(57)【要約】【課題】磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルにおいて、負荷に印加するパルスに必要な電圧時間積を満たし、印加するパルスの立上り時間を短くするというインダクタンス条件を満たし、かつコアの断面積を小さくして可飽和リアクトルを小型化する。【解決手段】磁気パルス圧縮回路の電圧分圧の可飽和リアクトルの飽和前のインダクタンスの設定において、可飽和リアクトルのインダクタンスとリセット回路のチョークコイルの等価インダクタンスとの合成インダクタンスが、磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチに要する飽和前のインダクタンスより十分小さく設定することによって、電圧分圧の可飽和リアクトルのインダクタンスのみによって設定した場合よりも、磁気スイッチに要する可飽和リアクトルを、小さくすることができ、磁気スイッチに要する可飽和リアクトルのインダクタンスを小さな値に設定することによって、可飽和リアクトルの断面積を小さくしてサイズを小型化する。【選択図】図１
2010200446.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可飽和リアクトルの磁気スイッチ動作によって充電コンデンサから放電される電流を圧縮してパルス電流を流す磁気パルス圧縮回路であって、
前記磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルを飽和状態から不飽和状態にリセットするリセット回路を備え、
前記リセット回路はリセット巻き線と直流電源間にチョークコイルを接続し、
前記磁気パルス圧縮回路の電圧分圧用の可飽和リアクトルの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルとリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスにより設定し、当該並列合成インピーダンスを小さくすることによって、磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチ側の可飽和リアクトルのインダクタンスを小さく設定することを特徴とする、磁気パルス圧縮回路。
【請求項２】
可飽和リアクトルの磁気スイッチ動作によって充電コンデンサから放電される電流を圧縮してパルス電流を流す磁気パルス圧縮回路であって、
前記磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルを飽和状態から不飽和状態にリセットするリセット回路を備え、
前記リセット回路はリセット巻き線と直流電源間にチョークコイルを接続し、
前記磁気パルス圧縮回路は、前記充電コンデンサと負荷との間に直列接続する第１の可飽和リアクトルと、前記第１の可飽和リアクトルと負荷との間に負荷に対して並列接続する第２の可飽和リアクトルとを備え、
前記第１の可飽和リアクトルの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路の第１の可飽和リアクトルと第１のリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスにより設定し、
前記第２の可飽和リアクトルの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路の第２の可飽和リアクトルと第２のリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスにより設定し、
第２の可飽和リアクトルと第２のリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスを小さくすることによって、磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチ側の可飽和リアクトルのインダクタンスを小さく設定することを特徴とする、磁気パルス圧縮回路。
【請求項３】
前記第１の可飽和リアクトルと前記第２の可飽和リアクトルの分圧比は、第１のリセット回路のチョークコイルのインダクタンスおよび第２のリセット回路のチョークコイルのインダクタンスによって定まることを特徴とする、請求項２に記載の磁気パルス圧縮回路。
【請求項４】
可飽和リアクトルの磁気スイッチ動作によって充電コンデンサから放電される電流を圧縮してパルス電流を流す磁気パルス圧縮回路であって、
前記磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルを飽和状態から不飽和状態にリセットするリセット回路を備え、
前記リセット回路はリセット巻き線と直流電源間にチョークコイルを接続し、
前記磁気パルス圧縮回路は、前記充電コンデンサと負荷との間に直列接続する第１の可飽和リアクトルと、
前記第１の可飽和リアクトルと負荷との間に負荷に対して並列接続するパルストランスとを備え、
前記第１の可飽和リアクトルの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路の第１の可飽和リアクトルと第１のリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスにより設定し、
前記パルストランスの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路のパルストランスと第２のリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスにより設定し、
