JP2006505239A

JP2006505239A - 高電圧電源

Info

Publication number: JP2006505239A
Application number: JP2005502194A
Authority: JP
Inventors: サラマ，マグディー; ラム，チュン・ホー; カゼラニ，メハーダッド
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2002-11-01
Filing date: 2003-10-28
Publication date: 2006-02-09
Also published as: KR20050067223A; CA2504438A1; EP1563596A1; TW200423514A; AU2003285065A1; US20040085784A1; WO2004042907A1; US7477529B2

Abstract

高電圧電源（１０）は、入力電圧信号を受け取り、上記入力電圧信号を制御可能なＤＣ電圧に変換する電力スケーリング部（１３０）と、上記制御可能なＤＣ電圧を高周波に変換するプッシュプル変換器（１４０）と、上記プッシュプル変換器（１４０）によって生成された上記高周波を受け取り、高電圧ＤＣ出力を生成するように、連続する電圧倍増操作を実施する電圧増倍器（２００）と、を含む。１つの実施態様では、電圧増倍器（２００）は、約１００ｋＨｚの周波数を有する方形波を受け取り、約０〜３０ｋＶの調整可能なＤＣ電圧を出力する。１つの実施態様では、高電圧電源（１０）は、電圧増倍器（２００）用の絶縁システム（２５０）を含み、絶縁システムは、ｎ層の絶縁層及び連続する絶縁層の間に位置するｍ個の導電性ストリップで形成される。

Description

本発明は、電源技術に関し、より詳細には、改善されたｋＶ／容積特性を有する高電圧電源に関する。

（関連出願）
本出願は、その全体の内容が参照により本明細書に組み込まれる、２００２年１１月１日に出願された米国仮出願第６０／４２２，８４５号の米国特許法１１９条（ｅ）の下で優先権を主張する。

（発明の背景）
例えば、高電圧負荷に対してＤＣ電力を供給するための、典型的な電圧供給部は、入力と出力間の電圧増加及び絶縁を提供する変圧器と変圧器出力から必要とされる高電圧を生成する適切な構成の電圧増倍器段とを含む電力電子部品を利用する。通常、航空宇宙用途のための高電圧電源は、サイズが大きく、典型的には、１４１５８．４立方センチメートル（０．５立方フィート）より大きい。これは、絶縁要件、動作周波数、電圧増倍器への典型的な入力（例えば、２５Ｖ）について必要とされる、電圧増倍器の多数の電圧倍増段、及び、電力電子部品の中の磁性部品（誘導子及び変圧器）のサイズなどの要因のためである。更に、連続した電圧倍増段の動作特性のために、出力の電圧リップル及び電圧降下の増大が、負荷下で起こることが多い。

（発明の概要）
本発明の一態様は、高電圧電源を対象とする。一態様によれば、本発明は、連続可変の高電圧電源を対象とする。本発明の実施形態による高電圧電源は、入力電圧信号を受け取り、上記入力電圧信号を制御可能なＤＣ電圧に変換する電力スケーリング部と、上記制御可能なＤＣ電圧を高周波に変換するプッシュプル変換器と、上記プッシュプル変換器によって生成された上記高周波を受け取り、高電圧ＤＣ出力を生成するように、連続する電圧倍増操作を実施する電圧増倍器と、を備える。本発明の別の態様は、高電圧電力を供給する方法を対象とする。本発明の実施形態による高電圧電力を供給する方法は、入力電圧信号を受け取り、上記入力電圧信号を電力スケーリング部で制御可能なＤＣ電圧に変換するステップと、上記プッシュプル変換器を使用して上記制御可能なＤＣ電圧を高周波に変換するステップと、上記プッシュプル変換器によって生成された上記高周波を受け取り、高電圧ＤＣ出力を生成するように、連続する電圧倍増操作を実施するステップと、を含む。

なお、本発明のより完全な理解は、添付図面に関連して行われる以下の説明から明らかになるであろう。

本発明の他の態様及び利点は、添付図面を参照して、以下の詳細な説明を読むと明らかになるであろう。
図１は、本発明の原理による、高電圧電源（ＨＶＰＳ、ｈｉｇｈ−ｖｏｌｔａｇｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ）１０の機能ブロック図を示す。一般に、ＨＶＰＳ１０は、ＤＣ（直流）又はＡＣ（交流）電圧を、例えば、約数十キロボルト（ｋＶ）の、絶縁された高精度の連続調整可能な高ＤＣ電圧に変換する。本発明の原理に従って構成された電源１０は、０．０３６６ｋＶ／立方センチメートル（０．６ｋＶ／立方インチ）の大きさのｋＶ／容積、及び、６６．２ｋＶ／ｋｇ（３０ｋＶ／ポンド）の大きさのｋＶ／重量を有する場合がある。電源は、自然に冷却され（例えば、対流冷却）、広い範囲の環境（例えば、海面レベルの大地から宇宙空間まで）で動作することができる。

