(57)【要約】【課題】高い頻度で充電を繰り返す場合にも微調整充電時間の演算を確実にして、コンデンサの充電電圧精度を高める。【解決手段】急速充電回路（１〜６）で電力用コンデンサ８を充電電圧指令値に近い値まで急速充電し、この後に微調整充電回路（１０〜１５）でコンデンサを定電流で充電電圧指令値まで充電する装置において、制御回路９は、急速充電回路によって急速充電されたコンデンサの充電電圧検出値Ｖと、充電電圧指令値Ｖ*と、コンデンサの容量Ｃと、定電流値Ｉ’とから、微調整充電回路の微調整充電時間ΔＴを求めて制御する。  デジタル制御回路は、微調整充電時間の演算に際して現在のコンデンサ容量を求め、このコンデンサの容量変化に応じて微調整充電時間を再調整する。【選択図】図１
2009142134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用コンデンサを充電電圧指令値に近い値まで急速充電する急速充電回路と、前記急速充電後に前記コンデンサを定電流で充電してその充電電圧を前記充電電圧指令値まで充電する微調整充電回路とを備えたコンデンサ充電装置において、
前記急速充電回路によって急速充電されたコンデンサの充電電圧検出値Ｖと、前記充電電圧指令値Ｖ*と、コンデンサの容量Ｃと、前記定電流値Ｉ’とから、次式、
【数１】
2009142134.tif 000015
のデジタル演算で前記微調整充電回路の微調整充電時間ΔＴを求め、この時間ΔＴだけ前記微調整充電回路の充電時間を制御するデジタル制御回路を備えたことを特徴とするコンデンサ充電装置。
【請求項２】
前記デジタル制御回路は、前記微調整充電時間ΔＴよりも短い時間ΔＴｃだけ前記微調整充電回路の充電動作を制御し、この制御後のコンデンサの充電電圧Ｖ’と、前記急速充電回路によって急速充電されたコンデンサの充電電圧検出値Ｖと、前記定電流値Ｉ’とから、次式、
【数２】
2009142134.tif 000016
のデジタル演算でコンデンサの容量Ｃ’を求め、コンデンサの容量Ｃ’と、前記充電電圧指令値Ｖ*とから、次式、
【数３】
2009142134.tif 000017
のデジタル演算で微調整充電時間ΔＴ’を求め、時間（ΔＴ’−ΔＴｃ）だけ微調整充電制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のコンデンサ充電装置。
【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おいて、コンデンサを設定電圧まで高い精度で繰り返し充電するコンデンサ充電装置に係り、特に充電電圧の微調整制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のパルス電源の用途としては、エキシマレーザーやオソナイザなどがあり、充電電圧の設定値に対する充電精度が特に高精度を要求される（例えば０．１％以下の精度）。充電装置は、決められた時間内で負荷コンデンサを充電電圧指令値によって与えられる電圧に充電する。この動作は例えば１秒間に４０００回繰り返される。
【０００３】
図３は従来のコンデンサ充電装置の回路例であり、充電電圧指令値に対し、高速で高精度な充電精度を得るため、１回の充電時間に急速充電時間と微調整期間を設け、先ず急速充電時間で負荷コンデンサを指令値より数％低い電圧（目標電圧）まで急速に充電し、次に微調整期間で電圧指令値まで追加充電する。この追加充電は、急速充電回路のみでは指令値に対する高精度充電が困難なため、急速充電回路で負荷コンデンサを目標値よりも僅かに低く充電し、微調整回路の追加充電によって高精度充電を実現している（例えば、特許文献１参照）。この回路構成と動作を以下に説明する（波形は図４参照）。
【０００４】
＜急速充電時間の動作＞
図３において、急速充電回路は、直流電源１を電源とし、半導体スイッチ２、リアクトル３、半導体スイッチ７およびフライホイールダイオード４，６によって直流チョッパ型に構成され、その出力電流で負荷コンデンサ８を急速充電する。
【０００５】
デジタル演算を行う電圧制御回路９は、まず、スイッチ２とスイッチ７を同時にオン制御し、回路には矢印Ａの経路で電流を流し、リアクトル３にエネルギーを蓄積する。次に、スイッチ２とスイッチ７を同時にオフ制御し、回路には矢印Ｂの経路で電流を流し、リアクトル３に蓄えられたエネルギーをコンデンサ８へすべて移行させ、コンデンサ８を充電する。このときの充電電圧は、充電電圧指令に係数（１未満）を乗じた値を制御回路９の電圧指令値とし、この電圧指令値を基にした制御回路９による演算結果としてスイッチ２，７のオフタイミングを求める。
【０００６】
この演算は、リアクトル３のリアクトル値をＬ、コンデンサ８のコンデンサ容量をＣ、スイッチ２及びスイッチ７をオフした時の電流（矢印Ａ）をＩ、矢印Ｂの電流が流れ終わった時のコンデンサ８の電圧をＶ（以下、粗充電電圧と呼ぶ）とすると、エネルギー保存の法則より、
