JP4362915B2 - コンデンサの充電装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス電源などに備える電力用コンデンサを設定電圧まで繰り返し充電するコンデンサの充電装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
パルスレーザ励起やパルスプラズマ発生、パルス脱硝装置等のパルス電源には、半導体スイッチと磁気スイッチになる可飽和トランスや可飽和リアクトルを組み合わせたものがある。
【0003】
このパルス電源は、例えば、図7に示す構成にされる。高圧充電装置HDCによってコンデンサC0を初期充電しておき、半導体スイッチSWのオンによってコンデンサC0から可飽和トランスSTの一次側に放電電流を供給し、この可飽和トランスSTによって昇圧さらに磁気スイッチ動作でパルス圧縮し、LC反転による倍電圧発生回路LCによって昇圧し、さらに可飽和リアクトルSI1のパルス圧縮によってピーキング・コンデンサCPとレーザ発振器LHへ超短パルスを発生させる。
【0004】
ここで、コンデンサC0の初期充電のための高圧充電装置HDCは、レーザ発振器LHへの高い繰り返し(例えば600パルス/秒)のパルス電流供給に合わせて高い繰り返しでコンデンサC0を充電する必要がある。また、コンデンサC0の電圧が出力に直接影響することから、充電電圧に高い精度のものが要求される。
【0005】
このための従来の高圧充電装置には、図8に示す主回路構成のものがある。交流電源を電源とする整流器と直流リアクトルとコンデンサ等により直流電源1が構成され、電圧形にされるインバータ2、3の直流電源にされる。
【0006】
インバータ2、3は、パワートランジスタやIGBT、GTOなどの半導体素子とダイオードの組みをスイッチS1〜S4、S5〜S8としてブリッジ接続した主回路構成にされ、パルス幅制御(又はパルス幅変調)した交流電力を共振用コンデンサ5、6と共振用リアクトル7、8の直列接続になるLC共振回路で決まる共振周波数を持って出力する共振形インバータにされる。
【0007】
出力トランス9、10は、それぞれインバータ2、3からの交流出力を一定の昇圧比で取り出す。整流回路11、12は、ダイオードブリッジ接続で構成され、トランス9、10の出力をそれぞれ交流入力とし、その全波整流を行い、整流出力を並列接続してコンデンサC0の充電出力を得る。
【0008】
インバータ2はコンデンサC0の初期充電用であり、インバータ3は充電電圧微調整用である。これらインバータ2、3は、図9に示すように、コンデンサC0の初期充電にはインバータ2が運転されてコンデンサC0を設定電圧近くまで充電し、この後は微調整用インバータ3の運転により設定電圧まで徐々に精度良く充電して行く。
【0009】
なお、微調整用インバータ3は、初期充電用インバータ2に比べ、スイッチング周波数を高くし、1サイクル当たりの充電電圧が小さくなるように設計される。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
従来装置において、初期充電用インバータ2の1サイクル動作で上昇するコンデンサC0の電圧変化量ΔVC0は、共振用コンデンサ5の容量Crで決まる。この容量Crを大きくすれば、ΔVC0も大きくなるが、インバータの出力電流の共振周期2π(LC)1/2が長くなるため、コンデンサC0を目標電圧まで充電するまでのインバータ2のスイッチング回数(サイクル数)が少なくなり、充電速度を高めることができない。
【0011】
また、コンデンサC0の充電電圧は、電圧変化量ΔVC0の整数倍になるため、容量Crを大きくするとコンデンサC0を大きな電圧差を有してステップ的に目標充電電圧近くまで充電することになる。
【0012】
このため、コンデンサC0の充電精度を高めるには、初期充電後の微調整用インバータ3による充電時間が長くなってしまい、結果的にコンデンサC0を高い繰り返しで充放電させるための高速充電ができなくなる。
【0013】
これら不都合を解消するため、初期充電用インバータ2を複数台設けてその整流回路11やトランス9位置で並列接続し、それらの並列運転でコンデンサC0を高速初期充電することが考えられる。
【0014】
