JP2014121198A

JP2014121198A - 大電流発生装置

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Publication number: JP2014121198A
Application number: JP2012275674A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Aso; 良之阿曽
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2014-06-30
Anticipated expiration: 2032-12-18
Also published as: JP5743999B2

Abstract

【課題】パルス大電流を高速出力することと損失を少なくすることとを両立させた大電流発生装置を提供する。
【解決手段】直列接続用スイッチおよび励磁用スイッチには機械的スイッチ４−１ｍ〜４−N-1ｍ，３ｍと半導体スイッチ４−１ｓ〜４−N-1ｓ，３ｓの両方を採用し、並列接続用スイッチには半導体スイッチ５−１〜５−N-1のみを採用し、電力貯蔵時には機械的スイッチ４−１ｍ〜４−N-1ｍ，３ｍと半導体スイッチ４−１ｓ〜４−N-1ｓ，３ｓの両方を使用し、パルス大電流出力時には半導体スイッチ４−１ｓ〜４−N-1ｓ，３ｓ，５−１〜５−N-1のみを使用する。
【効果】電磁加速装置や強磁場発生装置の電源として利用できる。
【選択図】図１

Description

この発明は、大電流発生装置に関し、さらに詳しくは、パルス大電流を高速出力することと損失を少なくすることとを両立させた大電流発生装置に関する。

従来、複数のコイルを電源に対して直列接続して電力を蓄積し、次いで複数のコイルを負荷に対して並列接続して大電流を負荷へ出力する大電流発生装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
この大電流発生装置では、複数のコイルを直列接続するための直列接続用スイッチや、コイルと電源を接続する励磁用スイッチや、複数のコイルを並列接続するための並列接続用スイッチとして、機械的スイッチまたは半導体スイッチが用いられている。
特開２００７−１８９８４６号公報

上記従来の大電流発生装置において、機械的スイッチを用いると、スイッチング動作が遅く且つチャッタリングが起きるため、半導体スイッチに比べてパルス大電流を出力しうる高速性に劣る問題点がある。他方、半導体スイッチを用いると、導通時の抵抗が機械的スイッチより数百倍も大きいため、機械的スイッチに比べて損失が大きくなる問題点がある。
一般論としては機械的スイッチと半導体スイッチの互いの欠点を補うために両者を併用することは知られている。
しかし、大電流発生装置に具体的にどのように適用するか／どのように制御するかについては全く知られていないため、上記問題点は解決されていなかった。
そこで、この発明の目的は、機械的スイッチと半導体スイッチとを併用すると共にそれらの制御を工夫して、パルス大電流を高速出力することと損失を少なくすることとを両立させた大電流発生装置を提供することにある。

第１の観点では、本発明は、電源（１）と、第１から第Ｎの誘導性エネルギー蓄積用コイル（２−１〜２−Ｎ）と、前記第１から第Ｎの誘導性エネルギー蓄積用コイル（２−１〜２−Ｎ）を直列接続するために各誘導性エネルギー蓄積用コイル（２−１〜２−Ｎ）の間にそれぞれ介設された第１から第Ｎ−１の直列接続用機械的スイッチ（４−１ｍ〜４−N-1ｍ）および直列接続用半導体スイッチ（４−１ｓ〜４−N-1ｓ）と、前記直列接続用機械的スイッチ（４−１ｍ〜４−N-1ｍ）および直列接続用半導体スイッチ（４−１ｓ〜４−N-1ｓ）により直列接続した前記第１から第Ｎの誘導性エネルギー蓄積用コイル（２−１〜２−Ｎ）に前記電源（１）を接続するための励磁用機械的スイッチ（３ｍ）および励磁用半導体スイッチ（３ｓ）と、前記第１から第Ｎの誘導性エネルギー蓄積用コイル（２−１〜２−Ｎ）を負荷（Ｌ）に並列接続するための第１から第Ｎ−１の並列接続用半導体スイッチ（５−１〜５−N-1）と、電力蓄電動作時には前記直列接続用機械的スイッチ（４−１ｍ〜４−N-1ｍ）および直列接続用半導体スイッチ（４−１ｓ〜４−N-1ｓ）および励磁用機械的スイッチ（３ｍ）および励磁用半導体スイッチ（３ｓ）をオンにし且つ前記並列接続用半導体スイッチ（５−１〜５−N-1）をオフにし、パルス電力出力動作時には前記直列接続用機械的スイッチ（４−１ｍ〜４−N-1ｍ）および励磁用機械的スイッチ（３ｍ）をオフにし且つ前記直列接続用半導体スイッチ（４−１ｓ〜４−N-1ｓ）および励磁用半導体スイッチ（３ｓ）および並列接続用半導体スイッチ（５−１〜５−N-1）をオンオフ制御する制御回路（７）とを具備したことを特徴とする大電流発生装置（１００）を提供する。
大電流発生装置において、誘導性エネルギー蓄積用コイル（２−１〜２−Ｎ）のインダクタンスが大きい（例えば２０Ｈ）ため、電力蓄電動作の時間は比較的長くなる（例えば３分）。従って、電力蓄電のための励磁電流が流れるスイッチには、高速性よりも低損失性が重要である。他方、パルス電力出力動作時にパルス大電流（例えば３ＭＡ）を高速出力（例えばパルス幅２０ｍｓ以下）するためにオン／オフするスイッチには、高速性が必要である。
そこで、上記第１の観点による大電流発生装置（１００）では、励磁電流が流れるスイッチには、低損失である機械的スイッチを採用した。すなわち、直列接続用機械的スイッチ（４−１ｍ〜４−N-1ｍ）および励磁用機械的スイッチ（３ｍ）を採用した。他方、パルス大電流を高速出力するためにオン／オフするスイッチには、高速性が必要であるため、半導体スイッチを採用した。すなわち、直列接続用半導体スイッチ（４−１ｓ〜４−N-1ｓ）および励磁用半導体スイッチ（３ｓ）および並列接続用半導体スイッチ（５−１〜５−N-1）を採用した。この結果、直列接続用スイッチおよび励磁用スイッチには機械的スイッチと半導体スイッチを併用し、並列接続用スイッチには半導体スイッチのみを使用することとした。この結果、パルス大電流を高速出力することと損失を少なくすることとを両立させることが出来た。

