JP2012109738A - 高圧パルス発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型且つ低価格な高圧パルス発生装置を提供する。
【解決手段】高圧パルス発生装置は、パルス信号を発生するパルス発生部１と、高圧側電圧ＶＤＤを生成する高圧側電源２と、低圧側電圧ＶＳＳを生成する低圧側電源３と、前記パルス信号に応じて、入力された前記高圧側電圧ＶＤＤと前記低圧側電圧ＶＳＳとを何れか一方ずつ交互に出力端子Ｏ１から出力するスイッチング部４と、前記パルス信号の周波数と、前記高圧側電圧ＶＤＤと、前記低圧側電圧ＶＳＳとを制御する制御部５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧パルス発生装置に関する。

高圧パルス信号を発生する高圧パルス発生装置が知られている。この高圧パルス信号の高圧側電圧と低圧側電圧は任意の値に設定可能となっている。例えば、高圧側電圧は４ｋＶであり、低圧側電圧は−４ｋＶである。図５は、従来の高圧パルス発生装置の回路図である。図５に示すように、高圧パルス発生装置は、パルス信号を発生するファンクションジェネレータ１００と、このパルス信号を増幅して高圧パルス信号を出力する高電圧広帯域アンプ１０１と、を備えている。ファンクションジェネレータ１００は、パルス信号の電圧を正確に制御できる必要がある。高電圧広帯域アンプ１０１は、例えば、±５ｋＶの高電圧を出力可能であり、１００ｋＨｚの広帯域で１０００倍の高増幅率を有している。高圧パルス信号の高圧側電圧と低圧側電圧とを正確に制御するために、高電圧広帯域アンプ１０１の増幅率も正確である必要がある。ファンクションジェネレータ１００と高電圧広帯域アンプ１０１として、例えば、市販されているものが用いられている。このような構成により、高圧パルス発生装置は、正確な高圧側電圧と低圧側電圧とを有する高圧パルス信号を発生することができる。

上記高圧パルス発生装置に関連して、例えば、特許文献１に記載されているパルス発生器も知られている。

特開２００９−６５６６３号公報

しかしながら、上述した従来の高圧パルス発生装置が備えているファンクションジェネレータ１００は、パルス信号の電圧を正確に制御できる必要があるため、高価格である。また、高圧パルス発生装置が備えている高電圧広帯域アンプ１０１は、高電圧出力可能であると共に、広帯域で正確に高増幅率が得られる必要があるため、大型且つ高価格である。よって、高圧パルス発生装置も大型且つ高価格であるという問題がある。

本発明の一態様に係る実施例に従った高圧パルス発生装置は、
パルス信号を発生するパルス発生部と、
高圧側電圧を生成する高圧側電源と、
低圧側電圧を生成する低圧側電源と、
前記パルス信号に応じて、入力された前記高圧側電圧と前記低圧側電圧とを何れか一方ずつ交互に出力端子から出力するスイッチング部と、
前記パルス信号の周波数と、前記高圧側電圧と、前記低圧側電圧とを制御する制御部と、を備える
ことを特徴とする高圧パルス発生装置である。

また、前記高圧パルス発生装置において、
前記出力端子に容量性負荷が接続されても良い。

また、前記高圧パルス発生装置において、
前記パルス信号は第１の電圧と第２の電圧とを有し、
前記スイッチング部は、前記パルス信号が前記第１の電圧の時に前記高圧側電圧を出力し、前記パルス信号が前記第２の電圧の時に前記低圧側電圧を出力しても良い。

また、前記高圧パルス発生装置において、
前記高圧側電圧は正の電圧であり、前記低圧側電圧は負の電圧であっても良い。

また、前記高圧パルス発生装置において、
前記高圧側電圧と前記低圧側電圧は、絶対値が等しくても良い。

また、前記高圧パルス発生装置において、
前記高圧側電圧と前記低圧側電圧は、絶対値が異なっても良い。

また、前記高圧パルス発生装置において、
前記高圧側電圧は正の電圧であり、前記低圧側電圧は前記高圧側電圧より低い正の電圧であっても良い。

また、前記高圧パルス発生装置において、
前記高圧側電源と前記低圧側電源はスイッチング電源であっても良い。

また、前記高圧パルス発生装置において、
前記スイッチング部は、
前記高圧側電源に一端が接続され、前記出力端子に他端が接続され、前記パルス信号に応じて、前記一端と前記他端との間の経路がオンまたはオフに制御される第１の能動素子と、
前記出力端子に一端が接続され、前記低圧側電源に他端が接続され、前記パルス信号に応じて、前記第１の能動素子とは相補的に前記一端と前記他端との間の経路がオンまたはオフに制御される第２の能動素子と、を有しても良い。

また、前記高圧パルス発生装置において、
前記スイッチング部は、
入力電圧を第１の電圧に変換して、前記第１の電圧を第１端子と第２端子との間の電圧として出力する、入力側と出力側とが電気的に絶縁された第１の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記パルス信号に応じて、前記第１の電圧を前記第１の能動素子の前記制御端子と前記他端との間に加えるか否かを切り替える第１のスイッチ回路と、
前記入力電圧を第２の電圧に変換して、前記第２の電圧を第３端子と第４端子との間の電圧として出力する、入力側と出力側とが電気的に絶縁された第２の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記パルス信号に応じて、前記第１のスイッチ回路とは相補的に、前記第２の電圧を前記第２の能動素子の前記制御端子と前記他端との間に加えるか否かを切り替える第２のスイッチ回路と、を有しても良い。

