JP3574340B2 - Square wave voltage generator - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば高電圧ギャップや高電圧機器等のような負荷に、高電圧の方形波電圧を印加して、当該負荷の絶縁破壊電圧を試験すること等に用いられる方形波電圧発生装置に関する。より具体的には、前記負荷のns領域のごく短時間からμs領域までのV−t特性(絶縁破壊電圧−時間特性)を考慮した絶縁破壊電圧を試験する等のために、立上りが急峻で(例えば立上り時間が100ns以下)、パルス幅が長く(例えば5μs以上)、フラットトップの平坦度が良い(例えばドループが10%以下)高電圧(例えばピーク値が100kV以上)の方形波電圧を発生する方形波電圧発生装置に関する。この明細書において方形波電圧とは、波形が方形、矩形またはそれらに近い波形の電圧のことである。
【0002】
【従来の技術】
高電圧ギャップや高電圧機器等のV−t特性は、印加電圧波形の影響を顕著に受けるため、これらの絶縁破壊電圧の試験には、印加電圧波形の選定が重要である。
【0003】
印加電圧波形としては、従来から、電圧発生が容易等の理由から、雷インパルス電圧等の標準波形が用いられて来た。
【0004】
しかし、実際の電力系統で発生する雷サージや断路器等の開閉サージによる過電圧波形は、標準波形とは大きく異なり、立上り時間が例えば数十ns〜数百nsという急峻な立上りを有し、かつ継続時間も例えば数μs〜数十μs以上というように長い。
【0005】
従って、高電圧ギャップや高電圧機器等の絶縁破壊電圧を正確に試験する等のためには、印加電圧として、立上りが急峻で(例えば立上り時間が100ns以下)、パルス幅が長く(例えば5μs以上)、フラットトップの平坦度が良い(例えばドループが10%以下)高電圧(例えばピーク値が100kV以上)の方形波電圧を用いる、好ましくは立上り時間が50ns以下、パルス幅が10μs以上、フラットトップのドループが5%以下かつピーク値が300kV以上の方形波電圧を用いるのが、より現実に近い波形であるので、非常に効果的である。
【0006】
高電圧の方形波電圧RVを発生することができる方形波電圧発生装置の従来例を図3〜図5にそれぞれ示す。
【0007】
図3の方形波電圧発生装置は、キャパシタ12とインダクタ14とを梯子状に複数段組み合わせたパルス成形ネットワーク10と、出力スイッチ16とを組み合わせて、高電圧の方形波電圧RVを発生させる構成をしている。この方形波電圧RVを、例えば高電圧ギャップや高電圧機器等から成る負荷20に印加する。
【0008】
図4の方形波電圧発生装置は、同軸状の外部電極32と内部電極34との間に誘電体36を満たしたパルス形成ライン30と、出力スイッチ38とを組み合わせて、高電圧の方形波電圧RVを発生させる構成をしている。
【0009】
図5の方形波電圧発生装置は、高電圧のパルス電圧PVを発生するマルクス回路40と、当該パルス電圧PVの波尾部を裁断する電圧裁断ギャップ50とを組み合わせて、高電圧の方形波電圧RVを発生させる構成をしている。
【0010】
マルクス回路40は、周知のように、並列に充電された多数のキャパシタをギャップスイッチによって直列に切り換えて、高電圧のパルス電圧PVを発生するものである。その回路図の一例を図6に示す。C1 〜Cn はキャパシタ、Gはギャップスイッチ、Rは充電抵抗、rは高周波振動抑制用の制動抵抗、GS は始動ギャップ、42および44は出力端である。
【0011】
負荷20に印加する上記方形波電圧RVの波形の一例を図7に示す。この明細書では次のように定義している。即ち、ピーク値VP を100%としてその30%点bと90%点cとを結ぶ線が、0%ラインおよび100%ラインとそれぞれ交わる点a、d間の時間が立上り時間TR である。ピーク値点eから裁断点fまでがフラットトップ(平坦部)FTであり、その間の時間がパルス幅TP である。ピーク値VP と裁断点fの電圧との差電圧V1 のピーク値VP に対する割合が、即ち(V1 /VP )×100が、フラットトップFTのドループDR [%]である。即ち、パルス幅TP でのドループDR である。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
図3に示した方形波電圧発生装置は、パルス幅TP がμsオーダーの方形波電圧RVを発生させることは可能であるけれども、その場合は立上り時間TR を短くすることができない。例えば、パルス幅TP が10μsの方形波電圧RVを発生させる装置では、立上り時間TR をサブμs(即ちμsの1/10程度)にするのが実用上は限界である。これは、パルス幅TP を長くかつ立上り時間TR を短くするためには、前述したキャパシタ12とインダクタ14の必要段数が非常に多くなり、非現実的になるからである。例えば、パルス幅TP を10μsかつ立上り時間TR を10nsにする場合は、約1000段も必要になる。これは非現実的である。
【0013】
図4に示した方形波電圧発生装置は、方形波電圧RVの立上り時間TR を10ns程度にすることは可能であるけれども、パルス幅TP を長くすることができない。
【0014】
