特許 7644874 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】2025-03-04

(45)【発行日】2025-03-12

(54)【発明の名称】電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20250305BHJP

   H01J 37/147 20060101ALN20250305BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 M

H01J37/147

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2024536679

(86)(22)【出願日】2022-07-28

(86)【国際出願番号】 JP2022029107

(87)【国際公開番号】W WO2024024023

(87)【国際公開日】2024-02-01

【審査請求日】2024-05-09

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】株式会社ＴＭＥＩＣ

(74)【代理人】

【識別番号】110004026

【氏名又は名称】弁理士法人ｉＸ

(72)【発明者】

【氏名】冨田 崇史

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 智宏

【審査官】冨永 達朗

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１４／１５７３７３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０２１－１２９４５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１４４２７７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４８

Ｈ０１Ｊ ３７／１４７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１直流電圧を入力する第１入力端子対と、
前記第１入力端子対を構成する２つの端子間に接続された第１コンデンサと、
電磁石を接続して出力電流を供給する第１出力端子対と、
前記第１コンデンサと前記第１出力端子対との間に接続された第１電力変換回路と、
前記第１コンデンサと前記第１電力変換回路とを電気的に接続する第１配線と、
を含む電力変換部と、
外部から順次供給される電流指令値にもとづいて、前記電力変換部を制御する
制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記電流指令値の電流値から、連続する２つの極大値または連続する２つの極小値を検出して前記出力電流の周波数を推定し、
前記出力電流の周波数があらかじめ設定されたしきい値範囲以内の場合に、前記電力変換部の動作を停止するための第１信号を生成し、
前記しきい値範囲は、前記第１コンデンサの静電容量および前記第１配線の寄生インダクタンスを含む共振回路の共振周波数にもとづいて設定された電源装置。

【請求項2】

前記制御装置は、前記電流指令値の電流値のうち連続する極大値および極小値を検出して、前記出力電流のリプル幅を推定し、前記出力電流のリプル幅があらかじめ設定された第１しきい値以上の場合に前記電力変換部の動作を停止するための第２信号を生成する請求項１記載の電源装置。

【請求項3】

前記制御装置は、前記電流指令値の電流値があらかじめ設定された第２しきい値以上の場合に前記電力変換部の動作を停止するための第３信号を生成する請求項２記載の電源装置。

【請求項4】

前記制御装置は、前記第１信号、前記第２信号および前記第３信号のいずれもが生成された場合に、前記電力変換部を停止させる第４信号を生成し、前記第４信号を前記電力変換部に出力する請求項３記載の電源装置。

【請求項5】

前記制御装置は、前記第４信号が所定の期間継続して生成された場合に、前記第４信号を前記電力変換部に出力する請求項４記載の電源装置。

【請求項6】

前記電力変換部は、
前記第１直流電圧とは異なる第２直流電圧を入力する第２入力端子対と、
前記第２入力端子対を構成する２つの端子間に接続された第２コンデンサと、
前記電磁石を接続して前記出力電流を供給する第２出力端子対と、
前記第２コンデンサと前記第２出力端子対との間に接続された第２電力変換回路と、
前記第２コンデンサと前記第２電力変換回路とを電気的に接続する第２配線と、
を含み、
前記第２電力変換回路は、前記第１電力変換回路と出力側で直列に接続され、
前記第１電力変換回路は、前記電流指令値に応じた前記出力電流を出力し、
前記第２電力変換回路は、前記第１電力変換回路が前記出力電流を出力している期間中、前記電磁石に一定の第３直流電圧を印加する請求項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、荷電粒子ビームの偏向走査用の電磁石の電源装置に関する。

【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。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、電力変換回路により、外部から供給される電流指令値に追従するように、電磁石に電流を出力する。

【0004】

電源装置の電力変換回路は、たとえば非絶縁のチョッパ回路により構成される場合がある。このような電力変換回路では、チョッパ回路の直流入力にコンデンサを接続し、チョッパ回路のスイッチング動作によるリプル電流を吸収し、チョッパ回路に比較的安定した直流電圧を供給する。コンデンサとチョッパ回路との間の距離は十分に短く、十分に太い配線により接続されるが、配線等の寄生インダクタンスをゼロとすることは困難である。このような配線等にもとづく寄生インダクタンスは、コンデンサの静電容量と共振回路を形成し得る。

【0005】

荷電粒子の走査範囲は、走査する対象に応じてさまざまである。電源装置の負荷となる電磁石のインダクタンス値は、ほぼ一定であるため、荷電粒子の走査範囲に応じて、電源装置が出力する電流の周波数は変化する。電源装置が出力する電流の周波数が、コンデンサおよび配線等の寄生インダクタンスによる共振周波数に近くなると、電力変換回路のスイッチング素子に過大な電流が流れる場合がある。スイッチング素子に流れる電流やその電流による損失が許容値を超えると、スイッチング素子の破損等の不具合を生じ得る。

