(57)【要約】【課題】パルス電流立上げ後の電流制御方法を、単にコンデンサ放電に頼ることなく、直流電源と併用することによって、平担性の良い短形波状のパルス電源を提供する。【解決手段】コンデンサと負荷との間に介在するスタート用半導体スイッチと、負荷に接続される電流検出器と、スタート用半導体スイッチおよび電流検出器に接続される制御ユニットとを備え、上記制御ユニットと電流検出器との間に、直流用半導体スイッチと模擬負荷回路と直流電源とからなる波形成形回路を接続し、該直流電源と負荷との間に介在する直流用半導体スイッチのオン／オフ制御で平坦電流を負荷に供給するパルス電源であって、上記直流電源と並列にスイッチング作用を有する模擬負荷回路を接続し、該模擬負荷回路に負荷が有する平坦電流時のインピーダンスと同一要素を持たせたことを特徴とする。【選択図】　　　　図１
2004040916.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンデンサと負荷との間に介在するスタート用半導体スイッチと、負荷に接続される電流検出器と、スタート用半導体スイッチおよび電流検出器に接続される制御ユニットとを備え、上記制御ユニットと電流検出器との間に、直流用半導体スイッチと模擬負荷回路と直流電源とからなる波形成形回路を接続し、該直流用半導体スイッチのオン／オフ制御で平坦電流を負荷に供給するパルス電源であって、
上記波形成形回路が、直流電源と負荷とを接続する直流用半導体スイッチと、直流電源と並列にスイッチング作用を有する模擬負荷回路を接続してなり、
該直流電源から負荷が有する平坦電流時のインピーダンスと同一要素を持たせた模擬負荷回路をオン、直流用半導体スイッチをオフさせて予め所定の平坦電流に相当する電流を波形成形回路内に流し、
電流の立上げ時は上記スタート用半導体スイッチをオンさせ、
平坦電流時は上記模擬負荷回路をオフ、直流用半導体スイッチをオンさせ、
立下げ時は上記模擬負荷回路をオン、直流用半導体スイッチをオフさせるように制御ユニットで制御することを特徴とするパルス電源。
【請求項２】
上記スタート用半導体スイッチが複数の半導体素子のタスキがけ回路で構成され、負荷からのエネルギーを上記タスキがけ回路を介して、上記コンデンサに初期の充電電圧極性と同一極性で回生することを特徴とする請求項１記載のパルス電源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は立上がりの早い矩形波状のパルス電流を発生するパルス電源について、主に平坦性を形成する波形成形方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子ビームや陽子ビームを扱う加速器は物理学の研究や医療研究などの分野に広く利用されている。このようなビームは電磁石や静電気によってビームを加速したり、軌道を曲げたり、戻したり、切り取ったりと緻密な制御がなされる。このような電磁石にはマイクロ秒から数十ミリ秒の短時間で、しかも、電流では〜数十ｋＡにも達する大電流のパルス電源が用いられる。このようなパルス電流を発生させるには、初期充電されたコンデンサからスタート用半導体スイッチを介してパルス電流を発生させる方法がとられる。この種のパルス電源の従来例を図４に示す。
【０００３】
図４において、予め初期充電されたコンデンサ１とスタート用半導体スイッチ２、および電磁石などの負荷３を構成するインダクタ４と抵抗５および放電電流を計測する電流検出器６が閉回路に接続されてパルス回路を形成する。そしてインダクタ４と抵抗５と電流検出器６の直列回路と並列にクローバ用半導体スイッチ７を接続する。スタート用半導体スイッチ２とクローバ用半導体スイッチ７のゲート端子は制御ユニット８に接続する。また、電流検出器６は上記制御ユニット８に接続して測定値のデータを送信する。なお、クローバ用半導体スイッチ７の極性はスタート用半導体スイッチ２がオン動作した時に電流が流入するのを阻止する方向に設ける。
【０００４】
次に、動作を説明する。制御ユニット８から動作指令を受けたスタート用半導体スイッチ２がオン動作をし、コンデンサ１から負荷３にパルス電流を供給する。電流検出器６で計測したパルス電流が制御ユニット８に送信され、所定のパルス電流値、例えば最大電流に達すると、制御ユニット８からクローバ用半導体スイッチ７に動作オン指令を送信する。
