JP3063313B2 - 高周波電力用発振回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は例えば電磁調理器用やマ
グネトロン駆動用の数十ｋHzの高周波電力をトランジス
タを用いて発振するための高周波電力用発振回路に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】周知のように電力用トランジスタ技術の
進展は主に高周波化を指向しており、最近では半導体集
積回路技術を利用して多数の微細構造を集積化すること
により高圧かつ大電流の電界効果トランジスタや絶縁ゲ
ートバイポーラトランジスタ等の高周波用の電力トラン
ジスタが実用化されるに至り、これを利用して従来より
簡単な回路構成でふつう数十〜数百ｋHzの周波数領域内
で１kW以上の高周波電力発振が可能になって来た。

【０００３】図３はかかる高周波用電力トランジスタと
しての絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下，IGBT
という）を共振回路と組み合わせた簡単な回路構成の高
周波電力用発振回路の従来例を示し、図の左側は直流電
源10で、右側が共振回路20とIGBT30を組み合わせた高周
波発振回路である。直流電源10は商用周波の電源11の交
流電圧を整流回路12で整流した上でキャパシタ13とリア
クトル14で平滑化した直流電圧を出力する通常の構成の
もので、リアクトル14が発振回路から高周波が逆流する
のを阻止するチョークコイルの役目を兼ねている。

【０００４】共振回路20は図示の例ではインダクタ21と
キャパシタ22とからなる並列共振形であり、IGBTである
スイッチングトランジスタ30は直流電源10から共振回路
20に流入する電流を断続するよう共振回路20に対し直列
に接続される。スイッチングトランジスタ30に対し並列
にフリーホイーリング用のダイオード31が接続され、か
つ直流電源10に対し並列に高周波電流の通路用のキャパ
シタ32が接続される。かかる発振回路を所望の状態で発
振させるため、スイッチングトランジスタ30は共振回路
20の共振状態等に応じたスイッチング指令S3によりその
オンオフ動作を繰り返す。以下、図４を参照してこの動
作の概要を説明する。

【０００５】スイッチングトランジスタ30は、図４(a)
に示すその電流ｉの波形からわかるように同図(c) のス
イッチング指令S3の状態に応じてオン期間Toに電流ｉを
共振回路20に供給し、オフ期間Tfにこれを遮断する。オ
ン期間To内では電流ｉはほぼ直線的に立ち上がり、同図
(b) のスイッチングトランジスタ30の電圧ｖはこの間ご
く低いオン電圧voになる。共振回路20内の蓄積エネルギ
がこのオン期間To内に所望の発振強度を得るに適したレ
ベルに達する時点でスイッチング指令S3が切り換えら
れ、オフ期間Tfに入って電流ｉが遮断される。共振回路
20ではオフ期間Tf内に共振電流が環流するので、それに
応じスイッチングトランジスタ30に掛かる電圧ｖは図４
(b) にvfで示すように正弦波状に変化する。スイッチン
グ指令S3は例えばこの共振に伴う電圧vfがゼロになった
時点で切り換えられ、スイッチングトランジスタ30がオ
ンして再びオン期間Toに入る。

【０００６】なお、このオフ期間Tfからオン期間Toに切
り換わった当初は電流が共振回路20から直流電源10の方
に逆流しようとするので、この逆電流をキャパシタ32と
ダイオード31を介して発振回路内でフリーホイーリング
させる。図４(a) にはかかるフリーホイーリング期間が
Twで示されており、この間の同図(b) の電圧ｖはダイオ
ード32の順方向電圧である負電圧vdとなり、このフリー
ホイーリング期間Twの後に同図(a) の電流ｉが前述のよ
うに立ち上がる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述のように発振回路
の動作がオフ期間Tfからオン期間Toに切り換わる際には
フリーホイーリング用ダイオード31により電流が逆流す
る問題を解決できるが、逆にオン期間Toからオフ期間Tf
に切り換わる際はスイッチングトランジスタ30に図４
(a) に示すオフ動作時間tfが必要なので、オフ期間Tfの
当初にオン期間To内よりずっと大きなスイッチング損失
が発生する問題がある。

