JP2021035159A - マルクス回路 - Google Patents

Abstract

【課題】マルクス回路において、放電の際の電圧の立ち上がり時間を短くする。【解決手段】各段の前記充放電回路は、充放電を行なうコンデンサへの充電を行なう第１電気経路と、各段のコンデンサを直列に接続して放電させる第２電気経路との切り替えをスイッチングデバイスにより行なう。この充放電回路において第１電気経路に、一次側コイルが介装されたトランスの二次側コイルから取り出される電力により制御回路を動作させ、制御回路により、次段のスイッチングデバイスを駆動する。このとき、多段の充放電回路のうち、直流電源側に設けられた初段の充放電回路は、直流電源とは独立の電源を用いて、スイッチングデバイスを動作させることにより、充放電回路のコンデンサへの第１電気経路による充電を開始させる初動制御部を備え、コンデンサへの充電によって、第１電気経路に一次側コイルが介装されたトランスを介して、制御回路の動作電力を供給する。【選択図】図１

Description

本開示は、マルクス回路に関する。

従来、高電圧を効率よく発生させる回路としてマルクス回路が知られている。こうしたマルクス回路において、各段のスイッチングデバイスを駆動する駆動回路の電源をマルクス回路からトランスを介して取り出す構成が提案されている（例えば、下記非特許文献１参照）。この例では、各段のスイッチングデバイスを駆動する電力を、各段の高電圧部から取得するため、多段のマルクス回路全体のグランドを基準として電力を取得する構成と比べて、回路を配置する際の離間距離を小さくでき、多段のマルクス回路全体を小型化することができる。

Experimental Verification of a One-turn Transformer Power Supply Circuit for Gate Drive Unit, Jun-ichi Itoh, Takeshi Kinomae, EPE-PEMC, No.T9 pp59-65 (2010))

近年、マルクス回路に対する要求仕様は高くなり、特に印加する高電圧パルスの立ち上がりや立ち下がりの時間を短縮することが求められている。上記のマルクス回路でも、立ち上がりや立ち下がりの時間を短縮することが求められていた。

本開示の一態様として、負荷（ＬＤ）への高電圧を出力するマルクス回路（１００，１００Ａ）が提供される。このマルクス回路は、直流電源（３１）と、前記直流電源と負荷との間に設けられた複数段の充放電回路（１０，２０，１０Ａ，２０Ａ）と、を備える。ここで、各段の前記充放電回路は、充放電を行なうコンデンサ（Ｃ１，Ｃ２）と、前記コンデンサへの充電を行なう第１電気経路（ＥＰ１）と、前記各段の前記コンデンサを直列に接続して放電させる第２電気経路（ＥＰ２）との切り替えを行なうスイッチングデバイス（ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２）と、前記充放電回路において前記第１電気経路あって、かつ第２電気経路に含まれない箇所に、一次側コイル（Ｌ１１，Ｌ２１）が介装されたトランス（Ｔ１，Ｔ２）と、前記トランスの二次側コイルから（Ｌ１２，Ｌ２２）取り出される電力により動作し、次段の前記スイッチングデバイス（ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷｅ１，ＳＷｅ２）を駆動する駆動信号を出力する制御回路（５１，５２，５１Ａ，５２Ａ，５１Ｂ）と、を備える。更に、前記多段の充放電回路のうち、前記直流電源側に設けられた初段の充放電回路は、前記直流電源とは独立の電源を用いて、前記スイッチングデバイスを動作させることにより、前記充放電回路のコンデンサへの前記第１電気経路による充電を開始させる初動制御部（３５，３５Ａ）を備え、前記開始された前記コンデンサへの充電によって、前記第１電気経路に前記一次側コイルが介装された前記トランスを介して、前記制御回路の動作電力を供給する。

このマルクス回路によれば、各段の制御回路の動作電力をトランスを用いて供給できる上、そのトランスの一次側コイルのインダクタンスが、コンデンサからの放電に対して影響しないので、放電電圧の立ち上がり時間を短縮することができる。

第１実施形態のマルクス回路を示す概略構成図。 第１制御回路の構成を示すブロック図。 マルクスコンデンサを並列に接続して充電する第１電気経路を示す説明図。 マルクスコンデンサを直列に接続して放電する第２電気経路を示す説明図。 コンデンサからの放電へのインダクタンスの影響を示すグラフ。 第２実施形態の第１充放電回路の構成を例示する説明図。 第２実施形態においてスイッチング素子の動作とトランスの一次側コイルに流れる電流とを例示する説明図。 第３実施形態の第１充放電回路の構成を例示する説明図。 第２実施形態においてスイッチング素子の動作とトランスの一次側コイルに流れる電流とを例示する説明図。 第３実施形態の第１充放電回路の構成を例示する説明図。 第３実施形態においてスイッチング素子の動作とトランスの一次側コイルに流れる電流とを例示する説明図。 第４実施形態のマルクス回路１００Ａを示す概略構成図。 第４実施形態においてスイッチング素子の動作とトランスの一次側コイルに流れる電流とを例示する説明図。 第５実施形態におけるＥＣＵによる高電圧印加処理の概要を示すフローチャート。 第６実施形態における第１制御回路のブロック図。 第６実施形態におけるＥＣＵによる高電圧印加処理の概要を示すフローチャート。

