JP2763319B2 - 高周波電力発生装置 - Google Patents

高周波電力発生装置

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JP2763319B2
JP2763319B2 JP1045015A JP4501589A JP2763319B2 JP 2763319 B2 JP2763319 B2 JP 2763319B2 JP 1045015 A JP1045015 A JP 1045015A JP 4501589 A JP4501589 A JP 4501589A JP 2763319 B2 JP2763319 B2 JP 2763319B2
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frequency
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/08—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element comprising lumped inductance and capacitance

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は請求項の１の前文に記載した構成の高周波電
力発生装置に係わる。
多くの工業的、医学的又は科学的用途に対して高い高
周波電力が必要とされる。工業分野に於ける例は、高周
波フィールドに於ける誘電体損失により材料を加熱作動
する乾燥装置又は高周波フィールドに於ける過電流によ
り材料を加熱する溶解装置である。医学に於ては高周波
電力が例えば高周波外科の分野で必要とされ科学に於て
は例えばスペクトル分析に於けるプラスマの励起に必要
とされる。
［従来型の説明］及び［発明により解決すべき課題］ ほとんどの用途に於て共通なことは高周波電力発生装
置の負荷が一般に一定ではなくしばしば非常に大きくか
つ急激に変化することである。高周波外科の分野に於て
は例えば高周波電力発生装置に接続された外科ゾンデの
インピーダンスがミリセカンド内で約50Ωと4kΩの間で
変化する。更に負荷インピーダンスの無効成分が迅速か
つ広い範囲で変動する。この例は高周波熔解炉の中の熔
解の瞬間である。坩堝の中の熔解材料は最初はゆるく集
まっているが熔解の瞬間には１つの大きな塊にまとま
る。熔解材料の中の電流の分布従って磁場の空間的分布
がこの瞬間に根本的に変化する。高周波電力発生装置に
対してこの過程は負荷インピーダンスの無効部分の急激
な変化となる。
この用途に於て更に他の共通なことは、高周波電力に
よって得られる効果は周波数を非常に厳密には維持する
必要がないことである。高周波外科の分野に於ては例え
ば300kHzと2MHzとの間の周波数が普通でしかもこの際使
用して目でわかる程の差は生じない。高周波熔解炉に於
ては200kHzと27MHzとの間の周波数ですら用いられる。
ある周波数領域の維持は、高周波電力発生装置により生
じる場がシールドされていない場合妨害電波を禁止する
電波通信法によりたかだか規制されるにすぎない。充分
にシールドして使用する場合又はほとんどの高周波外科
器具に於てはこの制限はない。
更に上記記載の総ての用途に於て高い効率が要求され
る。手術室で用いられる高周波外科器具に於ては例えば
冷房用のファンは許されない。その理由は冷風流によっ
てバクテリアが拡散されるおそれである。例えば取り出
し得る高周波電力が400Wの場合には装置が許されない程
加熱しない場合には少なくとも90％の高周波電力発生装
置の効率が必要である。
高い効率を得るために現在では高周波電力発生装置の
増巾要素特にトランジスタをスイッチ稼動で稼動するこ
とが普通である。例えば実際には今日入手できる総ての
高周波外科器具はこの原理で作動する。スイッチ稼動に
より出力電圧のスペクトルの中に多くの問題を有する高
調波が発生する。高周波外科の分野に於ては固有の稼動
周波数に対して非常に多くの周波数の高い高調波によっ
て容量性の高い漏洩電流が発生しこの電流は患者に火傷
の危険を与える。更に回路の不可避の漂遊要素により強
い過振動が発生しこのために過電圧により増巾要素の稼
動の安全性が危惧される。
更にスイッチ増巾器に於ては増巾要素の遮断遅延のた
めに高い効率が任意に得られないことも知られている。
“エレクトロニク”（Elektronik）1983,第４巻、67
頁「高い効率を有するDC/AC変換器」に単純なスイッチ
増巾器の上記の難点を回避するためにいろいろな手段を
試みた高周波電力発生装置が記載されている。
この目的のためにそのトランジスタが擬補足手段とし
て接続されておりスイッチ稼動で作動する電力増巾器が
用いられる。この電力増巾器の出力に直列に接続された
直列共振回路が接続されており同回路によりアースされ
ている即ち並列に接続されている並列回路に出力電流が
導かれる。この並列回路のインダクタンスは負荷を結合
させる働き、即ちこの実施例に於ては加熱材料の中に渦
電流を発生させる働きを有する。電力増巾器のトランジ
