JP4047642B2

JP4047642B2 - パルス電源

Info

Publication number: JP4047642B2
Application number: JP2002194243A
Authority: JP
Inventors: 均森; 圭造北本
Original assignee: Nichicon Corp
Current assignee: Nichicon Corp
Priority date: 2002-07-03
Filing date: 2002-07-03
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2022-07-03
Also published as: JP2004040904A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスタート用半導体スイッチのオン／オフ制御によりパルス電流を発生するコンデンサ放電方式のパルス電源について主に波形成形の方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子ビームや陽子ビームを扱う加速器は物理学の研究や医療研究などの分野に広く利用されている。このようなビームは電磁石や静電気によってビームを加速したり、軌道を曲げたり、戻したり、切り取ったりと緻密な制御がなされる。このような電磁石にはマイクロ秒から数十ミリ秒の短時間で、しかも、電圧では〜数十ｋＶ、電流では〜数十ｋＡにも達する高電圧大電流のパルス電源が用いられる。このようなパルス電流を発生させるには、初期充電されたコンデンサからスタート用半導体スイッチを介してパルス大電流を発生させる方法がとられる。この種のパルス電源の従来例を図５に示す。
【０００３】
図５において、あらかじめ所定の電圧に充電されたコンデンサ１とスタート用半導体スイッチ２および負荷インダクタ３_１と負荷抵抗３_２で構成される負荷３とが閉回路に接続され、さらに、ダイオード４とクローバ抵抗５とを直列接続したクローバ回路７を負荷３と並列に接続しパルス回路を構成する。スタート用半導体スイッチ２のゲートは制御ユニット８に接続され、放電動作指令信号を受ける。また負荷３を流れるパルス電流は該負荷３に直列接続した電流検出器６により測定され、その電流検出信号線は制御ユニット８に接続される。ダイオード４は、スタート用半導体スイッチ２がオン動作した時にクローバ回路７に電流が流入するのを阻止する方向に設ける。
【０００４】
次に、動作を説明する。制御ユニット８からの動作指令はスタート用半導体スイッチ２のゲートに与えられて、スタート用半導体スイッチ２がオン動作をし放電を開始する。その結果、コンデンサ１から負荷３にパルス電流が供給される。その後、電流値が最大に達すると、あるいは電流検出器６からの信号を制御ユニット８に送信して所定のパルス電流に達すると制御ユニット８から動作停止指令がスタート用半導体スイッチ２に与えられて放電は停止する。その後、パルス電流は負荷３とクローバ抵抗５およびダイオード４の閉回路で決まる減衰時定数に従い減衰を続ける。
【０００５】
図６に負荷３を流れるパルス電流波形を示す。縦軸がパルス電流、横軸が時間である。このように負荷３にはパルス電流Ｉ_Ｌが所定の電流Ｉ_１に達した後は、負荷３とクローバ回路７とで構成される閉回路の負荷抵抗３_２とクローバ抵抗５の和でなる抵抗Ｒと負荷インダクタ３_１のインダクタンスＬとで決まる減衰時定数τ＝Ｌ／Ｒによって減衰する電流が流れる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
