JPS62236363A - 高電圧電源 - 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】 光１ 本発明は、広い範囲にわたって調整される出力電圧と可
変負荷時における一定の出力電流とを有する安定化高電
圧電源に関する。この高電圧電源は、プッシュプル駆動
回路によって供給される高電圧整流器、上記の駆動回路
のプッシュプル幅変調制御信号を供給する制御回路及び
上記高電圧電源の出力から取られる分割された電圧及び
電流信号に作用する誤差信号処理回路を含む、この誤差
信号処理回路の出力信号は、制御信号としてその制御回
路に与えられる。この電源の補助回路の供給電圧は、安
定化された低電圧電源ユニツ１−によって供給される。

高電圧電源を形成する幾つかの方法があり、これらの方
法の幾つかは調整出力電圧を供給する。

可変負荷の要求条件は、よく調整された出力電圧を供給
するパルス幅変調プッシュプル・スイッチング動作電源
によってより好都合に満足される。

これらの電源は、一般的に低電圧出力によって構成され
る。これには、例えば、１９７８年ブダペストのムツア
キケニブキアド（Ｍ（ｉｉｚａｋｉ　Ｋ６ｎｙｖｋｉａ
ｄ６）著のフェレンライオ−（Ｆｅｒｅｎｃｚ１、０）
　・スイッチングモード電源に記載されたラムダ（ＬＡ
ＭＢＤＡ）社の電源がある。

この電源において、プッシュプル・インバータは、幅変
調信号を分与する２つのＮＯＲゲートを通してプッシュ
プル制御信号によって駆動される。

この幅変調信号は、制御式比較器によって制御発振器の
信号から発生される。この比較器は、電源のＤＣ出力に
接続されている調整及び電流制限増幅器によって制御さ
れる。信号の分与は、その同じ発振器によって駆動され
る双安定フリップフロップによって実行される。

この幅変調式インバータは、■・ランス絶縁を通して出
力ＤＣ電圧を供給する出力整流器及びフィルタに接続さ
れている。この出力整流器のレイアウトは、単純な一方
向整流器から電圧乗算接続構成までの範囲のレイアウト
が可能である。ある特定の場合、出カドランスが多数コ
イルの二次側を有する時、高電圧は、追加の電圧乗算器
によって発生することができる。

高電圧電源を設計する際、幾つかの矛盾する要求条件を
高電圧側において同時に達成しなければならない時に問
題が生じる。妥協的な解決方法によって、以下のような
諸要求条件を達成しなければならない。

・広い範囲にわたって可変の安定化高電圧出力電圧 ・この出力電圧に無関係に調節可能な低出力電流 ・可変負荷における定電流及び電圧 ・破損なしに（イオンなだれによって生じる）急激な短
絡に対する耐力 ・最小リップル。

公知の解決法は、上記の要求条件に合致しない。

何故なら、許容できないリップル及び短絡に対する感受
性をもたらすような急激な変化の場合に適当な反作用を
達成するため、出力フィルタを除く必要があるからであ
る。出力電流及び出力電圧を一定に保つということは、
出力ＲＬＣ回路を必要とする適当な出力インピーダンス
の場合において適当な調整によって実行され得る矛盾す
る要求条件でもある。公知の調整回路を用いると、可変
であるが安定１ヒされた出力電圧とは独立に出力電流を
調節することができない。これは、これらの回路は、一
方または他方の定数が、標準のあたりに保たれる時にの
み作動可能となるからである。

互いに矛盾する上記の要求条件に合致するのに欠くこと
のできない回路を製造することは以下のような認識に基
づく。

・出力フィルタに関する上記の矛盾は、出力フィルタを
高電圧ｌ・ランスの一次側に変え、この一次／″１□、
おいて実イテすることＧｏより解ゆされる。

・変形されたフィルタは、それが駆動回路における発振
を減衰できるように設計され、これにより高電圧側リッ
プルが最小値に減少するようにしなければならない。

・誤差検知回路における高電圧出力の電流と電圧との間
に相関関係が確立されて、これによりその要求された定
レベル値が上記回路において調節され得るるようにしな
ければならない。

