JP4925339B2 - 高速反転パルス電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気めっき等に使用する高速反転パルス電源装置に関するものである。

ある種の電気めっきでは周期的に反転する電流を流すとその鍍膜の物性が良くなることが知られており、銅めっきでは古くからＰＲ銅めっきとして実用化されている。この銅のＰＲめっきは数秒以上の周期で極性を反転させるものであるが、近年数ミリ秒単位の周期で高速に極性を反転させると、ある種の貴金属めっきやプリント基板のスルーホールめっきのめっき品質に顕著な改善効果があることが見出されており、こうしためっきをするための、例えば特許文献１に示されるような電源装置が提案されている。

この特許文献１で開示されている電源装置は、第１直流電源装置と、第２直流電源装置と、上記第１直流電源装置の一方の出力端と、上記第２直流電源装置の他方の出力端及び負荷の一端との間に設けられた第１リアクトルと、高速でオン、オフする第１主スイッチング素子との直列回路と、上記第２直流電源装置の一方の出力端と、上記第１直流電源装置の他方の出力端及び負荷の他端との間に設けられた第２リアクトルと、上記第１主スイッチング素子のオン、オフに対応し相補的にオフ、オンする第２主スイッチング素子との直列回路と、上記第１リアクトルの出力と上記第１直流電源装置の他方の出力端との間に上記第１主スイッチング素子のオン、オフに対応し相補的にオフ、オンする第１補助スイッチング素子と、上記第２リアクトルの出力と上記第２直流電源装置の他方の出力端との間に、上記第２主スイッチング素子のオン、オフに対応し相補的にオフ、オンする第２補助スイッチング素子と、第１、第２補助スイッチング素子とそれぞれ並列に接続され、第１、第２クランプ用ダイオードと上記第１、第２クランプ用ダイオードにそれぞれ直列に接続され定常時ピーク電圧で充電される第１、第２クランプ用コンデンサにより構成される第１、第２クランプ回路と、上記第１又は第２補助スイッチング素子の両端をそれぞれ検出する第１又は第２電圧検出器と、上記第１又は第２電圧検出器の検出信号が所定電圧以上のときに上記第１又は第２補助スイッチング素子をオンさせる制御装置とにより構成されたものである。

この構成では第１補助スイッチング素子がオンの間は第１直流電源装置の出力が第１リアクトルにより短絡され、また、第２補助スイッチング素子がオンの間は第２直流電源装置の出力が第２リアクトルにより短絡されてそれぞれのリアクトルにエネルギーが蓄積される。第１主スイッチング素子がオンになると第１補助スイッチング素子がオフになり、第１リアクトルに蓄積されたエネルギーは正の電流として負荷に供給され、第２主スイッチング素子がオンになると第２補助スイッチング素子がオフになり、第２リアクトルに蓄積されたエネルギーは負の電流として負荷に供給されることになる。

この方式はリアクトルに流しておいた電流を負荷に移行させるものであり、各通電時の電流の立ち上がりは良好であるが、通電時以外も、変圧器、補助スイッチング素子、リアクトル及び半導体素子に電流を流し続けることから損失が大きくなり、使用率が低くても大型のリアクトルを要することから装置を小型にできないという問題があった。
特開２００２−１２９３９７号公報

本発明は上記の問題点を解決し、どのようなパルス幅であっても良好な反転パルス波形を出力することができる高速反転パルス電源装置を提供するためになされたものである。

上記の問題を解決するためになされた本発明の高速反転パルス電源装置は、ＤＣ−ＤＣコンバータと該ＤＣ−ＤＣコンバータの出力を開閉する半導体スイッチとから構成した正極性電流供給用の電源と、パルス電力を通過させるに充分な電圧時間積を有する複数のパルス変圧器の一次コイルの一端をそれぞれ個別に第一の半導体スイッチを介して直流電源の一極に接続し、該パルス変圧器の一次コイルの他端は一括第二の半導体スイッチを介して直流電源の他極に接続し、各パルス変圧器の一次コイルと各第一の半導体スイッチの接続点と直流電源の他極との間にそれぞれ第一のダイオードを定常時電流の流れない極性として接続し、パルス変圧器の一次コイルと第二の半導体スイッチの接続点と直流電源の一極との間に第二のダイオードを定常時電流の流れない極性として接続し、前記各パルス変圧器の二次コイルを直列に接続して出力とし、パルス変圧器の二次コイルの直列回路と直列に出力を開閉する半導体スイッチを接続して構成した負極性電流供給用の電源とを設け、前記正極性電流供給用の電源の出力と負極性電流供給用の電源の出力とを極性を逆にして並列接続したことを特徴とするものである。

