JPH04349677A - Pulse laser power source - Google Patents

Pulse laser power source

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Publication number
JPH04349677A
JPH04349677A JP12332991A JP12332991A JPH04349677A JP H04349677 A JPH04349677 A JP H04349677A JP 12332991 A JP12332991 A JP 12332991A JP 12332991 A JP12332991 A JP 12332991A JP H04349677 A JPH04349677 A JP H04349677A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
capacitor
power source
circuit
charging
energy
Prior art date
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Pending
Application number
JP12332991A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Katsuya Okamura
勝也 岡村
Fumihiko Endo
文彦 遠藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Publication of JPH04349677A publication Critical patent/JPH04349677A/en
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Abstract

PURPOSE:To obtain a pulse laser power source having a high power source efficiency by reducing energy loss even when a power source impedance is not matched to a discharge impedance. CONSTITUTION:Excess energy due to reverse charging of a capacitor C2 of a pulse width compressing circuit is input to an inverter 30 through a series circuit of a diode Dr, a transformer Tr and a capacitor Cr to be connected in parallel with it, and recovered.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

[発明の目的] [Purpose of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、電源効率が向上するパ
ルスレーザ電源に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a pulsed laser power source with improved power efficiency.

【0002】0002

【従来の技術】近年パルス状のレーザ光を用いて物体の
精密な加工を行ったり、同位対元素の分離を行ったりす
るパルスレーザに対する産業上の需要が高まっている。 パルスレーザの励起を行うには、マイクロ秒以下の極超
短パルスの電圧をレーザ装置に印加し放電を行わなけれ
ばならないが、このような短パルス電圧をスイッチによ
って直接作り出すことは困難である。このため、半導体
スイッチなどによって一次パルスをつくってコンデンサ
に充電し、さらに可飽和インダクタの飽和特性を利用し
てパルス幅の圧縮を行ういわゆる磁気パルス圧縮回路が
よく用いられている。図3に従来のパルスレーザ電源の
構成図である。図3において、初期に直流充電電源10
によってコンデンサC1に充電された電荷は、半導体ス
イッチSWの投入により放電リアクトルLDを通じて放
電され、第2のコンデンサC2に移行しパルス充電が行
われる。コンデンサC2の電圧は可飽和リアクトルSL
をパルス励磁する。この励磁作用により可飽和リアクト
ルSLが飽和すると、インダクタンス値が激減しコンデ
ンサC2の電荷がピーキングコンデンサCPに移行する
。このとき可飽和リアクトルSLの飽和時のインダクタ
ンス値はきわめて小さいので、ピーキングコンデンサC
Pへの充電は高速化され、いわゆるパルス圧縮作用が行
われることになる。さらにピーキングコンデンサCPの
充電によりレーザ放電ギャップ20の極間電圧が上昇し
、電極間の絶縁が破壊され、ピーキングコンデンサCP
に蓄積された電荷が回路インダクタンスLHを通じてレ
ーザ媒質中に流れ、レーザが励起される。
BACKGROUND OF THE INVENTION In recent years, there has been an increasing industrial demand for pulsed lasers that use pulsed laser light to precisely process objects and to separate isotopic elements. To excite a pulsed laser, it is necessary to apply an extremely short pulse voltage of microseconds or less to the laser device to generate a discharge, but it is difficult to directly create such a short pulse voltage with a switch. For this reason, a so-called magnetic pulse compression circuit is often used, which generates a primary pulse using a semiconductor switch or the like to charge a capacitor, and further compresses the pulse width by utilizing the saturation characteristics of a saturable inductor. FIG. 3 is a block diagram of a conventional pulse laser power source. In FIG. 3, initially the DC charging power source 10
When the semiconductor switch SW is turned on, the charge charged in the capacitor C1 is discharged through the discharge reactor LD, and transferred to the second capacitor C2, where pulse charging is performed. The voltage of capacitor C2 is saturable reactor SL
is pulse excited. When the saturable reactor SL is saturated due to this excitation action, the inductance value is drastically reduced and the charge of the capacitor C2 is transferred to the peaking capacitor CP. At this time, since the inductance value of the saturable reactor SL at saturation is extremely small, the peaking capacitor C
The charging of P is accelerated and a so-called pulse compression effect is performed. Furthermore, due to charging of the peaking capacitor CP, the voltage between the electrodes of the laser discharge gap 20 increases, the insulation between the electrodes is broken, and the peaking capacitor CP
The charges accumulated in the laser medium flow through the circuit inductance LH, and the laser is excited.

