JP2958683B2 - パルス式交流高電圧電源 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、放電電極等に正負
のパルス高電圧を印加するためのパルス式交流高電圧電
源に関し、プラズマ発生装置やコロナ放電処理装置やイ
オン発生器や除電装置やスパッタリング装置やレーザ発
生装置やオゾン発生器等の電源として広範に使用できる
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、高電圧放電させるコロナ放電装置
やプラズマ発生装置等では、放電電極に正負の交流高電
圧を印加する方法として、一般に高圧トランスを使用し
て昇圧していた。しかし、高電圧にするにはトランスの
二次巻線のターン数を多くする必要があり、二次側の浮
遊容量がターン数に比例して増えるため、図３１の
（Ａ）のようにトランスの一次側にパルス信号を入力し
た場合、二次巻線の浮遊容量のため同図の（Ｂ）に示す
ように出力電圧の立ち上がり・立ち下がり波形が入力信
号波形と同じにならず、減衰して遅れてしまう欠点があ
った。

【０００３】また、二次巻線数が多いため、負荷の静電
容量Ｃが大きい場合、負荷の両端間の電圧波形は、静電
容量Ｃに影響されて同図の（Ｃ）に示すように、（Ｂ）
の波形よりも立ち上がり・立ち下がりが更に悪くなって
しまうことと、立ち上がり・立ち下がり時に発生する充
放電電流も同図（Ｄ）のように小さくなってしまうこと
と、トランスの二次巻線のインダクタンスＬと静電容量
Ｃとの結合により、ある周波数で共振現象を生ずる欠点
があった。

【０００４】他の従来の方法として、高電圧直流電源と
スパークギャップを設けた回転板とを用い、回転板に直
流高電圧を印加してスパークギャップ間で強制的にスパ
ークさせることで、高電圧パルス信号を得る方法があ
る。しかし、この方法では、高速化できないことと、機
械的寿命が短いなどの欠点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、第１
には、放電電極等に印加する正負のパルス高電圧の立ち
上がり・立ち下がり特性を良くすること、第２には、動
作の高速化を図ること、第３には、正負のパルス高電圧
を発生させても内部回路の耐圧を充分に確保できるよう
にすること、第４には、正負のパルス高電圧の発生周期
態様を容易に調整できるようにすること、第５には、正
極性又は負極性の一方の極性の電圧を調整しても他方の
極性が影響されないようにすることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１、第２、第３の課題
を達成する第１の発明のパルス式交流高電圧電源は、正
の直流高電圧を発生する正電圧発生部と、負の直流高電
圧を発生する負電圧発生部と、それぞれ複数の半導体ス
イッチング素子を直列結合して組にした第１、第２、第
３及び第４の４組のスイッチング部と、これら各組のス
イッチング部の半導体スイッチング素子を組毎にパルス
信号でオン・オフさせるドライブ回路とを有する。そし
て、正電圧発生部とアースとの間に、第１組のスイッチ
ング部と第２組のスイッチング部と第３組のスイッチン
グ部とを直列接続し、第１組のスイッチング部と第２組
のスイッチング部との接続点を負荷に接続して、第１組
のスイッチング部がオンになったとき正電圧発生部の正
電圧が負荷に印加され、また負電圧発生部と負荷との間
に第４のスイッチング部を接続して、該第４組のスイッ
チング部がオンになったとき負電圧発生部の負電圧が負
荷に印加される接続関係とする。ドライブ回路は、半導
体スイッチング素子を各トロイダルコイルの巻線に流れ
るパルス信号によりオンするものであって、そのトロイ
ダルコイルを４組のスイッチング部にそれぞれ対応して
４組有し、第１組のスイッチング部の半導体スイッチン
グ素子を同時にオンにして負荷に正電圧が印加された
後、負荷にチャージされた正の電荷が、第２組、第３組
のスイッチング部の半導体スイッチング素子又はこれら
に並列接続されたダイオードを介してアースに至る回路
によってディスチャージされ、次に、第４組のスイッチ
ング部の半導体スイッチング素子をオンにして負荷に負
電圧が印加された後、負荷にチャージされた負の電荷
が、アースから第３組、第２組のスイッチング部の半導
体スイッチング素子又はこれらに並列接続されたダイオ
ードを介して負荷に至る回路によってディスチャージさ
れるように、４組のトロイダルコイルをそれぞれ貫通す
る制御線に所定の順序で周期的にパルス電流を流す。

