JPS6355309B2

JPS6355309B2 -

Info

Publication number: JPS6355309B2
Application number: JP6011881A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Onodera; Hiroshi Nakajima
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-04-21
Filing date: 1981-04-21
Publication date: 1988-11-01
Also published as: JPS57177275A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はＸ線発生装置やレーザ発生装置等に高
電圧な電力を供給するに好適な高電圧発生装置に
関する。

Ｘ線発生装置やレーザ発生装置等を駆動する
100KV〜400KVの高電圧電力は、従来一般に商
用周波数から数百ヘルツ程度の交流を珪素鋼板を
磁心とする変成器を用いて昇圧して生成されてい
る。この種の高電圧発生装置は、変換電力が数キ
ロワツトから数百キロワツトと大きく、また電力
の投入遮断の頻度が高く、しかも負荷との距離が
一般に長い為に長い高圧ケーブルを用いて電力を
供給すると云う特殊性を有している。これらの特
殊性を考慮すると、安定に且つ経済的に高電圧を
生成する動作周波数は従来数百ヘルツ程度に抑え
られていた。この動作周波数は変成器の形状およ
び高圧発生装置の速応性等の限界を定める重要な
設計要素である。しかして従来の変性器をより小
形化したり、装置の適応性を早くする為に、上記
動作周波数を従来に比して一桁以上高めることが
要望されている。

然し乍ら従来にあつては、交流を単純に変成器
を用いて昇圧していることが多く、この場合動作
周波数が高くなるにつれて変成器の洩れインダク
タンスや分布容量によるリアクタンスが大きくな
り、この結果変成器の一次巻線側から見込んだイ
ンピーダンスが負荷の実抵抗分よりもリアクタン
ス成分が大きくなる不具合が生じた。つまり、無
効電力分が増大し、Ｘ線管等の負荷へ供給する電
力が減少して大電力変換には不適確となる問題が
あつた。また、このような従来装置によれば、入
力電源を投入しても上記リアクタンス成分に電力
を供給しながら負荷へ電力を供給することになる
ので、その速応性が悪いと云う問題があつた。更
に入力電源を遮断した場合、リアクタンス成分に
残つていたエネルギが上記遮断後に負荷に廻込
み、直ちに電力供給が停止されないので、系の動
作に遅れが生じく不具合があつた。

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、変成器の動作周
波数を高めて所定の高電圧を効率良く昇圧して
得、負荷に対して所定の電力を安定に伝送し得る
速応性の早い簡易で実用性の高い高電圧発生装置
を提供することにある。

即ち本発明は、数キロヘルツ以上の交流あるい
はパルス波を用いて小形化された変成器を介して
昇圧された所定の高電圧をリアクタンス成分を少
なくして得、これを負荷に高効率に供給すること
を可能とした速応性の早い高電圧発生装置を提供
するものである。

本発明の概要は電圧共振形シングルエンド・ス
イツチ回路の負荷に昇圧用変成器の一次巻線を接
続し、上記変成器の多分割された複数の二次巻線
にコンデンサを介して極性方向を同じくして充電
用ダイオードをそれぞれ接続し、且つこれらの充
電用ダイオード間に極性方向を揃えて電圧加算用
ダイオードを直列に介挿して接続し、これらのダ
イオードの直列回路の両端間から所要高電圧の電
力を取出す構成とすることによつて、大電力高電
圧の高速スイツチング動作を可能として、上述し
た目的を効果的に達成したものである。

