(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023092744
(43)【公開日】2023-07-04
(54)【発明の名称】充電装置及び電源装置
(51)【国際特許分類】
H02M 3/07 20060101AFI20230627BHJP
H02J 1/00 20060101ALI20230627BHJP
【ＦＩ】
H02M3/07
H02J1/00 306L
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021207936
(22)【出願日】2021-12-22
(71)【出願人】
【識別番号】000004215
【氏名又は名称】株式会社日本製鋼所
(74)【代理人】
【識別番号】100103894
【弁理士】
【氏名又は名称】家入 健
(72)【発明者】
【氏名】阿曽 良之
(72)【発明者】
【氏名】藤井 章伸
【テーマコード（参考）】
5G165
5H730
【Ｆターム（参考）】
5G165AA08
5G165DA04
5G165EA01
5G165HA03
5G165NA01
5G165NA06
5G165NA08
5H730AS04
5H730BB02
5H730DD05
5H730FD01
5H730FD31
5H730FG01
(57)【要約】
【課題】充電対象のコンデンサを短時間で高電圧まで充電可能な小型の充電装置を提供する。
【解決手段】マルクスジェネレータ１０は、コンデンサＣ１～ＣＮを並列接続して充電する第１のサイクルと、充電されたコンデンサＣ１～ＣＮを直列に接続して出力コンデンサＣＯＵＴを充電する第２のサイクルと、を繰り返して出力コンデンサＣＯＵＴを充電する。起動用半導体スイッチＳＷは、コンデンサＣ１～ＣＮを充電するときにオンとなり、出力コンデンサＣＯＵＴが充電されるときにオフとなる。電圧検出器１１は、出力コンデンサＣＯＵＴの電圧を検出する。制御回路２０は、出力コンデンサＣＯＵＴが目標電圧まで充電されるように、マルクスジェネレータ１０の充電動作及び起動用半導体スイッチＳＷの動作を制御する。第１のサイクルで直列接続されたコンデンサＣ１～ＣＮが出力する電圧は、出力コンデンサＣＯＵＴの目標電圧よりも高い。
【選択図】図２
【解決手段】マルクスジェネレータ１０は、コンデンサＣ１～ＣＮを並列接続して充電する第１のサイクルと、充電されたコンデンサＣ１～ＣＮを直列に接続して出力コンデンサＣＯＵＴを充電する第２のサイクルと、を繰り返して出力コンデンサＣＯＵＴを充電する。起動用半導体スイッチＳＷは、コンデンサＣ１～ＣＮを充電するときにオンとなり、出力コンデンサＣＯＵＴが充電されるときにオフとなる。電圧検出器１１は、出力コンデンサＣＯＵＴの電圧を検出する。制御回路２０は、出力コンデンサＣＯＵＴが目標電圧まで充電されるように、マルクスジェネレータ１０の充電動作及び起動用半導体スイッチＳＷの動作を制御する。第１のサイクルで直列接続されたコンデンサＣ１～ＣＮが出力する電圧は、出力コンデンサＣＯＵＴの目標電圧よりも高い。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
入力端子と出力端子との間で複数のコンデンサを並列接続して充電する第１のサイクルと、充電された前記複数のコンデンサを前記出力端子とグランドとの間で直列に接続して前記出力端子と前記グランドとの間に接続される出力コンデンサを充電する第２のサイクルと、を繰り返し行うことで、前記出力コンデンサを充電するマルクスジェネレータと、
前記マルクスジェネレータの前記入力端子と直流電源との間に挿入され、前記複数のコンデンサを充電するときにオンとなり、前記出力コンデンサを充電するときにオフとなる起動用半導体スイッチと、
前記出力コンデンサの電圧を検出する電圧検出器と、
前記出力コンデンサが目標電圧まで充電されるように、前記マルクスジェネレータの充電動作及び起動用半導体スイッチの動作を制御する制御回路と、を備え、
前記第１のサイクルで直列接続された前記複数のコンデンサが出力する電圧は、前記出力コンデンサの前記目標電圧よりも高い、
充電装置。
前記マルクスジェネレータの前記入力端子と直流電源との間に挿入され、前記複数のコンデンサを充電するときにオンとなり、前記出力コンデンサを充電するときにオフとなる起動用半導体スイッチと、
前記出力コンデンサの電圧を検出する電圧検出器と、
前記出力コンデンサが目標電圧まで充電されるように、前記マルクスジェネレータの充電動作及び起動用半導体スイッチの動作を制御する制御回路と、を備え、
前記第１のサイクルで直列接続された前記複数のコンデンサが出力する電圧は、前記出力コンデンサの前記目標電圧よりも高い、
充電装置。
【請求項2】
前記マルクスジェネレータの前記出力端子と前記出力コンデンサとの間に挿入され、前記直列接続された複数のコンデンサが前記出力コンデンサを充電する場合に流れる電流とは逆方向に流れる電流を阻止する逆流防止手段が挿入される、
請求項１に記載の充電装置。
請求項１に記載の充電装置。
【請求項3】
前記逆流防止手段は、前記直列接続された複数のコンデンサが前記出力コンデンサを充電する場合に流れる電流に対して順方向に挿入されたダイオードである、
請求項２に記載の充電装置。
請求項２に記載の充電装置。
【請求項4】
前記マルクスジェネレータは、複数の半導体スイッチをさらに備え、
前記出力端子と前記グランドとの間で、１つの前記コンデンサと１つの前記半導体スイッチとからなる組が複数個、前記入力端子と前記グランドとの間で直列に接続され、
各組の前記１つのコンデンサと前記１つの半導体スイッチとの間のノードである中間ノードが前記入力端子と接続され、
前記複数のコンデンサを充電するときに前記複数の半導体スイッチはオフとなり、前記出力コンデンサを充電するときに前記半導体スイッチがオンとなる、
請求項１から３のいずれか一項に記載の充電装置。
前記出力端子と前記グランドとの間で、１つの前記コンデンサと１つの前記半導体スイッチとからなる組が複数個、前記入力端子と前記グランドとの間で直列に接続され、
各組の前記１つのコンデンサと前記１つの半導体スイッチとの間のノードである中間ノードが前記入力端子と接続され、
前記複数のコンデンサを充電するときに前記複数の半導体スイッチはオフとなり、前記出力コンデンサを充電するときに前記半導体スイッチがオンとなる、
請求項１から３のいずれか一項に記載の充電装置。
【請求項5】
前記起動用半導体スイッチ及び前記複数の半導体スイッチは、サイリスタで構成される、
請求項４に記載の充電装置。
請求項４に記載の充電装置。
【請求項6】
前記複数の半導体スイッチを構成するサイリスタの、前記複数のコンデンサを充電するときに電流が流れる方向の耐圧の合計は、前記出力コンデンサの目標充電電圧よりも高い、
請求項５に記載の充電装置。
請求項５に記載の充電装置。
【請求項7】
前記複数のコンデンサを充電するときに電流が流れる方向の前記起動用半導体スイッチの耐圧は、前記出力コンデンサの目標充電電圧よりも高い、
請求項４から６のいずれか一項に記載の充電装置。
請求項４から６のいずれか一項に記載の充電装置。
【請求項8】
前記起動用半導体スイッチは、前記複数の半導体スイッチを構成するサイリスタと同じサイリスタを複数個、直列接続して構成される、
請求項７に記載の充電装置。
請求項７に記載の充電装置。
【請求項9】
