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公開番号2021182830
公報種別公開特許公報(A)
公開日20211125
出願番号2020087836
出願日20200520
発明の名称パルス電源
出願人三菱電機株式会社
代理人特許業務法人ぱるも特許事務所
主分類H02M 9/04 20060101AFI20211029BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】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。
【解決手段】パルス電源1は、コンデンサ3と、コンデンサを充電する直流電源2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4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5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6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7とを備えている。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
コンデンサと、
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。
続きを表示(約 800 文字)【請求項2】
前記充電電圧制御部は、前記遅れ時間の増加にしたがって前記充電電圧を増加させることを特徴とする請求項1に記載のパルス電源。
【請求項3】
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、前記密閉容器に充填された前記流体の圧力を検知する圧力検知部とをさらに備え、前記遅れ時間演算部は、前記圧力検知部で検知された前記流体の圧力に基づいて前記遅れ時間を補正することを特徴とする請求項1または2に記載のパルス電源。
【請求項4】
前記ギャップスイッチの温度および湿度の少なくとも一方を検知する環境検知部をさらに備え、前記遅れ時間演算部は、前記環境検知部で検知された前記温度および前記湿度の少なくとも一方に基づいて前記遅れ時間を補正することを特徴とする請求項1または2に記載のパルス電源。
【請求項5】
コンデンサと、
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。
【請求項6】
前記圧力調整部は、前記遅れ時間の増加にしたがって前記流体の圧力を減少させることを特徴とする請求項5に記載のパルス電源。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本願は、パルス電源に関する。
続きを表示(約 7,400 文字)【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特開平11−262277号公報
特開平11−008043号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
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。
【0007】
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。
【課題を解決するための手段】
【0008】
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。
【発明の効果】
【0009】
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。
【図面の簡単な説明】
【0010】
実施の形態1に係るパルス電源の構成図である。
実施の形態1のトリガ放電発生部の回路図である。
実施の形態1のギャップスイッチの概略構成図である。
実施の形態1に係るパルス電源の回路図である。
実施の形態1に係るパルス電源における電気特性の概略図である。
実施の形態2に係るパルス電源の構成図である。
実施の形態3に係るパルス電源の構成図である。
実施の形態4に係るパルス電源の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
(【0031】以降は省略されています)

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