JP2006230089A - 中性点形降圧インバータ - Google Patents

Abstract

【課題】 商用電源の入力電流における高調波を抑制しつつ、電源投入時の突入電流を抑え、かつ、小型化に適したインバータを提供する。
【解決手段】 商用電源Ｖｉを半波整流した正側と負側の電圧をそれぞれ平滑せずにＱ１，Ｑ２，Ｌ１で降圧チョッピングして各コンデンサＣ１，Ｃ２に充電し、それらを平滑コンデンサＣ４で平滑して直流電圧を生成する中性点形降圧インバータとし、平滑コンデンサへの突入電流を抑える。さらに、コンデンサＣ１，Ｃ２の接続点（中性点）と電源との間にチャージポンプ動作をする充放電コンデンサＣ３を設け、電源の入力電圧がコンデンサＣ１，Ｃ２の電圧より低く当該コンデンサへ充電されないときでも、電源から電流が流れるようにして、商用電源の入力電流を高調波の発生原因となる断続波形にしない。
【選択図】 図１

Description

本発明は、交流電圧を整流して一旦直流電圧に変換した後、さらに高周波電圧に変換して高周波電力を負荷に供給するインバータ装置に関し、より詳細には、中性点形降圧インバータ装置もしくは照明機器に好適な中性点形降圧インバータ式安定器（以下、両者をまとめて単に「中性点形降圧インバータ」という）に関するものである。

最近の小型化された家電製品やＯＡ機器においては高性能・高効率化のため高周波インバータ装置が搭載されている。

また、家庭用蛍光灯器具や施設用蛍光灯器具においては、蛍光灯を点灯させる回路方式として、従来はチョーク限流型・漏洩変圧器型等の銅鉄型安定器と称されるものが使用されてきたが、形状・重量および効率の面で限界があることから、今日の蛍光灯器具には高周波点灯式安定器（インバータ式安定器）といわれるランプ制御装置が使用されるようになり、水銀灯やメタルハライド等のＨＩＤランプ器具、電球型蛍光ランプ等にも使用されている。

このインバータ式安定器は、効率がよく省電力化が図れること、ランプのチラツキや安定器の騒音を少なくできること、軽量化が図れること等の利点があることから、上記各種蛍光灯器具のインバータ化が急速に進んでいる。

ところが、上記高周波インバータ装置やインバータ式安定器（以下、これらをまとめて単に「インバータ」という）は、一般に安価なコンデンサインプット型平滑回路方式が多く用いられており、ダイオードの非線形特性に起因する歪波電流が商用電源に流れ、商用電源側の入力電流に高調波電流が流れるようになり、この高調波電流がおよぼす高調波障害の問題が顕著になってきている。

このため、高調波電流を抑制するための回路技術の検討がなされ、例えば、交流リアクトル挿入方式・部分平滑方式、アクティブ平滑フィルタ方式（非特許文献１参照）、中性点形昇圧インバータ方式（非特許文献２，３等参照）などが既に実用化されている。
"インバータランプ"；電子技術,Vol.32,No3,pp.113-119 "簡易高調波低減回路の一方法"；加藤義人,電気設備学会誌,Vol.12,No.10,pp.902-904 "中性点形インバータによる入力電流低歪み形電子安定器の開発"；加藤義人,照明学会誌,Vol79,No.2,pp.14-20

しかしながら、交流リアクトル挿入方式では、回路に挿入するリアクトル（インダクタ）が大きく小形化に適さないという問題があり、部分平滑方式では、突入電流の発生はないが高調波規制値を満足することができないという問題があり、アクティブ平滑フィルタ方式および中性点形昇圧インバータ方式では、スイッチング素子のオン・オフ状態に関係なく交流電源から直接平滑コンデンサを充電する閉路が存在するため、電源投入時に突入電流が発生するという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑み、商用電源側の入力電流における高調波を抑制しつつ、電源投入時の突入電流の発生を抑え、かつ、小型化に適したインバータを提供することを目的とするものである。

本発明の中性点形降圧インバータは、第１および第２のダイオードを該第２のダイオードから該第１のダイオードの向きが順方向となるように直列接続してなる半波整流回路と、該半波整流回路の両端子間に前記第１のダイオードから前記第２のダイオードの向きで順に接続された第１および第２のスイッチング素子の直列回路と、第１および第２のコンデンサを直列接続してなるコンデンサ直列回路と、前記第１および第２のスイッチング素子の接続点と前記第１および第２のコンデンサの接続点との間に接続されたインダクタと、前記コンデンサ直列回路の両端子間に、第１のコンデンサから第２のコンデンサに向けて順方向に直列接続された第３および第４のダイオードの整流回路と、前記第１および第２のコンデンサの接続点と前記第３および第４のダイオードの接続点との間に接続された充放電用の第３のコンデンサと、前記第１および第２のダイオードの接続点と前記第３および第４のダイオードの接続点との間に接続された交流電源と、前記第１のコンデンサと前記インダクタの直列回路と並列に、前記第１のコンデンサから前記インダクタに向けて順方向に接続された第５のダイオードと、前記第２のコンデンサと前記インダクタの直列回路と並列に、前記インダクタから前記第２のコンデンサに向けて順方向に接続された第６のダイオードと、前記コンデンサ直列回路の両端子間に接続された平滑用の第４のコンデンサと、前記第２のコンデンサと前記第４のコンデンサの接続点から前記第１のダイオードと前記第１のスイッチング素子の接続点へ順方向に接続された第７のダイオードと、前記第２のダイオードと前記第２のスイッチング素子の接続点から前記第１のコンデンサと前記第４のコンデンサの接続点へ順方向に接続された第８のダイオードと、前記第１および第２のスイッチング素子を交互にオン・オフ動作させる駆動回路と、前記第７のダイオードと前記第１のスイッチング素子の接続点と、前記第８のダイオードと前記第２のスイッチング素子の接続点との間に接続された第５および第６のコンデンサの直列回路と、前記第１および第２のスイッチング素子の接続点と前記第５および第６のコンデンサの接続点との間に接続された負荷回路とを備え、前記第１および第２のスイッチング素子のオン・オフ動作により前記負荷回路に交流電力が供給されることを特徴とするものである（第１の中性点形降圧インバータ）。

