JP2006136056A - ホローカソードキーパ電源 - Google Patents

Abstract

【課題】 放電開始後のホローカソードの暴走を防止することができるとともに、電源構成を簡素化して、低コスト化や小型化や軽量化を図ることができるホローカソードキーパ電源を得ることを目的とする。
【解決手段】 ホローカソード１８が放電を開始するまでの間、電源回路５から定電圧がホローカソード１８に印加されるようにスイッチング素子３を制御し、ホローカソード１８が放電を開始すると、電源回路５から定電流がホローカソード１８に流れるようにスイッチング素子３を制御する制御回路１７を設ける。
【選択図】 図１

Description

この発明は、熱電子を放出するホローカソードの放電を制御するホローカソードキーパ電源に関するものである。

従来のホローカソードキーパ電源は、最初に定電圧電源を用いて、高い電圧Ｖ１をホローカソードに印加して、ホローカソードの放電を開始させる。
ホローカソードの放電開始時刻をＴ１とすると、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の過渡状態の期間を経過すると、時刻Ｔ２から定電流電源を用いて、定電流Ｉ２をホローカソードに流すことによって放電を維持する。
なお、定電流電源の電流指令値を変えることにより、放電の制御、即ち、熱電子の制御を実施することができる。
以上のように、ホローカソードの放電を開始するためには、定電圧電源が必要であり、ホローカソードの放電の維持や制御を実施するためには、定電流電源が必要である（例えば、特許文献１参照）。

実開平７−１５７６８号公報（段落番号［００１４］、図１〜図３）

従来のホローカソードキーパ電源は以上のように構成されているので、２つの電源（放電開始用の定電圧電源、放電維持・制御用の定電流電源）を設ける必要がある。そのため、電源としての部品点数が多くなり、装置費用が高価になるとともに、装置が大きく、重量が重くなる課題があった。
また、定電圧電源を用いて、高い電圧Ｖ１をホローカソードに印加することにより、ホローカソードの放電が開始すると、過渡状態の期間を経過したのち、定電流電源を用いて、定電流Ｉ２をホローカソードに流すようにするが、その定電圧電源は、電流制限回路を備えていないため、ホローカソードが放電を開始しても、電圧が降下せずに大電流がホローカソードに流れ続け、短絡状態となって暴走することがある課題もあった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、放電開始後のホローカソードの暴走を防止することができるとともに、電源構成を簡素化して、低コスト化や小型化や軽量化を図ることができるホローカソードキーパ電源を得ることを目的とする。

この発明に係るホローカソードキーパ電源は、ホローカソードが放電を開始するまでの間、電源回路から定電圧がホローカソードに印加されるようにスイッチング素子を制御し、ホローカソードが放電を開始すると、電源回路から定電流がホローカソードに流れるようにスイッチング素子を制御する制御手段を設けたものである。

この発明によれば、ホローカソードが放電を開始するまでの間、電源回路から定電圧がホローカソードに印加されるようにスイッチング素子を制御し、ホローカソードが放電を開始すると、電源回路から定電流がホローカソードに流れるようにスイッチング素子を制御する制御手段を設ける構成にしたので、放電開始後のホローカソードの暴走を防止することができるとともに、電源構成を簡素化して、低コスト化や小型化や軽量化を図ることができる効果がある。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるホローカソードキーパ電源を示す構成図であり、図２はこの発明の実施の形態１によるホローカソードキーパ電源の動作波形図である。特に、図２（ａ）はホローカソードキーパ電源の出力電圧波形を示し、図２（ｂ）はホローカソードキーパ電源の出力電流波形を示している。
図において、直流電源１はトランス２の１次巻線２ａに接続されている。スイッチング素子３はトランス２の１次巻線２ａと直流電源１の間に接続され、制御回路１７の指示の下で開閉する。
ダイオード４はトランス２の補助巻線２ｄと接続され、トランス２の飽和を防止するため、トランス２の１次巻線２ａに蓄えられる励磁エネルギーをトランス２の補助巻線２ｄに供給する。これにより、トランス２の１次巻線２ａに蓄えられる励磁エネルギーがダイオード４と補助巻線２ｄを介して直流電源１に戻され、トランス２がリセットされる。

