(57)【要約】  【課題】誘導性負荷に高い繰り返しで高電圧パルスを供給する、高電圧パルス発生装置を提供すること。【解決手段】マルクス回路を利用した高電圧パルス発生装置において、前記マルクス回路におけるすべての充電抵抗をダイオードで、すべてのギャップスイッチをＯＮ／ＯＦＦ制御が可能な半導体スイッチでそれぞれ置換し、前記のすべての半導体スイッチを同時にＯＮもしくはＯＦＦさせるように前記半導体スイッチのゲートを制御する制御手段を備えるとともに、前記制御手段は、前記半導体スイッチを所定のタイミングでＯＮにすることにより、前記マルクス回路のコンデンサを直列に接続して各コンデンサの充電電圧の和に相当する高電圧パルスを前記誘導性負荷に供給し、かつ、前記半導体スイッチを所定のタイミングでＯＦＦにすることにより、前記誘導性負荷の残留磁気エネルギーを前記コンデンサに回生し、前記各コンデンサへの並列充電を開始するように制御することによって達成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導性負荷に繰り返し高電圧パルスを供給する、マルクス回路を利用した高電圧パルス発生装置において、
前記マルクス回路におけるすべての充電抵抗をダイオードで、すべてのギャップスイッチをＯＮ／ＯＦＦ制御が可能な半導体スイッチでそれぞれ置換し、
前記のすべての半導体スイッチを同時にＯＮもしくはＯＦＦさせるように前記半導体スイッチのゲートを制御する制御手段を備えるとともに、
前記制御手段は、
前記半導体スイッチを所定のタイミングでＯＮにすることにより、前記マルクス回路のコンデンサを直列に接続して各コンデンサの充電電圧の和に相当する高電圧パルスを前記誘導性負荷に供給し、かつ、
前記半導体スイッチを所定のタイミングでＯＦＦにすることにより、前記誘導性負荷の残留磁気エネルギーを前記コンデンサに回生し、前記各コンデンサへの並列充電を開始するように制御することを特徴とする高電圧パルス発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高電圧パルス発生装置に関し、特に、従来のマルクス回路にＯＮ／ＯＦＦ制御が可能なスイッチを用いることにより、誘導性負荷の残留磁気エネルギーを回生してコンデンサに充電し、次回の放電に利用することを可能とした高電圧パルス発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マルクス回路は、衝撃電圧発生回路とも呼ばれて、従来の高電圧パルス発生装置に利用されていた。図１は従来のマルクス回路（４段構成）を利用した高電圧パルス発生装置の一例を示す図であり、これに基づいてその動作を説明する。
図１において、ｒは充電抵抗、Ｃは充電コンデンサ、Ｇ１〜Ｇ５はギャップスイッチである。まず、充電サイクルにおいては、電源Ｅから供給されたエネルギーは点線の矢印で示す（１）の経路で充電され、各コンデンサがフル充電されると、各ギャップスイッチをＯＮ（火花放電）させ、各コンデンサを（２）の経路で直列放電させることにより、負荷Ｌにコンデンサの充電電圧（ほぼ電源電圧に等しい）の段数倍にあたる高電圧パルスを印加するようになっている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特願２０００−１５２６６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、負荷においてこのような高電圧パルスが必要なのは一瞬であるにもかかわらず、ギャップスイッチには遮断（カットＯＦＦ）機能がないため、コンデンサに充電されたエネルギーは毎回放電時になくなるまで無駄な電流が流れ、負荷において熱として消費されてしまうという欠点があった。そのため、再充電するのに時間とエネルギーが必要であり、高い繰り返しで充電／放電を行うことはできなかった。
【０００４】
一方、医療用小型加速器の開発が国家プロジェクトで進んでおり、加速器の形式は、さまざまであるが、偏向電磁石に数10kJの磁気エネルギーパルス放電を毎秒最大10回行うことが求められている。また、これに用いられるパルス電源は、消費電力が少なく、コイルの発熱が最小限で、かつ、入力電力も安定化したものである必要がある。
そこで、並列充電／直列放電というマルクス回路の特徴を活かしつつ、上記欠点を克服した新しいタイプの高電圧パルス発生装置が求められている。
本発明はかかる要請に応えるために為されたものであり、本発明は、誘導性負荷に高い繰り返しで高電圧パルスを供給する、マルクス回路を利用した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】
【０００５】
