(57)【要約】【課題】負荷を介さずに低圧の初期充電が可能で且つ負荷に供給される電圧のサグを補償することのできる高電圧パルス発生装置を提供する。【解決手段】コンデンサ２と、自己消弧型半導体素子３及び４と、ダイオード５及び６とから成る単位ユニットＮ台をＮ段直列接続し、１段目の単位ユニット１の正側入力とＮ段目の単位ユニット１の負側出力から負荷１１に給電するようにした直列接続体と、１段目の単位ユニット１の入力端子間に接続された自己消弧型半導体素子７と、１段目の単位ユニット１のコンデンサ２の両端に接続された初期充電用電源１０と、初期充電用電源１０及び自己消弧型半導体素子４をオンして初期充電を制御する初期充電制御手段１２と、自己消弧型半導体素子３及び７をオンして負荷１１にパルス電圧を供給するための放電制御手段１３とを具備し、放電制御手段１３は、各段の自己消弧型半導体素子３を各々独立してオンオフする。【選択図】図１
2008011595.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードを正側入力端子に、カソードをコンデンサを介して負側入力端子に接続した第１のダイオードと、
正極を正側出力端子及び前記第１のダイオードのカソードに接続し、負極を負側出力端子に接続した第１の自己消弧型半導体素子と、
正極を負側出力端子に、負極を負側入力端子に接続し、第２のダイオードが逆並列接続された第２の自己消弧型半導体素子と
から成る単位ユニットＮ台（Ｎは２以上の整数）をＮ段直列接続し、
１段目の前記単位ユニットの正側入力端子とＮ段目の前記単位ユニットの負側出力端子から負荷に給電するように構成した直列接続体と、
１段目の前記単位ユニットの正側入力端子に正極を、負側入力端子に負極を夫々接続した第３の自己消弧型半導体素子と、
１段目の前記単位ユニットの第１のダイオードのカソードに正極を、１段目の前記単位ユニットの負側入力端子に負極を接続した初期充電用電源と、
初期充電時に前記初期充電用電源及び前記第２の自己消弧型半導体素子をオンし、初期充電が完了したとき、前記初期充電用電源及び前記第２の自己消弧型半導体素子をオフするように動作する初期充電制御手段と、
前記第１及び第３の自己消弧型半導体素子をオンして前記負荷にパルス電圧を供給するための放電制御手段と
を具備し、
前記放電制御手段は、各段の前記第１の自己消弧型半導体素子を各々独立してオンオフするようにしたことを特徴とする高電圧パルス発生装置。
【請求項２】
アノードを正側入力端子に、カソードをコンデンサを介して負側入力端子に接続した第１のダイオードと、
正極を正側出力端子及び前記第１のダイオードのカソードに接続し、負極を負側出力端子に接続した第１の自己消弧型半導体素子と、
アノードを正側入力端子に、カソードを負側出力端子に接続した第２のダイオードと
から成る単位ユニットＮ台（Ｎは２以上の整数）をＮ段直列接続し、
１段目から（Ｎ−１）段目までの（Ｎ−１）個の単位ユニットの前記第２のダイオードには第２の自己消弧型半導体素子を逆並列接続し、
１段目の前記単位ユニットの正側入力端子とN段目の前記単位ユニットの負側出力端子から負荷に給電するように構成した直列接続体と、
１段目の前記単位ユニットの正側入力端子に正極を、負側入力端子に負極を夫々接続した第３の自己消弧型半導体素子と、
１段目の前記単位ユニットの第１のダイオードのカソードに正極を、１段目の前記単位ユニットの負側入力端子に負極を接続した初期充電用電源と、
初期充電時に前記初期充電用電源及び前記第２の自己消弧型半導体素子をオンし、初期充電が完了したとき、前記初期充電用電源及び前記第２の自己消弧型半導体素子をオフするように動作する初期充電制御手段と、
前記第１及び第３の自己消弧型半導体素子をオンして前記負荷にパルス電圧を供給するための放電制御手段と
を具備し、
前記放電制御手段は、各段の前記第１の自己消弧型半導体素子を各々独立してオンオフするようにしたことを特徴とする高電圧パルス発生装置。
【請求項３】
前記Ｎ段の単位ユニットを主単位ユニットと補助単位ユニットに２分割し、
前記放電制御手段は、
