(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】P2024092683
(43)【公開日】2024-07-08
(54)【発明の名称】パルス電源装置
(51)【国際特許分類】
H02M 3/155 20060101AFI20240701BHJP
H02M 3/28 20060101ALI20240701BHJP
H02M 7/48 20070101ALI20240701BHJP
【ＦＩ】
H02M3/155 H
H02M3/28 H
H02M3/155 W
H02M3/28 W
H02M7/48 E
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022208790
(22)【出願日】2022-12-26
(71)【出願人】
【識別番号】000000262
【氏名又は名称】株式会社ダイヘン
(74)【代理人】
【識別番号】110002147
【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】河野 真吾
【テーマコード（参考）】
5H730
5H770
【Ｆターム（参考）】
5H730AS04
5H730BB14
5H730BB27
5H730BB85
5H730DD04
5H730DD16
5H730EE04
5H730EE08
5H730EE59
5H730FD01
5H730FG05
5H770CA01
5H770DA01
5H770DA44
5H770EA01
5H770HA03Z
(57)【要約】
【課題】任意のタイミングで多段階のレベルのパルス出力電圧を出力する。
【解決手段】パルス電源装置は、Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータと、Ｎ個のインバータとを備える。Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータは、第１直流出力端子と第２直流出力端子との間に直流電圧を発生する。Ｎ個のインバータのそれぞれは、対応するＤＣ－ＤＣコンバータにおける第１直流出力端子とパルス出力端子との間を短絡または切断する第１スイッチと、対応するＤＣ－ＤＣコンバータにおける第２直流出力端子とパルス出力端子との間を短絡または切断する第２スイッチとを含む。Ｎ個のうちの第１のＤＣ－ＤＣコンバータの第２直流出力端子は、基準電位に接続される。Ｎ個のうちの第ｎ（ｎは、２以上、Ｎ以下の整数）のＤＣ－ＤＣコンバータの第１直流出力端子は、Ｎ個のうちの第（ｎ－１）のインバータにおけるパルス出力端子に接続される。
【選択図】図６
【解決手段】パルス電源装置は、Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータと、Ｎ個のインバータとを備える。Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータは、第１直流出力端子と第２直流出力端子との間に直流電圧を発生する。Ｎ個のインバータのそれぞれは、対応するＤＣ－ＤＣコンバータにおける第１直流出力端子とパルス出力端子との間を短絡または切断する第１スイッチと、対応するＤＣ－ＤＣコンバータにおける第２直流出力端子とパルス出力端子との間を短絡または切断する第２スイッチとを含む。Ｎ個のうちの第１のＤＣ－ＤＣコンバータの第２直流出力端子は、基準電位に接続される。Ｎ個のうちの第ｎ（ｎは、２以上、Ｎ以下の整数）のＤＣ－ＤＣコンバータの第１直流出力端子は、Ｎ個のうちの第（ｎ－１）のインバータにおけるパルス出力端子に接続される。
【選択図】図６
【特許請求の範囲】
【請求項1】
それぞれが第１直流入力端子及び第２直流入力端子で構成される直流入力部と第１直流出力端子及び第２直流出力端子で構成される直流出力部とを有し、前記第１直流入力端子と前記第２直流入力端子との間に入力した直流電圧を変圧し、前記第１直流出力端子と前記第２直流出力端子との間に変圧した直流電圧を発生させるＮ個（Ｎは２以上の整数）のＤＣ－ＤＣコンバータと、
それぞれがスイッチ及びパルス出力端子を有し、前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータに一対一で対応して設けられるＮ個のインバータと
を備え、
前記Ｎ個のインバータのそれぞれは、前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータのうちの対応するＤＣ－ＤＣコンバータにおける前記第１直流出力端子と前記パルス出力端子との間を短絡または切断する第１スイッチと、前記対応するＤＣ－ＤＣコンバータにおける前記第２直流出力端子と前記パルス出力端子との間を短絡または切断する第２スイッチとを含み、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが相補的にスイッチング動作することによって、前記パルス出力端子からパルス出力電圧を出力するように構成されており、
前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータのうちの第１のＤＣ－ＤＣコンバータの前記第２直流出力端子は、基準電位に接続され、
前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータのうちの第ＮのＤＣ－ＤＣコンバータのパルス出力端子は、負荷に接続され、
前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータのうちの第ｎ（ｎは、２以上、Ｎ以下の整数）のＤＣ－ＤＣコンバータのそれぞれは、前記直流入力部と前記直流出力部との間に、電圧を変圧するための絶縁トランスを有しているとともに、前記第１直流出力端子が前記Ｎ個のインバータのうちの第（ｎ－１）のインバータにおける前記パルス出力端子に接続されている
パルス電源装置。
それぞれがスイッチ及びパルス出力端子を有し、前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータに一対一で対応して設けられるＮ個のインバータと
を備え、
前記Ｎ個のインバータのそれぞれは、前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータのうちの対応するＤＣ－ＤＣコンバータにおける前記第１直流出力端子と前記パルス出力端子との間を短絡または切断する第１スイッチと、前記対応するＤＣ－ＤＣコンバータにおける前記第２直流出力端子と前記パルス出力端子との間を短絡または切断する第２スイッチとを含み、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが相補的にスイッチング動作することによって、前記パルス出力端子からパルス出力電圧を出力するように構成されており、
前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータのうちの第１のＤＣ－ＤＣコンバータの前記第２直流出力端子は、基準電位に接続され、
前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータのうちの第ＮのＤＣ－ＤＣコンバータのパルス出力端子は、負荷に接続され、
前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータのうちの第ｎ（ｎは、２以上、Ｎ以下の整数）のＤＣ－ＤＣコンバータのそれぞれは、前記直流入力部と前記直流出力部との間に、電圧を変圧するための絶縁トランスを有しているとともに、前記第１直流出力端子が前記Ｎ個のインバータのうちの第（ｎ－１）のインバータにおける前記パルス出力端子に接続されている
パルス電源装置。
【請求項2】
前記Ｎ個のインバータのそれぞれのインバータ内の前記スイッチのスイッチングタイミングを制御するパルス制御部をさらに備え、
