(57)【要約】【課題】コンデンサ充電装置では、より高精度な充電精度を得ることが要求される。【解決手段】直流電源、リアクトル及びコンデンサと直列に接続される第１のスイッチと、コンデンサと並列に接続される第２のスイッチにそれぞれ素子間電圧検出部を設ける。各素子間電圧検出部による検出信号をオン時間差検出部に入力し、このオン時間差検出部で第１及び第２のスイッチが共にオン後、何れのスイッチが先にオフになったかを測定し、判断する。第１のスイッチが先にオフとなったときにはオン時間△Ｔ1を測定し、第２のスイッチが先にオフとなったときにはオン時間△Ｔ2を測定してオン時間演算部に出力する。オン時間演算部では△Ｔに対する△Ｔ1，△Ｔ2の各差分をそれぞれ演算し、各差分を補正量としてオン時間信号△Ｔに加算する。【選択図】  図１
2014007910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と直列に、スイッチング素子からなる第１のスイッチ、リアクトル及び充電対象であるコンデンサを接続し、このコンデンサと並列にスイッチング素子からなる第２のスイッチを接続し、オン時間演算部で充電電圧指令と検出された直流電源電圧を入力して△Ｔのオン時間信号を算出し、算出したオン時間信号でそれぞれゲート回路を介して第１及び第２のスイッチを共にオンした後に、オフすることでコンデンサを充電するコンデンサ充電装置において、
前記第１及び第２のスイッチにそれぞれ素子間電圧検出部を設け、各素子間電圧検出部による検出信号をオン時間差検出部に入力し、このオン時間差検出部で、第１及び第２のスイッチが共にオン後に第１のスイッチが先にオフとなったときにはオン時間△Ｔ1を検出し、第２のスイッチが先にオフとなったときにはオン時間△Ｔ2を検出して前記オン時間演算部に出力し、このオン時間演算部で前記△Ｔに対する△Ｔ1，△Ｔ2の各差分をそれぞれ演算し、各差分を補正量として前記オン時間信号△Ｔに加算することを特徴としたコンデンサ充電装置のゲート信号調整装置。
【請求項２】
前記オン時間演算部は、充電電圧指令と直流電源の検出電圧を入力してオン時間信号ΔTを演算する指令値演算回路と、算出されたオン時間信号ΔTを基にオン時間幅の信号に変換するカウンタを備え、前記オン時間差検出部での測定時に、第１及び第２のスイッチが共にオンした後に、第１のスイッチが先にオフしたときに求められたオン時間ΔＴ1を前記カウンタに出力してΔT−ΔＴ1の差分をカウンタで算出し、且つ前記オン時間差検出部での検出測時に、前記第１のスイッチに対して第２のスイッチが先にオフしたときには求められたオン時間ΔＴ２を前記指令値演算回路に出力してΔT−ΔＴ２の差分を指令値演算回路で算出し、それぞれ求められたΔT−ΔＴ２の差分を補正量としてオン時間信号ΔTに加えることを特徴とした請求項１記載のコンデンサ充電装置のゲート信号調整装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンデンサを直流電源として高電圧・大電流のパルスを発生させる
コンデンサ充電装置に係わり、特にコンデンサの充電制御を行うスイッチング素子のゲート信号の調整装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エキシマレーザーやオゾナイザ等の電源として使用されるパルス電源は、例えば、特許文献１や、特許文献２等によって公知となっている。
図３は従来のコンデンサ充電装置の構成図で、コンデンサ６を設定電圧まで周期的に充電するコンデンサ充電装置は、決められた充電期間Tchg（例えば80usec）内で負荷コンデンサ６を充電電圧指令値によって与えられる電圧に充電する。この動作は例えば１秒間に６，０００回繰り返される。以下にその回路動作を図４を参照しながら説明する。なお、図４（ａ）は充電信号１０、（ｂ）はスイッチ２，７のオン信号△Ｔ、（ｃ）はリアクトル６の電流、（ｄ）はオン時間検出の各波形である。
【０００３】
スイッチ８は、異常時に直流電源１と回路要素２〜７を切り離すことを目的で設置されるスイッチで、通常はオン状態を維持している。スイッチ８がオンしている状態で、スイッチング素子よりなるスイッチ２とスイッチ７を同時に時間信号ΔTの間オンすると、回路には点線で示すａの経路で電流が流れる。このとき、時間ΔT経過時の電流Iはリアクトル５のリアクトル値をＬ、直流電源１の電圧をＥとすると（１）式となる。また、同時にリアクトル５には１／２×ＬＩ2のエネルギーが蓄積される。
