JP7321123B2 - pulse power supply - Google Patents
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Description
本願は、パルス電源に関する。 The present application relates to pulsed power supplies.
コンデンサなどに蓄積された電磁エネルギーを数10nsから数μsという短時間に放出することで高いエネルギーを出力するパルス電源が、環境、医療、生物などの技術分野で利用されている。とくに高電圧かつ大電流の電磁エネルギーを出力可能なパルス電源として、ギャップスイッチを用いたマルクス回路方式のパルス電源が知られている。ギャップスイッチは、間隔を設けて対向配置された一対の電極で構成されている。この一対の電極間が放電短絡することでギャップスイッチが閉じられる。 2. Description of the Related Art A pulse power supply that outputs high energy by releasing electromagnetic energy stored in a capacitor or the like in a short time of several tens of nanoseconds to several microseconds is used in technical fields such as the environment, medicine, and biology. In particular, as a pulse power supply capable of outputting electromagnetic energy of high voltage and large current, a Marx circuit type pulse power supply using a gap switch is known. A gap switch is composed of a pair of electrodes arranged to face each other with a gap therebetween. The gap switch is closed by a discharge short circuit between the pair of electrodes.
パルス電源には応答性と安定性とが求められる。パルス電源の応答性とは、パルスの連続出力の間隔に関係する。この間隔が短くかつ一定であるほど応答性がよいと判断される。パルス電源の安定性とは、パルスの連続出力が確実に行われるか否かに関係する。例えば、パルスの連続出力の指令に対して間欠的な出力となると安定性が悪いと判断される。 A pulse power supply is required to have responsiveness and stability. The responsiveness of a pulse power supply is related to the interval of continuous output of pulses. It is judged that the shorter and more constant the interval, the better the responsiveness. The stability of the pulse power supply relates to whether or not the continuous output of pulses is reliably performed. For example, it is determined that the stability is poor if the output is intermittent in response to a continuous pulse output command.
従来のギャップスイッチを用いたパルス電源として、高電圧の電荷が充電された複数のコンデンサがそれぞれギャップスイッチを介して負荷に接続されたパルス電源が開示されている。このパルス電源においては、ギャップスイッチにトリガ電極が設けされており、このトリガ電極でギャップスイッチの開閉が行われるので応答性は優れている(例えば、特許文献1参照)。また、別のパルス電源として、自己放電型のギャップスイッチを用いたパルス電源が開示されている。このパルス電源においては、ギャップスイッチを構成する一対の電極の間隔を機械的に調整することができるので安定性は優れている(例えば、特許文献2参照)。 As a conventional pulse power supply using a gap switch, there is disclosed a pulse power supply in which a plurality of capacitors charged with high-voltage charges are connected to a load via gap switches. In this pulse power source, the gap switch is provided with a trigger electrode, and the gap switch is opened and closed by the trigger electrode, so the responsiveness is excellent (see, for example, Patent Document 1). As another pulse power supply, a pulse power supply using a self-discharge type gap switch is disclosed. This pulse power supply is excellent in stability because the gap between the pair of electrodes constituting the gap switch can be mechanically adjusted (see, for example, Patent Document 2).
ギャップスイッチを構成する一対の電極には、金属などの導電材料が用いられている。ギャップスイッチにおいては、放電短絡時の高い電磁エネルギーで電界集中する部位の電極材料が蒸発して電極が消耗する。従来のトリガ電極を設けたギャップスイッチを用いたパルス電源においては、電極が消耗することで一対の電極間の間隔が広がっていくため、徐々に安定性が損なわれるという問題があった。また、従来の自己放電型のギャップスイッチを用いたパルス電源においては、電極の消耗に対して一対の電極間の間隔を機械的に調整しているため、連続出力の間隔が長くなって応答性が損なわれるという問題があった。つまり、従来のパルス電源においては、応答性と安定性との両立が困難であった。 A conductive material such as metal is used for the pair of electrodes that constitute the gap switch. In the gap switch, the electrode material is evaporated at the portion where the electric field is concentrated due to the high electromagnetic energy at the time of discharge short circuit, and the electrode is consumed. In the conventional pulse power supply using a gap switch provided with a trigger electrode, the gap between the pair of electrodes widens as the electrodes wear out, causing a problem of gradual loss of stability. In addition, in the conventional pulse power supply using a self-discharge type gap switch, the gap between the pair of electrodes is mechanically adjusted in response to wear of the electrodes. There was a problem that the In other words, in the conventional pulse power supply, it is difficult to achieve both responsiveness and stability.
本願は、上述の課題を解決するためになされたもので、応答性と安定性とを両立できるパルス電源を提供することを目的とする。 The present application has been made to solve the above-described problems, and an object of the present application is to provide a pulse power supply capable of achieving both responsiveness and stability.
本願のパルス電源は、コンデンサと、コンデンサを充電する直流電源と、コンデンサに接続され、放電短絡によってコンデンサに充電された電力を出力するギャップスイッチと、ギャップスイッチにおける放電短絡を誘発させるトリガ放電を発生するトリガ放電発生部と、トリガ放電の発生時刻から放電短絡の発生時刻までの遅れ時間を演算する遅れ時間演算部と、遅れ時間に基づいて直流電源がコンデンサを充電する充電電圧を制御する充電電圧制御部とを備えている。 The pulse power supply of the present application includes a capacitor, a DC power supply that charges the capacitor, a gap switch that is connected to the capacitor and outputs power charged in the capacitor by a discharge short circuit, and a trigger discharge that induces the discharge short circuit in the gap switch. a trigger discharge generation unit for generating a trigger discharge, a delay time calculation unit for calculating the delay time from the time when the trigger discharge occurs to the time when the discharge short circuit occurs, and a charging voltage for controlling the charging voltage with which the DC power supply charges the capacitor based on the delay time. and a control unit.
