JP2002118976A - コンデンサの充電方法及び充電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 共振充電によってエネルギー蓄積コンデンサ
の２段階充電を可能にすることにより、低電力損失で高
速の充電を行うこと。 【解決手段】 電源から共振インダクタンスと共振キャ
パシタンスとの共振による共振電流を流して、エネルギ
ー蓄積コンデンサを予め決められた所定の電圧値まで充
電する第１の段階と、前記エネルギー蓄積コンデンサに
流れる共振電流を遮断すると同時に、前記共振インダク
タンスに蓄えられたエネルギーを循環させ保持する第２
の段階と、再び前記電源から前記共振インダクタンスを
通して前記エネルギー蓄積コンデンサに共振電流を流す
ことにより、負荷条件を考慮して計算された設定電圧値
まで前記エネルギー蓄積コンデンサを充電する第３の段
階と、再び前記エネルギー蓄積コンデンサに流れる共振
電流を遮断すると同時に、前記共振インダクタンスに蓄
えられたエネルギーを放出させる第４の段階とからなる
コンデンサの充電方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】 この発明は、インバータ回路と
インダクタンス手段とを用いて２段階で充電するコンデ
ンサの充電方法及び充電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】 エキシマレーザなどのパルスレーザに
おいては、数kVから数10kV程度の高電圧に充電された負
荷コンデンサの電荷を磁気圧縮回路などを通してレーザ
管に高速で放電し、レーザ光を励起する。パルスレーザ
の応用装置ではレーザ光の励起回数が高いほど、すなわ
ちコンデンサの充放電繰り返し回数が高いほど装置とし
ての性能が向上し、近年は数kHz で繰り返しができるこ
とが課題となってきた。このため、コンデンサ充電装置
も数100 μs 以下で充電完了する高速充電動作を繰り返
しできる性能が必要である。またエキシマレーザでは、
毎回のレーザ光出力変動を検出して次のサイクルのレー
ザ光出力を制御するため、充電電圧を毎サイクル制御す
る必要があり、高速制御性も重要である。

【０００３】 例えば、4kHzの周期で充電放電を繰り返
すことのできる充電装置において、最終充電電圧Vc1 ま
で充電された負荷コンデンサがレーザーショット指令に
より負荷の磁気圧縮回路などに放電する。その磁気圧縮
回路の出力がレーザー管でレーザ光に変換されて、ステ
ッパ光源となる。このレーザ光の強度がセンサで検出さ
れ、検出信号はコンピュータで処理されて毎ショットの
レーザ光出力が安定するように、負荷コンデンサの次の
最終充電電圧Vc2 を計算する。この算出にはある程度の
時間が必要であり、例えば180 μｓである。繰り返し周
波数が４ｋHzの周期であるとすると、１回のサイクルが
250 μｓとなり、計算時間に180 μｓとられると、充電
に使える時間は70μｓしか残らない。このように充電時
間が短くなると、充電装置の瞬時電力を大幅に増大させ
ねばならず、経済性がなくなる。

【０００４】 この問題を解決する方法として、充電電
圧が算出され、その設定が行われる前に見切り発車して
50% 程度の最低使用電圧、（以下中間電圧という）まで
充電しておき、中間電圧まで充電した後に算出され設定
された最終電圧に２段階で充電する２段階充電が行われ
る。

【０００５】 ところで、このコンデンサの充電方式と
して共振充電がある。図７は従来の共振充電回路であ
り、直流電源71から第１の半導体スイッチ72、共振イン
ダクタンス手段73、トランス74の１次巻線75、第２の半
導体スイッチ76が直列接続される。トランスの２次巻線
77には逆流防止または整流ダイオード78を通してエネル
ギー蓄積コンデンサ79が接続される。第１、第２の半導
体スイッチのエミッタ又はコレクタから直流電源71に帰
還ダイオード80，81が接続される。

【０００６】 その動作について説明すると、第１、第
２の半導体スイッチ72，76が同時にオンすると、共振イ
ンダクタンス73とエネルギー蓄積コンデンサ79が直列共
振してエネルギー蓄積コンデンサ79を等価的に電源電圧
の２倍に向けて充電する。充電電圧の制御は、直流電源
71の電圧を制御する方法と、充電電圧が目標値になった
ときに半導体スイッチ72，76をオフさせる方法がある。
後者の方法では、半導体スイッチがオフすると、共振イ
ンダクタンス73の電流はエネルギー蓄積コンデンサ79を
充電しながらダイオード80，81を通して電源71に帰還す
る。

