JP2023146444A

JP2023146444A - 二周波電源装置、高周波加熱装置及び高周波焼入装置

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Publication number: JP2023146444A
Application number: JP2022053633A
Authority: JP
Inventors: 真人杉本; Masato Sugimoto; 裕高田中; Hirotaka Tanaka; 洋平益田; Yohei Masuda
Original assignee: Neturen Co Ltd
Current assignee: Neturen Co Ltd
Priority date: 2022-03-29
Filing date: 2022-03-29
Publication date: 2023-10-12
Anticipated expiration: 2042-03-29
Also published as: JP7454599B2

Abstract

【課題】二周波切替時のサージ電圧を抑制可能な二周波電源装置、高周波加熱装置及び高周波焼入装置を提供する。【解決手段】制御部４０は、スイッチング素子３１及びスイッチング素子３４を導通させ、スイッチング素子３２及びスイッチング素子３３を導通させない第１導通期Ｔ１と、スイッチング素子３１～３４を導通させない第１不通期Ｔ２と、スイッチング素子３２及びスイッチング素子３３を導通させ、スイッチング素子３１及びスイッチング素子３４を導通させない第２導通期Ｔ３と、スイッチング素子３１～３４を導通させない第２不通期Ｔ４と、をこの順に繰り返し実現する。制御部４０は、第１不通期Ｔ２の長さを、第１導通期Ｔ１から第１不通期Ｔ２に切り替えてからインバータ３０の出力電流の極性が切り替わるまでの時間Ｔ５よりも長くする。【選択図】図７

Description

本発明の実施形態は、二周波電源装置、高周波加熱装置及び高周波焼入装置に関する。

鋼部材に対して焼入処理を施し、表面を硬化する技術が知られている。焼入処理においては、鋼部材を加熱する工程と、加熱した鋼部材を急冷する工程を続けて実施する。歯車等の複雑な形状の部材の表面を効果的に加熱する方法として、二種類の周波数の高周波を用いた高周波焼入処理が知られている（特許文献１参照）。

このような高周波焼入処理に用いられる二周波電源装置においては、二周波切替時のサージ電圧の抑制が要求されている。

特許第４４２７４１７号公報

本発明の実施形態の目的は、二周波切替時のサージ電圧を抑制可能な二周波電源装置、高周波加熱装置及び高周波焼入装置を提供することである。

本発明の実施形態に係る二周波電源装置は、第１周波数の第１交流電流と、前記第１周波数よりも高い第２周波数の第２交流電流と、を交互に出力する電源部を備える。前記電源部は、直流電流を前記第１交流電流及び前記第２交流電流に変換するインバータと、前記インバータを制御する制御部と、を有する。前記インバータは、高電位側電位と前記電源部の第１出力端子との間に接続された第１スイッチング素子と、低電位側電位と前記第１出力端子との間に接続された第２スイッチング素子と、前記高電位側電位と前記電源部の第２出力端子との間に接続された第３スイッチング素子と、前記低電位側電位と前記第２出力端子との間に接続された第４スイッチング素子と、を有する。前記制御部は、前記第１スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子を導通させ、前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子を導通させない第１導通期と、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子を導通させない第１不通期と、前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子を導通させ、前記第１スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子を導通させない第２導通期と、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子を導通させない第２不通期と、をこの順に繰り返し実現する。前記制御部は、前記第１不通期の長さを、前記第１導通期から前記第１不通期に切り替えてから前記インバータの出力電流の極性が切り替わるまでの時間よりも長くする。

