Ｂは、第１の負極性モジュール第１回路２３１と、第１の負極性モジュール第２回路２３２と、トランスＴ１Ｂの第１の一次巻線Ｌａ１Ｂとを備える。第１の負極性モジュール第１回路２３１は、図示しない直流電源に直列接続されたスイッチング素子Ｓ１１Ｂと、スイッチング素子Ｓ１１Ｂに直列接続されて負極性に充電されるコンデンサＣ１１Ｂとを備える。第１の負極性モジュール第２回路２３２は、図示しない直流電源に直列接続されたスイッチング素子Ｓ１２Ｂと、スイッチング素子Ｓ１２Ｂに直列接続されて負極性に充電されるコンデンサＣ１２Ｂとを備える。

第２の負極性モジュール１２Ｂは、第２の負極性モジュール第１回路２４１と、第２の負極性モジュール第２回路２４２と、トランスＴ２Ｂの第１の一次巻線Ｌａ２Ｂとを備える。第２の負極性モジュール第１回路２４１は、図示しない直流電源に直列接続されたスイッチング素子Ｓ２１Ｂと、スイッチング素子Ｓ２１Ｂに直列接続されて負極性に充電されるコンデンサＣ２１Ｂとを備える。第２の負極性モジュール第２回路２４２は、図示しない直流電源に直列接続されたスイッチング素子Ｓ２２Ｂと、スイッチング素子Ｓ２２Ｂに直列接続されて負極性に充電されるコンデンサＣ２２Ｂとを備える。

また、正極性モジュールで形成される第１のパルス電源装置１０Ａの第２の一次巻線には、負極性モジュールで形成される第２のパルス電源装置１０Ｂの二次巻線ＷｃＢが用いられ、負極性モジュールで形成される第２のパルス電源装置１０Ｂの第２の一次巻線には、正極性モジュールで形成される第１のパルス電源装置１０Ａの二次巻線ＷｃＡが用いられる点が実施の形態１と異なる点である。

また、正極性モジュール及び負極性モジュールの各々では、スイッチング素子とコンデンサとが直列接続された回路の並列数が２であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、この並列数は、第１のパルス電源装置１０Ａ及び第２のパルス電源装置１０Ｂの出力電流に応じて決定される。

図１１は、本実施の形態に係るパルス電源装置の動作例を説明する第１図である。第１のパルス電源装置１０Ａのスイッチング素子Ｓ１１Ａ，Ｓ１２Ａ，Ｓ２１Ａ，Ｓ２２Ａをオンすると、負荷２には正極性パルスが出力される。このとき、パルス電流は、第２のパルス電源装置１０Ｂの第２の一次巻線にも流れ、トランスＴ１Ｂ，Ｔ２Ｂの磁性体コアが磁気リセットされる。

図１２は、本実施の形態に係るパルス電源装置の動作例を説明する第２図である。次に、第２のパルス電源装置１０Ｂのスイッチング素子Ｓ１１Ｂ，Ｓ１２Ｂ，Ｓ２１Ｂ，Ｓ２２Ｂをオンすると、負荷２には負極性パルスが出力される。このとき、パルス電流は、第１のパルス電源装置１０Ａの第２の一次巻線にも流れ、トランスＴ１Ａ，Ｔ２Ａの磁性体コアが磁気リセットされる。

図１３は、第１の動作例である図１１及び図１２についてのタイミングチャートを示す図である。図１３において、期間ａは図１１に対応し、期間ｂは図１２に対応する。図１３に示すように２つの状態を繰り返すことで、両極性パルスの出力が可能である。

実施の形態１では、共通の二次巻線に正極性モジュールと負極性モジュールとが混在しているため、磁気リセットと磁束飽和動作を同時に行うことを要するが、本実施の形態によれば、磁気リセットのみを行えばよく、制御が簡易となる。

実施の形態３．
実施の形態１，２では、同一モジュール内には同一極性に充電されるコンデンサのみが設けられる形態を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。本実施の形態では、同一モジュール内に正極性に充電されるコンデンサと負極性に充電されるコンデンサとが設けられる形態について説明する。

なお、本実施の形態では、実施の形態１と同様の構成には同様の符号を付してその説明を省略する。

図１４は、本発明の実施の形態３に係るパルス電源装置の構成を示す図である。第１のバイポーラモジュール２１は、第１のバイポーラモジュール第１回路３１１と、第１のバイポーラモジュール第２回路３１２と、トランスＴ１の第１の一次巻線Ｌａ１とを備える。第１のバイポーラモジュール第１回路３１１は、図示しない直流電源に直列接続されたスイッチング素子Ｓ１Ｎと、スイッチング素子Ｓ１Ｎに直列接続されて負極性に充電されるコンデンサＣ１Ｎとを備える。第１のバイポーラモジュール第２回路３１２は、図示しない直流電源に直列接続されたスイッチング素子Ｓ１Ｐと、スイッチング素子Ｓ１Ｐに直列接続されて正極性に充電されるコンデンサＣ１Ｐとを備える。

