特許 6652906 パルス電源装置およびパルス発生方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6652906

(24)【登録日】2020年1月28日

(45)【発行日】2020年2月26日

(54)【発明の名称】パルス電源装置およびパルス発生方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 9/04 20060101AFI20200217BHJP

【ＦＩ】

   H02M9/04 A

【請求項の数】6

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2016-207804(P2016-207804)

(22)【出願日】2016年10月24日

(65)【公開番号】特開2018-74622(P2018-74622A)

(43)【公開日】2018年5月10日

【審査請求日】2019年4月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004606

【氏名又は名称】ニチコン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000475

【氏名又は名称】特許業務法人みのり特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】森 均

(72)【発明者】

【氏名】土田 浩二

【審査官】 柳下 勝幸

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−２３７１４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−００９５４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Hiren Canacsinh （他３名），Voltage droop compensation based on resonant circuit for generalized high voltage solid-state Marx modulator，2016 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC)，米国，IEEE，２０１６年 ３月２０日，pages 3637-3640

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ９／０４

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも１つの半導体マルクス回路を備え、前記半導体マルクス回路の主スイッチがオン状態のときに、前記主スイッチに直列接続された前記半導体マルクス回路の主コンデンサを放電させてパルス出力を行うパルス電源装置であって、
前記半導体マルクス回路に直列接続された少なくとも１つの充放電スイッチ付バウンサ回路を備え、
前記充放電スイッチ付バウンサ回路は、
前記主スイッチおよび前記主コンデンサに直列接続された出力スイッチと、
前記出力スイッチに直列接続されたバウンサ回路と、を備え、
前記バウンサ回路は、
前記出力スイッチに直列接続されたバウンサコンデンサと、
前記バウンサコンデンサに並列接続された、バウンサリアクトルおよびバウンサスイッチからなる第１直列回路と、を備える
ことを特徴とするパルス電源装置。

【請求項2】

前記バウンサスイッチは、サイリスタと、前記サイリスタに逆並列接続されたダイオードと、を備える
ことを特徴とする請求項１に記載のパルス電源装置。

【請求項3】

前記充放電スイッチ付バウンサ回路は、
高電位側の第１入力端子および第１出力端子と、
低電位側の第２入力端子および第２出力端子と、
前記第１入力端子−前記第１出力端子間に介装された第１充電スイッチと、
前記第２入力端子−前記第２出力端子間に介装された前記出力スイッチおよび前記バウンサ回路からなる第２直列回路と、
一端が前記第１充電スイッチと前記第１出力端子との接続点に接続され、他端が前記出力スイッチと前記バウンサ回路との接続点に接続された整流器と、
前記第２直列回路に並列接続された第２充電スイッチと、を備える
ことを特徴とする請求項１または２に記載のパルス電源装置。

【請求項4】

前記充放電スイッチ付バウンサ回路は、
前記第１入力端子−前記第２入力端子間に接続された電源回路を備え、
前記電源回路は、前記出力スイッチ、前記バウンサスイッチ、前記第１充電スイッチおよび前記２充電スイッチの各駆動回路に電源電圧を供給する
ことを特徴とする請求項３に記載のパルス電源装置。

【請求項5】

直列接続された半導体マルクス回路および充放電スイッチ付バウンサ回路を備えるパルス電源装置において、前記半導体マルクス回路の主コンデンサを放電させてパルス出力を行わせるパルス発生方法であって、
前記充放電スイッチ付バウンサ回路のバウンサコンデンサおよび前記半導体マルクス回路の前記主コンデンサを第１の電圧で充電し、前記バウンサコンデンサの電圧を第１極性にするとともに前記主コンデンサの電圧を第２極性にする充電ステップと、
前記充電ステップ後、前記バウンサコンデンサを放電させ、前記バウンサコンデンサの共振による電圧振動を開始させるバウンサ動作開始ステップと、
前記バウンサ動作開始ステップ後、前記バウンサコンデンサの電圧が前記第１極性から前記第２極性に反転する前後の期間に、前記主コンデンサを放電させて前記パルス出力を行わせるパルス出力ステップと、
前記パルス出力ステップ後、前記バウンサコンデンサを回生充電して前記バウンサコンデンサの電圧を前記第２極性から前記第１極性に戻す回生充電ステップと、を含む
ことを特徴とするパルス発生方法。

