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公開番号2025018590
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-06
出願番号2023122440
出願日2023-07-27
発明の名称パルス電源装置
出願人株式会社ダイヘン
代理人弁理士法人酒井国際特許事務所
主分類H02M 7/48 20070101AFI20250130BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】任意のタイミングで多段階のレベルのパルス出力電圧を出力する。
【解決手段】パルス電源装置は、N個のDC-DCコンバータと、N個のインバータとを備える。N個のDC-DCコンバータは、第1直流出力端子と第2直流出力端子との間に直流電圧を発生する。N個のインバータは、対応するDC-DCコンバータにおける第1直流出力端子とパルス出力端子との間を短絡または切断する第1スイッチと、対応するDC-DCコンバータにおける第2直流出力端子とパルス出力端子との間を短絡または切断する第2スイッチとを含む。N個のうちの第1のDC-DCコンバータは、絶縁トランスを有し、且つ、前記第1直流出力端子又は前記第2直流出力端子は、基準電位に接続される。N個のうちの第nのDC-DCコンバータの第1直流出力端子は、N個のインバータのうちの第(n-1)のインバータにおけるパルス出力端子に接続される。
【選択図】図6
特許請求の範囲【請求項１】
それぞれが第１直流入力端子及び第２直流入力端子で構成される直流入力部と第１直流出力端子及び第２直流出力端子で構成される直流出力部とを有し、前記第１直流入力端子と前記第２直流入力端子との間に入力した直流電圧を変圧し、前記第１直流出力端子と前記第２直流出力端子との間に変圧した直流電圧を発生させるＮ個（Ｎは２以上の整数）のＤＣ－ＤＣコンバータと、
それぞれがスイッチ及びパルス出力端子を有し、前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータに一対一で対応して設けられるＮ個のインバータと
を備え、
前記Ｎ個のインバータのそれぞれは、前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータのうちの対応するＤＣ－ＤＣコンバータにおける前記第１直流出力端子と前記パルス出力端子との間を短絡または切断する第１スイッチと、前記対応するＤＣ－ＤＣコンバータにおける前記第２直流出力端子と前記パルス出力端子との間を短絡または切断する第２スイッチとを含み、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチが相補的にスイッチング動作することによって、前記パルス出力端子からパルス出力電圧を出力するように構成されており、
前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータのうちの第１のＤＣ－ＤＣコンバータは、前記直流入力部と前記直流出力部との間に電圧を変圧するための絶縁トランスを有し、且つ、前記第１直流出力端子又は前記第２直流出力端子は、基準電位に接続されており、
前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータのうちの第ＮのＤＣ－ＤＣコンバータのパルス出力端子は、負荷に接続され、
前記第ｎ（ｎは、２以上、Ｎ以下の整数）のＤＣ－ＤＣコンバータの前記第１直流出力端子は、前記Ｎ個のインバータのうちの第（ｎ－１）のインバータにおける前記パルス出力端子に接続されている
パルス電源装置。
続きを表示（約 620 文字）【請求項２】
前記Ｎ個のインバータのそれぞれのインバータ内の前記スイッチのスイッチングタイミングを制御するパルス制御部をさらに備え、
前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータのそれぞれは、スイッチング電源装置であり、
前記第ｎのＤＣ－ＤＣコンバータのそれぞれは、前記第１直流出力端子が前記基準電位となったタイミングにおける前記第２直流出力端子の電圧を検出し、検出した前記第２直流出力端子の電圧に基づき、前記第１直流出力端子と前記第２直流出力端子との間に発生する直流電圧を安定化させる
請求項１に記載のパルス電源装置。
【請求項３】
前記第１のＤＣ－ＤＣコンバータにおける前記第１直流出力端子と前記第２直流出力端子との間の電位差の絶対値は、前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータのうちの第２のＤＣ－ＤＣコンバータにおける前記第１直流出力端子と前記第２直流出力端子との間の電位差の絶対値よりも大きい
請求項１又は２に記載のパルス電源装置。
【請求項４】
前記第１のＤＣ－ＤＣコンバータにおける前記第１直流出力端子と前記第２直流出力端子との間の電位差の絶対値は、前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータのうちの第２～第Ｎ（Ｎは３以上の整数）のＤＣ－ＤＣコンバータにおける前記第１直流出力端子と前記第２直流出力端子との間の電位差の絶対値の最大値よりも大きい
請求項１又は２に記載のパルス電源装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス電源装置に関する。
続きを表示（約 2,700 文字）【背景技術】
【０００２】
３レベル以上の電圧を周期的に切り替えて出力するパルス電源装置として、バイポーラ方式のマルチレベルインバータ（特許文献１）が知られている。バイポーラ方式のマルチレベルインバータは、０Ｖを出力する短絡スイッチと、正側電圧と負側電圧とを切り替えるフルブリッジインバータとを備える。バイポーラ方式のマルチレベルインバータは、０Ｖと、正側電圧と、負側電圧とを周期的に切り替えることができる。しかし、バイポーラ方式のマルチレベルインバータは、正側電圧と負側電圧の絶対値が同一であり、デューティ比も５０％である。このため、バイポーラ方式のマルチレベルインバータは、発生する電圧値及びデューティ比が限定されてしまっていた。
