JP4570752B2 - Power supply - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に繰り返しコンデンサ放電を行うためのコンデンサ充電に用いられる電源装置に関するものであり、特に放電励起レーザ装置に適した電源技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
コンデンサとリアクトルの直列共振を利用した共振充電において、コンデンサ電圧が設定値に達したところでリアクトルの両端に接続された環流用スイッチング素子を点弧することにより直列共振回路のQ値を瞬間的に低下させ、具体的にはリアクトルに流れている電流を循環させることで、それ以後の充電を停止して所定のコンデンサ充電電圧を得る、de−Q(デキュー)と呼ばれる充電制御方法が知られている。
図14に示す従来回路例においては、第1のサイリスタ101を点弧して共振充電を開始し、出力側コンデンサ電圧が設定値に達したところで第2のサイリスタ102を点弧して、リアクトルの電流を第2のサイリスタの回路で環流させて充電を停止するde−Q動作を行っていた。
図15は従来回路の電流・電圧波形図で、この時の充電電流瞬時値iおよび該第2のサイリスタ102の電流iq2およびコンデンサ電圧瞬時値vの波形を示す。
【0003】
コンデンサを繰り返し充放電する応用例において、特に充電電圧目標値が繰り返される毎に変化する場合は、通常直流電源の電圧を急速には変化させられないので、環流用スイッチング素子を点弧して、それ以後の充電を停止するタイミングを変化させる必要がある。特に充電電圧目標値が低下した時には、リアクトルに流れる電流値が比較的大きい時点で環流用スイッチング素子を点弧する必要があり、リアクトルに残されていたエネルギーが損失となって発熱が増えるという問題があった。
さらに、この時コンデンサの回路に流れている比較的大きな充電電流を環流用スイッチング素子の回路に転流させるまでの時間が長くなり、この間にコンデンサの電圧が余分に上昇して充電電圧制御の誤差が増大するという問題もあった。
【0004】
また、繰り返し放電を行うパルス電源装置においては、充放電用のコンデンサの電圧値は充電開始時にゼロとなっていない例が多い。例えば負荷回路に誘導性リアクタンスや変圧器を含む場合には、充電電圧と逆極性の電圧が残り、放電灯のような抵抗成分が支配的な非線型負荷の場合は充電電圧と同極性の電圧が残る場合が多かった。
【0005】
共振充電においては、図12の共振充電波形図の充電電流およびコンデンサ電圧の時間変化グラフに示すように、コンデンサの電圧波形は直流電源電圧値Viを中心値とし、これとコンデンサの充電開始前の電圧値Vopと直流電源電圧値Viとの差すなわち(Vi−Vop)を初期振幅とする減衰振動となるので、直流電源電圧値Vi、コンデンサの充電開始前の電圧値Vopおよびコンデンサ充電電圧目標値Voeには次の関係が成立しているのが望ましい。
【0006】
【数1】
【0007】
〔数1〕において、Vcompは共振回路の損失分の補填、および/または転流動作を行うための電圧補正項である。
【0008】
〔数1〕の右辺の値がViを超えると、共振充電でコンデンサの電圧をVoeまで充電することができなくなるため、直流電源電圧値Viの値はVoe/2よりもある程度高めにしておく必要がある。従来の共振充電型の電源装置においては、コンデンサ充電電圧目標値Voeが低い場合や、コンデンサの充電開始前の電圧値Vopが負の値となった場合は、〔数1〕の右辺の値よりも直流電源電圧値Viが高くなり、コンデンサの充電電圧が高くなる方向となり、充電電流値が下がらないうちに充電停止するので、その時点でリアクトルに残っているエネルギーが消費されるために損失が増えたり、充電電流が転流する時間を要し、この間の充電電流によって充電電圧制御の精度が悪くなるという問題があった。
【0009】
本発明に関連しては、下記の先行技術が公知であるが、上記の問題点を有しているか、あるいはその解決手段として複雑な回路構成および/または制御方法を必要としていた。
特願平8−524960 「エネルギーを取り戻すパルス電力生成回路」
US PAT. No.5,729,562 PULSE POWER GENERATING CIRUCUIT WITH ENERGY RECOVERY
US PAT. No.6,028,872 HIGH PULSE RATE PULSE POWER SYSTEM WITH RESONANT POWER SUPPLY
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、コンデンサの充電電圧目標値が繰り返される毎に変化する場合にも損失が少なく、かつ充電電圧の誤差が小さいコンデンサ充電用電源装置を実現するものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
すなわち、正極側入力端子2aと正極側出力端子2cとの間に第一の自己消弧型スイッチング素子21を接続し、負極側入力端子2bと正極側出力端子2cとの間に第一の整流素子22を接続し、正極側入力端子2aと負極側出力端子2dとの間に第二の整流素子23を接続し、負極側入力端子2bと負極側出力端子2dとの間に第二の自己消弧型スイッチング素子24を接続してなるチョッパブリッジ2と、該チョッパブリッジ2の入力端子2a、2b間に接続した直流電源1と、該チョッパブリッジ2の出力端子2c、2d間に直列接続したリアクトル3と充電用整流素子5とコンデンサ6と、チョッパブリッジ2を駆動するチョッパブリッジ駆動回路部13と、チョッパブリッジ駆動回路部13を制御することで、第一および第二の自己消弧型スイッチング素子21,24を所定の時間導通させた後に消弧し、第一および第二の整流素子22,23に転流させて三角波状の電流波形でコンデンサ6を第一段充電として充電するチョッパ動作と、第一および第二の自己消弧型スイッチング素子21,24を再度導通させて、直流電源1とリアクトル3とコンデンサ6とからなる共振回路により正弦半波状の電流波形で所定の電圧まで該コンデンサ6を第二段充電として充電する共振充電動作とを順次行わせる演算回路部12とを備えることを特徴とする電源装置である。
【0012】
また、正極側入力端子2aと正極側出力端子2cとの間に第一の自己消弧型スイッチング素子21を接続し、負極側入力端子2bと正極側出力端子2cとの間に第一の整流素子22を接続し、正極側入力端子2aと負極側出力端子2dとの間に第二の整流素子23を接続し、負極側入力端子2bと負極側出力端子2dとの間に第二の自己消弧型スイッチング素子24を接続してなるチョッパブリッジ2と、該チョッパブリッジ2の入力端子間に接続した直流電源1と、該チョッパブリッジ2の出力端子間に直列接続した変圧器8と充電用整流素子5とコンデンサ6と、チョッパブリッジ2を駆動するチョッパブリッジ駆動回路部13と、チョッパブリッジ駆動回路部13を制御することで、第一および第二の自己消弧型スイッチング素子21,24を所定の時間導通させた後に消弧し、第一および第二の整流素子22,23に転流させて三角波状の電流波形でコンデンサ6を第一段充電として充電するチョッパ動作と、第一および第二の自己消弧型スイッチング素子21,24を再度導通させて、直流電源1と変圧器8の漏れインダクタンスとコンデンサ6とからなる共振回路により正弦半波状の電流波形で所定の電圧まで該コンデンサ6を第二段充電として充電する共振充電動作とを順次行わせる演算回路部13とを備えることを特徴とする電源装置である。
【0013】