第２の観点では、本発明は、前記第１の観点による大電流発生装置（１００）において、前記パルス電力出力動作時に、出力電流Ｉｏ＝０の状態から前記第１から第Ｎの誘導性エネルギー蓄積用コイル（２−１〜２−Ｎ）の全てから並列に前記負荷（Ｌ）へ出力電流Ｉｏを供給する最大電流出力状態に移行しその最大電流出力状態を所定の出力時間（τ２＋τ３）だけ継続し次いで出力電流Ｉｏ＝０の状態に戻るまでの時間幅２０ｍｓ以下の１パルス出力過程を、所定のインターバル時間（τ６）をあけて繰り返すことを特徴とする大電流発生装置（１００）を提供する。
上記第２の観点による大電流発生装置（１００）では、パルス大電流を連続的に高速出力することが出来る。

第３の観点では、本発明は、前記第１または第２の観点による大電流発生装置（１００）において、前記制御回路（７）は、前記電力貯蔵動作から前記パルス電力出力動作への移行指令が与えられると、前記直列接続用機械的スイッチ（４−１ｍ〜４−N-1ｍ）および励磁用機械的スイッチ（３ｍ）をオフし次いで前記励磁用機械的スイッチ（３ｍ）をオフしてから所定遅延時間Ｔｆ後に前記励磁用半導体スイッチ（３ｓ）をオフし次いでｎ＝１，２，……，Ｎ−１の順に所定遅延時間τ０後に前記第ｎの並列接続用機械的スイッチ（５−ｎ）をオンし次いで所定遅延時間τ１後に前記第ｎの直列接続用半導体スイッチ（４−ｎｓ）をオフすることを繰り返して出力電流Ｉｏを漸増させながら前記第１から第Ｎの誘導性エネルギー蓄積用コイル（２−１〜２−Ｎ）の全てから並列に前記負荷（Ｌ）へ出力電流Ｉｏを供給する最大電流出力状態へと移行することを特徴とする大電流発生装置（１００）を提供する。
上記第３の観点による大電流発生装置（１００）では、遅延時間τ０およびτ１を調整することによってパルス大電流の立上り時間を調整可能となる。

第４の観点では、本発明は、前記第１から第３のいずれかの観点による大電流発生装置（１００）において、前記制御回路（７）は、前記第１から第Ｎの誘導性エネルギー蓄積用コイル（２−１〜２−Ｎ）の全てから並列に前記負荷（Ｌ）へ出力電流Ｉｏを供給する最大電流出力状態を所定時間τ２だけ継続した後、第１の直列接続用半導体スイッチ（４−１ｓ）をオンし次いで所定時間τ３後に前記第１の並列接続用機械的スイッチ（５−１）をオフし次いでｎ＝２，３，……，Ｎ−１の順に所定遅延時間τ４後に前記第ｎの直列接続用半導体スイッチ（４−ｎｓ）をオンし次いで所定遅延時間τ５後に前記第ｎの並列接続用機械的スイッチ（５−ｎ）をオフすることを繰り返して出力電流Ｉｏを漸減させながら前記第１から第Ｎの誘導性エネルギー蓄積用コイル（２−１〜２−Ｎ）の全てから直列に前記負荷（Ｌ）へ出力電流Ｉｏを供給する最小電流出力状態へと移行し次いで所定遅延時間「τ４＋τ５」後に前記励磁用半導体スイッチ（３ｓ）をオンして出力電流Ｉｏ＝０にすることを特徴とする大電流発生装置（１００）を提供する。
上記第４の観点による大電流発生装置（１００）では、遅延時間τ４およびτ５を調整することによってパルス大電流の立下り時間を調整可能となる。