図１に示すＨＶＰＳ１０は、３つの主要なモジュール、すなわち、電力電子部品モジュール１００、電圧増倍器モジュール２００、及び電力電子部品制御モジュール３００を備える。電力電子部品モジュール１００は、入力ＡＣ又はＤＣ電圧を調整可能ＤＣ電圧に変換し、調整可能ＤＣ電圧を調整可能な振幅の高周波（好ましい実施形態では、方形波である）に変換する。本発明の１つの実施態様では、電力電子部品モジュール１００によって生成される高周波は、約２０ｋＨｚより大きな周波数を有する。本発明の１つの好ましい実施態様では、電力電子部品モジュール１００によって生成される高周波は、約１００ｋＨｚの周波数を有する。電力電子部品モジュール１００は、大きく、重いリアクタンス性素子の必要を減らすために、高周波動作を使用する。更に、高周波動作は、以下で詳細に説明する理由によって、ＨＶＰＳ１０の電力密度を増加させ、負荷下での出力電圧リップル及び電圧降下が減る。電力電子部品モジュール１００の高周波変圧器は、入力と出力間の絶縁を提供する。

電圧増倍器モジュール２００は、電力電子部品モジュール１００によって出力された高周波を高電圧に変換する。本発明の１つの実施態様では、電圧増倍器モジュール２００は、約１ｋＶＤＣまでの調整可能な電圧を出力することができる。本発明の１つの好ましい実施態様では、電圧増倍器モジュールは、約３０ｋＶＤＣまでの調整可能な電圧を出力することができる。ＨＶＰＳ１０出力の上限範囲は、より多数の電圧倍増段を使用することによって更に増加する可能性がある。絶縁システム２５０は、電圧増倍器モジュール２００を備える。絶縁システム２５０（以下で、詳細に説明する）は、小さな容積で大きな電圧を可能にする。制御モジュール３００は、閉ループ内のアナログ又はデジタルコマンドに従って電力電子部品モジュール１００の波出力の振幅を調整する。

より具体的には、電力電子部品モジュール１００は、電力信号、例えば、２８ＶＤＣ、及び、例えば、０〜３０ｋＶＤＣの範囲の、連続可変の高電圧電源の出力電圧を示す可変コマンド信号、例えば、０〜１０ＶＤＣを受け取る。電力電子部品モジュール１００では、所望の出力電圧の関数として、入力電圧を制御可能ＤＣ電圧に変換するのに、所謂、「昇圧（ｂｕｃｋ）変換器」が使用される。次に、プッシュプル変換器を使用して、この電圧が、例えば、約０〜１ｋＶの振幅を有する高周波電圧に変換される。電力電子部品モジュール１００と電力電子部品制御モジュール３００の間のフィードバック信号を使用した閉ループ系によって、確実にＨＶＰＳ１０の出力電圧がコマンドに追随する。

図２は、本発明の実施形態による、電力電子部品モジュール１００の機能ブロック図である。図２を見るとわかるように、電力電子部品モジュール１００は、電力スケーリング部１３０、プッシュプル変換器１４０、及び電源部１２０を含む。電力スケーリング部１３０は、入力電力信号、例えば、２８ＶＤＣ、及び、所望の高電圧電源の出力電圧を示すスケーリング制御信号を受け取るバックコンバータ（ｂｕｃｋ−ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）である。電力スケーリング部１３０は、入力電力信号を、例えば、０〜２８Ｖの範囲の制御可能なＤＣ電圧に変換するために、電力電子部品制御モジュール３００から受け取るスイッチ・ゲート制御信号によって、オン／オフのゲート制御を行うスイッチング素子Ｑ１を含む。

