JP2022086417A - 電源装置、電源ユニット、試験装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】セトリング時間を短縮した高電圧電源を提供する。【解決手段】電源装置１００において、電源ユニット２００＿１～２００＿Ｎは夫々、制御信号Ｖｃｔｒｌに応じて、正極出力ＯＵＴＰと負極出力ＯＵＴＮの間に出力電圧Ｖｉを発生する出力段２１０と、出力電圧Ｖ１～ＶＮを示す電圧検出信号Ｖｓ１～ＶｓＮを生成する電圧検出器２２０を備える。マスターチャンネルの電源ユニット２００＿１のフィードバック信号生成部２３０は、複数チャンネルの残りであるスレーブチャンネルの電源ユニット２００＿２～２００＿Ｎから電圧検出信号Ｖｓ２～ＶｓＮを受信し、全チャンネルの電圧検出信号Ｖｓ１～ＶｓＮに基づくフィードバック信号Ｖｆｂを生成する。フィードバックコントローラは、フィードバック信号Ｖｆｂが目標値Ｖｒｅｆに近づくように、制御信号Ｖｃｔｒｌを生成する。スレーブチャンネルの出力段２１０は、制御信号Ｖｃｔｒｌに基づいて動作する。【選択図】図４

Description

本発明は、デバイスに電源電圧もしくは電源電流を供給する電源装置に関する。
近年、省エネルギー化を目的として、高電圧を高速にスイッチングすることで高効率な電力変換が可能なＳｉＣ（炭化ケイ素）ＦＥＴ（Field-Effect Transistor）やＧａＮ（窒化ガリウム）ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）などのパワーデバイスの研究開発が盛んになっている。それにともない、高電圧を印加するデバイス試験の需要も増大し、試験時間短縮の要求が強くなっている。それらのデバイス試験においては１０００Ｖ、デバイスによっては２０００Ｖの高電圧かつ高精度な直流電圧印加が必要である。
試験装置用の電源装置の最高出力電圧が、負荷に供給すべき高電圧に満たない場合、複数のチャンネルの電源装置（以下、電源ユニットと称する）を直列接続(以下、スタック接続)する必要がある。
特開２０１３－１３８５５７号公報 特表２０１３－５３５９４９号公報
図１は、高電圧電源１００Ｒのブロック図である。図１を参照すると、高電圧電源１００Ｒは、スタック接続された複数チャンネルＣＨ１～ＣＨＮの電源ユニット１１０＿１～１１０＿Ｎを備える。各チャンネルの電源ユニット１１０は、一次側Ｐと二次側Ｓを有し、一次側Ｐと二次側Ｓは、トランスやキャパシタなどのアイソレーションバリア１１２を介して絶縁されている。複数の電源ユニット１１０＿１～１１０＿Ｎの一次側Ｐの接地端子ＧＮＤ同士は、共通に接続される。
電源ユニット１１０の二次側Ｓには、正極出力ＯＵＴＰと負極出力ＯＵＴＮが設けられ、正極出力ＯＵＴＰと負極出力ＯＵＴＮの間には、出力段１２０が設けられる。図１の構成では、全チャンネルが独立に動作し、ｉ番目（ｉ＝１～Ｎ）のチャンネルの出力段１２０は、自身の出力電圧Ｖｉが目標値ＶＲＥＦに近づくように定電圧制御される。
ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ－１）のチャンネルの電源ユニット１１０＿ｉの負極出力ＯＵＴＮは、ｉ＋１番目のチャンネルの電源ユニット１１０＿（ｉ＋１）の正極出力ＯＵＴＰと接続される。１番目のチャンネルの電源ユニット１１０＿１の正極出力ＯＵＴＰは負荷１と接続され、Ｎ番目のチャンネルの電源ユニット１１０の負極出力ＯＵＴＮは接地される。
負荷１の両端間に供給される高電圧ＶＯＵＴＨは、各チャンネルの出力段１２０の発生電圧Ｖ１～ＶＮの和であり、以下の式で表される。
ＶＯＵＴＨ＝Σ１：ＮＶｉ
Ｖ１～ＶＮそれぞれがＶＲＥＦに安定化される定常状態では、出力電圧ＶＯＵＴＨは、Ｎ×ＶＲＥＦとなる。
複数のチャンネルの電源ユニットをスタック接続する場合の問題を説明する。図２（ａ）は、高電圧電源の出力電圧の波形図（シミュレーション結果）であり、図２（ｂ）は、スタック段数Ｎとセトリング時間の関係を示す図である。なお、電圧波形は、セトリング後の電圧レベルで除算して正規化している。"simulation"は、図２（ａ）の波形から得られるスタック段数Ｎとセトリング時間の関係を示しており、スタック段数Ｎを増やすほど、セトリング時間が長くなってしまう。一方で、"expectation"で示すように、セトリング時間はスタック段数Ｎに係わらず一定であることが望まれる。