この発明の大電流発生装置によれば、パルス大電流を高速出力することと損失を少なくすることとを両立させることが出来る。

実施例１にかかる大電流発生装置を示す構成説明図である。実施例１にかかる大電流発生装置の等価回路図である。電力貯蔵処理を示すフロー図である。電力貯蔵時のタイムチャート図である。電力貯蔵時における大電流発生装置の等価回路図である。パルス大電流出力処理を示すフロー図である。パルス大電流出力時における１パルス分のタイムチャート図である。パルス大電流出力時における複数パルス分のタイムチャート図である。パルス大電流出力の開始直前における大電流発生装置の等価回路図である。出力電流Ｉｏ＝Ｉｃの時の大電流発生装置の等価回路図である。出力電流Ｉｏ＝２×Ｉｃとする直前の大電流発生装置の等価回路図である。出力電流Ｉｏ＝２×Ｉｃの時の大電流発生装置の等価回路図である。出力電流Ｉｏ＝Ｎ×Ｉｃの時の大電流発生装置の等価回路図である。出力電流Ｉｏ＝（Ｎ−１）×Ｉｃとする直前の大電流発生装置の等価回路図である。出力電流Ｉｏ＝（Ｎ−１）×Ｉｃの時における大電流発生装置の等価回路図である。出力電流Ｉｏ＝（Ｎ−２）×Ｉｃとする直前の大電流発生装置の等価回路図である。

以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

−実施例１−
図１は、実施例１にかかる大電流発生装置１００を示す回路図である。
この大電流発生装置１００は、電力系統のＡＣ電源をＤＣ電源に変換するＡＣ／ＤＣ変換器１と、第１〜第Ｎの誘導性エネルギー蓄積用コイル２−１〜２−Ｎと、第１〜第Ｎの誘導性エネルギー蓄積用コイル２−１〜２−Ｎを直列接続するために各誘導性エネルギー蓄積用コイル２−１〜２−Ｎの間にそれぞれ介設された第１〜第Ｎ−１の直列接続用機械的スイッチ４−１ｍ〜４−N-1ｍおよび直列接続用半導体スイッチ４−１ｓ〜４−N-1ｓと、直列接続用機械的スイッチ４−１ｍ〜４−N-1ｍおよび直列接続用半導体スイッチ４−１ｓ〜４−N-1ｓにより直列接続した第１〜第Ｎの誘導性エネルギー蓄積用コイル２−１〜２−ＮにＡＣ／ＤＣ変換器１を接続するための励磁用機械的スイッチ３ｍおよび励磁用半導体スイッチ３ｓと、第１〜第Ｎの誘導性エネルギー蓄積用コイル２−１〜２−Ｎを負荷Ｌに並列接続するための第１〜第Ｎ−１の並列接続用半導体スイッチ５−１〜５−N-1と、制御器７と、操作者が制御器７に指令や動作パラメータを与えるための操作卓８と、逆流防止ダイオード６−１〜６−Ｎと、還流ダイオード９−１〜９−Ｎとを具備してなる。

制御器７は、励磁用機械的スイッチ３ｍおよび励磁用半導体スイッチ３ｓと、直列接続用機械的スイッチ４−１ｍ〜４−N-1ｍおよび直列接続用半導体スイッチ４−１ｓ〜４−N-1ｓと、並列接続用半導体スイッチ５−１〜５−N-1のオンオフを制御すると共に、ＡＣ／ＤＣ変換器１の制御も行う。

ＡＣ／ＤＣ変換器１には、大電流発生装置１００の稼働を停止させる時に、誘導性エネルギー蓄積用コイル２−１〜２−Ｎに貯蔵されたエネルギーを消尽させるための抵抗器Ｒが接続されている。

誘導性エネルギー蓄積用コイル２−１〜２−Ｎは、超電導コイルである。
半導体スイッチ３ｓ、４−１ｓ〜４−N-1ｓ、５−１〜５−N-1 は、例えばサイリスタやトライアックやパワートランジスタである。
機械的スイッチ３ｍ、４−１ｍ〜４−N-1ｍは、例えば電磁リレースイッチである。

