(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電用直流電源と、スイッチ素子と、直列接続された可飽和リアクトルとコンデンサとを該スイッチ素子に並列接続し、さらに直列接続された可飽和リアクトルとコンデンサとを該並列接続されたコンデンサに並列接続する構成を順位持たせて前記スイッチ素子のオンを契機としてコンデンサに蓄積されたエネルギーを順次後段のコンデンサに転送する磁気パルス圧縮回路と、前記磁気パルス圧縮回路の第１段目の直列接続された可飽和リアクトルとコンデンサとの接続点と前記充電用直流電源の正端子との間に接続された充電用可飽和リアクトルと、前記磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサに並列接続されたレーザ放電部とを有するパルスレーザ用電源装置において、
前記充電用可飽和リアクトルは、
可飽和磁芯と、
前記可飽和磁芯に巻回された主巻線と、
前記可飽和磁芯に巻回された副巻線と、
前記副巻線自体で前記可飽和磁芯を非飽和状態から飽和状態に遷移する電流値を超える電流を前記副巻線に流す電源
とを具備し、前記充電用直流電源の正端子から前記主巻線を介した充電電流を少なくとも一定の電流値以下に制限する
ことを特徴とするパルスレーザ用電源装置。
【請求項２】
前記磁気パルス圧縮回路の最終段の可飽和リアクトルに直列接続され、該磁気パルス圧縮回路によるエネルギー転送方向を導通方向とするダイオードをさらに具備したことを特徴とする請求項１に記載のパルスレーザ用電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速かつ大電力用の電流制限素子としての機能を有する可飽和リアクトルおよびこれを用いたパルスレーザ用電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、フェライトやアモルファス磁性体等の磁芯を用いた可飽和リアクトルは、その透磁率の非直線性を使用した磁気スイッチとして用いられている。この可飽和リアクトルは、主巻線が磁芯に所定回数巻回された構成となっている。主巻線に流れる電流量Ｉを増加させると、図７に示すように磁束密度Ｂも増大し、磁束密度ＢがＢ０に達すると、磁芯はその後電流の増加にかかわらず、一定の磁束密度Ｂ０を維持する飽和状態となる。この飽和状態では、磁芯のインダクタンスは非常に小さい値となり、低インダクタンス状態となる。すなわち、主巻線の電流量を増大しても非飽和状態では高いインダクタンスであるため、周波数をもった電流に対しては非導通状態となり、飽和状態に達すると周波数に関係なく低インダクタンス状態を呈することになる。この結果により、可飽和リアクトルは磁気スイッチ機能を提供することになる。なお、主巻線に対して異なる方向から電流を流した場合においても、同様の磁気スイッチ機能を提供し、非飽和状態から飽和状態に遷移する電流値の絶対値と磁束密度の値は同じで、いわゆるＢ−Ｈ特性は原点に関して点対称となっている。
【０００３】
このような可飽和リアクトルの改良として、特開昭６２−７６５１１号公報には、可飽和鉄心に主導線の他に補助導線を巻回し、この補助導線に主導線の電流に応じてバイアス電流を流すことにより主導線の電流に対するスイッチング作用を制御する磁気スイッチが記載され、これにより、補助導線の電流量を変化させることで、主導線の電流量とは無関係に所望のタイミングでスイッチング作用を行うことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特開昭６２−７６５１１号公報に記載された磁気スイッチのような補助導線を有する従来の可飽和リアクトルは磁気リセット用に補助巻線を設けている。
【０００５】
