JP2008154330A - 電力用コンデンサの充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧微調整用抵抗の大型化、電力効率の低下を少なくしてコンデンサを高精度充電できる。
【解決手段】急速充電回路（２〜６）は電力用コンデンサ７を目標電圧を上回る電圧まで急速充電し、電圧微調整回路（１１〜１３）は電力用コンデンサを放電させてその充電電圧を目標電圧に微調整する。電圧微調整回路は、半導体スイッチ１１のオン制御でコンデンサから余剰エネルギー蓄積用コンデンサ１２に放電させて目標電圧まで電圧微調整を行い、半導体スイッチ１３はコンデンサから負荷に放電をした後、余剰エネルギー蓄積用コンデンサに蓄積された電荷を該電力用コンデンサに再充電させる。
半導体スイッチ１１に代えて、定電圧ダイオードと逆流阻止用ダイオードの直列回路としたことを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、負荷の直流電源とする電力用コンデンサを設定電圧まで高い繰り返しで充電する電力用コンデンサの充電装置に係り、特に充電精度を高めるための電圧調整機能を備えた充電装置に関する。

この種の電力用コンデンサは、例えば、高電圧・大電流のパルスを高い繰り返しで発生するパルス電源の直流電源として使用される。このパルス電源の使用用途としては、エキシマレーザーやオゾナイザなどがある。

この電力用コンデンサの充電には、例えば１秒間に４０００回という高い繰り返しで充電でき、その充電精度には高精度（例えば０.１％以下）のものが要求される。高い繰り返し充電には電力用半導体スイッチの制御で行う。高精度充電には、１回の充電期間に急速充電期間と微調整期間を設け、先ず急速充電期間でコンデンサを指令値より数％高い電圧又は低い電圧まで急速に充電し、次に微調整期間で指令値まで放電または充電する。すなわち急速充電回路のみでは指令値に対する高精度充電が困難なため、急速充電回路でコンデンサを僅かに高く又は低く充電し、微調整回路の放電または充電によって高精度充電を実現している（例えば、特許文献１参照）。

図３は現在の回路構成を示し、以下にその回路動作を説明する。各部動作波形は図４に示す。

高圧直流電源１は交流電源から整流平滑で直流電源を得る。半導体スイッチ２は直流電源１を電源としてコンデンサの充電周期でオン／オフ制御される。半導体スイッチ３は半導体スイッチ２と連動させてオン／オフ制御され、この間に介挿されるリアクトル４に短絡電流を流す。ダイオード５は、半導体スイッチ２，３のオフ期間に導通してリアクトル４の蓄積エネルギーをダイオード６を通してコンデンサ７の充電電流として循環させる。抵抗８と半導体スイッチ９の直列回路はコンデンサ７には並列に設け、半導体スイッチ９はコンデンサ７が急速充電された後にオン制御され、コンデンサ７の充電電圧を微調整する。制御装置１０は、半導体スイッチ２、３、９のオン／オフ制御を行い、この制御期間をリアクトル４の電流ｉとコンデンサ７の電圧Ｖｃを基に演算で求める。

＜急速充電期間の動作＞
スイッチ２とスイッチ３を同時にオンすると、回路には矢印Ａの経路で電流が流れ、リアクトル４にエネルギーを蓄積する。次に、スイッチ２とスイッチ３を同時にオフすると、回路には矢印Ｂの経路で電流が流れ、リアクトル４に蓄えられたエネルギーはコンデンサ７へすべて移行し、コンデンサ７が充電される。リアクトル４のリアクトル値をＬ、コンデンサ７のコンデンサ容量をＣ、スイッチ２及びスイッチ３のオフ時の電流をＩ、電流が流れ終わった時のコンデンサ７の電圧をＶ（以下、粗充電電圧と呼ぶ）とするとエネルギー保存の法則より、

が成り立つ。制御装置１０は上式の演算をし、コンデンサ７を目標電圧（指令値より数％高い電圧）Ｖまで充電する。つまリ、電流ｉを常に検出すると同時にリアルタイムで以下の演算を行い、以下の式、

