JP4984801B2 - コンデンサ充電装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力用コンデンサを直流電源として高電圧・大電流のパルスを発生させるパルス電源において、コンデンサを設定電圧まで高い精度で繰り返し充電するコンデンサ充電装置に関する。

この種のパルス電源の使用用途としては、エキシマレーザーやオソナイザなどがあり、充電電圧の設定値に対する充電精度が特に高精度を要求される（例えば０．１％以下の精度）。充電装置は、決められた時間内で負荷コンデンサを充電電圧指令値によって与えられる電圧に充電する。この動作は例えば１秒間に４０００回繰り返される。

図７は従来の充電回路例であり、充電電圧指令値に対し、高速で高精度な充電精度を得るため、１回の充電期間に急速充電期間と微調整期間を設け、先ず急速充電期間で負荷コンデンサを指令値より数％低い電圧（目標電圧）まで急速に充電し、次に微調整期間で電圧指令値Ｖ＊まで追加充電する。この追加充電は、急速充電回路のみでは指令値に対する高精度充電が困難なため、急速充電回路で負荷コンデンサを僅かに低く充電し、微調整回路の追加充電によって高精度充電を実現している（例えば、特許文献１参照）。この回路構成と動作を以下に説明する（波形は図８参照）。

＜急速充電期間の動作＞
図７において、急速充電回路は、直流電源１を電源とし、半導体スイッチ２、リアクトル３、半導体スイッチ４およびフライホイールダイオード５，６によって直流チョッパ型に構成され、その出力電流で負荷コンデンサ７を急速充電する。

電圧制御回路８は、まず、スイッチ２とスイッチ４を同時にオン制御し、回路には矢印Ａの経路で電流を流し、リアクトル３にエネルギーを蓄積する。次に、スイッチ２とスイッチ４を同時にオフ制御し、回路には矢印Ｂの経路で電流を流し、リアクトル３に蓄えられたエネルギーをコンデンサ７へすべて移行させ、コンデンサ７を充電する。このときの充電電圧は、充電電圧指令に係数回路９の係数（ゲインＧ：１以下）を乗じた値を制御回路８の電圧指令値とし、この電圧指令値を基にした制御回路８による演算結果としてスイッチ２，４のオフタイミングを求める。

この演算は、リアクトル３のリアクトル値をＬ、コンデンサ７のコンデンサ容量をＣ、スイッチ２及びスイッチ４をオフした時の電流（矢印Ａ）をＩ、矢印Ｂの電流が流れ終わった時のコンデンサ７の電圧をＶ（以下、粗充電電圧と呼ぶ）とすると、エネルギー保存の法則より、

が成り立つ。急速充電では上式を基に、コンデンサ７を目標電圧（指令値より数％低い電圧）Ｖまで充電する。つまり、常にリアクトル３の電流ｉを検出し、以下の式、

が成立した時にスイッチ２及びスイッチ４をオフする。

＜微調整期間の動作＞
図７において、微調整充電回路は、直流電源１を電源とするインバータ１０で交流電圧を得、これをパルストランス１１で昇圧し、整流回路１２と直流リアクトル１３と半導体スイッチ１４とダイオード１５からなる定電流回路によって、コンデンサ７の微調整充電電流を出力する。定電流充電回路１６は、常時はスイッチ１４をオンしておき、インバータ１０の運転によって、整流回路１２とリアクトル１３およびスイッチ１４の経路で定電流指令によって設定された（一定の直流）電流を流しておく。次に、スイッチ１４をオフ制御し、コンデンサ７に充電電流を流し続け、コンデンサ７を微調整充電する。

この微調整期間制御は、充電電圧指令値Ｖ＊とコンデンサ７の電圧をコンパレータ１７で常に比較しておき、コンデンサ７の電圧が設定値Ｖ＊と一致するまでスイッチ１４をオフする。

図９は、他の充電回路例を示し、図７と異なる部分は、急速充電回路をＬＣ振動電流として供給する場合である（例えば、特許文献２参照）。このＬＣ共振型の急速充電回路は、インバータ構成のパルス発生回路１８とパルストランス１９と整流回路２０およびリアクトル２１によって構成し、電圧制御回路８はパルス発生回路１８に正負逆極性のパルスを交互に発生させ、この各パルス発生毎にリアクトル２１を通してコンデンサ７に半周期の振動電流を流し、１発のパルス発生毎にコンデンサ７を目標電圧まで充電する（波形は図１０参照）。この充電回路は、等価的には、パルス発生回路１８とパルストランス１９および整流回路２０を図７のスイッチ２とダイオード５に置換し、ダイオード６とスイッチ４を省いた構成になる。

このＬＣ共振型の充電電圧制御には、コンデンサ７の電圧Ｖｃを検出しながらパルス発生期間を制御する。すなわち、パルス発生回路１８から１発のパルス電圧を発生したときの電流をＩ、コンデンサ７の充電電圧をＶ₀、パルス停止時のコンデンサ７の電圧をＶとすると、エネルギー保存の法則より以下の式（１−１）が成り立つ。この式からコンデンサ７を目標電圧Ｖまで充電するために、電圧制御回路８では充電電流ｉについて以下の式（２−１）の演算を行い、この式が成立するときにパルス発生回路１８のパルス発生動作を停止する。

