JP3690205B2 - 電源装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流電源の直流電力を高周波電力に変換して負荷に供給する電源装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、直流電源の直流電力を高周波電力に変換して負荷に供給する電源装置として、図〜図に示すような構成の電源装置がある(実用新案登録公報第2560355号参照)。
【0003】
及び図に示すように、交流電源1の両端に、交流電圧を整流する整流器2と複数のスイッチング素子Q1,Q2,Q3とを含んで成る電力変換手段Aが接続され、この電力変換手段Aの出力端に負荷となる放電灯7が接続され、この電力変換手段Aを金属製ケース4に収納してある。また、複数のスイッチング素子Q1,Q2,Q3を金属製ケース4に互いに近接して装着するとともに、この装着された複数のスイッチング素子Q1,Q2,Q3と金属製ケース4との間に、1枚の非磁性体の金属製遮蔽板55を両面共に絶縁して介挿し、この非磁性体の金属製遮蔽板55と整流器2の負極側出力端(図にa点で示す)とを同電位に電気的に接続してある。
【0004】
電力変換手段Aは、整流器2と力率改善用スイッチング回路8と高周波回路3とより構成される。力率改善用スイッチング回路8は、整流器2の出力端にチョークコイルT1とスイッチング素子Q1との直列回路が接続され、このスイッチング素子Q1の両端にダイオードD1を介して平滑用コンデンサC5が接続されて構成されている。
【0005】
また高周波回路3は所謂ハーフブリッジ型のインバータ回路であって、平滑コンデンサC5の両端に、スイッチング素子Q2とスイッチング素子Q3との直列回路が接続され、それぞれのスイッチング素子Q2,Q3には逆並列にダイオードD2,D3が接続されており、何れか一方のスイッチング素子Q2,Q3の両端にコンデンサC0とコンデンサC6とチョークコイルT2との直列共振回路が接続され、このコンデンサC6の両端に放電灯7が接続されて構成されている。なお、ノイズフィルタ12は、必要に応じて交流電源1と整流器2との間に挿入される。
【0006】
まず初めに、力率改善用スイッチング回路8のスイッチング素子Q1が高周波にてオンオフ動作を始めると、整流器2の出力電圧である全波脈流電圧がスイッチング素子Q1により高周波の断続した電圧に変換される。この断続する高周波電圧は、ダイオードD1と平滑コンデンサC5により平滑された直流電圧となる。
【0007】
次に、平滑コンデンサC5の両端に発生した直流電圧を入力として、スイッチング素子Q2,Q3が交互に高周波でオンオフ駆動されて高周波回路3が動作する。ここで、ハーフブリッジ型のインバータ回路の動作については従来周知であるから詳細な説明を省略する。
【0008】
この高周波回路3の出力端であるコンデンサC6の両端に放電灯7が接続され、高周波出力電圧が印加されて高周波点灯する。
【0009】
ここで、力率改善用スイッチング回路(昇圧チョッパ回路)8は、平滑コンデンサC5のみを用いて同程度に整流平滑する場合よりも、交流電源1からの入力電流波形を、より交流電源1の入力電圧波形に近似させることができるので、特に、入力力率を改善する場合によく用いられる手段である。
【0010】
このような電源装置にあっては、力率改善用スイッチング回路8及び高周波回路3に具備するスイッチング素子Q1,Q2,Q3の高周波のオンオフ動作時に、それぞれのスイッチング素子Q1,Q2,Q3の両端に高調波成分を含む高周波の高電圧が発生する。そして、この高周波高電圧が、高周波回路3から高周波回路3と金属製ケース4との間に生じる浮遊容量→金属製ケース4と接地との間に生じる浮遊容量→大地→交流電源1の2本の交流電源線の何れか一方に接続されている接地線→交流電源1の交流電源線→整流器2→高周波回路3に至る直列回路(閉回路)に印加され、高周波のもれ電流(雑音電流と称する)となって交流電源1を経由して帰還し、雑音電圧を発生させるのである。
