JPH11177394A - コンデンサの充電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 出力段に共振用コンデンサ５、６とリアクト
ル７、８を持つ２台の電圧形インバータ２Ａ，３Ａの一
方を初期充電用として運転し、他方を微調整充電用とし
て運転し、電力用コンデンサＣ₀を設定電圧まで充電す
るのでは、回路構成が大型化し、コストアップになる。 【解決手段】 トランス９Ａは両インバータからの出力
を１つの一次巻線に入力できる１台のタップ付きトラン
スとし、両インバータは運転／停止に応じて主回路スイ
ッチを回路的に分離できる半導体スイッチ回路２１、２
２を設けることで主回路スイッチＳ２，Ｓ３を初期充電
用と微調整充電用の両方に併用する。トランスを２つの
一次巻線として両インバータからの出力を合成するこ
と、両インバータの共振電流周波数が異なる構成又は一
致する構成、単独運転又は並列運転構成、並列運転で逆
位相にした構成も含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パルス電源などに
備える電力用コンデンサを設定電圧まで周期的に充電す
るコンデンサの充電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】パルスレーザ励起やパルスプラズマ発
生、パルス脱硝装置等のパルス電源には、半導体スイッ
チと磁気スイッチになる可飽和トランスや可飽和リアク
トルを組み合わせたものがある。

【０００３】このパルス電源は、例えば、図４に示す構
成にされる。高圧充電装置ＨＤＣによってコンデンサＣ
₀を初期充電しておき、半導体スイッチＳＷのオンによ
ってコンデンサＣ₀から可飽和トランスＳＴの一次側に
放電電流を供給し、この可飽和トランスＳＴによって昇
圧さらに磁気スイッチ動作でパルス圧縮し、ＬＣ反転に
よる倍電圧発生回路ＬＣによって昇圧し、さらに可飽和
リアクトルＳＩ₁のパルス圧縮によってピーキング・コ
ンデンサＣ_Pとレーザ発振器ＬＨへ超短パルスを発生さ
せる。

【０００４】ここで、コンデンサＣ₀の初期充電のため
の高圧充電装置ＨＤＣは、レーザ発振器ＬＨへの高い繰
り返し（例えば６００パルス／秒）のパルス電流供給に
合わせて高い繰り返しでコンデンサＣ₀を充電する必要
がある。また、コンデンサＣ₀の電圧が出力に直接影響
することから、充電電圧に高い精度のものが要求され
る。

【０００５】このための従来の高圧充電装置には、図５
に示す構成のものがある。交流電源を電源とする整流器
と直流リアクトルとコンデンサにより直流電源１が構成
され、電圧形にされるインバータ２、３の直流電源にさ
れる。

【０００６】インバータ２、３は、パワートランジスタ
やＩＧＢＴ、ＧＴＯなどの半導体素子とダイオードの組
みをスイッチＳ１〜Ｓ４、Ｓ５〜Ｓ８としてブリッジ接
続した主回路構成にされ、パルス幅制御（又はパルス幅
変調）した交流電力を共振用コンデンサ５、６と共振用
リアクトル７、８により定まる共振周波数を持って出力
する共振形インバータにされる。

【０００７】出力トランス９、１０は、それぞれインバ
ータ２、３からの交流出力を一定比で取り出す。整流回
路１１、１２は、ダイオードブリッジ接続で構成され、
トランス９、１０の出力をそれぞれ交流入力とし、その
全波整流を行い、整流出力を並列接続してコンデンサＣ
₀の充電出力を得る。

【０００８】インバータ２はコンデンサＣ₀の初期充電
用であり、インバータ３は充電電圧微調整用である。こ
れらインバータ２、３は、図６に示すように、コンデン
サＣ₀の初期充電にはインバータ２と３が共に運転され
てコンデンサＣ₀を設定電圧近くまで充電し、この後は
微調整用インバータ３の単独運転により設定電圧まで徐
々に精度良く充電して行く。

【０００９】なお、微調整用インバータ３は、初期充電
用インバータ２に比べ、スイッチング周波数を高くし、
１サイクル当たりの充電電圧が小さくなるように設計さ
れる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来の装置は、充電精
度を高めるために、２台のインバータ２、３と、共振用
コンデンサ５、６とリアクトル７、８と、トランス９、
１０と、整流回路１１、１２を設けた構成になる。

【００１１】これら構成要素は、比較的大きな電流・電
圧責務を持つことから、大型の回路素子及び部品で構成
されるし、さらにスナバ回路などの付属部品も必要と
し、装置全体としては大型で高価なものになり、信頼性
にも影響してくる。例えば、トランスはそのコアの存在
により大型で重量物になる。