また、前記高圧パルス発生装置において、
前記第１のスイッチ回路は、前記第１の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第１端子と、前記第１の能動素子の前記制御端子との間に接続され、
前記第１の能動素子の前記他端は、前記第１の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第２端子に接続され、
前記第２のスイッチ回路は、前記第２の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第３端子と、前記第２の能動素子の前記制御端子との間に接続され、
前記第２の能動素子の前記他端は、前記第２の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第４端子に接続されていても良い。

また、前記高圧パルス発生装置において、
前記第１の能動素子の前記制御端子と前記他端との間に接続された第１の抵抗と、
前記第２の能動素子の前記制御端子と前記他端との間に接続された第２の抵抗と、をさらに備えても良い。

また、前記高圧パルス発生装置において、
前記第１の電圧と前記第２の電圧は等しくても良い。

また、前記高圧パルス発生装置において、
前記第１の能動素子と前記第２の能動素子は、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴであっても良い。

また、前記高圧パルス発生装置において、
前記第１のスイッチ回路と前記第２のスイッチ回路は、フォトカプラまたはフォトＭＯＳであっても良い。

また、前記高圧パルス発生装置において、
前記入力電圧を第３の電圧に変換して、前記第３の電圧を第５端子と第６端子との間の電圧として出力する、入力側と出力側とが電気的に絶縁された第３の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記高圧側電源と前記第１の能動素子の前記一端との間に一端と他端とが接続され、制御端子と前記他端との間に加えられる電圧に応じてオンまたはオフに制御される第３の能動素子と、
前記パルス信号に応じて、前記第３の電圧を前記第３の能動素子の前記制御端子と前記他端との間に加えるか否かを切り替える第３のスイッチ回路と、
前記入力電圧を第４の電圧に変換して、前記第４の電圧を第７端子と第８端子との間の電圧として出力する、入力側と出力側とが電気的に絶縁された第４の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記第２の能動素子の前記他端と前記低圧側電源との間に一端と他端とが接続され、制御端子と前記他端との間に加えられる電圧に応じてオンまたはオフに制御される第４の能動素子と、
前記パルス信号に応じて、前記第１のスイッチ回路とは相補的に、前記第４の電圧を前記第４の能動素子の前記制御端子と前記他端との間に加えるか否かを切り替える第４のスイッチ回路と、をさらに備えても良い。

また、前記高圧パルス発生装置において、
前記第１のスイッチ回路は、前記第１の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第１端子と、前記第１の能動素子の前記制御端子との間に接続され、
前記第１の能動素子の前記他端は、前記第１の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第２端子に接続され、
前記第２のスイッチ回路は、前記第２の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第３端子と、前記第２の能動素子の前記制御端子との間に接続され、
前記第２の能動素子の前記他端は、前記第２の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第４端子に接続され、
前記第３のスイッチ回路は、前記第３の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第５端子と、前記第３の能動素子の前記制御端子との間に接続され、
前記第３の能動素子の前記他端は、前記第３の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第６端子に接続され、
前記第４のスイッチ回路は、前記第４の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第７端子と、前記第４の能動素子の前記制御端子との間に接続され、
前記第４の能動素子の前記他端は、前記第４の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第８端子に接続されていても良い。

また、前記高圧パルス発生装置において、
前記第１の能動素子の前記制御端子と前記他端との間に接続された第１の抵抗と、
前記第２の能動素子の前記制御端子と前記他端との間に接続された第２の抵抗と、
前記第３の能動素子の前記制御端子と前記他端との間に接続された第３の抵抗と、
前記第４の能動素子の前記制御端子と前記他端との間に接続された第４の抵抗と、をさらに備えても良い。

また、前記高圧パルス発生装置において、
前記第１の電圧と、前記第２の電圧と、前記第３の電圧と、前記第４の電圧とは等しくても良い。

また、前記高圧パルス発生装置において、
前記第１の能動素子と、前記第２の能動素子と、前記第３の能動素子と、前記第４の能動素子とは、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴであっても良い。

また、前記高圧パルス発生装置において、
前記第１のスイッチ回路と、前記第２のスイッチ回路と、前記第３のスイッチ回路と、前記第４のスイッチ回路とは、フォトカプラまたはフォトＭＯＳであっても良い。

本発明の一態様に係る高圧パルス発生装置によれば、スイッチング部が、パルス発生部で発生されたパルス信号に応じて、高圧側電源からの高圧側電圧と低圧側電源からの低圧側電圧とを何れか一方ずつ交互に出力端子から出力するようにしている。従って、出力端子から出力される高圧パルス信号の電圧は、パルス発生部で発生されたパルス信号の電圧には依存せず、高圧側電圧と低圧側電圧とになる。よって、パルス発生部はパルス信号の周波数を決めるだけで良く、パルス信号の電圧の精度は低くても良い。これにより、パルス発生部を単純な構成とすることができるので、パルス発生部を小型且つ低価格にできる。また、パルス信号を増幅せずに高圧パルス信号を出力できるので、大型且つ高価格の高電圧広帯域アンプが不要になる。これらにより、高圧パルス発生装置を小型化且つ低価格化できる。

さらに、高圧側電源及び低圧側電源として高効率な電源を用いることができるので、高圧パルス発生装置の電力効率を高めることができる。さらに、制御部がパルス信号の周波数と高圧側電圧と低圧側電圧とを制御するようにしたので、簡単な構成で任意の周波数および電圧の高圧パルス信号を出力できる。