前記主単位ユニットに属する前記第１の自己消弧型半導体素子は同時にオンし、前記補助単位ユニットに属する前記第１の自己消弧型半導体素子は各々独立してオンするようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高電圧パルス発生装置。
【請求項４】
前記Ｎ段の単位ユニットの何れか１つの段の前記コンデンサの両端電圧を検出する電圧検出器を設け、
前記初期充電制御手段は、
前記電圧検出器の検出電圧が目標値に到達したとき前記初期充電電源及び各段の前記第２の自己消弧型半導体素子をオフするようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の高電圧パルス発生装置。
【請求項５】
前記主単位ユニットの前記コンデンサの初期充電電圧と、前記補助単位ユニットの前記コンデンサの初期充電電圧を互いに異なる電圧としたことを特徴とする請求項３に記載の高電圧パルス発生装置。
【請求項６】
アノードを正側入力端子に、カソードをコンデンサを介して負側入力端子に接続した第１のダイオードと、
正極を正側出力端子及び前記第１のダイオードのカソードに接続し、負極を負側出力端子に接続した第１の自己消弧型半導体素子と、
正極を負側出力端子に、負極を負側入力端子に接続し、第２のダイオードが逆並列接続された第２の自己消弧型半導体素子と
から成る単位ユニット複数台を複数段直列接続して構成した１組の直列接続体をＭ（Ｍは２以上の整数）組直列接続し、
１組目の１段目の前記単位ユニットの正側入力端子とＭ組目の最終段の前記単位ユニットの負側出力端子から負荷に給電するように構成した複合直列接続体と、
１組目の１段目の前記単位ユニットの正側入力端子に正極を、負側入力端子に負極を夫々接続した第３の自己消弧型半導体素子と、
各組の１段目の前記単位ユニットの第１のダイオードのカソードに正極を、１段目の前記単位ユニットの負側入力端子に負極を夫々接続した各組用の初期充電用電源と、
各組の初期充電時に前記初期充電用電源及び最終段を除く前記第２の自己消弧型半導体素子をオンし、初期充電が完了したとき、前記初期充電用電源及び前記第２の自己消弧型半導体素子をオフするように動作する初期充電制御手段と、
前記第１及び第３の自己消弧型半導体素子をオンして前記負荷にパルス電圧を供給するための放電制御手段と
を具備し、
前記放電制御手段は、少なくとも１組の各段の前記第１の自己消弧型半導体素子を各々独立してオンオフするようにしたことを特徴とする高電圧パルス発生装置。
【請求項７】
アノードを正側入力端子に、カソードをコンデンサを介して負側入力端子に接続した第１のダイオードと、
正極を正側出力端子及び前記第１のダイオードのカソードに接続し、負極を負側出力端子に接続した第１の自己消弧型半導体素子と、
アノードを正側入力端子に、カソードを負側出力端子に接続した第２のダイオードと
から成る単位ユニット複数台を複数段直列接続し、
最終段を除く各段の単位ユニットの前記第２のダイオードには第２の自己消弧型半導体素子を逆並列接続して成る単位ユニット複数台を複数段直列接続して構成した１組の直列接続体をＭ（Ｍは２以上の整数）組直列接続し、
１組目の１段目の前記単位ユニットの正側入力端子とＭ組目の最終段の前記単位ユニットの負側出力端子から負荷に給電するように構成した複合直列接続体と、
１組目の１段目の前記単位ユニットの正側入力端子に正極を、負側入力端子に負極を夫々接続した第３の自己消弧型半導体素子と、
各組の１段目の前記単位ユニットの第１のダイオードのカソードに正極を、１段目の前記単位ユニットの負側入力端子に負極を夫々接続した各組用の初期充電用電源と、
各組の初期充電時に前記初期充電用電源及び前記第２の自己消弧型半導体素子をオンし、初期充電が完了したとき、前記初期充電用電源及び前記第２の自己消弧型半導体素子をオフするように動作する初期充電制御手段と、
前記第１及び第３の自己消弧型半導体素子をオンして前記負荷にパルス電圧を供給するための放電制御手段と
を具備し、
前記放電制御手段は、少なくとも１組の各段の前記第１の自己消弧型半導体素子を各々独立してオンオフするようにしたことを特徴とする高電圧パルス発生装置。
【請求項８】
