JP2000324830A - 電力変換装置、誘導加熱用電力変換装置及び電力変換方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 共振状態に応じて共振コンデンサを負荷であ
るトランスや加熱コイルに自動的に接続或いは遮断する
ことで、広い出力電力範囲に渡って低損失且つ低ノイズ
を実現した電力変換装置、誘導加熱用電力変換装置及び
電力変換方法を提供する。 【解決手段】 入力端子Ｖｉに直列に挿入された電力絶
縁トランスＴ１の一次巻線に直列接続されると共に入力
端子Ｖｉの戻り側に接続された主電力スイッチ素子ＴＲ
１と、電力絶縁トランスＴ１の一次巻線と主電力スイッ
チ素子ＴＲ１との間に一方の端子が接続された共振コン
デンサＣ２と、入力端子Ｖｉに直列接続されると共に共
振コンデンサＣ２の他方の端子に接続された補助電力ス
イッチ素子ＴＲ２とを有し、補助電力スイッチ素子ＴＲ
２の開閉信号を電力絶縁トランスＴ１の一次巻線と主電
力スイッチ素子ＴＲ１との接続点から得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複写機等に使用さ
れる電力変換装置、誘導加熱用電力変換装置及び電力変
換方法に係り、特に、共振電源の起動時における電力ス
イッチ素子のストレス低減や、トナー等の加熱溶融性粉
体を用紙に定着させるための発熱源として誘導加熱を用
いた電子写真の定着器用電源の軽負荷時における電力損
失低減を図る場合に好適な電力変換装置、誘導加熱用電
力変換装置及び電力変換方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電源装置におけるスイッチング電
源方式としては、入力電力を電力スイッチ素子により矩
形波にスイッチング変換して絶縁トランスの一次側に印
加し、その絶縁トランスの二次側に発生する交流電力を
整流平滑して絶縁された直流電力を得るスイッチング電
源方式が電力変換効率が高いため好んで使用されてい
る。

【０００３】上記のように電力スイッチ素子により入力
電力を矩形にスイッチングすることにより効率よく交流
電力を作り得てはいるが、上記電力スイッチ素子が入力
電力をスイッチングするときの急峻な電圧及び電流波形
の変化に伴い広い周波数範囲に渡る高調波電磁ノイズを
発生しやすく、そのノイズ対策が非常に難しかった。ま
た、このような急峻な電力スイッチングによるノイズ発
生量を下げるため意図的に電力スイッチ素子のスイッチ
ングスピードを低下させて使用したりすることも広く行
われているが、ノイズ発生量の低下と引き替えに電力ス
イッチ素子の電力損失が増大し、電源装置としての電力
変換効率の低下を招いていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来技術においては下記のような問題があった。即
ち、上述したように矩形波駆動ではノイズ発生量低減と
電力変換効率がトレード関係となるため、その解決方法
として図７に示すような電圧共振型コンバータ等が考案
されている。従来例の電圧共振型コンバータは、電力ス
イッチ素子ＴＲ１、絶縁トランスＴ１、共振コンデンサ
Ｃ２、ワンショットパルス発生回路１１・比較器１２を
有する共振制御ＰＷＭ発振回路ＩＣ１等を備えている。

【０００５】即ち、従来例の電圧共振型コンバータで
は、電力スイッチ素子ＴＲ１のドレイン−ソース間に並
列に共振コンデンサＣ２を付加し、絶縁トランスＴ１の
一次巻線のインダクタンスと共振させることで、ほぼ図
２中のＴＲ１ドレイン電圧−ドレイン電流波形に示され
るように電圧／電流波形が重ならない領域で電力スイッ
チ素子（電力半導体）をスイッチングさせるように制御
している。

【０００６】従来例の電圧共振型コンバータの定常動作
では、波形的に大体図２のＴＲ１のドレイン電圧−ドレ
イン電流波形となり、電力半導体の電力損失が発生する
ポイントとしてはＴＲ１のＯＮ抵抗による電力損失が主
たる成分であり、スイッチング電力損失はほぼ発生しな
い。また、電圧波形などでも急峻に変化するポイントが
少ないため、高調波ノイズが少ないという特徴もある。

【０００７】上記のように定常状態では非常に有効であ
る電圧共振型コンバータであるが、電源装置起動時など
は当初より上記共振コンデンサＣ２に入力電源の印加電
圧が蓄積されており、その蓄積電荷を全て電力スイッチ
素子ＴＲ１により放電させてからでないとスイッチング
動作に入れないため、スイッチング開始時は共振コンデ
ンサＣ２に蓄積された電荷が全て電力スイッチ素子ＴＲ
１に印加される。このため、電力スイッチ素子ＴＲ１は
その放電電流に耐えられるだけの非常に大きな素子を用
いる必要がある。

【０００８】また、二次側回路に接続された負荷が急激
に変動したときなどは、図２中の共振電圧波形も当然追
従して変化するが、その共振状態の変動に対して共振制
御ＰＷＭ発振回路ＩＣ１の共振制御が追従しきれないた
め、上記共振コンデンサＣ２に共振電圧が残留している
ときに電力スイッチ素子ＴＲ１がＯＮしてしまう状態が
発生するので、その時の共振コンデンサＣ２の電荷を放
電しきれるだけの電力スイッチ素子が要求される。この
ため、電力スイッチ素子ＴＲ１の電力規格として非常に
大きいものが必要とされていた。

