JP4329415B2

JP4329415B2 - パルス電源装置

Info

Publication number: JP4329415B2
Application number: JP2003162186A
Authority: JP
Inventors: 知史今久保; 靖雄小林
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2023-06-06
Also published as: JP2004364452A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス電源装置に係り、特に加速器等に設けられるマグネトロン又はクライストロンの負荷に印加する高電圧・大電流の短パルスを生成するパルス電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
加速器等に設けられるマグネトロン又はクライストロンに対しては、例えば電圧が数ｋＶ、電流が数千Ａ、パルス幅が数μｓｅｃ程度の高電圧・大電流の短パルスが印加される。従来のパルス電源装置は、ＬＣ回路を有するパルス形成素子（ＰＦＮ：ＰｕｌｓｅＦｏｒｍｉｎｇＮｅｔｗｏｒｋ）とスイッチング素子として電子管の一種であるサイラトロンとを備え、パルス形成素子内に並列に設けられた複数のコンデンサに電荷を蓄積し、サイラトロンをオン状態としてコンデンサの各々に蓄積された電荷を短時間で放電させることで上記の高電圧・大電流の短パルスを生成している。
【０００３】
上述した従来のパルス電源装置においては、スイッチング素子として設けられるサイラトロンのスイッチング可能な回数が数千回程度と少なく、サイラトロンの交換を頻繁に行う必要があり、メンテナンスに要するコストが高くなるという問題があった。また、メンテナンスを行っている間は当然ながら加速器を動作させることができないという問題もあった。
【０００４】
かかる問題を防止するため、スイッチング素子として上記のサイラトロンに代えて寿命の長い半導体素子を備えたパルス電源装置の開発が行われている。このパルス電源装置は、コンデンサとダイオードとを並列に接続した回路にサイリスタ又はＩＧＢＴ等のスイッチング素子を設けたスイッチングモジュールを複数備え、各スイッチングモジュールに設けられたダイオードを直列的に接続して構成される。そして、各スイッチングモジュールに設けられたスイッチング素子をオン状態にして各スイッチングモジュールのコンデンサを短時間で直列的に接続することで、上記の高電圧・大電流の短パルスを生成している。
【０００５】
尚、上述したサイラトロン及びパルス形成素子（ＰＦＮ）を備えた従来のパルス電源装置の詳細については以下の特許文献１及び非特許文献１を、スイッチング素子として半導体素子を備えた従来のパルス電源装置の詳細については以下の非特許文献１をそれぞれ参照されたい。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−３５４８４５号公報
【非特許文献１】
Mitsumo Akemoto、“Solid-State Klystron Modulator R&D”、［online］、Nov. 14, 2001、7th KEK-SLAC International Linear Collider Study Group Meeting、［平成１５年５月１４日検索］、インターネット<URL: http://lcdev.kek.jp/ISG/ISG7.MA.pdf>
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、スイッチング素子として半導体素子を備えた従来のパルス電源装置においては、各スイッチングモジュールに設けられたスイッチング素子の各々をオン状態にするタイミングを一致させれば、理論上各スイッチングモジュールに設けられたダイオードに逆電流が流れることはない。
【０００８】
しかしながら、実際にはスイッチング素子の特性のばらつき又はスイッチング素子をオン状態にするタイミングのばらつきにより、ダイオードに逆電流が流れてしまう。この逆電流が流れるとスイッチングモジュールが瞬時的に短絡状態になり、スイッチングモジュールに設けられたスイッチング素子又はダイオードを破壊する虞がある。
