コンデンサの充電器
【課題】負荷容量の変更やＬＣ回路定数の変動にもコンデンサを高い精度で安定して充電できる。
【解決手段】定常時には半導体スイッチ３をオン状態にしておき、半導体スイッチ１をオン・オフ動作させ、このオン期間には直流電源５からリアクトル２にパルス電圧を印加し、オフ期間にはダイオード４からリアクトル２に循環電流を流し、オン期間とオフ期間の比率に応じた値の定電流制御によってリアクトル２に電磁エネルギーを蓄積しておき、スイッチ３のオフ制御でリアクトルから逆流阻止用ダイオード８を通してコンデンサに充電電流を流す。このチョッパ制御には、チョッパ制御器６は電流検出器７で検出するリアクトルの電流値が設定値に制御されるよう半導体スイッチ１のオン・オフ比率（チョッパの導通率）を制御する。
【解決手段】定常時には半導体スイッチ３をオン状態にしておき、半導体スイッチ１をオン・オフ動作させ、このオン期間には直流電源５からリアクトル２にパルス電圧を印加し、オフ期間にはダイオード４からリアクトル２に循環電流を流し、オン期間とオフ期間の比率に応じた値の定電流制御によってリアクトル２に電磁エネルギーを蓄積しておき、スイッチ３のオフ制御でリアクトルから逆流阻止用ダイオード８を通してコンデンサに充電電流を流す。このチョッパ制御には、チョッパ制御器６は電流検出器７で検出するリアクトルの電流値が設定値に制御されるよう半導体スイッチ１のオン・オフ比率（チョッパの導通率）を制御する。
【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圧・大電流のパルスを負荷に供給するパルス電源において、電力用コンデンサを目標電圧まで充電するコンデンサの充電器に関する。
【背景技術】
【０００２】
エキシマレーザーやオゾナイザ等の電源として利用されるパルス電源は、電力用コンデンサを充電器によって初期充電しておき、半導体スイッチによる導通制御によって該コンデンサからパルス電流として放電し、このパルス電流を磁気パルス圧縮回路で狭幅のパルス電流に圧縮してレーザヘッド等の負荷に高電圧パルスを印加する。
【０００３】
上記の充電器は、電力用コンデンサを高い繰り返しで充電でき、しかも高い充電電圧精度が要求される。コンデンサの充電方式として、リアクトルＬとコンデンサＣのＬＣ共振動作によって、コンデンサを決められた時間内で充電電圧指令値まで充電するＬＣ共振方式がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
上記の方式では、ＬＣ共振を利用してコンデンサを充電するため、負荷容量を変更するとリアクトルＬやコンデンサＣの回路定数もそれに応じて変更するが、変更したリアクトルＬやコンデンサＣが設計通りのものでない場合には、コンデンサの充電電圧精度が悪くなる。また、コンデンサＣは経年変化や温度変化で容量が変動することが多く、この容量変動によって充電電圧精度が低下する。
【０００５】
このような問題を解決する方式として、ＬＣ共振回路のリアクトルＬに流す短絡電流を、リアクトルＬおよびコンデンサＣの容量を基に決定する充電器がある（例えば、特許文献２参照）。この場合の充電目標電圧Ｖとコンデンサ容量ＣとリアクトルＬと電流ｉの関係を式１に示す。式１の通り、コンデンサＣ等の回路定数変動にも、式１で設定した電流ｉにリアクトルＬの短絡電流が一致したときに、リアクトルＬからコンデンサＣに半周期の振動電流を流し、充電目標電圧Ｖを得る。
［数］ ｉ＝（Ｃ／Ｌ）1/2×Ｖ …式１
特許文献２では、電流ｉの制御によって、コンデンサＣを目標充電電圧よりも少し高い電圧まで粗充電し、この後にコンデンサＣに並列のスイッチと放電抵抗を通した放電制御によってコンデンサ電圧を目標電圧まで微調整放電させる方式も提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１１７７６６号公報
【特許文献２】特開２００７−３７２０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２では、リアクトルＬに流す短絡電流が設定値ｉに達したときに、ＬＣ振動電流によってコンデンサ電圧を目標電圧まで充電する。この場合、リアクトルＬに流れる短絡電流は、急峻に上昇するため、リアクトルＬに直列に設けた電流検出器による短絡電流検出遅れや検出電流が設定値ｉに達したことの判定遅れによって充電開始電流が不安定なものになり、コンデンサの充電電圧精度の低下になる。
【０００８】
このため、特許文献２では粗充電と微調整放電の２段階の制御により充電電圧精度を高める方式も提案しているが、粗充電電圧自体が不安定であるため、粗充電電圧を目標値よりも充分に高い値に制御し、この電圧から目標電圧に向けて微調整放電することになり、これでは微調整放電制御による電圧制御精度の低下と微調整制御遅れが発生し、高い繰り返しで高い精度の充電制御が難しくなる。