【０００７】 共振充電の利点は、スイッチング周波数
がエネルギー蓄積コンデンサを充電する周波数でよく、
例えばエキシマレーザなどのように4kHzの繰り返しで充
放電を繰り返す場合には、4kHzのスイッチング周波数で
良いことである。コンバータを用いた方式の充電装置で
は、半導体スイッチがコンバータのキャリア周波数、例
えば100kHzでスイッチングするため、損失が大きいが、
上記した２段階充電が容易である。一方、共振充電で
は、充電中に半導体スイッチを一旦オフさせると、共振
電流が電源に帰還して、再度オンしても所定の短時間の
間に設定電圧値まで充電できないという問題がある。こ
のため電力損失を小さくできる共振充電方式では、２段
階充電による高速充電が実現できず、負荷の高周波化に
対応できないという問題があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】 したがって本発明
は、共振充電方式によってエネルギー蓄積コンデンサの
２段階充電を可能にすることにより、低電力損失で高速
の充電方法及び充電装置を提案することを主な課題とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】 この発明の請求項１は
前記課題を解決するため、エネルギー蓄積コンデンサを
段階的に充電する方法において、電源から共振インダク
タンスと共振キャパシタンスとの共振による共振電流を
流して、前記エネルギー蓄積コンデンサを予め決められ
た所定の電圧値まで充電する第１の段階と、前記エネル
ギー蓄積コンデンサに流れる共振電流を遮断すると同時
に、前記共振インダクタンスに蓄えられたエネルギーを
循環させ保持する第２の段階と、再び前記電源から前記
共振インダクタンスを通して前記エネルギー蓄積コンデ
ンサに共振電流を流すことにより、負荷条件を考慮して
各充電サイクル毎に計算された設定電圧値まで前記エネ
ルギー蓄積コンデンサを充電する第３の段階と、再び前
記エネルギー蓄積コンデンサに流れる共振電流を遮断す
ると同時に、前記共振インダクタンスに蓄えられたエネ
ルギーを放出させる第４の段階とを備えたコンデンサの
充電方法を提供する。

【００１０】 この発明の請求項２は前記課題を解決す
るため、請求項１において、前記第１の段階と第２の段
階は、前記第３の段階で前記計算された設定電圧値に対
応する新たな可変基準電圧が得られるまでの期間で行わ
れるコンデンサの充電方法を提供する。

【００１１】 この発明の請求項３は前記課題を解決す
るため、請求項１において、前記第４の段階で前記共振
インダクタンスから放出されたエネルギーは前記電源へ
帰還されるコンデンサの充電方法を提供する。

【００１２】 この発明の請求項４は前記課題を解決す
るため、請求項１において、前記第４の段階で前記共振
インダクタンスから放出されたエネルギーは、前記エネ
ルギー蓄積コンデンサに流れないようにバイパスされ、
そのコンデンサを過充電しないコンデンサの充電方法を
提供する。

【００１３】 この発明の請求項５は前記課題を解決す
るため、互いに直列接続された第１の半導体スイッチ
と、共振インダクタンス手段と、トランス１次巻線と、
第２の半導体スイッチとを直流電源に跨がって接続する
と共に、前記共振インダクタンス手段に蓄えられたエネ
ルギーを前記第１の半導体スイッチと第２の半導体スイ
ッチとがオフの期間に帰還させるための帰還回路を備
え、さらに前記トランスの２次巻線に整流回路を接続
し、整流出力にエネルギー蓄積コンデンサを接続して、
そのエネルギー蓄積コンデンサを最終電圧まで段階的に
充電する充電装置において、前記共振インダクタンス手
段に蓄えられたエネルギーを選択的に循環させ得る第３
の半導体スイッチと、予め決められた所定の基準電圧
と、各充電サイクル後に負荷条件から算出される可変の
基準電圧とからなる基準電圧と前記エネルギー蓄積コン
デンサの端子間電圧の検出電圧とを比較する比較回路と
を備え、先ず前記第１と第２の半導体スイッチの双方を
オンさせて前記エネルギー蓄積コンデンサを前記予め決
められた所定の基準電圧に対応する中間電圧値まで充電
し、次に前記第１と前記第２の半導体スイッチの少なく
とも一方をオフさせ、前記直流電源から前記エネルギー
蓄積コンデンサを遮断して充電を停止し、その充電の停
止とほぼ同時に前記第３の半導体スイッチをオンさせて
それまで流れていた前記共振インダクタンス手段の電流
を循環保持し、前記算出された可変の基準電圧が設定さ
れた時点で再び前記第１と前記第２の半導体スイッチを
オンさせると共に、前記第３の半導体スイッチをオフす
ることにより、前記エネルギー蓄積コンデンサを前記電
源に電気的に接続して所望電圧まで充電するコンデンサ
の充電装置を提供する。

