KR20210100157A - 직류 펄스 전원 장치 - Google Patents

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Abstract

직류 펄스 전원 장치는, 직류 전원과, 직류 전원에 접속된 승압 초퍼 회로에 의해 펄스 출력을 발생하는 펄스부(20)와, 승압 초퍼 회로의 직류 리액터에 접속된 전압 중첩부(30A, 30B)를 구비한다. 전압 중첩부(30A, 30B)는 승압 초퍼 회로의 출력 전압에 중첩 전압분(Vc, VDCL2)을 중첩시킨다. 펄스부(20)는 전압 중첩부(30A, 30B)에 의해 중첩 전압분(Vc, VDCL2)이 중첩된 출력 전압(Vo)을 펄스 출력한다. 승압 초퍼 회로의 펄스 출력에 중첩 전압분을 중첩시키는 것에 의해, 승압 초퍼 회로의 펄스 출력의 출력 전압을 높인다.

Description

직류 펄스 전원 장치
본 발명은, 부하에 펄스 출력을 공급하는 직류 펄스 전원 장치에 관한 것이다.
직류 펄스 전원 장치가 출력하는 펄스 출력은, 직류 전압의 온 상태와 오프 상태를 수 ㎐ 내지 수백 ㎑에서 반복하는 고주파 출력이다.
직류 펄스 전원 장치는, 플라즈마 발생용 장치, 펄스 레이저 여기, 방전 가공기 등의 부하로 펄스 출력을 공급하는 전원 장치로서 이용된다. 직류 전원 장치를 플라즈마 발생용 장치에 이용하는 경우에는, 펄스 출력을 플라즈마 발생 챔버 내의 전극 사이에 공급하여, 전극 사이의 방전에 의한 플라즈마를 착화시키고, 발생된 플라즈마를 유지한다.
도 9의 (a)는 직류 펄스 전원 장치의 1구성예를 도시하고 있다. 직류 펄스 전원 장치에서는 펄스 파형을 발생하는 회로로서 승압 초퍼 회로를 구비하는 구성이 알려져 있다. 직류 펄스 전원 장치(100)는 직류 전원(110)과 승압 초퍼 회로(120)로 구성되고, 직류 전원(110)의 직류 전압을 승압 초퍼 회로(120)에 의해 승압시킨 펄스 출력을 부하(130)에 공급한다(특허문헌 1, 2).
도 9의 (b)는 승압 초퍼 회로의 구성예를 도시하고 있다(특허문헌 3). 승압 초퍼 회로(120)는, 직류 전원측과 부하측 사이에 인덕터(121)를 직렬 접속하고, 부하측에 대해 스위칭 소자(122)를 병렬 접속해서 구성되고, 스위칭 소자(122)의 온 기간과 오프 기간의 시간 폭의 듀티비에 따라 승압된 펄스 출력이 형성된다. 이 온/오프 동작에 있어서, 인덕터(121)의 직류 리액터에는 온 기간의 시간 폭에 따른 에너지가 축적되고, 축적 에너지에 따라 승압된 진폭의 펄스 출력이 형성된다.
펄스 출력은, 스위칭 소자의 온/오프 기간의 듀티비에 의해 승압되는 진폭이 정해지지만, 스위칭 소자(122)의 오프시에 발생하는 진동 등에 의해 설정된 진폭을 초과하는 경우가 있다.
리액터와 스위칭 소자의 직렬 회로로 이루어지는 승압 초퍼 회로에 있어서, 스위칭 소자(Q1)의 양단에 리액터(Lr)와 다이오드(D1)와 콘덴서(C1)의 직렬 회로를 접속하고, 리액터(Lr)의 양단에 액티브 클램프 회로를 구성하는 스위칭 소자(Q2)와 콘덴서(C2)의 직렬 회로를 접속하고, 액티브 클램프 회로에 의해 승압 초퍼 회로의 스위칭 소자(Q1)를 제로 전압 스위칭(ZVS)시키는 구성이 알려져 있다(특허문헌 4).
또, 특허문헌 4의 구성에 있어서, 스위칭 소자(Q1, Q2)에는, 출력 전압(Vo)에 액티브 클램프 회로의 콘덴서(C2)의 충전 전압이 가산된 전압이 인가된다. 이때, 인가 전압이 스위칭 소자(Q1, Q2)의 내압을 초과하지 않도록, 승압 초퍼 회로의 리액터를 자기 결합한 두 리액터(제1의 리액터(L1-1), 제2의 리액터(L1-2))로 구성하고, 제2의 리액터(L1-2)에 축적된 에너지에 의해 액티브 클램프 회로의 콘덴서(C2)를 방전시키는 구성이 기재되어 있다.
일본공개특허 특개평8－222258호 공보(도 1, 단락 0012) 일본공개특허 특개2006－6053호 공보(도 1) 일본공개특허 특개평1－252165호 공보(도 1) 일본공개특허 특개2012－178952호 공보(도 1, 도 9)
직류 펄스 전원 장치가 출력하는 펄스 출력을 플라즈마 발생 챔버 내의 전극 사이에 공급하여, 전극 사이의 방전에 의한 플라즈마를 착화시킬 때, 펄스 출력의 출력 전압은 높을수록, 착화성에 있어서 우위이다.
승압 초퍼 회로의 펄스 출력은, 스위칭 소자 온/오프 기간의 듀티비에 의해 승압되는 진폭이 정해지기 때문에, 펄스 출력의 출력 전압을 높이려면 듀티비를 높일 필요가 있고, 높은 듀티비로 하려면 오프 기간의 시간 폭을 짧게 할 필요가 있다.
또, 특허문헌 4의 구성의 액티브 클램프 회로를 이용한 구성에서는, 액티브 클램프 회로의 콘덴서의 충전 전압은 스위칭 소자측에 인가되고, 고전압의 출력 전압에는 기여하지 않기 때문에, 펄스 출력의 출력 전압을 높일 수는 없다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하여, 직류 펄스 전원 장치에 있어서, 승압 초퍼 회로의 펄스 출력의 출력 전압을 높이는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 직류 펄스 전원 장치는, 승압 초퍼 회로의 펄스 출력에 회생 전압 및/또는 리액터 전압을 중첩시키는 것에 의해, 승압 초퍼 회로의 펄스 출력의 출력 전압을 높인다.
본 발명의 직류 펄스 전원 장치는, 직류 전원과, 직류 전원에 접속된 승압 초퍼 회로에 의해 펄스 출력을 발생하는 펄스부와, 승압 초퍼 회로의 직류 리액터에 접속된 전압 중첩부를 구비한다. 전압 중첩부는 승압 초퍼 회로의 출력 전압에 중첩 전압분을 중첩시켜서 승전(昇電)시킨다. 펄스부는 전압 중첩부에 의해 중첩 전압분이 중첩된 출력 전압을 펄스 출력한다.
전압 중첩부는 복수의 형태를 구비한다. 제1 형태의 전압 중첩부는 회생 전압부이고, 제2 형태의 전압 중첩부는 리액터 전압부이다.
제1 형태의 전압 중첩부는 회생부를 이용하여 구성할 수가 있다. 회생부는, 승압 초퍼 회로의 출력 전압을 설정 전압으로 클램프하고, 승압 초퍼 회로의 직류 리액터에 클램프 전압의 회생 전압을 중첩 전압분으로서 중첩시킴과 함께, 설정 전압을 초과하는 전압을 직류 전원에 회생시킨다.
제2 형태의 리액터 전압부는, 승압 초퍼 회로를 구성하는 직류 리액터와 자기 결합에 의해 제2 직류 리액터에 유기(誘起)되는 유기 전압의 리액터 전압을 중첩 전압분으로서 중첩시킨다.
본 발명의 직류 전원 장치는, 전압 중첩부로서, 제1 형태의 회생 전압부를 구비한 구성, 제2 형태의 리액터 전압부를 구비한 구성, 및 제1 형태의 회생 전압부와 제2 형태의 리액터 전압부의 두 전압 중첩부를 구비한 제3 형태의 구성으로 할 수가 있다.
