(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス電流を発生するパルス発生回路と、トランスの二次側に得る前記パルス電流でコンデンサを充電し、この充電電圧で可飽和リアクトルが磁気スイッチ動作することで磁気パルス圧縮する回路を少なくとも１段有して負荷のピーキングコンデンサを放電開始電圧まで充電する磁気パルス圧縮回路と、前記可飽和リアクトルをその飽和動作後に磁気リセット電流を供給して逆方向にリセットさせる磁気リセット回路とを備えたパルス電源において、
前記可飽和リアクトルは３次巻線を設け、前記負荷の主放電後の前記磁気リセット電流を一定時間だけキャンセルするパルス電流を前記３次巻線に供給するリセット電流キャンセル回路を設けたことを特徴とするパルス電源。
【請求項２】
パルス電流を発生するパルス発生回路と、トランスの二次側に得る前記パルス電流でコンデンサを充電し、この充電電圧で可飽和リアクトルが磁気スイッチ動作することで磁気パルス圧縮する回路を少なくとも１段有して負荷のピーキングコンデンサを放電開始電圧まで充電する磁気パルス圧縮回路と、前記可飽和リアクトルをその飽和動作後に磁気リセット電流を供給して逆方向にリセットさせる磁気リセット回路とを備えたパルス電源において、
前記磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトル又は前記パルス発生回路が有する可飽和リアクトルに３次巻線を設け、もしくは前記トランスに３次巻線を設け、前記３次巻線には直列接続でリアクトルを設けて前記ピーキングコンデンサに並列接続し、前記可飽和リアクトルの飽和動作前の漏れ電流又は前記トランスのパルス電流で前記３次巻線に誘起電圧を得、この誘起電圧で前記リアクトルを通したキャンセル電流を発生させ、前記リアクトルは前記キャンセル電流で前記負荷の主放電後の前記磁気リセット電流を一定時間だけキャンセルできる時間まで延長させるインダクタンスとし、かつ前記キャンセル電流によって前記ピーキングコンデンサのプリパルス電圧発生を抑止する構成にした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、電力用半導体スイッチを用いたパルス発生回路と、可飽和リアクトルとコンデンサによる磁気パルス圧縮回路を組み合わせ、高い繰り返しで狭幅の大電流パルスを発生するパルス電源に係り、特に可飽和リアクトルの磁気リセットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のパルス電源例を図６に示す。パルス発生回路１は、電力用の初段コンデンサＣ０を高圧充電器２により初期充電しておき、半導体スイッチＳＷのオン制御でコンデンサＣ０から可飽和リアクトルＴ１を通してパルストランスＴ２にパルス電流ｉ０を供給する。可飽和リアクトルＴ１は、半導体スイッチＳＷの完全なオン後に飽和動作してパルス電流ｉ０を発生させることでスイッチＳＷの責務を軽減する。
【０００３】
パルストランスＴ２の二次側には２段の磁気パルス圧縮回路が縦続接続され、初段の磁気パルス圧縮回路ではパルストランスＴ２で昇圧したパルス電流ｉ０’でコンデンサＣ１が高圧充電され、このコンデンサＣ１の充電電圧で可飽和リアクトルＴ３が磁気スイッチ動作することにより磁気パルス圧縮した狭幅のパルス電流ｉ１を図示の極性で発生し、コンデンサＣ２を充電する。同様に、可飽和リアクトルＴ４の磁気スイッチ動作により、コンデンサＣ２から磁気パルス圧縮したパルス電流ｉ２を図示の極性で発生する。
【０００４】
磁気パルス圧縮回路３のパルス出力は、レーザヘッドのチャンバなどの負荷４に狭幅・高電圧のパルス電流を供給する。負荷４は、放電管（主放電電極と予備電離電極の並列回路）ＬＨと、これと並列にピーキングコンデンサＣＰが設けられ、パルス電流ｉ２でピーキングコンデンサＣＰが一定電圧レベルまで充電されたときに、予備電離電極による放電で管内ガスの予備電離を行い、この予備電離により主放電電極に主放電電流ｉＬを得る。
【０００５】
