JPH05182837A - 可変インダクタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高速高電圧大電流パルスを制御する高信頼，
長寿命のスイッチ素子となる可変インダクタを提供す
る。 【構成】 磁心１に巻いた主巻線２および制御巻線３を
備え、制御巻線３に流す励磁電流５によって磁界７を発
生させて磁心１を磁気飽和させ、主巻線２のインダクタ
ンスを低下させ、主巻線２を流れる高速高電圧大電流パ
ルス状の主電流６に対するインピーダンスを小さくする
構成による。この構成により放電ギャップを用いていな
いので長寿命で高繰り返し化に有利、また、主巻線１と
制御巻線３は電気的に絶縁されているので安全性，信頼
性の高いスイッチ素子が実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工業分野において電力
を制御する可変インダクタに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、核融合プラズマ生成やパルスガス
レーザなどのように高速高電圧大電流パルスを利用する
技術分野が多くなってきた。特にパルスガスレーザにお
いては、ＴＥＡＣＯ₂レーザやエキシマレーザが加工や
化学プロセスなどの工業分野に積極的に導入され始めて
いる。そして、生産性ならびに制御性向上を目指してレ
ーザパルスの高繰り返し化が要求されている。このため
に、高速高電圧大電流パルスを高繰り返しで制御する技
術が必要となる。近年の半導体技術の進歩にもかかわら
ず、このような用途においては半導体素子はまだ十分な
信頼性を有していないために、スパークギャップなどの
放電ギャップスイッチが用いられることが多い。

【０００３】以下、高電圧スイッチの従来例としてスパ
ークギャップの動作を図７を用いて説明する。

【０００４】図７において点線で囲まれた部分、すなわ
ち一対の主電極２１，２２，トリガ電極２３、そしてト
リガ電極２３と一方の主電極２２との間に接続されたト
リガ回路２４がスパークギャップを構成している。スパ
ークギャップに接続された高電圧電源２５によって一対
の主電極２１，２２間に高電圧が印加された後、トリガ
回路２４の出力するトリガパルスによってトリガ電極２
３と一方の主電極２２との間にトリガ放電２６を発生さ
せる。前述したように、一対の主電極２１，２２間には
このトリガ放電２６に先立って高電圧が印加されてい
る。したがって、トリガ放電２６によって生成される電
子はこの一対の主電極２１，２２間の高電圧によってな
だれ増倍し、ついにアーク状の主放電２７を形成して、
前記一対の主電極２１，２２間を短絡する。こうしてス
パークギャップに接続された負荷２８に主電流２９が流
れることになる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な従来の構成では前述したようにアーク状の主放電２７
によって一対の主電極２１，２２間が短絡されるため
に、この一対の主電極２１，２２の損傷が激しく、その
寿命が著しく短いという課題がある。また、主放電２７
によって生成される電子やイオンなどの荷電粒子が再結
合によって消滅する以前に一対の主電極２１，２２間に
電圧を印加すると、これらの荷電粒子がトリガ放電２６
で生成される電子の役目を果たすことになって主放電２
７が発生してしまうために、高繰り返し化が困難であ
る。さらに、図７に示すように、通常トリガ電極２３は
接地側の主電極２２に近い位置に配置されるが、高圧側
主電極２１から誤放電などによって高電圧パルスが印加
されることが起こる得る。そうなると、トリガ回路２４
が破壊される等、安全性，信頼性の面でも問題となる。

【０００６】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、放電ギャップを持たず、かつトリガ回路を主電流の
流れる回路とは電気的に絶縁された構成とすることで、
長寿命で高繰り返し特性に優れ、かつ安全性，信頼性の
高い高速高電圧大電流パルスを制御するスイッチ素子と
なる可変インダクタを提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の可変インダクタ
は、磁心と、その磁心に巻いた主巻線と、前記磁心に磁
界を発生させその磁界により前記磁心の透磁率を変化さ
せる制御巻線とを有する構成よりなる。

