JP3786260B2 - 高周波変換装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、共振現象を用いて商用周波数の交流電源から高周波の交流を作り出す変換装置の構成方法に関し、特に、交流入力電流の波形を改善して力率を向上させ、高効率で高周波交流を作り出すようにした高周波変換装置に関するものである。
また、本発明の適用対象としては、直接的に高周波交流を利用する誘導加熱装置や放電灯点灯装置、間接的に高周波交流を利用する直流電源装置（スイッチング電源装置）等が挙げられる。
【０００２】
【従来の技術】
この種の回路構成として、従来、特開平９−１８５９９７号公報「照明制御装置およびランプ点灯装置」に記載されているように、図１４に示す回路構成が知られている。なお、図１４は、上記公報記載の回路構成を一部説明し易いように変更してある。
【０００３】
この構成では、交流電源１の交流がダイオード７〜１０からなる整流回路によって直流に変換され、コンデンサ１１によって平滑される。
また、コンデンサ１８，１９からなるコンデンサ直列回路と、高周波スイッチングされるスイッチング素子１２及びダイオード１４からなる逆並列接続回路とスイッチング素子１３及びダイオード１５からなる逆並列接続回路との直列回路からなるスイッチングアーム直列回路とが、各々コンデンサ１１に対して並列に接続される。
更に、コンデンサ直列回路の直列接続点とスイッチングアーム直列回路の直列接続点との間に変圧器２８の一次巻線が接続され、その二次巻線には放電灯２６及びコンデンサ２７が接続されている。
【０００４】
上記構成において、スイッチング素子１３がオフの状態でスイッチング素子１２をオンさせると、コンデンサ１８と変圧器２８の漏れインダクタンスとの共振により一次巻線に共振電流が流れ、同時に放電灯２６にも電流が流れる。
この電流が反転する前にスイッチング素子１２をオフさせると、ダイオード１５がオンし、コンデンサ１９と変圧器２８の一次巻線の漏れインダクタンスとによって共振回路が形成される。この時、スイッチング素子１３をオンさせておくと、共振電流の反転によりスイッチング素子１３に電流が流れる。
【０００５】
この状態でスイッチング素子１３をオフさせるとダイオード１４がオンとなり、コンデンサ１８と変圧器２８の漏れインダクタンスとによって共振回路が形成される。この時、スイッチング素子１２をオンさせておくと、共振電流の反転によりスイッチング素子１２に電流が流れる。
上記の動作を高周波で繰り返すことにより、変圧器２８には高周波の交流電流が流れ、同時に放電灯２６にも高周波の交流電流が流れる。ここで、コンデンサ２７はフィラメントの予熱用である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来は整流回路で交流電源１から直流を作り、その後、スイッチング素子１２，１３を有するインバータによって高周波交流を作り出している。この回路構成では、整流回路の直流部に平滑用のコンデンサ１１を用いているため交流入力電流は高調波を多く含んだピーク値の大きな波形となる。従って、入力側の力率が低く、電源電圧波形が歪む等の欠点があり、交流電源に接続された他の機器に悪影響を及ぼすという問題があった。
そこで本発明は、交流入力電流の波形を正弦波状にして力率を向上させた高周波変換装置を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、ダイオードブリッジ整流回路の交流入力端子間に２個のコンデンサからなるコンデンサ直列回路を接続し、前記整流回路の直流出力側の正極と負極との間に、平滑コンデンサと、高周波スイッチングされるスイッチング素子及びダイオードを逆並列接続したスイッチングアーム２個からなるスイッチングアーム直列回路との並列接続回路を接続し、前記コンデンサ直列回路の直列接続点と前記スイッチングアーム直列回路の直列接続点との間にリアクトルを接続し、何れかのスイッチングアームの両端に、コンデンサを並列接続した共振リアクトルを含む直列共振負荷を接続し、前記スイッチング素子をソフトスイッチングさせたものである。