【請求項6】

前記充電ステップの前に、
前記充放電スイッチ付バウンサ回路の入力端子間に接続され、前記充放電スイッチ付バウンサ回路の各スイッチの各駆動回路に電源電圧を供給する第１電源回路と、前記半導体マルクス回路の入力端子間に接続され、前記半導体マルクス回路の各スイッチの各駆動回路に電源電圧を供給する第２電源回路とを、前記第１の電圧よりも小さい第２の電圧で充電する予備充電ステップを含む
ことを特徴とする請求項５に記載のパルス発生方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、パルス電源装置およびパルス発生方法に関する。

【背景技術】

【0002】

パルス電源装置としては、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１に記載のパルス電源装置は、複数の半導体マルクス回路と、複数の半導体マルクス回路の各スイッチを同時にオン／オフさせる制御回路とを備える。このパルス電源装置では、制御回路が半導体マルクス回路の各スイッチを同時にオンさせることで、半導体マルクス回路の各コンデンサを直列接続した状態にして放電させることができ、各コンデンサの放電電圧の和に相当する出力パルスを発生させることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００５−２３７１４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記のパルス電源装置では、各コンデンサの放電が進むにつれて各コンデンサの両端電圧が低下し、放電波形（出力パルス波形）にサグが発生して、平坦度の高い出力パルスを得ることができないという問題がある。

【0005】

放電波形のサグを補償して平坦度の高い出力パルスを得るためには、ＰＷＭスイッチング等を用いる方法があるが、その方法では、スイッチング素子の数が多くなるので、動作が複雑になり信頼性が低下する。また、別の方法として、直列に挿入するコンデンサユニットの数を途中から増やす方法もあるが、この方法では、スイッチングの際にノイズが増大し、出力パルスの電圧変動が大きくなる。

【0006】

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、放電波形のサグを補償して平坦度の高い出力パルスを得ることができ、しかも、高信頼性・低ノイズ化を実現することが可能なパルス電源装置およびパルス発生方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明に係るパルス電源装置は、
少なくとも１つの半導体マルクス回路を備え、前記半導体マルクス回路の主スイッチがオン状態のときに、前記主スイッチに直列接続された前記半導体マルクス回路の主コンデンサを放電させてパルス出力を行うパルス電源装置であって、
前記半導体マルクス回路に直列接続された少なくとも１つの充放電スイッチ付バウンサ回路を備え、
前記充放電スイッチ付バウンサ回路は、
前記主スイッチおよび前記主コンデンサに直列接続された出力スイッチと、
前記出力スイッチに直列接続されたバウンサ回路と、を備え、
前記バウンサ回路は、
前記出力スイッチに直列接続されたバウンサコンデンサと、
前記バウンサコンデンサに並列接続された、バウンサリアクトルおよびバウンサスイッチからなる第１直列回路と、を備える
ことを特徴とする。

【0008】

この構成によれば、バウンサ回路を備える充放電スイッチ付バウンサ回路により、放電波形のサグを補償して平坦度の高い出力パルスを得ることができる。また、この構成では、半導体マルクス回路にスイッチを追加する必要がなく、充放電スイッチ付バウンサ回路においてはバウンサコンデンサの電圧振動の周期（バウンサコンデンサの放電周期）当たり１回のスイッチングで済むので、高信頼性・低ノイズ化を実現することができる。