【００１４】 この発明の請求項６は前記課題を解決す
るため、請求項５において、前記第１と前記第２の半導
体スイッチはそれぞれ直列の一対の半導体スイッチから
なるブリッジインバータを構成し、前記第１と第２の半
導体スイッチは逆相で動作するコンデンサの充電装置を
提供する。

【００１５】 この発明の請求項７は前記課題を解決す
るため、請求項５又は請求項６において、前記第３の半
導体スイッチが前記トランスの１次側に備えられるコン
デンサの充電装置を提供する。

【００１６】 この発明の請求項８は前記課題を解決す
るため、請求項５又は請求項６において、前記第３の半
導体スイッチが前記トランスの２次側に備えられるコン
デンサの充電装置を提供する。

【００１７】

【発明の実施の形態】 先ず、本発明の実施例を説明す
るための図１を利用して、本発明の実施の形態について
説明する。(1) エネルギー蓄積コンデンサ９に充電され
ていた電荷を急速に放電して図示していない負荷装置に
パルス電流を流すと、その状態は前記負荷装置のセンサ
により検出され、次の充電サイクルにおける負荷条件に
合致するエネルギー蓄積コンデンサ９の充電電圧が前記
負荷装置に付随するコンピュータにより算出され、新た
な設定が行われる。(2) 一方、共振キャパシタンスと共
振インダクタンスとによる共振動作が周期的に行われ、
エネルギー蓄積コンデンサ９の充電を速めるために前記
新たな設定が行われる前に共振動作が開始されて、先ず
エネルギー蓄積コンデンサ９を予め決められた一定の電
圧値に充電する。(3) エネルギー蓄積コンデンサ９が予
め決められた一定の電圧値に充電されると、前記共振が
中断されて共振電流が流れなくなり、前記新たな設定が
完了するまで、前記共振インダクタンスに蓄えられたエ
ネルギーを循環保持する。(4) 前記共振インダクタンス
に蓄えられたエネルギーを循環保持する過程で前記新た
な設定が完了すると同時に共振動作が再開されて、直流
電源１から共振電流をエネルギー蓄積コンデンサ９に再
び供給し、エネルギー蓄積コンデンサ９を所望の電圧値
まで充電する。

【００１８】 このように本発明では、エネルギー蓄積
コンデンサ９の充電電荷が負荷側に放電された後、次の
充電サイクルの新たな設定が完了する前に、エネルギー
蓄積コンデンサ９を最低使用電圧に相当する中間電圧ま
で充電しておき、新たな設定が完了するまで共振インダ
クタンスのエネルギーを循環保持させているので、前記
新たな設定が完了した時点で直ぐに共振電流をエネルギ
ー蓄積コンデンサ９に供給して新たな設定電圧値まで毎
サイクル高速で充電することが可能になるのである。

【実施例】

【００１９】 実施例１図１は本発明の共振充電型のコ
ンデンサ充電装置の１実施例を示す。商用交流電源と整
流装置などで構成される直流電源１から第１の半導体ス
イッチ２、共振インダクタンス手段３、トランス４の１
次巻線５、第２の半導体スイッチ６が直列接続される。
トランス４の２次巻線７には逆流防止機能をもつ整流ダ
イオード８を通してエネルギー蓄積コンデンサ９が接続
される。第１、第２の半導体スイッチ２，６のエミッタ
またはコレクタから直流電源１に帰還ダイオード10，11
が接続される。また、共振インダクタンス３と並列に、
第３の半導体スイッチ12と逆流阻止ダイオード13との直
列回路が接続される。

【００２０】 制御回路20は以下の構成部品などからな
る。21、22は充電電圧検出用分圧抵抗であり、例えばエ
ネルギー蓄積コンデンサ９の充電電圧10kVを数Ｖの検出
電圧Vdに変換する。23は検出電圧Vdと図示していない負
荷装置のコンピュータ25からの基準電圧Vrとを比較する
比較器である。基準電圧Vrは、前記中間電圧に対応する
予め決められた一定の基準電圧Vr0 と、毎充電サイクル
で新たに設定される最終目標の充電電圧値に対応する可
変の基準電圧Vrｎ(n＝1 、2 、3 ・・・) とに２段階で
変化する。この可変の基準電圧Vrｎは、図示していない
エキシマレーザ装置などのような負荷装置のセンサによ
り検出されると共に、そのコンピュータ25により負荷条
件から充電サイクル毎に算出され、決定される。しかし
実際の装置では、エネルギー蓄積コンデンサ９の放電
後、この可変の基準電圧Vrn が算出されて設定完了、つ
まり固定の基準電圧Vr0 から可変の基準電圧Vrnに切り
換わるまでの遅れ時間が問題になる。

