JP2007037268A - Dc high-voltage power supply device and its operation method - Google Patents

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勝 濱野
Keizo Akita
啓三 穐田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a DC high-voltage power supply device that can easily raise an operation frequency, whereby can reduce a capacity of a capacitor that constitutes a Cockcroft-Walton circuit, and furthermore can reduce the size of the Cockcroft-Walton circuit. <P>SOLUTION: This DC high-voltage power supply device comprises an air core transformer 4a that operates as a boosting transformer, and the Cockcroft-Walton circuit 10a that boosts and rectifies the secondary voltage V<SB>2</SB>of the transformer. Furthermore, the power supply device forms a parallel resonance circuit that resonates at the frequency f of AC power fed to a primary winding 6 by using the inductance L<SB>2</SB>of a secondary winding 8 of the air core transformer 4a and stray capacitance C<SB>s</SB>that is generated by the Cockcroft-Walton circuit 10a and electrically connected to the secondary winding 8 in parallel therewith. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

この発明は、例えば電子線照射装置、イオン注入装置、荷電粒子加速器等に用いられる直流高圧電源装置およびその運転方法に関し、特に、コッククロフト・ワルトン回路を備える直流高圧電源装置およびその運転方法に関する。   The present invention relates to a DC high-voltage power supply device used for, for example, an electron beam irradiation apparatus, an ion implantation apparatus, a charged particle accelerator, and the like and an operation method thereof, and more particularly, to a DC high-voltage power supply device including a Cockcroft-Walton circuit and an operation method thereof.

この種の従来の直流高圧電源装置は、鉄心入りの昇圧変圧器と、この昇圧変圧器の２次巻線から出力される交流電圧の昇圧および整流を行うコッククロフト・ワルトン回路とを備えている（例えば非特許文献１の７頁参照）。   This type of conventional DC high-voltage power supply device includes a step-up transformer containing an iron core, and a Cockcroft-Walton circuit that performs step-up and rectification of an AC voltage output from the secondary winding of the step-up transformer ( For example, see page 7 of Non-Patent Document 1.)

コッククロフト・ワルトン回路は、よく知られているように、複数のコンデンサと複数の整流器とを組み合わせて、交流電圧から直流高電圧を発生させる回路である。   As is well known, the Cockcroft-Walton circuit is a circuit that generates a DC high voltage from an AC voltage by combining a plurality of capacitors and a plurality of rectifiers.

日新電機技報、日新電機株式会社、１９９５年７月３１日、第４０巻、第２号、頁３−１０Nissin Electric Technical Report, Nissin Electric Co., Ltd., July 31, 1995, Vol. 40, No. 2, pp. 3-10

上記のような直流高圧電源装置を小型化するには、コッククロフト・ワルトン回路を構成するコンデンサの静電容量を小さくすること（即ち低容量化）が要点の一つである。   In order to reduce the size of the DC high-voltage power supply device as described above, one of the main points is to reduce the capacitance of the capacitors constituting the Cockcroft-Walton circuit (that is, to reduce the capacitance).

昇圧変圧器の１次巻線に入力される交流電力の周波数（以下これを「運転周波数」と呼ぶ）を高くすると、コッククロフト・ワルトン回路における出力電圧特性の低下を抑えつつ（即ち、電圧降下やリップル電圧を小さく抑えつつ）、コンデンサの静電容量を小さくすることが可能であるけれども、運転周波数を高くすると、昇圧変圧器の鉄心における損失が大きくなると共に、巻線と鉄心間の静電容量も無視できなくなり、昇圧変圧器の容量増大を招くので、運転周波数を高くすることは容易ではない。そのために、従来は、前記非特許文献１にも記載されているように、運転周波数を例えば１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度と低くしており、コンデンサの静電容量を例えば０．０１μＦ〜０．１μＦと大きくしていた。   When the frequency of the AC power input to the primary winding of the step-up transformer (hereinafter referred to as “operation frequency”) is increased, a decrease in output voltage characteristics in the Cockcroft-Walton circuit is suppressed (ie, voltage drop or Although it is possible to reduce the capacitance of the capacitor while keeping the ripple voltage small, increasing the operating frequency increases the loss in the core of the step-up transformer and the capacitance between the winding and the core. However, it is not easy to increase the operating frequency because it increases the capacity of the step-up transformer. Therefore, conventionally, as described in Non-Patent Document 1, the operating frequency is reduced to about 1 kHz to 10 kHz, for example, and the capacitance of the capacitor is increased to, for example, 0.01 μF to 0.1 μF. Was.

そこでこの発明は、運転周波数を高くすることが容易であり、それによってコッククロフト・ワルトン回路を構成するコンデンサの低容量化ひいてはコッククロフト・ワルトン回路の小型化が可能な直流高圧電源装置およびその運転方法を提供することを主たる目的としている。   Accordingly, the present invention provides a DC high-voltage power supply apparatus and an operation method thereof that can easily increase the operating frequency, thereby reducing the capacity of the capacitor constituting the cockcroft-Walton circuit and thus reducing the size of the cockcroft-Walton circuit. The main purpose is to provide.

