(57)【要約】【課題】高電圧でしかも極めて立上時間が短い高電圧パルスを発生させるパルス電源装置を提供する。【解決手段】初期充電される第１コンデンサ１３から半導体スイッチ３３のオン制御でパルス電流Ｉ０を発生するパルス発生回路１２と、パルス電流Ｉ０を可飽和トランスＳＴで取り込み、パルス電流Ｉ０を磁気圧縮して負荷に供給する磁気パルス圧縮回路１４とを備えるパルス電源装置３０であって、磁気パルス圧縮回路１４は、可飽和トランスＳＴの２次側巻線２２に直列接続される第２コンデンサ１８と、２次側巻線２２と第２コンデンサ１８との直列接続に並列接続されるファーストリカバリダイオード（ＦＲＤ）とを備え、パルス電流Ｉ０によって２次側巻線２２に発生する電流は、ファーストリカバリダイオードの順方向電流Ｉ１であり、順方向電流Ｉ１の最大値近傍で可飽和トランスＳＴが磁気飽和する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
初期充電される第１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、前記パルス電流を可飽和トランスで取り込み、前記パルス電流を磁気圧縮して負荷に供給する磁気パルス圧縮回路とを備えるパルス電源装置であって、
前記磁気パルス圧縮回路は、
前記可飽和トランスの２次側巻線に直列接続される第２コンデンサと、
前記２次側巻線と前記第２コンデンサとの前記直列接続に並列接続されるファーストリカバリダイオードとを備え、
前記パルス電流によって前記２次側巻線に発生する電流は、前記ファーストリカバリダイオードの順方向電流であり、前記順方向電流の最大値近傍で前記可飽和トランスが磁気飽和することを特徴とするパルス電源装置。
【請求項２】
前記ファーストリカバリダイオードに並列接続される１個又は複数のファーストリカバリダイオードを更に備えることを特徴とする請求項１記載のパルス電源装置。
【請求項３】
前記可飽和トランスの角形比が、０．９以上であることを特徴とする請求項１又は２記載のパルス電源装置。
【請求項４】
前記可飽和トランスの磁心は、コバルトを主成分とするアモルファス合金を含むことを特徴とする請求項３記載のパルス電源装置。
【請求項５】
初期充電される第１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、前記パルス電流を可飽和トランスで取り込み、前記パルス電流を磁気圧縮して負荷に供給する磁気パルス圧縮回路とを備え、
前記磁気パルス圧縮回路は、
前記可飽和トランスの２次側巻線に直列接続される第２コンデンサと、
前記２次側巻線と前記第２コンデンサとの前記直列接続に並列接続されるファーストリカバリダイオードとを含み、
前記パルス電流によって前記２次側巻線に発生する電流は、前記ファーストリカバリダイオードの順方向電流であるパルス電源装置の設計方法であって、
前記可飽和トランスの１次側巻線の巻数及び／又は前記可飽和トランスの磁心の断面積をパラメータとし、前記順方向電流の最大値近傍で、前記可飽和トランスを磁気飽和させることを特徴とするパルス電源装置の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス電源装置及びその設計方法に関し、特に高電圧の短パルスを発生するパルス電源装置及びその設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高電圧の短パルス（以下「高電圧パルス」という。）は、例えば高密度プラズマの生成、オゾン生成、排ガス処理或いは水処理等に利用されている。また、近年では、植物に高電圧パルスを印加することにより、植物の細胞膜を破壊し、細胞内の有効成分を効率的に抽出する、或いは液体を殺菌する等の活用が研究されている。また、医療分野においては、ガン細胞に高電圧パルスを印加することにより、ガン治療や、創傷或いは潰瘍などの回復促進等にも利用され始めている。
【０００３】
