パルス電源回路
【課題】残留電流による誘導エネルギーの累積的蓄積の発生をなくすことができ、安定したパルス出力を得ることができるパルス電源回路を提供する。
【解決手段】直流電源部１２の両端に直列接続されたトランス１４及びスイッチＳＷを有し、スイッチＳＷのオン動作に伴うトランス１４への誘導エネルギーの蓄積と、スイッチＳＷのオフ動作に伴うトランス１４の二次側での高電圧パルスの発生とを１つのサイクルとしたとき、前記サイクルを繰り返して複数の高電圧パルスを連続して出力する第１パルス電源回路１０Ａであって、トランス１４の一次側に流れる電流Ｉ１のピーク値Ｉｐ１が一定となるように制御する。具体的には、トランス１４の一次側に流れる電流Ｉ１を検知する電流検知手段２２と、該電流検知手段２２にて検知された電流Ｉ１の値がピーク値Ｉｐ１となった段階でスイッチＳＷをオフにする第３回路２４ｃとを有する。
【解決手段】直流電源部１２の両端に直列接続されたトランス１４及びスイッチＳＷを有し、スイッチＳＷのオン動作に伴うトランス１４への誘導エネルギーの蓄積と、スイッチＳＷのオフ動作に伴うトランス１４の二次側での高電圧パルスの発生とを１つのサイクルとしたとき、前記サイクルを繰り返して複数の高電圧パルスを連続して出力する第１パルス電源回路１０Ａであって、トランス１４の一次側に流れる電流Ｉ１のピーク値Ｉｐ１が一定となるように制御する。具体的には、トランス１４の一次側に流れる電流Ｉ１を検知する電流検知手段２２と、該電流検知手段２２にて検知された電流Ｉ１の値がピーク値Ｉｐ１となった段階でスイッチＳＷをオフにする第３回路２４ｃとを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、簡単な回路構成にて、低い電圧の直流電源部からトランスに蓄積させた電磁エネルギーを開放することにより、極めて短い立ち上がり時間と極めて狭いパルス幅とを有する高電圧パルスを供給できるパルス電源回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、ワークを放電加工する際に、例えば微細な加工等を行う場合は、高電圧の極めて幅の狭いパルスを供給できる高電圧パルス発生回路が必要となる。また、高電圧パルスの放電によるプラズマにより、脱臭、殺菌、有害ガスの分解等を行う技術が適用されるようになってきたが、このプラズマを発生させるためにも、高電圧の極めて幅の狭いパルスを供給できる高電圧パルス発生回路が必要となる。
【０００３】
そこで、従来においては、例えば特許文献１に示すような高電圧パルス発生回路を用いたパルス電源回路が提案されている。
【０００４】
従来のパルス電源回路によれば、高電圧が印加される半導体スイッチを複数個使用することなく、簡単な回路構成で、急峻な立ち上がり時間と極めて狭いパルス幅を有する高電圧を供給することができる。
【０００５】
そして、従来のパルス電源回路では、入力電圧に高価な直流安定化電源を使用して、電圧を一定に保持し、且つ、励磁インダクタンスへの充電時間を一定に制御することにより、安定したパルス出力を得ていた。
【０００６】
【特許文献１】特許第３８１１６８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のパルス電源回路は、高価な直流安定化電源を使用する必要があった。その理由は、直流電圧が変動すると、充電エネルギーも変動してしまうからである。
【０００８】
また、励磁インダクタンスに残留電流があると、次回の誘導エネルギーが１つの前の誘導エネルギーよりも増加するという現象がある。この現象が連続的に発生すると、パルス電源回路が過電流保護により停止したり、内部素子が過電流によって破壊するおそれがある。これは、パルス電源回路の稼働率の低下、信頼性の低下につながる。
【０００９】
ここで、励磁インダクタンスへの残留電流による影響を図８〜図１０を参照しながら説明する。
【００１０】
従来例に係るパルス電源回路２００は、図８に示すように、直流電源部２０２の両端に直列接続されたトランス２０４及びスイッチ２０６と、スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御する制御回路２０８とを有する。トランス２０４の二次側には、電流Ｉ２を一方向に流すためのダイオード２１０が接続されている。また、トランス２０４の二次側には、負荷２１２が接続されている。
【００１１】
そして、このパルス電源回路２００は、スイッチ２０６のオン動作に伴うトランス２０４への誘導エネルギーの蓄積と、スイッチ２０６のオフ動作に伴うトランス２０４の二次側での高電圧の発生とが行われるようになっている。
【００１２】
通常は、図９に示すように、時点ｔ０において、スイッチ２０６をオンにすると、トランス２０４に直流電源部２０２の電圧Ｅとほぼ同じ電圧が印加され、トランス２０４の一次インダクタンスをＬ１としたとき、トランス２０４の一次巻線２１４に流れる電流Ｉ１は勾配（Ｅ／Ｌ１）で時間の経過に伴って直線状に増加し、トランス２０４への誘導エネルギーの蓄積が行われる。
【００１３】
このとき、スイッチ２０６がオンとなっている期間Ｔ１においては、二次側にダイオード２１０が接続されて電流の流れが遮断されていることから、負荷２１２へは０Ｖが印加されたままとなっている。
【００１４】
その後、時点ｔ１において、スイッチ２０６をオフにすると、負荷２１２への高電圧パルス電圧の供給が開始される。すなわち、スイッチ２０６をオフにすることによってトランス２０４にパルス状の負極性の誘導起電力Ｖｐ１が発生し、これに伴って、二次側の電流Ｉ２がダイオード２１０の順方向に急激に流れ、負荷２１２には前記誘導起電力に応じたパルス状の負極性の高電圧Ｖｐ２が印加されることになる。
【００１５】
高電圧Ｖｐ２のピークの時点ｔ２を過ぎると、負荷２１２においてエネルギーが消費されることから、二次側の電流Ｉ２は徐々に減衰し、スイッチ２０６が予め決められたオフ期間Ｔ２が経過する前の時点ｔ３で基準レベル（０（Ａ））になる。
【００１６】
そして、図１０に示すように、何らかの原因で、二次側の電流Ｉ２の減衰が進まず、予め決められたオフ期間Ｔ２が経過しても基準レベル（０（Ａ））にならず、残留電流Δｉが残ってしまった場合は、次のスイッチ２０６がオンする期間Ｔ１の開始時点において、残留電流Δｉに応じた電流が加わった状態で誘導エネルギーの蓄積が開始されてしまい、前回の誘導エネルギーよりも大きな誘導エネルギーが蓄積されてしまうことになる。
【００１７】
一方、直流電源部２０２として、整流回路等の安価な直流電源を用いた場合においては、誘導エネルギーの蓄積期間にトランス２０４の一次巻線２１４に印加される電圧が変動することになるが、スイッチ２０６をオンにしている期間Ｔ１を一定にした場合、期間Ｔ１の経過時点での一次側の電流Ｉ１の値も変動することになり、それに応じて誘導エネルギーも変動することになる。従って、従来においては、高価な直流安定化電源を使用するしかなかった。
【００１８】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、残留電流による誘導エネルギーの累積的蓄積の発生をなくすことができ、安定したパルス出力を得ることができ、稼働率の向上、信頼性の向上を図ることができ、しかも、安価な直流電源を使用することができるパルス電源回路を提供することを目的とする。
【００１９】
また、本発明の他の目的は、プラズマＣＶＤ、プラズマＰＶＤ、プラズマエッチング、プラズマイオン注入、プラズマ表面改質、プラズマ放電加工等において、真空から大気圧の環境下で安定したパルスプラズマを得ることができると共に、出力電流のパルス幅をワークに応じて任意に制御することができ、上記各プロセスにおけるワークの更なる品質向上を図ることができるパルス電源回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明に係るパルス電源回路は、直流電源部の両端に直列接続されたトランス及びスイッチを有し、前記スイッチのオン動作に伴う前記トランスへの誘導エネルギーの蓄積と、前記スイッチのオフ動作に伴う前記トランスの二次側での高電圧パルスの発生とを１つのサイクルとしたとき、前記サイクルを繰り返して複数の前記高電圧パルスを連続して出力するパルス電源回路であって、複数のサイクルにわたる誘導エネルギーの累積的蓄積を回避するように、前記トランスの一次側に流れる電流を制御する電流制御回路を有することを特徴とする。