プッシュプル変換器（ｐｕｓｈ−ｐｕｌｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１４０は、以下でより詳細に説明する高周波変圧器構成を使用して、電力スケーリング部１３０の出力を、例えば、０〜１ｋＶのピーク値を有する高周波電圧に変換する。プッシュプル変換器１４０によって生成された高周波は、本発明の実施態様によれば方形波であり、それによって、その後の電圧増倍が容易になり、ＨＶＰＳ１０の、電圧降下及びリップル・レベルの減少を含む安定性の特性が改善される。プッシュプル変換器１４０は、入力と出力間での絶縁及び電圧増加を提供する。プッシュプル変換器１４０によって出力される高電圧によって、電圧増倍器モジュール２００が、電圧倍増段を少なくして、必要とする範囲の出力電圧を達成することが可能になる。例えば、ＨＶＰＳ１０の、必要とされる最大出力電圧が３０ｋＶＤＣで、プッシュプル変換器が０〜１ｋＶを出力する場合、電圧増倍器を、１６個の倍増段で実施することができる。この実施態様では、余分の電圧倍増段が設けられて、それぞれの電圧増倍段のダイオードの両端の電圧降下が補償され、負荷下での電圧降下が補償され、電圧増倍器モジュールのそれぞれの段において損失を引き起こす場合がある出力負荷の全範囲にわたって３０ｋＶＤＣ出力電圧を確実に得ることができるようになる。以下で説明する本発明の１つの実施態様では、電圧増倍段は、２つのボードの間で分割される（例えば、１つのボード当たり８段）。

電源部１２０は、入力電力信号を受け取り、電力電子部品制御モジュール３００の種々の回路構成用の供給電圧（例えば、５Ｖ、１５Ｖ）を生成する。供給電圧が外部から供給される点で、電源部１２０は、任意選択の要素である。

図３は、電力スケーリング部１３０、プッシュプル変換器１４０、及び電源部１２０についての例示的な実施態様の詳細を含む、本発明の実施態様による電力電子部品モジュール１００の略詳細図である。図３を見るとわかるように、例示的な実施態様の電力スケーリング部１３０は、図３の例示的な実施態様ではＤＣ電力である、入力電力信号を（接続部Ｐ、Ｎを介して）受け取るように接続される。電力スケーリング部１３０は、ＩＲＦ５３０ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子Ｑ１を含み、そのデューティ・サイクルは、電力電子部品制御モジュール３００から受け取るスイッチ・ゲート制御信号Ｇ１Ｐに従って入力電圧をスケーリングするように制御される。図３に示す電力スケーリング部１３０は、ゲート制御信号Ｇ１Ｐをスイッチング素子Ｑ１に印加する抵抗器Ｒ１及びＲ２を含む。電力スケーリング部１３０は更に、スケーリングされた出力電圧を平滑化／フィルタリングするための、誘導子Ｌ１並びにコンデンサＣ７及びＣ８を含むフィルタリング機構、並びに、電力スケーリング部１３０の出力を示すフィードバック信号ＶＦ（電力電子部品制御モジュール３００にフィードバックされる）を生成するための、抵抗器Ｒ４、Ｒ５、及びコンデンサＣ１１を含むＲＣ構成を含む。抵抗器Ｒ４及びＲ５は、フィードバック信号ＶＦを生成する電圧分割器の役を果たし、コンデンサＣ１１は、フィードバック信号をフィルタリングする。電力スケーリング部１３０は更に、入力電圧の雑音を減らすために入力電圧をフィルタリングするためのコンデンサＣ１及びＣ３、並びに、図３のバックコンバータ機構用のフリーホイールダイオードであるダイオードＤ２の構成を含む。

プッシュプル変換器１４０は、入力と出力間の電圧絶縁及び増加を提供するための、例えば、１：１：３６の巻き数比を有する高周波変圧器Ｔ１、並びに、電力電子部品制御モジュール３００から受け取るスイッチ・ゲート制御信号Ｇ２Ｐ及びＧ３Ｐに従って切り換えられる一対のスイッチＱ２及びＱ３を含む。スイッチＱ２及びＱ３は、１００ｋＨｚなどの高いレートで切り換わるＩＲＦ５３０などのＭＯＳＦＥＴタイプの半導体スイッチであってよい。

こうして、変圧器Ｔ１の一次巻線に接続されるスイッチＱ２及びＱ３は、変圧器に高周波電圧を供給し、高周波電圧は、電圧増倍器モジュール２００へ出力するために、変圧器Ｔ１によって増加する。プッシュプル変換器１４０は更に、スイッチＱ２へスイッチ・ゲート制御信号を供給する抵抗器Ｒ６、Ｒ７、及び、スイッチＱ３へスイッチ・ゲート制御信号を供給する抵抗器Ｒ１０、Ｒ１１の機構を含む。

