JP2001136654A

JP2001136654A - パルス電源保護回路

Info

Publication number: JP2001136654A
Application number: JP32041099A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Yoshichika; 友宏吉近
Original assignee: Nissin High Voltage Co Ltd
Current assignee: Nissin High Voltage Co Ltd
Priority date: 1999-11-11
Filing date: 1999-11-11
Publication date: 2001-05-18

Abstract

(57)【要約】【課題】高圧パルス出力の電源においては負荷側の放
電が発生することが少なくない。通常このような異常は
過電流を検出することで負荷や電源の保護を行う。本発
明はこうした過電流では検出しにくい軽い放電を検出す
るため、出力のパルス幅を監視保護する回路である。【解決手段】充電電源により充電されたＰＦＮ回路が
高圧スイッチを介してパルストランスの一次側巻線に接
続され、パルストランスの二次側巻線に負荷が接続され
る。さらに負荷に並列に分圧器が設けられる。トリガ信
号発生器からトリガ信号が出されるとスイッチがオンに
なり、それと同時にトリガ信号によって基準パルス発生
回路で基準パルス幅のパルスを生じる。分圧器からのパ
ルス幅と基準パルス発生回路からの基準パルス幅を比較
する比較器が設けられ、パルス幅が同じであれば正常、
パルス幅が異なれば異常だと判定する。異常の場合は警
告によりスイッチをオフにして、負荷や電源を保護す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、クライストロン、
ジャイロトロンなどのためにパルス高電圧を発生する電
源の保護回路に関する。比較的低い周波数で小さい電力
の高周波であれば半導体素子によって発振することがで
きる。より高い周波数より大きい電力の高周波を発振す
るとなると半導体素子では役に立たない。大型の真空電
子管に頼るしかない。クライストロンは大電力用の４極
管であって、アノード（コレクタ）、カソード（フィラ
メント）、グリッドなどよりなる。数１００ＭＨｚ〜３
０ＧＨｚ程度の周波数で、数ｋＷ〜数ＭＷの大電力の高
周波を発振するために用いられる。

【０００２】ジャイロトロンというのはさらに高い周波
数、例えば数１０ＧＨｚ〜１００ＧＨｚで数ｋＷ〜数Ｍ
Ｗの高周波電力を発生することができる。何れも大型の
高価な真空管である。ジャイロトロンはクライストロン
に含めることもあるので、以後簡単に負荷はクライスト
ロンということにする。

【０００３】電源は直流の高圧電源である。クライスト
ロンといっても連続発振させることもあり、パルス発振
するものもある。連続発振するものは比較的小出力のも
のである。大出力のものはパルス発振させるしかない。
加速器の分野で数ＭＷ程度の大出力高周波を発生させる
には大型のクライストロンを使用する。数ＭＷもの大出
力を得るには電源に限りがあって、どうしてもパルス駆
動になってしまう。

【０００４】直流電源回路の多数のコンデンサに電荷を
蓄積し、スイッチを閉じて電荷を一挙にクライストロン
に流して放電し、高周波（マイクロ波）を発生させるよ
うになっている。本発明はこのように負荷を、高電圧大
電流でパルス駆動する電源の保護回路に関する。

【０００５】

【従来の技術】クライストロンのための直流電源は、商
用交流を整流して脈動する直流にし、たすきがけ接続さ
れた整流器で昇圧する整流回路と、多数のコンデンサを
直並列に並べた蓄電部とを含む。更に電源は高電圧のス
イッチやパルストランスを介して負荷につながってい
る。スイッチを閉じるとコンデンサに蓄電された電荷が
トランスの一次側に流れる。二次側には昇圧された電圧
が発生するので、これが負荷に流れる。小出力の場合は
連続運転する場合もあるが、大出力が必要な場合はパル
ス駆動になる。電源の制約があるからである。

【０００６】例えば、３００ｋＶの直流電圧をクライス
トロンに与え、負荷電流が１Ａの程度になる。電力は３
００ｋＷということになるが、パルス駆動するから電源
での消費電力がそのように巨大であるのではない。例え
ばパルス幅τは５μｓ〜３０μｓで、繰り返し周波数ｆ
が１０Ｈｚ〜１００Ｈｚというような場合がある。繰り
返し周期Ｔは１０ｍｓ〜１００ｍｓであるからパルス幅
の１０００倍程度ある。電源回路への充電はＴ程度の長
い時間をかけて行い、放電は短いτで行われる。

