JPH11332258A - パルス電源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パルス発生回路でパルスを発生させ、可飽和
リアクトルで磁気パルス圧縮するのみでは立ち上がりの
急峻なパルスが得られない。マルクス電源方式によるパ
ルス発生ではギャップスイッチの信頼性や寿命が問題に
なるし、ブルームライン線路にイオン交換器が必要な
る。 【解決手段】 パルス発生回路１は、初期充電されるコ
ンデンサＣ０から半導体スイッチＳＷのオンで正弦波パ
ルス電流を発生してコンデンサＣ１を充電し、可飽和リ
アクトルＭＳ１で磁気パルス圧縮し、パルストランスＰ
Ｔによって昇圧する。波形成形・磁気スイッチ回路３
は、ＬＣ分布定数回路構成のパルスフォーミングネット
ワークＰＦＮによって波形成形し、可飽和リアクトルＭ
Ｓ２による磁気スイッチ動作で負荷にパルス電流を投入
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、高電圧・大電流の
パルスを高い繰り返しで発生し、レーザヘッド等の負荷
に供給するためのパルス電源に係り、特に半導体スイッ
チと可飽和リアクトル及び波形成形回路を用いたパルス
フォーミング回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】高電圧で急峻なパルスの発生方法とし
て、可飽和リアクトルを用いた磁気パルス圧縮回路があ
る。この場合、高電圧の発生にはパルストランスを用い
て昇圧するか、またパルストランスを用いない場合は半
導体スイッチの直列数を多くして電圧を確保し、可飽和
リアクトルによるパルス圧縮を行っている。この場合、
電圧パルスは正弦波状になる。

【０００３】他に方形波状パルスを発生する方法とし
て、並列充電されたコンデンサをスパークギャップを用
いて直列接続していくことで高電圧の発生を可能とする
マルクス電源を用い、マルクス電源で蓄えた電荷をギャ
ップスイッチでもってパルスフォーミングラインへ転送
し、方形波状の電圧を発生する方法がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の磁気パルス圧縮
回路を用いたパルス電源の場合、原理的にはＬＣ共振回
路になるため、パルス電圧の立ち上がりが最終パルス圧
縮段のループインダクタンス（Ｌ）とコンデンサ容量
（Ｃ）の積の平方根で決まり、高圧大電流のパルス発生
にはコンデンサ容量が大きくなりその立ち上がりを急峻
にするには限界がある。

【０００５】一方、マルクス電源とパルスフォーミング
ラインを用いたパルス電源の場合、方形波状の急峻な電
圧パルスの発生が可能である。しかしながら、通常のマ
ルクス電源がコンデンサを並列充電してスパークギャッ
プを用いて直列接続していくこと、及びパルスフォーミ
ングラインから負荷へのスイッチもギャップスイッチを
利用しているため、ギャップスイッチにミストリガが生
じ易いし、信頼性に乏しく、繰り返しが低く、さらにス
イッチ寿命も短いという問題がある。

【０００６】また、従来から電子ビーム加速器や大出力
レーザ等に用いられるパルスフォーミングラインは、単
一線路やブルームライン線路の何れであっても、大部分
が平行平板型や同軸円筒型の電極間に純水を誘電体とし
て設けた分布定数線路である。このため、誘電体として
の水は常に脱イオンし、高い抵抗値を維持しなければな
らず電源回路にイオン交換器などの付帯設備が必要とな
り大がかりになる上、メンテナンス頻度も高くなる。

【０００７】本発明の目的は、ギャップスイッチやイオ
ン交換器を不要にしながら立ち上がりの急峻なパルスを
得ることができるパルス電源を提供することにある。

【０００８】

【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、初期充電されるコンデンサから半導体スイ
ッチによりパルスを発生してトランスで昇圧し、このパ
ルスをコンデンサとインダクタンスの組を多段に縦続接
続したＬＣ分布定数回路構成のパルスフォーミングネッ
トワークによって波形成形し、この波形成形したパルス
を可飽和リアクトルによる磁気スイッチ動作で負荷への
パルス投入を行うようにしたもので、以下の構成を特徴
とする。

【０００９】初期充電される初段コンデンサから半導体
スイッチのオン制御でパルスを発生し、このパルスをト
ランスによって昇圧するパルス発生回路と、前記パルス
発生回路の出力パルスをコンデンサとインダクタンスの
組を多段に縦続接続したＬＣ分布定数回路構成のパルス
フォーミングネットワークによって急峻な立ち上がりの
電圧パルスに波形成形し、この波形成形したパルスを可
飽和リアクトルの磁気スイッチ動作によって負荷にパル
ス電流を投入する波形成形・磁気スイッチ回路とを備え
たことを特徴とする。

