JP2003033049A - パルス電源 - Google Patents
パルス電源Info
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/10—Nuclear fusion reactors
Abstract
(57)【要約】
【課題】 コンデンサ放電方式のパルス電源において、
コンデンサエネルギーの低減化を図り、出力電圧または
電流の安定した高電圧高電流のパルスを得る。 【解決手段】 充電されたコンデンサＣ0 から半導体ス
イッチユニットＳＷを経て負荷Ｌ0 にパルスを供給する
パルス電源において、半導体スイッチユニットＳＷ内
で、複数の半導体スイッチＳＷ1 、ＳＷ2 、・・・、Ｓ
Ｗn を並列接続し、これら半導体スイッチにそれぞれイ
ンピーダンス素子Ｒ1 、Ｒ2 、・・・、Ｒnを直列接続
し、負荷に供給されるパルスの電圧または電流が下限値
まで減衰する毎に上記半導体スイッチを順に閉路して、
コンデンサＣ0 と負荷Ｌ0 との間のインピーダンスを引
下げてパルスの電圧または電流が回復するよう制御す
る。
コンデンサエネルギーの低減化を図り、出力電圧または
電流の安定した高電圧高電流のパルスを得る。 【解決手段】 充電されたコンデンサＣ0 から半導体ス
イッチユニットＳＷを経て負荷Ｌ0 にパルスを供給する
パルス電源において、半導体スイッチユニットＳＷ内
で、複数の半導体スイッチＳＷ1 、ＳＷ2 、・・・、Ｓ
Ｗn を並列接続し、これら半導体スイッチにそれぞれイ
ンピーダンス素子Ｒ1 、Ｒ2 、・・・、Ｒnを直列接続
し、負荷に供給されるパルスの電圧または電流が下限値
まで減衰する毎に上記半導体スイッチを順に閉路して、
コンデンサＣ0 と負荷Ｌ0 との間のインピーダンスを引
下げてパルスの電圧または電流が回復するよう制御す
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は大電流のパルス波を
得るための電源にかかり、特に大容量コンデンサの充電
電荷を半導体スイッチを経由して負荷に流すパルス電源
に関するものである。
得るための電源にかかり、特に大容量コンデンサの充電
電荷を半導体スイッチを経由して負荷に流すパルス電源
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】電子ビームやイオンビーム、そして中性
粒子ビームなどのビーム発生装置は、核融合研究や産業
分野の加工機などに広く利用されている。この種のビー
ムを発生するには、緻密な制御を経て生成されたプラズ
マから所定のビームを引出し加速する過程を経るが、こ
れらを制御するには安定性に優れたアーク電源、引出し
電源や加速電源など、マイクロ秒からミリ秒単位のパル
ス幅の高電圧を発生する各種パルス電源が必要である。
このような短パルス電圧を発生させるには、充電された
コンデンサから半導体スイッチを介してパルス電圧を取
出す方法がとられている。この種のパルス電源の従来例
を図３に示す。
粒子ビームなどのビーム発生装置は、核融合研究や産業
分野の加工機などに広く利用されている。この種のビー
ムを発生するには、緻密な制御を経て生成されたプラズ
マから所定のビームを引出し加速する過程を経るが、こ
れらを制御するには安定性に優れたアーク電源、引出し
電源や加速電源など、マイクロ秒からミリ秒単位のパル
ス幅の高電圧を発生する各種パルス電源が必要である。
このような短パルス電圧を発生させるには、充電された
コンデンサから半導体スイッチを介してパルス電圧を取
出す方法がとられている。この種のパルス電源の従来例
を図３に示す。
【０００３】図３においては、充放電用のコンデンサＣ
0 と半導体スイッチユニットＳＷと電流制限器Ｚ0 と負
荷Ｌ0 を構成するビーム発生器とが閉回路になるように
接続され、該ビーム発生器に並列抵抗ＲD が接続され、
半導体スイッチユニットＳＷの開閉はゲート制御回路１
によって制御されている。上記ビーム発生器では各種手
段を用いたプラズマの制御が行なわれるが、パルス電圧
が印加される初期は不安定なインピーダンス値を示すた
め、ビーム発生器にはダミー抵抗として比較的低インピ
ーダンスの並列抵抗ＲD が接続されている。また、電流
制限器Ｚ0 は、上記ビーム発生器が短絡した場合、過電
流を防止するため接続されている。
0 と半導体スイッチユニットＳＷと電流制限器Ｚ0 と負
荷Ｌ0 を構成するビーム発生器とが閉回路になるように
接続され、該ビーム発生器に並列抵抗ＲD が接続され、
半導体スイッチユニットＳＷの開閉はゲート制御回路１