前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータのそれぞれは、スイッチング電源装置であり、
前記第ｎのＤＣ－ＤＣコンバータのそれぞれは、前記パルス制御部による前記Ｎ個のインバータのスイッチングタイミングに基づき、前記第１直流出力端子が前記基準電位となったタイミングにおける前記第２直流出力端子の電圧を検出し、検出した前記第２直流出力端子の電圧に基づき、前記第１直流出力端子と前記第２直流出力端子との間に発生する直流電圧を安定化させる
請求項１に記載のパルス電源装置。
前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータのそれぞれは、スイッチング電源装置であり、
前記第ｎのＤＣ－ＤＣコンバータのそれぞれは、前記パルス制御部による前記Ｎ個のインバータのスイッチングタイミングに基づき、前記第１直流出力端子が前記基準電位となったタイミングにおける前記第２直流出力端子の電圧を検出し、検出した前記第２直流出力端子の電圧に基づき、前記第１直流出力端子と前記第２直流出力端子との間に発生する直流電圧を安定化させる
請求項１に記載のパルス電源装置。
【請求項3】
前記第１のＤＣ－ＤＣコンバータは、前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータのうちの第２のＤＣ－ＤＣコンバータにおける前記第１直流出力端子と前記第２直流出力端子との間の電位差よりも絶対値が小さい直流電圧を発生させる
請求項１又は２に記載のパルス電源装置。
請求項１又は２に記載のパルス電源装置。
【請求項4】
前記第１のＤＣ－ＤＣコンバータは、前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータのうちの第２～第Ｎ（Ｎは３以上の整数）のＤＣ－ＤＣコンバータにおける前記第１直流出力端子と前記第２直流出力端子との間の電位差の最大値よりも絶対値が小さい直流電圧を発生させる
請求項１又は２に記載のパルス電源装置。
請求項１又は２に記載のパルス電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、パルス電源装置に関する。
【背景技術】
【0002】
３レベル以上の電圧を周期的に切り替えて出力するパルス電源装置として、バイポーラ方式のマルチレベルインバータ（特許文献１）が知られている。バイポーラ方式のマルチレベルインバータは、０Ｖを出力する短絡スイッチと、正側電圧と負側電圧とを切り替えるフルブリッジインバータとを備える。バイポーラ方式のマルチレベルインバータは、０Ｖと、正側電圧と、負側電圧とを周期的に切り替えることができる。しかし、バイポーラ方式のマルチレベルインバータは、正側電圧と負側電圧の絶対値が同一であり、デューティ比も５０％である。このため、バイポーラ方式のマルチレベルインバータは、発生する電圧値およびデューティ比が限定されてしまっていた。
【0003】
このようなパルス電源装置として、ＮＰＣ（Neutral Point Clamped）方式のマルチレベルインバータも知られている。ＮＰＣ方式のマルチレベルインバータは、スイッチと、ダイオードとを利用したＮＰＣ回路または双方向スイッチ（ＴタイプＮＰＣ）を利用する。ＮＰＣ方式のマルチレベルインバータは、複数のＤＣ－ＤＣコンバータを用いて複数の直流電圧を発生させることにより、絶対値の異なる正側電圧および負側電圧を出力したり、５０％以外のデューティ比で電圧を切り替えたりすることができる。しかし、ＮＰＣ方式のマルチレベルインバータは、絶対値の小さい正側電圧と絶対値の大きい負側電圧を出力するような場合であっても、絶対値の小さい正側電圧をスイッチングするスイッチの耐圧を、絶対値の大きい負側電圧をスイッチングするスイッチと同様に、高くしなければならなかった。正側電圧と負側電圧との大小関係が逆であっても同様である。このため、ＮＰＣ方式のマルチレベルインバータは、スイッチのコストが高くなってしまっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】国際公開第２００９／１４５０９２号公報
【特許文献2】特許第６２２５４１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易に且つ少ないコストで、多段階のレベルのパルス出力電圧Ｖｏｕｔを出力することができるパルス電源装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るパルス電源装置は、それぞれが第１直流入力端子及び第２直流入力端子で構成される直流入力部と第１直流出力端子及び第２直流出力端子で構成される直流出力部とを有し、前記第１直流入力端子と前記第２直流入力端子との間に入力した直流電圧を変圧し、前記第１直流出力端子と前記第２直流出力端子との間に変圧した直流電圧を発生させるＮ個（Ｎは２以上の整数）のＤＣ－ＤＣコンバータと、それぞれが出力端子を有し、前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータに一対一で対応して設けられるＮ個のインバータとを備え、前記Ｎ個のインバータのそれぞれは、前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータのうちの対応するＤＣ－ＤＣコンバータにおける前記第１直流出力端子と前記パルス出力端子との間を短絡または切断する第１スイッチと、前記対応するＤＣ－ＤＣコンバータにおける前記第２直流出力端子と前記パルス出力端子との間を短絡または切断する第２スイッチとを含み、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが相補的にスイッチング動作することによって、前記パルス出力端子からパルス出力電圧を出力するように構成されており、前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータのうちの第１のＤＣ－ＤＣコンバータの前記第２直流出力端子は、基準電位に接続され、前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータのうちの第ＮのＤＣ－ＤＣコンバータのパルス出力端子は、負荷に接続され、前記Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータのうちの第ｎ（ｎは、２以上、Ｎ以下）のＤＣ－ＤＣコンバータのそれぞれは、前記直流入力部と前記直流出力部との間に、電圧を変圧するための絶縁トランスを有しているとともに、前記第１直流出力端子が前記Ｎ個のインバータのうちの第（ｎ－１）のインバータにおける前記パルス出力端子に接続されている。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、簡易に且つ少ないコストで、多段階のレベルのパルス出力電圧を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
図１は、第１実施形態に係るパルス電源装置１００の構成を示す。パルス電源装置１００は、負荷７０に複数のレベルに周期的に変化するパルス出力電圧Ｖｏｕｔを供給する。パルス電源装置１００は、負荷７０のインピーダンスの変動に関わらず目標の電位に安定化されたパルス出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。例えば、パルス電源装置１００は、プラズマ発生装置にスイッチングパルスを供給するパルス発生装置として用いられる。なお、負荷７０の等価回路は、例えば、図１に示すように、キャパシタ７１と抵抗７２によって表される。また、パルス出力電圧Ｖｏｕｔのパルス周波数は、１００Ｈｚ～１０ＭＨｚ程度である。本実施形態では、パルス出力電圧Ｖｏｕｔのパルス周波数は４００ｋＨｚである。
【0010】
