專利名稱：脈沖電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使例如銅蒸汽激光器、受激準(zhǔn)分子激光器、二氧化碳激光器等脈沖激光器的激發(fā)能量發(fā)生的脈沖電源裝置。
背景技術(shù)：
銅蒸汽激光器、受激準(zhǔn)分子激光器、二氧化碳激光器等脈沖激光器需要對其提供激發(fā)能量的放電管和使該放電管發(fā)光的脈沖電源裝置。
激光器示出功率一旦變大，該脈沖電源裝置的電功率也要很大，其消耗功率也大，因此希望提供其工作效率。


圖10是例如日本專利特開平4-349677號公報所示的已有的脈沖電源裝置。在圖中，1是提供電力的交流電源，2是以交流電源1作為輸入的、發(fā)生直流高壓的直流電壓源，3是并聯(lián)連接于直流電壓源2的輸出側(cè)的、貯存高電壓的電容器，4是連接于電容器3、使電容器3貯存的能量放電釋放的開關(guān)，5是串聯(lián)于開關(guān)4，設(shè)置于電容器3的放電路徑上的電抗器，6是設(shè)置于電抗器5的輸出側(cè)和直流電壓源2的一極之間的電容器。7和8是設(shè)置于電容器6的放電路徑上的過飽和電抗器及峰化(peaking)電容器。9是在峰化電容器上并聯(lián)連接的放電管。11是將電容器6兩端產(chǎn)生的反向電壓整流并輸入變壓器10用的二極管，12是在變壓器10的輸出側(cè)設(shè)置的高頻旁路電容器，13是以電容器12兩端的電壓作為輸入，輸出為直流電壓源2的輸入、即與交流電源I并聯(lián)連接的逆變器。
下面根據(jù)圖11的時序圖對圖10的脈沖電源裝置的動作加以說明。
首先，利用由交流電源1提供電力的直流電壓源2向電容器3進(jìn)行高電壓充電。接著，在時間t1開關(guān)一旦接通，電容器3的電荷經(jīng)由電抗器5放電，電容器6急速充電。在該充電過程中對峰化電容器8的充電受到可飽和電抗器7的阻止，但是不久后在時間t2可飽和電抗器7飽和，電路電感大大減少，于是電容器6放電，開始從電容器6向峰化電容器8充電。峰化電容器8的電壓一旦在時間t3達(dá)到規(guī)定值，放電管即放電、變成低阻抗，峰化電容器8放電。開關(guān)4在電容器3的電壓大致為0時斷開。反復(fù)進(jìn)行上述動作使脈沖反復(fù)發(fā)生。
在上述動作中，流向電容器6、峰化電容器8、放電管9的電流是由電容器的電容量和電路電感引起的諧振現(xiàn)象產(chǎn)生的電流提供的，越是后級的電容器做得越小，以此使其諧振頻率慢慢升高(總之，隨著脈沖的時間寬度變窄，使峰值電壓升高)，最后，流向放電管9的電流急速變大。
這樣的電路稱為磁壓縮電路、脈沖壓縮電路等(以后稱為脈沖壓縮電路)。在這種脈沖壓縮電路中，將能量從前級電容器向后級電容器轉(zhuǎn)移時，由于這樣利用振動現(xiàn)象，假如電路常數(shù)不合適，各電路的放電阻抗不匹配時，放電后在電容器6和峰化電容器8有電壓殘留，所以向來有想要使這種能量的殘留盡量小的課題。因此在例如日本專利特開平4-200281號公報中公開了前后級電容器的電容量的比例為1∶0.7～1的情況。
在圖10的情況中，由于振動(諧振)現(xiàn)象而在電容器6的兩端發(fā)生的相反極性的電壓使二極管11導(dǎo)通后加在變壓器10的輸入端子上。于是，電流從電容器6或峰化電容器8通過二極管11、變壓器10流動，向連接于變壓器10的輸出側(cè)的電容器12充電，在諧振現(xiàn)象中沒有因電路內(nèi)的電阻成份而消失的能量被存儲于電容器12。電容器12中存儲的能量由逆變器13變換為交流電壓，作為直流電壓源2的輸入被重新利用。
經(jīng)由如上所述的交流電路回收能量的方式中，存在著在交直流變換階段能量損失大的問題。
因此，作為第背景技術(shù)：
如日本專利特開平9-148657號公報所示，是在直流電路中的飽和變壓器(相當(dāng)于圖10的飽和電抗器7)設(shè)置次級繞組線圈，通過連接于該次級繞組線圈的能量再生電路在直流電壓源2的直流側(cè)回收能量的裝置。
已有的脈沖電源裝置具有如上所述的結(jié)構(gòu)，因此沒有在放電管中消耗掉的多余的電力的回用通過變壓器、逆變器等交流設(shè)備進(jìn)行，因此裝置大、成本高。而要在交流輸入側(cè)回用電力，則直流電壓源的輸出容量由于需要包容該剩余電力而導(dǎo)致大型化，由于要通過直流電壓源、變壓器、逆變器等多種設(shè)備進(jìn)行回用，在電路中發(fā)生電力損耗，就存在著難于提高效率的問題。
又，在第背景技術(shù)：