【０００７】同じく第１、第２、第３の課題を達成する
第２の発明のパルス式交流高電圧電源は、正の直流高電
圧を発生する正電圧発生部と、負の直流高電圧を発生す
る負電圧発生部と、それぞれ複数の半導体スイッチング
素子を直列結合して組にした第１、第２、第３及び第４
の４組のスイッチング部と、これら各組のスイッチング
部の半導体スイッチング素子を組毎にパルス信号でオン
・オフさせるドライブ回路とを有する。そして、正電圧
発生部とアースとの間に、第１組のスイッチング部と第
２組のスイッチング部と第３組のスイッチング部とを直
列接続し、第１組のスイッチング部と第２組のスイッチ
ング部との接続点を負荷に接続して、第１組のスイッチ
ング部がオンになったとき正電圧発生部の正電圧が負荷
に印加され、また第２組のスイッチング部と第３組のス
イッチング部との接続点と負電圧発生部と負荷との間に
第４のスイッチング部を接続して、第２組及び第４組の
スイッチング部がオンになったとき負電圧発生部の負電
圧が負荷に印加される接続関係とする。ドライブ回路
は、半導体スイッチング素子を各トロイダルコイルの巻
線に流れるパルス信号によりオンするものであって、そ
のトロイダルコイルを４組のスイッチング部にそれぞれ
対応して４組有し、第１組のスイッチング部の半導体ス
イッチング素子を同時にオンにして負荷に正電圧が印加
された後、負荷にチャージされた正の電荷が、第２組、
第３組のスイッチング部の半導体スイッチング素子又は
これらに並列接続されたダイオードを介してアースに至
る回路によってディスチャージされ、次に、第２組及び
第４組のスイッチング部の半導体スイッチング素子をオ
ンにして負荷に負電圧が印加された後、負荷にチャージ
された負の電荷が、アースから第３組、第２組のスイッ
チング部の半導体スイッチング素子又はこれらに並列接
続されたダイオードを介して負荷に至る回路によってデ
ィスチャージされるように、４組のトロイダルコイルを
それぞれ貫通する制御線に所定の順序で周期的にパルス
電流を流す。

【０００８】第４の課題を達成するため、ドライブ回路
は、パルス信号を発生する周波数調整可能な発振回路
と、そのパルス信号を入力して４組のトロイダルコイル
の制御線に所定の順序で周期的にパルス電流を流す順序
回路とを有している。また、ドライブ回路は、パルス信
号を発生する周波数調整可能な第１及び第２の発振回路
と、第１の発振回路からのパルス信号のみを順序回路に
出力できる第１の状態と、第１及び第２の両発振回路か
らのパルス信号を論理積して変調させたパルス信号を順
序回路に出力できる第２の状態とに、切り替えることが
できる変調回路とを有している。このような変調回路を
備えると、４組のスイッチング部をオン・オフするパル
ス信号に、そのよりも時間幅が長いパルスで変調させて
間欠的動作とすることができる。

【０００９】第５の課題を達成するため、スイッチング
部をトランスを介することなく負荷に接続する。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳述する。

【００１１】図１に、本発明における第１の実施形態の
高圧スイッチング回路の等価回路を示す。この等価回路
において、正極性の直流電源＋Ｅは、正極性の電圧を発
生する正電圧発生部、負極性の直流電源−Ｅは、負極性
の電圧を発生する負電圧発生部、４個のスイッチＳＷ１
・ＳＷ２・ＳＷ３・ＳＷ４は、それぞれ複数の半導体ス
イッチング素子（具体的にはＦＥＴやＩＧＢＴ等）を直
列結合して組にした第１、第２、第３及び第４の４組の
スイッチング部を示し、そのそれぞれにダイオードＤ１
・Ｄ２・Ｄ３・Ｄ４が並列接続されている。負荷Ｒは、
正負の高電圧を印加する放電電極等を表し、その一端は
アースされている。第１のスイッチＳＷ１と第２のスイ
ッチＳＷ２と第３のスイッチＳＷ３とは、正極性の直流
電源＋Ｅとアースとの間に直列接続されている。また、
第４のスイッチＳＷ４は、負極性の直流電源−Ｅと負荷
Ｒとの間に接続され、更に第１のスイッチングＳＷ１と
第２のスイッチＳＷ２との接続点も負荷Ｒに接続されて
いる。

【００１２】図２から図５に、第１の実施形態の４個の
スイッチＳＷ１・ＳＷ２・ＳＷ３・ＳＷ４（４個のスイ
ッチング素子）のオン・オフ動作の切り替え状態、図６
にそのオン・オフ関係、図７にタイミングチャートを示
す。これらの図を参照して第１の実施形態の動作例を説
明する。

【００１３】４個のスイッチＳＷ１・ＳＷ２・ＳＷ３・
ＳＷ４を図１に示すように全てオフにした状態（図６に
おいて）から、図２及び図７に示すように第１のスイ
ッチＳＷ１をオンにすると（図６において）、正極性
の直流電源＋Ｅから、オンとなった第１のスイッチＳＷ
１及び負荷Ｒを通りアースへ向かう（Ｉ１の方向）電流
が流れるので、正極性の電源電圧＋Ｅに比例した立ち
上がりの良い正のパルス電圧が、トランスで昇圧するこ
となく負荷Ｒに加わり、負荷Ｒが正極性に充電される。

【００１４】次いで、所定時間後に図３及び図７に示す
ように第１のスイッチＳＷ１をオフにし、その直後に第
２のスイッチＳＷ２を瞬間的にオンにすると（図６にお
いて）、負荷Ｒ側にチャージした正の電荷分が、オン
となった第２のスイッチＳＷ２及びオフになっている第
３のスイッチＳＷ３に並列接続の第３のダイオードＤ３
を介してアースへ至る流れによって（Ｉ２の方向）ディ
スチャージされるので、負荷Ｒに対して立ち下がりの良
い正のパルス電圧となる。

【００１５】また、所定時間後に図４及び図７に示すよ
うに第２のスイッチＳＷ２をオフにし、その直後に第４
のスイッチＳＷ４をオンにすると（図６において）、
今度は、負荷Ｒからオンとなった第４のスイッチＳＷ４
を通じて負極性の直流電源−Ｅへ向かう（Ｉ３の方向）
電流が流れるので、負極性の電源電圧−Ｅに比例した立
ち下がりの良い負のパルス電圧が、トランスで昇圧する
ことなく負荷Ｒに加わり、負荷Ｒが負極性に充電され
る。

