(57)【要約】【課題】コンデンサの充電電流および充電電流実効値を低減でき、設備容量を低減した装置構成にでき、電源電流の利用率と電源効率をも向上できる。【解決手段】充電サイクル毎にスイッチ６をオフさせてコンデンサ８を充電電圧指令値まで定電流充電し、充電電圧指令値がコンデンサの充電サイクル期間の途中で確定するコンデンサの充電装置において、波線ブロックで示す予備充電制御回路は充電電圧指令値の確定前までに、コンデンサを予備充電電圧指令値まで予備充電する。  予備充電制御回路は、コンデンサの充電信号が無効になってからコンデンサ放電時間を設けた後、一定期間だけ予備充電を有効にする。または、予備充電制御回路は、コンデンサの充電信号が無効になった期間だけ予備充電を有効にする。【選択図】図１
2010098805.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電サイクル毎にコンデンサを充電電圧指令値まで充電し、この充電電圧指令値がコンデンサの充電サイクル期間の途中で確定するコンデンサの充電装置において、
前記充電電圧指令値の確定前までに、前記コンデンサを予備充電電圧指令値まで予備充電する予備充電制御回路を備えたことを特徴とするコンデンサの充電装置。
【請求項２】
前記予備充電制御回路は、コンデンサの充電信号が無効になってからコンデンサ放電時間を設けた後、一定期間だけ予備充電を有効にする予備充電信号作成回路を備えたことを特徴とする請求項１に記載のコンデンサの充電装置。
【請求項３】
前記予備充電制御回路は、コンデンサの充電信号が無効になった期間だけ予備充電を有効にする予備充電信号作成回路を備えたことを特徴とする請求項１に記載のコンデンサの充電装置。
【請求項４】
前記予備充電電圧指令値は、コンデンサの充電電圧範囲の下限値がコンデンサの充電電圧最大値の１／２以下の場合には該下限値以下で該下限値に近い電圧に設定したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のコンデンサの充電装置。
【請求項５】
前記予備充電電圧指令値は、コンデンサの充電電圧範囲の下限値がコンデンサの充電電圧最大値の１／２よりも高い場合にはコンデンサの充電電圧最大値の１／２以下で該１／２に近い電圧に設定したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のコンデンサの充電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用コンデンサを充電電圧指令値まで高い繰り返しで充電するコンデンサの充電装置に係り、特に充電サイクル毎にコンデンサを充電電圧指令値まで充電し、この充電電圧指令値がコンデンサの充電サイクル期間の途中で確定するコンデンサの充電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の充電装置は、例えば、充電した電力用コンデンサをパルス電源の直流電源とし、パルス電源では電力用コンデンサからの放電で高電圧・大電流のパルスをエキシマレーザやオゾナイザなどの負荷に供給する。
【０００３】
図６は、パルス電源の構成例を示す。充電装置ＨＤＣによってコンデンサＣ0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の電圧を可飽和リアクトルＳＩ0を通してパルストランスＰＴの一次側に印加し、可飽和リアクトルＳＩ0の飽和動作（磁気スイッチ動作）によりパルス圧縮した放電電流をトランスＰＴに一次電流を供給し、トランスＰＴの二次側に昇圧したパルス電流を発生させる。このパルス電流でコンデンサＣ1を充電し、可飽和リアクトルＳＩ1の飽和動作によりパルス圧縮した放電電流で次段のコンデンサＣ2を充電し、さらに可飽和リアクトルＳＩ2の飽和動作でパルス圧縮し、これらパルス圧縮の繰り返しで最終段のコンデンサＣn（ピーキングコンデンサ）が高圧充電され、最終段の可飽和リアクトルＳＩnの飽和動作によりエキシマレーザ等の負荷ＬＨに超短パルスを発生させる。
【０００４】
上記のパルス電源では、コンデンサＣ0の繰り返し充電と放電でパルス電流を発生し、このパルス電流を磁気パルス圧縮して負荷に繰り返し（例えば１秒間に１００００回）供給する。このためのコンデンサＣ0の充電装置は、コンデンサを決められた時間内で充電電圧指令値まで充電する必要がある。
【０００５】
この充電方式として、定電流電源やチョッパにより充電対象コンデンサの充電を開始し、コンデンサ電圧が目標電圧に一致したときにコンデンサへの充電を停止する方式のものがある（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００６】
