KR20210100676A - 직류 펄스 전원 장치 - Google Patents

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이쯔오 유즈리하라
도시유키 아다치
도모히로 요네야마
고이치 미야자키
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가부시끼가이샤교산세이사꾸쇼
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Abstract

직류 펄스 전원 장치(1)는, 직류 전원(10)과, 직류 전원에 접속된 승압 초퍼 회로에 의해 펄스 출력을 발생하는 펄스부(20A)와, 회생부(30)를 구비하고, 회생부는 승압 초퍼 회로의 직류 리액터(21A)의 리액터 전압(VDCL) 중, 설정 전압을 초과하는 전압분을 직류 전원에 회생시킨다. 이것에 의해, 승압 초퍼 회로의 전압을 소정 전압으로 클램프해서 과잉 전압 상승을 억제하고, 직류 전원에 회생시키는 것에 의해, 저항에 의한 에너지 소비를 해소해서 부하로의 전력 공급의 효율을 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 부하에 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 10의 (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 10의 (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.
도 10의 (b)에 도시하는 승압 초퍼 회로에서는, 전원과 같은 극성의 다이오드(123)와 저항(124)의 직렬 회로를 인덕터(121)에 병렬 접속하고, 인덕터(121)에 축적된 에너지에 의한 역전압을 저항(124)에서 소비시키는 것에 의해 펄스 출력의 전압을 클램프하여, 과잉 전압 상승을 억제하고 있다.
일본공개특허 특개평8－222258호 공보(도 1, 단락 0012) 일본공개특허 특개2006－6053호 공보(도 1) 일본공개특허 특개평1－252165호 공보(도 1)
특허문헌 3에서 제안되는 승압 초퍼 회로는, 직류 리액터의 축적 에너지를 병렬 접속한 저항에 의해 소비시키는 것에 의해 과잉 전압 상승을 억제하고 있다. 그 때문에, 직류 전원으로부터 부하에 공급되어야 할 전력의 일부가 저항에 의해서 열에너지로서 소비되게 되어, 전력의 공급 효율이 저하한다고 하는 과제가 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하여, 직류 펄스 전원 장치에 있어서, 승압 초퍼 회로의 과잉 전압 상승을 억제함과 함께, 전력 공급을 고효율화하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 직류 펄스 전원 장치는, 승압 초퍼 회로의 직류 리액터의 리액터 전압을 직류 전원에 회생시킨다.
이것에 의해,
(1) 승압 초퍼 회로의 전압을 소정 전압으로 클램프해서 과잉 전압 상승을 억제하고,
(2) 직류 전원에 회생시키는 것에 의해, 저항에 의한 에너지 소비를 해소해서 부하로의 전력 공급의 효율을 높인다.
본 발명의 직류 펄스 전원 장치는, 직류 전원과, 직류 전원에 접속된 승압 초퍼 회로에 의해 펄스 출력을 발생하는 펄스부와, 과잉 전압분을 직류 전원에 회생시키는 회생부를 구비한다. 회생부는 승압 초퍼 회로의 직류 리액터의 리액터 전압 중, 설정 전압을 초과하는 전압분을 직류 전원에 회생시킨다. 도 1의 (a), (b)는 본 발명의 직류 펄스 전원 장치가 구비하는 펄스부 및 회생부의 개략 구성을 설명하기 위한 도면이다.
(펄스부)
펄스부(20)는, 직류 전원과 부하 사이에 직렬 접속된 직류 리액터(21)와, 부하에 대해서 병렬 접속된 스위칭 소자(22)로 구성되는 승압 초퍼 회로를 구비한다. 회생부(30)는, 직류 리액터(21)의 리액터 전압(VDCL)을 입력하고, 설정 전압인 회생 입력 전압(Vin)을 초과하는 과잉 전압분(VDCL－Vin)을 직류 전원에 회생시킨다. 또한, 도 1에서는 직류 전원측의 단자를 A, B로 표기하고, 저전압측을 단자 A로 하고 고전압측을 단자 B로 하는 예를 도시하고 있다. 또, 도 1의 (a)는 승압 초퍼 회로의 직류 리액터를 무탭(탭 없는) 단권 변압기(autotransformer)로 구성한 예를 도시하고, 도 1의 (b)는 승압 초퍼 회로의 직류 리액터를 유탭(탭 달린) 단권 변압기로 구성한 예를 도시하고 있다.
펄스부(20)에 있어서, 승압 초퍼 회로의 온 동작시에는 직류 리액터(21)에 축적 에너지가 축적되고, 오프 동작시에 있어서 이 축적 에너지에 의해 직류 리액터(21)에 리액터 전압이 발생한다. 리액터 전압은 승압 초퍼 회로의 온 동작과 오프 동작을 반복하는 것에 의해 승압된다.
