JP6661523B2 - パルス発生装置および同装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、パルス発生装置および同装置の制御方法に関する。

パルス発生装置は、コンデンサ（コンデンサバンク）と半導体等で構成されたスイッチ（半導体スイッチと称する）とにより構成され、半導体スイッチがオンすると、パルス発生装置、より詳細には、コンデンサの出力電圧が負荷へ印加される。負荷の一例として、加速器に使用されるクライストロンが挙げられるが、電子等のビーム加速器に使用されるクライストロンの負荷に対しては、当該負荷へ印加される、パルス発生装置の出力電圧を一定とすることが要求される。

特許第４３８２６６５号公報

しかしながら、従来のパルス発生装置の構成では、半導体スイッチのオン期間中におけるコンデンサの放電により、出力パルスの電圧、より詳細には、１パルス内での電圧が一定とならないという問題があった。

また、電圧の変化（低下）を抑えるために、コンデンサの容量を大きくするという対処法も考えられ得るが、この対処法では、装置の大幅な大型化を招いてしまう。

本発明が解決しようとする課題は、装置の大幅な大型化を招くことなく、出力パルスの電圧を一定の値に近づけることができるパルス発生装置および同装置の制御方法を提供することである。

特許文献１ではパルス電源装置において、電源に接続されないコンデンサを持つブリッジ回路を電源に直列に接続し、ブリッジ回路のコンデンサ電圧を電源電圧とあわせて負荷に与える方式が示されている。しかし特許文献１は負荷が誘導性負荷に限定され、その磁気エネルギーを利用するなどしてブリッジ回路のコンデンサ電圧を電源電圧以上に充電し、主にその電圧を用いてパルス電圧を発生することを想定している。またパルス発生の制御はブリッジ回路のスイッチングによって行われるため、ブリッジ回路のコンデンサに充電される電圧と、負荷に与える電圧の制御に関しては制約がある。たとえば、特許文献１が想定するように誘導性負荷の場合、ブリッジ回路のコンデンサには電源電圧の数倍の電圧が発生し、また正のパルス電圧が発生した後に負のパルス電圧が発生する。これは比較的低い電源電圧で誘導性負荷にパルス電流を急峻に立ち上げ、また立ち下げるためには好適な特性であるが、電圧パルスの発生と制御の観点からは好ましくない。また、負荷にかかる電圧と同程度の電圧がブリッジ回路のコンデンサに発生し、ブリッジ回路に使用する半導体スイッチおよびコンデンサには高い耐圧が必要である。

本発明は、コンデンサバンクを電源とし、単極性の電圧パルスを負荷に与えるパルス発生装置において、より平坦なパルス電圧波形を発生可能な装置を実現するためのものである。上記目的を達成するため、従来のパルス発生装置と同様にコンデンサバンクの放電を制御する主スイッチを設け、加えて、電源に接続されないコンデンサを持つブリッジ回路を直列に接続する構成により、ブリッジ回路の発生する電圧をコンデンサバンクの電圧とあわせて負荷に与える。コンデンサバンクの放電を制御する主スイッチとは別にブリッジ回路の制御を行うことができるため、負荷にかかる単極性パルス電圧をある範囲内で制御することを可能とする。負荷は誘導性負荷に限定されない。上記目的を達成するためにブリッジ回路が発生すべき電圧はコンデンサバンクの電圧低下分相当のみであるため、ブリッジ回路は電源電圧およびパルス電圧にくらべ低い耐圧の半導体スイッチおよびコンデンサで実現可能である。

本発明の観点に従ったパルス発生装置は、第１コンデンサと、前記第１コンデンサと直列に接続される、前記第１コンデンサを放電させるための第１半導体スイッチと、第２コンデンサを有し、前記第１半導体スイッチと直列に接続される、前記第１半導体スイッチがオンされた前記第１コンデンサの放電期間中における当該パルス発生装置の出力電圧を一定化するための電圧補償装置と、前記電圧補償装置を制御するコントローラとを具備する。前記コントローラは、前記第１コンデンサの放電期間中における出力電圧が第１閾値（上限側）よりも大きい場合、前記第２コンデンサを充電させ、前記第１コンデンサの放電期間中における出力電圧が第２閾値（下限側）よりも小さい場合、前記第２コンデンサを放電させる。さらに両者の閾値の間では前記第２コンデンサは充放電をせずにバイパスさせる。

