JP2504329B2 - 多段式絶縁変圧器型高電圧発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 この発明は，荷電粒子の加速等に用いるものであっ
て，交流電圧をダイオードとコンデンサとによって整流
平滑して直流高電圧を発生させる高電圧発生装置に関す
る。

B.従来技術 従来，コッククロフトーワルトン型，シェンケル型，
絶縁変圧器型などの高電圧発生装置が知られている。

コッククロフトーワルトン型やシェンケル型の高電圧
発生装置の場合，ダイオードやコンデンサの耐圧を低く
するためには段数を多くしなければならず，そうする
と，リップルの増加を招いたり，負荷変動に対して追従
するのに応答遅れが生じて制御特性の悪化を招くという
問題があった。

逆に，段数を減らすと，ダイオードやコンデンサの耐
圧を高くしなければならず、これらの部品が大きくなる
ほか，励振部としても高電圧出力のものを必要とし，装
置全体が大型化してしまうという問題があった。

そこで，絶縁変圧器型の高電圧発生装置が開発され
た。その例を第３図に示す。

この絶縁変圧器型高電圧発生装置は，励振部１に接続
された１次コイル２を巻き付けた絶縁磁心３に複数の２
次コイル４を巻き付け，各２次コイル４にダイオードと
コンデンサの組み合わせからなる整流回路５を接続し，
各整流回路５の直流出力を直列に接続することによって
直流高電圧を得るようにしたものである。

この絶縁変圧器型高電圧発生装置によれば，整流回路
数を増やせば，整流回路５を構成するダイオードやコン
デンサとして耐圧の低いものを用いることができ，ま
た，整流回路数の増加にもかかわらずリップル率は不変
で小さく抑えることが可能であり，さらに，負荷変動に
対する応答遅れが小さくて制御特性も良くなる。

C.発明が解決しようとする課題 しかし，第３図の絶縁変圧器型高電圧発生装置の場合
には，あまり高電圧になると，絶縁磁心３を用いている
といっても２次コイル４と絶縁磁心３の表面との間で放
電が発生したり，絶縁磁心３を構成している絶縁材料内
の絶縁が破れて内部で放電が発生するおそれがあるため
に，高電圧化には限定があった。

この発明は，このような事情に鑑みてなされたもので
あって，整流回路を構成する部品の耐圧が低くてすみ，
リップルが少なく，かつ，負荷変動に対する制御特性も
良く，しかも，磁心の表面や内部での放電を防止して充
分に高い高電圧を発生することができるようにすること
を目的とする。

D.課題を解決するための手段 この発明は，このような目的を達成するために，次の
ような構成をとる。

すなわち，この発明の多段式絶縁変圧器型高電圧発生
装置は、複数の磁心のそれぞれに送電コイルと受電コイ
ルを巻き付け，端部の磁心の受電コイルを励振部に接続
し，互いに隣接する一方の磁心の送電コイルと他方の磁
心の受電コイルとを送電ラインを介して順次接続し，各
磁心にそれぞれ複数の２次コイルを巻き付け，各２次コ
イルに整流回路を接続し，各整流回路の直流出力を順次
直列に接続するとともに，各磁心の電位を，その磁心に
設けた複数の整流回路のうち，最低または最高の電位を
持つ整流回路の電位と比べて、その磁心とそれに巻き付
けた２次コイルとの間で放電が生じない程度に同等また
はそれに近い電位に固定し，また，各送電ラインの電位
を，前段または次段の磁心に設けた複数の整流回路のう
ち中間の電位と比べて、その磁心とそれに巻き付けた受
電コイルまたは送電コイルとの間で放電が生じない程度
に同等またはそれに近い電位に固定してあることを特徴
とするものである。

E.作用 この発明の構成による作用は、次のとおりである。

すなわち，高電圧発生装置を絶縁変圧器型に構成して
あるから，個々のダイオードやコンデンサとして耐圧の
低いものを用い段数を少なくしても，整流回路数を増や
すことによって，充分に高い高電圧を発生させることが
できる。

また，全体のリップル率が各整流回路のリップル率と
同じとなるため，整流回路数の増加にもかかわらずリッ
プル率は不変で小さく抑えることが可能である。さら
に，負荷変動に対する応答遅れが小さく，制御特性も良
い。

