JPH07226658A - パルス電源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁気パルス圧縮段数を少なくし、また半導体
スイッチの制御電圧を低くしながら高電圧・大電流パル
スを得る。 【構成】 初期充電されるコンデンサＣ₀から半導体ス
イッチＳＷのオンで昇圧トランスＰＴにパルス電流を流
し、このトランスＰＴの二次側に可飽和トランスＳＴを
設けて昇圧動作と磁気スイッチ動作を得、この可飽和ト
ランスの昇圧動作でコンデンサＣ₁，Ｃ₂を充電した後に
磁気スイッチ動作でコンデンサＣ₁を反転充電し、コン
デンサＣ₁，Ｃ₂とリアクトルＬによるＬＣ反転の倍電圧
を得、可飽和リアクトルＳＩ₁の磁気スイッチ動作でレ
ーザ発振器ＬＨ側に磁気圧縮したパルス電流を供給す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、可飽和トランスを用い
て高電圧・大電流の短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，パルス脱硝装置等のパルス電源には、サイラトロン
スイッチやトリガトロンスイッチ等の放電スイッチを用
いて直接に高電圧・大電流をスイッチングすることでパ
ルスを発生するものと、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組合せたものがある。また、
１つの可飽和トランスで昇圧とパルス圧縮を行い、スイ
ッチング素子の負担を軽減するものもある。

【０００３】図４はサイラトロンスイッチを放電スイッ
チとしてレーザ・ヘッドＬＨに高電圧・大電流パルスを
供給する構成を示す。

【０００４】図５は可飽和リアクトルを用いた従来回路
例を示す。コンデンサＣ₀は、高圧直流電源ＨＤＣによ
って初期充電される。パルストランスＰＴの一次巻線と
サイリスタ等の半導体スイッチＳＷとの直列接続回路が
コンデンサＣ₀に並列接続され、半導体スイッチＳＷの
点弧によってパルストランスＰＴにパルス性の一次電流
を供給する。

【０００５】トランスＰＴの二次巻線にはコンデンサＣ
₁，Ｃ₂，Ｃ₃と可飽和リアクトルＳＲ₁，ＳＲ₂，ＳＲ₃か
らなる３段の磁気パルス圧縮回路が縦続接続で設けら
れ、トランスＰＴで昇圧されたパルス電流に対するパル
ス圧縮した電流を得、最終段の可飽和リアクトルＳＲ₃
とレーザ・ヘッドＬＨにパルス圧縮した高電圧・大電流
パルスを得る。リアクトルＬは、レーザ・ヘッドＬＨへ
のプリパルス発生を防止する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の放電ギャップ型
のスイッチを用いたパルス電源においては、これらスイ
ッチング素子の寿命が１０⁷〜１０⁸パルスと短く、高い
繰返し動作を行う場合にはスイッチ素子の寿命が問題と
なる。

【０００７】一方、半導体スイッチと可飽和リアクトル
を組合せたパルス電源においては、スイッチ素子自体の
耐電圧が放電スイッチに比べて小さい（数ＫＶ）ため、
放電スイッチ方式と同程度の高電圧を発生させるために
は３段等の多数段の磁気パルス圧縮回路を必要とする。

【０００８】この磁気パルス圧縮には、一般に、可飽和
リアクトルのコアとして、鉄系アモルファスやコバルト
系アモルファス、または鉄系超微結晶等が用いられる。
これらコア材の電圧時間積（電圧保持）は、コアの容積
に応じて大きくなる。このため、電圧が高い状態（パル
ス・トランスによる昇圧後）で３段等のパルス圧縮を行
うと、これらコア材の総容積が大きくなる。

【０００９】また、これら磁心材は高価であり、電源コ
ストが高くなる。さらに、磁気圧縮段数に比例してエネ
ルギー転送用のコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の必
要個数が増し、大型・高価なコンデンサを多く必要とす
る。

【００１０】本発明の目的は、磁気パルス圧縮段数を少
なくし、また半導体スイッチの制御電圧を低くしながら
高電圧・大電流パルスを得るパルス電源を提供すること
にある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題の解
決を図るため、初期充電される第１のコンデンサと、半
導体スイッチと、前記コンデンサと半導体スイッチの間
に一次巻線が接続され前記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パルストランス
と、前記パルストランスの出力を一次入力とし昇圧動作
と磁気スイッチ動作を得る可飽和トランスと、前記可飽
和トランスの二次巻線に並列接続され該トランスの昇圧
出力で充電され該トランスの磁気スイッチ動作で反転充
電される第２のコンデンサと、リアクトルと直列接続さ
れ前記可飽和トランスの昇圧出力で充電され前記第２の
コンデンサとの直列接続で該リアクトルに倍電圧を発生
する第３のコンデンサと、前記リアクトルの電圧が印加
され磁気スイッチ動作によってパルス圧縮した電流をピ
ーキング・コンデンサと負荷の並列回路に放電する可飽
和リアクトルとを備えたことを特徴とする。