【０００９】本発明は、上述した点に鑑みなされたもの
であり、共振状態に応じて共振コンデンサを負荷である
トランスや加熱コイルに自動的に接続或いは遮断するこ
とで、広い出力電力範囲に渡って低損失且つ低ノイズを
実現した電力変換装置、誘導加熱用電力変換装置及び電
力変換方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の本発明は、電源入力端子に直列に挿
入されたトランスの一次巻線に直列接続されると共に前
記電源入力端子の戻り側に接続されたスイッチ手段を有
し、前記電源入力端子に入力された交流電力を高周波の
交流電力に変換する電力変換装置であって、前記トラン
スの一次巻線と前記スイッチ手段との間に一方の端子が
接続された共振コンデンサと、前記電源入力端子に直列
接続されると共に前記共振コンデンサの他方の端子に接
続された補助スイッチ手段とを有し、該補助スイッチ手
段の開閉信号を前記トランスの一次巻線と前記スイッチ
手段との接続点から得ることを特徴とする。

【００１１】上記目的を達成するために、請求項２記載
の本発明は、更に、前記共振コンデンサの他方の端子に
直列接続され該共振コンデンサへの放電電流を流すダイ
オードを有することを特徴とする。

【００１２】上記目的を達成するために、請求項３記載
の本発明は、更に、出力電圧に応じた駆動信号を前記ス
イッチ手段に供給する共振制御手段を有することを特徴
とする。

【００１３】上記目的を達成するために、請求項４記載
の本発明は、電源入力端子に直列に挿入された誘導加熱
巻線に直列接続されると共に前記電源入力端子の戻り側
に接続されたスイッチ手段を有し、前記電源入力端子に
入力された交流電力を高周波の交流電力に変換する誘導
加熱用電力変換装置であって、前記誘導加熱巻線と前記
スイッチ手段との間に一方の端子が接続された共振コン
デンサと、前記電源入力端子に直列接続されると共に前
記共振コンデンサの他方の端子に接続された補助スイッ
チ手段とを有し、該補助スイッチ手段の開閉信号を前記
誘導加熱巻線と前記スイッチ手段との接続点から得るこ
とを特徴とする。

【００１４】上記目的を達成するために、請求項５記載
の本発明は、更に、前記共振コンデンサの他方の端子に
直列接続され該共振コンデンサへの放電電流を流すダイ
オードを有することを特徴とする。

【００１５】上記目的を達成するために、請求項６記載
の本発明は、更に、複写機における用紙のトナー像を定
着する定着手段の温度を測定する温度測定手段と、該温
度測定手段による測定値と目標値とを比較し差分を出力
する温度比較手段と、該温度比較手段から出力される前
記差分に応じた駆動信号を前記スイッチ手段に供給する
共振制御手段とを有することを特徴とする。

【００１６】上記目的を達成するために、請求項７記載
の本発明は、電源入力端子に直列に挿入されたトランス
の一次巻線に直列接続されると共に前記電源入力端子の
戻り側に接続されたスイッチ手段を有し、前記電源入力
端子に入力された交流電力を高周波の交流電力に変換す
る電力変換装置に適用される電力変換方法であって、前
記トランスの一次巻線と前記スイッチ手段との間に一方
の端子が接続された共振コンデンサと、前記電源入力端
子に直列接続されると共に前記共振コンデンサの他方の
端子に接続された補助スイッチ手段とを有し、該補助ス
イッチ手段の開閉信号を前記トランスの一次巻線と前記
スイッチ手段との接続点から得ることを特徴とする。

【００１７】上記目的を達成するために、請求項８記載
の本発明は、更に、前記共振コンデンサの他方の端子に
直列接続されたダイオードを有し、該ダイオードにより
前記共振コンデンサへの放電電流を流すことを特徴とす
る。

【００１８】上記目的を達成するために、請求項９記載
の本発明は、更に、出力電圧に応じた駆動信号を前記ス
イッチ手段に供給する共振制御ステップを有することを
特徴とする。

【００１９】上記目的を達成するために、請求項１０記
載の本発明は、電源入力端子に直列に挿入された誘導加
熱巻線に直列接続されると共に前記電源入力端子の戻り
側に接続されたスイッチ手段を有し、前記電源入力端子
に入力された交流電力を高周波の交流電力に変換する誘
導加熱用電力変換装置に適用される電力変換方法であっ
て、前記誘導加熱巻線と前記スイッチ手段との間に一方
の端子が接続された共振コンデンサと、前記電源入力端
子に直列接続されると共に前記共振コンデンサの他方の
端子に接続された補助スイッチ手段とを有し、該補助ス
イッチ手段の開閉信号を前記誘導加熱巻線と前記スイッ
チ手段との接続点から得ることを特徴とする。

【００２０】上記目的を達成するために、請求項１１記
載の本発明は、更に、前記共振コンデンサの他方の端子
に直列接続されたダイオードを有し、該ダイオードによ
り前記共振コンデンサへの放電電流を流すことを特徴と
する。