によって制御されている。上記ビーム発生器では各種手
段を用いたプラズマの制御が行なわれるが、パルス電圧
が印加される初期は不安定なインピーダンス値を示すた
め、ビーム発生器にはダミー抵抗として比較的低インピ
ーダンスの並列抵抗ＲD が接続されている。また、電流
制限器Ｚ0 は、上記ビーム発生器が短絡した場合、過電
流を防止するため接続されている。
【０００４】図４は、コンデンサ電圧ＶC および負荷電
圧ＶL の電圧波形を示し、横軸は時間を、縦軸は電圧を
示している。なお、説明上理解し易いように電流制限器
Ｚ0のインピーダンスは０（Ω）として波形を示した。
コンデンサＣ0 は図示しない直流電圧電源により予め所
定の電圧に充電され、ゲート制御回路１からのゲート信
号により、半導体スイッチユニットＳＷが閉路して放電
を開始し、電流制限器Ｚ0 を介して負荷Ｌ0 を構成する
ビーム発生器にパルス電圧を供給する。このとき、コン
デンサ電圧ＶC は半導体スイッチユニットＳＷが開かれ
ない限り、回路定数で決まる時定数に従って減衰を続け
る。一方、上記負荷電圧ＶL は、放電回路に寄生するイ
ンダクタンスや分布容量の影響により、電圧の立ち上が
り部分では若干緩やかに上昇し、上限電圧Ｖ1 に達した
ときに上記コンデンサ電圧ＶC に一致し、以後は減衰を
続ける。その後、パルス幅が予め設定された幅ｔ0 に達
するとゲート制御回路１より半導体スイッチユニットＳ
Ｗに開放のゲート信号が与えられて放電を停止し、上記
負荷電圧ＶL は急速に零となるが、上記コンデンサ電圧
ＶC は放電停止時の電圧Ｖ2 を維持する。
圧ＶL の電圧波形を示し、横軸は時間を、縦軸は電圧を
示している。なお、説明上理解し易いように電流制限器
Ｚ0のインピーダンスは０（Ω）として波形を示した。
コンデンサＣ0 は図示しない直流電圧電源により予め所
定の電圧に充電され、ゲート制御回路１からのゲート信
号により、半導体スイッチユニットＳＷが閉路して放電
を開始し、電流制限器Ｚ0 を介して負荷Ｌ0 を構成する
ビーム発生器にパルス電圧を供給する。このとき、コン
デンサ電圧ＶC は半導体スイッチユニットＳＷが開かれ
ない限り、回路定数で決まる時定数に従って減衰を続け
る。一方、上記負荷電圧ＶL は、放電回路に寄生するイ
ンダクタンスや分布容量の影響により、電圧の立ち上が
り部分では若干緩やかに上昇し、上限電圧Ｖ1 に達した
ときに上記コンデンサ電圧ＶC に一致し、以後は減衰を
続ける。その後、パルス幅が予め設定された幅ｔ0 に達
するとゲート制御回路１より半導体スイッチユニットＳ
Ｗに開放のゲート信号が与えられて放電を停止し、上記
負荷電圧ＶL は急速に零となるが、上記コンデンサ電圧
ＶC は放電停止時の電圧Ｖ2 を維持する。
【０００５】負荷Ｌ0 を構成するビーム発生器は放電管
であるため、電子イオンの挙動は非常に複雑であるか
ら、その制御は非常に難しい。従って、電源側に要求さ
れる理想的な条件としては、電圧、電流ともに矩形波で
減衰などのない直流的で安定度の極めて高い波形が要求
される。しかし、短パルスの大容量エネルギー源として
コンデンサを用いるので、図４に示すように減衰する電
圧の変化量ΔＶ＝（Ｖ1 −Ｖ2 ）を小さくすること、云
いかえると電圧変動率α＝｛（Ｖ1 −Ｖ2 ）／Ｖ1 ｝×
１００％を小さくすることが必要であるが、この電圧の
変化量ΔＶを小さくするためにはコンデンサの静電容量
を非常に大きくすることが必要になって、その価格も高
価で、寸法も大形で、重量も大きなものとなっていた。
また、上記ビーム発生器が短絡したり、あるいは回路が
地絡したりした場合、コンデンサのエネルギーが大きい
ほど対応は難しく、安全性にも問題を残していた。
であるため、電子イオンの挙動は非常に複雑であるか
ら、その制御は非常に難しい。従って、電源側に要求さ
れる理想的な条件としては、電圧、電流ともに矩形波で
減衰などのない直流的で安定度の極めて高い波形が要求
される。しかし、短パルスの大容量エネルギー源として
コンデンサを用いるので、図４に示すように減衰する電
圧の変化量ΔＶ＝（Ｖ1 −Ｖ2 ）を小さくすること、云
いかえると電圧変動率α＝｛（Ｖ1 −Ｖ2 ）／Ｖ1 ｝×
１００％を小さくすることが必要であるが、この電圧の
変化量ΔＶを小さくするためにはコンデンサの静電容量
を非常に大きくすることが必要になって、その価格も高
価で、寸法も大形で、重量も大きなものとなっていた。
また、上記ビーム発生器が短絡したり、あるいは回路が
地絡したりした場合、コンデンサのエネルギーが大きい
