(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源の一端にアノードが接続されたダイオードと、
前記ダイオードのカソードに一端が接続されて前記直流電源の電圧を共振させるインダクタと、
前記インダクタの他端に一端が接続されて前記インダクタとともに共振するキャパシタと、
前記キャパシタの両端間に並列接続された電荷放電素子と、
前記キャパシタの他端と前記直流電源の他端との間に挿入された第１の遮断素子と、
前記インダクタの他端に一端が接続された負荷と、
前記負荷に流れる負荷電流を所定電流値に制御する定電流制御部と、
前記定電流制御部に対して前記所定電流値に対応した電流指令値を入力する定電流指令回路と、
外部から入力されるコマンド信号に応答して前記第１および第２の遮断素子をオンオフ制御するための第１および第２のパルス信号を生成するパルス生成手段と、
前記第１のパルス信号に同期したタイミングで前記第１の遮断素子をオンオフ制御する駆動回路とを備え、
前記定電流制御部は、
前記負荷の他端と前記直流電源の他端との間に挿入された第２の遮断素子と、
前記負荷電流が前記所定電流値となるように、前記第２のパルス信号に同期したタイミングで前記第２の遮断素子をオンオフ制御する定電流駆動回路とを含み、
前記パルス生成手段は、前記コマンド信号に応答して前記第１および第２のパルス信号を繰り返し生成するパルス発振器を含み、
前記定電流駆動回路は、
前記第１の遮断素子がオンしてから前記第２の遮断素子がオンするまでの遅延時間を、前記インダクタおよび前記キャパシタの共振周波数に比例した値に設定し、
前記負荷に対して断続的に前記所定電流値を供給することを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記パルス発振器は、前記コマンド信号によるオフ指令が受信されるまで、前記第１および第２のパルス信号の繰り返し生成動作を継続することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記負荷に並列接続された第２の負荷と、
前記第２の負荷に流れる第２の負荷電流を前記所定電流値に制御する第２の定電流制御部とを備え、
前記パルス生成手段は、前記パルス発振器に接続された分周回路を含み、
前記分周回路は、前記第２のパルス信号に基づいて、前記定電流制御部と前記第２の定電流制御部のオンオフタイミング周期を同期分周する第３および第４のパルス信号を発生して、前記負荷および前記第２の負荷に供給する電力を交互に分散させ、
前記定電流指令回路は、前記定電流制御部に対して前記所定電流値に対応した電流指令値を入力し、
前記第２の定電流制御部は、
前記第２の負荷の他端と前記直流電源の他端との間に挿入された第３の遮断素子と、
前記第２の負荷電流が前記所定電流値となるように、前記第４のパルス信号に同期したタイミングで前記第３の遮断素子をオンオフ制御する第２の定電流駆動回路と
を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記分周回路は、前記第２および第３の遮断素子のオンタイミングに対応した前記第３および第４のパルス信号の周期を、前記第１の遮断素子のオンタイミングに対応した前記第１のパルス信号の周期の２倍に設定し、前記第１のパルス信号と前記第３および第４のパルス信号とを互いに同期させたことを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、たとえば人工衛星などに搭載されるイオンエンジンのクリーニングモード電源として用いられる電源装置に関し、特にインダクタおよびキャパシタの直列共振を用いてキャパシタを充電し、小容量のキャパシタから高電圧を発生させることにより、低抵抗値の負荷に対する放電を可能とし、小型軽量化を実現した電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、単純なスイッチ回路を含み、直流電源電圧を負荷に直接印加するように構成された電源装置はよく知られている。
この場合、負荷に流れる負荷電流は、直流電源電圧を電流制限素子の抵抗値と負荷抵抗値との和で除算した値となる。
【０００３】
また、この種の電源装置は、負荷の初期抵抗値が電流制限素子の抵抗値よりも比較的大きい場合に好適であり、人工衛星などに搭載されるイオンエンジンのクリーニングモード電源として適用され得る。
【０００４】
図９は上記人工衛星に搭載される従来の電源装置の構成を示す回路ブロック図である。
図９において、１は直流電源、２、３は電界効果トランジスタからなる第１、第２の遮断素子（以下、単に「遮断素子」という）、４は抵抗器からなる電流制限素子である。各遮断素子２、３および電流制限素子４は、直流電源１の一端に直列に接続されている。
【０００５】
５はキャパシタであり、各遮断素子２、３の接続点と直流電源１の他端との間に挿入されている。
６、７は各遮断素子２、３を駆動する第１、第２の駆動回路（以下、単に「駆動回路」という）であり、それぞれ、各遮断素子２、３のゲートに個別に接続されている。
【０００６】
８は地上からのコマンド信号ＶＣＭが入力されるパルス発生器、９はパルス発生器８の出力端子に接続されたパルス遅延回路である。
パルス発生器８の出力端子は駆動回路６に接続され、パルス遅延回路９の出力端子は駆動回路７に接続されている。
【０００７】
１０は抵抗器からなる電荷放電素子であり、キャパシタ５の両端間に並列接続されている。
１１は負荷であり、電流制限素子４と直流電源１の他端との間に挿入されている。
【０００８】
ＶＣはキャパシタ５から発生するキャパシタ電圧、ＶＯは遮断素子３から発生する出力電圧、ＶＲは電流制限素子４を介して負荷１１に印加される負荷電圧、ＩＲは負荷１１に流れる負荷電流である。