【００２１】上記目的を達成するために、請求項１２記
載の本発明は、更に、複写機における用紙のトナー像を
定着する定着手段の温度を測定する温度測定ステップ
と、該温度測定ステップによる測定値と目標値とを比較
し差分を出力する温度比較ステップと、該温度比較ステ
ップから出力される前記差分に応じた駆動信号を前記ス
イッチ手段に供給する共振制御ステップとを有すること
を特徴とする。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００２３】［第１の実施の形態］図１は本発明の第１
の実施の形態に係る電圧共振型コンバータの構成を示す
回路図である。本発明の第１の実施の形態に係る電圧共
振型コンバータは、主電力スイッチ素子ＴＲ１、補助電
力スイッチ素子ＴＲ２、電力絶縁トランスＴ１、平滑コ
ンデンサＣ１、共振コンデンサＣ２、コンデンサＣ３、
リップル電圧平滑用コンデンサＣ４、交流電力整流ダイ
オードＤ１〜Ｄ４、フライホイールダイオードＤ５、バ
イパスダイオード（共振コンデンサ充電ダイオード）Ｄ
６、ダイオードＤ７〜Ｄ９、ゲート電圧クランプ用ツェ
ナダイオードＺＤ１、入力ノイズフィルタＮＦ１、チョ
ークコイルＬ１、ゲート駆動電圧分圧抵抗Ｒ１〜Ｒ２、
共振制御ＰＷＭ発振回路ＩＣ１を備えている。更に、上
記の共振制御ＰＷＭ発振回路ＩＣ１は、ワンショットパ
ルス発生回路１１、比較器１２を備えている。図中Ｖｉ
は入力端子、Ｖｏ１、Ｖｏ２は出力端子である。尚、図
１で上記図７と同一符号は同一構成部分を示している。

【００２４】上記要部の構成及び機能を説明すると、主
電力スイッチ素子ＴＲ１は、主たる電力スイッチ素子で
ＭＯＳ−ＦＥＴとして構成されており、主電力スイッチ
素子ＴＲ１のドレイン−ソース間には、フライホイール
ダイオードＤ５が接続され、主電力スイッチ素子ＴＲ１
のゲートには、共振制御ＰＷＭ発振回路ＩＣ１の比較器
１３の出力が接続されている。フライホイールダイオー
ドＤ５は、電力絶縁トランスＴ１に蓄積された電力を回
生する。補助電力スイッチ素子ＴＲ２は、補助たる電力
スイッチ素子でＭＯＳ−ＦＥＴとして構成されており、
補助電力スイッチ素子ＴＲ２のドレイン−ソース間に
は、バイパスダイオードＤ６が並列接続されている。

【００２５】共振コンデンサＣ２は、補助電力スイッチ
素子ＴＲ２と直列接続されており、絶縁トランスＴ１の
一次インダクタンスにより一次電圧波形を共振させる。
バイパスダイオードＤ６は、共振コンデンサＣ２に流れ
込む充電電流を流す。電力絶縁トランスＴ１は、入力電
源系統と負荷である出力系統とを絶縁する。ダイオード
Ｄ７及びＤ８は、電力絶縁トランスＴ１の二次側に発生
する電力を整流するものであり、そのカソード側は、脈
流電圧を直流に平滑するチョークコイルＬ１に接続され
ている。チョークコイルＬ１の出力側は、リップル電圧
平滑用コンデンサＣ４に接続されている。出力端子Ｖｏ
２には直流電力が供給される。また、ダイオードＤ９
は、電力絶縁トランスＴ１の他の出力巻線に接続されて
おり、巻線出力電圧のピーク値を整流する。ダイオード
Ｄ９で整流した後、コンデンサＣ３にて平滑後、出力端
子Ｖｏ１には直流電力が出力される。

【００２６】共振制御ＰＷＭ発振回路ＩＣ１のワンショ
ットパルス発生回路１１は、比較器１２及び電力絶縁ト
ランスＴ１の二次側に接続されており、発生したワンシ
ョットパルスを比較器１２の＋入力端子へ出力する。比
較器１２は、＋入力端子がワンショットパルス発生回路
１１に接続され、−入力端子がチョークコイルＬ１の出
力側に接続され、出力端子が主電力スイッチ素子ＴＲ１
のゲートに接続されており、ワンショットパルス発生回
路１１の出力とチョークコイルＬ１の出力とを比較し、
比較結果に基づくＰＷＭパルスを主電力スイッチ素子Ｔ
Ｒ１へ出力する。

【００２７】尚、本発明の特許請求の範囲における各構
成要件と、本発明の第１の実施の形態に係る電圧共振型
コンバータ、後述の第２の実施の形態に係る誘導加熱電
源回路、第３の実施の形態に係る定着装置における各部
との対応関係は下記の通りである。トランスは電力絶縁
トランスＴ１に対応し、スイッチ手段は主電力スイッチ
素子ＴＲ１に対応し、補助スイッチ手段は補助電力スイ
ッチ素子ＴＲ２に対応し、共振コンデンサは共振コンデ
ンサＣ２に対応し、ダイオードはバイパスダイオードＤ
６に対応し、共振制御手段は共振制御ＰＷＭ発振回路Ｉ
Ｃ１に対応し、誘導加熱巻線は誘導加熱コイルＬ１に対
応し、定着手段は定着ローラ１００に対応し、温度測定
手段は温度検出素子ＴＨ１に対応し、温度比較手段は温
度検出比較回路ＩＣ２に対応する。

【００２８】次に、上記の如く構成された本発明の第１
の実施の形態に係る電圧共振型コンバータの動作につい
て図１〜図４を参照しながら説明する。図２乃至図４は
本発明の第１の実施の形態に係る電圧共振型コンバータ
の共振状態制御を説明するための波形図である。