ここにおいて、負極性通電期間中第二の半導体スイッチを継続してオンにするとともに負極性通電の開始時には複数の第一の半導体スイッチを同時にオンにし、負極性の負荷電流が立ち上がった後においては負荷電流が一定になるように第一の半導体スイッチを順次オン、オフする駆動信号を生成する制御手段を設けることが好ましい。

また、同一の問題を解決するためになされた請求項３の発明の高速反転パルス電源装置は、正極性電流供給用の電源を構成するＤＣ−ＤＣコンバータとは別に第二のＤＣ−ＤＣコンバータを設け、該第二のＤＣ−ＤＣコンバータの出力を請求項１に記載の高速反転パルス電源装置のパルス変圧器の二次コイルと直列に接続したことを特徴とするものである。ここにおいて、負極性通電期間中第二の半導体スイッチを継続してオンにするとともに負極性通電の開始時には複数の第一の半導体スイッチを同時にオンにし、負極性の負荷電流が立ち上がった後においては第一の半導体スイッチをオフにするとともに負荷電流が一定になるように第二のＤＣ−ＤＣコンバータを制御する制御手段を設けることが好ましい。

請求項１の発明において、負極性通電の開始時に複数の第一の半導体スイッチが同時にオンになるようにしておけば、複数のパルス変圧器の二次電圧の合計の高い電圧が負荷に加わるので、負極性の負荷電流が早く立ち上がることになる。また、負荷電流が立ち上がった後において電流が一定になるように第一の半導体スイッチを順次オン、オフするようにしておけば、出力電圧はパルス変圧器の二次電圧１個分と高くないので、第一の半導体スイッチのオン時間が極端に短くなることはなく、各第一の半導体スイッチのスイッチング周波数が低下するので、第一の半導体スイッチのスイッチング損失が低く抑えられ、出力電流のリップルが小さくなる利点がある。

また、請求項３の発明では第二のＤＣ−ＤＣコンバータが設けてあるので、負極性通電の開始時に複数の第一の半導体スイッチが同時にオンになるようにしておけば、複数のパルス変圧器の二次電圧と第二のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧の合計の高い電圧が負荷に加わり、負極性の負荷電流が早く立ち上がることになる。負荷電流が立ち上がった後は第二のＤＣ−ＤＣコンバータから負荷電流が供給されるので、パルス変圧器を電圧時間積の小さなものとすることができる利点がある。

このように、正極性通電期間から負極性通電期間への切り替わり時には、複数のパルス変圧器の二次電圧の合計あるいは複数のパルス変圧器の二次電圧とＤＣ−ＤＣコンバータの出力の合計の高い電圧が加わって負極性の負荷電流が早く立ち上がり、負極性通電期間から正極性通電期間への切り替わり時にはパルス変圧器の二次側に誘起される逆電圧の合計の高い電圧により負極性の負荷電流が短時間の内に減衰して正極性の電流に移行するので、極性の切り替わり時間が短く、正極性通電期間中及び負極性通電期間中の電流の変動が少ない良好な反転パルス波形が出力される利点がある。

次に、本発明を実施するための最良の形態について、図を参照しながら具体的に説明する。
図１は本発明の第一の実施の形態を示す主回路の結線図であって、整流器１、コンデンサ２により交流入力端子３から供給される交流電力を直流電力に変換する直流電源が設けてある。直流電源のプラス極には半導体スイッチ４ａ、４ｂのプラス極が接続してあり、該半導体スイッチ４ａ、４ｂのマイナス極にはそれぞれマイナス極を直流電源のマイナス極に接続した半導体スイッチ５ａ、５ｂのプラス極が接続してある。