上記の特許文献２に記載されるような充電装置の主回路と制御回路の構成例を図７に示す。直流電源１を電源とするインバータ２は、交流出力を例えば経路Ａで昇圧トランス３に供給する。昇圧トランス３の二次出力は整流回路４で整流し、この整流出力を経路Ｂで示すように、リアクトル５からオン制御しておく半導体スイッチ６に定電流を発生させておく。この状態で、半導体スイッチ６をオフ制御したときに、経路Ｃで示すように、リアクトル５からダイオード７を通してコンデンサ８（図６のコンデンサＣ0）を定電流充電する。
【０００７】
リアクトル５に流す定電流制御は、例えばインバータ２をＰＷＭ制御方式とし、定電流制御回路９によりリアクトル電流検出値ｉと定電流指令Ｉ*とを比較し、両者が一致するよう、ゲート回路１０によるインバータ２の各主回路素子Ｓ１〜Ｓ４のオン／オフ比を制御する。
【０００８】
コンデンサの充電制御回路は比較回路１１と論理積回路（ＡＮＤ）１２と反転回路（ＮＯＴ）１３およびゲート回路１４で構成され、充電電圧指令値にコンデンサが充電されたことを検出してスイッチ６をターンオンさせる。まず、充電信号（充電指令パルス）が論理積回路１２に印加されるまではスイッチ６をオン制御しておき、リアクトル５の定電流出力をスイッチ６に経路Ｂで循環させておく。この状態で充電信号が印加されることでスイッチ６をオフ制御し、リアクトル５の定電流出力でダイオード７を通してコンデンサ８の充電を開始する。その後、充電電圧指令値に対してコンデンサ電圧ＶGが一致すると、比較回路１１の出力が反転し、論理積回路１２の出力も論理「０」になり、スイッチ６をオン制御してコンデンサ８の充電を終了する。
【０００９】
この充電制御のタイムチャートを図８に示す。充電信号の期間は充電に必要な時間よりも少しの余裕度を持たせたΔＴを与え、この充電信号の終了タイミングでコンデンサ８からパルス電源本体１５（図６参照）側に放電される。１６はこのパルス電源からのパルス電流で駆動される負荷、例えばレーザヘッドである。
【特許文献１】特開２００７−０３７２０４号公報
【特許文献２】特開２００７−２７４７５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の充電装置は、コンデンサの充電電圧が充電電圧指令値に達したときに充電を終了する。ここで、充電電圧指令値は、コンデンサから放電電流を供給する負荷の動作状態の違いなどに応じて逐次調節を必要とする場合がある。
【００１１】
例えば、充電電圧指令値は、図７では、パルス電源本体１５からレーザ負荷（負荷１６）側に前回放電したときのレーザ光発生量を元に算出するため、毎回異なる。この調節は、前回のレーザ光発生量が少な目の場合は、今回はもう少し充電電圧指令の値を上げ、レーザ光発生量を大きくする。この場合、レーザ光発生量の計測時間及び次回充電電圧指令の算出には、充電間隔の約１／２周期（例えば約５０μＳ）弱の時間が必要であり、この演算が終了しない限り充電ができない。
【００１２】
図７に示す充電電圧制御回路では、充電電圧指令値が確定して比較回路１１に印加されるまでは、論理積回路１２に与えられる充電信号が有効にならない。このため、従来の充電電圧制御には充電信号が有効な期間（約１／２周期）のみコンデンサ８への充電動作を行っており、この短時間内に充電を完了するためには、コンデンサを充電する電流の実効値を大きくした電源を必要とすると共に、許容される充電電流が大きいコンデンサの使用およびこれらの接続回路を構成する導体（ケーブル）には断面積の大きいものを必要とするなどの問題があった。
【００１３】
具体的には、充電電圧指令の最大値をＶ*、コンデンサ８の容量をＣ、定電流による充電電流の値をＩ、スイッチ６のオフ期間（充電時間）をΔＴとすると、
【００１４】
【数１】
2010098805.tif 000003
【００１５】
より、
【００１６】
【数２】
2010098805.tif 000004
【００１７】
となり、充電時間ΔＴに反比例して必要とする充電電流Ｉが大きくなる。
【００１８】
さらに、コンデンサの充電電流の実効値Ｉｒｍｓは、充電１サイクル期間をＴとすると、
【００１９】
【数３】
2010098805.tif 000005
【００２０】
となる。すなわち、電源電流として電流Ｉは常時流れているが、実際のコンデンサ充電に使用されている平均電流はΔＴ／Ｔ（％）であり、残りの電流は使用されず、整流回路４の整流素子での損失や接続導体での損失などが大きくなり、電源電流の利用率が低下し、電源効率も低下する。
【００２１】
本発明の目的は、充電サイクル毎にコンデンサを一定でない充電電圧指令値まで充電するコンデンサの充電装置において、コンデンサの充電電流および充電電流実効値を低減でき、設備容量を低減した装置構成にでき、電源電流の利用率と電源効率をも向上できるコンデンサの充電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、前記の課題を解決するため、充電電圧指令値の確定前までに、充電対象コンデンサを予備充電するようにしたもので、以下の構成を特徴とする。
