JP2020137244A - Power supply - Google Patents
Power supply Download PDFInfo
- Publication number
- JP2020137244A JP2020137244A JP2019027316A JP2019027316A JP2020137244A JP 2020137244 A JP2020137244 A JP 2020137244A JP 2019027316 A JP2019027316 A JP 2019027316A JP 2019027316 A JP2019027316 A JP 2019027316A JP 2020137244 A JP2020137244 A JP 2020137244A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- output
- power supply
- chopper unit
- period
- voltage
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Particle Accelerators (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
Abstract
Description
本発明の実施形態は、電磁石を駆動する電源装置に関する。 An embodiment of the present invention relates to a power supply device for driving an electromagnet.
加速された荷電粒子ビームを利用するさまざまな応用装置が開発されている。このような応用装置では、荷電粒子ビームを偏向走査して対象領域に照射する必要がある。荷電粒子が電磁石を通過するときに、電磁石に流す電流を制御することによって、荷電粒子ビームを走査することができる。 Various application devices have been developed that utilize the accelerated charged particle beam. In such an application device, it is necessary to deflect and scan the charged particle beam to irradiate the target region. The charged particle beam can be scanned by controlling the current flowing through the electromagnet as the charged particle passes through the electromagnet.
電磁石に流す電流を正確に制御する電源装置がある。このような電源装置は、荷電粒子ビームの走査範囲および照射位置を正確にするために、高精度に電流値を制御する必要がある。また、走査時間短縮を短縮するには、高速に電流値を切り替える必要がある。 There is a power supply that accurately controls the current flowing through the electromagnet. In such a power supply device, it is necessary to control the current value with high accuracy in order to make the scanning range and the irradiation position of the charged particle beam accurate. Further, in order to shorten the scanning time, it is necessary to switch the current value at high speed.
電磁石は、インダクタンスを含むため、基準電流値をステップ状に切り替えても、インダクタンス値および電磁石への印加電圧によって決定される電流の変化率は有限である。電磁石に流れる電流を高速に遷移させるためには、電流の変化率を大きくする必要がある。インダクタンス値は電磁石に固有の値であるため、電源装置によって電磁石の両端に印加する電圧を高くする必要がある。電磁石駆動用の電源装置では、電磁石に流れる電流を所望の値に制御するチョッパユニットのほかに、電磁石に流れる電流を遷移させる期間に高い電圧を出力するチョッパユニットが直列に接続されている。 Since the electromagnet contains an inductance, the rate of change of the current determined by the inductance value and the voltage applied to the electromagnet is finite even if the reference current value is switched in steps. In order to make the current flowing through the electromagnet transition at high speed, it is necessary to increase the rate of change of the current. Since the inductance value is a value peculiar to the electromagnet, it is necessary to increase the voltage applied to both ends of the electromagnet by the power supply device. In the power supply device for driving the electromagnet, in addition to the chopper unit that controls the current flowing through the electromagnet to a desired value, the chopper unit that outputs a high voltage during the transition period of the current flowing through the electromagnet is connected in series.
近年では、照射領域を走査する時間を短縮したいとする要求が強まっており、より高い電圧を電磁石に印加する必要がある。そのため、複数台のチョッパユニットを直列に接続することとなり、電源装置の構成が複雑になって、占有面積やコストが上昇する傾向にある。 In recent years, there has been an increasing demand for shortening the time for scanning the irradiation region, and it is necessary to apply a higher voltage to the electromagnet. Therefore, a plurality of chopper units are connected in series, the configuration of the power supply device becomes complicated, and the occupied area and cost tend to increase.
実施形態は、簡素な構成で出力電流を高速に遷移させる電源装置を提供する。 The embodiment provides a power supply device that transitions an output current at high speed with a simple configuration.
実施形態に係る電源装置は、第１信号値と前記第１信号値と異なる第２信号値との間を遷移する基準電流信号に応じて出力電流を電磁石に供給する。この電源装置は、第１直流電圧を入力して、前記電磁石に電力を供給する電力変換器と、前記電力変換器を制御する制御装置と、を備える。前記制御装置は、前記第１信号値に対応する第１出力電流値から前記第２信号値に対応する第２出力電流値への遷移期間である第１期間にわたって、前記電力変換器に前記第１直流電圧に応じた第１一定電圧を出力させる第１動作モードと、前記第１期間以外の第２期間では、前記電力変換器に前記第１信号値および前記第２信号値のそれぞれにもとづいて制御された前記出力電流を前記電力変換器に出力させる第２動作モードと、を有する。 The power supply device according to the embodiment supplies an output current to the electromagnet according to a reference current signal that transitions between the first signal value and the second signal value different from the first signal value. This power supply device includes a power converter that inputs a first DC voltage and supplies power to the electromagnet, and a control device that controls the power converter. The control device connects the power converter to the first output current value, which is a transition period from the first output current value corresponding to the first signal value to the second output current value corresponding to the second signal value. 1 In the first operation mode in which the first constant voltage corresponding to the DC voltage is output and the second period other than the first period, the power converter is based on the first signal value and the second signal value, respectively. It has a second operation mode in which the output current controlled by the above is output to the power converter.
