JP2004206937A

JP2004206937A - 高周波発振器

Info

Publication number: JP2004206937A
Application number: JP2002372234A
Authority: JP
Inventors: Kenji Yasui; 健治安井; Tomotaka Nobue; 等隆信江; Kazuhiko Asada; 和彦麻田; Koji Yoshino; 浩二吉野
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-12-24
Filing date: 2002-12-24
Publication date: 2004-07-22

Abstract

【課題】高周波電源の回路素子数の軽減による電力変換効率改善と小型化を実現すること。
【解決手段】発振回路９の発振出力を増幅する増幅回路１１は少なくとも一つの半導体スイッチ素子１９と電力変換トランス２０を有し、前記半導体スイッチ素子１９の接合容量と電力変換トランス２０の漏洩インダクタンスで共振回路を構成したものであり、これにより高周波発振器の増幅回路の素子数が軽減できるので、効率よく電力が増幅できると同時に高周波電源の小型化を図ることができる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、業務用や一般家庭用として使用される高周波解凍装置や高周波誘電加熱装置に用いる高周波発振器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、加熱室内の上、下電極板間に高周波の高電圧を供給し、両電極板の間に高周波電界を生じさせることによって、被解凍物の誘電加熱を行わせる高周波解凍装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、放電灯店頭装置ではあるが電力増幅回路により必要な電力まで増幅することも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
したがって、高周波解凍装置において、高周波出力が微弱である場合は、いくつかの電力増幅回路を経て、食品の加熱に必要な電力まで増幅することが考えられる。例えば家庭用電子レンジと同等あるいはそれ以上の解凍能力を得ようとすると、両電極板間に与える電力としては２００Ｗないしは３００Ｗ程度の電力を必要とする。この程度の電力変換を行うためには、一つの半導体スイッチ素子で増幅することは素子の発熱の問題から非常に困難である。そこで、一般的には大電力用途としては、二つ以上の半導体スイッチ素子を使用した、いわゆるハーフブリッジ式の回路構成を最終段の増幅回路として回路が構成される。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０８−２５５６８２号公報
【特許文献２】
特開平０６−０４５０８７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成における高周波解凍装置用の高周波電源においては、増幅回路の素子数が多くなってしまう。特に増幅回路には多数の共振コンデンサを配置しており、また、インダクタンス素子も複数あるので、これらの素子を流れる電流によって電力損失が発生するため、効率よく電力増幅ができない。また、素子数が多くなるため、基板実装の面積が多く必要となり、高周波電源の小型化を阻害してしまうという課題があった。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、増幅回路の素子数を軽減し、高周波電源の小型化を実現した高周波発振器を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の高周波発振器は、発振回路の発振出力を増幅する増幅回路は少なくとも一つの半導体スイッチ素子と電力変換トランスを有し、前記半導体スイッチ素子の接合容量と電力変換トランスの漏洩インダクタンスで共振回路を構成したものである。
【０００８】
これによって、高周波発振器の増幅回路の素子数が軽減できるので、効率よく電力が増幅できると同時に高周波電源の小型化を図ることができるものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、発振回路とその発振出力を増幅する増幅回路を有し、前記増幅回路は少なくとも一つの半導体スイッチ素子と増幅出力を負荷に出力する電力変換トランスを有し、前記半導体スイッチ素子の接合容量と電力変換トランスの漏洩インダクタンスで共振回路を構成した高周波発振器とすることにより、増幅回路の素子数が軽減できるので、効率よく電力を増幅できると同時に高周波電源の小型化を図ることができるものである。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、発振回路とその発振出力を増幅する増幅回路を有し、前記増幅回路は少なくとも一つの半導体スイッチ素子と増幅出力を負荷に出力する電力変換トランスを有し、電力変換トランスの１次巻線と負荷に結合される２次巻線との結合係数を０．６〜０．８に設定した高周波発振器とすることにより、増幅回路の素子数が軽減できるので、効率よく電力を増幅できると同時に高周波電源の小型化を図ることができるものである。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、１次巻線を電力変換トランスのコアの一部に密に巻く構成とした請求項１または２にに記載の高周波発振器とすることにより、電力変換トランスの結合係数を調整し、増幅回路の素子数の軽減と高周波電源の小型化を実現可能としたものである。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、電力変換トランスのコアはリング状のコアとし、その円周の１／３の部分内に１次巻線を巻回する構成とした請求項３に記載の高周波発振器とすることにより、請求項３の発明と同様、電力変換トランスの結合係数を調整し、増幅回路の素子数の軽減と高周波電源の小型化を実現可能としたものである。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、電力変換トランスの２次巻線をコア全周に疎に巻く構成とした請求項１〜４のいずれか１項に記載の高周波発振器とすることにより、請求項２の発明と同様、電力変換トランスの結合係数を調整し、増幅回路の素子数の軽減と高周波電源の小型化を実現可能としたものである。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、可変容量コンデンサを半導体スイッチ素子と並列接続し、共振電圧が一定となるように可変容量コンデンサの容量値を調整する構成とした請求項１〜５のいずれか１項に記載の高周波発振器とすることにより、半導体スイッチ素子の電圧定格を超えない設計を容易にし、半導体スイッチ素子の耐圧破壊を防止することができる。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、電力変換トランスの１次巻線をコアの１／３周に密に巻き、かつ、２次巻線を残りの２／３周に密に巻く構成とした請求項１〜４、６のいずれか１項に記載の高周波発振器とすることにより、電力変換トランスの結合係数を調整し、増幅回路の素子数の軽減と高周波電源の小型化を実現可能としたものである。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