【０００８】

【作用】上記構成により放電ギャップを用いることなし
に高速高電圧大電流パルスを制御することができるため
に本質的に長寿命であるとともに高繰り返し化も容易と
なる。また、制御巻線は主電流の流れる主巻線とは電気
的に完全に絶縁されているために、安全性，信頼性の高
い高速高電圧大電流パルスを制御するスイッチ素子とな
る可変インダクタが実現できる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の一実施例について、図面を参
照しながら説明する。

【００１０】図１は本発明の第１の実施例である可変イ
ンダクタの概略構成図である。図１において、１は透磁
率が高くかつその周波数特性の優れた軟磁性材料たとえ
ばアモルファスなどによる磁心である。この磁心１に主
巻線２および制御巻線３が巻かれている。４は制御巻線
３に励磁電流５を流すバイアス回路である。また６は高
速高電圧大電流パルス状の主電流である。

【００１１】以下、図１を参照して第１の実施例におけ
る可変インダクタの動作を説明する。

【００１２】ここで主電流６が流れる方向を順方向と定
義し、この順方向の電流によって生じる磁界７の方向を
磁界の順方向と呼ぶこととする。また、順方向と反対の
方向の電流およびそれによって発生する磁界の方向をそ
れぞれ逆方向電流および磁界の逆方向と呼ぶこととす
る。そして、順方向の磁界によって磁心１が磁気飽和す
る時、順方向飽和、逆方向の磁界によって磁心１が磁気
飽和する時、逆方向飽和と呼ぶこととする。

【００１３】図２は以上述べた状態を説明するための、
磁心１に用いる鉄心材料たとえばアモルファス磁性材料
等の軟磁性材料のＢ−Ｈ曲線の概念図である。図２にお
いて、点線で示す曲線１１が鉄心材料の直流磁化曲線で
あり、実線で示す曲線１２が高速パルス状の主電流６の
実際の動作周波数帯域における磁化曲線である。また、
順方向飽和磁束密度は＋Ｂｓ、逆方向飽和磁束密度は−
Ｂｓとしてそれぞれ図２中に示す。

【００１４】以下、図１および図２を参照して第１の実
施例の動作について説明する。パルス状の主電流６が主
巻線２に印加されるのに先立って、バイアス回路４は直
流的な励磁電流５を出力する。この励磁電流５は磁心１
に順方向の磁界を発生するような方向に流されているも
のとする。この励磁電流５の強さによって、磁心１の励
磁状態を変化させることができる。すなわち、図２にお
いて励磁電流５の強さがＩ₁であるときには点Ｐ１で示
す状態すなわち初期状態１にセットされる。また、励磁
電流５の強さがＩ₂であるときには点Ｐ２で示す状態す
なわち初期状態２にセットされる。それぞれの初期状態
において高速高電圧大電流パルス状の主電流６が主巻線
２に印加されると、まず初期状態１の時は、磁心１の状
態は図２において、実際の動作周波数帯域における磁化
曲線１２の上をＰ１から点ａに移動し、順方向飽和に至
るように変化する。一方、初期状態２の時は、磁心１の
状態は図２において、実際の動作周波数帯域における磁
化曲線１２の上をＰ２から点ａに移動し、順方向飽和に
至るように変化する。磁心１に巻かれた主巻線２のイン
ダクタンスは使用する鉄心材料の透磁率、すなわち磁束
密度を磁界で微分した量、ｄＢ／ｄＨに比例するが、こ
の値は、図２に示すように、初期状態１と初期状態２と
で異なっており、初期状態１における透磁率の方が初期
状態２における透磁率よりも大きい。すなわち、励磁電
流５の強度によって磁心１の透磁率を変化させ、これに
よって主巻線２の主電流６に対するインダクタンスを変
化させることができる。

【００１５】図３は本発明の第２の実施例を示す可変イ
ンダクタを用いた回路の概略構成図である。本実施例に
おいては、第１の実施例で説明した構成を持つ可変イン
ダクタを２個用いている。一方の可変インダクタをＩ、
他方の可変インダクタをIIとし、それぞれ破線で図３中
に示す。図３において図１および図７と対応する構成要
素には同一の番号を付している。なお１３は高速高電圧
大電流パルス状の主電流６を出力するパルス発生回路で
ある。