【００２１】 比較器23の出力である比較信号Vhは、検
出電圧Vdが基準電圧Vrよりも低いときはH レベル、高い
ときはL レベルである。26は充電開始信号発生器であ
り、例えばパルス幅１５０μｓの４ｋＨｚ繰り返し信号
である充電開始信号Von を発生する。27は第１のＡＮＤ
回路であり、充電開始信号Von と比較信号Vhの両方の信
号が共にH レベルのとき、H レベルの出力信号Vg1 を発
生して半導体スイッチ２と６をオンさせる。28はＡＮＤ
回路27の出力信号Vg1 を反転した信号Vg1'を出力するイ
ンバータである。29はインバータ28の出力信号Vg1'とフ
リップフロップ30のQ 信号とをＡＮＤ論理する第２のＡ
ＮＤ回路である。フリップフロップ30は、東芝製TC4027
集積回路のようなJ-K マスタースレーブ・フリップフロ
ップであり、J 入力は制御電源Vcc のH レベルの制御電
圧に接続し、R,S 入力はL レベル( グランド) に接続す
る。また、CL入力に信号Vg1 を反転した信号Vg1'を受
け、K 入力に充電開始信号Von を受ける。この接続によ
り、信号Von がL レベルのとき、Q 信号は無条件でL レ
ベルになる。信号Von がH レベルのとき、Q信号はCL入
力の信号Vg1'の立ち上がりでそれまでの状態から別の状
態に変化する。そのQ 信号は第２のＡＮＤ回路29の一方
の入力となる。第２のＡＮＤ回路29の出力信号Vg2 で半
導体スイッチ12をオンさせる。つまり信号Vg2 は、イン
バータ28の出力信号Vg1'がH レベルで、Q 信号もH レベ
ルのとき、H レベルとなって半導体スイッチ12をオンさ
せる。なお、各半導体スイッチ２，６、12をＩＧＢＴで
表示しているが、ＦＥＴなど他の半導体スイッチもでも
良く、またそのゲート極をＡＮＤ回路で直接制御してい
るが、実際には、信号増幅と絶縁手段を必要とする。し
かしこれらについては周知なので説明を省略する。

【００２２】 次に図２を用いて、負荷装置がエキシマ
レーザ装置の場合について動作を説明する。なお、Vc0
、Vc1 、Vc2 はそれぞれ可制御基準電圧源24の一定の
基準電圧Vr0 、可変の基準電圧Vrn(n ＝1)、Vrn(n ＝2)
に対応するエネルギー蓄積コンデンサ９の充電電圧を示
す。また、図中で共振インダクタンスを流れる電流ILの
斜線部分は、半導体スイッチ12に流れるインダクタンス
循環電流である。他の実施例についても同様である。

【００２３】 時刻t0で充電電圧Vc1 に充電されていた
エネルギー蓄積コンデンサ９が放電され、レーザ光が発
生する。このレーザ出力が図示していない負荷装置のセ
ンサにより測定され、そのコンピュータ25が次の設定充
電電圧Vc2 を計算し、基準電圧Vrが新たに可変の基準電
Vr2 に設定し直される時刻をt3とする。比較器23の出力
信号Vhは、エネルギー蓄積コンデンサ９が放電されたの
でH レベルとなる。また、時間t0〜t1では充電開始信号
Von がL レベルであり、フリップフロップ30のK 入力は
L レベルとなるので、Q 信号はL レベルである。すなわ
ち、信号Vg2 はL レベルであり、半導体スイッチ12はオ
フである。またこのとき、基準電圧Vrは一定の基準電圧
Vr0 にあり、比較器23の出力信号VhがH レベルである。
充電開始信号Von が発生すると、ＡＮＤ回路27の出力Vg
1 がH レベルになって、第１、第２の半導体スイッチ
２，６が同時にオンする。第１、第２の半導体スイッチ
２、６が同時にオンする結果、共振インダクタンス手段
３とエネルギー蓄積コンデンサ９が直列共振して共振電
流ILが流れ始め、エネルギー蓄積コンデンサ９を等価的
に電源電圧の２倍に向けて充電を開始する。