しかし、インバータ等は、比較的大きな電流・電圧責務を持つことから、大型の回路素子及び部品で構成されるし、さらにスナバ回路などの付属部品も必要とし、装置全体としては大型で高価なものになる。例えば、トランス9はそのコアの存在により大型で重量物になる。
【0015】
本発明の目的は、コンデンサの充電速度や充電精度を高めることができ、しかも装置の小型化及びコストダウンを図ることができるコンデンサの充電装置を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、インバータの出力でコンデンサC0を充電するのに、充電電圧を連続的に制御できるチョッパ回路を介挿させたもので、以下の構成を特徴とする。
【0017】
ブリッジ接続した半導体スイッチのオン/オフ制御で直流電源から交流出力を得る1台のインバータと、
前記インバータの出力を昇圧するトランスと、
前記トランスの出力を整流する整流回路と、
前記整流回路の出力と電力用コンデンサとの間に介挿され、前記インバータの半サイクルの交流出力期間に少なくとも1回のチョッパ動作をし、このチョッパ動作によって前記整流回路の出力をリアクトルに電流エネルギーとして蓄積し、この電流エネルギーで前記電力用コンデンサを目標電圧まで充電し、この充電後に1回のチョッパ動作で前記リアクトルの余剰エネルギーを前記整流回路の循環電流として消費させるチョッパ回路と、
前記整流回路の循環電流が零になったときに前記インバータの半導体スイッチをオフ制御する手段を備えたことを特徴とする。
【0021】
ブリッジ接続した半導体スイッチのオン/オフ制御で直流電源から交流出力を得る1台の初期充電用インバータと、
前記インバータの出力を昇圧するトランスと、
前記トランスの出力を整流する整流回路と、
前記整流回路の出力と電力用コンデンサとの間に介挿され、前記インバータの半サイクルの交流出力期間に少なくとも1回のチョッパ動作をし、このチョッパ動作によって前記整流回路の出力をリアクトルに電流エネルギーとして蓄積し、この電流エネルギーで前記電力用コンデンサを目標電圧近くまで充電し、この充電後に1回のチョッパ動作で前記リアクトルの余剰エネルギーを前記整流回路の循環電流として消費させるチョッパ回路と、
前記整流回路の循環電流が零になったときに前記インバータの半導体スイッチをオフ制御する手段と、
交流出力から共振出力を得るLC共振回路と、前記LC共振回路の共振出力が出力トランスを通して入力されて整流出力を得る整流回路を有し、前記電力用コンデンサが目標電圧近くまで充電された後に該コンデンサを目標電圧まで充電する微調整充電回路とを備えたことを特徴とする。
【0022】
また、前記LC共振回路は前記初期充電用インバータの交流出力から共振出力を得ることを特徴とする。
【0023】
また、前記LC共振回路は前記初期充電用インバータの交流出力から共振出力を得、前記初期充電用インバータは前記コンデンサの初期充電時の動作周波数から、微調整充電時の共振周波数に切替えることを特徴とする。
【0024】
また、前記共振回路は、前記初期充電用インバータとトランスとの間に設けた共振用コンデンサと、このコンデンサ両端に並列に設けられて該コンデンサ両端を短絡または開放に切替えるスイッチとを有し、前記コンデンサを初期充電するときは前記スイッチを閉じ、微調整充電するときに該スイッチを開放する構成にしたことを特徴とする。
【0025】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の実施形態を示す主回路構成図であり、1台のインバータによってコンデンサC0を目標電圧まで高速充電するものである。
【0026】
同図が図8の初期充電用インバータによる充電回路と異なる部分は、インバータ2の交流電流出力から出力トランス9を通して整流回路11に整流出力を得、この整流出力をチョッパ回路13を通してコンデンサC0に充電電流を供給する点にある。
【0027】
チョッパ回路13は、整流回路11の出力端にリアクトルLと半導体スイッチS9の直列回路を設け、このリアクトルLとスイッチS9の接続点に逆流防止用ダイオードDを設け、このダイオードDからコンデンサC0に充電電流を供給する。つまり、スイッチS9のオン期間にリアクトルLに電流エネルギーを蓄積し、その後のスイッチS9のオフ期間でリアクトルLの蓄積エネルギーをダイオードDからコンデンサC0に供給する。
【0028】
