(57)【要約】【課題】インバータの半周期毎の出力でトランスを介してコンデンサを半周期毎のＬＣ共振電流で充電目標電圧まで充電する充電方式において、インバータの半周期毎のオン時間に差がある場合にもトランスの偏磁を確実に防止できる。【解決手段】オン時間演算回路１１はコンデンサの充電目標電圧に応じてインバータスイッチのオン時間に対応する幅のパルスを出力する。乗算回路１３はオン時間にインバータの直流電圧を乗じることで、オン時間に応じてトランスに発生する正または負の磁束量を求める。加減算回路１４は正または負の磁束量の加減算で差分を求める。ゼロ比較回路１５は磁束量がゼロを境にして正負いずれの極性にあるかを判定する。状態変更許可回路１６はゼロ比較回路の判定結果をラッチする。オンスイッチ選択回路１７は状態変更許可回路の判定結果に応じて、インバータの半周期のオン出力の極性を選択する。【選択図】図１
2008271662.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フルブリッジ構成の単相インバータの半周期毎の出力をインバータスイッチのオン時間で制御し、この出力をトランスを介してリアクトルとコンデンサにＬＣ共振電流を流し、コンデンサを半周期毎に充電目標電圧まで充電する充電装置において、
単相インバータの直流電圧とインバータスイッチのオン時間およびトランスに流れる正負電流極性から、トランスに発生する正負磁束量の差分を求め、この差分の正負に応じてインバータの次回の半周期出力をトランスの鉄心が飽和しない方向の極性にする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】
前記充電制御回路は、
コンデンサの充電目標電圧に応じてインバータの半周期のオン時間を求め、このオン時間に対応する幅のパルスを出力するオン時間演算回路と、
前記オン時間にインバータの直流電圧を係数として乗じることで、インバータの半周期のオン時間に応じてトランスに発生する正または負の磁束量を求める乗算回路と、
正または負の磁束量の加減算でトランスに流れる正負の電流極性別に発生する正負磁束量の差分を求める加減算回路と、
前記加減算回路の算出磁束量がゼロを境にして正負いずれの極性にあるかを判定するゼロ比較回路と、
インバータのオフ期間に、前記ゼロ比較回路の判定結果をラッチする状態変更許可回路と、
状態変更許可回路の判定結果に応じて、インバータの半周期のオン出力の極性を選択するオンスイッチ選択回路と、
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】
前記充電制御回路は、
コンデンサの充電目標電圧に応じてインバータの半周期のオン時間を求め、このオン時間に対応する幅のパルスを出力するオン時間演算回路と、
前記オン時間を積分許可信号とし、この信号期間だけインバータの直流電圧検出値を加減算することで、トランスに流れる正負の電流極性別に発生する正負磁束量の差分を求める加減算回路と、
前記加減算回路の算出磁束量がゼロを境にして正負いずれの極性にあるかを判定するゼロ比較回路と、
インバータのオフ期間に、前記ゼロ比較回路の判定結果をラッチする状態変更許可回路と、
状態変更許可回路の判定結果に応じて、インバータの半周期のオン出力の極性を選択するオンスイッチ選択回路と、
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。
【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設定電圧まで繰り返し充電する充電装置に係り、特に単相インバータの半周期毎の出力でトランスを介してコンデンサを半周期毎のＬＣ共振電流で充電目標電圧まで充電する充電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の充電装置は、例えば、電力用コンデンサを高圧で初期充電し、このコンデンサからの放電パルスを磁気パルス圧縮してレーザヘッドなどの負荷に高圧大電流でパルス放電させるパルス電源の充電器として設けられる。
【０００３】