本発明によれば、装置の大幅な大型化を招くことなく、出力パルスの電圧を一定の値に近づけることができる。

本発明の実施形態に係るパルス発生装置の構成の一例を示す図。 従来のパルス発生装置の構成の一例を示す図。 同実施形態のパルス発生装置が備える電圧補償装置の構成の一例を示す図。 同実施形態のパルス発生装置が備える電圧補償装置の構成の一変形例を示す図。 同実施形態のパルス発生装置が備える電圧補償装置の動作を説明するための図。 同実施形態のパルス発生装置における出力パルスの電圧を一定の値に近づけるための動作を説明するための図。 同実施形態のパルス発生装置において出力パルスの電圧を一定の値に近づけるために実行される制御の手順を示すフローチャート。 同実施形態のパルス発生装置が複数の電圧補償装置を備える場合における当該複数の電圧補償装置の制御の手順を説明するための図。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るパルス発生装置１の構成の一例を示す図である。

図１に示すように、パルス発生装置１は、コンデンサ１１、半導体スイッチ１２、電圧補償装置１３およびコントローラ１４を有する。つまり、本実施形態のパルス発生装置１は、従来の構成と比較して、電圧補償装置１３を半導体スイッチ１２と直列に接続した構成となっている。電圧補償装置１３は、コントローラ１４により制御される。コントローラ１４は、半導体スイッチ１２のオン／オフ制御も司る。より詳細には、コントローラ１４は、半導体スイッチ１２を周期的にオン／オフする。なお、図１においては、電圧補償装置１３を（半導体スイッチ１２の）負荷２側へ配置した例を示しているが、これに限定されず、コンデンサ１１側へ配置することも可能である。また、半導体スイッチ１２のオン／オフ制御は、コントローラ１４とは別に設けられるコントローラにより行うようにしてもよい。したがって、コントローラ１４は、少なくとも電圧補償装置１３を制御する処理回路である。また、負荷への配線には寄生インダクタンスが存在し、半導体スイッチ１２の遮断によって回路の一部にサージ電圧が発生する可能性があるが、それを避けるための還流ダイオードを半導体スイッチ１２の出力部と対向電極側に設ける場合もある。

ここで、本実施形態のパルス発生装置１の理解を助けるために、図２に、従来のパルス発生装置（パルス発生装置９）の構成の一例を示す。図２中、本実施形態のパルス発生装置１と同一の構成要素については同一の符号を付している。また、半導体スイッチ１２のオン／オフ制御を司る、本実施形態のパルス発生装置１におけるコントローラ１４に相当する構成要素については図示を省略している。

パルス発生装置９は、コンデンサ１１と直列に接続される半導体スイッチ１２を周期的にオン／オフすることにより、パルスを発生させて出力する。出力パルスの電圧は、一定であることが望ましいが、半導体スイッチ１２のオン期間中におけるコンデンサ１１の放電により、図２に示されるように、１パルス内で電圧が下がってしまう。

本実施形態のパルス発生装置１は、出力パルスの電圧を一定の値に近づけるために、電圧補償装置１３を設けたものであり、以下、この点について詳述する。

図３は、電圧補償装置１３の構成の一例を示す図である。

図３に示されるように、電圧補償装置１３は、ダイオード１３１、半導体スイッチ（ＳＬ）１３２、半導体スイッチ（ＳＨ）１３３、ダイオード１３４およびコンデンサ１３５を有している。