前記入力端子と各中間ノードとの間には１つ以上のダイオードが順方向で挿入され、隣接する２つの前記組の間のノードのそれぞれと前記グランドとの間には１つ以上のダイオードが順方向で挿入され、
前記複数の半導体スイッチは、前記複数のコンデンサの充電が完了してから、前記ダイオードのターンオフ時間よりも長い時間だけ後のタイミングでオフからオンに切り替わる、
請求項４から８のいずれか一項に記載の充電装置。
前記複数の半導体スイッチは、前記複数のコンデンサの充電が完了してから、前記ダイオードのターンオフ時間よりも長い時間だけ後のタイミングでオフからオンに切り替わる、
請求項４から８のいずれか一項に記載の充電装置。
【請求項10】
前記起動用半導体スイッチは、前記制御回路が出力する開始信号に応じてオンとなり、
前記複数の半導体スイッチは、前記制御回路が出力するトリガ信号に応じてオンとなる、
請求項９に記載の充電装置。
前記複数の半導体スイッチは、前記制御回路が出力するトリガ信号に応じてオンとなる、
請求項９に記載の充電装置。
【請求項11】
前記トリガ信号は、前記複数のコンデンサの充電が完了してから少なくとも前記ダイオードのターンオフ時間が経過した後のタイミングで出力される、
請求項１０に記載の充電装置。
請求項１０に記載の充電装置。
【請求項12】
前記制御回路は、出力する前記第１のサイクルで前記複数のコンデンサの充電電流がゼロとなったときから、少なくとも前記ダイオードのターンオフ時間よりも後のタイミングで前記トリガ信号を出力するトリガ信号生成部を備える、
請求項１０に記載の充電装置。
請求項１０に記載の充電装置。
【請求項13】
前記制御回路は、前記第２のサイクルにおいて、前記出力コンデンサの充電電流がゼロとなった場合、前記開始信号を出力する開始信号生成部をさらに備える、
請求項１０から１２のいずれか一項に記載の充電装置。
請求項１０から１２のいずれか一項に記載の充電装置。
【請求項14】
前記起動用半導体スイッチと前記マルクスジェネレータの前記入力端子との間に挿入される入力インダクタと、
前記出力コンデンサと前記マルクスジェネレータの前記出力端子との間に挿入される出力インダクタと、を備える、
請求項１から１３のいずれか一項に記載の充電装置。
前記出力コンデンサと前記マルクスジェネレータの前記出力端子との間に挿入される出力インダクタと、を備える、
請求項１から１３のいずれか一項に記載の充電装置。
【請求項15】
充電装置と、
出力コンデンサと、
直流電源と、を備え、
前記充電装置は、
入力端子と出力端子との間で複数のコンデンサを並列接続して充電する第１のサイクルと、充電された前記複数のコンデンサを前記出力端子とグランドとの間で直列に接続して前記出力端子と前記グランドとの間に接続される前記出力コンデンサを充電する第２のサイクルと、を繰り返し行うことで、前記出力コンデンサを充電するマルクスジェネレータと、
前記マルクスジェネレータの前記入力端子と前記直流電源との間に挿入され、前記複数のコンデンサを充電するときにオンとなり、前記出力コンデンサを充電するときにオフとなる起動用半導体スイッチと、
前記出力コンデンサの電圧を検出する電圧検出器と、
前記出力コンデンサが目標電圧まで充電されるように、前記マルクスジェネレータの充電動作及び起動用半導体スイッチの動作を制御する制御回路と、を備え、
前記第１のサイクルで直列接続された前記複数のコンデンサが出力する電圧は、前記出力コンデンサの前記目標電圧よりも高い、
電源装置。
出力コンデンサと、
直流電源と、を備え、
前記充電装置は、
入力端子と出力端子との間で複数のコンデンサを並列接続して充電する第１のサイクルと、充電された前記複数のコンデンサを前記出力端子とグランドとの間で直列に接続して前記出力端子と前記グランドとの間に接続される前記出力コンデンサを充電する第２のサイクルと、を繰り返し行うことで、前記出力コンデンサを充電するマルクスジェネレータと、
前記マルクスジェネレータの前記入力端子と前記直流電源との間に挿入され、前記複数のコンデンサを充電するときにオンとなり、前記出力コンデンサを充電するときにオフとなる起動用半導体スイッチと、
前記出力コンデンサの電圧を検出する電圧検出器と、
前記出力コンデンサが目標電圧まで充電されるように、前記マルクスジェネレータの充電動作及び起動用半導体スイッチの動作を制御する制御回路と、を備え、
前記第１のサイクルで直列接続された前記複数のコンデンサが出力する電圧は、前記出力コンデンサの前記目標電圧よりも高い、
電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、充電装置及び電源装置に関する。
【背景技術】
【0002】
電磁力を用いて飛翔体を加速させる電磁加速装置として、電磁レールガンが知られている（特許文献１）。一般に、レールガンでは、２本の導電レールの間に挿入された、導電性材料からなる電機子に電流を流し、このときに作用する電磁力（ローレンツ力）によって電機子が加速される。射出対象物である飛翔体は、電機子によって保持されており、電機子が加速されることで、電磁加速装置から射出される。
【0003】
このような電磁加速装置で射出対象物に十分な速度を与えるには、導電レール及び電機子に、瞬間的に大きな電流を流さなければならない。そのため、出力電圧が高い電源装置を用いることとなる。こうした電源装置では、コンデンサを高電圧まで充電し（例えば、特許文献２）、コンデンサから射出装置へ電流を供給することで、供給する電流の増大を図っている。
【0004】
特許文献２にかかるコンデンサ充電装置は、まず、初期充電用インバータが発振することで昇圧用トランスの１次巻き線に交流が出力され、その後、２次巻き線に接続された整流器で直流に変換された電圧が負荷コンデンサに印加される。これにより、負荷コンデンサが充電される。次いで、微調整インバータが発振することで昇圧用トランスの１次巻き線に交流が出力され、その後、２次巻き線に接続された整流器で直流に変換された電圧が負荷コンデンサにさらに印加される。これにより、負荷コンデンサは、目標電圧まで充電される。
【0005】
また、コンデンサを高電圧まで充電可能な回路として、いわゆるマルクスジェネレータが知られている。近年では、半導体素子を用いて構成されたマルクスジェネレータが登場している（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開平１０－２０６０９０号公報
【特許文献2】特開平１０－５２０３９号公報
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】前山 光明、「サイリスタを用いた高繰り返しマルクスジェネレータ」、２００５年、プラズマ・核融合学会誌（J. Plasma Fusion Res.）、Vol.81、No.5、pp.363-366
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
特許文献２の構成によれば、負荷コンデンサを充電できるものの、直流電源からインバータで交流を発生させ、トランスで昇圧し、その後再び直流に変換する構成となっており、構成が複雑である。また、昇圧トランスを用いるため、コンデンサ充電装置が大型かつ大重量となってしまう。
【0009】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【0010】
