インピーダンス整合を行わない負荷の高周波電源
負荷のための電源装置は、直流電圧源と、複数のスイッチングステージと、制御装置を備えている。スイッチングステージは、直流電圧源と、負荷と、制御装置に接続されており、負荷は、制御装置によるスイッチングステージの対応する作動に基づき、直流電圧源に接続可能である。スイッチングステージは、それぞれ電界効果トランジスタと、それに逆向きに並列接続された複数のフリーホイールダイオードと、を有している。電界効果トランジスタはカットオフ周波数を有しており、電界効果トランジスタはカットオフ周波数までは最大限に動作可能である。各フリーホイールダイオードは、回復時間を有している。各スイッチングステージに関して、各電界効果トランジスタに逆向きに並列接続された全てのフリーホイールダイオードの回復時間は、各電界効果トランジスタの前記カットオフ周波数の逆数に、略一致している。制御装置が、スイッチングステージを、少なくとも一時的に作動させ、出力は不整合によってスイッチングステージに反射して戻ってくる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷のための電源装置であって、
前記電源装置は、直流電圧源と、複数のスイッチングステージと、制御装置と、を備えており、
前記スイッチングステージは、直流電圧源と、負荷と、制御装置と、に接続されているので、前記負荷は、制御装置によるスイッチングステージの対応する作動に基づいて、直流電圧源に接続可能であり、
前記スイッチングステージは、それぞれ電界効果トランジスタと、各電界効果トランジスタに逆向きに並列接続された複数のフリーホイールダイオードと、を有しており、
前記電界効果トランジスタはカットオフ周波数を有しており、前記電界効果トランジスタは当該カットオフ周波数までは最大限に動作可能であり、
各フリーホイールダイオードは、回復時間（Erholungszeit）を有している、
電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
このような電源装置は、一般に知られている。
【０００３】
カットオフ周波数は、電界効果トランジスタが依然として切換可能な周波数である。フリーホイールダイオードは、カットオフ周波数を決定する枠内では考慮されない。カットオフ周波数は、電界効果トランジスタの固有特性である。フリーホイールダイオードの回復時間は、フリーホイールダイオードへの順方向に向けられた電圧がターンオフされた後から、ダイオードの遮断作用が再び発現するまでの時間である。回復時間は、フリーホイールダイオードの固有特性である。
【０００４】
先行技術に係る電源装置の場合、電界効果トランジスタとしては一般的に、ＭＯＳＦＥＴが用いられる。複数のＭＯＳＦＥＴが並列に接続されている場合、さらに追加的に高周波結合器が必要とされる。
【０００５】
一般的なＭＯＳＦＥＴは、フリーホイールダイオードとして、固有ボディダイオード(intrinsische Bodydiode)、すなわち、各ＭＯＳＦＥＴに組み込まれたダイオードを有している。この固有ボディダイオードは、一般的に比較的長い回復時間を有している。当該時間は一般的に、ＭＯＳＦＥＴのカットオフ周波数の逆数よりも著しく大きい。したがって、先行技術においては、電界効果トランジスタの動作周波数を小さく維持し、それによって、その逆数がフリーホイールダイオードの回復時間を上回るようにしなければならない。それとは別の選択肢として、又は、それに加えて、対応する整合回路（例えばいわゆるサーキュレータ）によって、出力が反射してスイッチングステージに戻ってくることを回避しなければならない。さもなければ、当該スイッチングステージは破壊されてしまう。
【０００６】
複数のスイッチングステージが並列に接続されている場合、整合回路の設計は極めて複雑になる。これは特に、負荷にパルスを与えて動作させる場合に当てはまる。この場合、さらなる周波数スペクトルにおける反射を回避しなければならない。それに対応して、このような場合、電源装置は総じて複雑かつ高価になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、容易に構築可能であるが、それにも関わらず、カットオフ周波数に近い領域までの高い周波数で動作可能な電源装置を創出することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本課題は、請求項１の特徴を備える電源装置によって解決される。本発明に係る電源装置の有利な構成は、従属請求項２から１１の対象である。
【０００９】
本発明によると、冒頭に述べた種類の電源装置は、
‐各スイッチングステージに関して、各電界効果トランジスタに逆向きに並列接続された全てのフリーホイールダイオードの回復時間が、各電界効果トランジスタのカットオフ周波数の逆数に、少なくとも略対応していること、及び、
‐制御装置が、スイッチングステージを、少なくとも一時的に作動させ、不整合によって出力が反射してスイッチングステージに戻ってくること、
によってさらに構成される。
【００１０】
負荷に向かう方向において、スイッチングステージに整合回路が後置されていても良い。しかしながら、本発明に係る構成においては、不整合を回避するためのこのような整合回路は必ずしも必要ではない。また、スイッチングステージと負荷との間には、不整合を回避するための整合回路が配置されていなくても良い。
【００１１】
電界効果トランジスタは、好ましくは、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）として形成されている。接合型電界効果トランジスタは、特にいわゆるＭＥＳＦＥＴ（ＭｅＳ＝金属半導体）を含む。半導体材料としては、特に、炭化ケイ素（ＳｉＣ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）とが考慮の対象になる。
【００１２】
スイッチングステージを少なくとも部分的に並列に接続することができる。この場合、並列に接続されたスイッチングステージと負荷との間には、一般的に、電力結合器が配置されている。
【００１３】
同じく、スイッチングステージを少なくとも部分的に、ペアで直列に接続することもできる。この場合、当該ペアは、それぞれのペアの両方のスイッチングステージの間に配置された開始点を介して、負荷に接続されている。
【００１４】
同じく、スイッチングステージをペアで、サークロトロン（Ｃｉｒｃｌｏｔｒｏｎ）のようなプッシュプル増幅器を形成するように組み合わせても良い。
【００１５】