도 1은 본 발명의 직류 펄스 전원 장치가 구비하는 펄스부 및 전압 중첩부의 개략 구성을 설명하기 위한 도면이고, 도 1의 (a)는 전압 중첩부의 제1 형태로서 회생 전압부를 구비한 구성을 도시하고, 도 1의 (b)는 전압 중첩부의 제2 형태로서 리액터 전압부를 구비한 구성을 도시하고, 도 1의 (c)는 전압 중첩부의 제3 형태로서 회생 전압부와 리액터 전압부를 구비한 구성을 도시하고 있다.
제1 형태：
도 1의 (a)에 있어서, 펄스부(20)는 직류 리액터(21)와 스위칭 소자(22)의 직렬 회로로 이루어지는 승압 초퍼 회로를 구비하고, 제1 형태의 전압 중첩부로서 펄스부(20)의 펄스 출력의 출력 전압에 회생 전압을 중첩시키는 회생 전압부(30A)를 구비한다. 회생 전압부(30A)는 직류 리액터(21)의 양단 사이에 병렬 접속되고, 직류 리액터(21)의 리액터 전압(VDCL)을 캐패시터 전압(Vc)에 인가한다. 펄스부(20)의 펄스 출력의 출력 전압(Vo)은, 직류 전원의 직류 전압(VAB)에 캐패시터 전압(Vc)이 중첩된 (VAB＋Vc)로 된다.
회생 전압부(30A)는, 승압 초퍼 회로의 직류 리액터(21)의 양단 사이에 회생부를 병렬 접속하는 구성으로 할 수가 있다. 회생부는, 직류 리액터(21)의 리액터 전압 중, 설정 전압을 초과하는 전압분을 직류 전원에 회생시킨다. 회생부는 직류 리액터의 양단에 병렬 접속된 콘덴서의 충전 전압을 클램프 전압으로 하는 클램프 회로를 구성함과 함께, 클램프 전압을 초과하는 전압을 직류 전원에 회생시킨다. 회생 전압부(30A)는, 회생부의 클램프 전압인 설정 전압의 회생 전압을 중첩 전압분으로서 펄스 출력의 출력 전압에 중첩시킨다.
제1 형태에서는, 도 1의 (a)에 도시하는 바와 같이, 승압 초퍼 회로의 스위칭 소자(22)의 소스(S)측을 직류 리액터(21)의 부하측의 단부에 접속한다. 이 형태에서는, 직류 리액터(21)의 전 리액터 전압을 회생부(30)에 입력하고, 회생부(30)의 설정 전압과의 비교에 기초하여 회생 동작이 행해진다.
제2 형태：
도 1의 (b)에 있어서, 펄스부(20)는 직류 리액터(21a)와 스위칭 소자(22)의 직렬 회로로 이루어지는 승압 초퍼 회로를 구비하고, 펄스부(20)의 펄스 출력의 출력 전압에 리액터 전압을 중첩 전압분으로서 중첩시키는 제2 형태의 리액터 전압부(30B)를 구비한다.
리액터 전압부(30B)는, 직류 리액터(21a)와 자기 결합됨과 함께, 직류 리액터(21a)의 출력단측에 접속되는 제2 직류 리액터(21b)를 구비하고, 직류 리액터(21a)와의 자기 결합에 의해 제2 직류 리액터(21b)에 유기된 전압은 리액터 전압(VDCL2)을 중첩 전압분으로서 펄스 출력의 출력 전압에 인가된다. 펄스부(20)의 펄스 출력의 출력 전압(Vo)은, 직류 전원의 직류 전압(VAB)에 제1 직류 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터 전압(VDCL2)이 중첩된 (VAB＋VDCL1＋VDCL2)로 된다.
제2 형태에서는, 도 1의 (b)에 도시하는 바와 같이, 직류 리액터(21a)와 자기 결합된 제2 직류 리액터(21b)에 의해 직렬 회로가 구성되고, 승압 초퍼 회로의 스위칭 소자(22)의 소스(S)측을 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 직렬 회로의 탭에 접속한다.
제3 형태：
도 1의 (c)에 있어서, 펄스부(20)는 직류 리액터(21a)와 스위칭 소자(22)의 직렬 회로로 이루어지는 승압 초퍼 회로를 구비하고, 펄스부(20)의 펄스 출력의 출력 전압에 회생 전압을 중첩시키는 제1 형태의 회생 전압부(30A)와, 펄스부(20)의 펄스 출력의 출력 전압에 리액터 전압을 중첩시키는 제2 형태의 리액터 전압부(30B)를 구비한다.
회생 전압부(30A)는 직류 리액터(21a)의 양단 사이에 병렬 접속되고, 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)을 캐패시터 전압(Vc)에 인가한다. 리액터 전압부(30B)는, 직류 리액터(21a)와 자기 결합됨과 함께, 직류 리액터(21a)의 출력단측에 접속되는 제2 직류 리액터(21b)를 구비하고, 직류 리액터(21a)와의 자기 결합에 의해 제2 직류 리액터(21b)에서 유기된 리액터 전압(VDCL2)을 중첩 전압분으로서 펄스 출력의 출력 전압에 인가한다.
펄스부(20)의 펄스 출력의 출력 전압(Vo)은, 제1 형태의 회생 전압부(30A)에 의해 직류 전원의 직류 전압(VAB)에 캐패시터 전압(Vc)이 중첩되어 (VAB＋Vc)로 되고, 또한, 제2 형태의 리액터 전압부(30B)에 의해 직류 전원의 직류 전압(VAB)에 리액터 전압(VDCL2)이 중첩되어 (VAB＋Vc＋VDCL2)로 된다.
(펄스부)
펄스부(20)는, 직류 전원과 부하 사이에 직렬 접속된 직류 리액터(21a)와, 부하에 대해서 병렬 접속된 스위칭 소자(22)로 구성되는 승압 초퍼 회로를 구비한다. 전압 중첩부(30)를 구성하는 회생 전압부(30A)는, 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL)을 입력하고, 설정 전압인 회생 입력 전압(Vin)을 초과하는 과잉 전압분(VDCL－Vin)을 직류 전원에 회생시킨다. 회생 입력 전압(Vin)은 캐패시터 전압(Vc)에 상당한다. 또한, 도 1에서는 직류 전원측의 단자를 A, B로 표기하고 있다.
펄스부(20)에 있어서, 승압 초퍼 회로의 온 동작시에는 직류 리액터(21a)에 축적 에너지가 축적되고, 오프 동작시에 있어서 이 축적 에너지에 의해 직류 리액터(21a)에 리액터 전압이 발생한다. 리액터 전압은 승압 초퍼 회로의 온 동작과 오프 동작을 반복하는 것에 의해 승압된다.
(회생부)
회생 전압부(30A)는, 리액터 전압(VDCL)이 설정 전압을 초과하지 않는 경우에는 회생을 행하지 않고, 설정 전압을 초과한 경우에는 설정 전압을 초과한 전압분을 직류 전원에 회생시킨다. 이것에 의해, 승압 초퍼 회로의 승압은 설정 전압으로 클램프되어, 과잉 전압의 발생이 억제된다.
설정 전압은 회생 전압부(30A)의 회생 입력 전압(Vin)으로 정해지고, 직류 리액터(21)의 리액터 전압(VDCL)이 회생 전압부(30A)의 회생 입력 전압(Vin)을 초과하지 않는 경우에는 회생부(30)에 의한 회생은 행해지지 않고, 회생 전압부(30A)의 회생 입력 전압(Vin)을 초과한 경우에는, 초과한 전압분(VDCL－Vin)에 대해서 직류 전원측으로 회생된다. 회생 동작을 규정하는 설정 전압인 회생 전압부(30A)의 회생 입력 전압(Vin)은, 직류 전원의 직류 전압(VAB), 및 회생 전압부(30A)의 회로 구성에 기초하여 설정할 수가 있다.
