JP2007159297A

JP2007159297A - 高周波加熱用インバータ装置

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Publication number: JP2007159297A
Application number: JP2005352783A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Miyazaki; 力宮崎; Shigechika Kawashima; 茂義川嶋
Original assignee: Miyaden Co Ltd
Current assignee: Miyaden Co Ltd
Priority date: 2005-12-07
Filing date: 2005-12-07
Publication date: 2007-06-21

Abstract

【課題】
簡易な構成により各スイッチング素子に流れる電流を電気的にバランスさせて、各スイッチング素子の破損を確実に防止し得る高周波加熱用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複数のアームをブリッジ接続して構成されると共に、共通端子と各半導体スイッチング素子との間に電流バランス手段が設けられた高周波加熱用インバータ装置であって、電流バランス手段は、少なくと４つの開口を形成する複数の貫通孔を有するコアと、該コアの各貫通孔の一方の開口から他方の開口に向けて挿通されると共に各貫通孔間に直列状態で接続された一対の導体とを備え、一対の導体は、コアの各貫通孔部分において電流が逆方向に設定されていることを特徴とする。前記コアは、Ｅ型コアとＩ型コアもしくは一対のＥ型コアを接合することにより形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば高周波誘導加熱装置等として好適に使用可能な高周波加熱用インバータ装置に関する。

従来、高周波誘導加熱を利用して丸鋸の台金に超硬チップをロウ付けする際に使用されるインバータ装置としては、例えば特許文献１に開示されているように、４個のスイッチング素子をフルブリッジに接続し、この各スイッチング素子にダイオ−ドを直列接続すると共に、ダイオ−ドに抵抗を並列接続したものが知られている。

ところが、このインバータ装置は、スイッチング素子に直列接続されているダイオ−ドやスイッチング素子等に電気的特性値のバラツキがあると、並列接続された各スイッチング素子に流れる電流がアンバランスとなり、特定のスイッチング素子に大電流が集中して、該スイッチング素子が破損する場合がある。

そこで、当出願人は、このような不都合を解消するために、特許文献２に示すインバータ装置を出願した。このインバータ装置は、並列接続された１対のスイッチング素子と、該スイッチング素子にそれぞれ直列接続された整流素子とを備え、スイッチング素子と整流素子との間を薄い銅板で接続すると共に、該銅板の枚数によって各スイッチング素子を流れる電流をバランスさせるようにしたものである。
実開平１−１６２７７９号公報特開２０００−２７８９５７号公報

しかしながら、このようなインバータ装置にあっては、銅板の枚数調整によって各スイッチング素子に流れる電流をある程度バランスさせることができるものの、特に高周波の大電流が必要なインバータ装置や着脱可能な加熱コイルとのマッチングが取り難いインバータ装置等において、各スイッチング素子に流れる電流を効果的かつ確実にバランスさせることが難しく、スイッチング素子の破損が依然として生じ易いという問題点を有している。

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、簡易な構成により各スイッチング素子に流れる電流を電気的にバランスさせて、各スイッチング素子の破損を確実に防止し得る高周波加熱用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複数のアームをブリッジ接続して構成されると共に、共通端子と各半導体スイッチング素子との間に電流バランス手段が設けられた高周波加熱用インバータ装置であって、前記電流バランス手段は、少なくと４つの開口を形成する複数の貫通孔を有するコアと、該コアの各貫通孔の一方の開口から他方の開口に向けて挿通されると共に各貫通孔間に直列状態で接続された一対の導体とを備え、前記一対の導体は、コアの各貫通孔部分において電流が逆方向に設定されていることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記コアが、Ｅ型コアとＩ型コアもしくは一対のＥ型コアを接合することにより、２つの貫通孔を有することを特徴とし、さらに、請求項３に記載の発明は、前記一対の導体が、複数枚の薄い銅板を積層することにより形成され、前記コアの貫通孔内で所定方向に対向配置さ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、ブリッジ接続された各アームの共通端子と当該各アームの半導体スイッチング素子との間に、コアに設けられた複数の各貫通孔に一対の導体が電流方向が逆となるように直列状態で挿通された電流バランス手段が設けられているため、電流バランス手段に直列状態の複数のバランス部が形成され、並列接続状態の各アームに流れる電流がこの電流バランス手段の各バランス部で効果的にバランスされ、大電流時や加熱コイルのマッチング不具合時等に生じ易い電流のアンバランスを電気的に効率良く解消することができて、各半導体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。