また、本発明の中性点形降圧インバータは、第１および第２のダイオードを該第２のダイオードから該第１のダイオードの向きが順方向となるように直列接続してなる半波整流回路と、該半波整流回路の両端子間に前記第１のダイオードから前記第２のダイオードの向きで順に接続された第１および第２のスイッチング素子の直列回路と、第１および第２のコンデンサを直列接続してなるコンデンサ直列回路と、前記第１および第２のスイッチング素子の接続点と前記第１および第２のコンデンサの接続点との間に接続されたインダクタと、前記コンデンサ直列回路の両端子間に、第１のコンデンサから第２のコンデンサに向けて順方向に直列接続された第３および第４のダイオードの整流回路と、前記第１および第２のコンデンサの接続点と前記第３および第４のダイオードの接続点との間に接続された充放電用の第３のコンデンサと、前記第１および第２のダイオードの接続点と前記第３および第４のダイオードの接続点との間に接続された交流電源と、前記第１のコンデンサと前記インダクタの直列回路と並列に、前記第１のコンデンサから前記インダクタに向けて順方向に接続された第５のダイオードと、前記第２のコンデンサと前記インダクタの直列回路と並列に、前記インダクタから前記第２のコンデンサに向けて順方向に接続された第６のダイオードと、前記コンデンサ直列回路の両端子間に接続された平滑用の第４のコンデンサと、前記第２のコンデンサと前記第４のコンデンサの接続点から前記第１のダイオードと前記第１のスイッチング素子の接続点へ順方向に接続された第７のダイオードと、前記第２のダイオードと前記第２のスイッチング素子の接続点から前記第１のコンデンサと前記第４のコンデンサの接続点へ順方向に接続された第８のダイオードと、前記第１および第２のスイッチング素子を交互にオン・オフ動作させる駆動回路と、前記第１および第２のスイッチング素子の接続点と、前記第７のダイオードと前記第１のスイッチング素子の接続点または前記第８のダイオードと前記第２のスイッチング素子の接続点との間に接続された第５のコンデンサおよび負荷回路の直列回路とを備え、前記第１および第２のスイッチング素子のオン・オフ動作により前記負荷回路に交流電力が供給されることを特徴とするものである（第２の中性点形降圧インバータ）。

また、本発明の中性点形降圧インバータは、第１および第２のダイオードを該第２のダイオードから該第１のダイオードの向きが順方向となるように直列接続してなる半波整流回路と、該半波整流回路の両端子間に前記第１のダイオードから前記第２のダイオードの向きで順に接続された第１および第２のスイッチング素子の直列回路と、第１および第２のコンデンサを直列接続してなるコンデンサ直列回路と、前記第１および第２のスイッチング素子の接続点と前記第１および第２のコンデンサの接続点との間に接続されたインダクタを含む負荷回路と、前記コンデンサ直列回路の両端子間に、第１のコンデンサから第２のコンデンサに向けて順方向に直列接続された第３および第４のダイオードの整流回路と、前記第１および第２のコンデンサの接続点と前記第３および第４のダイオードの接続点との間に接続された充放電用の第３のコンデンサと、前記第１および第２のダイオードの接続点と前記第３および第４のダイオードの接続点との間に接続された交流電源と、前記第１のコンデンサと前記負荷回路の直列回路と並列に、前記第１のコンデンサから前記負荷回路に向けて順方向に接続された第５のダイオードと、前記第２のコンデンサと前記負荷回路の直列回路と並列に、前記負荷回路から前記第２のコンデンサに向けて順方向に接続された第６のダイオードと、前記コンデンサ直列回路の両端子間に接続された平滑用の第４のコンデンサと、前記第２のコンデンサと前記第４のコンデンサの接続点から前記第１のダイオードと前記第１のスイッチング素子の接続点へ順方向に接続された第７のダイオードと、前記第２のダイオードと前記第２のスイッチング素子の接続点から前記第１のコンデンサと前記第４のコンデンサの接続点へ順方向に接続された第８のダイオードと、前記第１および第２のスイッチング素子を交互にオン・オフ動作させる駆動回路とを備え、前記第１および第２のスイッチング素子のオン・オフ動作により前記負荷回路に交流電力が供給されることを特徴とするものである（第３の中性点形降圧インバータ）。

ここで、「交流電源」は、交流電流の基本周波数を通過させ、高調波信号を遮断する低域通過フィルタを備えたものが好ましい。

「スイッチング素子」としては、例えば、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等を考えることができる。

本発明の中性点形降圧インバータにおいて、前記第３のコンデンサと、前記第１および第２のコンデンサの接続点または前記第３および第４のダイオードの接続点との間に接続された入力電流波形改善用インダクタをさらに備えるようにしてもよい。

また、本発明の中性点形降圧インバータにおいて、前記負荷回路は、該負荷回路の両端が１次巻線の両端となるトランスと、該トランスの２次巻線間に接続された負荷とからなるものであってもよいし、第２のインダクタと負荷の直列回路であってもよい。

