JP5614813B2 - 電磁石用電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、加速器等で使用される電磁石にパルス状の大電流を印加するための電磁石用電源装置に関する。

物理化学実験や医療等の分野で使用される加速器には、電磁石にパルス状の大電流を印加するための電磁石用電源装置が備えられている。従来の電磁石用電源装置としては、例えば、非特許文献１に記載のパワークローバ回路を採用したものが知られている。
図４（Ａ）に示すように、このタイプの電磁石用電源装置１００は、第１コンデンサ１０１および該第１コンデンサ１０１よりも静電容量値が大きい第２コンデンサ１０２を備え、第１スイッチ１０３および第２スイッチ１０４をＯＮ／ＯＦＦさせることにより電磁石１０５に第１コンデンサ１０１および／または第２コンデンサの放電電流（＝電磁石電流Ｉ）が印加されるよう構成されている。

より詳しくは、この電磁石用電源装置１００では、第１コンデンサ１０１が数千Ｖの高電圧で、第２コンデンサ１０２が数百Ｖの電圧でそれぞれ予め充電されている。
そして、図４（Ｂ）に示すように、時間ｔ_０において第１スイッチ１０３がＯＮされると、第１コンデンサ１０１の放電電流が電磁石１０５に供給され、電磁石電流Ｉが頂部（例えば、数十ｋＡ）まで一気に立ち上がる。
その後、時間ｔ_１において第２スイッチ１０４がＯＮされると、第２コンデンサ１０２の放電電流が電磁石１０５に供給され、電磁石電流Ｉの電流値が頂部付近で維持される。

図５に、電磁石用電源装置１００とコンセプトがよく似た別の従来の電磁石用電源装置２００を示す。
同図に示すように、電磁石用電源装置２００は、第１充電電源２０３から出力される数千Ｖの電圧で予め充電された第１コンデンサ２０４の放電電流を電磁石２０３に供給することにより、電磁石電流Ｉを頂部まで立ち上げる第１電流源２０１と、第２充電電源２１０から出力される数百Ｖの電圧で予め充電された第２コンデンサ２１１の放電電流を電磁石２０３に供給することにより、頂部における電流値を維持する第２電流源２０２とを備えている。

この電磁石用電源装置２００では、電磁石電流Ｉを立ち上げる期間と電磁石電流Ｉを維持する期間とで、２つのスイッチング素子２０５、２０６の導通状態が切り替えられる。これらのスイッチング素子２０５、２０６の導通状態は、適当な駆動回路２０７を介して接続された制御部２０４によって切り替えられる。

田実、「コンデンサを用いたパルスパワー技術」、静電気学会誌、平成６年、第１８巻、第４号、ｐ．３５５−３６３

ところで、加速器で使用される電磁石用電源装置は、一定期間の間、一定の電磁石電流を電磁石に供給し続けることが求められている。また、一般に、電磁石の銅損（インピーダンス）は、電流を通流させているうちに表皮効果、近接効果等により緩やかに低下する。したがって、電磁石用電源装置は、頂部における電流値を一定に保つために、電磁石の両端の電圧（以下、“電磁石電圧”という）を上記銅損の緩やかな低下に合せて低下させることが望ましい。

つまり、図６（Ｂ）に示すように、電磁石用電源装置は、銅損が比較的大きい時間ｔ_１の近傍においては電磁石電圧を高めにする一方、銅損が低下した時間ｔ_２の近傍においては電磁石電圧を低めにすることで、頂部における電磁石電流Ｉの電流値を一定に保つのが理想的である。