より詳細には、電圧補償装置１３は、ダイオード１３１と半導体スイッチ１３２とを直列に接続した回路（ダイオード１３１のアノードへ半導体スイッチ１３２が接続された回路）と、半導体スイッチ１３３とダイオード１３４とを直列に接続した回路（半導体スイッチ１３３へダイオード１３４のカソードが接続された回路）とを並列接続し、中央に初期条件として所定の電圧が充電されているコンデンサ１３５を並列接続した構成を有している。

なお、電圧補償装置１３は、図４に示されるように、図３に示される構成の回路を複数直列に接続した構成としてもよい。または、複数の電圧補償装置１３を半導体スイッチ１２と直列に接続するようにしてもよい。複数の電圧補償装置１３を半導体スイッチ１２と直列に接続し、または、図４に示されるように電圧補償装置１３を構成した場合におけるパルス発生装置１の動作については後述する。即ち、ここでは、まず、図３に示される構成を有する１つの電圧補償装置１３が半導体スイッチ１２と直列に接続されている場合を想定する。

図５は、電圧補償装置１３の動作を説明するための図である。

半導体スイッチ１３２および半導体スイッチ１３３がオフすると（図５（Ａ））、ダイオード１３１→コンデンサ１３５→ダイオード１３４の通電経路ａ１が形成され、コンデンサ１３５は充電されて（電圧補償装置１３の出力電圧を図のVcompの矢印の方向にとれば）マイナスの電圧が出力される。一方、半導体スイッチ１３２および半導体スイッチ１３３がオンすると（図５（Ｂ））、半導体スイッチ１３２→コンデンサ１３５→半導体スイッチ１３３の通電経路ａ２が形成され、コンデンサ１３５は放電してプラスの電圧が出力される。半導体スイッチ１３２および半導体スイッチ１３３の一方がオンし、他方がオフした場合には（図５（Ｃ），（Ｄ））、コンデンサ１３５を経由しないバイパス経路ａ３，ａ４がそれぞれ形成され、電圧補償装置はゼロ電圧を出力する。またコンデンサ１３５は充放電されない。

つまり、コントローラ１４は、半導体スイッチ１３２のオン／オフと、半導体スイッチ１３３のオン／オフとを制御することで、コンデンサ１３５を充電させたり、放電させたり、さらにバイパスさせたりすることができる。そこで、コントローラ１４は、図６に示されるように、半導体スイッチ１２をオンした期間中におけるコンデンサ１１の出力電圧（図６（Ａ））の平均値を基準（目標値）として、電圧補償装置１３内のコンデンサ１３５を充放電させることにより、コンデンサ１１の出力電圧の平均値からの増減分を相殺するための出力電圧（図６（Ｂ））を電圧補償装置１３において生成する。

より詳細には、コントローラ１４は、コンデンサ１１の出力電圧が第１閾値よりも大きい場合、コンデンサ１３５を充電させ、一方、コンデンサ１１の出力電圧が第２閾値よりも小さい場合、コンデンサ１３５を放電させる。さらに両者の閾値の間ではコンデンサ１３５は充放電をせずにバイパスさせる。これにより、負荷２へ印加される電圧、即ち、パルス発生装置１の出力電圧（図６（Ｃ））を一定の値に近づけることができる。また、コンデンサ１１の容量を大きくすることと比較して、図３に構成の一例が示される電圧補償装置１３を導入することで、装置全体で使用するコンデンサ容量を小さくできる。

即ち、本実施形態のパルス発生装置１は、装置の大幅な大型化を招くことなく、出力パルスの電圧を一定の値に近づけることができる。

図７は、本実施形態のパルス発生装置１において出力パルスの電圧を一定の値に近づけるために実行される制御の手順を示すフローチャートである。

半導体スイッチ１２を周期的にオン／オフするコントローラ１４は、半導体スイッチ１２のオン期間中におけるコンデンサ１１の出力電圧が第１閾値（上限側）より大きい場合（ステップＳ１のＹＥＳ）、電圧補償装置１３の半導体スイッチ１３２および半導体スイッチ１３３をオフして、電圧補償装置１３のコンデンサ１３５を充電させる（ステップＳ２）。