【0006】

出力すべき電流の周波数が、コンデンサと寄生インダクタンスによる共振周波数に近い場合に安全に保護できる電源装置が求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【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】

【0008】

本発明の実施の形態は、上記問題点を解決するためになされたものであり、出力電流の周波数が、コンデンサの静電容量および寄生インダクタンスによる共振周波数に近い場合に安全に保護できる電源装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の実施の形態に係る電源装置は、第１直流電圧を入力する第１入力端子対と、前記第１入力端子対を構成する２つの端子間に接続された第１コンデンサと、電磁石を接続して出力電流を供給する第１出力端子対と、前記第１コンデンサと前記第１出力端子対との間に接続された第１電力変換回路と、前記第１コンデンサと前記第１電力変換回路とを電気的に接続する第１配線と、を含む電力変換部と、外部から順次供給される電流指令値にもとづいて、前記電力変換部を制御する制御装置と、を備える。前記制御装置は、前記電流指令値の電流値から、連続する２つの極大値または連続する２つの極小値を検出して前記出力電流の周波数を推定し、前記出力電流の周波数があらかじめ設定されたしきい値範囲以内の場合に、前記電力変換部の動作を停止するための第１信号を生成する。前記しきい値範囲は、前記第１コンデンサの静電容量および前記第１配線の寄生インダクタンスを含む共振回路の共振周波数にもとづいて設定される。

【発明の効果】

【0010】

本発明の実施の形態によれば、出力電流の周波数が、コンデンサの静電容量および寄生インダクタンスによる共振周波数に近い場合に安全に保護できる電源装置が実現される。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施形態に係る電源装置を例示する模式的なブロック図である。

【図2】実施形態の電源装置の一部を例示する模式的なブロック図である。

【図3】実施形態の電源装置の動作を説明するための模式的なタイミングチャートの例である。

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

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
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は適宜省略する。

【0013】

図１は、実施形態に係る電源装置を例示する模式的なブロック図である。
図１に示すように、実施形態の電源装置１０は、電力変換部２０と、制御装置５０と、を備える。電力変換部２０は、電源１に接続される。この例では、電源１は交流電源である。交流電源は、たとえば、三相交流電源である。電力変換部２０は、出力端子２１ａ，２１ｂを含む。出力端子２１ａと出力端子２１ｂとの間には、負荷が接続される。

【0014】

負荷は、電磁石２である。電磁石２は、電磁石２に流れる電流によって、流れた電流に応じた磁界を生成する。加速器等から射出された荷電粒子は、電界中を走行する。磁界は、電界に交差するように生成される。電界および磁界中を走行する荷電粒子は、電界および磁界の方向に直交する方向に、電界および磁界の大きさに応じたローレンツ力を受ける。磁界の大きさを変化させることにより、荷電粒子は偏向され、設定された照射領域が走査される。

【0015】

制御装置５０は、電力変換部２０に接続されている。制御装置５０は、図示しない上位制御システムに接続されている。上位制御システムは、荷電粒子の走査範囲にもとづいて設定された電流指令値Ｉｒｅｆのデータを有している。上位制御システムは、設定された電流指令値Ｉｒｅｆのデータを制御装置５０に順次送信する。制御装置５０は、受信した電流指令値Ｉｒｅｆのデータにもとづいて、ゲート信号Ｖｇを生成し電力変換部２０にゲート信号Ｖｇを供給する。

【0016】

制御装置５０は、保護判定部６０を含む。保護判定部６０は、上位制御システムから時系列で順次受信した電流指令値Ｉｒｅｆのデータにもとづいて、電力変換部２０が出力すべき出力電流ｉＯＵＴの周波数を判定する。保護判定部６０では、共振周波数に関するしきい値範囲Δｆｔｈがあらかじめ設定されている。保護判定部６０は、電力変換部２０が出力する出力電流ｉＯＵＴの周波数が、しきい値範囲Δｆｔｈ内であるか否かを判定する。保護判定部６０は、出力する出力電流ｉＯＵＴの周波数が、しきい値範囲Δｆｔｈ以内と判定した場合には、たとえば、制御装置５０にゲートブロック（ＧＢ）要求を出力する。制御装置５０は、ＧＢ要求にもとづいてＧＢ指令を生成し、電力変換部２０に供給する。電力変換部２０は、ＧＢ指令により動作を停止する。電力変換部２０の動作の停止により、電力変換部２０は、過大な電流ストレス等から保護される。

【0017】

図２は、実施形態の電源装置の一部を例示する模式的なブロック図である。
図２には、制御装置５０を構成する保護判定部６０の構成例が示されている。
実施形態の電源装置１０では、出力電流ｉＯＵＴは、電流指令値Ｉｒｅｆに追従するように出力されるので、保護判定部６０は、電流指令値Ｉｒｅｆの周波数を計算することによって、出力電流ｉＯＵＴの周波数を推定する。

