(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
順次直列接続された第１のスイッチと第１のコイルと充電方向を順方向とする一方向性素子と蓄積コンデンサとを、電流源に並列接続されて常時充電されるコンデンサに並列接続し、該コンデンサのエネルギーを前記コイルと前記蓄積コンデンサとからなる共振回路を介して前記蓄積コンデンサに所定エネルギーを蓄積させる充電装置において、
前記第１のコイルに対して密に磁気結合する第２のコイルと前記第２のコイルに直列接続された第２のスイッチとを前記コンデンサに並列接続したエネルギー回生回路と、
前記第１のスイッチのオン後、前記蓄積コンデンサに蓄積されたエネルギーが所定エネルギーに達した場合に前記第２のスイッチをオンにする切換制御手段と
を具備し、
前記切換制御手段は、前記第２のスイッチのオンを契機として前記第１のコイルに蓄積されるエネルギーを前記第２のコイルを介して前記コンデンサに回生させることを特徴とする充電装置。
【請求項２】
前記第２のスイッチは、
第３のスイッチと、
前記エネルギー回生回路上に直列接続された第３のコイルと該第３のコイルに磁気結合され前記第３のスイッチを含んだ閉回路を構成する第４のコイルとを有したトランスとを具備し、
前記切換制御手段は、前記第３のスイッチのオンを契機として前記第１のコイルに蓄積されるエネルギーを前記第２のコイルを介して前記コンデンサに回生させることを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
【請求項３】
順次直列接続された第１のスイッチと第１のコイルと充電方向を順方向とする一方向性素子と蓄積コンデンサとを、電流源に並列接続されて常時充電されるコンデンサに並列接続し、該コンデンサのエネルギーを前記コイルと前記蓄積コンデンサとからなる共振回路を介して前記蓄積コンデンサに所定エネルギーを蓄積させる充電装置において、
前記第１のコイルに並列接続された第２のコイルおよび第２のスイッチと当該第２のコイルに対して密に磁気結合する第３のコイルとを有し、該第３のコイルを前記コンデンサに並列接続したエネルギー回生回路と、
前記第１のスイッチのオン後、前記蓄積コンデンサに蓄積されたエネルギーが所定エネルギーに達した場合に前記第２のスイッチをオンにする切換制御手段と
を具備し、
前記切換制御手段は、前記第２のスイッチのオンを契機として前記第１のコイルに蓄積されるエネルギーを磁気結合された第２のコイルおよび第３のコイルを介して前記コンデンサに回生させることを特徴とする充電装置。
【請求項４】
前記エネルギー回生回路は、
前記第２のスイッチに並列接続され、第３のスイッチと抵抗とからなるエネルギー消費回路をさらに具備し、
前記切換制御手段は、第１のスイッチのオン後、前記蓄積コンデンサに蓄積されたエネルギーが所定のエネルギーに達した場合に前記第２のスイッチおよび第３のスイッチをオンにして前記第１のコイルの電流エネルギーを前記第２のコイルおよび第３のコイルを介してエネルギーを前記コンデンサに回生し、このエネルギー回生終了後に前記第２のスイッチをオフにして前記第２のコイルに残留する電流エネルギーを前記抵抗によって消費させることを特徴とする請求項３に記載の充電装置。
【請求項５】
前記切換制御手段は、
充電装置の特性から得られる最大エネルギー回生時間をタイマにセットし、前記第２のスイッチのオン後、前記最大エネルギー回生時間後に前記第２のスイッチをオフにすることを特徴とする請求項４に記載の充電装置。
【請求項６】
前記切換制御手段は、
第３のコイルを介して流れる回生エネルギー電流を検出する検出手段をさらに具備し、前記回生エネルギー電流が零となった時点で前記第２のスイッチをオフにすることを特徴とする請求項４に記載の充電装置。
【請求項７】
前記切換制御手段は、
前記コンデンサの端子電圧および前記蓄積コンデンサが所定エネルギー値となる該蓄積コンデンサの端子電圧を検出する検出手段と、
前記検出手段が検出した前記コンデンサの端子電圧および前記蓄積コンデンサの端子電圧との関数として導出されるエネルギー回生時間を充電サイクルの都度、演算する演算手段と
をさらに具備し、
前記切換制御手段は、前記演算手段の算出結果であるエネルギー回生時間をタイマにセットし、前記第２のスイッチのオン後、前記エネルギー回生時間後に前記第２のスイッチをオフにすることを特徴とする請求項４に記載の充電装置。
【請求項８】
順次直列接続された第１のスイッチと第１のコイルと充電方向を順方向とする一方向性素子と蓄積コンデンサとを、電流源に並列接続されて常時充電されるコンデンサに並列接続し、該コンデンサのエネルギーを前記コイルと前記蓄積コンデンサとからなる共振回路を介して前記蓄積コンデンサに所定エネルギーを蓄積させる充電装置において、
前記電流源は、
商用電源を整流素子によって整流し、該整流されたエネルギーを平滑コンデンサによって平滑し、この平滑されたエネルギーをスイッチ素子によって交番化した低圧直流電流を昇圧する電流源であり、
前記第１のコイルに対して密に磁気結合する第２のコイルと前記第２のコイルに直列接続された第２のスイッチとを前記平滑コンデンサに並列接続したエネルギー回生回路と、
前記第１のスイッチのオン後、前記蓄積コンデンサに蓄積されたエネルギーが所定エネルギーに達した場合に前記第２のスイッチをオンにする切換制御手段と
を具備し、
前記切換制御手段は、前記第２のスイッチのオンを契機として前記第１のコイルに蓄積されるエネルギーを前記第２のコイルを介して前記平滑コンデンサに回生させることを特徴とする充電装置。
【請求項９】
前記第２のスイッチは、
第３のスイッチと、
前記エネルギー回生回路上に直列接続された第３のコイルと該第３のコイルに磁気結合され前記第３のスイッチを含んだ閉回路を構成する第４のコイルとを有したトランスとを具備し、
前記切換制御手段は、前記第３のスイッチのオンを契機として前記第１のコイルに蓄積されるエネルギーを前記第２のコイルを介して前記平滑コンデンサに回生させることを特徴とする請求項８に記載の充電装置。