【００２１】
これにより、安価な直流電源を使用しても誘導エネルギーの変動がなく、しかも、残留電流による誘導エネルギーの累積的蓄積の発生をなくすことができ、安定したパルス出力を得ることができる。電源変動や残留エネルギー等の影響を受けにくくなるため、このパルス電源回路を用いて加工を行ったワークの品質も向上させることができる。また、過電流故障を回避することができるため、設備の稼働率の向上を図ることができる。
【００２２】
そして、本発明において、前記電流制御回路は、前記トランスの一次側に流れる電流のピーク値が一定となるように制御するようにしてもよい。
【００２３】
この場合、前記トランスの一次側に流れる電流を検知する電流検知手段と、前記電流検知手段にて検知された電流値が前記ピーク値となった段階で前記スイッチをオフにする制御手段とを有するようにしてもよい。前記電流検知手段は、非接触型の直流電流計を使用するようにしてもよい。
【００２４】
また、本発明において、前記トランスの二次側に電流を一方向に流すための整流回路が接続され、前記トランスの二次側の両極間であって、且つ、前記整流回路の接続位置よりも前記トランス寄りの位置に接続された第２スイッチと、前記スイッチのオフ時点から一定時間経過後に、前記第２スイッチをオンにするスイッチング制御手段とを有するようにしてもよい。
【００２５】
これにより、プラズマを使ってワークを処理する場合、例えばプラズマＣＶＤ、プラズマＰＶＤ、プラズマエッチング、プラズマイオン注入、プラズマ表面改質、プラズマ放電加工等において、安定したパルス出力、すなわち、パルスプラズマを得ることができると共に、出力電流のパルス幅をワークに応じて任意に制御することができ、ワークの更なる品質向上を図ることができる。
【００２６】
また、本発明において、前記トランスの二次側に電流を一方向に流すための整流回路が接続され、前記トランスの一次側の両極間であって、且つ、前記スイッチの接続位置よりも前記トランス寄りの位置に接続された第２スイッチと、前記スイッチのオフ時点から一定時間経過後に、前記第２スイッチをオンにするスイッチング制御手段とを有するようにしてもよい。
【００２７】
また、本発明において、前記トランスの二次側に電流を一方向に流すための整流回路が接続され、前記電流制御回路は、前記トランスの二次側に、二次巻線とは別に、前記トランスの一次側に対して加極性となるように巻かれた巻線と、前記巻線に直列に接続された第２スイッチと、前記スイッチのオフの時点から一定時間経過後に、前記第２スイッチをオンにするスイッチング制御手段とを有するようにしてもよい。
【００２８】
また、本発明において、前記第２スイッチのオン時の電圧を前記整流回路の順方向電圧よりも小さく設定することが好ましい。なお、前記第２スイッチは、半導体スイッチと該半導体スイッチに対して順方向に接続された第２整流回路とを有する直列回路で構成するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２９】
以上説明したように、本発明に係るパルス電源回路によれば、安価な直流電源を使用しても誘導エネルギーの変動がなく、しかも、残留電流による誘導エネルギーの累積的蓄積の発生をなくすことができ、安定したパルス出力を得ることができ、稼働率の向上、信頼性の向上を図ることができる。また、このパルス電源回路を用いて加工を行ったワークの品質も向上させることができる。
【００３０】
また、本発明に係るパルス電源回路によれば、プラズマを使ってワークを処理する場合、例えばプラズマＣＶＤ、プラズマＰＶＤ、プラズマエッチング、プラズマイオン注入、プラズマ表面改質、プラズマ放電加工等において、安定したパルス出力、すなわち、パルスプラズマを得ることができると共に、出力電流のパルス幅をワークに応じて任意に制御することができ、ワークの更なる品質向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明に係るパルス電源回路の実施の形態例を、図１〜図７を参照しながら説明する。
【００３２】
先ず、第１の実施の形態に係るパルス電源回路（以下、第１パルス電源回路１０Ａと記す）は、図１に示すように、直流電源部１２の両端に直列接続されたトランス１４及びスイッチＳＷと、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを制御する制御回路１６とを有する。トランス１４の二次側には、電流Ｉ２を一方向に流すための整流回路１８が接続されている。また、トランス１４の二次側には、負荷２０が接続されている。
【００３３】
この第１パルス電源回路１０Ａは、１つサイクルで、スイッチＳＷのオン動作に伴うトランス１４への誘導エネルギーの蓄積と、スイッチＳＷのオフ動作に伴うトランス１４の二次側での高電圧の発生とが行われるようになっており、さらに、前記サイクルが繰り返し行われるようになっている。サイクル周期は例えば１００μｓｅｃ（１０ｋＨｚ）である。
【００３４】
そして、この第１パルス電源回路１０Ａは、トランス１４の一次側に流れる電流Ｉ１を検知する電流検知手段２２を有する。
【００３５】
また、制御回路１６は、例えば起動信号（図示せず）の入力に基づいてスイッチＳＷをオンにする第１回路２４ａと、スイッチＳＷのオフ時点から予め決められたオフ時間Ｔｏｆｆの経過時点でスイッチＳＷをオンにする第２回路２４ｂと、電流検知手段２２にて検知された電流Ｉ１の値が予め決められたピーク値Ｉｐ１となった段階でスイッチＳＷをオフにする第３回路２４ｃとを有する。第１回路２４ａ〜第３回路２４ｃからのオン及びオフの制御信号は、制御回路１６からスイッチング制御信号Ｓｃとして出力され、スイッチＳＷに供給されるようになっている。
【００３６】
電流検知手段２２としては、トランス１４の一次側に流れる電流Ｉ１を検知することができるものであれば手段は問わないが、例えばＤＣＣＴ（直流電流トランス）等で構成された非接触型の直流電流計が好ましい。
【００３７】
つまり、電流検知手段２２と第３回路２４ｃは、トランス１４の一次側に流れる電流Ｉ１のピーク値Ｉｐ１が一定となるように制御する電流制御回路を構成する。
【００３８】
次に、第１パルス電源回路１０Ａの回路動作について図２及び図３を参照しながら説明する。
【００３９】
先ず、サイクル１の開始時点ｔ０において、例えば起動信号の入力に基づいて、スイッチＳＷがオンになると、トランス１４に直流電源部１２の電圧Ｅとほぼ同じ電圧が印加され、トランス１４の一次インダクタンスをＬ１としたとき、トランス１４の一次巻線２６に流れる電流Ｉ１は勾配（Ｅ／Ｌ１）で時間の経過に伴って直線状に増加し、トランス１４への誘導エネルギーの蓄積が行われる。
【００４０】
このとき、スイッチＳＷがオンとなっている期間（オン期間Ｔ１）においては、二次側に整流回路１８が接続されて電流の流れが遮断されていることから、負荷へは０Ｖが印加されたままとなっている。
【００４１】
その後、一次側の電流Ｉ１の値が予め決められたピーク値Ｉｐ１となった時点ｔ１において、スイッチＳＷがオフになると、負荷２０への高電圧パルス電圧の供給が開始される。ここで、直流電源部１２の電圧Ｅを１００（Ｖ）、通常のオン期間Ｔ１を２０（μｓｅｃ）、トランス１４の一次インダクタンスＬ１を２０（μＨ）としたとき、ピーク値Ｉｐ１は、
Ｉｐ１＝Ｅ×Ｔ１／Ｌ１
＝１００（Ｖ）×２０（μｓｅｃ）／２０（μＨ）
＝１００（Ａ）
となる。
【００４２】
そして、スイッチＳＷがオフになることによってトランス１４にパルス状の負極性の誘導起電力Ｖｐ１（例えば−数１００（Ｖ）〜−４（ｋＶ））が発生し、これに伴って、二次側の電流Ｉ２が整流回路１８の順方向に急激に流れ、負荷２０には前記誘導起電力に応じたパルス状の負極性の高電圧Ｖｐ２（例えば数〜２０（ｋＶ））が印加されることになる。
【００４３】
なお、二次側の電流Ｉ２のピーク値Ｉｐ２は、一次巻線２６と二次巻線２８の巻線比１：Ｎを１：５とし、スイッチングロスによる減衰分αを考慮したとき、
Ｉｐ２＝（Ｉｐ１／Ｎ）−α
＝（１００Ａ／５）−２
＝１８Ａ
となる。なお、単に巻線比というときは、巻線比Ｎと記す。
【００４４】
