JP2013031338A - 高電圧インバータ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】入力電圧Vinをスイッチング素子4によってスイッチングして、共振トランス3の励磁巻線NPに励磁電流を流し、その出力巻線NSから交流高電圧の出力電圧Voutを出力する。スイッチング素子4の端子間に発生するモニタ電圧Vnpの波高値に応じて、スイッチング素子4のオフ期間におけるモニタ電圧Vnpの半波の完了時点から第2高調波が現れる直前までの間で、スイッチング素子4をオンにする時期を制御するための制御信号Vfを生成する出力電圧制御回路10と、一定周波数のスイッチングパルスSpを、制御信号Vfに対応してスイッチング素子4をオンにする期間の割合を変化させるようにパルス幅変調して出力し、スイッチング素子4のオン・オフを制御するPWM制御回路5とを設けた。
【選択図】 図1
Description
一般には出力電力値が数W程度のものが多く使用されているが、プラズマ発生装置などには、出力電圧が十数KVで電力値が数十W以上の交流の出力を持つ高電圧インバータ装置が使用される。
その理由は、波高値の時間が1点であることと、制御の遅延があり、出力電圧波形が繰り返される周波数が高くなればなるほどその遅延の影響が顕著になって、波高値電圧が降下し過ぎたり上昇し過ぎたりする。
前述した特許文献2に記載されているように、出力電圧値の代わりに出力電流を検出して、それを負帰還してスイッチング素子に対するPWM制御を行うようにしたものもあるが、出力電圧の波高値は監視していないし、それを制御することはできない。
上記励磁電流をスイッチングするスイッチング素子の端子間又は上記励磁巻線の両端間に発生する電圧をモニタ電圧とし、上記スイッチング素子のオフ期間におけるモニタ電圧の半波の完了時点から、過渡現象による共振電圧の第2高調波が現れる直前までの間で、上記モニタ電圧の波高値に応じて上記スイッチング素子をオンにする時期を制御するための制御信号を生成する出力電圧制御回路と、上記制御信号を入力して、一定周波数の矩形波パルス信号によるスイッチングパルスを、上記制御信号に対応してスイッチング素子をオンにする期間の割合を変化させるようにパルス幅変調して出力して、上記スイッチング素子のオン・オフを制御するPWM制御回路とを設けたことを特徴とする。
上記モニタ電圧と基準電位とを比較して、モニタ電圧の半波が発生している期間のみハイレベルとなる2値の電圧信号を出力する第1の比較回路と、
上記モニタ電圧をダイオードと抵抗の直列回路を通して入力し、コンデンサと抵抗との並列回路によって積分して、三角波状もしくはそれに類する波形の電圧信号を形成する回路と、
上記2値の電圧信号及び上記三角波状もしくはそれに類する波形の電圧信号を基準電圧と比較して、上記2つの電圧信号の少なくても一方が基準電圧より高いときには出力をローレベルにし、上記2つの電圧信号がいずれも基準電圧より低いときには出力をハイレベルにし、その出力を上記制御信号として出力する第2の比較回路とから構成するとよい。
図1は、この発明による高電圧インバータ装置の一実施例を示す回路図である。
この高電圧インバータ装置は、入力端子1a,1bと出力端子2a,2b、共振トランス3、スイッチング素子4、PWM制御回路5、出力電圧制御回路10等を備えている。
この第2の比較回路12の出力信号を、制御信号VfとしてPWM制御回路5のフィードバック入力端子FBに入力させる。
図2の(b)に示すスイッチングパルスSpがハイレベル“H”の期間は、スイッチング素子4のゲート・ソース間電圧Vgsが所定電圧になり、スイッチング素子4がONになるため、共振トランス3の励磁巻線NPに励磁電流が流れ、共振トランス3にエネルギーが蓄えられる。図1の接続点bのモニタ電圧Vnpはスイッチング素子4のドレイン・ソース間電圧Vdsと同じであるから、この期間は殆ど0Vになっている。
の波高値Eoutが略一定になるように制御する。
この実施例ではスイッチング素子4の端子間電圧(b点とフレームグラウンドGND間の電圧)をモニタ電圧Vnpとしたが、共振トランス3の励磁巻線NPの両端間に発生する電圧(接続点aと接続点b間の電圧)をモニタ電圧としてもよい。
次に、この発明による高電圧インバータ装置の他の実施例について、図3及び図4によって説明する。
図3に示す高電圧インバータ装置は、共振トランス3′を同じ構成で同一の特性を持つ2個の共振トランスT1,T2によって構成している点だけが、図1によって説明した高電圧インバータ装置と異なる。
したがって、これらの図において、図1と同じ部分には同一の符号を付してあり、それらの説明は省略する。出力電圧制御回路10は図1に示した回路と同じ構成であるから、ここでは単に一つのブロックで示している。
