JP2008004513A - 電力制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ゼロボルトスイッチング（ＺＶＳ）によりスイッチング時の損失を最小限にすることができ、これにより、スイッチング素子の発熱、損失、高調波、ノイズの殆ど無い、電力制御装置を提供する。
【解決手段】商用電源１をブリッジで（ＤＢ１）整流し、ローパスフィルタＬ２、Ｃ２に入力し、負荷２に直列に接続したインダクタＬ１と並列にコンデンサＣ３を接続した負荷回路の一方を前記ローパスフィルタＬ２、Ｃ２に、他方を並列にダイオードＤ１を接続しているスイッチング素子Ｑ１に接続する電力制御装置において、前記コンデンサＣ３、インダクタＬ１、負荷２からなる前記負荷回路の共振周波数に合わせてスイッチングオフ時間を生成するオフ時間生成手段３を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、商用電源を用いたヒータ加熱装置、特に画像形成装置においてハロゲンヒータを用いた定着装置に使用する電力制御装置に関するものである。

ハロゲンヒータを熱源とする定着装置で、トライアックを用いて、商用電源の導通をオン／オフすることにより、温度が所定の値になるように制御する方法が行われている。
しかしながら、ハロゲンヒータは冷間時に抵抗値が低いため、オンした瞬間、大電流が流れ、商用電源の電圧を変動させるという問題がある。これによる代表的な不具合は蛍光灯のチラツキである。特に、欧州ではフリッカ規格を満たす必要がある。
このため、商用電源の正弦波の位相角の小さい所でハロゲンヒータをオンして、ハロゲンヒータ自体を暖めながら、徐々に位相角を大きくすることで、突入電流を低減する方法が行われている。しかしながら、正弦波の０Ｖ以外の所でオンするため、ノイズの発生、電流波形が歪み、高調波成分が発生するという問題がある。
また、不要なエネルギーを消費しないように、定着動作を要さない時には、定着温度を下げるか、あるいはヒータをオフする。このため、温度の立ち上げが早い薄肉ローラを使ったり、大容量のハロゲンヒータを用いた定着装置が使われている。

しかしながら、温度に対する応答が速くなったため、商用電源の周期（５０Ｈｚ、６０Ｈｚ）のリプルは避けられないという問題がある。また、メインスイッチ投入時、或いは省エネルギーからの復帰時の立ち上げ時間を短縮するために、通常の画像生成時に必要とするハロゲンヒータ容量の数倍の定格電力を持つハロゲンヒータが用いられる。
このため、通常の画像生成時にハロゲンヒータが頻繁にオン／オフするため、電圧変動によるフリッカが問題となる。また、同時に大容量のハロゲンヒータを用いるため、オン／オフ時の温度リプルが大きくなるという問題がある。
最近は省エネルギーの観点から、定着装置の立ち上げ時間の短縮、エネルギー効率の向上が不可欠となり、定着装置は熱時定数の小さい構成のため、ヒータのオン／オフによる温度リプルが問題となって来た。
また、同様にして、立ち上げ時間短縮のため、通常画像作成時に必要とするハロゲンヒータ電力の数倍の大電力ハロゲンヒータが用いられる。このため、通常画像生成時に電力が余分になり、ハロゲンヒータが頻繁にオン／オフし、それに伴う電圧変動、あるいは大きな温度変動が発生するという問題がある。

商用電源を用いたヒータ加熱装置におけるかかる電力制御装置の上述した種々の不都合を解決するために従来から多くの技術が提案されている（例えば、特許文献１乃至７参照）。
特許文献１では、高調波フィルタ、負荷と直列にリアクトルを接続した回路に並列にダイオードを接続した回路を高周波でスイッチングする技術が開示されている。しかし、この技術では、負荷とリアクトルの直列回路と並列にダイオードを入れる構成であり、共振動作とはならないので、ゼロボルトスイッチはできない。
特許文献２では、ヒータのオン／オフ時に位相角制御をして、電圧変動を低減する技術が開示されている。また、この開示から、商用電源を高周波スイッチングする構成を、画像形成装置の定着装置の制御に用い、かつ、ヒータとインダクタを直列に接続し、その直列回路に並列にコンデンサを接続する構成が、動力機器等の大電力の制御方法として、商用電源を高周波でスイッチングするインバータ方式であることも知られている。しかし、この技術では、位相角制御による、高調波の発生、雑音端子ノイズの発生に対する対策が必要になる。
特許文献３では、負荷に直列にインダクタを接続した回路に並列にコンデンサを接続した共振回路を、着脱自在な構成とする技術が開示されている。しかし、この技術においては、共振回路によるゼロボルトスイッチに関する記載が無く、また、ヒータの冷間時オンによる過電流に対する対策が無い。