【００１２】また、本発明は、初期充電される第１のコ
ンデンサと、半導体スイッチと、磁気アシスト用リアク
トルと、前記コンデンサと半導体スイッチ及びリアクト
ルの直列回路間に一次巻線が接続され前記半導体スイッ
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
パルストランスと、前記パルストランスの出力を一次入
力とし昇圧動作と磁気スイッチ動作を得る可飽和トラン
スと、前記可飽和トランスの二次巻線に並列接続され該
トランスの昇圧出力で充電され該トランスの磁気スイッ
チ動作で反転充電される第２のコンデンサと、可飽和リ
アクトルと直列接続され前記可飽和トランスの昇圧出力
で充電され前記第２のコンデンサとの直列接続で該リア
クトルに倍電圧を発生して負荷に放電する第３のコンデ
ンサとを備えたことを特徴とする。

【００１３】

【作用】第１の発明は、可飽和トランスとパルストラン
ス及びＬＣ反転の倍電圧発生回路によって３段の昇圧を
し、可飽和トランスと可飽和リアクトルで２段のパルス
圧縮を行うことによって初段スイッチになる半導体スイ
ッチの制御電圧を低くまた幅広のパルスにして高電圧・
大電流の超短パルスを得ると共に、可飽和トランスの昇
圧比を小さくしてその巻線の巻数を少なくすることでト
ランスでの圧縮パルス（二次巻線のインダクタンス）を
短パルス化する。

【００１４】第２の発明は、初段スイッチに磁気アシス
ト用のリアクトルを設けることで半導体スイッチの負担
を一層軽減する。また、倍電圧発生には可飽和トランス
を使用する。

【００１５】

【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，ＭＯＳＦＥＴ等の１つの半導体スイ
ッチング素子とそのゲート制御回路，スナバ回路を有し
て構成された初段スイッチにされる。

【００１６】パルストランスＰＴと初段エネルギー蓄積
用コンデンサＣ₀及び高圧直流電源ＨＤＣに半導体スイ
ッチＳＷを組み合わせた初段パルス発生回路は、従来と
同等のものになる。

【００１７】パルストランスＰＴの二次巻線には昇圧と
磁気パルス圧縮を行う可飽和トランスＳＴが接続され
る。可飽和トランスＳＴの二次巻線にはコンデンサ
Ｃ₁、Ｃ₂とリアクトルＬからなる倍電圧発生回路が設け
られる。

【００１８】さらに、倍電圧発生回路の出力端になるリ
アクトルＬの両端には可飽和リアクトルＳＩ₂とピーキ
ング・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には負荷としてのレーザ発振器ＬＨ
が並列接続される。

【００１９】上述の構成において、可飽和リアクトルＳ
Ｉ₁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、可飽和リ
アクトルＳＩ₁はピーキング・コンデンサＣ_Pにパルス圧
縮した充電電流を供給する。

【００２０】可飽和トランスＳＴ及びパルストランスＰ
Ｔは、高い角形比を持つ磁心材、例えば鉄基非品質合金
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、一次巻線と二次巻線には昇圧にな
る巻線比にされる。例えば、可飽和トランスＳＴは１対
３の巻線比にされ、パルストランスＰＴは１対２の巻線
比にされる。

【００２１】コンデンサＣ₀，Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ_Pは高電圧・
短パルス発生のために低インダクタンス，高耐電圧のセ
ラミックコンデンサが好適となるが、他にオイルコンデ
ンサ等を用いることができる。

【００２２】本実施例の動作を図２の電流・電圧波形を
参照して説明する。なお、図２中の各電流・電圧記号は
図１の各部回路要素の電流・電圧記号と対応して示す。

【００２３】パルス発生の開始には、コンデンサＣ₀は
高圧直流電源ＨＤＣによって高圧充電しておく。この充
電は、パルス発生の繰り返し周波数及び発生タイミング
に応じてなされる。

【００２４】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→パルストランスＰＴの一
次巻線→半導体スイッチＳＷの経路で一次電流Ｉ₀を流
す。

