特開 2023-176407 高電圧制御回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023176407

(43)【公開日】2023-12-13

(54)【発明の名称】高電圧制御回路

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20231206BHJP

【ＦＩ】

H02M3/28 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022088674

(22)【出願日】2022-05-31

(71)【出願人】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110002066

【氏名又は名称】弁理士法人筒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小西 慧

(72)【発明者】

【氏名】任田 浩

(72)【発明者】

【氏名】石垣 直也

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 一貴

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AS01

5H730BB23

5H730BB57

5H730DD04

5H730EE06

5H730EE52

5H730EE58

5H730EE59

5H730FD01

5H730FF06

5H730FV05

5H730FV09

(57)【要約】

【課題】複雑な制御アルゴリズムを必要とせず、また簡単な構成で、降圧に掛かる時間の短縮化を図ることが可能な高電圧制御回路を提供する。
【解決手段】高電圧制御回路１は、交流電圧を直流高電圧に変換する高電圧整流回路１００と、高電圧整流回路１００から出力される直流高電圧を平滑する平滑用コンデンサ１４０と、平滑用コンデンサ１４０と並列に接続されたスイッチ回路１０２と、指令電圧Ｖｉｖと直流高電圧に従った分圧電圧Ｖｄｖとの間の差分電圧Ｖｄｆを増幅する誤差増幅器１３３を備え、誤差増幅器１３３の出力信号に基づいて、高電圧整流回路１００を制御するフィードバック回路１０３と、差分電圧Ｖｄｆを増幅する増幅器１０５とを備える。ここで、スイッチ回路１０２は、増幅器１０５の出力信号によって制御される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

交流電圧を直流高電圧に変換する高電圧整流回路と、
前記高電圧整流回路から出力される前記直流高電圧を平滑するコンデンサと、
前記コンデンサと並列に接続されたスイッチ回路と、
所定の電圧値を有する指令電圧と、前記直流高電圧に従った電圧値との間の差分電圧を増幅する第１増幅器とを備え、前記第１増幅器の出力信号に基づいて、前記高電圧整流回路を制御するフィードバック回路と、
前記差分電圧を増幅する第２増幅器と、
を備え、
前記スイッチ回路は、前記第２増幅器の出力信号によって制御される、高電圧制御回路。

【請求項2】

請求項１に記載の高電圧制御回路において、
前記フィードバック回路は、前記直流高電圧を分圧する分圧器を備え、
前記分圧器の出力と前記指令電圧との間の差が、前記差分電圧として用いられる、高電圧制御回路。

【請求項3】

請求項２に記載の高電圧制御回路において、
前記フィードバック回路は、前記分圧器として、前記直流高電圧が入力される反転増幅器を備え、前記反転増幅器の出力と前記指令電圧との間の差が、前記差分電圧として用いられる、高電圧制御回路。

【請求項4】

請求項１に記載の高電圧制御回路において、
前記直流高電圧と前記指令電圧は、所定の基準電圧を基準として、互いに異なる極性であり、抵抗素子を介して合成され、
合成により得られた中点電圧は、前記差分電圧として用いられる、高電圧制御回路。

【請求項5】

請求項１に記載の高電圧制御回路において、
前記第２増幅器の出力信号は、電流制限用抵抗素子を介して、前記スイッチ回路に供給され、
前記スイッチ回路は、
所定の電圧が供給されたゲートと、ソースと、ドレインとを有するトランジスタと、
前記トランジスタのソースとドレインとの間の経路に対して直列に接続され、前記電流制限用抵抗素子を介して供給された前記第２増幅器の出力信号に従って流れる電流値が決定される電流制御器と、
を備え、
直列接続された前記トランジスタと前記電流制御器とが、前記コンデンサと並列に接続されている、高電圧制御回路。

【請求項6】

請求項５に記載の高電圧制御回路において、
前記トランジスタは、ソースとドレインとの間の経路が、互いに直列に接続された複数のトランジスタを備えている、高電圧制御回路。

【請求項7】

請求項１に記載の高電圧制御回路において、
前記高電圧整流回路は、パルス信号が供給されるコッククロフト・ウォルトン回路を備える、高電圧制御回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高電圧制御回路に関し、例えば昇圧および降圧が可能な高電圧制御回路に関する。

【背景技術】

【0002】

高電圧制御回路としては、例えばコッククロフト・ウォルトン回路（以下、ＣＷ回路とも称する）を代表とする高電圧整流回路を用いたものが知られている。この場合、高電圧整流回路において、交流電圧がダイオード素子によってダイオード整流される。ダイオード整流により得られた電流によって、平滑用コンデンサに電荷が蓄積され、直流電圧として負荷に給電される。直流電圧を高い電圧値にするために、ＣＷ回路において昇圧が行われるが、この昇圧は短時間で行うことが可能である。

【0003】

一方、直流電圧を高い電圧値から低い電圧値に変更する降圧時には、長い時間が掛かるという問題がある。すなわち、降圧時には、直流電圧を所望の値に制御するためのフィードバック回路等の高抵抗の経路を介して、平滑用コンデンサに蓄積されている電荷を放電することになり、放電時間が長くなり、降圧に長い時間が掛かることになる。