【請求項１０】
順次直列接続された第１のスイッチと第１のコイルと充電方向を順方向とする一方向性素子と蓄積コンデンサとを、電流源に並列接続されて常時充電されるコンデンサに並列接続し、該コンデンサのエネルギーを前記コイルと前記蓄積コンデンサとからなる共振回路を介して前記蓄積コンデンサに所定エネルギーを蓄積させる充電装置において、
前記電流源は、
商用電源を整流素子によって整流し、該整流されたエネルギーを平滑コンデンサによって平滑し、この平滑されたエネルギーをスイッチ素子によって交番化した低圧直流電流を昇圧する電流源であり、
前記第１のコイルに並列接続された第２のコイルおよび第２のスイッチと当該第２のコイルに対して密に磁気結合する第３のコイルとを有し、該第３のコイルを前記平滑コンデンサに並列接続したエネルギー回生回路と、
前記第１のスイッチのオン後、前記蓄積コンデンサに蓄積されたエネルギーが所定エネルギーに達した場合に前記第２のスイッチをオンにする切換制御手段と
を具備し、
前記切換制御手段は、前記第２のスイッチのオンを契機として前記第１のコイルに蓄積されるエネルギーを磁気結合された第２のコイルおよび第３のコイルを介して前記平滑コンデンサに回生させることを特徴とする充電装置。
【請求項１１】
前記エネルギー回生回路は、
前記第２のスイッチに並列接続され、第３のスイッチと抵抗とからなるエネルギー消費回路をさらに具備し、
前記切換制御手段は、第１のスイッチのオン後、前記蓄積コンデンサに蓄積されたエネルギーが所定のエネルギーに達した場合に前記第２のスイッチおよび第３のスイッチをオンにして前記第１のコイルの電流エネルギーを前記第２のコイルおよび第３のコイルを介してエネルギーを前記平滑コンデンサに回生し、このエネルギー回生終了後に前記第２のスイッチをオフにして前記第２のコイルに残留する電流エネルギーを前記抵抗によって消費させることを特徴とする請求項１０に記載の充電装置。
【請求項１２】
前記切換制御手段は、
充電装置の特性から得られる最大エネルギー回生時間をタイマにセットし、前記第２のスイッチのオン後、前記最大エネルギー回生時間後に前記第２のスイッチをオフにすることを特徴とする請求項１１に記載の充電装置。
【請求項１３】
前記切換制御手段は、
第３のコイルを介して流れる回生エネルギー電流を検出する検出手段をさらに具備し、前記回生エネルギー電流が零となった時点で前記第２のスイッチをオフにすることを特徴とする請求項１１に記載の充電装置。
【請求項１４】
前記切換制御手段は、
前記平滑コンデンサの端子電圧および前記蓄積コンデンサが所定エネルギー値となる該蓄積コンデンサの端子電圧を検出する検出手段と、
前記検出手段が検出した前記コンデンサの端子電圧および前記蓄積コンデンサの端子電圧との関数として導出されるエネルギー回生時間を充電サイクルの都度、演算する演算手段と
をさらに具備し、
前記切換制御手段は、前記演算手段の算出結果であるエネルギー回生時間をタイマにセットし、前記第２のスイッチのオン後、前記エネルギー回生時間後に前記第２のスイッチをオフにすることを特徴とする請求項１１に記載の充電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、順次直列接続された第１のスイッチと第１のコイルと充電方向を順方向とする一方向性素子と蓄積コンデンサとを、電流源に並列接続されて常時充電されるコンデンサに並列接続し、該コンデンサのエネルギーを前記コイルと前記蓄積コンデンサとからなる共振回路を介して前記蓄積コンデンサに所定エネルギーを蓄積させる充電装置に関し、特に高繰り返し発振パルスレーザ用電源装置の充電装置に好適な充電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、充電装置としては各種のものがあり、例えばエキシマレーザ用の高圧充電装置では、インバータ方式が知られている。このインバータ方式は、商用電源の交流を一度整流して得られた直流電源を半導体スイッチ素子によって交番化し、さらにトランスを用いて昇圧し、その後再度整流して蓄積コンデンサにエネルギーを充電する。
【０００３】
このインバータ方式を用いた充電方式によれば、例えば、蓄積コンデンサに対して、初回に大きなエネルギーを供給して充電し、蓄積コンデンサの端子電圧が目標電圧に近づくとインバータによる１回の転送エネルギー値を小さくする切替を行い、１回当たりの蓄積コンデンサの電圧変化量を小さくし、蓄積コンデンサの端子電圧が目標電圧を超えた時点で充電を停止させるものがある。すなわち、蓄積コンデンサへのエネルギー供給に際し、最初一度に大きなエネルギーを供給し、その後小さなエネルギー供給によって蓄積コンデンサのエネルギー蓄積を精度高く制御しようとするものである。
【０００４】
しかし、この方式は、インバータを用いて蓄積コンデンサに対する充電を行うようにしているので、レーザ発振周波数の上昇に伴って、充電装置に対する負荷が増大することになる。このレーザ発振周波数の上昇は、例えばエキシマレーザの場合、連続発振によっては所望のレーザ出力が得られないため、、パルス発振を行い、このレーザ出力を例えば半導体ステッパ装置に用いる場合には、連続パルス発振によって連続発振と同様なエネルギー値を確保し、制御するものであり、このことから、レーザパルス発振の周波数を高くする必要があるからである。
【０００５】
ここで、充電装置に対する負荷とは、例えば図１０に示すように、レーザパルス発振周波数が低い場合（図１０（ａ））、各パルス発振に対応する蓄積コンデンサへの充電サイクルは、充電時間ｔ３、待機時間ｔ２、およびスイッチの回復時間ｔ１とを有する。充電時間ｔ３は、インバータによる実際の充電期間であり、待機時間ｔ２は、充電精度を保証するため、充電完了とショットタイミングとの間に設けられる設計上の時間余裕であり、理想的には零とすることができるが、現実的には、充電が遅れる場合があり、この場合充電電圧不足、すなわち目標エネルギー値を有さないまま、このエネルギーが転送されレーザ発振されることになるため、所定の時間が設けられる。スイッチの回復時間ｔ１は、蓄積コンデンサに蓄積されたエネルギーをスイッチをオンして磁気パルス圧縮回路に転送し、その後オフとするまでの時間であり、この間では充電動作を行うことができないのは言うまでもない。
