JP2012120017A - パルス放電発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効率を著しく低下させることなく繰り返し周波数が高いパルス電圧を発生できるパルス放電発生装置を提供する。
【解決手段】直流源の正極から負極へ至る導通経路にトランスの１次側巻線とＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース間とが挿入される。ＭＯＳＦＥＴのチャネルが導通した状態から導通していない状態へ変化すると、導通経路を流れる電流が遮断され、トランスの２次側巻線に相互誘導により主パルス電圧が出力される。放電体にパルス電圧が印加されるとキックバックが発生し、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードが順方向にバイアスされ、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードが逆導通した後に逆回復し、トランスの２次側巻線に付随パルス電圧が出力される。主パルスが発生すると付随パルスが誘起され、付随パルスが発生すると次の付随パルスが誘起される。オフ期間に１回以上の付随パルス電圧が発生するようにオフ期間の長さが設定される。
【選択図】図５

Description

本発明は、パルス放電発生装置に関する。

誘導エネルギー蓄積型のパルス発生回路（以下では「ＩＥＳ回路」という。）においては、直流電源の正極から負極へ至る導通経路に、インダクタ、トランス等の誘導性素子と、スイッチング素子とが挿入される。ＩＥＳ回路において、スイッチング素子が導通経路を閉じると、導通経路に電流が流れ、誘導性素子に誘導エネルギーが蓄積される。また、ＩＥＳ回路において、誘導性素子に誘導エネルギーが蓄積された状態でスイッチング素子が導通経路を開くと、自己誘導又は相互誘導により誘導性素子にパルス電圧が発生する。

特開２００９−１６５２０１号公報

ＩＥＳ回路が発生するパルス電圧の繰り返し周波数を高くする一つめの手段は、適切な回路定数を選択し、スイッチング素子のスイッチング周波数を高くすることである。しかし、一つめの手段は、誘導性素子の漏れインダクタンス、スイッチング素子の損失等の影響により、ＩＥＳ回路の効率を著しく低下させる。

ＩＥＳ回路が発生するパルス電圧の繰り返し周波数を高くする二つめの手段は、特許文献１のように、複数のＩＥＳ回路を並列に接続し、パルス電圧の発生のタイミングをＩＥＳ回路ごとにずらずことである。しかし、二つめの手段では、複数のＩＥＳ回路同士の干渉を防ぐダイオードにより、負荷から帰還する電流が阻止される。したがって、負荷から電流が帰還する場合には二つめの手段は採用されない。

本発明は、これらの問題を解決するためになされる。本発明の目的は、負荷から電流が帰還するパルス放電発生装置において、効率を著しく低下させることなく繰り返し周波数が高いパルス電圧を発生することである。

本発明は、パルス放電発生装置に向けられる。

本発明の第１の局面によれば、誘導エネルギー蓄積型のパルス発生回路が発生したパルス電圧が容量性の負荷に印加される。直流源は正極と負極との間に直流電圧を発生する。正極から負極へ至る導通経路には、誘導性素子及びユニポーラ型のスイッチング素子が挿入される。スイッチング素子のチャネルには、寄生ダイオードが寄生する。スイッチング素子は、寄生ダイオードを経由して負極から正極へ流れる電流が寄生ダイオードの順方向電流となるように導通経路に挿入される。チャネルは、スイッチング素子に入力された駆動信号に応じて導通状態が変化する。駆動回路は、チャネルを導通させるオン期間とチャネルを導通させないオフ期間とを交互に繰り返す駆動信号をスイッチング素子に入力する。オフ期間の長さは、チャネルが導通した状態から導通していない状態へ変化したときに発生する主パルス電圧の発生が始まる第１のタイミングから、パルス電圧が印加された負荷から帰還する電流により逆導通した寄生ダイオードが逆回復したときに発生する付随パルス電圧の発生が終わる第２のタイミングまで、の時間より長く設定される。