この発明に係る直流高圧電源装置は、１次巻線および２次巻線を有していて、１次巻線に交流電力が供給される昇圧変圧器と、前記昇圧変圧器の２次巻線に接続されていて、当該２次巻線から出力される交流電圧の昇圧および整流を行うコッククロフト・ワルトン回路とを備える直流高圧電源装置であって、前記昇圧変圧器として、鉄心を有していない空心変圧器を用いており、かつ前記空心変圧器の２次巻線のインダクタンスと、前記コッククロフト・ワルトン回路が生じさせる浮遊容量であって前記２次巻線に電気的に並列接続された浮遊容量とを用いて、前記交流電力の周波数で共振する並列共振回路を形成していることを特徴としている。   A DC high-voltage power supply apparatus according to the present invention has a primary winding and a secondary winding, and a step-up transformer in which AC power is supplied to the primary winding, and a secondary winding of the step-up transformer And a Cockcroft-Walton circuit that boosts and rectifies the AC voltage output from the secondary winding, and does not have an iron core as the step-up transformer An air core transformer is used, and an inductance of the secondary winding of the air core transformer, and a stray capacitance generated by the cockcroft-Walton circuit and electrically connected in parallel to the secondary winding Is used to form a parallel resonant circuit that resonates at the frequency of the AC power.

上記直流高圧電源装置によれば、昇圧変圧器として空心変圧器を用いているので、運転周波数を高くしても、従来のような鉄心に起因する損失増大および当該変圧器の巻線−鉄心間の静電容量による容量増大を招かずに済む。   According to the DC high-voltage power supply device, since an air-core transformer is used as a step-up transformer, even if the operating frequency is increased, loss increases due to the iron core as in the past and between the winding and the iron core of the transformer It is not necessary to increase the capacity due to the electrostatic capacity.

また、空心変圧器は鉄心入り変圧器に比べて、通常は、１次巻線と２次巻線間の結合係数が小さいので、そのぶん２次巻線からの出力電圧（即ち２次電圧）が低くなる傾向にあるけれども、この発明では上記並設共振回路によって２次電圧を高くすることができる。   In addition, the air core transformer usually has a smaller coupling coefficient between the primary winding and the secondary winding than the transformer with iron core, so the output voltage from the secondary winding (that is, the secondary voltage) is likely. However, in the present invention, the secondary voltage can be increased by the parallel resonance circuit.

前記空心変圧器の２次巻線の非接地端に、接地電位部との間で静電容量を形成する静電容量補償板を接続しておいても良い。   A capacitance compensation plate that forms a capacitance with the ground potential portion may be connected to the non-ground end of the secondary winding of the air-core transformer.

この発明に係る直流高圧電源装置の運転方法は、１次巻線および２次巻線を有していて、１次巻線に交流電力が供給される昇圧変圧器と、前記昇圧変圧器の２次巻線に接続されていて、当該２次巻線から出力される交流電圧の昇圧および整流を行うコッククロフト・ワルトン回路とを備える直流高圧電源装置において、前記昇圧変圧器として、鉄心を有していない空心変圧器を用い、かつ前記空心変圧器の２次巻線のインダクタンスと、前記コッククロフト・ワルトン回路が生じさせる浮遊容量であって前記２次巻線に電気的に並列接続された浮遊容量とを用いて形成される並列共振回路において、前記交流電力の周波数で並列共振を生じさせた状態で、装置を運転することを特徴としている。   A method for operating a DC high-voltage power supply apparatus according to the present invention includes a step-up transformer having a primary winding and a secondary winding, and AC power is supplied to the primary winding, and the step-up transformer 2 A DC high-voltage power supply apparatus, which is connected to a secondary winding and includes a Cockcroft-Walton circuit that boosts and rectifies an AC voltage output from the secondary winding, has an iron core as the step-up transformer A non-air core transformer, and an inductance of the secondary winding of the air core transformer, and a stray capacitance generated by the cockcroft-Walton circuit and electrically connected in parallel to the secondary winding, In the parallel resonance circuit formed by using the above, the apparatus is operated in a state where parallel resonance is generated at the frequency of the AC power.

請求項１に記載の発明によれば、昇圧変圧器として空心変圧器を用いているので、運転周波数を高くしても、従来の鉄心入り変圧器のような鉄心に起因する損失増大および当該変圧器の巻線−鉄心間の静電容量による容量増大を招かずに済み、従って運転周波数を高くすることが容易である。その結果、コッククロフト・ワルトン回路を構成するコンデンサの低容量化が可能になり、ひいてはコッククロフト・ワルトン回路の小型化が可能になる。また、空心変圧器は鉄心を有していないので電気絶縁が容易となり、当該変圧器の構造の簡素化、小型・軽量化も可能になる。これらの結果、当該直流高圧電源装置の小型・軽量化が可能になる。   According to the first aspect of the present invention, since the air core transformer is used as the step-up transformer, even if the operating frequency is increased, the loss increase caused by the iron core, such as the conventional iron core-containing transformer, and the transformer Therefore, it is not necessary to increase the capacity due to the electrostatic capacity between the winding and the iron core of the machine, and it is easy to increase the operating frequency. As a result, it is possible to reduce the capacitance of the capacitor constituting the Cockcroft-Walton circuit, and consequently to reduce the size of the Cockcroft-Walton circuit. In addition, since the air-core transformer does not have an iron core, electrical insulation is facilitated, and the structure of the transformer can be simplified and reduced in size and weight. As a result, the DC high-voltage power supply device can be reduced in size and weight.