加速器は非常に緻密な制御を必要とするため、色々なパターン運転をしたいとの要求がある。すなわち、図６に示す単方向性減衰波形のみでは緻密なビーム制御ができないため、電流波形制御にもっと自由度を持たせたいとの要求である。例えば、電流波形をある電流値までは平坦性をもたせ、その後、急激に減衰させたいとか、段階的に時定数を変えた複雑なパターン運転をして電流を変化させたいとかである。従来の回路では負荷３とクローバ回路７の減衰時定数による単機能制御であったため、このように波形を成形することができなかった。本発明は上記の背景を鑑みて、クローバ回路７の制御方法に変化を持たせ、種々のパターン運転が可能なパルス電源を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、コンデンサ１と負荷３の間に介在するスタート用半導体スイッチ２と、負荷に接続される電流検出器６と、スタート用半導体スイッチ２および電流検出器６に接続される制御ユニット８とを備え、
該負荷３と並列にクローバ回路７を接続し、該クローバ回路７は補助コンデンサ１１とクローバスイッチユニット１２とダイオード４とを直列接続して構成され、かつ、上記クローバスイッチユニット１２は直列接続された複数個のクローバ用半導体スイッチ９_１〜９_ｎと、該クローバ用半導体スイッチ９_１〜９_ｎに並列接続された抵抗１０_１〜１０_ｎとで構成され、該クローバ用半導体スイッチ９_１〜９_ｎを制御ユニット８でオン／オフ制御することによって、補助コンデンサ１１の放電を制御し、波形成形することを特徴とするパルス電源である。
【０００８】
さらに、上記のパルス電源において、スタート用半導体スイッチ２が複数の半導体素子のタスキがけ回路で構成され、かつ、クローバ回路７のダイオード４を半導体スイッチ４_１に置換えた回路で構成され、クローバ回路７に所定のパターン運転動作をさせた後、半導体スイッチ４_１をオフして補助コンデンサ１１の放電を停止し、かつ、負荷３からのエネルギーを上記タスキがけ回路に転流させて、上記コンデンサ１に初期の充電極性と同じ極性の電位でエネルギー回生することを特徴とするパルス電源である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の実施例である。図５と同一回路を構成する素子には同一記号を付記したのでその説明を省略する。
【００１０】
図１において、複数個のクローバ用半導体スイッチ９_１〜９_ｎを直列接続し、該クローバ用半導体スイッチ９_１〜９_ｎの各々と並列に抵抗１０_１〜１０_ｎを接続したクローバスイッチユニット１２と、補助コンデンサ１１と、ダイオード４とを直列接続してクローバ回路７を形成し、負荷３と並列接続する。なお、クローバ用半導体スイッチ９_１〜９_ｎとダイオード４の極性はスタート用半導体スイッチ２がオンした時に電流の流入を阻止する方向とする。クローバ用半導体スイッチ９_１〜９_ｎのゲートは制御ユニット８と接続する。その他については図５と同じであるので説明を省略する。抵抗１０_１〜１０_ｎはパターン運転を可能にするために、クローバ用半導体スイッチ９_１〜９_ｎのオン／オフ動作による組み合わせによって、必要な抵抗値が選定される。補助コンデンサ１１はコンデンサ１に比べて低電圧大容量コンデンサが用いられ、電流の平坦性の維持、パターン運転のエネルギー供給源として働く。
【００１１】
次に動作を説明する。コンデンサ１および補助コンデンサ１１は予め所定の電圧に充電されている。そして、制御ユニット８からの動作指令がスタート用半導体スイッチ２のゲートに与えられ、該スタート用半導体スイッチ２がオンし、コンデンサ１が放電を開始し、負荷３にパルス電流が供給される。その後、電流が最大値に達するか、あるいは電流検出器６から送信される電流検出信号が予め設定された所定のパルス電流に達すると、制御ユニット８から同時に２つの指令が出て回路動作は次のようになる。（１）動作停止指令がスタート用半導体スイッチ２に与えられてコンデンサ１からの放電が停止する。（２）同時に、制御ユニット８からクローバ用半導体スイッチ９_１〜９_ｎのゲートの全部または一部にオン／オフ動作指令が与えられ、電流路はクローバ回路７に転流する。このクローバ用半導体スイッチ９_１〜９_ｎは予めプログラムされたパターンにしたがって運転される。すなわち、制御ユニット８では電流検出器６からの電流信号とプログラムされた規定値とを比較してその規定値に達すると、必要な合成抵抗Ｒが得られるよう所定のクローバ用半導体スイッチ９_１〜９_ｎを選択的にオン／オフ動作させて抵抗１０_１〜１０_ｎから選択した抵抗に電流を流す。そして補助コンデンサ１１からの電荷の放出を制御しつつ、負荷３とクローバ回路７の閉回路で決まる回路定数に変化を与えながら電流波形を成形し負荷３に所定のパターン波形の電流を供給する。