複数のスイッチングステージの内少なくとも１つについて、各電界効果トランジスタに逆向きに並列接続された複数のフリーホイールダイオードの内（少なくとも）１つを、各電界効果トランジスタに関連して、外部に配置されたフリーホイールダイオードとして形成することが可能である。この措置は、各電界効果トランジスタが、一体型フリーホイールダイオードを有していない場合、やむを得ないものである。しかしながらまた、当該措置は、各電界効果トランジスタが一体型フリーホイールダイオードを有している場合、任意で実現可能である。
【００１６】
同じく、複数のスイッチングステージの内少なくとも１つについて、各電界効果トランジスタに逆向きに並列接続された複数のフリーホイールダイオードの内１つを、各電界効果トランジスタに組み込むことが可能である。この場合、外部に配置されたフリーホイールダイオードは不要である。しかしながら、当該フリーホイールダイオードは存在していても良い。
【００１７】
一般的に、各電界効果トランジスタには、正確に１つのフリーホイールダイオードが逆向きに並列接続される。さらに、一般的に、全てのスイッチングステージは、外部のフリーホイールダイオードと同じか、又は、一体型フリーホイールダイオードと同じように構成される。しかしながら、原則的に、任意の混合形態及び組合せが可能である。
【００１８】
本発明に係る電源装置の構成は、特に負荷が制御装置によってスイッチングステージを通じてパルスを与えられて、直流電圧源に接続される場合に有利である。
【００１９】
一般的に、直流電圧源は、ネットワークから供給を受ける整流器を有している。この場合、好ましくは、整流器とスイッチングステージとの間に、複数のバッファコンデンサが配置されている。
【００２０】
本発明に係る電源装置は、原則的に、任意の負荷において用いることができる。好ましい適用事例は、当該負荷が粒子加速器（特に線形加速器）の空洞共振器として形成されている場合である。
【００２１】
さらなる利点及び詳細は、以下の図を用いた実施例の説明から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】電源装置と負荷とを示す図である。
【図２】スイッチングステージを回路と共に示す図である。
【図３】スイッチングステージと回路との組合せを示す図である。
【図４】スイッチングステージと回路との組合せを示す図である。
【図５】スイッチングステージと回路との組合せを示す図である。
【図６】個別のスイッチングステージを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１によると、負荷１のための電源装置は、直流電圧源２と、複数のスイッチングステージ３と、制御装置４と、を有する。スイッチングステージ３は、直流電圧源２と、負荷１と、制御装置４とに接続されている。それによって、負荷１は、制御装置４によるスイッチングステージ３の対応する作動に基づいて、直流電圧源２に接続可能である。
【００２４】
スイッチングステージ３の数は、必要に応じて選択され得る。いくつかの場合では、スイッチングステージ３は１つのみで十分である。この場合、（唯一の）スイッチングステージ３は、好ましくは図２に従って接続されている。
【００２５】
図２によると、スイッチングステージ３は電界効果トランジスタ５を有している。電界効果トランジスタ５には、（直流電圧源２の方向において）バッファコンデンサ６が前置されている。直流電圧源２から電界効果トランジスタ５への導線７は、インダクタンス８を有している。しかしながら、このインダクタンス８に該当するのは、それ自体が設けられたインダクタンスではなく、導線７に基づいてそれ自体すでに存在しており、回避不可能な寄生インダクタンスである。電界効果トランジスタ５にはさらに、内部に（すなわち、電界効果トランジスタ５に組み込まれて）フリーホイールダイオード９が逆向きに並列接続されている。それとは別の選択肢として、又は、それに加えて、電界効果トランジスタ５には、外部のフリーホイールダイオード９’を逆向きに並列接続しても良い。この外部のフリーホイールダイオード９’は、図２では、破線で示されている。
【００２６】
スイッチングステージ３を１つのみ設ける場合とは別の選択肢として、複数のスイッチングステージ３を設けても良い。例えば、図３の描写のように、複数のスイッチングステージ３を並列に接続することができる。この場合、並列に接続されたスイッチングステージ３と負荷１との間には、電力結合器１０が配置されている（図１も参照のこと）。電力結合器１０は、例えば一般的な９０度ハイブリッド又は１８０度ハイブリッドとして形成され得る。
【００２７】
複数のスイッチングステージ３が並列に接続されている場合、スイッチングステージ３を制御装置４によって同時に作動させることができる。それとは別の選択肢として、スイッチングステージ３を時間的にずらして、特に交互に作動させることが可能である。
【００２８】
並列接続とは別の選択肢として、スイッチングステージ３が複数の場合、スイッチングステージを図４に従って、ペアで直列に接続することができる（いわゆるトーテムポール配置）。この場合、当該ペアは開始点１１を介して、負荷１に接続されている。開始点１１は、当該ペアの両方のスイッチングステージ３の間に配置されている。
【００２９】
図４によると、さらにバッファコンデンサ６のペアが１つ存在している。これらのバッファコンデンサは、スイッチングステージ３と同様に、直列に接続されている。両方のバッファコンデンサ６の間には、さらなる開始点１１’が配置されており、当該開始点を介して、バッファコンデンサ６の直列接続が同じく負荷１に接続されている。
【００３０】
図４の構成でも、スイッチングステージ３はそれぞれ電界効果トランジスタ５を有しており、当該電界効果トランジスタには、１つずつのフリーホイールダイオード９が逆向きに並列接続されている。図４に示されているのは、図２と同様に、内部のフリーホイールダイオード９である。図２と同様に、内部のフリーホイールダイオード９とは別の選択肢として、又は追加的に、外部のフリーホイールダイオード９’が存在していても良い。外部のフリーホイールダイオード９’は、図４では破線で示されている。
【００３１】
図３と同様に、複数のペアが存在していても良い。当該ペアは互いに並列接続されている。この構成は図示されていない。この場合、図３と同様に、電力結合器が存在しており、当該電力結合器は、開始点１１、１１’と負荷１との間に配置されている。電力結合器は、図３と同様に構成され得る。さらに図３と同様に、この場合、当該ペアは制御装置４によって、同時又は時間的にずらされて、特に交互に、作動され得る。
【００３２】
再び、直列接続とは別の選択肢として、図５に従って、２つのスイッチングステージ３を、サークロトロンのようなプッシュプル増幅器を形成するように組み合わせても良い。図５は、このようなプッシュプル増幅器の好ましい構成を示している。当該構成においては、プッシュプル増幅器のスイッチングステージ３は、（図２とは対照的に、物理的に存在する）インダクタンス１２を通じて接続されている。