加えて，各磁心の電位を２次コイルとの電位差が小さ
くなるように所定の電位に固定化してある一方，各送電
ラインの電位を磁心との電位差が小さくなるように所定
の電位に固定化してあるので,2次コイルと磁心との間お
よび送電コイルや受電コイルと磁心との間での放電，な
らびに，磁心内部での放電が防止される。

F.実施例 以下，この発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明
する。

第１図は多段式絶縁変圧器型高電圧発生装置の回路図
である。

３つの磁心B₁，B₂，B₃を並べ，磁心B₁に受電コイルD₁
と送電コイルD₂を，磁心B₂に受電コイルD₃と送電コイル
D₄を，磁心B₃受電コイルD₅をそれぞれ巻き付け，受電コ
イルD₁を交流の高電圧を出力する励振部Ａに接続し，送
電コイルD₂と受電コイルD₃とを送電ラインF₁を介して接
続し，送電コイルD₄と受電コイルD₅とを送電ラインF₂を
介して接続することにより,3段の絶縁変圧器を構成して
いる。

磁心B₁に２つの２次コイルE₁₁，E₁₂を巻き付けてそれ
ぞれに整流回路C₁₁，C₁₂を接続し、磁心B₂にも２次コイ
ルE₂₁，E₂₂を巻き付けてそれぞれに整流回路C₂₁，C₂₂を
接続し，磁心B₃にも２次コイルE₃₁，E₃₂を巻き付けてそ
れぞれに整流回路C₃₁，C₃₂を接続し，各整流回路C₁₁〜C
₃₂の直流出力を直列に接続してある。なお，各整流回路
C₁₁〜C₃₂は、例えば２段のコッククロフトーワルトン型
整流回路が用いられる。

この高電圧発生装置は絶縁変圧器型であるから，各整
流回路を構成するダイオードやコンデンサの段数を少な
くし，それらダイオードやコンデンサとして耐圧の低い
ものを用いても，整流回路の数を増やせば，全体のリッ
プル率が各整流回路のリップル率と同じとなるため，整
流回路数の増加にもかかわらずリップル率は不変で小さ
く抑えることが可能であり，さらに，負荷変動に対する
応答遅れが小さくて制御特性も良い。

そして，磁心B₁における整流回路C₁₁の最低の電位を
持つ点P₁と磁心B₁における任意の点Q₁とを導線G₁を介し
て接続し，磁心B₂における整流回路C₂₁の最低の電位を
持つ点P₂と磁心B₂における任意の点Q₂とを導線G₂を介し
て接続し，磁心B₃における整流回路C₃₁の最低の電位を
持つ点P₃と磁心B₃における任意の点Q₃とを導線G₃を介し
て接続してある。

すなわち，各磁心B₁，B₂，B₃の電位を，その磁心に設
けた一対の整流回路（C₁₁，C₁₂），（C₂₁，C₂₂），（C
₃₁，C₃₂）の最低の電位をもつ点の電位と同一に固定化
してある。

また，整流回路C₁₁，C₁₂の中間の電位をもつ点P₄と送
電ラインF₁上の点Q₄とを導線G₄を介して接続し，整流回
路C₂₁，C₂₂の中間の電位をもつ点P₅と送電ラインF₂上の
点Q₅とを導線G₅を介して接続してある。

すなわち，各送電ラインF₁（F₂）の電位を整流回路C
₁₁，C₁₂（C₂₁，C₂₂）の中間の電位と同一に固定してあ
る。

各整流回路C₁₁〜C₃₂それぞれの直流出力電圧をV₀とす
ると，それらを直流接続した多段式絶縁変圧器型高電圧
発生装置の直流出力電圧は６×V₀となり，高電圧が得ら
れる。

もし仮に接続点P₃と磁心B₃とを導線G₃で接続していな
いとすると,2次コイルE₃₂の電位は６×V₀と非常に高い
のに対し，磁心B₃の電位は０であり,2次コイルE₃₂と磁
心B₃との間の電位差が６×V₀と非常に大きくなってしま
うために２次コイルE₃₂と磁心B₃の表面との間で放電が
生じたり，磁心B₃の内部で放電が生じたりするおそれが
ある。

しかし，接続点P₃と磁心B₃とを導線G₃で接続すること
によって，磁心B₃の電位を接続点P₃の電位と同電位まで
上げ，かつ，その電位に固定している。接続点P₃の電位
は４×V₀であるから，磁心B₃の電位も４×V₀となり,2次
コイルE₃₂と磁心B₃との間の電位差は,6×V₀−４×V₀＝
２×V₀と充分に小さくなり，放電が防止される。