しかしながら、従来の電磁石用電源装置２００における電磁石電圧は、図７（Ａ）に示すように、第２コンデンサ２１１の静電容量値および電磁石電流Ｉの電流値に依存する傾きで直線的に低下するので、理想とされる電圧波形と実際の電圧波形との差に応じた分だけ、頂部における電流値が変動してしまっていた（図７（Ｂ）参照）。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、電磁石に供給するパルス状電流の頂部における変動を抑制可能な電磁石用電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る電磁石用電源装置は、電磁石にパルス状電流を印加する電磁石用電源装置であって、第１電圧で予め充電された第１コンデンサの第１放電電流を電磁石に供給することにより、パルス状電流を頂部まで立ち上げる第１電流源と、パルス状電流の立ち上げ後に、第２電圧で予め充電された第２コンデンサの第２放電電流を電磁石に供給し、さらにその後、第３電圧で予め充電された第３コンデンサの第３放電電流を第２放電電流とともに電磁石に供給することにより、パルス状電流を頂部において維持する第２電流源とを備えたことを特徴としている。

この構成では、パルス状電流を頂部において維持する期間が、第２放電電流だけを電磁石に供給する期間と、第２放電電流および第３放電電流を電磁石に供給する期間とに分かれている。
また、後者の期間は、第２コンデンサおよび第３コンデンサが利用されるので、第２コンデンサだけが利用される前者の期間よりも電磁石に電流を供給するコンデンサの総静電容量値が大きい。
したがって、この構成によれば、電磁石の電圧の傾きを前者の期間と後者の期間とで切り替えることができ、しかも後者の期間は前者の期間よりも傾きが小さくなるので、該電圧の変化を理想に近づけることができる。すなわち、この構成によれば、電磁石に供給するパルス状電流の頂部における変動を抑えることができる。

上記電磁石用電源装置は、第３電圧が第２電圧よりも低く設定され、パルス状電流を頂部において維持する際、第２電流源は、第２コンデンサと、第３コンデンサおよび整流素子からなる直列回路とが電磁石に並列接続された状態とされることが好ましい。

この構成では、電磁石の電圧が第３電圧よりも高い間は、第２コンデンサの第２放電電流だけが電磁石に供給される。そして、放電により第２コンデンサの電圧が低下して第３電圧を下回ると、第３コンデンサの第３放電電流も電磁石に供給され始める。つまり、この構成によれば、上記２つの期間の切り替えを自動的に行うことができる。

上記電磁石用電源装置は、例えば、第１電圧を出力する第１充電電源と、第２電圧を出力する第２充電電源と、第３電圧を出力する第３充電電源とを備えている。

上記電磁石用電源装置は、第１電圧を出力する第１充電電源と、第３電圧を出力する第３充電電源と、第４電圧を出力する第４充電電源とを備え、第２電圧は、第３電圧および第４電圧の和電圧であってもよい。

本発明によれば、電磁石に供給するパルス状電流の頂部における変動を抑制可能な電磁石用電源装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る電磁石用電源装置の回路図である。 第１実施形態に係る電磁石用電源装置の波形図であって、（Ａ）は電磁石電圧の全体波形図、（Ｂ）は（Ａ）の拡大波形図、（Ｃ）は電磁石電流の全体波形図、（Ｄ）は（Ｃ）の拡大波形図である。 本発明の第２実施形態に係る電磁石用電源装置の回路図である。 （Ａ）は従来の電磁石用電源装置の回路図、（Ｂ）は電磁石電流の波形図である。 従来の電磁石用電源装置の回路図である。 理想的な電磁石用電源装置の波形図であって、（Ａ）は電磁石電圧の全体波形図、（Ｂ）は（Ａ）の拡大波形図、（Ｃ）は電磁石電流の波形図である。 従来の電磁石用電源装置の波形図であって、（Ａ）は電磁石電圧の拡大波形図、（Ｂ）は電磁石電流の拡大波形図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る電磁石用電源装置の好ましい実施形態について説明する。

［第１実施形態］
図１に、本発明の第１実施形態に係る電磁石用電源装置１Ａを示す。
電磁石用電源装置１Ａは、電磁石５にパルス状の大電流である電磁石電流Ｉを印加するためのもので、同図に示すように、第１電流源２と、第２電流源３と、これらを制御する制御部６とを備えている。