以上のような急速充電と微調整充電によるコンデンサ充電装置において、コンデンサ７は周囲温度の変化や装置の稼働率により、内部温度の変化で静電容量が変動し、またリアクトル３のリアクトル値も周囲温度の変化や装置の稼働率により変動することがあり、粗充電電圧が指令値Ｖ（Ｖ＊にゲインＧを乗じた値）からずれてくる場合がある。

例えば、前記の式（１）を変形すると、

であるから、コンデンサ７の静電容量がＣからＣ’に変動すると、粗充電電圧は、

となり、リアクトル３のリアクトル値がＬからＬ’に変動すると、粗充電電圧は、

に変動する。

また、前記の式（１−１）を変形すると、

であるから、コンデンサ７の静電容量がＣからＣ’に変動すると、粗充電電圧は、

となり、リアクトル３のリアクトル値がＬからＬ’に変動すると、粗充電電圧は、

に変動する。

したがって、温度変化等でコンデンサ７の静電容量が減った場合は式（４−１）、式（４−３）より、同じくリアクトル３のリアクトル値が増えた場合は式（４−２）、式（４−４）より粗充電電圧が増大し、粗充電電圧が設定値Ｖ＊を超えてしまい（図１１のａ参照）、微調整充電回路による微調整ができなくなり、結果、充電精度が悪化する。

逆に、コンデンサ７の静電容量が増えた場合は式（４−１）、式（４−３）より、同じくリアクトル３のリアクトル値が減った場合は式（４−２）、式（４−４）より粗充電電圧が減少し（図１１のｂ参照）、以下の不都合がおきる。

・微調整充電回路の充電電流容量の余裕度を高くする必要があり、装置の大型化に繋がる。

・粗充電電圧が下がり、充電の繰り返し周期で決まる微調整期間内に設定値Ｖ＊まで追加充電しきれなくなる場合が生じる。

・これらの不都合を防止する目的で微調整充電電流を大きくすると、微調整充電電圧のｄＶ／ｄｔが増え、充電精度が悪化する。

なお、上記のコンデンサ容量Ｃの変動やリアクトル値Ｌの変動は、これらの温度変化に限らず、装置ユニット単位の交換や回路要素の交換による回路定数の変化によっても起きる。この場合の対策として、特許文献２ではパルス電流エネルギーの変化に対して、電圧制御回路の演算定数の値を変更することで補償している。
特開２００５−０８６９７０号公報 特開２００５−１０８９１０号公報

前記の特許文献２の手法は、充電装置のコンデンサ容量Ｃの変動やリアクトル値Ｌの変動を回路定数の入力設定値変更で補償するものであり、装置ユニット単位の交換や回路要素の交換時に回路定数を変更することになる。

このため、充電装置の運転時の周囲温度の変化や装置の稼働率による温度変化等で、静電容量やリアクトル値が変動した場合には補償できない。すなわち、充電装置の運転時や装置の稼働率による静電容量やリアクトル値の変動に対する補償ができない。

本発明の目的は、充電装置の運転時や装置の稼働率によるコンデンサ容量Ｃまたはリアクトル値Ｌの変動にも、コンデンサの粗充電電圧を適切な値に逐次補正できるコンデンサ充電装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、直流チョッパ型またはＬＣ共振型の急速充電回路と、微調整充電回路とによるコンデンサ充電装置において、負荷コンデンサの容量変動または急速充電回路がもつリアクトルのリアクトル値変動による急速充電電圧の変化を、温度や回路定数、電圧や電流、動作期間を演算要素とする演算によって求め、この演算結果から急速充電回路の出力電流や目標電圧を制御するものであり、以下の構成を特徴とする。

（１）直流チョッパ回路の出力でコンデンサを充電電圧指令値に近い目標電圧まで急速充電する直流チョッパ型の急速充電回路と、前記急速充電後に前記コンデンサを定電流充電で充電電圧指令値まで充電する微調整充電回路とを備えたパルス電源用のコンデンサ充電装置において、
前記急速充電回路の電圧制御回路は、前記コンデンサの容量変動または前記急速充電回路がもつリアクトルのリアクトル値変動による前記急速充電電圧の変化を補正する制御手段を備え、
前記制御手段は、前記コンデンサの粗充電電圧Ｖ１、微調整電圧Ｖ２、微調整電流Ｉおよび微調整充電時間Ｔの計測結果から前記コンデンサ容量Ｃ’を算出し、この算出したコンデンサ容量Ｃ’の変動による急速充電電圧の変化を前記急速充電回路の出力電流制御で補正することを特徴とする。

