JP2004336923A

JP2004336923A - 電源装置

Info

Publication number: JP2004336923A
Application number: JP2003131268A
Authority: JP
Inventors: Shiro Maeda; 志朗前田; Hiromoto Hasegawa; 博基長谷川
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】出力電圧パルスの波高値とパルス幅を安定して制御すること。
【解決手段】１次巻線（３ａ）および２次巻線（３ｂ）を有する昇圧トランス（３）と、直流電源（１）および前記１次巻線（３ａ）の間を接続するラインに、直列に挿入したスイッチング素子（４）および第１の抵抗（２）と、前記スイッチング素子（４）をスイッチング駆動する駆動手段（４１）と、ダイオード（５）および第２の抵抗（６）よりなる直列回路とを備える。その直列回路は、ダイオード（５）のカソードに直流電源のプラス電圧が印加される向きにして、前記１次巻線（３ａ）に並列に接続する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高電圧パルスの印加によりパルスストリーマ放電を発生させて殺菌等を行なう装置に使用可能な高電圧パルス発生用電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の高電圧パルス発生用電源装置として昇圧トランスの１次巻線に電流を流して電磁エネルギーを蓄積し、その電流を遮断することによる巻線の反発電圧を２次巻線に伝えて高電圧パルスを得る方法が種々考案されている。以下にこれら従来例の構成と動作を図面を用いて説明する。
【０００３】
図６は従来の電源装置の構成図で、直流電源１、１次巻線３ａ、２次巻線３ｂを有する昇圧トランス３、直流電源１より１次巻線３ａへ断続して電流を流すためのスイッチング素子４、スイッチング素子４と並列に接続されたダイオード５、当該電源装置に接続される負荷７、２次巻線３ｂと負荷７との間に挿入されたインダクタ８、負荷７と並列に接続されたコンデンサ９および前記スイッチング素子４をスイッチング駆動する信号を生成する駆動回路４１を備える。前記負荷７はパルスストリーマ放電をさせる電極構造を有し、電気的には主に静電容量の特性を示す。
【０００４】
以上の構成において、その動作を説明する。スイッチング素子４が駆動回路４１からのスイッチング素子駆動信号によりオンになると、直流電源１から昇圧トランス３の１次巻線３ａに図７に示すような概略直線状に増加する電流が流れ、前記１次巻線３ａに電磁エネルギーが蓄積される。
【０００５】
次に駆動手段４１からのスイッチング素子駆動信号により、スイッチング素子４がオフになると、前記１次巻線３ａに反発電圧が発生する。それが昇圧トランス３の巻線比に応じて２次巻線３ｂに伝達され、２次巻線３ｂに高い電圧が発生する。これを励振源としてインダクタ８、コンデンサ９で共振が起こり、図７に示すようなピークが高く、幅の狭いパルス電圧が発生し、これが負荷７に印加されることとなる。
【０００６】
この２次側の共振により、再度昇圧トランス巻線３ａ、３ｂの電圧極性が反転して１次巻線３ａの電圧が直流電源１の電圧を超えるとダイオード５が導通し、直流電源１にエネルギーが回生される。
【０００７】
２次側の共振により以上のような動作が繰返される結果、ダイオード５には図７に示すような回生電流が流れる。これらの基本動作をもとに、さらに出力電圧パルスの立ち上がり速度を上げるために、図８のように２次側の回路に高圧スイッチ１０を設け、コンデンサ９の電圧がピークに達した瞬間に高耐圧スイッチ１０を導通させて負荷７に電圧パルスを印加する方法が考案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−２２４１８７公報「パルス電源装置」（請求項１、図１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前記従来の構成では、出力電圧のピークはスイッチング素子４をオフした直後に発生するが、その波高値はスイッチング素子４のオフ時の速度に大きく依存するため、スイッチング素子４の部品ばらつきの影響を受けやすいという課題を有していた。
【００１０】
また、出力電圧のパルス幅は２次側の共振時定数に依存するためパルス幅の制御ができないという課題をも有していた。
【００１１】
また、スイッチング素子４のオフ時に昇圧トランス３の漏れインダクタンスにより大きなサージ電圧が発生し、それがスイッチング素子４に印加されるためスイッチング素子４に高耐圧が必要になるとともに、スイッチングノイズが大きくなるという課題も有していた。
【００１２】
さらに、特許文献１の例では２次側回路に高耐圧のスイッチング素子が必要となり、装置の大型化、コストアップにつながるという課題も有していた。
【００１３】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、出力電圧の波高値およびパルス幅の制御が容易で、安定した出力電圧パルスを得ることができ、更に電流容量、耐圧の比較的小さなスイッチング素子を使用でき、かつ安価な電源装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の電源装置は、１次巻線および２次巻線を有する昇圧トランスと、直流電源および前記１次巻線の間を接続するラインに、直列に挿入したスイッチング素子および第１の抵抗と、前記スイッチング素子をスイッチング駆動する駆動手段と、ダイオードおよび第２の抵抗よりなる直列回路とを備える。そして、その直列回路は、ダイオードのカソードに直流電源のプラス電圧が印加される向きにして、前記１次巻線に並列に接続する。
【００１５】
このような構成であれば、前記スイッチング素子の導通中に出力電圧がピークまで立ち上がり、その後自然に減少するため、スイッチング素子のオン幅で出力電圧パルスの波高値およびパルス幅が制御可能となり、特性の安定化、異常時の遮断等の安全設計が容易となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について図面に基づき説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における電源装置１００の構成図である。図１において、直流電源１のプラス端子とマイナス端子を、それぞれ抵抗２（第１の抵抗に相当）と、スイッチング素子４を介して昇圧トランス３の１次巻線３ａに接続し、このように、直流電源１、抵抗２、昇圧トランス３の１次巻線３ａ、スイッチング素子４がループ状に接続される。前記スイッチング素子４は駆動回路４１から供給される駆動信号によりスイッチング制御される。
【００１７】
