JP4326940B2 - 高電圧スイッチング装置 - Google Patents

Description

本発明は、高電圧スイッチング装置に関し、より具体的には、これに限定するものではないが、パルス切り換え式負荷にパルスを供給するスイッチング装置に関する。

本出願人の英国特許出願ＧＢ９９２８０７４．５号及びＧＢ９９２８０４９．７号は、マグネトロンのようなＥＨＴ負荷のためのパルス式スイッチング装置について記載している。電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）スイッチモジュールのスタックは、プラスチックハウジング内に取り付けられた４個のコンデンサにより囲まれ、オイルが充填されたチャンバ内に配置されている。スイッチスタックは、通常約−５５ｋＶのＥＨＴ電源を受け取り、一連のＥＨＴパルスをマグネトロンに供給する。このスイッチはまた、ＬＴ電圧で動作する様々な制御回路を含む。この回路は、ＦＥＴスイッチのトリガのような機能を制御する。

これらの装置において、負荷切り換え時には電圧が図１に示すように動作電圧まで滑らかに立ち上がることが望ましい。しかしながら実際には、電圧は図２に示すようにオーバーシュートする傾向がある。これは、負荷が純粋な抵抗負荷ではなく、非線形の性質があり容量性成分を含むためである。

英国特許出願ＧＢ９９２８０７４．５号 英国特許出願ＧＢ９９２８０４９．７号

この電圧オーバーシュートを補正する公知の方法は、図３に示すように追加のキャパシタンスを負荷と並列に組み込むことである。この図において、負荷をＲ_L、スイッチをＳ、追加のキャパシタンスをＣｄで示している。この方法に関する問題は、追加キャパシタンスが、通常２００ｐＦ程度と大きく、高価でサイズが非常に大きいことである。従って、電圧オーバーシュートを補償する別の方法を見出すことが望ましい。

本発明は、その最も広い形態において、スイッチスタックのスイッチ全体に負荷キャパシタンスを分散させる。より具体的には、電気エネルギーを負荷に供給するコンデンサと、該コンデンサを負荷に接続するスイッチスタックとを備え、スイッチスタックが、直列に接続された複数のスイッチと、該スイッチの両端に並列に接続された複数の負荷キャパシタンスとを含む、負荷の両端にパルスを供給する高電圧スイッチング装置が提供される。

好ましくは、各スイッチは該スイッチの両端に並列に接続されたキャパシタンスｎＣｄを有し、ここで、Ｃｄは負荷の両端に必要とされる追加のキャパシタンスであり、ｎはスイッチの個数である。

スイッチスタックの各スイッチの両端に１つのキャパシタンスｎＣ（ｎはスイッチの個数）を配置することにより、スタック内の浮遊容量を圧倒するため、該浮遊容量の影響が回避される。このことは、各スイッチにおける電圧をより厳密に制御することが可能になり有利である。更に、この配置は、高価で非常にかさばる１つの負荷コンデンサの代わりに、小形で安価なコンデンサをスイッチと共に使用することを可能にする。

次に、添付図面を参照しながら、実施例により本発明の一実施形態を説明する。

図４及び図５は、本出願人の以前の英国特許出願の第ＧＢ９９２８０７４．５号及び第９９２８０４９．７号に開示されたスイッチング機構を示している。この機構は、キャパシタンスを切り換えることにより、マグネトロンのような高電圧負荷に高電圧パルスを供給する。このスイッチングは、高電圧電源から生じたトリガパルスによりトリガされ、キャパシタンスもまた、この電源により充電される。

図４及び５に示すスイッチング装置は、複数のキャパシタンスにより囲まれたチャンバ内に配置されたスイッチスタックを備える。スイッチスタックは、多数のＦＥＴモジュール１、２、３、４、．．．、ｎを備え、各々のＦＥＴモジュールは、１つ又はそれ以上のＦＥＴスイッチを含む。例えば、該スタック内に７５個のＦＥＴモジュールがあり、各モジュールは、並列に配列された３個のＦＥＴスイッチを含むものとすることができる。モジュールは、互いに近接して装着され、図１の軸線に沿って積層される。各々のモジュールは、ＦＥＴスイッチと同様に、変圧器の二次巻線６と共通の一次巻線７とを含み、該一次巻線は軸線の長さに沿って延びて、各モジュールの一次巻線として働く。一次巻線は、ＦＥＴスイッチに電力を供給するのに使用される。スイッチング装置への電力は、電源８から−５５ｋＶに維持されたスタックの高電圧端のトリガドライバ９へ加えられる。トリガドライバは、ＦＥＴモジュールと同様の寸法のモジュールとして形成され、スタックの末端モジュールを形成する。例えばマグネトロンなどの負荷１０は、スイッチング機構の出力１１に接続され、スイッチング機構からパルスを受け取る。出力１１はまた、マグネトロンのカソードを加熱するためのヒータ変圧器への出力１２を備える。変圧器のための電力は、電源１３から供給される。

スイッチング機構は、ハウジング１４内に配置される。ハウジングは、プラスチック材料のような非導電性材料で形成され、間に環状チャンバが形成される外壁１５及び内壁１６と、該内壁によって境界付けられ、スイッチスタックが内部に配置される内部チャンバ２３とを含む。環状チャンバと内側チャンバ２３とは、内壁１６の孔２４、２５を介して連通する。

図５から分かるように、ハウジングと環状及び内部チャンバは、断面が矩形である。環状チャンバ内には、４つのコンデンサ１７、１８、１９、２０が各側部に１つずつ配置され、スイッチング機構をシールドするチャンバの長さに沿って延びる。コンデンサは、高電圧端において第１のスイッチモジュールに接続され、接地することができる低電圧端において負荷１０に接続される。各々のコンデンサは、コンデンサ素子を形成する複数の平行なプレートを備え、これらのコンデンサ素子は、電源端から０Ｖ端まで名目上線形の電圧勾配が現れるように相互接続される。各々のコンデンサは、０．１５μｆとすることができる

