JPH03502636A - 二重モードフライバック電源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 二重モードフライバック電源 発明の背景 発明の分野 本発明は電源に関する。特に本発明はフライバック変成器を含む電源に関する。

本発明はここで特定の適用に対する例示的な実施例に関して記載されるが、本発 明はそれに限定されないことを理解すべきである。当業者は、その技術的範内の 付加的な変形、適用、実施例および本発明が非常に役立つ付加的な分野を認識す るであろう。

関連技術に関する記載 通常のイオンおよびプラズマ源は典型的にＤＣ付勢ガス放電室を含む。初めに、 大きな電圧がそこに含まれたガスからの電子（プラズマ）放電をもたらすように ガス室に供給される。プラズマ放電の前に、室は微小な電流を引出し本質的に開 放回路となっている。プラズマ放電に続いて、室を横断する電圧は実質上減少し 室は比較的高い電流を誘導する。それ故に、動作の過程中において通常のイオン およびプラズマ源内に含まれるガス放電室は２つの異質の電気特性の組を表示す る。

最初のプラズマ放電前後の室の電気パラメータにおける不均衡は、一般的に１対 の独立した電源の利用を特徴とする特に、高電圧／低電流の電源および低電圧／ 高電流の電源の両者が最初に室に適用される。各電源は、例えば通常のパルス幅 変調フライバックインバータ電源によって実現され得る。

各フライバックインバータ内に含まれる変成器の巻線比は、所望された電気的性 能を生じさせるために適当に調整される。

高電圧電源は、ガス内の電子の最初の放電を開始させるように所望された多量の 電圧を提供する。プラズマ放電に続いて、高電圧電源は、定常動作を通して室に 電力を供給するための低電圧／高電流電源を残して解放される。この方法におい て、特定の間隔内でガス室の電力要求を満たすようにそれぞれ設計された別々の 電源は、室の動作中に順次利用される。

不運にも、各放電室に対して１対の電源を設けることは一般的に高価である。さ らに、かなり複雑な補助回路装置が放電室の電気特性の変化に応じて分離した電 源を結合或いは解放するために必要とされる。さらに、室内の電子放電と高電圧 電源の消勢との間の期間の時間内において、潜在的に多量な電流が室内を通過す る。この変化の期間内の多量の電流は、プラズマ放電に続くガス室のインピーダ ンスにおける減少のために生じる。結果として、変化の期間内における室の電力 消費は典型的に実質上増加する。この付加された電力消費はまた、放電室および それと関連した構成要素に応力を加える。

したがって単一ガス放電室を駆動するための１対の別々の電源の使用は、付加的 な制御回路装置を要求しかつ一般的に高価で効率が悪い。

したがって技術において、そこに接続された負荷のインピーダンスの変化に応じ た動作モード間で自動的に変化することが可能な単一電源の必要性が存在する。

発明の概要 接続された負荷のインピーダンスの変化に応じた動作モードの間で自動的に変化 することが可能な単一電源に対する技術における要求は、本発明の二重モードフ ライバック電源によって解決される。本発明の二重モード電源は、入力電圧およ び電流を提供するための入力電圧源を含む。電源はまた、第２の巻線に機能的に 結合した負荷へ第１の電流を供給するための第１、第２および第３の巻線を有す る第１の変成器も含む。第１の巻線は入力電圧源に結合される。フィードバック 回路は、負荷を通る電流に応じた第１の信号および閾値電圧を超過した負荷電圧 に応じた第２の信号を提供する。さらに本発明の電源は、第１および第２の信号 に応じた第１の変成器の第１の巻線を通る入力電流を制御するためのスイッチを 含む。第１の変成器の第３の巻線に機能的に結合した第１の巻線を有する第２の 変成器は、第３の巻線を通る電流に応じて負荷へ第２の電流を供給する。