電源回路５はトランス２の２次巻線２ｂ又は３次巻線２ｃの出力を整流してホローカソード１８に印加する。
なお、電源回路５は、トランス２の２次巻線２ｂに接続されている回路部分が定電流を出力する定電流出力回路６を構成し、トランス２の３次巻線２ｃに接続されている回路部分が定電圧を出力する定電圧出力回路７を構成している。
定電流出力回路６はフォワードコンバータで構成され、定電流出力回路６の構成部であるダイオード８，９、チョークコイル１０及び出力コンデンサ１１がトランス２の２次巻線２ｂの出力を整流平滑して、指令電流値に応じた所定の電流値Ｉ２（例えば、１アンペア）の定電流をホローカソード１８に出力する。なお、定電流出力回路６の出力電流は、例えば０．２アンペアから１アンペア程度で可変できるように設計されている。
定電圧出力回路７はダイオードなどの整流素子１２、スイッチング素子１３及び抵抗１４から構成され、制御回路１７によりスイッチング素子１３が閉じられているときは、トランス２の３次巻線２ｃの出力を整流して、指令電圧値に応じた所定の電圧値Ｖ１（例えば、１２０ボルト）の定電圧をホローカソード１８に出力する。
スイッチング素子１３は制御回路１７により開閉状態が制御される。即ち、スイッチング素子１３はホローカソード１８に流れる電流Ｉｏｕｔが所定の電流値Ｉ１以下であれば閉状態を維持し、そのホローカソード１８に流れる電流Ｉｏｕｔが所定の電流値Ｉ１を上回れば開状態になる。

電圧検出回路１５は例えば分圧抵抗などから構成され、ホローカソード１８に印加されている電圧Ｖｏｕｔを検出する。
電流検出回路１６は例えばカレントトランスなどから構成され、ホローカソード１８に流れている電流Ｉｏｕｔを検出する。
制御回路１７はホローカソード１８が放電を開始するまでの間、電源回路５から定電圧がホローカソード１８に印加されるようにスイッチング素子３を制御し、ホローカソード１８が放電を開始すると、電源回路５から定電流がホローカソード１８に流れるようにスイッチング素子３を制御する。
なお、電圧検出回路１５、電流検出回路１６及び制御回路１７から制御手段が構成されている。

次に動作について説明する。
制御回路１７は、時刻Ｔ０において、定電圧出力回路７のスイッチング素子１３を閉じて、スイッチング素子３の開閉制御を開始する。例えば、制御回路１７は、図示せぬクロック信号に同期して、スイッチング素子３をオン／オフする。
スイッチング素子３の開閉制御が開始されると、直流電源１からトランス２の１次巻線２ａに電圧が印加されるので、トランス２の２次巻線２ｂと３次巻線２ｃの出力電圧が上昇する。
このとき、電源回路５の定電圧出力回路７が図２（ａ）に示すような電圧Ｖｏｕｔをホローカソード１８に印加する。
ただし、時刻Ｔ０付近においては、トランス２の２次巻線２ｂの出力電圧が、電源回路５の定電圧出力回路７から出力される電圧Ｖｏｕｔより低いので、定電流出力回路６のダイオード８が導通しない。このため、時刻Ｔ０においては、定電流出力回路６が機能しない。

制御回路１７は、電圧検出回路１５により検出される電圧Ｖｏｕｔを監視して、その電圧Ｖｏｕｔが電圧値Ｖ１と一致するように、スイッチング素子３の開閉制御を実施する。
制御回路１７は、例えば、スイッチング素子３の開時間と閉時間を制御するパルス幅制御や間引き制御を実施する制御信号Ｄをスイッチング素子３に出力することより、スイッチング素子３の開閉制御を実施する。
このようにして、電源回路５から出力される電圧Ｖｏｕｔが電圧値Ｖ１に維持されると、ホローカソード１８が放電を開始する。図２の例では、時刻Ｔ１において、放電を開始している。

