(57)【要約】【課題】寿命が向上し、小型で、高電圧パルスの多種な制御が可能なパルス電源装置を提供する。【解決手段】直列に連結された半導体スイッチ（１１２）および充電コンデンサ（１１３）、半導体スイッチを駆動させるドライバ（１１６）、バイパスダイオード（１１４）および整流ダイオード（１１５）を有する複数個のパワーセルが半導体スイッチ間に直列に連結されて構成された複数個のパワーステージと、コンデンサ充電のためのパワーインバータ（１２０）と、半導体スイッチのゲートシグナルおよびゲート電源を発生させるための制御インバータ（１４０）と、制御ループとを含み、全体の半導体スイッチが直列に連結されるようにパワーステージ間にも直列に連結される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直列に連結された半導体スイッチおよび充電コンデンサ、前記半導体スイッチを駆動させるためのパワースイッチドライバー、前記半導体スイッチの両端に連結されたバイパスダイオードおよび前記充電コンデンサの両端に連結された整流ダイオードを有するパワーセルが前記半導体スイッチ間に直列に連結されて構成された複数個のパワーステージと、
前記コンデンサを充電するための電源を供給するパワーインバータと、
高圧絶縁ケーブルとして、前記パワーインバータから前記各パワーステージの各パワーセル内の整流ダイオードに電源が供給されるようにするパワーループと、
前記半導体スイッチのゲートシグナルおよびゲート電源を発生させるための制御シグナルを提供する制御インバータと、
高圧絶縁ケーブルとして、前記制御インバータから前記各パワーステージの各パワーセル内のパワースイッチドライバーに制御シグナルが供給されるようにする制御ループ
から構成され、全体の半導体スイッチが直列に連結されるようにパワーステージ間にも直列に連結されるパルス電源装置。
【請求項２】
前記半導体スイッチは絶縁ゲートバイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）であ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】
前記パワースイッチドライバーは前記半導体スイッチのゲート、コレクター、エミッターに各々連結され、前記制御インバータが提供する制御シグナルを前記制御ループを通して印加され、半導体スイッチを駆動するためのゲートシグナルと駆動電源を同時に出力するように構成され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４】
前記パワースイッチドライバーは、
前記制御ループを通して印加される制御インバータの制御シグナルにより充電され、その充電された電源を半導体スイッチのコレクターに駆動電源として提供されるコンデンサと、
前記半導体スイッチのゲートに連結され、制御ループを通して印加される制御インバータの制御シグナルによりオンとなり、前記半導体スイッチをオンにするためのゲートシグナルを印加させるスイッチング素子と、
前記コンデンサとスイッチング素子間、前記スイッチング素子と半導体スイッチのゲート、コレクターおよびエミッターに連結される連結端間に設置され、前記制御シグナルに従って前記スイッチング素子をオンにすると同時に、前記コンデンサに充電された電源が半導体スイッチのコレクターに印加されるようにし、オン状態に維持される前記スイッチング素子を制御シグナルに従ってオフにして半導体スイッチがオフになるようにし、半導体スイッチの両端に、ショートが発生した際に前記スイッチング素子がオフになるようにするための多数個のダイオード、スイッチング素子および抵抗
から構成される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】
前記パワーインバータは、交流電源から入力される交流電圧を直流電源に変換した後、前記コンデンサを充電するための電源を供給するものとして、前記交流電源に連結されるフルブリッジインバータと共振コンデンサ、共振インバータ、インバータ制御装置、ドライバを媒介として、前記インバータ制御装置により駆動される４個のスイッチング素子およびダイオードからなる直列共振型インバータであ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６】
前記制御インバータは、交流電源に入力される交流電圧を直流電源に変換した後、各パワースイッチドライバーに印加するための制御シグナルを生成するものとして、前記交流電源が連結されるフルブリッジインバータとタイミング制御装置、前記制御シグナルが生成されるようにドライバを媒介として前記タイミング制御装置により駆動される４個のスイッチング素子およびダイオードから構成されることを特徴とする、請求項１または請求項４記載のパルス電源装置。
【請求項７】
前記制御インバータは前記各パワースイッチドライバーに印加される制御シグナルとして、正の極性を有するターンオン・シグナルと負の極性を有するターンオフ・シグナルが繰り返される制御シグナルを出力することを特徴とする請求項６記載のパルス電源装置。
【請求項８】
前記制御インバータはパワースイッチドライバーに構成されたコンデンサを前もって充電するためのターンオフ・シグナルと、前記パワースイッチドライバーから半導体スイッチのゲートに連結されたスイッチング素子をオンにするためのターンオン・シグナルと、前記スイッチング素子をオフにするためのターンオフ・シグナルが繰り返される制御シグナルを出力することを特徴とする請求項７記載のパルス電源装置。
【請求項９】
前記制御インバータは、タイミング制御装置により前記ターンオン・シグナルとターンオフ・シグナルの出力を制御することができるように構成されたことを特徴とする、請求項７または請求項８記載のパルス電源装置。
【請求項１０】
前記パワースイッチドライバーは、
制御インバータが出力するターンオン・シグナルが入力されると半導体スイッチのゲートに連結された前記スイッチング素子がオンとなり、制御インバータが出力するターンオフ・シグナルが入力されると前記スイッチング素子がオフとなり、前記ターンオン・シグナルの入力後、前記ターンオフ・シグナルの入力時までは前記スイッチング素子がオン状態を維持し続けるように構成されたことを特徴とする、請求項４または請求項８記載のパルス電源装置。
【請求項１１】
前記パワースイッチドライバーは、
前記スイッチング素子と半導体スイッチのコレクターに連結される連結端間に設置され、前記スイッチング素子および半導体スイッチが前記ターンオフ・シグナルが入力されるまでオン状態を維持し続けるようにし、前記半導体スイッチにショート電流が流される場合、半導体スイッチの両端の電圧降下増加により逆バイアスされ、前記スイッチング素子および半導体スイッチがオフとなるようにするダイオードが設置されることを特徴とする請求項１０記載のパルス電源装置。
【請求項１２】
互いに直列に連結された前記複数個のパワーステージが上下に積層されて多段に設置され、各パワーステージ段において、前記パワーセル内に含まれた同数の半導体スイッチを各々分けて収容している複数個の半導体スイッチモジュールと、前記パワーセル内に含まれたパワースイッチドライブと、各々前記パワーセルのコンデンサおよび整流ダイオードを収容している複数個の収納コンデンサ（storage capacitor）が平面上の四角空間内に配置されるが、前記複数個の半導体スイッチモジュールが前記平面上の四角空間内でコーナー付近の外郭に位置するように前後および左右に所定の間隔を置いて分散配置させ、その中央部に前記パワーループと制御ループが各々構成するパワー変圧器と制御変圧器が配置され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１３】
前記パワーループは、各パワーステージを構成する複数個のパワーセル内の整流ダイオードに各々連結された巻線とパワー変圧器を構成し、前記パワー変圧器を通して供給されるパワーインバータの電源により各パワーステージのパワーセル内の充電コンデンサが並列で充電されることを特徴とする、請求項１または請求項１２記載のパルス電源装置。