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、コアがＥ型コアとＩ型コアもしくは一対のＥ型コアを接合することにより、２つの貫通孔を有する如く形成されているため、コアをＥ型コアやＩ型コア等の既存のコアの接合により簡単に形成できて、電流バランス手段の構成を簡略化して安価に形成することができる。

さらに、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、一対の導体が複数枚の薄い銅板を積層することにより形成されて、コアの貫通孔内で所定方向に対向配置されているため、薄い銅板の積層により各銅板の表層を流れる高周波電流により導体の電流容量を十分に確保できると共に、薄板の使用により例えば銅板の折り曲げが容易となって各導体の製造を簡単に行うこと等ができる。

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３は、本発明に係わる高周波加熱用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回路図、図３がその具体的構造を示す正面図及び一部断面にした側面図である。

図１において、インバータ装置１は、８個のアーム２ａ〜２ｈ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８個のＩＧＢＴ３ａ〜３ｈを有している。各アーム２ａ〜２ｈは、２ａと２ｂ、２ｃと２ｄ、２ｅと２ｆ、２ｇと２ｈが直列接続され、アーム２ａ、２ｃ、２ｅ、２ｇの一端部が直流電源のプラス側の共通端子４ａに接続され、アーム２ｂ、２ｄ、２ｆ、２ｈの他端部が直流電源のマイナス側の共通端子４ｂに接続されることにより、フルブリッジ回路１ａを形成している。

また、アーム２ａと２ｂ及びアーム２ｃと２ｄの接続点には一方の出力端子５ａが接続され、アーム２ｅと２ｆ及びアーム２ｇと２ｈの接続点には他方の出力端子５ｂが接続されている。この一対の出力端子５ａ、５ｂには、トランス６の一次側コイルが接続され、このトランス６の二次側コイルにはＣＴや加熱コイル等の負荷７が接続されている。そして、前記共通端子４ａと、ＩＧＢＴ３ａ、３ｃのドレイン間及びＩＧＢＴ３ｅ、３ｇのドレイン間には電流バランス手段８がそれぞれ設けられ、また、前記共通端子４ｂと、ＩＧＢＴ３ｂ、３ｄのソース間及びＩＧＢＴ３ｆ、３ｈのソース間にも電流バランス手段８がそれぞれ設けられている。

この電流バランス手段８は、図２に示すように、２つの貫通孔１１、１２を有するコア１０と、このコア１０の各貫通孔１１、１２に直列状態で挿通された一対の導体１３、１４からなる、所謂差動トランスで形成されている。前記コア１０は、後述する如く形成された２つの貫通孔１１、１２の両端部に４個の開口１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂが形成されており、この各貫通孔１１、１２に一対の導体１３、１４が次のようにして挿通されている。

すなわち、導体１３は、一方の貫通孔１１の一方の開口１１ａから他方の開口１１ｂに向けて挿通されて下方に屈曲され、さらに他方の貫通孔１２の他方の開口１２ｂから一方の開口１２ａに向けて挿通されてその端部が例えば下方に引き出されている。また、導体１４は、一方の貫通孔１１の他方の開口１１ｂから一方の開口１１ａに向けて挿通されて下方に屈曲され、さらに他方の貫通孔１２の一方の開口１２ａから他方の開口１２ｂに向けて挿通されてその端部が例えば下方に引き出されている。そして、各導体１３、１４の下方への引出し部が、所定のＩＧＢＴ３ａ〜３ｈの所定の端子に図示しない銅板等を介して接続されている。これにより、共通端子４ａ、４ｂから引き出される導体１３と導体１４がコア１０の各貫通孔１１、１２内を逆方向に挿通されて、各貫通孔１１、１２内にバランス部８ａ、８ｂが形成されている。