図３の実施態様による電源部１２０は、第１電圧供給部１２２及び第２電圧供給部１２４を含む。第１電圧供給部１２２は、１５Ｖ電圧調整器Ｕ１（例えば、７８１５集積回路）を使用して、図３に示すように実施されることができる。図３の第１電圧供給部１２２の略図は、入力電圧をフィルタリングするコンデンサＣ２、１５Ｖ電圧調整器Ｕ１の出力電圧をフィルタリングするコンデンサＣ４及びＣ５、並びに、バイパス・ダイオードとして働くフィードバック・ダイオードＤ１を含む。第２電圧供給部１２４は、５Ｖ電圧調整器Ｕ２（例えば、７８０５集積回路）を使用して実施されることができる。図３の第２電圧供給部１２４の略図は、入力フィルタリング及び出力フィルタリング用のコンデンサＣ６及びＣ９、並びに、バイパス・ダイオードＤ４を含む。図３に示す例示的な実施形態のための電源モジュール１２０は更に、電力スケーリング部１３０のスイッチング素子Ｑ１用の絶縁された１５Ｖ電源を供給する第３電圧供給部１２６を含む。第３電圧供給部１２６は、絶縁式ＤＣ−ＤＣ変換器Ｕ３（例えば、ＡＡ５−１５集積回路）及びフィルタリング用のコンデンサＣ１０、Ｃ１２、Ｃ１３を含む。

図４は、電圧増倍器２００の実施形態用の回路構成を示す。電圧増倍器２００は、それぞれが複数のコンデンサとダイオードを備える、複数の電圧増倍段２１０−１、２１０−２、…、２１０−ｎを含む。図４を見るとわかるように、それぞれの電圧増倍段は、それぞれが一対のダイオードを有する２つの分岐を含む。段の数及び部品の個々の値が、電圧増倍を制御することになることを当業者は理解するであろう。例えば、１つの構成では、コンデンサは、０．１マイクロ・ファラドの値を有し、１６段（例えば、２枚のボード間で分割され）で構成されて、電圧増倍器モジュール２００に入力される波の最大ピーク値が１ｋＶである時、３０ｋＶＤＣへの増倍を可能にする。要素の他の定格及び電圧倍増段の数が、所望の出力電圧レベルに基づいて選択される必要があることを当業者は理解するであろう。

図５は、本発明の実施形態による電力電子部品制御モジュール３００の機能ブロック図である。図５を見るとわかるように、電力電子部品制御モジュール３００は、高周波クロック信号を生成するクロック発生器３１０、電力電子部品モジュール１００のプッシュプル変換器１４０のスイッチＱ２、Ｑ３用のスイッチ・ゲート制御信号を生成する変換器ゲート制御信号発生器３２０、及び、電力電子部品モジュール１００の電力スケーリング部１３０のスイッチＱ１用のスイッチ・ゲート制御信号を生成するスケーリング部ゲート制御信号発生器３３０を含む。スケーリング部ゲート制御信号発生器３３０は、所望の出力電圧を示すコマンド信号、及び、プッシュプル変換器１４０へ出力されるスケーリングされた電圧の大きさを示す、電力スケーリング部１３０からのフィードバック信号ＶＦに従って電力スケーリング部１３０のスイッチＱ１のデューティ・サイクルを制御する。

図６は、本発明の例示的な実施態様による電力電子部品制御モジュール３００の略図である。図６では、クロック発生器３１０は、一連のＮＯＲゲートＵ１Ａ、Ｕ１Ｂ、Ｕ１Ｃ、及びＵ１Ｄ、例えば、一連の２入力ＮＯＲゲートＣＭＯＳ集積回路（４００１）を使用して実施され、ゲート制御クロック信号Ｄｒ２及びＤｒ３を生成する。ＮＯＲゲートＵ１Ｃによって出力されるゲート制御クロック信号Ｄｒ２は、ＮＯＲゲートＵ１Ｄによって出力されるゲート制御クロック信号Ｄｒ３と１８０°位相がずれており、その結果、プッシュプル変換器１４０のスイッチング素子Ｑ２、Ｑ３は、一度に１個のみがオンされるように交互に駆動される。クロック発生器３１０は更に、Ｄｒ２、Ｄｒ３においてパルス周波数を生成するための、コンデンサＣ１、抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、及び、ダイオードＤ１を含む回路構成を含む。