コンデンサ１１の出力電圧が第１閾値（上限値）以下になったら（ステップＳ１のＮＯ）、次に第２閾値（下限値）と比較し、この値以上である場合（ステップＳ３のＮＯ）、半導体スイッチ１３２または半導体スイッチ１３３のいずれかひとつをオンして充放電せずにバイパスさせる（ステップＳ４）。ひとつの半導体をオンする場合、半導体スイッチ１３２または半導体スイッチ１３３のいずれかを選択するか、パルス出力ごとに交互にオンするか、いずれでも良い。

半導体スイッチ１２のオン期間中におけるコンデンサ１１の出力電圧が第２閾値（下限側）より小さい場合（ステップＳ３のＹＥＳ）、コントローラ１４は、電圧補償装置１３の半導体スイッチ１３２および半導体スイッチ１３３をオンして、電圧補償装置１３のコンデンサ１３５を放電させる（ステップＳ５）。以上の処理を、コントローラ１４は、半導体スイッチ１２のオン期間中、継続的に実行する。

このように、本実施形態のパルス発生装置１では、電圧補償装置１３がコントローラ１４の制御下で適切に動作することにより、より詳細には、電圧補償装置１３のコンデンサ１３５がコントローラ１４の制御下で適切なタイミングで充放電することにより、コンデンサ１１の出力電圧の平均値からの増減分を相殺するための出力電圧が電圧補償装置１３において生成され、パルス発生装置１の出力電圧を一定の値に近づけることができる。

なお、１パルス内で、コンデンサ１１の出力電圧が第１閾値より大きい状態、コンデンサ１１の出力電圧が第１閾値以下かつ第２閾値以上の状態、コンデンサ１１の出力電圧が第２閾値より小さい状態の３状態を時分割的に用いてデューティ比で平均値を制御すべくＰＷＭ（Pulse Width Modulation）を適用することも可能である。また、平滑化のためのフィルタを設けてもよい。

また第１閾値（上限値）と第２閾値（下限値）は同じでも良く、この場合はコンデンサ１３５を充放電するのみで、バイパスさせる動作は無くなる。

次に、複数の電圧補償装置１３を半導体スイッチ１２と直列に接続し、または、図４に示されるように電圧補償装置１３を構成した場合におけるパルス発生装置１の動作について説明する。

前述の説明では、１つのコンデンサ１３５の充放電により、コンデンサ１１の出力電圧の平均値からの増減分を相殺するための出力電圧を生成することを想定している。これに対して、以下では、複数のコンデンサ１３５の充放電により、コンデンサ１１の出力電圧の平均値からの増減分を相殺するための出力電圧を生成する手法を、図８を参照しながら説明する。

いま、パルス発生装置１が、５つの電圧補償装置１３（［０］〜［４］）を有しているものと想定する。より詳細には、５つの電圧補償装置１３が、半導体スイッチ１２と直列に接続されているものと想定する。なお、図８には、半導体スイッチ１２の１回のオン期間、即ち、１パルス分の期間が示されている。

コントローラ１４は、半導体スイッチ１２のオンと同時に、５つの電圧補償装置１３すべてにおいてコンデンサ１３５の充電を一斉に開始させる。より詳細には、コントローラ１４は、５つの電圧補償装置１３の半導体スイッチ１３２および半導体スイッチ１３３をすべてオフにする。その後、コントローラ１４は、コンデンサ１１の出力電圧が最大値から平均値へ至る１パルスの前半期間において、コンデンサ１３５を充電させる電圧補償装置１３を段階的に減少させるように、５つの電圧補償装置１３の半導体スイッチ１３２および半導体スイッチ１３３を制御する。たとえば、電圧補償装置１３毎にコンデンサ１３５の充電を停止させる閾値とするコンデンサ１１の出力電圧を定めておき、コンデンサ１１の出力電圧が各閾値まで低下する毎に、１つずつコンデンサ１３５の充電を停止させるようにしてもよい。または、コンデンサ１３５の充電を１つ停止させる契機とするコンデンサ１１の出力電圧の変化量を定めておき、コンデンサ１１の出力電圧が当該変化量分だけ低下する毎に、１つずつコンデンサ１３５の充電を停止させるようにしてもよい。さらには、電圧補償装置１３毎にコンデンサ１３５の充電期間を定めておき、その充電期間が満了する毎に、１つずつコンデンサ１３５の充電を停止させるようにしてもよい。