本発明は、高電圧パルス発生装置に関し、本発明の上記目的は、誘導性負荷に繰り返し高電圧パルスを供給する、マルクス回路を利用した高電圧パルス発生装置において、前記マルクス回路におけるすべての充電抵抗をダイオードで、すべてのギャップスイッチをＯＮ／ＯＦＦ制御が可能な半導体スイッチでそれぞれ置換し、前記のすべての半導体スイッチを同時にＯＮもしくはＯＦＦさせるように前記半導体スイッチのゲートを制御する制御手段を備えるとともに、前記制御手段は、前記半導体スイッチを所定のタイミングでＯＮにすることにより、前記マルクス回路のコンデンサを直列に接続して各コンデンサの充電電圧の和に相当する高電圧パルスを前記誘導性負荷に供給し、かつ、前記半導体スイッチを所定のタイミングでＯＦＦにすることにより、前記誘導性負荷の残留磁気エネルギーを前記コンデンサに回生し、前記各コンデンサへの並列充電を開始するように制御することを特徴とする高電圧パルス発生装置によって達成される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明に係る高電圧パルス発生装置によれば、電流を任意のタイミングで遮断し、残留磁気エネルギーを電流源コンデンサに回生することができるので、再充電するエネルギーが少なくてすみ、高電圧のパルス大電流を高繰り返しに効率よく発生させることができる。
また、コンデンサの電圧は主として残留磁気エネルギーの回生により作られるので、電源電圧はコンデンサの充電電圧よりも低くてもよい。負荷の抵抗分の電圧があれば、その電流が流れるようになるまで、コンデンサ電圧が上昇するからである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明に係る高電圧パルス発生装置は、従来のマルクス回路におけるすべての充電抵抗をダイオードで、すべてのギャップスイッチをＯＮ／ＯＦＦ制御が可能な半導体スイッチでそれぞれ置換し、そのすべての半導体スイッチを同時にＯＮもしくはＯＦＦさせるように前記半導体スイッチのゲートを制御し、前記半導体スイッチがＯＮのときは前記マルクス回路のコンデンサを直列に接続して各コンデンサの充電電圧の和に相当する高電圧パルスを誘導性負荷に供給し、前記半導体スイッチがＯＦＦのときは前記誘導性負荷の残留磁気エネルギーを前記コンデンサに回生し、前記各コンデンサへの並列充電を行うようにしたものである。
この発明の特徴は、回路の持っている磁気エネルギーを有効に利用して、高圧電源を用意せずに高電圧パルスを瞬時に得るという点である。負荷のインダクタンスに蓄えられた磁気エネルギーを利用することで高速に充電することができ、高繰り返しのパルス発生が可能になる。
【０００８】
図２は本発明に係る高電圧パルス発生装置の構成を示す図であり、図１の従来型マルクス回路における充電抵抗ｒをダイオード１に、ギャップスイッチ（Ｇ１〜Ｇ５）を半導体スイッチ２（Ｓ１〜Ｓ５）にそれぞれ置き換え、前記半導体スイッチのＯＮ／ＯＦＦ制御を行うゲート制御手段３を設けたものである。半導体スイッチ２がＯＮのときはコンデンサ４が直列放電され、半導体スイッチ２がＯＦＦになると誘導性負荷５の残留磁気エネルギーがコンデンサ４に回生されるとともに、電源Ｅからダイオード１を介してコンデンサにエネルギーが充電される。なお、図２における半導体スイッチは、パワーＭＯＳＦＥＴを使用した場合を示している。
【０００９】
図３は、図２のマルクス回路のゲートの状態（図３（Ｃ））と、負荷５に流れる電流（図３（Ａ））及び電圧ＶＬ（図３（Ｂ））の波形を示したものである。図３に基づいて本発明に係る高電圧パルス発生装置の動作原理を説明する。
制御手段３によって半導体スイッチ２が（同時に）すべてＯＦＦにされると（図３（Ｃ）における区間ｔｏｆｆ）、負荷５に残留している磁気エネルギー及び電源Ｅから供給されるエネルギーがコンデンサ４に並列に充電されるため、負荷５の電流は徐々に減少し始め、充電が完了すると負荷５に流れる電流はゼロになる。また、半導体スイッチ２がＯＦＦになると、負荷５には逆起電力が生じ、残留磁気エネルギーをコンデンサ４に充電する。コンデンサ４への充電が開始されると負荷５の逆電圧は徐々に増え、コンデンサの充電電圧（−ＶＣ）まで到達する（区間ｔｃｈｇ）。充電が完了すると電流がゼロになり、負荷５の電圧はゼロになる。
次に、制御手段３によって半導体スイッチ２が（同時に）すべてＯＮにされると（図３（Ｃ）における区間ｔｏｎ）、充電されているコンデンサ４が直列に接続されて放電されるため（区間ｔｄｉｓ）、負荷５にはコンデンサ４の充電電圧の段数倍の電圧（ｎＶＣ）がかかる。コンデンサ４の放電開始とともに負荷５に流れる電流は増え（図３（Ａ）の区間ｔｄｉｓ）、放電が完了すると定常状態となり、電源電圧Ｅと回路の抵抗Ｒで決まる定常電流ｉｍａｘが流れるようになる。
なお、上記ｔｃｈｇ、ｔｄｉｓ、Ｖｃ及びｉｍａｘは、コンデンサ４の容量Ｃ、負荷５のインダクタンスＬ、段数ｎを用いて、以下の数１のように表される。
【数１】
2005237147.tif 000003
【００１０】