ほど対応は難しく、安全性にも問題を残していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の背景を
鑑みて、半導体スイッチユニットの動作の制御によりコ
ンデンサＣ0 の静電容量の低減、低エネルギー化を図っ
たパルス電源を提供し、かつ、装置の低コスト化、小形
・軽量化を図ろうとするものである。
鑑みて、半導体スイッチユニットの動作の制御によりコ
ンデンサＣ0 の静電容量の低減、低エネルギー化を図っ
たパルス電源を提供し、かつ、装置の低コスト化、小形
・軽量化を図ろうとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、高電圧で充電
された大容量のコンデンサから半導体スイッチユニット
の開閉により負荷へ供給するパルス電圧の発生及び停止
を制御するパルス電源において、上記半導体スイッチユ
ニットを、それぞれにインピーダンス素子が直列に接続
されている複数個の常開の半導体スイッチの並列接続に
よって構成し、これら各半導体スイッチに対してそれぞ
れの開閉を制御するためのゲート信号を供給するための
ゲート制御手段を設けたものである。
された大容量のコンデンサから半導体スイッチユニット
の開閉により負荷へ供給するパルス電圧の発生及び停止
を制御するパルス電源において、上記半導体スイッチユ
ニットを、それぞれにインピーダンス素子が直列に接続
されている複数個の常開の半導体スイッチの並列接続に
よって構成し、これら各半導体スイッチに対してそれぞ
れの開閉を制御するためのゲート信号を供給するための
ゲート制御手段を設けたものである。
【０００８】上記ゲート信号の制御手段が、上記半導体
スイッチの選択された一部にこれを閉路させるゲート信
号を供給することにより負荷へ与えられるパルス電圧の
発生が開始され、上記半導体スイッチのすべてにこれを
開放させるゲート信号を供給することにより負荷へ与え
られるパルス電圧が終了する。
スイッチの選択された一部にこれを閉路させるゲート信
号を供給することにより負荷へ与えられるパルス電圧の
発生が開始され、上記半導体スイッチのすべてにこれを
開放させるゲート信号を供給することにより負荷へ与え
られるパルス電圧が終了する。
【０００９】上記ゲート信号の制御手段は、更に、上記
負荷に印加される電圧または上記負荷を流れる電流が予
め設定した下限値に到達する度に、上記半導体スイッチ
ユニット内の半導体スイッチへこれを順に閉路させるゲ
ート制御信号を供給する。これにより、各半導体スイッ
チに接続されたインピーダンス素子が順に負荷へ向かう
放電回路中に並列に接続され、その都度放電回路のイン
ピーダンスを引下げ、負荷に供給される電圧または電流
を放電初期に近い値に戻す。このようにして、負荷へ供
給される電圧または電流が下限値に達する度に初期値の
方向へ戻されるために、パルスの全期間を通じての電圧
または電流の変動を最小限にとどめることができる。
負荷に印加される電圧または上記負荷を流れる電流が予
め設定した下限値に到達する度に、上記半導体スイッチ
ユニット内の半導体スイッチへこれを順に閉路させるゲ
ート制御信号を供給する。これにより、各半導体スイッ
チに接続されたインピーダンス素子が順に負荷へ向かう
放電回路中に並列に接続され、その都度放電回路のイン
ピーダンスを引下げ、負荷に供給される電圧または電流
を放電初期に近い値に戻す。このようにして、負荷へ供
給される電圧または電流が下限値に達する度に初期値の
方向へ戻されるために、パルスの全期間を通じての電圧
または電流の変動を最小限にとどめることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。図１は本発明の実施例によるパルス電源の
回路図、図２はその電圧波形図である。図３および図４
と同一回路を構成する素子および電圧波形記号について
は同一記号を付記したので、その説明は省略する。
て説明する。図１は本発明の実施例によるパルス電源の
回路図、図２はその電圧波形図である。図３および図４
と同一回路を構成する素子および電圧波形記号について
は同一記号を付記したので、その説明は省略する。
【００１１】
【実施例】図１において、負荷Ｌ0 を構成するビーム発
生器に印加される電圧および電流を検出するため、上記
ビーム発生器と並列に電圧検出器２を、直列に電流検出
器３を挿入接続し、その検出信号を比較器４に導入す
る。該比較器４は半導体スイッチユニットＳＷに開閉の
ゲート信号を送るためゲート制御回路１と接続されてい
る。上記比較器４は、自己あるいは外部信号の指示によ
り放電開始のゲート信号をゲート制御回路１から半導体