【0003】0003

【発明が解決しようとする課題】このような容量移行型
のパルス充電回路においては、比較的簡単な回路によっ
て高速パルス電圧が得られるという特徴を持っているが
、負荷からの反射エネルギーの処理という点において充
分でないところがあった。そのことを図3を参照しなが
ら説明する。
[Problems to be Solved by the Invention] Such a capacitance transfer type pulse charging circuit has the feature of being able to obtain a high-speed pulse voltage with a relatively simple circuit, but it is difficult to process reflected energy from the load. There were some points that were not sufficient. This will be explained with reference to FIG.

【0004】図3において、ピーキングコンデンサCP
に蓄積されたエネルギーとそのうち放電部に注入される
エネルギーの割合は、レーザ放電ギャップの放電インピ
ーダンスZDと、ピーキングコンデンサCPと、回路イ
ンダンタンスLHで決まる回路インピーダンスZCの比
率によって変化する。仮に放電インピーダンスZDが回
路インピーダンスZCとほぼ等しいとすると、インピー
ダンスの整合がとれているために1パルスの電流で殆ど
全てのエネルギーが放電部に注入される。ところが、実
際には放電インピーダンスの値はきわめて小さく、この
部分でのインピーダンス整合が充分とれない場合がほと
んどである。典型的な値としてCP、LH、ZDの大き
さがそれぞれ20nF、10nH、0.1Ωとすると、
放電部に注入されるエネルギーはピーキングコンデンサ
CPに蓄積されたエネルギーの35%にすぎない。この
ような場合、放電インピーダンスが回路インピーダンス
に比べて小さいので、ピーキングコンデンサCPの電圧
は放電により反転する。この逆極性に充電されたエネル
ギーの一部はピーキングコンデンサCP、コンデンサC
2、可飽和リアクトルSLという閉路電流となり、コン
デンサC2を当初とは逆極性に充電する。このときの電
流の向きは当初ピーキングコンデンサCPを充電したと
きと同じ向きであり、飽和した可飽和リアクトルをさら
に飽和させることになるのでインダクタンスは小さいま
まであり、容易に流れることができる。さらにコンデン
サC2に充電されたエネルギーはコンデンサC2とコン
デンサC1、半導体スイッチSW、放電リアクトルLD
からなる閉路に共振電流を流す。この閉路に流れる電流
は半導体スイッチSWの内部抵抗によって減衰する。い
いかえるとこの電流によって半導体スイッチSWでの発
生損失が増大する。また、このレーザを高繰返しで動作
させる場合、パルス間隔を短くするためには、放電後半
導体スイッチSWをできるだけ速くオフさせなければな
らない。そのときにもこの共振電流を遮断する必要が生
じるために、半導体スイッチSWのターンオフ損失が発
生することになる。このような半導体スイッチSWにお
ける損失の増大は半導体スイッチSWの温度を過度に上
昇させ、信頼性を損なう結果となる。発明の目的は、余
剰エネルギーを電源に回生することにより、電源効率の
高い高信頼性のパルスレーザ電源を提供することにある
。 [発明の構成]
In FIG. 3, the peaking capacitor CP
The ratio of the energy stored in the laser discharge gap and the energy injected into the discharge section changes depending on the ratio of the discharge impedance ZD of the laser discharge gap, the peaking capacitor CP, and the circuit impedance ZC determined by the circuit inductance LH. Assuming that the discharge impedance ZD is approximately equal to the circuit impedance ZC, almost all the energy is injected into the discharge section with one pulse of current because the impedances are matched. However, in reality, the value of discharge impedance is extremely small, and impedance matching in this portion cannot be achieved sufficiently in most cases. Assuming that the typical values of CP, LH, and ZD are 20nF, 10nH, and 0.1Ω, respectively,
The energy injected into the discharge section is only 35% of the energy stored in the peaking capacitor CP. In such a case, since the discharge impedance is smaller than the circuit impedance, the voltage of the peaking capacitor CP is reversed due to discharge. A part of this energy charged with opposite polarity is transferred to peaking capacitor CP and capacitor C.
2. The current becomes a closed circuit current in the saturable reactor SL, and charges the capacitor C2 with the opposite polarity to the initial polarity. The direction of the current at this time is the same as when initially charging the peaking capacitor CP, and the saturated saturable reactor is further saturated, so the inductance remains small and can flow easily. Furthermore, the energy charged in capacitor C2 is transferred to capacitor C2, capacitor C1, semiconductor switch SW, and discharge reactor LD.
A resonant current is passed through a closed circuit consisting of The current flowing through this closed circuit is attenuated by the internal resistance of the semiconductor switch SW. In other words, this current increases the loss generated in the semiconductor switch SW. Furthermore, when operating this laser at high repetition rates, the semiconductor switch SW must be turned off as quickly as possible after discharge in order to shorten the pulse interval. At that time as well, it is necessary to cut off this resonant current, resulting in turn-off loss of the semiconductor switch SW. Such an increase in loss in the semiconductor switch SW causes the temperature of the semiconductor switch SW to rise excessively, resulting in a loss of reliability. An object of the invention is to provide a highly reliable pulsed laser power source with high power efficiency by regenerating surplus energy into a power source. [Structure of the invention]