図３は、電力用コンデンサを単相インバータで充電する充電装置の主回路構成図を示す。インバータ部１は、半導体スイッチＳ１〜Ｓ４とダイオードＤ１〜Ｄ４をそれぞれ逆並列接続した４つのアームをブリッジ接続し、スイッチＳ１、Ｓ４とスイッチＳ２、Ｓ３の相補オン動作で単相交流出力を発生する。出力トランス２は、インバータ部１の出力を昇圧した二次出力を得る。整流回路３は、ダイオードＤ５〜Ｄ８をブリッジ接続し、トランス２の出力を全波整流し、電力用コンデンサ４に直流充電電流を供給する。リアクトル５はトランス２の二次出力巻線に直列に介挿され、コンデンサ４とのＬＣ共振動作によって、コンデンサ４との間に半周期の振動電流を発生し、コンデンサ４に充電を得る。
【０００４】
充電制御回路６は、インバータの半導体スイッチＳ１〜Ｓ４のうち、スイッチＳ１，Ｓ４オンと、スイッチＳ３，Ｓ２オンを交互に繰り返し制御し、インバータ部１の半周期出力でコンデンサ４を１回充電させる。この充電動作は、
（モード１）スイッチＳ１，Ｓ４をオンさせて充電動作を開始し、コンデンサ４の充電電圧が目標値に達する時点でスイッチＳ１，Ｓ４をオフさせて充電動作を停止する。この充電完了後、コンデンサ４は負荷側に放電する。
【０００５】
（モード２）モード１の終了後、スイッチＳ３，Ｓ２をオンさせて充電動作を開始し、コンデンサ４の充電電圧が目標値に達する時点でスイッチＳ３，Ｓ２をオフさせて充電動作を停止する。この充電完了後、コンデンサ４は負荷側に放電する。
【０００６】
この充電動作において、モード１とモード２での充電電流の大きさや充電期間に差があると、トランスに電圧の直流分が加わり、トランスの鉄心が偏磁する。最悪の場合、トランスが磁気飽和し、インバータに過大な電流が流れる。また、所定の充電動作も不能となる。
【０００７】
トランスの偏磁を防止する回路として、トランスに流れる正負の一次電流を検出し、この正負の電流差に応じてインバータ（またはプッシュプル回路）のアームのオン期間（ＰＷＭ波形の幅、スイッチ期間）を補正する方式がある（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−１５９００号公報
【特許文献２】特開平９−１６８２７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
トランスの電流を検出し、この電流の正負の差分に応じてスイッチ期間を補正する従来の偏磁防止方式では、インバータまたはプッシュプル回路の出力電圧（ＰＷＭ波形の幅、スイッチ期間）を制御することになる。
【０００９】
ここで、パルス電源用の充電装置など、インバータの半周期毎の出力でコンデンサを半周期毎のＬＣ共振電流で充電目標電圧まで充電する充電装置では、コンデンサの充電電圧目標値、充電開始前のコンデンサの残留電圧およびインバータの直流電圧によって、スイッチのオン時間を大きく変化させるため、従来の偏磁防止方式ではこれら充電条件の変更に追従した補正ができない。
【００１０】
特に、コンデンサから負荷となるパルス発生回路あるいは放電負荷への放電は、コンデンサの半周期充電毎に充電電圧目標値が例えば５０〜１００％と大きく変化する場合があり、従来のトランスの電流検出による補正では、対応が困難となる。
【００１１】
本発明の目的は、インバータの半周期毎の出力でトランスを介してコンデンサを半周期毎のＬＣ共振電流で充電目標電圧まで充電する充電方式において、インバータの半周期毎のオン時間に差がある場合にもトランスの偏磁を確実に防止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】
【００１２】
本発明は、前記の課題を解決するため、インバータの直流電圧とインバータスイッチのオン時間およびトランスに流れる正負電流極性からトランスに発生する正負磁束量の差分を求め、この差分の正負に応じてインバータの次回の半周期出力を、トランスの鉄心が飽和しない方向の極性になるようにしたもので、以下の構成を特徴とする。
【００１３】
（１）フルブリッジ構成の単相インバータの半周期毎の出力をインバータスイッチのオン時間で制御し、この出力をトランスを介してリアクトルとコンデンサにＬＣ共振電流を流し、コンデンサを半周期毎に充電目標電圧まで充電する充電装置において、
単相インバータの直流電圧とインバータスイッチのオン時間およびトランスに流れる正負電流極性から、トランスに発生する正負磁束量の差分を求め、この差分の正負に応じてインバータの次回の半周期出力をトランスの鉄心が飽和しない方向の極性にする充電制御回路を備えたことを特徴とする。