第１電流源２は、第１電圧（例えば、数千Ｖ）を出力する第１充電電源２０と、第１電圧で充電される第１コンデンサ２１と、Ｈブリッジ接続された４つのスイッチング素子２５、２６、２７、２８を備えている。

第１電流源２のスイッチング素子２５、２６、２７、２８はブリッジ回路部を構成し、第１スイッチング素子２５および第２スイッチング素子２６の接続点が第１出力端、第３スイッチング素子２７および第４スイッチング素子２８の接続点が第２出力端となっている。第１コンデンサ２１は、このブリッジ回路部に並列接続されている。

第１電流源２の第１スイッチング素子２５および第４スイッチング素子２８は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワー半導体素子であり、第１スイッチング素子２５および第４スイッチング素子２８の制御端子であるゲートは適当な駆動回路２９を介して制御部６に接続されている。

第２電流源３は、第２電圧（例えば、百数十Ｖ）を出力する第２充電電源３０と、第２電圧で充電される第２コンデンサ３１と、第２電圧よりも低い第３電圧（例えば、１００Ｖ）を出力する第３充電電源３２と、第３電圧で充電される第３コンデンサ３３と、第３コンデンサ３３に直列接続された整流素子３４と、Ｈブリッジ接続された４つのスイッチング素子３５、３６、３７、３８を備えている。

第２電流源３のスイッチング素子３５、３６、３７、３８はブリッジ回路部を構成し、第１スイッチング素子３５および第２スイッチング素子３６の接続点が第３出力端、第３スイッチング素子３７および第４スイッチング素子３８の接続点が第４出力端となっている。第２コンデンサ３１と、第３コンデンサ３３および整流素子３４の直列回路とは、このブリッジ回路部に並列接続されている。

第２電流源３の第１スイッチング素子３５および第４スイッチング素子３８は、ＩＧＢＴ等のパワー半導体素子であり、第１スイッチング素子３５および第４スイッチング素子３８の制御端子であるゲートは適当な駆動回路３９を介して制御部６に接続されている。

第１電流源２の第１出力端および第２電流源３の第４出力端は、電磁石５に接続されている。また、第１電流源２の第２出力端および第２電流源３の第３出力端は、直接接続されている。

なお、図１では、第１電流源２の第１スイッチング素子２５、第４スイッチング素子２８、第２電流源３の第１スイッチング素子３５、第４スイッチング素子３８は、制御部６によって制御されるため、これらのスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦさせるためには、各々駆動回路２９、３９が必要となる。
一方、第１電流源２の第２スイッチング素子２６、第３スイッチング素子２７、第２電流源３の第２スイッチング素子３６および第３スイッチング素子３７は、ＯＮ（導通）／ＯＦＦ（非導通）を切り替えることがなく、制御部６により制御する必要がないため、ダイオードのみでまかなうことができ、駆動回路は不要である。図１において、スイッチング素子２６、２７、３６、３７をダイオードで表現したのはこのためである。

図２に示すように、電磁石用電源装置１Ａの動作はＩ〜ＩＶの４つのフェイズに分かれている。各フェイズにおいて、第１電流源２の第１スイッチング素子２５および第４スイッチング素子２８、並びに第２電流源３の第１スイッチング素子３５および第４スイッチング素子３８は、制御部６の制御下で、導通状態が下表のように切り替えられる。以下、各フェイズにおける電磁石用電源装置１Ａの動作を順に説明する。