この高電圧パルスを得る技術として、エネルギーを電界の形でコンデンサに蓄える容量性エネルギー蓄積方式と、磁界の形でインダクタに蓄える誘導性エネルギー蓄積方式との２種類が知られている。特に、誘電性エネルギー蓄積方式によるエネルギー蓄積密度は、容量性エネルギー蓄積方式のエネルギー蓄積密度より２桁大きいことが知られている。そのため、容量性エネルギー蓄積方式より誘電性エネルギー蓄積方式の方が、装置の小型・軽量化の点で可能性を秘めていると考えられている。
【０００４】
。
この誘電性蓄積型の高電圧パルス発生装置に関し、これまで様々な提案がされている（例えば非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】高木浩一、佐久川貴志他，「パルスパワー発生回路の設計と実践」Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｌａｓｍａ  ａｎｄ  Ｆｕｓｉｏｎ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｖｏｌ．８７，Ｎｏ．３（２０１１）ｐ２０２−ｐ２１５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１によれば、充電コンデンサＣ１，ギャップスイッチ，パルストランス，１次エネルギー蓄積コンデンサＣ２，２次エネルギー蓄積インダクタＬ，半導体オープニングスイッチ（ＳＯＳ；Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｏｐｅｎｉｎｇ  Ｓｗｉｔｃｈ）ダイオード等を備え、ＳＯＳダイオードの逆方向電流の遮断を利用してＳＯＳダイオードの両端に高電圧パルスを発生させるパルス電源が開示されている。
【０００７】
この非特許文献１のパルス電源による高電圧パルスの電圧は約２８ｋＶ、パルス幅は、半値幅で５０ｎｓ程度であり、その立上時間が略２０ｎｓ〜３０ｎｓ程度で形成されている。しかし、例えば近年の医療分野等では、ガン細胞の死滅或いは変異等に結びつけるため、さらに高電圧で立上時間が短い高電圧パルスによる高繰り返しの刺激を、ガン細胞に印加する技術に対するニーズが高まっている。
【０００８】
そこで、本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高電圧でしかも極めて立上時間が短い高電圧パルスを発生させるパルス電源装置及びその設計方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の発明は、初期充電される第１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、前記パルス電流を可飽和トランスで取り込み、前記パルス電流を磁気圧縮して負荷に供給する磁気パルス圧縮回路とを備えるパルス電源装置であって、前記磁気パルス圧縮回路は、前記可飽和トランスの２次側巻線に直列接続される第２コンデンサと、前記２次側巻線と前記第２コンデンサとの前記直列接続に並列接続されるファーストリカバリダイオードとを備え、前記パルス電流によって前記２次側巻線に発生する電流は、前記ファーストリカバリダイオードの順方向電流であり、前記順方向電流の最大値近傍で前記可飽和トランスが磁気飽和する、パルス電源装置である。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１記載のパルス電源装置において、前記ファーストリカバリダイオードに並列接続される１個又は複数のファーストリカバリダイオードを更に備えることを特徴とする。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載のパルス電源装置において、前記可飽和トランスの角形比が、０．９以上であることを特徴とする。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項３記載のパルス電源装置において、前記可飽和トランスの磁心は、コバルトを主成分とするアモルファス合金を含むことを特徴とする。
【００１３】