【０００８】上述のスイッチングトランジスタ30のオフ
動作時間tfはその半導体層内にオフ動作に伴って空乏層
が広がるに要するいわゆる逆回復時間であり、この時間
内に発生するスイッチング損失は図４にハッチングを付
して示した波形の同図(a) の電流ｉと同図(b) の電圧ｖ
の正弦波部vfの積の時間積分になる。

【０００９】かかるスイッチング損失はもちろんオフ動
作のつど発生するので、発振周波数を高めるにつれて大
きくなり、発振回路の発振効率の低下やスイッチングト
ランジスタ30の温度上昇の増加を招きやすい。また、高
周波発振の電力を増加させるためにスイッチングトラン
ジスタ30を高耐圧化すると、空乏層の広がりが大きくな
るのでオフ動作時間tfが長くなってスイッチング損失が
増加しやすい。かかる問題への対策としてスイッチング
トランジスタ30の半導体層にキャリアの消失を促進する
いわゆるライフタイムキラーを導入すれば、オフ動作時
間tfを若干とも短縮できるが図４(a) のオン電圧voが増
加するので今度はオン期間To内の損失の方が増加してし
まう結果となる。

【００１０】さらに、発振回路の発振周波数が 100ｋHz
ないしそれ以上になると、スイッチングトランジスタ30
の近傍に存在する浮遊インダクタンスや浮遊キャパシタ
ンスのため、オフ動作時間tfの付近の図４(a) の電流ｉ
や同図(b) の電圧ｖの波形が図のような簡単な波形でな
く鋭いスパイク状のパルス波形が重なるようになり、こ
のためスイッチング損失が一層増加して来る傾向があ
る。

【００１１】本発明の目的は上述のような問題点を解決
して、スイッチングトランジスタのオフ動作時のスイッ
チング損失を従来より減少させ得る高周波電流用発振回
路を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述の目的は本発明によ
れば、高周波の共振回路と、共振回路への供給電流を断
続するスイッチングトランジスタと、それと並列接続さ
れたキャパシタと補助トランジスタの直列回路とを発振
回路に設け、スイッチングトランジスタを共振回路の共
振状態に応じた時間内オフ動作させ、そのオフ動作時間
がほぼ経過したタイミングで補助トランジスタをオフ動
作させることにより達成される。

【００１３】なお、スイッチングトランジスタに例えば
IGBTを用いる場合には、補助トランジスタにはそれより
もオフ動作時間が短い例えば電界効果トランジスタを用
いるのが好適である。この補助トランジスタに適する高
耐圧の電界効果トランジスタにはふつう寄生ダイオード
が内蔵されているので、これをそれと直列接続されるキ
ャパシタを放電させるために利用できる点で都合がよ
い。補助トランジスタに寄生ダイオードがない場合は、
それと並列にキャパシタを放電させる方向に導通するダ
イオードを接続するのが望ましい。かかる補助トランジ
スタと直列に接続されるキャパシタの静電容量は、共振
回路内のキャパシタンスと同じ程度か若干大きいめに選
定するのがスイッチング損失を有効に減少させる上で好
適である。なお、本発明回路の発振出力は共振回路内の
インダクタを変圧器の一次側に接続してその二次側から
高周波電力として取り出すのがよい。

【００１４】

【作用】本発明は、スイッチングトランジスタのオフ動
作時間内にそれに掛かる電圧を並列接続されたキャパシ
タを充電させることにより低減し、この低減された電圧
の波形と遮断中の電流の波形との積の時間積分であるス
イッチング損失を従来の数分の１以下に減少させるもの
である。すなわち、本発明回路では前項の構成にいうよ
うにスイッチングトランジスタに並列にキャパシタと補
助トランジスタの直列回路を接続して置き、補助トラン
ジスタをスイッチングトランジスタのオフ動作時間がほ
ぼ経過したタイミングでオフ動作させるので、スイッチ
ングトランジスタの電流の遮断がほぼ終わるまでキャパ
シタが充電され、オフ動作時間内にスイッチングトラン
ジスタに掛かる電圧がキャパシタの充電中の電圧にクラ
ンプされて低減される。

