JP7051727B2 - 直流パルス電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、負荷にパルス出力を供給する直流パルス電源装置に関する。

直流パルス電源装置が出力するパルス出力は、直流電圧のオン状態とオフ状態とを数Hz～数百kHzで繰り返す高周波出力である。

直流パルス電源装置は、プラズマ発生用装置、パルスレーザ励起、放電加工機等の負荷へパルス出力を供給する電源装置として用いられる。直流電源装置をプラズマ発生用装置に用いる場合には、パルス出力をプラズマ発生チャンバ内の電極間に供給し、電極間の放電によるプラズマを着火させ、発生したプラズマを維持する。

図９（ａ）は直流パルス電源装置の一構成例を示している。直流パルス電源装置ではパルス波形を発生する回路として昇圧チョッパ回路を備える構成が知られている。直流パルス電源装置１００は直流電源１１０と昇圧チョッパ回路１２０とで構成され、直流電源１１０の直流電圧を昇圧チョッパ回路１２０により昇圧したパルス出力を負荷１３０に供給する（特許文献１，２）。

図９（ｂ）は昇圧チョッパ回路の構成例を示している（特許文献３）。昇圧チョッパ回路１２０は、直流電源側と負荷側との間にインダクタ１２１を直列接続し、負荷側に対してスイッチング素子１２２を並列接続して構成され、スイッチング素子１２２のオン期間とオフ期間のデューティー比に応じて昇圧されたパルス出力が形成される。このオン／オフ動作において、インダクタ１２１の直流リアクトルにはオン期間の時間幅に応じたエネルギーが蓄積され、蓄積エネルギーに応じて昇圧された振幅のパルス出力が形成される。パルス出力は、スイッチング素子のオン／オフ期間のデューティー比により昇圧される振幅が定まるが、スイッチング素子１２２のオフ時に発生する振動等により設定された振幅を超える場合がある。

リアクトルとスイッチング素子の直列回路からなる昇圧チョッパ回路において、スイッチング素子Ｑ1の両端にリアクトルＬrとダイオードＤ1とコンデンサＣ1の直列回路を接続し、リアクトルＬrの両端にアクティブクランプ回路を構成するスイッチング素子Ｑ2とコンデンサＣ2の直列回路を接続し、アクティブクランプ回路により昇圧チョッパ回路のスイッチング素子Ｑ1をゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）させる構成が知られている（特許文献４）。

また、特許文献４の構成において、スイッチング素子Ｑ1、Ｑ2には、出力電圧Ｖoにアクティブクランプ回路のコンデンサＣ2の充電電圧が加算された電圧が印加される。この際、印加電圧がスイッチング素子Ｑ1、Ｑ2の耐圧を越えないように、昇圧チョッパ回路のリアクトルを磁気結合した２つのリアクトル（第１のリアクトルＬ1-1、第２のリアクトルＬ1-2）で構成し、第２のリアクトルＬ1-2に蓄積されたエネルギーによりアクティブクランプ回路のコンデンサＣ2を放電させる構成が記載されている。

特開平８－２２２２５８号公報（図１、段落００１２） 特開２００６－６０５３号公報（図１） 特開平１－２５２１６５号公報（図１） 特開２０１２－１７８９５２号公報（図１，図９）

直流パルス電源装置が出力するパルス出力をプラズマ発生チャンバ内の電極間に供給し、電極間の放電によるプラズマを着火させる際、パルス出力の出力電圧は高い程、着火性において優位である。

昇圧チョッパ回路のパルス出力は、スイッチング素子のオン／オフ期間のデューティー比により昇圧される振幅が定まるため、パルス出力の出力電圧を高めるにはデューティー比を高める必要があり、高いデューティー比とするにはオフ期間の時間幅を短くする必要がある。

また、特許文献４の構成のアクティブクランプ回路を用いた構成では、アクティブクランプ回路のコンデンサの充電電圧はスイッチング素子側に印加されるため、高電圧の出力電圧には寄与しないため、パルス出力の出力電圧を高めることはできない。

本発明は前記した従来の問題点を解決し、直流パルス電源装置において、昇圧チョッパ回路のパルス出力の出力電圧を高めることを目的とする。

本発明の直流パルス電源装置は、昇圧チョッパ回路のパルス出力に回生電圧及び／又はリアクトル電圧を重畳することにより、昇圧チョッパ回路のパルス出力の出力電圧を高める。

本発明の直流パルス電源装置は、直流電源と、直流電源に接続された昇圧チョッパ回路によりパルス出力を発生するパルス部と、昇圧チョッパ回路の直流リアクトルに接続された電圧重畳部を備える。電圧重畳部は昇圧チョッパ回路の出力電圧に重畳電圧分を重畳すて昇電させる。パルス部は電圧重畳部により重畳電圧分が重畳された出力電圧をパルス出力する。

電圧重畳部は複数の形態を備える。第１の形態の電圧重畳部は回生電圧部であり、第２の形態の電圧重畳部はリアクトル電圧部である。

第１の形態の電圧重畳部は回生部を用いて構成することができる。回生部は、昇圧チョッパ回路の出力電圧を設定電圧にクランプし、昇圧チョッパ回路の直流リアクトルにクランプ電圧の回生電圧を重畳電圧分として重畳すると共に、設定電圧を超える電圧を直流電源に回生する。

第２の形態のリアクトル電圧部は、昇圧チョッパ回路を構成する直流リアクトルと磁気結合により第２の直流リアクトルに誘起される誘起電圧のリアクトル電圧を重畳電圧分として重畳する。

本発明の直流電源装置は、電圧重畳部として、第１の形態の回生電圧部を備えた構成、第２の形態のリアクトル電圧部を備えた構成、及び第１の形態の回生電圧部と第２の形態のリアクトル電圧部の２つの電圧重畳部を備えた第３の形態の構成とすることができる。

図１は本発明の直流パルス電源装置が備えるパルス部及び電圧重畳部の概略構成を説明するための図であり、図１（ａ）は電圧重畳部の第１の形態として回生電圧部を備えた構成を示し、図１（ｂ）は電圧重畳部の第２の形態としてリアクトル電圧部を備えた構成を示し、図１（ｃ）は電圧重畳部の第３の形態として回生電圧部とリアクトル電圧部を備えた構成を示している。

第１の形態：
図１（ａ）において、パルス部２０は直流リアクトル２１とスイッチング素子２２の直列回路からなる昇圧チョッパ回路を備え、第１の形態の電圧重畳部としてパルス部２０のパルス出力の出力電圧に回生電圧を重畳する回生電圧部３０Ａを備える。回生電圧部３０Ａは直流リアクトル２１の両端間に並列接続され、直流リアクトル２１のリアクトル電圧ＶDCLをキャパシタ電圧Ｖcに印加する。パルス部２０のパルス出力の出力電圧Ｖoは、直流電源の直流電圧ＶABにキャパシタ電圧Ｖcが重畳された（ＶAB＋Ｖc）となる。

回生電圧部３０Ａは、昇圧チョッパ回路の直流リアクトル２１の両端間に回生部を並列接続する構成とすることができる。回生部は、直流リアクトル２１のリアクトル電圧の内、設定電圧を超える電圧分を直流電源に回生する。回生部は直流リアクトルの両端に並列接続されたコンデンサの充電電圧をクランプ電圧とするクランプ回路を構成すると共に、クランプ電圧を超える電圧を直流電源に回生する。回生電圧部３０Ａは、回生部のクランプ電圧である設定電圧の回生電圧を重畳電圧分としてパルス出力の出力電圧に重畳する。