特許文献４では、Ｖｃｅ電圧が所定値以下になったら、スイッチ素子のオン時間幅タイマを作動させ、所定時間後にスイッチ素子をオフする技術が開示されている。しかし、この技術には、ヒータの高周波スイッチングに関する記載は無い。
特許文献５では、商用電源をブリッジで整流し、負荷のオン／オフをトランジスタで行う技術が開示されている。しかし、この技術は、負荷を高周波でスイッチングする構成ではなく、また、負荷を共振回路とする構成でも無い。
特許文献６では、電磁調理器の出力制御をＶｃｅ、Ｖｃｏｉｌ、Ｖｉｎ（ｄｃ）を検出して行う技術が開示されている。しかし、この技術では、コイルを用いておらず、ヒータの高周波スイッチング制御に関しては記載が無い。
特許文献７では、プロセスカートリッジに情報記憶手段を備え、それを基に、画像生成条件を最適化する技術が開示されている。しかし、この技術には、定着装置への具体的な実施方法の記載が無い。
特許３３５９１４１号 特許３４５４９８８号 特許３５４５８７７号 特開昭５８−１０８３６号公報 特開昭５８−１４０８２１号公報 特開昭６２−２６１５７号公報 特開２００５−１７２９５８公報

しかしながら、上述した従来技術では、小型のフィルタ回路でスイッチング周波数成分を除去して、入力商用電源と略等しい正弦波の入力電流にでき、高調波を最小限に抑えることはできず、また、損失、発熱、高調波、ノイズの殆ど無い電力制御装置を提案することができないという問題もある。
そこで、本発明の目的は、上述した実情を考慮して、ゼロボルトスイッチング（ＺＶＳ）によりスイッチング時の損失を最小限にすることができ、これにより、スイッチング素子の発熱、損失、高調波、ノイズの殆ど無い、電力制御装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、商用電源からの商用交流電圧を整流するブリッジ整流回路と、該ブリッジ整流回路の整流出力が入力されるローパスフィルタと、負荷とインダクタの直列接続に対してコンデンサを並列に接続した負荷回路と、エミッタ−コレクタ間にダイオードが並列に接続されたスイッチング素子とを備え、前記負荷回路の一方が前記ローパスフィルタに接続され、他方が前記スイッチング素子に接続された電力制御装置において、前記負荷回路の共振周波数に合わせて前記スイッチング素子のスイッチングオフ時間を生成するオフ時間生成手段を備えることを特徴とする。
また請求項２に記載の発明は、前記負荷がハロゲンヒータであり、前記ハロゲンヒータの温度を検出する温度検出手段を備え、前記オフ時間生成手段により前記温度検出手段により検出した温度検出結果と目標温度から前記スイチング素子のオン時間を生成し、前記ハロゲンヒータの温度が所定値になるようにスイッチングオン時間を制御する請求項１記載の電力制御装置を特徴とする。
また請求項３に記載の発明は、前記ハロゲンヒータは、冷間時の抵抗値が小さく、突入電流を生じるヒータであり、冷間時に前記ハロゲンヒータを点灯する場合、前記オン時間生成手段は、最小オン時間から徐々にオン時間を長くし、前記最小オン時間はオフ時間より大きい請求項２記載の電力制御装置を特徴とする。

また請求項４に記載の発明は、前記ハロゲンヒータは画像形成装置の定着装置に使用するハロゲンヒータであり、少なくとも、電源スイッチ投入時、或いは省エネルギーからの復帰時、待機からの復帰時において、冷間時のヒータ点灯制御を行う請求項３記載の電力制御装置を特徴とする。
また請求項５に記載の発明は、前記オフ時間生成手段は、前記スイッチング素子の端子電圧が０Ｖ近辺になるまで、前記スイッチング素子のオンを阻止する阻止手段である請求項１記載の電力制御装置を特徴とする。
また請求項６に記載の発明は、前記オフ時間生成手段は、前記負荷回路の入力端の電圧を検出する入力検出手段と、前記スイッチング素子の端子電圧を検出する端子電圧検出手段と、前記入力検出手段と端子電圧検出手段の検出結果を比較する比較手段とからなり、前記比較手段において、入力電圧検出結果より端子電圧検出結果が大きい間をオフ時間とする請求項１記載の電力制御装置を特徴とする。

また請求項７に記載の発明は、オフ時間とオン時間の和と、前記ローパスフィルタの時定数との関係が、（オフ時間＋オン時間）＜ローパスフィルタ時定数×ｋ、（但しｋは１から２の間の数値）を満たす請求項１記載の電力制御装置を特徴とする。
また請求項８に記載の発明は、前記オフ時間生成手段はタイマであり、該タイマのオフ時間は、前記コンデンサの静電容量、前記インダクタのインダクタンスを測定して計算した共振周期の値、又はそれより僅かに大きな値とする請求項１記載の電力制御装置を特徴とする。
また請求項９に記載の発明は、前記オフ時間生成手段は、動作時間、或いは周囲環境により変化する静電容量及びインダクタンス分を推定してオフ時間を補正する請求項１記載の電力制御装置を特徴とする。
また請求項１０に記載の発明は、前記コンデンサ及び前記インダクタと一体に、少なくとも静電容量とインダクタンスに関する情報を記録する記録手段を備え、該記録手段に記録された情報からオフ時間を決定する請求項８記載の電力制御装置を特徴とする。