本願のパルス電源は、トリガ放電の発生時刻から放電短絡の発生時刻までの遅れ時間を演算する遅れ時間演算部と、遅れ時間に基づいて直流電源がコンデンサを充電する充電電圧を制御する充電電圧制御部とを備えているので、応答性と安定性とを両立できる。 The pulse power supply of the present application has a delay time calculation unit that calculates the delay time from the time when the trigger discharge occurs to the time when the discharge short circuit occurs, and a charging voltage control that controls the charging voltage with which the DC power supply charges the capacitor based on the delay time. Since it is provided with a part, it is possible to achieve both responsiveness and stability.
以下、本願を実施するための実施の形態に係るパルス電源について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一符号は同一もしくは相当部分を示している。 Hereinafter, a pulse power supply according to an embodiment for carrying out the present application will be described in detail with reference to the drawings. In each figure, the same reference numerals denote the same or corresponding parts.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係るパルス電源の構成図である。本実施の形態のパルス電源1は、直流電源2、コンデンサ3、ギャップスイッチ4、トリガ放電発生部5、遅れ時間演算部6および充電電圧制御部7を備えている。
FIG. 1 is a configuration diagram of a pulse power supply according to
直流電源2は、直流電力を出力することができる。コンデンサ3は、直流電源2に接続されており、直流電源2の出力電圧に応じた充電電圧Vcが充電される。ギャップスイッチ4は、コンデンサ3に接続されている。ギャップスイッチ4は、放電短絡により電気的なスイッチの開閉を行う機能を有しており、スイッチが閉じたときにコンデンサ3に蓄えられた電磁エネルギーを出力する。トリガ放電発生部5は、ギャップスイッチ4の放電短絡を誘発させるトリガ放電を発生させる。遅れ時間演算部6は、トリガ放電発生部5におけるトリガ放電の発生時刻からギャップスイッチ4における放電短絡の発生時刻までの遅れ時間を演算する機能を有する。充電電圧制御部7は、遅れ時間演算部6で演算された遅れ時間に基づいて直流電源2が出力する充電電圧を制御する機能を有する。
The
図2は、本実施の形態のトリガ放電発生部5の回路図である。図2に示すように、トリガ放電発生部5は、トリガ信号発生部51、トリガ電極52、昇圧トランス53、スイッチング素子54およびトリガ用電源55を備えている。
FIG. 2 is a circuit diagram of the
トリガ用電源55に対して昇圧トランス53の1次側巻線およびスイッチング素子54が直列に接続されている。トリガ信号発生部51は任意のパルス信号を出力することができ、スイッチング素子54をスイッチングする。昇圧トランス53の2次側巻線の高電圧側はトリガ電極52に接続されている。トリガ信号発生部51が出力するパルス信号が立ち上がるとスイッチング素子54が開き、昇圧トランス53の1次側巻線にトリガ用電源55から充電電圧が印加される。パルス信号が立ち下がるとスイッチング素子54が閉じ、昇圧トランス53の1次側巻線にサージ電圧が発生する。このサージ電圧が昇圧トランス53で昇圧されて2次側巻線に高電圧が発生する。この高電圧がトリガ電圧Vtとなってトリガ電極52から出力される。
A primary winding of a step-
図3は、本実施の形態のギャップスイッチ4の概略構成図である。図3に示すように、ギャップスイッチ4は、放電ギャップ40を介して対向配置された充電電極41と基準電極42とを備えている。充電電極41と基準電極42との間の放電ギャップ40の近傍にはトリガ電極52が配置されている。ギャップスイッチ4は、放電ギャップ40に放電を発生させることでスイッチを閉じ、放電を消滅させることでスイッチを開くことができる。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the
充電電極41および基準電極42は、例えば真鍮で構成されており、先端部に鋭利な部分が存在しないように丸み付けがなされている。電極の形状を丸み付けがなされた形状とすることで電界強度の集中を避けることができるため、電極の消耗を低減する効果が得られる。充電電極41には充電電圧Vcが印加される。基準電極42は直流電源2の基準電位Vgに設定されている。トリガ電極52にはトリガ電圧Vtが印加される。
The
ギャップスイッチ4において、トリガ電極52にトリガ電圧Vtが印加されと、トリガ電極52から充電電極41または基準電極42に向かってトリガ放電が発生する。このトリガ放電に誘発されて充電電極41と基準電極42との間に放電が発生する。充電電極41と基準電極42との間に放電が発生することで、ギャップスイッチ4が閉じた状態となりギャップスイッチ4に電流が流れる。
In the
充電電極41は、コンデンサ3に接続されている。そのため、トリガ放電が充電電極41に向かって発生した場合、コンデンサ3に蓄積された電磁エネルギーが充電電極41およびトリガ電極52を経由してトリガ放電発生部5に流れ込む。その結果、トリガ放電発生部5が故障する可能性がある。そのような故障の発生を防ぐために、ギャップスイッチ4においてトリガ放電は基準電極42に向かって発生させることが望ましい。そのため、トリガ電極52に印加されるトリガ電圧Vtの極性と充電電圧Vcの極性とが異なる場合には、トリガ電極52は放電ギャップ40の中央よりも基準電極42に近い位置に配置されていることが望ましい。