【0018】

図２に示すように、保護判定部６０は、領域切替検出部６１と周波数判定部６２とを含む。領域切替検出部６１は、制御装置５０が時系列で取得した電流指令値Ｉｒｅｆのデータを順次入力し、電流指令値Ｉｒｅｆの電流値が、直前の電流値よりも大きいか、小さいかを監視することによって、電流値の極大値を検出する。領域切替検出部６１は、電流指令値Ｉｒｅｆの極大値を検出したときにアクティブとなる検出信号ＯＵＴ１を出力する。領域切替検出部６１は、電流指令値Ｉｒｅｆの電流値が極大値であることを検出するたびに検出信号ＯＵＴ１を出力する。

【0019】

領域切替検出部６１では、電流指令値Ｉｒｅｆの電流値が極大値であることを検出するために、現在の電流指令値Ｉｒｅｆの電流値が直前の電流指令値Ｉｒｅｆの電流値よりも大きいか、小さいかを監視する。領域切替検出部６１では、電流指令値Ｉｒｅｆの電流値が増大している期間において、現在の電流値が直前の電流値よりも小さくなったときに極大値を検出したものとする。なお、極大値の検出時刻は、直前の電流値よりも小さくなった現在の時刻としてもよいし、直前の時刻としてもよい。

【0020】

領域切替検出部６１は、電流指令値Ｉｒｅｆの電流値が極小値であることを検出するようにしてもよい。この場合には、領域切替検出部６１では、電流指令値Ｉｒｅｆの電流値が減少している期間において、現在の電流値が直前の電流値よりも大きくなったときに極小値を検出したものとする。

【0021】

周波数判定部６２は、領域切替検出部６１から検出信号ＯＵＴ１が入力されるたびに、検出信号ＯＵＴ１の入力時刻を記憶する。周波数判定部６２は、その入力時刻およびその直前に入力され記憶された入力時刻の差分を計算して、電流指令値Ｉｒｅｆの周期を計算する。周波数判定部６２は、計算した周期の逆数を計算して周波数を算出する。

【0022】

周波数判定部６２には、しきい値範囲Δｆｔｈが設定されている。周波数判定部６２は、計算された電流指令値Ｉｒｅｆの周波数がしきい値範囲Δｆｔｈ以内であるか否かを判定する。周波数判定部６２は、電流指令値Ｉｒｅｆの周波数の計算値がしきい値範囲Δｆｔｈ以内の場合には、出力がアクティブとなる周波数判定信号（第１信号）ＯＵＴ２を出力する。

【0023】

周波数判定部６２は、電流指令値Ｉｒｅｆの周波数を計算して、アクティブな周波数判定信号ＯＵＴ２を出力すると、次の電流指令値Ｉｒｅｆの周波数の計算の結果が出力されるまで、アクティブな周波数判定信号ＯＵＴ２の状態を維持する。次の電流指令値Ｉｒｅｆの周波数の計算値がしきい値範囲Δｆｔｈ以内の場合には、周波数判定部６２は、アクティブな周波数判定信号ＯＵＴ２の状態をさらに維持する。次の電流指令値Ｉｒｅｆの周波数の計算値がしきい値範囲Δｆｔｈ外の場合には、周波数判定部６２は、周波数判定信号ＯＵＴ２を非アクティブに反転させる。非アクティブな周波数判定信号ＯＵＴ２の状態は、次の電流指令値Ｉｒｅｆの周波数の計算の結果が出力されるまで維持される。

【0024】

保護判定部６０は、好ましくは、リプル幅検出部６３、リプル幅判定部６４および振幅判定部６５を含むことができる。リプル幅検出部６３およびリプル幅判定部６４は、入力された電流指令値Ｉｒｅｆのリプル幅を検出し、検出されたリプル幅があらかじめ設定されたしきい値以上の場合に、出力がアクティブとなるリプル幅判定信号（第２信号）ＯＵＴ４を出力する。

【0025】

より具体的には、リプル幅検出部６３は、電流指令値Ｉｒｅｆのデータを時系列データとして入力し、電流指令値Ｉｒｅｆの電流値を監視する。たとえば、リプル幅検出部６３は、電流指令値Ｉｒｅｆの電流値が次第に小さくなる期間において、電流値が直前の電流値よりも大きくなることに転じたタイミングでそのときの電流値Ｉｒｖをリプル幅判定部６４に出力する。その後、リプル幅検出部６３は、電流指令値Ｉｒｅｆの電流値が大きくなる期間において、電流値が直前の電流値よりも小さくなることに転じたタイミングでそのときの電流値Ｉｒｐをリプル幅判定部６４に出力する。

【0026】

リプル幅判定部６４は、２つの電流値Ｉｒｐ，Ｉｒｖの差をリプル幅として計算する。リプル幅判定部６４は、あからじめ設定されたしきい値（第１しきい値）Ｉｒｔｈを有する。リプル幅判定部６４は、計算されたリプル幅（Ｉｒｐ－Ｉｒｖ）がしきい値Ｉｒｔｈ以上の場合には、出力がアクティブとなるリプル幅判定信号ＯＵＴ４を出力する。リプル幅判定部６４は、リプル幅がしきい値Ｉｒｔｈ以上の場合に、故障可能性が高まるものとして、ＧＢ要求生成のための条件とする。