第２のバイポーラモジュール２２は、第２のバイポーラモジュール第１回路３２１と、第２のバイポーラモジュール第２回路３２２と、トランスＴ２の第１の一次巻線Ｌａ２とを備える。第２のバイポーラモジュール第１回路３２１は、図示しない直流電源に直列接続されたスイッチング素子Ｓ２Ｎと、スイッチング素子Ｓ２Ｎに直列接続されて負極性に充電されるコンデンサＣ２Ｎとを備える。第１のバイポーラモジュール第２回路３２２は、図示しない直流電源に直列接続されたスイッチング素子Ｓ２Ｐと、スイッチング素子Ｓ２Ｐに直列接続されて正極性に充電されるコンデンサＣ２Ｐとを備える。

なお、第１のバイポーラモジュール２１及び第２のバイポーラモジュール２２の各々のトランスＴ１，Ｔ２の二次巻線Ｗｃが直列接続されることで負荷２には高電圧パルスが出力される。

図１５は、本実施の形態に係るパルス電源装置の動作例を説明する第１図である。第１のバイポーラモジュール２１及び第２のバイポーラモジュール２２の正極性に充電されたコンデンサＣ１Ｐ，Ｃ２Ｐと直列に接続されたスイッチング素子Ｓ１Ｐ，Ｓ２Ｐをオンすると、負荷２には正極性パルスが出力される。

図１６は、本実施の形態に係るパルス電源装置の動作例を説明する第２図である。次に、第１のバイポーラモジュール２１及び第２のバイポーラモジュール２２の負極性に充電されたコンデンサＣ１Ｎ，Ｃ２Ｎと直列に接続されたスイッチング素子Ｓ１Ｎ，Ｓ２Ｎをオンすると、負荷２には負極性パルスが出力される。

図１５，１６に示す２つの状態を繰り返すことで、両極性パルスの出力が可能である。

本実施の形態では、トランスの磁性体コアには正極性の電圧と負極性の電圧とが交互に印加されるので、磁気リセット用の交流電源を設けずとも磁束飽和を生じさせずに動作させることが可能である。

また、第１のバイポーラモジュール２１及び第２のバイポーラモジュール２２の各々では、スイッチング素子とコンデンサとが直列接続された回路の並列数が１であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、この並列数は、第１のバイポーラモジュール２１及び第２のバイポーラモジュール２２の出力電流に応じて決定される。

なお、本実施の形態では、第１のバイポーラモジュール２１及び第２のバイポーラモジュール２２が設けられておりモジュールの数は２であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、同様に出力電圧に応じて決定される。

なお、本実施の形態においては、スイッチング素子のオフ時には、スイッチング素子にはコンデンサに充電されている電圧の２倍の電圧が印加される。そのため、高耐圧素子を用い、又はモジュール数を増やすことが好ましい。

実施の形態４．
実施の形態１から３におけるパルス電源装置では、動作させるモジュールを選択することでパルス電圧波形を調整して出力することができる。

図１７は、図８のタイミングチャートの変形例を示す図である。図１７では、２回目のｂ状態においてスイッチング素子Ｓ１２をオンさせずにオフ状態とし、２回目のｄ状態においてスイッチング素子Ｓ２２をオンさせずにオフ状態としている点が図８に示すタイミングチャートとは異なる。図１７に示すように、２回目のｂ状態においてスイッチング素子Ｓ１２をオフすると、２回目のｂ状態における出力電圧である負荷電圧が半分になり、２回目のｄ状態においてスイッチング素子Ｓ２２をオフすると、２回目のｄ状態における出力電圧である負荷電圧が半分になる。

なお、繰り返し周波数が低い場合には直流電源の電圧によってもパルス出力電圧の変更が可能である。しかしながら、直流電源の電圧の変更では、コンデンサに蓄積された電荷が消費されるまで電圧が下がらないため、繰り返し周波数が高い場合には所望のパルス出力電圧を得ることが困難である。そのため、直流電源の電圧の変更でパルス出力電圧の変更を行う場合には、予め更に多くのモジュールを搭載させておき、各モジュールのコンデンサの放電時間を確保可能な構成とすればよい。すなわち、動作モジュール数よりも多数のモジュールを搭載すればよい。

