JPH07111441A - パルス電源回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】パルス電圧昇圧及びパルス圧縮を兼用する可飽
和トランスを採用して、高電圧特性を損なうことなく、
低損失、高効率で高周波特性に優れて小型化が可能なパ
ルス電源回路を提供する。 【構成】請求項１記載の発明に係るパルス電源回路は、
パルスエネルギーの充電用コンデンサ２と、この充電用
コンデンサ２からパルスを作り出すサイラトロン３と、
鉄心を可飽和特性としたパルス電圧昇圧用の可飽和トラ
ンス10とからなるパルス電源回路において、前記可飽和
トランス10が非飽和領域においてはパルストランスで、
飽和領域では磁気パルス圧縮素子として機能させること
を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はパルス電源回路に係り、
特に高電圧、高速立ち上がり特性に優れたパルス電源回
路に関する。

【０００２】

【従来の技術】パルス電源回路については、一般に高電
圧、高速立ち上がりパルス供給用である場合には、放電
を利用したレーザー装置用電源への適用が可能であり、
その利用分野としては加工用のエキシマレーザー装置、
あるいはレーザーウラン濃縮システムで使用される銅蒸
気レーザー装置等が挙げられる。

【０００３】このパルス電源回路としては、充電用コン
デンサと、パルスを作り出すスイッチ素子であるサイラ
トロン、電圧昇圧用のパルストランス、パルストランス
の２次側充電用コンデンサ、パルス幅圧縮用の磁気パル
ス圧縮用素子、及びピーキングコンデンサ等で構成さ
れ、充電電圧を変化させることにより出力電力の制御を
している。

【０００４】図７の回路構成図は従来のパルス電源回路
を示し、充電用電源１により充電用コンデンサ２が充電
され、サイラトロン３が導通となると同時にパルストラ
ンス４の１次側に励磁電流が流れる。この時に流れる励
磁電流のパルス幅は、充電用コンデンサ２と、パルスト
ランス４の２次側充電用コンデンサ５の静電容量、及び
パルストランス４の１次側インダクタンスにより決ま
る。また、磁気アシスト用素子６は前記サイラトロン３
の損失低減用素子である。

【０００５】次にパルストランス４の巻線比により電圧
が昇圧され、２次側充電用コンデンサ５が充電される。
磁気パルス圧縮用素子７は可飽和リアクトルからなり、
磁気スイッチとして機能するもので、２次側充電用コン
デンサ５の充電が完了するまでピーキングコンデンサ８
方向に電流を流さないための素子であり、２次側充電用
コンデンサ５の充電完了と同時に、磁気パルス圧縮用素
子７が飽和してピーキングコンデンサ８方向に電流を流
す。

【０００６】この際に流れる電流のパルス幅は、２次側
充電用コンデンサ５とピーキングコンデンサ８の静電容
量、及びこの回路のループインダクタンスにより決ま
る。この時に２次側充電用コンデンサ５とピーキングコ
ンデンサ８の静電容量、及びループインダクタンスの積
を、充電用コンデンサ２と２次側充電用コンデンサ５の
静電容量、及び１次側インダクタンスの積よりも小さく
することにより電流のパルス幅は圧縮されて、立ち上が
りの速いパルスを負荷９に供給することができる。この
ように高電圧、高速立ち上がりパルス供給用電源は、一
般にパルストランス４と、磁気パルス圧縮素子７による
パルス圧縮方式を採用している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このようなパルス電源
回路については、回路構成素子の数が多く容量が大きい
ため、その回路が大型化して回路損失が大きくなること
から電源効率が低くなるという支障があった。また、ル
ープインダクタンスも大きくなるために、高周波特性の
面でも不利となる問題があった。