【0027】

リプル幅判定部６４は、電流指令値Ｉｒｅｆのリプル幅がしきい値Ｉｒｔｈよりも小さい値となるまで、出力がアクティブの状態を維持する。リプル幅がしきい値Ｉｒｔｈよりも小さい場合に、リプル幅判定部６４は、リプル幅判定信号ＯＵＴ４を非アクティブに反転させる。リプル幅判定部６４は、出力が非アクティブの状態を、電流指令値Ｉｒｅｆのリプル幅がしきい値Ｉｒｔｈ以上となるまで維持する。

【0028】

振幅判定部６５は、電流指令値Ｉｒｅｆの電流値をあらかじめ設定されたしきい値（第２しきい値）Ｉａｔｈと比較する。振幅判定部６５は、電流指令値Ｉｒｅｆの電流値がしきい値Ｉａｔｈ以上の場合に、出力がアクティブとなる振幅判定信号（第３信号）ＯＵＴ５を出力する。振幅判定部６５は、電流指令値Ｉｒｅｆの電流値がしきい値Ｉａｔｈよりも小さい場合には、振幅判定信号ＯＵＴ５を非アクティブとする。

【0029】

振幅判定部６５は、この具体例のように、電力変換部２０が正負両極の出力電流ｉＯＵＴを出力する場合には、電流指令値Ｉｒｅｆのデータの大きさおよびしきい値Ｉａｔｈは、正側および負側で絶対値で異なる値としてもよいし、同じ値としてもよい。

【0030】

この例の保護判定部６０では、これらの複数の判定回路が設けられ、論理演算回路６６によって、論理演算される。この例では、論理演算回路６６は、ＡＮＤ回路である。論理演算回路６６の判定出力（第４信号）ＯＵＴは、入力がすべてアクティブの場合に、アクティブとなる。

【0031】

この例では、保護判定部６０は、オンディレイ回路６７をさらに含んでいる。オンディレイ回路６７は、論理演算回路６６からの判定出力ＯＵＴを入力する。オンディレイ回路６７は、アクティブな判定出力ＯＵＴが入力され、アクティブな判定出力ＯＵＴが、あらかじめ設定された時間継続するか否かを判定する。オンディレイ回路６７は、アクティブな判定出力ＯＵＴが所定のオンディレイ時間Ｔｄ継続されると、制御装置５０に対して、ＧＢ要求（ＧＢ ｒｅｑｕｅｓｔ）を出力する。

【0032】

保護判定部６０においては、判定結果等がアクティブの場合に、論理値“１”を出力する正論理としてもよいし、判定結果等がアクティブの場合に、論理値“０”を出力する負論理としてもよい。

【0033】

図１に戻って説明を続ける。
電力変換部２０の構成について説明する。
電力変換部２０は、変圧器２２，２５と、整流回路２３，２６と、チョッパユニット３０，４０と、を備える。

【0034】

変圧器２２の１次側および変圧器２５の１次側は、遮断器２１を介して電源１に接続される。変圧器２２の２次側には、整流回路２３が接続されている。チョッパユニット３０は、端子（第１入力端子対）３１ａ，３１ｂを含んでおり、整流回路２３の出力は、端子３１ａ，３１ｂを介してチョッパユニット３０に接続されている。

【0035】

変圧器２５の２次側には、整流回路２６が接続されている。チョッパユニット４０は、端子（第２入力端子対）４１ａ，４１ｂを含んでおり、整流回路２６の出力は、端子４１ａ，４１ｂを介してチョッパユニット４０に接続されている。

【0036】

チョッパユニット３０は、端子（第１出力端子対）３１ｃ，３１ｄを含み、チョッパユニット４０は、端子（第２出力端子対）４１ｃ，４１ｄを含んでいる。チョッパユニット３０の端子３１ｃは、出力端子２１ａを介して電磁石２の一方の端子３ａに接続されている。電磁石２の他方の端子３ｂは、出力端子２１ｂを介して、チョッパユニット４０の端子４１ｄに接続されている。チョッパユニット３０の端子３１ｄおよびチョッパユニット４０の端子４１ｃは、互いに接続されている。つまり、チョッパユニット３０，４０の出力は、電磁石２を介して直列に接続されている。

【0037】

チョッパユニット３０は、電流指令値Ｉｒｅｆにもとづいて、高精度な電流値を有する出力電流を出力する。チョッパユニット４０は、チョッパユニット３０が出力し得る電圧値よりも高い電圧値を有する直流電圧を出力する。したがって、変圧器２５は、変圧器２２よりも高い交流電圧を出力し、整流回路２６は、整流回路２３が出力する電圧よりも高い電圧値の電圧を出力する。