即ち、パルス形成ライン30の誘電体36の比誘電率をεr 、比透磁率をμr 、Cを光速(3×108 m/s)とすれば、パルス成形ライン30の単位長さ当たりの発生パルス幅τは次式で表される。
【0015】
【数1】
τ=2×(εr ×μr )1/2 /C
【0016】
パルス形成ライン30の誘電体36として利用できるのは、比誘電率εr が大きくかつ数百kV〜MV級の電圧に対して実用的なものは、水(純水)しかない。誘電体36が水の場合、εr ≒80、μr ≒1であるから、10μsのパルス幅TP を得るためには、パルス形成ライン30の長さは約17mにもなる。これは非現実的である。
【0017】
更に、水の比抵抗を大きくするのは、1〜2MΩ・mが限界なので、誘電体36が水の場合のパルス形成ライン30の時定数は7〜14μsとなり、パルス幅TP が10μsの場合に5〜10%のドループDR を実現することはできない。
【0018】
図5に示した方形波電圧発生装置の場合は、マルクス回路40の静電容量は一般的に大きいので、方形波電圧RVのパルス幅TP を5〜10μs以上にすることは可能であるけれども、立上り時間TR を大きくすることができない。即ち、数百kV〜MV級のパルス電圧PVを発生するマルクス回路40の浮遊インダクタンスは大きく、通常は10μH程度もあるので、立上り時間TR はμsオーダーが小さくする限界である。
【0019】
そこでこの発明は、立上り時間が100ns以下、パルス幅が5μs以上、フラットトップのドループが10%以下かつピーク値が100kV以上の方形波電圧を発生することのできる方形波電圧発生装置を提供することを主たる目的としている。
【0020】
また、立上り時間が50ns以下、パルス幅が10μs以上、フラットトップのドループが5%以下かつピーク値が300kV以上の方形波電圧を発生することのできる方形波電圧発生装置を提供することを第2の目的としている。
【0021】
【課題を解決するための手段】
この発明の方形波電圧発生装置は、高電圧のパルス電圧を発生するマルクス回路と、このマルクス回路の出力部に並列に接続された電圧裁断ギャップと、前記マルクス回路の出力部に並列に接続されていて、前記マルクス回路の等価静電容量の1/10以下かつ前記負荷の浮遊静電容量の10倍以上の静電容量を持ち、かつ前記マルクス回路の等価インダクタンスの1/10以下の浮遊インダクタンスを持つ中間蓄積コンデンサと、前記マルクス回路の出力部とこの方形波電圧発生装置の出力部との間に直列に接続されていて、レーザをトリガに用いたレーザトリガギャップから成る出力ギャップスイッチとを備えることを特徴としている(請求項1)。
【0022】
上記構成によれば、マルクス回路からパルス電圧を発生させると、中間蓄積コンデンサの静電容量はマルクス回路の等価静電容量の1/10以下と小さいので、ごく短時間で中間蓄積コンデンサが充電される。中間蓄積コンデンサの充電が完了した時点で出力ギャップスイッチをオンさせると、急峻な立上りの電圧が出力部に発生する。出力ギャップスイッチのオン直後に、わずかに出力電圧が降下する場合があるが、その後速やかにマルクス回路から電圧が供給されるので、長波尾の出力電圧が維持される。その後電圧裁断ギャップをオンさせると、出力電圧の波尾部で電圧裁断が起こり、所定のパルス幅の方形波電圧が出力部に発生する。
【0023】
その場合、出力ギャップスイッチはターンオン時間が非常に短いレーザトリガギャップから成るので、しかも負荷に最初に電圧を印加することになる中間蓄積コンデンサの浮遊インダクタンスは、マルクス回路の等価インダクタンスの1/10以下と非常に小さいので、立上り時間の短い急峻な立上りの方形波電圧を発生することができる。しかも、マルクス回路の等価静電容量は一般的に大きいので、長い時間電圧を維持することが可能であり、従ってパルス幅が長くかつドループの小さい方形波電圧を発生することができる。
【0024】
その結果、立上り時間が100ns以下、パルス幅が5μs以上、フラットトップのドループが10%以下かつピーク値が100kV以上の方形波電圧を発生することができる。
【0025】
また、前記マルクス回路の等価静電容量の1/50以下かつ前記負荷の浮遊静電容量の50倍以上の静電容量を持ち、かつ前記マルクス回路の等価インダクタンスの1/50以下の浮遊インダクタンスを持つ中間蓄積コンデンサと、エキシマレーザをトリガに用いたレーザトリガギャップから成る出力ギャップスイッチとを用いれば(請求項2)、中間蓄積コンデンサの充放電をより速やかに行うことができるので、しかもエキシマレーザを用いたレーザトリガギャップはターンオン時間が極めて短いので、立上り時間が50ns以下、パルス幅が10μs以上、フラットトップのドループが5%以下かつピーク値が300kV以上の方形波電圧を発生することができる。
【0026】
【発明の実施の形態】
図1は、この発明に係る方形波電圧発生装置の一例を示す回路図である。図2は、図1の方形波電圧発生装置の等価回路図である。図5の従来例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明する。
【0027】