【０００８】本発明の目的とするところは、パルス電圧
昇圧及びパルス圧縮を兼用する可飽和トランスを採用し
て、高電圧特性を損なうことなく、低損失、高効率で高
周波特性に優れて小型化が可能なパルス電源回路を提供
することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は以上の目的を達
成するため請求項１記載の発明に係るパルス電源回路
は、パルスエネルギーの充電用コンデンサと、この充電
用コンデンサからパルスを作り出すサイラトロンと、可
飽和特性鉄心を使用したパルス電圧昇圧用の可飽和トラ
ンス、及びピーキングコンデンサと２次側充電用コンデ
ンサ等からなるパルス電源回路において、前記可飽和ト
ランスが非飽和領域ではパルストランスに、飽和領域で
は磁気パルス圧縮素子として機能させることを特徴とす
る。

【００１０】請求項２記載の発明に係るパルス電源回路
は、パルスエネルギーの充電用コンデンサと、この充電
用コンデンサからパルスを作り出すサイラトロンと、可
飽和特性鉄心を使用したパルス電圧昇圧用の可飽和トラ
ンス、及びピーキングコンデンサと２次側充電用コンデ
ンサ等からなるパルス電源回路において、前記各コンデ
ンサ、サイラトロン、可飽和トランス等の構成機器を絶
縁冷却材中に浸漬して冷却することを特徴とする。

【００１１】請求項３記載の発明に係るパルス電源回路
は、パルスエネルギーの充電用コンデンサと、この充電
用コンデンサからパルスを作り出すサイラトロンと、可
飽和特性鉄心を使用したパルス電圧昇圧用の可飽和トラ
ンス、及びピーキングコンデンサと２次側充電用コンデ
ンサ等からなるパルス電源回路において、前記可飽和ト
ランスの鉄心であるアモルファスコアの巻取り用芯材を
フェライトコアとしたことを特徴とする。

【００１２】請求項４記載の発明に係るパルス電源回路
は、パルスエネルギーの充電用コンデンサと、この充電
用コンデンサからパルスを作り出すサイラトロンと、可
飽和特性鉄心を使用したパルス電圧昇圧用の可飽和トラ
ンス、及びピーキングコンデンサと２次側充電用コンデ
ンサ等からなるパルス電源回路において、前記可飽和ト
ランスにおけるアモルファスコアの内側に冷却材循環用
ジャケットを設けたことを特徴とする。

【００１３】請求項５記載の発明に係るパルス電源回路
は、パルスエネルギーの充電用コンデンサと、この充電
用コンデンサからパルスを作り出すサイラトロンと、可
飽和特性鉄心を使用したパルス電圧昇圧用の可飽和トラ
ンス、及びピーキングコンデンサと２次側充電用コンデ
ンサ等からなるパルス電源回路において、前記可飽和ト
ランスのコイルをトロイダルコアと同軸上に等配して巻
回したことを特徴とする。

【００１４】

【作用】請求項１記載の発明では、充電用電源により充
電用コンデンサが充電されてサイラトロンが導通する
と、同時に可飽和トランスの１次側に励磁電流が流れ
る。この励磁電流のパルス幅は、充電用コンデンサと２
次側充電用コンデンサの静電容量、及び可飽和トランス
の１次側インダクタンスにより決まる。

【００１５】次いで可飽和トランスの２次側には巻線比
に応じた電圧が昇圧されて、２次側充電用コンデンサが
充電される。この２次側充電用コンデンサの充電完了と
同時に、可飽和トランスが飽和して、ピーキングコンデ
ンサ方向に電流を流す。

【００１６】この電流のパルス幅は、２次側充電用コン
デンサとピーキングコンデンサの静電容量、及びループ
インダクタンスにより決まり、この時に２次側充電用コ
ンデンサとピーキングコンデンサの静電容量、及びルー
プインダクタンスの積を、充電用コンデンサと２次側充
電用コンデンサの静電容量、及び１次側インダクタンス
の積よりも小さくすることにより電流のパルス幅は圧縮
されて、立ち上がりが速いパルスが得られることから、
低損失、高効率で高周波特性に優れた出力が負荷に供給
される。

