JP2021035159A - マルクス回路 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)基本構成:
第1実施形態であるマルクス回路100の回路図および全体構成を、図1に示した。実際のマルクス回路100は、充放電回路をN段(Nは2以上の整数)重ねたものであるが、図1では、理解の便を図って2段のみを示した。このマルクス回路100は、初動制御部35を含む電源部30、多段のマルクス回路の第1段目(初段)となる第1充放電回路10、第2段目となる第2充放電回路20、第1充放電回路10から電源の供給を受けて動作する第1制御回路51、第2充放電回路20から電源の供給を受けて動作する第2制御回路52,初動制御部35および第1,第2制御回路51,52に指令信号H0,H1,H2を出力するECU40を備える。このマルクス回路100は、負荷LDにN段分の高電圧を印加する。
図3、図4を用いて、マルクス回路100の動作について説明する。図3は、第1,第2充放電回路10,20のマルクスコンデンサC1,C2を直流電源31に並列接続して充電する場合の各スイッチングデバイスの状態を示す説明図であり、図4は、第1,第2充放電回路10,20のマルクスコンデンサC1,C2を直列に接続して、負荷LDに高電圧を印加する場合の各スイッチングデバイスの状態を示す説明図である。
図3に示した接続において、第1充放電回路10のマルクスコンデンサC1に電荷が溜まった状態から、図4に示した状態に各スイッチング素子のオン・オフが切換えられて、負荷LDへの放電が生じる場合のエネルギの放出の様子を、図5に模式的に示した。この時、負荷LDに各充放電回路のコンデンサに蓄積されたエネルギ(電荷)の1/2が放出される時間tは、およそ、
t=2π√(LC/4)
として扱うことができる。ここで、Lは、図4に示した放電経路である第2電気経路EP2のインダクタンス、Cは、各コンデンサの容量(キャパシタンス)である。つまり、放電経路のインダクタンスLを小さくすると、スイッチング素子のオン・オフを切換えてから、短時間のうちに負荷LDにエネルギが放出される。本実施形態では、図4に示したように、トランスT1の一次側コイルL11やトランスのT2の一次側コイルL2は、第1電気経路EP1には属し、かつ第2電気経路EP2には含まれない箇所に、設けられている。このため、放電時の第2電気経路EP2のインダクタンスLを小さくでき、負荷LDに放出される電荷の立ち上がりに要する時間を、一次側コイルL11等が第2電気経路EPに含まれている場合より、短くすることができる。
次に第2実施形態について説明する。第2実施形態のマルクス回路100は、図1に示した回路構成に加えて、図6に示した様に、第1充放電回路10のスイッチング素子SW12とダイオードD11に、それぞれコンデンサC11,C12が並列に接続されている。なお、図示は省略したが、第2充放電回路20についても同様に、スイッチング素子SW22およびダイオードD21に、コンデンサが並列に接続されている。これらの容量成分であるコンデンサC11,C12は、トランスT1の一次側コイルL11と共に、LC共振回路を形成する電流振動要素として働く。
第3実施形態のマルクス回路100は、図6に示した第2実施形態の回路構成において、スイッチング素子SW12に並列に接続されていたコンデンサC11を備えない構成となっている。第2実施形態では、図7に示したように、スイッチング素子SW12がオフとなっている状態で共振回路が形成されるように、スイッチング素子SW12に並列にコンデンサを介装した。これに対して、第3実施形態では、スイッチング素子SW12に並列にはコンデンサC11は介装されていない。第3実施形態では、ダイオードD11にはコンデンサC12が並列に接続されており、トランスT1の一次側コイルL11とコンデンサC12とが共振回路を形成する。その動作は以下の通りである。
第4実施形態のマルクス回路100は、図1に示した第1実施形態の回路構成において、ダイオードD11に代えて、リカバリ電流(逆回復電流)の大きなソフトリカバリダイオードDRRを備える。ダイオードは、順方向バイアスが掛かった状態から、逆バイアスになると、それまでPN半導体の接合面に溜っていたキャリアが移動するため、リカバリ電流が流れる。第4実施形態では、こうしたリカバリ電流を大きなリカバリダイオードDRRを用いている。このため、図11に示すように、スイッチング素子SW11をターンオンすると、マルクスコンデンサC1への充電電流が流れることは第1実施形態と同様だが、この充電が終了する時期に、スイッチング素子SW11をターンオフし、続けてスイッチング素子SW12をターンオンすると、大きなリカバリ電流が充電電流とは逆向きに流れる。ここで、リカバリダイオードDRRは転流振動要素として働く。このリカバリダイオードDRRの働きにより、マルクスコンデンサC1から、一次側コイルL11を通して、ソフトリカバリダイオードDRR側に電流が流れる。こうした電流は、ソフトリカバリダイオードDRRのPN接合面に溜ったキャリアに対応した時間係属する。この様子を図11の最下段に示した。図示するように、トランスT1の一次側コイルL11には、充電電流とは逆向きの電流がながれる。リカバリ電流が流れると、トランスT1の二次側コイルL12にトランスT1の電磁誘導により電流が流れる。この電流は、第1制御回路51の整流回路61により全波整流され、脈動成分を含む直流電圧として、定電圧回路62に出力され、定電圧回路62によりゲートドライブユニット63が動作できる程度の電圧が作り出される。