【請求項１４】
前記パワーループは、各パワーステージにおいて、前記複数個のパワーセル内の整流ダイオードに各々連結された巻線と単一ターンにより前記パワー変圧器を構成することを特徴とする請求項１３記載のパルス電源装置。
【請求項１５】
前記パワーループは、各パワーステージを構成する複数個のパワーセル内のパワースイッチドライバーに各々連結された巻線と制御変圧器を構成し、前記パワースイッチドライバーが、パワーステージの各パワーセル内に印加されるゲート絶縁電源として前記制御変圧器を通して供給される制御インバータの制御シグナルを印加されるように構成されることを特徴とする、請求項１または請求項１２記載のパルス電源装置。
【請求項１６】
前記パワーループは、各パワーステージにおいて、前記複数個のパワーセル内のパワースイッチドライバーに各々連結された巻線と単一ターンにより前記制御変圧器を構成することを特徴とする請求項１５記載のパルス電源装置。
【請求項１７】
前記制御変圧器は、各パワーステージにおいて、前記複数個のパワーセル内のパワースイッチドライバーの巻線が巻かれたコアの中心を、高圧絶縁ケーブルの前記単一ターン制御ループが通過する構造となっていることを特徴とする請求項１６記載のパルス電源装置。
【請求項１８】
前記各パワーステージ段において、前記複数個のパワースイッチドライバーが、前記平面上の四角空間内で左右に配置された前記半導体スイッチモジュール間の空間に、そして、前記パワーループが構成するパワー変圧器と前記制御ループが構成する制御変圧器の外郭側に設置されることを特徴とする請求項１２記載のパルス電源装置。
【請求項１９】
前記各パワーステージ段において、前記複数個の収納コンデンサが、前記平面上の四角空間内で前後に配置された前記半導体スイッチモジュール間の空間に、そして、前記パワーループが構成するパワー変圧器と前記制御ループが構成する制御変圧器の外郭側に設置されることを特徴とする請求項１２記載のパルス電源装置。
【請求項２０】
前記パワーループと前記制御ループは各々最上段のパワーステージの上側にＵ字型にベンディングされ、その下に並置された２部分が上下に積層された複数個のパワーステージ段を順に通過しながら、パワースイッチドライバーに連結された巻線および収納コンデンサの整流ダイオードに連結された巻線と前記パワー変圧器と前記制御変圧器を構成することを特徴とする、請求項１２、請求項１８および請求項１９のうちいずれか１項に記載のパルス電源装置。
【請求項２１】
前記パワーループと前記制御ループはループ間でのノイズ発生および磁束上の問題を解決するために９０°の角度で交差するように配置されることを特徴とする請求項２０記載のパルス電源装置。
【請求項２２】
前記制御ループは、並置された２部分間の距離が前記パワーループの並置された２部分間の距離に比べて相対的に遠く離れるように設置され、各パワーステージ段において、前記パワーループの並置された２部分が構成する前記パワー変圧器が平面上の正中央に、前記制御ループの並置された２部分が構成する前記制御変圧器が前記パワー変圧器の両側に配置されることを特徴とする請求項２０記載のパルス電源装置。
【請求項２３】
前記半導体スイッチモジュールの外側面に接触されるように放熱板が設置されることを特徴とする請求項１２記載のパルス電源装置。
【請求項２４】
前記放熱板は‘┐’字構造に製作され、このような‘┐’字構造の放熱板４個が遮蔽板およびケーシングの役割を同時に行うことができるように、各パワーステージのコーナー部分を含む外郭部分全体を囲むように設置されることを特徴とする請求項２３記載のパルス電源装置。
【請求項２５】
前記放熱板は放熱特性の優れたアルミニウムを材質とすることを特徴とする、請求項２３または請求項２４記載のパルス電源装置。
【請求項２６】
上下に積層された前記複数個のパワーステージにおいて、前記パワーループが構成する上、下段のパワーステージのパワー変圧器間には補償巻線を減極性となるように連結して設置することを特徴とする請求項１２記載のパルス電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体スイッチを利用したパルス電源装置に関し、更に詳しくは、寿命を大きく延長させることができ、小型化が可能で、最終出力される高電圧パルスの多様な制御が可能な半導体スイッチを利用したパルス電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、高電圧パルス発生回路は各種試験装備とプラズマ発生装置（ＰＳＩＩなど）を負荷として使用しているが、従来の高電圧パルス発生回路は装置の寿命の問題、パルス幅の可変、動作周波数の増加、パルス電圧の調節、直流高電圧電源の必要性などの側面において多くの問題点が指摘されている。
【０００３】
例えば、従来のパルス発生回路はスパークギャップ（spark gap）を利用したマルクスパルス発生器（Marx generator）を利用する方式と真空管スイッチを利用する方式、そして単純にパルス変圧器を利用して低圧パルスを高圧に昇圧する方式などがある。前記スパークギャップを利用したり真空管スイッチを利用する従来の方式は装置の寿命が短く、パルス幅の調節が不可能で、また、パルス反復率を高めることに限界があり、直流高電圧電源回路を必要とするなどの短所を有する。パルス変圧器を利用する方式は変圧器のインダクタンスによりパルスの上昇時間を早く得ることが難しく、変圧器の自己飽和によりリセット回路などを追加しなければならないため回路が複雑になり、騒音が発生し、パルス幅を増やすことが難しいなどの短所がある。
【０００４】
以下、添付した図面を参照にし、従来技術についてもう少し詳しく説明する。
【０００５】
添付した図１は米国特許第４９００９４７号に開示されているスパークギャップを利用したマルクスパルス発生器（Marx generator）を図示した構成図であり、これは大電力分野で主に使用されており、最も一般的に使用されている形態である。
【０００６】
周知されている通り、パルス発生回路では高電圧パルスの発生および出力のために直流電源が入力されると、これをコンデンサＣ１〜ＣＮにおいて並列で充電し、特定時点でコンデンサ電圧を直列に連結して放電させ、最終出力端に印加することが必要である。これにマルクスパルス発生器では、図１に図示された通り複数個のスパークギャップスイッチＳ１〜ＳＮを使用して入力端に直流電源が入力されると、これをコンデンサを利用して充電した後、特定時点でスパークギャップスイッチＳ１〜ＳＮを作動させ、充電された電圧を直列に連結して放電させるように構成されている。
【０００７】
即ち、高電圧直流電源に対して複数個のコンデンサＣ１〜ＣＮを抵抗を通して並列に連結してバンクを形成し、各コンデンサの（＋）端と下記コンデンサの（−）端の間にはスパークギャップスイッチＳ１〜ＳＮを設置し、入力端に高電圧直流電源が印加されると、印加された電源が抵抗を通して連結されている各コンデンサに並列充電される。そして、必要な特定時点でスパークギャップスイッチをオンにし、スパークギャップスイッチが放電と同時に通電されると、各コンデンサに充電された直流電源が瞬間的に同時に放電されながら直列に加えられた最終の高電圧直流電源が最終出力端を通して印加されるようになる。
【０００８】
しかし、基本的にスパークギャップを動作させるためには入力端に直流高電圧電源１３が必ず必要で、パルス電圧発生時点を正確に合せるための特殊なトリガー回路が要求される。特に、マルクスパルス発生器ではパルス反復率（周波数）を高めることができず、パルス幅を自由に調節することが不可能であり、スパークギャップスイッチＳ１〜ＳＮが機械的な放電スイッチであるためスパークが発生する度に摩耗が発生し、寿命が非常に制限的であるという短所を有する。また、負荷にショートが起きる場合、発生するショート電流を制限することができないという短所もある。また、連結する段の数が少ないほど各段で受けなければならない電圧が上がると同時にスイッチの耐電圧も上がり、反対に各段の耐電圧を低くすれば必要な電圧を得るために多くの段を連結しなければならないという短所がある。