スイッチＳＷ1 に送らせる機能と、電圧値および電流値
の一方または双方が設定した規定値よりも低下すると、
ゲート制御回路１に半導体スイッチＳＷ2 〜ＳＷn のう
ちの所定の半導体スイッチに閉路指令を出させる機能
と、放電時間が規定のパルス幅ｔ0 に達すると半導体ス
イッチユニットＳＷ中の全半導体スイッチに開放のゲー
ト信号を送らせる機能とを併せ持っている。一方、半導
体スイッチユニットＳＷは、半導体スイッチＳＷ0 と半
導体スイッチＳＷ1 〜ＳＷn とを有し、半導体スイッチ
ＳＷ1 〜ＳＷn には各々インピーダンス素子Ｒ1 〜Ｒn
が直列に接続されて、半導体スイッチＳＷ0 およびイン
ピーダンス素子を伴った半導体スイッチＳＷ1 〜ＳＷn
は並列に接続されている。
生器に印加される電圧および電流を検出するため、上記
ビーム発生器と並列に電圧検出器２を、直列に電流検出
器３を挿入接続し、その検出信号を比較器４に導入す
る。該比較器４は半導体スイッチユニットＳＷに開閉の
ゲート信号を送るためゲート制御回路１と接続されてい
る。上記比較器４は、自己あるいは外部信号の指示によ
り放電開始のゲート信号をゲート制御回路１から半導体
スイッチＳＷ1 に送らせる機能と、電圧値および電流値
の一方または双方が設定した規定値よりも低下すると、
ゲート制御回路１に半導体スイッチＳＷ2 〜ＳＷn のう
ちの所定の半導体スイッチに閉路指令を出させる機能
と、放電時間が規定のパルス幅ｔ0 に達すると半導体ス
イッチユニットＳＷ中の全半導体スイッチに開放のゲー
ト信号を送らせる機能とを併せ持っている。一方、半導
体スイッチユニットＳＷは、半導体スイッチＳＷ0 と半
導体スイッチＳＷ1 〜ＳＷn とを有し、半導体スイッチ
ＳＷ1 〜ＳＷn には各々インピーダンス素子Ｒ1 〜Ｒn
が直列に接続されて、半導体スイッチＳＷ0 およびイン
ピーダンス素子を伴った半導体スイッチＳＷ1 〜ＳＷn
は並列に接続されている。
【００１２】図２は半導体スイッチＳＷ0 〜ＳＷn の動
作が分かり易いようにコンデンサＣ 0 のコンデンサ電圧
ＶC および負荷Ｌ0 を構成するビーム発生器の負荷電圧
ＶLの電圧波形を示したもので、電流波形については同
じ傾向の動作をすることから省略している。なお、説明
上理解し易いように電流制限器Ｚ0 のインピーダンスは
０Ωとして波形を示した。
作が分かり易いようにコンデンサＣ 0 のコンデンサ電圧
ＶC および負荷Ｌ0 を構成するビーム発生器の負荷電圧
ＶLの電圧波形を示したもので、電流波形については同
じ傾向の動作をすることから省略している。なお、説明
上理解し易いように電流制限器Ｚ0 のインピーダンスは
０Ωとして波形を示した。
【００１３】コンデンサＣ0 は図示しない直流高電圧電
源により予め所定の充電電圧Ｖ0 に充電され、比較器４
からゲート制御回路１に放電開始の指令信号が出される
と、ゲート制御回路１は半導体スイッチＳＷ1 にゲート
信号を送ってこれを閉路させて放電を開始させ、上記ビ
ーム発生器にはインピーダンス素子Ｒ1 と電流制限器Ｚ
0 の電圧降下分を差し引いた上限電圧Ｖ1 が印加され、
この上限電圧Ｖ1 より回路定数に従い減衰を始め電流も
同様に変化する。
源により予め所定の充電電圧Ｖ0 に充電され、比較器４
からゲート制御回路１に放電開始の指令信号が出される
と、ゲート制御回路１は半導体スイッチＳＷ1 にゲート
信号を送ってこれを閉路させて放電を開始させ、上記ビ
ーム発生器にはインピーダンス素子Ｒ1 と電流制限器Ｚ
0 の電圧降下分を差し引いた上限電圧Ｖ1 が印加され、
この上限電圧Ｖ1 より回路定数に従い減衰を始め電流も
同様に変化する。
【００１４】その後、上記ビーム発生器に印加された電
圧ＶL は電圧検出器２で、これを流れる電流は電流検出
器３で検出し、比較器４にそのデータを送る。比較器４
では、このデータが予め設定されたプログラムに従い電
圧の下限値Ｖ2 まで、または電流の下限値にまで降下す
るとゲート制御回路１に動作指令を送信し、これにより
半導体スイッチＳＷ2 が閉路する。この半導体スイッチ
ＳＷ2 の閉路によって、インピーダンス素子Ｒ2 が半導
体スイッチＳＷ1 回路のインピーダンス素子Ｒ 1 と並列
に接続される結果、放電回路のインピーダンスが小さく
なり、上記ビーム発生器の電圧、電流が上限値（電圧で
は上限電圧Ｖ1 ）を超えない範囲で上昇した後に減衰を
始め、再び上記下限値Ｖ2 まで降下するとゲート制御回
路１に再び動作指令を送り、次の半導体スイッチＳＷ3
が閉路する。
圧ＶL は電圧検出器２で、これを流れる電流は電流検出
器３で検出し、比較器４にそのデータを送る。比較器４