ピーキングコンデンサＣＰでは、放電管ＬＨで消費しきれないエネルギーで逆極性に再充電され、このエネルギーはコンデンサＣ２→Ｃ１→パルストランスＴ２→コンデンサＣ０の順に戻り、パルス発生回路１で消費されるか、またはパルス発生回路１でコンデンサＣ０を反転充電させる回生が行われる。
【０００６】
ここで、可飽和リアクトルＴ１、Ｔ３、Ｔ４にはそれぞれ磁気リセット巻線を設け、これら磁気リセット巻線には磁気リセット回路５から一括して磁気リセット電流を供給する。このリセット電流は、可飽和リアクトルが飽和動作する主放電後に直流リセット電流を供給することでそれらを逆極性に飽和させておく。これら可飽和リアクトルの磁気リセットは、個別の磁気リセット回路で行う場合もある。
【０００７】
また、パルス電源の回路構成には種々のものがある。例えば、磁気パルス圧縮回路は２段の場合を示すが、１段または３段以上のものもある。さらに、パルストランスに代えて、可飽和トランスとする場合もある。さらにまた、トランスの出力端に対してコンデンサを直列接続した直列形のものもある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
（第１の課題）
従来装置において、電流ｉ１の発生により、コンデンサＣ１からＣ２にエネルギーが転送されるとき、可飽和リアクトルＴ４は非飽和状態にあって高いインピーダンスを呈し、コンデンサＣ２から負荷４側への電流をブロックしている。
【０００９】
しかし、この電流ブロックは、可飽和リアクトルＴ４が無限大のインピーダンスでないため、コンデンサＣ２から負荷４側に漏れ電流が発生し、可飽和リアクトルＴ４が飽和動作する前にピーキングコンデンサＣＰが漏れ電流で充電される。この漏れ電流時間で発生するコンデンサＣ２の充電電圧は、プリパルス電圧と呼ばれ、図７に示すようになる。
【００１０】
同図にはピーキングコンデンサＣＰの電圧ＶCPの波形を示し、時刻ｔ1からｔ2の時間にコンデンサＣ１からＣ２へのエネルギー転送によってピーキングコンデンサＣＰにはプリパルス電圧が発生する。この後、時刻ｔ2からｔ3の時間になるコンデンサＣ２からピーキングコンデンサＣＰへのエネルギー転送には可飽和リアクトルＴ４の飽和動作によって急峻なパルス電圧が発生する。
【００１１】
このように、プリパルス電圧の発生は、その値が大きいと、ピーキングコンデンサＣＰの充電電圧ＶCPの立ち上がりｄＶCP／ｄｔを緩慢にし、高い放電開始電圧（ＶCPのピーク値）が得られなくなる問題があった。
【００１２】
本発明の目的は、プリパルス電圧を抑制することでピーキングコンデンサに高い放電開始電圧を得ることができるパルス電源を提供することにある。
【００１３】
（第２の課題）
従来装置において、負荷４への主放電を得た後、負荷４で消費しきれなかったエネルギーがピーキングコンデンサＣＰ側からパルス発生回路１側に戻った後、次回のパルス発生に備えて、磁気リセット回路５により可飽和リアクトルＴ１，Ｔ３，Ｔ４の磁気リセットが行われる。
【００１４】
この磁気リセットにおいては、図８に示すように、磁気リセット電流ｉＲの供給に対して可飽和リアクトルＴ４にはトランス動作によってその一次巻線→コンデンサＣ２→ピーキングコンデンサＣＰの経路でリセット電流が流れ、コンデンサＣ２及びピーキングコンデンサＣＰを図示の極性に充電してしまう。
【００１５】
この磁気リセット電流によるコンデンサＣ２、ＣＰの充電は、主放電のための充電時に比べて低い電圧になるが、同じ極性になり、負荷４が放電直後で放電を起こし易い状態にあると再放電を起こしてしまう問題があった。
【００１６】
この問題には、磁気リセット電流の供給を、主放電後に十分な時間遅れを持たせることで解決できるが、この遅れ時間を確保しようとすると、高い繰り返しの主放電（パルス発生）ができなくなる。
【００１７】