【０００９】
一方、図１に図示したマルクスパルス発生器でスパークギャップスイッチＳ１〜ＳＮの代りに半導体スイッチである絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor；以下、ＩＧＢＴと略称する）を使用するための努力をしてきた。ＩＧＢＴは寿命が永久的で、これを使用する場合にパルス反復率およびパルス幅の制御が可能となるなど従来のマルクスパルス発生器で使用された機械的なスイッチの短所を克服することができる。しかし、同時にスイッチを駆動する問題、均等な電圧分配などの動作に対する制約が複雑で製品の信頼性に問題を起こし得る素地がある。そして、高圧になるほど段数が多くなるためシステムが大きくなるという短所も持っている。
【００１０】
半導体スイッチとしてＩＧＢＴを利用したパルス発生器において、核心技術は半導体スイッチの電圧、定格電流を克服することである。ＩＧＢＴは既存のガス放電スイッチとは異なり低い電圧、定格電流を有している。これに一つのスパークギャップスイッチの代りに一つのＩＧＢＴを使用するのではなく、定格電圧に耐えることができるように必要なだけの複数個のＩＧＢＴを直列に連結し、これらを同時にターンオン／オフする方法を使用することができるが、この場合、ＩＧＢＴがオンやオフになる時に駆動タイミングの差で電圧の不均等が発生しやすく、この時電圧の不均等により定格電圧を超えるとＩＧＢＴは即時に破損する。実際にゲートシグナルを完全に同期化させて印加しても個別素子の特性（抵抗やインダクタンス）の誤差によりＩＧＢＴが同時にオン／オフさせることは不可能である。従って、一つのＩＧＢＴでもオン／オフが同期化されなければ、一つのＩＧＢＴに全電圧がかかりＩＧＢＴが破壊され、その特定のＩＧＢＴの破損により残りのＩＧＢＴも連鎖的に破損が生じてしまう。また、前記ＩＧＢＴが直列で駆動される時、各スイッチは独立駆動電源が必要だが、この時直列スイッチの上部に行くほど独立駆動電源の絶縁の強度が更に大きくならなければならない。従って、高圧駆動において最も難しい技術中の一つは駆動電源の絶縁技術である。
【００１１】
そして、当技術分野でＩＧＢＴを利用する技術として、添付した図２には米国特許第５９０５６４６号に開示されている電源発生装置が図示されている。これはＩＧＢＴとトランジスタ（以下、ＴＲと略称する）を一緒に使用するもので、ここでは変圧器１次側の電圧を変圧器を通して増幅させる方式を使用する。
【００１２】
一方、前述したマルクスパルス発生器と図２に図示したＩＧＢＴおよびＴＲを利用する電源発生装置全て、ＳＣＲ（Silicon Controlled Rectifier）などのサイリスタを用いた制御方式が適用される高圧充電器が使用されているが、今まで使用されている高圧充電器はその全体のサイズが非常に大きいという問題点を持つため、高圧充電器の改善もまた要求されているという現状である。
【００１３】
これと共にゲート電源のためにゲート電源発生装置に高圧絶縁（二重絶縁）方式が適用され、ゲートシグナルとしては光駆動ゲート回路を利用した光シグナルが使用されているが、現在まで開発されたゲート電源発生装置の場合、高圧絶縁のために多段の変圧過程を経るなど、高圧絶縁を達成するための構造が非常に複雑である。またゲート電源とゲートシグナルを各々別途の構成により発生させるため全体的な構成が複雑になるという問題があり、そこでゲート電源およびゲートシグナル発生と関連した改善が要求されている。
【００１４】
その他に、図１にマルクスパルス発生器と図２の電源発生装置に対して今まで知られている問題点をさらに述べると、両方式とも、パルス幅に制約（＜１０μｓ）があり、特にＴＲを使用した方式では電流漏れによるパルス上昇／下降時間に大きな制約がある。そして、装置全体のサイズが大きく効率が低いという問題があるため改善が必要である。また、ＩＧＢＴおよびＴＲを利用した方式ではアーク発生保護は可能であるが、そのために複雑な回路が必要となるという問題が指摘されている。
【特許文献１】米国特許第４９００９４７号
【特許文献２】米国特許第５９０５６４６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は前記のような問題点を解決するために発明されたものであり、本発明は、寿命が永久的な半導体スイッチを使用しながら同期化問題を解決し、素子および装置全体の寿命が向上し、小型化が可能で、最終出力される高電圧パルスの多様な制御が可能な半導体スイッチを利用したパルス電源装置を提供することにその目的がある。
【００１６】
特に、本発明は、半導体スイッチの直列駆動による駆動電源の絶縁、同期化などの問題が解決され、アークおよびショート発生時に対応が可能な回路が具備され、素子の保護および安定性が大きく向上される半導体スイッチを利用したパルス電源装置を提供することにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
以下、前記目的を達成するための本発明の特徴について説明する。
【００１８】
前記目的を達成するために、本発明は、互いに直列に連結された半導体スイッチおよび充電コンデンサ、前記半導体スイッチの駆動のためのパワースイッチドライバー、前記半導体スイッチの両端に連結されたバイパスダイオードおよび前記充電コンデンサの両端に連結された整流ダイオードを有するパワーセルが前記半導体スイッチ間を直列に連結して構成された複数個のパワーステージと、前記コンデンサの充電のために電源を共有するパワーコンデンサと、高圧絶縁ケーブルとして、前記パワーインバータから前記各パワーステージの各パワーセル内の整流ダイオードに電源が供給されるようにするパワーループと、前記半導体スイッチのゲートシグナルおよびゲート電源を発生するための制御シグナルを提供する制御インバータと、高圧絶縁ケーブルとして、前記制御インバータから前記各パワーステージの各パワーセル内のパワースイッチドライバーに制御シグナルが供給されるようにする制御ループにより構成され、全体の半導体スイッチが直列に連結されるようにパワーステージ間にも直列で連結されるパルス電源装置を提供する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、素子および装置全体の寿命が向上し、小型化が可能で、最終出力される高電圧パルスの多様な制御が可能なパルス電源装置が提供される。
また本発明によれば、半導体スイッチの直列駆動による駆動電源の絶縁、同期化などの問題が解決され、素子の保護および安定性が大きく向上したパルス電源装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の構成について添付図面を参照に詳細に説明する。
【００２１】
本発明のパルス電源装置は、全ての半導体スイッチを直列に連結するが、各半導体スイッチが負担する電圧を半導体スイッチ一つが耐えることができる水準に下げると、ゲートシグナルが同期化されない場合に半導体スイッチが連鎖的に破損してしまうという深刻な問題を解決することができるという点に着眼し構成したものである。
【００２２】
添付した図３は本発明による半導体を利用したパルス電源装置の構成を図示した構成図である。
【００２３】
そこで図示した通り、本発明の実施の形態のパルス電源装置（１００）は、半導体スイッチ（１１２）および充電コンデンサ（１１３）を有するパワーセル（１１１）が直列に連結された複数個のパワーインバータ（１２０）と、高圧絶縁ケーブルとして前記パワーインバータ（１２０）から各パワーセル（１１１）間に電源が供給されるように連結されたパワーループ（１３０）と、前記半導体スイッチ（１１２）のゲートシグナルおよびゲート電源（電圧）を発生させるための制御シグナルを提供する制御インバータ（１４０）と、高圧絶縁ケーブルから前記制御インバータ（１４０）から各パワーセル（１１１）間に制御シグナルが供給されるように連結された制御ループ（１５０）とから構成される。