【０００９】
スイッチング素子等の破壊を防止する一つの方法は、各スイッチング素子をオン状態にするタイミングを厳密に一致させる制御回路を作成することであるが、かかる制御回路は作成が困難であるため開発に長時間を要するとともに高コストになるという問題がある。また、上記の制御回路を作成したとしても、スイッチング素子の特性のばらつきに起因してダイオードに逆電流が流れてしまうことも考えられる。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、スイッチング素子として半導体装置を備えた場合であってもスイッチング素子の破壊を防止することができるパルス電源装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のパルス電源装置は、電荷を蓄積するコンデンサ（２２）と、当該コンデンサに対して並列的に設けられた半導体整流素子（２３）と、前記コンデンサと前記半導体整流素子とに接続された半導体スイッチング素子（２５）とを含むスイッチングモジュール（１１〜２０）を複数備え、各スイッチングモジュールに設けられた前記半導体整流素子を直列的に接続してなるパルス電源装置（１）において、前記スイッチングモジュールに設けられた半導体整流素子の各々に対して直列に、前記半導体整流素子に対する逆電流を防止するリアクトル（２４）を設けたことを特徴としている。
この発明によれば、半導体整流素子に対する逆電流を防止するリアクトルを半導体整流素子に対して直列に接続しため、仮に半導体整流素子がオン状態にあるときに、半導体スイッチング素子がオン状態になったとしても半導体整流素子に逆電流が流れて短絡された状態になることがなく、半導体スイッチング素子の破壊を防止することができる。
また、本発明のパルス電源装置は、前記リアクトルの各々が、鉄心及びコイルを含んで構成されており、前記鉄心と前記コイルとの相対的な位置関係及びコイルの巻線の長さの少なくとも一方が調整可能であることを特徴としている。
この発明によれば、リアクトルの各々を鉄心及びコイルを含んで構成し、鉄心とコイルとの相対的な位置関係及びコイルの巻線の長さの少なくとも一方を調整可能としているため、パルス電源装置を製造した後であってもリアクトルの微調整を行うことができる。また、リアクトルの値が変化するとパルスの波形形状が変化するため、リアクトルの調整によりパルスの波形形状を調整することもできる。
また、本発明のパルス電源装置は、前記半導体スイッチング素子の各々をオン状態・オフ状態にするタイミングを個別に制御する制御装置（２６）を備えることを特徴としている。
この発明によれば、半導体スイッチング素子の各々をオン状態にするタイミング及びオフ状態にするタイミングを個別に制御することができるため、出力パルスが所望の波形形状となるように制御することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態によるパルス電源装置について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態によるパルス電源装置の構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態によるパルス電源装置１は、三相交流電源２からの電力の供給を受けて高電圧・大電流の短パルスを生成し、リアクトル３を介してマグネトロン又はクライストロン等の負荷４に供給する。ここで、本実施形態のパルス電源装置１が生成する短パルスは、電圧が２０ｋＶ、電流が６００Ａ、パルス幅が６μｓｅｃであるとする。
【００１３】
図１に示す通り、本実施形態のパルス電源装置１は、自動電圧調整器（Automatic Voltage Regulator：ＡＶＲ）５、変圧器６、及び１０段のスイッチングモジュール１１〜２０を含んで構成されている。自動電圧調整器５は、三相交流電源２から供給される三相交流（電圧２００Ｖ、周波数５０Ｈｚ）の電圧の変動を自動的に調整して安定化させる。変圧器６は、自動電圧調整器５から出力される三相交流を、例えば電圧が１．５ｋＶの三相交流に変圧する。ここで、変圧器６は、２次側の出力端がスイッチングモジュール１１〜２０の段数分（１０段）設けられており、各々の出力端から１．５ｋＶの三相交流を出力する。