【００１７】請求項２記載の発明によれば、パルス電源
回路を構成する機器類が容器内において絶縁冷却材中に
浸漬されているので、サイラトロンの各電極間距離、及
び各回路構成機器の相互間距離を接近して配置可能とな
り、空気中における配置に比較して小型化と、ループイ
ンダクタンスの減少により高速化特性が得られる。

【００１８】請求項３記載の発明では、導電率の小さい
フェライトコアを巻取り芯材として可飽和特性鉄心の一
部にしていることからコイルに対する鉄心の占積率が増
加し、さらに絶縁物も省略されることにより、鉄心の小
容積化で鉄損が減少すると共に、コイルの自己インダク
タンスも減少する。したがってパルス電源回路の小型化
と高効率化、及び高速化が可能となる。

【００１９】請求項４記載の発明では、巻取り芯材の内
部の冷却ジャケットに絶縁冷却材が通過することから、
アモルファスコアは間接的に、温度の上昇しやすい中心
部分から冷却される。これにより温度により変化するア
モルファスコアの飽和磁束密度が安定し、飽和、非飽和
特性が安定化されるのでパルス電源回路の安定性と効率
が向上する。

【００２０】請求項５記載の発明では、可飽和トランス
におけるコイルが、トロイダルコアの周りに同軸上に等
配に巻かれていることから、コイルの自己インダクタン
スが減少すると共にコイル容積も削減できて、パルス電
源回路の高速化と小型化が可能になる。

【００２１】

【実施例】本発明の一実施例を図面を参照して説明す
る。なお、上記した従来技術と同じ構成部分については
同一符号を付して詳細な説明を省略する。第１実施例
は、図１の回路構成図に示すようにパルス電源回路は、
充電用コンデンサ２と、磁気アシスト用素子６、パルス
を作り出すスイッチ素子であるサイラトロン３、電圧昇
圧とパルス幅圧縮機能を兼務する可飽和トランス10、こ
の可飽和トランス10の２次側にある２次側充電用コンデ
ンサ11、及びピーキングコンデンサ８が容器12内に収容
され、この容器12内に充填された絶縁冷却材の例えば絶
縁油13中に浸漬されて冷却されるように構成されてい
る。

【００２２】さらに、サイラトロン３には充電用電源１
が、ピーキングコンデンサ８には負荷９が接続されてい
て、またスイッチング素子である前記サイラトロン３に
は、トリガパルス発生器15と、繰返し制御回路16が接続
されている。

【００２３】次に上記構成による作用について説明す
る。先ず充電用電源１により充電用コンデンサ２が充電
されてサイラトロン３が導通となると、同時に可飽和ト
ランス10の１次側には励磁電流が流れる。この際に流れ
る励磁電流のパルス幅は、充電用コンデンサ２と２次側
充電用コンデンサ11の静電容量、及び可飽和トランス10
の１次側インダクタンスにより決まる。

【００２４】次いで可飽和トランス10の２次側には巻線
比に応じた電圧が昇圧され、２次側充電用コンデンサ11
が充電される。この２次側充電用コンデンサ11の充電完
了と同時に、可飽和トランス10が飽和して、ピーキング
コンデンサ８方向に電流を流す。

【００２５】この電流のパルス幅は、２次側充電用コン
デンサ11とピーキングコンデンサ８の静電容量、及びル
ープインダクタンスにより決まる。この時に２次側充電
用コンデンサ11とピーキングコンデンサ８の静電容量、
及びループインダクタンスの積を、充電用コンデンサ２
と２次側充電用コンデンサ11の静電容量、及び１次側イ
ンダクタンスの積よりも小さくすることにより電流のパ
ルス幅は圧縮され、立ち上がりの速いパルスを負荷９に
供給することができる。

【００２６】以上から明らかなように、上記した従来の
パルストランス４と磁気パルス圧縮用素子７の２つの機
能を持った可飽和トランス10を採用することにより、磁
気パルス圧縮用素子７が不要となるため、可飽和トラン
ス10の鉄心である可飽和リアクトル容量が小さくなり、
自己インダクタンス、及び鉄損を小さくすることができ
るので、パルス電源回路が小型化され、高速化と高効率
化が可能となる。