図６の変換器ゲート制御信号発生器３２０は、ＩＲ２１２５集積回路などの高速パワーＭＯＳＦＥＴドライバを使用して実施されることができる。第１ドライバ回路３２２は、クロック発生器３１０から受け取った、クロック信号Ｄｒ２に基づいてゲート・スイッチング信号Ｇ２Ｐを生成し、第２ドライバ３２４は、クロック信号Ｄｒ３に従ってゲート・スイッチング信号Ｇ３Ｐを生成する。図６のスケーリング部ゲート制御信号発生器３３０は、入力コマンド電圧Ｖｃｍｄ、及び、電力スケーリング部１３０からのフィードバック信号ＶＦに基づいてスケーリング制御信号Ｄｒ１を生成する制御回路３３４を含む。図６に示す実施態様では、制御回路３３４は、Ｄｒ１を生成するための、スイッチング・モード電源コントローラ集積回路（例えば、ＴＬ４９４集積回路）を含む。制御回路３３４は、チップ製造業者によって推奨され、ＰＷＭ動作のスイッチング周波数を規定するために使用される、種々の抵抗器及びコンデンサを含む外部部品を含む。高速ＭＯＳＦＥＴパワー・ドライバ３３６は、スイッチング制御信号Ｄｒ１に基づいて電力スケーリング部１３０のスイッチＱ１用のスイッチ・ゲート制御信号Ｇ１Ｐを生成する。パワー・ドライバ３３６は、ＩＲ２１２５高速パワーＭＯＳＦＥＴドライバなどのよく知られている集積回路を使用して実施されることができる。図６に示すスケーリング部ゲート制御信号発生器３３０は更に、制御利得要素３３２を含み、制御利得要素３３２は、制御回路３３４用の制御信号を生成するために、抵抗器Ｒ８〜Ｒ１１、及びトランジスタＱ１の機構を含む。制御利得要素３３２は、外部コマンド電圧Ｃｍｄを受け取り、Ｖｃｍｄを生成する。Ｖｃｍｄは、この実施態様では、Ｃｍｄに対してスケーリングされる。このスケーリングは、コマンド信号と、電力スケーリング部１３０の出力電圧の閉ループ制御の一部としてのフィードバック信号ＶＦとの比較を容易にするために実施される。制御利得要素３３２はまた、制御回路３３４用のデッド・タイム制御機能（Ｖｄｔｃ入力）を設定する。

図３、図４、及び図６は、本発明の例示的な実施態様による略詳細図を示す。当業者には理解されるように、示される特定の要素及び値は、同じ機能上の結果を達成するために、同じように機能する要素及び適切な組み合わせと置き換えることができる（例えば、トランジスタのタイプを変更することができる）。更に、要素のグループのうちの幾つかの要素又は機能を、単一の要素（例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、ハイブリッド・デバイスなど）に合併することができる。更に、略図の機能部分は、他のシステムから提供されることができる。例えば、電源部１２０を適当な外部電力源と置き換えることができる。示す回路によって例示されるように、種々の回路構成を使用して、同様な機能上の結果を達成することができることを当業者は理解するであろう。

図７Ａ〜図７Ｅ（ひとまとめに「図７」と呼ぶ）は、本発明の例示的な実施態様による、ＨＶＰＳ１０用の回路ボード相互接続部構成を示す。この実施態様では、電力電子部品制御モジュール３００に関連する回路構成は、第１回路ボード（ボード１）上に設けられ、電力電子部品モジュール１００に関連する回路構成は、第２回路ボード（ボード２）上に設けられる。電圧増倍器モジュール２００に関連する回路構成は、２つの追加ボード（ボード３、ボード４）の間で分割される。図７に示す実施態様の回路ボードは、複数のジャンパＪ１〜Ｊ６を利用して、種々のボードと外部接続部との接続を提供する。図７に示す回路ボード構成では、制御ボード（ボード１）及び電力電子部品ボード（ボード２）は、電圧増倍器ボード（ボード３、４）の下に設けられる。ボード１とボード２の間隙は、ボード３とボード４の間隙よりかなり小さく、例えば、約２．０ｃｍの間隙と比べて約０．５ｃｍの間隙である。ボード２とボード３の間隙は、ボード３とボード４の間隙と少なくとも同じであるべきである。

