JP4654242B2 - 電子的電力スイッチングシステム - Google Patents
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Description
米国特許3273075は、過飽和リアクトルの直列に接続された大型トランジスタによりスイッチされる従来のPFN型変調器に関する。このトランジスタがトリガーされると、RC回路網がパルス変圧器の一次側に放電し、起動用パルスをマグネトロン負荷に与え、それをPFNからの大電力パルスに対して備えさせる。この文献には、このことはマグネトロンが誤振動モードでターンオンするのを阻止する良好な方法であるとしている。この文献によれば、可飽和リアクトルスイッチが閉じられると、トランジスタはPFNの通電側に直接接続され、PFNの接地側はパルス変圧器一次側に接続される。従って、トランジスタとパルス変圧器負荷との間に時間遅延は無い。マグネトロンからの負荷火花がトランジスタに送信され、直ちにトランジスタ電流を倍増する。
米国特許3273075には、第1のRC回路網がマグネトロンのプライミング時間をもった後、可飽和リアクトルスイッチが閉じるが、一旦このリアクトルスイッチが閉じ、PFNパルスをマグネトロンに印加すると、負荷(マグネトロン)とトランジスタスイッチとの間に時間遅延は無くなる。本発明による回路とは異なり、どんな負荷短絡もトランジスタスイッチ電流の即座の上昇を生じる。
米国特許3737679(特開昭48−89664号公報)には、SCR(サイリスタ)スイッチを用いてPFNをパルス変圧器一次側に放電する方法が記載されている。SCRスイッチの大きな問題は、dI/dtの高い値をあまり上手く解決せず、ターンオンdI/dtが毎マイクロ秒数100Aを上回ると、損傷を生じることがあることである。従って、追加の小さいPFNを加え、プレパルス電流をSCRに送出し、また可飽和鉄心リアクトルをSCRと主PFN間に加え、SCRが電流で浸され、PFNの大パルスに対する準備ができるまで主PFN放電の開始を遅延する。一旦主PFNパルスが開始すると、負荷とSCR間に時間遅延が無くなり、負荷故障(短絡)がSCR電流の即座の上昇を生じることになる。何れにしても、SCRが電子的にターンオフすることはない。
米国特許4160214には、PFNを多数の並列モジュールに分割し、各PFNモジュールをSCRスイッチでスイッチする従来のPFN型変調器が記載されている。パルス変圧器は、一次側に並列に接続された全PFNモジュールにより駆動される。従って、スイッチがトリガーされると、基本PFNセルは所定の長さの基本パルスから成る信号を結果として生じる。PFNセルの遅延は、PFNからエネルギーが引き出される時間を定め、従って各基本パルスのパルス長を決定する。従って、PFN遅延はパルス決定の一部に過ぎず、発生されるパルス自体のどんな遅延にも関係しない。充電システムは、直列SCRスイッチを備える従来の共振充電器である。
スイッチと負荷間には保護的時間遅延は無く、負荷故障はスイッチにより直接見られる。また、米国特許4160214のスイッチはSCR型のものであり、電子的にはターンオフされないので、パルス幅はモジュールPFNセルの遅延により固定され、変更できない。なお、米国特許4160214ではパルスエネルギーはコンデンサには蓄積されず、PFNシステムに蓄積される。従って、スイッチをターンオフすることによりパルス幅を電子的に制御することはできない。
米国特許4614878には、パルスエネルギーをコンデンサにではなく、並列接続MOSFETによりスイッチされるPFN構造に蓄積することに基づくパルス発生器が記載されている。このパルス発生器は一般にμS以下のパルス用であり、要素集中型のパルス変圧器ではない、伝送線型パルスインバータ及びパルス変圧器を用いるので、それで5又は10μSのパルスを作ろうとすると、非実際的に大きくなってしまう。PFNパルスは反転変圧器に送られて、それを負パルス(negative going pulse)から正パルス(positive going pulse)に変え、その後、同軸線形変圧器により変圧されて負荷に対してより高い電圧を発生する。スイッチ保護の問題は述べられていない。
・PFN回路網の必要が無い
・よりコンパクトな構成が得られる
