JPH0779043A

JPH0779043A - パルス放電装置

Info

Publication number: JPH0779043A
Application number: JP22110893A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Eto; 伸夫江藤; Masataka Yabuuchi; 正隆薮内
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1993-09-06
Filing date: 1993-09-06
Publication date: 1995-03-20

Abstract

(57)【要約】【目的】レーザ用電源等として使用されるパルス放電
装置の構成を簡単にして安価にする。【構成】充電指令信号が入力されるとパルス発生器１
１は時間幅Ｔ₁（Ｔ₁は充電回路の共振周波数の半周期に
設定する）のパルス電圧を出力する。充電用コンデンサ
５は昇圧用変圧器１２で昇圧されたパルス電圧で充電さ
れ、上記パルス時間幅Ｔ₁の立下りのタイミングで充電
用コンデンサ５の充電電圧が最大値となる。同じタイミ
ングで制御回路１３から放電スイッチ４へトリガ信号が
送出され、放電スイッチ４がオンとなって充電用コンデ
ンサ５が放電する。【効果】昇圧用変圧器高圧側のダイオードが不要とな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば銅蒸気レー
ザ、エキシマレーザ、炭酸ガスレーザ等のレーザ用電源
として使用されるパルス放電装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図８は例えば特開平１−３０２８８２号
公報に開示されたこの種従来のパルス放電装置を示す回
路図である。図において、１は高周波電圧を発生するイ
ンバータ、２はインバータ１からの高周波電圧を昇圧す
る昇圧用変圧器、３は後述する充電用コンデンサ５を同
一極性に充電するためのダイオード、４はサイラトロン
等からなる放電スイッチ、５は充電用コンデンサであ
る。６〜８は充電用コンデンサ５と直列に接続されその
電荷を放電する負荷となるそれぞれコンデンサ、レーザ
放電管および充電用リアクトルである。

【０００３】次にその動作を図９のタイムチャートをも
参照して説明する。図９において、時刻ｔ₁からｔ₂の期
間、インバータ１はＯＮとなって高周波電圧を発生す
る。この高周波電圧は昇圧用変圧器２で数十キロボルト
の電圧に昇圧され、ダイオード３で整流された電流が、
昇圧用変圧器２→ダイオード３→充電用コンデンサ５→
充電用リアクトル８→昇圧用変圧器２の閉回路に流れ充
電用コンデンサ５が高電圧に充電される。この場合、充
電用リアクトル８のリアクタンス値は充電用コンデンサ
５やコンデンサ６のリアクタンス値より充分小さくして
あるので、昇圧用変圧器２の出力電圧はほぼそのまま充
電用コンデンサ５への充電電圧となる。時刻ｔ₂で、充
電用コンデンサ５の電圧Ｖ_C1が予め設定された電圧Ｖ_m
になると、インバータ１はＯＦＦしてその発生電圧がな
くなり充電用コンデンサ５の電圧はＶ_mの値を保持す
る。そこで、時刻ｔ₃で放電スイッチ４にトリガ信号を
送出して導通させると、充電用コンデンサ５に蓄積され
た電荷は主としてコンデンサ６、レーザ放電管７に放電
し、レーザ放電管７で数百ナノ秒の間に励起エネルギや
熱エネルギとして消費されいわゆるレーザ光が発振され
る。同様の動作を時刻ｔ₄、ｔ₅、ｔ₆・・・で繰り返
す。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のパルス放電装置
は以上のように構成されているので、昇圧用変圧器２出
力側の高圧回路に、高周波電圧を整流するためのダイオ
ード３が必要となる。特にこのダイオードは高電圧仕様
であるため、素子を多数直列に接続して構成する必要が
あり、大形化しかつ高価になるという問題点があった。

【０００５】この発明は以上のような問題点を解消する
ためになされたもので、特に高圧回路の充電用コンデン
サを不要として小形安価なパルス放電装置を得ることを
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明に係るパルス放
電装置は、所定の時間幅のパルス電圧を発生するパルス
発生器、上記パルス電圧を昇圧する昇圧手段、この昇圧
手段の出力側に負荷と直列に接続され昇圧された上記パ
ルス電圧で充電される充電用コンデンサ、およびこの充
電用コンデンサの電荷を上記負荷に放電させるための放
電回路を形成可能な放電スイッチを備えたものである。

【０００７】この場合、パルス発生器で発生する電圧１
パルスの時間幅を、充電用コンデンサを充電する回路の
共振周波数の半周期に設定し、上記パルス電圧の立下り
時点で放電スイッチをオンさせるようにしてもよい。

【０００８】また、上記昇圧手段の出力側の電圧または
電流を検出し、この検出値が所定の値となった時点を、
放電スイッチのオン時点または上記放電スイッチオン時
点およびパルス電圧の立下り時点としてもよい。