パルス電源装置１００は、第１のＤＣ－ＤＣコンバータ１－１と、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２と、第１のインバータ２－１と、第２のインバータ２－２と、パルス制御部３とを備える。
【0011】
第１のＤＣ－ＤＣコンバータ１－１および第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２は、電力変換用のスイッチ回路よりも後段に、整流素子により電圧を整流する整流回路を少なくとも含むスイッチング電源装置である。なお、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２では、トランス２６－２の二次側に整流回路が配置されている。
【0012】
第１のＤＣ－ＤＣコンバータ１－１は、第１直流入力端子Ｔ１１－１と、第２直流入力端子Ｔ１２－１と、第１直流出力端子Ｔ２１－１と、第２直流出力端子Ｔ２２－１とを備える。なお、第１直流入力端子Ｔ１１－１及び第２直流入力端子Ｔ１２－１によって直流入力部が構成され、第１直流出力端子Ｔ２１－１及び第２直流出力端子Ｔ２２－１によって直流出力部が構成される。第１直流入力端子Ｔ１１－１、第２直流入力端子Ｔ１２－１、第１直流出力端子Ｔ２１－１および第２直流出力端子Ｔ２２－１は、電極であってもよいし、配線の一部分であってもよい。他の端子も同様である。第１のＤＣ－ＤＣコンバータ１－１は、第１直流入力端子Ｔ１１－１と第２直流入力端子Ｔ１２－１との間に直流の入力電圧Ｖｉｎが供給される。入力電圧Ｖｉｎは、例えば電池から出力された電圧であってもよいし、交流電力を整流して平滑化した電圧であってもよい。第２直流入力端子Ｔ１２－１は、基準電位（例えばグランド電位）に接続される。第１のＤＣ－ＤＣコンバータ１－１は、供給された入力電圧Ｖｉｎを、所望の電位差Ｖ１（本実施形態では１ｋＶ）を有する電圧に変換して第１直流出力端子Ｔ２１－１と第２直流出力端子Ｔ２２－１との間に出力する。以降、第１直流出力端子Ｔ２１－１の第２直流出力端子Ｔ２２－１に対する電圧を第１直流電圧Ｖ１とする。
【0013】
なお、第１直流出力端子Ｔ２１－１の電位は、第２直流出力端子Ｔ２２－１の電位よりも高い。また、第１のＤＣ－ＤＣコンバータ１－１の第２直流出力端子Ｔ２２－１は、第２直流入力端子Ｔ１２－１を介して基準電位に接続される。そのため、第１のＤＣ－ＤＣコンバータ１－１の第１直流出力端子Ｔ２１－１の基準電位に対する電圧は第１直流電圧Ｖ１と同じである。
【0014】
第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２は、第１直流入力端子Ｔ１１－２と、第２直流入力端子Ｔ１２－２と、第１直流出力端子Ｔ２１－２と、第２直流出力端子Ｔ２２－２とを備える。第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２は、第１直流入力端子Ｔ１１－２と第２直流入力端子Ｔ１２－２との間に入力電圧Ｖｉｎが供給される。第２直流入力端子Ｔ１２－２は、基準電位に接続される。第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２は、供給された入力電圧Ｖｉｎを、所望の電位差Ｖ２（本実施形態では１０ｋＶ）を有する電圧に変換して第１直流出力端子Ｔ２１－２と第２直流出力端子Ｔ２２－２との間に出力する。以降、第１直流出力端子Ｔ２１－２の第２直流出力端子Ｔ２２－２に対する電圧を第２直流電圧Ｖ２とする。なお、第１直流出力端子Ｔ２１－２の電位は、第２直流出力端子Ｔ２２－２の電位よりも高い。
【0015】
また、本実施形態において、第１のＤＣ－ＤＣコンバータ１－１は、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２から発生される直流電圧よりも絶対値が小さい直流電圧を発生する。すなわち、第１のＤＣ－ＤＣコンバータ１－１から出力される第１直流電圧Ｖ１の絶対値は、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２から出力される第２直流電圧Ｖ２の絶対値よりも小さい。
【0016】
本実施形態において、第１のＤＣ－ＤＣコンバータ１－１は、チョッパ型のスイッチング電源装置であり、インダクタ１１と、ダイオード１２と、キャパシタ１３と、変換スイッチ１４と、電圧制御部４０－１とを有する。
【0017】
インダクタ１１は、一方の端子が第１直流入力端子Ｔ１１－１に接続され、他方の端子がダイオード１２のアノードに接続される。ダイオード１２は、カソードが第１直流出力端子Ｔ２１－１に接続される。キャパシタ１３は、第１直流出力端子Ｔ２１－１と第２直流出力端子Ｔ２２－１との間に接続される。変換スイッチ１４は、インダクタ１１とダイオード１２との間の接続点Ｎ１と、第２直流入力端子Ｔ１２－１との間に設けられる。変換スイッチ１４は、電圧制御部４０－１による制御に応じて接続点Ｎ１と第２直流入力端子Ｔ１２－１との間を短絡または切断する。変換スイッチ１４は、例えば、エンハンスメント型のＮチャネルのＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。この場合、変換スイッチ１４は、ドレインが接続点Ｎ１に接続され、ソースが第２直流入力端子Ｔ１２－１に接続される。そして、変換スイッチ１４は、ゲートに、電圧制御部４０－１から制御信号が与えられる。
【0018】
第２直流出力端子Ｔ２２－１は、第２直流入力端子Ｔ１２－１と接続される。すなわち、第１のＤＣ－ＤＣコンバータ１－１における第２直流出力端子Ｔ２２－１は、基準電位に接続される。
【0019】
電圧制御部４０－１は、マイクロコントローラ等の処理回路により実現される。電圧制御部４０－１は、変換スイッチ１４に制御信号を与えて、変換スイッチ１４を短絡状態または切断状態に交互に切り替えるスイッチング制御をする。電圧制御部４０－１は、第１直流電圧Ｖ１を図略の検出器によって検出する。電圧制御部４０－１は、検出した第１直流電圧Ｖ１の検出値が予め設定された目標電位となるように、変換スイッチ１４におけるスイッチングのデューティ比等を制御する。これにより第１のＤＣ－ＤＣコンバータ１－１は、第１直流出力端子Ｔ２１－１と第２直流出力端子Ｔ２２－１との間に、安定化した第１直流電圧Ｖ１を発生させることができる。このような第１のＤＣ－ＤＣコンバータ１－１は、第１直流出力端子Ｔ２１－１と第２直流出力端子Ｔ２２－１との間に第１直流電圧Ｖ１の電位差を発生させ、且つ、第１直流出力端子Ｔ２１－１に正極性の電圧を出力することができる。
【0020】
本実施形態において、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２は、絶縁型のスイッチング電源装置であり、第１直流入力端子Ｔ１１－２と、第２直流入力端子Ｔ１２－２と、第１直流出力端子Ｔ２１－２と、第２直流出力端子Ｔ２２－２と、第１一次側スイッチ２１－２と、第２一次側スイッチ２２－２と、第３一次側スイッチ２３－２と、第４一次側スイッチ２４－２と、一次側インダクタ２５－２と、トランス２６－２と、第１ダイオード２７－２と、第２ダイオード２８－２と、第３ダイオード２９－２と、第４ダイオード３０－２と、二次側インダクタ３１－２と、キャパシタ３２－２と、電圧制御部４０－２とを備える。なお、第１直流入力端子Ｔ１１－２及び第２直流入力端子Ｔ１２－２によって直流入力部が構成され、第１直流出力端子Ｔ２１－２及び第２直流出力端子Ｔ２２－２によって直流出力部が構成される。第１直流入力端子Ｔ１１－２、第２直流入力端子Ｔ１２－２、第１直流出力端子Ｔ２１－２および第２直流出力端子Ｔ２２－２は、電極であってもよいし、配線の一部分であってもよい。
【0021】
第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２の第１直流入力端子Ｔ１１－２と第２直流入力端子Ｔ１２－２との間には、第１のＤＣ－ＤＣコンバータ１－１と同様に、直流の入力電圧Ｖｉｎが供給される。また、第２直流入力端子Ｔ１２－２は、第１のＤＣ－ＤＣコンバータ１－１の第２直流入力端子Ｔ１２－１と同様に、基準電位（例えばグランド電位）に接続される。
