KR102616556B1 - 직류 펄스 전원 장치 - Google Patents

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도모히로 요네야마
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Abstract

직류 펄스 전원 장치는, 직류 전원부(10)와, 직류 전원부에 접속된 승압 초퍼 회로에 의해 펄스 출력을 발생하는 펄스부(20)를 구비하고, 클램프 전압부(30)는, 그의 출력단을 직류 리액터(21)와 스위칭 소자(22)의 접속점(s)에 접속하고, 스위칭 소자(22)의 일단에 클램프 전압(VC)을 인가한다. 승압 초퍼 회로의 오프 기간(Toff)에 있어서 스위칭 소자의 양단 전압을 클램프하는 것에 의해, 스위칭 소자의 손상을 방지함과 함께, 부하 전류 변동에 수반하는 출력 전압의 변동, 및 부하 전류나 방전 전류가 저항에 흐르는 것에 의한 전력 손실을 억제한다.

Description

직류 펄스 전원 장치
본 발명은, 부하에 펄스 출력을 공급하는 직류 펄스 전원 장치에 관한 것이다.
직류 펄스 전원 장치가 출력하는 펄스 출력은, 직류 전압의 온 상태와 오프 상태를 수 ㎐ 내지 수백 ㎑에서 반복하는 고주파(RF) 출력이다.
직류 펄스 전원 장치는, 플라즈마 발생용 장치, 펄스 레이저 여기, 방전 가공기 등의 부하에 펄스 출력을 공급하는 전원 장치로서 이용된다. 직류 전원 장치를 플라즈마 발생용 장치에 이용하는 경우에는, 펄스 출력을 플라즈마 발생 챔버 내의 전극 사이에 공급하여, 전극 사이의 방전에 의한 플라즈마를 착화시키고, 발생된 플라즈마를 유지한다.
도 11의 (a)는 직류 펄스 전원 장치의 1구성예를 도시하고 있다. 직류 펄스 전원 장치에서는 펄스 파형을 발생하는 회로로서 승압 초퍼 회로를 구비하는 구성이 알려져 있다. 직류 펄스 전원 장치(100)는 직류 전원(110)과 승압 초퍼 회로(120)로 구성되고, 직류 전원(110)의 직류 전압을 승압 초퍼 회로(120)에 의해 승압한 펄스 출력을 부하(130)에 공급한다(특허문헌 1, 2).
도 11의 (b)는 승압 초퍼 회로의 구성예를 도시하고 있다(특허문헌 3). 승압 초퍼 회로(120)는, 직류 전원측과 부하측 사이에 인덕터(121)를 직렬 접속하고, 부하측에 대해 스위칭 소자(122)를 병렬 접속해서 구성되고, 스위칭 소자(122)의 온 기간과 오프 기간의 시간 폭의 듀티비에 따라 승압된 펄스 출력이 형성된다. 이 온/오프 동작에 있어서, 인덕터(121)의 직류 리액터에는 온 기간의 시간 폭에 따른 에너지가 축적되고, 축적 에너지에 따라 승압된 진폭의 펄스 출력이 형성된다. 펄스 출력은, 스위칭 소자의 온/오프 기간의 시간 폭의 듀티비에 의해 승압되는 진폭이 정해지지만, 스위칭 소자(122)의 오프시에, 직류 리액터의 누설 인턱턴스로 인해 발생하는 진동 등에 의해, 설정된 진폭을 초과하는 서지 전압이 발생한다.
도 11의 (b)에 도시하는 승압 초퍼 회로에서는, 전원과 같은 극성의 다이오드(123)와 저항(124)의 직렬 회로를 인덕터(121)에 병렬 접속하고, 인덕터(121)에 축적된 에너지에 의한 역전압을 저항(124)에서 소비시켜서, 과잉 전압 상승에 의한 서지 전압을 억제하고 있다.
서지 전압을 저항에 의해 억제하는 것 외에도, 스위칭 소자 스너버 회로를 병렬 접속하고, 서지 전압을 스너버 회로의 스너버 콘덴서에 흡수시키는 것에 의해 서지 전압을 억제하는 수법도 알려져 있다(특허문헌 4). 도 11의 (c)는, 직류 전원(125)에 접속고, 스위칭 소자(127)를 온하는 것에 의해 직류 리액터(126)에 에너지를 축적시키고, 스위칭 소자(127)의 오프 기간에 축적 에너지를 출력측 콘덴서(128)에 충전하는 것에 의해 부하에 직류 전원(125)보다 높은 전압을 공급하고, 스위칭 소자(127)의 오프시에 발생하는 서지 전압을 스너버 콘덴서에 의해 흡수해서 스위칭 소자(127)의 과잉 전압에 의한 파괴를 방지하는 스위칭 소자(127)를 구비한 승압 초퍼 장치의 구성예를 도시하고 있다.
일본공개특허 특개평8－222258호 공보(도 1, 단락 0012) 일본공개특허 특개2006－6053호 공보(도 1) 일본공개특허 특개평1－252165호 공보(도 1) 일본공개특허 특개2004－254401호 공보(단락 0005, 단락 0010, 도 5)
서지 전압이 발생하면, 스위칭 소자의 드레인-소스 사이의 전압이 서지 전압에 의해 과잉 전압으로 되어, 스위칭 소자가 손상될 우려가 있다. 서지 전압을 억제하는 방법으로서 (ⅰ) 서지 전압을 저항에 의해 억제하는 방법이나, (ⅱ) 스너버 회로를 이용하는 방법이 알려져 있지만, 출력 전압의 변동이나 전력 손실이라는 과제가 있다.
(ⅰ) 인덕턴스의 축적 에너지의 방출을 저항에서 소비시키는 것에 의해 서지 전압을 억제하는 수법에서는, 인덕턴스(L)의 축적 에너지에 의해서 리액터 전압(VDCL)이 발생하기 때문에, 인덕턴스에 병렬 접속된 저항(R)에는 리액터 전압(VDCL)과 거의 같은 전압의 저항 전압(VR)이 발생한다. 이 저항(R)은, 인덕턴스의 축적 에너지의 방출에 의해 급격하게 전압 상승하는 서지 전압 및 스위칭 소자의 온/오프에 의해 발생하는 서지 전압을 억제한다.
도 11의 (d)는 펄스 주기에 있어서의 출력 전압(Vo)을 도시하고 있다. 스위칭 소자가 온 상태인 온 기간(Ton)에서는, 출력 전압(Vo)은 스위칭 소자의 도통 전압으로 되고, 스위칭 소자 오프 상태인 오프 기간(Toff)에서는, 출력 전압(Vo)은 직류 전원의 직류 전압(VAB)에 저항 전압(VR)이 가산된 Vo=VAB＋VR로 된다. 또한, 도 11의 (b)에 도시하는 회로에서는, 스위칭 소자(122)의 소스단(S)의 전압(Vs)은 출력 전압(Vo)와 같은 전압으로 된다. 저항(R)은, 저저항으로 함으로써 서지 전압을 억제할 수 있지만, 리액터 전압(VDCL)과 마찬가지의 전압이 인가되기 때문에, 저항(R)이 작아질수록 저항에서의 손실이 커진다. 따라서, 저항 손실과 서지 전압 사이에는, 저항(R)에 대해서 서로 상반되는 관계가 있고, 저항(R)이 클수록, 저항에 의한 손실은 작아지지만 서지 전압은 커지고, 다른 한편, 저항(R)이 작을수록, 서지 전압은 작아지지만 저항 손실은 커진다.
리액터 전압(VDCL)은 리액터 전류(iL)(부하 전류(Io))에 따라 변동한다. 부하 전류가 Io일 때 저항(R)에 발생하는 전압을 VR1이라 하면, 부하 전류가 K배인 K×Io로 변동되었을 때에는 저항(R)에 발생하는 전압(VR2)은 VR2=K×VR1로 된다. 또한, 여기서 K는 스위칭 소자의 듀티비나 부하 전류(Io)의 조건에 의존해서 변화한다. 따라서, 인덕턴스(L)의 서지에 의해 저항 전압(VR) 및 출력 전압(Vo)은 듀티비나 부하 전류(Io)의 변동의 영향을 받아서 변동하게 된다.
따라서, 직류 펄스 전원 장치의 출력 전압(Vo), 및 스위칭 소자의 단자 전압은 부하 전류(Io)의 변동의 영향을 받아서 변동하게 된다. 또, 저항(R)에서는 전력 손실이 발생하기 때문에, 직류 펄스 전원 장치의 효율이 저하한다.
(ⅱ) 서지 전압을 스너버 회로의 스너버 콘덴서에 흡수시키는 것에 의해 서지 전압을 억제하는 수법에서는, 스너버 콘덴서에 흡수시킨 에너지를 스너버 방전 저항에 흘림으로써 소비시키기 때문에, 스너버 방전 저항에 방전 전류가 흐르는 것에 의해 전류 손실이 발생하여, 직류 펄스 전원 장치의 효율이 저하된다.
따라서, 종래 알려진 서지 전압에 의한 스위칭 소자의 손상을 방지하는 수법에서는, 출력 전압이 변동한다고 하는 과제, 저항에 전류가 흐름으로써 생기는 전력 손실이라는 과제가 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하여, 직류 펄스 전원 장치에 있어서, 서지 전압의 과잉 전압에 의한 스위칭 소자의 손상을 방지하는 것을 목적으로 한다.
또한, 스위칭 소자의 손상을 방지함과 함께, 부하 전류 변동에 수반하는 출력 전압의 변동의 과제, 및 부하 전류나 방전 전류가 저항에 흐르는 것에 의한 전력 손실이라는 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 직류 펄스 전원 장치는, 승압 초퍼 회로의 오프 기간에 있어서 리액터의 양단 전압을 클램프하는 것에 의해, 리액터에 발생하는 서지 전압을 억제하여, 스위칭 소자의 손상을 방지함과 함께, 부하 전류 변동에 수반하는 출력 전압의 변동, 및 부하 전류나 방전 전류가 저항에 흐르는 것에 의한 전력 손실을 억제한다.