本開示の一態様は係る状況においてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、セトリング時間を短縮した高電圧電源の提供にある。
本開示のある態様の電源装置は、スタック接続される複数チャンネルの電源ユニットを備える。複数チャンネルの電源ユニットはそれぞれ、正極出力および負極出力と、制御信号に応じて、正極出力と負極出力の間に出力電圧を発生する出力段と、出力電圧を示す電圧検出信号を生成する電圧検出器と、を備える。複数チャンネルのひとつであるマスターチャンネルの電源ユニットは、複数チャンネルの残りであるスレーブチャンネルの電源ユニットから電圧検出信号を受信し、全チャンネルの電圧検出信号にもとづくフィードバック信号を生成するフィードバック信号生成部と、フィードバック信号が目標値に近づくように、制御信号を生成するフィードバックコントローラと、をさらに備える。全チャンネルの出力段は、マスターチャンネルのフィードバックコントローラが生成する制御信号にもとづいて動作する。
本開示のある態様は、電源ユニットである。この電源ユニットは、複数個をスタックして電源装置を構成可能である。電源ユニットは、正極出力および負極出力と、制御信号に応じて、正極出力と負極出力の間に出力電圧を発生する出力段と、出力電圧を示す電圧検出信号を生成する電圧検出器と、マスターチャンネルに設定されたときにアクティブとなり、全チャンネルの電圧検出信号にもとづくフィードバック信号を生成するフィードバック信号生成部と、マスターチャンネルに設定されたときにアクティブとなり、フィードバック信号が目標値に近づくように、制御信号を生成するフィードバックコントローラと、マスターチャンネルに設定されたとき、他のチャンネルから電圧検出信号を受信するとともに、他のチャンネルに制御信号を送信し、スレーブチャンネルに設定されたとき、マスターチャンネルから制御信号を受信するとともに、マスターチャンネルに電圧検出信号を送信するインタフェース回路と、を備える。
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本開示のある態様によれば、スタック段数が多いときのセトリング時間を短縮できる。
高電圧電源のブロック図である。 図２（ａ）は、高電圧電源の出力電圧の波形図（シミュレーション結果）であり、図２（ｂ）は、スタック段数Ｎとセトリング時間の関係を示す図である。 図１の高電圧電源の等価回路図である。 実施の形態に係る電源装置を備える試験装置を示すブロック図である。 実施例１に係るマスターチャンネルの電源ユニットの構成例を示すブロック図である。 実施例２に係る電源ユニットのブロック図である。 図７（ａ）、（ｂ）は、マスターモード、スレーブモードにおける図６の電源ユニットの状態を示す図である。 電源ユニットの具体的な構成例を示すブロック図である。 図８の電源ユニットを２個組み合わせた電源装置の動作波形図である。
（実施形態の概要）
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、１つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。またこの概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、実施形態の欠くべからざる構成要素を限定するものではない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態（実施例や変形例）または複数の実施形態（実施例や変形例）を指すものとして用いる場合がある。
はじめに、スタック段数Ｎが大きいほど、セトリング時間が長くなる理由について、本発明らが考察した結果を説明する。
図３は、図１の高電圧電源１００Ｒの等価回路図である。図１に示すように、各チャンネルの電源ユニット１１０は、一次側Ｐの接地端子ＧＮＤと二次側Ｓの負極出力ＯＵＴＮの間に、アイソレーション容量ＣＩＳＯが存在する。図３に示すように、アイソレーション容量ＣＩＳＯは、出力段１２０から静電容量負荷として見え、スタックの段数（チャンネル数）Ｎが増えるほど、静電容量負荷が大きくなる。
チャンネルごとに、静電容量負荷の大きさが異なるため、セトリング性能は、チャンネルごとにばらつくこととなる。このセトリング性能のばらつきが、高電圧電源１００Ｒの出力電圧ＶＯＵＴＨのセトリング時間が長くなる原因のひとつとなる。