【００２３】
（１）充電サイクル毎にコンデンサを充電電圧指令値まで充電し、この充電電圧指令値がコンデンサの充電サイクル期間の途中で確定するコンデンサの充電装置において、
前記充電電圧指令値の確定前までに、前記コンデンサを予備充電電圧指令値まで予備充電する予備充電制御回路を備えたことを特徴とする。
【００２４】
（２）前記予備充電制御回路は、コンデンサの充電信号が無効になってからコンデンサ放電時間を設けた後、一定期間だけ予備充電を有効にする予備充電信号作成回路を備えたことを特徴とする。
【００２５】
（３）前記予備充電制御回路は、コンデンサの充電信号が無効になった期間だけ予備充電を有効にする予備充電信号作成回路を備えたことを特徴とする。
【００２６】
（４）前記予備充電電圧指令値は、コンデンサの充電電圧範囲の下限値がコンデンサの充電電圧最大値の１／２以下の場合には該下限値以下で該下限値に近い電圧に設定したことを特徴とする。
【００２７】
（５）前記予備充電電圧指令値は、コンデンサの充電電圧範囲の下限値がコンデンサの充電電圧最大値の１／２よりも高い場合にはコンデンサの充電電圧最大値の１／２以下で該１／２に近い電圧に設定したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
以上のとおり、本発明によれば、充電サイクル毎にコンデンサを充電電圧指令値まで充電し、この充電電圧指令値がコンデンサの充電サイクル期間の途中で確定するコンデンサの充電装置において、充電電圧指令値の確定前までに、充電対象コンデンサを予備充電するようにしたため、コンデンサの充電電流および充電電流実効値を低減でき、設備容量を低減した装置構成にでき、電源電流の利用率と電源効率をも向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
（実施形態１）
図１は、本実施形態における充電装置の主回路と制御回路の構成図である。同図が図７と異なる部分は、破線ブロックで示す予備充電制御回路を増設した点にある。
【００３０】
予備充電制御回路は、予備充電電圧指令値とコンデンサ電圧ＶGを比較する比較回路２１と、充電信号が無効になったこと、およびコンデンサの放電時間終了後を条件として一定期間だけ有効にする予備充電信号を作成する予備充電信号作成回路２２と、この作成回路２２からの予備充電信号と比較回路２１の比較出力との論理積演算をする論理積回路（ＡＮＤ）２３と、この論理積回路２３の出力と論理積回路１２の出力との論理和演算をする論理和回路（ＯＲ）２４により構成する。
【００３１】
この予備充電制御回路を追加した充電制御は、図２にタイムチャートを示すように、充電サイクル期間の途中で充電電圧指令値が確定する前までにコンデンサを予備充電し、この予備充電によって充電信号が有効になる通常の充電期間における充電電流Ｉおよびその実効値Ｉｒｍｓを低減させる。
【００３２】
図２において、予備充電電圧指令値は、例えばコンデンサの充電電圧最大値の１／２に予め設定しておく。予備充電信号作成回路２２は充電信号の無効などに追従して一定期間だけ有効になる予備充電信号を作成する。この信号は充電サイクルＴの開始タイミングから充電信号のオンまでの期間Δｔだけオン（論理１）になる。この予備充電信号のオン期間には、論理積回路２３、論理和回路２４の出力がオン（論理１）出力になり、スイッチ６をオフにする。これにより、充電信号がオンになる前に予備充電を開始する。この予備充電でコンデンサ８の電圧ＶGが予備充電電圧指令値に達したとき、比較回路２１の出力が反転し、論理積回路２３の出力をオフ（論理０）にし、スイッチ６をオンさせてコンデンサ８の予備充電を終了する。この後、充電信号がオン（有効）になり、この充電信号期間にコンデンサ８を予備充電電圧から充電電圧指令値まで充電し、コンデンサ８の充電サイクルを終了する。
【００３３】
ここで、上記の予備充電回路を増設した充電装置において、充電電圧指令は充電サイクル毎に毎回算定するが、その算定値の範囲は充電電圧最大値Ｖ*の５０〜１００％の範囲である場合が多い。このため、予備充電電圧指令値をコンデンサの充電電圧最大値の１／２以下で該１／２に近い電圧に設定することで、予備充電電圧が充電電圧最大値Ｖ*を超えることなく、しかも充電信号期間での充電電流Ｉおよびその実効値Ｉｒｍｓを最も大きく低減できる。
【００３４】
