JPH05291889A - 可飽和トランスを用いた完全固体素子化パルス電源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 装置構成の簡単化を図る。 【構成】 半導体スイッチ（ＳＷ）に直列に可飽和リア
クトル（ＳＩ₁）を設けて磁気アシストを行い、エネル
ギー蓄積用コンデンサ（Ｃ₀）の放電パルス電流を可飽
和トランス（ＳＴ）の一次電流として該トランスによる
昇圧動作でコンデンサ（Ｃ₁）を充電し、可変リアクト
ル（Ｌ₀）でタイミング調整した可飽和トランスの磁気
スイッチ動作によりコンデンサ（Ｃ₁）からパルス圧縮
した電流を放電管（ＤＴ）に供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高電圧・大電流パルス
を発生するためのパルス電源に関する。

【０００２】

【従来の技術】パルスレーザ励起やパルスプラズマ発生
用のパルス電源には、半導体スイッチと磁気スイッチに
なる可飽和リアクトルを用いた図４に示す構成のものが
ある。同図中、複数個直列接続されるサイリスタＴＨは
高電圧の半導体スイッチとされ、高電圧充電されたコン
デンサＣ₁₂とリアクトルＬの直列回路を短絡することで
電流Ｉ₁によりＣ₁₂の極性が反転し、Ｃ₁₁とＣ₁₂が直列
結合となりＬＣ反転の倍電圧を発生させる。

【０００３】この電圧発生により可飽和リアクトルＳＲ
₁とコンデンサＣ₁₁，Ｃ₁₂，Ｃ₂の直列回路にパルス圧縮
した電流Ｉ₂を得、さらにコンデンサＣ₂の電圧により可
飽和リアクトルＳＲ₂とコンデンサＣ₃，Ｃ₂の直列回路
にパルス圧縮した電流Ｉ₃を得、最終段の可飽和リアク
トルＳＲ₃と放電管ＤＴにパルス圧縮した高電圧・大電
流パルスＩ₄を得る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の構成において、
初段の半導体スイッチ（サイリスタＴＨ）はＬＣ反転の
倍電圧効果によりレーザ発振に必要な出力電圧の約１／
２を負担し、可飽和リアクトルの磁気スイッチ作用でパ
ルス圧縮を行い、必要とするパルス幅を得るのに可飽和
リアクトルとコンデンサをはしご状に複数段設けてい
る。

【０００５】ここで、一般的なパルスレーザ（例えばエ
キシマレーザ、横型励起ＣＯ₂レーザ等）の放電励起に
は電源の出力電圧として数＋ＫＶを必要とするのに対
し、現在の半導体素子では数ＫＶの耐圧しか得られない
ため、半導体素子を多数個直列に接続して所期の耐電圧
を得るようにしており、半導体素子の電力損失も考慮す
ると大型、大容量の初段スイッチ構成になってしまう。
なお、ＬＣ反転を行わない場合には必要とする半導体素
子数が倍増する。

【０００６】また、可飽和リアクトルの体積（個数）
は、電圧と通電時間の積（電圧時間積Ｖ×ｔ）に比例す
ることから、特に１段目の磁気圧縮には多数個の可飽和
リアクトルコアが必要となり、可飽和リアクトルとコン
デンサの回路をはしご状に複数段設ける構成では装置構
成が大型，高価になる。

【０００７】従来の他のパルス電源として、図５に示す
ように、電流上昇率（ｄｉ／ｄｔ）の大きなガス入放電
スイッチ素子Ｓ（サイラトロン等）を用い、そのスイッ
チングによるパルスをそのまま放電管ＤＴに供給するも
のがあるが、ガス入放電スイッチ素子Ｓの寿命が約１０
⁸パルスと短く、高い繰り返しの出力を得る電源として
は短寿命になり採用できない。

【０００８】本発明の目的は、装置構成の簡単化を図っ
たパルス電源を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するため、半導体スイッチと、この半導体スイッチに
直列接続されて磁気アシストを行う可飽和リアクトル
と、直流電圧で充電される第１のコンデンサと、可変リ
アクトルと、この可変リアクトルと前記コンデンサと前
記半導体スイッチ及び可飽和リアクトルに一次巻線が直
列接続され該半導体スイッチのオンによって一次電流が
供給されて昇圧出力を得ると共に前記可変リアクトルに
よってタイミング調整された磁気スイッチ動作を得る可
飽和トランスと、この可飽和トランスのトランス動作中
の二次出力電流が供給される第２のコンデンサとリアク
トルの直列回路と、前記可飽和トランスのトランス動作
後の磁気スイッチ動作により前記第２のコンデンサの充
電電圧が可飽和トランスの二次巻線を通して印加されて
パルス放電を得る第３のコンデンサと放電管の並列回路
とを備えたことを特徴とする。

