JP6031532B2 - 電圧交番パルスの出力に用いられるデバイス及び方法 - Google Patents

電圧交番パルスの出力に用いられるデバイス及び方法 Download PDF

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Description

本発明は、一般的に電圧交番パルスの出力に関する。具体的には、本発明はマルクス発生器の原理に基づくソリッドステートパルス変調電源において、デュアル（マルチ）電圧交番パルスの出力を実現する技術に関する。
マルクス発生器はパルス変調電源を実現する方式であり、コンデンサを並列に充電してから、直列に放電する装置である。マルクス発生器はナノ秒レベルの狭パルスと高いパルス周波数を実現できる。ソリッドステートパルス変調電源は、IGBT（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）のようなソリッドステートスイッチによって、パルス変調を行う電源である。
今、デュアルエネルギー加速器の分野に多く用いられる変調器は線形変調器である。線形変調器において、隣接する二つのパルスの充電電圧を調整することで、交番デュアルエネルギーパルスの給電を実現できる。しかしながら、ソリッドステートパルス変調器を用いる加速器の多くは単一エネルギー加速器であり、且つ現在では、直線加速器に用いられるマルクス発生器の原理に基づくソリッドステートパルス変調電源は、一般的に、各IGBTを同時にトリガリングする動作方式を採用している。
従って、マルクス発生器の原理に基づくソリッドステートパルス変調電源において、デュアル（マルチ）電圧の交番出力を実現し、それを交番デュアルエネルギービーム出力の電子直線加速器に用いることが求められている。
本発明は、グループ分けして交替でトリガリングすることによって、電圧交番パルスを出力するためのデバイス及び方法を提供する。
本発明の一態様によれば、グループ分けして交替でトリガリングすることに基づく高電圧パルス変調電源であって、高電圧パルス変調電源に給電するための直流安定化電源と、複数のソリッドステートスイッチと、前記複数のソリッドステートスイッチに対応し、対応するソリッドステートスイッチを導通するように、それぞれが該対応するソリッドステートスイッチにトリガ信号を提供し、少なくとも二つのグループに分けられる複数のトリガと、時刻tlにトリガ信号が発生するように前記複数のトリガを制御することで、同時に前記複数のソリッドステートスイッチを導通し、且つ時刻t2にトリガ信号が発生するように前記少なくとも二つのグループのトリガのうち、一つのグループを制御することで、該グループのトリガに対応するソリッドステートスイッチを導通し、ここで、時刻tlと時刻t2が交互に現れるタイミング制御モジュールとを備える高電圧パルス変調電源を提供する。
本発明の他の態様によれば、高電圧パルス変調電源は、単独に前記複数のソリッドステートスイッチのうち、一つ又は複数のソリッドステートスイッチに給電するための降圧装置をさらに含む。
本発明のさらに他の態様によれば、高電圧パルス変調電源をグループ分けして交替でトリガリングするための方法であって、前記高電圧パルス変調電源は複数のソリッドステートスイッチを備え；前記複数のソリッドステートスイッチを少なくとも二つのグループに分けるステップと、時刻tlに前記複数のソリッドステートスイッチにトリガ信号を提供することで、同時に前記複数のソリッドステートスイッチを導通するステップと、時刻t2に前記少なくとも二つのグループのソリッドステートスイッチのうち、一つのソリッドステートスイッチにトリガ信号を提供することで、該グループのソリッドステートスイッチを導通するステップと、を含み、ここで、時刻tlと時刻t2が交互に現れる方法を提供する。
本発明のさらに他の態様によれば、該方法において、さらに単独に前記複数のソリッドステートスイッチのうち、一つ又は複数のソリッドステートスイッチに給電する。
本発明の好適な実施例において、マルクス発生器の原理に基づくソリッドステートパルス変調電源において、デュアル（マルチ）電圧の交番出力を実現して、それを交番デュアルエネルギービーム出力の電子直線加速器に用いる。
本発明によれば、グループ分けして交替でトリガリングすることにより、単一エネルギー加速器をデュアル（マルチ）電圧の交替出力を実現することに応用できる。
本発明をより明瞭に理解するために、添付の図面を参照して以下の明細書を説明する。
マルクス発生器に基づく高電圧パルス変調電源の原理を示す概略図である。 マルクス発生器に基づく高電圧パルス変調電源の動作タイミングを示す概略図である。 本発明の一実施例による高電圧パルス変調電源を示す概略図である。 本発明の一実施例による高電圧パルス変調電源の動作タイミングを示す概略図である。 本発明の好適な実施例による高電圧パルス変調電源の原理を示す概略図である。