Ａ．第１実施形態：
（１）基本構成：
第１実施形態であるマルクス回路１００の回路図および全体構成を、図１に示した。実際のマルクス回路１００は、充放電回路をＮ段（Ｎは２以上の整数）重ねたものであるが、図１では、理解の便を図って２段のみを示した。このマルクス回路１００は、初動制御部３５を含む電源部３０、多段のマルクス回路の第１段目（初段）となる第１充放電回路１０、第２段目となる第２充放電回路２０、第１充放電回路１０から電源の供給を受けて動作する第１制御回路５１、第２充放電回路２０から電源の供給を受けて動作する第２制御回路５２，初動制御部３５および第１，第２制御回路５１，５２に指令信号Ｈ０，Ｈ１，Ｈ２を出力するＥＣＵ４０を備える。このマルクス回路１００は、負荷ＬＤにＮ段分の高電圧を印加する。

電源部３０は、マルクス回路１００全体の電源である直流電源３１および初動制御部３５の電源であるバッテリ３３を備える。なお、バッテリ３３に代えて、直流電源３１の出力電圧を分圧して取り出した直流電源を利用してもよい。

直流電源３１の出力は、第１充放電回路１０のスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２の両端に接続されている。スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２には、保護用ダイオードＰＤ１，ＰＤ２が接続されている。これらの保護用ダイオードＰＤ１，ＰＤ２は、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２がターンオフしたときに回路に生じる逆起電力を流して、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２を保護するものである。

スイッチングデバイスに相当する二つの直列接続されたスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２のうち、直流電源３１のプラス側ライン＋が接続された側には、ダイオードＤ１１のアノードが接続されており、ダイオードＤ１１のカソードは、トランスＴ１の一次側コイルＬ１１を介して、充放電を行なうマルクスコンデンサＣ１に接続されている。マルクスコンデンサＣ１の他方の端子は、直列に接続された二つのスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２の中点に接続されている。

更に、第１充放電回路１０のマルクスコンデンサＣ１の両端は、次段である第２充放電回路２０のスイッチングデバイスである二つの直列接続されたスイッチング素子ＳＷ２１，ＳＷ２２の両端に接続されている。第２充放電回路２０の回路構成は、このスイッチング素子ＳＷ２２からダイオードＤ２１、トランスＴ２の一次側コイルＬ２１を介してマルクスコンデンサＣ２の一端に接続されていること、マルクスコンデンサＣ２の他端が、スイッチング素子ＳＷ２１，ＳＷ２２の中点に接続されていることなど、第１充放電回路と同様である。

第２充放電回路２０のマルクスコンデンサＣ２の両端は、直列接続された二つの出力用のスイッチング素子Ｓｅ１，Ｓｅ２の両端に接続され、その中点と直流電源３１のマイナス側ラインとの間には、負荷ＬＤが接続されている。

第１，第２充放電回路１０，２０のトランスＴ１，Ｔ２の一次側コイルＬ１１，Ｌ２１は、それぞれ第１，第２制御回路５１，５２に接続されている。第１制御回路５１の内部構成を、図２のブロック図に示した。第２制御回路５２も同一の回路構成を備えるので、以下、第１制御回路５１について説明する。

第１制御回路５１は、トランスＴ１の二次側コイルＬ１２が接続された整流回路６１、整流回路６１に接続された定電圧回路６２、定電圧回路６２により安定化された電圧の供給を受け動作するゲートドライブユニット６３等を備える。整流回路６１は、トランスのＴ１の二次側コイルＬ１２から得られた交流を直流に全波整流する回路である。内部にコンデンサを備え、全波整流された脈流を平滑化している。

定電圧回路６２は、整流回路６１の出力をツェナーダイオードを用いた簡易な回路により定電圧とし、これをゲートドライブユニット６３の動作電力として、供給する。ゲートドライブユニット６３は、上位のＥＣＵ４０からの司令信号Ｈ１を受けて動作し、所定のタイミングで、次段の充電制御回路のスイッチング素子ＳＷ２１，ＳＷ２２を駆動する駆動信号Ｇ２１，Ｇ２２を出力する。

以上、電源部３０と第１充放電回路１０およびこれに付設された第１制御回路５１の構成および接続について説明した。第２充放電回路２０およびこれに付設された第２制御回路５２は、それぞれ第１充放電回路１０および第１制御回路５１と同様の構成を備える。実際のマルクス回路１００は、多段の構成を備えるので、第ｉ充放電回路（ｉは１以上Ｎ−１以下の整数）に付設された第ｉ制御回路のゲートドライブユニット６３は、第ｉ＋１充放電回路のスイッチング素子ＳＷi+1１，ＳＷi+1２を駆動するゲート信号Ｇi+1１，Ｇi+1２を出力する。最終段、つまりＮ段目の第Ｎ制御回路が出力するゲート信号ＧN１，ＧN２は、Ｎ段目の充放電回路の出力用スイッチング素子ＳＷｅ１，ＳＷｅ２に出力される。

（２）充放電回路および制御回路の動作：
図３、図４を用いて、マルクス回路１００の動作について説明する。図３は、第１，第２充放電回路１０，２０のマルクスコンデンサＣ１，Ｃ２を直流電源３１に並列接続して充電する場合の各スイッチングデバイスの状態を示す説明図であり、図４は、第１，第２充放電回路１０，２０のマルクスコンデンサＣ１，Ｃ２を直列に接続して、負荷ＬＤに高電圧を印加する場合の各スイッチングデバイスの状態を示す説明図である。