本発明の第２の局面によれば、誘導エネルギー蓄積型のパルス発生回路が発生したパルス電圧が容量性の負荷に印加される。直流源は正極と負極との間に直流電圧を発生する。正極から負極へ至る導通経路には、誘導性素子及びユニポーラ型のスイッチング素子が挿入される。スイッチング素子のチャネルには、寄生ダイオードが寄生する。スイッチング素子は、寄生ダイオードを経由して負極から正極へ流れる電流が寄生ダイオードの順方向電流となるように導通経路に挿入される。チャネルは、スイッチング素子に入力された駆動信号に応じて導通状態が変化する。駆動回路は、チャネルを導通させるオン期間とチャネルを導通させないオフ期間とを交互に繰り返す駆動信号をスイッチング素子に入力する。外付けダイオードは、外付けダイオードを経由して負極から正極へ流れる電流が順方向電流となるようにチャネルに並列に接続される。オフ期間の長さは、チャネルが導通した状態から導通していない状態へ変化したときに発生する主パルス電圧の発生が始まる第１のタイミングから、パルス電圧が印加された負荷から帰還する電流により逆導通した寄生ダイオード及び外付けダイオードが逆回復したときに発生する付随パルス電圧の発生が終わる第２のタイミングまで、の時間より長く設定される。

本発明によれば、オフ期間に２回以上のパルス電圧が発生し、発生するパルス電圧の繰り返し周波数がスイッチング素子のスイッチング周波数より高くなり、効率を著しく低下させることなく繰り返し周波数が高いパルス電圧を発生できる。

これらの及びこれら以外の本発明の目的、特徴、局面及び利点は、添付図面とともに考慮されたときに下記の本発明の詳細な説明によってより明白となる。

第１実施形態のパルス放電発生装置の回路図である。 駆動信号の時間変化を示すタイムチャートである。 導通経路を流れる電流の時間変化を示すタイムチャートである。 放電体へ流れる電流の時間変化を示すタイムチャートである。 放電体に印加される電圧の時間変化を示すタイムチャートである。 第２実施形態のパルス放電発生装置の回路図である。

｛第１実施形態｝
（パルス放電発生装置の概略）
第１実施形態は、パルス放電発生装置に関する。

図１は、第１実施形態のパルス放電発生装置の回路図である。

図１に示すように、パルス放電発生装置１０００は、パルス発生回路１００２と、放電体１００４と、を備える。パルス発生回路１００２が発生したパルス電圧は放電体１００４に印加され、放電体１００４にはパルス放電が発生する。これにより、放電体１００４においてプラズマが発生する。パルス放電発生装置１０００がプラズマの発生以外の用途に用いられてもよい。

放電体１００４は、対向する電極の容量性の負荷である。パルス放電発生装置１０００においては、放電体１００４にパルス電圧が印加されパルス発生回路１００２から放電体１００４へ電流が流れると、放電体１００４からパルス発生回路１００２へ電流が還流するキックバックが発生する。

（パルス発生回路）
パルス発生回路１００２は、直流源１００６と、トランス１００８と、ＭＯＳＦＥＴ（酸化金属被膜電界効果トランジスタ）１０１０と、駆動回路１０１２と、キャパシタ１０１４と、を備える。パルス発生回路１００２は、誘導性素子に蓄積された誘導エネルギーを短時間で放出する誘導エネルギー蓄積型の電源である。

バッテリ等からなる直流源１００６は、正極１０１６と負極１０１８との間に直流電圧を発生する。直流源１００６の正極１０１６から負極１０１８へ至る導通経路１０２０には、トランス１００８の１次側巻線１０２２と、ＭＯＳＦＥＴ１０１０のドレイン−ソース間とが挿入される。トランス１００８の１次側巻線１０２２の一端は直流源１００６の正極１０１６に接続され、トランス１００８の１次側巻線１０２２の他端はＭＯＳＦＥＴ１０１０のドレインに接続され、ＭＯＳＦＥＴ１０１０のソースは直流源１００６の負極１０１８に接続される。トランス１００８の２次側巻線１０２４からはパルス電圧が出力され、トランス１００８の２次側巻線１０２４に並列に接続された放電体１００４にはパルス発生回路１００２から出力されたパルス電圧が印加される。キャパシタ１０１４は、直流源１００６に並列に接続される。誘導性素子がトランス１００８であることは必須ではなく、トランス１００８の１次側巻線１０２２が挿入されている位置にインダクタが挿入され、インダクタの両端からパルス電圧が出力されてもよい。

