JP3794112B2 - Pulse power supply and abnormality detection method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力用半導体スイッチを用いたパルス発生回路と磁気圧縮回路を組み合わせて狭幅の大電流パルスを発生するパルス電源に係り、特にキックバックエネルギー回生方式における負荷短絡等の異常を検出する装置並びに方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図3にパルス電源の構成例を示す。パルス発生回路1は、電力用の初段コンデンサC0を設け、このコンデンサC0を充電器2により初期充電しておき、半導体スイッチSWのオン制御でコンデンサC0から磁気パルス圧縮回路3の入力段パルストランスPTにパルス電流を供給する。
【0003】
磁気パルス圧縮回路3は、パルストランスPTで昇圧したパルス電流I0でコンデンサC1を高圧充電し、このコンデンサC1の充電電圧で可飽和リアクトルSI1が磁気スイッチ動作することによりコンデンサC1からコンデンサC2への狭幅のパルス電流I1を発生させてコンデンサC2を高圧充電し、さらにコンデンサC2の充電電圧で可飽和リアクトルSI2が磁気スイッチ動作することによりコンデンサC2からエキシマレーザやグロー放電を利用した薄膜形成装置などの負荷装置4に数十ns〜数μsの狭幅・高電圧のパルス電流I2を供給する。この電流I2は、1秒間に数十〜数千ショットの繰り返しになる。
【0004】
このような構成のパルス電源において、負荷装置4になる放電負荷は、与えられたパルス電力を全て消費することなく、一部のエネルギーがパルス電源に戻ってくる。この戻ってくるエネルギーのことをキックバックエネルギーと称しているが、これを抵抗で消費させると、高出力(単位時問当たりのショット数が高い)装置では抵抗の損失が無視できないレベルになるほか、抵抗の冷却系も含めて電源装置が大型化する。
【0005】
このため,パルス発生回路1は、キックバックエネルギーを初段のコンデンサC0に回生しておき,次の充電サイクルに充電エネルギーの一部として利用する回生形に構成される。なお、キックバック電流の方向は、初段コンデンサから最初のパルスを発生するに必要な充電方向とは逆向きになる。したがって、回生するためにはキックバック電圧を反転させる必要がある。
【0006】
このため、パルス発生回路1は、半導体スイッチSW0のオンにより磁気アシスト用可飽和リアクトルSI0を通してコンデンサC0を初期充電し、この後に半導体スイッチSWのオンによりコンデンサC0からダイオードD2を通してコンデンサC0の放電をすることでパルストランスPTにパルスを供給する。
【0007】
この後、パルストランスPTからのキックバック電流が半導体スイッチSWを経てコンデンサC0を逆極性に充電する。この充電には、可飽和リアクトルSI0を通した振動電流でなされ、コンデンサC0が初期充電時とは逆極性に充電される。
【0008】
この逆極性に充電されたコンデンサC0から、ダイオードD0及び半導体スイッチSW0を通してコンデンサC0を初期充電時の極性に反転充電することでキックバックエネルギーの回生を得る。
【0009】
なお、キックバックエネルギーの回生方法は、図3の構成に限らず、種々の回路構成のものがある。また、磁気パルス圧縮回路3の回路構成も種々のものがある。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
従来のパルス電源において、エキシマレーザ装置等になる負荷装置4は、ピーキングコンデンサCPを有しているため、このコンデンサCPが故障した場合には充電器2やパルス発生回路1から見て負荷の短絡になる。また、コンデンサC0,C1,C2の故障では充電器2から見て負荷の短絡になる。
【0011】
こうした故障発生には、その検出により装置の運転を停止するのが回路保護等から要望される。しかしながら、負荷短絡の検出のために、例えば、各コンデンサに電圧や電流の検出器を設けることは、パルス電源の出力電圧が10数kV〜500kVと非常に高く、パルス幅も数μs以下の非常に狭幅になるため、検出器が大型化したり、コスト高になってしまう。
【0012】
そこで、従来では負荷装置4がエキシマレーザ装置など光を発生することを利用し、この光の発生の途切れで異常発生を検出している。
【0013】
しかしながら、負荷装置4の光出力は、レーザガス等の条件で変動することが多くなるため、光検出による異常検出では光の発生無しが一定時間継続するまでの検出時間を長く設定しておくことが多く、その間も負荷短絡状態で運転を継続することは装置の責務が厳しく、回路設計上余裕を持たせることになり、電源装置自体が大型化、コスト高になってしまう。