請求項５の発明は、初期充電される第１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、前記パルス電流を可飽和トランスで取り込み、前記パルス電流を磁気圧縮して負荷に供給する磁気パルス圧縮回路とを備え、前記磁気パルス圧縮回路は、前記可飽和トランスの２次側巻線に直列接続される第２コンデンサと、前記２次側巻線と前記第２コンデンサとの前記直列接続に並列接続されるファーストリカバリダイオードとを含み、前記パルス電流によって前記２次側巻線に発生する電流は、前記ファーストリカバリダイオードの順方向電流であるパルス電源装置の設計方法であって、前記可飽和トランスの１次側巻線の巻数及び／又は前記可飽和トランスの磁心の断面積をパラメータとし、前記順方向電流の最大値近傍で、前記可飽和トランスを磁気飽和させる、パルス電源装置の設計方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、初期充電される第１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、前記パルス電流を可飽和トランスで取り込み、前記パルス電流を磁気圧縮して負荷に供給する磁気パルス圧縮回路とを備えるパルス電源装置であって、前記磁気パルス圧縮回路は、前記可飽和トランスの２次側巻線に直列接続される第２コンデンサと、前記２次側巻線と前記第２コンデンサとの前記直列接続に並列接続されるファーストリカバリダイオードとを備え、前記パルス電流によって前記２次側巻線に発生する電流は、前記ファーストリカバリダイオードの順方向電流であり、前記順方向電流の最大値近傍で前記可飽和トランスが磁気飽和する構成であるから、可飽和トランスが磁気飽和することにより、ファーストリカバリダイオードの順方向電流の周期が短縮され、最大値近傍であった順方向電流が急激に立ち下がってファーストリカバリダイオードの逆回復期間に入ることで大きな逆回復電流となり、その逆回復電流が急激に遮断されることで、ファーストリカバリダイオードの両端に発生する出力パルスの電圧が高くなるとともに立上時間が極めて短くなるため、高電圧でしかも極めて立上時間が短い高電圧パルスを発生させるパルス電源装置を提供できる。
【００１５】
また、前記ファーストリカバリダイオードに並列接続される１個又は複数のファーストリカバリダイオードを更に備える構成であるから、前記逆回復電流が更に増加し、更に立上時間が短い高電圧パルスを発生可能なパルス電源装置を提供できる。
【００１６】
また、前記可飽和トランスの角形比が、０．９以上である構成であるから、可飽和トランスの非飽和状態から磁気飽和状態への移行が、急激に切り替わるため、更に立上時間が短い高電圧パルスを発生可能なパルス電源装置を提供できる。
【００１７】
また、前記可飽和トランスの磁心は、コバルトを主成分とするアモルファス合金を含む構成であるから、角形比の高い可飽和トランスを実現できる。
【００１８】
また、初期充電される第１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、前記パルス電流を可飽和トランスで取り込み、前記パルス電流を磁気圧縮して負荷に供給する磁気パルス圧縮回路とを備え、前記磁気パルス圧縮回路は、前記可飽和トランスの２次側巻線に直列接続される第２コンデンサと、前記２次側巻線と前記第２コンデンサとの前記直列接続に並列接続されるファーストリカバリダイオードとを含み、前記パルス電流によって前記２次側巻線に発生する電流は、前記ファーストリカバリダイオードの順方向電流であるパルス電源装置の設計方法であって、前記可飽和トランスの１次側巻線の巻数及び／又は前記可飽和トランスの磁心の断面積をパラメータとし、前記順方向電流の最大値近傍で、前記可飽和トランスを磁気飽和させる構成であるから、可飽和トランスが飽和することにより、ファーストリカバリダイオードの順方向電流の周期が短縮され、最大値近傍であった順方向電流が急激に立ち下がってファーストリカバリダイオードの逆回復期間に入ることで大きな逆回復電流となり、その逆回復電流が急激に遮断されることで、ファーストリカバリダイオードの両端に発生する出力パルスの電圧が高くなるとともに立上時間が極めて短くなるため、高電圧でしかも極めて立上時間が短い高電圧パルスを発生させるパルス電源装置の設計方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の基本的な考え方を説明する図である。