【0004】

降圧時に、直流電圧が所望の低い電圧値に整定するまでの時間は、高電圧制御回路を用いた装置を操作する際の待ち時間となる。したがって、高電圧制御回路の出力である直流電圧の電圧値を、頻繁に上下させるような用途では、待ち時間が長くなるという課題がある。
降圧時に、放電用の経路を生成し、高速に放電を行う技術が、例えば特許文献１および２に記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００１－２３００９８号公報

【特許文献2】特開２０１９－２０４７５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１の図１には、平滑用コンデンサ（１６１、１６２）と並列に、半導体スイッチ（２１～２ｎ、３１～３ｎ）を多段接続したスイッチ回路（２００、３００）を設け、降圧時にスイッチ回路を導通させることで、降圧時の高速化を行うことが示されている。スイッチ回路の制御については、放電のタイミングを外部信号で供給する構成となっており、適切なタイミングと放電量に合わせた長さの外部信号を供給することが必要である。

【0007】

また、特許文献２の図５には、ＣＷ回路の低圧側コンデンサ（Ｃ２、Ｃ４）の両端に抵抗（Ｒ１、Ｒ２）とフォトカプラ（Ｕ１、Ｕ２）で構成した放電回路を設け、放電回路のオン／オフの比率をパルス信号で制御することで、放電量の制御を行うことが示されている。この場合、必要な放電量から複数の放電回路用のパルス信号を生成するには、プロセッサ等を用いて計算処理を行うことが必要となる。

【0008】

すなわち、特許文献１および２に記載の技術では、放電の制御は、外部信号やプロセッサ等を用いた処理で行うことになる。したがって、高電圧制御回路の負荷が変わる場合、外部信号やプロセッサの設定を変更することが必要となり、構成やプロセッサの制御アルゴリズムが複雑になるという課題がある。

【0009】

本発明の目的は、複雑な制御アルゴリズムを必要とせず、また簡単な構成で、降圧に掛かる時間の短縮化を図ることが可能な高電圧制御回路を提供することにある。
本発明の他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本願において開示される実施の形態のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。

【0011】

すなわち、一実施の形態に係る高電圧制御回路は、交流電圧を直流高電圧に変換する高電圧整流回路と、高電圧整流回路から出力される直流高電圧を平滑する平滑用コンデンサと、平滑用コンデンサと並列に接続されたスイッチ回路と、指令電圧と直流高電圧に従った電圧値との間の差分電圧を増幅する第1増幅器を備え、第１増幅器の出力信号に基づいて、高電圧整流回路を制御するフィードバック回路と、差分電圧を増幅する第２増幅器とを備える。ここで、スイッチ回路の導通は、第２増幅器の出力信号によって制御される。

【発明の効果】

【0012】

本願において開示される発明のうち、代表的な実施の形態によって得られる効果を簡単に説明すると、複雑な制御アルゴリズムを必要とせず、また簡単な構成で、降圧に掛かる時間の短縮化を図ることが可能な高電圧制御回路を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施の形態１に係る高電圧制御回路の構成を示すブロック図である。

【図2】図２（Ａ）～図２（Ｃ）は、実施の形態１に係る高電圧制御回路の動作を示す波形図である。

【図3】実施の形態２に係る高電圧制御回路の構成を示すブロック図である。

【図4】図４（Ａ）～図４（Ｄ）は、実施の形態２に係る高電圧制御回路の動作を示す波形図である。

【図5】実施の形態３に係る高電圧制御回路の構成を示すブロック図である。

【図6】実施の形態４に係る高電圧制御回路の構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施の形態の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
（実施の形態１）

【0015】

図１は、実施の形態１に係る高電圧制御回路の構成を示すブロック図である。以下、図１に示す実施の形態１の一具体例である高電圧制御回路１について説明する。実施の形態１では、高電圧制御回路１が、接地電圧（以下、所定の基準電圧とも称する）Ｖｓに対して負極性（負電圧)の直流高電圧Ｖｏｔを出力する例を説明する。また、高電圧制御回路１を構成する増幅器としては、オペアンプを用いた例を説明する。
＜高電圧制御回路の構成＞

【0016】

高電圧制御回路１は、高電圧整流回路１００と、高電圧整流回路１００から出力される直流高電圧Ｖｏｔを平滑する平滑用コンデンサ１４０と、直流高電圧Ｖｏｔの電圧値を決める指令電圧Ｖｉｖを出力する制御回路１０４と、指令電圧Ｖｉｖと直流高電圧Ｖｏｔとが供給され、電流信号Ｉｃを高電圧整流回路１００へフィードバックするフィードバック回路１０３とを備えている。図１において、１０１は、高電圧整流回路１００から出力された直流高電圧Ｖｏｔが給電される負荷を示している。負荷１０１は、平滑用コンデンサ１４０と、実際の負荷を等価的に表す抵抗素子１４１とが並列接続された構成として示されている。

【0017】

また、実施の形態１に係る高電圧制御回路１は、平滑用コンデンサ１４０と並列接続されたスイッチ回路１０２と、直流高電圧Ｖｏｔに従って変化する分圧電圧Ｖｄｖと指令電圧Ｖｉｖとの間の差に相当する差分電圧Ｖｄｆを増幅し、スイッチ回路１０２の導通を制御する増幅器１０５とを備えている。増幅器１０５の出力信号は、図１では、電流制限用抵抗素子１０６を介してスイッチ回路１０２に供給されている。

