JP2020065335A - パルス電源ユニットおよびパルス電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化を避けつつ大幅な大電力化を実現可能なパルス電源を提供すること。【解決手段】本発明のパルス電源ユニット１０は、複数の並列接続された半導体スイッチング素子３を含み、半導体スイッチング素子３の耐電圧は１ｋＶ以上であり、半導体スイッチング素子３の最大出力電流は１００Ａ以上である。あるいは、本発明のパルス電源ユニット１０は、酸化ガリウム、ダイヤモンド、窒化アルミニウム、および酸化アルミニウムガリウムのいずれかの半導体材料を用いて構成された半導体スイッチング素子３を含み、半導体スイッチング素子３の耐電圧は、１ｋＶ以上である。【選択図】図２

Description

本発明は、パルス電源ユニットおよびパルス電源装置に関する。

従来、大電力用途のパルス電源は、パルス波を整形するために、コンデンサおよびリアクトルを含んで複数段に構成されたＰＦＮ(Pulse Forming Network)回路を備えている（例えば、特許文献１および特許文献２）。特許文献２では、パルス波を整形するため、各段に半導体スイッチング素子を備えている。
こうした電力供給や電力制御に利用されるパワー半導体として、ＳｉＣ（炭化珪素）等の新たな半導体材料を用いたパワー半導体の研究開発が進められており、実用化が始まっている。

特開平１１−３３２２５８号公報 特開２０１８−５００９４号公報

パルス電源の大型化を避けつつ、さらなる大電力化を図ることが要求されている。
しかしながら、例えば耐電圧が１０ｋＶで最大出力電流が１ＭＡの規模のパルス電源を実現するため、ＳｉＣ半導体を使用してパルス波を得ることを考えると、パルス波発生回路においてＳｉＣ半導体の４〜１０の直接接続と、１万もの並列接続を設ける必要がある。そうすると、パルス電源の構成が現実的でない程に複雑化し、それに伴い大型化してしまう。
一方、上記の規模のパルス電源をＰＦＮの段数増加により実現しようとすると、膨大な段数となるため、やはり電源構成の複雑化および大型化が避けられないことから、到底、現実的ではない。

以上より、本発明は、大型化を避けつつ大幅な大電力化を実現可能なパルス電源を提供することを目的とする。

本発明は、パルス波の電力を出力するパルス電源ユニットであって、複数の並列接続された半導体スイッチング素子を含み、半導体スイッチング素子の耐電圧は１ｋＶ以上であり、半導体スイッチング素子の最大出力電流は１００Ａ以上であることを特徴とする。

本発明のパルス電源ユニットにおいて、半導体スイッチング素子は、酸化ガリウム、ダイヤモンド、窒化アルミニウム、および酸化アルミニウムガリウムのいずれかの半導体材料を用いて構成されていることが好ましい。

また、本発明は、パルス波の電力を出力するパルス電源ユニットであって、複数の並列接続された半導体スイッチング素子を含み、半導体スイッチング素子は、酸化ガリウム、ダイヤモンド、窒化アルミニウム、および酸化アルミニウムガリウムのいずれかの半導体材料を用いて構成されていることを特徴とする。

本発明のパルス電源ユニットにおいて、半導体スイッチング素子の並列数は、２以上、２００以下であることが好ましい。

また、本発明は、パルス波の電力を出力するパルス電源ユニットであって、酸化ガリウム、ダイヤモンド、窒化アルミニウム、および酸化アルミニウムガリウムのいずれかの半導体材料を用いて構成された半導体スイッチング素子を含み、半導体スイッチング素子の耐電圧は、１ｋＶ以上であることを特徴とする。

また、本発明は、パルス波の電力を出力するパルス電源ユニットであって、酸化ガリウム、ダイヤモンド、窒化アルミニウム、および酸化アルミニウムガリウムのいずれかの半導体材料を用いて構成された半導体スイッチング素子を含み、半導体スイッチング素子の最大出力電流は、１００Ａ以上であることを特徴とする。

本発明のパルス電源ユニットは、複数の並列接続された半導体スイッチング素子の各々に直列接続された半導体スイッチング素子を含み、半導体スイッチング素子の直列数は、２以上、１０以下であることが好ましい。

本発明のパルス電源ユニットにおいて、半導体スイッチング素子によるオンオフのスイッチングにより、所定の波形に整形することが好ましい。

本発明のパルス電源ユニットは、故障の発生した半導体スイッチング素子に代わり他の半導体スイッチング素子と並列接続されるように構成された１以上の予備半導体スイッチング素子を含むことが好ましい。

本発明のパルス電源ユニットは、充電および放電が可能な蓄電デバイスと、蓄電デバイスを充電する充電部と、半導体スイッチング素子を含み、蓄電デバイスから電流を流出させてパルス波を得るように構成されたパルス波取得部と、を備えることが好ましい。