また、正極側入力端子2aと正極側出力端子2cとの間に第一の自己消弧型スイッチング素子21を接続し、負極側入力端子2bと正極側出力端子2cとの間に第一の整流素子22を接続し、正極側入力端子2aと負極側出力端子2dとの間に第二の整流素子23を接続し、負極側入力端子2bと負極側出力端子2dとの間に第二の自己消弧型スイッチング素子24を接続してなるチョッパブリッジ2と、該チョッパブリッジ2の入力端子間に接続した直流電源1と、該チョッパブリッジ2の出力端子間に直列接続したリアクトル3と変圧器8と充電用整流素子5とコンデンサ6と、チョッパブリッジ2を駆動するチョッパブリッジ駆動回路部13と、チョッパブリッジ駆動回路部13を制御することで、第一および第二の自己消弧型スイッチング素子21,24を所定の時間導通させた後に消弧し、第一および第二の整流素子22,23に転流させて三角波状の電流波形でコンデンサ6を第一段充電として充電するチョッパ動作と、第一および第二の自己消弧型スイッチング素子21,24を再度導通させて、直流電源1とリアクトル3と変圧器8の漏れインダクタンスとコンデンサ6とからなる共振回路により正弦半波状の電流波形で所定の電圧まで該コンデンサ6を第二段充電として充電する共振充電動作とを順次行わせる演算回路部13とを備えることを特徴とする電源装置である。
【0014】
そして、上記充電用整流素子5とコンデンサ6とを含む直列回路に転流用スイッチング素子4を並列接続したことを特徴とする電源装置である。
【0015】
また、演算回路部12は、共振充電動作の後にさらに、コンデンサ6の電圧が所定の値に達した時点で転流用スイッチング素子4を導通させ、該コンデンサ6に流れる充電電流を急速に該転流用スイッチング素子4に転流させて充電を停止する充電電流転流動作を行わせることを特徴とする電源装置である。
【0016】
さらに、直流電源1に接続した直流電源電圧測定用分圧器14と、コンデンサ6に接続したコンデンサ電圧測定用分圧器15と、直流電源電圧値をVi、コンデンサの充電開始前の電圧値をVopおよびコンデンサの充電電圧目標値をVoeとしたときに、演算回路部12は、前記チョッパ動作の際に{Vi−(Voe−Vop)/2}なる値を演算し、該演算値をコンデンサ6の充電電圧値が超えた時点で、第一および第二の自己消弧型スイッチング素子21,24の消弧を行わせることを特徴とする電源装置である。
【0017】
そして、上記充電用整流素子5が充電用スイッチング素子5aに置き換えられたことを特徴とする電源装置である。
【0018】
また、上記コンデンサ6と負荷7との間に負荷用スイッチング素子9、負荷用整流素子および磁気スイッチのうち少なくとも1つを接続したことを特徴とする電源装置である。
【0019】
さらに、上記負荷7が放電励起レーザ11であることを特徴とする上記の電源装置である。
【0020】
【発明の実施の形態】
本発明の電源装置においては、上記のチョッパブリッジ2を設け、必要なエネルギーが直流電源1から供給された段階で、第一のスイッチング素子21および第二の自己消弧型スイッチング素子24を消弧することで、リアクトル3および/または変圧器8の漏れインダクタンスに蓄えられているエネルギーのうち、コンデンサ6の充電に寄与しない分はその大部分が、第一の整流素子22および第二の整流素子23を通じて上記直流電源に回生される。
【0021】
また、充電を三角波状の電流波形でコンデンサ6を第一段充電するチョッパ動作とそれに続いて正弦半波状の電流波形でコンデンサ6を第二段充電する共振充電動作とを順次行う充電方法を取ることで、充電目標電圧が毎回変わったり、充電開始前のコンデンサ電圧値が変動するような場合でも、第二段充電の開始時点のコンデンサ電圧を最適化し、損失が少なくかつ充電電圧精度の良好な充電動作を行うことができる。
【0022】
さらに、充電用整流素子5とコンデンサ6の直列回路に対して並列に転流用スイッチング素子4を含む回路を設け、充電の終期にコンデンサ6の電圧が目標値に達した時点で転流用スイッチング素子4を点弧して、充電電流を転流させることで0.1%以内の高精度に充電電圧を制御する。このような高精度の充電は、特に負荷回路に磁気スイッチ10を用いる場合、その動作タイミングを例えば10ns以下の低ジッタ時間に抑えることを可能とする。また、本発明を放電励起レーザ11の電源装置として用いた場合、出力エネルギーを精密に制御することができる。
【0023】
【実施例】
図1は、本発明の電源装置の一実施例の回路図であり、図1により本発明の実施を詳述する。直流電源1にチョッパブリッジ2の入力端子2a,2bを接続し、該チョッパブリッジ2の出力端子2c,2d間にリアクトル3と充電用整流素子5とコンデンサ6との直列回路を接続する。該コンデンサ6に並列に負荷用スイッチング素子9と負荷7との直列回路を接続する。上記直流電源1の両端に直流電源電圧測定用分圧器14の入力端子を接続し、上記コンデンサ6の両端にコンデンサ電圧測定用分圧器15の入力端子を接続する。上記直流電源電圧測定用分圧器14の出力端子および上記コンデンサ電圧測定用分圧器15の出力端子は各々演算回路部12の入力端子に接続される。また、上記チョッパブリッジ2の出力回路に設けられた変流器16の出力端子も上記演算回路部12の他の入力端子に接続される。さらに該演算回路部12には充電指令信号CHGおよびコンデンサ充電電圧目標値Voeの信号が入力される。上記演算回路部12のチョッパブリッジ操作指令信号の出力端子はチョッパブリッジ駆動回路部13の入力端子に接続される。該チョッパブリッジ駆動回路部13の2組の出力端子には、上記チョッパブリッジ2の第一の自己消弧型スイッチング素子21および第二の自己消弧型スイッチング素子24のゲート端子が各々接続される。
【0024】
本発明の電源装置において、チョッパブリッジ2を設けることで、充電停止時にリアクトル3に残っているエネルギーを直流電源1に回生することができる。
すなわち、図1に示す回路図において、演算回路部12が充電指令信号CHGを受けると、チョッパブリッジ駆動回路13を介して第一の自己消弧形スイッチング素子21および第二の自己消弧形スイッチング素子24を導通させ、直流電源1、上記第一の自己消弧形スイッチング素子21、リアクトル3、充電用整流素子5、コンデンサ6、上記第二の自己消弧形スイッチング素子24から上記直流電源1へ戻る回路に通電し、主に上記リアクトル3と上記コンデンサ6の共振による正弦波状の電流を流す。直流電源電圧値Viは直流電源電圧測定手段14により、また、コンデンサ電圧瞬時値vはコンデンサ電圧測定用分圧器15により測定されて上記演算回路部12へ入力される。また、上記リアクトル3の電流は変流器16により測定されて上記演算回路部12へ入力される。上記コンデンサ6の電圧が後述する〔数2〕で示される値に達したことを上記演算回路部12で判定し、この時点で、上記第一の自己消弧形スイッチング素子21および上記第二の自己消弧形スイッチング素子24を消弧させることにより、電流は上記第一の整流素子22および上記第二の整流素子23を通じて上記直流電源1に逆方向に流れ、上記リアクトル3に残っていたエネルギーの一部は上記直流電源1に回生され、一部は上記コンデンサ6に蓄えられ、理想的にはエネルギー損失は生じない。
【0025】
上記チョッパブリッジ2の自己消弧形スイッチング素子21および24を消弧させる時点は以下の演算により決定する。すなわち、直流電源電圧値Vi、コンデンサ電圧瞬時値v、コンデンサ充電電圧目標値Voe、コンデンサ静電容量値C、充電電流瞬時値iおよびインダクタンス値Lに対し、次の関係が成立した時点とする。
【0026】
【数2】
【0027】
この時点ではv=Viを中心とした電圧振動の電気エネルギーが、来るべき電流ゼロ点において上記コンデンサ6の電圧をコンデンサ充電電圧目標値Voeにするのに必要な値となる。〔数2〕においてVcompは共振回路の損失分の補填および/または転流動作を行うための電圧補正項である。この演算は上記演算回路部12の高速高精度アナログ演算回路において実行される。デジタル演算による方法も可能であり、この場合にはA/D変換器の変換速度の限界による遅延時間を補正する手段が必要となる。
【0028】
図13は、本実施例における充電電流とコンデンサ電圧の時間変化を示す図である。図13においてVopはコンデンサ充電開始前の電圧値、Voeはコンデンサ充電電圧目標値、Viは直流電源電圧値である。自己消弧形スイッチング素子21、24を時刻t=toにおいて点弧し、時刻t=tsにおいて消弧させている。
【0029】
充電完了後、適当なタイミングで負荷用スイッチング素子9をオンし、コンデンサ6、上記負荷用スイッチング素子9および負荷7からなる回路で放電して負荷7にパルス電力を与える。