しかも、空心変圧器の結合係数の低下に伴う２次電圧の低下を、上記並列共振回路によって防止して、２次電圧を高くすることができる。   In addition, the secondary voltage can be prevented from being lowered by the parallel resonance circuit due to the reduction in the coupling coefficient of the air-core transformer, and the secondary voltage can be increased.

請求項２に記載の発明によれば、静電容量補償板によって、空心変圧器の２次巻線に電気的に並列接続される静電容量を調整することができるので、上記並列共振回路の共振周波数を調整することが容易になる。   According to the second aspect of the present invention, the capacitance that is electrically connected in parallel to the secondary winding of the air-core transformer can be adjusted by the capacitance compensation plate. It becomes easy to adjust the resonance frequency.

請求項３に記載の発明によれば、昇圧変圧器として空心変圧器を用いているので、運転周波数を高くしても、従来の鉄心入り変圧器のような鉄心に起因する損失増大および当該変圧器の巻線−鉄心間の静電容量による容量増大を招かずに済み、従って運転周波数を高くすることが容易である。その結果、コッククロフト・ワルトン回路を構成するコンデンサの低容量化が可能になり、ひいてはコッククロフト・ワルトン回路の小型化が可能になる。また、空心変圧器は鉄心を有していないので電気絶縁が容易となり、当該変圧器の構造の簡素化、小型・軽量化も可能になる。これらの結果、直流高圧電源装置の小型・軽量化が可能になる。   According to the third aspect of the present invention, since the air-core transformer is used as the step-up transformer, even if the operating frequency is increased, the loss increase due to the iron core, such as the conventional iron-core transformer, and the transformer Therefore, it is not necessary to increase the capacity due to the electrostatic capacity between the winding and the iron core of the machine, and it is easy to increase the operating frequency. As a result, it is possible to reduce the capacitance of the capacitor constituting the Cockcroft-Walton circuit, and consequently to reduce the size of the Cockcroft-Walton circuit. In addition, since the air-core transformer does not have an iron core, electrical insulation is facilitated, and the structure of the transformer can be simplified and reduced in size and weight. As a result, the DC high-voltage power supply device can be reduced in size and weight.

しかも、上記並列共振回路において並列共振を生じさせた状態で直流高圧電源装置を運転するので、空心変圧器の結合係数の低下に伴う２次電圧の低下を防止して、２次電圧を高くすることができる。   In addition, since the DC high-voltage power supply device is operated in a state where parallel resonance is generated in the parallel resonance circuit, the secondary voltage is prevented from being lowered due to the reduction in the coupling coefficient of the air-core transformer, and the secondary voltage is increased. be able to.

図１は、この発明に係る直流高圧電源装置の一実施形態を示す回路図である。この直流高圧電源装置は、昇圧変圧器として、鉄心を有していない空心変圧器４ａを用いている。即ち、１次巻線６および２次巻線８を有していて、１次巻線６に交流電源２から交流電力が供給され、昇圧変圧器としての働きをする空心変圧器４ａと、この空心変圧器４ａの２次巻線８に接続されていて、２次巻線８から出力される交流電圧（２次電圧）Ｖ2 の昇圧および整流を行うコッククロフト・ワルトン回路１０ａとを備えている。 FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of a DC high-voltage power supply device according to the present invention. This DC high-voltage power supply device uses an air-core transformer 4a that does not have an iron core as a step-up transformer. That is, an air-core transformer 4a having a primary winding 6 and a secondary winding 8 and supplied with AC power from the AC power source 2 to the primary winding 6 and acting as a step-up transformer, It is connected to the secondary winding 8 of the air core transformer 4a, and a Cockcroft-Walton circuit 10a which performs boosting and rectification of the alternating voltage output (secondary voltage) V 2 from the secondary winding 8 .

空心変圧器４ａの２次巻線８の一方端は、電気的に接地された接地端８ａであり、他方端は、電気的に接地されていない非接地端８ｂである。   One end of the secondary winding 8 of the air-core transformer 4a is a ground end 8a that is electrically grounded, and the other end is a non-ground end 8b that is not electrically grounded.

