JPS634422B2

JPS634422B2 -

Info

Publication number: JPS634422B2
Application number: JP6011781A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Onodera; Hiroshi Nakajima
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-04-21
Filing date: 1981-04-21
Publication date: 1988-01-28
Also published as: JPS57177274A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はＸ線発生装置やレーザ発生装置等に高
電圧な電力を供給するに好適な高電圧発生装置に
関する。

Ｘ線発生装置やレーザ発生装置等を駆動する
100KV〜400KVの高電圧電力は、従来一般に商
用周波数から数百ヘルツ程度の交流を珪素鋼板を
磁心とする変成器を用いて昇圧して生成されてい
る。この種の高電圧発生装置は、変換電力が数キ
ロワツトから数百キロワツトと大きく、また電力
の投入遮断の頻度が高く、しかも負荷との距離が
一般に長い為に長い高圧ケーブルを用いて電力を
供給すると云う特殊性を有している。これらの特
殊性を考慮すると、安定に且つ経済的に高電圧を
生成する動作周波数は従来数百ヘルツ程度に抑え
られていた。この動作周波数は変成器の形状およ
び高圧発生装置の速応性等の限界を定める重要な
設計要素である。しかして従来の変成器をより小
形化したり、装置の適応性を早くする為に、上記
動作周波数を従来に比して一桁以上高めることが
要望されている。

然し乍ら従来にあつては、交流を単純に変成器
を用いて昇圧していることが多く、この場合動作
周波数が高くなるにつれて変成器の洩れインダク
タンスや分布容量によるリアクタンスが大きくな
り、この結果変成器の一次巻線側から見込んだイ
ンピーダンスが負荷の実抵抗分よりもリアクタン
ス成分が大きくなる不具合が生じた。つまり、無
効電力分が増大し、Ｘ線管等の負荷へ供給する電
力が減少して大電力変換には不適格となる問題が
あつた。また、このような従来装置によれば、入
力電源を投入しても上記リアクタンス成分に電力
を供給しながら負荷へ電力を供給することになる
ので、その速応性が悪いと云う問題があつた。更
に入力電源を遮断した場合、リアクタンス成分に
残つていたエネルギが上記遮断後に負荷に廻込
み、直ちに電力供給が停止されないので、系の動
作に遅れが生じる不具合があつた。

本発明はこのような事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、変成器の動作周
波数を高めて所定の高電圧を効率良く昇圧して
得、負荷に対して所定の電力を安定に伝送し得る
速応性の早い簡易で実用性の高い高電圧発生装置
を提供することにある。

即ち本発明は、数キロヘルツ以上の交流あるい
はパルス波を用いて小形化された変成器を介して
昇圧された所定の高電圧をリアクタンス成分を少
なくして得、これを負荷に高効率に供給すること
を可能とした速応性の早い高電圧発生装置を提供
するものである。

本発明の概要は、昇圧型シングルエンド・スイ
ツチ回路の負荷に極性反転形スイツチ回路として
のダイオードを介して昇圧用変成器の一次巻線を
接続し、この変成器の多分割された複数の二次巻
線にコンデンサを介して極性方向を同じくして充
電用ダイオードを接続し、且つこれらの充電用ダ
イオード間に極性方向を揃えて電圧加算用ダイオ
ードを直列に介挿して接続し、これらのダイオー
ドの直列回路の両端間から電力を取出す構成とす
ることにより、大電力高電圧の高速スイツチング
動作を可能として上述した目的を効果的に達成し
たものである。