本発明の実施形態に係る高周波加熱装置は、前記二周波電源装置と、前記二周波電源装置から前記第１交流電流及び前記第２交流電流が入力されるコイルと、を備える。

本発明の実施形態に係る高周波焼入装置は、前記高周波加熱装置と、前記高周波加熱装置によって加熱されたワークを冷却する冷却装置と、を備える。

本発明の実施形態によれば、二周波切替時のサージ電圧を抑制可能な二周波電源装置、高周波加熱装置及び高周波焼入装置を実現することができる。

図１は、実施形態に係る高周波焼入装置を示すブロック図である。図２は、実施形態に係る高周波加熱装置を示すブロック図である。図３は、実施形態に係る二周波電源装置の電源部を示すブロック図である。図４は、電源部のインバータを示す回路図である。図５は、横軸に時間をとり、縦軸にインバータの出力電圧をとって、インバータの動作を示すタイミングチャートである。図６は、横軸に時間をとり、縦軸に電源部の出力電圧をとって、本実施形態における電源部の動作を模式的に示すタイミングチャートである。図７は、横軸に時間をとり、縦軸に電源部の出力電圧及び出力電流をとって、実施形態において電源部が高周波電流を出力する際の動作を示すタイミングチャートである。図８は、横軸に時間をとり、縦軸に電源部の出力電圧及び出力電流をとって、比較例において電源部が高周波電流を出力する際の動作を示すタイミングチャートである。図９は、横軸に時間をとり、縦軸に電源部の出力電圧をとって、比較例における電源部の動作を模式的に示すタイミングチャートである。図１０は、実施形態において推定される動作メカニズムを示す図である。図１１は、実施形態において推定される動作メカニズムを示す図である。図１２は、実施形態において推定される動作メカニズムを示す図である。図１３は、実施形態において推定される動作メカニズムを示す図である。図１４は、実施形態において推定される動作メカニズムを示す図である。図１５は、実施形態において推定される動作メカニズムを示す図である。図１６は、実施形態において推定される動作メカニズムを示す図である。図１７は、実施形態において推定される動作メカニズムを示す図である。図１８は、比較例において推定される動作メカニズムを示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る高周波焼入装置を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態に係る高周波焼入装置１００においては、高周波加熱装置１０１と、冷却装置１０２が設けられている。高周波加熱装置１０１は、ワーク２００を誘導加熱する。ワーク２００は鋼からなる部材であり、例えば、複雑な形状の部材であり、例えば、歯車である。高周波加熱装置１０１は、ワーク２００の焼入予定部分、例えば、表面の一部をオーステナイト変態点よりも高い温度まで加熱する。冷却装置１０２は例えば水冷装置であり、高周波加熱装置１０１によって加熱されたワーク２００を急冷する。

図２は、本実施形態に係る高周波加熱装置を示すブロック図である。
図２に示すように、本実施形態に係る高周波加熱装置１０１においては、二周波電源装置１と、コイル９０が設けられている。コイル９０はワーク２００の近傍に配置され、二周波電源装置１から交流電流が供給される。これにより、コイル９０はワーク２００を誘導加熱する。

二周波電源装置１においては、電源部１０と、第１整合器６０と、第２整合器７０と、変成器８０が設けられている。電源部１０は、第１周波数の低周波電流（第１交流電流）と、第１周波数よりも高い第２周波数の高周波電流（第２交流電流）と、を交互に出力する。一例では、第１周波数は６ｋＨｚであり、第２周波数は８０ｋＨｚである。

第１整合器６０及び第２整合器７０は、電源部１０の出力端子に接続されている。第１整合器６０は低周波電流にマッチングされており、電源部１０から出力された低周波電流を通過させる。第２整合器７０は高周波電流にマッチングされており、電源部１０から出力された高周波電流を通過させる。第１整合器６０と変成器８０との間には、共振用の整合コンデンサ６９が設けられており、低周波電流の周波数（第１周波数）で共振するように調整されている。第２整合器７０と変成器８０との間にも、共振用の整合コンデンサ７９が設けられており、高周波電流の周波数（第２周波数）で共振するように調整されている。変成器８０は、第１整合器６０の出力電流及び第２整合器７０の出力電流が入力され、入力された電流の電圧及び電流を変換してコイル９０に対して出力する。

図３は、本実施形態に係る二周波電源装置の電源部を示すブロック図である。
図３に示すように、二周波電源装置１の電源部１０においては、外部から入力された交流電流Ｉ_１を直流電流Ｉ_２に変換するコンバータ２０と、コンバータ２０から出力された直流電流Ｉ_２を任意の周波数の交流電流Ｉ_３に変換するインバータ３０と、コンバータ２０及びインバータ３０を制御する制御部４０と、が設けられている。また、電源部１０には、インバータ３０に接続された一対の出力端子１１及び１２が設けられている。なお、本明細書において、「直流」には、電流値が一定である狭義の直流の他に、脈流も含まれる。インバータ３０は、コンバータ２０から入力された直流電流Ｉ_２を上述の低周波電流及び高周波電流に変換して出力する。

図４は、電源部のインバータを示す回路図である。
図４に示すように、インバータ３０においては、スイッチング素子３１～３４が設けられている。スイッチング素子３１～３４は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）である。なお、スイッチング素子３１～３４は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）であってもよい。各スイッチング素子３１～３４には、スイッチング部分とダイオード部分とが設けられており、相互に並列に接続されている。スイッチング部分はゲートを含み、ゲートに印加された電位によって導通と非導通とが切り替わる。