【００３３】
図５の構成においても、スイッチングステージ３に前置されたバッファコンデンサ６が存在する。さらに、図５の構成においても、スイッチングステージ３は電界効果トランジスタ５を有しており、当該電界効果トランジスタには、フリーホイールダイオード９が逆向きに並列接続されている。フリーホイールダイオード９は、図５によると、内部のフリーホイールダイオードとして形成されている。それとは別の選択肢として、又は、それに加えて、外部のフリーホイールダイオード９’が存在していても良い。外部のフリーホイールダイオード９’は、図５では破線で示されている。
【００３４】
図３と同様に、サークロトロンのようなプッシュプル増幅器を複数、図５に示したように、互いに並列接続することも可能である。この場合もまた、電力結合器が設けられている。当該電力結合器は、プッシュプル増幅器と負荷１との間に配置されている。図３の構成と同様に、この場合、同時又は時間的にずらして（特に交互に）、プッシュプル増幅器を動作させることができる。
【００３５】
図６では再び、単独のスイッチングステージ３を、分離して、すなわち付属する回路を伴わずに示している。図６に関する以下の説明は、図１から図５のスイッチングステージ３のそれぞれに有効である。
【００３６】
図６によると、各電界効果トランジスタ５は、カットオフ周波数ｆＧを有している。電界効果トランジスタ５のカットオフ周波数ｆＧは、当該電界効果トランジスタが、その周波数までは最大限に動作できる周波数である。各電界効果トランジスタ５が、比較的大きな周波数を切り替えることはもはや不可能である。カットオフ周波数ｆＧは、電界効果トランジスタ５に制御装置４によって供給される制御信号Ｓが正弦波であり、カットオフ周波数ｆＧを有する場合に、制御信号Ｓのレベル変化に対応する電界効果トランジスタ５の出力信号のレベル変化が、６３％（＝１−１／ｅ、ｅ＝オイラー数＝２．７１８…）まででのみ生じることによって決定されている。この場合、１００％と表記されるのは、制御信号Ｓの低周波での変化、さもなければ均質な変化に際して生じる、出力信号の対応するレベル変化である。
【００３７】
さらに、スイッチングステージ３のフリーホイールダイオード９、９’にも当てはまるが、各ダイオードは、回復時間Ｔを有している。回復時間Ｔは、ダイオードが伝導状態にあるという前提において、順方向に向けられた電圧がターンオフされた後から、ダイオード９のｐｎ接合の電荷が再び乏しくなるまで、すなわち、ｐｎ接合が再び形成されるまでの時間である。当該回復時間Ｔは、先行技術では一般的に、切替時間、逆方向回復時間、又は遮断回復時間とも表記される。英語では一般的に逆方向回復時間（ｒｅｖｅｒｓｅ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｔｉｍｅ）という概念が用いられ、ｔｒｒと略される。
【００３８】
本発明によると、各スイッチングステージ３に関して、電界効果トランジスタ５と、フリーホイールダイオード９（又は９’）は、互いに調整されており、それによって、フリーホイールダイオード９、９’の回復時間Ｔは、少なくとも概ね、電界効果トランジスタ５のカットオフ周波数ｆＧの逆数に対応している。すなわち、少なくとも概ね、以下の関係が有効である。
【００３９】
Ｔ＝１／ｆＧ または ｆＧ・Ｔ＝１
【００４０】
前記関係は、各電界効果トランジスタ５に逆向きに並列接続された全てのフリーホイールダイオード９、９’に適用される。
【００４１】
前記関係からの些少の逸脱は許容されている。しかしながら、少なくとも上方（すなわち、回復時間Ｔがより長くなる方向）へ３倍は（２倍のほうが良いが）、超過しない方が良い。
【００４２】
前記関係を満たすための方法は、必要に応じて選択され得る。例えば、図６に係る電界効果トランジスタ５は、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）として形成され得る。接合型電界効果トランジスタは、特にいわゆるＭＥＳＦＥＴを含む。接合型電界効果トランジスタは、極端に回復時間Ｔが短い内部のフリーホイールダイオード９を有しているか、内部のフリーホイールダイオードを全く有していない。最初に挙げた場合では、内部のフリーホイールダイオード９は、本発明に基づいて利用可能である。２番目に挙げた場合では、十分に高速な外部のフリーホイールダイオード９’を用いなければならない。電界効果トランジスタ５及び／又はフリーホイールダイオード９、９’のための半導体材料として、好ましくは炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）が用いられる。
【００４３】
上記で、図６に関連して説明したスイッチングステージ３の構成に基づいて、制御装置４がスイッチングステージ３を少なくとも一時的に作動させ、不整合によって出力がスイッチングステージ３に反射して戻ってくることが可能である。なぜなら、フリーホイールダイオード９、９’が存在するので、反射した出力は、直流電圧側（すなわち直流電圧源２に向かって）に戻るように供給されるからである。それにもかかわらず、フリーホイールダイオード９、９’の回復時間Ｔが極端に短いので、フリーホイールダイオード９、９’が短絡する危険は生じない。短絡は、電源装置の破損につながり得るものである。
【００４４】
出力は、例えば負荷１から反射して戻ってくることができる。このような出力反射の原因として考えられるのは、スイッチングステージ３と負荷１との間に、このような出力反射の回避に用いられる整合回路が配置されていないことである。ただし、別の選択肢として、このような整合回路を１つ設けても良い。しかしながら、この場合、負荷１のいくつかの動作状態において、特に出力の反射が生じ得る。それとは別の選択肢として、又は、それに加えて、電力結合器、例えば図３の電力結合器１０が存在する場合、そこで出力が反射され得る。ここでも、出力反射は同じ原因を有している。すなわち、整合回路の欠如、又は、いくつかの動作状態における整合回路の不完全な作用である。
【００４５】
整合回路が存在するにもかかわらず、出力がスイッチングステージ３に反射して戻される場合は、特に、負荷１が制御装置４によってスイッチングステージ３を通じてパルスを与えられて、直流電圧源２に接続されるときに生じる。パルス接続は、図２において象徴的に示されている。パルス接続は、自明のことながら、図３、図４、図５の構成において、並びに、複数のペアの並列接続、及び、複数のサークロトロンのようなプッシュプル増幅器の並列接続においても可能である。
【００４６】
