直列トランジスタを用いた高電圧ボルテージフォロワ

質問

振幅4kV、周波数1MHzの正弦波を出力するための回路を製作しようと思っています。
しかしながら、それだけの耐圧を持つトランジスタは高価なので、耐圧1.2kVのトランジスタを直列で用い、オペアンプでフィードバックしこれを可能にするリニアアンプを製作しようとしました。
それが画像にある回路です。

下記のトランジスタ直列回路をパクりました。
https://www.eevblog.com/forum/projects/35-kv-transistor/

ですが問題がいくつかあります。
一部波形が発振?してまともな波形が得られない。
出力部に低抵抗の負荷を接続すると波形がおかしくなる。

どうやって設計していけばよいのか教えてください。

LTspiceに使った回路図のファイルは下記にあります。
http://fast-uploader.com/file/7070412151300/

回答No.4

2SB110

何度も失礼します。2SB110です。
本当に±２kVの電源を使って、同軸ケーブルで、2m先にある30Ωの負荷に、1MHzの上下対称な低歪みサイン波を（間欠的に）与える回路が必要ということですね。

これは、かなりぶっ飛んだ仕様です。物理実験用などでは良く見かけますが、おいそれと作れるものではありません。もし私の会社で請け負うとしたら設計だけで￥3,000,000 くらいいただかないとできません。

回路の方式としてはプッシュプル方式が必須でしょう。前掲の図で言うとR7の代わりにトランジスタが２～３個直列になった形になり、上下のトランジスタ列を両方コントロールして、無駄な貫通電流が流れないように設計します。

フィードバックは必須ですが、フィードバックがなくてもそこそこ対称で低歪みの回路にしておかないと、トータルでの性能が出ません。

トランジスタの耐圧を２倍にして使うために、２個のトランジスタを直列にしますが、このとき各トランジスタにかかる電圧が等しくなるようする必要があります。このバランスがくずれると、２個の石のどちらかに電圧が偏り、耐圧オーバーで壊れてしまいます。トランジスタは壊れると内部がショートになるので、もう片方のトランジスタもほぼ同時に壊れます。２つがショートで壊れると、これは電源がショートしたことになります。

シミュレーションで動いても実際に実用になるまでには相当石を飛ばすでしょう。たくさん買っておくことをお薦めします。

今回、何も具体的なことが書けなくて済みません。やはりこの場で片手間に作れるような回路ではないので、これが精一杯の回答です。

お礼

そうですか...わかりました。
1秒あたりの出力は大したことないので何とかなるだろうと甘く見てました。
とりあえずはもう少し緩い条件で何とか出来ないか模索してみます。
回答ありがとうございました。

回答No.3

2SB110

再度、No.2です。
負荷は1500Vで50A流れるとのこと。250mAでも大変だという話しなのに、これはもうびっくりしました。どんな波形が必要なのか、本当に帯域が1MHz必要なのかは不明ですが、とにかく大変な仕様です。専門家でも相当注意深く設計しないとうまく行くものではありません。ちょっと回路に強い、といったエンジニアではとても無理な仕様です。

この仕様の難しさを理解できないうちは挑戦するべきではないでしょう。
いくつかシンプルな問題を出します。これらに明確に答えられるようになってから挑戦してください。

Q1：最大コレクタ電流600mAのトランジスタ(２N5550)でどうやって50A（４ｋVなら133A)を制御するのですか？

Q2：出力プルアップ抵抗20kΩ(R7)に50A流せますか？

Q3：１MHｚ、50Aの信号を流す出力線の長さは、何mm以下でなければなりませんか？

・・・可能性としては、仕様自体の数字や条件がもともと間違っているような気がします。

補足

本当に中々ぶっ飛んだ仕様ですが、間違いありません。
それなりの精度を持った正弦波を出力する必要があります。
高周波成分が変に含まれていたり正負の通電量に差があったりすると困ります。

