(57)【要約】【課題】出力電圧パルスの波高値とパルス幅を安定して制御し、かつ、負荷の異常時に安全性を確保すること。【解決手段】昇圧トランス（３）と、直流電源（１）および昇圧トランスの１次巻線（３ｂ）間を接続するラインに直列に挿入したスイッチング素子（４）および第１の抵抗（２）と、前記スイッチング素子（４）を駆動する駆動手段（４１）と、直列接続したダイオード（５）および第２の抵抗（６）よりなり、前記ダイオード（５）のカソードに直流電源のプラス電圧が印加される向きにして前記１次巻線（３ａ）に並列に接続した直列回路（５、６）と、上記昇圧トランス（３）の一次巻線（３ａ）もしくは２次巻線（３ｂ）の電流を検出する電流検出手段（４２）とを備える。この電流検出手段（４２）の検出信号が過電流レベル（ＯＣ１）を上回るとき、前記駆動手段（４１）により、前記スイッチング素子（４）をオフにする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
昇圧トランスと、直流電源および昇圧トランスの１次巻線間を接続するラインに直列に挿入したスイッチング素子および第１の抵抗と、前記スイッチング素子を駆動する駆動手段と、直列接続したダイオードおよび第２の抵抗よりなり、前記ダイオードのカソードに直流電源のプラス電圧が印加される向きにして前記１次巻線に並列に接続した直列回路と、上記昇圧トランスの一次巻線もしくは２次巻線の電流を検出する電流検出手段とを備え、
前記電流検出手段の検出信号が過電流レベルを上回るとき、前記駆動手段により、前記スイッチング素子をオフにすることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
上記電流検出手段に替え、上記２次巻線の電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記電圧検出手段の検出信号が過電圧レベルを上回るとき、前記駆動手段により、前記スイッチング素子をオフにする請求項１記載の電源装置。
【請求項３】
上記２次巻線に接続される負荷の容量成分を充電する電流が、上記昇圧トランスの励磁インダクタンスに流れる電流より早く立ち上がるように上記第１の抵抗の抵抗値を選定する請求項１または２に記載の電源装置。
【請求項４】
上記励磁インダクタンスに流れる電流の増加に伴い、上記第１の抵抗による電圧降下が増大し、上記昇圧トランスの１次巻線への印加電圧が、上記２次巻線に接続された負荷の容量に充電された電圧の１次換算値より小さくなり、出力電圧の低下が始まる時に、上記駆動手段が上記スイッチング素子をオフする請求項１〜３のいずれかに記載の電源装置。
【請求項５】
上記ダイオードのカソードと上記昇圧トランスの１次巻線間にインダクタを接続した請求項１〜４のいずれかに記載の電源装置。
【請求項６】
上記インダクタに替え、上記昇圧トランスの漏れインダクタンスを宛がうことで前記インダクタを省略した請求項５記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高電圧パルスの印加によりパルスストリーマ放電を発生させて殺菌等を行なう装置に使用可能な高電圧パルス発生用電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の高電圧パルス発生用電源装置として昇圧トランスの１次巻線に電流を流して電磁エネルギーを蓄積し、その電流を遮断することによる巻線の反発電圧を２次巻線に伝えて高電圧パルスを得る方法が種々考案されている。以下にこれら従来例の構成と動作を図面を用いて説明する。
【０００３】
図１５は従来の電源装置の構成図で、直流電源１、１次巻線３ａ、２次巻線３ｂを有する昇圧トランス３、直流電源１より１次巻線３ａへ断続して電流を流すためのスイッチング素子４、スイッチング素子４と並列に接続されたダイオード５、当該電源装置に接続される負荷７、２次巻線３ｂと負荷７との間に挿入されたインダクタ８、負荷７と並列に接続されたコンデンサ９および前記スイッチング素子４をスイッチング駆動する信号を生成する駆動回路４１を備える。前記負荷７はパルスストリーマ放電をさせる電極構造を有し、電気的には主に静電容量の特性を示す。
【０００４】
以上の構成において、その動作を説明する。スイッチング素子４が駆動回路４１からのスイッチング素子駆動信号によりオンになると、直流電源１から昇圧トランス３の１次巻線３ａに図１６に示すような概略直線状に増加する電流が流れ、前記１次巻線３ａに電磁エネルギーが蓄積される。
【０００５】