さらに、前記負荷は、放電灯であってもよい。

「放電灯」とは、高周波放電によって点灯する電灯であり、いわゆる蛍光灯を含む。

本発明の中性点形降圧インバータによれば、上記構成により、交流電源から平滑コンデンサに直接的に電流が流れる閉路が存在せず、電源投入後の２つのスイッチング素子のオン・オフ動作によって平滑コンデンサに徐々に充電がなされるため、電源投入時の突入電流を防ぐことができる。

また、本発明の中性点形降圧インバータによれば、インダクタと交流出力端子との間にチャージポンプ動作を行う充放電用のコンデンサが接続されおり、交流電源の電圧（片振幅）が、タイミング的に充放電がなされようとする第１のコンデンサもしくは第２のコンデンサの電圧（通常、交流電源の１／２の振幅に相当する電圧）より低く、当該コンデンサの充放電がなされないときであっても、これとは別の上記充放電用のコンデンサに対する充電がなされ、交流電源の入力電流波形が、部分平滑に見られるような高調波の発生原因となる断続波形とならないため、高調波を抑制し高調波に対するＩＥＣ規格値を満足させることができる。

また、本発明の中性点形降圧インバータは、原理的に、交流リアクトル挿入方式ではないことから、比較的大きなインダクタを必要としないため、小型化にも適している。

さらに、本発明の中性点形降圧インバータは、降圧チョッパ方式を採用しているため、平滑コンデンサをはじめとする各回路素子にかかる電圧は昇圧チョッパ方式に比してより低い電圧となり、各回路素子への電圧ストレスを軽減することができる。

また、本発明の中性点形降圧インバータのうち、コンバータ部を構成するインダクタが負荷回路の一部となるように構成したインバータによれば、そのインダクタがコンバータ部と負荷回路とで兼用されるため、部品点数を少なくすることができ、インバータのコスト削減、小型化を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の第１の中性点形降圧インバータの一実施形態（第１の実施形態）を示す回路図であり、蛍光灯ＬＴを点灯させるインバータ式安定器を構成している。

図１に示すように、本実施形態による中性点形降圧インバータ１は、第１および第２のダイオードＤ１，Ｄ２をダイオードＤ２からダイオードＤ１への向きが順方向となるように直列接続してなる半波整流回路と、当該半波整流回路の両端子間にダイオードＤ１からダイオードＤ２の向きで順に接続された第１および第２のスイッチング素子であるＦＥＴ（電界効果トランジスタ）Ｑ１，Ｑ２の直列回路と、第１および第２のコンデンサＣ１，Ｃ２を直列接続してなるコンデンサ直列回路と、ＦＥＴＱ１，Ｑ２の接続点とコンデンサＣ１，Ｃ２の接続点との間に接続されたインダクタＬ１と、上記コンデンサ直列回路の両端子間に、コンデンサＣ１からコンデンサＣ２に向けて順方向に直列接続された第３および第４のダイオードＤ３，Ｄ４の整流回路と、コンデンサＣ１，Ｃ２の接続点とダイオードＤ３，Ｄ４の接続点との間に接続された充放電用の第３のコンデンサＣ３と、ダイオードＤ１，Ｄ２の接続点とダイオードＤ３，Ｄ４の接続点との間に、インダクタＬｆとコンデンサＣｆとからなるローパスフィルタＬＰＦを介して接続された商用電源（交流電源）と、コンデンサＣ１とインダクタＬ１の直列回路と並列に、コンデンサＣ１からインダクタＬ１に向けて順方向に接続された第５のダイオードＤ５と、コンデンサＣ２とインダクタＬ１の直列回路と並列に、インダクタＬ１からコンデンサＣ２に向けて順方向に接続された第６のダイオードＤ６と、上記コンデンサ直列回路の両端子間に接続された平滑用の第４のコンデンサＣ４と、コンデンサＣ２とコンデンサＣ４の接続点からダイオードＤ１とＦＥＴＱ１の接続点へ順方向に接続された第７のダイオードＤ７と、ダイオードＤ２とＦＥＴＱ２の接続点からコンデンサＣ１とコンデンサＣ３の接続点へ順方向に接続された第８のダイオードＤ８と、ＦＥＴＱ１，Ｑ２を交互にオン・オフ動作させるドライブ回路（駆動回路）ＤＲと、ダイオードＤ７とＦＥＴＱ１の接続点と、ダイオードＤ８とＦＥＴＱ２の接続点との間に接続された第５および第６のコンデンサＣ５，Ｃ６の直列回路と、ＦＥＴＱ１，Ｑ２の接続点とコンデンサＣ５，Ｃ６の接続点との間に接続された負荷回路とを備え、ＦＥＴＱ１，Ｑ２のオン・オフ動作により負荷回路に交流電力が供給されるものである。

この中性点形降圧インバータ１を、個々の回路素子の接続形態に着目しながら説明すると以下のようになる。商用電源が、インダクタＬｆとコンデンサＣｆとから構成されるローパスフィルタＬＰＦに接続されており、商用電源の交流電圧Ｖｉがローパスフィルタの交流出力端子ＡＣ１，ＡＣ２間に発生する。交流出力端子ＡＣ１には、正電圧側を半波整流するためのダイオードＤ１のアノードと、負電圧側を半波整流するためのダイオードＤ２のカソードが接続されており、ダイオードＤ１のカソードとダイオードＤ２のアノードとの間に、ＦＥＴＱ１，Ｑ２が直列に接続されている。ＦＥＴＱ１，Ｑ２の接続点には、インダクタＬ１の一方の端子が接続されている。