図１８は、本発明の実施の形態４に係るパルス電源装置の一構成例を示す第１図である。図１８に示すパルス電源装置は、プロセッサ４００と、セレクタである切り替え回路４０１と、第１の正極スイッチング回路４１１と、第２の正極スイッチング回路４１２と、第３の正極スイッチング回路４１３と、第４の正極スイッチング回路４１４と、第１の負極スイッチング回路４２１と、第２の負極スイッチング回路４２２と、第３の負極スイッチング回路４２３と、第４の負極スイッチング回路４２４とを備え、直流電源の電圧の変更でパルス出力電圧の変更を行う。プロセッサ４００は、例えば、第１の正極スイッチング回路４１１と第３の正極スイッチング回路４１３とを同時に使用し、第２の正極スイッチング回路４１２と第４の正極スイッチング回路４１４とを同時に使用し、これらの組を交互に使用することで各モジュールのコンデンサの放電時間を確保可能に動作させることができる。また、このように、複数のスイッチング回路の動作と非動作とを切り替える切り替え回路４０１を備えると、切り替え回路４０１によって出力が切り替わることになる。

しかしながら本発明のパルス電源装置は磁性体コアを用いた誘導加算型であるため、磁束飽和を防ぐことが重要である。実施の形態１に係るパルス電源装置のように、外部に磁気リセット用の交流電源を備える場合には、交流電源の繰り返し周波数を高くし、磁気リセットに要する時間を上回る繰り返し周波数に設定すると、磁束を起こし、出力を安定させることが困難である。また、実施の形態２，３のように、パルス電源装置の出力を磁気リセットに用いると、出力のパルス幅及びパルス電圧が正極性と負極性とで大きく異なると、磁気リセットが正しく行えず、安定した出力を得ることが困難である。

そこで、本実施の形態では、トランスの磁性体コアの磁束飽和を未然に防止するため、パルス出力を監視する形態について説明する。パルス出力の監視には、コンデンサを充電する直流電源の電圧と、パルス電源装置の出力電流を用いる。

図１９は、本発明の実施の形態４に係るパルス電源装置の一構成例を示す第２図である。図１９には、図１４に示すパルス電源装置に構成を追加した形態を示している。図１９において追加された構成は、電流センサ５０１及び磁束飽和判定器５０３である。磁束飽和判定器５０３は、直流電源の電圧を前パルスと比較する構成と、正極性出力と負極性出力とを比較する構成とを備える。

正極性出力と負極性出力とを比較する構成は、電流センサ５０１からの電圧信号を積分回路５０２によって時間積分し、比較器がこの出力と参照電圧Ｖｒｅｆとを比較し、正極性出力と負極性出力とが大きく異なる場合には磁束飽和が生じるおそれがあるため、パルス電源装置を停止させる停止信号を出力する。

直流電源の電圧を前パルスと比較する構成は、絶縁アンプと前パルスの電圧値を保持する構成とを備え、比較器が正極性出力と負極性出力とを比較し、正極性出力と負極性出力とが大きく異なる場合には磁束飽和が生じるおそれがあるため、パルス電源装置を停止させる停止信号を出力する。

本実施の形態に係るパルス電源装置は、電流センサと、積分回路と、比較器と、磁束飽和判定器とを備える。例えば、電流センサが複数のトランスの二次巻線に流れる正極性の誘導起電力による電流及び負極性の誘導起電力による電流を計測し、積分回路が電流センサの信号を時間積分し、比較器が積分回路からの正極性の誘導起電力による電流の積分値と負極性の誘導起電力による電流の積分値とを比較する。そして、正極性の誘導起電力による電流の積分値と負極性の誘導起電力による電流の積分値との差分が、予め設定したしきい値を超えると、磁束飽和判定器が、複数のトランスのいずれかに磁束飽和が生じたと判定する。

又は、例えば、電流センサが複数のトランスの二次巻線に流れる正極性の誘導起電力による電流及び負極性の誘導起電力による電流を計測し、積分回路が電流センサの信号を時間積分し、比較器が積分回路からの正極性の誘導起電力による電流の積分値と負極性の誘導起電力による電流の積分値とを比較する。そして、正極性の誘導起電力による電流の積分値と負極性の誘導起電力による電流の積分値との差分が、予め設定したしきい値を超えると、磁束飽和判定器が、複数のトランスのいずれかに磁束飽和が生じたと判定する。