【０００９】
本発明の目的は、負荷容量の変更やＬＣ回路定数の変動にもコンデンサを高い精度で安定して充電できるコンデンサの充電器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、前記の課題を解決するため、リアクトルＬに流す電流を半導体スイッチのチョッパ動作で定電流制御する昇圧チョッパ回路を設け、コンデンサの充電時にリアクトルＬからコンデンサＣにエネルギーを移行させてコンデンサＣを目標電圧まで充電するもので、以下の構成を特徴とする。
【００１１】
（１）電力用コンデンサを目標電圧まで充電するコンデンサの充電器であって、
昇圧チョッパ回路は、直流電源からリアクトルにオン・オフ電圧を繰り返し印加する第１の半導体スイッチと、前記リアクトルの一端になる前記オン・オフ電圧入力端と基準電位間に設けたフライホイールダイオードと、前記リアクトルの他端になる電流出力端と基準電位間を短絡できる第２の半導体スイッチと、前記第２の半導体スイッチがオフされた時に前記リアクトルの電流出力端から前記電力用コンデンサに充電電流を流す逆流阻止用ダイオードを備え、
前記第２の半導体スイッチをオン制御しておき、前記第１の半導体スイッチのオン期間とオフ期間の比率を前記リアクトルに流す定電流設定値に応じてチョッパ制御器で制御し、この後に前記第２の半導体スイッチのオフ制御によって前記リアクトルから前記逆流阻止用ダイオードを通して前記コンデンサに充電電流を流すチョッパ制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１２】
（２）前記昇圧チョッパ回路は、粗充電用昇圧チョッパ回路と微調整充電用昇圧チョッパ回路を並列に設け、
前記粗充電用昇圧チョッパ回路は、前記チョッパ制御手段によって、前記コンデンサを目標充電電圧以下でその近くまで比較的大きい電流で急速に充電制御し、
前記微調整充電用昇圧チョッパ回路は、前記チョッパ制御手段によって、粗充電された前記コンデンサを比較的小さい電流で目標充電電圧まで充電制御することを特徴とする。
【００１３】
（３）前記昇圧チョッパ回路は、粗充電用昇圧チョッパ回路と微調整充電用昇圧チョッパ回路を並列に設け、
前記粗充電用昇圧チョッパ回路は、直流電源から前記リアクトルに直接接続し、前記チョッパ制御手段は、前記第２の半導体スイッチを設定時間だけオン制御して前記コンデンサを目標充電電圧以下でその近くまで比較的大きい電流で急速に充電制御し、
前記微調整充電用昇圧チョッパ回路は、前記チョッパ制御手段によって、粗充電された前記コンデンサを比較的小さい電流で目標充電電圧まで充電制御することを特徴とする。
【００１４】
（４）前記チョッパ制御手段による前記リアクトルの定電流制御は、以下の式に従って制御し、
Ｖ＝（１／Ｃ）・Ｉ・Ｔ
ただし、Ｖ：充電目標電圧、Ｃ：コンデンサ容量、Ｉ：定電流設定値、Ｔ：第２の半導体スイッチのオフ時間
前記オフ時間Ｔまたは定電流設定値Ｉは、コンデンサ容量Ｃの変動を検出または測定してそれに応じて自動補正することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
以上のとおり、本発明によれば、リアクトルＬに流す電流を半導体スイッチのチョッパ動作で定電流制御する昇圧チョッパ回路を設け、コンデンサの充電時にリアクトルＬからコンデンサＣにエネルギーを移行させてコンデンサＣを目標電圧まで充電するため、負荷容量の変更やＬＣ回路定数の変動にもコンデンサを高い精度で安定して充電できる。
【００１６】
さらに、粗充電用昇圧チョッパ回路によってコンデンサを目標充電電圧以下でその近くまで比較的大きい電流で急速に充電制御し、微調整充電用昇圧チョッパ回路によって粗充電されたコンデンサを比較的小さい電流で目標充電電圧まで充電制御することにより、充電時間は多少長くなるが、充電電圧精度を一層高くすることができる。
【００１７】
また、粗充電用昇圧チョッパ回路は、直流電源からリアクトルに直接に短絡電流を流し、コンデンサを目標充電電圧近くまで急速充電することにより、粗充電用昇圧チョッパ回路と微調整充電用昇圧チョッパ回路を並列に設ける場合にも、コストダウンとコンパクト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態１を示す回路構成図。
【図２】実施形態１のタイムチャート。
【図３】本発明の実施形態２を示す回路構成図。
【図４】実施形態２のタイムチャート。
【図５】本発明の実施形態３を示す回路構成図。
【図６】実施形態３のタイムチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態を示す回路構成図であり、この回路のタイムチャートを図２に示す。
【００２０】
