JP3812335B2 - 電源装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は高周波で駆動されるスイッチング素子とその駆動トランスとを有する電源装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の電源装置(特開平10−215583号)の回路構成を図7に示す。本回路は無電極放電灯点灯装置の電源装置であり、透明な球状のガラスバルブ、あるいは内壁に蛍光体が塗布された球状のガラスバルブ内に、不活性ガス、金属蒸気等の放電ガス(例えば水銀及び希ガス)を封入した無電極放電灯1と、その外周に沿って近接配置された高周波電力供給用コイル2と、高周波電力供給用コイル2に高周波電力を供給する高周波電源3と、高周波電力供給用コイル2と高周波電源3との両方のマッチングをとって反射をなくし、無電極放電灯1に効率よく高周波電力を供給するマッチング回路4とを備えて構成される。そして、高周波電源3から高周波電力供給用コイル2に、数百kHzから数百MHzの高周波電流を流すことにより高周波電力供給用コイル2に高周波磁界を発生させ、無電極放電灯1に高周波電力を供給し、無電極放電灯1に高周波プラズマを発生させ、紫外線もしくは可視光を発生させる。
【0003】
高周波電源3は、水晶振動子Xを用いた発振回路5と、発振回路5の出力を増幅する、トランジスタQ3、インダクタL3、コンデンサCp,Csとを含む所謂C級増幅回路により構成されたプリアンプ6と、電界効果トランジスタ(以下、スイッチング素子と呼ぶ。)Q1、Q2とインダクタL2とコンデンサC2とを含む、所謂D級増幅回路で構成されたメインアンプ7と、1次巻線n1、2次巻線n21,n22及び磁気コアを有し、プリアンプ6からの出力をメインアンプ7へ伝達するための駆動トランスTとから構成される。また、発振回路5とプリアンプ6とで駆動回路9を構成する。
【0004】
駆動トランスTの1次巻線n1の両端には、容量可変コンデンサVC(以下、バリコンVCと呼ぶ。)が並列接続されており、バリコンVCの容量を変化させることにより、メインアンプ7を構成するスイッチング素子Q1、Q2のゲート・ソース間電圧VGSが調整され、高周波電源3の出力制御が可能となる。例えば、スイッチング素子Q1、Q2としてIR社製のIRF710を用いた場合、制御電圧(以下、ゲート・ソース間電圧と呼ぶ)VGSは略正弦波状の電圧波形となり、そのピーク値は10〜15Vに設定される。ここで、メインアンプ7の電源には第1の直流電源E1、駆動回路9の電源には第2の直流電源E2を用いている。
【0005】
図8に、バリコンVCの容量を変化させた時のゲート・ソース間電圧VGSの振幅変化の特性図を示す。図8より、バリコンVCの容量変化に対してゲート・ソース間電圧VGSは略放物線状に変化し、バリコンVCの容量値がVCpの時にピーク値VGSP を有する。これはトランジスタQ3、インダクタL3、コンデンサCp,Cs、バリコンVCと駆動トランスTにより、ある固有共振周波数f0での共振が生じていることを示している。
【0006】
駆動トランスTにおける磁気コアの透磁率は、例えば図9(Ni−Zn系フェライトコア)のように温度特性を持ち、その温度係数γは正が一般的である。従って駆動トランスTの(磁気コアの温度を反映する)周囲温度Tctが変化すると、駆動トランスTの1次、2次巻線の両端のインダクタンスも変化してしまう。その結果、周囲温度Tct増加[減少]→透磁率増加[減少]→駆動トランスTの1,2次巻線インダクタ増加[減少]→固有共振周波数f0減少[増加]により、固有共振周波数f0が変化する。このため、図10のように駆動トランスTの周囲温度Tctに対してゲート・ソース間電圧VGSは略放物線状に変化する。
【0007】
