(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続された複数のスイッチング素子を有するスイッチ回路と、このスイッチ回路の出力端に接続された磁気圧縮回路と、この磁気圧縮回路の出力端に接続された一対の主放電電極とを有する放電励起ガスレーザ装置に用いられる高電圧発生用スイッチング回路であって、
上記複数のスイッチング素子は、その底面に放熱用の金属板を有し、該金属板は接地された金属性のプレート上に絶縁部材を介して配置され、
上記複数のスイッチング素子の各々の端子間にはバランス抵抗が並列に接続されており、
上記各々のバランス抵抗には、コンデンサが接続され、
上記コンデンサにより、各スイッチング素子と上記絶縁部材と上記金属性のプレートにより形成される寄生容量に流れる電流が上記バランス抵抗に流れないようにバイパスし、各々のバランス抵抗に流れる電流を等しくした
ことを特徴とする高電圧発生用スイッチング回路。
【請求項２】
上記コンデンサは、各バランス抵抗に並列に接続されていることを特徴とする請求項１の高電圧発生用スイッチング回路。
【請求項３】
上記バランス抵抗の一方の端子と上記スイッチング素子の底面に設けられた放熱用の金属板を接続線で接続した
ことを特徴とする請求項１または請求項２の高電圧発生用スイッチング回路。
【請求項４】
上記スイッチング素子は、少なくも２個のスイッチング素子が共通の放熱用金属板の上に取付けられたものであり、
上記２個のスイッチング素子にそれぞれ接続されたバランス抵抗の接続点と上記共通の放熱用金属板が接続線により接続され、
上記２個のスイッチング素子のバランス抵抗の各接続点間に、上記寄生容量に流れる電流が上記バランス抵抗に流れないようにバイパスするためのコンデンサが接続されている
ことを特徴とする請求項１の高電圧発生用スイッチング回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電励起型レーザ装置に用いられる磁気パルス圧縮回路を備えた高電圧パルス発生回路のスイッチング回路に関し、さらに詳細には、磁気パルス圧縮回路に電荷を移行する複数のスイッチング素子に電圧を均等に配分するための回路構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エキシマレーザ、フッ素レーザ等の放電励起型レーザは、放電電極間において短時間に放電を繰返しパルスレーザを発振する。放電電極には短時間に高電圧を供給する必要があり、高電圧パルス発生回路が設けられる。放電励起型レーザ装置に用いる高電圧パルス発生回路として、磁気パルス圧縮回路が知られている。図１０に、放電励起型レーザ装置に設けられる一般的な高電圧パルス発生回路の構成を示す。
図１０の構成は、可飽和リアクトルからなる磁気スイッチＳＲ２、ＳＲ３を用いた２段の磁気パルス圧縮回路を含む例であり、図中点線で囲まれた部分が２段の磁気パルス圧縮回路である。この高電圧パルス発生回路の動作を以下に説明する。
【０００３】
(1) 直流高圧電源（充電器：定電流源）から、電荷がコンデンサＣｏに、インダクタンスＬ１を介してチャージされる。
(2) スイッチＳＷは、半導体スイッチであり、例えばＩＧＢＴが使用される。スイッチＳＷが閉じられてオンとなり、コンデンサＣｏ、磁気スイッチＳＲ１、コンデンサＣ１、スイッチＳＷのループに電流が流れ、コンデンサＣｏの電荷がコンデンサＣ１に移行する。
(3) その際、チャージ後のコンデンサＣｏには２０〜３０ｋＶの高電圧が印可されているので、スイッチオン時にはスイッチＳＷ（以下、半導体スイッチＳＷとも称する）にも同様の電圧がかかる。半導体スイッチＳＷのモジュールの定格電圧は、通常、数ｋＶであるため、半導体スイッチＳＷのモジュールを複数直列に接続してスイッチ回路を構成する。
(4) コンデンサＣ１の電圧の時間積分値が磁気スイッチＳＲ２の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＲ２が飽和して、コンデンサＣ１、磁気スイッチＳＲ２、コンデンサＣ２のループに電流が流れ、コンデンサＣ１の電荷がコンデンサＣ２に移行する。この時、電流のパルス幅が圧縮される。パルス幅の圧縮比率は、磁気スイッチＳＲ２のコアに巻かれる配線のターン数に依存する。このような回路は磁気パルス圧縮回路と呼ばれる。
(5) この後、コンデンサＣ２における電圧Ｖ２の時間積分値が磁気スイッチＳＲ３の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＲ３が飽和して、コンデンサＣ２、ピーキングコンデンサＣＰ、磁気スイッチＳＲ３のループに電流が流れ、コンデンサＣ２の電荷がピーキングコンデンサＣＰに移行し、ピーキングコンデンサＣＰが充電される。この時、電流のパルス幅が圧縮される。パルス幅の圧縮比率は、磁気スイッチＳＲ３のコアに巻かれる配線のターン数に依存する。ピーキングコンデンサＣＰが充電される。
(6) 充電が進むにつれてピーキングコンデンサＣＰの電圧ＶＰが上昇し、この電圧ＶＰがある値Ｖｂに達すると、電極Ｅ間のレーザガスが絶縁破壊されて主放電が開始し、この主放電によりレーザ媒質が励起され、レーザ光が発生する。なお、主放電が発生する前に、不図示の予備電離手段により電極Ｅ間のレーザ媒質であるレーザガスが予備電離される。
(7) この後、主放電によりピーキングコンデンサＣＰの電圧が急速に低下し、やがて充電開始前の状態に戻る。
(8) このような放電動作が半導体スイッチＳＷのスイッチング動作によって繰り返し行なわれることにより、所定の繰り返し周波数でのパルスレーザ発振が行なわれる。
【０００４】
