(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
初期充電された充放電用コンデンサから半導体スイッチのオン制御によりパルスを発生させ、発生したパルスを負荷に供給するパルス電源において、
上記半導体スイッチが複数の半導体素子のタスキがけ回路で構成され、
上記タスキがけ回路で構成された半導体スイッチと負荷との間に、前記半導体スイッチの出力側に一端が接続されたリアクトルと、前記リアクトルの他端と上記負荷との間に接続された少なくとも１以上の可飽和リアクトルと、各可飽和リアクトルの入力側にその一端が接続され、前記半導体スイッチと並列に接続されたコンデンサとを接続した磁気圧縮回路を設け、
上記タスキがけ回路が、上記充放電用コンデンサの一端と上記リアクトルとの間に第１の半導体素子を上記充放電用コンデンサの一端から上記リアクトルに向けて順方向となるように接続し、上記充放電用コンデンサの他端と上記磁器圧縮回路のコンデンサの他端との間に第２の半導体素子を上記充放電用コンデンサの他端から上記磁器圧縮回路のコンデンサの他端に向けて逆方向となるように接続し、上記第１の半導体素子のアノードと上記第２の半導体素子のアノードとの間に第３の半導体素子を上記第１の半導体素子のアノードから上記第２の半導体素子のアノードに向けて逆方向となるように接続し、上記第１の半導体素子のカソードと上記第２の半導体素子のカソードとの間に第４の半導体素子を上記第１の半導体素子のカソードから上記第２の半導体素子のカソードに向けて逆方向となるように接続してなり、
上記負荷からのキックバックエネルギーを上記タスキがけ回路を介して、上記充放電用コンデンサに回生することを特徴とするパルス電源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はコンデンサ放電を用いたパルス電源に関わり、主にエネルギーの回生効率を改善したパルス電源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パルス電源はパルスレーザ装置や粒子ビーム装置などの電源に用いられ、研究設備や産業上の需要が高まっている。このような短パルスを発生させる一手法として、初期充電されたコンデンサから、半導体スイッチをオンすることによって、初期パルスを発生させ次段のコンデンサを充電し、更に可飽和リアクトルの飽和特性を利用してパルス幅の圧縮を行う、いわゆる磁気圧縮回路がよく用いられる。この種のパルスレーザ装置用のパルス電源の従来例を図２に示す。
【０００３】
図２において、共振リアクトルＬｒとエネルギー回生ダイオードＤｒを直列に接続したエネルギー回生回路を充放電用コンデンサＣ０と並列に接続する。エネルギー回生ダイオードＤｒの極性は充放電用コンデンサＣ０の初期充電電圧を阻止する方向とする。充放電用コンデンサＣ０の出力には半導体スイッチＳＷとリアクトルＬ０を直列に接続してパルス発生回路１を構成し、次段の磁気圧縮回路２と接続する。磁気圧縮回路２はコンデンサＣ１と可飽和リアクトルＬ１とを組み合わせたもので、複数段用いることが多くその一般例を示した。コンデンサをＣ１〜Ｃｎ、可飽和リアクトルをＬ１〜Ｌｎ とする。接続はコンデンサＣ１ と可飽和リアクトルＬ１とコンデンサＣ２が櫛形となるようにする。最終段は可飽和リアクトルＬｎによって出力し次段の負荷部３に接続される。負荷部３はピーキングコンデンサＣｐと負荷Ｌｐとが並列に接続されている。なお、リアクトルＬ０は半導体スイッチＳＷの保護用として設けたインピーダンスである。
【０００４】
次に動作を説明する。パルス発生回路１は図示しない高電圧直流電源により充放電用コンデンサＣ０を初期充電しておき、半導体スイッチＳＷのオン制御で充放電用コンデンサＣ０からリアクトルＬ０を介してコンデンサＣ１に電荷を供給する。
【０００５】
磁気圧縮回路２において、コンデンサＣ１に電荷が供給されると電圧が上昇して可飽和リアクトルＬ１が励磁されて、所定の磁気容量（電圧×時間）に達すると可飽和リアクトルＬ１が磁気飽和をしてインダクタンス値が激減する。すなわち、磁気スイッチが動作したことになり次段のコンデンサＣ２に電荷が移動する。以下同じ動作が繰り返されて行くが、後段のリアクトルほど飽和後のインダクタンスが小さく設計されているために充電時間が短くなり、パルス圧縮されることになる。このようにして負荷部３に電荷が供給されると、ピーキングコンデンサＣｐは極めて狭幅にパルス充電され負荷Ｌｐのレーザ極間ギャップの電圧が上昇し、絶縁破壊されてコンデンサＣｐに蓄積された電荷はレーザ触媒中に注入されレーザが励起される。
【０００６】