少なくとも１組の初期充電電圧を他の組の初期充電電圧と互いに異なる値としたことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の高電圧パルス発生装置。
【請求項９】
各組ごとに前記各組の単位ユニットの何れか１つの段の前記コンデンサの両端電圧を検出する電圧検出器を設け、
前記初期充電制御手段は、
前記電圧検出器の検出電圧が目標値に到達したとき前記初期充電電源及び各段の前記第２の自己消弧型半導体素子を各組ごとにオフするようにしたことを特徴とする請求項６乃至請求項８の何れか１項に記載の高電圧パルス発生装置。
【請求項１０】
前記単位ユニットの前記コンデンサと直列に短絡電流限流手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の高電圧パルス発生装置。
【請求項１１】
前記単位ユニットの前記第１の自己消弧型半導体素子と直列に短絡電流限流手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項１０の何れか１項に記載の高電圧パルス発生装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
負荷にパルス状の高電圧を繰返し供給する高電圧パルス発生装置、特に、数ミリ秒の間に５０〜１００ｋＶ、ピークパワー数ＭＷのパルスを供給する高電圧パルス発生装置においては、通常コンデンサにエネルギーを蓄積し、負荷とコンデンサとの間に多直列に接続された自己消弧型半導体スイッチをオンすることにより、負荷にエネルギーを供給し、必要時間オンした後自己消弧型半導体スイッチをオフすることにより負荷に供給されるエネルギーを遮断する方式が用いられる。この時の負荷としては、一般的にクライストロンなどの真空管電力増幅器が適用されていた。
【０００２】
上記に示す従来の高電圧パルス発生装置では、ピークパワー数ＭＷを数ミリ秒負荷に電力を供給する場合、コンデンサの電圧が低下し、数１０％の電圧サグ（電圧の低下）を生ずることとなり、クライストロン等の出力の安定性を著しく低下させることになる。
【０００３】
このため、リアクトルとコンデンサとの共振回路とスイッチ及びダイオードとで構成されるバウンサ回路と呼ばれる電圧サグ補償回路を負荷と直列に接続し、自己消弧型半導体スイッチより供給されるパルス電圧に、バウンサ回路で発生するＬＣ共振回路の電圧を重畳させることによって負荷両端の電圧をフラットに補償する方式が用いられている。（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
しかしながら、特許文献１に示す高電圧パルス発生装置においては、バウンサ回路のリアクトルとコンデンサの温度によるインダクタンス及び容量のドリフト、製品間のバラツキ等があるため、スイッチを投入するタイミングを調整することが非常に困難であった。
【０００５】
また、自己消弧型半導体スイッチを多直列に接続して使用するため、各自己消弧型半導体素子間の直流及び過渡電圧バランスをとることが困難であった。
【０００６】
更に、負荷に供給するエネルギーを蓄積するエネルギー蓄積コンデンサを初期充電する初期充電用電源は、負荷供給電圧と等しい電圧が必要となるため高圧の電源が必要となり、装置の大型化、絶縁劣化等による信頼性の低下などの問題があった。
【０００７】
これに対し、所謂マルクス回路を利用した高電圧パルス発生装置により、負荷に供給するエネルギーを貯蔵するためのコンデンサを初期充電する電源を低電圧化し、必要なパルス幅のみを負荷に供給する構成の高電圧パルス発生装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開２００３−９５４８号公報（全体）
【特許文献２】特開２００５−２３７１４７号公報（全体）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２に示される高電圧パルス発生装置では、先に示すような数ミリ秒で、ピークパワー数ＭＷクラスの負荷を接続した場合、各コンデンサの電圧低下による電圧サグが生じることになる。
【０００９】