【０００９】
ＶＧ１は駆動回路６から遮断素子２のゲートに印加される第１の駆動信号、ＶＧ２は駆動回路７から遮断素子３のゲートに印加される第２の駆動信号、ＶＰ１はパルス発生器８から出力される第１のパルス信号、ＶＰ２はパルス遅延回路９から出力される第２のパルス信号である。
【００１０】
パルス発生器８およびパルス遅延回路９は、外部から入力されるコマンド信号ＶＣＭに応答して、各遮断素子２、３をオンオフ制御するための第１および第２のパルス信号ＶＰ１、ＶＰ２（以下、単に「パルス信号」という）を生成する。
【００１１】
各駆動回路６、７は、各パルス信号ＶＰ１、ＶＰ２に同期したタイミングで、第１および第２の駆動信号ＶＧ１、ＶＧ２（以下、単に「駆動信号」という）を出力し、各遮断素子２、３をオンオフ制御する。
【００１２】
次に、図１０を参照しながら、図９に示した従来の電源装置の回路動作について説明する。
図１０は従来の電源装置の回路動作を示すタイミングチャートである。
【００１３】
図１０においては、地上からのコマンド信号ＶＣＭによりパルス信号ＶＰ１、ＶＰ２に関連して生成される駆動信号ＶＧ１、ＶＧ２（各遮断素子２、３のオンオフタイミング）と、負荷電圧ＶＲおよび負荷電流ＩＲの印加タイミングとの関係が示されている。
【００１４】
図１０において、負荷電圧ＶＲは、電流制限素子４の抵抗値Ｒ２と、負荷１１の抵抗値Ｒ１およびキャパシタ５の容量とにより決定される時定数にしたがって減衰することを示している。
【００１５】
いま、時刻ｔ１において、直流電源１の出力電圧Ｖが各遮断素子２、３に印加された状態で、地上からのコマンド信号ＶＣＭがオフからオンに切り換わった場合、パルス発生器８は、駆動回路６およびパルス遅延回路９にパルス信号ＶＰ１を送信する。
【００１６】
これにより、まず駆動信号ＶＧ１が生成されて、遮断素子２がオフからオンに切り換わり、時刻ｔ２までの間に、キャパシタ５を直流電源電圧Ｖに相当する値まで充電する。
【００１７】
ただし、時刻ｔ１〜ｔ２の期間においては、駆動信号ＶＧ２がオフされているので、遮断素子３はオフ状態を保持している。
こうしてキャパシタ５が充電され、時刻ｔ３において駆動信号ＶＧ１がオフされた後、時刻ｔ４においてパルス遅延回路９が動作し、駆動信号ＶＧ２がオンに切り換わる。
【００１８】
これにより、パルス信号ＶＰ１と同等の電圧レベルのパルス信号ＶＰ２がパルス遅延回路９から駆動回路７に送信され、遮断素子３は、オフからオンに切り換えられる。
なお、キャパシタ５の充電後において、遮断素子２はオンからオフに切り換えられている。
【００１９】
時刻ｔ４において遮断素子３がオンすると、図１０のように負荷電流ＩＲが流れる。
このときの負荷電流ＩＲは、直流電源電圧Ｖと、負荷１１の抵抗値Ｒ１および電流制限素子４の抵抗値Ｒ２との関係から、以下の（１）式のように、時間ｔの関数で表わされる。
【００２０】
ＩＲ（ｔ）＝Ｖ・ｅｘｐ（ａｔ）／（Ｒ１＋Ｒ２）  ・・・（１）
【００２１】
ただし、（１）式において、ａは各抵抗値Ｒ１、Ｒ２およびキャパシタ５の容量Ｃから求まる値であり、以下の（２）式のように表わされる。
【００２２】
ａ＝Ｒ１／｛（Ｒ１＋Ｒ２）・Ｃ｝    ・・・（２）
【００２３】
また、負荷電圧ＶＲは、時間ｔの関数として、直流電源電圧Ｖおよび上記値ａを用いて、以下の（３）式のように表わされる。
【００２４】
ＶＲ（ｔ）＝Ｖ・ｅｘｐ（ａｔ）      ・・・（３）
【００２５】
以下、負荷電圧ＶＲ（ｔ）および負荷電流ＩＲ（ｔ）が十分に減衰した時刻ｔ５において、駆動信号ＶＧ２はオフされる。
このように動作する従来の電源装置において、負荷１１に供給可能な最大電圧ＶＲｍａｘは、当然のことながら、直流電源電圧Ｖよりも低い電圧値となる。
【００２６】
また、負荷１１の抵抗値Ｒ１が電流制限素子４の抵抗値Ｒ２よりも比較的低い場合において、負荷電流ＩＲを安定に継続供給しようとすると、キャパシタ５の容量Ｃを相当に大きく設定しなければならない。
【００２７】
ところで、人工衛星に搭載されるイオンエンジン（図示せず）のクリーニングモード電源に接続される負荷１１の抵抗値Ｒ１は、たとえば以下のように不適切な状態で発生するものである。
【００２８】
すなわち、イオンエンジンが動作することによって、イオンエンジンのスラスタの放電室内部やグリット部には、モリブデンなどの金属物が生成されるが、この金属物は、数ｍｍ程度のかけら状の物質としてスラスタ内部を浮遊するので、イオンエンジンのスラスタの加速グリッドとスクリーングリットとの間に接触して留まるおそれがある。
【００２９】
このように、イオンエンジンのスラスタの加速グリッドとスクリーングリットとの間に金属物が接触して留った状態において、負荷１１の抵抗値は、電気的に数Ω（または、数ｍΩ）〜１００ｋΩ程度になり、大負荷となり得る。
【００３０】
また、イオンエンジンのスラスタのディセルグリット（グランド電位グリット）と加速グリットとの間にも、上記状態と電気的に同程度の抵抗値を有する負荷が存在する。
【００３１】
このような状態においては、イオンエンジンが十分に機能せず、イオン加速を正常に行うことはできない。
したがって、従来の電源装置においては、上記のようなかけら状の金属物質すなわち異物を電気的または熱的に取り除く必要があった。
【００３２】
次に、上記のような金属片に起因する負荷１１を取り除く場合に、電源装置に要求されるクリーニングモード電源の電圧と電流との関係について説明する。
【００３３】
一般に、電源電圧Ｖを負荷１１に印加すると、負荷１１は放電により急激に抵抗値Ｒ１が低下する特性を示すので、負荷１１の抵抗値Ｒ１が高抵抗値から低抵抗値に至っても負荷電流ＩＲを一定時間以上継続して供給するためには、放電電流として２Ａ程度以上が必要となる。