（２）直流チョッパ回路の出力でコンデンサを充電電圧指令値に近い目標電圧まで急速充電する直流チョッパ型の急速充電回路と、前記急速充電後に前記コンデンサを定電流充電で充電電圧指令値まで充電する微調整充電回路とを備えたパルス電源用のコンデンサ充電装置において、
前記急速充電回路の電圧制御回路は、前記コンデンサの容量変動または前記急速充電回路がもつリアクトルのリアクトル値変動による前記急速充電電圧の変化を補正する制御手段を備え、
前記制御手段は、前記微調整電圧Ｖ２、微調整電流Ｉ、微調整充電時間Ｔの計測結果およびこれら計測結果から予測した粗充電電圧Ｖ１’から前記コンデンサ容量Ｃ’を算出し、この算出したコンデンサ容量Ｃ’の変動による急速充電電圧の変化を前記急速充電回路の出力電流制御で補正、または前記目標電圧Ｖの制御で補正することを特徴とする。

（３）直流チョッパ回路の出力でコンデンサを充電電圧指令値に近い目標電圧まで急速充電する直流チョッパ型の急速充電回路と、前記急速充電後に前記コンデンサを定電流充電で充電電圧指令値まで充電する微調整充電回路とを備えたパルス電源用のコンデンサ充電装置において、
前記急速充電回路の電圧制御回路は、前記コンデンサの容量変動または前記急速充電回路がもつリアクトルのリアクトル値変動による前記急速充電電圧の変化を補正する制御手段を備え、
前記制御手段は、前記リアクトルに電流を流す時間Ｔ２と、そのときの電流Ｉ２および前記直流チョッパ回路の直流電源電圧Ｅから前記リアクトルのリアクトル値Ｌ’を算出し、この算出したリアクトル値Ｌ’の変動による急速充電電圧の変化を前記急速充電回路の出力電流制御で補正することを特徴とするパルス電源用のコンデンサ充電装置。

（４）直流チョッパ回路の出力でコンデンサを充電電圧指令値に近い目標電圧まで急速充電する直流チョッパ型の急速充電回路と、前記急速充電後に前記コンデンサを定電流充電で充電電圧指令値まで充電する微調整充電回路とを備えたパルス電源用のコンデンサ充電装置において、
前記急速充電回路の電圧制御回路は、前記コンデンサの容量変動または前記急速充電回路がもつリアクトルのリアクトル値変動による前記急速充電電圧の変化を補正する制御手段を備え、
前記制御手段は、微調整充電時間Ｔが予め設定された時間Ｔ２を超えた場合、前記微調整電流Ｉ、微調整充電時間Ｔの計測結果およびコンデンサ容量Ｃと充電電圧指令値Ｖ＊から求める比率で次回以降の前記目標電圧Ｖを切換え、微調整充電期間内に充電電圧指令値Ｖ＊まで充電することを特徴とする。

（５）直流チョッパ回路の出力でコンデンサを充電電圧指令値に近い目標電圧まで急速充電する直流チョッパ型の急速充電回路と、前記急速充電後に前記コンデンサを定電流充電で充電電圧指令値まで充電する微調整充電回路とを備えたパルス電源用のコンデンサ充電装置において、
前記急速充電回路の電圧制御回路は、前記コンデンサの容量変動または前記急速充電回路がもつリアクトルのリアクトル値変動による前記急速充電電圧の変化を補正する制御手段を備え、
前記制御手段は、前記コンデンサ容量Ｃまたはリアクトル値Ｌの変動を請求項１〜４の方法により予め算出しておき、算出した容量Ｃとリアクトル値Ｌと、急速充電開始直前に検出した前記急速充電回路の直流電源電圧Ｅと、前記目標電圧Ｖから、該急速充電回路のオン期間Ｔ _ON を制御して急速充電電圧の変化を補正することを特徴とする。

（６）パルス電圧出力をリアクトルを通してコンデンサに振動電流を流して該コンデンサを充電電圧指令値に近い目標電圧まで急速充電するＬＣ共振型の急速充電回路と、前記急速充電後に前記コンデンサを定電流充電で充電電圧指令値まで充電する微調整充電回路とを備えたパルス電源用のコンデンサ充電装置において、
前記急速充電回路の電圧制御回路は、前記コンデンサの容量変動または前記急速充電回路がもつリアクトルのリアクトル値変動による前記急速充電電圧の変化を補正する制御手段を備え、
前記制御手段は、前記コンデンサの粗充電電圧Ｖ１、微調整電圧Ｖ２、微調整電流Ｉおよび微調整充電時間Ｔの計測結果から前記コンデンサ容量Ｃ’を算出し、この算出したコンデンサ容量Ｃ’の変動による急速充電電圧の変化を前記急速充電回路の出力電流制御で補正することを特徴とする。

（７）パルス電圧出力をリアクトルを通してコンデンサに振動電流を流して該コンデンサを充電電圧指令値に近い目標電圧まで急速充電するＬＣ共振型の急速充電回路と、前記急速充電後に前記コンデンサを定電流充電で充電電圧指令値まで充電する微調整充電回路とを備えたパルス電源用のコンデンサ充電装置において、
前記急速充電回路の電圧制御回路は、前記コンデンサの容量変動または前記急速充電回路がもつリアクトルのリアクトル値変動による前記急速充電電圧の変化を補正する制御手段を備え、
前記制御手段は、前記微調整電圧Ｖ２、微調整電流Ｉ、微調整充電時間Ｔの計測結果およびこれら計測結果から予測した粗充電電圧Ｖ１’から前記コンデンサ容量Ｃ’を算出し、この算出したコンデンサ容量Ｃ’の変動による急速充電電圧の変化を前記急速充電回路の出力電流制御で補正、または前記目標電圧Ｖの制御で補正することを特徴とする。