【０００７】クライストロンに高圧パルスが印加されて
いる短い間に大電力のマイクロ波が発生する。正常にク
ライストロンが機能している場合は問題がない。しかし
負荷に異常が発生して負荷抵抗が実質的に０に近くなる
事がある。放電によって過大な電流が流れるということ
もある。

【０００８】過大電流が流れるのを放っておくと電源回
路の素子を損傷することがある。また負荷の電極を痛め
ることもある。クライストロンが破壊されることもあ
る。であるから、負荷の放電が起こったり過大電流が流
れたりすると直ちに運転を停止する必要がある。つまり
スイッチを開いて、負荷と電源を切り離す必要があるの
である。

【０００９】電源保護のために必要な要素は一つではな
い。まず、負荷の異常を検出する機構が必要である。次
に、故障した負荷で発生する逆電圧を電源に戻らないよ
うに遮る機構が必要である。さらに、電源回路からそれ
以上電力を負荷に与えないようにする機構も必要であ
る。負荷の異常を検出する機構として、従来は負荷に流
れる電流が過大であることを検出していた。負荷内に放
電が起こったり、異常が起こったりすると過大電流が流
れる。過大な電流を検出し、スイッチを切断するように
している。そのようにするには負荷と直列に電流検出装
置を設ける必要がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来は過電流（過大電
流）を検出していた。かなり大きい放電は検出できた
が、軽度の放電は見逃す場合がある。軽度の放電の場合
は過電流として現れる変化が僅かであるし、変化の時間
も短いから必ずしも検出できない。過電流検出に依存す
る従来の方法には、そのような異常を見落とすという危
険がある。

【００１１】本発明の第１の目的は軽度の放電による異
常をも検出できる機構を提案する。過電流による保護で
あると、軽度の放電の場合は電流レベルや検出時間の関
係で検出できない場合がある。

【００１２】従来の方法には、もう一つの難点がある。
それはクライストロン電源などに代表されるＰＦＮ回路
（Pulse Forming Network）を用いた電源では、コンデ
ンサの容量抜けによる出力の異常を検出できない、とい
うことである。これも説明が必要である。電源は商用交
流を昇圧しブリッジ整流を繰り返して電圧を上げてゆ
き、高圧の直流をコンデンサに蓄積するようになってい
る。コンデンサは耐圧や容量を増やすために、たくさん
のコンデンサを並列直列に接続したものである。容量抜
けというのは経年変化などによって容量が減少すること
である。すると電圧は所定の値になっていても全体の蓄
電量Ｑが不足する。負荷電流Ｉを時間積分したものが蓄
電量（Ｑ＝∫Ｉｄｔ）だから負荷は所望の動作をしな
い。負荷インピーダンスによって電流が決まるから電圧
が下がっていないので電流は変化がない。従来の過大電
流を見る方法ではこれは検出できない。しかしＱが足り
ないからパルス幅が狭くなる。コンデンサ容量漏れによ
る電源の異常をも検出できる機構を提案するのが本発明
の第２の目的である。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、要求されてい
る出力のパルス幅τ_０の基準信号を作り、実際の出力と
パルス幅τと比較することにより異常を判断する。τ＝
τ_０なら正常である。負荷で放電異常がおこると実際に
出力のパルス幅が減り、τ＜τ_０となる。またコンデン
サの容量抜けがおこると、やはりτ＜τ_０となる。だか
らτがτ_０に等しいか、それより小さいかを見て異常を
検出する、というのが本発明の思想である。そして異常
であれば電源から負荷を切り離す。