スタは固定周波数発振器によって制御され同発振器は稼
動周波数に同調している。直列共振回路並びに並列共振
回路は同様にこの稼動周波数に同調している。直列共振
回路によって電力増巾器の出力電力はほぼ純粋に正弦波
型となる。この際電力は高周波振動の各半周期ごとに即
ち正確に通過状態がそれぞれ１つのトランジスタから他
のトランジスタに切換わる時に零を通過する。この手段
によりトランジスタの中に於ける遮断損失が特に小さく
なる。即ちその理由は遮断の瞬間に於けるトランジスタ
の電流は既に零になっている。即ち遮断の遅延はトラン
ジスタの内部で実際上もはやや発生しない。この手段に
より単純な広帯域スイッチ増巾器よりもはるかに高い効
率が得られる。
並列共振回路により負荷インピーダンスが稼動周波数
に於て実数値になり電流と電圧並びに無効電流との間の
位相のずれが回避される。
トランジスタのベース回路の中の論理回路によりそれ
ぞれのトランジスタが、コレクターエミッタ電圧がほぼ
飽和電圧の値に下降、即ち出力電圧の振動が他のトラン
ジスタが遮断されて閉鎖して初めに投入される。この論
理により他のトランジスタの遮断時点に対してトランジ
スタの投入時点が遅延するとそれにもかかわらず直列共
振回路の電流はそのまま流れなければならない。この目
的のためにトランジスタにはフリーホイールダイオード
が並列に接続されている。
実際にはこの高周波電力発生装置には更に決定的な難
点を有する。負荷が変動、特に負荷インピーダンスの虚
数部分が変化した場合稼動周波数に対して並列共振回路
の共振周波数がはずれる。従って並列共振回路の電圧と
直列共振回路を流れる電流の位相はもはや一致しない。
この結果電力増巾器の出力電流の零点通過がもはやトラ
ンジスタ調節の切換時点と一致しない。その結果トラン
ジスタに長い投入遅延が生じこの間出力電流はフリーホ
イールダイオードを流れなければならない。この際投入
が行なわれるとトランジスタから取出される電流はもは
や理想状態のようにほぼ零にはならず既に非常に高い値
になる。この結果投入損失が著しく増大し効率が急激減
少する。位相のずれによって基本的に更に高周波電力発
生装置の取り出し得る出力電力が減少する。
直列共振回路又は並列共振回路の共振周波数が正確に
一致しないか又は構成要素が老化して共振回路のインダ
クタンス及び容量が変化すると同じ作用が発生し、この
際これ等の回路の共振周波数が変化する。制御発振器の
不正確に一致した又は老化により変化した稼動周波数に
対しても同じことが云われる。とにかくトランジスタ及
びフリーホイールダイオードの中の損失が上昇し取出し
得る電力及び効率が下降する。離調が著しい場合には損
失電力が上昇して増巾要素を破壊するに至ることがあ
る。
［発明の目的］ 即ち本発明の目的は効率及び出力電流が負荷インピー
ダンスが著しく変化及び発振回路の共振周波数が異なる
場合でも一様に高く、このことに依り更に構成要素の老
化及び著しい負荷の変動による高周波電力発生装置の危
険がなくなり従って安全な稼動が保証される。
［課題の解決手段］ この目的は本発明により請求項１及びそれに続く項の
特徴の部分に提案した手段により達せられる。
本発明に於ては高周波電力発生装置の始動の瞬間に電
力増巾器の入力に接続されていて高周波電力発生装置に
発振開始支援をなす補助発振器が設けられる。始動の最
初の瞬間は従って高周波電力発生装置は外部から制御さ
れる。しかしながら高周波電力発生装置が発振を開始す
るとただちに、即ち電力増巾器の出力回路に零と明らか
に異なる電流が流れるか又は零と明らかに異なる電圧が
出ると電力増巾器の制御が自励に即ち電力増巾器の出力
回路からのフィードバックに切換えられる。この際フィ
ードバック電圧は２つの方法で電力増巾器の出力回路か
ら取出される。即ち変換素子又はインパルス形成段を介
して直列共振回路を通過する電流から取出されてこれに
より電流フィードバックが行なわれるか又は変換素子又
はインパルス形成手段を介して並列共振回路の電圧から
取出されてこれにより電圧フィードバックが行なわれ
る。
電流フィードバックと電圧フィードバックとの間を切
換えるために電子スイッチが設けられており同スイッチ
は高周波電力発生装置に接続されている負荷インピーダ
ンスの量が前以って調節された特性値以下になると電流
フィードバックに接続し、高周波電力発生装置に接続さ
れている負荷インピーダンスの量が前以って調節された
特性値以上になると電圧フィードバックに接続する。電
子スイッチは、負荷インピーダンスが変動し負荷インピ
ーダンスの量が前以って調節された特性値以上又は以下
になるとその後稼動中に於ても電流フィードバックと電
圧フィードバックとの間を継続して切換える。
［作用］ 本発明による高周波電力発生装置は発振開始の瞬間に
しか補助発振器による他励で作動しない。しかしながら
本来の稼動は自励で行われる。この際直列共振回路と並
列共振回路との周波数一致のずれは自動的にフィードバ
ック条件が必要に応じて満たされることにより相殺され
る。負荷インピーダンスの実数部分特に虚数部分の変化
もフィードバックにより自動的に考慮される。周波数は
常にフィードバック条件が満たされるように調節され