では、このデータが予め設定されたプログラムに従い電
圧の下限値Ｖ2 まで、または電流の下限値にまで降下す
るとゲート制御回路１に動作指令を送信し、これにより
半導体スイッチＳＷ2 が閉路する。この半導体スイッチ
ＳＷ2 の閉路によって、インピーダンス素子Ｒ2 が半導
体スイッチＳＷ1 回路のインピーダンス素子Ｒ 1 と並列
に接続される結果、放電回路のインピーダンスが小さく
なり、上記ビーム発生器の電圧、電流が上限値（電圧で
は上限電圧Ｖ1 ）を超えない範囲で上昇した後に減衰を
始め、再び上記下限値Ｖ2 まで降下するとゲート制御回
路１に再び動作指令を送り、次の半導体スイッチＳＷ3
が閉路する。
【００１５】このようにして半導体スイッチＳＷn まで
同じ動作を繰返し、電圧または電流が下がり始めると何
時も規定値の変化量に留めさせるように選定したインピ
ーダンス素子Ｒ1 〜Ｒn を逐次接続させ、回路のインピ
ーダンスを小さくするように作用させ、最終的には半導
体スイッチＳＷ0 をオン動作させて全てのインピーダン
ス素子Ｒ1 〜Ｒn を短絡して、放電回路のインピーダン
スを最小にする。この間でパルス幅が予め設定された規
定のパルス幅ｔ0 に達すると比較器４から放電停止指令
がゲート制御回路１に送られ半導体スイッチユニットＳ
Ｗの全スイッチは開路して放電が停止する。
同じ動作を繰返し、電圧または電流が下がり始めると何
時も規定値の変化量に留めさせるように選定したインピ
ーダンス素子Ｒ1 〜Ｒn を逐次接続させ、回路のインピ
ーダンスを小さくするように作用させ、最終的には半導
体スイッチＳＷ0 をオン動作させて全てのインピーダン
ス素子Ｒ1 〜Ｒn を短絡して、放電回路のインピーダン
スを最小にする。この間でパルス幅が予め設定された規
定のパルス幅ｔ0 に達すると比較器４から放電停止指令
がゲート制御回路１に送られ半導体スイッチユニットＳ
Ｗの全スイッチは開路して放電が停止する。
【００１６】上記のとおり、従来方式ではコンデンサ放
電の減衰にまかせていたが、本発明は回路インピーダン
スを断続的に低減し負荷への電圧または電流を一定の変
化量内に維持させるよう制御することができる。
電の減衰にまかせていたが、本発明は回路インピーダン
スを断続的に低減し負荷への電圧または電流を一定の変
化量内に維持させるよう制御することができる。
【００１７】ここで、本発明の効果を説明するために電
圧波形を例として従来方式と本発明方式とのコンデンサ
の蓄積エネルギー比較を行なうと次のとおりとなる。な
お、簡易比較のために電流制限器Ｚ0 のインピーダンス
は０（Ω）として計算した。エネルギーは、次の簡易式
にて計算される。
圧波形を例として従来方式と本発明方式とのコンデンサ
の蓄積エネルギー比較を行なうと次のとおりとなる。な
お、簡易比較のために電流制限器Ｚ0 のインピーダンス
は０（Ω）として計算した。エネルギーは、次の簡易式
にて計算される。
【００１８】
【数１】
【００１９】但し、Ｅ：エネルギー（Ｊ）
Ｒ：Ｌ0 とＲD の合成インピーダンス（Ω）
ｔ0 ：パルス幅（ｓ）
Ｖ0 ：充電電圧（Ｖ）
Ｖ2 ：下限電圧
ここで、Ｌ0 とＲD の合成インピーダンスＲ＝１．０
Ω、電圧変動率＝２％、ｔ0 ＝５０ｍｓ、Ｖ1 ＝５００
Ｖ、Ｖ2 ＝４９０Ｖとした場合、本発明方式における蓄
積エネルギーは、充電電圧Ｖ0 ＝５５０Ｖとし、かつイ
ンピーダンス素子Ｒ1 〜Ｒn は合成インピーダンスＲよ
り十分小さいので、無視して計算すると６５．５ｋＪと
なる。
Ω、電圧変動率＝２％、ｔ0 ＝５０ｍｓ、Ｖ1 ＝５００
Ｖ、Ｖ2 ＝４９０Ｖとした場合、本発明方式における蓄
積エネルギーは、充電電圧Ｖ0 ＝５５０Ｖとし、かつイ
ンピーダンス素子Ｒ1 〜Ｒn は合成インピーダンスＲよ
り十分小さいので、無視して計算すると６５．５ｋＪと
なる。
【００２０】一方、従来方式の場合は、Ｖ0 ＝Ｖ1 とし
て計算すると、蓄積エネルギーは３０９ｋＪを要し、本
発明方式の場合は従来方式の約１／４．８のコンデンサ
の蓄積エネルギーで済むことになり、装置の小型化及び
経済性の面で優位になることがわかる。
て計算すると、蓄積エネルギーは３０９ｋＪを要し、本
発明方式の場合は従来方式の約１／４．８のコンデンサ
の蓄積エネルギーで済むことになり、装置の小型化及び
経済性の面で優位になることがわかる。
【００２１】本発明では、充電電圧Ｖ0 と上限電圧Ｖ1
との差はインピーダンス素子Ｒ1 〜Ｒn と電流制限器Ｚ
0 とが分担し、従来方式に比較して充電電圧は高くなる
が、技術上及びコスト上ではさほど問題になることはな