図１は、本発明の実施例１に係る高圧パルス発生装置のブロック図である。 図２は、本発明の実施例１に係る高圧パルス発生装置のスイッチング部のブロック図である。 図３は、本発明の実施例１に係る高圧パルス発生装置のスイッチ回路の等価回路図である。 図４は、本発明の実施例２に係る高圧パルス発生装置のスイッチング部のブロック図である。 図５は、従来の高圧パルス発生装置の回路図である。

以下、本発明に係る各実施例について図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る高圧パルス発生装置のブロック図である。図１に示すように、高圧パルス発生装置は、パルス発生部１と、高圧側電源２と、低圧側電源３と、スイッチング部４と、制御部５と、を備える。

パルス発生部１は、パルス信号を発生する。パルス信号は、第１の電圧と第２の電圧とを交互に繰り返し有する。

高圧側電源２は、高圧側電圧ＶＤＤを生成する。低圧側電源３は、低圧側電圧ＶＳＳを生成する。高圧側電源２と低圧側電源３は、例えば、スイッチング電源である。

スイッチング部４は、パルス発生部１から入力されたパルス信号が第１の電圧の時に、高圧側電源２から入力された高圧側電圧ＶＤＤを出力端子Ｏ１から出力し、パルス信号が第２の電圧の時に、低圧側電源３から入力された低圧側電圧ＶＳＳを出力端子Ｏ１から出力する。つまり、スイッチング部４は、パルス信号に応じて、高圧側電圧ＶＤＤと低圧側電圧ＶＳＳとを何れか一方ずつ交互に出力端子Ｏ１から出力する。これにより、高圧側電圧ＶＤＤと低圧側電圧ＶＳＳとを交互に繰り返し有する高圧パルス信号が、出力端子Ｏ１から出力される。高圧パルス信号の周波数は、パルス信号の周波数と等しい。なお、出力端子Ｏ２は接地されている。

制御部５は、パルス発生部１と高圧側電源２と低圧側電源３とに制御信号を出力して、パルス信号の周波数と、高圧側電圧ＶＤＤと、低圧側電圧ＶＳＳとを制御する。

これにより、高圧パルス発生装置は、任意の周波数で、任意の電圧を有する高圧パルス信号を出力できる。

例えば、高圧側電圧ＶＤＤは正の電圧であり、低圧側電圧ＶＳＳは負の電圧である。このとき、高圧側電圧ＶＤＤと低圧側電圧ＶＳＳは、絶対値が等しくても良く、絶対値が異なっても良い。

また、高圧側電圧ＶＤＤは正の電圧であり、低圧側電圧ＶＳＳは高圧側電圧より低い正の電圧でも良い。

また、高圧側電圧ＶＤＤは負の電圧であり、低圧側電圧ＶＳＳは高圧側電圧より低い負の電圧でも良い。

出力端子Ｏ１には、例えば、容量性負荷が接続可能となっている。この場合、容量性負荷には直流電流が流れず、過渡的な電流のみが流れる。そのため、スイッチング部４を構成している能動素子（スイッチング素子）に直流電流が流れないので、能動素子において直流の電圧降下が発生しない。よって、高圧パルス信号において、正確な高圧側電圧ＶＤＤと低圧側電圧ＶＳＳとが得られる。

次に、スイッチング部４の構成の一例について説明する。

図２は、本発明の実施例１に係る高圧パルス発生装置のスイッチング部のブロック図である。図２に示すように、スイッチング部４は、第１の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ１と、第２の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ２と、第１のスイッチ回路Ｃ１と、第２のスイッチ回路Ｃ２と、第１の能動素子Ａ１と、第２の能動素子Ａ２と、第１の抵抗Ｒ１と、第２の抵抗Ｒ２と、インバーター１０と、を備える。

第１のスイッチ回路Ｃ１及び第２のスイッチ回路Ｃ２は、例えば、フォトカプラ又はフォトＭＯＳである。

第１の能動素子Ａ１及び第２の能動素子Ａ２は、例えば、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。

第１の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ１は、入力端子Ｂ１ａと入力端子Ｂ１ｂとの間に入力された入力電圧を第１の電圧に変換して、第１の電圧を第１端子Ｂ１ｃと第２端子Ｂ１ｄとの間の電圧として出力する。第１の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ１は、入力側と出力側とが電気的に絶縁されている。

第１のスイッチ回路Ｃ１は、端子Ｃ１ｃと端子Ｃ１ｄとが、第１の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ１の第１端子Ｂ１ｃと、第１の能動素子Ａ１の制御端子Ａ１ｃとの間に接続されている。

第１の能動素子Ａ１は、高圧側電源２に一端Ａ１ａが接続されて高圧側電圧ＶＤＤが供給され、出力端子Ｏ１に他端Ａ１ｂが接続されている。第１の能動素子Ａ１の他端Ａ１ｂは、第１の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ１の第２端子Ｂ１ｄにも接続されている。

例えば、第１の能動素子Ａ１としてＮ型ＭＯＳＦＥＴが用いられている場合、一端Ａ１ａはドレインに対応し、他端Ａ１ｂはソースに対応し、制御端子Ａ１ｃはゲートに対応する。

第１の抵抗Ｒ１は、第１の能動素子Ａ１の制御端子Ａ１ｃと他端Ａ１ｂとの間に接続されている。

パルス信号は、インバーター１０の入力端子に入力される。インバーター１０の出力端子は、第１のスイッチ回路Ｃ１の制御端子Ｃ１ａに接続されている。第１のスイッチ回路Ｃ１の制御端子Ｃ１ｂは接地されている。第１のスイッチ回路Ｃ１の制御端子Ｃ１ａ，Ｃ１ｂと、端子Ｃ１ｃ，Ｃ１ｄとの間は、電気的に絶縁されている。