(회생부)
회생부(30)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 회생부(30)의 회생 입력 전압(Vin)으로 정해지고, 직류 리액터(21)의 리액터 전압(VDCL)이 회생부(30)의 회생 입력 전압(Vin)을 초과하지 않는 경우에는 회생부(30)에 의한 회생은 행해지지 않고, 회생부(30)의 회생 입력 전압(Vin)을 초과한 경우에는, 초과한 전압분(VDCL－Vin)에 대해서 회생부(30)에 의해 직류 전원측으로 회생된다. 회생 동작을 규정하는 설정 전압인 회생부(30)의 회생 입력 전압(Vin)은, 직류 전원의 직류 전압(VAB), 및 회생부에 기초하여 설정할 수가 있다.
회생부(30)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. 회생부(30)의 캐패시터 전압은 직류 전원의 전압과 변압기의 변압비에 의해서 정해지기 때문에, 회생부(30)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.
승압 초퍼 회로에 있어서, 직류 리액터(21)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(21)의 부하측의 단부, 또는 직류 리액터(21)의 탭에 접속된다. 도 1의 (a)는 무탭 단권 변압기의 부하측의 단부에 스위칭 소자(22)의 소스(S)측을 접속하는 구성을 도시하고, 도 1의 (b)는 유탭 단권 변압기의 탭에 스위칭 소자(22)의 소스(S)측을 접속하는 구성을 도시하고 있다.
(회생부와 직류 리액터의 접속 형태)
회생부와 펄스부의 직류 리액터의 접속은 복수의 형태로 할 수가 있다. 제1 형태는 무탭 단권 변압기를 직류 리액터로서 이용하고, 회생부의 한쪽 단자를 직류 리액터(21)의 부하측에 접속하고, 다른 쪽 단자를 직류 전원측에 접속하는 형태(도 1의 (a)에 도시하는 구성예)이다. 제2 형태는 유탭 단권 변압기를 직류 리액터로서 이용하고, 회생부의 한쪽 단자를 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 접속점(C)에 접속하고, 다른 쪽 단자를 직류 전원측에 접속하는 형태(도 1의 (b)에 도시하는 구성예)이다.
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 형태에서는, 도 1의 (b)에 도시하는 바와 같이, 직류 리액터(21)는 자기 결합된 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 직렬 회로로 구성되고, 승압 초퍼 회로의 스위칭 소자(22)의 소스(S)측을 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 직렬 회로의 탭에 접속한다. 이 형태에서는, 직류 리액터(21)의 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압을 회생부(30)에 입력하고, 회생부(30)의 설정 전압과의 비교에 기초하여 회생 동작이 행해진다.
도 1의 (b)에 도시하는 구성의 승압 초퍼 회로에서는, 직류 리액터(21)는, 자기 결합된 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)로 이루어지고, 제1 직류 리액터(21a)의 일단은 직류 전원의 입력단에 접속되고, 제2 직류 리액터(21b)의 일단은 펄스부(20)의 출력단에 접속된다. 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 접속점(C)은, 승압 초퍼 회로의 스위칭 소자(22)의 소스(S)측에 접속된다. 회생부(30)에는, 제1 직류 리액터(21a)의 양단 전압이 리액터 전압으로서 입력된다.
(직류 리액터의 형태)
본 발명의 직류 리액터는, 직류 리액터를 펄스부의 저전압측에 마련하는 제1 형태 및 펄스부의 고전압측에 마련하는 제2 형태로 할 수가 있다. 제1 형태 및 제2 형태는, 어느 것이나, 직류 리액터의 고전압측을 회생부의 고전압측에 접속하고, 직류 리액터의 저전압측을 회생부의 저전압측에 접속한다. 직류 리액터(21)의 리액터 전압은, 직류 전원의 저전압측의 전압을 기준으로 하는 회생 입력 전압으로서 회생부에 입력된다. 덧붙이면, 도 1의 (a), (b)는 직류 리액터를 펄스부의 저전압측에 마련하는 제1 형태를 도시하고 있다.
직류 리액터(21)는, 무탭 단권 변압기의 형태, 또는 자기 결합되는 두 직류 리액터를 유탭 단권(單卷) 변압기 또는 복권(複卷) 변압기로 구성할 수가 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 직류 펄스 전원 장치에 있어서, 승압 초퍼 회로의 과잉 전압 상승을 억제함과 함께, 전력 공급을 고효율화할 수가 있다.
도 1은, 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 승압 초퍼 회로의 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 회생 상태에서의 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, 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제5의 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은, 종래의 직류 펄스 전원 장치, 승압 초퍼 회로의 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 직류 펄스 전원 장치는, 승압 초퍼 회로의 직류 리액터의 리액터 전압을 직류 전원에 회생시키는 것에 의해, (1) 승압 초퍼 회로의 전압의 클램프 및 과잉 전압 상승의 억제, 그리고 (2) 과잉 전압 상승분의 직류 전원으로의 회생에 의한 전력 공급의 고효율화를 도모한다.