本発明のパルス電源ユニットは、蓄電デバイスから放出された電力を、パルス波取得部を経ることでパルス波として出力可能な第１出力端子と、蓄電デバイスから放出され、パルス波取得部を経ていない電力を出力可能な第２出力端子と、を備えることが好ましい。

また、本発明のパルス電源装置は、並列接続された２以上のパルス電源ユニットを備え、パルス電源ユニットは、上述のパルス電源ユニットであることを特徴とする。

本発明のパルス電源装置は、パルス波の電力が供給される負荷を流れる負荷電流に基づいて、半導体スイッチング素子のオンオフに関する要否指令を生成する要否指令演算部を備え、要否指令演算部は、パルス電源装置の出力する出力電流を負荷電流に追従させるように、半導体スイッチング素子をオンオフさせる制御回路に要否指令を与えることが好ましい。

本発明によれば、例えば、酸化ガリウム、ダイヤモンド、窒化アルミニウム、および酸化アルミニウムガリウム等の半導体材料が用いられた、耐電圧が高く最大出力電流が大きい半導体スイッチング素子を使用していることにより、半導体スイッチング素子の直列数および並列数を現実的な数に留めることができる。つまり、耐電圧や最大出力電流の点で大電力化に制約を与えがちな、パルス波の発生および整形に関する回路の大幅な簡素化が図られるため、装置の大型化を避けつつ、電圧および電流のいずれも従来の水準を凌駕する大電力のパルス電源を実現することができる。

第１実施形態に係るパルス電源装置の回路構成を示す図である。主として、電源の電流が流れるラインを示している。図２，５〜７も同様である。 図１に示す複数のパルス電源ユニットのうちの１つを示す回路図である。 図１のパルス電源の出力の電流波形を示すグラフである。 パルス波取得部の変形例を示す図である。 第２実施形態に係るパルス電源ユニットの回路構成を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、第３実施形態に係るパルス電源ユニットの回路構成を示す図である。 本発明の変形例に係るパルス電源装置の回路構成を示す図である。 本発明の他の変形例に係るパルス電源装置の回路構成を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
（全体構成）
図１に示すパルス電源装置１は、複数のパルス電源ユニット１０（図１および図２）を備えており、装置９０に備わる負荷９にパルス波の電力を供給する。
本実施形態は、耐電圧が１ｋＶ以上である大電力用途のパルス電源装置１を提供する。

図１に示す装置９０の等価回路によれば、装置９０は、抵抗９１およびインダクタンス９２と、負荷９へのパルス電力の供給を入り切りするスイッチ９３とを含んで構成されている。スイッチ９３は、必要に応じて負荷９に設けられていればよい。

パルス電源装置１を構成する複数のパルス電源ユニット１０は、互いに並列接続されている。各パルス電源ユニット１０は接地されている。
パルス電源ユニット１０同士を接続する電線やコネクタ等の等価回路は、線路抵抗１０１および線路インダクタンス１０２を含んでいる。

図１および図２には、パルス電源装置１およびパルス電源ユニット１０の取りうる具体的な構成の一例を示している。
後述するように、パルス電源装置１は、パルス電源ユニット１０を１台のみ備えていてもよい（図５参照）。パルス電源装置１に要求される最大出力電流によっては１つのユニット１０のみで足りるためである。

図２には、複数のパルス電源ユニット１０のうちの１つのパルス電源ユニット１０のみを代表して示している。図２に示されていない、残りのパルス電源ユニット１０も、図２に示すパルス電源ユニット１０と同様に構成することができる。

（耐電圧）
本実施形態では、パルス電源ユニット１０に備わる半導体スイッチング素子３（図２）の耐電圧が高いことにより、パルス電源ユニット１０およびパルス電源装置１に１ｋＶ以上の耐電圧を実現している。
「耐電圧」は、絶縁破壊を発生させることなく印加可能な電圧の上限であり、絶縁耐力（dielectric strength）とも呼ばれる。
例えば、半導体スイッチング素子３の耐電圧は、半導体スイッチング素子３の出力電流が流れる端子間に印加可能な電圧の上限を言うものとする。
また、パルス電源ユニット１０およびパルス電源装置１のそれぞれの耐電圧は、半導体スイッチング素子３を含め、素子や部品を絶縁破壊させないで出力可能な電圧の上限を言うものとする。

半導体スイッチング素子３の耐電圧は、１ｋＶ以上であり、好ましくは５ｋＶ以上である。このことにより、定格電圧に対して十分に余裕のある高い耐電圧が、半導体スイッチング素子３を含むパルス電源ユニット１０およびパルス電源装置１に確保されることとなる。
なお、配線に使用される電線や、スイッチ等の素子、半導体スイッチング素子３に電流を供給する蓄電デバイス２（図２）等には、半導体スイッチング素子３と同等以上の電圧および電流が許容される。

本実施形態では、半導体スイッチング素子３単体によって、パルス電源ユニット１０およびパルス電源装置１に必要な耐電圧が得られている。そのため、半導体スイッチング素子３に、同種の半導体スイッチング素子３や別種の半導体スイッチング素子を直列に接続することで耐電圧を増大させる必要はない。

