JP2006081284A - 並列型インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
各インバータ回路から負荷までの距離が長い場合であっても、簡易な構成により各インバータ回路に流れる電流をバランスさせて各インバータ回路の破損を確実に防止し得る並列型インバータ装置を提供する。
【解決手段】
半導体スイッチング素子を有するインバータ回路をバランス手段を介して複数台並列接続して構成される並列型インバータ装置であって、バランス手段は、各インバータ回路の一対の出力端子にそれぞれ接続された第１導体を一対のリングコアの孔にそれぞれ挿通すると共に、一方のリングコアと他方のリングコアに第１導体と逆方向の電流が流れるように第２導体を複数回巻回し、かつ両リングコアに巻回された第２導体を直列接続してなることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば高周波誘導加熱装置等に好適に使用可能な複数台のインバータ回路が並列接続された並列型インバータ装置に関する。

一般的に、高周波誘導加熱を利用して焼き入れや焼き鈍し等をする際には、高周波加熱用のインバータ装置が使用されている。そして、この種のインバータ装置においては、各種の半導体スイッチング素子を有するインバータ回路が使用されているが、このインバータ回路の各半導体スイッチング素子を流れる電流値には自ずと限界があって、一つのインバータ回路で発生する電流値も所定値以上に大きくすることは困難である。

そこで、インバータ装置に大電流が要望される場合においては、複数のインバータ回路を複数台併設するようにしているが、この場合、各インバータ回路の各半導体スイッチング素子のバラツキ等によりその出力電流に位相差等が発生して、各インバータ回路の出力電流にアンバランスが生じ、例えばアンバランス状態が酷くなると、所定のインバータ回路に大電流が流れて該インバータ回路の半導体スイッチンク素子を破損させる場合がある。そのため、複数台並列接続される各インバータ回路の出力電流をバランスさせた並列型インバータ装置が例えば特許文献１に開示されている。

この並列型インバータ装置は、各インバータ回路の出力端子に、第１のインバータ回路の出力端子に接続された導体と第２のインバータ回路の出力端子に接続された導体をリングコアにそれぞれ逆方向から挿通し、このリングコアにより各導体を流れる電流を合成することでバランスさせるようにしたものである。
特開平１１−２９９２５２号公報

しかしながら、この並列型インバータ装置にあっては、各インバータ回路の出力端子に接続された導体を、単にリングコアの孔に互いに異なる開口側から１ターン挿通させる構造であることから、例えばリングコアを各インバータ回路から遠い位置に配置すると長さの長い導体による悪影響を受けて良好なバランス状態を得ることが困難となる。そのため、出力端子から加熱コイル等の負荷までの距離が比較的長い装置の場合、良好なバランス状態が得られず、小型で高出力の並列型インバータ装置を提供することが難しい。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、各インバータ回路から負荷までの距離が長い場合であっても、簡易な構成により各インバータ回路に流れる電流をバランスさせて各インバータ回路の破損を確実に防止し得る並列型インバータ装置を提供することにある。

かかる目的を達成すべく、本発明のうち請求項１に記載の発明は、半導体スイッチング素子を有するインバータ回路をバランス手段を介して複数台並列接続して構成される並列型インバータ装置であって、前記バランス手段は、各インバータ回路の一対の出力端子にそれぞれ接続された第１導体を一対のリングコアの孔にそれぞれ挿通すると共に、一方のリングコアと他方のリングコアに前記第１導体と逆方向の電流が流れるように第２導体を複数回巻回し、かつ両リングコアに巻回された第２導体を直列接続してなることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明のように、前記インバータ回路が、各アームに半導体スイッチング素子を有するブリッジ型のインバータ回路であることを特徴とし、また、請求項３に記載の発明は、前記第２導体の一対のリングコア間に電流検出手段が設けられていることを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の発明によれば、各インバータ回路の一対の出力端子にそれぞれ接続された第１導体を一対のリングコアの孔にそれぞれ挿通すると共に、両リングコアに第１導体と逆方向の電流が流れるように第２導体を複数回でかつ直列接続状態で巻回したバランス手段により、複数台のインバータ回路が並列接続されるため、第２導体の巻き数で第１導体の長さに的確に対応できて、負荷までの長さが長い場合であっても、各インバータ回路の電流を良好にバランスさせることができて、その破損を防止することができると共に、小型で高出力のインバータ装置を容易に得ることができる。

また、請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、複数台のインバータ回路が各アームに半導体スイッチング素子を有するブリッジ型のインバータ回路で構成されるため、各インバータ回路自体に高出力が得られて、並列接続するインバータ回路の台数を低減させて安価なインバータ装置を得ることができる。

