特許 7449802 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】2024-03-06

(45)【発行日】2024-03-14

(54)【発明の名称】電源装置

(51)【国際特許分類】

   G05F 1/56 20060101AFI20240307BHJP

   H02M 3/00 20060101ALI20240307BHJP

【ＦＩ】

G05F1/56 310H

G05F1/56 310C

G05F1/56 310L

H02M3/00 J

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020124434

(22)【出願日】2020-07-21

(65)【公開番号】P2022021066

(43)【公開日】2022-02-02

【審査請求日】2023-01-17

(73)【特許権者】

【識別番号】000004606

【氏名又は名称】ニチコン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000475

【氏名又は名称】弁理士法人みのり特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】青木 孝典

(72)【発明者】

【氏名】山本 将大

【審査官】白井 孝治

(56)【参考文献】

【文献】特開平０４－０５４５１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０５３７２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１６４２７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０４５５９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６０－１７５１２９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０５Ｆ １／５６

Ｈ０２Ｍ ３／００～ ３／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

誘導性負荷に直流電流を供給する電源装置であって、
直流電圧を出力する直流源と、
前記直流源から出力された前記直流電圧を降圧し、前記誘導性負荷に前記直流電流を供給するリニアレギュレータ部と、
前記リニアレギュレータ部から出力される前記直流電流の電流値を前記直流電流の目標値に近づけるための制御信号を生成し、前記制御信号を前記リニアレギュレータ部に出力して、前記リニアレギュレータ部のフィードバック制御を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記制御信号の制御指令値が常に０よりも大となるように、前記制御指令値に所定のオフセット値を含ませることを特徴とする電源装置。

【請求項2】

前記制御部は、
前記電流値と前記目標値との誤差に対応した誤差信号を生成する第１演算回路と、
前記誤差信号に基づいて、前記電流値を前記目標値に近づけるための第１制御信号を生成する応答回路と、
前記オフセット値に関するオフセット信号を生成するオフセット回路と、
前記第１制御信号に前記オフセット信号を加算した第２制御信号を生成し、前記第２制御信号を前記制御信号として前記リニアレギュレータ部に出力する第２演算回路と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。

【請求項3】

前記第２演算回路は、オペアンプ加算回路であることを特徴とする請求項２に記載の電源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、誘導性負荷に直流電流を供給する電源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

誘導性負荷としては、超伝導電磁石が知られている（例えば、特許文献１参照）。超伝導電磁石は、定電流源の電源装置によって直流電流が供給されると強力な磁場を発生させることができ、様々な用途に活用されている。

【0003】

一方で、超伝導電磁石は、非常に大きなインダクタンス値を有するため、電流の微小な変化でも誘導起電力による電圧のオーバーシュートが発生する。最悪の場合、電圧のオーバーシュートはクエンチ現象を招き、超伝導電磁石のコイルを焼損させることにつながる。このため、超伝導電磁石に直流電流を供給する電源装置は、非常に高安定で低リプルの電流出力が要求される。

【0004】

電源装置は、超伝導電磁石に直流電流を供給するリニアレギュレータ部と、リニアレギュレータ部のフィードバック制御を行う制御部とを備える。制御部は、リニアレギュレータ部から出力される直流電流の電流値が所定の目標値に近づくように制御信号を生成し、生成した制御信号をリニアレギュレータ部に出力してフィードバック制御を行う。

【0005】

制御信号の制御指令値は、リニアレギュレータ部から出力される直流電流の電流値と相関関係を有する。しかしながら、起動時（電流ゼロからの立上り時）など制御指令値が小さいときには、リニアレギュレータ部が動作しないため、直流電流の電流値が直流電流の目標値に追従しない。言い換えれば、従来の電源装置には、制御指令値を大きくしてもリニアレギュレータ部から出力される直流電流の電流値が大きくならない領域（不感帯域）が存在する（図６参照）。

【0006】

この不感帯域により、目標値に対する電流値の追従性が損なわれる。そして、不感帯域を越えたときに電流値が目標値に追従し始めると、電流値に急勾配（ｄｉ／ｄｔ）が生じ、超伝導電磁石に電圧のオーバーシュート（Ｌ・ｄｉ／ｄｔ）が発生してしまう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２０１６－４６４２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

