JPH08107336A - パルス電源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体スイッチの電圧負担を軽減し、しかも
トランスの小型化を可能にする。 【構成】 高圧電源ＨＤＣによりＬＣ反転倍電圧発生回
路Ｃ₁，Ｃ₂，ＬのコンデンサＣ₁、Ｃ₂を充電し、半導体
スイッチＳＷのオンでコンデンサＣ₁の逆極性に充電
し、コンデンサＣ₁，Ｃ₂に直列倍電圧を得ることで半導
体スイッチの電圧負担を軽減する。倍電圧発生出力は、
パルストランスＰＴと可飽和リアクトルＳＩ₃により磁
気パルス圧縮した二次出力を得ることでパルストランス
の電圧時間積を小さくしてその小型化を図る。パルスト
ランスの出力でコンデンサＣ₃を充電し、この出力をピ
ーキングコンデンサＣ_Pと可飽和リアクトルＳＩ₁とレー
ザヘッドＬＨの回路に印加してパルス圧縮した電流を供
給する。可飽和リアクトルＳＩ₂は、磁気アシストとし
て使用する。

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３は、半導体スイッチと可飽和トラン
ス、可飽和リアクトルを組み合わせ、ＬＣ反転回路によ
り高圧を得るパルス電源を示す。

【０００４】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。

【０００５】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により、矢
印で示すパルス電流Ｉ₀を発生する。

【０００６】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。

【０００７】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。

【０００８】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。

【０００９】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もある。

【００１０】上記構成の動作を図４の電流・電圧波形を
参照して説明する。なお、図４中の各電流・電圧記号は
図３の各部回路要素の電流・電圧記号と対応して示す。

【００１１】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、レーザヘッドＬＨの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。

【００１２】この充電後、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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】従来のパルス電源にお
いては、半導体スイッチＳＷは、コンデンサＣ₀に蓄え
られたエネルギーの全てをスイッチするため、電圧負担
が大きくなる。

【００２０】そのために、ＬＣ反転の他に、パルストラ
ンスＰＴと可飽和トランスＳＴを用いて半導体スイッチ
ＳＷのスイッチング電圧を低くしている。

【００２１】しかしながら、これらトランスＰＴ，ＳＴ
はパルス圧縮を行う前段に設けられるため、電圧・時間
積の時間成分が大きくなり、電圧・時間積に比例してト
ランスの磁心断面積が大きくなり、結果的にトランス容
積が大きくなる。

【００２２】本発明の目的は、半導体スイッチの電圧負
担を軽減し、しかもトランスの小型化を可能にするパル
ス電源を提供することにある。

【００２３】

【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、半導体スイッチと、この半導体スイッチ
と並列接続され高圧電源で初期充電され該半導体スイッ
チのオンによって反転充電される第１のコンデンサと、
リアクトルと直列接続され前記高圧電源で初期充電され
前記第１のコンデンサの反転充電電圧とを加算して倍電
圧を発生する第２のコンデンサと、可飽和リアクトルと
直列接続され前記倍電圧が印加されてパルス圧縮した二
次出力を得るパルストランスと、このパルストランスの
出力で充電される第３のコンデンサと、このコンデンサ
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。

【００２４】また、本発明は、前記半導体スイッチに直
列に磁気アシスト用の可飽和リアクトルを設けたことを
特徴とする。

【００２５】

【作用】ＬＣ反転の倍電圧発生回路をパルストランスの
前段に設け、この倍電圧発生回路の両コンデンサを高圧
電源で初期充電し、その一方のコンデンサを半導体スイ
ッチで反転充電することで倍電圧を得る。このＬＣ反転
を初段に設けることで、半導体スイッチの電圧負担を軽
減する。