A
ギャップスイッチ4には、自爆電圧Vaおよび最低動作電圧Vbが存在する。自爆電圧Vaは、トリガ放電なしでギャップスイッチ4が閉じる電圧である。最低動作電圧Vbは、ギャップスイッチ4が閉じるのに必要な最低電圧である。ギャップスイッチ4の自爆電圧Vaおよび最低動作電圧Vbは、ギャップスイッチ4の幾何学的な構成および放電ギャップ40の環境によって決まる。充電電圧Vcが自爆電圧Vaよりも高い場合は、ギャップスイッチ4は充電電圧Vcが印加されたときに瞬時に放電短絡する可能性がある。そのため、ギャップスイッチ4はトリガ放電発生部5を動作させなくても閉じてしまう可能性がある。一方、充電電圧Vcが最低動作電圧Vbよりも低い場合は、ギャップスイッチ4はトリガ放電発生部5を動作させても閉じない可能性がある。したがって、充電電圧Vcは自爆電圧Vaより低く最低動作電圧Vbより高い電圧に設定する必要がある。
The
図4は、本実施の形態のパルス電源1の回路図である。図4に示すように、パルス電源1のギャップスイッチ4およびコンデンサ3は、負荷10に対して直列に接続されている。直流電源2は電流制限抵抗11を介してコンデンサ3を充電電圧Vcに充電する。コンデンサ3が充電された状態でトリガ電極52のトリガ放電によってギャップスイッチ4が閉じたときには、コンデンサ3における充電側が基準電位となる。そのため、コンデンサ3における負荷10側は充電電圧Vcの極性が反転した電圧が印加される。負荷10には、負荷10のインピーダンス、コンデンサ3の静電容量および充電電圧Vcで決まるパルス状の電流が流れる。このようにして、パルス電源1はパルス状の高いエネルギーを負荷10に出力することができる。
FIG. 4 is a circuit diagram of the
電流制限抵抗11は、抵抗体あるいはインダクタンスを有するコイルを用いることができる。電流制限抵抗11に抵抗体を用いる場合は、電気ノイズの抑制効果が得られる。電流制限抵抗11にコイルを用いる場合はエネルギー損失の低減効果が得られる。
A coil having a resistor or an inductance can be used as the current limiting
ギャップスイッチ4の充電電極41および基準電極42とトリガ電極52とは、密閉容器43内に設けられている。密閉容器43は、内部に絶縁性の流体が封入されている。密閉容器43と、充電電極41、基準電極42およびトリガ電極52とは電気的に絶縁されている。また、密閉容器43には内部の絶縁性の流体の排出および充填ができるように少なくとも1つのバルブが設けられている。なお、密閉容器43に封入される絶縁性の流体は、例えば窒素、アルゴンなどの絶縁性の気体、あるいは鉱油,シリコーン油、絶縁油などの絶縁性の液体である。
A charging
図5は、本実施の形態のパルス電源における電気特性の一例を示す概略図である。図5において、横軸は時間である。図5(a)は、トリガ放電発生部5のトリガ信号発生部51から出力されるパルス信号Vsの電圧波形である。図5(b)は、トリガ電極52から出力されるトリガ電圧Vtの電圧波形である。図5(c)は、コンデンサ3に充電される充電電圧Vcの電圧波形である。図5(d)は、ギャップスイッチ4の充電電極41と基準電極42との間に流れるギャップ電流Igの電流波形である。
FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of electrical characteristics in the pulse power supply of this embodiment. In FIG. 5, the horizontal axis is time. 5A shows the voltage waveform of the pulse signal Vs output from the
図2のトリガ放電発生部5の動作を説明したように、パルス信号Vsが立ち下がるときにトリガ電圧Vtが立ち上がる。トリガ電圧Vtが上昇し、トリガ電極52と充電電極41または基準電極42との間でトリガ放電が発生すると、トリガ電圧Vtは減少に転じる。トリガ電圧Vtが減少した後にギャップスイッチ4が閉じる、すなわち充電電極41と基準電極42との間に放電短絡が発生する。ギャップスイッチ4が閉じることでコンデンサ3に充電された充電電圧Vcが減少すると共に、充電電極41と基準電極42との間にギャップ電流Igが発生する。
As described for the operation of the
図5において、トリガ電圧Vtの立ち上がりの時刻からトリガ放電の発生時刻までの時間を昇圧時間Tvと定義し、トリガ放電の発生時刻からギャップスイッチ4が閉じる時刻までの時間を放電遅れ時間Tdと定義する。そして、トリガ電圧Vtの立ち上がりの時刻からギャップスイッチ4が閉じる時刻までの時間をスイッチ動作時間Tと定義すると、T=Tv+Tdの関係が成り立つ。
In FIG. 5, the time from the time when the trigger voltage Vt rises to the time when the trigger discharge occurs is defined as the boost time Tv, and the time from the time when the trigger discharge occurs to the time when the
充電電圧Vcが自爆電圧Vaと最低動作電圧Vbとの間に設定されている場合、充電電圧Vcと最低動作電圧Vbとの差が小さくなるほど放電遅れ時間Tdは長くなる。この放電遅れ時間Tdがパルス電源1の応答性および安定性に大きく影響する。例えば、スイッチ動作の繰り返しに起因してギャップスイッチ4の電極が消耗した場合、放電ギャップ40が大きくなるため最低動作電圧Vbが上昇する。そうすると、充電電圧Vcと最低動作電圧Vbとの差が小さくなって放電遅れ時間Tdは長くなる。その結果、パルスの連続出力の間隔が徐々に長くなるためパルス電源1の応答性が損なわれる。また、最低動作電圧Vbの上昇がさらに大きくなると、充電電圧Vcと最低動作電圧Vbとの差がさらに小さくなって、ギャップスイッチ4が閉じなくなる場合がある。その結果、パルス電源1の安定性が損なわれる。したがって、充電電圧Vcと最低動作電圧Vbとの差を一定に制御する、すなわち放電遅れ時間Tdを一定に制御することができれば、パルス電源1の応答性および安定性を良好に保つことができる。