磁気パルス圧縮回路のパルストランスと第２のリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスを小さくすることによって、磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチ側の可飽和リアクトルのインダクタンスを小さく設定することを特徴とする、磁気パルス圧縮回路。
【請求項５】
前記第１の可飽和リアクトルと前記パルストランスの分圧比は、第１のリセット回路のチョークコイルのインダクタンスおよび第２のリセット回路のチョークコイルのインダクタンスによって定まることを特徴とする、請求項４に記載の磁気パルス圧縮回路。
【請求項６】
高電圧・狭電流幅のパルスを負荷に供給するパルス電源装置であって、
直流電源で充電される充電コンデンサと、
可飽和リアクトルの磁気スイッチ動作によって前記充電コンデンサから負荷に圧縮したパルス電流を流す磁気パルス圧縮回路と、
前記磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルを飽和状態から不飽和状態にリセットするリセット回路とを備え、
前記リセット回路はリセット巻き線と直流電源間にチョークコイルを接続し、
前記磁気パルス圧縮回路の電圧分圧用の可飽和リアクトルの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルとリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスにより設定し、当該並列合成インピーダンスを小さくすることによって、磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチ側の可飽和リアクトルのインダクタンスを小さく設定することを特徴とする、パルス電源装置。
【請求項７】
高電圧・狭電流幅のパルスを負荷に供給するパルス電源装置であって、
直流電源で充電される充電コンデンサと、
可飽和リアクトルの磁気スイッチ動作によって前記充電コンデンサから負荷に圧縮したパルス電流を流す磁気パルス圧縮回路と、
前記磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルを飽和状態から不飽和状態にリセットするリセット回路とを備え、
前記リセット回路はリセット巻き線と直流電源間にチョークコイルを接続し、
前記磁気パルス圧縮回路は、前記充電コンデンサと負荷との間に直列接続する第１の可飽和リアクトルと、
前記第１の可飽和リアクトルと負荷との間に負荷に対して並列接続する第２の可飽和リアクトルとを備え、
前記第１の可飽和リアクトルの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路の第１の可飽和リアクトルと第１のリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスにより設定し、
前記第２の可飽和リアクトルの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路の第２の可飽和リアクトルと第２のリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスにより設定し、
第２の可飽和リアクトルと第２のリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスを小さくすることによって、磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチ側の可飽和リアクトルのインダクタンスを小さく設定することを特徴とする、パルス電源装置。
【請求項８】
前記第１の可飽和リアクトルと前記第２の可飽和リアクトルの分圧比は、第１のリセット回路のチョークコイルのインダクタンスおよび第２のリセット回路のチョークコイルのインダクタンスによって定まることを特徴とする、請求項７に記載のパルス電源装置。
【請求項９】
高電圧・狭電流幅のパルスを負荷に供給するパルス電源装置であって、
直流電源で充電される充電コンデンサと、
可飽和リアクトルの磁気スイッチ動作によって前記充電コンデンサから負荷に圧縮したパルス電流を流す磁気パルス圧縮回路と、
前記磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルを飽和状態から不飽和状態にリセットするリセット回路とを備え、
前記リセット回路はリセット巻き線と直流電源間にチョークコイルを接続し、
前記磁気パルス圧縮回路は、前記充電コンデンサと負荷との間に直列接続する第１の可飽和リアクトルと、
前記第１の可飽和リアクトルと負荷との間に負荷に対して並列接続するパルストランスとを備え、
前記第１の可飽和リアクトルの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路の第１の可飽和リアクトルと第１のリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスにより設定し、
前記パルストランスの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路のパルストランスと第２のリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスにより設定し、
磁気パルス圧縮回路のパルストランスと第２のリセット回路のチョークコイルとの並列合成インピーダンスを小さくすることによって、磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチ側の可飽和リアクトルのインダクタンスを小さく設定することを特徴とする、磁気パルス電源装置。
【請求項１０】