【００１６】また、図４は第２の実施例の動作を説明す
るための、磁心１に用いる鉄心材料たとえばアモルファ
ス磁性材料等の軟磁性材料のＢ−Ｈ曲線の概念図であ
る。図４においても、点線で示す曲線１１が鉄心材料の
直流磁化曲線であり、実線で示す曲線１２が高速パルス
状の主電流６の実際の動作周波数帯域における磁化曲線
である。また、順方向飽和磁束密度は＋Ｂｓ、逆方向飽
和磁束密度は−Ｂｓとしてそれぞれ図４中に示す。

【００１７】以下、図３および図４を参照して第２の実
施例の動作について説明する。まず一方の可変インダク
タＩにおいては、パルス状の主電流６が主巻線２に印加
されるのに先立って、バイアス回路４は直流的な励磁電
流５を出力する。この励磁電流５は磁心１に順方向の磁
界を発生するような方向に流されているものとする。こ
の励磁電流５によって磁心１は、順方向飽和状態に励磁
されている。すなわち、図４のＰ３で示す状態にセット
されている。この状態で高速高電圧大電流パルス状の主
電流６が主巻線２に印加されると、磁心１はすでに順方
向に磁気飽和しているので、図４において実際の動作周
波数帯域における磁化曲線１２の上をＰ３から、磁気飽
和直線上を動いていく。磁心１に巻かれた主巻線２のイ
ンダクタンスは使用する鉄心材料の透磁率、すなわち磁
束密度を磁界で微分した量、ｄＢ／ｄＨに比例する。前
述の磁心１においては、主電流６が印加される以前より
すでに順方向に磁気飽和しているので、このｄＢ／ｄＨ
は磁気飽和時の鉄心材料の透磁率に等しく、アモルファ
スなどの軟磁性材料においてはほとんど１である。

【００１８】他方の可変インダクタIIにおいては、バイ
アス回路４は励磁電流を出力しない。この時磁心１の状
態は図４中のＰ４にある。この状態で高速高電圧大電流
パルス状の主電流６が主巻線２に印加されると、磁心１
の状態は図４において、実際の動作周波数帯域における
磁化曲線１２の上をＰ４から点ｃを経て点ａに移動し、
順方向飽和に至るように動く。磁心１に巻かれた主巻線
２のインダクタンスは使用する鉄心材料の透磁率、すな
わち磁束密度を磁界で微分した量、ｄＢ／ｄＨに比例す
る。前述の磁心１の動作曲線、すなわち図４のＰ４から
点ｃを経て点ａに達して順方向飽和に至る曲線は、鉄心
材料の未飽和領域に存在しているので、このｄＢ／ｄＨ
は前述の一方の可変インダクタＩの磁心１の透磁率に比
較すると格段に高く、アモルファスなどの軟磁性材料に
おいてはほとんど２桁以上の差がある。したがって、主
電流６に対する他方の可変インダクタのインダクタンス
ｂは、一方の可変インダクタＩのインダクタンスよりも
２桁以上高くなる。このために、高速高電圧大電流パル
ス状の主電流６に対して、他方の可変インダクタIIのイ
ンピーダンスは一方の可変インダクタＩのインピーダン
スよりも２桁以上高くなり、実際上開いたスイッチとみ
なすことができる。したがって、主電流６はそのほとん
どが一方の可変インダクタＩの主巻線２のみを流れるこ
とになり、負荷２８にのみ流れ込む。このように、一方
の可変インダクタＩの磁心１を順方向に磁気飽和させ、
他方の可変インダクタIIの磁心１は未飽和領域に設定す
る状態を、初期状態３と呼ぶこととする。

【００１９】励磁電流５の大きさを、前述の初期状態３
の時と入れ換える、すなわち、一方の可変インダクタＩ
のバイアス回路４の出力する励磁電流５を０とし、他方
の可変インダクタIIのバイアス回路４の出力する励磁電
流５によって磁心１を順方向に磁気飽和するように設定
する時、この状態を初期状態４と呼ぶこととする。初期
状態４に設定した時は、前述の初期状態３の時とは逆
に、一方の可変インダクタＩの主電流６に対するインダ
クタンスが他方の可変インダクタIIのインダクタンスよ
りも２桁以上高くなる。結果として、一方の可変インダ
クタＩを実際上開いたスイッチとしてみなすことがで
き、主電流６はそのほとんどが他方の可変インダクタII
の主巻線２のみを流れ、負荷２８にのみ流れ込む。