【0014】
本発明の目的は、負荷短絡検出のための高電圧・狭幅パルス電流の検出器を不要にしながら、負荷短絡も含めた異常検出を迅速・確実にしたパルス電源並びに異常検出方法を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明は、負荷短絡等の異常発生時にはキックバックエネルギーが大きくなり、これに伴いコンデンサC0へのエネルギー回生による充電電圧が高く、充電開始から充電終了までの充電時間が短くなることに着目し、この充電時間監視又は充電電圧監視により異常発生を検出するようにしたもので、以下の構成並びに方法を特徴とする。
【0016】
(第1の発明)
初期充電されるコンデンサから半導体スイッチのオン制御でパルス電流を発生するパルス発生回路と、前記パルス電流を磁気圧縮して負荷に供給する磁気パルス圧縮回路とを備え、前記パルス発生回路は負荷側からのキックバック電流を前記コンデンサの充電電流としてエネルギーを回生するパルス電源において、
前記エネルギー回生後の前記コンデンサの充電開始から充電終了までの計時をする計時手段と、
正常時の前記コンデンサの充電開始から充電終了までの充電時間が設定され、この充電時間に対して前記計時手段の計時時間が短いときに前記負荷及び磁気パルス圧縮回路の異常検出出力を得る比較回路とを備えたことを特徴とする。
【0017】
(第2の発明)
初期充電されるコンデンサから半導体スイッチのオン制御でパルス電流を発生するパルス発生回路と、前記パルス電流を磁気圧縮して負荷に供給する磁気パルス圧縮回路とを備え、前記パルス発生回路は負荷側からのキックバック電流を前記コンデンサの充電電流としてエネルギーを回生するパルス電源において、
前記エネルギー回生後の前記コンデンサの充電開始から充電終了までの充電時間が正常時の充電時間以下のときに前記負荷及び磁気パルス圧縮回路の異常と判定することを特徴とする。
【0018】
(第3の発明)
初期充電されるコンデンサから半導体スイッチのオン制御でパルス電流を発生するパルス発生回路と、前記パルス電流を磁気圧縮して負荷に供給する磁気パルス圧縮回路とを備え、前記パルス発生回路は負荷側からのキックバック電流を前記コンデンサの充電電流としてエネルギーを回生するパルス電源において、
前記エネルギー回生後の前記コンデンサの充電電圧レベルが正常時の充電電圧を越えるときに前記負荷及び磁気パルス圧縮回路の異常と判定することを特徴とする。
【0019】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の実施形態を示す異常検出装置であり、図3と同等の主回路部分は同じ符号で示す。
【0020】
制御回路5は、負荷装置4が要求するパルス電流の発生周期及び電流レベルに従ってパルス発生回路1の半導体スイッチSW,SW0をオン・オフ制御すると共に、充電器2の運転・停止制御を行う。なお、パルス発生回路1の制御にはキックバックエネルギーの回生制御も含まれる。
【0021】
計時手段になるカウンタ6は、制御回路5がキックバックエネルギーの回生制御を実行した後のコンデンサC0の充電開始制御をするタイミングでクロックの計数を開始し、コンデンサC0が所定電圧まで充電されたときの充電終了で計数を停止し、この計数によりコンデンサC0の充電開始から終了までの充電時間に対応する計数値を得る。
【0022】
充電検出回路7は、抵抗分圧回路等の電圧検出器により検出されるコンデンサC0の充電電圧と設定電圧の比較により、コンデンサC0が所定レベルまで充電されたことを検出し、コンデンサC0の充電終了の検出信号を得る。
【0023】
比較回路8は、コンデンサC0の充電終了時にカウンタ6の値と設定値を比較し、カウンタ6の値が設定値以下になるとき、すなわちコンデンサC0の充電が一定時間以下で終了するときに負荷側の短絡等の異常検出出力を得る。この異常検出出力では警報器(図示省略)での警報発生と共に、制御回路5に保護指令として与えることで制御回路5が回路保護(例えばスイッチSW,SW0のオフ)制御を行う。
【0024】
本実施形態による異常検出動作を図2を参照して説明する。同図の(a)は正常動作時のコンデンサC0の電圧波形を示し、(b)は負荷短絡等の異常発生時のコンデンサC0の電圧波形を示す。
【0025】
正常時は、時刻t1でコンデンサC0の放電を行い、負荷にパルス電流を供給して時刻t2で負荷側からのキックバック電流でコンデンサC0が逆極性に充電される。そして、時刻t3でコンデンサC0を初期充電方向に反転充電し、時刻t4でコンデンサC0の充電を開始し、この充電電圧が所定値に達した時刻t5で充電終了とする。
【0026】
これに対して、異常時は、時刻t2には負荷側からのキックバック電流が大きくなる。これは、コンデンサC0から負荷側に与えたエネルギーが正常時には負荷で消費されるのに対して、短絡発生時は負荷で消費されることなく大きなキックバック電流が発生することによる。