【００２９】電圧共振型コンバータの入力端子Ｖｉに交
流入力電圧が印加されると、交流入力電圧は交流電力整
流ダイオードＤ１〜Ｄ４により整流された脈流となり、
その電圧は入力ノイズフィルタＮＦ１を通り、コンデン
サＣ１の両端に印加され平滑される。ここで、外部より
電圧共振型コンバータが起動されると、共振制御ＰＷＭ
発振回路ＩＣ１がＰＷＭパルスを主電力スイッチ素子Ｔ
Ｒ１（ＭＯＳ−ＦＥＴ）のゲートに対して発生する。主
電力スイッチ素子ＴＲ１は、共振制御ＰＷＭ発振回路Ｉ
Ｃ１の出力パルスによりスイッチングして図２に示すよ
うなＴＲ１ドレイン電流波形が流れ、電力絶縁トランス
Ｔ１に通電する。主電力スイッチ素子ＴＲ１がオンする
ことで、主電力スイッチ素子ＴＲ１には図２中のＴＲ１
ドレイン電流波形が流れる。

【００３０】暫時経過後、共振制御ＰＷＭ発振回路ＩＣ
１の出力パルスがオフし主電力スイッチ素子ＴＲ１がオ
フすると、電力絶縁トランスＴ１は主電力スイッチ素子
ＴＲ１がオンすることで流れた電流を蓄えているため、
主電力スイッチ素子ＴＲ１がオフした時に逆起電圧を発
生し、共振コンデンサＣ２及びバイパスダイオードＤ６
を通じ蓄積電流を共振コンデンサＣ２に充電すること
で、主電力スイッチ素子ＴＲ１のドレイン側に共振電圧
波形が発生する。

【００３１】またこの時、主電力スイッチ素子ＴＲ１の
ドレインと共振コンデンサＣ２の接続点に対し、補助電
力スイッチ素子ＴＲ２のソースと共振コンデンサＣ２の
接続点の電位が低いため、ゲート駆動電圧分圧抵抗Ｒ
１、Ｒ２とゲート電圧クランプ用ツェナダイオードＺＤ
１の分圧比により、補助電力スイッチ素子ＴＲ２のゲー
ト電圧波形が発生し、補助電力スイッチ素子ＴＲ２がオ
ン状態になる。

【００３２】電力絶縁トランスＴ１の一次巻線に蓄えら
れた電力が共振コンデンサＣ２に充電されると、バイパ
スダイオードＤ６のダイオード電流がゼロとなり、補助
電力スイッチ素子ＴＲ２を通じて共振コンデンサＣ２が
電力絶縁トランスＴ１の一次巻線に対して放電を開始す
る。共振コンデンサＣ２の放電電流により電力絶縁トラ
ンスＴ１の一次巻線電圧が低下して行き、最終的に一次
巻線電圧がマイナス側まで振り込まれ、フライホイール
ダイオードＤ５及び主電力スイッチ素子ＴＲ１の逆方向
ダイオードに電流が流れることで、電流絶縁トランスＴ
１の一次巻線電圧が略グランド電位にクランプされる。

【００３３】その後、共振制御ＰＷＭ発振回路ＩＣ１に
よるＰＷＭパルスが主電力スイッチ素子ＴＲ１をオンさ
せるように発生し、主電力スイッチ素子ＴＲ１はゼロ電
位からオン動作を開始するためスイッチング時の電力損
失が発生しないゼロボルトスイッチング動作を行う。ま
た、主電力スイッチ素子ＴＲ１がオフ時も最初に共振コ
ンデンサＣ２に対して充電電流が流れ出すことにより、
電力絶縁トランスＴ１の巻線電圧が上がって行くため、
オフ動作時も主電力スイッチ素子ＴＲ１はゼロボルトス
イッチング動作を行う。この動作の繰り返すＰＷＭ信号
を共振制御ＰＷＭ発振回路ＩＣ１から主電力スイッチ素
子ＴＲ１に出力して駆動することにより、電力絶縁トラ
ンスＴ１の二次側に必要とされる任意の出力電圧を得
る。

【００３４】次に、負荷状態が変化したときの電圧共振
型コンバータの動作を説明する。

【００３５】従来例の電圧共振型コンバータであれば、
図３に示す軽負荷時や、負荷重状態の時には、電力絶縁
トランスＴ１の一次巻線の電流が遮断できなくなる電流
連続モードでは連続共振状態を維持できないため、共振
コンデンサＣ２に残留電圧が残っている状態で主電力ス
イッチ素子ＴＲ１はスイッチング動作をせざるを得なく
なり、そのスイッチング時電力損失が増大するため、主
電力スイッチ素子ＴＲ１は電力損失的に大きな素子を用
意していた。

【００３６】これに対し、本発明の実施形態の電圧共振
型コンバータでは、共振コンデンサＣ２に対して直列に
補助電力スイッチ素子ＴＲ２が挿入してあり、主電力ス
イッチ素子ＴＲ１が強制的にオンされたときは図３に示
すように補助電力スイッチ素子ＴＲ２のゲート電圧が瞬
時にして無くなり、共振コンデンサＣ２に直列に接続さ
れている補助電力スイッチ素子ＴＲ２がオフし、共振コ
ンデンサＣ２の放電電流が主電力スイッチ素子ＴＲ１に
流れないため、主電力スイッチ素子ＴＲ１は略ゼロ電位
の状態でオン動作が可能になる。

【００３７】また、図４のように周波数を固定したまま
ＰＷＭパルス幅を絞って間欠発振モード状態に陥ると、
従来例の電圧共振型コンバータでは、ＰＷＭパルスがオ
ンになると毎回共振コンデンサＣ２を主電力スイッチ素
子ＴＲ１が放電しなければならないため、主電力スイッ
チ素子ＴＲ１の電力損失が非常に増大してしまう結果、
出力電圧を絞り込むことは不可能であった。