図２は、大電流発生装置１００の動作を説明するための等価回路図である。
ＡＣ／ＤＣ変換器１を電池記号で表現している。また、半導体スイッチ３ｓ、４−１ｓ〜４−N-1ｓ、５−１〜５−N-1 をスイッチ記号で表現し、オン／オフの状態を視認できるようにしている。また、制御器７と操作卓８は描画を省略している。

図３は、大電流発生装置１００の電力貯蔵処理を示すフロー図である。なお、この電力貯蔵処理の開始時には、図２に示すように全スイッチがオフになっているものとする。
ステップＣ１では、操作者は、動作パラメータを操作卓８から制御器７に設定する。動作パラメータとしては、励磁電流最大値Ｉｃ，出力パルス数Ｇ，時間パラメータτ０〜τ６がある。制御器７は、設置された励磁電流最大値ＩｃをＡＣ／ＤＣ変換器１に通知する。
ステップＣ２では、制御器７は、操作者が操作卓８から貯蔵開始指令を入力するのを待ち、入力されたらステップＣ３へ進む。

ステップＣ３では、制御器７は、図４のタイムチャートの時刻ｔａに示すように、励磁用半導体スイッチ３ｓおよび直列接続用半導体スイッチ４−１ｓ〜４−N-1ｓをオンにする。これにより、励磁用半導体スイッチ３ｓおよび直列接続用半導体スイッチ４−１ｓ〜４−N-1ｓを通じて、ＡＣ／ＤＣ変換器１から第１〜第Ｎの誘導性エネルギー蓄積用コイル２−１〜２−Ｎに励磁電流が流れる。

ステップＣ４では、制御器７は、遅延時間Ｔｃの経過を待つ。この遅延時間Ｔｃは、励磁用半導体スイッチ３ｓおよび直列接続用半導体スイッチ４−１ｓ〜４−N-1ｓが安定したオン状態になるのを待つ時間であり、例えば数μｓである。
スイッチＣ５では、制御器７は、図４のタイムチャートの時刻ｔｂに示すように、励磁用機械的スイッチ３ｍおよび直列接続用機械的スイッチ４−１ｍ〜４−N-1ｍをオンにする。これにより、励磁用機械的スイッチ３ｍおよび直列接続用機械的スイッチ４−１ｍ〜４−N-1ｍをも通じて、ＡＣ／ＤＣ変換器１から第１〜第Ｎの誘導性エネルギー蓄積用コイル２−１〜２−Ｎに励磁電流が流れる。従って、低損失で電力を貯蔵できる。なお、図４における破線の描画は、励磁用機械的スイッチ３ｍおよび直列接続用機械的スイッチ４−１ｍ〜４−N-1ｍがオフ状態から安定にオン状態になるまでの動作時間やチャッタリングを表している。
ステップＣ６では、ＡＣ／ＤＣ変換器１は、励磁電流が増加して励磁電流最大値Ｉｃに達したら、図５に示すように、その励磁電流最大値Ｉｃを維持する。

ステップＣ７では、制御器７は、操作者が操作卓８から出力開始指令を入力したかチェックし、入力されなかったらステップＣ８へ進み、入力されたら図６のパルス大電流出力処理へ進む。

ステップＣ８では、制御器７は、電力系統が安定しているか否かをＡＣ／ＤＣ変換器１に問い合せて、安定していればステップＣ７に戻り、安定していなければ電力貯蔵処理を終了する。
なお、ＡＣ／ＤＣ変換器１は、電力系統が安定しているなら励磁電流最大値Ｉｃを維持するが、電力系統が不安定になれば誘導性エネルギー蓄積用コイル２−１〜２−Ｎに貯蔵した電力を電力系統に戻す。

図６は、大電流発生装置１００のパルス大電流出力処理を示すフロー図である。
ステップＤ１では、制御器７は、パルス数カウンタｇ＝１に初期化する。
ステップＤ２では、制御器７は、図７のタイムチャートの時刻ｔｃに示すように、励磁用機械的スイッチ３ｍおよび直列接続用機械的スイッチ４−１ｍ〜４−N-1ｍをオフにする。なお、図７における励磁用機械的スイッチ３ｍおよび直列接続用機械的スイッチ４−１ｍ〜４−N-1ｍの破線の描画は、励磁用機械的スイッチ３ｍおよび直列接続用機械的スイッチ４−１ｍ〜４−N-1ｍがオン状態から安定にオフ状態になるまでに動作時間を要することを表している。
図９は、励磁用機械的スイッチ３ｍおよび直列接続用機械的スイッチ４−１ｍ〜４−N-1ｍが安定にオフ状態になった時の等価回路である。

