JP2019106830A - Resonance type inverter device, electric power supply, control apparatus, and control program - Google Patents

Resonance type inverter device, electric power supply, control apparatus, and control program Download PDF

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Abstract

To provide a resonance type inverter device capable of achieving a correct zero-volt switching while correctly operating a soft-switching by preventing a hard switching in an inverter circuit, and accurately reducing a switching loss and a noise as a result.SOLUTION: An electric power supply 1 is structured so as to detect an output current output from an inverter circuit 21, detect a potential difference between drain-source of each of semiconductor switching elements Qa to Qd, control a turn-off operation of each of the semiconductor switching elements Qa to Qd on the basis of positive and negative polarities of the output current detected and control a turn-on operation of each of the semiconductor switching elements Qa to Qd on the basis of the positive and negative polarities of the output current detected and the potential difference between the drain-source in each of the semiconductor switching elements detected.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、インバータ回路の出力端に共振回路を直列に接続した共振形インバータ装置などに関する。   The present invention relates to a resonant inverter device or the like in which a resonant circuit is connected in series to an output end of an inverter circuit.

従来、直列共振形インバータ装置におけるターンオン損失を防止するため、フルブリッジ型インバータ回路のスイッチングタイミングを調整する方法が提案されている(例えば、特許文献1)。   Conventionally, in order to prevent the turn-on loss in the series resonant inverter device, a method of adjusting the switching timing of the full bridge inverter circuit has been proposed (for example, Patent Document 1).

例えば、従来の共振形インバータ装置は、正負の極性が周期的に変化する電圧パルスを交互に出力するフルブリッジインバータを構成するインバータ回路と、その出力端にインダクタ(リアクトル)及びコンデンサと、を備えている。   For example, a conventional resonance type inverter device includes an inverter circuit forming a full bridge inverter that alternately outputs voltage pulses whose positive and negative polarities change periodically, and an inductor (reactor) and a capacitor at its output end. ing.

そして、この共振形インバータ装置は、インバータ回路の出力電流値を電流検出器によって検出し、当該検出した電流値に基づき、フルブリッジインバータを構成する半導体スイッチング素子のターンオン/ターンオフのタイミングを調整する構成を有している。   Then, this resonance type inverter device detects the output current value of the inverter circuit by a current detector, and adjusts the turn-on / turn-off timing of the semiconductor switching element constituting the full bridge inverter based on the detected current value. have.

また、このようなインバータ装置は、インバータ回路の出力電流のゼロクロスタイミングを実現することによって、ターンオン又はターンオフ損失を防止することができるようになっている。   In addition, such an inverter device can prevent turn-on or turn-off loss by realizing the zero cross timing of the output current of the inverter circuit.

特開2002−171766号公報JP 2002-171766 A

しかしながら、上記の特許文献1に記載の共振形インバータ装置であっては、ゼロクロスタイミングを補正するために、インバータ回路からの出力電圧パルスにおける周波数を調整している。このため、当該共振形インバータ装置であっては、負荷側において発生したアーク放電に起因する短絡状態の発生など、負荷値が急激に変動すると、インバータ回路は、ハードスイッチングによって動作し、その結果、電力損失の増大、異常発熱、及び、ノイズの増大などの不具合が発生してしまう。   However, in the resonance type inverter device described in Patent Document 1 above, the frequency of the output voltage pulse from the inverter circuit is adjusted in order to correct the zero cross timing. For this reason, in the case of the resonance type inverter device, when the load value changes rapidly, such as occurrence of a short circuit state caused by arc discharge generated on the load side, the inverter circuit operates by hard switching, and as a result, Problems such as increased power loss, abnormal heat generation, and increased noise may occur.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、インバータ回路において、ハードスイッチングを防止してソフトスイッチングを的確に動作させ、かつ、的確なゼロボルトスイッチングを実現し、その結果、スイッチング損失及びノイズを確実に低減させることが可能な共振形インバータ装置などを提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its object is to prevent hard switching in an inverter circuit to operate soft switching properly and to realize accurate zero volt switching. As a result, it is an object of the present invention to provide a resonant inverter device and the like capable of reliably reducing switching loss and noise.

上記課題を解決するため、本発明は、
複数の半導体スイッチング素子を有し、当該半導体スイッチング素子を制御することによって正負の極性が周期的に変化する電圧パルスを交互に出力するフルブリッジ型のインバータ回路と、
前記インバータ回路の出力端に直列に接続されたインダクタ及びコンデンサを備えた共振回路と、
前記インバータ回路から出力される出力電流を検出する電流検出手段と、
前記複数の半導体スイッチング素子のそれぞれのドレイン−ソース間の電位差を検出する電位差検出手段と、
前記検出された出力電流の正負の極性及び前記検出された各半導体スイッチング素子のそれぞれのドレイン−ソース間の電位差に基づいて、前記各半導体スイッチング素子のオン動作及びオフ動作を制御する制御手段と、
を備える、構成を有している。
In order to solve the above problems, the present invention is
A full bridge type inverter circuit having a plurality of semiconductor switching elements, and alternately outputting voltage pulses whose positive and negative polarities periodically change by controlling the semiconductor switching elements;
A resonant circuit comprising an inductor and a capacitor connected in series to an output end of the inverter circuit;
Current detection means for detecting an output current output from the inverter circuit;
Potential difference detection means for detecting the potential difference between the drain and the source of each of the plurality of semiconductor switching elements;
Control means for controlling the on operation and the off operation of each of the semiconductor switching elements based on the positive / negative polarity of the detected output current and the potential difference between the drain and source of each of the detected semiconductor switching elements;
Have a configuration.

また、本発明は、上記に加えて、インバータ回路の入力端に接続された降圧コンバータを備えていてもよい。   In addition to the above, the present invention may further include a step-down converter connected to the input end of the inverter circuit.

さらに、本発明は、
複数の半導体スイッチング素子を有し、当該半導体スイッチング素子を制御することによって正負の極性が周期的に変化する電圧パルスを交互に出力するフルブリッジ型のインバータ回路と、前記インバータ回路の出力端に直列に接続されたインダクタ及びコンデンサを備えた共振回路と、を有する共振形インバータ装置を制御する制御装置であって、
前記インバータ回路の出力端に直列に接続されたインダクタ及びコンデンサを備えた共振回路と、
前記インバータ回路から出力される出力電流を検出する電流検出手段と、
前記複数の半導体スイッチング素子のそれぞれのドレイン−ソース間の電位差を検出する電位差検出手段と、
前記検出された出力電流の正負の極性及び前記検出された各半導体スイッチング素子のそれぞれのドレイン−ソース間の電位差に基づいて、前記各半導体スイッチング素子のオン動作及びオフ動作を制御する制御手段と、
を備える、構成を有していてもよい。
Furthermore, the present invention
A full bridge type inverter circuit having a plurality of semiconductor switching elements and alternately outputting voltage pulses whose positive and negative polarities change periodically by controlling the semiconductor switching elements, and a series connected to the output terminal of the inverter circuit And a resonant circuit including an inductor and a capacitor connected to the
A resonant circuit comprising an inductor and a capacitor connected in series to an output end of the inverter circuit;
Current detection means for detecting an output current output from the inverter circuit;
Potential difference detection means for detecting the potential difference between the drain and the source of each of the plurality of semiconductor switching elements;
Control means for controlling the on operation and the off operation of each of the semiconductor switching elements based on the positive / negative polarity of the detected output current and the potential difference between the drain and source of each of the detected semiconductor switching elements;
And may have a configuration.

なお、本発明は、上記の制御装置をコンピュータに搭載された制御プログラムによって実現してもよい。   Note that the present invention may be realized by a control program installed in a computer.

この構成により、本発明は、負荷の変動などの外的な要因によってインバータ回路から出力される出力電流の正負の極性が変動するような場合であっても、当該正負の極性の変動を矯正すること、すなわち、各半導体スイッチング素子のソース−ドレイン間の電圧に基づいて各半導体スイッチング素子の動作を制御することによってゼロボルトスイッチングを的確に実現することができる。   With this configuration, the present invention corrects the variation of the positive / negative polarity even when the positive / negative polarity of the output current output from the inverter circuit is varied due to an external factor such as a load variation. In other words, by controlling the operation of each semiconductor switching element based on the voltage between the source and the drain of each semiconductor switching element, zero volt switching can be accurately realized.

したがって、本発明は、外的な要因によって発生するハードスイッチングを防止してソフトスイッチングを正常に動作させることができるとともに、フルブリッジ型のインバータ回路などにおいて生ずるスイッチング損失、異常な発熱、及び、スパイク電流や高周波ノイズの発生を確実に低減させること、又は、防止することができる。   Therefore, the present invention can prevent soft switching caused by an external factor to allow soft switching to operate normally, and also causes switching loss, abnormal heat generation, and spike generated in a full bridge inverter circuit or the like. The generation of current or high frequency noise can be reliably reduced or prevented.

本発明に係る一実施形態の電源装置における回路構成の一構成例を示す図である。It is a figure which shows one structural example of the circuit structure in the power supply device of one Embodiment which concerns on this invention. 一実施形態のインバータ回路の基本動作を説明するための回路図(その1)である。It is a circuit diagram (the 1) for explaining basic operation of an inverter circuit of one embodiment. 一実施形態のインバータ回路の基本動作を説明するための回路図(その2)である。It is a circuit diagram (the 2) for demonstrating the basic operation | movement of the inverter circuit of one Embodiment. 一実施形態のインバータ回路の基本動作を説明するための回路図(その3)である。It is a circuit diagram (the 3) for demonstrating the basic operation | movement of the inverter circuit of one Embodiment. 一実施形態のインバータ回路を構成する各スイッチング素子の動作と当該インバータ回路から出力される出力電圧パルス及び出力電流のタイミングを示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the operation of each switching element which constitutes the inverter circuit of one embodiment, and the timing of the output voltage pulse and output current which are outputted from the inverter circuit concerned. 一実施形態のインバータ回路の動作において異常状態を説明するための回路図(その1)である。It is a circuit diagram (the 1) for explaining an abnormal state in operation of an inverter circuit of one embodiment. 一実施形態のインバータ回路の動作において異常状態を説明するための回路図(その2)である。It is a circuit diagram (the 2) for demonstrating an abnormal condition in operation | movement of the inverter circuit of one Embodiment. 一実施形態において、インバータ回路を構成する各スイッチング素子の動作と、当該インバータ回路から出力される出力電圧パルス及び出力電流のタイミングと、各スイッチング素子のD−S間電圧検出信号と、各スイッチング素子のターンオン動作を許可するオン動作許可信号と、の関係を示すタイミングチャートである。In one embodiment, the operation of each switching element forming the inverter circuit, the timing of the output voltage pulse and the output current output from the inverter circuit, the D-S voltage detection signal of each switching element, and each switching element 4 is a timing chart showing the relationship between the on-operation permission signal for permitting the turn-on operation of 一実施形態において、インバータ回路を構成する各スイッチング素子の動作と、当該インバータ回路から出力される出力電圧パルス及び出力電流のタイミングと、各スイッチング素子のD−S間電圧検出信号と、各スイッチング素子のターンオン動作を許可するオン動作許可信号と、の関係を示すタイミングチャートのその他の例である。In one embodiment, the operation of each switching element forming the inverter circuit, the timing of the output voltage pulse and the output current output from the inverter circuit, the D-S voltage detection signal of each switching element, and each switching element And FIG. 16 is another example of a timing chart showing the relationship between the on-operation permission signal for permitting the turn-on operation of the circuit of FIG.

以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。   Hereinafter, the present embodiment will be described. Note that the embodiments described below do not unduly limit the contents of the present invention described in the claims. In addition, not all of the configurations described in the present embodiment are necessarily essential configuration requirements of the present invention.

[1]電源装置
まず、図1を用いて本実施形態の電源装置1の回路構成について説明する。なお、図1は、本実施形態における電源装置1の回路構成を示す図である。
[1] Power Supply Device First, the circuit configuration of the power supply device 1 of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration of the power supply device 1 in the present embodiment.

