JPWO2019043943A1 - 質量分析装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図6(a)に示すように、この高電圧電源装置は、電圧値がH[V]である正極性の直流高電圧を出力する正電圧発生部1と、電圧値が−H[V]である負極性の直流高電圧を出力する負電圧発生部2と、正電圧発生部1と負荷であるフライトチューブ5とを電気的に接続する線路に設けられた正側主スイッチ回路3と、負電圧発生部2とフライトチューブ5とを電気的に接続する線路に設けられた負側主スイッチ回路4と、を備える。一般に、主スイッチ回路3、4はそれぞれ半導体スイッチング素子として1又は複数のMOSFETを含む。また、正電圧発生部1及び負電圧発生部2としては、コッククロフト・ウォルトン回路(Cockcroft-Walton circuit)などの、倍電圧整流回路を多段接続した昇圧回路が利用されることが多い。直流高電圧の電圧値±Hは一般に±5〜±10[kV]程度である。フライトチューブ5は長さが1〜2[m]程度の金属製の略円筒管であり、Ca[F]の静電容量を有する容量性負荷である。
また、フライトチューブ5に高電圧を印加する高電圧電源装置のみならず、静電容量が比較的大きな負荷(容量性負荷)に対して安定した直流高電圧を印加する高電圧電源装置において同様の問題がある。
a)所定の直流高電圧を発生する主電圧発生部と、
b)前記主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉するものであって、複数のスイッチング素子が直列に接続されてなる主スイッチ部と、
c)前記主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を前記負荷に供給可能である補助電源部と、
d)前記補助電源部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉するものであって、前記主スイッチ部における複数のスイッチング素子のうちの該負荷側から所定個数のスイッチング素子と、その所定個数のスイッチング素子と前記補助電源部の電圧出力端との間に直列に接続された別の1又は複数のスイッチング素子とを含む補助スイッチ部と、
e)前記主スイッチ部を開成状態から閉成することで前記主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該主スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に前記補助スイッチ部を閉成し前記補助電源部から前記負荷に対し電流を供給して該負荷の静電容量を充電するべく、前記主スイッチ部及び前記補助スイッチ部の各スイッチング素子を駆動する制御部と、
を備えることを特徴としている。
前記制御部は、前記補助スイッチ部が開成している期間中に前記第2補助スイッチを閉成し、該補助スイッチ部が閉成する際には該第2補助スイッチ部を開成させる構成とすることができる。
前記主電圧発生部は、正極性の直流高電圧を発生する正側主電圧発生部と、負極性の直流高電圧を発生する負側主電圧発生部と、を含み、
前記主スイッチ部は、前記正側主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉する正側主スイッチ部と、前記負側主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉する負側主スイッチ部と、を含み、
前記補助電源部は、前記正側主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を前記負荷に対し供給可能である正側補助電源部と、前記負側主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を前記負荷に対し供給可能である負側補助電源部と、を含み、
前記制御部は、前記正側主スイッチ部を開成状態から閉成することで前記正側主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該正側主スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に前記正側補助スイッチ部を閉成し前記正側補助電源部から前記負荷に対し電流を供給して該負荷の静電容量を充電し、前記負側主スイッチ部を開成状態から閉成することで前記負側主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該負側主スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に前記負側補助スイッチ部を閉成し前記負側補助電源部から前記負荷に対し電流を供給して該負荷の静電容量を充電するべく、前記正側主スイッチ部、前記負側主スイッチ部、前記正側補助スイッチ部、及び前記正側補助スイッチ部の各スイッチング素子を駆動する構成とすることができる。
以下、本発明に係る高電圧電源装置の第1実施例について、添付図面を参照して説明する。図1は第1実施例による高電圧電源装置の概略構成図、図2は第1実施例の高電圧電源装置における出力電圧の極性切替え時の動作説明図である。図1において、図6に示した従来の高電圧電源装置と同一の又は相当する構成要素には同一の符号を付してある。
なお、スイッチング素子3a、17a、4a、18aもそれぞれ、1個のパワーMOSFETではなく複数個のパワーMOSFETを直列に接続したものであってもよい。また、補助電源部10中の正側第2補助スイッチ回路15、負側第2補助スイッチ回路16もそれぞれ複数のパワーMOSFETを直列に接続したものとすることができる。
いま、負側主スイッチ回路4(負側主スイッチング素子4a及び直列接続されたスイッチング素子4Aの全て)がオン状態、正側主スイッチ回路3(正側主スイッチング素子3a及び直列接続されたスイッチング素子3Aの全て)はオフ状態、充放電補助スイッチング素子17a、18aも共にオフ状態で、フライトチューブ5の電圧印加側端部5aの電圧は−H[V]に安定しているものとする。このとき、正側第2補助スイッチ回路15はオン状態とされ、第1コンデンサ13は補助正電圧発生部11の出力電圧+(H+α)[V]により充電される(図2(a)参照)。完全に充電されると、第1コンデンサ13の両端電圧は+(H+α)[V]となる。