本発明によれば、負荷を含む共振回路を構成し、共振周波数に対応した、オフ時間はスイッチングオンしない構成としているので、必ず、共振電圧波形が０Ｖになってからスイッチングオンすることができるので、ゼロボルトスイッチング（ＺＶＳ）によりスイッチング時の損失を最小限にすることができ、これにより、スイッチング素子の発熱も最小限にできるので、発熱も抑えられ、装置の小型化もでき、また、ノイズの発生を最小限にすることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は本発明による電力制御装置の回路構成の第１実施形態を示す回路図である。図２は図１の整形回路のオン／オフパルスを示す図である。本発明は、画像形成装置の定着装置における実施形態として説明する。
ヒータとしては、安価で信頼性の高い、ハロゲンヒータが一般的に用いられている。ハロゲンヒータは冷間時と定常時で抵抗値が大きく変わり、例えば、７００Ｗのハロゲンヒータは定常時時に約１４Ω、冷間時には約２Ωとなる。
本発明は、前記回路構成におけるスイッチ素子がゼロボルトスイッチング（ＺＶＳ）となるように改良したものである。図１において、商用電源１からの商用交流電圧をブリッジ整流回路（以下、ブリッジと称する）ＤＢ１で整流し、ローパスフィルタＬ２、Ｃ２に入力する。
負荷（Ｌｏａｄ）２に直列にインダクタＬ１を接続した回路に並列にコンデンサＣ３を接続した回路の一方をローパスフィルタに他方をスイッチング素子Ｑ１に接続する。スイッチング素子Ｑ１に並列にダイオードＤ１を接続する。
前記コンデンサＣ３、インダクタＬ１、負荷２からなる回路の共振周波数（ｆｏ）に合わせてスイッチングオフ時間を生成するオフ時間生成手段（Ｃｏｆｆ回路）３及びオン時間生成手段（Ｃｏｎ回路）４を備えている。

図１は、スイッチング素子Ｑ１であるＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）のＶｃｅ電圧をＣｏｆｆ回路３で検出して、Ｖｃｅがほぼ０Ｖになったら、Ｃｏｎ回路４のオンを許可して、ＩＧＢＴにより構成されるスイッチング素子Ｑ１をオンする構成である。
Ｄｒはスイッチング素子Ｑ１のゲートを駆動するための電圧波形を整形する整形回路である。Ｄ１はインダクタの電流ループを形成するためのダイオードである。整形回路Ｄｒの出力が高い（Ｈｉｇｈ）時、スイッチング素子Ｑ１がオン、低い（Ｌｏｗ）時、オフである（図２）。
Ｃｏｆｆ回路３は、スイッチング素子Ｑ１の端子電圧が０Ｖ近辺になるまで、スイッチング素子Ｑ１のオンを阻止する手段である。
スイッチング素子Ｑ１の電圧が０Ｖ近辺になったことを検出して、オフ時間を制御するので、インダクタＬ１、コンデンサＣ３、負荷２の経時的な変化、あるいは環境の変化に対して、それらの変化を検出して補正することなく、共振点、つまり、ゼロボルトスイッチングを確実に行うことができるので、前記変動があっても、不要な損失、ノイズの発生のないスイッチングができる。
また、インダクタＬ１、コンデンサＣ３、負荷２に異常が発生しても、スイッチング素子Ｑ１の電圧を見て、オフ時間を管理するので、スイッチング素子Ｑ１に電圧が発生している間にオンすることによる、スイッチング素子Ｑ１へのストレスによる劣化、破損という問題がない。

図３は本発明による電力制御装置の回路構成の第２実施形態を示す回路図である。図３において、ハロゲンヒータＨ＝７００Ｗ、インダクタＬ１＝１００μＨ、コンデンサＣ３＝４．７ｎＦとした。
共振条件を求めると、共振周波数ｆｏ＝１／（２π（Ｌ１×Ｃ３）^1/2）＝２３２ｋＨｚ、共振周期Ｔｏ＝４．３μｓである。ハロゲンヒータＨの値が定常時＝１４Ωから冷間時＝２Ωの範囲に変化しても、その影響は無視できる。
この場合、負荷はハロゲンヒータＨであり、被加熱体の温度を検出する温度検出手段Ｔｈ、温度検出した結果と目標温度（Ｔｅｍｐ）から、スイッチング素子Ｑ１のオン時間生成手段（Ｃｏｎ回路）４を備え、被加熱体の温度が所定の値になるようにスイッチングオン時間を制御する。
従って、スイッチングオン時間を変化させても、入力電流は略正弦波を維持する。また、スイッチングオン時間は所定の範囲内で任意の値を取れるので、制御の分解能が高く、かつ入力電流の変化を最小にすることができ、高精度の温度制御と入力電圧変動の無い電力制御装置とすることができる。