【0038】

チョッパユニット３０は、スイッチング素子３２ａ～３２ｄを含む。スイッチング素子３２ａ，３２ｂは直列に接続され、スイッチング素子３２ｃ，３２ｄは直列に接続されている。スイッチング素子３２ａ，３２ｂの直列回路およびスイッチング素子３２ｃ，３２ｄの直列回路は、並列に接続され、電力変換回路（第１電力変換回路）を構成する。コンデンサ（第１コンデンサ）３３は、配線（第１配線）３４ａ，３４ｂを介してスイッチング素子３２ａ～３２ｄからなる電力変換回路に並列に接続されている。

【0039】

チョッパユニット４０は、スイッチング素子４２ａ～４２ｄを含む。スイッチング素子４２ａ，４２ｂは直列に接続され、スイッチング素子４２ｃ，４２ｄは直列に接続されている。スイッチング素子４２ａ，４２ｂの直列回路およびスイッチング素子４２ｃ，４２ｄの直列回路は、並列に接続され、電力変換回路（第２電力変換回路）を構成する。コンデンサ（第２コンデンサ）４３は、配線（第２配線）４４ａ，４４ｂを介してスイッチング素子４２ａ～４２ｄからなる変換回路に並列に接続されている。

【0040】

配線３４ａ，３４ｂおよび配線４４ａ，４４ｂは、それぞれ固有の寄生インダクタンスを有する。図１では、配線３４ａ，３４ｂおよび配線４４ａ，４４ｂは、インダクタンスを表す記号で示されている。配線３４ａ，３４ｂの寄生インダクタンスとコンデンサ３３の静電容量にもとづいて共振周波数が決定され、配線４４ａ，４４ｂの寄生インダクタンスとコンデンサ４３の静電容量にもとづいて共振周波数が決定される。

【0041】

なお、共振周波数を決定するインダクタンス値や静電容量値は、上述のほか、コンデンサ３３，４３内部の配線構造やスイッチング素子等の配線構造等も考慮され得る。したがって、これらの共振周波数は、チョッパユニット３０，４０ごとに実験やシミュレーション等によりあらかじめ測定等され、測定値等にもとづいて、周波数に関するしきい値範囲Δｆｔｈが設定される。

【0042】

この例では、チョッパユニット３０，４０は、スイッチング素子をフルブリッジ接続しており、出力電流ｉＯＵＴを正負の両方向に流すことができる。たとえば、電磁石の端子３ａから端子３ｂに向かう電流の方向が正方向であり、端子３ｂから端子３ａに向かう電流の方向が負方向である。チョッパユニットの回路構成をフルブリッジに代えて、ハーフブリッジ構成とすることもできる。チョッパユニットをハーフブリッジ構成とした場合には、出力電流は、正または負の単一方向の出力となる。電力変換部の構成は、一例であり、電磁石２の両端に所望の直流電圧を印加し、電流指令値Ｉｒｅｆに追従する出力電流ｉＯＵＴを電磁石２に供給できれば、他の構成としてもよい。

【0043】

実施形態の電源装置１０の動作について説明する。
図３は、実施形態の電源装置の動作を説明するための模式的なタイミングチャートの例である。
図３には、電源装置１０が出力し、電磁石２に供給する出力電流ｉＯＵＴの時間変化の様子が示されている。出力電流ｉＯＵＴの方向は、電磁石２の端子３ａに流入し、端子３ｂから流出する方向を正方向とし、その逆を負方向とする。
図３に示すように、この例では、チョッパユニット３０，４０は、フルブリッジ構成の電力変換回路のため、出力電流ｉＯＵＴは、正負の両方向に流れ得る。出力電流ｉＯＵＴは、誘導性の電磁石２に流れるため、この例では、直線状に上昇し、直線状に下降する。フルブリッジ構成の電力変換回路では、Ａ領域～Ｄ領域のそれぞれに応じて、オンするスイッチング素子が決定される。Ａ領域～Ｄ領域は、電流指令値Ｉｒｅｆおよび出力電流ｉＯＵＴが負荷に流れる方向および電流値の増減によって、Ａ領域～Ｄ領域が設定される。図３では、Ａ領域、Ｂ領域、Ｃ領域およびＤ領域は、Ａ、Ｂ、ＣおよびＤとそれぞれ表記されている。

【0044】

時刻ｔ１～ｔ２および時刻ｔ５～ｔ６の間がＡ領域である。Ａ領域では、出力電流ｉＯＵＴは、０Ａからほぼ直線状に上昇する。このように、Ａ領域では、出力電流ｉＯＵＴは正方向に流れ、電流値は時間とともに増加する。

【0045】

時刻ｔ２～ｔ３および時刻ｔ６～ｔ７の間がＢ領域である。Ｂ領域では、出力電流ｉＯＵＴは、０Ａに向かってほぼ直線状に下降する。このように、Ｂ領域では、出力電流ｉＯＵＴは正方向に流れ、電流値は時間とともに減少する。

