JPH11266147A

JPH11266147A - パルス電源装置

Info

Publication number: JPH11266147A
Application number: JP6752098A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sakukawa; 貴志佐久川; Takashi Igarashi; 貴五十嵐
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1998-03-18
Filing date: 1998-03-18
Publication date: 1999-09-28

Abstract

(57)【要約】【課題】パルス電流をコンデンサと可飽和リアクトル
の構成で磁気パルス圧縮してパルス励起型レーザとなる
負荷装置に供給するのでは、可飽和リアクトルの漏れ電
流がパルス電圧の立ち上がりを緩やかにしてレーザ発振
性能を低下させる。【解決手段】昇圧・磁気パルス圧縮回路１２は、パル
ス発生回路１１からのパルス電流Ｉ₁を可飽和トランス
ＳＴのトランス動作で昇圧して取り込み、可飽和トラン
スＳＴのトランス動作出力によるパルス電流Ｉ１’で可
飽和リアクトルＳＩ２を通してコンデンサＣ２を充電
し、コンデンサＣ２は充電された後に可飽和トランスＳ
Ｔが飽和動作した時に負荷装置４にパルス電流Ｉ₂を直
接に供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力用半導体スイ
ッチを用いたパルス発生回路と磁気パルス圧縮回路を組
み合わせて狭幅で大電流のパルスを高い繰り返しで発生
するパルス電源装置に係り、特にエキシマレーザ装置や
グロー放電を利用した薄膜形成装置等の放電負荷に対し
て立ち上がりの速いパルス電流を供給するためのパルス
電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８にパルス電源装置の構成例を示す。
パルス発生回路１は、電力用の初段コンデンサＣ０を設
け、このコンデンサＣ０を充電器２により初期充電して
おき、半導体スイッチＳＷのオン制御でコンデンサＣ０
から可飽和リアクトルＳＩ０を経て昇圧・磁気パルス圧
縮回路３の入力段パルストランスＰＴにパルス電流Ｉ₀
を供給する。

【０００３】昇圧・磁気パルス圧縮回路３は、パルスト
ランスＰＴで昇圧したパルス電流Ｉ₁でコンデンサＣ１
を高圧充電し、このコンデンサＣ１の充電電圧で可飽和
リアクトルＳＩ１が磁気スイッチ動作することによりコ
ンデンサＣ１からコンデンサＣ２への狭幅のパルス電流
Ｉ₂を発生させてコンデンサＣ２を高圧充電し、さらに
コンデンサＣ２の充電電圧で可飽和リアクトルＳＩ２が
磁気スイッチ動作することによりコンデンサＣ２からエ
キシマレーザなどの負荷装置４に狭幅・高電圧のパルス
電流Ｉ₃を供給する。

【０００４】このような構成のパルス電源装置におい
て、パルストランスＰＴは、コンデンサＣ０の低い電圧
を昇圧することにより、半導体スイッチＳＷの電圧責務
を軽減している。すなわち、半導体スイッチＳＷとして
は、複数の半導体スイッチ素子を直列接続して所期の制
御電圧性能を得るのを不要にすると共に、各半導体スイ
ッチ素子に必要なトリガ回路や保護回路、さらには分担
電圧をバランスさせるための抵抗類を不要にする。これ
ら回路の簡単化は、装置のコンパクト化になるし、スイ
ッチ周りの漂遊インダクタンスの発生を小さくして高速
スイッチ動作を得るのに好適となる。

【０００５】可飽和リアクトルＳＩ１、ＳＩ２とコンデ
ンサＣ１、Ｃ２の２段縦続回路は、それぞれの段で磁気
パルス圧縮動作によりパルス幅を狭くするもので、必要
に応じて段数を増した構成にされる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来のパルス電源装置
において、可飽和リアクトルＳＩ０，ＳＩ１，ＳＩ２に
は、リセット巻線を設け、磁気リセット回路から供給さ
れるリセット電流により、コアを一方の磁化方向に保持
する磁気リセットを施している。