【００２５】この電流Ｉ₀に対し、パルストランスＰＴ
と可飽和トランスＳＴによる２段の昇圧がなされ、可飽
和トランスＳＴの二次巻線に電流Ｉ₀’を発生させる。
このとき、可飽和トランスＳＴは非飽和領域で動作さ
せ、その巻数比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。

【００２６】電流Ｉ₀による可飽和トランスＳＴの二次
側では、その非飽和動作で電流Ｉ₀’がコンデンサＣ₁の
充電電流及びコンデンサＣ₂とリアクトルＬの振動電流
として流れる。

【００２７】この後、可飽和トランスＳＴが飽和領域に
入ると、その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
なって電流Ｉ₁がコンデンサＣ₁→可飽和トランスＳＴの
二次巻線→コンデンサＣ₁の経路で流れ、コンデンサＣ₁
が逆極性に充電される。

【００２８】このとき、コンデンサＣ₁とＣ₂の直列回路
には、可飽和トランスＳＴのトランス動作の出力電圧の
２倍の充電電圧が発生し、リアクトルＬの両端には２倍
の電圧が発生する。

【００２９】この電圧に対し、可飽和リアクトルＳＩ₁
は、初期にはピーキング・コンデンサＣ_P側への電流を
阻止し、可飽和リアクトルＳＩ₁が飽和すると磁気スイ
ッチとなってコンデンサＣ₁とＣ₂の直列回路からコンデ
ンサＣ_P側にパルス圧縮した電流Ｉ₂を流す。

【００３０】この電流Ｉ₂によりコンデンサＣ_Pには高電
圧・大電流のパルスを得、このパルスによりレーザ発振
器ＬＨには短絡電流を供給、すなわち高電圧・大電流の
超短パルスを供給する。

【００３１】従って、本実施例によれば、パルストラン
スＰＴと可飽和トランスＳＴはトランス動作による昇圧
を得、さらに可飽和トランスＳＴによる磁気スイッチ動
作によりＬＣ反転の２倍電圧に昇圧し、この後に可飽和
リアクトルＳＩ₁によるパルス圧縮を行う。即ち、３段
の昇圧と２回の磁気圧縮を行うことで超短パルスを得
る。

【００３２】これにより、本実施例では、３段の昇圧に
なるため、可飽和トランスＳＴの二次巻線数を少なくし
ても全体の昇圧比を大きくでき、可飽和トランスＳＴで
の磁気圧縮の圧縮比を大きくできる。

【００３３】また、昇圧比を大きくできることから、初
段パルス発生用の半導体スイッチＳＷの耐電圧を低くす
ることができ、半導体スイッチＳＷの直列段数を減らす
ことができる。

【００３４】また、コンデンサ及び可飽和リアクトルの
必要個数を低減できる。

【００３５】さらに、可飽和トランスＳＴと可飽和リア
クトルＳＩ₁の二段の磁気圧縮を行い、その中で可飽和
トランスＳＴの圧縮比を大きくできることから、半導体
スイッチＳＷのスイッチング速度を遅くすることがで
き、この初段パルス発生に可飽和リアクトルを設けた磁
気アシスト手段を設けることなく、半導体スイッチでの
スイッチング損失を小さくできる。

【００３６】さらに、倍電圧発生回路の後段に可飽和リ
アクトルＳＩ₁とピーキング・コンデンサＣ_Pを設けるた
め、負荷としてはコロナ予備のパルス・レーザの他にピ
ンギャップアレイによる紫外線予備電離のパルス・レー
ザにも適用できる。

【００３７】図３は、本発明の他の実施例を示す回路図
である。同図が図１と異なる部分は、初段スイッチ回路
に可飽和リアクトルＳＩ₀を設け、倍電圧発生回路のリ
アクトルＬに代えて可飽和リアクトルＳＩ₂を設け、可
飽和リアクトルＳＩ₁とピーキング・コンデンサＣ_Pを省
略してコロナ予備電離用のレーザ発振器ＬＨに超短パル
スを供給する点にある。

【００３８】可飽和リアクトルＳＩ₀及び可飽和リアク
トルＳＩ₂は、図１の可飽和リアクトルＳＩ₁と同様のコ
ア材による構成にされる。可飽和リアクトルＳＩ₀は、
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、半導体スイッチＳＷのスイッチング損
失を低減することで磁気アシストの無いスイッチング動
作より高い電流ピーク（＝電流上昇率）の電流Ｉ₀を得
る。

【００３９】可飽和リアクトルＳＩ₂は、コンデンサＣ₂
がコンデンサＣ₁と同時に電流Ｉ₀’で充電されるときに
は該電流方向には飽和状態にされる直流バイアスが与え
られ、可飽和トランスＳＴの飽和によるコンデンサＣ₁
の逆極性への充電時には電流阻止リアクトルとして動作
する。