上記高電圧パルス発生回路において、磁気スイッチおよびコンデンサとで構成される各段の容量移行回路のインダクタンスを後段に行くにつれ小さくなるように設定することにより、各段を流れる電流パルスのピーク値が順次高くなり、かつ、そのパルス幅が順次狭くなるようなパルス圧縮動作が行なわれ、電極Ｅ間に短パルスの強い放電が実現される。
よって、電極間でグロー放電が安定に維持されて、レーザ発光の安定性が増大し、また、レーザの発振効率も向上する。
近年、露光用光源として使用されるエキシマレーザは、スループット増大のため、放電の数ｋＨｚでの高繰り返しが要請され始めている。そのためには、スイッチＳＷのスイッチング動作を高繰り返しで行なう必要がある。また、磁気パルス圧縮でパルス幅を小さくすることによって、放電電圧の立ち上がりが早くなり、高繰り返しが可能になると考えられている。
【０００５】
図１１に、上記半導体スイッチＳＷ部分の回路図の一例を示す。図１１では、半導体スイッチＳＷを６個使用しており、それぞれ半導体スイッチ（以下ではスイッチング素子ともいう）ＳＷ１、ＳＷ２…ＳＷ６と表示する。
半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６は直列に接続されている。半導体スイッチＳＷがＯＦＦの時、直流高圧電源（充電器：定電流源）からの電圧（例えば１５ｋＶ）が、各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６に２．５ｋＶずつ均等にかかるように電圧バランスを取るための抵抗（バランス抵抗と呼ぶ）Ｒ１〜Ｒ６（Ｒ１＝Ｒ２＝，…，＝Ｒ６）が各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６に並列に取りつけられている。また、図示しないが、各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６には周知のスナバ回路が取り付けられ、また、各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６には、これらを駆動するためのゲート信号が入力される。
上記の半導体スイッチＳＷは、スイッチング動作中高温になるので冷却が必要である。半導体スイッチＳＷを効率良く冷却し、小型化できる構造として、本出願人は先に特願２０００−１９５５５１号を提案した。
【０００６】
図１２に、図１１に示した回路に上記出願の冷却構造を適用した例を示す。
図１２において、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６は、伝熱性の良い絶縁部材（セラミック）２を介して金属性の水冷プレート１上に置かれる。市販されている半導体スイッチＳＷは、通常、底面に放熱用の金属板３が取りつけられモールドされている。したがって、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６は該金属板を介して上記絶縁部材２上に置かれることになる。
各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の端子間には、バランス抵抗Ｒ１〜Ｒ６が接続され、各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６に加わる電圧が等しくなるようにしている。
図１１、図１２の例は、１個のスイッチング素子を１モジュールとした半導体スイッチを用いた場合であるが、２個のスイッチング素子を１モジュールとした半導体スイッチも市販されている。図１３に上記２個のスイッチング素子を１モジュールとした半導体スイッチを用いた場合の冷却構造を示す。
図１３に示すように、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６は、２個のスイッチング素子毎に１モジュール（各モジュールをＳＷＭ１〜ＳＷＭ３という）内に収納され、各モジュールＳＷＭ１〜ＳＷＭ３の底面には、モジュール内に収納した各スイッチング素子に共通の放熱用の金属板３が取り付けられている。
したがって、この場合は、各モジュールＳＷＭ１〜ＳＷＭ３の金属板３を伝熱性の良い絶縁部材（セラミック）２を介して金属性の水冷プレート１上に配置する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図１２、図１３のように構成した装置に、実際に高電圧電源（充電器）からチャージしたところ、過渡的に各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６に、不均一に電圧がかかっていることがわかった。例えば図１２のものにおいては、ＳＷ１にかかる電圧は２．３ｋＶであるが、ＳＷ２ではそれよりも大きく、ＳＷ３、ＳＷ４と徐々に電圧は大きくなり、ＳＷ６は３．２ｋＶの電圧がかかっていた。
このような、各半導体スイッチにかかる電圧が不均一になると、素子の耐圧電圧を越えることも考えられ、場合によっては素子が壊れてしまう。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、絶縁部材を介して金属性のプレート上に配置された複数の直列接続された半導体スイッチに、高繰り返し周波数の高圧電圧を印加した際、各半導体スイッチに印加される電圧を均等に振り分け、半導体スイッチの破壊を防ぐことである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
各半導体スイッチＳＷにかかる電圧が不均一になる原因を調べた所、半導体スイッチの放熱用の金属板３−絶縁部材２−水冷プレート１により、寄生容量（ストレイ・キャパシタ）が生じていることがわかった。