半導体スイッチ１とリアクトル２と半導体スイッチ３およびフライホイールダイオード４は昇圧チョッパ回路を構成する。この昇圧チョッパ回路のチョッパ制御は、定常時には半導体スイッチ３をオン状態にしておき、半導体スイッチ１を一定の周波数でオン・オフ制御し、このオン期間には直流電源５からリアクトル２にパルス電圧を印加し、オフ期間にはダイオード４からリアクトル２に循環電流を流し、オン期間とオフ期間の比率に応じた値の定電流制御でリアクトル２に電磁エネルギーを蓄積しておく。このチョッパ制御には、チョッパ制御器６は電流検出器７で検出するリアクトルの電流値が設定値に制御されるよう半導体スイッチ１のオン・オフ比率（チョッパの導通率）を制御する。
【００２１】
半導体スイッチ３の両端に、逆流阻止用ダイオード８と充電制御対象となるコンデンサ９の直列回路を並列接続で設ける。また、放電用の半導体スイッチ１０のオンによってコンデンサ９から磁気パルス圧縮回路および負荷１１へのパルス放電を可能にする。
【００２２】
以上の構成による昇圧チョッパ回路によるコンデンサ９の充電動作を図２を参照して説明する。まず、半導体スイッチ３をオン制御しておき、チョッパ制御器６が半導体スイッチ１を数ｋ〜十ｋＨｚの周波数でオン・オフ比率を制御し、矢印Ａの経路で設定値に一致させた定電流制御を行ない、リアクトル２にエネルギーを蓄積させる。
【００２３】
次に、半導体スイッチ３を一定時間だけオフしたとき（図２の時刻ｔ１〜ｔ２）、回路には矢印Ｂの経路で電流が流れ、リアクトル２に蓄えられたエネルギーはダイオード８を通してコンデンサ９へ移行し、コンデンサ９が充電される。その後、半導体スイッチ１０をオンさせたとき（図２の時刻ｔ３）、コンデンサ９に蓄積されたエネルギーを磁気パルス圧縮回路および負荷１１に放電し、負荷（レーザヘッド）に必要なパルスエネルギーが転送される。
【００２４】
コンデンサ９が充電された後は次の充電のため半導体スイッチ３をオンさせる（図２の時刻ｔ２）。半導体スイッチ３とコンデンサ９の間にあるダイオード８は半導体スイッチ３とコンデンサ９の電圧の差をブロックすることである。
【００２５】
コンデンサ９の充電電圧は、電流設定値と半導体スイッチ３のオフ時間Ｔ（時刻ｔ１〜ｔ２）で決定される。このオフ時間Ｔと電流設定値は、例えば、下記の式２を基に予め求めて設定しておく。なお、オフ時間Ｔまたは定電流設定値Ｉは、コンデンサ容量Ｃの変動を検出または測定してそれに応じて自動補正することで、充電電圧精度の低下を無くすことができる。
［数］ Ｖ＝（１／Ｃ）・Ｉ・Ｔ …式２
Ｖ：充電目標電圧、Ｃ：コンデンサ容量、Ｉ：定電流設定値（リアクトルＬに流す定電流値）、Ｔ：半導体スイッチ３のオフ時間（コンデンサＣに電流が流入する時間）
以上のように、本実施形態１によるコンデンサの充電は、リアクトル２に流す電流を半導体スイッチ１のチョッパ動作で定電流制御する昇圧チョッパ回路を設け、リアクトル２に蓄積するエネルギーを設定値に制御しておき、コンデンサ９の充電タイミングでリアクトル２からコンデンサ９にエネルギーを移行させてコンデンサ９を目標電圧まで充電する。したがって、本実施形態では、リアクトル２には、従来の短絡電流を基にした充電タイミング制御を不要にし、チョッパ動作による定電流の精度を高めることによってコンデンサを高い電圧精度で安定して充電できる。
【００２６】
（実施形態２）
図３は本実施形態２の回路構成図であり、この回路のタイムチャートを図４に示す。本実施形態は、基本的には実施形態１の回路を２台並列に設け、一方を粗充電用とし、他方を微調整充電用とする。粗充電用の昇圧チョッパ回路は充電対象とするコンデンサを目標充電電圧以下でその近くまで比較的大きい電流で急速に充電し、微調整充電用の昇圧チョッパ回路は粗充電されたコンデンサを比較的小さい電流で目標充電電圧まで充電する。
【００２７】
図３において、導体スイッチ３と３Ａをオンし、チョッパ制御器６と６Ａがそれぞれの設定値ＩとＩＡの電流を半導体スイッチ１，１Ａを数ｋ〜十ｋＨｚの周波数でオン・オフ制御し、矢印Ａ，ＡＡの経路でそれぞれ設定値Ｉ，ＩＡに一致させた定電流でリアクトル２，２Ａにエネルギーを蓄積させる。
【００２８】
次に、半導体スイッチ３を一定時間だけオフし（図４の時刻ｔ１〜ｔ２）、粗充電回路には矢印Ｂの経路で電流を流し、リアクトル２に蓄えられたエネルギーをダイオード８を通してコンデンサ９へ移行し、コンデンサ９を急速に粗充電する。その後、半導体スイッチ３Ａを一定時間だけオフし（図４の時刻ｔ３〜ｔ４）、微調整充電回路には矢印ＢＡの経路で電流を流し、リアクトル２Ａに蓄えられたエネルギーはダイオード８Ａを通してコンデンサ９へ移行し、コンデンサ９を微調整充電する。
【００２９】
その後、半導体スイッチ１０をオンしたとき（図４の時刻ｔ５）、コンデンサ９に蓄積されたエネルギーを磁気パルス圧縮回路および負荷１１に放電し、負荷（レーザヘッド）に必要なパルスエネルギーが転送される。