加えて、電源ユニット１１０（出力段１２０）には、電流クランプ機能（過電流保護機能）が実装される場合が多い。具体的には、電源ユニット１１０の出力段１２０は、その出力電流が所定のリミット値より低い状態では、定電圧制御が有効であるが、出力電流がリミット値を超えると、定電圧制御が無効となり、出力電流がリミット値に制限される（電流クランプ制御あるいは定電流制御ともいう）。
静電容量負荷が存在する状態で電圧印加を行うと、静電容量負荷に対して突入電流が流れ込む。各出力段１２０の出力電流は、負荷に流れる負荷電流と、突入電流の合計であるところ、突入電流の大きさは、チャンネルごとに異なる場合がある。すなわち１段目のチャンネルではアイソレーション容量ＣＩＳＯが見えないため、突入電流が発生しにくいのに対して、２段目以降のチャンネルでは、静電容量ＣＩＳＯが見えるため、突入電流が発生しやすい。
一部のチャンネルで大きな突入電流が発生すると、そのチャンネルの出力段１２０の動作モードが、定電圧制御から電流クランプ制御に移行する。電流クランプ制御と定電圧制御が併存すると、図２（ａ）に示したように、高電圧電源１００Ｒの出力電圧ＶＯＵＴＨに変曲点が現れて波形が歪む。そしてスタック段数が増えるほど、充電すべき静電容量が増えるため、出力電圧ＶＯＵＴＨが上昇する傾きは小さくなるため、セトリング時間が長くなる。
以下では、セトリング時間の増加を抑制するための技術を説明する。
一実施形態に係る電源装置は、スタック接続される複数チャンネルの電源ユニットを備える。複数チャンネルの電源ユニットはそれぞれ、正極出力および負極出力と、制御信号に応じて、正極出力と負極出力の間に出力電圧を発生する出力段と、出力電圧を示す電圧検出信号を生成する電圧検出器と、を備える。複数チャンネルのひとつであるマスターチャンネルの電源ユニットは、複数チャンネルの残りであるスレーブチャンネルの電源ユニットから電圧検出信号を受信し、全チャンネルの電圧検出信号にもとづくフィードバック信号を生成するフィードバック信号生成部と、フィードバック信号が目標値に近づくように、制御信号を生成するフィードバックコントローラと、をさらに備える。全チャンネルの出力段は、マスターチャンネルのフィードバックコントローラが生成する制御信号にもとづいて動作する。
この構成によると、複数チャンネルの電源ユニットの出力段が、同じ制御信号にもとづいて動作する。そのため、チャンネルごとのセトリング性能のばらつきを解消することができ、これにより、チャンネル数を増やしたときにセトリング時間が増加するのを抑制できる。
一実施形態において、マスターチャンネルの電源ユニットは、出力段の出力電流を示す電流検出信号を生成する電流検出器をさらに備えてもよい。フィードバックコントローラは、電流検出信号が所定のリミット値を超えるとき、電流検出信号がリミット値に近づくように、制御信号を生成してもよい。
電流クランプ制御は、マスターチャンネルが主導して全チャンネルで一斉に有効となる。したがって、電流クランプ制御と定電圧制御との混在を防止でき、セトリング時間が長くなるのを抑制できる。
複数チャンネルの電源ユニットはそれぞれ、フィードバック信号生成部とフィードバックコントローラを備え、同様に構成されてもよい。各電源ユニットは、マスターモードとスレーブモードが選択可能であり、マスターモードに設定されたとき、フィードバック信号生成部とフィードバックコントローラが有効化され、スレーブモードに設定されたとき、フィードバック信号生成部とフィードバックコントローラが無効化されてもよい。なお、「ある回路ブロックを無効化する」ことは、当該ブロックを動作させない場合のみでなく、動作はさせるが、その出力を遮断あるいはマスクするなどして使用しない場合も含みうる。
同じ電源ユニットを複数用意し、接続関係を組み替えて、モードを適切に設定することにより、負荷の個数を変化させたりすることが可能となる。たとえばＮ個の電源ユニットがある場合に、Ｎ個をスタックしてそのうちのひとつをマスターモード、残りをスレーブモードとすれば、１個の負荷に対して電力を供給できる。あるいは、Ｎ個すべてをマスターモードとして独立に使用すれば、Ｎ個の負荷に対して電力を供給できる。
フィードバック信号は、全チャンネルの電圧検出信号の平均値であってもよい。これにより、全チャンネルの出力段や電圧検出器の特性のばらつきを加味して、正確な電圧を生成できる。