この方形波電圧発生装置100は、高電圧のパルス電圧PVを発生する前述したようなマルクス回路40と、このマルクス回路40の出力部に(即ちその出力端42、44間に)並列に接続された前述したような電圧裁断ギャップ50と、マルクス回路40の出力部に(即ちその出力端42、44間に)並列に接続された中間蓄積コンデンサ60と、マルクス回路40の出力部(即ちその非接地側の出力端42)とこの方形波電圧発生装置100の出力部(即ちその非接地側の出力端102)に直列に接続された出力ギャップスイッチ80とを備えている。104は、この方形波電圧発生装置100の接地側の出力端である。
【0028】
この方形波電圧発生装置100の方形波電圧RVの出力部に、即ち出力端102、104間に、前述したような負荷20が接続される。この負荷20は、この例では例えば高電圧ギャップであり、図2に示すように、互いに直列接続された浮遊静電容量C20および浮遊インダクタンスL20で等価的に表すことができる。
【0029】
マルクス回路40は、前述したように、並列に充電された多数のキャパシタをギャップスイッチによって直列に切り換えて高電圧のパルス電圧PVを発生するものであり、その回路図の一例は図6に示したとおりである。このマルクス回路40は、パルス電圧発生時は、図2に示すように、互いに直列接続された等価静電容量C40、等価インダクタンスL40、等価抵抗R40およびギャップG40で等価的に表すことができる。等価静電容量C40は、図6の直列切換時の各段のキャパシタC1 〜Cn の静電容量を等価的に表したものであり、等価インダクタンスL40は、直列切換時の各段に存在するインダクタンスを等価的に表したものである。等価抵抗R40は、図6の直列切換時の各段の制動抵抗rを等価的に表したものであり、マルクス回路40と中間蓄積コンデンサ60との間での振動発生を抑制する作用をもする。このマルクス回路40は、例えば油入式のものであり、そのようにすれば小型化を図ることができる。
【0030】
マルクス回路40は、周知のように高電圧のパルス電圧PVを容易に発生することができる。また、その等価静電容量C40は一般的に大きいので、換言すれば等価静電容量C40を大きくすることは容易であるので、波尾の電圧を長く維持する、即ち波尾の長いパルス電圧PVを発生することが可能である。
【0031】
電圧裁断ギャップ50は、マルクス回路40から出力されるパルス電圧PVの波尾部を裁断するものである。この電圧裁断ギャップ50には、通常は直列抵抗が挿入されている。これらは、図2に示すように、互いに直列接続されたギャップG50、直列抵抗R50および浮遊インダクタンスL50で等価的に表すことができる。レーザをトリガに用いたレーザトリガギャップでは、スイッチング時間(トリガパルスを入れてからオンするまでの時間)およびターンオン時間(オンし始めてから完全にオンするまでの時間)が短く、ジッタ(時間のばらつき)も小さいという特長を有しているので、この電圧裁断ギャップ50には、レーザトリガギャップを用いるのが好ましい。その内でも、エキシマレーザをトリガに用いたレーザトリガギャップを用いるのがより好ましく、そのようにすれば、スイッチング時間およびターンオン時間をより短く、かつジッタをより小さくすることができる。
【0032】
中間蓄積コンデンサ60は、図2に示すように、静電容量C60、漏れ抵抗R60および浮遊インダクタンスL60で等価的に表すことができる。この中間蓄積コンデンサ60は、マルクス回路40の等価静電容量C40より十分小さく、かつ負荷20の浮遊静電容量C20より十分大きな静電容量C60を持ち、かつ極めて小さい浮遊インダクタンスL60を持つものである。具体的には、この中間蓄積コンデンサ60は、マルクス回路40の等価静電容量C40の1/10以下(好ましくは1/50以下)かつ負荷20の浮遊静電容量C20の10倍以上(好ましくは50倍以上)の静電容量C60を持ち、かつマルクス回路40の等価インダクタンスL40の1/10以下(好ましくは1/50以下)の浮遊インダクタンスL60を持つものである。
【0033】
このような中間蓄積コンデンサ60には、同軸円筒状電極間に純水を誘電体として満たした水キャパシタを用いるのが好ましい。そのようにすれば、高耐圧かつ超低インダクタンスを比較的簡単に実現することができる。
【0034】
この中間蓄積コンデンサ60は、上記のように超低インダクタンスであるので、これとターンオン時間が極めて短い後述する出力ギャップスイッチ80と組み合わせることによって、立上りの急峻な方形波電圧RVを発生する作用を奏する。
【0035】
中間蓄積コンデンサ60の出力側には、この例のように、制動抵抗70を直列に挿入しておくのが好ましい。そのようにすれば、放電回路中に存在する浮遊インダクタンスと浮遊静電容量とで発生するローカルな電圧振動を抑制することができる。この制動抵抗70は、図2に示すように、抵抗R70、浮遊インダクタンスL70および浮遊静電容量C70で等価的に表すことができる。
【0036】
出力ギャップスイッチ80は、レーザをトリガに用いたレーザトリガギャップから成る。レーザトリガギャップは、前述したように、スイッチング時間およびターンオン時間が短く、かつジッタも小さいという特長を有しており、急峻な立上りの方形波電圧RVを発生する作用を奏する。この出力ギャップスイッチ80は、図2に示すように、ギャップG80、浮遊インダクタンスL80および浮遊静電容量C80で等価的に表すことができる。