本発明において説明される図1〜5、及び該出願書類における本発明の原理を説明するための各実施例は、説明するためであり、いずれかの形態により本発明の範囲を定めることに理解されるべきではない。当業者は、いずれの適当な形態のデバイスまたはシステムによって、本発明の原理を実現できることを理解すべきである。
図1は、マルクス発生器に基づく高電圧パルス変調電源の原理を示す概略図である。図面において、PSはハイパワー直流安定化電源であり、高電圧パルス変調電源の給電電源であり、電源電圧がVinである。Ml〜Mmはm個のIGBTモジュールユニットである。Trig(l)〜Trig(m)はIGBTモジュールグループに対応するトリガ信号である。Voutは高電圧パルス変調電源の出力端電圧である。
二回トリガリングする間の期間に、PSは充電インダクタL及びダイオードによりIGBTモジュールユニットにおけるコンデンサCに充電し、並列に充電するコンデンサアレイを形成し、且つ次回のトリガリング前に、コンデンサCの電圧をVinに維持させる。トリガリングすると、各IGBTモジュールが導通され、モジュールにおけるコンデンサCは、各IGBTモジュールユニットにより、直列に接続される放電回路を形成し、このとき、高電圧パルス変調電源の出力電圧Vout=n*Vinであり、ここで、nは現時点に導通されているIGBTモジュールの数である。
図2は、マルクス発生器に基づく高電圧パルス変調電源の動作タイミングを示す概略図である。図2に示すように、トリガリングする時刻tになると、トリガ信号Trigが発生し、マルクス発生器の原理に基づく高電圧パルス変調電源は、各ソリッドステートスイッチ（例えばIGBT）がトリガ信号Trigにより同時にトリガリングされることで、高い出力端電圧Vohが得られる。
図3は、本発明の一実施例による高電圧パルス変調電源を示す概略図である。図3に示す高電圧パルス変調電源は、例えば図1に示すような典型的なマルクス発生器に基づく高電圧パルス変調電源であり、ここで、m個のトリガ1...トリガn、トリガn+1...トリガmは、高電圧パルス変調電源にトリガ信号Trig(l)... Trig(n)、Trig(n+l)...Trig(m)を提供する。好適な実施例において、トリガ1〜トリガmは二つのグループ、即ちトリガ1〜トリガnとトリガn+1〜トリガmに分けてもよい。他の好適な実施例において、トリガ1〜トリガmは二つ以上のグループに分けてもよい。トリガ1〜トリガmはタイミング制御モジュールにより制御される。タイミング制御モジュールはトリガ1〜mにより発生されるトリガ信号Trig(l)〜Trig(m)を制御することで、グループ分けして高電圧パルス変調電源におけるm個のIGBTモジュールユニットを導通する。
好適な実施例において、トリガ1〜トリガmは、二つのグループ、即ちトリガ1〜トリガnとトリガn+1〜トリガmに分けられる。時刻tlに、タイミング制御モジュールはトリガ信号Trig(l)〜Trig(m)が同時に発生するようにトリガ1〜トリガmを制御することで、二つのグループのトリガに対応する二つのグループのIGBTモジュールMl〜Mmが同時にトリガリングされて、高い出力端電圧Vohが得られる。
Voh=m*Vin。
時刻t2に、タイミング制御モジュールは第1グループのトリガ信号Trig(l)〜Trig(n)が発生するように第1グループのトリガ1〜nを制御し、且つトリガ信号が発生しないように第2グループのトリガn+1〜mを制御することで、第1グループのトリガ信号Trig(l)〜Trig(n)に対応する第1グループのIGBTモジュールMl〜Mnがトリガリングされるが、第2グループのトリガn+1〜mに対応する第2グループのIGBTモジュールMn+l〜Mmがトリガリングされないようにして、低い出力端電圧Volが得られる。
Vol=n*Vin。
または、時刻t2に、タイミング制御モジュールは第2グループのトリガ信号Trig(n+1)〜Trig(m)が発生するように第2グループのトリガn+1〜mを制御し、且つトリガ信号が発生しないように第1グループのトリガl〜nを制御することで、第1グループのトリガ信号Trig(l)〜Trig(n)に対応する第1グループのIGBTモジュールMl〜Mnがトリガリングされないが、第2グループのトリガn+1〜mに対応する第2グループのIGBTモジュールMn+1〜Mmがトリガリングされるようにして、低い出力端電圧Vol'が得られる。
Vol'=(m-n)*Vin。
時刻tlとt2が交互に現れることで、出力電圧VohとVolまたはVol'が交互に変化するデュアル電圧パルス電源を構成する。