・インバータの動作周波数は、高電圧トランスによって
定められる一次回路の自己周波数と同じとなるように選
択されなければならない。

１法 従って、本発明は、連続的に調整された出力電圧を供給
する、好ましくは低電力イオン及び電子ビーム機械加工
及び蒸着装置に給電するための高電圧電源に言及するも
のである。これにおいて、上記高電圧電源は、誤差信号
処理回路の信号出力に接続された制御信号入力を有する
制御回路、上記制御回路のプッシュプル制御信号出力に
接続された制御信号入力を有する駆動回路、を含んでい
る。上記駆動回路は、２つのプッシュプル一次巻線を有
する高電圧トランスを通して高電圧整流器に結合されて
いる。上記整流器の高電圧出力端子の一方は、出力電圧
サンプリング分割器を通して一方において高電圧出力端
子に、他方において誤差信号処理回路の電圧信号入力に
結合されている。

高電圧整流器の他方の高電圧出力端子は、一方において
高電圧コンデンサを通して高電圧電源の共通接地電位点
に、他方において誤差信号処理回路の電流信号入力に結
合されている０回路構成ブロックの供給電圧端子は、低
電圧電源に接続されており、上記回路構成ブロックの接
地点は、共通接地電位端子に接続されている。

本発明の主な点は、駆動回路の制御入力が各々、制御式
スイッチの制御入力にそれぞれ接続されており、接地電
位に接続されていない制御式スイッチの端子が、高電圧
トランスの各一次巻線の一方の端部に結合されており、
上記各一次巻線の他方の端部が、トランスの二次巻線を
経由して、それぞれ低電圧電源の供給電圧端子に結合さ
れていることである。上記トランスの各一次巻線の一方
の端部は、共通になっており且つ接地点に接続されてお
り、各他方の端部は、一方では各ダイオードを経由して
供給電圧端子に、他方では各直列ＲＣ構成を経由して接
地点に結合されている。

本発明による高電圧電源は、制御回路が、自走発振器、
上記自走発振器の信号出力に対して並列に接続されてい
る信号整形ユニット及びゲート制御回路、電圧制御式変
調器及び出力信号を供給する２つのＡＮＤゲート、を含
むように設計されることが好ましい。尚、上記信号整形
ユニットの出力は、変調器の信号搬送波入力に接続され
ており、上記ゲート制御回路の制御出力は、各ＡＮＤゲ
ートの入力に接続されている。各ＡＮＤゲートの他の入
力は、変調器の出力に接続されており、変調２；の変調
入力は、制御回路に対する制御信号入力を形成する。

高電圧電源の誤差信号処理回路の好ましい実施例による
と、電流１３号入力は、電流調節ポテンショメータを介
して接地電位点に接続され、そのポテンショメータの摺
動接点は電流制限ツェナダイオードを通して第１誤差信
号増幅器の一方の入力に接続されている。上記誤差信号
増幅器の他方の入力は、基準電圧源に接続されており、
これにより、ツェナダイオードと誤差信号増幅器の入力
の共通点は、抵抗を通して接地点に接続されている。上
記誤差信号増幅器の出力は、また電圧調節ポテンショメ
ータを通して接地点に接続されており、このポテンショ
メータの摺動接点は、別の誤差信号増幅器の一方の入力
に接続されており、この別の誤差信号増幅器の他方の入
力は、その誤差信号処理回路の電圧信号入力を形成して
いる。上記の別の誤差信号増幅器の出力は、上記誤差信
号処理回路の信号出力である。

ルー 次に、図面を参照して本発明について説明する。

第１図に示されているように、公知の電源においては、
低電圧電源回路１が配設されており、この電源回路は、
装置の動作に必要な電源電圧を与１′ １　　　　　　える（この図には、インバータ２の高電
流電源電圧接続のみが示されている）。

この電源のインバータ２は、双安定マルチバイブレータ
７によって駆動されるＮＯＲゲート９及び１０が分与す
るプッシュプル・パルス幅変調信号によって制御される
。このパルス幅変調制御信号は、発振器８の信号がら電
圧制御式パルス幅変調器６によって発生される。これら
の信号は、直流出力１１及び基準電圧源１３がら取られ
た信号から特定され、誤差増幅器１２によって処理され
ろ。パルス幅変調プッシュプル信号によって制御される
インバータ２は、トランス３を通して整流器４に信号を
供給し、これにより電気的絶縁及び電圧変更を行う。上
記整流器４の出力信号は、平滑充電ＬＣ又はＬＲＣフィ
ルタ５を通して電源のＤＣ出力１１に与えられ、その結
果、平滑直流電流が生じる。