次に駆動手段４１からのスイッチング素子駆動信号により、スイッチング素子４がオフになると、前記１次巻線３ａに反発電圧が発生する。それが昇圧トランス３の巻線比に応じて２次巻線３ｂに伝達され、２次巻線３ｂに高い電圧が発生する。これを励振源としてインダクタ８、コンデンサ９で共振が起こり、図１６に示すようなピークが高く、幅の狭いパルス電圧が発生し、これが負荷７に印加されることとなる。
【０００６】
この２次側の共振により、再度昇圧トランス巻線３ａ、３ｂの電圧極性が反転して１次巻線３ａの電圧が直流電源１の電圧を超えるとダイオード５が導通し、直流電源１にエネルギーが回生される。
【０００７】
２次側の共振により以上のような動作が繰返される結果、ダイオード５には図１６に示すような回生電流が流れる。これらの基本動作をもとに、さらに出力電圧パルスの立ち上がり速度を上げるために、図１７のように２次側の回路に高圧スイッチ１０を設け、コンデンサ９の電圧がピークに達した瞬間に高耐圧スイッチ１０を導通させて負荷７に電圧パルスを印加する方法が考案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−２２４１８７公報「パルス電源装置」（請求項１、図１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前記従来の構成では、出力電圧のピークはスイッチング素子４をオフした直後に発生するが、その波高値はスイッチング素子４のオフ時の速度に大きく依存するため、スイッチング素子４の部品ばらつきの影響を受けやすいという課題を有していた。
【００１０】
また、出力電圧のパルス幅は２次側の共振時定数に依存するためパルス幅の制御ができないという課題をも有していた。
【００１１】
また、スイッチング素子４のオフ時に昇圧トランス３の漏れインダクタンスにより大きなサージ電圧が発生し、それがスイッチング素子４に印加されるためスイッチング素子４に高耐圧が必要になるとともに、スイッチングノイズが大きくなるという課題も有していた。
【００１２】
特許文献１の例では２次側回路に高耐圧のスイッチング素子が必要となり、装置の大型化、コストアップにつながるという課題も有していた。
【００１３】
負荷の短絡時や開放時には過電流や過電圧が発生してスイッチング素子の破壊および絶縁を脅かすといった課題があった。
【００１４】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、出力電圧の波高値およびパルス幅の制御が容易で、安定した出力電圧パルスを得ることができ、更に電流容量、耐圧の比較的小さなスイッチング素子を使用でき、かつ過大電流などにも安全性を確保できる電源装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の電源装置は、昇圧トランスと、直流電源および昇圧トランスの１次巻線間を接続するラインに直列に挿入したスイッチング素子および第１の抵抗と、前記スイッチング素子を駆動する駆動手段と、直列接続したダイオードおよび第２の抵抗よりなり、前記ダイオードのカソードに直流電源のプラス電圧が印加される向きにして前記１次巻線に並列に接続した直列回路と、上記昇圧トランスの一次巻線もしくは２次巻線の電流を検出する電流検出手段とを備える。この電流検出手段の検出信号が過電流レベルを上回るとき、前記駆動手段により、前記スイッチング素子をオフにする。
【００１６】
このような構成であれば、前記スイッチング素子の導通中に出力電圧がピークまで立ち上がり、その後自然に減少するため、スイッチング素子のオン幅で出力電圧パルスの波高値およびパルス幅が制御可能となり、特性の安定化、異常時の遮断等の安全設計が容易となると同時に、負荷の短絡時にはスイッチング素子がオフにされる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について図面に基づき説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における電源装置１００の構成図である。図１において、直流電源１のプラス端子は、抵抗２（第１の抵抗に相当）を介して、昇圧トランス３の１次巻線３ａの一端に接続され、そして、直流電源１のマイナス端子は、マイナス側のライン電流を検出する電流検出回路４２およびこのラインを断続するためのスイッチング素子４を介して前記１次巻線３ａの他端に接続しており、直流電源１、抵抗２、昇圧トランス３の１次巻線３ａ、スイッチング素子４、電流検出回路４２がループ状に接続される。
【００１８】