例えば、図８に示すパルスレーザ用電源装置では、充電用電流源であるチャージャ１１によってコンデンサＣ１１に電荷が直接蓄積される。このコンデンサＣ１１に蓄積された電荷は、スイッチＳＷ１のオンを契機として電荷エネルギーの転送が開始される。すなわち、スイッチＳＷ１のオンに伴って可飽和リアクトルＳＬ１１の両端子の発生電圧が増大し、所定のアシスト時間経過後、電圧時間積に達して飽和状態となってオンとなり、コンデンサＣ１１に蓄積された電荷は、可飽和リアクトルＳ１１、スイッチＳＷ１を介し、電流Ｉ１１としてコンデンサＣ１１の反対側に転送される。その後、可飽和リアクトルＳＬ１２の両端子間電圧の発生によりその電圧でのアシスト時間経過後、可飽和リアクトルＳＬ１２が飽和状態となってオンとなり、コンデンサＣ１１に転送された電荷を電流Ｉ１２としてピーキングコンデンサＣＰ１に転送する。ピーキングコンデンサＣＰ１に転送された電荷は、電流Ｉ１３としてレーザ放電部ＬＤ１を放電させ、レーザパルス発振を実現させる。
【０００６】
しかし、図８に示すパルスレーザ用電源装置においてスイッチＳＷ１をオンにしてコンデンサＣ１１に充電された電荷を転送する際、コンデンサＣ１１に充電された電荷はこの電荷転送によって充電時に正であったコンデンサＣ１１の端子電位Ｐ０は負に急激に変化する極性反転が起こり、端子電位Ｐ０が負になった時点からチャージャ１１から電流Ｉ０１が吸い出される。この結果、チャージャ１１による充電電流が設計値以上に増加する場合が生じ、チャージャ１１を壊し、またチャージ精度を悪化させる場合があるという問題点があった。
【０００７】
そこで、本発明はかかる問題点を除去し、電流制限素子の機能を有した可飽和リアクトルとこれを用いたパルスレーザ用電源装置を提供することを目的とする。
【００１０】
特に本可飽和リアクトルは、可飽和リアクトル自体がもつ、高電力特に高電圧、大電流に耐え得る高速デバイスであることから、半導体電力デバイスでは耐えることができない高電圧部署に用いることができる。
【００１１】
【課題を解決するための手段および効果】
第１の発明は、充電用直流電源と、スイッチ素子と、直列接続された可飽和リアクトルとコンデンサとを該スイッチ素子に並列接続し、さらに直列接続された可飽和リアクトルとコンデンサとを該並列接続されたコンデンサに並列接続する構成を順位持たせて前記スイッチ素子のオンを契機としてコンデンサに蓄積されたエネルギーを順次後段のコンデンサに転送する磁気パルス圧縮回路と、前記磁気パルス圧縮回路の第１段目の直列接続された可飽和リアクトルとコンデンサとの接続点と前記充電用直流電源の正端子との間に接続された充電用可飽和リアクトルと、前記磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサに並列接続されたレーザ放電部とを有するパルスレーザ用電源装置において、前記充電用可飽和リアクトルは、可飽和磁芯と、前記可飽和磁芯に巻回された主巻線と、前記可飽和磁芯に巻回された副巻線と、前記副巻線自体で前記可飽和磁芯を非飽和状態から飽和状態に遷移する電流値を超える電流を前記副巻線に流す電源とを具備し、前記充電用直流電源の正端子から前記主巻線を介した充電電流を少なくとも一定の電流値以下に制限することを特徴とする。
【００１２】
これにより、所定の電流値までは低インダクタンス状態となるので、リップルのある充電電流でも効率よくコンデンサに充電することができ、スイッチ素子のオンによって磁気パルス圧縮回路の第１段目のコンデンサに蓄積された電荷が転送される場合に充電用直流電源から充電電流が所定の電流値以上に引き込まれることがなくなるため、該引き込まれる充電電流によって充電用直流電源が壊れるのを防止することができる。また、コンデンサ反転電圧の精度向上が期待できる。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明において、前記磁気パルス圧縮回路の最終段の可飽和リアクトルに直列接続され、該磁気パルス圧縮回路によるエネルギー転送方向を導通方向とするダイオードをさらに具備したことを特徴とする。
【００１４】