【0046】

時刻ｔ３～ｔ４および時刻ｔ７～ｔ８の間がＣ領域である。Ｃ領域では、出力電流ｉＯＵＴは、０Ａからほぼ直線状に下降する。このように、Ｃ領域では、出力電流ｉＯＵＴは負方向に流れ、電流値は時間とともに減少する。

【0047】

時刻ｔ４～ｔ５および時刻ｔ８～ｔ９の間がＤ領域である。Ｄ領域では、出力電流ｉＯＵＴは、０Ａに向かってほぼ直線状に上昇する。このように、Ｄ領域では、出力電流ｉＯＵＴは負方向に流れ、電流値は時間とともに増加する。

【0048】

出力電流ｉＯＵＴの周波数は、出力電流ｉＯＵＴの１周期分の期間の逆数として求められる。出力電流ｉＯＵＴの１周期は、出力電流ｉＯＵＴの２つの極大値の時間間隔、または出力電流ｉＯＵＴの２つの極小値の時間間隔である。

【0049】

出力電流ｉＯＵＴの極大値や極小値は、出力電流ｉＯＵＴが２つの領域の間を遷移する時刻における電流値である。この例では、出力電流ｉＯＵＴの極大値は、出力電流ｉＯＵＴがＡ領域からＢ領域に遷移するタイミングで現れる。出力電流ｉＯＵＴの極小値は、出力電流ｉＯＵＴがＣ領域からＤ領域に遷移するタイミングで現れる。なお、出力電流ｉＯＵＴが負方向のみの場合には、Ａ領域およびＢ領域は現れず、Ｃ領域およびＤ領域が現れるので、出力電流ｉＯＵＴの極大値は、出力電流ｉＯＵＴがＤ領域からＣ領域に遷移するタイミングで現れる。出力電流ｉＯＵＴが正方向のみの場合には、Ｃ領域およびＤ領域は現れず、Ａ領域およびＢ領域が現れるので、出力電流ｉＯＵＴの極小値は、出力電流ｉＯＵＴがＢ領域からＡ領域に遷移するタイミングで現れる。

【0050】

図３の例では、出力電流ｉＯＵＴの極大値は、時刻ｔ２および時刻ｔ６のときにそれぞれ現れる。このときの１周期は、Ｔ１である。また、出力電流ｉＯＵＴの極小値は、時刻ｔ４および時刻ｔ８のときにそれぞれ現れる。このときの１周期は、Ｔ２である。

【0051】

出力電流ｉＯＵＴに関するＡ領域～Ｄ領域の定義は、電流指令値Ｉｒｅｆに適用することができる。すなわち、電流指令値Ｉｒｅｆのデータが正方向の電流を表しており、その電流値が時間とともに大きくなる場合に、電流指令値Ｉｒｅｆは、Ａ領域での電力変換回路の動作に用いられる。電流指令値Ｉｒｅｆのデータが正方向の電流を表しており、その電流値が時間とともに小さくなる場合に、電流指令値Ｉｒｅｆは、Ｂ領域での電力変換回路の動作に用いられる。電流指令値Ｉｒｅｆのデータが負方向の電流を表しており、その電流値が時間とともに小さくなる場合には、電流指令値Ｉｒｅｆは、Ｃ領域での電力変換回路の動作に用いられる。電流指令値Ｉｒｅｆのデータが負方向の電流を表しており、その電流値が時間とともに大きくなる場合には、電流指令値Ｉｒｅｆは、Ｄ領域での電力変換回路の動作に用いられる。

【0052】

実施形態の電源装置１０では、電流指令値Ｉｒｅｆの周波数を計算して、出力電流ｉＯＵＴの周波数を推定する。電流指令値Ｉｒｅｆの周波数の計算では、電流指令値Ｉｒｅｆの領域間の遷移により、電流指令値Ｉｒｅｆの電流値の極大値または極小値のいずれかを検出して、１周期を算出し、周波数を計算する。

【0053】

図２に関連して説明した保護判定部６０の各ブロックに入出力する信号の時間変化を用いて、電源装置１０の動作についてさらに説明する。
図４は、実施形態の電源装置の動作を説明するための模式的なタイミングチャートの例である。
図４の最上段の図は、電流指令値Ｉｒｅｆの電流値の時間変化の例を表している。
図４の２段目の図は、領域切替検出部６１の検出信号ＯＵＴ１の時間変化の例を示している。
図４の３段目の図は、周波数判定部６２の周波数判定信号ＯＵＴ２の時間変化の例を示している。
図４の４段目の図は、振幅判定部６５の振幅判定信号ＯＵＴ５の時間変化の例を示している。
図４の５段目の図は、リプル幅判定部６４のリプル幅判定信号ＯＵＴ４の時間変化の例を示している。
図４の６段目の図は、論理演算回路６６の判定出力ＯＵＴの時間変化の例を示している。
図４の最下段の図は、オンディレイ回路６７の出力ＧＢ ｒｅｑｕｅｓｔの時間変化の例を示している。