他の好適な実施例において、トリガ1〜トリガmを二つ以上のグループ、例えば三つのグループに分けてもよい。タイミング制御モジュールは、時刻tlにトリガ信号が発生するようにすべての三つのグループのトリガを制御し、時刻t2にトリガ信号が発生するように三つのグループのトリガのうち、二つのグループのトリガを制御すると共に、トリガ信号が発生しないように残りの一つのグループのトリガを制御し、且つ時刻t3にトリガ信号が発生するように、三つのグループのトリガのうち、一つのグループのトリガを制御すると共に、トリガ信号が発生しないように残りの二つのグループのトリガを制御することで、対応するIGBTモジュールを制御して、高、中、低の出力端電圧が得られる。時刻tl、t2及びt3が交互に現れることで、高、中、低の出力端電圧が交互に変化するトリプル電圧パルス電源を構成する。当業者は上記実施例の示唆に基づいて、トリガを複数のグループに分けて、マルチ電圧交番パルスの出力を実現できることを容易に想到できる。
図3は、本発明による高電圧パルス変調電源の一例を説明したが、図3に対しさまざまな変更が可能である。図3に示すマルクス発生器に基づくソリッドステートパルス変調電源は、高電圧パルス変調電源を実現する一つの方式だけである。実際には、本発明はいかなるトリガリングに基づく高電圧パルス変調電源に適用できる。また、高電圧パルス変調電源におけるソリッドステートスイッチはIGBT（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）型のソリッドステートスイッチに限定されなく、ソリッドステートスイッチとして用いられるいかなる素子やデバイスでもよい。
図4は、本発明の一実施例による高電圧パルス変調電源の動作タイミングを示す概略図である。トリガ1〜トリガmが二つのグループ、即ちトリガ1〜トリガnとトリガn+l〜トリガmに分けられる。トリガリング時刻t1になると、トリガ信号TrigAが発生し、高電圧パルス変調電源におけるすべてのトリガ1〜mに対応するIGBTモジュールMl〜Mmがトリガ信号TrigAにより同時にトリガリングされて、高い出力端電圧Vohが得られる。トリガリング時刻t2になると、トリガ信号TrigBが発生し、高電圧パルス変調電源における第1グループのトリガl〜nに対応するIGBTモジュールMl〜Mnがトリガ信号TrigBによりトリガリングされるが、他のIGBTモジュールMn+1〜Mmがトリガリングされず、低い出力端電圧Vohが得られ、或は、M高電圧パルス変調電源における第2グループのトリガn+1〜mに対応するIGBTモジュールMn+1〜Mmがトリガ信号TrigBによりトリガリングされるが、他のIGBTモジュールMl〜Mnがトリガリングされず、低い出力端電圧Voh'（図示せず）が得られる。
図5は、本発明の好適な実施例による高電圧パルス変調電源の原理を示す概略図である。マルクス発生器に基づく高電圧パルス変調電源において、IGBTモジュールの数が比較的に少なく、又は交番出力電圧の精度に対する要求が比較的に高い場合に、出力端電圧Voh及びVolを精度よく制御するために、図3に示す高電圧パルス変調電源を基礎とし、降圧装置を加える。好適な実施例として、図5に示す高電圧パルス変調電源は交番デュアル電圧出力である。該変調電源に降圧装置が加えられ、該降圧装置は単独に例えば第m個のIGBTモジュールユニットに給電する。図5に示すように、該降圧装置はハイパワー直流安定化電源からの入力電圧Vinを受け、降圧処理を経てから、第m個のIGBTモジュールユニットに入力電圧Vin'を提供する。
該好適な実施例において、トリガ1〜トリガmが二つのグループ、即ちトリガ1〜トリガnとトリガn+1〜トリガmに分けられる。時刻tlに、タイミング制御モジュールはトリガ信号Trig(l)〜Trig(m) が同時に発生するようにトリガ1〜トリガmを制御することで、二つのグループのトリガに対応する二つのグループのIGBTモジュールMl〜Mmが同時にトリガリングされ、ここで、IGBTモジュールMmが降圧装置により単独に給電されて、高い出力端電圧Vohが得られる。
Voh=(m-1)*Vin+Vin'。
時刻t2に、タイミング制御モジュールは第1グループのトリガ信号Trig(l)〜Trig(n)が発生するように第1グループのトリガ1〜nを制御し、且つトリガ信号が発生しないように第2グループのトリガn+1〜mを制御することで、第1グループのトリガ信号Trig(l)〜Trig(n)に対応する第1グループのIGBTモジュールMl-Mnがトリガリングされるが、第2グループのトリガn+l〜mに対応する第2グループのIGBTモジュールMn+1〜Mmがトリガリングされず、低い出力端電圧Volが得られる。
Vol=n*Vin
或は、時刻t2に、タイミング制御モジュールは第2グループのトリガ信号Trig(n+1)〜Trig(m)が発生するように第2グループのトリガn+1〜mを制御し、且つトリガ信号が発生しないように第1グループのトリガl〜nを制御することで、第1グループのトリガ信号Trig(l)〜Trig(n)に対応する第1グループのIGBTモジュールMl〜Mnがトリガリングされず、第2グループのトリガn+1〜mに対応する第2グループのIGBTモジュールMn+1〜Mmがトリガリングされ、ここで、IGBTモジュールMmが降圧装置により単独に給電されて、低い出力端電圧Vol'が得られる。