【0018】

図１において、ＰＴＲは、Ｎチャンネル型の電界効果型トランジスタ(以下、トランジスタと称する)を示しており、１０７は、指令電圧Ｖｉｖの安定化を図るためのコンデンサを示している。

【0019】

トランジスタＰＴＲは、周期的に変化するパルス信号ＰＷＣが供給されるゲートと、ソースＳと、ドレインとを備えている。トランジスタＰＴＲのソースＳは、接地電圧Ｖｓに接続され、ドレインは高電圧整流回路１００に接続されている。

【0020】

図１では、図面が複雑になるのを避けるために、接地電圧を示す符号Ｖｓは、トランジスタＰＴＲのソースＳに接続された接地電圧についてのみ付されており、他の接地電圧は、黒塗りの下向き矢印のみで表している。以降の図面においても、接地電圧の明示方法は、図１と同様である。

【0021】

高電圧整流回路１００は、トランス１１０と、ダイオード１１５～１１８と、コンデンサ１１１～１１４とを備えたＣＷ回路によって構成されている。トランス１１０の一次側コイルは、トランジスタＰＴＲのドレインに接続された端子とフィードバック回路１０３からの電流信号Ｉｃが供給される端子とを備えている。トランジスタＰＴＲがパルス信号ＰＷＣによって周期的にオン／オフすることにより、一次側コイルを周期的に電流信号Ｉｃが流れ、トランス１１０の二次側コイルに交流電圧が発生する。トランス１１０の二次側コイルに発生した交流電圧が、ダイオード１１５～１１８とコンデンサ１１１～１１４とによって負電圧の直流高電圧Ｖｏｔに変換される。

【0022】

直流高電圧Ｖｏｔは、平滑用コンデンサ１４０に供給され、平滑用コンデンサ１４０は、直流高電圧Ｖｏｔによって充電され、電荷を蓄積することにより、直流高電圧Ｖｏｔの平滑化が行われる。

【0023】

制御回路１０４は、例えばデジタル／アナログ変換回路（以下、Ｄ／Ａコンバータと称する）を備えており、Ｄ／Ａコンバータに入力されたデジタルの指令信号に対応したアナログの指令電圧Ｖｉｖを出力する。図１に示した制御回路１０４は、接地電圧Ｖｓに対して正極性の電圧（正電圧）の指令電圧Ｖｉｖを出力する。なお、制御回路１０４は、指令電圧Ｖｉｖを出力するため、指令電圧出力回路とも見なすことができる。

【0024】

フィードバック回路１０３は、反転増幅器１３５と、誤差増幅器（以下、第１増幅器とも称する）１３３と、電流増幅器１３０と、抵抗素子１３１、１３４、１３６、１３７とコンデンサ１３２とを備えている。

【0025】

反転増幅器１３５の負入力端子（－）には、抵抗素子１３７を介して、直流高電圧Ｖｏｔが供給されている。反転増幅器１３５の正入力端子（＋）には、接地電圧Ｖｓが供給されている。反転増幅器１３５の負入力端子（－）と反転増幅器１３５の出力端子（Ｏ）との間には、抵抗素子１３６が接続されている。直流高電圧Ｖｏｔの電圧値の変化は、反転増幅器１３５によって、反転され、抵抗素子１３７と抵抗素子１３６との間の抵抗比に従って、直流高電圧Ｖｏｔは分圧される。すなわち、反転増幅器１３５の出力端子Ｏからは、抵抗素子１３７と抵抗素子１３６とによって構成された分圧器によって分圧され、直流高電圧Ｖｏｔの変化が反転された電圧が、出力されることになる。言い換えるならば、反転増幅器１３５は、分圧器の機能を有し、直流高電圧Ｖｏｔに従った電圧を出力することになる。

【0026】

反転増幅器１３５の出力電圧は、抵抗素子１３４を介して誤差増幅器１３３の一方の入力端子に供給されるとともに、分圧電圧Ｖｄｖとして、フィードバック回路１０３から出力される。誤差増幅器１３３の一方の入力端子と誤差増幅器１３３の出力端子との間には、フィルタを構成する抵抗素子１３１とコンデンサ１３２が直列接続されている。また、誤差増幅器１３３の他方の入力端子には、制御回路１０４からの指令電圧Ｖｉｖが供給される。誤差増幅器１３３は、一方の入力端子に供給されている電圧（分圧電圧Ｖｄｖ）と他方の入力端子に供給されている指令電圧Ｖｉｖとの間の差の電圧である差分電圧Ｖｄｆを増幅し、電流増幅器１３０に供給する。
電流増幅器１３０は、差分電圧Ｖｄｆを小さくするような値の電流信号Ｉｃを高電圧整流回路１００へ出力する。

【0027】

増幅器１０５は、単一の電源電圧で動作する増幅器である。すなわち、接地電圧Ｖｓと所定の正電圧Ｖｄを電源電圧として、増幅器１０５は動作する。図１では、増幅器１０５の負入力端子（－）に指令電圧Ｖｉｖが供給され、正入力端子（＋）に分圧電圧Ｖｄｖが供給されている。したがって、増幅器１０５は、指令電圧Ｖｉｖに対して分圧電圧Ｖｄｖの電圧値が高いとき、その差電圧である差分電圧Ｖｄｆを増幅して、接地電圧Ｖｓに対して正極性の電圧として出力する。分圧電圧Ｖｄｖは、図１に示すように、反転増幅器１３５からの出力であるため、直流高電圧Ｖｏｔの電圧値が、例えば負電圧側に向けて変化したとき、分圧電圧Ｖｄｖの電圧値は、正電圧側に向けて変化することになる。

