JP4498736B2 - 電気回路保護システム - Google Patents

Description

本発明は、例えば高電圧回路のような電気回路上の負荷に電圧破壊（もしくは、降伏）が発生した時に、該回路を保護するためのシステムに関する。

例えば、高電圧応用において負荷を駆動するために使用される比較的感応的な回路に保護を設ける必要があることが多い。このようなシステム内の負荷は、電圧破壊を発生することがあり得るが、これが発生すると、負荷の駆動回路にまたがる電圧に急速な変化がもたらされる。このような電圧の急速な変化は、駆動回路内の成分の損傷の原因になる。

我々の公開された出願GB-A-2356752及びGB-A-2356753はそれぞれ、マグネトロン用低インピーダンス電源及びスイッチングモジュール用伝送ライントリガ配列に関している。上述したようなシステムにおいて、潜在的に何等かの損傷をもたらすような急速な電圧変化が発生するとマグネトロンが障害を起こし得るので、該システム内のモジュレータスイッチを保護することが望ましい。

本発明は、回路を電圧の急速な変化から保護するシステムを提供し、またその最も広い形状においては、急速に変化するエネルギを散逸させることによって回路にまたがる電圧降下のレートを低下させることを目的としている。

詳述すれば、障害によって生じた回路内のエネルギの比較的急速な変化を散逸させるために、電気回路内に保護（もしくは、安全）システムが設けられる。保護システムは、導電性材料のコイル及びコアからなるインダクタの形態の可変抵抗を備え、上記可変抵抗は、電気回路が正常に動作している時には比較的低いインピーダンスを呈し、また電気回路上に障害が発生した時には比較的高いインピーダンスを呈し、上記高いインピーダンスＲは、上記コアの急速な磁化によって引き起こされる。

本発明によるシステムは、もし負荷が電圧破壊を起こすか、または負荷にまたがる電位に急速な変化を生じさせるような障害が発生すれば、回路内に大きいインピーダンスを導入するという長所を有している。インピーダンス及び回路キャパシタンスが、回路のＣＲ定数に関係付けられた制御されたレートでエネルギの変化を放出するように動作するから、障害に伴うエネルギの急速な変化が制御される。この制御されたレートは、回路内の障害によってもたらされる回路内の電圧の変化のレートより遙かに遅い。

以下に、添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１に示す本発明によるシステム１０は、負荷１４を駆動するための駆動回路１２を含む。駆動回路には、適当な電源（図示してない）から電圧１６が印加される。駆動回路１２と負荷１４との間に、それらと直列に損失システム１８が設けられている。損失システムは、負荷内の障害が、例えば負荷内に電圧破壊をもたらした時に、大きいインピーダンスだけを導入するように設計されている。負荷が正常に動作している場合には、システムは駆動回路から負荷までの信号に影響を与えるべきではない。

システム１０の実際的応用においては、駆動回路は約50ｋＶで動作する高電圧トリガである。回路は、パルスマグネトロン負荷を駆動する。正常動作中には、トリガ回路は典型的には約200ｎｓの立ち上がり時間を有するパルスをマグネトロンへ供給する。同様に、マグネトロン駆動パルスの立ち下がり時間も200ｎｓを有している。

もしマグネトロンが故障し、例えばマグネトロン陰極と陽極との間にアーク放電が発生すれば、駆動回路にまたがる電位は典型的には４ｎｓ以内に接地電位まで降下し得る。障害が発生した場合の電位の変化のレートの本質は未知であり、ランダムである。しかしながら、このレートは、正常動作時のパルスの立ち上がり及び立ち下がり時間よりも極めて遙かに迅速である。このような電位の鋭い低下は、モジュレータ回路成分に破局的な破損を生じさせる恐れがある。

図２を参照する。電圧Ｖ_d ２０がマグネトロンに印加される。この電圧は、本発明による保護システムを通して印加される。時点ｔ_fに、負荷内に障害が発生している。このような障害は、通常は、負荷に、従って負荷の駆動回路にまたがる電圧の急速な変化をもたらす。このような急速な変化を、図２に破線２４で示してある。しかしながら、保護システムが、障害によってもたらされる電圧の急速な変化レートを、管理可能な手法で散逸させるように動作する。管理可能な手法とは、エネルギの急速な立ち上がりまたは立ち下がりを散逸させ、より長い期間にわたって引き伸ばすことを意味する。この期間中に保護システムは、そのようにしなければ発生し得る何等かの損傷を防ぐために、もし必要ならば、回路を閉鎖するように動作することができる。

図３を参照する。本発明による損失システム３０は、コア３４が急速に磁化されると高インピーダンスを呈するように設計されているインダクタ３２を含んでいる。このような急速な磁化は、マグネトロン３６が故障し、マグネトロンへパルスを供給するモジュレータスイッチ３８が正常動作していない場合に経験することである。インダクタは、例えばマグネトロンの陽極と陰極４０との間にアークが発生した場合に、回路内に比較的高いインピーダンスを導入するだけである。

図３の実施例では、インダクタ３２は、バイファイラー巻きされたコイルからなっている。２つのコイル４２及び４４は共に、共通のコア３４の周りに巻かれている。電源４６が、電力をマグネトロンヒーターへ供給する。電源は、モジュレータ回路と実質的に同一の電圧で動作する。マグネトロンの正常動作中、インダクタが回路に対して呈するインピーダンスは僅か、または皆無である。インダクタがバイファイラー巻きされていて、コイル４２及び４４には等しい電圧が逆方向に印加されるので、コアは磁化されない。