본 발명의 직류 펄스 전원 장치는, 직류 전원부와, 직류 전원부에 접속된 승압 초퍼 회로에 의해 펄스 출력을 발생하는 펄스부를 구비한다. 펄스부의 승압 초퍼 회로는, 직류 리액터와 스위칭 소자의 직렬 회로를 구비하고, 직류 리액터에는 클램프 전압부가 접속된다. 클램프 전압부는, 그 출력단이 직류 리액터와 스위칭 소자의 접속점에 접속된다. 이것에 의해, 스위칭 소자의 일단에 클램프 전압이 인가된다.
승압 초퍼 회로의 스위칭 소자 온으로부터 오프로 전환될 때에, 스위칭 소자가 온 상태에 있을 때에 직류 리액터에 축적된 축적 에너지에 의해 과잉 전압인 서지 전압이 발생한다. 스위칭 소자의 오프 기간에 있어서, 클램프 전압부는 스위칭 소자의 소자간 전압을 소정 전압으로 클램프한다. 클램프하는 소정 전압을 스위칭 소자의 허용 전압 내로 하는 것에 의해, 서지 전압에 의한 소자 파괴를 억제한다.
클램프 전압부는 부하 전류 변동의 영향을 받지 않기 때문에, 출력 전압은 부하 전류 변동에 수반하는 변동은 발생하지 않는다. 또, 클램프 전압부는 부하 전류나 방전 전류가 스너버 회로의 저항에 흐르는 것에 의한 전력 손실은 발생하지 않는다.
(클램프 전압부)
클램프 전압부의 1구성예는 회생부에 의해 구성된다. 회생부는 승압 초퍼 회로의 직류 리액터의 양단 사이에 접속되고, 직류 리액터의 리액터 전압 중, 설정 전압을 초과하는 전압분을 직류 전원부에 회생시킨다. 회생부는 설정 전압을 초과하는 전압분을 직류 전원부에 회생시키게 되므로, 이 설정 전압은 클램프 전압부의 클램프 전압으로 되고, 스위칭 소자가 오프 상태에 있어서, 클램프 전압부의 출력단이 접속되는 직류 리액터의 단부 및 스위칭 소자의 일단의 전압을 클램프 전압으로 클램프한다.
회생부의 1구성예는, 펄스부의 리액터 전압에 대해서 병렬 접속된 캐패시터와, 캐패시터의 캐패시터 전압을 직류-교류 변환하는 인버터 회로와, 인버터 회로의 교류 전압을 변압하는 변압기와, 변압기의 교류 전압을 정류하는 정류기를 구비한다. 회생부는 설정 전압을 캐패시터의 양단 전압으로 하고, 양단 전압을 초과하는 전압분을 직류 전원부로 회생시킨다. 클램프 전압은 변압기의 변압비에 의해 가변으로 할 수가 있다.
회생부의 일단을 펄스부의 저전압측 입력단에 접속하는 회로 구성에 있어서는, 저전압측의 전압을 기준으로 하는 직류 리액터의 리액터 전압을 회생 입력 전압으로 한다.
(직류 리액터)
직류 리액터는, 무탭(탭 없는) 단권(單卷) 변압기의 형태, 또는 자기 결합되는 두 직류 리액터를 유탭(탭 달린) 단권 변압기 또는 복권(複卷) 변압기로 구성할 수가 있다.
직류 리액터가 자기 결합된 제2 직류 리액터를 구비하는 구성에서는, 직류 리액터의 일단은 직류 전원부의 출력단에 접속되고, 제2 직류 리액터의 일단은 펄스부의 출력단에 접속되고, 직류 리액터와 제2 직류 리액터의 접속점은, 승압 초퍼 회로의 스위칭 소자의 소스측에 접속된다. 직류 리액터와 제2 직류 리액터의 접속점에는 클램프 전압부의 출력단이 접속된다.
클램프 전압부는, 스위칭 소자가 오프 상태에 있어서, 클램프 전압부의 출력단이 접속되는 직류 리액터의 단부와 제2 직류 리액터의 접속점, 및 스위칭 소자의 일단의 전압을 클램프 전압으로 클램프한다.
직류 리액터는, 직류 리액터를 펄스부의 저전압측에 마련하는 제1 형태 및 펄스부의 고전압측에 마련하는 제2 형태로 할 수가 있다. 제1 형태 및 제2 형태는, 어느 것이나, 직류 리액터의 고전압측을 클램프 전압부(회생부)의 고전압측에 접속하고, 직류 리액터의 저전압측을 클램프 전압부(회생부)의 저전압측에 접속한다. 직류 리액터의 리액터 전압은, 직류 전원부의 저전압측의 전압을 기준으로 하는 회생 입력 전압으로서 회생부에 입력된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 승압 초퍼 회로의 오프 기간에 있어서 스위칭 소자의 양단 전압을 클램프하는 것에 의해, 스위칭 소자의 손상을 방지함과 함께, 부하 전류 변동에 수반하는 출력 전압의 변동, 및 부하 전류나 방전 전류가 저항에 흐르는 것에 의한 전력 손실을 억제한다.
도 1은, 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 개략 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는, 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 개략 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은, 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제1의 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는, 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제1의 구성예의 전압 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는, 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 출력 전압(Vo)을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은, 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 회생부의 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은, 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제2의 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은, 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제3의 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는, 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제4의 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은, 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제5의 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은, 종래의 직류 펄스 전원 장치, 승압 초퍼 회로의 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 직류 펄스 전원 장치는, 승압 초퍼 회로의 오프 기간에 있어서 스위칭 소자의 양단 전압을 클램프하는 것에 의해, 스위칭 소자의 손상을 방지함과 함께, 부하 전류 변동에 수반하는 출력 전압의 변동, 및 부하 전류나 방전 전류가 저항에 흐르는 것에 의한 전력 손실을 억제한다.
이하, 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 두 가지 형태에 대해서 설명한다. 제1 형태는, 승압 초퍼 회로의 직류 리액터를 하나의 직류 리액터로 하는 형태이고, 무탭 단권 변압기(autotransformer)로 구성할 수가 있다. 제2 형태는, 자기 결합되는 두 직류 리액터로 하는 형태이고, 유탭 단권 변압기에 의한 구성, 혹은 자기 결합되는 두 직류 리액터 또는 복권 변압기(multi-winding transformer)로 구성할 수가 있다.
도 1의 (a) 내지 (e)는 본 발명의 직류 펄스 전원 장치가 구비하는 펄스부 및 클램프 전압부의 개략 구성, 그리고 전압을 설명하기 위한 도면이고, 제1 형태를 도 1의 (a), (b)를 이용하여 설명하고, 제2 형태를 도 1의 (c) 내지 (e)를 이용하여 설명한다. 또한, 도 1의 (a) 내지 (e)는 직류 리액터를 펄스부의 저전압측에 마련하는 구성을 도시하고 있다.
직류 펄스 전원 장치는, 직류 전원부(10)와, 직류 전원부(10)에 접속된 승압 초퍼 회로에 의해 펄스 출력을 발생하는 펄스부(20)와, 클램프 전압부(30)를 구비한다. 또한, 도 1에서는 직류 전원부측의 단자를 A, B로 표기하고, 저전압측을 단자 A로 하고 고전압측을 단자 B로 하는 예를 도시하고 있다.
(펄스부)
펄스부(20)는, 직류 리액터(21)와 스위칭 소자(22)의 직렬 접속으로 이루어지는 승압 초퍼 회로를 구비하고, 직류 리액터(21)는 직류 전원부(10)와 부하 사이에 직렬 접속되고, 스위칭 소자(22)는 부하에 대해서 병렬 접속된다. 도 1에서는 부하를 펄스부(20)의 출력단에 접속된 콘덴서로 나타내고 있다.
펄스부(20)에 있어서, 승압 초퍼 회로의 온 동작시에는 직류 리액터(21)에 축적 에너지가 축적되고, 오프 동작시에 있어서 이 축적 에너지에 의해 직류 리액터(21)에 리액터 전압이 발생한다. 리액터 전압은 승압 초퍼 회로의 온 동작과 오프 동작을 반복하는 것에 의해 승압된다.
도 1의 (a), (b)는 무탭 단권 변압기의 부하측의 단부에 스위칭 소자(22)의 소스(S)측을 접속하는 구성을 도시하고, 도 1의 (c) 내지 (e)는 유탭 단권 변압기의 탭에 스위칭 소자(22)의 소스(S)측을 접속하는 구성을 도시하고 있다.
(클램프 전압부)
클램프 전압부(30)는 스위칭 소자(22)의 소자간 전압을 소정 전압으로 클램프하는 회로부이고, 회생부에 의해 구성할 수가 있다. 회생부는, 직류 리액터(21)의 리액터 전압(VDCL)을 입력하고, 설정 전압인 회생 입력 전압(Vin)을 초과하는 과잉 전압분(VDCL－Vin)을 직류 전원부에 회생시킨다.
회생부는, 리액터 전압(VDCL)이 설정 전압을 초과하지 않는 경우에는 회생을 행하지 않고, 설정 전압을 초과한 경우에는 설정 전압을 초과한 전압분을 직류 전원부에 회생시킨다. 이것에 의해, 승압 초퍼 회로의 승압은 설정 전압으로 클램프되어, 과잉 전압의 발생이 억제된다.
설정 전압은 회생부의 회생 입력 전압(Vin)으로 정해지고, 직류 리액터(21)의 리액터 전압(VDCL)이 회생부의 회생 입력 전압(Vin)을 초과하지 않는 경우에는 회생부에 의한 회생은 행해지지 않고, 회생부의 회생 입력 전압(Vin)을 초과한 경우에는, 초과한 전압분(VDCL－Vin)에 대해서 회생부에 의해 직류 전원부측으로 회생된다. 회생 동작을 규정하는 설정 전압인 회생부의 회생 입력 전압(Vin)은, 직류 전원부의 직류 전압(VAB), 및 회생부에 기초하여 설정할 수가 있다.
회생부의 1구성예는, 펄스부(20)의 리액터 전압에 대해서 병렬 접속되는 캐패시터와, 캐패시터 양단의 캐패시터 전압을 직류-교류 변환하는 인버터 회로와, 인버터 회로의 교류 전압을 변압하는 변압기와, 변압기의 교류 전압을 정류하는 정류기를 구비하고, 정류기의 출력단은 직류 전원부에 접속된다.
