(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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のオン／オフ制御でパルス電流を発生させ、負荷に供給するパルス電源において、クローバ用半導体スイッチと抵抗とを直列接続した回路を、複数個並列に接続したクローバスイッチユニットとダイオードとを直列に接続したクローバ回路を備え、パルス波形の減衰過程で順次、上記のクローバスイッチユニットの抵抗値が増／減するようにクローバ用半導体スイッチをオン／オフ制御させることを特徴とするパルス電源。
【請求項２】
上記クローバ用半導体スイッチに接続した抵抗の一つを短絡するか、または別のクローバ用半導体スイッチを上記クローバスイッチユニットに並列接続したことを特徴とする請求項１記載のパルス電源。
【請求項３】
上記のクローバスイッチユニットと並列に、該クローバスイッチユニットの合成抵抗よりも大きな抵抗値を有する抵抗を接続したことを特徴とする請求項１記載のパルス電源。
【請求項４】
上記パルス波形の減衰過程でスタート用半導体スイッチを再度オンして電荷を供給し、パルス電流を増加させるように制御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】
本発明はスタート用半導体スイッチのオン／オフ制御によりパルス電流を発生させるコンデンサ放電方式のパルス電源について主に波形成形の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、電圧では数十ｋＶ、電流では数十ｋＡにも達する高電圧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大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、あらかじ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および負荷３とが閉回路になるように接続し、かつ、ダイオード４と抵抗５を直列接続したクローバ回路１２を負荷３と並列に接続しパルス回路を構成する。スタート用半導体スイッチ２のゲートはゲート回路７に接続され、該ゲート回路７への放電動作オン／オフ指令信号は制御盤８により与えられる。また負荷３を流れるパルス電流は該負荷３に直列接続した電流検出器６により測定され、その電流検出信号線は制御盤８に接続される。ダイオード４はスタート用半導体スイッチ２がオン動作した時にクローバ回路１２の抵抗５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。制御盤８からの動作指令はゲート回路７を介してスタート用半導体スイッチ２のゲートに与えられてスタート用半導体スイッチ２はオン動作をし放電を開始する。その結果、コンデンサ１から負荷３にパルス電流が供給される。その後、電流検出器６からの信号は制御盤８に送信されて所定のパルス電流に達すると、制御盤８から動作停止指令がゲート回路７を介してスタート用半導体スイッチ２に与えられて放電は停止する。その後、パルス電流は負荷３と抵抗５およびダイオード４の閉回路で決まる時定数に従い減衰を続ける。
【０００５】
図５に負荷３を流れるパルス電流波形を示す。縦軸がパルス電流、横軸が時間である。このように負荷３にはパルス電流ＩＬが所定の電流Ｉ１に達した後は負荷３とクローバ回路１２とでなる閉回路のインダクタンスＬと抵抗Ｒで決まる減衰時定数τ＝Ｌ／Ｒによって減衰して行く電流が流れる。この回路定数、すなわち、インダクタンスは負荷３が、抵抗Ｒは抵抗５がそれぞれ回路上支配的である。
【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、色々なパターン運転をしたいとの要求がある。すなわち、図５に示す単方向性減衰波形のみでは緻密なビーム制御ができないため、電流波形制御にもっと自由度を持たせたいとの要求である。例えば、電流波形をある電流値までは緩やかに、その後急激に減衰させたいとか、段階的に時定数を変えた複雑なパターンに従って電流を変化させたいとか、再度電流を増やし持ち上げたいという要求である。従来の回路ではクローバ回路１２の減衰時定数による単機能制御であったため、このような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、クローバ回路１２の制御方法に変化を持たせ、種々のパターン放電が可能な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、初期充電されたコンデンサ１からスタート用半導体スイッチ２のオン／オフ制御でパルス電流を発生させ、負荷３に供給するパルス電源において、
