JP2799029B2 - 倍電圧方式充電回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はレーザや加速器等に使われる高電圧電源に好
適な倍電圧方式の充電回路に関する。

（従来の技術） レーザや加速器等では、しばしば非常に高速の立ち上
がりの高電圧パルスが要求される。そのようなパルスを
作り出すためには高速、高電圧のスイッチが必要である
が、スイッチの電圧責務を低減するため、倍電圧型とよ
ばれる、第４図のような回路が使われることがある。第
４図の回路ではまずはじめに直流充電電源10より充電リ
アクトル１を介して、コンデンサ11とコンデンサ12が並
列に充電される。その際、コンデンサ11は直接接地さ
れ、コンデンサ12は接地リアクトル２を介して接地され
る。この充電方式は共振充電方式なので、２つのコンデ
ンサの充電電圧の最大値は2Eに達する。このとき出力端
子は両方とも等価的に接地されているので、出力電圧は
０である。充電完了後、高速スイッチ20を投入すると、
コンデンサ11に蓄積され電荷は、コンデンサ11→反転リ
アクトル３→高速スイッチ20→コンデンサ11の順に流
れ、コンデンサ11の電圧は反転する。高速スイッチ投入
から電圧反転完了までの時間t_Rは で与えられる。ただし、Ｃはコンデンサ11のキャパシタ
ンス、L3はリアクトル３のインダクテタンスである。

また、出力電圧Voは となる。ただし、高速スイッチ20の投入はコンデンサ11
とコンデンサ12の電圧がピークに達したときに行われた
ものとする。また、コンデンサ12のキャパシタンスはコ
ンデンサ11と等しいものとする。

（２）式からわかるように、出力電圧の最大は4Eに達
する。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、以上の説明は回路が理想的に動作した
場合であり、従来の実際の倍電圧方式充電回路では理想
からはかなりはずれたものであるのが実状であった。即
ち、最初の充電時には接地リアクトル２に電圧が発生す
るために出力電圧が０とならずに不用な電圧が発生し、
負荷にエネルギーが逃げ、高速スイッチ20の動作時にも
接地リアクトル２を通って電荷が放電してしまうため、
理想的最高出力電圧に対する実際の出力電圧の比を効率
ηとすると、ηは0.6〜0.7程度しかなかった。

本発明は以上に述べた従来の倍電圧方式充電回路の欠
点を改良するためになされたもので、充電時に不用な電
圧が発生することがなく、また、高速スイッチの動作に
より倍電圧が発生するときの電圧発生効率の高い、倍電
圧方式の充電回路を得ることを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は倍電圧方式充電回路の効率を改善するため
に、充電リアクトルの値L1と接地用リアクトルの値L2と
反転リアクトルの値L3の間に L1＞＞L2＞＞L3 なる関係をもたせ、特にL1＞10L2,L2＞50L3とする。

（作用） このようにすると、接地用リアクトルの値が充電リア
クトルの値より十分小さいため最初の充電時に接地用リ
アクトルによって接地されたコンデンサと直接接地され
たコンデンサが同等に充電され、また、反転リアクトル
の値が接地リアクトルの値より十分小さいため、電圧反
転時に接地リアクトルを通って、電荷が放電されること
がない。

（実施例） 本発明の一実施例を第１図を参照して説明する。な
お、従来例と同一部分については同一符号を付与し、そ
の説明を省略する。

第１図において、直流充電電源10の出力には充電制御
用スイッチ21が接続される。充電制御用スイッチ21や高
速スイッチ20には信頼性が高く、長寿命の得られるサイ
リスタスイッチが使用される。倍電圧充電回路の出力に
は可飽和リアクトル４とピーキングコンデンサ13及びレ
ーザギャップ５を接続する。

第１図において、充電リアクトル１と接地リアクトル
２と反転リアクトル３のインダクタンス値の比は1000:5
0:1である。

ゲートパルス発生器（図示せず）からのパルスによ
り、充電制御用スイッチ21がオンし、充電電源10からコ
ンデンサ11とコンデンサ12に充電される。充電に要する
時間は充電リアクトルのインダクタンスとコンデンサ1
1、コンデンサ12のキャパシタンスから求めることがで
きるが、レーザ放電の動作周期から制約を受け、本実施
例では動作周期を1kHzとするため、充電時間は400μｓ
である。２つのコンデンサが電源電圧の約２倍の電圧に
充電された後、別のゲートパルス発生器（図示せず）か
らのパルスにより、高速スイッチ20がオンし、コンデン
サ11の電圧が反転する。反転に要する時間は（２）式か
ら求められるが、あまり長いとレーザの動作が行われな
くなり、また、余り短いと高速スイッチの損失が大きく
なるため、本実施例では約10μｓである。その結果コン
デンサ12の上側の端子の対地電圧は−4Eとなる。ちょう
どこのとき、可飽和リアクトルが飽和し、インダクタン
スが激減し、今度はコンデンサ11とコンデンサ12の直列
回路から、ピーキングコンデンサ13に充電が開始され、
さらにレーザキャップ５が放電して、レーザ出力が取り
出される。