上記したように、市販の半導体スイッチは、その底面に放熱用の金属板が取りつけられてモールドされている。また、水冷プレートは、金属性であり、その中を市水（水道水）相当の冷却水が循環するので、接地されていることになる。
したがって、半導体スイッチの放熱用の金属板−絶縁部材−水冷プレートは、一種のコンデンサを構成することになる。上記寄生容量は、主にこの構成によって発生する。なお、水冷プレートに替え冷却用のフィン等を用いた場合でも、通常冷却用のフィンは接地されるので、上記と同様に寄生容量が生ずる。
このため、上記半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の直列回路に高繰り返し周波数の高電圧を印加すると、上記寄生容量を介して電流が流れ、各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６に接続されたバランス抵抗Ｒ１〜Ｒ６に流れる電流値が異なることとなる。すなわち、高電圧端子側に近いバランス抵抗に流れる電流は、接地側端子に近いバランス抵抗に流れる電流より大きくなる。
これにより各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６に加わる電圧も変化し、高電圧端子側に近い半導体スイッチ程、高い電圧が印加される。
【０００９】
特に近年、放電励起ガスレーザ装置の繰り返し周波数が高くなっており、これに伴い、上記半導体スイッチのオン／オフの繰り返しも早くなり、従来約２ｋＨｚであったものが近年では約４ｋＨｚとなっている。
このため、ピーキングコンデンサＣＰの充電速度が速くなり、図１４（ａ）に示すように、約１５ｋＶまで電圧が上昇する時間が従来約３５０μＳであったものが、約１５０μＳと早くなった。これに伴い、上記寄生容量に流れる電流が増加した。
例えば前記図１３に示した２個のスイッチング素子を１モジュールにした半導体スイッチを用いた回路を例について説明すると、図１４（ｂ）に示すように各モジュールＳＷＭ１〜ＳＷＭ３に上記寄生容量Ｃｓ１，Ｃｓ２，Ｃｓ３が発生する。
ここで、寄生容量Ｃｓ１，Ｃｓ２，Ｃｓ３に流れる電流ＩｓはＩｓ＝Ｃｓ×（ｄＶ／ｄｔ）〔Ｃｓ：寄生容量〕で表すことができるので、ピーキングコンデンサＣＰの充電速度（ｄＶ／ｄｔ）が速くなり、図１４（ａ）に示すように約１５ｋＶまで電圧が上昇する時間が３５０μｓから１５０μｓになると、寄生容量Ｃｓ１，Ｃｓ２，Ｃｓ３には、約２．３倍の電流が流れる。
寄生容量による電流は、図１４（ｂ）に示すように、バランス抵抗Ｒ２，Ｒ３にはＩｓ１、バランス抵抗Ｒ４，Ｒ５にはＩｓ１＋Ｉｓ２、バランス抵抗Ｒ６にはＩｓ１＋Ｉｓ２＋Ｉｓ３が流れるが、各バランス抵抗に流れる寄生電流の差が大きい程、各半導体スイッチにかかる電圧バランスが悪くなる。
このため、放電励起ガスレーザ装置の繰り返し周波数が高くなり、ピーキングコンデンサＣＰの充電速度が高くなると、各バランス抵抗に流れる寄生電流の差が大きくなり、各半導体スイッチにかかる電圧バランスが一層悪くなる。
【００１０】
上記問題を解決するために、本発明においては、上記寄生容量によりバランス抵抗に流れる電流をバイパスするコンデンサを半導体スイッチに接続し、上記寄生容量による電流がバランス抵抗に流れないようにした。これにより、各バランス抵抗Ｒ１〜Ｒ６に流れる電流を等しくすることができ、各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６に加わる電圧を等しくすることができる。
上記コンデンサは、接地側に接続された半導体スイッチを除く他の半導体スイッチに接続されたバランス抵抗に並列に接続すればよい。これにより、上記寄生容量による電流を上記コンデンサによりバイパスすることができ、各バランス抵抗に流れる電流を略等しくすることができる。
また、前記したように２個のスイッチング素子が１モジュール内に収納された半導体スイッチを用いる場合には、１モジュール内に収納された２個のスイッチング素子にそれぞれ接続されるバランス抵抗の接続点間に、上記寄生容量に流れる電流をバイパスさせるコンデンサを接続してもよい。なお、この場合には、次に述べるようにモジュールの底面に取り付けられた放熱用の金属板と、該モジュールの各半導体スイッチに接続されたバランス抵抗の接続点を接続線で接続し同電位とする必要がある。
【００１１】
ところで、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチの底面に取り付けられた放熱用の金属板は、通常、半導体スイッチの各端子とは接続されておらず、電位的に浮いた状態である場合が多い。
したがって、半導体スイッチの各端子と、上記放熱用の金属板は容量結合されていることとなり、前記した寄生容量（以下寄生容量Ａという）は、金属板−絶縁部材−水冷プレートにより形成される寄生容量Ｂだけでなく、上記半導体スイッチの端子と放熱用金属板間に形成される寄生容量Ｃにも依存することとなる。
上記寄生容量Ｂは金属板の面積と、絶縁部材の厚さおよび誘電率により定まるが、上記寄生容量Ｃは半導体スイッチ毎にばらつく可能性がある。
上記寄生容量Ｃにばらつきがあると、半導体スイッチ毎の寄生容量Ａにばらつきが生ずる。
【００１２】
そこで、上記半導体スイッチに取り付けられた放熱用の金属板と、半導体スイッチの一方の端子（すなわちバランス抵抗の一方の端子）を接続線により接続するのが望ましい。
