JP2017017845A

JP2017017845A - 高電圧発生装置

Info

Publication number: JP2017017845A
Application number: JP2015131523A
Authority: JP
Inventors: 伸明関根; Nobuaki Sekine
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2017-01-19

Abstract

【課題】出力電圧を安定化させ、レギュレーションを大幅に改善させることができる高電圧発生装置を提供する。【解決手段】昇圧チョッパ２と、昇圧チョッパ２の出力電圧を交流電圧に変換してトランスＴ１の１次巻線Ｐ１に印加するプッシュプル回路３と、トランスＴ１の２次巻線Ｓ１に発生する２次巻線電圧を昇圧するコッククロフトウォルトン回路４とを有し、トランスＴ１の巻線構造は、１次巻線Ｐ１を２層として２次巻線Ｓ１を挟むサンドイッチ巻きで構成され、昇圧チョッパ２は、トランスＴ１の二次側電圧のフィードバックにより、トランスＴ１の二次側電圧を制御するように動作する。【選択図】図１

Description

本発明は、高電圧発生装置に関する。

コンデンサと整流ダイオードとを多段式に組み合わせたコッククロフトウォルトン回路を用いた高電圧発生装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。コッククロフトウォルトン回路は、出力電流が比較的少ない直流高電圧を得る場合に良く使われる。

特開２００３−２５７６９７公報

しかしながら、従来技術では、２次巻線間に発生するサージ電圧の存在により、トランスの巻数比とコッククロフト段数倍の昇圧電圧が設計値通りにならず、極端にレギュレーションが悪くなる傾向があった。特に、部品点数を削減するために、一次側をプッシュプル制御とすると、メインＦＥＴのサージ電圧がトランス巻数比倍となって２次巻線間に高いサージ電圧となって発生する。コッククロフトウォルトン回路は半波整流の繰り返しであるため、各整流段で２次巻線電圧＋サージ電圧でコンデンサがチャージされてしまう。従って、コンデンサとダイオードの部品規格に対してマージンを取れる様な設計とするため、２次巻線電圧を低く調整する必要があり、その分コッククロフト段数を増やす必要があった。また、サージ電圧はコッククロフトウォルトン回路の整流ダイオードとコンデンサに印加され、不要な部品ストレスが発生する。さらに、コッククロフト段数倍のサージ電圧が出力端子に現れることになるが、このサージ電圧はエネルギー的に小さいので、負荷電流を少し流しただけで各コンデンサ間電圧は低下する。そのため、無負荷から定格負荷電流の変化で出力電圧が大きく変動してしまい、レギュレーション悪化の原因となっていた。

本発明の目的は、従来技術の上記問題を解決し、出力電圧を安定化させ、レギュレーションを大幅に改善させることができる高電圧発生装置を提供することにある。

本発明の高電圧発生装置は、直流電圧を交流電圧に変換してトランスの１次巻線に印加するＤＣＡＣコンバータと、前記トランスの２次巻線に発生する２次巻線電圧を昇圧する多倍電圧整流部とを有する高電圧発生装置であって、前記トランスの巻線構造は、前記１次巻線を２層として前記２次巻線を挟むサンドイッチ巻きで構成されていることを第１の特徴とする。
また、本発明の高電圧発生装置は、ＤＣＤＣコンバータと、前記ＤＣＤＣコンバータの出力電圧を交流電圧に変換してトランスの１次巻線に印加するＤＣＡＣコンバータと、前記トランスの２次巻線に発生する２次巻線電圧を昇圧する多倍電圧整流部とを有する高電圧発生装置であって、前記ＤＣＤＣコンバータは、前記トランスの二次側電圧のフィードバックにより、前記トランスの二次側電圧を制御するように動作することを第２の特徴とする。

本発明の第１の特徴によれば、トランスの２次巻線に発生するサージ電圧を抑制することができると共に、トランスの２次巻線に発生する２次巻線電圧を安定化させることができるため、出力電圧を安定化させ、レギュレーションを大幅に改善させることができるという効果を奏する。
また、本発明の第２の特徴によれば、トランスの２次巻線に発生する２次巻線電圧を安定化させることができるため、出力電圧を安定化させ、レギュレーションを大幅に改善させることができるという効果を奏する。

本発明に係る高電圧発生装置の実施の形態の構成を示す回路構成図である。図１に示すトランスの構成例を示す図である。図１に示すトランスの２次巻線に発生する２次巻線電圧の波形図である。本発明に係る高電圧発生装置の他の実施の形態の構成を示す回路構成図である。

本実施の形態の高電圧発生装置１は、図１を参照すると、非絶縁型の昇圧チョッパ２と、プッシュプル回路３と、トランスＴ１と、多倍電圧整流部であるコッククロフトウォルトン回路４とで構成されている。

