JP7459778B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、固定抵抗、可変抵抗を組み合わせることで非線形出力を模擬する回路技術に関する。

エミッタ（電子源）には、電界電子放出を利用するものがあり、応用例として冷陰極Ｘ線管が挙げられる。図８に冷陰極Ｘ線管のＩ－Ｖ特性（出力特性）を示す。

また、図１に負荷である冷陰極Ｘ線管に所望の高電圧を印加する冷陰極Ｘ線発生装置の代表構成図を示す。この構成の先行技術として、特許文献１が開示されている。

特開２０１９－５７３６４号公報

エミッタのＩ－Ｖ特性は非線形であり、制御性を高めるためには工夫が必要となる。冷陰極Ｘ線発生装置内のポテンショメータ等の手動操作で出力電流を制御しようとすると、線形素子で非線形出力を調整することになるため、全区間で均一な変化量を持たせることが困難である。

具体的には、図８に示すように、冷陰極Ｘ線管に印加する電圧が高電圧になればなるほど、ポテンショメータ等の操作量に対して出力電流の変化量が大きくなる。プログラムを製作することで制御性を高めることができるが、製作にはコストがかかる。

以上示したようなことから、非線形なＩ－Ｖ特性を有する負荷に対して、全区間を均一な電流変化量で出力調整することを可能とし、かつ、設計の簡素化、低コスト化を実現した電力変換装置を提供することが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、コンデンサバンクと、前記コンデンサバンクに接続された直流電圧可変回路と、前記コンデンサバンクの直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータの交流側に接続され、または、前記インバータの交流側に他の機器を介して接続され、非線形なＩ－Ｖ特性を有する負荷と、を備えた電力変換装置であって、前記直流電圧可変回路は、抵抗値の可変調整機能を有する第４抵抗と、前記第４抵抗の一端に一端が接続され、前記第４抵抗に対して直列接続された第２抵抗と、前記第４抵抗の他端に一端が接続され、前記第２抵抗の他端に他端が接続され、前記第２抵抗，前記第４抵抗の直列回路に並列接続された第３抵抗と、前記第２抵抗，前記第３抵抗，前記第４抵抗の直並列回路に一端が接続された第１抵抗と、を備え、前記第１抵抗の他端が直流電源の正極に接続され、前記第２抵抗，前記第３抵抗，前記第４抵抗の直並列回路と前記第１抵抗との接続点が出力電圧指令として前記コンデンサバンクの一端に接続され、前記第２抵抗の他端と、前記第３抵抗の他端と、前記コンデンサバンクの他端と、が前記直流電源の負極に接続され、前記第４抵抗の抵抗値を調整することで、前記直流電圧可変回路の出力電圧を調整することを特徴とする。

また、他の態様として、コンデンサバンクと、前記コンデンサバンクに接続された直流電圧生成回路と、前記コンデンサバンクの直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記直流電圧生成回路の出力電圧もしくは前記インバータの出力電圧を制御する出力電圧制御回路と、前記インバータの交流側に接続され、または、前記インバータの交流側に他の機器を介して接続され、非線形なＩ－Ｖ特性を有する負荷と、を備えた電力変換装置であって、前記出力電圧制御回路は、抵抗値の可変調整機能を有する第４抵抗と、前記第４抵抗に直列接続された第２抵抗と、前記第２抵抗，前記第４抵抗の直列回路に並列接続された第３抵抗と、前記第２抵抗，前記第３抵抗，前記第４抵抗の直並列回路に一端が接続された第１抵抗と、を備え、前記第１抵抗の他端が電源電圧に接続され、前記第２抵抗，前記第３抵抗，前記第４抵抗の直並列回路と前記第１抵抗との接続点を出力電圧指令とし、前記第４抵抗の抵抗値を調整することで前記出力電圧指令を調整し、調整した前記出力電圧指令に基づいて、前記直流電圧生成回路の出力電圧もしくは前記インバータの出力電圧を制御することを特徴とする。

また、その一態様として、前記第３抵抗は、抵抗値の可変調整機能を有することを特徴とする。

本発明によれば、非線形なＩ－Ｖ特性を有する負荷に対して、全区間を均一な電流変化量で出力調整することを可能とし、かつ、設計の簡素化、低コスト化を実現した電力変換装置を提供することが可能となる。