【０００９】また、上記パルス電圧の昇圧動作に基づく
昇圧手段の偏磁によるエネルギを吸収する励磁エネルギ
吸収回路を備えてもよい。

【００１０】また、上記パルス電圧の昇圧動作に基づく
昇圧手段の偏磁を打消すための電圧を印加する偏磁リセ
ット回路を備えてもよい。

【００１１】

【作用】この発明においては、昇圧されたパルス電圧は
それ自体同一極性であるのでそのまま充電用コンデンサ
の充電に供される。

【００１２】また、１パルスの時間幅を充電回路の共振
周波数の半周期分とし放電スイッチをこれの終期に同期
してオンさせることにより、１パルス電圧による充電電
圧が波高値に達した時点で正確に放電させることができ
る。

【００１３】また、電圧または電流を検出して放電スイ
ッチのオン時点を決めることにより、回路定数の変化に
かかわらず、充電電圧波高値での放電が可能となる。

【００１４】また、所定の励磁エネルギ吸収回路は、偏
磁によって生じた励磁エネルギを抵抗の熱エネルギに変
換して消費する。

【００１５】また、所定の偏磁リセット回路は、パルス
電圧と逆極性の電圧を昇圧手段に印加してその磁束レベ
ルを平均化する。

【００１６】

【実施例】

実施例１．図１はこの発明の実施例１によるパルス放電
装置を示す回路図である。図において、４〜８は従来と
同一のものであり説明は省略する。９は電圧Ｅｄの直流
電源、１０はトランジスタ等のスイッチング素子で、直
流電源９とスイッチング素子１０とにより所定時間幅の
パルス電圧を発生するパルス発生器を構成する。１２は
昇圧手段としての昇圧用変圧器で、後述するように偏磁
状態で使用されるので、この偏磁対策が施されている。
１３は充電指令信号を受けると、そのタイミングを基準
に所定のタイミングでスイッチング素子１０にＯＮ／Ｏ
ＦＦ信号を、また放電スイッチ４にトリガ信号を送出す
る制御回路である。

【００１７】次に動作を図２のタイムチャートをも参照
して説明する。時刻ｔ₁以前では、スイッチング素子１
０はＯＦＦ状態で、充電用コンデンサ５、コンデンサ６
の電荷は零、循環電流Ｉ_C，Ｉ_C′も零となっている。時
刻ｔ₁で充電指令信号が入力されると、制御回路１３は
同時にスイッチング素子１０にＯＮ信号を送出してスイ
ッチング素子１０はＯＮ状態となる（図２(ａ)、
(ｂ)）。これによってパルス発生器１１から波高値Ｅｄ
のパルス電圧（ｖ₁）が出力される（図２(ｄ)）。

【００１８】この電圧印加により、昇圧用変圧器１２の
低圧側では、直流電源９→スイッチング素子１０→昇圧
用変圧器１２の低圧側巻線→直流電源９の経路で循環電
流Ｉ_Cが流れる。また、同時に、昇圧用変圧器１２の高
圧側では、昇圧用変圧器１２の高圧側巻線→充電用コン
デンサ５→充電用リアクトル８→昇圧用変圧器１２の高
圧側巻線の経路で循環電流Ｉ_C′が流れる。この場合の
回路方程式を昇圧用変圧器１２の高圧側で表現すると
（１）式となる。

【００１９】

【数１】

【００２０】但し、Ｅｄ′は直流電源９の直流出力電圧
Ｅｄを昇圧用変圧器１２の高圧側に換算した値、Ｌ_Tlは
昇圧用変圧器１２の高圧側から見た漏洩インダクタン
ス、Ｌ_Cは充電用リアクトル８のインダクタンス、Ｃ₁は
充電用コンデンサ５のキャパシタンスである。ｔ秒後の
循環電流Ｉ_C′の値は（１）式を解いて得られる（２）
式で表わされる。

【００２１】

【数２】

【００２２】従って、時刻ｔ₁からパルス電圧が立下る
時刻ｔ₂までの時間、即ち、１パルスの時間幅Ｔ₁（図２
(ｂ)）を、（３）式で表わされる値に設定しておくと、

【００２３】

【数３】

【００２４】同時刻ｔ₂で、循環電流Ｉ_C′の値が丁度零
となる。この時間Ｔ₁は充電回路の共振周波数の半周期
に相当する。

【００２５】一方、充電用コンデンサ５の充電電圧Ｖ_C1
は、時刻ｔ₂で（４）式で示すようにＶ_C1＝２Ｅｄ′と
なり、最大電圧が得られる。

【００２６】

【数４】

【００２７】従って、この時刻ｔ₂に同期して制御回路
１３から放電スイッチ４へトリガ信号を送出すると、放
電スイッチ４がＯＮとなって放電回路を形成し、従来と
同様、充電用コンデンサ５に蓄積された電荷はコンデン
サ６、レーザ放電管７に放電し、レーザ放電管７で励起
エネルギや熱エネルギとして消費されレーザ光が発振さ
れる。以下、時刻ｔ₃、ｔ₄・・・で同様の充電、放電の
動作を繰り返す。

