JP5351024B2 - 直流高電圧電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電トランスを用いた直流高電圧電源装置に関する。

従来、直流の高電圧を生成する方法として、ダイオードとコンデンサを有する倍電圧整流回路（コッククロフト・ウォルトン回路）を用いる方法がある。図９は、圧電トランス１００１および倍電圧整流回路１００２を有する従来の直流高電圧電源装置１０００の構成を示す図である。図９に示すような４つのダイオードＤ_１〜Ｄ_４と４つのコンデンサＣ_１〜Ｃ_４により構成された倍電圧整流回路１００２は、圧電トランス１００１の出力電圧Ｖ_ＯＰＴを、（√２）・ｎ倍、すなわち√２×４≒５．７倍に倍増して出力する。ここで圧電トランスの出力電圧は正弦波であり、Ｖ_ｏｐｔは実効値を示す。このような倍電圧整流回路１００２を用いた直流高電圧電源装置１０００として、安定した直流高電圧を供給するものが提案されている（特許文献１参照）。

特許文献１記載の安定化直流高電圧電源装置は、外部より供給される直流電源から高周波交流を発生させ、圧電トランスを駆動し、コンバータ回路により直流の高電圧を発生させている。コンバータ回路には、３段コッククロフト・ウォルトン回路が用いられ、圧電トランスの出力と高電圧直流電源の負荷とのインピーダンスの不整合の調整を行いつつ、圧電トランスの変換効率を改善している。
特開２００２−３５９９６７号公報

上記のように倍電圧整流回路を用いた直流高電圧電源装置は、直流高電圧を発生させるのに有効である。しかしながら、単に圧電トランスの出力電圧を倍電圧整流回路で倍増させる回路を構成しただけでは、圧電トランスと倍電圧整流回路との整合性が不十分であり、電源装置の効率は必ずしも高くならない。

圧電トランスの昇圧効率（変換効率）は、圧電トランスの出力に接続される負荷の仕様と圧電トランスの仕様との関係によって異なる。したがって、上記のような圧電トランスを用いた直流高電圧電源装置では、電源装置の負荷の仕様に圧電トランスの仕様が適合していなければ直流高電圧電源装置の効率が低下する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、圧電トランスによる昇圧効率が高く、電源効率の高い直流高電圧電源装置を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明に係る直流高電圧電源装置は、スイッチング素子およびチョークコイルを有し、前記スイッチング素子の動作により直流入力電圧を交流電圧に変換する駆動回路と、前記変換された交流電圧が入力されることで駆動され、昇圧された交流電圧を出力する圧電トランスと、倍電圧整流を行うことで、前記出力された交流電圧を直流電圧に変換する多段型倍電圧整流回路と、を備え、前記圧電トランスは、負荷の抵抗に基づき、前記多段型倍電圧整流回路の倍電圧整流作用に応じて要求される前記圧電トランスの出力電圧、および電力保存則から導かれる前記圧電トランスの出力電流により定まる所定範囲の出力インピーダンスを有していることを特徴としている。

このように、本発明の直流高電圧電源装置は、その出力電圧および出力電流に応じた出力インピーダンスを有する圧電トランスを備えている。このように圧電トランスの仕様が直流高電圧電源装置の負荷の仕様に適合しているため、圧電トランスの昇圧効率を高くし、直流高電圧電源装置の電源効率を高くすることができる。

（２）また、本発明に係る直流高電圧電源装置は、スイッチング素子およびチョークコイルを有し、前記スイッチング素子の動作により直流入力電圧を交流電圧に変換する駆動回路と、前記変換された交流電圧が入力されることで駆動され、昇圧された交流電圧を出力する圧電トランスと、倍電圧整流を行うことで、前記出力された交流電圧を直流電圧に変換する多段型倍電圧整流回路と、を備え、前記圧電トランスは、入力電圧をもとに前記駆動回路により変換された前記圧電トランスの入力電圧、および負荷の抵抗に基づき前記多段型倍電圧整流回路の倍電圧整流作用に応じて要求される前記圧電トランスの出力電圧により定まる所定範囲の最大昇圧比を有していることを特徴としている。