本実施形態では、簡素な構成で出力電流を高速に遷移させる電源装置が実現される。 In the present embodiment, a power supply device that changes the output current at high speed with a simple configuration is realized.
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
The drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the ratio of the sizes between the parts, and the like are not necessarily the same as the actual ones. Further, even when the same parts are represented, the dimensions and ratios may be different from each other depending on the drawings.
In addition, in the present specification and each figure, the same elements as those described above with respect to the above-mentioned figures are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted as appropriate.
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る電源装置を例示するブロック図である。
図１に示すように、本実施形態の電源装置１０は、電源１に接続される。電源１は、交流電源である。交流電源は、好ましくは三相交流である。電源装置１０は、出力端子２ａ，２ｂを含む。出力端子２ａ，２ｂ間には、負荷である電磁石４が接続される。電磁石４は、加速器等から射出される荷電粒子ビームを偏向して、設定された照射領域を走査する。電源装置１０は、図示しない上位制御システムから基準電流信号Ｉｒｅｆを受け取る。電源装置１０は、電源１によって動作し、基準電流信号Ｉｒｅｆに追従する出力電流を電磁石４に供給する。
(First Embodiment)
FIG. 1 is a block diagram illustrating a power supply device according to the present embodiment.
As shown in FIG. 1, the
電源装置１０は、第１チョッパユニット１４と、第２チョッパユニット２４と、制御装置３０と、を備える。第２チョッパユニット２４の出力には、電流検出器２８が設けられている。電流検出器２８は、電磁石４に供給している出力電流を検出して出力電流信号Ｉｏｕｔとして制御装置３０に供給する。電流検出器２８は、第１チョッパユニット１４の出力に設けられていてもよいし、電源装置１０の出力端子と電磁石４との間に設けられていてもよい。制御装置３０は、上位制御システムから基準電流信号Ｉｒｅｆおよび電流検出器２８から出力電流信号Ｉｏｕｔをそれぞれ入力して、第１チョッパユニット１４および第２チョッパユニット２４のスイッチング素子を駆動するためのゲート信号Ｖｇを生成し、第１チョッパユニット１４および第２チョッパユニット２４にそれぞれ供給する。
The
第１チョッパユニット１４および第２チョッパユニット２４は、いずれも入出力非絶縁のＤＣ−ＤＣコンバータ回路を含む。この例では、第１チョッパユニット１４および第２チョッパユニット２４は、負荷の電磁石に正負両方向の出力電流を供給するために、正負の出力電流を供給できるフルブリッジ形式の回路構成を有する。電磁石に供給する出力電流の方向が単一方向である場合には、たとえば降圧チョッパ方式等の回路構成であってもよく、入出力の条件等に応じて適切な回路形式とすることができる。
Both the
第１チョッパユニット（一定電圧出力用電力変換器）１４は、入力端子１５ａ，１５ｂと出力端子１６ａ，１６ｂとを含む。電源１は、変圧器１１を介して整流器１２の入力に接続される。整流器１２の出力は、フィルタ１３を介して、第１チョッパユニット１４の入力端子１５ａ，１５ｂに接続される。
The first chopper unit (power converter for constant voltage output) 14 includes
チョッパユニット１４では、入力端子１５ａ，１５ｂを介してフルブリッジ回路に入力された整流器１２の出力電圧に応じた電圧（第２一定電圧）を出力端子１６ａ，１６ｂに供給する場合と、出力端子１６ａ，１６ｂをバイパスする場合とを切り替える。フルブリッジ回路に入力された整流器１２の出力電圧に応じた電圧を出力端子１６ａ，１６ｂに供給する場合には、フルブリッジ回路の一方のレグのハイサイド側のスイッチング素子をオンさせるとともに、他方のレグのローサイド側のスイッチング素子をオンさせる。出力端子１６ａ，１６ｂをバイパスする場合には、たとえば、フルブリッジ回路のハイサイド側のスイッチング素子をオンからオフに切り替えて、フルブリッジ回路を還流動作させる。
In the
第２チョッパユニット（電力変換器）２４は、入力端子２５ａ，２５ｂと出力端子２６ａ，２６ｂとを含む。電源１は、変圧器２１を介して整流器２２の入力に接続される。整流器２２の出力は、フィルタ２３を介して、第２チョッパユニット２４の入力端子２５ａ，２５ｂに接続される。
The second chopper unit (power converter) 24 includes