【００２８】実施例２．図３はこの発明の実施例２によ
るパルス放電装置を示す回路図である。実施例１と異な
るのは、昇圧用変圧器１２の高圧側の電圧を分圧して検
出し、その検出値を制御回路１３に送出して放電スイッ
チ４へのトリガ信号送出のタイミングを決定している点
である。即ち、実施例１では、１パルスの時間幅、従っ
て充電時間Ｔ₁を予め回路定数から求めた値に設定して
いたが、実際の装置ではコンデンサのキャパシタンス値
や昇圧用変圧器１２、充電用リアクトル８のインダクタ
ンス値は温度上昇などにより変化し、この結果、設定し
た時間Ｔ₁が正しい充電時間と一致しなくなり、充電電
圧の精度が悪くなる恐れがある。実施例２ではこの問題
を解消するため、電圧検出器１４によりその時点の充電
電圧を検出し、その値が所定の設定値に達した時にスイ
ッチング素子１０へのＯＦＦ信号および放電スイッチ４
へのトリガ信号を送出するようにしている。これによ
り、常に高精度の充電電圧が得られ、従って放電特性も
均一な高精度なものとなる。

【００２９】実施例３．図４は更に他の実施例を示すが
実施例２と同趣旨のもので、ここでは、絶縁形の変流器
１５を設けて循環電流Ｉ_C′を検出し、その検出値を制
御回路１３に送出する。制御回路１３では前掲（４）式
により充電電圧Ｖ_C1を演算により求め、この値が所定の
設定値に達した時にスイッチング素子１０へのＯＦＦ信
号および放電スイッチ４へのトリガ信号を送出する。先
の実施例２の場合には、電圧検出器１４を高電圧回路に
直接接続しているので、例えば放電スイッチ４導通時の
急峻な電流変化により主回路の浮遊インダクタンスＬ_ST
との間でＬ_ST・ｄｉ／ｄｔのノイズ電圧が発生し、高精
度な電圧検出に悪影響を及ぼすことが考えられるが、こ
の実施例３の場合は電流検出方式を採用しているので、
上記のような懸念はない。

【００３０】実施例４．なお、以上の昇圧用変圧器１２
に印加される電圧（ｖ₁）は片極性であるため偏磁が避
けられないが、上記各実施例では例えばギャップ付鉄心
を使用する等、昇圧用変圧器１２自体でその対策を図っ
ていたが、偏磁の程度によっては別途の対策が必要であ
る。図５は、その一例である実施例４におけるパルス放
電装置の特にその該当部分を示す図である。図５（ａ）
において、１６は昇圧用変圧器１２の低圧側に印加され
るパルス電圧（ｖ₁）の極性をブロックする方向に接続
されたダイオード、１７はダイオード１６と直列に接続
された励磁エネルギ吸収回路としての抵抗である。

【００３１】この実施例の場合、図２で示す時刻ｔ₂以
降、偏磁に基づくエネルギが抵抗１７に流れる電流によ
る損失の形で消費される。図５（ｃ）は、それを電圧の
形で概略表現したもので、時刻ｔ₁→ｔ₂での電圧時間積
分量Ａ＝Ｅｄ・（ｔ₂−ｔ₁）が、時刻ｔ₂→ｔ₂′での電
圧時間積分量Ｂに等しくなると、ｔ₁→ｔ₂′の期間でみ
る限り偏磁が解消されることになる。

【００３２】図５（ｂ）は同図（ａ）からダイオード１
６を省略し抵抗１８のみとしたものである。回路構成は
その分簡単になるが、正方向の電圧が印加される時刻ｔ
₁→ｔ₂の期間中も電流が流れてエネルギを消費する点不
利となる。

【００３３】実施例５．図６は、同じく昇圧用変圧器１
２の偏磁対策に関するもので、実施例４とは異なる方式
のものである。即ち、この方式は、外部から昇圧用変圧
器１２の低圧側に電圧を加えて偏磁分を打消すもので、
同図（ａ）は偏磁リセット回路としてのパルス電源１９
を設け、時刻ｔ₂で急峻なパルス電圧を印加して偏磁分
のリセットを行う（同図(ｃ)）。実施例４の場合に比較
してリセットのための時間を短縮できるので、パルス放
電の高頻度な繰り返しが要求されるレーザ発振用におい
て有利となる。但し、この外部からの印加電圧は充電用
コンデンサ５にも流れることになり、一定量以下にとど
める必要がある。図６（ｂ）は、偏磁リセット回路とし
て、パルス電圧とは逆極性の直流電源２０および抵抗２
１を設けたものである。同図（ｄ）の一点鎖線は昇圧用
変圧器１２の鉄心磁束レベルを示すもので、時刻ｔ₁→
ｔ₂では上昇し、時刻ｔ₂→ｔ₃では下降し、平均として
零となる。しかし、この場合も、その適用には一定の制
限がある。