本実施形態による充電動作を説明する。インバータ2のスイッチS1,S4をオンさせるとともにスイッチS9をオンさせたとき、整流回路11に発生する整流電流がリアクトルLとスイッチ9を通した矢印Aで示すループ電流が流れる。この電流Iは、スイッチS9のオン時間をΔT、トランス9の変成比をn1/n2、直流電源1の電圧をEとすると、
【0029】
【数1】
I=(n2/n1)×(E/L)×ΔT
となり、リアクトルLには(1/2)×LI2のエネルギーが蓄えられる。
【0030】
次に、スイッチS9をオフさせると、矢印Bで示すループ電流が流れ、コンデンサC0を充電する。この充電でコンデンサC0が目標電圧に達したことを検出したときにスイッチS9をオン制御し、スイッチS1,S4をオフ制御して充電を終了する。このとき、リアクトルLの余剰エネルギーはスイッチS9と整流回路11の循環電流として消費される。この循環電流が零になったときにスイッチS9をオフ後、スイッチS1,S4をオフ制御すれば、スイッチS1,S4には零電流遮断動作を得ることができる。
【0031】
同様に、次回にコンデンサC0を充電するサイクルでは、インバータ2のスイッチS2,S3をオンさせ、このオン期間にスイッチS9をオン・オフ動作(チョッパ動作)させることでコンデンサC0を目標電圧まで充電し、スイッチS2,S3をオフさせて1サイクルの充電を完了する。
【0032】
したがって、インバータ2の半サイクル期間にチョッパ回路13を1回チョッパ動作させることでコンデンサC0を目標電圧まで充電させることができる。この充電動作によれば、コンデンサC0の1サイクル充電時間は、インバータ2の半サイクルになり、高速充電を得ることができる。また、インバータ2は、コンデンサC0の充電サイクルの半分の周期で動作するものであればよく、その動作周波数の低い安価なスイッチ素子を使用できる。
【0033】
また、チョッパ回路13は、そのチョッパ動作によりコンデンサC0を目標電圧まで連続的に充電していくことになり、従来の微調整用インバータ3から整流回路12までの回路と同等の微調整充電機能をもたすができ、微調整充電回路を不要にするなど、従来構成に比べて、装置構成を大幅に小型化およびコストダウンを図ることができる。
【0034】
なお、トランス9は、コンデンサC0の繰り返し充電でインバータ2から交流電流が流れるため、その偏磁が発生することはない。
【0035】
また、トランス9は、インバータ2の出力を昇圧することでリアクトルLにエネルギーを蓄積する速度を速めることができるが、これを省き、インバータ2の出力を直接に整流回路11に供給する構成でもよい。
【0036】
(第2の実施形態)
図2は、本発明の他の実施形態を示す主回路構成図である。同図が図1と異なる部分は、微調整充電回路を設けた点にある。
【0037】
この微調整充電回路は、図8と同様に、微調整用インバータ3と、共振用コンデンサ6とリアクトル8と、トランス10および整流回路12で構成され、コンデンサC0に微調整用充電電流を供給する。
【0038】
本実施形態において、チョッパ回路13によるコンデンサC0の充電には目標電圧の数%低い電圧で停止し、その後は微調整充電回路の動作により目標電圧まで微調整充電する。
【0039】
この充電動作によれば、チョッパ回路13による充電動作には第1の実施形態の場合に比べてチョッパ動作による充電電圧制御をラフにすることができ、チョッパ回路13の制御が簡単にしながら、コンデンサC0の充電精度を一層高めることができる。
【0040】
(第3の実施形態)
図3は、本発明の他の実施形態を示す主回路構成図である。同図が図2と異なる部分は、微調整充電回路のインバータ3を省き、インバータ2からの交流出力で代用した点にある。
【0041】
第1の実施形態や第2の実施形態では、チョッパ回路13を通してコンデンサC0の充電を終了したとき、チョッパ回路13のスイッチS9をオンさせると共にインバータ2の運転を停止するが、本実施形態では、スイッチS9をオフさせたままインバータ2の動作を継続させ、矢印Cで示すリアクトルLからコンデンサC0に充電電流が流れるのを阻止しておき、微調整充電動作のための交流電源を確保する。
【0042】
なお、微調整充電動作に際しては、インバータ2のスイッチング周波数(動作周波数)をコンデンサ6,リアクトル8の共振周波数に合わせて高くする。
【0043】