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、充電電源に対して直列に接続された可飽和
インダクタと、充電電源に対して並列に接続されたコン
デンサとからなるパルス幅圧縮回路と、パルス幅圧縮回
路に充電電源を断続的に接続するスイッチ手段とを備え
、パルス幅圧縮回路の出力端に接続されたレーザ負荷を
繰り返し放電励起するためのパルスレーザ電源において
、充電電源に並列に接続され、コンデンサに蓄積された
余剰エネルギーを充電電源に回生するエネルギー回生回
路を備えて構成する。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the present invention provides a pulse generator comprising a saturable inductor connected in series to a charging power source and a capacitor connected in parallel to the charging power source. A pulsed laser power supply for repeatedly discharging and exciting a laser load connected to an output end of the pulse width compression circuit, comprising a width compression circuit and a switching means for intermittently connecting a charging power supply to the pulse width compression circuit. It is configured with an energy regeneration circuit that is connected in parallel to the power supply and regenerates surplus energy stored in the capacitor to the charging power supply.

【0006】さらに具体的には、エネルギー回生回路は
、コンデンサと並列に接続されコンデンサの充電に影響
を与えない向きに接続されたダイオードとトランスと回
生用コンデンサからなる直列回路と、回生用コンデンサ
に並列に接続され回生用コンデンサに蓄積された余剰電
力を交流電力に変換する変換手段で構成する。
More specifically, the energy regeneration circuit consists of a series circuit consisting of a diode, a transformer, and a regeneration capacitor connected in parallel with the capacitor in a direction that does not affect the charging of the capacitor; It consists of a conversion means that converts surplus power stored in a regenerative capacitor connected in parallel into AC power.