本実施形態の電源装置1は、直流電圧をコンバータ入力部に印加し、コンバータの直流出力を位相シフトフルブリッジによるPWM(pulse wide modulation)方式のインバータによって交流(矩形波)電圧に変換し、かつ、インダクタとコンデンサによる直列共振タンクにより矩形波を正弦波に変換する直列共振型のインバータである。   The power supply device 1 of the present embodiment applies a DC voltage to the converter input unit, converts the DC output of the converter into an AC (square wave) voltage by a PWM (pulse wide modulation) type inverter with phase shift full bridge, The inverter is a series resonance inverter that converts a rectangular wave to a sine wave by a series resonance tank including an inductor and a capacitor.

また、本実施形態の電源装置1は、例えば、スパッタリング装置、透過電子顕微鏡や走査電子顕微鏡などの各種の電子顕微鏡、磁気共鳴装置や各種の測定装置、高周波誘導加熱装置及び放電管を用いた照明器具に対して、交流電源を供給するためのものである。   In addition, the power supply device 1 of the present embodiment includes, for example, sputtering devices, various electron microscopes such as transmission electron microscopes and scanning electron microscopes, magnetic resonance devices and various measurement devices, illumination using high frequency induction heating devices and discharge tubes. It is for supplying alternating current power to the appliance.

そして、本実施形態の電源装置1は、図1に示すように、直流電圧を降圧して直列共振形インバータ装置20に供給する降圧コンバータ10と、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路21を有する直列共振形インバータ装置20と、直列共振形インバータ装置20を制御する制御回路30と、を備えている。   Then, as shown in FIG. 1, the power supply device 1 of the present embodiment is a step-down converter 10 that steps down DC voltage and supplies it to the series resonant inverter device 20, and an inverter circuit 21 that converts DC voltage to AC voltage. And a control circuit 30 for controlling the series resonant inverter device 20.

降圧コンバータ10は、出力端12に接続された直列共振形インバータ装置20の入力端に対して直流電圧を供給する。特に、降圧コンバータ10は、入力側コンデンサC1及び出力側コンデンサC2と、ダイオードD1と、コンバータ用の半導体スイッチング素子(以下、「コンバータ用スイッチング素子」という。)Q1と、インダクタL1と、有している。なお、例えば、本実施形態の降圧コンバータ10は、本発明の降圧コンバータを構成する。   The step-down converter 10 supplies a DC voltage to the input end of the series resonant inverter device 20 connected to the output end 12. In particular, the step-down converter 10 includes an input-side capacitor C1 and an output-side capacitor C2, a diode D1, a semiconductor switching element for the converter (hereinafter referred to as "converter switching element") Q1, and an inductor L1. There is. For example, the step-down converter 10 of the present embodiment constitutes a step-down converter of the present invention.

具体的には、入力側コンデンサC1及び出力側コンデンサC2は、それぞれ、入力端11(第1の入力端11a及び第2の入力端11b)及び出力端12(第1の出力端12a及び第2の出力端12b)に対して並列に接続されている。   Specifically, the input side capacitor C1 and the output side capacitor C2 respectively have the input end 11 (the first input end 11a and the second input end 11b) and the output end 12 (the first output end 12a and the second end). Are connected in parallel to the output end 12b) of the.

ダイオードD1のアノードは、コンバータ用スイッチング素子Q1のドレイン及びイン
ダクタL1の一端に接続され、当該ダイオードD1のカソードは、入力側コンデンサC1及び出力側コンデンサC2の一端に接続される。
The anode of the diode D1 is connected to the drain of the converter switching element Q1 and one end of the inductor L1, and the cathode of the diode D1 is connected to one end of the input side capacitor C1 and the output side capacitor C2.

コンバータ用スイッチング素子Q1は、N型のMOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor−Field−Effect Transistor)によって構成されている。   The converter switching element Q1 is configured of an N-type MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect Transistor).

また、コンバータ用スイッチング素子Q1は、入力側コンデンサC1の一端及び第2の入力端11bにソース電極(以下、「ソース」ともいう。)が接続され、かつ、ダイオードD1のアノードにドレイン電極(以下、「ドレイン」ともいう。)が接続されている。   The converter switching element Q1 has a source electrode (hereinafter also referred to as a "source") connected to one end of the input-side capacitor C1 and the second input terminal 11b, and a drain electrode (hereinafter referred to as "anode") , Also referred to as “drain”.

インダクタL1は、ダイオードD1のアノード、及び、出力側コンデンサC2の一端及び第2の出力端12bに接続されている。   The inductor L1 is connected to the anode of the diode D1, one end of the output side capacitor C2, and the second output end 12b.

直列共振形インバータ装置20は、降圧コンバータ10によって供給される直流電圧を交流電圧に変換して正負の極性が周期的に変化する電圧パルスを出力するフルブリッジ型のインバータ回路21と、当該インバータ回路21から出力された正負の極性を有する電圧パルスにおけるスイッチング損失を低減する共振回路22と、を有している。   The series resonance type inverter device 20 converts the DC voltage supplied by the step-down converter 10 into an AC voltage and outputs a voltage pulse whose positive and negative polarities periodically change, and the inverter circuit And a resonant circuit 22 for reducing switching loss in voltage pulses having positive and negative polarities output from V.21.

なお、例えば、本実施形態のインバータ回路21は、本発明のインバータ回路を構成し、共振回路22は、本発明の共振回路を構成する。   For example, the inverter circuit 21 of the present embodiment constitutes the inverter circuit of the present invention, and the resonant circuit 22 constitutes the resonant circuit of the present invention.

インバータ回路21は、MOSFETなどの自己消弧形でN型の4つのスイッチング素子Q(以下、それぞれ、「第1スイッチング素子Qa」、「第2スイッチング素子Qb」、「第3スイッチング素子Qc」及び「第4スイッチング素子Qd」という。)を有している。   The inverter circuit 21 includes four self-extinguishing N-type switching elements Q such as MOSFETs (hereinafter referred to as “first switching element Qa”, “second switching element Qb”, “third switching element Qc” and It has "the 4th switching element Qd."

そして、各スイッチング素子Qa〜Qdは、それぞれ、ドレイン−ソース間に寄生ダイオード(以下、「ボディダイオード」という。)BDを内蔵した構成を有している。また、各ボディダイオードBDは、各スイッチング素子Qa〜Qdのドレイン−ソース間に並列接続されている。   Each of the switching elements Qa to Qd has a configuration in which a parasitic diode (hereinafter referred to as a "body diode") BD is built in between the drain and the source. Each body diode BD is connected in parallel between the drain and source of each switching element Qa to Qd.

具体的には、第1スイッチング素子Qaのドレインは、降圧コンバータ10の第1の出力端12aに接続された第1の入力端23a及び第3スイッチング素子Qcのドレインに接続される。そして、第1スイッチング素子Qaのソースは、第2スイッチング素子Qbのドレインに接続される。   Specifically, the drain of the first switching element Qa is connected to the drains of the first input end 23a connected to the first output end 12a of the step-down converter 10 and the drain of the third switching element Qc. The source of the first switching element Qa is connected to the drain of the second switching element Qb.

第2スイッチング素子Qbのドレインは、第1スイッチング素子Qaのソース及び第2の出力端24bに接続される。また、第2スイッチング素子Qbのソースは、降圧コンバータ10の第2の出力端12bに接続された第2の入力端23b及び第4スイッチング素子Qdのソースに接続される。   The drain of the second switching element Qb is connected to the source of the first switching element Qa and the second output end 24b. Further, the source of the second switching element Qb is connected to the sources of the second input end 23b connected to the second output end 12b of the step-down converter 10 and the fourth switching element Qd.

そして、第1スイッチング素子Qaのソースと第2スイッチング素子Qbのドレインとの間に共振回路22の入力端となる第1の接続点CP1が形成される。   Then, a first connection point CP1 which is an input end of the resonant circuit 22 is formed between the source of the first switching element Qa and the drain of the second switching element Qb.

一方、第3スイッチング素子Qcのドレインは、第1の入力端23a及び第1スイッチング素子Qaのドレインに接続される。また、第3スイッチング素子Qcのソースは、第4スイッチング素子Qdのドレインに接続される。   On the other hand, the drain of the third switching element Qc is connected to the first input terminal 23a and the drain of the first switching element Qa. The source of the third switching element Qc is connected to the drain of the fourth switching element Qd.

第4スイッチング素子Qdのドレインは、第3スイッチング素子Qcのソース及び第1
の出力端24aに接続される。また、第4スイッチング素子Qdのソースは、第2の入力端23b及び第2スイッチング素子Qbのソースに接続される。
The drain of the fourth switching element Qd is the source of the third switching element Qc and the first
Are connected to the output end 24a of. The source of the fourth switching element Qd is connected to the second input terminal 23b and the source of the second switching element Qb.

そして、第3スイッチング素子Qcのソースと第4スイッチング素子Qdのドレイン間に共振回路22の入力端となる第2の接続点CP2が形成される。   Then, a second connection point CP2 serving as an input end of the resonance circuit 22 is formed between the source of the third switching element Qc and the drain of the fourth switching element Qd.

なお、第1の接続点CP1及び第2の接続点CP2は、インバータ回路21の出力端を構成する。そして、両接続点CP1−CP2間の電位差((Vsw1−Vsw2)間電圧)は、インバータ回路21の出力電圧パルスとして共振回路22に供給される。   The first connection point CP1 and the second connection point CP2 constitute an output end of the inverter circuit 21. Then, the potential difference (voltage between (Vsw1 and Vsw2)) between both connection points CP1 and CP2 is supplied to the resonance circuit 22 as an output voltage pulse of the inverter circuit 21.

他方、各スイッチング素子Qa〜Qdのベース電極(以下、「ベース」という。)には、それぞれ、制御回路30(具体的には、後述の駆動回路部37)が接続されており、第1スイッチング信号Vga、第2スイッチング信号Vgb、第3スイッチング信号Vgc及び第4スイッチング信号Vgdが供給される。   On the other hand, a control circuit 30 (specifically, a drive circuit unit 37 described later) is connected to a base electrode (hereinafter referred to as "base") of each of the switching elements Qa to Qd, and the first switching is performed. A signal Vga, a second switching signal Vgb, a third switching signal Vgc and a fourth switching signal Vgd are provided.

特に、各スイッチング素子Qa〜Qdは、それぞれ、対応するスイッチング信号Vga〜Vgdが「Low」レベル(以下、「Lレベル」という。)から「Hi」レベル(以下、「Hレベル」という。)に上昇すると、ターンオン(オン動作)する。そして、各スイッチング素子Qa〜Qdは、対応するスイッチング信号Vga〜Vgdが「H」レベルに維持されている間は、オン状態を維持する。   In particular, in each of the switching elements Qa to Qd, the corresponding switching signals Vga to Vgd are changed from "Low" level (hereinafter referred to as "L level") to "Hi" level (hereinafter referred to as "H level"). When it rises, it turns on (on operation). Each of switching elements Qa to Qd maintains the on state while corresponding switching signals Vga to Vgd are maintained at the “H” level.

また、各スイッチング素子Qa〜Qdは、対応するスイッチング信号Vga〜Vgdが、「H」レベルから「L」レベルに下降すると、ターンオフ(オフ動作)する。そして、各スイッチング素子Qa〜Qdは、対応するスイッチング信号Vga〜Vgdが「L」レベルに維持されている間は、オフ状態を維持する。   Each of switching elements Qa to Qd is turned off (turned off) when corresponding switching signals Vga to Vgd are lowered from the “H” level to the “L” level. Each switching element Qa to Qd maintains the off state while the corresponding switching signals Vga to Vgd are maintained at the “L” level.

なお、本実施形態においては、各スイッチング素子Qa〜Qdのオンタイミング及びオフタイミングを調整することによって、ソフトスイッチング動作を実現し、電源装置1(具体的には、インバータ回路21)におけるスイッチング損失を低減することができるようになっている。   In the present embodiment, the soft switching operation is realized by adjusting the on timing and the off timing of each of the switching elements Qa to Qd, and the switching loss in the power supply device 1 (specifically, the inverter circuit 21) is It can be reduced.

