JPH02304991A - 高電圧パルス発生回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、銅蒸気レーザ、エキシマレーザ等の高繰り返
し動作放電励起レーザ等に用いられる高電圧パルス発生
回路に関するものである。

［従来の技術］ 銅蒸気レーザあるいはエキシマレーザ等の放電励起レー
ザにおいては、高繰り返し化による平均出力の増大が強
く要求されている。例えば、原子力発電所で使用される
ウラン２３５の同位体分離方法の１つである原子法レー
ザウラン濃縮用レーザとして用いられている銅蒸気レー
ザにおいては、４〜ｌ　ＯｋＨｚの高繰り返しで平均出
力１００Ｗ程度以上が要求されている。この場合、同レ
ーザを発振させるための高電圧パルス発生回路として第
１０図に示すようなインバータｌによるコマンド充電方
式が用いられる場合もある。同図において１はインバー
タ、２，３はインバータ１の出力端、４は変圧器、５は
変圧器４の１次巻線、６は変圧器４の２次巻線、８はダ
イオード、９はサイラトロン、１０は主コンデンサ、１
１はピーキングコンデンサ、１２はレーザ主放電電極、
１３は充電用インダクタンスあるいは抵抗である。また
。

同図におけるインバータ１の回路構成例を第１３図に示
す。ここで２２は直流電源、２３はコンデンサ２７の充
電抵抗、２４はサイリスタ、２５はダイオード、２６は
抵抗、２７はコンデンサである。第１１図は第１０図の
高電圧パルス発生回路におけるダイオード８をながれる
電流ｉｌと主コンデンサ１０の充電電圧Ｖ、の波形を示
したものである。同図においてＩ、ｍはダイオード８を
流れる電流１１の波高値、Ｖ、ｍは主コンデンサ１０の
電圧Ｖ、の波高値、Ｖ、’　ｍはサイラトロン９がター
ンオンする直前における主コンデンサ１０の電圧Ｖ、の
値、ｔｌは前記電流ｉ、が流れ始めてから主コンデンサ
１０の電流Ｖ、が波高値に達するまでの期間、ｔ８は同
様にしてサイラトロン９がターンオンするまでの期間、
ｔ３は繰り返し周期である。ここでも、からし、までの
期間はサイラトロン９がターンオフするのに十分な期間
に選定されている。

このようにサイラトロン９がターンオフするのに十分な
期間を与えることにより、サイラトロンの暴走を生じる
のを防ぎながら高繰り返し動作を行うことができる。

なお、レーザウラン濃縮については例えば、井澤端和：
゛レーザ同位体分離”、レーザ研究、第１５巻第６号ｐ
ｐ、　１０１〜１０６、昭和６２年６月、またインバー
タによるコマンド充電方式を用いた励起回路については
、山中龍彦、山中千博、藤原閲夫、山中千代衛：　“銅
蒸気レーザのバッファガス効果”、電気学会研究会資料
、光・量子デバイス研究会、０ＱＤ−８７−３、昭和６
２年参照。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記従来技術によるインバータ１を用いた高電圧パルス
発生回路においては、ダイオード８の内部容量により、
ダイオード８を流れる電流ｉ、には第１１図ＷＬＭ内に
示すようなリバース・リカバリ電流と呼ばれる逆方向電
流が生じる。第１２図は第１１図におけるｉ、の破線内
の拡大図である。

同図において、Ｉ、ｒはリバース・リカバリ電流波高値
である。このリバース・リカバリ電流により主コンデン
サ１０の電圧ｖ１はｉ、が零となる時間ｔ、における波
高値Ｖ、ｍより時間とともに低下し、サイラトロン９が
ターンオンするも、の直前にはＶ、’ｍとなってしまう
。

このためインバータ１より主コンデンサ１０へのエネル
ギ転送効率（インバータ１の出力エネルギとサイラトロ
ン９がターンオンする直前の主コンデンサ１ｏの入力エ
ネルギの比）が低下するという問題があった。

また、前記リバース・リカバリ電流により、ダイオ−、
ド８にはリバース・リカバリ損失が発生し、同ダイオー
ドの接合温度が上昇するとともに極端な場合には破壊に
至る問題もある。