【図２】本発明の実施形態に係るパルス電源装置の第１実施例を説明する回路図である。
【図３】本発明の実施形態に係るパルス電源装置の第２及び第３実施例を説明する回路図である。
【図４】本発明の実施形態に係るパルス電源装置の第１実施例の回路動作を説明する波形である。
【図５】本発明の実施形態に係るパルス電源装置の第２実施例の回路動作を説明する波形である。
【図６】本発明の実施形態に係るパルス電源装置の第３実施例の回路動作を説明する波形である。
【図７】本発明におけるＶＴ積比率を説明する概念波形図である。
【図８】本発明の実施形態に係るパルス電源装置の効果を説明するグラフである。
【図９】比較例の回路動作を説明する波形である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の基本的な考え方について、図１を用いて説明する。図１（ａ）は、本発明に係るパルス電源装置の基本回路構成図である。図１（ｂ）は、従来の回路動作を説明する概念波形図である。図１（ｃ）は、本発明に係るパルス電源装置の動作を説明する概念波形図である。
【００２１】
本発明に係るパルス電源装置の基本回路１０は、図１（ａ）に示すように、パルス発生回路１２と、磁気パルス圧縮回路１４とを備える。
まず、パルス発生回路１２は、図１（ａ）に示すように、初期充電される第１コンデンサ１３と、第１コンデンサ１３の一端側に直列接続されるスイッチＳ１とを備える。そして、図１（ａ）に示すように、第１コンデンサ１３の他端側は接地される。
【００２２】
次に、磁気パルス圧縮回路１４は、図１（ａ）に示すように、可飽和トランスＳＴと、第２コンデンサ１８と、ファーストリカバリダイオード１６（以下「ＦＲＤ１６」とも言う。）とを備える。
可飽和トランスＳＴは、例えば周回状の磁心に１次側巻線２０と２次側巻線２２とが、１：ｎの巻比で設けられて形成される。この可飽和トランスＳＴは、後述する様にパルス電流Ｉ０の半周期Ｔｈ／２の近傍で磁気飽和する（以下、単に「飽和する」ともいう。）様に、一次側巻線の巻数及び／又は可飽和トランスＳＴの磁心の断面積をパラメータとして設計される。そして、１次側巻線に流れるパルス電流Ｉ０により、２次側巻線２２にパルス電流が誘起される。なお、１次側巻線２０の巻数は、少なくとも１巻以上であれば良い。
また、ＦＲＤ１６は、逆回復時間Ｔｒｒが１００ｎｓ以下の市販のダイオード素子を用いることができる。
【００２３】
そして、図１（ａ）に示すように、可飽和トランスＳＴの１次側巻線２０の一端側は、第１コンデンサ１３の接地側に接続され、１次側巻線２０の他端側は、スイッチＳ１に接続される。また、図１（ａ）に示すように、可飽和トランスＳＴの２次側巻線２２の一端側に、第２コンデンサ１８が直列接続される。そして、可飽和トランスＳＴの２次側巻線２２と第２コンデンサ１８との直列接続に対して、ＦＲＤ１６が並列接続される。その際、図１（ａ）に示すように、例えばＦＲＤ１６のアノード側が第２コンデンサ１８と接続される。
【００２４】
次に、図１（ａ）及び図１（ｂ）を用い、従来の回路動作について説明する。
まず、図１（ａ）に示すように、パルス発生回路１２の第１コンデンサ１３が所定の電圧ＶＣで充電され、スイッチＳ１のオンによりパルス電流Ｉ０が発生する。このパルス電流Ｉ０は、可飽和トランスＳＴの１次側に取り込まれ、２次側巻線２２には、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、パルス電流Ｉ０と同位相で、ＦＲＤ１６の順方向電流Ｉ１が発生する。言い換えると、可飽和トランスＳＴは、例えば１次側巻線２０及び／又は２次側巻線の巻方向を調整することで、パルス電流Ｉ０によって順方向電流Ｉ１が発生する様に構成される。
