特許 7071787 電源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-05-11

(45)【発行日】2022-05-19

(54)【発明の名称】電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/155 20060101AFI20220512BHJP

   H05H 7/04 20060101ALI20220512BHJP

【ＦＩ】

H02M3/155 H

H05H7/04

H02M3/155 U

H02M3/155 J

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2019027316

(22)【出願日】2019-02-19

(65)【公開番号】P2020137244

(43)【公開日】2020-08-31

【審査請求日】2021-02-08

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108062

【弁理士】

【氏名又は名称】日向寺 雅彦

(74)【代理人】

【識別番号】100168332

【弁理士】

【氏名又は名称】小崎 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100146592

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100172188

【弁理士】

【氏名又は名称】内田 敬人

(72)【発明者】

【氏名】久保田 健介

(72)【発明者】

【氏名】山▲崎▼ 長治

【審査官】佐藤 匡

(56)【参考文献】

【文献】特開平１０－１６６４０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－０３６５２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－１１４５７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－１００８９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－１３３１２０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ３／１５５，７／４８，７／１２

Ｈ０５Ｈ７／０４，３／０４

Ｈ０１Ｆ７／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１信号値と前記第１信号値と異なる第２信号値との間を遷移する基準電流信号に応じて出力電流を電磁石に供給する電源装置であって、
第１直流電圧を入力して、前記電磁石に電力を供給する電力変換器と、
前記電力変換器を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記第１信号値に対応する第１出力電流値から前記第２信号値に対応する第２出力電流値への遷移期間である第１期間にわたって、前記電力変換器に前記第１直流電圧に応じた第１一定電圧を出力させる第１動作モードと、
前記第１期間以外の第２期間では、前記電力変換器に前記第１信号値および前記第２信号値のそれぞれにもとづいて制御された前記出力電流を前記電力変換器に出力させる第２動作モードと、を有し、
前記基準電流信号の大きさおよび前記出力電流に応じて生成された出力電流信号の大きさにもとづいて前記第１期間を検出し、
前記基準電流信号の大きさが前記出力電流信号の大きさ以上の場合に、前記第１動作モードで動作し、
前記基準電流信号の大きさが前記出力電流信号の大きさよりも小さい場合に、前記第２動作モードで動作する電源装置。

【請求項2】

前記電力変換器の出力に直列に接続され、第２一定電圧を出力できる一定電圧出力用電力変換器
をさらに備え、
前記制御装置は、
前記第１期間に、前記一定電圧出力用電力変換器に前記第２一定電圧を出力させ、
前記第２期間では前記一定電圧出力用電力変換器の出力をバイパスさせる請求項１記載の電源装置。

【請求項3】

前記第２一定電圧の大きさは、前記第１一定電圧の大きさと等しい請求項２記載の電源装置。

【請求項4】

前記第１期間において、前記第１一定電圧の大きさは、前記電磁石の両端に印加された電圧の大きさに等しい請求項１記載の電源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、電磁石を駆動する電源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

加速された荷電粒子ビームを利用するさまざまな応用装置が開発されている。このような応用装置では、荷電粒子ビームを偏向走査して対象領域に照射する必要がある。荷電粒子が電磁石を通過するときに、電磁石に流す電流を制御することによって、荷電粒子ビームを走査することができる。

【0003】

電磁石に流す電流を正確に制御する電源装置がある。このような電源装置は、荷電粒子ビームの走査範囲および照射位置を正確にするために、高精度に電流値を制御する必要がある。また、走査時間短縮を短縮するには、高速に電流値を切り替える必要がある。

【0004】

電磁石は、インダクタンスを含むため、基準電流値をステップ状に切り替えても、インダクタンス値および電磁石への印加電圧によって決定される電流の変化率は有限である。電磁石に流れる電流を高速に遷移させるためには、電流の変化率を大きくする必要がある。インダクタンス値は電磁石に固有の値であるため、電源装置によって電磁石の両端に印加する電圧を高くする必要がある。電磁石駆動用の電源装置では、電磁石に流れる電流を所望の値に制御するチョッパユニットのほかに、電磁石に流れる電流を遷移させる期間に高い電圧を出力するチョッパユニットが直列に接続されている。