また、インバータ３０には、高電位配線３５及び低電位配線３６が設けられている。高電位配線３５にはコンバータ２０から高電位側電位が供給され、低電位配線３６にはコンバータ２０から低電位側電位が供給される。

スイッチング素子３１は、高電位配線３５（高電位側電位）と電源部１０の出力端子１１との間に接続されている。スイッチング素子３２は、低電位配線３６（低電位側電位）と出力端子１１との間に接続されている。スイッチング素子３３は、高電位配線３５と電源部１０の出力端子１２との間に接続されている。スイッチング素子３４は、低電位配線３６と出力端子１２との間に接続されている。

スイッチング素子３１～３４の各ゲートは、制御部４０に接続されている。制御部４０はスイッチング素子３１～３４の各ゲートに所望の電位を印加することにより、スイッチング素子３１～３４のスイッチング部分の導通／非導通を相互に独立して切り替えることができる。図４においては、出力端子１１と出力端子１２との間に負荷Ｌを接続している。負荷Ｌは、上述の第１整合器６０、第２整合器７０、変成器８０及びコイル９０を含んでいる。

なお、高電位配線３５と低電位配線３６との間には、スイッチング素子３１～３４からなるブリッジ回路が複数個、並列に接続されていてもよい。これにより、コイル９０に供給する電流を増加させることができる。

次に、本実施形態に係る高周波焼入装置の動作について説明する。
図５は、横軸に時間をとり、縦軸にインバータの出力電圧をとって、インバータの動作を示すタイミングチャートである。
図６は、横軸に時間をとり、縦軸に電源部の出力電圧をとって、本実施形態における電源部の動作を模式的に示すタイミングチャートである。

図５及び図６の縦軸が表す出力電圧は、出力端子１２に対する出力端子１１の電位である。
また、図６においては、電流の波形と周波数の切り替えのタイミングを同時に可視化するために、横軸の縮尺は正確でなくなっている。実際には、低周波電流が出力される期間Ｔ１１及び高周波電流が出力される期間Ｔ１２の長さは、各電流の周期に対して十分に長い。後述する図９についても図６と同様である。

図３に示すように、電源部１０のコンバータ２０には、交流電流Ｉ_１として、例えば、商用の交流電流、例えば、４４０Ｖの三相電流が入力される。コンバータ２０は交流電流Ｉ_１を平滑化して直流電流Ｉ_２を生成し、インバータ３０に対して出力する。直流電流Ｉ_２の最大電圧は例えば５５０Ｖである。

図４及び図５に示すように、電源部１０の制御部４０は、第１導通期Ｔ１、第１不通期Ｔ２、第２導通期Ｔ３及び第２不通期Ｔ４を、この順に繰り返し実現する。

第１導通期Ｔ１においては、制御部４０は、スイッチング素子３１及びスイッチング素子３４を導通させ、スイッチング素子３２及びスイッチング素子３３を導通させない。これにより、負荷Ｌには図４に実線の矢印Ｖ１で示す順方向の電圧が印加される。

第１不通期Ｔ２においては、制御部４０は、スイッチング素子３１、３２、３３及び３４を全て導通させない。このとき、スイッチング素子３２のダイオード部分及びスイッチング素子３３のダイオード部分にはリカバリー電流が流れるため、負荷Ｌには破線の矢印Ｖ２で示す逆方向の電圧が印加される。

第２導通期Ｔ３においては、制御部４０は、スイッチング素子３２及びスイッチング素子３３を導通させ、スイッチング素子３１及びスイッチング素子３４を導通させない。これにより、負荷Ｌには図４に破線の矢印Ｖ２で示す逆方向の電圧が印加される。

第２不通期Ｔ４においては、制御部４０は、スイッチング素子３１、３２、３３及び３４を全て導通させない。このとき、スイッチング素子３４のダイオード部分及びスイッチング素子３１のダイオード部分にはリカバリー電流が流れるため、負荷Ｌには実線の矢印Ｖ１で示す順方向の電圧が印加される。