【００３０】
本実施形態２によれば、粗充電によってコンデンサを目標電圧近くまで急速に充電し、この後に微調整充電によってコンデンサを目標電圧まで充電するため、実施形態１に比べて充電時間は多少長くなるが、充電電圧精度を一層高くすることができる。
【００３１】
（実施形態３）
図５は本実施形態３の回路構成図であり、この回路のタイムチャートを図６に示す。本実施形態は、実施形態２における粗充電回路の半導体スイッチ１とダイオード４、チョッパ制御器６と電流検出器７を取り除き、リアクトル２半導体スイッチ３およびダイオード８で構成する昇圧チョッパによってコンデンサ９を粗充電する。
【００３２】
図５において、半導体スイッチ３Ａをオンし、半導体スイッチ１Ａを数ｋ〜十ｋＨｚの周波数でオン・オフし、矢印ＡＡにはリアクトル２Ａに微調整充電を流し、リアクトル２Ａにエネルギーを蓄積させる。次に、半導体スイッチ３Ａを設定時間だけオン制御し、リアクトル２に設定時間だけ短絡電流を流してリアクトル２にエネルギーを蓄積させる。その後、半導体スイッチ３をオフすると粗充電回路には矢印Ｂの経路で電流が流れ、リアクトル２に蓄えられたエネルギーはコンデンサ９へ移行し、コンデンサ９が目標電圧以下でその近くまで充電される。その後、半導体スイッチ３Ａをオフすると、微調整充電回路には矢印ＢＡの経路で電流が流れ、リアクトル２Ａに蓄えられたエネルギーはコンデンサ９へ移行し、コンデンサ９が微調整充電される。半導体スイッチ１０をオンすることで、コンデンサ９に蓄積されたエネルギーを負荷側に放電する。
【００３３】
本実施形態によれば、粗充電回路は従来の昇圧チョッパ方式とするため、リアクトル２を定電流制御するための半導体スイッチ１やチョッパ制御器６を省略でき、実施形態２に比べてコストダウンとコンパクト化を図ることができる。なお、コンデンサ９が粗調整充電されたときの電圧変動分は、コンデンサの粗充電電圧検出によって、微調整充電回路における微調整充電での前記の式２における設定値Ｉまたは充電時間Ｔの補正をすることで、充電電圧精度を確保できる。
【符号の説明】
【００３４】
１，１Ａ 第１の半導体スイッチ
２，２Ａ リアクトル
３，３Ａ 第２の半導体スイッチ
４，４Ａ フライホイールダイオード
５ 直流電源
６，６Ａ チョッパ制御器
７，７Ａ 電流検出器
８，８Ａ 逆流阻止用ダイオード
９ コンデンサ
１０ 放電用半導体スイッチ
１１ 磁気パルス圧縮回路および負荷
【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圧・大電流のパルスを負荷に供給するパルス電源において、電力用コンデンサを目標電圧まで充電するコンデンサの充電器に関する。
【背景技術】
【０００２】
エキシマレーザーやオゾナイザ等の電源として利用されるパルス電源は、電力用コンデンサを充電器によって初期充電しておき、半導体スイッチによる導通制御によって該コンデンサからパルス電流として放電し、このパルス電流を磁気パルス圧縮回路で狭幅のパルス電流に圧縮してレーザヘッド等の負荷に高電圧パルスを印加する。
【０００３】
上記の充電器は、電力用コンデンサを高い繰り返しで充電でき、しかも高い充電電圧精度が要求される。コンデンサの充電方式として、リアクトルＬとコンデンサＣのＬＣ共振動作によって、コンデンサを決められた時間内で充電電圧指令値まで充電するＬＣ共振方式がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
上記の方式では、ＬＣ共振を利用してコンデンサを充電するため、負荷容量を変更するとリアクトルＬやコンデンサＣの回路定数もそれに応じて変更するが、変更したリアクトルＬやコンデンサＣが設計通りのものでない場合には、コンデンサの充電電圧精度が悪くなる。また、コンデンサＣは経年変化や温度変化で容量が変動することが多く、この容量変動によって充電電圧精度が低下する。
【０００５】
このような問題を解決する方式として、ＬＣ共振回路のリアクトルＬに流す短絡電流を、リアクトルＬおよびコンデンサＣの容量を基に決定する充電器がある（例えば、特許文献２参照）。この場合の充電目標電圧Ｖとコンデンサ容量ＣとリアクトルＬと電流ｉの関係を式１に示す。式１の通り、コンデンサＣ等の回路定数変動にも、式１で設定した電流ｉにリアクトルＬの短絡電流が一致したときに、リアクトルＬからコンデンサＣに半周期の振動電流を流し、充電目標電圧Ｖを得る。
［数］ ｉ＝（Ｃ／Ｌ）1/2×Ｖ …式１
特許文献２では、電流ｉの制御によって、コンデンサＣを目標充電電圧よりも少し高い電圧まで粗充電し、この後にコンデンサＣに並列のスイッチと放電抵抗を通した放電制御によってコンデンサ電圧を目標電圧まで微調整放電させる方式も提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１１７７６６号公報