【0005】

近年では、照射領域を走査する時間を短縮したいとする要求が強まっており、より高い電圧を電磁石に印加する必要がある。そのため、複数台のチョッパユニットを直列に接続することとなり、電源装置の構成が複雑になって、占有面積やコストが上昇する傾向にある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特許第３５８０２５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

実施形態は、簡素な構成で出力電流を高速に遷移させる電源装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

実施形態に係る電源装置は、第１信号値と前記第１信号値と異なる第２信号値との間を遷移する基準電流信号に応じて出力電流を電磁石に供給する。この電源装置は、第１直流電圧を入力して、前記電磁石に電力を供給する電力変換器と、前記電力変換器を制御する制御装置と、を備える。前記制御装置は、前記第１信号値に対応する第１出力電流値から前記第２信号値に対応する第２出力電流値への遷移期間である第１期間にわたって、前記電力変換器に前記第１直流電圧に応じた第１一定電圧を出力させる第１動作モードと、前記第１期間以外の第２期間では、前記電力変換器に前記第１信号値および前記第２信号値のそれぞれにもとづいて制御された前記出力電流を前記電力変換器に出力させる第２動作モードと、を有する。前記制御装置は、前記基準電流信号の大きさおよび前記出力電流に応じて生成された出力電流信号の大きさにもとづいて前記第１期間を検出する。前記制御装置は、前記基準電流信号の大きさが前記出力電流信号の大きさ以上の場合に、前記第１動作モードで動作し、前記基準電流信号の大きさが前記出力電流信号の大きさよりも小さい場合に、前記第２動作モードで動作する。

【発明の効果】

【0009】

本実施形態では、簡素な構成で出力電流を高速に遷移させる電源装置が実現される。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１の実施形態に係る電源装置を例示するブロック図である。

【図2】第１の実施形態の電源装置の一部を例示するブロック図である。

【図3】図３（ａ）は、実施形態の電源装置の動作を表す動作波形の例である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ部の拡大図である。

【図4】第１の実施形態の電源装置の動作を説明するためのタイミングチャートの例である。

【図5】比較例の電源装置を例示するブロック図である。

【図6】比較例の電源装置の動作を表す動作波形の例である。

【図7】第２の実施形態に係る電源装置を例示するブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

【0012】

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る電源装置を例示するブロック図である。
図１に示すように、本実施形態の電源装置１０は、電源１に接続される。電源１は、交流電源である。交流電源は、好ましくは三相交流である。電源装置１０は、出力端子２ａ，２ｂを含む。出力端子２ａ，２ｂ間には、負荷である電磁石４が接続される。電磁石４は、加速器等から射出される荷電粒子ビームを偏向して、設定された照射領域を走査する。電源装置１０は、図示しない上位制御システムから基準電流信号Ｉｒｅｆを受け取る。電源装置１０は、電源１によって動作し、基準電流信号Ｉｒｅｆに追従する出力電流を電磁石４に供給する。

【0013】

電源装置１０は、第１チョッパユニット１４と、第２チョッパユニット２４と、制御装置３０と、を備える。第２チョッパユニット２４の出力には、電流検出器２８が設けられている。電流検出器２８は、電磁石４に供給している出力電流を検出して出力電流信号Ｉｏｕｔとして制御装置３０に供給する。電流検出器２８は、第１チョッパユニット１４の出力に設けられていてもよいし、電源装置１０の出力端子と電磁石４との間に設けられていてもよい。制御装置３０は、上位制御システムから基準電流信号Ｉｒｅｆおよび電流検出器２８から出力電流信号Ｉｏｕｔをそれぞれ入力して、第１チョッパユニット１４および第２チョッパユニット２４のスイッチング素子を駆動するためのゲート信号Ｖｇを生成し、第１チョッパユニット１４および第２チョッパユニット２４にそれぞれ供給する。