本発明の直流高電圧電源装置では、圧電トランスに入力される電圧、圧電トランスから出力される電圧に応じて最大昇圧比が所定の範囲内になるように圧電トランスが設計されている。これにより、圧電トランスの昇圧効率を高くし、直流高電圧電源装置の電源効率を高くすることができる。

（３）また、本発明に係る直流高電圧電源装置は、スイッチング素子およびチョークコイルを有し、前記スイッチング素子の動作により直流入力電圧を交流電圧に変換する駆動回路と、前記変換された交流電圧が入力されることで駆動され、昇圧された交流電圧を出力する圧電トランスと、ｎ個のダイオードを有し、ｎ倍の倍電圧整流を行うことで、前記出力された交流電圧を直流電圧に変換する多段型倍電圧整流回路と、を備え、出力電圧をＶ_ＯＵＴ、出力電流をＩ_ＯＵＴとするとき、前記圧電トランスの出力インピーダンスＺ_ＯＰＴは、以下の式を満たすことを特徴としている。

このように、本発明の直流高電圧電源装置では、圧電トランスの出力インピーダンスが直流高電圧電源装置の出力電圧および出力電流に応じて決まる上式の範囲内に設計されている。圧電トランスの仕様が直流高電圧電源装置の負荷の仕様に適合されているため、圧電トランスの昇圧効率が高くなり、直流高電圧電源装置の電源効率を高くすることができる。

（４）また、本発明に係る直流高電圧電源装置は、４つのスイッチング素子および１つのチョークコイルを有し、前記スイッチング素子の動作により直流入力電圧を交流電圧に変換するフルブリッジ型の駆動回路と、前記変換された交流電圧が入力されることで駆動され、昇圧された交流電圧を出力する圧電トランスと、ｎ個のダイオードを有し、ｎ倍の倍電圧整流を行うことで、前記出力された交流電圧を直流電圧に変換する多段型倍電圧整流回路と、を備え、出力電圧をＶ_ＯＵＴ、出力電流をＩ_ＯＵＴ、入力電圧をＶ_ＩＮとするとき、前記圧電トランスに（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）／２ｎ^２の負荷抵抗を接続するときの最大昇圧比Ａｖが以下の式を満たすことを特徴としている。

圧電トランスの昇圧比は圧電トランスの形状や構造によって決まる。駆動周波数により圧電トランスの昇圧比を変えられるものの、圧電トランスの共振周波数から大きく離れすぎると、圧電トランスの昇圧効率が低下する。本発明のフルブリッジ型駆動回路を用いた直流高電圧電源装置では、圧電トランスに入力される電圧、圧電トランスから出力される電圧に応じて最大昇圧比が上式の範囲内になるように圧電トランスが設計されている。これにより、圧電トランスの昇圧効率を高くし、直流高電圧電源装置の電源効率を高くすることができる。

（５）また、本発明に係る直流高電圧電源装置は、２つのスイッチング素子および２つのチョークコイルを有し、前記スイッチング素子の動作により直流入力電圧を交流電圧に変換するプッシュプル型の駆動回路と、前記変換された交流電圧が入力されることで駆動され、昇圧された交流電圧を出力する圧電トランスと、ｎ個のダイオードを有し、ｎ倍の倍電圧整流を行うことで、前記出力された交流電圧を直流電圧に変換する多段型倍電圧整流回路と、を備え、出力電圧をＶ_ＯＵＴ、出力電流をＩ_ＯＵＴ、入力電圧をＶ_ＩＮとするとき、前記圧電トランスに（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）／２ｎ^２の負荷抵抗を接続するときの最大昇圧比Ａｖが以下の式を満たすことを特徴としている。

このように、本発明のプッシュプル型駆動回路を用いた直流高電圧電源装置では、圧電トランスに入力される電圧、圧電トランスから出力される電圧、および所定の負荷に応じて、最大昇圧比が一定の範囲内になるように圧電トランスが設計されている。これにより、圧電トランスの昇圧効率を高くし、直流高電圧電源装置の電源効率を高くすることができる。