共振回路22は、インバータ回路21から出力された所望の交流電圧や交流電流を出力端24から外部に出力する構成を有している。具体的には、共振回路22は、第1の接続点CP1に直列に接続されたインダクタL2と、第2の接続点CP2に直列に接続されたコンデンサC3と、一次側がコンデンサC3の出力側及びインダクタL2の出力側に接続され、かつ、二次側が出力端24に接続されるトランスT1と、を有している。   The resonant circuit 22 is configured to output a desired AC voltage or AC current output from the inverter circuit 21 from the output terminal 24 to the outside. Specifically, the resonant circuit 22 includes an inductor L2 connected in series to the first connection point CP1, a capacitor C3 connected in series to the second connection point CP2, and an output side of the capacitor C3 on the primary side. And a transformer T1 connected to the output side of the inductor L2 and whose secondary side is connected to the output end 24.

特に、インダクタL2の一端は、第1スイッチング素子Qa及び第2スイッチング素子Qb間に形成された第1の接続点CP1に接続され、当該インダクタL2の他端は、トランスT1の一次巻線Lpの一端に接続される。   In particular, one end of the inductor L2 is connected to a first connection point CP1 formed between the first switching element Qa and the second switching element Qb, and the other end of the inductor L2 is connected to the primary winding Lp of the transformer T1. Connected to one end.

また、コンデンサC3の一端は、第3スイッチング素子Qc及び第4スイッチング素子Qd間に形成された第2の接続点CP2に接続され、当該コンデンサC3の他端は、トランスT1の一次巻線Lpの他端に接続される。   Further, one end of the capacitor C3 is connected to a second connection point CP2 formed between the third switching element Qc and the fourth switching element Qd, and the other end of the capacitor C3 is connected to the primary winding Lp of the transformer T1. Connected to the other end.

制御回路30は、インバータ回路21を構成する各スイッチング素子Qa〜Qdのオン/オフを制御するため、
(1)共振回路22を構成するコンデンサC3の電圧を検出して当該コンデンサC3に流れる電流を算出し、
(2)直列共振形インバータ装置20の出力電圧Vo及び出力電流Io(すなわち、電源
装置1の出力電流)を検出し、
(3)各スイッチング素子Qa〜Qdのドレイン−ソース間の電圧(以下、「ドレイン−ソース電圧」という。)を検出し、
(4)(1)〜(3)の検出結果に基づいて、所定の演算を実行して各スイッチング素子Qa〜Qdを駆動制御する、
構成を有している。なお、本実施形態における制御回路30の構成及びその動作の詳細については、後述する。
The control circuit 30 controls on / off of each of the switching elements Qa to Qd constituting the inverter circuit 21.
(1) The voltage of the capacitor C3 constituting the resonant circuit 22 is detected to calculate the current flowing through the capacitor C3,
(2) detecting an output voltage Vo and an output current Io of the series resonant inverter device 20 (that is, an output current of the power supply device 1);
(3) The voltage between the drain and source of each of the switching elements Qa to Qd (hereinafter referred to as "drain-source voltage") is detected;
(4) Based on the detection results of (1) to (3), execute predetermined operations to drive and control the switching elements Qa to Qd.
It has a configuration. The details of the configuration of the control circuit 30 and the operation thereof in the present embodiment will be described later.

[2]インバータ回路の駆動制御
[2.1]インバータ回路の基本動作
次に、図2〜図5を用いて、本実施形態の直列共振形インバータ装置20におけるインバータ回路21の基本動作について説明する。なお、図2〜図4は、本実施形態のインバータ回路21の基本動作を説明するための回路図である。また、図5は、本実施形態のインバータ回路21における各スイッチング素子Qa〜Qdの動作と、当該インバータ回路21から出力される出力電圧パルス及び出力電流のタイミングと、を説明するためのタイミングチャートである。
[2] Drive Control of Inverter Circuit [2.1] Basic Operation of Inverter Circuit Next, the basic operation of the inverter circuit 21 in the series resonant inverter device 20 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. . 2 to 4 are circuit diagrams for explaining the basic operation of the inverter circuit 21 of the present embodiment. FIG. 5 is a timing chart for explaining the operation of each of the switching elements Qa to Qd in the inverter circuit 21 of the present embodiment and the timing of the output voltage pulse and the output current output from the inverter circuit 21. is there.

本実施形態のインバータ回路21は、
(1)第1スイッチング素子Qa及び第4スイッチング素子Qdから構成され、かつ、同時にオン動作する第1組スイッチ(以下、「第1半導体スイッチング素子群」ともいう。)と、
(2)第2スイッチング素子Qb及び第3スイッチング素子Qcから構成され、かつ、同時にオン動作する第2組スイッチ(以下、「第2半導体スイッチング素子群」ともいう。)と、
から構成される。
The inverter circuit 21 of the present embodiment is
(1) A first set of switches (hereinafter, also referred to as "first semiconductor switching element group") configured of the first switching element Qa and the fourth switching element Qd and turned on simultaneously.
(2) A second set of switches (hereinafter, also referred to as "second semiconductor switching element group") configured of the second switching element Qb and the third switching element Qc and turned on simultaneously.
It consists of

そして、駆動回路部37において生成された各スイッチング信号Vga〜Vgdがそれぞれ各スイッチング素子Qa〜Qdのゲートに供給されると、各スイッチング素子Qa〜Qdは、駆動する。   Then, when the switching signals Vga to Vgd generated in the drive circuit unit 37 are respectively supplied to the gates of the switching elements Qa to Qd, the switching elements Qa to Qd are driven.

特に、インバータ回路21は、図2〜図4に示すように、各スイッチング信号Vga〜Vgdに基づいて、以下に説明する動作モードm1〜m6を繰り返し、正負の極性を有する出力電圧パルス(Vsw1−Vsw2)及び出力電流(Isw)を出力する。   In particular, as shown in FIGS. 2 to 4, the inverter circuit 21 repeats the operation modes m1 to m6 described below based on the switching signals Vga to Vgd, and outputs the output voltage pulse (Vsw1−) having positive and negative polarities. Output Vsw2) and output current (Isw).

例えば、インバータ回路21は、図5(A)〜(D)に示す各スイッチング信号Vga〜Vgdがスイッチング素子Qa〜Qdのゲートに供給される場合には、第1の接続点CP1及び第2の接続点CP2を介して、図5(E)に示す正負の極性を有する出力電圧パルス(Vsw1−Vsw2)及び図5(F)に示す出力電流Iswを共振回路22に出力する。   For example, when the switching signals Vga to Vgd shown in FIGS. 5A to 5D are supplied to the gates of the switching elements Qa to Qd, the inverter circuit 21 performs the first connection point CP1 and the second connection point CP1. The output voltage pulse (Vsw1−Vsw2) having positive and negative polarities shown in FIG. 5E and the output current Isw shown in FIG. 5F are output to the resonance circuit 22 via the connection point CP2.

(1)動作モードm1(図2(A))
まず、図5に示すように、タイミングt12において第1スイッチング素子Qaがオン状態となり、かつ、タイミングt14において第4スイッチング素子Qdがオン状態となると、インバータ回路21は、動作モードが「m1」に遷移し、出力電圧パルス(Vsw1−Vsw2)は、振幅レベルVmを有する正の出力電圧パルスとなる(図5(E))。
(1) Operation mode m1 (FIG. 2 (A))
First, as shown in FIG. 5, when the first switching element Qa is turned on at timing t12 and the fourth switching element Qd is turned on at timing t14, the inverter circuit 21 is set to the operation mode "m1". A transition is made, and the output voltage pulse (Vsw1-Vsw2) becomes a positive output voltage pulse having an amplitude level Vm (FIG. 5 (E)).

このとき、降圧コンバータ10から出力された出力電流は、図2(A)に示すように、スイッチング素子Qaのドレイン−ソース間を順方向に流れ、第1の接続点CP1を介して共振回路22に出力電流Isw(正(図面に対して右向き))として出力される。   At this time, as shown in FIG. 2A, the output current output from step-down converter 10 flows in the forward direction between the drain and source of switching element Qa, and resonant circuit 22 via first connection point CP1. Output current Isw (positive (rightward with respect to the drawing)).

そして、共振回路22から第2の接続点CP2を介して還流された電流は、図2(A)に示すように、第4スイッチング素子Qdのドレイン−ソース間を順方向に流れて、降圧コンバータ10(具体的には、出力側コンデンサC2)に還流する。   Then, the current returned from the resonant circuit 22 through the second connection point CP2 flows in the forward direction between the drain and source of the fourth switching element Qd as shown in FIG. Reflux to 10 (specifically, the output side capacitor C2).

なお、このとき、第2スイッチング素子Qb及び第3スイッチング素子Qcは、オフ状態となっている。   At this time, the second switching element Qb and the third switching element Qc are in the off state.

(2)動作モードm2(図2(B))
次いで、図5に示すように、動作モードm1中のタイミングt21において、第1スイッチング素子Qaがオフ状態になると、当該第1スイッチング素子Qaに流れていた順方向電流が、第2スイッチング素子Qbのボディダイオードに流れる。
(2) Operation mode m2 (FIG. 2 (B))
Next, as shown in FIG. 5, when the first switching element Qa is turned off at timing t21 in the operation mode m1, the forward current flowing through the first switching element Qa is the current of the second switching element Qb. It flows to the body diode.

そして、図5に示すように、所定の期間(デッドタイム期間)の経過後のタイミングt22において、第2スイッチング素子Qbがオン状態になると、動作モードが「m2」に遷移し、出力電圧パルス(Vsw1−Vsw2)は、「0」となる(図5(E))。   Then, as shown in FIG. 5, when the second switching element Qb is turned on at timing t22 after a predetermined period (dead time period) has elapsed, the operation mode transitions to “m2”, and the output voltage pulse ( Vsw1−Vsw2) becomes “0” (FIG. 5E).

このとき、図2(B)に示すように、第4スイッチング素子Qdのボディダイオードに流れていた電流は、第2スイッチング素子Qbのドレイン−ソース間を逆方向に流れ、第1の接続点CP1を介して出力電流Isw(正)として共振回路22に出力される。   At this time, as shown in FIG. 2B, the current flowing in the body diode of the fourth switching element Qd flows in the reverse direction between the drain and source of the second switching element Qb, and the first connection point CP1 , And is output to the resonance circuit 22 as an output current Isw (positive).

そして、共振回路22から第2の接続点CP2を介して還流された電流は、図2(B)に示すように、第4スイッチング素子Qdのドレイン−ソース間を順方向に流れて、再び第2スイッチング素子Qbに還流する。   Then, the current returned from the resonant circuit 22 through the second connection point CP2 flows in the forward direction between the drain and source of the fourth switching element Qd as shown in FIG. 2 Reflux to the switching element Qb.

なお、このとき、第1スイッチング素子Qa及び第3スイッチング素子Qcは、オフ状態となっている。   At this time, the first switching element Qa and the third switching element Qc are in the off state.

(3)動作モードm3(図3(A))
次いで、図5に示すように、動作モードm2中のタイミングt23において、第4スイッチング素子Qdがオフ状態になると、当該第4スイッチング素子Qdのドレイン−ソース間を流れていた順方向の電流が、第3スイッチング素子Qcのボディダイオードに流れる。
(3) Operation mode m3 (FIG. 3 (A))
Then, as shown in FIG. 5, when the fourth switching element Qd is turned off at timing t23 in the operation mode m2, the forward current flowing between the drain and source of the fourth switching element Qd is: It flows to the body diode of the third switching element Qc.

そして、図5に示すように、所定の期間(デッドタイム期間)の経過後のタイミングt24において、第3スイッチング素子Qcがオン状態になると、それまで第3スイッチング素子Qcのボディダイオードに流れていた電流が、当該第3スイッチング素子Qcのドレイン−ソース間を流れる。   Then, as shown in FIG. 5, when the third switching element Qc is turned on at a timing t24 after a predetermined period (dead time period) has elapsed, the current has flowed to the body diode of the third switching element Qc. A current flows between the drain and source of the third switching element Qc.

このとき、動作モードは、「m2」から「m3」に遷移し、出力電圧パルス(Vsw1−Vsw2)は、振幅レベルVmを有する負の出力電圧パルスとなる(図5(E))。   At this time, the operation mode changes from “m2” to “m3”, and the output voltage pulse (Vsw1−Vsw2) becomes a negative output voltage pulse having the amplitude level Vm (FIG. 5 (E)).