【0028】

スイッチ回路１０２は、直流高電圧Ｖｏｔと接地電圧Ｖｓとの間に直列接続された固定電圧素子１２２と抵抗素子１２３とを備えている。固定電圧素子１２２と抵抗素子１２３との間の接続ノードｎｄから、所定の電圧値が出力される。固定電圧素子１２２としては、特に制限されないが定電圧ダイオードが用いられ、接続ノードｎｄから出力される所定の電圧値は、固定電圧素子１２２と抵抗素子１２３とで定められた電圧値となっている。

【0029】

スイッチ回路１０２は、さらに、電流制限器１２０とＮチャンネル型のトランジスタ１２１とを備えている。電流制限器１２０は、電流制限用抵抗素子１０６を介して供給される増幅器１０５からの出力信号に従って、それを流れる電流量を決定する制限器である。すなわち、電流制限器１２０を流れる電流量が、増幅器１０５の出力信号によって決定される。当該電流制限器１２０は、直流高電圧Ｖｏｔとトランジスタ１２１のソースＳとの間に接続され、トランジスタ１２１のドレインは接地電圧Ｖｓに接続されている。すなわち、電流制限器１２０とトランジスタ１２１のソースＳとドレインとの間の経路とが、直流高電圧Ｖｏｔと接地電圧Ｖｓとの間で直列に接続されている。

【0030】

トランジスタ１２１のゲートは、接続ノードｎｄに接続されている。接続ノードｎｄにおける所定の電圧は、トランジスタ１２１が導通となるような電圧に設定されている。したがって、電流制限器１２０を介して電流が流れると、電流制限器１２０およびトランジスタ１２１を介して、直流高電圧Ｖｏｔと接地電圧Ｖｓとの間で電流が流れることになる。本明細書では、電流制限器１２０およびトランジスタ１２１を介して電流が流れるときを、スイッチ回路１０２が導通しているときと称する。

【0031】

高電圧制御回路１においては、直流高電圧Ｖｏｔを降圧させるとき、平滑用コンデンサ１４０と並列接続されたスイッチ回路１０２を導通させて、平滑用コンデンサ１４０を放電させる。より具体的に述べると、降圧時には、直列接続された電流制限器１２０とトランジスタ１２１とによって、平滑用コンデンサ１４０に蓄積されている電荷を放電する放電電流の経路が形成されることになる。

【0032】

図１では、電流制限器１２０は、増幅器１０５からの出力信号の電流量に従って、電流制限器１２０を流れる電流量が決定される。したがって、増幅器１０５の出力端子Ｏと電流制限器１２０との間に接続されている電流制限用抵抗素子１０６の抵抗値によって、平滑用コンデンサ１４０を放電させる際の電流量を調整することが可能である。例えば、電流制限用抵抗素子１０６の抵抗値を大きくすれば、増幅器１０５から電流制限器１２０に供給される電流量を小さくすることができ、放電の際の電流量を小さくすることできる。これに対して、電流制限用抵抗素子１０６の抵抗値を小さくすれば、増幅器１０５から電流制限器１２０に供給される電流量を大きくすることができ、放電の際の電流量を大きくすることできる。したがって、電流制限用抵抗素子１０６の抵抗値を調整することで、降圧に掛かる待ち時間を調整することが可能である。勿論、電流量を調整する必要等が無ければ、電流制限用抵抗素子１０６は設けなくても良い。

【0033】

後で図２を用いて詳しく説明するが、直流高電圧Ｖｏｔを降圧するとき、制御回路１０４は、降圧すべき電圧値を指令電圧Ｖｉｖとして出力する。このとき、直流高電圧Ｖｏｔは、昇圧された負極性の高電圧になっているため、分圧電圧Ｖｄｖの電圧値は、指令電圧Ｖｉｖよりも高くなるため、増幅器１０５は、差分電圧Ｖｄｆを増幅して、出力する。その結果、スイッチ回路１０２が導通し、平滑用コンデンサ１４０の放電が行われ、直流高電圧Ｖｏｔを短時間で降圧することになる。

【0034】

これに対して、昇圧時においては、フィードバック回路１０３の動作により、分圧電圧Ｖｄｖが指令電圧Ｖｉｖと一致する方向に変化し、一致することになる。すなわち、指令電圧Ｖｉｖは、分圧電圧Ｖｄｖよりも高い電圧値あるいは等しい電圧値である。指令電圧Ｖｉｖは、増幅器１０５の負入力端子（－）に供給されているため、増幅器１０５は、例えば接地電圧Ｖｓの出力信号を出力することになる。その結果、電流制限器１２０を電流は流れない状態となっている。すなわち、スイッチ回路１０２は遮断（非導通）状態となるため、スイッチ回路１０２が、昇圧時に影響することはない。
＜高電圧制御回路の動作例＞