【０００７】
【数４】
2009142134.tif 000003
【０００８】
が成り立つ。急速充電では上式を基に、コンデンサ８を目標電圧（指令値より数％低い電圧）Ｖまで充電する。つまり、常にリアクトル３の電流ｉを検出し、以下の式、
【０００９】
【数５】
2009142134.tif 000004
【００１０】
が成立した時にスイッチ２及びスイッチ７をオフする。
【００１１】
＜微調整期間の動作＞
図３において、微調整充電回路は、直流電源１を電源とするインバータ１０で交流電圧を得、これをパルストランス１１で昇圧し、整流回路１２と直流リアクトル１３と半導体スイッチ１４とダイオード１５からなる定電流回路によって、コンデンサ８の微調整充電電流を出力する。定電流制御回路１６は、常時はスイッチ１４をオンしておき、インバータ１０の運転によって、整流回路１２とリアクトル１３およびスイッチ１４の経路で定電流指令によって設定された（一定の直流）電流を流しておく。次に、スイッチ１４をオフ制御し、コンデンサ８に充電電流を流し続け、コンデンサ８を微調整充電する。
【００１２】
この微調整期間制御は、充電電圧指令値（デジタル値）をＤ／Ａコンバータ１７で変換したアナログ電圧とコンデンサ８の電圧をコンパレータ１８で常に比較しておき、コンデンサ８の電圧が充電電圧指令値と一致するまでスイッチ１４をオフする。
【００１３】
なお、他の充電回路例として、急速充電回路をＬＣ振動電流として供給するものがある（例えば、特許文献２参照）。このＬＣ共振型の急速充電回路は、インバータ構成のパルス発生回路に正負逆極性のパルスを交互に発生させ、この各パルス発生毎にリアクトルを通してコンデンサに半周期の振動電流を流し、１発のパルス発生毎にコンデンサを目標電圧まで充電する。
【特許文献１】特開２００５−０８６９７０号公報
【特許文献２】特開２００５−１０８９１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従来装置において、微調整期間では、コンデンサ８の検出電圧Ｖｃと、充電電圧指令（デジタル値）をアナログ変換したＤ／Ａコンバータ１７の出力を比較回路（コンパレータ）１８で比較し、
・電圧Ｖｃ＜Ｄ／Ａコンバータ１７出力のとき、スイッチ１４をオフ
・電圧Ｖｃ＞＝Ｄ／Ａコンバータ１７出力のとき、スイッチ１４オン
とする制御をしている。
【００１５】
ここで、Ｄ／Ａコンバータはデータ入力から出力安定に至るまでのセトリングタイムなる期間を有する。充電電圧指令は充電開始前に確定し、そのデータがＤ／Ａコンパータ１７に入力されるが、Ｄ／Ａコンバータ１７の出力は微調整期間前には安定していなければならない。しかし、充電繰り返し数増加などで充電電圧指令の確定から微調整期間までの間隔が短くなると、セトリングタイムの影響でＤ／Ａコンバータ１７の出力が微調整期間前までに安定しなくなってしまい、コンデンサの充電電圧精度が低下するという問題がある。
【００１６】
本発明の目的は、高い頻度で充電を繰り返す場合にも微調整充電時間の演算を確実にして、コンデンサの充電電圧精度を高めたコンデンサ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】
【００１７】
本発明は、前記の課題を解決するため、微調整充電時間をデジタル演算で求め、この時間で微調整充電用スイッチを制御し、さらに微調整充電時間の演算に際して現在のコンデンサ容量を求め、このコンデンサの容量変化に応じて微調整充電時間を再調整するようにしたもので、以下の構成を特徴とする。
【００１８】
（１）電力用コンデンサを充電電圧指令値に近い値まで急速充電する急速充電回路と、前記急速充電後に前記コンデンサを定電流で充電してその充電電圧を前記充電電圧指令値まで充電する微調整充電回路とを備えたコンデンサ充電装置において、
前記急速充電回路によって急速充電されたコンデンサの充電電圧検出値Ｖと、前記充電電圧指令値Ｖ*と、コンデンサの容量Ｃと、前記定電流値Ｉ’とから、次式、
【００１９】
【数６】
2009142134.tif 000005
【００２０】
のデジタル演算で前記微調整充電回路の微調整充電時間ΔＴを求め、この時間ΔＴだけ前記微調整充電回路の充電時間を制御するデジタル制御回路を備えたことを特徴とする。
【００２１】
（２）前記デジタル制御回路は、前記微調整充電時間ΔＴよりも短い時間ΔＴｃだけ前記微調整充電回路の充電動作を制御し、この制御後のコンデンサの充電電圧Ｖ’と、前記急速充電回路によって急速充電されたコンデンサの充電電圧検出値Ｖと、前記定電流値Ｉ’とから、次式、
【００２２】
【数７】
2009142134.tif 000006
【００２３】
のデジタル演算でコンデンサの容量Ｃ’を求め、コンデンサの容量Ｃ’と、前記充電電圧指令値Ｖ*とから、次式、