【００１０】

【作用】半導体スイッチを可飽和リアクトルで磁気アシ
ストすることによりスイッチング損失を低減すると共に
電流上昇率を高めるスイッチング動作を行い、このパル
ス電流に対して可飽和トランスのトランス動作により昇
圧したパルス電流を得ると共にその後の磁気スイッチ動
作によりパルス圧縮をして放電管に高電圧・大電流の短
パルスを供給する。可飽和トランスの昇圧動作から磁気
スイッチ動作への切り換えのタイミングを可変リアクト
ルＬ₀のインダクタンス調整によって最適化する。

【００１１】

【実施例】図１は本発明の一実施例を示す回路図であ
る。半導体スイッチＳＷは、ＧＴＯサイリスタ，ＳＩサ
イリスタ，ＩＧＢＴ等の半導体素子の複数個直列接続で
構成された初段スイッチにされる。

【００１２】可飽和リアクトルＳＩ₁と初段エネルギー
蓄積コンデンサＣ₀とタイミング調整用可変リアクトル
Ｌ₀及び可飽和トランスＳＴの一次巻線は直列接続され
て半導体スイッチＳＷに並列接続される。

【００１３】可飽和リアクトルＳＩ₁は、実効動作磁束
密度量（△Ｂ）の大きな磁心材、例えば鉄基非晶質合金
磁心材や鉄基超微結晶質合金磁心材、コバルト基非晶質
合金等の磁心材を持ち、半導体スイッチＳＷをアシスト
するための磁気アシストとして使用される。

【００１４】可飽和トランスＳＴは、高い角形比を持つ
磁心材、例えば鉄基非晶質合金磁心材や鉄基超微晶質合
金磁心材、コバルト基非晶質合金等の磁心材を持ち、１
対ｎ（例えばｎ＝３）の巻線比を持つ。

【００１５】可飽和トランスＳＴの二次巻線にはコンデ
ンサＣ₁とパルス幅調整用可変リアクトルＬ₁及びコンデ
ンサＣ_Pの直列回路が並列接続される。また、コンデン
サＣ_PにはリアクトルＬ₂と放電管ＤＴが並列接続され
る。

【００１６】本実施例の動作を説明する。まず、コンデ
ンサＣ₀は直流電源ＤＣによって高圧充電しておく。こ
の後、半導体スイッチＳＷをオンさせることにより、コ
ンデンサＣ₀→可飽和リアクトルＳＩ₁→半導体スイッチ
ＳＷ→可飽和トランスＳＴの一次巻線→可変リアクトル
Ｌ₀の経路で一次電流Ｉ₀を流す。

【００１７】この電流Ｉ₀に対して、可飽和トランスＳ
Ｔは非飽和領域で動作させ、その巻数比（１対ｎ）によ
る昇圧した電圧を二次巻線に得るトランスとして動作さ
せる。

【００１８】このときの可飽和トランスＳＴの二次側で
は、コンデンサＣ₁→可変リアクトルＬ₁→リアクトルＬ
₂→可飽和トランスＳＴの二次巻線の経路で二次電流Ｉ₁
が流れ、コンデンサＣ₁を昇圧後の電圧（一次側のｎ倍
の電圧）で充電する。

【００１９】この後、可飽和トランスＳＴが飽和領域に
入ると、一次側と二次側が非結合状態となり、トランス
としての作用でなく可飽和リアクトルとして作用する磁
気スイッチとなり、二次巻線が低インダクタンスになっ
てパルス圧縮した電流Ｉ₂によってコンデンサＣ_Pを高速
充電する。

【００２０】このコンデンサＣ_Pの充電電圧によって放
電管ＤＴには短絡電流Ｉ₃を供給、すなわち高電圧・大
電流のパルス電流Ｉ₃を放電管ＤＴに供給する。

【００２１】従って、本実施例によれば可飽和トランス
ＳＴはトランス動作による高電圧発生と磁気スイッチ動
作によるパルス圧縮を行い、高電圧・大電流のパルスを
電流Ｉ₂として発生し、この電流でコンデンサＣ_Pが放電
管ＤＴの放電開始電圧まで充電されたときの電流Ｉ₃を
コンデンサＣ_Pと共に供給する。このトランス動作と磁
気スイッチ動作の切換タイミングが可変リアクトルＬ₀
のインダクタンス調整によって最適化が図られる。