マスターチャンネルは、複数チャンネルのうち最上段に位置してもよい。突入電流がもっとも少ない最上段をマスターチャンネルとすることにより、電流クランプがかかりにくくなり、セトリング時間を短くできる。
一実施形態に係る電源ユニットは、複数個をスタックして電源装置を構成可能である。電源ユニットは、正極出力および負極出力と、制御信号に応じて、正極出力と負極出力の間に出力電圧を発生する出力段と、出力電圧を示す電圧検出信号を生成する電圧検出器と、マスターチャンネルに設定されたときにアクティブとなり、全チャンネルの電圧検出信号にもとづくフィードバック信号を生成するフィードバック信号生成部と、マスターチャンネルに設定されたときにアクティブとなり、フィードバック信号が目標値に近づくように、制御信号を生成するフィードバックコントローラと、マスターチャンネルに設定されたとき、他のチャンネルから電圧検出信号を受信するとともに、他のチャンネルに制御信号を送信し、スレーブチャンネルに設定されたとき、マスターチャンネルから制御信号を受信するとともに、マスターチャンネルに電圧検出信号を送信するインタフェース回路と、を備える。
この構成によると、複数チャンネルをスタックした場合に、すべての電源ユニットの出力段が、同じ制御信号にもとづいて動作する。そのため、チャンネルごとのセトリング性能のばらつきを解消することができ、これにより、チャンネル数を増やしたときにセトリング時間が増加するのを抑制できる。また、同じ電源ユニットを複数用意し、接続関係を組み替えて、モードを適切に設定することにより、負荷の個数を変化させたりすることが可能となる。
（実施形態）
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
図４は、実施の形態に係る電源装置１００を備える試験装置２を示すブロック図である。試験装置２は、ＤＵＴ（被試験デバイス）１に電圧信号や電流信号などの試験信号を印加し、ＤＵＴ１の応答を測定する。ＤＵＴ１の種類は特に限定されないが、高耐圧パワートランジスタやパワーモジュールなどの１０００Ｖを超えるような高電圧の電圧印加を必要とするデバイス、あるいはそうしたデバイスを含む回路、もしくは回路システムが、本試験装置２の試験対象として好適である。
試験装置２は、ＤＵＴ１に電源信号を供給する電源装置１００を備える。電源信号は、典型的には、所定の電圧レベルに安定化された電圧信号ＶＯＵＴＨである。なお、図４では、ＤＵＴ１に直接、電源信号ＶＯＵＴＨが供給されているが、その限りでなく、この電源信号ＶＯＵＴＨは、ＤＵＴ１の周辺回路や、ＤＵＴ１を駆動する回路、ＤＵＴ１とのインタフェースとなる回路に供給されてもよい。
試験装置２は、電源装置１００に加えて、電圧センサや電流センサ、信号発生器やドライバ、コンパレータ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータなどを備えるが、それらはＤＵＴ１の種類や試験項目に応じており、図４では省略している。
電源装置１００は、スタック接続される複数Ｎチャンネル（ＣＨ１～ＣＨＮ）の電源ユニット２００＿１～２００＿Ｎを備える。各電源ユニット２００は、正極出力ＯＵＴＰと負極出力ＯＵＴＮを有している。電源ユニット２００は、図１の電源ユニット１１０と同様に、絶縁された１次側と２次側を有しているが、図４には二次側の構成のみを示す。負極出力ＯＵＴＮは、二次側の基準電位（グランド）をなす。
ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ－１）のチャンネルの電源ユニット１１０＿ｉの負極出力ＯＵＴＮは、ｉ＋１番目のチャンネルの電源ユニット１１０＿（ｉ＋１）の正極出力ＯＵＴＰと接続される。１番目のチャンネルの電源ユニット１１０＿１の正極出力ＯＵＴＰは負荷１と接続され、Ｎ番目のチャンネルの電源ユニット１１０の負極出力ＯＵＴＮは接地される。
複数チャンネルの電源ユニット２００はそれぞれ、出力段２１０、電圧検出器２２０を備える。ｉ番目（ｉ＝１～Ｎ）の電源ユニット２００＿ｉの出力段２１０は、制御信号Ｖｃｔｒｌに応じて、正極出力ＯＵＴＰと負極出力ＯＵＴＮの間に出力電圧Ｖｉを発生する。またｉ番目の電源ユニット２００＿ｉの電圧検出器２２０は、対応する出力電圧Ｖｉを示す電圧検出信号Ｖｓｉを生成する。