（実施例１）
本発明の実施例１における高周波発振器について、図１〜図６を参照して説明する。
【００１８】
図１は高周波解凍装置の一例を示したものであり、冷凍食品などの被加熱物１は一対の加熱電極２、３に挟み込まれるように載置され、高周波発振器４から例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力が供給されることによって、被加熱物１は誘電加熱される。また、加熱電極２、３と高周波発振器４の間には整合回路５が挿入されており、整合回路５に備えられた可変インダクタ６と可変コンデンサ７は、そのインダクタンス値およびキャパシタンス値を適宜変化させることによって、被加熱物１の形状、種類や加熱電極２、３間の距離によって電極間のインピーダンスが変化しても高周波発振器４とのインピーダンス整合状態を維持する。このため被加熱物１に効率よく高周波電力を伝達することができるようになっている。
【００１９】
図２は高周波発振器４の回路構成を示したものであり、８は直流電源であり、高周波電源に備えられた発振回路９および増幅回路１０、１１に電力を供給する。発振回路９は水晶振動子などの発振子１２を備えており、この発振子１２によって定まる発振周波数で発振する。発振回路９の出力は増幅回路１０のパワーＭＯＳＦＥＴ１３に接続され、増幅回路１０の働きによって発信回路９の出力は増幅される。増幅回路１０の出力はその後段に設けられた増幅回路１１によってさらに電力増幅され、主増幅回路１４に備えられたパワーＭＯＳＦＥＴ１５、１６に駆動電力を供給する。主増幅回路１４には第２の直流電源１７が接続されており、加熱電力として必要な電力を出力する。
【００２０】
また主増幅回路１４の出力にはフィルタ回路１８が接続されており、主増幅回路１４のパワーＭＯＳＦＥＴ１５、１６のスイッチング動作によって生じる出力の高調波を除去する構成となっている。
【００２１】
ここで、増幅回路１１の動作について詳細に説明する。増幅回路１１は、少なくとも一つのパワーＭＯＳＦＥＴ１９（半導体スイッチ素子）と増幅出力を負荷に出力する電力変換トランス２０を有し、パワーＭＯＳＦＥＴ１９は増幅回路１０が出力する略正弦波状電圧によってスイッチング動作する。
【００２２】
また、電力変換トランス２０は、図３〜図５に示すように、リング状のコア２０ｃに１次巻線２０ａと２つの２次巻線２０ｂ１、２０ｂ２を巻回する構成となっている。図３はコア２０ｃに２次巻線２０ｂ１、２０ｂ２を巻回した様子を示し、コア２０ｃの全周にわたり疎に巻回している。
【００２３】
また、図４は同様に１次巻線２０ａをコア２０ｃに巻回した様子を示し、１次巻線２０ａはコア２０ｃの円周の一部に密に巻回する構成としている。図５は図３、図４を重ね合わせた状態で、電力変換トランス２０全体の構成を示している。このようにコア２０ｃの一部分に対して１次巻線２０ａを密に巻き、２次巻線２０ｂを全体に疎に巻くことによって１次巻線２０ａが作る磁束の一部を２次巻線２０ｂが作る磁束と鎖交しないようにすることができるので、１次巻線２０ａと２次巻線２０ｂの間の結合係数を０.６〜０．８に設定することができる。なお、本実施例では、１次巻線２０ａはコア２０ｃの円周の１／３範囲に密に巻回しているものである。
【００２４】
図６は電力変換トランス２０の電気的な等価回路を示したものであり、２０ａ２は漏洩インダクタンスであり、等価的に電力変換トランス２０の１次側に励磁インダクタンス２０ａ１に直列に接続する構成で表現することができる。
【００２５】
また、パワーＭＯＳＦＥＴ１９のドレーンソース間には、素子の構成上、接合容量が存在している。このため回路図上では素子として表記しないが、電力変換トランス２０の漏洩インダクタンス２０ａ２とパワーＭＯＳＦＥＴ１９のドレーンソース間接合容量で直列共振回路を構成することができる。このため増幅回路１１の動作波形は図７に示す波形となる。（１）は前段の増幅回路１０から与えられる駆動信号であり、（２）はパワーＭＯＳＦＥＴ１９にかかる電圧波形であり、（３）は電力変換トランス２０の１次巻線２０ａに流れる電流波形である。
【００２６】
発振回路９の発振周波数に対して電力変換トランス２０の漏洩インダクタンスとパワーＭＯＳＦＥＴ１９のドレーンソース間接合容量によって定まる共振周波数を適切に設定することで、パワーＭＯＳＦＥＴ１９の電圧波形が半波の正弦波状に変化しており、スイッチングのタイミングで電圧値が略零となっており、パワーＭＯＳＦＥＴ１９のスイッチング損失を低減できる動作を実現している。そして、増幅回路１１は共振動作のために余分なコンデンサおよびインダクタを必要としないため、素子数の軽減と高周波電源の小型化を図ることが可能となっている。
【００２７】
（実施例２）
本発明の実施例２における高周波発振器について、図８を参照して説明する。実施例１と同一要素については同一符号を付して説明を省略する。
【００２８】
本実施例において、実施例１と相違する点は、可変容量コンデンサ２１をパワーＭＯＳＦＥＴ１９と並列接続し、共振電圧が一定となるように可変容量コンデンサ２１の容量値を調整する構成としたことである。
【００２９】
このような構成とすることにより、本実施例では、電力変換トランス２０の１次巻線２０ａとパワーＭＯＳＦＥＴ１９のドレーンソース間の接合容量および可変容量コンデンサ２１によって共振回路が構成され、実施例１と同様の効果を発揮できる。さらに、可変容量コンデンサ２１を接続しているので、可変容量コンデンサ２１の容量を調整することによって、共振回路の状態を調整することが可能である。直列共振回路が発生する共振電圧は、その共振回路の先鋭度によって発生電圧が異なる。共振回路の先鋭度は共振コンデンサの容量と共振インダクタのインダクタンス値の比と相関関係があり、（数１）で関係付けることができる。
【００３０】
【数１】