る。これは一般的に負荷インピーダンスを含む出力フィ
ルタの合成中間周波数である。この際外部制御の周波数
の間違いは本来的に生じ得ない。
本発明による高周波電力発生装置に於てはしかしなが
らフィードバックの方法は固定されていない。むしろ接
続された負荷インピーダンスの大きさによって電流フィ
ードバックか又は電圧フィードバックに選択される。純
抵抗が低い負荷インピーダンスに於ては電流フィードバ
ックが用いられる。純抵抗の低い負荷インピーダンスに
より並列共振回路が非常に強く減衰し直列共振回路が固
有の周波数を決定する素子となる。非常に高い電流が直
列共振回路を流れ同回路中の無効電力が高くなる。これ
に反して並列共振回路の電圧は低く同回路の中で変換さ
れる無効電力は小さい。この場合電流フィードバックに
より電力増巾器の電圧と電流との間の位相のずれができ
る限り小さい安定した稼動が提供される。
これに反して純抵抗の高い負荷インピーダンスの場合
には電圧フィードバックが選択される。負荷インピーダ
ンスの純抵抗が高いために並列共振回路は弱くしか減衰
せず今度はそれが固有の周波数を決定する素子となる。
直列共振回路にはより小さな電流しか流れず同回路の中
の無効電力は小さい。これに反して並列共振回路の電圧
は高く同回路の中で変換される無効電力は同様に大であ
る。この場合には電圧フィードバックによりもっとも安
定した稼動が提供される。電力増巾器の出力の電流と電
圧との間のごくわずかな位相のずれはそれ程問題とはな
らない。即ち負荷の純抵抗が高いために電流全体が小で
ある。
しかしながら純抵抗の高い負荷に於ける電圧フィード
バックは更に他の利点を有する。即ち純抵抗の高い負荷
インピーダンスに於ける出力フィルタの入力インピーダ
ンスの共振の不確定さにある。これに関して以下詳細に
説明する。
現在の技術水準に対する電流フィードバックと電圧フ
ィードバックとの間の切換えに関連するフィードバック
の利点は、高周波電力発生装置が負荷インピーダンスが
著しく変動した場合にも常に負荷インピーダンスを含む
出力フィルタの実際の中間周波数で作動することであ
る。このことは特に安定した稼動に於て電力増巾器の増
巾要素の中の損失電力が小さく一定して効率が高く取り
出し得る電力が一定して高いことを意味する。安定した
稼動は負荷が短絡しても無負荷でも得られる。
電流フィードバックと電圧フィードバックとの間の切
換えの基準として本発明に於ては接続された負荷インピ
ーダンスの量が用いられる。切換えがもっとも目的に合
致する負荷インピーダンスの特性値RCは本発明により構
成された高周波電力発生装置のそれぞれに対して例えば
実験的に決定される。この際別にそれぞれ電流フィード
バック電圧フィードバックが安定した稼動を提供する負
荷インピーダンスの範囲が決定される。特性インピーダ
ンスとしてこの場合安定限界の間にある値が採用され
る。
本発明により直列共振回路の中の無効電力が並列共振
回路の中の無効電力よりも実質的に大である場合には電
流フィードバックを選択しなければならないことが見出
された。逆に並列共振回路の中の無効電力が直列共振回
路の中の無効電力よりも実質的に大である場合には電圧
フィードバックを選択しなければならいない。しかしな
がら両共振回路に於ける無効電流の配分は負荷インピー
ダンスの実際の値に従属する。目的に合致した切換限界
としてこの際両振動回路に於ける無効電流がまさに等し
くなる負荷インピーダンスが判明した。
従って本発明の有利な実施形態に於てそれ以上になる
か以下になるかによって電流フィードバック又は電圧フ
ィードバックに切換える負荷インピーダンスの特性値が
以下の等式 を満足するように選択される。ただしLSは直列共振回路
のインダクタンスでCPは並列共振回路の容量である。こ
の特性インピーダンスに於ては両共振回路の中の無効電
流が丁度等しくなる。
多くの用途に於て負荷のインピーダンスの中間レベル
は高周波電力発生装置の電力増巾器の中の増巾要素の仕
様と一致しない。これ等の場合には並列共振回路のソレ
ノイドは伝達器として構成される。例えば中間で純抵抗
が非常に高い負荷が許容尖頭電流を有するが電圧強度が
小さい増巾要素に適合される。従って本発明の更に他の
実施形態に於ては並列共振回路のインダクタンスが伝達
器として構成されており並列回路の容量がこの伝達器の
一次側即ち電力増巾器の方を向いた側に並列に接続され
ている。フィードバックを本発明により再び無効電流の
大きなブランチを介して行うためにこの際電圧フィード
バックと電流フィードバックとの間の切換えをほぼ の負荷インピーダンスの特性値に於て行わなければなら
ない。ただしは伝達器の電圧変換比である。
多くの場合には更に並列共振回路の容量が伝達器の二
次捲線に対して並列であることが所望される。これは例
えば高周波電力発生装置の出力インピーダンスが周波数
が高い場合に零になる場合で、このことは上記の装置に
於ては伝達器の漂遊誘導が避けられないためにおこらな
かった。従って本発明の更に他の実施形態に於ては並列
共振回路のインダクタンスは伝達器として構成され並列
回路の容量がこの伝達器の二次側に接続されている。こ
の場合フィードバックの電圧フィードバック又は電流フ