この順方向電流Ｉ１の周期Ｔｈは、非飽和状態の可飽和トランスＳＴのインダクタンスをＬ（非飽和）、第１コンデンサ１３の容量をＣ０とすると、ＬＣの共振による周期Ｔｈ＝２Π（Ｌ（非飽和）×Ｃ０）１／２）で表わされる。
【００２５】
そして、図１（ｂ）に示すように、半周期Ｔｈ／２の近傍で可飽和トランスＳＴが飽和すると、順方向電流Ｉ１の極性が反転しつつ可飽和トランスＳＴのインダクタンスが低下し、図１（ｂ）に示すように、ＦＲＤ１６が逆回復状態（Ｔｒｒ）に入って逆回復電流Ｉｒが流れる。
【００２６】
そして、ある時間を経てＦＲＤ１６の空乏層の蓄積電荷が消滅したときに急激な電流遮断が起こり、ＦＲＤ１６の両端に出力パルスＶｏｕｔが出力され、負荷ＬＯＡＤに供給される。この出力パルスＶｏｕｔは、磁気パルス圧縮回路１４のインダクタンスをＬとするとＶｏｕｔ＝Ｌ（ｄＩ／ｄｔ）の関係で表される。従って、逆回復電流Ｉｒの戻り（図１（ｂ）で示す、ΔＩｒの部分）の傾斜が急峻な程、出力パルスＶｏｕｔの立上時間Ｔｒ（図１（ｂ）参照）が短くなる。
このように、磁気パルス圧縮回路１４は、磁気スイッチとして機能する可飽和トランスＳＴを用いてパルス電流Ｉ０を時間圧縮する。なお、インダクタンスＬは、可飽和トランスＳＴが飽和した状態なので、略磁気パルス圧縮回路１４の寄生インダクタンスで形成される。
【００２７】
発明者は、特に可飽和トランスＳＴ及びファーストリカバリダイオードに着目し、この出力パルスＶｏｕｔの高電圧化及び立上時間Ｔｒを短くする研究に鋭意取組んだ。その結果、図１（ｃ）に示すように、この順方向電流Ｉ１の最大値近傍で可飽和トランスＳＴを磁気飽和させることで、ＦＲＤ１６の逆回復電流Ｉｒが大きくなり、その結果、逆回復電流Ｉｒの戻りΔＩｒがさらに急峻となることから、出力パルスＶｏｕｔの電圧が高くなるとともに、立上時間Ｔｒが短くなる知見を得て本発明に至ったのである。
【００２８】
以下、本発明の実施形態に係る実施例及び比較例について説明する。
本実施形態に係る実施例１〜３のパルス電源装置３０について図２及び図３を用いて説明する。
実施例１のパルス発生回路１２は、図２に示すように、例えば１００ｎｆの容量の第１コンデンサ１３、第１コンデンサ１３を充電する充電器３１、スイッチＳ１としての半導体スイッチ３３、可飽和リアクトルＳＩ０、パルストランスＰＴ等を備える。
そして、図２に示すように、半導体スイッチ３３は、第１コンデンサ１３のアース側に接続され、可飽和リアクトルＳＩ０は、第１コンデンサ１３の高圧側に接続される。また、パルストランスＰＴは、図２に示すように、１次側巻線と２次側巻線との巻数比が１：４で形成され、半導体スイッチ３３と可飽和リアクトルＳＩ０との間にその１次側巻線が接続される。
本実施例のパルス発生回路１２によれば、電力用の第１コンデンサ１３を充電器３１により初期充電しておき、半導体スイッチ３３のオン制御で第１コンデンサ１３から可飽和リアクトルＳＩ０を通してパルストランスにパルス電流Ｉ０を供給する。可飽和リアクトルＳＩ０は、半導体スイッチ３３の完全なオン後に飽和動作してパルス電流を発生させることで半導体スイッチ３３のスイッチング時の電力損失を軽減する磁気アシストとして機能する。
【００２９】
次に、実施例１の磁気パルス圧縮回路１４は、図２示すように、可飽和トランスＳＴと、第２コンデンサ１８と、ＦＲＤ１６とを備える。
本実施例の可飽和トランスＳＴは、トロイダル形状の磁心に１次側巻線２０と２次側巻線２２とを巻き付けて形成される。より詳しくは、可飽和トランスＳＴは、例えば外径が３４ｍｍ、内径が２１ｍｍ、厚さ９ｍｍのトロイダル形状の磁心部材を例えば３個重ねて形成される。従って、磁心の断面形状は矩形状で形成されるとともに、その断面積は（（３４−２１）×９）×３＝３５１ｍｍ２となる。なお、磁心部材の個数は３個に限るものではなく、１次側巻線の巻数との関係で、例えば１個でもよいし、複数個であってもよい。このように、重ねられる磁心部材の個数により磁心の断面積を調整できる。
【００３０】