【0037】
この出力ギャップスイッチ80には、エキシマレーザをトリガに用いたレーザトリガギャップを用いるのが好ましく、そのようにすれば、スイッチング時間およびターンオン時間をより短く、かつジッタをより小さくすることができる。より具体的には、集光特性の良い不安定共振器を用いたエキシマレーザを使用するのが好ましい。
【0038】
この方形波電圧発生装置100の全体的な動作を説明すると、マルクス回路40からパルス電圧PVを発生させると、中間蓄積コンデンサ60の静電容量はマルクス回路40の等価静電容量に比べて十分に小さいので、ごく短時間で中間蓄積コンデンサ60が充電される。中間蓄積コンデンサ60の充電が完了した時点で出力ギャップスイッチ80をオンさせると、急峻な立上りの電圧が出力部に発生する。出力ギャップスイッチ80のオン直後に、わずかに出力電圧が降下する場合があるが、その後速やかにマルクス回路40から電圧が供給されるので、長波尾の出力電圧が維持される。その後電圧裁断ギャップ50をオンさせると、出力電圧の波尾部で電圧裁断が起こり、所定のパルス幅TP の方形波電圧RVが出力部に発生する。
【0039】
その場合、出力ギャップスイッチ80はターンオン時間が非常に短いレーザトリガギャップから成るので、しかも負荷20に最初に電圧を印加することになる中間蓄積コンデンサ60の浮遊インダクタンスはマルクス回路40の等価インダクタンスに比べて十分に小さいので、立上り時間TR の短い急峻な立上りの方形波電圧RVを発生することができる。しかも、マルクス回路40の等価静電容量は一般的に大きいので、長い時間電圧を維持することが可能であり、従ってパルス幅TP が長くかつドループDR の小さい方形波電圧RVを発生することができる。
【0040】
その結果、立上り時間TR が100ns以下、パルス幅TP が5μs以上、フラットトップFTのドループDR が10%以下かつピーク値VP が100kV以上の方形波電圧RVを発生することができる。
【0041】
また、マルクス回路40の等価静電容量C40の1/50以下かつ負荷20の浮遊静電容量C20の50倍以上の静電容量C60を持ち、かつマルクス回路40の等価インダクタンスL40の1/50以下の浮遊インダクタンスL60を持つ中間蓄積コンデンサ60と、エキシマレーザをトリガに用いたレーザトリガギャップから成る出力ギャップスイッチ80とを用いれば、中間蓄積コンデンサ60の充放電をより速やかに行うことができるので、しかもエキシマレーザを用いたレーザトリガギャップは前述したようにターンオン時間が極めて短い(例えば数ns)ので、立上り時間TR が50ns以下、パルス幅TP が10μs以上、フラットトップFTのドループDR が5%以下かつピーク値VP が300kV以上の方形波電圧RVを発生することができる。
【0042】
従ってこのような方形波電圧発生装置100を用いれば、例えば、高電圧ギャップや高電圧機器等の絶縁破壊電圧を試験する場合に、より現実に近い波形の電圧で試験することができるので、これらの絶縁破壊電圧をより正確に試験することができる。
【0043】
前記制動抵抗70は、出力ギャップスイッチ80の後段(即ち負荷20側)に設けるよりも、この例のように出力ギャップスイッチ80の前段(即ちマルクス回路40側)に設ける方が好ましい。そのようにすれば、当該制動抵抗70の浮遊静電容量C70を出力ギャップスイッチ80のオンよりも前に充電することができるので、方形波電圧RVの立上りの急峻化に有利である。
【0044】
ところで、所定のパルス幅TP [s]でフラットトップFTのドループをDR [%]以下にするには、この方形波電圧発生装置100の対地間の等価漏れ抵抗(これは殆どが中間蓄積コンデンサ60の漏れ抵抗R60である)をRE [Ω]とした場合、マルクス回路40の等価静電容量C40[F]は、次式を満足するものにすれば良い。
【0045】
【数2】
DR <[1−exp{−TP /(C40×RE )}]×100
【0046】
また、上述したように、出力ギャップスイッチ80のオン直後に、即ち方形波電圧RVの波頭部で、例えば図8に拡大して示すように、若干ではあるがV2 だけ出力電圧が降下する。方形波電圧RVのピーク値VP に対するこの電圧V2 の比が(即ちV2 /VP )×100が、波頭部の落込み率VD [%]である。この落込み率をVD [%]以下にするには、出力ギャップスイッチ80以降の負荷20を含む対地間の静電容量の総和(これは殆どが負荷20の浮遊静電容量C20である)をCE [F]とした場合、中間蓄積コンデンサ60の静電容量C60[F]は、次式を満足するものにすれば良い。
【0047】
【数3】
VD <{1−C60/(C60+CE )}×100
【0048】
【発明の効果】
この発明は、上記のとおり構成されているので、次のような効果を奏する。
【0049】
請求項1記載の発明によれば、マルクス回路および電圧裁断ギャップを備えているので、高電圧でしかもパルス幅が長くかつドループの小さい方形波電圧を発生することができると共に、浮遊インダクタンスの非常に小さい中間蓄積コンデンサおよびターンオン時間の非常に短いレーザトリガギャップから成る出力ギャップスイッチを備えているので、立上りの急峻な方形波電圧を発生することができる。その結果、立上り時間が100ns以下、パルス幅が5μs以上、フラットトップのドループが10%以下かつピーク値が100kV以上の方形波電圧を発生することができる。