ィードバックへの切換えはほぼ以下の等式 の特性値以上又は以下に負荷インピーダンスがなった場
合に行われる。ただしは伝達器の変換比である。
ただしフィードバック方法を調節するためには瞬間有
効負荷インピーダンスが少なくとも近似的にわかってい
て切換えを行う特性値と比較されねばならない。本発明
のある実施形態に於てはこの目的のために高周波電力発
生装置の出力電圧又は同電圧に比例した量を検知するた
めの測定装置及び高周波電力発生装置の出力電流又は同
電流に比例した量を検知するための測定装置が設けられ
ている。この際両測定装置の測定ファクタは、高周波電
力発生装置に接続されたインピーダンスが特性値を有し
ている時に出力信号がほぼ等しくなるように前以って調
節されている。更に上記の両測定装置の出力信号を相互
に比較するコンパレータ回路が設けられている。このコ
ンパレータ回路の出力信号は、負荷インピーダンスが上
記の特性値よりも大又は小になった時に跳躍し従って高
周波電力発生装置のフィードバックブランチの中で電圧
フィードバックと電流フィードバックとを切換えるため
に用いられる。
多くの場合高周波電力発生装置はほぼ一定の出力電圧
で稼動される。このような場合には瞬間負荷インピーダ
ンスを決定する際に出力電圧の測定は省略される。従っ
て本発明の更に他の実施形態に於ては負荷インピーダン
スを決定するために高周波電力発生装置の出力電力又は
同電流に比例した量を検知するための測定装置しか設け
られていない。更にこの測定装置の出力信号を基準値と
比較するためのコンパレータ回路が設けられており同基
準値は特性負荷インピーダンスの場合測定装置の出力信
号と等しくなるように選定してある。コンパレータ回路
の出力信号は、負荷インピーダンスが特性値以上又は以
下になった場合に再び跳躍し従って高周波電力発生装置
のフィードバックブランチの中で電圧フィードバックと
電力フィードバックとを切換えるために用いられる。
［効果］ 本発明により構成したいくつかの高周波電力発生装置
を測定した結果、インピーダンス特性値を正確に維持す
ることは電力フィードバックと電圧フィードバックとを
切換えるためには必要ではなく、ある程度のずれが許さ
れることを確認した。値が思いがけなく特性値の周りで
変動するある負荷インピーダンスに於て余りにもしばし
ば切換ることをさけるために本発明の更に他の実施形態
に於てはフィードバックの切換過程を制御するためにヒ
ステリシスを備えたコンパレータ回路が用いられる。
本発明の高周波電力発生装置は非常にしばしば間欠的
に稼動される。
この例は高周波外科である。外科用高周波発生装置は
器具としては手術の全期間中は投入されているが高周波
出力は通常切断又は凝固のために短時間しか与えられな
い。これは器具の総ての補助電圧は長時間に互って必要
であるが本来の高周波発生装置は常にスイッチを操作す
ることによってしか投入されない。従って以下の説明に
は２つの種類の投入を区別する。先ず器具全体が全補助
電圧及びある場合には周辺機能で始動されねばならな
い。器具の中に含まれている本来の高周波電力発生装置
は一般的にその後はじめて投入され必ずしも継続的には
投入されない。発振開始支援に関するその他の説明は常
に例えばある作業休止後の高周波電力発生装置の投入に
関するもので作業休止中は全器具は投入されているが高
周波電力は出されていない。
高周波電力発生装置が投入されるごとに発振開始過程
が解除されねばならない。発振開始支援の働きをする補
助発振器は電力増巾器を、フィードバック回路が出力回
路から稼動周波数の充分に大きな電流又は電圧を取り入
れて自励を維持するように調節しなければならない。も
っとも簡単な場合には本発明による補助発振器は従っ
て、高周波電力発生装置が投入されるごとに１つの単独
なインパルスを電力増巾器の入力に与えるように構成さ
れている。このような単独インパルスは直列共振回路と
並列共振回路とよりなる出力フィルタを既に稼動周波数
の電流と電圧を含む平衡過程に励起し多くの場合フィー
ドバック回路を継続発振させるために充分である。
発振開始を更に確実にするために本発明の更に他の実
施形態による補助発振器は高周波電力発振装置を投入す
るごとに電力増巾器の入力に、高周波電力発生装置が発
振してしまう迄即ち電力増巾器の制御がフィードバック
に切換わってしまう迄単一インパルスを与え続ける。こ
の場合単一インパルスの時間間隔は、出力回路に位相位
置の具合の悪いいくつかの平衡過程が加わらないために
所望の中間稼動周波数の周期よりも大でなければならな
い。
特に確実な発振開始は補助発振器が周波数が高周波電
力発生装置の中間稼動周波数に一致する連続交流電圧を
出す本発明の更に他の実施形態によりこの補助発振器が
電圧が制御された発振器（VCO）であっても有利で同発
振器の静止周波数は高周波電力発生装置の中間稼動周波
数に一致する。高周波電力発生装置が始動するごとにこ
のVCOは先ず中間稼動周波数で発振する。本来の高周波
電力発生装置が発振即ち電圧フィードバック又は電流フ
ィードバックで作動すると常に補助発振器の周波数が高
周波電力発生装置の瞬間作動周波数と同期する位相調節
回路を設けることが提案される。更に補助発振器を高周