インダクタＬ１の他方の端子にはコンデンサＣ１の一方の端子が接続され、このコンデンサＣ１の他方の端子と交流出力端子ＡＣ２との間に、カソードがＡＣ２側となるようにダイオードＤ３が接続されている。また、コンデンサＣ１の上記他方の端子とインダクタＬ１の上記一方の端子との間に、カソードがインダクタＬ１側となるようにダイオードＤ５が接続されており、ＦＥＴＱ２とダイオードＤ２の接続点とコンデンサＣ１の上記他方の端子との間に、カソードがＣ１側となるようにダイオードＤ８が接続されている。

インダクタＬ１の他方の端子にはさらにコンデンサＣ２の一方の端子が接続され、このコンデンサＣ２の他方の端子と交流出力端子ＡＣ２との間に、カソードがコンデンサＣ２側となるようにダイオードＤ４が接続されている。また、コンデンサＣ２の上記他方の端子とインダクタＬ１の上記一方の端子との間にカソードがコンデンサＣ２側となるようにダイオードＤ６が接続されており、ＦＥＴＱ１とダイオードＤ１の接続点とコンデンサＣ２の上記他方の端子との間に、カソードがＱ１側となるようにダイオードＤ７が接続されている。

コンデンサＣ１の上記他方の端子とコンデンサＣ２の上記他方の端子との間には、平滑用のコンデンサＣ４が接続されており、インダクタＬ１の上記他方の端子と交流出力端子ＡＣ２との間には、後述のチャージポンプ動作をさせるための充放電コンデンサＣ３が接続されている。

ＦＥＴＱ１，Ｑ２の各ゲート端子には、これらＦＥＴを交互にオン・オフ駆動するドライブ回路ＤＲが接続されており、このドライブ回路ＤＲは、その＋−電源端子をそれぞれダイオードＤ１のカソードとダイオードＤ２のアノードに接続され、ここから電力供給を受ける構成となっている。

なお、ダイオードＤ７，Ｄ８は、交流電圧Ｖｉから直流電圧を生成するコンバータ部におけるスイッチと、生成した直流電圧を高周波電力に変換するインバータ部におけるスイッチの役割とを同時に果たしており、いわゆる兼用形バラスト構造となっている。

負荷回路は、１次巻線と２次巻線を有するトランスＴ１と、トランスＴ１の２次巻線間に並列接続された蛍光灯ＬＴと、蛍光灯ＬＴと並列接続された共振コンデンサＣ７とからなり、トランスＴ１の１次巻線の一方の端子がＦＥＴＱ１，Ｑ２の接続点に接続され、この１次巻線の他方の端子が、ダイオードＤ７のカソードとダイオードＤ８のアノードにそれぞれコンデンサＣ５，Ｃ６を介して接続されている。トランスＴ１の２次巻線と共振コンデンサＣ７は並列共振回路を形成しており、共振コンデンサＣ７の両端に発生する共振電圧が蛍光灯ＬＴに印加され安定に点灯する。

次に、上記構成の中性点形降圧インバータ１の動作について説明する。図１において、商用電源を投入すると、その交流電圧ＶｉがローパスフィルタＬＰＦを介して交流出力端子ＡＣ１，ＡＣ２間に発生する。交流出力端子ＡＣ１には、交流出力端子ＡＣ２を基準として正電圧と負電圧が交互に発生するが、交流出力端子ＡＣ１に正電圧が発生しているときには、ＡＣ１，Ｄ１，ＤＲ，Ｄ８，Ｄ３，ＡＣ２のループで半波整流された電流が流れ、交流出力端子ＡＣ１に負電圧が発生しているときには、ＡＣ２，Ｄ４，Ｄ７，ＤＲ，Ｄ２，ＡＣ１のループで半波整流された電流が流れ、ドライブ回路ＤＲに電力が供給される。これにより、ドライブ回路ＤＲはＦＥＴＱ１，Ｑ２のゲート端子に交互にパルス電圧を加えてＦＥＴＱ１，Ｑ２を交互にオン・オフさせる。

ここで、まず、交流出力端子ＡＣ１に正電圧が発生している場合の回路動作について説明する。ＦＥＴＱ１がオン（ＦＥＴＱ２はオフ）すると、ＡＣ１，Ｄ１，Ｑ１，Ｌ１，Ｃ３，ＡＣ２のループで電流が流れるとともに、ＡＣ１，Ｄ１，Ｑ１，Ｌ１，Ｃ１，Ｄ３，ＡＣ２のループでも電流が流れ、インダクタＬ１に磁気エネルギーが蓄積されると同時にコンデンサＣ１，Ｃ３に電荷が充電される。

そして、ＦＥＴＱ１がオフ（ＦＥＴＱ２はオフ）すると、インダクタＬ１に蓄えられた磁気エネルギーが逆起電力となり、Ｌ１，Ｃ１，Ｄ５，Ｌ１のループで電流が流れる。この途中、ＦＥＴＱ２はオン（ＦＥＴＱ１はオフ）するが、インダクタＬ１の磁気エネルギーがなくなるまでこの状態が続き、この磁気エネルギーがなくなると、コンデンサＣ３に充電されたすべての電荷が、Ｃ３，Ｌ１，Ｑ２，Ｄ８，Ｄ３，Ｃ３のループで放電されるとともに、コンデンサＣ１に充電された電荷が、Ｃ１，Ｌ１，Ｑ２，Ｄ８，Ｃ１のループで放電され、ＦＥＴＱ２はオフとなる。その後、ＦＥＴＱ１が再びオンし、上記と同様の動作が繰り返されて、コンデンサＣ１に充電された電荷量が徐々に増大し、コンデンサＣ１の端子間電圧も徐々に高くなり所定の電圧に達する。