【００１６】次いで、所定時間後に図５及び図７に示す
ように第４のスイッチＳＷ４をオフにし、その直後に第
３のスイッチＳＷ３を瞬間的にオンにすると（図６にお
いて）、負荷Ｒ側にチャージした負の電荷分が、アー
スからオンとなった第３のスイッチＳＷ３及びオフにな
っている第２のスイッチＳＷ２に並列接続の第２のダイ
オードＤ２を介し、更に負荷Ｒから再びアースへ至る流
れにより（Ｉ４の方向）ディスチャージされるので、こ
のときも負荷Ｒに対して立ち上がりの良い負のパルス電
圧となる。

【００１７】このような動作を繰り返すことにより、図
７の最下段に示すように、負荷Ｒに立ち上がり・立ち下
がり特性の良好な正負のパルス電圧が周期的に印加され
る。この回路の利点は、負荷Ｒのインピーダンスが非常
に高くとも、負荷Ｒに充電された正の電荷分を第２のス
イッチＳＷ２と第３のダイオードＤ３、また負の電荷分
を第３のスイッチＳＷ３と第２のダイオードＤ２により
確実にディスチャージできることと、正負の電圧を印加
するときにも、第１のスイッチＳＷ１又は第４のスイッ
チＳＷ４により高速に負荷Ｒに充電できるため、立ち上
がり・立ち下がりが非常に速い正負のパルス電圧を得る
ことができる。

【００１８】次に、回路構成は図１の第１の実施形態と
同様であるが、４個のスイッチＳＷ１・ＳＷ２・ＳＷ３
・ＳＷ４のオン・オフの動作タイミングを、上記の動作
例とは変えた別の動作例について説明する。図８から図
１２に４個のスイッチＳＷ１・ＳＷ２・ＳＷ３・ＳＷ４
のオン・オフ動作の切り替え状態、図１３にそのオン・
オフ関係、図１４にタイミングチャートを示す。

【００１９】先ず、図８に示すように第１のスイッチＳ
Ｗ１をオフ、第２及び第３のスイッチＳＷ２・ＳＷ３を
共にオン、第４のスイッチＳＷ４をオフした状態では
（図１３における）、負荷Ｒの両端がアースに接続さ
れるため、負荷Ｒに正負いずれの電圧も印加されない。
この状態から図９及び図１４に示すように、第２のスイ
ッチＳＷ２をオフにした直後に第１のスイッチＳＷ１を
オンにすると（図１３において）、正極性の直流電源
＋Ｅから、オンとなった第１のスイッチＳＷ１及び負荷
Ｒを通りアースへ向かう（Ｉ１の方向）電流 が流れる
ので、正極性の電源電圧＋Ｅに比例した立ち上がりの良
い正のパルス電圧が負荷Ｒに加わり、負荷Ｒが正極性に
充電される。

【００２０】次いで、図１０及び図１４に示すように、
第１のスイッチＳＷ１をオフにした直後に第２のスイッ
チＳＷ２をオンにすると（図１３において）、負荷Ｒ
側にチャージした正の電荷分が、オンとなった第２のス
イッチＳＷ２及び引き続きオンになっている第３のスイ
ッチＳＷ３を介してアースへ至る流れによって（Ｉ２の
方向）ディスチャージされるので、負荷Ｒに対して立ち
下がりの良い正のパルス電圧となる。

【００２１】また、図１１及び図１４に示すように、第
３のスイッチＳＷ２をオフにした直後に第４のスイッチ
ＳＷ４をオンにすると（図１３において）、今度は、
負荷Ｒからオンとなった第４のスイッチＳＷ４を通じて
負極性の直流電源−Ｅへ向かう（Ｉ３の方向）電流が流
れるので、負極性の電源電圧−Ｅに比例した立ち下がり
の良い負のパルス電圧が負荷Ｒに加わり、負荷Ｒが負極
性に充電される。

【００２２】次いで、図１２及び図１４に示すように、
第４のスイッチＳＷ４をオフにした直後に第３のスイッ
チＳＷ３をオンにすると（図１３において）、負荷Ｒ
側にチャージした負の電荷分が、アースからオンとなっ
た第３のスイッチＳＷ３及び引き続きオンになっている
第２のスイッチＳＷ２を介し、更に負荷Ｒから再びアー
スへ至る流れにより（Ｉ４の方向）ディスチャージされ
るので、このときも負荷Ｒに対して立ち上がりの良い負
のパルス電圧となる。

【００２３】次に、図１５に第２の実施形態の高圧スイ
ッチング回路の等価回路を示す。この場合には、第１の
スイッチＳＷ１と第２のスイッチＳＷ２と第３のスイッ
チＳＷ３とは、上述した例と同様に正極性の直流電源＋
Ｅとアースとの間に直列接続されているが、第１のスイ
ッチＳＷ１と第２のスイッチＳＷ２との接続点に負荷Ｒ
が接続され、また第２のスイッチＳＷ２と第３のスイッ
チＳＷ３との接続点と負極性の直流電源−Ｅとの間に、
第４のスイッチＳＷ４が接続されている。

【００２４】この第２の実施形態の動作例について説明
する。図１５から図１９にこの場合の４個のスイッチＳ
Ｗ１・ＳＷ２・ＳＷ３・ＳＷ４のオン・オフ動作の切り
替え状態を示す。但し、そのオン・オフ関係は図１３と
同様であり、またタイミングチャートは図１４と同様で
ある。