【0014】

第１チョッパユニット１４および第２チョッパユニット２４は、いずれも入出力非絶縁のＤＣ－ＤＣコンバータ回路を含む。この例では、第１チョッパユニット１４および第２チョッパユニット２４は、負荷の電磁石に正負両方向の出力電流を供給するために、正負の出力電流を供給できるフルブリッジ形式の回路構成を有する。電磁石に供給する出力電流の方向が単一方向である場合には、たとえば降圧チョッパ方式等の回路構成であってもよく、入出力の条件等に応じて適切な回路形式とすることができる。

【0015】

第１チョッパユニット（一定電圧出力用電力変換器）１４は、入力端子１５ａ，１５ｂと出力端子１６ａ，１６ｂとを含む。電源１は、変圧器１１を介して整流器１２の入力に接続される。整流器１２の出力は、フィルタ１３を介して、第１チョッパユニット１４の入力端子１５ａ，１５ｂに接続される。

【0016】

チョッパユニット１４では、入力端子１５ａ，１５ｂを介してフルブリッジ回路に入力された整流器１２の出力電圧に応じた電圧（第２一定電圧）を出力端子１６ａ，１６ｂに供給する場合と、出力端子１６ａ，１６ｂをバイパスする場合とを切り替える。フルブリッジ回路に入力された整流器１２の出力電圧に応じた電圧を出力端子１６ａ，１６ｂに供給する場合には、フルブリッジ回路の一方のレグのハイサイド側のスイッチング素子をオンさせるとともに、他方のレグのローサイド側のスイッチング素子をオンさせる。出力端子１６ａ，１６ｂをバイパスする場合には、たとえば、フルブリッジ回路のハイサイド側のスイッチング素子をオンからオフに切り替えて、フルブリッジ回路を還流動作させる。

【0017】

第２チョッパユニット（電力変換器）２４は、入力端子２５ａ，２５ｂと出力端子２６ａ，２６ｂとを含む。電源１は、変圧器２１を介して整流器２２の入力に接続される。整流器２２の出力は、フィルタ２３を介して、第２チョッパユニット２４の入力端子２５ａ，２５ｂに接続される。

【0018】

第２チョッパユニット２４では、入力端子２５ａ，２５ｂを介してフルブリッジ回路に入力された整流器２２の出力電圧（第１直流電圧）に応じた電圧を出力端子２６ａ，２６ｂから出力する。

【0019】

第１チョッパユニット１４の一方の出力端子１６ａには、電源装置１０の出力端子２ａを介して、電磁石４の一方の端子に接続される。第１チョッパユニット１４の他方の出力端子１６ｂには、第２チョッパユニット２４の一方の出力端子２６ａが接続されている。第２チョッパユニット２４の他方の出力端子２６ｂには、電源装置１０の出力端子２ｂを介して、電磁石４の他方の端子に接続される。

【0020】

整流器１２，２２には、変圧器１１，２１によって絶縁された交流電圧が供給され、整流器１２，２２およびフィルタ１３，２３でそれぞれ整流平滑された直流電圧に変換される。つまり、第１チョッパユニット１４および第２チョッパユニット２４には、電気的に絶縁された直流電圧がそれぞれ入力され、出力側で直列に接続されて電磁石４に電力を供給する。

【0021】

好ましくは、変圧器１１，２１は、同じ変圧比を有している。変圧器１１，２１の二次側の電圧は、第１チョッパユニット１４および第２チョッパユニット２４は、それぞれほぼ等しい大きさの直流電圧を入力し、ほぼ等しい大きさの電圧を出力し得る。第１チョッパユニット１４の出力と第２チョッパユニット２４の出力とが直列に接続されているので、電源装置１０は、第１チョッパユニット１４および第２チョッパユニット２４のそれぞれが出力し得る電圧の２倍の大きさの電圧を出力することができる。