本実施形態において、複数ＮチャンネルＣＨ１～ＣＨＮは、ひとつがマスターチャンネルに、残りがスレーブチャンネルに設定される。その限りでないが、図４では１番目のチャンネルＣＨ１がマスターチャンネルであり、２番目～Ｎ番目のチャンネルＣＨ２～ＣＨＮがスレーブチャンネルである。
マスターチャンネルとスレーブチャンネルとの間は、信号の送受信が可能となっている。スレーブチャンネルの電源ユニット２００＿２～２００＿Ｎは、電圧検出信号Ｖｓ１～ＶｓＮを、マスターチャンネルの電源ユニット２００＿１に送信する。
マスターチャンネルの電源ユニット２００＿１は、出力段２１０および電圧検出器２２０に加えて、フィードバック信号生成部２３０およびフィードバックコントローラ２４０を備える。
フィードバック信号生成部２３０は、スレーブチャンネルの電源ユニット２００＿２～２００＿Ｎから電圧検出信号Ｖｓ２～ＶｓＮを受信し、全チャンネルＣＨ１～ＣＨＮの電圧検出信号Ｖｓ１～ＶｓＮにもとづくフィードバック信号Ｖｆｂを生成する。たとえばフィードバック信号Ｖｆｂは、複数の電圧検出信号Ｖｓ１～ＶｓＮの単純平均値であってもよい。なお、フィードバック信号Ｖｆｂはそれに限定されない。
たとえば複数のチャンネルの電源ユニット２００＿１～２００＿Ｎにバラツキが存在する場合、バラツキを考慮した係数を利用して、重み付け平均を取ってもよい。
フィードバックコントローラ２４０には、目標値Ｖｒｅｆが入力される。フィードバックコントローラ２４０は、フィードバック信号Ｖｆｂが目標値Ｖｒｅｆに近づくように、制御信号Ｖｃｔｒｌの信号レベル（大きさ）をフィードバック制御する。
フィードバックコントローラ２４０が生成した制御信号Ｖｃｔｒｌは、マスターチャンネルの出力段２１０に供給される。さらにこの制御信号Ｖｃｔｒｌは、マスターチャンネルの電源ユニット２００＿１から、スレーブチャンネルの電源ユニット２００＿２～２００＿Ｎに伝送される。そして全チャンネルＣＨ１～ＣＨＮの出力段２１０は、マスターチャンネルＣＨ１のフィードバックコントローラ２４０が生成する制御信号Ｖｃｔｒｌにもとづいて動作する。
以上が電源装置１００の基本構成である。
この構成によると、複数チャンネルＣＨ１～ＣＨＮの電源ユニット２００＿１～２００＿Ｎの出力段２１０が、同じ制御信号Ｖｃｔｒｌにもとづいて動作する。そのため、チャンネルごとのセトリング性能のばらつきを解消することができ、これにより、チャンネル数Ｎを増やしたときにセトリング時間が増加するのを抑制できる。
本開示は、図４のブロック図や回路図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、方法に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や実施例を説明する。
（実施例１）
図５は、実施例１に係るマスターチャンネルの電源ユニット２００＿１の構成例を示すブロック図である。この電源ユニット２００＿１は電流クランプ機能を有する。具体的には電源ユニット２００＿１は、図４の電源ユニット２００＿１に加えて、電流検出器２５０を備える。電流検出器２５０は、出力段２１０の出力電流ＩＯＵＴを示す電流検出信号Ｉｓ１を生成する。この電流検出信号Ｉｓ１は、フィードバックコントローラ２４０に入力される。
フィードバックコントローラ２４０は、電流検出信号Ｉｓ１が所定のリミット値より低い状態では、上述のように、フィードバック信号Ｖｆｂが目標値Ｖｒｅｆに近づくように、制御信号Ｖｃｔｒｌを生成する（定電圧制御）。一方、電流検出信号Ｉｓ１がリミット値を超えた状態では、定電圧制御が無効となり、電流検出信号Ｉｓ１がリミット値に近づくように、制御信号Ｖｃｔｒｌを生成する（電流クランプ制御）。
電流クランプ機能に関するハードウェアはマスターチャンネルにのみ設けられ、あるいは、後述のように、設けられる場合であっても、スレーブチャンネルにおいて当該ハードウェアは無効化される。
マスターチャンネルにおいて電流検出信号Ｉｓ１がリミット値を超えると、電流クランプ制御のための制御信号Ｖｃｔｒｌが生成され、これによって、全チャンネルの出力段２１０が動作する。つまり電流クランプ制御は、マスターチャンネルが主導して全チャンネルで一斉に有効となる。したがって、図１の構成において生じていた、電流クランプ制御と定電圧制御との混在を防止でき、セトリング時間が長くなるのを抑制できる。