【００１２】本発明の目的は、充電精度を下げることな
く、装置の小型化及びコストダウンを図ることができる
コンデンサの充電装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、２台のインバ
ータの出力をトランスの入力段で１つの巻線に入力又は
合成できるようにすることでトランス以降の回路構成を
半減し、さらに両インバータのスイッチの一部を併用す
ることや共振周波数・運転期間・位相等を変えることで
回路構成を簡単化するもので、以下の構成を特徴とす
る。

【００１４】（第１の発明）出力段に共振用コンデンサ
とリアクトルを持つ２台の電圧形インバータを設け、前
記両インバータの共振電流出力をトランスで取り出し、
整流回路で整流して電力用コンデンサを充電し、両イン
バータの一方を初期充電用として運転し、他方を微調整
充電用とし運転して前記電力用コンデンサを設定電圧ま
で充電するコンデンサの充電装置において、前記トラン
スは、前記両インバータからの共振電流出力を１つの一
次巻線に入力できる１台のタップ付きトランスとし、前
記両インバータの運転／停止に応じて主回路スイッチを
回路的に分離できる半導体スイッチ回路を設け、前記両
インバータは、前記半導体スイッチ回路の制御により、
主回路スイッチの一部を初期充電用と微調整充電用の両
方に併用する構成にしたことを特徴とする。

【００１５】（第２の発明）出力段に共振用コンデンサ
とリアクトルを持つ２台の電圧形インバータを設け、前
記両インバータの共振電流出力をトランスで取り出し、
整流回路で整流して電力用コンデンサを充電し、両イン
バータの運転で前記電力用コンデンサを初期充電及び微
調整充電して設定電圧まで充電するコンデンサの充電装
置において、前記トランスは、前記両インバータからの
共振電流出力をそれぞれ入力する２つの一次巻線を通し
て合成できるトランスとし、前記両インバータの運転／
停止に応じて主回路スイッチを回路的に分離できる半導
体スイッチ回路を設け、前記両インバータは、前記半導
体スイッチ回路の制御により、共振電流周波数が異なる
構成又は一致する構成に応じて単独運転又は並列運転、
もしくは並列運転で逆位相にした運転をして初期充電と
微調整充電をする構成にしたことを特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）図１は、本発
明の実施形態を示す装置構成図であり、図５と同等のも
のは同一符号で示す。

【００１７】スイッチＳ１〜Ｓ４と半導体スイッチ回路
２１を主回路とするインバータ３Ａは、従来の微調整用
インバータ３を構成する。スイッチＳ１，Ｓ４，Ｓ５，
Ｓ６と半導体スイッチ回路２２を主回路とするインバー
タ２Ａは、従来の初期充電用インバータ２を構成する。

【００１８】すなわち、スイッチＳ１，Ｓ４は、インバ
ータ３Ａと２Ａの両方のスイッチとして併用される。こ
のための切り替えに半導体スイッチ回路２１、２２が設
けられる。

【００１９】半導体スイッチ回路２１、２２は、サイリ
スタ等のオン・オフ制御機能を持つ半導体スイッチＴＨ
を電流迂回路阻止スイッチとし、これに逆並列接続され
たダイオードＤを電流路形成スイッチとした構成にさ
れ、主回路スイッチを回路的に分離できるようにする。

【００２０】両インバータの出力段に設けられる共振用
コンデンサ５、６とリアクトル７、８は、タップ付きト
ランス９Ａの一次入力にされる。タップ付きトランス９
Ａは、インバータ２Ａからの共振電流入力を一次巻線の
全入力とし、インバータ３Ａからの共振電流入力を一次
巻線の中間タップ入力とする。整流回路１１は、トラン
ス９Ａの二次巻線出力を整流し、コンデンサＣ₀を充電
する。

【００２１】電圧検出器２３は、コンデンサＣ₀の電圧
を検出する。制御回路２４は、電圧検出器２３の検出電
圧に従って各スイッチＳ１〜Ｓ６にゲート制御信号を与
えることでインバータ２Ａと３Ａの運転／停止制御を行
うと共に、半導体スイッチ回路１２、２２の半導体スイ
ッチＴＨをオン・オフ制御する。

【００２２】なお、インバータ３Ａは微調整用のため１
サイクル当たりの充電能力を小さくし、充電時間を短く
するため数１０ＫＨ_Zの高い周波数で運転される。逆
に、インバータ２Ａは初期充電用のため大きな電流を供
給できるようインバータ３Ａよりも低い周波数で運転さ
れる。

【００２３】以上のような構成になる本実施形態の充電
制御態様を図２に示す。まず、トランス９Ａの巻線比が
小さいインバータ２Ａの方がインバータ３Ａに比べて充
電能力が高いため、制御回路２４による充電制御開始に
はインバータ２Ａを運転すると共にインバータ３Ａを停
止し、コンデンサＣ₀を設定電圧近くまで充電する。