【0030】
ここでは自己消弧形スイッチング素子としてIGBTを用いた例を示したが、GTO、GCT、FETのような他の固体スイッチング素子を用いても同様の効果がある。また、上記直流電源1には本発明で必然となるパルス充放電に耐えるような平滑コンデンサをその出力端に並列接続することが望ましい。
【0031】
図2は、本発明の電源装置の他の実施例の部分回路図であり、変圧器8を図1のチョッパブリッジ2の出力端子2c、2dに接続したものである。
【0032】
特にコンデンサ6の電圧を高くする要求がある場合に、入力側と出力側の電圧の整合を取るために変圧器8が必要となる。装置の小型化を目的として、共振充電用のリアクトル3を上記変圧器8の漏れインダクタンスで代用することも可能である。この場合には、前述または後述する演算の際、巻数比に従って電圧値を換算する必要がある。
【0033】
本発明の電源装置の他の実施例について、図3の回路図、図17の演算回路部構成図、および図6の充電電流およびコンデンサ電圧の時間変化グラフにより詳述する。本実施例の図3の回路図の電源装置は、図1に示す回路図において、チョッパブリッジ2の出力回路に設けられた変流器16を省いた構成としている。
【0034】
本実施例においては図6に示すように、2段階に分けた充電制御を行う。その目的は、チョッパブリッジ2の自己消弧型スイッチング素子の電力損失が消弧時の電流値に大きく依存し、大電流領域での消弧がより大きな電力損失を生じるので、第一段の回生チョッパ動作時に低い電流値での消弧を行い、第二段では共振充電により基本的には消弧を行わないことで損失を低減させて装置の効率をさらに良くすることである。
【0035】
図17において、信号名Voeはコンデンサ充電電圧目標値、Viは直流電源電圧値、vはコンデンサ電圧瞬時値、CHGは充電指令信号、Vopはコンデンサの充電開始前の電圧値、GATE−C.は充電ゲート信号であり、ブロック記号DIF.は差動増幅器、ARI.は演算器、S.H.はサンプルホールド回路、TIM1およびTIM2は各々第一および第二のタイマ、ORは論理和回路を示す。
演算回路部12では、充電指令信号CHGを受けると充電開始時点でのコンデンサ電圧Vopをサンプルホールド回路S.H.で記憶保持する。第一段の回生チョッパ充電では、第一のタイマTIM1が動作して充電ゲート信号GATE−C.を出力し、チョッパブリッジ駆動回路13を介して第一の自己消弧形スイッチング素子21および第二の自己消弧形スイッチング素子24を導通させる。コンデンサ6が第二段充電の共振充電を開始するのに適した中間電圧Vosまで充電されるように演算回路部12中の演算器ARI.により計算されたタイミングを第一のタイマTIM1が検出した時点で充電ゲート信号GATE−C.を停止し、上記の自己消弧型スイッチング素子21,24を消弧させる。この時にリアクトル3または変圧器8の漏れインダクタンスに蓄えられていた電磁エネルギーの大部分は第一の整流素子22および第二の整流素子23を通じて直流電源1に回生される。充電電流がゼロになる時間を、演算回路部12に組み込まれた第二のタイマTIM2で予め設定しておき、この時間が経過した時点で再び充電ゲート信号GATE−C.を出力して第二段の共振充電を行う。
【0036】
本発明の電源装置の他の実施例について、図4の回路図により詳述する。本実施例は、図1に示す実施例において、充電用整流素子5とコンデンサ6との直列回路に並列にさらに転流用スイッチング素子4を含む回路を接続したものである。
【0037】
本実施例においては、コンデンサの充電目標電圧値Voeよりも僅かに高い電圧に向けて充電するように演算回路部12で補正を行い、充電の終期において上記コンデンサ6の電圧が目標値に達した時点を演算回路部12中の比較回路より判定して、上記転流用スイッチング素子4を導通させて充電電流を上記コンデンサ6から上記転流用スイッチング素子4へと転流させることにより速やかに充電を停止して、より高精度にコンデンサ充電電圧を制御する。この時点では上記第一の自己消弧形スイッチング素子21および第二の自己消弧形スイッチング素子24は消弧しており、リアクトル3に残っている電磁エネルギーを下記の電流路により直流電源1へ回生する。この電流路は、上記直流電源1の負極から第一の整流素子22、上記リアクトル3、上記転流用スイッチング素子4、第二の整流素子23から上記直流電源1の正極へと至るものである。この実施の形態においては、上記直流電源1を電圧安定化することなしに上記コンデンサ6の充電電圧を必要かつ十分な精度に制御できるので、上記直流電源1は一般的には商用交流電源を整流したものとすることができる。
【0038】
本発明の電源装置の他の実施例について、図5の回路図、図19の演算回路部構成図、および図7の充電電流およびコンデンサ電圧の時間変化グラフにより詳述する。本実施例の図5の回路図の電源装置は、図3に示す回路図において、充電用整流素子5とコンデンサ6との直列回路に並列に転流用スイッチング素子4を接続した構成としている。
【0039】
本実施例においては図7に示すように、3段階に分けた充電制御を行う。その目的は、チョッパブリッジ2の自己消弧型スイッチング素子の電力損失が消弧時の電流値に大きく依存し、大電流領域での消弧がより大きな電力損失を生じるので、第一段の回生チョッパ動作時に低い電流値での消弧を行い、第二段での共振充電により消弧を行う時点での電流値を低くして損失を低減させ、さらに充電転流動作によりリアクトル3または変圧器8に残存しているエネルギーを直流電源1へ回生して装置の効率を良くすると同時にコンデンサ6の充電電圧を0.1%程度以下の高精度に制御することである。
図19において、信号名Voeはコンデンサ充電電圧目標値、Viは直流電源電圧値、vはコンデンサ電圧瞬時値、CHGは充電指令信号、Vopはコンデンサの充電開始前の電圧値、GATE−C.は充電ゲート信号、GATE−D.は転流ゲート信号であり、ブロック記号DIF.は差動増幅器、ARI.は演算器、S.H.はサンプルホールド回路、TIM1およびTIM2は各々第一および第二のタイマ、LOG.は論理回路、CMP2は第二の比較器を示す。
演算回路部12では、充電指令信号CHGを受けると充電開始時点でのコンデンサ電圧Vopをサンプルホールド回路S.H.で記憶保持する。第一段の回生チョッパ充電では、第一のタイマTIM1が動作して充電ゲート信号GATE−C.を出力し、チョッパブリッジ駆動回路13を介して第一の自己消弧形スイッチング素子21および第二の自己消弧形スイッチング素子24を導通させる。コンデンサ6が第二段充電の共振充電を開始するのに適した中間電圧Vosまで充電されるように演算回路部12中の演算器ARI.により計算されたタイミングを第一のタイマTIM1が検出した時点で充電ゲート信号GATE−C.を停止し、上記の自己消弧型スイッチング素子21,24を消弧させる。この時にリアクトル3または変圧器8の漏れインダクタンスに蓄えられていた電磁エネルギーの大部分は第一の整流素子22および第二の整流素子23を通じて直流電源1に回生される。充電電流がゼロになる時間を、演算回路部12に組み込まれた第二のタイマTIM2で予め設定しておき、この時間が経過した時点で再び充電ゲート信号GATE−C.を出力して第二段の共振充電を行う。共振充電の終期にコンデンサ電圧瞬時値vがコンデンサ充電電圧目標値Voeに達した時点で第二の比較器CMP2がこれを検出して充電ゲート信号GATE−C.を停止すると同時に転流ゲート信号GATE−D.を出力して転流用スイッチング素子4を点弧する。この時にリアクトル3または変圧器8の漏れインダクタンスに残っていた電磁エネルギーの大部分は、転流用スイッチング素子4、第一の整流素子22および第二の整流素子23を通じて直流電源1に回生される。
【0040】
本発明の電源装置の他の実施例について、図5の回路図、図17および19の演算回路部構成図および図6の充電電流およびコンデンサ電圧の時間変化グラフにより詳述する。本実施例は上記実施例の充電方法において上記第一の自己消弧形スイッチング素子21および第二の自己消弧形スイッチング素子24を消弧させるタイミングを決定する判定条件の演算式に特徴がある。