【0011】
しかしながら、図に示すように複数のスイッチング素子Q1,Q2,Q3と金属製ケース4との間に、1枚の非磁性体の金属製遮蔽板55を絶縁物9,10で充電部に当接する面を絶縁して介挿し、この非磁性体の金属製遮蔽板55と整流器2の負極側出力端(図にa点で示す)とを同電位とすることにより、スイッチング素子Q1,Q2,Q3と、金属製ケース4との間に生じる浮遊容量を減少させることができ、さらに、非磁性体の金属製遮蔽板55から整流器2の負極側出力端に雑音電流を分流帰還させることにより、雑音電流を小さくし雑音電圧の発生を小さくすることができるのである。
【0012】
しかも、複数のスイッチング素子Q1,Q2,Q3を一箇所に集中して金属製ケース4に取り付けることにより、作業性の向上及び放熱効果の向上が同時に図れると共に、高周波高電圧の発生や温度上昇等による周辺の回路部品への影響を極力小さく狭い範囲に特定できるという効果もある。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の構成では、スイッチング素子Q1,Q2,Q3が金属製ケース4に互いに隣接して配置されているため、各々のスイッチング素子Q1,Q2,Q3から金属製遮蔽板55に流れる高周波の雑音電流Ix(図参照)が互いに干渉を起こし易くなり、各々のスイッチング素子Q1,Q2,Q3の動作波形の乱れ等により、雑音が増加して動作が不安定になったり、あるいは素子発熱が増加したりするという問題があった。そしてこれらの問題は、特に隣接するスイッチング素子Q1,Q2,Q3間で、動作電流の差が大きい場合や、動作周波数の差が大きい場合、または動作周波数が非常に高い場合等に顕著となる。
【0014】
本発明は上記問題に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、スイッチング素子が互いに隣接して配置されている場合であってもスイッチング素子間で雑音電流の干渉並びに雑音の発生が抑えられて動作が安定する電源装置を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、上記目的を達成するために、複数のスイッチング素子を有し、直流電源の直流電力を高周波電力に変換する電力変換手段と、該電力変換手段の出力端に接続されて高周波電力が供給される負荷回路と、少なくとも前記電力変換手段を収納する金属製ケースとを備え、前記複数のスイッチング素子を互いに隣接して前記金属製ケースに装着するとともに各スイッチング素子と金属製ケースとの間に、少なくとも1枚の非磁性体の金属板を両面ともに絶縁体を設けて介挿し、該金属板と前記電力変換手段の負極側出力端とを同電位に電気的に接続し前記絶縁体の寄生容量を介して隣接する複数のスイッチング素子から前記金属板の方へ流れる高周波の雑音電流同士が干渉しないように遮蔽する遮蔽手段を、隣接する前記スイッチング素子間に設けて成る電源装置において、前記電力変換手段は、複数のスイッチング素子のオンオフによって直流電圧を高周波電圧に変換する高周波回路と、複数のスイッチング素子をオンオフ駆動する駆動回路とを具備し、前記隣接するスイッチング素子は、各々前記高周波回路及び駆動回路に含まれ、前記遮蔽手段 は、前記高周波回路のスイッチング素子と前記駆動回路のスイッチング素子との間で前記金属板と前記電力変換手段の負極側出力端とを同電位に電気的に接続して成ることを特徴とし、スイッチング素子が互いに隣接して配置されている場合であっても、遮蔽手段により各スイッチング素子間で雑音電流の干渉並びに雑音の発生を抑えて動作を安定させることができるとともに、互いに隣接して配置されているスイッチング素子間で動作電流や動作周波数の差が大きい場合、あるいは動作周波数が非常に高い場合であっても、各スイッチング素子間で雑音電流の干渉並びに雑音の発生を抑えて動作を安定させることができる。
【0016】