半導体スイッチ４ａ、５ａの接続点と半導体スイッチ４ｂ、５ｂの接続点との間には変圧器６の一次コイルが接続してあり、該変圧器６の二次コイルにはセンタータップを設けるとともに両端にそれぞれダイオード７ａ、７ｂのアノードを接続し、整流回路が構成してある。これらの半導体スイッチ４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂと変圧器６及びダイオード７ａ、７ｂはいわゆるＤＣ−ＤＣコンバータを構成し、このＤＣ−ＤＣコンバータは負荷に正極性の電流を供給する電源として機能する。変圧器６のセンタータップは出力端子８ｂに接続してあり、ダイオード７ａ、７ｂのカソードは半導体スイッチ９を介して出力端子８ａに接続してある。

また、直流電源のプラス極には第一の半導体スイッチである複数の半導体スイッチ１０ａ、１０ｂのプラス極と第二のダイオードであるダイオード１１のカソードが接続してあり、半導体スイッチ１０ａ、１０ｂのマイナス極にはそれぞれアノードを直流電源のマイナス極に接続した第一のダイオードであるダイオード１２ａ、１２ｂのカソードが接続してある。さらに、ダイオード１１のアノードにはマイナス極を直流電源のマイナス極に接続した第二の半導体スイッチである半導体スイッチ１３のプラス極が接続してある。

半導体スイッチ１０ａ、１０ｂのマイナス極と半導体スイッチ１３のプラス極との間にはそれぞれパルス変圧器１４ａ、１４ｂの一次コイルが接続してあり、該パルス変圧器１４ａ、１４ｂの二次コイルは直列に接続したうえ一端を出力端子８ｂに、他端を半導体スイッチ１５を介して出力端子８ａに接続してある。ここで、出力端子８ｂに接続するパルス変圧器１４ａ、１４ｂの二次コイルの一端は、半導体スイッチ１０ａ、１０ｂのいずれか又は両方と半導体スイッチ１３とがオンになってパルス変圧器１４ａ、１４ｂの一次コイルに電圧が加わったときに誘起される電圧がプラスになる側としてあり、半導体スイッチ１５はこの誘起される電圧による電流をオン、オフすることができる極性としてある。

上記の回路を構成する半導体スイッチ４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、半導体スイッチ９、半導体スイッチ１０ａ、１０ｂ、半導体スイッチ１３、半導体スイッチ１５とダイオード７ａ、７ｂ、ダイオード１１、ダイオード１２ａ、１２ｂには高速な素子を使用するのが望ましい。半導体スイッチ４ａと５ｂ、半導体スイッチ４ｂと５ａにはそれぞれ同時に駆動信号を与えるため、駆動信号は絶縁して与えるようにしてある。また、パルス変圧器１４ａ、１４ｂはパルス電力を通過させるに充分な電圧時間積を有するものとしてある。パルス変圧器１４ａ、１４ｂは鉄心をカットし、カット面にギャップを挿入することにより電圧時間積を大きくすることができる。

半導体スイッチ４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、半導体スイッチ９、半導体スイッチ１０ａ、１０ｂ、半導体スイッチ１３、半導体スイッチ１５にはそれぞれ図示しない制御装置から駆動信号を与えるようにしてある。正極性通電期間中は半導体スイッチ９にその期間中連続して駆動信号を与え、半導体スイッチ４ａ、５ｂと半導体スイッチ４ｂ、５ａに交互に駆動信号を与えるようにしてある。また、負極性通電期間中は半導体スイッチ１５と半導体スイッチ１３にその期間中継続して駆動信号を与え、半導体スイッチ１０ａ、１０ｂに負極性通電期間開始時は同時に、負極性の負荷電流が立ち上がった後は負極性通電期間終了時まで交互に、駆動信号を与えるようにしてある。

