JP3543038B2 - インバータ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流電圧を整流平滑して形成された直流電圧を高周波数の交流電圧に変換して負荷に供給するインバータ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
この種の装置としては、例えば図4に示すようなものがある(特開平4−193066号公報を参照)。同図に示す回路では、商用交流電源101をローパスフィルター102を介して全波整流ダイオードブリッジ回路103の各入力端子に接続し、この全波整流ダイオードブリッジ回路103の各出力端子間に、2つのコンデンサ104,105を直列接続するとともに、平滑コンデンサ106を挿入している。また、この全波整流ダイオードブリッジ回路103の各出力端子間に、2つのスイッチング素子107,108を直列接続するとともに、2つのダイオード109,110を直列接続している。さらに、各コンデンサ104,105並びに全波整流ダイオードブリッジ回路103の接続点Aと、各スイッチング素子107,108並びに各ダイオード109,110の接続点B間に、負荷111を接続している。
【0003】
この回路の特徴は、接続点Aにおいて全波整流ダイオードブリッジ回路103と各コンデンサ104,105を接続している点にある。このような構成では、各スイッチング素子107,108を高周波信号(数十KHz)に同期させてオンとオフに交互に切換えると、交流電源101からの電流が負荷111に直接的に流れる。そして、各コンデンサ104,105の容量を小さくして、各スイッチング素子107,108のスイッチング周期内で、これらのコンデンサ104,105の電荷を完全に放電し切るようにすれば、交流電源101からの入力電流を常に流すことができ、入力力率を高くして、高調波を小さくすることができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の回路では、交流電源101の電圧をそのまま負荷111に加えるので、負荷111に加わる電圧を高めることができず、この負荷111として、高電圧を必要とするものを適用することができなかった。
【0005】
なお、交流電源の電圧を昇圧してから負荷に加えるインバータ装置として、各種のものが提案されているが、いずれにおいても、入力力率が低下したり、高調波が増大した。あるいは、電圧の昇圧、入力力率の向上、高調波の抑制を共に実現するには、回路構成の複雑化や、コストの高騰を招くと言う問題があった。
【0006】
そこで、この発明の課題は、簡単な構成でありながら、電圧の昇圧、入力力率の向上、高調波の抑制を可能にするインバータ装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、この発明のインバータ装置は、全波整流ダイオードブリッジ回路の一対の入力端子間に、インダクタ及び交流電源を直列接続し、この全波整流ダイオードブリッジ回路の一対の出力端子間に、第1及び第2スイッチング素子を直列接続するとともに、これらのスイッチング素子からなる直列回路に平滑コンデンサを並列接続し、第1及び第2スイッチング素子の接続点と全波整流ダイオードブリッジ回路の前記インダクタと接続した入力端子の一方との間に、負荷を接続して、この負荷が接続された入力端子と該全波整流ダイオードブリッジ回路の各出力端子のうちの高電位側間に、第1コンデンサを接続し、かつ、その第1コンデンサと該第1コンデンサを接続した全波整流ダイオードブリッジ回路の入力端子の間に、第2コンデンサを設けた構成を採用したのである。
【0008】
このような構成においては、第1又は第2スイッチング素子のオンの度に、交流電源の電流がインダクタを通じて流れ、第1又は第2スイッチング素子のオフの度に、このインダクタに誘導電流が発生し、このインダクタの電流が全波整流ダイオードブリッジ回路を通じて平滑コンデンサに流れ、この平滑コンデンサが充電される。
【0009】
また、第2スイッチング素子がオンのときには、平滑コンデンサ→第1コンデンサ→負荷→第2スイッチング素子→平滑コンデンサと言う経路で電流が流れ、これに伴い第1コンデンサが充電される。また、第1スイッチング素子がオンのときには、第1コンデンサ→第1スイッチング素子→負荷→第1コンデンサと言う経路で電流が流れる。
【0010】
すなわち、平滑コンデンサをインダクタの誘導電流によって充電し、第1コンデンサを平滑コンデンサの放電によって充電し、負荷には、平滑コンデンサ及び第1コンデンサからの電流を交互に流す。
【0011】
ここで、インダクタ、平滑コンデンサ、及び第1コンデンサの容量を適宜に設定すると、平滑コンデンサ及び第1コンデンサの電圧を交流電源の電圧よりも十分に高くすることができる。つまり、交流電源の電圧を昇圧することができ、第1及び第2スイッチング素子は、インバータ装置としてだけで無く、チョッパーとしての役目も果たす。