【００２６】そして、倍電圧発生回路からは可飽和リア
クトルで１回目の磁気パルス圧縮を行うことにより、パ
ルストランスの電圧時間積を小さくし、その小型化を図
る。

【００２７】パルストランスの昇圧出力で第３のコンデ
ンサを充電し、レーザヘッド側には２回目の磁気パルス
圧縮をした電流を供給する。

【００２８】半導体スイッチに直列に可飽和リアクトル
を設けることにより、半導体スイッチの電圧負担を一層
軽減する。

【００２９】

【実施例】図１は本発明の一実施例を示す回路図であ
り、図３と同じ部分は同一符号で示す。

【００３０】本実施例においては、初期充電用コンデン
サＣ₀と可飽和トランスＳＴは省略され、パルストラン
スＰＴはＬＣ反転回路の後段に設けられる。すなわち、
半導体スイッチＳＷは、ＬＣ反転回路のコンデンサＣ₁
の電圧を反転させ、ＬＣ反転回路の２倍電圧出力を可飽
和リアクトルＳＩ₃とパルストランスＰＴの一次入力と
し、その出力電流Ｉ₁’でコンデンサＣ₂を充電し、この
充電電圧でレーザヘッドＬＨ側にパルス電流を供給す
る。

【００３１】本実施例の動作を図２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。

【００３２】高圧直流電源ＨＤＣからの直流出力により
コンデンサＣ₁，Ｃ₂は電流Ｉ₀’で初期充電される。そ
の後、半導体スイッチＳＷのオンによりコンデンサＣ₁
の電荷を可飽和リアクトルＳＩ₂を通してコンデンサＣ₁
を逆極性に充電する。このとき、可飽和リアクトルＳＩ
₂は初段のスイッチング損失を低減するために磁気アシ
ストとして用いる。

【００３３】このＬＣ反転充電により、２倍に昇圧され
た電圧で昇圧用のパルストランスＰＴと可飽和リアクト
ルＳＩ₃の直列回路に電流Ｉ₁を流す。この電流Ｉ₁は、
可飽和リアクトルＳＩ₃が非飽和から飽和領域に移行
し、可飽和リアクトルＳＩ₃のインダクタンスが小さく
なっているため、

【００３４】

【数１】τ＝π（ＬＣ）^1/2 で表されるパルス幅を小さくしたパルス圧縮がなされ
る。

【００３５】このパルスが印加されるパルストランスＰ
Ｔの二次側には昇圧されたパルス電圧が発生し、これに
よる電流Ｉ₁’でコンデンサＣ₃が高圧充電される。

【００３６】コンデンサＣ₃の充電が完了した直後に可
飽和リアクトルＳＩ₁が非飽和から飽和領域に移行し、
２回目のパルス圧縮がなされてレーザヘッドＬＨに高電
圧・短パルス電流が供給される。

【００３７】なお、コンデンサＣ₁，Ｃ₂とコンデンサＣ
₃の関係は、Ｃ₁＝Ｃ₂で、パルストランスＰＴの昇圧比
が１対Ｎであれば、次のようになる。

【００３８】

【数２】（Ｃ₁＊Ｃ₂）／（Ｃ₁＋Ｃ₂）＝Ｎ²＊Ｃ₃

【００３９】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、ＬＣ反
転倍電圧発生回路を初段に設け、これの一方のコンデン
サの反転を半導体スイッチで行い、その後段で一回目の
パルス圧縮を行ってパルストランスによる昇圧を行うた
め、以下の効果がある。

【００４０】（１）ＬＣ反転を初段で行うことで、半導
体スイッチの電圧負担を約１／２に低減できる。

【００４１】（２）パルストランスの前段で１回目のパ
ルス圧縮を行うため、パルストランスの電圧時間積を小
さくできパルストランスを小型にすることができる。

【００４２】（３）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】従来の回路図。

【図４】従来の各部電流波形図。

【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 原 喜芳 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】 半導体スイッチと、この半導体スイッチ
   と並列接続され高圧電源で初期充電され該半導体スイッ
   チのオンによって反転充電される第１のコンデンサと、
   リアクトルと直列接続され前記高圧電源で初期充電され
   前記第１のコンデンサの反転充電電圧とを加算して倍電
   圧を発生する第２のコンデンサと、可飽和リアクトルと
   直列接続され前記倍電圧が印加されてパルス圧縮した二
   次出力を得るパルストランスと、このパルストランスの
   出力で充電される第３のコンデンサと、このコンデンサ
   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】 前記半導体スイッチに直列に磁気アシス
   ト用の可飽和リアクトルを設けたことを特徴とする請求
   項１記載のパルス電源。