【0007】[0007]

【作用】本エネルギー回生回路を具備することにより、
コンデンサC2に逆電圧の形で再充電された余剰エネル
ギーを速やかに放電し、さらにそのエネルギーを電源に
回生することができるため、負荷に事後電圧が印加され
ることがなく、また、余剰エネルギーを有効に利用する
ことができる。
[Operation] By equipping this energy regeneration circuit,
The surplus energy recharged to the capacitor C2 in the form of a reverse voltage can be quickly discharged and the energy can be regenerated into the power supply, so no post-voltage is applied to the load, and the surplus energy can be It can be used effectively.

【0008】[0008]

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
Embodiments Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0009】図1は、本発明のパルスレーザ電源の構成
図である。図1において、図3と同一番号は同一構成要
素を示す。図1において、コンデンサC2の充電に影響
しない向きに接続されたダイオードDrとトランスTr
とコンデンサCrとからなる回路はコンデンサC2に並
列に接続され、コンデンサCrに並列にインバータ30
が接続され、前記インバータ30の出力は交流電源1の
出力に接続されている。次に、このパルスレーザ電源の
作用を説明する。
FIG. 1 is a block diagram of a pulsed laser power source according to the present invention. In FIG. 1, the same numbers as in FIG. 3 indicate the same components. In FIG. 1, the diode Dr and transformer Tr are connected in a direction that does not affect the charging of the capacitor C2.
and a capacitor Cr are connected in parallel to the capacitor C2, and an inverter 30 is connected in parallel to the capacitor Cr.
is connected, and the output of the inverter 30 is connected to the output of the AC power supply 1. Next, the operation of this pulsed laser power source will be explained.

【0010】コンデンサC2が電源インピーダンスと放
電インピーダンスの不整合のために逆充電されるところ
までは前述のとおりである。途中、半導体スイッチSW
が導通する事によりコンデンサ2が充電されるときにお
いても、ダイオードの極性がコンデンサ2の充電電圧を
保持する極性であるので、まったく影響はない。次にコ
ンデンサC2が逆充電されると、この逆電圧はダイオー
ドDrを順バイアスする方向であるため、コンデンサC
2に蓄えられた余剰エネルギーは、コンデンサC2とト
ランスTrと回生用コンデンサCrとからなる回路によ
り、速やかに回生用コンデンサCrに放電される。回生
用コンデンサCrに蓄積された電力は、インバータ30
によって交流電力に変換され、交流電源1に回生される
The process is as described above up to the point where capacitor C2 is reversely charged due to the mismatch between the source impedance and the discharge impedance. On the way, semiconductor switch SW
Even when the capacitor 2 is charged by conducting, there is no effect at all because the polarity of the diode is the polarity that maintains the charging voltage of the capacitor 2. Next, when capacitor C2 is reverse charged, this reverse voltage is in the direction of forward biasing diode Dr, so capacitor C2
The surplus energy stored in the regenerative capacitor Cr is quickly discharged into the regenerative capacitor Cr by a circuit including the capacitor C2, the transformer Tr, and the regenerative capacitor Cr. The electric power accumulated in the regeneration capacitor Cr is transferred to the inverter 30
The AC power is converted into AC power and regenerated to the AC power supply 1.

【0011】このように、余剰エネルギーを交流電源1
に回生するエネルギー回生回路を付加したため、余剰エ
ネルギーを有効に利用し、電源効率を向上させることが
できる。また余剰エネルギーによって、スイッチSWに
不要な振動電流が流れることを防止して、スイッチSW
の損失を低減することができる。
[0011] In this way, surplus energy is transferred to the AC power supply 1.
Since an energy regeneration circuit has been added to regenerate energy, surplus energy can be used effectively and power efficiency can be improved. In addition, excess energy prevents unnecessary oscillating current from flowing to the switch SW, and
loss can be reduced.