【0012】
また、各コンデンサの電圧を交流電源の電圧よりも十分に高くすれば、交流電源から該各コンデンサに突入電流が流れることは無く、高調波成分を低く抑えることができる。
【0013】
一方、この回路においては、交流電源の電流をインダクタを通じて流しており、第1及び第2スイッチング素子を交互にオンにすれば、この電流を常に流すことができ、これにより高入力力率を達成することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。
【0015】
図1は、この発明のインバータ装置の一実施形態を示している。同図において、商用交流電源1は、ローパスフィルター2及びインダクタ3を介して全波整流ダイオードブリッジ回路4の各入力端子4aに接続されており、この商用交流電源1にインダクタ3を直列に挿入している。この全波整流ダイオードブリッジ回路4の各出力端子4b間には、2つの平滑コンデンサ5,6を直列接続するとともに、第1コンデンサ7及びダイオード8を直列接続している。このダイオード8には、ダイオード9を並列接続し、ダイオード9のカソードとインダクタ3間に第2コンデンサ10を挿入している。
【0016】
第1及び第2トランジスタ11,12は、相互に直列接続され、これらのトランジスタ11,12に各ダイオード16,17を並列接続している。第1及び第2トランジスタ11,12の接続点Aと第1コンデンサ7及びダイオード8の接続点B間には、ランプ13、チョークコイル14及び結合トランス15の1次コイル15aを直列接続している。
【0017】
第1及び第2トランジスタ11,12は、それぞれの発振回路18,19の構成要素でもある。各発振回路18,19は、結合トランス15の1次コイル15aに結合するそれぞれの2次コイル15b,15cを含み、第1及び第2トランジスタ11,12の出力側の信号を結合トランス15を介して帰還させて入力し、高周波数(数十KHz)で発振する。結合トランス15の各2次コイル15b,15cの極性を相互に逆にして、第1及び第2トランジスタ11,12を交互にオンオフさせている。したがって、第1及び第2トランジスタ11,12は、外部からの制御信号に頼らず、自励によってオンオフしている。
【0018】
このような構成のインバータ装置においては、各平滑コンデンサ5,6を充電してから定常状態となり、図2に示すようなタイミングで動作を継続する。なお、図2(b)、(c)は、全波整流ダイオードブリッジ回路4のダイオードD4 のカソード側(出力端子4b)を接地して、第2コンデンサ10の端子の電圧V1 、及び第2コンデンサ10とインダクタ3間の電圧V2 をシンクロスコープによって測定したそれぞれの波形を示す。
【0019】
まず、商用交流電源1の電圧VO が正の半サイクルの場合は、図2(a)に示す時点t1 で第2トランジスタ12がオンになると、各平滑コンデンサ5,6が放電し、これらの平滑コンデンサ5,6→第1コンデンサ7→ランプ13→チョークコイル14→結合トランス15の1次コイル15a→第2トランジスタ12→各平滑コンデンサ5,6と言う経路で電流が流れる。これにより、第1コンデンサ7が充電される。
【0020】
これに伴い、第2コンデンサ10の端子の電圧V1 が下降し、この電圧V1 が交流電源1の電圧Vo よりも低くなると(Vo −V1 >0)、交流電源1→ローパスフィルター2→インダクタ3→第2コンデンサ10→ランプ13→チョークコイル14→結合トランス15の1次コイル15a→第2トランジスタ12→全波整流ダイオードブリッジ回路4のダイオードD2 →ローパスフィルター2→交流電源1と言う経路で電流が流れ、これにより第2コンデンサ10が充電されると共に、インダクタ3が励磁される。
【0021】
次に、図2(a)に示す時点t2 で第2トランジスタ12がオフになると、先に励磁されたインダクタ3の誘導電流が発生し、インダクタ3→全波整流ダイオードブリッジ回路4のダイオードD3 →各平滑コンデンサ5,6→全波整流ダイオードブリッジ回路4のダイオードD2 →ローパスフィルタ2→交流電源1→ローパスフィルタ2→インダクタ3と言う経路で電流が流れる。これにより、第2コンデンサ10とインダクタ3間の電圧V2 が電圧Vccまで上昇し、この時点t3 から各平滑コンデンサ5,6が充電される。
【0022】
また、時点t2 では、第1トランジスタ11がオンとなっているので、先に充電された第1コンデンサ7が放電し、この第1コンデンサ7→第1トランジスタ11→結合トランス15の1次コイル15a→チョークコイル14→ランプ13→第1コンデンサ7と言う経路で電流が流れる。
【0023】