マルクス回路１００が起動されると、ＥＣＵ４０からの指令信号Ｈ０を受けて、初動制御部３５は、ゲート信号Ｇ１１，Ｇ１２を出力し、図３に示すように、第１充放電回路１０のスイッチング素子ＳＷ１１をオンとして、スイッチング素子ＳＷ１２をオフとすると、直流電源３１の電圧は、ダイオードＤ１１、トランスＴ１の一次側コイルＬ１１を介してマルクスコンデンサＣ１に印加され、マルクスコンデンサＣ１を充電する。マルクスコンデンサＣ１の両端の電位差は、直流電源３１の電圧となる。と同時に、ＥＣＵ４０からの指令信号Ｈ１を受けて、第１制御回路５１は、ゲート信号Ｇ２１，Ｇ２２を出力し、第２充放電回路２０のスイッチング素子ＳＷ２１をオンとし、スイッチング素子ＳＷ２２をオフとすると、第１充放電回路１０と同様に、マルクスコンデンサＣ１の両端の電位差は、そのままマルクスコンデンサＣ２に印加され、マルクスコンデンサＣ２を充電する。第１充放電回路１０においてマルクスコンデンサＣ１への充電が始まると、充電が行なわれる第１電気経路ＥＰ１にはトランスＴ１の一次側コイルＬ１１が介装されているから、マルクスコンデンサＣ１への充電は過渡現象となり、マルクスコンデンサＣ１に電荷Ｑが溜まるにつれて、マルクスコンデンサＣ１の両端の電位差は、直流電源３１の出力電圧Ｅに向かって漸増する。こうしてマルクスコンデンサＣ１の両端の電位差が大きくなると、同様に、第２充放電回路２０のマルクスコンデンサＣ２が充電され、その両端の電位差は、最終的に、直流電源の出力電圧まで高まる。充放電回路がＮ段あれば、順次前段のコンデンサに電荷が溜まり、両端の電位差が大きくなると、次段のコンデンサが充電されることになる。

このとき、マルクスコンデンサＣ１を充電するための電流は、図３に示したように、トランスＴ１の一次側コイルＬ１１を含む第１電気経路ＥＰ１を通るから、その電流の変化に伴って、トランスＴ１の二次側コイルＬ１２には、電磁誘導により誘導電流が生じる。この電流は、整流回路６１で全波整流されて脈動成分は含むものの、直流電圧として、定電圧回路６２に入力される。定電圧回路６２は、脈動成分を除いて、ゲートドライブユニット６３が動作可能な安定な電圧を出力する。ゲートドライブユニット６３は、上位のＥＣＵ４０からの動作司令信号Ｈ１を受けて、次段の充放電回路（ここでは、第２充放電回路２０）のスイッチング素子ＳＷ２１，ＳＷ２２を動作させるゲート信号Ｇ２１，Ｇ２２を出力する。この動作は、同時に、ＥＣＵ４０からの指令信号Ｈ０を受けた初動制御部３５でも、指令信号Ｈ２を受けた第２制御回路５２でも生じるから、第１，第２充放電回路１０，２０は、以下に説明するように、マルクスコンデンサＣ１，Ｃ２に溜った電荷を放電するサイクルに移行する。

全てのマルクスコンデンサＣ１，Ｃ２・・に電荷が溜まった状態で、図４に示すように、指令信号Ｈ０を受けた初動制御部３５が第１充放電回路１０のスイッチング素子ＳＷ１１をターンオフし、スイッチング素子ＳＷ１２をターンオンする。と同時に、指令信号Ｈ２を受けた第２制御回路５２が、第２充放電回路２０のスイッチング素子ＳＷ２１をターンオフし、スイッチング素子ＳＷ２２をターンオンする。各スイッチング素子を上記のように切換えると、直流電源３１の出力のプラス側は、スイッチング素子ＳＷ１２を介してマルクスコンデンサＣ１の二つの端子のうち、スイッチング素子ＳＷ１２がターンオンするまで接続されていた側とは反対側に接続される。このとき、マルクスコンデンサＣ１のトランスＴ１の一次側コイルＬ１１に接続されていた側は、それまで通り、トランスＴ１の一次側コイルＬ１１を介して、ダイオードＤ１１まで接続されているが、ダイオードＤ１１によって導通を妨げられるから、直流電源３１のプラス側出力とは接続されていない。この結果、マルクスコンデンサＣ１の電位は、直流電源３１のマイナス側ラインからみて、直流電源３１の出力の約２倍になる。

同時に、第２充放電回路２０のスイッチング素子ＳＷ２１をターンオフし、スイッチング素子ＳＷ２２をターンオンすると、図４に示したように、マルクスコンデンサＣ２の電位が更に追加されることになる。第２制御回路５２により、ゲート信号Ｇ３１，Ｇ３２が出力されて、スイッチング素子ＳＷｅ１がターンオフとされ、スイッチング素子ＳＷｅ２がターンオンすると、このマルクスコンデンサＣ２の一端の電圧が、負荷ＬＤに印加される。仮にＮ段の充放電回路が存在すれば、負荷ＬＤに印加され電圧は、直流電源３１の出力電圧のおよそ（Ｎ＋１）倍となる。図４に示した各充放電回路の各コンデンサからの電流が負荷ＬＤに向けて流れる経路が、第２電気経路に相当する。