【００１４】
（２）前記充電制御回路は、
コンデンサの充電目標電圧に応じてインバータの半周期のオン時間を求め、このオン時間に対応する幅のパルスを出力するオン時間演算回路と、
前記オン時間にインバータの直流電圧を係数として乗じることで、インバータの半周期のオン時間に応じてトランスに発生する正または負の磁束量を求める乗算回路と、
正または負の磁束量の加減算でトランスに流れる正負の電流極性別に発生する正負磁束量の差分を求める加減算回路と、
前記加減算回路の算出磁束量がゼロを境にして正負いずれの極性にあるかを判定するゼロ比較回路と、
インバータのオフ期間に、前記ゼロ比較回路の判定結果をラッチする状態変更許可回路と、
状態変更許可回路の判定結果に応じて、インバータの半周期のオン出力の極性を選択するオンスイッチ選択回路と、
を備えたことを特徴とする。
【００１５】
（３）前記充電制御回路は、
コンデンサの充電目標電圧に応じてインバータの半周期のオン時間を求め、このオン時間に対応する幅のパルスを出力するオン時間演算回路と、
前記オン時間を積分許可信号とし、この信号期間だけインバータの直流電圧検出値を加減算することで、トランスに流れる正負の電流極性別に発生する正負磁束量の差分を求める加減算回路と、
前記加減算回路の算出磁束量がゼロを境にして正負いずれの極性にあるかを判定するゼロ比較回路と、
インバータのオフ期間に、前記ゼロ比較回路の判定結果をラッチする状態変更許可回路と、
状態変更許可回路の判定結果に応じて、インバータの半周期のオン出力の極性を選択するオンスイッチ選択回路と、
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
以上のとおり、本発明によれば、インバータの直流電圧とインバータスイッチのオン時間およびトランスに流れる正負電流極性からトランスに発生する正負磁束量の差分を求め、この差分の正負に応じてインバータの次回の半周期出力を、トランスの鉄心が飽和しない方向の極性になるようにしたため、インバータの半周期毎のオン時間に差がある場合にもトランスの偏磁を確実に防止できる。
【００１７】
また、充電制御回路は、インバータの判周期のオン時間（パルス幅）を基にした演算回路で構成するため、インバータ直流電圧、オン時間演算回路出力がデジタル量の場合に比べて回路処理を簡単化でき、既存の充電制御回路の少しの改造で済む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（実施形態１）
図１は、本実施形態を示す充電制御回路のブロック構成図であり、図３のインバータ部１の充電制御回路６に代えるものである。
【００１９】
前記のように、従来の単相インバータでは、スイッチＳ１，Ｓ４のオンと、スイッチＳ３，Ｓ２のオンを交互に繰り返し制御する。これに対して、本実施形態では、インバータの直流電圧とインバータスイッチのオン時間およびトランスに流れる正負電流極性からトランスに発生する正負磁束量の差分を求め、この差分の正負に応じてインバータの次回の半周期出力を、トランスの鉄心が飽和しない方向の極性になるように、スイッチＳ１，Ｓ４のオンと、スイッチＳ３，Ｓ２のオンを選択する。
【００２０】
オン時間演算回路１１は、コンデンサ４の充電目標電圧（目標値）に応じてスイッチＳ１，Ｓ４オン、またはスイッチＳ３，Ｓ２に必要なオン時間を求め、このオン時間に対応する幅のパルスを出力する。インバータ直流電圧検出回路１２は、インバータ部１の直流電圧を検出し、この直流電圧の変動によるトランスの磁束変動分を補正する係数として検出する。
【００２１】
乗算回路１３は、オン時間演算回路１１からのオン時間に電圧検出回路１２の出力（係数）を乗じることで、スイッチのオン時間に応じてトランス２に発生する正または負の磁束量を求める。すなわち、トランス２に発生する正または負の磁束量はインバータ直流電圧×スイッチのオン時間で算出される。なお、コンデンサの充電において、充放電の周期が短く（繰り返し周波数が高く）なると、インバータのオン時間も短くなる。例えば、繰り返し周波数１０ｋＨｚの場合のインバータオン時間は５０μｓｅｃ程度である。この場合、トランス２に発生する正または負の磁束量はインバータ直流電圧の変化をほぼ無視できる。
【００２２】