（半導体材料）
半導体スイッチング素子３は、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、ダイヤモンド（Ｃ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａ）_２Ｏ_３、炭化珪素（ＳｉＣ）、および窒化ガリウム（ＧａＮ）のいずれかの半導体材料を用いて構成することができる。特に、酸化ガリウム、ダイヤモンド、窒化アルミニウム、および酸化アルミニウムガリウムのいずれかの半導体材料を用いて構成された半導体スイッチング素子３は、５ｋＶ以上の耐電圧を実現するため、好ましい。
例えば、酸化ガリウム半導体材料を用いて、典型的な半導体スイッチング素子であるMOSFET（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）を構成すると、このMOSFETは、５ｋＶ以上の耐電圧を実現する。
酸化ガリウム、ダイヤモンド、窒化アルミニウム、および酸化アルミニウムガリウムのいずれかの半導体材料が用いられた半導体スイッチング素子３によれば、より高い耐電圧、例えば、１０ｋＶ、あるいは２０ｋＶもの耐電圧を実現することができる。
しかも、酸化ガリウム、ダイヤモンド、および窒化アルミニウムのいずれかの半導体材料を用いて構成された半導体スイッチング素子３は、例えばＳｉＣ（炭化珪素）半導体材料を用いて構成された半導体スイッチング素子３と比べて電力損失が低い。電力損失が僅かに低いだけでも、大電力のパルス電源装置１にあっては、損失の低減量が大きいため、損失を抑えて効率を向上させる効果が大きい。

酸化ガリウム半導体材料は、結晶構造の違いにより、α型、β型、γ型、δ型、ε型が確認されている。これらのいずれの型の酸化ガリウム半導体材料も半導体スイッチング素子３に使用することができる。耐電圧を高く、最大出力電流を大きくする観点からは、特にα型が好ましい。
炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）、あるいはその他の半導体材料も、１ｋＶ以上の耐電圧を実現可能である限りにおいて、半導体スイッチング素子３に用いることができる。例えば、そうした半導体材料としては、例えば、珪素（Ｓｉ）を例示できる。
耐電圧や電流の他、高周波化への適合性、電力損失等を考慮して、適宜な半導体材料から半導体スイッチング素子３を構成することができる。

（最大出力電流）
本実施形態では、半導体スイッチング素子３（図２）の最大出力電流が大きいこと、および半導体スイッチング素子３の並列接続により、パルス電源ユニット１０に１ｋＡ以上の最大出力電流を実現している。
「最大出力電流」は、周囲温度を含む所定の定格条件において流すことのできる電流の上限である。
例えば、半導体スイッチング素子３の最大出力電流は、半導体スイッチング素子３に流すことのできる最大の電流を言うものとする。本実施形態の半導体スイッチング素子３の最大出力電流は１００Ａ以上であり、好ましくは５００Ａ以上である。
酸化ガリウム、ダイヤモンド、窒化アルミニウム、および酸化アルミニウムガリウムのいずれかの半導体材料を用いて構成された半導体スイッチング素子３の最大出力電流は、５００Ａ以上である。そのため、酸化ガリウム、ダイヤモンド、窒化アルミニウム、および酸化アルミニウムガリウムのいずれかの半導体材料は、耐電圧に加え、最大出力電流の観点からも、好ましい。
珪素（Ｓｉ）、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）等の他の半導体材料も、１００Ａ以上の最大出力電流を実現可能である限りにおいて、半導体スイッチング素子３に用いることができる。

半導体スイッチング素子３の並列接続およびパルス電源ユニット１０の並列接続により、パルス電源装置１全体として必要な最大出力電流を実現するため、並列接続される半導体スイッチング素子３の数（並列数）と、並列接続されるパルス電源ユニット１０の数（並列数）とを適宜に定めることができる。
「並列数」は、並列接続される素子や機器の数を言うものとする。半導体スイッチング素子３の並列数は２以上であり、パルス電源ユニット１０の並列数も２以上である。
例えば、パルス電源装置１に１ＭＡの最大出力電流が必要な場合であって、半導体スイッチング素子３の最大出力電流が１ｋＡであるとすると、図１および図２に示す具体例のように、半導体スイッチング素子３の並列数を１２に定め、パルス電源ユニット１０の並列数を１００に定めることにより、余裕をもって１ＭＡの最大出力電流を確保することができる。
「直列数」は、直列接続される素子や機器の数を言うものとする。半導体スイッチング素子３の直列数は１であり、パルス電源ユニット１０の直列数も１である。

上記と同じく、パルス電源装置１に１ＭＡの最大出力電流が必要であって、半導体スイッチング素子３の最大出力電流が１ｋＡである場合に、半導体スイッチング素子３の並列数を１２０に定め、パルス電源ユニット１０の並列数を１０に定めるようにしても、同様に、余裕をもって１ＭＡの最大出力電流を確保することができる。
半導体スイッチング素子３およびユニット１０のそれぞれの並列数は、スイッチング制御の容易性や、ユニットの製造性や搭載性等を考慮して、必要な最大出力電流を得るために、適宜に設定することができる。