冷陰極Ｘ線発生装置の全体構成図。 実施形態１の直流電圧可変回路を示す回路構成図。 第４抵抗Ｒ４と出力電圧指令Ｖｒｅｆの関係を示す図。 第１抵抗Ｒ１を調整したＲ４－Ｖ特性を示す図。 第２抵抗Ｒ２を調整したＲ４－Ｖ特性を示す図。 第３抵抗Ｒ３を調整したＲ４－Ｖ特性を示す図。 実施形態２の直流電圧可変回路を示す回路構成図。 冷陰極Ｘ線管のＩ－Ｖ特性（出力特性）を示す図。

以下、本願発明における電力変換装置の実施形態１～３を図１～図７に基づいて詳述する。

［実施形態１］
図１に冷陰極Ｘ線発生装置（電力変換装置）の全体概要を示す。冷陰極Ｘ線発生装置は、コンデンサバンク１と、インバータ（例えば、高周波インバータ）２と、昇圧トランス３と、コッククロフト回路４と、冷陰極Ｘ線管５と、分圧抵抗Ｒ５，Ｒ６と、を備える。

なお、図１には示していないが、コンデンサバンク１の左側には直流電圧可変回路が接続されており、コンデンサバンク１の一端（正極）と他端（負極）に接続されている。

インバータ２は、コンデンサバンク１の直流電力を交流電力に変換する。昇圧トランス３は、インバータ２の交流出力を昇圧する。コッククロフト回路４は、昇圧トランス３から出力された交流電圧から直流電圧を生成し、冷陰極Ｘ線管５に出力する。また、コンデンサバンク１には分圧抵抗Ｒ５，Ｒ６の直列回路が並列接続される。この分圧抵抗Ｒ５，Ｒ６の接続点が検出電圧Ｖｃとなる。

コンデンサバンク１に充電される電圧を調整することで、コッククロフト回路４の出力電圧を変化させることができ、それにより冷陰極Ｘ線管５の出力を調整する。コンデンサバンク１の充電電圧とコッククロフト回路４の出力電圧は、昇圧トランス３の巻数比とコッククロフト回路４の段数によって決まり、比例関係にある。

図２に本実施形態１の直流電圧可変回路の構成を示す。図２は、直流電圧可変回路の出力電圧指令Ｖｒｅｆを生成する回路である。直流電圧可変回路の他例として、チョッパ、ＰＷＭコンバータ、サイリスタ整流器などがある。

図２に示すように、端子ＶＣＣに直並列で第１～第４抵抗Ｒ１～４が接続される。第２抵抗Ｒ２の一端は第４抵抗の一端に接続され、第２抵抗Ｒ２は第４抵抗Ｒ４に対して直列接続される。第３抵抗Ｒ３の一端は第４抵抗Ｒ４の他端に接続され、第３抵抗Ｒ３の他端は第２抵抗Ｒ２の他端に接続され、第２抵抗Ｒ２，第４抵抗Ｒ４の直列回路に対して並列に第３抵抗Ｒ３が接続される。第２抵抗Ｒ２，第３抵抗Ｒ３，第４抵抗Ｒ４の直並列回路に対して第１抵抗Ｒ１の一端が接続される。また端子ＶＣＣは外部の直流電源（図示せず）の正極に接続される。

第１抵抗Ｒ１の他端に端子ＶＣＣが接続される。第２抵抗Ｒ２，第３抵抗Ｒ３，第４抵抗Ｒ４の直並列回路と第１抵抗Ｒ１との接続点が出力電圧指令Ｖｒｅｆとしてコンデンサバンク１の一端に接続される。また、コンデンサバンク１の他端（負極）と第２抵抗Ｒ２の他端と、第３抵抗Ｒ３の他端は外部の直流電源（図示せず）の負極に接続される。

本実施形態１において、第１～第３抵抗Ｒ１～Ｒ３は固定抵抗とし、第４抵抗Ｒ４は抵抗値の可変調整機能を有する。第４抵抗Ｒ４は、デジタルポテンショメータが望ましいが、アナログの可変抵抗でも適用可能である。本実施形態１では、直流電圧可変回路を図２のような回路構成にすることで、ポテンショメータ等で第４抵抗Ｒ４を手動操作した場合、冷陰極Ｘ線管のＩ－Ｖ特性に対して全区間均一な電流変化量で出力調整が可能となる。

