JP2012186984A - 高電圧インバータ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】直流電圧若しくは直流成分に脈流が重畳された安全特別低電圧(SELV)以内の電圧を入力電圧とし、その入力電圧をスイッチング素子Qswによってスイッチングして、同一の特性を持つ個別の第一、第二のトランスT1,T2の一次側の励磁巻線Np1,Np2を同時並列に励磁電流を流して励磁させ、その複数の第一、第二のトランスT1,T2の各出力巻線Nout,Nout(sub)を互いに直列に接続し、かつその各出力巻線Nout,Nout(sub)の出力電圧の波形の時間軸が同期している。
【選択図】 図1
Description
例えば、電子写真方式による画像形成装置により樹脂トナーが印刷された印刷物に、紫外線硬化型のニスをコーティングしようとすると、樹脂トナーに含まれるワックス成分により、樹脂トナー印刷部分のニスを弾いてしまう場合がある。しかし、大気圧プラズマによる表面処理を行うと、濡れ性が向上するため、ニスコーティングが可能になり、印刷物の付加価値が向上する。その大気圧プラズマを発生させるためには高電圧が必要となり、インバータ装置によって安全に高電圧を得る必要がある。
入力電圧がSELV以内であると、所定の出力Voutを得るためには、その数10倍から数100倍の昇圧比(倍率)nが必要となる。ここで、
n=Vout/SELV
とすれば、Vout=15KVで、SELV=48Vのときは、n=312.5倍の昇圧が必要になる。
物に例えると、軽いものを高いところまで移動させるのは比較的容易であるが、重いものを高いところまで持ち上げるのには大変な労力が要る。高電圧インバータ装置においても、負荷(重さ)×移動距離×高さの総和に相当する出力電力が、数mWとごく小さなものではなく、数10Wないし数100Wを得る必要がある。
Np= Vin・Ton/Ae・B
Ip=Nout・Iout/Np
Nout =Vout・Np・Ton/Vin
ここで、Ton:時比率(sec) Ae:コアの実効断面積(cm2)
B:磁束密度(gauss) Vin:入力電圧
Vout:出力電圧(V) Iout:出力電流(A)
磁束Bが必要十分に取り出せれば、次に述べるトランスの特性低下が生じない。しかし現実的にはコアの材料(例えばフェライト0.2〜0.3tesla、珪素鋼板1tesla:ただし使用したい周波数による、アモルファス1tesla、パーマロイ等がある)により磁束が不足する。
・使用したい動作周波数でトランスとして必要なインダクタンスが得られない。
・トランスの周波数の範囲が狭い。
・誘電損失が増大する。
・高電圧による近接効果による損失が増大する。
これらによって、トランスの性能を低下させてしまう。
また、これらはトランスの持つ磁束密度を最大限有効に活用しようとするものであるが、更に昇圧しようとすると磁束密度が飽和してしまい、それ以上昇圧することができないという不具合があった。
また、上記同一の特性を持つ個別の複数のトランスの各励磁巻線を直列に接続して同時に励磁させるようにしてもよい。
上記複数の各トランスは共振トランスであるとよい。
〔第1実施例:図1〜図7〕
この発明による高電圧インバータ装置の第1実施例(併列励磁+電圧加算の例)について図1によって説明する。図1はその構成を示す回路図であり、INが入力端子であり、OUTが出力端子である(以後の実施例も同じ)。
この高電圧インバータ装置は、入力端子INから供給される直流電圧(60V以下)若しくは直流成分に脈流が重畳されたSELV(安全特別低電圧)以内の電圧を入力電圧Vinとし、その入力電圧Vinをスイッチング素子Qswによってスイッチングして、第一のトランスT1と第二のトランスT2の一次側の励磁巻線NP1、NP2に励磁電流を流し、そのトランスT1,T2の二次側の出力巻線Nout,Nout(sub)から高電圧を出力し、交流高電圧の出力電圧Vout を出力端子OUTから負荷に対して出力する。