ＭＯＳＦＥＴ１０１０のドレイン−ソース間には、ＭＯＳＦＥＴ１０１０のゲートに入力された駆動信号Ｓｉｇ１に応じて導通状態が変化するチャネル１０２６がある。チャネル１０２６には寄生ダイオード１０２８が寄生する。ＭＯＳＦＥＴ１０１０のドレイン−ソース間は、寄生ダイオード１０２８を経由して直流源１００６の負極１０１８から正極１０１６へ流れる電流が寄生ダイオード１０２８の順方向電流となるように導通経路１０２０に挿入される。寄生ダイオード１０２８は、「保護ダイオード」、「ボディダイオード」、「内部逆接続ダイオード」、「フライホイールダイオード」等とも呼ばれる。

ＭＯＳＦＥＴ１０１０のゲートには駆動回路１０１２から駆動信号Ｓｉｇ１が入力される。駆動信号Ｓｉｇ１は、ＭＯＳＦＥＴ１０１０のチャネル１０２６を導通させるオン期間とチャネル１０２６を導通させないオフ期間とを交互に繰り返す。

パルス発生回路１００２においては、チャネル１０２６が導通した状態から導通していない状態へ変化すると、導通経路１０２０を流れる電流Ｉｉが遮断され、トランス１００８の２次側巻線１０２４に相互誘導によりパルス電圧が出力される。以下では、このパルス電圧を「主パルス電圧」という。

また、パルス発生回路１００２においては、オフ期間に寄生ダイオード１０２８が順方向にバイアスされると、直流源１００６の負極１０１８から正極１０１６へ向かう電流Ｉ１が寄生ダイオード１０２８を経由して導通経路１０２０を流れる。電流Ｉ１が流れなくなった直後も、寄生ダイオード１０２８は逆導通しており、直流源１００６の正極１０１６から負極１０１８へ向かう電流Ｉ２が寄生ダイオード１０２８を経由して導通経路１０２０を流れる。寄生ダイオード１０２８が逆回復すると、電流Ｉ２は流れなくなる。したがって、寄生ダイオード１０２８が順方向にバイアスされると、チャネル１０２６が導通した状態から導通していない状態へ変化したときと同じように導通経路１０２０を流れる電流Ｉｉが変化し、トランス１００８の２次側巻線１０２４にパルス電圧が出力される。以下では、このパルス電圧を「付随パルス電圧」という。

一方、先述したように、パルス放電発生装置１０００においては、放電体１００４にパルス電圧が印加された後に、放電体１００４からパルス発生回路１００２へ電流が還流するキックバックが発生し、寄生ダイオード１０２８が順方向にバイアスされる。

これらのことから、パルス放電発生装置１０００においては、主パルスが発生すると付随パルスが誘起され、付随パルスが発生すると次の付随パルスが誘起される。したがって、パルス放電発生装置１０００においては、主パルスが発生すると付随パルスが繰り返し発生する。そこで、パルス放電発生装置１０００においては、オフ期間に１回以上の付随パルス電圧が発生するようにオフ期間の長さが設定される。これにより、オフ期間に２回以上のパルス電圧が発生し、発生するパルス電圧の繰り返し周波数がスイッチング素子のスイッチング周波数より高くなり、効率を著しく低下させることなく繰り返し周波数が高いパルス電圧を発生できる。