・浮遊損失が少ない
・期待寿命が長い
・パルス幅の電子的調整が可能。回路変更又は再調整の必要が無い。限界として、パルス幅は要すればパルス毎にさえ変更可能である。
・負荷に送出される電圧はコンデンサ電圧と同一であり、PFN型変調器の場合のように半分ではない。このことは、電力(全電圧x電流)の半分でなく、スイッチの全定格出力を用い得ることを意味する。
本発明の一般的目的は、電力装置の電力スイッチングシステムを負荷故障等から保護を可能にすることである。
特に、スイッチ(単数又は複数)を負荷短絡から保護するのが望ましい。
本発明の一特定目的は、改良された電力スイッチングシステムを提供することにある。
本発明のもう一つの目的は、改良された電力装置を提供することにある。
・伝送遅延に基づく効率的スイッチ保護
・高い電力出力。本発明の電力システムは、遅延によるスイッチ保護を含まない対応する従来の電力システムと比較して、出力を4倍(!)まで高める。
短絡負荷故障からの保護
・負荷故障電流とスイッチの能動的ターンオフを検出して、遅延を少なくし、従って伝送線の物理的寸法を低減する
・統合電圧ドループ補償をもつ伝送遅延線
・開回路負荷故障からの保護
T=N(LC)1/2 (1)
20 スイッチ
22 電子オンオフ制御部
25 遅延線
30 変圧器
27 電流検出器
40 負荷
Claims (39)
- 電力入力部及び電力出力部と、
電力入力部側から電力出力部側へのエネルギーパルスをスイッチングするスイッチと、このスイッチはエネルギーパルスのスイッチングのターンオン・ターンオフ動作を電子的に制御可能にしており、
前記スイッチと電力出力部側間に接続され、スイッチが、負荷故障電流がスイッチに到達する前にターンオフして負荷故障電流からのスイッチの保護を可能にする遅延をして前記エネルギーパルスを伝送するための伝送線と
を含み、伝送線は遅延がスイッチのターンオフ遅延より長くなるように構成されて成る電力スイッチングシステム。 - 更に、
前記負荷故障電流を検知する検出器と、
検出された負荷検出電流に応答して前記スイッチを能動的に保護するための手段と
を含んで成る請求項1に記載の電子的電力スイッチングシステム。 - 前記スイッチを能動的に保護する手段が、検出負荷故障電流に応答してスイッチを能動的にターンオフするように操作可能である請求項2に記載の電子的電力スイッチングシステム。
- 前記遅延がスイッチのターンオフ遅延と電流立下り時間の和より長くなるようにして成る請求項1に記載の電子的電力スイッチングシステム。
- 前記遅延が半パルス幅より長くなるようにして成る請求項1に記載の電子的電力スイッチングシステム。
- 前記スイッチを電子的にターンオン及びターンオフして前記エネルギーパルスを、それぞれ開始及び終了する手段が更に含まれて成る請求項1に記載の電子的電力スイッチングシステム。
- 前記スイッチが固体スイッチである請求項1に記載の電子的電力スイッチングシステム。
- 伝送線がインダクタ・コンデンサ(LC)型伝送線である請求項1に記載の電子的電力スイッチングシステム。
- 前記伝送線がギレミンE型LC回路網である請求項8に記載の電子的電力スイッチングシステム。
- 更に非スパイクダイオードを、インダクタ・コンデンサ型伝送線のコンデンサに並列に、前記伝送線の入力側に接続して成る請求項8に記載の電子的電力スイッチングシステム。
- 前記伝送線が、エネルギーパルスを個別仕様にするため、不均一伝送線である請求項1に記載の電子的電力スイッチングシステム。
- 伝送遅延線の出力側のインピーダンスを伝送遅延線の入力側のインピーダンスとは異にし、インピーダンスが伝送線に亘ってテーパー化するようにした請求項11に記載の電子的電力スイッチングシステム。
- 電力入力側は、電源によって蓄積される1つのエネルギー蓄積コンデンサに接続可能であり、伝送遅延線の出力側のインピーダンスを伝送線の入力側のインピーダンスより低くし、前記エネルギー蓄積コンデンサの放電中の前記エネルギー蓄積コンデンサの電圧ドループを補償するようにした請求項12に記載の電子的電力スイッチングシステム。
- 断面がテーパー状の導通ロッドを伝送線コイルに挿入して前記テーパー化を図るようにした請求項12又は13に記載の電子的電力スイッチングシステム。