前記第１の可飽和リアクトルと前記パルストランスとの分圧比は、第１のリセット回路のチョークコイルのインダクタンスおよび第２のリセット回路のチョークコイルのインダクタンスによって定まることを特徴とする、請求項９に記載のパルス電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高電圧で狭幅のパルスを発生するパルス電源装置および、このパルス電源装置に用いる磁気パルス圧縮回路に関し、特に、磁気パルス圧縮に用いる可飽和リアクトルの小型化に関する。
【背景技術】
【０００２】
リソグラフィ光源、オゾン発生装置、水処理などに用いられる電源では、高電圧、大電流、狭幅のパルスが求められる。
【０００３】
パルス電源装置では、例えばインダクタンスでつながれた容量の等しい二つのコンデンサ間の容量移行でエネルギーを授受し、多段に構成された比較的インダクタンスの大きいコンデンサ放電回路からインダクタンスの小さいコンデンサ放電回路にエネルギーを転送することによってパルス圧縮を行う容量移行回路が知られており、さらに前記の二つのコンデンサ容量の割合を変更することで、電圧を昇降圧させながらエネルギー転送を行う容量移行回路も知られている。
【０００４】
また、パルス電源装置に用いられる回路においては瞬時に大電流を流すため、半導体スイッチ素子のみでの回路のオンおよびオフが難しく、可飽和リアクトルの磁気スイッチを代用もしくは併用してパルス圧縮を行う磁気パルス圧縮回路などが知られている（非特許文献１参照）。
【０００５】
また、繰り返しパルスを発生させる場合は磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルに対して磁気リセット回路を設ける構成が知られている。磁気リセット回路は、磁気スイッチ動作の後、可飽和リアクトルのコアに逆励磁電流を流して磁気リセットを行うことによって、次回の磁気スイッチ動作時までの電圧時間積を大きくし、これによって可飽和リアクトルの小型化とパルス圧縮を可能としている（特許文献１、２参照）。
【０００６】
この磁気リセット回路において、可飽和リアクトルの磁気スイッチ動作時に発生する誘導電流を抑制するためにチョークコイルを設ける構成が知られており、チョークコイルは飽和する前に誘起する電圧によって過大な電流が流れないように選定され、可飽和リアクトルに施したリセット巻き線に誘起される電圧によって流れる誘導電流を制限して、リセット回路を保護する（特許文献３、４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１０４７９７号公報
【特許文献２】特開平３−１７７０８６号公報
【特許文献３】特許第３６０５８９６号公報
【特許文献４】特開平７−５９３８号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】ＥＥText高電圧パルスパワー工学  編集者秋山秀典  発行所株式会社オーム社、P93-P100
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記した磁気パルス圧縮回路において、エネルギーの転送時間は可飽和リアクトルのインダクタンスとコンデンサの容量の積の平方根に比例するため、磁気パルス圧縮回路においてパルスの立ち上り時間を短くするためには、可飽和リアクトルの飽和後のインダクタンスが小さいことが求められる。
【００１０】
一方、可飽和リアクトルには高電圧が印加されるが、エネルギーの転送時間よりも十分長い時間飽和しないために電圧時間積（Ｖ・ｔ積）の大きなものが必要である。
【００１１】
電圧時間積（Ｖ・ｔ積）は、コアの断面積Ａとコイルの巻き数Ｎと未飽和から飽和へ遷移するときの磁束密度ΔＢの積（Ｎ・ΔＢ・Ａ）で表される。このコアの断面積Ａと巻き数Ｎの積の式において、ΔＢは可飽和リアクトルのコアの強磁性材によって定まるため、Ａ・Ｎは、負荷に印加する電圧Ｖと時間幅の積に基づいて定められる。
【００１２】
図７に示した従来技術における回路構成の可飽和リアクトルＳＬ1は、電圧時間積（Ｖ・ｔ積）が大きいという条件と飽和後のインダクタンスが小さいという条件を満たすためには、可飽和リアクトルの巻き数Ｎを少なくし、かつコアの断面積Ａを大きく設計する必要がある。
【００１３】
また、図７に示したトランスＴＲについて、通常のトランスに使用されるコアは、残留磁束が存在するため、次のサイクルのパルス出力時に必要な電圧時間積を満たすことができなくなる問題がある。
【００１４】
この残留磁束の問題に対して、コアの磁束をリセットするリセット回路を設けることが知られている。リセット回路を搭載したトランスは、具体的には可飽和コアを用いた可飽和トランスが挙げられる。
【００１５】
ここで可飽和コアは非常に高い透磁率をもつため、可飽和トランスの相互インダクタンスは高い値を示す。このとき、図７に示す可飽和リアクトルＳＬ1は、パルス圧縮動作時の印加電圧をすべて負わなければならない。したがって、可飽和リアクトルＳＬ1の飽和前のインダクタンスは、可飽和トランスの相互インダクタンスに対して、十分大きなインダクタンス値を選定する必要がある。また同時に、磁気パルス圧縮回路のエネルギーの転送時間よりも十分長い時間飽和しないための電圧時間積を持つ必要がある。
【００１６】
さらに、磁気パルス圧縮回路においてパルスの立ち上り時間を短くするためには、可飽和リアクトルＳＬ1の飽和後のインダクタンスが小さくなければならない。
【００１７】
したがって、可飽和リアクトルの電圧時間積を大きく、飽和後のインダクタンスを小さく設計した場合には、断面積が大きくなり大型化するという問題がある。
【００１８】
一方、可飽和リアクトルをリセットする磁気リセット回路に設けるチョークコイルは、可飽和リアクトルを設計した後、この可飽和リアクトルに発生する誘起電圧に基づいて設定される。