（６）また、本発明に係る直流高電圧電源装置は、前記チョークコイルが、空芯コイルであることを特徴としている。このように、本発明に係る直流高電圧電源装置は、空芯コイルを用いることにより印加される矩形波電圧を正弦波電圧に波形整形することができる。空芯コイルはフィルタ機能を実現するに足る小さなサイズで良い。

本発明によれば、圧電トランスの仕様が直流高電圧電源装置の負荷の仕様に適合しているため、圧電トランスの昇圧効率が高くなり、直流高電圧電源装置の電源効率が高くすることができる。

第１の実施形態に係る直流高電圧電源装置の構成を示す図である。 第１の実施形態に係る直流高電圧電源装置の出力電圧および出力電流と圧電トランスの出力インピーダンスとの関係を示す模式図である。 第１の実施形態に係る直流高電圧電源装置の入力電圧および出力電圧と圧電トランスの入力電圧および出力電圧との関係を示す模式図である。 第１の実施形態に係る実験結果を示すグラフである。 第１の実施形態に係る実験結果を示すグラフである。 第２の実施形態に係る直流高電圧電源装置の構成を示す図である。 第２の実施形態に係る直流高電圧電源装置の入力電圧および出力電圧と圧電トランスの入力電圧および出力電圧との関係を示す模式図である。 第２の実施形態に係る実験結果を示すグラフである。 従来の直流高電圧電源装置の構成を示す図である。

符号の説明

１００ 直流高電圧電源装置
１１０ 駆動回路
１１１〜１１４ スイッチング素子
１１７ チョークコイル
１２０、２２０ 圧電トランス
１３０ 倍電圧整流回路（多段型倍電圧整流回路）
１４０ 負荷
１５０、１５５ 検出用抵抗
１６０ 誤差アンプ
１７０ 電圧制御発振回路
２００ 直流高電圧電源装置
２１０ 駆動回路
２１１、２１２ スイッチング素子
２１７、２１８ チョークコイル
Ｒ_Ｌ 抵抗
Ｖ_ＩＮ 入力電圧
Ｖ_ＩＰＴ 交流電圧
Ｖ_ＯＰＴ 出力電圧
Ｖ_ＯＵＴ 出力電圧
Ｖ_ｒｅｆ 基準電圧

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

（第１の実施形態）
（直流高電圧電源装置の構成）
図１は、直流高電圧電源装置１００の構成を示す図である。図１に示すように、直流高電圧電源装置１００は、駆動回路１１０、圧電トランス１２０、倍電圧整流回路１３０、負荷１４０、検出用抵抗１５０、１５５、誤差アンプ１６０および電圧制御発振回路１７０を備えている。直流高電圧電源装置１００は、たとえば圧電コンバータとして用いられる。

駆動回路１１０は、直流電圧から交流電圧を生成し圧電トランス１２０の入力部に印加する。交流電圧は、電圧制御発振回路１７０の発振信号に応じて生成される。駆動回路１１０は、４つのスイッチング素子１１１〜１１４および１つのチョークコイル１１７により、フルブリッジ型駆動回路として構成されている。駆動回路１１０は、電圧制御発振回路１７０からの発振信号を受けて、スイッチング素子１１１、１１２とスイッチング素子１１３、１１４とを交互にオン、オフすることにより圧電トランスの入力端子に正弦波の入力電圧を印加する。このようなスイッチング動作により直流電圧が矩形波上の交流電圧に変換される。なお、各スイッチング素子１１１〜１１４には、たとえばＭＯＳＦＥＴが用いられる。本発明では高効率で高電圧を得ることが重要であるため、スイッチング素子１１１〜１１４は、スイッチング素子が持つ寄生容量が小さくスイッチング速度の速いものであることが好ましい。また、電力損失を小さくするため、スイッチング素子１１１〜１１４はオン抵抗の小さいものであることが好ましい。