図示していないが出力電流を検出する電流センサーが設けてあり、正極性通電期間中は該電流センサーにより検出された電流検出信号と設定された正極性側の基準信号とを比較し、正極性の電流が設定された電流になるように半導体スイッチ４ａ、５ｂと半導体スイッチ４ｂ、５ａに与える駆動信号の幅をパルス幅制御するようにしてある。また、同様に負極性通電期間中は電流検出信号と負極性側の基準信号とを比較し、負極性の負荷電流が立ち上がった後は負極性の電流が設定された電流になるように半導体スイッチ１０ａ、１０ｂに与える駆動信号の幅をパルス幅制御するようにしてある。

負極性通電期間終了時は半導体スイッチ１５に引き続き駆動信号を与え、半導体スイッチ１０ａ、１０ｂと半導体スイッチ１３に駆動信号を与えるのを止める。電流検出信号と正極性側の基準信号とを比較し、負荷電流が正極性の設定された電流に到達したときには半導体スイッチ１５に駆動信号を与えるのを止めて完全に負極性通電期間を終了し、半導体スイッチ９に連続して駆動信号を与え、半導体スイッチ４ａ、５ｂと半導体スイッチ４ｂ、５ａに交互に駆動信号を与えて正極性通電期間に移行するようにしてある。

以下このように構成された高速反転パルス電源装置の動作について説明する。基本的には正極性のパルスと負極性のパルスを交互に出力するのであるが、めっき用の場合正極性通電期間に鍍膜が形成されるので、通常正極性通電時間は負極性通電期間の数倍以上となる。図２は２個の正極性のパルスが出力される間に１個の負極性のパルスが出力されるときの要部の波形を示すもので、Ａは半導体スイッチ９の駆動信号、Ｂは半導体スイッチ１５の駆動信号、Ｃは半導体スイッチ４ａと５ｂの駆動信号、Ｄは半導体スイッチ４ｂと５ａの駆動信号、Ｅ、Ｆはそれぞれ半導体スイッチ１０ａ、１０ｂの駆動信号、Ｇは半導体スイッチ１３の駆動信号であり、Ｈは出力電圧、Ｊは出力電流である。

交流入力端子３から供給された交流電力は整流器１により直流電力に変換され、コンデンサ２に貯えられている。図２のｔ１の時点以前の左側部分は正極性通電期間であり、半導体スイッチ９に駆動信号が与えられ、半導体スイッチ４ａ、５ｂと半導体スイッチ４ｂ、５ａに交互に駆動信号が与えられている。これにより半導体スイッチ４ａ、５ｂと半導体スイッチ４ｂ、５ａが交互にオンとなり、変圧器６の一次コイルには交流電流が流れる。変圧器６の二次コイルに誘起した交流電力はダイオード７ａ、７ｂにより整流され、半導体スイッチ９を通して出力端子８ａ、８ｂに出力される。出力される電圧は出力端子８ａ側がプラス、出力端子８ｂ側がマイナスとなるので、出力端子８ａに陽極板、出力端子８ｂに被めっき物を接続し、めっき液に浸漬しておけば正極性の通電が行なわれ、めっき皮膜が形成される。このとき電流が正極性側の設定電流になるように半導体スイッチ４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂはパルス幅制御される。

正極性通電期間が終って図２のｔ１の時点を過ぎると半導体スイッチ４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂと半導体スイッチ９に駆動信号が与えられなくなり、半導体スイッチ１５と半導体スイッチ１３に駆動信号が与えられ、負極性通電期間となる。半導体スイッチ１０ａ、１０ｂには同時に駆動信号が与えられるのでパルス変圧器１４ａ、１４ｂの一次コイルに同時に電圧が加えられる。これによりパルス変圧器１４ａ、１４ｂの二次コイルに誘起された電圧の合計の電圧が半導体スイッチ１５を通して出力端子８ａ、８ｂに出力されることになるが、その電圧は出力端子８ａ側がマイナス、出力端子８ｂ側がプラスとなるので負極性の通電となり、二次コイルに誘起された電圧の合計の高い電圧により負極性の負荷電流が短時間の内に立ち上がる。この負極性の通電では被めっき物からめっき皮膜が剥離される。