【0022】
第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２は、概略的には、インバータ回路、トランス、整流回路および平滑回路によって構成されている。インバータ回路は、第１一次側スイッチ２１－２、第２一次側スイッチ２２－２、第３一次側スイッチ２３－２、第４一次側スイッチ２４－２、一次側インダクタ２５－２およびトランス２６－２の一次側コイルによって構成される。整流回路は、第１ダイオード２７－２、第２ダイオード２８－２、第３ダイオード２９－２および第４ダイオード３０－２によって構成される。平滑回路は、二次側インダクタ３１－２およびキャパシタ３２－２によって構成される。
【0023】
そして、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２は、供給された入力電圧Ｖｉｎをインバータ回路で交流電圧に変換し、トランス２６－２によって変圧し、整流回路および平滑回路によって直流電圧に変換する。これにより、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２は、第２直流出力端子Ｔ２２－２を基準とした場合、第１直流出力端子Ｔ２１－２に正極性の第２直流電圧Ｖ２（本実施形態では１０ｋＶ）を発生させる。
【0024】
この際、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２は、電圧制御部４０－２によって第２直流電圧Ｖ２の検出値（図略の検出器によって検出）が目標電位になるように、第１一次側スイッチ２１－２、第２一次側スイッチ２２－２、第３一次側スイッチ２３－２および第４一次側スイッチ２４－２をスイッチング制御する。これにより第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２は、第１直流出力端子Ｔ２１－２と第２直流出力端子Ｔ２２－２との間に、安定化した第２直流電圧Ｖ２を発生させることができる。
【0025】
また、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２は、トランス２６－２を用いて昇圧するので、例えば、絶対値が１０ｋＶ以上の高電圧を発生させることが容易である。そのため、高電圧が用いられる用途に好適に用いることができる。
【0026】
以下、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２の具体的な構成を説明する。第１一次側スイッチ２１－２および第２一次側スイッチ２２－２は、第１直流入力端子Ｔ１１－２と第２直流入力端子Ｔ１２－２との間に直列に接続される。第３一次側スイッチ２３－２および第４一次側スイッチ２４－２は、第１直流入力端子Ｔ１１－２と第２直流入力端子Ｔ１２－２との間に直列に接続される。なお、第１一次側スイッチ２１－２と第２一次側スイッチ２２－２との接続点を接続点Ｎ２－２とし、第３一次側スイッチ２３－２と第４一次側スイッチ２４－２との接続点を接続点Ｎ３－２とする。
【0027】
第１一次側スイッチ２１－２、第２一次側スイッチ２２－２、第３一次側スイッチ２３－２および第４一次側スイッチ２４－２は、例えば、エンハンスメント型のＮチャネルのＭＯＳＦＥＴである。この場合、第１一次側スイッチ２１－２のドレインが第１直流入力端子Ｔ１１－２に接続される。第２一次側スイッチ２２－２のドレインが第１一次側スイッチ２１－２のソースに接続される。第２一次側スイッチ２２－２のソースは、第２直流入力端子Ｔ１２－２に接続される。また、第３一次側スイッチ２３－２のドレインが第１直流入力端子Ｔ１１－２に接続される。第４一次側スイッチ２４－２のドレインが第３一次側スイッチ２３－２のソースに接続される。第４一次側スイッチ２４－２のソースは、第２直流入力端子Ｔ１２－２に接続される。これらのスイッチのゲートには、電圧制御部４０－２から制御信号が与えられる。この際、第１一次側スイッチ２１－２と第２一次側スイッチ２２－２とは、相補的にスイッチング動作を行うように制御される。また、第３一次側スイッチ２３－２と第４一次側スイッチ２４－２とは、相補的にスイッチング動作を行うように制御される。
【0028】
一次側インダクタ２５－２は、接続点Ｎ２－２とトランス２６－２の一次側コイルの一方の端子との間に接続される。なお、この一次側インダクタ２５－２は、第１一次側スイッチ２１－２、第２一次側スイッチ２２－２、第３一次側スイッチ２３－２および第４一次側スイッチ２４－２の制御方法によっては必要でない場合がある。例えば、位相シフト制御を行う場合には、一次側インダクタ２５－２を備えている方が望ましいが、位相シフト制御を行わない場合には、省略可能である。
【0029】
トランス２６－２は、直流入力部と直流出力部との間の絶縁を行いつつ、変圧を行うために用いられる。このトランス２６－２の一次側コイルの一方の端子は、一次側インダクタ２５－２に接続され、トランス２６－２の一次側コイルの他方の端子は、接続点Ｎ３－２に接続される。トランス２６－２の二次側コイルは、４つのダイオード（第１ダイオード２７－２、第２ダイオード２８－２、第３ダイオード２９－２及び第４ダイオード３０－２）によって構成されるダイオードブリッジに接続されている。
【0030】
第１ダイオード２７－２と第２ダイオード２８－２とは、第１ダイオード２７－２のアノードに第２ダイオード２８－２のカソードが接続されるように直列接続される。第１ダイオード２７－２と第２ダイオード２８－２との接続点を接続点Ｎ４－２とする。また、第３ダイオード２９－２と第４ダイオード３０－２とは、第３ダイオード２９－２のアノードに第４ダイオード３０－２のカソードが接続されるように直列接続される。第３ダイオード２９－２と第４ダイオード３０－２との接続点を接続点Ｎ５－２とする。
【0031】
トランス２６－２の二次側コイルの一方の端子は、接続点Ｎ４－２に接続され、トランス２６－２の二次側コイルの他方の端子は、接続点Ｎ５－２に接続される。また、第１ダイオード２７－２のカソードと第３ダイオード２９－２のカソードとが接続点Ｎ６－２で接続され、第２ダイオード２８－２のアノードと第４ダイオード３０－２のアノードとが接続点Ｎ７－２で接続される。
【0032】
二次側インダクタ３１－２は、一方の端子が接続点Ｎ６－２に接続され、他方の端子が第１直流出力端子Ｔ２１－２に接続される。キャパシタ３２－２は、第１直流出力端子Ｔ２１－２と第２直流出力端子Ｔ２２－２との間に接続される。また、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２における第１直流出力端子Ｔ２１－２は、後述する第１のインバータ２－１のパルス出力端子Ｔ３－１に接続される。
【0033】
電圧制御部４０－２は、マイクロコントローラ等の処理回路により実現される。電圧制御部４０－２は、第１のＤＣ－ＤＣコンバータ１－１の電圧制御部４０－１と共通回路により実現されてもよい。
【0034】
電圧制御部４０－２は、第１直流出力端子Ｔ２１－２が基準電位となったタイミングにおける第２直流出力端子Ｔ２２－２の電圧を検出することにより、第１直流出力端子Ｔ２１－２と第２直流出力端子Ｔ２２－２との間に発生する第２直流電圧Ｖ２を検出する。電圧制御部４０－２は、検出した第２直流電圧Ｖ２が予め設定された目標電位となるように、インバータ回路を構成する４つのスイッチにおけるスイッチングのデューティ比等を制御する。
【0035】
上記のように、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２の直流入力部と直流出力部との間にはトランス２６－２が備わっているので、トランス２６－２の一次側と二次側とが絶縁されている。そのため、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２における第１直流出力端子Ｔ２１－２が第１のインバータ２－１のパルス出力端子Ｔ３－１に接続されていない場合、第１直流出力端子Ｔ２１－２の電位は確定しておらず、直流的にフローティング状態となる。