【００１９】
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、磁気パルス圧縮回路において磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルは、負荷に印加するパルスに必要な電圧時間積を満たし、かつ、印加するパルスの立上り時間を短くするというインダクタンス条件を満たし、更に、可飽和リアクトルを小型化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本願発明は、磁気パルス圧縮回路の態様と、この磁気パルス圧縮回路を備えたパルス電源装置の態様の２つの態様を備える。
【００２１】
本願発明は、磁気パルス圧縮回路において、磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルをリセットするリセット回路が備えるチョークコイルを利用することによって可飽和リアクトルのインダクタンスを低減させ、これによって可飽和リアクトルのサイズを小型とする。
【００２２】
本願発明は、このリセット回路に設けられたチョークコイルのインダクタンスが、磁気パルス圧縮回路側からリセット回路側を見たとき、リセット巻き線によるトランス作用によってインダクタンスとして作用することを利用するものである。磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルの等価インダクタンスは、この可飽和リアクトルのインダクタンスとリセット回路のチョークコイルの磁気パルス圧縮回路側に投影されたインダクタンスとが並列接続された合成インダクタンスとして表される。なお、チョークコイルの等価インダクタンスは、チョークコイルのインダクタンスにリセット巻き線の巻き数比の２乗を乗じた値で表される。
【００２３】
本願発明の磁気パルス圧縮回路は、電圧分圧用の可飽和リアクトルのインダクタンスの設定において、電圧分圧用可飽和リアクトルのインダクタンスとリセット回路のチョークコイルの等価インダクタンスとの合成インダクタンスを小さく設定することによって、磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチに求められるインダクタンス値を小さく設定でき、可飽和リアクトルのインダクタンスのみによって設定した場合よりも小さなインダクタンスとする。これにより、磁気スイッチに求められる可飽和リアクトルのインダクタンスを小さな値に設定することができ、磁気スイッチに求められる可飽和リアクトルの断面積を小さくしてサイズを小型化する。
【００２４】
本願発明の磁気パルス圧縮回路の態様は、可飽和リアクトルの磁気スイッチ動作によって充電コンデンサから放電される電流を圧縮してパルス電流を流す磁気パルス圧縮回路であり、２つの構成とすることができる。
【００２５】
本願発明の磁気パルス圧縮回路の第１の構成は、電圧分圧用の可飽和リアクトルを負荷に対して並列接続することによって、磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルに印加する電圧を大きくする構成に適用する構成であり、磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチを構成する可飽和リアクトル、および電圧分圧用の可飽和リアクトルのそれぞれに対してリセット巻き線を施し、このリセット巻き線を介してリセット回路を接続する構成である。
【００２６】
第１の構成の磁気パルス圧縮回路は、磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルを飽和状態から不飽和状態にリセットするリセット回路を備え、このリセット回路はリセット巻き線と直流電源間にチョークコイルを接続する。
【００２７】
第１の構成では、磁気パルス圧縮回路は、充電コンデンサと負荷との間に直列接続する第１の可飽和リアクトルと、第１の可飽和リアクトルと負荷との間において、負荷に対して並列接続する第２の可飽和リアクトルとを備える。
【００２８】
ここで、第１の可飽和リアクトルの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路の第１の可飽和リアクトルと第１のリセット回路のチョークコイルとが等価的に並列接続されて形成される合成インピーダンスにより設定し、第２の可飽和リアクトルの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路の第２の可飽和リアクトルと第２のリセット回路のチョークコイルとが等価的に並列接続されて形成される合成インピーダンスにより設定する。
【００２９】
このインダクタンスの設定において、第２の可飽和リアクトルのインダクタンスを磁気スイッチに求められる電圧時間積を満たすインダクタンス値よりも小さな値とする。
【００３０】
また、第１の可飽和リアクトルと第２の可飽和リアクトルの分圧比を、第１のリセット回路のチョークコイルのインダクタンスおよび第２のリセット回路のチョークコイルのインダクタンスによって定める。
【００３１】
この第１の構成によれば、電圧分圧用の可飽和リアクトルのインダクタンスを磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトルとリセット回路のチョークコイルとが等価的に並列接続されて形成される並列合成インピーダンスにより設定し、この並列合成インピーダンスを小さくすることによって、磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチ側の可飽和リアクトルのインダクタンスを小さく設定することでインダクタンスを低減させることができる。