본 발명의 직류 펄스 전원 장치에 대해서, 제1의 구성예 내지 제5의 구성예를 도 2 내지 도 9를 이용하여 설명한다.
제1의 구성예는 승압 초퍼 회로의 직류 리액터의 양단의 리액터 전압을 회생시키는 구성이고, 제2 내지 제5의 구성예는 승압 초퍼 회로의 자기 결합되는 두 직류 리액터의 한쪽 직류 리액터의 리액터 전압을 회생시키는 구성이고, 제2, 제5의 구성예는 자기 결합되는 두 직류 리액터를 유탭 단권 변압기로 하는 구성이고, 제3, 제4의 구성예는 자기 결합되는 두 직류 리액터를 복권 변압기로 하는 구성이다.
또, 회생하는 리액터 전압에 대해서, 제1 내지 제5의 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(30)와, 직류 전원부(10), 펄스부(20A), 및 회생부(30)를 제어하는 제어 회로부(40)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.
(직류 전원부)
직류 전원부(DC부)(10)는, 교류 전원(2)의 교류 전압을 직류 전압으로 정류하는 정류기(11)와, 정류시에 과도적으로 발생되는 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)에 의해 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(40)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. 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(40)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(40)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)
회생부(30)는 승압 초퍼 회로의 직류 리액터의 리액터 전압 중, 설정 전압을 초과하는 전압분을 직류 전원에 회생시킨다. 회생부(30)는, 다이오드(31), 캐패시터(32)(C1), 인버터 회로(33), 변압기(34), 정류기(35)를 구비한다.
캐패시터(32)(C1)의 일단은 직류 리액터(21A)의 부하측 단부에 접속되고, 타단은 다이오드(31)를 거쳐 직류 리액터(21A)의 직류 전원측 단부에 접속되어, 직류 리액터(21A)에 발생하는 리액터 전압이 인가된다. 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)은, 직류 전원의 직류 전압(VAB) 및 변압기의 변압비에 기초하여 정해지고, 변압기(34)의 변압비가 (n2：n1)인 경우에는 VC1=(n2/n1)×VAB의 설정 전압으로 된다. 다이오드(31)는 펄스부(20A)로부터 회생부(30)의 캐패시터(32)(C1)로 향하는 방향을 순방향으로 해서 접속되고, 직류 리액터(21A)의 리액터 전압(VDCL)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 초과한 경우에, 리액터 전압(VDCL)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 초과한 전압분에 대해서 회생부(30)에 의한 회생이 행해진다. 따라서, 회생부(30)는 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 문턱값으로 해서 회생 동작을 행한다. 또한, 캐패시터 전압(VC1)은 도 1의 회생 입력 전압(Vin)에 대응하는 전압이다.
캐패시터 전압(VC1)을 정하는 방법으로서는, 변압기(34)의 변압비를 변경하는 것 외에도, 인버터 회로(33)의 출력을 제어하는 방식이 있다. 예를 들어, PWM 제어나 위상 시프트 제어 등이 있지만, 인버터 회로의 출력을 제어하는 방식이라면, 이것에 한정되는 것은 아니다.
또, 도 2에 도시하는 회로 구성에서는, 회생부(30)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(33)는 캐패시터(32)측의 직류 전압과 변압기(34)측의 교류 전압 사이에서 직교 변환을 행하고, 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 직류 전원의 직류 전압(VAB)에 기초하여 일정 전압으로 유지함과 함께, 리액터 전압(VDCL)이 캐패시터(32)(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(33)는, 예를 들면, 스위칭 소자의 브리지 회로로 구성할 수가 있다. 스위칭 소자의 개폐 동작은 제어 회로부(40)로부터의 제어 신호(α)에 의해 제어된다.
변압기(34)는, 직류 전원부(10)의 직류 전압(VAB)과 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)의 전압 비율을 변압비에 기초하여 변조한다. 변압기(34)의 변압비가 (n2：n1)인 경우에는, 직류 전압(VAB)과 캐패시터 전압(VC1) 사이의 전압 관계는, VC1=(n2/n1)×VAB로 표시된다.
정류기(35)는 변압기(34)측의 교류 전압을 직류 전원부(10)측의 직류 전압으로 정류한다. 정류기(35)의 직류측 단자는 직류 전원부(10)의 단자 A, B에 접속되고, 캐패시터 전압(VC1)이 직류 전압(VAB)에 기초한 전압을 초과하는 경우에만, 직류 전원부(10)에 전력을 회생시킨다.