コッククロフト・ワルトン回路１０ａは、普通型と呼ばれるものであり、空心変圧器４ａの２次巻線８の接地端８ａに接続されていて複数のコンデンサ１２を直列接続して成る第１コンデンサコラム１４ａと、２次巻線８の非接地端８ｂに接続されていて複数のコンデンサ１２を直列接続して成る第２コンデンサコラム１４ｂと、両コンデンサコラム１４ａ、１４ｂ間に、各コンデンサ１２が一方向に充電されるように接続された複数の整流器１６とを有している。最上段のコンデンサ１２および整流器１６は、出力端子１８に接続されている。コッククロフト・ワルトン回路１０ａの段数は、直列コンデンサ１２の数で表され、図示例では３段であるが、それに限らず任意である。後述する他の実施形態においても同様である。   The Cockcroft-Walton circuit 10a is called a normal type, and is connected to the ground terminal 8a of the secondary winding 8 of the air-core transformer 4a and includes a first capacitor column 14a formed by connecting a plurality of capacitors 12 in series. Each capacitor 12 is charged in one direction between a second capacitor column 14b connected to the non-ground end 8b of the secondary winding 8 and a plurality of capacitors 12 connected in series, and the capacitor columns 14a and 14b. And a plurality of rectifiers 16 connected as described above. The uppermost capacitor 12 and rectifier 16 are connected to an output terminal 18. The number of stages of the cockcroft-Walton circuit 10a is represented by the number of series capacitors 12 and is three in the illustrated example, but is not limited thereto and is arbitrary. The same applies to other embodiments described later.

コッククロフト・ワルトン回路１０ａは、接地電位部等との間に浮遊容量（浮遊静電容量）を生じさせる。その浮遊容量には、空心変圧器４ａの２次巻線８に電気的に並列接続されているものがある。その浮遊容量は、各段に分布して形成されているが、ここではそれを一括して浮遊容量ＣS で図示している。この浮遊容量ＣS は、接地電位部を経由して、空心変圧器４ａの２次巻線８の接地端８ａに電気的に接続されており、その結果、２次巻線８に電気的に並列接続されている。この浮遊容量ＣS を形成する主なものは、非接地端８ｂ側の第２コンデンサコラム１４ｂと接地電位部との間に分布して形成される浮遊容量である。 The Cockcroft-Walton circuit 10a generates a stray capacitance (floating capacitance) between the ground potential portion and the like. Some of the stray capacitances are electrically connected in parallel to the secondary winding 8 of the air-core transformer 4a. The stray capacitance is distributed and formed in each stage. Here, the stray capacitance is collectively shown as a stray capacitance C S. The stray capacitance C S is electrically connected to the ground terminal 8a of the secondary winding 8 of the air-core transformer 4a via the ground potential portion. As a result, the stray capacitance C S is electrically connected to the secondary winding 8. Connected in parallel. The main thing that forms this stray capacitance C S is stray capacitance that is distributed between the second capacitor column 14b on the non-ground end 8b side and the ground potential portion.

そしてこの直流高圧電源装置では、空心変圧器４ａの２次巻線８のインダクタンスＬ2 と、上記浮遊容量ＣS とを用いて、交流電源２の周波数ｆ、即ち交流電源２から１次巻線６に供給される交流電力の周波数ｆで共振する並列共振回路を形成している。これを図２を参照して詳述する。 And in the DC high voltage power supply, the inductance L 2 of the secondary winding 8 of the air core transformer 4a, the stray capacitance by using the C S, the AC power source 2 of the frequency f, i.e. the primary winding from an AC power source 2 6 forms a parallel resonant circuit that resonates at the frequency f of the alternating current power supplied to 6. This will be described in detail with reference to FIG.

図２は、空心変圧器４ａ周りの電気回路を簡略化して示す図である。空心変圧器４ａの１次電圧をＶ1 、２次電圧をＶ2 、１次巻線６のインダクタンスをＬ1 、２次巻線８のインダクタンスをＬ2 、相互インダクタンスをＭ、負荷をＲとする。 FIG. 2 is a diagram showing a simplified electrical circuit around the air-core transformer 4a. A coreless transformer V 1 of the primary voltage of the 4a, 2-order voltage V 2, 1 winding L 1 the inductance of 6, the secondary winding inductance L 2 of 8, a mutual inductance M, the load R To do.

浮遊容量ＣS による容量性リアクタンスをＸCS、インダクタンスＬ2 による誘導性リアクタンスをＸL2とすると、この実施形態では、周波数ｆのときに次式の並列共振条件が成立するようにしている。 Assuming that the capacitive reactance due to the stray capacitance C S is X CS and the inductive reactance due to the inductance L 2 is X L2 , in this embodiment, the parallel resonance condition of the following equation is established at the frequency f.

［数１］
ＸCS＝ＸL2 [Equation 1]
X CS = X L2

テブナンの定理を用いて端子ａ、ｂから見た１次側の等価回路を表すことができ、それに上記数１の共振条件を用いて整理すると、上記並列共振時の２次電圧Ｖ2 は、負荷Ｒを接続していない場合は、次式で表される。即ち、上記並列共振条件を成立させると、空心変圧器４ａは、昇圧比Ｎが（Ｌ2 ／Ｍ）で与えられる変圧器と等価であると考えることができる。 The equivalent circuit on the primary side seen from the terminals a and b can be expressed using the Thevenin's theorem, and rearranged using the resonance condition of the above equation (1), the secondary voltage V 2 at the parallel resonance is When the load R is not connected, it is expressed by the following equation. That is, when the parallel resonance condition is satisfied, the air-core transformer 4a can be considered to be equivalent to a transformer in which the step-up ratio N is given by (L 2 / M).