【0035】

次に、図面を用いて、図１に示した高電圧制御回路１の動作を説明する。図２は、実施の形態１に係る高電圧制御回路の動作を示す波形図である。ここで、図２（Ａ）は、直流高電圧Ｖｏｔの波形を示し、図２（Ｂ）は、分圧電圧Ｖｄｖおよび指令電圧Ｖｉｖの波形を示し、図２（Ｃ）は、スイッチ回路１０２を流れる電流（放電電流）の波形を示している。図２（Ａ）では、縦軸の矢印の方向が、負電圧の絶対値が大きくなる方向を示している。また、図２（Ｂ）では、縦軸の矢印の方向が、正電圧の絶対値が大きくなる方向を示している。なお、図２において、横軸は時間を示しており、図２（Ａ）～（Ｃ）は、波形の時系列変化を表している。

【0036】

時刻ｔ１までは、直流高電圧Ｖｏｔの分圧電圧Ｖｄｖが、指令電圧Ｖｉｖと一致した状態となっている。すなわち、指令電圧Ｖｉｖに対応する直流高電圧Ｖｏｔが安定して出力されている。

【0037】

直流高電圧Ｖｏｔを降圧する指示が、時刻ｔ１において発行される。降圧の指示により、制御回路１０４が、時刻ｔ１において、降圧すべき所望の電圧値を、指令電圧Ｖｉｖとして出力する。降圧であるため、直流高電圧Ｖｏｔの分圧電圧Ｖｄｖが、指令電圧Ｖｉｖよりも高い状態となり、図２では、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間、分圧電圧Ｖｄｖが指令電圧Ｖｉｖよりも高い状態が継続している。この期間においては、増幅器１０５が、差分電圧Ｖｄｆを増幅し、出力する。その結果、スイッチ回路１０２が導通状態となり、図２（Ｃ）に示すような放電電流が、スイッチ回路１０２を流れ、平滑用コンデンサ１４０が放電され、直流高電圧Ｖｏｔが、接地電圧Ｖｓに向かって降下する。

【0038】

直流高電圧Ｖｏｔが降下して、分圧電圧Ｖｄｖが、時刻ｔ２において指令電圧Ｖｉｖと等しくなると、増幅器１０５の出力信号は、接地電圧Ｖｓに相当する電圧値となる。その結果、スイッチ回路１０２が遮断される。スイッチ回路１０２の遮断により、平滑用コンデンサ１４０の放電が停止し、図２（Ｃ）に示すように、放電電流が無くなる。

【0039】

時刻ｔ２から時刻ｔ３では、指令電圧Ｖｉｖが変更されていないため、時刻ｔ１までの期間と同様になる。但し、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間においては、降圧された直流高電圧Ｖｏｔが出力されている。

【0040】

時刻ｔ３において、直流高電圧Ｖｏｔを上昇（より高い負電圧）させるために、制御回路１０４は、指令電圧Ｖｉｖを上昇させる。上昇させることで、指令電圧Ｖｉｖの電圧値が、直流高電圧Ｖｏｔの分圧電圧Ｖｄｖよりも高くなる。この状態では、増幅器１０５の負入力端子（－）の電圧値が正入力端子（＋）よりも高くなるため、増幅器１０５は、接地電圧Ｖｓに相当する出力信号を出力することになる。その結果、スイッチ回路１０２は遮断状態となり、図２（Ｃ）に示すように、放電電流は流れない。一方、平滑用コンデンサ１４０は、高電圧整流回路１００から供給される電流によって充電される。したがって、直流高電圧Ｖｏｔは上昇し、直流高電圧Ｖｏｔの分圧電圧Ｖｄｖが指令電圧Ｖｉｖと一致すると、直流高電圧Ｖｏｔの上昇が停止、一定の電圧値として安定する。

【0041】

実施の形態１に係る高電圧制御回路１によれば、指令電圧Ｖｉｖを変更するだけで、降圧が必要なときのみスイッチ回路１０２を導通状態にし、平滑用コンデンサ１４０を短時間で放電することが可能である。すなわち、実施の形態１によれば、複雑な制御アルゴリズムを必要とせず、また簡単な構成で、降圧に掛かる時間の短縮化を図ることが可能な高電圧制御回路を提供することができる。

【0042】

また、実施の形態１によれば、高電圧制御回路を構成する増幅器を単一電源電圧で動作する構成にすることが可能であり、増幅器のために複数の電源電圧を準備しなくてもよい。
（実施の形態２）
図３は、実施の形態２に係る高電圧制御回路の構成を示すブロック図である。図３は、図１と類似しているため、相違点を主に説明する。
＜高電圧制御回路の構成＞

【0043】

主な相違点は、図３では、図１に示した反転増幅器１３５に係る部分と、増幅器１０５に係る部分と、誤差増幅器１３３に係る部分とが変更されていることである。

【0044】

図１の高電圧制御回路では、直流高電圧Ｖｏｔを分圧し、その電圧変化を反転するために、反転増幅器１３５を用いていた。また、図１では、分圧電圧Ｖｄｖと指令電圧Ｖｉｖとの間の差分電圧Ｖｄｆを増幅するために、単一の電源電圧で動作する増幅器１０５を用いていた。さらに、図１では、分圧電圧Ｖｄｖと指令電圧Ｖｉｖとが誤差増幅器１３３に供給されていた。