このようにして、図３に示すように、インバータ３０は交流電流Ｉ_３を出力する。そして、制御部４０が第１導通期Ｔ１、第１不通期Ｔ２、第２導通期Ｔ３及び第２不通期Ｔ４からなるサイクルの周期を切り替えることにより、図６に示すように、電源部１０は低周波電流と高周波電流を交互に出力する。低周波電流を出力する期間Ｔ１１の長さと、高周波電流を出力する期間Ｔ１２の長さは、それぞれ任意に制御することができる。例えば、期間Ｔ１１の長さと期間Ｔ１２の長さの比は、１：１としてもよい。この場合、期間Ｔ１１の長さと期間Ｔ１２の長さは、それぞれ、５０ｍｓ（ミリ秒）としてもよい。

図２に示すように、低周波の整合コンデンサ６９と第１整合器６０のインダクタンスによる共振回路により第１周波数が選択されることにより、電源部１０から出力された低周波電流が第１整合器６０を通過する。同様に、高周波の整合コンデンサ７９と第２整合器７０のインダクタンスによる共振回路により第２周波数が選択されることにより、電源部１０から出力された高周波電流が第２整合器７０を通過する。第１整合器６０から出力された低周波電流及び第２整合器７０から出力された高周波電流は、変成器８０に入力される。変成器８０は、入力された電圧及び電流を変換して、コイル９０に対して出力する。

これにより、コイル９０は、ワーク２００を誘導加熱する。このとき、コイル９０には低周波電流及び高周波電流が供給されるため、ワーク２００が複雑な形状であっても、焼入予定部分を均一に加熱することが可能である。例えば、ワーク２００が歯車である場合、低周波電流によってワーク２００の歯底を加熱し、高周波電流によってワーク２００の歯先を加熱する。

図１に示すように、高周波加熱装置１０１がワーク２００の焼入予定部分をオーステナイト変態点よりも高い温度まで加熱した後、冷却装置１０２がワーク２００を急冷する。これにより、ワーク２００の焼入予定部分に焼入処理が施される。

次に、電源部１０が高周波電流を出力する方法について、より詳細に説明する。
図７は、横軸に時間をとり、縦軸に電源部の出力電圧及び出力電流をとって、本実施形態において電源部が高周波電流を出力する際の動作を示すタイミングチャートである。
図７においては、出力電圧を実線で表し、出力電流を破線で表す。図７に示すように、出力電圧は方形波であり、出力電流は正弦波である。

図７に示すように、電源部１０が高周波電流を出力する際には、制御部４０は、第１不通期Ｔ２の長さを、第１導通期Ｔ１から第１不通期Ｔ２に切り替えてからインバータ３０の出力電流の極性が切り替わるまでの時間Ｔ５よりも長くする。すなわち、Ｔ２＞Ｔ５となるようにする。また、制御部４０は、第２不通期Ｔ４の長さを、第２導通期Ｔ３から第２不通期Ｔ４に切り替えてからインバータ３０の出力電流の極性が切り替わるまでの時間Ｔ６よりも長くする。すなわち、Ｔ４＞Ｔ６となるようにする。

第１不通期Ｔ２の長さ及び第２不通期Ｔ４の長さは、制御部４０の設定により調整可能である。時間Ｔ５の長さ及び時間Ｔ６の長さは、スイッチング素子３１～３４の動作周波数と二周波電源装置１の共振周波数とのずれ量を調整することにより、制御可能である。

第１不通期Ｔ２の長さを時間Ｔ５よりも長くすることにより、高周波電流の出力期間Ｔ１２の最後を第１導通期Ｔ１とした場合に、リカバリー電流によりスイッチング素子３３及び３４のダイオード部分が同時に導通して、アーム短絡が生じることを防止できる。同様に、リカバリー電流によりスイッチング素子３１及び３２のダイオード部分が同時に導通して、アーム短絡が生じることを防止できる。これにより、アーム短絡による高電位配線３５から低電位配線３６へのリーク電流を抑制でき、消費電力を低減することができる。また、高周波電流の出力期間Ｔ１２の終了後にサージ電圧が発生することを抑制できる。この結果、サージ電圧によるスイッチング素子３３及びスイッチング素子３４の損傷を抑制できる。

同様に、第２不通期Ｔ４の長さを時間Ｔ６よりも長くすることにより、高周波電流の出力期間Ｔ１２の最後を第２導通期Ｔ３とした場合に、リカバリー電流によりスイッチング素子３１及び３２のダイオード部分が同時に導通して、アーム短絡が生じることを防止できる。同様に、リカバリー電流によりスイッチング素子３３及び３４のダイオード部分が同時に導通して、アーム短絡が生じることを防止できる。これにより、アーム短絡による高電位配線３５から低電位配線３６へのリーク電流を抑制でき、消費電力を低減することができる。また、高周波電流の出力期間Ｔ１２の終了後にサージ電圧が発生することを抑制できる。この結果、サージ電圧によるスイッチング素子３１及びスイッチング素子３２の損傷を抑制できる。