또한, 회생부(30)의 구성은 직류 리액터(21A)의 양단 전압을 소정 전압으로 클램프하는 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)(Q1)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, 도면 중의 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 (b)). 출력 전압(Vo)은 0V로 된다(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 더해진 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 (c)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. 도 4의 (a)중의 파선 부분은 리액터 전압(VDCL)으로부터 클램프된 캐패시터 전압(VC1)을 뺀 억제 전압분(VDCL－VC1)을 표시하고 있다.
(회생부의 구성예)
도 5를 이용하여 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 회생부가 구비하는 인버터 회로의 회로 구성예를 설명한다.
회생부(30)는, 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)의 직류 전압을 직교 변환해서 얻어진 교류 전압을 변압기(34)에 출력하는 인버터 회로(33)를 포함하고 있다. 인버터 회로(33)는, 스위칭 소자(QR1 내지 QR4)로 이루어지는 브리지 회로(33a)와, 제어 신호(α)에 기초하여 스위칭 소자(QR1 내지 QR4)를 구동하는 구동 신호를 생성하는 구동 회로(33b)를 구비한다. 또한, 여기에서는, 브리지 회로(33a)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, 제1의 구성과 마찬가지로, 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)의 과잉 전압 상승분을 직류 전원부(10)측에 회생시키는 회생부(30)와, 직류 전원부(10), 펄스부(20B), 및 회생부(30)를 제어하는 제어 회로부(40)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, 펄스부(20)의 승압 초퍼 회로의 구성에 있어서 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)는 단일의 코일로 구성된다. 이에 반해서, 제2의 구성예의 직류 리액터(21B)는, 제1의 구성예의 승압 초퍼 회로의 단일 코일 대신에 유탭 단권 변압기로 구성된다. 유탭 단권 변압기에 의한 직류 리액터(21B)는, 자기 결합된 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)를 직렬 접속해서 구성할 수 있고, 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 접속점을 탭점으로 하고 있다. 제1 직류 리액터(21a)의 일단은 직류 전원의 저전압측의 단자 A에 접속되고, 제2 직류 리액터(21b)의 일단은 부하측에 접속되고, 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 접속점의 탭점은 스위칭 소자(22)의 소스(S)단에 접속된다.
스위칭 소자(22)가 온 상태일 때는, 직류 리액터(21B)의 접속점의 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 제1 직류 리액터(21a)에 축적된 축적 에너지에 의해 흐르는 리액터 전류(iL)에 의해서 제1 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.
제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)의 전압비는, 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 인덕턴스비의 비율에 대응한 값으로 된다. 직류 리액터(21B)의 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 유탭 단권 코일의 권수비(卷數比)를 n1p：n2p로 한 경우에는, 제1 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.
제2의 구성예의 회생부(30)는, 제1의 구성예의 직류 리액터(21A)의 리액터 전압(VDCL) 대신에 직류 리액터(21B)의 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)을 적용함으로써 마찬가지로 동작한다.
회생부(30)에 있어서, 캐패시터(32)(C1)의 일단은 직류 리액터(21B)의 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 접속점에 접속되고, 타단은 다이오드(31)를 거쳐 제1 직류 리액터(21a)의 직류 전원측 단부에 접속되어, 제1 직류 리액터(21a)에 발생하는 리액터 전압(VDCL1)이 인가된다. 캐패시터(32)(C1)의 전압(VC1)은, 직류 전원의 직류 전압(VAB) 및 변압기(34)의 변압비에 기초하여 정해지고, 변압기(34)의 변압비가 (n2：n1)인 경우에는 VC1=(n2/n1)×VAB의 설정 전압으로 된다. 다이오드(31)는 펄스부(20B)로부터 회생부(30)의 캐패시터(32)(C1)로 향하는 방향을 순방향으로 해서 접속되고, 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 초과한 경우에, 리액터 전압(VDCL1)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 초과한 전압분에 대해서 회생부(30)에 의한 회생이 행해진다. 따라서, 회생부(30)는 제1의 구성예와 마찬가지로 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 문턱값으로 해서 회생 동작을 행한다.
출력 전압(Vo)에는, 직류 전원의 직류 전압(VAB)에 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)이 중첩된 전압(Vo=VAB＋VDCL1＋VDCL2)이 출력된다. 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프되기 때문에, 출력 전압(Vo)은 Vo=VAB＋VC1＋VDCL2로 된다.
도 4의 (b)는, 제2의 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 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)이 중첩된 (VAB＋VDCL1＋VDCL2)로 되지만, 리액터 전압(VDCL1)은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프되기 때문에, 출력 전압(Vo)은 (VAB＋VC1＋VDCL2)로 된다. 직류 전압(VAB) 및 캐패시터 전압(VC1)은 일정 전압이기 때문에, 펄스 출력의 출력 전압(Vo)은 거의 일정 전압으로 유지된다.