【００１２】
図２に負荷３を流れるパルス電流波形Ｉ_Ｌを示す。縦軸がパルス電流、横軸が時間である。このパターン運転では３個のクローバ用半導体スイッチ９_１〜９_３と抵抗１０_１〜１０_３を使用した例である。制御ユニット８には図２に示すパターン運転をするため、所定の電流値に達したらどのクローバ用半導体スイッチ９_１〜９_３を選択して動作させるか、すなわち、抵抗１０_１〜１０_３のどの抵抗を選べば良いかをあらかじめプログラムしておく。
【００１３】
次に、動作を説明する。まずスタート用半導体スイッチ２がオン動作をして所定の電流値Ｉ_１に達した時、スタート用半導体スイッチ２をオフ、クローバ用半導体スイッチ９_１〜９_３をオンさせてクローバ回路７に電流を転流させる。その後、以下の動作を行わせる。（１）制御ユニット８が転流した電流Ｉ_１の減衰を補うように補助コンデンサ１１から電荷を放出し、平坦性を維持するようにクローバ用半導体スイッチ９_１〜９_３を制御する。（２）次に、制御ユニット８により所定の時間を維持させた後、クローバ用半導体スイッチ９_１、９_２をオフさせて抵抗１０_１、１０_２を回路に挿入し電流Ｉ_１を急激に減衰させると、電流はＩ_２に達する。（３）次に制御ユニット８によりクローバ用半導体スイッチ９_２をオンさせて抵抗１０_２を短絡し、抵抗１０_１のみ用いて電流Ｉ_２を緩やかに減衰させると電流はＩ_３に達する。（４）次に、制御ユニット８からクローバ用半導体スイッチ９_１〜９_３をオフさせて抵抗１０_１〜１０_３を回路に挿入し電流Ｉ_３を急激に減衰させると、電流Ｉ_４に達して放電は終了する。このようにしてクローバスイッチユニット１２は制御ユニット８からのオン／オフ指令を組合せることによって色々なパターン運転が可能となる。
【００１４】
次に、他の実施例を図３に示す。図１と異なるのはダイオード４を半導体スイッチ４_１に置き換えたことと、スタート用半導体スイッチ２の回路構成である。図３では、クローバスイッチユニット１２は一括して図示したが、回路構成は図１と同じである。なお、半導体スイッチ４_１のゲートは制御ユニット８に接続される。次にスタート用半導体スイッチ２の回路構成について説明する。スタート用半導体スイッチ２は半導体素子２_１〜２_４によって構成される。コンデンサ１の一端と負荷３との間に第１の半導体素子２_１を順方向接続し、上記負荷３の他端とコンデンサ１の他端との間に第２の半導体素子２_２を順方向接続し、第１の半導体素子２_１のカソードと第２の半導体素子２_２のカソードとの間に第３の半導体素子２_３を逆方向接続し、第１の半導体素子２_１のアノードと第２の半導体素子２_２のアノードとの間に第４の半導体素子２_４を逆方向接続してなる。この半導体素子２_１〜２_４の接続方法を「タスキがけ回路」と呼ぶ。また、それぞれのゲート端子は制御ユニット８に接続される。
【００１５】
次に、図４の電流波形のパターン運転を例に、動作を説明する。縦軸はパルス電流、横軸は時間である。まず、コンデンサ１と補助コンデンサ１１には予め所定の電圧を充電しておく。コンデンサ１の放電は制御ユニット８から第１の半導体素子２_１と第２の半導体素子２_２に動作オン指令を送信し放電を開始する。そして最大電流に達した時、あるいは所定の電流Ｉ_１に達すると制御ユニット８は半導体スイッチ４_１をオン、スタート用半導体スイッチ２_１、２_２をオフさせて、同時に図１、図２で説明したパターン運転に従ってクローバスイッチユニット１２を制御し動作させる。そして必要なパターン運転が電流Ｉ_３に達すると、第３の半導体素子２_３と第４の半導体素子２_４をオン、半導体スイッチ４_１をオフさせることによって、パルス電流の流れを負荷３の低圧側から第４の半導体素子２_４、コンデンサ１、第３の半導体素子２_３、負荷３の高圧側を結ぶ閉回路に転流させると、パルス電流はコンデンサ１の初期放電と同じ周期でやがて電流Ｉ_４に達し、放電は停止する。この結果、コンデンサ１は初期の極性に再充電されることになり、すなわち、当初負荷３に供給した電荷の一部が同じ極性でコンデンサ１に回生されたことになる。そして、当初の充電電圧と比較して不足した電圧を図示しない充電器から電荷の供給を受けて、再度次の放電サイクルに移り、繰返し運転を行う。このように放電した電荷の一部、すなわち、エネルギーが回生されることは、高頻度繰返し運転の際、エネルギーの有効利用に役立ち、かつ、エネルギー供給源の小型化にも有効である。