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、起動時に発生する電圧のオーバーシュートを抑制可能な電源装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するために、本発明に係る電源装置は、
誘導性負荷に直流電流を供給する電源装置であって、
直流電圧を出力する直流源と、
前記直流源から出力された前記直流電圧を降圧し、前記誘導性負荷に前記直流電流を供給するリニアレギュレータ部と、
前記リニアレギュレータ部から出力される前記直流電流の電流値を前記直流電流の目標値に近づけるための制御信号を生成し、前記制御信号を前記リニアレギュレータ部に出力して、前記リニアレギュレータ部のフィードバック制御を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記制御信号の制御指令値が常に０よりも大となるように、前記制御指令値に所定のオフセット値を含ませることを特徴とする。

【0010】

この構成によれば、制御部は制御信号の制御指令値に所定のオフセット値を含ませるので、起動時であっても、制御指令値が０よりもオフセット値の分だけ大となる。これにより、起動直後からリニアレギュレータ部を動作させることができるため、直流電流の電流値を目標値に追従させることができる。したがって、この構成によれば、誘導性負荷において発生する電圧のオーバーシュートを抑制できる。

【0011】

上記電源装置において、
前記制御部は、
前記電流値と前記目標値との誤差に対応した誤差信号を生成する第１演算回路と、
前記誤差信号に基づいて、前記電流値を前記目標値に近づけるための第１制御信号を生成する応答回路と、
前記オフセット値に関するオフセット信号を生成するオフセット回路と、
前記第１制御信号に前記オフセット信号を加算した第２制御信号を生成し、前記第２制御信号を前記制御信号として前記リニアレギュレータ部に出力する第２演算回路と、
を備えるよう構成できる。

【0012】

上記電源装置において、
前記第２演算回路は、オペアンプ加算回路であってもよい。

【0013】

上記電源装置において、
前記リニアレギュレータ部は、直列接続された複数のトランジスタを含み、
前記オフセット値は、前記トランジスタにベース電流を流すために必要な電圧値に設定されていてもよい。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、起動時に電圧のオーバーシュートを抑制可能な電源装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明に係る電源装置を示す図である。

【図2】本発明のオフセット回路および第２演算回路の回路図である。

【図3】本発明のフィードバック制御を説明するための図である。

【図4】比較例に係る電源装置の動作を説明するための波形図である。

【図5】本発明に係る電源装置の動作を説明するための波形図である。

【図6】不感帯域を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、添付図面を参照して、本発明に係る電源装置の実施形態について説明する。

【0017】

図１に、本発明の一実施形態に係る電源装置１００を示す。電源装置１００は、直流源１１０と、リニアレギュレータ部１２０と、電流検出手段１３０と、制御部１４０とを備え、超伝導電磁石２００（本発明の「誘導性負荷」に相当）に直流電流Ｉを供給する。

【0018】

直流源１１０は、直流電圧を出力するよう構成される。直流源１１０は、出力する直流電圧に生じるリプルがｐｐｍオーダー以下であることが好ましい。本実施形態では、直流源１１０はＤＣ／ＤＣコンバータを含む。

【0019】

リニアレギュレータ部１２０は、直流源１１０から出力された直流電圧を降圧し、超伝導電磁石２００に直流電流Ｉを供給するよう構成される。本実施形態では、リニアレギュレータ部１２０は、第１レギュレータ部１２１と、第２レギュレータ部１２２と、第３レギュレータ部１２３と、複数の抵抗とを含む。

【0020】

第１レギュレータ部１２１および第２レギュレータ部１２２は、各１つのトランジスタで構成される。第３レギュレータ部１２３は、超伝導電磁石２００に大電流の直流電流Ｉを供給するため、並列接続された複数（例えば、２００個）のトランジスタで構成される。第１レギュレータ部１２１、第２レギュレータ部１２２および第３レギュレータ部１２３は、電流増幅率を高めるために多段に直列接続されている。

【0021】

電流検出手段１３０は、リニアレギュレータ部１２０と超伝導電磁石２００とを接続する電力線に設けられている。電流検出手段１３０は、リニアレギュレータ部１２０から出力されて超伝導電磁石２００に供給される直流電流Ｉの電流値Ｉｏｕｔを検出し、検出した電流値Ｉｏｕｔに対応する信号（例えば、電圧信号）を制御部１４０に出力する。本実施形態では、電流検出手段１３０はカレントトランスを含む。