【００２２】一方、初段スイッチになる半導体スイッチ
ＳＷには磁気アシストとしての可飽和リアクトルＳＩ₁
が設けられることから、スイッチＳＷのスイッチング損
失を低減すると共に電流上昇率が高められた電流Ｉ₀を
可飽和トランスＳＴに供給する。

【００２３】図２は磁気アシストを設けない場合のスイ
ッチＳＷの電圧・電流波形（ａ）と、磁気アシストを設
けた場合の電圧・電流波形（ｂ）を示す。同図（ａ）の
斜線部分はスイッチＳＷのスイッチング損失に相当し、
磁気アシストを設けることで同図（ｂ）に示すようにス
イッチング損失は低減され、スイッチＳＷの素子容量の
低減及び放熱回路の小型化を可能にする。

【００２４】このスイッチング損失の低減に加えて、電
流Ｉ₀のパルス幅も数分の１に短縮され、電流上昇率を
高める。これに伴い、可飽和トランスＳＴでは印加され
る電圧時間積（Ｖ×ｔ）が小さくなり、そのコア体積
（個数）を減らしてその小型化を可能とし、さらにトラ
ンスＳＴの飽和後のインダクタンスが小さくなるためパ
ルス圧縮効果を高めることができる。例えば、１段の磁
気パルス圧縮によって百ナノ秒以下のパルス出力を得る
ことができた。

【００２５】また、本実施例では可飽和トランスの昇圧
作用により、半導体スイッチＳＷの制御電圧を数分の１
（例えばトランス巻数比１対ｎでは１／ｎ）に低減する
ことができ、半導体素子の直列接続数の低減を図ること
ができる。

【００２６】なお、実施例における可飽和リアクトルＳ
Ｉ₁は図３に示すように半導体スイッチＳＷと直列接続
する構成にして同等の作用効果を得ることができる。ま
た、リアクトルＬ₂を可飽和リアクトルとする構成にし
てプリパルスの発生を低減できる。また、飽和タイミン
グ調整を不要とするときにリアクトルＬ₀を省略した構
成とすることもでき、パルス幅調整を不要とするときリ
アクトルＬ₁を省略した構成とすることができる。

【００２７】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、初段ス
イッチになる半導体スイッチに可飽和リアクトルを直列
接続した磁気アシストを行い、エネルギー蓄積用コンデ
ンサの放電パルス電流を可飽和トランスによって昇圧及
び可変リアクトルによるタイミング調整した磁気スイッ
チ動作でパルス圧縮を行うようにしたため、以下の効果
がある。

【００２８】（１）可飽和リアクトルによる磁気アシス
トによって半導体スイッチのスイッチング損失を低減す
ると共に電流上昇率を高めることができる。

【００２９】（２）可飽和トランスの昇圧動作によって
半導体スイッチのスイッチング電圧負担を軽減できる。

【００３０】（３）電圧負担を軽減した一次電流が供給
される可飽和トランスはそのコア個数を減らすことがで
きると共に飽和後のインダクタンスを小さくしてパルス
圧縮効果を高めることができる。

【００３１】（４）可飽和トランスによる昇圧、磁気パ
ルス圧縮により構成要素個数を低減できる。

【００３２】（５）可変リアクトルＬ₀により可飽和ト
ランスのトランス動作と磁気スイッチ動作の切換タイミ
ング調整ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の回路図。

【図２】スイッチ波形図。

【図３】他の実施例の回路図。

【図４】従来例の回路・波形図。

【図５】従来例の回路図。

【符号の説明】

ＳＷ…半導体スイッチ、ＳＩ₁…可飽和リアクトル、Ｓ
Ｔ…可飽和トランス、ＤＴ…放電管、Ｌ₀…可変リアク
トル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体スイッチと、この半導体スイッチ
   に直列接続されて磁気アシストを行う可飽和リアクトル
   と、直流電圧で充電される第１のコンデンサと、可変リ
   アクトルと、この可変リアクトルと前記コンデンサと前
   記半導体スイッチ及び可飽和リアクトルに一次巻線が直
   列接続され該半導体スイッチのオンによって一次電流が
   供給されて昇圧出力を得ると共に前記可変リアクトルに
   よってタイミング調整された磁気スイッチ動作を得る可
   飽和トランスと、この可飽和トランスのトランス動作中
   の二次出力電流が供給される第２のコンデンサとリアク
   トルの直列回路と、前記可飽和トランスのトランス動作
   後の磁気スイッチ動作により前記第２のコンデンサの充
   電電圧が可飽和トランスの二次巻線を通して印加されて
   パルス放電を得る第３のコンデンサと放電管の並列回路
   とを備えたことを特徴とする可飽和トランスを用いた完
   全固体素子化パルス電源。