【００１０】また、前記パルス発生回路は、トランスに
よる昇圧前に磁気パルス圧縮する可飽和リアクトルを設
けたことを特徴とする。

【００１１】また、前記パルス発生回路は、パルストラ
ンスでパルスの昇圧を行い、その後段に設けた可飽和ト
ランスで昇圧と磁気スイッチ動作を得ることを特徴とす
る。

【００１２】また、前記波形成形・磁気スイッチ回路
は、入力段に磁気パルス圧縮する可飽和リアクトルとコ
ンデンサの回路を設けたことを特徴とする。

【００１３】また、前記波形成形・磁気スイッチ回路
は、前記パルスフォーミングネットワークを上段と下段
に設けたブルームライン型とし、その充電時に低いイン
ダクタンスになる可飽和リアクトルを出力段又は入力段
に設けたことを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）図１は、本発
明の実施形態を示す回路構成と電圧電流波形である。パ
ルス発生回路１は、初段コンデンサＣ０が充電器２によ
って初期充電され、半導体スイッチＳＷのオン制御によ
りインダクタンスＬとコンデンサＣ１の直列回路に半周
期の共振電流Ｉ０を発生させる。このインダクタンスＬ
は、回路の配線がもつ漂遊インダクタンス又は回路要素
として挿入したリアクトル素子のインダクタンスにされ
る。半導体スイッチＳＷはサイリスタ、ＧＴＯ、ＩＧＢ
Ｔ、ＦＥＴ等の素子にされる。

【００１５】次に、電流Ｉ０で充電されるコンデンサＣ
１の電圧が可飽和リアクトルＭＳ１の電圧・時間積（Ｖ
ｔ）に達したときに可飽和リアクトルＭＳ１が飽和動作
し、パルストランスＰＴに磁気パルス圧縮したパルス電
流Ｉ１を供給し、パルストランスＰＴの二次側には昇圧
したパルス電圧Ｖｐｔを得る。

【００１６】波形成形・磁気スイッチ回路３は、パルス
フォーミングネットワークＰＦＮの出力段に可飽和リア
クトルＭＳ２を設ける。ＰＦＮは、コンデンサ素子Ｃｎ
１〜ＣｎｎとインダクタンスＬ１〜Ｌｍの組を多段に縦
続接続したＬＣ分布定数回路に構成され、パルストラン
スＰＴからのパルス電圧Ｖｐｔの印加に対してコンデン
サの充電とインダクタンスによる振動電流発生の繰り返
しで最終段に急峻な立ち上がりのパルス波形に成形した
出力を得る。インダクタンスＬ１〜Ｌｍは各コンデンサ
の寄生インダクタンスも考慮して決定される。

【００１７】可飽和リアクトルＭＳ２は、ＰＦＮ３の最
終段のコンデンサが充電終了したタイミングで飽和する
ようその電圧・時間積が決定され、その磁気スイッチ動
作で負荷４に急峻な立ち上がりのパルスＶＬを供給す
る。

【００１８】各可飽和リアクトルやパルストランスは、
その磁心材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、鉄基およびコバルト
基のアモルファス、フェライトが使用される。

【００１９】以上のことより、パルス発生回路１では半
導体スイッチＳＷとＬＣによるパルス発生と、可飽和リ
アクトルＭＳ１による磁気パルス圧縮及びパルストラン
スＰＴによるパルス昇圧を行う。

【００２０】これにより、従来のマルクス電源のスパー
クギャップが不要になり、半導体スイッチを用いること
でミストリガを起こすことがないし、高い繰り返し動作
にも長寿命化、高信頼性化を図ることができる。

【００２１】また、半導体スイッチＳＷを流れる電流Ｉ
０は緩やかな正弦波状の電流になって半導体スイッチＳ
Ｗのオン時の電流立ち上がり責務（ｄＩ０／ｄｔ）を軽
減し、スイッチングスピードの遅い半導体スイッチを使
用することができる。

【００２２】次に、波形成形・磁気スイッチ回路３は、
ＰＦＮで波形成形し、可飽和リアクトルＭＳ２で磁気ス
イッチ動作で負荷への投入スイッチ動作を得る。これに
より、可飽和リアクトルＭＳ２は、負荷への投入スイッ
チとして用いることで、従来の放電ギャップスイッチに
比ベてメンテナンスフリーとなり高信頼性、長寿命化を
図ることができる。

【００２３】また、ＰＦＮは、水パルスフォーミングラ
インの代わりに小さなコンデンサとインダクタを均等に
多数配置することで分布定数線路と同じ波形成形機能を
持ち、その上、純水を用いないため従来のイオン交換器
などの付帯設備が不要になる。