これにより、充電中のレーザ放電部にかかる電圧を小さくし、充電中の不要な放電をなくすことができるとともに、レーザ放電部に対するエネルギー供給後の残余のエネルギーを前段のコンデンサに回生し、次パルス発振時におけるエネルギー消費効率を格段に向上することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施の形態である可飽和リアクトルの構成を示す図である。図１において、磁芯１は、フェライト等の強磁性体で構成される。この磁芯１には、主巻線２が所定回数巻回されるとともに、副巻線３も、一定回数巻回される。副巻線３には電流ｉｂを流す固定電流源としての電流源４が接続される。従って、電流源４が図１に示すように巻回された副巻線３に電流ｉｂを流すと磁芯１内に磁束が矢印Ａ０の方向に発生する。また、主巻線２に電流ｉ１を流すと磁芯１内には矢印Ａ１の方向に磁束が発生し、電流ｉ２を流すと磁芯１内には矢印Ａ２の方向に磁束が発生する。この磁芯１内に発生した磁束の合成は、磁束密度Ｂを用いて表される。
【００１７】
図２は、図１の可飽和リアクトルのＢ−Ｈ特性を示している。すなわち、横軸に主巻線２に流れる電流Ｉによって生じる磁界Ｈを示し、縦軸に磁芯１内に生じた磁束密度Ｂを示している。この場合、電流Ｉは、電流ｉ１の方向を正にとり、矢印Ａ１の方向を磁束密度Ｂの正の方向としている。
【００１８】
図２において、副巻線３をもたない場合、Ｂ−Ｈ特性は、主巻線２を流れる電流Ｉのみによって決定され、破線５に示すＢ−Ｈ特性を描く。すなわち、電流Ｉが電流ｉ１の方向に流れると矢印Ａ１の方向に磁束が発生し、電流ｉ１の増大に伴って磁束密度Ｂが増大し、磁束密度ＢがＢｂに到達した時点で飽和する。逆に、電流Ｉが電流ｉ２の方向に流れると矢印Ａ２の方向に磁束が発生し、電流ｉ２の増大に伴って磁束密度Ｂが負の方向に増大し、磁束密度Ｂが−Ｂｂに到達した時点で飽和する。この飽和状態に達するまでの間は高インダクタンス状態であるが、飽和状態に達すると電流Ｉの増大にかかわらず、磁束密度Ｂは一定となり、低インダクタンス状態となる。
【００１９】
同様にして、副巻線３を持たせて電流源４から電流ｉｂを流すと、磁芯１には既に磁束密度Ｂが発生していることになる。ここで、副巻線３に流す電流ｉｂの値を磁芯１が非飽和状態から飽和状態に遷移する値を超える値となるように設定しておくと、図２の実線６に示すようなＢ−Ｈ特性を描き、主巻線２に電流Ｉが流れないときはもちろん、電流Ｉが電流ｉ２方向にどんなに流れても飽和状態を維持し、低インダクタンス状態となる。一方、主巻線２に電流Ｉが電流ｉ１方向に流れると、まず電流値ｉ０１までは飽和状態が維持され、電流値ｉ０１から電流値ｉ０２までの間は非飽和状態となって高インダクタンス状態を呈し、その後電流値ｉ０２を超えると再び飽和状態となって低インダクタンス状態となる。この場合、電流値ｉ０１の値は、副巻線３に流す電流値を適切に変えることによって所望の値または巻数を設定することができる。
【００２０】
このようにして、図１に示す可飽和リアクトルは、副巻線３を流れる電流ｉｂの値を、副巻線３自体によって磁芯１が飽和状態を超える値に設定しておくことにより、少なくとも電流値ｉ０１までの電流が流れるのを許容し、電流値ｉ０１を超える電流の流れを制限する電流制限素子としての機能をもつ。もちろん、可飽和リアクトル本来の機能である磁気スイッチ機能は、電流値ｉ０２を超えた段階で非飽和状態から飽和状態に遷移して該スイッチ機能を実現している。
【００２１】
この図１に示す可飽和リアクトルは、簡単な構成であるとともに、大電力特に高電圧に耐えることができ、しかも高速スイッチングが可能な構造であるため、大電力用半導体素子ではカバーできない領域に適用することができる。
【００２２】
次に、図１に示す可飽和リアクトルを用いた簡単な回路を用いてこの可飽和リアクトルの動作について、図３および図４を参照して説明する。
【００２３】
図３に示す回路はコンデンサＣ、可飽和リアクトルＳＬ、コイルＬ、およびスイッチ素子ＳＷ１を直列接続した閉回路である。図３に示す回路において、コンデンサＣは、可飽和リアクトルＳＬ側を正として充電された状態となっている。一方、可飽和リアクトルＳＬは、図１に示す可飽和リアクトルと同一の構成であり、コンデンサＣからコイルＬ側への電流の移動を制限する機能をもっている。