【０００６】
従って、図１０（ｂ）に示すように、レーザパルス発振周波数が高くなった場合、待機時間ｔ２とスイッチの回復時間ｔ１とはレーザパルス発振周波数に関係なく確保しなければならないので、結局、充電時間ｔ１を短くした充電時間ｔ１’としなければならない。
【０００７】
この結果、レーザパルス発振周波数が高い時に、低い時と同じエネルギー値を蓄積コンデンサに蓄積させるためには、大きい充電電流が必要となり、瞬時通過電力が大きくなることから、充電回路自体に要求される能力が過大となる。
【０００８】
そこで、レーザパルス発振周波数が高くても、高速に充電できるＬＣ共振型充電方式が見直され、このＬＣ共振型充電方式が上述したエキシマレーザ等のパルスレーザ用の充電方式が用いられるようになっている。
【０００９】
このＬＣ共振型充電方式は、図１１に示すように、充電用電源１１内に電流源１２を有し、この電流源１２によって常に一定電圧Ｅに保持される大容量のコンデンサＣ１を有する。この大容量のコンデンサＣ１が実際上の直流電源とみなすことができる。この充電用電源１１には、可飽和リアクトル等で構成されるスイッチ１０、コイルＬ、ダイオードＤ、蓄積コンデンサＣ２が直列に接続される。
【００１０】
ここで、図１１に示す充電装置１０の動作について図１２のタイミングチャートを参照して説明すると、まずスイッチＳＷ１０がオンすると、コイルＬと蓄積コンデンサＣ２との共振回路によってコンデンサＣ１に蓄積されたエネルギーは電流としてコイルＬ上をダイオードＤ側に流れて（図１２（ａ））、蓄積コンデンサＣ２に転送される。この結果、蓄積コンデンサＣ２の端子間電圧ＶＣ２は徐々に増大し（図１２（ｂ））、コンデンサＣ１の端子間電圧Ｅの２倍の電圧２Ｅまで上昇する。その後、蓄積コンデンサＣ２からコイルＬに向けて電流が流れようとするが、ダイオードＤによって阻止され、結局、コイルＬ上の電流ＩＬは流れなくなり、蓄積コンデンサＶＣ２間の電圧は、２Ｅを維持することになる。すなわち、電圧２Ｅのエネルギーが蓄積コンデンサＣ２に蓄積されたことになる。
【００１１】
実際には、図１３に示す充電装置２０のように、コイルＬに並列に、直列接続されたスイッチＳＷ１１と抵抗Ｒとを設けるとともに、蓄積コンデンサＣ２の端子電圧ＶＣ２を計測してこの端子電圧ＶＣ２が目標電圧に達した時点でスイッチＳＷ１１をオンに制御する比較回路ＣＭＰが設けられる。
【００１２】
この充電装置２０は、図１４のタイミングチャートに示すように、比較回路ＣＭＰが、蓄積コンデンサＣ２の端子電圧ＶＣ２の値が目標電圧ＶＣＭＰに達した時点でスイッチＳＷ１１をオンにして（図１４（ｄ））コイルＬに蓄積された電流エネルギーを抵抗Ｒによって消費させるようにし（図１４（ｂ））、コイルＬに残る残留エネルギーを削除し、次の蓄積コンデンサＣ２へのエネルギー蓄積に悪影響を与えないようにしている。そして、この結果、蓄積コンデンサＣ２に流れる電流ＩＣは阻止され（図１４（ｃ））、蓄積コンデンサＣ２には、目標電圧ＶＣＭＰをもつ電圧エネルギーが蓄積されるように制御される（図１４（ｅ））。
【００１３】
その後、図１３において、蓄積コンデンサＣ２に蓄積されたエネルギーは、スイッチＳＷＴのオンによってコイルＴＴを介して図示しない磁気パルス圧縮回路に転送され、この磁気パルス圧縮回路によって順次圧縮されたパルスが図示しないレーザ放電部に転送され、放電励起によって転送されたエネルギーに対応した出力をもつパルスレーザ光が発振出力されることになる。さらに、その後、スイッチＳＷ１０のオンによって再び充電が開始され、上述した蓄積コンデンサＣ２へのエネルギー蓄積と磁気パルス圧縮回路へのエネルギー転送とが行われる。
【００１４】
この図１３に示す充電装置２０では、インバータ方式の充電に比べて、直流電流源としての電流源１２が極めて平均パワーで動作、すなわち蓄積するエネルギー値の変更に伴う大きな変動をする必要がなく、充電時間ｔ３も短くすることができ、かつ充電期間ｔ３時の負荷すなわち充電期間ｔ３における電圧上昇率を極めて小さくすることができる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１３に示す充電装置２０では、抵抗ＲによってコイルＬに残留した電流エネルギーを消費させるようにしており、例えば蓄積コンデンサＣ２の目標電圧ＶＣＭＰが小さい場合には、コイルＬに蓄積される電流エネルギーも増大し、抵抗Ｒによる消費量が非常に大きくなり、抵抗Ｒによる発熱を無視できなくなり、ひいては充電装置２０での熱設計を再考する必要性があるという問題点があった。
【００１６】
また、コイルＬに蓄積された電流エネルギーは、抵抗Ｒによって消費されるのみで、無駄なエネルギー消費となり、充電装置２０全体のエネルギー効率が低下し、特に目標電圧ＶＣＭＰの値が小さい場合にはエネルギー効率が極端に低下するという問題点があった。
【００１７】
そこで、本発明はかかる問題点を除去し、蓄積コンデンサに蓄積されるエネルギー値の調整範囲を大きくとった場合にも充電装置全体に与える影響がなく精度の高いエネルギー調整が実現でき、しかもエネルギー効率を格段に向上することができる充電装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段および効果】