電流が立ち上がると半導体スイッチ１０ａ、１０ｂに駆動信号が同時に与えられることはなくなり、電流が負極性側の設定電流になるようにパルス幅制御されて駆動信号が交互に与えられるようになる。パルス変圧器１４ａ、１４ｂの一次コイルには、半導体スイッチ１０ａ、１０ｂがオンの間は半導体スイッチ１０ａ、１０ｂと半導体スイッチ１３を通って電流が流れ、半導体スイッチ１０ａ、１０ｂがオフになると半導体スイッチ１３とダイオード１２ａ、１２ｂを通って電流が流れる。このとき出力される電圧はパルス変圧器１４ａ、１４ｂの二次コイルに誘起される電圧の１個分と高くないので、パルス幅が極端に短くなることはなく、出力電圧、出力電流のリップルが小さくなる利点がある。また、個々の半導体スイッチ１０ａ、１０ｂのスイッチング周波数が低くなるのでスイッチング損失が低減する利点がある。

この負極性通電期間中、パルス変圧器１４ａ、１４ｂの一次コイルには一方向の電圧が加えられ、鉄心が飽和する方向に向かうが、パルス変圧器１４ａ、１４ｂはこの間のパルス電力を通過させるに充分な電圧時間積を有するものとしてあるので飽和にまで到ることはない。パルス変圧器１４ａ、１４ｂにはこの間の励磁電流により磁気エネルギーが蓄積される。所定の負極性通電期間が経過してｔ２の時点に至ると、半導体スイッチ１０ａ、１０ｂと半導体スイッチ１３に駆動信号が与えられなくなり、半導体スイッチ１０ａ、１０ｂと半導体スイッチ１３は全てオフになる。

パルス変圧器１４ａ、１４ｂの一次コイルに流れていた電流はダイオード１２ａ、１２ｂとダイオード１１を通してコンデンサ２に流れ込み、パルス変圧器１４ａ、１４ｂに蓄積された磁気エネルギーが回収されるので鉄心の磁束がリセットされ、次回のパルス電力を通過させることが可能となる。このときパルス変圧器１４ａ、１４ｂの一次コイルには、電流を引き続き流す方向のそれまでとは逆極性の電圧が発生し、この逆極性の電圧はパルス変圧器１４ａ、１４ｂの二次コイルに誘起して負荷に加わる。二次コイルに誘起した電圧の合計の逆極性の高い電圧により負荷電流は短時間の内に減衰し、さらに逆転して正極性電流となる。この負荷電流がｔ３の時点で正極性側の設定電流に到達すると半導体スイッチ１５に駆動信号が与えられなくなり、半導体スイッチ９、半導体スイッチ４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂに駆動信号が与えられる。このようにして再度正極性通電期間となり、以後同様に正極性通電と負極性通電が繰り返される。

図３は請求項３の発明の実施の形態を示す主回路の結線図であって、基本的なところは図１に示すものと同一で、図示しない制御装置と出力電流を検出する電流センサーが設けてあり、同一部分には同一符号が付してある。異なるのは直流電源のプラス極とマイナス極との間に２個直列に接続した半導体スイッチ４ｃ、５ｃと、変圧器１６と、ダイオード１７ａ、１７ｂを設け、変圧器１６の一次コイルを半導体スイッチ４ｃ、５ｃの接続点と半導体スイッチ４ｂ、５ｂの接続点との間に接続し、変圧器１６の二次コイルにセンタータップを設けるとともに両端にそれぞれダイオード１７ａ、１７ｂのアノードを接続し、センタータップには図１に示す構成において出力端子８ｂに接続していたパルス変圧器１４ａ、１４ｂの二次コイルの一端を出力端子８ｂから切り離して接続し、ダイオード１７ａ、１７ｂのカソードを出力端子８ｂに接続したことである。

半導体スイッチ４ｂ、４ｃ、５ｂ、５ｃと変圧器１６及びダイオード１７ａ、１７ｂはいわゆるＤＣ−ＤＣコンバータを構成しており、このＤＣ−ＤＣコンバータの出力は直列接続されているパルス変圧器１４ａ、１４ｂの二次コイルにさらに直列接続され、負荷に負極性の電流を供給する電源の一部として機能する。半導体スイッチ４ｂ、５ｂは前記の正極性の電源として機能するＤＣ−ＤＣコンバータを構成しているものであり、これを共用するようにしているが、別途専用の半導体スイッチを設けてもよいことは言うまでもない。半導体スイッチ４ｃと５ｂ、半導体スイッチ４ｂと５ｃにはそれぞれ同時に駆動信号を与えるため、駆動信号は絶縁して与えるようにしてある。