上記のように、複数のユニット１０がそれぞれ備える半導体スイッチング素子３の数の総和に対応する最大出力電流が得られることとなる。この観点からすれば、図７に示すパルス電源装置７のように、必ずしもユニットに区分されている必要がない。パルス電源装置７の全体として、半導体スイッチング素子３の並列数は、図１および図２に示す構成と同様に、１２００である。蓄電デバイス２は並列化されることが好ましい。

大電流を実現しつつも、回路構成が複雑となるのを避けるため、半導体スイッチング素子３の並列数は５以上、２００以下であり、かつ、パルス電源ユニット１０の並列数は２以上、２００以下であることが好ましい。
この場合において、半導体スイッチング素子３の最大出力電流が１００Ａ〜１ｋＡであるとすると、パルス電源ユニット１０には、５００Ａ〜２００ｋＡの最大出力電流が与えられる。また、パルス電源装置１には、１ｋＡ〜４０ＭＡの最大出力電流が与えられる。

（パルス電源ユニットの構成例）
図２を参照し、パルス電源ユニット１０の構成の一例を説明する。
パルス電源ユニット１０は、充電および放電が可能な蓄電デバイス２と、蓄電デバイス２を充電する充電回路部２０（充電部）と、蓄電デバイス２から電流を流出させてパルス波を得るように構成されたパルス波取得回路部３０（パルス波取得部）とを備えている。

パルス電源ユニット１０は、蓄電デバイス２、充電回路部２０、およびパルス波取得回路部３０が必ずしも一体化されている必要はなく、例えば、蓄電デバイス２および充電回路部２０からなる充電ユニットと、パルス波取得回路部３０および制御回路３１からなるパルス波取得ユニットとに区分されていてもよい。

蓄電デバイス２（図２）は、二次電池またはキャパシタ、二次電池やキャパシタのスタック（stack）、あるいは二次電池とキャパシタを組み合わせた構造であって、電気エネルギーを蓄え、蓄えた電気エネルギーを直流電流として放出可能である。
蓄電デバイス２として、リチウムイオン電池をはじめとする種々の二次電池、および電気二重層キャパシタや、それを応用したリチウムイオンキャパシタ等のキャパシタを使用することができる。
蓄電デバイス２として、電解質が固体である全固体電池を採用すると、エネルギー密度を高めて小型化することができる。
また、蓄電デバイス２として、リチウム空気電池等の金属空気電池（単に空気電池とも）を使用することもできる。金属空気電池は、金属を負極活物質とし、空気中の酸素を正極活物質としており、エネルギー密度が大きい。

蓄電デバイス２は、負荷９に必要な電圧および電流のパルス波電力をパルス波取得回路部３０に発生させるために必要な定格電圧および容量を有している。
パルス電源ユニット１０においては、蓄電デバイス２からパルス波取得回路部３０へと、変圧器等を使用して昇圧することなく、直接的に電流を供給する。蓄電デバイス２には、パルス波取得回路部３０を構成する半導体スイッチング素子３と同等以上の定格電圧が確保されている。蓄電デバイス２の定格電圧は例えば１０ｋＶであり、蓄電デバイス２の容量は例えば４０ＭＪである。
上述したように、半導体スイッチング素子３に、パルス電源装置１の耐電圧に相当する耐電圧が確保されているため、当該耐電圧に対応する定格電圧の蓄電デバイス２をパルス波取得回路部３０と組み合わせることで、変圧器等を設けることなく、パルス電源装置１の簡素化に寄与することができる。

充電回路部２０は、パルス電源装置１の外部から入力される直流または交流の電力を蓄電デバイス２に充電する充電器２１と、逆流防止のためのダイオード２２とを含んでいる。充電回路部２０は、例えば、パルス電源装置１が搭載される図示しないシステムの電力系統等に接続されており、当該システムから充電回路部２０に給電される。

充電器２１は、図示しないパワー半導体を含んでおり、パワー半導体のスイッチング動作により、外部入力の電圧を蓄電デバイス２への充電に適した電圧に設定する。外部入力が交流の場合、充電器２１により交流から直流に変換される。充電器２１のパワー半導体として、半導体スイッチング素子３と同様の素子を使用することができる。
充電器２１にも、半導体スイッチング素子３と同等以上の定格電圧が確保されている。充電器２１の定格電圧は例えば１５ｋＶである。

パルス波取得回路部３０は、図２に示すように、並列接続された複数の半導体スイッチング素子３と、各半導体スイッチング素子３のゲート電圧を制御する制御回路３１と、逆流防止用のダイオード３２とを含んで構成されている。
半導体スイッチング素子３の並列数ｎは１２であり、直列数ｍは１である。