次に、比較例について説明する。
図８は、横軸に時間をとり、縦軸に電源部の出力電圧及び出力電流をとって、比較例において電源部が高周波電流を出力する際の動作を示すタイミングチャートである。
図８においては、出力電圧を実線で表し、出力電流を破線で表す。
図９は、横軸に時間をとり、縦軸に電源部の出力電圧をとって、本比較例における電源部の動作を模式的に示すタイミングチャートである。

図８に示すように、本比較例においては、電源部が高周波電流を出力する際に、第１不通期Ｔ２の長さが、第１導通期Ｔ１から第１不通期Ｔ２に切り替えてからインバータの出力電流の極性が切り替わるまでの時間Ｔ５よりも短くなっている。すなわち、Ｔ２＜Ｔ５となっている。また、第２不通期Ｔ４の長さが、第２導通期Ｔ３から第２不通期Ｔ４に切り替えてからインバータの出力電流の極性が切り替わるまでの時間Ｔ６よりも短くなっている。すなわち、Ｔ４＜Ｔ６となっている。

この場合は、図９に示すように、高周波電流の出力期間Ｔ１２の後、インバータにおいてアーム短絡が発生する。アーム短絡が生じるとリーク電流が発生し、消費電力が増加する。また、アーム短絡に伴いサージ電圧Ｖｓが発生する。これにより、スイッチング素子が損傷する可能性がある。

次に、本実施形態によりアーム短絡を防止できるメカニズムについて説明する。
なお、以下で説明するメカニズムは推定されたものであり、確定されたものではない。
図１０～１７は、本実施形態において推定される動作メカニズムを示す図である。
図１８は、比較例において推定される動作メカニズムを示す図である。

図３に示すように、コンバータ２０はインバータ３０に対して直流電流Ｉ_２を供給する。このとき、図４に示すように、低電位配線３６には低電位側電位が印加され、高電位配線３５には低電位側電位よりも高い高電位側電位が印加される。低電位側電位は例えば接地電位である。

図４及び図５に示すように、第１導通期Ｔ１においては、制御部４０がスイッチング素子３１及びスイッチング素子３４を導通させ、スイッチング素子３２及びスイッチング素子３３を導通させない。これにより、図１０に示すように、高電位配線３５、スイッチング素子３１のスイッチング部分、負荷Ｌ、スイッチング素子３４のスイッチング部分、及び、低電位配線３６からなる経路に、順方向の電流Ｉ_１１が流れる。

第１不通期Ｔ２になると、制御部４０がスイッチング素子３１～３４を全て非導通とする。しかしながら、スイッチング素子のスイッチングによる出力電圧に対し、出力電流の位相が遅れているため、位相が遅れている分、出力電流が同じ方向に流れ続ける。図１１に示すように、第１不通期Ｔ２になったとき、出力電流Ｉ_１２は、低電位配線３６、スイッチング素子３２のダイオード部分、負荷Ｌ、スイッチング素子３３のダイオード部分、及び、高電位配線３５からなる経路を流れる。これにより、負荷Ｌには破線の矢印Ｖ２で示す逆方向の電圧が印加される。制御部４０が第１導通期Ｔ１から第１不通期Ｔ２に切り替えたときに、図７に示す時間Ｔ５が開始される。

図１２に示すように、スイッチング素子３２のダイオード部分３２ｄにはｐ型部分３２ｐ及びｎ型部分３２ｎが設けられている。同様に、スイッチング素子３３のダイオード部分３３ｄにはｐ型部分３３ｐ及びｎ型部分３３ｎが設けられている。なお、図１２においては、正孔を記号「＋」を円で囲んだ図形で表し、電子を記号「－」を円で囲んだ図形で表している。後述する図１３、図１６及び図１７についても同様である。