【特許文献２】特開２００７−３７２０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２では、リアクトルＬに流す短絡電流が設定値ｉに達したときに、ＬＣ振動電流によってコンデンサ電圧を目標電圧まで充電する。この場合、リアクトルＬに流れる短絡電流は、急峻に上昇するため、リアクトルＬに直列に設けた電流検出器による短絡電流検出遅れや検出電流が設定値ｉに達したことの判定遅れによって充電開始電流が不安定なものになり、コンデンサの充電電圧精度の低下になる。
【０００８】
このため、特許文献２では粗充電と微調整放電の２段階の制御により充電電圧精度を高める方式も提案しているが、粗充電電圧自体が不安定であるため、粗充電電圧を目標値よりも充分に高い値に制御し、この電圧から目標電圧に向けて微調整放電することになり、これでは微調整放電制御による電圧制御精度の低下と微調整制御遅れが発生し、高い繰り返しで高い精度の充電制御が難しくなる。
【０００９】
本発明の目的は、負荷容量の変更やＬＣ回路定数の変動にもコンデンサを高い精度で安定して充電できるコンデンサの充電器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、前記の課題を解決するため、リアクトルＬに流す電流を半導体スイッチのチョッパ動作で定電流制御する昇圧チョッパ回路を設け、コンデンサの充電時にリアクトルＬからコンデンサＣにエネルギーを移行させてコンデンサＣを目標電圧まで充電するもので、以下の構成を特徴とする。
【００１１】
（１）電力用コンデンサを目標電圧まで充電するコンデンサの充電器であって、
昇圧チョッパ回路は、直流電源からリアクトルにオン・オフ電圧を繰り返し印加する第１の半導体スイッチと、前記リアクトルの一端になる前記オン・オフ電圧入力端と基準電位間に設けたフライホイールダイオードと、前記リアクトルの他端になる電流出力端と基準電位間を短絡できる第２の半導体スイッチと、前記第２の半導体スイッチがオフされた時に前記リアクトルの電流出力端から前記電力用コンデンサに充電電流を流す逆流阻止用ダイオードを備え、
前記第２の半導体スイッチをオン制御しておき、前記第１の半導体スイッチのオン期間とオフ期間の比率を前記リアクトルに流す定電流設定値に応じてチョッパ制御器で制御し、この後に前記第２の半導体スイッチのオフ制御によって前記リアクトルから前記逆流阻止用ダイオードを通して前記コンデンサに充電電流を流すチョッパ制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１２】
（２）前記昇圧チョッパ回路は、粗充電用昇圧チョッパ回路と微調整充電用昇圧チョッパ回路を並列に設け、
前記粗充電用昇圧チョッパ回路は、前記チョッパ制御手段によって、前記コンデンサを目標充電電圧以下でその近くまで比較的大きい電流で急速に充電制御し、
前記微調整充電用昇圧チョッパ回路は、前記チョッパ制御手段によって、粗充電された前記コンデンサを比較的小さい電流で目標充電電圧まで充電制御することを特徴とする。
【００１３】
（３）前記昇圧チョッパ回路は、粗充電用昇圧チョッパ回路と微調整充電用昇圧チョッパ回路を並列に設け、
前記粗充電用昇圧チョッパ回路は、直流電源から前記リアクトルに直接接続し、前記チョッパ制御手段は、前記第２の半導体スイッチを設定時間だけオン制御して前記コンデンサを目標充電電圧以下でその近くまで比較的大きい電流で急速に充電制御し、
前記微調整充電用昇圧チョッパ回路は、前記チョッパ制御手段によって、粗充電された前記コンデンサを比較的小さい電流で目標充電電圧まで充電制御することを特徴とする。
【００１４】
（４）前記チョッパ制御手段による前記リアクトルの定電流制御は、以下の式に従って制御し、
Ｖ＝（１／Ｃ）・Ｉ・Ｔ
ただし、Ｖ：充電目標電圧、Ｃ：コンデンサ容量、Ｉ：定電流設定値、Ｔ：第２の半導体スイッチのオフ時間
前記オフ時間Ｔまたは定電流設定値Ｉは、コンデンサ容量Ｃの変動を検出または測定してそれに応じて自動補正することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
以上のとおり、本発明によれば、リアクトルＬに流す電流を半導体スイッチのチョッパ動作で定電流制御する昇圧チョッパ回路を設け、コンデンサの充電時にリアクトルＬからコンデンサＣにエネルギーを移行させてコンデンサＣを目標電圧まで充電するため、負荷容量の変更やＬＣ回路定数の変動にもコンデンサを高い精度で安定して充電できる。
【００１６】
さらに、粗充電用昇圧チョッパ回路によってコンデンサを目標充電電圧以下でその近くまで比較的大きい電流で急速に充電制御し、微調整充電用昇圧チョッパ回路によって粗充電されたコンデンサを比較的小さい電流で目標充電電圧まで充電制御することにより、充電時間は多少長くなるが、充電電圧精度を一層高くすることができる。