例えば、１個のスイッチング素子を１モジュールとした半導体スイッチを用いる場合（図１２参照）には、各半導体スイッチの接地側に近い端子と上記放熱用の金属板を接続線で接続し同電位とする。また、２個のスイッチング素子を１モジュールとした半導体スイッチを用いる場合（図１３参照）には、該モジュール内の２個のスイッチング素子の接続点と上記放熱用の金属板を接続線で接続する。
これにより、放熱用の金属板と半導体スイッチの端子を同電位とすることができ、前記した寄生容量Ａは、金属板−絶縁部材−水冷プレートにより形成される寄生容量Ｂと等しくなる。
このようにすれば、半導体スイッチ毎の寄生容量のばらつきを小さくすることができ、また、２個のスイッチング素子の接続点と、上記放熱用の金属板とを接続しているので、上記寄生容量Ａに加わる電圧もモジュールの中間電位に定まるので、寄生容量に流れる電流をバイパスさせるためのコンデンサの値を、上記寄生容量Ｃを実測することなく定めることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施例を示す図であり、同図は前記した図１２の冷却構造に本発明を適用した実施例を示している。
図１において、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６は直列に接続されており、該直列回路には前記した直流高圧電源（充電器：定電流源）から高電圧が印加される。半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６は、伝熱性の良い絶縁部材（セラミック）２を介して金属性の水冷プレート１上に置かれる。半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６は底面には放熱用の金属板３が取り付けられており、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６は該金属板３を介して上記絶縁部材２上に置かれる。
各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の端子間には、バランス抵抗Ｒ１〜Ｒ６が接続され、該バランス抵抗Ｒ１〜Ｒ６の内、バランス抵抗Ｒ２〜Ｒ６に並列に、前記した寄生容量による電流をバイパスするためのコンデンサＣａ２〜Ｃａ６が接続されている。
また、各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の接地側の近い端子と上記金属板３は接続線４により接続されている。さらに、図示しないが、前記したように各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６には周知のスナバ回路が取り付けられ、また、各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６には、これらを駆動するためのゲート信号が入力される。
【００１４】
図２に、上記コンデンサＣａ２〜Ｃａ６を取り付けていない前記図１１の回路において、寄生容量が生じている様子を模式的に示す。
図２において、点線で示す容量Ｃｓ１〜Ｃｓ６が、前記した「半導体スイッチ素子の金属板」と「絶縁部材」と「水冷プレート等の金属性のプレート」により生ずる寄生容量である。
半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６には、図２で説明したようにバランス抵抗Ｒ１〜Ｒ６が取りつけられている。
半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の直列回路に印加される全体の電圧はここでは例えば１５ｋＶであるとする。半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６にはバランス抵抗Ｒ１〜Ｒ６が設けられているので、理想的には、各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６に均等に電圧が振り分けられるはずであり、各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６には電圧は、２．５ｋＶずつかかることになる。すなわち、アースからの電位は、図２の(a) 点において２．５ｋＶ、(b) 点において５．０ｋＶ、(c) 点において７．５ｋＶ、…、(f) 点において１５ｋＶとなる。
【００１５】
一方、図１１の回路においては、図２に示す通り、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の端子と放熱用の金属板３とが接続線により接続されていないので、寄生容量Ｃｓ１が発生し、この寄生容量Ｃｓ１にかかる電圧は、半導体スイッチＳＷ１の両端にかかる電圧の半分であると考えてよい。したがって、寄生容量Ｃｓ１にかかる電圧は１．２５ｋＶになる。Ｃｓ２にかかる電圧は、これに＋２．５ｋＶを加算して３．７５ｋＶ、以下同様に計算し、Ｃｓ６にかかる電圧は、１３．７５ｋＶとなる。
寄生容量がない場合に各バランス抵抗Ｒに流れる電流をＩとする。寄生容量がある場合、寄生容量Ｃｓ１に流れる電流をＩｓ１、寄生容量Ｃｓ２に流れる電流をＩｓ２、以下Ｃｓ３〜Ｃｓ６に流れる電流をＩｓ３〜Ｉｓ６とする。
寄生容量がある場合、半導体スイッチＳＷ１の抵抗Ｒ１に流れる電流はＩであるが、Ｒ２に流れる電流（即ち(a) 点の電流）はＩ＋Ｉｓ１、Ｒ３に流れる電流（即ち(b) 点の電流）はＩ＋Ｉｓ１＋Ｉｓ２、…、以下Ｒ６に流れる電流（即ち(e) 点の電流）はＩ＋Ｉｓ１＋Ｉｓ２＋Ｉｓ３＋Ｉｓ４＋Ｉｓ５となる。ある半導体スイッチＳＷｎに発生する寄生容量Ｃｓｎに対応する電流とその下位の半導体スイッチに発生する電流の和が、一段高圧側の半導体スイッチＳＷｎ＋１のバランス抵抗Ｒｎ＋１に流れる。