以下、図面を参照して本発明の一実施例につき
説明する。

第１図は実施例装置の概略構成図である。入力
直流電源１には、トランジスタからなるスイツチ
素子２を介して変成器３の一次巻線３₁が接続さ
れ、上記スイツチ素子２には並列的にダンパーダ
イオード４および共振用コンデンサ５が接続され
ている。このダンパーダイオード４は、前記スイ
ツチ素子２とはその導通方向を逆にするものであ
る。また前記スイツチ素子２は、例えば数キロヘ
ルツ以上の周波数で開閉動作するもので、この実
施例に示されるトランジスタに代えて、サイリス
タ等の他の素子によつて実現されることもある。
かくして、ここにスイツチ素子２を用いた電圧共
振形のシングルエンド・スイツチ回路が構成され
ている。しかして変成器３の２次側には多分割さ
れた複数の二次巻線３₂₁，３₂₂〜３_2nが設けられ
ている。これらの二次巻線３₂₁，３₂₂〜３_2nは、
その巻数を相互に等しくし、前記一次巻線３₁に
対して（１：―ｎ）なる巻数比となる如く設定さ
れている。そして、各二次巻線３₂₁，３₂₂〜3_2nに
は、極性方向を同じくして電力転送用コンデンサ
６₁，６₂〜６_nを各別に介して充電用ダイオード
７₁，７₂〜７_nがそれぞれ接続されている。つま
りダイオード７₁，７₂〜７_nはそのアノードを二
次巻線３₂₁，３₂₂〜３_2nの巻始め端に接続し、カ
ソードをコンデンサ６₁，６₂〜６_nを介して上記
二次巻線３₂₁，３₂₂〜３_2nの巻終端に接続したも
のとなつている。そして、これらの充電用ダイオ
ード７₁，７₂〜７_n間には、これらのダイオード
７₁，７₂，〜７_nと極性方向を同じくして、電圧
加算用ダイオード８₁，８₂〜８_n-1が直列に介挿
して接続されている。つまり、ダイオード７₁，
７₂〜７_n，８₁，８₂〜８_n-1は極性方向を揃え、
且つ交互に配置されて直列に接続され、直列回路
を構成している。この直列回路の両端、つまりダ
イオード７₁のカソードおよびダイオード７_nのア
ノードが高電圧出力端子とされ、これに高圧ケー
ブル９を介して負荷であるＸ線管１０が接続され
て、電力供給がなされる。尚、高圧ケーブル９に
付記されるインダクタンスＬおよび容量Ｃは、上
記高圧ケーブル９に含まれる負荷インダクタンス
成分および分布容量成分をそれぞれ示している。

次にこのように構成された本装置の動作につ
き、第２図ａ〜ｃに示す電流および電圧波形図、
そして第３図ａ〜ｃに示す動作状態に対応した等
価回路図を用いて説明する。

今、本装置の基本的動作を説明するに当り、ス
イツチ素子２は一定のパルス幅Tonで導通し、周
期Ｔで開閉動作して定常状態に入つているものと
する。尚、スイツチ素子２および各ダイオード
は、導通時の抵抗零、遮断時の抵抗無限大とする
理想スイツチとして機能し、Ｘ線管１０の負荷抵
抗は見掛上、一定であるとする。また変成器３の
励磁インダクタンスは或る有限の値を有し、洩れ
インダクタンスは動作上無視できるものとする。

かくして、上記定常状態にあつて、スイツチ素
子２が遮断する寸前のコンデンサ５の端子電圧は
零、また導通する寸前の端子電圧は入力電圧Ein
になつている。またコンデンサ６₁，６₂〜6_nの各
端子電圧は、入力電圧Einが前記変成器３の巻線
比によりｎ倍になつているものとする。

このような定常状態において、スイツチ素子２
が導通すると、変成器３の巻線の極性により、二
次巻線３₂₁，３₂₂〜３_2nにはダイオード７₁，７₂
〜７_nをそれぞれ正バイアスし、且つダイオード
８₁，８₂〜８_n-1を逆バイアスする電圧が誘起さ
れる。この結果、ダイオード７₁，７₂〜７_nは導
通し、ダイオード８₁，８₂〜８_nは遮断してその
等価回路は第３図ａに示すようになる。このと
き、変成器３の励磁インダクタンス１１は、電源
１に対して並列的に挿入されることになり、励磁
電流i_Lpは第２図ａに示すように、励磁インダク
タンス１１の値をLp、として、電源電圧Einとの
比（Ein／Lp）なる勾配で直線的に増加する。こ
の間、コンデンサ６₁，６₂〜６_nは、図示極性に
充電される。このコンデンサ６₁，６₂〜６_nにそ
れぞれ充電される電圧は第２図ｃに示すように電
源電圧Einと変成器３の巻線比ｎとの積になる。
またこのとき、変成器３に存在する一連の浮遊容
量１３₁，１３₂〜１３_nは、コンデンサ６₁，６₂
〜６_nに対して並列的となるので、上記コンデン
サ６₁，６₂〜６_nの充電の妨げとなることはない。
また前記コンデンサ６₁，６₂〜６_nの充電は動作
上無視できる洩れインダクタンス１２₁，１２₂〜
１２_nを介して行われることは云うまでもない。