なお、積分回路５０２によれば、正極性のパルス出力と負極性のパルス出力との微小な電流の違いから、パルスの繰り返しによって磁気コアが偏磁することによる磁束飽和も検出可能である。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ 直流電源、２ 負荷、３ 交流電源、１０ パルス電源装置、１０Ａ 第１のパルス電源装置、１０Ｂ 第２のパルス電源装置、１１ 第１の正極性モジュール、１２ 第１の負極性モジュール、１３ 第２の正極性モジュール、１４ 第２の負極性モジュール、１１Ａ 第１の正極性モジュール、１２Ａ 第２の正極性モジュール、１１Ｂ 第１の負極性モジュール、１２Ｂ 第２の負極性モジュール、２１ 第１のバイポーラモジュール、２２ 第２のバイポーラモジュール、１１１ 第１の正極性モジュール第１回路、１１２ 第１の正極性モジュール第２回路、１２１ 第１の負極性モジュール第１回路、１２２ 第１の負極性モジュール第２回路、１３１ 第２の正極性モジュール第１回路、１３２ 第２の正極性モジュール第２回路、１４１ 第２の負極性モジュール第１回路、１４２ 第２の負極性モジュール第２回路、２１１ 第１の正極性モジュール第１回路、２１２ 第１の正極性モジュール第２回路、２２１ 第２の正極性モジュール第１回路、２２２ 第２の正極性モジュール第２回路、２３１ 第１の負極性モジュール第１回路、２３２ 第１の負極性モジュール第２回路、２４１ 第２の負極性モジュール第１回路、２４２ 第２の負極性モジュール第２回路、３１１ 第１のバイポーラモジュール第１回路、３１２ 第１のバイポーラモジュール第２回路、３２１ 第２のバイポーラモジュール第１回路、３２２ 第２のバイポーラモジュール第２回路、４００ プロセッサ、４０１ 切り替え回路、４１１ 第１の正極スイッチング回路、４１２ 第２の正極スイッチング回路、４１３ 第３の正極スイッチング回路、４１４ 第４の正極スイッチング回路、４２１ 第１の負極スイッチング回路、４２２ 第２の負極スイッチング回路、４２３ 第３の負極スイッチング回路、４２４ 第４の負極スイッチング回路、５０１ 電流センサ、５０２ 積分回路、５０３ 磁束飽和判定器、Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ３１，Ｓ３２，Ｓ４１，Ｓ４２，Ｓ１１Ａ，Ｓ１２Ａ，Ｓ２１Ａ，Ｓ２２Ａ，Ｓ１１Ｂ，Ｓ１２Ｂ，Ｓ２１Ｂ，Ｓ２２Ｂ，Ｓ１Ｎ，Ｓ１Ｐ，Ｓ２Ｎ，Ｓ２Ｐ スイッチング素子、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ３１，Ｃ３２，Ｃ４１，Ｃ４２，Ｃ１１Ａ，Ｃ１２Ａ，Ｃ２１Ａ，Ｃ２２Ａ，Ｃ１１Ｂ，Ｃ１２Ｂ，Ｃ２１Ｂ，Ｃ２２Ｂ，Ｃ１Ｎ，Ｃ１Ｐ，Ｃ２Ｎ，Ｃ２Ｐ コンデンサ、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ１Ａ，Ｔ２Ａ，Ｔ１Ｂ，Ｔ２Ｂ トランス、Ｗｃ，ＷｃＡ，ＷｃＢ 二次巻線、Ｌａ１，Ｌａ２，Ｌａ３，Ｌａ４，Ｌａ１Ａ，Ｌａ２Ａ，Ｌａ１Ｂ，Ｌａ２Ｂ 第１の一次巻線、Ｌｂ 第２の一次巻線。

Claims (7)