【００２４】 時刻t2で、エネルギー蓄積コンデンサ９
の充電電圧Vcが一定の基準電圧Vr0 に対応する中間電圧
Vc0 になると、比較器23の出力信号VhがL レベルとな
り、ＡＮＤ回路27の出力信号Vg1 はL レベルとなるの
で、半導体スイッチ２，６はオフする。同時に信号Vg1'
がL からH レベルに変化する。フリップフロップ30は充
電開始信号Von 、すなわちK 入力がH レベルであるの
で、信号Vg1 の立ち上がり( 図中矢印で示す) でトリガ
ーされ、Q 出力はL からH レベルに変化する。したがっ
て、第２のＡＮＤ回路29の信号Vg1'とQ 出力は双方とも
H レベルとなり、その出力信号Vg2 はH レベルとなり、
半導体スイッチ12がオンする。半導体スイッチ12のオン
により、この時点まで共振インダクタンス手段３に流れ
ていた共振電流ILは、半導体スイッチ12とダイオード13
を通して循環し、小さな回路損失でそのエネルギーを循
環維持する。半導体スイッチ２，６のオフにより、同時
にエネルギー蓄積コンデンサ９に流れていた充電電流が
遮断され、そのコンデンサ９は中間電圧Vc0 に維持され
る。

【００２５】 時刻t3で、基準電圧Vrが一定の基準電圧
Vr0 から可変の基準電圧Vr2 に上昇すると、比較器23の
出力信号Vhは再びH レベルになる。この結果、第１のＡ
ＮＤ回路27の出力信号Vg1 もH レベルとなり、半導体ス
イッチ２，６は再度オンする。同時に第２のＡＮＤ回路
29の入力Vg1'はL レベルとなり、その出力Vg2 もL レベ
ルとなるので半導体スイッチ12はオフする。半導体スイ
ッチ12がオフすると、共振インダクタンス手段３を流れ
ていた循環電流は遮断される。これに伴い共振インダク
タンス手段３に蓄積保持されたエネルギーは、半導体ス
イッチ２と６のオン、半導体スイッチ12のオフにより、
共振電流となって、再びトランス４とダイオード８を通
してエネルギー蓄積コンデンサ９を充電する。

【００２６】 時刻t4でエネルギー蓄積コンデンサ９が
可変の基準電圧Vr2 に対応する所望の設定電圧Vc2 まで
充電されると、比較器23の出力信号VhはL レベルにな
り、ＡＮＤ回路27の出力信号Vg1 がL レベルとなって半
導体スイッチ２と６はオフする。同時に信号Vg1'はイン
バータ28によりH レベルとなり、一方、フリップフロッ
プ30のK 入力の信号Von が未だH レベルなので、フリッ
プフロップ30はトリガーされ、Q 出力はL レベルに復帰
するので、信号Vg1'がH レベルとなっても第２のＡＮＤ
回路29の出力信号Vg2 はL レベルのままであり、半導体
スイッチ12はオフのままとなる。この結果、共振インダ
クタンス手段３を流れていた電流は、トランス４の１次
巻線５、２次巻線７、ダイオード８、エネルギー蓄積コ
ンデンサ９、帰還ダイオード10、11、及び直流電源１を
通して流れ、エネルギー蓄積コンデンサ９を充電する。
エネルギー蓄積コンデンサ９の充電電圧はダイオード８
の逆流防止作用により時刻t5まで保持される。

【００２７】 時刻t5で充電開始信号Von がL レベルに
なると、エネルギー蓄積コンデンサ９は図示していない
負荷装置に放電して、その充電電圧Vc2 に対応する強度
のレーザ光を発生する。同時に、フリップフロップ30の
K 入力がL レベルとなり、Q 出力は無条件でL レベルに
なる。そして、図示していない負荷装置のセンサにより
前記レーザ光が検出され、その検出結果に基づいてコン
ピュータ25などにより次の充電サイクルの最適な充電電
圧値に対応する新たな可変の基準電圧Vr3 が算出される
ことになる。

【００２８】 本発明によれば、共振インダクタンス手
段３とエネルギー蓄積コンデンサ９の共振動作を予め決
めた中間電圧になった時点で一時停止し、新たに可変の
基準電圧が設定された時点で共振動作を再開するように
動作する２段階充電が可能である。この実施例では、半
導体スイッチ２、６がオフしたとき、共振インダクタン
ス手段３に蓄えられたエネルギーで、エネルギー蓄積コ
ンデンサ９が過充電される問題がある。この問題をも解
決する第２の実施例を図３で説明する。