【0022】

制御装置３０は、第１チョッパユニット１４が出力する電圧の値を切り替えて出力するように第１チョッパユニット１４を制御する。基準電流信号Ｉｒｅｆは、１つの基準電流値（第１信号値）から次の基準電流値（第２信号値）に遷移する。このとき、出力電流信号Ｉｏｕｔは、１つの基準電流値に応じた値（第１出力電流値）から、次の基準電流値に応じた値（第２出力電流値）に遷移する期間を有する。この遷移期間では、第１チョッパユニット１４では、フルブリッジ回路は、入力端子１５ａ，１５ｂに入力された直流電圧に応じた電圧を出力端子１６ａ，１６ｂに出力する。

【0023】

出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間以外の期間では、第１チョッパユニット１４は、フルブリッジ回路を還流動作させて出力端子１６ａ，１６ｂに０Ｖを出力する。なお、第１チョッパユニット１４は、出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間以外の期間では、０Ｖに限らず、十分低い電圧を出力すればよい。十分低い電圧は、たとえば出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間において、第２チョッパユニット２４が出力する電圧よりも低い値である。

【0024】

制御装置３０は、第２チョッパユニット２４に関して、２つの動作モードを有する。動作モードの１つは一定電圧出力モード（第１動作モード）であり、他の１つは定電流制御モード（第２動作モード）である。制御装置３０は、一定電圧出力モードおよび定電流制御モードを切り替えて第２チョッパユニット２４を動作させる。

【0025】

制御装置３０は、出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間（第１期間）では、第２チョッパユニット２４がＰＷＭ制御を停止するとともに、遷移期間中でほぼ一定の電圧である一定電圧（第１一定電圧）を出力する一定電圧出力モードで動作する。出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間以外の期間（第２期間）では、第２チョッパユニット２４は、ＰＷＭ制御によって、基準電流信号Ｉｒｅｆに追従するように出力電流を定電流制御する定電流制御モードで動作する。

【0026】

図２は、実施形態の電源装置の一部を例示するブロック図である。
図２に示すように、制御装置３０は、ＰＩ制御器３２と、動作期間制御回路３８と、動作モード切替スイッチ３９と、を含む。図２の構成要素は、第２チョッパユニット２４を制御するために用いられる。第１チョッパユニット１４の制御は、たとえば後述する動作期間制御回路３８の出力によって、一定電圧を出力する状態と出力をバイパスする状態とを切り替える。

【0027】

加減算器３１は、基準電流信号Ｉｒｅｆおよび出力電流信号Ｉｏｕｔを入力して電流偏差をＰＩ制御器３２に供給する。ＰＩ制御器３２は、入力された電流偏差を比例積分し、制御量として出力する。

【0028】

リミッタ３３は、入力される制御量の大きさが上限値ＵＬまたは下限値ＬＬを超過する場合に、制御量の大きさを上限値ＵＬまたは下限値ＬＬに制限する。上限値ＵＬおよび下限値ＬＬはあらかじめ設定されている。

【0029】

リミッタ３３から出力された制御量は、加算器３４を介してコンパレータ３５に入力される。制御量は、コンパレータ３５でキャリア信号発生回路３６が生成したキャリア信号と比較される。キャリア信号は、たとえば三角波である。コンパレータ３５は、制御量およびキャリア信号の比較結果にもとづいて、ＰＷＭ信号であるゲート信号Ｖｇを生成して出力する。なお、図示しないが、生成されたゲート信号は、ゲート駆動回路等を介して、チョッパユニット２４の４つのスイッチング素子をそれぞれ適切に駆動するゲート駆動信号に変換されてチョッパユニット２４に供給される。