1. 各々の二次巻線が直列接続された複数のトランスと、
   複数の前記トランスの各々の第１の一次巻線の両端に接続された複数のスイッチング回路とを備え、
   複数の前記トランスの第１の一次巻線に印加される電圧が時間的に切り替わることで、複数の前記トランスの直列接続された二次巻線の両端に、正極性の誘導起電力と負極性の誘導起電力とを時間的に切り替えて出力し、
   複数の前記トランスは、少なくとも第１のトランス及び第２のトランスを含み、
   前記複数のスイッチング回路は、
   前記第１のトランスの第１の一次巻線の両端に接続された第１のスイッチング回路と、
   前記第２のトランスの第１の一次巻線の両端に接続された第２のスイッチング回路とを含み、
   前記第１のスイッチング回路は、
   直流電源に直列接続された第１のスイッチング素子と、
   前記第１のスイッチング素子に直列接続されて正極性に充電される第１のコンデンサとを備え、
   前記第２のスイッチング回路は、
   直流電源に直列接続された第２のスイッチング素子と、
   前記第２のスイッチング素子に直列接続されて負極性に充電される第２のコンデンサとを備え、
   前記第１のトランス及び前記第２のトランスの各々は第２の一次巻線を含み、
   前記第２の一次巻線に電流が流れると、
   前記第１のトランス及び前記第２のトランスの一方を磁気リセットし、
   前記第１のトランス及び前記第２のトランスの他方を磁束飽和させることを特徴とするパルス電源装置。
2. 複数の前記第２の一次巻線に直列接続された交流電源を備え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. 前記第１のトランスの二次巻線が前記第２のトランスの第２の一次巻線に直列接続され、
   前記第２のトランスの二次巻線が前記第１のトランスの第２の一次巻線に直列接続され、
   前記第１のトランスの第２の一次巻線の起電力により前記第２のトランスを磁気リセットし、又は磁束飽和させ、
   前記第２のトランスの第２の一次巻線の起電力により前記第１のトランスを磁気リセットし、又は磁束飽和させることを特徴とする請求項１に記載のパルス電源装置。
4. 各々の二次巻線が直列接続された複数のトランスと、
   複数の前記トランスの各々の第１の一次巻線の両端に接続された複数のスイッチング回路とを備え、
   複数の前記トランスの第１の一次巻線に印加される電圧が時間的に切り替わることで、複数の前記トランスの直列接続された二次巻線の両端に、正極性の誘導起電力と負極性の誘導起電力とを時間的に切り替えて出力し、
   複数の前記トランスは、少なくとも第１のトランス及び第２のトランスを含み、
   前記複数のスイッチング回路は、
   前記第１のトランスの第１の一次巻線の両端に接続された第１のスイッチング回路と、
   前記第２のトランスの第１の一次巻線の両端に接続された第２のスイッチング回路とを含み、
   前記第１のスイッチング回路及び前記第２のスイッチング回路の各々は、
   直流電源に直列接続された正極性スイッチング素子と、
   前記正極性スイッチング素子に直列接続される正極性コンデンサと、
   直流電源に直列接続された負極性スイッチング素子と、
   前記負極性スイッチング素子に直列接続される負極性コンデンサとを備え、
   前記正極性スイッチング素子が接続されると正極性の誘導起電力を出力するように前記正極性コンデンサが充電され、
   前記負極性スイッチング素子が接続されると負極性の誘導起電力を出力するように前記負極性コンデンサが充電されることを特徴とするパルス電源装置。
5. 前記第１のスイッチング回路、前記第２のスイッチング回路及び前記複数のスイッチング回路の動作と非動作とを切り替える切り替え回路を備え、
   前記切り替え回路によって出力が切り替わることを特徴とする請求項１に記載のパルス電源装置。
6. 各々の二次巻線が直列接続された複数のトランスと、
   複数の前記トランスの各々の第１の一次巻線の両端に接続された複数のスイッチング回路と、
   複数の前記トランスの二次巻線に流れる正極性の誘導起電力による電流及び負極性の誘導起電力による電流を計測する電流センサと、
   前記電流センサの信号を時間積分する積分回路と、
   前記積分回路からの前記正極性の誘導起電力による電流の積分値と、前記負極性の誘導起電力による電流の積分値とを比較する比較器とを備え、
   複数の前記トランスの第１の一次巻線に印加される電圧が時間的に切り替わることで、複数の前記トランスの直列接続された二次巻線の両端に、正極性の誘導起電力と負極性の誘導起電力とを時間的に切り替えて出力し、
   前記正極性の誘導起電力による電流の積分値と前記負極性の誘導起電力による電流の積分値との差分が、予め設定したしきい値を超えると、複数の前記トランスのいずれかに磁束飽和が生じたと判定する磁束飽和判定器を備えることを特徴とするパルス電源装置。
7. 各々の二次巻線が直列接続された複数のトランスと、
   複数の前記トランスの各々の第１の一次巻線の両端に接続された複数のスイッチング回路と、
   正方向に充電する電流及び負方向に充電する電流を計測する電流センサと、
   前記電流センサの信号を時間積分する積分回路と、
   前記積分回路からの前記正方向に充電する電流の積分値と、前記負方向に充電する電流の積分値とを比較する比較器とを備え、
   複数の前記トランスの第１の一次巻線に印加される電圧が時間的に切り替わることで、複数の前記トランスの直列接続された二次巻線の両端に、正極性の誘導起電力と負極性の誘導起電力とを時間的に切り替えて出力し、
   前記正方向に充電する電流の積分値と前記負方向に充電する電流の積分値との差分が、予め設定したしきい値を超えると、複数の前記トランスのいずれかに磁束飽和が生じたと判定する磁束飽和判定器を備えることを特徴とするパルス電源装置。

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