第１のスイッチ回路Ｃ１は、パルス信号に応じて、第１の電圧を第１の能動素子Ａ１の制御端子Ａ１ｃと他端Ａ１ｂとの間に加えるか否かを切り替える。これにより、第１の能動素子Ａ１は、パルス信号に応じて、一端Ａ１ａと他端Ａ１ｂとの間の経路がオンまたはオフに制御される。

第２の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ２は、入力端子Ｂ２ａと入力端子Ｂ２ｂとの間に入力された入力電圧を第２の電圧に変換して、第２の電圧を第３端子Ｂ２ｃと第４端子Ｂ２ｄとの間の電圧として出力する。第２の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ２は、入力側と出力側とが電気的に絶縁されている。例えば、第２の電圧は第１の電圧と等しい。

第２のスイッチ回路Ｃ２は、端子Ｃ２ｃと端子Ｃ２ｄとが、第２の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ２の第３端子Ｂ２ｃと、第２の能動素子Ａ２の制御端子Ａ２ｃとの間に接続されている。

第２の能動素子Ａ２は、出力端子Ｏ１に一端Ａ２ａが接続され、低圧側電源３に他端Ａ２ｂが接続されて低圧側電圧ＶＳＳが供給されている。第２の能動素子Ａ２の他端Ａ２ｂは、第２の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ２の第４端子Ｂ２ｄにも接続されている。

第２の抵抗Ｒ２は、第２の能動素子Ａ２の制御端子Ａ２ｃと他端Ａ２ｂとの間に接続されている。

パルス信号は、第２のスイッチ回路Ｃ２の制御端子Ｃ２ａに入力される。第２のスイッチ回路Ｃ２の制御端子Ｃ２ｂは接地されている。第２のスイッチ回路Ｃ２の制御端子Ｃ２ａ，Ｃ２ｂと、端子Ｃ２ｃ，Ｃ２ｄとの間は、電気的に絶縁されている。

第２のスイッチ回路Ｃ２は、パルス信号に応じて、第１のスイッチ回路Ｃ１とは相補的に、第２の電圧を第２の能動素子Ａ２の制御端子Ａ２ｃと他端Ａ２ｂとの間に加えるか否かを切り替える。これにより、第２の能動素子Ａ２は、パルス信号に応じて、第１の能動素子Ａ１とは相補的に一端Ａ２ａと他端Ａ２ｂとの間の経路がオンまたはオフに制御される。

図３は、本発明の実施例１に係る高圧パルス発生装置のスイッチ回路の等価回路図である。図３に示すように、第１のスイッチ回路Ｃ１及び第２のスイッチ回路Ｃ２は、それぞれ発光ダイオード２０とトランジスタ２１とを有する。

発光ダイオード２０は、制御端子Ｃ１ａ，Ｃ２ａを介してアノードに制御信号が入力され、制御端子Ｃ１ｂ，Ｃ２ｂを介してカソードが接地されている。

発光ダイオード２０は、制御信号が加えられると発光する。トランジスタ２１は、この光を受けると、端子Ｃ１ｃ，Ｃ２ｃと端子Ｃ１ｄ，Ｃ２ｄとの間が導通する。

次に、スイッチング部４の動作を説明する。

（１）パルス信号がローレベルの時
第１のスイッチ回路Ｃ１の制御端子Ｃ１ａには、インバーター１０からパルス信号の反転信号（ハイレベルの信号）が加えられる。これにより、第１のスイッチ回路Ｃ１の端子Ｃ１ｃと端子Ｃ１ｄとの間は導通する。すると、第１の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ１から出力される第１の電圧が、第１の能動素子Ａ１の制御端子Ａ１ｃと他端Ａ１ｂとの間に加えられる。これにより、第１の能動素子Ａ１はオンする。

一方、第２のスイッチ回路Ｃ２の制御端子Ｃ２ａには、ローレベルのパルス信号が加えられる。これにより、第２のスイッチ回路Ｃ２の端子Ｃ２ｃと端子Ｃ２ｄとの間は導通しない。すると、第２の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ２から出力される第２の電圧は、第２の能動素子Ａ２の制御端子Ａ２ｃと他端Ａ２ｂとの間に加えられない。第２の能動素子Ａ２の制御端子Ａ２ｃには、第２の抵抗Ｒ２を介して他端Ａ２ｂと同一の低圧側電圧ＶＳＳが加えられる。これにより、第２の能動素子Ａ２はオフとなる。

このように、第１の能動素子Ａ１はオンであり、第２の能動素子Ａ２はオフであるため、出力端子Ｏ１から高圧側電圧ＶＤＤが出力される。

（２）パルス信号がハイレベルの時
上記（１）とは反対に、第１のスイッチ回路Ｃ１の端子Ｃ１ｃと端子Ｃ１ｄとの間は導通しない。すると、第１の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ１から出力される第１の電圧は、第１の能動素子Ａ１の制御端子Ａ１ｃと他端Ａ１ｂとの間に加えられない。第１の能動素子Ａ１の制御端子Ａ１ｃには、第１の抵抗Ｒ１を介して他端Ａ１ｂと同じ電圧が加えられる。これにより、第１の能動素子Ａ１はオフとなる。

一方、第２のスイッチ回路Ｃ２の端子Ｃ２ｃと端子Ｃ２ｄとの間は導通する。すると、第２の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ２から出力される第２の電圧が、第２の能動素子Ａ２の制御端子Ａ２ｃと他端Ａ２ｂとの間に加えられる。これにより、第２の能動素子Ａ２はオンする。