また、磁心材は、コバルトを主成分とするアモルファス合金（以下「Ｃｏ系」ともいう。）の磁心材で、角形比が０・９１のものを用いた。ここで、角形比は、可飽和トランスＳＴの残留磁束密度Ｂｒを飽和磁束密度Ｂｓで除した値である。
また、可飽和トランスＳＴの１次側巻線２０と２次側巻線２２との巻数比は２：５の様に、１次側巻線２０の巻数より２次側巻線２２の巻数を大きく形成した。パルストランスＰＴを省略し、可飽和トランスＳＴ単体なら巻数比を１：１０でもよい。
【００３１】
そして、図２に示すように、可飽和トランスＳＴの１次側巻線は、パルストランスＰＴの２次側巻線に接続され、可飽和トランスＳＴの２次側巻線２２の一端側に、例えば１ｎＦの容量の第２コンデンサ１８が接続され、第２コンデンサ１８の他端側は接地される。さらに、図２に示すように、可飽和トランスＳＴの２次側巻線と第２コンデンサ１８との直列接続に対して、ＦＲＤ１６が並列接続される。
【００３２】
次に、実施例２及び実施例３のパルス電源装置３０と実施例１のパルス電源装置３０との相違点は、図３に示すように、ＦＲＤ１６を並列で複数設けた点である。具体的には、実施例２では、同じスペックのＦＲＤ１６を２個並列で構成し、実施例３では、同じスペックのＦＲＤ１６を３個並列で構成した。
【００３３】
実施例１の動作波形例を図４に、実施例２の動作波形例を図５に、実施例３の動作波形例を図６にそれぞれ示す。図４〜図６は、それぞれの実施例のパルス電源装置３０を動作させ、オシロスコープで計測した波形例を示し、横軸は時間ｔであり、縦軸は電圧・電流である。また、図４〜図６において、ｔ０は半導体スイッチ３３がＯＮした時間を示し、Ｉ１はＦＲＤ１６の順方向電流波形を示し、ＶｏｕｔはＦＲＤ１６の両端の出力パルス波形を示す。
【００３４】
図４に示すように、実施例１のパルス電源装置３０では、ＦＲＤ１６の逆回復電流Ｉｒの最大値がー８４．１Ａ、出力パルスＶｏｕｔの最大値が３０．９ｋＶで、出力パルスＶｏｕｔの立上時間は略４ｎｓであり、高電圧でしかも極めて立上時間が短い出力パルス（Ｖｏｕｔ）が発生している。
次に、図５に示すように、実施例２のパルス電源装置３０では、ＦＲＤ１６の逆回復電流Ｉｒの最大値がー９８．６８Ａ、出力パルスＶｏｕｔの最大値が３９．４１ｋＶで、出力パルスＶｏｕｔの立上時間は略３ｎｓであり、高電圧でしかも極めて立上時間が短い出力パルス（Ｖｏｕｔ）が発生している。
また、図６に示すように、実施例３のパルス電源装置３０では、ＦＲＤ１６の逆回復電流Ｉｒの最大値がー１０８Ａ、出力パルスＶｏｕｔの最大値が４４．９ｋＶで、出力パルスＶｏｕｔの立上時間は略２ｎｓの出力パルス（Ｖｏｕｔ）が発生している。
【００３５】
図４〜図６では、順方向電流Ｉ１が最大値近傍Ｉ１ＭＡＸから立下がっているが、これは、可飽和トランスＳＴが最大値近傍Ｉ１ＭＡＸで飽和して、可飽和トランスＳＴのインダクタンスが飽和時のインダクタンスＬｓａｔに低下するため、上述した順方向電流Ｉ１の周期がＴｈ＝２Π（Ｌ（非飽和）×Ｃ０）１／２）からＴｈ´＝２Π（Ｌｓａｔ×Ｃ０）１／２）へと短くなり、最大値近傍Ｉ１ＭＡＸから減少に転じるためである。
【００３６】
しかも、図４〜６に示すように、順方向電流Ｉ１の最大値近傍Ｉ１ＭＡＸで可飽和トランスＳＴが飽和することにより、順方向電流Ｉ１が急激に立下がり、ＦＲＤ１６に大きな逆回復電流Ｉｒが流れ、この逆回復電流Ｉｒが急激に遮断されることで、逆回復電流Ｉｒの戻りΔＩｒの時間に対する変化が急峻になり、その結果、ＦＲＤ１６の両端に、高電圧でしかも極めて立上時間が短い高電圧パルス（Ｖｏｕｔ）が発生していることがわかる。
この理由の詳細は不明であるが、例えばＦＲＤ１６の順方向電流Ｉ１の最大値近傍でＦＲＤに注入された少数キャリアの数も略最大となり、その時点で可飽和トランスＳＴが急激に飽和することでＦＲＤ１６に流れる電流の極性が急激に反転し、その少数キャリアが殆ど消滅しないまま急激にＦＲＤ１６の逆回復状態（Ｔｒｒ）に入り、大きな逆回復電流Ｉｒにつながるためとも考えられる。
【００３７】