【００１５】なお、補助トランジスタのオフ動作時には
キャパシタはその時までの充電状態を維持することでよ
く、補助トランジスタはかなり減少している充電電流を
切るだけでよいのでそのオフ動作に伴うスイッチング損
失は僅かである。補助トランジスタは例えばスイッチン
グトランジスタと同時にオン動作させることでよく、そ
の直後のフリーホイーリング時間内にキャパシタはその
際導通するダイオードを介して放電され、かつスイッチ
ングトランジスタのオン期間内にその低いオン電圧に僅
かに充電された状態から上述の充電動作に入る。

【００１６】

【実施例】以下、図を参照して本発明の実施例を説明す
る。図１に本発明の高周波電力用発振回路の実施例回路
図，図２にそれに関連する主な信号の前の図４に対応す
る波形図をそれぞれ示す。いずれの図にも前の図３以降
との対応部分には同じ符号が付されているので、重複部
分に対する説明は適宜省略することとする。なお、図示
の実施例ではスイッチングトランジスタ30にIGBTが，補
助トランジスタ42に電界効果トランジスタがそれぞれ用
いられるが、ほかのトランジスタを利用する場合にも本
発明をもちろん適用できる。

【００１７】図１では図３と同じ直流電源10がブロック
で簡略に示されている。また、図の発振回路から高周波
電力を取り出すため共振回路20のインダクタ21に変圧器
50の一次コイルを用いて、その二次コイル52から高周波
電力を負荷60に与えるようになっている。この高周波用
の変圧器50には通例のようにフェライトコアを用い、磁
気回路内に若干の空隙を設けた漏洩形として発振回路か
ら最大の高周波電力を取り出せるようにその一次と二次
間の結合係数を設定するのがよい。

【００１８】この実施例ではIGBTであるスイッチングト
ランジスタ30は直流電源10に対して並列共振形の共振回
路20と直列に接続され、これに並列にフリーホイーリン
グ用のダイオード31が，直流電源10に並列に高周波通路
用のキャパシタ32がそれぞれ接続されるのは前の図３と
同じである。スイッチングトランジスタ30用のIGBTは例
えば耐圧が1000Ｖ, 電流が数十Ａの定格の電力用高周波
トランジスタであり、そのオフ動作時の逆回復時間はふ
つう１μＳ程度である。キャパシタ32には発振周波数が
数十ｋHzのとき数〜10μＦ程度のものが用いられる。

【００１９】本発明回路ではスイッチングトランジスタ
30に対して並列に、キャパシタ41と補助トランジスタ42
の直列回路が例えば図のように後者を接地側に配置して
接続される。キャパシタ14の静電容量は共振回路20内の
キャパシタ22と同程度か若干大きいめがよく、発振周波
数が数十ｋHzのとき例えば 0.3〜0.6 μＦとされる。電
界効果形の補助トランジスタ42には高圧用のスイッチン
グトランジスタ30より電流容量が１桁程度低いものを用
いることでよい。

【００２０】発振回路にはこのほか従来と同様な制御回
路70が組み込まれる。これは例えばスイッチングトラン
ジスタ30に掛かる電圧ｖと変圧器50の補助コイル52の出
力を図示のように受け、スイッチングトランジスタ30に
対して前者によりオン動作,後者によりオフ動作のタイ
ミングをそれぞれ指定するスイッチング指令S3を出力
し、かつ本発明ではこれに関連付けたスイッチング指令
S4を補助トランジスタ40に対して与えるものである。