【0054】

電流指令値Ｉｒｅｆのデータは、時系列データとして上位制御システムから順次送信されてくる。これをタイミングチャートで表すと、図４の最上段の図のように、ステップ状の信号として表現することができる。
この具体例では、電流指令値Ｉｒｅｆの電流値の極小値を検出して、周波数を計算するものとする。
この具体例では、検出信号ＯＵＴ１、周波数判定信号ＯＵＴ２、リプル幅判定信号ＯＵＴ４、振幅判定信号ＯＵＴ５および判定出力ＯＵＴは、２値の論理値をとる信号であり、正論理にしたがうものとして説明する。

【0055】

図４に示すように、時刻ｔ０で、電流指令値Ｉｒｅｆのデータの受信が開始される。時刻ｔ０以降、時刻ｔ１２まで、電流指令値Ｉｒｅｆの電流値は、時間とともに大きくなる。電流指令値Ｉｒｅｆの電流値の極性は、正であり、したがって、時刻ｔ０から時刻ｔ１２までの期間では、電流指令値Ｉｒｅｆは、Ａ領域での動作に用いられている。

【0056】

時刻ｔ１１において、電流指令値Ｉｒｅｆの電流値が、振幅判定部６５のしきい値Ｉａｔｈ以上となる。振幅判定部６５は、振幅判定信号ＯＵＴ５を論理値“１”に反転させて出力する。時刻ｔ１１以降では、この例の場合には、電流指令値Ｉｒｅｆの電流値は、しきい値Ｉａｔｈを超えているので、振幅判定部６５の振幅判定信号ＯＵＴ５は、論理値“１”の出力を維持する。

【0057】

時刻ｔ１２以降、領域切替検出部６１は、電流指令値Ｉｒｅｆの電流値が、小さくなることを検出する。つまり、時刻ｔ１２において、電力変換回路の動作は、Ａ領域からＢ領域に遷移される。この例では、領域切替検出部６１は、電流値の極小値を検出するため、Ａ領域からＢ領域への遷移が生じた場合には、電流値の極大値を検出したとしても、論理値“０”の出力が維持される。

【0058】

時刻ｔ１２において、電流指令値Ｉｒｅｆの電流値は、極大値となるので、リプル幅検出部６３は、その値として電流値Ｉｒｐを記憶する。

【0059】

時刻ｔ１３以降、領域切替検出部６１は、電流指令値Ｉｒｅｆの電流値が時間とともに大きくなることを検出する。つまり、時刻ｔ１３において、領域切替検出部６１は、電力変換回路の動作が、Ｂ領域からＡ領域に遷移され、電流指令値Ｉｒｅｆの電流値が減少する期間から電流が増加に転ずることを検出する。領域切替検出部６１は、電流値の極小値を検出したものとして、時刻ｔ１３において、検出信号ＯＵＴ１を論理値“１”に反転させる。論理値“１”とされた検出信号ＯＵＴ１は、周波数判定部６２に入力される。

【0060】

周波数判定部６２は、論理値“１”が入力された時刻ｔ１３を記憶する。

【0061】

時刻ｔ１３では、電流指令値Ｉｒｅｆの電流値は、極小値となるので、リプル幅検出部６３は、その値として電流値Ｉｒｖを記憶する。リプル幅検出部６３は、時刻ｔ１２における電流値の極大値と時刻ｔ１３における電流値の極小値との差（Ｉｒｐ－Ｉｒｖ）を計算し、計算した結果をリプル幅判定部６４に出力する（ＯＵＴ３、図４には図示せず）。この例では、リプル幅判定部６４は、計算されたリプル幅が設定されたしきい値Ｉｒｔｈ以上であると判定し、時刻ｔ１４において、論理値“１”を出力する。この例の場合では、時刻ｔ１３以降では、リプル幅がしきい値Ｉｒｔｈを下回ることがないので、論理値“１”が維持される。

【0062】

時刻ｔ１５において、領域切替検出部６１は、再度、電力変換回路の動作が領域Ｂから領域Ａへの遷移し、電流指令値Ｉｒｅｆの電流値が減少する期間から電流値が増加に転ずる極小値を検出し、論理値“１”を周波数判定部６２に出力する。

【0063】

周波数判定部６２は、論理値“１”が入力された時刻ｔ１５を記憶する。周波数判定部６２は、前回入力され、記憶された論理値“１”が入力された時刻ｔ１３および今回入力され、記憶された論理値“１”が入力された時刻ｔ１５にもとづいて、電流指令値Ｉｒｅｆの周波数を計算する。周波数判定部６２は、計算された周波数が、設定されたしきい値範囲Δｆｔｈ内であるか否かを判定する。この例では、周波数判定部６２は、計算された周波数がしきい値範囲Δｆｔｈ以内であるとして、時刻ｔ１５において、周波数判定信号ＯＵＴ２の出力を反転させて論理値“１”を出力する。