［数２］
Ｖ2 ＝（Ｌ2 ／Ｍ）Ｖ1 ＝Ｎ・Ｖ1 [Equation 2]
V 2 = (L 2 / M) V 1 = N · V 1

負荷Ｒが接続されている場合の２次電圧Ｖ2 は、負荷損Ｐおよび無効電力Ｑを用いて整理すると、次式で表される。 The secondary voltage V 2 when the load R is connected can be expressed by the following equation when arranged using the load loss P and the reactive power Q.

［数３］
Ｖ2 ＝Ｎ・Ｖ1 ／φ
＝（Ｌ2 ／Ｍφ）Ｖ1 [Equation 3]
V 2 = N · V 1 / φ
= (L 2 / Mφ) V 1

ここで、変数φ、負荷損Ｐ、無効電力Ｑ、空心変圧器４ａの結合係数ｋは、以下の各式でそれぞれ表される。   Here, the variable φ, the load loss P, the reactive power Q, and the coupling coefficient k of the air-core transformer 4a are respectively expressed by the following equations.

［数４］
φ＝√｛１＋（Ｐ／Ｑ）2 ・（１／ｋ2 −１）2 ｝ [Equation 4]
φ = √ {1+ (P / Q) 2 · (1 / k 2 −1) 2 }

［数５］
Ｐ＝Ｖ2 2／Ｒ [Equation 5]
P = V 2 2 / R

［数６］
Ｑ＝２πｆＣS Ｖ2 2 [Equation 6]
Q = 2πfC S V 2 2

［数７］
ｋ＝Ｍ／√（Ｌ1 ・Ｌ2 ） [Equation 7]
k = M / √ (L 1 · L 2 )

上記直流高圧電源装置によれば、昇圧変圧器として空心変圧器４ａを用いているので、運転周波数ｆを高くしても、従来のような鉄心に起因する損失増大および当該変圧器４ａの巻線−鉄心間の静電容量による容量増大を招かずに済む。従って、運転周波数ｆを高くすることが容易であり、その結果、コッククロフト・ワルトン回路１０ａを構成するコンデンサ１２の低容量化が可能になり、ひいてはコッククロフト・ワルトン回路１０ａの小型化が可能になる。また、空心変圧器４ａは鉄心を有していないので電気絶縁が容易となり、当該変圧器４ａの構造の簡素化、小型・軽量化も可能になる。これらの結果、当該直流高圧電源装置の小型・軽量化が可能になる。低コスト化も可能になる。   According to the DC high-voltage power supply device, since the air core transformer 4a is used as the step-up transformer, even if the operating frequency f is increased, the loss caused by the iron core as in the prior art and the winding of the transformer 4a are increased. -No increase in capacity due to the capacitance between the iron cores. Therefore, it is easy to increase the operating frequency f. As a result, the capacity of the capacitor 12 constituting the cockcroft-Walton circuit 10a can be reduced, and the cockcroft-Walton circuit 10a can be downsized. In addition, since the air-core transformer 4a does not have an iron core, electrical insulation is facilitated, and the structure of the transformer 4a can be simplified and reduced in size and weight. As a result, the DC high-voltage power supply device can be reduced in size and weight. Cost reduction is also possible.

しかも、空心変圧器４ａは鉄心入り変圧器に比べて、通常は、１次巻線６と２次巻線８間の結合係数ｋが小さいので（例えば鉄心入りの場合は約１．０程度、空心の場合は約０．６程度）、そのぶん２次電圧Ｖ2 が低くなる傾向にあるけれども、この実施形態では、空心変圧器４ａの結合係数ｋの低下に伴う２次電圧Ｖ2 の低下を、上記並列共振回路によって防止して、２次電圧Ｖ2 を高くすることができる。 Moreover, the air-core transformer 4a usually has a smaller coupling coefficient k between the primary winding 6 and the secondary winding 8 than an iron-core transformer (for example, about 1.0 in the case of an iron-core transformer, about 0.6 in the case of air-cored), although there is a tendency that correspondingly the secondary voltage V 2 is lower, in this embodiment, reduction of the secondary voltage V 2 caused a decrease of the coupling coefficient k of the air core transformer 4a Can be prevented by the parallel resonant circuit, and the secondary voltage V 2 can be increased.

換言すれば、この直流高圧電源装置の運転方法として、上記並列共振回路において上記運転周波数ｆで並列共振を生じさせた状態で当該装置を運転することによって、空心変圧器４ａの結合係数ｋの低下に伴う２次電圧Ｖ2 の低下を防止して、２次電圧Ｖ2 を高くすることができる。後述する他の実施形態における直流高圧電源装置の運転においても同様である。 In other words, as a method of operating the DC high-voltage power supply device, the coupling coefficient k of the air core transformer 4a is reduced by operating the device in a state where parallel resonance is generated at the operating frequency f in the parallel resonance circuit. The secondary voltage V 2 can be prevented from being lowered and the secondary voltage V 2 can be increased. The same applies to the operation of the DC high-voltage power supply apparatus in other embodiments described later.