【0036】
しかし、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２における第１直流出力端子Ｔ２１－２は、後述する第１のインバータ２－１のパルス出力端子Ｔ３－１に接続され、第１のインバータ２－１のスイッチングによって基準電位に接続される期間が発生する。従って、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２は、第１直流出力端子Ｔ２１－２が基準電位となったタイミングにおける第２直流出力端子Ｔ２２－２の電圧を検出することができる。
【0037】
このような第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２は、第１直流出力端子Ｔ２１－２と第２直流出力端子Ｔ２２－２との間に、安定化した第２直流電圧Ｖ２（本実施形態では１０ｋＶ）の電位差を発生させることができる。
【0038】
上述したように第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２の第１直流出力端子Ｔ２１－２は、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２の回路内部において直流的にフローティング状態となっている。また、第１直流出力端子Ｔ２１－２は、第１のインバータ２－１のパルス出力端子Ｔ３－１に接続されているので、第１直流出力端子Ｔ２１－２の電位は、パルス出力端子Ｔ３－１の電位と同じ電位になる。また、第２直流出力端子Ｔ２２－２の電位は、第１直流出力端子Ｔ２１－２の電位から第２直流電圧Ｖ２を減算した電位となる。
【0039】
後述するように、本実施形態の場合、パルス出力端子Ｔ３－１の電位は、１ｋＶまたは０Ｖ（グランド電位）であるので、第１直流出力端子Ｔ２１－２の電位も１ｋＶまたは０Ｖになる。そのため、第２直流出力端子Ｔ２２－２の電位は、－９ｋＶまたは－１０ｋＶになる。したがって、本実施形態に係るパルス電源装置１００は、最大４レベルのパルス出力電圧Ｖｏｕｔを出力することができる。
【0040】
第１のインバータ２－１は、第１のＤＣ－ＤＣコンバータ１－１に対応して設けられる。第２のインバータ２－２は、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２に対応して設けられる。
【0041】
第１のインバータ２－１は、パルス出力端子Ｔ３－１と、第１スイッチ５１－１と、第２スイッチ５２－１とを有する。第１のインバータ２－１におけるパルス出力端子Ｔ３－１は、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２の第１直流出力端子Ｔ２１－２に接続される。
【0042】
第１スイッチ５１－１は、パルス制御部３からの第１ハイ制御信号Ｓ１１に応じて、第１のＤＣ－ＤＣコンバータ１－１における第１直流出力端子Ｔ２１－１とパルス出力端子Ｔ３－１との間を短絡または切断する。第１スイッチ５１－１は、例えば、エンハンスメント型のＮチャネルのＭＯＳＦＥＴである。この場合、第１スイッチ５１－１は、ドレインが第１直流出力端子Ｔ２１－１に接続され、ソースがパルス出力端子Ｔ３－１に接続される。第１スイッチ５１－１は、ゲートに、第１ハイ制御信号Ｓ１１が与えられる。
【0043】
第２スイッチ５２－１は、パルス制御部３からの第１ロー制御信号Ｓ１２に応じて、第１のＤＣ－ＤＣコンバータ１－１における第２直流出力端子Ｔ２２－１と、パルス出力端子Ｔ３－１との間を短絡または切断する。第２スイッチ５２－１は、例えば、エンハンスメント型のＮチャネルのＭＯＳＦＥＴである。この場合、第２スイッチ５２－１は、ドレインがパルス出力端子Ｔ３－１に接続され、ソースが第２直流出力端子Ｔ２２－１に接続される。第２スイッチ５２－１は、ゲートに、第１ロー制御信号Ｓ１２が与えられる。
【0044】
第１のインバータ２－１における第１スイッチ５１－１および第２スイッチ５２－１は、相補的にスイッチング動作をする。すなわち、第１スイッチ５１－１が短絡状態である場合、第２スイッチ５２－１は、切断状態である。第１スイッチ５１－１が切断状態である場合、第２スイッチ５２－１は、短絡状態である。
【0045】
その結果、第１のインバータ２－１のパルス出力端子Ｔ３－１の電位は、第１スイッチ５１－１が短絡状態のときに第１直流電圧Ｖ１と同じ電位になり、第２スイッチ５２－１が短絡状態のときに基準電位となる。そのため、第１のインバータ２－１のパルス出力端子Ｔ３－１から出力される電圧（以下、第１パルス出力電圧）は、第１スイッチ５１－１および第２スイッチ５２－１のスイッチング動作によって周期的に変化する。また、第１のインバータ２－１のパルス出力端子Ｔ３－１の電位は確定する。そのため、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２における第１直流出力端子Ｔ２１－２の電位も確定する。
【0046】
第２のインバータ２－２は、パルス出力端子Ｔ３－２と、第１スイッチ５１－２と、第２スイッチ５２－２とを有する。第２のインバータ２－２におけるパルス出力端子Ｔ３－２は、負荷７０に接続される。
【0047】
第１スイッチ５１－２は、パルス制御部３からの第２ハイ制御信号Ｓ２１に応じて、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２における第１直流出力端子Ｔ２１－２とパルス出力端子Ｔ３－２との間を短絡または切断する。第１スイッチ５１－２は、例えば、エンハンスメント型のＮチャネルのＭＯＳＦＥＴである。この場合、第１スイッチ５１－２は、ドレインが第１直流出力端子Ｔ２１－２に接続され、ソースがパルス出力端子Ｔ３－２に接続される。第１スイッチ５１－２は、ゲートに、第２ハイ制御信号Ｓ２１が与えられる。
【0048】
第２スイッチ５２－２は、パルス制御部３からの第２ロー制御信号Ｓ２２に応じて、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２における第２直流出力端子Ｔ２２－２と、パルス出力端子Ｔ３－２との間を短絡または切断する。第２スイッチ５２－２は、例えば、エンハンスメント型のＮチャネルのＭＯＳＦＥＴである。この場合、第２スイッチ５２－２は、ドレインがパルス出力端子Ｔ３－２に接続され、ソースが第２直流出力端子Ｔ２２－２に接続される。第２スイッチ５２－２は、ゲートに、第２ロー制御信号Ｓ２２が与えられる。
【0049】
第２のインバータ２－２における第１スイッチ５１－２および第２スイッチ５２－２は、相補的にスイッチング動作をする。すなわち、第１スイッチ５１－２が短絡状態である場合、第２スイッチ５２－２は、切断状態である。第１スイッチ５１－２が切断状態である場合、第２スイッチ５２－２は、短絡状態である。
【0050】
その結果、第２のインバータ２－２のパルス出力端子Ｔ３－２の電位は、第１スイッチ５１－２が短絡状態のときに第１直流出力端子Ｔ２１－２と同じ電位になり、第２スイッチ５２－１が短絡状態のときに第２直流出力端子Ｔ２２－２と同じ電位となる。そのため、第２のインバータ２－２のパルス出力端子Ｔ３－２から出力される電圧（以下、第２パルス出力電圧）は、第１スイッチ５１－２および第２スイッチ５２－２のスイッチング動作によって周期的に変化する。この第２パルス出力電圧がパルス出力電圧Ｖｏｕｔとして負荷７０に向けて出力される。
【0051】