변압기의 변압비는, 캐패시터의 양단 전압과 직류 전원부의 전압의 전압비를 정한다. 회생부의 캐패시터 전압은 직류 전원부의 전압과 변압기의 변압비에 의해서 정해지기 때문에, 회생부는 이 캐패시터 전압을 회생 입력 전압(Vin)의 설정 전압으로 해서 회생 동작의 개시 및 정지의 동작을 행한다. 설정 전압은 직류 전원부의 전압 및 변압기의 변압비에 의존하기 때문에, 변압기의 변압비를 바꾸는 것에 의해 설정 전압을 변경할 수가 있다. 설정 전압을 변경하는 것에 의해, 승압 초퍼 회로에 있어서의 클램프 전압을 변경함과 함께, 회생 동작의 동작 전압을 변경할 수가 있다.
승압 초퍼 회로에 있어서, 직류 리액터(21)는, 직류 전원부와 승압 초퍼 회로의 스위칭 소자(22)의 소스(S)측 사이에 접속된다. 승압 초퍼 회로의 스위칭 소자(22)의 소스(S)측은, 직류 리액터(21)의 부하측의 단부, 또는 직류 리액터(21)의 탭에 접속된다.
(클램프 전압부(회생부)와 직류 리액터의 접속 형태)
클램프 전압부(30)와 펄스부(20)의 직류 리액터의 접속은 복수의 형태로 할 수가 있다. 제1 형태는 직류 리액터로서 무탭 단권 변압기를 구비하고, 클램프 전압부(30)의 출력단을 직류 리액터(21)의 부하측에 접속하고, 타단을 직류 전원부 측에 접속하는 형태이다(도 1의 (a)에 도시하는 구성예).
제2 형태는 직류 리액터로서 유탭 단권 변압기를 구비하고, 클램프 전압부(30)의 출력단을 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 접속점(s)에 접속하고, 타단을 직류 전원부측의 단자 A에 접속하는 형태(도 1의 (c)에 도시하는 구성예)이다.
(제1 형태)
제1 형태에서는, 도 1의 (a)에 도시하는 바와 같이, 승압 초퍼 회로의 스위칭 소자(22)의 소스(S)측을 직류 리액터(21)의 부하측의 단부에 접속함과 함께, 이 접속점(s)에 클램프 전압부(30)의 출력단을 접속한다. 직류 리액터(21)와 스위칭 소(22)의 소스(S)측의 s는 클램프 전압부(30)의 클램프 전압(VC)에 의해 클램프되고, 접속점(s)의 전압(Vs)은 직류 전원부의 직류 전압(VAB)에 클램프 전압(VC)이 중첩된 (VAB＋VC)로 된다.
도 1의 (b)는 제1 형태의 구성의 전압 상태를 도시하고, 접속점(s)의 전압(Vs) 및 출력 전압(Vo)을 도시하고 있다. 또한, 제1 형태의 구성에서는, 접속점(s)의 전압(Vs)과 출력 전압(Vo)은 동일 전압으로 된다. 직류 리액터(21)에 축적된 에너지의 방출에 의해서 전압이 상승된 경우라도, 접속점(s)의 전압은 클램프 전압부(30)의 클램프 전압(VC)에 의해 클램프된다. 이것에 의해, 전압 Vs 및 출력 전압(Vo)의 전압은 (VAB＋VC)로 유지되고, 과잉 전압 상승이 억제된다. 이에 반해, 도 11의 (b)에 도시한 인덕턴스에 저항(R)을 병렬 접속한 구성에서는, 도 1의 (b)의 일점 쇄선의 전압 변화로 나타내는 바와 같이, 스위칭 소자의 오프시에 급격하게 증가해서 서지 전압이 발생한다. 저항(R)은, 저저항으로 함으로써 서지 전압을 억제할 수 있지만, 리액터 전압(VDCL)과 마찬가지 전압이 인가되기 때문에, 손실이 커진다.
제1 형태에 있어서, 클램프 전압부(30)를 회생부로 구성하는 경우에는, 회생부에는 직류 리액터(21)의 전 리액터 전압이 입력되고, 회생부의 설정 전압과의 비교에 기초하여 회생 동작이 행해진다. 회생처(회생시키는 곳)는 예를 들면 직류 전원부로 할 수가 있다.
(제2 형태)
제2 형태에서는, 도 1의 (c)에 도시하는 바와 같이, 직류 리액터(21)는 자기 결합된 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 직렬 회로로 구성되고, 승압 초퍼 회로의 스위칭 소자(22)의 소스(S)측을 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 탭에 접속함과 함께, 이 탭을 접속점(s)으로 해서 클램프 전압부(30)의 출력단을 접속한다. 따라서, 접속점(s)에는, 직류 리액터(21)의 탭, 및 클램프 전압원의 출력단 및 승압 초퍼 회로의 스위칭 소자(22)의 소스(S)측이 접속된다.
직류 리액터(21)의 탭과 스위칭 소자(22)의 소스(S)측의 접속점(s)은 클램프 전압부(30)의 클램프 전압(VC)에 의해 클램프되고, 접속점(s)의 전압(Vs)은 직류 전원부 직류 전압(VAB)에 클램프 전압(VC)이 중첩된 (VAB＋VC)로 된다.
도 1의 (d), (e)는 제2 형태의 구성의 전압 상태를 도시하고, 도 1의 (d)는 접속점(s)의 전압(Vs)을 도시하고, 도 1의 (e)는 출력 전압(Vo)을 도시하고 있다. 직류 리액터(21)에 축적된 에너지의 방출에 의해서 전압이 상승된 경우라도, 접속점(s)의 전압은 클램프 전압부(30)의 클램프 전압(VC)에 의해 클램프된다. 이것에 의해, 전압 Vs는 (VAB＋VC)로 유지되고, 출력 전압(Vo)의 전압은 (VAB＋VC＋VDCL2)로 유지되어, 과잉 전압 상승이 억제된다. 이에 반해, 도 11의 (b)에 도시한 인덕턴스에 저항(R)을 병렬 접속한 구성에서는, 도 1의 (d), (e)의 일점 쇄선의 전압 변화로 나타내는 바와 같이, 스위칭 소자의 오프시에 급격하게 증가해서 서지 전압이 발생한다. 저항(R)은, 저저항으로 함으로써 서지 전압을 억제할 수 있지만, 리액터 전압(VDCL)과 마찬가지의 전압이 인가되기 때문에, 손실이 커진다.
제2 형태에 있어서, 클램프 전압부(30)를 회생부로 구성하는 경우에는, 회생부에는 직류 리액터(21)의 제1 직류 리액터(21a)의 양단 전압이 리액터 전압으로서 입력되고, 회생부의 설정 전압과의 비교에 기초하여 회생 동작이 행해진다. 회생처는 예를 들면 직류 전원부로 할 수가 있다.
제2 형태에 있어서, 스위칭 소자의 서지 전압을 억제하려면, 클램프 전압부(30)를 직류 리액터(21)와 스위칭 소자(22)의 접속점인 중간점에 접속하는 구성이 바람직하다.
직류 리액터(21)와 스위칭 소자(22)의 접속점에 클램프 전압부(30)의 출력단을 접속하는 구성에 있어서, 직류 리액터(21)가 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)로 구성되는 경우에 있어서, 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 접속점에 클램프 전압부(30)의 출력단을 접속한다.
자기 결합된 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)에 있어서, 이상적인 경우의 결합 계수는 1이지만, 실제의 결합 계수는 1보다도 작아진다. 이것은 누설 자속의 영향 때문이며, 이 누설 자속이 제1 직류 리액터(21a) 및 제2 직류 리액터(21b)에 직렬 접속된 누설 인턱턴스(21c)로 된다. 이 구성에 있어서, 클램프 전압부(30)를 접속하는 것에 의해 누설 인턱턴스(21c)에 의한 서지 전압의 발생은, 억제된다.
도 2를 이용하여, 클램프 전압부(30)의 출력단과 직류 리액터(21)의 접속 위치와 서지 전압의 관계를 설명한다.
도 2의 (a) 내지 (c)는, 클램프 전압부(30)의 출력단의 한쪽을 직류 전원부측에 접속하고, 다른 쪽을 제2 직류 리액터(21b)의 부하측에 접속한 경우를 도시하고 있다.
이 구성예에 있어서, 스위칭 소자(22)의 소스단(S)에 있어서의 전압(Vs)은, 클램프 전압부(30)의 클램프 전압(VC)으로 클램프되지 않게 된다. 제1 직류 리액터(21a)에 발생하는 전압은 VDCL1로 된다. 또, 누설 인턱턴스(21c)에 의한 서지 전압은, VL로 된다. 다시 말해, 전압 Vs에는 VDCL1＋VL의 전압이 발생한다. 도 2의 (b)에 도시하는 바와 같이, 전압 Vs는 Vs=VAB＋VDCL1＋VL로 되고, 서지 전압(VL)이 포함되기 때문에, 전압 Vs는 서지 전압의 영향을 받는다.
또, 출력 전압(Vo)은 Vo=VAB＋VDCL1＋VDCL2＋VL로 된다. 출력 전압(Vo)에 포함되는 전압분(VDCL1＋VDCL2＋VL)은, 제1 직류 리액터(21a)의 인덕턴스에 의한 전압분(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 인덕턴스에 의한 전압분(VDCL2)과 누설 인턱턴스(21c)의 누설 인턱턴스에 의한 서지 전압분(VL)이 가산된 것이기 때문에, 출력 전압(Vo)은 서지 전압의 영향을 받는다.
상기의 설명으로부터 서지 전압(VL)의 발생을 억제하기 위해서, 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 접속점에 클램프 전압부(30)의 출력단을 접속한다.
본 발명의 직류 펄스 전원 장치에 대해서, 제1의 구성예 내지 제5의 구성예를 도 3 내지 도 10을 이용하여 설명한다. 제1의 구성예 내지 제5의 구성예의 각 구성예에서는, 클램프 전압부(30)를 회생부(30A)에 의해 구성하는 예를 도시하고 있다.