次に、ｔｏｎ≪ｔｄｉｓの場合、すなわち、ゲートのＯＮ時間ｔｏｎが放電時間ｔｄｉｓよりもかなり小さい場合、言い換えれば、コンデンサ４の放電が完了しないうちにゲートをＯＦＦとして負荷５の磁気エネルギーをコンデンサ４に回生し充電する場合は、無駄な放電によるエネルギーの消費がないので、理論的にはＶｃの値は無限に大きくなる。しかしながら、実際には抵抗Ｒで熱となって消費されるので、抵抗値Ｒと電源電圧Ｅとのバランスがとれたところで定常値に落ち着く。図４（Ａ）におけるｉｍａｘは、図３（Ａ）の場合の１．５倍の大きさとなる（ｔｏｎには依存しない）。
また、このときの負荷５の電圧ＶＬは、次の数２のようになる。
【数２】
2005237147.tif 000004
数２からも分かるように、負荷５にかかるＶＬは、負荷５のインダクタンスＬに比例し、ｔｏｎに反比例する。
【実施例１】
【００１１】
図２における半導体スイッチ２をＩＧＢＴ（定格９００Ｖ，６０Ａ）、ダイオード１をショットキーダイオード（定格６００Ｖ，６Ａ）、制御手段３を（図示しない）ゲートドライバとした実験回路にて、本発明に係る高電圧パルス発生装置の特性を測定した。
図５は、Ｌ＝１．２ｍＨ、Ｃ＝２３μＦ、ｔｏｎ＝２０μＳとした場合の、負荷５の電圧及び電流の波形を示す図である。数１から導き出されるｔｄｉｓは１３１μＳであるので、
ｔｏｎ≪ｔｄｉｓが成り立ち、図４の理論的な波形と合致していることが分かる。
図６（Ａ）は、ｔｏｎをパラメータとした場合のＶＬの変化を示す図であり、理論値と同様、ＶＬの実測値（●でプロットした点）もｔｏｎにほぼ反比例しているのが分かる。
また、図６（Ｂ）は、負荷のインダクタンスＬをパラメータとした場合のＶＬの変化を示す図であり、理論値と同様、ＶＬの実測値（●でプロットした点）もＬにほぼ比例しているのが分かる。以上より、上記数２式の妥当性が証明されたことになる。
図７は１秒間に５０００回繰り返して高圧パルスを発生させた場合の波形を示す図である。毎秒２００回（２００Ｈｚ）から５０００回（５ｋＨｚ）までの範囲で繰り返し率を変えても、出力電圧は変化しなかった。ちなみに、この場合のパラメータは、Ｌ＝１６．７４ｍＨ、Ｃ＝２３μＦ、ｉｍａｘ＝１．２５Ａ（Ｅ＝３６Ｖ）である。これからも分かるように、本発明に係る高電圧パルス発生装置によれば、３６Ｖの電源で約１５００Ｖの高電圧パルスを高い繰り返し率で発生させることが可能である。
また、図示していないが、他の実験によれば、低電圧（２４Ｖ）から段数４段のマルクス回路で数ｋＶの出力電圧を発生させることも可能であることが分かった。その繰り返し周波数は、今までのマルクス回路ではできなかった高いものである。
【産業上の利用可能性】
【００１２】
本発明に係る高電圧パルス発生装置は、以下のような応用先が考えられる。
（１）ステッピングモータの高速回転への応用
ステッピングモータは高トルク高精度モータであるが、電流の立ち上がりによる制限で500Hz程度が限界であった。この高電圧パルス発生装置を用いれば、数kHz程度までのパルス電流を供給できる。
（２）レーザ電源への応用
エキシマレーザ用の高速立ち上げ電流は、回路のインダクタンスに残る磁気エネルギーを捨てるため効率が悪い。従来の回生方式はトランス3次巻き線を使い複雑である。これに本発明に係る高電圧パルス発生装置が適用可能である。
（３）インダクションヒーティングへの応用
誘導加熱に新しい非共振式誘導コイル駆動法を提供できる。
（４）自動車用高電圧発生装置
イグニツションコイルによる高電圧発生法の復活、コイルへの発熱が減少し、常時低電圧のみ現れるので水に濡れても問題ない。
（５）ディーゼル車のNOX処理高電圧パルス発生回路
DC12Vから磁気回路に電流を貯めて、直接イグニツション回路と同様に高速（100kHz）高圧パルス列を得ることができる。
その他、デジタルカメラのストロボ用電源、複写機のハロゲンランプ用電源などにも使える可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来のマルクス回路の一例を示す図である。
【図２】本発明に係る高電圧パルス発生装置の構成の一例を示す図である。
【図３】図２のマルクス回路のゲートの状態と、負荷に流れる電流及び電圧の波形を示したものである。
【図４】ｔｏｎ≪ｔｄｉｓの場合における、図２のマルクス回路のゲートの状態と、負荷に流れる電流及び電圧の波形を示したものである。
【図５】ｔｏｎ≪ｔｄｉｓの場合における、負荷に流れる電流及び電圧の実測値（波形）を示したものである。
【図６】理論値と実測値との比較を表した図である。
【図７】１秒間に５０００回繰り返して高圧パルスを発生させた場合の波形を示す図である。
【符号の説明】
【００１４】
１  ダイオード
２  半導体スイッチ
３  スイッチ（ゲート）制御手段
４  コンデンサ
５  誘導性負荷
【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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