【００３２】
本願発明の磁気パルス圧縮回路の第２の構成は、前記した第１の構成において、電圧分圧用の可飽和リアクトルとしてパルストランスを用いる構成である。
【００３３】
第２の構成の磁気パルス圧縮回路は、充電コンデンサと負荷との間に直列接続する第１の可飽和リアクトルと、第１の可飽和リアクトルおよび負荷との間において、負荷に対して並列接続する可飽和リアクトルからなるパルストランスとを備える。
【００３４】
ここで、第１の可飽和リアクトルの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路の第１の可飽和リアクトルと第１のリセット回路のチョークコイルとが等価的に並列接続されて形成される合成インピーダンスにより設定し、パルストランスの等価インダクタンスを、磁気パルス圧縮回路のパルストランスと第２のリセット回路のチョークコイルとが等価的に並列接続されて形成される合成インピーダンスにより設定する。
【００３５】
このインダクタンスの設定において、パルストランスの相互インダクタンスを磁気スイッチに求められる電圧時間積を満たすインダクタンス値よりも小さな値とする。
【００３６】
また、第１の可飽和リアクトルとパルストランスの分圧比は、第１のリセット回路のチョークコイルのインダクタンスおよび第２のリセット回路のチョークコイルのインダクタンスによって定める。
【００３７】
この第２の構成によれば、第１の構成と同様に、電圧分圧用のパルストランスの相互インダクタンスを磁気パルス圧縮回路のパルストランスとリセット回路のチョークコイルとが等価的に並列接続されて形成される並列合成インピーダンスにより設定し、この並列合成インピーダンスを小さくすることによって、磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチ側の可飽和リアクトルのインダクタンスを小さく設定することでインダクタンス値を低減させることができる。
【００３８】
本願発明のパルス電源装置の態様は、高電圧・狭電流幅のパルスを負荷に供給するパルス電源装置であり、直流電源で充電される充電コンデンサと本願発明の磁気パルス圧縮回路を備える。磁気パルス圧縮回路は前記した２つの構成とすることができる。
【００３９】
本願発明の態様によれば、磁気パルス圧縮回路に用いる可飽和リアクトルのコアを小型化することによって、コストを低減させることができる
【００４０】
また、本願発明の態様によれば、リセット回路側は磁気パルス圧縮回路側よりも低電圧であるため、リセット回路側のチョークコイルのインダクタンスによって低電圧で分圧の調整が可能となるため、絶縁処理が容易となり、コストを抑制することができる。
【発明の効果】
【００４１】
以上説明したように、本発明のパルス電源装置および磁気パルス圧縮回路によれば、磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルにおいて、負荷に印加するパルスに必要な電圧時間積を満たし、かつ、印加するパルスの立ち上り時間を短くするというインダクタンス条件を満たし、更に、可飽和リアクトルを小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明のパルス電源装置および磁気パルス圧縮回路の第１の構成の概略を説明するための図である。
【図２】本発明の第１の構成の磁気パルス圧縮回路の等価回路に表す図である。
【図３】本発明のパルス電源装置および磁気パルス圧縮回路の第２の構成の概略を説明するための図である。
【図４】本発明の第２の構成の磁気パルス圧縮回路の等価回路を表す図である。
【図５】本発明のパルス電源装置の信号図である。
【図６】本発明の第１の構成の磁気パルス圧縮回路の動作図である。
【図７】可飽和リアクトルの磁気スイッチを用いてパルス圧縮を行う磁気パルス圧縮回路の従来技術の一構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
本発明の図１に示す第１の構成は、磁気パルス圧縮回路において、電圧分圧用の可飽和リアクトルＳＬｂを負荷に対して並列接続することによって、未飽和の磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルＳＬａに印加する電圧を大きくする構成に適用する構成であり、磁気パルス圧縮回路の磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルＳＬａ、および電圧分圧用の可飽和リアクトルＳＬｂのそれぞれに対してリセット巻き線を施し、このリセット巻き線を介してリセット回路を接続する構成である。
【００４４】
[第１の構成例]
はじめに、本発明のパルス電源装置および磁気パルス圧縮回路の第１の構成例について説明する。図１は本発明のパルス電源装置および磁気パルス圧縮回路の第１の構成の概略を説明するための図であり、図２は図１に示す磁気パルス圧縮回路４ａを等価的に表す図である。
【００４５】
図１において、本発明のパルス電源装置１Ａは、充電器２に接続されたパルス発生回路３と、パルス発生回路３で発生したパルスのパルス幅を圧縮し、圧縮した狭幅のパルス電流を負荷５に供給する磁気パルス圧縮回路４ａと、リセット回路６ａ、６ｂ、６ｃを備える。リセット回路６ａは、パルス発生回路３の可飽和リアクトルＳＬＰを飽和状態から不飽和状態にリセットし、リセット回路６ｂは、磁気パルス圧縮回路４ａの可飽和リアクトルＳＬａを飽和状態から不飽和状態にリセットし、リセット回路６ｃは、磁気パルス圧縮回路４ａの可飽和リアクトルＳＬｂを飽和状態から不飽和状態にリセットする。
【００４６】