【0027】
このため、大きなキックバック電流でコンデンサC0の充電電圧が大きくなり、時刻t3での反転充電電圧も大きくなる。このため、異常時は、時刻t4からの充電開始時の電圧が高くなり、この電圧からの充電開始では充電終了時刻t5までの充電時間Tが正常時に比べて短くなる。
【0028】
これら現象から、図1のカウンタ6が充電開始から終了までの計時を行い、この時間が比較回路8に設定する正常な充電時間以下の時は異常として検出できる。また、異常発生時には時刻t2〜t3又は時刻t3〜t4でのコンデンサC0の充電電圧レベルが正常時に比べて高くなることから、この充電電圧レベル検出と正常値との比較で異常検出することができる。
【0029】
なお、異常検出は、負荷装置4の短絡に限らず、磁気パルス圧縮回路3のコンデンサC1,C2の短絡故障など、パルス発生回路1の後段での短絡故障を検出できる。
【0030】
また、パルス発生回路1のコンデンサC0の短絡故障などの異常は、充電開始から充電終了までの充電時間Tが比較回路8の設定時間よりも長くなることの検出で可能となるし、充電器2の出力電流が過大になることから検出することもできる。
【0031】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、コンデンサC0へのエネルギー回生による充電時間監視又は充電電圧レベル監視により負荷短絡等の異常発生を検出するようにしたため、以下の効果がある。
【0032】
(1)異常検出装置としては、特別な高電圧やパルス幅の狭い大電流を計測するための大型で高価な検出器を不要にし、少しの電子回路の付加で済む。
【0033】
(2)異常検出は、コンデンサの充電時に得ることができ、従来の光による検出に比べて遅れを少なくした検出ができる。これに伴い、主回路の短絡耐量を軽減し、その大型化やコスト高を招くこともなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を示すパルス電源の異常検出装置。
【図2】実施形態における正常時と異常時のコンデンサC0の電圧波形。
【図3】パルス電源回路例。
【符号の説明】
1…パルス発生回路
2…充電器
3…磁気パルス圧縮回路
4…負荷装置
SW、SW0…半導体スイッチ
SI0〜SI3…可飽和リアクトル
C0、C1、C2、CP…コンデンサ
5…制御回路
6…カウンタ
7…充電検出回路
8…比較回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a pulse power source that generates a narrow current pulse by combining a pulse generation circuit using a power semiconductor switch and a magnetic compression circuit, and particularly detects an abnormality such as a load short circuit in a kickback energy regeneration system. The present invention relates to an apparatus and a method.
[0002]
[Prior art]
FIG. 3 shows a configuration example of the pulse power supply. The
[0003]
Magnetic
[0004]
In the pulse power supply having such a configuration, the discharge load that becomes the
[0005]
Therefore, the
[0006]
Therefore, the pulse generating
[0007]
Thereafter, the kickback current from the pulse transformer PT charges the capacitor C 0 with the reverse polarity via the semiconductor switch SW. This charging is performed with an oscillating current through the saturable reactor SI 0 , and the capacitor C 0 is charged with a polarity opposite to that at the initial charging.