請求項１に係る発明は、順次直列接続された第１のスイッチと第１のコイルと充電方向を順方向とする一方向性素子と蓄積コンデンサとを、電流源に並列接続されて常時充電されるコンデンサに並列接続し、該コンデンサのエネルギーを前記コイルと前記蓄積コンデンサとからなる共振回路を介して前記蓄積コンデンサに所定エネルギーを蓄積させる充電装置において、前記第１のコイルに対して密に磁気結合する第２のコイルと前記第２のコイルに直列接続された第２のスイッチとを前記コンデンサに並列接続したエネルギー回生回路と、前記第１のスイッチのオン後、前記蓄積コンデンサに蓄積されたエネルギーが所定エネルギーに達した場合に前記第２のスイッチをオンにする切換制御手段とを具備し、前記切換制御手段は、前記第２のスイッチのオンを契機として前記第１のコイルに蓄積されるエネルギーを前記第２のコイルを介して前記コンデンサに回生させることを特徴とする。
【００１９】
請求項１に係る発明では、前記コンデンサから第１のコイルを介して転送されるエネルギーは、第１のコイルと蓄積コンデンサとの共振特性をもって前記第２のスイッチがオンとなるまで、すなわち蓄積コンデンサに所定エネルギーが蓄積されるまで充電され、ダイオード等の一方向性素子によって共振特性による逆流は素子されるため、蓄積コンデンサに蓄積されたエネルギーはそのまま維持される。一方、第１のコイルのインダクタンスには電流エネルギーが蓄積されるが、第２のスイッチのオンを契機として第１のコイルに蓄積されたエネルギーは第１のコイルに密に磁気結合された第２のコイルに転送されるので、第１のコイルには電流エネルギーが残存せず、その後の蓄積コンデンサへの充電に悪影響を与えず、所定エネルギーを精度高く制御することができる。また、エネルギー回生回路を介して第２のコイルに転送されたエネルギーは、電源側である前記コンデンサに回生されるので、充電装置全体のエネルギー効率が格段に向上することになる。
【００２０】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記第２のスイッチは、第３のスイッチと、前記エネルギー回生回路上に直列接続された第３のコイルと該第３のコイルに磁気結合され前記第３のスイッチを含んだ閉回路を構成する第４のコイルとを有したトランスとを具備し、前記切換制御手段は、前記第３のスイッチのオンを契機として前記第１のコイルに蓄積されるエネルギーを前記第２のコイルを介して前記コンデンサに回生させることを特徴とする。
【００２１】
請求項２に係る発明では、特に第４のコイルの巻数を第３のコイルの巻数に比して小さくすることにより、前記第３のスイッチにかかる耐圧を前記第２のスイッチにかかる耐圧に比して小さくすることができ、第２のスイッチの耐圧特性を格段に軽減することができる。
【００２２】
請求項３に係る発明では、順次直列接続された第１のスイッチと第１のコイルと充電方向を順方向とする一方向性素子と蓄積コンデンサとを、電流源に並列接続されて常時充電されるコンデンサに並列接続し、該コンデンサのエネルギーを前記コイルと前記蓄積コンデンサとからなる共振回路を介して前記蓄積コンデンサに所定エネルギーを蓄積させる充電装置において、前記第１のコイルに並列接続された第２のコイルおよび第２のスイッチと当該第２のコイルに対して密に磁気結合する第３のコイルとを有し、該第３のコイルを前記コンデンサに並列接続したエネルギー回生回路と、前記第１のスイッチのオン後、前記蓄積コンデンサに蓄積されたエネルギーが所定エネルギーに達した場合に前記第２のスイッチをオンにする切換制御手段とを具備し、前記切換制御手段は、前記第２のスイッチのオンを契機として前記第１のコイルに蓄積されるエネルギーを磁気結合された第２のコイルおよび第３のコイルを介して前記コンデンサに回生させることを特徴とする。
【００２３】
請求項３に係る発明では、一般に磁気結合を密にするとコイル間のエネルギー転送効率は向上するが、各巻線のインダクタンスが大きくなり、これにより、早期に磁芯の飽和が生じ、エネルギー蓄積に必要な電流を大きくすることができないという特性を加味し、エネルギー蓄積用の第１のコイルと、エネルギー回生用のトランスとして分離させてそれぞれの機能を個別に発揮させるようにしている。前記コンデンサから第１のコイルを介して転送されるエネルギーは、第１のコイルと蓄積コンデンサとの共振特性をもって前記第２のスイッチがオンとなるまで、すなわち蓄積コンデンサに所定エネルギーが蓄積されるまで充電され、ダイオード等の一方向性素子によって共振特性による逆流は素子されるため、蓄積コンデンサに蓄積されたエネルギーはそのまま維持される。一方、第１のコイルのインダクタンスには電流エネルギーが蓄積されるが、第２のスイッチのオンを契機として第１のコイルに蓄積されたエネルギーは第２のコイルに密に磁気結合された第３のコイルに転送されるので、第１のコイルには電流エネルギーが残存せず、その後の蓄積コンデンサへの充電に悪影響を与えず、所定エネルギーを精度高く制御することができる。また、エネルギー回生回路を介して第３のコイルに転送されたエネルギーは、電源側である前記コンデンサに回生されるので、充電装置全体のエネルギー効率が格段に向上することになる。
【００２４】
請求項４に係る発明では、請求項３に係る発明において、前記エネルギー回生回路は、前記第２のスイッチに並列接続され、第３のスイッチと抵抗とからなるエネルギー消費回路をさらに具備し、前記切換制御手段は、第１のスイッチのオン後、前記蓄積コンデンサに蓄積されたエネルギーが所定のエネルギーに達した場合に前記第２のスイッチおよび第３のスイッチをオンにして前記第１のコイルの電流エネルギーを前記第２のコイルおよび第３のコイルを介してエネルギーを前記コンデンサに回生し、このエネルギー回生終了後に前記第２のスイッチをオフにして前記第２のコイルに残留する電流エネルギーを前記抵抗によって消費させることを特徴とする。
【００２５】
請求項４に係る発明では、たとえ第２のコイルと第３のコイルとを密に磁気結合したとしても、漏れインダクタンスによる残留エネルギーを完全にはなくすことができないため、エネルギー回生が終了した時点で、第２のスイッチをオフにして第２のコイルに残留した環流電流を抵抗で消費させる。これにより、第２のコイルひいては第１のコイルに電流エネルギーを完全になくすことができる。
【００２６】
