(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１、第２及び第３入力側端子と第１及び第２出力側端子を有する単位回路と、前記単位回路の前記第１及び第３入力側端子に直流電圧を供給する直流電圧源と、前記単位回路の前記第２入力側端子に矩形波電圧を供給する矩形波電圧源と、を備えた電源装置であって、
前記単位回路は、
前記第１入力側端子と前記第１出力側端子との間に接続される第１コンデンサと、
前記第１出力側端子と前記第２出力側端子との間に接続される第１整流素子と、
前記第１出力側端子と前記第２出力側端子との間に接続されて前記第１整流素子と直列接続体を構成する第１巻線と、
前記第３入力側端子と前記第２出力側端子との間に接続される第２整流素子と、
前記第３入力側端子と前記第２出力側端子との間に接続されて前記第２整流素子と直列接続体を構成すると共に、前記第１巻線と同一磁気回路に巻回される第２巻線と、
前記第２入力側端子と前記第２出力側端子との間であって、前記第１巻線と前記第２巻線の共通接続点と前記第２入力側端子との間に接続される第２コンデンサと、を備え、
前記矩形波電圧源の交流成分が一方の極性に振れたときに、前記第２整流素子が導通して前記第２コンデンサを充電し、
前記矩形波電圧源の交流成分が逆極性に振れたときに、前記第２巻線に前記第２コンデンサの充電時に流れた電流を減衰させる方向に電圧が印加されると共に、前記第１巻線に前記第２コンデンサへの充電電流による発生磁束を維持する逆起電力を発生させ、前記第２コンデンサにより前記第１コンデンサを充電することを特徴とする電源装置。
【請求項２】
第１入力側端子と第１出力側端子との間に接続される第１コンデンサ、
第１出力側端子と第２出力側端子との間に接続される第１整流素子、
前記第１出力側端子と前記第２出力側端子との間に接続されて前記第１整流素子と直列接続体を構成する第１巻線、
前記第３入力側端子と前記第２出力側端子との間に接続される第２整流素子、
前記第３入力側端子と前記第２出力側端子との間に接続されて前記第２整流素子と直列接続体を構成すると共に、前記第１巻線と同一磁気回路に巻回される第２巻線、
前記第２入力側端子と前記第２出力側端子との間であって、前記第１巻線と前記第２巻線の共通接続点と前記第２入力側端子との間に接続される第２コンデンサ、を備えた第１単位回路と、
前記第１単位回路と同様に構成された第２単位回路と、
交互に導通制御されて前記第１単位回路の前記第２入力側端子に矩形波電圧を供給する第１及び第２スイッチ手段と、
交互に導通制御されて前記第２単位回路の前記第２入力側端子に矩形波電圧を供給する第３及び第４スイッチ手段と、を備え、
次のように接続することにより、前記第１単位回路は、前記第２単位回路を構成する第１コンデンサにより前記第１単位回路を構成する第１コンデンサを充電し、前記第２単位回路は、前記第１単位回路を構成する第１コンデンサにより前記第２単位回路を構成する第１コンデンサを充電することを特徴とする電源装置。
（１）前記第１単位回路の第１、第３入力側端子と前記第２単位回路の第１、第３入力側端子とを接続する。
（２）前記第１スイッチ手段の一端を、前記第２単位回路を構成する第１コンデンサの一端に接続すると共に、前記第２スイッチ手段の一端を、前記第２単位回路を構成する第１コンデンサの他端に接続する。
（３）前記第１スイッチ手段の他端と前記第２スイッチ手段の他端を前記第１単位回路の第２入力側端子に接続する。
（４）前記第３スイッチ手段の一端を、前記第１単位回路を構成する第１コンデンサの一端に接続すると共に、前記第４スイッチ手段の一端を、前記第１単位回路を構成する第１コンデンサの他端に接続する。
（５）前記第３スイッチ手段の他端と前記第４スイッチ手段の他端を前記第２単位回路の第２入力側端子に接続する。
【請求項３】
第１入力側端子と第１出力側端子との間に接続される第１コンデンサ、
前記第１出力側端子と第２出力側端子との間に接続される第１整流素子、
前記第１出力側端子と前記第２出力側端子との間に接続されて前記第１整流素子と直列接続体を構成する第１巻線、
前記第３入力側端子と前記第２出力側端子との間に接続される第２整流素子、
前記第３入力側端子と前記第２出力側端子との間に接続されて前記第２整流素子と直列接続体を構成すると共に、前記第１巻線と同一磁気回路に巻回される第２巻線、
第２入力側端子と前記第２出力側端子との間であって、前記第１巻線と前記第２巻線の共通接続点と前記第２入力側端子との間に接続される第２コンデンサ、を備えた第１単位回路と、