【００３１】
したがって、共振キャパシタンスを大きくすることによって、共振回路の先鋭度を下げてパワーＭＯＳＦＥＴ１９にかかる電圧を低くすることができる。このためパワーＭＯＳＦＥＴ１９の耐圧を超える共振電圧が印加されることを防止でき、安全性の高い高周波発振器を実現することができる。
【００３２】
（実施例３）
本発明の実施例３における高周波発振器について、図９、図１０を参照して説明する。実施例１、２と同一要素については同一符号を付して説明を省略する。
【００３３】
本実施例では、実施例１、２と相違する点は、図９に示すように、発振回路９に例えばＣＭＯＳのロジックＩＣと水晶などの発振子を使った構成としている。これにより、実施例１、２のように発振回路９の構成としてトランジスタを１つ使用した発振回路と同様の動作特性を得ることができる。
【００３４】
図１０は本実施例における電力変換トランス２０の構成を示しており、リング状のコア２０ｃに１次巻線２０ａと２つの２次巻線２０ｂ１、２０ｂ２を巻回する構成となっている。このようにコア２０ｃに対して１次巻線２０ａを一部分（１／３）に密に巻き、残りの部分（２／３）に２次巻線２０ｂを疎に巻くことによって１次巻線２０ａが作る磁束を２次巻線２０ｂが作る磁束と鎖交しないようにすることができるので、１次巻線２０ａと２次巻線２０ｂの間の結合係数を０.６〜０．８に設定することができる。
【００３５】
このため、実施例１、２と同様、直列共振回路を構成することができ、パワーＭＯＳＦＥＴ１９のスイッチング損失を低減できる動作を実現している。そして増幅回路１１は共振動作のために余分なコンデンサおよびインダクタを必要としないため、素子数の軽減と高周波電源の小型化を図ることが可能となっている。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の高周波発振器は、発振回路の発振出力を増幅する増幅回路は少なくとも一つの半導体スイッチ素子と電力変換トランスを有し、前記半導体スイッチ素子の接合容量と電力変換トランスの漏洩インダクタンスで共振回路を構成したものであり、高周波発振器の増幅回路の素子数が軽減できるので、効率よく電力が増幅できると同時に高周波電源の小型化を図ることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における高周波発振器を用いた高周波解凍装置のブロック図
【図２】同高周波発振器の回路図
【図３】同高周波発振器の電力変換トランスにおける２次巻線を施した状態の平面図
【図４】同高周波発振器の電力変換トランスにおける１次巻線を施した状態の平面図
【図５】同電力変換トランスの平面図
【図６】同電力変換トランスの電気的な等価回路図
【図７】同高周波発振器の増幅回路における動作波形図
【図８】本発明の実施例２における高周波発振器の回路図
【図９】本発明の実施例３における高周波発振器の回路図
【図１０】同高周波発振器における電力変換トランスの平面図
【符号の説明】
４高周波発振器
９発振回路
１０、１１増幅回路
１４主増幅回路
１９パワーＭＯＳＦＥＴ（半導体スイチ素子）
２０電力変換トランス
２０ａ１次巻線
２０ｂ２次巻線
２０ｃコア
２１可変容量コンデンサ