波電力発生装置の作動休止中最後に調節された周波数で
継続発振させることが提案される。このことは例えば位
相調節回路とVCOとの間のサンプルホールド回路によっ
て実現される。高周波電流発生装置を再び活性化する場
合に補助発振器が高周波電力発生装置の最後の実際の周
波数を発振開始支援として電力増巾器に与える。この周
波数が、高周波電子発生装置が自励に切換わったのちに
継続発振する周波数に対してもっとも確からしい値を有
する。
［実 施 例］ 以下本発明を添付の実施例に関する図面に就き詳細に
説明する。
第１図には負荷インピーダンスを定めるために電流及
び電圧を測定する測定回路を有する高周波電力発生装置
のブロック回路図が示されている。高周波電力発生装置
は補足及び擬補足回路の中に構成された電力増巾器１を
含み同増巾器の出力に直列共振回路（LS及びCS）と並列
共振回路（CP及びLP）とにより形成された出力フィルタ
が接続されている。フィルタの出力には負荷インピーダ
ンスZLastが接続されている。直列共振回路に直列に電
流フィードバックに適した電圧を発生するための変換素
子が接続されており同素子はこの実施例に於て電流変換
器２と増巾器３とにより成っている。しかしながらこの
ブランチの中に例えば電力増巾器の出力電流回路の中の
電流変換器の代りに小さな直列抵抗の様な更に他の回路
の変形も可能である。並列共振回路に並列に電圧フィー
ドバックに適した電圧を発生するための変換素子が接続
されており同素子はこの実施例に於て増巾器４より成っ
ている。増巾器３及び４はブロック回路図に示した増巾
装置VI1及びVU2を備えており同装置はのち程電力増巾器
に適当な制御電圧を与える様に調節されている。電力増
巾器１の出力電圧が高いために電圧フィードバックブラ
ンチの中の増巾器４の増巾装置は一般にVU1＜Ｉとな
る。
両増巾器３及び４の出力電圧が電子切換スイッチ５に
供給され同スイッチによりその瞬間の負荷インピーダン
スに応じて選択される。
この実施例に於て高周波電力装置は、電力増巾器１に
スイッチ６を介して稼動電圧UBが供給されることにより
投入される。これは高周波装置全体が場合によっては存
在する周辺装置及び補助電圧と共にこの時点に於て既に
投入されているからである。続いてスイッチ６を操作す
ることにより高周波電力の供給が開始される。即ちこの
瞬間に高周波電力発生装置の発振が開始しなければなら
ない。このために補助発振器７が電子スイッチ８とイン
パルス形成ないしは予備増巾段９を介して電力増巾器１
の入力に接続されている。この実施例に於て補助発振器
７は中間稼動周波数即ち直列共振回路の基準共振周波数
fS及び並列共振回路の基準共振周波数fPに同調しており
これらの周波数は一般に等しいとみなすことができる。
この周波数で高周波電力発生装置が振動を開始する。し
かしながら増巾器３及び４により出力電流又は出力電圧
から導出された電圧のいずれかが明かに零と異なるとた
だちに電子スイッチ８が自己励起即ちフィードバックに
切変わる。これは本実施例に於ては整流器10と11及び電
子オア回路12によって行なわれる。
この際“明かに零と異なる”と云う表現は、増巾器３
と４により電力増巾器１の出力電流又は出力電圧から導
出された電圧が電力増巾器１を制御するために充分でな
ければならないと理解されたい。可能なループ増巾率が
高いためにしかしながらこのためには比較的小さな電圧
値が充分である。
オア回路12の閾値は従って、それぞれの入力電圧が電
力増巾器１を制御するために充分な振幅を有した場合そ
の出力信号が反転するように調節されている。
本発明に於て電子選択スイッチ５はフィードバックブ
ランチを、負荷インピーダンスが特性値以下になった場
合には電流フィードバックに、フィードバックインピー
ダンスが特性値以上になった場合には電圧フィードバッ
クに切換える。この目的のために第１図の実施例に於て
は電流変換器13、増巾器14、整流器15及びコンパレータ
16が設けられている。電流変換器13によって負荷電流I2
に比例した信号が取込まれ同信号は増巾器14の振幅に適
合し整流器15の中で整流される。そのうちコンパレータ
16によって整流器11の出力信号と比較される。増巾器４
の増巾率VU2及び増巾器14の増巾率VI2はこの際、負荷イ
ンピーダンスが特性値を通るとコンパレータ16の出力信
号が跳躍する様に調節されている。負荷インピーダンス
が比較的長い間正確に特性インピーダンスの価にある場
合にコンパレータ16が常時跳躍するのを防ぐためにここ
に於てはコンパレータ16にヒステリシスが設けられてい
る。
本発明の高周波電力発生装置に於ては電力増巾器１が
スイッチ稼動する。この稼動の場合電力増巾器１の増巾
要素の純抵抗が交互に著しく高くなったり低くなったり
するので出力電圧U1は電力増巾器１の制御電圧に対して
位相のずれが無視できる程小さい。電流フィードバック
の場合には制御電圧は電力増巾器１の出力電流I1から得
られる。
電流フィードバックブランチの中の位相のずれが非常
に小さいことに留意すれば電流フィードバックの場合に
は出力電流I1と出力電圧U1との間の位相ずれは著しく小