α=(Ca/Cb)・(H−H’)[V]
電圧印加側端部5aの電圧H’=−Hである場合、上式は次の式になる。
α=2・(Ca/Cb)・H’[V]
したがって、Ca、Cbが既知であれば、上記式より、H’[V]をH[V]と等しくするためのα[V]が求まる。例えばCa=1[nF]、Cb=7[nF]、H[V]=±7[kV]であれば、α=(2/7)×7=2[kV]である。即ち、補助正電圧発生部11の出力電圧は9[kV]であればよい。
本発明に係る高電圧電源装置の第2実施例について、図3〜図5を参照して説明する。図3は第2実施例による高電圧電源装置の概略構成図、図4は第2実施例の高電圧電源装置における出力電圧の極性切替え時の制御信号のタイミング図、図5は第2実施例の高電圧電源装置における出力電圧の極性切替え時の動作説明図である。
図3において、図1に示した第1実施例の高電圧電源装置と同一の又は相当する構成要素には同一の符号を付してある。また、図5(a)〜(f)は図2(a)〜(f)にそれぞれ対応している。
また、本発明に係る高電圧電源装置はTOFMSのフライトチューブに高電圧を印加する用途に用いることができるだけでなく、±数[kV]程度の高電圧を高速に切り替える必要がある様々な用途や装置に利用できることは明白である。
2…負電圧発生部
3…正側主スイッチ回路
3a…正側主スイッチング素子
3b〜3n…スイッチング素子
3A…直列接続されたスイッチング素子
4…負側主スイッチ回路
4a…負側主スイッチング素子
4b〜4n…スイッチング素子
4A…直列接続されたスイッチング素子
5…フライトチューブ
5a…電圧印加側端部
10…補助電源部
11…補助正電圧発生部
12…補助負電圧発生部
13…第1コンデンサ
14…第2コンデンサ
15…正側第2補助スイッチ回路
16…負側第2補助スイッチ回路
17…正側第1補助スイッチ回路
17a…正側充放電補助スイッチング素子
18…負側第1補助スイッチ回路
18a…負側充放電補助スイッチング素子
20…制御部
105、106…抵抗器
a)所定の直流高電圧を発生する主電圧発生部と、
b)前記主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉するものであって、複数のスイッチング素子が直列に接続されてなる主スイッチ部と、
c)電荷保持部と該電荷保持部を充電する充電部を含み、前記電荷保持部に保持されている電荷によって前記主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を前記負荷に供給可能である補助電源部と、
d)前記補助電源部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉するものであって、前記主スイッチ部における複数のスイッチング素子のうちの該負荷側から所定個数のスイッチング素子と、その所定個数のスイッチング素子と前記補助電源部の電圧出力端との間に直列に接続された別の1又は複数のスイッチング素子とを含む補助スイッチ部と、
e)前記主スイッチ部を開成状態から閉成することで前記主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該主スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に前記補助スイッチ部を閉成し前記補助電源部から前記負荷に対し電流を供給して該負荷の静電容量を充電するべく、前記主スイッチ部及び前記補助スイッチ部の各スイッチング素子を駆動する制御部と、
を備えることを特徴としている。
前記主電圧発生部は、正極性の直流高電圧を発生する正側主電圧発生部と、負極性の直流高電圧を発生する負側主電圧発生部と、を含み、
前記主スイッチ部は、前記正側主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉する正側主スイッチ部と、前記負側主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉する負側主スイッチ部と、を含み、
前記補助電源部は、前記正側主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を前記負荷に対し供給可能である正側補助電源部と、前記負側主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を前記負荷に対し供給可能である負側補助電源部と、を含み、
前記制御部は、前記正側主スイッチ部を開成状態から閉成することで前記正側主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該正側主スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に前記正側補助スイッチ部を閉成し前記正側補助電源部から前記負荷に対し電流を供給して該負荷の静電容量を充電し、前記負側主スイッチ部を開成状態から閉成することで前記負側主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該負側主スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に前記負側補助スイッチ部を閉成し前記負側補助電源部から前記負荷に対し電流を供給して該負荷の静電容量を充電するべく、前記正側主スイッチ部、前記負側主スイッチ部、前記正側補助スイッチ部、及び前記正側補助スイッチ部の各スイッチング素子を駆動する構成とすることができる。
以下、本発明に係る質量分析装置の高電圧電源装置の第1実施例について、添付図面を参照して説明する。図1は第1実施例による高電圧電源装置の概略構成図、図2は第1実施例の高電圧電源装置における出力電圧の極性切替え時の動作説明図である。図1において、図6に示した従来の高電圧電源装置と同一の又は相当する構成要素には同一の符号を付してある。