一実施の形態にかかる充電装置は、入力端子と出力端子との間で複数のコンデンサを並列接続して充電する第１のサイクルと、充電された前記複数のコンデンサを前記出力端子とグランドとの間で直列に接続して前記出力端子と前記グランドとの間に接続される出力コンデンサを充電する第２のサイクルと、を繰り返し行うことで、前記出力コンデンサを充電するマルクスジェネレータと、前記マルクスジェネレータの前記入力端子と直流電源との間に挿入され、前記複数のコンデンサを充電するときにオンとなり、前記出力コンデンサを充電するときにオフとなる起動用半導体スイッチと、前記出力コンデンサの電圧を検出する電圧検出器と、前記出力コンデンサが目標電圧まで充電されるように、前記マルクスジェネレータの充電動作及び起動用半導体スイッチの動作を制御する制御回路と、を備え、前記第１のサイクルで直列接続された前記複数のコンデンサが出力する電圧は、前記出力コンデンサの前記目標電圧よりも高いものである。
【0011】
一実施の形態にかかる電源装置は、充電装置と、出力コンデンサと、直流電源と、を備え、前記充電装置は、入力端子と出力端子との間で複数のコンデンサを並列接続して充電する第１のサイクルと、充電された前記複数のコンデンサを前記出力端子とグランドとの間で直列に接続して前記出力端子と前記グランドとの間に接続される前記出力コンデンサを充電する第２のサイクルと、を繰り返し行うことで、前記出力コンデンサを充電するマルクスジェネレータと、前記マルクスジェネレータの前記入力端子と前記直流電源との間に挿入され、前記複数のコンデンサを充電するときにオンとなり、前記出力コンデンサを充電するときにオフとなる起動用半導体スイッチと、前記出力コンデンサの電圧を検出する電圧検出器と、前記出力コンデンサが目標電圧まで充電されるように、前記マルクスジェネレータの充電動作及び起動用半導体スイッチの動作を制御する制御回路と、を備え、前記第１のサイクルで直列接続された前記複数のコンデンサが出力する電圧は、前記出力コンデンサの前記目標電圧よりも高いものである。
【発明の効果】
【0012】
一実施の形態によれば、充電対象のコンデンサを短時間で高電圧まで充電可能な小型の充電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】実施の形態１にかかる飛翔体を射出する射出システムの構成を模式的に示す図である。
【図2】実施の形態１にかかる電源装置の構成を模式的に示す図である。
【図3】マルクスジェネレータの回路構成を示す図である。
【図4】実施の形態１にかかる充電装置の充電動作のフローチャートである。
【図5】起動用半導体スイッチがオンとなったときの充電装置の等価回路を示す図である。
【図6】実施の形態１におけるマルクスジェネレータのコンデンサの充電電流と待機時間との関係を示す図である。
【図7】マルクスジェネレータの半導体スイッチがオンとなったときの充電装置の等価回路を示す図である。
【図8】実施の形態１における出力コンデンサの充電電流と待機時間との関係を示す図である。
【図9】実施の形態２にかかる電源装置の構成を模式的に示す図である。
【図10】実施の形態２にかかる充電装置の充電動作のフローチャートである。
【図11】実施の形態２におけるマルクスジェネレータのコンデンサの充電電流と待機時間との関係を示す図である。
【図12】実施の形態３にかかる電源装置の構成を模式的に示す図である。
【図13】実施の形態３にかかる充電装置の充電動作のフローチャートである。
【図14】実施の形態２における出力コンデンサの充電電流と待機時間との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜簡略化されている。また、同一の要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【0015】
実施の形態１
本実施の形態にかかる射出装置について説明する。図１に、実施の形態１にかかる飛翔体を射出する射出システム１０００の構成を模式的に示す。射出システム１０００は、電源装置１００、射出装置１０１、スイッチ１０２及び制御装置１０３を有する。
本実施の形態にかかる射出装置について説明する。図１に、実施の形態１にかかる飛翔体を射出する射出システム１０００の構成を模式的に示す。射出システム１０００は、電源装置１００、射出装置１０１、スイッチ１０２及び制御装置１０３を有する。
【0016】
射出装置１０１は、導電レール１０１Ａと導電レール１０１Ｂとに挟まれた導体からなる電機子１０５にパルス電流Ｉｄを流すことで生じる磁場による電磁力（ローレンツ力）によって電機子１０５を加速する、いわゆるレールガンとして構成される。射出対象物である飛翔体１０４は、電機子１０５に押されることで加速され、その結果、射出口から射出される。
【0017】
電源装置１００は、射出装置１０１と接続される射出用電源装置であり、射出装置１０１にパルス電流Ｉｄを供給可能に構成される。
【0018】
スイッチ１０２は、電源装置１００から射出装置１０１への電源供給経路の開閉を行うものとして構成される。スイッチ１０２は、射出装置１０１へ供給される比較的大電流が流れる経路を安全に開閉できる限り、各種のスイッチ、リレーなどを用いることが可能である。
【0019】
制御装置１０３は、例えばコンピュータなどで構成され、制御信号ＣＯＮを与えることで電源装置から射出装置１０１への電源供給を制御することができる。例えば、制御装置１０３は、スイッチ１０２を制御することで、電源装置１００が射出装置１０１へパルス電流Ｉｄを供給するタイミングや期間、パルス電流Ｉｄの電流値などを制御することができる。これにより、制御装置１０３は、射出装置１０１から飛翔体１０４が射出されるタイミングや飛翔体１０４の射出速度を制御することができる。また、制御装置１０３は、電源装置１００に対して、後述する電源装置１００へ開始指令ＣＯＭを出力してもよい。
【0020】
以下、電源装置１００及び電源装置１００に含まれる充電装置１について説明する。図２に、電源装置１００の構成を模式的に示す。電源装置１００は、充電装置１、直流電源ＶＤＤ、及び、充電装置１によって充電される出力コンデンサＣＯＵＴを有する。
【0021】
充電装置１は、マルクスジェネレータ１０、電圧検出器１１、制御回路２０、起動用半導体スイッチＳＷ、入力インダクタＬＩＮ、逆流防止ダイオードＤＢＦ及び出力インダクタＬＯＵＴを有する。
【0022】
図３に、マルクスジェネレータ１０の回路構成を示す。マルクスジェネレータ１０は、Ｎ段（Ｎは、２以上の整数）のマルクスジェネレータとして構成され、コンデンサＣ１～ＣＮ、半導体スイッチＳＷ１～ＳＷＮ、抵抗ＲＡ＿１～ＲＡ＿Ｎ－１、ＲＢ＿１～ＲＢ＿Ｎ－１、ＲＣ＿１～ＲＣ＿Ｎ及びＲＤ＿１～ＲＤ＿Ｎ、ダイオードＤＡ＿１～ＤＡ＿Ｎ－１、ＤＢ＿１～ＤＢ＿Ｎ－１、ＤＣ＿１～ＤＣ＿Ｎ及びＤＤ＿１～ＤＤ＿Ｎ－１で構成される。
【0023】
マルクスジェネレータ１０の出力端子１０Ｂとグランドとの間には、コンデンサＣ１～ＣＮがこの順で直列に接続される。Ｎを１以上の整数、ｉを１以上Ｎ－１以下の整数とすると、コンデンサＣｉとコンデンサＣｉ＋１との間では、サイリスタとして構成される半導体スイッチＳＷｉのアノードがコンデンサＣｉと接続され、カソードがコンデンサＣｉ＋１と接続される。サイリスタとして構成される半導体スイッチＳＷＮのアノードはコンデンサＣＮと接続され、カソードはグランドと接続される。
【0024】