中回用能量是在直流電壓源的直流輸出側(cè)再生的，因此雖然不發(fā)生上面所述的由交流電路引起的效率上、經(jīng)濟(jì)上的損失，但是由于是通過次級繞組線圈使流入過飽和電抗器的電流回用的裝置，存在著損失大、效率不高的問題。
本發(fā)明是為了消除如上所述的問題而作出的，其目的在于，對于在直流電路的電容器中殘留的電壓能量，可以不使用逆變器和變壓器等交流設(shè)備，而只在直流電壓源的輸出側(cè)進(jìn)行高效率的電力回用，而且不需要使用電抗器的次級繞組線圈，減少直流電源的輸出容量，提高脈沖電源裝置的效率，使其小型化，降低其價格。
又，其目的還在于，在根據(jù)上述目的發(fā)明的脈沖電源裝置中使用了脈沖寬度壓縮電路，在發(fā)生的脈沖的電壓進(jìn)一步升高的情況下，顯示更合適的電路常數(shù)選擇范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的脈沖電源裝置是包含直流電壓源和串聯(lián)連接于該直流電壓源的正負(fù)輸出端子之間的第1和第2串聯(lián)電路，所述第1串聯(lián)電路是第1電抗器與第1正向二極管的串聯(lián)電路，所述第2串聯(lián)電路是第2正向二極管與開關(guān)構(gòu)成的串聯(lián)電路的脈沖電源裝置，在所述第2串聯(lián)電路并聯(lián)連接第3串聯(lián)電路，所述第3串聯(lián)電路由電容器與第2電抗器及放電管串聯(lián)連接而成。電容器與第2電抗器引起的振蕩性流動的電流使電容器上殘留相反極性的電壓，使該電壓與電源電壓重疊、在下一次充電時加以利用。
又，本發(fā)明的脈沖電源裝置是第2正向二極管與開關(guān)構(gòu)成的第2串聯(lián)電路具有串聯(lián)連接的過飽和電抗器的裝置。過飽和電抗器防止在二極管恢復(fù)期間電流反向流動。
又，本發(fā)明的脈沖電源裝置是第2正向二極管具有并聯(lián)連接的電阻的裝置。電阻使第2正向二極管的恢復(fù)時間縮短。
又，本發(fā)明的脈沖電源裝置按照如下方式構(gòu)成所述各串聯(lián)電路內(nèi)部的連接順序，即第1串聯(lián)電路、第2串聯(lián)電路和第3串聯(lián)電路的連接點(diǎn)上連接著第1正向二極管、第2正向二極管和電容器，而且所述第1正向二極管、所述第2正向二極管和所述電容器構(gòu)成的3端子T形電路是由2個二極管和電容器構(gòu)成的3端子T形電路多個并聯(lián)連接構(gòu)成的。利用多個3端子T形電路，可以使電流的平衡更好。
又，本發(fā)明的脈沖電源裝置，第2正向二極管與開關(guān)構(gòu)成的第2串聯(lián)電路是串聯(lián)連接的二極管與半導(dǎo)體開關(guān)器件構(gòu)成的組件多個串聯(lián)連接構(gòu)成的。
又，本發(fā)明的脈沖電源裝置是，構(gòu)成第2串聯(lián)電路的串聯(lián)連接的第2正向二極管與半導(dǎo)體器件的組件并聯(lián)設(shè)置有電容器與電阻的串聯(lián)電路構(gòu)成的浪涌電壓抑制手段的裝置。
又，本發(fā)明的脈沖電源裝置是包含直流電壓源和串聯(lián)連接于該直流電壓源的正負(fù)輸出端子之間的第1和第2串聯(lián)電路，所述第1串聯(lián)電路是第1電抗器與第1正向二極管的串聯(lián)電路，所述第2串聯(lián)電路是第2正向二極管與開關(guān)構(gòu)成的串聯(lián)電路的脈沖電源裝置，是在所述第2串聯(lián)電路并聯(lián)設(shè)置有第1過飽和電抗器、第1電容器和第2電容器的串聯(lián)電路，并且所述第2電容器并聯(lián)設(shè)置有第2飽和電抗器與第3電容器構(gòu)成的脈沖壓縮電路，該脈沖壓縮電路的所述第3電容器并聯(lián)設(shè)置有放電管的裝置。
又，本發(fā)明的脈沖電源裝置，將第2電容器的電容量與第1電容器的電容量相比，或是將第3電容器的電容量與第2電容器的電容量相比，比值在0.25以上、0.75以下。采用這樣的電容量比例，可以有效地提高電壓。
附圖概述圖1是本發(fā)明第1實(shí)施例的脈沖電源裝置的電路圖。
圖2是說明圖1的電路的動作的時序圖。
圖3是本發(fā)明第2實(shí)施例的脈沖電源裝置的電路圖。
圖4是本發(fā)明第3實(shí)施例的脈沖電源裝置的電路圖。
圖5是本發(fā)明第4實(shí)施例的脈沖電源裝置的電路圖。
圖6是本發(fā)明第5實(shí)施例的脈沖電源裝置的電路圖。
