JP3209727B2 - 耐障害電源回路 - Google Patents

耐障害電源回路

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JP3209727B2 JP14731799A JP14731799A JP3209727B2 JP 3209727 B2 JP3209727 B2 JP 3209727B2 JP 14731799 A JP14731799 A JP 14731799A JP 14731799 A JP14731799 A JP 14731799A JP 3209727 B2 JP3209727 B2 JP 3209727B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に誘電加熱及
び／又は溶融機器用の電源に関するもので、更に詳細に
は、感応性パワー半導体デバイスを過電圧又は過電流状
態から保護し、又、半導体デバイスの熱的に誘因される
故障と電圧により誘因される故障を防止する直列共振イ
ンバータ用の耐障害電源回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】誘電炉又は誘電インピーダンスを伴う他
の負荷を対象とする従来の直列共振インバータ電源回路
には、ＤＣ電源や、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）等の
インバータ電源スイッチ装置と直列の複数個の誘電性リ
アクトルが含まれる。誘電性リアクトルは整流中にＳＣ
Ｒ内の電流変化の割合を制限するが、それはしばしば
「ｄｉ／ｄｔ」リアクトルと称される。ＳＣＲは誘電コ
イルと直列に接続され、導通状態と非導通状態を交互に
トリガーさせる。この配置により、ＳＣＲは電流を交互
に誘電コイルに流すことができ、電流を交互方向に流す
ことができる。これによってコイル内にＡＣ電流が発生
する。
【０００３】誘電加熱コイルと溶融コイルを励起するた
めには、並列共振インバータ電源回路も使用される。し
かしながら、直列共振インバータ電源がその効率のよさ
から好ましいとされている。直列共振インバータ電源の
問題点は誘電コイルの短絡状態に対して脆弱である点で
ある。炉内に装填されている溶融金属漏洩物又は金属ス
クラップ片が誘電コイルと接触するようになるため、コ
イルを２巻き以上短くしてしまうことが比較的通例とな
っている。この短コイルはインバータ電源に著しいダメ
ージを与え得るので、短コイルは重大な問題となってい
る。
【０００４】例えば、２巻き以上の誘電コイルに短絡が
生じた場合、インバータ内の非導通ＳＣＲに、瞬間的、
かつ、概ね破壊的な過電圧状態が生じ得る。これまで、
ＳＣＲ内での過電圧状態を無くすため、仮に過電圧状態
が認められる場合には、その影響を受けたＳＣＲを導通
状態にトリガーすることによって、かかる過電圧状態に
対処する試みがなされてきた。このような形式のインバ
ータ電源と保護対策は、米国特許第4,060,757号、同第
4,570,212号、同第4,710,862号、同第5,235,487号、及
び同第5,418,706号に開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
法には欠点があり、とりわけ、この方法によると極めて
高い電流がＳＣＲに流れ、次いで、極めて短い時間内に
ＳＣＲ内に大量の熱を発生させるという欠点が見受けら
れる。結果的に、ＳＣＲは過電圧にさらされることを回
避するよう極めて高い電流に耐えることを余儀なくされ
ている。この状態はＳＣＲに過剰な電圧ストレスを与
え、早期に故障をもたらしうる。
【０００６】本発明は、最初の段階で過電圧を低減する
ことにより、過電圧に起因する故障の問題を解決するも
のである。本発明は、誘電コイルと直列にインダクタン
スを加えることにより、そうしない場合に誘電コイルの
短絡時にスイッチ装置全域で生じ得る過電圧を抑制する
ものである。これにより、過度の電圧ストレス及び熱ダ
メージからスイッチ装置が保護される。本発明によれ
ば、過電圧状態にさらされることを回避するようスイッ
チ装置に高電流を吸収させることはもはや必要ではなく
なる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、感応性パワー
半導体デバイスを過電圧又は過電流状態から保護し、半
導体デバイスの電圧故障及び熱による故障を回避する耐
障害電源回路である。