【０００５】
図５に負荷３を流れるパルス電流波形を示し、動作を説明する。縦軸がパルス電流Ｉ、横軸が時間ｔである。このようにインダクタ４にはパルス電流Ｉが所定のパルス電流値に達する立上げ時間ｔ１以降は、インダクタ４と抵抗５とクローバ用半導体スイッチ７とからなる閉回路のインダクタンスＬと抵抗Ｒとで決まる減衰時定数τ＝Ｌ／Ｒによって緩やかに減衰する。この回路定数に関しては、インダクタンスＬ分はインダクタ４が、抵抗Ｒ分は抵抗５が支配的である。次に、所定のパルス幅ｔ１〜ｔ２に達すると、制御ユニット８はクローバ用半導体スイッチ７に動作オフ指令を送信し放電を停止する。その結果、パルス電流はコンデンサ１とスタート用半導体スイッチ２を含む閉回路に転流してパルス電流Ｉは急激に減衰を続け、コンデンサ１は当初の充電電圧と逆の極性に充電されはじめる。その後、パルス電流Ｉが零になる時間ｔ３に達すると、スタート用半導体スイッチ２はコンデンサ１の逆電圧を受けて動作を停止する。このパルス電流Ｉの立下げ時間ｔ２〜ｔ３は立上げ時間ｔ１の放電周期と同じ時間となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
加速器は非常に緻密な制御を必要とすることから図５に示す減衰状のパルス波形ではビーム制御が巧く行かず、電流波形の立上げ・下げ時間が速く、その間は長時間にわたり安定度の高い平坦性を有するような矩形波状のパルス電流が欲しいとの要求に応じることができなかった。本発明は上記の背景を鑑みて、パルス電流立上げ後の電流制御方法を、単にコンデンサ放電に頼ることなく、直流電源と併用することによって、平坦性の良い矩形波状のパルス電源を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、コンデンサ１と負荷３との間に介在するスタート用半導体スイッチ２と、負荷３に接続される電流検出器２と、スタート用半導体スイッチ２および電流検出器６に接続される制御ユニット８とを備え、上記制御ユニット８と電流検出器６との間に、直流用半導体スイッチ１２と模擬負荷回路１１と直流電源１０とからなる波形成形回路９を接続し、該直流電源１０と負荷３との間に介在する直流用半導体スイッチ１２のオン／オフ制御で平坦電流を負荷３に供給するパルス電源であって、
上記波形成形回路が、直流電源１０と負荷３とを接続する直流用半導体スイッチ１２と、直流電源１０と並列にスイッチング作用を有する模擬負荷回路１１を接続してなり、
該直流電源１０から負荷３が有する平坦電流時のインピーダンスと同一要素を持たせた模擬負荷回路１１をオン、直流用半導体スイッチ１２をオフさせて予め所定の平坦電流に相当する電流を波形成形回路９内に流し、
電流の立上げ時は上記スタート用半導体スイッチ２をオンさせてコンデンサ１からエネルギーを負荷３に供給し、
平坦電流時は上記模擬負荷回路１１をオフ、直流用半導体スイッチ１２をオンさせて直流電流を負荷３に転流させ、
立下げ時は上記模擬負荷回路１１をオン、直流用半導体スイッチ１２をオフさせて、負荷３が有するエネルギーをコンデンサ１に回生するように制御ユニット８で制御することを特徴とするパルス電源である。
【０００８】
また、上記スタート用半導体スイッチ２が複数の半導体素子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄのタスキがけ回路で構成され、負荷３からのエネルギーを上記タスキがけ回路を介して、上記コンデンサ１に初期の充電電圧極性と同一極性で回生することを特徴とするパルス電源である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の実施例である。図４と同一回路を構成する素子には同一記号を付記したのでその説明を省略する。この回路は急速放電が容易なコンデンサを用いたパルス回路と一定の電流を安定に流すことができる直流回路の特徴を互いに組み合わせて構成した新しい波形成形方法である。
【００１０】