（パルス放電発生装置の動作）
図２から図５までは、それぞれ、駆動信号Ｓｉｇ１、導通経路１０２０を流れる電流Ｉｉ、パルス発生回路１００２から放電体１００４へ流れる電流Ｉｏ、放電体１００４に印加される電圧（パルス発生回路１００２が出力する電圧）Ｖｏのタイミングｔ１からｔ１３までの一周期の時間変化を示す。

タイミングｔ１からｔ２までのオン期間には、図２に示すように、オン信号がＭＯＳＦＥＴ１０１０のゲートに入力され、チャネル１０２６が導通し、導通経路１０２０が閉じられる。オン期間には、図３に示すように、電流Ｉｉが正方向に増加し、トランス１００８に誘導エネルギーが蓄積される。

タイミングｔ２からタイミングｔ１３までのオフ期間には、図２に示すように、オフ信号がＭＯＳＦＥＴ１０１０のゲートに入力され、チャネル１０２６が導通せず、導通経路１０２０が開かれる。オフ期間には、トランス１００８に蓄積された誘導エネルギーが放出され、図５に示すように、最初に主パルス電圧Ｐ１が発生し、続いて付随パルス電圧Ｐ２及びＰ３が発生する。図５には、付随パルス電圧が発生する回数が２回である場合が示されるが、付随パルス電圧が発生する回数は１回であってもよく３回以上であってもよい。付随パルス電圧が発生する回数は、オフ期間の長さ、寄生ダイオード１０２８の逆回復特性等によって決まる。

チャネル１０２６が導通した状態から導通していない状態へ変化するタイミングｔ２には、図４に示すように、電流Ｉｏが負方向に急激に上昇してから下降し始め、図５に示すように、電圧Ｖｏが負方向に急激に上昇し始め、主パルス電圧Ｐ１の発生が始まる。

タイミングｔ３には、図４に示すように、主パルス電圧Ｐ１が印加された放電体１００４からの電流の還流により電流Ｉｏが負方向から正方向へ反転し正方向へ上昇し始め、図５に示すように、電圧Ｖｏがピークに達し下降し始める。

タイミングｔ４には、寄生ダイオード１０２８が順方向にバイアスされ、図３に示すように、電流Ｉｉが負方向に急激に上昇してから下降し始め、図４に示すように、電流Ｉｏが急激に下降し、図５に示すように、電圧Ｖｏが急激に下降し、主パルス電圧Ｐ１の発生が終わる。

タイミングｔ５には、主パルス電圧Ｐ１が印加された放電体１００４からの電流の還流により寄生ダイオード１０２８が逆導通し、図３に示すように、電流Ｉｉが負方向から正方向に反転し正方向へ増加し始める。

タイミングｔ６には、寄生ダイオード１０２８が逆回復し、図３に示すように、電流Ｉｉが急激に下降し、図４に示すように、電流Ｉｏが負方向に急激に上昇してから下降し始め、図５に示すように、電圧Ｖｏが負方向に急激に上昇し始め、１回目の付随パルス電圧Ｐ２の発生が始まる。

タイミングｔ７には、図４に示すように、１回目の付随パルス電圧Ｐ２が印加された放電体１００４からの電流の還流により電流Ｉｏが負方向から正方向へ反転し正方向へ上昇し始め、図５に示すように、電圧Ｖｏがピークに達し下降し始める。

タイミングｔ８においては、寄生ダイオード１０２８が順方向にバイアスされ、図３に示すように、電流Ｉｉが負方向に急激に上昇してから下降し始め、図４に示すように、電流Ｉｏが急激に下降し、図５に示すように、電圧Ｖｏが急激に下降し、１回目の付随パルス電圧Ｐ２の発生が終わる。

タイミングｔ９には、１回目の付随パルス電圧Ｐ２が印加された放電体１００４からの電流の還流により寄生ダイオード１０２８が逆導通し、図３に示すように、電流Ｉｉが負方向から正方向に反転し正方向へ増加し始める。