このように、第１の能動素子Ａ１はオフであり、第２の能動素子Ａ２はオンであるため、出力端子Ｏ１から低圧側電圧ＶＳＳが出力される。

パルス信号の状態が上記（１）と（２）を交互に繰り返すことにより、スイッチング部４は、出力端子Ｏ１から高圧側電圧ＶＤＤと低圧側電圧ＶＳＳとを交互に繰り返し出力する。

なお、出力端子Ｏ１の電圧は高圧側電圧ＶＤＤと低圧側電圧ＶＳＳとの間で変化するので、第１の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ１の端子Ｂ１ｄの電圧も高圧側電圧ＶＤＤと低圧側電圧ＶＳＳとの間で変化する。しかし、前述のように第１の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ１は入力側と出力側とが電気的に絶縁されているので、端子Ｂ１ｄの電圧が入力電圧より高く又は低くなっても第１の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ１の動作に影響はない。同様に、第２の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ２の端子Ｂ２ｄの電圧は低圧側電圧ＶＳＳであるが、低圧側電圧ＶＳＳが負電圧等であったとしても第２の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ２の動作に影響はない。

また、第１のスイッチ回路Ｃ１についても、前述のように制御端子Ｃ１ａ，Ｃ１ｂと、端子Ｃ１ｃ，Ｃ１ｄとが電気的に絶縁されているので、端子Ｃ１ｃ，Ｃ１ｄの電圧は第１のスイッチ回路Ｃ１の動作に影響しない。第２のスイッチ回路Ｃ２についても同様である。

以上で説明した様に、本実施例によれば、スイッチング部４が、パルス発生部１で発生されたパルス信号に応じて、高圧側電源２からの高圧側電圧ＶＤＤと低圧側電源３からの低圧側電圧ＶＳＳとを何れか一方ずつ交互に出力端子Ｏ１から出力するようにしている。従って、出力端子Ｏ１から出力される高圧パルス信号の電圧は、パルス発生部１で発生されたパルス信号の電圧には依存せず、高圧側電圧ＶＤＤと低圧側電圧ＶＳＳとの何れかになる。よって、パルス発生部１はパルス信号の周波数を決めるだけで良く、パルス信号の電圧の精度は低くても良い。これにより、パルス発生部１を単純な構成とすることができるので、パルス発生部１を小型且つ低価格にできる。また、パルス信号を増幅せずに高圧パルス信号を出力できるので、大型且つ高価格の高電圧広帯域アンプが不要になる。これらにより、高圧パルス発生装置を小型化且つ低価格化できる。

さらに、高圧側電源２及び低圧側電源３として高効率な電源を用いることができるので、高圧パルス発生装置の電力効率を高めることができる。また、制御部５がパルス信号の周波数と高圧側電圧ＶＤＤと低圧側電圧ＶＳＳとを制御するようにしたので、簡単な構成で任意の周波数および電圧の高圧パルス信号を出力できる。

さらに、本実施例によれば、スイッチング回路４において、第１の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ１の出力電圧を第１の能動素子Ａ１の制御端子Ａ１ｃと他端Ａ１ｂとの間に加えるか否かを第１のスイッチ回路Ｃ１で切り替えて、第１の能動素子Ａ１をオン又はオフさせるようにしている。また、同様の構成で第２の能動素子Ａ２をオン又はオフさせるようにしている。第１および第２の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ１，Ｂ２の出力インピーダンスは低インピーダンスであるため、この構成により第１および第２の能動素子Ａ１，Ａ２の制御端子Ａ１ｃ，Ａ２ｃを低インピーダンスで駆動できる。また、高圧側電源２及び低圧側電源３には第１および第２の能動素子Ａ１，Ａ２のみが接続されるので、これら電源の電力容量は、第１および第２の能動素子Ａ１，Ａ２のスイッチング動作でパルス信号を出力するのに必要な容量で良い。これらにより、スイッチング回路４を、電力効率を低下させずに高速化できる。従って、高圧パルス発生装置の電力効率を高めた上で、高い周波数の高圧パルス信号を出力できる。

本実施例は、スイッチング部４の構成が実施例１と異なる高圧パルス発生装置に関する。そこで、スイッチング部４の構成についてのみ説明する。

図４は、本発明の実施例２に係る高圧パルス発生装置のスイッチング部のブロック図である。図４に示すように、スイッチング部４は、図２の実施例１の構成に加え、第３の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ３と、第４の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ４と、第３のスイッチ回路Ｃ３と、第４のスイッチ回路Ｃ４と、第３の能動素子Ａ３と、第４の能動素子Ａ４と、第３の抵抗Ｒ３と、第４の抵抗Ｒ４と、をさらに備える。

これら以外の構成は、図２の実施例１の構成と同一であるため、同一の構成要素に同一の符号を付し、説明を省略する。

第３の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ３は、入力端子Ｂ３ａと入力端子Ｂ３ｂとの間に入力された入力電圧を第３の電圧に変換して、第３の電圧を第５端子Ｂ３ｃと第６端子Ｂ３ｄとの間の電圧として出力する。第３の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ３は、入力側と出力側とが電気的に絶縁されている。例えば、第３の電圧は第１の電圧と等しい。

第３のスイッチ回路Ｃ３は、端子Ｃ３ｃと端子Ｃ３ｄとが、第３の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ３の第５端子Ｂ３ｃと、第３の能動素子Ａ３の制御端子Ａ３ｃとの間に接続されている。