제1의 구성예는 승압 초퍼 회로의 직류 리액터의 양단의 리액터 전압을 회생시키는 구성이고, 제2 내지 제5의 구성예는 승압 초퍼 회로의 자기 결합되는 두 직류 리액터의 한쪽 직류 리액터의 리액터 전압을 회생시키는 구성이고, 제2, 제5의 구성예는 자기 결합되는 두 직류 리액터를 유탭 단권 변압기로 하는 구성이고, 제3, 제4의 구성예는 자기 결합되는 두 직류 리액터를 복권 변압기로 하는 구성이다.
또, 회생시키는 리액터 전압에 대해서, 제1 내지 제5의 구성예는 직류 전원부의 저전압측의 전압을 기준 전압으로 하고 있다.
[직류 펄스 전원 장치의 제1의 구성예]
본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제1의 구성예, 및 전압 상태를 도 3, 및 도 4, 도 5를 이용하여 설명한다.
본 발명의 직류 펄스 전원 장치는, 직류 전원부(DC부)(10)와, 직류 전원부(10)에 접속된 승압 초퍼 회로에 의해 발생된 펄스 출력을 부하(4)에 공급하는 펄스부(20A)와, 펄스부(20A)에서 발생하는 과잉 전압 상승분을 직류 전원부(10)측에 회생시키고, 스위칭 소자(22)의 소스단 및 직류 펄스 전원 장치의 출력단의 상한 전압을 클램프 전압으로 클램프하는 클램프 전압부로서 회생부(30A)를 구비하고, 출력 케이블(3)을 거쳐 부하(4)에 펄스 출력을 공급한다. 제어 회로부(40)는 직류 전원부(10), 펄스부(20A), 및 회생부(30A)를 제어한다. 도 3에서는, 부하(4)로서 플라즈마 발생 장치의 예를 도시하고 있지만, 부하(4)는 플라즈마 발생 장치에 한하지 않고, 펄스 레이저 여기, 방전 가공기 등에 적용해도 된다.
(직류 전원부)
직류 전원부(DC부)(10)는, 교류 전원(2)의 교류 전압을 직류 전압으로 정류하는 정류기(11)와, 정류시에 과도적으로 발생하는 스파이크형의 고전압을 흡수해서 억제하는 스너버 회로(12)와, 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 단상 인버터 회로(13)와, 단상 인버터 회로(13)의 교류 전압을 소정의 전압값으로 전압 변환하는 단상 변압기(14)와, 단상 변압기(14)에서 전압 변환된 교류 전압을 직류 전압으로 정류하는 정류기(15)와, 양단 전압을 직류 전원부의 직류 전압으로 하는 캐패시터(16)(CF)를 구비한다. 캐패시터(16)의 일단은 접지되고, 타단에 마이너스(負)전압의 저전압이 형성된다. 또한, 도 3에 도시하는 구성에서는, 부하(4)로서 플라즈마 발생 장치의 용량 부하의 예를 도시하고 있다. 여기에서는, 플라즈마 발생 장치의 일단을 접지해서 마이너스 전압을 공급하고 있기 때문에, 직류 전원부(10)는 마이너스 전압의 펄스 출력을 발생하는 구성을 나타내고 있다.
단상 인버터 회로(13)는, 제어 회로부(40)로부터의 제어 신호에 의해 스위칭 동작을 행해서, 직류 전압을 소정의 주파수의 교류 전압으로 변환한다. 직류 전원부(10)를 구성하는, 정류기(11, 15), 스너버 회로(12), 단상 인버터 회로(13), 단상 변압기(14)의 각 회로 요소는 통상 알려진 임의의 회로 구성으로 할 수가 있다.
(펄스부)
펄스부(20A)는 승압 초퍼 회로에 의해 직류 전압으로부터 펄스 파형을 생성한다. 승압 초퍼 회로는, 직류 전원부측과 부하측 사이에 직렬 접속된 직류 리액터(21A)와, 부하측에 대해 병렬 접속된 스위칭 소자(Q1)(22)와, 스위칭 소자(22)의 온/오프 동작을 구동하는 구동 회로(23)를 구비한다. 펄스부(20A)의 직류 전원부측은, 접지된 단자 B와 저전압측으로서 마이너스 전압의 단자 A를 구비한다. 도시하는 스위칭 소자(22)는 FET의 예를 나타내고, 소스(S)측을 저전압측에, 드레인(D)측을 접지 전압측에 접속하고, 게이트(G)측에는 구동 회로(23)로부터의 구동 신호가 입력된다.
제어 회로부(40)는, 승압 초퍼 회로를 동작시키기 위해, 목표의 펄스 출력에 대응해서 스위칭 소자(22)의 온 기간과 오프 기간의 시간 폭 내지는 듀티비를 정하는 신호를 생성함과 함께, 직류 전원부(10)의 출력단의 전압, 및 전류에 기초하여 제어 신호를 생성한다.
구동 회로(23)는, 제어 회로부(40)의 제어 신호에 기초하여 스위칭 소자(22)의 게이트(G)에 구동 신호를 출력하고, 스위칭 소자(22)의 온/오프 동작을 행하게 한다.
스위칭 소자(22)의 소스(S)측은 직류 리액터(21A)의 부하측에 접속되고, 스위칭 소자(22)의 드레인(D)측은 접지된다. 스위칭 소자(22)가 온 상태일 때는, 직류 리액터(21A)의 부하측은 접지되고, 단자 B로부터 온 상태에 있는 스위칭 소자(22), 및 직류 리액터(21A)를 거쳐 단자 A에 전류가 흐른다. 이때, 직류 리액터(21A)에는 전자 에너지가 축적된다. 다음에, 스위칭 소자(22)가 온 상태로부터 오프 상태로 전환되면, 직류 리액터(21A)에 축적된 축적 에너지에 의해 직류 리액터(21A)에는 리액터 전압(VDCL)이 발생한다. 승압 초퍼 회로는, 스위칭 소자(22)의 온 동작과 오프 동작을 반복하는 것에 의해 온/오프 시간의 듀티비에 따라 출력 전압(Vo)을 상승시킨다.
(클램프 전압부：회생부)
회생부(30A)는 승압 초퍼 회로의 직류 리액터의 리액터 전압 중, 설정 전압을 초과하는 전압분을 직류 전원부에 회생시킨다. 회생부(30A)는, 다이오드(31), 캐패시터(32)(C1), 인버터 회로(33), 변압기(34), 정류기(35)를 구비한다. 회생부(30A)는, 리액터 전압이 설정 전압을 초과할 때에는, 설정 전압을 초과하는 전압분을 직류 전원부에 회생시키는 것에 의해, 리액터 전압을 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프하는 클램프 전압부로서 기능한다. 이때, 클램프 전압부의 클램프 전압은 캐패시터 전압(VC1)으로 정해진다. 회생부(30A)(클램프 전압부(30))는, 스위칭 소자(22)의 소스단 및 직류 펄스 전원 장치의 출력단의 상한 전압을 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프하고, 스위칭 소자(22)의 드레인-소스 전압(VDS)에 과잉 전압이 인가되는 것을 억제하여, 부하 전류 변동에 수반하는 출력 전압이 변동되는 것을 억제한다.
캐패시터(32)(C1)의 일단은 직류 리액터(21A)의 부하측 단부에 접속되고, 타단은 다이오드(31)를 거쳐 직류 리액터(21A)의 직류 전원부측의 단부에 접속되고 제1 직류 리액터(21a)에 발생하는 리액터 전압이 인가된다. 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)은, 직류 전원부의 직류 전압(VAB)에 기초하여 정해지고, 변압기(34)의 변압비가 (n2：n1)인 경우에는 VC1=(n2/n1)×VAB의 설정 전압으로 된다. 다이오드(31)는 펄스부(20A)로부터 회생부(30A)의 캐패시터(32)(C1)로 향하는 방향을 순방향으로 해서 접속되고, 직류 리액터(21A)의 리액터 전압(VDCL)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 초과한 경우에, 리액터 전압(VDCL)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 초과한 전압분에 대해서 회생부(30A)에 의한 회생이 행해진다. 따라서, 회생부(30A)는 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 문턱값으로 해서 회생 동작을 행한다. 또한, 캐패시터 전압(VC1)은 도 1의 회생 입력 전압(Vin)에 대응하는 전압이다.
캐패시터 전압(VC1)을 정하는 방법으로서는, 변압기(34)의 변압비를 변경하는 것 외에도, 인버터 회로(33)의 출력을 제어하는 방식이 있다. 예를 들어, PWM 제어나 위상 시프트 제어 등이 있지만, 인버터 회로의 출력을 제어하는 방식이라면, 이것에 한정되는 것은 아니다.
또, 도 3에 도시하는 회로 구성에서는, 회생부(30A)는, 일단이 펄스부(20A)의 저전압측 입력단에 접속된 구성이고, 저전압측의 전압(마이너스 전압)을 기준으로 해서 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL)을 회생 입력 전압(Vin)으로 하여 회생을 행한다.
인버터 회로(33)는 캐패시터(32)측의 직류 전압과 변압기(34)측의 교류 전압 사이에서 직류-교류 변환을 행하고, 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 직류 전원부의 직류 전압(VAB)에 기초하여 일정 전압으로 유지함과 함께, 리액터 전압(VDCL)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 초과한 경우에는 그 초과한 전압분을 교류로 변환해서 직류 전원부측에 회생시킨다. 캐패시터 전압(VC1)은 일정 전압으로 유지된다는 점에서, 직류 리액터(21A)의 리액터 전압(VDCL)은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프된다. 인버터 회로(33)는, 예를 들면, 스위칭 소자의 브리지 회로로 구성할 수가 있다. 스위칭 소자의 개폐 동작은 제어 회로부(40)로부터의 제어 신호(α)에 의해 제어된다.
변압기(34)는, 직류 전원부(10)의 직류 전압(VAB)과 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)의 전압 비율을 변압비에 기초하여 변조한다. 변압기(34)의 변압비가 (n2：n1)인 경우에는, 직류 전압(VAB)과 캐패시터 전압(VC1) 사이의 전압 관계는, VC1=(n2/n1)×VAB로 표시된다.