【０００８】本発明は、その広義の態様においては、交
互方向で直列共振負荷に電流を供給するための、交互に
導通状態になる第１及び第２の組スイッチを含み、前記
負荷の一方の端子が前記スイッチの中間点に接続され
る、誘電性インピーダンスを有する直列共振負荷のため
の耐障害電源回路において、前記負荷と前記スイッチの
前記中間点とに直列に接続された保護コイルを設けたこ
とを特徴とする耐障害電源回路を指向している。
【０００９】一実施態様において、本発明は、更に、前
記スイッチの間で直列のｄｉ／ｄｔリアクトルを含み、
前記保護コイルの一端は前記負荷に接続され、前記保護
コイルの他端は前記スイッチの中間点において前記ｄｉ
／ｄｔリアクトルに接続される。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明は好ましい実施態様に関連
して説明するが、本発明は当該実施態様に限定する意図
はない。逆に、添付の特許請求の範囲で定義された本発
明の精神と範囲内に含むことができる全ての代替例、変
形例及び均等例を包含する意図がある。
【００１１】図面において、同一の番号は同一の構成要
素を示している。図１には従来技術にて知られた従来の
インバータ電源回路１１が例示されている。この従来の
インバータ電源回路１１は複数個のソリッド・ステート
・スイッチ装置３０に給電するＤＣ電源２０を含んでい
る。スイッチ装置３０は、図１に示されるようにＳＣＲ
等の制御可能に導通する半導体デバイスとすることが出
来る。スイッチ装置３０は典型的には個々のｄｉ／ｄｔ
リアクトル４０を介してＤＣ電源２０に接続されてい
る。ｄｉ／ｄｔリアクトル４０はスイッチ装置３０に一
定の電流を供給する電流貯蔵装置として機能する。スイ
ッチ装置３０が作動すると、スイッチ装置は交互にオン
・オフされる。従って、誘電コイル６０内に交流電流が
発生するように電力がＤＣ電源２０から誘電コイル６０
へ切り変わる。誘電コイル６０内の交流電流は時間変動
する磁場を生成するため、これは金属を誘電加熱し、若
しくは溶融することに用いることが可能である。あるい
は、誘電モーターの回転のような他の動作を発生させる
ことに用いることも可能である。説明の都合上、本発明
は金属の誘電加熱と溶融という面において説明するが、
その説明は例示的なものであって、限定的なものではな
いことを理解されたい。
【００１２】加熱中、特に誘電炉の溶融作業中に、誘電
コイル６０はコイルを２巻き以上ブリッジする溶融金属
漏洩物又は漂遊金属片によって引き起こされる短絡にさ
らされる可能性がある。この状態が生じると、キルヒホ
ッフの法則によれば、短絡発生時に非導通状態になって
いるスイッチ装置３０に整流コンデンサー７０に発生し
た電圧が瞬間的に印加されることが明らかとなってい
る。従って、短絡は半導体デバイス全域に極めて高い逆
電圧を生ぜしめ、これは究極的には半導体デバイスを破
壊し得ることとなる。
【００１３】ここで図２を参照すると、この図には、本
発明における耐障害電源回路１０が図示してある。この
耐障害電源回路１０はＤＣ電源２０とこのＤＣ電源２０
に接続された一対のソリッド・ステート・スイッチ装置
３０とを含んでいる。ソリッド・ステート・スイッチ装
置３０は高出力ＳＣＲ及び逆平行ダイオード３２を備え
ることができるが、これらに限定されない。好ましく
は、必ずしも必要ではないが、各スイッチ装置３０と直
列の個々のｄｉ／ｄｔリアクトル４０の代わりに、単一
のｄｉ／ｄｔリアクトル４０が一対のソリッド・ステー
ト・スイッチ装置３０の間に直列に接続される。保護コ
イル５０はｄｉ／ｄｔリアクトル４０に接続され、且つ
誘電コイル６０と直列に接続される。保護コイル５０の
一端は、好ましくはリアクトル４０の中間点で且つ両ス
イッチ装置３０の中間点においてｄｉ／ｄｔリアクトル
４０に接続される。保護コイル５０の他端は誘電コイル
６０の一端に接続される。誘電コイルの他端は各整流コ
ンデンサー７０と直列に接続され、こうしてＤＣ電源２
０に戻る回路が完成する。
【００１４】誘電コイル６０内に不慮の短絡が生じた場
合、整流コンデンサー７０にかかる高電圧は、その短絡
発生時に非導通状態になっているＳＣＲ３０のみでなく
保護コイル５０と、ｄｉ／ｄｔリアクトル４０の一部に
印加されることになる。即ち、整流コンデンサー７０に
かかる電圧は保護コイル５０、ｄｉ／ｄｔリアクトル４
０の一部及びＳＣＲ３０を備えた直列回路に印加される
ことになる。従って、非導通のＳＣＲ３０を横切る電圧
はコンデンサー電圧の一部に過ぎない。
