JPS58150300A - 高圧発生装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明はＸ線発生装置（寺に高圧電力全供給するに有用
な実用性の高い高圧発生装置に関する。

〔発明の技術的背景〕

Ｘａ発生装置を駆動する高圧発生装置は、従来一般に珪
素鋼板を磁芯とした変成器を用い、商用電源から数百ヘ
ルツ程度の交流を１００　ｋＶ〜４００　ｋＶに昇圧す
る如く構成されている。特に上記記Ｘ線発生装置は変換
電力が数キロワットから数６ワツトと非常に大きく、ま
た電源の投Ｖ遮断頻度が高く、更には高圧発生部とＸ線
管や荷とが離れている為に畠圧電力を引廻すことが多い
等の特殊性を有している。この為、従来よシこのような
特殊性を考慮した上で、高圧発生装置の動作安定化とそ
の経済性を膝えて装置の動作周波数を数百ヘルツ以下に
定めることが多い。また成る種のＸ線発生装置では、電
源の投ｖ遮断頻度が１秒間に１０回以上となるものもあ
り、高圧電源の追従性が１ｍ５ｅｃ以下であるような高
速性が要求される。更に経済性その他を考慮して変圧器
の容積を小形化する上では、装置の動作周波数を従来よ
り１桁以上高周波化するべく要求も生じてきている。

〔背景技術の問題点〕

ところが、上記したように装置の動作周波数を高周波化
する場合、一般に変成器の巻数比が５０以上と大きいの
で、そこに生じる分布静電容量や漏れインダクタンス等
の悪影響が生じて高周波電力の伝送が著しく困難となる
。また生成された高圧電力を負荷に与える高圧ケーブル
の分布インダクタンスや分布静電容量によって、同様に
高周波電力の伝送が妨げられる。更にはとのような大電
力変換では、僅かなスイッチング損失の増加によってス
イッチング素子の劣化、横規を招くので高レベルの縄効
率電力変換技術を必要とし、その実現が非常に困難であ
ると云う問題がある。

〔発明の目的〕

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、そ
の目的とするところは、直流電源を数キロヘルツ以上の
交流に変換して所定の電圧に昇圧することができ、しか
もその大電力を高効率に伝送することのできる連応性の
早い簡易で実用性の高い高圧発生装置を提供することに
ある。

〔発明の概要〕

本発明は電圧共振形シングルエンド・スイッチ回路の負
荷に電力転送用コンデンサを介してトランスの一次巻線
を接続し、このトランスの分割巻きされた複数の二次巻
線にそれぞれブリッジ整流器を接続し、これらのブリッ
ジ整流器の出力を同一極性方向に直列接続して、その両
端をＸ線管等の負荷出力端とした高圧発生装置を構成す
るものである。

〔発明の効果〕

従って本発明によれば、トランスの分割巻キされた二次
巻線にブリッジ整流器を接続し、その出力を直列接続し
ているので、上記トランスの一次巻線から見込んだ洩れ
インダクタンスを非常に小さくすることができ、またそ
のストレーキャノクシタも十分小さくすることができる
。

この結果、装置の動作周波数を筒め、大電力・高電圧の
高速スイッチングを可能として効率の良い電力伝送を行
わしめることが可能となる。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照して本発明の一実施例装置につき説明
する。

第１図は実施例装置の櫃略構成図であり、第２図および
第３図はその動作等価回路を示す構成図である。第１図
において、電圧共振形シングルエンド・スイッチ回路１
は、直流電源２にチョークコイル３を介して接続された
スイッチング素子４、このスイッチング素子４に並列接
続された電圧共振用コンデンサ５およびダンパーダイオ
ード６によって構成される。上記スイッチング素子４は
、ここでは大電力高速スイッチングトランジスタで示さ
れるが、サイリスタ等の他の素子を用いて構成すること
も可能である。しかしてこのスイッチ回路１には電力転
送用コンデンサ７を介してトランス８の一次巻線９が接
続される。このトランス８は、分割巻きされた複数の二
次巻線１０−１，１０−２〜１０−ｎを備えたもので、
前記−次巻線９に対する巻数比＝５− はそれぞれｍに設定されている。これらの二次巻線Ｊ　
Ｏ−１，１０−２〜１０−ｎのそれぞれに、ダイオード
によって構成されたブリッジ整流器Ｉ　Ｊ、　。