前記第１単位回路と同様に構成されると共に、第１入力側端子が前記第１単位回路の第１出力側端子に接続され、第２入力側端子が前記第１単位回路の第２出力側端子に接続される第２単位回路と、
前記第１単位回路の第１及び第３入力側端子に直流電圧を供給する直流電圧源と、
前記第１単位回路の第２入力側端子に矩形波電圧を供給する矩形波電圧源と、を含み、
前記矩形波電圧源の交流成分が一方の極性に振れたときに、前記第１及び前記第２単位回路の夫々の第２整流素子が導通して前記第１及び前記第２単位回路の夫々の第２コンデンサを充電し、
前記矩形波電圧源の交流成分が逆極性に振れたときに、前記第１及び前記第２単位回路の夫々の第２巻線に、前記第１及び前記第２単位回路の夫々の第２コンデンサの充電時に流れた電流を減衰させる方向に電圧が印加されると共に、前記第１及び前記第２単位回路の夫々の第１巻線に、前記第１及び前記第２単位回路の夫々の第２コンデンサへの充電電流による発生磁束を維持する逆起電力を発生させ、前記第１及び前記第２単位回路の夫々の第２コンデンサにより前記第１及び前記第２単位回路の夫々の第１コンデンサを充電することを特徴とする電源装置。
【請求項４】
基準電位に接続される第１入力側端子と第１出力側端子との間に接続される第１コンデンサ、
前記第１出力端子と第２出力端子との間に接続される第１整流素子、
前記第１出力端子と前記第２出力端子との間に接続されて前記第１整流素子と直列接続体を構成する第１巻線、
第２入力側端子と前記第２出力側端子との間に接続される第２コンデンサ、
第３入力側端子と前記第２出力側端子との間に接続される第２整流素子、
前記第３入力側端子と前記第２出力側端子との間に接続されて前記第２整流素子と直列接続体を構成すると共に、前記第１巻線と同一磁気回路に巻回され、前記第１巻線との共通接続点が前記第２出力側端子に接続される第２巻線、を備えた第１単位回路と、
前記第１単位回路の第３入力側端子に正極側が接続され、前記第１入力側端子に負極側が接続される直流電圧源と、
前記第１単位回路と同様に構成され、第１入力側端子が前記直流電圧源の負極側に接続されると共に、第３入力側端子が前記第１単位回路の第２出力端子に接続される第２単位回路と、
前記第１単位回路の第２入力側端子と前記第２単位回路の第２入力側端子の夫々に矩形波電圧を供給する矩形波電圧源と、を含み、
前記矩形波電圧源の交流成分が一方の極性に振れたときに、前記第１及び前記第２単位回路の夫々の第２整流素子が導通して前記第１及び前記第２単位回路の夫々の第２コンデンサを充電し、
前記矩形波電圧源の交流成分が逆極性に振れたときに、前記第１及び前記第２単位回路の夫々の第２巻線に、前記第１及び前記第２単位回路の夫々の第２コンデンサの充電時に流れた電流を減衰させる方向に電圧が印加されると共に、前記第１及び前記第２単位回路の夫々の第１巻線に、前記第１及び前記第２単位回路の夫々の第２コンデンサへの充電電流による発生磁束を維持する逆起電力を発生させ、前記第１及び前記第２単位回路の夫々の第２コンデンサにより前記第１及び前記第２単位回路の夫々の第１コンデンサを充電することを特徴とする電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電源装置に係り、特に供給電源の整数倍の電圧を得る電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、供給電源より高い電圧を得る電源装置として、例えば特許文献１に開示されているように、昇圧用のトランスを備え、そのトランスの１次側コイルに、エミッターに通じる回路が中間点で接続されように配置された２個のＮＰＮ型トランジスターから構成されるポンピング回路を接続し、２次側コイルに、前記ポンピング回路の通電により発生した高電圧を更に昇圧する逓倍回路を接続し、この逓倍回路で昇圧した高電圧を出力として使用する技術がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７-７３４８６号公報（要約の欄、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記特許文献１に開示された電源装置は、コンデンサとダイオードを多段に組み合わせることによって、直流あるいは交流の電源を高電圧の直流電源に変換する回路、所謂、コッククロフト・ウォルトン回路（多段型整流方式回路）が応用されている。ここで、コッククロフト・ウォルトン回路について図６を用いて説明する。
【０００５】