【0030】

加算器３４には、あらかじめ設定されたゲインを有する係数器３７の出力が接続されている。係数器３７には、基準電流信号Ｉｒｅｆが入力される。係数器３７は、電磁石４に供給する電流値が目標値に早期に到達するように、ＰＩ制御器３２から出力される制御量に加算器３４によって、電圧フィードフォワードを追加する。

【0031】

コンパレータ３５の出力には、動作モード切替スイッチ３９の一方の入力端子が接続されている。動作モード切替スイッチ３９の他方の入力端子には、係数器４０が接続されている。動作モード切替スイッチ３９は、動作期間制御回路３８の出力によって、２つのうちのいずれかの入力端子に入力された信号をゲート信号Ｖｇとして出力する。

【0032】

動作期間制御回路３８は、基準電流信号Ｉｒｅｆおよび出力電流信号Ｉｏｕｔを入力する。動作期間制御回路３８は、たとえばコンパレータを含んでおり、入力された基準電流信号Ｉｒｅｆの大きさと出力電流信号Ｉｏｕｔの大きさとを比較する。動作期間制御回路３８は、基準電流信号Ｉｒｅｆの大きさが出力電流信号Ｉｏｕｔの大きさ以上の場合にはＨレベルを出力する。動作期間制御回路３８は、基準電流信号Ｉｒｅｆの大きさが出力電流信号Ｉｏｕｔよりも小さい場合には、Ｌレベルを出力する。

【0033】

なお、実施形態の例では、電磁石４に流す電流は、正負両方向なので、動作期間制御回路３８は、基準電流信号Ｉｒｅｆの絶対値の大きさと、出力電流信号Ｉｏｕｔの絶対値の大きさとを比較して、信号を出力する。

【0034】

動作モード切替スイッチ３９は、Ｈレベルの信号が入力された場合には、係数器４０を出力するように接続する。動作モード切替スイッチ３９は、Ｌレベルの信号が入力された場合には、コンパレータ３５が生成するゲート信号Ｖｇを出力するように接続する。係数器４０は、係数“１”に設定され、係数“１”の期間ではＶｇを常時Ｈレベルに設定する。

【0035】

実施形態の電源装置１０の動作について説明する。
まず、電源装置１０の第１チョッパユニット１４および第２チョッパユニット２４を含む全体の動作について説明する。
図３（ａ）は、実施形態の電源装置の動作を表す動作波形の例である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ部の拡大図である。
図３（ａ）および図３（ｂ）には、横軸に時間ｔ、縦軸に基準電流信号Ｉｒｅｆおよび出力電流信号Ｉｏｕｔをとり、基準電流信号Ｉｒｅｆおよび出力電流信号Ｉｏｕｔの時間変化が同一グラフ中に示されている。図中、実線が出力電流信号Ｉｏｕｔを表し、一点鎖線が基準電流信号Ｉｒｅｆを表している。

【0036】

図３（ａ）に示すように、基準電流信号Ｉｒｅｆは、荷電粒子ビームの走査状況に応じて、異なる目標電流値の間を遷移する。図においてほぼ一定の電流値がそれぞれの目標電流値である。出力電流信号Ｉｏｕｔは、基準電流信号Ｉｒｅｆに応じて、あるいは基準電流信号Ｉｒｅｆに追従するように遷移する。

【0037】

図３（ｂ）に示すように、期間Ｔ１は、出力電流信号Ｉｏｕｔが基準電流信号Ｉｒｅｆに応じて現在の目標値から次の目標値まで遷移する期間である。つまり、出力電流信号Ｉｏｕｔの目標値間の遷移期間である。期間Ｔ２は、第２チョッパユニット２４の動作によって、出力電流信号Ｉｏｕｔが基準電流信号Ｉｒｅｆに追従して定電流制御される期間である。期間Ｔ２は、全期間のうち期間Ｔ１を除いた期間である。