出力電流Ｉ_１２が流れるときは、ｐ型部分３２ｐから正孔がｎ型部分３２ｎに向かって流れ、ｎ型部分３２ｎから電子がｐ型部分３２ｐに向かって流れる。このとき、正孔の一部と電子の一部はｐ型部分３２ｐとｎ型部分３２ｎとの界面付近で再結合して消滅するが、正孔の残部はｎ型部分３２ｎ内に進入し、電子の残部はｐ型部分３２ｐ内に進入する。スイッチング素子３３のダイオード部分３３ｄについても同様に、ｐ型部分３３ｐから正孔がｎ型部分３３ｎに向かって流れ、ｎ型部分３３ｎから電子がｐ型部分３３ｐに向かって流れる。そして、正孔の一部はｎ型部分３３ｎ内に進入し、電子の一部はｐ型部分３３ｐ内に進入する。

そして、出力電流Ｉ_１２がゼロクロスし、極性が切り替わった後、すなわち時間Ｔ５の経過後、図１５に示すようにスイッチング素子３４のダイオード部分３４ｄ及びスイッチング素子３１のダイオード部分３１ｄに出力電流が流れるため、図１３に示すように、スイッチング素子３２のダイオード部分３２ｄ及びスイッチング素子３３のダイオード部分３３ｄには、高電位配線３５を正極とし低電位配線３６を負極とした電圧が印加される。これにより、ダイオード部分３２ｄ及び３３ｄにおいて、ｎ型部分３２ｎ、３３ｎ内に進入した正孔が負極（低電位配線３６側）に戻ろうとし、ｐ型部分３２ｐ、３３ｐ内に進入した電子が正極（高電位配線３５側）に戻ろうとする。この結果、スイッチング素子３２のダイオード部分３２ｄ及びスイッチング素子３３のダイオード部分３３ｄには、逆方向のリカバリー電流Ｉ_１３が流れる。

なお、本実施形態においては実現していないが、仮に、ダイオード部分３２ｄ及びダイオード部分３３ｄにおいて正孔及び電子の移動が終了すると、リカバリー電流Ｉ_１３が消滅し、ダイオード部分３２ｄ及び３３ｄのｐ型部分とｎ型部分の界面を起点として空乏層が生成される。

図１３に示す状態の後、図５に示すように、第２導通期Ｔ３に移行し、制御部４０がスイッチング素子３２及びスイッチング素子３３を導通させる。スイッチング素子３１及びスイッチング素子３４は非導通のままである。これにより、図１４に示すように、高電位配線３５、スイッチング素子３３のスイッチング部分、負荷Ｌ、スイッチング素子３２のスイッチング部分、及び、低電位配線３６からなる経路に、逆方向の電流Ｉ_１４が流れる。このとき、負荷Ｌには矢印Ｖ２で示す逆方向の電圧が印加される。

第２不通期Ｔ４になると、制御部４０がスイッチング素子３１～３４を全て非導通とする。しかしながら、スイッチング素子のスイッチングによる出力電圧に対し、出力電流の位相が遅れているため、位相が遅れている分、出力電流が同じ方向に流れ続ける。図１５に示すように、第２不通期Ｔ３になったとき、出力電流Ｉ_１５は低電位配線３６、スイッチング素子３４のダイオード部分３４ｄ、負荷Ｌ、スイッチング素子３１のダイオード部分３１ｄ、及び、高電位配線３５からなる経路を流れる。これにより、負荷Ｌには矢印Ｖ１で示す順方向の電圧が印加される。第２導通期Ｔ３から第２不通期Ｔ４に切り替わったときに、図７に示す時間Ｔ６が開始される。

図１６に示すように、出力電流Ｉ_１５が流れるときは、出力電流Ｉ_１２が流れるときと同様に、スイッチング素子３１のダイオード部分３１ｄのｐ型部分３１ｐから正孔がｎ型部分３１ｎに向かって流れ、ｎ型部分３１ｎから電子がｐ型部分３１ｐに向かって流れる。このとき、正孔の一部はｎ型部分３１ｎ内に進入し、電子の一部はｐ型部分３１ｐ内に進入する。スイッチング素子３４のダイオード部分３４ｄにおいても同様に、ｐ型部分３４ｐから正孔がｎ型部分３４ｎに向かって流れ、ｎ型部分３４ｎから電子がｐ型部分３４ｐに向かって流れる。そして、正孔の一部はｎ型部分３４ｎ内に進入し、電子の一部はｐ型部分３４ｐ内に進入する。