更に、特許文献２に示される回路構成では、直流電源が負荷と直列に接続されているため各段のコンデンサを充電する経路は、負荷を介する経路とする必要がある。しかし、例えば、クライストロンのような真空管が負荷の場合、一定電圧以上が負荷両端に印加されないと、回路がオン状態とならないため初期充電ができないという問題が生じる。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みて為されたもので、負荷を介さずに低圧の初期充電が可能で且つ負荷に供給される電圧のサグを補償することのできる高電圧パルス発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の高電圧パルス発生装置は、アノードを正側入力端子に、カソードをコンデンサを介して負側入力端子に接続した第１のダイオードと、正極を正側出力端子及び前記第１のダイオードのカソードに接続し、負極を負側出力端子に接続した第１の自己消弧型半導体素子と、正極を負側出力端子に、負極を負側入力端子に接続し、第２のダイオードが逆並列接続された第２の自己消弧型半導体素子とから成る単位ユニットＮ台（Ｎは２以上の整数）をＮ段直列接続し、１段目の前記単位ユニットの正側入力端子とＮ段目の前記単位ユニットの負側出力端子から負荷に給電するように構成した直列接続体と、１段目の前記単位ユニットの正側入力端子に正極を、負側入力端子に負極を夫々接続した第３の自己消弧型半導体素子と、１段目の前記単位ユニットの第１のダイオードのカソードに正極を、１段目の前記単位ユニットの負側入力端子に負極を接続した初期充電用電源と、初期充電時に前記初期充電用電源及び前記第２の自己消弧型半導体素子をオンし、初期充電が完了したとき、前記初期充電用電源及び前記第２の自己消弧型半導体素子をオフするように動作する初期充電制御手段と、前記第１及び第３の自己消弧型半導体素子をオンして前記負荷にパルス電圧を供給するための放電制御手段とを具備し、
前記放電制御手段は、各段の前記第１の自己消弧型半導体素子を各々独立してオンオフするようにしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、負荷を介さずに低圧の初期充電が可能で且つ負荷に供給される電圧のサグを補償することのできる高電圧パルス発生装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１４】
以下、本発明の実施例１に係る高電圧パルス発生装置を図１乃至図３を参照して説明する。図１は本発明の実施例１に係る高電圧パルス発生装置のブロック構成図である。
【００１５】
単位ユニット１Ａは、コンデンサ２Ａと、このコンデンサ２Ａに並列に接続された自己消弧型半導体素子３Ａ及び４Ａの直列回路、並びに自己消弧型半導体素子３Ａと逆並列に接続された還流ダイオード５Ａ、コンデンサ２Ａの正極にカソードが接続されたダイオード６Ａから構成されている。
【００１６】
単位ユニット１の回路構成について、図２を参照して更に説明する。図２に示したように、単位ユニット１は、アノードをその正側入力端子に、カソードをコンデンサ２を介して負側入力端子に接続された第１のダイオード６と、正極が正側出力端子及び第１のダイオード６のカソードに接続され、負極が負側出力端子に接続された第１の自己消弧型半導体素子３と、正極が負側出力端子に、負極が負側入力端子に接続され、還流ダイオード５が逆並列接続された第２の自己消弧型半導体素子４とから構成されている。
【００１７】
単位ユニット１Ｂ、１Ｃ及び１Ｄの各々は単位ユニット１と同一の構成となっている。そしてこれらの単位ユニット１Ａ、１Ｂ、１Ｃ及び１Ｄは、高電圧パルス発生装置として低圧側から順に直列に接続されている。この接続方法は、単位ユニット１Ａの自己消弧型半導体素子３Ａの正極を単位ユニット３Ｂのダイオード５Ｂのアノードに接続し、単位ユニット１Ａの自己消弧型半導体素子３Ａの負極を単位ユニット３Ｂの自己消弧型半導体素子３Ｂの負極に接続する。即ち、単位ユニット１Ａの正、負の出力端子を単位ユニット２の正、負の入力端子に夫々接続する。単位ユニット１Ｂと１Ｃの接続、単位ユニット１Ｃと１Ｄの接続も上記単位ユニット１Ａと１Ｂの接続方法と同様である。このように直列に接続された単位ユニット１Ａ、１Ｂ、１Ｃ及び１Ｄは所謂４段構成のマルクス回路を形成している。尚図１においては、４段のマルクス回路を図示しているが、必ずしも４段である必要はなく任意の複数段の構成であっても良い。