なお、図３を参照して説明したように、複数チャンネルをスタックする場合、最も高電位側のチャンネルが、アイソレーション容量ＣＩＳＯの影響を受けにくく、したがって突入電流が発生しにくいといえる。したがって、マスターチャンネルに電流クランプ機能を実装する場合、突入電流が発生しにくい最上段のチャンネルをマスターチャンネルとすることで、電流クランプがかかりにくくなるため、セトリング時間をさらに短縮できる。
（実施例２）
マスターチャンネルの電源ユニット２００と、スレーブチャンネルの電源ユニット２００は、はじめから別々の構成として設計しておいてもよいが、以下で説明するように、同じ構成として、マスターチャンネルとして動作させるときのモードと、スレーブチャンネルとして動作させるときのモードを、切りかえ可能に構成してもよい。
図６は、実施例２に係る電源ユニット２００のブロック図である。この電源ユニット２００は、マスターチャンネル、スレーブチャンネルの両方で使用可能である。電源ユニット２００は、モードセレクタ２６０、マルチプレクサ（スイッチ）２７０を備える。
モードセレクタ２６０は、マスターチャンネルで使用されるときマスターモード、スレーブチャンネルで使用されるときスレーブモードであることを示すモード制御信号ＭＯＤＥを生成する。モード制御信号ＭＯＤＥは、フィードバック信号生成部２３０、フィードバックコントローラ２４０、電流検出器２５０のイネーブル端子に入力され、これらのブロックは、モード制御信号ＭＯＤＥがマスターモードを示すときにイネーブル、スレーブモードを示すときにディセーブルとなる。
マルチプレクサ２７０のひとつの入力ノードには、同じ電源ユニット２００内のフィードバックコントローラ２４０の出力が接続される。またマルチプレクサ２７０の別の入力ノードには、別の電源ユニット２００において生成された制御信号Ｖｃｔｒｌが入力可能となっている。マルチプレクサ２７０は、モード制御信号ＭＯＤＥがマスターモードを示すときに、同じ電源ユニット２００内の制御信号（内部制御信号）Ｖｃｔｒｌ＿ｉｎｔを選択し、スレーブモードを示すときに他の電源ユニット２００で生成された外部からの制御信号Ｖｃｔｒｌ＿ｅｘｔを選択する。
また電源ユニット２００は、その内部で生成した制御信号Ｖｃｔｒｌ＿ｉｎｔ、電圧検出信号Ｖｓｉは、外部に出力可能となっている。また電源ユニット２００は、外部で生成された制御信号Ｖｃｔｒｌ＿ｅｘｔ、電圧検出信号Ｖｓｉを受信可能となっている。
図７（ａ）、（ｂ）は、マスターモード、スレーブモードにおける図６の電源ユニット２００の状態を示す図である。図７（ａ）、（ｂ）において、ディセーブルとなるブロックや信号線は一点鎖線で示す。
図８は、電源ユニット２００の具体的な構成例を示すブロック図である。この電源ユニット２００は、その制御系がデジタル回路のアーキテクチャで実装され、検出信号や制御信号はデジタル信号である。
出力段２１０は、Ｄ／Ａコンバータ２１２およびパワーアンプ２１４を含む。出力段２１０は、入力されたデジタルの制御信号Ｖｃｔｒｌをアナログの制御信号に変換する。パワーアンプ２１４は、アナログの制御信号を増幅し、正極出力ＯＵＴＰに出力する。
電圧検出器２２０は、電圧センスアンプ２２２とＡ／Ｄコンバータ２２４を含む。電圧センスアンプ２２２は、２つの出力ＯＵＴＰＴとＯＵＴＮ間の電圧Ｖｉを増幅する。Ａ／Ｄコンバータ２２４は、センスアンプ２２２の出力をデジタルの電圧検出信号Ｖｓｉに変換する。電圧検出信号Ｖｓｉはインタフェース回路２８０を介して他のチャンネルと共有可能となっている。
フィードバック信号生成部２３０は、加減算器２３２および除算器２３４を含む。加減算器２３２は、同じチャンネルおよび他のチャンネルの電圧検出信号Ｖｓｉを加算する。除算器２３４は、加減算器２３２の出力を、チャンネル数Ｎで除算し、平均値にもとづくフィードバック信号Ｖｆｂを生成する。除算器２３４は、加減算器２３２の出力に係数１／Ｎを乗算する係数回路とも把握できる。
電流検出器２５０は、センス抵抗２５２、センスアンプ２５４、Ａ／Ｄコンバータ２５６を含む。センス抵抗２５２は、出力段２１０の出力電流ＩＯＵＴの経路上に設けられる。センス抵抗２５２には、出力電流ＩＯＵＴに比例した電圧降下が発生する。センスアンプ２５４は、センス抵抗２５２の電圧降下を増幅する。Ａ／Ｄコンバータ２５６は、センスアンプ２５４の出力をデジタルの電流検出信号Ｉｓｉに変換する。フィードバックコントローラ２４０には、電圧の目標値Ｖｒｅｆと、電流のリミット値Ｉｌｉｍが入力される。