また、このとき、図3(A)に示すように、降圧コンバータ10(具体的には、出力側コンデンサC2)から第2スイッチング素子Qbのドレイン−ソース間を逆方向に電流が流れ、当該電流が、第1の接続点CP1を介して出力電流Isw(正)として共振回路22に出力される。   At this time, as shown in FIG. 3A, a current flows from the step-down converter 10 (specifically, the output-side capacitor C2) in the reverse direction between the drain and source of the second switching element Qb. Is output to the resonance circuit 22 as the output current Isw (positive) through the first connection point CP1.

そして、共振回路22から第2の接続点CP2を介して還流された電流は、図3(A)に示すように、第3スイッチング素子Qcのドレイン−ソース間を逆方向に流れて、降圧コンバータ10(具体的には、出力側コンデンサC2)に還流する。   Then, the current returned from the resonant circuit 22 through the second connection point CP2 flows in the reverse direction between the drain and source of the third switching element Qc as shown in FIG. Reflux to 10 (specifically, the output side capacitor C2).

また、本モードにおけるデットタイム期間は、第3スイッチング素子Qc及び第4スイッチング素子Qd間の貫通電流を防止するために設けられている。   Further, the dead time period in this mode is provided to prevent a through current between the third switching element Qc and the fourth switching element Qd.

(4)動作モードm4(図3(B))
次いで、図5に示すように、動作モードm3に遷移してから所定の期間経過後に、当該動作モードm3時に流れていた出力電流Iswが、共振回路22の作用(すなわち、Vsw1−Vsw2間の共振タンクの働き)によって反転し、動作モードが「m4」に遷移する。ただし、このとき、出力電圧パルス(Vsw1−Vsw2)は、図5(E)に示すように、振幅レベルVmを有する負の出力電圧パルスを維持している。
(4) Operation mode m4 (FIG. 3 (B))
Then, as shown in FIG. 5, the output current Isw flowing at the time of the operation mode m3 passes the operation of the resonance circuit 22 (that is, the resonance between Vsw1 and Vsw2) after elapse of a predetermined period after transition to the operation mode m3. The operation mode is switched to "m4" by reversing by the function of the tank). However, at this time, as shown in FIG. 5E, the output voltage pulse (Vsw1-Vsw2) maintains a negative output voltage pulse having an amplitude level Vm.

このとき、図3(B)に示すように、降圧コンバータ10(具体的には、出力側コンデンサC2)からの電流が、第3スイッチング素子Qcのドレイン−ソース間を順方向に流れ、第2の接続点CP2を介して出力電流Isw(負)として共振回路22に出力される。   At this time, as shown in FIG. 3B, the current from the step-down converter 10 (specifically, the output-side capacitor C2) flows in the forward direction between the drain and source of the third switching element Qc. The output current Isw (negative) is output to the resonance circuit 22 via the connection point CP2 of

そして、共振回路22から第1の接続点CP1を介して還流された電流は、図3(B)に示すように、第2スイッチング素子Qbのドレイン−ソース間を順方向に流れて、降圧コンバータ10(具体的には、出力側コンデンサC2)に還流する。   Then, the current returned from the resonant circuit 22 via the first connection point CP1 flows in the forward direction between the drain and source of the second switching element Qb as shown in FIG. Reflux to 10 (specifically, the output side capacitor C2).

(5)動作モードm5(図4(A))
次いで、図5に示すように、動作モードm4中のタイミングt31において、第2スイッチング素子Qbがオフ状態になると、当該第2スイッチング素子Qbのドレイン−ソース間を順方向に流れていた電流が、第1スイッチング素子Qaのボディダイオードに流れる。
(5) Operation mode m5 (FIG. 4 (A))
Next, as shown in FIG. 5, when the second switching element Qb is turned off at timing t31 in the operation mode m4, the current flowing in the forward direction between the drain and source of the second switching element Qb is It flows to the body diode of the first switching element Qa.

そして、図5に示すように、所定の期間(デッドタイム期間)の経過後のタイミングt32において、再び第1スイッチング素子Qaがオン状態になると、それまで第1スイッチング素子Qaのボディダイオードに流れていた電流が、当該第1スイッチング素子Qaのドレイン−ソース間を流れ、動作モードが「m5」に遷移する。ただし、出力電圧パルス(Vsw1−Vsw2)は、図5(E)に示すように、振幅レベルVmを有する負の出力電圧パルスを維持している。   Then, as shown in FIG. 5, when the first switching element Qa is turned on again at timing t32 after a predetermined period (dead time period) has elapsed, the current has flowed to the body diode of the first switching element Qa. Current flows between the drain and source of the first switching element Qa, and the operation mode transitions to "m5". However, as shown in FIG. 5E, the output voltage pulse (Vsw1−Vsw2) maintains a negative output voltage pulse having an amplitude level Vm.

このとき、図4(A)に示すように、第3スイッチング素子Qcのドレイン−ソース間を順方向に流れていた電流が、第2の接続点CP2を介して出力電流Isw(負)として共振回路22に出力される。   At this time, as shown in FIG. 4A, the current flowing in the forward direction between the drain and source of the third switching element Qc resonates as the output current Isw (negative) through the second connection point CP2. It is output to the circuit 22.

そして、共振回路22から第1の接続点CP1を介して還流した電流は、図4(A)に示すように、第1スイッチング素子Qaのドレイン−ソース間を逆方向に流れて、第3スイッチング素子Qcに還流する。   Then, the current returned from the resonant circuit 22 through the first connection point CP1 flows in the reverse direction between the drain and source of the first switching element Qa, as shown in FIG. Reflux to the element Qc.

(6)動作モードm6(図4(B))
次いで、図5に示すように、動作モードm5中のタイミングt33において、第3スイッチング素子Qcがオフ状態になると、当該第3スイッチング素子Qcのドレイン−ソース間を順方向に流れていた電流が、第4スイッチング素子Qdのボディダイオードに流れ、動作モードが「m6」に遷移する。ただし、出力電圧パルス(Vsw1−Vsw2)は、図5(E)に示すように、振幅レベルVmを有する負の出力電圧パルスを維持している。
(6) Operation mode m6 (FIG. 4 (B))
Next, as shown in FIG. 5, when the third switching element Qc is turned off at timing t33 in the operation mode m5, the current flowing in the forward direction between the drain and source of the third switching element Qc is The current flows to the body diode of the fourth switching element Qd, and the operation mode transitions to "m6". However, as shown in FIG. 5E, the output voltage pulse (Vsw1−Vsw2) maintains a negative output voltage pulse having an amplitude level Vm.

このとき、図4(B)に示すように、降圧コンバータ10(具体的には、出力側コンデンサC2)から第4スイッチング素子Qdのボディダイオードに電流が流れ、第2の接続
点CP2を介して出力電流Isw(負)として共振回路22に出力される。
At this time, as shown in FIG. 4B, a current flows from the step-down converter 10 (specifically, the output-side capacitor C2) to the body diode of the fourth switching element Qd, and via the second connection point CP2. The output current Isw (negative) is output to the resonance circuit 22.

そして、共振回路22から第1の接続点CP1介して還流した電流は、図4(B)に示すように、第1スイッチング素子Qaのドレイン−ソース間を逆方向に流れて、降圧コンバータ10(具体的には、出力側コンデンサC2)に還流する。   Then, the current returned from the resonant circuit 22 through the first connection point CP1 flows in the reverse direction between the drain and source of the first switching element Qa in the reverse direction as shown in FIG. Specifically, it returns to the output side capacitor C2).

なお、この後に、図5に示すように、タイミングt34が到来すると、動作モードm1に遷移して出力電流Iswの向きが反転する。そして、上記の動作モードが順次遷移することによって動作モードm1〜m6を繰り返すようになっている。   After that, as shown in FIG. 5, when the timing t34 arrives, the operation mode m1 is entered and the direction of the output current Isw is reversed. The operation modes m1 to m6 are repeated by sequentially transitioning the above operation modes.

このように、「m1」〜「m6」の動作モードの遷移を繰り返して動作することによって、共振回路22に出力される出力電流Iswの値は、図5(F)に示す正弦波形を形成するようになっている。ただし、各動作モードへの切換タイミングは、ソフトスイッチングを行うため、極性が反転する前にスイッチングを行うようになっている。   Thus, the value of the output current Isw output to the resonant circuit 22 forms the sine waveform shown in FIG. 5F by repeatedly operating the transition of the operation mode from “m1” to “m6”. It is supposed to be. However, since the soft switching is performed at the switching timing to each operation mode, the switching is performed before the polarity is reversed.

[2.2]本実施形態のインバータ回路における動作概要
次に、図6及び図7を用いて、基本動作中において生ずる異常状態について説明しつつ、本実施形態のインバータ回路21における動作概要について説明する。なお、図6及び図7は、本実施形態のインバータ回路21の基本動作中における異常状態を説明するための回路図である。
[2.2] Operation outline of the inverter circuit of the present embodiment Next, an operation outline of the inverter circuit 21 of the present embodiment will be described while describing an abnormal state occurring during basic operation with reference to FIGS. 6 and 7. Do. 6 and 7 are circuit diagrams for describing an abnormal state during basic operation of the inverter circuit 21 of the present embodiment.

本実施形態のインバータ回路21は、基本動作においては、上述のように「m1」〜「m6」の動作モードの遷移を繰り返して動作する。しかしながら、インバータ回路21にあっては、負荷側におけるアーク放電の発生などによる短絡状態の発生や負荷値の急激な変動が生じると、出力電流Iswの向き(すなわち、正負の極性)などを含めて上述の動作モードと異なる手順になる場合がある。   In the basic operation, the inverter circuit 21 of the present embodiment operates by repeating the transition of the operation mode of “m1” to “m6” as described above. However, in the inverter circuit 21, when the occurrence of a short circuit state due to the occurrence of an arc discharge on the load side or the like and the rapid fluctuation of the load value occur, the direction of the output current Isw (that is, the positive or negative polarity) is included. The procedure may be different from the above-mentioned operation mode.

この場合においては、インバータ回路21の動作は、上記の動作モードm1〜m6を繰り返す一連の動作手順通りには遷移せず、各スイッチング素子Qa〜Qdにおけるスイッチング動作が、ソフトスイッチング動作ではなく、ハードスイッチング動作になる場合も多い。   In this case, the operation of inverter circuit 21 does not transition according to a series of operation procedures repeating the above operation modes m1 to m6, and the switching operation in each switching element Qa to Qd is not soft switching operation but hard In many cases, switching operation is performed.

そして、このようにハードスイッチング動作が発生した場合には、直列共振形インバータ装置20においては、スイッチング損失が発生し、電力損失が生じることとなる。   Then, when the hard switching operation occurs in this manner, in the series resonant inverter device 20, a switching loss occurs and a power loss occurs.

また、第1スイッチング素子Qa及び第2スイッチング素子Qbの組み合わせ、又は、第3スイッチング素子Qcと第4スイッチング素子Qdの組み合わせのうち、一方のスイッチング素子Qがオフ状態に移行した場合には、回路構成上、図示せぬ寄生容量への充電が実行されることになる。   In addition, when one switching element Q of the combination of the first switching element Qa and the second switching element Qb or the combination of the third switching element Qc and the fourth switching element Qd shifts to the off state, the circuit Due to the configuration, charging to a parasitic capacitance (not shown) will be performed.

しかしながら、デッドタイム期間の後に反対側のオフ状態のスイッチング素子Qがオン状態に移行すると、負荷条件により、その充電が不十分になる。このため、その状態でターンオンしようとするスイッチング素子Qのドレイン−ソース間電圧が0V(ボルト)に至らず、ゼロボルトスイッチングを実現することができない。   However, when the opposite off-state switching element Q shifts to the on-state after the dead time period, the load condition causes the charge to be insufficient. Therefore, the voltage between the drain and source of the switching element Q to be turned on in that state does not reach 0 V (volt), and zero volt switching can not be realized.

したがって、この場合においても、ハードスイッチング動作が発生し、スイッチング損失の増大、異常発熱や高周波ノイズなどの発生要因となる。   Therefore, also in this case, a hard switching operation occurs, which causes an increase in switching loss, abnormal heat generation, high frequency noise, and the like.

具体的には、上記の動作モードm4中において、アーク放電などが発生して出力電流Iswの向き(すなわち、正負の極性)が反転すると、インバータ回路21においては、図
6(A)に示すように、降圧コンバータ10から出力された電流は、第2スイッチング素子Qbのドレイン−ソース間を逆方向に流れ、第1の接続点CP1を介して出力電流Isw(正)として共振回路22に出力される。
Specifically, in the above-described operation mode m4, when arc discharge or the like occurs and the direction (that is, the positive / negative polarity) of the output current Isw is inverted, as shown in FIG. The current output from the step-down converter 10 flows in the reverse direction between the drain and source of the second switching element Qb, and is output to the resonant circuit 22 as the output current Isw (positive) through the first connection point CP1. Ru.