の成立時にスイッチ２及びスイッチ３をオフする。

＜微調整期間の動作＞
スイッチ９をオンすると、回路には矢印Ｃの経路で電流が流れ、コンデンサ７に充電されたエネルギーは抵抗８で消費される。この微調整期間では、指令値とコンデンサ７の電圧を（コンパレータなどで）常に比較し、コンデンサ７の電圧が設定値Ｖ＊と一致するまでスイッチ９をオンさせる。
特開２００５−１１７７６６号公報

急速充電回路によって、コンデンサ７に充電された電圧Ｖを設定値Ｖ＊にするためには、微調整回路の抵抗８で以下の式に相当するエネルギーを消費しなければならない。

また、コンデンサ７は周囲温度の変化や装置の稼働率により、内部温度の変化で静電容量が変化し、かつ、リアクトル４のリアクトル値も周囲温度の変化や装置の稼働率により変化することがある。（１）式を変形すると、

となることから、静電容量がＣからＣ’に変化すると、粗充電電圧は、

となり、リアクトル値がＬからＬ’に変化すると粗充電電圧は

に変化する。温度変化等でコンデンサ７の静電容量が減った場合は（５）式より、同じくリアクトル４のリアクトル値が増えた場合は（６）式より粗充電電圧が増大する。これにより、抵抗８で消費するエネルギーも増大し、抵抗の大型化、装置効率の低下に繋がる。

本発明の目的は、電圧微調整用抵抗の大型化、電力効率の低下を少なくしてコンデンサを高精度充電できる電力用コンデンサの充電装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、急速充電された電力用コンデンサの余剰エネルギーをスイッチ回路を通して余剰エネルギー蓄積用コンデンサに放電させる微調整を行い、電力用コンデンサから負荷側に給電した後に、余剰エネルギー蓄積用コンデンサの充電電荷を電力用コンデンサに再充電することによりその再利用を可能にしたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）負荷の直流電源とする電力用コンデンサを目標電圧を上回る電圧まで急速充電する急速充電手段と、急速充電された前記電力用コンデンサを放電させてその充電電圧を目標電圧に微調整する電圧微調整手段とを備えた電力用コンデンサの充電装置であって、
前記電圧微調整手段は、前記電力用コンデンサを余剰エネルギー蓄積用コンデンサに放電させて目標電圧まで電圧微調整を行う第１のスイッチ回路と、
前記電力用コンデンサから負荷に放電をした後、前記余剰エネルギー蓄積用コンデンサに蓄積された電荷を該電力用コンデンサに再充電させる第２のスイッチ回路とを備えたことを特徴とする。

（２）前記第１のスイッチ回路は、半導体スイッチまたは定電圧ダイオードと逆流阻止用ダイオードの直列回路としたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、急速充電された電力用コンデンサの余剰エネルギーをスイッチ回路を通して余剰エネルギー蓄積用コンデンサに放電させる微調整を行い、電力用コンデンサから負荷側に給電した後に、余剰エネルギー蓄積用コンデンサの充電電荷を電力用コンデンサに再充電するようにしたため、従来の方式では、充電電圧の余剰分を微調整回路の抵抗で消費していたため、抵抗の大型化や装置効率の低下が避けられなかったのに対し、本発明では従来消費していたエネルギーを余剰エネルギー蓄積用コンデンサに蓄え、かつスイッチ回路により、電力用コンデンサに再充電することが可能となり、電圧微調整用抵抗の大型化、電力効率の低下を少なくしてコンデンサを高精度充電できる。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態を示す回路構成図である。同図が、図３と異なる部分は、微調整回路にある。図１における微調整回路は、抵抗８に接続する半導体スイッチ９に代えて、半導体スイッチ１１とコンデンサ１２の直列回路と、この半導体スイッチ１１に逆並列接続した半導体スイッチ１３とを設ける。コンデンサ１２は、余剰エネルギーを蓄積できるものであればよく、コンデンサ７に比べて、小容量のものにされる。また、半導体スイッチ１１，１３は半導体スイッチ２，３に比べて電流容量の小さいもので済む。