従来、倍電圧方式充電回路の充電リアクトル１と接地
リアクトル２と反転リアクトル３のインダクタンス値と
充電効率の関係については余り検討されていなかった。
われわれはこれらの値を種々変えて、検討した結果、次
のような関係があることを見いだした。まず、充電リア
クトル１と接地リアクトル２の関係については接地リア
クトル２が充電リアクトル１に比べて余り大きいと、充
電が行われるときに、接地リアクトル２に電圧が発生
し、本来大地電位でなければならないコンデンサ12の上
側の端子電圧が上昇する。この結果、負荷側の可飽和リ
アクトル４に不要な電流がながれ、エネルギーの損失が
生じる。また、レーザを適切に励起するための条件が損
なわれる。充電リアクトル１と接地リアクトル２のイン
ダクタンスの比R1とコンデンサ12の端子に発生する電圧
の関係を調べたところ、第２図のような関係があること
がわかった。第２図において、横軸は充電リアクトル１
と接地リアクトル２のインダクタンスの比R1,縦軸はコ
ンデンサ12の上側端子に発生する電圧を直流充電電源の
電圧Ｅを基準にして、表したものである。レーザ励起の
条件を損なわないようにするためにはコンデンサ12の上
側端子に発生する電圧は0.1E程度以下にする必要があ
り、本実施例ではR1は10であるので、この条件が満たさ
れている。

一方接地リアクトル２と反転リアクトル３の関係につ
いては接地リアクトル２が余り小さすぎると高速スイッ
チ20が動作してコンデンサ11の電圧が反転するときにコ
ンデンサ12の電荷が接地リアクトル２を通って放電して
しまうので効率が下がる。接地リアクトル２と反転リア
クトル３のインダクタンスの比R2とで高速スイッチ20の
動作時にコンデンサ12の上側端子に発生する電圧の絶対
値の関係を調べたところ第３図のようになることがわか
った。本実施例においてはR2は50であるので3.6Eの電圧
が発生し、充電効率ηとして、0.9が得られ、倍電圧充
電方式の回路として、高効率に動作する。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、充電リアクトル
と接地リアクトルの比が充分とされているので、充電時
に出力に不用な電圧が発生することがなく、また、接地
リアクトルと反転リアクトルのインダクタンスの比が充
分とされているので、高速スイッチの動作により倍電圧
が発生するときの電圧発生効率の高い、倍電圧方式充電
回路を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す回路図、第２図は充電
リアクトルと接地リアクトルのインダクタンスの比R1と
不用出力電圧の大きさの関係を示す図、第３図は接地リ
アクトルと反転リアクトルのインダクタンスの比R2と出
力電圧の大きさの関係を示す図、第４図は倍電圧方式充
電回路の基本回路図である。 １……充電リアクトル、２……接地リアクトル ３……反転リアクトル、４……可飽和リアクトル ５……レーザギャップ、10……直流充電電源 11,12……コンデンサ 13……ピーキングコンデンサ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】直流電源と前記直流電源の出力部に接続さ
   れた第１のリアクトルと前記第１のリアクトルに接続さ
   れ、並列に充電される２組のコンデンサを備え、前記２
   組のコンデンサのうち第１のコンデンサの他端子を直接
   接地され、第２のコンデンサの他端子は第２のリアクト
   ルを介して接地され、さらに第１のコンデンサと並列に
   第３のリアクトルとスイッチからなる直列回路が接続さ
   れ、前記スイッチは前記２組のコンデンサが充電される
   時にはオフ状態にあり、充電完了後にオンする事により
   前記第１のコンデンサの電圧が反転し、前記第２のコン
   デンサの前記第２のリアクトルに接続された側の端子の
   電位が充電電圧の約マイナス２倍になるようにした倍電
   圧方式充電回路において、前記第１のリアクトルの値L1
   と前記第２のリアクトルの値L2と前記第３のリアクトル
   の値L3の関係を L1＞＞L2＞＞L3 特に、L1＜10L2,L2＞50L3としたことを特徴とする、倍
   電圧方式充電回路。