【0045】

これに対して、図３では、反転増幅器１３５に係る部分、すなわち反転増幅器１３５および抵抗素子１３６、１３７が、抵抗素子１３８に変更されている。また、増幅器１０５に係る部分が、複数電源電圧で動作する増幅器１０９および抵抗素子１０８に変更されている。さらに、誤差増幅器１３３では、指令電圧Ｖｉｖの代わりに接地電圧Ｖｓが供給されている。

【0046】

抵抗素子１３８は、高電圧整流回路１００の出力と合成ノードｎｃとの間に接続されている。また、合成ノードｎｃは、抵抗素子１３４を介して誤差増幅器１３３の入力に接続されている。さらに、合成ノードｎｃは、抵抗素子１０８を介して制御回路１０４に接続されるとともに、増幅器１０９の負入力端子（－）に接続されている。増幅器１０９の正入力端子（＋）は接地電圧Ｖｓに接続され、出力端子Ｏは電流制限用抵抗素子１０６を介してスイッチ回路１０２に接続されている。

【0047】

前記したように、直流高電圧Ｖｏｔは負電圧であり、指令電圧Ｖｉｖは正電圧である。実施の形態２においては、直流高電圧Ｖｏｔの電圧値が指令電圧Ｖｉｖによって指令された所望の電圧値と一致しているときに、合成ノードｎｃにおける中点電圧Ｖｃｔが接地電圧Ｖｓ、すなわち０（Ｖ）となるよう、抵抗素子１０８および１３８の抵抗値が設定されている。すなわち、抵抗素子を介して直流高電圧Ｖｏｔと指令電圧Ｖｉｖとが合成され、直流高電圧Ｖｏｔと指令電圧Ｖｉｖとがバランスしているとき、中点電圧Ｖｃｔが所定の電圧(接地電圧Ｖｓ)となるように抵抗素子１０８、１３８の抵抗値が設定されている。

【0048】

したがって、直流高電圧Ｖｏｔの電圧値が、指令電圧Ｖｉｖで指令された電圧値から外れると、中点電圧Ｖｃｔは、接地電圧Ｖｓから外れ、正電圧または負電圧となる。言い換えるならば、中点電圧Ｖｃｔは、実質的に、直流高電圧Ｖｏｔと指令電圧Ｖｉｖとの間の差である差分電圧Ｖｄｆ（図１）に該当する。

【0049】

図３では、増幅器１０９が、中点電圧Ｖｃｔと接地電圧Ｖｓとの間の差分電圧を増幅し、増幅器１０９の出力信号によって、電流制限器１２０が制御される。増幅器１０９は、所定の正電圧Ｖｄと所定の負電圧Ｖｅを電源電圧として動作する増幅器である。正電圧Ｖｄおよび負電圧Ｖｅを電源電圧として動作するため、増幅器１０９は、負入力端子（－）に供給されている中点電圧Ｖｃｔの電圧値が接地電圧Ｖｓよりも高いとき、基準電圧である接地電圧Ｖｓに対して負極性の出力信号を出力し、中点電圧Ｖｃｔが接地電圧Ｖｓよりも低いとき、基準電圧である接地電圧Ｖｓに対して正極性の出力信号を出力することになる。図３には、増幅器１０９として２つの電源電圧を用いた例が示されているが、増幅器１０９は、３つ以上の電源電圧を用いる複数電源電圧で動作する増幅器であってもよい。

【0050】

電流制限器１２０は、電流制限用抵抗素子１０６を介して供給される増幅器１０９の出力信号が、正極性のとき、出力信号に従った電流が、直流高電圧Ｖｏｔとトランジスタ１２１のソースＳとの間を流れるように動作する。すなわち、スイッチ回路１０２が導通状態になる。一方、増幅器１０９の出力信号が、接地電圧Ｖｓまたは負極性のとき、電流制限器１２０は、電流が流れないように動作する。すなわち、スイッチ回路１０２が遮断状態となる。

【0051】

後で、図４を用いて動作例を説明するが、中点電圧Ｖｃｔは、降圧時に負極性の電圧となり、増幅器１０９の出力信号は正極性となる。その結果、スイッチ回路１０２が導通状態となり、平滑用コンデンサ１４０は短時間で放電されることになる。降圧時以外では、増幅器１０９の出力信号は、接地電圧Ｖｓまたは負極性となる。その結果、スイッチ回路１０２は遮断状態となり、スイッチ回路１０２が高電圧制御回路１に影響するのを防ぐことができる。

【0052】

なお、フィードバック回路１０３においては、誤差増幅器１３３が、接地電圧Ｖｓと抵抗素子１３４を介して供給された中点電圧Ｖｃｔとの間の差分電圧を増幅する。フィードバック回路１０３は、この差分電圧を小さくするような電流信号Ｉｃを高電圧整流回路１００に出力することになる。
＜高電圧制御回路の動作例＞