【００１８】
最も低圧側の単位ユニット１Ａのコンデンサ２Ａの両端に、ダイオード６Ａのカソードとの接続点が正となるように初期充電用電源１０を接続する。そして単位ユニット１Ａのダイオード６Ａのアノードに自己消弧型半導体素子７の正極を、コンデンサ２Ａの負極に自己消弧型半導体素子７の負極を接続する。
【００１９】
負荷１１は、最も高圧側の単位ユニット１Ｄの自己消弧型半導体素子３Ｄの負極と自己消弧型半導体素子７の正極の正極間に接続される。
【００２０】
初期充電制御部１２は、所定のタイミングで初期充電用電源１０のオンオフ制御及び充電用の並列回路を構成するために設けられた各段の自己消弧型半導体素子３のオンオフ制御を行う。
【００２１】
また、放電制御部１３は所定のタイミングに従い、自己消弧型半導体素子６のオンオフ制御及び放電用の直列回路を構成するために設けられた各段の自己消弧型半導体素子４のオンオフ制御を行う。
【００２２】
次に、図３の動作説明図を参照して本発明の実施例１に係る高電圧パルス発生装置の動作について説明する。図３（ａ）は初期充電時の動作説明図である。
【００２３】
初期充電時には、初期充電制御部１２より、初期充電用電源１０及び各段の自己消弧型半導体素子４を全てオンする。４直列接続された単位ユニット１のコンデンサ２は、初期充電用電源１０からみると４並列の回路とみなせるため、破線で図示した充電電流によって初期充電電圧Ｖ0に充電される。この充電が完了したタイミングを例えばタイマーなどで検出し、初期充電用電源１０及び各段の自己消弧型半導体素子４を全てオフする。
【００２４】
上記構成において、最も高圧側の単位ユニット１Ｄの自己消弧型半導体素子４Ｄはオンオフ動作を行う必要は無く、また後述するように負荷パルスを給電するときも電流路を形成しない。従って、最も高圧側の単位ユニット１Ｄの自己消弧型半導体素子４Ｄは省くことができる。
【００２５】
次に、図３（ｂ）に示したように、放電制御部１３により、自己消弧型半導体素子７及び各段の自己消弧型半導体素子３を全てオンする。この動作によって各段のコンデンサ２は直列回路を形成し、負荷１１に対し１直列あたりの充電電圧の４倍、すなわち４Ｖ0の電圧を供給することが可能となる。このときの放電電流（負荷電流）経路を破線で示す。
【００２６】
更に、図３（ｂ）の負荷パルスオンの状態で所定時間経過後、図３（ｃ）に示すように
自己消弧型半導体素子６及び各段の自己消弧型半導体素子３を全てオフする。この操作によって、各段の自己消弧型半導体素子３に流れていた電流は、図３（ｂ）の破線で示したように各段のダイオード６及び還流ダイオード５を介して、コンデンサ２に転流する。これにより、負荷１１へのパルス電圧の供給は停止される。
【００２７】
コンデンサ２は、負荷１１にパルス電力を供給するエネルギー蓄積用であるため、電流遮断時の回路インダクタンスのエネルギー吸収の目的で自己消弧型半導体素子の両端に一般的に接続されるスナバコンデンサに比べて十分に大きな容量を有する。このため、回路インダクタンスのエネルギーを吸収するために発生する過電圧を十分抑制することが可能となる。また、各段の自己消弧型半導体素子３を全てオフすることにより、各段のダイオード６及び還流ダイオード５は、各段のコンデンサ２間の電荷の移動を阻止するように動作する。従って、各段の電圧のアンバランスが生じにくいという特徴を有している。
【００２８】
更に、各段の自己消弧型半導体素子３をオンまたはオフする時のタイミングのバラツキによる過電圧に対しても、容量の大きいコンデンサ２が並列に接続された回路構成となっているためその影響は小さい。
【００２９】
上記特徴に加え、自己消弧型半導体素子３がオフしている単位ユニット１においては、当該段のダイオード６を介して電流が流れるため、当該段には電圧が発生しない。従って、放電制御部１３から各々の段の自己消弧型半導体素子３を独立してオンオフするようにすれば、負荷１１に供給する電圧を可変にすることが可能となる。この機能は、電圧サグの補償制御に極めて有効である。