【００２４】このとき、インバータ３ＡのスイッチＳ
２，Ｓ３のダイオードがインバータ２Ａの出力に迂回路
を形成しないよう半導体スイッチ回路２１の半導体スイ
ッチＴＨをオフ状態に制御しておく。すなわち、半導体
スイッチＴＨをオフ状態にしておくことで、トランス９
Ａからリアクトル８とコンデンサ６及びスイッチＳ２，
Ｓ３のダイオードを通して直流電源１側に電流迂回路が
形成されるのを抑止する。

【００２５】一方、半導体スイッチ回路２２の半導体ス
イッチＴＨはオン状態に制御しておく。すなわち、半導
体スイッチＴＨをオン状態にしておくことで、スイッチ
Ｓ５，Ｓ６のダイオードを通した還流電流路を形成して
おく。

【００２６】次に、制御回路２４は、電圧検出器２３の
検出電圧からインバータ２Ａによる初期充電の終了を検
出したとき、インバータ２Ａの運転を停止すると共にイ
ンバータ３Ａを運転開始し、コンデンサＣ₀を設定電圧
まで微調整充電を行う。

【００２７】このとき、インバータ２ＡのスイッチＳ
５，Ｓ６のダイオードがインバータ３Ａの出力に迂回路
を形成しないよう半導体スイッチ回路２２の半導体スイ
ッチＴＨをオフ状態に制御しておく。すなわち、半導体
スイッチＴＨをオフ状態にしておくことで、トランス９
Ａからリアクトル７とコンデンサ５及びスイッチＳ５，
Ｓ６のダイオードを通して直流電源１側に電流迂回路が
形成されるのを抑止する。

【００２８】一方、半導体スイッチ回路２１の半導体ス
イッチＴＨはオン状態に制御しておく。すなわち、半導
体スイッチＴＨをオン状態にしておくことで、スイッチ
Ｓ２，Ｓ３のダイオードを通した還流電流路を形成して
おく。

【００２９】以上のことから、本実施形態では、インバ
ータに必要なスイッチ数はスイッチ回路２１、２２を含
めると同じであるが、従来構成に比べてトランス９Ａ及
び整流回路１１を半減でき、充電精度を低下させること
なく、装置構成の小型化及びコストダウンを図ることが
できる。

【００３０】（第２の実施形態）図３は、本発明の他の
実施形態を示す装置構成である。同図が図５と異なる部
分は、直流電源１からインバータ２、３への電流路に半
導体スイッチ回路２５、２６を設け、２つのトランス
９、１０に代えて１つのトランス９Ｂを設け、２つの整
流回路１１、１２に代えて１つの整流回路１１を設けた
点にある。

【００３１】トランス９Ｂは、２つの一次巻線を持つ構
成とし、両一次巻線にインバータ２、３から個別に共振
電流が供給される。このとき、両インバータ２、３の出
力がトランス９Ｂで結合され、一方のインバータの運転
時に他方のインバータの各スイッチＳ１〜Ｓ４又はＳ５
〜Ｓ８のダイオードを通して直流側に迂回路が形成され
るのを抑止するために、主回路スイッチを回路的に分離
するための半導体スイッチ回路２５、２６が設けられ
る。

【００３２】本実施形態においても、従来装置に比べ
て、トランス及び整流回路を１つに半減することができ
る。

【００３３】本実施形態による充電制御は、インバータ
２、３の共振周波数（コンデンサ５、６とリアクトル
７、８の共振周波数）を一致させた回路構成と異なる回
路構成などの設計条件によって両インバータの単独運転
や並列運転、位相等を変える。この具体例を以下に説明
する。

【００３４】（１）インバータ２と３の共振周波数が異
なる場合。

【００３５】インバータ２は、低周波で充電能力を高く
した初期充電用にし、運転期間は設定電圧近くまでの単
独運転にする。インバータ３は、高い周波数であるが充
電能力を低くした微調整充電用にし、運転期間は設定電
圧近くから設定電圧までの単独運転にする。

【００３６】これら両インバータ２、３の単独運転にお
いて、インバータ２の運転時には半導体スイッチ回路２
２のスイッチＴＨをオフ状態にしておき、インバータ３
の運転時には半導体スイッチ回路２１のスイッチＴＨを
オフ状態にしておく。