When the charging voltage Vc is set between the self-destruction voltage Va and the minimum operating voltage Vb, the smaller the difference between the charging voltage Vc and the minimum operating voltage Vb, the longer the discharge delay time Td. This discharge delay time Td greatly affects the responsiveness and stability of the
ギャップスイッチ4の密閉容器43内の流体の温度および圧力が一定であれば、トリガ電圧Vtの立ち上がりの時刻からトリガ放電の発生時刻までの昇圧時間Tvは一定とみなすことができる。そのため、放電遅れ時間Tdの変化量はスイッチ動作時間Tの変化量に等しくなる。したがって、トリガ電圧Vtの立ち上がりの時刻からギャップスイッチ4が閉じる時刻までのスイッチ動作時間Tの変化量を一定に制御することで、パルス電源1の応答性および安定性を良好に保つことができる。
If the temperature and pressure of the fluid in the sealed
トリガ電圧Vtの立ち上がりの時刻は、トリガ信号発生部51が出力するトリガ信号の立ち下がりの時刻と一致するため、トリガ放電発生部5で検知することができる。
ギャップスイッチ4が閉じる時刻は、例えばギャップスイッチ4に電圧センサまたは電流センサを設けて検知することができる。あるいは、ギャップスイッチ4が閉じる時刻は、直流電源2の出力電圧または出力電流の時間変化を測定することで検知することができる。この方法はギャップスイッチ4のスイッチ動作に起因する電気ノイズの影響が小さい利点がある。ただし、電流制限抵抗11の抵抗値またはインダクタンス値が大きい場合に遅延誤差が大きくなる場合があるので注意を要する。それとは別に、ギャップスイッチ4が閉じる時刻は、負荷10へ出力される出力電圧または出力電流の時間変化を測定することでも検知することができる。この方法は、遅延誤差は小さいがギャップスイッチ4のスイッチ動作に起因する電気ノイズの影響を受け易い。
Since the rising time of the trigger voltage Vt coincides with the falling time of the trigger signal output from the trigger
The closing time of the
遅れ時間演算部6は、トリガ電圧Vtの立ち上がりの時刻とギャップスイッチ4が閉じる時刻とからスイッチ動作時間Tを演算する。遅れ時間演算部6がスイッチ動作時間Tを演算することは、すなわち放電遅れ時間Tdを演算することになる。遅れ時間演算部6は、予め設定された第1上限時間T1および第2上限時間T2を保持している。上述のように、スイッチ動作時間Tの変化は、放電遅れ時間Tdの変化と関係し、かつ最低動作電圧Vbの上昇と関係している。第1上限時間T1は、最低動作電圧Vbの上昇によるパルスの連続出力の応答性の低下が許容できる範囲までのスイッチ動作時間Tの上限値として設定されている。第2上限時間T2は、最低動作電圧Vbの上昇によるパルスの連続出力の安定性の低下が許容できる範囲までのスイッチ動作時間Tの上限値として設定されている。つまり、スイッチ動作時間TがT1より長くなると、パルスの連続出力の間隔が徐々に長くなってパルス電源1の応答性が許容できない範囲まで低下する。また、スイッチ動作時間TがT2より長くなると、ギャップスイッチ4が閉じなくなってパルス電源1の安定性が許容できない範囲まで低下する。通常、第2上限時間T2は、第1上限時間T1より大きい。
The delay time calculator 6 calculates the switch operating time T from the rise time of the trigger voltage Vt and the closing time of the
遅れ時間演算部6は、演算したスイッチ動作時間Tが第1上限時間T1を超える場合には、充電電圧制御部7に第1遅れ信号を出力する。充電電圧制御部7は、第1遅れ信号を受信すると直流電源2の出力電圧を上昇させる。このようにして、パルス電源1は、コンデンサ3の充電電圧Vcを上昇させて充電電圧Vcと最低動作電圧Vbとの差が小さくなることを抑制することができる。このような制御は、電気的な信号処理により行うことができるので、パルスの連続出力の間にフィードバックできる。その結果、本実施の形態のパルス電源は、スイッチ動作時間Tが第1上限時間T1を超えることを防ぐことができ、パルス電源1の応答性と安定性とを両立させることができる。
The delay time calculator 6 outputs a first delay signal to the charging
遅れ時間演算部6は、演算したスイッチ動作時間Tが第2上限時間T2を超える場合には、トリガ放電発生部5に第2遅れ信号を出力する。トリガ放電発生部5は、第2遅れ信号を受信するとギャップスイッチ4が動作しなかったと見なして再度トリガ放電を発生させる。このようにして、パルス電源1は、パルスの連続出力が間欠的な出力となることを抑制することができる。
The delay time calculator 6 outputs a second delay signal to the
なお、遅れ時間演算部6は、予め設定された下限時間T3を保持していてもよい。下限時間T3は、自爆電圧Vaが一時的に低下してトリガ放電の発生前にギャップスイッチ4が閉じることを防ぐために設定された時間である。つまり、スイッチ動作時間TがT3より短くなると、ギャップスイッチ4がトリガ放電なしに閉じることでパルス電源1の安定性が損なわれる。遅れ時間演算部6は、演算したスイッチ動作時間Tが下限時間T3より短い場合には、充電電圧制御部7に早期信号を出力する。充電電圧制御部7は、早期信号を受信すると直流電源2の出力電圧を低下させる。このようにして、パルス電源1は、自爆電圧Vaが一時的に低下した場合でも安定性を維持することができる。
Note that the delay time calculator 6 may hold a preset lower limit time T3. The lower limit time T3 is a time set to prevent the