さい。この際周波数はこの条件が満たされるように自動
的に調節される。即ちこの際特に直列共振回路の実際の
共振周波数である。構成要素LP及びCPの変化並びに負荷
インピーダンスの無効要素による離調及び並列共振回路
の離調はこの際自動的に考慮される。即ち電流フィード
バックは電力増巾器１の増巾要素の中の損失が可能な限
り小さくなり従って効率が可能な限り高くなり過振動が
最小となり従ってもっとも確実な稼動が行なわれる。高
周波電力の所望作業に対してはこの際発生するわずかな
周波数のずれは前に記載したように問題とはならない。
それにもかかわず負荷インピーダンスが特性インピー
ダンスRCを超えた場合には電圧フィードバックに切換え
ると有利である。この事を第２図によりより詳細に説明
する。第２図には負荷インピーダンスの４つの異なる値
に対応する出力フィルタの、電力増巾器１から見た入力
インピーダンスの位置曲線である。説明を簡単にするた
めにここでは負荷インピーダンスに対して実数値RLast
しか用いない。
その例は が成立する場合である。直列共振回路の共振周波数fSと
並列共振回路の共振周波数fPが名目上等しいので LS＊CS＝LP＊CP が成立し従って も成立する。
特性インピーダンスRCがこの場合1kΩであるとする。
第２図の４つの位置曲線は負荷インピーダンス0.2kΩ,1
kΩ,1.2kΩ及び3kΩに対するものである。それぞれの位
置曲線は直列共振回路の共振周波数と並列共振回路の共
振周波数とにおいて実数軸と１つの交点を有する。周波
数は第２図に於てそれぞれ所望の稼動周波数fBとして示
されている。負荷インピーダンスが特性インピーダンス
の値を超えると入力インピーダンスの位置曲線が実数軸
との更に他の２つの交点と共に１つのループを形成す
る。電流フィードバックの場合には高周波電力発生装置
はもはや所望の稼動周波数fBを調節せず他の両周波数の
いずれかを実数入力インピーダンスによって調節する。
この周波数に於ては高い無効電流が電力増巾器の増巾要
素を通って流れ、得られるべき電力及び効率が急激に下
降する。このために電力増巾器の増巾要素の中で損失電
力が増加し稼動の安全性が危くなる。特性インピーダン
スの超過がごく僅かな場合にはこの効果はRLast＝1.2k
Ωに対する位置曲線が示すようにまだそれ程著しくはな
い。従って或る程度の許容は切換閾値に対して許され
る。
特性曲線に比較して純抵抗が高い負荷インピーダンス
の場合には電圧フィードバックの本発明によるフィード
バックの切換が高周波電力発生装置を再び所望の稼動周
波数fBに復帰させる。このことにより損失出力、効率、
得られるべき電力及び稼動安全性に関して著しい利点が
もたらされる。
純抵抗が低い電力増巾器に於ては電圧フィードバック
は根本的に問題がある。この理由より本発明はフィード
バック電圧を並列共振回路即ち直列共振回路の後の電圧
から取り出すことを提案する。総ての実際の場合には更
に直列共振回路が周波数の供給を行なう即ち電流フィー
ドバックと電圧フィードバックとの間の切換え後も高周
波電力発生装置は実際上等しい周波数で継続発振する。
更に老化による共振回路の不具合並びに構成要素の値
の変化はフィードバックにより相殺されることは明らか
である。
第３図には、並列共振回路のインダクタンスLPが電圧
変換率1;を有する伝達器により置換された高周波電力
発生装置が示されている。この実施例に於ては伝達器の
一次側に発振回路容量CPが並列に接続されている。この
場合には特性インピーダンスRCを決定する際伝達器のイ
ンピーダンス変換率が考慮されねばならない。容量CP
は伝達器の二次側に並列に接続することもできる。この
際考慮しなければならないことはCPも一次回路で1/で
変換されると見なされるために特性インピーダンスRCは
前記の公式により算出すべきである。第４図には電流フ
ィードバックと電圧フィードバックとの間の切換基準を
決定するために負荷インピーダンスが評価されるにすぎ
ない高周波電力発生装置が示されている。この回路は、
高周波電力発生装置の出力電圧に著しい変動がない場合
に適している。この場合には単に負荷電流I2を測定して
基準値と比較すれば充分である。第４図に於てこのこと
は、負荷インピーダンスが特性インピーダンスの値を有
している場合電圧が代表的な稼動状態にある整流器15の
出力値とほぼ同じ大きさを有する様に調節された基準値
発生装置18によってなされる。
第５図には補助発振器７が電圧が調節された発振器
（VCO）として構成されている高周波電力発生装置が示
されている。この補助発振器の静止周波数は所望の稼動
周波数に一致する。この周波数で補助発振器７が電力増
巾器１に最初の励起の際に発振開始支援を与える。補助
発振器７の出力電圧は位相測定器19によって高周波電力
発生装置の発振周波数と比較される。高周波発生装置が
フィードバックモードで発振している間しか意味を有し
ないこの位相測定の結果はサンプルホールド増巾器20の
入力に与えられる。高周波電力発生装置が発振を開始す
ると即ちフィードバックモードで作動するとただちにサ
ンプルホールド増巾器20が補助発振器７に接続される。
この目的のために他励をフィードバックに切換えるオア