そして、共振回路22から第2の接続点CP2を介して還流した電流は、図6(A)に示すように、第3スイッチング素子Qcのドレイン−ソース間を逆方向に流れ、降圧コンバータ10に還流する。   Then, the current returned from the resonance circuit 22 through the second connection point CP2 flows in the reverse direction between the drain and source of the third switching element Qc, as shown in FIG. Reflux.

また、この動作モードm4の異常状態中にタイミングt31が到来して第2スイッチング素子Qbがオフ状態になると、当該第2スイッチング素子Qbのドレイン−ソース間において逆方向に流れていた電流が、当該第2スイッチング素子Qbのボディダイオードに流れてしまう。この結果、当該電流の経路が、第2スイッチング素子Qbから第1スイッチング素子Qaに遷移しなくなってしまう。   In addition, when the timing t31 arrives in the abnormal state of the operation mode m4 and the second switching element Qb is turned off, the current flowing in the opposite direction between the drain and source of the second switching element Qb It flows to the body diode of the second switching element Qb. As a result, the path of the current does not transition from the second switching element Qb to the first switching element Qa.

すなわち、このとき、降圧コンバータ10の出力電流は、第2スイッチング素子Qbのドレイン−ソース間を逆方向に流れ、第1の接続点CP1から第2の接続点CP2と流れた後に、第3スイッチング素子Qcのドレイン−ソース間を流れる。このため、降圧コンバータ10に還流する状態が継続することとなる。この結果、上記の動作モードm4(正常状態)と比較すると、出力電流Iswの向きが反転した状態となり、異常状態となる。   That is, at this time, the output current of the step-down converter 10 flows in the reverse direction between the drain and source of the second switching element Qb, and after flowing from the first connection point CP1 to the second connection point CP2, the third switching It flows between the drain and source of the element Qc. For this reason, the state of returning to the step-down converter 10 continues. As a result, as compared with the above operation mode m4 (normal state), the direction of the output current Isw is reversed, resulting in an abnormal state.

さらに、動作モードm4の異常状態中のタイミングt32において、第1スイッチング素子Qaがオン状態になると、それまで第2スイッチング素子Qbのボディダイオードに流れていた電流が、第1スイッチング素子Qaのドレイン−ソース間を順方向に流れ、動作モードが「m5」に遷移する。   Furthermore, at timing t32 in the abnormal state of the operation mode m4, when the first switching element Qa is turned on, the current flowing to the body diode of the second switching element Qb is the drain current of the first switching element Qa. Flowing forward between the sources, the operation mode transitions to "m5".

このとき、第1スイッチング素子Qaには、振幅レベルVmを有する電圧と、第2スイッチング素子Qbのボディダイオードの順方向電圧(Vbbd)の合計である電圧(Vm+Vbbd)が印加されることになる。この結果、当該タイミングにおいては、第1スイッチング素子Qaのゼロボルトスイッチングを実現することができず、ハードスイッチング動作が発生するため、動作モードm5においても異常状態となる。 At this time, a voltage (Vm + Vb bd ) which is the sum of the voltage having the amplitude level Vm and the forward voltage (Vb bd ) of the body diode of the second switching element Qb is applied to the first switching element Qa. Become. As a result, at this timing, zero volt switching of the first switching element Qa can not be realized, and a hard switching operation occurs, so that an abnormal state also occurs in the operation mode m5.

すなわち、動作モードm5(異常状態)においては、インバータ回路21においては、図6(B)に示すように、第1スイッチング素子Qaのドレイン−ソース間を順方向に流れていた電流が、第1の接続点CP1を介して出力電流Isw(正)として共振回路22に出力される。   That is, in the operation mode m5 (abnormal state), in the inverter circuit 21, as shown in FIG. 6B, the current flowing in the forward direction between the drain and source of the first switching element Qa is the first The output current Isw (positive) is output to the resonance circuit 22 via the connection point CP1 of

そして、共振回路22から第2の接続点CP2を介して還流した電流は、図6(B)に示すように、第3スイッチング素子Qcのドレイン−ソース間を逆方向に流れ、第1スイッチング素子Qaのドレインに還流することになる。この結果、上記の動作モードm5(正常状態)と比較すると、出力電流Iswの向きが反転した状態となり、異常状態となる。   Then, the current returned from the resonant circuit 22 through the second connection point CP2 flows in the reverse direction between the drain and source of the third switching element Qc as shown in FIG. 6B, and the first switching element It will return to the drain of Qa. As a result, as compared with the above operation mode m5 (normal state), the direction of the output current Isw is reversed, which results in an abnormal state.

上記に加えて、動作モードm5の異常状態中のタイミングt33において、第3スイッチング素子Qcがオフ状態になると、当該第3スイッチング素子Qcのドレイン−ソース間において逆方向に流れていた電流が、当該第3スイッチング素子Qcのボディダイオードに流れてしまう。この結果、当該電流の経路が、第3スイッチング素子Qcから第4スイッチング素子Qdに遷移しなくなってしまう。   In addition to the above, when the third switching element Qc is turned off at timing t33 in the abnormal state of the operation mode m5, the current flowing in the opposite direction between the drain and source of the third switching element Qc It flows to the body diode of the third switching element Qc. As a result, the path of the current does not transition from the third switching element Qc to the fourth switching element Qd.

すなわち、この場合において、第1スイッチング素子Qaのドレイン−ソース間を順方向に流れる電流は、第1の接続点CP1を介して出力電流Isw(正)として共振回路2
2に出力されることになる。
That is, in this case, the current flowing in the forward direction between the drain and source of the first switching element Qa is the resonant circuit 2 as the output current Isw (positive) through the first connection point CP1.
It will be output to 2.

そして、共振回路22から第2の接続点CP2を介して還流した電流は、図6(B)と同様に、第3スイッチング素子Qcのボディダイオードを流れ、第1スイッチング素子Qaドレインに還流することになる。   Then, the current returned from the resonant circuit 22 via the second connection point CP2 flows through the body diode of the third switching element Qc and returns to the drain of the first switching element Qa, as in FIG. 6B. become.

特に、第1スイッチング素子Qaのドレイン−ソース間を順方向に流れる電流は、第1の接続点CP1から第2の接続点CP2と流れた後に、第3スイッチング素子Qcのボディダーオードを流れる。このため、第1スイッチング素子Qaのドレインに還流する状態が継続する。この状態は、上記の動作モードm5(正常状態)と比較すると、出力電流Iswの向きが反転した状態となり、異常状態となる。   In particular, the current flowing in the forward direction between the drain and the source of the first switching element Qa flows from the first connection point CP1 to the second connection point CP2, and then flows through the body of the third switching element Qc. Therefore, the state of refluxing to the drain of the first switching element Qa continues. In this state, the direction of the output current Isw is reversed as compared with the above-described operation mode m5 (normal state), resulting in an abnormal state.

またさらに、動作モードm5の異常状態中のタイミングt34において、第4スイッチング素子Qdがオン状態になると、当該第3スイッチング素子Qcのボディダイオードに流れていた電流が、第4スイッチング素子Qdのソース−ドレイン間を順方向に流れ、動作モードが「m6」に遷移する。   Furthermore, when the fourth switching element Qd is turned on at timing t34 in the abnormal state of the operation mode m5, the current flowing in the body diode of the third switching element Qc is the source of the fourth switching element Qd. The current flows between the drains in the forward direction, and the operation mode transitions to "m6".

このとき、第4スイッチング素子Qdには、振幅レベルVmを有する電圧と、第3スイッチング素子Qcのボディダイオードの順方向電圧(Vcbd)の合計である電圧(Vm+Vcbd)が印加されることになる。この結果、当該タイミングにおいては、第4スイッチング素子Qdのゼロボルトスイッチングを実現することができず、ハードスイッチング動作が発生するため、動作モードm6においても異常状態となる。 At this time, a voltage (Vm + Vcbd ) which is a sum of a voltage having an amplitude level Vm and a forward voltage ( Vcbd ) of a body diode of the third switching element Qc is applied to the fourth switching element Qd. Become. As a result, at this timing, zero volt switching of the fourth switching element Qd can not be realized, and a hard switching operation occurs, so that an abnormal state also occurs in the operation mode m6.

すなわち、動作モードm6(異常状態)においては、図7に示すように、第1スイッチング素子Qaのドレイン−ソース間を順方向に流れていた電流が、第1の接続点CP1を介して出力電流Isw(正)として共振回路22に出力される。   That is, in the operation mode m6 (abnormal state), as shown in FIG. 7, the current flowing in the forward direction between the drain and the source of the first switching element Qa is output current through the first connection point CP1. It is output to the resonance circuit 22 as Isw (positive).

そして、共振回路22から第2の接続点CP2を介して還流した電流は、図7に示すように、第4スイッチング素子Qdのドレイン−ソース間を順方向に流れ、降圧コンバータ10(具体的には、出力側コンデンサC2)に還流することになる。この結果、上記の動作モードm6(正常状態)と比較すると、出力電流Iswの向きが反転した状態となり、異常状態となる。   Then, the current returned from the resonant circuit 22 via the second connection point CP2 flows in the forward direction between the drain and source of the fourth switching element Qd as shown in FIG. 7, and the step-down converter 10 (specifically, Will return to the output side capacitor C2). As a result, as compared with the above operation mode m6 (normal state), the direction of the output current Isw is reversed, resulting in an abnormal state.

このように、負荷側においてアーク放電などが発生すると、動作モードm4において、インバータ回路21から共振回路22に流れるべき電流の向きが本来の方向から反転してしまい、その後の動作モードm5及び動作モードm6においても、出力電流が反転した状態が維持されることになる。その結果、動作モードm5及び動作モードm6においても、動作モードm4で発生した異常状態が継続されてしまう。   Thus, when an arc discharge or the like occurs on the load side, in the operation mode m4, the direction of the current to flow from the inverter circuit 21 to the resonance circuit 22 is reversed from the original direction, and the subsequent operation mode m5 and the operation mode Also in m6, the inverted state of the output current is maintained. As a result, even in the operation mode m5 and the operation mode m6, the abnormal state generated in the operation mode m4 is continued.

したがって、図5(G)に示すように、出力電流Iswの波形が崩れ、ハードスイッチング動作が発生して、スイッチング損失が増大するとともに、異常発熱の発生及びノイズ増大の要因になる。   Therefore, as shown in FIG. 5 (G), the waveform of the output current Isw collapses, a hard switching operation occurs, and the switching loss increases, which causes abnormal heat generation and noise increase.

そして、一度異常状態になると、さらに外的な要因などが発生しない限り、反転した出力電流が正常な状態に回復しないので、外的要因が発生して一度出力電流の向き(正負の極性)が反転してしまうと、その状態が継続し、ソフトスイッチング動作に復帰することが難しくなってしまう。   Once in the abnormal state, the inverted output current does not recover to the normal state unless an external factor or the like occurs, so that the external factor is generated and the direction (positive or negative polarity) of the output current is once When it is reversed, the state continues and it becomes difficult to return to the soft switching operation.

そこで、本実施形態の電源装置1は、制御回路30を設け、
(1)インバータ回路21から出力される出力電流を検出し、
(2)各スイッチング素子Qa〜Qdのそれぞれのドレイン−ソース間の電位差を検出し、
(3)当該検出された出力電流の正負の極性に基づいて各スイッチング素子Qa〜Qdのターンオフ動作を制御し、
(4)当該検出された出力電流の正負の極性及び検出された各スイッチング素子のそれぞれのドレイン−ソース間の電位差に基づいて各スイッチング素子Qa〜Qdのターンオン動作を制御する、構成を有している。
Therefore, the power supply device 1 of the present embodiment is provided with the control circuit 30,
(1) detects the output current output from the inverter circuit 21;
(2) detecting the potential difference between the drain and source of each of the switching elements Qa to Qd;
(3) controlling the turn-off operation of each of the switching elements Qa to Qd based on the detected positive and negative polarities of the output current,
(4) It has a configuration for controlling the turn-on operation of each switching element Qa to Qd based on the positive / negative polarity of the detected output current and the potential difference between the drain and source of each detected switching element There is.