圖7是本發(fā)明第6實(shí)施例的脈沖電源裝置的電路圖。
圖8是本發(fā)明第7實(shí)施例的脈沖電源裝置的電路圖。
圖9是用于說明圖8的電路的電容量比例與升壓率等的關(guān)系曲線。
圖10是已有的脈沖電源裝置的電路圖。
圖11是用于說明圖10的動作的時序圖。
本發(fā)明的最佳實(shí)施形態(tài)實(shí)施例1下面根據(jù)圖1和圖2對本發(fā)明實(shí)施例1加以說明。
圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的脈沖電源裝置的電路圖。在該圖中，1是提供電力的交流電源，2是以交流電源1作為輸入發(fā)生直流高壓的直流電壓源，14是連接于直流電壓源的直流輸出側(cè)的第1電抗器，15是按照正向串聯(lián)連接于第1電抗器的第1正向二極管。第1電抗器與第1正向二極管構(gòu)成第1串聯(lián)電路51。
16是正向串聯(lián)連接于第1正向二極管上的第2正向二極管，24是串聯(lián)連接于第2正向二極管16上，另一端連接于直流電壓源2上的開關(guān)。第2正向二極管16與開關(guān)24構(gòu)成第2串聯(lián)電路52。
23是連接于第1正向二極管15與第2正向二極管16的連接點(diǎn)上的電容器。25是串聯(lián)連接于電容器23的第2電抗器，9是串聯(lián)連接于第2電抗器25，另一端連接于直流電壓源2的放電管。放電管9上并聯(lián)連接著充電電抗器LG。電容器23和第2電抗器25及放電管9構(gòu)成第3串聯(lián)電路53。
下面利用時序2對圖1的電路的動作加以說明。
為了說明的方便，將圖2的時間分為模式1～模式5進(jìn)行說明。圖2的縱軸表示電容器23的電壓波形、開關(guān)24的電流波形、第1電抗器14的電流波形、放電管9的電流波形，以及第1正向二極管15的狀態(tài)、第2正向二極管16的狀態(tài)、開關(guān)24的開閉狀態(tài)。
又，按照放電管9在進(jìn)行放電時阻抗極低進(jìn)行說明。
模式1一旦由交流電源1提供電壓，電流即通過第1電抗器14、第1正向二極管15、電容器23、第2電抗器25、充電電抗器LG的路徑流動，對電容器進(jìn)行3V電壓的充電。其極性以與第1正向二極管15連接的一側(cè)為正極。
模式2在電容器23充分充電的階段，一旦使開關(guān)24接通，電容器23的電荷即經(jīng)由第2串聯(lián)電路52和第3串聯(lián)電路53放電。即以第2正向二極管16、開關(guān)24、放電管9、第2電抗器25的路徑放電。
該電路是L、C、R的串聯(lián)振蕩電路，因此，在滿足下式的情況下，如所周知電流成了振蕩電流。
R＜2·(L/C)1/2其中，C為電容器23的靜電電容量，L為第2電抗器25的電感量，R為放電管9在放電時的電阻值。
亦即，在電容器23的電壓下降到0后放電管9也沒有將能量消耗完，電流繼續(xù)流動，不久，電容器23即以與充電時相反極性的電壓VR充電。
流入開關(guān)24的電流如圖2損失，在峰值IP大致成為正弦波的半波，電容器23的電壓與充電時極性相反。
模式3接著，由于電容器23的反向極性的電壓的作用，在放電管9有反向電流流動，但是由于存在著第2正向二極管16，電流以第3串聯(lián)電路53、直流電壓源2、第1串聯(lián)電路51的路徑、即電容器23、第2電抗器25、放電管9、直流電壓源2、第1電抗器14、第1正向二極管15的路徑放電。
第1電抗器14的阻抗比所述路徑內(nèi)的電阻大得足夠多的情況下，在大致由電容器23的靜電電容量與第1電抗器14的電感值決定的振動條件下，電容器23的反向電壓減小，而另一方面，在電流繼續(xù)增加，電容器23的電壓為0的時刻，流入第1電抗器14的電流達(dá)到極大值I1。
這時，電容器23中存儲的靜電能量全部變換為第1電抗器14的電磁能量。
模式4
一旦電容器23的反向電壓下降到0，第2正向二極管16再度導(dǎo)通，因此迄今為止流動著的電流在第1電抗器14、第1正向二極管15、第2正向二極管16、開關(guān)24的路徑上流動。該電流由于以直流電壓源2的電壓為電源，所以成為單調(diào)增加的電流。
模式5然后，在電抗器14的電流增加到規(guī)定值I2時強(qiáng)制將開關(guān)24切斷，則隨著電流轉(zhuǎn)而減少，第1電抗器14的兩端產(chǎn)生電壓。利用在該電壓上疊加直流電壓源2的電壓所得到的電壓，將流入第1電抗器14的電流初始化，電流從第1電抗器14流向電容器23一方，電容器23充電、升壓到直流電壓源2的輸出電壓以上的電壓。