【００２０】このように、本発明の第２の実施例におい
ては、制御巻線に流すバイアス電流によって磁心を磁気
飽和させ、磁心が磁気飽和して透磁率が低くなった可変
インダクタを閉じたスイッチとして利用することができ
る。

【００２１】前述したスパークギャップなどとは異な
り、放電ギャップを使用していないために、本質的に長
寿命である。また、磁心１に用いる鉄心材料たとえばア
モルファスなどの軟磁性材料においては、その比透磁率
が直流帯域では数万程度あるために、励磁電流５のよう
な直流的な電流では、きわめてわずかの電流値でも磁気
飽和させることができる。したがって、バイアス回路４
は小さなものですむだけでなく、励磁電流値が小さくて
すむため、それを高繰り返しで切り換えることは容易で
ある。すなわち、スイッチとして高繰り返し化が容易に
できるという利点もある。さらに、制御巻線３は、高圧
大電流パルスの通過する主巻線２からは完全に電気的に
絶縁されているために、安全性，信頼性の面でも優れて
いる。

【００２２】図５は本発明の第３の実施例を示す可変イ
ンダクタの概略構成図である。図５においても、図１と
対応する構成要素には同一の番号を付す。第３の実施例
においては、バイアス回路４が制御巻線３に２方向の励
磁電流６ａおよび６ｂを出力するという点を除いては、
本発明の第１および第２の実施例と構成，動作において
異なる点はない。

【００２３】また、図６は第３の実施例の動作を説明す
るための、磁心１に用いる鉄心材料たとえばアモルファ
ス磁性材料等の軟磁性材料のＢ−Ｈ曲線の概念図であ
る。図６においても、点線で示す曲線１１が鉄心材料の
直流磁化曲線であり、実線で示す曲線１２が高速パルス
状の主電流６の実際の動作周波数帯域における磁化曲線
である。また、順方向飽和磁束密度は＋Ｂｓ、順方向残
留磁束密度を＋Ｂｒ、逆方向飽和磁束密度は−Ｂｓ、逆
方向残留磁束密度を−Ｂｒとしてそれぞれ図６中に示
す。

【００２４】第２の実施例においては、上述したように
開いたスイッチとしてみなす方の可変インダクタ、すな
わち初期状態３における他方の可変インダクタIIならび
に初期状態４における一方の可変インダクタＩには、励
磁電流を流さない。この時初期状態３における磁心１な
らびに初期状態４における磁心１の状態はともに図４の
Ｐ４にあるものとした。しかし、アモルファスなどの軟
磁性材料においては、一旦磁気飽和が発生すると電流値
を０にしてもある程度の残留磁束が残る。その様子を図
６に示す。すなわち、初期状態３における磁心１の初期
状態は、一旦初期状態４に設定して動作させた後におい
ては、Ｐ４ではなく＋Ｂｒにあることになる。同様に、
初期状態４における磁心１の初期状態も、一旦初期状態
３に設定して動作させた後においては、Ｐ４ではなく＋
Ｂｒにある。この状態で高速高電圧大電流パルス状の主
電流６が印加されると、初期状態３における磁心１なら
びに初期状態４における磁心１の状態は図６において、
実際の動作周波数帯域における磁化曲線１２の上を＋Ｂ
ｒから点ａを経て順方向飽和に至るように動く。この時
の磁心１の透磁率、すなわちｄＢ／ｄＨは、初期状態が
Ｐ４である時に比較すると大幅に小さくなるために、本
発明の第２の実施例において前述したような主電流６に
対するインピーダンスの差がなくなり、もはや開いたス
イッチとしてみなすことはできなくなる。