その後、高電圧Ｖｐ２のピークの時点ｔ２を過ぎると、負荷２０においてエネルギーが消費されることから、二次側の電流Ｉ２は徐々に減衰し、スイッチＳＷが予め決められたオフ期間Ｔ２が経過する前の時点ｔ３で基準レベル（０（Ａ））になる。
【００４５】
オフ期間Ｔ２が経過した時点でサイクル２が開始され、上述したサイクル１と同様の動作が繰り返される。
【００４６】
そして、図３に示すように、何らかの原因で、二次側の電流Ｉ２の減衰が進まず、予め決められたオフ期間Ｔ２が経過しても基準レベル（０Ａ）にならず、残留電流Δｉが残ってしまった場合は、次のスイッチＳＷがオンする期間Ｔ１の開始時点において、残留電流Δｉに応じた電流が加わった状態で誘導エネルギーの蓄積が開始されることになる。
【００４７】
しかし、この第１パルス電源回路１０Ａでは、一次側の電流Ｉ１の値がピーク値Ｉｐ１になった時点でスイッチＳＷをオフにしているため、スイッチＳＷのオン期間Ｔ１において蓄積される誘導エネルギーが前回の誘導エネルギーよりも大きくなるということが回避される。
【００４８】
このように、第１パルス電源回路１０Ａは、トランス１４の一次側に流れる電流Ｉ１を検知する電流検知手段２２と、該電流検知手段２２にて検知された電流Ｉ１の値がピーク値Ｉｐ１となった段階でスイッチＳＷをオフにする第３回路２４ｃとを有するようにしたので、安価な直流電源を使用しても誘導エネルギーの変動がなく、しかも、残留電流による誘導エネルギーの累積的蓄積の発生をなくすことができ、安定したパルス出力を得ることができ、稼働率の向上、信頼性の向上を図ることができる。もちろん、この第１パルス電源回路１０Ａを用いて加工を行ったワークの品質も向上させることができる。
【００４９】
次に、第２の実施の形態に係るパルス電源回路（以下、第２パルス電源回路１０Ｂを記す）について図４及び図５を参照しながら説明する。
【００５０】
この第２パルス電源回路１０Ｂは、図４に示すように、上述した第１パルス電源回路１０Ａと同様に、直流電源部１２の両端に直列接続されたトランス１４及び第１スイッチＳＷ１と、第１スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御回路１６と、トランス１４の一次側に流れる電流Ｉ１を検知する電流検知手段２２とを有する。トランス１４の二次側には、電流Ｉ２を一方向に流すための第１整流回路３０が接続されている。
【００５１】
そして、この第２パルス電源回路１０Ｂは、トランス１４の二次側の両極間であって、且つ、第１整流回路３０の接続位置よりもトランス１４寄りの位置に第２スイッチＳＷ２が接続されている。第２スイッチＳＷ２は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：以下、バイポーラトランジスタ３２と記す）と該バイポーラトランジスタ３２に対して順方向に接続された第２整流回路３４とを有する直列回路３６である。具体的には、バイポーラトランジスタ３２のコレクタが、トランス１４の二次巻線２８のうち、負の極性となる端子に接続され、バイポーラトランジスタ３２のエミッタと、トランス１４の二次巻線２８のうち、正の極性となる端子との間に第２整流回路３４が接続されている。第２整流回路３４を１以上のダイオードを直列に接続して構成する場合は、ダイオードのカソードが二次巻線２８の正の極性となる端子に接続され、ダイオードのアノードがバイポーラトランジスタ３２のエミッタに接続される。また、第２スイッチＳＷ２が高い電圧に耐えられるように、複数のバイポーラトランジスタ３２を直列に接続することも好ましく採用することができる。
【００５２】
さらに、この第２パルス電源回路１０Ｂでは、第２スイッチＳＷ２の両端電圧ＶＦ３であって、特に、第２スイッチＳＷ２のオン時の電圧（バイポーラトランジスタ３２がオンとなっているときの直列回路３６の順方向電圧：以下、両端電圧ＶＦ３（オン時電圧）と記す）が、第１整流回路３０の両端電圧ＶＦ２であって、特に、第１整流回路３０の順方向電圧（以下、両端電圧ＶＦ２（順方向電圧）と記す）よりも小さく設定されている（両端電圧ＶＦ３（オン時電圧）＜ＶＦ２（順方向電圧））。第１整流回路３０と直列回路３６に順方向に例えば１０Ａの電流を流したとき、第１整流回路３０の両端電圧ＶＦ２（順方向電圧）は２０Ｖ程度、直列回路３６の両端電圧ＶＦ３（オン時電圧）は５Ｖ程度とされる。
【００５３】
直列回路３６の両端電圧ＶＦ３（オン時電圧）を第１整流回路３０の両端電圧ＶＦ２（順方向電圧）よりも小さく設定する方法としては、例えば第１整流回路３０が複数のダイオードを直列接続して構成される場合、直列接続されるダイオードの数を調整して、両端電圧ＶＦ３（オン時電圧）＜両端電圧ＶＦ２（順方向電圧）としてもよい。
【００５４】
なお、図４の例では、第１整流回路３０を二次巻線２８の負の極性となる端子と負荷２０との間に接続しているが、その他、第１整流回路３０を二次巻線２８の正の極性となる端子と負荷２０との間に接続するようにしてもよい。
【００５５】
さらに、この第２パルス電源回路１０Ｂは、制御回路１６内に、上述した第１パルス電源回路１０Ａと同様の第１回路２４ａ〜第３回路２４ｃと、第１スイッチＳＷ１のオフ時点から予め設定された任意の時間Ｔ３経過後に、第２スイッチＳＷ２をオンにする第１１回路３８ａと、第１スイッチＳＷ１のオン時点にて第２スイッチＳＷ２をオフにする第１２回路３８ｂとが組み込まれている。任意の時間Ｔ３は、加工するワークに合った条件（出力電流のパルス幅）を予め見つけておき、第１１回路３８ａに組み込まれた例えば遅延回路の遅延量等を前記条件に従って決定することによって設定することができる。
【００５６】
第１１回路３８ａ及び第１２回路３８ｂからのオン及びオフの制御信号は、制御回路１６から第２スイッチング制御信号Ｓｃ２として出力されて、第２スイッチＳＷ２（この場合、バイポーラトランジスタ３２のゲート）に供給されるようになっている。
【００５７】
次に、第２パルス電源回路１０Ｂの回路動作について図５を参照しながら説明する。
【００５８】
先ず、サイクル１の開始時点ｔ０において、例えば起動信号の入力に基づいて、第１スイッチＳＷ１がオンになると、トランス１４に直流電源部１２の電圧Ｅとほぼ同じ電圧が印加され、トランス１４の一次インダクタンスをＬ１としたとき、トランス１４の一次巻線２６に流れる電流Ｉ１は勾配（Ｅ／Ｌ１）で時間の経過に伴って直線状に増加し、トランス１４への誘導エネルギーの蓄積が行われる。このとき、第２スイッチＳＷ２を構成する直列回路３６の両端電圧ＶＦ３も電圧Ｅに巻線比Ｎを乗算した電圧（例えば５００（Ｖ））となる。
【００５９】
第１スイッチＳＷ１のオン時点ｔ０から一定期間（オン期間Ｔ１）、例えば一次側の電流Ｉ１の値が規定のピーク値Ｉｐ１となるまでの期間（例えば２０μｓｅｃ）が経過した時点ｔ１において、第１スイッチＳＷ１がオフになると、負荷２０への高電圧パルス電圧の供給が開始される。
【００６０】
第１スイッチＳＷ１がオフになることによって、トランス１４にパルス状の負極性の誘導起電力Ｖｐ１が発生し、これに伴って、二次側の電流Ｉ２がダイオードの順方向に急激に流れ、負荷２０には前記誘導起電力に応じたパルス状の負極性の高電圧Ｖｐ２が印加されることになる。このとき、第２スイッチＳＷ２を構成する直列回路の両端電圧も高電圧Ｖｐ２となる。
【００６１】
その後、高電圧Ｖｐ２のピークの時点ｔ２を過ぎると、負荷２０においてエネルギーが消費されることから、二次側の電流Ｉ２は徐々に減衰する。そして、第１スイッチＳＷ１のオフ時点ｔ１から一定時間、例えばパルス状の負極性の高電圧Ｖｐ２が出力されて、出力電流Ｉ２が流れている期間で任意の時間Ｔ３（例えば１μｓｅｃ）が経過した時点ｔ３において、第２スイッチＳＷ２がオンとされる。
【００６２】
第２スイッチＳＷ２がオンとなることによって、二次側の電流Ｉ２は、第１整流回路３０よりも低抵抗の第２スイッチＳＷ２を通じて流れることになる。すなわち、二次側の電流Ｉ２は、負荷２０を経由することなく、第２スイッチＳＷ２→トランス１４の二次巻線２８→第２スイッチＳＷ２という短い経路を電流Ｉ３として流れるようになり、負荷２０を経由する場合よりも、エネルギー減衰が小さくなる。従って、励磁インダクタンスに残留電流が生じるおそれがあるが、電流検知手段２２と第３回路２４ｃで、トランス１４の一次側に流れる電流Ｉ１のピーク値Ｉｐ１が一定となるように制御することから、残留電流による誘導エネルギーの累積的蓄積の発生をなくすことができる。