該動作繼續(xù)到第1電抗器14的電流變?yōu)?、第1正向二極管15截止為止。一旦第1正向二極管15截止、對電容器23充電的動作完成，即返回模式1的狀態(tài)。也就是I2為一定值時V3為一定值，但是I1越大電抗器14電流增加的時間(直流電壓源2的輸出電流增加的時間)越短，直流電壓源2的輸出容量也比較小就夠了。
反復(fù)進(jìn)行上面所述的動作，則在接通開關(guān)24將電容器23存儲的靜電能量提供給放電管9之后，沒有消耗完的能量在暫時以相反的極性存儲于電容器23之后，使其變換為第1電抗器14的電磁能，接著斷開開關(guān)24，以此將該電磁能變換為電壓，在下一次實(shí)施充電時可以疊加于直流電壓源2的電壓上再次利用。
采用這種脈沖電源裝置，由回路的振蕩電流產(chǎn)生的、反極性殘留在電容器上的電壓被重疊于直流電壓源的直流輸出側(cè)，在電容器下一次充電時再次利用，因此在放電管上未被消耗掉的多余電力的回用不通過變壓器、逆變器等交流設(shè)備，而在直流電路內(nèi)進(jìn)行。從而，直流電壓源的輸出容量(峰值)可以取比電容器存儲的能量小，可以提高效率、實(shí)現(xiàn)裝置的小型化、降低成本。
在上述說明中，第1串聯(lián)電路51、第2串聯(lián)電路52、第3串聯(lián)電路53的內(nèi)部的各電路元件的連接順序不是如圖1所示當(dāng)然也可以。放電管9也可以使用并非放電管的其他負(fù)載(但是必須滿足上述阻抗條件)代替。
實(shí)施例2下面使用圖3對本發(fā)明實(shí)施例2的脈沖電源裝置進(jìn)行說明。在圖3中，17是串聯(lián)插入第2串聯(lián)電路52的、即串聯(lián)插入開關(guān)24與第2正向二極管16間的過飽和電抗器。還有，在以下的附圖中標(biāo)以與圖1的零部件相同符號的零部件表示與其相同或相當(dāng)?shù)牧悴考?，因此省略其詳?xì)說明。
在實(shí)施例1敘述的動作模式2中，接通開關(guān)24之后，電流要流過由電流電容器23、第2正向二極管16、過飽和電抗器17、開關(guān)24、放電管9、第2電抗器25形成的回路，但是由于過飽和電抗器17形成高阻抗，因此在過飽和電抗器17上仍施加了電壓，阻止了電流的流動。
其后，一旦過飽和電抗器17經(jīng)過達(dá)到飽和的電壓時間積的時間，過飽和電抗器17由于磁特性的飽和現(xiàn)象而變成低阻抗?fàn)顟B(tài)，因此以后第2正向二極管16的正方向有正弦半波狀電流流動，與實(shí)施例1的模式2一樣，電容器23以相反極性充電。
電流為0時，由于該反向電壓，第2正向二極管16截止，而所述正弦半波狀電流脈沖時間寬度很短、只有數(shù)百ns時，第2正向二極管16必須是其恢復(fù)特性極快的二極管。但是即使使用通常能夠到手的特性優(yōu)異的二極管，在恢復(fù)電流的上升大的情況下，電容器23的反向電壓的靜電能量也不能完全保持，而發(fā)生存儲的電荷作為二極管的恢復(fù)電流一下子被完全釋放的情況。但是如果插入過飽和電抗器17，則即使是對于反向電流，在飽和的時間里也顯示出高阻抗，可以防止電流發(fā)生流動。
亦即，由于第2正向二極管16的正向電流而飽和之后的過飽和電抗器17相對于反向電流其阻抗變高，對在二極管16恢復(fù)時急劇泄漏的電荷加以抑制，在電容器23的反向的電壓時間積達(dá)到上述水平之前，利用過飽和電抗器17在高阻抗時的泄漏電流使第2正向二極管16截止。
如上所述利用插入過飽和電抗器17，可以與第2正向二極管16的恢復(fù)特性的優(yōu)劣無關(guān)地、大致完全保持電容器23的反向電壓。對實(shí)施例1中所說明的能量回收的動作也沒有影響。
本發(fā)明由于在直流電壓源的直流輸出側(cè)使再生能量再生時不使用電抗器的次級繞組，所以能夠進(jìn)一步提高效率。
實(shí)施例3下面利用圖4對本發(fā)明實(shí)施例3的脈沖電源裝置加以說明。在圖4中18是與第2正向二極管16并聯(lián)連接的電阻。還有，在以下的說明中為了圖示的方便雖然沒有記載充電電抗器LG，但是與圖1一樣使用。
為了比在實(shí)施例2的圖3中更可靠、更快地使第2正向二極管16截止，在過飽和電抗器17高阻抗時利用電阻18對二極管16的恢復(fù)電荷一邊進(jìn)行限制一邊使其流動。
以過飽和電抗器17阻止電容器23的相反極性的電荷快速、大量地放出，另一方面，借助于除了過飽和電抗器的漏電流以外使受電阻限制的電流在二極管16的逆反向流動，使二極管16盡快地、更加可靠地截止。
