(57)【要約】【課題】磁気圧縮ユニット等の交換でリアクトル値やコンデンサ容量等が変わっても、交換前と同じエネルギーのパルス電流を得る。【解決手段】充電装置ユニットに入力用インターフェースＩＦCを設け、磁気圧縮ユニットの交換または充電装置ユニットの回路要素の交換に伴う回路定数の変化によるパルス電流エネルギーの変化を、インターフェースによる回路定数の入力設定値変更で補償する。  磁気圧縮ユニットに、その回路定数を予め入力設定されたインターフェースを設け、当該ユニットが交換されたときにその設定値を取り込むこと、パルス発生の繰り返し周波数、１サイクルあたりの充電エネルギー、パルス電圧などの制御定数の変更に、その入力設定値で変更すること、充電装置ユニットを並列接続した場合の並列接続台数を入力変更すること、などを含む。【選択図】  図１
2005108910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電されるコンデンサを直流電源として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供給する磁気圧縮ユニットと、前記コンデンサと直列共振回路を構成するリアクトルから半周期の振動電流を該コンデンサに供給し、該リアクトルの蓄積エネルギーで該コンデンサを充電する充電装置ユニットとに分離構成されたパルス電源において、
前記充電装置ユニットは、充電制御回路に入力用インターフェースを設け、該インターフェースは、前記磁気圧縮ユニットの交換または充電装置ユニットの回路要素の交換に伴う回路定数の変化によるパルス電流エネルギーの変化を、回路定数の入力設定値変更で補償する手段を設けたことを特徴とするパルス電源。
【請求項２】
前記磁気圧縮ユニットは、その回路構成がもつ回路定数が予め入力設定された入力用インターフェースを設け、前記充電装置ユニットは当該磁気圧縮ユニットが交換されたときに該入力用インターフェースの設定値に従って充電制御する手段を設けた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】
前記充電装置ユニットまたは磁気圧縮ユニットに設けた入力用インターフェースは、前記磁気圧縮ユニットおよび充電装置ユニットでのパルス発生の繰り返し周波数、１サイクルあたりの充電エネルギー、パルス電圧などの制御定数の変更に、その入力設定値で変更する手段を備えた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】
前記充電装置ユニットの入力用インターフェースは、前記充電装置ユニットを並列に接続して前記磁気圧縮ユニットのコンデンサを充電するパルス電源における並列接続台数の変更に、その入力設定値で変更する手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のパルス電源。
【請求項５】
前記充電装置ユニットの入力用インターフェースは、パルス電源の最大装置容量以内で、パルス発生の繰り返し周波数及び１サイクルあたりの充電エネルギーを変更するために１サイクルの期間を入力設定する手段を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のパルス電源。
【請求項６】
前記充電装置ユニットの入力用インターフェースは、充電電圧指令の分解能を常に一定に保つために外部から最大充電電圧値を入力設定する手段を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のパルス電源。
【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パルス電源に係り、特に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関する。
【背景技術】
【０００２】
エキシマレーザーやオゾナィザ等の電源として利用されるパルス電源は、例えば、図６に示す構成にされる。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の飽和動作により負荷となるレーザ発振器等の負荷ＬＨへ超短パルスを発生させる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記のパルス発生は、コンデンサＣ0を繰り返し充電してパルス電流を繰り返し発生し、このパルス電流を磁気パルス圧縮して負荷に繰り返し供給する。充電装置ＨＤＣは、コンデンサＣ0と直列共振回路を構成するリアクトルに半周期の振動電流を繰り返し流し、該リアクトルの蓄積エネルギーで該コンデンサを充電電圧指令によって与えられる電圧に繰り返し充電する。この動作は、例えば１秒間に４０００回繰り返す。