請求項の発明は、請求項の発明において、前記直流電源が少なくともスイッチング素子を具備するチョッパ回路を有し、前記隣接するスイッチング素子は、各々チョッパ回路及び電力変換手段に含まれることを特徴とし、請求項の発明の作用に加えて、互いに隣接して配置されているスイッチング素子間で動作電流や動作周波数の差が大きい場合、あるいは動作周波数が非常に高い場合であっても、遮蔽手段により各スイッチング素子間で雑音電流の干渉並びに雑音の発生を抑えて動作を安定させることができる。
【0017】
請求項の発明は、請求項1又は2の発明において、前記遮蔽手段が、前記金属板に設けたスリットから成ることを特徴とし、請求項1又は2の発明の作用に加えて、スイッチング素子間の雑音電流の干渉をさらに抑えることができる。
【0018】
請求項の発明は、請求項の発明において、前記スリットの一端を開放したことを特徴とし、請求項の発明と同様の作用を奏する
【0019】
請求項の発明は、請求項1〜の何れかの発明において、前記負荷回路が、周波数が数百kHz以上で動作する無電極放電灯を含むことを特徴とし、請求項1〜の何れかの発明と同様の作用を奏する
【0020】
【発明の実施の形態】
(実施形態1)
以下、図1〜図4を参照して本発明の実施形態1を詳細に説明する。なお、本実施形態では、透光性を有するガラスバルブ又は内面に蛍光体が塗布されたガラスバルブ内に不活性ガスや金属蒸気などの放電ガスが封入された無電極放電灯Laに、周波数が数百kHz以上の高周波電力を供給して点灯させる無電極放電灯点灯装置を例示するが、これに限定する趣旨ではなく、無電極放電灯La以外の負荷を負荷回路に含む電源装置全般に本発明の技術思想が適用可能である。
【0021】
図2に示すように本実施形態は、直流電源101と、直流電源101の直流電力を高周波電力に変換する電力変換手段105と、電力変換手段105の負荷側出力端(以下、単に「出力端」という)に接続された負荷回路102とで構成される。負荷回路102は、上記無電極放電灯Laの他に、電力変換手段105の出力端に接続されるとともに無電極放電灯Laの近傍に配置された誘導コイルL101並びに誘導コイルL101に並列接続されたコンデンサC105を具備している。また、電力変換手段105は高周波回路103並びに駆動回路104で構成される。
【0022】
高周波回路103は、直流電源101の両出力端子間に直列接続された二つのスイッチング素子Q101,Q102と、スイッチング素子Q101,Q102の接続点と誘導コイルL101のローサイドでない上端との間に直列接続された共振要素インダクタL102及びコンデンサC101とにより構成される、所謂ハーフブリッジ型のインバータ回路であって、動作周波数が数百kHz以上にて誘導コイルL101に高周波電力を供給するものである。また、この高周波回路103は、スイッチング素子Q101,Q102の2個が直列接続された所謂D級増幅回路になっている。
【0023】
また駆動回路104は、直流電源101の両出力端子間に直列接続されたインダクタL103及びスイッチング素子Q103と、例えば水晶振動子などにより構成され、高周波の交流電圧を発生してスイッチング素子Q103のゲートに供給する発振回路106と、スイッチング素子Q103のソース・ドレイン間に並列接続されるコンデンサC102と、このコンデンサC102の両端に直列接続されるコンデンサC103,C104と、駆動トランスT101とにより構成される。
【0024】
ここで、発振回路106で発生する高周波電圧が駆動トランスT101の1次巻線n1に印加されると、それに応じてスイッチング素子Q101,Q102を駆動する駆動信号が駆動トランスT101の2次巻線n2,n3より出力される。
【0025】
また、負荷回路105において、誘導コイルL101に並列に接続されるコンデンサC105は、誘導コイルL101と高周波回路103の両方のインピーダンスを整合して、無電極放電灯Laの点灯時に高周波回路103からの高周波電力を誘導コイルL101に効率よく伝達させるためのものである。
【0026】