上記実施例の充電方法において、リアクトル3とコンデンサ6からなる共振回路の損失がない理想的な場合は、コンデンサ6の第二段の共振充電開始前の中間電圧Vosは〔数3〕で計算される値となっているのが良い。
【0041】
【数3】
【0042】
また、第一段の回生チョッパ充電においては、第一の自己消弧型スイッチング素子21および第二の自己消弧形スイッチング素子24を消弧に転じる時点をピークとした二等辺三角波状の電流が流れるので、この時点を決める判定電圧Vs1をコンデンサの充電開始前の電圧Vopと第二段の共振充電開始前の中間電圧Vosの平均値であるとすると、次式が得られる。
【0043】
【数4】
【0044】
ここで、〔数4〕に〔数3〕を代入し、Vosを消去すると、次式が得られる。
【0045】
【数5】
【0046】
従って、第一の自己消弧型スイッチング素子21および第二の自己消弧形スイッチング素子24を消弧に転じる判定電圧Vs1は近似計算として〔数5〕の演算により得られる。実際には共振回路の損失や、第一段チョッパ充電における二等辺三角波状電流波形の傾きの変化があるので、〔数5〕の少なくとも一つの項に補正を与えて判定を行う方法が有効である。すなわち、アナログ演算増幅器を用いたオフセット調整付きの加減算器の各抵抗値を調整して、充電電圧の変動を極小化する方法が採られる。デジタル演算による場合は、補正係数を乗算または/および加算することで等価な効果が得られる。
図16および図18において、信号名Voeはコンデンサ充電電圧目標値、Viは直流電源電圧値、vはコンデンサ電圧瞬時値、CHGは充電指令信号、Vopはコンデンサの充電開始前の電圧値、Vs1は判定電圧、GATE−C.は充電ゲート信号、GATE−D.は転流ゲート信号であり、ブロック記号DIF.は差動増幅器、ADD.は加減算器、S.H.はサンプルホールド回路、CMP1およびCMP2は各々第一および第二の比較器、TIM2は第二のタイマ、ORは論理和回路、LOGは論理回路を示す。
上述の〔数5〕の演算を加減算器ADDで行ない、第一の比較器CMP1により第一段チョッパ充電の第一の自己消弧形スイッチング素子21および第二の自己消弧形スイッチング素子24を消弧させるタイミングを決定すること以外は、図17および図19の説明と同一の構成、機能および動作となる。
【0047】
本発明の電源装置の他の実施例について、図8の回路図により以下に述べる。
本実施例は図2に示す実施例において充電用整流素子5を充電用スイッチング素子5aに置き換えたものである。
【0048】
繰り返し充放電を行う時、負荷回路に誘導性リアクタンスや変圧器を含む場合には、負荷への放電後にコンデンサ6に充電電圧とは逆極性の電圧が残る場合が多い。この逆電圧が残ると、充電用整流素子5は導通方向となり、第一の自己消弧型スイッチング素子21および第二の自己消弧形スイッチング素子24に順方向電圧が立ち上がる方向に印加されてdv/dtによる誤点弧等の問題が生じる場合がある。また、図2の回路図の場合には、変圧器8の二次巻線を通して振動電流が流れてしまい、次の充電制御の妨げとなる。これらの現象を防止して安定に繰り返し充放電動作する目的で、上記充電用整流素子5の代わりに能動的スイッチングが可能な充電用スイッチング素子5aを用いるものである。該充電用スイッチング素子5aは、第一の自己消弧型スイッチング素子21および第二の自己消弧形スイッチング素子24をオンする時点で同時に点弧すれば良いので、同じタイミング信号で制御することができる。
【0049】
本発明の電源装置の他の実施例について、図9の回路図により以下に述べる。
本実施例は図1に示す実施例の主回路において、コンデンサ6に並列に接続される負荷7の回路の負荷用スイッチング素子9をIGBTとしたものである。
【0050】
繰り返し充放電を行う場合において、負荷が放電灯のような自己放電負荷ではない場合や、急峻な電圧立ち上がりを要求される場合に、負荷との間に負荷用スイッチング素子9が必要となる。装置のメンテナンス周期を長くするためには、該負荷用スイッチング素子9をサイラトロンのような放電管ではなく固体スイッチング素子とする方法が有利であり、ここではIGBTを用いた例を示した。当然サイリスタ、GTO、GCT、SIサイリスタ、FETのような他の固体スイッチング素子も用いることができる。
【0051】
これらのスイッチング素子の特性上、逆方向に電圧が加わるのを阻止する必要がある場合は整流素子を追加する。負荷が放電灯のような自己放電負荷の場合でも、電流方向を一方向に特定することにより電極材料を陽極と陰極それぞれに最適に選択できる利点があるので、負荷用整流器を置くことが有利となる場合がある。また、放電後にコンデンサ6に残るエネルギーを多くし、このエネルギーを直流電源1へ回生して再度利用するために、負荷回路の電流方向を一方向に限定する負荷用整流素子を直列に挿入することが有利となる場合も多い。
【0052】
本発明の電源装置の他の実施例について、図10の回路図により詳述する。本実施例は図5に示す実施例の主回路において、コンデンサ6と負荷7との間に磁気スイッチ10を設けたものである。
【0053】
最終的な負荷が放電励起レーザの場合など、急峻な電圧立ち上がりを有する出力電圧波形を要求される場合があるが、磁性体の磁気飽和現象を利用して電圧パルスの立ち上がり時間および持続時間を短縮する磁気スイッチ10を用いた磁気パルス圧縮と呼ばれる技術がある。コンデンサ6、上記磁気スイッチ10、負荷7からなる回路は上記磁気スイッチ10の飽和後のインダクタンスにより、負荷7が放電終了後非導通状態へと回復した時点で、上記コンデンサ6に残留電圧が残っている場合が多く、その値も条件によって変動するので、前述の電源装置および充電方法により、次回の充電電圧を安定化する方法が有効である。
【0054】
本発明の電源装置の他の実施例について、図11の回路図により詳述する。本実施例は図8に示す実施例の主回路において、リアクトル3を変圧器8の漏れインダクタンスで代用し、負荷7を昇圧変圧器17、高圧コンデンサ18、磁気スイッチ10、ピーキングコンデンサ19、および放電励起レーザ11で構成し、負荷用スイッチング素子9としてサイリスタを採用したものである。
【0055】
最終的な負荷が放電励起レーザ11の場合には、10kV以上の高電圧が要求されるので、通常、整合のために昇圧変圧器17を設ける。図11の回路では、コンデンサ6充電完了後、負荷用スイッチング素子9を点弧して昇圧変圧器17を介して上記コンデンサ6から高圧コンデンサ18へのエネルギー転送を行う。
磁気スイッチ10の飽和後、さらにピーキングコンデンサ19へと通常0.1μs程度の短時間でエネルギー転送が行われ、放電励起レーザ11が放電を開始してレーザ媒質を励起する。放電励起レーザ11は、初期の励起後アーク放電状態となってインピーダンスが急激に低下し、消費されなかったエネルギーで上記ピーキングコンデンサ19の電荷が反転する。この後、上記磁気スイッチ10が逆方向に飽和して上記高圧コンデンサ18を反転方向に充電して、さらに上記昇圧変圧器17を介して上記コンデンサ6を反転方向に充電してエネルギーが戻る。
この時点で上記負荷用スイッチング素子9が消弧し、充電用スイッチング素子5aは先の充電完了時点で消弧しているので上記コンデンサ6は反転方向に充電された状態を次回の充電開始まで保持する。
【0056】
【発明の効果】
本発明により、コンデンサの充電電圧目標値が繰り返される毎に変化する場合にも損失が少なく、かつ充電電圧の誤差が小さいコンデンサ充電用電源装置を簡単な回路構成で実現し、高性能かつ信頼性の高いパルス電源が提供できる。また、充電開始時にコンデンサ電圧が正負どちらの極性で残留している場合でも、このエネルギーを無駄にすることなく効率の良い共振充電が可能な電源装置を実現することができる。
【0057】
さらに、充電回路中に変圧器8を挿入し、直流電源と負荷回路の整合を取ると同時に変圧器の漏れインダクタンスを充電用のリアクトルとして利用することにより、適用範囲の拡大および装置の小型化を同時に実現することが可能となる。
【0058】