【００６３】
このように、第２パルス電源回路１０Ｂは、トランス１４の二次側の両極間であって、且つ、第１整流回路３０の接続位置よりもトランス１４寄りの位置に第２スイッチＳＷ２を接続し、第１スイッチＳＷ１のオフ時点から任意の時間Ｔ３経過後に、第２スイッチＳＷ２をオンにするようにしたので、プラズマを使ってワークを処理する場合、例えばプラズマＣＶＤ、プラズマＰＶＤ、プラズマエッチング、プラズマイオン注入、プラズマ表面改質、プラズマ放電加工等において、出力電流のパルス幅（＝時間Ｔ３）をワークに応じて任意に制御することができ、ワークの更なる品質向上を図ることができる。また、第１パルス電源回路１０Ａと同様に、誘導エネルギーに変動があったとしても、残留電流の発生をなくして安定したパルス出力を得ることができ、稼働率の向上、信頼性の向上を図ることができ、しかも、安価な直流電源を使用することができる。
【００６４】
次に、第３の実施の形態に係るパルス電源回路（以下、第３パルス電源回路１０Ｃと記す）について図６を参照しながら説明する。
【００６５】
この第３パルス電源回路１０Ｃは、図６に示すように、上述した第２パルス電源回路１０Ｂとほぼ同様の構成を有するが、第２スイッチＳＷ２を、トランス１４の一次側の両極間であって、且つ、第１スイッチＳＷ１の接続位置よりもトランス１４寄りの位置に接続した点で異なる。
【００６６】
この場合も、第２スイッチＳＷ２の両端電圧ＶＦ３（オン時電圧）が、第１整流回路３０の両端電圧ＶＦ２（順方向電圧）よりも小さく設定されている（両端電圧ＶＦ３（オン時電圧）＜ＶＦ２（順方向電圧））。
【００６７】
第２スイッチＳＷ２がオンになると、一次側の電流Ｉ１は、第２スイッチＳＷ２→トランス１４の一次巻線２６→第２スイッチＳＷ２という短い経路で電流Ｉ３として流れるようになる。この場合も、エネルギー減衰が小さく、励磁インダクタンスに残留電流が生じるおそれがあるが、電流検知手段２２と第３回路２４ｃで、トランス１４の一次側に流れる電流Ｉ１のピーク値Ｉｐ１が一定となるように制御することから、残留電流による誘導エネルギーの累積的蓄積の発生をなくすことができる。
【００６８】
この第３パルス電源回路１０Ｃにおいても、プラズマを使ってワークを処理する場合、例えばプラズマＣＶＤ、プラズマＰＶＤ、プラズマエッチング、プラズマイオン注入、プラズマ表面改質、プラズマ放電加工等において、出力電流のパルス幅Ｔ３をワークに応じて任意に制御することができ、ワークの更なる品質向上を図ることができる。また、誘導エネルギーに変動があったとしても、残留電流の発生をなくして安定したパルス出力を得ることができ、稼働率の向上、信頼性の向上を図ることができ、しかも、安価な直流電源を使用することができる。
【００６９】
次に、第４の実施の形態に係るパルス電源回路（以下、第４パルス電源回路１０Ｄと記す）について図７を参照しながら説明する。
【００７０】
この第４パルス電源回路１０Ｄは、図７に示すように、上述した第２パルス電源回路１０Ｂとほぼ同様の構成を有するが、トランス１４の二次側に、二次巻線２８とは別に、トランス１４の一次側に対して加極性となるように巻かれた巻線４０が設けられ、この巻線４０に直列に第２スイッチＳＷ２が接続されている点で異なる。
【００７１】
この場合も、第２スイッチＳＷ２の両端電圧ＶＦ３（オン時電圧）が、第１整流回路３０の両端電圧ＶＦ２（順方向電圧）よりも小さく設定されている。
【００７２】
第２スイッチＳＷ２がオンになると、第２スイッチＳＷ２→トランス１４の巻線４０→第２スイッチＳＷ２という短い経路で電流Ｉ３が流れるようになる。この場合も、エネルギー減衰が小さく、励磁インダクタンスに残留電流が生じるおそれがあるが、電流検知手段２２と第３回路２４ｃで、トランス１４の一次側に流れる電流Ｉ１のピーク値Ｉｐ１が一定となるように制御することから、残留電流による誘導エネルギーの累積的蓄積の発生をなくすことができる。
【００７３】
この第４パルス電源回路１０Ｄにおいても、プラズマを使ってワークを処理する場合、例えばプラズマＣＶＤ、プラズマＰＶＤ、プラズマエッチング、プラズマイオン注入、プラズマ表面改質、プラズマ放電加工等において、出力電流のパルス幅Ｔ３をワークに応じて任意に制御することができ、ワークの更なる品質向上を図ることができる。また、誘導エネルギーに変動があったとしても、残留電流の発生をなくして安定したパルス出力を得ることができ、稼働率の向上、信頼性の向上を図ることができ、しかも、安価な直流電源を使用することができる。
【００７４】
なお、本発明に係るパルス電源回路は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】第１パルス電源回路の構成を示す回路図である。
【図２】第１パルス電源回路の通常の回路動作を示すタイミングチャートである。
【図３】残留電流が発生した場合の回路動作を示すタイミングチャートである。
【図４】第２パルス電源回路の構成を示す回路図である。
【図５】第２パルス電源回路の回路動作を示すタイミングチャートである。
【図６】第３パルス電源回路の構成を示す回路図である。
【図７】第４パルス電源回路の構成を示す回路図である。
【図８】従来例に係るパルス電源回路の構成を示す回路図である。
【図９】従来例に係るパルス電源回路の通常の回路動作を示すタイミングチャートである。
【図１０】残留電流が発生した場合の従来例に係るパルス電源回路の回路動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００７６】
１０Ａ〜１０Ｄ…第１パルス電源回路〜第４パルス電源回路
１２…直流電源部 １４…トランス
１６…制御回路 １８…整流回路
２０…負荷 ２２…電流検知手段
２６…一次巻線 ２８…二次巻線
３０…第１整流回路 ３２…バイポーラトランジスタ
３４…第２整流回路 ３６…直列回路
４０…巻線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、簡単な回路構成にて、低い電圧の直流電源部からトランスに蓄積させた電磁エネルギーを開放することにより、極めて短い立ち上がり時間と極めて狭いパルス幅とを有する高電圧パルスを供給できるパルス電源回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、ワークを放電加工する際に、例えば微細な加工等を行う場合は、高電圧の極めて幅の狭いパルスを供給できる高電圧パルス発生回路が必要となる。また、高電圧パルスの放電によるプラズマにより、脱臭、殺菌、有害ガスの分解等を行う技術が適用されるようになってきたが、このプラズマを発生させるためにも、高電圧の極めて幅の狭いパルスを供給できる高電圧パルス発生回路が必要となる。
【０００３】
そこで、従来においては、例えば特許文献１に示すような高電圧パルス発生回路を用いたパルス電源回路が提案されている。
【０００４】
従来のパルス電源回路によれば、高電圧が印加される半導体スイッチを複数個使用することなく、簡単な回路構成で、急峻な立ち上がり時間と極めて狭いパルス幅を有する高電圧を供給することができる。
【０００５】
そして、従来のパルス電源回路では、入力電圧に高価な直流安定化電源を使用して、電圧を一定に保持し、且つ、励磁インダクタンスへの充電時間を一定に制御することにより、安定したパルス出力を得ていた。
【０００６】
【特許文献１】特許第３８１１６８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のパルス電源回路は、高価な直流安定化電源を使用する必要があった。その理由は、直流電圧が変動すると、充電エネルギーも変動してしまうからである。
【０００８】
また、励磁インダクタンスに残留電流があると、次回の誘導エネルギーが１つの前の誘導エネルギーよりも増加するという現象がある。この現象が連続的に発生すると、パルス電源回路が過電流保護により停止したり、内部素子が過電流によって破壊するおそれがある。これは、パルス電源回路の稼働率の低下、信頼性の低下につながる。
【０００９】
ここで、励磁インダクタンスへの残留電流による影響を図８〜図１０を参照しながら説明する。
【００１０】