第２チョッパユニット２４では、入力端子２５ａ，２５ｂを介してフルブリッジ回路に入力された整流器２２の出力電圧（第１直流電圧）に応じた電圧を出力端子２６ａ，２６ｂから出力する。
In the
第１チョッパユニット１４の一方の出力端子１６ａには、電源装置１０の出力端子２ａを介して、電磁石４の一方の端子に接続される。第１チョッパユニット１４の他方の出力端子１６ｂには、第２チョッパユニット２４の一方の出力端子２６ａが接続されている。第２チョッパユニット２４の他方の出力端子２６ｂには、電源装置１０の出力端子２ｂを介して、電磁石４の他方の端子に接続される。
One
整流器１２，２２には、変圧器１１，２１によって絶縁された交流電圧が供給され、整流器１２，２２およびフィルタ１３，２３でそれぞれ整流平滑された直流電圧に変換される。つまり、第１チョッパユニット１４および第２チョッパユニット２４には、電気的に絶縁された直流電圧がそれぞれ入力され、出力側で直列に接続されて電磁石４に電力を供給する。
AC voltage insulated by
好ましくは、変圧器１１，２１は、同じ変圧比を有している。変圧器１１，２１の二次側の電圧は、第１チョッパユニット１４および第２チョッパユニット２４は、それぞれほぼ等しい大きさの直流電圧を入力し、ほぼ等しい大きさの電圧を出力し得る。第１チョッパユニット１４の出力と第２チョッパユニット２４の出力とが直列に接続されているので、電源装置１０は、第１チョッパユニット１４および第２チョッパユニット２４のそれぞれが出力し得る電圧の２倍の大きさの電圧を出力することができる。
Preferably, the
制御装置３０は、第１チョッパユニット１４が出力する電圧の値を切り替えて出力するように第１チョッパユニット１４を制御する。基準電流信号Ｉｒｅｆは、１つの基準電流値（第１信号値）から次の基準電流値（第２信号値）に遷移する。このとき、出力電流信号Ｉｏｕｔは、１つの基準電流値に応じた値（第１出力電流値）から、次の基準電流値に応じた値（第２出力電流値）に遷移する期間を有する。この遷移期間では、第１チョッパユニット１４では、フルブリッジ回路は、入力端子１５ａ，１５ｂに入力された直流電圧に応じた電圧を出力端子１６ａ，１６ｂに出力する。
The
出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間以外の期間では、第１チョッパユニット１４は、フルブリッジ回路を還流動作させて出力端子１６ａ，１６ｂに０Ｖを出力する。なお、第１チョッパユニット１４は、出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間以外の期間では、０Ｖに限らず、十分低い電圧を出力すればよい。十分低い電圧は、たとえば出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間において、第２チョッパユニット２４が出力する電圧よりも低い値である。
In a period other than the transition period of the output current signal Iout, the
制御装置３０は、第２チョッパユニット２４に関して、２つの動作モードを有する。動作モードの１つは一定電圧出力モード（第１動作モード）であり、他の１つは定電流制御モード（第２動作モード）である。制御装置３０は、一定電圧出力モードおよび定電流制御モードを切り替えて第２チョッパユニット２４を動作させる。
The
制御装置３０は、出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間（第１期間）では、第２チョッパユニット２４がＰＷＭ制御を停止するとともに、遷移期間中でほぼ一定の電圧である一定電圧（第１一定電圧）を出力する一定電圧出力モードで動作する。出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間以外の期間（第２期間）では、第２チョッパユニット２４は、ＰＷＭ制御によって、基準電流信号Ｉｒｅｆに追従するように出力電流を定電流制御する定電流制御モードで動作する。
In the
図２は、実施形態の電源装置の一部を例示するブロック図である。
図２に示すように、制御装置３０は、ＰＩ制御器３２と、動作期間制御回路３８と、動作モード切替スイッチ３９と、を含む。図２の構成要素は、第２チョッパユニット２４を制御するために用いられる。第１チョッパユニット１４の制御は、たとえば後述する動作期間制御回路３８の出力によって、一定電圧を出力する状態と出力をバイパスする状態とを切り替える。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a part of the power supply device of the embodiment.
As shown in FIG. 2, the
加減算器３１は、基準電流信号Ｉｒｅｆおよび出力電流信号Ｉｏｕｔを入力して電流偏差をＰＩ制御器３２に供給する。ＰＩ制御器３２は、入力された電流偏差を比例積分し、制御量として出力する。
The addition /
リミッタ３３は、入力される制御量の大きさが上限値ＵＬまたは下限値ＬＬを超過する場合に、制御量の大きさを上限値ＵＬまたは下限値ＬＬに制限する。上限値ＵＬおよび下限値ＬＬはあらかじめ設定されている。
The
リミッタ３３から出力された制御量は、加算器３４を介してコンパレータ３５に入力される。制御量は、コンパレータ３５でキャリア信号発生回路３６が生成したキャリア信号と比較される。キャリア信号は、たとえば三角波である。コンパレータ３５は、制御量およびキャリア信号の比較結果にもとづいて、ＰＷＭ信号であるゲート信号Ｖｇを生成して出力する。なお、図示しないが、生成されたゲート信号は、ゲート駆動回路等を介して、チョッパユニット２４の４つのスイッチング素子をそれぞれ適切に駆動するゲート駆動信号に変換されてチョッパユニット２４に供給される。