회생 전압부(30A)의 1구성예는, 펄스부(20)의 리액터 전압에 대해서 병렬 접속되는 캐패시터와, 캐패시터 양단의 캐패시터 전압을 직교 변환하는 인버터 회로와, 인버터 회로의 교류 전압을 변압하는 변압기와, 변압기의 교류 전압을 정류하는 정류기를 구비하고, 정류기의 출력단은 직류 전원에 접속된다.
변압기의 변압비는, 캐패시터의 양단 전압과 직류 전원의 전압의 전압비를 정한다. 회생 전압부(30A)의 캐패시터 전압은 직류 전원의 전압과 변압기의 변압비에 의해서 정해지기 때문에, 회생 전압부(30A)는 이 캐패시터 전압을 회생 입력 전압(Vin)의 설정 전압으로 해서 회생 동작의 개시 및 정지의 동작을 행한다. 설정 전압은 직류 전원의 전압 및 변압기의 변압비에 의존하기 때문에, 변압기의 변압비를 바꾸는 것에 의해 설정 전압을 변경할 수가 있다. 설정 전압을 변경하는 것에 의해, 승압 초퍼 회로에 있어서의 클램프 전압을 변경함과 함께, 회생 동작의 동작 전압을 변경할 수가 있다.
캐패시터 전압의 설정은, 회생 전압부(30A)가 구비하는 변압기의 변압비를 변경하는 것 외에도, 인버터 회로의 출력을 제어함으로써 행할 수가 있다. 인버터 회로의 출력 제어로서, 예를 들면 PWM 제어나 위상 시프트 제어가 있지만, 인버터 회로의 출력을 제어하는 방식이라면 이것에 한정되는 것은 아니다.
승압 초퍼 회로에 있어서, 직류 리액터(21a)는, 직류 전원과 승압 초퍼 회로의 스위칭 소자(22)의 소스(S)측 사이에 접속된다. 승압 초퍼 회로의 스위칭 소자(22)의 소스(S)측은, 직류 리액터(21a)의 부하측의 단부, 또는 직류 리액터(21)의 탭에 접속된다.
(직류 리액터의 형태)
직류 리액터(21a) 및 제2 직류 리액터(21b)는, 코일을 단권(單卷)한 형태, 또는 복권(複卷)한 형태로 할 수가 있다. 단권에 의한 형태에서는, 자기 결합되는 두 직류 리액터를 무탭(탭 없는) 단권 변압기(autotransformer) 또는 유탭(탭 달린) 변압기로 구성할 수가 있다. 복권에 의한 형태에서는, 자기 결합되는 두 직류 리액터를 복권 변압기(multi-winding transformer)로 구성할 수가 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 직류 펄스 전원 장치에 있어서, 승압 초퍼 회로의 펄스 출력의 출력 전압을 높일 수가 있다.
도 1은, 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 승압 초퍼 회로 및 전압 중첩부(회생 전압부, 리액터 전압부)의 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는, 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제1의 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은, 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제1의 구성예의 전압 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는, 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 펄스 출력시의 출력 전압(Vo)을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는, 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 회생부의 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은, 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제2의 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은, 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제3의 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은, 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제4의 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는, 종래의 직류 펄스 전원 장치, 승압 초퍼 회로의 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 직류 펄스 전원 장치는, 승압 초퍼 회로의 펄스 출력에 회생 전압 및/또는 리액터 전압을 승압하기 위한 전압으로서 중첩시키는 것에 의해, 승압 초퍼 회로의 펄스 출력의 출력 전압을 높인다.
본 발명의 직류 펄스 전원 장치에 대해서, 제1의 구성예 내지 제4의 구성예를 도 2 내지 도 8을 이용하여 설명한다.
제1의 구성예는 승압 초퍼 회로의 직류 리액터의 양단에 회생 전압부를 접속하는 구성이고, 제2의 구성예는 승압 초퍼 회로의 직류 리액터에 자기 결합된 제2 직류 리액터를 리액터 전압부로 하는 구성이고, 제3, 제4의 구성예는 승압 초퍼 회로의 직류 리액터의 양단에 접속된 회생 전압부와, 승압 초퍼 회로의 직류 리액터에 자기 결합된 제2 직류 리액터로 이루어지는 리액터 전압부를 구비한 구성이다. 제2, 제3의 구성예는 자기 결합되는 두 직류 리액터를 유탭 단권 변압기로 하는 구성이고, 제4의 구성예는 자기 결합되는 두 직류 리액터를 복권 변압기로 하는 구성이다. 또, 회생시키는 리액터 전압에 대해서, 제1 내지 제4의 구성예는 직류 전원의 저전압측의 전압을 기준 전압으로 하고 있다.
[직류 펄스 전원 장치의 제1의 구성예]
본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제1의 구성예, 및 전압 상태를 도 2, 및 도 3, 도 4를 이용하여 설명한다.
본 발명의 직류 펄스 전원 장치는, 직류 전원부(DC부)(10)와, 직류 전원부(10)에 접속된 승압 초퍼 회로에 의해 발생된 펄스 출력을 부하(4)에 공급하는 펄스부(20A)와, 펄스부(20A)에서 발생하는 과잉 전압 상승분을 직류 전원부(10)측에 회생시키는 회생부(40)와, 직류 전원부(10), 펄스부(20A), 및 회생부(40)를 제어하는 제어 회로부(50)를 구비하고, 출력 케이블(3)을 거쳐 부하(4)에 펄스 출력을 공급한다. 도 2에서는, 부하(4)로서 플라즈마 발생 장치의 예를 도시하고 있지만, 부하(4)는 플라즈마 발생 장치에 한하지 않고, 펄스 레이저 여기, 방전 가공기 등에 적용해도 된다. 제1의 구성예의 직류 펄스 전원 장치(1)가 구비하는 회생부(40)는 회생 전압부(30A)를 구성함과 함께, 펄스부(20A)의 과잉 전압 상승분을 직류 전원부(10)측에 회생시킨다.
(직류 전원부)
직류 전원부(DC부)(10)는, 교류 전원(2)의 교류 전압을 직류 전압으로 정류하는 정류기(11)와, 정류시에 과도적으로 발생하는 스파이크형의 고전압을 흡수해서 억제하는 스너버 회로(12)와, 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 단상 인버터 회로(13)와, 단상 인버터 회로(13)의 교류 전압을 소정의 전압값으로 전압 변환하는 단상 변압기(14)와, 단상 변압기(14)에서 전압 변환된 교류 전압을 직류 전압으로 정류하는 정류기(15)와, 양단 전압을 직류 전원부의 직류 전압으로 하는 캐패시터(16)(CF)를 구비한다. 캐패시터(16)의 일단은 접지되고, 타단에 마이너스(負) 전압의 저전압이 형성된다. 또한, 도 2에 도시하는 구성에서는, 부하(4)로서 플라즈마 발생 장치의 용량 부하의 예를 도시하고 있다. 여기에서는, 플라즈마 발생 장치의 일단을 접지해서 마이너스 전압을 공급하고 있기 때문에, 직류 전원부(10)는 마이너스 전압의 펄스 출력을 발생하는 구성을 도시하고 있다.
단상 인버터 회로(13)는, 제어 회로부(50)로부터의 제어 신호에 의해 스위칭 동작을 행해서, 직류 전압을 소정의 주파수의 교류 전압으로 변환한다. 직류 전원부(10)를 구성하는, 정류기(11, 15), 스너버 회로(12), 단상 인버터 회로(13), 단상 변압기(14)의 각 회로 요소는 통상 알려진 임의의 회로 구성으로 할 수가 있다.