従来例に係るパルス電源回路２００は、図８に示すように、直流電源部２０２の両端に直列接続されたトランス２０４及びスイッチ２０６と、スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御する制御回路２０８とを有する。トランス２０４の二次側には、電流Ｉ２を一方向に流すためのダイオード２１０が接続されている。また、トランス２０４の二次側には、負荷２１２が接続されている。
【００１１】
そして、このパルス電源回路２００は、スイッチ２０６のオン動作に伴うトランス２０４への誘導エネルギーの蓄積と、スイッチ２０６のオフ動作に伴うトランス２０４の二次側での高電圧の発生とが行われるようになっている。
【００１２】
通常は、図９に示すように、時点ｔ０において、スイッチ２０６をオンにすると、トランス２０４に直流電源部２０２の電圧Ｅとほぼ同じ電圧が印加され、トランス２０４の一次インダクタンスをＬ１としたとき、トランス２０４の一次巻線２１４に流れる電流Ｉ１は勾配（Ｅ／Ｌ１）で時間の経過に伴って直線状に増加し、トランス２０４への誘導エネルギーの蓄積が行われる。
【００１３】
このとき、スイッチ２０６がオンとなっている期間Ｔ１においては、二次側にダイオード２１０が接続されて電流の流れが遮断されていることから、負荷２１２へは０Ｖが印加されたままとなっている。
【００１４】
その後、時点ｔ１において、スイッチ２０６をオフにすると、負荷２１２への高電圧パルス電圧の供給が開始される。すなわち、スイッチ２０６をオフにすることによってトランス２０４にパルス状の負極性の誘導起電力Ｖｐ１が発生し、これに伴って、二次側の電流Ｉ２がダイオード２１０の順方向に急激に流れ、負荷２１２には前記誘導起電力に応じたパルス状の負極性の高電圧Ｖｐ２が印加されることになる。
【００１５】
高電圧Ｖｐ２のピークの時点ｔ２を過ぎると、負荷２１２においてエネルギーが消費されることから、二次側の電流Ｉ２は徐々に減衰し、スイッチ２０６が予め決められたオフ期間Ｔ２が経過する前の時点ｔ３で基準レベル（０（Ａ））になる。
【００１６】
そして、図１０に示すように、何らかの原因で、二次側の電流Ｉ２の減衰が進まず、予め決められたオフ期間Ｔ２が経過しても基準レベル（０（Ａ））にならず、残留電流Δｉが残ってしまった場合は、次のスイッチ２０６がオンする期間Ｔ１の開始時点において、残留電流Δｉに応じた電流が加わった状態で誘導エネルギーの蓄積が開始されてしまい、前回の誘導エネルギーよりも大きな誘導エネルギーが蓄積されてしまうことになる。
【００１７】
一方、直流電源部２０２として、整流回路等の安価な直流電源を用いた場合においては、誘導エネルギーの蓄積期間にトランス２０４の一次巻線２１４に印加される電圧が変動することになるが、スイッチ２０６をオンにしている期間Ｔ１を一定にした場合、期間Ｔ１の経過時点での一次側の電流Ｉ１の値も変動することになり、それに応じて誘導エネルギーも変動することになる。従って、従来においては、高価な直流安定化電源を使用するしかなかった。
【００１８】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、残留電流による誘導エネルギーの累積的蓄積の発生をなくすことができ、安定したパルス出力を得ることができ、稼働率の向上、信頼性の向上を図ることができ、しかも、安価な直流電源を使用することができるパルス電源回路を提供することを目的とする。
【００１９】
また、本発明の他の目的は、プラズマＣＶＤ、プラズマＰＶＤ、プラズマエッチング、プラズマイオン注入、プラズマ表面改質、プラズマ放電加工等において、真空から大気圧の環境下で安定したパルスプラズマを得ることができると共に、出力電流のパルス幅をワークに応じて任意に制御することができ、上記各プロセスにおけるワークの更なる品質向上を図ることができるパルス電源回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明に係るパルス電源回路は、直流電源部の両端に直列接続されたトランス及びスイッチを有し、前記スイッチのオン動作に伴う前記トランスへの誘導エネルギーの蓄積と、前記スイッチのオフ動作に伴う前記トランスの二次側での高電圧パルスの発生とを１つのサイクルとしたとき、前記サイクルを繰り返して複数の前記高電圧パルスを連続して出力するパルス電源回路であって、複数のサイクルにわたる誘導エネルギーの累積的蓄積を回避するように、前記トランスの一次側に流れる電流を制御する電流制御回路を有することを特徴とする。
【００２１】
これにより、安価な直流電源を使用しても誘導エネルギーの変動がなく、しかも、残留電流による誘導エネルギーの累積的蓄積の発生をなくすことができ、安定したパルス出力を得ることができる。電源変動や残留エネルギー等の影響を受けにくくなるため、このパルス電源回路を用いて加工を行ったワークの品質も向上させることができる。また、過電流故障を回避することができるため、設備の稼働率の向上を図ることができる。
【００２２】
そして、本発明において、前記電流制御回路は、前記トランスの一次側に流れる電流のピーク値が一定となるように制御するようにしてもよい。
【００２３】
この場合、前記トランスの一次側に流れる電流を検知する電流検知手段と、前記電流検知手段にて検知された電流値が前記ピーク値となった段階で前記スイッチをオフにする制御手段とを有するようにしてもよい。前記電流検知手段は、非接触型の直流電流計を使用するようにしてもよい。
【００２４】
また、本発明において、前記トランスの二次側に電流を一方向に流すための整流回路が接続され、前記トランスの二次側の両極間であって、且つ、前記整流回路の接続位置よりも前記トランス寄りの位置に接続された第２スイッチと、前記スイッチのオフ時点から一定時間経過後に、前記第２スイッチをオンにするスイッチング制御手段とを有するようにしてもよい。
【００２５】
これにより、プラズマを使ってワークを処理する場合、例えばプラズマＣＶＤ、プラズマＰＶＤ、プラズマエッチング、プラズマイオン注入、プラズマ表面改質、プラズマ放電加工等において、安定したパルス出力、すなわち、パルスプラズマを得ることができると共に、出力電流のパルス幅をワークに応じて任意に制御することができ、ワークの更なる品質向上を図ることができる。
【００２６】
また、本発明において、前記トランスの二次側に電流を一方向に流すための整流回路が接続され、前記トランスの一次側の両極間であって、且つ、前記スイッチの接続位置よりも前記トランス寄りの位置に接続された第２スイッチと、前記スイッチのオフ時点から一定時間経過後に、前記第２スイッチをオンにするスイッチング制御手段とを有するようにしてもよい。
【００２７】
また、本発明において、前記トランスの二次側に電流を一方向に流すための整流回路が接続され、前記電流制御回路は、前記トランスの二次側に、二次巻線とは別に、前記トランスの一次側に対して加極性となるように巻かれた巻線と、前記巻線に直列に接続された第２スイッチと、前記スイッチのオフの時点から一定時間経過後に、前記第２スイッチをオンにするスイッチング制御手段とを有するようにしてもよい。
【００２８】
また、本発明において、前記第２スイッチのオン時の電圧を前記整流回路の順方向電圧よりも小さく設定することが好ましい。なお、前記第２スイッチは、半導体スイッチと該半導体スイッチに対して順方向に接続された第２整流回路とを有する直列回路で構成するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２９】
以上説明したように、本発明に係るパルス電源回路によれば、安価な直流電源を使用しても誘導エネルギーの変動がなく、しかも、残留電流による誘導エネルギーの累積的蓄積の発生をなくすことができ、安定したパルス出力を得ることができ、稼働率の向上、信頼性の向上を図ることができる。また、このパルス電源回路を用いて加工を行ったワークの品質も向上させることができる。
【００３０】
また、本発明に係るパルス電源回路によれば、プラズマを使ってワークを処理する場合、例えばプラズマＣＶＤ、プラズマＰＶＤ、プラズマエッチング、プラズマイオン注入、プラズマ表面改質、プラズマ放電加工等において、安定したパルス出力、すなわち、パルスプラズマを得ることができると共に、出力電流のパルス幅をワークに応じて任意に制御することができ、ワークの更なる品質向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明に係るパルス電源回路の実施の形態例を、図１〜図７を参照しながら説明する。