【0050】
請求項2記載の発明によれば、中間蓄積コンデンサの充放電をより速やかに行うことができるので、しかもエキシマレーザを用いたレーザトリガギャップはターンオン時間が極めて短いので、立上り時間が50ns以下、パルス幅が10μs以上、フラットトップのドループが5%以下かつピーク値が300kV以上の方形波電圧を発生することができる。
【0051】
請求項3記載の発明によれば、放電回路中に存在する浮遊インダクタンスと浮遊静電容量とで発生するローカルな電圧振動を抑制することができる。しかも、制動抵抗の浮遊静電容量を出力ギャップスイッチのオンよりも前に充電することができるので、方形波電圧の立上りの急峻化に有利である。
【0052】
請求項4記載の発明によれば、所定のパルス幅TP において所定のドループDR を実現することができる。
【0053】
請求項5記載の発明によれば、方形波電圧の波頭部における所定の落込み率VD を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係る方形波電圧発生装置の一例を示す回路図である。
【図2】図1の方形波電圧発生装置の等価回路図である。
【図3】従来のパルス成形ネットワークを用いた方形波電圧発生装置の一例を示す回路図である。
【図4】従来のパルス成形ラインを用いた方形波電圧発生装置の一例を示す回路図である。
【図5】従来のマルクス回路および電圧裁断ギャップを用いた方形波電圧発生装置の一例を示す回路図である。
【図6】マルクス回路の一例を示す回路図である。
【図7】負荷に印加する方形波電圧の波形の一例を示す図である。
【図8】図7の方形波電圧の波頭部の一例を拡大して示す図である。
【符号の説明】
20 負荷
40 マルクス回路
50 電圧裁断ギャップ
60 中間蓄積コンデンサ
70 制動抵抗
80 出力ギャップスイッチ
100 方形波電圧発生装置
PV パルス電圧
RV 方形波電圧[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a square wave voltage generator used for, for example, applying a high voltage square wave voltage to a load such as a high voltage gap or a high voltage device and testing a breakdown voltage of the load. . More specifically, in order to test the breakdown voltage in consideration of the Vt characteristic (dielectric breakdown voltage-time characteristic) from a very short time in the ns region to the μs region of the load, the rise is steep. Generates a square wave voltage (for example, a rise time of 100 ns or less), a long pulse width (for example, 5 μs or more), a good flat top flatness (for example, a droop of 10% or less), and a high voltage (for example, a peak value of 100 kV or more). To a square wave voltage generator. In this specification, a square wave voltage is a voltage having a square, rectangular, or similar waveform.
[0002]
[Prior art]
The Vt characteristics of a high-voltage gap, high-voltage equipment, and the like are significantly affected by the applied voltage waveform, and therefore, the selection of the applied voltage waveform is important for testing these breakdown voltages.
[0003]
Conventionally, as an applied voltage waveform, a standard waveform such as a lightning impulse voltage has been used for reasons such as easy voltage generation.