インダクタとコンデンサの並列回路に電圧を印加してから、オフすると、共振周期の１／２でゼロボルトを通過する。従って、Ｔｏ／２＝２．２μｓでスイッチング素子の端子間波形が０Ｖになる。
このタイミングでスイッチング素子Ｑ１をオンすることで、ゼロボルトスイッチング（ＺＶＳ）となる。０Ｖでスイッチング素子がオンされるので、その瞬間の電力損失は全く発生しない。
本実施形態では、スイッチング素子Ｑ１にＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を用いた。スイッチングオフ時間は、回路素子定数のバラツキ等を考慮して、３μｓとした。
ヒータは画像形成装置の定着装置に使うハロゲンヒータＨであり、少なくとも、電源スイッチ投入時、あるいは省エネルギーからの復帰時、待機からの復帰時に冷間時のヒータ点灯制御をする。
これによって、画像形成装置は、電源投入時、省エネルギーからの復帰時、待機からの復帰時には、定着装置が冷えているか、又は最小温度になっているので、ハロゲンヒータが冷間時の抵抗値となっている、これらの条件時にハロゲンヒータを冷間時制御すれば、画像形成装置への突入電流を防止することができる。
前記オフ時間生成手段３は、負荷（Ｈ）を含む回路の入力端の電圧を検出する入力検出手段（Ｖ１）と前記スイッチング素子Ｑ１の端子電圧を検出する端子電圧検出手段（Ｖ２）、両者の検出結果を比較する比較手段（Ｃｎｐ）からなり、入力電圧検出結果より、端子電圧検出結果が大きい間をオフ時間とする。
これにより、入力電圧のレベルとスイッチング素子Ｑ１の電圧を比較するので、商用電源の正弦波電圧の小さい所でも、大きい所でも、安定したオフタイミングを生成することができ、より確実なゼロボルトスイッチングができ、損失とノイズの発生を最小限にすることができる。

図４はオフ時間＝３μｓ、スイッチング周波数４０ｋＨｚの時の電流及び電圧波形を示す概略図である。図４において、Ｉｃはスイッチング素子Ｑ１であるＩＧＢＴのコレクタ電流、Ｖｃｅはスイッチング素子Ｑ１であるＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ電圧、Ｉｈｅａｔはヒータ電流、ＩＬ２は入力電流波形を示している。
チョークコイル（Ｌ２＝２ｍＨ）とコンデンサ（Ｃ２＝１μＦ）よりなるローパスフィルタによってスイッチング電流の高周波分が除去され、入力電流（ＩＬ２）はきれいな正弦波で、高調波成分はほぼ０である。Ｌ２、Ｃ２のフィルタ特性は、ｆｏ２≒３ｋＨｚとした。
図５は図４の５ｍｓ近傍の時間軸を拡大した波形を示す波形図である。
図５にはＩＧＢＴ駆動信号Ｖｄｒを追加している。Ｖｃｅが０Ｖになってから、Ｖｄｒがオン（Ｈｉｇｈ）するので、完全なＺＶＳとなっている。また、Ｉｃも電流０Ａの時にＶｄｒがオンとなるので、ゼロカレントスイッチング（ＺＣＳ）でもある。これにより、損失、ノイズの発生が最小限に抑えられる。

図３の第２実施形態をさらに説明すれば、図１に加え負荷回路に入力される電圧を検出する検出回路Ｖ１とＶｃｅ電圧を検出する検出回路Ｖ２を備えている。
両者を比較器Ｃｎｐで比較してオフタイミングを検出することにより、商用電源入力電圧正弦波の立ち上り部の電圧が小さい所から、正弦波電圧の高いところまで確実に検出ができる（後述の図１２参照）。
図３ではハロゲンヒータＨが定着ローラＦの外側にあり、この定着ローラＦの直近には温度センサＴｈが設置された構成である。温度センサＴｈが検出する温度と、目標温度（Ｔｅｍｐ）から、スイッチング素子Ｑ１のオン時間をＣｏｎ回路４が生成する。
Ｃｏｎ回路４は、検出温度と目標温度の差が大きいほど、オン時間を長く、差が小さいほどオン時間を短くする回路である。比例積分（ＰＩ）制御、または他の制御方法を用いても良い。

図６はオフ時間＝３μｓ固定で、オン時間（Ｔｏｎ）を変えた時の、ハロゲンヒータに供給される電力と、電力の変換効率を測定した結果を示す特性図である。これより、オン時間を変えると、ヒータ電力を可変できることが分かる。入力電力に対する、ヒータ電力の効率はオン時間を変化しても、９７％から９８％と非常に良い。
図７はＴｏｎの周波数軸への変換をグラフで示す図である。図７では、周波数に対してほぼ直線的に電力が変化している。制御因子として、周波数を用いれば、線形な特性であり制御が容易である。また、ヒータ電力を任意に調整できることが分かる。