(펄스부)
펄스부(20A)는 승압 초퍼 회로에 의해 직류 전압으로부터 펄스 파형을 생성한다. 승압 초퍼 회로는, 직류 전원측과 부하측 사이에 직렬 접속된 직류 리액터(21A)와, 부하측에 대해 병렬 접속된 스위칭 소자(Q1)(22)와, 스위칭 소자(22)의 온/오프 동작을 구동하는 구동 회로(23)를 구비한다. 직류 리액터(21A)는 무탭 단권 변압기로 이루어지는 직류 리액터(21a)로 구성된다. 펄스부(20A)의 직류 전원측은, 접지된 단자 B와 저전압측으로서 마이너스 전압의 단자 A를 구비한다. 도시하는 스위칭 소자(22)는 FET의 예를 나타내고, 소스(S)측을 저전압측에, 드레인(D)측을 접지 전압측에 접속하고, 게이트(G)측에는 구동 회로(23)로부터의 구동 신호가 입력된다.
제어 회로부(50)는, 승압 초퍼 회로를 동작시키기 위해, 목표의 펄스 출력에 대응해서 스위칭 소자(22)의 온 기간과 오프 기간의 시간 폭 내지는 듀티비를 정하는 신호를 생성함과 함께, 직류 전원부(10)의 출력단의 전압, 및 전류에 기초하여 제어 신호를 생성한다.
구동 회로(23)는, 제어 회로부(50)의 제어 신호에 기초하여 스위칭 소자(22)의 게이트(G)에 구동 신호를 출력하고, 스위칭 소자(22)의 온/오프 동작을 행하게 한다.
스위칭 소자(22)의 소스(S)측은 직류 리액터(21a)의 부하측에 접속되고, 스위칭 소자(22)의 드레인(D)측은 접지된다. 스위칭 소자(22)가 온 상태일 때는, 직류 리액터(21a)의 부하측은 접지되고, 단자 B로부터 온 상태에 있는 스위칭 소자(22), 및 직류 리액터(21a)를 거쳐 단자 A로 전류가 흐른다. 이때, 직류 리액터(21a)에는 전자기 에너지가 축적된다. 다음에, 스위칭 소자(22)가 온 상태로부터 오프 상태로 전환되면, 직류 리액터(21a)에 축적된 축적 에너지에 의해 직류 리액터(21a)에는 리액터 전압(VDCL)이 발생한다. 승압 초퍼 회로는, 스위칭 소자(22)의 온 동작과 오프 동작을 반복하는 것에 의해 온/오프 기간의 시간 폭의 듀티비에 따라 출력 전압(Vo)을 상승시킨다.
(회생부)
본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제1의 구성예는, 전압 중첩부(30)로서 회생 전압부(30A)를 구비한다. 도 2는 회생 전압부(30A)로서 회생부(40)를 구비하는 구성예에 대해서 도시한다.
회생부(40)는 승압 초퍼 회로의 직류 리액터의 리액터 전압 중, 설정 전압을 초과하는 전압분을 직류 전원에 회생시킨다. 회생부(40)는, 다이오드(41), 캐패시터(42)(C1), 인버터 회로(43), 변압기(44), 정류기(45)를 구비한다.
캐패시터(42)(C1)의 일단은 직류 리액터(21a)의 부하측 단부에 접속되고, 타단은 다이오드(41)를 거쳐 직류 리액터(21a)의 직류 전원측 단부에 접속되고, 직류 리액터(21a)에 발생하는 리액터 전압이 인가된다. 캐패시터(42)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)은, 직류 전원의 직류 전압(VAB) 및 변압기의 변압비에 기초하여 정해지고, 변압기(44)의 변압비가 (n2：n1)인 경우에는 VC1=(n2/n1)×VAB의 설정 전압으로 된다. 다이오드(41)는 펄스부(20A)로부터 회생부(40)의 캐패시터(42)(C1)로 향하는 방향을 순방향으로 해서 접속되고, 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL)이 캐패시터(42)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 초과한 경우에, 리액터 전압(VDCL)이 캐패시터(42)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 초과한 전압분에 대해서 회생부(40)에 의해 회생이 행해진다.
따라서, 회생부(40)는 캐패시터(42)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 문턱값으로 해서 회생 동작을 행함과 함께, 펄스 출력시에는 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)을 캐패시터 전압(VC1)에 인가하는 정전압원으로서 작용한다.
펄스 출력의 출력 전압(Vo)은 직류 전원의 직류 전압(VAB)에 캐패시터 전압(VC1)이 중첩된 (VAB＋VC1)로 된다. 또한, 캐패시터 전압(VC1)은 도 1의 회생 입력 전압(Vin)에 대응하는 전압이다.
캐패시터 전압(VC1)은 (n2/n1)×VAB로 설정되기 때문에, 펄스 출력의 출력 전압(Vo)은 직류 전원의 직류 전압(VAB)에 (n2/n1)×VAB가 중첩된 (VAB＋(n2/n1)×VAB)로 된다. 캐패시터 전압(VC1)의 (n2/n1)×VAB는 변압기(44)의 변압비(n2：n1)를 변경하는 것에 의해 전압값을 변경할 수 있고, 펄스 출력의 출력 전압(Vo)은 변압기(44)의 변압비(n2：n1)를 변경하는 것에 의해 높일 수가 있다.
캐패시터 전압(VC1)의 설정은, 회생부(40)가 구비하는 변압기(44)의 변압비를 변경하는 것 외에도, 인버터 회로(43)의 출력을 제어함으로써 행할 수가 있다. 인버터 회로(43)의 출력 제어로서, 예를 들면 PWM 제어나 위상 시프트 제어가 있지만, 인버터 회로의 출력을 제어하는 방식이라면 이것에 한정되는 것은 아니다.
또, 도 2에 도시하는 회로 구성에서는, 회생부(40)는, 일단이 펄스부(20A)의 저전압측 입력단에 접속된 구성이고, 저전압측의 전압(마이너스 전압)을 기준으로 해서 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL)을 회생 입력 전압(Vin)으로 해서 회생을 행한다.
인버터 회로(43)는 캐패시터(42)측의 직류 전압과 변압기(44)측의 교류 전압 사이에서 직교 변환을 행하고, 캐패시터(42)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 직류 전원의 직류 전압(VAB)에 기초하여 일정 전압으로 유지함과 함께, 리액터 전압(VDCL)이 캐패시터(42)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 초과한 경우에는 그 초과한 전압분을 교류로 변환해서 직류 전원측에 회생시킨다. 캐패시터 전압(VC1)은 일정 전압으로 유지된다는 점에서, 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL)은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프된다. 인버터 회로(43)는, 예를 들면, 스위칭 소자의 브리지 회로로 구성할 수가 있다. 스위칭 소자의 개폐 동작은 제어 회로부(50)로부터의 제어 신호(α)에 의해 제어된다.
변압기(44)는, 직류 전원부(10)의 직류 전압(VAB)과 캐패시터(42)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)의 전압 비율을 변압비에 기초하여 변조한다. 변압기(44)의 변압비가 (n2：n1)인 경우에는, 직류 전압(VAB)과 캐패시터 전압(VC1) 사이의 전압 관계는, VC1=(n2/n1)×VAB로 표시된다.
정류기(45)는 변압기(44)측의 교류 전압을 직류 전원부(10)측의 직류 전압으로 정류한다. 정류기(45)의 직류측 단자는 직류 전원부(10)의 단자 A, B에 접속되고, 회생시에는 회생된 전력을 직류 전원부(10)에 회생시키고, 회생을 행하지 않는 동안에는 캐패시터(42)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 직류 전압(VAB)에 기초한 전압으로 유지한다.
또한, 회생부(40)의 구성은 직류 리액터(21a)의 양단 전압을 소정 전압으로 클램프해서 정전압(定電壓)을 출력하는 기능, 및 소정 전압을 초과하는 전력분을 직류 전원측에 회생시키는 기능을 구비하는 구성이라면, 상기한 구성에 한정되는 것은 아니다.