コンデンサ１３５の充電を停止させるとは、半導体スイッチ１３２および半導体スイッチ１３３の一方をオンし、他方をオフすることにより、図５の（Ｃ）または（Ｄ）に示される、コンデンサ１３５を経由しないバイパス経路ａ３またはバイパス経路ａ４を形成することである。素子の冷却を考慮して、バイパス経路ａ３とバイパス経路ａ４とは、交互に使用することが望ましい。

また、コントローラ１４は、コンデンサ１１の出力電圧が平均値から最小値へ至る１パルスの後半期間において、コンデンサ１３５を放電させる電圧補償装置１３を段階的に増加させるように、５つの電圧補償装置１３の半導体スイッチ１３２および半導体スイッチ１３３を制御する。前述の前半期間と同じ要領で、たとえば、電圧補償装置１３毎にコンデンサ１３５の放電を開始させる閾値とするコンデンサ１１の出力電圧を定めておき、コンデンサ１１の出力電圧が各閾値まで低下する毎に、１つずつコンデンサ１３５の放電を開始させるようにしてもよい。または、コンデンサ１３５の放電を１つ開始させる契機とするコンデンサ１１の出力電圧の変化量を定めておき、コンデンサ１１の出力電圧が当該変化量分だけ低下する毎に、１つずつコンデンサ１３５の放電を開始させるようにしてもよい。さらには、電圧補償装置１３毎にコンデンサ１３５の放電期間を定めておき、１パルスの期間終了時までの残存時間がその放電期間と一致するタイミング毎に、１つずつコンデンサ１３５の充電を停止させるようにしてもよい。あるいは、電圧補償装置１３毎にコンデンサ１３５の充電停止から放電開始までの期間を定めておいてもよい。コントローラ１４は、半導体スイッチ１２のオフと同時に、５つの電圧補償装置１３すべてにおいてコンデンサ１３５の放電を一斉に停止させる。

図８中、（Ａ）は、前述のようなコンデンサ１３５の制御の下、５つの電圧補償装置１３それぞれにおいて生成される出力電圧を示している。また、（Ｂ）は、５つの電圧補償装置１３それぞれにおいて生成される出力電圧を合計した合計出力電圧を示している。充電させるコンデンサ１３５の数を段階的に減少させ、かつ、放電させるコンデンサ１３５の数を段階的に増加させることで、図８に示されるような（コンデンサ１１の出力電圧の平均値からの増減分を相殺するための）階段状の出力電圧を生成することができる。

複数のコンデンサ１３５を使用する本手法では、より小容量のコンデンサ１３５で高精度な電圧補償が可能となる。複数のコンデンサ１３５は、すべてが同一の容量であることに限定されない。異なる容量のコンデンサ１３５を組み合わせて、各コンデンサ１３５の充放電を適切に制御するようにしてもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…パルス発生装置、１１…コンデンサ、１２…半導体スイッチ、１３…電圧補償装置、１４…コントローラ、１３１，１３４…電圧補償装置内ダイオード、１３２，１３３…電圧補償装置内半導体スイッチ、１３５…電圧補償装置内コンデンサ。

Claims (4)