【００３２】
先ず、第１の実施の形態に係るパルス電源回路（以下、第１パルス電源回路１０Ａと記す）は、図１に示すように、直流電源部１２の両端に直列接続されたトランス１４及びスイッチＳＷと、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦを制御する制御回路１６とを有する。トランス１４の二次側には、電流Ｉ２を一方向に流すための整流回路１８が接続されている。また、トランス１４の二次側には、負荷２０が接続されている。
【００３３】
この第１パルス電源回路１０Ａは、１つサイクルで、スイッチＳＷのオン動作に伴うトランス１４への誘導エネルギーの蓄積と、スイッチＳＷのオフ動作に伴うトランス１４の二次側での高電圧の発生とが行われるようになっており、さらに、前記サイクルが繰り返し行われるようになっている。サイクル周期は例えば１００μｓｅｃ（１０ｋＨｚ）である。
【００３４】
そして、この第１パルス電源回路１０Ａは、トランス１４の一次側に流れる電流Ｉ１を検知する電流検知手段２２を有する。
【００３５】
また、制御回路１６は、例えば起動信号（図示せず）の入力に基づいてスイッチＳＷをオンにする第１回路２４ａと、スイッチＳＷのオフ時点から予め決められたオフ時間Ｔｏｆｆの経過時点でスイッチＳＷをオンにする第２回路２４ｂと、電流検知手段２２にて検知された電流Ｉ１の値が予め決められたピーク値Ｉｐ１となった段階でスイッチＳＷをオフにする第３回路２４ｃとを有する。第１回路２４ａ〜第３回路２４ｃからのオン及びオフの制御信号は、制御回路１６からスイッチング制御信号Ｓｃとして出力され、スイッチＳＷに供給されるようになっている。
【００３６】
電流検知手段２２としては、トランス１４の一次側に流れる電流Ｉ１を検知することができるものであれば手段は問わないが、例えばＤＣＣＴ（直流電流トランス）等で構成された非接触型の直流電流計が好ましい。
【００３７】
つまり、電流検知手段２２と第３回路２４ｃは、トランス１４の一次側に流れる電流Ｉ１のピーク値Ｉｐ１が一定となるように制御する電流制御回路を構成する。
【００３８】
次に、第１パルス電源回路１０Ａの回路動作について図２及び図３を参照しながら説明する。
【００３９】
先ず、サイクル１の開始時点ｔ０において、例えば起動信号の入力に基づいて、スイッチＳＷがオンになると、トランス１４に直流電源部１２の電圧Ｅとほぼ同じ電圧が印加され、トランス１４の一次インダクタンスをＬ１としたとき、トランス１４の一次巻線２６に流れる電流Ｉ１は勾配（Ｅ／Ｌ１）で時間の経過に伴って直線状に増加し、トランス１４への誘導エネルギーの蓄積が行われる。
【００４０】
このとき、スイッチＳＷがオンとなっている期間（オン期間Ｔ１）においては、二次側に整流回路１８が接続されて電流の流れが遮断されていることから、負荷へは０Ｖが印加されたままとなっている。
【００４１】
その後、一次側の電流Ｉ１の値が予め決められたピーク値Ｉｐ１となった時点ｔ１において、スイッチＳＷがオフになると、負荷２０への高電圧パルス電圧の供給が開始される。ここで、直流電源部１２の電圧Ｅを１００（Ｖ）、通常のオン期間Ｔ１を２０（μｓｅｃ）、トランス１４の一次インダクタンスＬ１を２０（μＨ）としたとき、ピーク値Ｉｐ１は、
Ｉｐ１＝Ｅ×Ｔ１／Ｌ１
＝１００（Ｖ）×２０（μｓｅｃ）／２０（μＨ）
＝１００（Ａ）
となる。
【００４２】
そして、スイッチＳＷがオフになることによってトランス１４にパルス状の負極性の誘導起電力Ｖｐ１（例えば−数１００（Ｖ）〜−４（ｋＶ））が発生し、これに伴って、二次側の電流Ｉ２が整流回路１８の順方向に急激に流れ、負荷２０には前記誘導起電力に応じたパルス状の負極性の高電圧Ｖｐ２（例えば数〜２０（ｋＶ））が印加されることになる。
【００４３】
なお、二次側の電流Ｉ２のピーク値Ｉｐ２は、一次巻線２６と二次巻線２８の巻線比１：Ｎを１：５とし、スイッチングロスによる減衰分αを考慮したとき、
Ｉｐ２＝（Ｉｐ１／Ｎ）−α
＝（１００Ａ／５）−２
＝１８Ａ
となる。なお、単に巻線比というときは、巻線比Ｎと記す。
【００４４】
その後、高電圧Ｖｐ２のピークの時点ｔ２を過ぎると、負荷２０においてエネルギーが消費されることから、二次側の電流Ｉ２は徐々に減衰し、スイッチＳＷが予め決められたオフ期間Ｔ２が経過する前の時点ｔ３で基準レベル（０（Ａ））になる。
【００４５】
オフ期間Ｔ２が経過した時点でサイクル２が開始され、上述したサイクル１と同様の動作が繰り返される。
【００４６】
そして、図３に示すように、何らかの原因で、二次側の電流Ｉ２の減衰が進まず、予め決められたオフ期間Ｔ２が経過しても基準レベル（０Ａ）にならず、残留電流Δｉが残ってしまった場合は、次のスイッチＳＷがオンする期間Ｔ１の開始時点において、残留電流Δｉに応じた電流が加わった状態で誘導エネルギーの蓄積が開始されることになる。
【００４７】
しかし、この第１パルス電源回路１０Ａでは、一次側の電流Ｉ１の値がピーク値Ｉｐ１になった時点でスイッチＳＷをオフにしているため、スイッチＳＷのオン期間Ｔ１において蓄積される誘導エネルギーが前回の誘導エネルギーよりも大きくなるということが回避される。
【００４８】
このように、第１パルス電源回路１０Ａは、トランス１４の一次側に流れる電流Ｉ１を検知する電流検知手段２２と、該電流検知手段２２にて検知された電流Ｉ１の値がピーク値Ｉｐ１となった段階でスイッチＳＷをオフにする第３回路２４ｃとを有するようにしたので、安価な直流電源を使用しても誘導エネルギーの変動がなく、しかも、残留電流による誘導エネルギーの累積的蓄積の発生をなくすことができ、安定したパルス出力を得ることができ、稼働率の向上、信頼性の向上を図ることができる。もちろん、この第１パルス電源回路１０Ａを用いて加工を行ったワークの品質も向上させることができる。
【００４９】
次に、第２の実施の形態に係るパルス電源回路（以下、第２パルス電源回路１０Ｂを記す）について図４及び図５を参照しながら説明する。
【００５０】
この第２パルス電源回路１０Ｂは、図４に示すように、上述した第１パルス電源回路１０Ａと同様に、直流電源部１２の両端に直列接続されたトランス１４及び第１スイッチＳＷ１と、第１スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御回路１６と、トランス１４の一次側に流れる電流Ｉ１を検知する電流検知手段２２とを有する。トランス１４の二次側には、電流Ｉ２を一方向に流すための第１整流回路３０が接続されている。
【００５１】
そして、この第２パルス電源回路１０Ｂは、トランス１４の二次側の両極間であって、且つ、第１整流回路３０の接続位置よりもトランス１４寄りの位置に第２スイッチＳＷ２が接続されている。第２スイッチＳＷ２は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：以下、バイポーラトランジスタ３２と記す）と該バイポーラトランジスタ３２に対して順方向に接続された第２整流回路３４とを有する直列回路３６である。具体的には、バイポーラトランジスタ３２のコレクタが、トランス１４の二次巻線２８のうち、負の極性となる端子に接続され、バイポーラトランジスタ３２のエミッタと、トランス１４の二次巻線２８のうち、正の極性となる端子との間に第２整流回路３４が接続されている。第２整流回路３４を１以上のダイオードを直列に接続して構成する場合は、ダイオードのカソードが二次巻線２８の正の極性となる端子に接続され、ダイオードのアノードがバイポーラトランジスタ３２のエミッタに接続される。また、第２スイッチＳＷ２が高い電圧に耐えられるように、複数のバイポーラトランジスタ３２を直列に接続することも好ましく採用することができる。
【００５２】