一例として、直流出力３００ｋＶ、１００ｍＡの直流高圧電源装置を試作した各種値を表１に示す。   As an example, Table 1 shows various values of a prototype of a DC high-voltage power supply device with a DC output of 300 kV and 100 mA.

Figure 2007037268
Figure 2007037268

この直流高圧電源装置では、上記浮遊容量ＣS が約１５０ｐＦ程度であり、５０ｋＨｚの運転周波数ｆで、特別に共振用のコンデンサを接続する必要がなく、浮遊容量ＣS のみで運転することができた。そして、運転周波数ｆを５０ｋＨｚと高くすることができたので、コッククロフト・ワルトン回路１０ａを構成するコンデンサ１２の静電容量を、従来の１／５以下の１７００ｐＦにすることができた。これによって、当該直流高圧電源装置の大幅な小型化を図ることができた。 In this DC high-voltage power supply device, the stray capacitance C S is about 150 pF, and it is not necessary to connect a special resonance capacitor at an operation frequency f of 50 kHz, and can be operated only with the stray capacitance C S. It was. Since the operating frequency f could be increased to 50 kHz, the capacitance of the capacitor 12 constituting the Cockcroft-Walton circuit 10a could be reduced to 1700 pF which is 1/5 or less of the conventional value. As a result, the DC high-voltage power supply device can be greatly reduced in size.

図３は、図１に示した直流高圧電源装置の構造の一例を示す図である。電気絶縁のための絶縁ガス（例えばＳＦ6 ガス）を充填した圧力容器３０内に、上記空心変圧器４ａ、コッククロフト・ワルトン回路１０ａ等が収納されている。 FIG. 3 is a diagram showing an example of the structure of the DC high-voltage power supply device shown in FIG. The air core transformer 4a, the cockcroft-Walton circuit 10a, and the like are housed in a pressure vessel 30 filled with an insulating gas (eg, SF 6 gas) for electrical insulation.

圧力容器３０内には、昇圧回路底板３２と、それから複数本の絶縁支柱４０によって支持された高圧デッキ３４とが設けられている。昇圧回路底板３２および圧力容器３０は、電気的に接地されており、上記接地電位部を構成している。   In the pressure vessel 30, a booster circuit bottom plate 32 and a high-pressure deck 34 supported by a plurality of insulating columns 40 are provided. The booster circuit bottom plate 32 and the pressure vessel 30 are electrically grounded to constitute the ground potential portion.

昇圧回路底板３２上には、絶縁支持体４２および４４によって、上記空心変圧器４ａが支持されている。   The air core transformer 4 a is supported on the booster circuit bottom plate 32 by insulating supports 42 and 44.

高圧デッキ３４には、シールド電極３６が被せられており、それに上記コッククロフト・ワルトン回路１０ａの出力端子１８が、この例では保護抵抗器３８を介して接続されている。   The high-voltage deck 34 is covered with a shield electrode 36, and the output terminal 18 of the cockcroft-Walton circuit 10a is connected to the high-voltage deck 34 via a protective resistor 38 in this example.

昇圧回路底板３２の上方近傍には、この例のように、昇圧回路底板３２との間を電気的に絶縁して、昇圧回路底板３２との間で静電容量を形成する静電容量補償板４８を必要に応じて設けても良い。静電容量補償板４８は、例えば導線４６を介して、空心変圧器４ａの２次巻線８の非接地端８ｂに接続されている。   In the vicinity of the upper part of the booster circuit bottom plate 32, as in this example, a capacitance compensation plate that electrically insulates from the booster circuit bottom plate 32 and forms a capacitance with the booster circuit bottom plate 32. 48 may be provided as necessary. The capacitance compensation plate 48 is connected to the non-grounded end 8b of the secondary winding 8 of the air-core transformer 4a through, for example, a conductive wire 46.

静電容量補償板４８を設けると、当該静電容量補償板４８によって、空心変圧器４ａの２次巻線８に電気的に並列接続される静電容量を調整することができるので、上記並列共振回路の共振周波数を調整することが容易になる。例えば、静電容量補償板４８の大きさを変えたり、数を変えたり、昇圧回路底板３２との間の距離を変えたりして、上記静電容量を調整することができる。   When the capacitance compensation plate 48 is provided, the capacitance that is electrically connected in parallel to the secondary winding 8 of the air-core transformer 4a can be adjusted by the capacitance compensation plate 48. It becomes easy to adjust the resonance frequency of the resonance circuit. For example, the capacitance can be adjusted by changing the size of the capacitance compensation plate 48, changing the number thereof, or changing the distance from the booster circuit bottom plate 32.