直流電圧源２は、必要に応じて形成され得る。一般的に、図１に係る直流電圧源２は、ネットワークから供給を受ける整流器１３を有している。さらに、整流器１３とスイッチングステージ３との間には、一般的に、複数のバッファコンデンサ１４が配置されている。ネットワークから供給を受ける整流器１３に直接後置されているバッファコンデンサ１４は、図２から図５のバッファコンデンサ６と同一であっても良い。別の選択肢として、追加的なコンデンサが関連する。
【００４７】
負荷１も同様に、必要に応じて形成され得る。図１によると、負荷１は、粒子加速器（特に線形加速器）の空洞共振器として形成されている。
【００４８】
本発明は、多くの利点を有している。特に、出力密度と全出力とが大きい電源装置を製造することが可能である。
【００４９】
上記の記載は、専ら本発明の解説に用いられる。これに対して、本発明の権利範囲は、専ら添付の請求項によって決定されるべきである。
【符号の説明】
【００５０】
１ 負荷
２ 直流電圧源
３ スイッチングステージ
４ 制御装置
５ 電界効果トランジスタ
６、１４ バッファコンデンサ
７ 導線
８、１２ インダクタンス
９、９’ フリーホイールダイオード
１０ 電力結合器
１１、１１’ 開始点
１３ 整流器
ｆＧ カットオフ周波数
Ｓ 制御信号
Ｔ 回復時間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷のための電源装置であって、
前記電源装置は、直流電圧源と、複数のスイッチングステージと、制御装置と、を備えており、
前記スイッチングステージは、直流電圧源と、負荷と、制御装置と、に接続されているので、前記負荷は、制御装置によるスイッチングステージの対応する作動に基づいて、直流電圧源に接続可能であり、
前記スイッチングステージは、それぞれ電界効果トランジスタと、各電界効果トランジスタに逆向きに並列接続された複数のフリーホイールダイオードと、を有しており、
前記電界効果トランジスタはカットオフ周波数を有しており、前記電界効果トランジスタは当該カットオフ周波数までは最大限に動作可能であり、
各フリーホイールダイオードは、回復時間（Erholungszeit）を有している、
電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
このような電源装置は、一般に知られている。
【０００３】
カットオフ周波数は、電界効果トランジスタが依然として切換可能な周波数である。フリーホイールダイオードは、カットオフ周波数を決定する枠内では考慮されない。カットオフ周波数は、電界効果トランジスタの固有特性である。フリーホイールダイオードの回復時間は、フリーホイールダイオードへの順方向に向けられた電圧がターンオフされた後から、ダイオードの遮断作用が再び発現するまでの時間である。回復時間は、フリーホイールダイオードの固有特性である。
【０００４】
先行技術に係る電源装置の場合、電界効果トランジスタとしては一般的に、ＭＯＳＦＥＴが用いられる。複数のＭＯＳＦＥＴが並列に接続されている場合、さらに追加的に高周波結合器が必要とされる。
【０００５】
一般的なＭＯＳＦＥＴは、フリーホイールダイオードとして、固有ボディダイオード(intrinsische Bodydiode)、すなわち、各ＭＯＳＦＥＴに組み込まれたダイオードを有している。この固有ボディダイオードは、一般的に比較的長い回復時間を有している。当該時間は一般的に、ＭＯＳＦＥＴのカットオフ周波数の逆数よりも著しく大きい。したがって、先行技術においては、電界効果トランジスタの動作周波数を小さく維持し、それによって、その逆数がフリーホイールダイオードの回復時間を上回るようにしなければならない。それとは別の選択肢として、又は、それに加えて、対応する整合回路（例えばいわゆるサーキュレータ）によって、出力が反射してスイッチングステージに戻ってくることを回避しなければならない。さもなければ、当該スイッチングステージは破壊されてしまう。
【０００６】
複数のスイッチングステージが並列に接続されている場合、整合回路の設計は極めて複雑になる。これは特に、負荷にパルスを与えて動作させる場合に当てはまる。この場合、さらなる周波数スペクトルにおける反射を回避しなければならない。それに対応して、このような場合、電源装置は総じて複雑かつ高価になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、容易に構築可能であるが、それにも関わらず、カットオフ周波数に近い領域までの高い周波数で動作可能な電源装置を創出することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本課題は、請求項１の特徴を備える電源装置によって解決される。本発明に係る電源装置の有利な構成は、従属請求項２から１１の対象である。
【０００９】
本発明によると、冒頭に述べた種類の電源装置は、
‐各スイッチングステージに関して、各電界効果トランジスタに逆向きに並列接続された全てのフリーホイールダイオードの回復時間が、各電界効果トランジスタのカットオフ周波数の逆数に、少なくとも略対応していること、及び、
‐制御装置が、スイッチングステージを、少なくとも一時的に作動させ、不整合によって出力が反射してスイッチングステージに戻ってくること、
によってさらに構成される。
【００１０】
負荷に向かう方向において、スイッチングステージに整合回路が後置されていても良い。しかしながら、本発明に係る構成においては、不整合を回避するためのこのような整合回路は必ずしも必要ではない。また、スイッチングステージと負荷との間には、不整合を回避するための整合回路が配置されていなくても良い。
【００１１】
電界効果トランジスタは、好ましくは、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）として形成されている。接合型電界効果トランジスタは、特にいわゆるＭＥＳＦＥＴ（ＭｅＳ＝金属半導体）を含む。半導体材料としては、特に、炭化ケイ素（ＳｉＣ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）とが考慮の対象になる。
【００１２】
スイッチングステージを少なくとも部分的に並列に接続することができる。この場合、並列に接続されたスイッチングステージと負荷との間には、一般的に、電力結合器が配置されている。
【００１３】
同じく、スイッチングステージを少なくとも部分的に、ペアで直列に接続することもできる。この場合、当該ペアは、それぞれのペアの両方のスイッチングステージの間に配置された開始点を介して、負荷に接続されている。
【００１４】
同じく、スイッチングステージをペアで、サークロトロン（Ｃｉｒｃｌｏｔｒｏｎ）のようなプッシュプル増幅器を形成するように組み合わせても良い。