【００１４】その思想に基づいて、本発明の構成は基準
の幅を持ったパルスを発生させる基準パルス回路を設
け、電源と負荷間に設けたスイッチの閉成と同期して基
準パルスを発生させ、負荷と並列に分圧抵抗を設け分圧
信号を取り出し、分圧信号のパルス幅τと基準パルスの
幅τ_０を比較し、τ＝τ_０なら正常と判断し、τ＜τ_０
なら異常だと判断して電源と負荷を切り離し、電源と負
荷を保護するようにしている。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明は基準パルスτ_０を発生さ
せ、負荷電流のパルス幅τと比較して、負荷電流のパル
ス幅を見て、負荷の異常、電源の異常を検出する。負荷
電流の大きさでなくパルス幅を見るのはより簡単であ
る。負荷と直列に電流計を接続する必要がない。負荷の
インピーダンスは一定であるから負荷の電圧を見てもパ
ルス幅は分かる。負荷と直列の電流を見るより並列抵抗
の電圧を見る方が簡単である。しかもパルス幅は時間で
あるから測定精度は高い。だから軽度の放電による異常
を見逃さない。電源（ＰＦＮ回路）のコンデンサ容量漏
れをも検出できる。

【００１６】図３は負荷に流れるパルス電流を示す。横
軸は時間で縦軸は電流である。正常な場合に負荷パルス
電流がアイウエオカのような矩形状の波形をしていると
する。矩形と横軸で囲まれた部分の面積∫Ｉｄｔは負荷
に流れた全電荷Ｑ２であり、電源のコンデンサに蓄積さ
れた電荷量Ｑ１に比例する。電源と負荷を直結した場合
はＱ１＝Ｑ２である。間に昇圧用パルストランスを介し
た場合は、昇圧倍数ｍだけ電流が減るので、Ｑ１＝ｍＱ
２である。いずれにしても波形を積分したものは電源の
蓄積電荷に比例し負荷にはよらない。

【００１７】もしも僅かな放電などが途中（キ点）でお
こると、キクオというように僅かな電流増加が起こる。
また立ち下がりが速くなりパルス幅が減る。

【００１８】より早く（サ点）に大きな放電がおこると
電流が急激に立ち上がり、サシスというような波形にな
る。電流も増大するが、すぐに減少し、幅は狭くなる。
そうなっても波形の積分Ｑ２は電源の電荷と上記のよう
な関係にあるから不変である。

【００１９】従来は、電流の異常点シやクの高さを見て
異常判定をしていた訳である。その場合、負荷と直列に
電流検出器を設けなければならない。大電流の測定であ
るから高価な回路になり、複雑な構成になる。それに電
流異常判定の閾値をタチに設定すると、ク点のような閾
値以下の異常を見い出せない。閾値を下げすぎるとノイ
ズに弱くなり誤動作するからそれもできない。

【００２０】ところが、本発明はパルス幅を知れば良い
ので負荷と並列に大きい抵抗値の分圧抵抗を設けて低い
分圧電圧を取り出せば良い。回路構成がより簡単であ
る。それにパルス幅は時間測定であるから精度が高いの
である。電流波形の高さ測定よりもずっと精度が高く優
れている。パルス幅測定は、時計を用いて精密に行うこ
とができる。また実施例に示すように、排他論理和を使
った簡単な回路によっても実行できる。

【００２１】

【実施例】ＰＦＮ回路を使用した高圧パルス電源を例に
して図１によって説明する。充電電源１は商用交流から
電力を取って整流し昇圧しコンデンサに蓄電するもので
ある。充電電源１は昇圧トランスとブリッジ状に多段連
結された整流器とを含む。充電のためのコンデンサはＰ
ＦＮ（Pulse Forming Network）回路２を形成してい
る。これは高耐圧のコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３…と誘
導コイルＬ１、Ｌ２、…を組み合わせたもので高周波分
布定数回路を構成する。

【００２２】ＣｊとＬｊよりなるｊ段目（ｊ＝１，
２，…，ｎ）の分布定数回路のインピーダンスは（Ｌｊ
／Ｃｊ）^１／２であるが、これは例えば５０Ωというよ
うに決まっている。例えば、これらのＣの値はすべて等
しく、Ｌの値も等しい。インピーダンスが変化すると、
そこで反射や減衰が起こり望ましくない。一つのコンデ
ンサＣｊは高耐圧のコンデンサでなければならない。例
えば耐圧５０ｋＶといった物である。単独ではそのよう
なものがないので幾つものコンデンサを直列に接続して
いる。