도 4의 (b)중의 파선 부분은, 억제 전압분을 표시하고 있다. 회생에 의한 캐패시터 전압(VC1)의 클램프에 의해, 스위칭 소자의 소스단에 인가되는 전압은 VDCL1로부터 VC1로 되고, 이것에 의해 (VDCL1－VC1)의 전압이 억제된다. 또, 리액터 전압(VDCL1)이 억제된 것에 의해 제2 직류 리액터(21b)에서 발생하는 리액터 전압(VDCL2)도 마찬가지로 권선비(卷線比)에 따라 (VDCL1－VC1)×(n2p/n1p)가 억제된다. 그 때문에, 출력 전압의 클램프분은 (VDCL1－VC1)×(1＋n2p/n1p)로 된다.
[직류 펄스 전원 장치의 제3의 구성]
본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제3의 구성은, 제1, 제2의 구성과 마찬가지로, 직류 전원부(DC부)(10)와, 직류 전원부(10)에 접속된 승압 초퍼 회로에 의해 펄스 출력을 발생하고, 부하(4)에 공급하는 펄스부(20C)와, 펄스부(20C)의 과잉 전압 상승분을 직류 전원부(10)측에 회생시키는 회생부(30)와, 직류 전원부(10), 펄스부(20C), 및 회생부(30)를 제어하는 제어 회로부(40)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, 펄스부(20C)의 승압 초퍼 회로의 구성에 있어서 제1, 제2의 구성예와 상위하고, 그밖의 구성은 제1, 제2의 구성예와 마찬가지이다. 이하, 제1, 제2의 구성예와 상위한 구성에 대해서 설명하고, 그밖의 공통된 구성의 설명은 생략한다.
제2의 구성예의 승압 초퍼 회로가 구비하는 직류 리액터(21B)는 유탭 단권 변압기로 구성된다. 이에 반해서, 제3의 구성예의 직류 리액터(21C)는, 제2의 구성예의 승압 초퍼 회로의 유탭 단권 변압기 대신에 복권 변압기로 구성된다. 직류 리액터(21C)의 복권 변압기는 가극성(加極性)의 변압기의 예를 나타내고 있다.
복권 변압기에 의한 직류 리액터(21C)는, 자기 결합된 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)가 병렬 접속된 구성이다. 제1 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 스위칭 소자(22)의 소스(S)단에 접속되고, 타단은 부하측에 접속된다.
스위칭 소자(22)가 온 상태일 때는, 직류 리액터(21C)의 제1 직류 리액터(21a)의 스위칭 소자(22)측의 단부는 접지되고, 단자 B로부터 온 상태에 있는 스위칭 소자(22), 및 제1 직류 리액터(21a)를 거쳐 단자 A에 전류가 흐른다. 이때, 제1 직류 리액터(21a)에 전자기 에너지가 축적된다.
다음에, 스위칭 소자(22)가 온 상태로부터 오프 상태로 전환되면, 직류 리액터(21C)의 제1 직류 리액터(21a)에 축적된 축적 에너지에 의해 흐르는 리액터 전류(iL)에 의해서 제1 직류 리액터(21a)에는 리액터 전압(VDCL1)이 발생하고, 제2 직류 리액터(21b)에는 제1 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.
제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)의 전압비는, 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 인덕턴스비의 비율에 대응한 값으로 된다. 직류 리액터(21C)의 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 복권 코일의 권수비를 (n1p：n2p)로 한 경우에는, 제1 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.
제3의 구성예의 회생부는, 제2의 구성예의 직류 리액터(21B)의 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 마찬가지로 동작한다.
회생부(30)에 있어서, 캐패시터(32)(C1)의 일단은 직류 리액터(21C)의 제1 직류 리액터(21a)의 스위칭 소자의 단부에 접속되고, 타단은 다이오드(31)를 거쳐 제1 직류 리액터(21a)의 직류 전원측 단부에 접속되어, 제1 직류 리액터(21a)에 발생하는 리액터 전압(VDCL1)이 인가된다. 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)은, 직류 전원의 직류 전압(VAB) 및 변압기의 변압비에 기초하여 정해지고, 변압기(34)의 변압비가 (n2：n1)인 경우에는 VC1=(n2/n1)×VAB의 설정 전압으로 된다. 다이오드(31)는 펄스부로부터 회생부(30)의 캐패시터(32)(C1)로 향하는 방향을 순방향으로 해서 접속되고, 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 초과한 경우에, 리액터 전압(VDCL1)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 초과한 전압분에 대해서 회생부(30)에 의한 회생이 행해진다. 따라서, 회생부(30)는 제1, 제2의 구성예와 마찬가지로 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 문턱값으로 해서 회생 동작을 행한다.