【００２４】
以下、各構成要素別に更に詳しく説明すると、まず本発明の実施の形態のパルス電源装置（１００）は図３上の上下に配置され、全体が直列に連結された複数個のパワーステージ（１１０）を含み、ここで各々のパワーステージ（１１０）は複数個のパワーセル（１１１）が連結されて構成される。各パワーステージ（１１０）を構成するパワーセル（１１１）は半導体スイッチ（１１２）、例えばＩＧＢＴとそれに直列に連結された充電コンデンサ（１１３）を有し、複数個のパワーセル（１１１）が直列に連結されたパワーステージ（１１０）にパワーセル内の全体の半導体スイッチ（１１２）および充電コンデンサ（１１３）が全て直列に連結される。このように本発明の実施の形態のパルス電源装置（１００）ではパワーセル（１１１）の半導体スイッチ（１１２）と充電コンデンサ（１１３）を全て直列に連結して一つのパワーステージ（１１０）を構成し、更に、このように構成された複数個のパワーステージ（１１０）の間にも全体パワーセル内の半導体スイッチ（１１２）と充電コンデンサ（１１３）が全て直列に連結されるように構成する。
【００２５】
図３を参照すると、一つのパワーステージ（１１０）が複数個のパワーセル（１１１）が直列に連結されて構成されているのと同時に、複数個のパワーステージ（１１０）が全て直列に連結されて構成されていることが分かり（全体の半導体スイッチと充電コンデンサが全て直列に連結されている）、パワーステージ（１１０）において直列に連結されたパワーセル（１１１）は同一構成で成り立っているため、図３では一つのパワーセル（Ｐｏｗｅｒ  ｃｅｌｌ  １）についてのみその構成回路を図示した。
【００２６】
図示された通り、前記パワーセル（１１１）はメインスイッチとして半導体スイッチ（１１２）と、この半導体スイッチ（１１２）に直列に連結された充電コンデンサ（１１３）と、前記半導体スイッチ（１１２）の両端に連結されたバイパスダイオード（１１４）および前記充電コンデンサ（１１３）の両端に連結された整流ダイオード（１１５）と、前記半導体スイッチ（１１２）の駆動のために単一ターンの制御ループ（１５０）で絶縁されたゲート電源（これは制御インバータ（１４０）が印加する制御シグナルである）が印加され、半導体スイッチ（１１２）を駆動するためのゲートシグナルおよび駆動電源を印加するパワースイッチドライバー（ゲート駆動回路）（１１６）により構成される。
【００２７】
ここで、半導体スイッチ（１１２）はＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴである。
【００２８】
そして、前記バイパスダイオード（１１４）は、パワーセル（１１１）の半導体スイッチ（１１２）が開いた場合（オンにされて導通状態になった場合）、別のパワーセル（１１１）から電流を流すようにさせ、半導体スイッチ（１１２）間のスパイクを防止するスナバ（ｓｎｕｂｂｅｒ）ダイオードの役割を果す。従って、別途の減衰（ｄａｍｐｉｎｇ）構成要素を必要とせず、バイパス経路を通して半導体スイッチの同期化問題を解決することができるようになる。
【００２９】
また、前記整流ダイオード（１１５）はパワー変圧器（１３１）のパワー巻線（ＰＷ１〜ＰＷ８）に連結され、フルブリッジ整流ダイオードが使用される。
【００３０】
各パワーセル（１１１）内でパワースイッチドライバ（１１６）は、該当パワーセル（１１１）内の半導体スイッチ（１１２）たとえば、ＭＯＦＥＴのゲート、コレクター、エミッターに連結され、前記制御インバータ（１４０）が提供する制御シグナルを制御ループ（１５０）および制御巻線（ＣＷ１〜ＣＷ８）が構成する制御変圧器（１５１）を通して印加され、それから半導体スイッチ（１１２）を駆動させるためにゲートシグナルと駆動電源を同時に出力するように構成される。即ち、２次側制御巻線（ＣＷ１〜ＣＷ８）を通して制御変圧器（１５１）の１次側巻線、即ち、単一ターン制御ループ（１５０）から制御インバータ（１４０）の制御シグナル（これは半導体スイッチを駆動させるためのゲート絶縁電源のためにも提供される）が印加され、半導体スイッチ（１１２）に対してゲートシグナルとゲート電源（駆動電源）を同時に供給し、特に、後述するように、制御変圧器（１５１）を通して印加される制御シグナル、即ちターンオン・シグナルおよびターンオフ・シグナルによってパルス幅が調節されるようにし、パワーステージ（１１０）内の半導体スイッチ（１１２）が同時にオン／オフされるように構成されている。
【００３１】
前記パワースイッチドライバ（ゲート駆動回路）（１１６）の回路構成および原理については図５（Ａ）に図示した通り、各パワーセル（１１１）のパワースイッチドライバ（１１６）は１次側が単一ターンで構成された制御変圧器（１５１）を通して制御インバータ（１４０）で印加された制御シグナル（絶縁されたゲート電源）が印加されるようになっており、このような制御シグナルが印加されると半導体スイッチ（１１２）駆動のためのゲートシグナルと駆動電源（ゲート電源）を同時に出力するように構成されている。
【００３２】
その構成は、前記制御変圧器（制御ループ）（１５１）を通して印加される制御インバータ（１４０）のターンオン・シグナルとターンオフ・シグナルにより充電され、充電された電源を前記半導体スイッチ（１１２）のコレクターに駆動電源として提供されるコンデンサ（Ｃ１）と；前記半導体スイッチ（１１２）のゲートに連結され、制御変圧器（１５１）を通して印加される制御インバータ（１４０）のターンオン・シグナルによりオンとなり、前記半導体スイッチ（１１２）をオンにさせるためのゲートシグナルを印加させるスイッチング素子（Ｑ３）と；前記コンデンサ（Ｃ１）とスイッチング素子（Ｑ１）の間、前記スイッチング素子（Ｑ３）と半導体スイッチ（１１２）のゲート、コレクターおよびエミッターで連結される連結端の間に各々構成され、制御ループ（１５０）を通してターンオン・シグナルが印加される際、前記スイッチング素子（Ｑ３）をオンにすると同時に前記コンデンサ（Ｃ１）に充電された電源が前記半導体スイッチ（１１２）のコレクターに印加されるようにし、前記制御ループ（１５０）を通して、その後、ターンオフ・シグナルが印加される時や、半導体スイッチ（１１２）の両端にショートが発生した際、オン状態に維持されるスイッチング素子（Ｑ３）をオフにさせ、半導体スイッチ（１１２）がオフになるようにする多数個のダイオード（Ｄ１〜Ｄ９）、そしてスイッチング素子（Ｑ１，Ｑ２，Ｑ４，Ｑ５）および抵抗（Ｒ１〜Ｒ８）を含む。
【００３３】
図示したゲート駆動回路は制御インバータ（１４０）が提供する制御シグナル、即ち、正の極性を有するターンオン・シグナルと負の極性を有するターンオフ・シグナルにより駆動され、このようなターンオン・シグナルとターンオフ・シグナルは制御変圧器（１５１）を通して印加される。本発明の実施の形態のゲート駆動回路から制御変圧器（１５１）を通して印加される各々のシグナルは印加と同時にダイオード（Ｄ４）を通して駆動電源を供給するためのコンデンサ（Ｃ１）で充電され、結局コンデンサ（Ｃ１）が絶縁された電源の役割を行うようになる。このように図示されたゲート駆動回路は制御変圧器（１５１）を通して印加される制御シグナルにより駆動電源の電圧がコンデンサ（Ｃ１）に充電されるように構成されている。
【００３４】
各動作周期は図５（Ｂ）に表した通り、コンデンサ（Ｃ１）を前もって充電させるために印加されるターンオフ・シグナルと共に動作周期が始まる。そして、Ｔｄの遅延時間（例、１００μｓ）の遅延後にターンオン・シグナルが印加されると半導体スイッチ（１１２）に連結されたスイッチング素子（Ｑ３）がオンとなり、その結果、半導体スイッチ（１１２）のゲートに正の電圧が印加されると同時に、コンデンサ（Ｃ１）に充電された駆動電源が半導体スイッチ（１１２）のコレクターに印加されながら半導体スイッチ（１１２）がオンとなる。
【００３５】