【００３８】これに対し、本発明の実施形態の電圧共振
型コンバータでは、図４に示す通り電圧共振終了後の共
振コンデンサＣ２は共振電流が流れなくなった時点で、
補助電力スイッチ素子ＴＲ２により主電力スイッチ素子
ＴＲ１及び電力絶縁トランスＴ１からは回路動作的に遮
断されており、電力絶縁トランスＴ１の共振電流が無く
なった後、暫くしてからＰＷＭパルスによるオン信号が
入るような状態まで出力電圧が絞り込まれても、共振コ
ンデンサＣ２を放電する必要がないため、主電力スイッ
チ素子ＴＲ１のスイッチング損失を非常に低減すること
ができる。

【００３９】以上説明したように、本発明の第１の実施
の形態に係る電源装置によれば、入力端子Ｖｉに直列に
挿入された電力絶縁トランスＴ１の一次巻線に直列接続
されると共に入力端子Ｖｉの戻り側に接続された主電力
スイッチ素子ＴＲ１と、電力絶縁トランスＴ１の一次巻
線と主電力スイッチ素子ＴＲ１との間に一方の端子が接
続された共振コンデンサＣ２と、入力端子Ｖｉに直列接
続されると共に共振コンデンサＣ２の他方の端子に接続
された補助電力スイッチ素子ＴＲ２とを有し、補助電力
スイッチ素子ＴＲ２の開閉信号を電力絶縁トランスＴ１
の一次巻線と主電力スイッチ素子ＴＲ１との接続点から
得るように構成しているため、下記のような作用及び効
果を奏する。

【００４０】上記構成において、電力絶縁トランスＴ１
の一次巻線に蓄積された電力が共振コンデンサＣ２に充
電されると、バイパスダイオードＤ６の電流がゼロとな
り、補助電力スイッチ素子ＴＲ２を介し共振コンデンサ
Ｃ２が電力絶縁トランスＴ１の一次巻線に対し放電を開
始し、電力絶縁トランスＴ１の一次巻線電圧が略グラン
ド電位にクランプされる。

【００４１】この後、共振制御ＰＷＭ発振回路ＩＣ１に
より主電力スイッチ素子ＴＲ１がゼロ電位からオン動作
を開始するため、スイッチング時の電力損失が発生しな
いゼロボルトスイッチング動作を行う。また、主電力ス
イッチ素子ＴＲ１のオフ時も最初に共振コンデンサＣ２
に対して充電電流が流れ出す結果、主電力スイッチ素子
ＴＲ１はオフ動作時もゼロボルトスイッチング動作を行
う。この動作を繰り返すことにより、電力絶縁トランス
Ｔ１の二次側に任意の出力電圧を得る。

【００４２】即ち、本発明の第１の実施の形態において
は、共振コンデンサＣ２に補助電力スイッチ素子ＴＲ２
を直列に挿入し、共振状態に応じて共振コンデンサを負
荷である電力絶縁トランスＴ１に自動的に接続或いは遮
断することで、広い出力電力範囲に渡って低損失且つ低
ノイズの電圧共振型コンバータを実現できるという効果
がある。

【００４３】［第２の実施の形態］本発明の第２の実施
の形態では、複写機において原稿用紙上の粉体からなる
トナー像を加熱加圧することで用紙に定着させる定着装
置を構成するヒートローラ加熱用電源として誘導加熱方
式を使用した電圧共振型電源について説明する。

【００４４】図５は本発明の第２の実施の形態に係る共
振制御ＰＷＭ発振回路を用いた誘導加熱電源回路の構成
を示す回路図である。本発明の第２の実施の形態に係る
誘導加熱電源回路は、主電力スイッチ素子ＴＲ１、補助
電力スイッチ素子ＴＲ２、電力絶縁トランスＴ１、平滑
コンデンサＣ１、共振コンデンサＣ２、交流電力整流ダ
イオードＤ１〜Ｄ４、フライホイールダイオードＤ５、
バイパスダイオード（共振コンデンサ充電ダイオード）
Ｄ６、ゲート電圧クランプ用ツェナダイオードＺＤ１、
入力ノイズフィルタＮＦ１、ゲート駆動電圧分圧抵抗Ｒ
１〜Ｒ２、誘導加熱コイルＬ１、共振制御ＰＷＭ発振回
路ＩＣ１、温度検出素子ＴＨ１、温度検出比較回路ＩＣ
２を備えている。図中１００は定着ローラ、１０１はＥ
型形状フェライトコアである。尚、図５で上記図１と共
通する構成には同一符号を付し説明を省略または簡略化
する。

【００４５】上記要部の構成及び機能を説明すると、温
度検出素子ＴＨ１は、定着ローラ１００表面の温度を検
出し検出信号を温度検出比較回路ＩＣ２に出力する。温
度検出比較回路ＩＣ２は、温度調節入力信号Ｖｃの入力
に基づき、温度検出素子ＴＨ１の出力と温度調節入力信
号Ｖｃの温度設定値を比較し、比較に基づく制御信号を
共振制御ＰＷＭ発振回路ＩＣ１に出力する。共振制御Ｐ
ＷＭ発振回路ＩＣ１は、制御信号値に基づくパルスのＰ
ＷＭ信号を発生し、主電力スイッチ素子ＴＲ１のゲート
−ソース間に印加する。

【００４６】誘導加熱コイルＬ１は、Ｅ型形状フェライ
トコア１０１に巻回されている。Ｅ型形状フェライトコ
ア１０１は、その空間より定着ローラ１００の表層に高
周波磁界を印加して定着ローラ１００の外面に高周波磁
束を貫通させ、定着ローラ１００内に渦電流を発生させ
る。定着ローラ１００は、発生した渦電流の電流値によ
りジュール熱が発生し定着ローラ自らが発熱する。