本実施形態によれば、インバータ2を初期充電と微調整充電に兼用でき、図2の場合に比べて装置を一層の小型化、コストダウンができる。
【0044】
(第4の実施形態)
図4は、本発明の他の実施形態を示す主回路構成図である。同図が図3と異なる部分は、微調整充電用のトランス10と整流回路12をインバータ2のトランス9と整流回路11で代用した点にある。
【0045】
インバータ2の出力端には共振用コンデンサ6を介してトランス9に印加し、このコンデンサ6の両端を半導体スイッチS10で双方向で短絡できるようにする。
【0046】
本実施形態において、コンデンサC0の初期充電は、スイッチ10を閉じた状態で第1の実施形態と同様に行い、この終了でスイッチS10とスイッチS9をオフ制御し、インバータ2を高周波動作に切替えることでコンデンサC0を微調整充電する。この微調整充電には、インバータ2の動作周波数を、コンデンサ6とチョッパ回路13のリアクトルLによる共振周波数に合わせる。
【0047】
本実施形態によれば、図1の場合と同様に、トランス10と整流回路12を省くことができる。しかも、図2や図3の場合と同様に微調整充電で充電精度を高めることができる。
【0048】
(第5の実施形態)
図5は、本発明の他の実施形態を示す主回路構成図である。同図が図1と異なる部分は、チョッパ回路13を省き、チョッパ回路用リアクトルLをインバータ2の直流入力回路に挿入した点にある。
【0049】
本実施形態による充電動作は、まず、スイッチS1,S3のオンによりインバータ2の上下アームを短絡させることで、矢印Dで示すように、リアクトルLに電流を流してリアクトルLに電流エネルギーを蓄積する。この後、スイッチS3をオフすると共にスイッチS4をオンすることにより、矢印Eで示すように、インバータ2には半波の交流電流を発生させ、コンデンサC0を充電する。
【0050】
同様に、スイッチS2,S4のオンによりリアクトルLに電流を流すことでリアクトルLに電流エネルギーを蓄積し、スイッチS4をオフすると共にスイッチS3をオンすることにより半波の交流電流を発生し、コンデンサC0を充電する。
【0051】
以上の充電動作において、コンデンサC0をその目標電圧近くまで充電する初期充電には、インバータ2を低い周波数で動作させることでリアクトルLに蓄積する電流エネルギーを高め、高速充電を得る。そして、微調整充電には、インバータ2の動作周波数を徐々に高め、またはステップ的に高く切替えることにより、リアクトルLに蓄積する電流エネルギーを低くし、コンデンサC0をその目標電圧まで精度よく充電する。
【0052】
本実施形態によれば、図1の構成に比べて、インバータ2やトランス9に高周波応答性能を必要とするが、チョッパ回路13のスイッチS9とダイオードDを省くことができ、装置構成を簡単化できる。
【0053】
(第6の実施形態)
図6は、本発明の他の実施形態を示す主回路構成図である。同図が図5と異なる部分は、インバータ2の直流回路のリアクトルLをトランス9の出力回路に挿入し、整流回路11の片側アームをダイオードに代えてスイッチ回路S11,S12とした点にある。
【0054】
スイッチ回路S11,S12は、半導体スイッチとこれに逆並列接続のフライホイール用ダイオードで構成し、両半導体スイッチのオフ状態では従来の整流回路11と同じ整流動作をし、スイッチの一方のオン状態ではリアクトルLに短絡電流を流してそれに電流エネルギーを蓄積させる。
【0055】
本実施形態による充電動作は、図1のチョッパ回路13のチョッパ動作を整流回路11で実現するもので、スイッチ回路S11,S12のオン・オフ制御により、リアクトルLへの電流エネルギーの蓄積でコンデンサC0の充電を行うものである。
【0056】
例えば、インバータ2のスイッチS1,S4をオンさせ、矢印Fで示す半サイクル電流を出力した状態で、スイッチ回路S11のスイッチをチョッパ動作させる。これにより、スイッチ回路S11のスイッチのオン期間には、矢印Gで示すように、リアクトルLから回路S11のスイッチ→スイッチ回路S12のダイオード→トランス9の二次巻線の経路で電流が流れ、リアクトルLに電流エネルギーを蓄積する。次いで、スイッチ回路S11のスイッチをオフすると、リアクトルLからダイオードD1→コンデンサC0→スイッチ回路S12のダイオード→トランス9の二次巻線の経路で電流が流れ、コンデンサC0を充電する。
【0057】