半導体スイッチ４ａ、４ｂ、４ｃ、５ａ、５ｂ、５ｃ、半導体スイッチ９、半導体スイッチ１０ａ、１０ｂ、半導体スイッチ１３、半導体スイッチ１５にはそれぞれ図示しない制御装置から駆動信号を与えるようにしてある。正極性通電期間中は半導体スイッチ９にその期間中継続して駆動信号を与え、半導体スイッチ４ａ、５ｂと半導体スイッチ４ｂ、５ａに交互に駆動信号を与えるようにしてあり、これは前記図１に示す構成のものと同様である。この間、電流検出信号と設定された正極性側の基準信号とを比較し、正極性の電流が設定された電流になるように半導体スイッチ４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂに与える駆動信号の幅をパルス幅制御するようにしてあることも同様である。

負極性通電期間中は半導体スイッチ１５と半導体スイッチ１３にその期間中継続して駆動信号を与え、半導体スイッチ４ｃ、５ｂと半導体スイッチ４ｂ、５ｃに交互に駆動信号を与えるようにしてある。また、負極性通電期間開始時には半導体スイッチ１０ａ、１０ｂに負極性の負荷電流が立ち上がるまでの間駆動信号を与えるようにしてある。負極性の負荷電流が立ち上がった後は負極性の電流が設定された電流になるように半導体スイッチ４ｃ、５ｂと半導体スイッチ４ｂ、５ｃに与える駆動信号の幅をパルス幅制御するようにしてある。負極性通電期間終了時は半導体スイッチ１５と半導体スイッチ４ｂ、４ｃ、５ｂ、５ｃ及び半導体スイッチ１３に駆動信号を与えるのを止め、電流検出信号を監視して負荷電流が零になったとき半導体スイッチ９及び半導体スイッチ４ａ、５ｂと半導体スイッチ４ｂ、５ａに交互に駆動信号を与え、正極性通電期間に移行するようにしてある。

以下このように構成された高速反転パルス電源装置の動作について説明する。図４は２個の正極性のパルスが出力される間に１個の負極性のパルスが出力されるときの要部の波形を示すもので、Ａは半導体スイッチ９の駆動信号、Ｂは半導体スイッチ１５の駆動信号、Ｃは半導体スイッチ４ａと５ｂの駆動信号、Ｄは半導体スイッチ４ｂと５ａの駆動信号、Ｋは半導体スイッチ４ｃと５ｂの駆動信号、Ｌは半導体スイッチ４ｂと５ｃの駆動信号、Ｅ、Ｆはそれぞれ半導体スイッチ１０ａ、１０ｂの駆動信号、Ｇは半導体スイッチ１３の駆動信号であり、Ｈは出力電圧、Ｊは出力電流である。

図４のｔ１の時点以前の左側部分は正極性通電期間であり、半導体スイッチ９、半導体スイッチ４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂには前記図１に示す構成のものと同様に駆動信号が与えられ、出力端子８ａ側がプラス、出力端子８ｂ側がマイナスの電圧が出力される。図４のｔ１の時点を過ぎると半導体スイッチ９、半導体スイッチ４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂに駆動信号が与えられなくなり、半導体スイッチ１５に駆動信号が与えられ、半導体スイッチ４ｃ、５ｂと半導体スイッチ４ｂ、５ｃに交互に駆動信号が与えられて負極性通電期間となる。これにより半導体スイッチ４ｃ、５ｂと半導体スイッチ４ｂ、５ｃが交互にオンとなり、変圧器１６の一次コイルには交流電流が流れ、変圧器１６の二次コイルに誘起した交流電力はダイオード１７ａ、１７ｂにより整流される。