第１の形態では、図１（ａ）に示すように、昇圧チョッパ回路のスイッチング素子２２のソースＳ側を直流リアクトル２１の負荷側の端部に接続する。この形態では、直流リアクトル２１の全リアクトル電圧を回生電圧部３０Ａに入力し、回生電圧部３０Ａの設定電圧との比較に基づいて回生動作が行われる。

第２の形態：
図１（ｂ）において、パルス部２０は直流リアクトル２１ａとスイッチング素子２２の直列回路からなる昇圧チョッパ回路を備え、パルス部２０のパルス出力の出力電圧にリアクトル電圧を重畳電圧分として重畳する第２の形態のリアクトル電圧部３０Ｂを備える。

リアクトル電圧部３０Ｂは、直流リアクトル２１ａと磁気結合されると共に、直流リアクトル２１ａの出力端側に接続される第２の直流リアクトル２１ｂを備え、直流リアクトル２１ａとの磁気結合により第２の直流リアクトル２１ｂに誘起された電圧はリアクトル電圧ＶDCL2を重畳電圧分としてパルス出力の出力電圧に印加される。パルス部２０のパルス出力の出力電圧Ｖoは、直流電源の直流電圧ＶABに第１の直流リアクトル電圧ＶDCL1と第２の直流リアクトル電圧ＶDCL2が重畳された（ＶAB＋ＶDCL1＋ＶDCL2）となる。

第２の形態では、図１（ｂ）に示すように、直流リアクトル２１ａと磁気結合された第２の直流リアクトル２１ｂとにより直列回路が構成され、昇圧チョッパ回路のスイッチング素子２２のソースＳ側を直流リアクトル２１ａと第２の直流リアクトル２１ｂの直列回路のタップに接続する。

第３の形態：
図１（ｃ）において、パルス部２０は直流リアクトル２１ａとスイッチング素子２２の直列回路からなる昇圧チョッパ回路を備え、パルス部２０のパルス出力の出力電圧に回生電圧を重畳する第１の形態の回生電圧部３０Ａと、パルス部２０のパルス出力の出力電圧にリアクトル電圧を重畳する第２の形態のリアクトル電圧部３０Ｂを備える。

回生電圧部３０Ａは直流リアクトル２１ａの両端間に並列接続され、直流リアクトル２１ａのリアクトル電圧ＶDCL1をキャパシタ電圧Ｖcに印加する。リアクトル電圧部３０Ｂは、直流リアクトル２１ａと磁気結合されると共に、直流リアクトル２１ａの出力端側に接続される第２の直流リアクトル２１ｂを備え、直流リアクトル２１ａとの磁気結合により第２の直流リアクトル２１ｂで誘起されたリアクトル電圧ＶDCL2を重畳電圧分としてパルス出力の出力電圧に印加する。

パルス部２０のパルス出力の出力電圧Ｖoは、第１の形態の回生電圧部３０Ａにより直流電源の直流電圧ＶABにキャパシタ電圧Ｖcが重畳されて（ＶAB＋Ｖc）となり、更に、第２の形態のリアクトル電圧部３０Ｂにより直流電源の直流電圧ＶABにリアクトル電圧ＶDCL2が重畳されて（ＶAB＋Ｖc＋ＶDCL2）となる。

（パルス部）
パルス部２０は、直流電源と負荷との間に直列接続された直流リアクトル２１ａと、負荷に対して並列接続されたスイッチング素子２２とで構成される昇圧チョッパ回路を備える。電圧重畳部３０を構成する回生電圧部３０Ａは、直流リアクトル２１ａのリアクトル電圧ＶDCLを入力し、設定電圧である回生入力電圧Ｖinを超える過剰電圧分（ＶDCL－Ｖin）を直流電源に回生する。回生入力電圧Ｖinはキャパシタ電圧Ｖcに相当する。なお、図１では直流電源側の端子をＡ，Ｂで表記している。

パルス部２０において、昇圧チョッパ回路のオン動作時には直流リアクトル２１ａに蓄積エネルギーが蓄積され、オフ動作時においてこの蓄積エネルギーにより直流リアクトル２１ａにリアクトル電圧が発生する。リアクトル電圧は昇圧チョッパ回路のオン動作とオフ動作を繰り返すことにより昇圧する。

（回生電圧部）
回生電圧部３０Ａは、リアクトル電圧ＶDCLが設定電圧を超えない場合には回生を行わず、設定電圧を超えた場合には設定電圧を超えた電圧分を直流電源に回生する。これにより、昇圧チョッパ回路の昇圧は設定電圧にクランプされ、過剰電圧の発生が抑止される。

設定電圧は回生電圧部３０Ａの回生入力電圧Ｖinで定められ、直流リアクトル２１ａのリアクトル電圧ＶDCL1が回生電圧部３０Ａの回生入力電圧Ｖinを超えない場合には回生は行われず、回生電圧部３０Ａの回生入力電圧Ｖinを超えた場合には、超えた電圧分（ＶDCL1－Ｖin）について直流電源側へ回生される。回生動作を規定する設定電圧である回生電圧部３０Ａの回生入力電圧Ｖinは、直流電源の直流電圧ＶAB、及び回生電圧部３０Ａの回路構成に基づいて設定することができる。

回生電圧部３０Ａの一構成例は、パルス部２０のリアクトル電圧に対して並列接続されるキャパシタと、キャパシタ両端のキャパシタ電圧を直交変換するインバータ回路と、インバータ回路の交流電圧を変圧する変圧器と、変圧器の交流電圧を整流する整流器とを備え、整流器の出力端は直流電源に接続される。

変圧器の変圧比は、キャパシタの両端電圧と直流電源の電圧との電圧比を定める。回生電圧部３０Ａのキャパシタ電圧は直流電源の電圧と変圧器の変圧比によって定まるため、回生電圧部３０Ａはこのキャパシタ電圧を回生入力電圧Ｖinの設定電圧として回生動作の開始及び停止の動作を行う。設定電圧は直流電源の電圧及び変圧器の変圧比に依存するため、変圧器の変圧比を変えることにより設定電圧を変更することができる。設定電圧を変更することにより、昇圧チョッパ回路におけるクランプ電圧を変更すると共に、回生動作の動作電圧を変更することができる。

キャパシタ電圧の設定は、回生電圧部３０Ａが備える変圧器の変圧比を変更する他、インバータ回路の出力を制御することで行うことができる。インバータ回路の出力制御として、例えばＰＷＭ制御や位相シフト制御があるが、インバータ回路の出力を制御する方式であればこの限りではない。

昇圧チョッパ回路において、直流リアクトル２１ａは、直流電源と昇圧チョッパ回路のスイッチング素子２２のソースＳ側との間に接続される。昇圧チョッパ回路のスイッチング素子２２のソースＳ側は、直流リアクトル２１ａの負荷側の端部、又は直流リアクトル２１のタップに接続する。

（直流リアクトルの形態）
直流リアクトル２１ａ及び第２の直流リアクトル２１ｂは、コイルを単巻きした形態、又は複巻きした形態とすることができる。単巻きによる形態では、磁気結合する２つの直流リアクトルをタップ無し単巻きトランス又はタップ付きトランスで構成することができる。複巻きによる形態では、磁気結合する２つの直流リアクトルを複巻きトランスで構成することができる。