具体的には、制御回路30は、
(A)インバータ回路21から出力される出力電流が負を示す期間中であって、第1半導体スイッチング素子群に属するスイッチング素子(すなわち、Qa及びQd)におけるドレイン−ソース間の電位差がゼロとなった期間を示す第1期間中に、当該電位差がゼロとなった第1スイッチング素子群に属するスイッチング素子(Qa又はQd)をオンに制御し、
(B)当該出力電流が正を示す期間中であって、第2半導体スイッチング素子群に属するスイッチング素子(すなわち、Qb及びQc)におけるドレイン−ソース間の電位差がゼロとなった期間を示す第2期間中に、当該電位差がゼロとなった第2半導体スイッチング素子群に属する半導体スイッチング素子(Qb又はQc)をオンに制御する、
構成を有している。
Specifically, the control circuit 30
(A) During a period in which the output current output from the inverter circuit 21 indicates negative, the potential difference between the drain and the source in the switching elements (that is, Qa and Qd) belonging to the first semiconductor switching element group becomes zero. Control the switching elements (Qa or Qd) belonging to the first switching element group in which the potential difference has become zero during the first period indicating the second period,
(B) a second period during which the output current shows a positive value and a period during which the potential difference between the drain and source in the switching elements (that is, Qb and Qc) belonging to the second semiconductor switching element group becomes zero During the period, the semiconductor switching element (Qb or Qc) belonging to the second semiconductor switching element group in which the potential difference becomes zero is controlled to be on.
It has a configuration.

特に、制御回路30は、
(a)第1期間中であって、第2半導体スイッチング素子群に属するスイッチング素子(Qb又はQc)がオフ動作の期間中に、電位差がゼロとなった第1半導体スイッチング素子群に属するスイッチング素子(Qa又はQd)をオンに制御し、
(b)第2期間中であって、第1半導体スイッチング素子群に属するスイッチング素子(Qa又はQd)がオフ動作の期間中に、電位差がゼロとなった第2半導体スイッチング素子群に属するスイッチング素子(Qb又はQc)をオンに制御する、
構成を有している。
In particular, the control circuit 30
(A) A switching element belonging to the first semiconductor switching element group in which the potential difference becomes zero during the first period, and the switching element (Qb or Qc) belonging to the second semiconductor switching element group is in the OFF operation. Control (Qa or Qd) on,
(B) A switching element belonging to the second semiconductor switching element group in which the potential difference becomes zero during the second period, and the switching element (Qa or Qd) belonging to the first semiconductor switching element group is in the off operation Control (Qb or Qc) on
It has a configuration.

したがって、本実施形態の電源装置1は、このような構成を有することによって、負荷の変動などの外的な要因によってインバータ回路21から出力される出力電流の正負の極性が変動するような場合であっても、当該正負の極性の変動を矯正することができるとともに、各スイッチング素子のソース−ドレイン間の電圧に基づいて各スイッチング素子Qa〜Qdの動作を制御することによってゼロボルトスイッチングも的確に実現することができるようになっている。   Therefore, in the case where the power supply device 1 of the present embodiment has such a configuration, the positive and negative polarities of the output current output from the inverter circuit 21 may fluctuate due to an external factor such as a load fluctuation. Even if there is any, it is possible to correct the fluctuation of the positive and negative polarities and to realize zero volt switching accurately by controlling the operation of each switching element Qa to Qd based on the voltage between the source and drain of each switching element. It can be done.

そして、本実施形態の電源装置1は、当該外的な要因によって発生するハードスイッチングを防止してソフトスイッチングを正常に動作させることができるので、インバータ回路21などにおいて生ずるスイッチング損失、異常な発熱、及び、スパイク電流や高周波ノイズの発生を確実に低減させること、又は、防止することができるようになっている。   And since the power supply device 1 of the present embodiment can operate the soft switching normally by preventing the hard switching caused by the external factor, the switching loss occurring in the inverter circuit 21 etc., abnormal heat generation, Also, the generation of spike current and high frequency noise can be reliably reduced or prevented.

[2.3]制御回路の構成及び動作
次に、図8を用いて本実施形態の制御回路30の構成と動作を説明する。なお、図8は、本実施形態のインバータ回路21を構成する各スイッチング素子Qa〜Qdの動作と、当該インバータ回路21から出力される出力電圧パルス及び出力電流のタイミングと、各スイッチング素子Qa〜QdのD−S間電圧検出信号Vqと、各スイッチング素子のターンオン動作を許可するオン動作許可信号Pqと、の関係を示すタイミングチャートである。
[2.3] Configuration and Operation of Control Circuit Next, the configuration and operation of the control circuit 30 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. Note that FIG. 8 shows the operation of each of the switching elements Qa to Qd constituting the inverter circuit 21 of the present embodiment, the timing of the output voltage pulse and the output current output from the inverter circuit 21, and each of the switching elements Qa to Qd. 4 is a timing chart showing the relationship between the D-S voltage detection signal Vq and the on-operation permission signal Pq for permitting the turn-on operation of each switching element.

本実施形態の制御回路30は、図8に示すように、インバータ回路21から出力される
出力電流Iswの正負の極性を矯正するとともに、各スイッチング素子Qa〜Qdのドレイン−ソース間電圧が確実に0Vになっている状況下においてのみ各スイッチング素子Qa〜Qdをターンオンさせる。
As shown in FIG. 8, the control circuit 30 according to the present embodiment corrects the positive / negative polarity of the output current Isw output from the inverter circuit 21 and ensures that the drain-source voltage of each of the switching elements Qa to Qd is correct. Each switching element Qa to Qd is turned on only under the condition of 0V.

具体的には、制御回路30は、共振回路22を構成するコンデンサC3の電圧を検出する共振コンデンサ電圧検出回路部31と、コンデンサC3に流れる電流を算出する微分回路部32と、直列共振形インバータ装置20の出力電圧Voを検出する電圧検出回路部33と、を有している。   Specifically, the control circuit 30 includes a resonant capacitor voltage detection circuit unit 31 that detects the voltage of the capacitor C3 that constitutes the resonant circuit 22, a differentiation circuit unit 32 that calculates the current flowing through the capacitor C3, and a series resonant inverter And a voltage detection circuit unit 33 for detecting an output voltage Vo of the device 20.

また、制御回路30は、直列共振形インバータ装置20の出力電流Io(すなわち、電源装置1の出力電流)を検出する電流検出回路部34と、各スイッチング素子Qa〜Qdのドレイン−ソース間の電圧を検出するドレイン−ソース間電圧検出回路部(以下、「D−S間電圧回路部」という。)35と、所定の演算を行う演算回路部36と、各スイッチング素子Qa〜Qdを駆動する駆動回路部37と、を有している。   Further, the control circuit 30 detects the output current Io of the series resonant inverter device 20 (that is, the output current of the power supply device 1), and the voltage between the drain and source of each of the switching elements Qa to Qd. Drain-to-source voltage detection circuit unit (hereinafter referred to as “DS circuit voltage circuit unit”) 35 for detecting the voltage, an operation circuit unit 36 for performing a predetermined operation, and a drive for driving each of the switching elements Qa to Qd. And a circuit unit 37.

なお、例えば、本実施形態の共振コンデンサ電圧検出回路部31及び微分回路部32は、本発明の電流検出手段を構成し、D−S間電圧検出回路部35は、本発明の電位差検出手段を構成する。また、例えば、本実施形態の演算回路部36及び駆動回路部37は、例えば、本発明の制御手段を構成する。   For example, the resonance capacitor voltage detection circuit unit 31 and the differentiation circuit unit 32 of the present embodiment constitute the current detection means of the present invention, and the D-S voltage detection circuit unit 35 is the potential difference detection means of the present invention. Configure. Further, for example, the arithmetic circuit unit 36 and the drive circuit unit 37 of the present embodiment constitute, for example, the control means of the present invention.

共振コンデンサ電圧検出回路部31は、共振回路22を構成するコンデンサC3の両端間に接続され、当該コンデンサC3の両端間における電位差(すなわち、両端間の電圧)を検出し、当該検出した電圧値を示す信号を微分回路部32に出力する。   The resonance capacitor voltage detection circuit unit 31 is connected between both ends of the capacitor C3 constituting the resonance circuit 22, detects a potential difference between both ends of the capacitor C3 (that is, a voltage between both ends), and detects the detected voltage value The signal shown is output to the differentiation circuit unit 32.

微分回路部32は、共振コンデンサ電圧検出回路部31から供給された信号に基づき、コンデンサC3に流れる電流(すなわち、インバータ回路21の出力電流Isw)を算出し、当該算出した電流の値(すなわち電流値)を示す信号(以下、「検出電流値信号」という。)を演算回路部36に出力する。   The differentiating circuit unit 32 calculates the current flowing through the capacitor C3 (that is, the output current Isw of the inverter circuit 21) based on the signal supplied from the resonant capacitor voltage detection circuit unit 31, and calculates the value of the calculated current (that is, the current). A signal (hereinafter referred to as a “detected current value signal”) indicating a value is output to the arithmetic circuit unit 36.

特に、微分回路部32は、共振コンデンサ電圧検出回路部31から供給される信号によって示される電圧値と下記(式1)とに基づいて、コンデンサC3に流れる電流(すなわち、出力電流Isw)の値を算出する。   In particular, the differential circuit unit 32 determines the value of the current (ie, the output current Isw) flowing through the capacitor C3 based on the voltage value indicated by the signal supplied from the resonant capacitor voltage detection circuit unit 31 and the following (Expression 1) Calculate

Figure 2019106830
Figure 2019106830

なお、本実施形態においては、このように、静電容量Cを有するコンデンサC3の両端電圧Vを測定し、上記の(式1)を用いて、当該コンデンサC3を流れる電流値Iを算出している。そして、本実施形態においては、この方法を採用することによって、配線を単純化し、装置の小型化を実現することができるようになっている。   In the present embodiment, the voltage V across the capacitor C3 having the capacitance C is measured in this manner, and the current value I flowing through the capacitor C3 is calculated using (Equation 1) above. There is. And in this embodiment, by adopting this method, the wiring can be simplified and the miniaturization of the device can be realized.

また、上記演算手法に代えて、カレントトランスやホール素子を用いて、コンデンサC3を流れる電流値を直接測定するなどの方法もある。しかしながら、何れの方法であっても、電流検出用の素子に対する配線が煩雑化し、設計が煩雑になるとともに、素子自体のサイズが大きくなるので、装置の小型化が難しい。この結果、本実施形態においては、上記の方法を採用している。   Also, instead of the above calculation method, there is also a method of directly measuring the value of the current flowing through the capacitor C3 using a current transformer or a Hall element. However, whichever method is used, the wiring for the current detection device becomes complicated, the design becomes complicated, and the size of the device itself becomes large, so it is difficult to miniaturize the device. As a result, in the present embodiment, the above method is adopted.

電圧検出回路部33は、トランスT1の二次側に接続され、当該トランスT1の両端間における電圧差、すなわち、直列共振形インバータ装置20の出力電圧Voの値を検出し
、当該検出した出力電圧Voの値を示す信号を演算回路部36に出力する。
The voltage detection circuit unit 33 is connected to the secondary side of the transformer T1, detects a voltage difference between both ends of the transformer T1, that is, the value of the output voltage Vo of the series resonant inverter device 20, and detects the detected output voltage A signal indicating the value of Vo is output to the arithmetic circuit unit 36.

電流検出回路部34は、トランスT1の二次側の一端に接続され、直列共振形インバータ装置20の出力電流Ioの値を検出し、当該検出した出力電流Ioの値を示す信号を演算回路部36に出力する。   The current detection circuit unit 34 is connected to one end of the secondary side of the transformer T1, detects the value of the output current Io of the series resonant inverter device 20, and outputs a signal indicating the value of the detected output current Io to the arithmetic circuit unit Output to 36.