【００４７】次に、上記の如く構成された本発明の第２
の実施の形態に係る誘導加熱電源回路の動作について図
５を参照しながら説明する。

【００４８】誘導加熱電源回路の入力端子Ｖｉに交流入
力電圧が印加されると、交流入力電圧は交流電力整流ダ
イオードＤ１〜Ｄ４により整流された脈流となり、その
電圧は入力ノイズフィルタＮＦ１を通りコンデンサＣ１
の両端に印加される。そのコンデンサＣ１の両端電圧
は、交流入力電圧を整流した波形となる。温度調節入力
信号Ｖｃが温度検出比較回路ＩＣ２に入力されると、温
度検出比較回路ＩＣ２は温度検出素子ＴＨ１の出力と温
度調節入力信号Ｖｃの温度設定値を比較する。その比較
された出力が制御信号として共振制御ＰＷＭ発振回路Ｉ
Ｃ１に印加される。

【００４９】共振制御ＰＷＭ発振回路ＩＣ１は制御信号
値に見合ったパルスのＰＷＭ信号を発生し、その出力は
主電力スイッチ素子ＴＲ１のゲート−ソース間に印加さ
れる。主電力スイッチ素子ＴＲ１が共振制御ＰＷＭ発振
回路ＩＣ１の出力パルスによりスイッチングしてドレイ
ン電流ＩＤが流れる結果、誘導加熱コイルＬ１に通電す
る。また、誘導加熱コイルＬ１は主電力スイッチ素子Ｔ
Ｒ１がオンすることで流れた電流を蓄えているため、主
電力スイッチ素子ＴＲ１がオフした時に逆起電圧を発生
しテフライホイールダイオードＤ５に順電流を流し、蓄
積電流を高周波共振コンデンサＣ２に充電する。

【００５０】その後、また主電力スイッチ素子ＴＲ１が
オンすると誘導加熱コイルＬ１に電流が流れ誘導加熱コ
イルＬ１に電流を蓄積することを繰り返すので、負荷の
誘導加熱コイルＬ１にはコンデンサＣ１との間に共振電
流が流れる。主電力スイッチ素子ＴＲ１及び誘導加熱コ
イルＬ１に流れる電流は、コンデンサＣ１が高周波成分
を充放電し、平滑化を行う。そのため、入力ノイズフィ
ルタＮＦ１には、高周波電流は流れず交流入力電流整流
波形のみが流れる。

【００５１】交流電力整流ダイオードＤ１〜Ｄ４に流れ
る電流は、主電力スイッチ素子ＴＲ１及び誘導加熱コイ
ルＬ１に流れた電流波形をコンデンサＣ１及び入力ノイ
ズフィルタＮＦ１によりフィルタリングされた電流波形
となるため、整流前の交流入力電流波形は、交流入力電
圧波形に近い形の入力電流波形となり、入力電流中に含
まれる高調波成分を大幅に減少でき、定着加熱回路にお
ける温度調節回路の入力電流の力率を大幅に改善するこ
とができる。

【００５２】尚、本実施形態の誘導加熱電源回路中で使
用する入力ノイズフィルタＮＦ１とコンデンサＣ１は、
共振制御ＰＷＭ発振回路ＩＣ１による高周波の発振周波
数に対してフィルタ効果が発揮されるものであればよ
く、コンデンサＣ１の容量や入力ノイズフィルタＮＦ１
のインダクタンス値は小さくできるので、小型、軽量化
することができる。

【００５３】本実施形態の誘導加熱電源回路に温度調節
信号が入力されることで、誘導加熱電源回路の出力端子
に周波数２０ＫＨｚ〜１００ＫＨｚ程度の高周波交流電
力が発生する。この交流電力が誘導加熱コイルＬ１に印
加され、誘導加熱コイルＬ１は交流磁界を発生する。こ
の時、誘導加熱コイルＬ１に印加する交流電力は加熱対
象物により変化するが、通常２００〜３００Ｗから数Ｋ
Ｗ程度である。

【００５４】誘導加熱コイルＬ１に印加された交流電力
により発生した交流磁界は、誘導加熱コイルＬ１が巻回
されているＥ型形状フェライトコア１０１の空間より定
着ローラ１００の表層に高周波磁界を印加することで、
定着ローラ１００の外面に高周波磁束が貫通し、定着ロ
ーラ１００内に渦電流を発生させる。その渦電流の電流
値により定着ローラ１００の外面にジュール熱が発熱す
ることで、定着ローラ自らが発熱する。この電磁誘導作
用により定着ローラ１００が発熱し、定着ローラ表面温
度も上昇していく。

【００５５】ここで、定着ローラ１００表面の温度を測
定する温度検出素子ＴＨ１の出力は、随時、温度検出比
較回路ＩＣ２に入力され温度調節入力信号（加熱目標温
度）Ｖｃと比較され、その加熱目標温度との差分が共振
制御ＰＷＭ発振回路ＩＣ１にフィードバックされる。温
度検出比較回路ＩＣ２は、温度検出素子ＴＨ１で検出し
た検出温度が予め設定された加熱目標温度に近づくと、
印加高周波電力を低下させるような比例制御等や通称Ｐ
ＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｐｌｕｓＩｎｔｅｇ
ｒａｌ ｐｌｕｓ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ：比例・積分
・微分）制御と呼ばれる制御方式を用い、定着ローラ１
００の表面温度を一定に保つフィードバック信号を発生
する。