（３）第１実施形態の効果：
図３に示した接続において、第１充放電回路１０のマルクスコンデンサＣ１に電荷が溜まった状態から、図４に示した状態に各スイッチング素子のオン・オフが切換えられて、負荷ＬＤへの放電が生じる場合のエネルギの放出の様子を、図５に模式的に示した。この時、負荷ＬＤに各充放電回路のコンデンサに蓄積されたエネルギ（電荷）の１／２が放出される時間ｔは、およそ、
ｔ＝２π√（ＬＣ／４）
として扱うことができる。ここで、Ｌは、図４に示した放電経路である第２電気経路ＥＰ２のインダクタンス、Ｃは、各コンデンサの容量（キャパシタンス）である。つまり、放電経路のインダクタンスＬを小さくすると、スイッチング素子のオン・オフを切換えてから、短時間のうちに負荷ＬＤにエネルギが放出される。本実施形態では、図４に示したように、トランスＴ１の一次側コイルＬ１１やトランスのＴ２の一次側コイルＬ２は、第１電気経路ＥＰ１には属し、かつ第２電気経路ＥＰ２には含まれない箇所に、設けられている。このため、放電時の第２電気経路ＥＰ２のインダクタンスＬを小さくでき、負荷ＬＤに放出される電荷の立ち上がりに要する時間を、一次側コイルＬ１１等が第２電気経路ＥＰに含まれている場合より、短くすることができる。

この実施形態では、スイッチングデバイスを構成する二つのスイッチング素子として、ＳｉＣ半導体や、ＧａＮ半導体などを用いた。従って、大電流の流れを短時間に切換えることができる。しかも、放電時の第２電気経路ＥＰ２にトランスの一次側コイルが含まれていないので、負荷ＬＤに放出されるエネルギの立ち上がりを良好なものにすることができる。従って、第１実施形態として示したマルクス回路１００は、エキシマレザーなどの発振用電圧の印加回路のみならず、更に短時間にエネルギを放出することが要求される回路などに利用することができる。

また、上記の実施形態では、第１，第２充放電回路１０，２０の各スイッチングデバイスであるスイッチング素子ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷｅ１，ＳＷｅ２を切換えるのに、各充放電回路１０，２０を流れる充電電流の一部を、トランスＴ１，Ｔ２を介して取り出した第１，第２制御回路５１，５２により行なっている。このため、各充放電回路１０，２０とこれを駆動する各制御回路５１，５２との電位差が大きくならず、各充放電回路１０，２０内の配線と各制御回路５１，５２内の配線との最短距離（回路設計上の沿面距離）を小さくすることができる。このため、回路構成上の自由度が高くなり、装置の小型化を図ることができる。

Ｂ．第２実施形態：
次に第２実施形態について説明する。第２実施形態のマルクス回路１００は、図１に示した回路構成に加えて、図６に示した様に、第１充放電回路１０のスイッチング素子ＳＷ１２とダイオードＤ１１に、それぞれコンデンサＣ１１，Ｃ１２が並列に接続されている。なお、図示は省略したが、第２充放電回路２０についても同様に、スイッチング素子ＳＷ２２およびダイオードＤ２１に、コンデンサが並列に接続されている。これらの容量成分であるコンデンサＣ１１，Ｃ１２は、トランスＴ１の一次側コイルＬ１１と共に、ＬＣ共振回路を形成する電流振動要素として働く。

その上で、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２を図７に示したように、制御する。即ち、マルクスコンデンサＣ１の充電期間はスイッチング素子ＳＷ１１をオンにし、放電期間にはスイッチング素子ＳＷ１１をターンオフし、続けてスイッチング素子ＳＷ１２をターンオンする。このように制御すると、直流電源３１からの電流により、まずマルクスコンデンサＣ１が充電されて、電流がトランスＴ１の一次側コイルＬ１１に流れ、マルクスコンデンサＣ１への充電が完了すると、ＬＣ共振回路としての働きにより、マルクスコンデンサＣ１から、一次側コイルＬ１１を通して、コンデンサＣ１１，Ｃ１２側に電流が流れる。こうした共振動作は、スイッチング素子ＳＷ１１がオンになっている間、何サイクルか生じる。この様子を図７の最下段に示した。図示するように、トランスＴ１の一次側コイルＬ１１に流れる電流は、その向きを変える（交番する）減衰振動をとなり、一次側コイルＬ１１に電流が流れる度に、トランスＴ１の二次側コイルＬ１２に電磁誘導による電流が流れる。この電流は、第１制御回路５１の整流回路６１により全波整流され、脈動成分を含む直流電圧として、定電圧回路６２に出力され、定電圧回路６２によりゲートドライブユニット６３が動作できる程度の電圧が作り出される。

第２実施形態では、このトランスＴ１の一次側コイルＬ１１に流れる電流が、共振により所定期間に亘って生じるので、トランスＴ１を介して第１制御回路５１側に供給される電力は、図７最下段の電流の面積ＣＥ１に比例し、共振回路が形成されていない場合と比べて大きくなる。従って、第１制御回路５１の動作に必要な電力をトランスＴ１を介して受け渡すことが容易となる。

図６、図７では、第１充放電回路１０および第１制御回路５１の動作のみ示したが、同様の動作は、第２充放電回路２０および第２制御回路５２でも行なわれる。もとよりＮ段分の充放電回路があり、Ｎ段分の制御回路があれば、それらの回路でも、同様に共振回路を利用した電力の供給が行なわれる。第２実施形態では、この他、第１実施形態と同様の作用効果を奏することは勿論である。