D−S間電圧検出回路部35は、インバータ回路21を構成する各スイッチング素子Qa〜Qdのドレイン電極とソース電極の間の電圧(すなわち、電位差)をそれぞれ検出し、当該検出した各D−S間電圧検出信号Vqa、Vqb、Vqc及びVqdを演算回路部36に出力する。   The D-S voltage detection circuit unit 35 detects the voltage (that is, the potential difference) between the drain electrode and the source electrode of each of the switching elements Qa to Qd constituting the inverter circuit 21 and detects each of the detected D-S The inter-voltage detection signals Vqa, Vqb, Vqc and Vqd are output to the arithmetic circuit unit 36.

演算回路部36は、微分回路部32から出力される検出電流値信号と、D−S間電圧検出回路部35から出力されたD−S間電圧検出信号Vqa〜Vqdと、に基づいて、インバータ回路21の各スイッチング素子Qa〜Qdのターンオフ動作を制御するための動作オフ許可信号、及び、各スイッチング素子Qa〜Qdのターンオン動作を制御するための動作オン許可信号を生成する。   The arithmetic circuit unit 36 is an inverter based on the detected current value signal output from the differentiating circuit unit 32 and the D-S voltage detection signals Vqa to Vqd output from the D-S voltage detection circuit unit 35. An operation OFF permission signal for controlling the turn-off operation of each switching element Qa to Qd of circuit 21 and an operation ON permission signal for controlling the turn-on operation of each switching element Qa to Qd are generated.

そして、演算回路部36は、生成したオフ動作許可信号及びオン動作許可信号を駆動回路部37に出力する。   Then, the arithmetic circuit unit 36 outputs the generated off operation permission signal and the generated on operation permission signal to the drive circuit unit 37.

具体的には、演算回路部36は、検出電流値信号により示される電流値(すなわち、出力電流Ioの値)が正となっている期間中に、第1スイッチング素子Qa及び第4スイッチング素子Qdに対してターンオフさせるための演算処理を実行し、当該電流値が負となっている期間中に、第2スイッチング素子Qb及び第3スイッチング素子Qcに対してターンオフさせるための演算処理を実行する。   Specifically, the arithmetic circuit unit 36 generates the first switching element Qa and the fourth switching element Qd while the current value (that is, the value of the output current Io) indicated by the detected current value signal is positive. The arithmetic processing for turning off is performed, and the arithmetic processing for turning off the second switching element Qb and the third switching element Qc is performed while the current value is negative.

特に、本実施形態の演算回路部36は、図8(C)に示すように、
(A1)検出電流値信号により示される電流値(すなわち、出力電流Ioの値)が、正となっている期間(すなわち、図8に示すti2〜ti3及びti6〜ti7の期間)において「H」レベルであって、かつ、他の期間において「L」レベルとなっている信号を、第1スイッチング素子Qa及び第4スイッチング素子Qdのターンオフを許可する第1オフ動作許可信号「I+」として、駆動回路部37に出力し、
(A2)当該検出電流値信号により示される電流値が、負となっている期間(すなわち、図8に示すti4〜ti5及びti8〜ti9の期間)において「H」レベルであって、かつ、他の期間において「L」レベルとなっている信号を、第2スイッチング素子Qb及び第3スイッチング素子Qcのターンオフを許可する第2オフ動作許可信号「I−」として、駆動回路部37に出力する。
In particular, as shown in FIG. 8C, the arithmetic circuit unit 36 of this embodiment is
(A1) “H” in a period in which the current value (ie, the value of the output current Io) indicated by the detected current value signal is positive (ie, the period of ti2 to ti3 and ti6 to ti7 shown in FIG. 8) A signal which is at the L level and is at the "L" level in another period is driven as a first off operation permission signal "I +" which permits the first switching element Qa and the fourth switching element Qd to be turned off. Output to the circuit unit 37,
(A2) The current value indicated by the detected current value signal is at the “H” level in the negative period (that is, the periods ti4 to ti5 and ti8 to ti9 shown in FIG. 8), and The signal which is at the “L” level in the period is output to the drive circuit unit 37 as a second off operation permission signal “I−” that permits the second switching element Qb and the third switching element Qc to be turned off.

なお、図8(C)に示すti1〜ti9は、それぞれ、出力電流Iswが極性反転するより手前のタイミングであり、各スイッチング素子Qa〜Qdがこの時点で未実施のときには、強制実施するためのタイミング(スイッチンのタイムリミット)である。   Note that ti1 to ti9 shown in FIG. 8C are timings before the polarity of the output current Isw is reversed, and when the switching elements Qa to Qd are not yet implemented at this time, they are for forced implementation. It is timing (switching time limit).

一方、本実施形態の演算回路部36は、図8(C)及び(D)に示すように、第1スイッチング素子Qa又は第4スイッチング素子Qdに対してターンオンさせるための演算処理を、
(B1)検出電流値信号により示される電流値(すなわち、出力電流Ioの値)が負となっている期間中であってターンオンさせるスイッチング素子Qa又はQdのD−S間電圧検出信号が「0V」の期間(以下、「第1期間」ともいう。)中に、実行し、
(B2)第2スイッチング素子Qb又は第3スイッチング素子Qcに対してターンオンさせるための演算処理を、当該電流値が正となっている期間中であってターンオンさせるス
イッチング素子Qb又はQcのD−S間電圧検出信号が「0V」の期間(以下、「第2期間」ともいう。)中に、実行する。
On the other hand, as shown in FIGS. 8C and 8D, the arithmetic circuit unit 36 of the present embodiment performs arithmetic processing for turning on the first switching element Qa or the fourth switching element Qd,
(B1) The voltage detection signal between D and S of the switching element Qa or Qd to be turned on during the period when the current value (that is, the value of the output current Io) indicated by the detection current value signal is negative In the period (hereinafter also referred to as the “first period”),
(B2) D-S of the switching element Qb or Qc that turns on the arithmetic processing for turning on the second switching element Qb or the third switching element Qc during the period when the current value is positive It is executed during a period (hereinafter also referred to as a “second period”) in which the inter-voltage detection signal is “0 V”.

特に、本実施形態の演算回路部36は、図8(E)に示すように、第1期間中であって第2スイッチング信号Vgbが「L」レベルである期間において「H」レベルを有し、かつ、その他の期間において「L」レベルを有する信号を、第1スイッチング素子Qaのターンオンを許可する第1オン動作許可信号Pqaonとして、駆動回路部37に出力する。 In particular, as shown in FIG. 8E, the arithmetic circuit unit 36 of the present embodiment has the “H” level in the first period and the period in which the second switching signal Vgb is at the “L” level. In the other period, the signal having “L” level is output to the drive circuit unit 37 as a first on-operation permission signal Pqa on which permits the first switching element Qa to be turned on .

また、演算回路部36は、図8(E)に示すように、第2期間中であって第1スイッチング信号Vgaが、「L」レベルである期間において「H」レベルを有し、かつ、その他の期間において「L」レベルとなる信号を、第2スイッチング素子Qbのターンオン動作を許可する第2オン動作許可信号Pqbonとして、駆動回路部37に出力する。 In addition, as shown in FIG. 8E, arithmetic circuit unit 36 has “H” level in the second period, and in a period in which first switching signal Vga is at “L” level, and The signal which becomes “L” level in other periods is output to the drive circuit unit 37 as a second on-operation permission signal Pqb on which permits the turn-on operation of the second switching element Qb.

そして、演算回路部36は、図8(E)に示すように、第2期間中であって第4スイッチング信号Vgdが「L」レベルである期間において「H」レベルを有し、かつ、その他の期間において「L」レベルとなる信号を、第3スイッチング素子Qcのターンオン動作を許可する第3オン動作許可信号Pqconとして、駆動回路部37に出力する。 Then, as shown in FIG. 8E, arithmetic circuit unit 36 has “H” level in the second period and the period in which fourth switching signal Vgd is “L” level, and a signal which becomes "L" level in the period, as a third oN operation permission signal PQC on to allow turn-on operation of the third switching element Qc, and outputs to the drive circuit section 37.

さらに、演算回路部36は、図8(E)に示すように、第1期間中であって第3スイッチング信号Vgcが「L」レベルである期間において「H」レベルを有し、かつ、その他の期間において「L」レベルとなる信号を、第4スイッチング素子Qdのターンオン動作を許可する第4オン動作許可信号Pqdonとして、駆動回路部37に出力する。 Furthermore, as shown in FIG. 8E, arithmetic circuit unit 36 has “H” level during the first period and during the period when third switching signal Vgc is “L” level, and The signal which becomes “L” level in the period is output to the drive circuit unit 37 as a fourth on-operation permission signal Pqd on for permitting the turn-on operation of the fourth switching element Qd.

駆動回路部37は、図8(A)及び(B)に示すように、演算回路部36から供給されたオフ動作許可信号及びオン動作許可信号に基づいて、各スイッチング信号Vga〜Vgdをそれぞれ生成し、当該生成した各スイッチング信号Vga〜Vgdを、インバータ回路21の各スイッチング素子Qa〜Qdのゲートに供給する。   As shown in FIGS. 8A and 8B, the drive circuit unit 37 generates each of the switching signals Vga to Vgd based on the off operation permission signal and the on operation permission signal supplied from the arithmetic circuit unit 36. And supplies the generated switching signals Vga to Vgd to the gates of the switching elements Qa to Qd of the inverter circuit 21.

特に、駆動回路部37は、第1オフ動作許可信号「I+」が入力されている期間中のみ、第1スイッチング素子Qa及び第4スイッチング素子Qdのターンオフを制御する。   In particular, the drive circuit unit 37 controls the turn-off of the first switching element Qa and the fourth switching element Qd only while the first off-operation permission signal "I +" is input.

また、駆動回路部37は、第2オフ動作許可信号I−が「H」レベルになっている期間中にのみ、第2スイッチング素子Qb及び第3スイッチング素子Qcのターンオフを制御する。   The drive circuit unit 37 controls the turn-off of the second switching element Qb and the third switching element Qc only while the second off-operation permission signal I- is at the "H" level.

すなわち、駆動回路部37は、
(1)第1オン動作許可信号Pqaonが入力されている間にのみ第1スイッチング素子Qaのターンオンを制御し、
(2)第2オン動作許可信号Pqbonが入力されている間にのみ第2スイッチング素子Qbのターンオンを制御し、
(3)第3オン動作許可信号Pqconが入力されている間にのみ第3スイッチング素子Qcのターンオンを制御し、
(4)第4オン動作許可信号Pqdonが入力されている間にのみ第4スイッチング素子Qdのターンオンを制御する。
That is, the drive circuit unit 37
(1) Control the turn-on of the first switching element Qa only while the first on-operation permission signal Pqa on is input,
(2) Control the turn-on of the second switching element Qb only while the second on-operation permission signal Pqb on is input,
(3) Control turning on of the third switching element Qc only while the third on-operation permission signal Pqcon is being input,
(4) The turn- on of the fourth switching element Qd is controlled only while the fourth on-operation permission signal Pqd on is input.

[3]インバータ回路の出力電流に対するduty比の影響の検証結果
次に、図9を用いてインバータ回路21の出力電圧パルスのduty比が出力電流Iswに与える影響を検証する。
[3] Verification Result of Influence of Duty Ratio on Output Current of Inverter Circuit Next, referring to FIG. 9, the influence of the duty ratio of the output voltage pulse of the inverter circuit 21 on the output current Isw is verified.

なお、図9は、本実施形態のインバータ回路21の出力電圧パルスのduty比が70%となる場合において、当該インバータ回路21から出力される出力電圧パルス及び出力電流のタイミングと、各スイッチング素子Qa〜QdのD−S間電圧検出信号Vqと、スイッチング素子Qaのターンオン動作を許可するオン動作許可信号Pqの関係を示すタイミングチャートである。   9 shows the timings of the output voltage pulse and the output current output from the inverter circuit 21 and the switching elements Qa when the duty ratio of the output voltage pulse of the inverter circuit 21 of the present embodiment is 70%. It is a timing chart which shows the relation between the voltage detection signal Vq between D-S of -Qd and the on-operation permission signal Pq which permits the turn-on operation of the switching element Qa.

上述の本実施形態の電源装置1は、一例として、出力電圧パルスのデューティが100%となる場合を例に説明したが、ここでは、出力電圧パルスのデューティが70%となる場合であっても、インバータ回路21が適切に動作するか否かを検討した。   Although the case where the duty of the output voltage pulse is 100% has been described as an example, the power supply device 1 of the above-described embodiment has been described as an example where the duty of the output voltage pulse is 70%. , It was examined whether the inverter circuit 21 operates properly.