【００３４】実施例６．以上、実施例４，５では励磁エ
ネルギ吸収回路または偏磁リセット回路を昇圧用変圧器
１２の低圧側に設けた場合について説明したが、それら
を昇圧用変圧器１２の高圧側に設けてもよいし、更に、
図７に示すように、昇圧用変圧器１２として３次巻線２
３を有するものとし、この３次巻線２３に接続するよう
にしてもよい。主回路の電圧に制限される上記付加回路
に都合のよい電圧を採用できる点で有利である。

【００３５】実施例７．また、上記各実施例では、パル
ス発生器１１からの電圧１パルスによる充電量で充電用
コンデンサ５を放電させるようにしているが複数パルス
分の電圧による充電後、レーザ放電管７をオンとして放
電させるようにしてもよい。更に、上記各実施例では、
レーザ用電源のパルス放電装置として説明したが、他の
用途、例えば電子ビーム溶接機の加速器用電源やクライ
ストロンの発振用高圧電源等にもこの発明は同様に適用
することができ同等の効果を奏する。

【００３６】

【発明の効果】この発明は以上のように、パルス発生器
で発生した所定時間幅のパルス電圧を昇圧して充電用コ
ンデンサを充電するようにしたので、高圧側に従来設け
られていたダイオードが不要となり、装置の構成が簡
単、安価となる。

【００３７】また、電圧１パルスの時間幅および放電ス
イッチのオン時点を所定のように設定することにより、
１パルス電圧による充電電圧が波高値に達した時点で正
確に放電する。

【００３８】また、電圧または電流を検出して放電スイ
ッチのオン時点を決めることにより、回路定数の変化に
かかわらず、充電電圧波高値での放電が可能となる。

【００３９】また、所定の励磁エネルギ吸収回路を設け
ることにより、昇圧手段の偏磁による励磁エネルギが抵
抗に吸収され偏磁量が抑制される。

【００４０】また、所定の偏磁リセット回路を設けるこ
とにより、昇圧手段に加わる電圧時間積分量が低減し、
偏磁量が抑制される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１によるパルス放電装置を示
す回路図である。

【図２】図１の装置の動作を説明するためのタイムチャ
ートである。

【図３】この発明の実施例２によるパルス放電装置を示
す回路図である。

【図４】この発明の実施例３によるパルス放電装置を示
す回路図である。

【図５】この発明の実施例４における励磁エネルギ吸収
回路を示す図である。

【図６】この発明の実施例５における偏磁リセット回路
を示す図である。

【図７】この発明の実施例６における昇圧用変圧器を示
す図である。

【図８】従来のパルス放電装置を示す回路図である。

【図９】図８の装置の動作を説明するためのタイムチャ
ートである。

【符号の説明】

４放電スイッチ５充電用コンデンサ６，７，８負荷としてのそれぞれコンデンサ、レーザ
放電管、充電用リアクトル１１パルス発生器１２昇圧手段としての昇圧用変圧器１３制御回路１４電圧検出器１５変流器１７励磁エネルギ吸収回路としての抵抗１９偏磁リセット回路としてのパルス電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の時間幅のパルス電圧を発生するパ
ルス発生器、上記パルス電圧を昇圧する昇圧手段、この
昇圧手段の出力側に負荷と直列に接続され昇圧された上
記パルス電圧で充電される充電用コンデンサ、およびこ
の充電用コンデンサの電荷を上記負荷に放電させるため
の放電回路を形成可能な放電スイッチを備えたパルス放
電装置。
【請求項２】パルス発生器で発生する電圧１パルスの
時間幅を、充電用コンデンサを充電する回路の共振周波
数の半周期に設定し、上記パルス電圧の立下り時点で放
電スイッチをオンさせるようにしたことを特徴とする請
求項１記載のパルス放電装置。
【請求項３】昇圧手段の出力側の電圧または電流を検
出し、この検出値が所定の値となった時点を、放電スイ
ッチのオン時点または上記放電スイッチオン時点および
パルス電圧の立下り時点としたことを特徴とする請求項
１記載のパルス放電装置。
【請求項４】パルス電圧の昇圧動作に基づく昇圧手段
の偏磁によるエネルギを吸収する励磁エネルギ吸収回路
を備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか
に記載のパルス放電装置。
【請求項５】パルス電圧の昇圧動作に基づく昇圧手段
の偏磁を打消すための電圧を印加する偏磁リセット回路
を備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか
に記載のパルス放電装置。