次に、制御回路１７は、ホローカソード１８が放電を開始して、熱電子の放出を開始すると、ホローカソード１８に流れる電流Ｉｏｕｔが増加し始めるので、電流検出回路１６により検出される電流Ｉｏｕｔを監視する。
制御回路１７は、電源回路５の定電圧出力回路７が放電を開始した後も、引き続き定電圧をホローカソード１８に印加すると、大電流がホローカソード１８に流れて短絡状態になるので、電流検出回路１６により検出された電流Ｉｏｕｔが所定の電流値Ｉ１（例えば、０．１アンペア）を上回ると、定電圧出力回路７のスイッチング素子１３を開状態にする制御信号Ｃをスイッチング素子１３に出力することにより、スイッチング素子１３を開いて、定電圧出力回路７の機能を停止させる。

このようにして、定電圧出力回路７の機能が停止すると、出力コンデンサ１１に充電されているエネルギー（出力コンデンサ１１には、時刻Ｔ０〜時刻Ｔ１の期間において、エネルギーが充電される）がホローカソード１８に供給されるので、ホローカソード１８の放電が維持される。図２の例では、時刻Ｔ１〜時刻Ｔ２の期間中、出力コンデンサ１１からエネルギーがホローカソード１８に供給される。

次に、制御回路１７は、ホローカソード１８の安定的な放電を維持するため、電流検出回路１６により検出される電流Ｉｏｕｔを監視する。
制御回路１７は、電流検出回路１６により検出される電流Ｉｏｕｔが所定の電流値Ｉ２まで低下すると、その電流Ｉｏｕｔが電流値Ｉ２と一致するように、スイッチング素子３の開閉制御を実施する。
制御回路１７は、例えば、スイッチング素子３の開時間と閉時間を制御するパルス幅制御や間引き制御を実施する制御信号Ｄをスイッチング素子３に出力することより、スイッチング素子３の開閉制御を実施する。
このようにして、電源回路５から出力される電流Ｉｏｕｔが電流値Ｉ２に維持されると、ホローカソード１８の放電が安定的に維持される。図２の例では、時刻Ｔ２から、定電流が供給されている。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、ホローカソード１８が放電を開始するまでの間、電源回路５から定電圧がホローカソード１８に印加されるようにスイッチング素子３を制御し、ホローカソード１８が放電を開始すると、電源回路５から定電流がホローカソード１８に流れるようにスイッチング素子３を制御する制御回路１７を設ける構成にしたので、放電開始後のホローカソード１８の暴走を防止することができるとともに、電源回路５の構成を簡素化して、低コスト化や小型化や軽量化を図ることができる効果を奏する。

また、この実施の形態１によれば、電源回路５のうち、トランス２の２次巻線２ｂに接続されている回路部分が定電流を出力する定電流出力回路６を構成し、そのトランス２の３次巻線２ｃに接続されている回路部分が定電圧を出力する定電圧出力回路７を構成しているので、１つの電源回路５で定電圧電源と定電流電源を一体化できるようになる。その結果、電源としての部品点数を削減することができるとともに、１つのトランス２や制御回路１７で、定電圧モードと定電流モードを実現することができる効果を奏する。

また、この実施の形態１によれば、ホローカソード１８に流れる電流Ｉｏｕｔが所定の電流値Ｉ１以下であれば、スイッチング素子１３の閉状態を維持し、ホローカソード１８に流れる電流Ｉｏｕｔが所定の電流値Ｉ１を上回れば、そのスイッチング素子１３を開状態にするように構成したので、定電圧モードから定電流モードに速やかに切り替えることができる効果を奏する。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２によるホローカソードキーパ電源を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
トランス２の１次巻線はセンタータップ付であり、巻線２ａと巻線２ｅに分割されている。また、トランス２の２次巻線もセンタータップ付であり、巻線２ｂと巻線２ｆに分割されている。
スイッチング素子３ａはトランス２の１次巻線２ａと直流電源１の間に接続され、制御回路１７ａの指示の下で開閉する。スイッチング素子３ｂはトランス２の１次巻線２ｅと直流電源１の間に接続され、制御回路１７ａの指示の下で開閉する。

電源回路５は、トランス２の２次巻線２ｂ，２ｆに接続されている回路部分が定電流を出力する定電流出力回路２１を構成し、トランス２の３次巻線２ｃに接続されている回路部分が定電圧を出力する定電圧出力回路７を構成している。
定電流出力回路２１はプッシュプルコンバータで構成され、定電流出力回路２１のダイオード８ａが２次巻線２ｂの出力を整流して平滑し、ダイオード８ｂが２次巻線２ｆの出力を整流して平滑している。