昇圧チョッパ２は、入力電圧変動を吸収するＤＣＤＣコンバータであり、バッテリー等から直流電圧が印加される入力端子Ｖｉｎおよび接地端子ＧＮＤと、第１入力コンデンサＣ１と、リアクトルＬと、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等からなるスイッチング素子Ｑ１と、ダイオードＤ１と、第２入力コンデンサＣ２と、昇圧チョッパ制御部２１と、抵抗Ｒ１〜Ｒ３とを備えている。

入力端子Ｖｉｎと接地端子ＧＮＤとの間には、第１入力コンデンサＣ１が接続されていると共に、リアクトルＬとスイッチング素子Ｑ１と電流検出用の抵抗Ｒ１とからなる直列回路が第１入力コンデンサＣ１と並列に接続されている。そして、リアクトルＬとスイッチング素子Ｑ１との接続点と、接地端子ＧＮＤとの間には、ダイオードＤ１と第２入力コンデンサＣ２とからなる直列回路が接続されている。スイッチング素子Ｑ１は、ゲートに接続されたゲート電流制限用の抵抗Ｒ２を介し、昇圧チョッパ制御部２１によってオン、オフ制御される。なお、スイッチ素子Ｑ１のドレインとゲートの間に接続された抵抗Ｒ３は、逆バイアス抵抗である。ダイオードＤ１は、逆方向阻止用ダイオードであり、スイッチング素子Ｑ１のオン、オフにより、リアクトルＬに蓄えられた電磁エネルギーによる電圧がダイオードＤ１のカソード側電位より高い場合、第２入力コンデンサＣ２に充電される。

プッシュプル回路３は、昇圧チョッパ２から出力される直流電圧を交流電圧に変換するＤＣＡＣコンバータであり、トランスＴ１の１次巻線Ｐ１に流れる電流の経路を制御するスイッチング素子Ｑ２、Ｑ３と、プッシュプル回路制御部３１と、抵抗Ｒ４〜Ｒ９とを備えている。スイッチング素子Ｑ２と電流検出用の抵抗Ｒ４とからなる直列回路がトランスＴ１の１次巻線Ｐ１の一端と第２入力コンデンサＣ２の負極側端子（接地端子ＧＮＤ）との間に接続され、スイッチング素子Ｑ３と電流検出用の抵抗Ｒ７とからなる直列回路がトランスＴ１の１次巻線Ｐ１の他端と第２入力コンデンサＣ２の負極側端子（接地端子ＧＮＤ）との間に接続されている。そして、第２入力コンデンサＣ２の正極側端子がトランスＴ１の１次巻線Ｐ１の中間タップに接続されている。スイッチング素子Ｑ２とスイッチング素子Ｑ３とは、それぞれのゲートに接続されたゲート電流制限用の抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ８を介し、プッシュプル回路制御部３１によってオン、オフ制御される。なお、スイッチ素子Ｑ２のドレインとゲートの間に接続された抵抗Ｒ６と、スイッチ素子Ｑ３のドレインとゲートの間に接続された抵抗Ｒ９とは、逆バイアス抵抗である。

プッシュプル回路制御部３１は、抵抗Ｒ４及び抵抗Ｒ９によって検出される電流に基づいて過電流を検出する機能を有している。過電流が検出されない通常時に、プッシュプル回路制御部３１は、予め設定された固定周波数、固定デューティー（例えば、５０％デューティー）でスイッチング素子Ｑ２、Ｑ３を交互にオン、オフ制御する。そして、過電流検出時に、プッシュプル回路制御部３１は、間欠動作またはオン幅を狭めて保護をかける機能を有している。

トランスＴ１は、図２（ａ）に示すように、１次巻線Ｐ１を２層として２次巻線Ｓ１を挟むサンドイッチ巻きで構成されている。１次巻線Ｐ１の各層の巻線構造は、折り返し巻は行なわず、バイファイラ１層巻である。また、２次巻線Ｓ１の巻線構造も、折り返し巻は行なわず、１層巻である。１次巻線Ｐ１と２次巻線Ｓ１は、いずれも巻始めから巻き終わりまで同じ輻で巻かれ、１次巻線Ｐ１の巻始めと巻き終わりと、２次巻線Ｓ１の巻始めと巻き終わりとは、それぞれ位置合わせされている。巻数が違う場合はスペース巻によって巻始めと巻き終わりが位置合わせされる。

図３において、（ａ）には通常のトランスの２次巻線に発生する２次巻線電圧が、（ｂ）には本実施の形態のトランスＴ１の２次巻線Ｓ１に発生する２次巻線電圧がそれぞれ示されている。本実施の形態のトランスＴ１の巻き方により１次２次結合が最良となり、図３に示すように、サージ電圧を小さくすることができる。