實(shí)施例4下面利用圖5對本發(fā)明第4實(shí)施例的脈沖電源裝置加以說明。
圖5的電路表示加在放電管上的回路電壓、電流大，有必要用多個二極管串聯(lián)連接構(gòu)成的情況。
實(shí)施例1的圖1的電路的第1正向二極管15與第2正向二極管16及電容器23構(gòu)成3端子T形回路。在圖5中，該3端子T形回路使用串聯(lián)/并聯(lián)連接的二極管構(gòu)成。
在圖5中，15a1、15a2是多級(在圖中只是表示出2級)串聯(lián)連接的二極管，16a1、16a2同樣是多級串聯(lián)連接的二極管，都與實(shí)施例1的圖1的第1正向二極管15和第2正向二極管16相當(dāng)。
15b1、15b2、16b1、16b2也同樣是多級連接的二極管。
15c1、15c2、16c1、16c2也同樣是多級連接的二極管。
還有，23a、23b、23c是分別有一端子與15a2和16a1、15b2和16b1、15c2和16c1各二極管連接點(diǎn)相連，另一端子并聯(lián)連接后連接于第2電抗器25的電容器。正向二極管與電容器構(gòu)成3端子T形回路55。
對電容器23a、23b、23c分別從各二極管15a1和15a2、二極管15b1和15b2、及二極管15c1和15c2的正向進(jìn)行充電，接通開關(guān)24，通過二極管16a1和16a2、二極管16b1和16b2、及二極管16c1和16c2使各電容器23a、23b、23c放電。
在圖5中，二極管串聯(lián)連接的數(shù)目是4，并聯(lián)連接的數(shù)目取3對應(yīng)將充放電用的電容器分開為3部分，二極管的串聯(lián)連接數(shù)目越多越容易得到電流的均勻分流。
這樣構(gòu)成回路，不僅能夠應(yīng)付高電壓、大電流，而且能夠像實(shí)施例7所示將二極管部分、電容器部分都裝入一個緊湊的結(jié)構(gòu)中。
實(shí)施例5下面利用圖6對本發(fā)明實(shí)施例5的脈沖電源裝置加以說明。
在圖6中，24a1、24a2、24a3、24b1、24b2、24b3、24c1、24c2、24c3是由半導(dǎo)體器件構(gòu)成的開關(guān)。
而16a1、16a2、16a3、16b1、16b2、16b3、16c1、16c2、16c3是串聯(lián)連接于各半導(dǎo)體器件上的二極管。
在將半導(dǎo)體器件多級串聯(lián)連接后再多個并聯(lián)連接構(gòu)成開關(guān)手段的情況下，與各半導(dǎo)體器件對應(yīng)，分別在其上串聯(lián)連接二極管。
在開關(guān)手段切斷時、亦即使各半導(dǎo)體器件16a1～16c3全部截止時，電容器23的充電電壓由各串聯(lián)級的半導(dǎo)體器件分擔(dān)。
其后，一旦使各半導(dǎo)體器件16a1～16c3一齊導(dǎo)通，則電容器23的放電電流在各并聯(lián)組大致均勻流動。
一旦電容器用與充電時相反極性的電壓進(jìn)行充電時，即使是各半導(dǎo)體器件保持原來的導(dǎo)通情況，也由于在各二極管上加有反向偏壓，各二極管截止，電容器23的反向充電電壓被保持，在各二極管上保持有大致均等分壓的反向偏壓。
這樣構(gòu)成回路，不僅能夠應(yīng)付高電壓、大電流，而且能夠像實(shí)施例7所說明將二極管部分、電容器部分都裝入一個緊湊的結(jié)構(gòu)中。
實(shí)施例6下面利用圖7對本發(fā)明實(shí)施例6的脈沖電源裝置加以說明。
在圖7中，24a、24b、24c是由半導(dǎo)體器件構(gòu)成的開關(guān)。而16a、16b、16c是串聯(lián)連接于各半導(dǎo)體器件24a、24b、24c上的二極管，一個半導(dǎo)體器件和與其串聯(lián)連接的一個二極管構(gòu)成一組。
19a和20a、19b和20b、及19c和20c為電容器和電阻，構(gòu)成緩沖電路(snubber)、即浪涌吸收器。
將半導(dǎo)體器件24a、24b、24c及二極管16a、16b、16c串聯(lián)連接構(gòu)成這一點(diǎn)與實(shí)施例5的圖6相同。
對于一組的半導(dǎo)體器件和二極管，附加一個由電容器和電阻構(gòu)成的緩沖電路。
例如二極管16a與半導(dǎo)體器件24a串聯(lián)連接，電容器19a與電阻20a串聯(lián)連接的電路，連接于二極管16a的陽極一側(cè)，電阻的一個端子連接于半導(dǎo)體器件24a。