(직류 펄스 전원 장치의 전압 상태)
직류 펄스 전원 장치의 전압 상태에 대해서 도 3 및 도 4를 이용하여 설명한다. 도 3에 있어서, 도 3의 (a)는 스위칭 소자(22)의 온 상태(on)와 오프 상태(off)를 도시하고, 도 3의 (b)는 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL)을 도시하고, 도 3의 (c)는 스위칭 소자(22)의 드레인-소스 전압(VDS)을 도시하고, 도 3의 (d)는 출력 전압(Vo)을 도시하고 있다.
이하, 도면중의 S1 내지 S14는, 각 단계의 온 상태 및 오프 상태를 나타내고 있다. S1, S3, …, S13의 홀수 번호를 붙인 상태는 스위칭 소자(22)가 온 상태(on)인 것을 나타내고, S2, S4, …, S14의 짝수 번호를 붙인 상태는 스위칭 소자(22)가 오프 상태(off)인 것을 나타내고 있다.
(ⅰ) 온 상태(S1, S3, …, S13)：　
스위칭 소자(22)는 온 상태에 있고(도 3의 (a)), 직류 리액터(21a)의 마이너스측의 단자는 접지되기 때문에, 스위칭 소자(22)의 드레인-소스 전압(VDS)의 전압은 0으로 되고(도 3의 (c)), 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL)은 직류 전원의 직류 전압(VAB)으로 된다(도 3의 (c)). 출력 전압(Vo)에는, 드레인-소스 전압(VDS)에 대응하는 전압분이 나타난다(도 3의 (d)).
(ⅱ) 오프 상태(S2, S4, …, S14)：
오프 상태에 대해서는, 리액터 전압(VDCL)이 회생 동작의 문턱값인 캐패시터 전압(VC1)에 도달하기 전의 상태(S2, S4, S6)와, 캐패시터 전압(VC1)에 도달한 후의 상태(S8, S10, S12, S14)에 대해서 설명한다.
(ⅱ-1) S2, S4, S6의 상태：
스위칭 소자(22)는 오프 상태에 있고(도 3의 (a)), 직류 리액터(21a)에는 축적된 축적 에너지의 방출에 의한 리액터 전압(VDCL)이 발생한다. 리액터 전압(VDCL)의 전압값은, 온 상태로부터 오프 상태로 전환될 때마다 상승한다. 이 전압 상승에 있어서, 리액터 전압(VDCL)은 회생부의 캐패시터 전압(VC1)에 도달해 있지 않기 때문에, 회생은 행해지지 않는다. 또한, 도 3에서는 마이너스측의 전압값이 증가하는 상태를 도시하고 있다(도 3의 (b)).
스위칭 소자(22)의 드레인-소스 전압(VDS)의 전압은, 리액터 전압(VDCL)에 따른 전압으로 되어 점차 증가하지만, 회생부의 캐패시터 전압(VC1)에 도달해 있지 않다. 또한, 도 3에서는 마이너스측의 전압값이 증가하는 상태를 도시하고 있다(도 3의 (c)). 출력 전압(Vo)에는, 직류 전원의 직류 전압(VAB)에 리액터 전압(VDCL)이 중첩된 전압분이 출력된다(도 3의 (d)).
(ⅱ-2) S8, S10, S12, S14의 상태：
S2, S4, S6의 상태와 마찬가지로, 스위칭 소자(22)는 오프 상태에 있고(도 3의 (a)), 직류 리액터(21a)에는 축적된 축적 에너지의 방출에 의한 리액터 전압(VDCL)이 발생한다. S8, S10, S12, S14의 상태에서는, 리액터 전압(VDCL)의 전압값이 캐패시터 전압(VC1)에 도달하기 때문에, 리액터 전압(VDCL)의 전압값은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프되어, 더 이상의 전압 상승은 억제된다. 도 3의 (b)에 있어서, 실선으로 도시한 리액터 전압(VDCL)은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프된 상태를 나타내고, 파선으로 도시한 리액터 전압(VDCL)은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프되어 있지 않은 경우를 비교예로서 나타내고 있다.
스위칭 소자(22)의 드레인-소스 전압(VDS)의 전압은 리액터 전압(VDCL)에 따른 전압으로 되고, 회생부의 캐패시터 전압(VC1)의 전압으로 유지된다. 도 3의 (d)에 있어서, 실선으로 도시한 드레인-소스 전압(VDS)은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프된 상태를 나타내고, 파선으로 도시한 드레인-소스 전압(VDS)은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프되어 있지 않은 경우를 비교예로서 나타내고 있다. 또한, 도 3에서는 마이너스측의 전압값이 증가하는 상태를 도시하고 있다(도 3의 (c)).
출력 전압(Vo)에는, 직류 전원의 직류 전압(VAB)에 리액터 전압(VDCL)이 더해진 전압분이 출력된다. 리액터 전압(VDCL)이 클램프되기 때문에, 출력 전압(Vo)은 일정 전압으로 유지된다(도 3의 (d)).
도 4의 (a)는, 제1의 구성예에 있어서 회생 상태에서의 출력 전압(Vo)을 도시하고 있다. 직류 펄스 전원 장치는, 승압 초퍼 회로의 전환 주기를 펄스 주기 T로 해서 출력 전압(Vo)의 펄스 출력을 출력한다. 펄스 출력은, 펄스 주기 T 내에 스위칭 소자가 온 상태로 되는 온 기간(Ton)과, 스위칭 소자가 오프 상태로 되는 오프 기간(Toff)을 가진다. 온 기간(Ton)의 출력 전압(Vo)은 드레인-소스 전압(VDS)에 대응하는 전압값이다.
한편, 오프 기간(Toff)의 출력 전압(Vo)은, 직류 전원의 직류 전압(VAB)에 리액터 전압(VDCL)이 중첩된 (VAB＋VDCL)로 되지만, 리액터 전압(VDCL)은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프되기 때문에 (VAB＋VC1)로 된다. 직류 전압(VAB) 및 캐패시터 전압(VC1)은 일정 전압이기 때문에, 펄스 출력의 출력 전압(Vo)은 일정 전압으로 유지된다.
(회생부의 구성예)
도 5를 이용하여 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 회생부가 구비하는 인버터 회로의 회로 구성예를 설명한다.
회생부(30)는, 캐패시터(42)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)의 직류 전압을 직교 변환해서 얻어진 교류 전압을 변압기(44)에 출력하는 인버터 회로(43)를 포함하고 있다. 인버터 회로(43)는, 스위칭 소자(QR1 내지 QR4)로 이루어지는 브리지 회로(43a)와, 제어 신호(α)에 기초하여 스위칭 소자(QR1 내지 QR4)를 구동하는 구동 신호를 생성하는 구동 회로(43b)를 구비한다. 또한, 여기에서는, 브리지 회로(43a)로서 풀 브리지 회로의 예를 도시하고 있지만, 하프 브리지 회로나 다상 인버터 회로를 이용해도 된다.
[직류 펄스 전원 장치의 제2의 구성]
본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제2의 구성은, 직류 전원부(DC부)(10)와, 직류 전원부(10)에 접속된 승압 초퍼 회로에 의해 발생된 펄스 출력을 부하(4)에 공급하는 펄스부(20B)와, 펄스부(20B) 내에 마련된 리액터 전압부(30B)와, 직류 전원부(10), 및 펄스부(20B)를 제어하는 제어 회로부(50)를 구비하고, 출력 케이블(3)을 거쳐 부하(4)에 펄스 출력을 공급한다.
도 6을 이용하여 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제2의 구성예에 대해서 설명한다. 제2의 구성예는, 회생 전압부(30A) 대신에 리액터 전압부(30B)를 구비하는 구성의 점에서 제1의 구성예와 상위하고, 그밖의 구성은 제1의 구성예와 마찬가지이다. 이하, 제1의 구성예와 상위한 구성에 대해서 설명하고, 그밖의 공통된 구성의 설명은 생략한다.