ステップＤ３では、制御器７は、遅延時間Ｔｆの経過を待つ。この遅延時間Ｔｆは、励磁用機械的スイッチ３ｍおよび直列接続用機械的スイッチ４−１ｍ〜４−N-1ｍが安定したオフ状態になるのを待つ時間であり、例えば数μｓである。

ステップＤ４では、制御器７は、図７のタイムチャートの時刻ｔｄに示すように、励磁用半導体スイッチ３ｓをオフにする。励磁用半導体スイッチ３ｓがをオフになると、図１０に示すように、誘導性エネルギー蓄積用コイル２−１〜２−Ｎに流れていた電流Ｉｃは、負荷Ｌに流れるようになる。すなわち、出力電流Ｉｏ＝Ｉｃとなる。
ステップＤ５では、制御器７は、ステップ数カウンタｎ＝１に初期化する。

ステップＤ６では、制御器７は、遅延時間τ０の経過を待つ。この遅延時間τ０は、ｎ＝１のときは励磁用半導体スイッチ３ｓが安定したオフ状態になるのを待つ時間であると共に出力電流Ｉｏを段階的に増加させていく途中において一定の出力電流Ｉｏを継続する１ステップ時間を規定するパラメータとなる時間であり、ｎ＝２〜Ｎ−１のときは第ｎ−１の直列接続用半導体スイッチ４−(n-1)ｓが安定したオフ状態になるのを待つ時間であると共に１ステップ時間を規定するパラメータとなる時間であり、例えば数μｓ〜数１００μｓである。

ステップＤ７では、制御器７は、第ｎの並列接続用半導体スイッチ５−ｎをオンにする。第ｎの並列接続用半導体スイッチ５−ｎをオンすると、この第ｎの並列接続用半導体スイッチ５−ｎを通る電流経路ができるが、電流Ｉｃの経路は事前の状態に維持され、出力電流Ｉｏは変化しない。
すなわち、ｎ＝１のときは、図７のタイムチャートの時刻ｔｅに示すように、第１の並列接続用半導体スイッチ５−１をオンにする。第１の並列接続用半導体スイッチ５−１をオンすると、この第１の並列接続用半導体スイッチ５−１を通る電流経路ができるが、図１１に示すように、電流Ｉｃの経路は事前の状態に維持され、出力電流Ｉｏ＝Ｉｃは変化しない。

ステップＤ８では、制御器７は、遅延時間τ１の経過を待つ。この遅延時間τ１は、第ｎの並列接続用半導体スイッチ５−ｎが安定したオン状態になるのを待つ時間であると共に遅延時間τ０と同様に１ステップ時間を規定するパラメータとなる時間であり、例えば数μｓ〜数１００μｓである。なお、図１０の状態と図１１の状態では同じ出力電流Ｉｏ＝Ｉｃであるが、図１０の状態の方が図１１の状態よりも安定であるため、τ０＞τ１とするのが好ましい。

ステップＤ９では、制御器７は、第ｎの直列接続用半導体スイッチ４−ｎｓをオフにする。第ｎの直列接続用半導体スイッチ４−ｎｓをオフにすると、この第ｎの直列接続用半導体スイッチ４−ｎｓを流れていた電流経路が遮断されるため、第ｎの並列接続用半導体スイッチ５−ｎを通して負荷Ｌに流れるようになる。他方、第ｎ＋１〜第Ｎの誘導性エネルギー蓄積用コイル２−n+1〜２−Ｎに流れていた電流Ｉｃも負荷Ｌに流れ続ける。すなわち、出力電流Ｉｏ＝（ｎ＋１）×Ｉｃとなる。
すなわち、ｎ＝１のときは、図７のタイムチャートの時刻ｔｆに示すように、第１の直列接続用半導体スイッチ４−１ｓをオフにする。第１の直列接続用半導体スイッチ４−１ｓをオフにすると、図１２に示すように、第１の誘導性エネルギー蓄積用コイル２−１に流れていた電流Ｉｃは、第１の並列接続用半導体スイッチ５−１を通して負荷Ｌに流れるようになる。他方、第２〜第Ｎの誘導性エネルギー蓄積用コイル２−２〜２−Ｎに流れていた電流Ｉｃも負荷Ｌに流れ続ける。すなわち、出力電流Ｉｏ＝２×Ｉｃとなる。

ステップＤ１０では、制御器７は、パルス数カウンタｎ＜Ｎ−１か否かをチェックし、ｎ＜Ｎ−１ならステップＤ１１へ進み、ｎ＜Ｎ−１でないならステップＤ１２へ進む。
ステップＤ１１では、パルス数カウンタｎ＝ｎ＋１とする。そして、ステップＤ６に戻る。