【0038】

期間Ｔ１では、出力電流信号Ｉｏｕｔは基準電流信号Ｉｒｅｆに応じて上昇するが、電磁石４のインダクタンスによって、電流の変化率が抑制される。電磁石４に流れる出力電流の変化率ｄｉ／ｄｔと電磁石のインダクタンス値Ｌとの積が電磁石４の両端に印加される電圧Ｖであり（Ｖ＝Ｌ×ｄｉ／ｄｔ）、電圧Ｖは、電源装置１０によって供給される。したがって、電源装置１０が出力する直流電圧を十分高くすることによって、出力電流信号Ｉｏｕｔの目標電流値間の遷移期間である期間Ｔ１を短くすることができる。

【0039】

本実施形態では、期間Ｔ１において、第１チョッパユニット１４および第２チョッパユニット２４の両方が高い電圧値を有する一定電圧を出力し、これらの合計値が電磁石４の両端に印加される。期間Ｔ２では、第１チョッパユニット１４の出力はバイパスされるとともに、第２チョッパユニット２４がＰＷＭ動作することによって、出力電流は、設定された基準電流値に追従するように定電流制御される。

【0040】

図４は、本実施形態の電源装置の動作を説明するためのタイミングチャートの例である。
図４の最上段の図は、第１チョッパユニット（図では第１チョッパと略記）１４のゲート信号のタイミングチャートである。
図４の２段目の図は、第２チョッパユニット（図では第２チョッパと略記）２４のゲート信号のタイミングチャートである。
図４の最下段の図は、動作期間制御回路の出力信号のタイミングチャートである。
図４の４つの図は、時間軸を共通にして描かれている。

【0041】

図４に示すように、時刻ｔ１から時刻ｔ２の期間および時刻ｔ３から時刻ｔ４の期間が、出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間である。その他の期間が、出力電流信号ＩｏｕｔがＰＷＭ動作による定電流制御によって基準電流信号Ｉｒｅｆに追従する期間である。

【0042】

時刻ｔ１から時刻ｔ２の出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間では、制御装置３０は、第１チョッパユニット１４のスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１４またはＱ１３，Ｑ１２をオンにするようにゲート信号を第１チョッパユニット１４に供給する。第１チョッパユニット１４は、入力端子１５ａ，１５ｂ間の直流電圧にほぼ等しい一定電圧を出力する。

【0043】

制御装置３０は、第２チョッパユニット２４のスイッチング素子Ｑ２１，Ｑ２４またはＱ２３，Ｑ２２をオンするようにゲート信号を第２チョッパユニット２４に供給する。

【0044】

制御装置３０の動作期間制御回路３８の出力は、基準電流信号Ｉｒｅｆの大きさが出力電流信号Ｉｏｕｔの大きさ以上であるため、Ｈレベル（“１”）となっている。

【0045】

時刻ｔ２から時刻ｔ３の期間では、制御装置３０は、第１チョッパユニット１４のフルブリッジ回路を還流動作させるようにゲート信号を第１チョッパユニット１４に供給して、出力端子１６ａ，１６ｂの出力をバイパスする。

【0046】

制御装置３０は、第２チョッパユニット２４の各スイッチング素子を、ＰＷＭ動作で出力電流信号Ｉｏｕｔが基準電流信号Ｉｒｅｆに追従するようにゲート信号を生成して第２チョッパユニット２４に供給する。

【0047】

制御装置３０の動作期間制御回路３８の出力は、基準電流信号Ｉｒｅｆの大きさが出力電流信号Ｉｏｕｔの大きさよりも小さいので、Ｌレベル（“０”）となっている。

【0048】

このようにして、本実施形態の電源装置１０では、動作期間制御回路３８の出力によって、第２チョッパユニット２４の２つの動作モードを切り替えることができる。そのため、電源装置１０では、高精度な定電流制御および高速な出力電流の切り替えを両立させることができる。