以下、図面を参照して本発明の一実施例につき
説明する。

第１図は一実施例装置の概略構成図である。入
力直流電源１にはチヨークコイル２を介してトラ
ンジスタからなるスイツチ素子３が接続され、昇
圧型のシングルエンド・スイツチ回路が構成され
ている。上記スイツチ素子３は例えば数キロヘル
ツの動作周波数で開閉動作するものである。尚、
サイリスタ等の他の素子をスイツチ素子３として
用いることも可能である。しかして、このスイツ
チ素子３には、極性反転スイツチ回路としてのダ
イオード４を介して変成器５の一次巻線５₁が接
続され、上記シングルエンド・スイツチ回路の負
荷となつている。また変成器５の二次側は多分割
した複数の二次巻線５₂₁，５₂₂〜５_2nが設けられ
ている。これらの二次巻線５₂₁，５₂₂〜５_2nは、
その巻数を等しくし、前記一次巻線５₁に対して
（１：−ｎ）の巻数比となる如く設定されている。
そして、これらの二次巻線５₂₁，５₂₂〜５_2nには、
それぞれその巻終端側に電力転送用のコンデンサ
６₁，６₂〜６_nが接続され、これらのコンデンサ
６₁，６₂〜６_nを各別に介して充電用ダイオード
７₁，７₂〜７_nがその極性方向を揃えて並列接続
されている。つまりダイオード７₁，７₂〜７_nは、
そのアノードを二次巻線５₂₁，５₂₂〜５_2nの各巻
始め端に接続し、カソードをコンデンサ６₁，６₂
〜６_nを介して上記二次巻線５₂₁，５₂₂〜５_2nの終
端に接続したものとなつている。そして、これら
の充電用ダイオード７₁，７₂〜７_n間には、これ
らのダイオード７₁，７₂〜７_nと極性方向を同じ
くして電圧加算用ダイオード８₁，８₂〜８_n-1が
直列に介挿して接続されている。これにより、上
記各ダイオード７₁，７₂〜７_n，８₁，８₂〜８_n-1
が極性方向を揃え交互に直列に接続されて直列回
路が構成されている。この直列回路の両端、つま
りダイオード７₁のカソードおよびダイオード７_n
のアノードが高電圧出力端子とされ、これに高圧
ケーブル９を介して負荷であるＸ線管１０が接続
されている。尚、高圧ケーブル９に付記されるイ
ンダクタンスＬおよび容量Ｃは、上記高圧ケーブ
ル９に含まれる負荷のインダクタンス成分および
分布容量成分をそれぞれ示している。

さて、このように構成された本装置において、
スイツチ素子３は一定のパルス幅Tonで導通し、
周期Ｔ（Ｔ＞Ton）で開閉動作して定常状態に入
つているものとする。このとき、チヨーク２には
一定電流Iiが流れ、コンデンサ６₁，６₂〜６_nには
それぞれ一定電圧e₁′，e₂〜e_n′が存在する。尚、
スイツチ素子３は導通時に抵抗値零そして遮断時
には抵抗値無限大とする理想スイツチとして機能
し、変成器５の励磁インダクタンスＬは有限の値
を持ち、その洩れインダクタンスは動作上無視で
きるものとする。またＸ線管１０の見掛上の抵抗
値は一定であるとする。

この定常状態における本装置の動作を第２図
ａ，ｂに示す等価回路および第３図ａ〜ｃに示す
動作波形図を参照して説明する。

今、スイツチ素子３が導通しているとき、つま
り期間Tonには、チヨークコイル２は電源１の負
側に接続され、また変成器５の励磁インダクタン
スに蓄えられた電流が負荷１０に伝達されてお
り、上記励磁インダクタンスに蓄えられていた電
流が減少していることからダイオード４は逆バイ
アスされて遮断状態にある。従つてこのとき、装
置の等価回路は第２図ａの如く示される。そし
て、チヨークコイル２に流れていた電流i_L2は第
３図ａに示すように、定常状態における電流Iiか
ら、入力電源電圧Einをチヨークコイル２のイン
ダクタンスL₂で割つた値を勾配とする特性で上
昇する。一方、変成器５の励磁インダクタンス１
１に蓄つていた電流i_L11は、洩れインダクタンス
１２₁，１２₂〜１２_nを介し、ブロツクで示され
る昇圧機能１３を介して変成器５の二次側端子、
コンデンサ６₁，６₂〜６_n、ダイオード８₁，８₂
〜８_n-1を経由して負荷１０に供給される。この
間、変成器５の２次側端子（各二次巻線）にはそ
れぞれ電圧e₁′，e₂′〜e_M′が矢印で示すように一方
の方向に誘起される。そして、この誘起される電
圧e₁′，e₂′〜e_M′およびコンデンサ６₁，６₂〜６_n
に蓄えられた電圧e₁，e₂〜e_Mによつて充電用ダイ
オード７₁，７₂〜７_nはそれぞれ逆バイアスされ
た状態となる。つまり充電用ダイオード７₁，７₂
〜７_nは、第３図ｃに示すように電圧（e₁＋e₁′），
（e₂＋e₂′）〜（e_M＋e_M′）によりそれぞれ逆バイ
アスされて、オフ状態となる。そしてまた、上記
誘起された電圧e₁′，e₂′〜e_Mは、コンデンサ６₁，
６₂〜６_nに蓄えられた電圧e₁，e₂〜e_Mに足し込ま
れると共に、加算用ダイオード８₁，８₂〜８_n-1
にてシリーズに加算されることになる。