在電容器23充電時，電容器19a也通過電阻20a充電。
電容器19b、19c也相同。
也就是說，在電容器23充電時，使由電容器19a～19c加在半導(dǎo)體器件24a～24c的電壓均勻化，同時抑制電壓急劇上升的情況發(fā)生。
令半導(dǎo)體器件24a～24c一齊導(dǎo)通，電容器23放電之后，一旦電容器23被以與充電時相反的極性進(jìn)行充電，二極管16a～16c截止，在反偏壓方向被加以電壓。由于電容器19a～19c以與上述動作相反的方向充電，在二極管16a～16c上施加的電壓保持均等，同時對急劇的電壓上升加以抑制。
對于一組半導(dǎo)體器件和二極管，附加浪涌抑制手段、例如電容器和電阻構(gòu)成的緩沖電路，以此對加以正向電壓時的半導(dǎo)體器件和加以反向電壓時的二極管進(jìn)行過電壓保護(hù)，使分擔(dān)的電壓均勻化。
實(shí)施例7在上面所述的各實(shí)施例的脈沖電源裝置中，也可以使用背景技術(shù)的圖10所說明的脈沖壓縮電路。將這樣的脈沖壓縮電路使用于本發(fā)明的情況示于圖8。
在圖8中，17是串聯(lián)連接于電容器23的第1過飽和電抗器，26是連接于電容器23的后級的第2電容器，27是第2過飽和電抗器，28是第3電容器。
第2過飽和電抗器27和第3電容器28串聯(lián)連接，形成第2電容器26的放電回路。
第3電容器28上并聯(lián)連接放電管9，還并聯(lián)連接充電電抗器LG作為充電時的旁路路徑。
在開關(guān)24接通，在電抗器14的電流變大的時刻使開關(guān)24截止，則直流電壓源2的電壓與電抗器14兩端發(fā)生的感應(yīng)電壓將電容器23充電到高電壓。
接著，一旦開關(guān)24導(dǎo)通，電容器23即放電，第2電容器26即急速充電。在該充電過程中，第2過飽和電抗器27阻止了向第3電容器28的充電，但是不久第2過飽和電抗器27達(dá)到飽和，其阻抗急劇減少，于是第2電容器26放電，開始從第2電容器26向第3電容器28充電。
第3電容器28的電壓一旦達(dá)到規(guī)定值，放電管9即放電、阻抗變低，第3電容器28放電。因此，電流向放電管9流動，電力得以供應(yīng)。在上述動作中流向第2電容器26、第3電容器28的充電電流由各電容器的電容量和回路內(nèi)的阻抗值所決定的振蕩現(xiàn)象引起的電流提供。電容器23、第2電容器的26、第3電容器28的靜電電容量的比記為C3∶C6∶C8，回路損失忽略不計(jì)，各電容器理論上的穩(wěn)態(tài)充電電壓記為V3、V6、V8，則存在如下的關(guān)系V6＝V3×2/(1+C6/C3)V8＝V6×2/(1+C8/C6)例如，在C3∶C6∶C8＝4∶2∶1的情況下，V8＝1.33×V6＝1.33×1.33×V3＝1.77×V3各電容器的充電電壓隨著從前級到后級的移動而電壓逐級上升，每一級上升1.33倍。在這里，電容器的電容量減少下去，因此振蕩頻率變大，電壓、電流波形變得陡峭。另一方面，將電容器23和第2電容器26中殘存的電壓記為V3’和V6’，則V3’和V6’由下式表示V3’＝V3×(1-C6/C3)/(1+C6/C3)V6’＝V6×(1-C8/C6)/(1+C8/C6)例如在C3∶C6∶C8＝4∶2∶1的情況下，V3’＝0.33×V3V6’＝0.33×V6這就是說1/3的電壓，也就是1/9的靜電能量分別殘留在電容器23和電容器26中。由于這樣利用振蕩現(xiàn)象，沒有被放電管的電阻成份消耗掉的能量又在第3電容器28放電之后作為反向電壓在例如第3電容器28發(fā)生，添加于上述殘留的能量上。
該靜電能量大部分在第3電容器28、第2可飽和電抗器27、電容器23、第1可飽和電抗器17第2正向二極管16及開關(guān)24形成的閉合回路沿著正向二極管16的正向放電，電容器23以與充電時相反的極性充電。
電容器23的殘存能量在電容器23、第1過飽和電抗器17、第2正向二極管16、開關(guān)24、處于低阻抗?fàn)顟B(tài)的放電管9及第2過飽和電抗器27形成的閉合回路沿著正向二極管16的正向放電，電容器23以與充電時相反的極性充電。
第2電容器26的殘存能量在第2電容器26、處于低阻抗?fàn)顟B(tài)的放電管9、第1可飽和電抗器17形成的閉合回路引起電流流動，第2電容器26的充電電壓反向，變成相反極性被存儲之后，在第2電容器26、電容器23、第1可飽和電抗器17、第2正向二極管16、開關(guān)24形成的閉合回路沿著正向二極管16的正向放電，電容器23以與充電時相反的極性充電。