そして、ダイオード５のカソードは、前記昇圧トランス３の１次巻線３ａの１端で前記抵抗２が接続された側（プラス側のライン）に接続され、前記ダイオード５のアノードは抵抗６（第２の抵抗に相当）の一端に接続され、前記抵抗６の他端は前記昇圧トランス３の１次巻線３ａの他端で前記スイッチング素子４に接続された側（マイナス側のライン）に接続される。さらに前記昇圧トランス３の２次巻線３ｂには電源装置１００の負荷７に相当するパルスストリーマ放電電極が接続される。
【００１８】
以上の構成において、その動作を図２の波形図を参照して説明する。まず駆動回路４１からのオン信号に基づきスイッチング素子４がオンすると、直流電源１から負荷７の容量を充電する電流と、昇圧トランス３の励磁インダクタンスに流れる電流が抵抗２を介して供給される。
【００１９】
前記負荷７の容量成分を充電する電流は、概略負荷容量の１次換算値と抵抗２の積で表される時定数に基づいて増加する。一方、昇圧トランス３の励磁インダクタンスに流れる電流はスイッチング素子４のオンと同時に０から概略直線的に増加する。ここで、前記負荷容量成分を充電する電流が、前記励磁インダクタンスに流れる電流よりも速く立ち上がるように抵抗２の抵抗値を選定することにより、負荷７に印加される出力電圧の立ち上がりを速くすることができる。
【００２０】
前記励磁インダクタンスに流れる電流が増加すると、抵抗２による電圧降下が増大し、昇圧トランス３の１次巻線３ａへの印加電圧が、負荷７の容量に充電された電圧の１次換算値より小さくなり、負荷容量の電圧、すなわち出力電圧の低下が始まる（時点ｔ）。
【００２１】
この直後にスイッチング素子４をオフすると、前記励磁インダクタンスに流れていた電流は第２の抵抗６、ダイオード５を環流し、やがて０となる。その後、昇圧トランス３の２次巻線３ｂと負荷７の容量の共振により、図２に示すような共振が発生し、そのエネルギーは主として抵抗６で消費されながら減衰することとなる。
【００２２】
以上の一連の動作によりパルス幅が１μｓ程度の高電圧パルス出力を得ることができる。なお、図２に示した波形は、直流電源１の電圧が２８０Ｖ、抵抗２の抵抗値が１５Ω、昇圧トランス３の巻線比が１／１８、同励磁インダクタンスが２０μＨ、負荷７の容量が２５ｐＦ、抵抗６の抵抗値が１０Ωの場合の例である。
【００２３】
ここで、スイッチング素子４のオン期間を図２の場合よりも短くした場合の波形を図３に示す。基本動作は同様であるが、スイッチング素子４のオフと同時に直流電源１からのエネルギー注入が停止するため、出力電圧パルスの波高値およびパルス幅がともに図２の場合より小さくなる。
【００２４】
以上の構成および動作からわかるように、スイッチング素子４のスイッチング速度に依存しない出力電圧パルスが得られ、スイッチング素子４のオンパルス幅を制御することで、出力電圧パルスの波高値およびパルス幅を制御することができる。また、抵抗２によって直流電源１から供給される電流を抑制できるため、スイッチング素子４の電流容量低減、負荷短絡時の保護が容易となる。
【００２５】
さらに、抵抗６とダイオード５による電流環流経路があるため、スイッチング素子４のオフ時のサージ電圧を抑制でき、スイッチング素子４に特別な高耐圧を必要とせず、不要輻射も低減できる。また、スイッチング素子４をオフすることにより、出力電圧上昇を抑えることができるため、保護制御が容易となる。
【００２６】
なお、本実施の形態では昇圧トランス３の１次巻線３ａと２次巻線３ｂの極性を逆としたが（昇圧トランス３に付した黒丸の位置が１次側と２次側で互いに反対の位置にある）、同極性としてもよい。また、スイッチング素子４は双方向スイッチとしたが、昇圧トランス３から直流電源１へ導通する片方向のスイッチング素子であってもよい。
【００２７】
また、図１の電源装置１００では、プラス側ラインに抵抗２を、マイナス側ラインにスイッチング素子４を挿入したが、プラス側ラインにスイッチング素子４を、マイナス側ラインに抵抗２を挿入してもよく、また、いずれか一方のラインにスイッチング素子４および抵抗２を直列にして挿入してもよい。更に、ダイオード５および抵抗６による直列回路は、図中、上側にダイオード５が、下側に抵抗６が位置するが、上下の位置が反転しても差し支えない。
【００２８】
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２における電源装置２００の構成図である。図４において図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００２９】
図４においては、ダイオード５のカソードと昇圧トランス３の１次巻線３ａ間にインダクタ８が挿入されている。このように構成した電源装置２００によれば、スイッチング素子４をオンした時にインダクタ８と負荷容量との間で共振が起こり、出力電圧の波高値をより高くすることが可能となる。
【００３０】
（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３における電源装置３００の構成図である。図５において図１および図４と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。図５においては、ダイオード５のカソードと昇圧トランス３の１次巻線３ａ間に接続していた図４のインダクタ８に替え、そのインダクタの成分を、昇圧トランス３の１次漏れインダクタンスを宛がっており、これにより図３に用いたようなインダクタ８を省略している。
【００３１】
図５の電源装置３００によれば、インダクタが省略できるため、装置の小型化、コストダウンが可能となる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、昇圧トランスの１次側に第１の抵抗を挿入し、更に、一次巻線と並列に、ダイオードおよび第２の抵抗を接続したので、出力電圧の波高値およびパルス幅の制御が容易となり、安定した出力電圧パルスを得ることができる。また、電流容量、耐圧の比較的小さなスイッチング素子が使用可能となり、装置の小型化、コストダウンができる。さらに、スイッチング素子のスイッチング時の不要輻射を低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における電源装置の構成図
【図２】本発明の実施の形態１における電源装置の各部動作波形図
【図３】本発明の実施の形態１における電源装置の異なる条件下の各部動作波形図
【図４】本発明の実施の形態２における電源装置の構成図
【図５】本発明の実施の形態３における電源装置の構成図
【図６】従来の電源装置の構成図
【図７】従来の電源装置の各部動作波形図
【図８】従来の電源装置の異なる構成図
【符号の説明】
１直流電源
２第１の抵抗
３昇圧トランス
４スイッチング素子
５ダイオード
６第２の抵抗
７負荷
８インダクタ
９コンデンサ
１０高耐圧スイッチ
３ａ１次巻線
３ｂ２次巻線
４１駆動手段
１００、２００、３００電源装置