（フェイズＩ）
フェイズＩは準備フェイズであり、第１電流源２の第１スイッチング素子２５、第１電流源２の第４スイッチング素子２８、第２電流源３の第１スイッチング素子３５、第２電流源３の第４スイッチング素子３８をＯＦＦにした状態で、第１コンデンサ２１、第２コンデンサ３１および第３コンデンサ３３の充電が行われる。
より詳しくは、第１コンデンサ２１は、第１充電電源２０から出力される第１電圧によって両端の電圧が数千Ｖになるまで充電され、第２コンデンサ３１は、第２充電電源３０から出力される第２電圧によって両端の電圧が百数十Ｖになるまで充電され、さらに第３コンデンサ３３は、第３充電電源３２から出力される第３電圧によって両端の電圧が約１００Ｖになるまで充電される。

第３コンデンサ３３には整流素子３４が直列接続されている。このため、第２コンデンサ３１が百数十Ｖまで充電されても、第３コンデンサ３３が第３電圧の電圧値（約１００Ｖ）を超えて充電されることはない。

第１電流源２のブリッジ回路部を構成する第１スイッチング素子２５および第４スイッチング素子２８はＯＦＦである。また、前記の通り、第１電流源２の第２スイッチング素子２６および第３スイッチング素子２７もＯＦＦである。
つまり、フェイズＩでは、第１電流源２および電磁石５が電気的に切り離された状態となっており、第１電流源２から電磁石５に向けて電磁石電流Ｉが供給されることはない。同様に、第２電流源３および電磁石５も電気的に切り離された状態となっているので、第２電流源３から電磁石５に向けて電磁石電流Ｉが供給されることもない。

（フェイズＩＩ）
フェイズＩＩは、電流立ち上げフェイズである。このフェイズでは、第１電流源２が第１コンデンサ２１の第１放電電流を電磁石５に供給することにより、電磁石電流Ｉが頂部まで立ち上げられる。

より詳しくは、このフェイズでは、第１電流源２の第１スイッチング素子２５、第２電流源３の第１スイッチング素子３５、第１電流源２の第４スイッチング素子２８がＯＦＦからＯＮに切り換えられることで、第１電流源２の第１スイッチング素子２５→第１電流源２の第１出力端→電磁石５→第２電流源３の第４出力端→第２電流源３の第３スイッチング素子３７（ダイオード）→第２電流源３の第１スイッチング素子３５→第２電流源３の第３出力端→第１電流源２の第２出力端→第１電流源２の第４スイッチング素子２８の経路で第１コンデンサ２１の第１放電電流が流れ、これにより、電磁石電圧が第１コンデンサ２１の充電電圧（＝第１電圧、数千Ｖ）まで上昇し、電磁石電流Ｉが数十ｋＡまで上昇する。

なお、このフェイズでは、第２電流源３の第１スイッチング素子３５をＯＦＦにし、第２電流源３の第４スイッチング素子３８をＯＮにしてもよい。この場合、第１コンデンサ２１の第１放電電流は、・・・→第２電流源３の第４出力端→第２電流源３の第４スイッチング素子３８→第２電流源３の第２スイッチング素子３６（ダイオード）→第２電流源３の第３出力端→・・・の経路で流れる。

（フェイズＩＩＩ）
フェイズＩＩＩは、電流維持フェイズである。このフェイズでは、第２電流源３の第２コンデンサ３１と、第３コンデンサ３３および整流素子３４からなる直列回路とが電磁石５に並列に接続され、第２電流源３が第２コンデンサ３１の第２放電電流および第３コンデンサ３３の第３放電電流を電磁石５に供給することにより、頂部における電磁石電流Ｉの電流値が一定に維持される。