- 前記伝送線のインピーダンスを、電力スイッチング装置の使用対象とする負荷に整合させて成る請求項1に記載の電子的電力スイッチングシステム。
- 更に、電圧クランプ回路を前記伝送線の出力側に設け、開回路負荷故障の保護を可能にして成る請求項1に記載の電子的電力スイッチングシステム。
- 前記伝送線が、負荷側に接続される2つの出力端子を有して成る請求項1に記載の電子的電力スイッチングシステム。
- 前記出力端子の一方が接地され、他の通電端子を負荷側の通電端子への接続用として成る請求項17に記載の電子的電力スイッチングシステム。
- 電源と、
該電源から電力出力部側へのエネルギーパルスをスイッチングするスイッチと、このスイッチはエネルギーパルスのスイッチングのターンオン、ターンオフ動作を電子的に制御可能としており、
該スイッチと前記電力出力側間に接続され、スイッチが、負荷故障電流がスイッチに到達する前にターンオフすることによって負荷故障電流からの前記スイッチの保護を可能にする遅延をして前記エネルギーパルスを伝送するための伝送線であって、前記スイッチのターンオフ遅延より大きな遅延を有するようにされた伝送線
を含んで成る電子的電力システム。 - 更に、
前記負荷故障電流を検出する検出器と、
検出負荷故障電流に応答してスイッチを能動的に保護する手段
を含んで成る請求項19に記載の電子的電力システム。 - 前記スイッチを能動的に保護する手段が、故障負荷電流に応答してスイッチを能動的にターンオフするように動作可能である請求項20に記載の電子的電力システム。
- 前記遅延がスイッチのターンオフ遅延と負荷故障電流の電流立下り時間の和より長くなるようにして成る請求項19に記載の電子的電力システム。
- 前記遅延が前記エネルギーパルスの半パルス幅より長くなるようにして成る請求項19に記載の電子的電力システム。
- 前記スイッチを電子的にターンオン及びターンオフして前記エネルギーパルスを、それぞれ開始及び終了する手段が更に含まれて成る請求項19に記載の電子的電力システム。
- 前記スイッチが固体スイッチである請求項19に記載の電子的電力システム。
- 伝送線がインダクタ・コンデンサ(LC)型伝送線である請求項19に記載の電子的電力システム。
- 前記伝送線がギレミンE型LC回路網である請求項26に記載の電子的電力システム。
- 更に非スパイクダイオードを、インダクタ・コンデンサ型伝送線のコンデンサに並列に、前記伝送線の入力側に接続して成る請求項26に記載の電子的電力システム。
- 前記伝送線が、前記エネルギーパルス伝送を個別仕様にするため、不均一伝送線である請求項19に記載の電力装置。
- 伝送線の出力側のインピーダンスを伝送線の入力側のインピーダンスとは異にし、インピーダンスを伝送線に亘ってテーパー化するようにした請求項31に記載の電子的電力システム。
- 前記電源が電源によって蓄積されるエネルギー蓄積コンデンサを含むコンデンサ型電源であり、伝送線の出力側のインピーダンスを伝送線の入力側のインピーダンスより低くし、前記エネルギー蓄積コンデンサの放電中のエネルギー蓄積コンデンサの電圧ドループを補償するようにした請求項30に記載の電子的電力システム。
- 断面がテーパー状の導通ロッドを伝送線に挿入して前記テーパー化を図るようにした請求項30又は31に記載の電子的電力システム。
- 前記伝送線のインピーダンスを負荷に整合させて成る請求項19に記載の電子的電力システム。
- 更に、電圧クランプ回路を前記伝送線の出力側に設け、開回路負荷故障の保護を可能にして成る請求項19に記載の電子的電力システム。
- 前記伝送線が、負荷側に接続される2つの出力端子を有して成る請求項19に記載の電子的電力システム。
- 前記出力端子の一方が接地され、他の通電端子を負荷側の通電端子への接続用として成る請求項35に記載の電子的電力システム。
- 更に、昇圧変圧器を前記伝送線と負荷側の間に設けて成る請求項19に記載の電子的電力システム。
- 前記変圧器がスプリットコア変圧器である請求項37に記載の電子的電力システム。
- 前記電源がパルス出力電力を発生する電力変調器である請求項19に記載の電子的電力システム。
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