【００５６】共振制御ＰＷＭ発振回路ＩＣ１は、温度検
出比較回路ＩＣ２により求められた温度設定目標値差分
が入力され、その値に応じて主電力スイッチ素子ＴＲ１
のゲートＯＮ信号時間を決定し、主電力スイッチ素子Ｔ
Ｒ１の通電電力を調整する。これにより、誘導加熱コイ
ルＬ１に入力される電力が制御され、定着ローラ１００
の発熱量が制御されることにより、トナー定着温度が安
定化される。

【００５７】以上説明したように、本発明の第２の実施
の形態に係る誘導加熱電源回路によれば、複写機におけ
る通紙状態の変化や加熱のオン−オフや非通紙時のスタ
ンバイ状態で加熱電力を絞り込むような状態であって
も、補助電力スイッチ素子ＴＲ２の作用により共振コン
デンサＣ２が放電後は誘導加熱コイルＬ１から切り離さ
れるため、主電力スイッチ素子ＴＲ１の電力損失を低減
することができる。

【００５８】［第３の実施の形態］本発明の第３の実施
の形態では、上記第２の実施の形態で説明した誘導加熱
電源回路を搭載した複写機の定着装置について説明す
る。

【００５９】図６は本発明の第３の実施の形態に係る誘
導加熱電源回路を用いた定着装置の構成を示す構成図で
ある。本発明の第３の実施の形態に係る定着装置は、定
着ローラ１００、Ｅ型形状フェライトコア１０１、誘導
加熱コイル１０２、加圧ローラ１０３、温度センサ１０
４を備えている。誘導加熱電源回路は上記第２の実施の
形態で説明した図５を用いる。

【００６０】上記構成を説明すると、定着ローラ１００
は、駆動機構（図示略）により図中時計方向に回転駆動
されるものであり、加圧ローラ１０３と協動して未定着
原稿に対しトナー像を定着させる。定着装置における図
中右側から給紙された未定着原稿は、定着ローラ１００
及び加圧ローラ１０３により定着が行われた後、定着装
置における図中左側の排紙部から外部に定着済み原稿と
して排紙される。

【００６１】誘導加熱コイル１０２は、Ｅ型形状フェラ
イトコア１０１に巻回されており、上記第２の実施の形
態で説明した図５の誘導加熱電源回路に組み込まれてい
る。Ｅ型形状フェライトコア１０１は、その空間より定
着ローラ１００の表層に高周波磁界を印加して定着ロー
ラ１００の外面に高周波磁束を貫通させ、定着ローラ１
００内に渦電流を発生させる。温度センサ１０４は、定
着ローラ１００の表面温度を検出する。

【００６２】以上説明したように、本発明の第３の実施
の形態に係る定着装置によれば、定着ローラ１００に相
対させてＥ型形状フェライトコア１０１からなる磁気回
路を定着ローラ１００及び加圧ローラ１０３からなる定
着加圧部の直前に配置し、上記第２の実施の形態で用い
た誘導加熱電源により誘導加熱コイル１０２を駆動する
ことで、通紙時の用紙加熱を効果的に行うことができる
と共に、非通紙時の電源損失を最低限に抑えた効率よい
定着装置を実現することができる。

【００６３】尚、本発明は、複数の機器から構成される
システムに適用しても、１つの機器からなる電源装置に
適用してもよい。

【００６４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１乃至３記
載の電力変換装置によれば、共振コンデンサに補助スイ
ッチ手段を直列に挿入し、共振状態に応じて共振コンデ
ンサを負荷であるトランスに自動的に接続或いは遮断す
ることで、広い出力電力範囲に渡って低損失且つ低ノイ
ズの電力変換装置を実現できるという効果がある。

【００６５】また、請求項４乃至６記載の誘導加熱用電
力変換装置によれば、共振コンデンサに補助スイッチ手
段を直列に挿入し、共振状態に応じて共振コンデンサを
負荷である誘導加熱巻線に自動的に接続或いは遮断する
ことで、広い出力電力範囲に渡って低損失且つ低ノイズ
の誘導加熱用電力変換装置を実現できるという効果があ
る。

【００６６】また、請求項７乃至１２記載の電力変換方
法によれば、電力変換装置或いは誘導加熱用電力変換装
置に電力変換方法を適用し、共振コンデンサに補助スイ
ッチ手段を直列に挿入し、共振状態に応じて共振コンデ
ンサを負荷であるトランス或いは誘導加熱巻線に自動的
に接続或いは遮断することで、広い出力電力範囲に渡っ
て低損失且つ低ノイズの電力変換装置或いは誘導加熱電
力変換装置を実現できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電圧共振型コ
ンバータの構成を示す回路図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態に係る電圧共振型コ
ンバータの共振状態制御を説明するための波形図であ
る。

【図３】本発明の第１の実施の形態に係る電圧共振型コ
ンバータの共振状態制御を説明するための波形図であ
る。

【図４】本発明の第１の実施の形態に係る電圧共振型コ
ンバータの共振状態制御を説明するための波形図であ
る。

【図５】本発明の第２の実施の形態に係る共振制御ＰＷ
Ｍ発振回路を用いた誘導加熱電源回路の構成を示す回路
図である。

【図６】本発明の第３の実施の形態に係る誘導加熱電源
回路を用いた定着装置の構成を示す構成図である。

【図７】従来例に係る電圧共振型コンバータの構成を示
す回路図である。

【符号の説明】

ＴＲ１ 主電力スイッチ素子 ＴＲ２ 補助電力スイッチ素子 Ｔ１ 電力絶縁トランス Ｃ２ 共振コンデンサ Ｄ６ バイパスダイオード ＩＣ１ 共振制御ＰＷＭ発振回路 Ｌ１ 誘導加熱コイル ＴＨ１ 温度検出素子 ＩＣ２ 温度検出比較回路 １００ 定着ローラ １０２ 誘導加熱コイル １０４ 温度センサ