このように半導体スイッチ（１１２）がオンになった後には、ターンオン・シグナルが消滅されてもターンオフ・シグナルが印加されるまでスイッチング素子（Ｑ３）はオン状態が維持され続け、これはスイッチング素子（Ｑ３）がターンオンとなり、ゲート電圧を半導体スイッチ（１１２）に供給した後からは半導体スイッチ（１１２）ターンオンされるに従ってその後のスイッチング素子（Ｑ３）のゲート端が抵抗（Ｒ５）とダイオード（Ｄ１）半導体スイッチ（１１２）を通してＧＮＤに連結され、オン状態を維持し続けるためである。
【００３６】
そして、ターンオン・シグナルの印加後、Ｔｗの待機時間が遅延した後にターンオフ・シグナルが印加されるとゲート駆動回路の動作が非活性化され、この時、半導体スイッチ（１１２）もまたオフになる。結局、ターンオン・シグナルが印加される時、半導体スイッチ（１１２）がオンになり、ターンオフ・シグナルが印加される時、半導体スイッチ（１１２）がオフになるため、ターンオン・シグナルがターンオフ・シグナルの制御により半導体スイッチ（１１２）のオン／オフ時点を自由に制御することができ、これにパルス反復率を自由に調節することができることはもちろん、半導体スイッチ（１１２）のオン時間を制御してパルス幅（ターンオン・シグナルが印加されてターンオフ・シグナルが印加されるまでのパルス幅維持）を自由に調節することができるようになる。
【００３７】
または、本発明の実施の形態のゲート駆動回路ではショートまたはアーク発生時に半導体スイッチ（１１２）のコレクターとエミッター間の電流増加に従って電圧が増加すると自由にゲート回路が遮断され、スイッチがオープンされるようにして素子を保護するように構成される。このように一度ターンオンになるとターンオン状態を維持し、後にアークが発生した場合すぐに感知が可能となるためアークが発生した場合、パルス電源装置（１００）の信頼性を保証するようになる。
【００３８】
半導体スイッチ（１１２）がターンオンとなると同時に、半導体スイッチ（１１２）はターンオン・シグナルが消滅してもターンオン状態を維持しつづける。この後、ターンオフ・シグナルがパワースイッチドライバーの動作を非活性化させ、この時半導体スイッチ（１１２）もまたオフとなる。
【００３９】
添付した図６〜８はゲート駆動回路の動作原理をもう少し詳しく説明するための図面として、これを参照に、先に説明したゲート駆動回路の動作状態を各動作モード別にもう少し詳しく説明する。
【００４０】
プリチャージモード
図５に表した通り、制御ループを通して供給される正負の双極性を有するターンオンパルスとターンオフパルスは各々ゲート電源に使用されるコンデンサＣ１の両端の電圧を充電し、安全な動作のために半導体スイッチ（Ｓｗ）をオフ状態に維持しながらゲート電源に当たるコンデンサＣ１の電圧のみを充電するためにターンオフパルスを連続的に印加するプリチャージ・ルーチン（ｒｏｕｔｉｎｅ）を行う。この時の電流の流れは図８に表した通りである。
【００４１】
ターンオンパルス印加モード
コンデンサＣ１が満充電された状態でターンオンパルスが印加されると、図６に表した通り、制御変圧器の下端に“＋”極性のパルスが印加され、ダイオードＤ４を通してコンデンサＣ１が充電されると、制御ダイオードＤ７が導通してスイッチング素子Ｑ４がオンとなる。前記スイッチング素子Ｑ４がオンになるに従ってコンデンサＣ１の電圧が抵抗Ｒ４とダイオードＤ６を通してＧＮＤに電流を供給するようになり、これによって抵抗Ｒ４両端の電圧によりスイッチング素子Ｑ３がオンとなり、同様に、コンデンサＣ１に充電されたゲート電源がスイッチング素子Ｑ３と抵抗Ｒ６およびＲ８を通してＧＮＤに流れるようになる。最終的に抵抗Ｒ８両端の電圧が半導体スイッチ（Ｓｗ）をオンにさせ、半導体スイッチ（Ｓｗ）はターンオン状態となる。
【００４２】
ターンオン維持モード
一旦、スイッチング素子Ｑ３が導通され半導体スイッチ（Ｓｗ）がオン状態となると、半導体スイッチ（Ｓｗ）のドレイン、ソース間の導電抵抗は非常に小さい値となり、ターンオンパルスが消えてもゲート電源は図７に表した通り、抵抗Ｒ４、Ｒ５、ダイオードＤ１、そして半導体スイッチ（Ｓｗ）を通してＧＮＤへの経路が形成されるため、スイッチング素子Ｑ３は導通状態を維持し続けるようになる。これによって半導体スイッチ（Ｓｗ）も抵抗Ｒ８両端の電圧によりターンオフパルスが印加されるまでオン状態に維持される。
【００４３】
万一、この時、負荷端のアークが発生して半導体スイッチ（Ｓｗ）にショート電流が流れるようになると、半導体スイッチ（Ｓｗ）の内部抵抗が低い値としても高いショート電流に半導体スイッチ（Ｓｗ）両端の電圧降下が増加し、これによりダイオードＤ１が逆バイアスし、スイッチング素子Ｑ３がターンオフされる。結果的に半導体スイッチ（Ｓｗ）素子がターンオフされながらショート電流から素子を保護するようになる。
【００４４】
ターンオフモード
ターンオン維持期間中、ターンオフパルスが印加されると、制御変圧器の２次側上段に正極のパルスが印加され、このパルスはコンデンサＣ１で充電される一方、ダイオードＤ５と抵抗Ｒ１を通してＧＮＤに電流を流し、スイッチング素子Ｑ２をターンオンさせる。これによってスイッチング素子Ｑ１とＱ５が順次にターンオンされ、半導体スイッチのゲート端をＧＮＤ（大地電位）でフルダウンさせ、これにより半導体スイッチがターンオフされてスイッチング素子Ｑ３もターンオフされ、次のターンオンパルス印加時までスイッチはオフ状態を維持するようになる。
【００４５】
このようにして、前記のようなゲート駆動回路によると、ターンオンパルスとターンオフパルス間の印加時間を調節することができ、自由にパルス幅の調節が可能となる。
【００４６】
以上、パワーセルの各構成要素について詳述したが、図３の例は６０ｋＶのパルス出力のために８個のパワーセル（１１１）が直列に連結され、一つのパワーステージ（１１０）を構成し、このようなパワーステージ（１１０）９個が直列に連結されて構成された例である。このような例から半導体スイッチ（１１２）に１２００Ｖ／２００Ａの高速ＩＧＢＴを７２個（８個のパワーセルで構成されたパワーステージが９個であるため）使用し、一つのパワーステージが総８個のパワーセル（１１１）に６．４ｋＶ、２００Ａの出力を出すように設計された。結局、各パワーステージ（１１０）内の半導体スイッチ（１１２）、即ちＩＧＢＴが同時にオンとなる時パワーステージ（１１０）から出力される電圧６．８ｋＶが９個のパワーステージ（１１０）で全て直列に加えられ、最終出力端にパルス電圧６０ｋＶが出力される。もちろん、パワーステージ（１１０）の個数およびパワーステージ（１１０）を構成するパワーセル（１１１）の個数は必要に応じて適切に設計、変更することができる。
【００４７】
一方、パワーステージ（１１０）のパワーセル（１１１）はパワーインバータ（１２０）から連結されたパワーループ（１３０）を通してコンデンサ（１１３）充電のために電源の供給を受け、これと同時に制御インバータ（１４０）から連結された制御ループ（１５０）を通して制御シグナルを受ける。パワーステージ（１１０）間に、そしてパワーステージ（１１０）を構成するパワーセル（１１１）間において、これらはパワーループ（１３０）と制御ループ（１５０）を通して供給される電源に対しては並列に配置される。即ち、図３を参照にすると、装置内全体のパワーステージ（１１０）のパワーセル（１１１）がパワーループ（１３０）と制御ループ（１５０）により並列に連結されていることが分かる。
【００４８】
各パワーステージ（１１０）はパワーループ（１３０）と制御ループ（１５０）が構成する変圧器（１３１，１５１）を有するが、各パワーステージ（１１０）内でパワーループ（１３０）の１次側巻線とパワーセル（１１１）の整流ダイオード（１１５）に連結された２次側巻線（ＰＷ１〜ＰＷ８）がパワー変圧器（１３１）を構成し、制御ループの１次側巻線とパワーセル（１１１）のパワースイッチドライバー（１１６）に連結された巻線（ＣＷ１〜ＣＷ８）が制御変圧器（１５１）を構成するようになる。これによってパワーインバータ（１２０）がパワーループを通して高電圧直流電源を供給すると、パワー変圧器（１３１）を通して整調された電圧が各パワーセル（１１１）に提供されコンデンサ（１１３）に充電され、制御インバータ（１４０）が制御ループ（１５０）を通して印加する制御シグナルは制御変圧器（１５１）を通してゲート駆動回路が構成されたパワースイッチドライバー（１１６）に印加され、半導体スイッチ（１１２）の駆動のためにゲートシグナルと駆動電源が出力される。