1. パルス発生装置であって、
   第１コンデンサと、
   前記第１コンデンサと直列に接続される、前記第１コンデンサを放電させるための第１半導体スイッチと、
   第２コンデンサを有し、前記第１半導体スイッチと直列に接続される、前記第１半導体スイッチがオンされた前記第１コンデンサの放電期間中における当該パルス発生装置の出力電圧を一定化するための電圧補償装置と、
   前記電圧補償装置を制御するコントローラと、
   を具備し、
   前記電圧補償装置は、
   第１ダイオードと前記第１ダイオードのアノードへ接続される第２半導体スイッチとを有する第１回路と、前記第１回路における前記第１ダイオードと前記第２半導体スイッチとの位置関係を逆転させた、第３半導体スイッチと前記第３半導体スイッチへカソードが接続される第２ダイオードとを有する第２回路とを、前記第１回路側を電流の上流、前記第２回路側を電流の下流として並列接続し、かつ、前記第１回路と前記第２回路との間に前記第２コンデンサを前記第１回路および前記第２回路と並列接続して構成され、
   前記コントローラは、
   前記第１コンデンサの放電期間中における前記出力電圧が所定の範囲に収まるように前記第２コンデンサを充放電させるものであって、
   前記第２半導体スイッチおよび前記第３半導体スイッチをオフして、前記第１ダイオードから前記第２コンデンサを経由して前記第２ダイオードへ至る第１経路を形成することにより、前記第２コンデンサを充電させ、
   前記第２半導体スイッチおよび前記第３半導体スイッチをオンして、前記第２半導体スイッチから前記第２コンデンサを経由して前記第３半導体スイッチへ至る第２経路を形成することにより、前記第２コンデンサを放電させる、
   パルス発生装置。
2. 前記コントローラは、前記第２半導体スイッチをオンし、前記第３半導体スイッチをオフすることにより形成される、前記第２半導体スイッチから前記第２ダイオードへ至る前記第２コンデンサを経由しない第３経路と、前記第２半導体スイッチをオフし、前記第３半導体スイッチをオンすることにより形成される、前記第１ダイオードから前記第３半導体スイッチへ至る前記第２コンデンサを経由しない第４経路とを、前記第２コンデンサを充放電させない期間を設ける毎に交互に使用する請求項１に記載のパルス発生装置。
3. 複数の前記電圧補償装置が、前記第１半導体スイッチと直列に接続される請求項１又は２に記載のパルス発生装置。
4. パルス発生装置であって、
   第１コンデンサと、
   前記第１コンデンサと直列に接続される、前記第１コンデンサを放電させるための第１半導体スイッチと、
   第２コンデンサを有し、前記第１半導体スイッチと直列に接続される、前記第１半導体スイッチがオンされた前記第１コンデンサの放電期間中における当該パルス発生装置の出力電圧を一定化するための電圧補償装置と、
   前記電圧補償装置を制御するコントローラと、
   を具備し、
   前記電圧補償装置は、
   第１ダイオードと前記第１ダイオードのアノードへ接続される第２半導体スイッチとを有する第１回路と、前記第１回路における前記第１ダイオードと前記第２半導体スイッチとの位置関係を逆転させた、第３半導体スイッチと前記第３半導体スイッチへカソードが接続される第２ダイオードとを有する第２回路とを、前記第１回路側を電流の上流、前記第２回路側を電流の下流として並列接続し、かつ、前記第１回路と前記第２回路との間に前記第２コンデンサを前記第１回路および前記第２回路と並列接続して構成され、
   複数の前記電圧補償装置が、前記第１半導体スイッチと直列に接続され、
   前記コントローラは、前記第１コンデンサの放電期間中における前記出力電圧が所定の範囲に収まるように前記第２コンデンサを充放電させるものであって、前記第１コンデンサの放電開始時、すべての前記第２コンデンサが充電を開始し、前記第１コンデンサの放電開始から前記第１コンデンサの出力電圧が第１閾値を下回るまでの第１期間において、充電状態の前記第２コンデンサの数が段階的に減少し、前記第１コンデンサの出力電圧が前記第１閾値よりも小さい第２閾値を下回ってから前記第１コンデンサの放電終了までの第２期間において、放電状態の前記第２コンデンサの数が段階的に増加し、前記第１コンデンサの放電終了時、すべての前記第２コンデンサが放電を終了するように、複数の前記電圧補償装置を制御する、
   パルス発生装置。

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