JP2008148471A - 高電圧電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高耐圧の部品を必要とせずに、しかも小型化を図ることができるとともに安価な高電圧電源装置を提供する。
【解決手段】交流電源Ｅの交流電圧を整流する整流回路１１と、この整流回路１１から出力される整流電圧を平滑する平滑回路１３と、この平滑回路１３の平滑コンデンサ１４に充電された電圧を直流高電圧に昇圧して出力する昇圧回路２０とを備え、この昇圧回路２０は平滑コンデンサ１４の電圧を断続してトランス２２の一次側にパルス電流を流すインバータ回路２１を有し、このパルス電流のパルス幅を制御することにより前記直流高電圧を低圧から高圧までの広範囲に亘って出力可能な高電圧電源装置であって、前記整流回路から出力される整流電圧を降圧する降圧チョッパを設け、この降圧チョッパは、半導体スイッチ１２とフリーホイールダイオード１７とで構成した。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えばイオン注入装置などに使用される高電圧電源装置に関する。

従来から、直流電圧を低圧から高圧までの広範囲に亘って出力することのできるイオン注入装置用の高電圧電源装置が知られている（特許文献１参照）。

かかる高電圧電源装置は、多様なイオン注入に対応できるように広い出力電圧範囲（例えば、最高出力電圧と最低出力電圧の比が４００：１）が要求される。

この高電圧電源装置では、パルス幅変調（ＰＭＷ）された高周波電圧をトランスの一次側に印加し、このパルス幅を変化させることにより所要の出力電圧を得るが、出力電圧範囲が広くなればパルス幅の変化量を大きくする必要がある。特に、イオン注入装置に使用される高電圧電源では、多様なイオン注入に対応できるように広い出力電圧範囲（例えば、最高出力電圧と最低出力電圧の比が４００：１）が要求される。

すなわち、最小パルス幅が例えば最大パルス幅の１／４００以下にする必要がある。しかし、スイッチング素子などの能力上このような短時間のパルスを出すことは困難であり、単一の回路では間欠発振となり出力電圧が不安定となる。

このため、イオン注入装置に使用される高電圧電源装置では、ローユニット回路とハイユニット回路の二つの高電圧回路を個々に構成し、その出力端子を接続して、１つの出力端子から出力電圧を出力するようしている。そして、ローモードのときローユニット回路から出力電圧を出力させ、ハイモードのときハイユニット回路から出力電圧を出力させることにより、１つの出力端子から出力電圧を広い出力電圧範囲に亘って出力させている。
特開平１１−２６０５９１号公報

しかしながら、このような高電圧電源装置では、２つの高電圧回路を個々に構成し、その出力端子を接続していた。このため、ローユニット回路に最高出力電圧が印加されることになり、ローユニット回路に使用する電子部品には高耐圧のものが必要であり、電子部品の配置においても最高出力電圧に対して十分な絶縁距離が必要となる。さらに、高耐圧の部品は寸法も大きいことにより、小型化を図ることが難しく、また、高耐圧の部品は高価であることにより低コストの妨げになっていた。

また、ローユニット回路とハイユニット回路とが同時に動作することがなく、必ず一方の回路は停止状態となる。このことは、結果的に不経済な回路構成であり、２つのユニット回路を設けるため高価なものになってしまうとともに大型化してしまうという問題があった。

この発明の目的は、高耐圧の部品を必要とせずに、しかも小型化を図ることができるとともに安価で高電圧電源装置を提供することにある。

請求項１の発明は、交流電源の交流電圧を整流する整流回路と、この整流回路から出力される整流電圧を平滑する平滑回路と、この平滑回路の平滑コンデンサに充電された電圧を直流高電圧に昇圧して出力する昇圧回路とを備え、この昇圧回路は前記平滑コンデンサの電圧を断続してトランスの一次側にパルス電流を流すインバータ回路を有し、このパルス電流のパルス幅を制御することにより前記直流高電圧を低圧から高圧までの広範囲に亘って出力可能な高電圧電源装置であって、
前記整流回路から出力される整流電圧を降圧する降圧チョッパを設け、
この降圧チョッパから出力される電圧を前記平滑回路に入力させることを特徴とする。