【００３０】
以上説明したように、本発明の実施例１に係る高電圧パルス発生装置によれば、初期充電用電源１０の電圧を低圧化することができるため、絶縁的に非常に容易な設計とすることができる。従って、装置の小型化や信頼性の改善に寄与する。また、各段に自己消弧型半導体素子４を設けることにより、負荷１１を介さない初期充電時の流路を確保することができるため、クライストロンのような真空管等の負荷に対しても問題なく適用することが可能となる。更に、各段の自己消弧型半導体素子３を独立してオンオフする機能を有する放電制御部１３を具備することにより出力電圧を可変にすることができる。
【００３１】
また、各段の自己消弧型半導体素子のオフ時の回路インダクタンスのエネルギーをコンデンサ１により吸収することができるため、過電圧の発生等を抑制することができる。加えて、オンまたはオフ時の各段のタイミングバラツキによる過電圧も抑制することができる。
【実施例２】
【００３２】
以下、本発明の実施例２に係る高電圧パルス発生装置を図４乃至図６を参照して説明する。
【００３３】
図４は本発明の実施例２に係る高電圧パルス発生装置のブロック構成図である。この実施例２の各部について、図１の実施例１に係る高電圧パルス発生装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、負荷電圧を検出する電圧検出器１４を設け、この検出電圧と基準値を比較器１５で比較し、その差が所定値以上であればカウンタ１６を１カウント進めると共に放電制御部１３Ａに制御指令を与える構成とした点である。
【００３４】
このように構成することによって、まず複数台の単位ユニット１のうちの一部をオンすることによって所望のパルス電圧を負荷１１に供給し、所定の電圧低下が生じたとき、カウンタ１６を動作させて待機していた単位ユニット１をオンさせて電圧サグを補償することが可能となる。
【００３５】
上記は、高電圧パルス発生装置の単位ユニット１の複数の直列接続のうち、同時に単位ユニットの自己消弧型半導体素子３をオンする主単位ユニットの組と、個別に順次オンしていく補助単位ユニットの組に分けることによって実現することが可能となる。この場合の動作の推移を図５を参照して以下に説明する。
【００３６】
主単位ユニットのコンデンサ１の初期充電電圧をＶM、補助単位ユニットのコンデンサ１の初期充電電圧をＶSUBとする。尚、図３に示したブロック構成において、単位ユニット毎に初期充電電圧を変えるには、初期充電電源１０の出力電圧を可変とし、一旦全ての単位ユニットを低電圧で初期充電したあと、初期充電電源１０に遠い側の補助単位ユニットの自己消弧型半導体素子４をオフして高電圧で再度初期充電すれば良い。
【００３７】
図５（ａ）に示したように、負荷パルスオン時に自己消弧型半導体素子７及び主単位ユニットの自己消弧型半導体素子３をオンすると、負荷に２ＶMの電圧が供給される。この状態で、負荷１１に数ＭＷの電力を供給すると、主単位ユニットのコンデンサ１の電荷が放電され、負荷１１に供給される電圧が低下してくる。
【００３８】
一定時間（ｔ１）経過後にこの電圧降下が所定値を超えたことを図４に示した比較器１５によって検出し、補助単位ユニットのうちの１台目の自己消弧型半導体素子３をオンする。このときの状態は、図４（ｂ）に示すようになり、負荷電圧ＶＬは、２ＶM（ｔ１）＋ＶSUBとなる。
【００３９】
同様にして、一定時間（ｔ２）経過後に上記負荷電圧が低下して電圧降下が所定値を超え、補助単位ユニットのうちの２台目の自己消弧型半導体素子３をオンする。このときの状態は図４（ｃ）に示すようになり、負荷電圧ＶＬは、２ＶM（ｔ２）＋ＶSUB（ｔ２−ｔ１）＋ＶSUBとなる。ここで、補助単位ユニットのコンデンサ１の初期充電電圧ＶSUBを低い値に選定しておけば、ＶSUB（ｔ２−ｔ１）とＶSUBとの差は僅かであるので、負荷電圧ＶＬは、ほぼ２ＶM（ｔ２）＋２ＶSUBとなる。
【００４０】