しかるのち、スイツチ素子２が遮断されると、
変成器３の一次側には前記共振用コンデンサ５が
挿入されることになる。またこの瞬間には、洩れ
インダクタンス１２₁，１２₂〜１２_nに残つてい
る電流がその慣性によつて流れ続けるので、前記
ダイオード７₁，７₂〜７_nは未だ導通状態となつ
ている。この状態は、上記洩れインダクタンス１
２₁，１２₂〜１２_nに流れている慣性電流が無く
なるまでの期間t₁に亘つて継続し、このときの等
価回路は第３図ｂに示すようになる。そして、こ
の間には、励磁インダクタンス１１に流れる電流
は、第２図ａに示すように、励磁インダクタンス
１１および洩れインダクタンス１２₁，１２₂〜１
２_n間の調和平均インダクタンスと、コンデンサ
５との共振電流となる。これによつて、コンデン
サ５の端子電圧υcは第２図ｂに示すように、同
じ共振周期で立上る。しかるのち、上記慣性電流
が消滅したとき、ダイオード７₁，７₂〜７_nを正
バイアスする電圧の誘起がなくなるので、これに
よつて上記ダイオード７₁，７₂〜７_nが遮断する。
またこれと同時に今度はダイオード８₁，８₂〜８
_ｎ−１が正バイアスされて導通し、その結果装置の
等価回路は第３図ｃに示すようになる。

この状態においては、励磁インダクタンス１１
に流れていた電流がコンデンサ５を逆方向に充電
する。そしてコンデンサ５の充電電圧Vcが電源
電圧Einを越えたとき、二次巻線３₂₁，３₂₂〜３_2n
には第３図ｃに示す向きに電圧υc₂が前記各コン
デンサ６₁，６₂〜６_nにそれぞれ充電されていた
電圧に加えられ、更にこれらの電圧が全て重ね合
せられて所定の高電圧としてＸ線管１０からなる
負荷に供給されることになる。

その後、コンデンサ５に充電された電荷は、再
び電源１を経由して励磁インダクタンス１１に戻
り始め、上記コンデンサ５の充電電圧υcが負に
なろうとするとき、ダンパーダイオード４が順バ
イアスされて導通し、この結果装置は第３図ａに
示す等価回路の状態に戻る。このとき、励磁イン
ダクタンス１１の慣性電流は、電源１に向い、こ
の電源１からはコンデンサ６₁，６₂〜６_nを充電
するべく別の電流が流れることになる。そして、
これらの電流の和が期間t₃を経て零になつたと
き、前記スイツチ素子２が再び導通され、以後上
記した一連の動作が繰返えされる。

以上のように本装置によれば、スイツチ素子２
の開閉動作に応じて高電圧な電力変換を行うこと
ができ、その高電圧出力を負荷１０に効果的に供
給することが可能となる。

ところで、電力転送用のコンデンサ６₁，６₂〜
６_nの値は、装置の動作周波数範囲においてどの
インダクタンスとも共振しない程度に選ばれる。
従つて今、高圧ケーブル９が有するインダクタン
スＬは、洩れインダクタンス１２₁，１２₂〜１２
_ｎと直接的に結合することを考慮して変成器３の
設計を行つておけば、高圧ケーブル９のインダク
タンスＬによる負荷への電力供給に対する妨げを
未然に防ぐことが可能となる。また高圧ケーブル
９の分布容量Ｃは、負荷へ供給される高電圧パル
スの一部によつて充電される。そして、高電圧パ
ルスの休止期間中には、Ｘ線管１０のダイオード
作用により上記充電された電力は上記負荷である
Ｘ線管１０を通して流れることになる。従つて、
この分布容量Ｃによつて供給高電圧パルスの平滑
作用を期待することができる。また、装置に廻込
む電流はダイオード７₁，７₂〜７_n，８₁，８₂〜
８_n-1を通して流れるので、前記した電力変換動
作の妨げとなることもない。