この発明によれば、高耐圧の部品が不要となり、小型化を図ることができるとともに安価な高電圧電源装置を提供することができる。

以下、この発明に係る高電圧電源装置の実施の形態である実施例を図面に基づいて説明する。

図１は高電圧電源装置１０の構成を示したブロック図であり、この高電圧電源装置１０は、交流電源Ｅの交流電圧を整流する整流回路１１と、この整流回路１１から出力される整流電圧を降圧する降圧チョッパ４０と、この降圧チョッパ４０で降圧された整流電圧を平滑する平滑回路１３と、この平滑回路の後述する平滑コンデンサ１４に充電された電圧を直流高電圧に昇圧して出力するハイユニット回路（昇圧回路）２０と、このハイユニット回路２０から出力される直流電圧を検出する分圧器１６と、この分圧器１６が検出した出力電圧と図示しない操作部からの操作信号などとに基づいて降圧チョッパ４０やハイユニット回路２０の後述するインバータ回路２１を制御する制御装置３０等とを備えている。

降圧チョッパ４０は、整流回路１１から出力される整流電圧を断続する半導体スイッチ１２と、フリーホイールダイオード１７とを有している。このフリーホイールダイオード１７のカソードとアノードが平滑回路１３の入力端子ａと入力端子ｂに接続されている。

平滑回路１３は、リアクトル１８と、リアクトル１８から出力される整流電圧を平滑する平滑コンデンサ１４等とから構成されている。

ハイユニット回路２０は、平滑回路１３から出力される直流電圧を断続させるインバータ回路２１と、このインバータ回路２１の断続により昇圧した交流電圧を出力するトランス２２と、このトランス２２の二次コイル２２Ｔ２の交流出力電圧を直流の高電圧にするコッククロフト回路２３と、このコッククロフト回路２３から出力される直流の高電圧を平滑する平滑コンデンサ２４等とから構成されている。２２Ｔ１はトランス２２の一次コイルである。

分圧器１６は、２つの抵抗を直列接続した抵抗回路で構成され、ハイユニット回路２０から出力される直流電圧を２つの抵抗で分圧し、この分圧された分圧電圧を出力するものである。

制御装置３０は、半導体スイッチ１２をオンするチョッパパルスと、インバータ回路２１のスイッチ素子２１Ｓをオンするインバータパルスを出力するものであり、それらパルスのパルス幅を制御することによってハイユニット回路２０の出力電圧を低電圧から高電圧までの広範囲に亘って出力できるようにするものである。
［動 作］
次に、上記のように構成される高電圧電源装置１０の動作について図２に示すタイムチャートを参照しながら説明する。

図示しない操作部によりハイモードが設定され図示しない電源スイッチが投入されると、整流回路１１は交流電源Ｅの電圧を整流していくとともに制御装置３０は、チョッパパルスＰ１を出力していき、このチョッパパルスＰ１のパルス幅を図２に示すように除々に大きくしていく。

半導体スイッチ１２は、このチョッパパルスＰ１が出力している間だけオン（導通）し、このオンしている期間だけ整流回路１１による整流電圧が平滑回路１３へ入力する。このとき、チョッパパルスＰ１のパルス幅が除々に大きくなっていくので、平滑回路１３の平滑コンデンサ１４への突入電流は防止されることになる。

平滑コンデンサ１４への充電が完了した後、すなわち、平滑コンデンサ１４が所定電圧に達すると、半導体スイッチ１２を全期間オンにしてインバータ回路２１を動作させる。平滑コンデンサ１４の電圧は図示しない電圧検出回路によって検出する。

そして、制御装置３０は、平滑コンデンサ１４の充電完了後に、図２に示すように所定のパルス幅のインバータパルスＰ３を所定周期毎に出力していく。このインバータパルスＰ３が出力されている期間だけ、ハイユニット回路２０のインバータ回路２１のスイッチ素子２１Ｓがオン（導通）する。すなわち、インバータパルスＰ３の所定周期毎の出力によりスイッチ素子２１Ｓがオン・オフを繰り返していく。