図２に示す半導体スイッチング素子３は、例えば酸化ガリウム半導体材料を用いて構成された絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT；Insulated Gate Bipolar Transistor）である。「G」はゲート、「C」はコレクタ、「E」はエミッタである。
この半導体スイッチング素子３は、耐電圧が例えば１ｋＶであって、逆方向耐電圧を与えるダイオード３Ｄを含むIGBTモジュールである。半導体スイッチング素子３は、IGBTに限らず、電流のオンオフのスイッチングが可能な他のトランジスタ、例えばMOSFET等であってもよい。

並列接続されたｎ個の半導体スイッチング素子３のいずれのゲート端子も、制御回路３１の対応する端子に接続されている。
図示しないシステムからの制御指令に従い、制御回路３１は、各半導体スイッチング素子３のゲートに印加される電圧を制御することで、コレクタからエミッタへと流れる出力電流をオンとオフとにスイッチングする。ゲートに正電圧が印加されると半導体スイッチング素子３がオンの状態となる。
この制御回路３１は、並列接続された半導体スイッチング素子３を同時にオン、同時にオフするように制御することもできるし、これらの半導体スイッチング素子３を異なるタイミングでオン、オフするように制御することもできる。制御回路３１は、各半導体スイッチング素子３のオンオフのタイミングを適切に制御することで、パルス波取得回路部３０から出力されるパルス波を所定の波形に整形することが好ましい。

半導体スイッチング素子３がオンの状態である間は、蓄電デバイス２からオン状態の半導体スイッチング素子３へと電流が流出し、オン状態の半導体スイッチング素子３のコレクタ−エミッタ間、およびダイオード３２を経て負荷９側へと流れる。
並列接続された半導体スイッチング素子３のそれぞれが短時間（例えば１〜１００ｍ秒）オンの状態となることで、パルス波が得られる。

並列接続されたパルス電源ユニット１０のそれぞれの制御回路３１により、各パルス電源ユニット１０の半導体スイッチング素子３をオンにすることで、パルス電源装置１全体として、最大出力電流に相当する電流が出力されることとなる。

（パルス波形の例）
図３は、パルス電源装置１の出力電流のパルス波形の一例を示している。このパルス波形のピークの電流（１ＭＡ）は、パルス電源装置１の最大出力電流に対応している。
図３に示す例では、パルス電源装置１全体で、１０ｍ秒の間に、多数の半導体スイッチング素子３を順次、オフからオンに切り替えた後、オンからオフに切り替えることで、最大出力電流まで急峻に立ち上がった後、最大出力電流から急峻に立ち下がるパルス波に整形している。
図３に示す例では、図１において並列接続された１００台のパルス電源ユニット１０のうちのNo.1のユニット１０における並列接続された半導体スイッチング素子３を１個から１２個まで１個ずつ順次オンに切り替え、次いで、No.2のユニット１０についても、並列接続された半導体スイッチング素子３をNo.1と同様に１個ずつオンに切り替え、以降、No.3〜No.100のユニット１０についても同様に繰り返すと、オン状態の半導体スイッチング素子３の数が増加することに伴い出力電流が増加する。オンからオフへの切り替え時には、上記とは逆に、オン状態の半導体スイッチング素子３の数が減少することに伴い出力電流が減少する。

オンオフの切り替えは、必ずしも半導体スイッチング素子３単位で行う必要はなく、ユニット１０単位で行うこともできる。例えば、No.1のユニット１０の半導体スイッチング素子３の全数を同時にオンに切り替え、次いで、No.2のユニット１０の半導体スイッチング素子３の全数を同時にオンに切り替える、というようにして出力電流を増加させた後、No.1のユニット１０の半導体スイッチング素子３の全数を同時にオフに切り替え、次いで、No.2のユニット１０の半導体スイッチング素子３の全数を同時にオフに切り替える、というようにして出力電流を減少させる。このようにしても、図３に示すものと類似したパルス波形を得ることができる。
パルス電源装置１は、図示しないシステムからの制御指令に基づいて、図３に示すようなパルス波形を繰り返し出力可能である。

パルス電源装置１は、必ずしも最大の電流を出力する必要はない。制御回路３１により、一部の半導体スイッチング素子３をオフに保つことにより、実質的に並列数ｎが減少し、出力される電流が減少する。並列数ｎを増減させることで、出力電流を可変に制御することが可能である。

（本実施形態による効果）
以上で説明したように、本実施形態によれば、パルス波取得回路部３０において耐電圧が高く最大出力電流が大きい半導体スイッチング素子３を使用しているため、半導体スイッチング素子３の直列数を１、半導体スイッチング素子３の並列数をパルス電源装置１全体としても現実的な数（図１および図２に示す例によれば１２００）に留めることができる。つまり、耐電圧や電流の点で大電力化に制約を与えがちな、パルス波の発生および整形に関するパルス波取得回路部３０の大幅な簡素化が図られるため、装置の大型化を避けつつ、電圧および電流のいずれも従来の水準を凌駕する大電力のパルス電源装置１を実現することができる。本実施形態の回路構成によれば、ＰＦＮを用いる従来構成に対して、波形形成が容易となる。さらに、半導体スイッチング素子３に酸化ガリウム等を用いることによる応答性、制御性の向上により、波形形成のより一層の容易化が期待できる。