[0008]
A capacitor C 0 which is charged to the opposite polarity to obtain a regeneration of kickback energy through the diode D 0 and a semiconductor switch SW 0 of the capacitor C 0 by inverting charged polarity during initial charge.
[0009]
The kickback energy regeneration method is not limited to the configuration shown in FIG. There are also various circuit configurations of the magnetic
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
In conventional pulse power supply, a
[0011]
When such a failure occurs, it is desired from the viewpoint of circuit protection or the like that the operation of the apparatus is stopped upon detection thereof. However, in order to detect a load short circuit, for example, providing a voltage or current detector in each capacitor makes the output voltage of the pulse power supply as very high as several tens kV to 500 kV and the pulse width is also several μs or less. Therefore, the detector becomes large and the cost becomes high.
[0012]
Therefore, conventionally, the
[0013]
However, since the light output of the
[0014]
An object of the present invention is to provide a pulse power supply and an abnormality detection method that can quickly and reliably detect an abnormality including a load short circuit while eliminating the need for a high voltage / narrow pulse current detector for detecting a load short circuit. It is in.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The present invention pays attention to the fact that the kickback energy increases when an abnormality such as a load short circuit occurs, and accordingly, the charging voltage due to energy regeneration to the capacitor C 0 is high, and the charging time from the start of charging to the end of charging is shortened. The occurrence of abnormality is detected by this charging time monitoring or charging voltage monitoring, and is characterized by the following configuration and method.
[0016]
(First invention)
A pulse generation circuit that generates a pulse current from a capacitor that is initially charged by on-control of a semiconductor switch; and a magnetic pulse compression circuit that magnetically compresses the pulse current and supplies the pulse current to a load. In the pulse power source that regenerates energy using the kickback current of the capacitor as the charging current of the capacitor,
Time measuring means for measuring time from the start of charging of the capacitor after the energy regeneration to the end of charging;
Comparing circuit for obtaining an abnormality detection output of the load and the magnetic pulse compression circuit when the charging time from the start of charging of the capacitor to the end of charging is set in a normal time and the time measuring time of the time measuring means is short with respect to the charging time It is characterized by comprising.
[0017]
(Second invention)
A pulse generation circuit that generates a pulse current from a capacitor that is initially charged by on-control of a semiconductor switch; and a magnetic pulse compression circuit that magnetically compresses the pulse current and supplies the pulse current to a load. In the pulse power source that regenerates energy using the kickback current of the capacitor as the charging current of the capacitor,
It is determined that the load and the magnetic pulse compression circuit are abnormal when the charging time from the start of charging of the capacitor after the energy regeneration to the end of charging is equal to or less than a normal charging time.
[0018]
(Third invention)
A pulse generation circuit that generates a pulse current from a capacitor that is initially charged by on-control of a semiconductor switch; and a magnetic pulse compression circuit that magnetically compresses the pulse current and supplies the pulse current to a load. In the pulse power source that regenerates energy using the kickback current of the capacitor as the charging current of the capacitor,
When the charge voltage level of the capacitor after the energy regeneration exceeds a normal charge voltage, it is determined that the load and the magnetic pulse compression circuit are abnormal.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows an abnormality detection apparatus according to an embodiment of the present invention. Main circuit parts equivalent to those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals.
[0020]
The
[0021]
The
[0022]
The charge detection circuit 7 detects that the capacitor C 0 has been charged to a predetermined level by comparing the set voltage with the charge voltage of the capacitor C 0 detected by a voltage detector such as a resistance voltage divider circuit, and the capacitor C 0. The end-of-charge detection signal is obtained.
[0023]
The comparison circuit 8 compares the value of the
[0024]
An abnormality detection operation according to the present embodiment will be described with reference to FIG. (A) of the figure shows the voltage waveform of the capacitor C 0 during normal operation, and (b) shows the voltage waveform of the capacitor C 0 when an abnormality such as a load short circuit occurs.
[0025]
When normal, the capacitor C 0 is discharged at time t 1 , a pulse current is supplied to the load, and the capacitor C 0 is charged with a reverse polarity by a kickback current from the load side at time t 2 . Then, the capacitor C 0 is reversely charged in the initial charging direction at time t 3 , charging of the capacitor C 0 is started at time t 4 , and charging ends at time t 5 when this charging voltage reaches a predetermined value.