図面の簡単な説明 第１図は通常のパルス幅変調されたフライバックインバータ電源の部分的に概略 な部分的ブロック図を示す。

第２図は本発明の二重モードフライバック電源の好ましい実施例の部分的に概略 な部分的ブロック図を示す。

第３図は本発明の電源の好ましい実施例に結合したガス放主室を通る時間を関数 とした電流および電圧のグラフである。

発明の詳細な説明 本発明の二重モードフライバック電源によって提示された改良点を詳細に認識す るために、通常のフライバックインバータ電源の動作が簡単に記載される。第１ 図は通常のパルス幅変調フライバックインバータ電源１０′の部分的に概略な部 分的ブロック図を示す。通常のフライバック電源１０′　は入力電圧Ｖｉａを供 給する電圧源１５′によって駆動される。電源１５’に結合した変成器２０′内 に貯蔵されたエネルギは、周期的にトランジスタスイッチ３０′　にパルスを送 ることによって調整される。各サイクル内で変成器２０′内に貯蔵されたエネル ギを変化させることによって、負荷ＲＬへ放出された電力は制御され、調整され る。

通常の電源１０’の変成器２０′は第１、第２および第３の巻線Ｎ１、Ｎ２およ びＮ３を含む。第１の巻線Ｎ１を通りそれ故に第２の巻線Ｎ２を通る電流は、ト ランジスタスイッチ３０′によって制御される。第２の巻線Ｎ２は、スイッチ３ ０′の導電しない期間内においてダイオード３５′を通してコンデンサ４０′お よび負荷Ｒ，に電流を提供する。一定の負荷電圧の供給を要求する適用において 、電圧センサ（例えば電位差計）５０′　はＲＬを横断する電圧を感知し、それ 故にパルス幅変調装置６０′に信号を送る。パルス幅変調装置６０′　は、電圧 センサ５０′の出力と比較される内部基準電圧を発生する。この比較に応じて、 トランジスタ３０’に供給される“オン”パルスの期間（幅）は巻線Ｎ１それ故 に巻線Ｎ２を通る電流を適当に規定するように調整される。この方法において、 電源１０’　はそのインピーダンスの変動に応じた負荷ＲＬを横断する比較的一 定の電圧を維持するように機能的に作用する。

不運にも負荷ＲＬのインピーダンスが十分に増加する状況下では、ＲＬを横断す る電圧が所望された数値より高くなる傾向がある。この過度的な負荷電圧の増加 は、パルス幅変調装置６０′によるフィードバック作用にもかかわらず高インピ ーダンス負荷を生じる。巻線Ｎ３およびダイオード６５′は、変成器２０′を通 した負荷電圧反射がトランジスタスイッチ３０′を損傷するのを防ぐために設け られている。すなわち巻線Ｎ３を横断する電圧がＶｉａを超過するとき、ダイオ ード６５′　は導通して入力電圧源１５’　に戻る電流を生じる。これは巻線Ｎ ２とＮ３の巻線比によって決定される値に負荷の両端の最大電圧を効果的にクラ ンプする。この故に、負荷ＲＬの両端間に生じ得る最大限の電圧は巻線Ｎ３およ びダイオード６５′　によって限定される。

発明の背景において記載したように、通常のイオン源内に含まれたガス放電室は 、最初のプラズマ放電に続いて電圧および電流の非常に異なる値を要求する。放 電室の異なる状態によって生じた分岐した電源の要求は、放電室に並列な１対の 電源１０’を接続することによって、通常満足されている。

放電室はＲ，Ｌによって第１図に象徴的に表される。各電源１０′　は放電室の 状態の１つの動作する要求を満たすために調整される。変調装置６０′内の基準 電圧および変成器２０′の巻線比は、最初のプラズマ放電の前或いは後に室にサ ービスするために各型［１０’を適当に適合させるために調整される。

それにもかかわらず、前に論議したようにこの電源１０’の重複は典型的に高価 であり、ガス放電室の電気特性における変化に応じた適切な電源１０′を結合す るための比較的複雑な制御回路装置を要求する。