マルクスジェネレータ１０の入力端子１０Ａと、半導体スイッチＳＷＮのアノードとの間には、順方向で直列接続されたダイオードＤＡ＿１～ＤＡ＿Ｎ－１からなるダイオード列、直列接続された抵抗ＲＡ＿１～ＲＡ＿Ｎ－１からなる抵抗列、及び、直列接続された抵抗ＲＢ＿１～ＲＢ＿Ｎ－１からなる抵抗列がこの順で並列に接続される。抵抗ＲＡ＿１～ＲＡ＿Ｎ－１からなる抵抗列と、抵抗ＲＢ＿１～ＲＢ＿Ｎ－１からなる抵抗列との間には、ダイオードＤＢ＿１～ＤＢ＿Ｎ－１が挿入される。ダイオードＤＡ＿ｉ、抵抗ＲＡ＿ｉ及び抵抗ＲＢ＿ｉは、半導体スイッチＳＷｉのアノードと半導体スイッチＳＷｉ＋１のアノードとの間で並列に接続される。ダイオードＤＡ＿ｉのアノードは、抵抗ＲＡ＿ｉと抵抗ＲＢ＿ｉとの間に順方向で挿入されたダイオードＤＢ＿ｉを介して、半導体スイッチＳＷｉのアノードと接続される。
【0025】
マルクスジェネレータ１０の出力端子１０Ｂとグランドとの間には、直列接続された抵抗ＲＤ＿１～ＲＤ＿Ｎからなる抵抗列、順方向で直列接続されたダイオードＤＣ＿１～ＤＣ＿Ｎからなるダイオード列、及び、直列接続された抵抗ＲＣ＿１～ＲＣ＿Ｎからなる抵抗列がこの順で並列に接続される。ダイオードＤＣ＿１～ＤＣ＿Ｎからなるダイオード列と、抵抗ＲＣ＿１～ＲＣ＿Ｎからなる抵抗列との間には、ダイオードＤＤ＿１～ＤＤ＿Ｎ－１が挿入される。抵抗ＲＤ＿ｉ、ダイオードＤＣ＿ｉ及び抵抗ＲＣ＿ｉは、コンデンサＣｉの端子のうちで半導体スイッチＳＷｉのアノードと接続されていない方の端子と半導体スイッチＳＷｉのカソードとの間で並列に接続される。ダイオードＤＤ＿ｉのアノードは抵抗ＲＣ＿ｉと抵抗ＲＣ＿ｉ＋１との間のノードと接続され、ダイオードＤＤ＿ｉのカソードはダイオードＤＣ＿ｉのカソードとダイオードＤＣ＿ｉ＋１のアノードとの間のノードと接続される。
【0026】
マルクスジェネレータ１０の入力端子１０Ａと、直流電源ＶＤＤの正極との間には、入力インダクタＬＩＮと起動用半導体スイッチＳＷとがこの順で接続されている。起動用半導体スイッチＳＷはサイリスタとして構成され、アノードは直流電源ＶＤＤの正極と接続され、カソードは入力インダクタＬＩＮと接続される。起動用半導体スイッチＳＷは、開始信号ＩＮＩが入力されることでオンとなり、これにより、直流電源ＶＤＤによるマルクスジェネレータ１０のコンデンサＣ１～ＣＮの充電が開始する。充電が進行して充電電流ＩＳがゼロとなると、サイリスタである起動用半導体スイッチＳＷは自発的にオフとなる。
【0027】
制御回路２０は、半導体スイッチＳＷ１～ＳＷＮにトリガ信号Ｔ１～ＴＮ、起動用半導体スイッチＳＷに開始信号ＩＮＩを出力することで、それぞれのサイリスタをオンにする。
【0028】
マルクスジェネレータ１０の出力端子１０Ｂとグランドとの間には、逆流防止ダイオードＤＢＦ、出力インダクタＬＯＵＴ、充電対象である出力コンデンサＣＯＵＴがこの順で接続される。
【0029】
逆流防止ダイオードＤＢＦのアノードは出力インダクタＬＯＵＴと接続され、カソードはマルクスジェネレータ１０の出力端子１０Ｂと接続される。
【0030】
出力コンデンサＣＯＵＴの両端の間には電圧検出器１１が挿入される。電圧検出器１１は、出力コンデンサＣＯＵＴの充電電圧ＶＣを検出し、検出した充電電圧ＶＣを制御回路２０へ出力する。
【0031】
次に、充電装置１の充電動作について順に説明する。図４に、充電装置１の充電動作のフローチャートを示す。充電装置１の充電動作は、コンデンサＣ１～ＣＮを充電する第１のサイクル（ステップＳ１１～Ｓ１４）と、コンデンサＣ１～ＣＮから出力コンデンサＣＯＵＴへ電荷を移すことで出力コンデンサＣＯＵＴを充電する第２のサイクル（ステップＳ１５～Ｓ１７）と、で構成される。
【0032】
ステップＳ１１
制御回路２０は、電圧検出器１１が検出した出力コンデンサＣＯＵＴの充電電圧ＶＣが目標電圧ＶＴに到達しているかを判定する。電圧検出器１１が検出した出力コンデンサＣＯＵＴの充電電圧ＶＣが目標電圧ＶＴに到達している場合、出力コンデンサＣＯＵＴは十分に充電されているので、制御回路２０は、開始信号ＩＮＩの出力を中止して充電動作を終了する。
制御回路２０は、電圧検出器１１が検出した出力コンデンサＣＯＵＴの充電電圧ＶＣが目標電圧ＶＴに到達しているかを判定する。電圧検出器１１が検出した出力コンデンサＣＯＵＴの充電電圧ＶＣが目標電圧ＶＴに到達している場合、出力コンデンサＣＯＵＴは十分に充電されているので、制御回路２０は、開始信号ＩＮＩの出力を中止して充電動作を終了する。
【0033】
ステップＳ１２
出力コンデンサＣＯＵＴの充電電圧ＶＣが目標電圧ＶＴよりも小さい場合、制御回路２０は、開始信号ＩＮＩを起動用半導体スイッチＳＷへ出力する。なお、最初にコンデンサＣ１～ＣＮを充電するために初めて起動用半導体スイッチＳＷをオンにする場合には、制御回路２０は、外部から与えられる開始指令ＣＯＭに応じて、開始信号ＩＮＩを出力してもよい。
出力コンデンサＣＯＵＴの充電電圧ＶＣが目標電圧ＶＴよりも小さい場合、制御回路２０は、開始信号ＩＮＩを起動用半導体スイッチＳＷへ出力する。なお、最初にコンデンサＣ１～ＣＮを充電するために初めて起動用半導体スイッチＳＷをオンにする場合には、制御回路２０は、外部から与えられる開始指令ＣＯＭに応じて、開始信号ＩＮＩを出力してもよい。
【0034】
ステップＳ１３
開始信号ＩＮＩが入力されたことで起動用半導体スイッチＳＷがオンとなり、コンデンサＣ１～ＣＮの充電が開始される。図５に、起動用半導体スイッチＳＷがオンとなったときの充電装置１の等価回路を示す。この場合、コンデンサＣ１～ＣＮが直流電源ＶＤＤとグランドとの間で並列に接続されて充電電流ＩＳが流れ、図示していないが、マルクスジェネレータ１０のダイオードに電流が流れることで、低インピーダンスにてコンデンサＣ１～ＣＮが充電される。
開始信号ＩＮＩが入力されたことで起動用半導体スイッチＳＷがオンとなり、コンデンサＣ１～ＣＮの充電が開始される。図５に、起動用半導体スイッチＳＷがオンとなったときの充電装置１の等価回路を示す。この場合、コンデンサＣ１～ＣＮが直流電源ＶＤＤとグランドとの間で並列に接続されて充電電流ＩＳが流れ、図示していないが、マルクスジェネレータ１０のダイオードに電流が流れることで、低インピーダンスにてコンデンサＣ１～ＣＮが充電される。
【0035】
この場合、入力インダクタＬＩＮとマルクスジェネレータ１０のコンデンサＣ１～ＣＮが接続される。よって、入力インダクタＬＩＮの値（ＬＩＮとする）とマルクスジェネレータ１０のコンデンサＣ１～ＣＮの合成容量（Ｎ×Ｃとする）で決定される立上り時間τ＝π（ＬＩＮＮＣ）０．５／２で充電電流ＩＳが流れる。このときの充電電流ＩＳの最大値は、直流電源ＶＤＤの出力電圧をＶ０とすると、（（ＮＣ／ＬＩＮ）０．５×Ｖ０）となるので、大きな突入電流が流れることなく、安全にコンデンサＣ１～ＣＮを２τの時間で充電することができる。
【0036】
ステップＳ１４
コンデンサＣ１～ＣＮが十分に充電されるように、充電の開始から予め定められた待機時間だけ待機する（第１の待機状態）。図６に、実施の形態１におけるコンデンサＣ１～ＣＮの充電電流と待機時間との関係を示す。このときの待機時間は、コンデンサＣ１～ＣＮに充電電流ＩＳが流れ始めてから充電が完了して充電電流ＩＳがゼロになるまでの充電待機時間ＴＡに、各コンデンサのターンオフ時間Ｔｒｒよりも長い付加待機時間ΔＴＡを加算した時間（ＴＡ＋ΔＴＡ）として設定される。