回路12の出力信号がアンド回路21のスイッチ６の励起信
号と結合してサンプルホールド増巾器20の制御入力に与
えられる。
サンプルホールド増巾器20の接続により位相調節ルー
プが閉鎖し補助発振器７が高周波電力発生装置の瞬間の
自励周波数に同期する。高周波電力発生装置が不活性化
されるとただちにサンプルホールド増巾器20がアンド回
路21から遮断され補助発振器７は高周波電力発生装置の
最後の実際の周波数で継続発振する。次に活性化する際
にこの周波数で発振開始支援が与えられる。一般に周波
数は高周波電力発生装置が振動を開始する周波数のもっ
ともたしかな値を有する。
【図面の簡単な説明】
第１図は負荷インピーダンスを決定するために電流及び
電圧測定用の測定回路を有する高周波電力発生装置のブ
ロック回路図である。 第２図は負荷抵抗RLastの異なる値に対する出力フィル
ターの、電力増巾器から見た入力インピーダンスの位置
曲線である。 第３図は負荷インピーダンスを評価するための電力測定
用測定回路を有する高周波電力発生装置のブロック回路
図である。 第４図は負荷インピーダンスを適合させるための伝達器
として構成された並列容量LPを有する高周波電力発生装
置のブロック回路図である。 第５図はPLL回路により同期化された補助発振器を有す
る高周波電力発生装置のブロック回路図である。 １……電力増巾器、２……電流交換器 3,4……増巾器、５……電子切換スイッチ ７……補助発振器、８……電子スイッチ 12……電子オア回路、13……伝達器 14,15……測定装置、16……コンパレータ回路 18……基準値発生装置 20……サンプルホールド増巾器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハインツ リンデンマイヤー ドイツ連邦共和国 8033 プラネック フュルステンリーダー シュトラーセ ７ (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G05F 1/00 G05F 1/10 G05F 1/44 H02M 7/48

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】補足又は擬補足段として構成されスイッチ
    稼動で作動する電力増巾器と、ほぼ中間稼動周波数に同
    調されて直列に接続された直列共振回路及びほぼ中間稼
    動周波数に同調されて並列に接続された並列共振回路を
    含む出力フィルタとを有しこの際直列共振回路が電力増
    巾器から見て第１のフィルタ要素である高周波電力発生
    装置に於て、 −電力増巾器（１）の制御電圧が電力増巾器（１）の出
    力回路からのフィードバックによってなされること −電力増巾器（１）の制御が、発振開始後即ち電力増巾
    器（１）の出力回路の中に零と明らかに異なる電流が流
    れるか又は零と明らかに異なる電圧が生じた場合自励即
    ちフィードバックに電力増巾器（１）の出力回路から切
    換えられ、この際続いて電力増巾器の制御電圧が； 変換素子（２及び３）及びインパルス形成段（９）を介
    して、直列共振回路（LS,及びCS）を流れる電流から取
    出され、このことにより高周波電力発生装置に接続され
    た負荷インピーダンス（ZLast）の量が前以って調節さ
    れた特性値（RC）以下になった場合に電流フィードバッ
    クが発生し、 変換素子（４）及びインパルス形成段（９）を介して、
    並列共振回路（LP及びCP）の電圧から取出されこのこと
    により高周波電力発生装置に接続された負荷インピーダ
    ンス（ZLast）の量が前以って調節された特性値（RC）
    以上になった場合に電圧フィードバックを生じ、 この際電子スイッチ（５）がフィードバックのこれ等の
    両可能性の間を切換えるために設けられておりこのスイ
    ッチにより、負荷インピーダンスの量が前以って調節さ
    れた特性値（RC）以上又は以下になった場合に負荷イン
    ピーダンスが変動した際に稼動中でも電流フィードバッ
    クと電圧フィードバックとの間の上記の切換が行なわれ
    ることを特徴とする高周波電力発生装置。
  2. 【請求項２】所定特性値以上又は以下になった場合に電
    流フィードバック又は電圧フィードバックに切換わる負
    荷インピーダンス（ZLast）の量が等式 に一致し、ここに於てLSは直列共振回路のインダクタン
    スでCPは並列共振回路の容量であることを特徴とする請
    求項１に記載の高周波電力発生装置。
  3. 【請求項３】並列共振回路のインダクタンス（LP）が高
    周波電力発生装置に接続された負荷インピーダンス（Z
    Last）を変換するための伝達器（13）としてそれ自体既
    知の方法で構成されており、並列回路の容量（CP）がこ
    の伝達器（13）の一次側即ち電力増巾器（１）の方に向
    いた側に並列に接続されており負荷インピーダンス（Z
    Last）が特性値（RC）以上又は以下になった場合フィー