（８）パルス電圧出力をリアクトルを通してコンデンサに振動電流を流して該コンデンサを充電電圧指令値に近い目標電圧まで急速充電するＬＣ共振型の急速充電回路と、前記急速充電後に前記コンデンサを定電流充電で充電電圧指令値まで充電する微調整充電回路とを備えたパルス電源用のコンデンサ充電装置において、
前記急速充電回路の電圧制御回路は、前記コンデンサの容量変動または前記急速充電回路がもつリアクトルのリアクトル値変動による前記急速充電電圧の変化を補正する制御手段を備え、
前記制御手段は、前記コンデンサの容量Ｃと、前記リアクトルに電流を流す時間Ｔ２と、そのときの電流Ｉ２および前記急速充電回路の直流電源電圧Ｅから前記リアクトルのリアクトル値Ｌ’を算出し、この算出したリアクトル値Ｌ’の変動による急速充電電圧の変化を前記急速充電回路の出力電流制御で補正することを特徴とする。

（９）パルス電圧出力をリアクトルを通してコンデンサに振動電流を流して該コンデンサを充電電圧指令値に近い目標電圧まで急速充電するＬＣ共振型の急速充電回路と、前記急速充電後に前記コンデンサを定電流充電で充電電圧指令値まで充電する微調整充電回路とを備えたパルス電源用のコンデンサ充電装置において、
前記急速充電回路の電圧制御回路は、前記コンデンサの容量変動または前記急速充電回路がもつリアクトルのリアクトル値変動による前記急速充電電圧の変化を補正する制御手段を備え、
前記制御手段は、微調整充電時間Ｔが予め設定された時間Ｔ２を超えた場合、前記微調整電流Ｉ、微調整充電時間Ｔの計測結果およびコンデンサ容量Ｃと充電電圧指令値Ｖ＊から求める比率で次回以降の前記目標電圧Ｖを切換え、微調整充電期間内に充電電圧指令値Ｖ＊まで充電することを特徴とする。

（１０）パルス電圧出力をリアクトルを通してコンデンサに振動電流を流して該コンデンサを充電電圧指令値に近い目標電圧まで急速充電するＬＣ共振型の急速充電回路と、前記急速充電後に前記コンデンサを定電流充電で充電電圧指令値まで充電する微調整充電回路とを備えたパルス電源用のコンデンサ充電装置において、
前記急速充電回路の電圧制御回路は、前記コンデンサの容量変動または前記急速充電回路がもつリアクトルのリアクトル値変動による前記急速充電電圧の変化を補正する制御手段を備え、
前記制御手段は、前記コンデンサ容量Ｃまたはリアクトル値Ｌの変動を請求項６〜９の方法により予め算出しておき、算出した容量Ｃとリアクトル値Ｌと、急速充電開始直前に検出した前記急速充電回路の直流電源電圧Ｅと、前記充電電圧指令Ｖ＊から、該急速充電回路のオン期間Ｔ _ON を制御して急速充電電圧の変化を補正することを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、直流チョッパ型またはＬＣ共振型の急速充電回路と、微調整充電回路とによるコンデンサ充電装置において、負荷コンデンサの容量変動または急速充電回路がもつリアクトルのリアクトル値変動による急速充電電圧の変化を、温度や回路定数、電圧や電流、動作期間を演算要素とする演算によって求め、この演算結果から急速充電回路の出力電流や目標電圧を制御するため、充電装置の運転時や装置の稼働率によるコンデンサ容量Ｃまたはリアクトル値Ｌの変動にもコンデンサの粗充電電圧を適切な値に逐次補正できる効果がある。

（実施形態１）
図１は、本実施形態を示す充電装置の要部構成図であり、図７と異なる部分は電圧制御回路８による急速充電演算に、温度によるコンデンサ７の容量変動を補正する点にある。

コンデンサ７の静電容量Ｃはその内部温度を計測することで推定が可能であるため、充電開始直前にコンデンサ７の内部温度を温度検出器３１で計測し、この温度計測値から温度補正回路３２によりコンデンサ７の静電容量を算出し、この算出したコンデンサ７の静電容量Ｃ’を変数として、電圧制御回路８では前記の式（２）へ代入することで、コンデンサ７を目標電圧Ｖにまで充電するのに必要な電流ｉを求め、この電流ｉに達したときにスイッチ２，４をオフ制御する。

したがって、周囲温度の変化や装置の稼働率により、コンデンサ７の静電容量が変動した場合にも、コンデンサ７の粗充電電圧を逐次補正して充電精度を高めることができ、前記のような課題を解消できる。

なお、温度補正は、充電装置の運転開始時に限らず、一定回数の充電動作毎に補正することで粗充電精度を一層高めることができる。また、温度補正回路３２は温度−コンデンサ容量特性の関数演算回路とした構成または関数をテーブルデータ化した構成とすることで済む。また、温度検出器３１は、コンデンサ７の温度を直接に計測するに限らず、充電装置の周囲温度計測から推定することもできる。