출력 전압(Vo)에는, 직류 전원의 직류 전압(VAB)에 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)이 중첩된 전압(Vo=VAB＋VDCL1＋VDCL2)이 출력된다. 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프되기 때문에, 출력 전압(Vo)은 Vo=VAB＋VC1＋VDCL2로 된다. 또한, 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 권수비가(n1p/n2p)일 때에는, 리액터 전압 VDCL1 및 리액터 전압 VDCL2는 (VDCL1/VDCL2=n1p/n2p)로 표시된다.
[직류 펄스 전원 장치의 제4의 구성]
본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제4의 구성은, 제1, 제2, 제3의 구성과 마찬가지로, 직류 전원부(DC부)(10)와, 직류 전원부(10)에 접속된 승압 초퍼 회로에 의해 펄스 출력을 발생하고, 부하(4)에 공급하는 펄스부(20C)와, 펄스부(20C)의 과잉 전압 상승분을 직류 전원부(10)측에 회생시키는 회생부(30)와, 직류 전원부(10), 펄스부(20C), 및 회생부(30)를 제어하는 제어 회로부(40)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, 펄스부(20C)의 승압 초퍼 회로의 직류 리액터를 구성하는 변압기의 구성에 있어서 제3의 구성예와 상위하고, 그밖의 구성은 제3의 구성예와 마찬가지이다.
제3의 구성예의 승압 초퍼 회로가 구비하는 직류 리액터(21C)는 가극성의 복권 변압기로 구성된다. 이에 반해서, 제4의 구성예의 직류 리액터(21D)는, 제3의 구성예의 승압 초퍼 회로의 가극성의 복권 변압기 대신에 감극성(減極性)의 복권 변압기로 구성된다.
복권 변압기에 의한 직류 리액터(21D)는, 자기 결합된 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)를 병렬 접속하는 구성이다. 제1 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(21C)의 제1 직류 리액터(21a)의 스위칭 소자(22)측의 단부는 접지되고, 단자 B로부터 온 상태에 있는 스위칭 소자(22), 및 제1 직류 리액터(21a)를 거쳐 단자 A에 전류가 흐른다. 이때, 제1 직류 리액터(21a)에 전자기 에너지가 축적된다.
다음에, 스위칭 소자(22)가 온 상태로부터 오프 상태로 전환되면, 직류 리액터(21C)의 제1 직류 리액터(21a)에 축적된 축적 에너지에 의해 흐르는 리액터 전류(iL)에 의해서 제1 직류 리액터(21a)에는 리액터 전압(VDCL1)이 발생하고, 제2 직류 리액터(21b)에는 제1 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, 제2, 제3의 구성예와 마찬가지로 출력 전압(Vo)을 상승시킨다.
제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)의 전압비는, 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 인덕턴스비의 비율에 대응한 값으로 된다. 직류 리액터(21D)의 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 복권 코일의 권수비를 (n1p：n2p)로 한 경우에는, 제1 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.
제4의 구성예의 회생부의 직류 리액터(21D)는, 제3의 구성예의 직류 리액터(21C)의 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 마찬가지로 동작한다.
회생부(30)에 있어서, 캐패시터(32)(C1)의 일단은 직류 리액터(21D)의 제1 직류 리액터(21a)의 스위칭 소자의 단부에 접속되고, 타단은 다이오드(31)를 거쳐 제1 직류 리액터(21a)의 직류 전원측 단부에 접속되어, 제1 직류 리액터(21a)에 발생하는 리액터 전압(VDCL1)이 인가된다. 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)은, 직류 전원의 직류 전압(VAB) 및 변압기의 변압비에 기초하여 정해지고, 변압기(34)의 변압비가 (n2：n1)인 경우에는 VC1=(n2/n1)×VAB의 설정 전압으로 된다. 다이오드(31)는 펄스부로부터 회생부(30)의 캐패시터(32)(C1)로 향하는 방향을 순방향으로 해서 접속되고, 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 초과한 경우에, 리액터 전압(VDCL1)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 초과한 전압분에 대해서 회생부(30)에 의한 회생이 행해진다. 따라서, 회생부(30)는 제1, 제2, 제3의 구성예와 마찬가지로 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 문턱값으로 해서 회생 동작을 행한다.
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 출력된다. 또한, 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 권수비가 (n1p/n2p)일 때에는, 리액터 전압(VDCL1 및 VDCL2)은 (VDCL1/VDCL2=n1p/n2p)로 표시된다. 그 때문에, VDCL1이 VC1에 의해서 클램프되는 경우, 출력 전압(Vo)은 Vo=VAB+VC1×(n1p/n2p)로 표시된다.