図６に示すように、コッククロフト・ウォルトン回路６０は、複数の単位回路（図では３回路）６１、６１ａ、６１ｂから構成されており、単位回路６１は、第１コンデンサ６２、第２コンデンサ６３、第１ダイオード６４、第２ダイオード６５を備えている。また、単位回路６１ａは、第１コンデンサ６２ａ、第２コンデンサ６３ａ、第１ダイオード６４ａ、第２ダイオード６５ａを備え、単位回路６１ｂは、第１コンデンサ６２ｂ、第２コンデンサ６３ｂ、第１ダイオード６４ｂ、第２ダイオード６５ｂを夫々備えている。なお、符号６１Ｔ１は単位回路６１の第１入力側端子、符号６１Ｔ２は単位回路６１の第２入力側端子、符号６１Ｔ３は単位回路６１の第１出力側端子、符号６１Ｔ４は単位回路６１の第２出力側端子を示し、符号６１ａＴ１は単位回路６１ａの第１入力側端子、符号６１ａＴ２は単位回路６１ａの第２入力側端子、符号６１ａＴ３は単位回路６１ａの第１出力側端子、符号６１ａＴ４は単位回路６１ａの第２出力側端子を示し、符号６１ｂＴ１は単位回路６１ｂの第１入力側端子、符号６１ｂＴ２は単位回路６１ｂの第２入力側端子、符号６１ｂＴ３は単位回路６１ｂの第１出力側端子、符号６１ｂＴ４は単位回路６１ｂの第２出力側端子を示している。単位回路６１の第１出力側端子６１Ｔ３、第２出力側端子６１Ｔ４は単位回路６１ａの第１入力側端子６１ａＴ１、第２入力側端子６１ａＴ２に夫々接続され、単位回路６１ａの第１出力側端子６１ａＴ３、第２出力側端子６１ａＴ４は単位回路６１ｂの第１入力側端子６１ｂＴ１、第２入力側端子６１ｂＴ２に夫々接続されている。
【０００６】
単位回路６１において、第１ダイオード６４のカソードと第２ダイオード６５のアノードは第１コンデンサ６２の両端に接続され、第１ダイオード６４のアノードと第２ダイオード６５のカソードは共に、第２出力側端子６１Ｔ４に接続されている。同様に、単位回路６１ａにおいて、第１ダイオード６４ａのカソードと第２ダイオード６５ａのアノードは第１コンデンサ６２ａの両端に接続され、第１ダイオード６４ａのアノードと第２ダイオード６５ａのカソードは共に、第２出力側端子６１ａＴ４に接続されている。また、単位回路６１ｂにおいて、第１ダイオード６４ｂのカソードと第２ダイオード６５ｂのアノードは第１コンデンサ６２ｂの両端に接続され、第１ダイオード６４ｂのアノードと第２ダイオード６５ｂのカソードは共に、第２出力側端子６１ｂＴ４に接続されている。
【０００７】
前記コッククロフト・ウォルトン回路６０の第１入力側端子、即ち、単位回路６１の第１入力側端子６１Ｔ１には直流電圧源６６が接続され、第２入力側端子６１Ｔ２には第１半導体スイッチ６７と第２半導体スイッチ６８とのポンピング回路を含む構成の交流電圧源が接続されている。コッククロフト・ウォルトン回路６０の第１入力側端子６１Ｔ１に接続する直流電圧源６６の電圧と、第２入力側端子６１Ｔ２に接続する交流電圧源の電圧波形には様々な形式が考えられるが、近年、駆動回路の制御性、小形化を目的として、第１入力側端子６１Ｔ１と第２入力側端子６１Ｔ２の端子間電圧が矩形波となる組み合わせが用いられることが多い。
【０００８】
例えば、前記特許文献１では昇圧用トランスを使用すると共に、矩形波電圧を発生させて昇圧用トランスからの出力を、コッククロフト・ウォルトン回路の入力側端子間に入力している。この特許文献１のように、矩形波電圧源は、昇圧用トランスの１次側コイルに接続されてポンピング回路を構成する半導体スイッチをスイッチングモードで動作させるため、発生損失が少なく小形化に適しているという利点がある。
【０００９】
しかし、特許文献１の回路では、昇圧用トランスの出力端に矩形波の電圧を出力しており、この矩形波電圧の出力時に、コッククロフト・ウォルトン回路を構成する整流素子、コンデンサ、及び半導体スイッチ、あるいは昇圧用トランスに流れる電流は、前記整流素子、コンデンサ、半導体スイッチ、昇圧用トランスの抵抗分がゼロで、昇圧用トランスの漏れインダクタンスがない理想的な素子で構成されていた場合、コンデンサの容量とトランスの出力電圧の時間変化率に比例した電流が流れる。従って、半導体スイッチの損失を少なくするため、半導体スイッチをスイッチング動作させ、昇圧用トランスの出力電圧が電圧時間変化率の大きい波形、つまり立ち上がりの早い矩形波とした場合、各素子に流れる電流は非常にピークの高い電流が流れる。
【００１０】
また、この電流の波形をコントロールする要素は、各素子の抵抗分、昇圧用トランスの漏れインダクタンス分であり、通常小さく、抵抗分に関しては温度の影響も受けやすく、素子に流れる電流がコントロールしにくい側面がある。
【００１１】
更に、小電力回路では、半導体スイッチ及び整流素子に電流定格の大きいものを使用することにより、故障を防げるが、大電力回路に使用しようとした場合、半導体素子のコスト割合が高いため全体がコスト高になってしまうという問題がある。
【００１２】