【００２５】本発明の第３の実施例においては、図５に
示すようにバイアス回路４が２方向の直流的な励磁電流
５ａおよび５ｂを制御巻線３に流す構成を有している。
励磁電流５ａは磁心１を順方向に磁気飽和させ、一方励
磁電流５ｂは逆方向に磁気飽和させるように制御巻線３
に流される。

【００２６】いま、初期状態４に設定して動作した後の
磁心１の状態は、前述したように＋Ｂｒにある。しか
し、ここで励磁電流５ｂを制御巻線３に流して磁心１を
逆方向に磁気飽和させれば、この励磁電流５ｂを切った
後においても、磁心１の状態は図６中の−Ｂｒに設定さ
れる。この状態で高速高電圧大電流パルス状の主電流６
が主巻線２に印加されると、磁心１の状態は図６におい
て、実際の動作周波数帯域における磁化曲線１２の上を
−Ｂｒから点ｃを経て点ａに移動し、順方向飽和に至る
ように動く。磁心１に巻かれた主巻線２のインダクタン
スは使用する鉄心材料の透磁率、すなわち磁束密度を磁
界で微分した量、ｄＢ／ｄＨに比例する。前述の磁心１
の動作曲線、すなわち図６の−Ｂｒから点ｃを経て点ａ
に達して順方向飽和に至る曲線は、鉄心材料の未飽和領
域に存在しているので、このｄＢ／ｄＨは初期状態がＰ
４にあるとした時の値と同程度に大きい。したがって、
本発明の第２の実施例において説明した、磁心１を順方
向に磁気飽和させた一方の可変インダクタＩと比較し
て、主電流６に対するインピーダンスが十分に大きくな
り、開いたスイッチとしてみなせるようになる。

【００２７】初期状態３に設定して動作した後の磁心１
についても、同様に動作させることができるのは言うま
でもない。

【００２８】このように、第３の実施例においては、制
御巻線３に流す励磁電流５の方向が逆転して、磁心１を
逆方向に磁気飽和させるので、順方向に磁気飽和させる
動作を行った後においても、磁心１の透磁率を十分に大
きく確保でき、スイッチとして安定な動作をさせること
が可能となる。そのほかの動作，効果については、本発
明の第２の実施例と異なるところはない。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、磁心と、
その磁心に巻いた主巻線と、前記磁心に磁界を発生させ
その磁界により磁心の透磁率を変化させる制御巻線とを
有する構成によるので、放電ギャップを用いることなし
に高速高電圧大電流パルスを制御することができ、長寿
命で、高繰り返し化も容易となり、また、制御巻線が主
電流の流れる主巻線とは電気的に完全に絶縁されている
ために、安全性，信頼性の高い高速高電圧大電流パルス
を制御するスイッチ素子となる可変インダクタを実現す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例である可変インダクタの
概略構成図

【図２】図１の磁心に用いる鉄心材料のＢ−Ｈ曲線を表
す特性図

【図３】図１の可変インダクタを２個用いた第２の実施
例の回路構成図

【図４】図３の回路構成図における磁心に用いる鉄心材
料のＢ−Ｈ曲線を表す特性図

【図５】本発明の第３の実施例である可変インダクタの
概略構成図

【図６】図５の可変インダクタの磁心に用いる鉄心材料
のＢ−Ｈ曲線を表す特性図

【図７】従来の高速高電圧大電流パルスを制御するスパ
ークギャップの概略構成図

【符号の説明】

１ 磁心 ２ 主巻線 ３ 制御巻線 ４ バイアス回路 ５ 励磁電流 ６ 主電流 ７ 磁界

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松田 明浩 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁心と、その磁心に巻いた主巻線と、前
   記磁心に磁界を発生させその磁界により前記磁心の透磁
   率を変化させる制御巻線とを有することを特徴とする可
   変インダクタ。
2. 【請求項２】 制御巻線がさらにその制御巻線の発生さ
   せる磁界によって磁心を磁気飽和させるものであること
   を特徴とする請求項１記載の可変インダクタ。
3. 【請求項３】 制御巻線がさらにその制御巻線の発生さ
   せる磁界の方向が反転して、磁心の磁気飽和の方向が反
   転することを特徴とする請求項１または２記載の可変イ
   ンダクタ。