そして、ダイオード５のカソードは、前記昇圧トランス３の１次巻線３ａの１端で前記抵抗２が接続された側（プラス側のライン）に接続され、前記ダイオード５のアノードは抵抗６（第２の抵抗に相当）を通じて、前記昇圧トランス３の１次巻線３ａの他端で前記スイッチング素子４に接続された側（マイナス側のライン）に接続される。さらに前記昇圧トランス３の２次巻線３ｂには電源装置１００の負荷７に相当するパルスストリーマ放電電極が接続される。
【００１９】
更に、過電流判定回路４３は、電流検出回路４２で検出された信号（電流値を電圧変換した信号）と、基準回路よりの基準電圧（過電流防止レベル“ＯＣ１”を電圧変換したもの）との比較により、過電流を判定して所定の信号を出力する。その信号をラッチしたラッチ回路４４は、駆動回路４１にトリガ信号を供給する。前記駆動回路４１はそのトリガ信号により、前記スイッチング素子４をオフ状態にする。解除信号出力回路４５は、前記ラッチ回路４４でのラッチをクリアにして、前記オフ状態を解除するための解除信号を供給する。
【００２０】
以上の構成において、その動作を図２の波形図を用いて説明する。まず駆動回路４１からのオン信号に基づきスイッチング素子４がオンすると、直流電源１から負荷７の容量を充電する電流と、昇圧トランス３の励磁インダクタンスに流れる電流が抵抗２を介して供給される。
【００２１】
前記負荷７の容量成分を充電する電流は、概略負荷容量の１次換算値と抵抗２の積で表される時定数に基づいて増加する。一方、昇圧トランス３の励磁インダクタンスに流れる電流はスイッチング素子４のオンと同時に０から概略直線的に増加する。ここで、前記負荷容量成分を充電する電流が、前記励磁インダクタンスに流れる電流よりも速く立ち上がるように抵抗２の抵抗値を選定することにより、負荷７に印加される出力電圧の立ち上がりを速くすることができる。
【００２２】
前記励磁インダクタンスに流れる電流が増加すると、抵抗２による電圧降下が増加し、昇圧トランス３の１次巻線３ａの電圧が、負荷７の容量に充電された電圧の１次換算値より小さくなり、負荷容量の電圧、すなわち出力電圧の低下が始まる（時点ｔ）。
【００２３】
この直後にスイッチング素子４をオフすると、前記励磁インダクタンスに流れていた電流は、抵抗６、ダイオード５に環流し、やがて０となる。その後、昇圧トランス３の２次巻線３ｂと負荷７の容量の共振により、図２に示すような共振が発生し、そのエネルギーは主として抵抗６で消費されながら減衰することとなる。
【００２４】
以上の一連の動作によりパルス幅が１μｓ程度の高電圧パルス出力を得ることができる。なお、図２に示した波形は、直流電源１の電圧が２８０Ｖ（ＡＣ１００Ｖを倍電圧整流したもの）、抵抗２の抵抗値が１５Ω、昇圧トランス３の巻線比が１／３０、同励磁インダクタンスが２７μＨ、負荷７の容量が３７ｐＦ、抵抗６の抵抗値が４．７Ωの場合の例である。
【００２５】
ここで、スイッチング素子４のオン幅を図２よりも小さくした場合の波形を図３に示す。基本動作は同様であるが、スイッチング素子４のオフと同時に直流電源１からのエネルギー注入が停止するため、出力電圧パルスの波高値およびパルス幅がともに図２の場合より小さくなる。
【００２６】
このように、正常時の動作においては、スイッチング素子４のスイッチング速度に依存しない出力電圧パルスが得られ、スイッチング素子４のオンパルス幅を制御することで、出力電圧パルスの波高値およびパルス幅を制御することができる。また、第１の抵抗２によって直流電源１から供給される電流を抑制できるため、スイッチング素子４の電流容量低減、負荷短絡時の保護が容易となる。
【００２７】
一方、電源装置１００において負荷７に短絡が発生した時の動作波形を図４に示している。負荷７に相当するパルスストリーマ放電電極が経年変化や異物の挟み込み等により短絡状態となった場合を想定したものである。負荷７の短絡時にはスイッチング素子４を流れる１次電流ピークは、図２、図３に示される負荷７の正常時の前記１次電流ピークＩ１よりも大きくなる。
【００２８】
ここで、電流検出回路４２よりの検出信号が過電流防レベルＯＣ１を上回るようになると、過電流判定回路４３より所定の信号が出力され、これがラッチ回路４４でラッチされると、このラッチ回路４４は駆動回路４１にトリガ信号を出力し、これにより、スイッチング素子４はオフにされる。
【００２９】
上記の短絡状況が解消されれば、改修解除信号出力回路４５より出力される解除信号によって、前記ラッチ回路４４でラッチしたデータをクリアにして、スイッチング素子４をオンに復帰できる。
【００３０】