第２図に示されるような本発明による電源は、多くの点
に関して類似の構造を有している。

しかしながら、公知の電源と本発明による新しい装置と
の間には基本的な相違があり、これらは次のように要約
することができる。

・プッシュプル駆動回路ＭＨのレイアウトは基本的に、
インバータ２のレイアウトとは異なる。

これは、エネルギ蓄積、「出力信号のフィルタＪ及び有
害振動の減衰が、電源のこの部分において行われるから
である。

・整流器４に相当する高電圧整流器ＮＥの出力において
フィルタ５がない。

・誤差信号処理回路Ｉ４のレイアウトは基本的に、誤差
増幅器１２及び基準電圧源１３からなる同じ目的のユニ
ットとは異な゛る。これは、基準信号を変化させること
によってではなく、一定基準信号とフィードバック電流
及び電圧信号それぞれとの相関関係を変更することによ
って出力高電圧の調節が行われるからである。

本発明による高圧電源において、駆動回路ＭＨのための
プッシュプル幅変調制御信号を与える制御回路■が配設
されている。

制御回路Ｖには、自走発振器０が配設されており、この
発振器の出力信号は、一方ではゲート制御回路ＫＶの入
力に、他方では整形ユニットＳを経由して電圧制御式変
調器Ｍの搬送波信号入力に与えられる。このゲート制御
回路ＫＶは、ＡＮＤゲートＫ１及びに２を駆動して、幅
変調制御信号を分与する。これらＡＮＤゲートの他方の
入力には、変調器Ｍのパルス幅変調出力信号が与えられ
る。ＡＮＤゲートの出力は、制御回路■のプッシュプル
制御信号出力を形成し、この制御回路の制御信号入力は
、変調器Ｍの変調入力によって形成される。

誤差信号処理回路Ｈの出力は、制御回路Ｖの制御信号入
力に接続されている。この誤差信号処理回路Ｈの電圧信
号入力は、電流調節ポテンショメータＰ１を経由して接
地されており、その電流信号入力は、第２誤差信号増幅
器１−Ｉ　Ｅ　２の入力の１つに接続されている。ポテ
ンショメータＰ１の摺動接点は、電流制限ツェナダイオ
ードＺを経由して第１誤差信号増幅器１］Ｅ１の入力の
１つに接続されている。この入力は、抵抗Ｒ５を経由し
て接地されている。第１誤差信号増幅器［］Ｅ１の他方
の入力には、基準電圧源ＵＲが接続されており、この増
幅器の出力は、電圧調節ボテンショメータＲ２を経由し
て接地されている。上記ポテンショメータＰ２の活動接
点は、第２誤差信号増幅器ＨＥ２の他方の入力に接続さ
れており、その出力は、誤差信号処理回路Ｈの信号出力
を形成している。

制御回路Ｖの短形波信号の幅は、変調器Ｍに与えられる
電圧によって、１ＩＩＩｔｎされ、出力電流及び出力高
電圧は、それぞれポテンショメータＰ１及びＲ２によっ
て上記電圧を発生するユニットにおいて調節することが
できる。ツェナダイオードＺは、調節可能な最小電流の
振幅を制限する。従って、誤差信号処理回路Ｈの出力信
号において、ポテンショメータＰ１及びＲ２によって定
められる相関関係及び基準電圧に対するツェナダイオー
ドＺのしきい電圧が現われることになる。誤差信号処理
回路Ｈが高電圧出力に接続されているため、外部からの
影響によって出力電流及び電圧の調節値の変更から生じ
る誤差信号は、それら制御信号を変ｆ゛イヒさせ、それ
Ｇｏよ、て出カフ４．レタの欠如症、てそのインダクタ
ンスが存在しないことに関連して且つフィルタの蓄積効
果が現われず且２制ｍ回路が極めて早く作動することに
関連して元の状態が再確立するようにする。

これらのプッシュプル制御信号は、それぞれ駆動回路Ｍ
Ｈにおける駆動増幅器ＭＥＩ及びＭｇ２を通して制御式
スイヅチＶ１（１及びＶ　Ｋ　２の制御入力に与えられ
る。これらの制御ｆ式スイッチＶＫ１及びＶＫ２は、高
圧ｌ・ランスＮＴｒの各一次巻線を、制御に応じて接地
電位点に接続する。

高圧トランスＮＴｒの各一次巻線の他方の端部は、装置
の低圧電源の電源電圧端子Ｕｔに対しそれぞれトランス
Ｔｒｉ及びＴｒ２の二次巻線を通して結合されている。

上記トランスＴｒｉ及びＴｒ２の各一次巻線の一方の端
部は、接地電位点に接続されており、上記一次巻線の他
方の端部は、またそれぞれ、ダイオードＤ１及びＤ２を
通して電源電圧端子Ｕｔにも接続されている。