【００２９】 図３において、図１に示した符号と同一
の符号は相当する部材を示すものとする。この実施例で
は、トランス４の２次巻線７を短絡する形で逆流阻止ダ
イオード14と第３の半導体スイッチ15を接続する。制御
回路20は、フリップフロップ30のQ 出力と第１のＡＮＤ
回路27の出力信号Vg1 を受けるＯＲ回路31の出力Vg3 で
第２の半導体スイッチ６を制御する。第３の半導体スイ
ッチ15はインバータ28で信号Vg1 を反転した信号Vg1'で
制御される。

【００３０】 次に図４により動作を説明するが、図１
と共通の点は省略する。なお、図中でインダクタンス電
流ILの斜線部分は、半導体スイッチ15でバイパスされる
インダクタンス電流部分である。時刻t1で充電開始信号
Von が発生する、つまりH レベルになると、前記実施例
と同様にＡＮＤ回路27の出力信号Vg1 と比較回路23の出
力信号Vhは共にH レベルであるから、信号Vg1 により半
導体スイッチ２はオンする。また、信号Vg1 はＯＲ回路
31を通してH レベルの信号Vg3 となり、半導体スイッチ
６もオンさせる。これにより共振動作が開始し、エネル
ギー蓄積コンデンサ９の充電が行われ始める。

【００３１】 時刻t2でエネルギー蓄積コンデンサ９の
充電電圧が予め決められた中間電圧Vc0 になったとき、
信号VhはL レベルとなり、信号Vg1 もL レベルとなるの
で半導体スイッチ２はオフする。これに伴い、信号Vg1'
はH レベルとなり、半導体スイッチ15をオンさせる。同
時に信号Vg1'の立ち上がりエッジでフリップフロップ30
がトリガーされてQ 出力はH レベルとなる。ＯＲ回路31
の出力Vg3は、信号Vg1 がL レベルになっても、Q 出力
がH レベルなので、H レベルのままであり、したがって
半導体スイッチ６はオンのままである。すなわち、半導
体スイッチ２がオフ、半導体スイッチ６と15がオンであ
る。この結果、インダクタンス電流は、共振インダクタ
ンス手段３の右端子側から流れ出た電流は、トランス４
の１次巻線５の黒点側、２次巻線７の黒点側、ダイオー
ド14、半導体スイッチ15、２次巻線７の非黒点側、１次
巻線５の非黒点側、半導体スイッチ６、帰還ダイオード
10の経路で循環する。したがって、回路損失を無視すれ
ば、共振インダクタンス手段３のエネルギーは循環保持
されると同時に、エネルギー蓄積コンデンサ９を充電し
ないので、過充電することはない。

【００３２】 時刻t3で基準電圧Vrが新たな第２の基準
電圧Vr2 に上昇すると、前述のように信号Vhが再びH レ
ベル、信号Vg1 もH レベルとなり、半導体スイッチ２は
オンし、半導体スイッチ６はオンを継続する。このとき
信号Vg1'はL レベルとなるから、半導体スイッチ15はオ
フする。この結果、半導体スイッチ２がオフする直前の
共振状態に復帰し、エネルギー蓄積コンデンサ９を所望
の設定電圧Vc2 に向かって充電して行く。

【００３３】 時刻t4でエネルギー蓄積コンデンサ９の
充電電圧がVc2 に至ると、信号Vh、信号Vg1 が共にL レ
ベルとなり、またフリップフロップ30も信号Vg1の立ち
上がりでトリガーされ、Q 出力はL レベルとなる。この
結果、半導体スイッチ２と６はオフし、半導体スイッチ
15は信号Vg1'がH レベルとなるためオンする。この電流
経路を示すと、共振インダクタンス手段３の右端子側か
ら流れ出た電流は、トランス４の１次巻線５の黒点側、
２次巻線７の黒点側、ダイオード14、半導体スイッチ1
5、２次巻線７の非黒点側、１次巻線５の非黒点側、帰
還ダイオード11、直流電源１、及び帰還ダイオード10の
経路で直流電源１にエネルギーを帰還する。すなわち、
共振インダクタンス電流は半導体スイッチ15でバイパス
されてエネルギ−蓄積コンデンサ９を過充電しない。半
導体スイッチ15は次の充電開始信号Von までオンを続け
るので、共振インダクタンス手段３のエネルギーはすべ
て直流電源１に帰還される。すなわち、この実施例で
は、共振インダクタンス手段３の電流によるエネルギ−
蓄積コンデンサ９の過充電がなく、充電電圧の精度を上
げることができ、また共振インダクタンス手段３の余分
なエネルギーを直流電源１に帰還できる効率の高い充電
装置を提供することができる。ここで、共振インダクタ
ンス手段３は図示しないトランス４の漏れインダクタン
スも含むものとする。