このように、負荷７の短絡を検知し、図４に示したように瞬時に駆動手段４１の出力を停止して、スイッチング素子４を一時的にオフにできるので負荷７の短絡時に安全性を確保できる。また、短絡発生時にスイッチング素子４に流れる１次電流が抑制されることで、スイッチング素子４の電流容量を低減できる。
【００３１】
さらに、抵抗６とダイオード５による電流環流経路があるため、スイッチング素子４のオフ時のサージ電圧を抑制でき、スイッチング素子４に特別な高耐圧を必要とせず、不要輻射も低減できる。また、スイッチング素子４をオフすることにより、出力電圧上昇を抑えることができるため、保護制御が容易となる。
【００３２】
なお、本実施の形態では昇圧トランス３の１次巻線３ａと２次巻線３ｂの極性を同極性（図中に付した黒丸が同一側にある）としたが、図１５にあるように逆極性であってもよい。また、スイッチング素子４は双方向スイッチとしたが、昇圧トランス３から直流電源１へ導通する片方向スイッチでもよい。
【００３３】
また、図１の電源装置１００では、プラス側ラインに抵抗２を、マイナス側ラインにスイッチング素子４を挿入したが、プラス側ラインにスイッチング素子４を、マイナス側ラインに抵抗２を挿入してもよく、また、いずれか一方のラインにスイッチング素子４および抵抗２を直列にして挿入してもよい。更に、ダイオード５および抵抗６による直列回路は、図中、上側にダイオード５が、下側に抵抗６が位置するが、上下の位置が反転しても差し支えない。
【００３４】
（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２における電源装置２００の構成図である。図５において図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。図１の１次側に備えた電流検出回路４２に替えて、図５では、昇圧トランス３の２次巻線３ｂの出力電圧を検出する電圧検出回路４６を備える。過電圧判定回路４７は、前記電圧検出回路４６で検出した電圧信号と、基準回路よりの基準電圧（過電圧防止レベル“ＯＶ”）との比較により、過電圧を判定する。
【００３５】
この電源装置２００において、負荷７が正常の場合の動作は、図１の電源装置１００の場合と同じである。
【００３６】
一方、この電源装置２００の負荷７が開放された時の動作波形を図６に示している。この負荷７の開放は、パルスストリーマ放電電極と昇圧トランス３の２次巻線３ｂの出力端７ａ、７ｂと負荷７とを接続するラインの一方、もしくは双方が断線した時を想定したものである。
【００３７】
負荷７の開放時には昇圧トランス３の２次巻線３ｂに印加される出力電圧ピークは、図２、図３に示される負荷７の正常時に印加される前記出力電圧ピークＶｏ１、Ｖｏ２よりも高くなる。ここで電圧検出回路４６により検出された信号が、過電圧防止レベルＯＶ（＞Ｖｏ１＞Ｖｏ２）を超えると、過電圧判定回路４７はラッチ回路４４に所定の信号を出力し、その信号をラッチしたラッチ回路４４は、駆動回路４１にトリガ信号を出力することにより、前記スイッチング素子４をオフ状態にする。
【００３８】
このように、昇圧トランス３の２次巻線３ｂの出力電圧を検出することで負荷７の開放を検知でき、図６に示すように瞬時にスイッチング素子４をオフできるので負荷７の開放時に安全性を確保できる。
【００３９】
上記の開放状態が解消されれば、改修解除信号出力回路４５より出力される解除信号によって、前記ラッチ回路４４でラッチしたデータをクリアにして、スイッチング素子４をオンに復帰できる。
【００４０】
（実施の形態３）
図７は本発明の実施の形態３における電源装置３００の構成図である。図７において図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。図１にて１次側に備えていた電流検出回路４２に替え、図７では、昇圧トランス３の２次側に電流検出回路４８を設けている。そして、過電流判定回路４９は、電流検出回路４８で検出された信号（電流値を電圧変換した信号）と、基準回路よりの基準電圧（過電流防止レベル“ＯＣ２”を電圧変換したもの）との比較により、過電流を判定する。
【００４１】
この電源装置３００において、負荷７が正常の場合の動作は、図１の電源装置１００の場合と同じである。
【００４２】
一方、この電源装置３００にて負荷７に相当するパルスストリーマ放電電極に、異常放電状態が発生した時の動作波形を図８に示している。この場合、図８において、負荷７のアーク放電時に負荷７を流れる出力電流ピークは図２、図３に示される負荷７の正常時の前記出力電流ピークＩｏ１、Ｉｏ２よりも大きくなる。
【００４３】