コンデンサＣ１～ＣＮが十分に充電されるように、充電の開始から予め定められた待機時間だけ待機する（第１の待機状態）。図６に、実施の形態１におけるコンデンサＣ１～ＣＮの充電電流と待機時間との関係を示す。このときの待機時間は、コンデンサＣ１～ＣＮに充電電流ＩＳが流れ始めてから充電が完了して充電電流ＩＳがゼロになるまでの充電待機時間ＴＡに、各コンデンサのターンオフ時間Ｔｒｒよりも長い付加待機時間ΔＴＡを加算した時間（ＴＡ＋ΔＴＡ）として設定される。
【0037】
ステップＳ１５
待機時間が経過した後、制御回路２０は、半導体スイッチＳＷ１～ＳＷＮにトリガ信号Ｔ１～ＴＮを出力する。本構成では、第１のサイクルにおいては、起動用半導体スイッチＳＷとマルクスジェネレータ１０の各コンデンサの間に挿入される１つ以上のダイオード、各コンデンサ、及び、各コンデンサとグランドとの間に挿入される１つ以上のダイオードの経路に電流が流れることで各コンデンサが充電される。この場合、各コンデンサの充電電流がゼロになってから各ダイオードのターンオフ時間Ｔｒｒが経過する前に半導体スイッチＳＷ１～ＳＷＮをオンにすると、ダイオードを介して再び電流が流れてしまう。そのため、上述したように、付加待機時間ΔＴＡは、各コンデンサのターンオフ時間Ｔｒｒよりも長い時間として設定されている。
待機時間が経過した後、制御回路２０は、半導体スイッチＳＷ１～ＳＷＮにトリガ信号Ｔ１～ＴＮを出力する。本構成では、第１のサイクルにおいては、起動用半導体スイッチＳＷとマルクスジェネレータ１０の各コンデンサの間に挿入される１つ以上のダイオード、各コンデンサ、及び、各コンデンサとグランドとの間に挿入される１つ以上のダイオードの経路に電流が流れることで各コンデンサが充電される。この場合、各コンデンサの充電電流がゼロになってから各ダイオードのターンオフ時間Ｔｒｒが経過する前に半導体スイッチＳＷ１～ＳＷＮをオンにすると、ダイオードを介して再び電流が流れてしまう。そのため、上述したように、付加待機時間ΔＴＡは、各コンデンサのターンオフ時間Ｔｒｒよりも長い時間として設定されている。
【0038】
また、このとき、充電電流ＩＳがゼロになると起動用半導体スイッチＳＷは自発的にオフとなるので、トリガ信号Ｔ１～ＴＮは起動用半導体スイッチＳＷがオフとなった後に出力されることとなる。
【0039】
ステップＳ１６
半導体スイッチＳＷ１～ＳＷＮがトリガ信号Ｔ１～ＴＮを受け取ることで、半導体スイッチＳＷ１～ＳＷＮがオンとなる。これにより、コンデンサＣ１～ＣＮが直列接続され、出力コンデンサＣＯＵＴの充電が開始される。図７に、半導体スイッチＳＷ１～ＳＷＮがオンとなったときの充電装置１の等価回路を示す。この場合、コンデンサＣ１～ＣＮがマルクスジェネレータ１０の出力端子１０Ｂとグランドとの間で直列に接続されて、出力コンデンサＣＯＵＴが充電される。
半導体スイッチＳＷ１～ＳＷＮがトリガ信号Ｔ１～ＴＮを受け取ることで、半導体スイッチＳＷ１～ＳＷＮがオンとなる。これにより、コンデンサＣ１～ＣＮが直列接続され、出力コンデンサＣＯＵＴの充電が開始される。図７に、半導体スイッチＳＷ１～ＳＷＮがオンとなったときの充電装置１の等価回路を示す。この場合、コンデンサＣ１～ＣＮがマルクスジェネレータ１０の出力端子１０Ｂとグランドとの間で直列に接続されて、出力コンデンサＣＯＵＴが充電される。
【0040】
この場合、直列接続されたコンデンサＣ１～ＣＮの出力電圧は、出力インダクタＬＯＵＴを介して出力コンデンサＣＯＵＴに印加される。よって、出力インダクタＬＯＵＴの値（ＬＯＵＴとする）と、直列接続されたコンデンサＣ１～ＣＮの合成容量（Ｃ／Ｎ）及び出力コンデンサＣＯＵＴの容量（ＣＯＵＴとする）の合成容量（Ｃ×ＣＯＵＴ／（Ｃ＋ＮＣＯＵＴ））と、で決定される電流の立上り時間と、電流値が規定された共振電流で、出力コンデンサＣＯＵＴが充電される。
【0041】
ステップＳ１７
コンデンサＣ１～ＣＮから出力コンデンサＣＯＵＴへ十分に電荷が移動することで、今回の第２のサイクルにおける出力コンデンサＣＯＵＴの充電が完了するまでの間、予め定められた待機時間だけ待機する（第２の待機状態）。図８に、実施の形態１における出力コンデンサＣＯＵＴの充電電流と待機時間との関係を示す。ここでの待機時間は、出力コンデンサＣＯＵＴに充電電流ＩＣが流れ初めてから充電が完了して充電電量がゼロになるまでの充電待機時間ＴＢに、付加待機時間ΔＴＢを加算した時間（ＴＢ＋ΔＴＢ）として設定される。
コンデンサＣ１～ＣＮから出力コンデンサＣＯＵＴへ十分に電荷が移動することで、今回の第２のサイクルにおける出力コンデンサＣＯＵＴの充電が完了するまでの間、予め定められた待機時間だけ待機する（第２の待機状態）。図８に、実施の形態１における出力コンデンサＣＯＵＴの充電電流と待機時間との関係を示す。ここでの待機時間は、出力コンデンサＣＯＵＴに充電電流ＩＣが流れ初めてから充電が完了して充電電量がゼロになるまでの充電待機時間ＴＢに、付加待機時間ΔＴＢを加算した時間（ＴＢ＋ΔＴＢ）として設定される。
【0042】
その後、ステップＳ１１に戻って、制御回路２０は、電圧検出器１１が検出した出力コンデンサＣＯＵＴの充電電圧ＶＣが目標電圧ＶＴに到達するかを判定する。なお、出力コンデンサＣＯＵＴを充電する充電電流ＩＣがゼロなったことで、マルクスジェネレータ１０の半導体スイッチＳＷ１～ＳＷＮは自発的にオフとなる。よって、以降においては、出力コンデンサＣＯＵＴの充電が完了してから開始信号ＩＮＩが出力される（ステップＳ１２）までの間に、半導体スイッチＳＷ１～ＳＷＮはオフとなる。したがって、放電待機時間の後に出力される開始信号ＩＮＩは、半導体スイッチＳＷ１～ＳＷＮがオフとなった後に出力されることとなる。
【0043】
なお、本構成では、図６に示すように、第１のサイクルを繰り返すごとに、出力コンデンサＣＯＵＴの充電が進んで充電電圧ＶＣが上昇するので、それに伴い、一定の出力電圧（ＶＤＤ×Ｎ）の直列接続されたコンデンサＣ１～ＣＮから出力コンデンサＣＯＵＴに移動する電荷は減ってゆく。その結果、第１のサイクルを繰り返すごとに、コンデンサＣ１～ＣＮの充電時間は短くなってゆく（図６の下段のｋ回目の第１のサイクル）。これに対し、充電待機時間ＴＡはコンデンサＣ１～ＣＮをいかなる状態でも充電できる固定の時間として設定される。よって、充電待機時間ＴＡは、繰り返されるコンデンサＣ１～ＣＮの充電に要する最長の充電時間、すなわち、最初に行う第１のサイクルでコンデンサＣ１～ＣＮのそれぞれを０［Ｖ］からＶＤＤ［Ｖ］までに充電するために必要な充電時間、又は、当該充電時間よりも長い時間として設定される。
【0044】
また、本構成では、図８に示す様に、第２のサイクルを繰り返すごとに、出力コンデンサＣＯＵＴの充電が進んで充電電圧ＶＣが上昇するので、それに伴い、一定の出力電圧（ＶＤＤ×Ｎ）の直列接続されたコンデンサＣ１～ＣＮから出力コンデンサＣＯＵＴに移動する電荷は減ってゆく。その結果、第２のサイクルを繰り返すごとに、出力コンデンサＣＯＵＴの充電開始から完了するまでの時間は短くなってゆく（図８の下段のｋ回目の第２のサイクル）。これに対し、充電待機時間ＴＢは、出力コンデンサＣＯＵＴをいかなる状態でも充電できる固定の時間として設定される。よって、充電待機時間ＴＢは、繰り返される出力コンデンサＣＯＵＴの充電に要する最長の充電時間、すなわち、最初に行う第２のサイクルで出力コンデンサＣＯＵＴを充電するために必要な充電時間、又は、当該充電時間よりも長い時間として設定される。
【0045】