【０００７】これにより、例えば、可飽和リアクトルＳ
Ｉ２は、コンデンサＣ２がパルス電流で充電された後、
その電圧時間積Ｖｔで決まる時間後に他方の磁化方向に
飽和動作して短絡状態になる磁気スイッチ動作をし、、
コンデンサＣ２から負荷装置４のピーキングコンデンサ
ＣＰへ磁気パルス圧縮したパルス電流を流すことができ
る。

【０００８】ここで、可飽和リアクトルＳＩ０，ＳＩ
１，ＳＩ２は、非飽和時においてもその巻線に若干の漏
れ電流が発生する。このため、例えば、コンデンサＣ２
が充電され始めたときから可飽和リアクトルＳＩ２を通
してピーキングコンデンサＣＰへの漏れ電流が発生し、
ピーキングコンデンサＣＰに充電電圧が発生する。

【０００９】この様子は、ピーキングコンデンサＣＰの
電圧波形を図９に示すように、コンデンサＣ２が充電さ
れ始める時刻ｔ₀から漏れ電流でピーキングコンデンサ
ＣＰの充電が始まり、可飽和リアクトルＳＩ２が飽和動
作した時刻ｔ₁には電圧Ｖ_Lだけ充電されてしまい、その
後に可飽和リアクトルＳＩ２の磁気スイッチ動作で急速
に電圧が上昇し、時刻ｔ₂でレーザの主電極に放電を得
る。

【００１０】このため、ピーキングコンデンサＣＰの電
圧波形は、緩やかな立ち上がり部をもつものになり、急
峻なパルス圧縮波形を必要とするパルス励起型レーザの
発振性能を低下させることがある。

【００１１】本発明の目的は、可飽和リアクトルの漏れ
電流によるピーキングコンデンサの充電を無くし、ピー
キングコンデンサの電圧の立ち上がりを急峻にして負荷
装置にパルス電流を供給できるパルス電源装置を提供す
ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、昇圧・磁気パ
ルス圧縮回路の昇圧を可飽和トランスで行い、そのトラ
ンス動作でコンデンサを充電し、その磁気スイッチ動作
で該コンデンサから直接にピーキングコンデンサにパル
スエネルギーを移行するようにしたもので、図１に示す
基本構成とする。

【００１３】同図において、パルス発生回路１１は、充
電器２により初期充電されたコンデンサＣ０から半導体
スイッチＳＷのオンでリアクトルＬ０を通してコンデン
サＣ１に半周期の振動電流Ｉ₀を流すことでエネルギー
を移行する。このリアクトルＬ０は、回路の配線が持つ
漂遊インダクタンス又は回路要素として挿入したインダ
クタンス素子にされる。

【００１４】次に、コンデンサＣ１の充電電圧がピーク
に達する時間に合わせて、可飽和リアクトルＳＩ１が飽
和動作するようその電圧時間積Ｖｔが設計されることに
より、コンデンサＣ１から可飽和リアクトルＳＩ１を通
して昇圧・磁気パルス圧縮回路１２の入力段になる可飽
和トランスＳＴに磁気パルス圧縮したパルス電流Ｉ₁を
供給する。

【００１５】可飽和トランスＳＴは、パルス電流Ｉ₁に
対してその飽和まではトランス動作をし、このトランス
動作によって二次側巻線には可飽和リアクトルＳＩ２を
通したパルス電流Ｉ₁’でコンデンサＣ２を充電する。
可飽和リアクトルＳＩ２は電流Ｉ₁’に対して低いイン
ピーダンスを呈する方向に磁化しておく。

【００１６】次に、コンデンサＣ２の充電電圧がピーク
に達する時間に合わせて、可飽和トランスＳＴが飽和動
作するようにその電圧時間積Ｖｔが設計されることによ
り、可飽和トランスＳＴの飽和動作でコンデンサＣ２か
ら負荷装置４のピーキングコンデンサＣＰに磁気パルス
圧縮したパルス電流を供給する。