この発明は、前記課題を解決するためになされたもので、電源装置を構成する回路素子に流れる電流を制御された波形とすることにより、回路素子の電流定格を過剰に大きくとる必要をなくし、信頼性の向上及びコスト低減を図る電源装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明に係る電源装置は、第１、第２及び第３入力側端子と第１及び第２出力側端子を有する単位回路と、前記単位回路の前記第１及び第３入力側端子に直流電圧を供給する直流電圧源と、前記単位回路の前記第２入力側端子に矩形波電圧を供給する矩形波電圧源と、を備えた電源装置であって、前記単位回路は、前記第１入力側端子と前記第１出力側端子との間に接続される第１コンデンサと、前記第１出力側端子と前記第２出力側端子との間に接続される第１整流素子と、前記第１出力側端子と前記第２出力側端子との間に接続されて前記第１整流素子と直列接続体を構成する第１巻線と、前記第３入力側端子と前記第２出力側端子との間に接続される第２整流素子と、前記第３入力側端子と前記第２出力側端子との間に接続されて前記第２整流素子と直列接続体を構成すると共に、前記第１巻線と同一磁気回路に巻回される第２巻線と、前記第２入力側端子と前記第２出力側端子との間であって、前記第１巻線と前記第２巻線の共通接続点と前記第２入力側端子との間に接続される第２コンデンサと、を備え、前記矩形波電圧源の交流成分が一方の極性に振れたときに、前記第２整流素子が導通して前記第２コンデンサを充電し、前記矩形波電圧源の交流成分が逆極性に振れたときに、前記第２巻線に前記第２コンデンサの充電時に流れた電流を減衰させる方向に電圧が印加されると共に、前記第１巻線に前記第２コンデンサへの充電電流による発生磁束を維持する逆起電力を発生させ、前記第２コンデンサにより前記第１コンデンサを充電するものである。
【発明の効果】
【００１４】
この発明に係る電源装置によれば、電源装置を構成する回路素子に流れる電流を制御された波形とすることにより、回路素子の電流定格を過剰に大きくとる必要をなくし、信頼性の向上及びコスト低減を図る電源装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の実施の形態１に係る電源装置の電気回路図である。
【図２】この発明の実施の形態２に係る電源装置の電気回路図である。
【図３】この発明の実施の形態３に係る電源装置の電気回路図である。
【図４】この発明の実施の形態４に係る電源装置の電気回路図である。
【図５】この発明の実施の形態５に係る電源装置の電気回路図である。
【図６】コッククロフト・ウォルトン回路を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付の図面を参照して、この発明に係る電源装置について好適な実施の形態を説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１７】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電源装置の電気回路図である。図１において、電源装置１は、単位回路２と、単位回路２に直流電圧を供給する直流電圧源の一次電源３と、後述する動作により単位回路２に矩形波電圧を供給する第１スイッチ手段（以下、第１半導体スイッチ）４及び第２スイッチ手段（以下、第２半導体スイッチ）５を備えている。
【００１８】
前記電源装置１において、まず、単位回路２の構成について説明する。単位回路２の第１入力側端子２Ｔ１と第１出力側端子２Ｔ２間には第１コンデンサ６が接続され、第１出力側端子２Ｔ２には第１整流素子７のカソードが接続されている。また、単位回路２の第３入力側端子２Ｔ３には第２整流素子８のアノードが接続され、単位回路２の第２入力側端子２Ｔ４には第２コンデンサ９の一端が接続されている。更に、第１整流素子７のアノードに第１巻線１０の一端が接続され、第２整流素子８のカソードに第２巻線１１の一端が接続されている。第１巻線１０と第２巻線１１は同一磁気回路に巻回され、その電圧極性の互いに逆となる夫々の端子が第２コンデンサ９の他の一端に接続されている。なお、図１では第１及び第２整流素子７、８としてダイオードを使用しているが、ＭＯＳ−ＦＥＴの同期整流回路などのように、整流機能を有する素子であれば何を使用してもよい。
【００１９】