タイミングｔ１０には、寄生ダイオード１０２８が逆回復し、図３に示すように、電流Ｉｉが急激に下降し、図４に示すように、電流Ｉｏが負方向に急激に上昇してから下降し始め、図５に示すように、電圧Ｖｏが負方向に急激に上昇し始め、２回目の付随パルス電圧Ｐ３の発生が始まる。

タイミングｔ１１には、図４に示すように、２回目の付随パルス電圧Ｐ３が印加された放電体１００４からの電流の還流により電流Ｉｏが負方向から正方向へ反転し正方向へ上昇し始め、図５に示すように、電圧Ｖｏがピークに達し下降し始める。

タイミングｔ１２には、寄生ダイオード１０２８が順方向にバイアスされ、図４に示すように、電流Ｉｏが急激に下降し、図５に示すように、電圧Ｖｏが急激に下降し、２回目の付随パルス電圧Ｐ３の発生が終わる。

オフ期間の長さは、タイミングｔ２から、主パルス電圧又は付随パルス電圧が印加された放電体１００４から還流する電流により逆導通した寄生ダイオード１０２８が逆回復したときに発生する付随パルス電圧の発生が終わるタイミングｔ８，ｔ１２等までの時間より長く設定される。これにより、オフ期間に２回以上のパルス電圧が発生する。パルス電圧が発生する回数は、オフ期間の長さにより調整される。

｛第２実施形態｝
（パルス放電発生装置の概略）
第２実施形態は、パルス放電発生装置に関する。

図６は、第２実施形態のパルス発生装置の回路図である。

図６に示すように、パルス放電発生装置２０００は、第１実施形態のパルス放電発生装置１０００と同じように、パルス発生回路２００２と、放電体２００４と、を備える。パルス発生回路２００２は、第１実施形態のパルス発生回路１００２と同じように、直流源２００６と、トランス２００８と、ＭＯＳＦＥＴ２０１０と、駆動回路２０１２と、キャパシタ２０１４と、を備える。パルス発生回路２００２は、誘導性素子に蓄積された誘導エネルギーを短時間で放出する誘導エネルギー蓄積型の電源である。直流源２００６は、正極２０１６と負極２０１８との間に直流電圧を発生する。直流源２００６の正極２０１６から負極２０１８へ至る導通経路２０２０には、トランス２００８の１次側巻線２０２２と、ＭＯＳＦＥＴ２０１０のドレイン−ソース間とが挿入される。トランス２００８の２次側巻線２０２４からはパルス電圧が出力される。

パルス放電発生装置１０００とパルス発生装置２０００との違いは、パルス発生装置２０００においては、外付けダイオード２１００がさらに設けられることにある。外付けダイオード２１００は、外付けダイオード２１００を経由して直流電源の負極１０１８から正極１０１６へ流れる電流が順方向電流となるようにチャネル２０２６に並列に接続される。外付けダイオード２１００のアノードはＭＯＳＦＥＴ２０１０のソースに接続され、外付けダイオード２１００のカソードはＭＯＳＦＥＴ２０１０のドレインに接続される。

パルス放電発生装置２０００は、パルス放電発生装置１０００と同じように動作するが、付随パルス電圧Ｐ２及びＰ３の発生が始まるタイミングｔ６及びｔ１０は、パルス電圧が印加された放電体２００４から帰還する電流により逆導通した寄生ダイオード２０２８及び外付けダイオード２１００が逆回復したときである。また、オフ期間の長さは、タイミングｔ２から、主パルス電圧又は付随パルス電圧が印加された放電体２００４から還流する電流により逆導通した寄生ダイオード２０２８及び外付けダイオード２１００が逆回復したときに発生する付随パルス電圧Ｐ２及びＰ３の発生が終わるタイミングｔ８，ｔ１２等までの時間より長く設定される。