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電源入力端子に直列に挿入されたトラン
   スの一次巻線に直列接続されると共に前記電源入力端子
   の戻り側に接続されたスイッチ手段を有し、前記電源入
   力端子に入力された交流電力を高周波の交流電力に変換
   する電力変換装置であって、 前記トランスの一次巻線と前記スイッチ手段との間に一
   方の端子が接続された共振コンデンサと、前記電源入力
   端子に直列接続されると共に前記共振コンデンサの他方
   の端子に接続された補助スイッチ手段とを有し、該補助
   スイッチ手段の開閉信号を前記トランスの一次巻線と前
   記スイッチ手段との接続点から得ることを特徴とする電
   力変換装置。
2. 【請求項２】 更に、前記共振コンデンサの他方の端子
   に直列接続され該共振コンデンサへの放電電流を流すダ
   イオードを有することを特徴とする請求項１記載の電力
   変換装置。
3. 【請求項３】 更に、出力電圧に応じた駆動信号を前記
   スイッチ手段に供給する共振制御手段を有することを特
   徴とする請求項１又は２記載の電力変換装置。
4. 【請求項４】 電源入力端子に直列に挿入された誘導加
   熱巻線に直列接続されると共に前記電源入力端子の戻り
   側に接続されたスイッチ手段を有し、前記電源入力端子
   に入力された交流電力を高周波の交流電力に変換する誘
   導加熱用電力変換装置であって、 前記誘導加熱巻線と前記スイッチ手段との間に一方の端
   子が接続された共振コンデンサと、前記電源入力端子に
   直列接続されると共に前記共振コンデンサの他方の端子
   に接続された補助スイッチ手段とを有し、該補助スイッ
   チ手段の開閉信号を前記誘導加熱巻線と前記スイッチ手
   段との接続点から得ることを特徴とする誘導加熱用電力
   変換装置。
5. 【請求項５】 更に、前記共振コンデンサの他方の端子
   に直列接続され該共振コンデンサへの放電電流を流すダ
   イオードを有することを特徴とする請求項４記載の誘導
   加熱用電力変換装置。
6. 【請求項６】 更に、複写機における用紙のトナー像を
   定着する定着手段の温度を測定する温度測定手段と、該
   温度測定手段による測定値と目標値とを比較し差分を出
   力する温度比較手段と、該温度比較手段から出力される
   前記差分に応じた駆動信号を前記スイッチ手段に供給す
   る共振制御手段とを有することを特徴とする請求項４又
   は５記載の誘導加熱用電力変換装置。
7. 【請求項７】 電源入力端子に直列に挿入されたトラン
   スの一次巻線に直列接続されると共に前記電源入力端子
   の戻り側に接続されたスイッチ手段を有し、前記電源入
   力端子に入力された交流電力を高周波の交流電力に変換
   する電力変換装置に適用される電力変換方法であって、 前記トランスの一次巻線と前記スイッチ手段との間に一
   方の端子が接続された共振コンデンサと、前記電源入力
   端子に直列接続されると共に前記共振コンデンサの他方
   の端子に接続された補助スイッチ手段とを有し、該補助
   スイッチ手段の開閉信号を前記トランスの一次巻線と前
   記スイッチ手段との接続点から得ることを特徴とする電
   力変換方法。
8. 【請求項８】 更に、前記共振コンデンサの他方の端子
   に直列接続されたダイオードを有し、該ダイオードによ
   り前記共振コンデンサへの放電電流を流すことを特徴と
   する請求項７記載の電力変換方法。
9. 【請求項９】 更に、出力電圧に応じた駆動信号を前記
   スイッチ手段に供給する共振制御ステップを有すること
   を特徴とする請求項７又は８記載の電力変換方法。
10. 【請求項１０】 電源入力端子に直列に挿入された誘導
    加熱巻線に直列接続されると共に前記電源入力端子の戻
    り側に接続されたスイッチ手段を有し、前記電源入力端
    子に入力された交流電力を高周波の交流電力に変換する
    誘導加熱用電力変換装置に適用される電力変換方法であ
    って、 前記誘導加熱巻線と前記スイッチ手段との間に一方の端
    子が接続された共振コンデンサと、前記電源入力端子に
    直列接続されると共に前記共振コンデンサの他方の端子
    に接続された補助スイッチ手段とを有し、該補助スイッ
    チ手段の開閉信号を前記誘導加熱巻線と前記スイッチ手
    段との接続点から得ることを特徴とする電力変換方法。
11. 【請求項１１】 更に、前記共振コンデンサの他方の端
    子に直列接続されたダイオードを有し、該ダイオードに
    より前記共振コンデンサへの放電電流を流すことを特徴
    とする請求項１０記載の電力変換方法。
12. 【請求項１２】 更に、複写機における用紙のトナー像
    を定着する定着手段の温度を測定する温度測定ステップ
    と、該温度測定ステップによる測定値と目標値とを比較
    し差分を出力する温度比較ステップと、該温度比較ステ
    ップから出力される前記差分に応じた駆動信号を前記ス
    イッチ手段に供給する共振制御ステップとを有すること
    を特徴とする請求項１０又は１１記載の電力変換方法。