【００２１】以上のように構成された図１の高周波電力
用発振回路の動作を図２を参照して説明する。スイッチ
ングトランジスタ30に対する同図(c) のスイッチング指
令S3は従来と同じであるが、本発明では同図(d) のスイ
ッチング指令S4を補助トランジスタ42に与える点が従来
と異なる。このスイッチング指令S4による補助トランジ
スタ42のオン動作の指定タイミングは、例えば図のよう
にスイッチングトランジスタ30に対するスイッチング指
令S3による同図(a) のオン期間Toの開始タイミングと同
じとするのがよく、補助トランジスタ42のオフ動作の指
定タイミングはスイッチング指令S3により同図(a) のオ
ン期間Toの開始を指定した後にスイッチングトランジス
タ30のオフ動作時間tfがほぼ経過した図でtdで示す遅延
時間後のタイミングとされる。

【００２２】オン期間Toでは、図２(a) のようにフリー
ホイーリング期間Twの後にスイッチングトランジスタ30
の電流ｉが立ち上がり、同図(b) の電圧ｖはそのオン電
圧voである低い値にあり、このときのキャパシタ41は補
助トランジスタ42がオンしているのでこのオン電圧Voに
僅かに充電されている。オフ期間Tfに切り換わると、図
２(a) の電流ｉが遮断されるに伴い同図(b) の電圧ｖは
正弦波電圧vfのように立ち上がろうとするが、補助トラ
ンジスタ42が同図(d) の遅延時間tdの間はまだオンして
いてキャパシタ41が充電され、スイッチングトランジス
タ30の電圧ｖは正弦波電圧Vfの破線で示した部分よりも
ずっと低いキャパシタ41の充電電圧vcに沿って変化す
る。

【００２３】スイッチングトランジスタ30の同図(a) の
オフ動作時間tf内その電流ｉは図のように当初に急激に
下がった後に逆回復動作に対応する変位電流idが流れる
波形になるが、図でハッチングを付して示したこの電流
ｉの波形と上述の充電電圧vcの波形の積の時間積分で決
まるスイッチング損失は、充電電圧vcが従来の正弦波電
圧vfよりもずっと低いので本発明回路では従来の３〜数
分の１に低減される。遅延時間tdの後に補助トランジス
タ42がオフ動作した以降の電圧ｖは充電電圧vcから正規
の正弦波電圧vfに推移する。

【００２４】この補助トランジスタ42のオフ動作の終了
時にキャパシタ41はその時の正弦波電圧vfにほぼ充電さ
れる。従って、補助トランジスタ42のオフ動作時のスイ
ッチング損失は僅かで済むが、キャパシタ41内に残る充
電エネルギはもちろん少ないほどよいので、補助トラン
ジスタ42としてこの実施例の電界効果トランジスタのよ
うにオフ動作時間がスイッチングトランジスタ30よりも
短いものを用いるのが有利である。このキャパシタ41の
充電電圧は次のオン期間Toに切り換わった直後にフリー
ホイーリング用ダイオード31が導通したときに放電され
る。なお、補助トランジスタ42にこの実施例のように電
界効果トランジスタを用いると、図１に示す寄生ダイオ
ード43がキャパシタ41の放電時に導通してそれを促進す
る効果があり、補助トランジスタ42に寄生ダイオード43
がないものを用いる場合はそれに代わるダイオードを接
続するのが望ましい。

【００２５】以上説明した本発明の高周波電力用発振回
路はスイッチングトランジスタ30のスイッチング損失が
従来より減少するので、従来より周波数の高い高周波の
発振に有利である。本発明回路を 100ｋHzで発振させた
ときスイッチング損失が従来より格段に減少することが
証明されており、かつスイッチングトランジスタ30のオ
フ動作中の電流ｉや電圧ｖの波形に従来のように鋭いス
パイク状パルス波形が重なるのを防止できることが判明
した。これは、スイッチングトランジスタ30の近傍の配
線の浮遊インダクタンス等に起因する寄生発振に対して
キャパシタ41が抑止効果をもっているためと考えられ
る。