加減算器２４２は、目標値Ｖｒｅｆとフィードバック信号Ｖｆｂの差分（電圧誤差Ｖｅｒｒ）を生成する。加減算器２４６は、リミット値Ｉｌｉｍと電流検出信号Ｉｓｉの差分（電流誤差Ｉｅｒｒ）を生成する。
セレクタ２４８は、Ｉｓｉ＜Ｉｌｉｍのときに、電圧誤差Ｖｅｒｒを選択し（定電圧制御）、Ｉｓｉ＞Ｉｌｉｍのときに、電流誤差Ｉｅｒｒを選択する（電流クランプ制御）。
フィルタ２４４は、セレクタ２４８の出力にもとづいて、制御信号Ｖｃｔｒｌを生成する。その限りでないが、フィルタ２４４は、ＰＩ（比例積分）制御器やＰＩＤ（比例積分微分）制御器などで構成することができる。定電圧制御では、電圧誤差Ｖｅｒｒがゼロに近づくように、制御信号Ｖｃｔｒｌのレベルがフィードバックにより調節され、電流クランプ制御では、電流誤差Ｉｅｒｒがゼロに近づくように、制御信号Ｖｃｔｒｌのレベルがフィードバックにより調節される。フィルタ２４４のパラメータは、定電圧制御と電流クランプ制御とで切りかえてもよい。
フィードバックコントローラ２４０およびフィードバック信号生成部２３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）またはＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などで構成することができる。
インタフェース回路２８０は、他のチャンネルのインタフェース回路２８０との間で、電圧検出信号や制御信号Ｖｃｔｒｌを送受信可能である。
図９は、図８の電源ユニット２００を２個組み合わせた電源装置の動作波形図である。実施形態に係る電源装置と従来の電源装置それぞれの波形が示される。１段１０００Ｖ出力の電源ユニットが２チャンネルスタックされており、出力電圧は２０００Ｖである。従来方式の波形（ii）では、電圧印加直後の立ち上がりが速いが、１０００Ｖを超えたあたりからの上昇が緩やかとなっている。これは上段のチャンネルは電圧印加制御のセトリング波形となる一方で、下段のチャンネルが静電容量への突入電流による電流クランプ制御となりセトリング時間の増加を招いているためである。これに対して実施形態に係る波形（i）は、電圧印加制御で両者のチャンネルがバランスを取りながら動作するため、セトリング時間が短縮できていることが分かる。本実施形態によれば、２０００Ｖへのセトリング時間を従来方式の１２ｍｓから４ｍｓへと従来比１／３以下に短縮されていることが確認できた。
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセス、それらの組み合わせには、さまざまな変形例が存在しうる。以下、こうした変形例について説明する。
図８では、その制御系がデジタル回路のアーキテクチャで実装される電源ユニット２００について説明したが、その限りでなく、制御系をアナログ回路で構成してもよい。
電流クランプ機能について、マスターチャンネルにおいて出力電流を監視することとしたがその限りでない。たとえば、ひとつのスレーブチャンネルにおいて出力電流を監視し、スレーブチャンネルにおいて得られた電流検出値を、マスターチャンネルに送信してもよい。マスターチャンネルのフィードバックコントローラ２４０は、スレーブチャンネルの電流検出信号Ｉｓにもとづいて、電流クランプ制御をかけてもよい。
あるいは全チャンネルの電流検出器を有効化し、スレーブチャンネルからマスターチャンネルに電流検出信号を送信するようにしてもよい。マスターチャンネルのフィードバックコントローラ２４０は、全チャンネルの電流検出信号の最大値が、リミット値Ｉｌｉｍを超えないように、電流クランプ制御をかけてもよい。
実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
１…ＤＵＴ、２…試験装置、１００…電源装置、２００…電源ユニット、２１０…出力段、２２０…電圧検出器、２３０…フィードバック信号生成部、２４０…フィードバックコントローラ、２５０…電流検出器、２６０…モードセレクタ、２７０…マルチプレクサ、２８０…インタフェース回路。

Claims (10)

  1. スタック接続される複数チャンネルの電源ユニットを備え、
    前記複数チャンネルの電源ユニットはそれぞれ、
    正極出力および負極出力と、