そのa点とb点との間に、a点に一端を接続したコンデンサCとアノードをb点に接続したダイオードDとを直列に接続してスナバ回路を構成している。このスナバ回路は第一、第二のトランスT1、T2のリセット用およびスイッチング素子Qswの電圧抑圧用に設けられている。そのスナバ回路は、上記のダイオードDとコンデンサCの直列回路以外にも、図示していないが、コンデンサCに並列に抵抗Rを接続したいわゆるRCスナバ回路もある。
ON時)には、図3に等価回路で示すようになり、入力電源の正極側から破線矢印で示すようにスナバ回路のコンデンサCとダイオードD(この時は接合間容量によりコンデンサとして機能する)を通してスイッチング素子Qswに電流が流れるが、第一、第二のトランスT1、T2の励磁巻線Np1,Np2には殆ど電流が流れず、出力巻線Nout,Nout(sub)にも誘起電流は殆ど流れない。
スイッチング素子QswがターンOFFした時(Turn OFF時)には、図5に等価回路で示すようになり、スナバ回路のコンデンサCの充電電荷が放電する。このときダイオードDは、順方向電圧が閾値になるまでの順方向回復時間の間は接合容量によりコンデンサとして機能する。
次に、この発明による高電圧インバータ装置の第2実施例(併列励磁+電流加算の例)について図8によって説明する。図8はその構成を示す回路図である。
この第2実施例では、同一の特性を持つ別個の第一、第二のトランスT1、T2の出力巻線Nout,Nout(sub)は、各出力が電流加算されるように並列に接続されて、出力端子OUT側へつながる。この実施例によれば、出力電圧はトランスが1個の場合と略同等であるが、出力直電流を倍増できるので出力電力も倍増する。
次に、この発明による高電圧インバータ装置の第3実施例(分割励磁+電流加算の例)について図9によって説明する。図9はその構成を示す回路図である。
この第3実施例3においては、別個に設けた同一の特性を持つ第一、第二のトランスT1、T2の励磁巻線Np1とNp2は、入力電源の正極とスイッチング素子Qswの正極との間に直列に接続されている。そして、その入力電源の正極とスイッチング素子Qswの正極との間にスナバ回路を構成するダイオードDとコンデンサCの直列回路も接続されている。
第一、第二のトランスT1、T2の出力巻線Nout,Nout(sub)は、第2実施例と同様に出力が電流加算されるように並列に接続されて、出力端子OUT側へ繋がっている。
その他の構成及び作用は、出力線にコンデンサC0を設けていない点を除いて前述した第1実施例と同様である。
次に、この発明による高電圧インバータ装置の第4実施例(分割励磁+電圧加算の例)について図10によって説明する。図10はその構成を示す回路図である。
この実施例4においては、別個に設けた同一の特性を持つ第一、第二のトランスT1、T2の励磁巻線Np1とNp2は、第3実施例と同様に入力電源の正極とスイッチング素子Qswの正極との間に直列に接続されている。また、その入力電源の正極とスイッチング素子Qswの正極との間にスナバ回路を構成するダイオードDとコンデンサCの直列回路も接続されている。
その他の構成及び作用は出力線にコンデンサC0を設けていない点を除いて第1実施例と同様である。
次に、この発明による高電圧インバータ装置の第5実施例(トランス3個による併合励磁+電圧加算の例)について図11によって説明する。図11はその構成を示す回路図である。
その他の構成及び作用は、出力線にコンデンサC0を設けていない点を除いて前述した第1実施例と同様である。
この第5実施例によれば、3個のトランスT1、T2、T3の出力巻線Nout,Nout(sub),Nout(subc)の各出力を電圧加算によって積み上げ昇圧しているので、一層高い高電圧出力を得ることができる。
しかし、現実的には、そのトランスの数は、配置やパターン等が数とともに大きくなるため、不要輻射等のEMIに課題を残すことになるため、4個位までがよいと思われる。
また、第3〜第5実施例においても、出力の直流成分をカットしたい場合には、第1実施例と同様に出力線にコンデンサC0を設けるとよい。