請求項５に係る発明は、請求項４に係る発明において、前記切換制御手段は、充電装置の特性から得られる最大エネルギー回生時間をタイマにセットし、前記第２のスイッチのオン後、前記最大エネルギー回生時間後に前記第２のスイッチをオフにすることを特徴とする。
【００２７】
これにより、請求項５に係る発明では、エネルギー回生に影響を与えずに最大エネルギー回生時間後には確実に残留エネルギーを消費してなくすことができる。
【００２８】
請求項６に係る発明は、請求項４に係る発明において、前記切換制御手段は、第３のコイルを介して流れる回生エネルギー電流を検出する検出手段をさらに具備し、前記回生エネルギー電流が零となった時点で前記第２のスイッチをオフにすることを特徴とする。
【００２９】
これにより、請求項６に係る発明では、エネルギー回生に影響を与えず、充電処理の都度、最適な残留エネルギーの消費がなされ、該残留エネルギーをなくすことができる。
【００３０】
請求項７に係る発明では、請求項４に係る発明において、前記切換制御手段は、前記コンデンサの端子電圧および前記蓄積コンデンサが所定エネルギー値となる該蓄積コンデンサの端子電圧を検出する検出手段と、前記検出手段が検出した前記コンデンサの端子電圧および前記蓄積コンデンサの端子電圧との関数として導出されるエネルギー回生時間を充電サイクルの都度、演算する演算手段とをさらに具備し、前記切換制御手段は、前記演算手段の算出結果であるエネルギー回生時間をタイマにセットし、前記第２のスイッチのオン後、前記エネルギー回生時間後に前記第２のスイッチをオフにすることを特徴とする。
【００３１】
これにより、請求項７に係る発明では、エネルギー回生に影響を与えず、充電処理の都度、最適な残留エネルギーの消費がなされ、該残留エネルギーをなくすことができる。
【００４４】
請求項８〜１４に係る発明は、電流源は、商用電源を整流素子によって整流し、該整流されたエネルギーを平滑コンデンサによって平滑し、この平滑されたエネルギーをスイッチ素子によって交番化した低圧直流電流を昇圧する電流源であり、前記エネルギー回生回路、前記第１のエネルギー回生回路、または前記第２のエネルギー回生回路は、前記平滑コンデンサに並列接続され、前記第２のコイル、第３のコイル、または第４のコイルを介して回生されるエネルギーを前記電流源に回生することを特徴とする。
【００４５】
請求項８〜１４に係る発明では、前記電流源は、インバータ構成によって生成された低圧直流電流を昇圧するようにしており、該インバータ構成の平滑コンデンサにエネルギーを回生する。この場合、平滑コンデンサの端子電圧の低圧に対応させて、第１のコイルから第２のコイルへのエネルギー転送、第２のコイルから第３のコイルへのエネルギー転送、あるいは第３のコイルから第４のコイルへのエネルギー転送を行うため、第１のコイルと第２のコイルとからなるトランス、第２のコイルと第３のコイルとからなるトランス、あるいは第３のコイルと第４のコイルとからなるトランスは、ダウントランスとしての構成となる。
【００４６】
【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。
【００４７】
図１は、本発明の第１の実施の形態である充電装置の構成を示す図である。この充電装置は、エキシマレーザ等のパルスレーザ用電源装置として用いることができ、充電されたエネルギーは、図示しない磁気パルス圧縮回路を介してレーザ放電部に転送され、転送されたパルスエネルギーの放電破壊によって励起されたレーザ媒体ガスの発光によってパルスレーザ光として発振される。このエキシマレーザのような紫外光のパルスレーザは、例えば半導体ステッパ装置の光露光用光源として用いられ、このパルスレーザ光のエネルギー値は、半導体ステッパ装置による処理精度に大きな影響を与える。従って、このパルスレーザ光のエネルギー値を決定する充電電圧の制御は高精度に行うことが要求される。
【００４８】
図１に示す充電装置では、図１３に示す充電装置２０での充電用電源１１と同じ充電用電源１を有する。すなわち、充電用電源１内に電流源２を有し、この電流源２によって常に一定電圧Ｅに保持される大容量のコンデンサＣ０を有する。この大容量のコンデンサＣ０が実際上の直流電源とみなすことができる。
【００４９】
この充電用電源１には、可飽和リアクトル等で構成することが可能なスイッチ１、コイルＬ１、ダイオードＤ、蓄積コンデンサＣが直列に接続される。さらに、コイルＬ１は磁芯Ｂ１を介して密に結合されるコイルＬ２を有し、このコイルＬ２は、スイッチＳＷ２およびダイオードＤ１にそれぞれ直列接続され、このコイルＬ２とスイッチＳＷ２とダイオードＤ１からなる回路は、充電用電源１に並列接続される。また、切換制御回路ＣＴが蓄積コンデンサＣに並列接続され、切換制御回路ＣＴは、蓄積コンデンサＣの端子電圧ＶＣが目標電圧に達した時点でスイッチＳＷ２をオンにする制御信号を出力する。
【００５０】
スイッチＳＷ１がオンすると、コイルＬ１と蓄積コンデンサＣとの共振回路によってコンデンサＣ０に蓄積されたエネルギーは、まずコイルＬ１およびダイオードＤを介して電流ＩＬ１が流れる。この電流ＩＬ１のエネルギーは蓄積コンデンサＣに電圧エネルギーとして蓄積される。この蓄積コンデンサＣの端子電圧は、充電用電源の端子電圧Ｅの２倍である２Ｅまで上昇する。その後、共振によって蓄積コンデンサＣに蓄積されたエネルギーはダイオードＤ側に戻ろうとするが、ダイオードＤによって阻止される。最大２Ｅまでの電圧が蓄積コンデンサＣに蓄積されることになる。
【００５１】
ここで、切換制御回路ＣＴは、端子電圧ＶＣを計測しており、端子電圧ＶＣが目標電圧ＶＴに達すると、スイッチＳＷ２をオンにする。この目標電圧ＶＴは、電圧２Ｅ以下の値である。このスイッチＳＷ２のオンによって、コイルＬ１に蓄積された電流エネルギーは、磁芯Ｂ１を介してコイルＬ２に転送され、ダイオードＤ１を介して充電用電源１のプラス端子側に環流されることになる。
【００５２】