【0009】

上記パルス電源装置では、
前記バウンサスイッチは、サイリスタと、前記サイリスタに逆並列接続されたダイオードと、を備える
ように構成することができる。

【0010】

上記パルス電源装置では、
前記充放電スイッチ付バウンサ回路は、
高電位側の第１入力端子および第１出力端子と、
低電位側の第２入力端子および第２出力端子と、
前記第１入力端子−前記第１出力端子間に介装された第１充電スイッチと、
前記第２入力端子−前記第２出力端子間に介装された前記出力スイッチおよび前記バウンサ回路からなる第２直列回路と、
一端が前記第１充電スイッチと前記第１出力端子との接続点に接続され、他端が前記出力スイッチと前記バウンサ回路との接続点に接続された整流器と、
前記第２直列回路に並列接続された第２充電スイッチと、を備える
ように構成することができる。

【0011】

上記パルス電源装置では、
前記充放電スイッチ付バウンサ回路は、
前記第１入力端子−前記第２入力端子間に接続された電源回路を備え、
前記電源回路は、前記出力スイッチ、前記バウンサスイッチ、前記第１充電スイッチおよび前記２充電スイッチの各駆動回路に電源電圧を供給する
ことが好ましい。

【0012】

また、上記課題を解決するために、本発明に係るパルス発生方法は、
直列接続された半導体マルクス回路および充放電スイッチ付バウンサ回路を備えるパルス電源装置において、前記半導体マルクス回路の主コンデンサを放電させてパルス出力を行わせるパルス発生方法であって、
前記充放電スイッチ付バウンサ回路のバウンサコンデンサおよび前記半導体マルクス回路の前記主コンデンサを第１の電圧で充電し、前記バウンサコンデンサの電圧を第１極性にするとともに前記主コンデンサの電圧を第２極性にする充電ステップと、
前記充電ステップ後、前記バウンサコンデンサを放電させ、前記バウンサコンデンサの共振による電圧振動を開始させるバウンサ動作開始ステップと、
前記バウンサ動作開始ステップ後、前記バウンサコンデンサの電圧が前記第１極性から前記第２極性に反転する前後の期間に、前記主コンデンサを放電させて前記パルス出力を行わせるパルス出力ステップと、
前記パルス出力ステップ後、前記バウンサコンデンサを回生充電して前記バウンサコンデンサの電圧を前記第２極性から前記第１極性に戻す回生充電ステップと、を含む
ことを特徴とする。

【0013】

この構成によれば、バウンサ動作開始ステップから回生充電ステップにかけてバウンサコンデンサの共振による電圧振動を行わせるので、パルス出力ステップ時に放電波形のサグを補償して平坦度の高い出力パルスを得ることができる。また、この構成では、半導体マルクス回路にスイッチを追加する必要がなく、充放電スイッチ付バウンサ回路においてはバウンサコンデンサの電圧振動の周期（バウンサコンデンサの放電周期）当たり１回のスイッチングで済むので、高信頼性・低ノイズ化を実現することができる。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、放電波形のサグを補償して平坦度の高い出力パルスを得ることができ、しかも、高信頼性・低ノイズ化を実現することが可能なパルス電源装置およびパルス発生方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明に係るパルス電源装置の回路図である。

【図2】（Ａ）は、本発明の予備充電ステップを説明するための図である。（Ｂ）は、本発明の充電ステップを説明するための図である。

【図3】（Ａ）は、本発明のバウンサ動作開始ステップを説明するための図である。（Ｂ）は、本発明のパルス出力ステップを説明するための図である。

【図4】本発明の回生充電ステップを説明するための図である。

【図5】（Ａ）は、本発明に係るパルス電源装置の各部の電圧波形を示す図である。（Ｂ）は、本発明に係るパルス電源装置の各部の電流波形を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、添付図面を参照して、本発明に係るパルス電源装置およびパルス発生方法の実施形態について説明する。

【0017】

［パルス電源装置］
図１に、本発明の一実施形態に係るパルス電源装置１００を示す。パルス電源装置１００は、直列接続された１つの充放電スイッチ付バウンサ回路１および２つの半導体マルクス回路２（２−１、２−２）と、制御回路３とで構成されている。半導体マルクス回路２−１の構成と半導体マルクス回路２−２の構成は共通している。