次に、一次電源３は、その負極端子が基準電位（図ではＧＮＤと表示）に接続されており、正極端子が単位回路２の第１入力側端子２Ｔ１及び第３入力側端子２Ｔ３に接続されている。第１半導体スイッチ４は、基準電位に一端が接続されると共に、他端が単位回路２の第２入力側端子２Ｔ４に接続され、第２半導体スイッチ５は、一端が一次電源３の正極端子に接続されると共に、他端が単位回路２の第２入力側端子２Ｔ４に接続されている。第１半導体スイッチ４と第２半導体スイッチ５は、交互に導通するように図示しない制御装置によりスイッチング制御され、単位回路２の第２入力側端子２Ｔ４に矩形波電圧が供給される。即ち、一次電源３と第１及び第２半導体スイッチ４、５は、単位回路２の第２入力側端子２Ｔ４に矩形波電圧を供給する矩形波電圧源を構成している。
【００２０】
実施の形態１に係る電源装置は前記のように構成されており、次に、その動作について説明する。
まず、初期状態として、第１コンデンサ６の端子間電圧、及び第２コンデンサ９の端子間電圧が夫々一次電源３と同電圧であり、第１巻線１０及び第２巻線１１に電流が流れていない状態について考える。
【００２１】
この状態で、単位回路２の第１出力側端子２Ｔ２は、第１コンデンサ６が一次電源３と同等電圧に充電されているため、基準電位に対して一次電源３の２倍の電圧の電位になっている。第１半導体スイッチ４及び第２半導体スイッチ５は交互に導通し、第１半導体スイッチ４が導通した場合、単位回路２の第２入力側端子２Ｔ４には基準電位相当の電圧が現れ、第２半導体スイッチ５が導通した場合には一次電源３と同等の電位の電圧が出力される。
【００２２】
第２コンデンサ９は一次電源３と同電圧に充電されているので、第２コンデンサ９と、第１巻線１０及び第２巻線１１の共通接続点には、第１半導体スイッチ４が導通している場合、一次電源３と同等の電位が現れ、第２半導体スイッチ５が導通している場合、一次電源３の２倍の電位が現れる。
【００２３】
第１巻線１０、第２巻線１１に電流が流れていない状態では、第１巻線１０及び第２巻線１１の端子間電圧はゼロボルトになるので、第１半導体スイッチ４が導通している状態でも、第２半導体スイッチ５が導通している状態でも、第１整流素子７及び第２整流素子８のカソード電位が、アノード電位を下回ることがなく、第１巻線１０及び第２巻線１１には電流が流れない。これが、無負荷時の状態である。
【００２４】
ここで、単位回路２の第１出力側端子２Ｔ２に負荷が接続され、第１コンデンサ６の端子間電圧が一次電源３の端子間電圧より低下し、残りの初期条件は無負荷状態と同じ場合について考える。
第２半導体スイッチ５が導通した場合、第２コンデンサ９と、第１巻線１０及び第２巻線１１の共通接続点の電位は、単位回路２の第１出力側端子２Ｔ２の電位より高くなる。つまり、第１整流素子７のアノード電位はカソード電位より高くなる。第１整流素子７が、順方向電圧がゼロボルトで導通する理想整流素子であるとしたとき、第１巻線１０には単位回路２の第１出力側端子２Ｔ２と第２出力側端子２Ｔ５の電位差相当の電圧が印加され、この電位差と第１巻線１０の巻線インダクタンスに応じた電流変化率で電流が増加し、第１コンデンサ６を充電する作用が発生する。このとき、第２コンデンサ９は除々に放電され、端子間電圧が低下していく。
【００２５】
次に、第１巻線１０、第２巻線１１に電流が流れておらず、第２コンデンサ９の端子間電圧が一次電源３の端子間電圧より低下しており、第１半導体スイッチ４が導通したときの動作について考える。
このとき、第２コンデンサ９の端子間電圧が低下しているため、単位回路２の第２出力側端子２Ｔ５の電位は第１入力側端子２Ｔ１、第３入力側端子２Ｔ３の電位より低くなり、第２整流素子８のカソード電位がアノード電位より低くなる。これにより、第１入力側端子２Ｔ１、第３入力側端子２Ｔ３と第２出力側端子２Ｔ５との電位差と第２巻線１１の巻線インダクタンスに応じた電流変化率で電流が増加し、第２コンデンサ９を充電する作用が発生する。
【００２６】
次に、前述の第１巻線１０に電流が流れた周期に続いて、第１半導体スイッチ４が導通した場合の動作について考える。
単位回路２の第２出力側端子２Ｔ５は、その電位が第１入力側端子２Ｔ１と比較して、第２コンデンサ９の電圧低下分低い。ここで、第１巻線１０及び第２巻線１１のインダクタンスが等しいとした場合、第１巻線１０及び第２巻線１１の端子間に現れる電圧は等しくなる。一次電源３、第２整流素子８、第２巻線１１、第２コンデンサ９、第１半導体スイッチ４で形成される電流ループにおいて、第２整流素子８を導通するのに第２巻線１１に必要な電圧と、第１半導体スイッチ４、第２コンデンサ９、第１巻線１０、第１整流素子７、第１コンデンサ６、一次電源３で形成される電流ループにおいて、第１整流素子７を導通するのに第１巻線１０に必要な電圧とを比較すると、第２巻線１１に必要な電圧の方が小さい。つまり、第１半導体スイッチ４が導通した場合、前の周期で第１の巻線１０に流れていた電流の逆起電力で第２巻線１１が含まれる電流ループが選択され、第２コンデンサ９を充電するように電流が流れる。