すなわち、各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６のバランス抵抗Ｒ１〜Ｒ６に異なる値の電流が流れるために、各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６にかかる電圧が不均一になる。
【００１６】
これを防ぐため、本発明においては、寄生容量に流れる電流Ｉｓｎが、バランス抵抗Ｒｎ＋１に流れないように、図１に示すように半導体スイッチＳＷｎ＋１にコンデンサＣａｎ＋１を設ける。ここで、例えば寄生容量Ｃｓ１に流れる電流Ｉｓ１は、Ｉｓ１＝Ｃｓ１×（ｄＶ／ｄｔ）で表される。Ｖは寄生容量Ｃｓ１にかかる電圧、ｄＶ／ｄｔはその変化速度である。
図３に、上記コンデンサＣａ２〜Ｃａ６を取り付けた場合の回路を模式的に示す。ここでは、図１に示したように各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の接地側の端子と放熱用の金属板３を接続線４で接続した場合について説明する。
なお、図３においては、半導体スイッチＳＷ１の底面の取り付けられた金属板３が接続線４により半導体スイッチＳＷ１の接地側の端子に接続されているので、寄生容量Ｃｓ１は生じないと考えることができる。しかし、半導体スイッチＳＷ２のエミッタ側から、その底面に取り付けた金属板に接続した接続線を介して、寄生容量Ｃｓ２に電流Ｉｓ２が流れ、したがってバランス抵抗Ｒ２に電流Ｉｓ２が流れる。
図３に示すように、半導体スイッチＳＷ２に寄生容量Ｃｓ２の容量に相当するコンデンサＣａ２を取りつければ、電流Ｉｓ２はコンデンサＣａ２に流れ、Ｉｓ２がバランス抵抗Ｒ２に流れないようにすることができる。
また、寄生容量Ｃｓ３には寄生容量Ｃｓ２に比べて２倍の電圧がかかっているので、寄生容量に流れる電流Ｉｓ３は、Ｉｓ３＝Ｃｓ３×２×（ｄＶ／ｄｔ）となる。
したがって、電流Ｉｓ３がバランス抵抗Ｒ３に流れないようにするためには、寄生容量Ｃｓ２の２倍の大きさに相当するコンデンサを取りつければよいが、バランス抵抗Ｒ３には、上記電流Ｉｓ３に加え寄生容量Ｃｓ２に流れる電流Ｉｓ２も流れる。すなわち、半導体スイッチＳＷ３のバランス抵抗Ｒ３に流れる寄生容量による電流は、Ｉｓ２＋Ｉｓ３である。したがって、この電流がバランス抵抗Ｒ３に流れないようにするためには、（Ｃｓ２＋２×Ｃｓ３）に相当する容量のコンデンサＣａ３を、半導体スイッチＳＷ３に取りつける。
同様に、Ｃｓ４にはＣｓ２に比べて３倍の電圧がかかっているので、寄生容量Ｃｓ４に流れる電流Ｉｓ４は、Ｉｓ４＝Ｃｓ３×３×（ｄＶ／ｄｔ）となる。
したがって、半導体スイッチＳＷ４のバランス抵抗Ｒ４に寄生容量による電流Ｉｓ２＋Ｉｓ３＋Ｉｓ４が流れないようにするためには、半導体スイッチＳＷ４に、（Ｃｓ１＋２×Ｃｓ２＋３×Ｃｓ３）に相当する容量のコンデンサＣａ４を取りつける。
以下同様に、各バランス抵抗Ｒ５、Ｒ６に、寄生容量による電流が流れないようにするためには、コンデンサＣａ５、Ｃａ６の容量を上記のように計算して求め、半導体スイッチＳＷ５、ＳＷ６に取りつける。
【００１７】
なお、各寄生容量Ｃｓ２〜Ｃｓ６の値は、静電容量を求める式Ｃｓ＝ε×（Ｓ／Ｄ）から計算により求めることができる。ここで、ε：誘電率、Ｓ：面積、Ｄ：厚さ、である。
具体的には、半導体スイッチＳＷと水冷プレートとの間におかれる絶縁部材の誘電率εと厚さＤ、及び半導体スイッチの金属板の面積Ｓを代入すれば計算できる。また、専用の測定器を用いれば静電容量を実測することもできる。
半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６は同種を使用し、絶縁部材も同材質で同じ大きさ・厚さのものを使用したとすると、生じる寄生容量Ｃｓ１〜Ｃｓ６は同じ大きさになる。ここで、Ｃｓ２＝Ｃｓ２＝…Ｃｓ６＝５０ｐＦとすると、コンデンサＣａ２〜Ｃａ６の容量は、上記により求めると以下の値になる。
Ｃａ２＝５０ｐＦ、Ｃａ３＝１５０ｐＦ、Ｃａ４＝３００ｐＦ、Ｃａ５＝５００ｐＦ、Ｃａ６＝７５０ｐＦ
【００１８】
上記実施例では、各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の接地側の近い端子と金属板３を接続線４により接続した場合について説明したが、必ずしも上記接続線４を設ける必要はない。
上記接続線４を設けない場合、各寄生容量には前記図２に示す電圧がかかり、また、図２に示すように寄生容量Ｃｓ１が生ずる。
したがって、この場合に各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６に取り付けるコンデンサの容量は次のようになる。
半導体スイッチＳＷ２のバランス抵抗Ｒ２には寄生容量Ｃｓ１による電流Ｉｓ１が流れるので、半導体スイッチＳＷ２には寄生容量Ｃｓ１の容量に相当するコンデンサＣａ２を取りつける。
また、寄生容量Ｃｓ２には寄生容量Ｃｓ１に比べて３倍の電圧がかかっているので、寄生容量に流れる電流Ｉｓ２は、Ｉｓ２＝Ｃｓ２×３×（ｄＶ／ｄｔ）となる。半導体スイッチＳＷ３のバランス抵抗Ｒ３に流れる寄生容量による電流は、Ｉｓ１＋Ｉｓ２であるので、半導体スイッチＳＷ３には、（Ｃｓ１＋３×Ｃｓ２）に相当する容量のコンデンサＣａ３を取りつける。
同様に、寄生容量Ｃｓ３にはＣｓ１に比べて５倍の電圧がかかっているので、Ｉｓ３＝Ｃｓ３×５×（ｄＶ／ｄｔ）となる。半導体スイッチＳＷ３のバランス抵抗Ｒ３に流れる寄生容量による電流は、Ｉｓ１＋Ｉｓ２＋Ｉｓ３であるので、半導体スイッチＳＷ４に、（Ｃｓ１＋３×Ｃｓ２＋５×Ｃｓ３）に相当する容量のコンデンサＣａ４を取りつける。