また、半導体スイッチ１３に駆動信号が与えられ、半導体スイッチ１０ａ、１０ｂにも同時に駆動信号が与えられるのでパルス変圧器１４ａ、１４ｂの一次コイルに同時に電圧が加えられ、パルス変圧器１４ａ、１４ｂの二次コイルには同時に電圧が誘起する。出力端子８ａ、８ｂには半導体スイッチ１５を通してパルス変圧器１４ａ、１４ｂの二次コイルに誘起した電圧とダイオード１７ａ、１７ｂにより整流された電圧とを合計した電圧が出力され、その高い電圧により負荷電流は短時間の内に立ち上がることになる。出力される電圧は出力端子８ａ側がマイナス、出力端子８ｂ側がプラスであるので負極性の通電となる。

電流が立ち上がると半導体スイッチ１０ａ、１０ｂには駆動信号が与えられなくなり、半導体スイッチ１０ａ、１０ｂと半導体スイッチ１３を通ってパルス変圧器１４ａ、１４ｂの一次コイルに流れていた電流は半導体スイッチ１３とダイオード１２ａ、１２ｂを通って流れる。半導体スイッチ４ｃ、５ｂと半導体スイッチ４ｂ、５ｃには引き続き駆動信号が交互に与えられ、半導体スイッチ４ｂ、４ｃ、５ｂ、５ｃ等で構成されるＤＣ−ＤＣコンバータが動作し、負極性の電流が設定された電流になるように半導体スイッチ４ｃ、５ｂを駆動する駆動信号の幅がパルス幅制御される。これにより、出力端子８ａ、８ｂにはＤＣ−ＤＣコンバータの電圧だけが出力される。

この負極性通電期間中、パルス変圧器１４ａ、１４ｂの鉄心が飽和にまで到ることはないこと、パルス変圧器１４ａ、１４ｂにこの間の励磁電流により磁気エネルギーが蓄積されることは前記図１に示す構成のものと同様である。所定の負極性通電期間を経過してｔ２の時点に至ると、半導体スイッチ１５には引き続き駆動信号が与えられるが半導体スイッチ４ｃ、５ｂと半導体スイッチ４ｂ、５ｃには駆動信号が与えられなくなる。これにより半導体スイッチ４ｂ、４ｃ、５ｂ、５ｃ等で構成されるＤＣ−ＤＣコンバータは動作しなくなり、ＤＣ−ＤＣコンバータの電圧は出力されなくなる。

また、半導体スイッチ１３にも駆動信号が与えられなくなり、パルス変圧器１４ａ、１４ｂの一次コイルに流れていた電流はダイオード１２ａ、１２ｂとダイオード１１を通してコンデンサ２に流れ込む。これにより、図１に示す構成のものと同様にパルス変圧器１４ａ、１４ｂの鉄心の磁束がリセットされ、パルス変圧器１４ａ、１４ｂの二次コイルに逆極性の電圧が誘起して負荷に加わる。負荷電流は二次コイルに誘起された電圧の合計の逆極性の高い電圧により短時間の内に減衰するが、負荷電流が零になるとダイオード１７ａ、１７ｂに阻止されるので逆方向の電流すなわち正極性の電流が流れることはない。ｔ３の時点で負荷電流が零になると半導体スイッチ１５に駆動信号が与えられなくなり、半導体スイッチ９、半導体スイッチ４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂに駆動信号が与えられる。このようにして再度正極性通電期間となり、以後同様に正極性通電と負極性通電が繰り返される。

以上説明したように、前記の各実施の形態のものによれば、正極性通電期間では半導体スイッチ４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ等で構成されるＤＣ−ＤＣコンバータから正極性の電流が供給され、その正極性電流が一定に制御される。正極性通電期間から負極性通電期間に切り替わる際には、パルス変圧器１４ａ、１４ｂの二次電圧の合計、あるいはパルス変圧器１４ａ、１４ｂの二次電圧と半導体スイッチ４ｂ、４ｃ、５ｂ、５ｃ等で構成されるＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧との合計の高い電圧が負荷に加わるので負極性の負荷電流が早く立ち上がることになり、その後負極性電流は一定に制御される。また、負極性通電期間から正極性通電期間に切り替わる際には、パルス変圧器１４ａ、１４ｂの二次側に誘起される電圧の合計の高い逆電圧が負荷に加わるので負極性の負荷電流が短時間の内に減衰し、正極性の電流に移行することになる。