Q1のトランジスタについてはLTspiceの中から適当に選んだだけで実際に用いるつもりはありません。
今のところはマルツでFGA25N120ANTD(1.2kV,50A)でも使おうかと思ってます。これでも若干能力不足かもしれませんが...
振幅4kVなら正負それぞれ2kVで133Aもかからないはずです。

Q2についてはR7はkuro804様の指摘通り40Ohmぐらいに訂正します。
kOhmオーダーだとオームの法則で考えてやばいことになりますね(汗

Q3については遮蔽で対処します。
最終的な出力先の電極までは結構距離があります。
1MHzで内径1mm,外径10mm,長さ2mの同軸線で供給したら静電容量がだいたい0.2nFで1MHzだとインピーダンス795Ohm、十分許容範囲だと思います。
ほか電流もかなり大きく磁気結合も考慮を要すると思います。

とにかくもトランジスタ部の設計が今一わかりません。
各抵抗、静電容量値を適当にいじったりしてみていますが、まだ各部品の役割、数値の決定方法がわかっていません。

回答No.2

2SB110

まず、4kVで1MHzの出力がどのようなものかお解りでしょうか。どんな負荷がつながるのかが必要不可欠な仕様です。たとえば、負荷は単なる電極のようなもので無負荷に近いとしましょう。でも出力ケーブルは容量性です。オシロのプローブだって容量性です。負荷容量を仮に10pFとしましょう。これは一般的には大変軽い負荷です。また、波形は正弦波とします。この10pFの1MHzでのリアクタンスは16kΩです。これに4kVかかるのですから、この10pFに流れる電流は4000/16k=250mAです。皮相電力としては250mA×4kV=1kW にもなります。
つまり、出力アンプは4kV出せて、250mA流せるものでなくてはなりません。幸い純粋な容量負荷なら、これらが同時に存在することはないですが、トランジスタ内の抵抗成分は熱になります。

どうしてもこのような周波数でこのような電圧が欲しいのであれば、共振を使うのがリーズナブルです。専用のトランスを巻いて、うまく共振を使うことで力率を改善すれば比較的簡単なアンプで駆動できるでしょう。（トランジスタは20Vくらいで働かせるのが良さそうです）しかし、これではボルテージフォロワとは言えないかもしれません。そうなると、本当に大変な回路になります。この場で回答を示せるような内容ではなくなります。

念のため、ご呈示の回路ですが、出力に本当に4kV出たとすると、その4kVはそのままOPアンプの入力に加わりますね。シミュレーションではモデルが不完全ならこれでも動きますが、実際にはOPアンプは一瞬でお亡くなりになります。

また、参考にされた回路自体があちこちおかしいです。イグニッションに使うなんてできそうになりません。高圧が充電されたコンデンサをゆっくり放電させるくらいはできるかもしれませんが、それでもベースバイアスが無かったりQ1,2,3のVbeのバランスがとれずに耐圧オーバーを起こしたりして全く動作しないでしょう。

補足

今回は、継続的に電流を流すというわけではなく1ms以内のごく短時間において出力を行うものです。熱の心配はさほど大きくありません。

負荷は1500Vでおよそ50A流れるということなのでだいたい30Ohmくらいとみられますが、正確な値は定まっていません。
確かに冷陰極管インバーターみたいに共振トランスを使ってやるのが一番楽だとは思いますがそれだと急に負荷が繋いだり切断されたりする上負荷の抵抗値も碌に定まらないとなるとフィードバック制御しないとうまくいかないと思いました。
オペアンプの方は適当に分圧するなりして入力電圧は調整します。

回答No.1

kuro804

こんにちわ
正常に動かす方法は分かりませんがおかしな所を示します。
その１
オペアンプ出力とトランジスタQ1のベース間はC4のみで１MHｚでは
ほぼ短絡状態になります。C4とベース間に数キロの直列抵抗が必要です。
その２
出力に低抵抗を接続すると波形がおかしくなるのは当然です。
R7の抵抗値と同じ抵抗値を接続すれば最高電圧は無負荷の電圧の半分になります。即ちR7と負荷抵抗の分圧が最高電圧です。
以上、健闘を祈ります。