さらに、この第２パルス電源回路１０Ｂでは、第２スイッチＳＷ２の両端電圧ＶＦ３であって、特に、第２スイッチＳＷ２のオン時の電圧（バイポーラトランジスタ３２がオンとなっているときの直列回路３６の順方向電圧：以下、両端電圧ＶＦ３（オン時電圧）と記す）が、第１整流回路３０の両端電圧ＶＦ２であって、特に、第１整流回路３０の順方向電圧（以下、両端電圧ＶＦ２（順方向電圧）と記す）よりも小さく設定されている（両端電圧ＶＦ３（オン時電圧）＜ＶＦ２（順方向電圧））。第１整流回路３０と直列回路３６に順方向に例えば１０Ａの電流を流したとき、第１整流回路３０の両端電圧ＶＦ２（順方向電圧）は２０Ｖ程度、直列回路３６の両端電圧ＶＦ３（オン時電圧）は５Ｖ程度とされる。
【００５３】
直列回路３６の両端電圧ＶＦ３（オン時電圧）を第１整流回路３０の両端電圧ＶＦ２（順方向電圧）よりも小さく設定する方法としては、例えば第１整流回路３０が複数のダイオードを直列接続して構成される場合、直列接続されるダイオードの数を調整して、両端電圧ＶＦ３（オン時電圧）＜両端電圧ＶＦ２（順方向電圧）としてもよい。
【００５４】
なお、図４の例では、第１整流回路３０を二次巻線２８の負の極性となる端子と負荷２０との間に接続しているが、その他、第１整流回路３０を二次巻線２８の正の極性となる端子と負荷２０との間に接続するようにしてもよい。
【００５５】
さらに、この第２パルス電源回路１０Ｂは、制御回路１６内に、上述した第１パルス電源回路１０Ａと同様の第１回路２４ａ〜第３回路２４ｃと、第１スイッチＳＷ１のオフ時点から予め設定された任意の時間Ｔ３経過後に、第２スイッチＳＷ２をオンにする第１１回路３８ａと、第１スイッチＳＷ１のオン時点にて第２スイッチＳＷ２をオフにする第１２回路３８ｂとが組み込まれている。任意の時間Ｔ３は、加工するワークに合った条件（出力電流のパルス幅）を予め見つけておき、第１１回路３８ａに組み込まれた例えば遅延回路の遅延量等を前記条件に従って決定することによって設定することができる。
【００５６】
第１１回路３８ａ及び第１２回路３８ｂからのオン及びオフの制御信号は、制御回路１６から第２スイッチング制御信号Ｓｃ２として出力されて、第２スイッチＳＷ２（この場合、バイポーラトランジスタ３２のゲート）に供給されるようになっている。
【００５７】
次に、第２パルス電源回路１０Ｂの回路動作について図５を参照しながら説明する。
【００５８】
先ず、サイクル１の開始時点ｔ０において、例えば起動信号の入力に基づいて、第１スイッチＳＷ１がオンになると、トランス１４に直流電源部１２の電圧Ｅとほぼ同じ電圧が印加され、トランス１４の一次インダクタンスをＬ１としたとき、トランス１４の一次巻線２６に流れる電流Ｉ１は勾配（Ｅ／Ｌ１）で時間の経過に伴って直線状に増加し、トランス１４への誘導エネルギーの蓄積が行われる。このとき、第２スイッチＳＷ２を構成する直列回路３６の両端電圧ＶＦ３も電圧Ｅに巻線比Ｎを乗算した電圧（例えば５００（Ｖ））となる。
【００５９】
第１スイッチＳＷ１のオン時点ｔ０から一定期間（オン期間Ｔ１）、例えば一次側の電流Ｉ１の値が規定のピーク値Ｉｐ１となるまでの期間（例えば２０μｓｅｃ）が経過した時点ｔ１において、第１スイッチＳＷ１がオフになると、負荷２０への高電圧パルス電圧の供給が開始される。
【００６０】
第１スイッチＳＷ１がオフになることによって、トランス１４にパルス状の負極性の誘導起電力Ｖｐ１が発生し、これに伴って、二次側の電流Ｉ２がダイオードの順方向に急激に流れ、負荷２０には前記誘導起電力に応じたパルス状の負極性の高電圧Ｖｐ２が印加されることになる。このとき、第２スイッチＳＷ２を構成する直列回路の両端電圧も高電圧Ｖｐ２となる。
【００６１】
その後、高電圧Ｖｐ２のピークの時点ｔ２を過ぎると、負荷２０においてエネルギーが消費されることから、二次側の電流Ｉ２は徐々に減衰する。そして、第１スイッチＳＷ１のオフ時点ｔ１から一定時間、例えばパルス状の負極性の高電圧Ｖｐ２が出力されて、出力電流Ｉ２が流れている期間で任意の時間Ｔ３（例えば１μｓｅｃ）が経過した時点ｔ３において、第２スイッチＳＷ２がオンとされる。
【００６２】
第２スイッチＳＷ２がオンとなることによって、二次側の電流Ｉ２は、第１整流回路３０よりも低抵抗の第２スイッチＳＷ２を通じて流れることになる。すなわち、二次側の電流Ｉ２は、負荷２０を経由することなく、第２スイッチＳＷ２→トランス１４の二次巻線２８→第２スイッチＳＷ２という短い経路を電流Ｉ３として流れるようになり、負荷２０を経由する場合よりも、エネルギー減衰が小さくなる。従って、励磁インダクタンスに残留電流が生じるおそれがあるが、電流検知手段２２と第３回路２４ｃで、トランス１４の一次側に流れる電流Ｉ１のピーク値Ｉｐ１が一定となるように制御することから、残留電流による誘導エネルギーの累積的蓄積の発生をなくすことができる。
【００６３】
このように、第２パルス電源回路１０Ｂは、トランス１４の二次側の両極間であって、且つ、第１整流回路３０の接続位置よりもトランス１４寄りの位置に第２スイッチＳＷ２を接続し、第１スイッチＳＷ１のオフ時点から任意の時間Ｔ３経過後に、第２スイッチＳＷ２をオンにするようにしたので、プラズマを使ってワークを処理する場合、例えばプラズマＣＶＤ、プラズマＰＶＤ、プラズマエッチング、プラズマイオン注入、プラズマ表面改質、プラズマ放電加工等において、出力電流のパルス幅（＝時間Ｔ３）をワークに応じて任意に制御することができ、ワークの更なる品質向上を図ることができる。また、第１パルス電源回路１０Ａと同様に、誘導エネルギーに変動があったとしても、残留電流の発生をなくして安定したパルス出力を得ることができ、稼働率の向上、信頼性の向上を図ることができ、しかも、安価な直流電源を使用することができる。
【００６４】
次に、第３の実施の形態に係るパルス電源回路（以下、第３パルス電源回路１０Ｃと記す）について図６を参照しながら説明する。
【００６５】
この第３パルス電源回路１０Ｃは、図６に示すように、上述した第２パルス電源回路１０Ｂとほぼ同様の構成を有するが、第２スイッチＳＷ２を、トランス１４の一次側の両極間であって、且つ、第１スイッチＳＷ１の接続位置よりもトランス１４寄りの位置に接続した点で異なる。
【００６６】
この場合も、第２スイッチＳＷ２の両端電圧ＶＦ３（オン時電圧）が、第１整流回路３０の両端電圧ＶＦ２（順方向電圧）よりも小さく設定されている（両端電圧ＶＦ３（オン時電圧）＜ＶＦ２（順方向電圧））。
【００６７】
第２スイッチＳＷ２がオンになると、一次側の電流Ｉ１は、第２スイッチＳＷ２→トランス１４の一次巻線２６→第２スイッチＳＷ２という短い経路で電流Ｉ３として流れるようになる。この場合も、エネルギー減衰が小さく、励磁インダクタンスに残留電流が生じるおそれがあるが、電流検知手段２２と第３回路２４ｃで、トランス１４の一次側に流れる電流Ｉ１のピーク値Ｉｐ１が一定となるように制御することから、残留電流による誘導エネルギーの累積的蓄積の発生をなくすことができる。
【００６８】
この第３パルス電源回路１０Ｃにおいても、プラズマを使ってワークを処理する場合、例えばプラズマＣＶＤ、プラズマＰＶＤ、プラズマエッチング、プラズマイオン注入、プラズマ表面改質、プラズマ放電加工等において、出力電流のパルス幅Ｔ３をワークに応じて任意に制御することができ、ワークの更なる品質向上を図ることができる。また、誘導エネルギーに変動があったとしても、残留電流の発生をなくして安定したパルス出力を得ることができ、稼働率の向上、信頼性の向上を図ることができ、しかも、安価な直流電源を使用することができる。
【００６９】
次に、第４の実施の形態に係るパルス電源回路（以下、第４パルス電源回路１０Ｄと記す）について図７を参照しながら説明する。
【００７０】
この第４パルス電源回路１０Ｄは、図７に示すように、上述した第２パルス電源回路１０Ｂとほぼ同様の構成を有するが、トランス１４の二次側に、二次巻線２８とは別に、トランス１４の一次側に対して加極性となるように巻かれた巻線４０が設けられ、この巻線４０に直列に第２スイッチＳＷ２が接続されている点で異なる。
【００７１】
この場合も、第２スイッチＳＷ２の両端電圧ＶＦ３（オン時電圧）が、第１整流回路３０の両端電圧ＶＦ２（順方向電圧）よりも小さく設定されている。
【００７２】
第２スイッチＳＷ２がオンになると、第２スイッチＳＷ２→トランス１４の巻線４０→第２スイッチＳＷ２という短い経路で電流Ｉ３が流れるようになる。この場合も、エネルギー減衰が小さく、励磁インダクタンスに残留電流が生じるおそれがあるが、電流検知手段２２と第３回路２４ｃで、トランス１４の一次側に流れる電流Ｉ１のピーク値Ｉｐ１が一定となるように制御することから、残留電流による誘導エネルギーの累積的蓄積の発生をなくすことができる。