次に、スイツチ素子３が遮断されると、ダイオ
ード４が正バイアスされ、これによつて入力電源
１からの電流とチヨークコイル２に蓄つていた電
流が変成器５の励磁インダクタンス１１に流れ込
む。この結果、前記充電用ダイオード７₁，７₂〜
７_nが全て正バイアスされて導通し、その等価回
路は第２図ｂに示すようになる。このとき、励磁
インダクタンス１１の端子電圧をE′outとすると、
チヨークコイル２に流れる電流は第３図ａに示す
ように、電流のピーク値Ipkから（E′out−
Ein）／L₂なる勾配で直線的に減少する。このと
き、チヨークコイル２の電流i_L2の一部が第３図
ｂに示すように励磁インダクタンス１１に分流
し、他の成分は洩れインダクタンス１２₁，１２₂
〜１２_nを介して、充電用コンデンサ６₁，６₂〜
６_nに流れ込み、同コンデンサ６₁，６₂〜６_nを前
記導通時とは逆極性に充電する。従つて、コンデ
ンサ６₁，６₂〜６_nには、電圧e₁，e₂〜e_Mがそれ
ぞれ蓄えられることになる。この状態を経て、以
後、スイツチ素子３のオンオフ動作に関連してダ
イオード７₁，７₂〜７_n、あるいは８₁，８₂〜８_n
_−１が交互に導通してコンデンサ６₁，６₂〜６_nに
蓄えられた電圧と誘起電圧とを加算して、負荷１
０に供給することになる。

以上、本装置の基本的な動作につき説明した
が、洩れインダクタンス１２₁，１２₂〜１２_nが
動作上無視できない程度になると、コンデンサ６
_１，６₂〜６_nに流れ込む電流によつて上記洩れイ
ンダクタンス１２₁，１２₂〜１２_nに電圧降下が
生じる。この電圧降下によつてコンデンサ６₁，
６₂〜６_nの充電電圧が低下する。このことは、本
装置の昇圧機能にとつては好ましくない現象であ
る。ちなみに、一般的な対向平線によつて構成さ
れた変成器５の巻線比が50倍以上である場合、洩
れインダクタンス１２₁，１２₂〜１２_nの値は励
磁インダクタンス１１に比してその20〜30％にも
達する。然し乍ら本装置にあつては前述したよう
に二次巻線５₂₁，５₂₂〜５_2nが複数部分に分割さ
れ、その間を加算用ダイオード８₁，８₂〜８_n-1
によつてシリーズに結合する構成となつている
為、上記洩れインダクタンス１２₁，１２₂〜１２
_ｎは必要十分な程度に低く抑えることができ、こ
れによる問題を招く虞れがない。

ところで、ダイオード７₁，７₂〜７_nと８₁，８
_２〜８_n-1との直列回路の両端を出力端とする本装
置と、Ｘ線管１０からなる負荷とが高圧ケーブル
９によつて接続される。この高圧ケーブル９には
インダクタンス成分Ｌと分布容量Ｃが存在し、同
ケーブル９が長くなるに従つて一般的にはその値
を無視することができなくなる。