本実施の形態のパルス電源においては、放電遅れ時間Tdの変化量とスイッチ動作時間Tの変化とが等しいとして、遅れ時間演算部6は、放電遅れ時間Tdの変化量を検知する替わりにスイッチ動作時間Tの変化を検知している。別の方法として、遅れ時間演算部6は、放電遅れ時間Tdを直接検知してもよい。図5(b)に示すように、トリガ電圧Vtの最大値またはトリガ電圧Vtの時間変化を測定して、トリガ放電の発生時刻を検出し、トリガ放電の発生時刻からギャップスイッチ4が閉じる時刻までの時間を放電遅れ時間Tdとして直接検知することもできる。この方法を用いる場合はトリガ電圧Vtを測定する装置が必要となる。この方法で測定された放電遅れ時間Tdの変化は精度が高いという利点がある。ただし、遅れ時間演算部6が放電遅れ時間Tdを直接検知する場合は、予め設定された第1上限時間T1、第2上限時間T2および下限時間T3を放電遅れ時間Tdに合わせて変更する必要がある。 In the pulse power source of the present embodiment, assuming that the amount of change in the discharge delay time Td and the change in the switch operation time T are equal, the delay time calculator 6 detects the amount of change in the discharge delay time Td, instead of detecting the amount of change in the discharge delay time Td. A change in time T is detected. As another method, the delay time calculator 6 may directly detect the discharge delay time Td. As shown in FIG. 5(b), the maximum value of the trigger voltage Vt or the change in the trigger voltage Vt over time is measured to detect the trigger discharge occurrence time. can be directly detected as the discharge delay time Td. Using this method requires a device for measuring the trigger voltage Vt. The change in the discharge delay time Td measured by this method has the advantage of being highly accurate. However, when the delay time calculator 6 directly detects the discharge delay time Td, it is necessary to change the preset first upper limit time T1, second upper limit time T2, and lower limit time T3 according to the discharge delay time Td. be.
なお、本実施の形態のパルス電源において、スイッチ動作時間Tをパルス出力1回毎に演算し、このスイッチ動作時間Tと第1上限時間T1および第2上限時間T2との大小関係を比較して判定している。パルス電源が繰り返し動作モードで駆動される場合は、複数回のパルス出力のスイッチ動作時間Tの平均値または最大値と第1上限時間T1および第2上限時間T2との大小関係を比較して判定してもよい。この場合、短期的には応答性は若干低下するが、繰り返し動作モードにおける長期的な安定性が向上する。 In addition, in the pulse power source of the present embodiment, the switch operation time T is calculated for each pulse output, and the magnitude relationship between this switch operation time T and the first upper limit time T1 and the second upper limit time T2 is compared. Judging. When the pulse power supply is driven in the repetitive operation mode, the average value or the maximum value of the switch operation time T of multiple pulse outputs is compared with the first upper limit time T1 and the second upper limit time T2 for determination. You may In this case, short-term responsiveness is slightly reduced, but long-term stability in the repetitive operation mode is improved.
また、本実施の形態のパルス電源は、スイッチ動作時間Tが第1上限時間T1を超える場合にコンデンサ3の充電電圧Vcを上昇させている。別の方法として、スイッチ動作時間Tが増加するにしたがってコンデンサ3の充電電圧Vcを上昇させる方法を用いてもよい。例えば、パルス電源は、スイッチ動作時間Tと充電電圧Vcとの対応を予め設定したマップまたは関数を保持する。そして、パルス電源は、このマップまたは関数を用いてスイッチ動作時間Tが増加するにしたがってコンデンサ3の充電電圧Vcを上昇させてもよい。
Further, the pulse power supply of the present embodiment raises the charging voltage Vc of the
実施の形態2.