なお、図３の装置では、圧力容器３０内に更に、接地電位部から高電位部へ電力を供給するＭＧ装置５０と、内部で発生した熱を冷却媒体（例えば水）６２を用いて外部へ搬出する熱交換器６０とが収納されている。ＭＧ装置５０は、モータ５２によって絶縁シャフト５４を介して発電機５６を回転させる構造をしており、例えば、電子線照射装置の電子発生用のフィラメント加熱用の電源として用いられる。   In the apparatus of FIG. 3, the MG device 50 that supplies power from the ground potential portion to the high potential portion further into the pressure vessel 30 and the heat generated inside to the outside using the cooling medium (eg, water) 62. The heat exchanger 60 to be carried out is accommodated. The MG device 50 has a structure in which the generator 56 is rotated by the motor 52 via the insulating shaft 54, and is used as, for example, a power source for heating the filament for generating electrons in the electron beam irradiation device.

コッククロフト・ワルトン回路は、上記例以外のタイプのものでも良い。例えば、図４に示す例のように、中央の第１コンデンサコラム１４ｃに対称に第２コンデンサコラム１４ｄ、第３コンデンサコラム１４ｅおよび整流器１６を設けた対称型のコッククロフト・ワルトン回路１０ｂや、図５に示す例のように、対称型から中央の第１コンデンサコラム１４ｃを省いたバランス型のコッククロフト・ワルトン回路１０ｃでも良い。いずれのコンデンサコラム１４ｃ〜１４ｅも、複数のコンデンサ１２を直列接続して成る。そして、各コンデンサコラム１４ｃ〜１４ｅ（または１４ｄ、１４ｅ）間に、各コンデンサ１２が一方向に充電されるように、複数の整流器１６が接続されている。   The Cockcroft-Walton circuit may be of a type other than the above example. For example, as in the example shown in FIG. 4, a symmetrical Cockcroft-Walton circuit 10b in which a second capacitor column 14d, a third capacitor column 14e and a rectifier 16 are provided symmetrically with respect to the first first capacitor column 14c, As in the example shown in FIG. 4, a balanced cockcroft-Walton circuit 10c in which the central first capacitor column 14c is omitted from the symmetrical type may be used. Each of the capacitor columns 14c to 14e is formed by connecting a plurality of capacitors 12 in series. A plurality of rectifiers 16 are connected between the capacitor columns 14c to 14e (or 14d and 14e) so that the capacitors 12 are charged in one direction.

上記コッククロフト・ワルトン回路１０ｂ、１０ｃの場合、昇圧変圧器としては、図４、図５に示すように、二つの２次巻線８を有する空心変圧器４ｂを用いれば良い。二つの２次巻線８の接続部を接地端８ａとし、両端をそれぞれ非接地端８ｂとする。空心変圧器４ｂの１次巻線６は、図示例のように、各２次巻線８にそれぞれ対応する二つの１次巻線６でも良いし、両２次巻線８に共通の一つの１次巻線６でも良い。   In the case of the cockcroft-Walton circuits 10b and 10c, as shown in FIGS. 4 and 5, an air-core transformer 4b having two secondary windings 8 may be used as a step-up transformer. A connection portion between the two secondary windings 8 is a ground end 8a, and both ends are non-ground ends 8b. The primary winding 6 of the air-core transformer 4b may be two primary windings 6 respectively corresponding to the respective secondary windings 8 as shown in the drawing, or one common to both the secondary windings 8. The primary winding 6 may be used.

図４、図５に示す実施形態の場合も、各２次巻線８のインダクタンスＬ2 と、コッククロフト・ワルトン回路１０ｂ、１０ｃが生じさせる浮遊容量であって各２次巻線８にそれぞれ電気的に並列接続された浮遊容量ＣS とを用いて、上記運転周波数ｆで共振する並列共振回路をそれぞれ形成している。即ち、各並列共振回路で上記数１に示した共振条件が成立するようにしている。 In the case of the embodiment shown in FIGS. 4 and 5, the inductance L 2 of each secondary winding 8 and the stray capacitance generated by the Cockcroft-Walton circuits 10b and 10c are electrically connected to each secondary winding 8. by using the parallel-connected stray capacitance C S in are respectively formed a parallel resonant circuit that resonates at the operating frequency f. That is, the resonance condition shown in the above equation 1 is established in each parallel resonance circuit.

また、この図４、図５に示す実施形態の場合も、必要に応じて、空心変圧器４ｂの二つの２次巻線８の一方または両方の非接地端８ｂに、接地電位部との間で静電容量を形成する上記のような静電容量補償板４８を接続しておいても良い。その作用効果は上述のとおりである。   Also in the case of the embodiment shown in FIGS. 4 and 5, if necessary, one or both of the two secondary windings 8 of the air-core transformer 4b may be connected to the ground potential portion between the ungrounded ends 8b. The capacitance compensation plate 48 as described above for forming the capacitance may be connected. The effect is as described above.