図８は、本発明の実施態様による、電圧増倍器モジュール２００の回路ボードに対して改善された絶縁を提供する絶縁システム２５０を示す。絶縁システム２５０は、多層絶縁システム内で電界を制御することによって高いブレークダウン電圧を提供する。絶縁システム２５０は、ｎ層の絶縁層２５２−１、…、２５２−ｎ、及び、連続する絶縁層の間に設置されるｍ個の非常に薄い（例えば、約１ｍｍ未満の）導電性ストリップ２５４−１、…、２５４−ｍから構築される。各層２５２−１、…、２５２−ｎは、ポリマー絶縁材料などの適当な誘電材料で構成されることができる。各導電性ストリップ２５４−１、…、２５４−ｍの幅はＫａで表され、各絶縁層の厚みはｂで表され、複合絶縁システム２５０の幅はＡで表され、複合絶縁システム２５０の厚みはＢで表される。本発明の一実施態様では、増倍絶縁複合体は、電圧増倍ボードの両面（例えば、図７のボード３及びボード４）に設けられる。

各層２５２の導電性ストリップ２５４−１、…、２５４−ｍは、絶縁耐圧を最大にするずれファクターによって決まる、隣接する層の導電性ストリップに対する一定距離だけ対称的にずれる。複合絶縁体内の電位分布は、電界を減らすための、異なる設計パラメータについてのラプラス方程式の解から求められることができる。絶縁システム２５０の基礎にある原理は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、「ＤｅｓｉｇｎｏｆＦｉｅｌｄ−ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＭｕｌｔｉｌａｙｅｒＩｎｓｕｌａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ」ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＩｎｓｕｌａｔｉｏｎ，Ｖｏｌ．ＥＩ−２１，Ｎｏ．２，Ａｐｒｉｌ１９８６という名称の論文に詳細に記載される。ｎ及びｍなどの、絶縁システム２５０のパラメータは、ＨＶＰＳ１０の特定の用途及び特性に依存することが認識されるべきである。

放熱を改善し、多数の電圧増倍器コンデンサの所与の領域への配置を可能にするために、本発明の一実施態様は、図９に示すように、縦続接続された電圧倍増段のコンデンサ４１０を、ダイオード４２０に対してジグザグ・パターンで配列する。本明細書に記載される絶縁及び熱管理技法を組み合わせることによって、部品の間隙及び電圧増倍器ボード間のクリアランスを減らすことができ、それによって、ＨＶＰＳ１０のサイズが減る。

本発明の実施形態及び例示的な実施態様の詳細な説明が与えられたが、こうした実施形態及び例示的な実施態様の特性及び利点が、次に、述べられるであろう。通常、高電圧電源用途では、電圧増倍器への入力として正弦波が使用される。高周波の正弦波を生成することは簡単ではない、一方、方形波を、高周波で問題無く生成することができる。更に、上述したように、電圧増倍器モジュール２００に入力される方形波は、電圧増倍を容易にし、負荷下のＨＶＰＳ１０の安定性を増加させる。そのため、好ましい実施形態では、ＨＶＰＳ１０は、電圧増倍器モジュール２００への入力として高周波方形波を使用する。

通常、高電圧電源は、絶縁要件及び必要な電圧倍増段の数のために、サイズが大きい。典型的な電源の電圧増倍器への入力として、高電圧方形波を使用しようとする場合、電圧増倍段内に存在する高電圧方形波は、互いに対して大きな電位差を有する部品端子間でフラッシュオーバ（スパーク）を生ずる傾向を持つはずである。従って、高電圧方形波を使用しようとする高電圧電源は、サイズを小さくすることができない。本発明のＨＶＰＳ１０は、小さなボードサイズの中で、高電圧レベルの高周波方形波を使用する。

高周波動作を使用する１つの利点は、磁性部品、即ち、プッシュプル変換器の絶縁／増加変圧器、及び、バックコンバータの誘導子を減らすことである。高周波動作を使用する別の理由は、以下の説明から明らかになるように、負荷下での出力の電圧リップル及び電圧降下が減ることである。

出力電圧リップルは、以下の関係式によって与えられる。

ここで、ｎは、電圧増倍器内の電圧倍増段の数であり、ｑは、１周期当たりのコンデンサから負荷へ運ばれた電荷である。Ｃ_１＝Ｃ_２＝…＝Ｃ_ｎの場合、出力電圧リップルは、

になる。見るとわかるように、ｆが増加すると、δＶが減少することになる。これは、高周波動作の１つの利点である。
コンデンサから引き出され、負荷へ運ばれる電流による、負荷（ΔＶ_０）下での出力電圧降下は、