クローバ用半導体スイッチ９０〜９ｎと抵抗１００〜１０ｎとを直列接続した回路を、複数個並列に接続したクローバスイッチユニット１３とダイオード４とを直列に接続したクローバ回路１２を備え、パルス波形の減衰過程で順次、上記のクローバスイッチユニット１３の抵抗値が増／減するようにクローバ用半導体スイッチ９０〜９ｎをオン／オフ制御することを特徴としている。
【０００８】
また、上記クローバ用半導体スイッチ９０〜９ｎに接続した抵抗１００〜１０ｎの一つを短絡するか、または別のクローバ用半導体スイッチを上記クローバスイッチユニット１３に並列接続したことを特徴とするパルス電源である。
【０００９】
さらに、上記のクローバスイッチユニット１３と並列に、該クローバスイッチユニット１３の合成抵抗よりも大きな抵抗値を有する抵抗を接続したことを特徴としている。
【００１０】
そして、上記パルス波形の減衰過程でスタート用半導体スイッチ２を再度オンして電荷を供給し、パルス電流を増加させるように制御することを特徴とするパルス電源であり、スタート用半導体スイッチ２のオン／オフとクローバ用半導体スイッチのオン／オフを適宜、組み合わせることにより、パルス電源の制御に変化をもたせたものである。
【００１１】
【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附記したのでその説明を省略する。
【００１２】
図１において、複数個のクローバ用半導体スイッチ９０〜９ｎを並列接続し、該クローバ用半導体スイッチ９０〜９ｎ各々と直列に抵抗１００〜１０ｎを接続したクローバスイッチユニット１３と抵抗５とを並列に接続する。クローバ用半導体スイッチ９０〜９ｎのゲートはゲート回路１１と接続する。そして制御盤８に、ゲート回路７とゲート回路１１と電流検出器６の電流検出信号線とが接続される。抵抗１００〜１０ｎはパターン運転を可能にするために異なる抵抗値を有し、クローバ用半導体スイッチ９０〜９ｎのオン／オフ動作による組み合わせによって必要な抵抗値を選定する。一方、クローバスイッチユニット１３の最小抵抗値として０Ωの値が必要な場合がある。この場合は例えば、クローバ用半導体スイッチ９０の抵抗１００を０Ω、すなわち、抵抗１００を短絡して使用する。このように、クローバスイッチユニット１３の抵抗値Ｒは抵抗１００〜１０ｎから選択した抵抗の合成抵抗値で決まるために、抵抗５は回路の保護的な役割として使用し、その抵抗値は上記の合成抵抗より大きな値を選定する。
なお、上記の抵抗１００とを短絡する代わりに、別のクローバ用半導体スイッチを上記クローバスイッチユニットに並列接続してもよい。
【００１３】
次に動作を説明する。制御盤８からの動作指令がゲート回路７を介してスタート用半導体スイッチ２のゲートに与えられ、該スタート用半導体スイッチ２がオンし、放電を開始する。その結果、コンデンサ１から負荷３にパルス電流が供給される。その後、電流検出器６から送信される電流検出信号が所定のパルス電流に達すると制御盤８から同時に次の２つの指令が出され、回路動作は次のようになる。
（１）動作停止指令がゲート回路７を介してスタート用半導体スイッチ２に与えられ、コンデンサ１からの放電は停止する。
（２）制御盤８からゲート回路１１を介してクローバ用半導体スイッチ９０〜９ｎの一部にオン／オフ動作指令が与えられ、それにしたがい動作する。このクローバ用半導体スイッチ９０〜９ｎはあらかじめプログラムされたパターンにしたがって運転される。すなわち、制御盤８では電流検出器６からの電流信号とプログラムされた電流値とを比較してその規定値に達すると、所定のクローバ用半導体スイッチ９０〜９ｎを選択的にオン／オフ動作させ、抵抗１００〜１０ｎの中から適当な抵抗値を選び、必要な合成抵抗Ｒを得る。そして負荷３とクローバ回路１２の閉回路で決まる減衰定数τ＝Ｌ／Ｒに変化を与え、電流波形を成形しながら負荷３に所定のパターン波形の電流を供給する。
【００１４】
図２に負荷３を流れるパルス電流波形ＩＬを示す。縦軸がパルス電流、横軸が時間である。このパターン運転の例では３個のクローバ用半導体スイッチ９０〜９２と抵抗１００〜１０２を使用する。制御盤８には図２に示すパターン運転をするため、所定の電流値に達したらどのクローバ用半導体スイッチ９０〜９２を選択して動作させるか、すなわち、抵抗１００〜１０２のどの抵抗を選べば良いかをあらかじめプログラムしておく。なお、この図２では、抵抗１００は０Ωが選定されている。