図３は、この電流バランス手段８の具体的構成を示す正面図及び側面図である。図に示すように、電流バランス手段８のコア１０は、Ｅ型コア１０ａの開口端部とＩ型コア１０ｂとを接着剤で固着することにより一体化されて、２個の貫通孔１１、１２を有する如く形成されている。そして、このコア１０の各開口１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂに直列状態で挿通される導体１３と導体１４は、一方の引出し部１３ａ、１４ａと他方の引出し部１３ｂ、１４ｂと一対のコア挿通部１３ｃ、１４ｃ及びコア挿通部１３ｃ、１４ｃ間を連結する連通部１３ｄ、１４ｄを有し、各部を所定位置（例えば連結部１３ｄ、１４ｄと一方のコア挿通部１３ｃ、１４ｃ間）で接続することにより略左右対称形状に形成されている。

そして、所定幅の平板状の各導体１３、１４がコア１０の板厚方向に対して略直交する方向に配置されると共に、各導体１３、１４が各貫通孔１１、１２の幅方向にずれた状態で挿通配置され、各導体１３、１４のコア挿通部１３ｃ、１４ｃが各貫通孔１１、１２内において平面状で対向配置されて前記２つのバランス部８ａ、８ｂが形成されている。この時、各貫通孔１１、１２内の導体１３と導体１４のコア挿通部１３ｃ、１４ｃの配置位置関係は、幅方向の平面状に限らず、図３（ｂ）の二点鎖線で示すように、上下方向に斜めにずらして、すなわち、導体１３を各貫通孔１１、１２の斜め上方に配置し、導体１４を各貫通孔１１、１２の斜め下方に配置するようにしても良い。また、前記導体１３と導体１４は、図３（ｂ）に拡大して示すように、板厚が０．３〜１ｍｍ程度で幅が１０〜２０ｍｍ程度で、かつその表面が例えば絶縁塗料等の塗布や絶縁テープの巻回等により絶縁処理１７された薄い銅板１５を複数枚（図では４枚）積層することによって形成されている。

なお、図１に示すＩＧＢＴ３ａ〜３ｈのゲートには所定の発振回路（他励もしくは自励）等からなる図示しないドライブ回路が接続されており、このドライブ回路のドライブ信号（バイアス）によりＩＧＢＴ３ａ〜３ｈがオン・オフして、出力端子５ａ、５ｂ間に所定の高周波電流が得られるようになっている。また、例えばアーム２ｂ、２ｄ、２ｆ、２ｈのソース側には、トランス式の電流検出器（図示せず）がそれぞれ接続され、各アーム２ａ〜２ｈに異常電流が流れた場合にこれを検出し、前記ドライブ回路を直ちに停止させてＩＧＢＴ３ａ〜３ｈのオン・オフ動作を停止（電流供給を遮断）するようになっている。また、インバータ装置１の前記共通端子４ａ、４ｂ間には、各アーム２ａ〜２ｈに所定の電荷（電力）を供給する電解コンデンサ２１が接続されると共に、インバータ装置１の異常時等に電解コンデンサ２１の電荷を放電させる抵抗２２とダイオード２３の直列回路が接続されている。

次に、前記電流バランス手段８を使用したインバータ装置１の動作について説明する。ＩＧＢＴ３ａ、３ｃ及びＩＧＢＴ３ｆ、３ｈの各ゲ−トとソ−ス間に、前記ドライブ回路から所定のドライブ信号が印加されると、これらのＩＧＢＴ３ａ、３ｃ、３ｆ、３ｈがオンし、直流電源の共通端子４ａから、電流がアーム２ａ、２ｃを介して矢印イの如く流れてこれがトランスンス６の一次側コイル、アーム２ｆ、２ｈを介して共通端子４ｂに流れる。