以上のような動作を行わせることによってパルス供給期間中の電圧サグを補償することが可能となる。このような電圧サグ補償をシミュレーションした結果を図６に示す。図６中に「サグ補償なし」と記した主単位ユニットのみの場合の電圧波形と比べ、「サグ補償あり（本発明）」と記した主単位ユニット＋補助単位ユニットで構成される高電圧パルス発生装置を用いて得られた電圧波形の方が、より平坦なパルスを形成していることが分かる。
【実施例３】
【００４１】
図７は本発明の実施例３に係る高電圧パルス発生装置のブロック構成図である。この実施例３の各部について、図１の実施例１に係る高電圧パルス発生装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、単位ユニット１Ａのコンデンサ２Ａの両端の電圧を検出する電圧検出器８Ａを設け、この電圧検出器８Ａの検出電圧と初期充電の目標値を比較器１７で比較し、その偏差が所定値以下になったとき、初期充電制御部１２Ａは初期充電用電源１０を停止させ、かつ各段の自己消弧型半導体素子４をオフさせるように構成した点である。
【００４２】
上記構成において、単位ユニット１Ａの電圧を検出する構成となっているが、他の何れかの段の単位ユニット１のコンデンサ２の電圧を検出する構成としても良い。これは各段の単位ユニットに属するコンデンサ２は初期充電時、実質的に並列接続されているからである。
【００４３】
以上の構成によって、各段に電圧検出器を設ける構成と比べ、部品点数を削減することができ装置の信頼性を向上させることが可能となる。
【実施例４】
【００４４】
図８は本発明の実施例４に係る高電圧パルス発生装置のブロック構成図である。
【００４５】
この実施例４の各部について、図１の実施例１に係る高電圧パルス発生装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例１と異なる点は、単位ユニットを１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｅ、１Ｆ及び１Ｇと６段の構成とし、単位ユニット１Ｃと単位ユニット１Ｇの自己消弧型半導体素子４Ｃ、４Ｇを常時オフとするようにした点、初期充電用電源１０Ａを設け、この電圧を単位ユニット１Ｅのコンデンサ２Ｅの両端に印加するように構成した点である。尚、図８においては、負荷１１、初期充電制御部１２、放電制御部１３の図示は省略している。
【００４６】
上記構成において、例えば単位ユニット１Ａ、１Ｂ及び１Ｃを主単位ユニットとし、初期充電用電源１０の電圧を高く設定する。そして、単位ユニット１Ｅ、１Ｆ及び１Ｇを補助単位ユニットとし、初期充電用電源１０Ａの電圧を低く設定する。このようにすれば、主単位ユニットの直列数を減らすと共に、木目細かい電圧サグの補償を行なうことが可能となる。
【００４７】
図８においては、異なる電圧の初期充電用電源から充電される単位ユニットの組を２組として図示しているが、必ずしも２組に限らず、単位ユニット１を複数個直列接続した組を３組以上設け、各々の組ごとに絶縁された初期充電用電源を設ける構成としても良い。また、本実施例では各組内に属する単位ユニット１の直列数は３直列としているが、直列数は複数であれば良く、また組ごとに直列数を変えても良い。
【００４８】
図１の実施例１で示した高電圧パルス発生装置においては、単位ユニットの直列数が多いとき、初期充電時に最も電位の低いダイオード６Ｂと自己消弧型半導体素子４Ａに、全てのコンデンサ２の充電電流が流れることになり、素子の責務が増大する。従って本実施例のように、初期充電用電源を複数個設け、各々の初期充電用電源から充電する単位ユニット数を減少させれば、上記責務は軽減する。また、実施例３に示した高電圧パルス発生装置のように、主ユニットと補助ユニットの初期充電電圧を異なる値とする場合、本実施例のように異なる初期充電電源を用いて充電した方がより精度良く目的の初期充電電圧にコンデンサ１を充電することができる。
【００４９】
尚、上記構成において自己消弧型半導体素子４Ｃ、４Ｇは常時オフであるので、これらを省略することが可能である。
【実施例５】
【００５０】
図９は本発明の実施例５に係る高電圧パルス発生装置のブロック構成図である。
【００５１】