【0018】

充放電スイッチ付バウンサ回路１は、高電位側入力端子Ｔ１、低電位側入力端子Ｔ２、高電位側出力端子Ｔ１’および低電位側出力端子Ｔ２’を備えた４端子回路であり、出力スイッチＱと、出力スイッチＱに直列接続されたバウンサ回路と、第１充電スイッチＱｃｐと、第２充電スイッチＱｃｎと、整流器Ｄｂと、整流器Ｄｃｎと、電源回路１０（本発明の「第１電源回路」に相当）と、駆動回路１１〜１４とを備える。

【0019】

出力スイッチＱおよびバウンサ回路は、低電位側入力端子Ｔ２−低電位側出力端子Ｔ２’間に介装されている。出力スイッチＱは、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタからなり、電流路の一端がバウンサ回路を介して低電位側入力端子Ｔ２に接続され、電流路の他端が低電位側出力端子Ｔ２’に接続されている。出力スイッチＱの制御端子（例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタのゲート）には、出力スイッチＱのオン／オフ動作を制御するための駆動回路１１が接続されている。

【0020】

バウンサ回路は、出力スイッチＱに直列接続されたバウンサコンデンサＣｂと、バウンサコンデンサＣｂに並列接続された、バウンサリアクトルＬｂおよびバウンサスイッチＱｂからなる直列回路（本発明の「第１直列回路」に相当）とを備える。

【0021】

バウンサスイッチＱｂは、サイリスタＴｈｙと、サイリスタＴｈｙに逆並列接続されたダイオードＤとを備える。サイリスタＴｈｙのカソードおよびダイオードＤのアノードは、バウンサリアクトルＬｂを介してバウンサコンデンサＣｂの一端に接続され、サイリスタＴｈｙのアノードおよびダイオードＤのカソードは、バウンサコンデンサＣｂの他端側に接続されている。サイリスタＴｈｙのゲートには、サイリスタＴｈｙのオン動作を制御するための駆動回路１２が接続されている。

【0022】

第１充電スイッチＱｃｐは、例えばＦＥＴからなり、高電位側入力端子Ｔ１−高電位側出力端子Ｔ１’間に介装されている。第１充電スイッチＱｃｐの電流路の一端は、高電位側入力端子Ｔ１に接続されている。第１充電スイッチＱｃｐの電流路の他端は、高電位側出力端子Ｔ１’に接続されるとともに、整流器Ｄｂおよび出力スイッチＱを介して低電位側出力端子Ｔ２’に接続されている。第１充電スイッチＱｃｐの制御端子（例えば、ＦＥＴのゲート）には、第１充電スイッチＱｃｐのオン／オフ動作を制御するための駆動回路１３が接続されている。

【0023】

第２充電スイッチＱｃｎは、例えばＦＥＴからなり、整流器Ｄｃｎとともに低電位側入力端子Ｔ２−低電位側出力端子Ｔ２’間に介装され、バウンサ回路および出力スイッチＱからなる直列回路（本発明の「第２直列回路」に相当）に並列接続されている。整流器Ｄｃｎは、例えばダイオードからなり、アノードが第２充電スイッチＱｃｎの電流路の一端に接続され、カソードが低電位側入力端子Ｔ２に接続されている。第２充電スイッチＱｃｎの電流路の他端は、低電位側出力端子Ｔ２’に接続されている。第２充電スイッチＱｃｎの制御端子（例えば、ＦＥＴのゲート）には、第２充電スイッチＱｃｎのオン／オフ動作を制御するための駆動回路１４が接続されている。

【0024】

電源回路１０は、高電位側入力端子Ｔ１−低電位側入力端子Ｔ２間に接続されている。電源回路１０は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータからなり、高電位側入力端子Ｔ１−低電位側入力端子Ｔ２間に印加された可変直流電源Ｅの直流電圧を電力供給源として、駆動回路１１〜１４の電源電圧を生成する。