【0049】

実施形態の電源装置１０の効果について、比較例の電源装置の動作と比較しつつ説明する。
図５は、比較例の電源装置を例示するブロック図である。
図５に示すように、比較例の電源装置１１０は、３つのチョッパユニットを有する点で上述の実施形態の場合と相違し、３つのチョッパユニットを制御するために上述の実施形態の場合と異なる制御装置１３０を有している。

【0050】

比較例の電源装置１１０は、第１チョッパユニット１４、第２チョッパユニット２４のほかに第３チョッパユニット１３４を有している。第３チョッパユニット１３４は、第１チョッパユニット１４と同様の構成を有し、第１チョッパユニット１４と同様の動作をする。

【0051】

なお、この例においては、第２チョッパユニット２４の入力端子２５ａ，２５ｂ間には、第１チョッパユニット１４の入力端子１５ａ，１５ｂ間および第３チョッパユニット１３４の入力端子１３５ａ，１３５ｂ間に印加される直流電圧よりも低い値を有する直流電圧が印加される。したがって、第２チョッパユニット２４は、他のチョッパユニットが出力する電圧よりも低い値の電圧しか出力することはできない。

【0052】

第３チョッパユニット１３４のフルブリッジ回路は、第１チョッパユニット１４のフルブリッジ回路と同時かつ同様の動作をする。すなわち、出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間では、第３チョッパユニット１３４のフルブリッジ回路は、入力端子１３５ａ，１３５ｂに入力された直流電圧に応じた電圧を出力端子１３６ａ，１３６ｂから出力する。それ以外の期間では、フルブリッジ回路は還流動作し、出力端子１３６ａ，１３６ｂからは０Ｖが出力される。

【0053】

制御装置１３０は、出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間において、第１チョッパユニット１４と同様に、第３チョッパユニット１３４のスイッチング素子をオンさせて、入力端子１３５ａ，１３５ｂ間に印加されている直流電圧にほぼ等しい一定電圧を出力させる。

【0054】

出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間以外の期間では、第１チョッパユニット１４のフルブリッジ回路および第３チョッパユニット１３４のフルブリッジ回路は還流動作する。制御装置１３０は、これらのフルブリッジ回路が還流動作するように、ゲート信号を第１チョッパユニット１４および第３チョッパユニット１３４に供給する。

【0055】

図６は、比較例の電源装置の動作を表す動作波形の例である。
図６に示すように、出力電流信号Ｉｏｕｔが遷移する期間Ｔ１は、基準電流信号Ｉｒｅｆが出力電流信号Ｉｏｕｔ以上の期間である。期間Ｔ１においては、制御装置１３０は、第１チョッパユニット１４および第３チョッパユニット１３４に一定電圧を出力させる。

【0056】

上述した実施形態と相違するのは第２チョッパユニット２４の動作である。制御装置１３０は、期間Ｔ１を含むすべての期間Ｔ２において、第２チョッパユニット２４をＰＷＭ動作によって定電流制御する。したがって、第２チョッパユニット２４は、期間Ｔ１においても、電磁石に流れる電流の変化率を増大させる高い電圧を出力することができないので、必要な一定電圧を第１チョッパユニット１４および第３チョッパユニット１３４の出力により実現する。

【0057】

これに対して、本実施形態の電源装置１０では、制御装置３０が、出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間であるか否かに応じて、第２チョッパユニット２４の動作モードを切り替えて第２チョッパユニット２４を動作させる。制御装置３０は、出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間では、第２チョッパユニット２４を一定電圧出力モードで動作させる。そのため、この期間では、第１チョッパユニット１４および第２チョッパユニット２４が出力する電圧の加算値が電磁石４の両端に印加される。

【0058】

制御装置３０は、出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間以外の期間では、第２チョッパユニット２４を定電流制御モードで動作させる。したがって、別にチョッパユニットを追加することなく、電磁石４への高い電圧印加および定電流制御を両立させることができる。