この実施例５の各部について、図８の実施例４に係る高電圧パルス発生装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例５が実施例４と異なる点は、単位ユニット１Ａのコンデンサ２Ａの両端の電圧を検出する電圧検出器８Ａを設け、この電圧検出器８Ａの検出電圧と初期充電の目標値を比較器１７で比較し、その偏差が所定値以下になったとき、初期充電制御部１３Ｂは初期充電用電源１０を停止させ、かつ各段の自己消弧型半導体素子４Ａ，４Ｂをオフさせるようにし、また、単位ユニット１Ｅのコンデンサ２Ｅの両端の電圧を検出する電圧検出器８Ｅを設け、この電圧検出器８Ｅの検出電圧と初期充電の目標値を比較器１７Ａで比較し、その偏差が所定値以下になったとき、初期充電制御部１３Ｂは初期充電用電源１０Ａを停止させ、かつ各段の自己消弧型半導体素子４Ｅ，４Ｆをオフさせるように構成した点である。
【００５２】
実施例３で説明したように、各組の単位ユニット１に属するコンデンサ２は、初期充電時には各組内では実質的に並列接続されているため、すべてのコンデンサ１の両端電圧を検出する必要はなく、各組ごとに何れかの段の１箇所の電圧を検出すれば十分である。
【００５３】
以上の構成によって、各段に電圧検出器を設ける構成と比べ、部品点数を削減することができ装置の信頼性を向上させることが可能となる。
【実施例６】
【００５４】
図１０は本発明の実施例６に係る高電圧パルス発生装置の単位ユニット１を示すブロック構成図である。
【００５５】
単位ユニット１は、コンデンサ２と短絡電流限流器８の第１の直列回路、この第１の直列回路に並列に接続された短絡電流限流器９、自己消弧型半導体素子３及び４から成る第２の直列回路、並びに自己消弧型半導体素子３と逆並列に接続された還流ダイオード５、短絡電流限流器８の正極にカソードが接続されたダイオード６から構成されている。
【００５６】
初期充電時、例えば最上段のコンデンサ１或いは自己消弧型半導体素子３が短絡故障したとき、全てのコンデンサ１からの電荷が流入するために過電流となって機器破損等を生じる恐れがある。このため、各々の単位ユニット１のコンデンサ１及び自己消弧型半導体素子３と直列に夫々短絡電流限流器８、９を接続することにより、短絡電流を限流することができ、信頼性の高い高電圧パルス発生装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施例１に係る高電圧パルス発生装置のブロック構成図。
【図２】高電圧パルス発生装置に用いられる単位ユニットの回路構成図。
【図３】本発明の実施例１に係る高電圧パルス発生装置の回路動作の説明図。
【図４】本発明の実施例２に係る高電圧パルス発生装置のブロック構成図。
【図５】本発明の実施例２に係る高電圧パルス発生装置の回路動作の説明図。
【図６】本発明の実施例２に係る高電圧パルス発生装置の出力シミュレーション図。
【図７】本発明の実施例３に係る高電圧パルス発生装置のブロック構成図。
【図８】本発明の実施例４に係る高電圧パルス発生装置のブロック構成図。
【図９】本発明の実施例５に係る高電圧パルス発生装置のブロック構成図。
【図１０】本発明の実施例６に係る高電圧パルス発生装置に使用される単位ユニットの回路構成図。
【符号の説明】
【００５８】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ  単位ユニット
２、２Ａ、２Ｅ  コンデンサ
３、３Ａ、３Ｄ  自己消弧型半導体素子
４、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ、４Ｆ  自己消弧型半導体素子
５、５Ａ、  還流ダイオード
６、６Ａ  ダイオード
７  自己消弧型半導体素子
８、８Ａ、８Ｅ  電圧検出器
９Ａ、９Ｂ  電流限流器
１０、１０Ａ  初期充電用電源
１１  負荷
１２、１２Ａ  初期充電制御部
１３、１３Ａ  放電制御部
１４  電圧検出器
１５  比較器
１６  カウンタ
１７、１７Ａ  比較器
【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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