[0004]
However, an overvoltage waveform due to a lightning surge or a switching surge of a disconnector or the like generated in an actual power system is significantly different from a standard waveform, and has a steep rise time of, for example, several tens ns to several hundred ns, and The duration is long, for example, several μs to several tens μs or more.
[0005]
Therefore, in order to accurately test the breakdown voltage of a high voltage gap or a high voltage device, etc., the applied voltage has a sharp rise (for example, a rise time of 100 ns or less) and a long pulse width (for example, 5 μs or more). ), Using a high-voltage (for example, a peak value of 100 kV or more) square wave voltage with a good flat top flatness (for example, a droop of 10% or less), preferably a rise time of 50 ns or less, a pulse width of 10 μs or more, and a flat top. It is very effective to use a square wave voltage having a droop of 5% or less and a peak value of 300 kV or more, since the waveform is more realistic.
[0006]
Conventional examples of a square wave voltage generator capable of generating a high voltage square wave voltage RV are shown in FIGS.
[0007]
The square-wave voltage generator of FIG. 3 has a configuration in which a
[0008]
The square wave voltage generator shown in FIG. 4 combines a
[0009]
The square-wave voltage generator of FIG. 5 combines a Marx
[0010]
As is well known, the Marx
[0011]
FIG. 7 shows an example of the waveform of the square wave voltage RV applied to the
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
Square-wave voltage generator shown in Figure 3, although the pulse width T P It is possible to generate a square wave voltage RV of μs order, in which case it is impossible to shorten the rising time T R. For example, in a device having a pulse width T P generates the square wave voltage RV of 10μs is to the rising time T R to a sub .mu.s (i.e. about 1/10 of .mu.s) is practically the limit. This is in order to shorten the pulse width T P long and rising time T R is necessary number of
[0013]
Square-wave voltage generator shown in FIG. 4, although it is possible to make the rising time T R of the square wave voltage RV to about 10 ns, it is impossible to increase the pulse width T P.