【０００４】
このための充電装置ＨＤＣの回路構成及び制御を図７ａ〜図７ｄで説明する。まず、図７ａの回路動作を説明する。インバータ２内のスイッチＳ１，Ｓ１をオンすると、昇圧トランス３および整流回路４を通して矢印Ａ１，Ａ２の経路で電流が流れ、リアクトル５とコンデンサ６の直列共振回路には半周期の振動電流が流れ始め、リアクトル５にエネルギーを蓄えつつコンデンサ６（図６のコンデンサＣ0）を充電する。次に、Ｓ１，Ｓ１をオフすると、リアクトル５に蓄えられたエネルギーは矢印Ａ３の経路で電流を流し、コンデンサ６へエネルギーのすべてを移行し、コンデンサ６を更に充電する。同様に、スイッチＳ２，Ｓ２のオンとその後のオフ動作でコンデンサ６が充電される。なお、スイッチＳ１とＳ２は昇圧トランス３の飽和を防ぐために、充電指令毎に交互にスイッチング動作を行う。
【０００５】
これらの充電動作において、リアクトル５のリアクトル値をＬ、コンデンサ６のコンデンサ容量をＣ、スイッチＳオフ時の電流をＩ、コンデンサ６の充電電圧をＶ0、スイッチオフ後のコンデンサ６の電圧をＶとすると、エネルギー保存の法則より、
【０００６】
【数１】
2005108910.tif 000003
【０００７】
が成り立つ。
【０００８】
充電装置は、上式を基にコンデンサ６を充電電圧指令Ｖまで充電する。つまり、常に充電電流ｉ及びコンデンサ電圧Ｖｃを検出すると同時に、リアルタイムで以下の演算を行っており、
【０００９】
【数２】
2005108910.tif 000004
【００１０】
この式が成立したときにスイッチをオフする（波形は図８の（ａ）参照）。図７ｂは図７ａの回路で昇圧トランス３を除いた降圧チョッパ型充電回路を等価的に示し、その動作原理は図７ａの回路と同等となる。
【００１１】
図７ｃは図７ａの回路で、リアクトル５からコンデンサ６への経路にスイッチ７とダイオード８を付加した昇圧チョッパ型充電回路とし、インバータ２内のスイッチＳ１（次回充電時はＳ２）とスイッチ７は同時にオン及びオフする構成を示す。このときの電流ｉ及び電圧Ｖｃの波形は異なるが制御方法は図７ａの回路で述べた方法と一緒である（波形は図８の（ｂ）参照）。図７ｄは図７ｃの回路から昇圧トランス３を除いた等価回路を示し、その動作原理は図７ｃと同等となる。
【特許文献１】特開平８−１３０８７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
パルス電源は、大きさ、重量の制約により、充電装置ユニット、磁気圧縮ユニット、負荷ユニットの３ユニットに分割され、それぞれ個別のフレームに収めた構造にされている。例えば、各ユニットの主回路構成は図９に示すようになっている。
【００１３】
ここで、各ユニットには装置寿命があり、各ユニットは一定期間の使用で交換が必要となる。例えば、磁気圧縮ユニットのみ交換した場合、図９の磁気圧縮ユニットのコンデンサＣ０の容量変化で、充電電圧が若干ではあるが変化を伴う。同様に、充電装置ユニットのみ交換した場合、リアクトルＬ１のリアクトル値変化で、充電電圧が若干ではあるが変化を伴う。
【００１４】
上記のように、ユニットの交換で回路定数が変化すると、充電装置を同じ充電電圧指令としたままでは、下記の（１）、（２）で述べる理由で充電エネルギーが変わってしまう。ユニット交換前後で充電エネルギーが変わってしまうと、装置全体の特性も変わってしまい好ましくない。従って、ユニット交換の度に充電装置の再調整またはプログラムの変更をしなければならないという問題がある。
【００１５】
ユニット交換後の充電エネルギーは、ユニット交換前の充電エネルギーを（１／２）ＣＶ2とすると、前記の式１及び式２より、
（１）リアクトル５のリアクトル値がＬ→Ｌ’に変わった場合充電電圧をＶ’とするとコンデンサ６に充電されるエネルギー量は、
【００１６】
【数３】
2005108910.tif 000005
【００１７】
となり、交換前に比べて、
【００１８】
【数４】
2005108910.tif 000006
【００１９】
のエネギー誤差が生じる。
【００２０】