【００３４】
このとき、負荷１１は、放電時のローレンツ力により、はじき飛ばされた状態になり、グリット間から電気的に取り除かれる。
また、負荷１１に供給可能な最大電圧ＶＲｍａｘは、負荷１１の放電を誘起する電圧として、８０Ｖ以上の電圧になることが必要である。
【００３５】
通常、負荷１１の抵抗値Ｒ１は、放電前においては数１０ｋΩ〜数１００ｋΩとなり、放電後においては数Ωとなるが、金属片の接触状態によっては、放電前の抵抗値が数Ωとなり得る。
【００３６】
この場合、負荷１１の放電前の抵抗値（数Ω）が、電流制限素子４の等価抵抗値（１０Ω程度）と比較して低すぎるために、負荷１１に印加しなければならない初期電圧が抑制されてしまい、放電させるための負荷電圧ＶＲを供給することが困難になる。
【００３７】
図１１は上記動作を示す説明図であり、イオンエンジンのクリーニングモード電源装置に適用した場合に、負荷１１が要求する電圧と電流との相関関係（動作範囲）のイメージを概略的に示している。
【００３８】
図１１において、横軸は負荷１１が要求する電流、縦軸は負荷１１が要求する電圧であり、負荷１１が要求する動作点は斜線で示されている。
【００３９】
このように、人工衛星に搭載されるイオンエンジンのクリーニングモード電源の負荷１１は、かけら状の金属物質に起因しており、負荷１１となる金属片を電気的または熱的に取り除くために、放電時のローレンツ力によりはじき飛ばしている。
【００４０】
しかし、負荷抵抗値Ｒ１は負荷電圧ＶＲの印加時の放電により急低下するので、負荷抵抗値Ｒ１が高抵抗値から低抵抗値に至っても負荷電流ＩＲを一定時間以上継続して供給できる放電電流を継続的に流すためには、電源出力部に大容量のキャパシタ５を必要とする。
【００４１】
また、負荷１１の放電前の抵抗値が電流制限素子４の等価抵抗値と比較して低すぎるために、負荷１１に印加しなければならない初期電圧が抑制されて、放電が困難となり、金属片を取り除くことが困難になっていた。
【００４２】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電源装置は以上のように、負荷１１が極めて低い抵抗値から放電しようとする場合、放電に必要な電流を一定時間継続させるためには、電流制限素子４の抵抗値Ｒ２を数１００ｍΩ程度の低い値に設定する必要があり、８００Ａ程度の最大電流値を流すために、極めて大容量の遮断素子３およびキャパシタ５を具備する必要があった。
【００４３】
したがって、特に小型化が要求される人工衛星に搭載されるイオンエンジンのクリーニングモード電源に適用した場合、電源装置の寸法および重量が極めて大きくなってしまい、実用的でないという問題点があった。
【００４４】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、放電前の負荷の初期抵抗値が低い場合においても、負荷に供給される電圧として放電電圧以上の電圧を印加し、且つ放電に必要とされる電流を一定時間継続させることにより、小型軽量化を実現した電源装置を得ることを目的とする。
【００４５】
【課題を解決するための手段】
また、この発明の請求項４に係る電源装置は、直流電源の一端にアノードが接続されたダイオードと、ダイオードのカソードに一端が接続されて直流電源の電圧を共振させるインダクタと、インダクタの他端に一端が接続されてインダクタとともに共振するキャパシタと、キャパシタの両端間に並列接続された電荷放電素子と、キャパシタの他端と直流電源の他端との間に挿入された第１の遮断素子と、インダクタの他端に一端が接続された負荷と、負荷に流れる負荷電流を所定電流値に制御する定電流制御部と、定電流制御部に対して所定電流値に対応した電流指令値を入力する定電流指令回路と、外部から入力されるコマンド信号に応答して第１および第２の遮断素子をオンオフ制御するための第１および第２のパルス信号を生成するパルス生成手段と、第１のパルス信号に同期したタイミングで第１の遮断素子をオンオフ制御する駆動回路とを備え、定電流制御部は、負荷の他端と直流電源の他端との間に挿入された第２の遮断素子と、負荷電流が所定電流値となるように、第２のパルス信号に同期したタイミングで第２の遮断素子をオンオフ制御する定電流駆動回路とを含み、パルス生成手段は、コマンド信号に応答して第１および第２のパルス信号を繰り返し生成するパルス発振器を含み、定電流駆動回路は、第１の遮断素子がオンしてから第２の遮断素子がオンするまでの遅延時間を、インダクタおよびキャパシタの共振周波数に比例した値に設定し、負荷に対して断続的に所定電流値を供給するものである。
【００５２】
また、この発明の請求項２に係る電源装置は、請求項１において、パルス発振器は、コマンド信号によるオフ指令が受信されるまで、第１および第２のパルス信号の繰り返し生成動作を継続するものである。
【００５３】
また、この発明の請求項３に係る電源装置は、請求項１または請求項２において、負荷に並列接続された第２の負荷と、第２の負荷に流れる第２の負荷電流を所定電流値に制御する第２の定電流制御部とを備え、パルス生成手段は、パルス発振器に接続された分周回路を含み、分周回路は、第２のパルス信号に基づいて、定電流制御部と第２の定電流制御部のオンオフタイミング周期を同期分周する第３および第４のパルス信号を発生して、負荷および第２の負荷に供給する電力を交互に分散させ、定電流指令回路は、定電流制御部に対して所定電流値に対応した電流指令値を入力し、第２の定電流制御部は、第２の負荷の他端と直流電源の他端との間に挿入された第３の遮断素子と、第２の負荷電流が所定電流値となるように、第４のパルス信号に同期したタイミングで第３の遮断素子をオンオフ制御する第２の定電流駆動回路とを含むものである。