１１−２〜１１−ｎが接続されている。このような装置
の出力回路は、上記ブリッジ整流器１１＝。

１１−２〜１ノーｎの整流出力をその極性方向が同一と
なるべく直列接続し、その直列回路の両端を負荷接続端
子として構成される。この負荷接続端子に高圧ケーペル
１２を介してＸ線管等からなる負荷１３が接続され、前
記端子からの高圧電力の供給を受ける。尚、図中１４は
前記高圧ケーブル１２の分布インダクタンスを示し、ま
た１５は同高圧ケーペル１２の分布容量を示している。

またトランス８における破線で示したインダクタンス１
６は、その洩れインダクタンスを一次巻線９側から見込
んだときの合計を等測的に示したものである。

ここで、上記の如く構成された装置の動作を説明するに
際し、次のような条件が成立するものとする。即ち、ス
イッチング素子４は、所定＝６− の周期で一定幅の駆動・ヤルスを与えられて開閉動作し
、ここでは定常状態に入っているものとする。従ってチ
ョークコイル３には一定電流Ｉｉｎが流れ、動作周期開
始時には共振用コンデンサ５の端子電圧は成る一定値Ｖ
ｃ　、となる。またスイッチング素子４、ダンパーダイ
オード６およびブリッジ整流器Ｉ　Ｊ、　、　７１−２
〜１１−ｎはそれぞれ理想スイッチとして動作し、従っ
て導通時には伝導抵抗が零オーム、また遮断時には無限
大となるものとする。更にはトランス８の励磁インダク
タンスは、その洩れインダクタンスより十分に大きな値
を有し、トランス８の動作上、上記励磁インダクタンス
に蓄えられる磁気エネルギーは無視できるものとする。

筐た本装置に接続されて電力供給を受ける負荷１３の抵
抗値は、見掛上電圧依存性等のない一定値を示すものと
する。

このような仮定条件の下で、前記スイッチング素子４が
導通状態にあるとき、本装置は等価的に第２図の如く示
される。このとき、′電源２から入力電流Ｉｉｎがチョ
ークコイル３に供給される。一方、前記スイッチング素
子４が導通状態となる直前では、電力転送用コンデンサ
７に流れている電流は、定常状態において”マイナスＩ
ｉｎ”となっている。この為、スイッチング素子４に流
れる電流ｉ、は第４図（、）に実線で示すように零値か
ら正弦波の弧を措く波形となって流れる。またこのとき
のスイッチング素子４の端子電圧ｖｃは第４図（ｂ）に
示すように苓であり、共振用コンデンサ５に流れる電流
ｉ０も同図（ｃ）に示すように零である。

さて、スイッチング素子４が導通状態の期間τを経て遮
断状態になると、第１図に示す装置の等価回路は第３図
に示すようになる。即ちこの場合、電源２とチョークコ
イル３は等価的に電流源１７として示される。そして、
トランス８の一次巻線９側より見込んだ洩れインダクタ
ンス１６と狛荷１３を上記−次巻１１Ｍ９側よシ見込ん
だ抵抗１３ｈによシ、負荷側が示される。