また、ドライブ信号により、ＩＧＢＴ３ｂ、３ｄ、３ｅ、３ｇがオンすると、共通端子４ａから、電流がアーム２ｅ、２ｇを介して矢印ロの如く流れ、これがトランス６の一次側コイル、アーム２ｂ、２ｄを介して共通端子４ｂに流れ、この電流の流れは、前記矢印イと逆方向となる。そして、ＩＧＢＴ３ａ、３ｃ、３ｆ、３ｈとＩＧＢＴ３ｂ、３ｄ、３ｅ、３ｇとを交互にオン・オフさせることにより、トランス６の一次側に逆方向の電流が交互に流れて、該トランス６の二次側に高周波の正弦波形が出力され、この高周波電流がＣＴ等により大電流に変換されて加熱コイルに供給され、加熱コイルから発せられる磁束によってワークが例えば誘導加熱される。

この時、インバータ装置１の各アーム２ａ〜２ｈを流れる電流は、電流バランス手段８によって略同一電流となるようにバランスされる。すなわち、直流電源のプラス側の共通端子４ａ及びマイナス側の共通端子４ｂと、各アーム２ａ〜２ｈのＩＧＢＴ３ａ〜３ｈ間に差動トランスからなる電流バランス手段８が直列状態で接続されていることから、例えばアーム２ａ、２ｃの各導体１３、１４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１３、１４に対しては電流バランス手段８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１３、１４に対しては電流バランス手段８が電流を増大させる起電力を発生させる。

そして、電流バランス手段８が上流側と下流側の２つのバランス部８ａ、８ｂを有することから、上流側のバランス部８ａで十分にバランスできなかったアンバランス電流等が、下流側のバランス部８ｂでバランスされることになり、電流のアンバランスが確実に解消された状態となる。また、共通端子４ａと共通端子４ｂにそれぞれ電流バランス手段８が接続されていることから、各電流バランス手段８により各アーム２ａと２ｃ、アーム２ｂと２ｄ、アーム２ｅと２ｇ、アーム２ｆと２ｈを流れる電流がそれぞれバランスされる状態となる。この時、導体１３、１４として積層された複数枚の銅板１５が使用されることから、高周波電流が各銅板１５の表層を流れる状態となり、所定電流容量の導体１３、１４が容易に得られると共に、フルブリッジのインバータ装置１の各アーム２ａ〜２ｈ（各ＩＧＢＴ３ａ〜３ｈ）を流れる電流値が略同一にバランスされて、特に高周波でハイパワータイプのインバータ装置１等に発生し易い、電流のアンバランスが効果的に解消される。

このように上記実施形態のインバータ装置１によれば、フルブリッジに接続されたアーム２ａ〜２ｈのうち、並列状態の１対のアーム２ａ〜２ｈ（例えばアーム２ａと２ｃあるいはアーム２ｅと２ｇ等）のＩＧＢＴ３ａ〜３ｈと、直流電源のプラス側の共通端子４ａ及びマイナス側の共通端子４ｂ間に電流バランス手段８をそれぞれ設けているため、一対のアーム２ａ〜２ｈに流れる電流をバランスさせることができて、電流のアンバランス（過電流）による各ＩＧＢＴ３ａ〜３ｈの焼損等の破損を防止することができる。

特に、電流バランス手段８が、２つの貫通孔１１、１２と、この各貫通孔１１、１２に逆方向に挿通された一対の導体１３、１４によって、上流側と下流側の２つのバランス部８ａ、８ｂを有する如く形成されていることから、上流側のバランス部８ａでバランスできなかったアンバランス電流を下流側のバランス部８ｂでバランスできて、高周波でハイパワータイプのインバータ装置１等に生じ易い電流のアンバランスを極めて高い精度でバランスすることができる。