前記リバース・リカバリ電流は温度とともに増加する特
性をもつため前記リバース・リカバリ損失により生ずる
温度上昇により、リバース・リカバリ電流はさらに増加
し、サイラトロン９がターンオンする直前の主コンデン
サ１０の電圧Ｖ、１ｍは時間の経過とともに低下する。

このため本高電圧パルス発生回路の出力、本例ではレー
ザ主放電電極に入力されるエネルギが時間の経過ととも
に変化する問題もある。このため本例のように放電励起
レーザに用いる場合にはレーザ出力の変動の原因となり
、レーザのライフ・タイム（一般にレーザ出力が半分に
なるまでの時間）も大幅に低下してしまう。

特に前記銅蒸気レーザ、あるいはエキシマレーザ等の放
電励起レーザにおいて前記ダイオードの逆耐圧としては
少なくとも４０ｋＶ程度以上必要となるとともに、大出
力、かつ高繰り返し動作を実現するために整流電流定格
大でリバース・リカバリ特性も良好なことが要求される
。これらの条件を単一のダイオードで実現することは困
難であり、第１４図に示すように複数のダイオードを直
並列に接続することが一般に用いられている。この場合
、各ダイオードの特性バラツキによる逆方向電圧の分担
がアンバランスになることを防止するために同図に示す
ようにコンデンサを外部に付加することが行われる。こ
の結果、ダイオードの接合容量に前記コンデンサの容量
が加わるためリーバース・リカバリ特性は大きく劣化し
てしまい、前記リバース・リカバリ電流に起因する問題
は、増々問題となることが知られている。

本発明の目的は、前記ダイオードのリバース・リカバリ
電流に起因する主コンデンサの充電電圧の減少、リバー
ス・リカバリ損失、及びリバース・リカバリ損失により
生ずる同ダイオードの破壊あるいは本高電圧パルス発生
回路の出力変動の問題を対策した高電圧パルス発生回路
を提供することである。

［問題を解決するための手段］ 本発明は変圧器の１次側に接続されたインバータを用い
て同変圧器の２次巻線と直列に接続されたダイオードを
介してコンデンサを充電するとともに、スイッチ素子を
用いて同コンデンサの電荷を放電させることにより高電
圧パルスを発生させる高電圧パルス発生回路において、
前記２次巻線と直列に接続されたダイオードと直列に非
晶質磁心を用いて構成した可飽和リアクトルを挿入する
ことを特徴とする高電圧パルス発生回路である。

前記変圧器の２次巻線と直列に接続されたダイオードと
直列に非晶質磁心を用いて構成した可飽和リアクトルを
挿入することにより、前記ダイオードのリバース・リカ
バリ電流の波高値Ｉ、ｒを低減することにより、前記ダ
イオードのリバース・リカバリ損失を低減するとともに
主コンデンサの充電電圧の低下を抑制することができる
。また前記ダイオードのリバース・リカバリ損失による
同ダイオードの接合温度の上昇に伴い生ずる高電圧パル
ス発生回路出ノＪ変動を抑制することもできる。

前記ダイオードと直列に接続される可飽和リアクトルに
非晶質磁心を用いることにより、従来用いられていたフ
ェライト磁心、あるいはパーマロイ磁心に比べて磁心損
失が小、リバース・リカバリ電流波高値の抑制が可能で
あり、同磁心も小形化することができ好ましい。

また、前記非晶質磁心として非晶質磁性薄帯を用いて層
間をポリイミド・フィルム、ポリエチレンテレフタレー
ト・フィルム等の高分子フィルムあるいは、ＭｇＯ１Ｓ
ｉｎ、等のセラミック粒子等により絶縁して構成した巻
磁心、もしくは積層磁心を用いることにより、うず電流
損失の増加を抑制することが好ましい。

前記非晶質磁心として、非晶質磁性材料の組成は、 （Ｇｏ、０Ｍ。）　ＩＩ＠−ａＸｌ ここでＭはＦｅ、Ｍｎ％Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｄ、Ｍｏ、■、
Ｔａ、Ｗよりなる群より選ばれた一種以上の元素、Ｘは
Ｂ、又はＢおよびＳＬであり、０くα≦０．２４、及び
１２≦β≦２６を構たすように規定することにより、角
形が良好で、がっ磁心損失も小さな磁心を得ることがで
き、前記リバース・リカバリ電流波高値を抑制する意味
から好ましい。