【００１５】保護コイル５０のインダクタンスに対する
ｄｉ／ｄｔリアクトル４０のインダクタンスの比は１／
ｎとなる。ここで、ｎは少なくとも１に等しい。従っ
て、短絡が生じると、半導体はコンデンサーにかかる電
圧の１／（ｎ＋１）にのみさらされることになる。即
ち、
【００１６】
【数１】 例えば、ｎ＝２であれば、非導通ＳＣＲはコンデンサー
電圧の１／３にのみさらされることになる。このような
非導通ＳＣＲ内の電圧の低下は、過電圧に起因する半導
体の故障の可能性を取り除く。
【００１７】ｄｉ／ｄｔリアクトル４０と保護コイル５
０のインダクタンス値は、ｄｉ／ｄｔリアクトル４０と
保護コイル５０における損失を制限し、給電の効率を最
大にするため、負荷のインダクタンスと対比して出来る
だけ小さい値にすべきである。
【００１８】本発明は、図３及び図４に図示されるよう
に一般的なハウジング５５内の簡便な構成に役立つ。保
護コイル５０は、ｄｉ／ｄｔリアクトル４０の両端の中
ほどにおける好ましい接続によってｄｉ／ｄｔリアクト
ル４０に直交して相互に巻くことができる。直交関係と
は、一方のコイルの長手方向軸線が他方のコイルの長手
方向軸線に対して略直角（即ち、垂直）であることを意
味している。コイルであるｄｉ／ｄｔリアクトル４０と
保護コイル５０を直交して相互に巻き付けすることによ
り、２つのコイルの磁場の相互作用が最小化されて、こ
れに伴いコイルのパッケージ容量も最小化される。直交
関係は両方のコイルによって磁気的に結合した誘導磁場
を低減する傾向がある。しかしながら、ｄｉ／ｄｔリア
クトル４０と保護コイル５０の空間的関係は、その容積
が問題ではない場合は変更可能であることを理解すべき
である。
【００１９】なお、ｄｉ／ｄｔリアクトル４０と保護コ
イル５０とを直交させる必要性は必ずしもない。
【００２０】
【発明の効果】本発明は、感応性半導体スイッチ・デバ
イスを保護するための非常に有用な耐障害電源回路を提
供することが理解されよう。その上、本発明の簡易性及
び独特の構造により効率と生産性をより高めつつ、電源
回路の複雑性及びコストを著しく低減するものである。
本発明のこのような利点と他の利点については前述の説
明から当業者に明らかとなろう。
【００２１】本発明はその精神又は本質的属性から逸脱
しない限り他の特定の形態で具体化が可能であり、従っ
て、前述の説明を参照よりもむしろ本発明の範囲を示す
前述の特許請求の範囲を参照すべきである。
【００２２】本発明を図示するため、図面には現在好ま
しいと思われる形態が示してある。しかしながら、本発
明は示された正確な配置及び機器関係に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ｄｉ／ｄｔリアクトルの従来の配置を
示す、先行技術による従来のインバータ電源回路の簡略
模式図である。
【図２】図２は、本発明によるｄｉ／ｄｔリアクトルと
チョーク・コイルの配置を示す、耐障害電源回路の簡略
模式図である。
【図３】図３は、本発明によるｄｉ／ｄｔリアクトルと
保護コイルの配置を構成可能な一態様を示す平面図であ
る。
【図４】図４は、図３に示されたｄｉ／ｄｔリアクトル
と保護コイルの配置の側面図である。
【符号の説明】
１０ 耐障害電源回路 １１ インバータ電源回路 ２０ ＤＣ電源 ３０ スイッチ装置 ３２ 逆平行ダイオード ４０ ｄｉ／ｄｔリアクトル ５０ 保護コイル ５５ ハウジング ６０ 誘電コイル ７０ 整流コンデンサー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 オレグ エス フィッシュマン アメリカ合衆国 ペンシルバニア州 19002 メープル グレン サルジョン コート １ (72)発明者 シメオン ズィー ロットマン アメリカ合衆国 ニュージャージー州 07631 エングルウッド マラード コ ート 26 (72)発明者 リチャード エイ ランロフ アメリカ合衆国 ニュージャージー州 08057 ムーアズタウン イレイザー ロード 50 (56)参考文献 特開 昭59−71283（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−81182（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−197542（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02M 7/42 - 7/98 H05B 6/00 - 6/44