以上説明したように、本発明によれば、直流パルス電源装置において、昇圧チョッパ回路のパルス出力の出力電圧を高めることができる。

本発明の直流パルス電源装置の昇圧チョッパ回路及び電圧重畳部（回生電圧部、リアクトル電圧部）の構成例を説明するための図である。 本発明の直流パルス電源装置の第１の構成例を説明するための図である。 本発明の直流パルス電源装置の第１の構成例の電圧状態を説明するための図である。 本発明の直流パルス電源装置のパルス出力時の出力電圧Ｖoを説明するための図である。 本発明の直流パルス電源装置の回生部の構成例を説明するための図である。 本発明の直流パルス電源装置の第２の構成例を説明するための図である。 本発明の直流パルス電源装置の第３の構成例を説明するための図である。 本発明の直流パルス電源装置の第４の構成例を説明するための図である。 従来の直流パルス電源装置、昇圧チョッパ回路の構成例を説明するための図である。

本発明の直流パルス電源装置は、昇圧チョッパ回路のパルス出力に回生電圧及び／又はリアクトル電圧を昇圧するための電圧として重畳することにより、昇圧チョッパ回路のパルス出力の出力電圧を高める。

本発明の直流パルス電源装置について、第１の構成例～第４の構成例を図２～図８を用いて説明する。

第１の構成例は昇圧チョッパ回路の直流リアクトルの両端に回生電圧部を接続する構成であり、第２の構成例は昇圧チョッパ回路の直流リアクトルに磁気結合した第２の直流リアクトルをリアクトル電圧部とする構成であり、第３，４の構成例は昇圧チョッパ回路の直流リアクトルの両端に接続した回生電圧部と、昇圧チョッパ回路の直流リアクトルに磁気結合した第２の直流リアクトルよりなるリアクトル電圧部とを備えた構成である。第２、３の構成例は磁気結合する二つの直流リアクトルをタップ付き単巻きトランスとする構成であり、第４の構成例は磁気結合する二つの直流リアクトルを複巻きトランスとする構成である。また、回生するリアクトル電圧について、第１～第４の構成例は直流電源の低電圧側の電圧を基準電圧としている。

［直流パルス電源装置の第１の構成例］
本発明の直流パルス電源装置の第１の構成例、及び電圧状態を図２、及び図３，４を用いて説明する。

本発明の直流パルス電源装置は、直流電源部（ＤＣ部）１０と、直流電源部１０に接続された昇圧チョッパ回路により発生したパルス出力を負荷４に供給するパルス部２０Ａと、パルス部２０Ａで発生する過剰な電圧上昇分を直流電源部１０側に回生する回生部４０と、直流電源部１０、パルス部２０Ａ、及び回生部４０を制御する制御回路部５０を備え、出力ケーブル３を介して負荷４にパルス出力を供給する。図２では、負荷４としてプラズマ発生装置の例を示しているが、負荷４はプラズマ発生装置に限らず、パルスレーザ励起、放電加工機等に適用してもよい。第１の構成例の直流パルス電源装置１が備える回生部４０は回生電圧部３０Ａを構成すると共に、パルス部２０Ａの過剰電圧上昇分を直流電源部１０側に回生する。

（直流電源部）
直流電源部（ＤＣ部）１０は、交流電源２の交流電圧を直流電圧に整流する整流器１１と、整流時に発生する過渡的に発生するスパイク状の高電圧を吸収して抑制するスナバ回路１２と、直流電圧を交流電圧に変換する単相インバータ回路１３と、単相インバータ回路１３の交流電圧を所定の電圧値に電圧変換する単相変圧器１４と、単相変圧器１４で電圧変換された交流電圧を直流電圧に整流する整流器１１と、両端電圧を直流電源部の直流電圧とするキャパシタ１６（ＣF）を備える。キャパシタ１６の一端は接地され、他端に負電圧の低電圧が形成される。なお、図２に示す構成では、負荷４としてプラズマ発生装置の容量負荷の例を示している。ここでは、プラズマ発生装置の一端を接地して負電圧を供給しているため、直流電源部１０は負電圧のパルス出力を発生する構成を示している。

単相インバータ回路１３は、制御回路部５０からの制御信号によりスイッチング動作を行って、直流電圧を所定の周波数の交流電圧に変換する。直流電源部１０を構成する、整流器１１，１５、スナバ回路１２、単相インバータ回路１３、単相変圧器１４の各回路要素は通常に知られる任意の回路構成とすることができる。

（パルス部）
パルス部２０Ａは昇圧チョッパ回路により直流電圧からパルス波形を生成する。昇圧チョッパ回路は、直流電源側と負荷側との間に直列接続された直流リアクトル２１Ａと、負荷側に対して並列接続されたスイッチング素子（Ｑ1）２２と、スイッチング素子２２のオン／オフ動作を駆動する駆動回路２３を備える。直流リアクトル２１Ａはタップ無し単巻きトランスからなる直流リアクトル２１ａで構成される。パルス部２０Ａの直流電源側は、接地された端子Ｂと低電圧側として負電圧の端子Ａを備える。図示するスイッチング素子２２はＦＥＴの例を示し、ソースＳ側を低電圧側にドレインＤ側を接地電圧側に接続し、ゲートＧ側には駆動回路２３からの駆動信号が入力される。

制御回路部５０は、昇圧チョッパ回路を動作させるために、目標のパルス出力に対応してスイッチング素子２２のオン期間とオフ期間の時間幅ないしデューティー比を定める信号を生成すると共に、直流電源部１０の出力端の電圧、及び電流に基づいて制御信号を生成する。

駆動回路２３は、制御回路部５０の制御信号に基づいてスイッチング素子２２のゲートＧに駆動信号を出力し、スイッチング素子２２のオン／オフ動作を行わせる。

スイッチング素子２２のソースＳ側は直流リアクトル２１ａの負荷側に接続され、スイッチング素子２２のドレインＤ側は接地される。スイッチング素子２２がオン状態のときは、直流リアクトル２１ａの負荷側は接地され、端子Ｂからオン状態にあるスイッチング素子２２、及び直流リアクトル２１ａを介して端子Ａに電流が流れる。この際、直流リアクトル２１ａには電磁エネルギーが蓄積される。次に、スイッチング素子２２がオン状態からオフ状態に切り替わると、直流リアクトル２１ａに蓄積された蓄積エネルギーにより直流リアクトル２１ａにはリアクトル電圧ＶDCLが発生する。昇圧チョッパ回路は、スイッチング素子２２のオン動作とオフ動作を繰り返すことによりオン／オフ期間のデューティー比に応じて出力電圧Ｖoを上昇させる。

（回生部）
本発明の直流パルス電源装置の第１の構成例は、電圧重畳部３０として回生電圧部３０Ａを備える。図２は回生電圧部３０Ａとして回生部４０を備える構成例について示す。

回生部４０は昇圧チョッパ回路の直流リアクトルのリアクトル電圧の内、設定電圧を超える電圧分を直流電源に回生する。回生部４０は、ダイオード４１、キャパシタ４２（Ｃ1）、インバータ回路４３、変圧器４４、整流器４５を備える。