また、各導体１３、１４が所定幅の銅板１５で形成され、この銅板１５の所定位置を屈曲させることにより引出し部１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ、コア挿通部１３ｃ、１４ｃと連結部１３ｄ、１４ｄ等で形成され、これらを所定位置で半田付けやロウ付けで接続することにより形成されているため、略同一形状の銅板１５を使用して略対称形状の導体１３と導体１４の製造を簡単に行うことができる。特に、導体１３と導体１４が、積層された複数枚の薄い銅板１５で形成されると共にその所定の表面が絶縁処理されているため、例えば銅板１５の折り曲げが容易となって各導体１３、１４の製造を一層簡単かつ安価に行うことができる。

また、導体１３、１４のコア挿通部１３ｃ、１４ｃが挿通されるコア１０が、Ｅ型コア１０ａとＩ型コア１０ｂを接合することにより形成されているため、既存のコア１０ａ、１０ｂを使用して２つの貫通孔１１、１２を有するコア１０を形成できて、コア１０自体のコストの低減化を図ることができると共に、Ｅ型コア１０ａの開口を利用して各導体１３、１４のコア挿通部１３ｃ、１４ｃを挿通した後にＩ型コア１０ｂを接合する等、分割状態の導体１３、１４とコア１０により、各導体１３、１４のコア１０の各貫通孔１１、１２への挿通作業を簡単に行うことができる。

さらにまた、導体１３、１４として銅板の薄板１５を複数枚積層して使用しているため、各銅板１５の表層（表面）を流れる高周波電流により導体１３、１４全体の電流容量を十分に確保することができて、大電流の高周波電流にも的確に対応することができる。これらのことから、導体１３、１４の製造コストの低減化を図ることができると共に、組み付けコストやメンテナンスコストの低減化及びＩＧＢＴ３ａ〜３ｈの破損防止による部品コストの低減化等が図れて、例えばハイパワータイプのインバータ装置１や加熱コイルが着脱可能で加熱コイルとのマッチング不良が発生し易いタイプのインバータ装置１であっても、安価で故障の少ない高性能な装置を容易に提供することが可能となる。

さらに、例えばコア１０に、図示しない巻線を巻回し、この巻線に誘起される電流を検出して電流バランス手段８に異常検出機能を兼用させるようにすれば、直流電源の共通端子４ａ、４ｂ側に設けた電流バランス手段８により異常電流を素早く検出できて、ＩＧＢＴ３ａ〜３ｈの破損等を一層確実に防止できると共に、電流バランス手段８に異常電流の検出機能を兼用できて、コスト安価な異常検出装置を得ることができる。

図４は、前記電流バランス手段８の変形例を示す図３と同様の正面図及び側面図である。以下、上記実施形態と同一部位には同一符号を付して説明する。この例の電流バランス手段８の特徴は、平板状の導体１３と導体１４がコア１０の板厚方向と略平行となるように配置されている点にある。すなわち、各導体１３、１４のコア挿通部１３ｃ、１４ｃが、コア１０の各貫通孔１１、１２内で面状に所定の間隙を有して対向配置されており、この対向配置部分により前記バランス部８ａ、８ｂが形成されている。この変形例においても、上記実施形態と同様の作用効果が得られる他に、各導体１３、１４のコア挿通部１３ｃ、１４ｃを近接対向配置できて、差動トランスの結合係数を高め、バランス効率が一層高められる等の効果を奏することができる。

なお、上記実施形態においては、インバータ装置１が、８つのアーム２ａ〜２ｈを有する１つのフルブリッジ回路１ａである場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えばハーフブリッジのインバータ装置にも適用できるし、あるいはブリッジ回路１ａを図１の二点鎖線で示すように、１ａ、１ｂ・・と複数組並列接続したインバータ装置１にも適用できる。このフルブリッジ回路１ａ、１ｂを複数組並設する場合は、各フルブリッジ回路１ａ、１ｂの各アームに電流バランス手段８をそれぞれ設ければ良く、またこの場合、各フルブリッジ回路１ａ、１ｂの入力側に所定数の電流バランス手段を入力合成回路として設けたり、各フルブリッジ回路１ａ、１ｂの出力側に所定数の電流バランス手段８を出力合成回路として設けることもできる。