【００１７】
また、粗充電用昇圧チョッパ回路は、直流電源からリアクトルに直接に短絡電流を流し、コンデンサを目標充電電圧近くまで急速充電することにより、粗充電用昇圧チョッパ回路と微調整充電用昇圧チョッパ回路を並列に設ける場合にも、コストダウンとコンパクト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態１を示す回路構成図。
【図２】実施形態１のタイムチャート。
【図３】本発明の実施形態２を示す回路構成図。
【図４】実施形態２のタイムチャート。
【図５】本発明の実施形態３を示す回路構成図。
【図６】実施形態３のタイムチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態を示す回路構成図であり、この回路のタイムチャートを図２に示す。
【００２０】
半導体スイッチ１とリアクトル２と半導体スイッチ３およびフライホイールダイオード４は昇圧チョッパ回路を構成する。この昇圧チョッパ回路のチョッパ制御は、定常時には半導体スイッチ３をオン状態にしておき、半導体スイッチ１を一定の周波数でオン・オフ制御し、このオン期間には直流電源５からリアクトル２にパルス電圧を印加し、オフ期間にはダイオード４からリアクトル２に循環電流を流し、オン期間とオフ期間の比率に応じた値の定電流制御でリアクトル２に電磁エネルギーを蓄積しておく。このチョッパ制御には、チョッパ制御器６は電流検出器７で検出するリアクトルの電流値が設定値に制御されるよう半導体スイッチ１のオン・オフ比率（チョッパの導通率）を制御する。
【００２１】
半導体スイッチ３の両端に、逆流阻止用ダイオード８と充電制御対象となるコンデンサ９の直列回路を並列接続で設ける。また、放電用の半導体スイッチ１０のオンによってコンデンサ９から磁気パルス圧縮回路および負荷１１へのパルス放電を可能にする。
【００２２】
以上の構成による昇圧チョッパ回路によるコンデンサ９の充電動作を図２を参照して説明する。まず、半導体スイッチ３をオン制御しておき、チョッパ制御器６が半導体スイッチ１を数ｋ〜十ｋＨｚの周波数でオン・オフ比率を制御し、矢印Ａの経路で設定値に一致させた定電流制御を行ない、リアクトル２にエネルギーを蓄積させる。
【００２３】
次に、半導体スイッチ３を一定時間だけオフしたとき（図２の時刻ｔ１〜ｔ２）、回路には矢印Ｂの経路で電流が流れ、リアクトル２に蓄えられたエネルギーはダイオード８を通してコンデンサ９へ移行し、コンデンサ９が充電される。その後、半導体スイッチ１０をオンさせたとき（図２の時刻ｔ３）、コンデンサ９に蓄積されたエネルギーを磁気パルス圧縮回路および負荷１１に放電し、負荷（レーザヘッド）に必要なパルスエネルギーが転送される。
【００２４】
コンデンサ９が充電された後は次の充電のため半導体スイッチ３をオンさせる（図２の時刻ｔ２）。半導体スイッチ３とコンデンサ９の間にあるダイオード８は半導体スイッチ３とコンデンサ９の電圧の差をブロックすることである。
【００２５】
コンデンサ９の充電電圧は、電流設定値と半導体スイッチ３のオフ時間Ｔ（時刻ｔ１〜ｔ２）で決定される。このオフ時間Ｔと電流設定値は、例えば、下記の式２を基に予め求めて設定しておく。なお、オフ時間Ｔまたは定電流設定値Ｉは、コンデンサ容量Ｃの変動を検出または測定してそれに応じて自動補正することで、充電電圧精度の低下を無くすことができる。
［数］ Ｖ＝（１／Ｃ）・Ｉ・Ｔ …式２
Ｖ：充電目標電圧、Ｃ：コンデンサ容量、Ｉ：定電流設定値（リアクトルＬに流す定電流値）、Ｔ：半導体スイッチ３のオフ時間（コンデンサＣに電流が流入する時間）
以上のように、本実施形態１によるコンデンサの充電は、リアクトル２に流す電流を半導体スイッチ１のチョッパ動作で定電流制御する昇圧チョッパ回路を設け、リアクトル２に蓄積するエネルギーを設定値に制御しておき、コンデンサ９の充電タイミングでリアクトル２からコンデンサ９にエネルギーを移行させてコンデンサ９を目標電圧まで充電する。したがって、本実施形態では、リアクトル２には、従来の短絡電流を基にした充電タイミング制御を不要にし、チョッパ動作による定電流の精度を高めることによってコンデンサを高い電圧精度で安定して充電できる。
【００２６】
（実施形態２）
図３は本実施形態２の回路構成図であり、この回路のタイムチャートを図４に示す。本実施形態は、基本的には実施形態１の回路を２台並列に設け、一方を粗充電用とし、他方を微調整充電用とする。粗充電用の昇圧チョッパ回路は充電対象とするコンデンサを目標充電電圧以下でその近くまで比較的大きい電流で急速に充電し、微調整充電用の昇圧チョッパ回路は粗充電されたコンデンサを比較的小さい電流で目標充電電圧まで充電する。
【００２７】