[0014]
That is, if the relative permittivity of the dielectric 36 of the
[0015]
(Equation 1)
τ = 2 × (ε r × μ r ) 1/2 / C
[0016]
The only thing that can be used as the dielectric 36 of the
[0017]
Furthermore, to increase the specific resistance of water since 1~2MΩ · m is a limit, constant 7~14μs next time the
[0018]
If the square wave voltage generator shown in FIG. 5, the capacitance of the Marx
[0019]
Accordingly, the present invention provides a square wave voltage generator capable of generating a square wave voltage having a rise time of 100 ns or less, a pulse width of 5 μs or more, a flat-top droop of 10% or less, and a peak value of 100 kV or more. The main purpose is.
[0020]
A second object of the present invention is to provide a square wave voltage generator capable of generating a square wave voltage having a rise time of 50 ns or less, a pulse width of 10 μs or more, a flat-top droop of 5% or less, and a peak value of 300 kV or more. The purpose is.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
A square wave voltage generator according to the present invention includes a Marx circuit that generates a high-voltage pulse voltage, a voltage cutting gap connected in parallel to an output of the Marx circuit, and a parallel connection to an output of the Marx circuit. Having a capacitance not more than 1/10 of the equivalent capacitance of the Marx circuit and not less than 10 times the stray capacitance of the load, and having a stray inductance of not more than 1/10 of the equivalent inductance of the Marx circuit. And an output gap switch, which is connected in series between the output of the Marx circuit and the output of the square-wave voltage generator and comprises a laser trigger gap using a laser as a trigger. It is characterized by comprising (claim 1).
[0022]
According to the above configuration, when a pulse voltage is generated from the Marx circuit, the intermediate storage capacitor is charged in a very short time because the capacitance of the intermediate storage capacitor is as small as 1/10 or less of the equivalent capacitance of the Marx circuit. You. When the output gap switch is turned on when the charging of the intermediate storage capacitor is completed, a steep rising voltage is generated at the output section. Although the output voltage may slightly decrease immediately after the output gap switch is turned on, the voltage is supplied from the Marx circuit immediately thereafter, so that the output voltage of the long wave tail is maintained. Thereafter, when the voltage cutting gap is turned on, voltage cutting occurs at the tail of the output voltage, and a square wave voltage having a predetermined pulse width is generated at the output section.
[0023]
In that case, the output gap switch consists of a laser trigger gap with a very short turn-on time, and the stray inductance of the intermediate storage capacitor, which first applies a voltage to the load, is less than 1/10 of the equivalent inductance of the Marx circuit. Therefore, a sharp rising square wave voltage having a short rising time can be generated. Moreover, since the equivalent capacitance of the Marx circuit is generally large, it is possible to maintain the voltage for a long time, and thus it is possible to generate a square wave voltage having a long pulse width and a small droop.
[0024]
As a result, it is possible to generate a square wave voltage having a rise time of 100 ns or less, a pulse width of 5 μs or more, a flat-top droop of 10% or less, and a peak value of 100 kV or more.
[0025]
Further, it has a capacitance of 1/50 or less of the equivalent capacitance of the Marx circuit and 50 times or more of the stray capacitance of the load, and has a stray inductance of 1/50 or less of the equivalent inductance of the Marx circuit. If an intermediate storage capacitor and an output gap switch comprising a laser trigger gap using an excimer laser as a trigger are used (claim 2), the charge and discharge of the intermediate storage capacitor can be performed more quickly. Since the turn-on time is extremely short in the laser trigger gap using, a square wave voltage having a rise time of 50 ns or less, a pulse width of 10 μs or more, a flat-top droop of 5% or less, and a peak value of 300 kV or more can be generated. .
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a circuit diagram showing an example of a square wave voltage generator according to the present invention. FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the square wave voltage generator of FIG. Parts that are the same as or correspond to those in the conventional example in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals, and differences from the conventional example will be mainly described below.