同様に、インバータ2のスイッチS2,S3をオンさせた半サイクル期間に、スイッチ回路S12のスイッチのチョッパ動作によりリアクトルLに電流エネルギーを蓄積し、コンデンサC0を充電する。
【0058】
本実施形態は、図1の場合と同様の作用効果を得ることができる。
【0059】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、インバータの出力でコンデンサを充電するのに、充電電圧を連続的に制御できるチョッパ回路を介挿させたため、コンデンサの充電速度や充電精度を高めることができ、しかも装置の小型化及びコストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を示すコンデンサの充電装置の主回路構成図。
【図2】他の実施形態を示す主回路構成図。
【図3】他の実施形態を示す主回路構成図。
【図4】他の実施形態を示す主回路構成図。
【図5】他の実施形態を示す主回路構成図。
【図6】他の実施形態を示す主回路構成図。
【図7】パルス電源の構成例。
【図8】従来のコンデンサ充電装置の構成例。
【図9】2台のインバータによる充電特性。
【符号の説明】
1…直流電源
2…インバータ
3…微調整用インバータ
5、6…共振用コンデンサ
7、8…共振用リアクトル
9、10…トランス
11、12…整流回路
13…チョッパ回路
Claims (5)
- ブリッジ接続した半導体スイッチのオン/オフ制御で直流電源から交流出力を得る1台のインバータと、
前記インバータの出力を昇圧するトランスと、
前記トランスの出力を整流する整流回路と、
前記整流回路の出力と電力用コンデンサとの間に介挿され、前記インバータの半サイクルの交流出力期間に少なくとも1回のチョッパ動作をし、このチョッパ動作によって前記整流回路の出力をリアクトルに電流エネルギーとして蓄積し、この電流エネルギーで前記電力用コンデンサを目標電圧まで充電し、この充電後に1回のチョッパ動作で前記リアクトルの余剰エネルギーを前記整流回路の循環電流として消費させるチョッパ回路と、
前記整流回路の循環電流が零になったときに前記インバータの半導体スイッチをオフ制御する手段を備えたことを特徴とするコンデンサの充電装置。 - ブリッジ接続した半導体スイッチのオン/オフ制御で直流電源から交流出力を得る1台の初期充電用インバータと、
前記インバータの出力を昇圧するトランスと、
前記トランスの出力を整流する整流回路と、
前記整流回路の出力と電力用コンデンサとの間に介挿され、前記インバータの半サイクルの交流出力期間に少なくとも1回のチョッパ動作をし、このチョッパ動作によって前記整流回路の出力をリアクトルに電流エネルギーとして蓄積し、この電流エネルギーで前記電力用コンデンサを目標電圧近くまで充電し、この充電後に1回のチョッパ動作で前記リアクトルの余剰エネルギーを前記整流回路の循環電流として消費させるチョッパ回路と、
前記整流回路の循環電流が零になったときに前記インバータの半導体スイッチをオフ制御する手段と、
交流出力から共振出力を得るLC共振回路と、前記LC共振回路の共振出力が出力トランスを通して入力されて整流出力を得る整流回路を有し、前記電力用コンデンサが目標電圧近くまで充電された後に該コンデンサを目標電圧まで充電する微調整充電回路とを備えたことを特徴とするコンデンサの充電装置。 - 前記LC共振回路は前記初期充電用インバータの交流出力から共振出力を得ることを特徴とする請求項2に記載のコンデンサの充電装置。
- 前記LC共振回路は前記初期充電用インバータの交流出力から共振出力を得、前記初期充電用インバータは前記コンデンサの初期充電時の動作周波数から、微調整充電時の共振周波数に切替えることを特徴とする請求項2に記載のコンデンサの充電装置。
- 前記共振回路は、前記初期充電用インバータとトランスとの間に設けた共振用コンデンサと、このコンデンサ両端に並列に設けられて該コンデンサ両端を短絡または開放に切替えるスイッチとを有し、前記コンデンサを初期充電するときは前記スイッチを閉じ、微調整充電するときに該スイッチを開放する構成にしたことを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載のコンデンサの充電装置。
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