【００２４】さらに、ＰＦＮの前段で磁気パルス圧縮す
るため、ＰＦＮの充電時間がパルス圧縮しないのに比べ
短くできる。そのため投入スイッチになる可飽和リアク
トルＭＳ２の電圧時間積を小さくでき、それに比例して
可飽和リアクトルＭＳ２のコア断面積が小さくできると
共にスイッチング時にインダクタンスの低減を図ること
ができる。負荷での電圧の立ち上がりは投入スイッチの
インダクタンスに比例するため、それにより負荷にかか
る電圧の立ち上がりを急峻にできる。

【００２５】（第２の実施形態）本実施形態の回路構成
と電圧電流波形を図２に示す。同図が図１と異なる部分
は、パルス発生回路１ではコンデンサＣ０から半導体ス
イッチＳＷのオンで直接にパルストランスＰＴにパルス
電圧を印加し、波形成形・磁気スイッチ回路３ではパル
ストランスＰＴの昇圧出力ＶＣ１でコンデンサＣ１を充
電し、この充電後に可飽和リアクトルＭＳ３が飽和動作
することでＰＦＮに磁気パルス圧縮したパルス電圧を印
加する点にある。

【００２６】本実施形態の基本的な構成、動作は第１の
実施形態とほぼ同じであるが、パルス圧縮をパルストラ
ンスによる昇圧後に行う。

【００２７】これにより、高圧側でパルス圧縮するため
コンデンサＣ１の容量を昇圧比の２乗に反比例した小さ
なものにできる。また、磁気パルス圧縮はＬＣの平方根
に比例するためパルス圧縮効果が大きく、ＰＦＮは短パ
ルス充電され、よって可飽和リアクトルＭＳ２の電圧・
時間積を小さくした小型化を図ることができる。

【００２８】（第３の実施形態）本実施形態の回路構成
と電圧電流波形を図３に示す。本実施形態では、パルス
発生回路を図１の構成とし、波形成形・磁気スイッチ回
路３を図２の構成とした点にある。

【００２９】この構成により、可飽和リアクトルＭＳ
１、ＭＳ３による磁気パルス圧縮が多段になり、波形成
形前のパルス圧縮を多段にすることでスイッチングスピ
ードのより遅い半導体スイッチを使用することができ
る。また、ＰＦＮを高速充電できるため可飽和リアクト
ルＭＳ２を小さくできる。

【００３０】なお、磁気パルス圧縮は、低圧側と高圧側
の両方で圧縮しているが、低圧側だけで複数段、高圧側
だけで複数段、あるいは低圧側と高圧側を組み合わせて
複数段とすることもできる。

【００３１】（第４の実施形態）本実施形態の回路構成
と電圧電流波形を図４に示す。同図が図１又は図３と異
なる部分は、波形成形・磁気スイッチ回路３にＬＣ反転
回路で置き換えたブルームライン型のＰＦＮを設け、そ
の入力段に可飽和リアクトルＭＳ４を並列に設け、出力
段に可飽和リアクトルＭＳ２を並列に設けた点にある。

【００３２】ブルームライン型ＰＦＮでは、パルストラ
ンスＰＴによる昇圧入力に対して上段と下段に分けたＰ
ＦＮが並列に充電される。この充電後、可飽和リアクト
ルＭＳ４が飽和し、負荷４にＰＦＮ充電電圧とほぼ同じ
波高値の電圧を印加できる。可飽和リアクトルＭＳ２
は、上段のＰＦＮ充電方向には低インダクタンスで負荷
への電圧印加時には高インダクタンスになるように予め
リセットし、効率よく負荷へエネルギーが転送される。

【００３３】本実施形態によれば、前記第１〜第３の実
施形態での回路ではＰＦＮの充電電圧の約１／２の電圧
が負荷に印加されるのに対して、ブルームライン型のＰ
ＦＮにすることにより充電電圧に近い高い電圧を負荷に
印加できる。

【００３４】（第５の実施形態）本実施形態の回路構成
と電圧電流波形を図５に示す。同図が図４と異なる部分
は、パルス発生回路１では図２の構成とし、波形成形・
磁気スイッチ回路３では図３のＰＦＮに変えてブルーム
ライン型ＰＦＮとし、ブルームライン型ＰＦＮの入力段
に設けた可飽和リアクトルＭＳ４をＰＦＮの出力段に設
けた点にある。

【００３５】本実施形態では、パルストランスＰＴで昇
圧後にＭＳ３でパルス圧縮してブルームライン型ＰＦＮ
を充電する。なお、波形成形用の投入スイッチＭＳ４は
図の位置にしても第４の実施形態と同様の効果が得られ
る。

【００３６】本実施形態によれば、第４の実施形態の作
用効果に加え、昇圧側でパルス圧縮するため、第２の実
施形態のようにパルス圧縮効果が大きく可飽和リアクト
ルＭＳ２を小型化できる。