【０００４】
【数１】
2014007910.tif 000003
【０００５】
次にスイッチ２とスイッチ７を同時にオフすると回路には点線で示すｂの経路で電流が流れ、リアクトル５に蓄えられたエネルギーはコンデンサ６に全て移行する。コンデンサ６のコンデンサ容量をＣ、エネルギー移行後のコンデンサ６の電圧をＶとするとエネルギー保存の法則より（２）式が成立し、また、（１）式、（２）式より（３）式が成り立つ。
【０００６】
【数２】
2014007910.tif 000004
【０００７】
【数３】
2014007910.tif 000005
【０００８】
図３で示すコンデンサ充電装置は、高速で高精度（例えば0.1%）な充電精度を得るため、充電電圧指令１１を受信後、充電信号１０のタイミングでスイッチ２とスイッチ７をオンすると同時に、直流電源１の電圧Ｅの検出を行い、式３の演算で時間信号ΔＴを算出し、ΔＴ経過後スイッチ２とスイッチ７をオフすることで、1回のスイッチングでコンデンサ６を充電電圧指令１１まで充電する。
なお、１２は直流電源１の電圧検出部、１３は検出した直流電圧ＶdcのＡ／Ｄ変換部で、充電信号１０の入力期間のディジタル信号をオン時間演算部１９に出力する。オン時間演算部１８は指令値演算回路１６とカウンタ１７を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−２５４１７５
【特許文献２】特開２００７−３７２０４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
指令値演算回路１６は、充電電圧指令値と検出された直流電圧Ｖdcのディジタル値を入力してスイッチ２，７のオン時間ΔTを演算し、そのΔTをカウンタ１７に入力して時間信号に変換する。オン時間ΔTがカウンタ１７から出力されている間、ゲート回路１４、ゲート回路１５を介してそれぞれスイッチ２、スイッチ７がドライブされる。その際、ゲート回路１４、１５及びスイッチ２，７はカウンタ１７の信号に対しオン時，オフ時ともに時間的に遅れが生じるため、コンデンサ６の充電結果にも充電電圧指令１１に対し誤差が生じる。なお、特許文献１，２には、スイッチ２，７及びカウンタ１７の時間遅れに伴う充電誤差については言及されていない。
【００１１】
本発明が目的とするとこは、スイッチやカウンタの時間遅れに伴う充電誤差を補正してより高精度充電を可能とするコンデンサ充電装置のゲート信号調整装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の請求項１は、直流電源と直列に、スイッチング素子からなる第１のスイッチ、リアクトル及び充電対象であるコンデンサを接続し、このコンデンサと並列にスイッチング素子からなる第２のスイッチを接続し、オン時間演算部で充電電圧指令と検出された直流電源電圧を入力して△Ｔのオン時間信号を算出し、算出したオン時間信号でそれぞれゲート回路を介して第１及び第２のスイッチを共にオンした後に、オフすることでコンデンサを充電するコンデンサ充電装置において、
前記第１及び第２のスイッチにそれぞれ素子間電圧検出部を設け、各素子間電圧検出部で検出された信号をオン時間差検出部に入力し、このオン時間差検出部で第１及び第２のスイッチが共にオン後、第１のスイッチが先にオフとなったときにはオン時間△Ｔ1を測定・判断し、第２のスイッチが先にオフとなったときにはオン時間△Ｔ2を測定・判断して前記オン時間演算部に出力し、このオン時間演算部で前記△Ｔに対する△Ｔ1，△Ｔ2の各差分をそれぞれ演算し、各差分を補正量として前記オン時間信号に加算することを特徴としたものである。
【００１３】
本発明の請求項２は、前記オン時間演算部は、充電電圧指令と直流電源の検出電圧を入力してオン時間信号ΔTを演算する指令値演算回路と、算出されたオン時間信号ΔTを基にオン時間幅の信号に変換するカウンタを備え、前記オン時間差検出部での測定時に、第１及び第２のスイッチが共にオンした後に、第１のスイッチが先にオフしたときに求められたオン時間ΔＴ1を前記カウンタに出力してΔT−ΔＴ1の差分をカウンタで算出し、且つ前記オン時間差検出部での検出測時に、前記第１のスイッチに対して第２のスイッチが先にオフしたときには求められたオン時間ΔＴ２を前記指令値演算回路に出力してΔT−ΔＴ２の差分を指令値演算回路で算出し、それぞれ求められたΔT−ΔＴ２の差分を補正量としてオン時間信号ΔTに加えることを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１４】