【００２７】
次に、前述の第２巻線１１に電流が流れた周期に続いて、第２半導体スイッチ５が導通した場合について考える。
ここで、第１巻線１０及び第２巻線１１のインダクタンスが等しいとした場合、第１巻線１０及び第２巻線１１の端子間に現れる電圧は等しくなる。
一次電源３の正極、第２半導体スイッチ５、第２コンデンサ９、第１巻線１０、第１整流素子７、第１コンデンサ６、一次電源３の正極で形成される電流ループにおいて、第１整流素子７を導通するのに第１巻線１０に必要な電圧と、一次電源３の正極、第２整流素子８、第２巻線１１、第２コンデンサ９、第２半導体スイッチ５、一次電源３の正極で形成される電流ループにおいて、第２整流素子８を導通するのに第２巻線１１に必要な電圧とを比較すると、第１巻線１０に必要な電圧の方が小さい。つまり、第２半導体スイッチ５が導通した場合、前の周期で第２巻線１１に流れていた電流の逆起電力で第１巻線１０が含まれる電流ループが選択され、第１コンデンサ６を充電するように電流が流れる。
【００２８】
以上のように、単位回路２の第１出力側端子２Ｔ２に負荷を接続した場合、第１及び第２コンデンサ６、９の端子間電圧が低下し、第１及び第２半導体スイッチ４、５が交互にスイッチ動作することで、第１及び第２コンデンサ６、９の電圧低下を補うように充電電流が流れる。
【００２９】
また、第１及び第２巻線１０、１１のインダクタンスにより電流の変化が抑えられ、かつ、第１及び第２巻線１０、１１が同一の磁気回路に巻かれていることにより、第２半導体スイッチ５が導通していたときに第１巻線１０に流れていた電流が、第１半導体スイッチ４の導通と共に第２巻線１１にその電流が流れ、振幅の制限された台形波に近い電流波形が前記二つの電流ループに流れる。
【００３０】
また、一次電源３から単位回路２の第１出力側端子２Ｔ２に一次電源３の約２倍の電圧を供給することができる。
【００３１】
以上説明したように、実施の形態１に係る電源装置１によれば、電源装置１を構成する回路素子に流れる電流を制御された波形にすることが可能となって、回路素子の電流定格を過剰に大きくとる必要がなくなると共に、信頼性の向上、コスト低減を図ることができる。
【００３２】
実施の形態２．
次に、実施の形態２に係る電源装置について説明する。図２は、実施の形態２に係る電源装置の電気回路図で、図１に示す実施の形態１と同一または相当する部分には同一数字の符号を付しているが、それに続く英文字符号を、説明の都合で「ａ」としている。
実施の形態２に係る電源装置１ａは、基準電位を回路内の電位の最も高い部分に移動させる共に、一次電源３ａ、第１半導体スイッチ４ａ、第２半導体スイッチ５ａも回路内の最も高い電位のところに移動させ、更に、第１整流素子７ａ、第２整流素子８ａの極性を逆にしたものである。なお、その他の構成は実施の形態１と同様であって、重複説明を省略する。
【００３３】
次に、実施の形態２に係る電源装置１ａの動作について説明する。実施の形態２に係る電源装置１ａは、実施の形態１と同様に、一次電源３ａから第１コンデンサ６ａに向けて電力を供給すると、単位回路２ａの第１出力側端子２ａＴ２に一次電源３ａの約２倍の電圧を出力することができる。また、同一磁気回路に巻回された第１巻線１０ａ及び第２巻線１１ａを設けることにより、各部に流れる電流は振幅の制限された台形波に近い電流波形となる。
【００３４】
このように、実施の形態２に係る電源装置１ａによれば、実施の形態１と同様に、電源装置１ａを構成する回路素子に流れる電流を制御された波形にすることが可能となって、回路素子の電流定格を過剰に大きくとる必要がなくなると共に、信頼性の向上、コスト低減を図ることができる。
【００３５】
実施の形態３．
次に、実施の形態３に係る電源装置について説明する。図３は、実施の形態３に係る電源装置の電気回路図で、図１に示す実施の形態１及び図２に示す実施の形態２と同一または相当する部分には同一符号を付している。
実施の形態３に係る電源装置１ｂは、図１に示す実施の形態１係る電源装置１の一次電源３と、図２に示す実施の形態２係る電源装置１ａの一次電源３ａを取り除くと共に、実施の形態１係る電源装置１の第１入力側端子２Ｔ１、第３入力側端子２Ｔ３と実施の形態２係る電源装置１ａの第１入力側端子２ａＴ１、第３入力側端子２ａＴ３とを互いに接続して構成したものである。なお、その他の構成については、図１及び図２と同様である。
【００３６】