The control amount output from the
加算器３４には、あらかじめ設定されたゲインを有する係数器３７の出力が接続されている。係数器３７には、基準電流信号Ｉｒｅｆが入力される。係数器３７は、電磁石４に供給する電流値が目標値に早期に到達するように、ＰＩ制御器３２から出力される制御量に加算器３４によって、電圧フィードフォワードを追加する。
The output of the
コンパレータ３５の出力には、動作モード切替スイッチ３９の一方の入力端子が接続されている。動作モード切替スイッチ３９の他方の入力端子には、係数器４０が接続されている。動作モード切替スイッチ３９は、動作期間制御回路３８の出力によって、２つのうちのいずれかの入力端子に入力された信号をゲート信号Ｖｇとして出力する。
One input terminal of the operation
動作期間制御回路３８は、基準電流信号Ｉｒｅｆおよび出力電流信号Ｉｏｕｔを入力する。動作期間制御回路３８は、たとえばコンパレータを含んでおり、入力された基準電流信号Ｉｒｅｆの大きさと出力電流信号Ｉｏｕｔの大きさとを比較する。動作期間制御回路３８は、基準電流信号Ｉｒｅｆの大きさが出力電流信号Ｉｏｕｔの大きさ以上の場合にはＨレベルを出力する。動作期間制御回路３８は、基準電流信号Ｉｒｅｆの大きさが出力電流信号Ｉｏｕｔよりも小さい場合には、Ｌレベルを出力する。
The operation
なお、実施形態の例では、電磁石４に流す電流は、正負両方向なので、動作期間制御回路３８は、基準電流信号Ｉｒｅｆの絶対値の大きさと、出力電流信号Ｉｏｕｔの絶対値の大きさとを比較して、信号を出力する。
In the example of the embodiment, since the current flowing through the
動作モード切替スイッチ３９は、Ｈレベルの信号が入力された場合には、係数器４０を出力するように接続する。動作モード切替スイッチ３９は、Ｌレベルの信号が入力された場合には、コンパレータ３５が生成するゲート信号Ｖｇを出力するように接続する。係数器４０は、係数“１”に設定され、係数“１”の期間ではＶｇを常時Ｈレベルに設定する。
The operation
実施形態の電源装置１０の動作について説明する。
まず、電源装置１０の第１チョッパユニット１４および第２チョッパユニット２４を含む全体の動作について説明する。
図３（ａ）は、実施形態の電源装置の動作を表す動作波形の例である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ部の拡大図である。
図３（ａ）および図３（ｂ）には、横軸に時間ｔ、縦軸に基準電流信号Ｉｒｅｆおよび出力電流信号Ｉｏｕｔをとり、基準電流信号Ｉｒｅｆおよび出力電流信号Ｉｏｕｔの時間変化が同一グラフ中に示されている。図中、実線が出力電流信号Ｉｏｕｔを表し、一点鎖線が基準電流信号Ｉｒｅｆを表している。
The operation of the
First, the overall operation of the
FIG. 3A is an example of an operation waveform showing the operation of the power supply device of the embodiment. FIG. 3B is an enlarged view of part A of FIG. 3A.
In FIGS. 3A and 3B, the horizontal axis represents time t, the vertical axis represents the reference current signal Iref and the output current signal Iout, and the time changes of the reference current signal Iref and the output current signal Iout are the same graph. Shown inside. In the figure, the solid line represents the output current signal Iout, and the alternate long and short dash line represents the reference current signal Iref.
図３（ａ）に示すように、基準電流信号Ｉｒｅｆは、荷電粒子ビームの走査状況に応じて、異なる目標電流値の間を遷移する。図においてほぼ一定の電流値がそれぞれの目標電流値である。出力電流信号Ｉｏｕｔは、基準電流信号Ｉｒｅｆに応じて、あるいは基準電流信号Ｉｒｅｆに追従するように遷移する。 As shown in FIG. 3A, the reference current signal Iref transitions between different target current values depending on the scanning condition of the charged particle beam. In the figure, almost constant current values are the respective target current values. The output current signal Iout transitions according to the reference current signal Iref or to follow the reference current signal Iref.