トランスＴ１の２次巻線Ｓ１には、コンデンサと整流ダイオードとを多段式に組み合わせたコッククロフトウォルトン回路４が接続されている。コッククロフトウォルトン回路４は、２次巻線Ｓ１に発生する２次巻線電圧を半波整流の繰り返しで昇圧し、昇圧した出力電圧を出力端子Ｖｏｕｔおよび接地端子ＧＮＤから出力する。

コッククロフトウォルトン回路４の２段目の電圧が抵抗Ｒ１０と抵抗Ｒ１１とで分圧され、トランスＴ１の二次側電圧として、昇圧チョッパ２の昇圧チョッパ制御部２１にフィードバックされている。昇圧チョッパ制御部２１は、フィードバックされたコッククロフトウォルトン回路４の２段目の電圧が一定になるように、出力電圧を制御する。このように昇圧チョッパ２がトランスＴ１の二次側電圧を制御するように動作することで、プッシュプル回路３とコッククロフト回路４の特性を変化させることなく出力電圧を安定化させることができる。なお、昇圧チョッパ２へのフィードバックは、コッククロフトウォルトン回路４の２段目程度の電圧が適度に低く、分圧するため抵抗ロスが少なくなり、好適である。しかし、出力電圧の精度を上げるために、昇圧チョッパ２にフィードバックするコッククロフトウォルトン回路４の段数を３段目以上に適宜設定しても良い。

また、本実施の形態では、トランスＴ１の巻線構造によって、サージ電圧が小さく抑えられているため、サージ電圧の影響が少ない二次側電圧が昇圧チョッパ２にフィードバックされる。従って、昇圧チョッパ２の昇圧チョッパ制御部２１では、遅延回路等のサージ電圧をキャンセルする回路を設けることなく、レスポンス良くトランスＴ１の二次側電圧を制御することが可能になる。

また、二次側を絶縁したい場合は、図４に示すように、検出巻線Ｓ２を有するトランスＴ２を用いて高電圧発生装置１ａを構成すると良い。そして、検出巻線Ｓ２に発生する検出巻線電圧を、全波整流用のダイオードＤ２、Ｄ３と抵抗Ｒ１２、Ｒ１３と平滑コンデンサＣ３とを介して昇圧チョッパ２の昇圧チョッパ制御部２１にフィードバックさせる。抵抗Ｒ１２、Ｒ１３は、平滑コンデンサＣ３のピーク充電防止用の抵抗である。この場合、図２（ｂ）に示すように、検出巻線Ｓ２を２次巻線Ｓ１と結合が良くなるように、２次巻線Ｓ１の上にスペース巻とし、検出巻線Ｓと２次巻線Ｓ１との巻始めと巻き終わりの位置を合わせる。そして、１次巻線Ｐ１を２層として検出巻線Ｓ２と２次巻線Ｓ１とを挟むサンドイッチ巻きで構成する。或いは、２次巻線Ｓ１との結合を維持しつつ１次巻線Ｐ１との結合を悪くするように、図２（ａ）に示す構成に対し、２次巻線Ｓ１と検出巻線Ｓ２とを追加しても良い。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ＤＣＤＣコンバータである昇圧チョッパ２と、昇圧チョッパ２の出力電圧を交流電圧に変換してトランスＴ１、Ｔ２の１次巻線Ｐ１に印加するＤＣＡＣコンバータであるプッシュプル回路３と、トランスＴ１、Ｔ２の２次巻線Ｓ１に発生する２次巻線電圧を昇圧する多倍電圧整流部であるコッククロフトウォルトン回路４とを有する高電圧発生装置１、１ａであって、トランスＴ１、Ｔ２の巻線構造は、１次巻線Ｐ１を２層として２次巻線Ｓ１を挟むサンドイッチ巻きで構成され、昇圧チョッパ２は、トランスＴ１、Ｔ２の二次側電圧のフィードバックにより、トランスＴ１、Ｔ２の二次側電圧を制御するように動作する。
この構成により、トランスＴ１、Ｔ２の２次巻線Ｓ１に発生するサージ電圧を抑制することができると共に、プッシュプル回路３とコッククロフト回路４の特性を変化させることなくトランスＴ１、Ｔ２の２次巻線Ｓ１に発生する２次巻線電圧を安定化させることができるため、出力電圧を安定化させ、レギュレーションを大幅に改善させることができる。また、サージ電圧が抑制されているため、昇圧チョッパ２では、サージ電圧をキャンセルする回路を設けることなく、レスポンス良くトランスＴ１、Ｔ２の二次側電圧を制御することが可能になる。