本発明の目的は、高い繰り返しのパルス発生を可能にしながら、磁気リセット電流による負荷の再放電を防止することができるパルス電源を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するため、可飽和リアクトル又はトランスに３次巻線を設け、この３次巻線にキャンセル電流を流すことにより、プリパルス電圧の発生をキャンセルしてピーキングコンデンサの放電開始電圧を高め、さらには磁気リセット電流を一定時間だけキャンセルして磁気リセット電流による負荷の再放電を防止するようにしたもので、以下の構成を特徴とする。
【００１９】
（第１の発明）
パルス電流を発生するパルス発生回路と、トランスの二次側に得る前記パルス電流でコンデンサを充電し、この充電電圧で可飽和リアクトルが磁気スイッチ動作することで磁気パルス圧縮する回路を少なくとも１段有して負荷のピーキングコンデンサを放電開始電圧まで充電する磁気パルス圧縮回路と、前記可飽和リアクトルをその飽和動作後に磁気リセット電流を供給して逆方向にリセットさせる磁気リセット回路とを備えたパルス電源において、
前記可飽和リアクトルは３次巻線を設け、前記負荷の主放電後の前記磁気リセット電流を一定時間だけキャンセルするパルス電流を前記３次巻線に供給するリセット電流キャンセル回路を設けたことを特徴とする。
【００２０】
（第２の発明）
パルス電流を発生するパルス発生回路と、トランスの二次側に得る前記パルス電流でコンデンサを充電し、この充電電圧で可飽和リアクトルが磁気スイッチ動作することで磁気パルス圧縮する回路を少なくとも１段有して負荷のピーキングコンデンサを放電開始電圧まで充電する磁気パルス圧縮回路と、前記可飽和リアクトルをその飽和動作後に磁気リセット電流を供給して逆方向にリセットさせる磁気リセット回路とを備えたパルス電源において、
前記磁気パルス圧縮回路の可飽和リアクトル又は前記パルス発生回路が有する可飽和リアクトルに３次巻線を設け、もしくは前記トランスに３次巻線を設け、前記３次巻線には直列接続でリアクトルを設けて前記ピーキングコンデンサに並列接続し、前記可飽和リアクトルの飽和動作前の漏れ電流又は前記トランスのパルス電流で前記３次巻線に誘起電圧を得、この誘起電圧で前記リアクトルを通したキャンセル電流を発生させ、前記リアクトルは前記キャンセル電流で前記負荷の主放電後の前記磁気リセット電流を一定時間だけキャンセルできる時間まで延長させるインダクタンスとし、かつ前記キャンセル電流によって前記ピーキングコンデンサのプリパルス電圧発生を抑止する構成にしたことを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の実施形態を示す回路図である。同図が図６と異なる部分は、可飽和リアクトルＴ４に３次巻線を設け、この３次巻線にはリセット電流キャンセル回路６からリセット電流をキャンセルするパルス電流ｉＣを供給することにより、前記の第２の課題を解決する点にある。
【００２３】
リセット電流キャンセル回路６は、例えば、図２に示す構成にされる。出力端Ａ，ＢにはリアクトルＬ１と直流電源Ｅとキャンセル電流制限抵抗Ｒと半導体スイッチＳＷR及びダイオードＤ２の直列回路が設けられ、半導体スイッチＳＷRのオンで直流電源Ｅを電源として端子Ｂから端子Ａに向くキャンセル電流ｉＣを発生する。このキャンセル電流ｉＣは、可飽和リアクトルＴ４に対して発生させる誘導電流が磁気リセット電流ｉＲとほぼ同じレベル、かつ逆極性にされる。
【００２４】
なお、ダイオードＤ２は、主放電時に可飽和リアクトルＴ４からの誘導電流を阻止するためのものである。また、リアクトルＬ１は、ピーキングコンデンサＣＰが電流ｉ２で充電されるときの可飽和リアクトルＴ４からの誘導電流を阻止する。ダイオードＤ１は、半導体スイッチＳＷRのオフ時のリアクトルＬ１の電流を帰還させる。
【００２５】
以上の構成になるリセット電流キャンセル回路６は、半導体スイッチＳＷRを半導体スイッチＳＷのオンに同期させて主放電直後にオンさせることにより、主放電後に発生する磁気リセット回路５からの磁気リセット電流がコンデンサＣ２，ＣＰへ誘起されるのを遅らせるキャンセル電流を発生し、このキャンセル電流の停止後に可飽和リアクトルＴ４のリセットを開始させる。
【００２６】