本発明の二重モードフライバック電源は、通常のイオンまたはプラズマ源内に含 まれたガス放電室に電力を供給することに関して上述された難点を実質的に克服 する。第２図は本発明の二重モードフライバック電源ｌＯの好ましい実施例の部 分的に概略的な部分的ブロック図を示す。本発明の電源１ｏは第１の変成器２０ およびそれに結合された第２の変成器２５を含む。トランジスタスイッチ３０は 第１の変成器２０に結合しており、一方変成器２０および２５の両者は出力回路 ３２に結合している。出力回路３２およびスイッチ３０はフィードバック回路５ ｏによって連結されている。第２図の実施例において、電源１ｏは出力回路３２ 内に含まれたガス放電室１２を含む負荷を駆動する。

前述のように、室１２はそこでのプラズマ放電の発生の前には実効的に開放回路 として現れる。本発明の電源１ｏは、コンデンサ４０に充電することによってプ ラズマ放電を行わせるのに十分な室１２を横断する調整された放電電圧を与える 。プラズマ放電に続いて、室１２のインピーダンスは実質上減少される。

したがって電源１０は、室１２を横断する比較的一定の定常状態動作電圧を維持 するためにコンデンサ４０および室１２の両者に調整された電流を供給する。し たがって、本発明の二重モードフラ・ｒバック電源１０は主として高電圧或いは 室１２のインピーダンスにしたがった一定の電流モードで動作する。

第２図に示されるように、本発明の電源ｌＯは電圧源１５によって駆動される。

電圧源１５は一定の電圧Ｖｌｆｉを電源ｌＯに供給し、それによって所望された 電流を提供する。電圧源工５は第１の変成器２０に直接結合している。変成器２ ０は第１、第２および第３の巻線Ｎ１、Ｎ２およびＮ３を含む。第１の巻線Ｎ１ は、第２および第３の巻線Ｎ２、Ｎ３とは逆方向に巻回されている。第２図にお いて巻線比Ｎ１：Ｎ２：Ｎ３は１８１：１になるように選択されているが、他の 負荷がガス放電室１２に置換されるときに巻線比は必要に応じて調整し得る。変 成器２０はまた、第２の変成器２５、トランジスタスイッチ３０、および出力回 路３２に結合されている。第２図に示されるような実施例において、変成器２０ は例えばパルスエンジニャリング社から市販された６０ワツトの＃　６２９３６ フライバツク変成器によって実現される。

第１の変成器２０の第１の巻線Ｎ１およびそれ故に第２の巻線Ｎ２を通る電流は 、トランジスタスイッチ３０によって制御される。スイッチ３０はフィードバッ ク回路５０によって周期的に“オン“にパルス駆動される。スイッチ３０がオン にされるとき、第１の巻線Ｎ１を通る電流のためエネルギは変成器２゜内に貯蔵 される。スイッチ３０をオンにしているとき１．ダイオード３５は第２の巻線Ｎ ２を通る電流を阻止する。スイッチ３゜がオフにされた後、巻線Ｎ１を通る電流 は止まり、エネルギは巻線Ｎ２による電流導電を介して出力回路３２に移される 。

この方法において、第１の変成器２０から出力回路３２に放出された電力はスイ ッチ３０がオンである間の間隔を調整することによって制御される。第２図の実 施例において、例えば２Ｎ６５４７のようなバイポーラトランジスタはスイッチ ３゜として作用するために電源１０に設けられる。しかし、スイッチ３０は他の 同様の定格のバイポーラトランジスタおよびＩＲＦ２５０のようなＭＯＳＦＥＴ によって実現されることもできる。

出力回路３２はダイオード３５、コンデンサ４０．ガス放電室１２を含む。技術 において知られるように、プラズマ放電は典型的に３００乃至１０００ボルトの ような大きい放電電圧の印加によって室１２内に生じる。プラズマ放電に先立っ て、室１２には本質的に電流は流れない。結果として、放電電圧はコンデンサ４ ０に第１および第２の変成器２ｏおよび２５からの電流を充電することによって 生じる。コンデンサ４０の値は、室１２を横断する電圧が所望された放電電圧に 傾斜する比率を制御するように調整される。プラズマ放電に続いて室１２のイン ピーダンスは非常に減少され、定常動作が第１の変成器２ｏによって電流がコン デンサ４０および室１２の両者に供給される期間に開始され、その一方ダイオー ド３５は導電している。ダイオード３５が導電しない期間、室１２の電流要求は コンデンサ４ｏによって満足される。第２図の実施例において、ダイオード３５ は高電流ダイオードｌＮ５８１Ｂに相当した電流処理能力を有するように選択さ れる。したがって出力回路３２は、室３２を横断する大きい放電電圧を印加し、 また定常状態においてそこへ比較的一定の電流を供給する二重の目的を果たす。