（変形例）
パルス波取得回路部３０を構成する半導体スイッチング素子３の直列数ｍは、１に限られることなく、例えば図４に示すように、直列数ｍが２であってもよい。
図４に示すパルス波取得回路部３０Ａは、半導体スイッチング素子３に直列接続された半導体スイッチング素子３を含んでいる。具体的には、ｎ個の並列接続された半導体スイッチング素子３の各々に１つずつ、半導体スイッチング素子３が直列接続されている。
直列数ｍが２であることにより、半導体スイッチング素子３の耐電圧が１０ｋＶであるとすると、パルス波取得回路部３０Ａの全体として２０ｋＶの耐電圧を得ることができる。
耐電圧を高く確保しつつも、回路構成が複雑となるのを避けるため、半導体スイッチング素子３の直列数ｍは２以上、１０以下に留めることが好ましい。

〔第２実施形態〕
次に、図５を参照し、本発明の第２実施形態を説明する。以下の説明では、第１実施形態とは異なる事項を中心に説明する。第１実施形態と同様の構成には同じ符号を付している。
第２実施形態のパルス電源装置５は、第１出力端子５１と、第２出力端子５２とを備えている。このパルス電源装置５は、パルス電源ユニット１０Ａを１台のみ備えている。

第１出力端子５１は、蓄電デバイス２から放出された電力を、パルス波取得回路部３０を経ることでパルス波として出力可能である。第１実施形態にも、図示は省略されているが、第１出力端子５１が備えられている。パルス電源装置５から第１出力端子５１を通じて出力された電力は、負荷９（図１）に供給される。
一方、第２出力端子５２は、蓄電デバイス２から放出され、パルス波取得回路部３０を経ていない電力を出力可能である。パルス電源装置５から第２出力端子５２を通じて、負荷９とは異なる、別の負荷（図示しない）に電力を供給することができる。第２出力端子５２の前には逆流防止用のダイオード４２が設けられることが好ましい。
つまり、複数の用途にパルス電源装置５を利用することができる。第１出力端子５１が接続された負荷９と、第２出力端子５２が接続された負荷とは定格電流が異なっていてよい。

第２出力端子５２のため、パルス電源ユニット１０Ａは、充電回路部２０に接続されたスイッチ４と、スイッチ４のオンオフを切り替える制御回路４１とを備えている。
図５に示す例では、スイッチ４は、IGBTであるが、電流のオンオフを切り替え可能な他の半導体スイッチング素子であってもよい。スイッチ４には、第２出力端子５２が接続される負荷の定格電流に対応する最大出力電流が確保されている。
なお、スイッチ４と並列接続されるスイッチを増設することで、図示しない負荷の定格電流に対応する最大出力電流を確保したり、スイッチ４と直列接続されるスイッチを増設したりすることで、図示しない負荷の定格電圧に対応する耐電圧を確保するようにしてもよい。
また、第３の出力端子や第４の出力端子を増やすため、スイッチおよび制御回路を増設することができる。

図５に示す例では、スイッチ４は、パルス波取得回路部３０の並列接続された半導体スイッチング素子３と連なるように、つまりパルス波取得回路部３０の配線を介して充電回路部２０に接続されている。但し、スイッチ４が、パルス波取得回路部３０の配線を介さずに、充電回路部２０に直接接続されていてもよい。

図示しないシステムからの制御指令により、制御回路４１がスイッチ４をオン状態に切り替えると、蓄電デバイス２からスイッチ４へと電流が流出し、第２出力端子５２を通じて図示しない負荷へと供給される。
スイッチ４は半導体スイッチング素子であるため、制御回路４１によるスイッチ４のスイッチング動作により、パルス波を発生させて第２出力端子５２からパルス波の電力を出力することもできる。但し、第２出力端子５２から出力される電力はパルス波には限定されない。

〔第３実施形態〕
次に、図６（ａ）および（ｂ）を参照し、本発明の第３実施形態を説明する。
図６（ａ）は、第３実施形態に係るパルス波取得回路部６０を示している。パルス波取得回路部６０は、予備半導体スイッチング素子３Ｂを含んでいる。

予備半導体スイッチング素子３Ｂは、他の半導体スイッチング素子３と並列接続されるように配線されているが、初期状態では、図６（ａ）に示すように、スイッチ６Ｂにより、他の半導体スイッチング素子３と電気的に切り離されている。予備半導体スイッチング素子３Ｂは、故障の発生した半導体スイッチング素子３に代わり他の半導体スイッチング素子３と並列接続される。そのために、パルス波取得回路部６０は、故障発生時に予備半導体スイッチング素子３Ｂを他の半導体スイッチング素子３に接続するスイッチ６Ｂと、並列接続された半導体スイッチング素子３に個別に対応するスイッチ６とを備えている。これらスイッチ６Ｂ，６のいずれも制御回路６１に接続されている。スイッチ６Ｂ，６としては、適宜な半導体スイッチング素子を採用することができる。