図３において、導体スイッチ３と３Ａをオンし、チョッパ制御器６と６Ａがそれぞれの設定値ＩとＩＡの電流を半導体スイッチ１，１Ａを数ｋ〜十ｋＨｚの周波数でオン・オフ制御し、矢印Ａ，ＡＡの経路でそれぞれ設定値Ｉ，ＩＡに一致させた定電流でリアクトル２，２Ａにエネルギーを蓄積させる。
【００２８】
次に、半導体スイッチ３を一定時間だけオフし（図４の時刻ｔ１〜ｔ２）、粗充電回路には矢印Ｂの経路で電流を流し、リアクトル２に蓄えられたエネルギーをダイオード８を通してコンデンサ９へ移行し、コンデンサ９を急速に粗充電する。その後、半導体スイッチ３Ａを一定時間だけオフし（図４の時刻ｔ３〜ｔ４）、微調整充電回路には矢印ＢＡの経路で電流を流し、リアクトル２Ａに蓄えられたエネルギーはダイオード８Ａを通してコンデンサ９へ移行し、コンデンサ９を微調整充電する。
【００２９】
その後、半導体スイッチ１０をオンしたとき（図４の時刻ｔ５）、コンデンサ９に蓄積されたエネルギーを磁気パルス圧縮回路および負荷１１に放電し、負荷（レーザヘッド）に必要なパルスエネルギーが転送される。
【００３０】
本実施形態２によれば、粗充電によってコンデンサを目標電圧近くまで急速に充電し、この後に微調整充電によってコンデンサを目標電圧まで充電するため、実施形態１に比べて充電時間は多少長くなるが、充電電圧精度を一層高くすることができる。
【００３１】
（実施形態３）
図５は本実施形態３の回路構成図であり、この回路のタイムチャートを図６に示す。本実施形態は、実施形態２における粗充電回路の半導体スイッチ１とダイオード４、チョッパ制御器６と電流検出器７を取り除き、リアクトル２半導体スイッチ３およびダイオード８で構成する昇圧チョッパによってコンデンサ９を粗充電する。
【００３２】
図５において、半導体スイッチ３Ａをオンし、半導体スイッチ１Ａを数ｋ〜十ｋＨｚの周波数でオン・オフし、矢印ＡＡにはリアクトル２Ａに微調整充電を流し、リアクトル２Ａにエネルギーを蓄積させる。次に、半導体スイッチ３Ａを設定時間だけオン制御し、リアクトル２に設定時間だけ短絡電流を流してリアクトル２にエネルギーを蓄積させる。その後、半導体スイッチ３をオフすると粗充電回路には矢印Ｂの経路で電流が流れ、リアクトル２に蓄えられたエネルギーはコンデンサ９へ移行し、コンデンサ９が目標電圧以下でその近くまで充電される。その後、半導体スイッチ３Ａをオフすると、微調整充電回路には矢印ＢＡの経路で電流が流れ、リアクトル２Ａに蓄えられたエネルギーはコンデンサ９へ移行し、コンデンサ９が微調整充電される。半導体スイッチ１０をオンすることで、コンデンサ９に蓄積されたエネルギーを負荷側に放電する。
【００３３】
本実施形態によれば、粗充電回路は従来の昇圧チョッパ方式とするため、リアクトル２を定電流制御するための半導体スイッチ１やチョッパ制御器６を省略でき、実施形態２に比べてコストダウンとコンパクト化を図ることができる。なお、コンデンサ９が粗調整充電されたときの電圧変動分は、コンデンサの粗充電電圧検出によって、微調整充電回路における微調整充電での前記の式２における設定値Ｉまたは充電時間Ｔの補正をすることで、充電電圧精度を確保できる。
【符号の説明】
【００３４】
１，１Ａ 第１の半導体スイッチ
２，２Ａ リアクトル
３，３Ａ 第２の半導体スイッチ
４，４Ａ フライホイールダイオード
５ 直流電源
６，６Ａ チョッパ制御器
７，７Ａ 電流検出器
８，８Ａ 逆流阻止用ダイオード
９ コンデンサ
１０ 放電用半導体スイッチ
１１ 磁気パルス圧縮回路および負荷
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用コンデンサを目標電圧まで充電するコンデンサの充電器であって、
昇圧チョッパ回路は、直流電源からリアクトルにオン・オフ電圧を繰り返し印加する第１の半導体スイッチと、前記リアクトルの一端になる前記オン・オフ電圧入力端と基準電位間に設けたフライホイールダイオードと、前記リアクトルの他端になる電流出力端と基準電位間を短絡できる第２の半導体スイッチと、前記第２の半導体スイッチがオフされた時に前記リアクトルの電流出力端から前記電力用コンデンサに充電電流を流す逆流阻止用ダイオードを備え、
前記第２の半導体スイッチをオン制御しておき、前記第１の半導体スイッチのオン・オフ比率を前記リアクトルに流す定電流設定値に応じてチョッパ制御器で制御し、この後に前記第２の半導体スイッチのオフ制御によって前記リアクトルから前記逆流阻止用ダイオードを通して前記コンデンサに充電電流を流すチョッパ制御手段を備えたことを特徴とするコンデンサの充電器。
【請求項２】
前記昇圧チョッパ回路は、粗充電用昇圧チョッパ回路と微調整充電用昇圧チョッパ回路を並列に設け、
前記粗充電用昇圧チョッパ回路は、前記チョッパ制御手段によって、前記コンデンサを目標充電電圧以下でその近くまで比較的大きい電流で急速に充電制御し、