（２）コンデンサ６の容量がＣ→Ｃ’に変わった場合充電電圧をＶ’とすると、コンデンサ６に充電されるエネルギー量は、
【００２１】
【数５】
2005108910.tif 000007
【００２２】
となり、交換前に比ベて、
【００２３】
【数６】
2005108910.tif 000008
【００２４】
のエネギー誤差が生じる。
【００２５】
以上の問題のほか、従来の充電装置では以下の問題がある。
【００２６】
・装置容量が同じ充電装置であっても、繰り返し数、充電電圧範囲、コンデンサＣ０の容量が異なればその度に充電制御回路を設計変更しなければならない。
【００２７】
・負荷に必要なエネルギーが２倍、３倍と増えれば、その度に２倍、３倍の装置容量の充電装置を開発しなければならないので、装置開発に時間およびコストがかかる。
【００２８】
本発明の目的は、上記の課題を解決したパルス電源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明は、前記の課題を解決するため、充電装置ユニットに入力用インターフェースを設け、さらには磁気圧縮ユニットに入力用インターフェースを設け、磁気圧縮ユニットの交換または充電装置ユニットの回路要素の交換に伴う回路定数の変化によるパルス電流エネルギーの変化を、入力用インターフェースによる回路定数の入力設定値変更で補償できるようにしたものである。また、入力用インターフェースは、同じユニット構成で、パルス発生の繰り返し周波数、１サイクルあたりの充電エネルギー、パルス電圧などの制御定数の変更に、その入力設定値変更で対応できるようにしたものである。さらに、入力用インターフェースは、充電装置ユニットを並列に接続して磁気圧縮ユニットのコンデンサを充電するパルス電源における並列接続台数の変更に、その入力設定値変更で対応できるようにしたものである。以上のことから、本発明は、以下の構成を特徴とする。
【００３０】
（１）充電されるコンデンサを直流電源として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供給する磁気圧縮ユニットと、前記コンデンサと直列共振回路を構成するリアクトルから半周期の振動電流を該コンデンサに供給し、該リアクトルの蓄積エネルギーで該コンデンサを充電する充電装置ユニットとに分離構成されたパルス電源において、
前記充電装置ユニットは、充電制御回路に入力用インターフェースを設け、該インターフェースは、前記磁気圧縮ユニットの交換または充電装置ユニットの回路要素の交換に伴う回路定数の変化によるパルス電流エネルギーの変化を、回路定数の入力設定値変更で補償する手段を設けたことを特徴とする。
【００３１】
（２）前記磁気圧縮ユニットは、その回路構成がもつ回路定数が予め入力設定された入力用インターフェースを設け、前記充電装置ユニットは当該磁気圧縮ユニットが交換されたときに該入力用インターフェースの設定値に従って充電制御する手段を設けたことを特徴とする。
【００３２】
（３）前記充電装置ユニットまたは磁気圧縮ユニットに設けた入力用インターフェースは、前記磁気圧縮ユニットおよび充電装置ユニットでのパルス発生の繰り返し周波数、１サイクルあたりの充電エネルギー、パルス電圧などの制御定数の変更に、その入力設定値で変更する手段を備えたことを特徴とする。
【００３３】
（４）前記充電装置ユニットの入力用インターフェースは、前記充電装置ユニットを並列に接続して前記磁気圧縮ユニットのコンデンサを充電するパルス電源における並列接続台数の変更に、その入力設定値で変更する手段を備えたことを特徴とする。
【００３４】
（５）前記充電装置ユニットの入力用インターフェースは、パルス電源の最大装置容量以内で、パルス発生の繰り返し周波数及び１サイクルあたりの充電エネルギーを変更するために１サイクルの期間を入力設定する手段を備えたことを特徴とする。
【００３５】
（６）前記充電装置ユニットの入力用インターフェースは、充電電圧指令の分解能を常に一定に保つために外部から最大充電電圧値を入力設定する手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３６】
以上のとおり、本発明によれば、充電装置ユニットに入力用インターフェースを設け、磁気圧縮ユニットの交換または充電装置ユニットの回路要素の交換に伴う回路定数の変化によるパルス電流エネルギーの変化を、入力用インターフェースによる回路定数の入力設定値変更で補償するようにしたため、磁気圧縮ユニットや充電装置ユニットの交換でリアクトル値やコンデンサ容量が変わっても、外部からその値を入力することで充電制御回路を変更することなく交換前と同じパルス電流エネルギーを発生できる。