【００５４】
また、この発明の請求項４に係る電源装置は、請求項３において、分周回路は、第２および第３の遮断素子のオンタイミングに対応した第３および第４のパルス信号の周期を、第１の遮断素子のオンタイミングに対応した第１のパルス信号の周期の２倍に設定し、第１のパルス信号と第３および第４のパルス信号とを互いに同期させたものである。
【００５５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図について説明する。
図１はこの発明の実施の形態１に関連した装置の構成例１を示す回路ブロック図であり、１〜４、６〜１１、ＶＣＭ、ＶＧ１、ＶＧ２、ＶＰ１、ＶＰ２は前述（図９参照）と同様のものである。
【００５６】
図１において、１２は直流電源１の一端にアノードが接続されたダイオード、１３はダイオード１２のカソードに一端が接続されて直流電源１の電圧を共振させるためのインダクタ、１４はインダクタ１３の他端に一端が接続されてインダクタ１３とともに共振するキャパシタである。
【００５７】
この場合、第１の遮断素子２は、キャパシタ１４の他端と直流電源１の他端との間に挿入され、第２の遮断素子３は、負荷１１の他端と直流電源１の他端との間に挿入されている。
また、電流制限素子４の一端は、キャパシタ１４の一端に接続されている。
【００５８】
図１においては、遮断素子２を構成する電界効果トランジスタのドレインがキャパシタ１４の一端に接続され、遮断素子３を構成する電界効果トランジスタのドレインが負荷１１の他端に接続され、各遮断素子２、３のソースが互いに接続されている。
【００５９】
また、パルス発生器８および遅延回路９は、各遮断素子２、３をオンオフ制御するタイミングが、インダクタ１３およびキャパシタ１４の共振周波数に合わせて同期するように設定されている。
【００６０】
さらに、後述するように、直流電源電圧Ｖを約２倍の電圧に昇圧することによって、負荷１１の初期抵抗値が約５０Ω（従来の場合の半分）程度まで低下しても、負荷１１の放電を維持できる電圧印加が可能な構成となっている。
【００６１】
次に、図２のタイミングチャートを参照しながら、図１に示した構成例１の動作について説明する。
【００６２】
図２において、第２のパルス信号ＶＰ２および駆動信号ＶＧ２は、時刻ｔ２のタイミングでオンされ、第１のパルス信号ＶＰ１および駆動信号ＶＧ１のオフタイミング（ｔ３）と同一の時刻ｔ４にオフされる。
また、負荷電流ＩＲは、十分に高いキャパシタ電圧ＶＣに対応した共振波形となって増幅される。
【００６３】
まず、前述と同様に、時刻ｔ１において、直流電源１から電圧が印加された状態で、地上からのコマンド信号ＶＣＭがオフからオンに切り換わった場合、パルス発生器８は、駆動回路６およびパルス遅延回路９にパルス信号ＶＰ１を送信し、第１の遮断素子２のゲートをオフからオンに切り換える。
【００６４】
これにより、共振用のキャパシタ１４には、ダイオード１２およびインダクタ１３を介して直流電源電圧Ｖが充電される。
このとき、インダクタ１３およびキャパシタ１４による直列共振により、キャパシタ１４には、直流電源電圧Ｖの２倍相当の電圧値まで充電可能となる。
【００６５】
一方、キャパシタ１４の充電期間（時刻ｔ１〜時刻ｔ２）において、第２の遮断素子３はオフ状態を保っている。
【００６６】
キャパシタ１４が充電された後、時刻ｔ２において、パルス信号ＶＰ１と同等の電圧レベルのパルス信号ＶＰ２がパルス遅延回路９から駆動回路７に送信され、第２の遮断素子３のゲートは、オフからオンに切り換えられる。
【００６７】
これにより、キャパシタ１４に充電された電圧ＶＣ（直流電源電圧Ｖよりも十分に高く充電された電圧）は、短時間に負荷１１に放出される。
遮断素子３は、キャパシタ１４の放電後の適度のタイミング（たとえば、時刻ｔ４）において、オンからオフに切り換えられる。
【００６８】
なお、第１の遮断素子２は、第２の遮断素子３がオフするタイミングと同程度のタイミング（時刻ｔ３）でオフに切り換わる。
【００６９】
以上のように動作する電源装置を用いた場合、負荷１１に印加される電圧ＶＲの初期電圧は、時間ｔの関数として、直流電源電圧Ｖを用いて、以下の（４）式のように表わされる。
【００７０】
ＶＣ（ｔ）＝Ｖ（１−ｃｏｓωｔ）  ・・・（４）
【００７１】
ただし、（４）式において、ωは角周波数であり、インダクタ１２のインダクタンス定数Ｌと、キャパシタ１４の容量定数Ｃとを用いて、以下の（５）式のように表わされる。
【００７２】
ω＝２π√（ＬＣ）      ・・・（５）
【００７３】
（４）式から、負荷１１に印加される初期電圧ＶＣ（ｔ）の最大値は、ｃｏｓωｔが最小（＝−１）を示す場合であって、直流電源電圧Ｖの２倍となる。
なお、（４）式において、電荷放電素子１０の抵抗値は、計算式上無視できる程度に十分に高いものとしている。
【００７４】
このように、遮断素子２のオンタイミングからインダクタ１３およびキャパシタ１４により直列共振させて、キャパシタ電圧ＶＣが最大となるタイミングで遮断素子３をオンさせることにより、負荷１１に印加される電圧を直流電源１の端子電圧の２倍程度にすることができる。
【００７５】
また、負荷１１の放電維持に必要な電荷量（キャパシタ１４に蓄えられる初期電荷量）が印加電圧の２乗に比例することから、従来（図９参照）のキャパシタ５と比較した場合、キャパシタ１４の容量を約１／４に小型軽量化することができるうえ、負荷１１に放電を誘起させ易い電圧を供給することができる。
【００７６】
また、放電の突入電圧が２倍に上昇するので、電流制限素子４の等価負荷抵抗値が従来装置と同等であると仮定した場合、負荷１１の放電前の抵抗値を従来の電源装置と比較して１／２とすることができ、クリーニングモード電源として対応できる初期の負荷範囲を広げることができる。