【００３４】 次に、図５はブリッジインバータ形式の
共振充電回路に本発明を適用した実施例である。図３と
同一の符号は対応する部材を示すものとし、かつA 相と
B 相とが交互に動作するので、符号の後に、A 相の部材
はA 、B 相の部材はB を付した。例えば、図３の同相の
半導体スイッチ２，６に対応する半導体スイッチは２A
と６A とし、B 相は２B と６B とした。帰還ダイオード
も同様に相別に１０A と１１A 、１０B と１１B とし
た。

【００３５】 A 相の半導体スイッチ２A と６A 、B 相
の半導体スイッチ２B と６B は交互にオンして、エネル
ギ−蓄積コンデンサ９を１サイクルで２回充電する。ト
ランス４は交流的に駆動される。また、共振インダクタ
ンス手段３の電流は、図示のように交流電流となる。ト
ランス４の２次巻線７に接続されたブリッジ全波整流器
41でどちらの相も整流され、エネルギ−蓄積コンデンサ
９を充電する。短絡用の半導体スイッチ44は、２次巻線
７にカソードを向きあわせて直列接続された２個のダイ
オード42，43の共通のカソード端子に接続されており、
A 相、B 相に共通化されている。

【００３６】 制御回路20の充電開始信号発生器24AB
は、A 相とB 相の信号VonAとVonBを交互に発生する。各
相毎に、図３に対応する回路が構成され、半導体スイッ
チ２A と６A 、２B と６B をを交互に駆動するが、半導
体スイッチ44を共通化したので、ＮＯＲ回路41とインバ
ータ42を追加した。ＮＯＲ回路41は、少なくとも一方の
入力がL レベルのとき、H レベルの出力である。信号Vg
1AとVg1Bの反転信号Vg1A' とVg1B' をＮＯＲ論理した信
号Vg3 をインバータ42で反転した信号Vg3'で半導体スイ
ッチ44を駆動する。図６は動作説明図であるが、各相の
細かい動作は図３、４と同様であり、説明を省略する。
なお、図中でインダクタンス電流ILの斜線部分は、トラ
ンス４の２次側で半導体スイッチ44にバイパスされるイ
ンダクタンス電流である。

【００３７】 なお、主回路の電力インバータ回路につ
いては実施例のものの他に、ハーフブリッジ構成など種
々のものが考えられる。また、制御回路についても実施
例の回路構成に限定されることなく、各充電サイクル毎
に新たに可変の基準電圧が設定される前に半導体スイッ
チをオンさせる駆動信号と、エネルギ−蓄積コンデンサ
９が中間電圧に充電されたとき、共振インダクタンスに
蓄えられたエネルギーを循環させるために半導体スイッ
チをオン又はオフさせる駆動信号を発生するものならば
良い。

【００３８】

【発明の効果】 以上説明したように、本発明では、共
振充電回路において、２段階充電を可能にしたのでコン
デンサを高速で充電することができる。また、トランス
の２次側にエネルギー蓄積コンデンサをバイパスするた
めの半導体スイッチを設けることにより、過充電を防止
でき、充電電圧の精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る共振充電型のコンデンサ充電装
置の一実施例を示す。

【図２】 図１の装置の動作を説明するための波形図。

【図３】 本発明に係る共振充電型のコンデンサ充電装
置の他の実施例を示す。

【図４】 図３の装置の動作を説明するための波形図。

【図５】 本発明に係る共振充電型のコンデンサ充電装
置の他の実施例を示す。

【図６】 図５の装置の動作を説明するための波形図。

【図７】 従来の共振充電型のコンデンサ充電回路を示
す。

【符号の説明】

１・・直流電源 ２・・半導体ス
イッチ ３・・共振インダクタンス手段 ４・・トランス ６・・半導体スイッチ ９・・エネルギ
ー蓄積コンデンサ １０、１１・・帰還用ダイオード １５・・バイパ
ス用の半導体スイッチ ２１、２２・・電圧検出用抵抗 ２３・・比較回
路 ２５・・コンピュータ ２６・・充電開
始信号発生器 ２７、２９・・ＡＮＤ回路 ２８・・インバ
ータ ３０・・フリップフロップ ３１・・ＯＲ回
路 ４１・・ＮＯＲ回路 ４２・・インバ
ータ ４４・・バイパス用の半導体スイッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5G003 AA01 BA01 CA12 CC02 GA01 GB04 GB06 GC01 GC03 5G065 BA01 DA08 EA01 HA04 HA17 LA01 MA04 MA09 MA10 NA01 NA04 NA06 5H730 AS01 AS04 AS17 BB24 BB57 BB62 BB66 BB77 DD02 EE02 EE07 EE18 EE30 EE37 EE39 FD01 FF01 FF09 FG01 FG25 XX12 XX32