また、温度補正は、コンデンサ７の容量のほか、リアクトル３のリアクトル値についても同様に補正できる。この場合、温度補正回路３２と同等のリアクトルの値を補正する回路を追加することで済む。

（実施形態２）
図２は、本実施形態を示す充電装置の要部構成図であり、図７と異なる部分は電圧制御回路８による急速充電演算に、コンデンサ７の粗充電電圧Ｖ１、微調整電圧Ｖ２、微調整電流Ｉ、微調整充電時間（スイッチ２６のオフ時間）Ｔの計測結果から、コンデンサ７の静電容量の変動を算出し、この算出したコンデンサ７の静電容量Ｃ’を使って実施形態１と同様に式（２）へ代入することで、コンデンサ７を目標電圧Ｖにまで充電するのに必要な電流ｉを求め、この電流ｉに達したときにスイッチ２，４をオフ制御する点にある。

前回充電時のコンデンサ７の静電容量Ｃは、スイッチ２６のオフ時間をＴ、粗充電電圧をＶ１、微調電圧をＶ２、微調整電流値をＩとすると、下記の演算式より算出される。

電圧制御回路８は、式（６）を基にして算出した静電容量Ｃを式（２）の静電容量Ｃ’に代入した演算を行い、この演算結果に検出電流ｉが一致したときにスイッチ２，４をオフ制御する。

したがって、周囲温度の変化や装置の稼働率により、コンデンサ７の静電容量が変動した場合にも、コンデンサ７の粗充電電圧を逐次補正して充電精度を高めることができ、前記のような課題を解消できる。

なお、静電容量補正は、充電動作毎に計算する必要はなく、一定回数の充電動作毎に補正することで済む。

（実施形態３）
図３は、本実施形態を示す充電装置の要部構成図であり、図２と異なる部分は電圧制御回路８による急速充電演算に、粗充電電圧Ｖ１を測定することなしに、微調整充電時間（スイッチ２６のオフ時間）から粗充電電圧Ｖ１を推定し、目標値Ｖとの誤差を次回の設定値に反映させる点にある。

前回充電時の粗充電電圧の推定値Ｖ１’はスイッチ２６のオフ時間をＴ、充電電圧指令１６（指令値）をＶ＊とすると、前記の式（６）から、

として求めることができる。

また、電圧制御回路８に入力される粗充電電圧の指令値Ｖは、充電電圧指令Ｖ＊に係数回路９の係数（ゲインＧ）を掛けた値であるから、ゲインＧの値を式（７）で求めた推定値Ｖ１’の値を元に変化させることで、次回の粗充電電圧を制御することができる。

ゲインＧを、

ただし、ｇは変数で初期値は例えば１、Ｇ０は変更前のゲインＧの値（初期値）で、コンデンサ７を充電電圧指令値Ｖ＊よりもΔＶだけ低く充電するための値であり、以下の式の関係になる。

次に、前回充電時の目標電圧Ｖ、前記充電時の変数ｇの値をｇ１とすると、次回充電時に用いる変数ｇの値ｇ２を、以下の式（８−２）から求め、

次回充電時に用いるゲインＧを、以下の式（８−３）から求め、これを次回充電時のゲインＧの値とする。

なお、Ｖ＊−ΔＶ＝Ｖ＊’なる粗充電の目標電圧Ｖが予め設定入力されるシステムにおいては、Ｇ０＝１で、以下の式（８−４）で算出される。

本実施形態による演算を具体例で説明すると、前回、電圧制御回路８の入力値Ｖ＊×Ｇ０×ｇ１に対し、実際の粗充電電圧値はＶ１’となり、次回の充電電圧指令Ｖ＊も同じの場合、電圧制御回路８の入力値は、

となることから、粗充電電圧値は、

となり、粗充電電圧を目標電圧Ｖに制御することができる。ただし、コンデンサ７の静電容量Ｃは固定定数としているため誤差は生ずる。

したがって、本実施形態においては、粗充電電圧Ｖ１の検出を不要にして、周囲温度の変化や装置の稼働率により、コンデンサ７の静電容量が変動した場合にも、コンデンサ７の粗充電電圧を逐次補正して充電精度を高めることができ、前記のような課題を解消できる。

（実施形態４）
図４は、本実施形態を示す充電装置の要部構成図であり、図７と異なる部分は電圧制御回路８による急速充電演算に、リアクトル３のリアクトル値Ｌの変動を補正して急速充電電圧を制御する点にある。

電圧制御回路８は、スイッチ２及びスイッチ４のオン時間と、その時の検出電流とからリアクトル３のリアクトル値を算出し、算出したリアクトル３のリアクトル値を変数として前記の式（２）に代入することで、コンデンサ７を目標電圧Ｖにまで充電するのに必要な電流ｉを求め、この電流ｉに達したときにスイッチ２，４をオフ制御する。

スイッチ２及びスイッチ４のオン時間をＴ２、その時のリアクトル３の電流値をＩ２、直流電圧をＥ（＝Ｖ_DC）とすると、リアクトル３のリアクトル値Ｌは、下記の式（９）より求めることができる。