故障発生時に予備半導体スイッチング素子３Ｂに切り替えた後も、故障発生前と変わらない電流および電圧の出力を維持できるように、予備半導体スイッチング素子３Ｂが、半導体スイッチング素子３と同様の耐電圧および最大出力電流に構成されていることが好ましい。

制御回路６１は、並列接続された半導体スイッチング素子３のそれぞれのオンオフの状態に基づいて故障の発生を検知可能である。制御回路６１は、半導体スイッチング素子３の故障発生を検知すると、故障した半導体スイッチング素子３から予備半導体スイッチング素子３Ｂへと並列接続を切り替える。
例えば、図６（ｂ）に示すように、制御回路６１により１つの半導体スイッチング素子３Ｘの故障発生が検知されると、半導体スイッチング素子３Ｘに対応するスイッチ６をオフとして、半導体スイッチング素子３Ｘを他の半導体スイッチング素子３との並列接続から切り離すとともに、スイッチ６Ｂをオンに切り替えることで予備半導体スイッチング素子３Ｂを残りの半導体スイッチング素子３と並列接続する。半導体スイッチング素子３Ｘの故障発生の前後において、並列数ｎが１２に維持されるので、パルス波取得回路部６０を備えたパルス電源装置の出力を一定に保つことができる。

本実施形態によれば、予備半導体スイッチング素子３Ｂを備えることにより、半導体スイッチング素子３の故障に関してパルス波取得回路部６０に冗長性が与えられる。そのため、パルス波取得回路部６０を備えたパルス電源装置の信頼性を向上させることができる。

パルス波取得回路部６０は、２以上の予備半導体スイッチング素子３Ｂと、それらに対応するスイッチ６Ｂとを備えていてもよい。その場合は、２つの半導体スイッチング素子３が故障したとしても、並列数ｎを維持して、最大出力を確保することができる。予備半導体スイッチング素子３Ｂを冗長性の確保に必要な数だけ備えるとしても、予備半導体スイッチング素子３Ｂがユニット１０と比べれば非常に小型であるため、ユニット１０の重量や設置スペースへの影響が殆どない。したがって、ユニット１０全体の予備を備えることが、重量や設置スペースの理由で難しい場合であっても、予備半導体スイッチング素子３Ｂを必要な数だけ備えることにより冗長性を確保することができる。

求められる冗長性の度合によっては、２以上のユニット１０に１つの予備半導体スイッチング素子３Ｂを割り当てることもできる。その場合は、いずれかのユニット１０の半導体スイッチング素子３に故障が発生した場合に、故障した半導体スイッチング素子３に代わって予備半導体スイッチング素子３Ｂが、当該ユニット１０の他の半導体スイッチング素子３と並列接続されるように回路を構成すればよい。

〔フィードバック制御を行う例〕
図８を参照し、パルス電源装置１（図１）が、負荷９を流れる電流（以下、負荷電流）に基づいてフィードバック制御を行う場合の構成例を説明する。
図８に示すパルス電源装置１は、入力される負荷９の電流値情報ＰＶに応じて、演算により指令を算出し、制御回路３１に、要否指令Ｃｍを与える要否指令演算部７１を備えている。
電流検出器９４により、負荷９を流れる電流が検出される。電流検出器９４により検出された電流を示す電流値情報ＰＶが要否指令演算部７１に入力される。
要否指令演算部７１は、入力された電流値情報ＰＶと、負荷電流の設定値ＳＶとの偏差を解消するように、各ユニット１０の制御回路３１に対して、半導体スイッチング素子３のオンの要否に関する制御指令（要否指令Ｃｍ）を与える。

具体例を示して説明する。
パルス電源装置１は、基本的には、負荷９に要求される一定の最大出力電流のパルス波の電力を生成して出力するが、外乱等により負荷電流が減少した場合に、負荷電流に応じて、出力電流を変化させる。
そのために、電流検出器９４により検出された負荷電流を示す電流値情報ＰＶにより負荷９の状態を監視している。要否指令演算部７１は、パルス電源装置１から負荷９に出力される出力電流を負荷電流に追従させるように、例えば、図１に示すNo.1〜No.99までのユニット１０のそれぞれの制御回路３１には、半導体スイッチング素子３をオン状態とするための要否指令（要）を与え、No.100のユニット１０の制御回路３１には、半導体スイッチング素子３をオフ状態とするための要否指令（否）を与える。
なお、要否指令Ｃｍは、パルス電源ユニット１０の単位で与えるばかりでなく、ユニット１０に備わる個々の半導体スイッチング素子３の単位で与えることもできる。

負荷電流が増加した場合にも出力電流を追従させる場合には、例えば、定常時にはNo.1〜No.90のユニット１０により得られたパルス電力を負荷９に供給するようにする。そうすれば、例えばNo.1〜No.100のユニット１０からパルス電力を得ることにより、負荷電流の増加に対応することができる。