第３の能動素子Ａ３は、高圧側電源２と第１の能動素子Ａ１の一端Ａ１ａとの間に一端Ａ３ａと他端Ａ３ｂとが接続され、一端Ａ３ａに高圧側電圧ＶＤＤが供給されている。第３の能動素子Ａ３の他端Ａ３ｂは、第３の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ３の第６端子Ｂ３ｄにも接続されている。

第３の抵抗Ｒ３は、第３の能動素子Ａ３の制御端子Ａ３ｃと他端Ａ３ｂとの間に接続されている。

インバーター１０の出力端子は、第３のスイッチ回路Ｃ３の制御端子Ｃ３ａに接続されている。第３のスイッチ回路Ｃ３の制御端子Ｃ３ｂは接地されている。

第３のスイッチ回路Ｃ３は、パルス信号に応じて、第１のスイッチ回路Ｃ１と同じタイミングで、第３の電圧を第３の能動素子Ａ３の制御端子Ａ３ｃと他端Ａ３ｂとの間に加えるか否かを切り替える。これにより、第３の能動素子Ａ３は、パルス信号に応じて、第１の能動素子Ａ１と同じタイミングで一端Ａ３ａと他端Ａ３ｂとの間の経路がオンまたはオフに制御される。

第４の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ４は、入力端子Ｂ４ａと入力端子Ｂ４ｂとの間に入力された入力電圧を第４の電圧に変換して、第４の電圧を第７端子Ｂ４ｃと第８端子Ｂ４ｄとの間の電圧として出力する。第４の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ４は、入力側と出力側とが電気的に絶縁されている。例えば、第４の電圧は第１の電圧と等しい。

第４のスイッチ回路Ｃ４は、端子Ｃ４ｃと端子Ｃ４ｄとが、第４の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ４の第７端子Ｂ４ｃと、第４の能動素子Ａ４の制御端子Ａ４ｃとの間に接続されている。

第４の能動素子Ａ４は、第２の能動素子Ａ２の他端Ａ２ｂと低圧側電源３との間に一端Ａ４ａと他端Ａ４ｂとが接続され、他端Ａ４ｂに低圧側電圧ＶＳＳが供給されている。第４の能動素子Ａ４の他端Ａ４ｂは、第４の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ４の第８端子Ｂ４ｄにも接続されている。

第４の抵抗Ｒ４は、第４の能動素子Ａ４の制御端子Ａ４ｃと他端Ａ４ｂとの間に接続されている。

パルス信号は、第４のスイッチ回路Ｃ４の制御端子Ｃ４ａに入力される。第４のスイッチ回路Ｃ４の制御端子Ｃ４ｂは接地されている。

第４のスイッチ回路Ｃ４は、パルス信号に応じて、第１のスイッチ回路Ｃ１とは相補的に、第４の電圧を第４の能動素子Ａ４の制御端子Ａ４ｃと他端Ａ４ｂとの間に加えるか否かを切り替える。これにより、第４の能動素子Ａ４は、パルス信号に応じて、第１の能動素子Ａ１とは相補的に一端Ａ４ａと他端Ａ４ｂとの間の経路がオンまたはオフに制御される。

このように、第１の能動素子Ａ１、第２の能動素子Ａ２、第３の能動素子Ａ３および第４の能動素子Ａ４が高圧側電源２と低圧側電源３との間に直列接続されているので、これらの能動素子として実施例１より耐圧が低い能動素子を用いることができる。

次に、スイッチング部４の動作を説明する。

（１）パルス信号がローレベルの時
第１のスイッチ回路Ｃ１の制御端子Ｃ１ａおよび第３のスイッチ回路Ｃ３の制御端子Ｃ３ａには、インバーター１０からハイレベルの信号が加えられる。これにより、第１のスイッチ回路Ｃ１の端子Ｃ１ｃと端子Ｃ１ｄとの間、および、第３のスイッチ回路Ｃ３の端子Ｃ３ｃと端子Ｃ３ｄとの間は導通する。すると、第１の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ１から出力される第１の電圧が、第１の能動素子Ａ１の制御端子Ａ１ｃと他端Ａ１ｂとの間に加えられる。また、第３の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ３から出力される第３の電圧が、第３の能動素子Ａ３の制御端子Ａ３ｃと他端Ａ３ｂとの間に加えられる。これにより、第１の能動素子Ａ１及び第３の能動素子Ａ３はオンする。

一方、第２のスイッチ回路Ｃ２の制御端子Ｃ２ａおよび第４のスイッチ回路Ｃ４の制御端子Ｃ４ａには、ローレベルのパルス信号が加えられる。これにより、第２のスイッチ回路Ｃ２の端子Ｃ２ｃと端子Ｃ２ｄとの間、および、第４のスイッチ回路Ｃ４の端子Ｃ４ｃと端子Ｃ４ｄとの間は導通しない。また、第２の能動素子Ａ２の制御端子Ａ２ｃには、第２の抵抗Ｒ２を介して他端Ａ２ｂと同一の電圧が加えられる。また、第４の能動素子Ａ４の制御端子Ａ４ｃには、第４の抵抗Ｒ４を介して他端Ａ４ｂと同一の低圧側電圧ＶＳＳが加えられる。これにより、第２の能動素子Ａ２及び第４の能動素子Ａ４はオフとなる。

このように、第１の能動素子Ａ１及び第３の能動素子Ａ３はオンであり、第２の能動素子Ａ２及び第４の能動素子Ａ４はオフであるため、出力端子Ｏ１から高圧側電圧ＶＤＤが出力される。