図７の上段に示すように、上記ステップＤ６〜Ｄ１１の繰り返しによって、出力電流Ｉｏは、１ステップ時間＝τ０＋τ１でＩｏ＝ＩｃからＩｏ＝Ｎ×Ｉｃまで段階的に増加する。
図１３に、全ての直列接続用半導体スイッチ４−１ｓ〜４−N-1ｓがオフになり、全ての並列接続用半導体スイッチ５−１〜５−Ｎがオンになり、出力電流Ｉｏ＝Ｎ×Ｉｃになった状態を示す。

ステップＤ１２では、制御器７は、遅延時間τ２の経過を待つ。この遅延時間τ２は、図１３の状態を継続する時間であり、パルス幅を規定するパラメータとなる時間であり、例えば１０数ｍｓである。

ステップＤ１３では、図７のタイムチャートの時刻ｔｇに示すように、第１の直列接続用半導体スイッチ４−１ｓをオンにする。第１の直列接続用半導体スイッチ４−１ｓをオンすると、この第１の直列接続用半導体スイッチ４−１ｓを通る電流経路ができるが、図１４に示すように、電流Ｉｃの経路は事前の状態に維持され、出力電流Ｉｏ＝Ｎ×Ｉｃは変化しない。

ステップＤ１４では、制御器７は、遅延時間τ３の経過を待つ。この遅延時間τ３は、第１の直列接続用半導体スイッチ４−１ｓが安定したオン状態になるのを待つ時間であると共に遅延時間τ２と同様にパルス幅を規定するパラメータとなる時間であり、例えば数μｓ〜数１００μｓである。なお、図１３の状態と図１４の状態では同じ出力電流Ｉｏ＝Ｎ×Ｉｃであるが、図１３の状態の方が図１４の状態よりも安定であるため、τ２≫τ３とするのが好ましい。
ステップＤ１５では、制御器７は、ステップ数カウンタｎ＝１に初期化する。

ステップＤ１６では、制御器７は、第ｎの並列接続用半導体スイッチ５−ｎをオフにする。第ｎの並列接続用半導体スイッチ５−ｎをオフにすると、この第ｎの並列接続用半導体スイッチ５−ｎを流れていた電流経路が遮断される。そして、第ｎの誘導性エネルギー蓄積用コイル２−ｎと第ｎ＋１の誘導性エネルギー蓄積用コイル２−n+1とが第ｎの直列接続用半導体スイッチ４−ｎｓを通して直列接続となり、出力電流ＩｏがＩｃだけ減少する。すなわち、出力電流Ｉｏ＝（Ｎ−ｎ）×Ｉｃとなる。
すなわち、ｎ＝１のときは、図７のタイムチャートの時刻ｔｈに示すように、第１の並列接続用半導体スイッチ５−１をオフにする。第１の並列接続用半導体スイッチ５−１をオフにすると、図１５に示すように、第１の誘導性エネルギー蓄積用コイル２−１は、第２の誘導性エネルギー蓄積用コイル２−２と直列接続になり、出力電流ＩｏがＩｃだけ減少する。すなわち、出力電流Ｉｏ＝（Ｎ−１）×Ｉｃとなる。

ステップＤ１７では、制御器７は、ステップ数カウンタｎ＜Ｎ−１か否かをチェックし、ｎ＜Ｎ−１ならステップＤ１８へ進み、ｎ＜Ｎ−１でないならステップＤ２２へ進む。
ステップＤ１８では、ステップ数カウンタｎ＝ｎ＋１とする。

ステップＤ１９では、制御器７は、遅延時間τ４の経過を待つ。この遅延時間τ４は、第ｎ−１の並列接続用半導体スイッチ５−n-1が安定したオフ状態になるのを待つ時間であると共に出力電流Ｉｏを段階的に減少させていく途中において一定の出力電流Ｉｏを継続する１ステップ時間を規定するパラメータとなる時間であり、例えば数μｓ〜数１００μｓである。

ステップＤ２０では、制御器７は、第ｎの直列接続用半導体スイッチ４−ｎｓをオンにする。第ｎの直列接続用半導体スイッチ４−ｎｓをオンすると、この第ｎの直列接続用半導体スイッチ４−ｎｓを通る電流経路ができるが、電流Ｉｃの経路は事前の状態に維持され、出力電流Ｉｏ＝Ｎ×Ｉｃは変化しない。
すなわち、ｎ＝２のときは、図７のタイムチャートの時刻ｔｉに示すように、第２の直列接続用半導体スイッチ４−２ｓをオンにする。第２の直列接続用半導体スイッチ４−２ｓをオンにすると、図１６に示すように、第２の直列接続用半導体スイッチ４−２ｓを通る電流経路ができるが、電流Ｉｃの経路は事前の状態に維持され、出力電流Ｉｏ＝（Ｎ−１）×Ｉｃは変化しない。