キャパシタ４２（Ｃ1）の一端は直流リアクトル２１ａの負荷側端部に接続され、他端はダイオード４１を介して直流リアクトル２１ａの直流電源側端部に接続され、直流リアクトル２１ａに発生するリアクトル電圧が印加される。キャパシタ４２（Ｃ1）のキャパシタ電圧ＶC1は、直流電源の直流電圧ＶAB及び変圧器の変圧比に基づいて定まり、変圧器４４の変圧比が（ｎ2：ｎ1）である場合にはＶC1＝（ｎ2／ｎ1）×ＶABの設定電圧となる。ダイオード４１はパルス部２０Ａから回生部４０のキャパシタ４２（Ｃ1）に向かう方向を順方向として接続され、直流リアクトル２１ａのリアクトル電圧ＶDCLがキャパシタ４２（Ｃ1）のキャパシタ電圧ＶC1を越えた場合に、リアクトル電圧ＶDCLがキャパシタ４２（Ｃ1）のキャパシタ電圧ＶC1を越えた電圧分について回生部４０により回生が行われる。

したがって、回生部４０はキャパシタ４２（Ｃ1）のキャパシタ電圧ＶC1をしきい値として回生動作を行うと共に、パルス出力時には直流リアクトル２１ａのリアクトル電圧ＶDCL1をキャパシタ電圧ＶC1に印加する定電圧源として作用する。
パルス出力の出力電圧Ｖoは直流電源の直流電圧ＶABにキャパシタ電圧ＶC1が重畳された（ＶAB＋ＶC1）となる。なお、キャパシタ電圧ＶC1は図１の回生入力電圧Ｖinに対応する電圧である。

キャパシタ電圧ＶC1は（ｎ2／ｎ1）×ＶABで設定されるため、パルス出力の出力電圧Ｖoは直流電源の直流電圧ＶABに（ｎ2／ｎ1）×ＶABが重畳された（ＶAB＋（ｎ2／ｎ1）×ＶAB）となる。キャパシタ電圧ＶC1の（ｎ2／ｎ1）×ＶABは変圧器４４の変圧比（ｎ2：ｎ1）を変更することにより電圧値を変更することができ、パルス出力の出力電圧Ｖoは変圧器４４の変圧比（ｎ2：ｎ1）を変更することにより高めることができる。

キャパシタ電圧ＶC1の設定は、回生部４０が備える変圧器４４の変圧比を変更する他、インバータ回路４３の出力を制御することで行うことができる。インバータ回路４３の出力制御として、例えばＰＷＭ制御や位相シフト制御があるが、インバータ回路の出力を制御する方式であればこの限りではない。

また、図２に示す回路構成では、回生部４０は、一端がパルス部２０Ａの低電圧側入力端に接続された構成であり、低電圧側の電圧（負電圧）を基準として直流リアクトル２１ａのリアクトル電圧ＶDCLを回生入力電圧Ｖinとして回生を行う。

インバータ回路４３はキャパシタ４２側の直流電圧と変圧器４４側の交流電圧との間で直交変換を行い、キャパシタ４２（Ｃ1）のキャパシタ電圧ＶC1を直流電源の直流電圧ＶABに基づいて一定電圧に保持すると共に、リアクトル電圧ＶDCLがキャパシタ４２（Ｃ1）のキャパシタ電圧ＶC1を越えた場合にはその越えた電圧分を交流に変換して直流電源側に回生する。キャパシタ電圧ＶC1は一定電圧に保持されることから、直流リアクトル２１ａのリアクトル電圧ＶDCLはキャパシタ電圧ＶC1にクランプされる。インバータ回路４３は、例えば、スイッチング素子のブリッジ回路で構成することができる。スイッチング素子の開閉動作は制御回路部５０からの制御信号αにより制御される。

変圧器４４は、直流電源部１０の直流電圧ＶABとキャパシタ４２（Ｃ1）のキャパシタ電圧ＶC1との電圧比率を変圧比に基づいて変調する。変圧器４４の変圧比が（ｎ2：ｎ1）である場合には、直流電圧ＶABとキャパシタ電圧ＶC1との間の電圧関係は、ＶC1＝（ｎ2／ｎ1）×ＶABで表される。

整流器４５は変圧器４４側の交流電圧を直流電源部１０側の直流電圧に整流する。整流器４５の直流側端子は直流電源部１０の端子Ａ、Ｂに接続され、回生時には回生した電力を直流電源部１０に回生し、回生を行わない間にはキャパシタ４２（Ｃ1）のキャパシタ電圧ＶC1を直流電圧ＶABに基づいた電圧に保持する。

なお、回生部４０の構成は直流リアクトル２１ａの両端電圧を所定電圧にクランプして定電圧を出力する機能、及び所定電圧を越える電力分を直流電源側の回生する機能を備える構成であれば、上記した構成に限られるものではない。

（直流パルス電源装置の電圧状態）
直流パルス電源装置の電圧状態について図３及び図４を用いて説明する。図３において、図３（ａ）はスイッチング素子２２のオン状態（ｏｎ）とオフ状態（ｏｆｆ）を示し、図３（ｂ）は直流リアクトル２１ａのリアクトル電圧ＶDCLを示し、図３（ｃ）はスイッチング素子２２のドレイン・ソース電圧ＶDSを示し、図３（ｄ）は出力電圧Ｖoを示している。

以下、図中のＳ１～Ｓ１４は、各段階のオン状態及びオフ状態を示している。Ｓ１、Ｓ３、・・・Ｓ１３の奇数番号を付した状態はスイッチング素子２２がオン状態（ｏｎ）を示し、Ｓ２、Ｓ４、・・・Ｓ１４の偶数番号を付した状態はスイッチング素子２２がオフ状態（ｏｆｆ）を示している。

（ｉ）オン状態（Ｓ１、Ｓ３、・・・、Ｓ１３）：
スイッチング素子２２はオン状態にあり（図３（ａ））、直流リアクトル２１ａの負側の端子は接地されるため、スイッチング素子２２のドレイン・ソース電圧ＶDSの電圧は０となり（図３（ｃ））、直流リアクトル２１ａのリアクトル電圧ＶDCLは直流電源の直流電圧ＶABとなる（図３（ｃ））。出力電圧Ｖoには、ドレイン・ソース電圧ＶDSに対応する電圧分が現れる（図３（ｄ））。

（ii）オフ状態（Ｓ２、Ｓ４、・・・、Ｓ１４）：
オフ状態については、リアクトル電圧ＶDCLが回生動作のしきい値であるキャパシタ電圧ＶC1に達する前の状態（Ｓ２、Ｓ４、Ｓ６））と、キャパシタ電圧ＶC1に達した後の状態（Ｓ８、Ｓ１０、Ｓ１２、Ｓ１４）について説明する。

（ii-1）Ｓ２、Ｓ４、Ｓ６の状態：
スイッチング素子２２はオフ状態にあり（図３（ａ））、直流リアクトル２１ａには蓄積された蓄積エネルギーの放出によるリアクトル電圧ＶDCLが発生する。リアクトル電圧ＶDCLの電圧値は、オン状態からオフ状態に切り替わる度に上昇する。この電圧上昇において、リアクトル電圧ＶDCLは回生部のキャパシタ電圧ＶC1に達していないため、回生は行われない。なお、図３では負側の電圧値が増加する状態を示している（図３（ｂ））。

スイッチング素子２２のドレイン・ソース電圧ＶDSの電圧は、リアクトル電圧ＶDCLに応じた電圧となり徐々に増加するが、回生部のキャパシタ電圧ＶC1に達していない。なお、図３では負側の電圧値が増加する状態を示している（図３（ｃ））。出力電圧Ｖoには、直流電源の直流電圧ＶABにリアクトル電圧ＶDCLが重畳された電圧分が出力される（図３（ｄ））。