（２）パルス信号がハイレベルの時
上記（１）とは反対に、第１のスイッチ回路Ｃ１の端子Ｃ１ｃと端子Ｃ１ｄとの間、および、第３のスイッチ回路Ｃ３の端子Ｃ３ｃと端子Ｃ３ｄとの間は導通しない。また、第１の能動素子Ａ１の制御端子Ａ１ｃには、第１の抵抗Ｒ１を介して他端Ａ１ｂと同じ電圧が加えられる。また、第３の能動素子Ａ３の制御端子Ａ３ｃには、第３の抵抗Ｒ３を介して他端Ａ３ｂと同じ電圧が加えられる。これにより、第１の能動素子Ａ１及び第３の能動素子Ａ３はオフとなる。

一方、第２のスイッチ回路Ｃ２の端子Ｃ２ｃと端子Ｃ２ｄとの間、および、第４のスイッチ回路Ｃ４の端子Ｃ４ｃと端子Ｃ４ｄとの間は導通する。すると、第２の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ２から出力される第２の電圧が、第２の能動素子Ａ２の制御端子Ａ２ｃと他端Ａ２ｂとの間に加えられる。また、第４の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ４から出力される第４の電圧が、第４の能動素子Ａ４の制御端子Ａ４ｃと他端Ａ４ｂとの間に加えられる。これにより、第２の能動素子Ａ２及び第４の能動素子Ａ４はオンする。

このように、第１の能動素子Ａ１及び第３の能動素子Ａ３はオフであり、第２の能動素子Ａ２及び第４の能動素子Ａ４はオンであるため、出力端子Ｏ１から低圧側電圧ＶＳＳが出力される。

パルス信号の状態が上記（１）と（２）を交互に繰り返すことにより、スイッチング部４は、出力端子Ｏ１から高圧側電圧ＶＤＤと低圧側電圧ＶＳＳとを交互に繰り返し出力する。

以上で説明した様に、本実施例によれば、スイッチング回路４において、直列接続された４つの能動素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４の各制御端子に、対応する絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４の出力電圧を加えるようにしたので、各能動素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４を等しい低インピーダンスで駆動できる。これにより、各能動素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４のスイッチングのタイミングを等しくできるので、スイッチング回路４を高速化できる。従って、各能動素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４の耐圧が低い場合であっても、高速に動作可能なスイッチング回路４を構成できるので、高圧パルス発生装置は高い周波数の高圧パルス信号を出力できる。

さらに、実施例１と同様の効果も得られる。

なお、実施例２では４つの能動素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４を直列接続する一例について説明したが、より多くの能動素子を直列接続しても良い。

１ パルス発生部
２ 高圧側電源
３ 低圧側電源
４ スイッチング部
５ 制御部
Ｂ１ 第１の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ
Ｂ２ 第２の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ
Ｃ１ 第１のスイッチ回路
Ｃ２ 第２のスイッチ回路
Ａ１ 第１の能動素子
Ａ２ 第２の能動素子
Ｒ１ 第１の抵抗
Ｒ２ 第２の抵抗
１０ インバーター
Ｂ３ 第３の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ
Ｂ４ 第４の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ
Ｃ３ 第３のスイッチ回路
Ｃ４ 第４のスイッチ回路
Ａ３ 第３の能動素子
Ａ４ 第４の能動素子
Ｒ３ 第３の抵抗
Ｒ４ 第４の抵抗

Claims (21)