以下同様に計算をし、Ｃｓ１＝Ｃｓ２＝…Ｃｓ６＝５０ｐＦとすると、コンデンサＣａ２〜Ｃａ６の容量は、以下の値になる。
Ｃａ２＝５０ｐＦ、Ｃａ３＝２００ｐＦ、Ｃａ４＝４５０ｐＦ、Ｃａ５＝８００ｐＦ、Ｃａ６＝１２５０ｐＦ
すなわち、各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の接地側の近い端子と金属板３を接続しない場合には、接続線４で接続した場合より、各半導体スイッチＳＷ１〜Ｓ２に接続するコンデンサ容量は増加する。
【００１９】
図４は本発明の第２の実施例を示す図であり、本実施例は、前記図１３に示したように２個のスイッチング素子を１モジュールとした半導体スイッチを用いた場合の実施例を示している。
図４に示すように、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６は、２個のスイッチング素子毎に１モジュール（各モジュールをＳＷＭ１〜ＳＷＭ３という）内に収納され、各モジュールＳＷＭ１〜ＳＷＭ３の底面には、モジュール内に収納した各スイッチング素子に共通の放熱用の金属板３が取り付けられている。各モジュールＳＷＭ１〜ＳＷＭ３は該金属板３を介して上記絶縁部材２上に置かれる。
各モジュールＳＷＭ１〜ＳＷＭ３内に収納された各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の端子間には、バランス抵抗Ｒ１〜Ｒ６が接続され、該バランス抵抗Ｒ１〜Ｒ６の内、バランス抵抗Ｒ２〜Ｒ６に並列に、コンデンサＣａ１〜Ｃａ３が接続されている。
また、各モジュールＳＷＭ１〜ＳＷＭ３内の半導体スイッチに並列に接続されたバランス抵抗の接続点と、各モジュールＳＷＭ１〜ＳＷＭ３の底面に接続される金属板３は接続線４で接続されている。なお、図示しないが、図１と同様、各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６には周知のスナバ回路が取り付けられ、また、各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６には、これらを駆動するためのゲート信号が入力される。
【００２０】
図５に上記コンデンサＣａ１〜Ｃａ３を取り付けていない前記図１３において、寄生容量が生じている様子を模式的に示す。
図５に示すように、点線で示す容量Ｃｓ１〜Ｃｓ３が、前記した寄生容量であり、３組のモジュールＳＷＭ１〜ＳＷＭ３内に収納された６個の半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６により、充電器からの高電圧（例えば１５ｋＶ）を分割する。
また、寄生容量Ｃｓは各モジュールＳＷＭ１〜ＳＷＭ３に対して生じ、同図の点線に示すようにそれぞれＣｓ１、Ｃｓ２、Ｃｓ３となる。
また、各モジュールの寄生容量Ｃｓ１〜Ｃｓ３は、各モジュールの中間の電位に対して生じていると考えられる。即ち、Ｃｓ１には２．５ｋＶ、Ｃｓ２には７．５ｋＶ、Ｃｓ３には１２．５ｋＶがかかっている。
寄生容量がない場合、各抵抗Ｒに流れる電流をＩ、寄生容量Ｃｓ１に流れる電流をＩｓ１、寄生容量Ｃｓ２に流れる電流をＩｓ２、寄生容量Ｃｓ３に流れる電流Ｉｓ３とする。
半導体スイッチＳＷ１の抵抗Ｒ１に流れる電流Ｉ１は、Ｉ１＝Ｉであり、寄生容量とは無関係である。
半導体スイッチＳＷ２及びＳＷ３の抵抗Ｒ２、Ｒ３に流れる電流Ｉ２、Ｉ３は、Ｉ２＝Ｉ３＝Ｉ＋Ｉｓ１となる。
さらに、Ｒ４、Ｒ５に流れる電流Ｉ４、Ｉ５は、Ｉ４＝Ｉ５＝Ｉ＋Ｉｓ１＋Ｉｓ２となる。Ｒ６に流れる電流Ｉ６は、Ｉ６＝Ｉ＋Ｉｓ１＋Ｉｓ２＋Ｉｓ３となる。
ここで前記したように、寄生容量Ｃｓ１，Ｃｓ２，Ｃｓ３に流れる電流Ｉｓ１〜Ｉｓ３は、それぞれ下記のようになる。
Ｉｓ１＝Ｃｓ１×（ｄＶ／ｄｔ）
Ｉｓ２＝Ｃｓ２×３×（ｄＶ／ｄｔ）
Ｉｓ３＝Ｃｓ３×５×（ｄＶ／ｄｔ）
したがって、第１の実施例と同様に、図４に示すように各半導体スイッチＳＷ２〜ＳＷ６のバランス抵抗Ｒ２〜Ｒ６に並列に、上記寄生容量Ｃｓ１，Ｃｓ２，Ｃｓ３による電流に対応する容量のコンデンサＣａ１〜Ｃａ３を取りつければ、バランス抵抗Ｒ１〜Ｒ６に流れる電流を略等しくすることができる。
【００２１】
図６に、図４に示す上記コンデンサＣａ１〜Ｃａ３を取り付けた場合の回路を模式的に示す。
なお、図４においては、各モジュールＳＷＭ１〜ＳＷＭ３内の半導体スイッチに並列に接続されたバランス抵抗の接続点と、各モジュールＳＷＭ１〜ＳＷＭ３の底面に接続される金属板３が接続線４で接続されているので、前記図５と同様、各モジュールの寄生容量Ｃｓ１〜Ｃｓ３は、バランス抵抗の接続点、すなわち、各モジュールの中間の電位に対して生ずる。
ここで、Ｃｓ１＝Ｃｓ２＝Ｃｓ３＝１００ｐＦとすると、寄生容量Ｃｓ１，Ｃｓ２，Ｃｓ３に流れる電流は前記Ｉｓ１，Ｉｓ２，Ｉｓ３となり、コンデンサＣａ１〜Ｃａ３の容量は、以下の値になる。
Ｃａ１＝１００ｐＦ、Ｃａ２＝４００ｐＦ、Ｃａ３＝９００ｐＦ
図５に示すようにコンデンサＣａ１，Ｃａ２，Ｃａ３を取り付けない場合には、ＳＷ１には２．３ｋＶ、ＳＷ６には３．２ｋＶという不均一な電圧がかかっていたが、図４、図６のように構成することにより、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６にほぼ２．５ｋＶずつの均等な電圧をかけることができた。
なお、図４、図６においては、接続線４によりバランス抵抗の接続点と、金属板３を接続しているが、必ずしも上記接続線４を設ける必要はない。