で与えられる。
上記関係式は、ｎ＞５の場合、以下のように簡略化されることができる。

見るとわかるように、ｆが増加すると、ΔＶ_０が減少することになり、結果として、最大出力電圧が増加することになる。最大出力電圧は、以下の式によって与えられる。
Ｖ_{０，ｍａｘ}＝ｎ（２Ｖ_{ｍａｘ．，ｎｏｌｏａｄ}）−ΔＶ_０（式６）
本発明のＨＶＰＳ１０では、高周波方形波を使用することによって生ずるフラッシュオーバの可能性は、プリント回路ボード及び絶縁の設計の実施を通して対処される。絶縁については、表面ではなくバルクの絶縁材料を利用する電界制御式誘電材料を使用することができる。バルクは、表面の少なくとも１０倍の絶縁耐力を有することが知られている。従って、電圧増倍器を保持するボードのサイズは、劇的に減る可能性がある。誘電層の特別な設計によって、電界は、表面上で生じる代わりに、絶縁耐力が大きい材料内に浸透させられる。

電力電子部品制御モジュール３００は２つの主要なタスクを有する。第１の主要なタスクは、バックコンバータを制御して、コマンド信号、例えば、０〜１０Ｖのアナログ・コマンド信号に基づいてソース電圧からスケーリングされた電圧を生成することである。閉ループ制御は、コマンド信号に基づいて電源の高電圧出力を０〜３０ｋＶに制御するために、ＭＯＳＦＥＴスイッチのデューティ・サイクルを調整することによってバックコンバータ出力電圧の大きさを調整する。電力電子部品制御モジュール３００の第２の主要なタスクは、プッシュプル変換器ＭＯＳＦＥＴスイッチ用のゲート制御パルスを生成することである。１つの実施態様では、これらのスイッチは、５０％デューティ比及び１００ｋＨｚスイッチング周波数で動作する。好ましい実施形態では、バックコンバータの制御には、その高速特性（例えば、入力コマンドのミリ秒以内で安定した出力電圧が達成される）を利用するために、アナログ制御が選択されてきた。デジタル制御を使用して、１００ｋＨｚのスイッチング・レートで基準追随を達成するには、大きく、かつ、費用のかかるマイクロ・コントローラ又はＤＳＰのボードが必要とされる。アナログ制御は、適度のサイズ及びコストで非常に良好な結果を保証する。

本発明のＨＶＰＳ１０は、小さなサイズと重量が特徴である（サイズ：５ｃｍ×１０ｃｍ×１５ｃｍ、重量：＜５００グラム）。電圧増倍器モジュール２００において絶縁システム２５０を使用する結果として、電圧倍増段を収容するプリント回路ボードのサイズ及びクリアランスが劇的に減る場合がある。コンデンサ及びダイオードで形成される電圧増倍器を使用した既存の高電圧電源はサイズが大きい。それは、制限された絶縁強度及び従来の絶縁設計によって、ボードサイズ及びクリアランスを小さくできないからである。更に、高いスイッチング周波数で動作するために、磁性部品（バックコンバータの誘導子及びプッシュプル変換器の変圧器）のサイズ及び重量が劇的に減った。高電圧電源のサイズ及び重量の低減に寄与する第３の要因は、電源が、自然に冷却され、スイッチ素子のために使用されるヒートシンクを除いて、追加の冷却機構（例えば、ファン）を必要としないことである。

先に説明したように、ＨＶＰＳは、種々の環境、例えば、ＭＩＬ−Ｅ−５４００要件において設置することができる。ＭＩＬ−Ｅ−５４００要件は、機器が動作しなければならない環境条件（機器が遭遇する場合がある周囲温度及び圧力を含む）、又は、７０℃までの周囲温度を有する加圧されない環境を規定する。動作高度は、海面レベルから１６，０００ｍまで変わる場合がある。

本発明の実施形態による高電圧電源システムの機能ブロック図である。本発明の実施形態による電力電子部品モジュールの機能ブロック図である。本発明の例示的な実施態様による、高電圧電源システムの電力電子部品モジュールの略図である。本発明の例示的な実施態様による、高電圧電源システムの電圧増倍器モジュールの略図である。本発明の実施形態による高電圧電源の電力電子部品制御モジュールの機能ブロック図である。本発明の例示的な実施態様による、高電圧電源システムの電力電子部品制御モジュールの略図である。本発明の例示的な実施態様による、高電圧電源用の回路ボード相互接続部構成を示す図である。本発明の例示的な実施態様による、高電圧電源用の回路ボード相互接続部構成を示す図である。本発明の例示的な実施態様による、高電圧電源用の回路ボード相互接続部構成を示す図である。本発明の例示的な実施態様による、高電圧電源用の回路ボード相互接続部構成を示す図である。本発明の例示的な実施態様による、高電圧電源用の回路ボード相互接続部構成を示す図である。本発明の実施態様による電圧増倍器絶縁システムの断面図である。本発明の例示的な実施態様による、高電圧電源の電圧増倍器内の電圧倍増段の機構の略図である。