【0053】

図４は、実施の形態２に係る高電圧制御回路の動作を示す波形図である。ここで、図４（Ａ）は、直流高電圧Ｖｏｔの波形を示し、図４（Ｂ）は、指令電圧Ｖｉｖの波形を示し、図４（Ｃ）は、中点電圧Ｖｃｔの波形を示し、図４（Ｄ）は、スイッチ回路１０２を流れる電流（放電電流）の波形を示している。図４（Ａ）では、縦軸の矢印の方向が、負電圧の絶対値が大きくなる方向を示している。また、図４（Ｂ）および（Ｃ）では、縦軸の矢印の方向が、正電圧の絶対値が大きくなる方向を示している。なお、図４において、横軸は時間を示しており、図４（Ａ）～（Ｄ）は、波形の時系列変化を表している。

【0054】

時刻ｔ１までは、直流高電圧Ｖｏｔが、指令電圧Ｖｉｖによって指令された電圧と一致しており、安定した電圧値になっている。一致しているため、指令電圧と直流高電圧Ｖｏｔとの合成により形成されている中点電圧Ｖｃｔは、接地電圧（０（Ｖ））となっている。その結果、増幅器１０９（図３）は、接地電圧の出力信号を出力し、スイッチ回路１０２（図３）は遮断状態となっている。

【0055】

時刻ｔ１において、降圧が指令され、制御回路１０４（図３）が指令電圧Ｖｉｖを低下させる。抵抗素子１３８（図３）を介して、合成ノードｎｃ（図３）に供給される直流高電圧Ｖｏｔの絶対値よりも、抵抗素子１０８（図３）を介して、合成ノードｎｃに供給される指令電圧Ｖｉｖの電圧値が小さくなるため、図４（Ｃ）に示すように、中点電圧Ｖｃｔは、接地電圧よりも低下することになる。その結果、増幅器１０９（図３）は、正電圧の出力信号を出力することになる。この出力信号によって、スイッチ回路１０２が導通状態となり、平滑用コンデンサ１４０（図３）に蓄積されていた電荷が、スイッチ回路１０２を流れる放電電流（図４（Ｄ））によって放電される。

【0056】

平滑用コンデンサ１４０の放電が進み、直流高電圧Ｖｏｔの絶対値が低下し、時刻ｔ２において、指令電圧Ｖｉｖの電圧値と一致すると、中点電圧Ｖｃｔは接地電圧に戻る。中点電圧Ｖｃｔが接地電圧になることで、スイッチ回路１０２は再び遮断状態となり、図４（Ｄ）に示すように放電電流が無くなる。

【0057】

次に、時刻ｔ３において、昇圧が指令され、制御回路１０４が指令電圧Ｖｉｖを上昇させた場合を説明する。この場合には、抵抗素子１３８を介して合成ノードｎｃに供給される直流高電圧Ｖｏｔの絶対値よりも、抵抗素子１０８を介して合成ノードｎｃに供給される指令電圧Ｖｉｖの電圧値が大きくなるため、図４（Ｃ）に示すように、中点電圧Ｖｃｔは、接地電圧から上昇することになる。この場合、増幅器１０９は負極性の信号を出力し、スイッチ回路１０２は遮断状態を維持することになる。その結果、図４（Ｄ）に示すようにスイッチ回路１０２においては、放電電流は流れず、平滑用コンデンサ１４０の放電は行われない。

【0058】

一方、時刻ｔ３においては、誤差増幅器１３３（図３）が、中点電圧Ｖｃｔと接地電圧との間の差分電圧を増幅し、電流増幅器１３０に供給する。電流増幅器１３０は、この差分電圧を小さくするような電流信号Ｉｃを高電圧整流回路１００に出力する。その結果、平滑用コンデンサ１４０が高電圧整流回路１００の出力によって充電され、直流高電圧Ｖｏｔが上昇することになる。すなわち、負電圧である直流高電圧Ｖｏｔの絶対値が大きくなる。

【0059】

実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、複雑な制御アルゴリズムを必要とせずに、簡単な構成で、降圧に掛かる時間の短縮化を図ることが可能な高電圧制御回路を提供することができる。さらに、実施の形態２によれば、図１で示したような反転増幅器を必要としないため、高電圧制御回路１を更に簡単な構成にすることが可能である。
（実施の形態３）
図５は、実施の形態３に係る高電圧制御回路の構成を示すブロック図である。図５は、図３と類似しているので、相違点を主に説明する。

【0060】

主な相違点は、図５では、スイッチ回路１０２の構成が、図３に示したスイッチ回路１０２から変更されている点である。すなわち、図３では、電流制限器１２０と接地電圧Ｖｓとの間に１個のトランジスタ１２１が接続され、固定電圧素子１２２と接地電圧Ｖｓとの間に１個の抵抗素子１２３が接続されていた。これに対して、図５では、３個のトランジスタ１２４～１２６が、電流制限器１２０と接地電圧Ｖｓとの間に直列接続され、３個の抵抗素子１２７～１２９が、固定電圧素子１２２と接地電圧Ｖｓとの間に直列接続されている。

【0061】

より具体的に述べると、３個のトランジスタ１２４～１２６のソースとドレインとの間の経路が、電流制限器１２０と接地電圧Ｖｓとの間に直列接続されている。また、トランジスタ１２４のゲートは、抵抗素子１２７と固定電圧素子１２２とを接続するノードｎｄ１に接続され、トランジスタ１２５のゲートは、抵抗素子１２７と抵抗素子１２８とを接続するノードｎｄ２に接続され、トランジスタ１２６のゲートは、抵抗素子１２８と抵抗素子１２９とを接続するノードｎｄ３に接続されている。トランジスタ１２４～１２６のそれぞれのゲートには、それぞれのトランジスタがオン状態となるような電圧が供給されるように、抵抗素子１２７～１２９の抵抗値が設定されている。