ただし、充電電圧指令の算定値の下限が充電電圧最大値Ｖ*の５０％以下になる場合はその下限値以下で該下限値に近い電圧に予備充電電圧指令値を制限し、予備充電で充電電圧指令値を越えた充電になるのを防止する。逆に、充電電圧指令の算定値の範囲が充電電圧最大値Ｖ*の７０〜１００％など、下限値が５０％以上になる場合は予備充電電圧指令値を５０％程度に制限し、予備充電期間での充電電流が大きくなり過ぎるのを防止する。
【００３５】
以上のように、本実施形態によれば、充電電圧指令の確定値が演算されるまでの充電信号のオフ期間に、コンデンサ８を予備充電し、充電電圧指令値が演算された後、充電信号により指令電圧値まで充電する。このように充電時間の間を長くすることで、電源電流を低減および充電電流の実効値を低減することができると共に、電源電流の利用率と電源効率を向上できる。
【００３６】
予備充電回路を追加した充電装置における充電電流およびその実効値の低減例を説明する。例えば、予備充電でコンデンサがＶ*／２まで充電された状態で、充電期間をΔＴとし、コンデンサ８をＶ*まで充電する場合、充電電流Ｉ’は、
【００３７】
【数４】
2010098805.tif 000006
【００３８】
より、
【００３９】
【数５】
2010098805.tif 000007
【００４０】
となり、従来の充電電流Ｉの１／２に低減され、これに伴って実効電流Ｉｒｍｓ’は、
【００４１】
【数６】
2010098805.tif 000008
【００４２】
となり、従来の充電電流実効値Ｉｒｍｓの１／√２に減らすことができる。
【００４３】
（実施形態２）
実施形態１では、充電電流およびその実効値低減のため、コンデンサの充電信号が無効になってからコンデンサ放電時間を設けた後、一定期間だけ予備充電を有効にする予備充電信号作成回路によって作成される予備充電期間中、最大出力電圧値Ｖ*の１／２程度の電圧を予備充電電圧指令の値として、コンデンサ８を予備充電している。
【００４４】
ここで、予備充電信号作成回路２２によって作成される予備充電期間は、充電信号が無効になり、かつコンデンサの放電時間後に一定期間有効になるロジックであるため、コンデンサの１回目（初回）の充電に対しては予備充電信号を有効にできない。このため、図３にタイムチャートを示すように、充電１回目には２回目以降に比べ大きい充電電流（ダイオード電流）Ｉを供給できる装置構成が必要、すなわち従来の装置構成と同様に、不用に大きな装置容量が必要となる。
【００４５】
本実施形態では、予備充電期間を充電信号が無効になってからの一定期間ではなく、充電信号が無効な期間に変更する。すなわち、図４に本実施形態における充電装置の主回路と制御回路の構成図を示すように、図１の予備充電信号作成回路２２に代えて、充電信号を反転させて予備充電信号を作成する反転回路（ＮＯＴ）２５を設ける。
【００４６】
図５は本実施形態でのタイムチャートを示し、充電信号が無効の期間では常に予備充電を行うため、１回目の充電サイクルにも予備充電を行うことで充電信号が有効になったときに大きい充電電流が不要になる。
【００４７】
なお、充電間隔が空いた場合でも予備充電したコンデンサ８の電圧がコンデンサ等の漏れ電流等によって低下することなく常に予備充電レベルを維持することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】実施形態１における充電装置の主回路と制御回路の構成図。
【図２】実施形態１における信号と電流・電圧波形。
【図３】充電サイクル開始時の信号と電流・電圧波形。
【図４】実施形態２における充電装置の主回路と制御回路の構成図。
【図５】実施形態２における信号と電流・電圧波形。
【図６】パルス電源の構成例。
【図７】従来の充電装置の主回路と制御回路の構成例。
【図８】従来の信号と電流・電圧波形。
【符号の説明】
【００４９】
２  インバータ
５  リアクトル
６  半導体スイッチ
７  ダイオード
８  コンデンサ
９  定電流制御回路
１１、２１  比較回路
１２、２３  論理積回路（ＡＮＤ）
１３、２５  反転回路（ＮＯＴ）
１５  パルス電源本体
１６  負荷
２２  予備充電信号作成回路
【図１】
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【図２】
2010098805.tif 000010
【図３】
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【図４】
2010098805.tif 000012
【図５】
2010098805.tif 000013
【図６】
2010098805.tif 000014
【図７】
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【図８】
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