そして、時点t3 で第2コンデンサ10とインダクタ3間の電圧V2 が電圧Vccに達すると、この第2コンデンサ10も放電し、この第2コンデンサ10→全波整流ダイオードブリッジ回路4のダイオードD3 →第1トランジスタ11→結合トランス15の1次コイル15a→チョークコイル14→ランプ13→第2コンデンサ10と言う経路で電流が流れる。
【0024】
以降同様に、第1トランジスタ11をオフにして、第2トランジスタ12をオンにすると、各平滑コンデンサ5,6の放電によって、ランプ13に電流が流れるとともに、第1コンデンサ7が充電され、また交流電源1によって、インダクタ3が励磁される。そして、第1トランジスタ11をオンにして、第2トランジスタ12をオフにすると、インダクタ3の誘導電流によって、各平滑コンデンサ5,6が充電され、かつ第1コンデンサ7の放電によって、ランプ13に電流が流れる。
【0025】
一方、商用交流電源1の電圧VO が負の半サイクルの場合は、時点t1 で第2トランジスタ12がオンになると、各平滑コンデンサ5,6が放電し、これらの平滑コンデンサ5,6→第1コンデンサ7→ランプ13→チョークコイル14→結合トランス15の1次コイル15a→第2トランジスタ12→各平滑コンデンサ5,6と言う経路で電流が流れ、第1コンデンサ7が充電される。
【0026】
このときには、第2コンデンサ10も放電し、この第2コンデンサ10→ランプ13→チョークコイル14→結合トランス15の1次コイル15a→第2トランジスタ12→ダイオードD2 →ローパスフィルター2→交流電源1→コイル3→第2コンデンサ10と言う経路で電流が流れ、これに伴って、図2(c)に示すように第2コンデンサ10の端子の電圧V1 が接地電位まで変化し、第2コンデンサ10とコイル3間の電圧V2 も変化する。
【0027】
次に、時点t2 で第1トランジスタ11がオンになると、先に充電された第1コンデンサ7が放電し、この第1コンデンサ7→第1トランジスタ11→結合トランス15の1次コイル15a→チョークコイル14→ランプ13→第1コンデンサ7と言う経路で電流が流れる。
【0028】
これに伴い、第1コンデンサ7の端子の電圧Vc7が下降し、この電圧Vc7が交流電源1の電圧Vo よりも低くなると(Vo −Vc7>0)、交流電源1→ローパスフィルター2→ダイオードD1 →第1トランジスタ11→結合トランス15の1次コイル15a→チョークコイル14→ランプ13→第2コンデンサ10→インダクタ3→ローパスフィルター2→交流電源1と言う経路で電流が流れ、第2コンデンサ10が充電されると共に、インダクタ3が励磁される。このときには、図2(c)に示すように第2コンデンサ10とコイル3間の電圧V2 が電圧Vccまで変化し、第2コンデンサ10の端子の電圧V1 も変化する。
【0029】
引き続いて、第2トランジスタ12が再びオンになったときには、インダクタ3の誘導電流によって、インダクタ3→ローパスフィルター2→交流電源1→ローパスフィルター2→ダイオードD1 →各平滑コンデンサ5,6→ダイオードD4 →インダクタ3と言う経路で電流が流れ、これらの平滑コンデンサ5,6が充電される。
【0030】
そして、これらの平滑コンデンサ5、6が満充電になると、これらの平滑コンデンサ5,6の放電によって、第1コンデンサ7が充電されるとともに、ランプ13に電流が流れる。また、先に充電された第2コンデンサ10の放電によって、この第2コンデンサ10→ランプ13→チョークコイル14→結合トランス15の1次コイル15a→第2トランジスタ12→ダイオードD4 →第2コンデンサ10と言う経路でも電流が流れる。
【0031】
したがって、第1トランジスタ11をオフにして、第2トランジスタ12をオンにすると、インダクタ3の誘導電流によって、各平滑コンデンサ5,6が充電され、かつ該各平滑コンデンサ5,6の放電によって、ランプ13に電流が流れるとともに、第1コンデンサ7が充電される。そして、第1トランジスタ11をオンにして、第2トランジスタ12をオフにすると、第1コンデンサ7の放電によって、ランプ13に電流が流れ、また交流電源1によって、インダクタ3が励磁される。
【0032】
ここで、図2(a),(c)を参照すれば明らかなように、第2コンデンサ10の両端子の各電圧V1 ,V2 には差を常に生じており、この第2コンデンサ10に図2(d)に示すような電流が常に流れている。この電流は、インダクタ3及び交流電源1にも流れ、電圧に略比例するので、この交流電源1の入力力率は高い。
【0033】
ところで、図3(a),(b)には、交流電源1の電圧VO と、入力電流Iinを示している。ただし、入力電流Iinは、平滑コンデンサ5の電圧Vccが電圧Vo の波高値VOPよりも高い(Vcc>VOP)ときのものである。この場合は、交流電源1の出力が波高値VOPに近くなっても、交流電源1から各平滑コンデンサ5,6へと突入電流が流れることはなく、入力電流Iinが滑らかに変化する。
【0034】