【００２３】そのようなコンデンサがｎ段に並んでい
る。たとえば１０段〜２５段というような段数である。
このように進行波を形成するように並べると、ｎ個の電
圧パルスが同じ速度（ＣｊＬｊ）^−１／２で負荷９の方
へ流れるから、その包絡線が一つの大きいパルスとな
る。同じ大きさの短いパルスが僅かな遅延時間をおいて
次々に負荷９へ到着するからその包絡線の電流が幅の広
い矩形波になるのである。図３のような矩形波はその合
成として得られる。

【００２４】図４にこれを示す。素パルスが１、２、
…、ｎというふうに次々に負荷に到着するが全体として
は矩形波になる。段数ｎを増やすとウエ間を広げること
ができる。段数によってパルス幅を自在に設定すること
ができる。パルス電流の値は、コンデンサＣｊ（ｊ＝
１，２，…，ｎ）の充電時の電圧で決まる。だから、コ
ンデンサ電圧と、コンデンサ・コイル段数ｎにより任意
のパルスを実現することができる。それでこのようなコ
ンデンサ・誘導コイルの組をPULSE FORMING NETWORKと
いう。このような電源回路の構成は公知である。

【００２５】ＰＦＮ回路２の始端は充電電源１につなが
り、終端部は高圧スイッチ３を介してパルストランス４
の一次側巻線に接続される。高圧スイッチ３は数十ｋＶ
〜数百ｋＶの高電圧を遮断しなければならないから特別
なものを用いる。サイラトロンなどの真空電子管や、金
属球の間の狭いギャップに火花を飛ばして電流を流すギ
ャップスイッチなどを用いることができる。半導体素子
を多段連結してスイッチとすることもできる。本発明で
は高圧スイッチ３の構造は任意である。

【００２６】パルストランス４の二次側巻線に負荷９が
接続される。トランス４はパルスをさらに昇圧し、電源
１と負荷９を絶縁するために入れてある。昇圧せず、そ
のまま負荷に掛ける場合は省く事もできる。トランスの
巻き数比は、電源と負荷の関係によって自由に設定され
る。例えば一次側が４０ｋＶで二次側が３００ｋＶとい
う場合は、巻き数比はこの比率で決まる。パルス電流は
負荷と電源によってさまざまであるが、クライストロン
などの場合３００ｋＶ、１Ａ程度のパルスを掛けること
がある。パルス幅は５μｓ〜３０μｓで、繰り返し周波
数は１０Ｈｚ〜１００Ｈｚ程度である。

【００２７】高圧スイッチ３を閉成（オン）するために
トリガ信号発生器６からトリガ信号Ｑが与えられる。こ
れはスイッチの種類によって相違する信号である。ギャ
ップスイッチの場合は、トリガー電極と金属球電極の間
に放電を誘起する電圧信号であるし、トランジスタをシ
リーズに接続したものであればベースへ与えるパルス電
流である。スイッチを閉じるためのトリガ信号Ｑの態様
は任意である。電源に蓄えた電荷が全て放電すると、も
はや電流が流れない。だからスイッチは自然に開放され
る。だから開放のための信号などは不要である。ここま
での構造は従来のものと異ならない。

【００２８】本発明はこれらの構成に加えて、負荷９と
並列に分圧器５を設ける。負荷電流を求めないから直列
に電流検出器をつなぐ必要はない。分圧器５は抵抗Ｒ
１、Ｒ２を直列につないだ物であっても良いし、コンデ
ンサＣ１、Ｃ２を直列に繋いだ物でも良い。さらにコン
デンサと抵抗を並列に繋いだ物を直列に繋いでもよい。
これは高圧を分圧して手頃な低い電圧に変えるためのも
のである。負荷電圧と同じパルス波形であるが、ずっと
電圧の低いパルスＢが得られる。

【００２９】さらに基準パルス発生回路７を設ける。こ
れは予め計算された幅の基準パルスＡを発生するもので
ある。パルス波高（電圧）は予め決まっている。トリガ
信号Ｑによって基準パルス発生回路７は定まったパルス
幅τ_０のパルスを生じる。

【００３０】比較器８は分圧器５からのパルスＢと、基
準パルス発生回路７からのパルスＡのパルス幅τ、τ_０
を比較するものである。パルス波高（電圧）でなくてパ
ルス幅τ、τ_０を比較する。