そして、出力電流Ｉ_１５がゼロクロスし、極性が切り替わった後、すなわち時間Ｔ６の経過後、図１１に示すようにスイッチング素子３２のダイオード部分３２ｄ及びスイッチング素子３３のダイオード部分３３ｄに出力電流が流れるため、図１７に示すように、スイッチング素子３１のダイオード部分３１ｄ及びスイッチング素子３４のダイオード部分３４ｄには、高電位配線３５を正極とし低電位配線３６を負極とした電圧が印加される。これにより、ダイオード部分３１ｄ及び３４ｄにおいて、ｎ型部分３１ｎ、３４ｎ内に進入した正孔が負極（低電位配線３６側）に戻ろうとし、ｐ型部分３１ｐ、３４ｐ内に進入した電子が正極（高電位配線３５側）に戻ろうとする。この結果、スイッチング素子３１のダイオード部分３１ｄ及びスイッチング素子３４のダイオード部分３４ｄには、逆方向のリカバリー電流Ｉ_１６が流れる。その後、第１導通期Ｔ１に戻る。制御部４０は、上述の動作を繰り返し実行する。

高周波電流の出力期間Ｔ１２が終了するときは、最後の期間が第１導通期Ｔ１であれば、その後の第２不通期Ｔ２がそのまま維持され、第２導通期Ｔ３に移行しない。出力期間Ｔ１２の最後の期間が第２導通期Ｔ３であれば、その後の第２不通期Ｔ４がそのまま維持され、第１導通期Ｔ１に移行しない。

第１不通期Ｔ２が維持されると、図１１に示すように出力電流Ｉ_１２がスイッチング素子３２のダイオード部分３２ｄ及びスイッチング素子３３のダイオード部分３３ｄに流れるが、本実施形態においては、第２不通期Ｔ４を時間Ｔ６よりも長くしているため、スイッチング素子３１のダイオード部分３１ｄ及びスイッチング素子３４のダイオード部分３４ｄが逆回復しており、リカバリー電流が流れない状態になっている。そのため、高電位配線３５と低電位配線３６の間でアーム短絡することがない。

同様に、第２不通期Ｔ４が維持されると、図１５に示すように出力電流Ｉ_１５がスイッチング素子３４のダイオード部分３４ｄ及びスイッチング素子３１のダイオード部分３１ｄに流れるが、本実施形態においては、第１不通期Ｔ２を時間Ｔ５よりも長くしているため、スイッチング素子３２のダイオード部分３２ｄ及びスイッチング素子３３のダイオード部分３３ｄが逆回復しており、リカバリー電流が流れない状態になっている。そのため、高電位配線３５と低電位配線３６の間でアーム短絡することがない。

この結果、高周波電流の出力期間Ｔ１２が終了したときに、出力電流の振動による高電位配線３５と低電位配線３６の間におけるアーム短絡がなく、リーク電流が生じない。このため、図９に示すサージ電圧Ｖｓが発生せず、スイッチング素子に損傷を及ぼすことがなくなる。

これに対して、図８に示す比較例においては、第１不通期Ｔ２が時間Ｔ５よりも短くなっている。このため、スイッチング素子３２のダイオード部分３２ｄ及びスイッチング素子３３のダイオード部分３３ｄが逆回復が不十分のまま第２導通期Ｔ３に移行する。第２導通期Ｔ３においては、スイッチング素子３２及び３３のスイッチング部分が導通するため、ダイオード部分には電圧が印加されず、ｎ型部分３２ｎ、３３ｎ内に進入した正孔はそのまま残留し、ｐ型部分３２ｐ、３３ｐ内に進入した電子もそのまま残留する。

同様に、比較例においては、第２不通期Ｔ４が時間Ｔ６よりも短くなっている。このため、スイッチング素子３１のダイオード部分３１ｄ及びスイッチング素子３４のダイオード部分３４ｄが逆回復が不十分のまま第１導通期Ｔ１に移行する。第１導通期Ｔ１においては、スイッチング素子３１及び３４のスイッチング部分が導通するため、ダイオード部分には電圧が印加されず、ｎ型部分３１ｎ、３４ｎ内に進入した正孔はそのまま残留し、ｐ型部分３１ｐ、３４ｐ内に進入した電子もそのまま残留する。