また同組成範囲に選定することにより、磁歪を１０−ｌ
オーダー、もしくはそれ以下とすることができるため、
同可飽和リアクトルにパルス電流が流れる際に磁心に加
わる応力による磁気特性の劣化も低減することができ好
ましい。

前記可飽和リアクトルに主コンデンサを充電するための
主巻線の他に、同可飽和リアクトルが主コンデンサの充
電電流により磁化される向きと同一方向に磁化し得るよ
うに第２の巻線を設け、同巻線に前記磁化力を加えるこ
とにより、前記主巻線を流れるリバース・リカバリ電流
に伴い同可飽和リアクトルがリセットされるために生ず
る前記主コンデンサ充電電流の遅れを減少させることが
できる。

さらに前記可飽和リアクトルの第２の巻線に常時直流電
流を流すことにより、前記主巻線を流れるリバース・リ
カバリ電流に伴い同可飽和リアクトルがリセットされる
ために生ずる前記主コンデンサ充電電流のデッド・バン
ドを減少させることができる。

本高電圧パルス発生回路の負荷を銅蒸気レーザ、エキシ
マ・レーザ、ＴＥＡ　（工ｒａｎｓｖｅｒｓｅｌｙ　Ｅ
ｘｃｉ　ｔｅｄΔｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　Ｐｒｅｓｓｕ
ｒｅ）　−Ｇｏ、レーザ、ＴＥＭＡ　（工ｒａｎｓｖｅ
ｒｓｅｌｙ　Ｅｘｃｉｔｅｄ　Ｍｕｌｔｉ−Δｔｍｏｓ
ｐｈｅｒｉｃ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）　−ＧＯ，レーザ等
の放電励起レーザとした場合、信頼性を損なうことなく
高繰り返し動作が可能となるとともに、高効率化を図る
ことができる。また、高電圧パルス出力変動も小とする
ことができるため、レーザの出力変動を防止することも
容易となる。

以下図面を用いて本発明を説明する。

〔実施例］ （実施例１） 第１図は本発明をインバータ１を用いたコマンド充電方
式によるサイラトロン９を用いた容量移行型銅蒸気レー
ザに用いた場合の回路構成を示すものである。同図にお
いて、１はインバータ、２゜３はインバータ１の出力端
、４は昇圧変圧器、５は変圧器４の１次巻線、６は変圧
器４の２次巻線、７は非晶質磁心を用いた可飽和リアク
トル、８はダイオード、９はサイラトロン、１０は主コ
ンデンサ、１１はピーキングコンデンサ、１２はレーザ
主放電電極、１３は主コンデンサ１０の充電用インダク
タンスである。第２図は、前記第１図の回路における可
飽和リアクトル７、及びダイオード８を流れる電流ｉ、
と主コンデンサ電圧Ｖ、の各波形、第３＠は、前記第２
図に示した電流１１波形の拡大図、第４図は可飽和リア
クトル７の動作磁化曲線である。

以下、本回路の動作を前記第１図、第２図、及び第４図
を用いて説明する。

インバータｌにおけるサイリスタ２４（第１３図参照）
がターンオンする直前、即ち１＝０のときに可飽和リア
クトル７の磁束密度はａ点にある。

前記サイリスタ２４がターンオンすると、変圧器４の２
次巻線６には図示黒丸と逆極性の電圧が誘起し、可飽和
リアクトル７に同電圧が印加される。

このため可飽和リアクトル７の磁束密度はａ点から図示
のように変化し、ｂ点で飽和した後、ダイオード８を流
れる電流ｉ、の波高値１１ｍにより次式で定まるゲート
磁化力の波高値Ｈ，ｍに対応する磁束密度Ｂｓ０点Ｃを
経由してｔ＝ｔ、＋ｔｄの時間にてｄ点までΔＢ′だけ
変化する。