【００１７】このような動作における各電流Ｉ₀，Ｉ₁，
Ｉ₂は図２に示すようになり、半導体スイッチＳＷを流
れる電流Ｉ₀は緩やかな振動電流になって半導体スイッ
チＳＷのオン時の電流立ち上がり責務（ｄＩ₀／ｄｔ）
を軽減する。また、コンデンサＣ１から可飽和トランス
ＳＴへの電流Ｉ₁には、可飽和リアクトルＳＩ１の磁気
パルス圧縮動作による急峻なパルス電流を供給できる。
なお、可飽和リアクトルＳＩ１による漏れ電流の存在
は、パルス発生回路１１の磁気パルス圧縮効果に影響す
るが、ピーキングコンデンサＣＰの充電電圧には影響を
及ぼさないものである。

【００１８】また、可飽和トランスＳＴの磁気パルス圧
縮動作によって最も急峻にされた電流Ｉ₂には、コンデ
ンサＣ２から可飽和リアクトルを介することなく直接に
ピーキングコンデンサＣＰにエネルギー移行を行うた
め、ピーキングコンデンサＣＰへの漏れ電流が発生する
ことなく、その電圧立ち上がりを急峻にすることができ
る。

【００１９】このときのピーキングコンデンサＣＰの電
圧Ｖ_CP波形を図３に示し、可飽和トランスＳＴが飽和す
る時刻ｔ₁まではほぼ零電圧に維持され、時刻ｔ₁から急
峻に上昇し、時刻ｔ₂で負荷装置の主電極にパルス放電
を得ることができる。

【００２０】以上までのことから、本発明は図１を基本
構成とし、以下のパルス電源装置を特徴とするものであ
る。

【００２１】初期充電されるコンデンサから半導体スイ
ッチのオン制御でパルス電流を発生するパルス発生回路
と、前記パルス電流を昇圧及び磁気パルス圧縮して負荷
装置に供給する昇圧・磁気パルス圧縮回路とを備えたパ
ルス電源装置において、前記昇圧・磁気パルス圧縮回路
は、前記パルス発生回路からのパルス電流をトランス動
作で昇圧して取り込む可飽和トランスＳＴと、前記可飽
和トランスＳＴの二次巻線に直列接続される可飽和リア
クトルＳＩ２とコンデンサＣ２とを備え、前記可飽和リ
アクトルＳＩ２は、前記可飽和トランスＳＴのトランス
動作出力によるパルス電流を前記コンデンサＣ２の充電
電流として流す配置にし、前記コンデンサＣ２は、前記
可飽和リアクトルＳＩ２を通して充電された後、前記可
飽和トランスＳＴが飽和動作した時に前記負荷装置にパ
ルス電流を直接に供給する配置にしたことを特徴とす
る。

【００２２】また、前記パルス発生回路は、初期充電さ
れるコンデンサＣ０から半導体スイッチＳＷのオン制御
でパルス電流が供給されるコンデンサＣ１と、このコン
デンサＣ１の充電電圧がピークに達するときに飽和動作
して前記可飽和トランスに磁気パルス圧縮したパルス電
流を供給する可飽和リアクトルＳＩ１とを設けた構成を
特徴とする。

【００２３】また、前記パルス発生回路は、前記コンデ
ンサＣ１と可飽和リアクトルＳＩ１の磁気パルス圧縮回
路を複数段縦続接続で設けたことを特徴とする。

【００２４】また、前記パルス発生回路は、前記可飽和
トランスＳＴに供給するパルス電流を昇圧するパルスト
ランスを設けたことを特徴とする。

【００２５】

【発明の実施の形態】図４は、本発明の実施形態を示す
パルス電源装置の回路図である。以下の他の実施形態も
含めて、半導体スイッチＳＷにはサイリスタ、ＧＴＯ、
ＩＧＢＴ、ＦＥＴ等のスイッチ素子を用いる。また、可
飽和リアクトルＳＩ１、ＳＩ２や可飽和トランスＳＴに
は、飽和時と非飽和時の透磁率差が非常に大きく、高角
形比の鉄基超微結晶質、鉄基及びコバルト基のアモルフ
ァス、フェライト等を磁心材とする。