この結果、スイッチＳＷ１のオンからスイッチＳＷ２のオンまでに流れた電流エネルギーはコイルＬ１およびダイオードＤを介して蓄積コンデンサＣに電圧エネルギーとして蓄積され、目標電圧ＶＴに維持されるとともに、スイッチＳＷ２のオンによって、その時点でコイルＬ１に蓄積された電流エネルギーはコイルＬ２さらにはダイオードＤ１を介して充電用電源１に回生されることになる。
【００５３】
このため、回生されたエネルギーは、その後の充電時に再利用されるので、エネルギー効率が格段に向上するとともに、目標電圧ＶＴが小さな値であってコイルＬ１に蓄積される電流エネルギーが大きな値であっても、エネルギー消費を行わずに済み、発熱等の設計上に与える影響を考慮しなくてもよいことになる。
【００５４】
ここで、図１の充電装置に対する具体的な値を与えて説明すると、充電用電源１の端子電圧Ｅが６ｋＶで、蓄積コンデンサＣの端子電圧ＶＣを８〜１２ｋＶに変化させて、蓄積コンデンサＣに蓄えられる電圧エネルギーを制御することを考える。端子電圧ＶＣを８ｋＶに設定しようとすると、コイルＬ１の端子電圧ＶＬ１は２ｋＶとなる。ここで、コイルＬ１に残留した電流エネルギーをコイルＬ２を介して充電用電源１に回生する場合、コイルＬ２の端子電圧ＶＬ２は６ｋＶ以上必要になる。従って、端子電圧ＶＬ１（２ｋＶ）を３倍の端子電圧ＶＬ２（６ｋＶ）に昇圧しなければならない。従って、コイルＬ１の巻数Ｎ１とコイルＬ２の巻数Ｎ２とは、Ｎ１：Ｎ２＝１：３の比以上に、巻数Ｎ２を設定しなければならない。
【００５５】
ところで、コイルＬ２の端子電圧ＶＬ２がこの場合６ｋＶと非常に高い電圧であるため、スイッチＳＷ２のオン時にこの電圧に耐え得るものでなければならない。
【００５６】
そこで、図２に示す本発明の第２の実施の形態である充電装置では、小さな耐圧でスイッチングすることができる構成としている。
【００５７】
図２に示す充電装置では、スイッチＳＷ２の代わりにトランスＴ２を設け、トランスＴ２の一方は、コイルＬ２に直列接続されたコイルＬ３を有し、他方のコイルＬ４の一端は接地され、他端は直列接続されたスイッチＳＷ３を有する。このスイッチＳＷ３は、スイッチＳＷ２と同様なタイミングで切換制御回路ＣＴによって切換制御される。また、コイルＬ３には、電流の回生方向を順方向とするダイオードＤ２が設けられている。
【００５８】
ここで、コイルＬ２とコイルＬ３との直列回路にかかる電圧は、スイッチＳＷ１のオンとともに、電圧Ｅが常時かかっており、充電期間の後半に端子電圧ＶＣがＥを超えた時点から充電終了までの間に接地側から回生方向に電圧がかかるようにする必要があるため、ダイオードＤ２が設けられ、このダイオードＤ２によって、スイッチＳＷ１のオンから充電期間の後半に至るまでの間における電流の逆流が防止されるとともに、充電初期に発生する順方向スパイク電流も防止される。一方、スイッチングに係る逆方向電圧は、コイルＬ３によって阻止される。従って、コイルＬ３は可飽和リアクトルの動作を行い、スイッチＳＷ３のオンによって飽和し、スイッチＳＷ２と同様なオン状態を生成する。
【００５９】
この場合、コイルＬ３の巻数はコイルＬ４の巻数に比べて大きな値にすることによって、コイルＬ４の端子電圧は非常に小さい値となり、結果として、スイッチＷ３の耐圧を非常に小さな値とすることができる。
【００６０】
次に、図３を参照して、本発明の第３の実施の形態である充電装置について説明する。
【００６１】
上述した第１または第２の実施の形態では、いずれも回生されるエネルギーは充電用電源１におけるコンデンサＣ０に対してであったが、第３の実施の形態では、充電用電源１を構成する電流源２に対してエネルギーを回生するようにしている。具体的には電流源２を構成する後述するインバータＩＮＶの平滑コンデンサ４にエネルギーを回生するようにしている。
【００６２】
まず、電流源２は、インバータＩＮＶを有し、このインバータには、商用電源ＡＣが入力される。商用電源の交流エネルギーは、整流器３によって整流され、整流された電流は平滑コンデンサ４によって平滑され、さらに、所定のＰＷＭ信号によってスイッチングされるスイッチ素子５によって交番化した低電圧の直流エネルギーが昇圧トランスＴ３の一時側コイルであるコイルＬ５に入力される。コイルＬ５に入力された直流エネルギーはコイルＬ５，Ｌ６の巻数比に応じた昇圧がなされ、コイルＬ６およびダイオードＤＡを介して高圧の直流エネルギーが出力され、直流電源としてのコンデンサＣ０に蓄積される。
【００６３】
ここで、第３の実施の形態では、図１に示す第１の実施の形態におけるコイルＬ２とスイッチＳＷ２とダイオードＤ１とからなる回路の出力を充電用電源１のコンデンサＣ０の両端に接続するのではなく、平滑コンデンサ４の両端に接続して回生するようにしている。
【００６４】
この場合、平滑コンデンサ４の端子電圧は低電圧であるので、コイルＬ１の巻数Ｎ１をコイルＬ２の巻数よりも大きくしたダウントランスとして機能させて、平滑コンデンサ４の端子電圧に対応した電圧に設定することができる。このような平滑コンデンサ４へのエネルギー回生を行うと、コイルＬ１とコイルＬ２とが絶縁されているので、ノイズの影響等は完全に分離されることにもなる。また、スイッチＳＷ２あるいはダイオードＤ１の耐圧が小さくて済むことにもなる。
【００６５】
なお、上述した第３の実施の形態では、第１の実施の形態の変形例として説明したが、第２の実施の形態にも同様に適用することができる。すなわち、図２における接続点Ｐ１，Ｐ２を切り離し、それぞれを平滑コンデンサ４の両端子に接続する構成とすることにより実現することができる。
【００６６】
次に、図４を参照して本発明の第４の実施の形態である充電装置について説明する。
【００６７】
図４に示す充電装置では、まず、図１０に示す充電装置に対し、コイルＬ７とスイッチＳＷ４とが直列接続された回路をコイルＬに並列接続する構成をとり、このコイルＬ７と密に磁気結合するコイルＬ８とを設けてトランスＴ４を構成する。さらに、コイルＬ８とこれに直列接続されるダイオードＤ３とからなる回路を充電用電源１に接続してエネルギーを回生する。また上述したように、スイッチＳＷ４は、切換制御回路ＣＴによって切換制御される。
【００６８】