Claims

高電圧電源（１０）であって、
入力電圧信号を受け取り、前記入力電圧信号を制御可能なＤＣ電圧に変換する電力スケーリング部（１３０）と、
前記制御可能なＤＣ電圧を高周波に変換するプッシュプル変換器（１４０）と、
前記プッシュプル変換器（１４０）によって生成された前記高周波を受け取り、高電圧ＤＣ出力を生成するように、連続する電圧倍増操作を実施する電圧増倍器（２００）と、
を備える高電圧電源。
請求項１に記載の高電圧電源（１０）であって、
前記電力スケーリング部（１３０）及び前記プッシュプル変換器（１４０）を制御する制御モジュール（３００）を、
更に備える高電圧電源。
請求項２に記載の高電圧電源（１０）であって、
前記電力スケーリング部（１３０）は、スイッチング素子（Ｑ１）を含み、前記スイッチング素子（Ｑ１）のデューティ・サイクルは、前記制御可能なＤＣ電圧の振幅を制御し、
前記制御モジュール（３００）は、前記電力スケーリング部（１３０）の前記スイッチング素子（Ｑ１）に対して、高電圧電源（１０）の所望の出力電圧の関数として、ゲート・スイッチング信号を出力する、高電圧電源。
請求項３に記載の高電圧電源（１０）であって、
前記制御モジュール（３００）は、前記ゲート・スイッチング信号を調整するように、前記電力スケーリング部（１３０）の出力に基づいてフィードバック信号を受け取る、高電圧電源。
請求項１に記載の高電圧電源（１０）であって、
前記高周波は、方形波である、高電圧電源。
請求項１に記載の高電圧電源（１０）であって、
前記高周波の周波数は、約１００ｋＨｚである、高電圧電源。
請求項１に記載の高電圧電源（１０）であって、
前記制御可能なＤＣ電圧は、約０〜２８ｋＶの範囲内にある、高電圧電源。
請求項１に記載の高電圧電源（１０）であって、
電源は、約０〜３０ｋＶ、ＤＣの範囲の出力電圧を生成する、高電圧電源。
請求項２に記載の高電圧電源（１０）であって、
前記制御モジュール（３００）は、アナログコントローラである、高電圧電源。
請求項１に記載の高電圧電源（１０）であって、
前記電圧増倍器（２００）は、回路ボード上に複数の電圧倍増段（２１０−１、…、２００−ｎ）を含み、前記高電圧電源（１０）は、前記回路ボードに関連する絶縁システム（２５０）を更に備える、高電圧電源。
請求項１０に記載の高電圧電源（１０）であって、
前記絶縁システム（２５０）は、ｎ層の絶縁層と、連続する絶縁層の間に位置するｍ個の導電性ストリップとの多層システムである、高電圧電源。
請求項１０に記載の高電圧電源（１０）であって、
前記絶縁システム（２５０）は、電界制御式多層絶縁システムである、高電圧電源。
請求項１０に記載の高電圧電源（１０）であって、
前記複数の電圧倍増段（２１０−１、…、２００−ｎ）は、前記電力スケーリング部（１３０）及び前記プッシュプル変換器（１４０）から分離した、複数の回路ボード間で分割される、高電圧電源。
請求項１０に記載の高電圧電源（１０）であって、
前記複数の電圧倍増段（２１０−１、…、２００−ｎ）は、ジグザグ・パターンで配列したコンデンサ（４１０）を含む、高電圧電源。
高電圧電力を供給する方法であって、
入力電圧信号を受け取り、前記入力電圧信号を制御可能なＤＣ電圧にスケーリングするステップと、
前記制御可能なＤＣ電圧を高周波に変換するステップと、
前記変換するステップによって生成された前記高周波に対して電圧増倍を実施するステップであって、それによって、高電圧ＤＣ出力を生成する、実施するステップと、
を含む方法。