この電力変換手段105では、発振回路106からの信号が駆動回路104においてC級増幅され、駆動トランスT101を介して高周波回路103のスイッチング素子Q101,Q102のゲート・ソース間端子に正弦波状の高周波の交流電圧が印加されることで、スイッチング素子Q101,Q102が交互に高周波でオンオフ駆動されて無電極放電灯Laが点灯する。
【0027】
ところで、上記電力変換手段105を構成するスイッチング素子Q101,Q102,Q103等の回路部品は、従来例と同様にプリント基板20に実装されて金属製ケース15内に収納される。
【0028】
図1に示すように、発熱部品であるスイッチング素子Q101,Q102,Q103は、プリント基板20の端部近傍に互いに隣接して実装され、両面に絶縁体17,19が設けられた非磁性体の金属板(従来例における金属製遮蔽板)55を間に介挿して金属製ケース15に取り付けられる。ここで、スイッチング素子Q101,Q102,Q103は、図3に示すような取付ばね22を用いて金属製ケース15に固定される。取付ばね22は平坦な主片23と、先端部が逆へ字形に折曲されて主片23に対向する押さえ片24とを有する略コ字状に形成されており、金属製ケース15に設けられた溝部16に主片23が挿入され、押さえ片24でスイッチング素子Q101,Q102,Q103を金属製ケース15側に押さえつけることにより固定を行っている。なお、スイッチング素子Q101,102,Q103のソース端子及び金属板55のリード部25a,25b,25cが電力変換手段105の負極側出力端a(図2参照)に接続されたプリント基板20上の負極側パターン21に接続されており、これによって金属板55と電力変換手段105の負極側出力端aとが同電位に電気的に接続されている
次に、本実施形態の従来例との相違点について説明する。
【0029】
本実施形態では、図1に示すように金属板55のリード部25a,25cを両端に配置するとともに高周波回路103のスイッチング素子Q101,Q102と、駆動回路104のスイッチング素子Q103との間にリード部25bを配置し、各リード部25a,25b,25cをプリント基板20上に形成された負極側パターン21に接続している。なお、従来例では金属板55を整流器2の負極側出力端aに接続する方法については具体的に述べられていない。
【0030】
図4にスイッチング素子Q10,Q102,Q103の正面側から見た図を示すが(簡略化のため絶縁体19等は図示していない)、本実施形態の電源装置(無電極放電灯点灯装置)が動作すると、各々のスイッチング素子Q101,Q102,Q103から絶縁体19,金属板55,リード部25a,25b,25c及び負極側パターン21を介して雑音電流Ixが流れ、そして再びスイッチング素子Q101,Q102,Q103に戻る電流ループが生じる。
【0031】
しかしながら、本実施形態においては、金属板55に設けたリード部25a,25b.25cにより、隣接するスイッチング素子Q101,Q102,Q103間で金属板55と電力変換手段105の負極側出力端aとを同電位に電気的に接続して、高周波回路103及び駆動回路104の各々で生じて金属板55に流れる雑音電流Ixをリード部25bに流すようにしているため、互いに隣接するスイッチング素子Q101…側に流れる雑音電流Ix′(図4に波線で示す)の割合が減少する。特に駆動回路104に比較して高周波回路103の方が動作電流は大きいが、雑音電流Ix′の干渉によるスイッチング素子Q101…の動作波形の乱れ等も減少し、雑音が低下して動作が安定し、素子発熱が減少するという利点がある。
【0032】
