JP4636357B2

JP4636357B2 - 高電圧パルス電源回路

Info

Publication number: JP4636357B2
Application number: JP2001159801A
Authority: JP
Inventors: 知史今久保; 靖雄小林
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2001-05-29
Filing date: 2001-05-29
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2021-05-29
Also published as: JP2002354845A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マグネトロン又はクライストロンの負荷に高電圧パルスを短時間印加する高電圧パルス電源回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来の高電圧パルス電源回路である。この図において、負荷６は、高周波電磁波を発生させるためのマグネトロン又はクライストロンである。マグネトロンは電磁波による滅菌等のため、クライストロンは加速器等に用いられる。また、１は高圧直流電源、２はパルス形成素子（ＰＦＮ：ＰｕｌｓｅＦｏｒｍｉｎｇＮｅｔｗｏｒｋ）、３はスイッチング素子（サイラトロン）、５はトランスであり、高圧直流電源１（例えば、１０ｋＶ、３００Ａ）でＰＦＮ２を構成する複数のコンデンサに電荷を蓄積し、次いでトリガ信号４によりサイラトロン３をＯＮして、コンデンサの電荷を瞬時に放電させ、その際に発生するパルス電圧をトランス５で昇圧して、負荷６に高圧パルス電圧を印加するようになっている。
【０００３】
上述した従来の高電圧パルス電源回路は、スイッチング素子（サイラトロン）４が異常の場合でも、負荷６に対する影響は少なく安定して作動できるが、パルス形成素子（ＰＦＮ）は、外形形状が大きく、コンパクト化が困難であった。
【０００４】
この問題を解決するために、図６に模式的に示すように、ＰＦＮを半導体素子からなる主回路スイッチングモジュール７で置き換えた回路が提案されている。主回路スイッチングモジュール７は、複数のサイリスタ７ａとこれを保護するダイオード７ｂで構成されており、ＤＣ電源１ａでコンデンサ１ｂに蓄積した電荷を、トリガ信号４で光／電変換器８を介して主回路スイッチングモジュール７をＯＮし、コンデンサ１ｂの電荷をトランス４を通して放電させ、このパルス電圧をトランス５で昇圧して、負荷６に高圧パルス電圧を印加するようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したマグネトロン又はクライストロンの負荷６は、高電圧パルスを短時間（例えば４〜６μｓｅｃ）印加するようになっているが、高電圧パルスがそれ以上長くなる（例えば１２μｓｅｃ以上）になると損傷を受ける問題点があった。
また、上述した主回路スイッチングモジュール７を構成するサイリスタ７ａは、使用中の過電流で導通状態になる故障が起きやすく、その場合、トリガ信号４がＯＮからＯＦＦになっても、導通状態のサイリスタ７ａを通してコンデンサ１ｂの電荷が放電を続け、トランス５を介して負荷６に許容時間以上の高電圧パルスが印加され、高価な負荷６（マグネトロン又はクライストロン）を損傷させるおそれがあった。
更に、負荷６の損傷を防止するために、過電流リレー（継電器）を回路の途中に挿入することも考えられるが、過電流リレーは応答速度が遅く、その作動に例えば２０ｍｓｅｃ程度を要するため、上記約１２μｓｅｃ前後の遅れは到底検出できなかった。
【０００６】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、マグネトロン又はクライストロンの負荷に高電圧パルスを短時間印加することができ、かつその印加時間が許容範囲を超える前に、瞬時に印加を停止して負荷を保護することができる高電圧パルス電源回路を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ＤＣ電源（１ａ）とコンデンサ（１ｂ）からなる高圧直流電源（１）と、前記コンデンサの電荷を短時間放電させるようにスイッチングすることで前記コンデンサから放電電流を流す主回路スイッチングモジュール（７）と、該主回路スイッチングモジュールにトリガ信号（４）を入力することで前記電荷を短時間放電させるように前記主回路