（ii-2） Ｓ８、Ｓ１０、Ｓ１２、Ｓ１４の状態：
Ｓ２、Ｓ４、Ｓ６の状態と同様に、スイッチング素子２２はオフ状態にあり（図３（ａ））、直流リアクトル２１ａには蓄積された蓄積エネルギーの放出によるリアクトル電圧ＶDCLが発生する。Ｓ８、Ｓ１０、Ｓ１２、Ｓ１４の状態では、リアクトル電圧ＶDCLの電圧値がキャパシタ電圧ＶC1に達するため、リアクトル電圧ＶDCLの電圧値はキャパシタ電圧ＶC1にクランプされ、これ以上の電圧上昇は抑えられる。図３（ｂ）において、実線で示すリアクトル電圧ＶDCLはキャパシタ電圧ＶC1にクランプされた状態を示し、破線で示すリアクトル電圧ＶDCLはキャパシタ電圧ＶC1にクランプされていない場合を比較例として示している。

スイッチング素子２２のドレイン・ソース電圧ＶDSの電圧はリアクトル電圧ＶDCLに応じた電圧となり、回生部のキャパシタ電圧ＶC1の電圧に保持される。図３（ｄ）において、実線で示すドレイン・ソース電圧ＶDSはキャパシタ電圧ＶC1にクランプされた状態を示し、破線で示すドレイン・ソース電圧ＶDSはキャパシタ電圧ＶC1にクランプされていない場合を比較例として示している。なお、図３では負側の電圧値が増加する状態を示している（図３（ｃ））。

出力電圧Ｖoには、直流電源の直流電圧ＶABにリアクトル電圧ＶDCLが加わった電圧分が出力される。リアクトル電圧ＶDCLがクランプされるため、出力電圧Ｖoは一定電圧に保持される（図３（ｄ））。

図４（ａ）は、第１の構成例において回生状態での出力電圧Ｖoを示している。直流パルス電源装置は、昇圧チョッパ回路の切り替え周期をパルス周期Ｔとして出力電圧Ｖoのパルス出力を出力する。パルス出力は、パルス周期Ｔ内にスイッチング素子がオン状態となるオン期間Ｔonと、スイッチング素子がオフ状態となるオフ期間Ｔoffを有する。オン期間Ｔonの出力電圧Ｖoはドレイン・ソース電圧ＶDSに対応する電圧値である。

一方、オフ期間Ｔoffの出力電圧Ｖoは、直流電源の直流電圧ＶABにリアクトル電圧ＶDCLが重畳された（ＶAB＋ＶDCL）となるが、リアクトル電圧ＶDCLはキャパシタ電圧ＶC1にクランプされるため（ＶAB＋ＶC1）となる。直流電圧ＶAB及びキャパシタ電圧ＶC1は一定電圧であるため、パルス出力の出力電圧Ｖoは一定電圧に保持される。

（回生部の構成例）
図５を用いて本発明の直流パルス電源装置の回生部が備えるインバータ回路の回路構成例を説明する。

回生部４０は、キャパシタ４２（Ｃ1）のキャパシタ電圧ＶC1の直流電圧を直交変換して得られた交流電圧を変圧器４４に出力するインバータ回路４３を含んでいる。インバータ回路４３は、スイッチング素子ＱR1～ＱR4からなるブリッジ回路４３ａと、制御信号αに基づいてスイッチング素子ＱR1～ＱR4を駆動する駆動信号を生成する駆動回路４３ｂとを備える。なお、ここでは、ブリッジ回路４３ａとしてフルブリッジ回路の例を示しているが、ハーフブリッジ回路や多相インバータ回路を用いても良い。

［直流パルス電源装置の第２の構成］
本発明の直流パルス電源装置の第２の構成は、直流電源部（ＤＣ部）１０と、直流電源部１０に接続された昇圧チョッパ回路により発生したパルス出力を負荷４に供給するパルス部２０Ｂと、パルス部２０Ｂ内に設けられたリアクトル電圧部３０Ｂと、直流電源部１０、及びパルス部２０Ｂを制御する制御回路部５０を備え、出力ケーブル３を介して負荷４にパルス出力を供給する。

図６を用いて本発明の直流パルス電源装置の第２の構成例について説明する。第２の構成例は、回生電圧部３０Ａに代えてリアクトル電圧部３０Ｂを備える構成の点で第１の構成例と相違し、その他の構成は第１の構成例と同様である。以下、第１の構成例と相違する構成について説明し、その他の共通する構成の説明は省略する。

第１の構成例の昇圧チョッパ回路が備える直流リアクトル２１Ａを構成する直流リアクトル２１ａはタップ無し単巻きトランスで構成される。これに対して、第２の構成例の直流リアクトル２１Ｂは、直流リアクトル２１ａと磁気結合された第２の直流リアクトル２１ｂとを備え、第１の構成例の昇圧チョッパ回路のタップ無し単巻きトランスに代えてタップ付き単巻きトランスで構成される。タップ付き単巻きトランスによる直流リアクトル２１Ｂは、磁気結合された直流リアクトル２１ａと第２の直流リアクトル２１ｂとを直流接続した構成である。直流リアクトル２１ａの一端は直流電源の低電圧側の端子Ａに接続され、第２の直流リアクトル２１ｂの一端は負荷側に接続され、直流リアクトル２１ａと第２の直流リアクトル２１ｂの接続点はスイッチング素子２２のソースＳ端に接続される。

スイッチング素子２２がオン状態のときは、直流リアクトル２１Ｂのタップ点は接地され、端子Ｂからオン状態にあるスイッチング素子２２、及び直流リアクトル２１Ｂの直流リアクトル２１ａを介して端子Ａに電流が流れる。この際、直流リアクトル２１ａに電磁エネルギーが蓄積される。

次に、スイッチング素子２２がオン状態からオフ状態に切り替わると、直流リアクトル２１Ｂの直流リアクトル２１ａに蓄積された蓄積エネルギーにより流れるリアクトル電流ｉLによって直流リアクトル２１ａにはリアクトル電圧ＶDCL1が発生し、第２の直流リアクトル２１ｂにはリアクトル電圧ＶDCL2が発生する。昇圧チョッパ回路は、スイッチング素子２２のオン動作とオフ動作を繰り返すことにより、第１の構成例と同様に出力電圧Ｖoを上昇させる。

直流リアクトル２１ａのリアクトル電圧ＶDCL1と第２の直流リアクトル２１ｂのリアクトル電圧ＶDCL2との電圧比は、直流リアクトル２１ａと第２の直流リアクトル２１ｂのインダクタンス比の比率に対応した値となる。直流リアクトル２１Ｂの直流リアクトル２１ａと第２の直流リアクトル２１ｂの単巻きコイルの巻き数比をｎ1p：ｎ2pとした場合には、直流リアクトル２１ａのリアクトル電圧ＶDCL1と第２の直流リアクトル２１ｂのリアクトル電圧ＶDCL2との電圧比（ＶDCL1／ＶDCL2）は巻き数比（ｎ1p／ｎ2p）となる。