제1의 구성예의 승압 초퍼 회로가 구비하는 직류 리액터(21A)를 구성하는 직류 리액터(21a)는 무탭 단권 변압기로 구성된다. 이에 반해서, 제2의 구성예의 직류 리액터(21B)는, 직류 리액터(21a)와 자기 결합된 제2 직류 리액터(21b)를 구비하고, 제1의 구성예의 승압 초퍼 회로의 무탭 단권 변압기 대신에 유탭 단권 변압기로 구성된다. 유탭 단권 변압기에 의한 직류 리액터(21B)는, 자기 결합된 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)를 직류 접속한 구성이다. 직류 리액터(21a)의 일단은 직류 전원의 저전압측의 단자 A에 접속되고, 제2 직류 리액터(21b)의 일단은 부하측에 접속되고, 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 접속점은 스위칭 소자(22)의 소스(S)단에 접속된다.
스위칭 소자(22)가 온 상태일 때는, 직류 리액터(21B)의 탭점은 접지되고, 단자 B로부터 온 상태에 있는 스위칭 소자(22), 및 직류 리액터(21B)의 제1 직류 리액터(21a)를 거쳐 단자 A로 전류가 흐른다. 이때, 제1 직류 리액터(21a)에 전자기 에너지가 축적된다.
다음에, 스위칭 소자(22)가 온 상태로부터 오프 상태로 전환되면, 직류 리액터(21B)의 직류 리액터(21a)에 축적된 축적 에너지에 의해 흐르는 리액터 전류(iL)에 의해서 직류 리액터(21a)에는 리액터 전압(VDCL1)이 발생하고, 제2 직류 리액터(21b)에는 리액터 전압(VDCL2)이 발생한다. 승압 초퍼 회로는, 스위칭 소자(22)의 온 동작과 오프 동작을 반복하는 것에 의해, 제1의 구성예와 마찬가지로 출력 전압(Vo)을 상승시킨다.
직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)의 전압비는, 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 인덕턴스비의 비율에 대응한 값으로 된다. 직류 리액터(21B)의 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 단권 코일의 권수비(卷數比)를 n1p：n2p로 한 경우에는, 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)의 전압비(VDCL1/VDCL2)는 권수비 (n1p/n2p)로 된다.
출력 전압(Vo)은, 직류 전원의 직류 전압(VAB)에 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)이 중첩된 전압(Vo=VAB＋VDCL1＋VDCL2)으로 된다. 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)은, 자기 결합된 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 권수비(n1p/n2p)로 정해지고, VDCL2=VDCL1×(n2p/n1p)로 표시된다.
따라서, 출력 전압(Vo)은,
Vo=VAB＋VDCL1＋VDCL2
　=VAB＋VDCL1＋VDCL1×(n2p/n1p)
　=VAB＋(1＋(n2p/n1p))×VDCL1
로 되기 때문에, 권수비(n2p/n1p)에 의해 펄스 출력의 출력 전압을 높일 수가 있다.
도 4의 (b)는, 제2의 구성예에 있어서 출력 전압(Vo)을 도시하고 있다. 직류 펄스 전원 장치는, 승압 초퍼 회로의 전환 주기를 펄스 주기 T로 해서 출력 전압(Vo)의 펄스 출력을 출력한다. 펄스 출력은, 펄스 주기 T 내에 스위칭 소자가 온 상태로 되는 온 기간(Ton)과, 스위칭 소자가 오프 상태로 되는 오프 기간(Toff)을 가진다. 온 기간(Ton)의 출력 전압(Vo)은 리액터 전압(VDCL2)에 대응하는 전압값이다.
한편, 오프 기간(Toff)의 출력 전압(Vo)은, 직류 전원의 직류 전압(VAB)에 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)이 중첩된 (VAB＋VDCL1＋VDCL2)로 된다.
[직류 펄스 전원 장치의 제3의 구성]
본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제3의 구성은, 직류 전원부(DC부)(10)와, 직류 전원부(10)에 접속된 승압 초퍼 회로에 의해 발생된 펄스 출력을 부하(4)에 공급하는 펄스부(20B)와, 직류 리액터에 중첩 전압분을 인가하는 회생 전압부(30A)와, 펄스부(20B) 내에 마련된 리액터 전압부(30B)와, 직류 전원부(10) 및 펄스부(20B)를 제어하는 제어 회로부(50)를 구비하고, 출력 케이블(3)을 거쳐 부하(4)에 펄스 출력을 공급한다.
도 7을 이용하여 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제3의 구성예에 대해서 설명한다. 제3의 구성예는, 회생 전압부(30A)와 리액터 전압부(30B)를 구비하는 구성의 점에서 제1 및 제2의 구성예와 상위하고, 그밖의 구성은 제1 및 제2의 구성예와 마찬가지이다. 이하, 회생 전압부(30A) 및 리액터 전압부(30B)에 대해서 설명하고, 그밖의 공통된 구성의 설명은 생략한다. 제3의 구성예는 전압 중첩부로서 회생 전압부(30A)와 리액터 전압부(30B)를 구비한다.
(회생 전압부(30A))
회생 전압부(30A)는, 제1의 구성예와 마찬가지로 회생부에 의해 구성된다. 도 7의 구성예는 회생 전압부(30A)로서 회생부(40)를 구비하는 구성예를 도시하고 있다.
회생부(40)는, 승압 초퍼 회로의 직류 리액터의 리액터 전압 중, 설정 전압을 초과하는 전압분을 직류 전원에 회생시킴과 함께, 펄스 출력시에 있어서 설정 전압을 직류 리액터(21a)에 대한 리액터 전압(VDCL1)을 캐패시터 전압(VC1)에 인가하는 회생 전압부(30A)로서 기능한다. 회생부(40)는, 다이오드(41), 캐패시터(42)(C1), 인버터 회로(43), 변압기(44), 정류기(45)를 구비한다.
캐패시터(42)(C1)의 일단은 직류 리액터(21a)의 부하측 단부에 접속되고, 타단은 다이오드(41)를 거쳐 직류 리액터(21a)의 직류 전원측 단부에 접속되고, 직류 리액터(21a)에 발생하는 리액터 전압이 인가된다. 캐패시터(42)(C1)의 전압(VC1)은, 직류 전원의 직류 전압(VAB) 및 변압기의 변압비에 기초하여 정해지고, 변압기(44)의 변압비가 (n2：n1)인 경우에는 VC1=(n2/n1)×VAB의 설정 전압으로 된다. 다이오드(41)는 펄스부(20A)로부터 회생부(40)의 캐패시터(42)(C1)로 향하는 방향을 순방향으로 해서 접속되고, 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL)이 캐패시터(42)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 초과한 경우에, 리액터 전압(VDCL)이 캐패시터(42)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 초과한 전압분에 대해서 회생부(40)에 의해 회생이 행해진다.
따라서, 회생부(40)는 캐패시터(42)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 문턱값으로 해서 회생 동작을 행함과 함께, 펄스 출력시에는 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)을 캐패시터 전압(VC1)에 인가하는 정전압원으로서 작용한다. 펄스 출력의 출력 전압(Vo)은 직류 전원의 직류 전압(VAB)에 캐패시터 전압(VC1)과 직류 리액터 전압(VDCL2)이 중첩된 (VAB＋VC1＋VDCL2)로 된다. 또한, 캐패시터 전압(VC1)은 도 1의 회생 입력 전압(Vin)에 대응하는 전압이다.
캐패시터 전압(VC1)은 (n2/n1)×VAB로 설정되기 때문에, 펄스 출력의 출력 전압(Vo)은 직류 전원의 직류 전압(VAB)에 (n2/n1)×AB가 중첩된 (VAB＋(n2/n1)×VAB)로 된다. 전압 (n2/n1)×VAB는 변압기(44)의 변압비(n2：n1)를 변경하는 것에 의해 전압값을 변경할 수 있고, 펄스 출력의 출력 전압(Vo)은 변압기(44)의 변압비(n2：n1)를 변경하는 것에 의해 높일 수가 있다.