Ｃ．第３実施形態：
第３実施形態のマルクス回路１００は、図６に示した第２実施形態の回路構成において、スイッチング素子ＳＷ１２に並列に接続されていたコンデンサＣ１１を備えない構成となっている。第２実施形態では、図７に示したように、スイッチング素子ＳＷ１２がオフとなっている状態で共振回路が形成されるように、スイッチング素子ＳＷ１２に並列にコンデンサを介装した。これに対して、第３実施形態では、スイッチング素子ＳＷ１２に並列にはコンデンサＣ１１は介装されていない。第３実施形態では、ダイオードＤ１１にはコンデンサＣ１２が並列に接続されており、トランスＴ１の一次側コイルＬ１１とコンデンサＣ１２とが共振回路を形成する。その動作は以下の通りである。

図９に示したように、スイッチング素子ＳＷ１１をターンオンすると、マルクスコンデンサＣ１への充電電流が流れる。この充電が終了する時期に、スイッチング素子ＳＷ１１をターンオフし、続けてスイッチング素子ＳＷ１２をターンオンする。このように制御すると、直流電源３１からの電流により、まずマルクスコンデンサＣ１が充電されて、電流がトランスＴ１の一次側コイルＬ１１に流れ、マルクスコンデンサＣ１への充電が完了するタイミングで、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２のオン・オフが切り替わり、スイッチング素子ＳＷ１２を介したＬＣ共振回路が形成される。この共振回路の働きにより、マルクスコンデンサＣ１から、一次側コイルＬ１１を通して、コンデンサＣ１２側に電流が流れる。こうした共振動作は、スイッチング素子ＳＷ１２がオンになっている間、何サイクルか生じる。この様子を図９の最下段に示した。図示するように、トランスＴ１の一次側コイルＬ１１に流れる電流は、その向きを変える（交番）するが、電流が流れる度に、トランスＴ１の二次側コイルＬ１２にトランスＴ１の電磁誘導により電流が流れる。この電流は、第１制御回路５１の整流回路６１により全波整流され、脈動成分を含む直流電圧として、定電圧回路６２に出力され、定電圧回路６２によりゲートドライブユニット６３が動作できる程度の電圧が作り出される。

第３実施形態では、このトランスＴ１の一次側コイルＬ１１に流れる電流が、共振により所定期間に亘って生じるので、トランスＴ１を介して第１制御回路５１側に供給される電力は、図９最下段の電流の面積ＣＥ２に比例し、共振回路が形成されていない場合と比べて大きくなる。従って、第１制御回路５１の動作に必要な電力をトランスＴ１を介して受け渡すことが容易となる。

図８、図９では、第１充放電回路１０および第１制御回路５１の動作のみ示したが、同様の動作は、第２充放電回路２０および第２制御回路５２でも行なわれる。もとよりＮ段分の充放電回路があり、Ｎ段分の制御回路があれば、それらの回路でも、同様に共振回路を利用した電力の供給が行なわれる。第３実施形態では、この他、第１，第２実施形態が奏する作用効果を、同様に奏する。

Ｄ．第４実施形態：
第４実施形態のマルクス回路１００は、図１に示した第１実施形態の回路構成において、ダイオードＤ１１に代えて、リカバリ電流（逆回復電流）の大きなソフトリカバリダイオードＤＲＲを備える。ダイオードは、順方向バイアスが掛かった状態から、逆バイアスになると、それまでＰＮ半導体の接合面に溜っていたキャリアが移動するため、リカバリ電流が流れる。第４実施形態では、こうしたリカバリ電流を大きなリカバリダイオードＤＲＲを用いている。このため、図１１に示すように、スイッチング素子ＳＷ１１をターンオンすると、マルクスコンデンサＣ１への充電電流が流れることは第１実施形態と同様だが、この充電が終了する時期に、スイッチング素子ＳＷ１１をターンオフし、続けてスイッチング素子ＳＷ１２をターンオンすると、大きなリカバリ電流が充電電流とは逆向きに流れる。ここで、リカバリダイオードＤＲＲは転流振動要素として働く。このリカバリダイオードＤＲＲの働きにより、マルクスコンデンサＣ１から、一次側コイルＬ１１を通して、ソフトリカバリダイオードＤＲＲ側に電流が流れる。こうした電流は、ソフトリカバリダイオードＤＲＲのＰＮ接合面に溜ったキャリアに対応した時間係属する。この様子を図１１の最下段に示した。図示するように、トランスＴ１の一次側コイルＬ１１には、充電電流とは逆向きの電流がながれる。リカバリ電流が流れると、トランスＴ１の二次側コイルＬ１２にトランスＴ１の電磁誘導により電流が流れる。この電流は、第１制御回路５１の整流回路６１により全波整流され、脈動成分を含む直流電圧として、定電圧回路６２に出力され、定電圧回路６２によりゲートドライブユニット６３が動作できる程度の電圧が作り出される。

第４実施形態では、このトランスＴ１の一次側コイルＬ１１に流れる電流が、リカバリダイオードＤＲＲに溜ったキャリアに対応する時間だけ生じるので、トランスＴ１を介して第１制御回路５１側に供給される電力は、図１１最下段の電流の面積ＣＥ３に比例し、リカバリダイオードＤＲＲが用いられていない場合と比べて大きくなる。従って、第１制御回路５１の動作に必要な電力をトランスＴ１を介して受け渡すことが容易となる。