【0022】

制御部１４０は、直流電流Ｉの電流値Ｉｏｕｔを所定の目標値Ｉｒｅｆに近づけるための制御信号を生成し、当該制御信号をリニアレギュレータ部１２０に出力して、リニアレギュレータ部１２０のフィードバック制御を行うよう構成される。本実施形態では、制御部１４０は、第１演算回路１４１と、応答回路１４２と、オフセット回路１４３と、第２演算回路１４４とを備える。

【0023】

第１演算回路１４１は、直流電流Ｉの電流値Ｉｏｕｔと直流電流Ｉの目標値Ｉｒｅｆとの誤差（差分）に対応した誤差信号Ｖｅｒｒを生成するよう構成される。本実施形態では、第１演算回路１４１は、少なくとも１つのオペアンプを含む誤差増幅器で構成される。第１演算回路１４１には、電流検出手段１３０から直流電流Ｉの電流値Ｉｏｕｔに対応した電圧信号が入力されるとともに、外部（例えば、電源装置１００の外部に設けられたマイコン）から直流電流Ｉの目標値Ｉｒｅｆに対応した電圧信号が入力される。第１演算回路１４１は、これらの電圧信号の電圧差を増幅して誤差信号Ｖｅｒｒを生成する。

【0024】

応答回路１４２は、誤差信号Ｖｅｒｒに基づいて、直流電流Ｉの電流値Ｉｏｕｔを目標値Ｉｒｅｆに近づけるための第１制御信号Ｖａを生成するよう構成される。本実施形態では、応答回路１４２は、増幅率を高めるために多段接続された複数のオペアンプを含む回路で構成される。なお、第１制御信号Ｖａの制御指令値（以下、「第１制御指令値」）は、従来の電源装置における制御信号の制御指令値に相当する。

【0025】

オフセット回路１４３は、オフセット値に関するオフセット信号Ｖｂを生成するよう構成される。オフセット信号Ｖｂは、第２演算回路１４４において、第１制御信号Ｖａに加算される。図２に示すように、本実施形態のオフセット回路１４３は、抵抗Ｒ１，Ｒ２からなる直列回路と、一端が抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点に接続されたコンデンサＣ１とを含む。オフセット回路１４３は、所定の電圧Ｖｅｅを抵抗Ｒ１，Ｒ２で分圧したオフセット電圧を生成し、当該オフセット電圧に対応する電圧信号をオフセット信号Ｖｂとして第２演算回路１４４に出力する。

【0026】

オフセット電圧の電圧値（オフセット値）は、リニアレギュレータ部１２０を構成するトランジスタにベース電流を流してリニアレギュレータ部１２０を動作可能な状態にするために必要な電圧値に設定されている。すなわち、上記トランジスタにベース電流を流すために必要な電圧値がＸ（例えば、Ｘ＝１．０）［Ｖ］の場合、オフセット電圧をＸ［Ｖ］にすることが好ましい。

【0027】

第２演算回路１４４は、第１制御信号Ｖａにオフセット信号Ｖｂを加算した第２制御信号Ｖｉを生成し、第２制御信号Ｖｉをフィードバック制御の制御信号（本発明の「制御信号」）としてリニアレギュレータ部１２０に出力するよう構成される。図２に示すように、本実施形態の第２演算回路１４４は、オペアンプＯＰ１と抵抗Ｒ３～Ｒ６とを含むオペアンプ加算回路で構成される。第２制御信号Ｖｉの制御指令値（以下、「第２制御指令値」）は、第１制御信号Ｖａの第１制御指令値にオフセット信号Ｖｂのオフセット値を加算した値になる。

【0028】

図３に、電源装置１００のフィードバック制御の構成を示す。本実施形態に係るフィードバック制御の構成は、ハード部であるリニアレギュレータ部１２０に第１制御信号Ｖａが入力される前に、オフセット信号Ｖｂを第１制御信号Ｖａに加算させることを特徴とする。