したがって、周囲温度の変化や装置の稼働率により、リアクトル３のリアクトル値Ｌが変動した場合にも、コンデンサ７の粗充電電圧を逐次補正して充電精度を高めることができ、前記のような課題を解消できる。

（実施形態５）
図５は、本実施形態を示す充電装置の要部構成図であり、図３と異なる部分は電圧制御回路８による急速充電演算に、乗算回路９におけるゲインＧをステップ状に切換える点にある。

電圧制御回路８は、前回微調整充電時の時間Ｔ（スイッチ２６のオフ時間）が要求される時間を超えた場合、次回以降の充電に用いる粗充電目標電圧設定用の乗算回路９のゲインＧをステップ状に変化させることで、コンデンサ７の充電電圧を制御する。

微調整充電時間（スイッチ２６のオフ時間）Ｔは前記の式（６）より求まるが、この時間Ｔよりも実際の微調整充電時間が長くなることは、粗充電電圧が下がったことを意味し、前記のように、充電の繰り返し周期で決まる微調整期間内に設定値Ｖ＊まで追加充電しきれなくなるという問題が生じる。

したがって、要求される微調整充電時間Ｔよりも短い適当な時間Ｔ２を設定し、スイッチ２６のオフ時間ＴがＴ２を超えたとき、次回以降に用いるゲインＧを式（８−３）に代えて、以下の式（１０）に従って求める係数（比率）を乗じた値に切換える。

とする。ただし、前回までのゲインＧをＧ０×ｇ１とする。

したがって、本実施形態においては、コンデンサ容量Ｃの変動またはリアクトル値Ｌの変動を補正するのに、ゲインＧの切換えのみで、充電の繰り返し周期から要求される微調整充電期間内に充電電圧指令値Ｖ＊まで充電することができる。これにより、実施形態３等によるＣやＬの変動を演算で求める場合に比べて、式（８−３）によるゲインＧを予め求めておくことができ、電圧制御回路８ではゲインＧの演算が不要になる。

（実施形態６）
図６は、本実施形態を示す充電装置の要部構成図である。前記までの実施形態１〜５では、急速充電期間の制御は電流ｉを検出しながらリアルタイムで前記の式（２）の演算を行うものであるが、急速充電開始直前に直流電源１の電圧Ｖ_DCを検出すれば、目標電圧Ｖまでの充電に必要なスイッチ２及びスイッチ４のオン時間Ｔ_ONを予め算出することができる。例えば、直流電圧Ｖ_DCの値をＥとすると、

であるから、前記の式（１）へ代入して、

で算出可能である。

そこで、電圧制御回路８は、上記の式（１１）により算出する時間Ｔ_ONでスイッチ２，４をオフ制御し、この時間Ｔ_ONの算出に使用するコンデンサ容量Ｃまたはリアクトル値Ｌの変動を前記までの実施形態１〜５における演算によって補正しておく構成とする。これにより、リアクトル電流ｉの検出による急速充電電圧の補正を不要にする。

（実施形態７）
本実施形態は、図９に示すＬＣ共振型の急速充電回路に、前記までの実施形態１〜６と同様の急速充電制御を適用する場合である。

具体的には、前記の実施形態３または実施形態５におけるゲインＧの調整または切換えは、図９のＬＣ共振型の急速充電回路にそのまま適用できる。また、前記の式（２）による電流ｉの演算に代えて、ＬＣ共振型の急速充電回路に適した前記の式（２−１）形のものにすれば実施形態１〜実施形態５と同様の補正ができる。

さらに、前記の式（９）をＬＣ共振型の急速充電回路に適した形のものにすれば実施形態４（図４）と同様にして補正できる。この場合、コンデンサ７の静電容量Ｃ、パルス発生回路１８のパルス発生時間をＴ２、そのときのリアクトル２１の電流値をＩ２、パルストランス１９で昇圧した直流電圧をＥとすると、リアクトル２１の値Ｌは以下の式（９−１）より求めることができる。

また、式（１１）をＬＣ共振型の急速充電回路に適した形のものにすれば実施形態６（図６）と同様にして補正できる。この場合、パルストランス１９で昇圧した直流電圧をＥとすると、以下の式（１１−１）より、パルス発生回路１８のパルス発生時間Ｔ_ONを求めることができる。

本発明の実施形態１を示す充電装置の要部回路図。 本発明の実施形態２を示す充電装置の要部回路図。 本発明の実施形態３を示す充電装置の要部回路図。 本発明の実施形態４を示す充電装置の要部回路図。 本発明の実施形態５を示す充電装置の要部回路図。 本発明の実施形態６を示す充電装置の要部回路図。 急速充電と微調整充電の回路例（その１）。 直流チョッパ型の電流・電圧波形。 急速充電と微調整充電の回路例（その２）。 ＬＣ共振型の電流・電圧波形。 充電電圧の変化の例。

符号の説明

１ 直流電源
２、４ 半導体スイッチ
３ リアクトル
７ 負荷コンデンサ
８ 電圧制御回路
９ 乗算回路
３１ 温度検出器
３２ 温度補正回路

Claims (10)