【0025】

半導体マルクス回路２は、高電位側入力端子Ｔ３、低電位側入力端子Ｔ４、高電位側出力端子Ｔ３’および低電位側出力端子Ｔ４’を備えた４端子回路であり、主スイッチＱｍと、主コンデンサＣｍと、整流器Ｄｃと、充電スイッチＱｃと、電源回路２０（本発明の「第２電源回路」に相当）と、駆動回路２１、２２とを備える。

【0026】

充電スイッチＱｃは、例えばＦＥＴからなり、高電位側入力端子Ｔ３−高電位側出力端子Ｔ３’間に介装されている。充電スイッチＱｃの電流路の一端は、高電位側入力端子Ｔ３に接続されている。充電スイッチＱｃの電流路の他端は、高電位側出力端子Ｔ３’に接続されるとともに、主コンデンサＣｍを介して低電位側出力端子Ｔ４’にも接続されている。充電スイッチＱｃの制御端子（例えば、ＦＥＴのゲート）には、充電スイッチＱｃのオン／オフ動作を制御するための駆動回路２２が接続されている。

【0027】

主スイッチＱｍおよび主コンデンサＣｍは、互いに直列接続され、低電位側入力端子Ｔ４−低電位側出力端子Ｔ４’間に介装されている。主スイッチＱｍは、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタからなり、電流路の一端が低電位側入力端子Ｔ４に接続され、電流路の他端が高電位側出力端子Ｔ３’に接続されるとともに、主コンデンサＣｍを介して低電位側出力端子Ｔ４’にも接続されている。主スイッチＱｍの制御端子（例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタのゲート）には、主スイッチＱｍのオン／オフ動作を制御するための駆動回路２１が接続されている。

【0028】

整流器Ｄｃは、主スイッチＱｍおよび主コンデンサＣｍからなる直列回路に並列接続されている。整流器Ｄｃは、例えばダイオードからなり、アノードが低電位側出力端子Ｔ４’に接続され、カソードが低電位側入力端子Ｔ４に接続されている。整流器Ｄｃは、充電スイッチＱｃおよび主コンデンサＣｍに直列接続され、主コンデンサＣｍの充電経路を形成する。

【0029】

電源回路２０は、高電位側入力端子Ｔ３−低電位側入力端子Ｔ４間に接続されている。電源回路２０は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータからなり、高電位側入力端子Ｔ３−低電位側入力端子Ｔ４間に印加された直流電圧を電力供給源として、駆動回路２１、２２の電源電圧を生成する。

【0030】

制御回路３は、充放電スイッチ付バウンサ回路１および半導体マルクス回路２−１、２−２の各駆動回路１１〜１４、２１、２２に、制御信号（電流信号または電圧信号）を出力する。駆動回路１１、１３、１４、２１、２２は、例えば、制御信号が入力されている間は制御対象のスイッチをオン状態にする。また、駆動回路１２は、制御信号が入力されるとサイリスタＴｈｙをオン状態にする。なお、本実施形態では、制御回路３をパルス電源装置１００の構成に含めているが、制御回路３をパルス電源装置１００の構成に含めなくてもよい。

【0031】

［パルス発生方法］
次に、パルス電源装置１００の動作、すなわち本実施形態に係るパルス発生方法について説明する。

【0032】

本実施形態に係るパルス発生方法は、パルス電源装置１００で出力パルスを発生させる方法であり、予備充電ステップ、充電ステップ、バウンサ動作開始ステップ、パルス出力ステップおよび回生充電ステップを含む。

【0033】

図２〜図４に、各ステップにおけるパルス電源装置１００内の充電経路または放電経路を示す。図５（Ａ）に、バウンサコンデンサＣｂの電圧Ｖｃｂと、主コンデンサＣｍの電圧Ｖｃｍと、出力電圧Ｖｏｕｔの波形を示す。また、図５（Ｂ）に、バウンサスイッチＱｂに流れる電流Ｉｃｂと、出力電流（主コンデンサＣｍの放電電流）Ｉｃｍの波形を示す。なお、図５（Ａ）の電圧Ｖｃｍおよび出力電圧Ｖｏｕｔの各波形は、半導体マルクス回路２−１、２−２の合成波形である。