【００３７】
また、磁気圧縮ユニットに、その回路構成がもつ回路定数を予め入力設定された入力用インターフェースを設け、充電装置ユニットは磁気圧縮ユニットが交換されたときに入力用インターフェースの設定値を取り込むことで、磁気圧縮ユニット交換時に設定を入力し直すことを不要にする。
【００３８】
また、入力用インターフェースは、ユーザーが変更不能にしておくことで、ユーザーが誤った値を入力するのを防止できる。
【００３９】
また、入力用インターフェースは、同じユニット構成で、パルス発生の繰り返し周波数、１サイクルあたりの充電エネルギー、パルス電圧などの制御定数の変更に、その入力設定値変更で対応できる。
【００４０】
さらに、入力用インターフェースは、充電装置ユニットを並列に接続して磁気圧縮ユニットのコンデンサを充電するパルス電源における並列接続台数の変更に、その入力設定値変更で対応できる。この場合、１サイクルの期間が延びれば、今まで１回のスイッチングで行っていた充電を複数回で行うことができる。その結果、リアクトルに流れる最大電流を抑えつつ１サイクル当たりの充電エネルギーを増やすこともできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
（実施形態１）
図１に示すように、充電装置の筐体表面または外部に、入力用インターフェースＩＦCを設ける。このインターフェースＩＦCは、コンピュータ構成またはハードウェア構成の充電制御回路ＣＰＵに対して、充電装置の回路定数および充電制御定数の設定および変更ができるようにする。
【００４２】
例えば、インターフェースＩＦCは、充電制御回路ＣＰＵによる前記式の演算に必要な、リアクトル５のリアクトル値及びコンデンサ６の容量を、外部設定できるようにする。
【００４３】
また、インターフェースＩＦCは、コンデンサ６の充電電圧を外部設定できるようにする。
【００４４】
また、インターフェースＩＦCは、１サイクルの期間を外部から設定変更できるようにする。
【００４５】
なお、インターフェースＩＦCは、プログラマブル表示器、デジタルスイッチ、アナログトリマーなど入力された値を記憶、変更できるものを使用する。また、インターフェースＩＦCに設定されている値はユーザーによる変更ができないようにする。
【００４６】
このようなインターフェースＩＦCを設けた充電装置において、充電制御回路ＣＰＵは、電源起動時または設定変更時に、インターフェースＩＦCの各種設定値を読み込み、これら設定値を基に充電制御のための演算を行う。
【００４７】
以上の構成によれば、例えば、充電装置のコンデンサ６が交換されたとき、インターフェースＩＦCからその値を入力することで充電制御回路ＣＰＵの演算内容を変更することなく、交換前と同じエネルギーでコンデンサ６を充電することができる。
【００４８】
また、図９のユニット別構成になるパルス電源において、磁気圧縮ユニットの交換で、それに組み込まれた回路要素の定数変更が生じ、これに伴い充電装置のコンデンサ６に要求される充電電圧が変化した場合、インターフェースＩＦCからコンデンサ６の充電電圧を設定変更することで対応できる。なお、充電電圧指令を最大充電電圧に対する相対値で設定することができる。この場合、それぞれの使用用途ごとに必要な最大充電電圧は異なる充電電圧指令に対する相対値に設定し、外部からそれぞれの使用用途ごとに必要な最大充電電圧を入力できるようにすれば充電電圧指令の分解能を常に一定に保つことができる。
【００４９】
また、インターフェースＩＦCに設定されている値をユーザーが変更できないようにすることで、ユーザーが誤った値を入力するのを防ぐことができる。
【００５０】
また、インターフェースＩＦCによる１サイクルの充電期間変更を可能とすることで、今まで１回のスイッチングで行っていた充電を複数回のスイッチングで行うことができる。その結果、リアクトル５に流れる最大電流を抑えながら１サイクル当たりの充電エネルギーを増やすことができる。図２は図７ｃまたは図７ｄの回路でのシミュレーション波形で、図２の（ａ）は１サイクルの期間が短く、充電エネルギーも少ない場合、図２の（ｂ）は１サイクルの期間が長く、充電エネルギーも大きい場合である。このように１サイクルの期間を外部から変更できるようにすると、最大出力容量の範囲内で繰り返し周波数を自由に設定できるようになる（高繰り返し時には１回当たりの最大充電エネルギーは少なく、低繰り返し時は多くなる）。
