JPS6355308B2

JPS6355308B2 -

Info

Publication number: JPS6355308B2
Application number: JP6011681A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Onodera
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-04-21
Filing date: 1981-04-21
Publication date: 1988-11-01
Also published as: JPS57177273A

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
一般に長い為に長に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確となる問題が
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
作に遅れが生じく不具合があつた。

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
ツチ回路の負荷にエネルギ転送用のコンデンサを
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例に介
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が接続されて、
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
ヘルツのスイツチング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、このスイツチ回路３には、電力エネルギ転送
用のコンデンサ４を介して変成器５の一次巻線５
_１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、その巻線を相互に等しくし、前記一次
巻線５₁に対して（１：−ｎ）なる巻線比となる
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５
₂₁，５₂₂〜５_2nの各巻始め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７
_１，７₂〜７_n間には、これらのダイオード７₁，７
_２〜７_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。つまり、上記各ダイオード７₁，７₂〜７
_ｎ，８₁，８₂〜８_n-1は、極性方向を一方向に揃
え、交互に直列に接続されて直列回路を構成して
いる。しかして、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、ここに高圧ケー
ブル９を介して負荷としてのＸ線管１０が接続さ
れ、高電圧電力の供給を受けるようになつてい
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
まれる浮遊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。

次に、上記の如く構成された本装置の基本的動
作につき説明する。

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。この定常状態にあつて
は、チヨークコイル２には一定電流Iiが流れ、コ
ンデンサ４には一定電圧Vc₁、コンデンサ６₁，
６₂〜６_nにはそれぞれ電圧Vc₂が蓄えられている
とする。またスイツチ素子３およびダイオード７
_１，７₂〜７_n，８₁，８₂〜８_n-1は導通時に抵抗零、
そして遮断時には抵抗無限大とする理想スイツチ
として機能するものとする。また変成器５の励磁
インダクタンスは有限な値を持ち、洩れインダク
タンスは動作上無視できる程度のものであるとす
る。またＸ線管１０の見掛上の抵抗値は一定であ
るとする。

今、この定常状態において、スイツチ素子３が
遮断期間T_OFF（＝Ｔ―Ton）の場合、本装置は等
価的に第２図ａの如く示される。即ち、変成器５
の一次巻線５₁には、チヨークコイル２に蓄えら
れた電流Iiによつて誘起する電圧E_Lと電源１の入
力電圧Einとの和が、電力転送用コンデンサ４を
介して加わる。この電圧によつて二次巻線５₂₁，
５₂₂〜５_2nには、その巻線極性に応じた電圧が誘
起され、ダイオード７₁，７₂〜７_nは二次側のコ
ンデンサ６₁，６₂〜６_nを介して正バイアスされ、
これによつて導通する。また二次巻線５₂₁，５₂₂
〜５_2n間には、ダイオード８₁，８₂〜８_n-1を逆
バイアスする向きに電圧が誘起されるので、これ
らのダイオード８₁，８₂〜８_n-1は遮断状態とな
る。しかして今、変成器５は、励磁インダクタン
ス１１、洩れインダクタンス１２₁，１２₂〜１２
ｍに分解し、その昇圧機能をブロツクとして示す
と、このスイツチ素子３の遮断期間の等価回路は
第２図ａの如くなる。

しかして、この期間の開始時には、チヨークコ
イル２に電流Iiが蓄つているので、その電流Iiの
減少変化率に比例した電圧E_Lが入力電源電圧Ein
と同極性に誘起する。この結果、コンデンサ４の
電圧入力端側には第３図ａに示すように（Ein＋
E_L）なる電位が発生する。この電圧が新たな電
源として作用し、充電電流がコンデンサ４を経由
して流れ、その一部は励磁インダクタンス１１
に、他は洩れインダクタンス１２₁，１２₂〜１２
_ｎを介してコンデンサ６₁，６₂〜６_nに流入する。
この結果、一次側のコンデンサ４と二次側のコン
デンサ６₁，６₂〜６_nが、この遮断期間、図示極
性に充電される。