上述のように本実施形態では、高周波回路103のスイッチング素子Q101と駆動回路104のスイッチング素子Q103との間に、金属板55と負極側パターン21とを電気的に接続するリード部25bを配置したので、このリード部25bが遮蔽手段となって、絶縁体17,19の寄生容量を介して隣接するスイッチング素子Q101〜Q103から金属板55の方へ流れる高周波の雑音電流Ix同士が干渉しないように遮蔽することができる。その結果、特に高周波回路103のスイッチング素子Q101と駆動回路104のスイッチング素子Q103のように、互いに隣接して配置されているスイッチング素子間で動作電流や動作周波数の差が大きい場合、あるいは動作周波数が非常に高い場合であっても、各スイッチング素子Q101〜Q103間で雑音電流Ixの干渉並びに雑音の発生を抑えて動作を安定させることができる。
【0033】
ところで本実施形態における直流電源101を、従来例と同様に交流電源1、ノイズフィルタ12、整流器2並びに力率改善用スイッチング回路(昇圧チョッパ回路)8で構成しても良い。その場合は、図5に示すように力率改善用スイッチング回路8のスイッチング素子Q1を金属板55を介して金属製ケース15に取り付け、金属板55のスイッチング素子Q1側の端部にリード部25dを設ける。而して、駆動回路104のスイッチング素子Q103と力率改善用スイッチング回路8のスイッチング素子Q1との間に配置されるリード部25cにスイッチング素子Q1,Q103からの雑音電流Ixが流れることにより、力率改善用スイッチング回路8と駆動回路104について互いに他方のスイッチング素子側に流れる雑音電流Ix′(図5に波線で示す)の割合が減少し、動作周波数が数十kHzのスイッチング素子Q1に動作周波数が数百kHz以上と比較的高いスイッチング素子Q103が隣接していても、スイッチング素子Q103から流れ出る高周波の雑音電流Ixの、スイッチング素子Q1側への流入が低減できて動作が安定する。
【0034】
(実施形態2)
図6に本実施形態における金属板55の構造を示す。なお、回路構成を含めたその他の構成は実施形態1と共通するから、共通する構成については同一の符号を付して図示並びに説明は省略する。
【0035】
本実施形態は、金属板55の2つのスイッチング素子Q101,Q103の取付位置の間に、一端側が開放し且つ他端側がリード部25bの近傍まで延設されたスリット27を設けた点に特徴があり、このスリット27が遮蔽手段となる。このように金属板55にスリット27を設けたことにより、隣接する2つのスイッチング素子Q101,Q103の間で互いに他方のスイッチング素子側に流れる雑音電流Ixの割合をさらに減少させることができる。
【0036】
【発明の効果】
請求項1の発明は、複数のスイッチング素子を有し、直流電源の直流電力を高周波電力に変換する電力変換手段と、該電力変換手段の出力端に接続されて高周波電力が供給される負荷回路と、少なくとも前記電力変換手段を収納する金属製ケースとを備え、前記複数のスイッチング素子を互いに隣接して前記金属製ケースに装着するとともに各スイッチング素子と金属製ケースとの間に、少なくとも1枚の非磁性体の金属板を両面ともに絶縁体を設けて介挿し、該金属板と前記電力変換手段の負極側出力端とを同電位に電気的に接続し前記絶縁体の寄生容量を介して隣接する複数のスイッチング素子から前記金属板の方へ流れる高周波の雑音電流同士が干渉しないように遮蔽する遮蔽手段を、隣接する前記スイッチング素子間に設けて成る電源装置において、前記電力変換手段は、複数のスイッチング素子のオンオフによって直流電圧を高周波電圧に変換する高周波回路と、複数のスイッチング素子をオンオフ駆動する駆動回路とを具備し、前記隣接するスイッチング素子は、各々前記高周波回路及び駆動回路に含まれ、前記遮蔽手段は、前記高周波回路のスイッチング素子と前記駆動回路のスイッチング素子との間で前記金属板と前記電力変換手段の負極側出力端とを同電位に電気的に接続して成るので、スイッチング素子が互いに隣接して配置されている場合であっても、遮蔽手段により各スイッチング素子間で雑音電流の干渉並びに雑音の発生を抑えて動作を安定させることができるとともに、互いに隣接して配置されているスイッチング素子間で動作電流や動作周波数の差が大きい場合、あるいは動作周波数が非常に高い場合であっても、各スイッチング素子間で雑音電流の干渉並びに雑音の発生を抑えて動作を安定させることができるという効果がある。