【0034】

予備充電ステップは、充放電スイッチ付バウンサ回路１の電源回路１０、半導体マルクス回路２−１の電源回路２０、半導体マルクス回路２−２の電源回路２０を順次充電し、電源回路１０、２０に電源電圧を出力させるステップである。

【0035】

予備充電ステップでは、まず、可変直流電源Ｅの直流電圧を比較的低い第２の電圧（例えば、数百〜千［Ｖ］の直流電圧）に設定して、当該第２の電圧で電源回路１０を充電する。充電された電源回路１０は、直流の電源電圧を生成し、当該電源電圧を駆動回路１１〜１４に出力して駆動回路１１〜１４を制御可能な状態にする。次いで、制御回路３が、駆動回路１３、１４を制御して、第１充電スイッチＱｃｐと第２充電スイッチＱｃｎとをオン状態にする。このとき、出力スイッチＱとバウンサスイッチＱｂのサイリスタＴｈｙとはオフ状態になっている。

【0036】

第１充電スイッチＱｃｐと第２充電スイッチＱｃｎとがオン状態になると、半導体マルクス回路２−１の電源回路２０に第２の電圧が供給され、電源回路２０が充電される。充電された電源回路２０は、電源電圧を生成して半導体マルクス回路２−１の駆動回路２１、２２に出力し、駆動回路２１、２２を制御可能な状態にする。次いで、制御回路３が、半導体マルクス回路２−１の駆動回路２２を制御して、充電スイッチＱｃをオン状態にする。このとき、主スイッチＱｍはオフ状態になっている。

【0037】

半導体マルクス回路２−１の充電スイッチＱｃがオン状態になると、半導体マルクス回路２−２の電源回路２０に第２の電圧が供給され、電源回路２０が充電される（図２（Ａ）参照）。半導体マルクス回路２−２では、充電された電源回路２０が電源電圧を生成して駆動回路２１、２２に出力し、次いで、制御回路３が駆動回路２２を制御して充電スイッチＱｃをオン状態にする。半導体マルクス回路２−２の充電スイッチＱｃがオン状態になった時点で、予備充電ステップから充電ステップに移行する。

【0038】

なお、図２（Ａ）では省略しているが、予備充電ステップにおいて、充放電スイッチ付バウンサ回路１のバウンサコンデンサＣｂおよび半導体マルクス回路２−１の主コンデンサＣｍは、第２の電圧で充電される。その結果、バウンサコンデンサＣｂの電圧Ｖｃｂは正極性（第１極性）になる一方、主コンデンサＣｍの電圧Ｖｃｍは負極性（第２極性）になる。

【0039】

充電ステップは、充放電スイッチ付バウンサ回路１のバウンサコンデンサＣｂおよび半導体マルクス回路２−１、２−２の主コンデンサＣｍを充電するステップである。充電ステップでは、可変直流電源Ｅの直流電圧を第２の電圧よりも大きい第１の電圧（例えば、数［ｋＶ］の直流電圧）に設定して、第１の電圧でバウンサコンデンサＣｂおよび主コンデンサＣｍを出力パルスＶｏｕｔに必要な充電電圧まで充電する。充電ステップでは、各スイッチは、予備充電ステップと同じ状態に保たれている。

【0040】

図２（Ｂ）に示すように、充電ステップでは、バウンサコンデンサＣｂは第１充電スイッチＱｃｐおよび整流器Ｄｂを介して充電され、主コンデンサＣｍは充電スイッチＱｃおよび整流器Ｄｃを介して充電される。その結果、バウンサコンデンサＣｂの電圧Ｖｃｂは正極性になる一方、主コンデンサＣｍの電圧Ｖｃｍは負極性になる。本実施形態では、上記のとおり、抵抗器を介することなくバウンサコンデンサＣｂおよび主コンデンサＣｍを充電することができるので、エネルギー損失が小さくなる。バウンサコンデンサＣｂおよび主コンデンサＣｍが出力パルスＶｏｕｔに必要な充電電圧まで充電されると、バウンサ動作開始ステップに移行する。