チョークコイル１１７は、スイッチング素子１１１〜１１４と圧電トランス１２０との間に接続されている。上記の矩形波電圧は、チョークコイル１１７および圧電トランス１２０の１次側の容量のフィルタ効果によりほぼ正弦波波形の交流電圧に変換され、圧電トランス１２０に入力される。フルブリッジ型駆動回路の特性から、駆動回路１１０に入力される直流電圧をＶ_ＩＮとしたとき、圧電トランス１２０に入力される交流電圧の実効値Ｖ_ＩＰＴは（３√２／π）Ｖ_ＩＮとなる。

圧電トランス１２０は、厚み方向に分極された入力部および長手方向に分極された出力部を備えており、駆動回路１１０は、入力部を挟んで設けられた入力端子の一方に接続されている。圧電トランス１２０は、入力される交流電圧の昇圧を行う。圧電トランス１２０の出力インピーダンスは、その材料の誘電率や電極形状により調整可能であり、その昇圧比は積層数により調整可能である。圧電トランス１２０は、回路サイズを小型化し、液晶パネル等の小型化や軽量化を図るのに有効である。

長手方向の端面に設けられた圧電トランス１２０の出力端子は、倍電圧整流回路１３０に接続されている。圧電トランス１２０は、圧電体の振動により入力電圧を昇圧して出力する。圧電トランス１２０には、たとえば一般的なローゼン型の圧電トランスを用いることができる。圧電トランス１２０は単層型であってもよいし、積層型であってもよい。圧電トランス１２０は、後述のように、その出力インピーダンスが（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）／８ｎ^２以上２（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）／ｎ^２以下、その最大昇圧比が（π／６ｎ）・（Ｖ_ＯＵＴ／Ｖ_ＩＮ）以上（π／３ｎ）・（Ｖ_ＯＵＴ／Ｖ_ＩＮ）以下となるように設計されていることが好ましい。なお、直流高電圧電源装置１００の入力電圧をＶ_ＩＮ、出力電圧をＶ_ＯＵＴと表している。

倍電圧整流回路１３０（多段型倍電圧整流回路）は、ｎ個のダイオードを有し、ｎ倍の倍電圧整流を行うことで、圧電トランス１２０から出力される交流電圧を直流電圧に変換し、昇圧する。倍電圧整流回路１３０には、ｎ個のダイオードおよびコンデンサを有するコッククロフト・ウォルトン回路を用いることができる。

圧電トランス１２０は、圧電トランス１２０の２次側が有する出力インピーダンスと負荷１４０のインピーダンスとがマッチングしたとき、高い効率で動作する。後述のように圧電トランス１２０の出力インピーダンスは所定の範囲に設計されていることが好ましい。

負荷１４０は、倍電圧整流回路１３０の出力端子に接続されており、抵抗Ｒ_Ｌを有している。直流高電圧電源装置１００では、負荷１４０の一方の端子は圧電トランス１２０に接続され高圧の電圧が印加されるが、他方の端子は低圧に保持されている。なお、通常、他方の端子はＧＮＤに接続される。

検出用抵抗１５０、１５５は、直流電源の出力電圧を検出するための抵抗である。このように、抵抗を用いることにより簡易に電圧検出回路を構成することができる。検出用抵抗１５０、１５５は、得られた電圧を検出信号として、誤差アンプ１６０に伝える。

誤差アンプ１６０は、検出された電圧と基準電圧Ｖ_ｒｅｆとの差に応じた差動信号を生成する。誤差アンプ１６０は、電圧制御発振回路１７０に接続され、電圧制御発振回路１７０に差動信号を伝える。電圧制御発振回路１７０は、差動信号を受けて発振信号の周波数またはデューティー比を制御する。

電圧制御発振回路１７０は、発振信号を生成する。発振信号は、一定の周波数およびデューティー比を有する矩形波であり、その周波数またはデューティー比は誤差アンプ１６０から受けた信号により制御される。すなわち、電圧制御発振回路１７０は、誤差アンプ１６０から出力される差動信号に応じた周波数またはデューティー比の発振信号を出力する。