ここで、交流出力端子ＡＣ１に発生している電圧Ｖac1の絶対値が、コンデンサＣ１の端子間電圧Ｖc1のそれよりも大きい場合には、上記のように、ＦＥＴＱ１オン時にコンデンサＣ１に充電電流が流れるが、電圧Ｖac1の絶対値が電圧Ｖc1のそれより小さい場合には、コンデンサＣ１に充電電流が流れない。しかし、コンデンサＣ３はＦＥＴオン時には常にすべての電荷が放出された状態となっており、電圧Ｖac1の絶対値が電圧Ｖc1のそれより小さい場合であっても、ＦＥＴＱ１オン時には、ＡＣ１，Ｄ１，Ｑ１，Ｌ１，Ｃ３，ＡＣ２のループで電流が流れ、インダクタＬ１に磁気エネルギーが蓄積されるとともにコンデンサＣ３に電荷が充電され、ＦＥＴＱ１オフ（ＦＥＴＱ２はオン）時にインダクタＬ１の逆起電力によるコンデンサＣ１の充電がなされ、インダクタＬ１の磁気エネルギーがなくなると、コンデンサＣ３のすべての充電電荷とコンデンサＣ１の充電電荷の一部が上記と同様にインダクタＬ１を介して放出されることとなる。このようにコンデンサＣ３が充放電を繰り返す動作をチャージポンプ動作という。

なお、ＦＥＴＱ１，Ｑ２がそれぞれオンデューティ略５０％で駆動されている場合には、コンデンサＣ１の端子間電圧は、交流電圧Ｖｉの片振幅をＶａとして電圧１／２Ｖａが上限となる。

次に、交流出力端子ＡＣ１に負電圧が発生している場合の回路動作について説明するが、基本的な動作の流れは、交流出力端子ＡＣ１に正電圧が発生している場合と同様である。すなわち、ＦＥＴＱ２がオン（ＦＥＴＱ１はオフ）すると、ＡＣ２，Ｃ３，Ｌ１，Ｑ２，Ｄ２，ＡＣ１のループで電流が流れるとともに、ＡＣ２，Ｄ４，Ｃ２，Ｌ１，Ｑ２，Ｄ２，ＡＣ１のループでも電流が流れ、インダクタＬ１に磁気エネルギーが蓄積されると同時にコンデンサＣ２，Ｃ３に電荷が充電される。

そして、ＦＥＴＱ２がオフ（ＦＥＴＱ１はオフ）すると、インダクタＬ１に蓄えられた磁気エネルギーが逆起電力となり、Ｌ１，Ｄ６，Ｃ２，Ｌ１のループで電流が流れる。この途中、ＦＥＴＱ１はオン（ＦＥＴＱ２はオフ）するが、インダクタＬ１の磁気エネルギーがなくなるまでこの状態が続き、この磁気エネルギーがなくなると、コンデンサＣ３に充電されたすべての電荷が、Ｃ３，Ｄ４，Ｄ７，Ｑ１，Ｌ１，Ｃ３のループで放電されるとともに、コンデンサＣ２に充電された電荷が、Ｃ２，Ｄ７，Ｑ１，Ｌ１，Ｃ２のループで放電され、ＦＥＴＱ１はオフとなる。その後、ＦＥＴＱ１が再びオンし、上記と同様の動作が繰り返されて、コンデンサＣ２に充電された電荷量が徐々に増大し、コンデンサＣ２の端子間電圧も徐々に高くなり、所定の電圧に達する。

ここで、交流出力端子ＡＣ１に発生している電圧Ｖac1の絶対値が、コンデンサＣ２の端子間電圧Ｖc2のそれよりも大きい場合には、上記のように、ＦＥＴＱ２オン時にコンデンサＣ２に充電電流が流れるが、電圧Ｖac1の絶対値が電圧Ｖc2のそれより小さい場合には、コンデンサＣ２に充電電流が流れない。しかし、コンデンサＣ３はＦＥＴＱ２オン時には常にすべての電荷が放出された状態となっており、電圧Ｖac1の絶対値が電圧Ｖc2のそれより小さい場合であっても、ＦＥＴＱ２オン時には、ＡＣ２，Ｃ３，Ｌ１，Ｑ２，Ｄ２，ＡＣ１のループで電流が流れ、インダクタＬ１に磁気エネルギーが蓄積されるとともにコンデンサＣ３に電荷が充電され、ＦＥＴＱ２オフ（ＦＥＴＱ１はオン）時にインダクタＬ１の逆起電力によるコンデンサＣ２の充電がなされ、インダクタＬ１の磁気エネルギーがなくなると、コンデンサＣ３のすべての充電電荷とコンデンサＣ２の充電電荷の一部が上記と同様にインダクタＬ１を介して放出されることとなる。

このように、交流出力端子ＡＣ１に正電圧が発生している場合にはコンデンサＣ１への充電がなされ、交流出力端子ＡＣ１に負電圧が発生している場合にはコンデンサＣ２への充電がなされるわけであるが、交流出力端子ＡＣ１は、正電圧と負電圧が交互に発生するので、これに応じてコンデンサＣ１への充電とコンデンサＣ２への充電とが繰り返され、その結果、ＦＥＴＱ１，Ｑ２がそれぞれオンデューティ略５０％で駆動されている場合には、コンデンサＣ１，Ｃ２の端子間電圧は、それぞれ、交流電圧Ｖｉの片振幅をＶａとして電圧１／２Ｖａが上限となる。したがって、これらの電圧の合算された電圧Ｖａが平滑コンデンサＣ４の両端子である直流電圧端子ＤＣ＋，ＤＣ−間に出力されることとなる。

そして、ＦＥＴＱ１，Ｑ２のオン・オフ動作により、負荷回路に高周波電力が供給される。すなわち、トランスＴ１の１次巻線に高周波の交流電流が交互に流れることにより、トランスＴ１の２次側に巻線比に応じた高周波電圧が発生する。蛍光灯ＬＴと並列に接続された共振コンデンサＣ７により２次側電圧が共振して、蛍光灯ＬＴのフィラメントの予熱とともにこの共振電圧により蛍光灯ＬＴを点灯する。