【0029】

図３に示すように、第１演算回路１４１は、直流電流Ｉの電流値Ｉｏｕｔに対応する信号と直流電流Ｉの目標値Ｉｒｅｆに対応する信号とに基づいて生成した誤差信号Ｖｅｒｒを出力する。応答回路１４２は、誤差信号Ｖｅｒｒに基づいて生成した第１制御信号Ｖａを出力する。第２演算回路１４４は、第１制御信号Ｖａにオフセット信号Ｖｂを加算した第２制御信号Ｖｉを出力する。リニアレギュレータ部１２０は、第２制御信号Ｖｉに応じて生成した直流電流Ｉを超伝導電磁石２００に供給する。電流検出手段１３０は、直流電流Ｉの電流値Ｉｏｕｔを検出し、電流値Ｉｏｕｔに対応する信号（検出信号）を第１演算回路１４１に出力する。

【0030】

このようなフィードバック制御の構成により、リニアレギュレータ部１２０に入力される第２制御信号Ｖｉの第２制御指令値は、第１制御信号Ｖａの第１制御指令値の大きさにかかわらず、オフセット信号Ｖｂのオフセット値の分だけ常に０よりも大となる。

【0031】

続いて、本実施形態に係る電源装置１００の起動時の動作について、オフセット回路１４３および第２演算回路１４４を備えていない電源装置（比較例に係る電源装置）と比較しつつ説明する。

【0032】

図４は、比較例に係る電源装置の起動時の波形図であって、（Ａ）は直流電流Ｉの電流値Ｉｏｕｔおよび目標値Ｉｒｅｆの波形図、（Ｂ）は超伝導電磁石２００で生じる電圧Ｖｓの波形図、（Ｃ）はフィードバック制御の制御信号Ｖｉ’（＝第１制御信号Ｖａ）の波形図、（Ｄ）は（Ａ）の枠Ｄ内の拡大波形図、（Ｅ）は（Ｂ）の枠Ｅ内の拡大波形図、（Ｆ）は（Ｃ）の枠Ｆ内の拡大波形図である。

【0033】

一方、図５は、本実施形態に係る電源装置１００の起動時の波形図であって、（Ａ）は直流電流Ｉの電流値Ｉｏｕｔおよび目標値Ｉｒｅｆの波形図、（Ｂ）は超伝導電磁石２００で生じる電圧Ｖｓの波形図、（Ｃ）はフィードバック制御の第２制御信号Ｖｉ（＝第１制御信号Ｖａ＋オフセット信号Ｖｂ）の波形図、（Ｄ）は（Ａ）の枠Ｄ内の拡大波形図、（Ｅ）は（Ｂ）の枠Ｅ内の拡大波形図、（Ｆ）は（Ｃ）の枠Ｆ内の拡大波形図である。

【0034】

比較例に係る電源装置では、図４（Ｄ）に示すように、時刻Ｔ１において動作を開始させ、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３にかけて目標値Ｉｒｅｆを上昇させても、電流値Ｉｏｕｔは上昇せず目標値Ｉｒｅｆに追従しない。時刻Ｔ３までは、制御信号Ｖｉ’の制御指令値が小さいため（図４（Ｆ）参照）、リニアレギュレータ部１２０を構成するトランジスタにベース電流が流れず、リニアレギュレータ部１２０が動作しないからである。その結果、比較例に係る電源装置では、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３にかけて不感帯域が生じる。

【0035】

時刻Ｔ３において、リニアレギュレータ部１２０が動作し始めると、電流値Ｉｏｕｔは目標値Ｉｒｅｆに追従し始める。時刻Ｔ３の時点では、電流値Ｉｏｕｔと目標値Ｉｒｅｆとの誤差が大きくなっているので、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４にかけて、電流値Ｉｏｕｔが急激に上昇する（図４（Ｄ）参照）。このため、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４の間で、超伝導電磁石２００に電圧Ｖｓの過大なオーバーシュートが生じてしまう（図４（Ｅ）参照）。

【0036】

一方、本実施形態に係る電源装置１００では、図５（Ｄ）に示すように、時刻Ｔ１において動作を開始させ、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３にかけて目標値Ｉｒｅｆを上昇させると、電流値Ｉｏｕｔは目標値Ｉｒｅｆに追従する。電源装置１００では、第１制御信号Ｖａの第１制御指令値が小さくても、第１制御指令値にオフセット信号Ｖｂのオフセット値Ｘが加算されるので（図５（Ｆ）参照）、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３にかけてリニアレギュレータ部１２０を構成するトランジスタにベース電流が流れる（リニアレギュレータ部１２０が動作する）。その結果、電源装置１００では、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３にかけて電流値Ｉｏｕｔは目標値Ｉｒｅｆに追従し、不感帯域が生じるのを回避できる。