すなわち、第４の実施の形態では、上述した実施の形態におけるコイルＬ１の構成を、共振回路を構成して電流エネルギーを蓄積するコイルＬとコイルＬに蓄積された電流エネルギーを回生方向に転送するコイルＬ７とに分離した構成としている。これは、例えば第１の実施の形態におけるトランス構成とした場合、コイルＬ１とコイルＬ２との間でコイルＬ１に蓄積された電流エネルギーを磁芯を介して全てコイルＬ２側に転送して、コイルＬ１の電流を完全に零にすることが困難であり、コイルＬ１における漏れインダクタンスが存在すると、充電完了時における端子電圧ＶＣの誤差を生じさせる原因となり、一方、コイルＬ１には十分な電流エネルギー蓄積効果を持たせる必要があるという相反した特性を持たせることが事実上困難であるからである。
【００６９】
このために、電流エネルギー蓄積用のインダクタンスとしてのコイルＬとこのコイルＬに蓄積された電流エネルギーをコイルＬ７を介して完全にコイルＬ８側に転送するトランスＴ４とを別構成としている。このトランスＴ４は、密な磁気結合であり、磁芯にエネルギー蓄積を伴わせないようにしている。
【００７０】
このようにして、第４の実施の形態では、コイルＬに残留した電流エネルギーを完全に充電用電源１に回生することができる。なお、第３の実施の形態と同様に、回生されるエネルギーを充電用電源１内の電流源２における平滑コンデンサ４に供給するようにしてもよい。この場合、第３の実施の形態と同様にトランスＴ４はダウントランスとなる。
【００７１】
次に、図５を参照して第５の実施の形態である充電装置について説明する。この第５の実施の形態では、抵抗Ｒ１およびこの抵抗Ｒ１に直列接続されたスイッチＳＷ５を第４の実施の形態におけるスイッチＳＷ４に並列接続した構成としている。
【００７２】
これは、たとえトランスＴ４を密に結合したとしても、漏れインダクタンスによる残留エネルギーを完全にはなくすことができないため、残留した環流電流を抵抗Ｒ１で消費させようとするものである。
【００７３】
この場合、切換制御回路ＣＴ２は、まず目標電圧ＶＴに達したら、スイッチＳＷ４およびスイッチＳＷ５をともにオンし、コイルＬに蓄積された電流エネルギーをトランスＴ４を介して回生させ、その後殆ど電流エネルギーが回生された段階で、スイッチＳＷ４をオフする。このスイッチＳＷ４のオフにより、残留した環流電流は、抵抗Ｒ１を含む閉回路上を循環し、この抵抗Ｒ１によって完全に消費されることになる。その後、スイッチＳＷ５をオフして、初期状態とする。
【００７４】
このようにすると、抵抗Ｒ１によるエネルギーロスが多少発生するが、コイルＬに蓄積された電流エネルギーは殆ど回生され、しかも、コイルＬには電流エネルギーが残留しないことになる。
【００７５】
なお、切換制御回路ＣＴ２は、目標電圧ＶＴに達したときに、スイッチＳＷ４とスイッチＳＷ５とを同時にオンするようにしているが、スイッチＳＷ４のみをオンし、その後スイッチＳＷ５をオンするとともにスイッチＳＷ４をオフするようにしてもよい。要は、コイルＬに残留した電流エネルギーをスイッチＳＷ４を介して殆ど回生し、残余の電流エネルギーをスイッチＳＷ５を介して抵抗Ｒ１によって消費することができればよい。
【００７６】
また、第３の実施の形態と同様に、回生されるエネルギーを充電用電源１内の電流源２における平滑コンデンサ４に供給するようにしてもよい。この場合、第３の実施の形態と同様にトランスＴ４はダウントランスとなる。
【００７７】
ここで、上述した第４および第５の実施の形態におけるスイッチＳＷ４およびＳＷ４，ＳＷ５の制御の詳細について図６を参照して説明する。
【００７８】
図６は、図４に示す充電装置のうちのトランス近傍の構成を等価回路で示したものである。コイルＬがトランスＴ４の１次側すなわちコイルＬ７側に接続されたとき、コイルＬの端子電圧ＶＬは蓄積コンデンサＶＣから電源電圧Ｅを減算した値となる。トランスＴ４は被回生電源Ｅ１に充電するものと考えると、トランスＴ４の１次側は、この被回生電源Ｅ１の巻数比換算電圧の電圧源と見なすことができる。従って、トランスＴ４の接続と同時に、コイルＬの端子電圧ＶＬはトランスＴ４の１次側電圧となり、回生が開始されることになる。なお、この時、トランスＴ４の１次側電圧は、端子電圧ＶＬより小さいことが必要である。なぜなら、蓄積コンデンサＣへの充電電流を止めることができないからである。コイルＬに残留している電流エネルギーは、トランスＴ４の１次側電圧を充電して次第に減少していき、一方、トランスＴ４側では、１次側電圧に励磁アドミタンスをかけた励磁電流ＩＹが生ずる。この時点では、インダクタンス電流ＩＬはトランスＴ４内において、回生電流ＩＴと、励磁電流ＩＹとに分離されることになる。その後、インダクタンス電流ＩＬは漸減し、励磁電流ＩＹは漸増するため、ある時点ではインダクタンス電流ＩＬと励磁電流ＩＹとが等しくなり、回生電流ＩＴが生じなくなる。この時点が、トランスＴ４が回生を終了した時点であり、この時点において、コイルＬとトランスＴ４の一次側の環流路を流れている電流が残留した環流電流となる。従って、トランスＴ４が回生を終了した時点までの時間はその動作条件、例えば蓄積コンデンサＣの充電中止電圧の設定や電源Ｅの値によって決定されることになる。この決定された時点でスイッチＳＷ４をオフにすることになるが、この時点の決定には具体的に次のようにして行うことができる。すなわち、
その第１は、一定時間のタイマを使うことである。
すなわち、回路条件から、最も回生時間が長い場合を算出し、この時間をタイマにセットして、回生開始から、常に同じ時間でスイッチＳＷ４をオフにするようにする。
【００７９】
その第２は、トランスＴ４の２次側電流を検出することである。
トランスＴ４が回生を終了したことは、トランスＴ４の２次側電流を検出すればよいので、この２次側電流が零となった時点、あるいは零近傍の所定値になった時点でスイッチＳＷ４をオフするようにする。この２次側電流の検出は、例えば図５の電流検出部ＳＩに示すように配置してコイルＬ８に流れる２次側電流を検出し、その電流値は切換制御回路ＣＴ２に送出されて制御に供される。