【００２６】図４が図１と異なる部分は、半導体スイッ
チＳＷを接地側に設けた点にある。この構成による作用
効果は、図１の場合の作用効果に加えて、半導体スイッ
チＳＷが接地側になることから、そのゲート回路を接地
側に対して絶縁する手段が不要になり、ゲート回路及び
制御回路の絶縁構成が簡単になる。

【００２７】図５は、他の実施形態を示す。同図が図１
と異なる部分は、図１のコンデンサＣ１と可飽和リアク
トルＳＩ１で構成する磁気パルス圧縮回路を、複数段縦
続接続した構成とする点にある。

【００２８】図５では、コンデンサＣ１，Ｃ２，…，Ｃ
ｎと可飽和リアクトルＳＩ１，…，ＳＩｎにより、ｎ段
の磁気パルス圧縮回路構成とする。

【００２９】本実施形態によれば、図１の作用効果に加
えて、スイッチングスピードが低速のもの、あるいはｄ
ｖ／ｄｔ責務を一層軽減した半導体スイッチＳＷを使用
しながらパルス発生回路での磁気パルス圧縮効果を高め
ることができる。

【００３０】なお、半導体スイッチＳＷは、図４の場合
と同ように、接地側に設けることでも良い。

【００３１】図６は、他の実施形態を示す。同図が図１
と異なる部分は、可飽和リアクトルＳＩ１と可飽和トラ
ンスＳＴとの間にパルストランスＰＴを設けた点にあ
る。

【００３２】本実施形態によれば、図１の作用効果に加
えて、パルストランスＰＴによりパルス電流の昇圧比を
稼ぐことができ、その分だけ半導体スイッチＳＷの電圧
責務を軽減することができる。又は、可飽和トランスＳ
Ｔの昇圧比を低く抑えて二次巻線の巻数を減らし、可飽
和トランスＳＴの磁気スイッチ動作時のパルス電流の立
ち上がりを一層急峻にすることができる。

【００３３】なお、本実施形態においても、半導体スイ
ッチＳＷを接地側に設けることもできる。

【００３４】図７は、他の実施形態を示す。同図が図１
と異なる部分は、図５の場合と同様にパルス発生回路に
多段の磁気パルス圧縮回路を設け、さらに、図６の場合
と同様にパルストランスＰＴを設けて昇圧比を稼ぐ点に
ある。

【００３５】本実施形態によれば、図１の作用効果に加
えて、スイッチングスピードが低速のもの、あるいはｄ
ｖ／ｄｔ責務を一層軽減した半導体スイッチＳＷを使用
でき、しかも可飽和トランスＳＴの昇圧比を低く抑えて
パルス電流の立ち上がりを急峻にすることができる。

【００３６】なお、本実施形態においても、半導体スイ
ッチＳＷを接地側に設けることもできる。さらに、パル
ストランスＰＴは、パルス発生回路の出力段に限らず、
ｎ段構成の磁気パルス圧縮回路の途中に設けることがで
きる。

【００３７】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、昇圧・
磁気パルス圧縮回路の昇圧を可飽和トランスで行い、そ
のトランス動作でコンデンサを充電し、その磁気スイッ
チ動作で該コンデンサから直接にピーキングコンデンサ
にパルスエネルギーを移行するようにしたため、可飽和
リアクトルの漏れ電流によるピーキングコンデンサの充
電を無くすことができ、ピーキングコンデンサの電圧の
立ち上がりを急峻にして負荷装置がレーザになる場合に
発振性能を低下させることが無くなる。