【００２５】先ず、図１５に示すように第１のスイッチ
ＳＷ１をオフ、第２及び第３のスイッチＳＷ２・ＳＷ３
を共にオン、第４のスイッチＳＷ４をオフした状態では
（図１３における）、負荷Ｒの両端がアースに接続さ
れるため、負荷Ｒに正負いずれの電圧も印加されない。
この状態から図１６及び図１４に示すように、第２のス
イッチＳＷ２をオフにした直後に第１のスイッチＳＷ１
をオンにすると（図１３において）、正極性の直流電
源＋Ｅから、オンとなった第１のスイッチＳＷ１及び負
荷Ｒを通りアースへ向かう（Ｉ１の方向）電流 が流れ
るので、正極性の電源電圧＋Ｅに比例した立ち上がりの
良い正のパルス電圧が負荷Ｒに加わり、負荷Ｒが正極性
に充電される。

【００２６】次いで、図１７及び図１４に示すように、
第１のスイッチＳＷ１をオフにした直後に第２のスイッ
チＳＷ２をオンにすると（図１３において）、負荷Ｒ
側にチャージした正の電荷分が、オンとなった第２のス
イッチＳＷ２及び引き続きオンになっている第３のスイ
ッチＳＷ３を介してアースへ至る流れによって（Ｉ２の
方向）ディスチャージされるので、負荷Ｒに対して立ち
下がりの良い正のパルス電圧となる。

【００２７】また、図１８及び図１４に示すように、第
３のスイッチＳＷ２をオフにした直後に第４のスイッチ
ＳＷ４をオンにすると（図１３において）、今度は、
負荷Ｒから、引き続きオンになっている第２のスイッチ
ＳＷ２及びオンとなった第４のスイッチＳＷ４を通じて
負極性の直流電源−Ｅへ向かう（Ｉ３の方向）電流が流
れるので、負極性の電源電圧−Ｅに比例した立ち下がり
の良い負のパルス電圧が負荷Ｒに加わり、負荷Ｒが負極
性に充電される。

【００２８】次いで、図１９及び図１４に示すように、
第４のスイッチＳＷ４をオフにした直後に第３のスイッ
チＳＷ３をオンにすると（図１３において）、負荷Ｒ
側にチャージした負の電荷分が、アースからオンとなっ
た第３のスイッチＳＷ３及び引き続きオンになっている
第２のスイッチＳＷ２を介し、更に負荷Ｒから再びアー
スへ至る流れにより（Ｉ４の方向）ディスチャージされ
るので、このときも負荷Ｒに対して立ち上がりの良い負
のパルス電圧となる。

【００２９】次に、回路構成は図１５の第２の実施形態
と同様であるが、４個のスイッチＳＷ１・ＳＷ２・ＳＷ
３・ＳＷ４のオン・オフの動作タイミングを上記の動作
例とは変えた別の動作例について説明する。図２０から
図２４に４個のスイッチＳＷ１・ＳＷ２・ＳＷ３・ＳＷ
４のオン・オフ動作の切り替え状態、図２５にそのオン
・オフ関係、図２６にタイミングチャートを示す。

【００３０】４個のスイッチＳＷ１・ＳＷ２・ＳＷ３・
ＳＷ４を図２０に示すように全てオフにした状態（図２
５において）から、図２１及び図２６に示すように第
１のスイッチＳＷ１をオンにすると（図２５において
）、正極性の直流電源＋Ｅから、オンとなった第１の
スイッチＳＷ１及び負荷Ｒを通りアースへ向かう（Ｉ１
の方向）電流 が流れるので、正極性の電源電圧＋Ｅに
比例した立ち上がりの良い正のパルス電圧が負荷Ｒに加
わり、負荷Ｒが正極性に充電される。

【００３１】次いで、所定時間後に図２２及び図２６に
示すように第１のスイッチＳＷ１をオフにし、その直後
に第２のスイッチＳＷ２をオンにすると（図２５におい
て）、負荷Ｒ側にチャージした正の電荷分が、オンと
なった第２のスイッチＳＷ２及びオフになっている第３
のスイッチＳＷ３に並列接続の第３のダイオードＤ３を
介してアースへ至る流れによって（Ｉ２の方向）ディス
チャージされるので、負荷Ｒに対して立ち下がりの良い
正のパルス電圧となる。

【００３２】また、図２３及び図２６に示すように第２
のスイッチＳＷ２をオンにしたまま、第４のスイッチＳ
Ｗ４をオンにすると（図２５において）、今度は、負
荷Ｒから、オンになっている第２のスイッチＳＷ２及び
オンとなった第４のスイッチＳＷ４を通じて負極性の直
流電源−Ｅへ向かう（Ｉ３の方向）電流が流れるので、
負極性の電源電圧−Ｅに比例した立ち下がりの良い負の
パルス電圧が負荷Ｒに加わり、負荷Ｒが負極性に充電さ
れる。