このように、本実施形態の中性点形降圧インバータによれば、上記構成により、商用電源から平滑コンデンサＣ４に直接的に電流が流れる閉路が存在せず、電源投入後の２つのスイッチング素子のオン・オフ動作によって平滑コンデンサＣ４に徐々に充電がなされるため、電源投入時の突入電流を防ぐことができる。

また、本実施形態の中性点形降圧インバータによれば、インダクタＬ１と交流出力端子ＡＣ２との間にチャージポンプ動作を行う充放電用のコンデンサＣ３が接続されおり、商用電源の電圧（片振幅）が、タイミング的に充放電がなされようとするコンデンサＣ１もしくはＣ２の電圧（通常、商用電源の１／２の振幅に相当する電圧）より低く、当該コンデンサの充放電がなされないときであっても、これとは別の上記充放電用のコンデンサＣ３に対する充放電がなされ、商用電源の入力電流波形が、部分平滑に見られるような高調波の発生原因となる断続波形とならないため、高調波を抑制し高調波に対するＩＥＣ規格値を満足させることができる。

また、本実施形態の中性点形降圧インバータは、原理的に、交流リアクトル挿入方式ではないことから、比較的大きなインダクタを必要としないため、小型化にも適している。

さらに、本実施形態の中性点形降圧インバータは、降圧チョッパ方式を採用しているため、平滑コンデンサＣ４をはじめとする各回路素子にかかる電圧は昇圧チョッパ方式に比してより低い電圧となり、各回路素子への電圧ストレスを軽減することができる。

次に図２を参照して、本発明の第１の中性点形降圧インバータの他の実施形態（第２の実施形態）について説明する。なお、この図２において、図１中の要素と同等の要素には同じ符号を付し、それらについての説明は特に必要のない限り省略する。

この第２の実施形態にかかる中性点形降圧インバータは、第１の実施形態とは負荷回路の構成のみが異なった構成となっている。すなわち、本実施形態における負荷回路は、インダクタＬ２と、インダクタＬ２と直列に接続された蛍光灯ＬＴと、蛍光灯ＬＴと並列接続された共振コンデンサＣ７とからなり、インダクタＬ２の一方の端子がＦＥＴＱ１，Ｑ２の接続点に接続され、蛍光灯ＬＴの一方の端子が、ダイオードＤ７のカソードとダイオードＤ８のアノードにそれぞれコンデンサＣ５，Ｃ６を介して接続されている。インダクタＬ２と共振コンデンサＣ７は直列共振回路を形成しており、共振コンデンサの両端に発生する共振電圧が蛍光灯ＬＴに印加され安定に点灯する。

このように、本発明の中性点形降圧インバータは、負荷回路を直列共振形のものとしても問題なく動作する。

次に図３を参照して、本発明の第２の中性点形降圧インバータの一実施形態（第３の実施形態）について説明する。なお、この図３において、図１中の要素と同等の要素には同じ符号を付し、それらについての説明は特に必要のない限り省略する。

この第３の実施形態にかかる中性点形降圧インバータは、第１の実施形態とは負荷回路の接続形態のみが異なった構成となっている。すなわち、本実施形態における負荷回路は、１次巻線と２次巻線を有するトランスＴ１と、トランスＴ１の２次巻線間に並列接続された蛍光灯ＬＴと、蛍光灯ＬＴと並列接続された共振コンデンサＣ７とからなり、トランスＴ１の１次巻線の一方の端子がＦＥＴＱ１，Ｑ２の接続点に接続され、この１次巻線の他方の端子が、ダイオードＤ８のアノードにのみコンデンサＣ６（本発明の第２の中性点形降圧インバータにおける第５のコンデンサ）を介して接続されている。トランスＴ１の２次巻線と共振コンデンサＣ７が並列共振回路を形成する点は第１の実施形態と同様であるが、電流の流れ方が下記のように異なる。すなわち、ＦＥＴＱ１オン、ＦＥＴＱ２オフのときは、電流がＱ１，Ｔ１の1次巻線，Ｃ６の経路でトランスＴ１の一次側を流れコンデンサＣ６を充電し、ＦＥＴＱ１オフ、ＦＥＴＱ２オンになれば、電流はＣ６，Ｔ１の１次巻線，Ｑ２の経路でさきほどとは逆の方向に流れる。その結果、トランスＴ１の一次側には高周波の交流電流が流れる。このような接続形態であっても、共振コンデンサＣ７の両端に共振電圧が発生し、この共振電圧が蛍光灯ＬＴに印加され安定に点灯する。

なお、本実施形態における負荷回路は、１次巻線と２次巻線を有するトランスＴ１と、トランスＴ１の２次巻線間に並列接続された蛍光灯ＬＴと、蛍光灯ＬＴと並列接続された共振コンデンサＣ７とからなり、トランスＴ１の１次巻線の一方の端子がＦＥＴＱ１，Ｑ２の接続点に接続され、この１次巻線の他方の端子が、ダイオードＤ７のカソードにのみコンデンサＣ５（本発明の第２の中性点形降圧インバータにおける第５のコンデンサ）を介して接続されるようにしてもよい。このような接続形態であっても、上記と同様の動作により、共振コンデンサＣ７の両端に共振電圧が発生し、この共振電圧が蛍光灯ＬＴに印加され安定に点灯する。

また、本実施形態において、負荷回路は、第２の実施形態と同様、インダクタＬ２と、インダクタＬ２と直列に接続された蛍光灯ＬＴと、蛍光灯ＬＴと並列接続された共振コンデンサＣ７とからなる直列共振型とすることもできる。