出力電圧Ｖoは、直流電源の直流電圧ＶABに直流リアクトル２１ａのリアクトル電圧ＶDCL1と第２の直流リアクトル２１ｂのリアクトル電圧ＶDCL2が重畳された電圧（Ｖo＝ＶAB＋ＶDCL1＋ＶDCL2）となる。第２の直流リアクトル２１ｂのリアクトル電圧ＶDCL2は、磁気結合した直流リアクトル２１ａと第２の直流リアクトル２１ｂの巻き数比（ｎ1p／ｎ2p）で定まり、ＶDCL2＝ＶDCL1×（ｎ2p／ｎ1p）で表される。
したがって、出力電圧Ｖoは、
Ｖo＝ＶAB＋ＶDCL1＋ＶDCL2
＝ＶAB＋ＶDCL1＋ＶDCL1×（ｎ2p／ｎ1p）
＝ＶAB＋（１＋（ｎ2p／ｎ1p））×ＶDCL1
となるため、巻き数比（ｎ2p／ｎ1p）によりパルス出力の出力電圧を高めることができる。

図４（ｂ）は、第２の構成例において出力電圧Ｖoを示している。直流パルス電源装置は、昇圧チョッパ回路の切り替え周期をパルス周期Ｔとして出力電圧Ｖoのパルス出力を出力する。パルス出力は、パルス周期Ｔ内にスイッチング素子がオン状態となるオン期間Ｔonと、スイッチング素子がオフ状態となるオフ期間Ｔoffを有する。オン期間Ｔonの出力電圧Ｖoはリアクトル電圧ＶDCL2に対応する電圧値である。

一方、オフ期間Ｔoffの出力電圧Ｖoは、直流電源の直流電圧ＶABに直流リアクトル２１ａのリアクトル電圧ＶDCL1と第２の直流リアクトル２１ｂのリアクトル電圧ＶDCL2とが重畳された（ＶAB＋ＶDCL1＋ＶDCL2）となる。

［直流パルス電源装置の第３の構成］
本発明の直流パルス電源装置の第３の構成は、直流電源部（ＤＣ部）１０と、直流電源部１０に接続された昇圧チョッパ回路により発生したパルス出力を負荷４に供給するパルス部２０Ｂと、直流リアクトルに重畳電圧分を印加する回生電圧部３０Ａと、パルス部２０Ｂ内に設けられたリアクトル電圧部３０Ｂと、直流電源部１０及びパルス部２０Ｂを制御する制御回路部５０を備え、出力ケーブル３を介して負荷４にパルス出力を供給する。

図７を用いて本発明の直流パルス電源装置の第３の構成例について説明する。第３の構成例は、回生電圧部３０Ａとリアクトル電圧部３０Ｂとを備える構成の点で第１及び第２の構成例と相違し、その他の構成は第１及び第２の構成例と同様である。以下、回生電圧部３０Ａ及びリアクトル電圧部３０Ｂについて説明し、その他の共通する構成の説明は省略する。第３の構成例は電圧重畳部として回生電圧部３０Ａとリアクトル電圧部３０Ｂとを備える。

（回生電圧部３０Ａ）
回生電圧部３０Ａは、第１の構成例と同様に回生部により構成される。図７の構成例は回生電圧部３０Ａとして回生部４０を備える構成例を示している。

回生部４０は、昇圧チョッパ回路の直流リアクトルのリアクトル電圧の内、設定電圧を超える電圧分を直流電源に回生すると共に、パルス出力時において設定電圧を直流リアクトル２１ａに対するリアクトル電圧ＶDCL1をキャパシタ電圧ＶC1に印加する回生電圧部３０Ａとして機能する。回生部４０は、ダイオード４１、キャパシタ４２（Ｃ1）、インバータ回路４３，変圧器４４，整流器４５を備える。

キャパシタ４２（Ｃ1）の一端は直流リアクトル２１ａの負荷側端部に接続され、他端はダイオード４１を介して直流リアクトル２１ａの直流電源側端部に接続され、直流リアクトル２１ａに発生するリアクトル電圧が印加される。キャパシタ４２（Ｃ1）の電圧ＶC1は、直流電源の直流電圧ＶAB及び変圧器の変圧比に基づいて定まり、変圧器４４の変圧比が（ｎ2：ｎ1）である場合にはＶC1＝（ｎ2／ｎ1）×ＶABの設定電圧となる。ダイオード４１はパルス部２０Ａから回生部４０のキャパシタ４２（Ｃ1）に向かう方向を順方向として接続され、直流リアクトル２１ａのリアクトル電圧ＶDCLがキャパシタ４２（Ｃ1）のキャパシタ電圧ＶC1を越えた場合に、リアクトル電圧ＶDCLがキャパシタ４２（Ｃ1）のキャパシタ電圧ＶC1を越えた電圧分について回生部４０により回生が行われる。

したがって、回生部４０はキャパシタ４２（Ｃ1）のキャパシタ電圧ＶC1をしきい値として回生動作を行うと共に、パルス出力時には直流リアクトル２１ａのリアクトル電圧ＶDCL1をキャパシタ電圧ＶC1に印加する定電圧源として作用する。パルス出力の出力電圧Ｖoは直流電源の直流電圧ＶABにキャパシタ電圧ＶC1と直流リアクトル電圧ＶDCL2が重畳された（ＶAB＋ＶC1＋ＶDCL2）となる。なお、キャパシタ電圧ＶC1は図１の回生入力電圧Ｖinに対応する電圧である。

キャパシタ電圧ＶC1は（ｎ2／ｎ1）×ＶABで設定されるため、パルス出力の出力電圧Ｖoは直流電源の直流電圧ＶABに（ｎ2／ｎ1）×ABが重畳された（ＶAB＋（ｎ2／ｎ1）×ＶAB）となる。電圧（ｎ2／ｎ1）×ＶABは変圧器４４の変圧比（ｎ2：ｎ1）を変更することにより電圧値を変更することができ、パルス出力の出力電圧Ｖoは変圧器４４の変圧比（ｎ2：ｎ1）を変更することにより高めることができる。

（リアクトル電圧部３０Ｂ）
リアクトル電圧部３０Ｂは、第２の構成例と同様の構成であり、タップ付き単巻きトランスにより構成される。

リアクトル電圧部３０Ｂは、直流リアクトル２１ａと磁気結合された第２の直流リアクトル２１ｂを備えた直流リアクトル２１Ｃにより構成され、直流リアクトル２１ａと第２の直流リアクトル２１ｂはタップ付き単巻きトランスで構成される。タップ付き単巻きトランスによる直流リアクトル２１Ｃは、磁気結合された直流リアクトル２１ａと第２の直流リアクトル２１ｂとを直流接続した構成である。直流リアクトル２１ａの一端は直流電源の低電圧側の端子Ａに接続され、第２の直流リアクトル２１ｂの一端は負荷側に接続され、直流リアクトル２１ａと第２の直流リアクトル２１ｂの接続点はスイッチング素子２２のソースＳ端に接続される。

スイッチング素子２２がオン状態のときは、直流リアクトル２１Ｃのタップ点は接地され、端子Ｂからオン状態にあるスイッチング素子２２、及び直流リアクトル２１Ｂの直流リアクトル２１ａを介して端子Ａに電流が流れる。この際、直流リアクトル２１ａに電磁エネルギーが蓄積される。

スイッチング素子２２がオン状態からオフ状態に切り替わると、直流リアクトル２１Ｃの直流リアクトル２１ａに蓄積された蓄積エネルギーにより流れるリアクトル電流ｉLによって直流リアクトル２１ａにはリアクトル電圧ＶDCL1が発生し、第２の直流リアクトル２１ｂにはリアクトル電圧ＶDCL2が発生する。昇圧チョッパ回路は、スイッチング素子２２のオン動作とオフ動作を繰り返すことにより、出力電圧Ｖoを上昇させる。