[0027]
The square-
[0028]
The
[0029]
The
[0030]
The
[0031]
The
[0032]
The
[0033]
As such an
[0034]
Since the
[0035]
It is preferable to insert a
[0036]
The
[0037]
It is preferable to use a laser trigger gap using an excimer laser as a trigger for the
[0038]
To explain the overall operation of the square
[0039]
In that case, the
[0040]
As a result, less rise time T R is 100 ns, the pulse width T P is 5μs or more, can droop D R is 10% or less and the peak value V P of the flat top FT generates a more square-
[0041]
Further, it has a capacitance C 60 that is 1/50 or less of the equivalent capacitance C 40 of the
[0042]
Therefore, if such a square
[0043]
It is preferable that the
[0044]
Incidentally, the droop of the flat top FT To D R [%] or less at a predetermined pulse width T P [s], the equivalent leakage resistance against the ground of the square-wave voltage generator 100 (which is almost intermediate storage When the leakage resistance R 60 of the
[0045]
(Equation 2)
D R <[1-exp { -T P / (
[0046]
Further, as described above, immediately after on of the
[0047]
(Equation 3)
V D <{1-C 60 / (C 60 + C E )} × 100
[0048]
【The invention's effect】
The present invention is configured as described above, and has the following effects.
[0049]
According to the first aspect of the present invention, since a Marx circuit and a voltage cutting gap are provided, it is possible to generate a square wave voltage having a high voltage, a long pulse width and a small droop, and a very small floating inductance. With an output gap switch consisting of a small intermediate storage capacitor and a laser trigger gap with a very short turn-on time, a square wave voltage with a sharp rise can be generated. As a result, it is possible to generate a square wave voltage having a rise time of 100 ns or less, a pulse width of 5 μs or more, a flat-top droop of 10% or less, and a peak value of 100 kV or more.
[0050]
According to the second aspect of the present invention, the intermediate storage capacitor can be charged and discharged more quickly, and the turn-on time of the laser trigger gap using an excimer laser is extremely short, so that the rise time is 50 ns or less, A square wave voltage having a width of 10 μs or more, a flat-top droop of 5% or less, and a peak value of 300 kV or more can be generated.
[0051]
According to the third aspect of the present invention, it is possible to suppress local voltage oscillation generated by the stray inductance and the stray capacitance existing in the discharge circuit. In addition, the floating capacitance of the braking resistor can be charged before the output gap switch is turned on, which is advantageous for steep rise of the square wave voltage.
[0052]
According to the invention described in claim 4, it is possible to realize a predetermined droop D R in a predetermined pulse width T P.
[0053]
According to the invention described in claim 5, it is possible to realize a predetermined decline rate V D at wave front portions of the square-wave voltage.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing an example of a square-wave voltage generator according to the present invention.
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the square-wave voltage generator of FIG.
FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of a conventional square wave voltage generator using a pulse shaping network.
FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of a conventional square-wave voltage generator using a pulse shaping line.
FIG. 5 is a circuit diagram showing an example of a conventional square wave voltage generator using a Marx circuit and a voltage cutting gap.
FIG. 6 is a circuit diagram illustrating an example of a Marx circuit.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a waveform of a square wave voltage applied to a load.
FIG. 8 is an enlarged view showing an example of a crest of the square wave voltage in FIG. 7;
[Explanation of symbols]
Claims (5)
DR <[1−exp{−TP /(C40×RE )}]×100When the target droop at the pulse width TP [s] of the square wave voltage is D R [%], and the equivalent leakage resistance between the ground of the square wave voltage generation circuit is R E [Ω], 4. The square-wave voltage generator according to claim 1, wherein the equivalent capacitance C 40 [F] of the Marx circuit satisfies the following expression.
D R <[1-exp { -T P / (C 40 × R E)}] × 100
VD <{1−C60/(C60+CE )}×100A case where a target drop rate of the wave front of the square wave voltage is V D [%], and a total capacitance between the ground including the load after the output gap switch is CE [F]. 5. The square wave voltage generator according to claim 1, wherein the capacitance C 60 [F] of the intermediate storage capacitor satisfies the following expression.
V D <{1-C 60 / (C 60 + C E )} × 100
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