さらに、図４〜図６によれば、ＦＲＤを並列個数が多い程、高電圧でしかも立上時間が短い出力パルスＶｏｕｔが得られていることがわかる。なお、並列個数は１〜４個が望ましい。
【００３８】
［電圧時間積比］
次に、図１，図２，図３に示す回路構成において、可飽和トランスＳＴの磁心の材質、１次側巻線２０の巻数、磁心の断面積及びＦＲＤ１６の種類をパラメータとして種々の実施例及び比較例を更に作製し、可飽和トランスＳＴの電圧時間積比（以下「ＶＴ積比」という。）と出力パルスＶｏｕｔの立上時間との関係を求めた。
以下に、図７を用いて可飽和トランスＳＴの特性を現わす電圧時間積（以下「ＶＴ積」という。）及びこのＶＴ積を分母としたＶＴ積比について説明する。
図７において横軸は時間ｔを示す。また、図７（ａ）においてＶ（ｔ）は、図１（ｂ）に示すパルス電流Ｉ０によって、可飽和トランスＳＴの１次側巻線２０に印加される電圧である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の時間軸の中途までを示し、図７（ｃ）は、図１（ｃ）と同じ概念波形図を示す。
【００３９】
まず、可飽和トランスのＶＴ積は、
∫ＴＳＶ（ｔ）ｄｔ＝Ａｍ×ΔＢ×Ｎ・・・・式（１）で現わされる。
式（１）で、ＴＳは、半導体スイッチ３３がＯＮして可飽和トランスが磁気飽和するまでの時間、Ａｍは磁心の断面積、ΔＢは磁束密度変化量、Ｎは１次側巻線の巻数である。ここで、ΔＢは、磁心の形状・材質によって決まる量であることから、式（１）の左辺であるＶ（ｔ）の時間軸による積分値は、１次側巻線の巻数Ｎと磁心の断面積Ａｍとの積に比例する。
【００４０】
次に、ＶＴ積比は、
∫ＴＳＶ（ｔ）ｄｔ／∫ＴｈＶ（ｔ）ｄｔ・・・式（２）で現わされる。
式（２）の分母は、図７（ａ）に示すように、Ｖ（ｔ）をｔ＝０からｔ＝ＴＳ＝Ｔｈ／２まで積分した値であり、Ｖｔ（１００％）で示される領域に対応する。すなわち、パルス電流Ｉ０の半周期Ｔｈ／２或いは半周期Ｔｈ／２を越えた時間で磁気飽和する様に設計された可飽和トランスＳＴ´のＶＴ積を示す。
次に、式（２）の分子は、図７（ｃ）に示すように、Ｖ（ｔ）を時間軸の０からＴＳ＝Ｔｓａｔまで積分した値であり、Ｖｔｓで示される領域に対応する。ここで、Ｔｓａｔは、図７（ｃ）に示すように、Ｉ１が反転する時間、すなわち本実施形態における可飽和トランスＳＴが磁気飽和する時間を示す。従って、式（２）の分子は、本実施形態における可飽和トランスＳＴのＶＴ積を現わす。
【００４１】
図８は、上述した種々の実施例に係る可飽和トランスＳＴのＶＴ積比と、出力パルスＶｏｕｔの立上時間との関係を示すプロット図である。図８において、横軸は可飽和トランスＳＴのＶＴ積比を示し、縦軸は、１ｎｓ当たりの出力パルスＶｏｕｔの立上電圧（Ｖｏｕｔ／ｄｔ）を示す。従って、縦軸の値が大きいほど、出力パルスＶｏｕｔの立上が急峻なことを示す。また、図８において、Ｄ１〜Ｄ６は、ＦＲＤ１６の種類、例えば逆回復時間Ｔｒｒのスペックが異なることを示す。
【００４２】
さらに、図８において、左側の二点鎖線で囲まれる一群のデータは、可飽和トランスＳＴの磁心をＣｏ系とし、その角形比を０．９１で形成したＣｏ系実施例のデータを示す。これに対し、図８において、右側の二点鎖線で囲まれる一群のデータは、可飽和トランスＳＴの磁心を鉄系の材料（鉄を主成分とするアモルファス合金）で形成し、その角形比を０．９未満で形成した鉄系実施例のデータを示す。
【００４３】
例えば、図８において、ＶＴ積比が０．４で縦方向に並んだ６個のプロットは、磁心をＣｏ系の材料で形成し、ＶＴ積が０．４となる様に、磁心の断面積と１次側巻数を調整した可飽和トランスＳＴに対して、Ｄ１〜Ｄ６の６個のＦＲＤ１６をそれぞれ用いて構成された６つの実施例に係るデータであることを示している。
また、図８において、ＶＴ積比１．００にプロットされたデータは比較例のデータであり、図１（ｂ）に示す様な、パルス電流Ｉ０の半周期Ｔｈ／２の時に可飽和トランスＳＴが飽和する様に設計されたパルス電源装置のデータである。
【００４４】