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 誘電性インピーダンスを有する直列共振
    負荷に交互方向で電流を供給するための、交互に導通状
    態になる第１及び第２の組スイッチを含み、前記負荷の
    一方の端子が前記スイッチの中間点に接続される、誘電
    性インピーダンスを有する直列共振負荷のための耐障害
    電源回路において、前記負荷と前記スイッチの前記中間
    点とに直列に接続された保護コイルを有することを特徴
    とする耐障害電源回路。
  2. 【請求項２】 更に、前記スイッチの間に直列に接続さ
    れたｄｉ／ｄｔリアクトルを有し、前記保護コイルの一
    端は前記負荷に接続され、前記保護コイルの他端は前記
    スイッチの中間点において前記ｄｉ／ｄｔリアクトルに
    接続される請求項１記載の回路。
  3. 【請求項３】 前記保護コイルが前記ｄｉ／ｄｔリアク
    トルのインダクタンスと少なくとも等しいインダクタン
    スを有する請求項２記載の回路。
  4. 【請求項４】 前記保護コイルが直列共振負荷のインダ
    クタンスより小さいインダクタンスを有する請求項１記
    載の回路。
  5. 【請求項５】 前記ｄｉ／ｄｔリアクトルはコイルであ
    り、前記保護コイルと前記ｄｉ／ｄｔリアクトルとは、
    前記保護コイルの長手方向軸線と前記ｄｉ／ｄｔリアク
    トルの長手方向軸線とが直交して配置されている請求項
    ２記載の回路。
  6. 【請求項６】 耐障害電源回路であって、 （ａ）電源と、 （ｂ）前記電源に接続された一組のソリッド・ステート
    ・スイッチ装置と、 （ｃ）前記一対のソリッド・ステート・スイッチ装置の
    間に直列に接続されたｄｉ／ｄｔリアクトルと、 （ｄ）一端は前記一対のソリッド・ステート・スイッチ
    装置の中間点において前記ｄｉ／ｄｔリアクトルに接続
    され、他端は誘電コイルに直列に接続された保護コイル
    と、 を有し、前記保護コイルが前記ｄｉ／ｄｔリアクトルの
    インダクタンスと少なくとも等しいインダクタンスを有
    することを特徴とする耐障害電源回路。
  7. 【請求項７】 前記保護コイルが前記誘電コイルより小
    さいインダクタンスを有する請求項６記載の回路。
  8. 【請求項８】 前記保護コイルと前記ｄｉ／ｄｔリアク
    トルとは、前記保護コイルの長手方向軸線と前記ｄｉ／
    ｄｔリアクトルの長手方向軸線とが直交して配置されて
    いる請求項６記載の回路。
  9. 【請求項９】 耐障害電源回路であって、 （ａ）電源と、 （ｂ）前記電源に接続された一組のソリッド・ステート
    ・スイッチ装置と、 （ｃ）前記一対のソリッド・ステート・スイッチ装置の
    間に接続されたｄｉ／ｄｔリアクトルと、 （ｄ）前記ｄｉ／ｄｔリアクトルのインダクタンスと少
    なくとも等しいインダクタンスを有する保護コイルと、 を有し、前記ｄｉ／ｄｔリアクトルと前記保護コイルと
    は、前記ｄｉ／ｄｔリアクトルの長手方向軸線と前記保
    護コイルの長手方向軸線とが直交して配置されており、
    又、前記保護コイルの一端は 誘電コイルに接続され、前
    記保護コイルの他端は前記一対のソリッド・ステート・
    スイッチ装置の中間点において前記ｄｉ／ｄｔリアクト
    ルに接続されることを特徴とする耐障害電源回路。
  10. 【請求項１０】 前記保護コイルが前記誘電コイルより
    小さいインダクタンスを有する請求項９記載の回路。
JP14731799A 1998-05-28 1999-05-26 耐障害電源回路 Expired - Lifetime JP3209727B2 (ja)

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US09/085914 1998-05-28

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EP (1) EP0961394B1 (ja)
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KR (1) KR100332557B1 (ja)
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