フィードバック回路５０は閾値検出器６０、電流センサ７０、およびパルス幅変 調装置８０を含む。閾値検出器６０は放電室１２に並列であり、そこでの最初の プラズマ放電の発生に先立つ室１２を横断する電圧を限定するように機能する。

好ましい実施例において、閾値検出器６０は室１２内のプラズマ放電を誘起する ために必要な電圧（典型的に３００乃至１ｏｏｏボルト）とほぼ等しい破壊電圧 を有するツェナーダイオード（図示されていない）を含む。ツェナーダイオード は、放電電圧が閾値を超過するときに電流を導電することによって室１２を横断 する電圧を制限する。電流・電圧変換装置（図示されていない）は、ツェナー電 流をパルス幅変調装置８０に供給される制御電圧に変換するための閾値検出器６ ０内に含まれる。当業者は前記方法酸いは他の既知の技術にしたがって、適切な 閾値検出器を使用することが可能である。

電流センサ７０は典型的に、室１２に直列に接続されている小さな抵抗を含む。

パルス幅変調装置８０は室１２を通る電流を決定するためのこの直列に接続した 抵抗の両端間の電圧にタップで取出す。したがって、室１２を横断する電圧は閾 値検出器６０による放電の前に所望された電圧で保持される。同様に、プラズマ 放電に続いて電流センサ７０はパルス幅変調装置８０が比較的一定の電流が室１ ２を通って流れるようにスイッチ３０を制御することを可能にする。

パルス幅変調装置８０は、変成器２０の第１の巻線Ｎ１を通る電流を制御するた めのトランジスタスイッチ３０のベースに周期的にパルスを送る。調整装置８０ は、閾値検出器６０および電流センサ７０によって生じた制御電圧に応じてスイ ッチ３０に適用されたパルスの“幅”或いは持続期間を調整する。例えば最初の プラズマ放電に続く定常動作の間に、変調装置８ｏは電流センサ７０によって供 給された制御電圧に応じたトランジスタ３０に供給されたパルスの幅を調整する 。この方法において、室１２を通る電流は第１の変成器２０を通る電流を制御す ることによって調整される。第１図の実施例において、パルス幅変調装置８０は 典型的に２０から５０ｋＨｚの間の一定の周波数で動作する。本発明の電源１０ はこの周波数の範囲内の動作に限定されないことを理解すべきである。。前記規 格を満足するパルス幅変調装置は容易に市販品から入手される。

第２の変成器２５は、電源１０がプラズマ放電を誘起するのに十分な大きさの放 電室１２を横断する電圧を生じさせることを可能にする。例えば、前記のように 最初に室１２はプラズマ放電の発生の前に本質的に開放回路として現れる。第１ の変成器２０からの電流は、室１２を横断する電圧を増加させるコンデンサ４０ を充電する。結局、第１の変成器２０の第３の巻線Ｎ３を横断する電圧はＶｌ、 を超過し、そこに結合されたダイオード６５は電流を第２の変成器２５の第１の 巻線に流す。変成器２５の第１の巻線を通る電流は、電流をその第２の巻線内に 誘導する。第２の巻線を通って流れる電流は、第３のダイオード６７を通ってコ ンデンサ４０に放出される。この方法において、室１２を横断する電圧は閾値検 出器６０の閾値電圧が限界を超過するまで増加する。閾値検出器６０について前 述したように、パルス幅変調装置８０およびスイッチ３０は、最初のプラズマ放 電が生じるまで閾値電圧について室１２を横断する電圧を調整するように作用す る。室１２を横断する電圧はそのとき、最初のプラズマ放電に続く定常状態の動 作電圧に実質上減少する。