【００３３】次いで、所定時間後に図２４及び図２６に
示すように、第２及び第４のスイッチＳＷ２・ＳＷ４を
オフにしてから、第３のスイッチＳＷ３を瞬間的にオン
にすると（図２５において）、負荷Ｒ側にチャージし
た負の電荷分が、アースからオンとなった第３のスイッ
チＳＷ３及びオフとなった第２のスイッチＳＷ２に並列
接続の第２のダイオードＤ２を介し、更に負荷Ｒから再
びアースへ至る流れにより（Ｉ４の方向）ディスチャー
ジされるので、このときも負荷Ｒに対して立ち上がりの
良い負のパルス電圧となる。

【００３４】図２７に、上述したような等価回路で示し
た高圧スイッチング回路１と、その４組のスイッチング
部ＳＷ１・ＳＷ２・ＳＷ３・ＳＷ４の半導体スイッチン
グ素子を組毎にオン・オフする低圧側のドライブ回路の
一部、つまりスイッチング制御回路２との具体例を示
す。同図に示すように、各組のスイッチング部ＳＷ１・
ＳＷ２・ＳＷ２・ＳＷ４は、いずれもｎ個のＦＥＴ（電
界効果トランジスタ）３−１〜３−ｎを直列接続して高
電圧に対する耐圧を高めたもので、各ＦＥＴにダイオー
ドＤ−１〜Ｄ−ｎを並列接続している。なお、同図の高
圧スイッチング回路１は図１の等価回路に対応してい
る。

【００３５】スイッチング制御回路２は、４組のスイッ
チング部ＳＷ１・ＳＷ２・ＳＷ３・ＳＷ４のそれぞれに
対応して、それぞれｎ個のトロイダルコイルＴＣ−１〜
ＴＣ−ｎよりなる４組のコイル列Ｌ１・Ｌ２・Ｌ３・Ｌ
４を有する。各組のｎ個のトロイダルコイルＴＣ−１〜
ＴＣ−ｎのリング状コアには、組毎に制御線（高耐圧
線）ＣＬ１・ＣＬ２・ＣＬ３・ＣＬ４を貫通させてあ
る。この場合、制御線ＣＬ１・ＣＬ２・ＣＬ３・ＣＬ４
は、高圧側（高圧スイッチング回路１）と低圧側（スイ
ッチング制御回路２）とを絶縁するためにコアに接触し
ないようにしてある。各制御線ＣＬ１・ＣＬ２・ＣＬ３
・ＣＬ４には、制御用トランジスタ（ＦＥＴ）Ｔ１・Ｔ
２・Ｔ３・Ｔ４がそれぞれ接続されている。

【００３６】ｎ個のトロイダルコイルＴＣ−１〜ＴＣ−
ｎの巻線には増幅回路Ｇ−１〜Ｇ−ｎがそれぞれ接続さ
れ、これら増幅回路の出力端は、対応する組のスイッチ
ング部ＳＷ１・ＳＷ２・ＳＷ３・ＳＷ４中の対応する１
個のＦＥＴ３−１〜３−ｎのゲートにそれぞれ接続され
ている。

【００３７】従って、例えば第１組のコイル列Ｌ１のト
ランジスタＴ１をパルス信号でオンにして、第１組の制
御線ＣＬ１にパルス電流を流すと、第１組のｎ個のトロ
イダルコイルＴＣ−１〜ＴＣ−ｎの巻線に同時にパルス
電流が流れるので、第１組のスイッチング部ＳＷ１のｎ
個のＦＥＴ３−１〜３−ｎが同時にオンとなる。他の組
についても同様で、このようなスイッチング制御法を採
ることにより、ｎ個のＦＥＴ自体及びそれをそれぞれ直
列接続した４組のスイッチング部ＳＷ１・ＳＷ２・ＳＷ
３・ＳＷ４のスイッチングを高速で行える。

【００３８】このように各組のスイッチング部ＳＷ１・
ＳＷ２・ＳＷ３・ＳＷ４に全て半導体スイッチング素子
であるＦＥＴを使用し、ｎ個のＦＥＴを直列接続して高
電圧に対する耐圧を高め、またスイッチング制御回路２
により高速でスイッチング動作させ、しかも４組のスイ
ッチング部を、正負いずれの電圧のときも上述の等価回
路で示したように動作させることにより、入力信号に比
例した立ち上がり・立ち下がりが急峻な波形の正負の高
電圧が交互に得られ、それをトランスで昇圧することな
くそのまま負荷Ｒに印加できる。従って、負荷Ｒの静電
容量が大きくとも、図３２に示すように正負の高電圧の
立ち上がり・立ち下がり時に発生する充放電電流を非常
に大きくとれることになる。

【００３９】また、スイッチング回路１と負荷Ｒとを、
図２７に示すようにトランスを介することなく抵抗又は
インダクタンス４を介して接続すれば、抵抗又はインダ
クタンスにより充放電時の時定数を調整し、負荷Ｒに応
じた必要電流を選ぶことができる。

【００４０】ところで、昇圧するために図３３に示すよ
うにトランス５を用い、このトランス５をスイッチング
回路１に対する直接の負荷Ｒとしてコンデンサ６により
容量結合した場合には、スイッチング回路１に加える正
の入力電圧と負の入力電圧とを各々可変すると、図３４
に示すようにトランス５に正負が平均化された信号が入
力するため、正又は負の出力波形が、正又は負の片方の
入力電圧を調整しても他方の極性の出力波形に影響を与
えてしまう。このため、放電による正負のイオンを等量
発生させるイオンバランスを図ろうとしても、その調整
が非常に難しい。