倍電圧整流回路１３０は、圧電トランス１２０から出力される交流電圧を整流し、昇圧する。倍電圧整流回路１３０には、ｎ個のダイオードおよびコンデンサを有するコッククロフト・ウォルトン回路を用いることができる。ダイオードは高耐圧である方が好適である。また、直流高電圧電源装置１００には圧電トランス１２０が用いられているため、ダイオードは逆回復時間の短いものが好適である。たとえば、数十ｋＨｚの周波数で動作するものを用いることができる。なお、ダイオードの数およびコンデンサの数に特に制限はなく、必要に応じて様々な数をとりうる。

（圧電トランスの出力インピーダンス）
図２は、直流高電圧電源装置１００の出力電圧および出力電流と圧電トランス１２０の出力インピーダンスとの関係を示す模式図である。圧電トランス１２０は、圧電トランス１２０の２次側の持つ出力インピーダンスＺ_ＯＰＴと負荷１４０の抵抗Ｒ_Ｌとがマッチングしたとき、高い効率で動作する。圧電トランス１２０の出力電圧の実効値をＶ_ＯＰＴ、直流高電圧電源装置１００の出力電圧をＶ_ＯＵＴとすると、マッチングの条件下ではＶ_ＯＰＴ＝Ｖ_ＯＵＴ／√２ｎの関係が成り立つ。また、圧電トランス１２０の出力電流をＩ_ＯＰＴとし、直流高電圧電源装置１００の出力電流をＩ_ＯＵＴとすると、倍電圧整流回路１３０で損失が無いと仮定した場合、電力保存則により、互いの値にはＩ_ＯＰＴ＝√２ｎ・Ｉ_ＯＵＴの関係が成り立つ。そして、この式により圧電トランス１２０の出力インピーダンスＺ_ＯＰＴの最適な仕様が決まる。

上記の関係から、圧電トランス１２０の出力側から倍電圧整流回路１３０を見たときの等価負荷抵抗はＶ_ＯＰＴ／Ｉ_ＯＰＴ、すなわち（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）／２ｎ^２となる。この結果、圧電トランス１２０の出力インピーダンスを（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）／２ｎ^２になるように圧電トランス１２０を設計することが好ましいことが分かる。ただし、実際には効率の高い圧電トランス１２０の出力インピーダンスＺ_ＯＰＴの範囲はある程度の幅を有している。後述の実験結果を考慮すると、圧電トランス１２０の出力インピーダンスＺ_ＯＰＴを以下の数式を満たす範囲とするのが好ましい。このような出力インピーダンスとすることにより、直流高電圧電源装置１００は高い効率で動作する。なお、以下の式は、駆動回路１１０の種類によらず適用可能である。

一方、駆動周波数をｆ、圧電トランス１２０の２次側の容量をＣ_２とすると、圧電トランス１２０の出力インピーダンスはＺ_ＯＰＴ＝１／２πｆＣ_２で与えられる。駆動周波数ｆには、圧電トランス１２０のλモードまたはλ／２モード等の共振周波数が用いられる。したがって、たとえば、矩形の圧電トランス１２０を設計する際に長手方向、幅方向、厚さ方向の大きさを調整することで上記のｆを制御することができる。また、圧電トランス１２０の２次側の容量Ｃ_２は、圧電トランス１２０に用いられる圧電材料、圧電トランス１２０の電極間距離および電極面積により値が決まる。したがって、これらを制御することで容量Ｃ_２を制御することができる。

（圧電トランスの昇圧比）
駆動回路１１０がフルブリッジ型であることを考慮し、昇圧比を調整することで最適な電源効率を得ることができる。図３は、直流高電圧電源装置１００の入力電圧および出力電圧と圧電トランス１２０の入力電圧および出力電圧との関係を示す模式図である。駆動回路１１０は、スイッチング動作により入力される直流電圧をほぼ正弦波波形の交流電圧に変換して圧電トランス１２０に入力する。したがって、フルブリッジ型の駆動回路１１０に入力される直流電圧をＶ_ＩＮとしたとき、圧電トランス１２０に入力される交流電圧の実効値Ｖ_ＩＰＴは（３√２／π）Ｖ_ＩＮとなる。