上記のフィードバック制御は、出力するパルス波のピーク、振幅を調整する目的のみならず、波形を整形する目的においても行うことができる。

上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

１ パルス電源装置
２ 蓄電デバイス
３，３Ｘ 半導体スイッチング素子
３Ｂ 予備半導体スイッチング素子
３Ｄ ダイオード
４ スイッチ（半導体スイッチング素子）
５ パルス電源装置
６，６Ｂ スイッチ
７ パルス電源装置
９ 負荷
１０，１０Ａ パルス電源ユニット
２０ 充電回路部（充電部）
２１ 充電器
２２ ダイオード
３０，３０Ａ パルス波取得回路部（パルス波取得部）
３１ 制御回路
３２ ダイオード
４１ 制御回路
５１ 第１出力端子
５２ 第２出力端子
７１ 要否指令演算部
６０ パルス波取得回路部（パルス波取得部）
６１ 制御回路
９０ 装置
９１ 抵抗
９２ インダクタンス
９３ スイッチ
９４ 電流検出器
１０１ 線路抵抗
１０２ 線路インダクタンス

Claims (13)

1. パルス波の電力を出力するパルス電源ユニットであって、
   複数の並列接続された半導体スイッチング素子を含み、
   前記半導体スイッチング素子の耐電圧は１ｋＶ以上であり、
   前記半導体スイッチング素子の最大出力電流は１００Ａ以上である、
   パルス電源ユニット。
2. 前記半導体スイッチング素子は、酸化ガリウム、ダイヤモンド、窒化アルミニウム、および酸化アルミニウムガリウムのいずれかの半導体材料を用いて構成されている、
   請求項１に記載のパルス電源ユニット。
3. パルス波の電力を出力するパルス電源ユニットであって、
   複数の並列接続された半導体スイッチング素子を含み、
   前記半導体スイッチング素子は、酸化ガリウム、ダイヤモンド、窒化アルミニウム、および酸化アルミニウムガリウムのいずれかの半導体材料を用いて構成されている、
   パルス電源ユニット。
4. 前記半導体スイッチング素子の並列数は、２以上、２００以下である、
   請求項１から３のいずれか一項に記載のパルス電源ユニット。
5. パルス波の電力を出力するパルス電源ユニットであって、
   酸化ガリウム、ダイヤモンド、窒化アルミニウム、および酸化アルミニウムガリウムのいずれかの半導体材料を用いて構成された半導体スイッチング素子を含み、
   前記半導体スイッチング素子の耐電圧は、１ｋＶ以上である、
   パルス電源ユニット。
6. パルス波の電力を出力するパルス電源ユニットであって、
   酸化ガリウム、ダイヤモンド、窒化アルミニウム、および酸化アルミニウムガリウムのいずれかの半導体材料を用いて構成された半導体スイッチング素子を含み、
   前記半導体スイッチング素子の最大出力電流は、１００Ａ以上である、
   パルス電源ユニット。
7. 複数の並列接続された前記半導体スイッチング素子の各々に直列接続された半導体スイッチング素子を含み、
   前記半導体スイッチング素子の直列数は、２以上、１０以下である、
   請求項１から６のいずれか一項に記載のパルス電源ユニット。
8. 前記半導体スイッチング素子によるオンオフのスイッチングにより、所定の波形に整形する、
   請求項１から７のいずれか一項に記載のパルス電源ユニット。
9. 故障の発生した前記半導体スイッチング素子に代わり他の前記半導体スイッチング素子と並列接続されるように構成された１以上の予備半導体スイッチング素子を含む、
   請求項１から８のいずれか一項に記載のパルス電源ユニット。
10. 充電および放電が可能な蓄電デバイスと、
    前記蓄電デバイスを充電する充電部と、
    前記半導体スイッチング素子を含み、前記蓄電デバイスから電流を流出させて前記パルス波を得るように構成されたパルス波取得部と、を備える、
    請求項１から９のいずれか一項に記載のパルス電源ユニット。
11. 前記蓄電デバイスから放出された電力を、前記パルス波取得部を経ることで前記パルス波として出力可能な第１出力端子と、
    前記蓄電デバイスから放出され、前記パルス波取得部を経ていない電力を出力可能な第２出力端子と、を備える、
    請求項１０に記載のパルス電源ユニット。
12. 並列接続された２以上のパルス電源ユニットを備え、
    前記パルス電源ユニットは、請求項１から１１のいずれか一項に記載のパルス電源ユニットである、
    パルス電源装置。
13. 前記パルス波の電力が供給される負荷を流れる負荷電流に基づいて、前記半導体スイッチング素子のオンオフに関する要否指令を生成する要否指令演算部を備え、
    前記要否指令演算部は、前記パルス電源装置の出力する出力電流を前記負荷電流に追従させるように、前記半導体スイッチング素子をオンオフさせる制御回路に前記要否指令を与える、
    請求項１２に記載のパルス電源装置。

Images