半波電圧倍増器/四倍増器およびエキシマレーザーシステムにおける高電圧ディスクコンデンサーの使用

レーザーシステムは、そのコンポーネント、特に電力供給回路に極端な要求を課すことがあります。エネルギーの蓄積と放電のプロセスにおいて、ディスクコンデンサは高い静電容量、低い損失係数などの特性から優れた選択肢です。本記事では、高電圧用途（最大50 kV）で使用されているVishayによる最新のディスクコンデンサ技術について概観します。

はじめに

高電圧ディスクコンデンサは、最大で50 kVまでの動作電圧能力、5000 pFを超える静電容量、低いインダクタンス、そして0.5%以下の損失係数（DF）を必要とする多くのアプリケーションで使用されています。このホワイトペーパーでは、レーザーシステムのアプリケーションにおけるエネルギーの蓄積と放電利用に焦点を当てます。さらに、電圧倍増回路として2つのダイオード、2つのコンデンサ、および交流入力電圧源で構成される半波電圧倍増器についても検討します。これらの回路は、X線システム、高電圧電源、粒子加速器、イオンポンプなど多くのアプリケーションに存在し、出力電圧の振幅は入力電圧振幅の2倍になります。また、追加のダイオード・コンデンサステージを含む電圧四倍増器での使用についても考察します。

半波電圧倍増回路

半波電圧倍増器の回路図は、以下の図に示されています。正の半周期の間、ダイオードD1は順方向バイアスとなるため、電流がその中を流れます。この電流はコンデンサーC1に流れ込み、入力電圧VMのピーク値まで充電されます。しかし、ダイオードD2は逆方向バイアスとなるため、コンデンサーC2には電流が流れません。このため、ダイオードD2はコンデンサーC2への電流を遮断します。したがって、正の半周期の間はコンデンサーC1が充電されますが、コンデンサーC2は充電されません。

負の半周期の間、ダイオードD1は逆バイアスされます。そのため、負の半周期の間、コンデンサC1は充電されません。しかし、コンデンサC1に蓄積された電荷（Qm）は放電されます。負の半周期ではダイオードD2が順バイアスされるため、入力電圧VMとコンデンサC1の電圧VMが加算されてコンデンサC2が値2 VMまで充電されます。このように、負の半周期ではコンデンサC2が入力供給電圧VMとコンデンサC1上の電圧の両方によって充電されます。
したがって、コンデンサC2は2 VMに充電されます。
回路の出力側に負荷が接続されている場合、コンデンサC2に蓄積された電荷（2 VM）は放電され、出力へ流れます。
次の正の半周期ではダイオードD1が順バイアスされ、ダイオードD2は逆バイアスされます。そのため、コンデンサC1はVMまで充電されますが、コンデンサC2は充電されません。ただし、コンデンサC2に蓄積された電荷（2 VM）は放電され、出力負荷に流れます。このように、半波電圧倍増回路は出力負荷に2 VMの電圧を供給します。
設計例
ダイオード: 2CL74

コンデンサ: HVCC103Y6P202KEAX

VM = 1000 Vpeak の入力の場合、Vo = 2(1000 V) = 2 kV

追加ステージの追加 - 電圧四重化回路

電圧四倍器は、電圧二倍回路にもう1段のダイオードとコンデンサーを追加することによって得られます。この構成では、初期の電圧二倍回路にステージをN個追加することで、出力電圧Vo = VMNを得ることができます（ここでNは追加されたステージの数です）。回路の動作は以下の通りです。入力AC信号の最初の正の半周期では、ダイオードD1が順方向バイアスされ、ダイオードD2、D3、およびD4は逆方向バイアスされます。そのため、ダイオードD1は電流を通過させます。この電流はコンデンサーC1に流れ込み、入力電圧VMのピーク値まで充電されます。

最初の負の半サイクルにおいて、ダイオードD2は順方向バイアスされ、ダイオードD1、D3、D4は逆方向バイアスされます。そのため、ダイオードD2は電流を通過させます。この電流はコンデンサC2に流れ込み、C2を充電します。コンデンサC2は入力信号のピーク電圧の2倍（2 VM）に充電されます。これは、コンデンサC1に蓄えられていた電荷（VM）が負の半サイクル中に放電されるためです。したがって、コンデンサC1の電圧（VM）と入力電圧（VM）がコンデンサC2に加算されます。コンデンサ電圧 + 入力電圧 = VM + VM = 2 VM。この結果として、コンデンサC2は2 VMに充電されます。

次の正の半サイクルにおいて、ダイオードD3は順方向バイアスされ、ダイオードD1、D2、D4は逆方向バイアスされます。ダイオードD1は、C1とD1のノードの電圧がC1の電圧VMによって負になるため、逆方向バイアスされます。また、ダイオードD2とD4もその向きによって逆方向バイアスされます。その結果、コンデンサC2に蓄えられている電圧（2 VM）が放電されます。この電荷はコンデンサC3に流れ込み、C3を同じ電圧（2 VM）まで充電します。