この接続線４を設けない場合でも、前記図５で説明したように寄生容量Ｃｓ１，Ｃｓ２，Ｃｓ３に加わる電圧はほぼ変わらないので、各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６に並列に接続するコンデンサＣａ１〜Ｃａ３の容量はほぼ上記した値となる。但し、前記したように、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６のばらつきにより、寄生容量Ｃｓ１，Ｃｓ２，Ｃｓ３にばらつきがでる可能性がある。
【００２２】
図７は本発明の第３の実施例を示す図であり、本実施例は図４に示した２個のスイッチング素子を１モジュールとした半導体スイッチを用いた場合において、コンデンサＣａ１，Ｃａ２，Ｃａ３を、１モジュール内に収納された２個のスイッチング素子のバランス抵抗の接続点と他のモジュール内に収納された２個のスイッチング素子のバランス抵抗の接続点間に接続した実施例を示している。
図７において、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６を収納した各モジュールＳＷＭ１〜ＳＷＭ３の底面には、モジュール内に収納した各スイッチング素子に共通の放熱用の金属板３が取り付けられており、各モジュールＳＷＭ１〜ＳＷＭ３は該金属板３を介して上記絶縁部材２上に置かれる。
各モジュールＳＷＭ１〜ＳＷＭ３内に収納された各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の端子間には、バランス抵抗Ｒ１〜Ｒ６が接続されている。また、バランス抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点とバランス抵抗Ｒ３，Ｒ４の接続点間には、コンデンサＣａ１が接続され、バランス抵抗Ｒ３，Ｒ４の接続点とバランス抵抗Ｒ５，Ｒ６の接続点間には、コンデンサＣａ２が接続されている。さらに、バランス抵抗Ｒ５，Ｒ６の接続点と半導体スイッチＳＷ６の高圧側端子間には、コンデンサＣａ３が接続されている。
また、各モジュールＳＷ１〜ＳＷ６内の半導体スイッチに並列に接続されたバランス抵抗の接続点と、各モジュールＳＷＭ１〜ＳＷＭ３の底面に接続される金属板３は接続線４で接続されている。
【００２３】
図７において、寄生容量Ｃｓ１，Ｃｓ２，Ｃｓ３に流れる電流Ｉｓ１〜Ｉｓ３は、前記図４、図６と同様、それぞれ下記のようになる。
Ｉｓ１＝Ｃｓ１×（ｄＶ／ｄｔ）
Ｉｓ２＝Ｃｓ２×３×（ｄＶ／ｄｔ）
Ｉｓ３＝Ｃｓ３×５×（ｄＶ／ｄｔ）
また、コンデンサＣａ１には寄生容量Ｃｓ１にかかる電圧の２倍の電圧が印加され、コンデンサＣａ２には、寄生容量Ｃｓ２にかかる電圧の２／３の電圧が印加される。
したがって、例えば、Ｃｓ１＝Ｃｓ２＝Ｃｓ３＝１００ｐＦとすると、コンデンサＣａ１〜Ｃａ３の容量は、以下の値になる。
Ｃａ１＝５０ｐＦ、Ｃａ２＝２００ｐＦ、Ｃａ３＝９００ｐＦ
【００２４】
ところで、上記したスイッチ回路には、前記したように通常、スナバ回路が設けられる（前記した図１〜図７ではスナバ回路は省略している）。
図８にスナバ回路の一例を示す。スナバ回路は、半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ２，…のオンになるタイミングのずれをカバーするために設けられるものであり、半導体スイッチのオンになるタイミングがずれたとき、スナバ回路のコンデンサＣにより半導体スイッチの電圧上昇を抑える。
スナバ回路には、通常、図８に示すようにコンデンサＣに直列にダイオードＤ（もしくは抵抗）が設けられ、半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ２，…がオンになってもコンデンサＣに充電された電荷は直ちに放電せず、コンデンサＣに並列に接続された抵抗Ｒを介してゆっくりと放電する。このため、スナバ回路のコンデンサＣの両端電圧は、半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ２，…のオン／オフに応じて脈動するが、半導体スイッチのオフ時の端子間電圧に近い値に保たれる。
したがって、上記コンデンサＣと抵抗Ｒによる損失は比較的小さく、図８に示すスナバ回路の場合には１半導体スイッチ当たりの損失は１５Ｗ以下である。
上記構成のスナバ回路においては、スナバ回路のコンデンサＣの両端電圧が上記のように半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ２，…のオフ時の端子間電圧に近い値に保たれているため、半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ２，…がオフになりその端子間電圧が上昇するとき、上記コンデンサＣには電流が流れ込まない。このため、上記構成のスナバ回路のコンデンサＣでは、前記した寄生容量による影響を除去することができない。
【００２５】
一方、図９に示すように上記スナバ回路からダイオードＤ（もしくは抵抗）を除去し、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６に並列に接続されたスナバ用のコンデンサＣにより、各半導体スイッチに印加される電圧を均一化しようとすると、例えば寄生容量を１００ｐＦとしたとき、コンデンサＣの容量は、約１００００ｐＦ程度となる。
ここで、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の直列回路に印加される全体の電圧を１５ｋＶとし、各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６に均等に電圧が加わるとすると、半導体スイッチの１素子当たりの電圧は２５００Ｖとなる。