Claims

発振回路とその発振出力を増幅する増幅回路を有し、前記増幅回路は少なくとも一つの半導体スイッチ素子と増幅出力を負荷に出力する電力変換トランスを有し、前記半導体スイッチ素子の接合容量と電力変換トランスの漏洩インダクタンスで共振回路を構成した高周波発振器。
発振回路とその発振出力を増幅する増幅回路を有し、前記増幅回路は少なくとも一つの半導体スイッチ素子と増幅出力を負荷に出力する電力変換トランスを有し、電力変換トランスの１次巻線と負荷に結合される２次巻線との結合係数を０．６〜０．８に設定した高周波発振器。
電力変換トランスの１次巻線をコアの一部に密に巻く構成とした請求項１または２に記載の高周波発振器。
電力変換トランスのコアはリング状のコアとし、その円周の１／３の部分内に１次巻線を巻回する構成とした請求項３に記載の高周波発振器。
電力変換トランスの２次巻線をコア全周に疎に巻く構成とした請求項１〜４のいずれか１項に記載の高周波発振器。
可変容量コンデンサを半導体スイッチ素子と並列接続し、共振電圧が一定となるように可変容量コンデンサの容量値を調整する構成とした請求項１〜５のいずれか１項に記載の高周波発振器。
電力変換トランスの１次巻線をコアの１／３周に密に巻き、かつ、２次巻線を残りの２／３周に密に巻く構成とした請求項１〜４、６のいずれか１項に記載の高周波発振器。