一方、直流高電圧電源装置１００の出力電圧がＶ_ＯＵＴであるとき、倍電圧整流回路１３０の特性からＶ_ＯＵＴの直流電圧を出力するのに必要な圧電トランス１２０の出力電圧Ｖ_ＯＰＴの実効値はＶ_ＯＵＴ／（√２ｎ）である。したがって、圧電トランス１２０に（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）／２ｎ^２の負荷抵抗を接続したとき、圧電トランス１２０に必要な最大昇圧比Ａｖ（＝Ｖ_ＯＰＴ／Ｖ_ＩＰＴ）は、（π／６ｎ）・（Ｖ_ＯＵＴ／Ｖ_ＩＮ）である。

ただし、実際には効率を高く維持できる圧電トランス１２０の昇圧比の範囲はある程度の幅を有している。後述の実験結果を考慮すると、圧電トランス１２０の最大昇圧比Ａｖを以下の数式を満たす範囲として圧電トランス１２０を設計するのが好ましい。

上記の式により求まる最大昇圧比は直流電源として最低限必要な昇圧比であり、この昇圧比を下回った場合には負荷の仕様から要請される出力電圧を出力できないことになる。圧電トランス１２０が最大効率を示すのは最低限必要な昇圧比の約１．４〜１．５倍である。一方、最低限必要な昇圧比の約２倍を超えると昇圧比が高すぎるために、本来圧電トランス１２０が高い効率で駆動される周波数よりも高周波側で駆動されるようになるために、電源効率が低下してしまう。

（直流高電圧電源装置の動作）
次に、上記のように構成される直流高電圧電源装置１００の動作を以下に説明する。まず、駆動回路１１０に電圧制御発振回路１７０から発振信号が伝えられる。そして、駆動回路１１０は、発振信号によりスイッチング素子１１１〜１１４のオン、オフにより圧電トランス１２０に正弦波電圧を出力する。なお、リップルを小さくするためには圧電トランス１２０の駆動周波数をλモードとするのが好適である。

この正弦波電圧により、圧電トランス１２０が駆動される。倍電圧整流回路１３０は、圧電トランス１２０から入力される交流電圧を整流し、直流電圧として出力する。負荷１４０には、高圧の直流電圧が出力される。検出用抵抗１５０、１５５は、負荷１４０に印加される出力電圧（管電圧）を電圧として検出する。誤差アンプ１６０は、その検出電圧と基準電圧Ｖ_ｒｅｆとを比較し、その比較結果の差分を増幅し、差分に応じた差動信号を生成する。

電圧制御発振回路１７０は、誤差アンプ１６０から伝えられる差動信号に応じた周波数またはデューティー比の発振信号を出力する。発振信号としての矩形波の信号を駆動回路１１０のスイッチング素子１１１〜１１４に対して伝える。このようにして、直流高電圧電源装置１００は高い電源効率で負荷１４０に直流電圧を出力する。

直流高電圧電源装置１００に対して、効率の高い圧電トランス１２０の出力インピーダンスを求める実験を行った。倍電圧整流回路１３０には、４個のダイオードを備える２段の倍電圧整流回路を使用した。直流高電圧電源装置１００の出力電圧Ｖ_ＯＵＴを４ｋＶ、出力電流Ｉ_ＯＵＴを０．４ｍＡ、負荷１４０の抵抗Ｒ_Ｌを１０Ｍｏｈｍとして実験を行った。

出力インピーダンスを３００ｋｏｈｍ程度（３１０ｋｏｈｍ）に設計した圧電トランス１２０を用い、直流高電圧電源装置１００の負荷１４０を０．３Ｍから３００Ｍｏｈｍまで変えて、直流高電圧電源装置１００の効率を測定した。その結果、負荷１４０の抵抗が２．５Ｍｏｈｍ以上４０Ｍｏｈｍ以下の範囲では９５％以上の電源効率（極大点に対する相対値）が得られた。図４は、実験結果を示すグラフである。電源効率として９５％以上が得られる範囲とすることにより、圧電トランス１２０の過熱を防止することができる。