【０００８】
請求項２記載の発明は、ダイオードブリッジ整流回路の交流入力端子間に２個のコンデンサからなる第１のコンデンサ直列回路を接続し、前記整流回路の直流出力側の正極と負極との間に、平滑コンデンサと、高周波スイッチングされるスイッチング素子及びダイオードを逆並列接続したスイッチングアーム２個からなるスイッチングアーム直列回路と、２個のコンデンサからなる第２のコンデンサ直列回路との並列接続回路を接続し、第１のコンデンサ直列回路の直列接続点と前記スイッチングアーム直列回路の直列接続点との間にリアクトルを接続し、前記スイッチングアーム直列回路の直列接続点と第２のコンデンサ直列回路との直列接続点との間に、コンデンサを並列接続した共振リアクトルを含む直列共振負荷を接続し、前記スイッチング素子をソフトスイッチングさせたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１〜図３は、請求項１に記載した発明の実施形態であり、図１は本発明を誘導加熱装置に適用した第１実施形態、図２は放電灯点灯装置に適用した第２実施形態、図３は直流電源装置に適用した第３実施形態である。
【００１１】
まず、図１の第１実施形態において、ダイオード７〜１０により構成されたダイオードブリッジ整流回路の交流入力端子３，４の間にはコンデンサ５，６からなる第１のコンデンサ直列回路が接続されている。
また、前記整流回路の直流出力側の正極と負極との間には、コンデンサ１１が接続され、このコンデンサ１１の両端には、高周波スイッチングされるスイッチング素子１２及びダイオード１４を逆並列接続した第１のスイッチングアームと、高周波スイッチングされるスイッチング素子１３及びダイオード１５を逆並列接続した第２のスイッチングアームとからなるスイッチングアーム直列回路が接続されている。第１のコンデンサ直列回路の接続点と、第１，第２のスイッチングアームの直列接続点との間にはリアクトル３３が接続されており、第２のスイッチングアームの両端が高周波出力端子２０，２１となっている。
【００１２】
交流入力端子３，４の間には交流電源１とリアクトル２との直列回路が接続され、高周波出力端子２０，２１の間には、加熱コイル２３及びコンデンサ２２の並列回路とコンデンサ２４との直列回路からなる加熱用負荷回路が接続されている。
【００１３】
上記構成において、スイッチング素子１２，１３がオフの状態では、コンデンサ１１は交流電源１の電圧のピーク値に充電されている。スイッチング素子１３がオフの状態でスイッチング素子１２をオンさせると、加熱コイル２３及びコンデンサ２２の並列回路とコンデンサ２４とを通る経路で電流が流れる。
この時、スイッチング素子１２をオフさせると、加熱コイル２３の電流はコンデンサ２２を放電させる方向に流れ、コンデンサ２２の電圧を徐々に低下させる。これに伴ってダイオード１５が導通し、加熱コイル２３及びコンデンサ２２の並列回路→コンデンサ２４→ダイオード１５を通る経路の電流が流れる。
【００１４】
この時スイッチング素子１３の両端電圧は徐々に上昇し、ソフトスイッチング動作となる。次に、スイッチング素子１３をオンさせると共振現象により電流は反転し、加熱コイル２３及びコンデンサ２２の並列回路→スイッチング素子１３→コンデンサ２４を通る経路で流れる。
【００１５】
ここで、スイッチング素子１３をオフさせると、加熱コイル２３の電流はコンデンサ２２の電圧を徐々に上昇させ、電流経路は加熱コイル２３及びコンデンサ２２の並列回路→ダイオード１４→コンデンサ１１→コンデンサ２４を通る経路となる。この時、スイッチング素子１３の両端電圧は徐々に上昇するので、ソフトスイッチング動作となる。