【0064】

時刻ｔ１５において、論理演算回路６６には、すべて論理値“１”が入力される。そのため、ＡＮＤ回路である論理演算回路６６は、時刻ｔ１５で判定出力ＯＵＴを反転させ、論理値“１”にして出力する。

【0065】

オンディレイ回路６７は、入力された論理値“１”が設定されたオンディレイ時間Ｔｄ継続したことによって、時刻ｔ１６においてＧＢ要求を出力する。ＧＢ要求を受信した制御装置５０は、ＧＢ指令を生成して、電力変換部２０に供給する。

【0066】

このようにして、実施形態の電源装置１０では、出力電流ｉＯＵＴの周波数が、チョッパユニット３０，４０の配線等の寄生インダクタンスにもとづく共振周波数に近づくことによって生じる不具合を回避することができる。

【0067】

上述の具体例では、電流指令値Ｉｒｅｆの周波数が共振周波数に関するしきい値範囲Δｆｔｈ以内であるか否かのほかに、電流指令値Ｉｒｅｆのリプル幅や振幅をＧＢ要求の生成条件とした。これらの付随的な条件は、上述に限らず、任意に適切なものを設定することができる。たとえば、電流指令値Ｉｒｅｆのリプル幅の超過判定と振幅の超過判定との論理和をとった後に、共振周波数に関するしきい値範囲Δｆｔｈの判定との論理積をとるようにしてもよい。あるいは、別のパラメータを条件に追加するようにしてもよい。別のパラメータとしては、たとえば、チョッパユニット内の温度等とすることができる。

【0068】

上述の具体例において、保護判定部６０の構成は、一例であり、他の構成としてもよい。たとえば、電流値の極大値または極小値を検出するたびにアクティブな信号を出力する代わりに電流値の極大値または極小値を検出するたびに論理値を変更する信号を生成し、論理値の変更により極大値間または極小値間の期間を計算する等してもよい。

【0069】

保護判定部６０は、ハードウェアによる論理回路により構成するほか、ソフトウェアあるいはハードウェアとソフトウェアとの組み合わせで実現してもよい。保護判定部６０の一部または全部は、たとえば記憶装置に格納されたプログラムを逐次実行する演算装置として実現してもよい。その場合には、保護判定部６０の各構成要素の機能の一部または全部は、プログラムの１つ以上のステップにより実現され得る。

【0070】

実施形態の電源装置１０の効果について説明する。
実施形態の電源装置１０では、保護判定部６０を含む制御装置５０を備えている。保護判定部６０は、出力電流ｉＯＵＴの周波数を、出力電流ｉＯＵＴの極大値または極小値を検出し、２つの極大値間の期間または２つの極小値間の期間を計算することにより、周波数を計算することができる。保護判定部６０には、故障となり得る周波数のしきい値範囲Δｆｔｈがあらかじめ設定されているので、計算された周波数が、しきい値範囲Δｆｔｈ内となった場合に、電力変換部２０に保護動作をさせる条件とすることができる。

【0071】

しきい値範囲Δｆｔｈを適切に設定することによって、より安全に電力変換部２０の不具合を回避することが可能になる。

【0072】

電源装置１０の設置環境や運転条件等によっては、チョッパユニット３０，４０内の配線等で決定され得る共振周波数にもとづく動作では、スイッチング素子の故障等の不具合に至らない場合も多い。出力電流ｉＯＵＴのリプル幅や、絶対的大きさ等の要素を含めた保護システムを導入することによって、電源装置１０を運転可能にする条件や範囲をより広くすることができ、より適切な保護を行うことができる。

【0073】

実施形態の電源装置１０では、出力電流ｉＯＵＴの検出に代えて、電流指令値Ｉｒｅｆのデータによる周波数の計算を行うこととしたので、保護判定部６０のための電流検出手段を別途設けることなく、出力電流ｉＯＵＴの状態を推定することができる。

【0074】

電源装置１０の出力電流制御のための電流検出器の出力信号を利用可能な場合であっても、出力電流ｉＯＵＴの周波数が共振周波数に近い場合に、出力電流ｉＯＵＴが振動的になり、極大値や極小値の検出を適切に行えない場合がある。また、電流検出信号に重畳されるノイズを除去するために、時定数の大きなフィルタ等を用いる場合には、不具合検出時に応答遅れ等を生じ得る。実施形態の電源装置１０では、電流指令値Ｉｒｅｆにより周波数の推定等を行うので、電流の検出にともなう誤差や問題を生じにくくすることが可能になる。

【0075】

このようにして、出力電流の周波数が、コンデンサの静電容量と寄生インダクタンスによる共振周波数に近い場合に安全に保護できる電源装置が実現される。

【0076】

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】

【0077】

１ 電源、２ 負荷、１０ 電源装置、２０ 電力変換部、３０，４０ チョッパユニット、５０ 制御装置、６０ 保護判定部、６１ 領域切替検出部、６２ 周波数判定部、６３ リプル幅検出部、６４ リプル幅判定部、６５ 振幅判定部、６６ ＡＮＤ回路、６７ オンディレイ回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】