図１において、図４に示したクローバ用半導体スイッチ７の代わりに波形成形回路９の出力端子を接続する。波形成形回路９は直流電源１０とスイッチング作用を備えた模擬負荷回路１１とを閉回路に接続し、該模擬負荷回路１１の一端は直流用半導体スイッチ１２を介してスタート用半導体スイッチ２の出力端子に接続され、他端は直接出力端子の他の一端に接続される。直流用半導体スイッチ１２の極性はスタート用半導体スイッチ２が動作した時に電流を阻止する方向とする。また、模擬負荷回路１１の極性は直流電源１０から供給される直流電流を直流用半導体スイッチ１２に転流できる方向とする。制御ユニット８はスタート用半導体スイッチ２、電流検出器６、模擬負荷回路１１、直流用半導体スイッチ１２に接続され、各半導体にゲート信号を送信したり、放電電流の確認をして、全体的な運転制御をする。
【００１１】
図２に負荷３を流れるパルス電流波形と負荷電圧Ｖの波形を示す。縦軸に負荷電圧Ｖを示し、他は図５と同じであるので説明を省略する。まず負荷３にどのような矩形波状のパルス電流を流すかを決める。パルス電流Ｉの立上げ時間０〜ｔ１および立下げ時間ｔ２〜ｔ３はコンデンサ１の容量と負荷３の共振周波数によって、所定の平坦電流Ｉｔ１〜ｔ２は直流電源１０によって決めることになる。一方、平坦電流Ｉｔ１〜ｔ２の時間帯は電流に変化がないため負荷３の電圧は抵抗５が支配的となり、その負荷電圧Ｖｔ１〜ｔ２＝（平坦電流Ｉｔ１〜ｔ２）×（抵抗５の抵抗値）によって決まる値となる。
【００１２】
ここで、模擬負荷回路１１は抵抗５と模擬的に同一特性を有することが望ましい。
すなわち、前記負荷電圧Ｖｔ１〜ｔ２に合わせた等価回路構成にする。従って、ＦＥＴなどの半導体スイッチを用いてスイッチング作用を兼ねた電流抑制制御を行っても良いし、抵抗５と同等抵抗値の抵抗を挿入して半導体スイッチでオン／オフ制御してもよい。
【００１３】
次に、動作を説明する。制御ユニット８は模擬負荷回路１１に動作オン指令を送信し、直流電源１０から直流を供給する。模擬負荷回路１１を流れる電流は所定の平坦電流Ｉｔ１〜ｔ２に達すると、その電圧は負荷電圧Ｖｔ１〜ｔ２と等価となり、その状態を維持する。次に、制御ユニット８はスタート用半導体スイッチ２に動作オン指令を送信し、所定の電圧に充電されたコンデンサ１は負荷３に向けて放電を開始する。負荷３のパルス電流Ｉは立上げ時間ｔ１で平坦電流Ｉｔ１〜ｔ２、負荷電圧Ｖｔ１〜ｔ２に達する。この段階で制御ユニット８は直流用半導体スイッチ１２に動作オン指令を送信し、オン動作をさせると同時に模擬負荷回路１１に動作オフ指令を出し、通電を停止させる。その結果、コンデンサ１から与えた電圧はなお電圧降下を続けようとするが、直流電源１０からこれを補うように電力の供給を始めることにより、電圧は負荷電圧Ｖｔ１〜ｔ２を、電流は平坦電流Ｉｔ１〜ｔ２を維持し、エネルギーの供給源がコンデンサ１から直流電源１０に転流したことになる。
【００１４】
その後、所定のパルス幅の時間を経過して時間ｔ２に達すると、制御ユニット８は模擬負荷回路１１に動作オン指令を送信し、通電させると同時に直流用半導体スイッチ１２に動作オフ指令を送信して通電を停止する。その結果、負荷３のパルス電流Ｉは立上げ時と同じ共振周波数で減少しやがて０に達し、負荷電圧Ｖも同じ時間変化で極性を反転しながらコンデンサ１を逆極性に充電し、やがて最大の逆電圧に達する。その後も共振現象で電流は反転して放電を続けようとするが、スタート用半導体スイッチ２にコンデンサ１の逆電圧が印加され、通電を停止する。
【００１５】
以上の動作で１サイクルの放電が終了する。このようにパルス電流Ｉの立上げ時間ｔ１、立下げ時間ｔ２〜ｔ３にはコンデンサ１を、そして平坦性の必要な時間ｔ１〜ｔ２は直流電源１０から電力を供給する方法を採用することは、電流的にも、パルス幅にも、そして最も大事な平坦性にも自由度が大きく、加速器の安定精度の向上に有効である。
【００１６】
さて、上記の実施例ではパルス放電を１サイクルで終了する動作を説明をしたが、実際の加速器では１秒間に数十回から数千回の放電を繰り返すことになる。このような放電では前記コンデンサ１の逆極性に充電されたエネルギーを捨てることは発熱を伴うと共にエネルギーの利用効率を悪くする欠点がある。図３に本発明の他の実施例を示す。
【００１７】