【００４１】これに対して、本発明では、トランスを使
用することなく、スイッチング回路１に加わる正の入力
電圧（高電圧）と負の入力電圧（高電圧）とをそのまま
放電電極等の負荷Ｒに直接印加するため、正又は負の片
方の入力電圧を調整しても他方の極性の出力波形に影響
を与えることはなく、イオンバランスの調整がし易い。
また、正又は負の片方のみのパルス高電圧を出力するこ
とも容易に行える。

【００４２】図２８に、本発明によるパルス式交流高電
圧電源の全体構成を示す。同図において、商用交流電源
からのＡＣ２００Ｖ又はＡＣ１００Ｖは、シーケンス回
路７を介して正電圧発生部８及び負電圧発生部９に供給
され、正電圧発生部８からは、正電圧調整器１０で調整
した正の直流高電圧が、また負電圧発生部９からは、負
電圧調整器１１で調整した負の直流高電圧が各々発生さ
れて上述した構成の高圧スイッチング回路１に同時に加
えられる。シーケンス回路７を通った交流電圧は、一定
の直流低電圧（例えば２４Ｖ）を発生するロジック回路
用定電圧電源１２にも加えられる。

【００４３】スイッチング制御回路２のためのパルス発
生源として、周波数が異なる第１の発振回路１３及び第
２の発振回路１４が備えられている。第１の発振回路１
３の周波数は第２の発振回路１４の周波数よりも高く、
第１の発振回路１３は、第１の周波数調整器１５により
基準周波数を基準に数ＫＨｚ〜数１０ＫＨｚの範囲で可
変でき、また第２の発振回路１４は、第２の周波数調整
器１６により基準周波数を基準に数１００Ｈｚ〜数ＫＨ
ｚの範囲で可変できる。

【００４４】第１及び第２の発振回路１３・１４からの
パルス信号は変調回路１７を介して順序回路１８に加え
られ、この順序回路１８において図７又は図１４若しく
は図２６に示したような順序の４個のパルスに生成され
てから、スイッチング回路２の４組のコイル列Ｌ１・Ｌ
２・Ｌ３・Ｌ４のトランジスタＴ１・Ｔ２・Ｔ３・Ｔ４
に入力される。

【００４５】変調回路１７は、変調用スイッチ１９と第
１・第２・第３のアンド回路２０・２１・２２とインバ
ータ回路２３とオア回路２４とで構成されている。順序
回路１８は、第１・第２・第３・第４のワンショット回
路２５・２６・２７・２８と、第１のワンショット回路
２５の出力を遅延して第２のワンショット回路２６に入
力する第１の遅延回路２９と、第２のワンショット回路
２６の出力を遅延して第３のワンショット回路２７に入
力する第２の遅延回路３０と、第３のワンショット回路
２７の出力を遅延して第４のワンショット回路２８に入
力する第３の遅延回路３１とで構成されている。

【００４６】図２８に示した回路構成の動作を図２９及
び図３０のタイミングチャートを参照して説明する。変
調用スイッチ１９をオンにすると、インバータ回路２３
の出力はＨ（ハイレベル）となり、第１のアンド回路２
０の一方に入力する。このアンド回路２０の他方の入力
は、第１の発振回路１３からのパルス（図３０の最上
段）であるので、このパルスが、図２９の最上段に示す
ようにオア回路２４を通って順序回路１８の第１のワン
ショット回路１８に入力され、その立ち上がりで第１の
ワンショット回路１８が起動して所定幅のパルスを出力
する。そして、第２、第３、第４のワンショット回路２
６・２７・２８が順次少しずつ遅れて動作してそれぞれ
所定幅のパルスを出力する。これら４つのワンショット
回路２５・２６・２７・２８の出力パルスは、図２７に
示した４組のコイル列Ｌ１・Ｌ２・Ｌ３・Ｌ４のトラン
ジスタＴ１・Ｔ２・Ｔ３・Ｔ４にそれぞれ入力されるの
で、高圧スイッチング回路１が上述したように動作す
る。

【００４７】一方、変調用スイッチ１９をオフにする
と、第２のアンド回路２１の一方はＨとなり、このアン
ド回路２１の他方の入力は第２の発振回路１４からのパ
ルスであるので、このパルスが、図３０の第２段に示す
ようにそのままアンド回路２１から出力され、第１の発
振回路１３からのパルス（図３０の最上段）と共に第３
のアンド回路２２に入力し、このアンド回路２２から、
図３０の第３段に示すような変調パルスとなって間欠的
（第２の発振回路１４の発振周期）に出力される。この
変調パルスは、上記と同様にオア回路２４を通って第１
のワンショット回路１８に入力されるので、高圧スイッ
チング回路１は、図３０の最下段に示すようなタイミン
グで間欠的に動作する。

【００４８】なお、ワンショット回路２５・２６・２７
・２８の各々の間に遅延回路２９・３０・３１を設けた
のは、ワンショット動作が終わってから次のパルス出力
動作をさせるために少し遅れがないと、４組のスイッチ
ング部ＳＷ１・ＳＷ２・ＳＷ３・ＳＷ４をスイッチング
するとき、同時にオンになる恐れがあるので、それを回
避するためである。