ここで、電流検出回路４８により検出された信号が、過電流防止レベルＯＶ２（＞Ｉｏ１＞Ｉｏ２）を超えると、過電流判定回路４９はラッチ回路４４に所定の信号を出力し、その信号をラッチしたラッチ回路４４は、駆動回路４１にトリガ信号を出力することにより、前記スイッチング素子４をオフ状態にする。
【００４４】
上記の異常放電が解消されれば、改修解除信号出力回路４５より出力される解除信号によって、前記ラッチ回路４４でラッチしたデータをクリアにして、スイッチング素子４をオンに復帰できる。
【００４５】
このように、負荷７を流れる出力電流を検出することで、負荷７の異常放電状態であるアーク放電を検知でき、図８に示すように即時にスイッチング素子４をオフできるので負荷７のアーク放電時に安全性を確保できる。
【００４６】
（実施の形態４）
図９、図１０、図１１は本発明の実施の形態４における電源装置３００、４００、５００の構成図である。図９、図１０、図１１において図１、図５、図７と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００４７】
これらの電源装置３００、４００、５００では、ダイオード５のカソードと昇圧トランス３の１次巻線３ａ間にインダクタ８が挿入されている。このような構成とすることにより、スイッチング素子４をオンした時にインダクタ８と負荷７などの負荷容量との間で共振が起こり、出力電圧の波高値をより高くすることが可能となる。
【００４８】
（実施の形態５）
図１２、図１３、図１４は本発明の実施の形態５における電源装置７００、８００、９００の構成図である。図１２、図１３、図１４において図９、図１０、図１１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００４９】
電源装置７００、８００、９００においては、ダイオード５のカソードと昇圧トランス３の１次巻線３ａ間に挿入していた（図９、図１０、図１１中の）インダクタンス８に替え、昇圧トランス３の１次漏れインダクタンスを宛てがうようにしたものであり、回路の接続構としては、それぞれ図１、図７、図９と同じである。このためインダクタ８の設置を省略でき、装置の小型化、コストダウンが可能となる。
【００５０】
【発明の効果】
以上のように、本発明の電源装置によれば、出力電圧の波高値およびパルス幅の制御が容易となり、安定した出力電圧パルスを得ることができる。また、電流容量、耐圧の比較的小さなスイッチング素子が使用可能となり、装置の小型化、コストダウンができる。さらに、スイッチング素子のスイッチング時の不要輻射を低く抑えることができる。さらに負荷の異常を検知し即時遮断することで安全性を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における電源装置の構成図
【図２】本発明の実施の形態１における電源装置の各部動作波形図
【図３】本発明の実施の形態１における電源装置の異なる条件下の各部動作波形図
【図４】本発明の実施の形態１における電源装置の過電流保護が動作した時の各部動作波形図
【図５】本発明の実施の形態２における電源装置の構成図
【図６】本発明の実施の形態２における電源装置の過電圧保護が動作した時の各部動作波形図
【図７】本発明の実施の形態３における電源装置の構成図
【図８】本発明の実施の形態３における電源装置の過電流保護が動作した時の各部動作波形図
【図９】本発明の実施の形態４における電源装置の構成図
【図１０】本発明の実施の形態４における電源装置の構成図
【図１１】本発明の実施の形態４における電源装置の構成図
【図１２】本発明の実施の形態５における電源装置の構成図
【図１３】本発明の実施の形態５における電源装置の構成図
【図１４】本発明の実施の形態５における電源装置の構成図
【図１５】従来の電源装置の構成図
【図１６】従来の電源装置の各部動作波形図
【図１７】従来の電源装置の異なる構成図
【符号の説明】
１  直流電源
２  抵抗
３  昇圧トランス
３ａ  １次巻線
３ｂ  ２次巻線
４  スイッチング素子
５  ダイオード
６  抵抗
７  負荷
７ａ、７ｂ  ２次巻線の出力端
８  インダクタ
９  コンデンサ
１０  高耐圧スイッチ
４１  駆動回路
４２  電流検出回路
４３  過電流判定回路
４４  ラッチ回路
４５  解除信号
４６  電圧検出回路
４７  過電圧判定回路
４８  電流検出回路
４９  過電流判定回路
１００〜９００  電源装置
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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