入力電圧ｖｉａは一般的に、ダイオード６５を逆バイアスにし、かつ電流が第２ の変成器２５内に流れるのを防ぐように定常状態の空電圧より大きくなるように 選択される。この方法において、第２の変成器２５は室１２内のプラズマ放電に 続く電源ｌＯの残余部分から効果的に自動的に結合を解除される。変成器２５に 対して選択された巻線比は、室１２の放電電圧に関して変化する。例えば第２図 の特定の実施例において、変成器２５は１８：１の巻線比を有するパルスエンジ ニャリング社のフェライトインバータ逓昇変圧器＃　６１８５によって実現され る。

それ故に自動的に切替えられ、負荷に対する電圧の調整された電力の供給或いは そのインピーダンスの変化に応じた負荷に対する電流の調整された電力の供給を 行うことが、本発明の特徴である。放電室１２を含む負荷のある上述の適用にお いて、この特徴によって電源１０は室１２の各動作モードの電力要求を独立して 満足させ得る。発明の背景において述べたように、別々の外部から制御される通 常の電源は典型的な２端子ガス放電室の各動作モードを典型的に要求する。この 故に、電源の重複および外部制御回路装置の必要性を除去することによって、本 発明の二重モード電源１０は確かに可変性の負荷適用において通常の電源に対し て利点を提供する。

第２図に示された本発明の実施例の二重モード動作は、さらに第３図を参照して 説明される。特に第３図は、時間を関数とする放電室１２の電流および電圧のグ ラフである。時間ｔ０において電源１５は付勢され、はぼ２８ボルトの電圧Ｖ０ を電源１０に印加する。時間ｔ。において電流センサ７ｏは室１２を通る電流を 検出せず、それ故にスイッチ３ｏに供給されたパルスの幅を増加するようにパル ス幅変調装置１２に信号を送る。

続く第１の変成器２０を通る１組の電流およびその後のコンデンサ４０の充電は 、第３図に示されるように室１２を通る電圧ＶＣＨの上昇を誘導する。室１２を 横断する電圧を増加する結果として巻線Ｎ３を横断する電圧は結局Ｖ１゜を超過 し、それによって電流が第２の変成器２５を通して流す。検出器６ｏの閾値電圧 が時間ｔ、に達するまで（典型的に３００乃至１０００ボルト）、変成器２５は ダイオード６７を通って電流をコンデンサ４゜に供給する。上述したように検出 器６０は室１２を横断する電圧を限定し、所望された室数電電圧が達成される変 調装置８ｏに信号を送る。それに応じて、変調装置８０はスイッチ３ｏに供給さ れたパルスの幅を制御することによって、変成器２ｏおよび２５からコンデンサ ４０および検出器６０へ放電された電流を制御する。この方法において、電源１ ０は室１２を横断する調整された放電電圧を設定する。

時間ｔ２において、プラズマ放電が室１２内において生じ、そのインピーダンス を結果として減少させる。それ故に、第３図に示されるように室１２を横断する 電圧は減少し、一方そこを流れる電流は増加する。室１２を横断する電圧が減少 するとき、巻線Ｎ３の両端の電圧は結局Ｖ０以下になる。このとき、ダイオード ６５は逆バイアスになり、変成器２５を通る電流を阻止する。加えて、時間ｔ３ の後で電流センサ７０、パルス幅変調装置８０、トランジスタスイッチ３０のフ ィードバック作用を通じて、室１２を通る電流ＩＣＨは定常値について調整され る。したがって、本発明の電源ｌＯは室１２のインピーダンスの変化に応じた電 圧および電流の調整モードの間の自動的な変化に適合することは明白である。

以上、本発明は特定の適用に関する特定の実施例に関して記載されてきた。当業 者はこの発明の技術的範囲内における付加的な変形、適用を認めるであろう。例 えば、変成器の巻線比およびフィードバック回路は、ガス放電室と異なるインピ ーダンス特性を有する負荷に対して電力を供給するように変えられ得る。さらに 、本発明はここに記載されたフィードバック回路内で利用される特定の電圧およ び電流を感知する装置に限定されない。当業者は、本発明の原理が結合した負荷 の両端間の電圧、電流或いは電力を感知するための他の回路或いは装置を拡張し 得ることを認識するであろう。さらに、パルス幅変調とは異なる手段が、本発明 の技術的範囲から逸脱することなく負荷のインピーダンスの変化に応じた変成器 を通る電流を制御するために使用され得る。それ故に、任意のおよびすべてのこ のような適用、変形および実施例は添付の請求の範囲に包含されるものである。