【００１５】
複数のスイッチングステージの内少なくとも１つについて、各電界効果トランジスタに逆向きに並列接続された複数のフリーホイールダイオードの内（少なくとも）１つを、各電界効果トランジスタに関連して、外部に配置されたフリーホイールダイオードとして形成することが可能である。この措置は、各電界効果トランジスタが、一体型フリーホイールダイオードを有していない場合、やむを得ないものである。しかしながらまた、当該措置は、各電界効果トランジスタが一体型フリーホイールダイオードを有している場合、任意で実現可能である。
【００１６】
同じく、複数のスイッチングステージの内少なくとも１つについて、各電界効果トランジスタに逆向きに並列接続された複数のフリーホイールダイオードの内１つを、各電界効果トランジスタに組み込むことが可能である。この場合、外部に配置されたフリーホイールダイオードは不要である。しかしながら、当該フリーホイールダイオードは存在していても良い。
【００１７】
一般的に、各電界効果トランジスタには、正確に１つのフリーホイールダイオードが逆向きに並列接続される。さらに、一般的に、全てのスイッチングステージは、外部のフリーホイールダイオードと同じか、又は、一体型フリーホイールダイオードと同じように構成される。しかしながら、原則的に、任意の混合形態及び組合せが可能である。
【００１８】
本発明に係る電源装置の構成は、特に負荷が制御装置によってスイッチングステージを通じてパルスを与えられて、直流電圧源に接続される場合に有利である。
【００１９】
一般的に、直流電圧源は、ネットワークから供給を受ける整流器を有している。この場合、好ましくは、整流器とスイッチングステージとの間に、複数のバッファコンデンサが配置されている。
【００２０】
本発明に係る電源装置は、原則的に、任意の負荷において用いることができる。好ましい適用事例は、当該負荷が粒子加速器（特に線形加速器）の空洞共振器として形成されている場合である。
【００２１】
さらなる利点及び詳細は、以下の図を用いた実施例の説明から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】電源装置と負荷とを示す図である。
【図２】スイッチングステージを回路と共に示す図である。
【図３】スイッチングステージと回路との組合せを示す図である。
【図４】スイッチングステージと回路との組合せを示す図である。
【図５】スイッチングステージと回路との組合せを示す図である。
【図６】個別のスイッチングステージを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１によると、負荷１のための電源装置は、直流電圧源２と、複数のスイッチングステージ３と、制御装置４と、を有する。スイッチングステージ３は、直流電圧源２と、負荷１と、制御装置４とに接続されている。それによって、負荷１は、制御装置４によるスイッチングステージ３の対応する作動に基づいて、直流電圧源２に接続可能である。
【００２４】
スイッチングステージ３の数は、必要に応じて選択され得る。いくつかの場合では、スイッチングステージ３は１つのみで十分である。この場合、（唯一の）スイッチングステージ３は、好ましくは図２に従って接続されている。
【００２５】
図２によると、スイッチングステージ３は電界効果トランジスタ５を有している。電界効果トランジスタ５には、（直流電圧源２の方向において）バッファコンデンサ６が前置されている。直流電圧源２から電界効果トランジスタ５への導線７は、インダクタンス８を有している。しかしながら、このインダクタンス８に該当するのは、それ自体が設けられたインダクタンスではなく、導線７に基づいてそれ自体すでに存在しており、回避不可能な寄生インダクタンスである。電界効果トランジスタ５にはさらに、内部に（すなわち、電界効果トランジスタ５に組み込まれて）フリーホイールダイオード９が逆向きに並列接続されている。それとは別の選択肢として、又は、それに加えて、電界効果トランジスタ５には、外部のフリーホイールダイオード９’を逆向きに並列接続しても良い。この外部のフリーホイールダイオード９’は、図２では、破線で示されている。
【００２６】
スイッチングステージ３を１つのみ設ける場合とは別の選択肢として、複数のスイッチングステージ３を設けても良い。例えば、図３の描写のように、複数のスイッチングステージ３を並列に接続することができる。この場合、並列に接続されたスイッチングステージ３と負荷１との間には、電力結合器１０が配置されている（図１も参照のこと）。電力結合器１０は、例えば一般的な９０度ハイブリッド又は１８０度ハイブリッドとして形成され得る。
【００２７】
複数のスイッチングステージ３が並列に接続されている場合、スイッチングステージ３を制御装置４によって同時に作動させることができる。それとは別の選択肢として、スイッチングステージ３を時間的にずらして、特に交互に作動させることが可能である。
【００２８】
並列接続とは別の選択肢として、スイッチングステージ３が複数の場合、スイッチングステージを図４に従って、ペアで直列に接続することができる（いわゆるトーテムポール配置）。この場合、当該ペアは開始点１１を介して、負荷１に接続されている。開始点１１は、当該ペアの両方のスイッチングステージ３の間に配置されている。
【００２９】
図４によると、さらにバッファコンデンサ６のペアが１つ存在している。これらのバッファコンデンサは、スイッチングステージ３と同様に、直列に接続されている。両方のバッファコンデンサ６の間には、さらなる開始点１１’が配置されており、当該開始点を介して、バッファコンデンサ６の直列接続が同じく負荷１に接続されている。
【００３０】
図４の構成でも、スイッチングステージ３はそれぞれ電界効果トランジスタ５を有しており、当該電界効果トランジスタには、１つずつのフリーホイールダイオード９が逆向きに並列接続されている。図４に示されているのは、図２と同様に、内部のフリーホイールダイオード９である。図２と同様に、内部のフリーホイールダイオード９とは別の選択肢として、又は追加的に、外部のフリーホイールダイオード９’が存在していても良い。外部のフリーホイールダイオード９’は、図４では破線で示されている。
【００３１】
図３と同様に、複数のペアが存在していても良い。当該ペアは互いに並列接続されている。この構成は図示されていない。この場合、図３と同様に、電力結合器が存在しており、当該電力結合器は、開始点１１、１１’と負荷１との間に配置されている。電力結合器は、図３と同様に構成され得る。さらに図３と同様に、この場合、当該ペアは制御装置４によって、同時又は時間的にずらされて、特に交互に、作動され得る。
【００３２】