次に図４を参照して、本発明の第３の中性点形降圧インバータの一実施形態（第４の実施形態）について説明する。なお、この図４において、図１中の要素と同等の要素には同じ符号を付し、それらについての説明は特に必要のない限り省略する。

この第４の実施形態にかかる中性点形降圧インバータは、コンバータ部に用いるインダクタと負荷回路に含まれるインダクタとを兼用化した構成となっている。すなわち、本実施形態では、インダクタＬ１の代わりにトランスＴ１の１次巻線を用い、負荷回路をトランスＴ１とその２次巻線間に並列接続させた蛍光灯ＬＴと、蛍光灯ＬＴと並列接続された共振コンデンサＣ７とからなるようにしたものである。このような形態であっても、トランスＴ１の１次巻線に高周波の交流電流が交互に流れることにより、トランスＴ１の２次側に巻線比に応じた高周波電圧が発生し、蛍光灯ＬＴと並列に接続された共振コンデンサＣ７により２次側電圧が共振して、蛍光灯ＬＴのフィラメントの予熱とともにこの共振電圧により蛍光灯ＬＴを点灯する。

このように、本実施形態による中性点形降圧インバータは、コンバータ部を構成するインダクタが負荷回路の一部となるように構成してあるので、そのインダクタがコンバータ部と負荷回路とで兼用されるため、部品点数を少なくすることができ、インバータのコスト削減、小型化を図ることができる。

なお、本実施形態においても、負荷回路は、第２の実施形態と同様、インダクタＬ２と、インダクタＬ２と直列に接続された蛍光灯ＬＴと、蛍光灯ＬＴと並列接続された共振コンデンサＣ７とからなる直列共振型とすることができる。

なお、上記の各実施形態においては、充放電用のコンデンサＣ３と、コンデンサＣ１，Ｃ２の接続点またはダイオードＤ３，Ｄ４の接続点との間に接続された入力電流波形改善用インダクタＬ３をさらに備えるようにしてもよい。すなわち、コンデンサＣ３の代わりに、コンデンサＣ３とインダクタンス成分が比較的小さいインダクタＬ３との直接回路を設けるようにしてもよい。これにより、入力電流波形が改善され、高調波のレベルが一層低下する。ここではその一例として、図１の中性点形降圧インバータにおいて、コンデンサＣ３とコンデンサＣ１，Ｃ２の接続点との間に入力電流波形改善用インダクタＬ３を設けた例を図５に示す。

また、上記の各実施形態においては、ドライブ回路を用いた他励式を採用しているが、特開２００２−１５３０７２号公報に開示されているような自励式を採用することもできる。

また、上記の各実施形態における回路構成は、本発明の中性点形降圧インバータの回路動作を説明するために単純化したものである。したがって、本発明はその回路構成を上記実施形態に限定するものではなく、保護目的等により種々の回路や素子を挿入したり、所定の素子を他の素子に代替したりできることは言うまでもない。

また、本発明の中性点形降圧インバータに適用する負荷回路についても同様であり、本発明に種々の負荷回路を適用できることは言うまでもない。

第１の実施形態による中性点形降圧インバータの回路図 第２の実施形態による中性点形降圧インバータの回路図 第３の実施形態による中性点形降圧インバータの回路図 第４の実施形態による中性点形降圧インバータの回路図 入力電流波形改善用インダクタを設けた中性点形降圧インバータの回路図

符号の説明

Ｖｉ 交流電源（商用電源）
ＬＰＦ ローパスフィルタ（低域通過フィルタ）
Ｑ１，Ｑ２ ＦＥＴ（スイッチング素子）
Ｄ１〜Ｄ７ ダイオード（整流素子）
Ｃ１〜Ｃ７ コンデンサ
ＤＲ ドライブ回路（駆動回路）
Ｌ１，Ｌ２ インダクタ
Ｌ３ 入力電流波形改善用インダクタ
ＬＴ 蛍光灯（負荷）
Ｔ１ トランス

Claims (7)