図３（ｂ）に示すように、期間Ｔ１は、出力電流信号Ｉｏｕｔが基準電流信号Ｉｒｅｆに応じて現在の目標値から次の目標値まで遷移する期間である。つまり、出力電流信号Ｉｏｕｔの目標値間の遷移期間である。期間Ｔ２は、第２チョッパユニット２４の動作によって、出力電流信号Ｉｏｕｔが基準電流信号Ｉｒｅｆに追従して定電流制御される期間である。期間Ｔ２は、全期間のうち期間Ｔ１を除いた期間である。
As shown in FIG. 3B, the period T1 is a period in which the output current signal Iout transitions from the current target value to the next target value according to the reference current signal Iref. That is, it is a transition period between the target values of the output current signal Iout. The period T2 is a period in which the output current signal Iout is controlled by a constant current following the reference current signal Iref by the operation of the
期間Ｔ１では、出力電流信号Ｉｏｕｔは基準電流信号Ｉｒｅｆに応じて上昇するが、電磁石４のインダクタンスによって、電流の変化率が抑制される。電磁石４に流れる出力電流の変化率ｄｉ／ｄｔと電磁石のインダクタンス値Ｌとの積が電磁石４の両端に印加される電圧Ｖであり（Ｖ＝Ｌ×ｄｉ／ｄｔ）、電圧Ｖは、電源装置１０によって供給される。したがって、電源装置１０が出力する直流電圧を十分高くすることによって、出力電流信号Ｉｏｕｔの目標電流値間の遷移期間である期間Ｔ１を短くすることができる。
In the period T1, the output current signal Iout rises according to the reference current signal Iref, but the rate of change of the current is suppressed by the inductance of the
本実施形態では、期間Ｔ１において、第１チョッパユニット１４および第２チョッパユニット２４の両方が高い電圧値を有する一定電圧を出力し、これらの合計値が電磁石４の両端に印加される。期間Ｔ２では、第１チョッパユニット１４の出力はバイパスされるとともに、第２チョッパユニット２４がＰＷＭ動作することによって、出力電流は、設定された基準電流値に追従するように定電流制御される。
In the present embodiment, in the period T1, both the
図４は、本実施形態の電源装置の動作を説明するためのタイミングチャートの例である。
図４の最上段の図は、第１チョッパユニット（図では第１チョッパと略記）１４のゲート信号のタイミングチャートである。
図４の２段目の図は、第２チョッパユニット（図では第２チョッパと略記）２４のゲート信号のタイミングチャートである。
図４の最下段の図は、動作期間制御回路の出力信号のタイミングチャートである。
図４の４つの図は、時間軸を共通にして描かれている。
FIG. 4 is an example of a timing chart for explaining the operation of the power supply device of the present embodiment.
The uppermost figure of FIG. 4 is a timing chart of the gate signal of the first chopper unit (abbreviated as the first chopper in the figure) 14.
The second stage figure of FIG. 4 is a timing chart of the gate signal of the second chopper unit (abbreviated as the second chopper in the figure) 24.
The lowermost figure of FIG. 4 is a timing chart of the output signal of the operation period control circuit.
The four figures of FIG. 4 are drawn with a common time axis.
図４に示すように、時刻ｔ１から時刻ｔ２の期間および時刻ｔ３から時刻ｔ４の期間が、出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間である。その他の期間が、出力電流信号ＩｏｕｔがＰＷＭ動作による定電流制御によって基準電流信号Ｉｒｅｆに追従する期間である。 As shown in FIG. 4, the period from time t1 to time t2 and the period from time t3 to time t4 are transition periods of the output current signal Iout. The other period is a period in which the output current signal Iout follows the reference current signal Iref by constant current control by PWM operation.
時刻ｔ１から時刻ｔ２の出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間では、制御装置３０は、第１チョッパユニット１４のスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１４またはＱ１３，Ｑ１２をオンにするようにゲート信号を第１チョッパユニット１４に供給する。第１チョッパユニット１４は、入力端子１５ａ，１５ｂ間の直流電圧にほぼ等しい一定電圧を出力する。
During the transition period of the output current signal Iout from time t1 to time t2, the
制御装置３０は、第２チョッパユニット２４のスイッチング素子Ｑ２１，Ｑ２４またはＱ２３，Ｑ２２をオンするようにゲート信号を第２チョッパユニット２４に供給する。
The
制御装置３０の動作期間制御回路３８の出力は、基準電流信号Ｉｒｅｆの大きさが出力電流信号Ｉｏｕｔの大きさ以上であるため、Ｈレベル（“１”）となっている。
The output of the operation
時刻ｔ２から時刻ｔ３の期間では、制御装置３０は、第１チョッパユニット１４のフルブリッジ回路を還流動作させるようにゲート信号を第１チョッパユニット１４に供給して、出力端子１６ａ，１６ｂの出力をバイパスする。
During the period from time t2 to time t3, the
制御装置３０は、第２チョッパユニット２４の各スイッチング素子を、ＰＷＭ動作で出力電流信号Ｉｏｕｔが基準電流信号Ｉｒｅｆに追従するようにゲート信号を生成して第２チョッパユニット２４に供給する。
The
制御装置３０の動作期間制御回路３８の出力は、基準電流信号Ｉｒｅｆの大きさが出力電流信号Ｉｏｕｔの大きさよりも小さいので、Ｌレベル（“０”）となっている。
The output of the operation
このようにして、本実施形態の電源装置１０では、動作期間制御回路３８の出力によって、第２チョッパユニット２４の２つの動作モードを切り替えることができる。そのため、電源装置１０では、高精度な定電流制御および高速な出力電流の切り替えを両立させることができる。
In this way, in the
実施形態の電源装置１０の効果について、比較例の電源装置の動作と比較しつつ説明する。
図５は、比較例の電源装置を例示するブロック図である。
図５に示すように、比較例の電源装置１１０は、３つのチョッパユニットを有する点で上述の実施形態の場合と相違し、３つのチョッパユニットを制御するために上述の実施形態の場合と異なる制御装置１３０を有している。
The effect of the
FIG. 5 is a block diagram illustrating a power supply device of a comparative example.