上記の結果を言い換えると、負荷１４０の抵抗１０Ｍｏｈｍに対しその１／４倍以上４倍以下の範囲で高い効率を示している。したがって、Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴの負荷条件に対し、直流高電圧電源装置１００に使用する圧電トランス１２０の出力インピーダンスを（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）／８ｎ^２以上２（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）／ｎ^２以下になるように設計することが好ましいことが実証された。

また、直流高電圧電源装置１００に対して、効率の高い圧電トランス１２０の最大昇圧比を求める実験を行った。実験では、誤差アンプ１６０からの制御信号により周波数を可変する電圧制御発振回路１７０を用いた。倍電圧整流回路１３０には、４個のダイオードを備える２段の倍電圧整流回路を使用した。条件として、出力電圧Ｖ_ＯＵＴを４ｋＶ、入力電圧Ｖ_ＩＮを５Ｖとした。図５は、実験結果を示すグラフである。最大昇圧比が約１００倍より小さい圧電トランス１２０では昇圧比が足らず動作しなかった。また、最大昇圧比が２２５倍より大きい圧電トランス１２０を使用した場合は昇圧比が１２０倍の圧電トランス１２０を用いた場合に比べ電源効率が５％以上低下した。これは、圧電トランス１２０が駆動される周波数とその固有の周波数との差が大きくなることに起因する。

これらの結果をまとめると、最大効率を示す圧電トランス１２０の最大昇圧比は最低限必要な昇圧比の約１．４〜１．５倍である。そして、圧電トランス１２０の最大昇圧比が最低限必要な昇圧比の約２倍を超えると、圧電トランス１２０は固有の周波数よりも高周波側で駆動されるようになるために、電源効率が低下する。

したがって、高い効率で動作可能な直流高電圧電源装置１００を実現するには、最大昇圧比が（π／６ｎ）・（Ｖ_ＯＵＴ／Ｖ_ＩＮ）以上（π/３ｎ）・（Ｖ_ＯＵＴ／Ｖ_ＩＮ）以下の圧電トランス１２０を用いることが好ましいということが実証された。

（第２の実施形態）
（直流高電圧電源装置の構成）
なお、上記の実施形態では、駆動回路１１０はフルブリッジ型駆動回路であったが、プッシュプル型駆動回路として構成されていてもよい。図６は、直流高電圧電源装置２００の構成を示す図である。図６に示すように、直流高電圧電源装置２００は、プッシュプル型の駆動回路２１０を備えており、駆動回路２１０は、２つのスイッチング素子２１１、２１２および２つのチョークコイル２１７、２１８を有している。プッシュプル型の駆動回路２１０では入力される発振信号によりチョークコイル２１７、２１８に接続されたスイッチング素子２１１、２１２がオン、オフの動作をする。

（圧電トランスの昇圧比）
図７は、直流高電圧電源装置２００の入力電圧および出力電圧と圧電トランス２２０の入力電圧および出力電圧との関係を示す模式図である。プッシュプル型の駆動回路２１０では入力される発振信号によりチョークコイル２１７、２１８に接続されたスイッチング素子２１１、２１２がオン、オフの動作をする。発振周波数ｆ、圧電トランス１２０の１次側の容量Ｃｉｎに対して、チョークコイル２１７、２１８のインダクタンスが１／４π^２ｆ^２Ｃ_ｉｎであるとき、圧電トランス２２０の入力端子は半波正弦波状となる。そして、プッシュプル型の駆動回路２１０に入力される直流電圧をＶ_ＩＮとしたとき、圧電トランス２２０に入力される交流電圧の実効値Ｖ_ＩＰＴは（π／√２）Ｖ_ＩＮとなる。

一方、直流高電圧電源装置２００の出力電圧がＶ_ＯＵＴであるとき、倍電圧整流回路１３０からＶ_ＯＵＴの直流電圧を出力するのに必要な圧電トランス２２０の出力電圧の実効値Ｖ_ＯＰＴはＶ_ＯＵＴ／（√２ｎ）である。