Ｎ：可飽和リアクトル７の巻数 Ｑｅ：可飽和リアクトル７の平均磁路長（ｍ）このとき
、次式で定まるｔｄの時間、主コンデンサ１ｏの充電電
流ｉｌを阻止する。

５−Ｅ Ｎｐ：変圧器４の１次巻線５の巻線 ＮＳ：変圧器４の２次巻ＭＡ６の巻線 Ｅ　：インバータ１の直流電源２２の電圧（Ｖ）Ａｅ：
可飽和リアクトル７の磁心有効断面積（ｒｒｌ’） この結果主コンデンサ１０の電圧ｖ、が波高値■１ｍに
達する時間、即ち前記電流ｉ、＝Ｏとなる時間はｔ、＋
ｔｄとなる。

ｔ、十ｔｄからｔ、までの期間に、可飽和リアクトル７
はダイオード７のリバース・リカバリ電流によりｄ点か
らｅ点までΔＢだけリセットされる。

このとき、前記ダイオード７のリバース・リカバリ電流
波高値Ｉ、ｒは、可飽和リアクトル７を構成する非晶質
磁心の動特性（本特性については、例えば、中高、山内
、松本：パアモルファス可飽和磁心の磁心損失評価（１
）”、電気学会、マグネティックス研究会資料ＭＡＧ８
８−７１参照）から定まる磁化力Ｈｒにより次式の値ま
で抑制される。

このとき前記可飽和リアクトル７を構成する非晶質磁心
の有効断面積Ａｅは次式を満足するように定める必要が
ある。

△Ｂｍａｘ＝Ｂ　ｓ　−（−Ｂ　ｒ）　：動作磁束密度
全最大値（Ｔ） ｔ２からｔ、までの期間に可飽和リアクトル７の磁束密
度はｅ点からａ点まで自己セットされる（自己セットに
ついては、例えば、木脇、恩田：“ＤＣ−ＤＣコンバー
タ用高周波磁気増幅器の磁心動作の実験的考案°“、電
気学会、マグネティックス研究会資料ＭＡＧ−８８−２
２３参照）。

ｔ、において、以上説明した動作が繰り返される。

以上の動作原理からも明らかなように、可飽和アクトル
アにより、ダイオード８のリバース・リカバリ電流波高
値を減少させることができる。このため、同ダイオード
のリバース・リカバリ損失が減少し、同ダイオードの安
全動作を図ることができるとともに、第２図に示すよう
に同ダイオードのリバース・リカバリ電流により主コン
デンサ１ｏの充電電圧が波高値Ｖ、ｍから減少するのを
抑制することが可能である。さらに同ダイオードの発熱
により生ずるコンデンサ１１に入力されるエネルギ変動
も抑制することができ、同レーザの出力安定性も向上す
る。また、インバータｌにおけるサイリスタ２４のター
ンオン時の電流の立上りを遅らせることができ、同サイ
リスタのターンオン損失を減少させることもできる。

第１図において変圧器４の２次巻線６の端子電圧波高値
を２３ｋＶ、ダイオード８にはｌ素子あたり耐電圧１．
５ｋＶのファースト・リカバリダイオードを第１４図に
示すように６０ケ直列接続かつ３並列接続し、外部には
合成容量１７９Ｆのフィルム・コンデンサを付加したも
のを用い、コンデンサ１０、及び１１の容量を各々１２
ｎＦ、及び６ｎＦとした。また、第２図におけるし。

６０ＡＬｓ、ｔ、　　７０μｓ、ｔ、　　２００μｓに
設定した。

可飽和リアクトル７の磁心としては第１表に示すｉｏ種
類の非晶質巻磁心を用い、前記動作条件下で前記設計条
件を満足するように巻数を設定したものをシリコン・オ
イルで強制冷却して用いた。

いずれの場合も可飽和リアクトル７を挿入する前に比べ
て、前記リバース・リカバリ電流波高値を減少させるこ
とができたが、その効果はいずれの組成の磁心において
も層間絶縁を行ったもののほうが良好であった。また、
長時間動作時のコンデンサ１１に入力されるエネルギ変
動の点がらも層間絶縁を行ったもののほうが良好であっ
た。さらに、動作停止後運転を繰り返し行った場合の磁
心の経時安定性の面では＃５〜ＬＩＯ１特に＃６、＃８
、及び＃１ｏが優れていた。さらに組成の異なる他の非
晶質巻磁心についても同様の検討をした結果、同非晶質
磁心の組成が （Ｃｏ＋−−Ｍｊ　Ｉａｍ−ａＸｚ ここでＭはＦｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｄ、Ｍｏ。

