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平成 16 年電気学会産業応用部門大会

高電圧パルス電源における多重トランスの巻線構造と出力特性に関する検討
前岡宏信＊

野口季彦（長岡技術科学大学）

Study on Windings Structure and Output Characteristics of Multiple Transformers in High-Voltage Pulse Power Supply
Hironobu Maeoka, and Toshihiko Noguchi (Nagaoka University of Technology)
In this paper, a high-voltage pulse power supply is developed to decompose NOx in engine exhaust gas. Multiple
transformers are employed to generate 10-kV pulse, of which rise time is only 100 (ns). Toroidal ferrite cores andtwo types of the winding structures are used in the transformers. Output characteristics of the pulse power supply
are dependent on turn ratio of each transformer and multiple count of the transformers. Also, the winding
structures affect the peak voltage and rise time of the high-voltage output pulse.
キーワード：高電圧パルス電源，多重トランス，巻線，トロイダルコア，排ガス処理
Keywords：High-voltage pulse power supply, multiple transformers, windings, toroidal core, exhaust gas treatment

トランスの段数である。各トランスにはトロイダルフ

1. はじめにエンジンの排気ガスに含まれる NOx を分解する手法として，100 (ns)以内で立ち上がる 10 (kV)以上の高電圧パルスを印加することによりプラズマを発生させるものが知られている。この目的のため，筆者らは一ェライトコア（TDK 製 HC10）を使用して漏れインダクタンスの低減を図る。ここで，二次巻線を図 2(a)のように全てのコアを共通に貫通させた場合と，(b)のように各コアにそれぞれ巻き付けて直列接続した場合の 2 種類

次巻線を並列接続し，二次巻線を直列接続した多重ト

1 ：2ランス構成をもつ高電圧パルス電源装置を開発した。
1 : 50

多重トランスにはトロイダルコアを利用して巻線構造を工夫することにより，配線インダクタンスを低減し

V2

Tr1

Tr2…

Tr1

Tr3 … Tr10Tr2

装置全体の小型化を実現した。
本稿では，多重トランスの二次巻線を各コアに巻きV1付けて直列接続する構成と，全てのコアを共通に貫通Q2

Tr3Q1・・する構成について出力パルス電圧の立ち上がり時間と昇圧比を実験的に比較評価し，後者の有効性を確認したので報告する。

・Q3Rec1
Tr101200V - 100A IGBT
Q1100V - 60A M O S F E T
Q 2 ，Q 3
1 2 0 0 V - 1 5 A D io d e B r idge
Rec1T r1 〜 1 0 一 次 側 1 0 並 列 ， 二 次 側 1 0 直 列
V 1=10 (V), V 2=500 (V), V 3＝ 1 0 ( k V )2. 高電圧パルス電源の構成と制御法
図１に高電圧パルス電源の主回路構成を示す。昇圧は 2 段階に分けて行っており，前段では 1 (kHz)で動作

図１

主回路の構成Fig. 1. Configuration of power circuit.

するプッシュプルコンバータを用いて入力電圧を 50倍にする。後段では一次巻線を並列接続，二次巻線を直列接続した多重トランスと高速スイッチング素子
Q1 を用いて高電圧パルスを発生させている。Q1 は周期1 (ms)，パルス幅 200 (ns)でスイッチングする。高電圧
パルスの波高値は各トランスの巻数比ならびにトランスの段数によって決定される。これを式で表わすと(1)のようになる。

V2 = V1N 2 ････････････････････････････････ (1)nN1

ただし，N1 は一次側の巻数，N2 は二次側の巻数，n は［I - 487］(a)(b)
図２二次巻線の構成

Fig. 2. Secondary windings structure.

V31-101

平成 16 年電気学会産業応用部門大会

で実験を行った。高電圧パルス電源装置としての体格

Fig. 2(a)Fig. 2(b)12は，図 2(a)の構成で直径 100 (mm)，高さ 130 (mm)の円筒形となり，図 2(b)の構成では直径 130 (mm)，高さ 130

103. 実験結果
トランスの一次電圧を 400 (V)，一次側巻数を 4 として，トランスの段数を 10 段，二次側巻数を 4，6，8，10と変化させて，パルス電圧波高値と立ち上がり時間の特性を調べた。図３は二次側電圧波高値を示しており，全てのコアを共通に貫通する構成の方が各コアに巻き付Secondary voltage (kV)(mm)の立方体となった。
8642けて直列接続する構成より，1 (kV)高い電圧を出力することができる。図４は二次側電圧立ち上がり時間の変化0を示しており，前者の方が後者より 30 (ns)立ち上がり時24間が短い出力パルス電圧を得られる。図４より出力パルスの立ち上がり時間は巻数に大きく依存し，巻数が半分

図３になると立ち上がり時間も半減することがわかる。

68Secondary winding (turn)

1012二次側電圧波高値の変化

Fig. 3. Peak secondary-voltage characteristics.

例として図 2(a)の巻線構造を採用した場合の一次電圧と二次電圧を図５に示す。このように 8 (kV)の波高値をもった出力パルス電圧が 110 (ns)で立ち上がっている。

4. トランスの巻数比と巻き方に関する検討

それに伴って立ち上がり時間が長くなる。これは巻数を多くすると各トランスの漏れ磁束の総和が大きくなる

Rise time (ns)ンスの巻数を多くするほど高い二次電圧を得られるが，Fig. 2(a)160

Fig. 2(b)140

本方式を用いるとトランスの巻数比によって出力波形の特性が変化する。図３，図４からわかるようにトラ

1801201008060ためで，出力パルス電圧の立ち上がりが遅くなる。また，40トランスの二次巻線も長くなるため漏れインダクタンスが増加する。実際の設計ではトランスの漏れインダク20タンスのために，目標とする出力パルス電圧の波高値や02立ち上がり時間を満足することは困難である。しかし，トロイダルコアは巻き方が簡単であるため特性のばら

図4つきが少なく，コアを密接して配置することにより漏れインダクタンスを低減することができる。さらに，巻数468
Secondary winding (turn）

1012

二次側電圧立ち上がり時間の変化

Fig. 4. Rise time characteristics of secondary voltage.とトランスの段数を変えるだけ出力特性を容易に予想することができる。

5. まとめ
本稿では，多重トランスの二次巻線を各コアに巻き付けて直列接続する構成と，全てのコアを共通に貫通する構成について出力パルス電圧の立ち上がり時間と昇圧比を実験的に比較した。後者は漏れインダクタンスを低減し高電圧パルスの高速な立ち上がりを実現できた。

文献(1) 高橋：「次々世代スイッチング電源の開発」H15 電学全大，36(2) 前岡・野口：「小型 10kV パルス電源の開発」H15 電学北陸支大，34(3) 前岡・野口：「高電圧パルス電源の出力特性と昇圧トランスの構成に関する検討」H15 年電学全大，4-024，2004

図5

一次電圧と二次電圧の波形（図２(a)の場合）

Fig. 5. Primary and secondary voltages (in case of Fig. 2(a)).

［I - 488］