1. 直流チョッパ回路の出力でコンデンサを充電電圧指令値に近い目標電圧まで急速充電する直流チョッパ型の急速充電回路と、前記急速充電後に前記コンデンサを定電流充電で充電電圧指令値まで充電する微調整充電回路とを備えたパルス電源用のコンデンサ充電装置において、
   前記急速充電回路の電圧制御回路は、前記コンデンサの容量変動または前記急速充電回路がもつリアクトルのリアクトル値変動による前記急速充電電圧の変化を補正する制御手段を備え、
   前記制御手段は、前記コンデンサの粗充電電圧Ｖ１、微調整電圧Ｖ２、微調整電流Ｉおよび微調整充電時間Ｔの計測結果から前記コンデンサ容量Ｃ’を算出し、この算出したコンデンサ容量Ｃ’の変動による急速充電電圧の変化を前記急速充電回路の出力電流制御で補正することを特徴とするパルス電源用のコンデンサ充電装置。
2. 直流チョッパ回路の出力でコンデンサを充電電圧指令値に近い目標電圧まで急速充電する直流チョッパ型の急速充電回路と、前記急速充電後に前記コンデンサを定電流充電で充電電圧指令値まで充電する微調整充電回路とを備えたパルス電源用のコンデンサ充電装置において、
   前記急速充電回路の電圧制御回路は、前記コンデンサの容量変動または前記急速充電回路がもつリアクトルのリアクトル値変動による前記急速充電電圧の変化を補正する制御手段を備え、
   前記制御手段は、前記微調整電圧Ｖ２、微調整電流Ｉ、微調整充電時間Ｔの計測結果およびこれら計測結果から予測した粗充電電圧Ｖ１’から前記コンデンサ容量Ｃ’を算出し、この算出したコンデンサ容量Ｃ’の変動による急速充電電圧の変化を前記急速充電回路の出力電流制御で補正、または前記目標電圧Ｖの制御で補正することを特徴とするパルス電源用のコンデンサ充電装置。
3. 直流チョッパ回路の出力でコンデンサを充電電圧指令値に近い目標電圧まで急速充電する直流チョッパ型の急速充電回路と、前記急速充電後に前記コンデンサを定電流充電で充電電圧指令値まで充電する微調整充電回路とを備えたパルス電源用のコンデンサ充電装置において、
   前記急速充電回路の電圧制御回路は、前記コンデンサの容量変動または前記急速充電回路がもつリアクトルのリアクトル値変動による前記急速充電電圧の変化を補正する制御手段を備え、
   前記制御手段は、前記リアクトルに電流を流す時間Ｔ２と、そのときの電流Ｉ２および前記直流チョッパ回路の直流電源電圧Ｅから前記リアクトルのリアクトル値Ｌ’を算出し、この算出したリアクトル値Ｌ’の変動による急速充電電圧の変化を前記急速充電回路の出力電流制御で補正することを特徴とするパルス電源用のコンデンサ充電装置。
4. 直流チョッパ回路の出力でコンデンサを充電電圧指令値に近い目標電圧まで急速充電する直流チョッパ型の急速充電回路と、前記急速充電後に前記コンデンサを定電流充電で充電電圧指令値まで充電する微調整充電回路とを備えたパルス電源用のコンデンサ充電装置において、
   前記急速充電回路の電圧制御回路は、前記コンデンサの容量変動または前記急速充電回路がもつリアクトルのリアクトル値変動による前記急速充電電圧の変化を補正する制御手段を備え、
   前記制御手段は、微調整充電時間Ｔが予め設定された時間Ｔ２を超えた場合、前記微調整電流Ｉ、微調整充電時間Ｔの計測結果およびコンデンサ容量Ｃと充電電圧指令値Ｖ＊から求める比率で次回以降の前記目標電圧Ｖを切換え、微調整充電期間内に充電電圧指令値Ｖ＊まで充電することを特徴とするパルス電源用のコンデンサ充電装置。
5. 直流チョッパ回路の出力でコンデンサを充電電圧指令値に近い目標電圧まで急速充電する直流チョッパ型の急速充電回路と、前記急速充電後に前記コンデンサを定電流充電で充電電圧指令値まで充電する微調整充電回路とを備えたパルス電源用のコンデンサ充電装置において、
   前記急速充電回路の電圧制御回路は、前記コンデンサの容量変動または前記急速充電回路がもつリアクトルのリアクトル値変動による前記急速充電電圧の変化を補正する制御手段を備え、
   前記制御手段は、前記コンデンサ容量Ｃまたはリアクトル値Ｌの変動を請求項１〜４の方法により予め算出しておき、算出した容量Ｃとリアクトル値Ｌと、急速充電開始直前に検出した前記急速充電回路の直流電源電圧Ｅと、前記目標電圧Ｖから、該急速充電回路のオン期間Ｔ _ON を制御して急速充電電圧の変化を補正することを特徴とする記載のパルス電源用のコンデンサ充電装置。
6. パルス電圧出力をリアクトルを通してコンデンサに振動電流を流して該コンデンサを充電電圧指令値に近い目標電圧まで急速充電するＬＣ共振型の急速充電回路と、前記急速充電後に前記コンデンサを定電流充電で充電電圧指令値まで充電する微調整充電回路とを備えたパルス電源用のコンデンサ充電装置において、