また、上記実施形態においては、コア１０に設けられる貫通孔１１、１２が２個、すなわち電流バランス手段８のバランス部８ａ、８ｂの数が２個である場合について説明したが、例えばコア１０に３個以上の貫通孔（電流バランス手段８に３個以上のバランス部）を設ける構成としても良く、コア１０に貫通孔を３個以上設ける場合、各貫通孔を直線状に配置したり円周状に配置する等、適宜の配置形態を採用することができる。さらに、本発明における、導体１３、１４としては、積層された銅板１５に限らず、一枚ものの銅板でも良いし、電線等の導体を使用することも可能である。

また、上記実施形態においては、コア１０の貫通孔１、１２の形状（開口形状）を方形状に形成したが、例えば図４（ａ）の二点鎖線で示すように円形に形成したり、楕円形で形成することもできるし、コア１０自体もＥ型コア１０ａとＩ型コア１０ｂの接合による一体化に限らず、例えば図４（ａ）に示すように、２つのＥ型コア１０ａを接合することにより形成することもできる。

またさらに、上記実施形態においては、半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴ３ａ〜３ｈを使用したが、例えば通常のトランジスタ、サイリスタ、ＦＥＴ等のスイッチング機能を有する各種半導体を使用することができる。また、上記実施形態におけるインバータ装置１の回路例や銅板１５（導体１３、１４）の形態等も一例であって、例えば各アーム２ａ〜２ｈのＩＧＢＴ３ａ〜３ｈにダイオード、抵抗、コンデンサ、コイル等を直列接続したり並列接続して、ＩＧＢＴ３ａ〜３ｈの破損を防止する回路構成とする等、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、ロウ付けや焼入れ、焼鈍し等の高周波誘導加熱装置用のインバータ装置以外に、電子レンジや誘導加熱（ＩＨ）調理器等の各種電磁調理器用、モータや電動機あるいは蛍光灯等の駆動回路用の各種インバータ装置にも適用することができる。

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的回路図同その電流バランス手段の回路図同電流バランス手段の正面図及び一部断面にした側面図同電流バランス手段の変形例を示す図３と同様の正面図及び側面図

符号の説明

１:インバータ装置、１ａ、１ｂ：フルブリッジ回路、２ａ〜２ｈ：アーム、３ａ〜３ｈ：ＩＧＢＴ、４ａ、４ｂ：共通端子、５ａ、５ｂ：出力端子、６：トランス、７：負荷、８：電流バランス手段、８ａ、８ｂ：バランス部、１０：コア、１０ａ：Ｅ型コア、１０ｂ：Ｉ型コア、１１、１２：貫通孔、１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ：開口、１３、１４：導体、１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ：引出し部、１３ｃ、１４ｃ：コア挿通部、１３ｄ、１４ｄ：連結部、１５：銅板。

Claims

半導体スイッチング素子を有する複数のアームをブリッジ接続して構成されると共に、共通端子と各半導体スイッチング素子との間に電流バランス手段が設けられた高周波加熱用インバータ装置であって、
前記電流バランス手段は、少なくと４つの開口を形成する複数の貫通孔を有するコアと、該コアの各貫通孔の一方の開口から他方の開口に向けて挿通されると共に各貫通孔間に直列状態で接続された一対の導体とを備え、前記一対の導体は、コアの各貫通孔部分において電流が逆方向に設定されていることを特徴とする高周波加熱用インバータ装置。
前記コアは、Ｅ型コアとＩ型コアもしくは一対のＥ型コアを接合することにより、２つの貫通孔を有することを特徴とする請求項１に記載の高周波加熱用インバータ装置。
前記一対の導体は、複数枚の薄い銅板を積層することにより形成され、前記コアの貫通孔内で所定方向に対向配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の高周波加熱用インバータ装置。