そこで今、スイツチ素子３が導通すると、コン
デンサ４の一端は負側に接続される。これによつ
て、変成器５の励磁インダクタンス１１に流れ込
んでいた電流が減少し、励磁インダクタンス１１
の電源１の負側ライン側端子の極性が正に反転す
る。これにより、二次巻線５₂₁，５₂₂〜５_2nに誘
起される電圧がダイオード８₁，８₂〜８_n-1を正
バイアスする向きとなり、これらのダイオード８
_１，８₂〜８_n-1が導通する。またこのとき、上記
二次巻線５₂₁，５₂₂〜５_2nに誘起される電圧によ
つてダイオード７₁，７₂〜７_nが逆バイアスされ、
この結果これらのダイオード７₁，７₂〜７_nが遮
断する。従つて、このときの装置の等価回路は第
２図ｂに示すようになる。

しかしてこの場合、チヨークコイル２には電源
１から再び電流が流れ込み、第３図ｂに示すよう
に電流Iiまで蓄められる。そして、電力転送用コ
ンデンサ４と励磁インダクタンス１１に蓄えられ
ていた電荷および電流は、洩れインダクタンス１
２₁，１２₂〜１２_nを経由して二次巻線５₂₁，５₂₂
〜５_2nに電圧e₁′，e₂′〜e_n′を誘起する。これらの
電圧e₁′，e₂′〜e_n′が第３図ｃに示すように、各コ
ンデンサ６₁，６₂〜６_nに蓄えられていた電荷に
結合加算され、前記ダイオード８₁，８₂〜８_nに
よりこれらが更に重ね合せられて高電圧として負
荷に供給されることになる。尚、第３図ｄはコン
デンサ６₁，６₂〜６_nに流れ込む電流を示してい
る。

このような動作が所定の周期で交互に繰返えさ
れ、これによつて発生した高電圧な電力が負荷で
あるＸ線管１０に供給されることになる。

以上、本装置の基本的な動作につき説明した。
ところで、変成器５の洩れインダクタンス１２₁，
１２₂〜１２_nの値が動作上無視できなくなつた場
合、コンデンサ６₁，６₂〜６_nに流れ込む電流に
よつて洩れインダクタンス１２₁，１２₂〜１２_n
において電圧降下が生じ、この結果コンデンサ６
_１，６₂〜６_nの充電電圧が低くなることが懸念さ
れる。この現象はこの種の電源装置において、好
ましくないことである。ところが本装置では、２
次巻線が多分割構成され、これを動作状態に応じ
て結合して機能させる構成となつているので、上
記洩れインダクタンス１２₁，１２₂〜１２_nを十
分小さくすることができる。ちなみに従来の、巻
線比が１：50の昇圧用変成器における洩れインダ
クタンスをLeoとした場合に比較して、本装置の
ようにＮ分割した二次巻線５₁，５₂〜５ｍの合計
洩れインダクタンスL_eNは、前者のN²に反比例し
て小さくできる。従つて、洩れインダクタンス１
２₁，１２₂〜１２_nの値を必要十分な程度に低く
抑えることができ、これに起因する動作上の問題
を招く虞れがない。