なお、図７を参照して説明したように、本構成では、第２のサイクルにおいては、直列接続されたコンデンサＣ１～ＣＮの出力電圧（ＶＤＤ×Ｎ）によって出力コンデンサＣＯＵＴが充電される。よって、電流を逆流させることなく出力コンデンサＣＯＵＴを目標電圧ＶＴまで充電するには、出力電圧（ＶＤＤ×Ｎ）は目標電圧ＶＴよりも高い電圧としなければならない。よって、直列接続されたときの出力電圧（ＶＤＤ×Ｎ）が目標電圧ＶＴよりも十分に高い電圧となるように、コンデンサＣ１～ＣＮの数が設定される。目標電圧ＶＴが１０ｋＶであると仮定すると、出力電圧（ＶＤＤ×Ｎ）は、例えば１９ｋＶ程度に設定されてもよい。
【0046】
また、第２のサイクルにおいては、出力コンデンサＣＯＵＴの充電電圧ＶＣが、直列接続された半導体スイッチＳＷ１～ＳＷＮ（サイリスタ）に順方向に印加される。よって、電流の逆流を防止する観点から、半導体スイッチＳＷ１～ＳＷＮ（サイリスタ）の順方向の耐圧の合計は、出力コンデンサＣＯＵＴの目標電圧ＶＴよりも高い値に設定される。また、出力コンデンサＣＯＵＴの充電電圧ＶＣは、起動用半導体スイッチＳＷに順方向にも印加される。よって、起動用半導体スイッチＳＷの順方向の耐圧は、電流の逆流を防止する観点から、出力コンデンサＣＯＵＴの目標電圧ＶＴよりも高い値に設定される。このため、例えば、起動用半導体スイッチＳＷは、半導体スイッチＳＷ１～ＳＷＮを構成するサイリスタを直列接続したものとして構成してもよい。
【0047】
さらに、同様に、逆流防止ダイオードＤＢＦの逆方向耐圧も、電流が逆流しないように、例えば目標電圧ＶＴよりも高く設定されることが望ましい。
【0048】
以上説明したように、本構成によれば、充電回路に設けるスイッチとして半導体スイッチ、特にサイリスタを用いた半導体スイッチを用いることで、マルクスジェネレータのコンデンサ及び出力コンデンサの充電電流に応じた信号を生成して半導体スイッチに与えるので、半導体スイッチのオン／オフを高速かつ自動的に行うことができる。
【0049】
これにより、本構成では、１回目の充電を行うときに開始指令を与えるだけで、電源装置１００のコンデンサＣ１～ＣＮに２回目の以降の充電を開始するための開始信号ＩＮＩと半導体スイッチＳＷ１～ＳＷＮをオンにするためのトリガ信号を与えて、出力コンデンサＣＯＵＴの繰り返し充電を行うことができる。繰り返し充電によって出力コンデンサＣＯＵＴの充電電圧は増大してゆき、目標電圧ＶＴに到達したならば、出力コンデンサＣＯＵＴの繰り返し充電を終了することができる。
【0050】
なお、出力コンデンサＣＯＵＴの充電電圧が高くなると、出力コンデンサＣＯＵＴとマルクスジェネレータ１０の出力端のコンデンサＣ１とをそのまま直列に接続すると、高電圧がコンデンサＣ１に印加され、電流が逆流するおそれがある。このような事態を防止するため、本構成では、出力コンデンサＣＯＵＴとマルクスジェネレータ１０の出力端子１０Ｂとの間に逆流防止ダイオードＤＢＦを挿入することで、出力コンデンサＣＯＵＴとコンデンサＣ１との間の電流の逆流を防止して、コンデンサＣ１を保護している。
【0051】
また、半導体スイッチを自動的に切り替えることで、マルクスジェネレータのコンデンサの充電と出力コンデンサの充電とを、高速かつ自動的に切り替えるので、出力コンデンサの目標電圧まで高速に充電することが可能である。
【0052】
なお、上述したように、コンデンサＣ１～ＣＮの充電時間は入力インダクタＬＩＮの値で決定されるので、入力インダクタＬＩＮの値を調整することで、コンデンサＣ１～ＣＮの充電時間を調整することが可能である。また、出力コンデンサＣＯＵＴの充電時間は出力インダクタＬＯＵＴの値で決定されるので、出力インダクタＬＯＵＴの値を調整することで、出力コンデンサＣＯＵＴの充電時間を調整することも可能である。このように、本構成では、インダクタの値を調整することで、出力コンデンサＣＯＵＴが目標電圧に到達するまでの時間を調整可能であることが理解できる。
【0053】
本構成では、トランスを用いずに、半導体基板上に形成可能な素子によって充電装置を構成できるので、充電装置を容易に小型化できる。また、半導体スイッチは電流がゼロになると自動的にオフとなり、半導体スイッチをオンにするときにのみ半導体スイッチに信号を与えればよいので、スイッチング損失を低減することもできる。さらに、交流と直流との間の変換を行わないので、変換損失が生じない充電装置を実現できる。
【0054】
実施の形態２
次に、実施の形態２にかかる充電装置について説明する。実施の形態２にかかる充電装置２は、充電装置１の変形例であり、トリガ信号の出力タイミングを自動的に制御する点が充電装置１と異なる。図９に、実施の形態２にかかる電源装置２００の構成を模式的に示す。電源装置２００は、電源装置１００の充電装置１を充電装置２に置換した構成を有する。充電装置２は、充電装置１の制御回路２０を、制御回路３０に置換した構成を有する。
次に、実施の形態２にかかる充電装置について説明する。実施の形態２にかかる充電装置２は、充電装置１の変形例であり、トリガ信号の出力タイミングを自動的に制御する点が充電装置１と異なる。図９に、実施の形態２にかかる電源装置２００の構成を模式的に示す。電源装置２００は、電源装置１００の充電装置１を充電装置２に置換した構成を有する。充電装置２は、充電装置１の制御回路２０を、制御回路３０に置換した構成を有する。
【0055】
制御回路３０は、判定部３１、開始信号生成部３２及びトリガ信号生成部３３を有する。
【0056】
判定部３１は、電圧検出器１１で検出された充電電圧ＶＣを継続的に監視し、充電電圧ＶＣが目標電圧ＶＴに到達したかを判定する。
【0057】
開始信号生成部３２は、充電開始から一定の時間ごとに、開始信号ＩＮＩを出力する。
【0058】
トリガ信号生成部３３は、直流電源ＶＤＤの負極とグランドとの間に挿入される。トリガ信号生成部３３は、マルクスジェネレータ１０のコンデンサＣ１～ＣＮが直流電源ＶＤＤによって充電されるときの充電電流ＩＳを監視し、充電電流ＩＳが立ち上がった後にゼロになるタイミング検出する。そして、トリガ信号生成部３３は、充電電流ＩＳがゼロになってから所定時間経過後に、マルクスジェネレータ１０の半導体スイッチＳＷ１～ＳＷＮにトリガ信号Ｔ１～ＴＮを出力することで、半導体スイッチＳＷ１～ＳＷＮをオンにする。
【0059】
トリガ信号生成部３３の構成について説明する。トリガ信号生成部３３は、可飽和トランス３３１、検出信号生成器３３２、遅延回路３３３及びトリガ信号出力器３３４を有する。
【0060】
可飽和トランス３３１は、１次巻き線が直流電源ＶＤＤとグランドとの間に接続される。可飽和トランス３３１の１次側巻き線に充電電流ＩＳが流れると、２次側巻き線には充電電流ＩＳの流れ初めから磁心が飽和するまでの短時間に、パルス的に電圧（第１のパルス）が発生する。その後、充電電流ＩＳが減少してゼロになる直前の、磁心の磁束が飽和状態からゼロになるまでの間に、充電電流ＩＳの流れ初めの場合とは逆極性のパルス電圧（第２のパルス）が発生する。
【0061】
検出信号生成器３３２は、可飽和トランス３３１から出力される第１のパルスを検出し、その後、第２のパルスを検出したならば、第２のパルスを検出信号ＤＥＴとして遅延回路３３３へ出力する。
【0062】
遅延回路３３３は、検出信号ＤＥＴに所定の時間（例えば、マルクスジェネレータ１０の各ダイオードのターンオフ時間Ｔｒｒよりも長い時間）だけ遅らせて、トリガ信号出力器３３４へ出力する。
【0063】
トリガ信号出力器３３４は、遅延回路３３３から受け取った検出信号ＤＥＴを増幅して、トリガ信号Ｔ１～ＴＮとして半導体スイッチＳＷ１～ＳＷＮのそれぞれへ出力する。