【００１４】
スイッチングモジュール１１〜２０は、各々が変圧器６の出力端のそれぞれに接続されており、変圧器６から供給される三相交流を用いて短パルスを生成する。図１に示す通り、各々のスイッチングモジュール１１〜２０は、整流回路２１、コンデンサ２２、半導体整流素子としてのダイオード２３、リアクトル２４、半導体スイッチング素子としてのスイッチング素子２５、及び制御装置としてのゲートドライバ２６を含んで構成されている。
【００１５】
整流回路２１は、変圧器６の出力端に接続されており、変圧器６から供給される三相交流を整流して直流に変換する。コンデンサ２２は整流回路２１の出力端に並列に接続されており、整流回路２１によって印加される直流電圧により電荷を蓄積（充電）する。ダイオード２３のカソード電極とリアクトル２４の一端とが接続されて、ダイオード２３とリアクトル２４とは直列接続されており、この直列接続された回路がコンデンサ２２に対して並列的に接続されている。
【００１６】
上記のスイッチング素子２５は、例えばサイリスタ又はＩＧＢＴ等のスイッチング素子であり、コンデンサ２２の＋電極とリアクトル２４の他端との間に接続されている。ゲートドライバ２６はトリガを出力して、スイッチング素子２５をオン状態又はオフ状態とする。尚、スイッチングモジュール１１〜２０の各々に設けられたゲートドライバ２６がスイッチング素子２５のそれぞれをオン状態又はオフ状態にするタイミングは、スイッチングモジュール１１〜２０毎に任意に設定することができる。
【００１７】
図１に示す通り、スイッチングモジュール１１〜２０の各々に設けられたダイオード２３及びリアクトル２４からなる回路は隣接するスイッチングモジュール間で直列的に接続されている。かかる構成にするのは、耐圧が２０ｋＶ以上であり、且つ耐電流が６００Ａ以上であるスイッチング素子が現存しないため、現存するスイッチング素子の耐圧、耐電流の範囲内でスイッチングモジュールを構成し、スイッチングモジュールを多段構成とすることで、必要となる出力電圧を得るためである。
【００１８】
上記のスイッチングモジュール１１に設けられたリアクトル２４の他端がパルス電源装置１の一方の出力端Ｐ１に接続され、スイッチングモジュール２０に設けられたダイオード２３のアノード電極がパルス電源装置１の他方の出力端Ｐ２に接続されている。尚、出力端Ｐ１はリアクトル３に接続されており、出力端Ｐ２は接地されている。
【００１９】
上述した通り、スイッチング素子２５のそれぞれをオン状態又はオフ状態にするタイミングは、スイッチングモジュール１１〜２０毎に任意に設定することができる。このため、スイッチング素子２５がオン状態となってコンデンサ２２に蓄積された電荷を放電する状態になったスイッチングモジュール（以下、オンモジュールという）と、スイッチング素子２５がオフ状態でありコンデンサ２２に電荷が蓄積されたままの状態にあるスイッチングモジュール（以下、オフモジュールという）が混在することもある。
【００２０】
スイッチングモジュール１１〜２０のそれぞれに設けられるダイオード２３は、オンモジュールとオフモジュールが混在するときに、オンモジュールから出力された電流がオフモジュールに流入したときに、オフモジュールに設けられたダイオード２３がオン状態となって、オンモジュールから出力された電流を通過させる機能を有する。また、ダイオード２３は、スイッチング素子２５がオン状態となったときに、各スイッチングモジュール１１〜２０内において、コンデンサ２２の＋電極から流出した電流がスイッチング素子２５を介してコンデンサ２２の−電極に流入するのを防止する機能を有する。
【００２１】
また、各スイッチングモジュール１１〜２０に設けられたリアクトル２４は、スイッチング素子２５がオン状態になったときに、そのスイッチングモジュール内に設けられたダイオード２３に瞬時的（例えば、スイッチング素子２５がオン状態になってから数百ｎｓｅｃの間）に流れる逆電流を防止するために設けられる。上述した通り、ダイオード２３は、各スイッチングモジュール１１〜２０内において、コンデンサ２２の＋電極から流出した電流がスイッチング素子２５を介してコンデンサ２２の−電極に流入するのを防止する機能を有する。