【００３８】また、ピーキングコンデンサＣＰに直列に
予備電離用ピンギャップを持つ負荷装置では、レーザ発
振動作時にピーキングコンデンサＣＰに逆極性の残留電
荷が発生することがある。この残留電荷の発生は、次回
のレーザ発振動作を不安定にする恐れがあるが、可飽和
リアクトルＳＩ２によって残留電荷をキャンセルするこ
とができ、高い繰り返し動作にも安定したレーザ発振が
可能となる。

【００３９】また、昇圧・磁気パルス圧縮回路１２は、
比較的高いパルス電圧がかかるが、最終圧縮段に可飽和
トランスＳＴを用いることにより、可飽和トランスＳＴ
の二次側の高電圧部分の回路素子の点数を減らすと共に
高圧絶縁のための回路素子又は組み立て構造をコンパク
トにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本構成を示すパルス電源装置の回路
図。

【図２】本発明の基本構成における電流波形。

【図３】本発明の基本構成におけるピーキングコンデン
サＣＰの電圧波形。

【図４】本発明の実施形態を示す回路構成図（その
１）。

【図５】本発明の他の実施形態を示す回路構成図（その
２）。

【図６】本発明の他の実施形態を示す回路構成図（その
３）。

【図７】本発明の他の実施形態を示す回路構成図（その
４）。

【図８】従来のパルス電源装置の回路図。

【図９】従来装置におけるピーキングコンデンサＣＰの
電圧波形。

【符号の説明】

１、１１…パルス発生回路２…充電器３、１２…昇圧・磁気パルス圧縮回路４…負荷装置ＳＷ…半導体スイッチＳＩ１〜ＳＩ３…可飽和リアクトルＬ０…リアクトルＣ０、Ｃ１〜Ｃｎ＋１…コンデンサＳＴ…可飽和トランスＰＴ…パルストランスＣＰ…ピーキングコンデンサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】初期充電されるコンデンサから半導体ス
イッチのオン制御でパルス電流を発生するパルス発生回
路と、前記パルス電流を昇圧及び磁気パルス圧縮して負
荷装置に供給する昇圧・磁気パルス圧縮回路とを備えた
パルス電源装置において、前記昇圧・磁気パルス圧縮回路は、前記パルス発生回路からのパルス電流をトランス動作で
昇圧して取り込む可飽和トランスＳＴと、前記可飽和トランスＳＴの二次巻線に直列接続される可
飽和リアクトルＳＩ２とコンデンサＣ２とを備え、前記可飽和リアクトルＳＩ２は、前記可飽和トランスＳ
Ｔのトランス動作出力によるパルス電流を前記コンデン
サＣ２の充電電流として流す配置にし、前記コンデンサＣ２は、前記可飽和リアクトルＳＩ２を
通して充電された後、前記可飽和トランスＳＴが飽和動
作した時に前記負荷装置にパルス電流を直接に供給する
配置にしたことを特徴とするパルス電源装置。
【請求項２】前記パルス発生回路は、初期充電される
コンデンサＣ０から半導体スイッチＳＷのオン制御でパ
ルス電流が供給されるコンデンサＣ１と、このコンデン
サＣ１の充電電圧がピークに達するときに飽和動作して
前記可飽和トランスに磁気パルス圧縮したパルス電流を
供給する可飽和リアクトルＳＩ１とを設けた構成を特徴
とする請求項１に記載のパルス電源装置。
【請求項３】前記パルス発生回路は、前記コンデンサ
Ｃ１と可飽和リアクトルＳＩ１の磁気パルス圧縮回路を
複数段縦続接続で設けたことを特徴とする請求項２に記
載のパルス電源装置。
【請求項４】前記パルス発生回路は、前記可飽和トラ
ンスＳＴに供給するパルス電流を昇圧するパルストラン
スを設けたことを特徴とする請求項２又は３の何れか１
に記載のパルス電源装置。