この結果、高周波電流の出力期間Ｔ１２が終了した時点で、各スイッチング素子のダイオード部分のｎ型部分に多くの正孔が残留し、ｐ型部分に多くの電子が残留している。このため、図１１に示すように出力電流Ｉ_１２が流れた時に、スイッチング素子３１のダイオード部分３１ｄとスイッチング素子３４のダイオード３４ｄに高電位配線３５を正極とし低電位配線３６を負極とする電圧が印加されると、スイッチング素子３１のダイオード部分３１ｄとスイッチング素子３４のダイオード３４ｄが逆回復していないため、リカバリー電流が流れる。この結果、図１８に示すように、スイッチング素子３１及びスイッチング素子３２が導通してアーム短絡が発生したり、スイッチング素子３３及びスイッチング素子３４が導通してアーム短絡が発生する。アーム短絡が生じると、リーク電流が生じると共に、図９に示すサージ電圧Ｖｓが発生し、スイッチング素子に損傷を及ぼす可能性がある。

前述の実施形態は、本発明を具現化した例であり、本発明はこの実施形態には限定されない。例えば、前述の実施形態において、いくつかの構成要素を追加、削除又は変更したものも本発明に含まれる。

１：二周波電源装置
１０：電源部
１１、１２：出力端子
２０：コンバータ
３０：インバータ
３１、３２、３３、３４：スイッチング素子
３１ｄ、３２ｄ、３３ｄ、３４ｄ：ダイオード部分
３１ｎ、３２ｎ、３３ｎ、３４ｎ：ｎ型部分
３１ｐ、３２ｐ、３３ｐ、３４ｐ：ｐ型部分
３５：高電位配線
３６：低電位配線
４０：制御部
６０：第１整合器
６９：整合コンデンサ
７０：第２整合器
７９：整合コンデンサ
８０：変成器
９０：コイル
１００：高周波焼入装置
１０１：高周波加熱装置
１０２：冷却装置
２００：ワーク
Ｉ_１：交流電流
Ｉ_２：直流電流
Ｉ_３：交流電流
Ｉ_１１：電流
Ｉ_１２：出力電流
Ｉ_１３：リカバリー電流
Ｉ_１４：電流
Ｉ_１５：出力電流
Ｉ_１６：リカバリー電流
Ｌ：負荷
Ｔ１：第１導通期
Ｔ２：第１不通期
Ｔ３：第２導通期
Ｔ４：第２不通期
Ｔ５、Ｔ６：時間
Ｔ１１：低周波電流が出力される期間
Ｔ１２：高周波電流が出力される期間
Ｖｓ：サージ電圧

Claims

第１周波数の第１交流電流と、前記第１周波数よりも高い第２周波数の第２交流電流と、を交互に出力する電源部を備え、
前記電源部は、
直流電流を前記第１交流電流及び前記第２交流電流に変換するインバータと、
前記インバータを制御する制御部と、
を有し、
前記インバータは、
高電位側電位と前記電源部の第１出力端子との間に接続された第１スイッチング素子と、
低電位側電位と前記第１出力端子との間に接続された第２スイッチング素子と、
前記高電位側電位と前記電源部の第２出力端子との間に接続された第３スイッチング素子と、
前記低電位側電位と前記第２出力端子との間に接続された第４スイッチング素子と、
を有し、
前記制御部は、
前記第１スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子を導通させ、前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子を導通させない第１導通期と、
前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子を導通させない第１不通期と、
前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子を導通させ、前記第１スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子を導通させない第２導通期と、
前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子を導通させない第２不通期と、
をこの順に繰り返し実現し、
前記第１不通期の長さを、前記第１導通期から前記第１不通期に切り替えてから前記インバータの出力電流の極性が切り替わるまでの時間よりも長くする、
二周波電源装置。
前記制御部は、前記第２不通期の長さを、前記第２導通期から前記第２不通期に切り替えてから前記インバータの出力電流の極性が切り替わるまでの時間よりも長くする、請求項１に記載の二周波電源装置。
前記電源部は、交流電流を前記直流電流に変換して前記高電位側電位及び前記低電位側電位を出力するコンバータをさらに有した請求項１または２に記載の二周波電源装置。
前記電源部の出力電流が入力され、前記第１交流電流を出力可能な第１整合器と、
前記電源部の出力電流が入力され、前記第２交流電流を出力可能な第２整合器と、
をさらに備えた請求項１～３のいずれか１つに記載の二周波電源装置。
請求項１～４のいずれか１つに記載の二周波電源装置と、
前記二周波電源装置から前記第１交流電流及び前記第２交流電流が入力されるコイルと、
を備えた高周波加熱装置。
請求項５に記載の高周波加熱装置と、
前記高周波加熱装置によって加熱されたワークを冷却する冷却装置と、
を備えた高周波焼入装置。