図２は図１の磁気パルス圧縮回路４ａを等価的に表した等価回路を示している。図２の等価回路において、可飽和リアクトルＳＬａの飽和前のインダクタンスをＬ１１とし、可飽和リアクトルＳＬｂの飽和前のインダクタンスをＬ２１としている。
【００４７】
可飽和リアクトルＳＬａには、磁気パルス圧縮回路４ａの回路を構成する巻き線とリセット回路６ｂを構成する巻き線が施され、また、可飽和リアクトルＳＬｂには磁気パルス圧縮回路４ａの回路を構成する巻き線とリセット回路６ｃを構成する巻き線が施されているため、可飽和リアクトルの巻き線とリセット回路の巻き線との間でトランスアクションが行われる。
【００４８】
リセット回路６ｂのチョークコイルＬｃｂのインダクタンスＬ１０１およびリセット回路６ｃのチョークコイルＬｃｃのインダクタンスＬ１０２は、磁気パルス圧縮回路４ａ側から見てそれぞれ換算インダクタンスＬ１１１（＝Ｌ１０１・ｎ１２）、Ｌ１１２（＝Ｌ１０２・ｎ２２）で表される。したがって、可飽和リアクトルＳＬａのインピーダンスは、可飽和リアクトルＳＬａ自体のインピーダンスＬ１１と換算インダクタンスＬ１１１との合成インピーダンスＬ１で表すことができ、可飽和リアクトルＳＬｂのインピーダンスは、可飽和リアクトルＳＬｂ自体のインピーダンスＬ１２と換算インダクタンスＬ１１２との合成インピーダンスＬ２で表すことができる。
【００４９】
パルス発生回路３は、充電器２に対して、可飽和リアクトルＳＬＰとパルストランスＰＴ１と半導体スイッチＳＷとを直列接続した回路と、コンデンサＣＰとを並列接続して構成される。コンデンサＣＰを充電器２によって初期充電した後、半導体スイッチＳＷをオン制御することによって、コンデンサＣＰからパルストランスＰＴ１にパルス電流を供給する。可飽和リアクトルＳＬｐは、半導体スイッチＳＷがオン動作した後に、不飽和状態から飽和状態とすることによって半導体スイッチＳＷのスイッチング損失を軽減する。
【００５０】
充電コンデンサＣ０はパルス発生回路３で発生させたパルス電流によって、パルストランスＰＴ１を介して高圧充電される。この充電の間、可飽和リアクトルＳＬａは不飽和状態にある。可飽和リアクトルＳＬａは、充電コンデンサＣ０の充電電圧によって不飽和状態から飽和状態となることで磁気スイッチ動作し、磁気パルス圧縮した狭幅のパルス電圧を可飽和リアクトルＳＬｂに発生させる。
【００５１】
可飽和リアクトルとして繰り返して使用するには、次回の磁気スイッチ動作時までの電圧時間積を大きくするためにリセット制御が必要となる。リセット制御は、磁気スイッチ動作の後、可飽和リアクトルのコアに逆励磁電流を流して磁気リセットを行う。
【００５２】
図２において、可飽和リアクトルＳＬａの換算インダクタンスＬ１１１は、リセット回路６ｂのチョークコイルＬｃｂのインダクタンスＬ１０１と可飽和リアクトルＳＬａのリセット巻き線とメイン巻き線の巻き数比ｎ１を用いて、
Ｌ１１１＝ｎ1２・Ｌ１０１
で表される。
【００５３】
したがって、図２に示す可飽和リアクトルＳＬａの合成インダクタンスＬ１は、可飽和リアクトルＳＬａの飽和前のインピーダンスＬ１１と可飽和リアクトルＳＬａの換算インダクタンスＬ１１１との並列回路接続から
Ｌ１＝Ｌ１１//Ｌ１１１
となる。
【００５４】
また、図２に示す可飽和リアクトルＳＬｂの換算インダクタンスＬ１１２は、リセット回路６ｃのチョークコイルＬｃｃのインダクタンスＬ１０２と可飽和リアクトルＳＬｂのリセット巻き線とメイン巻き線の巻き数比ｎ２を用いて、
Ｌ１１２＝ｎ２２・Ｌ１０２
となる。
【００５５】
したがって、図２に示す可飽和リアクトルＳＬｂの合成インダクタンスＬ２は、可飽和リアクトルＳＬｂの飽和前のインピーダンスＬ２１と可飽和リアクトルＳＬｂの換算インダクタンスＬ１１２との並列回路接続から
Ｌ２＝Ｌ２１//Ｌ１１２
となる。
【００５６】
ここで、可飽和リアクトルＳＬａと可飽和リアクトルＳＬｂは、充電コンデンサＣ０の電圧Ｖｃを分圧する。
【００５７】
可飽和リアクトルＳＬａおよび可飽和リアクトルＳＬｂが飽和していないとき、この分圧によって可飽和リアクトルＳＬａに印加する電圧ＶＳＬａは、
ＶＳＬａ＝（Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２））・ＶＣ
で表される。
【００５８】
一方、可飽和リアクトルＳＬｂに印加する電圧ＶＳＬｂは、
ＶＳＬｂ＝（Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２））・ＶＣ
で表される。
【００５９】
ここで、磁気パルス圧縮回路でパルス圧縮するパルスの幅は飽和時のインダクタンスとコンデンサとの積の平方根に比例するため、パルス幅を圧縮するにはインダクタンスが小さいことが求められる。
【００６０】
一方、インダクタンスはコアの断面積と巻き数の二乗との積に比例する。また、可飽和リアクトルの磁気スイッチ特性はコアの特性による飽和時のインダクタンス値に依存する。すなわち、磁気スイッチが必要とする電圧・時間積を満たすと共にインダクタンスＬを小さくするには、巻き数を減らすと共に断面積を増やす必要がある。この断面積を増すと、可飽和リアクトルのサイズが大きくなるという問題が生じる。
【００６１】
また、可飽和リアクトルＳＬａおよび可飽和リアクトルＳＬｂにおいて、磁気パルス圧縮を行うには、これらの飽和前のインダクタンスＬ１とＬ２との間において、可飽和リアクトルＳＬａの合成インピーダンスＬ１と可飽和リアクトルＳＬｂの合成インピーダンスＬ２とは、
Ｌ１≫Ｌ２
の関係となるように選定する必要がある。
【００６２】
さらに可飽和リアクトルＳＬａが飽和した後のインダクタンスをＬ１２とすると、負荷へパルスパワーを効率よく供給できるためには、飽和後のインピーダンスＬ１２と合成インピーダンスＬ２とは、
Ｌ１２≪Ｌ２
の関係となるように選定する必要がある。
【００６３】