図１の構成において、半導体スイッチ１１は、コンデンサ７が急速充電された後にオン制御され、矢印Ｃで示す経路で、コンデンサ７から抵抗８Ａを通してコンデンサ１２に放電させ（エネルギー移行）、この放電期間制御によりコンデンサ７の電圧を設定値Ｖ＊と一致させる。

このとき、急速充電によりコンデンサ７に蓄えられた余剰エネルギーは、以下の式で表せる。

次に、コンデンサ７が設定値Ｖ＊に充電され、この状態で該コンデンサ７から負荷（パルス電源を通して）への放電により、充電電荷がほぼ零になる。この後、制御装置１０は、半導体スイッチ１１をオフ、スイッチ１３をオン制御し、コンデンサ１２に充電された余剰エネルギーを矢印Ｄの経路でコンデンサ７に再充電させることで、コンデンサ１２に蓄えられていたエネルギーを回生させる。この回生エネルギーは、コンデンサ７とコンデンサ１２の容量比で決まる大部分が回生され、次回にコンデンサ７を急速充電するときのエネルギーとして再利用される。

なお、抵抗８Ａは矢印ＣおよびＤの経路で放電および再充電する際に発生する過電流保護として介挿させたものであり、従来の余剰エネルギーを消費するものではない。このため、抵抗８Ａに代えて、リアクトルとすることも可能である。

（実施形態２）
図２は、本発明の他の実施形態を示す回路構成図である。同図が、図１と異なる部分は、微調整回路にある。図２における微調整回路は、半導体スイッチ１１に代えて、微調整電圧設定用定電圧ダイオード１４と、逆流阻止用ダイオード１５を直列接続回路とした点にある。

図２の構成において、コンデンサ７から抵抗８Ａを通した放電による電圧微調整には、コンデンサ７の充電電圧が目標電圧Ｖ＊を越えた状態で定電圧ダイオード１４が導通してダイオード１５を通してコンデンサ１２に放電させる。

その後、コンデンサ７が負荷側に放電された後、半導体スイッチ１３をオン制御することで、コンデンサ１２に充電された余剰エネルギーをコンデンサ７へ再充電される。

なお、実施形態１，２では、コンデンサ７の急速充電回路をチョッパ方式とする場合を示すが、他の方式のものにして、同等の作用効果を得ることができる。例えば、インバータ回路による高圧交流電圧を発生させ、この整流電流でコンデンサ７を急速充電することができる。

本発明の実施形態を示す回路構成図。 本発明の他の実施形態を示す回路構成図。 従来の回路構成図。 図３における各部波形図。

符号の説明

１ 高圧直流電源
２、３、９、１１、１３ 半導体スイッチ
４ リアクトル
５、６、１５ ダイオード
７ 電力用コンデンサ
８、８Ａ 抵抗
１０ 制御装置
１４ 定電圧ダイオード

Claims (2)

1. 負荷の直流電源とする電力用コンデンサを目標電圧を上回る電圧まで急速充電する急速充電手段と、急速充電された前記電力用コンデンサを放電させてその充電電圧を目標電圧に微調整する電圧微調整手段とを備えた電力用コンデンサの充電装置であって、
   前記電圧微調整手段は、前記電力用コンデンサを余剰エネルギー蓄積用コンデンサに放電させて目標電圧まで電圧微調整を行う第１のスイッチ回路と、
   前記電力用コンデンサから負荷に放電をした後、前記余剰エネルギー蓄積用コンデンサに蓄積された電荷を該電力用コンデンサに再充電させる第２のスイッチ回路とを備えたことを特徴とする電力用コンデンサの充電装置。
2. 前記第１のスイッチ回路は、半導体スイッチまたは定電圧ダイオードと逆流阻止用ダイオードの直列回路としたことを特徴とする請求項１に記載の電力用コンデンサの充電装置。

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