Vol'=(m-n-1)*Vin+Vol'。
時刻tlとt2が交互に現れて、出力電圧VohとVolまたはVol'が交互に変化するデュアル電圧パルス電源を構成する。
降圧装置により第m個のIGBTモジュールユニットに単独に入力電圧Vin'を提供するように調整して、出力電圧VohとVol又はVol'を精度よく制御できる。
他の好適な実施例において、降圧装置はm個のIGBTモジュールユニットのうち、いずれか1つ又は複数のIGBTモジュールユニットに単独に給電することで、出力電圧を精度よく制御できる。
上記の通り、本発明により提供される、グループ分けして交替でトリガリングして、電圧交番パルスを出力することによって、単一エネルギー加速器を、デュアル（マルチ）電圧の交番出力を実現することに応用できる。
本発明の基本的な構造を表すために、いくつかの構造を説明したが、当業者は、本発明の特許請求の範囲に記載の範囲内におけるほかの変更も可能であることを理解すべきである。本発明は現在最も実用的で好適な実施例に基づいて説明したが、依然として、本発明は開示された実施例に限定されなく、反して、特許請求の範囲の要旨と範囲に含まれる種々の修正や等価的な技術案を含むと意味することを理解すべきである。

Claims (10)

  1. 負荷に対して互いに直列に接続された複数のソリッドステートスイッチと、
    前記複数のソリッドステートスイッチに給電するための直流安定化電源と、
    前記複数のソリッドステートスイッチを複数のグループに分け、前記複数のグループの全てに対してトリガ信号を提供することにより第１の電圧パルスを出力させ、又は、前記複数のグループの一部に対してトリガ信号を提供することにより前記第１の電圧パルスとは振幅の異なる第２の電圧パルスを出力させる複数のトリガと、
    前記第１の電圧パルスを出力させる時刻ｔ１と前記第２の電圧パルスを出力させる時刻ｔ２とが交互に現れるように、前記複数のトリガによる前記トリガ信号の提供タイミングを制御するタイミング制御モジュールと、を含む高電圧パルス変調電源。
  2. 前記複数のトリガは、前記第２の電圧パルスを出力する際に、前記複数のグループのうち、前記第２の電圧パルスの電圧振幅に対応する数の前記ソリッドステートスイッチを含むグループに対して、前記トリガ信号を提供する請求項１に記載の高電圧パルス変調電源。
  3. 前記直流安定化電源の前記複数のソリッドステートスイッチに対する給電電圧を低下させるための降圧装置をさらに含む請求項１又は２に記載の高電圧パルス変調電源。
  4. 前記高電圧パルス変調電源はマルクス発生器に基づくソリッドステートパルス変調電源である請求項１から３のいずれか１項に記載の高電圧パルス変調電源。
  5. 前記ソリッドステートスイッチはIGBTモジュールである請求項４に記載の高電圧パルス変調電源。
  6. 負荷に対して互いに直列に接続された複数のソリッドステートスイッチを備える高電圧パルス変調電源の制御方法であって、
    直流安定化電源により、前記複数のソリッドステートスイッチに給電するステップと、
    前記複数のソリッドステートスイッチを複数のグループに分けるステップと、
    時刻ｔ１において、前記複数のグループの全てに対してトリガ信号を提供することにより第１の電圧パルスを出力させるステップと、
    時刻ｔ２において、前記複数のグループの一部に対してトリガ信号を提供することにより前記第１の電圧パルスとは振幅の異なる第２の電圧パルスを出力させるステップと、
    前記第１の電圧パルスを出力させる時刻ｔ１と前記第２の電圧パルスを出力させる時刻ｔ２とが交互に現れるように、前記トリガ信号の提供タイミングを制御するステップと、を含む高電圧パルス変調電源の制御方法。
  7. 前記第２の電圧パルスを出力する際に、前記複数のグループのうち、前記第２の電圧パルスの電圧振幅に対応する数の前記ソリッドステートスイッチを含むグループに対して、前記トリガ信号を提供する請求項６に記載の高電圧パルス変調電源の制御方法。
  8. 前記直流安定化電源の前記複数のソリッドステートスイッチに対する給電電圧を低下させるためのステップをさらに含む請求項６又は７に記載の高電圧パルス変調電源の制御方法。
  9. 前記高電圧パルス変調電源は、マルクス発生器に基づくソリッドステートパルス変調電源である請求項６から８のいずれか１項に記載の高電圧パルス変調電源の制御方法。
  10. 前記ソリッドステートスイッチはIGBTモジュールである請求項９に記載の高電圧パルス変調電源の制御方法。
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