정류기(35)는 변압기(34)측의 교류 전압을 직류 전원부(10)측의 직류 전압으로 정류한다. 정류기(35)의 직류측 단자는 직류 전원부(10)의 단자(A, B)에 접속되고, 캐패시터 전압(VC1)이 직류 전압(VAB)에 기초한 전압을 초과하는 경우에만, 직류 전원부(10)에 전력을 회생시킨다.
또한, 회생부(30A)의 구성은 직류 리액터(21A)의 양단 전압을 소정 전압으로 클램프하는 기능, 및 소정 전압을 초과하는 전력분을 직류 전원부측에 회생시키는 기능을 구비하는 구성이라면, 상기한 구성에 한정되는 것은 아니다.
(직류 펄스 전원 장치의 전압 상태)
직류 펄스 전원 장치의 전압 상태에 대해서 도 4 및 도 5를 이용하여 설명한다. 도 4에 있어서, 도 4의 (a)는 스위칭 소자(22)(Q1)의 온 상태(on)와 오프 상태(off)를 도시하고, 도 4의 (b)는 직류 리액터(21A)의 리액터 전압(VDCL)을 도시하고, 도 4의 (c)는 스위칭 소자(22)의 드레인-소스 전압(VDS)을 도시하고, 도 4의 (d)는 출력 전압(Vo)을 도시하고 있다.
이하, 도면중의 S1 내지 S14는, 각 단계의 온 상태 및 오프 상태를 나타내고 있다. S1, S3, …, S13의 홀수 번호를 붙인 상태는 스위칭 소자(22)가 온 상태(on)인 것을 나타내고, S2, S4, …, S14의 짝수 번호를 붙인 상태는 스위칭 소자(22)가 오프 상태(off)인 것을 나타내고 있다.
(ⅰ) 온 상태(S1, S3, …, S13)：　
스위칭 소자(22)는 온 상태에 있고(도 4의 (a)), 직류 리액터(21A)의 마이너스측(負側)의 단자는 접지되기 때문에, 스위칭 소자(22)의 드레인-소스 전압(VDS)의 전압은 0으로 되고(도 4의 (c)), 직류 리액터(21A)의 리액터 전압(VDCL)은 직류 전원부의 직류 전압(VAB)으로 된다(도 4의 (b)). 출력 전압(Vo)은 0V로 된다(도 4의 (d)).
(ⅱ) 오프 상태(S2, S4, …, S14)：
오프 상태에 대해서는, 리액터 전압(VDCL)이 회생 동작의 문턱값인 캐패시터 전압(VC1)에 도달하기 전의 상태(S2, S4, S6)와, 캐패시터 전압(VC1)에 도달한 후의 상태(S8, S10, S12, S14)에 대해서 설명한다.
(ⅱ-1) S2, S4, S6의 상태：
스위칭 소자(22)는 오프 상태에 있고(도 4의 (a)), 직류 리액터(21A)에는 축적된 축적 에너지의 방출에 의한 리액터 전압(VDCL)이 발생한다. 리액터 전압(VDCL)의 전압값은, 온 상태로부터 오프 상태로 전환될 때마다 상승한다. 이 전압 상승에 있어서, 리액터 전압(VDCL)은 회생부의 캐패시터 전압(VC1)에 도달해 있지 않기 때문에, 회생은 행해지지 않는다. 또한, 도 4에서는 마이너스측의 전압값이 증가하는 상태를 도시하고 있다(도 4의 (b)).
스위칭 소자(22)의 드레인-소스 전압(VDS)의 전압은, 리액터 전압(VDCL)에 따른 전압으로 되어 점차 증가하지만, 회생부의 캐패시터 전압(VC1)에 도달해 있지 않다. 또한, 도 4에서는 마이너스측의 전압값이 증가하는 상태를 도시하고 있다(도 4의 (c)). 출력 전압(Vo)에는, 직류 전원부의 직류 전압(VAB)에 리액터 전압(VDCL)이 더해진 전압분이 출력된다(도 4의 (d)).
(ⅱ-2)　S8, S10, S12, S14의 상태：
S2, S4, S6의 상태와 마찬가지로, 스위칭 소자(22)는 오프 상태에 있고(도 4의 (a)), 직류 리액터(21A)에는 축적된 축적 에너지의 방출에 의한 리액터 전압(VDCL)이 발생한다. S8, S10, S12, S14의 상태에서는, 리액터 전압(VDCL)의 전압값이 캐패시터 전압(VC1)에 도달하기 때문에, 리액터 전압(VDCL)의 전압값은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프되어, 더 이상의 전압 상승은 억제된다. 도 4의 (b)에 있어서, 실선으로 도시한 리액터 전압(VDCL)은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프된 상태를 나타내고, 파선으로 도시한 리액터 전압(VDCL)은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프되어 있지 않은 경우를 비교예로서 나타내고 있다.
스위칭 소자(22)의 드레인-소스 전압(VDS)의 전압은 리액터 전압(VDCL)에 따른 전압으로 되고, 회생부의 캐패시터 전압(VC1)의 전압으로 유지된다. 도 4의 (c)에 있어서, 실선으로 도시한 드레인-소스 전압(VDS)은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프된 상태를 나타내고, 파선으로 도시한 드레인-소스 전압(VDS)은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프되어 있지 않은 경우를 비교예로서 나타내고 있다. 또한, 도 4에서는 마이너스측의 전압값이 증가하는 상태를 도시하고 있다(도 4의 (c)).
출력 전압(Vo)에는, 직류 전원부의 직류 전압(VAB)에 리액터 전압(VDCL)이 더해진 전압분이 출력된다. 리액터 전압(VDCL)이 클램프되기 때문에, 출력 전압(Vo)은 일정 전압으로 유지된다(도 4의 (d)).
도 5의 (a)는, 제1의 구성예에 있어서 회생 상태에서의 출력 전압(Vo)을 도시하고 있다. 직류 펄스 전원 장치는, 승압 초퍼 회로의 전환 주기를 펄스 주기 T로 해서 출력 전압(Vo)의 펄스 출력을 출력한다. 펄스 출력은, 펄스 주기 T 내에 스위칭 소자가 온 상태로 되는 온 기간(Ton)과, 스위칭 소자가 오프 상태로 되는 오프 기간(Toff)을 가진다. 온 기간(Ton)의 출력 전압(Vo)은 드레인-소스 전압(VDS)에 대응하는 전압값이다.
한편, 오프 기간(Toff)의 출력 전압(Vo)은, 직류 전원부의 직류 전압(VAB)에 리액터 전압(VDCL)이 중첩된 (VAB＋VDCL)로 되지만, 리액터 전압(VDCL)은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프되기 때문에 (VAB＋VC1)로 된다. 직류 전압(VAB) 및 캐패시터 전압(VC1)은 일정 전압이기 때문에, 펄스 출력의 출력 전압(Vo)은 일정 전압으로 유지된다. 도 5의 (a) 중의 파선 부분은 리액터 전압(VDCL)으로부터 클램프된 캐패시터 전압(VC1)을 뺀 억제 전압분(VDCL－VC1)을 나타내고 있다. 이에 반해, 도 11의 (b)에 도시한 인덕턴스에 저항(R)을 병렬 접속한 구성에서는, 도 5의 (a)의 일점 쇄선의 전압 변화로 나타내는 바와 같이, 스위칭 소자의 오프시에 급격하게 증가해서 서지 전압이 발생한다.
(회생부의 구성예)
도 6을 이용하여 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 회생부가 구비하는 인버터 회로의 회로 구성예를 설명한다.
회생부(30A)는, 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)의 직류 전압을 직류-교류 변환해서 얻어진 교류 전압을 변압기(34)에 출력하는 인버터 회로(33)를 포함하고 있다. 인버터 회로(33)는, 스위칭 소자(QR1 내지 QR4)로 이루어지는 브리지 회로(33a)와, 제어 신호(α)에 기초하여 스위칭 소자(QR1 내지 QR4)를 구동하는 구동 신호를 생성하는 구동 회로(33b)를 구비한다. 또한, 여기에서는, 브리지 회로(33a)로서 풀 브리지 회로의 예를 도시하고 있지만, 하프 브리지 회로나 다상 인버터 회로를 이용해도 된다.
[직류 펄스 전원 장치의 제2의 구성]
본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제2의 구성은, 제1의 구성과 마찬가지로, 직류 전원부(DC부)(10)와, 직류 전원부(10)에 접속된 승압 초퍼 회로에 의해 발생된 펄스 출력을 부하(4)에 공급하는 펄스부(20B)와, 펄스부(20B)의 과잉 전압 상승분을 직류 전원부(10)측에 회생시키는 회생부(30A)와, 직류 전원부(10), 펄스부(20B), 및 회생부(30A)를 제어하는 제어 회로부(40)를 구비하고, 출력 케이블(3)을 거쳐 부하(4)에 펄스 출력을 공급한다.
도 7을 이용하여 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제2의 구성예에 대해서 설명한다. 제2의 구성예는, 펄스부(20)의 승압 초퍼 회로의 구성에 있어서 제1의 구성예와 상위하고, 그밖의 구성은 제1의 구성예와 마찬가지이다. 이하, 제1의 구성예와 상위한 구성에 대해서 설명하고, 그밖의 공통된 구성의 설명은 생략한다.
제1의 구성예의 승압 초퍼 회로가 구비하는 직류 리액터(21A)는 단일의 코일로 구성된다. 이에 반해서, 제2의 구성예의 직류 리액터(21B)는, 제1의 구성예의 승압 초퍼 회로의 단일 코일 대신에 유탭 단권 변압기로 구성된다. 유탭 단권 변압기에 의한 직류 리액터(21B)는, 자기 결합된 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)를 직렬 접속해서 구성할 수 있고, 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 접속점을 탭점으로 하고 있다. 제1 직류 리액터(21a)의 일단은 직류 전원부의 저전압측의 단자 A에 접속되고, 제2 직류 리액터(21b)의 일단은 부하측에 접속되고, 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 접속점의 탭점은 스위칭 소자(22)의 소스(S)단에 접속된다.