Claims

昇圧トランスと、直流電源および昇圧トランスの１次巻線間を接続するラインに直列に挿入したスイッチング素子および第１の抵抗と、前記スイッチング素子を駆動する駆動手段と、ダイオードおよび第２の抵抗よりなる直列回路とを備え、
前記直列回路を、前記ダイオードのカソードに直流電源のプラス電圧が印加される向きにして前記１次巻線に並列に接続したことを特徴とする電源装置。
上記昇圧トランスの２次巻線に接続される負荷の容量成分を充電する電流が、上記昇圧トランスの励磁インダクタンスに流れる電流より早く立ち上がるように上記第１の抵抗の抵抗値を選定する請求項１記載の電源装置。
上記励磁インダクタンスに流れる電流の増加に伴い、上記第１の抵抗による電圧降下が増大し、上記昇圧トランスの１次巻線への印加電圧が、上記２次巻線に接続された負荷の容量に充電された電圧の１次換算値より小さくなり、出力電圧の低下が始まる時に、上記駆動手段が上記スイッチング素子をオフする請求項１もしくは２に記載の電源装置。
上記ダイオードのカソードと上記昇圧トランスの１次巻線間にインダクタを接続した請求項１〜３のいずれかに記載の電源装置。
上記インダクタに替え、上記昇圧トランスの漏れインダクタンスを宛がうことで前記インダクタを省略した請求項４記載の電源装置。