また、第一段のチョッパ充電と第二段の共振充電に分割した充電方法により、チョッパブリッジの自己消弧型スイッチング素子の動作負担を軽減し、1回の共振充電の場合よりも1ランク低い電流定格の素子で同じエネルギーの充電動作が可能になり、電源装置を小型化・低コスト化することができる。
【0059】
そして、充電用整流素子5とコンデンサ6との直列回路に並列にさらに転流用スイッチング素子4を含む回路を接続することにより、充電電圧を0.1%以内の高精度に制御することができる。
【0060】
また、コンデンサ6と負荷7との間に負荷用スイッチング素子9を設けることにより、コンデンサ6の充電動作を負荷7と独立に行い、正確なタイミングで負荷7にパルス電力を供給することが可能となる。
【0061】
さらに、コンデンサ6と負荷7との間に磁気スイッチ10を設けることで、より急峻な電圧の立ち上がりが可能となり、簡単な構成で高効率化、長寿命化、および信頼性向上を図ることができ、充電電圧の安定度向上により磁気スイッチ10が飽和してオン状態になるまでの動作時間ジッタの小さいパルス電源を実現することができる。
【0062】
さらに、放電励起レーザ11との組み合わせにより、簡単な構成で高効率化、長寿命化、および信頼性向上を図ることができ、出力エネルギーを精度良く制御できる放電励起レーザ装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電源装置の一実施例の回路図である。
【図2】本発明の電源装置の他の実施例の部分回路図である。
【図3】本発明の電源装置の他の実施例の回路図である。
【図4】本発明の電源装置の他の実施例の回路図である。
【図5】本発明の電源装置の他の実施例の回路図である。
【図6】本発明の電源装置の一実施例における充電電流とコンデンサ電圧の経時変化を示す図である。
【図7】本発明の電源装置の他の実施例における各部電流とコンデンサ電圧の経時変化を示す図である。
【図8】本発明の電源装置の他の実施例の部分回路図である。
【図9】本発明の電源装置の他の実施例の部分回路図である。
【図10】本発明の電源装置の他の実施例の部分回路図である。
【図11】本発明の電源装置の他の実施例の部分回路図である。
【図12】従来例の電源装置における充電電流とコンデンサ電圧の経時変化を示す図である。
【図13】本発明の電源装置の他の実施例における充電電流とコンデンサ電圧の経時変化を示す図である。
【図14】従来例の電源装置の部分回路図である。
【図15】従来例の電源装置における各部電流とコンデンサ電圧の経時変化を示す図である。
【図16】本発明の電源装置の一実施例における演算回路部構成図である。
【図17】本発明の電源装置の他の実施例における演算回路部構成図である。
【図18】本発明の電源装置の他の実施例における演算回路部構成図である。
【図19】本発明の電源装置の他の実施例における演算回路部構成図である。
【符号の説明】
1 直流電源
2 チョッパブリッジ
2a 正極側入力端子
2b 負極側入力端子
2c 正極側出力端子
2d 負極側出力端子
3 リアクトル
4 転流用スイッチング素子
5 充電用整流素子
5a 充電用スイッチング素子
6 コンデンサ
7 負荷
8 変圧器
9 負荷用スイッチング素子
10 磁気スイッチ
11 放電励起レーザ
12 演算回路部
13 チョッパブリッジ駆動回路
14 直流電源電圧測定用分圧器
15 コンデンサ電圧測定用分圧器
16 変流器
17 昇圧変圧器
18 高圧コンデンサ
19 ピーキングコンデンサ
21 第一の自己消弧型スイッチング素子
22 第一の整流素子
23 第二の整流素子
24 第二の自己消弧型スイッチング素子
101 第一のサイリスタ
102 第二のサイリスタ
Vi 直流電源電圧値
Vop コンデンサの充電開始前の電圧値
Voe コンデンサ充電電圧目標値
v コンデンサ電圧瞬時値
i 充電電流瞬時値
to 点弧タイミング
ts 消弧タイミング
Vos 第二段の充電開始前の中間電圧
Vs1 判定電圧
GATE−C. 充電ゲート信号
GATE−D. 転流ゲート信号
DIF. 差動増幅器
ADD. 加減算器
S.H. サンプルホールド回路
CMP1 第一の比較器
CMP2 第二の比較器
TIM1 第一のタイマ
TIM2 第二のタイマ
OR 論理和回路
LOG 論理回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention mainly relates to a power supply device used for capacitor charging for repeatedly performing capacitor discharge, and more particularly to a power supply technology suitable for a discharge excitation laser device.
[0002]
[Prior art]
In resonant charging using the series resonance of the capacitor and the reactor, when the capacitor voltage reaches the set value, the Q value of the series resonance circuit is instantaneously lowered by firing the switching elements connected to both ends of the reactor. Specifically, a charge control method called de-Q (dequeue) is known in which the current flowing in the reactor is circulated to stop the subsequent charging and obtain a predetermined capacitor charging voltage. .
In the conventional circuit example shown in FIG. 14, the
FIG. 15 is a current / voltage waveform diagram of the conventional circuit, showing the waveform of the charging current instantaneous value i, the current iq2 of the second thyristor 102, and the capacitor voltage instantaneous value v at this time.
[0003]
In the application example in which the capacitor is repeatedly charged / discharged, especially when the charging voltage target value changes each time it is repeated, the voltage of the DC power supply cannot normally be changed rapidly. It is necessary to change the timing for stopping the subsequent charging. Especially when the charge voltage target value decreases, it is necessary to ignite the circulating switching element when the value of the current flowing through the reactor is relatively large, and the energy remaining in the reactor is lost and heat generation increases. was there.