このスイッチ素子２１Ｓのオン・オフの繰り返しにより、平滑コンデンサ１４の電圧Ｖ１を直流電源とする断続電流（パルス電流）がトランス２２の一次コイル２２Ｔ１に流れ、このトランス２２の二次コイル２２Ｔ２に昇圧した交流電圧が発生し、この交流電圧が出力されることになる。

この交流出力電圧はコッククロフト回路２３により直流の高電圧に変換され、さらに平滑コンデンサ２４により平滑されて直流の高電圧ＶＯとして出力される。

制御装置３０は、分圧器１６が検出する分圧電圧に基づいて、コッククロフト回路２３の出力電圧（高電圧ＶＯ）が操作部（図示せず）からの指示電圧である出力電圧指令値となるようにインバータパルスＰ３のパルス幅を制御していく。

上述したように、半導体スイッチ１２を全期間導通状態にしてハイユニット回路２０のインバータ回路２１を動作させるので、所望の高電圧ＶＯを得ることが出来る。また、半導体スイッチ１２の全期間導通状態により、半導体スイッチ１２によるスイッチング損失は発生しない。さらに、その全期間導通状態により、力率改善用のリアクトル１８も従来と同様な動作となり、力率が低下してしまうこともない。

ローモードが設定された場合、制御装置３０は、チョッパパルスＰ２を出力していき、このチョッパパルスＰ２のパルス幅を図２に示すように除々に大きくしていく。このチョッパパルスＰ２のパルス幅はチョッパパルスＰ１のパルス幅より小さく設定され、平滑コンデンサ１４の電圧Ｖ１が所定電圧以上とならないようにチョッパパルスＰ２のパルス幅を制御する。

ここで、半導体スイッチ１２がオンしているとき、整流回路１１からの電流が半導体スイッチ１２およびインダクタ１８を介して平滑コンデンサ１４へ流れていき、平滑コンデンサ１４が充電されていく。このとき、インダクタ１８には流れる電流によりエネルギーが蓄えられる。そして、半導体スイッチ１２がオフすると、インダクタ１８に蓄えられたエネルギーが放出され、この放出エネルギーによって平滑コンデンサ１４およびフリーホイールダイオード１７を通ってインダクタ１８へと電流が流れ、半導体スイッチ１２のオフの期間でも平滑コンデンサ１４が充電されることになり、平滑された電圧が得られることになる。

平滑コンデンサ１４の電圧Ｖ１が所定電圧に達すると、ハイユニット回路２０のインバータ回路２１が動作される。すなわち、制御装置３０は図２に示すように所定のパルス幅のインバータパルスＰ４を所定周期毎に出力していく。

そして、このインバータパルスＰ４によりスイッチ素子２１Ｓがオン・オフを繰り返していく。

このスイッチ素子２１Ｓのオン・オフの繰り返しにより、平滑コンデンサ１４の電圧Ｖ１を直流電源とする断続電流がトランス２２の一次コイル２２Ｔ１に流れ、このトランス２２の二次コイル２２Ｔ２に交流電圧が発生し、この交流電圧が出力されることになる。

ところで、平滑コンデンサ１４の電圧Ｖ１は、ハイモードが設定された場合に比べて十分に低い電圧となるので、トランス２２の二次コイル２２Ｔ２に発生する交流電圧は低い電圧となる。このため、コッククロフト回路２３から出力される出力電圧（直流電圧）は低い電圧となる。

制御装置３０は、分圧器１６が検出する分圧電圧に基づいて、ハイユニット回路２０から所定の出力電圧が出力されるようにインバータパルスＰ４のパルス幅を制御し、平滑コンデンサ１４の電圧Ｖ１が一定となるようにチョッパパルスＰ２のパルス幅を制御する。平滑コンデンサ１４の電圧Ｖ１の検出は図示しない電圧検出回路によって行う。なお、ローモードが設定された場合の制御ループの概念図を図３に示す。