図８はスイッチング周波数＝４０ｋＨｚの時のハロゲンヒータが冷間時（Ｈ＝２Ω）である各部の波形を示す波形図である。図９はスイッチング周波数＝７０ｋＨｚの時のハロゲンヒータが冷間時（Ｈ＝２Ω）である各部の波形を示す波形図である。
ハロゲンヒータ電力を任意に調整できるので、メインスイッチオン時の立ち上げ用に大電力のハロゲンヒータを用いても、通常の画像形成時には、中電力のハロゲンヒータと同等の制御ができる。よって、温度リプルが非常に小さく、かつ電圧変動による蛍光灯チラツキがない。
ハロゲンヒータＨは、冷間時の抵抗値が小さく、突入電流を生じるヒータである。冷間時にハロゲンヒータＨを点灯する場合、オン時間生成手段（Ｃｏｎ回路）４（図３）は、最小オン時間から徐々にオン時間を長くする。最小オン時間は、オフ時間より大きい、即ち、オン時間＞オフ時間である。
かかる電力制御装置によれば、ハロゲンヒータのように、冷間時の抵抗値が低い負荷を制御する場合でも、スイッチングオン時間を制御範囲の最小値から徐々に大きくすることができるので、突入電流による、スイッチング素子のストレス防止、入力過電流の防止ができる。

図８はスイッチング周波数＝４０ｋＨｚの時で、Ｖｃｅが２．４ｋＶｐｅａｋ、ヒータ電流Ｉｈｅａｔが±１６Ａｐｅａｋと非常に大きくなっている。
図９はスイッチング周波数＝７０ｋＨｚの時で、Ｖｃｅが１．３ｋＶｐｅａｋ、ヒータ電流が±８Ａｐｅａｋとそれぞれ、約半分に抑えられている。
スイッチング周波数を７０ｋＨｚとすることで、定常時（Ｈ＝１４Ω）と同等のＶｃｅ、Ｉｈｅａｔに抑えられる。つまり、冷間時にはスイッチング周波数を高く（オン時間を短く）することで、突入電流を無くすことができる。
オン時間の最小値は、インダクタのリセット時間があるため、オフ時間より大とする（オン時間＞３μｓ）。つまり、制御に使えるスイッチング周波数は、１／（３μｓ＋３μｓ）＝１６６ｋＨｚ以下とする。

本実施形態の定着装置においては、定格３００Ｗのハロゲンヒータを用いると、画像形成時にほぼ連続点灯となるので、要求される最小電力は３００Ｗ近傍でよい。図７から、４０ｋＨｚ近傍で、約３００Ｗであり、前記１６６ｋＨｚで制限しても全く問題ないことが判る。
オン時間の最大値は、１００％点灯することに問題がないことは、従来のオン／オフ制御から明らかである。１００％以外では、オン時間が長くなると、スイッチング周波数が低くなるため、入力段に設けたローパスフィルタの減衰特性が落ちる。
本実施形態では、Ｌ２＝２ｍＨ、Ｃ２＝１μＦとしたので、ｆｏ２＝約３ｋＨｚであり、これより高い周波数領域で使用するのが好ましい。しかしながら、それ以下では高調波規制を満たさないということではないので、さらに低い周波数まで使用することも可能である。
ローパスフィルタを低周波まで拡大すると、外形が大きく、コストも高くなるので、下限周波数以下になる条件では、１００％点灯とする。以上より、スイッチング周波数の範囲は３ｋＨｚ〜１６０ｋＨｚ、オン時間は３３０μｓ〜３μｓとする。
オフ時間とオン時間の和と、入力段のローパスフィルタ時定数との関係が、（オフ時間＋オン時間）＜ローパスフィルタ時定数×ｋ（ここで、ｋは１から２の間の数値）を満たすようにする。
従って、オン時間とオフ時間の和であるスイッチング周期を、入力に設けたローパスフィルタで制限できる周期（周波数の逆数）より短い時間に制限するので、商用電源の入力電流高調波を最小限に抑えることができる。

図１０は本発明による電力制御装置の回路構成の第３実施形態を示す回路図である。図１１はスイッチング制御のフローを示すフローチャートである。図１０には、オン時間生成手段（Ｃｏｎ）にマイコンを使って、スイッチング素子Ｑ１のスイッチングを制御している。
スイッチング素子Ｑ１のＶｃｅ電圧検出回路Ｖ２の出力と入力電圧検出回路（Ｖ１）の出力を比較器Ｃｎｐの入力に接続する。この比較器Ｃｎｐの出力はマイコンの入力ポートＩｎ１に接続される。
比較器Ｃｎｐは、Ｖ１＞Ｖ２の時、出力は低い（Ｌｏｗ）値である。マイコンＣｏｎの入力ポートが低い間は、スイッチング素子Ｑ１をオンしないようにプログラムされている。
スイッチングオフ時間生成手段（Ｃｏｆｆ回路）３はタイマであり、このタイマのオフ時間はコンデンサＣ３の静電容量、インダクタＬ１のインダクタンスを測定して計算した共振周期（共振周波数の逆数）の値、又は、それより僅かに大きな値とする。