以上のとおり、本発明によれば、スイッチ２，７であるスイッチング素子のゲート回路や素子自体の遅れに伴う誤差が纏めて補正されるので、より高精度な充電精度を得ることが可能となるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態を示す構成図。
【図２】図２は説明のための波形図。
【図３】従来のコンデンサ充電装置の構成図。
【図４】コンデンサ充電装置の波形図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、本発明の実施例を示す構成図で、図３と同一部分、若しくは相当部分に同一符号を付してその説明を省略する。図１で図３と異なる部分は、オン時間差検出部２３と、スイッチ２と７における素子電圧検出部２４，２５を設けたことである。オン時間差検出部２３は、後述のようにスイッチ２と７にオン・オフの差分発生の有無を検出・判断し、その判断に基づいて差分の検出値をオン時間演算部２０の指令値演算回路２１か、カウンタ２２の何れかに分配する。
素子電圧検出部２４，２５は、スイッチ２，７であるスイッチング素子のＣ−Ｅ（コレクターエミッタ）間の電圧を検出するもので、Ｖc-e間電圧測定用の絶縁アンプが使用される。
【００１７】
次に、図２（ａ），（ｂ）を参照しながら動作を説明する。
最初に直流電源1を立ち上げ、スイッチ８がオン状態となっていることを条件に、カウンタ２２からある一定時間△Ｔの信号幅を有するオン指令ｓ１をスイッチ２，７に出力して試し動作をさせる。スイッチ２は、信号ｓ１の立ち上がりから時間ｔ0遅れてオンし、スイッチ７は時間ｔ0からさらにt1遅れてオンし、この時点からリアクトル５に電流ｓ4が流れ始める。リアクトル５に電流ｓ4が流れる条件は、スイッチ８、スイッチ２、スイッチ７が全てオンとなったときである。すなわち、スイッチ８は異常時のみオフであるから、スイッチ２とスイッチ７が共にオンとなったときにリアクトル５に電流が流れ始める。
【００１８】
図2（ａ）において、カウンタ２２からのオン指令ｓ1が無くなってから時間ｔ2後にスイッチ２がオフすると、リアクトル５に蓄えられたエネルギーは、リアクトル５→スイッチ７→ダイオード４のルートで還流する。さらに、スイッチ２がオフした時間ｔ3後にスイッチ７がオフすると、エネルギーはダイオード３を通ってコンデンサ6を充電し始める。コンデンサ６を充電するエネルギーは、スイッチ2とスイッチ7が共にオンになったときから、スイッチ２がオフしたときまでである。
【００１９】
図2（ｂ）において、図2（ａ）とは逆にスイッチ7が先にオフし、時間ｔ3後にスイッチ2がオフする場合について説明する。
スイッチ７がオフしたときリアクトル５に流れている電流をｉ0とすると、初期電流をｉ0として直流電源１→スイッチ８→スイッチ２→リアクトル５→コンデンサ５に流れる回路が生成される。
【００２０】
スイッチ７がオフしたときを時間基準にし、スイッチ２がオフしたときに流れている電流は（４）式による。なお、電流ｉ0は（５）式で求まる。
【００２１】
【数４】
2014007910.tif 000006
【００２２】
【数５】
2014007910.tif 000007
【００２３】
ここで、Ｃ：コンデンサ容量、Ｌ：リアクトルのインダクタンス、Ｅ：直流電源の電圧、△Ｔ2：スイッチ７のオン時間
また、コンデンサ６に充電される電圧は、（６）式で求まる電圧を考慮した充電が必要となる。
【００２４】
【数６】
2014007910.tif 000008
【００２５】
なお、△Ｔ3は、ゲート回路１４，１５と各スイッチの素子に影響を受ける値で、オン指令時間とは関係ない値である。
【００２６】
ここで、スイッチ２とスイッチ７が、どちらか先にオンからオフとなったかの判断が必要となる。この判断は、オン時間差検出部２３が行い、次のような機能を備えている。