    制御信号に応じて、前記正極出力と前記負極出力の間に出力電圧を発生する出力段と、
    前記出力電圧を示す電圧検出信号を生成する電圧検出器と、
    を備え、
    前記複数チャンネルのひとつであるマスターチャンネルの電源ユニットは、
    前記複数チャンネルの残りであるスレーブチャンネルの電源ユニットから前記電圧検出信号を受信し、全チャンネルの前記電圧検出信号にもとづくフィードバック信号を生成するフィードバック信号生成部と、
    前記フィードバック信号が目標値に近づくように、前記制御信号を生成するフィードバックコントローラと、
    をさらに備え、
    全チャンネルの前記出力段は、前記マスターチャンネルの前記フィードバックコントローラが生成する前記制御信号にもとづいて動作することを特徴とする電源装置。
  2. 前記マスターチャンネルの電源ユニットは、前記出力段の出力電流を示す電流検出信号を生成する電流検出器をさらに備え、
    前記フィードバックコントローラは、前記電流検出信号が所定のリミット値を超えるとき、前記電流検出信号が前記リミット値に近づくように、前記制御信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
  3. 前記複数チャンネルの電源ユニットは、前記フィードバック信号生成部、前記フィードバックコントローラおよび前記電流検出器を備え、同様に構成されており、
    各電源ユニットは、マスターモードとスレーブモードが選択可能であり、前記マスターモードに設定されたとき、前記フィードバック信号生成部、前記フィードバックコントローラが有効化され、前記スレーブモードに設定されたとき、前記フィードバック信号生成部と前記フィードバックコントローラが無効化されることを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
  4. 前記フィードバック信号は、前記全チャンネルの前記電圧検出信号の平均値であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電源装置。
  5. 前記マスターチャンネルは、前記複数チャンネルのうち最上段に位置することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電源装置。
  6. 複数個をスタックして電源装置を構成可能な電源ユニットであって、
    正極出力および負極出力と、
    制御信号に応じて、前記正極出力と前記負極出力の間に出力電圧を発生する出力段と、
    前記出力電圧を示す電圧検出信号を生成する電圧検出器と、
    マスターチャンネルに設定されたときにアクティブとなり、全チャンネルの前記電圧検出信号にもとづくフィードバック信号を生成するフィードバック信号生成部と、
    前記マスターチャンネルに設定されたときにアクティブとなり、前記フィードバック信号が目標値に近づくように、制御信号を生成するフィードバックコントローラと、
    前記マスターチャンネルに設定されたとき、他のチャンネルから前記電圧検出信号を受信するとともに、他のチャンネルに前記制御信号を送信し、スレーブチャンネルに設定されたとき、前記マスターチャンネルから前記制御信号を受信するとともに、前記マスターチャンネルに前記電圧検出信号を送信するインタフェース回路と、
    を備えることを特徴とする電源ユニット。
  7. 前記出力段の出力電流を示す電流検出信号を生成する電流検出器をさらに備え、
    前記マスターチャンネルに設定されたとき、前記フィードバックコントローラは、前記電流検出信号が所定のリミット値を超えるとき、前記電流検出信号が前記リミット値に近づくように、前記制御信号を生成することを特徴とする請求項６に記載の電源ユニット。
  8. 前記フィードバック信号は、前記全チャンネルの前記電圧検出信号の平均値であることを特徴とする請求項６または７に記載の電源ユニット。
  9. 請求項６から８のいずれかに記載の電源ユニットを複数個、スタック接続して構成される電源装置。
  10. 被試験デバイスに対して電力を供給する請求項１から５、９のいずれかに記載の電源装置を備えることを特徴とする試験装置。
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