これにより、磁気リセット回路５が主放電直後にリセット電流を発生させた場合、可飽和リアクトルＴ４にはリセット電流キャンセル回路６からのキャンセル電流ｉＣの発生時間だけ遅れて磁気リセット電流ｉＲが流れることになる。つまり、可飽和リアクトルＴ４の磁気リセットによるコンデンサＣ２，ＣＰの誘起電圧の発生タイミングをリセット電流キャンセル回路６で制御することができる。
【００２７】
本実施形態によれば、可飽和リアクトルＴ４の磁気リセットタイミングは、リセット電流キャンセル回路６によって制御することができ、これにより可飽和リアクトルＴ４が主放電直後に磁気リセットされるのを防止し、磁気リセット電流で負荷４が再放電してしまうのを解決できる。
【００２８】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の実施形態を示す可飽和リアクトルＴ４部分の回路図である。同図が図６と異なる部分は、可飽和リアクトルＴ４には３次巻線を設け、この３次巻線にはリアクトルＬ２を直列接続してピーキングコンデンサＣＰに並列接続することにより、前記の課題を解決する点にある。
【００２９】
３次巻線は、可飽和リアクトルＴ４の主巻線に流れる飽和電流の極性とは逆方向に誘起電圧を発生する巻線方向にされる。
【００３０】
この構成により、コンデンサＣ２が充電されるとき、可飽和リアクトルＴ４は阻止状態にあるが、その漏れ電流でピーキングコンデンサＣＰが充電され、図７のようなプリパルス電圧が発生しようとする。この漏れ電流に対して、３次巻線とピーキングコンデンサＣＰ及びリアクトルＬ２の直列回路には図示の極性の電流ｉＳを発生させ、この電流ｉＳにより、プリパルス電圧の発生を抑制することができる。
【００３１】
したがって、コンデンサＣ２からピーキングコンデンサＣＰへのエネルギー転送に際して、ピーキングコンデンサＣＰの電圧ＶCPにはプリパルス電圧が発生することなく、可飽和リアクトルＴ４の飽和動作で高いｄＶCP／ｄｔを有して上昇し、高い放電開始電圧を発生させることができる。
【００３２】
なお、可飽和リアクトルＴ４の飽和動作時には、そのコアの飽和によって３次巻線に誘導される電圧は極めて小さいものになり、ピーキングコンデンサＣＰの充電動作には影響を及ぼすことは殆どない。
【００３３】
また、電流ｉＳを主放電後のある一定時間後まで継続できるようリアクトルＬ２のインダクタンスを大きくすることにより、可飽和リアクトルＴ４に誘導される磁気リセット電流も電流ｉＳでキャンセルすることにより、主放電直後に磁気リセット電流でピーキングコンデンサＣＰが再充電されるのをキャンセルし、負荷の再放電を防止できる。
【００３４】
（第３の実施形態）
図４は、本発明の実施形態を示す要部回路図である。同図が図６と異なる部分は、パルストランスＴ２には３次巻線を設け、この３次巻線からリアクトルＬ３を直列接続してピーキングコンデンサＣＰに並列接続することにより、前記の課題を解決する点にある。
【００３５】
パルストランスＴ２の３次巻線は、コンデンサＣ０からＣ１へのエネルギー転送時に、図示の極性の電流ｉＳが流れる極性にされ、コンデンサＣ２からピーキングコンデンサＣＰへの主電流方向とは逆極性でピーキングコンデンサＣＰを充電する誘起電圧を得る。ダイオードＤ４はリアクトルＬ３の帰還電流路を形成するためのものであり、リアクトルＬに誘導されたエネルギーがパルストランスＴ２側へ誘起されるのを防止する。
【００３６】
この構成において、電流ｉＳは、コンデンサＣ２からピーキングコンデンサＣＰへのエネルギー転送に先立ってピーキングコンデンサＣ２を逆極性で充電しておくことができ、プリパルス電圧の発生をキャンセルすることができる。
【００３７】
また、電流ｉＳが流れる時間を、コンデンサＣ１からＣ２へのエネルギー転送時にまでなるようリアクトルＬ３のインダクタンスを設定することにより、ピーキングコンデンサＣＰへのエネルギー転送にプリパルス電圧の発生をキャンセルできる。
【００３８】