また、請求項３に記載の発明によれば、請求項１または２に記載の発明の効果に加え、第２導体の両リングコア間に電流検出手段が設けられているため、第２導体を流れる電流により例えば異常電流を検出してインバータ回路を停止させることができて、各インバータ回路のスイッチング素子の破損を確実に防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１〜図５は、本発明に係わる並列型インバータ装置の一実施形態を示し、図１がその基本回路図、図２が電流バランス手段の概念図、図３が電流バランス手段の具体的構造を示す縦断面図、図４がそのリングコア部分の平面図、図５が複数の電流バランス手段を組み合わせた場合の縦断面図である。

図１において、インバータ装置１は、複数台（図では３台）のインバータ回路２ａ〜２ｃを有し、この各インバータ回路２ａ〜２ｃの一対の出力端子ｕ１〜ｕ３、ｖ１〜ｖ３は、インバータ装置１の一対の端子ｕ、ｖに導体３、４（第１導体）によってそれぞれ接続されることで、各インバータ回路２ａ〜２ｃが並列接続状態とされている。そして、各インバータ回路２ａ〜２ｃの出力端子ｕ１〜ｕ３と出力端子ｖ１〜ｖ３との間には、電流バランス手段５ａ〜５ｃがそれぞれ接続されている。

すなわち、電流バランス手段５ａは、インバータ回路２ａのｖ１端子とインバータ回路２ｃのｕ３端子間に接続され、電流バランス手段５ｂは、インバータ回路２ａのｕ１端子とインバータ回路２ｂのｖ２端子間に接続され、電流バランス手段５ｃは、インバータ回路２ｂのｕ２端子とインバータ回路２ｃのｖ３端子間に接続されている。また、各電流バランス手段５ａ〜５ｃは、図２に示すように、一対のリングコア６と導線や銅板等からなる導体７（第２導体）を有し、各リングコア６の孔６ａに前記導体３、４が貫通状態で挿通され、各リングコア６に前記導体７がそれぞれ複数回巻回されると共に、両導体７が両リングコア６間で直列接続状態とされている。

そして、一方のリングコア６において、導体３を流れる電流と導体７を流れる電流とが逆方向となるように設定され、また他方のリングコア７において、導体４を流れる電流と導体７を流れる電流とがそれぞれ逆方向となるように設定されている。また、図１に示すように、前記バランス手段５ａ〜５ｃの導体７の両リングコア間の位置には、導線等が巻回されることで形成された電流検出器８が配設されており、この電流検出器８で各電流バランス手段５ａ〜５ｃを流れる電流、すなわち各インバータ回路２ａ〜２ｃの出力電流値やその変化等が検出されるようになっている。

なお、各インバータ回路２ａ〜２ｃは、図示しない４つのアームにそれぞれ接続された半導体スイッチング素子としての４個のＩＧＢＴを有するフルブリッジ回路で形成されると共に、インバータ装置１の前記ｕ端子とｖ端子には、トランスの一次側コイルが接続され、このトランスの二次側コイルには、ＣＴや加熱コイル等の負荷（いずれも図示せず）が接続されている。

ここで、前記電流バランス手段の具体的構造を図３〜図５について説明する。先ず、各インバータ回路２ａ〜２ｃのｕ１〜ｕ３端子、ｖ１〜ｖ３端子に接続される電流バランス手段５ａ〜５ｃは、図３及び図４に示すように、絶縁板１０を介して圧接挟持されると共にその一端部がインバータ回路２ａ〜２ｃの各端子ｕ１〜ｕ３、ｖ１〜ｖ３に接続された一対の銅板１１と、この銅板１１の先端部にその一端部がネジ１２で接続された外形形状が円形の銅棒１３と、この銅棒１３の他端部に接続され前記銅板１１と逆方向に延設された銅板１４と、銅棒１３の周囲にヨーク１５を介してその孔６ａが貫通する状態で配置された前記リングコア６と、このリングコア６に巻回された銅線からなる前記導体７等を有している。

そして、銅板１１と銅棒１３及び銅板１４で前記導体３、４が形成され、リングコア６に巻回された導体７は、その両端部が所定長さ引き出されて直列接続されている。また、各インバータ回路２ａ〜２ｃの各端子ｕ１〜ｕ３、ｖ１〜ｖ３に接続された３つの電流バランス手段５ａ〜５ｃは、図５に示すように、銅板１４を共通化すること等により、電流バラン手段５ａ〜５ｃ全体のコンパクト化が図られている。

このインバータ装置１によれば、各インバータ回路２ａ〜２ｃのｕ１〜ｕ３端子及びｖ１〜ｖ３端子に接続された電流バランス手段５ａ〜５ｃにより、各インバータ回路２a〜２ｃの出力電流がバランスされた状態で、インバータ装置１の端子ｕ、ｖから、例えばトランスやＣＴ等を介して加熱コイルに供給されて、ワークが誘導加熱される。