２次コイルE₂₂の電位は４×V₀であるが，磁心B₂の電
位は導線G₂を介しての接続点P₂と磁心B₂との接続によっ
て２×V₀となり,2次コイルE₂₂と磁心B₂との電位差も２
×V₀となる。

また，もし仮に整流回路C₂₁，C₂₂の接続点P₅と送電ラ
インF₂とを接続する導線G₅が存在しないとすると，送電
コイルD₄，受電コイルD₅の電位は励振部Ａの出力電圧の
周期に応じて大きく変動し，送電コイルD₄と磁心B₂との
間，および，受電コイルD₅と磁心B₃との間で放電を生じ
たり，磁心B₃の内部で放電が生じるおそれがある。

しかし，導線G₅によって接続点P₅と送電ラインF₂とを
接続してあり，送電ラインF₂の電位，ひいては送電コイ
ルD₄および受電コイルD₅の電位を接続点P₅の電位に固定
している。接続点P₅の電位は３×V₀であるから，送電コ
イルD₄の電位も受電コイルD₅の電位もともに３×V₀とな
る。

磁心B₃の電位は前述のように４×V₀であるから，受電
コイルD₅と磁心B₃との電位差はV₀となり，受電コイルD₅
と磁心B₃との間の放電も防止される。磁心B₂の電位は前
述のように２×V₀であるから，送電コイルD₄と磁心B₂と
の電位差はV₀となり，送電コイルD₄と磁心B₂との間の放
電も防止される。

以上は磁心B₂と磁心B₃における放電防止の説明であっ
たが，磁心B₁と磁心B₂においても同様に放電を防止する
ことができる。

したがって，全体として，整流回路を構成する部品と
して耐圧の低いものを使用しながらも，磁心の表面や内
部での放電を防止した状態で充分に高い高電圧を発生す
ることができるのである。

上記のように各磁心を２次コイルや送電コイル，受電
コイルの電位に近い電位まで上げて固定化し，かつ，各
送電ラインを磁心の電位に近い電位に固定化する配線形
態としては，次のように構成してもよい。

すなわち，第１図に示すように，最終段の整流回路C
₃₂から得られる電圧を，複数段階の電圧に分圧して選択
的に取り出せるようにするために，整流回路C₃₂の出力
側とアース側に分圧抵抗R₁〜R₆を介在することがある
が，このような場合に，導線G₁〜G₅に代えて，点Q₄と点
S₁との接続，点Q₂と点S₂との接続，点Q₅と点S₃の接続，
点Q₃と点S₄との接続という配線形態でもよい。

本発明の多段式絶縁変圧器型高電圧発生装置は上記の
ように配線することにより，第２図のようにコイルを同
心円に配置することができる。このように同心円状に配
置することで，装置の構成をコンパクトにまとめること
ができる。例えば，コアB₁はP₁に接続されているので電
位は零である。伝送コイルD₂はG₄でP₄と接続されている
ので，電位はV₀である。

伝送コイルD₂と同心円状に２次コイルE₁₁が配置され
ているが，その電位はV₀である。また,2次コイルE₁₁と
同心円状に２次コイルE₁₂が配置されており，その電位
は2V₀である。このように，コアB₁，伝送コイルD₂,2次
コイルE₁₁,2次コイルE₁₂の電位は順に0,V₀，V₀，2V₀と
なっている。電位差がV₀を越えるところはないので，各
々のコイル間，コア，コイル間の放電を防止することが
できる。コアB₂，B₃についても電位差V₀を越えるところ
をなくすことができる。

なお，上記各実施例では，磁心の個数を３とし，各磁
心に接続する２次コイル，整流回路の個数を２つずつと
したが，この発明はこれに限定されるものではなく，そ
れらの個数は任意である。

また，上記実施例では，磁心の電位をその磁心に設け
た複数の整流回路のうち最低の電位をもつ整流回路の電
位に固定したが，磁心の電位を最高の電位をもつ整流回
路の電位に固定してもよい。例えば，整流回路C₁₂とC₂₁
の接続点P₂と磁心B₁の任意の点Q₁を接続し，整流回路C
₂₂とC₃₁の接続点P₃と磁心B₂の任意の点Q₂を接続し，整
流回路C₃₂の出力点P₆と磁心B₃の任意の点Q₃を接続すれ
ばよい。