스위칭 소자(22)가 온 상태일 때는, 직류 리액터(21B)의 접속점의 탭점은 접지되고, 단자 B로부터 온 상태에 있는 스위칭 소자(22), 및 직류 리액터(21B)의 제1 직류 리액터(21a)를 거쳐 단자 A에 전류가 흐른다. 이때, 제1 직류 리액터(21a)에 전자기 에너지가 축적된다.
다음에, 스위칭 소자(22)가 온 상태로부터 오프 상태로 전환되면, 직류 리액터(21B)의 제1 직류 리액터(21a)에 축적된 축적 에너지에 의해 흐르는 리액터 전류(iL)에 의해서 제1 직류 리액터(21a)에는 리액터 전압(VDCL1)이 발생하고, 제2 직류 리액터(21b)에는 리액터 전압(VDCL2)이 발생한다. 승압 초퍼 회로는, 스위칭 소자(22)의 온 동작과 오프 동작을 반복하는 것에 의해, 제1의 구성예와 마찬가지로 출력 전압(Vo)을 상승시킨다.
제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)의 전압비는, 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 인덕턴스비의 비율에 대응한 값으로 된다. 직류 리액터(21B)의 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 유탭 단권 코일의 권수비(卷數比)를 n1p：n2p로 한 경우에는, 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)의 전압비(VDCL1/VDCL2)는 권수비(n1p/n2p)로 된다.
제2의 구성예의 회생부(30A)는, 제1의 구성예의 직류 리액터(21A)의 리액터 전압(VDCL) 대신에 직류 리액터(21B)의 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)을 적용함으로써 마찬가지로 동작한다. 회생부(30A)는, 리액터 전압이 설정 전압을 초과할 때에는, 설정 전압을 초과하는 전압분을 직류 전원부에 회생시키는 것에 의해, 리액터 전압을 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프하는 클램프 전압부로서 기능한다. 이때, 클램프 전압부의 클램프 전압은 캐패시터 전압(VC1)로 정해진다. 회생부(30A)(클램프 전압부(30))는, 스위칭 소자(22)의 소스단 및 직류 펄스 전원 장치의 출력단의 상한 전압을 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프하고, 스위칭 소자(22)의 드레인-소스 전압(VDS)에 과잉 전압이 인가되는 것을 억제하고, 부하 전류 변동에 수반하는 출력 전압이 변동되는 것을 억제한다.
회생부(30A)에 있어서, 캐패시터(32)(C1)의 일단은 직류 리액터(21B)의 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 접속점에 접속되고, 타단은 다이오드(31)를 거쳐 제1 직류 리액터(21a)의 직류 전원부측의 단부에 접속되고, 제1 직류 리액터(21a)에 발생하는 리액터 전압(VDCL1)이 인가된다. 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)은, 직류 전원부의 직류 전압(VAB) 및 변압기(34)의 변압비에 기초하여 정해지고, 변압기(34)의 변압비가 (n2：n1)인 경우에는 VC1=(n2/n1)×VAB의 설정 전압으로 된다. 다이오드(31)는 펄스부(20B)로부터 회생부(30A)의 캐패시터(32)(C1)로 향하는 방향을 순방향으로 해서 접속되고, 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 초과한 경우에, 리액터 전압(VDCL1)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 초과한 전압분에 대해서 회생부(30A)에 의한 회생이 행해진다. 따라서, 회생부(30A)는 제1의 구성예와 마찬가지로 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 문턱값으로 해서 회생 동작을 행한다.
출력 전압(Vo)에는, 직류 전원부의 직류 전압(VAB)에 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)이 중첩된 전압(Vo=VAB＋VDCL1＋VDCL2)이 출력된다. 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프되기 때문에, 출력 전압(Vo)은 Vo=VAB＋VC1＋VDCL2로 된다.
도 5의 (b)는, 제2의 구성예에 있어서 회생 상태에서의 출력 전압(Vo)을 도시하고 있다. 직류 펄스 전원 장치는, 승압 초퍼 회로의 전환 주기를 펄스 주기 T로 해서 출력 전압(Vo)의 펄스 출력을 출력한다. 펄스 출력은, 펄스 주기 T 내에 스위칭 소자가 온 상태로 되는 온 기간(Ton)과, 스위칭 소자가 오프 상태로 되는 오프 기간(Toff)을 가진다. 온 기간(Ton)의 출력 전압(Vo)은 리액터 전압(VDCL2)에 대응하는 전압값이다.
한편, 오프 기간(Toff)의 출력 전압(Vo)은, 직류 전원부의 직류 전압(VAB)에 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)이 중첩된 (VAB＋VDCL1＋VDCL2)로 되지만, 리액터 전압(VDCL1)은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프되기 때문에, 출력 전압(Vo)은 (VAB＋VC1＋VDCL2)로 된다. 직류 전압(VAB) 및 캐패시터 전압(VC1)은 일정 전압이기 때문에, 펄스 출력의 출력 전압(Vo)은 거의 일정 전압으로 유지된다.
도 5의 (b) 중의 파선 부분은, 억제 전압분을 표시하고 있다. 회생에 의한 캐패시터 전압(VC1)의 클램프에 의해, 스위칭 소자의 소스단에 인가되는 전압은 VDCL1로부터 VC1로 되고, 이것에 의해 (VDCL1－VC1)의 전압이 억제된다. 또, 리액터 전압(VDCL1)이 억제된 것에 의해 제2 직류 리액터(21b)에 발생하는 리액터 전압(VDCL2)도 마찬가지로 권선비(卷線比)에 따라 (VDCL1－VC1)×(n2p/n1p)로 억제된다. 그 때문에, 출력 전압의 클램프분은 (VDCL1－VC1)×(1＋n2p/n1p)로 된다. 이에 반해, 도 11의 (b)에 도시한 인덕턴스에 저항(R)을 병렬 접속한 구성에서는, 도 5의 (b)의 일점 쇄선의 전압 변화로 나타내는 바와 같이, 스위칭 소자의 오프시에 급격하게 증가해서 서지 전압이 발생한다.
[직류 펄스 전원 장치의 제3의 구성]
본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제3의 구성은, 제1, 제2의 구성과 마찬가지로, 직류 전원부(DC부)(10)와, 직류 전원부(10)에 접속된 승압 초퍼 회로에 의해 펄스 출력을 발생하고, 부하(4)에 공급하는 펄스부(20C)와, 펄스부(20C)의 과잉 전압 상승분을 직류 전원부(10)측에 회생시키는 회생부(30A)와, 직류 전원부(10), 펄스부(20C), 및 회생부(30A)를 제어하는 제어 회로부(40)를 구비하고, 출력 케이블(3)을 거쳐 부하(4)에 펄스 출력을 공급한다.
도 8을 이용하여 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제3의 구성예에 대해서 설명한다. 제3의 구성예는, 펄스부(20C)의 승압 초퍼 회로의 구성에 있어서 제1, 제2의 구성예와 상위하고, 그밖의 구성은 제1, 제2의 구성예와 마찬가지이다. 이하, 제1, 제2의 구성예와 상위한 구성에 대해서 설명하고, 그밖의 공통된 구성의 설명은 생략한다.
제2의 구성예의 승압 초퍼 회로가 구비하는 직류 리액터(21B)는 유탭 단권 변압기로 구성된다. 이에 반해서, 제3의 구성예의 직류 리액터(21C)는, 제2의 구성예의 승압 초퍼 회로의 유탭 단권 변압기 대신에 복권 변압기로 구성된다. 직류 리액터(21C)의 복권 변압기는 가극성(加極性)의 변압기의 예를 도시하고 있다.
복권 변압기에 의한 직류 리액터(21C)는, 자기 결합된 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)가 병렬 접속된 구성이다. 제1 직류 리액터(21a)의 일단은 직류 전원부의 저전압측의 단자 A에 접속되고, 타단은 스위칭 소자(22)의 소스(S)단에 접속된다. 제2 직류 리액터(21b)의 일단은 스위칭 소자(22)의 소스(S)단에 접속되고, 타단은 부하측에 접속된다.
스위칭 소자(22)가 온 상태일 때는, 직류 리액터(21C)의 제1 직류 리액터(21a)의 스위칭 소자(22)측의 단부는 접지되고, 단자 B로부터 온 상태에 있는 스위칭 소자(22), 및 제1 직류 리액터(21a)를 거쳐 단자 A에 전류가 흐른다. 이때, 제1 직류 리액터(21a)에 전자기 에너지가 축적된다.
다음에, 스위칭 소자(22)가 온 상태로부터 오프 상태로 전환되면, 직류 리액터(21C)의 제1 직류 리액터(21a)에 축적된 축적 에너지에 의해 흐르는 리액터 전류(iL)에 의해서 제1 직류 리액터(21a)에는 리액터 전압(VDCL1)이 발생하고, 제2 직류 리액터(21b)에는 제1 직류 리액터(21a)와의 자기 결합에 의해 리액터 전압(VDCL2)이 발생한다. 승압 초퍼 회로는, 스위칭 소자(22)의 온 동작과 오프 동작을 반복하는 것에 의해, 제1, 제2의 구성예와 마찬가지로 출력 전압(Vo)을 상승시킨다.
제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)의 전압비는, 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 인덕턴스비의 비율에 대응한 값으로 된다. 직류 리액터(21C)의 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 복권 코일의 권수비를 (n1p：n2p)로 한 경우에는, 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)의 전압비(VDCL1/VDCL2)는 권수비(n1p/n2p)로 된다.
제3의 구성예의 회생부(30A)는, 제2의 구성예의 직류 리액터(21B)의 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 마찬가지로 동작한다. 회생부(30A)는, 리액터 전압이 설정 전압을 초과할 때에는, 설정 전압을 초과하는 전압분을 직류 전원부에 회생시키는 것에 의해, 리액터 전압을 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프하는 클램프 전압부로서 기능한다. 이때, 클램프 전압부의 클램프 전압은 캐패시터 전압(VC1)으로 정해진다. 회생부(30A)(클램프 전압부(30))는, 스위칭 소자(22)의 소스단 및 직류 펄스 전원 장치의 출력단의 상한 전압을 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프하여, 스위칭 소자(22)의 드레인-소스 전압(VDS)에 과잉 전압이 인가되는 것을 억제하고, 부하 전류 변동에 수반하는 출력 전압이 변동되는 것을 억제한다.