【００７７】
したがって、負荷１１の初期抵抗値が５０Ω程度（従来装置の供給電圧制約条件の約１／２）まで低下しても、負荷１１の放電を維持できる電圧を印加して、イオンエンジンのスラスタの各グリッド部に留まる金属片をはじき飛ばすことができる。
【００７８】
なお、上記構成例１では、負荷電流ＩＲを制御するために、遮断素子３をオンオフ制御する駆動回路７を用いたが、遮断素子３により構成される定電流制御部を用い、負荷電流ＩＲを定電流制御してもよい。
【００７９】
図３は定電流制御部を用いて負荷電流ＩＲを制御するように構成した構成例２を示す回路ブロック図である。
図３において、前述（図１参照）と同様のものについては、同一符号を付して詳述を省略する。
【００８０】
１５は遮断素子３をオンオフ制御する定電流駆動回路、１６は所定電流値に対応した電流指令値ＶＳＲ（電圧値）を生成する定電流指令回路、１７は電流フィードバック信号ＶＳＩを生成するための電流検出器である。
【００８１】
１８は負荷電流ＩＲを所定電流値に制御する定電流制御部であり、遮断素子３、定電流駆動回路１５および電流検出器１７により構成される。
なお、定電流指令回路１６は、定電流制御部１８に含まれてもよい。
【００８２】
定電流制御部１８内の定電流駆動回路１５は、パルス信号ＶＰ２、電流指令値ＶＳＲおよび電流フィードバック信号ＶＳＩからなる入力信号に基づいて、負荷電流ＩＲが所定電流値となるように、パルス信号ＶＳ２に同期したタイミングで遮断素子３をオンオフ制御する。
【００８３】
この場合、前述（図１参照）の電流制限素子４は不要となり、負荷１１の一端は、インダクタ１３とキャパシタ１４との接続点に直接接続されている。
【００８４】
また、コマンド信号ＶＣＭに応答するパルス生成手段は、前述と同様に、パルス信号ＶＰ１を生成するパルス発生器８と、パルス発生器８に接続されてパルス信号ＶＰ２を生成するパルス遅延回路９とにより構成されている。
【００８５】
次に、図４のタイミングチャートを参照しながら、図３に示した構成例２の動作について説明する。
まず、前述と同様に、時刻ｔ１において、地上からのコマンド信号ＶＣＭがオフからオンに切り換わると、パルス発生器８は、パルス信号ＶＰ１を出力して遮断素子２をオフからオンに切り換える。
【００８６】
これにより、キャパシタ１４は、インダクタ１３およびキャパシタ１４の直列共振により、直流電源電圧Ｖの２倍相当まで充電される。
【００８７】
キャパシタ１４が充電された後、時刻ｔ２において、パルス遅延回路９からのパルス信号ＶＰ２が定電流制御部１８に入力されると、定電流駆動回路１５は、遮断素子３のゲートをオフからオンに切り換える。
【００８８】
これにより、キャパシタ１４に充電されたキャパシタ電圧ＶＣ（直流電源電圧Ｖよりも十分に高い電圧）は、短時間に負荷１１に放出される。
【００８９】
キャパシタ電圧ＶＣが負荷１１に放電された後、定電流駆動回路１５は、電流指令値ＶＳＲと電流フィードバック信号ＶＳＩとを比較し、負荷電流ＩＲの値を一定に保つように、遮断素子３のゲート電圧を制御する。
【００９０】
また、前述（図２参照）と同様に、適度の時刻ｔ４において遮断素子３をオンからオフに切り換える。また、遮断素子２は遮断素子３のオフタイミングと同程度の時刻ｔ３においてオフに切り換わる。
【００９１】
なお、ここでは、電流検出器１７を抵抗器により構成したが、絶縁を要する場合には、同様の機能を有する他の手段（たとえば、パルストランス）により構成してもよい。
【００９２】
また、定電流制御部１８内の遮断素子３を電界効果トランジスタにより構成したが、同等の機能を有する他の素子（たとえば、トランジスタ）により構成してもよい。
【００９３】
このように、負荷電流ＩＲを定電流制御することにより、放電後の負荷抵抗値変動に対して安定に電力供給することができ、放電を一定時間所定の電流を安定に持続することができる。
【００９４】
したがって、負荷１１に印加される電圧ＶＲの初期電圧は、前述の（４）式のように表わされるので、直流電源電圧Ｖの２倍程度にすることができる。
【００９５】
また、インダクタ１２およびキャパシタ１３の定数を共振周期に合わせて適切に選定することにより、キャパシタ１４の容量を、従来のキャパシタ５の１／４程度に少なくすることができる。
【００９６】
さらに、遮断素子３のゲート電圧を調整することにより、負荷電流ＩＲを定電流制御することができるので、負荷１１の抵抗値変動に左右されることなく、放電を一定時間安定化させることができる。
【００９７】
したがって、負荷１１の初期抵抗値が数Ω程度（従来装置の供給電圧制約条件の１／１０以下）まで低下しても、負荷１１の放電を維持できる電圧を印加することができ、イオンエンジンのスラスタの各グリッド部に留まる金属片をはじき飛ばすことができる。
【００９８】
なお、上記構成例２では、コマンド信号ＶＣＭに応答するパルス生成手段として、パルス発生器８およびパルス遅延回路９を用いたが、各パルス信号ＶＰ１、ＶＰ２を繰り返し生成するパルス発振器を用いることが望ましい。
【００９９】
図５はパルス生成手段としてパルス発振器を用いたこの発明の実施の形態１を示す回路ブロック図である。
図５において、前述（図３参照）と同様のものについては、同一符号を付して詳述を省略する。
【０１００】
１９は地上からのコマンド信号ＶＣＭに応答するパルス発振器であり、所定の繰り返しによるパルス信号ＶＰ１、ＶＰ２を生成して、負荷１１に断続的に電力を供給する。各パルス信号ＶＰ１、ＶＰ２は、駆動回路６、定電流制御部１８をそれぞれ駆動する。
【０１０１】