このスイッチング素子４の遮断状態となる直前の上述し
た各電流値および電圧値についてみると、先ず、スイッ
チング素子４に流れていた電流ｉ　は、第４図（ａ）に
示すように同スイッチング累子４の強制的な遮断によっ
て、残留電流ｉａ（τ）として共振用コンデンサ５に流
れ込む。その後、この共振用コンデンサ５に流れる電流
波形ｉ　は、第４図（ｃ）に示すようにコンデンサ５，
７の調和平均値と洩れインダクタンス１６の値とに関係
して、共振の弧を描くことになる。そして、このときの
スイッチング素子４の端子電圧ｖｃは、前記共振用コン
デンサ５の端子電圧に等しいので、上記共振電流波形を
積分してなる第４図（ｂ）に示す如き正弦波の弧を描く
。この電圧波形嘗　は、前記スイッチング素子４の遮断
動作時刻τから、時刻Ｔまで継続する。尚、この電圧波
形嘗　の上記時刻Ｔにおける傾斜 （ｄｖｃ　／ｄｔ　）ｔ＝ｔは、殆んど零となる。この
ことについては、例えば下記の文献 ９− Ｎ　、Ｏ−５ｏｋａｌ ”Ｃ１ａｓａ−Ｅ　Ａ　Ｎｅｗ　Ｃ１ａｓｓ　ｏｆ　Ｈ
ｉｇｈ−ＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙＴｕｎｅｄ　Ｓｉｎｇｌ
ｅ　−Ｅｎｄｅｄ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ＰｏｗｅｒＡ
ｍｐｌｉｆｉｅｒ　　”　ＩＥＥＥ　　Ｖｏｌ、８Ｃ−
１０４３Ｊｕｎｅ９７５ に詳しく解析されている。この電圧波形τ　が殆んど零
となる時刻Ｔに前記スイッチング素子４が再び導通され
、以降これが定常的に繰返えされる。このような動作状
態が電圧共振条件を満たす定常状態である。

このように動作するスイッチ回路１によって駆動される
トランス８の二次巻線７　ｏ−、、１ｏ−２〜１　（Ｌ
、にそれぞれ生起される二次電圧がブリッジ整流器ＩＬ
　　、１１−２〜ノー−ｎを介してそれそれ整流された
のち、同一極性方向に重ね合せられて負荷１３に供給さ
れることになる。

さて、上記の如く構成された装置において、大電力を高
効率に伝送し、且つ高い動作周波数での電圧変換を可能
とする本発明の要点は次の通シである。梗ち、先ず電力
転送用コンデンサ１０− ７との間で直列共振回路を構成するインダクタンス素子
をトランス８の洩れインダクタンス１６にて代用せんと
することである。然し乍ら、このインダクタンス素子は
、上記直列共振回路を構成する為の袈累であるから、装
置の動作周波数が決定されたのちには勝手にその値を決
めることはできない。そこで本装置では、トランス８の
二次巻線を適肖な数に分割巻きされた複数の二次巻Ｉｔ
ＭＩ　Ｏ−１＋　１０−２〜１０−ｎとし、その出力を
グリッツ整流器１１．ｌ１ｌ−２〜１１−ｎを介して直
列に接続することによって、上記トランス８の一次巻ａ
９側から見込んだ洩れインダクタンス１６の値を前述し
た電圧共振条件を満たすように選ぶことが可能となる。

即ち、装置の高周波動作を０Ｔ能とするに十分な小さい
値のインダクタンス素子を洩れインダクタンス１６によ
って実現することかり能となる。

次にこの洩れインダクタンス１６の値が如何にして小さ
くなるかにつき説明する。今、トランス８の基本的な特
性につき着目すると、第５図に示すように二次巻線１０
　．１０−２〜１０−ｎ１ の巻数の多いトランス８にあっては、上記二次巻線１０
　．１０．〜１０−　のそれぞれに比較的１ 大きな浮遊容量１８が発生する。そして、前記スイッチ
ング素子４の動作角周波数ωが、例えば２πＸ　１０’
　ｒａｄ／　ｓｅｅ以上に高くなると、一般にトランス
８の静電容ｉｃ８の前記浮遊容量１８によるインピーダ
ンス１／ωＣｓは徐々に低くなる。