ｖ、Ｔａ、Ｗよりなる群より選ばれた一種以上の元素、
ＸはＢ、又はＢ及びＳｉであり、ｏくα≦０．２４、及
び１２≦β≦２６を溝たすものであるものを用いた場合
には、レーザ出力を連続３時間取り出した後、動作を停
止させ、レーザ管を常温まで冷却させた後、再稼働させ
る試験を５回行った場合の、コンデンサ１１に入力され
るエネルギ変動は最初の動作時の３％以下とすることが
でき好適な結果を得ることができた。

（実施例２） 第５図は本発明をインバータ１を月いたコマンド充電方
式によるサイラトロン９を用いた容量移行型銅蒸気レー
ザに用いた場合の回路構成を示すものである０本実施例
では前記実施例１の回路構成を示す第１図において、可
飽和リアクトル７に主巻線１４の他に第２の巻［１５が
設けられている。また前記可飽和リアクトル７の第２の
巻！！１５の巻線端１７．１８にはバイアス電源１６が
接続されており、図示の極性で直流電流Ｉｃが流れるよ
うに構成されている。バイアス電源１６は第６図のよう
に構成されており、同図において１７゜１８は出力端、
１９は直流電源、２０はバイアス電流Ｉｃの値を定める
ための抵抗、２１は可飽和リアクトル７の第２の巻ｊｄ
ｉｌＬ５に誘起するサージを阻止するためのチョークコ
イルである。

本回路の動作を第５図の回路構成、第７図の可飽和リア
クトル７の主巻線１４、及びダイオード８を流れる電流
ｉ□と主コンデンサ電圧ｖ、波形、第８図のｉＩ波形拡
大図、及び第９図の可飽和リアクトル７の動作磁化曲線
を用いて説明する。

本回路においては、バイアス電源１６により可飽和リア
クトル７の第２の巻′ＭＡ１５を介して、可飽和リアク
トル７は図示黒丸の極性に常時次式に示すバイアス磁化
力Ｈｒが与えられており、前記自己セットのみでなく強
制的にセットすることができる。

ｅ このためインバータ１におけるサイリスタ２４（第１３
図参照）がターンオンする直前、即ち℃＝Ｏのときに可
飽和リアクトル７の磁束密度ａ。

点にあり、前記実施例１の場合に比べて、主コンデンサ
１０の充電電流立上り時間の送れｔｄ’　を小さくする
ことができる。

したがって、前記実施例１の場合に比べて主コンデンサ
１０の電圧が波高値に達するまでの時間の変動（前記実
施例１では自己セット作用に起因するものと思われる変
動が生じる。）を著しく減少させることができる。

本実施例においても、前記実施例１と同一条件にて動作
試験を行ったが、第１表における＃１０を用いた場合に
は、前記実施例１の場合に比べてコンデンサ１１に入力
される電圧変動を約３０％低減することができた。

なお、以上の実施例では銅蒸気レーザへの適用例を示し
たが、エキシマ・レーザ、ＴＥＡ−Ｃ０８レーザ、ＴＥ
ＭＡ−Ｇｏ、レーザ等の他の放電励起レーザ、あるいは
インダクション・アクセラレータ等の加速器等への適用
が可能であることは言うまでもない。