再び、直列接続とは別の選択肢として、図５に従って、２つのスイッチングステージ３を、サークロトロンのようなプッシュプル増幅器を形成するように組み合わせても良い。図５は、このようなプッシュプル増幅器の好ましい構成を示している。当該構成においては、プッシュプル増幅器のスイッチングステージ３は、（図２とは対照的に、物理的に存在する）インダクタンス１２を通じて接続されている。
【００３３】
図５の構成においても、スイッチングステージ３に前置されたバッファコンデンサ６が存在する。さらに、図５の構成においても、スイッチングステージ３は電界効果トランジスタ５を有しており、当該電界効果トランジスタには、フリーホイールダイオード９が逆向きに並列接続されている。フリーホイールダイオード９は、図５によると、内部のフリーホイールダイオードとして形成されている。それとは別の選択肢として、又は、それに加えて、外部のフリーホイールダイオード９’が存在していても良い。外部のフリーホイールダイオード９’は、図５では破線で示されている。
【００３４】
図３と同様に、サークロトロンのようなプッシュプル増幅器を複数、図５に示したように、互いに並列接続することも可能である。この場合もまた、電力結合器が設けられている。当該電力結合器は、プッシュプル増幅器と負荷１との間に配置されている。図３の構成と同様に、この場合、同時又は時間的にずらして（特に交互に）、プッシュプル増幅器を動作させることができる。
【００３５】
図６では再び、単独のスイッチングステージ３を、分離して、すなわち付属する回路を伴わずに示している。図６に関する以下の説明は、図１から図５のスイッチングステージ３のそれぞれに有効である。
【００３６】
図６によると、各電界効果トランジスタ５は、カットオフ周波数ｆＧを有している。電界効果トランジスタ５のカットオフ周波数ｆＧは、当該電界効果トランジスタが、その周波数までは最大限に動作できる周波数である。各電界効果トランジスタ５が、比較的大きな周波数を切り替えることはもはや不可能である。カットオフ周波数ｆＧは、電界効果トランジスタ５に制御装置４によって供給される制御信号Ｓが正弦波であり、カットオフ周波数ｆＧを有する場合に、制御信号Ｓのレベル変化に対応する電界効果トランジスタ５の出力信号のレベル変化が、６３％（＝１−１／ｅ、ｅ＝オイラー数＝２．７１８…）まででのみ生じることによって決定されている。この場合、１００％と表記されるのは、制御信号Ｓの低周波での変化、さもなければ均質な変化に際して生じる、出力信号の対応するレベル変化である。
【００３７】
さらに、スイッチングステージ３のフリーホイールダイオード９、９’にも当てはまるが、各ダイオードは、回復時間Ｔを有している。回復時間Ｔは、ダイオードが伝導状態にあるという前提において、順方向に向けられた電圧がターンオフされた後から、ダイオード９のｐｎ接合の電荷が再び乏しくなるまで、すなわち、ｐｎ接合が再び形成されるまでの時間である。当該回復時間Ｔは、先行技術では一般的に、切替時間、逆方向回復時間、又は遮断回復時間とも表記される。英語では一般的に逆方向回復時間（ｒｅｖｅｒｓｅ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｔｉｍｅ）という概念が用いられ、ｔｒｒと略される。
【００３８】
本発明によると、各スイッチングステージ３に関して、電界効果トランジスタ５と、フリーホイールダイオード９（又は９’）は、互いに調整されており、それによって、フリーホイールダイオード９、９’の回復時間Ｔは、少なくとも概ね、電界効果トランジスタ５のカットオフ周波数ｆＧの逆数に対応している。すなわち、少なくとも概ね、以下の関係が有効である。
【００３９】
Ｔ＝１／ｆＧ または ｆＧ・Ｔ＝１
【００４０】
前記関係は、各電界効果トランジスタ５に逆向きに並列接続された全てのフリーホイールダイオード９、９’に適用される。
【００４１】
前記関係からの些少の逸脱は許容されている。しかしながら、少なくとも上方（すなわち、回復時間Ｔがより長くなる方向）へ３倍は（２倍のほうが良いが）、超過しない方が良い。
【００４２】
前記関係を満たすための方法は、必要に応じて選択され得る。例えば、図６に係る電界効果トランジスタ５は、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）として形成され得る。接合型電界効果トランジスタは、特にいわゆるＭＥＳＦＥＴを含む。接合型電界効果トランジスタは、極端に回復時間Ｔが短い内部のフリーホイールダイオード９を有しているか、内部のフリーホイールダイオードを全く有していない。最初に挙げた場合では、内部のフリーホイールダイオード９は、本発明に基づいて利用可能である。２番目に挙げた場合では、十分に高速な外部のフリーホイールダイオード９’を用いなければならない。電界効果トランジスタ５及び／又はフリーホイールダイオード９、９’のための半導体材料として、好ましくは炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）が用いられる。
【００４３】
上記で、図６に関連して説明したスイッチングステージ３の構成に基づいて、制御装置４がスイッチングステージ３を少なくとも一時的に作動させ、不整合によって出力がスイッチングステージ３に反射して戻ってくることが可能である。なぜなら、フリーホイールダイオード９、９’が存在するので、反射した出力は、直流電圧側（すなわち直流電圧源２に向かって）に戻るように供給されるからである。それにもかかわらず、フリーホイールダイオード９、９’の回復時間Ｔが極端に短いので、フリーホイールダイオード９、９’が短絡する危険は生じない。短絡は、電源装置の破損につながり得るものである。
【００４４】
出力は、例えば負荷１から反射して戻ってくることができる。このような出力反射の原因として考えられるのは、スイッチングステージ３と負荷１との間に、このような出力反射の回避に用いられる整合回路が配置されていないことである。ただし、別の選択肢として、このような整合回路を１つ設けても良い。しかしながら、この場合、負荷１のいくつかの動作状態において、特に出力の反射が生じ得る。それとは別の選択肢として、又は、それに加えて、電力結合器、例えば図３の電力結合器１０が存在する場合、そこで出力が反射され得る。ここでも、出力反射は同じ原因を有している。すなわち、整合回路の欠如、又は、いくつかの動作状態における整合回路の不完全な作用である。
【００４５】
整合回路が存在するにもかかわらず、出力がスイッチングステージ３に反射して戻される場合は、特に、負荷１が制御装置４によってスイッチングステージ３を通じてパルスを与えられて、直流電圧源２に接続されるときに生じる。パルス接続は、図２において象徴的に示されている。パルス接続は、自明のことながら、図３、図４、図５の構成において、並びに、複数のペアの並列接続、及び、複数のサークロトロンのようなプッシュプル増幅器の並列接続においても可能である。