   前記急速充電回路の電圧制御回路は、前記コンデンサの容量変動または前記急速充電回路がもつリアクトルのリアクトル値変動による前記急速充電電圧の変化を補正する制御手段を備え、
   前記制御手段は、前記コンデンサの粗充電電圧Ｖ１、微調整電圧Ｖ２、微調整電流Ｉおよび微調整充電時間Ｔの計測結果から前記コンデンサ容量Ｃ’を算出し、この算出したコンデンサ容量Ｃ’の変動による急速充電電圧の変化を前記急速充電回路の出力電流制御で補正することを特徴とするパルス電源用のコンデンサ充電装置。
7. パルス電圧出力をリアクトルを通してコンデンサに振動電流を流して該コンデンサを充電電圧指令値に近い目標電圧まで急速充電するＬＣ共振型の急速充電回路と、前記急速充電後に前記コンデンサを定電流充電で充電電圧指令値まで充電する微調整充電回路とを備えたパルス電源用のコンデンサ充電装置において、
   前記急速充電回路の電圧制御回路は、前記コンデンサの容量変動または前記急速充電回路がもつリアクトルのリアクトル値変動による前記急速充電電圧の変化を補正する制御手段を備え、
   前記制御手段は、前記微調整電圧Ｖ２、微調整電流Ｉ、微調整充電時間Ｔの計測結果およびこれら計測結果から予測した粗充電電圧Ｖ１’から前記コンデンサ容量Ｃ’を算出し、この算出したコンデンサ容量Ｃ’の変動による急速充電電圧の変化を前記急速充電回路の出力電流制御で補正、または前記目標電圧Ｖの制御で補正することを特徴とするパルス電源用のコンデンサ充電装置。
8. パルス電圧出力をリアクトルを通してコンデンサに振動電流を流して該コンデンサを充電電圧指令値に近い目標電圧まで急速充電するＬＣ共振型の急速充電回路と、前記急速充電後に前記コンデンサを定電流充電で充電電圧指令値まで充電する微調整充電回路とを備えたパルス電源用のコンデンサ充電装置において、
   前記急速充電回路の電圧制御回路は、前記コンデンサの容量変動または前記急速充電回路がもつリアクトルのリアクトル値変動による前記急速充電電圧の変化を補正する制御手段を備え、
   前記制御手段は、前記コンデンサの容量Ｃと、前記リアクトルに電流を流す時間Ｔ２と、そのときの電流Ｉ２および前記急速充電回路の直流電源電圧Ｅから前記リアクトルのリアクトル値Ｌ’を算出し、この算出したリアクトル値Ｌ’の変動による急速充電電圧の変化を前記急速充電回路の出力電流制御で補正することを特徴とするパルス電源用のコンデンサ充電装置。
9. パルス電圧出力をリアクトルを通してコンデンサに振動電流を流して該コンデンサを充電電圧指令値に近い目標電圧まで急速充電するＬＣ共振型の急速充電回路と、前記急速充電後に前記コンデンサを定電流充電で充電電圧指令値まで充電する微調整充電回路とを備えたパルス電源用のコンデンサ充電装置において、
   前記急速充電回路の電圧制御回路は、前記コンデンサの容量変動または前記急速充電回路がもつリアクトルのリアクトル値変動による前記急速充電電圧の変化を補正する制御手段を備え、
   前記制御手段は、微調整充電時間Ｔが予め設定された時間Ｔ２を超えた場合、前記微調整電流Ｉ、微調整充電時間Ｔの計測結果およびコンデンサ容量Ｃと充電電圧指令値Ｖ＊から求める比率で次回以降の前記目標電圧Ｖを切換え、微調整充電期間内に充電電圧指令値Ｖ＊まで充電することを特徴とするパルス電源用のコンデンサ充電装置。
10. パルス電圧出力をリアクトルを通してコンデンサに振動電流を流して該コンデンサを充電電圧指令値に近い目標電圧まで急速充電するＬＣ共振型の急速充電回路と、前記急速充電後に前記コンデンサを定電流充電で充電電圧指令値まで充電する微調整充電回路とを備えたパルス電源用のコンデンサ充電装置において、
    前記急速充電回路の電圧制御回路は、前記コンデンサの容量変動または前記急速充電回路がもつリアクトルのリアクトル値変動による前記急速充電電圧の変化を補正する制御手段を備え、
    前記制御手段は、前記コンデンサ容量Ｃまたはリアクトル値Ｌの変動を請求項６〜９の方法により予め算出しておき、算出した容量Ｃとリアクトル値Ｌと、急速充電開始直前に検出した前記急速充電回路の直流電源電圧Ｅと、前記充電電圧指令Ｖ＊から、該急速充電回路のオン期間Ｔ_ONを制御して急速充電電圧の変化を補正することを特徴とするパルス電源用のコンデンサ充電装置。

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