JPH08242149A

JPH08242149A - 半導体スイッチ装置とそれを用いた電気装置

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Publication number: JPH08242149A
Application number: JP4191795A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Okamura; 勝也岡村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-03-01
Filing date: 1995-03-01
Publication date: 1996-09-17
Anticipated expiration: 2018-08-25
Also published as: JP3441218B2

Abstract

(57)【要約】【目的】高電圧で高速のスイッチング動作に適した半導
体スイッチ装置を提供すること。【構成】複数の半導体スイッチ素子と放熱フィンを交互
に積層した直列回路と、その周囲に円筒状に配置した複
数の導体を一端において直列接続した第１スイッチモジ
ュールと、第１スイッチモジュールとはその極性を逆極
性とした半導体スイッチ素子と放熱フィンを交互に積層
した直列回路の第２スイッチモジュールと、前記各スイ
ッチモジュールの円筒状に配置した導体端部間を接続す
ることにより直列接続した半導体スイッチ装置は、高電
圧で高速のスイッチング動作を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はサイリスタなどの半導体
スイッチ素子を複数個直列接続してスイッチング動作を
行う半導体スイッチ装置及びこの半導体スイッチ装置を
用いたパルスレーザ装置及びクライストロンモジュレー
タ等の電気装置に関する

【０００２】

【従来の技術】一般に、銅蒸気レーザやエキシマレーザ
を励起するためには数１０ｋＶ，数１０ｋＡのパルス放
電をパルス幅数百ｎｓで行わせる必要がある。このため
にはコンデンサに蓄えた電荷を高速に放電させる高電
圧，大電流の高速スイッチが必要であり、従来はサイラ
トロンが用いられていた。

【０００３】しかし、サイラトロンはその動作原理上、
寿命に制約があり、頻雑な交換を行う必要があるなどの
問題があった。この寿命の制約を取り除くにはスイッチ
装置を半導体化する必要がある。しかしながら、半導体
スイッチ素子単体の電圧定格は高々数ｋＶであり、数１
０ｋＶのスイッチング動作を行わせるためには１０数個
の半導体スイッチ素子を直列接続する必要がある。

【０００４】このように多数の半導体スイッチ素子を直
列接続すると幾何学的寸法が長くなり、インダクタンス
が増加し、高速スイッチング動作には不適当となる。こ
の欠点を解消するためには半導体スイッチ素子の周囲に
円筒状に導体を配置し、半導体スイッチ素子と反対方向
に電流を流すことによって磁束の打ち消しを行う方法が
有効であることが知られている。

【０００５】この場合、磁束の打ち消しを有効に行うた
めには中心の半導体スイッチ素子と周囲の導体の間の距
離を極力小さくする必要がある。この距離の必要最小値
はスイッチの電圧が高くなると大きくなるので、インダ
クタンスを小さくするにはスイッチ装置の構成として数
１０ｋＶのスイッチを１つのスイッチモジュールで構成
するのでなく電圧定格を半分にした２分割程度のモジュ
ール構成にするのが適当である。

【０００６】図５はこのような従来のスイッチ装置の構
成図である。同図に示すように、複数の半導体素子１と
放熱フィン２を交互に積層し、その周囲に複数の外周導
体３を円筒状に配し、１つのスイッチモジュール５を構
成する。このようなスイッチモジュール５を２台を用い
てスイッチ装置７ａを構成する。すなわち、第１のスイ
ッチモジュール５のカソード端子Ｋ１と第２のスイッチ
モジュール５のアノード端子Ａ２を渡り導体４ａで接続
し、第１のスイッチモジュール５のアノード端子Ａ１を
スイッチ装置全体のアノード端子Ａ０と接続し、また第
２のスイッチモジュール５のカソード端子Ａ２をスイッ
チ装置全体のカソード端子Ｋ０と接続することにより１
つのスイッチ装置７ａを構成している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような従来のスイッチ装置では、第１のスイッチモジ
ュールの外周導体と第２のスイッチモジュールの外周導
体の間にはスイッチモジュール１台分即ちスイッチ装置
全体の電圧の５０％に相当する電位差があるため、スイ
ッチモジュール相互間の絶縁を確保するため距離を離し
て配置する必要が生じる。そのため渡り導体４の長さが
長くなり、インダクタンスが大きくなって全体のインダ
クタンスが増加し、高速スイッチング動作に適さなくな
る。また、スイッチの外形が大きくなるという欠点があ
るので、このスイッチ装置を適用したレーザなどの電気
装置も大型化し、重量も増加するという欠点がある。