【００４９】
本発明の実施の形態のパルス電源装置（１００）でコンデンサ（１１３）の充電と半導体スイッチ（１１２）の駆動のための電源および制御シグナルが供給されるパワーループ（１３０）と制御ループ（１５０）は各変圧器（１３１，１５１）の１次側巻線に単一ターン（ｏｎｅ  ｔｕｒｎ）が適用され、これに全体サイズと重量が大きく減少させることができるようになる。即ち、１次側として単一ターンで構成されたパワーループ（１３０）と制御ループ（１５０）が使用されるが、パワーループ（１３０）が各パワーステージ（１１０）内でこれを構成するパワーセル（１１１）の２次側巻線（パワーセルの整流ダイオードに連結された巻線）（ＰＷ１〜ＰＷ８）に対して単一ターンでパワー変圧器（１３１）を構成し、制御ループ（１５０）もやはり、各パワーステージ（１１０）内でパワーセルの２次側巻線（パワーセルのパワースイッチドライバーに連結された巻線）（ＣＷ１〜ＣＷ８）に対して単一ターンで制御変圧器（１５１）を構成する。
【００５０】
前記パワーループ（１３０）は内巻線と充分な絶縁距離を有する高圧ケーブル（約２．６μＨインダクタンス）が使用されるが、１５０ｋＶの絶縁を保証することができる絶縁ケーブルが使用される。２次側巻線（ＰＷ１〜ＰＷ８）の巻回数はパワーループ（１３０）を通して供給されるパワーインバータ（１２０）のインピーダンスに整合させると同時に、変圧器のコア（磁心）飽和（ｃｏｒｅ  ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）を防止するために適切に選択することができる。
【００５１】
前記制御ループ（１５０）も、高圧絶縁ケーブル（約４μＨ）で構成され、２次側制御巻線（ＣＷ１〜ＣＷ８）が巻かれた制御変圧器（１５１）のコア中心を貫通する形態で単一ターンの１次側が構成され、直径はパワーループ（１３０）に比べて小さい。
【００５２】
図３を参照すると、各パワーステージ（１１０）内で、１個のパワー変圧器（１３１）と２個の制御変圧器（１５１）が構成されているが、パワー変圧器（１３１）は漏れインダクタンスを等化（ｅｑｕａｌｉｚｉｎｇ）させるために図３中央側のパワー巻線ＰＷ１〜ＰＷ８の分離された巻線を具備し、ここで分離された各巻線（ＰＷ１〜ＰＷ８）が各パワーセル（１１１）の整流ダイオード（１１５）に連結されていることがわかる。各パワーステージ（１１０）において、パワー変圧器（１３１）には８個のパワーセル（１１１）が連結されており、パワー変圧器（１３１）を通して印加される電源が８個のコンデンサ（１１３）に充電されるようになっている。また、各パワーステージ（１１０）内でパワーセル（１１１）内の半導体スイッチ（１１２）のゲート信号とゲート電源を生成するために図３、両側面側で、各々制御ループ（１５０）の単一ターン１次側と分離された４個ずつの２次側巻線（ＣＷ１〜ＣＷ８）により２個の制御変圧器（１５１）が構成されているのが分かり、ここで分離された各巻線（ＣＷ１〜ＣＷ８）は各パワーセル（１１１）のパワースイッチドライバー（１１６）に連結されている。
【００５３】
一方、パワーインバータ（１２０）は直列共振インバータ方式を採用した高圧充電器として、交流電源から入力される交流電圧を直流電源に変換し、それから前記パワーループ（１３０）を通して各パワーステージ（１１０）のパワーセル（１１１）にコンデンサ充電電源を供給する構成部である。パワーセル（１１１）のコンデンサ（１１３）はパワーインバータ（１２０）の直流電源をパワー変圧器（１３１）を通して供給され充電され、コンデンサ（１１３）に充電されるエネルギーはパワーインバータ（１２０）の動作周波数の変化により制御される。コンデンサ充電のための直列共振型インバータは図３に表した通り、交流電源に連結されるフルブリッジインバータと共振コンデンサ（Ｃｒ）、共振インダクタ（Ｌｒ）、インバータコントローラ（ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｐｏｗｅｒ  ｉｎｖｅｒｔｅｒ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、ドライバ（Ｄｒ）を媒介に前記インバータコントローラにより駆動される４個のスイッチング素子（Ｑ１〜Ｑ４）およびダイオードを含んで構成される。また、インバータコントローラは動作時に各パワーセル（１１１）の充電コンデンサ（１１３）両端に連結された電圧センサーから電圧値のフィードバックを受けるようになっている。このようなインバータは一例として共振周波数が１００ｋＨｚ、インバータ駆動周波数は最大５０ｋＨｚ、最大出力は１０ｋＷに設計することができる。
【００５４】
図４は直列共振型インバータによる充電電流の例を表した図面であり、充電装置の動作時の実測電流波形を表したものである。
【００５５】
そして、制御インバータ（１４０）は交流電源に入力される交流電圧を直流電源に変換し、それからパワーセル内の半導体スイッチのゲートシグナルおよびゲート電源を発生させるための制御シグナルを制御ループ（１５０）を通して提供する構成部である。制御インバータ（１４０）ではパワーループ（パワー変圧器）（１３０）を通してパワーセル（１１１）のパワースイッチドライバ（１１６）に図５（Ｂ）の‘Ａ’に表したようなターンオン・シグナルとターンオフ・シグナルを繰り返し提供する。制御インバータ（１４０）はパワーインバータ（１２０）と類似した構成となっているが、図３に表したように交流電源に連結されるフルブリッジインバータとタイミング制御装置（Ｔｉｍｉｎｇ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、ターンオン・シグナルとターンオフ・シグナルが生成されるようにドライバ（Ｄｒ）を媒介に前記タイミング制御装置により駆動される４個のスイッチング素子（Ｑ１〜Ｑ４）およびダイオードを含み構成される。ここで、前記タイミング制御装置の駆動制御下に制御インバータ（１４０）で制御シグナルが発生する。前記タイミング制御装置にはパルス電源装置（１００）のアース端に設置された電流センサー（ｆａｕｌｔ  ｓｅｎｓｏｒ）が連結され、これからタイミング制御装置が電流シグナルを入力されるようにされており、過剰電流発生時にタイミング制御装置が電流センサーの電流シグナルから過剰電流発生を判断して動作を中止するように構成されている。
【００５６】
添付した図９は制御インバータにより調節されるゲートパルスのタイミング図である。図９を参照すると、制御ループ（１５０）を通した電流の流れは三角形の形を形成することが分かる。正のターンオンパルスは半導体スイッチ（１１２）のゲートパルスの上昇エッジ（ｒｉｓｉｎｇ  ｅｄｇｅ）を決定し、負のターンオフパルスは半導体スイッチ（１１２）のゲートパルスの下降エッジ（ｆａｌｌｉｎｇ  ｅｄｇｅ）を決定する。
【００５７】
添付した図１０は半導体スイッチ（１１２）の制御パルスとゲートシグナルのシミュレーションの結果（ａ）と実験結果（ｂ）である。制御変圧器を通して伝達される正極のターンオンパルスとターンオフパルスおよびそれにより生成される半導体スイッチのゲートパルスの実験波形である。図１０に見られるように、正極の電流パルスは対称的であり、パワースイッチドライバー（１１６）に同一なエネルギーを供給するということが分かる。ターンオンパルスとターンオフパルス間の印加時間を調節するようになると自由にパルス幅の調節が可能になる。
【００５８】