この発明による高電圧インバータ装置における各トランスT1〜T3は共振トランスを用いるのが望ましい。共振トランスではフライバック方式で高電圧を得るため、エネルギーが一次側からトランスに注入される期間と二次側から取り出される期間とが交互になる。すなわち、一次側のスイッチング素子QswがONの期間にエネルギーが励磁エネルギーとして各トランスに蓄えられ、そのスイッチング素子QswがOFFの期間にそれを二次側に吐き出すような動作をする。そのため、各トランスは、スイッチング素子Qswのスイッチング周波数fsw以上の自己共振周波数fo(fsw ≦fo)で共振する。
・Vds=Vout/(N・Nps)
・Vout=Qe・Vin
ここで、共振の鋭さQeについて説明する。周波数に対する共振電流の特性をとると、共振周波数foで共振電流が最大値になるが、その前後の周波数で共振電流が最大値の1/√2になる周波数の幅(半値幅という)をΔfとすると、Qe=fo/Δfで表される無次元数である。
すなわち、接続するトランスの数Nが多くなるほど、ドレイン・ソース間電圧の波高値Vds(Vp-0)の低下が認められた。図12に示す例では、トランスが2個の場合にはVds(Vp-0)が560Vであるが、トランスが3個の場合はVds(Vp-0)が384Vである。
実例として、入力電圧Vinが56V、出力電圧Vout が10.5KV、平均出力が20W〜800Wの場合、トランス2個では耐圧が900Vのところ、トランス3個にすると耐圧が600Vになる。それによって、スイッチング素子QswのON抵抗が著しく低下し、効率(出力電力/入力電力)が大幅に向上する。図11に示した実施例の場合、79.4%の効率を得ることができた。
T2:第二のトランス T3:第三のトランス
Qsw:スイッチング素子 D,D1,D2 :ダイオード
C,C0,C1:コンデンサ R1,R2:抵抗 IC:制御回路
Np1:第一のトランスの励磁巻線 Nout:第一のトランスの出力巻線
Np2:第二のトランスの励磁巻線 Nout(sub):第二のトランスの出力巻線
Np3:第三のトランスの励磁巻線 Nout(subc):第三のトランスの出力巻線
Vgs:スイッチング素子のドライブ電圧
VNp1:第一のトランスの励磁巻線Np1の電圧
VNp2:第二のトランスの励磁巻線Np2の電圧
Ids:スイッチング素子に流れる電流
Vds:スイッチング素子のソース・ドレイン間電圧
VNout:第一のトランスの出力巻線間電圧
VNout(sub):第二のトランスの出力巻線間電圧 Vout:出力電圧
Claims (4)
- 直流電圧若しくは直流成分に脈流が重畳された安全特別低電圧(SELV)以内の電圧を入力電圧とし、該入力電圧をスイッチングしてトランスの一次側の励磁巻線に励磁電流を流し、該トランスの二次側の出力巻線から高電圧を出力する高電圧インバータ装置において、
前記トランスを、同一の特性を持つ個別の複数のトランスによって構成し、該複数のトランスの各励磁巻線を並列に接続して同時に励磁させるようにし、該複数のトランスの各出力巻線を互いに並列又は直列に接続し、かつ該各出力巻線の出力電圧波形の時間軸が同期していることを特徴とする高電圧インバータ装置。 - 請求項1に記載の高電圧インバータ装置であって、前記トランスを、同一の特性を持つ3個のトランスによって構成し、該3個のトランスの各励磁巻線を並列に接続して同時に励磁させるようにし、該3個のトランスの各出力巻線を互いに直列に接続したことを特徴とする高電圧インバータ装置。
- 直流電圧若しくは直流成分に脈流が重畳された安全特別低電圧(SELV)以内の電圧を入力電圧とし、該入力電圧をスイッチングしてトランスの一次側の励磁巻線に励磁電流を流し、該トランスの二次側の出力巻線から高電圧を出力する高電圧インバータ装置において、
前記トランスを、同一の特性を持つ個別の複数のトランスによって構成し、該複数のトランスの各励磁巻線を直列に接続して同時に励磁させるようにし、該複数のトランスの各出力巻線を互いに並列又は直列に接続し、かつ該各出力巻線の出力電圧波形の時間軸が同期していることを特徴とする高電圧インバータ装置。 - 前記複数の各トランスは、出力電圧が共振の鋭さに比例する共振トランスであることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の高電圧インバータ装置。
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