【００２２】
しかしながら、例えばダイオード２３がオン状態にあるときに、スイッチング素子２５がオン状態になると、ダイオード２３は即座にオフ状態になるわけではなく、過渡的な状態となって一時的に導通状態となる。このような状態になると、コンデンサ２２とスイッチング素子２５とがいわば短絡された状態になり、スイッチング素子２５が破壊される虞がある。かかる不具合を防止するため、各スイッチングモジュール１１〜２０内においてダイオード２３に対して直列にリアクトル２４を接続してダイオード２３に流れる逆電流（瞬時導通状態）を防止し、スイッチング素子２５の破壊又はダイオード２３そのものの破壊を防止している。
【００２３】
ここで、図１を参照すると、スイッチングモジュール１１〜２０の各々にリアクトル２４が設けられているため、個々のリアクトル２４の値が余りに大きすぎると、パルス電源装置１の出力端Ｐ１から出力されるパルスの波形が鈍ってしまい、所望の形状のパルスが得られないことになる。本実施形態では、各ダイオード２３に流れる逆電流（瞬時導通状態）を防止し、且つ出力されるパルスの波形を鈍らせないための値として、各スイッチングモジュール１１〜２０に設けられるリアクトル２４の値を２μＨとしている。
【００２４】
但し、各リアクトル２４の値にも僅かにばらつきがあるため、後からその値を調整可能にすることが好ましい。また、リアクトル２４の値により出力パルスの波形形状が変化するため、波形形状の調整の観点からも後からその値を調整可能にすることが好ましい。このために、例えばリアクトル２４を鉄心及びコイルから構成し、鉄心とコイルとの相対的な位置関係を調整可能にし、コイルの巻線の長さを調整可能にし、又はこれらの両方を調整可能とすることが好適である。
【００２５】
また、上記のリアクトル２４を設ける以外に、各スイッチングモジュール１１〜２０に設けられるダイオード２３は、仮に逆電流が流れて瞬時導通状態になったとしても、導通状態を極力短くする（例えば、１００ｎｓｅｃ程度）ことができるファーストリカバリータイプのダイオードを用いることが望ましい。また、負荷４のインピーダンスに合わせて各スイッチングモジュール１１〜２０に設けられるリアクトル２４を交換する必要もある。よって、リアクトル２４を図１に示す回路位置に挿入することができる構成とすることが好ましい。このためには、ダイオード２３はスタック型のものよりもモジュール型のものを用いることが望ましい。
【００２６】
上記構成における本実施形態のパルス電源装置１は、負荷４に短パルスを印加するにあたり、まずスイッチングモジュール１１〜２０の各々に設けられたコンデンサ２１を充電して電荷を蓄える。各コンデンサ２１の充電が完了すると、各スイッチングモジュール１１〜２０に設けられたゲートドライバ２６から各々のスイッチング素子２５に対してトリガを出力してスイッチング素子２５をオン状態にする。スイッチング素子２５がオン状態になると、各スイッチングモジュール１１〜２０のコンデンサ２２がいわば直列接続された状態になり、出力端Ｐ１から高電圧・大電流の短パルスが出力されて、リアクトル３を介して負荷４に印加される。
【００２７】
以上、スイッチングモジュール１１〜２０に設けられたスイッチング素子２５を同時にオン状態にする場合の動作について説明したが、スイッチングモジュール１１〜２０のスイッチング素子２５の各々をオン状態にするタイミングを変更することで、出力される短パルスの波形を所望の形状とすることも可能である。図２は、各スイッチング素子２５に供給するトリガのタイミングの一例を示す図である。
【００２８】
図２において、符号Ｔｒ１を付した信号はスイッチングモジュール１１のスイッチング素子２５に供給するトリガを示し、符号Ｔｒ２を付した信号はスイッチングモジュール１２〜１９のスイッチング素子２５に供給するトリガを示し、符号Ｔｒ３を付した信号はスイッチングモジュール２０のスイッチング素子２５に供給するトリガを示している。尚、トリガＴｒ１〜Ｔｒ３がハイレベルにあるときにスイッチング素子２５がオン状態になる。
【００２９】