なお、本実施形態では、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２における第１直流出力端子Ｔ２１－２と第２直流出力端子Ｔ２２－２との間の電位差は１０ｋＶなので、第１スイッチ５１－２の両端および第２スイッチ５２－２の両端には、１０ｋＶの電位差が生じる場合がある。そのため、複数のスイッチを直列接続することにより、電位差を分担負担してもよい。例えば、第１スイッチ５１－２および第２スイッチ５２－２は、それぞれ５個のスイッチを直列接続した構成にしてもよい。もちろん、第１スイッチ５１－２および第２スイッチ５２－２だけでなく、他のスイッチも同様に複数のスイッチを直列接続した構成にしてもよい。
【0052】
パルス制御部３は、マイクロコントローラ等の処理回路により実現される。パルス制御部３は、第１のＤＣ－ＤＣコンバータ１－１の電圧制御部４０－１および第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２の電圧制御部４０－２と共通回路により実現されてもよい。
【0053】
パルス制御部３は、第１のインバータ２－１および第２のインバータ２－２のスイッチングを制御する。パルス制御部３は、第１ハイ制御信号Ｓ１１および第１ロー制御信号Ｓ１２を第１のインバータ２－１に与え、第２ハイ制御信号Ｓ２１および第２ロー制御信号Ｓ２２を第２のインバータ２－２に与える。
【0054】
パルス制御部３は、第１のインバータ２－１に含まれる第１スイッチ５１－１および第２スイッチ５２－１を相補的にスイッチングさせれば、デューティ比およびスイッチング周期をどのように制御してもよい。第２のインバータ２－２に対しても同様である。パルス制御部３は、第１のインバータ２－１のデューティ比およびスイッチング周期と、第２のインバータ２－２のデューティ比およびスイッチング周期を互いに相関無く制御してもよい。
【0055】
上述したように第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２の第１直流出力端子Ｔ２１－２は、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２の回路内部において直流的にフローティング状態となっている。しかし、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２の第１直流出力端子Ｔ２１－２は、第１のインバータ２－１のパルス出力端子Ｔ３－１に接続されている。さらに、第１のＤＣ－ＤＣコンバータ１－１の第２直流出力端子Ｔ２２－１は、基準電位に接続されている。従って、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２の第１直流出力端子Ｔ２１－２は、第１のインバータ２－１の第２スイッチ５２－１が短絡状態の場合に、基準電位となる。このため、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２の電圧制御部４０－２は、第１のインバータ２－１のスイッチングタイミングに基づき、第１直流出力端子Ｔ２１－２が基準電位となったタイミングにおける第２直流出力端子Ｔ２２－２の電圧を検出することができる。例えば、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２の電圧制御部４０－２は、第１ロー制御信号Ｓ１２のタイミングに基づき、第１直流出力端子Ｔ２１－２が基準電位となったタイミングにおける第２直流出力端子Ｔ２２－２の電圧を検出することができる。これにより、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２は、第１直流出力端子Ｔ２１－２と第２直流出力端子Ｔ２２－２との間に安定化した第２直流電圧Ｖ２を発生させることができる。
【0056】
上記のようにパルス電源装置１００を構成すれば、第１直流電圧Ｖ１の電位差、第２直流電圧Ｖ２の電位差、スイッチングタイミングを調整することによって、任意のタイミングで多段階のレベルのパルス出力電圧Ｖｏｕｔを出力することができる。
【0057】
さらに、上述したように第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２の第１直流出力端子Ｔ２１－２は、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２の回路内部において直流的にフローティング状態となっている。そのため、第１のインバータ２－１のパルス出力端子Ｔ３－１の電位は、高電位である第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２の第２直流出力端子Ｔ２２－２の電位の影響を受けない。
【0058】
そのため、第１のインバータ２－１に含まれる第１スイッチ５１－１および第２スイッチ５２－１の耐圧に影響するのは、第１直流出力端子Ｔ２１－２と第２直流出力端子Ｔ２２－２との間の電位差（第１直流電圧Ｖ１）である。
【0059】
したがって、第２直流電圧Ｖ２の絶対値が、第１直流電圧Ｖ１の絶対値と比較して大きい場合であっても、第１のインバータ２－１に含まれる第１スイッチ５１－１および第２スイッチ５２－１を、第１直流電圧Ｖ１をスイッチングできる程度の耐圧の素子により実現することができる。これにより、パルス電源装置１００は、簡易に且つ少ないコストで、任意のタイミングで多段階のレベルのパルス出力電圧Ｖｏｕｔを出力することができる。
【0060】
図２は、第１実施形態に係るパルス電源装置１００のシミュレーション波形の第１例を示す。（Ａ）は、第１ハイ制御信号Ｓ１１の波形の一例を示す。（Ｂ）は、第１ロー制御信号Ｓ１２の波形の一例を示す。（Ｃ）は、第２ハイ制御信号Ｓ２１の波形の一例を示す。（Ｄ）は、第２ロー制御信号Ｓ２２の波形の一例を示す。
【0061】
なお、本実施形態では、第１ハイ制御信号Ｓ１１、第１ロー制御信号Ｓ１２、第２ハイ制御信号Ｓ２１および第２ロー制御信号Ｓ２２の１周期の時間は、２．５μ秒である。そのため、パルス出力電圧Ｖｏｕｔのパルス周波数は４００ｋＨｚになる。
【0062】
（Ｅ）は、第１のインバータ２－１が仮に負荷７０に直接接続されている場合、第１のインバータ２－１から出力される第１パルス出力電圧を示す。図２の場合、第１パルス出力電圧は、第１ハイ制御信号Ｓ１１がＨ論理の場合に第１直流電圧Ｖ１（１ｋＶ）となり、第１ロー制御信号Ｓ１２がＨ論理の場合に０Ｖとなる。
【0063】
（Ｆ）は、第２のインバータ２－２が仮に負荷７０に直接接続されている場合、すなわち、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２の第１直流出力端子Ｔ２１－２が、第１のインバータ２－１のパルス出力端子Ｔ３－１と接続されておらず、且つ、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２の第１直流出力端子Ｔ２１－２が基準電位に接続されていると仮定した場合の第２パルス出力電圧を示す。すなわち、第２のインバータ２－２のパルス出力端子Ｔ３－２の電位を示す。図２の場合、第２パルス出力電圧は、第２ハイ制御信号Ｓ２１がＨ論理の場合に０Ｖとなり、第２ロー制御信号Ｓ２２がＨ論理の場合に－１０ｋＶとなる。
【0064】
（Ｇ）は、パルス出力電圧Ｖｏｕｔを示す。パルス電源装置１００は、（Ｅ）に示す第１パルス出力電圧と、（Ｆ）に示す第２パルス出力電圧とを加算したパルス出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。図２の場合、パルス電源装置１００は、（Ｇ）に示すように、０Ｖ、１ｋＶ、０Ｖ、－１０ｋＶを繰り返すパルス出力電圧Ｖｏｕｔを出力することができる。このように、パルス電源装置１００は、第１直流電圧Ｖ１、第２直流電圧Ｖ２並びに第１のインバータ２－１および第２のインバータ２－２のスイッチングタイミングを制御することにより、任意のタイミングで多段階のレベルのパルス出力電圧Ｖｏｕｔを出力することができる。
【0065】