制御回路１７ａは図１の制御回路１７と同様に、ホローカソード１８が放電を開始するまでの間、電源回路５から定電圧がホローカソード１８に印加されるようにスイッチング素子を制御し、ホローカソード１８が放電を開始すると、電源回路５から定電流がホローカソード１８に流れるようにスイッチング素子を制御するが、制御回路１７ａの場合、スイッチング素子３ａとスイッチング素子３ｂを交互に開閉するように、スイッチング素子３ａ，３ｂを制御する。なお、スイッチング素子３ａ，３ｂの両方をオフにする期間も存在する。
また、制御回路１７ａはホローカソード１８に印加される電圧Ｖｏｕｔが所定の電圧を下回ると、２つのスイッチング素子３ａ，３ｂのうち、一方のスイッチング素子のみをスイッチングさせて、他方のスイッチング素子の開状態を維持することにより、片側制御のパルス幅制御を実現する。

なお、スイッチング素子１３は制御回路１７ａにより開閉状態が制御される。即ち、スイッチング素子１３は上記実施の形態１と同様に、ホローカソード１８に流れる電流Ｉｏｕｔが所定の電流値Ｉ１以下であれば閉状態を維持し、そのホローカソード１８に流れる電流Ｉｏｕｔが所定の電流値Ｉ１を上回れば開状態になる。

次に動作について説明する。
上記実施の形態１では、電源回路５の定電流出力回路６がフォワードコンバータで構成され、制御回路１７がスイッチング素子３を開閉するものについて示したが、電源回路５の定電流出力回路２１がプッシュプルコンバータで構成され、かつ、トランス２の１次巻線が分割されて、各１次巻線２ａ，２ｅにスイッチング素子３ａ，３ｂが接続される場合、制御回路１７ａが２つのスイッチング素子３ａ，３ｂを交互に開閉するようにしてもよい。
即ち、スイッチング素子３ａがオンのときはスイッチング素子３ｂをオフし、スイッチング素子３ａがオフのときはスイッチング素子３ｂをオンにする。
この場合、上記実施の形態１と同様の効果を奏するほか、２つのスイッチング素子３ａ，３ｂを交互に開閉するので、上記実施の形態１と比較して倍の周波数で動作させることができるようになる。このため、定電流出力回路２１のチョークコイル１０の小型化や軽量化を図ることができる効果を奏する。

また、制御回路１７ａは、ホローカソード１８に印加される電圧Ｖｏｕｔが所定の電圧を下回ると、２つのスイッチング素子３ａ，３ｂのうち、一方のスイッチング素子のみをスイッチングさせて、他方のスイッチング素子の開状態を維持することにより、片側制御のパルス幅制御を実現する。
これにより、ホローカソード１８の大きな負荷変動に容易に対応することができる効果を奏する。

実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３によるホローカソードキーパ電源を示す構成図であり、図において、図３と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
スイッチング素子３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄはトランス２の１次巻線２ａにブリッジ接続されている。対角の位置のあるスイッチング素子３ａ，３ｄの組と、対角の位置のあるスイッチング素子３ｂ，３ｃの組は、制御回路１７ｂの指示の下で交互に開閉する。
電源回路５は、トランス２の２次巻線２ｂ，２ｆに接続されている回路部分が定電流を出力する定電流出力回路２２を構成し、トランス２の３次巻線２ｃに接続されている回路部分が定電圧を出力する定電圧出力回路６を構成している。
定電流出力回路２２はフルブリッジコンバータで構成され、定電流出力回路２２のダイオード８ａが２次巻線２ｂの出力を整流して平滑し、ダイオード８ｂが２次巻線２ｆの出力を整流して平滑している。

制御回路１７ｂは図３の制御回路１７ａと同様に、ホローカソード１８が放電を開始するまでの間、電源回路５から定電圧がホローカソード１８に印加されるようにスイッチング素子を制御し、ホローカソード１８が放電を開始すると、電源回路５から定電流がホローカソード１８に流れるようにスイッチング素子を制御するが、制御回路１７ｂの場合、スイッチング素子３ａ，３ｄの組と、スイッチング素子３ｂ，３ｃの組とを交互に開閉するように、スイッチング素子３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを制御する。
例えば、スイッチング素子３ａ，３ｄがオンのときはスイッチング素子３ｂ，３ｃをオフし、スイッチング素子３ａ，３ｄがオフのときはスイッチング素子３ｂ，３ｃをオンにする。なお、スイッチング素子３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの全てをオフにする期間も存在する。
また、制御回路１７ｂはホローカソード１８に印加される電圧Ｖｏｕｔが所定の電圧を下回ると、一方の組のスイッチング素子のみをスイッチングさせて、他方の組のスイッチング素子の開状態を維持することにより、片側制御のパルス幅制御を実現する。