しかしながら、もしマグネトロンの内部でアーク４８が発生すれば、コイル４２がコイル４４に密に結合されているので、両コイルにまたがって等しい電圧が同一方向に印加されるようになる。コイル４４内の高いＥＳＲが、モジュレータ回路内の固有キャパシタンスの放電を遅くさせる。コアの急速な磁化によってインダクタ内に誘起されるインピーダンスＲは、回路のキャパシタンスと共に、パルスのエネルギを回路全体のＣＲ定数に等価なレートで放電させる。

この高インピーダンスは、電圧が比較的急速に変化する場合にインダクタが非効率、または高損失であるようにインダクタを設計することによって達成される。コアが磁化された時にコア内に大きい渦電流が誘起されるように、貧弱なインダクタコア材料をコイルの内側に挿入する。コアのための適当な材料は、ニッケル箔である。インダクタコイルのワイヤー上にフェライトビーズを配置することも効果的であり得る。

好ましくは、正常動作中及び障害イベント中に、回路内にリンギングが発生するのを防ぐようにインダクタを設計する。バイファイラー配列は、回路の正常動作中にはコア内に誘起される渦電流が比較的小さくなるようなインダクタをもたらす。

好ましくは、コアが磁化された時にはインダクタコアが非効率的になり、大きい渦電流がコア内に誘起するように設計する。その結果、コアの急速磁化中のインダクタのインピーダンスが大きくなる。従って、マグネトロン内に障害が発生した時に、モジュレータ回路は障害放電によって生じたエネルギのパルスを見ることになるが、その立ち下がり時間は引き伸ばされている。インダクタは、マグネトロン管内の障害放電に伴うエネルギの急速変化を引き伸ばす、または鈍くするように動作する。“鈍く”されたパルスの立ち下がり時間は、回路のＣＲ定数に比例する。但し、Ｃは回路の総合キャパシタンスであり、Ｒの大部分は障害イベント中の非効率インダクタ保護システムの誘起されたインピーダンスに関連する。このような保護システムを、“磁気鈍化装置”と名付けることができる。

更に、もしインダクタ内のバイファイラ巻線が同軸ケーブルを用いて実現されれば、ケーブル内の同軸要素に伴うキャパシタンスが有利な効果をもたらす。ケーブル内のこれらの要素は電気的に互いに接近しており、回路の総合キャパシタンスを増加させる。

他の実施例においては、インダクタは、回路内の別の位置に配置することができる。その位置に依存して、インダクタが単一の巻線を有することが適切であり得る。

インダクタは、障害が発生した時に、エネルギのチャージの急速なレートが滑らかに散逸するように設計すべきである。障害が発生した時に、または正常動作中に、インダクタがリンギングしないようにすべきである。このような保護システムの設計プロセス中に、障害イベント中にインダクタ内に誘起されるインピーダンスの大きさを考慮する必要はない。ニッケル箔コアの厚みを変化させることは、インダクタ内に誘起されるインピーダンスのレベルを増減させる有効な方法である。

当業者ならば、本発明の範囲から逸脱しない本発明の他の実施例を考案することができよう。

本発明の実施例のブロック図である。 本発明による保護システムを有する回路内の駆動回路にまたがって発生する電圧降下を示すグラフである。 本発明による回路の回路図である。

Claims (8)

1. 負荷を与えて負荷内の障害によってもたらされる電気回路内のエネルギの比較的急速な変化を散逸させるための上記電気回路内の保護システムであって、導電性材料のコイル及びコアからなるインダクタの形態の可変抵抗を備え、上記可変抵抗は、上記電気回路が正常に動作している時には比較的低インピーダンスを呈し、また上記電気回路上に障害が発生した時には比較的高いインピーダンスＲを呈し、上記コアは、貧弱なインダクタ材料から成り、それによって上記コアが急速に磁化されたときに上記インダクタが高損失性になって上記高いインピーダンスＲを引き起こし、この高いインピーダンスと回路の総合キャパシタンスとで構成される回路のＣＲ定数によって決定されたレートで回路にまたがる電圧が接地電位まで緩やかに降下することを特徴とする保護システム。
2. 上記可変抵抗は、導電性材料のコイル、及びコアからなるインダクタであり、上記電気回路上に障害が発生した時に上記コア内に比較的大きい渦電流が誘起され、それによって比較的高いインピーダンスがもたらされることを特徴とする請求項１に記載の保護システム。
3. 上記コアは、フェライト材料からなることを特徴とする請求項２に記載の保護システム。
4. 上記コアは、ニッケル箔からなることを特徴とする請求項２に記載の保護システム。
5. 上記インダクタは、駆動回路と駆動回路負荷との間に直列であることを特徴とする請求項２、３、または４に記載の保護システム。
6. 上記インダクタは、バイファイラー巻きされたコイルからなることを特徴とする請求項２、３、または４に記載の保護システム。
7. 上記回路の正常動作中には、上記バイファイラーコイルの第１のワイヤーは電流を上記負荷へ導き、上記バイファイラーコイルの第２のワイヤーは電流を負荷から導くようになっており、それによって上記インダクタのインピーダンスが低くなっていることを特徴とする請求項６に記載の保護システム。
8. 上記負荷内に障害が発生した時には、上記バイファイラーコイルの第１及び第２のワイヤーにまたがって同一方向の電圧が印加され、それによって比較的大きい渦電流が上記コア内に誘起されることを特徴とする請求項７に記載の保護システム。

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