(리액터 전압부(30B))
리액터 전압부(30B)는, 제2의 구성예와 마찬가지 구성이고, 유탭 단권 변압기에 의해 구성된다.
리액터 전압부(30B)는, 직류 리액터(21a)와 자기 결합된 제2 직류 리액터(21b)를 구비한 직류 리액터(21C)에 의해 구성되고, 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)는 유탭 단권 변압기로 구성된다. 유탭 단권 변압기에 의한 직류 리액터(21C)는, 자기 결합된 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)를 직류 접속한 구성이다. 직류 리액터(21a)의 일단은 직류 전원의 저전압측의 단자 A에 접속되고, 제2 직류 리액터(21b)의 일단은 부하측에 접속되고, 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 접속점은 스위칭 소자(22)의 소스(S)단에 접속된다.
스위칭 소자(22)가 온 상태일 때는, 직류 리액터(21C)의 탭점은 접지되고, 단자 B로부터 온 상태에 있는 스위칭 소자(22), 및 직류 리액터(21B)의 직류 리액터(21a)를 거쳐 단자 A로 전류가 흐른다. 이때, 직류 리액터(21a)에 전자기 에너지가 축적된다.
스위칭 소자(22)가 온 상태로부터 오프 상태로 전환되면, 직류 리액터(21C)의 직류 리액터(21a)에 축적된 축적 에너지에 의해 흐르는 리액터 전류(iL)에 의해서 직류 리액터(21a)에는 리액터 전압(VDCL1)이 발생하고, 제2 직류 리액터(21b)에는 리액터 전압(VDCL2)이 발생한다. 승압 초퍼 회로는, 스위칭 소자(22)의 온 동작과 오프 동작을 반복하는 것에 의해, 출력 전압(Vo)을 상승시킨다.
직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)의 전압비는, 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 인덕턴스비의 비율에 대응한 값으로 된다. 직류 리액터(21C)의 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 유탭 단권 변압기의 권수비를 n1p：n2p로 한 경우에는, 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)의 전압비(VDCL1/VDCL2)는 권수비(n2p/n1p)로 된다.
출력 전압(Vo)은, 회생 전압부(30A)에 의한 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과, 리액터 전압부(30B)에 의한 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)이 직류 전압(VAB)에 중첩된 전압(Vo=VAB＋VDCL1＋VDCL2)으로 된다.
직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)은, 회생 전압부(30A)에 의해 캐패시터 전압(VC1)의 일정 전압으로 클램프되고, 회생 전압부(30A)가 회생부로 구성된 경우에는, 캐패시터 전압(VC1)은 변압기의 변압비에 기초하여 VC1=(n2/n1)×VAB로 설정되고, 또, 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)은, 자기 결합된 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 권수비(n2p/n1p)에 기초하여 정해지고, VDCL2=VDCL1×(n2p/n1p)로 표시된다.
따라서, 회생 전압부(30A)와 리액터 전압부(30B)에 의해, 출력 전압(Vo)은,　Vo=VAB＋VDCL1＋VDCL2
=VAB＋VC1＋VC1×(n2p/n1p)
=VAB＋(1＋(n2p/n1p))×VC1
=VAB＋(1＋(n2p/n1p))×(n2/n1)×VAB
=VAB[1＋{1＋(n2p/n1p)}×(n2/n1)}]
로 된다.
승압 초퍼 회로는, 듀티비 Duty로 스위칭 소자 온/오프 동작시키는 것에 의해 직류 전원의 직류 전압(VAB)을 승압해서 (VAB/(1－Duty))의 전압값의 펄스 출력을 생성한다. 상기 출력 전압(Vo)은, 승압 초퍼 회로의 펄스 출력 전압(VAB/(1－Duty))와 회생부의 콘덴서(C1)의 캐패시터 전압(VC1)의 관계에 의해 이하의 두 출력 상태로 된다.
(1) 승압 초퍼 회로의 전압(VAB/(1－Duty))이 회생부의 콘덴서(C1)의 캐패시터 전압(VC1)보다도 큰 경우：
이 전압 상태는, VAB/(1－Duty)≥VC1(=(n2/n1)×VAB)인 경우에 해당하고, 이때의 출력 전압(Vo)은,
Vo=VAB＋VC1＋VDCL2=VAB＋VC1＋(n2p/n1p)×VC1
에 의해 표시된다.
이 경우에는, 캐패시터 전압(VC1)은 VC1=(n2/n1)×VAB로 표시되기 때문에, 변압기의 변압비(n2/n1)에 의한 전압 상승과, 직류 리액터(DCL)의 권수비(n2p/n1p)에 의한 전압 상승의 두 가지에 의해 출력 전압(Vo)을 상승시킬 수가 있다.
(2) 승압 초퍼 회로의 전압(VAB/(1－Duty))가 회생부의 콘덴서(C1)의 캐패시터 전압(VC1)에 도달해 있지 않는 경우：
이 전압 상태는, VAB/(1－Duty)＜VC1(=(n2/n1)×VAB)의 경우에 해당하고, 이때의 출력 전압(Vo)은,
Vo=VAB/(1－Duty)＋(n2p/n1p)×Duty×VAB/(1－Duty)
에 의해 표시된다.
이 경우에는, 직류 리액터(DCL)의 권수비(n2p/n1p)에 의한 전압 상승에 의해 출력 전압(Vo)을 상승시킬 수가 있다.
이것에 의해, 펄스 출력의 출력 전압(Vo)은, 회생부의 변압기의 변압비(n2/n1), 및 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 권수비(n2p/n1p)에 의해 펄스 출력의 출력 전압을 높일 수가 있다.
도 4의 (c)는, 제3의 구성예에 있어서 회생 상태에서의 출력 전압(Vo)을 도시하고 있다. 직류 펄스 전원 장치는, 승압 초퍼 회로의 전환 주기를 펄스 주기 T로 해서 출력 전압(Vo)의 펄스 출력을 출력한다. 펄스 출력은, 펄스 주기 T 내에 스위칭 소자가 온 상태로 되는 온 기간(Ton)과, 스위칭 소자가 오프 상태로 되는 오프 기간(Toff)을 가진다. 온 기간(Ton)의 출력 전압(Vo)은 리액터 전압(VDCL2)에 대응하는 전압값이다.
한편, 오프 기간(Toff)의 출력 전압(Vo)은, 직류 전원의 직류 전압(VAB)에 캐패시터 전압(VC1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)이 중첩된 (VAB＋VC1＋VDCL2)로 된다.
[직류 펄스 전원 장치의 제4의 구성]
본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제4의 구성은, 제3의 구성과 마찬가지로, 직류 전원부(DC부)(10)와, 직류 전원부(10)에 접속된 승압 초퍼 회로에 의해 펄스 출력을 발생하여, 부하(4)에 공급하는 펄스부(20C)와, 직류 전원부(10), 펄스부(20C), 및 회생부(40)를 제어하는 제어 회로부(50)를 구비하고, 전압 중첩부로서 회생 전압부(30A) 및 리액터 전압부(30B)를 구비하고, 출력 케이블(3)을 거쳐 부하(4)에 펄스 출력을 공급한다.
도 8을 이용하여 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제4의 구성예에 대해서 설명한다. 제4의 구성예는, 리액터 전압부(30B)의 구성에 있어서 제3의 구성예와 상위하고, 그밖의 구성은 제1, 제2의 구성예와 마찬가지이다. 이하, 제3의 구성예와 상위한 구성에 대해서 설명하고, 그밖의 공통된 구성의 설명은 생략한다.
제3의 구성예의 리액터 전압부(30B)를 구성하는 직류 리액터(21C)는 유탭 단권 변압기로 구성된다. 이에 반해서, 제4의 구성예의 리액터 전압부(30B)를 구성하는 직류 리액터(21D)는, 제3의 구성예의 승압 초퍼 회로의 유탭 단권 변압기 대신에 복권 변압기로 구성된다.