【００３７】（第６の実施形態）本実施形態の回路構成
と電圧電流波形を図６に示す。同図が図４と異なる部分
は、パルス発生回路１ではパルストランスＰＴに代えて
可飽和トランスＳＴを設け、波形成形・磁気スイッチ回
路３では可飽和リアクトルＭＳ４を省略した点にある。

【００３８】本実施形態では、パルストランスＰＴに代
えて可飽和トランスＳＴとすることにより、その磁気ス
イッチ動作により可飽和リアクトルＭＳ４の機能も兼ね
備えることができ、可飽和リアクトルＭＳ４を省略する
ことができ、装置の小型化ができる。

【００３９】（第７の実施形態）本実施形態の回路構成
と電圧電流波形を図７に示す。同図が図６と異なる部分
は、パルス発生回路１ではパルストランスＰＴに縦続接
続で可飽和トランスＳＴを設けた点にある。

【００４０】本実施形態では、可飽和トランスＳＴの前
段にパルストランスＰＴを配置することにより、パルス
トランスＰＴで昇圧比を負担し、昇圧比を大きくできな
い可飽和トランスＳＴを補助する。

【００４１】本実施形態によれば、パルストランスＰＴ
と可飽和トランスＳＴを併用することで、可飽和トラン
スＳＴの巻数比を小さくしても全体の昇圧比を犠牲にす
ることなく高電圧発生ができる。すなわち、可飽和トラ
ンスＳＴの２次側巻き数を少なくできるため投入スイッ
チとしてのインダクタンスを小さくでき、急峻なパルス
が発生できる。

【００４２】なお、以上までの各実施形態におけるパル
ス発生回路と波形成形・磁気スイッチ回路の組み合わせ
を適宜変更した構成によって、同等又は同等以上の作用
効果を得ることができる。

【００４３】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、初期充
電されるコンデンサから半導体スイッチによりパルスを
発生してトランスで昇圧し、このパルスをコンデンサと
インダクタンスの組を多段に縦続接続したＬＣ分布定数
回路構成のパルスフォーミングネットワークによって波
形成形し、この波形成形したパルスを可飽和リアクトル
による磁気スイッチ動作で負荷への投入を行うようにし
たため、従来のギャップスイッチやイオン交換器を不要
にしながら立ち上がりの急峻なパルスを得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示す回路構成と電圧
電流波形図。

【図２】本発明の第２の実施形態を示す回路構成と電圧
電流波形図。

【図３】本発明の第３の実施形態を示す回路構成と電圧
電流波形図。

【図４】本発明の第４の実施形態を示す回路構成と電圧
電流波形図。

【図５】本発明の第５の実施形態を示す回路構成と電圧
電流波形図。

【図６】本発明の第６の実施形態を示す回路構成と電圧
電流波形図。

【図７】本発明の第７の実施形態を示す回路構成と電圧
電流波形図。

【符号の説明】

１…パルス発生回路 ２…充電器 ３…波形成形・磁気スイッチ回路 ４…負荷 ＳＷ…半導体スイッチ ＰＴ…パルストランス ＳＴ…可飽和トランス ＭＳ１〜ＭＳ４…可飽和リアクトル Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２…コンデンサ ＰＦＮ…パルスフォーミングネットワーク

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 初期充電される初段コンデンサから半導
   体スイッチのオン制御でパルスを発生し、このパルスを
   トランスによって昇圧するパルス発生回路と、 前記パルス発生回路の出力パルスをコンデンサとインダ
   クタンスの組を多段に縦続接続したＬＣ分布定数回路構
   成のパルスフォーミングネットワークによって急峻な立
   ち上がりの電圧パルスに波形成形し、この波形成形した
   パルスを可飽和リアクトルの磁気スイッチ動作によって
   負荷にパルス電流を投入する波形成形・磁気スイッチ回
   路とを備えたことを特徴とするパルス電源。
2. 【請求項２】 前記パルス発生回路は、トランスによる
   昇圧前に磁気パルス圧縮する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。
3. 【請求項３】 前記パルス発生回路は、パルストランス
   でパルスの昇圧を行い、その後段に設けた可飽和トラン
   スで昇圧と磁気スイッチ動作を得ることを特徴とする請
   求項１又は２記載のパルス電源。
4. 【請求項４】 前記波形成形・磁気スイッチ回路は、入
   力段に磁気パルス圧縮する可飽和リアクトルとコンデン
   サの回路を設けたことを特徴とする請求項１乃至３の何
   れか１記載のパルス電源。
5. 【請求項５】 前記波形成形・磁気スイッチ回路は、前
   記パルスフォーミングネットワークを上段と下段に設け
   たブルームライン型とし、その充電時に低いインダクタ
   ンスになる可飽和リアクトルを出力段又は入力段に設け
   たことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１記載のパ
   ルス電源。