As shown in FIG. 5, the
比較例の電源装置１１０は、第１チョッパユニット１４、第２チョッパユニット２４のほかに第３チョッパユニット１３４を有している。第３チョッパユニット１３４は、第１チョッパユニット１４と同様の構成を有し、第１チョッパユニット１４と同様の動作をする。
The
なお、この例においては、第２チョッパユニット２４の入力端子２５ａ，２５ｂ間には、第１チョッパユニット１４の入力端子１５ａ，１５ｂ間および第３チョッパユニット１３４の入力端子１３５ａ，１３５ｂ間に印加される直流電圧よりも低い値を有する直流電圧が印加される。したがって、第２チョッパユニット２４は、他のチョッパユニットが出力する電圧よりも低い値の電圧しか出力することはできない。
In this example, the voltage is applied between the
第３チョッパユニット１３４のフルブリッジ回路は、第１チョッパユニット１４のフルブリッジ回路と同時かつ同様の動作をする。すなわち、出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間では、第３チョッパユニット１３４のフルブリッジ回路は、入力端子１３５ａ，１３５ｂに入力された直流電圧に応じた電圧を出力端子１３６ａ，１３６ｂから出力する。それ以外の期間では、フルブリッジ回路は還流動作し、出力端子１３６ａ，１３６ｂからは０Ｖが出力される。
The full bridge circuit of the
制御装置１３０は、出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間において、第１チョッパユニット１４と同様に、第３チョッパユニット１３４のスイッチング素子をオンさせて、入力端子１３５ａ，１３５ｂ間に印加されている直流電圧にほぼ等しい一定電圧を出力させる。
In the transition period of the output current signal Iout, the
出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間以外の期間では、第１チョッパユニット１４のフルブリッジ回路および第３チョッパユニット１３４のフルブリッジ回路は還流動作する。制御装置１３０は、これらのフルブリッジ回路が還流動作するように、ゲート信号を第１チョッパユニット１４および第３チョッパユニット１３４に供給する。
In the period other than the transition period of the output current signal Iout, the full bridge circuit of the
図６は、比較例の電源装置の動作を表す動作波形の例である。
図６に示すように、出力電流信号Ｉｏｕｔが遷移する期間Ｔ１は、基準電流信号Ｉｒｅｆが出力電流信号Ｉｏｕｔ以上の期間である。期間Ｔ１においては、制御装置１３０は、第１チョッパユニット１４および第３チョッパユニット１３４に一定電圧を出力させる。
FIG. 6 is an example of an operation waveform showing the operation of the power supply device of the comparative example.
As shown in FIG. 6, the period T1 in which the output current signal Iout transitions is a period in which the reference current signal Iref is equal to or greater than the output current signal Iout. During the period T1, the
上述した実施形態と相違するのは第２チョッパユニット２４の動作である。制御装置１３０は、期間Ｔ１を含むすべての期間Ｔ２において、第２チョッパユニット２４をＰＷＭ動作によって定電流制御する。したがって、第２チョッパユニット２４は、期間Ｔ１においても、電磁石に流れる電流の変化率を増大させる高い電圧を出力することができないので、必要な一定電圧を第１チョッパユニット１４および第３チョッパユニット１３４の出力により実現する。
The operation of the
これに対して、本実施形態の電源装置１０では、制御装置３０が、出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間であるか否かに応じて、第２チョッパユニット２４の動作モードを切り替えて第２チョッパユニット２４を動作させる。制御装置３０は、出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間では、第２チョッパユニット２４を一定電圧出力モードで動作させる。そのため、この期間では、第１チョッパユニット１４および第２チョッパユニット２４が出力する電圧の加算値が電磁石４の両端に印加される。
On the other hand, in the
制御装置３０は、出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間以外の期間では、第２チョッパユニット２４を定電流制御モードで動作させる。したがって、別にチョッパユニットを追加することなく、電磁石４への高い電圧印加および定電流制御を両立させることができる。
The
一般に、チョッパユニット等の電力変換回路を構成するスイッチング素子等の回路部品には、印加することができる有限の耐圧規格がある。電磁石４に高い電圧を印加することができれば、電磁石４に流れる電流の変化率を大きくすることができ、出力電流の遷移期間を短縮することができる。しかしながら、回路部品等の制約からチョッパユニットが出力できる電圧が有限であり、より高速化するためには、チョッパユニットを直列に接続して電磁石に印加する電圧を増大させることとなる。
In general, circuit components such as switching elements constituting a power conversion circuit such as a chopper unit have a finite withstand voltage standard that can be applied. If a high voltage can be applied to the
荷電粒子ビームの照射装置を医療用等に用いるには、治療時間を最小限とするために、高速での荷電粒子ビームを走査することが求められる。装置の高速化に応じて、チョッパユニットの直列数を増大させるのでは、コストやスペースの増大は避けがたいものとなる。 In order to use the charged particle beam irradiation device for medical purposes and the like, it is required to scan the charged particle beam at high speed in order to minimize the treatment time. Increasing the number of chopper units in series in accordance with the speeding up of the device inevitably increases the cost and space.