【００２４】
【数８】
2009142134.tif 000007
【００２５】
のデジタル演算で微調整充電時間ΔＴ’を求め、時間（ΔＴ’−ΔＴｃ）だけ微調整充電制御を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
以上のとおり、本発明によれば、微調整充電時間をデジタル演算で求め、この時間で微調整充電用スイッチを制御するため、従来のＤ／Ａコンバータ１７の出力が微調整期間前までに安定しなくなってしまう問題を解決でき、またＤ／Ａコンバータ１７及び比較回路（コンパレータ）１８を削除して、高い繰り返しの充電にも高い充電精度を確保できる。
【００２７】
また、本発明は、微調整充電時間の演算に際して現在のコンデンサ容量を求め、このコンデンサの容量変化に応じて微調整充電時間を再調整するようにしたため、コンデンサ容量が温度等の影響で変化した場合でも充電電圧指令値に対し高精度に充電することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態を示す回路図であり、図３と異なる部分はＤ／Ａコンバータ１７及び比較回路（コンパレータ）１８を取り除き、スイッチ１４のオフ時間（微調整期間）を制御回路９によるデジタル演算で求める。
【００２９】
制御回路９による微調整期間の演算は、Ａ／Ｄコンバータ１７で検出された粗充電電圧（急速充電電圧）をＶ、充電電圧指令の値をＶ*、コンデンサ８のコンデンサ容量をＣ、微調整期間にコンデンサ８を微調整充電する定電流値をＩ’とすると、コンデンサ電圧ＶがＶ*になるまでに必要なスイッチ１４のオフ時間ΔＴは、
【００３０】
【数９】
2009142134.tif 000008
【００３１】
より、
【００３２】
【数１０】
2009142134.tif 000009
【００３３】
で求めることができ、スイッチ１４をΔＴ時間だけオフすることで充電電圧指令値に一致するコンデンサ充電電圧を得る。
【００３４】
したがって、本実施形態によれば、Ｄ／Ａコンバータ１７の出力が微調整期間前までに安定しなくなってしまい、微調整充電時間の演算が不安定になるという問題を解決できる。また、Ｄ／Ａコンバータ１７及び比較回路（コンパレータ）１８を削除して、ハードウェア構成の簡単化になる。
【００３５】
（実施形態２）
前記の実施形態１では、微調整期間（ΔＴ）は、前記の式（４）を制御回路９により演算して求める。しかし、コンデンサ８のコンデンサ容量は温度等の影響で変化することがある。例えば、コンデンサ８のコンデンサ容量がＣからＣ’に変化すると、充電電圧は、
【００３６】
【数１１】
2009142134.tif 000010
【００３７】
となるから、充電電圧指令値Ｖ*に対し、
【００３８】
【数１２】
2009142134.tif 000011
【００３９】
の誤差を生じる問題がある。
【００４０】
本実施形態は、コンデンサ容量が変化した場合の充電電圧補償を行い、充電電圧精度を確保する。本実施形態は、図１の構成において、制御回路９は微調整期間の制御で、スイッチ１４を前記の（４）式で求める時間ΔＴより短い時間ΔＴｃだけオフし、このときにＡ／Ｄコンバータ１７で測定された充電電圧をＶ’とすると、コンデンサ６のコンデンサ容量Ｃ’は、
【００４１】
【数１３】
2009142134.tif 000012
【００４２】
より、
【００４３】
【数１４】
2009142134.tif 000013
【００４４】
で求める。この後、制御回路９は、コンデンサ容量Ｃ’を式（４）に代入した、
【００４５】
【数１５】
2009142134.tif 000014
【００４６】
でΔＴ’を求め、この（ΔＴ’−ΔＴｃ）だけスイッチ１４を再びオフ制御する。このときの波形図を図２に示す。
【００４７】
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、コンデンサ８のコンデンサ容量が温度等の影響で変化した場合でも充電電圧指令値に対し高精度に充電することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施形態１を示すコンデンサ充電装置の回路図。
【図２】実施形態２における電圧・電流波形図。
【図３】従来のコンデンサ充電装置の回路例。
【図４】従来の電圧・電流波形図。
【符号の説明】
【００４９】
１  直流電源
２、７  半導体スイッチ
８  コンデンサ
９  電圧制御回路
１４  半導体スイッチ
１６  定電流制御回路
１７  Ａ／Ｄコンバータ
【図１】
2009142134.tif 000018
【図２】
2009142134.tif 000019
【図３】
2009142134.tif 000020
【図４】
2009142134.tif 000021