このとき、Ｌ２＝Ｌ２１//Ｌ１１２の関係から、チョークコイルＬｃｃの可飽和リアクトルＳＬｂへの換算インダクタンスＬ１１２を有効に利用して、可飽和リアクトルＳＬｂの合成インダクタンスＬ２を、要求された値に選定することができる。
【００６４】
また、Ｌ１＝Ｌ１１//Ｌ１１１の関係から、Ｌ１≫Ｌ２の関係を満たす可飽和リアクトルＳＬａの合成インピーダンスＬ1についても可飽和リアクトルＳＬｂの換算インダクタンスＬ１１２を選定することによって小さくすることができる。
【００６５】
したがって、磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルと電圧分圧用の可飽和リアクトルの分圧比は、電圧分圧用の可飽和リアクトルに接続されるリセット回路のチョークコイルのインダクタンスによって定めることができる。
【００６６】
図２に示すパルス圧縮回路の等価回路４ａ´において、合成インピーダンスＬ１と合成インピーダンスＬ２との間の必要条件はＬ１≫Ｌ２である。
【００６７】
このＬ１≫Ｌ２の条件は、任意の係数ｋを用いてＬ１＝ｋＬ２によって選定することでき、Ｌ１＝Ｌ１１//Ｌ１１１とＬ２＝Ｌ２１//Ｌ１１２の関係を用いて、Ｌ１１//Ｌ１１１＝ｋ(Ｌ２１//Ｌ１１２)とすることができる。
【００６８】
ここで、例えばリセット回路６ｃにおける可飽和インピーダンスＬｃｃのインダクタンスＬ１０２を有効に利用し、合成インピーダンスＬ２を磁気パルス圧縮回路側から見た換算インダクタンスＬ１１２に依存させて選定した場合、合成インダクタンスＬ２は換算インダクタンスＬ１１２がない場合と比較して小さなインダクタンスとすることができる。
【００６９】
したがってＬ1＝ｋＬ2を満たすＬ1＝Ｌ１１//Ｌ１１１のインダクタンス値を小さくすることができ、ここでＬ１１のインダクタンスを小さくする。
【００７０】
したがって、リセット回路６ｃのチョークコイルＬ１０２を利用することによって、可飽和リアクトルを小型化することができる。
【００７１】
本発明の形態によれば、可飽和リアクトルＳＬａのインダクタンスを小さくすることによって、可飽和リアクトルのサイズを小型化し、可飽和リアクトルを形成するコアの量を低減させてコストを低減させることができる。
【００７２】
また、本発明の形態によれば、リセット回路側のチョークコイルのインダクタンスによって電圧分圧を調整することができ、リセット回路側は磁気パルス圧縮回路側よりも低電圧であるため、低電圧において分圧調整が可能となるため、絶縁処理が容易となり、コストを低減させることができる。
【００７３】
[第２の構成例]
次に、本発明のパルス電源装置および磁気パルス圧縮回路の第２の構成例について説明する。図３に示す第２の構成は、前記した第１の構成の電圧分圧用の可飽和リアクトルＳＬｂに代えてパルストランスＰＴ２を備える構成である。
【００７４】
次に、本発明のパルス電源装置および磁気パルス圧縮回路の第２の構成例について説明する。図３は本発明のパルス電源装置および磁気パルス圧縮回路の第２の構成の概略を説明するための図であり、図４は図３の磁気パルス圧縮回路４ｂを等価的に表す図である。
【００７５】
図３において、本発明のパルス電源装置１Ｂは、充電器２に接続されたパルス発生回路３と、パルス発生回路３で発生したパルスのパルス幅を圧縮し、圧縮した狭幅のパルス電流を負荷５に供給する磁気パルス圧縮回路４ｂと、リセット回路６ａ、６ｂ、６ｄを備える。リセット回路６ａは、パルス発生回路３の可飽和リアクトルＳＬＰを飽和状態から不飽和状態にリセットし、リセット回路６ｂは、磁気パルス圧縮回路４ｂの可飽和リアクトルＳＬａを飽和状態から不飽和状態にリセットし、リセット回路６ｄは、パルストランスＰＴ２の可飽和リアクトルを飽和状態から不飽和状態にリセットする。
【００７６】
図４は図３の磁気パルス圧縮回路４ｂを等価的に表した等価回路４ｂ´を示している。図４の等価回路において、可飽和リアクトルＳＬａ飽和前のインダクタンスをＬ１１とし、パルストランスＰＴ2の飽和前の相互インダクタンスをＭ１としている。
【００７７】
可飽和リアクトルＳＬａには、磁気パルス圧縮回路４ｂの回路を構成する巻き線とリセット回路６ｂを構成する巻き線が施され、また、パルストランスＰＴ2の可飽和リアクトルには磁気パルス圧縮回路４ｂの回路を構成する巻き線とリセット回路６ｄを構成する巻き線が施されているため、パルストランスの可飽和リアクトルの巻き線とリセット回路の巻き線との間でトランスアクションが行われる。
【００７８】
リセット回路６ｂのチョークコイルＬｃｂのインダクタンスＬ１０１およびリセット回路６ｄのチョークコイルＬｃｄのインダクタンスＬ１０３は、磁気パルス圧縮回路４ｂ側から見てそれぞれ換算インダクタンスＬ１１１（＝Ｌ１０１・ｎ１２）、Ｌ１１３（＝Ｌ１０３・ｎ３２）で表される。したがって、可飽和リアクトルＳＬａのインピーダンスは、可飽和リアクトルＳＬａ自体のインピーダンスＬ１１と換算インダクタンスＬ１１１との合成インピーダンスＬ１で表すことができ、パルストランスＰＴ２のインピーダンスは、パルストランスのＰＴ２の相互インダクタンスＭ１と換算インダクタンスＬ１１３との合成インピーダンスＬ３で表すことができる。
【００７９】
第２の構成のパルストランスＰＴ２を用いた構成においても、第１の構成と同様に選定できる。
【００８０】
図４において、可飽和リアクトルＳＬａの換算インダクタンスＬ１１１は、リセット回路６ｂのチョークコイルＬｃｂのインダクタンスＬ１０１と可飽和リアクトルＳＬａのリセット巻き線とメイン巻き線の巻き数比ｎ１を用いて、
Ｌ１１１＝ｎ1２・Ｌ１０１
で表される。
【００８１】
したがって、図４に示す可飽和リアクトルＳＬａの合成インダクタンスＬ１は、可飽和リアクトルＳＬａの飽和前のインピーダンスＬ１１と可飽和リアクトルＳＬａの換算インダクタンスＬ１１１との並列回路接続から