【０００８】本発明は上記欠点を解決するためになされ
たもので、その目的は、高電圧で高速のスイッチング動
作に適した半導体スイッチ装置を提供することにある。
また他の目的は、この半導体スイッチ装置を用いたエキ
シマレーザ、銅蒸気レーザ、クライストロンモジュレー
タ等の小型軽量の電気装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１の半導体スイッチ装置は、複数の
半導体スイッチ素子と放熱フィンを交互に積層した直列
回路と、その周囲に円筒状に配置した複数の導体を一端
において直列接続した第１スイッチモジュールと、前記
第１スイッチモジュールとはその極性を逆極性とした半
導体スイッチ素子と放熱フィンを交互に積層した直列回
路の第２スイッチモジュールと、前記各スイッチモジュ
ールの円筒状に配置した導体端部間を接続することによ
り直列接続したことを特徴とする。

【００１０】本発明の請求項２は、請求項１記載の半導
体装置において、導体端部間の接続を幅広の導体で接続
することを特徴とする。本発明の請求項３のエキシマレ
ーザ装置は、請求項１記載の半導体スイッチ装置を用い
て、磁気アシスト用可飽和リアクトルとメインコンデン
サを通してエキシマレーザ放電チャンバー内でパルス放
電を行わせることにより励起を行うことを特徴とする。

【００１１】本発明の請求項４の銅蒸気レーザ装置は、
請求項１記載の半導体スイッチ装置を用いてコンデンサ
に蓄えた電荷を放電し、磁気パルス圧縮回路を通して銅
蒸気レーザ管内で放電を行わせることにより励起を行う
ことを特徴とする。

【００１２】本発明の請求項５のクライストロンモジュ
レータ装置は、請求項１記載の半導体スイッチを用いて
パルス波形成形回路網に蓄えた電荷を放電し、パルスト
ランスによって昇圧し、クライストロンを励振すること
を特徴とする。

【００１３】

【作用】本発明の請求項１によると、第１スイッチモジ
ュールと第２スイッチモジュールの極性が逆極性である
ので、第２スイッチモジュールの外周導体の電位は、第
１スイッチモジュールの外周導体と概同電位となり、モ
ジュール相互間の距離を近づけることができ、渡り導体
のインダクタンスを小さくすることができる。

【００１４】本発明の請求項２によると、渡り導体を幅
広の導体で構成したので渡り導体のインダクタンスは無
視できるほど小さくすることができる。本発明の請求項
３〜請求項４によると、このようなスイッチ装置を磁気
アシスト回路，磁気パルス圧縮回路と組み合わせること
で高電圧短パルスの放電を得ることができ銅蒸気レーザ
発振，エキシマレーザ発振を行わせる。

【００１５】本発明の請求項５によると、スイッチ装置
によってパルス波形成形回路網の電荷を放電することに
よって矩形の電流を得、それをパルストランスによって
昇圧してクライストロンの動作に適した高電圧の矩形パ
ルスとし、クライストロンを動作させる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を参照して説明す
る。図１は本発明の第１の実施例（請求項１及び請求項
２対応）の構成図である。なお、同図において、既に説
明した図５の従来例と同一の部分は同一符号を付して重
複説明を省略する。

【００１７】同図に示すように、本実施例では第２スイ
ッチモジュール６の極性を第１スイッチモジュール５と
は逆極性にしている。このために、第２スイッチモジュ
ール６のアノード端子Ａ２は外周導体上に設け、カソー
ド端子Ｋ２は半導体素子１と放熱フィン２の積層した上
に設けている。従って、第１スイッチモジュール５の外
周導体と第２スイッチモジュール６の外周導体を同一面
で接続することが可能となり、また両者の外周導体３は
概略同電位となってモジュール相互間の距離を近づける
ことができる。

【００１８】また、本実施例では２つのモジュール５，
６相互間の渡り導体に幅広の導体４によって行うことが
できる。このため第１スイッチモジュール５と第２スイ
ッチモジュール６の接続は、幅広で短い渡り導体４Ａで
行われており、接続によるインダクタンスの増加はほと
んどない。したがって、多数の半導体素子を直列接続し
てもインダクタンスの小さい小型のスイッチ装置を得る
ことができる。

【００１９】図２は本発明の第２実施例（請求項３対
応）のエキシマレーザ装置の構成図である。同図におい
て、スイッチ装置７のアノードは、磁気アシスト用可飽
和リアクトル８、メインコンデンサ９を通じてエキシマ
レーザ放電チャンバー１１内の放電回路に接続される。
この放電回路は予備電離電極１３、主放電電極１２、ピ
ーキングコンデンサ１４などが収納されている。また、
磁気アシスト用可飽和リアクトル８とメインコンデンサ
９は円筒状の導体１０によって囲まれ、この円筒状の導
体１０の一端はスイッチ装置７のカソードに、他の一端
は放電回路の接地側Ｅに接続され、電流路の一部を構成
している。