【0062】

トランジスタ１２４～１２６を多段接続することにより、平滑用コンデンサ１４０の電荷を放電する際に、１つのトランジスタが負担する電圧を減少することが可能となる。その結果、より高い直流高電圧Ｖｏｔを放電することが可能となる。例えば、１つのトランジスタの耐圧が２ｋＶであった場合、図５のように３個のトランジスタを直列に多段接続することで、全体の耐圧を６ｋＶにすることが可能である。勿論、トランジスタの段数は、３段に限定されるものではなく、２段あるいは４段以上であってもよい。
（実施の形態４）
図６は、実施の形態４に係る高電圧制御回路の構成を示すブロック図である。図６は、図３と類似しているので、相違点を主に説明する。
主な相違点は、図６では、昇圧により負極性の高電圧を出力するのではなく、正極性の高電圧を出力するように高電圧制御回路１Ｐが構成されている点である。

【0063】

図６を参照して、具体的に相違点を述べると、図３の高電圧整流回路１００に対応する高電圧整流回路１００Ｐにおいては、ダイオードの接続方向が変更され、ダイオード１１５Ｐ～１１８Ｐとなっている。また、図３の制御回路１０４に対応する制御回路１０４Ｐにおいては、指令に従って負極性の方向に変化する指令電圧Ｖｉｖｎを出力する。

【0064】

さらに、図３のスイッチ回路１０２に対応するスイッチ回路１０２Ｐにおいては、図３に対してトランジスタと電流制限素子の配置が入れ替えられて、トランジスタ１２１Ｐと電流制限器１２０Ｐとなっている。また、図３に対して抵抗素子と固定電圧素子の配置が入れ替えられて、抵抗素子１２３Ｐと固定電圧素子１２２Ｐとなっている。図６に示すように、トランジスタ１２１ＰのソースＳは、図３と同様に電流制限器１２０Ｐに接続されているが、電流制限器１２０Ｐにおいては、電流の流れる方向が、図３とは逆になっている。また、増幅器１０９の正入力端子（＋）に中点電圧Ｖｃｔが供給され、負入力端子（－）に接地電圧Ｖｓが供給されている。
図６に示した高電圧制御回路１Ｐの動作原理は、図３に示した高電圧制御回路１と同様であるので、説明は省略する。

【0065】

実施の形態４によれば、実施の形態２と同様に、複雑な制御アルゴリズムを必要とせずに、簡単な構成で、降圧に掛かる時間の短縮化を図ることが可能な高電圧制御回路を提供することができる。

【0066】

実施の形態１～４においては、フィードバック回路１０３が備える誤差増幅器１３３に供給される差分電圧が、増幅器１０５、１０９によって監視される。監視によって、指令電圧Ｖｉｖ、Ｖｉｖｎの絶対値が、直流高電圧Ｖｏｔの絶対値より小さいと判定されたとき、平滑用コンデンサ１４０に蓄積されている電荷がスイッチ回路１０２、１０２Ｐによって放電される。したがって、外部信号による複雑な制御は不要である。また、プロセッサ等を利用した複雑な制御アルゴリズムも不要であり、出力されるべき直流高電圧の電圧値を定める指令電圧の絶対値を小さくするだけで、直流高電圧を降圧する際の速度を向上させることが可能である。また、昇圧の際には、スイッチ回路１０２、１０２Ｐは遮断状態となるため、昇圧は、スイッチ回路１０２、１０２Ｐを設けていない場合と同様な速度で行うことが可能である。外部信号による複雑な制御や複雑な制御アルゴリズムが不要であるため、高電圧制御回路を簡単な構成にすることが可能である。

【0067】

実施の形態１～４では、高電圧整流回路として、ＣＷ回路を用いる例を説明したが、これに限定されるものではない。高電圧整流回路は、ダイオード整流により、電流を一方向へ流す構成であればよい。

【0068】

実施の形態１～４に係る高電圧制御回路は、医療用途、工業用途、製造用途、分析用途、検査計測用途等のさまざまな高電圧装置および高電圧制御回路に使用可能である。実施の形態１～４に係る高電圧制御回路は、例えば、Ｘ線放電管電源、荷電粒子線装置の荷電粒子源用電源または電極制御電源、光電子増倍管用の電源、除電装置の放電電極用電源、質量分析装置のイオン源用電源などにも適用可能である。

【0069】

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

【符号の説明】

【0070】

１ 高電圧制御回路
１００、１００Ｐ 高電圧整流回路
１０１ 負荷
１０２、１０２Ｐ スイッチ回路
１０３ フィードバック回路
１０４ 制御回路
１０５、１０９ 増幅器
１２０ 電流制限器
１４０ 平滑用コンデンサ
１３３ 誤差増幅器
１３５ 反転増幅器
Ｖｃｔ 中点電圧
Ｖｄｆ 差分電圧
Ｖｄｖ 分圧電圧
Ｖｉｖ、Ｖｉｖｎ 指令電圧
Ｖｏｔ 直流高電圧

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】