【００４９】また、正電圧発生部８及び負電圧発生部９
をそれぞれ別々に電圧調整できるようにしたのは、高圧
スイッチング回路１からの出力が０Ｖを基準として正負
非対称となるように制御することにより、イオンバラン
スが図れるようにするためである。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば次の
ような効果がある。請求項１、請求項２及び請求項３に
係る発明によれば、正負それぞれにつき、負荷の残留電
荷分を積極的にディスチャージできるため、パルス高電
圧の立ち上がり・立ち下がり特性を良好にできるととも
に、動作の高速化が図れるので、例えば除電装置の電源
として使用した場合には、イオン発生量の増加により除
電効率を向上させることができる。また、４組のスイッ
チング部は、それぞれ複数の半導体スイッチング素子を
直列結合して高電圧に対する耐圧を高めるとともに、各
組の半導体スイッチング素子を、各トロイダルコイルの
巻線に流れるパルス信号によりオンとし、しかも各組の
トロイダルコイルを制御線により組毎に同時に制御する
ので、複数の半導体スイッチング素子を直列結合して
も、そのオン・オフ動作を容易に且つ高速に行える。更
に、制御線をトロイダルコイルに貫通させることによ
り、高圧側と低圧側とを絶縁できるので、内部回路の安
全性も充分に確保できる。

【００５１】請求項４に係る発明によれば、４組のスイ
ッチング部をオン・オフするパルス信号に、そのよりも
時間幅が長いパルスで変調させて間欠的動作をさせるこ
とができるので、正負のパルス高電圧の発生周期態様を
容易に調整できる。

【００５２】請求項５に係る発明によれば、スイッチン
グ部をトランスを介することなく負荷に接続したので、
正極性又は負極性の一方の極性の電圧を調整しても他方
の極性が影響されることがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における高圧スイッチング回路の第１の
実施形態の等価回路図である。

【図２】同上において負荷に正電圧が印加される状態を
示す回路図である。

【図３】図２の状態の後にディスチャージされる状態を
示す回路図である。

【図４】図３の状態の後に負荷に負電圧が印加される状
態を示す回路図である。

【図５】図４の状態の後にディスチャージされる状態を
示す回路図である。

【図６】図１から図５における４個のスイッチのオン・
オフ切り替えの関係図である。

【図７】同じくタイミングチャートである。

【図８】図１と同じ回路構成で上記とは別の動作例を示
す回路図である。

【図９】同上において負荷に正電圧が印加される状態を
示す回路図である。

【図１０】図９の状態の後にディスチャージされる状態
を示す回路図である。

【図１１】図１０の状態の後に負荷に負電圧が印加され
る状態を示す回路図である。

【図１２】図１１の状態の後にディスチャージされる状
態を示す回路図である。

【図１３】図８から図１２における４個のスイッチのオ
ン・オフ切り替えの関係図である。

【図１４】同じくタイミングチャートである。

【図１５】高圧スイッチング回路の第１の実施形態の等
価回路図である。

【図１６】同上において負荷に正電圧が印加される状態
を示す回路図である。

【図１７】図１６の状態の後にディスチャージされる状
態を示す回路図である。

【図１８】図１７の状態の後に負荷に負電圧が印加され
る状態を示す回路図である。

【図１９】図１８の状態の後にディスチャージされる状
態を示す回路図である。

【図２０】図１５と同じ回路構成で上記とは別の動作例
を示す回路図である。

【図２１】同上において負荷に正電圧が印加される状態
を示す回路図である。

【図２２】図２１の状態の後にディスチャージされる状
態を示す回路図である。

【図２３】図２２の状態の後に負荷に負電圧が印加され
る状態を示す回路図である。

【図２４】図２３の状態の後にディスチャージされる状
態を示す回路図である。

【図２５】図２０から図２４における４個のスイッチの
オン・オフ切り替えの関係図である。

【図２６】同じくタイミングチャートである。

【図２７】等価回路で示した高圧スイッチング回路と、
その４組のスイッチング部の半導体スイッチング素子を
組毎にオン・オフするスイッチング制御回路との具体例
を示す回路図である。

【図２８】本発明によるパルス式交流高電圧電源の全体
構成を示すブロック図である。

【図２９】同上の通常時の動作を示すタイミングチャー
トである。

【図３０】変調時の動作を示すタイミングチャートであ
る。

【図３１】高圧トランスを使用して昇圧していた従来例
における信号の変形過程を示すタイミングチャートであ
る。

【図３２】本発明による場合の出力電圧波形と負荷電流
波形のタイミングチャートである。

【図３３】昇圧するためにトランスを用い、このトラン
スをスイッチング回路に対する直接の負荷としてコンデ
ンサにより容量結合した参考例を示す回路図である。

【図３４】同上において正負の一方の極性の入力電圧を
変えたとき、他方の極性の出力信号波形が変形すること
を示すタイミングチャートである。

【符号の説明】

ＳＷ１・ＳＷ２・ＳＷ３・ＳＷ４ ４組のスイッチン
グ部 Ｄ１・Ｄ２・Ｄ３・Ｄ４ ダイオード Ｒ 負荷 ＋Ｅ 正極性の直流電源（正電圧発生部） −Ｅ 負極性の直流電源（負電圧発生部） １ 高圧スイッチング回路 ２ スイッチング制御回路 ３−１〜３−ｎ ＦＥＴ Ｄ−１〜Ｄ−ｎ ダイオード Ｌ１・Ｌ２・Ｌ３・Ｌ４ コイル列 ＴＣ−１〜ＴＣ−ｎ トロイダルコイル ＣＬ１・ＣＬ２・ＣＬ３・ＣＬ４ 制御線 ８ 正電圧発生部 ９ 負電圧発生部 １３ 第１の発振回路 １４ 第２の発振回路 １７ 変調回路 １８ 順序回路