【0037】

また、不感帯域が生じるのを回避できることから、電源装置１００では、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４にかけて電流値Ｉｏｕｔが急激に上昇するのを回避できる（図５（Ｄ）参照）。したがって、本実施形態に係る電源装置１００によれば、起動時に、超伝導電磁石２００において発生する電圧Ｖｓのオーバーシュートを抑制できる（図５（Ｅ）参照）。

【0038】

以上、本発明に係る電源装置の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

【0039】

本発明に係る電源装置は、直流電圧を出力する直流源と、直流電圧を降圧して誘導性負荷に直流電流を供給するリニアレギュレータ部と、リニアレギュレータ部から出力される直流電流の電流値を目標値に近づけるための制御信号を生成し、リニアレギュレータ部に出力してフィードバック制御を行う制御部とを備え、制御部は、制御信号の制御指令値が常に０よりも大となるように、制御指令値に所定のオフセット値を含ませるのであれば、適宜構成を変更できる。

【0040】

本発明の制御部は、オフセット回路１４３および第２演算回路１４４に代えて、直流電流Ｉの目標値Ｉｒｅｆを補正する補正回路を備えてもよい。補正回路は、オフセット信号を生成し、生成したオフセット信号を目標値Ｉｒｅｆに対応した信号に加算することで、目標値Ｉｒｅｆを補正する。補正回路は、補正後の目標値Ｉｒｅｆ’に対応した信号を第１演算回路１４１に出力する。

【0041】

補正後の目標値Ｉｒｅｆ’に対応した信号が入力された第１演算回路１４１は、直流電流Ｉの電流値Ｉｏｕｔと補正後の目標値Ｉｒｅｆ’との誤差（差分）に対応した誤差信号Ｖｅｒｒ’を生成する。応答回路１４２は、誤差信号Ｖｅｒｒ’に基づいて、電流値Ｉｏｕｔを補正後の目標値Ｉｒｅｆ’に近づけるための制御信号Ｖｉ（第１制御信号Ｖａ’）を生成し、制御信号Ｖｉをリニアレギュレータ部１２０に出力する。

【0042】

すなわち、制御部が補正回路を備える構成は、オフセット信号を目標値Ｉｒｅｆに対応した信号に加算することで、制御信号Ｖｉ（第１制御信号Ｖａ’）の制御指令値に所定のオフセット値を含ませる構成である。

【0043】

本発明に係る電源装置において、オフセット信号Ｖｂのオフセット値は、リニアレギュレータ部１２０を構成するトランジスタにベース電流を流すために必要な電圧値に設定されることが好ましいが、超伝導電磁石２００において発生する電圧Ｖｓのオーバーシュートの許容量に応じて適宜変更できる。例えば、上記トランジスタにベース電流を流すために必要な電圧値がＸ［Ｖ］の場合、オフセット値をＸ［Ｖ］±５％の範囲内の値に設定してもよい。

【0044】

本実施形態のオフセット回路１４３は、図２に示すように抵抗分圧回路にてオフセット電圧を生成しているが、オフセット電圧の生成手段はこれに限定されず、市販の電圧リファレンスＩＣを抵抗分圧回路に替えて用いることもできる。

【0045】

本発明に係る電源装置は、超伝導電磁石以外の誘導性負荷に対しても適用することができる。すなわち、本発明に係る電源装置は、超伝導電磁石以外の誘導性負荷に対しても、電圧のオーバーシュートを抑制できる。

【符号の説明】

【0046】

１００ 電源装置
１１０ 直流源
１２０ リニアレギュレータ部
１２１ 第１レギュレータ部
１２２ 第２レギュレータ部
１２３ 第３レギュレータ部
１３０ 電流検出手段
１４０ 制御部
１４１ 第１演算回路
１４２ 応答回路
１４３ オフセット回路
１４４ 第２演算回路
２００ 超伝導電磁石

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】