直流リアクトル２１ａのリアクトル電圧ＶDCL1と第２の直流リアクトル２１ｂのリアクトル電圧ＶDCL2との電圧比は、直流リアクトル２１ａと第２の直流リアクトル２１ｂのインダクタンス比の比率に対応した値となる。直流リアクトル２１Ｃの直流リアクトル２１ａと第２の直流リアクトル２１ｂのタップ付き単巻きトランスの巻き数比をｎ1p：ｎ2pとした場合には、直流リアクトル２１ａのリアクトル電圧ＶDCL1と第２の直流リアクトル２１ｂのリアクトル電圧ＶDCL2との電圧比（ＶDCL1／ＶDCL2）は巻き数比（ｎ2p／ｎ1p）となる。

出力電圧Ｖoは、回生電圧部３０Ａによる直流リアクトル２１ａのリアクトル電圧ＶDCL1と、リアクトル電圧部３０Ｂによる第２の直流リアクトル２１ｂのリアクトル電圧ＶDCL2とが直流電圧ＶABに重畳された電圧（Ｖo＝ＶAB＋ＶDCL1＋ＶDCL2）となる。

直流リアクトル２１ａのリアクトル電圧ＶDCL1は、回生電圧部３０Ａによりキャパシタ電圧ＶC1の一定電圧にクランプされ、回生電圧部３０Ａが回生部で構成された場合には、キャパシタ電圧ＶC1は変圧器の変圧比に基づいてＶC1＝（ｎ2／ｎ1）×ＶABで設定され、また、第２の直流リアクトル２１ｂのリアクトル電圧ＶDCL2は、磁気結合した直流リアクトル２１ａと第２の直流リアクトル２１ｂの巻き数比（ｎ2p／ｎ1p）に基づいて定まり、ＶDCL2＝ＶDCL1×（ｎ2p／ｎ1p）で表される。

したがって、回生電圧部３０Ａとリアクトル電圧部３０Ｂとにより、出力電圧Ｖoは、
Ｖo＝ＶAB＋ＶDCL1＋ＶDCL2
＝ＶAB＋ＶC1＋ＶC1×（ｎ2p／ｎ1p）
＝ＶAB＋（１＋（ｎ2p／ｎ1p））×ＶC1
＝ＶAB＋（１＋（ｎ2p／ｎ1p））×（ｎ2／ｎ1）×ＶAB
＝ＶAB［１＋｛１＋（ｎ2p／ｎ1p）｝×（ｎ2／ｎ1）｝］
となる。

昇圧チョッパ回路は、デューティー比Dutyでスイッチング素子をオン／オフ動作させることにより直流電源の直流電圧ＶABを昇圧して（ＶAB／（１－Duty））の電圧値のパルス出力を生成する。上記出力電圧Ｖoは、昇圧チョッパ回路のパルス出力電圧（ＶAB／（１－Duty））と回生部のコンデンサC1のキャパシタ電圧ＶC1との関係により以下の２つの出力状態となる。

（１）昇圧チョッパ回路の電圧（ＶAB／（１－Duty））が回生部のコンデンサC1のキャパシタ電圧ＶC1よりも大きい場合：
この電圧状態は、ＶAB／（１－Duty）≧ＶC1（＝（ｎ2／ｎ1）×ＶAB ）の場合に該当し、このときの出力電圧Ｖoは、
Ｖo＝ＶAB＋ＶC1＋ＶDCL2＝ＶAB＋ＶC1＋（ｎ2p/ｎ1p）×ＶC1
により表される。
この場合には、キャパシタ電圧ＶC1はＶC1＝（ｎ2／ｎ1）×ＶABで表させるため、変圧器の変圧比（ｎ2／ｎ1）による電圧上昇と、直流リアクトルＤＣＬの巻き数比（ｎ2p／ｎ1p）による電圧上昇の２つにより出力電圧Ｖoを上昇させることができる。

（２）昇圧チョッパ回路の電圧（ＶAB／（１－Duty））が回生部のコンデンサC1のキャパシタ電圧ＶC1に至らない場合：
この電圧状態は、ＶAB／（１－Duty）＜ＶC1（＝（ｎ2/ｎ1）×ＶAB ）の場合に該当し、このときの出力電圧Ｖoは、
Ｖo＝ＶAB／（１－Duty）＋（ｎ2p／ｎ1p）×Duty×ＶAB/（１－Duty）
により表される。
この場合には、直流リアクトルＤＣＬの巻き数比（ｎ2p／ｎ1p）による電圧上昇により出力電圧Ｖoを上昇させることができる。

これにより、パルス出力の出力電圧Ｖoは、回生部の変圧器の変圧比（ｎ2／ｎ1）、及び直流リアクトル２１ａと第２の直流リアクトル２１ｂの巻き数比（ｎ2p／ｎ1p）によりパルス出力の出力電圧を高めることができる。

図４（ｃ）は、第３の構成例において回生状態での出力電圧Ｖoを示している。直流パルス電源装置は、昇圧チョッパ回路の切り替え周期をパルス周期Ｔとして出力電圧Ｖoのパルス出力を出力する。パルス出力は、パルス周期Ｔ内にスイッチング素子がオン状態となるオン期間Ｔonと、スイッチング素子がオフ状態となるオフ期間Ｔoffを有する。オン期間Ｔonの出力電圧Ｖoはリアクトル電圧ＶDCL2に対応する電圧値である。

一方、オフ期間Ｔoffの出力電圧Ｖoは、直流電源の直流電圧ＶABにキャパシタ電圧ＶC1と第２の直流リアクトル２１ｂのリアクトル電圧ＶDCL2とが重畳された（ＶAB＋ＶC1＋ＶDCL2）となる。

［直流パルス電源装置の第４の構成］
本発明の直流パルス電源装置の第４の構成は、第３の構成と同様に、直流電源部（ＤＣ部）１０と、直流電源部１０に接続された昇圧チョッパ回路によりパルス出力を発生し、負荷４に供給するパルス部２０Ｃと、直流電源部１０、パルス部２０Ｃ、及び回生部４０を制御する制御回路部５０とを備え、電圧重畳部として回生電圧部３０Ａ及びリアクトル電圧部３０Ｂを備え、出力ケーブル３を介して負荷４にパルス出力を供給する。

図８を用いて本発明の直流パルス電源装置の第４の構成例について説明する。第４の構成例は、リアクトル電圧部３０Ｂの構成において第３の構成例と相違し、その他の構成は第１，２の構成例と同様である。以下、第３の構成例と相違する構成について説明し、その他の共通する構成の説明は省略する。

第３の構成例のリアクトル電圧部３０Ｂを構成する直流リアクトル２１Ｃはタップ付き単巻きトランスで構成される。これに対して、第４の構成例のリアクトル電圧部３０Ｂを構成する直流リアクトル２１Ｄは、第３の構成例の昇圧チョッパ回路のタップ付き単巻きトランスに代えて複巻きトランスで構成される。

複巻きトランスによる直流リアクトル２１Ｄは、磁気結合された直流リアクトル２１ａと第２の直流リアクトル２１ｂとを並列接続する構成である。直流リアクトル２１ａの一端は直流電源の低電圧側の端子Ａに接続され、他端はスイッチング素子２２のソースＳ端に接続される。第２の直流リアクトル２１ｂ一端は直流電源の低電圧側の端子Ａに接続され、他端は負荷側に接続される。

スイッチング素子２２がオン状態のときは、直流リアクトル２１Ｄの直流リアクトル２１ａのスイッチング素子２２側の端部は接地され、端子Ｂからオン状態にあるスイッチング素子２２、及び直流リアクトル２１ａを介して端子Ａに電流が流れる。この際、直流リアクトル２１ａに電磁エネルギーが蓄積される。