【００１５】
次に動作を説明する。まずスタート用半導体スイッチ２がオン動作をして所定の電流値Ｉ１に達した時、スタート用半導体スイッチ２をオフさせ、クローバ用半導体スイッチ９０をオンし、クローバ用半導体スイッチ９１，９２をオフさせる。そうすると、このクローバ用半導体スイッチ９０の抵抗１００は０Ωであるために回路に既成する抵抗、主に、負荷３の抵抗Ｒで決まる減衰時定数τ＝Ｌ／Ｒによって電流は減衰を始める。そして電流がＩ２に達した時、クローバ用半導体スイッチ９０をオフさせてクローバ用半導体スイッチ９１，９２をオンさせると、抵抗１０１，１０２の合成抵抗Ｒによって減衰時定数τは小さくなり、電流波形は急激に減衰を始める。そして電流がＩ３に達した時、クローバ用半導体スイッチ９０をオンさせてクローバ用半導体スイッチ９１，９２をオフさせると、電流は初期の減衰時定数τに戻り、ゆっくりと減衰をする。そして電流がＩ４に達するとクローバ用半導体スイッチ９０をオフさせ、クローバ用半導体スイッチ９２をオンさせると、抵抗１０２のみに電流が流れ、減衰時定数τが小さくなって急激に減衰し、やがて電流は０に達して放電は終了する。
【００１６】
さて、他のパターン運転の例を図３に示す。この実施例は電流の減衰過程で再度電流を増やしたい、持ち上げたいとの要求を満足させたものである。動作は図２と同じであるので電流Ｉ３以降について説明する。電流がＩ３に達した時、スタート用半導体スイッチ２を再度オンさせてクローバ用半導体スイッチ９１〜９２をオフさせる。その結果、負荷３の電流はコンデンサ１より電荷の補給をうけて急激に増加し、そして電流Ｉ４に達した時、スタート用半導体スイッチ２をオフさせ、クローバ用半導体スイッチ９０をオンさせる。その結果、抵抗１００に電流が流れ、電流は初期の減衰時定数τに従ってゆるやかな減衰を続ける。そして電流Ｉ５に達した時、クローバ用半導体スイッチ９０をオフさせて９２をオンさせると抵抗１０２に電流が流れ、急激に電流は減衰をする。このようにしてスタート用半導体スイッチ２とクローバスイッチユニット１３を組合せることによって色々なパターン運転が可能である。
【００１７】
さて、この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９０〜９ｎは外部信号によりオン／オフ制御されなければならない。このようなスイッチには、例えばＩＧＢＴ、ＦＥＴ、ＧＴＯなどの自己消弧型スイッチング素子などが使用される。しかも扱う電流が大きく、かつ、電圧も高いために半導体の仕様上、単体で使用できる定格の素子を見つけることが難しい。従って使用条件に応じてこれらの半導体は直列に接続して高電圧に耐えるようにしたり、並列に接続して高電流に耐えるようにする方法がとられる。
【００１８】
【発明の効果】
以上のとおり本発明は、従来のパルス電源において、クローバ回路１２と負荷３とで決まる減衰時定数τ＝L／Ｒによる単機能によって電流波形を決めていたため、負荷３側に大きな性能的負担をかけたり、用途においても制限があった点を改善するものであり、クローバ用半導体スイッチ９０〜９ｎを複数個用いてクローバ回路１２の抵抗１００〜１０ｎを段階的に切り替えることによって、減衰時定数τを変化させ電流波形に変化を与えることを可能にしたものである。
さらに、コンデンサ１の電荷をスタート用半導体スイッチ２の再オン動作によって、電荷の再供給を行い電流の増加、立ち上げを行うことを可能にし、各種パターン運転の自由度を広げることができる。
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】図１は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】図２は本発明によるパルス電源の電流波形である。
【図３】図３は本発明によるパルス電源の他の実施例を示す電流波形である。
【図４】図４は従来例によるパルス電源を示す回路図である
【図５】図５は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
３  負荷
４  ダイオード
５  抵抗
６  電流検出器
７  ゲート回路
８  制御盤
９０〜９ｎ  クローバ用半導体スイッチ
１００〜１０ｎ  抵抗
１１  ゲート回路
１２  クローバ回路
１３  クローバスイッチユニット
【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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