このようにして移動してきたエネルギーに比べると、レーザ電極に注入されるエネルギーは大変少なく、レーザ電極間ギャップに到達したエネルギーがここで全て消費されずに、一部のエネルギーが充放電用コンデンサＣ０まで戻ってくることがある。これをキックバックエネルギーと呼ぶ。例えばピーキングコンデンサＣｐに充電される電圧が最大値に到達する以前に負荷Ｌｐのレーザ電極間ギャップが放電すると、コンデンサＣｎに電荷が残った状態でピーキングコンデンサＣｐの両端がレーザ電極間ギャップを通して短絡状態となるため、コンデンサＣｎとリアクトルＬｎと負荷Ｌｐの閉回路を介してコンデンサＣｎの極性は反転し逆極性に充電される。そして同様の作用によりこの反転したキックバックエネルギーは前段へと移動して行き、最終的には充放電用コンデンサＣ０を逆極性に充電する。そして、その後充放電用コンデンサＣ０と並列に接続されたエネルギー回生ダイオードＤｒと共振リアクトルＬｒを介して、再度充放電用コンデンサＣ０を逆充電させて当初の極性に戻す。すなわち、当初の電荷の一部が充放電用コンデンサＣ０に回生されたことになる。
【０００７】
このようにしてエネルギーを回生しないと、キックバックエネルギーは再度レーザ発生部へと向かい、不安定なレーザ発振を繰り返し、また、レーザ極間電極を著しく消耗させ、かつ、回路構成素子の寿命を低下させることになる。よって、エネルギーの回生は長寿命化の達成、長期的な信頼性の向上、およびエネルギーの効率的活用のために有効な手段となる。
【０００８】
上記したように、図２の従来の回路構成では、キックバックエネルギーを充放電用コンデンサＣ０に一旦逆極性に充電し、その後エネルギー回生ダイオードＤｒと共振リアクトルＬｒの直列回路を介して当初の極性に回生していた。この方法によると大きな共振リアクトルＬｒが必要であり、共振周波数が高いこともあって巻線や鉄芯による損失が大きくなるという問題がある。また、負荷Ｌｐが電磁石のようにインダクタンス負荷である場合には、その供給したエネルギーのほとんどがキックバックして来るため、エネルギー回生効率の向上が重要な課題であった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような問題があったため、大きな共振リアクトルを使用せず、巻線や磁芯による損失をなくし、かつインダクタンス負荷を接続した場合でも、キックバックエネルギーの回生効率を十分に向上させることができる回路構成が要求されていた。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、初期充電された充放電用コンデンサＣ０から半導体スイッチＳＷのオン制御によりパルスを発生させ、発生したパルスを負荷Ｌｐに供給するパルス電源において、上記半導体スイッチＳＷが複数の半導体素子ＳＷ１〜ＳＷ４のタスキがけ回路で構成され、上記タスキがけ回路で構成された半導体スイッチＳＷと負荷Ｌｐとの間に、前記半導体スイッチＳＷの出力側に一端が接続されたリアクトルＬ０と、前記リアクトルＬ０の他端と上記負荷Ｌｐとの間に接続された少なくとも１以上の可飽和リアクトルＬ１〜Ｌｎと、各可飽和リアクトルＬ１〜Ｌｎの入力側にその一端が接続され、前記半導体スイッチＳＷと並列に接続されたコンデンサＣ１〜Ｃｎとを接続した磁気圧縮回路２を設け、上記タスキがけ回路が、上記充放電用コンデンサＣ０の一端と上記リアクトルＬ０との間に第１の半導体素子ＳＷ１を上記充放電用コンデンサＣ０の一端から上記リアクトルＬ０に向けて順方向となるように接続し、上記充放電用コンデンサＣ０の他端と上記磁器圧縮回路２のコンデンサＣ１〜Ｃｎの他端との間に第２の半導体素子ＳＷ２を上記充放電用コンデンサＣ０の他端から上記磁器圧縮回路２のコンデンサＣ１〜Ｃｎの他端に向けて逆方向となるように接続し、上記第１の半導体素子ＳＷ１のアノードと上記第２の半導体素子ＳＷ２のアノードとの間に第３の半導体素子ＳＷ３を上記第１の半導体素子ＳＷ１のアノードから上記第２の半導体素子ＳＷ２のアノードに向けて逆方向となるように接続し、上記第１の半導体素子ＳＷ１のカソードと上記第２の半導体素子ＳＷ２のカソードとの間に第４の半導体素子ＳＷ４を上記第１の半導体素子ＳＷ１のカソードから上記第２の半導体素子ＳＷ２のカソードに向けて逆方向となるように接続してなり、上記負荷Ｌｐからのキックバックエネルギーを上記タスキがけ回路を介して、上記充放電用コンデンサＣ０に回生することを特徴とするパルス電源である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の実施例である。図２と同一回路を構成する素子については同一記号を付記したのでその説明を省略する。
【００１４】