【００８０】
その第３は、毎回回生終了時間を算出することである。
トランスＴ４の回生時間は、電源Ｅ、蓄積コンデンサＣの端子電圧ＶＣの関数として導くことができるので、この電源Ｅおよび端子電圧ＶＣを充電毎に検出し、毎回、回生終了時間を算出し、この算出した時間をその都度、タイマにセットするようにすればよい。
【００８１】
次に、上述した第１から第５の実施の形態を適宜組み合わせたものの一例をあげて説明する。
【００８２】
まず、図７は、本発明の第６の実施の形態である充電装置の構成を示す図である。図７に示す充電装置は、第１の実施の形態で示した共有磁芯型のコイルＬ１，Ｌ２とによってコイルＬ１に生じた電流エネルギーを回生するとともに、コイルＬ１に生じた漏れインダクタンスによる残留電流エネルギーを抵抗で消費するのではなく、第４の実施の形態で示したトランスＴ４に対応するトランスＴ５によって、残留電流エネルギーを回生するものである。
【００８３】
具体的には、コイルＬ１とトランスＴ５を構成する１次側コイルＬ９とが直列接続されている。また、スイッチＳＷ６は、コイルＬ２を介した回生回路をオンにするとともに、トランスＴ５の２次側コイルＬ１０を介した回路をオンにし、コイルＬ１の電流エネルギーと残留電流エネルギーの回生を開始させる。
【００８４】
これにより、完全にコイルＬ１に生じた電流エネルギーをなくすことができるとともに、この電流エネルギーを回生することができる。
【００８５】
次に、図８は、本発明の第７の実施の形態である充電装置の構成を示す図である。この第７の実施の形態では、コイルＬ１と磁気結合されたコイルＬ２とを介して、コイルＬ１に蓄積された残余の電流エネルギーがスイッチＳＷ８のオンを契機としてダイオードＤ６を介して回生されるとともに、コイルＬ１に並列接続されたスイッチＳＷ７および抵抗Ｒ２の直列回路のスイッチＳＷ７のオンを契機として、コイルＬ１の残留電流エネルギーが抵抗Ｒ２によって消費される。
【００８６】
これにより、コイルＬ１の残余の電流エネルギーが回生されるとともに、コイルＬ１の漏れインダクタンスによって生じた残留電流エネルギーが抵抗Ｒ２によって消費され、コイルＬ１の電流エネルギーがなくなる。
【００８７】
次に、図９は、本発明の第８の実施の形態である充電装置の構成を示す図である。この第８の実施の形態では、第７の実施の形態における抵抗Ｒ２の代わりにツェナーダイオードＺＤを設けている。コイルＬ２がコイルＬ１に蓄積された電流エネルギーを回生している際に、コイルＬ１の両端電圧が定電圧素子であるツェナーダイオードＺＤによってコイルＬ２の動作障害を防止するとともに、コイルＬ１の漏れ電流をその抵抗分によって消費する。
【００８８】
これにより、第７の実施の形態に加えてさらにコイルＬ２の回生動作効率を阻害しないようにすることができる。
【００８９】
なお、上述した第６から第８の実施の形態において、第３の実施の形態と同様に、回生されるエネルギーを充電用電源１内の電流源２における平滑コンデンサ４に供給するようにしてもよい。
【００９０】
また、上述した各種ダイオード、特にダイオードＤは、一方向性の素子であればよく、例えば、切換制御回路ＣＴ〜ＣＴ３との組合せによる逆阻止型サイリスタとする構成であってもよいのは言うまでもない。
【００９１】
さらに、具体的には、高速動作が可能で大電力用のスイッチ素子であればよく、例えばサイリスタ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体電力デバイスが適用できる。
【００９２】
また、スイッチＳＷは、複数のスイッチを直列接続した構成として各スイッチ素子にかかる耐圧を軽減するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態である充電装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態である充電装置の構成を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態である充電装置の構成を示す図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態である充電装置の構成を示す図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態である充電装置の構成を示す図である。
【図６】図５に示す充電装置のトランスＴ４の等価回路を示す図である。
【図７】本発明の第６の実施の形態である充電装置の構成を示す図である。
【図８】本発明の第７の実施の形態である充電装置の構成を示す図である。
【図９】本発明の第８の実施の形態である充電装置の構成を示す図である。
【図１０】パルスレーザ発振周波数に応じた充電装置の充電動作を示すタイミングチャートである。
【図１１】従来の充電装置の概要構成を示す図である。
【図１２】図１１に示す従来の充電装置による充電動作を示すタイミングチャートである。
【図１３】従来の充電装置の構成を示す図である。
【図１４】図１３に示す従来の充電装置による充電動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１…充電用電源  ２…電流源  Ｌ，Ｌ１〜Ｌ１０…コイル
Ｄ，Ｄ１〜Ｄ６，ＤＡ…ダイオード  ＣＴ，ＣＴ２〜ＣＴ５…切換制御回路
ＳＷ１〜ＳＷ８…スイッチ  Ｔ２，Ｔ４，Ｔ５…トランス  Ｂ１…磁芯
Ｃ…蓄積コンデンサ  Ｃ０…コンデンサ  ＡＣ…商用電源
ＩＮＶ…インバータ  ３…整流素子  ４…平滑コンデンサ
５…スイッチ素子
【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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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