また、上記いずれの実施形態の場合も、必要に応じて、上記静電容量補償板４８に代えて、または上記静電容量補償板４８と共に、空心変圧器４ａ、４ｂの２次巻線８にコンデンサを並列接続して、上記インダクタンスＬ2 と浮遊容量ＣS とを用いて形成している並列共振回路の静電容量を補っても良い。 In any of the above-described embodiments, the secondary winding 8 of the air-core transformer 4a, 4b is replaced with the capacitance compensation plate 48 or together with the capacitance compensation plate 48 as necessary. Capacitors may be connected in parallel to supplement the capacitance of the parallel resonant circuit formed using the inductance L 2 and the stray capacitance C S.

この発明に係る直流高圧電源装置の一実施形態を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing an embodiment of a DC high-voltage power supply device according to the present invention. 空心変圧器周りの電気回路を簡略化して示す図である。It is a figure which simplifies and shows the electric circuit around an air-core transformer. 図１に示した直流高圧電源装置の構造の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the structure of the direct-current high voltage power supply device shown in FIG. この発明に係る直流高圧電源装置の他の実施形態を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows other embodiment of the direct current | flow high voltage power supply device which concerns on this invention. この発明に係る直流高圧電源装置の更に他の実施形態を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows other embodiment of the direct-current high voltage power supply device which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

４ａ、４ｂ 空心変圧器
６ １次巻線
８ ２次巻線
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ コッククロフト・ワルトン回路
４８ 静電容量補償板
Ｌ2 インダクタンス
ＣS 浮遊容量 4a, 4b Air-core transformer 6 Primary winding 8 Secondary winding 10a, 10b, 10c Cockcroft-Walton circuit 48 Capacitance compensation plate L 2 inductance C S stray capacitance

Claims (3)

１次巻線および２次巻線を有していて、１次巻線に交流電力が供給される昇圧変圧器と、
前記昇圧変圧器の２次巻線に接続されていて、当該２次巻線から出力される交流電圧の昇圧および整流を行うコッククロフト・ワルトン回路とを備える直流高圧電源装置であって、
前記昇圧変圧器として、鉄心を有していない空心変圧器を用いており、
かつ前記空心変圧器の２次巻線のインダクタンスと、前記コッククロフト・ワルトン回路が生じさせる浮遊容量であって前記２次巻線に電気的に並列接続された浮遊容量とを用いて、前記交流電力の周波数で共振する並列共振回路を形成していることを特徴とする直流高圧電源装置。 A step-up transformer having a primary winding and a secondary winding, wherein AC power is supplied to the primary winding;
A DC high-voltage power supply device connected to the secondary winding of the step-up transformer and comprising a Cockcroft-Walton circuit for boosting and rectifying the AC voltage output from the secondary winding,
As the step-up transformer, an air-core transformer that does not have an iron core is used,
The AC power using the inductance of the secondary winding of the air-core transformer and the stray capacitance generated by the Cockcroft-Walton circuit and electrically connected in parallel to the secondary winding. A DC high-voltage power supply device characterized in that a parallel resonant circuit that resonates at a frequency of is formed. 前記空心変圧器の２次巻線は、接地電位部に接続された接地端と、当該接地電位部に接続されていない非接地端とを有しており、
前記非接地端に、前記接地電位部との間で静電容量を形成する静電容量補償板を接続している請求項１記載の直流高圧電源装置。 The secondary winding of the air-core transformer has a ground end connected to the ground potential portion and a non-ground end not connected to the ground potential portion,
2. The DC high-voltage power supply device according to claim 1, wherein a capacitance compensation plate that forms a capacitance with the ground potential portion is connected to the non-grounded end. １次巻線および２次巻線を有していて、１次巻線に交流電力が供給される昇圧変圧器と、
前記昇圧変圧器の２次巻線に接続されていて、当該２次巻線から出力される交流電圧の昇圧および整流を行うコッククロフト・ワルトン回路とを備える直流高圧電源装置において、
前記昇圧変圧器として、鉄心を有していない空心変圧器を用い、
かつ前記空心変圧器の２次巻線のインダクタンスと、前記コッククロフト・ワルトン回路が生じさせる浮遊容量であって前記２次巻線に電気的に並列接続された浮遊容量とを用いて形成される並列共振回路において、前記交流電力の周波数で並列共振を生じさせた状態で、装置を運転することを特徴とする直流高圧電源装置の運転方法。 A step-up transformer having a primary winding and a secondary winding, wherein AC power is supplied to the primary winding;
A DC high-voltage power supply apparatus that is connected to the secondary winding of the step-up transformer and includes a Cockcroft-Walton circuit that boosts and rectifies the AC voltage output from the secondary winding.
As the step-up transformer, an air core transformer that does not have an iron core is used,
And a parallel capacitance formed by using the inductance of the secondary winding of the air-core transformer and the stray capacitance generated by the Cockcroft-Walton circuit and electrically connected in parallel to the secondary winding. An operation method of a DC high-voltage power supply apparatus, wherein the apparatus is operated in a resonance circuit in a state where parallel resonance is generated at the frequency of the AC power.
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