より詳しくは、フェイズＩＩからフェイズＩＩＩに移行した当初は、第１電流源２の第１スイッチング素子２５、第２電流源３の第１スイッチング素子３５がＯＮ状態のまま、第１電流源２の第４スイッチング素子２８がＯＮからＯＦＦに、第２電流源３の第４スイッチング素子３８がＯＦＦからＯＮに切り換えられることで、第２電流源３の第１スイッチング素子３５→第２電流源３の第３出力端→第１電流源２の第２出力端→第１電流源２の第３スイッチング素子２７（ダイオード）→第１電流源２の第１スイッチング素子２５→第１電流源２の第１出力端→電磁石５→第２電流源３の第４出力端→第２電流源３の第４スイッチング素子３８の経路で第２コンデンサ３１の第２放電電流が流れる。このとき、第２コンデンサ３１の両端の電圧は、第２放電電流の放出とともに第２電圧（百数十Ｖ）から比較的急な勾配（以下「第１の傾き」という）で低下していく。したがって、図２（Ｂ）に示すように、電磁石電圧も同じ傾きで低下していく。

第２コンデンサ３１の両端の電圧が第３電圧を下回ると、整流素子３４が導通状態となり、第２コンデンサ３１の第２放電電流と同じ経路を通って第３コンデンサ３３の第３放電電流も電磁石５に供給され始める。第２コンデンサ３１の両端の電圧および第３コンデンサ３３の両端の電圧は、第２および第３放電電流の放出とともに所定の第２の傾きで低下していく。
ここで、電磁石電流Ｉの供給に寄与するコンデンサの総静電容量値が増えているため、第２の傾き（傾きの絶対値）は第１の傾きよりも小さい。つまり、電磁石電圧の傾きは、図２（Ｂ）に示すように、フェイズＩＩＩの途中で第１の傾きから比較的小さな第２の傾きに変化する。

第１の傾きは、第２コンデンサ３１の静電容量値により調整することができる。具体的には、第２コンデンサ３１の静電容量値を大きくすることで第１の傾きを小さくし、静電容量値を小さくすることで第１の傾きを大きくすることができる。

第２の傾きは、第２コンデンサ３１および第３コンデンサ３３の静電容量値により調整することができる。具体的には、第２コンデンサ３１および第３コンデンサ３３の総静電容量値を大きくすることで第２の傾きを小さくし、総静電容量値を小さくすることで第２の傾きを大きくすることができる。
第１の傾きを変えずに、第２の傾きだけを調整したい場合は、第３コンデンサ３３の静電容量値を調整すればよい。

また、傾きが切り替わるタイミングは、第２電圧および第３電圧の電圧差により調整することができる。具体的には、切り替えのタイミングを遅らせたい場合は、上記電圧差を大きくすればよい。反対に、早期に切り替えを行いたい場合は、上記電圧差を小さくすればよい。

本実施形態に係る電磁石電源装置１Ａでは、第３コンデンサ３３の静電容量値を第２コンデンサ３１の２倍に設定して第２の傾きを第１の傾きの約１／３にし、さらに第２電圧および第３電圧の電圧差を適当に調整することで、電磁石電圧波形を理想とする電磁石電圧波形に近似させている。

つまり、電磁石電源装置１Ａによれば、電磁石電圧波形を理想とする電磁石電圧波形に近似させることができ、電磁石電流Ｉの頂部における変動を抑えることができる（図２（Ｄ）、図７（Ｂ）参照）。

（フェイズＩＶ）
フェイズＩＶは、電流立ち下げフェイズである。このフェイズでは、第１電流源２の第１スイッチング素子２５、第１電流源２の第４スイッチング素子２８、第２電流源３の第１スイッチング素子３５、第２電流源３の第４スイッチング素子３８を表１の通りに設定することで、第１電流源２および第２電流源３による新たな電磁石電流Ｉの供給を停止するとともに、電磁石５に生じる逆起電圧（−数千Ｖ）による電流を第１コンデンサ２１に回生させる。

なお、このフェイズでは、第２電流源３の第４スイッチング素子３８をＯＮさせる代わりに、第２電流源３の第１スイッチング素子３５をＯＮさせてもよい。この場合も、逆起電圧による電流は、第１コンデンサ２１に回生される。