次の負の半サイクルにおいて、ダイオードD2とD4は順方向バイアスされ、ダイオードD1とD3は逆方向バイアスされます。その結果、コンデンサC3に蓄積されていた電荷（2 VM）が放電されます。この電荷はコンデンサC4に流れ込み、C4を同じ電圧（2 VM）まで充電します。

コンデンサC2とC4は直列に接続されており、出力電圧はこの2つの直列接続されたコンデンサC2とC4の間で得られます。コンデンサC2の電圧は2 VMであり、コンデンサC4の電圧も2 VMです。そのため、合計の出力電圧はコンデンサC2の電圧とC4の電圧を足した値に等しくなります。

2 VM + 2 VM = 4 VM = VO

設計例

ダイオード: 2CL74

コンデンサ: HVCC103Y6P202KEAX

VM = 1000 Vpeak の入力の場合、次のようになります: VO = 2(1000 V) + 2(1000 V) = 4 kV

エキシマレーザー

エキシマ分子におけるレーザー作用は、結合した（結合的な）励起状態が存在することによって生じますが、一方で基底状態は反発的（解離的）であるために起こります。キセノンやクリプトンなどの貴ガスは非常に不活性であり、通常は化学化合物を形成しません。しかし、励起状態（電気放電や高エネルギーの電子ビームによって誘導される場合）にあるとき、これらの貴ガスは自身と（エキシマ）またはフッ素や塩素のようなハロゲンと（エキシプレックス）、一時的に結合した分子を形成することができます。この励起した化合物は、自然発光または誘導発光を通じて余剰エネルギーを放出し、非常に反発的な基底状態分子を生成します。そして、この分子は非常に短時間（ピコ秒単位）で再び2個の非結合原子に解離します。これにより、集団反転が形成されます。

励起状態を電気放電で開始する場合、その基本的な回路構成は以下に示されているように、ストレージコンデンサー、通常はストレージバンクがフラッシュランプで使用されます。

記載されているコンデンサバンクは、適切な静電容量値、電圧定格、およびセラミックタイプを選択した場合に、Vishayの715Cシリーズクラス2セラミックディスクコンデンサで構成することができます。
パルス用途でコンデンサを充電する際に最も一般的に使用される方法は、全放電と部分放電です。全放電は、その名の通り、コンデンサを各ショット毎にゼロまで放電させる方法です。その後、電源が有効化され、コンデンサが設定電圧まで充電され、放電サイクルが繰り返されます。高電圧スイッチには、通常SCRが使用され、高電圧用途ではサイラトロンが使用されることがあります。
部分放電法は、半導体スイッチを活用してコンデンサから負荷への放電をオンおよびオフに操作し、デザイナーがパルス幅と供給エネルギーを変えることを可能にします。この方法では、指定されたコンデンサが通常十分に大きいため、各ショットで使用されるエネルギーはごく一部で済みます。このため、「部分放電」と呼ばれています。どちらの方法でも、電源のサイズを決定したり、充電時間を計算したりするために標準の公式を使用することができます。用途に必要なエネルギー量を見積もる最も簡単な方法は、これらの公式を使用することです。
設計例：2.5 kV パルス
電源: Lumina CCPF-1500-XX

コンデンサ: Vishay 715C10KTD80

8000 pFの容量を持つコンデンサを20個使用するシステムの場合、合計静電容量Cは0.16 μFとなります。また、このコンデンサバンクを2.5 kVに充電すると、パルスごとのエネルギーは以下のように計算されます：

エネルギー/パルス = 1/2 CV² = 0.5(1.6 x 10^-5F)(2500 V)² = 50 j

コンデンサは充電された後、システムのフラッシュランプに放電されます。この充電と放電のプロセスが繰り返される頻度を「リプレート」と呼びます。したがって、充電率は次の式で計算されます：

充電率 = （エネルギー/パルス）（リプレート）

以下の場合に：

Cはファラッド単位のコンデンサ容量

Vは必要な充電電圧

リプレートはHz

上記のパルスごとのエネルギーを使用し、リプレートが20 Hzのシステムの場合：

充電率 = （50 j）（20 Hz） = 1000 j/s

この式は、システムの多くで必要とされるデッドタイム（安定時間）を考慮していません。そのため、低リプレートのアプリケーションでは、若干余裕のある電源を選択するのが良い選択です。このケースでは、1500 j/sの電源が適合モデルとして適しているでしょう。

部分放電が行われるアプリケーションの場合、コンデンサが放電する時間によって、設定電圧にコンデンサを再充電するために必要なエネルギー量が決まります。パルス幅は数百マイクロ秒から数十ミリ秒まで変動し、それに伴い電圧が低下します。一般に、再充電のエネルギーを計算するには次の式を使用します：

E_Recharge = 1/2CL (V²_max. - V²_d)

以下の場合に：

V_max. は最大電圧

V_d は最低の電圧低下

それでは、上記システムの場合、電圧が1 kVまで低下すると仮定すると：

E_Recharge = 0.5(1.6 x 10^-5F)(2500² - 1000²) = 42 j

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