次に、スイッチング素子２２がオン状態からオフ状態に切り替わると、直流リアクトル２１Ｄの直流リアクトル２１ａに蓄積された蓄積エネルギーにより流れるリアクトル電流ｉLによって直流リアクトル２１ａにはリアクトル電圧ＶDCL1が発生し、第２の直流リアクトル２１ｂには直流リアクトル２１ａとの磁気結合によりリアクトル電圧ＶDCL2が発生する。昇圧チョッパ回路は、スイッチング素子２２のオン動作とオフ動作を繰り返すことにより、第１，２の構成例と同様に出力電圧Ｖoを上昇させる。

直流リアクトル２１ａのリアクトル電圧ＶDCL1と第２の直流リアクトル２１ｂのリアクトル電圧ＶDCL2との電圧比は、直流リアクトル２１ａと第２の直流リアクトル２１ｂのインダクタンス比の比率に対応した値となる。直流リアクトル２１Ｄの直流リアクトル２１ａと第２の直流リアクトル２１ｂの複巻きコイルの巻き数比が（ｎ1p：ｎ2p）とした場合には、直流リアクトル２１ａのリアクトル電圧ＶDCL1と第２の直流リアクトル２１ｂのリアクトル電圧ＶDCL2との電圧比（ＶDCL1／ＶDCL2）は巻き数比（ｎ1p／ｎ2p）となる。

出力電圧Ｖoには、直流電源の直流電圧ＶABに第２の直流リアクトル２１ｂのリアクトル電圧ＶDCL2が重畳された電圧（Ｖo＝ＶAB＋ＶDCL2）が出力され、パルス出力の出力電圧Ｖoは、第２の構成例と同様に、
Ｖo＝ＶAB＋ＶDCL2
＝ＶAB＋ＶC1×（ｎ2p／ｎ1p）
＝ＶAB＋（ｎ2p／ｎ1p）×ＶC1
＝ＶAB＋（ｎ2p／ｎ1p）×（ｎ2／ｎ1）×ＶAB
＝ＶAB｛１＋（ｎ2p／ｎ1p）｝×（ｎ2／ｎ1）｝
で表される。

なお、上記実施の形態及び変形例における記述は、本発明に係る直流パルス電源装置の一例であり、本発明は各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の直流パルス電源装置は、プラズマ発生装置に電力を供給する電力源として適用する他、パルスレーザ励起、放電加工機等の負荷へパルス出力を供給する電源装置として用いることができる。

１ 直流パルス電源装置
２ 交流電源
３ 出力ケーブル
４ 負荷
１０ 直流電源部
１１ 整流器
１２ スナバ回路
１３ 単相インバータ回路
１４ 単相変圧器
１５ 整流器
１６ キャパシタ
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ パルス部
２１，２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ、２１ａ 直流リアクトル
２１ｂ 第２の直流リアクトル
２２ スイッチング素子
３０ 電圧重畳部
３０Ａ 回生電圧部
３０Ｂ リアクトル電圧部
４０ 回生部
４１ ダイオード
４２ キャパシタ
４３ インバータ回路
４３ａ ブリッジ回路
４３ｂ 駆動回路
４４ 変圧器
４５ 整流器
５０ 制御回路部
１００ 直流パルス電源装置
１１０ 直流電源
１２０ 昇圧チョッパ回路
１２１ インダクタ
１２２ スイッチング素子
１２３ ダイオード
１２４ 抵抗
ＱR1～ＱR4 スイッチング素子

Claims (7)

1. 直流電源と、前記直流電源に接続された昇圧チョッパ回路によりパルス出力を発生するパルス部とを備えた直流パルス電源装置であって、
   前記昇圧チョッパ回路の直流リアクトルに接続された電圧重畳部を備え、前記電圧重畳部は電圧を前記直流電源に回生する回生電圧部を備え、
   前記回生電圧部は、昇圧チョッパ回路の出力電圧を設定電圧にクランプし、前記設定電圧を重畳電圧分として重畳すると共に、前記直流リアクトルのリアクトル電圧の内、設定電圧を超える電圧分を回生する回生部を備え、
   前記電圧重畳部は前記設定電圧を可変とし、当該可変の設定電圧を重畳電圧分としてパルス出力に重畳する、ことを特徴とする直流パルス電源装置 。
2. 前記回生部は、
   前記パルス部のリアクトル電圧に対して並列接続されたキャパシタと、
   前記キャパシタのキャパシタ電圧を直交変換するインバータ回路と、
   前記インバータ回路の交流電圧を変圧する変圧器と、
   前記変圧器の交流電圧を整流する整流器と、
   を備え、
   前記設定電圧を前記キャパシタの両端電圧とし、当該両端電圧を超える電圧分を回生し、
   前記変圧器の変圧比により前記重畳電圧分を可変とすることを特徴とする、請求項１に記載の直流パルス電源装置。
3. 直流電源と、前記直流電源に接続された昇圧チョッパ回路によりパルス出力を発生するパルス部とを備えた直流パルス電源装置であって、
   前記昇圧チョッパ回路の直流リアクトルに接続された電圧重畳部を備え、
   前記電圧重畳部は、前記昇圧チョッパ回路を構成する直流リアクトルと、磁気結合された第２の直流リアクトルにより構成されるリアクトル電圧部と、を備え、
   前記リアクトル電圧部は、前記直流リアクトルと前記第２の直流リアクトルの電圧を可変とし、重畳電圧分としてパルス出力に重畳することを特徴とする、直流パルス電源装置。
4. 前記直流リアクトルの一端は前記直流電源の出力端に接続され、
   前記第２の直流リアクトルの一端は前記パルス部の出力端に接続され、
   直流リアクトルと第２の直流リアクトルの接続点は、前記昇圧チョッパ回路のスイッチング素子のソース側に接続され、
   前記直流リアクトルと前記第２の直流リアクトルの巻き数比により前記重畳電圧分を可変とすることを特徴とする、請求項３に記載の直流パルス電源装置。
5. 直流電源と、前記直流電源に接続された昇圧チョッパ回路によりパルス出力を発生するパルス部とを備えた直流パルス電源装置であって、
   前記昇圧チョッパ回路の直流リアクトルに接続された電圧重畳部を備え、
   前記電圧重畳部は、
   前記昇圧チョッパ回路の直流リアクトルの両端間に接続され、直流リアクトルのリアクトル電圧の内、設定電圧を超える電圧分を前記直流電源に回生する回生部からなる回生電圧部と、
   前記直流リアクトルに磁気結合された第２の直流リアクトルからなるリアクトル電圧部と、
   を備え、
   前記電圧重畳部は、前記回生電圧部が備える前記回生部の設定電圧、及び前記リアクトル電圧部が備える第２の直流リアクトルの電圧を重畳電圧分としてパルス出力に重畳することを特徴とする直流パルス電源装置。
6. 前記回生部は、一端は前記パルス部の低電圧側の入力端に接続され、前記低電圧側の電圧を基準とする直流リアクトルのリアクトル電圧を回生入力電圧とすることを特徴とする、請求項１、２、５の何れか一つに記載の直流パルス電源装置。
7. 前記直流リアクトル及び前記第２の直流リアクトルは、タップ付き単巻きトランス、又は複巻きトランスで構成される、請求項３～５の何れか一つに記載の直流パルス電源装置。

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