く、上記のようにエネルギー低減効果に大きな利益を得
ることができる。また、事故などによる負荷Ｌ0 の短絡
時には、コンデンサＣ0 のエネルギーをインピーダンス
素子と電流制限器とで吸収しなければならないが、コン
デンサのエネルギーの低減化はこれらの素子の小形化を
可能にし、安全性も高めている。
との差はインピーダンス素子Ｒ1 〜Ｒn と電流制限器Ｚ
0 とが分担し、従来方式に比較して充電電圧は高くなる
が、技術上及びコスト上ではさほど問題になることはな
く、上記のようにエネルギー低減効果に大きな利益を得
ることができる。また、事故などによる負荷Ｌ0 の短絡
時には、コンデンサＣ0 のエネルギーをインピーダンス
素子と電流制限器とで吸収しなければならないが、コン
デンサのエネルギーの低減化はこれらの素子の小形化を
可能にし、安全性も高めている。
【００２２】さらに、図１に示した電圧検出器２、電流
検出器３の挿入位置は必ずしもこの位置に限定する必要
はない。特に負荷Ｌ0 であるビーム発生器の短絡やノイ
ズの影響を受けるためにこの位置では好ましくない場合
もあるから、上記ビーム発生器に印加される電圧や流れ
る電流が回路定数から予測できる位置に設ければよく、
半導体スイッチユニットＳＷの出力端に直接設置しても
よい。
検出器３の挿入位置は必ずしもこの位置に限定する必要
はない。特に負荷Ｌ0 であるビーム発生器の短絡やノイ
ズの影響を受けるためにこの位置では好ましくない場合
もあるから、上記ビーム発生器に印加される電圧や流れ
る電流が回路定数から予測できる位置に設ければよく、
半導体スイッチユニットＳＷの出力端に直接設置しても
よい。
【００２３】次に、電圧検出器２、電流検出器３、比較
器４およびゲート制御回路１のフィードバック系には幾
つかの制御方法や機能が考えられるが、これらの選定は
負荷Ｌ0 を構成するビーム発生器の要求から決められ、
電圧制御を重視する場合は電圧検出器２のみで電圧制御
を行なえばよいし、電流制御を重視する場合は電流検出
器３のみで制御すればよい。また、その両方を用いて制
御したい場合は、両方の検出器を用いて比較器４でその
制御方法をプログラムし、それに従った動作信号をゲー
ト制御回路１に送り、半導体スイッチユニットＳＷを動
作させればよい。
器４およびゲート制御回路１のフィードバック系には幾
つかの制御方法や機能が考えられるが、これらの選定は
負荷Ｌ0 を構成するビーム発生器の要求から決められ、
電圧制御を重視する場合は電圧検出器２のみで電圧制御
を行なえばよいし、電流制御を重視する場合は電流検出
器３のみで制御すればよい。また、その両方を用いて制
御したい場合は、両方の検出器を用いて比較器４でその
制御方法をプログラムし、それに従った動作信号をゲー
ト制御回路１に送り、半導体スイッチユニットＳＷを動
作させればよい。
【００２４】本発明の他の実施例として、上記電圧Ｖ1
を時間変化と共にプログラム上で任意に変える場合が挙
げられる。この場合は、比較器４において電圧検出器２
の検出電圧と比較される設定電圧が時間と共に変化す
る。なお、比較器４とゲート制御回路１とは別々に設け
る必要はなく、要は各半導体スイッチのゲートを制御す
るゲート信号が、電圧検出器２の検出電圧と設定電圧と
の比較結果に基づいて生成されさえすればよい。ゲート
信号が電流検出器３の検出電流と設定電流との比較結果
に基づいて生成される場合、及び電圧検出器２と電流検
出器３の双方検出値とそれぞれ電圧、電流設定値との比
較結果に基づいて生成される場合も同様である。
を時間変化と共にプログラム上で任意に変える場合が挙
げられる。この場合は、比較器４において電圧検出器２
の検出電圧と比較される設定電圧が時間と共に変化す
る。なお、比較器４とゲート制御回路１とは別々に設け
る必要はなく、要は各半導体スイッチのゲートを制御す
るゲート信号が、電圧検出器２の検出電圧と設定電圧と
の比較結果に基づいて生成されさえすればよい。ゲート
信号が電流検出器３の検出電流と設定電流との比較結果
に基づいて生成される場合、及び電圧検出器２と電流検
出器３の双方検出値とそれぞれ電圧、電流設定値との比
較結果に基づいて生成される場合も同様である。
【００２５】なお、本発明の応用例として、負荷のビー
ム発生器が不安定な動作をする場合は、放電回路のイン
ピーダンスを小さくするのではなく、逆に大きくしたい
ことがある。このような場合には、比較器４で電圧検出
信号を予め設定された或る上限電圧が比較し、検出信号
が上限電圧を上廻ったときに、ゲート制御回路１へ半導
体スイッチＳＷ1 〜ＳＷn のうちの適正なインピーダン
スを有するスイッチに対しこれを開放するゲート信号を