＝方、ブリッジ整流器１１．１１−２へ１１−ｎ１ を構成する高圧整流用ダイオードの順方向抵抗は、第６
図に示すように印加電圧が低いうちは比較的大きい。通
常、逆耐圧１０ｋＶ、順方向電流ＩＡクラスの高圧整流
用ダイオードでは、順方向降下電圧ｖＦは２０〜３０Ｖ
程度であシ、このダイオードの上記順方向印加電圧が低
い場合、降下電圧Ｖ、は上述した値の１０倍以上となる
。

このことからしてみれば、トランス８の各二次巻線１θ
　、１ｏ−２〜１０−ｎはインピーダンスの１ 低い浮遊容量１４にて閉じられ、且つ隣接する二次巻線
Ｊ　Ｏ−１，１（Ｌ２〜１０−ｎとの間は印加電圧の低
いダイオードの順方向電圧降下分による抵抗ｒによって
分離されることになる。この給米、各二次巻線１０＝　
、　１０−２〜１０−、と−次巻ｌｆＭ９との間に畜え
られる洩れ磁束は、上記各二次巻線１０　．１０−２〜
１０−　によってそれぞれ〜１ 消費されることになる。

ところで、第７図（、）にその断面構成を模式的に示す
トランス、即ち一次巻線９と二次巻線１θとが１対１に
対応して磁芯に巻装されてなるトランスの一次側から見
た洩れインダクタンスＬｌは次のように示される。

但し、μ：空気中の透磁率 Ｎｐニー次巻線９の巻き回数 この式は、二次巻線１０の平均巻装径を７、その巻厚を
Δ２等として、第７図（、）に示す如く定義される場合
の洩れインダクタンスを示すものであり、詳しくは “変圧器” １３− 電気学会大学講座昭和４０年３月Ｐ　、　４８ｊに解析
される。上記第（１）式に示されるように、洩れインダ
クタンスＬｌは、トランス８の一次巻線９０巻回数Ｎｐ
の自乗に比例し、且つ巻線の２軸方向の長さに反比例す
る。そこで今、前記したように本装置で用いられるトラ
ンス８の二次巻線１０＝　、　１０−２〜１０−ｎを分
昏」巻き構造とし、第７図（ｂ）にその構造を模式的に
示すように、そのＺ軸長方に長さり、づつに細かく分割
する。この長さｈｌを、二次巻線１０＝　、１０２〜１
（Ｌ、の数ｎに応じて、第７図（、）に示す長さｈの１
／ｎに設定したとすると、個々の二次巻線１０．−１．
１０−２〜１０−ｎの洩れインダクタンスＬｉは、元の
洩れインダクタンスＬｌの１／ｎとなる。そして、これ
らの洩れインダクタンスｂ７は、前記ブリッジ整流器１
１−１＋　Ｉ　Ｊ−２へ１１−ｎのダイオードによって
短絡されるから、トランス８の一次側よシ見込んだ洩れ
インダクタンスは、その並列接続されたものと着像し得
るから更に１／ｎとなる。故に、二次巻線１０＝　、　
１０−２〜Ｊ　Ｏ−ｎの分割巻き１４− によって求められるトランス８の一次巻線９側から見込
んだ洩れインダクタンス１６は、分割数ｎに応じて１／
ｎ２に比例して小さくなることになる。このように小さ
くなるトランス８の洩れインダクタンス１６が果す作用
は非常に重要である。即ち、Ｘ線管用の高圧発生装置に
用いられるトランス８の巻数比は一般に５０以上と太き
い。この為、１０　ｋＨｚ程度の高周波パルスを伝送す
る場曾、無分割の二次巻線では洩れインダクタンスが大
きく、その電力伝送効率は通常１０％以下となることが
多い。このようなことからしてみれば、上述したように
トランス８の洩れインダクタンス１６の値が小さいと云
うことは、極めて重要な意味を有することになる。