【００４６】
直流電圧源２は、必要に応じて形成され得る。一般的に、図１に係る直流電圧源２は、ネットワークから供給を受ける整流器１３を有している。さらに、整流器１３とスイッチングステージ３との間には、一般的に、複数のバッファコンデンサ１４が配置されている。ネットワークから供給を受ける整流器１３に直接後置されているバッファコンデンサ１４は、図２から図５のバッファコンデンサ６と同一であっても良い。別の選択肢として、追加的なコンデンサが関連する。
【００４７】
負荷１も同様に、必要に応じて形成され得る。図１によると、負荷１は、粒子加速器（特に線形加速器）の空洞共振器として形成されている。
【００４８】
本発明は、多くの利点を有している。特に、出力密度と全出力とが大きい電源装置を製造することが可能である。
【００４９】
上記の記載は、専ら本発明の解説に用いられる。これに対して、本発明の権利範囲は、専ら添付の請求項によって決定されるべきである。
【符号の説明】
【００５０】
１ 負荷
２ 直流電圧源
３ スイッチングステージ
４ 制御装置
５ 電界効果トランジスタ
６、１４ バッファコンデンサ
７ 導線
８、１２ インダクタンス
９、９’ フリーホイールダイオード
１０ 電力結合器
１１、１１’ 開始点
１３ 整流器
ｆＧ カットオフ周波数
Ｓ 制御信号
Ｔ 回復時間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷（１）のための電源装置であって、
前記電源装置は、直流電圧源（２）と、複数のスイッチングステージ（３）と、制御装置（４）と、を備えており、
前記スイッチングステージ（３）は、前記直流電圧源（２）と、前記負荷（１）と、前記制御装置（４）と、に接続され、前記負荷（１）は、前記制御装置（４）による前記スイッチングステージ（３）の対応する作動に基づいて、前記直流電圧源（２）に接続可能であり、
前記スイッチングステージ（３）は、それぞれ電界効果トランジスタ（５）と、各電界効果トランジスタ（５）に逆向きに並列接続された複数のフリーホイールダイオード（９、９’）と、を有しており、
前記電界効果トランジスタ（５）は、カットオフ周波数（ｆＧ）を有し、前記電界効果トランジスタは、前記カットオフ周波数までは最大限に動作可能であり、
各フリーホイールダイオード（９、９’）は、回復時間（Ｔ）を有している電源装置において、
各スイッチングステージ（３）に関して、各電界効果トランジスタ（５）に逆向きに並列接続された全てのフリーホイールダイオード（９、９’）の回復時間（Ｔ）が、各電界効果トランジスタ（５）の前記カットオフ周波数（ｆＧ）の逆数に、少なくとも略一致していること、及び、
前記制御装置（４）が、前記スイッチングステージ（３）を、少なくとも一時的に作動させ、不整合によって出力が前記スイッチングステージ（３）に反射して戻ってくること、
を特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記スイッチングステージ（３）と前記負荷（１）との間には、不整合を回避するための整合回路が配置されていないことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記電界効果トランジスタ（５）は、接合型電界効果トランジスタとして形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記電界効果トランジスタ（５）及び／又は前記フリーホイールダイオード（９、９’）のための半導体材料として、炭化ケイ素又は窒化ガリウムが用いられることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電源装置。
【請求項５】
複数の前記スイッチングステージ（３）の内少なくとも１つについて、各電界効果トランジスタ（５）に逆向きに並列接続された複数のフリーホイールダイオード（９、９’）の内１つが、各電界効果トランジスタ（５）に関連して、外部に配置されたフリーホイールダイオード（９’）として形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電源装置。
【請求項６】
複数の前記スイッチングステージ（３）の内の少なくとも１つについて、各電界効果トランジスタ（５）に逆向きに並列接続された複数のフリーホイールダイオード（９、９’）の内１つが、各電界効果トランジスタ（５）に組み込まれていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電源装置。
【請求項７】
前記スイッチングステージ（３）は、少なくとも部分的に並列に接続されており、前記並列接続されたスイッチングステージ（３）と前記負荷（１）との間には、電力結合器（１０）が配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電源装置。
【請求項８】
前記スイッチングステージ（３）は、少なくとも部分的に、ペアで直列に接続されており、前記ペアは、それぞれのペアの両方のスイッチングステージ（３）の間に配置された開始点（１１）を介して、前記負荷（１）に接続されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の電源装置。
【請求項９】
前記スイッチングステージ（３）は、少なくとも部分的にペアで、サークロトロン（Ｃｉｒｃｌｏｔｒｏｎ）のようなプッシュプル増幅器を形成するように組み合わされていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の電源装置。
【請求項１０】
前記負荷（１）が、前記制御装置（４）によって前記スイッチングステージ（３）を通じてパルスを与えられて、前記直流電圧源（２）に接続されることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の電源装置。
【請求項１１】
前記直流電圧源（２）は、ネットワークから供給を受ける整流器（１３）を有しており、前記整流器（１３）と前記スイッチングステージとの間には、複数のバッファコンデンサ（１４）が配置されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の電源装置。
【請求項１２】
前記負荷（１）が、粒子加速器の空洞共振器として形成されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の電源装置。
【請求項１】
負荷（１）のための電源装置であって、