[직류 펄스 전원 장치의 제5의 구성]
본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제5의 구성은, 제1의 구성과 마찬가지로, 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)의 과잉 전압 상승분을 직류 전원부(10)측에 회생시키는 회생부(30)와, 직류 전원부(10), 펄스부(20B), 및 회생부(30)를 제어하는 제어 회로부(40)를 구비하고, 출력 케이블(3)을 거쳐 부하(4)에 펄스 출력을 공급한다.
도 9를 이용하여 본 발명의 직류 펄스 전원 장치의 제5의 구성예에 대해서 설명한다. 제5의 구성예는, 승압 초퍼 회로의 직류 리액터의 설치 양태에 있어서 제2의 구성예와 상위하고, 그밖의 구성은 제2의 구성예와 마찬가지이다. 이하, 제2의 구성예와 상위한 구성에 대해서 설명하고, 그밖의 공통된 구성의 설명은 생략한다.
제5의 구성예의 승압 초퍼 회로가 구비하는 직류 리액터(21E)는 제2의 구성예의 승압 초퍼 회로의 직류 리액터(21B)와 마찬가지로 유탭 단권 변압기로 구성되지만, 전원 라인에 대한 설치 양태에 있어서 상위하다. 제2의 구성예의 직류 리액터(21B)는 직류 전원의 저전압측의 전원 라인에 접속되는 데 반해, 제5의 구성예의 직류 리액터(21E)는 직류 전원의 고전압측의 전원 라인에 접속된다.
유탭 단권 변압기에 의한 직류 리액터(21E)는, 자기 결합된 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)를 직렬 접속해서 구성되고, 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 접속점을 탭점으로 하고 있다. 제1 직류 리액터(21a)의 일단은 직류 전원의 고전압측의 단자 B에 접속되고, 제2 직류 리액터(21b)의 일단은 부하측에 접속되어 접지되고, 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 접속점의 탭점은 스위칭 소자(22)의 드레인(D)단에 접속된다.
스위칭 소자(22)가 온 상태일 때는, 직류 리액터(21E)의 접속점의 탭점은 제2 직류 리액터(21b)를 거쳐 접지되고, 단자 B로부터 제1 직류 리액터(21a), 및 온 상태에 있는 스위칭 소자(22)를 거쳐 단자 A에 전류가 흐른다. 이때, 제1 직류 리액터(21a)에 전자기 에너지가 축적된다.
다음에, 스위칭 소자(22)가 온 상태로부터 오프 상태로 전환되면, 직류 리액터(21E)의 제1 직류 리액터(21a)에 축적된 축적 에너지에 의해 흐르는 리액터 전류(iL)에 의해서 제1 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.
제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)의 전압비는, 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 인덕턴스비의 비율에 대응한 값으로 된다. 직류 리액터(21E)의 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 유탭 단권 코일의 권수비를 n1p：n2p로 한 경우에는, 제1 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.
제5의 구성예의 회생부(30)는, 제1의 구성예의 직류 리액터(21A)의 리액터 전압(VDCL) 대신에 직류 리액터(21E)의 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)을 적용함으로써 마찬가지로 동작한다.
회생부(30)에 있어서, 캐패시터(32)(C1)의 일단은 직류 리액터(21E)의 제1 직류 리액터(21a)와 제2 직류 리액터(21b)의 접속점에 접속되고, 타단은 다이오드(31)를 거쳐 제1 직류 리액터(21a)의 직류 전원측 단부에 접속되어, 제1 직류 리액터(21a)에 발생하는 리액터 전압(VDCL1)이 인가된다. 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)은, 직류 전원의 직류 전압(VAB) 및 변압기의 변압비에 기초하여 정해지고, 변압기(34)의 변압비가 (n2：n1)인 경우에는 VC1=(n2/n1)×VAB의 설정 전압으로 된다. 다이오드(31)는 펄스부(20D)로부터 회생부(30)의 캐패시터(32)(C1)로 향하는 방향을 역방향으로 해서 접속되고, 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 초과한 경우에, 리액터 전압(VDCL1)이 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 초과한 전압분에 대해서 회생부(30)에 의한 회생이 행해진다. 따라서, 회생부(30)는 제1의 구성예와 마찬가지로 캐패시터(32)(C1)의 캐패시터 전압(VC1)을 문턱값으로 해서 회생 동작을 행한다.
출력 전압(Vo)에는, 직류 전원의 직류 전압(VAB)에 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)이 중첩된 전압(Vo=VAB＋VDCL1＋VDCL2)이 출력된다. 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프되기 때문에, 출력 전압(Vo)은 Vo=VAB＋VC1＋VDCL2로 된다.