【００２４】
ここで、スイッチ素子ＳＷ１をオンにすると、コンデンサＣとコイルＬとの共振回路が形成されるが、この共振電流ＩＣは可飽和リアクトルＳＬを経由することになる。その結果、図４に示すように共振電流ＩＣは、スイッチ素子ＳＷ１のオン（ｔ０）後、可飽和リアクトルＳＬが存在しない場合における共振曲線Ｌ１を描くが、その後、時点ｔ１に至ると、可飽和リアクトルＳＬの電流制限作用によって可飽和リアクトルＳＬは高インダクタンス状態となり、共振電流ＩＣの流れを制限する。その後時点ｔ０に至って所定の電圧時間積に達すると、再び飽和状態となって低インダクタンス状態となり、共振電流ＩＣの流れを許容する。この結果、共振電流ＩＣは、可飽和リアクトルＳＬの電流制限作用によって、時点ｔ１からｔ２までの間の遅延をもってその後共振電流ＩＣをシフトしたことにもなる。
【００２５】
次に、図１に示す可飽和リアクトルを用いたパルスレーザ用電源装置について図５および図６を参照して説明する。
【００２６】
図５において、パルスレーザ用電源装置は、充電用直流電源１１とスイッチ素子ＳＷとを有する。スイッチ素子ＳＷには、直列接続された可飽和リアクトルＳＬ１とコンデンサＣ１とが並列接続される。さらにコンデンサＣ１には、直列接続された可飽和リアクトルＳＬ２とダイオードＤ１とピーキングコンデンサＣＰとが並列接続される。また、ピーキングコンデンサＣＰには、レーザ放電部ＬＤが並列接続される。さらに、可飽和リアクトルＳＬ１とコンデンサＣ１との接続点と充電用直流電源１１の正端子との間に図１に示す可飽和リアクトルＳＬ０が接続される。ここで、可飽和リアクトルＳＬ０は、充電用直流電源１１から流れる充電電流Ｉ０の方向を電流制限方向としている。また、ダイオードＤ１は、ピーキングコンデンサＣＰから可飽和リアクトルＳＬ２への方向を導通方向としている。すなわち、ダイオードＤ１は、パルス圧縮転送時におけるエネルギー転送方向を導通方向としている。
【００２７】
充電用直流電源１１から直流高電圧によって印加された充電電流Ｉ０は可飽和リアクトルＳＬ０を介してコンデンサＣ１に入力され、コンデンサＣ１が充電される。この場合、可飽和リアクトルＳＬ０は、図１と同様な可飽和リアクトルであって電流源１４によって副巻線１３に飽和状態を超える電流が流れており、充電電流Ｉ０方向に対しては所定の電流値まで低インダクタンス状態となっている。従って、リップルを含む充電電流Ｉ０であっても高インダクタンス状態とはならずにコンデンサＣ１に入力される。一方、ピーキングコンデンサＣＰには充電電流Ｉ０は流れない。ダイオードＤ１によってピーキングコンデンサＣＰへの電荷移動が阻止されるからである。
【００２８】
従って、図６に示すように、充電が完了した段階におけるコンデンサＣ１の端子電圧ＶＣ１は＋Ｅボルト、ピーキングコンデンサＣＰの端子電圧ＶＣＰは０ボルトとなっている。
【００２９】
その後、ゲートＧ１に所定電圧を印加してスイッチ素子ＳＷをオンにするとコンデンサＣ１に蓄積された電荷の転送が開始される。すなわち、スイッチ素子ＳＷのオンによって可飽和リアクトルＳＬ１の端子電圧が急激に増大し、可飽和リアクトルＳＬ１の電圧時間積に達して飽和し、可飽和リアクトルＳＬ１のインダクタンスが急激に減少してオン状態となる。この結果、コンデンサＣ１に蓄積された電荷は電流Ｉ１として流れ、コンデンサＣ１の極性が反転する。従って、図６に示すようにコンデンサＣ１の端子電圧ＶＣ１は＋Ｅボルトから−Ｅボルトに変化する。このコンデンサＣ１の極性反転の期間Ｔ１において、ピーキングコンデンサＣＰに蓄積されていた電荷は、可飽和リアクトルＳＬ２がオフ状態であるにもかかわらず、可飽和リアクトルＳＬ１を介して漏れ、微小な電圧降下が生じるが、この漏れはコンデンサＣ１の端子電圧ＶＣ１が０ボルトに達した以降に生じるので非常に小さな値である。
【００３０】