Furthermore, at this time, it takes a long time to commutate a relatively large charging current flowing in the capacitor circuit to the circuit for the recirculation switching element. During this time, the voltage of the capacitor increases excessively, resulting in an error in charging voltage control. There was also a problem that increased.
[0004]
Further, in a pulse power supply device that repeatedly discharges, there are many cases where the voltage value of the capacitor for charging / discharging is not zero at the start of charging. For example, when an inductive reactance or transformer is included in the load circuit, a voltage with the opposite polarity to the charge voltage remains, and in the case of a non-linear load with a dominant resistance component such as a discharge lamp, the voltage with the same polarity as the charge voltage Often remained.
[0005]
In the resonant charging, as shown in the time-dependent graph of the charging current and the capacitor voltage in the resonant charging waveform diagram of FIG. 12, the voltage waveform of the capacitor has a DC power supply voltage value Vi as the center value, and this before the capacitor charging starts. Since the difference between the voltage value Vop and the DC power supply voltage value Vi, that is, (Vi−Vop), is the damped oscillation with the initial amplitude, the DC power supply voltage value Vi, the voltage value Vop before the start of capacitor charging, and the capacitor charging voltage target value It is desirable that the following relationship is established for Voe.
[0006]
[Expression 1]
[0007]
In [Equation 1], Vcomp is a voltage correction term for compensating for the loss of the resonance circuit and / or performing a commutation operation.
[0008]
If the value on the right side of [Equation 1] exceeds Vi, the capacitor voltage cannot be charged to Voe by resonant charging, so the DC power supply voltage value Vi needs to be somewhat higher than Voe / 2. There is. In the conventional resonance charging type power supply device, when the capacitor charging voltage target value Voe is low or when the voltage value Vop before starting charging of the capacitor becomes a negative value, the value on the right side of [Equation 1] However, since the DC power supply voltage value Vi is increased, the charging voltage of the capacitor is increased, and charging is stopped before the charging current value is decreased. Therefore, the energy remaining in the reactor at that time is consumed and the loss is lost. There is a problem that the time required for the charging current to increase or the commutation of the charging current is required, and the charging voltage control accuracy is deteriorated by the charging current during this time.
[0009]
In relation to the present invention, the following prior arts are known, but have the above-mentioned problems or require a complicated circuit configuration and / or control method as a solution.
Japanese Patent Application No. 8-524960 "Pulse power generation circuit to recover energy"
US PAT. No.5,729,562 PULSE POWER GENERATING CIRUCUIT WITH ENERGY RECOVERY
US PAT.No.6,028,872 HIGH PULSE RATE PULSE POWER SYSTEM WITH RESONANT POWER SUPPLY
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made to solve the above-described problem, and realizes a capacitor charging power supply device that has a small loss even when the charging voltage target value of the capacitor changes each time it is repeated and has a small charging voltage error. To do.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
That is, the first self-extinguishing
[0012]
Also, Positive
[0013]
Also, positive
[0014]
The charging
[0015]
Also, The
[0016]
In addition, the
[0017]
The charging
[0018]
Also, a
[0019]
Further, in the above power supply apparatus, the
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the power supply device of the present invention, the
[0021]
In addition, a charging method is used in which charging is performed sequentially by a chopper operation in which the capacitor 6 is charged in the first stage with a triangular waveform, and a resonance charging operation in which the capacitor 6 is charged in the second stage with a sine half-wave current waveform. Therefore, even when the target charging voltage changes every time or the capacitor voltage value before the start of charging fluctuates, the capacitor voltage at the start of the second stage charging is optimized, and the loss is low and the charging voltage accuracy is good. Charging operation can be performed.
[0022]
Further, a circuit including the commutation switching element 4 is provided in parallel to the series circuit of the charging
[0023]
【Example】
FIG. 1 is a circuit diagram of an embodiment of a power supply device according to the present invention. The implementation of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
[0024]
In the power supply device of the present invention, by providing the
That is, in the circuit diagram shown in FIG. 1, when the
[0025]
The point of time when the self-extinguishing
[0026]
[Expression 2]
[0027]
At this time, the electric energy of the voltage oscillation centering on v = Vi becomes a value necessary for setting the voltage of the capacitor 6 to the capacitor charging voltage target value Voe at the current zero point to come. In [Equation 2], Vcomp is a voltage correction term for compensating for the loss of the resonance circuit and / or performing a commutation operation. This calculation is executed in the high-speed and high-precision analog arithmetic circuit of the
[0028]
FIG. 13 is a diagram showing the change over time of the charging current and the capacitor voltage in this example. In FIG. 13, Vop is a voltage value before starting capacitor charging, Voe is a capacitor charging voltage target value, and Vi is a DC power supply voltage value. The self-extinguishing
[0029]
After the charging is completed, the
[0030]
Here, an example is shown in which an IGBT is used as a self-extinguishing type switching element, but the same effect can be obtained by using other solid-state switching elements such as GTO, GCT, and FET. Further, it is desirable that a smoothing capacitor that can withstand the pulse charge / discharge that is inevitable in the present invention is connected in parallel to the output terminal of the
[0031]
FIG. 2 is a partial circuit diagram of another embodiment of the power supply device of the present invention, in which the
[0032]
In particular, when there is a demand to increase the voltage of the capacitor 6, the
[0033]
Another embodiment of the power supply device of the present invention will be described in detail with reference to the circuit diagram of FIG. 3, the arithmetic circuit unit configuration diagram of FIG. 17, and the time change graph of the charging current and capacitor voltage of FIG. The power supply apparatus shown in the circuit diagram of FIG. 3 of the present embodiment has a configuration in which the
[0034]
In this embodiment, as shown in FIG. 6, charge control is performed in two stages. The purpose is that the power loss of the self-extinguishing type switching element of the
[0035]
In FIG. 17, the signal name Voe is the capacitor charging voltage target value, Vi is the DC power supply voltage value, v is the capacitor voltage instantaneous value, CHG is the charging command signal, Vop is the voltage value before starting the capacitor charging, GATE-C. Is a charge gate signal, and the block symbol DIF. Is a differential amplifier, ARI. Is an arithmetic unit, S.I. H. Is a sample and hold circuit, TIM1 and TIM2 are first and second timers, respectively, and OR is an OR circuit.
When the
[0036]
Another embodiment of the power supply device of the present invention will be described in detail with reference to the circuit diagram of FIG. In this embodiment, in the embodiment shown in FIG. 1, a circuit including a commutation switching element 4 is further connected in parallel to a series circuit of a charging
[0037]
In this embodiment, the
[0038]
Another embodiment of the power supply device of the present invention will be described in detail with reference to the circuit diagram of FIG. 5, the arithmetic circuit unit configuration diagram of FIG. 19, and the time change graph of the charging current and capacitor voltage of FIG. The power supply device of the circuit diagram of FIG. 5 of the present embodiment has a configuration in which the commutation switching element 4 is connected in parallel to the series circuit of the charging
[0039]
In this embodiment, as shown in FIG. 7, charging control is performed in three stages. The purpose is that the power loss of the self-extinguishing type switching element of the
In FIG. 19, the signal name Voe is the capacitor charging voltage target value, Vi is the DC power supply voltage value, v is the capacitor voltage instantaneous value, CHG is the charging command signal, Vop is the voltage value before starting the capacitor charging, GATE-C. Is a charge gate signal, GATE-D. Is a commutation gate signal, and the block symbol DIF. Is a differential amplifier, ARI. Is an arithmetic unit, S.I. H. Is a sample and hold circuit, TIM1 and TIM2 are first and second timers, LOG. Indicates a logic circuit, and CMP2 indicates a second comparator.