さらに，上記実施例では、各磁心と各送電ラインの電
位の双方を固定する場合を説明したが，各磁心のみまた
は各送電ラインのみの電位を固定してもある程度放電を
防止することができる。

G.発明の効果 この発明によれば，次の効果が発揮される。

すなわち，各整流回路を構成するダイオードやコンデ
ンサとして耐圧の低いものを用いながらも，リップル率
を低く抑えて充分に高い高電圧を発生させることができ
るとともに，負荷変動に対する制御特性も良好なものと
でき，あわせて,2次コイルと磁心との間および送電コイ
ルや受電コイルと磁心との間での放電，ならびに，磁心
内部での放電を防止することができる。

したがって，全体として，耐圧の比較的低い部品で整
流回路を構成でき，装置をコンパクトにまとめることが
できるとともに，磁心の表面や内部での放電を防止した
状態で充分な高電圧を発生することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例に係る多段式絶縁変圧器型高
電圧発生装置の回路図である。第２図は同心円状にコイ
ルを配置した実施例の配線例を示す図である。 第３図は従来の絶縁変圧器型高電圧発生装置の回路図で
ある。 Ａ……励振部、B₁〜B₃……磁心 C₁₁〜C₃₂……整流回路 D₁，D₃，D₅……受電コイル D₂，D₄……送電コイル E₁₁〜E₃₂……２次コイル F₁，F₂……送電ライン G₁〜G₅……導線、R₁〜R₆……分圧抵抗

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の磁心のそれぞれに送電コイルと受電
   コイルを巻き付け、端部の磁心の受電コイルを励振部に
   接続し、互いに隣接する一方の磁心の送電コイルと他方
   の磁心の受電コイルとを送電ラインを介して順次接続
   し、各磁心にそれぞれ複数の２次コイルを巻き付け、各
   ２次コイルに整流回路を接続し、各整流回路の直流出力
   を順次直列に接続するとともに、各磁心の電位を、その
   磁心に設けた複数の整流回路のうち、最低または最高の
   電位を持つ整流回路の電位と比べて、その磁心とそれに
   巻き付けた２次コイルとの間で放電が生じない程度に同
   等またはそれに近い電位に固定してあることを特徴とす
   る多段式絶縁変圧器型高電圧発生装置。
2. 【請求項２】複数の磁心のそれぞれに送電コイルと受電
   コイルを巻き付け、端部の磁心の受電コイルを励振部に
   接続し、互いに隣接する一方の磁心の送電コイルと他方
   の磁心の受電コイルとを送電ラインを介して順次接続
   し、各磁心にそれぞれ複数の２次コイルを巻き付け、各
   ２次コイルに整流回路を接続し、各整流回路の直流出力
   を順次直列に接続するとともに、各送電ラインの電位
   を、前段または次段の磁心に設けた複数の整流回路のう
   ち中間の電位と比べて、その磁心とそれに巻き付けた受
   電コイルまたは送電コイルとの間で放電が生じない程度
   に同等またはそれに近い電位に固定したことを特徴とす
   る多段式絶縁変圧器型高電圧発生装置。
3. 【請求項３】複数の磁心のそれぞれに送電コイルと受電
   コイルを巻き付け、端部の磁心の受電コイルを励振部に
   接続し、互いに隣接する一方の磁心の送電コイルと他方
   の磁心の受電コイルとを送電ラインを介して順次接続
   し、各磁心にそれぞれ複数の２次コイルを巻き付け、各
   ２次コイルに整流回路を接続し、各整流回路の直流出力
   を順次直列に接続するとともに、各磁心の電位を、その
   磁心に設けた複数の整流回路のうち、最低または最高の
   電位を持つ整流回路の電位と比べて、その磁心とそれに
   巻き付けた２次コイルとの間で放電が生じない程度に同
   等またはそれに近い電位に固定し、かつ、各送電ライン
   の電位を、前段または次段の磁心に設けた複数の整流回
   路のうち中間の電位と比べて、その磁心とそれに巻き付
   けた受電コイルまたは送電コイルとの間で放電が生じな
   い程度に同等またはそれに近い電位に固定したことを特
   徴とする多段式絶縁変圧器型高電圧発生装置。