定電流駆動回路１８は、第１の遮断素子２がオンしてから第２の遮断素子３がオンするまでの遅延時間を、インダクタ１３およびキャパシタ１４の共振周波数に比例した値に設定し、負荷１１に対して断続的に所定電流値を供給するようになっている。
【０１０２】
次に、図６のタイミングチャートを参照しながら、図５に示したこの発明の実施の形態１の動作について説明する。
図６において、各パルス信号ＶＰ１、ＶＰ２は繰り返し生成され、たとえば、パルス信号ＶＰ１は、時刻ｔ５において再度オンされる。
【０１０３】
まず、前述と同様に、時刻ｔ１においてコマンド信号ＶＣＭがオンに切り換わると、パルス発振器１９は、駆動回路６にパルス信号ＶＰ１を送出して、遮断素子２をオンに切り換え、キャパシタ１４を直流電源電圧Ｖの２倍相当まで充電する。
【０１０４】
キャパシタ１４が充電された後、パルス発振器１９は、キャパシタ１４の電圧が最大となる時刻に合わせて、少し遅れた時刻ｔ２において定電流駆動回路１５にパルス信号ＶＰ２を送信し、遮断素子３をオフからオンに切り換える。
【０１０５】
これにより、キャパシタ１４に充電された十分に高いキャパシタ電圧ＶＣは、短時間に負荷１１に放出され、その後、定電流駆動回路１５は、負荷電流ＩＲを一定値に保つように遮断素子３のゲート電圧を制御する。
【０１０６】
以下、パルス発振器１９によるパルス信号ＶＰ１、ＶＰ２の繰り返し生成動作は、コマンド信号ＶＣＭによるオフ指令が受信されるまで継続される。
【０１０７】
このように、負荷１１に対して繰り返し電力供給するためのパルス発振器１９を設けることにより、前述の作用効果に加えて、負荷１１の放電前の初期抵抗値が極めて低い値（たとえば、数１０ｍΩ〜数Ω）を示す場合においても、キャパシタ１４の容量を増加させることなく、負荷１１（抵抗器）となる金属片を取り除くことができる。
【０１０８】
たとえば、イオンエンジンのスラスタの各グリッド部に留まる金属片を熱的に昇華または変形させて、放電時の電気的なローレンツ力ではじき飛ばして、負荷１１（抵抗器）となる金属片を取り除くことができる。
【０１０９】
すなわち、共振用のキャパシタ１４の容量を小さく設定した状態で、負荷１１の放電前の初期抵抗値が極めて低い場合でも、負荷１１の放電を維持しながら金属片（たとえば、グリッドの異物）を熱的に昇華して取り除き、電気的なローレンツ力ではじき飛ばした場合の効果と同等の除去効果を得ることができる。
【０１１０】
また、この場合、キャパシタ１４の容量は従来のキャパシタ５の１／１０程度に低減することができ、クリーニングモード電源として、さらに小型軽量化を実現することができる。
【０１１１】
なお、負荷１１の放電前の抵抗値が高い値（数１０ｋΩ程度）の場合は、従来装置と同様に、放電時の電流ＩＲにより、電気的にローレンツ力ではじき飛ばすことができることは言うまでもない。
【０１１２】
実施の形態２．
なお、上記実施の形態１では、１系統の負荷１１のみを放電対象とした場合について説明したが、負荷１１のみならず負荷１１に並列接続された第２の負荷を放電対象としてもよい。
【０１１３】
図７は負荷１１および第２の負荷を放電対象としたこの発明の実施の形態２を示す回路ブロック図である。
図７において、前述（図５参照）と同様のものについては、同一符号を付して詳述を省略する。
【０１１４】
２０は負荷１１に並列接続された第２の負荷（以下、単に「負荷」という）であり、インダクタ１３とキャパシタ１４との接続点に一端が接続されている。
【０１１５】
具体的には、負荷１１としては、たとえば、イオンエンジンのスラスタの加速グリッドとディセルグリットとの間の負荷などが考えられ、負荷２０としては、たとえば、スクリーングリットと加速グリットとの間の負荷などが考えられる。
【０１１６】
２１は電界効果トランジスタからなる第３の遮断素子（以下、単に「遮断素子」という）であり、負荷２０の他端と直流電源１の他端との間に挿入されている。
【０１１７】
２２は遮断素子２１に直列接続された抵抗器からなる電流検出器であり、負荷２０に流れる第２の負荷電流ＩＲ２（以下、単に「負荷電流」という）の電流フィードバック信号ＶＳＩ２を生成する。
【０１１８】
２３は遮断素子２１のゲート電圧を制御する定電流駆動回路であり、負荷電流ＩＲ２が所定電流値となるように、パルス信号ＶＰ２に同期した第４のパルス信号ＶＰ４のタイミングに基づいて、第３の駆動信号ＶＧ３（以下、単に「駆動信号」という）により遮断素子２１をオンオフ制御する。
【０１１９】
２５は負荷２０に接続された第２の定電流制御部（以下、単に「定電流制御部」という）であり、遮断素子２１、電流検出器２２および定電流駆動回路２３により構成され、負荷電流ＩＲ２を所定電流値に制御する。
【０１２０】
定電流指令回路１６は、定電流制御部２５内の定電流駆動回路２３に対して、所定電流値に対応した電流指令値ＶＳＲを入力する。
【０１２１】
２６はパルス発振器１９に接続された分周回路であり、パルス発振器１９とともにパルス生成手段を構成している。
【０１２２】
分周回路２６は、第２のパルス信号ＶＰ２に同期した第３および第４のパルス信号ＶＰ３、ＶＰ４（以下、それぞれ単に「パルス信号」という）を生成し、定電流制御部１８および２５のオンオフ動作時間のタイミングを２分割調整する。
【０１２３】
すなわち、パルス信号ＶＰ２は、定電流制御部１８、２５の動作タイミングを指令し、パルス信号ＶＰ３は、定電流制御部１８の動作タイミングを定め、パルス信号ＶＰ４は、定電流制御部２５の動作タイミングを定めている。
【０１２４】
してがって、分周回路２６は、パルス信号ＶＰ２に基づいて、定電流制御部１８、２５のオンオフタイミング周期を同期分周するパルス信号ＶＰ３、ＶＰ４を発生し、各負荷１１、２０に供給する電力を交互に分散させる。
なお、分周回路２６は、定電流制御部２５に含まれてもよい。
【０１２５】