これに対して、平滑コンデンサ5の電圧Vccが電圧Vo の波高値VOPよりも高い(Vcc<VOP)ときには、図3(c)に示すように交流電源1の出力が波高値VOPに近くなると、交流電源1から各平滑コンデンサ5,6へと突入電流が流れ、入力電流Iinの波形が乱れ、高調波歪みが発生する。
【0035】
したがって、平滑コンデンサ5の電圧Vccを電圧Vo の波高値VOPよりも高くすべきであるが、このインバータ装置においては、インダクタ3及び各平滑コンデンサ5,6等の容量を適宜に設定すれば、平滑コンデンサ5の端子の電圧Vccを昇圧して、Vcc>VOPを達成することができ、これによりノイズの低減を実現することができる。
【0036】
また、平滑コンデンサ5の端子の電圧Vccを適宜に昇圧して、チョッパーとしての役目を果たした場合は、どのような種類のランプであっても、このインバータ装置を適合させることができる。
【0037】
このように実施形態のインバータ装置では、入力力率を高くすることができ、またインダクタ3及び各平滑コンデンサ5,6等の容量を適宜に設定して、電圧Vccを昇圧すれば、ノイズの低減を実現することができ、各種のランプに柔軟に適合することができる。
【0038】
また、交流電源1の電圧Vo が正であるとき、及び負であるときを通して考えると、第1及び第2トランジスタ11,12の負担は略等しく、一方にだけ負担が掛かることがないので、回路の耐久性が高くなる。
【0039】
なお、上記実施形態の装置では、自励によって、第1及び第2トランジスタ11,12を切り換えているが、これに限定されるものでなく、外部からの制御信号によって、切り換えを行っても構わない。
【0040】
また、この発明は、上記実施形態に限定されるものでなく、種々の変形が可能である。例えば、第1コンデンサ7をダイオード9だけでなく、ダイオード8にも並列接続したり、各ダイオード8、9の一方にのみ並列接続しても構わない。また、スイッチング素子を他の種類のものに置き換えたり、回路を簡単化しても、この発明の効果を達成することができる。
【0041】
【効果】
以上説明したように、この発明の装置では、交流電源からの入力電流が常に流れ、入力力率が高い。また、チョッパーとしても役目を果たすことができ、各種の負荷に柔軟に適合するばかりでなく、ノイズを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明のインバータ装置の一実施形態を示す回路図
【図2】図2(a)は図1の回路における第1及び第2トランジスタの動作を示す図、図2(b),(c)は図1の回路における各電圧V1 ,V2 を示す図、図2(d)は図1の回路における交流電源の入力電流を示す図
【図3】図3(a)は図1の回路における交流電源の電圧VO を示す図、図3(b)は図1の回路において電圧Vcc>電圧VOP(電圧VO の波高値)のときの入力電流Iinを示す図、図3(c)は図1の回路において電圧Vcc<電圧VOP(電圧VO の波高値)のときの入力電流Iinを示す図
【図4】従来のインバータ装置を例示する回路図
【符号の説明】
1 商用交流電源
2 ローパスフィルター
3 インダクタ
4 全波整流ダイオードブリッジ回路
5,6 平滑コンデンサ
7 第1コンデンサ
8,9,16,17 ダイオード
10 第2コンデンサ
11 第1トランジスタ
12 第2トランジスタ
13 ランプ
14 チョークコイル
15 結合トランス
Claims (1)
- 全波整流ダイオードブリッジ回路の一対の入力端子間に、インダクタ及び交流電源を直列接続し、この全波整流ダイオードブリッジ回路の一対の出力端子間に、第1及び第2スイッチング素子を直列接続するとともに、これらのスイッチング素子からなる直列回路に平滑コンデンサを並列接続し、第1及び第2スイッチング素子の接続点と全波整流ダイオードブリッジ回路の前記インダクタと接続した入力端子の一方との間に、負荷を接続して、この負荷が接続された入力端子と該全波整流ダイオードブリッジ回路の各出力端子のうちの高電位側間に、第1コンデンサを接続し、かつ、その第1コンデンサと該第1コンデンサを接続した全波整流ダイオードブリッジ回路の入力端子の間に、第2コンデンサを設けたインバータ装置。
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JP28748595A JP3543038B2 (ja) | 1995-11-06 | 1995-11-06 | インバータ装置 |
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JP28748595A JP3543038B2 (ja) | 1995-11-06 | 1995-11-06 | インバータ装置 |
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