マイコン内蔵あるいは、外付けのタイマを用いて、オフ時間を生成する場合に、オフ時間を負荷Ｆと直列に入れるインダクタＬ１、これらと並列に入れるコンデンサＣ３の実測値から共振周波数を計算して求め、それからオフ時間を設定するので、スイッチング素子Ｑ１の電圧を検出することなく、ゼロボルトスイッチングを行うことができる。
コンデンサＣ３、インダクタＬ１と一体に、少なくとも静電容量とインダクタンスに関する情報を記録する記録手段を構成し、記録された情報から、オフ時間を決定するように構成することができる。
これによれば、コンデンサＣ３、インダクタＬ１とＩＤチップを同一ユニットに構成して、その電気的特性を記録しているので、その値を使うことにより、最適なスイッチングオフ時間を設定でき、部品のバラツキがあっても、損失、不要なノイズ発生を無くすことができる。
図１１では、タイマをスタート時、ＰｉｎがＨに等しいかどうかを判断し（Ｓ１）、等しいならば、タイマをスタートさせる（Ｓ２）。等しくないならば、タイマをスタートさせずに終了する。定着装置Ｆの温度はサーミスタと周辺回路からなる温度検出器Ｔｈで検出し、マイコンＣｏｎのＡＤ１変換入力に接続される。

図１２はマイコンのプログラムのフローを示すフローチャートである。図１０のマイコンＣｏｎは図１２のプログラムに従って、目標温度と検出温度から、比例演算をして操作量、つまりスイッチング素子Ｑ１のオン時間を演算し、マイコンＣｏｎのタイマＴ１にオン時間（Ｔｏｎ）をセットする。
この演算は一定周期で繰り返される。ここで、必要に応じて、比例積分微分演算（ＰＩＤ）、あるいは予測制御等他の演算でも同様である。タイマは、入力ポートがＨｉｇｈになったら、カウントを始め、その間タイマ出力がＨｉｇｈとなる。タイマ出力はＩＧＢＴ駆動回路Ｄｒに接続され、スイッチング素子Ｑ１のゲートを駆動するのに最適な電圧波形に変換して、スイッチング素子Ｑ１をオンする。
図１２について説明すると、オン時間設定においては、先ず、検出温度を読み込み（Ｓ３）、オン時間を演算する（Ｓ４）。次に、Ｔｏｎ＞Ｔｍａｘかどうかを判断し（Ｓ５）、Ｔｏｎ＞Ｔｍａｘならば、Ｔｏｎ＝Ｔｍａｘとして（Ｓ６）終了する。
Ｔｏｎ＞Ｔｍａｘでないならば、Ｔｏｎ＜Ｔｍｉｎかどうかを判断し（Ｓ７）、Ｔｏｎ＜Ｔｍｉｎでないならば、そのまま終了し、また、Ｔｏｎ＜Ｔｍｉｎならば、Ｔｏｎ＝Ｔｍｉｎとして（Ｓ８）終了する。

図１３は図１０の入力検出回路とＶｃｅ検出回路の具体的な回路例を示す回路図である。図１３には、図１０に示した入力検出回路Ｖ１とＶｃｅ検出回路Ｖ２の具体的回路例を示している。
図１３において、入力電圧は抵抗Ｒ１０と抵抗Ｒ１１で降圧し、コンデンサＣ１０を介して出力される。Ｖｃｅは、抵抗Ｒ１２と抵抗Ｒ１３で降圧し、コンデンサＣ１１を介して出力される。なお、図１１及び図１３において、図１及び図３と同一部分には同一符号を付して不必要な説明は省略した。
図１４は図１３のコンデンサの電圧波形と、比較器の出力波形の概要を示す波形図である。図１４には、図１３のコンデンサＣ１０、Ｃ１１の電圧波形と、比較器Ｃｎｐの出力波形の概要を示している。
Ｖｃｅを降圧した波形Ｖ２と、入力電圧を降圧した波形Ｖ１の交点で、比較器Ｃｎｐの出力がＬｏｗからＨｉｇｈに切り換わっている。この点でＶｃｅは完全に０Ｖである。
このように、Ｖｃｅ、あるいは入力電圧を検出して、オンタイミングを管理しているので、インダクタＬ１、コンデンサＣ３の特性値が変動しても、共振周波数の変化に対する補正をマイコンＣｏｎ側でする必要がなく、マイコンＣｏｎの負荷が小さくできる。