【００２７】第２実施例は、図２の縦断面図及び図１に
示すように、充電用コンデンサ２と、磁気アシスト用素
子６、サイラトロン３、可飽和トランス10、ピーキング
コンデンサ８、２次側充電用コンデンサ11等のパルス電
源回路を構成する機器が容器12内において絶縁油13中に
浸漬されているので、サイラトロン３の各電極間距離、
及び各回路構成機器の相互間距離を接近して配置するこ
とができる。

【００２８】これにより、空気中の配置に比較してルー
プインダクタンスが減少し、パルス電源回路の小型化と
高速化が可能となる。なお、図２に示すように容器12内
の絶縁油13は封入による自己冷却式として、容器12に外
表面における熱放散としても良く。また、図１に示すよ
うに冷却ポンプ14による絶縁油13の循環、及びこの循環
する絶縁油13を図示しない冷却器により冷却する強制冷
却式とすれば、さらに、その効果は向上する。

【００２９】第３実施例は、図３に示す（ａ）のパルス
電源回路に用いる可飽和トランスの鉄心の斜視図、及び
（ｂ）の縦断面図にあるように、可飽和トランス10にお
ける可飽和リアクトル機能を有する鉄心を、可飽和特性
を有する環状のフェライトコア17の周りに同じく可飽和
特性のアモルファスコア18を環状に巻き付けた構成で、
前記フェライトコア17はアモルファスコア18の巻取り芯
材としている。

【００３０】上記構成によれば、一般にアモルファスコ
ア18は金属薄帯材を多層に巻回して形成され、トランス
及びリアクトルの鉄心として使用する場合には、導電率
が大きいことからコイルとの間には絶縁物を介さなけれ
ばならず、したがって、従来は絶縁物による巻取り芯材
を使用していた。しかし、ことから鉄心としての有効断
面積が減少して効率低下の要因の一つとなっていた。

【００３１】しかしながら、フェライトコア17を導電率
の小さい可飽和特性鉄心の一部とし、かつ、アモルファ
スコア18の巻取り芯材と兼用し、さらに絶縁物も省略さ
れることにより、コイルに対する鉄心部分の占積率が増
加する。

【００３２】これにより、鉄心が小容積化して鉄損が減
少すると共に、コイルの自己インダクタンスも減少する
ため、パルス電源回路の小型化と高効率化、及び高速化
が可能となる。なお、前記巻取り芯材を兼ねるフェライ
トコア17は、その材質がフェライトに限らず、絶縁性が
高く可飽和特性の鉄心であれば、同様の作用、効果を得
ることは勿論である。

【００３３】第４実施例は、図４のパルス電源回路に用
いる可飽和トランスの鉄心で（ａ）の斜視図、及び
（ｂ）の縦断面図に示すように、可飽和トランス10で可
飽和リアクトル機能を有する鉄心において、環状のアモ
ルファスコア18の内周には、密接して同心状の巻取り芯
材19を設ける。この巻取り芯材19の内部は支え20ａによ
り支持して、冷却ジャケット20が形成されて絶縁冷却材
の例えば絶縁油13が矢印で示すように通過する構成とし
ている。

【００３４】上記構成による作用としては、巻取り芯材
19の内部の冷却ジャケット20に絶縁油13が通過すること
により、アモルファスコア18は、間接的に中心部分から
冷却される。このアモルファスコア18の飽和磁束密度は
温度により変化するため、特に温度の上昇しやすいアモ
ルファスコア18の中心部分を冷却することにより、飽
和、非飽和特性を安定化することができ、パルス電源回
路の安定性と効率が向上する。なお、この第４実施例及
び上記第２実施例においては絶縁冷却材を絶縁油13とし
て説明したが、この絶縁油13を絶縁性気体としても同様
の効果が得られる。