회생부(30A)에 있어서, 캐패시터(32)(C1)의 일단은 직류 리액터(21C)의 제1 직류 리액터(21a)의 스위칭 소자의 단부에 접속되고, 타단은 다이오드(31)를 거쳐 제1 직류 리액터(21a)의 직류 전원부측의 단부에 접속되고, 제1 직류 리액터(21a)에 발생하는 리액터 전압(VDCL1)이 인가된다. 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)은, 직류 전원부의 직류 전압(VAB) 및 변압기의 변압비에 기초하여 정해지고, 변압기(34)의 변압비가 (n2：n1)인 경우에는 VC1=(n2/n1)×VAB의 설정 전압으로 된다. 다이오드(31)는 펄스부로부터 회생부(30A)의 캐패시터(32)(C1)로 향하는 방향을 순방향으로 해서 접속되고, 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 초과한 경우에, 리액터 전압(VDCL1)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 초과한 전압분에 대해서 회생부(30A)에 의한 회생이 행해진다. 따라서, 회생부(30A)는 제1, 제2의 구성예와 마찬가지로 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 문턱값으로 해서 회생 동작을 행한다.
출력 전압(Vo)에는, 직류 전원부의 직류 전압(VAB)에 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)이 중첩된 전압(Vo=VAB＋VDCL1＋VDCL2)이 출력된다. 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프되기 때문에, 출력 전압(Vo)은 Vo=VAB＋VC1＋VDCL2로 된다. 또한, 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 권수비가 (n1p/n2p)일 때에는, 리액터 전압(VDCL1 및 VDCL2)은 (VDCL1/VDCL2=n1p/n2p)로 표시된다.
[직류 펄스 전원 장치의 제4의 구성]
본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제4의 구성은, 제1, 제2, 제3의 구성과 마찬가지로, 직류 전원부(DC부)(10)와, 직류 전원부(10)에 접속된 승압 초퍼 회로에 의해 펄스 출력을 발생하고, 부하(4)에 공급하는 펄스부(20D)와, 펄스부(20D)의 과잉 전압 상승분을 직류 전원부(10)측에 회생시키는 회생부(30A)와, 직류 전원부(10), 펄스부(20D), 및 회생부(30A)를 제어하는 제어 회로부(40)를 구비하고, 출력 케이블(3)을 거쳐 부하(4)에 펄스 출력을 공급한다.
도 9를 이용하여 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제4의 구성예에 대해서 설명한다. 제4의 구성예는, 펄스부(20D)의 승압 초퍼 회로의 직류 리액터를 구성하는 변압기의 구성에 있어서 제3의 구성예와 상위하고, 그밖의 구성은 제3의 구성예와 마찬가지이다.
제3의 구성예의 승압 초퍼 회로가 구비하는 직류 리액터(21C)는 가극성의 복권 변압기로 구성된다. 이에 반해서, 제4의 구성예의 직류 리액터(21D)는, 제3의 구성예의 승압 초퍼 회로의 가극성의 복권 변압기 대신에 감극성(減極性)의 복권 변압기로 구성된다.
복권 변압기에 의한 직류 리액터(21D)는, 자기 결합된 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)를 병렬 접속하는 구성이다. 제1 직류 리액터(21a)의 일단은 직류 전원부의 저전압측의 단자 A에 접속되고, 타단은 스위칭 소자(22)의 소스(S)단에 접속된다. 제2 직류 리액터(21b)의 일단은 직류 전원부의 저전압측의 단자 A에 접속되고, 타단은 부하측에 접속된다.
스위칭 소자(22)가 온 상태일 때는, 직류 리액터(21D)의 제1 직류 리액터(21a)의 스위칭 소자(22)측의 단부는 접지되고, 단자 B로부터 온 상태에 있는 스위칭 소자(22), 및 제1 직류 리액터(21a)를 거쳐 단자 A로 전류가 흐른다. 이때, 제1 직류 리액터(21a)에 전자기 에너지가 축적된다.
다음에, 스위칭 소자(22)가 온 상태로부터 오프 상태로 전환되면, 직류 리액터(21D)의 제1 직류 리액터(21a)에 축적된 축적 에너지에 의해 흐르는 리액터 전류(iL)에 의해서 제1 직류 리액터(21a)에는 리액터 전압(VDCL1)이 발생하고, 제2 직류 리액터(21b)에는 제1 직류 리액터(21a)와의 자기 결합에 의해 리액터 전압(VDCL2)이 발생한다. 승압 초퍼 회로는, 스위칭 소자(22)의 온 동작과 오프 동작을 반복하는 것에 의해, 제1, 제2, 제3의 구성예와 마찬가지로 출력 전압(Vo)을 상승시킨다.
제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)의 전압비는, 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 인덕턴스비의 비율에 대응한 값으로 된다. 직류 리액터(21D)의 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 복권 코일의 권수비를 (n1p：n2p)로 한 경우에는, 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)의 전압비(VDCL1/VDCL2)는 권수비(n1p/n2p)로 된다.
제4의 구성예의 회생부의 직류 리액터(21D)는, 제3의 구성예의 직류 리액터(21C)의 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 마찬가지로 동작한다. 회생부(30A)는, 리액터 전압이 설정 전압을 초과할 때에는, 설정 전압을 초과하는 전압분을 직류 전원부에 회생시키는 것에 의해, 리액터 전압을 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프하는 클램프 전압부로서 기능한다. 이때, 클램프 전압부의 클램프 전압은 캐패시터 전압(VC1)으로 정해진다. 회생부(30A)(클램프 전압부(30))는, 스위칭 소자(22)의 소스단 및 직류 펄스 전원 장치의 출력단의 상한 전압을 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프하여, 스위칭 소자(22)의 드레인-소스 전압(VDS)에 과잉 전압이 인가되는 것을 억제하고, 부하 전류 변동에 수반하는 출력 전압이 변동되는 것을 억제한다.
회생부(30A)에 있어서, 캐패시터(32)(C1)의 일단은 직류 리액터(21D)의 제1 직류 리액터(21a)의 스위칭 소자의 단부에 접속되고, 타단은 다이오드(31)를 거쳐 제1 직류 리액터(21a)의 직류 전원부측의 단부에 접속되고, 제1 직류 리액터(21a)에 발생하는 리액터 전압(VDCL1)이 인가된다. 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)은, 직류 전원부의 직류 전압(VAB) 및 변압기의 변압비에 기초하여 정해지고, 변압기(34)의 변압비가 (n2：n1)인 경우에는 VC1=(n2/n1)×VAB의 설정 전압으로 된다. 다이오드(31)는 펄스부로부터 회생부(30A)의 캐패시터(32)(C1)로 향하는 방향을 순방향으로 해서 접속되고, 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 초과한 경우에, 리액터 전압(VDCL1)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 초과한 전압분에 대해서 회생부(30A)에 의한 회생이 행해진다. 따라서, 회생부(30A)는 제1, 제2, 제3의 구성예와 마찬가지로 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 문턱값으로 해서 회생 동작을 행한다.
출력 전압(Vo)에는, 직류 전원부의 직류 전압(VAB)에 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)이 중첩된 전압(Vo=VAB＋VDCL2)이 출력된다. 또한, 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 권수비가 (n1p/n2p)일 때에는, 리액터 전압(VDCL1) 및 리액터 전압(VDCL2)은 (VDCL1/VDCL2=n1p/n2p)로 표시된다. 그 때문에, 리액터 전압(VDCL1)이 VC1에 의해서 클램프되는 경우, 출력 전압(Vo)은 Vo=VAB+VC1×(n1p/n2p)로 표시된다.
[직류 펄스 전원 장치의 제5의 구성]
본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제5의 구성은, 제1의 구성과 마찬가지로, 직류 전원부(DC부)(10)와, 직류 전원부(10)에 접속된 승압 초퍼 회로에 의해 발생된 펄스 출력을 부하(4)에 공급하는 펄스부(20E)와, 펄스부(20E)의 과잉 전압 상승분을 직류 전원부(10)측에 회생시키는 회생부(30A)와, 직류 전원부(10), 펄스부(20E), 및 회생부(30A)를 제어하는 제어 회로부(40)를 구비하고, 출력 케이블(3)을 거쳐 부하(4)에 펄스 출력을 공급한다.
도 10을 이용하여 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제5의 구성예에 대해서 설명한다. 제5의 구성예는, 승압 초퍼 회로의 직류 리액터의 설치 양태에 있어서 제2의 구성예와 상위하고, 그밖의 구성은 제2의 구성예와 마찬가지이다. 이하, 제2의 구성예와 상위한 구성에 대해서 설명하고, 그밖의 공통된 구성의 설명은 생략한다.
제5의 구성예의 승압 초퍼 회로가 구비하는 직류 리액터(21E)는 제2의 구성예의 승압 초퍼 회로의 직류 리액터(21B)와 마찬가지로 유탭 단권 변압기로 구성되지만, 전원 라인에 대한 설치 양태에 있어서 상위하다. 제2의 구성예의 직류 리액터(21B)는 직류 전원부의 저전압측의 전원 라인에 접속되는 데 반해, 제5의 구성예의 직류 리액터(21E)는 직류 전원부의 고전압측의 전원 라인에 접속된다.
유탭 단권 변압기에 의한 직류 리액터(21E)는, 자기 결합된 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)를 직렬 접속해서 구성되고, 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 접속점을 탭점으로 하고 있다. 제1 직류 리액터(21a)의 일단은 직류 전원부의 고전압측의 단자 B에 접속되고, 제2 직류 리액터(21b)의 일단은 부하측에 접속되어 접지되고, 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 접속점의 탭점은 스위칭 소자(22)의 드레인(D)단에 접속된다.