図３は、各スイッチング素子２５に供給するトリガを変更しない場合と変更した場合とで得られるパルス波形の一例を示す図である。図３において、符号ＷＦ１を付した曲線は、図２に示すトリガを各スイッチング素子２５に与えた場合に得られるパルス波形を示しており、符号ＷＦ２を付した曲線は、各スイッチング素子２５を同一のタイミングでオン状態・オフ状態にした場合に得られるパルス波形を示している。
【００３０】
図３に示す通り、各スイッチング素子２５を同一のタイミングでオン状態・オフ状態にしたときに得られるパルス波形ＷＦ２は、立ち上がりにおいて一度最大値になると電圧値が徐々に下がっていき、波形が崩れることが分かる。これに対して、図２に示すタイミングでトリガを各スイッチング素子２５に与えたときに得られるパルス波形ＷＦ１は、パルス波形ＷＦ２のような最大値になった後の電圧値の低下は殆ど無く、より矩形波に近いパルス波形が得られていることが分かる。このように、本実施形態のパルス電源装置は、トリガのタイミングを変えて各スイッチング素子２５をオン状態・オフ状態にするタイミングを制御することで所望のパルス波形が得られる。
【００３１】
以上、本発明の一実施形態によるパルス電源装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では１０段のスイッチングモジュール１１〜２０を備えるパルス電源装置を例に挙げて説明したが、スイッチングモジュールの段数は出力するパルスの電圧に応じて適宜増減すればよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体整流素子に対する逆電流を防止するリアクトルを半導体整流素子に対して直列に接続しため、仮に半導体整流素子がオン状態にあるときに、半導体スイッチング素子がオン状態になったとしても半導体整流素子に逆電流が流れて短絡された状態になることがなく、半導体スイッチング素子の破壊を防止することができるという効果がある。
また、本発明によれば、リアクトルの各々を鉄心及びコイルを含んで構成し、鉄心とコイルとの相対的な位置関係及びコイルの巻線の長さの少なくとも一方を調整可能としているため、パルス電源装置を製造した後であってもリアクトルの微調整を行うことができるという効果がある。また、リアクトルの値が変化するとパルスの波形形状が変化するため、リアクトルの調整によりパルスの波形形状を調整することもできるという効果がある。
更に、本発明によれば、半導体スイッチング素子の各々をオン状態にするタイミング及びオフ状態にするタイミングを個別に制御することができるため、出力パルスが所望の波形形状となるように制御することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるパルス電源装置の構成を示すブロック図である。
【図２】各スイッチング素子２５に供給するトリガのタイミングの一例を示す図である。
【図３】各スイッチング素子２５に供給するトリガを変更しない場合と変更した場合とで得られるパルス波形の一例を示す図である。
【符号の説明】
１パルス電源装置
１１〜２０スイッチングモジュール
２２コンデンサ
２３ダイオード（半導体整流素子）
２４リアクトル
２５スイッチング素子（半導体スイッチング素子）
２６ゲートドライバ（制御装置）

Claims

電荷を蓄積するコンデンサと、当該コンデンサに対して並列的に設けられた半導体整流素子と、前記コンデンサと前記半導体整流素子とに接続された半導体スイッチング素子とを含むスイッチングモジュールを複数備え、各スイッチングモジュールに設けられた前記半導体整流素子を直列的に接続してなるパルス電源装置において、
前記スイッチングモジュールに設けられた半導体整流素子の各々に対して直列に、前記半導体整流素子に対する逆電流を防止するリアクトルを設けたことを特徴とするパルス電源装置。
前記リアクトルの各々は、鉄心及びコイルを含んで構成されており、前記鉄心と前記コイルとの相対的な位置関係及びコイルの巻線の長さの少なくとも一方が調整可能であることを特徴とする請求項１記載のパルス電源装置。
前記半導体スイッチング素子の各々をオン状態・オフ状態にするタイミングを個別に制御する制御装置を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のパルス電源装置。