【００７３】
この第４パルス電源回路１０Ｄにおいても、プラズマを使ってワークを処理する場合、例えばプラズマＣＶＤ、プラズマＰＶＤ、プラズマエッチング、プラズマイオン注入、プラズマ表面改質、プラズマ放電加工等において、出力電流のパルス幅Ｔ３をワークに応じて任意に制御することができ、ワークの更なる品質向上を図ることができる。また、誘導エネルギーに変動があったとしても、残留電流の発生をなくして安定したパルス出力を得ることができ、稼働率の向上、信頼性の向上を図ることができ、しかも、安価な直流電源を使用することができる。
【００７４】
なお、本発明に係るパルス電源回路は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】第１パルス電源回路の構成を示す回路図である。
【図２】第１パルス電源回路の通常の回路動作を示すタイミングチャートである。
【図３】残留電流が発生した場合の回路動作を示すタイミングチャートである。
【図４】第２パルス電源回路の構成を示す回路図である。
【図５】第２パルス電源回路の回路動作を示すタイミングチャートである。
【図６】第３パルス電源回路の構成を示す回路図である。
【図７】第４パルス電源回路の構成を示す回路図である。
【図８】従来例に係るパルス電源回路の構成を示す回路図である。
【図９】従来例に係るパルス電源回路の通常の回路動作を示すタイミングチャートである。
【図１０】残留電流が発生した場合の従来例に係るパルス電源回路の回路動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００７６】
１０Ａ〜１０Ｄ…第１パルス電源回路〜第４パルス電源回路
１２…直流電源部 １４…トランス
１６…制御回路 １８…整流回路
２０…負荷 ２２…電流検知手段
２６…一次巻線 ２８…二次巻線
３０…第１整流回路 ３２…バイポーラトランジスタ
３４…第２整流回路 ３６…直列回路
４０…巻線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源部の両端に直列接続されたトランス及びスイッチを有し、
前記スイッチのオン動作に伴う前記トランスへの誘導エネルギーの蓄積と、前記スイッチのオフ動作に伴う前記トランスの二次側での高電圧パルスの発生とを１つのサイクルとしたとき、前記サイクルを繰り返して複数の前記高電圧パルスを連続して出力するパルス電源回路であって、
複数のサイクルにわたる誘導エネルギーの累積的蓄積を回避するように、前記トランスの一次側に流れる電流を制御する電流制御回路を有することを特徴とするパルス電源回路。
【請求項２】
請求項１記載のパルス電源回路において、
前記電流制御回路は、前記トランスの一次側に流れる電流のピーク値が一定となるように制御することを特徴とするパルス電源回路。
【請求項３】
請求項２記載のパルス電源回路において、
前記トランスの一次側に流れる電流を検知する電流検知手段と、
前記電流検知手段にて検知された電流値が前記ピーク値となった段階で前記スイッチをオフにする制御手段とを有することを特徴とするパルス電源回路。
【請求項４】
請求項１記載のパルス電源回路において、
前記トランスの二次側に電流を一方向に流すための整流回路が接続され、
前記トランスの二次側の両極間であって、且つ、前記整流回路の接続位置よりも前記トランス寄りの位置に接続された第２スイッチと、
前記スイッチのオフ時点から一定時間経過後に、前記第２スイッチをオンにするスイッチング制御手段とを有することを特徴とするパルス電源回路。
【請求項５】
請求項１記載のパルス電源回路において、
前記トランスの二次側に電流を一方向に流すための整流回路が接続され、
前記トランスの一次側の両極間であって、且つ、前記スイッチの接続位置よりも前記トランス寄りの位置に接続された第２スイッチと、
前記スイッチのオフ時点から一定時間経過後に、前記第２スイッチをオンにするスイッチング制御手段とを有することを特徴とするパルス電源回路。
【請求項６】
請求項１記載のパルス電源回路において、
前記トランスの二次側に電流を一方向に流すための整流回路が接続され、
前記トランスの二次側に、二次巻線とは別に、前記トランスの一次側に対して加極性となるように巻かれた巻線と、
前記巻線に直列に接続された第２スイッチと、
前記スイッチのオフ時点から一定時間経過後に、前記第２スイッチをオンにするスイッチング制御手段とを有することを特徴とするパルス電源回路。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれか１項に記載のパルス電源回路において、
前記第２スイッチのオン時の電圧が前記整流回路の順方向電圧よりも小さいことを特徴とするパルス電源回路。
【請求項１】
直流電源部の両端に直列接続されたトランス及びスイッチを有し、
前記スイッチのオン動作に伴う前記トランスへの誘導エネルギーの蓄積と、前記スイッチのオフ動作に伴う前記トランスの二次側での高電圧パルスの発生とを１つのサイクルとしたとき、前記サイクルを繰り返して複数の前記高電圧パルスを連続して出力するパルス電源回路であって、
複数のサイクルにわたる誘導エネルギーの累積的蓄積を回避するように、前記トランスの一次側に流れる電流を制御する電流制御回路を有することを特徴とするパルス電源回路。
【請求項２】
請求項１記載のパルス電源回路において、
前記電流制御回路は、前記トランスの一次側に流れる電流のピーク値が一定となるように制御することを特徴とするパルス電源回路。
【請求項３】
請求項２記載のパルス電源回路において、
前記トランスの一次側に流れる電流を検知する電流検知手段と、
前記電流検知手段にて検知された電流値が前記ピーク値となった段階で前記スイッチをオフにする制御手段とを有することを特徴とするパルス電源回路。
【請求項４】
請求項１記載のパルス電源回路において、
前記トランスの二次側に電流を一方向に流すための整流回路が接続され、
前記トランスの二次側の両極間であって、且つ、前記整流回路の接続位置よりも前記トランス寄りの位置に接続された第２スイッチと、
前記スイッチのオフ時点から一定時間経過後に、前記第２スイッチをオンにするスイッチング制御手段とを有することを特徴とするパルス電源回路。
【請求項５】
請求項１記載のパルス電源回路において、
前記トランスの二次側に電流を一方向に流すための整流回路が接続され、
前記トランスの一次側の両極間であって、且つ、前記スイッチの接続位置よりも前記トランス寄りの位置に接続された第２スイッチと、
前記スイッチのオフ時点から一定時間経過後に、前記第２スイッチをオンにするスイッチング制御手段とを有することを特徴とするパルス電源回路。
【請求項６】
請求項１記載のパルス電源回路において、
前記トランスの二次側に電流を一方向に流すための整流回路が接続され、
前記トランスの二次側に、二次巻線とは別に、前記トランスの一次側に対して加極性となるように巻かれた巻線と、
前記巻線に直列に接続された第２スイッチと、
前記スイッチのオフ時点から一定時間経過後に、前記第２スイッチをオンにするスイッチング制御手段とを有することを特徴とするパルス電源回路。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれか１項に記載のパルス電源回路において、
前記第２スイッチのオン時の電圧が前記整流回路の順方向電圧よりも小さいことを特徴とするパルス電源回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−５４９８（Ｐ２００９−５４９８Ａ）
【公開日】平成２１年１月８日（２００９．１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１６３９７４（Ｐ２００７−１６３９７４）
【出願日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月８日（２００９．１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
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