ステップＤ２１では、制御器７は、遅延時間τ５の経過を待つ。そして、ステップＤ１６に戻る。この遅延時間τ５は、第ｎの直列接続用半導体スイッチ４−ｎｓが安定したオフ状態になるのを待つ時間であると共に遅延時間τ４と同様に１ステップ時間を規定するパラメータとなる時間であり、例えば数μｓ〜数１００μｓである。なお、図１５の状態と図１６の状態では同じ出力電流Ｉｏ＝（Ｎ−１）×Ｉｃであるが、図１５の状態の方が図１６の状態よりも安定であるため、τ４＞τ５とするのが好ましい。τ０＋τ１＝τ４＋τ５とすれば、パルス電流の立上りと立下りの勾配の絶対値が等しくなる。

ステップＤ２２では、制御器７は、遅延時間τ４＋τ５の経過を待つ。この遅延時間τ４＋τ５の間、全ての並列接続用半導体スイッチ５−１〜５−Ｎがオフであるため、出力電流Ｉｏ＝Ｉｃである。このときの回路状態は、図１０と同じである。

ステップＤ２３では、制御器７は、図７のタイムチャートの時刻ｔｊに示すように、励磁用半導体スイッチ３ｓをオンにする。励磁用半導体スイッチ３ｓがオンになると、図９の状態に戻り、ＡＣ／ＤＣ変換器１からの励磁電流Ｉｃが第１〜第Ｎの誘導性エネルギー蓄積用コイル２−１〜２−Ｎに流れるようになり、出力電流Ｉｏ＝０に戻る。

ステップＤ２４では、制御器７は、パルス数カウンタｇ＜Ｇか否かをチェックし、ｇ＜ＧならステップＤ２６へ進み、ｇ＜Ｇでないなら図３のステップＣ４に戻る。
ステップＤ２５では、制御器７は、遅延時間τ６の経過を待つ。この遅延時間τ６は、図８に示すように、出力電流パルスと出力電流パルスの間のインターバル時間であり、例えば１０数ｍｓである。
ステップＤ２６では、パルス数カウンタｇ＝ｇ＋１とする。そして、ステップＤ４に戻る。

大電流発生装置１００を停止させるときは、誘導性エネルギー蓄積用コイル２−１〜２−Ｎに貯蔵した電力をＡＣ／ＤＣ変換器１を通して電力系統に戻し、さらに電力系統の代わりに抵抗器Ｒに戻して消尽させた後、停止する。

実施例１の大電流発生装置１００によれば、直列接続用スイッチおよび励磁用スイッチには機械的スイッチ４−１ｍ〜４−N-1ｍ，３ｍと半導体スイッチ４−１ｓ〜４−N-1ｓ，３ｓの両方を採用し、並列接続用スイッチには半導体スイッチ５−１〜５−N-1のみを採用し、電力貯蔵時には機械的スイッチ４−１ｍ〜４−N-1ｍ，３ｍと半導体スイッチ４−１ｓ〜４−N-1ｓ，３ｓの両方を使用し、パルス大電流出力時には半導体スイッチ４−１ｓ〜４−N-1ｓ，３ｓ，５−１〜５−N-1のみを使用するように構成したので、パルス大電流を高速出力することと損失を少なくすることとを両立させることが出来る。

この発明の大電流発生装置は、例えば電磁加速装置や強磁場発生装置の電源として利用できる。

１ＡＣ／ＤＣ変換器
２−１，…，２−Ｎ誘導性エネルギー蓄積用コイル
３ｍ励磁用機械的スイッチ
３ｓ励磁用半導体スイッチ
４−１ｍ，…，４−N-1ｍ直列接続用機械的スイッチ
４−１ｓ，…，４−N-1ｓ直列接続用半導体スイッチ
５−１，…，５−Ｎ並列接続用半導体スイッチ
７制御器
１００大電流発生装置