放熱及び絶縁のために、このユニットはオイル充填される。オイルは、通路２４、２５を介して環状チャンバと内部チャンバとの間で流動することができる。チャンバには、例えば温度変化によるオイル容積の変化に応じて動くダイヤフラムを含む膨張タンク２６が接続される。

スイッチスタックはまた、制御モジュール４０を含み、該制御モジュールは、ＦＥＴモジュールと同様の寸法であって、トリガドライバモジュールと第１のＦＥＴモジュール１との間のスタック上に取り付けられる。制御モジュールは、ＦＥＴスイッチのトリガを制御し、−５５ｋＶの高電圧にて浮動するが、制御回路を動作させるための自己ＬＴ電源を有する。

図６は、図３の公知の電圧オーバーシュート解決法の等価回路である。この配置においては、補償キャパシタンスがスイッチＳと並列に置かれる。

このスイッチは、単一のスイッチではなく一連のスイッチであることが上記の説明から分かるであろう。典型的なスイッチスタックでは、７５個のスイッチモジュールがあるものとすることができる。これらのスイッチの各々は、スイッチ毎に異なるものとすることができる自己キャパシタンスＣを有する。

負荷の両端に単一のコンデンサを配置する代わりに、各スイッチモジュールの両端に１つのコンデンサを配置することができる。しかしながら、同じキャパシタンスとするために、各コンデンサの値はｎＣｄでなくてはならず、ここで、ｎはスイッチモジュールの数であり、見方を変えると、直列接続されたコンデンサの個数である。ｎＣｄの値は、適用されるキャパシタンスが、スイッチにおいて発生するどのような浮遊容量よりも大きく上回り、これを圧倒するような値である。

図７は、この配置を示している。図７において、スイッチＳ１、Ｓ２、．．．、Ｓｎの各々は、キャパシタンスｎＣｄと並列に示してあり、追加のキャパシタンスＣｓは、その効果がｎＣｄの効果と比べて微小であるため点線で示されている。

上記の配置は、多くの利点を有する。第１に、より一般的で非常に安価な（典型的には１個当り約２０ペンス程度）小型の表面実装型コンデンサを使用することができるため、多数のスイッチコンデンサを設けることでコストが低減される。これに対して、マグネトロンと並列接続で使用される単純なキャパシタンスは、物理的に非常に大きく高価であり、典型的には約５０ポンド程度である。

更に、スイッチの両端に負荷キャパシタンスを置くことにより、このキャパシタンス値は浮遊容量の値を大きく上回り、これらの浮遊容量により生じるであろうあらゆる影響を圧倒する。これにより各スイッチにおける電圧を同じにすることが可能になり、これは非常に望ましいことである。

本発明の範囲から逸脱することなく、上に述べた実施形態には様々な変更が可能であり、当業者であれば行うことができるであろう。例えば、上記の実施形態においては、キャパシタンスｎＣｄは、各スイッチ又はスイッチモジュールの両端に並列に配置される。好ましい実施形態においては、各スイッチモジュールは、並列に配置されたＭ個のスイッチを含むので、キャパシタンスｎＣｄを、各並列スイッチの両端でｎＣｄ／Ｍに分散させることができる。このことは、実際の具現化に際してレイアウトにより一層の柔軟性をもたせるのに寄与する。必要とされる負荷キャパシタンスの値と同様、スイッチの個数及びスイッチモジュールの数は、負荷の性質及び動作条件に応じて変えることができる。

スイッチが閉じられた時の理想的な負荷電圧の立ち上がりを示す電圧／時間のグラフ図である。 オーバーシュートを含む実際の電圧の立ち上がりを示す図１と同様のグラフ図である。 問題に対する公知の解決法の回路図である。 高電圧スイッチング機構の概略的な縦面図である。 図４の線Ｖ−Ｖの概略的な断面図である。 図３の公知回路と等価な回路図である。 本発明の実施形態によって図６のキャパシタンスをどのように分散することができるかを示す図である。

符号の説明

Ｓ１、Ｓ２、．．．、Ｓｎ スイッチモジュール
ｎＣ キャパシタンス
Ｃｓ 追加のキャパシタンス
Ｒ_L 負荷

Claims (5)

1. 容量性成分を含む負荷の両端にパルスを供給する高電圧スイッチング装置であって、
   前記負荷に電気エネルギーを供給するコンデンサと、
   前記コンデンサを負荷に接続するスイッチスタックと、
   を備え、
   前記スイッチスタックが、直列接続された複数のスイッチと、
   該スイッチの両端に並列接続された、電圧のオーバーシュートを補償するために必要な追加のキャパシタンスを前記負荷の両端に提供する複数の負荷キャパシタンスとを含む高電圧スイッチング装置。
2. 前記各スイッチモジュールが、スイッチの両端に並列接続されたキャパシタンスｎＣｄを有し、ここでＣｄは負荷のキャパシタンスであり、ｎはスイッチモジュールの数である請求項１に記載のスイッチング装置。
3. 前記並列接続された負荷キャパシタンスｎＣｄが、ｎＣｄ＞＞Ｃであるように選択され、Ｃは前記各スイッチモジュールの浮遊容量である請求項２に記載のスイッチング装置。
4. 前記スイッチモジュールがＦＥＴスイッチを含む請求項１、２、又は３に記載のスイッチング装置。
5. 前記ＦＥＴスイッチが、負荷キャパシタンスと共に回路基板上に配置され、前記回路基板が互いに極めて近接して積層される請求項４に記載のスイッチング装置。

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