さらに、電流ｉＳを主放電後のある一定時間後まで継続させるようリアクトルＬ３のインダクタンスを大きくすることにより、図示のように、可飽和リアクトルＴ４に誘導される磁気リセット電流ｉＲ’も電流ｉＳでキャンセルすることができ、主放電直後に磁気リセット電流でピーキングコンデンサＣＰが再充電されるのをキャンセルし、負荷の再放電を防止できる。
【００３９】
（第４の実施形態）
図５は、本発明の実施形態を示す要部回路図である。同図が図６と異なる部分は、可飽和リアクトルＴ１やＴ３に設ける３次巻線に誘起電圧を得、この誘起電圧によってピーキングコンデンサＣＰにキャンセル電流を流すことにより、第３の実施形態と同様に、前記の課題を解決する点にある。
【００４０】
図５の（ａ）では可飽和リアクトルＴ１に３次巻線を設ける場合を示し、（ｂ）では可飽和リアクトルＴ３に３次巻線を設ける場合を示す。３次巻線は、リアクトルＬ４を介してピーキングコンデンサＣＰに直列接続され、可飽和リアクトルＴ１またはＴ３の飽和動作前の誘起電圧でキャンセル電流ｉＳを発生する。
【００４１】
この構成により、例えば、図５の（ａ）の場合には、半導体スイッチＳＷがオンされ、可飽和リアクトルＴ１に漏れ電流が流れるとき、３次巻線に誘起電圧を得、この電圧でリアクトルＬ４を通してピーキングコンデンサＣＰを逆極性に充電しておくことで、ピーキングコンデンサＣＰにプリパルス電圧が発生するのをキャンセルすることができる。
【００４２】
また、電流ｉＳが流れる時間を、コンデンサＣ１からＣ２へのエネルギー転送時にまでなるようリアクトルＬ４のインダクタンスを設定することにより、ピーキングコンデンサＣＰへのエネルギー転送にプリパルス電圧の発生をキャンセルできる。
【００４３】
さらに、電流ｉＳを主放電後のある一定時間後まで継続させることにより、可飽和リアクトルＴ４に誘導される磁気リセット電流も電流ｉＳでキャンセルすることができ、主放電直後に磁気リセット電流でピーキングコンデンサＣＰが再充電されるのをキャンセルし、負荷の再放電を防止できる。
【００４４】
なお、ダイオードＤ５は、第３の実施形態のダイオードＤ４と同様に、リアクトルＬ４の帰還電流路を形成し、可飽和リアクトルＴ１やＴ３の動作への影響をなくす。
【００４５】
以上までの実施形態におけるプリパルスの抑制とコンデンサの再充電の防止は、他のパルス電源構成に適用して同等の作用効果を得ることができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、可飽和リアクトル又はトランスに３次巻線を設け、この３次巻線にキャンセル電流を流すことにより、プリパルス電圧の発生をキャンセルしてピーキングコンデンサの放電開始電圧を高めることができる。また、磁気リセット電流を一定時間だけキャンセルして磁気リセット電流による負荷の再放電を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示すパルス電源の回路図。
【図２】実施形態におけるリセット電流キャンセル回路の例。
【図３】本発明の第２の実施形態を示す要部回路図。
【図４】本発明の第３の実施形態を示す要部回路図。
【図５】本発明の第４の実施形態を示す要部回路図。
【図６】従来のパルス電源の回路例。
【図７】ピーキングコンデンサに発生するプリパルス電圧波形。
【図８】可飽和リアクトルＴ４の磁気リセット回路部分。
【符号の説明】
１…パルス発生回路
２…充電器
３…磁気パルス圧縮回路
４…負荷
５…磁気リセット回路
６…リセット電流キャンセル回路
ＳＷ、ＳＷR…半導体スイッチ
Ｔ１、Ｔ３、Ｔ４…可飽和リアクトル
Ｔ２…パルストランス
Ｃ０、Ｃ１、Ｃ２…コンデンサ
ＣＰ…ピーキングコンデンサ
Ｄ１〜Ｄ５…ダイオード
Ｌ１〜Ｌ４…リアクトル
【図１】
0004038927.tif 000002
【図２】
0004038927.tif 000003
【図３】
0004038927.tif 000004
【図４】
0004038927.tif 000005
【図５】
0004038927.tif 000006
【図６】
0004038927.tif 000007
【図７】
0004038927.tif 000008
【図８】
0004038927.tif 000009