【００１６】
さて、このような半導体スイッチは外部信号によりオン／オフ制御されなければならない。このようなスイッチには、例えばＩＧＢＴ、ＦＥＴ、ＧＴＯなどの自己消弧型スイッチング素子やサイリスタなどが使用される。しかも扱う電流が大きく、かつ、電圧も高いために半導体の使用上、単体で使用できる定格の素子を見つけることが難しい。従って使用条件に応じてこれらの半導体は直列に接続して高電圧に耐えるようにしたり、並列に接続して高電流に耐えるようにしたりする方法がとられる。
【００１７】
【発明の効果】
以上のとおり本発明は、従来のパルス電源において、クローバ回路７と負荷３とで決まる減衰時定数τ＝L／Ｒによる単機能によって電流波形を決めていたために加速器用ビーム制御や用途に制約があった点を改善するものであり、クローバ用半導体スイッチ９_１〜９_ｎを複数個用いてオン／オフ制御させ抵抗１０_１〜１０_ｎを選択的に切り替えることによって、コンデンサ１から転流して来た電流に予め設定されたパターン運転にそって補助コンデンサ１１から電荷を放出したり、エネルギーを抵抗で吸収させる手段を用いて波形成形を可能にするとともに運転の自由度を広げることができる。さらに、スタート用半導体スイッチ２に「タスキがけ回路」を用いて不要なエネルギーをコンデンサ１に回生することも可能になり、特に高速繰返し運転の省電力化に有効な手段である。本発明はビーム制御用電磁石電源として加速器の性能向上に優れた貢献をし工業的価値大なるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるパルス電源の実施例を示す回路図である。
【図２】本発明による図１のパルス電源の電流波形である。
【図３】本発明によるパルス電源の他の実施例である。
【図４】本発明による図３のパルス電源の電流波形である。
【図５】従来例によるパルス電源を示す回路図である。
【図６】従来例によるパルス電源の電流波形である。
【符号の説明】
１コンデンサ
２スタート用半導体スイッチ
２_１第１の半導体素子
２_２第２の半導体素子
２_３第３の半導体素子
２_４第４の半導体素子
３負荷
３_１負荷インダクタ
３_２負荷抵抗
４ダイオード
４_１半導体スイッチ
５クローバ抵抗
６電流検出器
７クローバ回路
８制御ユニット
９_１〜９_ｎクローバ用半導体スイッチ
１０_１〜１０_ｎ抵抗
１１補助コンデンサ
１２クローバスイッチユニット

Claims

コンデンサと負荷の間に介在するスタート用半導体スイッチと、負荷に接続される電流検出器と、スタート用半導体スイッチおよび電流検出器に接続される制御ユニットとを備え、
該負荷と並列にクローバ回路を接続し、該クローバ回路は補助コンデンサとクローバスイッチユニットとダイオードとを直列接続して構成され、かつ、上記クローバスイッチユニットは直列接続された複数個のクローバ用半導体スイッチと、該クローバ用半導体スイッチに並列接続された抵抗とで構成され、該クローバ用半導体スイッチを制御ユニットでオン／オフ制御することによって、補助コンデンサの放電を制御し、波形成形することを特徴とするパルス電源。
請求項１記載のパルス電源において、スタート用半導体スイッチが複数の半導体素子のタスキがけ回路で構成され、かつ、クローバ回路のダイオードを半導体スイッチに置き換えた回路で構成され、クローバ回路に所定のパターン運転動作をさせた後、半導体スイッチをオフして補助コンデンサの放電を停止し、負荷からのエネルギーを上記タスキがけ回路に転流させて、上記コンデンサに初期の充電極性と同じ極性の電位でエネルギー回生することを特徴とするパルス電源。