これにより、圧電トランス２２０に必要な最大昇圧比は、上記の入力電圧および出力電圧条件により求められ、圧電トランス２２０の最大昇圧比Ａｖ（＝Ｖ_ＯＰＴ／Ｖ_ＩＰＴ）は１／（πｎ）・（Ｖ_ＯＵＴ／Ｖ_ＩＮ）である。なお、この最大昇圧比は圧電トランス２２０に（Ｖ_ＯＵＴ／Ｉ_ＯＵＴ）／２ｎ^２の負荷抵抗を接続して測定したときの値である。ただし、実際には効率を高く維持できる圧電トランス２２０の最大昇圧比の範囲はある程度の幅を有している。後述の実験結果を考慮すると、圧電トランス２２０の最大昇圧比Ａｖを以下の数式を満たす範囲として圧電トランス２２０を設計するのが好ましい。

実際に、２段の倍電圧整流回路１３０を使用した直流高電圧電源装置２００に対して、効率のよい圧電トランス２２０の最大昇圧比を求める実験を行った。実験では、誤差アンプ１６０からの制御信号により周波数を可変する電圧制御発振回路１７０を用いた。図８は、実験結果を示すグラフである。出力電圧Ｖ_ＯＵＴを４ｋＶ、入力電圧Ｖ_ＩＮを５Ｖとして実験した。最大昇圧比が約６０倍より小さい圧電トランス２２０では昇圧比が足らず動作しなかった。また、最大昇圧比が１３０倍より大きい圧電トランス２２０を使用した場合は最大昇圧比が７５倍の圧電トランス２２０を用いた場合に比べ電源効率が５％以上低下した。これは、圧電トランス２２０が駆動される周波数とその固有の周波数との差が大きくなることに起因する。

これらの結果をまとめると、最大効率を示す圧電トランス２２０の最大昇圧比は最低限必要な最大昇圧比の約１．４〜１．５倍である。そして、圧電トランス２２０の最大昇圧比が最低限必要な昇圧比の約２倍を超えると、圧電トランス２２０は固有の周波数よりも高周波側で駆動されるようになるために、電源効率が低下する。

したがって、高い効率で動作可能な直流高電圧電源装置２００を実現するには、最大昇圧比が１／（πｎ）・（Ｖ_ＯＵＴ／Ｖ_ＩＮ）以上２／（πｎ）・（Ｖ_ＯＵＴ／Ｖ_ＩＮ）以下の圧電トランス２２０を用いることが好ましいことが実証された。

なお、以上の実施形態では、駆動回路を構成するチョークコイルは空芯コイルとすることができる。空芯コイルにより印加される矩形波電圧を正弦波電圧に波形整形することができる。また、本発明に用いられる駆動回路としてフルブリッジ型、プッシュプル型およびハーフブリッジ型の中では、昇圧作用を有するフルブリッジ型およびプッシュプル型の駆動回路が好適である。また、上記の実施形態では駆動回路としてフルブリッジ型駆動回路またはプッシュプル型駆動回路が用いられているが、その他の駆動回路を用いることも可能である。

Claims (2)

1. ２つのスイッチング素子および２つのチョークコイルを有し、前記スイッチング素子の動作により直流入力電圧を交流電圧に変換するプッシュプル型の駆動回路と、
   前記変換された交流電圧が入力されることで駆動され、昇圧された交流電圧を出力する圧電トランスと、
   ｎ個のダイオードを有し、ｎ倍の倍電圧整流を行うことで、前記出力された交流電圧を直流電圧に変換する多段型倍電圧整流回路と、を備え、
   出力電圧をＶ_OUT、出力電流をＩ_OUT、入力電圧をＶ_INとするとき、
   前記圧電トランスに（Ｖ_OUT／Ｉ_OUT）／２ｎ²の負荷抵抗を接続するときの最大昇圧比Ａｖが以下の式を満たすことを特徴とする直流高電圧電源装置。
   

   
2. 前記チョークコイルは、空芯コイルであることを特徴とする請求項１記載の直流高電圧電源装置。

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