本実施形態の電源装置１０では、１つのチョッパユニットを切り替え可能な２つの動作モードを持たせて、出力電流の遷移期間にそのチョッパユニットにも電磁石に印加する電圧の一部を分担させることによって、チョッパユニットを追加することなく、所望の特性を実現することができる。
The
（第２の実施形態）
上述した実施形態では、複数のチョッパユニットを用いて、電磁石への高い電圧の印加および定電流制御を両立させることとしたが、電磁石への供給電圧の大きさによっては、単一のチョッパユニットとすることもできる。
(Second Embodiment)
In the above-described embodiment, a plurality of chopper units are used to achieve both high voltage application to the electromagnet and constant current control, but depending on the magnitude of the supply voltage to the electromagnet, a single chopper unit can be used. You can also do it.
図７は、本実施形態に係る電源装置を例示するブロック図である。
図７に示すように、電源装置２１０は、チョッパユニット２４と、制御装置２３０と、を備える。チョッパユニット２４は、上述した他の実施形態の場合と同じものであってもよい。制御装置２３０は、単一のチョッパユニットを制御する点で上述の他の実施形態の場合と相違するが、基本的な構成要素は、図２において説明したものと同様である。
FIG. 7 is a block diagram illustrating a power supply device according to the present embodiment.
As shown in FIG. 7, the
電源装置２１０は、出力端子２０２ａを介して、電磁石４の一端に接続され、出力端子２０２ｂを介して、電磁石４の他端に接続される。
The
制御装置２３０は、電磁石４に流れる電流を電流検出器２８によって検出したものを出力電流信号Ｉｏｕｔとして入力する。基準電流信号Ｉｒｅｆは、外部の上位制御システム等から供給される。
The
チョッパユニット２４は、制御装置２３０によって、２つの動作モードを切り替えて動作する。制御装置２３０は、出力電流信号Ｉｏｕｔが遷移期間の場合には、チョッパユニット２４を一定電圧出力モードで動作させる。一定電圧出力モードでは、制御装置３０は、スイッチング素子を常時オンさせて入力端子２５ａ，２５ｂ間に印加されている直流電圧にほぼ等しい電圧をチョッパユニット２４に出力させる。
The
制御装置２３０は、出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間以外の期間では、出力電流信号Ｉｏｕｔが基準電流信号Ｉｒｅｆに追従するように、チョッパユニット２４をＰＷＭ動作させる。
The
このように、本実施形態の電源装置２１０では、制御装置２３０によって２つの動作モードを切り替えることによって、高い一定電圧印加用のチョッパユニットを追加することなく、単一のチョッパユニットとすることができる。本実施形態では、単一のチョッパユニットとしても、電磁石に高い電圧を印加することを可能にしつつ、ＰＷＭ動作による定電流制御も可能にする。
As described above, in the
以上説明した実施形態によれば、簡素な構成で出力電流を高速に遷移させる電源装置を実現することができる。 According to the embodiment described above, it is possible to realize a power supply device that changes the output current at high speed with a simple configuration.
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。 Although some embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention and its equivalents described in the claims. In addition, the above-described embodiments can be implemented in combination with each other.
１ 電源、４ 電磁石、１０，２１０ 電源装置、１１，２１ 変圧器、１２，２２ 整流器、１３，２３ フィルタ、１４ 第１チョッパユニット、２４ 第２チョッパユニット、２８ 電流検出器、３０，２３０ 制御装置、３１ 加減算器、３２ ＰＩ制御器、３３ リミッタ、３４ 加算器、３５ コンパレータ、３６ キャリア信号発生回路、３７ 係数器、３８ 動作期間制御回路、３９ 動作モード切替スイッチ、４０ 係数器 1 power supply, 4 electric magnets, 10,210 power supply, 11,21 transformer, 12,22 rectifier, 13,23 filter, 14 1st chopper unit, 24 2nd chopper unit, 28 current detector, 30,230 control device , 31 adder / subtractor, 32 PI controller, 33 limiter, 34 adder, 35 comparator, 36 carrier signal generation circuit, 37 coefficient device, 38 operation period control circuit, 39 operation mode selector switch, 40 coefficient device
Claims (6)
第１直流電圧を入力して、前記電磁石に電力を供給する電力変換器と、
前記電力変換器を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記第１信号値に対応する第１出力電流値から前記第２信号値に対応する第２出力電流値への遷移期間である第１期間にわたって、前記電力変換器に前記第１直流電圧に応じた第１一定電圧を出力させる第１動作モードと、
前記第１期間以外の第２期間では、前記電力変換器に前記第１信号値および前記第２信号値のそれぞれにもとづいて制御された前記出力電流を前記電力変換器に出力させる第２動作モードと、を有する電源装置。 A power supply device that supplies an output current to an electromagnet according to a reference current signal that transitions between a first signal value and a second signal value different from the first signal value.
A power converter that inputs a first DC voltage and supplies power to the electromagnet,
A control device that controls the power converter and
With
The control device is
The power converter responds to the first DC voltage over the first period, which is the transition period from the first output current value corresponding to the first signal value to the second output current value corresponding to the second signal value. The first operation mode that outputs the first constant voltage and
In the second period other than the first period, a second operation mode in which the power converter outputs the output current controlled based on each of the first signal value and the second signal value to the power converter. And with a power supply.