次にスイッチング素子１２をオンさせると、共振現象により電流は反転し、コンデンサ１１→スイッチング素子１２→加熱コイル２３及びコンデンサ２２の並列回路→コンデンサ２４を通る経路となる。
このような動作を高周波で繰り返すことにより、加熱コイル２３には高周波の交流電流が流れる。
【００１６】
一方、リアクトル３３は、スイッチング素子１２がオンしているときにはコンデンサ５→ダイオード７→スイッチング素子１２を通る経路で電流が増加し、スイッチング素子１２をオフ、スイッチング素子１３をオンさせると、リアクトル３３の電流は、コンデンサ５→ダイオード７→コンデンサ１１→ダイオード１５を通る経路となり減少し、次にはコンデンサ６→リアクトル３３→スイッチング素子１３→ダイオード１０を通る経路で負に増加する。
【００１７】
次にスイッチング素子１３をオフ、スイッチング素子１２をオンにすると、リアクトル３３の電流は、ダイオード１４→コンデンサ１１→ダイオード１０→コンデンサ６の経路となる。このような動作を高周波で繰り返すことにより、コンデンサ１１の電圧は昇圧動作によって電源電圧より高くなる。また、リアクトル２を流れる電源電流は、リアクトル３３の値を適切に選ぶことにより正弦波状となり、高力率とすることができる。
【００１８】
ここで、図１では交流入力端子３，４に交流電源１とリアクトル２との直列回路を接続した例を示したが、リアクトルを配線インダクタンスで代用する場合や、リアクトルとコンデンサからなるＡＣフィルタを用いる場合など、各種あり得ることは言うまでもない。
【００１９】
次に、図２は、放電灯を負荷とした放電灯点灯装置に適用した本発明の第２実施形態である。図１との違いは、高周波出力端子２０，２１に接続されている回路構成部品である。
高周波出力端子２０，２１には、リアクトル２５及びコンデンサ２２の並列回路と、フィラメントに予熱用コンデンサ２７を接続した放電灯２６と、コンデンサ２４との直列回路が接続されている。リアクトル２５を図１における加熱用コイル２３、放電灯２６を負荷抵抗と考えれば、その動作は図１と同様になる。
【００２０】
図３は、直流電源装置（スイッチング電源装置）に適用した本発明の第３実施形態である。図１，図２との違いは、高周波出力端子２０，２１に接続されている回路構成部品である。
高周波出力端子２０，２１には、リアクトル２５及びコンデンサ２２の並列回路と、変圧器２８の一次巻線とコンデンサ２４との直列回路が接続されている。変圧器２８の二次巻線の両端には、ダイオード２９，３０のアノードがそれぞれ接続され、これらのカソード同士が接続されている。また、これらのカソードと変圧器２８のセンタータップとの間には、コンデンサ３１及び負荷３２の並列回路が接続されている。
ここで、リアクトル２５を図１の加熱コイル２３、変圧器２８以降の回路構成部品を負荷抵抗と考えれば、その動作は図１及び図２と同様となる。
【００２１】
次に、図４〜図６は請求項１に記載した発明の参考形態であり、図４は本発明を誘導加熱装置に適用した例、図５は放電灯点灯装置に適用した例、図６は直流電源装置に適用した例である。
【００２２】
まず、図１と図４の違いは、図４では加熱コイル２３と並列接続されるコンデンサがなく、また、スイッチング素子１２とダイオード１４との逆並列回路に対し並列にコンデンサ１６が接続され、スイッチング素子１３とダイオード１５との逆並列接続回路に対し並列にコンデンサ１７が接続されている点である。
図１の第１実施形態との動作上の違いは、スイッチング素子１２がオフするとコンデンサ１６が充電され、スイッチング素子１３がオフするとコンデンサ１７が充電されるため、徐々に電圧が上昇し、ソフトスイッチング動作となってスイッチング損失が低減される点である。その他の動作は第１実施形態と同様である。
【００２３】
図５、図６についても同様に、各々図２の第２実施形態、図３の第３実施形態に対してリアクトル２５に並列接続されるコンデンサがなく、さらに並列コンデンサ１６，１７が付加されている点が相違点である。