スイッチングモジュールにスイッチングさせるトリガ回路とを備えた高電圧パルス電源回路において、前記放電電流は、前記主回路スイッチングモジュールと負荷をこの順で流れるようになっており、前記負荷に流れる前記放電電流を検出する電流検出器（１２）と、保護信号が入力されることで前記負荷（６）をバイパスして前記放電電流を流す保護スイッチングモジュール（１０）と、前記保護信号を出力する保護スイッチングモジュールドライブ基板（１４）とを備え、前記主回路スイッチングモジュールに前記トリガ信号が入力されなくなった後に、前記電流検出器により前記放電電流が検出されることで、前記保護スイッチングモジュールドライブ基板（１４）により前記保護信号が前記保護スイッチングモジュールに出力され、これにより、負荷に一定時間以上の電流を流さないように、高圧直流電源のコンデンサに蓄電した電荷を保護スイッチングモジュール（１０）を通して瞬時に放電させる、ことを特徴とする高電圧パルス電源回路が提供される。
【０００８】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記主回路スイッチングモジュール（７）及び保護スイッチングモジュールドライブ基板（１４）は、半導体素子からなる。
【０００９】
上記本発明の構成によれば、ＤＣ電源（１ａ）でコンデンサ（１ｂ）に蓄積した電荷を、トリガ信号（４）で主回路スイッチングモジュール（７）をＯＮし、コンデンサの電荷を例えばトランスを通して放電させ、マグネトロン又はクライストロンの負荷に高圧パルス電圧をトリガ信号がＯＮする短時間だけ印加することができる。
また、高電圧回路のスイッチングモジュール（７）が過電流等で導通状態になった場合、トリガ信号がＯＦＦになった後に継続する放電電流を電流検出器（１２）で検出し、保護スイッチングモジュールドライブ基板（１４）で保護信号を出力して、保護スイッチングモジュール（１０）を通して放電電流を負荷（６）をバイパスして放電させることができる。
従って、この作動時間を短縮するために、半導体素子からなる主回路スイッチングモジュール（７）及び保護スイッチングモジュールドライブ基板（１４）を用いれば、その印加時間が許容範囲を超える前に、瞬時に印加を停止して負荷を保護することができる。
【００１０】
前記保護スイッチングモジュールドライブ基板（１４）は、電流検出器（１２）で検出した電流信号と、前記トリガ信号（４）とを比較し、電流信号がトリガ信号より長く継続するときに保護信号を出力するコンパレータを有する。
この構成により、スイッチングモジュール（７）が導通状態になったことを、コンパレータで瞬時に検出し、４〜５μｓｅｃ程度のわずかな遅れで保護信号を出力することができる。
【００１１】
前記放電電流は、前記主回路スイッチングモジュールと前記負荷をこの順で流れた後、アースへ流れるようになっており、前記保護スイッチングモジュール（１０）は、直列に接続されたサイラトロン（１０ａ）と抵抗（１０ｂ）からなり、前記主回路スイッチングモジュール（７）の上流側又は下流側と前記アースとの間に設置される。サイラトロンの代わりにサイリスタ等の半導体素子でもよい。この構成により、保護スイッチングモジュールドライブ基板（１４）からの保護信号により、主回路スイッチングモジュール（７）を流れる放電電流をその上流側又は下流側からアースへ流し、放電電流を負荷（６）をバイパスして放電させることができる。
【００１２】
前記トリガ回路は、トリガ信号（４）を主回路スイッチングモジュールに入力する光／電変換器（８）からなる。
この構成により、トリガ信号（４）のＯＮ／ＯＦＦ信号をほとんど遅れなく、かつ雑音に影響されることなく主回路スイッチングモジュールに入力することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１４】
図１は、本発明による高電圧パルス電源回路の第１実施形態図である。この図に示すように、本発明の高電圧パルス電源回路は、ＤＣ電源１ａとコンデンサ１ｂからなる高圧直流電源１と、コンデンサ１ｂの電荷を短時間放電させるようにスイッチングする主回路スイッチングモジュール７と、主回路スイッチングモジュール７にトリガ信号４を入力するトリガ回路とを備える。
【００１５】
高圧直流電源１は、ＤＣ電源１ａでコンデンサ１ｂに、例えば１０ｋＶ、３００Ａに相当する高電圧の電荷を蓄積する。また、主回路スイッチングモジュール７は、複数のサイリスタ７ａとこれを保護するダイオード７ｂで構成されており、トリガ信号４でスイッチングしてコンデンサ１ｂの電荷を短時間放電させるようになっている。更に、トリガ回路は、トリガ信号４を主回路スイッチングモジュール７に入力する光／電変換器８からなり、主回路スイッチングモジュール７をスイッチングして負荷６で必要とする短時間（例えば４〜６μｓｅｃ）だけ導通状態にするようになっている。