なお、スイッチング素子１３は制御回路１７ｂにより開閉状態が制御される。即ち、スイッチング素子１３は上記実施の形態１と同様に、ホローカソード１８に流れる電流Ｉｏｕｔが所定の電流値Ｉ１以下であれば閉状態を維持し、そのホローカソード１８に流れる電流Ｉｏｕｔが所定の電流値Ｉ１を上回れば開状態になる。

次に動作について説明する。
上記実施の形態２では、電源回路５の定電流出力回路２１がプッシュプルコンバータで構成され、かつ、トランス２の１次巻線が分割されて、各１次巻線２ａ，２ｅにスイッチング素子３ａ，３ｂが接続される場合、制御回路１７ａが２つのスイッチング素子３ａ，３ｂを交互に開閉するものについて示したが、電源回路５の定電流出力回路２２がフルブリッジコンバータで構成され、かつ、４つのスイッチング素子３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄがトランス２の１次巻線２ａにブリッジ接続される場合、スイッチング素子３ａ，３ｄの組と、スイッチング素子３ｂ，３ｃの組とを交互に開閉するようにもよい。
この場合、上記実施の形態２と同様の効果を奏するほか、スイッチング素子３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄにかかる電圧が低くなるため、直流電源１の電圧が高い場合にも、容易に設計することができる効果を奏する。

また、制御回路１７ｂは、ホローカソード１８に印加される電圧Ｖｏｕｔが所定の電圧を下回ると、一方の組のスイッチング素子のみをスイッチングさせて、他方の組のスイッチング素子の開状態を維持することにより、片側制御のパルス幅制御を実現する。
これにより、ホローカソード１８の大きな負荷変動に容易に対応することができる効果を奏する。

実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４によるホローカソードキーパ電源の出力部を示す構成図であり、図において、図１，図３及び図４と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
電源回路５の出力コンデンサ１１と並列にコンデンサ３１と抵抗３２の直列回路が接続されている。

上記実施の形態１〜３では、電源回路５の出力端子間には出力コンデンサ１１だけが接続されているものについて示したが、電源回路５の出力端子間には出力コンデンサ１１のほかに、コンデンサ３１と抵抗３２からなる直列回路を接続するようにしてもよい。
あるいは、電源回路５の出力端子間に出力コンデンサ１１を接続せずに、電源回路５の出力端子間にコンデンサ３１と抵抗３２からなる直列回路を接続するようにしてもよい。

ホローカソード１８は、図２に示すように、放電開始時は短絡状態に近い特性を示し、ホローカソード１８には大電流Ｉ３が流れる。
このため、ホローカソードキーパ電源とホローカソード１８間の配線のインダクタンス成分により、出力コンデンサ１１との間で共振現象が発生すると、ホローカソード１８に流れる電流Ｉｏｕｔが電流値Ｉ３に到達した後、そのエネルギーによってホローカソード１８に流れる電流Ｉｏｕｔが微小もしくは零以下となる場合がある。また、ホローカソード１８に印加される電圧Ｖｏｕｔも微小もしくは零以下となる場合がある。
このような場合、ホローカソード１８の放電を維持できずに立ち消えすることがある。

しかし、この実施の形態４では、固有の放電時定数を持つコンデンサ３１と抵抗３２からなる直列回路を電源回路５の出力端子間に接続しているので、ホローカソード１８に流れる電流Ｉｏｕｔが電流値Ｉ３に到達した後に、そのエネルギーによってホローカソード１８に流れる電流Ｉｏｕｔが微小もしくは零以下にならなくなる。また、ホローカソード１８に印加される電圧Ｖｏｕｔも微小もしくは零以下にならなくなる。
このため、ホローカソード１８の放電の立ち消えを防止することができる効果を奏する。また、出力コンデンサ１１の容量が小さくても、放電の立ち消えを防止することができるため、出力コンデンサ１１の小型化や軽量化を図ることができる効果を奏する。