そこで今、ケーブル９にインダクタンス成分Ｌ
が存在すると、スイツチ素子３の導通期間に負荷
１０に供給されていた電流が、上記スイツチ素子
３が遮断してもその慣性分だけ継続して流れるこ
とになる。この慣性電流は、負荷１０から直列接
続されたダイオード７₁，７₂〜７_n，８₁，８₂〜
８_n-1を通して流れることになるので、第２図ｂ
における節G₁，G₂〜G_Mの電位が相互に等しくな
る。然し乍ら、この慣性電流期間に上記各節G₁，
G₂〜G_Mの電位が等しくなつても、コンデンサ６
_１，６₂〜６_nの充電について何ら影響を与えるこ
とがない。むしろ、負荷９に流れる電流を平滑化
する作用を呈するので、負荷９にとつては好都合
である。つまり、ケーブル９のインダクタンス成
分Ｌは、本装置にとつては有効に作用することに
なる。一方、ケーブル９の分布容量Ｃは、ダイオ
ード７₁，７₂〜７_n，８₁，８₂〜８_n-1に対して並
列的に接続されることになる。従つて、この分布
容量Ｃには、常に同一方向に電圧が充電されるこ
とになる。このことは、とりもなおさず、負荷１
０に加わる高電圧を平滑化することを意味し、従
つて本装置および負荷１０に対して有効に作用す
ることになる。

かくして本装置によれば、実質的に変成器５に
おける洩れインダクタンス１２₁，１２₂〜１２_n
を無視でき得る程度に小さくすることができ、ま
た高圧ケーブル９の分布容量Ｃ等の影響も受けな
いのでスイツチ素子３の開閉動作周波数を数キロ
ヘルツ以上と十分高くすることができる。従つて
大電力を安定に高周波スイツチングして昇圧し、
所望とする高圧を得ることが可能となる。また動
作周波数を高くすることによつて変成器５におけ
る磁束密度の変化分を、上記高周波数化した分だ
け少なくすることができ、変成器５の鉄芯（コ
ア）の寸法形状のコンパクト化を図ることが可能
となる。そして、これにより変成器５の小形化を
図り、従来に比して大幅なコストダウンを図るこ
とが可能となる。その上、スイツチング周波数を
高くすることによつて装置のサンプリングインタ
ーバルを狭くすることができ、系の立上り時間の
大幅な短縮化を図り得る等の絶大なる効果も奏す
る。更には、変成器５の励磁インダクタンス１１
に蓄まる励磁電流を積極的に利用して負荷へ供給
するので、従来より多く用いられていた高価なス
ナバ回路を必要としない等の効果も有する。そし
て、高圧ケーブル９のインダクタンスや分布容量
の如何んに拘らず、安定に動作すると云う特徴を
発揮する。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものでは
ない。例えば変成器５における二次巻線の分割数
や、巻線比は仕様に応じて定めればよいものであ
る。また仕様によつてはダイオード７₁，７₂〜７
_ｎ，８₁，８₂〜８_n-1の極性を逆に構成してもよ
く、一次巻線５₁の巻き方向を逆にすることも可
能である。また負荷としてＸ線管１０に限定され
ないことも勿論であり、適宜平滑回路を介して高
圧電圧を負荷に供給するようにしてもよい。要す
るに本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変
形して実施することが可能である。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例を示すもので、第１図は
実施例装置の概略構成図、第２図ａ，ｂは実施例
装置の動作状態に応じた等価回路構成図、第３図
ａ〜ｃは実施例装置の動作を示す電流および電圧
波形図である。１…入力直流電源、２…チヨークコイル、３…
スイツチ素子、４…ダイオード、５…変成器、６
_１，６₂〜６_n…コンデンサ、７₁，７₂〜７_n…充電
用ダイオード、８₁，８₂〜８_n-1…電圧加算用ダ
イオード、９…高圧ケーブル、１０…Ｘ線管（負
荷）、１１…励磁インダクタンス、１２₁，１２₂
〜１２_n…洩れインダクタンス。

Claims

【特許請求の範囲】

１入力直流電源にチヨークコイルを介して接続
された所定周期で開閉動作するスイツチ素子と、
このスイツチ素子にダイオードを介して一次巻線
を接続した変成器と、この変成器の複数の２次巻
線にそれぞれコンデンサを介して極性方向を揃え
て並列接続された複数の充電用ダイオードと、こ
れらの充電用ダイオード間に極性方向を揃えて直
列に介挿して接続された電圧加算用ダイオード
と、これらの充電用ダイオードおよび電圧加算用
ダイオードからなる直列回路の両端間に負荷を接
続する手段とを具備したことを特徴とする高電圧
発生装置。