図１５は図１０のＶｃｅ検出Ｖ２と入力電圧検出Ｖ１回路を削除した構成におけるオフ時間設定のフローを説明するフローチャートである。別の実施形態として、図１０のＶｃｅ検出Ｖ２と入力電圧検出Ｖ１回路を削除した構成について説明する。
先ず、ＩＤデータを読み込み（Ｓ９）、次いで初期オフ時間（Ｔｏｆｆ初期）を設定する（Ｓ１０）。マイコンＣｏｎ（図１０）のタイマＴ１には、インダクタＬ１、コンデンサ（Ｃ３）の特性値から求めた、オフ時間データをセットする（図１５）。
図１６はタイマデータオフセットを説明するフローチャートである。定着装置の温度検出結果と目標温度から、オン時間を求め、タイマカウンタのオフ時間（Ｔｏｆｆ）をセットし（Ｓ１１）、オン時間（Ｔｏｎ）をセットする（Ｓ１２）。
タイマは、セットされたオン時間とオフ時間でオン／オフを繰り返し出力する（図１６）。タイマ出力はＩＧＢＴ駆動回路Ｄｒに接続され、スイッチング素子Ｑ１のゲートを駆動するのに最適な電圧波形に変換して、スイッチング素子Ｑ１をオン／オフする。
一定周期で、温度センサＴｈによる検出温度をマイコンＣｏｎのＡＤ１に取り込み、目標値との差からオン時間を求め、タイマカウンタのオン時間データを更新する（図１２）。
インダクタ、コンデンサは、経時的あるいは、環境に因り、その特性値が変化する。そこで、経時的変化に対しては、画像形成装置の稼働時間とその変化量の関係を事前に求め、オフ時間の補正を行う。

図１７はオフ時間補正のフローを説明するフローチャートである。環境変化に対しては、画像形成装置に備わった温度検出手段あるいは、定着装置の温度検出手段を用いて検出し、これらの検出値に対する特性値の変化量を事前に求め、オフ時間を補正する（図１７）。
オフ時間補正においては、先ず、補正値を読み込み（Ｓ１３）、次に、Ｔｏｆｆ＝Ｔｏｆｆ（初期）＊ｈとする（Ｓ１４）。これらの補正は、数分あるいはそれより長い時間間隔で補正すれば十分である。
スイッチングオフ時間生成手段は、電力制御装置の動作時間、あるいは周囲環境により変化する、静電容量、インダクタンス分を推定して、オフ時間を補正するようになっている。
動作時間による、コンデンサ、インダクタの特性変化を事前に測定し、その結果を用いて、オフ時間の補正をするので、連続的に使用しても、より確実にゼロボルトスイッチングをすることができる。

前述した図１０は、インダクタＬ１、コンデンサＣ３の特性、又は両者の特性から計算したオフ時間情報をＩＤチップＩＤＣに記憶する構成を備えた実施形態でもある。
マイコンＣｏｎのシリアル端子（ＲＤ、ＲＷ）とＩＤ読み書き器（ＩＤＲＷ）が接続され、ＩＤチップの内容をマイコンＣｏｎに取り込み、オフ時間の初期値とする（図１５）。
インダクタ、コンデンサを定着装置と一体に構成する場合（特許文献３）は、ＩＤチップを定着装置に設置する。インダクタ、コンデンサがインバータ回路部と一体に構成された場合は、インバータ回路部にＩＤＣ（ＩＤチップ）を設置する。
ＩＤチップへのデータ書き込みは、定着装置単品での検査時、またはインバータ単品での検査時に行う。ＩＤチップへの経時データの書き込みもまた可能であり、これを使って経時的なオフ時間補正結果を記録し、次回のオフ時間設定を容易にすることができる。