実施の形態５．
図６はこの発明の実施の形態５によるホローカソードキーパ電源の出力部を示す構成図であり、図において、図５と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
抵抗３２と並列に、コンデンサ３１を充電する向きにダイオード３３が接続されている。

上記実施の形態４では、コンデンサ３１と抵抗３２からなる直列回路を電源回路５の出力端子間に接続しているものについて示したが、その抵抗３２と並列に、コンデンサ３１を充電する向きにダイオード３３を接続するようにしてもよい。
この場合、定電圧モードあるいは定電流モード時において、コンデンサ３１にエネルギーが充電される際、コンデンサ３１に対する充電電流が抵抗３２をバイパスして、ダイオード３３を通るため、抵抗３２による損失が低減され、ホローカソードキーパ電源の効率を改善することができる効果を奏する。

実施の形態６．
図７、図８及び図９はこの発明の実施の形態６によるホローカソードキーパ電源の出力部を示す構成図であり、図において、図６と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
抵抗３４は電源回路５とホローカソード１１の間に接続されている。

このように、電源回路５とホローカソード１１の間に抵抗３４が接続されている場合、ホローカソード１８の放電が開始した後の過渡状態、即ち、図２の時刻Ｔ１〜時刻Ｔ２の期間において、ホローカソード１８に流れる放電電流のピークを抑制することができるため、ホローカソード１８の劣化を防止して、ホローカソード１８の長寿命化を図ることができる効果を奏する。
また、ホローカソード１８の放電を開始した後の過渡状態において、定電圧モードから定電流モードに切り換える際に、放電電流が微小もしくは零以下となってホローカソード１８の放電が立ち消えするのを防止することができる効果も奏する。

実施の形態７．
図１０はこの発明の実施の形態７によるホローカソードキーパ電源を示す構成図であり、図において、図３及び図９と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
抵抗短絡手段であるスイッチ３５は抵抗３４と並列に接続され、その抵抗３４を短絡する。

上記実施の形態６では、電源回路５とホローカソード１１の間に抵抗３４が接続されているものについて示したが、その抵抗３４を短絡するスイッチ３５を抵抗３４と並列に接続するようにしてもよい。
この場合、ホローカソード１８の放電が開始した後の過渡状態、即ち、図２の時刻Ｔ１〜時刻Ｔ２の期間において、抵抗３４がホローカソード１８に流れる放電電流のピークを抑制するとともに、定電圧モードから定電流モードに切り換える際に、放電電流が微小もしくは零以下となってホローカソード１８の放電が立ち消えするのを防止した後、例えば、制御回路１７ａがスイッチ３５を閉じて、抵抗３４を短絡するようにすれば、抵抗３４による損失を低減して、ホローカソードキーパ電源の効率を改善することができる効果を奏する。

なお、この実施の形態７では、スイッチ３５を図３のホローカソードキーパ電源に適用するものについて示したが、図１や図４等のホローカソードキーパ電源に適用するようにしてもよいことは言うまでもない。

ここで、図１１は図１，３〜１０のホローカソードキーパ電源が適用される人工衛星の電気推進システムを示す構成図である。
図において、人工衛星の電気推進システムであるホールスラスタ５１はホローカソード１８、ヒータ５２、コイル５３、アノード電極５４及びアノード電極５５から構成されている。
Ｘｅタンク６１はキセノンガスが貯留され、そのキセノンガスをホールスラスタ５１に供給する。
ホローカソードキーパ電源６３は１次バス電源６２に接続され、ホールスラスタ５１のホローカソード１８に定電圧又は定電流を出力する。
ヒータ電源６４は１次バス電源６２に接続され、ホールスラスタ５１のヒータ５２に電力を供給する。
コイル用電源６５は１次バス電源６２に接続され、ホールスラスタ５１のコイル５３に電力を供給する。
アノード電源６６は１次バス電源６２に接続され、ホールスラスタ５１のアノード電極５４に電力を供給する。
アノード電源６７は１次バス電源６２に接続され、ホールスラスタ５１のアノード電極５５に電力を供給する。