［発明の効果コ 以上説明したような本発明によれば、変圧器の１次側に
接続されたインバータを用いて同変圧器の２次巻線と直
列に接続されたダイオードを介してコンデンサを充電す
るとともに、スイッチ素子を用いて同コンデンサの電荷
を放電させることにより高電圧パルスを発生させる高電
圧パルス発生回路において、前記ダイオードのリバース
・リカバリ電流に起因する同ダイオードのリバース・リ
カバリ損失、及び前記コンデンサ充飽電圧の低下を防止
することができる。また前記ダイオードのリバース・リ
カバリ損失に伴う同高電圧パルス発生回路の出力変動を
防止できるとともに、同ダイオードの安全動作も図るこ
とができる。また、出力変動を防止することが可能なた
め、本高電圧発生回路を用いた負荷の並列運転（例えば
本高電圧発生回路を用いた銅蒸気レーザの並列運転等）
において、各負荷の同期運転を容易に行うことができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による高電圧パルス発生回路の一実施例
を示す回路構成図、第２図は第１図に示す回路の可飽和
リアクトル、及びダイオードを流れる電流ｉ、と主コン
デンサ電圧Ｖ、の波形を示した図、第３図は第２図にお
ける電流１１の拡大図、第４図は第１図の回路における
可飽和リアクトルの動作磁化曲線を示した図、第５図は
本発明による別の実施例を示す回路構成図、第６図は第
５図で用いた可飽和リアクトルをバイアスするためのバ
イアス電源回路を示した図、第７図は第５図に示す回路
の可飽和リアクトルの主巻線を流れる電流１１と主コン
デンサ電圧ｖ１の波形、第８図は第７図における電流ｉ
、の拡大図、第９図は第５図の回路における可飽和リア
クトルの動作磁化曲線、第１０図は従来の高電圧パルス
発生回路の構成図、第１１図は第１０図に示す回路の可
飽和リアクトル、及びダイオードを流れる電流ｉＩと主
コンデンサ電圧ｖ１の波形、第１２図は第１１図におけ
る電流１□の拡大図、第１３図は第１図、第５図、及び
第１０図で用いたインバータ１の回路構成図、第１４図
は第１図、第５図、及び第１０図で用いたダイオード８
の構成図である。 第１図 第３図 第５図 第６図 第７図 第８図 第９図 Ｏｔ＋　　　　　ｈ　　　　　　　　　　ｈ　　　　　
　　を第１２図 第１３図 第１４図 手続ネ［口正書く自発）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）変圧器の１次側に接続されたインバータを用いて同
   変圧器の２次巻線と直列に接続されたダイオードを介し
   てコンデンサを充電することにより、高電圧パルスを発
   生させる高電圧パルス発生回路において、前記２次巻線
   と前記２次巻線に直列に接続されたダイオード間に非晶
   質磁心を用いて構成した可飽和リアクトルを挿入するこ
   とを特徴とする高電圧パルス発生回路。 ２）請求項１に記載の高電圧パルス発生回路において、
   前記コンデンサに充電された電荷をスイッチ素子を用い
   て放電させることにより高電圧パルスを発生させること
   を特徴とする高電圧パルス発生回路。 ３）請求項１に記載の高電圧パルス発生回路において、
   前記非晶質磁心は非晶質磁性薄帯を用い、高分子フィル
   ム、もしくは絶縁コーティング等により層間絶縁を施し
   て構成した巻磁心もしくは積層磁心であることを特徴と
   する高電圧パルス発生回路。 ４）請求項１に記載の高電圧パルス発生回路において、
   前記非晶質磁心の組成は （Ｃｏ＿１＿−＿αＭ＿α）＿１＿０＿０＿−＿βＸ＿
   βここでＭはＦｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ
   、Ｔａ、Ｗよりなる群より選ばれた一種以上の元素、Ｘ
   はＢ、又はＳｉであり、０＜α≦０．２４、及び１２≦
   β≦２６を満たすものであることを特徴とする高電圧パ
   ルス発生回路。 ５）請求項１に記載の高電圧パルス発生回路において、
   前記可飽和リアクトルには主コンデンサを充電するため
   の主巻線の他に、同可飽和リアクトルが主コンデンサの
   充電電流により磁化される向きと同一方向に磁化し得る
   ように第２の巻線が設けられていることを特徴とする高
   電圧パルス発生回路。 ６）請求項５に記載の高電圧パルス発生回路において、
   前記第２の巻線には常時直流電流が流れていることを特
   徴とする高電圧パルス発生回路。 ７）請求項１に記載の高電圧パルス発生回路において、
   その負荷は放電励起レーザであることを特徴とする高電
   圧パルス発生回路。