【０００３】
このようなパルス電源装置として、ＮＰＣ（Neutral Point Clamped）方式のマルチレベルインバータも知られている。ＮＰＣ方式のマルチレベルインバータは、スイッチと、ダイオードとを利用したＮＰＣ回路または双方向スイッチ（ＴタイプＮＰＣ）を利用する。ＮＰＣ方式のマルチレベルインバータは、複数のＤＣ－ＤＣコンバータを用いて複数の直流電圧を発生させることにより、絶対値の異なる正側電圧及び負側電圧を出力したり、５０％以外のデューティ比で電圧を切り替えたりすることができる。しかし、ＮＰＣ方式のマルチレベルインバータは、絶対値の小さい正側電圧と絶対値の大きい負側電圧を出力するような場合であっても、絶対値の小さい正側電圧をスイッチングするスイッチの耐圧を、絶対値の大きい負側電圧をスイッチングするスイッチと同様に、高くしなければならなかった。正側電圧と負側電圧との大小関係が逆であっても同様である。このため、ＮＰＣ方式のマルチレベルインバータは、スイッチのコストが高くなってしまっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
国際公開第２００９／１４５０９２号公報
特許第６２２５４１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易に且つ少ないコストで、多段階のレベルのパルス出力電圧Ｖｏｕｔを出力することができるパルス電源装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るパルス電源装置は、それぞれが第１直流入力端子及び第２直流入力端子で構成される直流入力部と第１直流出力端子及び第２直流出力端子で構成される直流出力部とを有し、前記第１直流入力端子と前記第２直流入力端子との間に入力した直流電圧を変圧し、前記第１直流出力端子と前記第２直流出力端子との間に変圧した直流電圧を発生させるＮ個（Ｎは２以上の整数）のＤＣ－ＤＣコンバータと、それぞれがスイッチ及びパルス出力端子を有し、前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータに一対一で対応して設けられるＮ個のインバータとを備え、前記Ｎ個のインバータのそれぞれは、前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータのうちの対応するＤＣ－ＤＣコンバータにおける前記第１直流出力端子と前記パルス出力端子との間を短絡または切断する第１スイッチと、前記対応するＤＣ－ＤＣコンバータにおける前記第２直流出力端子と前記パルス出力端子との間を短絡または切断する第２スイッチとを含み、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチが相補的にスイッチング動作することによって、前記パルス出力端子からパルス出力電圧を出力するように構成されており、前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータのうちの第１のＤＣ－ＤＣコンバータは、前記直流入力部と前記直流出力部との間に、電圧を変圧するための絶縁トランスを有し、且つ、前記第１直流出力端子又は前記第２直流出力端子は、基準電位に接続されており、前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータのうちの第ＮのＤＣ－ＤＣコンバータのパルス出力端子は、負荷に接続され、前記第ｎ（ｎは、２以上、Ｎ以下の整数）のＤＣ－ＤＣコンバータの前記第１直流出力端子は、前記Ｎ個のインバータのうちの第（ｎ－１）のインバータにおける前記パルス出力端子に接続されている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、簡易に且つ少ないコストで、多段階のレベルのパルス出力電圧を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
図１は、第１実施形態に係るパルス電源装置の構成を示す図である。
図２は、第１実施形態のシミュレーション波形の第１例を示す図である。
図３は、第１実施形態のシミュレーション波形の第２例を示す図である。
図４は、第１実施形態のシミュレーション波形の第３例を示す図である。
図５は、第１実施形態のシミュレーション波形の第４例を示す図である。
図６は、第２実施形態に係るパルス電源装置の構成を示す図である。
図７は、第２実施形態のシミュレーション波形を示す図である。
図８は、第３実施形態に係るパルス電源装置の構成を示す図である。
図９は、第３実施形態のシミュレーション波形の一例示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、第１実施形態に係るパルス電源装置１００の構成を示す。パルス電源装置１００は、負荷７０に複数のレベルに周期的に変化するパルス出力電圧Ｖｏｕｔを供給する。パルス電源装置１００は、負荷７０のインピーダンスの変動に関わらず目標の電位に安定化されたパルス出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。例えば、パルス電源装置１００は、プラズマ発生装置にスイッチングパルスを供給するパルス発生装置として用いられる。なお、負荷７０の等価回路は、例えば、図１に示すように、キャパシタ７１と抵抗７２によって表される。また、パルス出力電圧Ｖｏｕｔのパルス周波数は、１００Ｈｚ～１０ＭＨｚ程度である。本実施形態では、パルス出力電圧Ｖｏｕｔのパルス周波数は４００ｋＨｚである。
【００１０】
パルス電源装置１００は、第１のＤＣ－ＤＣコンバータ１－１と、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２と、第１のインバータ２－１と、第２のインバータ２－２と、パルス制御部３とを備える。
（【００１１】以降は省略されています）

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