次に、図８のタイミングチャートを参照しながら、図７に示したこの発明の実施の形態２の動作について説明する。
図８において、パルス信号ＶＰ１に基づく駆動信号ＶＧ１は、時刻ｔ１、ｔ５およびｔ９において繰り返し生成される。
【０１２６】
また、パルス信号ＶＰ２に基づく駆動信号ＶＧ２およびＶＧ３は、時刻ｔ２およびｔ６において繰り返し生成される。
【０１２７】
したがって、負荷電流ＩＲ、ＩＲ２は、駆動信号ＶＧ２に同期して交互に流れ、たとえば、負荷電流ＩＲは時刻ｔ２に流れ始め、負荷電流ＩＲ２は時刻ｔ６に流れ始める。
【０１２８】
すなわち、分周回路２６は、遮断素子３、２１のオンタイミング周期が遮断素子２のオンタイミング周期の２倍となるように各パルス信号ＶＰ３、ＶＰ４を出力し、パルス信号ＶＰ１と各パルス信号ＶＰ３、ＶＰ４とを同期させることにより、遮断素子２と遮断素子３、２１とが互いに同期動作するようにしている。
【０１２９】
まず、前述と同様に、時刻ｔ１においてコマンド信号ＶＣＭがオンに切り換わると、パルス発振器１９は、駆動回路６にパルス信号ＶＰ１を送出して、遮断素子２をオンに切り換え、キャパシタ１４を直流電源電圧Ｖの２倍相当まで充電する。
【０１３０】
キャパシタ１４が充電された後、パルス発振器１９は、キャパシタ１４の電圧が最大となる時刻に合わせて、少し遅れた時刻ｔ２において分周回路２６にパルス信号ＶＰ２を送信する。
【０１３１】
分周回路２６は、時刻ｔ２においてパルス信号ＶＰ３を定電流駆動回路１５に送信し、駆動信号ＶＧ２を出力させることにより遮断素子３をオフからオンに切り換える。
【０１３２】
これにより、キャパシタ１４に充電された十分に高いキャパシタ電圧ＶＣは、短時間に負荷１１に放出される。その後、定電流駆動回路１５は、電流指令信号ＶＳＲと電流フィードバック信号ＶＳＩとを比較することにより、負荷電流ＩＲを一定値に保つように遮断素子３のゲート電圧を制御する。
【０１３３】
また、分周回路２６は、次の充電サイクル（時刻ｔ５）に続く時刻ｔ６においてパルス信号ＶＰ４を定電流駆動回路２３に送信し、駆動信号ＶＧ３を出力させることにより遮断素子２１をオフからオンに切り換える。
【０１３４】
これにより、キャパシタ１４に充電された十分に高いキャパシタ電圧ＶＣは、短時間に負荷２０に放出される。その後、定電流駆動回路２３は、電流指令信号ＶＳＲと電流フィードバック信号ＶＳＩ２とを比較することにより、負荷電流ＩＲ２を一定値に保つように遮断素子２１のゲート電圧を制御する。
【０１３５】
なお、放電後においては、前述と同様に、適度の時刻ｔ３、ｔ４、ｔ７、ｔ８において遮断素子３、２１をオンからオフに切り換えるとともに、遮断素子３のオフタイミングと同程度の時刻において遮断素子２をオフに切り換える。
【０１３６】
以下、パルス発振器１９は、地上からのコマンド信号ＶＣＭによるオフ指令が受信されるまで、パルス信号ＶＰ１、ＶＰ２の繰り返し生成動作を行う。
ただし、パルス信号ＶＰ２を受信した分周回路２６は、図８のように、遮断素子２のオンによるキャパシタ１４の充電後に、遮断素子２１をオンして負荷２０に対する電力供給を行う。
【０１３７】
さらに、分周回路２６は、次の周期動作において、負荷１１に電力を供給する動作を繰り返す。
このように動作する電源装置により、負荷１１、２０に交互に印加される電圧ＶＲは、いずれも前述の（４）式のように表わされる。
【０１３８】
この結果、負荷１１、２０に印加される電圧ＶＲは、直流電源電圧Ｖの２倍程度にすることができる。また、インダクタ１３およびキャパシタ１４の定数を共振周期に合わせて適切に選定することにより、従来装置で必要としたキャパシタ５の容量と比較して、１／４倍程度に少なくすることができる。
【０１３９】
また、負荷１１、２０に流れる電流ＩＲ、ＩＲ２を個別制御することにより、負荷１１、２０の抵抗値変動に左右されることなく、放電を一定時間安定化させることができる。
【０１４０】
さらに、負荷２０に関連して分周回路２６および定電流制御部２５を設けたので、負荷１１、２０の放電前の初期抵抗値が数ｍΩ程度であっても、電源装置から所定電力を繰り返し供給することができ、負荷１１、２０をそれぞれ熱的に昇華することができる。
【０１４１】
このように、２系統の負荷１１、２０が存在する場合においても、定電流制御部１８と同一構成の定電流制御部２５に定電流指令回路１６を接続し、パルス発振器１９の後段に各定電流制御部１８、２５のオンオフタイミング周期を同期分周する分周回路２６を接続することにより、上記動作を各負荷１８、２０に対して時分割で実行することができる。
【０１４２】
したがって、各負荷１８、２０に対する供給電力を交互に分散させて、さらに小型軽量化したクリーニングモード電源を実現することができる。
【０１４３】
また、遮断素子３、２１を制御するための各パルス信号ＶＰ３、ＶＰ４のオンタイミング周期を、遮断素子２を制御するためのパルス信号ＶＰ１のオンタイミング周期の２倍に設定し、遮断素子２と各遮断素子３、２１とが互いに同期して動作するようにしたので、２系統の負荷１１、２０に同一電力を供給することができ、システム的に小型軽量化を実現することができる。
【０１４４】
たとえば、イオンエンジンのスラスタの加速グリッドとディセルグリットとの間の負荷、および、スクリーングリットと加速グリットとの間の負荷に対して、同一電力の供給が可能となる。
【０１４５】
なお、上記実施の形態２では、２系統の負荷１１、２０に電力供給する場合について説明したが、３系統以上の任意数の並列負荷に対しても、同様に適用することができる。
【０１４６】
また、上記実施の形態１、２では、人工衛星に搭載されるイオンエンジンの電源装置を例にとって説明したが、外部から送信されるコマンド信号ＶＣＭの受信に応答して負荷電流を制御する電源装置であれば、他の電源装置にも適用可能なことは言うまでもない。