冷陰極Ｘ線管５のＩ－Ｖ特性は図８に示した通り、非線形である。よって、コンデンサバンク１の充電電圧を線形に変化させると、高電圧になるにつれて電流の変化量が多くなってしまい制御性が悪くなる。

本実施形態１のような回路構成にし、ポテンショメータ等（第４抵抗Ｒ４）を操作すると図３のような分圧電圧（出力電圧指令）Ｖｒｅｆが得られる。この分圧電圧（出力電圧指令）Ｖｒｅｆは、図３に示すように第４抵抗Ｒ４の抵抗値に対して非線形に変化する。

インバータ２の交流出力は分圧電圧（出力電圧指令）Ｖｒｅｆに比例した交流電圧を出力するので、全区間均一な電流変化量で冷陰極Ｘ線管５の電流を調整することが可能となる。分圧抵抗（出力電圧指令）Ｖｒｅｆは以下の（１）式となる。

第１抵抗Ｒ１を調整することで、図４に示すようにＲ４－Ｖ特性を調整できるので、Ｉ－Ｖ特性をシフトすることが可能となる。

また、第２抵抗Ｒ２を調整することで、図５に示すようにＲ４－Ｖ特性を調整できるので、Ｉ－Ｖ特性のエミッション開始箇所を選択することが可能となる。さらに、第３抵抗Ｒ３を調整することで、図６のようにＲ４－Ｖ特性を調整できるので、Ｉ－Ｖ特性の傾きを選択することが可能となる。

エミッタのＩ－Ｖ特性は非線形であり、ポテンショメータ等で調整した場合、区間によって電流変化量が異なる。本実施形態１のような構成とすることで、全区間を均一な電流変化量で出力調整することができる。また、設計の簡素化、低コスト化を実現できる。

実施形態１では線形の可変抵抗を変化させることで、非線形出力を模擬することができる。また、それぞれの抵抗を変化させることで様々なＩ－Ｖ特性を網羅することが可能となる。

［実施形態２］
図７に本実施形態２の直流電圧可変回路を示す。直流電圧可変回路は、実施形態１と同様な回路構成とするが、第３抵抗Ｒ３は抵抗値の可変調整機能を有する。第３抵抗Ｒ３は、例えばアナログの可変抵抗またはデジタルポテンショメータとする。

本実施形態２のような構成にすることで、冷陰極Ｘ線管５の寿命特性に対応することができる。

エミッタは寿命特性があり、印加電圧に対して徐々に出力電流が低下することが知られている。そこで、コッククロフト回路４の出力電圧、電流をフィードバックして設定値と比較し、第３抵抗Ｒ３のデジタルポテンショメータ（つまり第３抵抗Ｒ３の抵抗値）を制御することで、寿命特性をとらえることができる。これにより、設定値と出力値を対比させて動作させることができる。

第３抵抗Ｒ３にアナログの可変抵抗を用いる場合は、定期的な点検の際、寿命特性が変化していた場合に手動で第３抵抗Ｒ３の抵抗値を変化させることによって、設定値と出力値の乖離を取り除くことができる。

本実施形態２によれば、実施形態１と同様に、全区間を均一な電流変化量で出力調整することができる。

また、実施形態２では寿命特性を考慮して動作させることができるため、常に正確な出力を得ることが可能となる。
［実施形態３］
実施形態１，２では、図２と図７の回路が生成する分圧電圧（出力電圧指令）Ｖｒｅｆを直流電圧可変回路の出力電圧とする構成として説明した。この構成の直流電圧可変回路の代わりにチョッパ、ＰＷＭコンバータ、サイリスタ整流器などの直流電圧生成装置に置き換えて、図２と図７の回路（出力電圧制御回路）が生成する分圧電圧（出力電圧指令）Ｖｒｅｆを直流電圧生成装置の出力電圧指令とする構成としてもよい。この場合、分圧電圧（出力電圧指令）Ｖｒｅｆとコンデンサバンク電圧を分圧した検出電圧Ｖｃを比較制御し、直流電圧生成装置内のスイッチング素子のオンオフ動作によって、直流電圧生成装置の出力電圧を制御する。

さらに、直流電圧生成装置をダイオード整流器のような一定の直流電圧を生成する装置（直流電圧生成装置）に置き換えて、図２と図７の回路（出力電圧制御回路）が生成する出力電圧指令Ｖｒｅｆをインバータ２の出力電圧指令とする構成としてもよい。この場合、インバータ２内のスイッチング素子のオンオフ動作によって、インバータ２の出力電圧が制御される。