【0064】
次いで、充電装置２の充電動作について順に説明する。図１０に、充電装置２の充電動作のフローチャートを示す。充電装置２の充電動作は、コンデンサＣ１～ＣＮを充電する第１のサイクル（ステップＳ２１～Ｓ２５）と、コンデンサＣ１～ＣＮから出力コンデンサＣＯＵＴへ電荷を移すことで出力コンデンサＣＯＵＴを充電する第２のサイクル（ステップＳ２６～Ｓ２８）と、で構成される。
【0065】
ステップＳ２１～Ｓ２３
ステップＳ２１～Ｓ２３は、制御回路２０が制御回路３０に置換される他は、実施の形態１で説明したステップＳ１１～Ｓ１３（図４）と同様であるので、説明を省略する。
ステップＳ２１～Ｓ２３は、制御回路２０が制御回路３０に置換される他は、実施の形態１で説明したステップＳ１１～Ｓ１３（図４）と同様であるので、説明を省略する。
【0066】
ステップＳ２４
制御回路３０は、コンデンサＣ１～ＣＮの充電電流ＩＳを継続的に監視する。
制御回路３０は、コンデンサＣ１～ＣＮの充電電流ＩＳを継続的に監視する。
【0067】
ステップＳ２５
コンデンサＣ１～ＣＮの充電電流ＩＳがゼロになったことを検出したならば、予め定められた待機時間ΔＴＡだけ待機する（第１の待機状態）。なお、待機時間ΔＴＡは実施の形態１における付加待機時間ΔＴＡと同じであり、この場合においても、マルクスジェネレータ１０の各ダイオードに再度電流が流れることを防止するため、待機時間ΔＴＡは、各ダイオードのターンオフ時間Ｔｒｒよりも長い時間が設定される。
コンデンサＣ１～ＣＮの充電電流ＩＳがゼロになったことを検出したならば、予め定められた待機時間ΔＴＡだけ待機する（第１の待機状態）。なお、待機時間ΔＴＡは実施の形態１における付加待機時間ΔＴＡと同じであり、この場合においても、マルクスジェネレータ１０の各ダイオードに再度電流が流れることを防止するため、待機時間ΔＴＡは、各ダイオードのターンオフ時間Ｔｒｒよりも長い時間が設定される。
【0068】
ステップＳ２６～Ｓ２８
ステップＳ２６～Ｓ２８は、制御回路２０が制御回路３０に置換される他は、実施の形態１で説明したステップＳ１５～Ｓ１７（図４）と同様であるので、説明を省略する。
ステップＳ２６～Ｓ２８は、制御回路２０が制御回路３０に置換される他は、実施の形態１で説明したステップＳ１５～Ｓ１７（図４）と同様であるので、説明を省略する。
【0069】
上述の動作によって、実施の形態１における場合と同様に、出力コンデンサＣＯＵＴを目標電圧ＶＴまで充電することができる。
【0070】
本構成では、ステップＳ２５において、コンデンサＣ１～ＣＮの充電が完了してから一定の待機時間ΔＴＡだけ待機している。図１１に、実施の形態２におけるコンデンサＣ１～ＣＮの充電電流と待機時間との関係を示す。第１のサイクルを繰り返し行うことで出力コンデンサＣＯＵＴの充電が進んで充電電圧ＶＣが上昇すると、一定の出力電圧（ＶＤＤ×Ｎ）の直列接続されたコンデンサＣ１～ＣＮから出力コンデンサＣＯＵＴに移動する電荷は減ってゆくので、コンデンサＣ１～ＣＮの充電開始から完了するまでの充電時間ＴＣは短くなってゆく。図１１では、１回目の第１のサイクルでのコンデンサＣ１～ＣＮの充電時間をＴＣ（１）、ｋ回目（ｋは、２以上の整数）の第１のサイクルでのコンデンサＣ１～ＣＮの充電時間をＴＣ（ｋ）としている。
【0071】
これに対し、実施の形態１においては、第１のサイクルを繰り返すごとに、コンデンサＣ１～ＣＮの充電時には固定の充電待機時間ＴＡに固定の付加待機時間ΔＴＡを加算した待機時間だけ待機していた。
【0072】
そのため、実施の形態１における待機時間ＴＡ＋ΔＴＡは不変であるのに対し、実施の形態２における待機時間ＴＣ＋ΔＴＡは、初めに第１のサイクルを行う場合には実施の形態１における待機時間と同等であるものの、第１のサイクルが繰り返されて出力コンデンサの充電が進むにつれて、短くなる。よって、本構成によれば、実施の形態１と比べて、出力コンデンサＣＯＵＴをより短時間で充電することが可能となる。
【0073】
実施の形態３
次に、実施の形態３にかかる充電装置について説明する。実施の形態３にかかる充電装置３は、充電装置２の変形例であり、開始信号の出力タイミングを自動的に制御する点が充電装置２と異なる。図１２に、実施の形態３にかかる電源装置３００の構成を模式的に示す。電源装置３００は、電源装置２００の充電装置２を充電装置３に置換した構成を有する。充電装置３は、充電装置２の制御回路３０を、制御回路４０に置換した構成を有する。
次に、実施の形態３にかかる充電装置について説明する。実施の形態３にかかる充電装置３は、充電装置２の変形例であり、開始信号の出力タイミングを自動的に制御する点が充電装置２と異なる。図１２に、実施の形態３にかかる電源装置３００の構成を模式的に示す。電源装置３００は、電源装置２００の充電装置２を充電装置３に置換した構成を有する。充電装置３は、充電装置２の制御回路３０を、制御回路４０に置換した構成を有する。
【0074】
制御回路４０は、制御回路３０の開始信号生成部３２を、開始信号生成部４２に置換した構成を有する。制御回路４０のその他の構成は、制御回路３０と同様であるので、説明を省略する。
【0075】
開始信号生成部４２は、出力コンデンサＣＯＵＴとグランドとの間に挿入される。開始信号生成部４２は、出力コンデンサＣＯＵＴの充電電流ＩＣを監視し、充電電流ＩＣが立ち上がった後にゼロになるタイミングを検出する。
【0076】
そして、判定部３１が充電電圧ＶＣが目標電圧ＶＴよりも小さいと判定している場合には、開始信号生成部４２は、充電電流ＩＣがゼロになってから所定時間経過後に、起動用半導体スイッチＳＷに開始信号ＩＮＩを出力して、起動用半導体スイッチＳＷをオンにする。
【0077】
なお、上述した開始信号生成部４２の動作は、充電電流Ｉｃを検出して、次回の出力コンデンサＣＯＵＴの充電を開始するための開始信号ＩＮＩを出力するためのものである。そのため、出力コンデンサＣＯＵＴの１回目の充電を開始するには、例えば、外部から開始指令ＣＯＭを開始信号生成部４２に与えることで、開始信号生成部４２から開始信号ＩＮＩを出力させることができる。
【0078】
また、開始信号生成部４２は、判定部３１が出力コンデンサＣＯＵＴの充電電圧ＶＣが目標電圧ＶＴに到達したと判定している場合には、開始信号ＩＮＩの出力を停止する。充電電流ＩＣの検出結果にかかわりなく、開始信号ＩＮＩの出力動作を停止する。これにより、出力コンデンサＣＯＵＴの充電が完了する。
【0079】
開始信号生成部４２の構成について説明する。開始信号生成部４２は、可飽和トランス４２１、検出信号生成器４２２、遅延回路４２３及びトリガ信号出力器４２４を有する。このうち、可飽和トランス４２１、検出信号生成器４２２及び遅延回路４２３は、可飽和トランス３３１、検出信号生成器３３２及び遅延回路３３３と同様の構成を有する。
【0080】
可飽和トランス４２１は、１次巻き線が出力コンデンサＣＯＵＴとグランドとの間に接続される。可飽和トランス４２１の１次側巻き線に充電電流ＩＣが流れると、２次側巻き線には充電電流ＩＣの流れ初めから磁心が飽和するまでの短時間に、パルス的に電圧が発生（第３のパルス）する。その後、充電電流ＩＣが減少してゼロになる直前の、磁心の磁束が飽和状態からゼロになるまでの間に、充電電流ＩＣの流れ初めの場合とは逆極性のパルス電圧が発生（第４のパルス）する。
【0081】