図１０、図１１では、第１充放電回路１０および第１制御回路５１の動作のみ示したが、同様の動作は、第２充放電回路２０および第２制御回路５２でも行なわれる。もとよりＮ段分の充放電回路があり、Ｎ段分の制御回路があれば、それらの回路でも、同様にリカバリダイオードＤＲＲを利用した電力の供給が行なわれる。第４実施形態では、この他、第１実施形態が奏する作用効果を、同様に奏する。

Ｅ．第５実施形態：
第５実施形態のマルクス回路１００Ａの構成を図１２に示した。第５実施形態では第１充放電回路１０Ａ，第２充放電回路２０Ａには、第１実施形態のダイオードＤ１１，Ｄ２１に代えて、スイッチング素子ＳＷ１３、ＳＷ２３が設けられている。また、第５実施形態では、初動制御部３５Ａは、第１，第２ゲート信号Ｇ１１，Ｇ１２に加えて、第３ゲート信号Ｇ１３を出力し、第１制御回路５１Ａは。第１，第２ゲート信号Ｇ２１，Ｇ２２に加えて、第３ゲート信号Ｇ２３を出力するように構成されている。これらの第３ゲート信号Ｇ１３，Ｇ２３は、それぞれ新たに設けられたスイッチング素子ＳＷ１３，ＳＷ２３に出力されている。

第５実施形態のマルクス回路１００Ａでは、第２，第３実施形態で示したＬＣ共振回路による充放電動作に代えて、スイッチング素子ＳＷ１３を用いて、マルクスコンデンサＣ１から放電を行なわせも、トランスＴ１の一次側コイルＬ１１に電流を流して、第１制御回路５１Ａの動作電力を確保している。この動作を図１３に示した。図１３に示すよう、ＥＣＵ４０から指令信号Ｈ０を受けた初動制御部３５Ａは、ゲート信号Ｇ１１〜Ｇ１３を制御し、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１３をターンオンされ、スイッチング素子ＳＷ１２をオフとする。この結果、マルクス回路１００Ａの第１充放電回路１０Ａは、図３に示したのと同様の回路構成となり、直流電源３１からマルクスコンデンサＣ１への充電が行なわれる。

マルクスコンデンサＣ１への充電が行なわれた後、初動制御部３５Ａが、ゲート信号Ｇ１１〜Ｇ１３を制御し、図１３に示すように、スイッチング素子ＳＷ１１をターンオフし、スイッチング素子ＳＷ１２をターンオンすると、マルクスコンデンサＣ１側からみると、トランスＴ１の一次側コイルＬ１１を介した短絡回路ができていることになるから、マルクスコンデンサＣ１に溜った電荷は、一次側コイルＬ１１を介して逆向きに流れる。この様子を図１３の最下段に示した。図示するように、トランスＴ１の一次側コイルＬ１１に流れる電流は、その向きを変える（交番）するが、電流が流れると、トランスＴ１の二次側コイルＬ１２にトランスＴ１の電磁誘導により電流が流れる。この電流は、第１制御回路５１Ａの整流回路６１により全波整流され、脈動成分を含む直流電圧として、定電圧回路６２に出力され、定電圧回路６２によりゲートドライブユニット６３が動作できる程度の電圧が作り出される。

第５実施形態では、このトランスＴ１の一次側コイルＬ１１に流れる電流が、所定期間に亘って生じるので、トランスＴ１を介して第１制御回路５１Ａ側に供給される電力は、図１３最下段の電流の面積ＣＥ４に比例し、短絡電流が流れない場合と比べて大きくなる。従って、第１制御回路５１Ａの動作に必要な電力をトランスＴ１を介して受け渡すことが容易となる。なお、１回の短絡電流で足りなければ、図１３に示したサイクルを複数回行なえばよい。

図１３では、第１充放電回路１０Ａの動作のみ示したが、同様の動作は、第２充放電回路２０Ａおよび第２制御回路５２Ａでも行なわれる。この場合、マルクスコンデンサＣ１，Ｃ２・・・を利用した電量の受け渡しは、一度に行なえない場合があり得る。そうした場合には、図１４に示すように、充電動作を順次行なえば良い。

図１４は、Ｎ段分の充放電回路がある場合のＥＣＵ４０の制御を示す。この制御は、マルクス回路１００Ａを用いた高電圧印加を行なう際に実行される。図１４に示した処理が開始されると、まず初動制御部３５Ａを駆動する処理が行なわれる（ステップＳ１００）。具体的には、上述したように、指令信号Ｈ０を出力することにより初動制御部３５Ａにゲート信号Ｇ１１〜Ｇ１３を出力させ、マルクスコンデンサＣ１への充電と短絡電流による放電とを少なくとも１回行なわせ、第１制御回路５１Ａの動作電力をトランスＴ１を介して受け渡す。

十分な電力が第１制御回路５１Ａに受け渡されたかは、回路設計上、マルクスコンデンサＣ１の充電電流と短絡電流の交番を、何回行なうか、予め定めておけばよい。こうして初動制御部３５Ａの駆動が終了すると、次にＥＣＵ４０は、指令信号Ｈ１を出力し、第１制御回路５１Ａを駆動する処理を行なう（ステップＳ１１０）。この動作は、初動制御部３５Ａと同様である。第１制御回路５１Ａの動作が完了すると、次にＥＣＵ４０は、指令信号Ｈ１を出力し、第２制御回路５２Ａを駆動する処理を行なう（ステップＳ１２０）。この動作も、初動制御部３５Ａと同様である。Ｎ段分の制御回路があれば、それらの回路を順次駆動し、最後に第Ｎ制御回路を駆動する（ステップＳ１３０）。