なお、この例では、モジュール７の導通により、コンデンサ１ｂの電荷が高電圧パルスとしてトランス５を通して放電され、トランス５で更に昇圧してマグネトロン又はクライストロンの負荷６に高電圧パルスを印加する。
【００１６】
本発明の高電圧パルス電源回路は、更に、保護スイッチングモジュール１０、電流検出器１２及び保護スイッチングモジュールドライブ基板１４を備える。
保護スイッチングモジュール１０は、直列に接続された例えばサイラトロン等のスイッチング素子１０ａと抵抗１０ｂからなり、主回路スイッチングモジュール７の上流側とアースとの間に設置され、保護信号により負荷６をバイパスして放電電流をアースに流すようになっている。
電流検出器１２は、例えばカレントトランスフォーマであり、この例では高圧直流電源１から主回路スイッチングモジュール７とトランス５を通ってアース９に流れる高電圧パルス電流を検出する。
【００１７】
主回路スイッチングモジュール７としては、ＯＮ／ＯＦＦが可能なその他の半導体素子でもよい。その場合、負荷側の反射波等の影響で半導体素子に異常が生じ、導通状態になる場合がある。負荷６としてマグネトロンやクライストロン等を使用した場合、定格の電流がある一定時間以上負荷に流れると負荷を壊してしまう可能性がある。そこで、保護スイッチングモジュール１０をＯＮすることにより抵抗１０ｂに電流を流し、コンデンサ１ｂに蓄電された電荷を放電させる機能を有する。これにより負荷６に対して流れる電流は減衰し、一定時間放電後電流電源の方で充電を停止することができる。
【００１８】
図２は、本発明を構成するドライブ基板のブロック図である。この図に示すように、保護スイッチングモジュールドライブ基板１４は、コンパレータ１４ａと複数のバッファ回路１４ｂとからなり、電流検出器１２で検出した電流信号と、トリガ信号４とを比較し、電流信号がトリガ信号より長く継続するときに保護信号を出力するようになっいている。
【００１９】
図３は、図２のドライブ基板の動作タイムチャートである。この図は、主回路スイッチングモジュール７に異常が生じ、トリガ信号の出力時間（ＯＮの時間）がｔ１の場合に、電流検出器１２で検出した電流信号の検出時間がｔ１より長いｔ２の場合を示している。ドライブ基板１４は、まずトリガー信号と電流信号を比較し、電流信号の方がある一定時間以上長ければ、保護スイッチングモジュール１０にＯＮ信号（保護信号）を出力する。
【００２０】
保護スイッチングモジュールドライブ基板１４は、半導体素子からなり、その電子回路内の遅延は１〜２μｓｅｃ程度であり、保護スイッチングモジュール１０の作動遅れも最大１μｓｅｃ程度である。従って、本発明の構成により保護スイッチングモジュール１０が作動するまでの遅延時間は、２〜３μｓｅｃ程度であり、通常の保護継電器が追従できない高速で、異常を検出し保護することができる。なお、放電する電流値はコンデンサの容量、抵抗値、スイッチの許容電流から決定し、減衰する時間はコンデンサと抵抗の時定数（ＣＲ）から算出できる。
【００２１】
図４は、本発明による高電圧パルス電源回路の第２実施形態図である。この例では、高電圧パルスが、トランスを介することなく直接負荷６に印加される。また、保護スイッチングモジュール１０は、主回路スイッチングモジュール７の下流側とアース９との間に設置されている。その他の構成は、図１と同様である。
この構成の回路の場合も、図１と同様のドライブ基板１４で負荷６を保護することができる。
【００２２】
上述した本発明の構成によれば、ＤＣ電源１ａでコンデンサ１ｂに蓄積した電荷を、トリガ信号４で主回路スイッチングモジュール７をＯＮし、コンデンサの電荷を例えばトランスを通して放電させ、マグネトロン又はクライストロンの負荷に高圧パルス電圧をトリガ信号がＯＮする短時間だけ印加することができる。
また、高電圧回路のスイッチングモジュール７が過電流等で導通状態になった場合、トリガ信号がＯＦＦになった後に継続する放電電流を電流検出器１２で検出し、保護スイッチングモジュールドライブ基板１４で保護信号を出力して、保護スイッチングモジュール１０を通して放電電流を負荷６をバイパスして放電させることができる。