さらに本発明の負荷は、冷陰極Ｘ線管に限らない。図８のような非線形なＩ－Ｖ特性を持つ負荷であれば、適用できる発明である。

さらに、図１に示す昇圧トランス３やコッククロフト回路４を備えない装置にも適用できる技術である。すなわち、非線形なＩ－Ｖ特性を有する負荷（例えば、冷陰極Ｘ線管５）は、インバータ２の交流側、または、インバータ２の交流側に他の機器（例えば、昇圧トランス３やコッククロフト回路４）を介して接続される。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

１…コンデンサバンク
２…インバータ
３…昇圧トランス
４…コッククロフト回路
５…冷陰極Ｘ線管
Ｒ１…第１抵抗
Ｒ２…第２抵抗
Ｒ３…第３抵抗
Ｒ４…第４抵抗
Ｒ５，Ｒ６…分圧抵抗
Ｖｒｅｆ…出力電圧指令（分圧電圧）
ＶＣＣ…電源電圧
Ｖｃ…検出電圧

Claims (3)

1. コンデンサバンクと、
   前記コンデンサバンクに接続された直流電圧可変回路と、
   前記コンデンサバンクの直流電力を交流電力に変換するインバータと、
   前記インバータの交流側に接続され、または、前記インバータの交流側に他の機器を介して接続され、非線形なＩ－Ｖ特性を有する負荷と、を備えた電力変換装置であって、
   前記直流電圧可変回路は、
   抵抗値の可変調整機能を有する第４抵抗と、
   前記第４抵抗の一端に一端が接続され、前記第４抵抗に対して直列接続された第２抵抗と、
   前記第４抵抗の他端に一端が接続され、前記第２抵抗の他端に他端が接続され、前記第２抵抗，前記第４抵抗の直列回路に並列接続された第３抵抗と、
   前記第２抵抗，前記第３抵抗，前記第４抵抗の直並列回路に一端が接続された第１抵抗と、
   を備え、前記第１抵抗の他端が直流電源の正極に接続され、前記第２抵抗，前記第３抵抗，前記第４抵抗の直並列回路と前記第１抵抗との接続点が出力電圧として前記コンデンサバンクの一端に接続され、
   前記第２抵抗の他端と、前記第３抵抗の他端と、前記コンデンサバンクの他端と、が前記直流電源の負極に接続され、
   前記第４抵抗の抵抗値を調整することで、前記直流電圧可変回路の前記出力電圧を調整することを特徴とする電力変換装置。
2. コンデンサバンクと、
   前記コンデンサバンクに接続された直流電圧生成装置と、
   前記コンデンサバンクの直流電力を交流電力に変換するインバータと、
   前記直流電圧生成装置の出力電圧もしくは前記インバータの出力電圧を制御する出力電圧制御回路と、
   前記インバータの交流側に接続され、または、前記インバータの交流側に他の機器を介して接続され、非線形なＩ－Ｖ特性を有する負荷と、を備えた電力変換装置であって、
   前記出力電圧制御回路は、
   抵抗値の可変調整機能を有する第４抵抗と、
   前記第４抵抗の一端に一端が接続され、前記第４抵抗に対して直列接続された第２抵抗と、
   前記第４抵抗の他端に一端が接続され、前記第２抵抗の他端に他端が接続され、前記第２抵抗，前記第４抵抗の直列回路に並列接続された第３抵抗と、
   前記第２抵抗，前記第３抵抗，前記第４抵抗の直並列回路に一端が接続された第１抵抗と、
   を備え、前記第１抵抗の他端が直流電源の正極に接続され、前記第２抵抗，前記第３抵抗，前記第４抵抗の直並列回路と前記第１抵抗との接続点を出力電圧指令とし、
   前記第２抵抗の他端と、前記第３抵抗の他端と、が前記直流電源の負極に接続され、
   前記第４抵抗の抵抗値を調整することで前記出力電圧指令を調整し、調整した前記出力電圧指令に基づいて、前記直流電圧生成装置の出力電圧もしくは前記インバータの出力電圧を制御することを特徴とする電力変換装置。
3. 前記第３抵抗は、抵抗値の可変調整機能を有することを特徴とする請求項１または２記載の電力変換装置。

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