Ｌ１＝Ｌ１１//Ｌ１１１
となる。
【００８２】
また、図４に示すパルストランスＰＴ２の換算インダクタンスＬ１１３は、リセット回路６ｄのチョークコイルＬｃｄのインダクタンスＬ１０３とパルストランスＰＴ２のリセット巻き線とメイン巻き線の巻き数比ｎ３を用いて、
Ｌ１１３＝ｎ３２・Ｌ１０３
となる。
【００８３】
したがって、図４に示すパルストランスＰＴ２の合成インダクタンスＬ３は、飽和前の相互インピーダンスＭ１とパルストランスＰＴ２の換算インダクタンスＬ１１３との並列回路接続から
Ｌ３＝Ｍ１//Ｌ１１３
となる。
【００８４】
ここで、可飽和リアクトルＳＬａとパルストランスＰＴ２は、充電コンデンサＣ０の電圧Ｖｃを分圧する。
【００８５】
可飽和リアクトルＳＬａおよびパルストランスＰＴ２が飽和していないとき、この分圧によって可飽和リアクトルＳＬａに印加する電圧ＶＳＬａは、
ＶＳＬａ＝（Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ３））・ＶＣ
で表される。
【００８６】
一方、パルストランスＰＴ２に印加する電圧ＶＰＴ２は、
ＶＰＴ２＝（Ｌ３／（Ｌ１＋Ｌ３））・ＶＣ
で表される。
【００８７】
また、可飽和リアクトルＳＬａおよびパルストランスＰＴ２において、磁気パルス圧縮を行うには、これらの飽和前のインダクタンスＬ１とＬ３との間において、可飽和リアクトルＳＬａの合成インピーダンスＬ１とパルストランスＰＴの合成インピーダンスＬ３とは、
Ｌ1≫Ｌ３
の関係となるように選定する必要がある。
【００８８】
さらに可飽和リアクトルＳＬａが飽和した後のインダクタンスをＬ１２とすると、負荷へパルスパワーを効率よく供給できるためには、飽和後のインピーダンスＬ１２と合成インピーダンスＬ３とは、
Ｌ１２≪Ｌ３
の関係となるように選定する必要がある。
【００８９】
このとき、Ｌ３＝Ｍ１//Ｌ１１３の関係から、チョークコイルＬｃｄのパルストランスＰＴ２への換算インダクタンスＬ１１３を有効に利用して、パルストランスＰＴ２の合成インダクタンスＬ３を要求された値に選定することができる。
【００９０】
また、Ｌ１＝Ｌ１１//Ｌ１１１の関係から、Ｌ１≫Ｌ３の関係を満たす可飽和リアクトルＳＬａの合成インピーダンスＬ1についてもパルストランスＰＴ２の換算インダクタンスＬ１１３を選定することによって小さくすることができる。
【００９１】
したがって、磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルと電圧分圧用のパルストランスの分圧比は、電圧分圧用のパルストランスに接続されるリセット回路のチョークコイルのインダクタンスによって定めることができる。
【００９２】
[動作例]
図５は図１および図３に示す構成例の信号図を表し、電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４は図１および図３の電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４に相当している。また、図６は不飽和状態での動作図（図６（ａ））、および飽和状態での動作図（図６（ｂ））を示している。
【００９３】
図５の信号図中の区間Ａ、および図６（ａ）の動作図は、磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルＳＬａが不飽和状態を示している。
【００９４】
この可飽和リアクトルＳＬａが不飽和状態にあるときには、印加電圧は合成インピーダンスＬ１と合成インピーダンスＬ２によって分圧される。
【００９５】
この不飽和状態では、合成インピーダンスＬ１と合成インピーダンスＬ２との間には、Ｌ１≫Ｌ２の条件により、可飽和リアクトルＳＬａに印加する電圧ＶＳＬａは可飽和リアクトルＳＬｂに印加する電圧ＶＳＬｂよりも大となる。図５（ｃ）のＶ３と図５（ｄ）のＶ４はこの関係を示している。
【００９６】
図５の信号図中の区間Ｂ、および図６（ｂ）の動作図は、磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルＳＬａが飽和状態を示している。
【００９７】
この可飽和リアクトルＳＬａが飽和状態にあるときには、可飽和リアクトルＳＬａはトランスアクションしないため、印加電圧は飽和後のインピーダンスＬ１２と合成インピーダンスＬ２によって分圧される。
【００９８】
この飽和状態では、可飽和リアクトルのインピーダンスＬ１２と合成インピーダンスＬ２との間には、Ｌ１２≪Ｌ２の条件により、図５（ｄ）の区間Ｂに示すように、可飽和リアクトルＳＬｂに印加する電圧ＶＳＬｂは急激に増大し、負荷にパルス電流が供給される。
【００９９】
なお、本発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明のパルス電源装置および磁気パルス圧縮回路は、成膜装置に限らず、スパッタリング装置やアッシング装置等のプラズマを用いる処理装置分野に適用することができる。
【符号の説明】
【０１０１】
１Ａ，１Ｂ  パルス電源装置
２  充電器
３  パルス発生回路
４ａ，４ｂ  磁気パルス圧縮回路
４ａ´，４ｂ´  磁気パルス圧縮回路の等価回路
５  負荷
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ  リセット回路
【図１】
2010200446.tif 000003
【図２】
2010200446.tif 000004
【図３】
2010200446.tif 000005
【図４】
2010200446.tif 000006
【図５】
2010200446.tif 000007
【図６】
2010200446.tif 000008
【図７】
2010200446.tif 000009