次に動作について説明する。
人工衛星の電気推進システムであるホールスラスタ５１に推進力を与える場合、Ｘｅタンク６１がキセノンガスをホールスラスタ５１に供給する。
ヒータ電源６４がホールスラスタ５１のヒータ５２に電力を供給し、コイル用電源６５がコイル５３に電力を供給したのち、ホローカソードキーパ電源６３が定電圧モードで、定電圧をホローカソード１８に出力することにより、ホローカソード１８の放電を開始させる。
ホローカソードキーパ電源６３は、ホローカソード１８が放電を開始すると、定電流モードに切り換える。

アノード電源６６，６７は、ホローカソードキーパ電源６３が定電流モードに切り換えて、定電流をホローカソード１８に出力すると、アノード電極５４，５５に電力を供給することにより、ホローカソード１８から放電されたイオンをホールスラスタ５１から出力させるようにする。
これにより、イオンの力でホールスラスタ５１が推進力を獲得する。

ここで、ホローカソードキーパ電源６３の定電流モードでは、アノード電源６６，６７からアノード電極５４，５５に電力が供給されると、ホローカソードキーパ電源６３の負荷が軽負荷に変化する。
また、ホールスラスタ５１の推進力を制御する場合、ホローカソードキーパ電源６３の指令電流を可変する。
ホローカソードキーパ電源６３の定電流モードでは、その出力電流と、ホローカソード１８の等価インピーダンスとの積で出力電圧が決まるが、電流やインピーダンスが共に大きく変化するため、負荷変動範囲が非常に広くなる。

通常、パルス幅制御を行うが、負荷変動範囲が非常に広くなるため、図３又は図４のホローカソードキーパ電源６３が適用される場合、スイッチング素子３ａ，３ｂ，（３ｃ，３ｄ）の最小オン幅まで到達し、それより軽負荷になると間引き制御を行うこととなる。
しかし、間引き制御は、パルス幅制御と比較して、制御応答性が悪くなるため、電圧検出回路１５により検出されたホローカソード１８の電圧Ｖｏｕｔが所定の電圧を下回る場合、プッシュプルコンバータのスイッチング素子３ａと３ｂのうち、一方のスイッチング素子のみをスイッチングさせて、他方のスイッチング素子を開状態にして、片側制御のパルス幅制御を実現する（図３のホローカソードキーパ電源６３が適用される場合）。
あるいは、フルブリッジコンバータのスイッチング素子３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄのうち、対角となる一組のスイッチング素子のみをスイッチングさせて、他方の組のスイッチング素子を開状態にして、片側制御のパルス幅制御を実現する（図４のホローカソードキーパ電源６３が適用される場合）。

この構成によれば、軽負荷の場合には、スイッチング素子３ａ，３ｂ，（３ｃ，３ｄ）を片側制御のパルス幅制御を実施することにより、ホローカソード１８の大きな負荷変動に制御性能を悪化させずに、容易に対応することが可能となる。

この発明の実施の形態１によるホローカソードキーパ電源を示す構成図である。 （ａ）はホローカソードキーパ電源の出力電圧波形を示す波形図、（ｂ）はホローカソードキーパ電源の出力電流波形を示す波形図である。 この発明の実施の形態２によるホローカソードキーパ電源を示す構成図である。 この発明の実施の形態３によるホローカソードキーパ電源を示す構成図である。 この発明の実施の形態４によるホローカソードキーパ電源の出力部を示す構成図である。 この発明の実施の形態５によるホローカソードキーパ電源の出力部を示す構成図である。 この発明の実施の形態６によるホローカソードキーパ電源の出力部を示す構成図である。 この発明の実施の形態６によるホローカソードキーパ電源の出力部を示す構成図である。 この発明の実施の形態６によるホローカソードキーパ電源の出力部を示す構成図である。 この発明の実施の形態７によるホローカソードキーパ電源を示す構成図である。 図１，３〜１０のホローカソードキーパ電源が適用される人工衛星の電気推進システムを示す構成図である。