検出信号生成器４２２は、可飽和トランス４２１から出力される第３のパルスを検出し、その後、第４のパルスを検出したならば、第４のパルスを検出信号ＤＥＴとして遅延回路４２３へ出力する。
【0082】
遅延回路４２３は、検出信号ＤＥＴに所定の時間だけ遅らせて、開始信号出力器４２４へ出力する。
【0083】
開始信号出力器４２４は、遅延回路４２３から受け取った検出信号ＤＥＴを増幅して、開始信号ＩＮＩとして起動用半導体スイッチＳＷへ出力する。但し、外部から開始指令ＣＯＭを受け取った場合には、開始信号出力器４２４は、検出信号ＤＥＴにかかわらず、開始信号ＩＮＩとして起動用半導体スイッチＳＷへ出力する。また、判定部３１が、出力コンデンサＣＯＵＴの充電電圧ＶＣが目標電圧ＶＴに到達したと判定した場合には、開始信号出力器４２４は、検出信号ＤＥＴにかかわらず、開始信号ＩＮＩを出力しない。
【0084】
次いで、充電装置３の充電動作について順に説明する。図１３に、充電装置３の充電動作のフローチャートを示す。充電装置３の充電動作は、コンデンサＣ１～ＣＮを充電する第１のサイクル（ステップＳ３１～Ｓ３５）と、コンデンサＣ１～ＣＮから出力コンデンサＣＯＵＴへ電荷を移すことで出力コンデンサＣＯＵＴを充電する第２のサイクル（ステップＳ３６～Ｓ３９）と、で構成される。
【0085】
ステップＳ３１～Ｓ３７
ステップＳ３１～Ｓ３７は、制御回路３０が制御回路４０に置換される他は、実施の形態２で説明したステップＳ２１～Ｓ２７（図１０）と同様であるので、説明を省略する。
ステップＳ３１～Ｓ３７は、制御回路３０が制御回路４０に置換される他は、実施の形態２で説明したステップＳ２１～Ｓ２７（図１０）と同様であるので、説明を省略する。
【0086】
ステップＳ３８
制御回路４０は、出力コンデンサＣＯＵＴの充電電流ＩＣを継続的に監視する。
制御回路４０は、出力コンデンサＣＯＵＴの充電電流ＩＣを継続的に監視する。
【0087】
ステップＳ３９
出力コンデンサＣＯＵＴの充電電流ＩＣがゼロになったことを検出したならば、予め定められた待機時間ΔＴＢだけ待機する（第２の待機状態）。なお、待機時間ΔＴＢは実施の形態１における付加待機時間ΔＴＢと同じである。その後は、実施の形態１及び２と同様に、ステップＳ３１に戻って、以降の動作を継続する。
出力コンデンサＣＯＵＴの充電電流ＩＣがゼロになったことを検出したならば、予め定められた待機時間ΔＴＢだけ待機する（第２の待機状態）。なお、待機時間ΔＴＢは実施の形態１における付加待機時間ΔＴＢと同じである。その後は、実施の形態１及び２と同様に、ステップＳ３１に戻って、以降の動作を継続する。
【0088】
本構成では、ステップＳ３９において、出力コンデンサＣＯＵＴの充電が完了してから一定の待機時間ΔＴＢを加算した時間だけ待機している。図１４に、実施の形態３における出力コンデンサＣＯＵＴの充電電流と待機時間との関係を示す。第２のサイクルを繰り返し行うことで出力コンデンサＣＯＵＴの充電が進んで充電電圧ＶＣが上昇すると、一定の出力電圧（ＶＤＤ×Ｎ）の直列接続されたコンデンサＣ１～ＣＮから出力コンデンサＣＯＵＴに移動する電荷は減ってゆくので、出力コンデンサＣＯＵＴの充電開始から完了するまでの充電時間ＴＤは短くなってゆく。図１４では、１回目の第２のサイクルでの出力コンデンサＣＯＵＴの充電時間をＴＤ（１）、ｋ回目（ｋは、２以上の整数）の第２のサイクルでの出力コンデンサＣＯＵＴの充電時間をＴＤ（ｋ）としている。
【0089】
これに対し、実施の形態１においては、第２のサイクルを繰り返すごとに、固定の充電待機時間ＴＢに固定の付加待機時間ΔＴＢを加算した待機時間だけ待機していた。
【0090】
そのため、実施の形態１における待機時間ＴＢ＋ΔＴＢは不変であるのに対し、実施の形態２における待機時間ＴＤ＋ΔＴＢは、初めに第２のサイクルを行う場合には実施の形態１における待機時間と同等であるものの、第２のサイクルが繰り返されて出力コンデンサＣＯＵＴの充電が進むにつれて、短くなる。よって、本構成によれば、実施の形態１と比べて、出力コンデンサＣＯＵＴをさらに短時間で充電することが可能となる。
【0091】
その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上述の実施の形態では、半導体スイッチとしてサイリスタを用いる構成について説明したが、同様の機能を発揮できる限り、他の種類の半導体スイッチを用いてもよい。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上述の実施の形態では、半導体スイッチとしてサイリスタを用いる構成について説明したが、同様の機能を発揮できる限り、他の種類の半導体スイッチを用いてもよい。
【0092】
トリガ信号生成回路及び開始信号生成回路の構成は例示に過ぎず、同様に機能を発揮できる限り、他の構成とすることができる。また、トリガ信号生成回路及び開始信号生成回路は、用いられる半導体スイッチの種類に応じて、適宜他の構成をとってもよい。
【符号の説明】
【0093】
１～３ 充電装置
１０ マルクスジェネレータ
１０Ａ 入力
１０Ｂ 出力
１１ 電圧検出器
２０、３０、４０ 制御回路
３１ 判定部
３２、４２ 開始信号生成部
３３ トリガ信号生成部
４２ 開始信号生成部
１０００ 射出システム
１００、２００、３００ 電源装置
１０１ 射出装置
１０１Ａ、１０１Ｂ 導電レール
１０２ スイッチ
１０３ 制御装置
１０５ 電機子
１０４ 飛翔体
３３１、４２１ 可飽和トランス
３３２、４２２ 検出信号生成器
３３３、４２３ 遅延回路
３３４ トリガ信号出力器
４２４ 開始信号出力器
Ｃ１～ＣＮ コンデンサ
ＣＯＭ 開始指令
ＣＯＮ 制御信号
ＣＯＵＴ 出力コンデンサ
ＤＡ＿１～ＤＡ＿Ｎ－１、ＤＢ＿１～ＤＢ＿Ｎ－１、ＤＣ＿１～ＤＣ＿Ｎ、ＤＤ＿１～ＤＤ＿Ｎ－１ ダイオード
ＤＦＢ 逆流防止ダイオード
ＩＣ 充電電流
ＩＮＩ 開始信号
ＩＳ 充電電流
ＬＩＮ 入力インダクタ
ＬＯＵＴ 出力インダクタ
ＲＡ＿１～ＲＡ＿Ｎ－１、ＲＢ＿１～ＲＢ＿Ｎ－１、ＲＣ＿１～ＲＣ＿Ｎ、ＲＤ＿１～ＲＤ＿Ｎ 抵抗
ＳＷ 起動用半導体スイッチ
ＳＷ１～ＳＷＮ 半導体スイッチ
Ｔ１～ＴＮ トリガ信号
ＶＤＤ 直流電源
１０ マルクスジェネレータ
１０Ａ 入力
１０Ｂ 出力
１１ 電圧検出器
２０、３０、４０ 制御回路
３１ 判定部
３２、４２ 開始信号生成部
３３ トリガ信号生成部
４２ 開始信号生成部
１０００ 射出システム
１００、２００、３００ 電源装置
１０１ 射出装置
１０１Ａ、１０１Ｂ 導電レール
１０２ スイッチ
１０３ 制御装置
１０５ 電機子
１０４ 飛翔体
３３１、４２１ 可飽和トランス
３３２、４２２ 検出信号生成器
３３３、４２３ 遅延回路
３３４ トリガ信号出力器
４２４ 開始信号出力器
Ｃ１～ＣＮ コンデンサ
ＣＯＭ 開始指令
ＣＯＮ 制御信号
ＣＯＵＴ 出力コンデンサ
ＤＡ＿１～ＤＡ＿Ｎ－１、ＤＢ＿１～ＤＢ＿Ｎ－１、ＤＣ＿１～ＤＣ＿Ｎ、ＤＤ＿１～ＤＤ＿Ｎ－１ ダイオード
ＤＦＢ 逆流防止ダイオード
ＩＣ 充電電流
ＩＮＩ 開始信号
ＩＳ 充電電流
ＬＩＮ 入力インダクタ
ＬＯＵＴ 出力インダクタ
ＲＡ＿１～ＲＡ＿Ｎ－１、ＲＢ＿１～ＲＢ＿Ｎ－１、ＲＣ＿１～ＲＣ＿Ｎ、ＲＤ＿１～ＲＤ＿Ｎ 抵抗
ＳＷ 起動用半導体スイッチ
ＳＷ１～ＳＷＮ 半導体スイッチ
Ｔ１～ＴＮ トリガ信号
ＶＤＤ 直流電源
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】