前記基準電流信号の大きさが前記出力電流信号の大きさ以上の場合に、前記第１動作モードで動作し、
前記基準電流信号の大きさが前記出力電流信号の大きさよりも小さい場合に、前記第２動作モードで動作する請求項２記載の電源装置。 The control device is
When the magnitude of the reference current signal is equal to or greater than the magnitude of the output current signal, the operation is performed in the first operation mode.
The power supply device according to claim 2, wherein the power supply device operates in the second operation mode when the magnitude of the reference current signal is smaller than the magnitude of the output current signal.
をさらに備え、
前記制御装置は、
前記第１期間に、前記一定電圧出力用電力変換器に前記第２一定電圧を出力させ、
前記第２期間では前記一定電圧出力用電力変換器の出力をバイパスさせる請求項１〜３のいずれか１つに記載の電源装置。 A power converter for constant voltage output, which is connected in series with the output of the power converter and can output a second constant voltage, is further provided.
The control device is
In the first period, the power converter for constant voltage output is made to output the second constant voltage.
The power supply device according to any one of claims 1 to 3, which bypasses the output of the constant voltage output power converter in the second period.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2019027316A JP7071787B2 (en) | 2019-02-19 | 2019-02-19 | Power supply |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2019027316A JP7071787B2 (en) | 2019-02-19 | 2019-02-19 | Power supply |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2020137244A true JP2020137244A (en) | 2020-08-31 |
| JP7071787B2 JP7071787B2 (en) | 2022-05-19 |
Family
ID=72263771
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2019027316A Active JP7071787B2 (en) | 2019-02-19 | 2019-02-19 | Power supply |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7071787B2 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63114574A (en) * | 1986-10-30 | 1988-05-19 | Nissin Electric Co Ltd | Current follow-up type inverter |
| JPH01100897A (en) * | 1987-10-13 | 1989-04-19 | Toshiba Corp | Electromagnet power supply device |
| JPH01133120A (en) * | 1987-11-19 | 1989-05-25 | Toshiba Corp | Electromagnet power supply device |
| JPH0536523A (en) * | 1991-07-10 | 1993-02-12 | Toshiba Corp | Pulse current supplying apparatus |
| JPH10166406A (en) * | 1996-12-12 | 1998-06-23 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | Mold clamping control device of injection molding machine |
-
2019
- 2019-02-19 JP JP2019027316A patent/JP7071787B2/en active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63114574A (en) * | 1986-10-30 | 1988-05-19 | Nissin Electric Co Ltd | Current follow-up type inverter |
| JPH01100897A (en) * | 1987-10-13 | 1989-04-19 | Toshiba Corp | Electromagnet power supply device |
| JPH01133120A (en) * | 1987-11-19 | 1989-05-25 | Toshiba Corp | Electromagnet power supply device |
| JPH0536523A (en) * | 1991-07-10 | 1993-02-12 | Toshiba Corp | Pulse current supplying apparatus |
| JPH10166406A (en) * | 1996-12-12 | 1998-06-23 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | Mold clamping control device of injection molding machine |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP7071787B2 (en) | 2022-05-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8860387B2 (en) | Buck-boost converter with improved efficiency operation | |
| JP6206502B2 (en) | Power conversion device and power conversion method | |
| JP6394421B2 (en) | Drive device for semiconductor switching element | |
| US20120086418A1 (en) | Multi-phase switching regulator and driver circuit and control method thereof | |
| WO2012014314A1 (en) | Drive device for driving voltage-driven element | |
| KR101731477B1 (en) | Power supply apparatus for sub-module of mmc converter | |
| JPH0851790A (en) | Control circuit for inductive load | |
| US10910953B2 (en) | Welding power supply with extended voltage characteristic | |
| US9966864B2 (en) | Electronic apparatus and control method of electronic apparatus | |
| Gierschner et al. | Quasi-two-level operation of a five-level flying-capacitor converter | |
| EP1128535A2 (en) | Power converter controll loop | |
| Sabate et al. | High-power high-fidelity switching amplifier driving gradient coils for MRI systems | |
| JP7071787B2 (en) | Power supply | |
| JP4872090B2 (en) | Voltage regulator | |
| JP5814759B2 (en) | Power converter | |
| JP6995450B2 (en) | Power supply | |
| CN113544954B (en) | power conversion device | |
| JP2006238694A (en) | Device and method for controlling converter, and electric converter having such a device | |
| KR20200078110A (en) | Bipolar pulse power supply circuit | |
| US10084439B2 (en) | Driver circuit | |
| US6292375B1 (en) | DC-DC voltage converter capable of protecting against short circuits | |
| NL2029114B1 (en) | Flying capacitor converter with voltage balancing circuit | |
| EP4336718A1 (en) | Switching converter using partial power processing | |
| JP7100954B2 (en) | Power converter and control device | |
| WO2024028983A1 (en) | Power conversion device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20210208 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20211208 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20211215 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220214 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20220506 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20220506 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7071787 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |