JP2003158875A - 高電圧発生回路 - Google Patents

高電圧発生回路

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JP2003158875A
JP2003158875A JP2001353950A JP2001353950A JP2003158875A JP 2003158875 A JP2003158875 A JP 2003158875A JP 2001353950 A JP2001353950 A JP 2001353950A JP 2001353950 A JP2001353950 A JP 2001353950A JP 2003158875 A JP2003158875 A JP 2003158875A
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voltage
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Nagahide Ishida
長秀 石田
Akihito Nagase
昭仁 永瀬
Junichiro Tomizawa
淳一郎 富澤
Tsutomu Okayama
努 岡山
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Hitachi Science Systems Ltd
Hitachi High Tech Corp
Original Assignee
Hitachi High Technologies Corp
Hitachi Science Systems Ltd
Hitachi High Tech Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】高効率とし、かつ小型で、出力電流が大きく、
リップル電圧の少ない、小電力高電圧発生回路の実現。 【解決手段】一次側スイッチング回路にダイオードを挿
入することにより、電力損失を減少させる。また、全波
整流型の多段昇圧回路の考案により、リップル電圧を軽
減する。 【効果】小電流高圧トランスの小型化と高効率化、多段
昇圧回路の高効率化とリップル電圧軽減ができ、小型で
電力効率の高い、高電圧電源を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、比較的小電流で、
低リップル電圧の高電圧発生装置の構成に関する。とく
に、電子顕微鏡や、各種検出器等に利用される高電圧発
生回路に使用することが好適である。
【0002】
【従来の技術】比較的小電流の高電圧発生回路として、
従来一般的に使われている、高周波小型トランスと多段
昇圧回路を組合わせた回路を図5に示す。
【0003】小電流高圧トランスT3は1次側に2組の
1次コイルを有し、接続点に1次電圧V1を入力し、2
組の電子スイッチSW1及び、SW2により、周波数f
0で交互に断続し、高周波の交流電流を作り出す。図6
に、図5の回路の電圧、電流波形を示す。
【0004】a時点でSW1がオフになると、Vsw1がプラス
に変化するとともに、反対側のVsw2がマイナスに変化
し、SW2阻止に逆電流が流れて阻止が破壊することを防
止するために挿入され、あるいは阻止自体に内蔵される
逆電流阻止用ダイオードDS2を通して、GNDからV1に向か
って電流が流れ、Vsw2はDS2でクランプされて0Vとなる。
その結果、SW2に流れる電流は図に示すIsw2のようにな
り、このうち有効な電力として2次側に伝達されるのは、
Isw2の波形のハッチングを付した部分である。小電流高
圧トランスT3の二次側の電圧V2のピーク値は巻き数
比を1:n3とすると、 V2=2×V1×n3・・・・・・・・・式1 となり、これをn段の多段昇圧回路で整流昇圧して、出
力電圧Vo3は、 Ve3≒2×V1×n3×2×N・・・・式2 となる。図6の多段昇圧回路は、「コッククロフト・ウ
ォルトン回路」と呼ばれ、一般的に使用されている回路
である。この回路では、V2が負の期間にC4が充電さ
れ、次にV2が正の期間、D2を通してC5が充電される。
この動作がN段カスケード状に行なわれて、式1の出力
電圧が得られる。このように、この回路は半波整流回路
として動作する。
【0005】出力電圧Ve3に、抵抗Rf2とコンデンサ
f2により構成されローパス・フィルタ回路を付加して
周波数f0のリップル電圧を除去すると、出力電圧VO3
に重畳するリップル電圧Vppは、周波数f0の成分で、 Vpp=Vpp3×CZ/(Rf2+CZ)・・・・式3 ここでCZ=1/(2×π×f0×Cf2)・・・式4 となる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】この種の回路は、でき
るだけ高効率とし、かつ小型にできることが望ましい。
ひとつの方法は、トランスの巻き数比を大きくして、多
段昇圧回路の段数Nを減らすことであるが、二次側の巻
き数を大きくすると、線間の浮遊容量や寄生容量が増大
し、効率が低下するとともに、回路のコントロールが難
しくなる。周波数f0を上げることは、一般的に効率が
向上し、リップル電圧除去のためのローパス・フィルタ
回路の静電容量も少なくて済むが、逆にトランスの浮遊
容量の効果が増大し、また、多段昇圧回路のダイオード
は高電圧用のため逆回復時間の非常に早いものは入手が
難しく、逆リーク電流の増大などで、かえって効率が落
ちることがある。
【0007】本発明は、従来と同等の巻数のトランスで
2次側電圧を増大させること、および、全波整流型の多
段昇圧回路を工夫することでリップル電圧を減少させ、
かつ多段昇圧回路のダイオード電流を減少させることに
より、回路の小型化、高効率化を図るものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】一次側の電子スイッチに
逆電流が流れないように、ダイオードを挿入し、フライ
バック動作とすることで、二次側電圧を増大させる。ま
た、従来1巻線であった二次側コイルを中間タップ付き
とし、逆位相に動作する両端に2組の多段昇圧回路を接
続して、全波整流動作とする。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、図面を用いて発明の2つの
実施例を説明する。
【0010】図3は、本発明の一実施例である。電子ス
イッチSW1、SW2に直列に、順方向にダイオードD
A1、DA2を挿入する。その他は図7に示した従来の
構成と同じである。図4に、図3の回路の電圧、電流波形
を示す。a時点でSW1がオフになると、Vsw1がプラスに変
化するとともに、反対側のVsw2がマイナスに変化する。
図5の回路では、逆電流阻止用ダイオードDS2を通して、
GNDからV1に向かって電流が流れ、Vsw2はDS2でクランプ
されて0Vとなるが、図3の回路では、マイナス方向の
電流は挿入したダイオードDA2で阻止されて流れない
ので、Vsw2はマイナス方向にGND電圧を超えてほぼ−2
V1の電圧までふれる。同時にVsw1もVsw2側巻線のエネ
ルギーが逆電流が流れることにより失われないので、図
5の回路でのピーク電圧2V1を超える振幅となる。こ
の期間をフライバック動作期間と呼ぶ。この結果二次側
の電圧V2のピーク電圧も大きくなり、 V2≒K×2×V1×n2・・・・・・・式5 が得られる。ここで、フライバック倍率Kは、フライバ
ック動作期間のON期間とOFF期間の比により決ま
り、 K=tON/tOFF・・・・・・・・・・式6 となる。このフライバック倍率Kは、3倍以上程度とす
ることが出来る。この結果、出力電圧Ve2は、 となり、図5の回路に比べてK倍高い電圧を得ることが
できる。
【0011】所要出力電圧が同じであれば、図5の従来
回路と比較して、多段昇圧回路の段数を1/Kにするこ
と、あるいはトランスの二次側巻線数を1/Kとするこ
とが可能であり、小型化ができる。トランスの巻き数を
減らした場合には、線間の浮遊容量や寄生容量、及び、
インダクタンスが減少し、効率を向上させることができ
る。
【0012】次に、2次側の多段昇圧回路全波整流方式
として、出力電圧に重畳するリップル電圧を減少させる
ことのできる、別の実施例を図1に示す。
【0013】図1は、本発明の特徴を示した高電圧発生
回路の別の実施例である。
【0014】図1に示す回路で、小電流高圧トランスT
1は、巻数比が1:n1で、2個の1次側コイルと、2
個の2次コイルを有する。この小電流高圧トランスT1
を2個の電子スイッチSW1及び、SW2により、周波
数f0で交互に断続し、高周波の交流電流を作り出す。
2個の2次コイルは、多端が逆極性となるようにそれぞ
れの一端を接続する。2次側の多段昇圧回路は、コック
クロフト・ウォルトン回路の一方のコンデンサ列を2個
の2次コイルの接続点に接続し、これに対して他方のコ
ンデンサ列を2組設けてそれぞれ逆位相に振れている2
個のコイルの他端に接続する。ダイオードの配列は、対
象形とする。この回路の動作電圧波形を図2に示す。2
個の2次側コイルの電圧は、Vf1、Vf2に示すように、逆
極性となる。Vf1が負の期間にC1が充電され、次にVf1
が正の期間、D2を通してC2が充電される。 また、Vf1
が正の期間、Vf2は負であって、C3が充電され、次にVf1
が負の期間、Vf2は正であってD4を通してC2が充電され
る。すなわち、先に示した図5の回路では、周波数f0
の1周期に1回、C2が充電されるのに対し、図1の回路
では、1周期に2回、Vf1とVf2がそれぞれ正である期
間、交互にC2が充電される。この動作がN段カスケード
状に行なわれて、出力電圧が得られる。出力電圧は、前
記の式1と同じである。この方式のメリットは2つあ
り、ひとつは、C2列が周波数f0の1周期に2回充電さ
れるので、非充電期間の長さも半分となり、リップル電
圧は約半分に減少する。またリップル電圧の周波数が2
倍であるので、出力に付加する、Rf1,Cf1によるローパ
スフィルタは、同じ定数であれば2倍のリップル低減効
果を有する。もうひとつは、D2とD4を通して交互にC2を
充電するので、図3の回路に比べ、同一負荷電流であれ
ば、ダイオードに流れる電流が約半分となることであ
る。
【0015】高耐圧整流用ダイオードは電流定格が小さ
く、小型のものを使用でき、高電圧発生回路自体を小型
化できるようになるとともに、電流定格が小さいものほ
ど、逆回復時間の短いものが入手可能なため、周波数f
0を上げることができる。
【0016】以上説明した2つの方法は、ともに、高電
圧発生回路の小型化、高効率化に寄与するものであり、
また、両者を組み合わせることにより、さらに効果が増
大する。
【0017】
【発明の効果】本発明により、小電流高圧トランスの小
型化と高効率化、多段昇圧回路の高効率化とリップル電
圧軽減ができ、小型で電力効率の高い、高電圧電源を実
現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す回路図。
【図2】図1の回路の動作電圧波形を示す図。
【図3】本発明のひとつの実施例を示す回路図。
【図4】図3の回路の動作電圧波形を示す図。
【図5】従来技術の高電圧発生回路を示す回路図。
【図6】図5の回路の動作電圧波形を示す図。
【符号の説明】
T1…小電流高圧トランス、T2…小電流高圧トラン
ス、T3…小電流高圧トランス、n1,n2,n3…小
電流高圧トランスの2次側の巻数、V1…1次側低電圧
入力、VSW1,VSW2…1次側スイッチング電圧入
力、ISW1,ISW2…1次側スイッチング電流入
力、DA1,DA2…逆流阻止用ダイオード、SW1,
SW2…1次側電子スイッチ、DS1,DS2…逆流阻
止用ダイオード、Vf…2次側センタータップ、Vf
1,Vf2…2次側フライバック電圧出力、If1,I
f2…2次側フライバック電流出力、Ra…ダンピング
抵抗、C1,C2,C3…1段目昇圧用コンデンサ、C
2a,C2b,C2aN,C2bN…昇圧用コンデン
サ、C1N,C2N,C3N…N段目昇圧用コンデン
サ、D1,D2,D3,D4…高耐圧整流用ダイオー
ド、D1n,D2n,D3n,D4n…N段目高耐圧整
流用ダイオード、Ve1…高電圧出力、Vpp1…リッ
プル電圧、Rf1…フィルタ用抵抗、Cf1…フィルタ
用コンデンサ、Ro…出力保護抵抗、Vo1…高電圧出
力、Vpp…リップル電圧、V2…2次側フライバック
電圧出力、I2…2次側フライバック電流出力、Cx…
高圧トランスの2次側の浮遊容量、Rc…ダンピング抵
抗、ID1…高耐圧整流用ダイオードを流れる電流1、I
D2…高耐圧整流用ダイオードを流れる電流2、C4,C
5…1段目昇圧用コンデンサ、C4N,C5N…N段目
昇圧用コンデンサ、Ve2…高電圧出力、Vpp2…リ
ップル電圧、Rf2…フィルタ用抵抗、Cf2…フィル
タ用コンデンサ、Vo2…高電圧出力、N…コッククロ
フト・ウォルトン回路の段数、Vo3…高電圧出力。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 永瀬 昭仁 茨城県ひたちなか市大字市毛1040番地 株 式会社日立サイエンスシステムズ内 (72)発明者 富澤 淳一郎 茨城県ひたちなか市大字市毛1040番地 株 式会社日立サイエンスシステムズ内 (72)発明者 岡山 努 茨城県ひたちなか市大字市毛1040番地 株 式会社日立サイエンスシステムズ内 Fターム(参考) 5H006 AA07 CA07 CB04 CB05 DA04 5H730 AA14 AA15 AS04 AS16 BB25 DD04 EE02 EE03 EE06 EE07

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 2個の1次側コイルと1個の2次コイル
    を有する小電流高圧トランスと、各2個の1次側コイル
    の接続点に単一の1次電源を入力する手段と、各2個の
    1次側コイルの電流を2個の電子スイッチにより交互に
    断続して高周波の交流電流を作り出す手段とを有し、該
    2次コイルに高電圧を発生させ、これを整流して直流の
    高電圧を発生させるように構成される高電圧発生回路で
    あって、 各一次側コイルと各電子スイッチとの間にそれ
    ぞれダイオードを挿入し、一方の電子スイッチがオフに
    なったあと、他方の電子スイッチ端に発生する負の電圧
    が、他方の電子スイッチに組み込まれている逆接続ダイ
    オードを通じて1次電源にエネルギーが回収されること
    を阻止することで、 各2次コイルに、「各小電流高圧ト
    ランスの巻数比×1次電圧×2」より大きな電圧を発生
    させるようにしたことを特徴とする、高電圧発生回路。
  2. 【請求項2】 2個の1次側コイルと2個の2次コイル
    を有する小電流高圧トランスと、各2個の1次側コイル
    の接続点に単一の1次電圧を入力する手段と、各2個の
    1次側コイルの電流を2個の電子スイッチにより交互に
    断続して高周波の交流電流を作り出す手段とを有し、各
    2個の2次コイルを、相互に逆位相の電圧を発生するよ
    うに相互の一端を連結し、連結しない方の端子を、1組
    の全波整流多段昇圧回路に接続するように構成したこと
    を特徴とする、高電圧発生回路。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005348554A (ja) * 2004-06-04 2005-12-15 Hitachi High-Technologies Corp 電圧源回路
CN105141138A (zh) * 2015-10-21 2015-12-09 南京航空航天大学 一种倍压式软开关型推挽直流变换器
JP7399804B2 (ja) 2020-07-01 2023-12-18 東芝エネルギーシステムズ株式会社 電流遮断装置

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