【００３１】もしもτ＝τ_０であれば負荷状態、電源状
態は正常である。もしもτ＜τ_０であると、負荷か電源
に何らかの異常が起こっているという事である。この場
合は負荷と電源回路の間のスイッチが閉じないようにす
る。作業者に警告を発して異常であることを知らせる。
このように本発明は負荷にかかる電圧のパルス幅を見て
正常、異常を判定する。

【００３２】比較器８はかなり長いパルスの長さを比較
するものであるから、長さを測定して基準長さτ_０に許
容幅δを加えたτ_０−δからτ_０＋δの間にあれば良い
とする。つまりτ_０−δ≦τ≦τ_０＋δなら正常とす
る。τ＜τ_０−δなら異常とするようにもできる。これ
は正確な時間計測をするので制御性が高い。

【００３３】しかし、回路構成をもっと簡単にすること
もできる。簡単に排他論理和のＩＣを用いることであ
る。この実施例では排他論理和（エクスクルーシブオ
ア）の素子を使っている。図２にこれを示す。Ａ、Ｂ入
力があって出力をＣとすると、Ｃ＝（−Ａ）Ｂ＋Ａ（−
Ｂ）と表現される。−ＡというのはＡの否定である。論
理学の慣習では、上線で示すべきであるが明細書では不
可能であるから前に−符号を付けている。これはＡ＝Ｂ
ならＣ＝０でＡ≠ＢならＣ＝１となるような演算であ
る。もしもτ＝τ_０ならＣ＝０となり、正常であること
をＣ＝０によって表現できる。もしもτ＜τ_０なら、Ｃ
＝１となり、これが異常であることの表現となる。

【００３４】図５に示すように、基準パルスＡは、一定
のパルス幅ナニ、ヌネで一定繰り返しで生成される。負
荷に並列の分圧器５からのパルス信号ノハ、ヒフ等が生
成される。正常の場合（ノハ）はパルス幅が、ナニと同
一であるから出力Ｃは０のままである。異常の場合（ヒ
フ）パルス幅が短いので、出力Ｃは１となる。マミがそ
の分の不一致によるＣのパルスである。これによって異
常が分かる。

【００３５】このような基準パルス発生回路と排他論理
和を組み合わせた回路は簡易なものである。簡単に構成
できる。負荷パルス幅を変更する場合は、基準パルス発
生回路の基準パルスτ_０を変更する。これも容易であ
る。

【００３６】しかし、これではτがτ_０より短いとして
どれほど短いか？ということはわからない。τによって
どのような種類の故障、異常が起こったのかということ
が分かることもある。そういう情報をも得たいという場
合、基準パルス発生回路＋排他論理和の回路では不十分
である。その場合は先述のように、毎回パルス幅を測定
し記録し、基準パルス幅より短いか？どれほど短いか？
を記録するようにした方がよい。

【００３７】

【発明の効果】本発明は、高圧電源と高圧用負荷を含む
パルス回路において、負荷電流の高さによって異常を検
出するのではなくパルス幅によって異常を検出する。パ
ルス幅は時間計測であるから精度が高い。電流の異常で
はわかりにくい異常をも検出できる。負荷電流の異常を
知るのでないから負荷と直列に電流計を入れる必要がな
い。並列に分圧器を入れて電圧からパルス幅τを求める
ことができる。回路構成が単純である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す回路図。

【図２】排他論理和素子の記号とその動作を示す真理値
表。

【図３】正常な場合、異常な場合の負荷電流の波形図。

【図４】一組のコイル・コンデンサが放電することによ
り形成されるパルス電流の集合によって矩形波が得られ
ることを説明する波形図。

【図５】基準パルスＡ、負荷電圧を分圧したパルスＢ、
比較器出力Ｃとして、時間変化の一例を示す波形図。

【符号の説明】

１充電電源２ＰＦＮ回路３高圧スイッチ４パルストランス５分圧器６トリガ信号発生器７基準パルス発生回路８比較器（排他論理和素子）９負荷

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高電圧のパルス電圧を発生することがで
きる高圧電源と、パルス高電圧によって駆動される負荷
と、高圧電源と負荷の間に設けられる高圧スイッチと、
負荷に対して並列に設けられる分圧器とを含み、分圧器
からのパルス幅を求め、パルス幅が基準になるパルス幅
より短い時にスイッチを開放して、電源と負荷を保護す
ることを特徴とするパルス電源保護回路。