さらに、本実施の形態によれば、１次巻線Ｐ１の各層の巻線構造は、バイファイラ１層巻であると共に、２次巻線Ｓ１の巻線構造も、１層巻であり、１次巻線Ｐ１と２次巻線Ｓ１は、いずれも巻始めから巻き終わりまで同じ輻で巻かれ、１次巻線Ｐ１の巻始めと巻き終わりと、２次巻線Ｓ１の巻始めと巻き終わりとは、それぞれ位置合わせされている。
この構成により、トランスＴ１、Ｔ２の２次巻線Ｓ１に発生するサージ電圧をさらに抑制することができる。

さらに、本実施の形態によれば、トランスＴ２は、２次巻線Ｓ１の上にスペース巻され、２次巻線Ｓ１と巻始め及び巻き終わりがそれぞれ位置合わせされた検出巻線Ｓ２を具備し、昇圧チョッパ２には、トランスＴ２の二次側電圧として、検出巻線Ｓ２に発生する検出巻線電圧がフィードバックされる。
この構成により、二次側を絶縁しても、トランスＴ２の二次側電圧を精度良くフィードバックすることができる。

以上、本発明を具体的な実施形態で説明したが、上記実施形態は一例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更して実施できることは言うまでも無い。

１、１ａ高電圧発生装置
２昇圧チョッパ
３プッシュプル回路
４コッククロフトウォルトン回路
２１昇圧チョッパ制御部
３１プッシュプル回路制御部
Ｃ１第１入力コンデンサ
Ｃ２第２入力コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ３ダイオード
Ｐ１１次巻線
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３スイッチング素子
Ｒ１〜Ｒ１１抵抗
Ｓ１２次巻線
Ｓ２検出巻線
Ｔ１、Ｔ２トランス

Claims

直流電圧を交流電圧に変換してトランスの１次巻線に印加するＤＣＡＣコンバータと、前記トランスの２次巻線に発生する２次巻線電圧を昇圧する多倍電圧整流部とを有する高電圧発生装置であって、
前記トランスの巻線構造は、前記１次巻線を２層として前記２次巻線を挟むサンドイッチ巻きで構成されていることを特徴とする高電圧発生装置。
前記１次巻線の各層の巻線構造は、バイファイラ１層巻であると共に、
前記２次巻線の巻線構造も、１層巻であり、
前記１次巻線と前記２次巻線は、いずれも巻始めから巻き終わりまで同じ輻で巻かれ、前記１次巻線の巻始めと巻き終わりと、前記２次巻線の巻始めと巻き終わりとは、それぞれ位置合わせされていることを特徴とする請求項１記載の高電圧発生装置。
前記トランスは、前記２次巻線上にスペース巻され、前記２次巻線と巻始め及び巻き終わりがそれぞれ位置合わせされた検出巻線を具備し、
前記ＤＣＤＣコンバータには、前記トランスの二次側電圧として、前記検出巻線に発生する検出巻線電圧がフィードバックされることを特徴とする請求項１又は２記載の高電圧発生装置。
ＤＣＤＣコンバータと、前記ＤＣＤＣコンバータの出力電圧を交流電圧に変換してトランスの１次巻線に印加するＤＣＡＣコンバータと、前記トランスの２次巻線に発生する２次巻線電圧を昇圧する多倍電圧整流部とを有する高電圧発生装置であって、
前記ＤＣＤＣコンバータは、前記トランスの二次側電圧のフィードバックにより、前記トランスの二次側電圧を制御するように動作することを特徴とする高電圧発生装置。
前記トランスの巻線構造は、前記１次巻線を２層として前記２次巻線を挟むサンドイッチ巻きで構成されることを特徴とする請求項４記載の高電圧発生装置。
前記１次巻線の各層の巻線構造は、バイファイラ１層巻であると共に、
前記２次巻線の巻線構造も、１層巻であり、
前記１次巻線と前記２次巻線は、いずれも巻始めから巻き終わりまで同じ輻で巻かれ、前記１次巻線の巻始めと巻き終わりと、前記２次巻線の巻始めと巻き終わりとは、それぞれ位置合わせされていることを特徴とする請求項５記載の高電圧発生装置。
前記トランスは、前記２次巻線上にスペース巻され、前記２次巻線と巻始め及び巻き終わりがそれぞれ位置合わせされた検出巻線を具備し、
前記ＤＣＤＣコンバータには、前記トランスの二次側電圧として、前記検出巻線に発生する検出巻線電圧がフィードバックされることを特徴とする請求項５又は６記載の高電圧発生装置。
前記ＤＣＡＣコンバータを構成するスイッチング素子は、予め設定された固定周波数、固定デューティーオン、オフ制御されることを特徴とする請求項４記載の高電圧発生装置。