【0012】一方、本実施例は、余剰エネルギーを交流
電力として交流電源に回生するパルスレーザ電源を説明
したが、本実施例に限定されるものではない。例えば図
2のように、インバータ30の出力に整流器31を接続
することにより、直流電力に変換し直流充電電流10の
平滑コンデンサCsに回生する場合も、本発明の作用、
効果が有効であることは勿論である。
On the other hand, although this embodiment has described a pulse laser power source that regenerates surplus energy into an AC power source as AC power, the invention is not limited to this embodiment. For example, as shown in FIG. 2, by connecting a rectifier 31 to the output of an inverter 30, it is converted into DC power and regenerated to a smoothing capacitor Cs with a DC charging current of 10.
Of course, the effect is effective.

【0013】[0013]

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、コン
デンサC2に逆電圧の形で再充電された余剰エネルギー
を速やかに放電し、電源に回生するエネルギー回生回路
を設けたことにより、スイッチ手段に余剰エネルギーに
起因する振動性電流が流れるのを防止してスイッチ手段
で発生する損失が低減でき、且つ電源効率の高い高信頼
性のパルスレーザ電源を得ることができる。
As described above, according to the present invention, by providing an energy regeneration circuit that quickly discharges surplus energy recharged in the form of reverse voltage in the capacitor C2 and regenerates it to the power supply, the switch Oscillatory current caused by excess energy is prevented from flowing through the switching means, thereby reducing loss generated in the switching means, and providing a highly reliable pulsed laser power source with high power supply efficiency.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】  本発明のパルスレーザ電源の構成図。FIG. 1 is a configuration diagram of a pulsed laser power source of the present invention.

【図2】  本発明のパルスレーザ電源の他の実施例を
示す構成図。
FIG. 2 is a configuration diagram showing another embodiment of the pulsed laser power source of the present invention.

【図3】  従来のパルスレーザ電源の構成図。FIG. 3 is a configuration diagram of a conventional pulse laser power source.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1……交流電源、30……インバータ 1...AC power supply, 30...Inverter

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  充電電源に対して直列に接続された可
飽和インダクタと前記充電電源に対して並列に接続され
たコンデンサとからなるパルス幅圧縮回路と、このパル
ス幅圧縮回路に前記充電電源を断続的に接続するスイッ
チ手段とを備え、前記パルス幅圧縮回路の出力端に接続
されたレーザ負荷を繰り返し放電励起するためのパルス
レーザ電源において、前記充電電源に並列に接続され、
前記コンデンサに蓄積された余剰エネルギーを前記充電
電源に回生するエネルギー回生回路を備えたことを特徴
とするパルスレーザ電源。
1. A pulse width compression circuit comprising a saturable inductor connected in series to a charging power source and a capacitor connected in parallel to the charging power source, and the charging power source is connected to the pulse width compression circuit. a pulse laser power source for repeatedly discharging and exciting a laser load connected to the output end of the pulse width compression circuit, the pulse laser power source comprising a switch means for intermittently connecting the pulse width compression circuit in parallel with the charging power source;
A pulsed laser power source comprising an energy regeneration circuit that regenerates surplus energy accumulated in the capacitor to the charging power source.
【請求項2】  前記エネルギー回生回路は、前記コン
デンサと並列に接続され前記コンデンサの充電に影響を
与えない向きに接続されたダイオードとトランスイと回
生用コンデンサからなる直列回路と、前記回生用コンデ
ンサに並列に接続され前記回生用コンデンサに蓄積され
た余剰電力を交流電力に変換する変換手段とから成るこ
とを特徴とするパルスレーザ電源。
2. The energy regeneration circuit includes a series circuit including a diode, a transformer, and a regeneration capacitor connected in parallel with the capacitor in a direction that does not affect charging of the capacitor, and the regeneration capacitor. and converting means connected in parallel to the regenerative capacitor for converting surplus power accumulated in the regeneration capacitor into alternating current power.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6184662B1 (en) 1997-12-25 2001-02-06 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Pulsed power supply device
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CN108684128A (en) * 2018-06-13 2018-10-19 浙江大维高新技术股份有限公司 A kind of corona discharge pulse plasma electrical source reactive energy recovery circuit

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