【００２０】このように構成したエキシマレーザ装置で
は、図示しない充電電源によりメインコンデンサ９が数
１０ｋＶに充電された後、スイッチ装置７が動作する
と、スイッチ装置７の端子間が短絡されたと同様の状態
となり、磁気アシスト用可飽和リアクトル８によって一
定時間電圧が保持された後、可飽和リアクトル８が飽和
し、メインコンデンサ９の電荷が放電して高電圧のパル
ス電流が発生する。このパルス電流は予備電離電極１３
に放電を行わせて紫外線を発生させながらピーキングコ
ンデンサ１４を充電する。このときスイッチ装置７と途
中の円筒状の導体１０は共に同軸円筒状の低インダクタ
ンス回路となっているので、パルス電流のパルス幅数百
ｎｓと高速で予備電離電極１３間から強い紫外線を発生
させ、主放電電極１２の間のレーザガスを電離する。ピ
ーキングコンデンサ１４の充電が完了した後、主放電電
極１２間にグロー放電が起きエキシマレーザ発信が起き
る。

【００２１】このように本実施例によれば、小型で低イ
ンダクタンスのスイッチ装置と低インダクタンスの電流
路を備えているので、小型軽量のエキシマレーザ装置を
得ることができる。

【００２２】図３は本発明の第３実施例（請求項４対
応）の銅蒸気レーザ装置の構成図である。同図におい
て、スイッチ装置７のアノードは、磁気アシスト用可飽
和リアクトル１５Ａ、第１のメインコンデンサ１６Ａ
と、第２のメインコンデンサ１６Ｂ、パルス圧縮用可飽
和リアクトル１５Ｂを通じて銅蒸気レーザ放電管２０の
高圧電極２０Ｈに接続されている。銅蒸気レーザ放電管
２０の高圧電極２０Ｈと低圧電極２０Ｌの間にはピーキ
ングコンデンサ１９が接続されている。

【００２３】また、磁気アシスト用可飽和リアクトル１
５Ａ及び第１のメインコンデンサ１６Ａとパルス圧縮用
可飽和リアクトル１５Ｂ及び第２のメインコンデンサ１
６Ｂとは、それぞれ円筒状の導体１７と１８によって囲
まれている。この円筒状の導体１７と１８は相互に接続
され、その一端はスイッチ装置７のカソードに、他の一
端は銅蒸気レーザ放電管２０の低圧電極２０Ｌに接続さ
れて電流路の一部を構成している。さらに磁気アシスト
用可飽和リアクトル１５Ａと第１のメインコンデンサ１
６Ａの接続点には、第２のメインコンデンサ１６Ｂが接
続され、第２のメインコンデンサ１６Ｂの他端は円筒導
体１８に接続されている。なお、銅蒸気レーザ装置自体
の構造は公知であるのでその説明を省略する。

【００２４】このように構成された銅蒸気レーザ装置で
は、図示していない充電電源により第１のメインコンデ
ンサ１６Ａと第２のメインコンデンサ１６Ｂが数１０ｋ
Ｖに充電された後、スイッチ装置７が動作すると、スイ
ッチ装置７の端子間が短絡されたと同様の状態となり、
磁気アシスト用可飽和リアクトル１５Ａによって一定時
間電圧が保持された後、可飽和リアクトル１５Ａが飽和
し、第２のメインコンデンサ１６Ｂの電荷がスイッチ装
置７を通じて放電し、第１のメインコンデンサ１６Ａの
電圧が反転する。このため第１のメインコンデンサ１６
Ａと第２のメインコンデンサ１６Ｂの合成電圧は当初の
充電電圧の約２倍に上昇する。この電圧がほぼ最大にな
るとき、磁気パルス圧縮用可飽和リアクトル１５Ｂが飽
和し、２つのメインコンデンサ１６Ａ、１６Ｂの電荷が
可飽和リアクトル１５Ｂを通じて放電することにより高
電圧のパルス電流が発生する。この時スイッチ装置７と
途中の導体１７，１８は全て同軸円筒状の低インダクタ
ンス回路となっているので、パルス幅約１００ｎｓの高
速パルス電圧が銅蒸気レーザ装置２０の電極２０Ｈと２
０Ｌ間に発生し、放電を生じる。この放電は放電間に封
入された銅を蒸発させ励起するのでレーザー発振が起き
る。