【００４０】したがって、コンデンサＣ₁，Ｃ₂を同じ容
量とするときは両コンデンサはほぼ同じ電圧まで充電さ
れ、コンデンサＣ₁の反転充電時にはコンデンサＣ₂の充
電電圧と合わせて２倍のパルス電圧をレーザ発振器ＬＨ
に印加する。

【００４１】本実施例においても、図１の場合と同様
に、３回の昇圧と２回の磁気圧縮を行い、可飽和トラン
スＳＴの二次巻線数を少なくしても全体の昇圧比を大き
くできるなど同等の作用効果を得ることができる。

【００４２】なお、可飽和リアクトルＳＩ₀及びＳＩ
₂は、空芯のリアクトルとしても良い。

【００４３】

【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より発生するパルス電流
を昇圧トランスと可飽和トランスで昇圧とパルス圧縮を
行い、さらに倍電圧発生回路で倍電圧に高め、さらには
可飽和トランスによるパルス圧縮を行うようにしたた
め、以下の効果がある。

【００４４】（１）可飽和トランスと可飽和リアクトル
及び倍電圧発生回路による３段の昇圧によって初段スイ
ッチの制御電圧を低くし、同時に可飽和トランスと可飽
和リアクトルによる２段のパルス圧縮によって初段スイ
ッチが比較的長いパルス電流制御で済み、半導体スイッ
チの電圧負担及び高速応答性が従来回路に較べて低減さ
れると共にその寿命を長くする。

【００４５】（２）可飽和トランスと可飽和リアクトル
及び倍電圧発生回路による３段の昇圧により、可飽和ト
ランス及びパルストランスの昇圧比を小さくし、それら
のコア容積を低減して該トランスひいては装置の小形化
を図ることができる。

【００４６】（３）３段の昇圧になるため、所期の昇圧
比を得ることを容易にし、一つの素子に大きな負担を強
いることなく、高電圧のパルス発生を容易にする。

【００４７】（４）初段スイッチに磁気アシストとして
の可飽和リアクトルを設ける場合には初段スイッチ素子
のスイッチング損失を一層低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す回路図。

【図２】実施例の各部電流波形図。

【図３】本発明の他の実施例を示す回路図。

【図４】従来の回路図。

【図５】従来例の回路図。

【符号の説明】

ＳＷ…半導体スイッチ ＳＴ…可飽和トランス ＰＴ…パルストランス Ｃ₀，Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ_P…コンデンサ ＬＨ…レーザ発振器 ＳＩ₀，ＳＩ₁，ＳＩ₂…可飽和リアクトル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柳瀬 寿 東京都品川区大崎２丁目１番17号 株式会 社明電舎内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 初期充電される第１のコンデンサと、半
   導体スイッチと、前記コンデンサと半導体スイッチの間
   に一次巻線が接続され前記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パルストランス
   と、前記パルストランスの出力を一次入力とし昇圧動作
   と磁気スイッチ動作を得る可飽和トランスと、前記可飽
   和トランスの二次巻線に並列接続され該トランスの昇圧
   出力で充電され該トランスの磁気スイッチ動作で反転充
   電される第２のコンデンサと、リアクトルと直列接続さ
   れ前記可飽和トランスの昇圧出力で充電され前記第２の
   コンデンサとの直列接続で該リアクトルに倍電圧を発生
   する第３のコンデンサと、前記リアクトルの電圧が印加
   され磁気スイッチ動作によってパルス圧縮した電流をピ
   ーキング・コンデンサと負荷の並列回路に放電する可飽
   和リアクトルとを備えたことを特徴とするパルス電源。
2. 【請求項２】 初期充電される第１のコンデンサと、半
   導体スイッチと、磁気アシスト用リアクトルと、前記コ
   ンデンサと半導体スイッチ及びリアクトルの直列回路間
   に一次巻線が接続され前記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パルストランス
   と、前記パルストランスの出力を一次入力とし昇圧動作
   と磁気スイッチ動作を得る可飽和トランスと、前記可飽
   和トランスの二次巻線に並列接続され該トランスの昇圧
   出力で充電され該トランスの磁気スイッチ動作で反転充
   電される第２のコンデンサと、可飽和リアクトルと直列
   接続され前記可飽和トランスの昇圧出力で充電され前記
   第２のコンデンサとの直列接続で該リアクトルに倍電圧
   を発生して負荷に放電する第３のコンデンサとを備えた
   ことを特徴とするパルス電源。