図6は、実施の形態2に係るパルス電源の構成図である。本実施の形態のパルス電源1は、実施の形態1で説明したパルス電源の構成に、環境検知部8が追加されたものである。環境検知部8は、ギャップスイッチ4の密閉容器43に封入される絶縁性の流体の圧力、温度および湿度の少なくとも1つを検知する機能を有する。環境検知部8は、検知した絶縁性の流体の圧力、温度および湿度の少なくとも1つを遅れ時間演算部6に出力する。これ以降、密閉容器43内の流体の圧力をギャップ圧力と称する。
なお、本実施の形態の説明において、パルス電源1における絶縁性の流体の圧力、温度および湿度の初期値が決まっており、その条件における予め設定された第1上限時間T1、第2上限時間T2および下限時間T3も初期値が決まっているものとする。
FIG. 6 is a configuration diagram of a pulse power supply according to the second embodiment. A
In the description of the present embodiment, the initial values of the pressure, temperature, and humidity of the insulating fluid in the
密閉容器43内に充填された流体の圧力、すなわちギャップ圧力が変化した場合、トリガ電圧の立ち上がりの時刻からトリガ放電の発生時刻までの昇圧時間Tvが変化する。そのため、ギャップ圧力が変化した場合、スイッチ動作時間Tの変化量と放電遅れ時間Tdの変化量とは一致しない。具体的には、ギャップ圧力が高くなるほど、トリガ放電を発生させるために必要なトリガ電圧が高くなるため昇圧時間Tvが長くなる。
When the pressure of the fluid filled in the sealed
本実施の形態のパルス電源1において、環境検知部8が流体の圧力を検知する機能を有する圧力検知部である場合、遅れ時間演算部6は、ギャップ圧力が初期値より高い場合には第1上限時間T1、第2上限時間T2および下限時間T3の少なくとも1つを初期値より小さな値に設定する。ギャップ圧力が初期値より低い場合、遅れ時間演算部6は、第1上限時間T1、第2上限時間T2および下限時間T3の少なくとも1つを初期値より大きな値に設定する。あるいは、遅れ時間演算部6は、スイッチ動作時間Tを演算するときにギャップ圧力に基づいてスイッチ動作時間Tを補正してもよい。遅れ時間演算部6は、演算したスイッチ動作時間Tと、第1上限時間T1、第2上限時間T2および下限時間T3との大小関係に基づいて充電電圧制御部7に第1遅れ信号などを出力する。このようにして本実施の形態のパルス電源1は、スイッチ動作時間Tの変化量、すなわち放電遅れ時間Tdの変化量を一定に制御することで応答性および安定性を良好に保つことができる。
In the
密閉容器43内に充填された流体の温度が上昇すると、自爆電圧Vaおよび最低動作電圧Vbは低下する。また、密閉容器43に充填された流体が気体の場合、この気体の湿度が上昇すると自爆電圧Vaおよび最低動作電圧Vbは低下する。
As the temperature of the fluid filled in the sealed
本実施の形態のパルス電源1において、環境検知部8が流体の温度を検知する機能を有する温度検知部である場合、遅れ時間演算部6は、流体の温度が初期値より高い場合には第1上限時間T1、第2上限時間T2および下限時間T3の少なくとも1つを初期値より小さな値に設定する。逆に流体の温度が初期値より低い場合には、遅れ時間演算部6は、第1上限時間T1、第2上限時間T2および下限時間T3の少なくとも1つを初期値より大きな値に設定する。あるいは、遅れ時間演算部6は、スイッチ動作時間Tを演算するときに流体の温度に基づいてスイッチ動作時間Tを補正してもよい。遅れ時間演算部6は、演算したスイッチ動作時間Tと、第1上限時間T1、第2上限時間T2および下限時間T3との大小関係に基づいて充電電圧制御部7に第1遅れ信号などを出力する。このようにして本実施の形態のパルス電源1は、スイッチ動作時間Tの変化量、すなわち放電遅れ時間Tdの変化量を一定に制御することで応答性および安定性を良好に保つことができる。
In the
本実施の形態のパルス電源1において、密閉容器43に充填された流体が気体であって、環境検知部8が気体の湿度を検知する機能を有する湿度検知部である場合、遅れ時間演算部6は、気体の湿度が初期値より高い場合には第1上限時間T1、第2上限時間T2および下限時間T3の少なくとも1つを初期値より小さな値に設定する。逆に気体の湿度が初期値より低い場合には、遅れ時間演算部6は、第1上限時間T1、第2上限時間T2および下限時間T3の少なくとも1つを初期値より大きな値に設定する。あるいは、遅れ時間演算部6は、スイッチ動作時間Tを演算するときに気体の湿度に基づいてスイッチ動作時間Tを補正してもよい。遅れ時間演算部6は、演算したスイッチ動作時間Tと第1上限時間T1、第2上限時間T2および下限時間T3との大小関係に基づいて充電電圧制御部7に第1遅れ信号などを出力する。このようにして本実施の形態のパルス電源1は、スイッチ動作時間Tの変化量、すなわち放電遅れ時間Tdの変化量を一定に制御することで応答性および安定性を良好に保つことができる。
In the
なお、本実施の形態において、環境検知部8が圧力を検知する機能を有する圧力検知部である場合、環境検知部8が密閉容器43内のギャップ圧力を直接測定してもよいし、環境検知部8内の圧力から密閉容器43内のギャップ圧力を推定してもよい。環境検知部8が密閉容器43内のギャップ圧力を直接測定する場合は、密閉容器43内のギャップ圧力を高精度に測定できる。環境検知部8が環境検知部8内の圧力から密閉容器43内のギャップ圧力を推定する場合は、パルス電源1を小型にできる。
In this embodiment, when the environment detection unit 8 is a pressure detection unit having a function of detecting pressure, the environment detection unit 8 may directly measure the gap pressure in the sealed
また、本実施の形態のパルス電源1において、環境検知部8が流体の温度を検知する温度検知部または湿度を検知する湿度検知部である場合、必ずしもギャップスイッチ4は密閉容器43を備えている必要はない。この場合、ギャップスイッチ4の電極間の放電ギャップ40は絶縁性の流体で満たされている必要はなく、解放された大気であってもよい。
Further, in the
実施の形態3.