図８から明らかな様に、可飽和トランスＳＴの磁心は、Ｃｏ系の材料で形成した方が、鉄系の材料より出力パルスＶｏｕｔの立上が急峻なパルス電源装置３０を形成できる。このことは、Ｃｏ系磁心と鉄系磁心の角形比の相違により、Ｃｏ系磁心の可飽和トランスＳＴの非飽和状態から飽和状態への移行が、鉄系より急激に切り替わるため、すなわちＣｏ系磁心を用いた可飽和トランスＳＴの磁気スイッチ特性が、鉄系磁心を用いた可飽和トランスＳＴより優れているためと考えられる。
【００４５】
ここで、鉄系の磁心を用い、ＶＴ積比が０．３３となる様に、可飽和トランスＳＴを形成した場合の、パルス電源装置３０の動作波形を図９に示す。
図９によれば、順方向電流Ｉ１の極性の切替りは、実施例１〜３（図４〜６参照）の切替りよりなだらかで、ＦＲＤ１６の逆回復電流Ｉｒの最大値もー２０．４Ａと、実施例１〜３の逆回復電流Ｉｒの最大値よりも小さいことが分かる。そのため、出力パルスＶｏｕｔの最大値も５．９０ｋＶと、Ｃｏ系よりも低く現れている。
【００４６】
また、図８から明らかな様に、鉄系の磁心を用いた場合、ＶＴ積比は０．７近傍でＶｏｕｔ／ｄｔが高くなっている。すなわち、鉄系の磁心を用いた場合には、１次側巻数と磁心断面積を調整してＶＴ積比を略０．７近傍とすることで出力パルスＶｏｕｔの立上を急峻なパルス電源装置を形成できる。このことは、鉄系の磁心を用いた場合には、ＶＴ積比を略０．７近傍になるように、１次側巻数及び／又は磁心断面積を調整して可飽和トランスＳＴを形成することで、順方向電流Ｉ１の最大値近傍で可飽和トランスＳＴが飽和するものと考えられる。
【００４７】
また、図８から明らかな様に、Ｃｏ系の磁心を用いた場合、ＶＴ積比は０．２〜０．４近傍でＶｏｕｔ／ｄｔが高くなっている。すなわち、Ｃｏ系の磁心を用いた場合には、１次側巻数及び／又は磁心断面積を調整してＶＴ積比を０．２〜０．４とすることで出力パルスＶｏｕｔの立上を急峻なパルス電源装置を形成できる。このことは、Ｃｏ系の磁心を用いた場合には、ＶＴ積比を０．２〜０．４になるように、１次側巻数の巻数及び／又は磁心断面積を調整して可飽和トランスＳＴを形成することで、順方向電流Ｉ１の最大値近傍で可飽和トランスＳＴが飽和するものと考えられる。
【００４８】
これまで説明してきたように、上述してきた実施形態のパルス電源装置３０によれば、高電圧でしかも極めて立上時間が短い高電圧パルスを発生させるパルス電源装置を提供できる。
【００４９】
また同様に、初期充電される第１コンデンサ１３から半導体スイッチ３３のオン制御でパルス電流Ｉ０を発生するパルス発生回路１２と、パルス電流Ｉ０を可飽和トランスＳＴで取り込み、パルス電流Ｉ０を磁気圧縮して負荷に供給する磁気パルス圧縮回路１４とを備え、磁気パルス圧縮回路１４は、可飽和トランスＳＴの２次側巻線２２に直列接続される第２コンデンサ１８と、２次側巻線２２と第２コンデンサ１８との直列接続に並列接続されるファーストリカバリダイオード（ＦＲＤ１６）とを含むパルス電源装置３０の設計方法であって、可飽和トランスＳＴの１次側巻線２０の巻数Ｎ及び／又は可飽和トランスＳＴの磁心の断面積Ａｍをパラメータとし、ファーストリカバリダイオード（ＦＲＤ１６）の順方向電流Ｉ１であり、パルス電流Ｉ０によって発生する順方向電流Ｉ１の最大値近傍Ｉ１ｍａｘで、可飽和トランスＳＴを飽和させる、パルス電源装置の設計方法を提供できる。
【００５０】
以上、本発明の実施形態のうちいくつかを図面に基づいて詳細に説明したが、これらはあくまでも例示であり、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１０  パルス電源装置の基本回路
１２  パルス発生回路
１３  第１コンデンサ
１４  磁気パルス圧縮回路
１６  ファーストリカバリダイオード（ＦＲＤ）
１８  第２コンデンサ
２０  １次側巻線
２２  ２次側巻線
３３  半導体スイッチ
ＬＯＡＤ  負荷
【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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