如上所述，在各電容器殘存的靜電能量在通過第2正向二極管16、開關(guān)24的路徑上引起第2正向二極管16的正向流動的電流，大部分的能量對電容器23以與初期充電時相反的極性充電。這些工作電流全部沿著使第1過飽和電抗器17及第2過飽和電抗器27飽和的方向流動，反向電流被高阻抗所阻止。又，通過放電管9的路徑以放電管9是低阻抗為前提，但是在處于阻抗分量不能忽視的狀態(tài)的情況下，電流以與放電管9并聯(lián)連接的充電電抗器LG作為旁路流動。
其后，在過飽和電抗器17及27由電容器23的反向電壓造成反向飽和之前，電容器23的反向電壓成為二極管16的反向偏置電源，第2正向二極管16截止。
從而，電流在電容器23、第2過飽和電抗器27、放電管9、直流電壓源2、電抗器14、第1正向二極管15及第1過飽和電抗器17形成的閉合回路中流動，在電容器23的反向電壓為零時，電抗器14的電流達(dá)到極大值，各電容器中殘存的靜電能量被變換為電抗器14的電磁能。
電容器23的反向電壓一旦消失，第2正向二極管16即導(dǎo)通，通過保持導(dǎo)通的開關(guān)24，增加的電流流過直流電壓源2，電抗器14的電磁能進(jìn)一步增加。
一旦在該電流達(dá)到規(guī)定值的時刻，開關(guān)24截止，則將該時刻的電流作為初始值的電容器23的充電動作再次反復(fù)進(jìn)行。
采用如上所述的動作，在脈沖電源的負(fù)荷通過由電容器與過飽和電抗器組合而成的脈沖壓縮電路向放電管供電的情況下，能夠回收殘存的能量。
因此，例如在2級壓縮的情況下，第1、第2、第3電容器的比例就不大有必要以減少電容器的能量殘存量為主要目標(biāo)進(jìn)行決定。
總之，可以主要著眼于升高電壓，相對于各前級電容器的電容量決定后級電容量，因此可以使例如初級的電容器的充電電壓低于以往，也可以使開關(guān)所要求的耐壓性能大大降低。
下面對上述要點(diǎn)進(jìn)一步定量地進(jìn)行說明。以V6/V3＝K表示從電容器23到第2電容器26的電壓升高比率(voltage boost ratio)，P＝(V3’/V3)2表示電容器23的殘存能量發(fā)生率，C6/C3＝α表示電容量比，則存在下式所示的關(guān)系K＝2/(1+α)P＝((1-α)/(1+α))2考慮從C3到C6電壓的上升時，α可以在0＜α＜1的范圍內(nèi)選擇，α越是小，越是能夠得到大的電壓升高比率，殘存能量反而變大。而α越是變大則殘存能量變少，電壓升高比率α變小。
又，為了對C6提供相同的電力，電容器23所需的輸入功率比W由1/(1-P)給出，其中，在α＝1時W取1。
在不存在回路損失的情況下相對于α值的電壓升高比率K、能量殘留率P、輸入功率比W的數(shù)值示于表1。
表1

該結(jié)果以曲線表示如圖9所示。
上述結(jié)果表明，如果α值小于0.25，則可以得到較大的電壓升高比率K，但是輸入功率比急劇增大。這將引起電容器23的靜電電容量大幅度增加，并且導(dǎo)致開關(guān)24的電流容量的大幅度增加。但是由于大部分電力都能夠回收，所以不再需要多余的電力。
又，考慮到實(shí)際電路損失至少有幾個百分點(diǎn)，從電壓升高比率K扣除這一部分后，如果α值比0.75大，則幾乎得不到升壓效果。
因此，使選定α值在0.25以上、0.75以下的范圍內(nèi)，或是在可以將電路電阻設(shè)計(jì)為較低的數(shù)值時(借助于加粗電抗器的繞線等公知技術(shù))使其為0.625以下，或在相反的情況下使其為0.875以下，以此可以得到顯著的升壓效果而不引起電流的大幅度增加和電容量的增加。
根據(jù)相同的原理，顯然從電容器6到電容器8的升壓也一樣。
采用本發(fā)明，使用脈沖寬度壓縮電路進(jìn)一步使發(fā)生的脈沖的電壓上升時，前級與下一級的電容器的電容量比設(shè)定為0.25～0.75，所以即使電容器的電容量、流過的電流的大小不作很大程度的增加，也能夠得到大的電壓升高比率。
工業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明所涉及的脈沖電源裝置，作為激光的激發(fā)電源對以放電管作為負(fù)載的裝置進(jìn)行了說明，但是也可以用作例如氙燈發(fā)光器、X射線管等的驅(qū)動源，還可以用作從低電壓的直流電壓源高效率地發(fā)生高電壓的逆變器電源。
權(quán)利要求