本発明による電力制御装置の回路構成の第１実施形態を示す回路図である。 図１の整形回路のオン／オフパルスを示す図である。 本発明による電力制御装置の回路構成の第２実施形態を示す回路図である。 オフ時間＝３μｓ、スイッチング周波数４０ｋＨｚの時の電流及び電圧波形を示す概略図である。 図４の５ｍｓ近傍の時間軸を拡大した波形を示す波形図である。 オフ時間＝３μｓ固定で、オン時間（Ｔｏｎ）を変えた時の、ハロゲンヒータに供給される電力と、電力の変換効率を測定した結果を示す特性図である。 Ｔｏｎの周波数軸への変換をグラフで示す図である。 スイッチング周波数＝４０ｋＨｚの時のハロゲンヒータが冷間時（Ｈ＝２Ω）である各部の波形を示す波形図である。 スイッチング周波数＝７０ｋＨｚの時のハロゲンヒータが冷間時（Ｈ＝２Ω）である各部の波形を示す波形図である。 本発明による電力制御装置の回路構成の第３実施形態を示す回路図である。 スイッチング制御のフローを示すフローチャートである。 マイコンのプログラムのフローを示すフローチャートである。 図１０の入力検出回路とＶｃｅ検出回路の具体的な回路例を示す回路図である。 図１３のコンデンサの電圧波形と、比較器の出力波形の概要を示す波形図である。 図１０のＶｃｅ検出（Ｖ２）と入力電圧検出（Ｖ１）回路を削除した構成におけるオフ時間設定のフローを説明するフローチャートである。 タイマデータオフセットを説明するフローチャートである。 オフ時間補正のフローを説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 商用電源、２ 負荷回路（負荷、Ｌｏａｄ）、３ オフ時間生成手段（Ｃｏｆｆ、阻止手段）、４ オン時間生成手段（Ｃｏｎ）、５ 整形回路（Ｄｒ）、Ｌ１ 負荷回路（インダクタ）、Ｌ２ ローパスフィルタ（インダクタ）、Ｃ２ ローパスフィルタ（コンデンサ）、Ｃ３ 負荷回路（コンデンサ）、Ｃｎｐ 比較手段（比較器）、Ｄ１ ダイオード、Ｑ１ スイッチング素子、ＤＢ１ ブリッジ、Ｆ 定着ローラ（負荷）、Ｈ ハロゲンヒータ（負荷）、Ｔｈ 温度検出手段（温度センサ）、Ｖ１ 入力検出手段（入力検出回路）、Ｖ２ 端子電圧検出手段（Ｖｃｅ検出回路）

Claims (10)

1. 商用電源からの商用交流電圧を整流するブリッジ整流回路と、該ブリッジ整流回路の整流出力が入力されるローパスフィルタと、負荷とインダクタの直列接続に対してコンデンサを並列に接続した負荷回路と、エミッタ−コレクタ間にダイオードが並列に接続されたスイッチング素子とを備え、前記負荷回路の一方が前記ローパスフィルタに接続され、他方が前記スイッチング素子に接続された電力制御装置において、
   前記負荷回路の共振周波数に合わせて前記スイッチング素子のスイッチングオフ時間を生成するオフ時間生成手段を備えることを特徴とする電力制御装置。
2. 前記負荷がハロゲンヒータであり、前記ハロゲンヒータの温度を検出する温度検出手段を備え、前記オフ時間生成手段により前記温度検出手段により検出した温度検出結果と目標温度から前記スイチング素子のオン時間を生成し、前記ハロゲンヒータの温度が所定値になるようにスイッチングオン時間を制御することを特徴とする請求項１記載の電力制御装置。
3. 前記ハロゲンヒータは、冷間時の抵抗値が小さく、突入電流を生じるヒータであり、冷間時に前記ハロゲンヒータを点灯する場合、前記オン時間生成手段は、最小オン時間から徐々にオン時間を長くし、前記最小オン時間はオフ時間より大きいことを特徴とする請求項２記載の電力制御装置。
4. 前記ハロゲンヒータは画像形成装置の定着装置に使用するハロゲンヒータであり、少なくとも、電源スイッチ投入時、或いは省エネルギーからの復帰時、待機からの復帰時において、冷間時のヒータ点灯制御を行うことを特徴とする請求項３記載の電力制御装置。
5. 前記オフ時間生成手段は、前記スイッチング素子の端子電圧が０Ｖ近辺になるまで、前記スイッチング素子のオンを阻止する阻止手段であることを特徴とする請求項１記載の電力制御装置。
6. 前記オフ時間生成手段は、前記負荷回路の入力端の電圧を検出する入力検出手段と、前記スイッチング素子の端子電圧を検出する端子電圧検出手段と、前記入力検出手段と端子電圧検出手段の検出結果を比較する比較手段とからなり、前記比較手段において、入力電圧検出結果より端子電圧検出結果が大きい間をオフ時間とすることを特徴とする請求項１記載の電力制御装置。
7. オフ時間とオン時間の和と、前記ローパスフィルタの時定数との関係が、
   （オフ時間＋オン時間）＜ローパスフィルタ時定数×ｋ、（但しｋは１から２の間の数値）を満たすことを特徴とする請求項１記載の電力制御装置。
8. 前記オフ時間生成手段はタイマであり、該タイマのオフ時間は、前記コンデンサの静電容量、前記インダクタのインダクタンスを測定して計算した共振周期の値、又はそれより僅かに大きな値とすることを特徴とする請求項１記載の電力制御装置。
9. 前記オフ時間生成手段は、動作時間、或いは周囲環境により変化する静電容量及びインダクタンス分を推定してオフ時間を補正することを特徴とする請求項１記載の電力制御装置。
10. 前記コンデンサ及び前記インダクタと一体に、少なくとも静電容量とインダクタンスに関する情報を記録する記録手段を備え、該記録手段に記録された情報からオフ時間を決定することを特徴とする請求項８記載の電力制御装置。

Images