스위칭 소자(22)가 온 상태일 때는, 직류 리액터(21E)의 접속점의 탭점은 제2 직류 리액터(21b)를 거쳐 접지되고, 단자 B로부터 제1 직류 리액터(21a), 및 온 상태에 있는 스위칭 소자(22)를 거쳐 단자 A에 전류가 흐른다. 이때, 제1 직류 리액터(21a)에 전자기 에너지가 축적된다.
다음에, 스위칭 소자(22)가 온 상태로부터 오프 상태로 전환되면, 직류 리액터(21E)의 제1 직류 리액터(21a)에 축적된 축적 에너지에 의해 흐르는 리액터 전류(iL)에 의해서 제1 직류 리액터(21a)에는 리액터 전압(VDCL1)이 발생하고, 제2 직류 리액터(21b)에는 리액터 전압(VDCL2)이 발생한다. 승압 초퍼 회로는, 스위칭 소자(22)의 온 동작과 오프 동작을 반복하는 것에 의해, 제1의 구성예와 마찬가지로 출력 전압(Vo)을 상승시킨다.
제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)의 전압비는, 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 인덕턴스비의 비율에 대응한 값으로 된다. 직류 리액터(21E)의 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 유탭 단권 코일의 권수비를 n1p：n2p로 한 경우에는, 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)의 전압비(VDCL1/VDCL2)는 권수비(n1p/n2p)로 된다.
제5의 구성예의 회생부(30A)는, 제1의 구성예의 직류 리액터(21A)의 리액터 전압(VDCL) 대신에 직류 리액터(21E)의 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)을 적용함으로써 마찬가지로 동작한다. 회생부(30A)는, 리액터 전압이 설정 전압을 초과할 때에는, 설정 전압을 초과하는 전압분을 직류 전원부에 회생시키는 것에 의해, 리액터 전압을 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프하는 클램프 전압부로서 기능한다. 이때, 클램프 전압부의 클램프 전압은 캐패시터 전압(VC1)으로 정해진다. 회생부(30A)(클램프 전압부(30))는, 스위칭 소자(22)의 소스단 및 직류 펄스 전원 장치의 출력단의 상한 전압을 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프하여, 스위칭 소자(22)의 드레인-소스 전압(VDS)에 과잉 전압이 인가되는 것을 억제하고, 부하 전류 변동에 수반하는 출력 전압이 변동되는 것을 억제한다.
회생부(30A)에 있어서, 캐패시터(32)(C1)의 일단은 직류 리액터(21E)의 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 접속점에 접속되고, 타단은 다이오드(31)를 거쳐 제1 직류 리액터(21a)의 직류 전원부측의 단부에 접속되고, 제1 직류 리액터(21a)에 발생하는 리액터 전압(VDCL1)이 인가된다. 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)은, 직류 전원부의 전압(VAB)및 변압기의 변압비에 기초하여 정해지고, 변압기(34)의 변압비가 (n2：n1)인 경우에는 VC1=(n2/n1)×VAB의 설정 전압으로 된다. 다이오드(31)는 펄스부(20E)로부터 회생부(30A)의 캐패시터(32)(C1)로 향하는 방향을 역방향으로 해서 접속되고, 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 초과한 경우에, 리액터 전압(VDCL1)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 초과한 전압분에 대해서 회생부(30A)에 의한 회생이 행해진다. 따라서, 회생부(30A)는 제1의 구성예와 마찬가지로 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 문턱값으로 해서 회생 동작을 행한다.
출력 전압(Vo)에는, 직류 전원부의 직류 전압(VAB)에 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)이 중첩된 전압(Vo=VAB＋VDCL1＋VDCL2)이 출력된다. 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프되기 때문에, 출력 전압(Vo)은 Vo=VAB＋VC1＋VDCL2로 된다.
도 5의 (b)는, 제2의 구성예와 마찬가지로, 제5의 구성예에 있어서 회생 상태에서의 출력 전압(Vo)을 도시하고 있다. 직류 펄스 전원 장치는, 승압 초퍼 회로의 전환 주기를 펄스 주기 T로 해서 출력 전압(Vo)의 펄스 출력을 출력한다. 펄스 출력은, 펄스 주기 T 내에 스위칭 소자가 온 상태로 되는 온 기간(Ton)과, 스위칭 소자가 오프 상태로 되는 오프 기간(Toff)을 가진다. 온 기간(Ton)의 출력 전압(Vo)은 리액터 전압(VDCL2)에 대응하는 전압값이다.
한편, 오프 기간(Toff)의 출력 전압(Vo)은, 직류 전원부의 직류 전압(VAB)에 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)이 중첩된 (VAB＋VDCL1＋VDCL2)로 되지만, 리액터 전압(VDCL1)은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프되기 때문에, 출력 전압(Vo)은 (VAB＋VC1＋VDCL2)로 된다. 직류 전압(VAB) 및 캐패시터 전압(VC1)은 일정 전압이기 때문에, 펄스 출력의 출력 전압(Vo)은 거의 일정 전압으로 유지된다.
도 5의 (b) 중의 파선 부분은, 억제 전압분을 표시하고 있다. 회생에 의한 캐패시터 전압(VC1)의 클램프에 의해, 스위칭 소자의 소스단에 인가되는 전압은 VDCL1로부터 VC1로 되고, 이것에 의해 (VDCL1－VC1)의 전압이 억제된다. 또, 리액터 전압(VDCL1)이 억제된 것에 의해 제2 직류 리액터(21b)에서 발생하는 리액터 전압(VDCL2)도 마찬가지로 권선비에 따라 (VDCL1－VC1)×(n2p/n1p)로 억제된다. 그 때문에, 출력 전압의 클램프분은 (VDCL1－VC1)×(1＋n2p/n1p)로 된다.
또한, 상기 실시의 형태 및 변형예에 있어서의 기술은, 본 발명에 관계된 직류 펄스 전원 장치의 일례이고, 본 발명은 각 실시의 형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 취지에 기초하여 갖가지로 변형하는 것이 가능하고, 이들을 본 발명의 범위로부터 배제하는 것은 아니다.
본 발명의 직류 펄스 전원 장치는, 플라즈마 발생 장치에 전력을 공급하는 전력원으로서 적용하는 것 외에도, 펄스 레이저 여기, 방전 가공기 등의 부하에 펄스 출력을 공급하는 전원 장치로서 이용할 수가 있다.
1: 직류 펄스 전원 장치
2: 교류 전원
3: 출력 케이블
4: 부하
10: 직류 전원부
11: 정류기
12: 스너버 회로
13: 단상 인버터 회로
14: 단상 변압기
15: 정류기
16: 캐패시터
20, 20A, 20B, 20C, 20D, 20E: 펄스부
21, 21A, 21B, 21C, 21D, 21E: 직류 리액터
21a: 제1 직류 리액터
21b: 제2 직류 리액터
21c: 누설 인턱턴스
22: 스위칭 소자
30: 클램프 전압부
30A: 회생부
31: 다이오드
32: 캐패시터
33: 인버터 회로
33a: 브리지 회로
33b: 구동 회로
34: 변압기
35: 정류기
100: 직류 펄스 전원 장치
110: 직류 전원
120: 승압 초퍼 회로
121: 인덕터
122: 스위칭 소자
123: 다이오드
124: 저항
125: 직류 전원
QR1 내지 QR4: 스위칭 소자

Claims (7)

  1. 직류 전원부와, 상기 직류 전원부에 접속된 승압 초퍼 회로에 의해 펄스 출력을 발생하는 펄스부를 구비한 직류 펄스 전원 장치로서,
    상기 승압 초퍼 회로는, 직류 리액터와 스위칭 소자의 직렬 회로를 구비하고,
    상기 직류 펄스 전원 장치는, 상기 직류 리액터에 접속된 클램프 전압부를 더 구비하고,
    상기 클램프 전압부의 출력단은,
    상기 직류 리액터와 상기 스위칭 소자의 접속점에 접속되고,
    상기 스위칭 소자의 오프 기간의 양단 전압을 클램프하고,
    상기 클램프 전압부는,
    상기 직류 리액터의 리액터 전압 중, 설정 전압을 초과하는 전압분을 상기 직류 전원부에 회생시키는 회생부에 의해 구성되고,
    상기 회생부는, 상기 승압 초퍼 회로의 직류 리액터의 양단 사이에 접속되고,
    상기 클램프 전압부의 클램프 전압은, 상기 회생부의 설정 전압이고,
    상기 회생부는,
    상기 펄스부의 리액터 전압에 대해서 병렬 접속된 캐패시터와,
    상기 캐패시터의 캐패시터 전압을 직류-교류 변환하는 인버터 회로와,
    상기 인버터 회로의 교류 전압을 변압하는 변압기와,
    상기 변압기의 교류 전압을 정류하는 정류기를 구비하고,
    상기 설정 전압을 상기 캐패시터의 양단 전압으로 하고, 그 양단 전압을 초과하는 전압분을 상기 직류 전원부에 회생시키고,
    상기 변압기의 변압비에 의해 상기 클램프 전압을 가변으로 하는 것을 특징으로 하는 직류 펄스 전원 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 회생부는, 일단이 상기 펄스부의 저전압측의 입력단에 접속되고, 상기 저전압측의 전압을 기준으로 하는 직류 리액터의 리액터 전압을 회생 입력 전압으로 하는 것을 특징으로 하는, 직류 펄스 전원 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 승압 초퍼 회로는,
    상기 직류 리액터에 자기 결합된 제2 직류 리액터를 더 구비하고,
    상기 클램프 전압부의 출력단은, 상기 직류 리액터와 상기 제2 직류 리액터의 접속점에 접속되는 것을 특징으로 하는, 직류 펄스 전원 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 직류 리액터의 일단은 상기 직류 전원부의 출력단에 접속되고,
    상기 제2 직류 리액터의 일단은 상기 펄스부의 출력단에 접속되고,
    직류 리액터와 제2 직류 리액터의 접속점은, 상기 승압 초퍼 회로의 스위칭 소자의 소스측에 접속되는 것을 특징으로 하는, 직류 펄스 전원 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 직류 리액터 및 제2 직류 리액터는, 단권 변압기, 또는 복권 변압기로 구성되는 것을 특징으로 하는, 직류 펄스 전원 장치.
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