1.一種脈沖電源裝置，包含直流電壓源和串聯(lián)連接于該直流電壓源的正負(fù)輸出端子之間的第1和第2串聯(lián)電路，所述第1串聯(lián)電路是第1電抗器與第1正向二極管的串聯(lián)電路，所述第2串聯(lián)電路是第2正向二極管與開關(guān)構(gòu)成的串聯(lián)電路，其特征在于，在所述第2串聯(lián)電路并聯(lián)連接第3串聯(lián)電路，所述第3串聯(lián)電路由電容器與第2電抗器及放電管串聯(lián)連接而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖電源裝置，其特征在于，第2正向二極管與開關(guān)構(gòu)成的第2串聯(lián)電路具有串聯(lián)連接的過飽和電抗器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的脈沖電源裝置，其特征在于，第2正向二極管具有并聯(lián)連接的電阻。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖電源裝置，其特征在于，按照如下方式構(gòu)成所述各串聯(lián)電路內(nèi)部的連接順序，即第1串聯(lián)電路、第2串聯(lián)電路和第3串聯(lián)電路的連接點(diǎn)上連接著第1正向二極管、第2正向二極管和電容器，而且所述第1正向二極管、所述第2正向二極管和所述電容器構(gòu)成的3端子T形電路是由2個二極管和電容器構(gòu)成的3端子T形電路多個并聯(lián)連接構(gòu)成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖電源裝置，其特征在于，第2正向二極管與開關(guān)構(gòu)成的第2串聯(lián)電路是由串聯(lián)連接的二極管與半導(dǎo)體開關(guān)器件構(gòu)成的組件多個串聯(lián)連接構(gòu)成的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的脈沖電源裝置，其特征在于，構(gòu)成第2串聯(lián)電路的串聯(lián)連接的第2正向二極管與半導(dǎo)體器件的組件并聯(lián)設(shè)置有由電容器與電阻的串聯(lián)電路構(gòu)成的浪涌電壓抑制手段。
7.一種脈沖電源裝置，包含直流電壓源和串聯(lián)連接于該直流電壓源的正負(fù)輸出端子之間的第1和第2串聯(lián)電路，所述第1串聯(lián)電路是第1電抗器與第1正向二極管的串聯(lián)電路，所述第2串聯(lián)電路是由第2正向二極管與開關(guān)構(gòu)成的串聯(lián)電路，其特征在于，在所述第2串聯(lián)電路并聯(lián)設(shè)置有第1過飽和電抗器、第1電容器和第2電容器的串聯(lián)電路，并且所述第2電容器上并聯(lián)設(shè)置有由第2飽和電抗器與第3電容器構(gòu)成的脈沖壓縮電路，該脈沖壓縮電路的所述第3電容器上并聯(lián)設(shè)置有放電管。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的脈沖電源裝置，其特征在于，將第2電容器的電容量與第1電容器的電容量相比，或是將第3電容器的電容量與第2電容器的電容量相比，比值在0.25以上、0.75以下。
全文摘要
本發(fā)明是接通開關(guān)使在電容器中充電的電壓迅速放電的脈沖電源裝置。直流電壓源(2)輸出端子間串聯(lián)連接第1、2串聯(lián)電路(51、52)。第1串聯(lián)電路(51)是第1電抗器(14)與第1正向二極管(15)的串聯(lián)電路,而第2串聯(lián)電路(52)是第2正向二極管(16)與開關(guān)(24)的串聯(lián)電路。而與第2串聯(lián)電路(52)并聯(lián)連接電容器(23)與第2電抗器(25)及放電管(9)的串聯(lián)電路構(gòu)成的第3串聯(lián)電路(53)。放電管由于開關(guān)(24)的接通而發(fā)光,而電容器(23)的放電變成振蕩電流,在電容器(23)產(chǎn)生與初始放電時極性相反的電壓。該電壓與電源電壓重疊,在下一充電周期利用,因此效率極其良好。
文檔編號H02M9/04GK1247644SQ97181932
公開日2000年3月15日 申請日期1997年12月25日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月25日
發(fā)明者藪內(nèi)正隆, 巖田明彥 申請人:三菱電機(jī)株式會社