パルス放電発生装置２０００においては、オフ期間に２回以上のパルス電圧が発生し、発生するパルス電圧の繰り返し周波数がスイッチング素子のスイッチング周波数より高くなり、効率を著しく低下させることなく繰り返し周波数が高いパルス電圧を発生できることに加えて、外付けダイオード２１００により、逆回復特性が適切に設定される。

本発明は詳細に示され記述されたが、上記の記述は全ての局面において例示であって限定的ではない。しがって、本発明の範囲からはずれることなく無数の修正及び変形が案出されうると解される。

１０００，２０００ パルス放電発生装置
１００２，２００２ パルス発生回路
１００４，２００４ 放電体
１００６，２００６ 直流源
１００８，２００８ トランス
１０１０，２０１０ ＭＯＳＦＥＴ
１０１２，２０１２ 駆動回路
１０２０，２０２０ 導通経路
１０２６，２０２６ チャネル
１０２８，２０２８ 寄生ダイオード
２１００ 外付けダイオード

Claims (2)

1. パルス放電発生装置であって、
   パルス電圧を発生する誘導エネルギー蓄積型のパルス発生回路と、
   前記パルス発生回路が発生したパルス電圧が印加される容量性の負荷と、
   を備え、
   前記パルス発生回路は、
   正極と負極との間に直流電圧を発生する直流源と、
   前記正極から前記負極へ至る導通経路と、
   前記導通経路に挿入される誘導性素子と、
   入力された駆動信号に応じて導通状態が変化するチャネルを備え、前記チャネルに寄生ダイオードが寄生しており、前記寄生ダイオードを経由して前記負極から前記正極へ流れる電流が前記寄生ダイオードの順方向電流となるように前記導通経路に挿入されるユニポーラ型のスイッチング素子と、
   前記チャネルを導通させるオン期間と前記チャネルを導通させないオフ期間とを交互に繰り返す駆動信号を前記スイッチング素子に入力する駆動回路と、
   を備え、
   前記オフ期間の長さが、
   前記チャネルが導通した状態から導通していない状態へ変化したときに発生する主パルス電圧の発生が始まる第１のタイミングから、
   パルス電圧が印加された前記負荷から帰還する電流により逆導通した前記寄生ダイオードが逆回復したときに発生する付随パルス電圧の発生が終わる第２のタイミングまで、
   の時間より長く設定される
   パルス放電発生装置。
2. パルス放電発生装置であって、
   パルス電圧を発生する誘導エネルギー蓄積型のパルス発生回路と、
   前記パルス発生回路が発生したパルス電圧が印加される容量性の負荷と、
   を備え、
   前記パルス発生回路は、
   正極と負極との間に直流電圧を発生する直流源と、
   前記正極から前記負極へ至る導通経路と、
   前記導通経路に挿入される誘導性素子と、
   入力された駆動信号に応じて導通状態が変化するチャネルを備え、前記チャネルに寄生ダイオードが寄生しており、前記寄生ダイオードを経由して前記負極から前記正極へ流れる電流が前記寄生ダイオードの順方向電流となるように前記導通経路に挿入されるユニポーラ型のスイッチング素子と、
   前記チャネルを導通させるオン期間と前記チャネルを導通させないオフ期間とを交互に繰り返す駆動信号を前記スイッチング素子に入力する駆動回路と、
   前記チャネルに並列に接続される外付けダイオードと、
   を備え、
   前記外付けダイオードは、前記外付けダイオードを経由して前記負極から前記正極へ流れる電流が順方向電流となるように前記チャネルに並列に接続され、
   前記オフ期間の長さが、
   前記チャネルが導通した状態から導通していない状態へ変化したときに発生する主パルス電圧の発生が始まる第１のタイミングから、
   パルス電圧が印加された前記負荷から帰還する電流により逆導通した前記寄生ダイオード及び前記外付けダイオードが逆回復したときに発生する付随パルス電圧の発生が終わる第２のタイミングまで、
   の時間より長く設定される
   パルス放電発生装置。

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