さて、本装置から取出される高電圧電力は、高
圧ケーブル９を介してＸ線管１０に供給される。
従来、この高圧ケーブル９に含まれるインダクタ
ンスＬや分布容量Ｃが装置の動作に悪影響を与え
ていた。ところが、本装置にあつては、上記イン
ダクタンスＬや分布容量Ｃは、本装置および負荷
に対して有用に作用する。即ち、スイツチ素子３
が導通している期間に負荷に流れていた電流は、
スイツチ素子３が遮断されてもその慣性が続く
間、Ｘ線管１０に継続して流れる。この継続して
流れる電流は、Ｘ線管１０からケーブル９のイン
ダクタンスＬ、ダイオード７₁，７₂〜７_n，８₁，
８₂〜８_nを介して還流する。従つて、ケーブル９
のインダクタンスＬは、むしろＸ線管１０に供給
する電力を平滑化する役目を果す。しかもこの還
流電流はダイオードの直列回路を介して、変成器
５、およびコンデンサ６₁，６₂〜６_nに何ら作用
することなく流れるので、本装置の動作に支障を
招くことがない。また、高圧ケーブル９の分布容
量Ｃは、コンデンサ６₁，６₂〜６_nに対して並列
的に、且つＸ線管１０なる負荷に対して並列的に
挿入されることと等価となるので、これもまた供
給電力を平滑化する機能を呈する。従つて、高圧
ケーブル９は、本装置および負荷に対して有効に
作用することはあるが、これによつて装置の動作
に悪影響を及ぼすようなことは全くない。従つて
第４図に示すように、装置の出力端にインダクタ
ンス１３とコンデンサ１４とからなる平滑回路を
積極的に設けることも有用である。

また、前記変成器５の励磁インダクタンス１１
も、本装置にとつて有用に機能する。スイツチ素
子３の遮断時には、変成器５の励磁インダクタン
ス１１に蓄えられた電流エネルギーが減少するの
で、上記スイツチ素子３が導通したとき、励磁イ
ンダクタンス１１の誘起電圧は、コンデンサ４の
充電電圧と同じ極性になる。従つて、励磁コイル
１１に蓄えられていた電流は、主にＸ線管９を含
む閉回路を通つて流れることになる。故に従来の
ようなスナバ回路を用いることが全く不要とな
り、装置構成の簡略化を図ることが可能となる。

以上、実施例を通して本発明装置を説明したよ
うに、本装置によれば先ず変成器５の洩れインダ
クタンスや高圧ケーブルのインダクタンス等の系
に直列に入るインダクタンスを電流平滑用とし
て、むしろ積極的に利用し、同時に分布容量も平
滑用および電力転送用として積極的に利用でき
る。従つて入力電源から負荷への電力伝送を極め
て円滑に行い得る。また系の速応性に関しても、
中間に電力転送用のコンデンサ４が設けられてい
るが故に、１サイクルの遅れを生じることが否め
ないが、従来のように洩れインダクタンス等によ
つてスイツチング周波数が制限されないので十分
高い動作周波数に設定できるので、従来に比較し
て十分に改善することができる。また大電力を安
定に高周波スイツチングして昇圧できるので、変
成器５の磁束密度変化分を少なくすることがで
き、この結果、鉄芯（コア）の形状寸法の小形化
を図り、最終的には変成器の小型化を図つて装置
の大幅なコストダウンを図ることが可能となる。
しかも、スイツチング周波数を高周化できる為
に、装置のサンプリングインターバルを狭くし、
その立上り時間の大幅な短縮を図ることも可能と
なる。また高圧ケーブルの分布容量等によつて装
置の基本動作が妨げられることもなく、しかも、
前記したようにスナバ回路を必要とせず、安価に
製作できて、実用性が非常に高い等の絶大なる効
果を奏する。

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の極性を逆にしたり、巻成器
の巻き線方向を逆にして構成することも可能であ
る。また、等価的にコンデンサ４とコンデンサ６
_１，６₂〜６_nを同一化することができるので、こ
れらを一方にのみ集中的に設けて、実回路上で他
方を省略して構成することも可能である。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できる。

【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〜ｄは実施例装置の動作波形図、第４図は本発
明の変形例を示す構成図である。１…入力直流電源、２…チヨークコイル、３…
スイツチ素子、４…電力転送用コンデンサ、５…
変成器、６₁，６₂〜６_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、１
２₁，１２₂〜１２_n…洩れインダクタンス、１３
…インダクタンス、１４…コンデンサ。

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電力転送用コンデンサを介し
て一次巻線を並列接続した変成器と、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。