Ｎ段目までの駆動が完了すると、負荷ＬＤに高電圧を印加する処理が行なわれる（ステップＳ１４０）。この処理は、ＥＣＵ４０が、初動制御部３５Ａ，第１制御回路５１Ａ，第２制御回路５２Ａ・・・に指令信号Ｈ０，Ｈ１，Ｈ２・・・を出力し、図４に示した各充放電回路のマルクスコンデンサを直列に接続する状態にスイッチング素子をターンオン・オフする処理である。具体的には、スイッチング素子ＳＷ１１，１３、ＳＷ２１，ＳＷ２３、・・・ＳＷｅ１をターンオンし、スイッチング素子ＳＷ１２、ＳＷ２２、・・・ＳＷｅ２をターンオフにした状態から、スイッチング素子ＳＷ１１，１３、ＳＷ２１，ＳＷ２３、・・・ＳＷｅ１をターンオフし、スイッチング素子ＳＷ１２、ＳＷ２２、・・・ＳＷｅ２をターンオンするのである。

その後、高電圧の印加が終了するかを判断し（ステップＳ１５０）、終了するまで、ステップＳ１４０の処理を継続する。これは、一旦、全ての充放電回路の制御回路が動作可能となれば、各制御回路にも電力を蓄えるコンデンサが設けられていることから、第１段の充放電回路から再度動作を繰り返す必要がないからである。各制御回路が電力を蓄えることができなければ、ステップＳ１００から動作を繰り返せばよい。

以上説明した第５実施形態では、マルクスコンデンサＣ１，Ｃ２・・・に蓄えられた電荷をトランスＴ１，Ｔ２・・・の一次側コイルＬ１１，Ｌ２１・・・を介した短絡回路に流すことで、各制御回路５１Ａ，５２Ａ・・・の動作用電力の受け渡しを行なっている。マルクスコンデンサと短絡回路とを用いた充放電により交番電流は、スイッチング素子をターンオン・オフすることで、何度でもトランスの一次側コイルに流せるので、必要な電力の受け渡しを確実に行なうことができる。この点は、第２充放電回路２０Ａ以降Ｎ段目までの充放電回路において同様である。また第５実施形態では、第１実施形態と同様の作用効果を奏することは勿論である。

Ｆ．第６実施形態：
第６実施形態の１００Ａでは、第５実施形態の構成（図１２）に加えて、図１５に示すように、第１制御回路５１Ｂを初めとする各制御回路に定電圧回路６２の出力電圧を計測する電圧計６５を備え、その計測信号Ｖ１をＥＣＵ４０に出力している。これ以外の構成は、ＥＣＵ４０の処理を除いて、第５実施形態と同様である。

第６実施形態では、第５実施形態と同様に、トランスＴ１の一次側コイルＬ１１に流れる充電電流と短絡回路を流れる短絡電流とを用いて、第１制御回路５１Ｂの動作に必要な電力をトランスＴ１を介して受け渡すことができる。また、この動作は、第２充放電回路以降でも同様である。この場合、マルクスコンデンサＣ１，Ｃ２・・・を利用した電力の受け渡しは、一度の充電電流および短絡電流の交番では行なえないことを想定し、ＥＣＵ４０は、図１６に示す動作を実行する。

図１６は、Ｎ段分の充放電回路がある場合のＥＣＵ４０の制御を示す。図１６に示した処理が開始されると、まず初動制御部３５Ａを駆動する処理が行なわれる（ステップＳ２００）。処理の内容は、第５実施形態のステップＳ１００（図１４）と同様である。ＥＣＵ４０は、続いて、第１制御回路５１Ｂの電圧計６５から計測信号Ｖ１から電圧を読み取り、定電圧回路６２の出力電圧が閾値として定めた規定電圧に達したかを判断する（ステップＳ２１０）。達していなければ、達するまで待機する。スイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１３のオン・オフを切換えることで、トランスＴ１を介した電力の供給が行なわれ、定電圧回路６２の出力電圧がゲートドライブユニット６３が動作するのに十分な規定電圧に達していれば（ステップＳ２１０：「ＹＥＳ」）、繰り返し処理のための変数ｉを初期化（値１に設定）し（ステップＳ２２０）、ステップＳ３００ｓからＳ３００ｅを繰り返す処理を開始する。

こうして初動制御部３５Ａの駆動が終了すると、次にＥＣＵ４０は、指令信号Ｈｉを出力し、第ｉ１制御回路を駆動する処理を行なう（ステップＳ３１０）。初動制御部３５Ａと同様に、第ｉ制御回路の定電圧回路６２の電圧が規定電圧に達したかを判断し（ステップＳ３２０）、規定電圧に達するまで待機する。第ｉ制御回路の定電圧回路６２の電圧が規定電圧に達すると（ステップＳ３２０：「ＹＥＳ」）、変数ｉをインクリメントし（ステップＳ３３０）、変数ｉが、充放電回路の段数Ｎになるまで上記の処理を繰り返す。

Ｎ段目までの駆動が完了すると、負荷ＬＤに高電圧を印加する処理が行なわれ（ステップＳ２４０）、印加終了の判断がなされるまで（ステップＳ２５０）、毛継続される。この処理（ステップＳ２４０，Ｓ２５０）は、第５実施形態と同様である。