一方、スイッチＳＷのオンによって電流Ｉ１が流れると、コンデンサＣ１に充電された電荷の移動に伴ってコンデンサＣ１の＋側（Ｐ点）の電位が急激に反転し、充電用直流電源１１から充電電流Ｉ０が吸い込まれようとするが、可飽和リアクトルＳＬ０は所定の電流値以上になると非飽和状態となって電流の流れを制限する機能があるため、この際に充電電流Ｉ０が充電用直流電源１１の設計値以上に流れることはない。
【００３１】
その後、コンデンサＣ１の極性反転による可飽和リアクトルＳＬ２の両端電圧からの電圧時間積が満たされて可飽和リアクトルＳＬ２がオンとなり、極性反転によって転送されてコンデンサＣ１に蓄積された電荷が電流Ｉ２として流れ、ピーキングコンデンサＣＰに転送される。
【００３２】
このピーキングコンデンサＣＰに転送された電荷は、電流Ｉ３としてレーザ放電部ＬＤに印加され、レーザ放電部ＬＤの放電によってレーザ媒質が励起され、レーザ発振することになる。レーザ放電部ＬＤで消費された電流以外の残余の電流は、その後レーザ放電部ＬＤとピーキングコンデンサＣＰとの間で数回共振するが、その都度ダイオードＤ１、可飽和リアクトルＳＬ２を介し、電流Ｉ４としてコンデンサＣ１に回生される。しかも、ダイオードＤ１の整流作用によってダイオードＤ１を介してコンデンサＣ１に回生された電荷はピーキングコンデンサＣＰに戻ることが阻止される。これにより、ピーキングコンデンサＣＰに転送された電荷は、レーザ放電部ＬＤの放電に寄与するとともに、残余の電荷は再びコンデンサＣ１に回生され、次の充電エネルギーを削減することができ、エネルギー消費効率を非常に大きくすることができる。
【００３３】
なお、可飽和リアクトルＳＬ１，ＳＬ２の飽和タイミングを設定することにより、期間Ｔ２は期間Ｔ１に比べて短くなり、転送される電流値が圧縮されてパルス状のエネルギーがレーザ放電部ＬＤに供給されることになる。
【００３４】
このようにして、可飽和リアクトルＳＬ０を図１に示す可飽和リアクトルとすることにより、充電用直流電源１１からの充電電流をスムーズに導通させて、コンデンサＣ１に電荷を蓄積することができるとともに、エネルギー転送時に可飽和リアクトルＳＬ０が所定の電流値を超える充電電流Ｉ０の吸い込みを阻止するようにしているので、充電用直流電源１１の充電電流Ｉ０が設計値以上に流れて充電用直流電源１１が壊れるのを防ぐことができる。また、転送電荷量の精度も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態である可飽和リアクトルの構成を示す図である。
【図２】図１に示す可飽和リアクトルのＢ−Ｈ特性を示す図である。
【図３】図１に示す可飽和リアクトルを用いた共振回路の構成を示す図である。
【図４】図３に示す回路内を流れる電流の変化を示す図である。
【図５】図１に示す可飽和リアクトルを用いたパルスレーザ用電源装置の構成を示す図である。
【図６】図５に示すパルスレーザ用電源装置のコンデンサＣ１およびピーキングコンデンサＣＰの電圧変化を示すタイミングチャートである。
【図７】従来の可飽和リアクトルのＢ−Ｈ特性を示す図である。
【図８】従来のパルスレーザ用電源装置の一例を示す図である。
【符号の説明】
１…磁芯  ２，１２…主巻線  ３，１３…副巻線  ４，１４…電流源
Ｉ，ｉｂ，ｉ１，ｉ２，Ｉ０，Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４，ＩＣ…電流
１１…充電用直流電源  ＳＷ…スイッチ素子  Ｇ１…ゲート
ＳＬ１，ＳＬ２…可飽和リアクトル  Ｄ１…ダイオード
Ｃ１…コンデンサ  ＣＰ…ピーキングコンデンサ
ＬＤ…レーザ放電部  ＶＣ１，ＶＣＰ…端子電圧
【図１】
0003888599.tif 000002
【図２】
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【図３】
0003888599.tif 000004
【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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