従って、この作動時間を短縮するために、半導体素子からなる主回路スイッチングモジュール７及び保護スイッチングモジュールドライブ基板１４を用いれば、その印加時間が許容範囲を超える前に、瞬時に印加を停止して負荷を保護することができる。
【００２３】
なお本発明は以上に述べた実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で各種の変更が可能である。
【００２４】
【発明の効果】
上述したように、保護装置を装備していない場合には、主回路スイッチが短絡状態になった場合に負荷を壊すおそれがあり、負荷がマグネトロンやクライストロン等の真空管の場合は大変高価なものとなるが、本発明の保護装置を装備することによってこれらの負荷を高速（数μｓ）で保護することができる。
【００２５】
すなわち、本発明の高電圧パルス電源回路は、マグネトロン又はクライストロンの負荷に高電圧パルスを短時間印加することができ、かつその印加時間が許容範囲を超える前に、瞬時に印加を停止して負荷を保護することができる等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による高電圧パルス電源回路の第１実施形態図である。
【図２】本発明を構成するドライブ基板のブロック図である。
【図３】図２のドライブ基板の動作タイムチャートである。
【図４】本発明による高電圧パルス電源回路の第２実施形態図である。
【図５】従来の高電圧パルス電源回路の一例を示す図である。
【図６】従来の高電圧パルス電源回路の別の例を示す図である。
【符号の説明】
１高圧直流電源、１ａＤＣ電源、１ｂコンデンサ、
２パルス形成素子（ＰＦＮ）、３スイッチング素子（サイラトロン）、
４トリガ信号、５トランス、６負荷（マグネトロン又はクライストロン）、
７主回路スイッチングモジュール、７ａサイリスタ、７ｂダイオード、
８光／電変換器、９アース、
１０保護スイッチングモジュール、
１０ａサイラトロン、１０ｂ抵抗、
１２電流検出器、１４保護スイッチングモジュールドライブ基板、
１４ａコンパレータ、１４ｂバッファ回路

Claims

ＤＣ電源（１ａ）とコンデンサ（１ｂ）からなる高圧直流電源（１）と、前記コンデンサの電荷を短時間放電させるようにスイッチングすることで前記コンデンサから放電電流を流す主回路スイッチングモジュール（７）と、該主回路スイッチングモジュールにトリガ信号（４）を入力することで前記電荷を短時間放電させるように前記主回路スイッチングモジュールにスイッチングさせるトリガ回路とを備えた高電圧パルス電源回路において、
前記放電電流は、前記主回路スイッチングモジュールと負荷をこの順で流れるようになっており、
前記負荷に流れる前記放電電流を検出する電流検出器（１２）と、保護信号が入力されることで前記負荷（６）をバイパスして前記放電電流を流す保護スイッチングモジュール（１０）と、前記保護信号を出力する保護スイッチングモジュールドライブ基板（１４）とを備え、
前記主回路スイッチングモジュールに前記トリガ信号が入力されなくなった後に、前記電流検出器により前記放電電流が検出されることで、前記保護スイッチングモジュールドライブ基板（１４）により前記保護信号が前記保護スイッチングモジュールに出力され、これにより、負荷に一定時間以上の電流を流さないように、高圧直流電源のコンデンサに蓄電した電荷を保護スイッチングモジュール（１０）を通して瞬時に放電させる、ことを特徴とする高電圧パルス電源回路。
前記主回路スイッチングモジュール（７）及び保護スイッチングモジュールドライブ基板（１４）は、半導体素子からなる、ことを特徴とする請求項１に記載の高電圧パルス電源回路。
前記保護スイッチングモジュールドライブ基板（１４）は、電流検出器（１２）で検出した電流信号と、前記トリガ信号（４）とを比較し、電流信号がトリガ信号より長く継続するときに保護信号を出力するコンパレータを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の高電圧パルス電源回路。
前記放電電流は、前記主回路スイッチングモジュールと前記負荷をこの順で流れた後、アースへ流れるようになっており、
前記保護スイッチングモジュール（１０）は、直列に接続されたサイラトロン（１０ａ）と抵抗（１０ｂ）からなり、前記主回路スイッチングモジュール（７）の上流側又は下流側と前記アースとの間に設置される、ことを特徴とする請求項１に記載の高電圧パルス電源回路。
前記トリガ回路は、トリガ信号（４）を主回路スイッチングモジュールに入力する光／電変換器（８）からなる、ことを特徴とする請求項１に記載の高電圧パルス電源回路。