When the
[0040]
Another embodiment of the power supply device of the present invention will be described in detail with reference to the circuit diagram of FIG. 5, the operational circuit configuration diagram of FIGS. 17 and 19, and the time variation graph of the charging current and capacitor voltage of FIG. The present embodiment is characterized by an arithmetic expression of a determination condition for determining timing for extinguishing the first self-extinguishing
In the charging method of the above embodiment, in the ideal case where there is no loss of the resonance circuit composed of the
[0041]
[Equation 3]
[0042]
In the first stage regenerative chopper charging, an isosceles triangular current having a peak at the time when the first self-extinguishing
[0043]
[Expression 4]
[0044]
Here, by substituting [Equation 3] into [Equation 4] and eliminating Vos, the following equation is obtained.
[0045]
[Equation 5]
[0046]
Therefore, the determination voltage Vs1 for turning the first self-extinguishing
In FIG. 16 and FIG. 18, the signal name Voe is the capacitor charging voltage target value, Vi is the DC power supply voltage value, v is the capacitor voltage instantaneous value, CHG is the charging command signal, Vop is the voltage value before starting the capacitor charging, and Vs1 is Determination voltage, GATE-C. Is a charge gate signal, GATE-D. Is a commutation gate signal, and the block symbol DIF. Is a differential amplifier, ADD. Is an adder / subtracter, S.P. H. Is a sample and hold circuit, CMP1 and CMP2 are first and second comparators, TIM2 is a second timer, OR is an OR circuit, and LOG is a logic circuit.
The calculation of the above [Equation 5] is performed by the adder / subtractor ADD, and the first comparator CMP1 supplies the first self-extinguishing
[0047]
Another embodiment of the power supply device of the present invention will be described below with reference to the circuit diagram of FIG.
In this embodiment, the charging
[0048]
When the charge circuit is repeatedly charged and the load circuit includes an inductive reactance or a transformer, a voltage having a polarity opposite to the charge voltage often remains in the capacitor 6 after discharge to the load. When this reverse voltage remains, the
[0049]
Another embodiment of the power supply device of the present invention will be described below with reference to the circuit diagram of FIG.
In this embodiment, in the main circuit of the embodiment shown in FIG. 1, the
[0050]
When charging and discharging repeatedly, when the load is not a self-discharge load such as a discharge lamp or when a steep voltage rise is required, the
[0051]
If it is necessary to prevent the voltage from being applied in the reverse direction due to the characteristics of these switching elements, a rectifying element is added. Even when the load is a self-discharge load such as a discharge lamp, it is advantageous to place a load rectifier because the electrode material can be optimally selected for each anode and cathode by specifying the current direction in one direction. There is a case. Further, in order to increase the energy remaining in the capacitor 6 after discharging and regenerate and reuse this energy for the
[0052]
Another embodiment of the power supply device of the present invention will be described in detail with reference to the circuit diagram of FIG. In this embodiment, a
[0053]
In some cases, such as when the final load is a discharge-pumped laser, an output voltage waveform with a steep voltage rise may be required. However, the rise time and duration of the voltage pulse are shortened using the magnetic saturation phenomenon of the magnetic material. There is a technique called magnetic pulse compression using the
[0054]
Another embodiment of the power supply device of the present invention will be described in detail with reference to the circuit diagram of FIG. In this embodiment, in the main circuit of the embodiment shown in FIG. 8, the
[0055]
When the final load is the discharge excitation laser 11, a high voltage of 10 kV or higher is required, and therefore a step-up
After the
At this time, the
[0056]
【The invention's effect】
The present invention realizes a capacitor charging power supply device with a simple circuit configuration that has low loss and small charging voltage error even when the capacitor charging voltage target value changes each time it is repeated, and has high performance and reliability. High pulse power supply. Further, even when the capacitor voltage remains in either positive or negative polarity at the start of charging, it is possible to realize a power supply device capable of efficient resonance charging without wasting this energy.
[0057]
Furthermore, the
[0058]
In addition, the charging method divided into the first-stage chopper charging and the second-stage resonance charging reduces the operation burden of the self-extinguishing switching element of the chopper bridge, and is one rank lower than the case of one resonance charging. The current rated elements can be charged with the same energy, and the power supply device can be reduced in size and cost.
[0059]
Further, by connecting a circuit including the commutation switching element 4 in parallel to the series circuit of the charging
[0060]
Further, by providing the
[0061]
Furthermore, by providing the
[0062]
Furthermore, by combining with the discharge excitation laser 11, it is possible to achieve a high efficiency, long life, and improved reliability with a simple configuration, and it is possible to realize a discharge excitation laser device capable of controlling output energy with high accuracy. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of an embodiment of a power supply device of the present invention.
FIG. 2 is a partial circuit diagram of another embodiment of the power supply device of the present invention.
FIG. 3 is a circuit diagram of another embodiment of the power supply device of the present invention.
FIG. 4 is a circuit diagram of another embodiment of the power supply device of the present invention.
FIG. 5 is a circuit diagram of another embodiment of the power supply device of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing changes over time in charging current and capacitor voltage in an embodiment of the power supply device of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing changes with time of each part current and capacitor voltage in another embodiment of the power supply device of the present invention;
FIG. 8 is a partial circuit diagram of another embodiment of the power supply device of the present invention.
FIG. 9 is a partial circuit diagram of another embodiment of the power supply device of the present invention.
FIG. 10 is a partial circuit diagram of another embodiment of the power supply device of the present invention.
FIG. 11 is a partial circuit diagram of another embodiment of the power supply device of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing changes over time in charging current and capacitor voltage in a power supply device of a conventional example.
FIG. 13 is a diagram showing changes over time in charging current and capacitor voltage in another embodiment of the power supply device of the present invention.
FIG. 14 is a partial circuit diagram of a conventional power supply device.
FIG. 15 is a diagram showing a change with time of each part current and capacitor voltage in a conventional power supply device;
FIG. 16 is a configuration diagram of an arithmetic circuit unit in an embodiment of the power supply device of the present invention.
FIG. 17 is a configuration diagram of an arithmetic circuit unit in another embodiment of the power supply device of the present invention.
FIG. 18 is a configuration diagram of an arithmetic circuit unit in another embodiment of the power supply device of the present invention.