［第２実施形態］
図３に、本発明の第２実施形態に係る電磁石用電源装置１Ｂを示す。電磁石用電源装置１Ｂは、第２電流源３ではなく、第２電流源４を備えている点において、第１実施形態に係る電磁石用電源装置１Ａと異なっている。

第２電流源４は、第３電圧（例えば、１００Ｖ）を出力する第３充電電源４２と、第３電圧で充電される第３コンデンサ４３と、第４電圧（例えば、数十Ｖ）を出力する第４充電電源４０と、第３電圧および第４電圧の和電圧（例えば、百数十Ｖ）である第２電圧で充電される第２コンデンサ４１と、第３コンデンサ４３に直列接続された整流素子４４と、Ｈブリッジ接続された４つのスイッチング素子４５、４６、４７、４８を備えている。ただし、第１実施形態と同様、第２電流源４の第２スイッチング素子４６および第３スイッチング素子４７は、ＯＮ（導通）／ＯＦＦ（非導通）を切り替えることがなく、制御部６により制御する必要がないため、ダイオードでまかなうことができ、駆動回路は不要である。

本実施形態に係る電磁石用電源装置１Ｂでは、第２コンデンサ４１が第３電圧および第４電圧の和電圧である第２電圧で充電されるので、フェイズＩにおいて、第２コンデンサ４１は第３コンデンサ４３よりも高い電圧まで確実に充電される。
したがって、電磁石用電源装置１Ｂによれば、フェイズＩＩにおいて、第２コンデンサ４１の放電と第３コンデンサ４３の放電とが同時に開始されてしまうのを確実に防ぐことができる。

以上、本発明に係る電磁石用電源装置の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記構成に限定されるものではない。

例えば、上記各実施形態では、異なる電圧で予め充電された２つのコンデンサ（第２コンデンサ、第３コンデンサ）の放電電流により電磁石電流の頂部における電流値を一定に維持したが、電磁石電圧波形を理想とする電磁石電圧波形により近似させるという観点から、コンデンサの数は３つ以上とし、電磁石電圧の傾きを２回以上、切り替えることがより好ましい。

１Ａ、１Ｂ 電磁石用電源装置
２ 第１電流源
３ 第２電流源（第１実施形態）
４ 第２電流源（第２実施形態）
５ 電磁石
６ 制御部
２０ 第１充電電源
２１ 第１コンデンサ
３０ 第２充電電源
３１ 第２コンデンサ
３２ 第３充電電源
３３ 第３コンデンサ
３４ 整流素子

Claims (4)

1. 電磁石にパルス状電流を印加する電磁石用電源装置であって、
   第１電圧で予め充電された第１コンデンサの第１放電電流を前記電磁石に供給することにより、前記パルス状電流を頂部まで立ち上げる第１電流源と、
   前記パルス状電流の立ち上げ後に、第２電圧で予め充電された第２コンデンサの第２放電電流を前記電磁石に供給し、さらにその後、第３電圧で予め充電された第３コンデンサの第３放電電流を前記第２放電電流とともに前記電磁石に供給することにより、前記パルス状電流を前記頂部において維持する第２電流源と、
   を備えたことを特徴とする電磁石用電源装置。
2. 前記第３電圧が前記第２電圧よりも低く設定され、
   前記パルス状電流を前記頂部において維持する際、前記第２電流源は、前記第２コンデンサと、前記第３コンデンサおよび整流素子からなる直列回路とが前記電磁石に並列接続された状態とされることを特徴とする請求項１に記載の電磁石用電源装置。
3. 前記第１電圧を出力する第１充電電源と、
   前記第２電圧を出力する第２充電電源と、
   前記第３電圧を出力する第３充電電源と、
   を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の電磁石用電源装置。
4. 前記第１電圧を出力する第１充電電源と、
   前記第３電圧を出力する第３充電電源と、
   第４電圧を出力する第４充電電源と、
   を備え、
   前記第２電圧は、前記第３電圧および前記第４電圧の和電圧であることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁石用電源装置。

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