【００３５】第５実施例は、図５のパルス電源回路に用
いる可飽和トランスのトロイダルコアの平面図で示すよ
うに、可飽和トランス10で可飽和リアクトル機能を有す
る鉄心である環状のトロイダルコア21の周りに、可飽和
リアクトルを例として３ターンのコイル22を４等配に施
こしている。

【００３６】また、コイル22において実線部分は上面導
電性板22ａを意味し、点線部分は下面導電性板22ｂを示
している。さらに、上面導電性板22ａと下面導電性板22
ｂの間は、コイル22の構造を機械的に保つことの可能な
導電性板（パイプ等）22ｃで接続することで支持して構
成されている。なお、３ターンのコイル22とトロイダル
コア21との間の距離は、絶縁限界距離として極力短縮し
て巻回した構成としている。

【００３７】上記構成による作用としては、トロイダル
コア21の周りにコイル22が、同軸上に等配に巻かれてい
ることから、コイル22の自己インダクタンスが減少する
と共にコイル容積も削減され、パルス電源回路の高速化
と小型化が可能になる。なお、可飽和トランス10とする
には、トロイダルコア21に２組みのコイル22を１次側と
２次側として施せば良い。

【００３８】次に、本発明のパルス電源回路において、
負荷９に供給する電力を変化させる場合について説明す
る。一例として、可飽和トランス10の機能を以下のよう
に仮定する。すなわち、可飽和トランス10のトランス比
は１：２で、その飽和特性は図６の飽和特性図（ａ）の
定格電圧時に示すように、 100nsec迄は非飽和状態であ
り、その間に可飽和トランス10の２次側には電圧が０〜
100kVまで誘起されるが、 100kVが印加された瞬間に飽
和状態に変化する機能を持っている。

【００３９】ここで、負荷９に供給する電力を56％［〜
（3/4 ）² ］に減少させる場合は、可飽和トランス10の
１次電圧を今までの3/4 である37.5kVに設定し、２次電
圧として75kVを誘起させるとする。

【００４０】しかし、可飽和トランス10は２次電圧と非
飽和時間の積分値がある一定値に達した場合に飽和する
ので、このように１次電圧を37.5kVとした場合に可飽和
トランス10においては、図６の飽和特性図（ｂ）の低電
圧時に示すように、２次電圧が75kVになっても飽和せ
ず、ピーク値の75kVを過ぎて〜70kVとなった非飽和時間
が〜 120nsecの点で飽和状態となる。

【００４１】このことは可飽和トランス10の電圧利得
が、２から〜1.87に減少したことを示しており、電源効
率が減少することを意味する。しかしながら、図１に示
すように繰返し制御回路16により、サイラトロン３のパ
ルス繰返し数を制御して負荷９に供給する電力を制御す
ることで、電源効率減少に係わりなく負荷９への供給電
力を減少させることが可能である。

【００４２】さらに、図１に示すパルス電源回路のスイ
ッチング素子であるサイラトロン３を半導体スイッチ素
子やスパークギャップスイッチ等、他のスイッチング素
子に置き換えても上記の作用と効果が得られるが、特に
半導体スイッチ素子を採用した場合には、サイラトロン
３に比べて長寿命とすることができる。

【００４３】なお、上記発明の他の実施態様項として次
のものがある。「パルスエネルギーの充電用コンデンサ
と、この充電用コンデンサからパルスを作り出すサイラ
トロンと、鉄心を可飽和特性としたパルス電圧昇圧用の
可飽和トランスとからなるパルス電源回路において、前
記負荷へ供給する電力を調節するパルス繰返し制御回路
を設けたことを特徴とするパルス電源回路」。

【００４４】

【発明の効果】以上本発明によれば、パルス電源回路に
おいて高電圧特性を損なうことなく、低損失及び高効率
で、高周波特性と安定性に優れると共に、容易に小型化
することができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１実施例のパルス電源回路の回
路構成図。