図９の回路においては、半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６がオンになると、コンデンサＣの電荷が半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６を介して放電されるため、コンデンサＣのエネルギーは半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の損失となる。
ここで、１素子当たりの損失Ｗは、Ｗ＝（１／２）×Ｃ×Ｖ2 で表されるので、各素子に加わる電圧ＶをＶ＝２５００Ｖとすると、図９の回路のおける１素子当たりの損失ＷはＷ＝（１／２）×１００００ｐＦ×（２５００Ｖ）2 ＝３１．２５ｍＪとなる。したがって、繰り返し周波数が４ｋＨｚとすると、３１．２５ｍＪ×４ｋＨｚ＝１２５Ｗの損失となり、６素子を使用すると損失の合計は１２５Ｗ×６＝７５０Ｗとなる。
すなわち、半導体スイッチに並列に接続されたスナバ用のコンデンサにより、各半導体スイッチに印加される電圧の均一化を図ると、上記のように損失が非常に大きくなり、現実的には使用することができない。
これに対し、前記第１〜第３の実施例に示したように、寄生容量に対応した容量を持つコンデンサを各半導体スイッチに取付け、各半導体スイッチの電圧を均一化すれば、損失を上記と比べ著しく小さくすることができる。
例えば図４、図６に示した第２の実施例の場合、コンデンサＣａ２〜Ｃａ６を設けることによる損失は次のようになり、図９の場合と比べ、損失は著しく小さい。
・半導体スイッチＳＷ６における損失
（１／２）×９００ｐＦ×２５００2 ＝２．８１２５ｍＪ
４ｋＨｚ時：１１．２５Ｗ
・半導体スイッチＳＷ４，ＳＷ５における損失
（１／２）×４００ｐＦ×２５００2 ＝１．２５ｍＪ
４ｋＨｚ時：５Ｗ
・半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３における損失
（１／２）×１００ｐＦ×２５００2 ＝０．３１２５ｍＪ
４ｋＨｚ時：１．２５Ｗ
・６素子の合計の損失
１１．２５＋５×２＋１．２５×２＝２３．７５Ｗ
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては、以下の効果を得ることができる。
スイッチング素子を、絶縁部材を介して金属性のプレート上に配置するとスイッチング素子−絶縁部材−金属製プレートにより寄生容量が発生し、スイッチング素子がオフになるとき、この寄生容量に電流が流れる。
本発明においては、上記寄生容量に流れる電流をバイパスするコンデンサを各スイッチング素子に接続したので、各スイッチング素子に取り付けたバランス抵抗に流れる電流をほぼ等しくすることができ、各スイッチング素子にかかる電圧を等しくすることが可能となる。
このため、充電器からの高圧電圧を、スイッチング素子に均等に振り分けることができ、あるスイッチング素子に耐圧以上の電圧がかかることがないので、スイッチング素子の破壊を防ぐことができる。
特に、高繰り返し周波数のエキシマレーザ、フッ素レーザ等の放電励起型レーザにおいて、スイッチング素子の冷却構造により、スイッチング素子と接地間に寄生容量が生じても、その影響を除去して、充電器からの高電圧を複数の半導体スイッチに均等に配分することができ、スイッチング素子の破壊を防ぐことができる。また、スイッチング素子を効率よく冷却することが可能となるので、スイッチング素子の過熱を防止し、素子の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す図である。
【図２】図１１の回路において寄生容量が生じている様子を模式的に示す図である。
【図３】図２の回路においてコンデンサＣａ２〜Ｃａ６を取り付けた場合を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施例を示す図である。
【図５】図１３の回路において寄生容量が生じている様子を模式的に示す図である。
【図６】図５の回路においてコンデンサＣａ２〜Ｃａ６を取り付けた場合を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施例を示す図である。
【図８】スナバ回路の一例を示す図である。
【図９】スイッチング素子に並列に接続されたコンデンサにより、各スイッチング素子に印加される電圧を均一化する場合を説明する図である。
【図１０】放電励起型レーザ装置に設けられる一般的な高電圧パルス発生回路の構成を示す図である。
【図１１】図１０の半導体スイッチＳＷ部分の回路図の一例を示す図である。
【図１２】図１１に示した回路に先の出願の冷却構造を適用した例を示す図である。
【図１３】２個のスイッチング素子を１モジュールとした半導体スイッチを用いた場合の冷却構造を示す図である。
【図１４】ピーキングコンデンサの充電速度と、寄生容量による電流を説明する図である。
【符号の説明】
１                  水冷プレート
２                  絶縁部材
３                  金属板
４                  接続線
ＳＷ１〜ＳＷ６      半導体スイッチ
ＳＷＭ１〜ＳＷＭ３  モジュール
Ｒ１〜Ｒ６          バランス抵抗
Ｃａ１〜Ｃａ６      コンデンサ
Ｃｓ１〜Ｃｓ６      寄生容量
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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