送るよう指令を出させ、これにより放電回路のインピー
ダンスの増大を計ればよい。
ム発生器が不安定な動作をする場合は、放電回路のイン
ピーダンスを小さくするのではなく、逆に大きくしたい
ことがある。このような場合には、比較器４で電圧検出
信号を予め設定された或る上限電圧が比較し、検出信号
が上限電圧を上廻ったときに、ゲート制御回路１へ半導
体スイッチＳＷ1 〜ＳＷn のうちの適正なインピーダン
スを有するスイッチに対しこれを開放するゲート信号を
送るよう指令を出させ、これにより放電回路のインピー
ダンスの増大を計ればよい。
【００２６】図１において、半導体スイッチＳＷ0 には
直列インピーダンス素子が接続されていないが、これは
コンデンサＣ0 の残留電荷を放電させるためのものであ
る。電流制限器Ｚ0 は半導体スイッチＳＷ0 を閉じたと
きに、これに過大な電流が流れるのを制限するもので、
半導体スイッチＳＷ0 だけに直列になるように設けるこ
ともできる。
直列インピーダンス素子が接続されていないが、これは
コンデンサＣ0 の残留電荷を放電させるためのものであ
る。電流制限器Ｚ0 は半導体スイッチＳＷ0 を閉じたと
きに、これに過大な電流が流れるのを制限するもので、
半導体スイッチＳＷ0 だけに直列になるように設けるこ
ともできる。
【００２７】各半導体スイッチＳＷ0 〜ＳＷn を構成し
ている半導体素子には定格電圧や定格電流の制限がある
ので、それぞれ１個の半導体素子では処理される電圧、
電流が定格を越える場合には、複数個の半導体素子を直
列または並列に接続したものを１個のスイッチとして使
用すればよい。
ている半導体素子には定格電圧や定格電流の制限がある
ので、それぞれ１個の半導体素子では処理される電圧、
電流が定格を越える場合には、複数個の半導体素子を直
列または並列に接続したものを１個のスイッチとして使
用すればよい。
【００２８】
【発明の効果】以上のとおり本発明は、インピーダンス
を断続的に低減させて負荷への電圧または電流を一定の
変化量内に維持しようとするもので、従来のコンデンサ
放電による減衰にまかせていた欠点を除去したものであ
る。すなわち、半導体スイッチユニットの動作を制御す
ることによりパルス電源におけるコンデンサＣ0 の静電
容量の低減、低エネルギー化を実現して、従来のパルス
電源の欠点を除去し、小形・軽量化を図り、かつ、コス
トメリットに優れ、安全性を高めたものであり、その工
業的価値は大なるものである。
を断続的に低減させて負荷への電圧または電流を一定の
変化量内に維持しようとするもので、従来のコンデンサ
放電による減衰にまかせていた欠点を除去したものであ
る。すなわち、半導体スイッチユニットの動作を制御す
ることによりパルス電源におけるコンデンサＣ0 の静電
容量の低減、低エネルギー化を実現して、従来のパルス
電源の欠点を除去し、小形・軽量化を図り、かつ、コス
トメリットに優れ、安全性を高めたものであり、その工
業的価値は大なるものである。
【図１】図１は、本発明のパルス電源における実施例を
示す回路図である。
示す回路図である。
【図２】図２は、本発明のパルス電源における実施例の
電圧波形図である。
電圧波形図である。
【図３】図３は、従来例によるパルス電源の回路図であ
る。
る。
【図４】図４は、従来例によるパルス電源の電圧波形図
である。
である。
１ ゲート制御回路
２ 電圧検出器
３ 電流検出器
４ 比較器
Ｃ0 コンデンサ
ＳＷ 半導体スイッチユニット
ＳＷ0 半導体スイッチ
ＳＷ1 〜ＳＷn 半導体スイッチ
Ｒ1 〜Ｒn インピーダンス素子
Ｚ0 電流制限器
ＲD 並列抵抗
Ｌ0 負荷
Ｖ0 充電電圧
Ｖ1 上限電圧
Ｖ2 下限電圧
Ｖc コンデンサ電圧
ＶL 負荷電圧
ΔＶ 電圧の変化量
ｔ0 規定のパルス幅
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｈ０５Ｈ 3/00 Ｈ０５Ｈ 3/00
(72)発明者 榊田 創
茨城県つくば市東１−１−１ 独立行政法
人産業技術総合研究所つくばセンター内
(72)発明者 木山 學
茨城県つくば市東１−１−１ 独立行政法
人産業技術総合研究所つくばセンター内
(72)発明者 古矢 勝彦
京都府京都市中京区御池通烏丸東入一筋目
仲保利町191番地の４ 上原ビル３階 ニ
チコン株式会社内
(72)発明者 二宮 紀彦
京都府京都市中京区御池通烏丸東入一筋目
仲保利町191番地の４ 上原ビル３階 ニ
チコン株式会社内
Ｆターム(参考） 2G085 AA01 AA20 BA19 BB03 BB20