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エネルギー蓄積コンデンサを段階的に充
   電する方法において、電源から共振インダクタンスと共
   振キャパシタンスとの共振による共振電流を流して、前
   記エネルギー蓄積コンデンサを予め決められた所定の電
   圧値まで充電する第１の段階と、 前記エネルギー蓄積コンデンサに流れる共振電流を遮断
   すると同時に、前記共振インダクタンスに蓄えられたエ
   ネルギーを循環させ保持する第２の段階と、 再び前記電源から前記共振インダクタンスを通して前記
   エネルギー蓄積コンデンサに共振電流を流すことによ
   り、負荷条件を考慮して各充電サイクル毎に計算された
   設定電圧値まで前記エネルギー蓄積コンデンサを充電す
   る第３の段階と、 再び前記エネルギー蓄積コンデンサに流れる共振電流を
   遮断すると同時に、前記共振インダクタンスに蓄えられ
   たエネルギーを放出させる第４の段階と、を備えたこと
   を特徴とするコンデンサの充電方法。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記第１の段階と第２の段階は、前記第３の段階で前記
   計算された設定電圧値に対応する新たな可変の基準電圧
   が得られるまでの期間で行われることを特徴とするコン
   デンサの充電方法。
3. 【請求項３】 請求項１において、 前記第４の段階で前記共振インダクタンスから放出され
   たエネルギーは前記電源へ帰還されることを特徴とする
   コンデンサの充電方法。
4. 【請求項４】 請求項１において、 前記第４の段階で前記共振インダクタンスから放出され
   たエネルギーは、前記エネルギー蓄積コンデンサに流れ
   ないようにバイパスされ、該コンデンサを過充電しない
   ことを特徴とするコンデンサの充電方法。
5. 【請求項５】 互いに直列接続された第１の半導体スイ
   ッチと、共振インダクタンス手段と、トランス１次巻線
   と、第２の半導体スイッチとを直流電源に跨がって接続
   すると共に、前記共振インダクタンス手段に蓄えられた
   エネルギーを前記第１の半導体スイッチと第２の半導体
   スイッチとがオフの期間に帰還させるための帰還回路を
   備え、さらに前記トランスの２次巻線に整流回路を接続
   し、整流出力にエネルギー蓄積コンデンサを接続して、
   該エネルギー蓄積コンデンサを最終電圧まで段階的に充
   電する充電装置において、 前記共振インダクタンス手段に蓄えられたエネルギーを
   選択的に循環させ得る第３の半導体スイッチと、 予め決められた所定の基準電圧と、各充電サイクル後に
   負荷条件から算出される可変の基準電圧とからなる基準
   電圧と前記エネルギー蓄積コンデンサの端子間電圧の検
   出電圧とを比較する比較回路と、を備え、 先ず前記第１と第２の半導体スイッチの双方をオンさせ
   て前記エネルギー蓄積コンデンサを前記予め決められた
   所定の基準電圧に対応する中間電圧値まで充電し、 次に前記第１と前記第２の半導体スイッチの少なくとも
   一方をオフさせ、前記直流電源から前記エネルギー蓄積
   コンデンサを遮断して充電を停止し、 その充電の停止とほぼ同時に前記第３の半導体スイッチ
   をオンさせてそれまで流れていた前記共振インダクタン
   ス手段の電流を循環保持し、 前記算出された可変の基準電圧が設定された時点で再び
   前記第１と前記第２の半導体スイッチをオンさせると共
   に、前記第３の半導体スイッチをオフすることにより、
   前記エネルギー蓄積コンデンサを前記電源に電気的に接
   続して所望電圧まで充電することを特徴とするコンデン
   サの充電装置。
6. 【請求項６】 請求項５において、 前記第１と前記第２の半導体スイッチはそれぞれ直列の
   一対の半導体スイッチからなるブリッジインバータを構
   成し、前記第１と第２の半導体スイッチは逆相で動作す
   ることを特徴とするコンデンサの充電装置。
7. 【請求項７】 請求項５又は請求項６において、 前記第３の半導体スイッチが前記トランスの１次側に備
   えられることを特徴とするコンデンサの充電装置。
8. 【請求項８】 請求項５又は請求項６において、 前記第３の半導体スイッチが前記トランスの２次側に備
   えられることを特徴とするコンデンサの充電装置。