FIG. 19 is a configuration diagram of an arithmetic circuit unit in another embodiment of the power supply device of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 DC power supply
2 Chopper bridge
2a Positive side input terminal
2b Negative side input terminal
2c Positive output terminal
2d Negative output terminal
3 reactors
4 Switching elements for commutation
5 Rectifying element for charging
5a Switching element for charging
6 capacitors
7 Load
8 Transformer
9 Load switching elements
10 Magnetic switch
11 Discharge excitation laser
12 Arithmetic circuit
13 Chopper bridge drive circuit
14 Voltage divider for DC power supply voltage measurement
15 Voltage divider for measuring capacitor voltage
16 Current transformer
17 Step-up transformer
18 High voltage capacitor
19 Peaking Capacitor
21 First self-extinguishing switching element
22 First rectifier
23 Second rectifier
24 Second self-extinguishing switching element
101 First thyristor
102 Second thyristor
Vi DC power supply voltage value
Vop Capacitor value before starting charging
Voe capacitor charge voltage target value
v Capacitor voltage instantaneous value
i Charge current instantaneous value
to firing timing
ts Arc extinguishing timing
Vos Intermediate voltage before the start of second stage charging
Vs1 judgment voltage
GATE-C. Charging gate signal
GATE-D. Commutation gate signal
DIF. Differential amplifier
ADD. Adder / subtractor
S. H. Sample hold circuit
CMP1 first comparator
CMP2 second comparator
TIM1 first timer
TIM2 Second timer
OR OR circuit
LOG Logic circuit
Claims (9)
該チョッパブリッジの入力端子間に接続した直流電源と、
該チョッパブリッジの出力端子間に直列接続したリアクトルと充電用整流素子とコンデンサと、
前記チョッパブリッジを駆動するチョッパブリッジ駆動回路部と、
前記チョッパブリッジ駆動回路部を制御することで、前記第一および第二の自己消弧型スイッチング素子を所定の時間導通させた後に消弧し、前記第一および第二の整流素子に転流させて三角波状の電流波形で前記コンデンサを第一段充電として充電するチョッパ動作と、前記第一および第二の自己消弧型スイッチング素子を再度導通させて、前記直流電源と前記リアクトルと前記コンデンサとからなる共振回路により正弦半波状の電流波形で所定の電圧まで該コンデンサを第二段充電として充電する共振充電動作とを順次行わせる演算回路部と
を備えることを特徴とする電源装置。Connect the first self-turn-off switching element between the positive-side input terminal and the positive electrode side output terminal, a first rectifier element connected between said positive output terminal and negative input terminals, the a second rectifying element connected between the positive side input terminal and the negative side output terminal, and connect the second self-extinguishing type switching element between said negative input terminal and the negative side output terminal Chopper bridge
A DC power source connected between the input terminals of the chopper bridge;
A reactor connected in series between the output terminals of the chopper bridge, a charging rectifier, and a capacitor ;
A chopper bridge driving circuit unit for driving the chopper bridge;
By controlling the chopper bridge drive circuit unit, the first and second self-extinguishing switching elements are turned on after being turned on for a predetermined time, and commutated to the first and second rectifying elements. A chopper operation that charges the capacitor as a first-stage charge with a triangular waveform, and the first and second self-extinguishing switching elements are turned on again, and the DC power supply, the reactor, and the capacitor An arithmetic circuit unit for sequentially performing a resonance charging operation for charging the capacitor as a second stage charge to a predetermined voltage with a sinusoidal half-wave current waveform by a resonance circuit comprising:
Power supply, characterized in that it comprises a.
該チョッパブリッジの入力端子間に接続した直流電源と、
該チョッパブリッジの出力端子間に直列接続した変圧器と充電用整流素子とコンデンサと、
前記チョッパブリッジを駆動するチョッパブリッジ駆動回路部と、
前記チョッパブリッジ駆動回路部を制御することで、前記第一および第二の自己消弧型スイッチング素子を所定の時間導通させた後に消弧し、前記第一および第二の整流素子に転流させて三角波状の電流波形で前記コンデンサを第一段充電として充電するチョッパ動作と、前記第一および第二の自己消弧型スイッチング素子を再度導通させて、前記直流電源と前記変圧器の漏れインダクタンスと前記コンデンサとからなる共振回路により正弦半波状の電流波形で所定の電圧まで該コンデンサを第二段充電として充電する共振充電動作とを順次行わせる演算回路部と
を備えることを特徴とする電源装置。 A first self-extinguishing switching element is connected between the positive electrode side input terminal and the positive electrode side output terminal, and a first rectifier element is connected between the negative electrode side input terminal and the positive electrode side output terminal, A second rectifying element is connected between the positive input terminal and the negative output terminal, and a second self-extinguishing switching element is connected between the negative input terminal and the negative output terminal. Chopper bridge
A DC power source connected between the input terminals of the chopper bridge;
A transformer connected in series between the output terminals of the chopper bridge, a charging rectifier, and a capacitor;
A chopper bridge driving circuit unit for driving the chopper bridge;
By controlling the chopper bridge drive circuit unit, the first and second self-extinguishing switching elements are turned on after being turned on for a predetermined time, and commutated to the first and second rectifying elements. A chopper operation for charging the capacitor as a first-stage charge with a triangular wave-like current waveform, and conducting again the first and second self-extinguishing switching elements, and the leakage inductance of the DC power supply and the transformer And an arithmetic circuit unit for sequentially performing a resonance charging operation of charging the capacitor as a second stage charge to a predetermined voltage with a sinusoidal half-wave current waveform by a resonance circuit comprising the capacitor and
Power supply, characterized in that it comprises a.
該チョッパブリッジの入力端子間に接続した直流電源と、
該チョッパブリッジの出力端子間に直列接続したリアクトルと変圧器と充電用整流素子とコンデンサと、
前記チョッパブリッジを駆動するチョッパブリッジ駆動回路部と、
前記チョッパブリッジ駆動回路部を制御することで、前記第一および第二の自己消弧型スイッチング素子を所定の時間導通させた後に消弧し、前記第一および第二の整流素子に転流させて三角波状の電流波形で前記コンデンサを第一段充電として充電するチョッパ動作と、前記第一および第二の自己消弧型スイッチング素子を再度導通させて、前記直流電源と前記リアクトルと前記変圧器の漏れインダクタンスと前記コンデンサとからなる共振回路により正弦半波状の電流波形で所定の電圧まで該コンデンサを第二段充電として充電する共振充電動作とを順次行わせる演算回路部と
を備えることを特徴とする電源装置。 A first self-extinguishing switching element is connected between the positive electrode side input terminal and the positive electrode side output terminal, and a first rectifier element is connected between the negative electrode side input terminal and the positive electrode side output terminal, A second rectifying element is connected between the positive input terminal and the negative output terminal, and a second self-extinguishing switching element is connected between the negative input terminal and the negative output terminal. Chopper bridge
A DC power source connected between the input terminals of the chopper bridge;
A reactor, a transformer, a charging rectifier, and a capacitor connected in series between the output terminals of the chopper bridge;
A chopper bridge driving circuit unit for driving the chopper bridge;
By controlling the chopper bridge drive circuit unit, the first and second self-extinguishing switching elements are turned on after being turned on for a predetermined time, and commutated to the first and second rectifying elements. A chopper operation for charging the capacitor as a first-stage charge with a triangular waveform, and the first and second self-extinguishing switching elements are made conductive again, and the DC power supply, the reactor, and the transformer An arithmetic circuit unit that sequentially performs a resonance charging operation of charging the capacitor as a second stage charge to a predetermined voltage with a sinusoidal half-wave current waveform by a resonance circuit including a leakage inductance of the capacitor and a capacitor
Power supply, characterized in that it comprises a.
前記コンデンサに接続したコンデンサ電圧測定用分圧器と、
前記直流電源電圧値をVi、前記コンデンサの充電開始前の電圧値をVopおよび前記コンデンサの充電電圧目標値をVoeとしたときに、
前記演算回路部は、前記チョッパ動作の際に{Vi−(Voe−Vop)/2}なる値を演算し、該演算値をコンデンサの充電電圧値が超えた時点で、前記第一および第二の自己消弧型スイッチング素子の消弧を行わせることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の電源装置。 A DC power supply voltage measuring divider which is connected to the DC power source,
A divider for content measurement capacitor voltage connected to the capacitor,
Said DC power source voltage value Vi, the charging voltage target value of Vop and the capacitor voltage value before start of charging of the capacitor when the Voe,
The arithmetic circuit unit, said by computation the {Vi- (Voe-Vop) / 2} becomes a value at the time of the chopper operation, the calculation value when the charge voltage value exceeds the capacitor, the first and second power supply device according to any of claims 1 to 5, wherein the benzalkonium to perform the extinguishing of the self-extinguishing type switching elements.
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