前記電源装置は、直流電圧源（２）と、複数のスイッチングステージ（３）と、制御装置（４）と、を備えており、
前記スイッチングステージ（３）は、前記直流電圧源（２）と、前記負荷（１）と、前記制御装置（４）と、に接続され、前記負荷（１）は、前記制御装置（４）による前記スイッチングステージ（３）の対応する作動に基づいて、前記直流電圧源（２）に接続可能であり、
前記スイッチングステージ（３）は、それぞれ電界効果トランジスタ（５）と、各電界効果トランジスタ（５）に逆向きに並列接続された複数のフリーホイールダイオード（９、９’）と、を有しており、
前記電界効果トランジスタ（５）は、カットオフ周波数（ｆＧ）を有し、前記電界効果トランジスタは、前記カットオフ周波数までは最大限に動作可能であり、
各フリーホイールダイオード（９、９’）は、回復時間（Ｔ）を有している電源装置において、
各スイッチングステージ（３）に関して、各電界効果トランジスタ（５）に逆向きに並列接続された全てのフリーホイールダイオード（９、９’）の回復時間（Ｔ）が、各電界効果トランジスタ（５）の前記カットオフ周波数（ｆＧ）の逆数に、少なくとも略一致していること、及び、
前記制御装置（４）が、前記スイッチングステージ（３）を、少なくとも一時的に作動させ、不整合によって出力が前記スイッチングステージ（３）に反射して戻ってくること、
を特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記スイッチングステージ（３）と前記負荷（１）との間には、不整合を回避するための整合回路が配置されていないことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記電界効果トランジスタ（５）は、接合型電界効果トランジスタとして形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記電界効果トランジスタ（５）及び／又は前記フリーホイールダイオード（９、９’）のための半導体材料として、炭化ケイ素又は窒化ガリウムが用いられることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電源装置。
【請求項５】
複数の前記スイッチングステージ（３）の内少なくとも１つについて、各電界効果トランジスタ（５）に逆向きに並列接続された複数のフリーホイールダイオード（９、９’）の内１つが、各電界効果トランジスタ（５）に関連して、外部に配置されたフリーホイールダイオード（９’）として形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電源装置。
【請求項６】
複数の前記スイッチングステージ（３）の内の少なくとも１つについて、各電界効果トランジスタ（５）に逆向きに並列接続された複数のフリーホイールダイオード（９、９’）の内１つが、各電界効果トランジスタ（５）に組み込まれていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電源装置。
【請求項７】
前記スイッチングステージ（３）は、少なくとも部分的に並列に接続されており、前記並列接続されたスイッチングステージ（３）と前記負荷（１）との間には、電力結合器（１０）が配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電源装置。
【請求項８】
前記スイッチングステージ（３）は、少なくとも部分的に、ペアで直列に接続されており、前記ペアは、それぞれのペアの両方のスイッチングステージ（３）の間に配置された開始点（１１）を介して、前記負荷（１）に接続されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の電源装置。
【請求項９】
前記スイッチングステージ（３）は、少なくとも部分的にペアで、サークロトロン（Ｃｉｒｃｌｏｔｒｏｎ）のようなプッシュプル増幅器を形成するように組み合わされていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の電源装置。
【請求項１０】
前記負荷（１）が、前記制御装置（４）によって前記スイッチングステージ（３）を通じてパルスを与えられて、前記直流電圧源（２）に接続されることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の電源装置。
【請求項１１】
前記直流電圧源（２）は、ネットワークから供給を受ける整流器（１３）を有しており、前記整流器（１３）と前記スイッチングステージとの間には、複数のバッファコンデンサ（１４）が配置されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の電源装置。
【請求項１２】
前記負荷（１）が、粒子加速器の空洞共振器として形成されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の電源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２０１３−５２０９５２（Ｐ２０１３−５２０９５２Ａ）
【公表日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５５４２６０（Ｐ２０１２−５５４２６０）
【出願日】平成２３年１月３１日（２０１１．１．３１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１１／０５１２７８
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／１０１２２６
【国際公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【出願人】（５０８００８８６５）シーメンス アクティエンゲゼルシャフト (99)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月３１日（２０１１．１．３１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１１／０５１２７８
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／１０１２２６
【国際公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【出願人】（５０８００８８６５）シーメンス アクティエンゲゼルシャフト (99)
【Ｆターム（参考）】
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