도 4의 (b)는, 제2의 구성예와 마찬가지로, 제5의 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 제1 직류 리액터(21a)의 리액터 전압(VDCL1)과 제2 직류 리액터(21b)의 리액터 전압(VDCL2)이 중첩된 (VAB＋VDCL1＋VDCL2)로 되지만, 리액터 전압(VDCL1)은 캐패시터 전압(VC1)으로 클램프되기 때문에, 출력 전압(Vo)은 (VAB＋VC1＋VDCL2)로 된다. 직류 전압(VAB) 및 캐패시터 전압(VC1)은 일정 전압이기 때문에, 펄스 출력의 출력 전압(Vo)은 거의 일정 전압으로 유지된다.
도 4의 (b)중의 파선 부분은, 억제 전압분을 표시하고 있다. 회생에 의한 캐패시터 전압(VC1)의 클램프에 의해, 스위칭 소자의 소스단에 인가되는 전압은 VDCL1로부터 VC1로 되고, 이것에 의해 (VDCL1－VC1)의 전압이 억제된다. 또, VDCL1이 억제된 것에 의해 제2 직류 리액터(21b)에서 발생하는 리액터 전압(VDCL2)도 마찬가지로 권선비에 따라 (VDCL1－VC1)×(n2p/n1p)가 억제된다. 그 때문에, 출력 전압의 클램프분은 (VDCL1－VC1)×(1＋n2p/n1p)로 된다.
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, 20E: 펄스부
21, 21A, 21B, 21C, 21D, 21E: 직류 리액터
21a: 제1 직류 리액터
21b: 제2 직류 리액터
22: 스위칭 소자
30: 회생부
31: 다이오드
32: 캐패시터
33: 인버터 회로
33a: 브리지 회로
33b: 구동 회로
34: 변압기
35: 정류기
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 (9)

  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 리액터의 리액터 전압 중, 설정 전압을 초과하는 전압분을 상기 직류 전원에 회생시키는 회생부를 구비하는 것을 특징으로 하는 직류 펄스 전원 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 직류 리액터는, 상기 직류 전원의 저전압측과, 승압 초퍼 회로의 스위칭 소자의 소스측 사이에 접속되고,
    상기 승압 초퍼 회로의 스위칭 소자의 소스측의 접속점은, 직류 리액터의 부하측의 단부, 또는 직류 리액터의 탭인 것을 특징으로 하는, 직류 펄스 전원 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 직류 리액터는, 자기 결합된 제1 직류 리액터와 제2 직류 리액터로 이루어지고,
    제1 직류 리액터의 일단은 상기 직류 전원의 저전압측의 출력단에 접속되고,
    제2 직류 리액터의 일단은 상기 펄스부의 저전압측의 출력단에 접속되고,
    제1 직류 리액터와 제2 직류 리액터의 접속점은, 상기 승압 초퍼 회로의 스위칭 소자의 소스측에 접속되고,
    상기 리액터 전압은, 상기 제1 직류 리액터의 양단 전압인 것을 특징으로 하는, 직류 펄스 전원 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 회생부는, 일단은 상기 펄스부의 저전압측 입력단에 접속되고, 상기 저전압측의 전압을 기준으로 하는 직류 리액터의 리액터 전압을 회생 입력 전압으로 하는 것을 특징으로 하는, 직류 펄스 전원 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 직류 리액터는, 상기 직류 전원의 고전압측과, 승압 초퍼 회로의 스위칭 소자의 드레인측 사이에 접속되고,
    상기 승압 초퍼 회로의 스위칭 소자의 드레인측의 접속점은, 직류 리액터의 부하측의 단부, 또는 직류 리액터의 탭인 것을 특징으로 하는, 직류 펄스 전원 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 직류 리액터는, 자기 결합된 제1 직류 리액터와 제2 직류 리액터로 이루어지고,
    제1 직류 리액터의 일단은 상기 직류 전원의 고전압측의 출력단에 접속되고,
    제2 직류 리액터의 일단은 상기 펄스부의 고전압측의 출력단에 접속되고,
    제1 직류 리액터와 제2 직류 리액터의 접속점은, 상기 승압 초퍼 회로의 스위칭 소자의 드레인측에 접속되고,
    상기 리액터 전압은, 상기 제1 직류 리액터의 양단 전압인 것을 특징으로 하는, 직류 펄스 전원 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 회생부는, 일단은 상기 펄스부의 고전압측 입력단에 접속되고, 상기 고전압측의 전압을 기준으로 하는 직류 리액터의 리액터 전압을 회생 입력 전압으로 하는 것을 특징으로 하는, 직류 펄스 전원 장치.
  8. 제3항 또는 제6항에 있어서,
    상기 직류 리액터는, 상기 제1 직류 리액터 및 제2 직류 리액터의 유탭 단권 변압기, 또는 복권 변압기로 구성되는 것을 특징으로 하는, 직류 펄스 전원 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 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 회생시키는 것을 특징으로 하는, 직류 펄스 전원 장치.
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