図３は、第１実施形態に係るパルス電源装置１００のシミュレーション波形の第２例を示す。図３の（Ａ）～（Ｆ）は、図２の（Ａ）～（Ｆ）と同一の信号および電圧を示す。図３の場合、パルス電源装置１００は、（Ｇ）に示すように、０Ｖ、－１０ｋＶ、－９ｋＶを繰り返すパルス出力電圧Ｖｏｕｔを出力することができる。
【0066】
図４は、第１実施形態に係るパルス電源装置１００のシミュレーション波形の第３例を示す。図４の（Ａ）～（Ｆ）は、図２の（Ａ）～（Ｆ）と同一の信号および電圧を示す。図４の場合、パルス電源装置１００は、（Ｇ）に示すように、＋１ｋＶ、０Ｖ、－１０ｋＶ、－９ｋＶを繰り返すパルス出力電圧Ｖｏｕｔを出力することができる。
【0067】
図５は、第１実施形態に係るパルス電源装置１００のシミュレーション波形の第４例を示す。図５の（Ａ）～（Ｆ）は、図２の（Ａ）～（Ｆ）と同一の信号および電圧を示す。図５の場合、パルス電源装置１００は、（Ｇ）に示すように、＋１ｋＶ、０Ｖ、－９ｋＶ、－１０ｋＶを繰り返すパルス出力電圧Ｖｏｕｔを出力することができる。このようにパルス電源装置１００は、任意のタイミングで多段階のレベルのパルス出力電圧Ｖｏｕｔを出力することができる。
【0068】
図６は、第２実施形態に係るパルス電源装置２００の構成を負荷７０とともに示す。第２実施形態に係るパルス電源装置２００は、第１実施形態に係るパルス電源装置１００と略同一の機能および構成を有し、パルス電源装置１００が備える回路と略同一の回路を含む。第１実施形態に係るパルス電源装置１００が備える回路と同一の回路については、同一の符号を付けて詳細な説明を省略する。
【0069】
第２実施形態に係るパルス電源装置２００は、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のＤＣ－ＤＣコンバータ１と、Ｎ個のインバータ２と、パルス制御部３とを備える。
【0070】
Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータ１のそれぞれは、電力変換用のスイッチ回路よりも後段に、整流素子により電圧を整流する整流回路を含むスイッチング電源装置である。Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータ１は、第１のＤＣ－ＤＣコンバータ１－１から、第ＮのＤＣ－ＤＣコンバータ１－Ｎにより構成される。第１のＤＣ－ＤＣコンバータ１－１および第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２は、第１実施形態と同一構成である。
【0071】
また、本実施形態において、第ｎのＤＣ－ＤＣコンバータ１－ｎ（ｎは、３以上、Ｎ以下の整数）は、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２と同じ構成の絶縁型のスイッチング電源装置であるが、それぞれのＤＣ－ＤＣコンバータ１における中継端子Ｔ２１－ｎと中継端子Ｔ２２－ｎとの間の電位差は、それぞれのＤＣ－ＤＣコンバータ１で異なってもよい。なお、第２実施形態の説明においては、ｎ番目の第１直流入力端子を第１直流入力端子Ｔ１１－ｎ、ｎ番目の第２直流入力端子を第２直流入力端子Ｔ１２－ｎ、ｎ番目の第１直流出力端子を第１直流出力端子Ｔ２１－ｎおよびｎ番目の第２直流出力端子を第２直流出力端子Ｔ２２－ｎとしている。
【0072】
第ｎのＤＣ－ＤＣコンバータ１－ｎは、第１直流入力端子Ｔ１１－ｎと、第２直流入力端子Ｔ１２－ｎと、第１直流出力端子Ｔ２１－ｎと、第２直流出力端子Ｔ２２－ｎとを備える。第ｎのＤＣ－ＤＣコンバータ１－ｎは、第１直流入力端子Ｔ１１－ｎと第２直流入力端子Ｔ１２－ｎとの間に入力電圧Ｖｉｎが供給される。第２直流入力端子Ｔ１２－ｎは、基準電位に接続される。第ｎのＤＣ－ＤＣコンバータ１－ｎは、供給された入力電圧Ｖｉｎを、所望の電位差Ｖｎを有する電圧に変換して第１直流出力端子Ｔ２１－ｎと第２直流出力端子Ｔ２２－ｎとの間に出力する。以降、第１直流出力端子Ｔ２１－ｎの第２直流出力端子Ｔ２２－ｎ対する電圧を第ｎ直流電圧Ｖｎとする。なお、第１直流出力端子Ｔ２１－ｎの電位は、第２直流出力端子Ｔ２２－ｎの電位よりも高い。
【0073】
また、第ｎのＤＣ－ＤＣコンバータ１－ｎの第１直流出力端子Ｔ２１－ｎは、第ｎのＤＣ－ＤＣコンバータ１－ｎの回路内部において直流的にフローティング状態となっている。また、第１直流出力端子Ｔ２１－ｎは、第（ｎ－１）のインバータ２－（ｎ－１）のパルス出力端子Ｔ３－（ｎ－１）に接続されているので、第１直流出力端子Ｔ２１－ｎの電位は、パルス出力端子Ｔ３－（ｎ－１）の電位と同じ電位になる。また、第２直流出力端子Ｔ２２－ｎの電位は、第１直流出力端子Ｔ２１－ｎの電位から第ｎ直流電圧Ｖｎを減算した電位となる。
【0074】
また、本実施形態において、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２～第ＮのＤＣ－ＤＣコンバータ１－Ｎまでのいずれかで発生される直流電圧（第１直流電圧Ｖ１～第Ｎ直流電圧ＶＮ）の絶対値は、第１のＤＣ－ＤＣコンバータ１－１から発生される第１直流電圧Ｖ１の絶対値よりも大きい。
【0075】
Ｎ個のインバータ２は、Ｎ個のＤＣ－ＤＣコンバータ１に一対一で対応して設けられる。Ｎ個のインバータ２は、第１のインバータ２－１から第Ｎのインバータ２－Ｎにより構成される。Ｎ個のインバータ２のうち第１のインバータ２－１は、第１のＤＣ－ＤＣコンバータ１－１に対応する。Ｎ個のインバータ２のうち第ｎのインバータ２－ｎは、第ｎのＤＣ－ＤＣコンバータ１－ｎに対応する。第１のインバータ２－１および第２のインバータ２－２は、第１実施形態と同一である。ただし、負荷７０は、第Ｎのインバータ２－Ｎのパルス出力端子Ｔ３－Ｎに接続されている。
【0076】
第ｎのインバータ２－ｎは、パルス出力端子Ｔ３－ｎと、第１スイッチ５１－ｎと、第２スイッチ５２－ｎとを有する。
【0077】
Ｎ個のインバータ２のうちの第ｍのインバータ２－ｍ（ｍは、２以上、Ｎ－１以下）のパルス出力端子Ｔ３－ｍは、第（ｍ＋１）のＤＣ－ＤＣコンバータ１－（ｍ＋１）の第１直流出力端子Ｔ２１－（ｍ＋１）に接続される。すなわち、第ｎのＤＣ－ＤＣコンバータ１－ｎの第１直流出力端子Ｔ２１－ｎは、Ｎ個のインバータ２のうちの第（ｎ－１）のインバータ２－（ｎ－１）におけるパルス出力端子Ｔ３－（ｎ－１）に接続される。第Ｎのインバータ２－Ｎのパルス出力端子Ｔ３－Ｎは、負荷７０に接続される。
【0078】
第１スイッチ５１－ｎは、パルス制御部３からの第ｎハイ制御信号Ｓｎ１に応じて、第ｎのＤＣ－ＤＣコンバータ１－ｎにおける第１直流出力端子Ｔ２１－ｎとパルス出力端子Ｔ３－ｎとの間を短絡または切断する。第１スイッチ５１－ｎは、例えば、エンハンスメント型のＮチャネルのＭＯＳＦＥＴである。この場合、第１スイッチ５１－ｎは、ドレインが第１直流出力端子Ｔ２１－ｎに接続され、ソースがパルス出力端子Ｔ３－ｎに接続される。第１スイッチ５１－ｎは、ゲートに、第ｎハイ制御信号Ｓｎ１が与えられる。
【0079】
第２スイッチ５２－ｎは、パルス制御部３からの第ｎロー制御信号Ｓｎ２に応じて、第ｎのＤＣ－ＤＣコンバータ１－ｎにおける第２直流出力端子Ｔ２２－ｎと、パルス出力端子Ｔ３－ｎとの間を短絡または切断する。第２スイッチ５２－ｎは、例えば、エンハンスメント型のＮチャネルのＭＯＳＦＥＴである。この場合、第２スイッチ５２－ｎは、ドレインがパルス出力端子Ｔ３－ｎに接続され、ソースが第２直流出力端子Ｔ２２－ｎに接続される。第２スイッチ５２－ｎは、ゲートに、第ｎロー制御信号Ｓｎ２が与えられる。第ｎのインバータ２－ｎにおける第１スイッチ５１－ｎおよび第２スイッチ５２－ｎは、相補的にスイッチング動作をする。
【0080】
パルス制御部３は、Ｎ個のインバータ２のそれぞれのスイッチングを制御する。パルス制御部３は、第１ハイ制御信号Ｓ１１および第１ロー制御信号Ｓ１２を第１のインバータ２－１に与える。パルス制御部３は、第ｎハイ制御信号Ｓｎ１および第ｎロー制御信号Ｓｎ２を第ｎのインバータ２－ｎに与える。