実施の形態３に係る電源装置１ｂによれば、単位回路２ａの第１コンデンサ６ａを電源として単位回路２の第１コンデンサ６に電力を供給することができる。つまり、一次電源３、３ａが無くても、単位回路２の第１コンデンサ６、単位回路２ａの第１コンデンサ６ａを充放電し、夫々の端子間電圧を調整することができる。従って、直列接続した単位回路２の第１コンデンサ６と単位回路２ａの第１コンデンサ６ａに容量バラツキがあって、充放電により、容量が小さい第１コンデンサ６または６ａの端子間電圧が過剰に上昇し、過電圧故障するのを防止することができる。
【００３７】
なお、前記においては、単位回路２と単位回路２ａを夫々一個ずつ接続して単位回路対を構成した場合について図示説明したが、この単位回路対を複数個接続して使用することも可能であることは当然である。
【００３８】
実施の形態４．
次に、実施の形態４に係る電源装置について説明する。図４は、実施の形態４に係る電源装置の電気回路図である。図４において、実施の形態４に係る電源装置１ｃは、図１に示す実施の形態１係る電源装置１に、同じく実施の形態１係る電源装置１を構成する単位回路２と同一の単位回路２ｍ、２ｎを複数個多段（図４では、２段）に設け、互いに接続して構成したものである。
【００３９】
即ち、一次電源３と第１及び第２半導体スイッチ４、５側に位置する単位回路２の第１入力側端子２Ｔ１、第２入力側端子２Ｔ４と、一次電源３と第１及び第２半導体スイッチ４、５から最も遠い側に位置する単位回路２ｎの第１出力側端子２ｎＴ２、第２出力側端子２ｎＴ５は、実施の形態１と同様の接続であり、単位回路２の第１出力側端子２Ｔ２、第２出力側端子２Ｔ５は、単位回路２ｍの第１入力側端子２ｍＴ１、第２入力側端子２ｍＴ４に夫々接続されている。また、単位回路２ｍの第１出力側端子２ｍＴ２、第２出力側端子２ｍＴ５は、単位回路２ｎの第１入力側端子２ｎＴ１、第２入力側端子２ｎＴ４に夫々接続されている。
【００４０】
実施の形態４に係る電源装置１ｃは、各単位回路２、２ｍ、２ｎの第１コンデンサ６、６ｍ、６ｎが、より一次電源３より遠い単位回路２ｍ、２ｎの一次電源の役割を果たす。そして、単位回路２の第２入力端子２Ｔ４に印加される矩形波電圧が、一次電源３より遠い側に位置する単位回路２ｍ、２ｎにより一次電源３寄りに位置する単位回路２、２ｍの第２コンデンサ９、９ｍを介して第２入力側端子２ｍＴ４、２ｎＴ４に入力される。
【００４１】
即ち、単位回路２の第２入力端子２Ｔ４に印加される矩形波電圧は、単位回路２ｍにより単位回路２の第２コンデンサ９を介して単位回路２ｍの第２入力側端子２ｍＴ４に入力され、単位回路２ｍの第２入力側端子２ｍＴ４に入力された矩形波電圧は、単位回路２ｎにより単位回路２ｍの第２コンデンサ９ｍを介して単位回路２ｎの第２入力側端子２ｎＴ４に入力される。それ以外は実施の形態１と同様の動作をする。
【００４２】
ただし、より一次電源３側に位置する単位回路の第１及び第２コンデンサには、より一次電源３より遠い位置に接続された単位回路の電流が加算されるため、より多くの電流が流れるという特性がある。なお、出力の取り出し口としては、単位回路２ｎの第１出力側端子２ｎＴ２のみではなく、単位回路２ｍの第１出力側端子２ｍＴ２、単位回路２の第１出力側端子２Ｔ２も利用できる。
【００４３】
実施の形態４に係る電源装置１ｃによれば、同等の定格の整流素子、巻線、コンデンサを含む単位回路を複数組み合わせているので、出力電流電圧の設定自由度の高い電源装置を構成することができる。
【００４４】
実施の形態５．
次に、実施の形態５に係る電源装置について説明する。図５は、実施の形態５に係る電源装置の電気回路図である。図５において、実施の形態５に係る電源装置１ｄは、実施の形態４に係る電源装置１ｃと同様に、図１に示す実施の形態１係る電源装置１に、同じく実施の形態１係る電源装置１を構成する単位回路２と同一の単位回路２ｍ、２ｎを複数個多段（図４では、２段）に設け、互いに接続構成したものであるが、次の点で実施の形態４に係る電源装置１ｃと異なっている。
【００４５】
即ち、単位回路２の第２出力側端子２Ｔ５と単位回路２ｍの第２入力側端子２ｍＴ４の接続を開放し、単位回路２ｍの第２入力側端子２ｍＴ４に第３及び第４半導体スイッチ４ｍ、５ｍを接続する。同様に、単位回路２ｍの第２出力側端子２ｍＴ５と単位回路２ｎの第２入力側端子２ｎＴ４の接続を開放し、単位回路２ｎの第２入力側端子２ｎＴ４に第５及び第６半導体スイッチ４ｎ、５ｎを接続する。
【００４６】
また、一次電源３側では、単位回路２の第１入力側端子２Ｔ１と第３入力側端子２Ｔ３、単位回路２ｍの第１入力側端子２ｍＴ１と第３入力側端子２ｍＴ３、単位回路２ｎの第１入力側端子２ｎＴ１と第３入力側端子２ｎＴ３の接続を夫々開放し、単位回路２の第１入力側端子２Ｔ１、単位回路２ｍの第１入力側端子２ｍＴ１、単位回路２ｎの第１入力側端子２ｎＴ１を夫々一次電源３の負極側（基準電位）に接続している。