図３において、図１と異なるのは波形成形回路９を一括して示したこととスタート用半導体スイッチ２の回路構成である。前者の構成は図１と同じであるので後者について説明する。スタート用半導体スイッチ２は半導体素子２ａ〜２ｄによって構成され、コンデンサ１の一端と負荷３との間に第１の半導体素子２ａを順方向接続し、上記負荷３の他端とコンデンサ１の他端との間に第２の半導体素子２ｂを順方向接続し、第１の半導体素子２ａのカソードと第２の半導体素子２ｂのカソードとの間に第３の半導体素子２ｃを逆方向接続し、第１の半導体素子２ａのアノードと第２の半導体素子２ｂのアノードとの間に第４の半導体素子２ｄを逆方向接続してなる。上記の方法による半導体素子２ａ〜２ｄの接続回路を「タスキがけ回路」と呼ぶ。また、それぞれのゲート端子は制御ユニット８に接続される。
【００１８】
次に、スタート用半導体スイッチ２の動作について説明する。その他の回路および動作については図１と同じである。まず、コンデンサ１の放電時には制御ユニット８より第１の半導体素子２ａと第２の半導体素子２ｂに動作オン指令を送信し放電が開始する。そして所定の平坦電流Ｉｔ１〜ｔ２に達すると波形成形回路９を動作オンさせ、時間ｔ２まで運転させる。その後、波形成形回路９を動作オフさせると共に第１の半導体素子２ａと第２の半導体素子２ｂを動作オフさせて、第３の半導体素子２ｃと第４の半導体素子２ｄを動作オンさせることによって、パルス電流Ｉの流れを負荷３の低圧側から第４の半導体素子２ｄ、コンデンサ１、第３の半導体素子２ｃ、負荷３の高圧側を結ぶ閉回路に転流させることになる。この結果コンデンサ１は初期の極性に再充電されることになり、当初負荷３に供給した電荷の一部が同じ極性でコンデンサ１に回生されたことになる。そして、当初の充電電圧に比較して不足した電圧は、図示しない直流発生器より電荷の供給を受けて再度、次の放電サイクルに移り、繰返し運転を行う。このように放電した電荷の一部、すなわち、エネルギーが回生されることは高頻度繰返し運転にはエネルギーの有効利用に役立ち、かつ、エネルギー供給源の小型化にも有益である。
【００１９】
さて、このような半導体スイッチまたは素子には、例えばＩＧＢＴ、ＦＥＴ、ＧＴＯなどの自己消弧型素子やサイリスタなどが使用される。また、扱う電流が大きく、電圧も高い場合は前記半導体素子を直列または並列に接続して使用する。
【００２０】
また、他の実施例として平坦電流Ｉｔ１〜ｔ２を時間ｔ１〜ｔ２の間に時間ｔ２に向けて徐々に上昇させたり、降下させたりすることも可能性として有している。これは直流電源に短時間で電流変化ができる機能を持たせればよいが、あまり短時間での応答は難しい。
【００２１】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明は、従来、時定数τ＝Ｌ／Ｒによって減衰状のパルス幅を決めていた欠点を除去し、速い放電が容易なコンデンサを用いてパルス電流の立上げ／立下げ時間をインダクタ４との共振周波数によって決め、そして矩形波の平坦電流は模擬負荷回路１１からの転流により直流電源から直接供給する方法を、半導体スイッチのスイッチング作用により実現した。このことにより、パルス電流立上げ後の電流制御方法を、コンデンサ放電に頼ることなく直流電源と併用することで、平担性の良い矩形波状のパルス電源を得ることができる。
上記構成により、コンデンサ、直流電源、半導体の長所を巧く利用することができ、かつ、エネルギー回生を含む効率のよい繰返し運転も可能にした。
このように、本発明はビーム制御用電磁石電源として加速器の性能向上に優れた貢献をし工業的価値大なるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるパルス電源の実施例を示す回路図である。
【図２】本発明によるパルス電源の電流波形および負荷電圧波形である。
【図３】本発明によるパルス電源の他の実施例である。
【図４】従来例によるパルス電源を示す回路図である
【図５】従来例によるパルス電源の電流波形である。
【符号の説明】
１　コンデンサ
２　スタート用半導体スイッチ
２ａ　第１の半導体素子
２ｂ　第２の半導体素子
２ｃ　第３の半導体素子
２ｄ　第４の半導体素子
３　負荷
４　インダクタ
５　抵抗
６　電流検出器
７　クローバ用半導体スイッチ
８　制御ユニット
９　波形成形回路
１０　直流電源
１１　模擬負荷回路
１２　直流用半導体スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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