第5実施形態のマルクス回路100Aの構成を図12に示した。第5実施形態では第1充放電回路10A,第2充放電回路20Aには、第1実施形態のダイオードD11,D21に代えて、スイッチング素子SW13、SW23が設けられている。また、第5実施形態では、初動制御部35Aは、第1,第2ゲート信号G11,G12に加えて、第3ゲート信号G13を出力し、第1制御回路51Aは。第1,第2ゲート信号G21,G22に加えて、第3ゲート信号G23を出力するように構成されている。これらの第3ゲート信号G13,G23は、それぞれ新たに設けられたスイッチング素子SW13,SW23に出力されている。
第6実施形態の100Aでは、第5実施形態の構成(図12)に加えて、図15に示すように、第1制御回路51Bを初めとする各制御回路に定電圧回路62の出力電圧を計測する電圧計65を備え、その計測信号V1をECU40に出力している。これ以外の構成は、ECU40の処理を除いて、第5実施形態と同様である。
上記の実施形態では、スイッチング素子として半導体素子を用いたが、リレーやリードスイッチ、ソリッドステートリレーなど、他の形態のスイッチング素子を用いてもよい。また、ペアになるスイッチング素子は、同じものであってもよいし、異なるものでもよい。各制御回路からのゲート信号は、直接スイッチング素子を駆動しても良いし、ホトカプラなどを用いて、絶縁された状態で駆動するものとしてもよい。
Claims (7)
- 負荷(LD)への高電圧を出力するマルクス回路(100,100A)であって、
直流電源(31)と、
前記直流電源と負荷との間に設けられた複数段の充放電回路(10,20,10A,20A)と、
を備え、
各段の前記充放電回路は、
充放電を行なうコンデンサ(C1,C2)と、
前記コンデンサへの充電を行なう第1電気経路(EP1)と、前記各段の前記コンデンサを直列に接続して放電させる第2電気経路(EP2)との切り替えを行なうスイッチングデバイス(SW11,SW12,SW21,SW22),と、
前記充放電回路において前記第1電気経路であって、かつ第2電気経路に含まれない箇所に、一次側コイル(L11,L21)が介装されたトランス(T1,T2)と、
前記トランスの二次側コイル(L21,L22)から取り出される電力により動作し、次段の前記スイッチングデバイス(SW21,SW22,SWe1,SWe2)を駆動する駆動信号を出力する制御回路(51,52,51A,52A,51B)と、
を備え、
前記多段の充放電回路のうち、前記直流電源側に設けられた初段の充放電回路は、前記直流電源とは独立の電源(33)を用いて、前記スイッチングデバイスを動作させることにより、前記充放電回路のコンデンサへの前記第1電気経路による充電を開始させる初動制御部(35,35A)を備え、前記開始された前記コンデンサへの充電によって、前記第1電気経路に前記一次側コイルが介装された前記トランスを介して、前記制御回路の動作電力を供給する、マルクス回路。 - 前記初動制御部の動作により前記第1電気経路に切換えられて前記直流電源から前記充放電回路のコンデンサへの充電が開始された後、前記第2電気経路に切換えられるまでの期間に、前記トランスの前記一次側コイルに交番電流が流れるように、前記第1電気経路に電流振動要素(C11,C12)が配置された、請求項1に記載のマルクス回路。
- 前記電流振動要素は、前記第1電気経路に設けられ、前記トランスの前記一次側コイルと共に共振回路を形成する容量成分である、請求項2に記載のマルクス回路。
- 前記電流振動要素は、前記第1電気経路に設けられ、逆回復電流が予め定めた閾値より大きなダイオード(DRR)である、請求項2に記載のマルクス回路。
- 請求項2に記載のマルクス回路であって、
前記電流振動要素は、前記第1電気経路に設けられ、前記スイッチングデバイスと直列に接続されたスイッチング素子(SW13,SW23)であり、
前記初動制御部は、前記スイッチングデバイスによって、前記直流電源から前記コンデンサへの充電をオフにした後、前記スイッチング素子をオンにして、前記トランスの前記一次側コイルを介して前記コンデンサを短絡する回路を形成することで、前記一次側コイルに前記コンデンサへの充電電流とは逆向きの電流を前記交番電流として流す、マルクス回路。 - 前記複数段の前記充放電回路は、前記初段から順次、所定の期間をおいて動作を開始する、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のマルクス回路。
- 前記所定の期間は、前記各段の前記制御回路の前記動作電力が所定の閾値以上となるまでの期間である、請求項6に記載のマルクス回路。
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JP2007536890A (ja) * | 2004-05-04 | 2007-12-13 | スタンガネス インダストリーズ インコーポレイテッド | 固体スイッチを用いた高電圧パルス電源 |
JP2019058056A (ja) * | 2017-09-20 | 2019-04-11 | 同方威視技術股▲分▼有限公司 | 固体パルス変調器における保護回路、発振補償回路および給電回路 |
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