Claims

電源（１）と、第１から第Ｎの誘導性エネルギー蓄積用コイル（２−１〜２−Ｎ）と、前記第１から第Ｎの誘導性エネルギー蓄積用コイル（２−１〜２−Ｎ）を直列接続するために各誘導性エネルギー蓄積用コイル（２−１〜２−Ｎ）の間にそれぞれ介設された第１から第Ｎ−１の直列接続用機械的スイッチ（４−１ｍ〜４−N-1ｍ）および直列接続用半導体スイッチ（４−１ｓ〜４−N-1ｓ）と、前記直列接続用機械的スイッチ（４−１ｍ〜４−N-1ｍ）および直列接続用半導体スイッチ（４−１ｓ〜４−N-1ｓ）により直列接続した前記第１から第Ｎの誘導性エネルギー蓄積用コイル（２−１〜２−Ｎ）に前記電源（１）を接続するための励磁用機械的スイッチ（３ｍ）および励磁用半導体スイッチ（３ｓ）と、前記第１から第Ｎの誘導性エネルギー蓄積用コイル（２−１〜２−Ｎ）を負荷（Ｌ）に並列接続するための第１から第Ｎ−１の並列接続用半導体スイッチ（５−１〜５−N-1）と、電力蓄電動作時には前記直列接続用機械的スイッチ（４−１ｍ〜４−N-1ｍ）および直列接続用半導体スイッチ（４−１ｓ〜４−N-1ｓ）および励磁用機械的スイッチ（３ｍ）および励磁用半導体スイッチ（３ｓ）をオンにし且つ前記並列接続用半導体スイッチ（５−１〜５−N-1）をオフにし、パルス電力出力動作時には前記直列接続用機械的スイッチ（４−１ｍ〜４−N-1ｍ）および励磁用機械的スイッチ（３ｍ）をオフにし且つ前記直列接続用半導体スイッチ（４−１ｓ〜４−N-1ｓ）および励磁用半導体スイッチ（３ｓ）および並列接続用半導体スイッチ（５−１〜５−N-1）をオンオフ制御する制御回路（７）とを具備したことを特徴とする大電流発生装置（１００）。
請求項１に記載の大電流発生装置（１００）において、前記パルス電力出力動作時に、出力電流Ｉｏ＝０の状態から前記第１から第Ｎの誘導性エネルギー蓄積用コイル（２−１〜２−Ｎ）の全てから並列に前記負荷（Ｌ）へ出力電流Ｉｏを供給する最大電流出力状態に移行しその最大電流出力状態を所定時間（τ２＋τ３）だけ継続し次いで出力電流Ｉｏ＝０の状態に戻るまでの時間幅２０ｍｓ以下の１パルス出力過程を、所定のインターバル時間（τ６）をあけて繰り返すことを特徴とする大電流発生装置（１００）。
請求項１または請求項２に記載の大電流発生装置（１００）において、前記制御回路（７）は、前記電力貯蔵動作から前記パルス電力出力動作への移行指令が与えられると、前記直列接続用機械的スイッチ（４−１ｍ〜４−N-1ｍ）および励磁用機械的スイッチ（３ｍ）をオフし次いで前記励磁用機械的スイッチ（３ｍ）をオフしてから所定遅延時間Ｔｆ後に前記励磁用半導体スイッチ（３ｓ）をオフし次いでｎ＝１，２，……，Ｎ−１の順に所定遅延時間τ０後に前記第ｎの並列接続用機械的スイッチ（５−ｎ）をオンし次いで所定遅延時間τ１後に前記第ｎの直列接続用半導体スイッチ（４−ｎｓ）をオフすることを繰り返して出力電流Ｉｏを漸増させながら前記第１から第Ｎの誘導性エネルギー蓄積用コイル（２−１〜２−Ｎ）の全てから並列に前記負荷（Ｌ）へ出力電流Ｉｏを供給する最大電流出力状態へと移行することを特徴とする大電流発生装置（１００）。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の大電流発生装置（１００）において、前記制御回路（７）は、前記第１から第Ｎの誘導性エネルギー蓄積用コイル（２−１〜２−Ｎ）の全てから並列に前記負荷（Ｌ）へ出力電流Ｉｏを供給する最大電流出力状態を所定時間τ２だけ継続した後、第１の直列接続用半導体スイッチ（４−１ｓ）をオンし次いで所定時間τ３後に前記第１の並列接続用機械的スイッチ（５−１）をオフし次いでｎ＝２，３，……，Ｎ−１の順に所定遅延時間τ４後に前記第ｎの直列接続用半導体スイッチ（４−ｎｓ）をオンし次いで所定遅延時間τ５後に前記第ｎの並列接続用機械的スイッチ（５−ｎ）をオフすることを繰り返して出力電流Ｉｏを漸減させながら前記第１から第Ｎの誘導性エネルギー蓄積用コイル（２−１〜２−Ｎ）の全てから直列に前記負荷（Ｌ）へ出力電流Ｉｏを供給する最小電流出力状態へと移行し次いで所定遅延時間「τ４＋τ５」後に前記励磁用半導体スイッチ（３ｓ）をオンして出力電流Ｉｏ＝０にすることを特徴とする大電流発生装置（１００）。