これらの動作に関しても、スイッチング素子１２がオフするとコンデンサ１６が充電され、スイッチング素子１３がオフするとコンデンサ１７が充電されるため、徐々に電圧が上昇し、ソフトスイッチング動作となる点であり、その他は第２，第３実施形態と同様である。
【００２４】
なお、図４〜図６において、スイッチング素子１２，１３の何れか一方にコンデンサを並列接続しても良い。
【００２５】
次に、図７は請求項１に記載した発明の他の実施形態に相当するもので、誘導加熱装置に適用した第４実施形態である。
図１の第１実施形態との違いは、高周波出力端子２０，２１が、図１ではスイッチング素子１３の両端に接続されているのに対し、図７ではスイッチング素子１２の両端に接続されている点である。
その動作は、スイッチング素子１２，１３のオンオフの動作を逆にすれば図１と同様になる。
なお、このように高周波出力端子２０，２１の接続箇所を変更してスイッチング素子の１２，１３のオンオフ動作を逆にする着想は、図２〜図６にも適用可能である。
【００２６】
図８〜図１０は、請求項２に記載した発明の実施形態であり、図８は本発明を誘導加熱装置に適用した第５実施形態、図９は放電灯点灯装置に適用した第６実施形態、図１０は直流電源装置に適用した第７実施形態である。
【００２７】
図１〜図３の第１〜第３実施形態との違いは、スイッチングアーム直列回路と並列に、コンデンサ１８，１９からなる第２のコンデンサ直列回路が接続され、高周波出力端子２０，２１が、スイッチングアーム直列回路の直列接続点と第２のコンデンサ直列回路の直列接続点とにそれぞれ接続されている点である。なお、本実施形態において、交流入力端子３，４に接続されるコンデンサ５，６の直列回路を、便宜的に第１のコンデンサ直列回路という。
【００２８】
図８において、スイッチング素子１３がオフの状態でスイッチング素子１２をオンさせると、コンデンサ１８→スイッチング素子１２→加熱コイル２３及びコンデンサ２２の並列回路→コンデンサ２４の経路で電流が流れる。スイッチング素子１２をオフすると、コンデンサ２２の電圧は加熱コイル２３の電流により放電されて徐々に低下し、次にダイオード１５が導通して、加熱コイル２３及びコンデンサ２２の並列回路→コンデンサ２４→コンデンサ１９→ダイオード１５の経路の電流となる。
この時、スイッチング素子１２の両端電圧は徐々に上昇するので、ソフトスイッチング動作となる。
【００２９】
ここでスイッチング素子１３をオンさせると、共振現象により電流は反転してコンデンサ１９→コンデンサ２４→加熱コイル２３及びコンデンサ２２の並列回路→スイッチング素子１３を通る経路となる。ここで、スイッチング素子１３をオフさせると、コンデンサ２２の電圧は加熱コイル２３の電流で充電され徐々に上昇し、次にダイオード１４が導通してコンデンサ１８→コンデンサ２４→加熱コイル２３及びコンデンサ２２の並列回路の経路の電流となる。
この時、スイッチング素子１３の両端電圧は徐々に上昇するので、ソフトスイッチング動作となる。
ここでスイッチング素子１２をオンさせると、共振現象により電流は反転し、コンデンサ１８→スイッチング素子１２→加熱コイル２３及びコンデンサ２２の並列回路→コンデンサ２４の経路となる。
【００３０】
このような動作を高周波で繰り返すことにより、加熱コイル２３には高周波の交流電流が流れる。一方、リアクトル３３の電流は、交流電源１が正極性の時、スイッチング素子１２がオンしているときにはコンデンサ５→ダイオード７→スイッチング素子１２を通る経路で電流が増加し、スイッチング素子１２をオフ、スイッチング素子１３をオンさせると、リアクトル３３の電流は、コンデンサ５→ダイオード７→コンデンサ１１→ダイオード１５を通る経路で減少し、次にはコンデンサ６→リアクトル３３→スイッチング素子１３→ダイオード１０を通る経路で負に増加する。
【００３１】