복권 변압기에 의한 직류 리액터(21D)는, 자기 결합된 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)를 병렬 접속하는 구성이다. 직류 리액터(21a)의 일단은 직류 전원의 저전압측의 단자 A에 접속되고, 타단은 스위칭 소자(22)의 소스(S)단에 접속된다. 제2 직류 리액터(21b)의 일단은 직류 전원의 저전압측의 단자 A에 접속되고, 타단은 부하측에 접속된다.
스위칭 소자(22)가 온 상태일 때는, 직류 리액터(21D)의 직류 리액터(21a)의 스위칭 소자(22)측의 단부는 접지되고, 단자 B로부터 온 상태에 있는 스위칭 소자(22), 및 직류 리액터(21a)를 거쳐 단자 A로 전류가 흐른다. 이때, 직류 리액터(21a)에 전자기 에너지가 축적된다.
다음에, 스위칭 소자(22)가 온 상태로부터 오프 상태로 전환되면, 직류 리액터(21D)의 직류 리액터(21a)에 축적된 축적 에너지에 의해 흐르는 리액터 전류(iL)에 의해서 직류 리액터(21a)에는 리액터 전압(VDCL1)이 발생하고, 제2 직류 리액터(21b)에는 직류 리액터(21a)와의 자기 결합에 의해 리액터 전압(VDCL2)이 발생한다. 승압 초퍼 회로는, 스위칭 소자(22)의 온 동작과 오프 동작을 반복하는 것에 의해, 제1, 제2의 구성예와 마찬가지로 출력 전압(Vo)을 상승시킨다.
직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)의 전압비는, 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 인덕턴스비의 비율에 대응한 값으로 된다. 직류 리액터(21D)의 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 복권 코일의 권수비를 (n1p:n2p)로 한 경우에는, 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)의 전압비(VDCL1/VDCL2)는 권수비(n1p/n2p)로 된다.
출력 전압(Vo)에는, 직류 전원의 직류 전압(VAB)에 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)이 중첩된 전압(Vo=VAB＋VDCL2)이 출력되고, 펄스 출력의 출력 전압(Vo)은, 제2의 구성예와 마찬가지로,
Vo=VAB＋VDCL2
　=VAB＋VC1×(n2p/n1p)
　=VAB＋(n2p/n1p)×VC1
　=VAB＋(n2p/n1p)×(n2/n1)×VAB
　=VAB{1＋(n2p/n1p)}×(n2/n1)｝
로 표시된다.
또한, 상기 실시의 형태 및 변형예에 있어서의 기술은, 본 발명에 관계된 직류 펄스 전원 장치의 일례이고, 본 발명은 각 실시의 형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 취지에 기초하여 갖가지로 변형하는 것이 가능하고, 이들을 본 발명의 범위로부터 배제하는 것은 아니다.
산업상의 이용 가능성
본 발명의 직류 펄스 전원 장치는, 플라즈마 발생 장치에 전력을 공급하는 전력원으로서 적용하는 것 외에도, 펄스 레이저 여기, 방전 가공기 등의 부하에 펄스 출력을 공급하는 전원 장치로서 이용할 수가 있다.
1: 직류 펄스 전원 장치
2: 교류 전원
3: 출력 케이블
4: 부하
10: 직류 전원부
11: 정류기
12: 스너버 회로
13: 단상 인버터 회로
14: 단상 변압기
15: 정류기
16: 캐패시터
20, 20A, 20B, 20C, 20D: 펄스부
21, 21A, 21B, 21C, 21D, 21a: 직류 리액터
21b: 제2 직류 리액터
22: 스위칭 소자　
30: 전압 중첩부
30A: 회생 전압부
30B: 리액터 전압부
40: 회생부
41: 다이오드
42: 캐패시터
43: 인버터 회로
43a: 브리지 회로
43b: 구동 회로
44: 변압기
45: 정류기
50: 제어 회로부
100: 직류 펄스 전원 장치
110: 직류 전원
120: 승압 초퍼 회로
121: 인덕터
122: 스위칭 소자
123: 다이오드
124: 저항
QR1 내지 QR4: 스위칭 소자

Claims (8)

  1. 직류 전원과, 상기 직류 전원에 접속된 승압 초퍼 회로에 의해 펄스 출력을 발생하는 펄스부를 구비한 직류 펄스 전원 장치로서,
    상기 승압 초퍼 회로의 직류 리액터에 접속된 전압 중첩부를 구비하고, 상기 전압 중첩부는 펄스 출력에 중첩 전압분을 중첩시키는 것을 특징으로 하는 직류 펄스 전원 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압 중첩부는,
    상기 승압 초퍼 회로의 직류 리액터의 양단 사이에 접속되고,
    상기 직류 리액터의 리액터 전압 중, 설정 전압을 초과하는 전압분을 상기 직류 전원에 회생시키는 회생부에 의해 구성되는 회생 전압부이고,
    상기 중첩 전압분은, 상기 회생부의 설정 전압인 것을 특징으로 하는, 직류 펄스 전원 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 회생부는,
    상기 펄스부의 리액터 전압에 대해서 병렬 접속된 캐패시터와,
    상기 캐패시터의 캐패시터 전압을 직교 변환하는 인버터 회로와,
    상기 인버터 회로의 교류 전압을 변압하는 변압기와,
    상기 변압기의 교류 전압을 정류하는 정류기를 구비하고,
    상기 설정 전압을 상기 캐패시터의 양단 전압으로 하고, 그 양단 전압을 초과하는 전압분을 상기 직류 전원에 회생시키고,
    상기 변압기의 변압비에 의해 상기 중첩 전압분을 가변으로 하는 것을 특징으로 하는, 직류 펄스 전원 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 직류 리액터는, 자기 결합된 제2 직류 리액터를 구비하고,
    상기 전압 중첩부는, 상기 제2 직류 리액터에 의해 구성되는 리액터 전압부이고,
    상기 중첩 전압분은, 제2 직류 리액터의 전압인 것을 특징으로 하는, 직류 펄스 전원 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 직류 리액터의 일단은 상기 직류 전원의 출력단에 접속되고,
    상기 제2 직류 리액터의 일단은 상기 펄스부의 출력단에 접속되고,
    직류 리액터와 제2 직류 리액터의 접속점은, 상기 승압 초퍼 회로의 스위칭 소자의 소스측에 접속되고,
    직류 리액터와 제2 직류 리액터의 권수비에 의해 상기 중첩 전압분을 가변으로 하는 것을 특징으로 하는, 직류 펄스 전원 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전압 중첩부는,
    상기 승압 초퍼 회로의 직류 리액터의 양단 사이에 접속되고, 직류 리액터의 리액터 전압 중, 설정 전압을 초과하는 전압분을 상기 직류 전원에 회생시키는 회생부로 이루어지는 회생 전압부와,
    상기 직류 리액터에 자기 결합된 제2 직류 리액터로 이루어지는 리액터 전압부를 구비하고,
    상기 중첩 전압분은, 상기 회생 전압부가 구비하는 회생부의 설정 전압, 및 리액터 전압부가 구비하는 제2 직류 리액터의 전압인 것을 특징으로 하는, 직류 펄스 전원 장치.
  7. 제2항, 제3항, 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회생부는, 일단이 상기 펄스부의 저전압측의 입력단에 접속되고, 상기 저전압측의 전압을 기준으로 하는 직류 리액터의 리액터 전압을 회생 입력 전압으로 하는 것을 특징으로 하는, 직류 펄스 전원 장치.
  8. 제4항, 제5항, 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 직류 리액터 및 제2 직류 리액터는, 유탭 단권 변압기, 또는 복권 변압기로 구성되는 것을 특징으로 하는, 직류 펄스 전원 장치.
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