a)所定の直流高電圧を発生する主電圧発生部と、
b)前記主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉するものであって、複数のスイッチング素子が直列に接続されてなる主スイッチ部と、
c)電荷保持部と該電荷保持部を充電する充電部を含み、前記電荷保持部に保持されている電荷によって前記主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を前記負荷に供給可能である補助電源部と、
d)前記補助電源部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉するものであって、前記主スイッチ部における複数のスイッチング素子のうちの該負荷側から所定個数のスイッチング素子と、その所定個数のスイッチング素子と前記補助電源部の電圧出力端との間に直列に接続された別の1又は複数のスイッチング素子とを含む補助スイッチ部と、
e)前記主スイッチ部を開成状態から閉成することで前記主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該主スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に前記補助スイッチ部を閉成し前記補助電源部から前記負荷に対し電流を供給して該負荷の静電容量を充電するべく、前記主スイッチ部及び前記補助スイッチ部の各スイッチング素子を駆動する制御部と、
を備えることを特徴としている。
Claims (7)
- 負荷に直流高電圧を印加する高電圧電源装置であって、
a)所定の直流高電圧を発生する主電圧発生部と、
b)前記主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉するものであって、複数のスイッチング素子が直列に接続されてなる主スイッチ部と、
c)前記主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を前記負荷に供給可能である補助電源部と、
d)前記補助電源部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉するものであって、前記主スイッチ部における複数のスイッチング素子のうちの該負荷側から所定個数のスイッチング素子と、その所定個数のスイッチング素子と前記補助電源部の電圧出力端との間に直列に接続された別の1又は複数のスイッチング素子とを含む補助スイッチ部と、
e)前記主スイッチ部を開成状態から閉成することで前記主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該主スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に前記補助スイッチ部を閉成し前記補助電源部から前記負荷に対し電流を供給して該負荷の静電容量を充電するべく、前記主スイッチ部及び前記補助スイッチ部の各スイッチング素子を駆動する制御部と、
を備えることを特徴とする高電圧電源装置。 - 請求項1に記載の高電圧電源装置であって、
前記補助電源部は、コンデンサと、該コンデンサを充電する充電用電源部と、を含むことを特徴とする高電圧電源装置。 - 請求項2に記載の高電圧電源装置であって、
前記補助電源部は、前記充電用電源部と前記コンデンサとを接続する線路を開閉する第2補助スイッチ部をさらに含み、
前記制御部は、前記補助スイッチ部が開成している期間中に前記第2補助スイッチを閉成し、該補助スイッチ部が閉成する際には該第2補助スイッチ部を開成させることを特徴とする高電圧電源装置。 - 請求項2に記載の高電圧電源装置であって、
前記補助電源部は、前記充電用電源部と前記コンデンサとを接続する線路に設けられ、前記補助スイッチ部が閉成する際に前記充電用電源部から該補助スイッチ部を通して流れる電流を制限する抵抗部を含むことを特徴とする高電圧電源装置。 - 請求項1に記載の高電圧電源装置であって、
前記主電圧発生部は、正極性の直流高電圧を発生する正側主電圧発生部と、負極性の直流高電圧を発生する負側主電圧発生部と、を含み、
前記主スイッチ部は、前記正側主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉する正側主スイッチ部と、前記負側主電圧発生部の電圧出力端と前記負荷とを接続する線路を開閉する負側主スイッチ部と、を含み、
前記補助電源部は、前記正側主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を前記負荷に対し供給可能である正側補助電源部と、前記負側主電圧発生部により供給可能な電流よりも大きな電流を前記負荷に対し供給可能である負側補助電源部と、を含み、
前記制御部は、前記正側主スイッチ部を開成状態から閉成することで前記正側主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該正側主スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に前記正側補助スイッチ部を閉成し前記正側補助電源部から前記負荷に対し電流を供給して該負荷の静電容量を充電し、前記負側主スイッチ部を開成状態から閉成することで前記負側主電圧発生部による直流高電圧を前記負荷に印加し始めるに際し、該負側主スイッチ部を閉成する前又は閉成した直後に前記負側補助スイッチ部を閉成し前記負側補助電源部から前記負荷に対し電流を供給して該負荷の静電容量を充電するべく、前記正側主スイッチ部、前記負側主スイッチ部、前記正側補助スイッチ部、及び前記正側補助スイッチ部の各スイッチング素子を駆動することを特徴とする高電圧電源装置。 - 請求項1に記載の高電圧電源装置であって、
前記スイッチング素子はパワーMOSFETであることを特徴とする高電圧電源装置。 - 請求項5に記載の高電圧電源装置であって、
前記スイッチング素子はパワーMOSFETであることを特徴とする高電圧電源装置。
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