−上記他方の端部は各々、それぞれ抵抗Ｒ１、Ｒ２及び
コンデンサＣ１，Ｃ２からなる直列ＲＣｔｌｉ成を通し
て接地電位点に接続されている。

プッシュプル幅変調＃Ｉ御信号は、ＶＫＩ制御式スイッ
チ及びＶＫ２制御式スイッチを交互に作動させ、これら
の制御式スイッチは、高圧トランスＮＴｒの一方又は他
方の一次巻線を、それぞれトランスＴｒｌ及びＴｒ２の
二次巻線を経由して電源電圧に交互に接続している。ス
イッチインの瞬間において、ｌ・ランスＴｒｉ及びＴｒ
２の二次巻線は、パルスの前縁が高圧トランスＮＴｒの
一次コイルに現われないように防止して、これにより高
圧パルスが高圧巻線の両端に現われないようにしている
。高圧トランスＮＴｒの一次巻線は、それと並列のある
特定の容量を有している。この容−Ｕは、それぞれトラ
ンスＴｒｉ及びＴｒ２の二次コイルを通して充電を開始
する６充電の時間、従って電圧は、制御短形波信号の幅
によって定められる。このように定められた振幅の電圧
が高圧トランスＮＴｒの一次巻線の両端に現われる。二
次巻線の両端に現われる高電圧の振幅は、巻数比に関す
るのと同じ様に定められる。

制御式スイッチＶＫ１及びＶＫ２がオフになると、ｌ・
ランスＴｒｉ及びＴｒ２の二次巻線に蓄積されたエネル
ギは、それぞれダイオードＤ１及びＤ２を経由してその
非調整電源にフィードバックされる。高周波トランジェ
ント及び発振は、この非″ＪＪ整電源に接続されている
直列ＲＣ回路によって減衰される。

この電源は、プッシュプル制御信号の周波数が高圧トラ
ンスを含む回路の並列自己周波数に等しい場合、上記の
方法によって作動し得る。

ここで判ることは、高圧トランスＮＴｒの一次電流の時
間可変変化が、回路のインピーダンス及び制御信号の長
さによって定められ、これによりのこぎり歯電圧が、制
御信号に応じた振幅でもって（ゼロから非調整電源の振
幅まで）生じることである。従って、この回路横或は、
誤差信号処理回路Ｈ及び干渉用制御回路Ｖからなる制御
システムに十分な時間を保証する。

この高圧トランスの二次巻線は、通常のし、イアウＩ・
を有する高圧整流器ＮＥ、例えば電圧倍増整流器に給電
する。

この高圧整流器の一方の出力は、直列制限抵抗Ｒ３を経
由して高圧端子ＵＮに結合されている。

誤差信号処理回路Ｈの高圧信号出力は、抵抗Ｒ４を経由
して同じ出力端子に接続されている。抵抗Ｒ３及びＲ４
は、電圧サンプリング分割器を構成している。この直列
抵抗Ｒ３は、雉終電流を制限する。