【００４７】
前記構成の実施の形態５に係る電源装置１ｄにおいては、無負荷状態では、単位回路２の第１コンデンサ６と単位回路２ｍの第２コンデンサ９ｍの端子間電圧は一次電源３の端子間電圧の約２倍の電圧、単位回路２ｍの第１コンデンサ６ｍと単位回路２ｎの第２コンデンサ９ｎの端子間電圧は一次電源３の端子間電圧の約３倍の電圧、単位回路２ｎの第１コンデンサ６ｎの端子間電圧は一次電源３の端子間電圧の約４倍の電圧である。
【００４８】
また、負荷の接続先としては単位回路２ｎの第１出力側端子２ｎＴ２のみではなく、単位回路２ｍの第１出力側端子２ｍＴ２、単位回路２の第１出力側端子２Ｔ２も利用できる。単位回路２ｎの第１出力側端子２ｎＴ２から電力を取り出す場合は、第１半導体スイッチ４、第３半導体スイッチ４ｍ、第５半導体スイッチ４ｎ、及び第２半導体スイッチ５、第４半導体スイッチ５ｍ、第６半導体スイッチ５ｎを交互にスイッチングすることで、単位回路２ｍの第１コンデンサ６ｍから電力を取り出し、単位回路２ｍの第１出力側端子２ｍＴ２から電力を取り出す場合は、第１半導体スイッチ４、第３半導体スイッチ４ｍ、及び第２半導体スイッチ５、第４半導体スイッチ５ｍを交互にスイッチングすることで、単位回路２の第１コンデンサ６から電力を取り出す。なお、単位回路２の第１出力側端子２Ｔ２から電力を取り出す場合は、一次電源３から電力を取り出す。
【００４９】
実施の形態５に係る電源装置１ｄは、実施の形態４に係る電源装置１ｃと比較して、一次電源３より遠い位置に配置されている単位回路の第１及び第２コンデンサに流れる電流が、より一次電源３に近い単位回路に流れない反面、各単位回路の第１及び第２コンデンサには無負荷電圧に応じた耐圧が必要となる。また、単位回路ごとに２つの半導体スイッチを交互に導通制御する構成により、各単位回路の半導体スイッチとして同一の半導体スイッチを利用できる特徴がある。
【００５０】
更に、各単位回路２、２ｍ、２ｎの第１コンデンサ６、６ｍ、６ｎに流すリップル電流が問題にならない場合には、各単位回路２、２ｍ、２ｎの第１入力側端子２Ｔ１、２ｍＴ１、２ｎＴ１と基準電位の接続を抹消し、各単位回路２、２ｍ、２ｎの第３入力側端子２Ｔ３、２ｍＴ３、２ｎＴ３に接続することで各単位回路２、２ｍ、２ｎの第１コンデンサ６、６ｍ、６ｎの耐圧を統一してもよい。
【００５１】
また、各単位回路２、２ｍ、２ｎごとに設けた半導体スイッチ４、５、４ｍ、５ｍ、４ｎ、５ｎを分ける方が不利となる仕様では、単位回路２ｍの第３半導体スイッチ４ｍ、第４半導体スイッチ５ｍ、単位回路２ｎの第５半導体スイッチ半導体スイッチ４ｎ、第６半導体スイッチ５ｎ、及び単位回路２ｍの第２入力側端子２ｍＴ４、単位回路２ｎの第２入力側端子２ｎＴ４への配線を抹消し、実施の形態４のような接続にし、半導体スイッチの数を減らし、併せて各単位回路２、２ｍ、２ｎの第２コンデンサ９、９ｍ、９ｎの耐圧を統一してもよい。
【００５２】
以上のように、実施の形態５に係る電源装置１ｄによれば、実施の形態４と同様に、同等の定格の整流素子、巻線、コンデンサを含む単位回路を複数組み合わせているので、出力電流電圧の設定自由度の高い電源装置を構成することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ  電源装置
２、２ａ、２ｍ、２ｎ、６１、６１ａ、６１ｂ  単位回路
２Ｔ１、２ａＴ１、２ｍＴ１、２ｎＴ１、６１Ｔ１、６１ａＴ１、６１ｂＴ１  第１入力側端子
２Ｔ４、２ａＴ４、２ｍＴ４、２ｎＴ４、６１Ｔ２、６１ａＴ２、６１ｂＴ２  第２入力側端子
２Ｔ３、２ａＴ３、２ｍＴ３、２ｎＴ３、  第３入力側端子
２Ｔ２、２ａＴ２、２ｍＴ２、２ｎＴ２、６１Ｔ３、６１ａＴ３、６１ｂＴ３  第１出力側端子
２Ｔ５、２ａＴ５、２ｍＴ５、２ｎＴ５、６１Ｔ４、６１ａＴ４、６１ｂＴ４  第２出力側端子
３、６６  一次電源（直流電圧源）
４、４ａ、６７  第１半導体スイッチ
５、５ａ、６８  第２半導体スイッチ
４ｍ  第３半導体スイッチ
５ｍ  第４半導体スイッチ
４ｎ  第５半導体スイッチ
５ｎ  第６半導体スイッチ
６、６ａ、６ｍ、６ｎ、６２、６２ａ、６２ｂ  第１コンデンサ
７  第１整流素子
８  第２整流素子
９、９ａ、９ｍ、９ｎ、６３、６３ａ、６３ｂ  第２コンデンサ
１０、１０ａ  第１巻線
１１、１１ａ  第２巻線
６０  コッククロフト・ウォルトン回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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