【0081】
パルス制御部３は、第１のインバータ２－１に含まれる第１スイッチ５１－１および第２スイッチ５２－１を相補的にスイッチングさせれば、デューティ比およびスイッチング周期をどのように制御してもよい。第ｎのインバータ２－ｎに対しても同様である。パルス制御部３は、Ｎ個のインバータ２のそれぞれのスイッチングのデューティ比およびスイッチング周期を互いに相関無く制御してもよい。
【0082】
ここで、第１のインバータ２－１のパルス出力端子Ｔ３－１の電位は、第１スイッチ５１－１が短絡状態であっても、第２スイッチ５２－１が短絡状態であっても確定する。そのため、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２の第１直流出力端子Ｔ２１－２の電位も確定する。そのため、第２のインバータ２－２のパルス出力端子Ｔ３－２の電位も確定する。同様に、第ｎのＤＣ－ＤＣコンバータ１－ｎの第１直流出力端子Ｔ２１－ｎの電位も確定する。また、第ｎのインバータ２－ｎのパルス出力端子Ｔ３－ｎの電位も確定する。したがって、第Ｎのインバータ２－Ｎのパルス出力端子Ｔ３－Ｎの電位も確定する。
【0083】
従って、第ｎのＤＣ－ＤＣコンバータ１－ｎの第１直流出力端子Ｔ２１－ｎは、第１のインバータ２－１の第２スイッチ５２－１が短絡状態であり、且つ、第２のインバータ２－２～第（ｎ－１）のインバータ２－（ｎ－１）までの全ての第１スイッチ５１－２～５１－（ｎ－１）が短絡状態である場合に、基準電位となる。このため、第ｎのＤＣ－ＤＣコンバータ１－ｎは、第１のインバータ２－１から第（ｎ－１）のインバータ２－（ｎ－１）のスイッチングタイミングに基づき、第１直流出力端子Ｔ２１－ｎが基準電位となったタイミングにおける第２直流出力端子Ｔ２２－ｎの電圧を検出することができる。これにより、第ｎのＤＣ－ＤＣコンバータ１－ｎは、第１直流出力端子Ｔ２１－ｎと第２直流出力端子Ｔ２２－ｎとの間に安定化した第ｎ直流電圧Ｖｎを発生させることができる。
【0084】
上記のようにパルス電源装置２００を構成すれば、第１直流電圧Ｖ１～第Ｎ直流電圧ＶＮおよびスイッチングタイミングを調整することによって、任意のタイミングで多段階のレベルのパルス出力電圧Ｖｏｕｔを出力することができる。
【0085】
また、第ｎのＤＣ－ＤＣコンバータ１－ｎの第１直流出力端子Ｔ２１－ｎ（ｎは、２以上、Ｎ以下）は、第ｎのＤＣ－ＤＣコンバータ１－ｎの回路内部において直流的にフローティング状態となっている。
【0086】
そのため、第ｎのＤＣ－ＤＣコンバータ１－ｎで発生する第ｎ直流電圧Ｖｎが大きな電圧（例えば、１０ｋＶ程度）であっても、対応するインバータ以外のインバータに含まれる第１スイッチ５１および第２スイッチ５２の耐圧に影響を及ぼさない。すなわち、第ｎのインバータ２－ｎに含まれる第１スイッチ５１－ｎおよび第２スイッチ５２－ｎの耐圧は、対応する第ｎのＤＣ－ＤＣコンバータ１－ｎの第１直流出力端子Ｔ２１－ｎと第２直流出力端子Ｔ２２－ｎとの間の電位差（第ｎ直流電圧Ｖｎ）に応じて定めることができる。
【0087】
例えば、Ｎ＝３の場合で、第１のＤＣ－ＤＣコンバータ１－１の第１直流電圧Ｖ１が１ｋＶ、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２の第２直流電圧Ｖ２が１０ｋＶ、第３のＤＣ－ＤＣコンバータ１－３の第３直流電圧Ｖ３であれば、第２直流電圧Ｖ２が最大値の１０ｋＶとなり、第１直流電圧Ｖ１および第３直流電圧Ｖ３の１ｋＶよりも絶対値が大きい。しかし、第２直流電圧Ｖ２は、第１のインバータ２－１に含まれる第１スイッチ５１－１および第２スイッチ５２－１、第３のインバータ２－３に含まれる第１スイッチ５１－３および第２スイッチ５２－３の耐圧に影響を及ぼさない。
【0088】
したがって、一番大きな第ｎ直流電圧Ｖｎに合わせてスイッチの耐圧を高める必要はなく、各インバータ２に含まれるスイッチは、対応するＤＣ－ＤＣコンバータ１の第１直流出力端子Ｔ２１と第２直流出力端子Ｔ２２との間の電位差に応じて、スイッチングできる程度の耐圧の素子により実現することができる。これにより、パルス電源装置２００は、簡易に且つ少ないコストで、パルス出力電圧Ｖｏｕｔを出力することができる。
【0089】
図７は、第２実施形態に係るパルス電源装置２００のシミュレーション波形を示す。図７は、Ｎ＝３の場合を示す。（Ａ）は、第１ハイ制御信号Ｓ１１の波形の一例を示す。（Ｂ）は、第２ハイ制御信号Ｓ２１の波形の一例を示す。（Ｃ）は、第３ハイ制御信号Ｓ３１の波形の一例を示す。
【0090】
（Ｄ）は、第１のインバータ２－１が仮に負荷７０に直接接続されている場合に、第１のインバータ２－１から出力される第１パルス出力電圧を示す。図７の場合、第１パルス出力電圧は、第１ハイ制御信号Ｓ１１がＨ論理の場合に第１直流電圧Ｖ１（１ｋＶ）となり、第１ロー制御信号Ｓ１２がＨ論理の場合に０Ｖとなる。
【0091】
（Ｅ）は、第２のインバータ２－２が仮に負荷７０に直接接続されている場合、すなわち、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２の第１直流出力端子Ｔ２１－２が、第１のインバータ２－１のパルス出力端子Ｔ３－１と接続されておらず、且つ、第２のＤＣ－ＤＣコンバータ１－２の第１直流出力端子Ｔ２１－２が基準電位に接続されていると仮定した場合の第２パルス出力電圧を示す。すなわち、第２のインバータ２－２のパルス出力端子Ｔ３－２の電位を示す。図７の場合、第２パルス出力電圧は、第２ハイ制御信号Ｓ２１がＨ論理の場合に０Ｖとなり、第２ロー制御信号Ｓ２２がＨ論理の場合に、－１０ｋＶとなる。
【0092】
（Ｆ）は、第３のインバータ２－３が仮に負荷７０に直接接続されている場合、すなわち、第３のＤＣ－ＤＣコンバータ１－３の第１直流出力端子Ｔ２１－３が、第２のインバータ２－２のパルス出力端子Ｔ３－２と接続されておらず、且つ、第３のＤＣ－ＤＣコンバータ１－３の第１直流出力端子Ｔ２１－３が基準電位に接続されていると仮定した場合の第３パルス出力電圧を示す。すなわち、第３のインバータ２－３のパルス出力端子Ｔ３－３の電位を示す。図７の場合、第３パルス出力電圧は、第３ハイ制御信号Ｓ３１がＨ論理の場合に０Ｖとなり、第３ロー制御信号Ｓ３２がＨ論理の場合に第３直流電圧Ｖ３（－１ｋＶ）となる。
【0093】
（Ｇ）は、パルス出力電圧Ｖｏｕｔを示す。パルス電源装置２００は、（Ｄ）に示す第１パルス出力電圧と、（Ｅ）に示す第２パルス出力電圧と、（Ｆ）に示す第３パルス出力電圧とを加算したパルス出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。図７の場合、パルス電源装置２００は、（Ｇ）に示すように、０Ｖ、１ｋＶ、０Ｖ、－１０ｋＶ、－１１ｋＶ、－１０ｋＶを繰り返すパルス出力電圧Ｖｏｕｔを出力することができる。このように、パルス電源装置２００は、第１直流電圧Ｖ１、第２直流電圧Ｖ２、第３直流電圧Ｖ３、並びに、第１のインバータ２－１～第３のインバータ２－３のスイッチングタイミングを制御することにより、任意のタイミングで多段階のレベルのパルス出力電圧Ｖｏｕｔを出力することができる。
【0094】
以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。実施形態は、種々の変更を行うことができる。
【符号の説明】
【0095】
１００ パルス電源装置、２００ パルス電源装置、７０ 負荷、１－１ 第１のＤＣ－ＤＣコンバータ、１－２ 第２のＤＣ－ＤＣコンバータ、１－ｎ 第ｎのＤＣ－ＤＣコンバータ、２－１ 第１のインバータ、２－２ 第２のインバータ、２－ｎ 第ｎのインバータ、３ パルス制御部、Ｔ１１－１ 第１直流入力端子、Ｔ１２－１ 第２直流入力端子、Ｔ１２－ｎ 第ｎ直流入力端子、Ｔ２１－１ 第１直流出力端子、Ｔ２２－１ 第２直流出力端子、Ｔ２２－ｎ 第ｎ直流出力端子
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】