一方、図１１は本発明の実施の形態のパルス電源装置において、各パワーステージ段内の構成部の配置構造を表した平面図であり、図１２は図１１に図示された平面配置構造のパワーステージが多段に積層配置されて構成された本発明の実施の形態のパルス電源装置を表した図面である。
【００５９】
本発明の実施の形態によるパルス電源装置（１００）ではパワーループ（１３０）と制御ループ（１５０）の干渉を最小化させながら装置の全体のサイズを最小化させることができるスタッキング構造および配置構造が適用される。まず、図示された通り、パワーループ（１３０）と制御ループ（１５０）は装置中央上段部で、ループ間のノイズ発生問題を解決するために９０°の角度で交差されるように配置される。パワーループ（１３０）と制御ループ（１５０）が並置されるとパワーループ（１３０）に電源が供給される際、制御ループ（１５０）に電流が誘起されながら装置内の半導体スイッチ（１１２）がゲートシグナルがなくとも自動でトリガーされるという問題が発生することがある。従って、ノイズを最小化し磁束に関する問題が解決されるようにパワーループ（１３０）と制御ループ（１５０）は９０°で配置しなければならない。また、図１２に表した通り、パワーループ（１３０）と制御ループ（１５０）は各々装置の上側、より明確には最上段のパワーステージ（１１０）の上側でＵ字形態にベンディングした（曲げた）後、その下の二部分が装置の上下方向に挿入された形態で配置され、この時制御ループ（１５０）はパワーループ（１３０）に比べ、並置された二部分間の距離が相対的に遠く離れるように設置される。
【００６０】
また、本発明の実施の形態ではパルス電源装置（１００）のサイズを最小化するために各パワーステージ（１１０）段でその構成部の配置状態を最適化する。後述する本発明の実施の形態の配置状態の最適化により本発明の発明者は６０ｋＶ構成の場合、図３の構成を有する、サイズが１．１ｍ×０．６ｍ×０．５ｍのパルス電源装置（１００）を実際に製作することができた（図１２参照）。まず、互いに直列に連結された複数個のパワーステージ（１１０）が上下に積層されながら多段で設置される。図１２を参照すると、各々同一な構成で、上下段が互いに直列に連結された９段のパワーステージ（１１０）が上下に積層、配置される。
【００６１】
そして、本発明の実施の形態では大きさを最小化し、半導体スイッチ（１１２）の発熱問題を効果的に解決するために各段のパワーステージ（１１０）でその構成部を平面上の四角空間内に配置するが、構成部の平面配置構造を図１１に表した通り最適化する。まず、各パワーステージ（１１０）段でパワーセル内に含まれた同数の半導体スイッチ（ＩＧＢＴ）を各々分け、収容している複数個の半導体スイッチモジュール（ＩＧＢＴモジュール）（８個のパワーセルの場合、半導体スイッチ２個ずつを収容して４個の半導体スイッチモジュールが設置される）（１１７）をコーナー付近の外郭に位置されるように前後（図面上では上下）および左右（図面上では左右）に所定の間隔を置いて分散配置する（４個の半導体スイッチモジュールが前後および左右に４箇所に分散配置される）。そして、各パワーステージ（１１０）段で各々パワーセルのコンデンサおよび整流ダイオードを収容している複数個の収納コンデンサ（ｓｔｏｒａｇｅ  ｃａｐａｃｉｔｏｒ）（１１８）を半導体スイッチモジュール（１１７）間の空間の外郭側に配置する。図面上には左側と右側に各々４個ずつの収納コンデンサ（１１８）が配置されている（各パワーステージが８個のパワーセルで構成された場合）。
【００６２】
また、中央部にはパワーループ（１３０）および制御ループ（１５０）と巻線が構成するパワー変圧器（１３１）と制御変圧器（１５１）を配置する。この時、各パワーステージ（１１０）段に構成された１個のパワー変圧器（１３１）はパワーループ（１３０）と収納コンデンサ（１１８）の整流ダイオード（１１５）に連結された巻線（ＰＷ１〜ＰＷ８）で構成し正中央に配置し、その両側には各パワーステージ（１１０）段に２個ずつ構成された制御変圧器（１５１）を制御ループ（１５０）とパワースイッチドライブに連結された巻線（ＣＷ１〜ＣＷ８）で構成し配置させる。このように１個のパワー変圧器（１３１）は中央に、２個の制御変圧器（１５１）は距離を置いてその両側に配置される。
【００６３】
そして、パワースイッチドライバー（１１６）を半導体スイッチモジュール（１１７）間の空間の外郭側に図面上の上下４個ずつに分けて配置する。このように収納コンデンサ（１１８）を図面上の左右に同数に分けて分散配置する場合に、前記パワースイッチドライバー（１１６）は図面上の上下に同数に分けて分散配置することが好ましい。
【００６４】
例えば、各パワーステージ（１１０）段で各々ゲート駆動回路が構成された複数個のパワースイッチドライバー（１１６）は平面上の四角空間内で左右（図面上の左右）に配置された半導体スイッチモジュール（１１７）間の空間に、前記パワー変圧器（１３１）と制御変圧器（１５１）の外郭側に設置し、各々パワーセルのコンデンサおよび整流ダイオードを含む複数個の収納コンデンサ（１１８）が平面上の四角空間内で前後に配置された前記半導体スイッチモジュール（１１７）間の空間に、前記パワー変圧器（１３１）と制御変圧器（１５１）の外郭側に設置される。
【００６５】
これと合わせて、発熱素子である半導体スイッチ（１１２）の放熱問題を解決するために、半導体スイッチモジュール（１１７）の外側面に接触されるように放熱板（１１９）を設置し、この放熱板（１１９）は基本的に半導体スイッチモジュール（１１７）の熱の伝達を受け外部に放出する。好ましくは、放熱板（１１９）を各パワーステージ（１１０）段の外郭に配置し、放熱以外に遮蔽板およびケーシングの役割を共に行うようにする。
【００６６】
本発明の好ましい実施の形態として、放熱板（１１９）は‘┐’字の構造で製作され、半導体スイッチモジュール（１１７）に接触されるように各パワーステージ（１１０）段の外郭に固定、設置され、遮蔽板およびケーシングの役割を行うように４個の放熱板（１１９）を各パワーステージ段のコーナー部分を含む外郭部分全体を囲むように配置して固定する。前記放熱板（１１９）は放熱特性が優れたアルミニウムを材質として使用して製作することが好ましい。
【００６７】
次に、本発明の実施の形態のパルス電源装置（１００）には複数個の充電コンデンサ（１１３）が直列に連結されて設置されており、パワーインバータ（１２０）からパワーループ（１３０）を通して電流が流れた後、各パワーセル（１１１）内の充電コンデンサ（１１３）が充電される過程で、同一時間電源を印加してもコンデンサ（１１３）ごとに充電される電圧に大きな差が生じるという問題がある。例えば、８５０Ｖまで充電されるコンデンサ（１１３）ならば一部は７５０Ｖ、一部は９００Ｖまで、装置内の充電コンデンサ（１１３）ごとに充電電圧に大きな差が発生する。特に、パワーステージ（１１０）間のコンデンサ（１１３）の充電電圧に差がある場合、更に大きな問題となる。このようなコンデンサ（１１３）素子の充電電圧の差は、電流がパワーループ（１３０）に沿って流れる間パワーステージ（１１０）の変圧器から発生する漏れインダクタンスが主な原因である。
【００６８】
このような問題点を解決し充電電圧の差を補償するために、本発明の実施の形態では図面上の上、下段のパワーステージ（１１０）のパワー変圧器（１３１）間に連結される補償巻線（１３２）を減極性となるように挿入して設置する。即ち、上、下に位置したパワー変圧器（１３１）間に補償巻線（１３２）を互いに減極性となるように巻く。
【００６９】
添付した図１３は本発明の実施の形態のパルス電源装置で補償巻線が設置された状態を図示した図面として、各パワーループ（１３０）が構成するパワー変圧器（１３１）に補償巻線（１３２）を減極性の形態で挿入し、この時、補償巻線（１３２）は発生する上、下変圧器（１３１）間の磁束が別途の補償制御なしに平衡状態を維持することができるように別途の制御回路なしに自動的に調節できる。補償巻線（１３２）が設置される場合、磁束が大きい方から磁束が小さい方へ電流が流れながら磁束が平衡状態となる。このように磁束を補償する方式により変圧器から発生した漏れインダクタンスによる充電コンデンサ（１１３）間の充電電圧差の問題を簡単に解決することができる。