【００３７】（２）インバータ２と３の共振周波数が同
じ場合（その１）。

【００３８】初期充電期間及び微調整充電期間共に、イ
ンバータ２、３を並列運転する。このとき、インバータ
２は、充電能力をインバータ３に比べて少し下げてお
く。また、初期充電期間にはインバータ２と３を同相で
運転し、微調整充電期間にはインバータ２と３の出力位
相を１８０°ずらした逆相で運転する。さらに、トラン
ス９Ｂの２つの一次巻線の巻数比は、インバータ２、３
の充電能力の差に応じて異なるものにされる。

【００３９】このような充電制御において、インバータ
２と３が同相で並列運転される初期充電期間には、同じ
共振周波数でしかも同相でトランス９Ｂの一次巻線に供
給されることから、両インバータ２、３の出力電圧を加
算した高い電圧でかつ両インバータ２、３の充電電流を
加算した充電能力で充電することができる。

【００４０】逆に、微調整充電期間には、両インバータ
２、３が同じ共振周波数でしかも逆相でトランス９Ｂの
一次巻線に供給されることから、両インバータ２、３の
出力電圧を引き算した低い電圧でかつ両インバータ２、
３の充電電流で充電することができる。

【００４１】本実施形態では、トランス及び整流回路の
半減に加えて、両インバータ２、３を常に並列運転する
ため、半導体スイッチ回路２５、２６が不要になる。

【００４２】（３）インバータ２と３の共振周波数が同
じ場合（その２）。

【００４３】インバータ２は、充電能力を高くした初期
充電用にし、運転期間は設定電圧近くまでの単独運転に
する。インバータ３は、充電能力を低くした微調整充電
用にし、運転期間は初期充電期間及び微調整充電期間の
両期間にわたって運転する。

【００４４】本実施形態では、共振周波数が同じである
ため、初期充電期間には両インバータ２、３の並列運転
にし、両インバータ２、３の出力電圧を加算した高い電
圧・充電能力で充電することができる。微調整充電期間
にはインバータ３のみを運転し、低い充電能力で微調整
充電することができる。

【００４５】また、インバータ３が常に運転されるた
め、半導体スイッチ回路２６が不要になる。

【００４６】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、２台の
インバータの出力をトランスの入力段で１つの巻線に入
力又は合成できるようにすること、さらに両インバータ
のスイッチの一部を併用することや共振周波数・運転期
間・位相等を変えるようにしたため、充電精度を下げる
ことなく、回路構成の小型化・コストダウンを図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１を示す装置構成図。

【図２】実施形態１の充電制御態様。

【図３】本発明の実施形態２を示す装置構成図。

【図４】パルス電源例。

【図５】従来の装置構成例。

【図６】２台のインバータによる充電特性。

【符号の説明】

２、２Ａ…初期充電用インバータ ３、３Ａ…微調整用インバータ ５、６…共振用コンデンサ ７、８…共振用リアクトル ９、９Ａ、１０…トランス １１、１２…整流回路 ２１、２２、２５、２６…半導体スイッチ回路 ２３…電圧検出器 ２４…制御回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 出力段に共振用コンデンサとリアクトル
   を持つ２台の電圧形インバータを設け、前記両インバー
   タの共振電流出力をトランスで取り出し、整流回路で整
   流して電力用コンデンサを充電し、両インバータの一方
   を初期充電用として運転し、他方を微調整充電用とし運
   転して前記電力用コンデンサを設定電圧まで充電するコ
   ンデンサの充電装置において、 前記トランスは、前記両インバータからの共振電流出力
   を１つの一次巻線に入力できる１台のタップ付きトラン
   スとし、 前記両インバータの運転／停止に応じて主回路スイッチ
   を回路的に分離できる半導体スイッチ回路を設け、 前記両インバータは、前記半導体スイッチ回路の制御に
   より、主回路スイッチの一部を初期充電用と微調整充電
   用の両方に併用する構成にしたことを特徴とするコンデ
   ンサの充電装置。
2. 【請求項２】 出力段に共振用コンデンサとリアクトル
   を持つ２台の電圧形インバータを設け、前記両インバー
   タの共振電流出力をトランスで取り出し、整流回路で整
   流して電力用コンデンサを充電し、両インバータの運転
   で前記電力用コンデンサを初期充電及び微調整充電して
   設定電圧まで充電するコンデンサの充電装置において、 前記トランスは、前記両インバータからの共振電流出力
   をそれぞれ入力する２つの一次巻線を通して合成できる
   トランスとし、 前記両インバータの運転／停止に応じて主回路スイッチ
   を回路的に分離できる半導体スイッチ回路を設け、 前記両インバータは、前記半導体スイッチ回路の制御に
   より、共振電流周波数が異なる構成又は一致する構成に
   応じて単独運転又は並列運転、もしくは並列運転で逆位
   相にした運転をして初期充電と微調整充電をする構成に
   したことを特徴とするコンデンサの充電装置。