パルス電源においては、充電電圧Vcは自爆電圧Vaと最低動作電圧Vbとの間に設定される。ギャップスイッチ4の自爆電圧Vaおよび最低動作電圧Vbは、ギャップスイッチ4の幾何学的な構成および放電ギャップ40の環境によって決まる。実施の形態3のパルス電源は、放電ギャップ40の環境を調整することでギャップスイッチ4の自爆電圧Vaおよび最低動作電圧Vbを調整可能にしたものである。
In the pulse power supply, the charging voltage Vc is set between the self-destruction voltage Va and the minimum operating voltage Vb. The self-destruct voltage Va and the minimum operating voltage Vb of the
図7は、本実施の形態に係るパルス電源の構成図である。本実施の形態のパルス電源1は、実施の形態1で説明したパルス電源の構成に、圧力調整部9が追加されたものである。圧力調整部9は、ギャップスイッチ4の密閉容器43に封入される絶縁性の流体の圧力を調整する機能を有する。
FIG. 7 is a configuration diagram of a pulse power supply according to this embodiment. The
例えば、密閉容器43に封入される絶縁性の流体がアルゴンガスとする。仮に密閉容器43内のギャップ圧力が2気圧の場合に自爆電圧Vaが10kV、最低動作電圧Vbが5kVとすると、充電電圧Vcは10kV未満かつ5kVを超える電圧に設定される。次に、圧力調整部9が密閉容器43内のギャップ圧力を2気圧から下げると、自爆電圧Vaおよび最低動作電圧Vbが低下する。その結果、最低動作電圧Vbが5kVより低くなるので、充電電圧Vcを5kV以下に設定することが可能となる。圧力調整部9が密閉容器43内のギャップ圧力を2気圧から上げると、自爆電圧Vaおよび最低動作電圧Vbが上昇する。その結果、自爆電圧Vaが10kVより高くなるので、充電電圧Vcを10kV以上に設定することが可能となる。
For example, the insulating fluid enclosed in the sealed
実施の形態1で説明したように、放電遅れ時間Tdの変化すなわちスイッチ動作時間Tの変化は、充電電圧Vcと最低動作電圧Vbとの差に関係している。スイッチ動作時間Tが長くなる原因は、最低動作電圧Vbが上昇して充電電圧Vcと最低動作電圧Vbとの電圧差が小さくなるためである。実施の形態1のパルス電源は、スイッチ動作時間TがT1より長くなると充電電圧Vcを上昇させて充電電圧Vcと最低動作電圧Vbとの差が小さくなることを抑制していた。本実施の形態のパルス電源は、スイッチ動作時間TがT1より長くなると最低動作電圧Vbを低下させて充電電圧Vcと最低動作電圧Vbとの差が小さくなることを抑制する。
As described in
具体的には、遅れ時間演算部6は、第1遅れ信号および第2遅れ信号を圧力調整部9に出力する。例えば、第1遅れ信号を充電電圧制御部7ではなく圧力調整部9に出力する。実施の形態1のように、第1遅れ信号を充電電圧制御部7に出力した場合、充電電圧制御部7は充電電圧Vcを上昇させる制御を行っている。本実施の形態のように、第1遅れ信号を圧力調整部9に出力した場合、圧力調整部9はギャップ圧力を下げて結果的に最低動作電圧Vbを下げる制御を行う。このような制御を行うことで、本実施の形態のパルス電源1は、充電電圧Vcと最低動作電圧Vbとの差が小さくなることを抑制することができる。その結果、本実施の形態のパルス電源は、スイッチ動作時間Tが第1上限時間T1を超えることを防ぐことができ、パルス電源1の応答性と安定性とを両立させることができる。
Specifically, the delay time calculator 6 outputs the first delay signal and the second delay signal to the
なお、本実施の形態において、圧力調整部9は密閉容器43内のギャップ圧力を直接測定してもよいし、圧力調整部9内の圧力から密閉容器43内のギャップ圧力を推定してもよい。圧力調整部9が密閉容器43内のギャップ圧力を直接測定する場合は、密閉容器43内のギャップ圧力を高精度に測定できる。圧力調整部9が圧力調整部9内の圧力から密閉容器43内のギャップ圧力を推定する場合は、パルス電源1を小型にできる。
In this embodiment, the
また、圧力調整部9は、密閉容器43に封入される絶縁性の流体を排出および充填する機能を備えていてもよい。絶縁性の流体を入れ替えることでギャップスイッチ4の電極間の放電短絡で発生する電極材料の蒸発物質などが放電ギャップ40に滞留することを防ぐことができる。
Moreover, the
実施の形態4.
図8は、実施の形態4のパルス電源の回路図である。本実施の形態のパルス電源1は、実施の形態1のパルス電源において、コンデンサと負荷との間に第2ギャップスイッチおよび第2コンデンサを追加したものである。なお、本実施の形態のパルス電源1のトリガ放電発生部5、遅れ時間演算部6および充電電圧制御部7は、実施の形態1のものと同じである。
FIG. 8 is a circuit diagram of a pulse power supply according to the fourth embodiment. The
図8に示すように、本実施の形態のパルス電源1は、コンデンサ3と負荷10との間に第2ギャップスイッチ12と第2コンデンサ13とが接続されている。第2コンデンサ13における負荷10側と反対側の端子は、第2電流制限抵抗14を介して直流電源2に接続されている。また、コンデンサ3と第2ギャップスイッチ12との接続点は、保護抵抗15を介して接地電位に接続されている。コンデンサ3と第2コンデンサ13とは同じ静電容量を有している。コンデンサ3および第2コンデンサ13は、それぞれ電流制限抵抗11および第2電流制限抵抗14を介して直流電源2から充電電圧Vcで充電される。第2ギャップスイッチ12は、ギャップスイッチ4と同様に、充電電極と基準電極とで構成されている。ただし、第2ギャップスイッチ12はトリガ電極を備えていない。第2ギャップスイッチ12は、ギャップスイッチ4が閉じるときのサージ電圧がトリガとなって自動的に閉じるように放電ギャップの間隔などが調整されている。このように構成されたパルス電源1は、充電電圧Vcの2倍の電圧を負荷10に印加することが可能となる。
As shown in FIG. 8, the
本実施の形態のパルス電源1においては、実施の形態1と同様に、遅れ時間演算部6が、トリガ電圧の立ち上がりの時刻とギャップスイッチ4が閉じる時刻とからスイッチ動作時間Tを演算する。そして、遅れ時間演算部6は、演算したスイッチ動作時間Tが第1上限時間T1を超える場合には、充電電圧制御部7に第1遅れ信号を出力する。充電電圧制御部7は、第1遅れ信号を受信すると直流電源2の出力電圧を上昇させる。このようにして、パルス電源1は、コンデンサ3の充電電圧Vcを上昇させて充電電圧Vcと最低動作電圧Vbとの差が小さくなることを抑制する。その結果、本実施の形態のパルス電源は、スイッチ動作時間Tが第1上限時間T1を超えることを防ぐことができ、パルス電源1の応答性と安定性とを両立させることができる。
In the
なお、実施の形態1のパルス電源においては、ギャップスイッチ4が閉じる時刻は、ギャップスイッチ4に電圧センサまたは電流センサを設けて検知していた。本実施の形態のパルス電源1においては、ギャップスイッチ4が閉じる時刻を第2ギャップスイッチ12が閉じる時刻としてもよい。その場合、第2ギャップスイッチ12に電圧センサまたは電流センサを設ける必要がある。これらのセンサを第2ギャップスイッチ12に設ける場合は、ギャップスイッチ4に設ける場合に比べてトリガ放電などの電気ノイズの影響が小さくなる利点がある。