【００７０】
本発明の発明者は図示した通り、補償巻線（１３２）を各パワー変圧器（１３１）で巻線数３回にして設置する場合、ＤＣ電圧不平衡を５％に維持することができることを確認した。万一、補償巻線（１３２）を使用しない場合には、各パワーステージ（１１０）のパワーセル（１１１）内の電圧センサーが均等ではない電圧値を計算するためＤＣ電圧不平衡が２０〜３０％に増加する。
【００７１】
結局、本発明の実施の形態のパルス電源装置（１００）では補償巻線（１３２）を設置することで複数個の充電コンデンサ（１１３）に充電される電圧を均等に自動的に調節することができる。
【００７２】
以下では本発明の実施の形態による半導体スイッチを利用したパルス電源装置で抵抗負荷を利用し、これをＰＳＩＩ（Ｐｌａｓｍａ  Ｓｏｕｒｃｅ  Ｉｏｎ  Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）に適用して実験した結果を見る。
【００７３】
図１４は抵抗負荷による６０ｋＶを印加した実験の波形であり、高圧パルスの発生のために変圧器などのような回路を使用せずに小さいインダクタンスを有するため、上昇時間は約３００ｎｓのかなり早い特性を有することが分かる。
【００７４】
図１５はアークが発生した場合、保護動作時の出力電圧および出力電流の波形と、一般正常動作時の出力電圧および出力電流の波形である。本発明の実施の形態による半導体スイッチを利用したパルス電源装置がアーク発生時に優れた保護動作を示すことが分かる。
【００７５】
図１６はプラズマ発生条件での実験波形である。本発明の実施の形態による半導体スイッチを利用したパルス電源装置が非線形特性を有するプラズマ負荷に効果的に使用されることが分かる。
【００７６】
以上、本発明を好ましい実施の形態を参照して説明したが、本発明の範囲は典型的な好ましい実施の形態に限定されるわけではなく、本発明の要旨から離れない範囲内で様々な形態に改良、変更、代替または負荷をして実施することができることは当該技術分野において通常の知識を有したものならば容易に理解することができるものである。このような改良、変更、代替または負荷による実施が特許請求範囲のカテゴリーに属するものならばその技術思想もやはり本発明に属するものと見なければならない。
【００７７】
以上、説明した通り、本発明による半導体スイッチを利用したパルス電源装置によると、下記のような効果を得ることができる。
【００７８】
１）アーク発生などによる摩耗により寿命に制限のあったスパークギャップスイッチの代りに、寿命が永久的な半導体スイッチを直列に連結して使用するが、半導体スイッチの駆動時に同期化されない場合、素子が焼損するという問題を解決することで、使用される素子を含みパルス電源装置の全体寿命を大きく向上させることができる。
【００７９】
２）ゲートシグナルとゲート電源を同時に供給しながら従来に比べて単純でありながらも信頼性の高いゲート駆動回路を提供し、これを使用する場合サイズの縮小および製作費用の節減などの効果が得られる。
【００８０】
３）特に、半導体スイッチの直列駆動による短所、即ち駆動電源の絶縁、同期化などの問題が解決され、アークおよびショート発生時に対応が可能な回路が具備され、素子の保護性能およびパルス電源装置の安定性が大きく向上する。
【００８１】
４）そして、前記ゲート駆動回路によると、最終出力される高電圧パルスの多様な制御が可能となる。制御インバータにより出力される制御シグナル、即ちターンオン・シグナルおよびターンオフ・シグナルを適切に制御する場合、パルス幅を自由に調節することができ、パルス反復率（パルス周波数）を制約なしに高めることができ、パルス幅を自由に調節することができる。そして、パルスの早い上昇／下降時間を具現することができ、速応性およびパルスの形態（短形波、ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ）に対する多様な制御が可能となる。
【００８２】
５）パワーループと制御ループの干渉を最小化させるスタッキング構造および配置など各構成部の配置構造を最適化し、全体のサイズを大幅に縮小することができ、結局小型化および軽量化、製作費用の節減が可能となる高効率のパルス電源装置を提供することができるようになる。
【００８３】
６）前記した配置構造の最適化とあわせて、発熱素子（ＩＧＢＴ）の放熱に効果的な対応が可能な最適の冷却構造を採用することで、パルス電源装置の安定性を更に補償することができるようになる。
【００８４】
７）上、下端のパワーステージのパワー変圧器間に補償巻線を挿入する簡単な方法で、別途の補償制御なしにコンデンサの充電電圧の不均衡問題を解決することができる。
【００８５】
８）このような本発明のパルス電源装置は各種試験装置および電子ビーム装置、ＰＳＩＩ、殺菌および環境分野などでパルス電源装置の幅広い適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】従来のスパークギャップを利用したマルクスパルス発生器を図示した構成図。
【図２】変圧器と半導体素子を使用する従来の電源発生装置を図示した構成図。
【図３】本発明の実施の形態による半導体を利用したパルス電源装置の構成を図示した構成図。
【図４】本発明の実施の形態で直列共振型インバータによる充電電流の波形を表した図面。
【図５】本発明の実施の形態によるゲート駆動回路を図示した構成図。
【図６】本発明の実施の形態によるゲート駆動回路の各動作モードを説明するための図面。
【図７】本発明の実施の形態によるゲート駆動回路の各動作モードを説明するための図面。
【図８】本発明の実施の形態によるゲート駆動回路の各動作モードを説明するための図面。
【図９】本発明の実施の形態で制御インバータにより調節されるゲートパルスのタイミング図。
【図１０】半導体スイッチの制御パルスとゲートシグナルのシミュレーション結果（ａ）と実験結果（ｂ）の波形を表した図面。
【図１１】本発明の実施の形態のパルス電源装置において、各パワーステージ段内の構成部の配置構造を表した平面図。
【図１２】図１１に図示した平面配置構造のパワーステージが多段に積層されて構成された本発明のパルス電源装置を表した図面。
【図１３】本発明の実施の形態のパルス電源装置において、補償巻線が設置された状態を図示した図面。
【図１４】抵抗負荷による６０ｋＶ印加実験の波形を表した図面。
【図１５】アークが発生した場合、保護動作時の出力電圧および出力電流の波形と、一般正常動作時の出力電圧および出力電流の波形を表した図面。
【図１６】プラズマ発生条件での実験波形を表した図面。
【符号の説明】
【００８７】
１００  パルス電源装置              １１０  パワーステージ
１１１  パワーセル                  １１２  半導体スイッチ
１１３  充電コンデンサ              １１６  パワースイッチドライバー
１１７  半導体スイッチモジュール    １１８  収納コンデンサ
１１９  放熱板                      １２０  パワーインバータ
１３０  パワーループ                １３１  パワー変圧器
１３２  補償巻線                    １４０  制御インバータ
１５０  制御ループ                  １５１  制御変圧器
【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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【図１１】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１２】
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