【0041】

バウンサ動作開始ステップは、バウンサ回路によるバウンサ動作すなわちバウンサコンデンサＣｂの共振による電圧振動を開始させるステップである。バウンサ動作開始ステップでは、制御回路３が、駆動回路１３、１４、２２を制御して第１充電スイッチＱｃｐ、第２充電スイッチＱｃｎおよび充電スイッチＱｃをオフ状態にするとともに、駆動回路１２を制御してサイリスタＴｈｙをオン状態にする。その結果、図３（Ａ）に示すように、バウンサコンデンサＣｂがサイリスタＴｈｙおよびバウンサリアクトルＬｂを介して放電する。これにより、バウンサコンデンサＣｂの電圧振動が開始し、バウンサコンデンサＣｂの電圧Ｖｃｂが減少し始める。

【0042】

図５（Ａ）に示すように、時間ｔ_１においてバウンサ動作開始ステップが開始されると、バウンサコンデンサＣｂの電圧Ｖｃｂは、バウンサ動作開始ステップおよびこれ以降のステップにわたって、バウンサリアクトルＬｂとの積で決まる周期の余弦波形で振動する。本実施形態では、この周期が出力パルスＶｏｕｔのパルス幅の３〜６倍になる。また、図５（Ｂ）に示すように、時間ｔ_１においてバウンサ動作開始ステップが開始されると、バウンサスイッチＱｂのサイリスタＴｈｙに正弦波電流Ｉｃｂが流れ始める。

【0043】

パルス出力ステップは、半導体マルクス回路２−１、２−２の主コンデンサＣｍを放電させることにより、低電位側出力端子Ｔ４’に接続された負荷Ｒに対して、負極性のパルス出力を行わせるステップである。パルス出力ステップでは、制御回路３が、駆動回路１１、２１を制御して出力スイッチＱおよび主スイッチＱｍをオン状態にすることで、主コンデンサＣｍを放電させる。図３（Ｂ）に示すように、主コンデンサＣｍの放電電流Ｉｃｍは、主スイッチＱｍ、出力スイッチＱおよびバウンサコンデンサＣｂを介してＧＮＤに流れるとともに、バウンサコンデンサＣｂからサイリスタＴｈｙに流れる正弦波電流Ｉｃｂにほぼ全部が重畳する。

【0044】

パルス出力ステップは、バウンサコンデンサＣｂの電圧Ｖｃｂが正極性（第１極性）から負極性（第２極性）に反転する前後の直線的に変化する期間、例えば図５（Ａ）に示す時間ｔ_２〜ｔ_３に行われる。図５（Ｂ）に示すように、時間ｔ_２においてパルス出力ステップが開始されると、上記のとおり主コンデンサＣｍの放電電流Ｉｃｍのほぼ全部が正弦波電流Ｉｃｂに重畳するので、その分、正弦波電流Ｉｃｂが減少する。また、パルス出力ステップでは、主コンデンサＣｍの電圧低下（サグ）がバウンサコンデンサＣｂの電圧振動により打ち消されるので、図５（Ａ）に示すように平坦度の高い出力パルスＶｏｕｔを得ることができる。本実施形態では、出力パルスＶｏｕｔの平坦度を±１％〜±０．１％の範囲内に収めることができる。

【0045】

回生充電ステップは、バウンサコンデンサＣｂの回生充電を行うステップである。回生充電ステップでは、制御回路３が、駆動回路１１、２１を制御して出力スイッチＱおよび主スイッチＱｍをオフ状態にすることで、バウンサスイッチＱｂのダイオードＤをオン状態にして、バウンサコンデンサＣｂの回生充電を行う。図４に示すようにダイオードＤがオン状態になると、バウンサコンデンサＣｂは、バウンサリアクトルＬｂとの共振動作により、バウンサリアクトルＬｂおよびダイオードＤを介して回生充電される。

