(57)【要約】【課題】磁気エネルギー回生スイッチを用いて、蓄積コンデンサに電源電圧より高い電圧を発生させて放電することにより、始動電流を大きくするパルス大電流電源を提供すること。【解決手段】磁気エネルギー回生スイッチを電源と直列接続したインダクタンスのある負荷に、休止時、微小なパルス電流を流すようにパルス幅を小さくした連続オンパルス列で駆動すると蓄積コンデンサに電圧が成長して溜まるが、十分に電圧が昇圧したら、スイッチの長いオンパルスで駆動してコンデンサから負荷へ急速放電することによって、大電流パルスを発生し、電磁力駆動装置の始動時に大きな力が得られる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導性負荷にパルス電流を供給する磁気エネルギー回生スイッチを直列に接続して、電流をスイッチする前記誘導性負荷への供給電流として利用するパルス電源であって、
該パルス電源は、電圧源と負荷と直列に接続される磁気エネルギー回生スイッチとスイッチをオン／オフ制御するゲートに信号をおくる制御手段を備えて、負荷動作休止期間中に弱い電流の短時間通電を繰り返すことによって、磁気エネルギー回生スイッチのエネルギー蓄積コンデンサに高電圧を発生、負荷の動作時には発生した電圧を一機に通電をすることを特徴とする、昇圧機能付きパルス電源装置
【請求項２】
前記、磁気エネルギー回生スイッチと負荷との間に直列に補助インダクタンスを接続し、かつ負荷と並列に補助スイッチを設けて、磁気エネルギー蓄積コンデンサに高電圧を発生する休止期間は補助スイッチをオンして、負荷に電流を流さないと同時に、そのあいだに補助インダクタンスに流れる電流をオン／オフすることで、前記記載の昇圧のための短時間通電の繰り返しによる磁気エネルギー蓄積コンデンサの昇圧をする請求項１に記載の昇圧機能付きパルス電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、パルス電流を供給する電源に関する。
【背景技術】
【０００２】  電流の電磁力を応用して駆動されるソレノイド、電磁弁、モータにおいて、電源よりの電圧を半導体スイッチでオン・オフすることで駆動コイルを励磁し電流をインダクタンスＬと抵抗Ｒの回路と見なせる負荷に流すことで磁界を発生させ、コイルに磁気エネルギーを蓄積するとともに駆動力が生じ外部に機械的仕事をさせていた。【０００３】  しかし、インダクタンスがあるため電流の立ち上がりに時間がかかり、それを早くするためには高電圧を印加する必要がある。これをフォーシング電圧と呼んで、定常電流を維持する電圧の数倍を印加して、これをフォーシング率と呼んでいる。また仕事が終わり、その駆動力を維持し、静止している場合、例えば電流は３分の１で維持されれば良いのだが、電流を下げる手段が無いため、電流は流れ続けると消費電力の増加と、コイルの発熱の問題が生じる。【０００４】  インダクタンスのある回路にパルス電流を流す電源において、電流遮断時にインダクタンスに流れる電流のエネルギーをコンデンサに蓄積して、次回投入時に、コンデンサのエネルギーを負荷に回生して電流を回復することができる磁気エネルギー回生スイッチがある。必要な電圧をインダクタンスから自動的に回生して発生するので、設備の電源は抵抗分の電圧だけあればよいので、電源の力率が良いと言える。回生電圧が蓄積されるのは次回以降で、電圧は回路の時定数程度の時間で徐々に上昇するため、パルスの初回は期待される効果が不十分であった。
【特許文献】  特許公開２０００−３５８３５９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  発明が解決しようとする問題点は、電流の電磁力を応用して駆動されるソレノイド、電磁弁、モータなどにおいて、始動時の駆動力は、静止摩擦を超えることに加えて慣性モーメントに抗する力を出す必要があり、電磁駆動システムとして、スピード、効率とともに重要な設計で、電源にも始動時の駆動力の増大が求められている。【０００６】  直流電源に磁気エネルギー回生スイッチを直列にして、インダクタンスのある負荷を駆動する際に、回生電圧がインダクタンス分の電圧を補償するのは、パルスの次回目以降であり、初回は、コンデンサに蓄積された電圧が加わり電源電圧の２倍であった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  本発明は、磁気エネルギー回生スイッチを電源と負荷の中間に直列接続して、遮断投入の際に電流エネルギーを蓄積して負荷に回生を無損失で行なうが、小電流をオン・オフすると電源からのエネルギーが流れ込みコンデンサの直流電圧が際限なく上昇する効果を利用したものである。【０００８】  磁気エネルギー回生スイッチは電源とインダクタンスのある負荷との間に直列接続して、超短パルスによるオン・オフ動作を繰り返すことにより蓄積コンデンサに電圧が蓄積されて最終的に負荷の抵抗を電源電圧で割った電流値になるまで、コンデンサ電圧は電源電圧より高く上昇する現象を利用したものである。【０００９】  その理由は、ここで磁気エネルギー回生スイッチのオンのパルス時間幅を小さくすると、電流が上昇する間にオフになってしまい抵抗で決まる電流値になることができない。【００１０】  すると抵抗で決まる電流値になるまで蓄積コンデンサの電圧はさらに上昇をすることになり、ここでは従来、磁気エネルギー回生スイッチの役割を蓄積コンデンサが電流の磁気エネルギーを吸収し、そして放電するという役割から、力率を１に補償するための電圧を自動発生する力率改善装置として考えられる。【００１１】  すなわち、磁気エネルギー回生スイッチは短時間のオンパルスを連続して発生すると負荷のインダクタンスと抵抗にわずかな電流パルスが流れて、オフにより蓄積コンデンサには電圧が上昇するがこのとき、電源からのエネルギーが流れ込む。【００１２】  フライバック方式の電圧上昇回路の動作に似ているがフライバック方式はコイルの励磁に電源電圧以上の電圧は印加されないが、この方法は回路に直列にスイッチがあり、蓄積コンデンサの電圧が電源電圧とともに回路の電流を上昇させるのに加わり、電圧が貯まるにしたがってますます電圧の上昇が加速される。【００１３】  発生した電圧が次回のパルス発生に使われてますます発生電圧が増加するフィードフォワード効果、ブートストラップ（靴紐を引っ張りながら空を歩く方法として有名なブートストラップ）回路になっている。