前記微調整充電用昇圧チョッパ回路は、前記チョッパ制御手段によって、粗充電された前記コンデンサを比較的小さい電流で目標充電電圧まで充電制御することを特徴とする請求項１に記載のコンデンサの充電器。
【請求項３】
前記昇圧チョッパ回路は、粗充電用昇圧チョッパ回路と微調整充電用昇圧チョッパ回路を並列に設け、
前記粗充電用昇圧チョッパ回路は、直流電源から前記リアクトルに直接接続し、前記チョッパ制御手段は、前記第２の半導体スイッチを設定時間だけオン制御して前記コンデンサを目標充電電圧以下でその近くまで比較的大きい電流で急速に充電制御し、
前記微調整充電用昇圧チョッパ回路は、前記チョッパ制御手段によって、粗充電された前記コンデンサを比較的小さい電流で目標充電電圧まで充電制御することを特徴とする請求項１に記載のコンデンサの充電器。
【請求項４】
前記チョッパ制御手段による前記リアクトルの定電流制御は、以下の式に従って制御し、
Ｖ＝（１／Ｃ）・Ｉ・Ｔ
ただし、Ｖ：充電目標電圧、Ｃ：コンデンサ容量、Ｉ：定電流設定値、Ｔ：第２の半導体スイッチのオフ時間
前記オフ時間Ｔまたは定電流設定値Ｉは、コンデンサ容量Ｃの変動を検出または測定してそれに応じて自動補正することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のコンデンサの充電器。
【請求項１】
電力用コンデンサを目標電圧まで充電するコンデンサの充電器であって、
昇圧チョッパ回路は、直流電源からリアクトルにオン・オフ電圧を繰り返し印加する第１の半導体スイッチと、前記リアクトルの一端になる前記オン・オフ電圧入力端と基準電位間に設けたフライホイールダイオードと、前記リアクトルの他端になる電流出力端と基準電位間を短絡できる第２の半導体スイッチと、前記第２の半導体スイッチがオフされた時に前記リアクトルの電流出力端から前記電力用コンデンサに充電電流を流す逆流阻止用ダイオードを備え、
前記第２の半導体スイッチをオン制御しておき、前記第１の半導体スイッチのオン・オフ比率を前記リアクトルに流す定電流設定値に応じてチョッパ制御器で制御し、この後に前記第２の半導体スイッチのオフ制御によって前記リアクトルから前記逆流阻止用ダイオードを通して前記コンデンサに充電電流を流すチョッパ制御手段を備えたことを特徴とするコンデンサの充電器。
【請求項２】
前記昇圧チョッパ回路は、粗充電用昇圧チョッパ回路と微調整充電用昇圧チョッパ回路を並列に設け、
前記粗充電用昇圧チョッパ回路は、前記チョッパ制御手段によって、前記コンデンサを目標充電電圧以下でその近くまで比較的大きい電流で急速に充電制御し、
前記微調整充電用昇圧チョッパ回路は、前記チョッパ制御手段によって、粗充電された前記コンデンサを比較的小さい電流で目標充電電圧まで充電制御することを特徴とする請求項１に記載のコンデンサの充電器。
【請求項３】
前記昇圧チョッパ回路は、粗充電用昇圧チョッパ回路と微調整充電用昇圧チョッパ回路を並列に設け、
前記粗充電用昇圧チョッパ回路は、直流電源から前記リアクトルに直接接続し、前記チョッパ制御手段は、前記第２の半導体スイッチを設定時間だけオン制御して前記コンデンサを目標充電電圧以下でその近くまで比較的大きい電流で急速に充電制御し、
前記微調整充電用昇圧チョッパ回路は、前記チョッパ制御手段によって、粗充電された前記コンデンサを比較的小さい電流で目標充電電圧まで充電制御することを特徴とする請求項１に記載のコンデンサの充電器。
【請求項４】
前記チョッパ制御手段による前記リアクトルの定電流制御は、以下の式に従って制御し、
Ｖ＝（１／Ｃ）・Ｉ・Ｔ
ただし、Ｖ：充電目標電圧、Ｃ：コンデンサ容量、Ｉ：定電流設定値、Ｔ：第２の半導体スイッチのオフ時間
前記オフ時間Ｔまたは定電流設定値Ｉは、コンデンサ容量Ｃの変動を検出または測定してそれに応じて自動補正することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のコンデンサの充電器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−２７０６１（Ｐ２０１３−２７０６１Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５６１９４（Ｐ２０１１−１５６１９４）
【出願日】平成２３年７月１５日（２０１１．７．１５）
【出願人】（０００００６１０５）株式会社明電舎 (1,739)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１５日（２０１１．７．１５）
【出願人】（０００００６１０５）株式会社明電舎 (1,739)
【Ｆターム（参考）】
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