CA02 CA15 CA26 EA03 EA08
EA09
5H790 BA03 CC01 EA01 EA15 EB03
EB04
Claims (5)
- 【請求項１】 高電圧で充電される大容量のコンデンサ
と、このコンデンサと負荷との間に介在し、常開の半導
体スイッチとインピーダンス素子との直列回路の複数個
が並列に接続されている半導体スイッチユニットと、上
記半導体スイッチの一部の閉路による上記負荷を通して
の放電時に上記負荷に印加される電圧または上記負荷を
流れる電流が予め設定した下限値に到達する都度、上記
半導体スイッチユニット中の開放されている半導体スイ
ッチの一部を新たに選出してこれを閉路させるためのゲ
ート信号を当該スイッチへ供給するゲート制御手段とを
有することを特徴とするパルス電源。 - 【請求項２】 請求項１において、上記ゲート制御手段
は、上記放電の開始時に上記半導体スイッチユニット中
の半導体スイッチの一部を選出してこれを閉路させ、上
記放電の終了時に上記半導体スイッチユニット中の全半
導体スイッチを開放させるためのゲート信号を上記半導
体スイッチユニットに供給するよう構成されていること
を特徴とするパルス電源。 - 【請求項３】 請求項１において、上記コンデンサと上
記負荷との間に、上記半導体スイッチユニットと直列に
電流制限器が介在していることを特徴とするパルス電
源。 - 【請求項４】 請求項１において、上記半導体スイッチ
ユニットは、上記複数個の直列回路の並列接続に、更に
半導体スイッチのみが並列に接続されていることを特徴
とするパルス電源。 - 【請求項５】 請求項１において、上記負荷はプラズマ
から所定のビームを引出して加速するビーム発生装置で
あることを特徴とするパルス電源。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001217977A JP2003033049A (ja) | 2001-07-18 | 2001-07-18 | パルス電源 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001217977A JP2003033049A (ja) | 2001-07-18 | 2001-07-18 | パルス電源 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003033049A true JP2003033049A (ja) | 2003-01-31 |
Family
ID=19052221
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001217977A Pending JP2003033049A (ja) | 2001-07-18 | 2001-07-18 | パルス電源 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003033049A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9142385B1 (en) | 2014-03-20 | 2015-09-22 | Sumitomo Heavy Industries, Ltd. | Charged particle beam treatment apparatus and method of adjusting path length of charged particle beam |
-
2001
- 2001-07-18 JP JP2001217977A patent/JP2003033049A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9142385B1 (en) | 2014-03-20 | 2015-09-22 | Sumitomo Heavy Industries, Ltd. | Charged particle beam treatment apparatus and method of adjusting path length of charged particle beam |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20080509 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100928 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20110208 |