ＦＩＧ、　　３ Ｘ際調査報告 ｍ−１ｗｎ１え、−１−２ＰＣＴ／ｕＳ　８９１０１２４９国際調査報告

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．入力電圧および入力電流を提供するための入力電圧源手段と、 第１、第２および第３の巻線を有し、前記第２の巻線に結合した負荷に第１の電 流を供給し、前記第１の巻線は前記入力電圧源手段と結合されている変成器を含 む第１の変成器手段と、 前記負荷を通る電流に応じた第１の信号、および閾値電圧を超過する前記負荷電 圧に応じた第２の信号を提供するフィードバック回路手段と、 前記第１および第２の信号に応じた前記第１の巻線を通る前記入力電流を制御す るためのスイッチ手段と、前記第３の巻線を通る電流に応じた前記負荷に第２の 電流を供給するための前記第３の巻線に結合した第２の変成器手段とを具備する ことを特徴とする、二重モードフライバック電源。
2. ２．前記フィードバック回路がさらに、前記負荷を通る電流に応じた前記第１の 信号を生じさせるための電流センサ手段を含む請求項１記載の電源。
3. ３．前記フィードバック回路がさらに、前記閾値電圧を超過する前記負荷を横断 する電圧に応じた前記第２の信号を発し、前記負荷電圧が前記閾値電圧を超過す るのを防ぐための閾値検出器手段を含む請求項２記載の電源。
4. ４．前記フィードバック回路がさらに、前記第１および第２の信号に応じて前記 スイッチ手段にパルス信号を送るためのパルス幅変調装置手段を含む請求項３記 載の電源。
5. ５．前記第２の変成器手段が第１および第２の巻線を存する第２の変成器を含み 、前記第２の変成器の前記第１の巻線は前記第１の変成器の前記第３の巻線に機 能的に結合され、前記第２の変成器の前記第２の巻線は前記負荷に機能的に結合 している請求項１記載の電源。
6. ６．さらに前記負荷を前記第２の巻線に結合するダイオードを含む請求項１記載 の電源。
7. ７．さらに前記負荷と並列に接続されるコンデンサを含む請求項６記載の電源。
8. ８．第１、第２および第３の巻線を備え、第１の巻線は第１の方向に巻回され、 第２および第３の巻線は第２の方向に巻回されている第１の変成器と、 前記第１の変成器に電圧および電流を供給するための手段と、 前記第１の変成器の前記第１の巻線に結合されたトランジスタスイッチと、 互いに逆方向に巻回された第１および第２の巻線を有する第２の変成器と、 前記第１の変成器の前記第３の巻線および前記第２の変成器の前記第１の巻線に 結合される第１のダイオードと、前記第２の変成器の前記第２の巻線に結合され 、並列に接続されるコンデンサおよび負荷を含む出力回路と、前記第１の変成器 の前記第２の巻線を前記出力回路に結合するための第２のダイオードと、 前記出力回路に結合される閾値検出器回路と、前記負荷を通る電流を感知するた めの電流感知手段と、前記トランジスタ、前記閾値検出器、前記電流感知手段に 結合されたパルス幅変調装置とを具備することを特徴とする二重モード電源。
9. ９．ａ）入力電圧および入力電流を提供し、ｂ）第１の電流を前記入力電流に応 じ負荷を含む出力回路に供給し、 ｃ）閾値電圧を超過する前記負荷を横断する電圧に応じて第１の信号を発生し、 ｄ）前記負荷を通る電流に応じて第２の信号を発生し、ｅ）前記第１および第２ の信号に応じて前記入力電流を制御し、 ｆ）第２の電流を、前記入力電流および前記負荷を横断する前記電圧に応じて前 記出力回路に供給するステップを具備することを特徴とする負荷に電力を供給す る方法。