更に本装置では、二次巻線１０＝　、１０．−２〜１０
　から得られた昇圧電力が、ブＩＪ　、ジ整流ｎ 器１１−４．１１．〜１ノーｎを介して整流されたのち
、直列接続により合成されて、高圧ケーブル１２を介し
て負荷１３に与えられる。このとき、高圧ケーブル１２
の分布インダクタンス１４とその分布容量１５によって
前記整流出力が一時的に蓄積される。しかし、この高圧
ケーブル１２に蓄積される電力は、上記したように整流
したものであるから、その高周波電力は前記スイッチン
グ素子４の遮断期間に負荷１３に速かに供給される。従
って、前述した本装置の構成は、高圧ケーブル１２を介
した負荷１３への高圧高周波電力の伝送を全く妨けるこ
とがない。

以上の説明から明らかなように、本発明装置によればス
イッチ回路ｌの高周波スイッチング動作に拘らず、巻数
比の大きいトランス８を用いることができる。しかも、
トランス８の洩れインダクタンス１６を有効に利用して
効果的な高周波スイッチング動作を行わしめる。しかも
、高圧ケーブル１２が有する分布インダクタンス１４や
分布容ｆ１５の悪影響を受けることなく、負荷１３に対
して効率良く電力伝送を行い得る。

更には上述した高周波化によって、装置の動特性の連応
性を高めることができる。これ故、従来問題として提起
されていたこの種装置に対する課題を効果的に解決し、
高周波動作によって大電力伝送を可能とする実用性の高
い高圧発生装置をここに提供することができる。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではない。例
えば装置の高周波スイッチング動作の速度や、トランス
８における巻数比等は、負荷１３に対する電力仕様に応
じて定めればよいものである。まだここでは、負荷１３
としてＸ研管を念頭において説明したが、他の同様な高
圧負荷を対象とすることも勿論可能である。要するに本
発明はその要旨を逸脱しない範囲で種種変形して実施す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例装置の概略構成図、第２図お
よび第３図は実施例装置の動作等価回路図、第４図（ａ
）〜（ｃ）は実施例装置の動作波形図、第５図はトラン
スの洩れインダクタンスを説明する為の構成図、第６図
はダイオードの特性を示す図、第７図（、）　（ｂ）は
トランスの洩れインダクタンスを説明する為の構成模式
図である。 １７− １・・・シングルエンド・スイッチ回路、２・・・直流
電源、３・・・チョークコイル、４・・・スイッチング
素子、５・・・電圧共振用コンデンサ、６・・・ダンパ
ーダイオード、７・・・電力転送用コンアンサ、８・・
・トランス、９・・・−次巻線、１θ−１，１θ−２〜
１０、、−ｎ−・・二次巻線、１１−１．１１−２〜１
ノーｎ・・・ブリッジ１Ｈｆｆｔ器、１２・・・高圧ケ
ーブル、１３・・・負荷。 出願人代理人　　弁理士　鈴　江　武　彦１８− 第１図 １６、−四′丁−１１−、”− ４ ３７′ ／ 、／’Ｔ　　　　Ｊ　　Ｔ’、−／　　　　、、　　？
　ｙｒ　　。 第４ＷＩ 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 入力直流電源にチョークコイルを介して接続された所定
   周期で開閉動作するスイッチ素子と、このスイッチ素子
   に並列接続された共振用コンデンサおよびダンツヤ−ダ
   イオードと、前記スイッチ素子に電力転送用コンデンサ
   を介して一次巻線を接続してなるトランスと、このトラ
   ンスの分割巻きされた複数の二次巻線にそれぞれ接続さ
   れた複数のブリッジ整流器と、これラノフリッジ整流器
   の出力電圧端子を同一極性方向に直列接続し、且つその
   直列回路の両端を負荷接続端子とした出力回路とを具備
   したことを特徴とする高圧発生装置。