図8に示すように、出力電圧パルスのデューティが70%場合であっても、デューティが100%のときと同様に、出力電流Iswの波形が正弦波を維持していることから、本実施形態のインバータ回路21が適切に動作することが証明された。   As shown in FIG. 8, even when the duty of the output voltage pulse is 70%, the waveform of the output current Isw maintains a sine wave as in the case where the duty is 100%. It has been proved that the inverter circuit 21 of the present invention operates properly.

したがって、本実施形態においては、上記のように各スイッチング素子Qa〜Qdのターンオンタイミング及びターンオフタイミングを制御することにより、出力電圧パルスのデューティとは無関係にハードスイッチング動作を防止して、スイッチング損失の低減を図ることができる。   Therefore, in the present embodiment, the hard switching operation is prevented regardless of the duty of the output voltage pulse by controlling the turn-on timing and the turn-off timing of each switching element Qa to Qd as described above. The reduction can be achieved.

[4]その他
上記実施形態においては、直列共振形インバータ装置20、又は、降圧コンバータ10と、直列共振形インバータ装置20と、制御回路30と、を備えた電源装置1について本願の共振形インバータ装置及び電源装置を適用した場合について説明したが、直列共振形インバータ装置20を制御する当該制御回路30を有する制御装置として、本願の制御装置を適用してもよい。
[4] Others In the above embodiment, the resonance type inverter device of the present invention is the power supply device 1 including the series resonance type inverter device 20 or the step-down converter 10, the series resonance type inverter device 20, and the control circuit 30. And although the case where a power supply device was applied was explained, the control device of this application may be applied as a control device which has the control circuit 30 which controls series resonance type inverter device 20.

また、この場合には、制御回路30を有する制御装置を、記憶装置(ハードディスクなど)、CPU及びメモリ(ROMやRAM)を有するコンピュータによって構成し、当該コンピュータを、制御装置として機能させるための制御プログラムによって実現することも可能である。   Also, in this case, the control device having the control circuit 30 is configured by a computer having a storage device (such as a hard disk), a CPU and a memory (ROM or RAM), and control for causing the computer to function as a control device. It is also possible to realize by a program.

1 … 電源装置
10 … 降圧コンバータ
20 … 直列共振形インバータ装置
21 … インバータ回路
22 … 共振回路
30 … 制御回路
31 … 共振コンデンサ電圧検出回路部
32 … 微分回路部
33 … 電圧検出回路部
34 … 電流検出回路部
35 … D−S間電圧検出回路部
36 … 演算回路部
37 … 駆動回路部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Power supply device 10 ... Step-down converter 20 ... Series resonance type inverter device 21 ... Inverter circuit 22 ... Resonant circuit 30 ... Control circuit 31 ... Resonant capacitor voltage detection circuit part 32 ... Differentiation circuit part 33 ... Voltage detection circuit part 34 ... Current detection Circuit part 35: Voltage detection circuit part 36 between D and S: Operation circuit part 37: Drive circuit part

Claims (8)

複数の半導体スイッチング素子を有し、当該半導体スイッチング素子を制御することによって正負の極性が周期的に変化する電圧パルスを出力するフルブリッジ型のインバータ回路と、
前記インバータ回路の出力端に直列に接続されたインダクタ及びコンデンサを備えた共振回路と、
前記インバータ回路から出力される出力電流を検出する電流検出手段と、
前記複数の半導体スイッチング素子のそれぞれのドレイン−ソース間の電位差を検出する電位差検出手段と、
前記検出された出力電流の正負の極性及び前記検出された各半導体スイッチング素子のそれぞれのドレイン−ソース間の電位差に基づいて、前記各半導体スイッチング素子のオン動作及びオフ動作を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする共振形インバータ装置。
A full bridge type inverter circuit having a plurality of semiconductor switching elements and outputting voltage pulses whose positive and negative polarities periodically change by controlling the semiconductor switching elements;
A resonant circuit comprising an inductor and a capacitor connected in series to an output end of the inverter circuit;
Current detection means for detecting an output current output from the inverter circuit;
Potential difference detection means for detecting the potential difference between the drain and the source of each of the plurality of semiconductor switching elements;
Control means for controlling the on operation and the off operation of each of the semiconductor switching elements based on the positive / negative polarity of the detected output current and the potential difference between the drain and source of each of the detected semiconductor switching elements;
What is claimed is: 1. A resonant inverter device comprising:
請求項1に記載の共振形インバータ装置において、
前記制御手段が、
前記検出された出力電流の正負の極性に基づいて前記各半導体スイッチング素子のオフ動作を制御し、当該検出された出力電流の正負の極性及び前記検出された各半導体スイッチング素子のそれぞれのドレイン−ソース間の電位差に基づいて前記各半導体スイッチング素子のオン動作を制御する、共振形インバータ装置。
In the resonance type inverter device according to claim 1,
The control means
The off operation of each semiconductor switching element is controlled based on the positive or negative polarity of the detected output current, and the positive / negative polarity of the detected output current and the drain-source of each of the detected semiconductor switching elements The resonant inverter device which controls the on operation of each said semiconductor switching element based on the electrical potential difference between them.
請求項2に記載の共振形インバータ装置において、
前記インバータ回路が、
同時にオンされた場合に正の前記電圧パルスを出力する2つの半導体スイッチング素子を含む第1半導体スイッチング素子群と、
前記第1半導体スイッチング素子群とは異なる前記半導体スイッチング素子を含み、同時にオンされた場合に負の前記電圧パルスが出力される2つの半導体スイッチング素子を含む第2半導体スイッチング素子群と、
を備え、
前記制御手段が、
前記出力電流が負を示す期間中であって、前記第1半導体スイッチング素子群に属する半導体スイッチング素子におけるドレイン−ソース間の電位差がゼロとなった期間を示す第1期間中に、当該電位差がゼロとなった前記第1半導体スイッチング素子群に属する半導体スイッチング素子をオンに制御し、
前記出力電流が正を示す期間中であって、前記第2半導体スイッチング素子群に属する半導体スイッチング素子におけるドレイン−ソース間の電位差がゼロとなった期間を示す第2期間中に、当該電位差がゼロとなった前記第2半導体スイッチング素子群に属する半導体スイッチング素子をオンに制御する、
共振形インバータ装置。
In the resonance type inverter device according to claim 2,
The inverter circuit is
A first semiconductor switching device group including two semiconductor switching devices that output the positive voltage pulse when they are simultaneously turned on;
A second semiconductor switching element group including two semiconductor switching elements including the semiconductor switching elements different from the first semiconductor switching element group and outputting the negative voltage pulse when turned on simultaneously;
Equipped with
The control means
The potential difference is zero during a first period in which the potential difference between the drain and the source in the semiconductor switching element belonging to the first semiconductor switching element group is zero, in a period in which the output current shows a negative value. Controlling the semiconductor switching elements belonging to the first semiconductor switching element group
The potential difference is zero during a second period in which the potential difference between the drain and the source in the semiconductor switching element belonging to the second semiconductor switching element group is zero, in a period in which the output current is positive. Controlling the semiconductor switching elements belonging to the second semiconductor switching element group
Resonance type inverter device.
請求項3に記載の共振形インバータ装置において、
前記制御手段が、
前記第1期間中であって、前記第2半導体スイッチング素子群に属する半導体スイッチング素子がオフ動作の期間中に、前記電位差がゼロとなった前記第1半導体スイッチング素子群に属する半導体スイッチング素子をオンに制御し、
前記第2期間中であって、前記第1半導体スイッチング素子群に属する半導体スイッチング素子がオフ動作の期間中に、前記電位差がゼロとなった前記第2半導体スイッチング素子群に属する半導体スイッチング素子をオンに制御する、
共振形インバータ装置。
In the resonance type inverter device according to claim 3,
The control means
The semiconductor switching elements belonging to the first semiconductor switching element group in which the potential difference becomes zero are turned on during the first period, and the semiconductor switching elements belonging to the second semiconductor switching element group are in the off operation. To control
The semiconductor switching elements belonging to the second semiconductor switching element group in which the potential difference becomes zero are turned on during the second period, and the semiconductor switching elements belonging to the first semiconductor switching element group are in the off operation. To control
Resonance type inverter device.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の共振形インバータ装置において、
前記電流検出手段が、
前記共振回路に属するコンデンサの両端における電位差を検出し、
当該検出された電位差を微分して前記出力電流を検出する、共振形インバータ装置。
The resonance type inverter device according to any one of claims 1 to 4.
The current detection means
Detecting a potential difference at both ends of a capacitor belonging to the resonant circuit;
A resonant inverter device, which differentiates the detected potential difference to detect the output current.
請求項1〜5のいずれか1項に記載の共振形インバータ装置と、前記インバータ回路の入力端に接続された降圧コンバータと、を有する、電源装置。   A power supply device, comprising: the resonant inverter device according to any one of claims 1 to 5; and a step-down converter connected to an input terminal of the inverter circuit. 複数の半導体スイッチング素子を有し、当該半導体スイッチング素子を制御することによって正負の極性が周期的に変化する電圧パルスを出力するフルブリッジ型のインバータ回路と、前記インバータ回路の出力端に直列に接続されたインダクタ及びコンデンサを備えた共振回路と、を有する共振形インバータ装置を制御する制御装置であって、
前記インバータ回路の出力端に直列に接続されたインダクタ及びコンデンサを備えた共振回路と、
前記インバータ回路から出力される出力電流を検出する電流検出手段と、
前記複数の半導体スイッチング素子のそれぞれのドレイン−ソース間の電位差を検出する電位差検出手段と、
前記検出された出力電流の正負の極性及び前記検出された各半導体スイッチング素子のそれぞれのドレイン−ソース間の電位差に基づいて、前記各半導体スイッチング素子のオン動作及びオフ動作を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする制御装置。
A full bridge type inverter circuit which has a plurality of semiconductor switching elements and outputs voltage pulses whose positive and negative polarities periodically change by controlling the semiconductor switching elements, and is connected in series to the output terminal of the inverter circuit A control circuit for controlling a resonant inverter device comprising:
A resonant circuit comprising an inductor and a capacitor connected in series to an output end of the inverter circuit;
Current detection means for detecting an output current output from the inverter circuit;
Potential difference detection means for detecting the potential difference between the drain and the source of each of the plurality of semiconductor switching elements;
Control means for controlling the on operation and the off operation of each of the semiconductor switching elements based on the positive / negative polarity of the detected output current and the potential difference between the drain and source of each of the detected semiconductor switching elements;
A control device comprising:
複数の半導体スイッチング素子を有し、当該半導体スイッチング素子を制御することによって正負の極性が周期的に変化する電圧パルスを出力するフルブリッジ型のインバータ回路と、前記インバータ回路の出力端に直列に接続されたインダクタ及びコンデンサを備えた共振回路と、を有する共振形インバータ装置を制御する制御プログラムであって、
コンピュータを、
前記インバータ回路の出力端に直列に接続されたインダクタ及びコンデンサを備えた共振回路と、
前記インバータ回路から出力される出力電流を検出する電流検出手段、
前記複数の半導体スイッチング素子のそれぞれのドレイン−ソース間の電位差を検出する電位差検出手段、及び、
前記検出された出力電流の正負の極性及び前記検出された各半導体スイッチング素子のそれぞれのドレイン−ソース間の電位差に基づいて、前記各半導体スイッチング素子のオン動作及びオフ動作を制御する制御手段、
として機能させることを特徴とする制御プログラム。
A full bridge type inverter circuit which has a plurality of semiconductor switching elements and outputs voltage pulses whose positive and negative polarities periodically change by controlling the semiconductor switching elements, and is connected in series to the output terminal of the inverter circuit A control program for controlling a resonant inverter device comprising: a resonant circuit comprising the integrated inductor and capacitor
Computer,
A resonant circuit comprising an inductor and a capacitor connected in series to an output end of the inverter circuit;
Current detection means for detecting an output current output from the inverter circuit;
Potential difference detection means for detecting the potential difference between the drain and the source of each of the plurality of semiconductor switching elements;
Control means for controlling the on / off operation of each of the semiconductor switching elements based on the positive / negative polarity of the detected output current and the potential difference between the drain and source of each of the detected semiconductor switching elements;
A control program characterized in that it functions as:
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