1. 第１および第２のダイオードを該第２のダイオードから該第１のダイオードの向きが順方向となるように直列接続してなる半波整流回路と、
   該半波整流回路の両端子間に前記第１のダイオードから前記第２のダイオードの向きで順に接続された第１および第２のスイッチング素子の直列回路と、
   第１および第２のコンデンサを直列接続してなるコンデンサ直列回路と、
   前記第１および第２のスイッチング素子の接続点と前記第１および第２のコンデンサの接続点との間に接続されたインダクタと、
   前記コンデンサ直列回路の両端子間に、第１のコンデンサから第２のコンデンサに向けて順方向に直列接続された第３および第４のダイオードの整流回路と、
   前記第１および第２のコンデンサの接続点と前記第３および第４のダイオードの接続点との間に接続された充放電用の第３のコンデンサと、
   前記第１および第２のダイオードの接続点と前記第３および第４のダイオードの接続点との間に接続された交流電源と、
   前記第１のコンデンサと前記インダクタの直列回路と並列に、前記第１のコンデンサから前記インダクタに向けて順方向に接続された第５のダイオードと、
   前記第２のコンデンサと前記インダクタの直列回路と並列に、前記インダクタから前記第２のコンデンサに向けて順方向に接続された第６のダイオードと、
   前記コンデンサ直列回路の両端子間に接続された平滑用の第４のコンデンサと、
   前記第２のコンデンサと前記第４のコンデンサの接続点から前記第１のダイオードと前記第１のスイッチング素子の接続点へ順方向に接続された第７のダイオードと、
   前記第２のダイオードと前記第２のスイッチング素子の接続点から前記第１のコンデンサと前記第４のコンデンサの接続点へ順方向に接続された第８のダイオードと、
   前記第１および第２のスイッチング素子を交互にオン・オフ動作させる駆動回路と、
   前記第７のダイオードと前記第１のスイッチング素子の接続点と、前記第８のダイオードと前記第２のスイッチング素子の接続点との間に接続された第５および第６のコンデンサの直列回路と、
   前記第１および第２のスイッチング素子の接続点と前記第５および第６のコンデンサの接続点との間に接続された負荷回路とを備え、
   前記第１および第２のスイッチング素子のオン・オフ動作により前記負荷回路に交流電力が供給されることを特徴とする中性点形降圧インバータ。
2. 第１および第２のダイオードを該第２のダイオードから該第１のダイオードの向きが順方向となるように直列接続してなる半波整流回路と、
   該半波整流回路の両端子間に前記第１のダイオードから前記第２のダイオードの向きで順に接続された第１および第２のスイッチング素子の直列回路と、
   第１および第２のコンデンサを直列接続してなるコンデンサ直列回路と、
   前記第１および第２のスイッチング素子の接続点と前記第１および第２のコンデンサの接続点との間に接続されたインダクタと、
   前記コンデンサ直列回路の両端子間に、第１のコンデンサから第２のコンデンサに向けて順方向に直列接続された第３および第４のダイオードの整流回路と、
   前記第１および第２のコンデンサの接続点と前記第３および第４のダイオードの接続点との間に接続された充放電用の第３のコンデンサと、
   前記第１および第２のダイオードの接続点と前記第３および第４のダイオードの接続点との間に接続された交流電源と、
   前記第１のコンデンサと前記インダクタの直列回路と並列に、前記第１のコンデンサから前記インダクタに向けて順方向に接続された第５のダイオードと、
   前記第２のコンデンサと前記インダクタの直列回路と並列に、前記インダクタから前記第２のコンデンサに向けて順方向に接続された第６のダイオードと、
   前記コンデンサ直列回路の両端子間に接続された平滑用の第４のコンデンサと、
   前記第２のコンデンサと前記第４のコンデンサの接続点から前記第１のダイオードと前記第１のスイッチング素子の接続点へ順方向に接続された第７のダイオードと、
   前記第２のダイオードと前記第２のスイッチング素子の接続点から前記第１のコンデンサと前記第４のコンデンサの接続点へ順方向に接続された第８のダイオードと、
   前記第１および第２のスイッチング素子を交互にオン・オフ動作させる駆動回路と、
   前記第１および第２のスイッチング素子の接続点と、前記第７のダイオードと前記第１のスイッチング素子の接続点または前記第８のダイオードと前記第２のスイッチング素子の接続点との間に接続された第５のコンデンサおよび負荷回路の直列回路とを備え、
   前記第１および第２のスイッチング素子のオン・オフ動作により前記負荷回路に交流電力が供給されることを特徴とする中性点形降圧インバータ。
3. 第１および第２のダイオードを該第２のダイオードから該第１のダイオードの向きが順方向となるように直列接続してなる半波整流回路と、
   該半波整流回路の両端子間に前記第１のダイオードから前記第２のダイオードの向きで順に接続された第１および第２のスイッチング素子の直列回路と、
   第１および第２のコンデンサを直列接続してなるコンデンサ直列回路と、
   前記第１および第２のスイッチング素子の接続点と前記第１および第２のコンデンサの接続点との間に接続されたインダクタを含む負荷回路と、
   前記コンデンサ直列回路の両端子間に、第１のコンデンサから第２のコンデンサに向けて順方向に直列接続された第３および第４のダイオードの整流回路と、
   前記第１および第２のコンデンサの接続点と前記第３および第４のダイオードの接続点との間に接続された充放電用の第３のコンデンサと、
   前記第１および第２のダイオードの接続点と前記第３および第４のダイオードの接続点との間に接続された交流電源と、
   前記第１のコンデンサと前記負荷回路の直列回路と並列に、前記第１のコンデンサから前記負荷回路に向けて順方向に接続された第５のダイオードと、
   前記第２のコンデンサと前記負荷回路の直列回路と並列に、前記負荷回路から前記第２のコンデンサに向けて順方向に接続された第６のダイオードと、
   前記コンデンサ直列回路の両端子間に接続された平滑用の第４のコンデンサと、
   前記第２のコンデンサと前記第４のコンデンサの接続点から前記第１のダイオードと前記第１のスイッチング素子の接続点へ順方向に接続された第７のダイオードと、
   前記第２のダイオードと前記第２のスイッチング素子の接続点から前記第１のコンデンサと前記第４のコンデンサの接続点へ順方向に接続された第８のダイオードと、
   前記第１および第２のスイッチング素子を交互にオン・オフ動作させる駆動回路とを備え、
   前記第１および第２のスイッチング素子のオン・オフ動作により前記負荷回路に交流電力が供給されることを特徴とする中性点形降圧インバータ。
4. 前記第３のコンデンサと、前記第１および第２のコンデンサの接続点または前記第３および第４のダイオードの接続点との間に接続された入力電流波形改善用インダクタを備えたことを特徴とする請求項１、２または３記載の中性点形降圧インバータ。
5. 前記負荷回路が、該負荷回路の両端が１次巻線の両端となるトランスと、該トランスの２次巻線間に接続された負荷とからなるものであることを特徴とする請求項１から４いずれか記載の中性点形降圧インバータ。
6. 前記負荷回路が、第２のインダクタと負荷の直列回路であることを特徴とする請求項１から４いずれか記載の中性点形降圧インバータ。
7. 前記負荷が、放電灯であることを特徴とする請求項１から６いずれか記載の中性点形降圧インバータ。

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