【０１４７】
【発明の効果】
以上のようにこの発明の請求項１によれば、直流電源の一端にアノードが接続されたダイオードと、ダイオードのカソードに一端が接続されて直流電源の電圧を共振させるインダクタと、インダクタの他端に一端が接続されてインダクタとともに共振するキャパシタと、キャパシタの両端間に並列接続された電荷放電素子と、キャパシタの他端と直流電源の他端との間に挿入された第１の遮断素子と、インダクタの他端に一端が接続された負荷と、負荷に流れる負荷電流を所定電流値に制御する定電流制御部と、定電流制御部に対して所定電流値に対応した電流指令値を入力する定電流指令回路と、外部から入力されるコマンド信号に応答して第１および第２の遮断素子をオンオフ制御するための第１および第２のパルス信号を生成するパルス生成手段と、第１のパルス信号に同期したタイミングで第１の遮断素子をオンオフ制御する駆動回路とを備え、定電流制御部は、負荷の他端と直流電源の他端との間に挿入された第２の遮断素子と、負荷電流が所定電流値となるように、第２のパルス信号に同期したタイミングで第２の遮断素子をオンオフ制御する定電流駆動回路とを含み、パルス生成手段は、コマンド信号に応答して第１および第２のパルス信号を繰り返し生成するパルス発振器を含み、定電流駆動回路は、第１の遮断素子がオンしてから第２の遮断素子がオンするまでの遅延時間を、インダクタおよびキャパシタの共振周波数に比例した値に設定し、負荷に対して断続的に所定電流値を供給するようにしたので、放電後の負荷抵抗値変動に対して安定に電力供給することができ、放電を一定時間所定の電流を安定に持続するとともに、小型軽量化を実現した電源装置が得られる効果がある。
【０１５４】
また、この発明の請求項２によれば、請求項１において、パルス発振器は、コマンド信号によるオフ指令が受信されるまで、第１および第２のパルス信号の繰り返し生成動作を継続するようにしたので、小型軽量化を実現した電源装置が得られる効果がある。
【０１５５】
また、この発明の請求項３によれば、請求項１または請求項２において、負荷に並列接続された第２の負荷と、第２の負荷に流れる第２の負荷電流を所定電流値に制御する第２の定電流制御部とを備え、パルス生成手段は、パルス発振器に接続された分周回路を含み、分周回路は、第２のパルス信号に基づいて、定電流制御部と第２の定電流制御部のオンオフタイミング周期を同期分周する第３および第４のパルス信号を発生して、負荷および第２の負荷に供給する電力を交互に分散させ、定電流指令回路は、定電流制御部に対して所定電流値に対応した電流指令値を入力し、第２の定電流制御部は、第２の負荷の他端と直流電源の他端との間に挿入された第３の遮断素子と、第２の負荷電流が所定電流値となるように、第４のパルス信号に同期したタイミングで第３の遮断素子をオンオフ制御する第２の定電流駆動回路とを含み、複数系統の負荷に対して時分割制御するようにしたので、小型軽量化を実現した電源装置が得られる効果がある。
【０１５６】
また、この発明の請求項４によれば、請求項３において、分周回路は、第２および第３の遮断素子のオンタイミングに対応した第３および第４のパルス信号の周期を、第１の遮断素子のオンタイミングに対応した第１のパルス信号の周期の２倍に設定し、第１のパルス信号と第３および第４のパルス信号とを互いに同期させたので、複数系統の負荷に対しても小型軽量化を実現した電源装置が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明に関連した装置の構成例１を示す回路ブロック図である。
【図２】  図１に示した構成例１による各部の動作状態を示すタイミングチャートである。
【図３】  この発明に関連した装置の構成例２を示す回路ブロック図である。
【図４】  図３に示した構成例２による各部の動作状態を示すタイミングチャートである。
【図５】  この発明の実施の形態１を示す回路ブロック図である。
【図６】  この発明の実施の形態１による各部の動作状態を示すタイミングチャートである。
【図７】  この発明の実施の形態２を示す回路ブロック図である。
【図８】  この発明の実施の形態２による各部の動作状態を示すタイミングチャートである。
【図９】  従来の電源装置を示す回路ブロック図である。
【図１０】  従来の電源装置による各部の動作状態を示すタイミングチャートである。
【図１１】  イオンエンジンのクリーニングモード電源装置の負荷が要求する動作範囲を示す説明図である。
【符号の説明】
１  直流電源、２  第１の遮断素子、３  第２の遮断素子、４  電流制限素子、６  第１の駆動回路、７  第２の駆動回路、８  パルス発生器、９  パルス遅延回路、１０  電荷放電素子、１１  負荷、１２  ダイオード、１３  インダクタ、１４  キャパシタ、１５  定電流駆動回路、１６  定電流指令回路、１８  定電流制御部、１９  パルス発振器、２０  第２の負荷、２１  第３の遮断素子、２３  第２の定電流駆動回路、２６  分周回路、２５  第２の定電流制御部、ＩＲ  負荷電流、ＩＲ２  第２の負荷電流、ＶＣ  キャパシタ電圧、ＶＲ  負荷電圧、ＶＣＭ  コマンド信号、ＶＧ１  第１の駆動信号、ＶＧ２  第２の駆動信号、ＶＧ３  第３の駆動信号、ＶＰ１  第１のパルス信号、ＶＰ２  第２のパルス信号、ＶＰ３  第３のパルス信号、ＶＰ４  第４のパルス信号、ＶＳＩ、ＶＳＩ２  電流フィードバック信号、ＶＳＲ  電流指令値。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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