【００２５】図４は本発明の第４実施例（請求項５対
応）のクライストロンモジュレータの構成図である。同
図において、スイッチ装置７のアノードは磁気アシスト
用可飽和リアクトル２１を通じてパルス成形回路網２２
の高圧端子に、カソードはパルストランス２３の一次側
の接地端子Ｅに接続される。またパルストランス２３の
一次側の高圧端子はパルス成形回路網２２の低圧端子に
接続され、パルストランス２３の２次側はクライストロ
ン２４に接続されている。

【００２６】本実施例では図示されていない充電電源に
よりパルス成形回路網２２が充電された後、スイッチ装
置７が動作すると、スイッチ装置７の端子間が短絡され
たのと同様の状態となり、磁気アシストリアクトル２１
によって一定時間電圧が保持された後、パルス成形回路
網２２の電荷がスイッチ装置７及びパルストランス２３
の一次巻線を通じて放電する。この時の電流波形はパル
ス成形回路網２２の特徴として立ち上がりが速くかつ一
定電流値が持続する矩形波電流である。この電流はパル
ストランス２３の作用によってその２次側に数１００ｋ
Ｖの電圧を発生させ、クライストロン２４をパルス励振
する。これによりクライストロン２４は強力なマイクロ
波発振を行う。

【００２７】なお、本発明は以上説明した各実施例に限
定されるものではない。また、実施例２及び実施例３に
おいて、円筒導体の両端に絶縁物の蓋を設けタンク形状
として内部に絶縁液を封入すると、内部の絶縁強度が増
すため円筒の直径を小さくして絶縁距離を小さくするこ
とができ、より低インダクタンス化が図れる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第１スイッチモジュールと第２スイッチモジュールの素
子極性を逆極性にして接続したので、高電圧で高速のス
イッチング動作に適した小型のスイッチ装置が提供でき
る。また、このスイッチ装置を適用したエキシマレーザ
装置、銅蒸気レーザ装置、クライストロンモジュレータ
等の電気装置は小型軽量とすることができるので実用的
に非常に有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の構成図。

【図２】本発明の第２実施例の構成図。

【図３】本発明の第３実施例の構成図。

【図４】本発明の第４実施例の構成図。

【図５】従来の半導体スイッチ装置の構成図。

【符号の説明】

１…半導体素子、２…放熱フィン、３…外周導体、４…
渡り導体、４Ａ…幅広の渡り導体、５，６…スイッチモ
ジュール、７…スイッチ装置、８，１５Ａ，１５Ｂ，２
１…可飽和リアクトル、９…コンデンサ、１０，１７，
１８…円筒状の導体、１１…エキシマ放電チャンバー、
１２…主放電電極、１３…予備電離電極、１４，１９…
ピーキングコンデンサ、１６Ａ，１６Ｂ…メインコンデ
ンサ、２０…銅蒸気レーザ放電管、２０Ｈ…高圧電極、
２０Ｌ…低圧電極、２２…パルス成形回路網、２３…パ
ルストランス。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の半導体スイッチ素子と放熱フィン
を交互に積層した直列回路と、その周囲に円筒状に配置
した複数の導体を一端において直列接続した第１スイッ
チモジュールと、前記第１スイッチモジュールとはその
極性を逆極性とした半導体スイッチ素子と放熱フィンを
交互に積層した直列回路の第２スイッチモジュールと、
前記各スイッチモジュールの円筒状に配置した導体端部
間を接続することにより直列接続したことを特徴とする
半導体スイッチ装置。
【請求項２】請求項１記載の半導体スイッチ装置にお
いて、導体端部間の接続を幅広の導体で接続することを
特徴とする半導体スイッチ装置。
【請求項３】請求項１記載の半導体スイッチ装置を用
いて、磁気アシスト用可飽和リアクトルとメインコンデ
ンサを通してエキシマレーザ放電チャンバー内でパルス
放電を行わせることにより励起を行うことを特徴とする
エキシマレーザ装置。
【請求項４】請求項１記載の半導体スイッチ装置を用
いてコンデンサに蓄えた電荷を放電し、磁気パルス圧縮
回路を通して銅蒸気レーザ管内で放電を行わせることに
より励起を行うことを特徴とする銅蒸気レーザ装置。
【請求項５】請求項１記載の半導体スイッチを用いて
パルス波形成形回路網に蓄えた電荷を放電し、パルスト
ランスによって昇圧し、クライストロンを励振すること
を特徴とするクライストロンモジュレータ装置。