その共振トランスT1,T2の出力巻線NS1,NS2は直列に接続され、各出力巻線NS1,NS2の接続されていない方の各端部をそれぞれ出力端子2a,2bに接続している。
この実施例の場合、各共振トランスT1,T2の励磁巻線と出力巻線の巻数比が1:nであると、b点に発生する電圧Vnpは、出力電圧Vout に対してVnp=Vout/2nになる。また、モニタ電圧Vnpの波高値Eに対して出力電圧Voutの波高値Eoutは、Eout=2n・Eとなる。
そして、その3個の共振トランスT1、T2、T3の各励磁巻線NP1,NP2、NP3を入力電源の正極側のa点とスイッチング素子4の正極側のb点との間に並列に接続している。その各共振トランスT1、T2、T3の出力巻線NS1,NS2,NS3を全て直列に接続し、その出力巻線NS1とNS3のそれぞれ接続されていない方の端部をそれぞれ出力端子2a,2bに接続している。
この実施例の場合、各共振トランスT1,T2,T3の励磁巻線と出力巻線の巻数比がいずれも1:nであると、b点に発生する電圧Vnpは、出力電圧Vout に対してVnp=Vout/3nになる。また、モニタ電圧Vnpの波高値Eに対して出力電圧Voutの波高値Eoutは、Eout=3n・Eとなる。
以上、この発明による高電圧インバータ装置の好ましい実施例について説明してきたが、この発明はこれらに限るものではなく、種々の変形が可能である。
4:スイッチング素子 5:PWM制御回路 6:スナバ回路
10:出力電圧制御回路 11:第1の比較回路 12:第2の比較回路
13:直流電源 T1,T2,T3:同一の特性を持つ個別の共振トランス
NP,NP1,NP2,NP3:励磁巻線
NS,NS1,NS2,NS3:出力巻線
C1,C2:コンデンサ R1,R2,R3,R4:抵抗
D1,D2:ダイオード GND:フレームグラウンド
Claims (5)
- 直流もしくは直流成分に脈流が重畳された入力電圧をスイッチングして、共振トランスの励磁巻線に励磁電流を流し、該共振トランスの出力巻線から交流高電圧を出力する高電圧インバータ装置において、
前記励磁電流をスイッチングするスイッチング素子の端子間又は前記励磁巻線の両端間に発生する電圧をモニタ電圧とし、前記スイッチング素子のオフ期間における前記モニタ電圧の半波の完了時点から、過渡現象による共振電圧の第2高調波が現れる直前までの間で、前記モニタ電圧の波高値に応じて前記スイッチング素子をオンにする時期を制御するための制御信号を生成する出力電圧制御回路と、
前記制御信号を入力して、一定周波数の矩形波パルス信号によるスイッチングパルスを、前記制御信号に対応して前記スイッチング素子をオンにする期間の割合を変化させるようにパルス幅変調して出力して、前記スイッチング素子のオン・オフを制御するPWM制御回路とを設けた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において、
前記出力電圧制御回路が、
前記モニタ電圧と基準電位とを比較して、前記モニタ電圧の半波が発生している期間のみハイレベルとなる2値の電圧信号を出力する第1の比較回路と、
前記モニタ電圧をダイオードと抵抗の直列回路を通して入力し、コンデンサと抵抗との並列回路によって積分して、三角波状もしくはそれに類する波形の電圧信号を形成する回路と、
前記2値の電圧信号及び前記三角波状もしくはそれに類する波形の電圧信号を基準電圧と比較して、前記2つの電圧信号の少なくても一方が前記基準電圧より高いときには出力をローレベルにし、前記2つの電圧信号がいずれも前記基準電圧より低いときには出力をハイレベルにし、該出力を前記制御信号として出力する第2の比較回路と
からなることを特徴とする高電圧インバータ装置。 - 前記基準電圧は、前記三角波状もしくはそれに類する波形の電圧信号が最も大きくなった場合でも、前記第2高調波が現れる直前で該電圧信号が前記基準電圧より低くなるように設定されていることを特徴とする請求項2に記載の高電圧インバータ装置。
- 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であって、
前記共振トランスを、同一の特性を持つ個別の複数の共振トランスによって構成し、該複数の共振トランスの各励磁巻線を並列又は直列に接続して同時に励磁させるようにし、該複数の共振トランスの各出力巻線を互いに直列又は並列に接続したことを特徴とする高電圧インバータ装置。 - 前記複数の共振トランスの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請求項4に記載の高電圧インバータ装置。
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