次にスイッチング素子１３をオフ、スイッチング素子１２をオンにすると、リアクトル３３の電流は、ダイオード１４→コンデンサ１１→ダイオード１０→コンデンサ６の経路となる。
【００３２】
また、交流電源１が負極性のとき、スイッチング素子１２がオンしているときにはコンデンサ６→ダイオード９→スイッチング素子１２を通る経路で電流が増加し、スイッチング素子１２をオフ、スイッチング素子１３をオンさせるとリアクトル３３の電流は、コンデンサ５→ダイオード７→コンデンサ１１→ダイオード１５を通る経路で減少し、次にはコンデンサ５→リアクトル３３→スイッチング素子１３→ダイオード８を通る経路で負に増加する。
次にスイッチング素子１３をオフ、スイッチング素子１２をオンにすると、リアクトル３３の電流は、ダイオード１４→コンデンサ１１→ダイオード１０→コンデンサ６の経路となる。
このような動作を高周波で繰り返すことにより、コンデンサ１１の電圧は昇圧動作により電源電圧より高くなる。
【００３３】
更に、リアクトル２を流れる電源電流はリアクトル３３の値を適切に選ぶことによって正弦波状となり、高力率とすることができる。ここでは、交流入力端子３，４に交流電源１とリアクトル２との直列回路を接続した例を示したが、リアクトルを配線インダクタンスで代用する場合や、リアクトル及びコンデンサからなるＡＣフィルタを用いる場合など、各種あり得ることは言うまでもない。
【００３４】
図９は、放電灯を負荷とした放電灯点灯装置に適用される本発明の第６実施形態である。図８との違いは、高周波出力端子２０，２１に接続されている回路構成部品である。
すなわち、高周波出力端子２０，２１には、リアクトル２５及びコンデンサ２２の並列回路と、フィラメントに予熱用コンデンサ２７を接続した放電灯２６と、コンデンサ２４との直列回路が接続されている。リアクトル２５を図８の加熱コイル２３、放電灯２６を負荷抵抗と考えれば、動作は図８と同様となる。
【００３５】
図１０は、直流電源装置に適用した本発明の第７実施形態である。図８，図９との違いは、高周波出力端子２０，２１に接続されている回路構成部品の違いである。
高周波出力端子２０，２１には、リアクトル２５及びコンデンサ２２の並列回路と、変圧器２８の一次巻線とコンデンサ２４との直列回路が接続されている。変圧器２８の二次巻線の両端には、ダイオード２９，３０のアノードがそれぞれ接続され、これらのカソード同士が接続されている。また、これらのカソードと変圧器２８のセンタータップとの間には、コンデンサ３１及び負荷３２の並列回路が接続されている。
ここで、リアクトル２５を図１の加熱コイル２３、変圧器２８以降の回路構成部品を負荷抵抗と考えれば、その動作は図１及び図２と同様となる。
【００３６】
図１１〜図１３は、請求項２に記載された発明の参考形態であり、図１１は誘導加熱装置に適用した例、図１２は放電灯点灯装置に適用した例、図１３は直流電源装置に適用した例である。
【００３７】
図８と図１１との違いは、図１１では加熱コイル２３に並列接続されるコンデンサがない点、スイッチング素子１２及びダイオード１４の逆並列接続回路と並列にコンデンサ１６が接続され、スイッチング素子１３及びダイオード１５の逆並列接続回路と並列にコンデンサ１７が接続されている点である。
動作の違いは、スイッチング素子１２がオフするとコンデンサ１６が充電され、スイッチング素子１３がオフするとコンデンサ１７が充電され、徐々に電圧が上昇するので、ソフトスイッチング動作となる点である。その他の動作は図８と同様である。
【００３８】
図１２、図１３についても同様に、各々図９、図１０に対してリアクトル２５に並列接続されるコンデンサがなく、さらに並列コンデンサ１６，１７が付加されている点が相違点である。
これらの動作に関しても、スイッチング素子１２がオフするとコンデンサ１６が充電され、スイッチング素子１３がオフするとコンデンサ１７が充電されるため、徐々に電圧が上昇し、ソフトスイッチング動作となる点であり、その他は図９、図１０と同様である。