符号の説明

１ 直流電源、２ トランス、２ａ １次巻線、２ｂ ２次巻線、２ｃ ３次巻線、２ｄ 補助巻線、２ｅ １次巻線、２ｆ ２次巻線、３ スイッチング素子、３ａ スイッチング素子、３ｂ スイッチング素子、３ｃ スイッチング素子、３ｄ スイッチング素子、４ ダイオード、５ 電源回路、６ 定電流出力回路、７ 定電圧出力回路、８ ダイオード、８ａ ダイオード、８ｂ ダイオード、９ ダイオード、１０ チョークコイル、１１ 出力コンデンサ、１２ 整流素子、１３ スイッチング素子、１４ 抵抗、１５ 電圧検出回路（制御手段）、１６ 電流検出回路（制御手段）、１７ 制御回路（制御手段）、１７ａ 制御回路（制御手段）、１７ｂ 制御回路（制御手段）、１８ ホローカソード、２１ 定電流出力回路、２２ 定電流出力回路、３１ コンデンサ、３２ 抵抗、３３ ダイオード、３４ 抵抗、３５ スイッチ（抵抗短絡手段）、５１ ホールスラスタ、５２ ヒータ、５３ コイル、５４ アノード電極、５５ アノード電極、６１ Ｘｅタンク、６２ １次バス電源、６３ ホローカソードキーパ電源、６４ ヒータ電源、６５ コイル用電源、６６ アノード電源、６７ アノード電源。

Claims (11)

1. トランスの１次巻線と直流電源間に接続されたスイッチング素子と、上記トランスの２次巻線又は３次巻線の出力を整流してホローカソードに供給する電源回路と、上記ホローカソードが放電を開始するまでの間、上記電源回路から定電圧が上記ホローカソードに印加されるように上記スイッチング素子を制御し、上記ホローカソードが放電を開始すると、上記電源回路から定電流が上記ホローカソードに流れるように上記スイッチング素子を制御する制御手段とを備えたホローカソードキーパ電源。
2. 電源回路のうち、トランスの２次巻線に接続されている回路部分が定電流を出力する定電流出力回路を構成し、そのトランスの３次巻線に接続されている回路部分が定電圧を出力する定電圧出力回路を構成していることを特徴とする請求項１記載のホローカソードキーパ電源。
3. 制御手段は、定電圧出力回路が整流素子、スイッチング素子及び抵抗の直列回路から構成されている場合、ホローカソードに流れる電流が所定の電流値以下であれば、そのスイッチング素子の閉状態を維持し、そのホローカソードに流れる電流が所定の電流値を上回れば、そのスイッチング素子を開状態にすることを特徴とする請求項２記載のホローカソードキーパ電源。
4. 電源回路の定電流出力回路がプッシュプルコンバータで構成され、かつ、トランスの１次巻線が分割されて、各１次巻線にスイッチング素子が接続される場合、制御手段が２つのスイッチング素子を交互に開閉することを特徴とする請求項２記載のホローカソードキーパ電源。
5. 制御手段は、ホローカソードに印加される電圧が所定の電圧を下回ると、２つのスイッチング素子のうち、一方のスイッチング素子のみを開閉して、他方のスイッチング素子の開状態を維持することを特徴とする請求項４記載のホローカソードキーパ電源。
6. 電源回路の定電流出力回路がフルブリッジコンバータで構成され、かつ、４つのスイッチング素子がトランスの１次巻線にブリッジ接続される場合、対角の位置のあるスイッチング素子同士をそれぞれ組にして、制御手段が２組のスイッチング素子を交互に開閉することを特徴とする請求項２記載のホローカソードキーパ電源。
7. 制御手段は、ホローカソードに印加される電圧が所定の電圧を下回ると、一方の組のスイッチング素子のみを開閉して、他方の組のスイッチング素子の開状態を維持することを特徴とする請求項６記載のホローカソードキーパ電源。
8. コンデンサと抵抗の直列回路が電源回路の出力端子間に接続されていることを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載のホローカソードキーパ電源。
9. コンデンサを充電する向きにダイオードが抵抗と並列に接続されていることを特徴とする請求項８記載のホローカソードキーパ電源。
10. 抵抗が電源回路とホローカソード間に接続されていることを特徴とする請求項１から請求項９のうちのいずれか１項記載のホローカソードキーパ電源。
11. 抵抗と並列に、その抵抗を短絡する抵抗短絡手段が接続されていることを特徴とする請求項１０記載のホローカソードキーパ電源。

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