図４はローモードが設定された場合の他の制御ループの例を示したものである。

この制御ループでは、制御装置３０は、分圧器１６が検出する分圧電圧に基づいて、ハイユニット回路２０の出力電圧が出力電圧指令値となるようにインバータパルスＰ４のパルス幅を制御し、このときのインバータパルスＰ４のパルス幅が一定となるようにチョッパパルスＰ２のパルス幅を制御するようにしたものである。積分器は制御を安定させるものであり、急激な負荷変動や出力電圧指令値の変化に対してはインバータパルスＰ４のパルス幅で高速に応答し、ゆっくりした変化に対してはチョッパパルスＰ２のパルス幅で応答するようにしたものである。

上述のように、平滑コンデンサ１４の電圧Ｖ１は、ハイモードが設定された場合に比べて十分に低い電圧とすることにより、インバータパルスＰ４のパルス幅とインバータパルスＰ３のパルス幅とが同じであっても、コッククロフト回路２３から出力される直流電圧は低い電圧となる。

このため、ハイユニット回路２０の出力電圧を低電圧領域で出力する場合であっても、インバータパルスＰ４のパルス幅を十分に広くとることができる。このため、インバータ回路２１を制御してもその動作を安定させることができる。

また、ローユニット回路を設けずに平滑回路１３の前段に半導体スイッチ１２を設けただけなので小型軽量化を図ることができ、しかもローユニット回路を設けていないことにより、ローユニット回路を保護するための高電圧ダイオードを設ける必要がなく、このため安価な高電圧電源装置を提供することができる。

さらに、ローユニット回路を設けていないことにより、従来のように高電圧領域の出力電圧を出力している間、ローユニット回路が停止状態になるという不経済の問題は発生しない。

また、上述のように、チョッパパルスのパルス幅を除々に大きくして平滑回路１３の平滑コンデンサ１４への突入電流の防止を図っているので突入電流防止回路が不要となる。

この発明に係る高電圧電源装置の構成を示した回路図である。 図１に示す高電圧電源装置の各回路の動作を示すタイムチャートである。 ハイモードにおける制御ループを示した概念図である。 ローモードにおける制御ループを示した概念図である。

符号の説明

１０ 高電圧電源装置
１１ 整流回路
１２ 半導体スイッチ（スイッチ素子）
１４ 平滑コンデンサ
１７ フリーホイールダイオード
２０ ハイユニット回路（昇圧回路）
２１ インバータ回路

Claims (3)

1. 交流電源の交流電圧を整流する整流回路と、この整流回路から出力される整流電圧を平滑する平滑回路と、この平滑回路の平滑コンデンサに充電された電圧を直流高電圧に昇圧して出力する昇圧回路とを備え、この昇圧回路は前記平滑コンデンサの電圧を断続してトランスの一次側にパルス電流を流すインバータ回路を有し、このパルス電流のパルス幅を制御することにより前記直流高電圧を低圧から高圧までの広範囲に亘って出力可能な高電圧電源装置であって、
   前記整流回路から出力される整流電圧を降圧する降圧チョッパを設け、
   この降圧チョッパから出力される電圧を前記平滑回路に入力させることを特徴とする高電圧電源装置。
2. 前記降圧チョッパは、前記整流電圧を断続するスイッチング素子と、前記平滑回路の入力端子間に接続したフリーホイールダイオードとを有していることを特徴とする請求項１に記載の高電圧電源装置。
3. 前記昇圧回路から高圧の直流高電圧を出力する際、前記降圧チョッパを断続するパルスのパルス幅を徐々に広げていった後、降圧チョッパを連続して導通状態にし、
   昇圧回路から低圧の直流電圧を出力する際、前記降圧チョッパを断続するパルスのパルス幅を徐々に広げていった後、所定のパルス幅で降圧チョッパを断続することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高電圧電源装置。

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