In the pulse power supply of
また、実施の形態1のパルス電源においては、トリガ電圧の立ち上がりの時刻からギャップスイッチ4が閉じる時刻までの時間をスイッチ動作時間Tとしている。本実施の形態のパルス電源1においては、コンデンサ3が放電を開始する時刻から第2コンデンサ13が放電を開始する時刻までの時間をスイッチ動作時間Tとしてもよい。この場合、コンデンサ3および第2コンデンサ13の電圧または電流を検知する装置が必要となる。このようなスイッチ動作時間Tを用いた場合、ギャップスイッチ4が動作しているにも関わらず第2ギャップスイッチ12が連動しない状態を検知することができる。ただし、このようなスイッチ動作時間Tを用いた場合は、第1上限時間T1、第2上限時間T2および下限時間T3を適宜設定する必要がある。
Further, in the pulse power supply of
なお、本実施の形態のパルス電源1においては、コンデンサおよびギャップスイッチを直列に2組接続した構成としたが、直列に3組以上接続した構成でもよい。
In the
本願は、様々な例示的な実施の形態が記載されているが、1つまたは複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
したがって、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
Although this application describes various exemplary embodiments, the various features, aspects, and functions described in one or more embodiments are limited to the application of particular embodiments. can be applied to the embodiments alone or in various combinations.
Therefore, countless modifications not illustrated are envisioned within the scope of the technology disclosed in the present application. For example, modification, addition or omission of at least one component, extraction of at least one component, and combination with components of other embodiments shall be included.
1 パルス電源、2 直流電源、3 コンデンサ、4 ギャップスイッチ、5 トリガ放電発生部、6 遅れ時間演算部、7 充電電圧制御部、8 環境検知部、9 圧力調整部、10 負荷、11 電流制限抵抗、12 第2ギャップスイッチ、13 第2コンデンサ、14 第2電流制限抵抗、15 保護抵抗、40 放電ギャップ、41 充電電極、42 基準電極、51 トリガ信号発生部、52 トリガ電極、53 昇圧トランス、54 スイッチング素子、55 トリガ用電源。
1
Claims (6)
前記コンデンサを充電する直流電源と、
前記コンデンサに接続され、放電短絡によって前記コンデンサに充電された電力を出力するギャップスイッチと、
前記ギャップスイッチにおける前記放電短絡を誘発させるトリガ放電を発生するトリガ放電発生部と、
前記トリガ放電の発生時刻から前記放電短絡の発生時刻までの遅れ時間を演算する遅れ時間演算部と、
前記遅れ時間に基づいて前記直流電源が前記コンデンサを充電する充電電圧を制御する充電電圧制御部とを備えたことを特徴とするパルス電源。 a capacitor;
a DC power supply that charges the capacitor;
a gap switch connected to the capacitor and outputting power charged in the capacitor by a discharge short circuit;
a trigger discharge generator that generates a trigger discharge that induces the discharge short circuit in the gap switch;
a delay time calculation unit that calculates a delay time from the time of occurrence of the trigger discharge to the time of occurrence of the discharge short circuit;
A pulse power supply, comprising: a charging voltage control section for controlling a charging voltage with which the DC power supply charges the capacitor based on the delay time.
前記コンデンサを充電する直流電源と、
前記コンデンサに接続され、放電短絡によって前記コンデンサに充電された電力を出力するギャップスイッチと、
前記ギャップスイッチにおける前記放電短絡を誘発させるトリガ放電を発生するトリガ放電発生部と、
前記トリガ放電の発生時刻から前記放電短絡の発生時刻までの遅れ時間を演算する遅れ時間演算部と、
前記直流電源が前記コンデンサを充電する充電電圧を制御する充電電圧制御部と、
絶縁性の流体が充填され前記ギャップスイッチを密閉した密閉容器と、
前記遅れ時間に基づいて前記密閉容器に充填された前記流体の圧力を調整する圧力調整部とを備えたことを特徴とするパルス電源。 a capacitor;
a DC power supply that charges the capacitor;
a gap switch connected to the capacitor and outputting power charged in the capacitor by a discharge short circuit;
a trigger discharge generator that generates a trigger discharge that induces the discharge short circuit in the gap switch;
a delay time calculation unit that calculates a delay time from the time of occurrence of the trigger discharge to the time of occurrence of the discharge short circuit;
a charging voltage control unit that controls a charging voltage with which the DC power supply charges the capacitor;
a closed container filled with an insulating fluid and sealing the gap switch;
A pulse power supply, comprising: a pressure adjustment unit that adjusts the pressure of the fluid filled in the sealed container based on the delay time.
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