以上説明した第６実施形態では、マルクスコンデンサＣ１，Ｃ２・・・に蓄えられた電荷をトランスＴ１，Ｔ２・・・の一次側コイルＬ１１，Ｌ２１・・・を介した短絡回路に流すことで、各制御回路５１Ｂ・・・の動作用電力の受け渡しを行なっている。マルクスコンデンサと短絡回路とを用いた充放電により交番電流は、スイッチング素子をターンオン・オフすることで、何度でもトランスの一次側コイルに流せるので、必要な電力の受け渡しを確実に行なうことができる。この点は、第２充放電回路２０Ａ以降Ｎ段目までの充放電回路において同様である。しかも、第６実施形態では、定電圧回路６２の出力電圧が、規定電圧になったかを、電圧計６５を用いて監視しているので、各制御回路が動作可能となったことを確実に判断することができる。第６実施形態では、第１実施形態と同様の作用効果を奏することは勿論である。

Ｇ．その他の実施形態：
上記の実施形態では、スイッチング素子として半導体素子を用いたが、リレーやリードスイッチ、ソリッドステートリレーなど、他の形態のスイッチング素子を用いてもよい。また、ペアになるスイッチング素子は、同じものであってもよいし、異なるものでもよい。各制御回路からのゲート信号は、直接スイッチング素子を駆動しても良いし、ホトカプラなどを用いて、絶縁された状態で駆動するものとしてもよい。

本開示に記載の制御部及びその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリーを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ以上の専用ハードウエア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリーと一つ以上のハードウエア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

Ｃ１，Ｃ２…マルクスコンデンサ、ＤＲＲ…リカバリダイオード、１０，１０Ａ…第１充放電回路、２０，２０Ａ…第２充放電回路、３０…電源部、３１…直流電源、３３…バッテリ、３５，３５Ａ…初動制御部、５１，５１Ａ，５１Ｂ…第１制御回路、５２，５２Ａ…第２制御回路、６１…整流回路、６２…定電圧回路、６３…ゲートドライブユニット、６５…電圧計、１００，１００Ａ…マルクス回路

Claims (7)

1. 負荷（ＬＤ）への高電圧を出力するマルクス回路（１００，１００Ａ）であって、
   直流電源（３１）と、
   前記直流電源と負荷との間に設けられた複数段の充放電回路（１０，２０，１０Ａ，２０Ａ）と、
   を備え、
   各段の前記充放電回路は、
   充放電を行なうコンデンサ（Ｃ１，Ｃ２）と、
   前記コンデンサへの充電を行なう第１電気経路（ＥＰ１）と、前記各段の前記コンデンサを直列に接続して放電させる第２電気経路（ＥＰ２）との切り替えを行なうスイッチングデバイス（ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２），と、
   前記充放電回路において前記第１電気経路であって、かつ第２電気経路に含まれない箇所に、一次側コイル（Ｌ１１，Ｌ２１）が介装されたトランス（Ｔ１，Ｔ２）と、
   前記トランスの二次側コイル（Ｌ２１，Ｌ２２）から取り出される電力により動作し、次段の前記スイッチングデバイス（ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷｅ１，ＳＷｅ２）を駆動する駆動信号を出力する制御回路（５１，５２，５１Ａ，５２Ａ，５１Ｂ）と、
   を備え、
   前記多段の充放電回路のうち、前記直流電源側に設けられた初段の充放電回路は、前記直流電源とは独立の電源（３３）を用いて、前記スイッチングデバイスを動作させることにより、前記充放電回路のコンデンサへの前記第１電気経路による充電を開始させる初動制御部（３５，３５Ａ）を備え、前記開始された前記コンデンサへの充電によって、前記第１電気経路に前記一次側コイルが介装された前記トランスを介して、前記制御回路の動作電力を供給する、マルクス回路。
2. 前記初動制御部の動作により前記第１電気経路に切換えられて前記直流電源から前記充放電回路のコンデンサへの充電が開始された後、前記第２電気経路に切換えられるまでの期間に、前記トランスの前記一次側コイルに交番電流が流れるように、前記第１電気経路に電流振動要素（Ｃ１１，Ｃ１２）が配置された、請求項１に記載のマルクス回路。
3. 前記電流振動要素は、前記第１電気経路に設けられ、前記トランスの前記一次側コイルと共に共振回路を形成する容量成分である、請求項２に記載のマルクス回路。
4. 前記電流振動要素は、前記第１電気経路に設けられ、逆回復電流が予め定めた閾値より大きなダイオード（ＤＲＲ）である、請求項２に記載のマルクス回路。
5. 請求項２に記載のマルクス回路であって、
   前記電流振動要素は、前記第１電気経路に設けられ、前記スイッチングデバイスと直列に接続されたスイッチング素子（ＳＷ１３，ＳＷ２３）であり、
   前記初動制御部は、前記スイッチングデバイスによって、前記直流電源から前記コンデンサへの充電をオフにした後、前記スイッチング素子をオンにして、前記トランスの前記一次側コイルを介して前記コンデンサを短絡する回路を形成することで、前記一次側コイルに前記コンデンサへの充電電流とは逆向きの電流を前記交番電流として流す、マルクス回路。
6. 前記複数段の前記充放電回路は、前記初段から順次、所定の期間をおいて動作を開始する、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のマルクス回路。
7. 前記所定の期間は、前記各段の前記制御回路の前記動作電力が所定の閾値以上となるまでの期間である、請求項６に記載のマルクス回路。

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