【発明の効果】
【００１４】  電源と負荷の間に直列接続された磁気エネルギー回生スイッチを、システムの待機時間に連続的に短いオンパルス列をスイッチに与えて、しかも負荷はそれでは動かない程度の電流で徐々に蓄積コンデンサに電圧を上昇させる。その後、負荷となる電磁駆動装置を実際に動かしたいときに、長いオンパルスを与えることでコンデンサの放電の大きな電流が負荷に流れ、コンデンサの電圧がゼロになったあとは電源電圧で決まる定常電流が流れる。コンデンサの放電電流により大きな駆動力が得られ、その後定常の駆動力になる。【００１５】  一般の電磁駆動力は始動時大きなものが要求され以後はそれより低いものが多いので、磁気エネルギー回生スイッチによる始動電流が得られので、定常電流は維持の駆動力に対応した低電流になるものを用意しておけば、それだけ消費電力の削減と駆動コイルの発熱量削減になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】  図１に実施例をしめすが、直流電圧電源１が電磁リレー２を駆動する回路に直列の磁気回生スイッチ３が挿入され、スイッチとなっている。制御回路４は、半導体スイッチにオン・オフのゲート信号を発生する。実施例の場合はオンパルスを図１に示すように短パルスの列を連続的に出しておく。【００１７】  短パルスの連続で蓄積コンデンサには電源電圧の数倍の電圧が蓄積されるが、十分電圧が発生したところで、長パルスに切り替えることにより、電流値は上昇してコンデンサは放電するとともに負荷にも大きな電流が流れて大きな駆動力が発生する。
【実施例１】
【００１８】  図１は電源電圧５Ｖで負荷のインダクタンス１ｍＨ、抵抗５オームを負荷とした場合の実施例を示す。磁気エネルギー回生スイッチは、電流が一方向であるので、方極はダイオード３３で代用でき、Ｐ−ＭＯＳＦＥＴ３１を使用する場合は、外付けのダイオードが省かれる利点があるが、ＩＧＢＴやＧＴＯのような逆導通半導体スイッチにダイオードを外付けしても良い。短いオンパルス列は３０マイクロ秒で周波数は１０ｋＨｚである。【００１９】  この回路の計算機によるシミュレーション計算した結果を図２に示すが、蓄積コンデンサ１００マイクロファラッドに電圧が４５ｍ秒で１５Ｖ付近まで上昇する。電圧が十分目標まで上がったところで１５マイクロ秒だった短いオンパルスを長い１０ミリ秒にするとコンデンサが全放電し、従来に較べてピーク２．５倍の大きな電流が負荷に流れることがわかる。【００２０】  放電が終わると電流は電圧と抵抗で決まる値である約１Ａになって、パルスが終わるまで続く。長パルス導通が終わると短パルス連続導通モードになり、再びコンデンサの充電が行なわれる。
【実施例２】
【００２１】  負荷のインダクタンスと抵抗がこの動作に不十分の場合、図３に示すように追加インダクタンスと追加スイッチＰ−ＭＯＳＦＥＴ３を追加することでさらに効果を増すことができる。スイッチはコンデンサの充電時にオンされ、放電時にはオフするように制御される。【００２２】  これにより、負荷のインダクタンスと抵抗のどのような場合でも、コンデンサの充電時間や充電電圧を決めるパルス幅、間隔を決めることができて、効果的である。【００２３】  図４に計算機によるシミュレーション計算の結果を示すが、短パルス連続による電圧は５０Ｖまで上昇し、長パルス放電によるピーク電流は  Ａまで上昇している。
【産業上の利用可能性】
【００２４】  パルス駆動の電磁力利用機器に応用すると始動時の引っ張り力の増大、回転力の増大に利用可能であるが、実施例２のように構成すれば、負荷はどのような場合でも、電源電圧よりはるかに高い電圧を印加することができるので、放電応用電源などの始動の最初に高電圧が必要な機器をスイッチという簡単な構成で駆動することができる。【００２５】  リレー回路の駆動電源とすれば、供給電圧を下げても、十分な動作スピードが得られるので消費電力を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る昇圧パルス電源の実施例１を示すものである。
【図２】本発明に係る昇圧パルス電源実施例１の電流電圧波形のシミュレーション結果を示す図である。
【図３】本発明に係る昇圧パルス電源の実施例２を示すものである。
【図４】本発明に係る昇圧パルス電源実施例２の電流電圧波形のシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】    １０  昇圧パルス電源
２０  直流電圧源
３０  磁気エネルギー回生スイッチ
３１  半導体スイッチ（Ｐ−ＭＯＳＦＥＴ）
３２  磁気エネルギー蓄積コンデンサ
３３  ダイオード
４０  制御手段
５０  負荷のインダクタンス
６０  負荷の抵抗
７０  追加インダクタンス
７１  追加半導体スイッチ（Ｐ−ＭＯＳＦＥＴ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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