【0046】

図５（Ｂ）に示すように、時間ｔ_３において回生充電ステップが開始されると、バウンサリアクトルＬｂに流れる正弦波電流Ｉｃｂに重畳していた放電電流Ｉｃｍがゼロになるので、その分、正弦波電流Ｉｃｂが増加する。その後、正弦波電流Ｉｃｂが減少し、正弦波電流Ｉｃｂがゼロになるタイミング（図５の時間ｔ_３’）で、サイリスタＴｈｙがオフ状態になり、ダイオードＤがオン状態になる。ダイオードＤがオン状態になると、バウンサコンデンサＣｂは回生充電され、図５（Ａ）に示すように、バウンサコンデンサＣｂの極性が負極性から正極性に戻る。回生充電ステップは、ダイオードＤを流れる正弦波電流Ｉｃｂがゼロになるタイミング（図５の時間ｔ_４）で終了する。

【0047】

結局、本実施形態に係るパルス電源装置１００およびパルス発生方法によれば、バウンサ回路（バウンサコンデンサＣｂ、バウンサリアクトルＬｂおよびバウンサスイッチＱｂ）により、主コンデンサＣｍの放電波形のサグを補償して平坦度の高い出力パルスＶｏｕｔを得ることができる。また、本実施形態に係るパルス電源装置１００およびパルス発生方法では、半導体マルクス回路２にスイッチを追加する必要がなく、充放電スイッチ付バウンサ回路１においてはバウンサコンデンサＣｂの電圧振動の周期（バウンサコンデンサＣｂの放電周期）当たり１回のスイッチングで済むので、高信頼性・低ノイズ化を実現することができる。

【0048】

また、本実施形態に係るパルス電源装置１００は、μｓオーダーの短パルスクライストロン電源や方形波パルス電磁石電源、レーダー用電源等に使用することができる。

【0049】

以上、本発明に係るパルス電源装置およびパルス発生方法の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

【0050】

上記実施形態では充放電スイッチ付バウンサ回路１を１段とし、半導体マルクス回路２を２段としたが、本発明のパルス電源装置を構成する充放電スイッチ付バウンサ回路１および半導体マルクス回路２の数は、適宜変更することができる。

【0051】

本発明の構成は、数十［ｋＶ］以上の高電圧パルスを発生させるパルス電源装置およびパルス発生方法への適用に適しているので、例えば、１段当たりの出力パルスの電圧を数［ｋＶ］として、半導体マルクス回路２の段数を十段程度から数十段、充放電スイッチ付バウンサ回路１の段数を半導体マルクス回路２の段数の数分の一から十分の一程度とするのが好適である。

【0052】

本発明の充放電スイッチ付バウンサ回路は、少なくとも、出力スイッチと、出力スイッチに直列接続されたバウンサ回路とを備え、バウンサ回路が、出力スイッチに直列接続されたバウンサコンデンサと、バウンサコンデンサに並列接続されたバウンサリアクトルおよびバウンサスイッチからなる直列回路（本発明の「第１直列回路」に相当）を備えるのであれば、適宜構成を変更することができる。

【0053】

本発明のバウンサスイッチは、バウンサコンデンサに共振による電圧振動を生じさせることができるのであれば、適宜構成を変更することができる。

【0054】

本発明のパルス発生方法では、予備充電ステップを省略することができる。なお、予備充電ステップを省略する場合、例えば、電源回路１０、２０に別の方法で充電するか、電源回路１０、２０とは別の電源を用意する必要がある。

【符号の説明】

【0055】

１ 充放電スイッチ付バウンサ回路
２、２−１、２−２ 半導体マルクス回路
３ 制御回路
１００ パルス電源装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】