オン時間差検出部２３は、素子電圧検出部２４，２５を介して得られたスイッチ２とスイッチ７のオン状態信号とオフ状態信号を監視し、スイッチ２とスイッチ７がオフ状態から両方オン状態になったときに、図２で示すように信号Ｓ5を発生させる。また、両方のスイッチ２，７がオン状態からどちらかでもオフ状態になったときに、信号Ｓ6、Ｓ８を発生させる。Ｓ6はスイッチ２が先にオフになったとき、Ｓ８はスイッチ７が先にオフになったときに出力する。
【００２７】
さらに、オン時間差検出部２４は、この信号Ｓ５，Ｓ６及びＳ８のうち、Ｓ５が発生してからＳ６が発生するまでの時間と、Ｓ５が発生してからＳ８が発生するまでの時間を測定する。図２（ａ）の状態のときには、すなわち、Ｓ５→Ｓ６のときＳ７の信号としてΔＴ1を演算し、また、図２（ｂ）の状態のときには、Ｓ１０の信号としてΔＴ2を演算する。
【００２８】
オン時間差検出部２３が測定し、判断するモードとして２つのモードが存在する。そのため、図２（ａ）のモード（このモードを仮にＡモードとする）のときは、出力としてはＡモードであることと、ΔＴ1を出力し、図２（ｂ）のモード（このモードを仮にＢモードとする）のときは、Ｂモードであることと、ΔＴ2と、さらに、スイッチ７がオフして、スイッチ２がオフするまでの時間ΔＴ3を出力する。Ａモードと判断したときオン時間差検出部２３は、そのデータをカウンタ２２に送信し、Ｂモードと判断したときはデータを指令値演算回路２１に送信する。算出されたΔＴ1〜ΔＴ3は、指令値演算回路２１及びカウンタ２２において（４）式〜（６）式の演算に用いられる。
＜Ａモード判定時＞
充電トリガを出力するカウンタ２２は、次のような補正機能を備えている。
オン時間差検出部２３がＡモードと判定してカウンタ２２に信号ΔＴ1を出力したとき、カウンタ２２は、指令値演算回路２１により（３）式に基づいて算出した出力信号幅ΔT（図４（ｂ）の△Ｔ）とオン時間差検出部２３が算出したΔＴ1の信号を受け取り、最初のオン指令の信号Ｓ1の時間幅に対し、ΔＴ1の時間幅の差分ΔT−ΔT1を補正量とし、オン指令信号Ｓ1の時間にΔT-−ΔT1の補正量を加え、実際のオン時間とを一致させるように補正演算する。
＜Ｂモード判定時＞
指令値演算回路２１では、求められたΔTに対するオン指令時間の補正量を演算する。Ｂモード時にはオン時間差検出部２３からのΔＴ2とΔＴ3が入力され、ΔT-−ΔT2の補正量が演算される。Ｂモードの場合、後からオフするスイッチ2がオフする直前にはコンデンサには既にＶｃ（ΔＴ3）が充電されており、電流もｉ（ｔ3）となっている。スイッチ2がオフすると、リアクトル５→ダイオード３→コンデン６→ダイオード４の流路が形成される。このときの回路は（７）式で示される。
【００２９】
【数７】
2014007910.tif 000009
【００３０】
ここで、Ｖ：要求されるコンデンサ電圧
演算回路２１では、（７）式にコンデンサ電圧Ｖを与えることによって、（８）式、（９）式によって補正量ΔＴ2を求めることができ、このΔＴ2分を補正量としてオン指令ｓ1に加算される。
【００３１】
【数８】
2014007910.tif 000010
【００３２】
【数９】
2014007910.tif 000011
【００３３】
なお、測定した差分（ΔT-−ΔT1、ΔT-−ΔT2）を常時メモリ等に保存・更新すれば、充電信号１０の受信後に随時読み出して補正を行え得ることは勿論である。
【００３４】
以上本発明によれば、コンデンサの充電エネルギーをコントロールするスイッチ２，７のオン・オフ時間差を検出し、何れのスイッチが先にオンしたか、或いはオフしたかのパターンと時間を検出し、検出された時間と充電電圧指令との差分を補正量としてスイッチのゲート信号に加算したものである。したがって、スイッチ２，７であるスイッチング素子のゲート回路や素子自体の遅れに伴う誤差が纏めて補正されるので、より高精度な充電精度を得ることが可能となる。
【符号の説明】
【００３５】
１…  直流電源
２…  第１のスイッチ
３，４…  ダイオード
５…  リアクトル
６…  コンデンサ
７…  第２のスイッチ
２０…  オン時間演算部
２１…  指令値演算回路
２２…  カウンタ
２３…  オン時間差検出部
２４，２５…  素子間電圧検出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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