[0026]
In contrast, abnormal is kickback current from the load side is increased at time t 2. This is because the energy applied from the capacitor C 0 to the load side is consumed by the load when it is normal, but a large kickback current is generated without being consumed by the load when a short circuit occurs.
[0027]
For this reason, the charging voltage of the capacitor C 0 increases with a large kickback current, and the inverted charging voltage at time t 3 also increases. Therefore, abnormality is higher the voltage at the charge start from the time t 4, the charging time T until the charging end time t 5 in the start of charging from the voltage is shorter than the normal.
[0028]
From these phenomena, the
[0029]
The abnormality detection is not limited to the short circuit of the
[0030]
An abnormality such as a short circuit failure of the capacitor C 0 of the
[0031]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the occurrence of an abnormality such as a load short-circuit is detected by monitoring the charging time by energy regeneration to the capacitor C 0 or by monitoring the charging voltage level.
[0032]
(1) As an abnormality detection device, a large and expensive detector for measuring a special high voltage or a large current with a narrow pulse width is not required, and only a few electronic circuits are added.
[0033]
(2) Abnormality detection can be obtained when the capacitor is charged, and detection can be performed with less delay than conventional light detection. Along with this, the short circuit withstand capability of the main circuit is reduced, and there is no increase in size and cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows an abnormality detection apparatus for a pulse power supply according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a voltage waveform of a capacitor C 0 when normal and abnormal in the embodiment.
FIG. 3 shows an example of a pulse power supply circuit.
[Explanation of symbols]
1 ...
Claims (3)
前記エネルギー回生後の前記コンデンサの充電開始から充電終了までの計時をする計時手段と、
正常時の前記コンデンサの充電開始から充電終了までの充電時間が設定され、この充電時間に対して前記計時手段の計時時間が短いときに前記負荷及び磁気パルス圧縮回路の異常検出出力を得る比較回路とを備えたことを特徴とするパルス電源。A pulse generation circuit that generates a pulse current from a capacitor that is initially charged by on-control of a semiconductor switch; and a magnetic pulse compression circuit that magnetically compresses the pulse current and supplies the pulse current to a load. In the pulse power source that regenerates energy using the kickback current of the capacitor as the charging current of the capacitor,
Time measuring means for measuring time from the start of charging of the capacitor after the energy regeneration to the end of charging;
Comparing circuit for obtaining an abnormality detection output of the load and the magnetic pulse compression circuit when the charging time from the start of charging of the capacitor to the end of charging is set in a normal time and the time measuring time of the time measuring means is short with respect to the charging time And a pulse power supply.
前記エネルギー回生後の前記コンデンサの充電開始から充電終了までの充電時間が正常時の充電時間以下のときに前記負荷及び磁気パルス圧縮回路の異常と判定することを特徴とする異常検出方法。A pulse generation circuit that generates a pulse current from a capacitor that is initially charged by on-control of a semiconductor switch; and a magnetic pulse compression circuit that magnetically compresses the pulse current and supplies the pulse current to a load. In the pulse power source that regenerates energy using the kickback current of the capacitor as the charging current of the capacitor,
An abnormality detection method comprising: determining that the load and the magnetic pulse compression circuit are abnormal when a charging time from the start of charging to the end of charging after the energy regeneration is equal to or less than a normal charging time.
前記エネルギー回生後の前記コンデンサの充電電圧レベルが正常時の充電電圧を越えるときに前記負荷及び磁気パルス圧縮回路の異常と判定することを特徴とする異常検出方法。A pulse generation circuit that generates a pulse current from a capacitor that is initially charged by on-control of a semiconductor switch; and a magnetic pulse compression circuit that magnetically compresses the pulse current and supplies the pulse current to a load. In the pulse power source that regenerates energy using the kickback current of the capacitor as the charging current of the capacitor,
An abnormality detection method comprising: determining that the load and the magnetic pulse compression circuit are abnormal when a charge voltage level of the capacitor after the energy regeneration exceeds a normal charge voltage.
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