【図２】本発明に係る第２実施例を示すパルス電源回路
の縦断面図。

【図３】本発明に係る第３実施例を示す鉄心の（ａ）は
斜視図、（ｂ）は断面図。

【図４】本発明に係る第４実施例を示す鉄心の（ａ）は
斜視図、（ｂ）は断面図。

【図５】本発明に係る第５実施例を示す鉄心とコイルの
平面図。

【図６】本発明に係る可飽和トランスの飽和特性図で、
（ａ）は定格電圧時、（ｂ）は低電圧時を示す。

【図７】従来のパルス電源回路の回路構成図。

【符号の説明】

１…充電用電源、２…充電用コンデンサ、３…サイラト
ロン、４…パルストランス、５，11…２次側充電用コン
デンサ、６…磁気アシスト用素子、７…磁気パルス圧縮
用素子、８…ピーキングコンデンサ、９…負荷、10…可
飽和トランス、12…容器、13…絶縁油（矢印は流れ方
向）、14…冷却ポンプ、15…トリガパルス発生器、16…
繰返し制御回路、17…フェライトコア、18…アモルファ
スコア、19…巻取り芯材、20…冷却ジャケット、20ａ…
支え、21…トロイダルコア、22…コイル、22ａ…上面導
電性板、22ｂ…下面導電性板、22ｃ…導電性板（パイプ
等）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石戸谷 健司 神奈川県川崎市幸区堀川町72番地 株式会 社東芝堀川町工場内 (72)発明者 阿部 素久 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パルスエネルギーの充電用コンデンサ
   と、この充電用コンデンサからパルスを作り出すサイラ
   トロンと可飽和特性鉄心を使用したパルス電圧昇圧用の
   可飽和トランス、及びピーキングコンデンサと２次側充
   電用コンデンサ等からなるパルス電源回路において、前
   記可飽和トランスが非飽和領域においてはパルストラン
   スで、飽和領域では磁気パルス圧縮素子として機能させ
   ることを特徴とするパルス電源回路。
2. 【請求項２】 パルスエネルギーの充電用コンデンサ
   と、この充電用コンデンサからパルスを作り出すサイラ
   トロンと可飽和特性鉄心を使用したパルス電圧昇圧用の
   可飽和トランス、及びピーキングコンデンサと２次側充
   電用コンデンサ等からなるパルス電源回路において、前
   記コンデンサ、サイラトロン、可飽和トランス等の構成
   機器を絶縁冷却材中に浸漬して冷却することを特徴とす
   るパルス電源回路。
3. 【請求項３】 パルスエネルギーの充電用コンデンサ
   と、この充電用コンデンサからパルスを作り出すサイラ
   トロンと可飽和特性鉄心を使用したパルス電圧昇圧用の
   可飽和トランス、及びピーキングコンデンサと２次側充
   電用コンデンサ等からなるパルス電源回路において、前
   記可飽和トランスの鉄心であるアモルファスコアの巻取
   り芯材をフェライトコアとしたことを特徴とするパルス
   電源回路。
4. 【請求項４】 パルスエネルギーの充電用コンデンサ
   と、この充電用コンデンサからパルスを作り出すサイラ
   トロンと可飽和特性鉄心を使用したパルス電圧昇圧用の
   可飽和トランス、及びピーキングコンデンサと２次側充
   電用コンデンサ等からなるパルス電源回路において、前
   記可飽和トランスの鉄心であるアモルファスコアの巻取
   り芯材に絶縁冷却材循環用ジャケットを設けたことを特
   徴とするパルス電源回路。
5. 【請求項５】 パルスエネルギーの充電用コンデンサ
   と、この充電用コンデンサからパルスを作り出すサイラ
   トロンと可飽和特性鉄心を使用したパルス電圧昇圧用の
   可飽和トランス、及びピーキングコンデンサと２次側充
   電用コンデンサ等からなるパルス電源回路において、前
   記可飽和トランスのコイルを鉄心のトロイダルコアと同
   軸上に等配して巻回したことを特徴とするパルス電源回
   路。