【0037】
請求項の発明は、請求項の発明において、前記直流電源が少なくともスイッチング素子を具備するチョッパ回路を有し、前記隣接するスイッチング素子は、各々チョッパ回路及び電力変換手段に含まれるので、請求項の発明の効果に加えて、互いに隣接して配置されているスイッチング素子間で動作電流や動作周波数の差が大きい場合、あるいは動作周波数が非常に高い場合であっても、遮蔽手段により各スイッチング素子間で雑音電流の干渉並びに雑音の発生を抑えて動作を安定させることができるという効果がある。
【0038】
請求項の発明は、請求項1又は2の発明において、前記遮蔽手段が、前記金属板に設けたスリットから成るので、請求項1又は2の発明の効果に加えて、スイッチング素子間の雑音電流の干渉をさらに抑えることができるという効果がある。
【0039】
請求項の発明は、請求項の発明において、前記スリットの一端を開放したので、請求項の発明と同様の効果を奏する
【0040】
請求項の発明は、請求項1〜の何れかの発明において、前記負荷回路が、周波数が数百kHz以上で動作する無電極放電灯を含むので、請求項1〜の何れかの発明と同様の効果を奏する
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施形態1の要部断面図である。
【図2】 同上の回路構成図である。
【図3】 同上における取付ばねの斜視図である。
【図4】 同上の動作説明図である。
【図5】 同上の他の構成の動作説明図である。
【図6】 実施形態2における金属板の平面図である。
【図7】 従来例のブロック図である。
【図8】 同上の回路構成図である。
【図9】 同上の要部断面図である
【符号の説明】
Q101〜Q103 スイッチング素子
15 金属製ケース
17,19 絶縁体
20 プリント基板
21 負極側パターン
25a〜25c リード部
55 金属板

Claims (5)

  1. 複数のスイッチング素子を有し、直流電源の直流電力を高周波電力に変換する電力変換手段と、該電力変換手段の出力端に接続されて高周波電力が供給される負荷回路と、少なくとも前記電力変換手段を収納する金属製ケースとを備え、前記複数のスイッチング素子を互いに隣接して前記金属製ケースに装着するとともに各スイッチング素子と金属製ケースとの間に、少なくとも1枚の非磁性体の金属板を両面ともに絶縁体を設けて介挿し、該金属板と前記電力変換手段の負極側出力端とを同電位に電気的に接続し前記絶縁体の寄生容量を介して隣接する複数のスイッチング素子から前記金属板の方へ流れる高周波の雑音電流同士が干渉しないように遮蔽する遮蔽手段を、隣接する前記スイッチング素子間に設けて成る電源装置において、前記電力変換手段は、複数のスイッチング素子のオンオフによって直流電圧を高周波電圧に変換する高周波回路と、複数のスイッチング素子をオンオフ駆動する駆動回路とを具備し、前記隣接するスイッチング素子は、各々前記高周波回路及び駆動回路に含まれ、前記遮蔽手段は、前記高周波回路のスイッチング素子と前記駆動回路のスイッチング素子との間で前記金属板と前記電力変換手段の負極側出力端とを同電位に電気的に接続して成ることを特徴とする電源装置。
  2. 前記直流電源は少なくともスイッチング素子を具備するチョッパ回路を有し、前記隣接するスイッチング素子は、各々チョッパ回路及び電力変換手段に含まれるすることを特徴とする請求項1記載の電源装置。
  3. 前記遮蔽手段は、前記金属板に設けたスリットから成ることを特徴とする請求項1又は2記載の電源装置。
  4. 前記スリットの一端を開放したことを特徴とする請求項記載の電源装置。
  5. 前記負荷回路は、周波数が数百kHz以上で動作する無電極放電灯を含むことを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の電源装置
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