【0059】

一般に、チョッパユニット等の電力変換回路を構成するスイッチング素子等の回路部品には、印加することができる有限の耐圧規格がある。電磁石４に高い電圧を印加することができれば、電磁石４に流れる電流の変化率を大きくすることができ、出力電流の遷移期間を短縮することができる。しかしながら、回路部品等の制約からチョッパユニットが出力できる電圧が有限であり、より高速化するためには、チョッパユニットを直列に接続して電磁石に印加する電圧を増大させることとなる。

【0060】

荷電粒子ビームの照射装置を医療用等に用いるには、治療時間を最小限とするために、高速での荷電粒子ビームを走査することが求められる。装置の高速化に応じて、チョッパユニットの直列数を増大させるのでは、コストやスペースの増大は避けがたいものとなる。

【0061】

本実施形態の電源装置１０では、１つのチョッパユニットを切り替え可能な２つの動作モードを持たせて、出力電流の遷移期間にそのチョッパユニットにも電磁石に印加する電圧の一部を分担させることによって、チョッパユニットを追加することなく、所望の特性を実現することができる。

【0062】

（第２の実施形態）
上述した実施形態では、複数のチョッパユニットを用いて、電磁石への高い電圧の印加および定電流制御を両立させることとしたが、電磁石への供給電圧の大きさによっては、単一のチョッパユニットとすることもできる。

【0063】

図７は、本実施形態に係る電源装置を例示するブロック図である。
図７に示すように、電源装置２１０は、チョッパユニット２４と、制御装置２３０と、を備える。チョッパユニット２４は、上述した他の実施形態の場合と同じものであってもよい。制御装置２３０は、単一のチョッパユニットを制御する点で上述の他の実施形態の場合と相違するが、基本的な構成要素は、図２において説明したものと同様である。

【0064】

電源装置２１０は、出力端子２０２ａを介して、電磁石４の一端に接続され、出力端子２０２ｂを介して、電磁石４の他端に接続される。

【0065】

制御装置２３０は、電磁石４に流れる電流を電流検出器２８によって検出したものを出力電流信号Ｉｏｕｔとして入力する。基準電流信号Ｉｒｅｆは、外部の上位制御システム等から供給される。

【0066】

チョッパユニット２４は、制御装置２３０によって、２つの動作モードを切り替えて動作する。制御装置２３０は、出力電流信号Ｉｏｕｔが遷移期間の場合には、チョッパユニット２４を一定電圧出力モードで動作させる。一定電圧出力モードでは、制御装置３０は、スイッチング素子を常時オンさせて入力端子２５ａ，２５ｂ間に印加されている直流電圧にほぼ等しい電圧をチョッパユニット２４に出力させる。

【0067】

制御装置２３０は、出力電流信号Ｉｏｕｔの遷移期間以外の期間では、出力電流信号Ｉｏｕｔが基準電流信号Ｉｒｅｆに追従するように、チョッパユニット２４をＰＷＭ動作させる。

【0068】

このように、本実施形態の電源装置２１０では、制御装置２３０によって２つの動作モードを切り替えることによって、高い一定電圧印加用のチョッパユニットを追加することなく、単一のチョッパユニットとすることができる。本実施形態では、単一のチョッパユニットとしても、電磁石に高い電圧を印加することを可能にしつつ、ＰＷＭ動作による定電流制御も可能にする。

【0069】

以上説明した実施形態によれば、簡素な構成で出力電流を高速に遷移させる電源装置を実現することができる。

【0070】

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

【符号の説明】

【0071】

１ 電源、４ 電磁石、１０，２１０ 電源装置、１１，２１ 変圧器、１２，２２ 整流器、１３，２３ フィルタ、１４ 第１チョッパユニット、２４ 第２チョッパユニット、２８ 電流検出器、３０，２３０ 制御装置、３１ 加減算器、３２ ＰＩ制御器、３３ リミッタ、３４ 加算器、３５ コンパレータ、３６ キャリア信号発生回路、３７ 係数器、３８ 動作期間制御回路、３９ 動作モード切替スイッチ、４０ 係数器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】