【００５１】
なお、１サイクルの期間を延ばした場合、１回あたりのスイッチング期問を伸ばして１回あたりの充電エネルギーを増やすことができるが、この場合回路に流れる最大電流が増えるため、スイッチング素子が定格電流を超えて破損する（または破損しない、より大きな素子を使用しなければならない）、リアクトル５に鉄心を使用している場合、鉄心が飽和してしまう（または飽和しない、より大きな鉄心を使用しなければならない）等の問題があるため、これらを考慮した期間変更が好ましい。
【００５２】
（実施形態２）
本実施形態は、図３に示すように、磁気圧縮ユニットの筺体表面、または内部に、実施形態１と同等のインターフェースＩＦM装置を設ける。充電装置は、電源起動時または設定変更時に、インターフェースＩＦCおよびＩＦMの設定値を充電制御回路ＣＰＵに読み込み、これら設定値を基に充電制御を行う。
【００５３】
この場合、インターフェースＩＦMは、磁気圧縮ユニットがもつ回路定数（例えば、コンデンサＣ0、コンデンサＣ１，Ｃ２の容量やパルストランスＰＴの昇圧比など）を予め入力しておく。これにより、磁気圧縮ユニット交換前後で、負荷ユニットへ供給するエネルギー量が変化するのを、ユーザーが値を入力することなくかつ充電装置の充電制御回路を変更することなく、エネルギー変化を自動的に防ぐことができる
なお、インターフェースＩＦMは、入力されている値をユーザーが変更できないようにするのが好ましい。
【００５４】
したがって、本実施形態によれば、実施形態１の作用効果に加えて、磁気圧縮ユニットの交換時に、それに搭載する回路要素の変更設定値を、充電装置のインターフェースＩＦCで入力し直す必要がなくなる。
【００５５】
（実施形態３）
本実施形態は、図４に示すように、１つのコンデンサ６に複数台の充電回路を並列接続した充電装置に適用する場合である。
【００５６】
この充電装置において、本実施形態では、実施形態１、２と同様のインターフェースＩＦCを設け、リアクトル値、コンデンサ容量の設定変更等の他に、並列台数を外部から入力設定できるようにする。
【００５７】
従来、負荷に必要な充電エネルギーが２倍、３倍と変われば、その度に出力容量が２倍、３倍となる充電装置を開発していた。この点、本実施形態では、充電装置の充電制御回路に、インターフェースＩＦCから充電装置が何台並列に接続されているかの情報を与えることによって同じ種類の充電装置を複数台並列に接続し出力容量を２倍、３倍に増やすことができる。
【００５８】
図５の（ａ）は充電装置を１台、（ｂ）は２台並列とした場合のシミュレーション波形を示す。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施形態１を示す回路構成図。
【図２】実施形態１におけるシミュレーション波形。
【図３】本発明の実施形態２を示す回路構成図。
【図４】本発明の実施形態３を示す回路構成図。
【図５】実施形態３におけるシミュレーション波形。
【図６】パルス電源の構成例。
【図７ａ】充電装置の回路構成。
【図７ｂ】充電装置の等価回路。
【図７ｃ】充電装置の回路構成。
【図７ｄ】充電装置の等価回路。
【図８】シミュレーション波形。
【図９】パルス電源のユニット構成例。
【符号の説明】
【００６０】
１  直流電源
２  インバータ
３  昇圧トランス
４  整流回路
５  リアクトル
６  コンデンサ
ＣＰＵ  充電制御回路
ＩＦC，ＩＦM  インターフェース
【図１】
2005108910.tif 000009
【図２】
2005108910.tif 000010
【図３】
2005108910.tif 000011
【図４】
2005108910.tif 000012
【図５】
2005108910.tif 000013
【図６】
2005108910.tif 000014
【図７ａ】
2005108910.tif 000015
【図７ｂ】
2005108910.tif 000016
【図７ｃ】
2005108910.tif 000017
【図７ｄ】
2005108910.tif 000018
【図８】
2005108910.tif 000019
【図９】
2005108910.tif 000020