一方、変成器３にあつては、二次巻線３₂₁，３
₂₂〜３_2nを多分割構成とし、その間をダイオード
８₁，８₂〜８_n-1によつてシリーズに結合する構
成となつている。この結果、従来の単一巻線形式
のものに比べ、その洩れインダクタンス１２₁，
１２₂〜１２_nを十分小さくすることができる。し
かも、この十分小さな洩れインダクタンス１２₁，
１２₂〜１２_nとその浮遊容量１３₁，１３₂〜１３
_ｎを考慮した上で、スイツチング動作周波数を高
く設定することができるので、効率のよい電力伝
送が可能となり、結果的に上記洩れインダクタン
ス１２₁，１２₂，12_nや浮遊容量１３₁，１３₂〜
１３_nの妨げを未然に防ぐことが可能となる。ま
たこのようにして動作周波数を高くすることがで
きるので、変成器３の鉄芯（コア）の寸法形状を
コンパクトにし、変成器３自体の小形化を図つて
大幅なコストダウンを図ることが可能となる。そ
の上、スイツチング動作周波数を高くすることに
よつて系のサンプリングインターバルを狭くする
ことができ、系の立上り時間の大幅な短縮化を図
り、速応性の向上を図ることができる。

かくしてここに、所要の高電圧高電力変換を高
い動作周波数で効率良く行つて、これを負荷に円
滑に供給することが可能な装置を提供することが
可能となる。その上、高圧ケーブルの分布容量を
積極的に利用して供給電力を平滑化して安定に供
給できる等の絶大なる効果を奏する。

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、変成器３における二次巻線の分割
数や巻線比は仕様に応じて定めればよい。また変
成器の巻線比が大きい場合には、二次側の浮遊容
量が一次側の共振用コンデンサ５に換算されて作
用するので、特定の条件においては共振用コンデ
ンサを実回路から省略することも可能である。ま
たこの共振用コンデンサ５を一次巻線３₁に並列
接続して、実質的な等価変換を行つて回路構成す
ることも可能である。要するに本発明はその要旨
を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが
できる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例を示すもので、第１図は
実施例装置の概略構成図、第２図ａ〜ｃは本装置
の動作波形図、第３図ａ〜ｃは本装置の動作状態
に従つた等価回路構成図である。１…入力直流電源、２…スイツチ素子、３…変
成器、４…ダンパーダイオード、５…共振用コン
デンサ、６₁，６₂〜６_n…コンデンサ、７₁，７₂
〜７_n…充電用ダイオード、８₁，８₂〜８_n-1…電
圧加算用ダイオード、９…高圧ケーブル、１０…
Ｘ線管（負荷）、１１…励磁インダクタンス、１
２₁，１２₂〜１２_n…洩れインダクタンス、１３
_１，１３₂〜１３_n…浮遊容量。

Claims

【特許請求の範囲】

１入力直流電源に所定周期で開閉動作するスイ
ツチ素子を介して一次巻線を接続した変成器と、
上記スイツチ素子にそれぞれ並列接続されたダン
パー用ダイオードおよび共振用コンデンサと、前
記変成器の複数の２次巻線にそれぞれコンデンサ
を介して極性方向を揃えて並列接続された複数の
充電用ダイオードと、これらの充電用ダイオード
間に極性方向を揃えて直列に介挿して接続された
電圧加算用ダイオードと、これらの充電用ダイオ
ードおよび電圧加算用ダイオードからなる直列回
路の両端間に負荷を接続する手段とを具備したこ
とを特徴とする高電圧発生装置。