【００３９】
なお、図１１〜図１３において、スイッチング素子１２，１３の何れか一方にコンデンサを並列接続しても良い。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように本発明では、交流電源電圧をコンデンサ直列回路によって２分割し、コンデンサ直列回路の直列接続点とスイッチングアーム直列回路の直列接続点との間にリアクトルを接続しているため、昇圧動作によりリアクトルを介して平滑用のコンデンサが充電され、交流電源からの電流を正弦波状にして高力率とすることができる。この結果、交流電源電圧を歪ませるといった問題がなくなり、他の機器に対する悪影響をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 請求項１に基づく本発明の第１実施形態を示す回路図である。
【図２】 請求項１に基づく本発明の第２実施形態を示す回路図である。
【図３】 請求項１に基づく本発明の第３実施形態を示す回路図である。
【図４】 請求項１に基づく本発明の参考形態を示す回路図である。
【図５】 請求項１に基づく本発明の参考形態を示す回路図である。
【図６】 請求項１に基づく本発明の参考形態を示す回路図である。
【図７】 請求項１に基づく本発明の第４実施形態を示す回路図である。
【図８】 請求項２に基づく本発明の第５実施形態を示す回路図である。
【図９】 請求項２に基づく本発明の第６実施形態を示す回路図である。
【図１０】 請求項２に基づく本発明の第７実施形態を示す回路図である。
【図１１】 請求項２に基づく本発明の参考形態を示す回路図である。
【図１２】 請求項２に基づく本発明の参考形態を示す回路図である。
【図１３】 請求項２に基づく本発明の参考形態を示す回路図である。
【図１４】 従来技術を示す回路図である。
【符号の説明】
１ 交流電源
２，２５，３３ リアクトル
３，４ 交流入力端子
５，６，１１，１６〜１９，２２，２４，２７，３１ コンデンサ
７〜１０，１４，１５，２９，３０ ダイオード
１２，１３ スイッチング素子
２０，２１ 高周波出力端子
２３ 加熱コイル
２６ 放電灯
２８ 変圧器
３２ 負荷

Claims (2)

1. ダイオードブリッジ整流回路の交流入力端子間に２個のコンデンサからなるコンデンサ直列回路を接続し、
   前記整流回路の直流出力側の正極と負極との間に、平滑コンデンサと、高周波スイッチングされるスイッチング素子及びダイオードを逆並列接続したスイッチングアーム２個からなるスイッチングアーム直列回路との並列接続回路を接続し、
   前記コンデンサ直列回路の直列接続点と前記スイッチングアーム直列回路の直列接続点との間にリアクトルを接続し、
   何れかのスイッチングアームの両端に、コンデンサを並列接続した共振リアクトルを含む直列共振負荷を接続し、前記スイッチング素子をソフトスイッチングさせたことを特徴とする高周波変換装置。
2. ダイオードブリッジ整流回路の交流入力端子間に２個のコンデンサからなる第１のコンデンサ直列回路を接続し、
   前記整流回路の直流出力側の正極と負極との間に、平滑コンデンサと、高周波スイッチングされるスイッチング素子及びダイオードを逆並列接続したスイッチングアーム２個からなるスイッチングアーム直列回路と、２個のコンデンサからなる第２のコンデンサ直列回路との並列接続回路を接続し、
   第１のコンデンサ直列回路の直列接続点と前記スイッチングアーム直列回路の直列接続点との間にリアクトルを接続し、
   前記スイッチングアーム直列回路の直列接続点と第２のコンデンサ直列回路との直列接続点との間に、コンデンサを並列接続した共振リアクトルを含む直列共振負荷を接続し、前記スイッチング素子をソフトスイッチングさせたことを特徴とする高周波変換装置。

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