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】正の直流高電圧を発生する正電圧発生部
   と、負の直流高電圧を発生する負電圧発生部と、それぞ
   れ複数の半導体スイッチング素子を直列結合して組にし
   た第１、第２、第３及び第４の４組のスイッチング部
   と、これら各組のスイッチング部の半導体スイッチング
   素子を組毎にパルス信号でオン・オフさせるドライブ回
   路とを有し、前記正電圧発生部とアースとの間に、第１
   組のスイッチング部と第２組のスイッチング部と第３組
   のスイッチング部とを直列接続し、第１組のスイッチン
   グ部と第２組のスイッチング部との接続点を負荷に接続
   して、第１組のスイッチング部がオンになったとき前記
   正電圧発生部の正電圧が負荷に印加され、また前記負電
   圧発生部と負荷との間に第４のスイッチング部を接続し
   て、該第４組のスイッチング部がオンになったとき負電
   圧発生部の負電圧が負荷に印加されるようにし、前記ド
   ライブ回路は、前記半導体スイッチング素子を各トロイ
   ダルコイルの巻線に流れるパルス信号によりオンするも
   のであって、そのトロイダルコイルを４組のスイッチン
   グ部にそれぞれ対応して４組有し、前記第１組のスイッ
   チング部の半導体スイッチング素子を同時にオンにして
   負荷に正電圧が印加された後、負荷にチャージされた正
   の電荷が、第２組、第３組のスイッチング部の半導体ス
   イッチング素子又はこれらに並列接続されたダイオード
   を介してアースに至る回路によってディスチャージさ
   れ、次に、前記第４組のスイッチング部の半導体スイッ
   チング素子をオンにして負荷に負電圧が印加された後、
   負荷にチャージされた負の電荷が、アースから第３組、
   第２組のスイッチング部の半導体スイッチング素子又は
   これらに並列接続されたダイオードを介して負荷に至る
   回路によってディスチャージされるように、４組のトロ
   イダルコイルをそれぞれ貫通する制御線に所定の順序で
   周期的にパルス電流を流すことを特徴とするパルス式交
   流高電圧電源。
2. 【請求項２】正の直流高電圧を発生する正電圧発生部
   と、負の直流高電圧を発生する負電圧発生部と、それぞ
   れ複数の半導体スイッチング素子を直列結合して組にし
   た第１、第２、第３及び第４の４組のスイッチング部
   と、これら各組のスイッチング部の半導体スイッチング
   素子を組毎にパルス信号でオン・オフさせるドライブ回
   路とを有し、前記正電圧発生部とアースとの間に、第１
   組のスイッチング部と第２組のスイッチング部と第３組
   のスイッチング部とを直列接続し、第１組のスイッチン
   グ部と第２組のスイッチング部との接続点を負荷に接続
   して、第１組のスイッチング部がオンになったとき前記
   正電圧発生部の正電圧が負荷に印加され、また前記第２
   組のスイッチング部と第３組のスイッチング部との接続
   点と前記負電圧発生部と負荷との間に第４のスイッチン
   グ部を接続して、第２組及び第４組のスイッチング部が
   オンになったとき負電圧発生部の負電圧が負荷に印加さ
   れるようにし、前記ドライブ回路は、前記半導体スイッ
   チング素子を各トロイダルコイルの巻線に流れるパルス
   信号によりオンするものであって、そのトロイダルコイ
   ルを４組のスイッチング部にそれぞれ対応して４組有
   し、前記第１組のスイッチング部の半導体スイッチング
   素子を同時にオンにして負荷に正電圧が印加された後、
   負荷にチャージされた正の電荷が、第２組、第３組のス
   イッチング部の半導体スイッチング素子又はこれらに並
   列接続されたダイオードを介してアースに至る回路によ
   ってディスチャージされ、次に、前記第２組及び第４組
   のスイッチング部の半導体スイッチング素子をオンにし
   て負荷に負電圧が印加された後、負荷にチャージされた
   負の電荷が、アースから第３組、第２組のスイッチング
   部の半導体スイッチング素子又はこれらに並列接続され
   たダイオードを介して負荷に至る回路によってディスチ
   ャージされるように、４組のトロイダルコイルをそれぞ
   れ貫通する制御線に所定の順序で周期的にパルス電流を
   流すことを特徴とするパルス式交流高電圧電源。
3. 【請求項３】ドライブ回路が、パルス信号を発生する周
   波数調整可能な発振回路と、そのパルス信号を入力して
   ４組のトロイダルコイルの制御線に所定の順序で周期的
   にパルス電流を流す順序回路とを有している請求項１又
   は２に記載のパルス式交流高電圧電源。
4. 【請求項４】ドライブ回路が、パルス信号を発生する周
   波数調整可能な第１及び第２の発振回路と、第１の発振
   回路からのパルス信号のみを順序回路に出力できる第１
   の状態と、第１及び第２の両発振回路からのパルス信号
   を論理積して変調させたパルス信号を順序回路に出力で
   きる第２の状態と、に切り替えることができる変調回路
   とを有している請求項３に記載のパルス式交流高電圧電
   源。
5. 【請求項５】スイッチング部をトランスを介することな
   く負荷に接続したことを特徴とする請求項１、２、３又
   は４に記載のパルス式交流高電圧電源。