図１において、パルス発生回路１は充放電コンデンサＣ０と半導体スイッチＳＷを接続し、その出力はリアクトルＬ０と接続する。半導体スイッチＳＷは半導体素子ＳＷ１〜ＳＷ４によって構成され、充放電用コンデンサＣ０の一端とリアクトルＬ０との間に第１の半導体素子を順方向接続し、充放電用コンデンサＣ０の他端と上記磁気圧縮回路２との間に第２の半導体素子ＳＷ２を逆方向接続し、第１の半導体素子ＳＷ１のアノードと第２の半導体素子ＳＷ２のアノードとの間に第３の半導体素子ＳＷ３を逆方向接続し、第１の半導体素子ＳＷ１のカソードと第２の半導体素子ＳＷ２のカソードとの間に第４の半導体素子ＳＷ４を逆方向接続してなる。この半導体素子ＳＷ１〜ＳＷ４の接続方法を「タスキがけ回路」と呼ぶ。その他の回路、すなわち、磁気圧縮回路２および負荷部３については、図２をそのまま引用したので説明を省略する。
【００１５】
次に動作を説明する。パルス発生回路１は、図示しない高電圧直流電源により充放電用コンデンサＣ０を初期充電しておき、半導体スイッチＳＷの半導体素子ＳＷ１と半導体素子ＳＷ２をオン制御し、充放電用コンデンサＣ０からリアクトルＬｏを介してコンデンサＣ１に電荷を供給する。以降は図２と同一であるのでその説明を省略するが、タスキがけ回路を介したキックバックエネルギーの回生方法が異なるのでその動作について説明する。キックバックエネルギーによってコンデンサＣ１が逆極性に充電されると、半導体素子ＳＷ２、充放電用コンデンサＣ０、半導体素子ＳＷ１、およびリアクトルＬ０の共振回路で充放電用コンデンサＣ０を逆極性に充電し始める段階で半導体素子ＳＷ３およびＳＷ４をオン動作させて半導体素子ＳＷ１およびＳＷ２をオフ動作させる。そうするとコンデンサＣ１、半導体素子ＳＷ３、充放電用コンデンサＣ０、半導体素子ＳＷ４およびリアクトルＬ０の共振回路へと転流して、充放電用コンデンサＣ０は初期の極性に充電され、エネルギーは回生される。本発明によれば充放電用コンデンサＣ０はコンデンサＣ１から直接エネルギーが回生されるため、回生効率はきわめて良くなる。
【００１６】
図１の磁気圧縮回路２は基本的な回路を記したが、用途によって色々な変形回路が用いられる。例えば、より高い電圧を必要とする場合には、パルス発生回路１と磁気圧縮回路２の間にパルス変圧器を接続し、昇圧した電圧をコンデンサＣ１に供給したり、またはコンデンサＣ１〜Ｃｎの任意のコンデンサと並列にパルス変圧器を接続し、昇圧して使用することもある。他の例として可飽和リアクトルＬ１〜Ｌｎにバイアス回路を設けた回路や、その他にも変形した回路があるが、キックバックエネルギーが存在し、これを前段のパルス発生回路１に伝送する回路構成であれば、本発明は有効である。
【００１７】
また、半導体スイッチＳＷを構成する半導体素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、電圧電流の大きさやパルス幅、そして放電頻度などによって仕様が決められる。主にＩＧＢＴ、ＧＴＯ、サイリスタやＦＥＴなどが用途によって選定される。
【００１８】
さて、前記実施例では磁気圧縮回路２を用いてパルス電圧を発生する放電回路を説明したが、必ずしも本発明はこれに限定するものではない。例えば、充放電用コンデンサＣ０から放電される電荷を直接、電磁石負荷のようにほとんどのエネルギーを消費しないインダクタンス成分に供給しても同様の効果がある。すなわち、負荷で消費されずにその一部または大部分がもとの充放電用コンデンサＣ０にキックバックするような回路であればすべて有効に働く。
【００１９】
【発明の効果】
上記したように、本発明は充放電用コンデンサＣ０に充電された逆極性の電荷を、エネルギー回生ダイオードＤｒと共振リアクトルＬｒとからなるエネルギー回生回路によらず、半導体スイッチＳＷの半導体素子ＳＷ１〜ＳＷ４のタスキがけ回路によって直接、エネルギーを回生するもので、エネルギー回生ダイオードＤｒや共振リアクトルＬｒが不要となる。したがって、共振リアクトルＬｒのエネルギー回生時の銅損、鉄損がなくなり、回生効率が大幅に改善されるために充放電用コンデンサＣ０を充電する高電圧直流電源（図示せず）の容量を低減することができ、大幅なコストダウンを図ることができた。よって、数ｋＶ〜数十ｋＶの電圧、数Ｊから数百ｋＪのエネルギーを扱い、かつ放電回数が１秒間に数千回の電源にも十分に対応することができ、工業的価値大なるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるパルス電源の回路図である。
【図２】従来例によるパルス電源の回路図である。
【符号の説明】
１  パルス発生回路
２  磁気圧縮回路
３  負荷部
ＳＷ  半導体スイッチ
ＳＷ１〜ＳＷ４  半導体素子
Ｌｒ  共振リアクトル
Ｄｒ  エネルギー回生ダイオード
Ｃ０  充放電用コンデンサ
Ｃ１〜Ｃｎ  コンデンサ
Ｃｐ  ピーキングコンデンサ
Ｌ０  リアクトル
Ｌ１〜Ｌｎ  可飽和リアクトル
Ｌｐ  負荷
【図１】
0004612234.tif 000002
【図２】
0004612234.tif 000003