加減算回路（積分回路）１４は、乗算回路１３の算出出力を、スイッチＳ１，Ｓ４のオン制御時には加算し、スイッチＳ３，Ｓ２のオン制御時には減算することで、トランス２に流れる正負の電流極性別に発生する正負磁束量の差分を求める。
【００２３】
ゼロ比較回路１５は、加減算回路１４の算出磁束量がゼロを境にして正負いずれの極性にあるかを判定する。状態変更許可回路（ラッチ回路）１６は、スイッチＳ１，Ｓ４のオフ期間またはスイッチＳ３，Ｓ２のオフ期間に、ゼロ比較回路１５の判定結果（極性）をラッチする。
【００２４】
オンスイッチ選択回路１７は、状態変更許可回路（ラッチ回路）１６の判定結果に応じて、オン時間演算回路１１のオン時間出力（パルス出力）でスイッチＳ１，Ｓ４またはスイッチＳ３、Ｓ２のオン出力に切り替える。
【００２５】
以上の構成によるトランスの偏磁防止動作を説明する。検出回路１２でインバータ直流電圧を検出し、オン時間演算回路１１で求めたスイッチのオン時間によって、乗算回路１３にトランスに流れる半周期の電流でトランスに発生する磁束量を求める。すなわち、インバータの動作１回分の電圧の積分値（磁束の変化分）が求まる。これを加減算回路１４で前回の動作までの値に加減算する。加算と減算は、例えばスイッチＳ１，Ｓ４がオンの時は加算、スイッチＳ３，Ｓ２がオンの時は減算とする。この結果をゼロ比較回路１５でゼロを境にして磁束量の正負を判定する。
【００２６】
スイッチＳ１，Ｓ４またはスイッチＳ３，Ｓ２のオフ後に、状態変更許可回路（ラッチ回路）１６はゼロ比較回路１５の判定結果をラッチし、このラッチ状態に応じてオンスイッチ選択回路１７がスイッチＳ１，Ｓ４のオンまたはスイッチＳ３，Ｓ２のオンを選択し、選択したスイッチをオン制御する。
【００２７】
以上により、フルブリッジ構成の単相インバータの半周期毎の出力をインバータスイッチのオン時間で制御し、この出力をトランスを介してリアクトルとコンデンサにＬＣ共振電流を流し、コンデンサを半周期毎に充電目標電圧まで充電する充電装置において、コンデンサの充電電圧目標値、充電開始前のコンデンサの残留電圧およびインバータ直流電圧により、インバータの半周期毎のオン時間が変化する場合にも、トランスの磁束が偏らない方向のスイッチを選択する振り分けによって、トランスの偏磁を確実に防止できる。
【００２８】
（実施形態２）
図２は、本実施形態を示す制御回路のブロック構成図であり、図１と同等の部分は同一符号で示す。
【００２９】
加減算回路（積分回路）１４Ａは、インバータの直流電圧検出値を、スイッチＳ１，Ｓ４のオン制御時には加算し、スイッチＳ３，Ｓ２のオン制御時には減算し、これらの加減算をオン時間演算回路１１の出力パルス期間になる積分許可信号で実行することで、インバータ直流電圧の変動によりトランス２に発生する磁束量の正負変化分を求める。これによりインバータの動作１回分の、電圧の積分値（磁束の変化分）が求まる。
【００３０】
本実施形態による偏磁防止動作は、加減算回路１４Ａに得る磁束変化分をゼロ比較回路１５でゼロ比較して磁束の正負を判定し、スイッチのオフ後に、状態変更許可回路（ラッチ回路）１６を動作させ、スイッチの選択を切り換え、次回インバータ動作時のスイッチを選択する。
【００３１】
以上によりインバータの半周期毎の出力でトランスを介してコンデンサを半周期毎に充電する充電方式において、コンデンサの充電電圧目標値、充電開始前のコンデンサの残留電圧およびインバータ直流電圧により、インバータの半周期毎のオン時間が変化する場合にも、トランスの磁束が偏らない方向のスイッチをオン制御する振り分けによって、トランスの偏磁を確実に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態を示す充電制御回路のブロック構成図。
【図２】本発明の他の実施形態を示す充電制御回路のブロック構成図。
【図３】充電装置の主回路構成図。
【符号の説明】
【００３３】
１  インバータ部
２  出力トランス
４  コンデンサ
５  リアクトル
６  充電制御回路
１１  オン時間演算回路
１２  インバータ直流電圧検出回路
１３  乗算回路
１４  加減算回路
１５  ゼロ比較回路
１６  状態変更許可回路
１７  オンスイッチ選択回路
【図１】
2008271662.tif 000003
【図２】
2008271662.tif 000004
【図３】
2008271662.tif 000005