1. パルス信号を発生するパルス発生部と、
   高圧側電圧を生成する高圧側電源と、
   低圧側電圧を生成する低圧側電源と、
   前記パルス信号に応じて、入力された前記高圧側電圧と前記低圧側電圧とを何れか一方ずつ交互に出力端子から出力するスイッチング部と、
   前記パルス信号の周波数と、前記高圧側電圧と、前記低圧側電圧とを制御する制御部と、を備える
   ことを特徴とする高圧パルス発生装置。
2. 前記出力端子に容量性負荷が接続される
   ことを特徴とする請求項１に記載の高圧パルス発生装置。
3. 前記パルス信号は第１の電圧と第２の電圧とを有し、
   前記スイッチング部は、前記パルス信号が前記第１の電圧の時に前記高圧側電圧を出力し、前記パルス信号が前記第２の電圧の時に前記低圧側電圧を出力する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高圧パルス発生装置。
4. 前記高圧側電圧は正の電圧であり、前記低圧側電圧は負の電圧である
   ことを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の高圧パルス発生装置。
5. 前記高圧側電圧と前記低圧側電圧は、絶対値が等しい
   ことを特徴とする請求項４に記載の高圧パルス発生装置。
6. 前記高圧側電圧と前記低圧側電圧は、絶対値が異なる
   ことを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の高圧パルス発生装置。
7. 前記高圧側電圧は正の電圧であり、前記低圧側電圧は前記高圧側電圧より低い正の電圧である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の高圧パルス発生装置。
8. 前記高圧側電源と前記低圧側電源はスイッチング電源である
   ことを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載の高圧パルス発生装置。
9. 前記スイッチング部は、
   前記高圧側電源に一端が接続され、前記出力端子に他端が接続され、前記パルス信号に応じて、前記一端と前記他端との間の経路がオンまたはオフに制御される第１の能動素子と、
   前記出力端子に一端が接続され、前記低圧側電源に他端が接続され、前記パルス信号に応じて、前記第１の能動素子とは相補的に前記一端と前記他端との間の経路がオンまたはオフに制御される第２の能動素子と、を有する
   ことを特徴とする請求項１から請求項８の何れかに記載の高圧パルス発生装置。
10. 前記スイッチング部は、
    入力電圧を第１の電圧に変換して、前記第１の電圧を第１端子と第２端子との間の電圧として出力する、入力側と出力側とが電気的に絶縁された第１の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータと、
    前記パルス信号に応じて、前記第１の電圧を前記第１の能動素子の前記制御端子と前記他端との間に加えるか否かを切り替える第１のスイッチ回路と、
    前記入力電圧を第２の電圧に変換して、前記第２の電圧を第３端子と第４端子との間の電圧として出力する、入力側と出力側とが電気的に絶縁された第２の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータと、
    前記パルス信号に応じて、前記第１のスイッチ回路とは相補的に、前記第２の電圧を前記第２の能動素子の前記制御端子と前記他端との間に加えるか否かを切り替える第２のスイッチ回路と、を有する
    ことを特徴とする請求項９に記載の高圧パルス発生装置。
11. 前記第１のスイッチ回路は、前記第１の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第１端子と、前記第１の能動素子の前記制御端子との間に接続され、
    前記第１の能動素子の前記他端は、前記第１の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第２端子に接続され、
    前記第２のスイッチ回路は、前記第２の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第３端子と、前記第２の能動素子の前記制御端子との間に接続され、
    前記第２の能動素子の前記他端は、前記第２の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第４端子に接続されている
    ことを特徴とする請求項１０に記載の高圧パルス発生装置。
12. 前記第１の能動素子の前記制御端子と前記他端との間に接続された第１の抵抗と、
    前記第２の能動素子の前記制御端子と前記他端との間に接続された第２の抵抗と、をさらに備える
    ことを特徴とする請求項１１に記載の高圧パルス発生装置。
13. 前記第１の電圧と前記第２の電圧は等しい
    ことを特徴とする請求項１０から請求項１２の何れかに記載の高圧パルス発生装置。
14. 前記第１の能動素子と前記第２の能動素子は、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴである
    ことを特徴とする請求項９から請求項１３の何れかに記載の高圧パルス発生装置。
15. 前記第１のスイッチ回路と前記第２のスイッチ回路は、フォトカプラまたはフォトＭＯＳである
    ことを特徴とする請求項１０から請求項１４の何れかに記載の高圧パルス発生装置。
16. 前記入力電圧を第３の電圧に変換して、前記第３の電圧を第５端子と第６端子との間の電圧として出力する、入力側と出力側とが電気的に絶縁された第３の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータと、
    前記高圧側電源と前記第１の能動素子の前記一端との間に一端と他端とが接続され、制御端子と前記他端との間に加えられる電圧に応じてオンまたはオフに制御される第３の能動素子と、
    前記パルス信号に応じて、前記第３の電圧を前記第３の能動素子の前記制御端子と前記他端との間に加えるか否かを切り替える第３のスイッチ回路と、
    前記入力電圧を第４の電圧に変換して、前記第４の電圧を第７端子と第８端子との間の電圧として出力する、入力側と出力側とが電気的に絶縁された第４の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータと、
    前記第２の能動素子の前記他端と前記低圧側電源との間に一端と他端とが接続され、制御端子と前記他端との間に加えられる電圧に応じてオンまたはオフに制御される第４の能動素子と、
    前記パルス信号に応じて、前記第１のスイッチ回路とは相補的に、前記第４の電圧を前記第４の能動素子の前記制御端子と前記他端との間に加えるか否かを切り替える第４のスイッチ回路と、をさらに備える
    ことを特徴とする請求項１０に記載の高圧パルス発生装置。
17. 前記第１のスイッチ回路は、前記第１の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第１端子と、前記第１の能動素子の前記制御端子との間に接続され、
    前記第１の能動素子の前記他端は、前記第１の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第２端子に接続され、
    前記第２のスイッチ回路は、前記第２の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第３端子と、前記第２の能動素子の前記制御端子との間に接続され、
    前記第２の能動素子の前記他端は、前記第２の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第４端子に接続され、
    前記第３のスイッチ回路は、前記第３の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第５端子と、前記第３の能動素子の前記制御端子との間に接続され、
    前記第３の能動素子の前記他端は、前記第３の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第６端子に接続され、
    前記第４のスイッチ回路は、前記第４の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第７端子と、前記第４の能動素子の前記制御端子との間に接続され、
    前記第４の能動素子の前記他端は、前記第４の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記第８端子に接続されている
    ことを特徴とする請求項１６に記載の高圧パルス発生装置。
18. 前記第１の能動素子の前記制御端子と前記他端との間に接続された第１の抵抗と、
    前記第２の能動素子の前記制御端子と前記他端との間に接続された第２の抵抗と、
    前記第３の能動素子の前記制御端子と前記他端との間に接続された第３の抵抗と、
    前記第４の能動素子の前記制御端子と前記他端との間に接続された第４の抵抗と、をさらに備える
    ことを特徴とする請求項１７に記載の高圧パルス発生装置。
19. 前記第１の電圧と、前記第２の電圧と、前記第３の電圧と、前記第４の電圧とは等しい
    ことを特徴とする請求項１６から請求項１８の何れかに記載の高圧パルス発生装置。
20. 前記第１の能動素子と、前記第２の能動素子と、前記第３の能動素子と、前記第４の能動素子とは、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴである
    ことを特徴とする請求項１６から請求項１９の何れかに記載の高圧パルス発生装置。
21. 前記第１のスイッチ回路と、前記第２のスイッチ回路と、前記第３のスイッチ回路と、前記第４のスイッチ回路とは、フォトカプラまたはフォトＭＯＳである
    ことを特徴とする請求項１６から請求項２０の何れかに記載の高圧パルス発生装置。

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