この時、各インバータ回路２ａ〜２ｃから出力される高周波電流は、ｕ１〜ｕ３端子及びｖ１〜ｖ３端子とインバータ装置１のｕ端子及びｖ端子が導体３、４で接続されると共に、一方のインバータ回路２ａ〜２ｃのｕ端子と他方のインバータ回路２ａ〜２ｃのｖ端子間に電流バランス手段５ａ〜５ｃが配設されていることから、例えば導体３、４に流れる電流値の大きさが相違する場合、大きな電流値が流れる導体３、４に対しては電流バランス手段５ａ〜５ｃが電流の増大を抑制する抵抗として作用し、小さな電流が流れる導体４、３に対しては電流バランス手段５ａ〜５ｃが電流を増大させる起電力を発生させる。

これにより、隣接する各インバータ回路２ａ〜２ｃのｕ１〜ｕ３端子とｖ１〜ｖ３端子間に接続された電流バランス手段５ａ〜５ｃにより、３つのインバータ回路２ａ〜２ｃが互いにそれぞれ電流バランス状態となって、インバータ装置１のｕ端子及びｖ端子から３つのインバータ回路２ａ〜２ｃから発生する出力電流が合計された大電流でかつ位相の合致した高周波電流が出力されることになる。その結果、トランジスタ式の高周波でハイパワータイプの並列型のインバータ装置１を容易に構築できて、例えば電流のアンバランスによる各インバータ回路２ａ〜２ｃの高価なＩＧＢＴの破損等を確実に防止できることになる。

そして、各インバータ回路２ａ〜２ｃを例えばフルブリッジ型のインバータ回路で構成するようにすれば、各インバータ回路２ａ〜２ｃ自体に高出力が得られて、並列接続するインバータ回路２ａ〜２ｃの台数を低減させて安価なインバータ装置１を得ることもできるし、各電流バランス手段５ａ〜５ｃの導体７に導線を巻回して検出トランス８を配設すれば、各インバータ回路２ａ〜２ｃの異常電流を検出して、例えばインバータ装置１を停止させることができ、インバータ回路２ａ〜２ｃやインバータ装置１自体の破損等を防止することもできる。

さらに、上記インバータ装置１にあっては、電流バランス手段５ａ〜５ｃの一対のリングコア６に、導体３、４と逆方向の電流が流れるように導体７を複数回でかつ直列接続状態で巻回するため、導体７の巻き数で導体３、４の長さに的確に対応できて、例えば負荷までの長さが長い場合であっても、各インバータ回路２ａ〜２ｃの電流を良好にバランスさせることができ、その破損を一層確実に防止することができて、小型で高出力のトランジスタ式のインバータ装置１を容易に構築することができる。

なお、本発明における電流バランス手段５ａ〜５ｃの導体３、４、７としては、銅板や銅線に限らず、例えば導体３、４として良好な高周波特性が得られる薄い銅板を積層した銅板を使用したり、導体７としての銅線の代わりに銅板を使用することもできるし、リングコア６として一個のリングコアに限らず、分割型や複数連接したものを使用する等、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜に変更することができる。

本発明は、半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴを使用した並列型インバータ装置に限らず、通常のトランジスタ、サイリスタ、ＦＥＴ等の半導体スイッチング素子を使用した並列型インバータ装置にも適用できる。

本発明に係わるインバータ装置の一実施形態を示す基本回路図 同その電流バランス手段の概念図 同電流バランス手段の具体的構造を示す縦断面図 同リングコア部分の平面図 同複数の電流バランス手段を一体化した場合の縦断面図

符号の説明

１:並列型インバータ装置、２ａ〜２ｃ：インバータ回路、３、４：導体（第１導体）、５ａ〜５ｃ：電流バランス手段、６：リングコア、６ａ：孔、７：導体（第２導体）、８：電流検出器、１０：絶縁板、１１：銅板、１３：銅棒、１４：銅板、１５：ヨーク。

Claims (3)

1. 半導体スイッチング素子を有するインバータ回路をバランス手段を介して複数台並列接続して構成される並列型インバータ装置であって、
   前記バランス手段は、各インバータ回路の一対の出力端子にそれぞれ接続された一対の第１導体を一対のリングコアの孔にそれぞれ挿通すると共に、一方のリングコアと他方のリングコアに前記第１導体と逆方向の電流が流れるように第２導体を複数回巻回し、かつ両リングコアに巻回された第２導体を直列接続してなることを特徴とする並列型インバータ装置。
2. 前記インバータ回路は、各アームに半導体スイッチング素子を有するブリッジ型のインバータ回路であることを特徴とする請求項１に記載の並列型インバータ装置。
3. 前記第２導体の一対のリングコア間に電流検出手段を設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の並列型インバータ装置。

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