    ドバックが電圧フィードバック又は電流フィードバック
    に切換わり上記の特性値がほぼ等式 に一致し、ここに於てが伝達器（13）の変換比である
    ことを特徴とする請求項１に記載の高周波電力発生装
    置。
  4. 【請求項４】並列共振回路のインダクタンス（LP）が高
    周波電力発生装置に接続された負荷インピーダンス（Z
    Last）を変換するための伝達器（13）としてそれ自体既
    知の方法で構成されており、並列回路の容量がこの伝達
    器（13）の二次側即ち電力増巾器と逆の方に向いた側に
    並列に接続されており負荷インピーダンス（ZLast）が
    特性値（RC）以上又は以下になった場合にフィードバッ
    クが電圧フィードバック又は電流フィードバックに切換
    わり上記の特性値がほぼ等式 に一致し、ここに於てが伝達器（13）の変換比である
    ことを特徴とする請求項１に記載の高周波電力発生装
    置。
  5. 【請求項５】高周波電力発生装置の出力電圧（U2）又は
    これに比例した量を検知するための測定装置（４及び1
    1）が設けられており、； 高周波発生装置の出力電流（I2）又はこれに比例した量
    を検知するための測定装置（14及び15）が設けられてお
    り、 両測定装置（4,11,14及び15）の測定比が、それ等の出
    力信号が高周波電力発生装置に接続されたインピーダン
    ス（ZLast）が特性値（RC）を有する場合ほぼ等しくな
    る様に前以って調節されており、； 上記の両測定装置（4,11,14及び15）の出力信号を相互
    に比較するためのコンパレータ回路（16）が設けられて
    おりコンパレータ回路（16）の出力信号により高周波電
    力発生装置のフィードバックブランチに於ける電圧フィ
    ードバックと電流フィードバックとの間の切換えが制御
    される； ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記
    載の高周波電力発生装置。
  6. 【請求項６】高周波電力発生装置の出力電流（I2）又は
    これに比例する量を検知するための測定装置（14及び1
    5）が設けられており、この測定装置（14及び15）の出
    力信号を基準値（18）と比較するコンパレータ回路（1
    6）が設けられておりコンパレータ回路（16）の出力信
    号が高周波電力発生装置のフィードバックブランチに於
    ける電圧フィードバックと電流フィードバックとの間の
    切換えを制御しこの際基準値（18）が、電圧フィードバ
    ックと電流フィードバックとの間の切換えがほぼ負荷イ
    ンピーダンス（ZLast）の特性値（RC）に於て行なわれ
    ることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに
    記載の高周波電力発生装置。
  7. 【請求項７】コンパレータ回路（16）がヒステリシスを
    備えていることを特徴とする請求項５ないし６のいずれ
    か１つに記載の高周波電力発生装置。
  8. 【請求項８】電力増巾器（１）の制御電圧が補助発振器
    （７）の発振開始の瞬間に与えられることを特徴とする
    請求項１ないし７のいずれか１つに記載の高周波電力発
    生装置。
  9. 【請求項９】補助発振器（７）が高周波電力発生装置が
    投入されるごとに、高周波電力発生装置が発振開始して
    しまう迄即ち電力増巾器の制御がフィードバックに切換
    わってしまう迄単一のインパルスを電力増巾器（１）の
    入力に与え続けこの際単一のインパルスの時間間隔が所
    望の中間周波数の周期よりも大であることを特徴とする
    請求項１ないし７のいずれか１つに記載の高周波電力発
    生装置。
  10. 【請求項１０】補助発振器（７）が連続的な交流電圧を
    発生し同電圧の周波数が高周波電力発生装置の中間稼動
    周波数に一致することを特徴とする請求項１ないし７の
    いずれか１つに記載の高周波電力発生装置。
  11. 【請求項１１】補助発振器（７）が、静止周波数が高周
    波電力発生装置の中間稼動周波数に一致する電圧が制御
    された発振器であり高周波電力発生装置が振動即ち電圧
    フィードバック又は電流フィードバックで作動すると常
    に補助発振器（７）の周波数を高周波電力発生装置の瞬
    間作動周波数に同期させる位相調節回路（16,20及び2
    1）が設けられており、補助発振器（７）が高周波電力
    発生装置の作動休止中最後に調節された周波数で継続発
    振しこの周波数が高周波電力発生装置が再び活性化され
    る際に発振開始支援として電力増巾器（１）に与えられ
    ることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに
    記載の高周波電力発生装置。
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