これにより、極性の切り替わり時間が短く、正極性通電期間中及び負極性通電期間中の電流の変動が少ない良好な反転パルス波形が出力されることになる。
なお、前記実施の形態のものではパルス変圧器１４ａ、１４ｂ、半導体スイッチ１０ａ、１０ｂをそれぞれ２個としているが、これを３個以上としてもよく、半導体スイッチ９、１５はいずれも出力端子８ａ側に接続しているが、半導体スイッチ９は変圧器６のセンタータップ側に接続してもよく、半導体スイッチ１５は出力端子８ｂ側あるいは直列に接続されているパルス変圧器１４ａ、１４ｂの二次コイル等のいずれの接続点に接続してもよいことは言うまでもない。

請求項１の発明の構成を示す主回路の結線図である。 動作時の要部の波形図である。 請求項２の発明の構成を示す主回路の結線図である。 動作時の要部の波形図である。

符号の説明

１ 整流器
２ コンデンサ
３ 交流入力端子
４ａ、４ｂ、４ｃ、５ａ、５ｂ、５ｃ 半導体スイッチ
６ 変圧器
７ａ、７ｂ ダイオード
８ａ、８ｂ 出力端子
９、１０ａ、１０ｂ 半導体スイッチ
１１、１２ａ、１２ｂ ダイオード
１３ 半導体スイッチ
１４ａ、１４ｂ パルス変圧器
１５ 半導体スイッチ
１６ 変圧器
１７ａ、１７ｂ ダイオード

Claims (4)

1. ＤＣ−ＤＣコンバータと該ＤＣ−ＤＣコンバータの出力を開閉する半導体スイッチとから構成した正極性電流供給用の電源と、パルス電力を通過させるに充分な電圧時間積を有する複数のパルス変圧器の一次コイルの一端をそれぞれ個別に第一の半導体スイッチを介して直流電源の一極に接続し、該パルス変圧器の一次コイルの他端は一括第二の半導体スイッチを介して直流電源の他極に接続し、各パルス変圧器の一次コイルと各第一の半導体スイッチの接続点と直流電源の他極との間にそれぞれ第一のダイオードを定常時電流の流れない極性として接続し、パルス変圧器の一次コイルと第二の半導体スイッチの接続点と直流電源の一極との間に第二のダイオードを定常時電流の流れない極性として接続し、前記各パルス変圧器の二次コイルを直列に接続して出力とし、パルス変圧器の二次コイルの直列回路と直列に出力を開閉する半導体スイッチを接続して構成した負極性電流供給用の電源とを設け、前記正極性電流供給用の電源の出力と負極性電流供給用の電源の出力とを極性を逆にして並列接続したことを特徴とする高速反転パルス電源装置。
2. 負極性通電期間中第二の半導体スイッチを継続してオンにするとともに負極性通電の開始時には複数の第一の半導体スイッチを同時にオンにし、負極性の負荷電流が立ち上がった後においては負荷電流が一定になるように第一の半導体スイッチを順次オン、オフする駆動信号を生成する制御手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の高速反転パルス電源装置。
3. 正極性電流供給用の電源を構成するＤＣ−ＤＣコンバータとは別に第二のＤＣ−ＤＣコンバータを設け、該第二のＤＣ−ＤＣコンバータの出力を請求項１に記載の高速反転パルス電源装置のパルス変圧器の二次コイルと直列に接続したことを特徴とする高速反転パルス電源装置。
4. 負極性通電期間中第二の半導体スイッチを継続してオンにするとともに負極性通電の開始時には複数の第一の半導体スイッチを同時にオンにし、負極性の負荷電流が立ち上がった後においては第一の半導体スイッチをオフにするとともに負荷電流が一定になるように第二のＤＣ−ＤＣコンバータを制御する制御手段を設けたことを特徴とする請求項３に記載の高速反転パルス電源装置。

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