高圧整流器ＮＥの他方の出力は、コンデンサＣ３を通し
て電源の共通接地点に接続されている。

誤差処理回路トＩの電流信号入力は、同じ出力に接続さ
れている。

■ 本発明による回路構成を有するこの高圧電源は、出力電
流が一定に留どまり、これにより出力高電圧は、広い範
囲にわたって調節できるという利点を有しており、この
利点は、高圧整流器又は駆動回路におけろ消費電力を変
化させることなく達成することができろ。実際に作った
ＴＬＴｌ、において１、・１　　　　　変換の効率は、
出力電力に関係なく約８０％であった。出力電流の振幅
は、短絡時において事実上一定に留とまる６本発明の別
の利点は、実際の装置の出力電力に対する重量及び寸法
が小さいということである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、公知のパルス幅変調プッシュプル・スイッチ
ング動作電源のブロック図。 第２図は、本発明による電源の回路図。 （符号説明） １・・・低電圧電源回路、２・・・インバータ、３・・
・ｌ・ランス、　　　４・・・整流器、５・・・フィル
タ、 ６・・・電圧制御式パルス幅変調器、 ７・・・双安定マルチバイブレーク、 ８・・・発振器、 ９．１０−−　・ＮＯＲゲート、１１　・−−ＤＣ出力
、１２・・・誤差増幅器、　１３・・・基準電圧源、Ｈ
・・・誤差信号処理回路、■・・・制御回路、ＭＨ・・
・プ・ソシュプル駆動回路、 Ｐｌ・・・電流調節ポテンショメータ、Ｐ２・・・電圧
調節ポテンショメータ、ＬＩＲ・・・基準電圧源、 Ｚ・・・電流制限ツェナダイオード、 ＨＥＩ、ＨＥ２・・・誤差信号増幅器、Ｍ・・・変調器
、　　　Ｓ・・・整形ユニット、Ｏ・・・自走発振器、
ＫＶ・・・ゲート制御回路。 ＭＥｌ、ＭＢ２・・・駆動増幅器、 ＶＫＩ、ＶＫ２・・・制御式スイッチ、ＮＴｒ・・・高
圧トランス、 Ｔｒｌ、Ｔｒ２・−・トランス、 ＮＥ・・・高電圧整流器、 Ｒ３・・・直列制限抵抗 （クト！；−Ａ＞ ！７図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）連続的に調整された出力電圧を、好ましくは低電
   力イオン及び電子ビーム機械加工及び蒸着装置に給電す
   るための高電圧電源であって、上記電圧電源が、その制
   御信号入力が誤差信号処理回路の信号出力に接続されて
   いる制御回路、その制御信号入力が上記制御回路のプッ
   シュプル制御信号出力に接続されている駆動回路を含ん
   でおり、上記駆動回路が、２つのプッシュプル一次巻線
   を有する高圧トランスを経由して高圧整流器に結合され
   ており、上記整流器の高圧出力端子の１つが出力電圧サ
   ンプリング分割器を経由して一方では上記高電圧電源の
   高圧出力端子に、他方では上記誤差信号処理回路の電圧
   信号入力に結合されており、上記整流器の他方の高圧出
   力端子が、一方では電圧コンデンサを経由して上記高電
   圧電源の共通接地電位点に、他方では上記誤差信号処理
   回路の電流信号入力に結合されており、且つ回路構成ブ
   ロックの供給電圧諸端子が、低電圧電源に接続されてお
   り、また上記回路構成ブロックの接地点が共通接地電位
   端子に接続されている上記高圧電源において、 上記駆動回路（ＭＨ）のプッシュプル制御信号入力の各
   々が、好ましくは駆動増幅器（ＭＥ１及びＭＥ２）を経
   由して制御式スイッチ（ＶＫ１及びＶＫ２）の制御入力
   にそれぞれ接続されており、上記制御式スイッチ（ＶＫ
   １及びＶＫ２）の各々の一方の端子が、上記接地点に接
   続されており、その他方の端子が、上記高圧トランス（
   ＮＴｒ）の各一次巻線の一方の端部に接続されており、
   上記各一次巻線の他方の端部は、トランス（Ｔｒ１及び
   Ｔｒ２）の二次巻線を経由してそれぞれ上記低電圧電源
   の電源電圧端子（Ｕｔ）に接続されており、且つ、上記
   トランス（Ｔｒ１、Ｔｒ２）の各一次巻線の一方の端部
   が、共通になっており且つ上記接地点に接続されており
   、その各他方の端部が、一方では各ダイオード（Ｄ１及
   びＤ２）を経由して上記電源電圧端子（Ｕｔ）に、他方
   では直列ＲＣ構成を経由して上記接地点に結合している
   こと、を特徴とする高電圧電源。
2. （２）上記誤差信号処理回路（Ｈ）の上記電流信号入力
   が、その摺動接点が電流制限ツェナダイオード（Ｚ）を
   経由して第１誤差信号増幅器（ＨＥ１）の一方の入力に
   接続された電流調節ポテンショメータ（Ｐ１）を経由し
   て上記接地点に接続されており、上記誤差信号増幅器（
   ＨＥ１）の他方の入力が、基準電圧源（ＵＲ）に接続さ
   れており、これにより、上記ツェナダイオード（Ｚ）及
   び上記誤差信号増幅器（ＨＥ１）の入力の共通点が、抵
   抗（Ｒ５）を経由して上記接地点に接続されており、上
   記誤差信号増幅器の出力もまた、電圧調節ポテンショメ
   ータ（Ｐ２）を経由して上記接地点に接続されており、
   この電圧調節ポテンショメータ（Ｐ２）の摺動接点は、
   別の誤差信号増幅器（ＨＥ２）の一方の入力に接続され
   ており、上記別の誤差信号増幅器の他方の入力は上記誤
   差信号処理回路（Ｈ）の電圧信号入力を形成し、且つ上
   記別の誤差信号増幅器（ＨＥ２）の出力は上記誤差信号
   処理回路の信号出力であること、を特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の高電圧電源。