【００２６】本発明は上述の実施例に限らず種々の態様
で実施をすることができる。例えば実施例では補助トラ
ンジスタ42のオン動作をスイッチングトランジスタ30の
オン動作のタイミングと同じに設定しキャパシタ41の充
電電圧をフリーホイーリング期間Tw内に放電させるよう
にしたが、オン期間To内であれば任意のタイミングでオ
ン動作させても同様な放電は可能である。また、スイッ
チングトランジスタ30としてＧＴＯサイリスタ等のター
ンオフ動作可能なものを用いても、回路構成は異なって
来るが本発明の上述の効果を得ることができる。

【００２７】

【発明の効果】以上のとおり本発明によれば、高周波の
共振回路と、共振回路への供給電流を断続するスイッチ
ングトランジスタと、それと並列接続されたキャパシタ
と補助トランジスタの直列回路とを発振回路に設け、ス
イッチングトランジスタを共振回路の共振状態に応じた
時間内オフ動作させ、そのオフ動作時間がほぼ経過した
タイミングで補助トランジスタをオフ動作させるように
したので、スイッチングトランジスタのオフ動作時間内
にそれに並列接続されたキャパシタを充電させてスイッ
チングトランジスタに掛かる電圧を低減し、この電圧波
形と遮断中の電流波形の積の時間積分であるスイッチン
グ損失を従来の数分の１以下に減少させ、発振回路の発
振効率を向上させかつスイッチングトランジスタの温度
上昇を減少させて運転信頼性を高めることができる。

【００２８】本発明は発振周波数が 100ｋHz以上の発振
回路に適用して上述の効果をとくに有利に発揮でき、補
助トランジスタと直列接続されるキャパシタによりスイ
ッチングトランジスタのオフ動作中にその近傍の配線の
浮遊インダクタンス等に起因する有害な寄生発振が発生
するのを有効に抑止することができる。このように、本
発明は高周波電力用発振回路の性能と信頼性を高め、か
つその一層の高周波化を可能にする著効を奏し得るもの
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による高周波電力用発振回路の実施例回
路図である。

【図２】図１の実施例における主な信号の波形図であ
り、同図(a) はスイッチングトランジスタに流れる電
流, 同図(b) はそれに掛かる電圧, 同図(c) はスイッチ
ングトランジスタに対するスイッチング指令, 同図(d)
は補助トランジスタに対するスイッチング指令の波形図
である。

【図３】従来の高周波電力用発振回路の回路図である。

【図４】図３の発振回路に関連する主な信号の波形図で
あり、同図(a) はスイッチングトランジスタに流れる電
流, 同図(b) はそれに掛かる電圧, 同図(c) はスイッチ
ングトランジスタに対するスイッチング指令の波形図で
ある。

【符号の説明】

10 発振回路に対する直流電源 20 共振回路 30 スイッチングトランジスタ 41 キャパシタ 42 補助トランジスタ 60 高周波電力の負荷 70 スイッチング指令を発生する制御回路 ｉ スイッチングトランジスタを流れる電流 S3 スイッチングトランジスタに対するスイッチン
グ指令 S4 補助トランジスタに対するスイッチング指令 ｖ スイッチングトランジスタに掛かる電圧 vc キャパシタの充電電圧

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高周波用の共振回路と、共振回路への供給
   電流を断続するスイッチングトランジスタと、スイッチ
   ングトランジスタと並列接続されたキャパシタと補助ト
   ランジスタの直列回路とを備え、スイッチングトランジ
   スタを共振回路の共振状態に応じた時間内にオフ動作さ
   せ、補助トランジスタをスイッチングトランジスタのオ
   フ動作時間がほぼ経過したタイミングでそれより遅らせ
   てオフ動作させることを特徴とする高周波電力用発振回
   路。
2. 【請求項２】請求項１に記載の発振回路において、補助
   トランジスタと直列接続されるキャパシタの静電容量を
   共振回路のキャパシタンスと同程度ないしは若干大きい
   めにしたことを特徴とする高周波電力用発振回路。
3. 【請求項３】請求項１に記載の発振回路において、補助
   トランジスタと並列にキャパシタが放電する方向に導通
   するダイオードを接続したことを特徴とする高周波電力
   用発振回路。