いま、固有共振周波数f0を高周波電源3の動作周波数fに略等しく設定する、即ちゲート・ソース間電圧VGSを最大値付近(図10のP点)に設定する場合を考えると、駆動トランスTの周囲温度がTct=Tctoから変化した場合、ゲート・ソース間電圧VGSは低減するが、スイッチング素子Q1、Q2のスレッショルド電圧Vth付近までに接近し、その結果、スイッチング素子Q1、Q2を駆動するために充分な電圧を下回りドライブ不足が生じることがあれば、スイッチング素子Q1、Q2の動作が停止したり、それらのスイッチング損失が増大し素子が熱破壊してしまう、という問題があった。一方、駆動トランスTの周囲温度が増加した時に駆動電圧が減少するように設定された場合(図11のP点)、特に周囲温度Tct>Tctoとなる場合にドライブ不足がさらに生じ易く、同様に、駆動トランスTの周囲温度が増加した時に駆動電圧が増加するように設定された場合(図12のP点)、特に周囲温度Tct<Tctoとなる場合にドライブ不足がさらに生じ易い、という問題があった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述のような点に鑑みてなされたものであり、電源装置において周囲温度変化が生じ、駆動トランスTに特性変化が起こっても、スイッチング素子Q1、Q2はドライブ不足を生じない回路構成を提供することを課題とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上記の課題を解決するために、図1に示すように、少なくとも1つのスイッチング素子Q1,Q2を有し、直流電源E1からの直流電圧を交流の高周波電圧に変換して負荷に供給する高周波増幅回路7と、前記スイッチング素子Q1,Q2の制御端子に接続された2次巻線n21,n22と1次巻線n1及び磁気コアを有すると共に各巻線のインダクタンスは正の温度係数を有する駆動トランスTと、前記駆動トランスTとの固有共振周波数がf0となる共振手段を含み、前記駆動トランスTの1次巻線n1に高周波電圧を印加することにより前記スイッチング素子Q1,Q2を駆動する駆動回路9とから構成され、前記スイッチング素子Q1,Q2の駆動電圧VGSは、前記駆動トランスTの磁気コアの温度の変化に対して最大値を持つような電源装置において、前記共振手段は、前記駆動電圧VGSが最大値付近となるよう設定されると共に、前記駆動トランスTの磁気コアの温度が増加すると、前記固有共振周波数f0を高くし、前記駆動トランスTの磁気コアの温度が減少すると、前記固有共振周波数f0を低くすることを特徴とするものである。
【0010】
【発明の実施の形態】
(実施形態1)
本発明の実施形態1の回路構成を図1に示す。従来の技術と同一の構成、動作及び効果については説明を省略する。従来の技術との相違点は、バリコンVCの代わりにコンデンサC10,C20及びC30のいずれかをスイッチSにより切り替え可能としたことであり、さらに駆動トランスTの(磁気コアの温度を反映する)周囲温度Tctを検出する温度検出部21を設け、その検出結果により、切替制御部20にてスイッチSを切り替え可能としたことである。ここでコンデンサC10,C20及びC30の各容量間にはC10<C20<C30の関係が有り、コンデンサC10,C20及びC30、駆動回路9内のC級増幅回路及び駆動トランスTによって決まる固有共振周波数をそれぞれf01,f02及びf03とすれば、f01>f02>f03の関係が有る。
【0011】
いま、駆動トランスの周囲温度Tct=Tctoにおいて、固有共振周波数f0を高周波電源3の動作周波数fに略等しく(図2のP点、ゲート・ソース間電圧VGSの最大値付近に)設定する場合を考えると、その状態ではコンデンサC20が選択され、固有共振周波数はf02となっている。温度検出部21で検出した駆動トランスTの周囲温度TctがTct<Tctoと変化する場合、スイッチSによりコンデンサC10に切り替え、固有共振周波数をf01に減少させ、その結果、ゲート・ソース間電圧VGSは図2のように低温側に移動する。また、駆動トランスTの周囲温度TctがTct>Tctoと変化する場合、スイッチSによりコンデンサC30に切り替え、固有共振周波数をf03に増加させ、その結果、ゲート・ソース間電圧VGSは図2のように高温側に移動する。したがって、スイッチング素子Q1、Q2のゲート・ソース間電圧VGSも増加して、スイッチング素子Q1、Q2はドライブ不足を起こしにくくなるという効果がある。なお温度検出部21の配置場所は、駆動トランスTの周囲温度Tctを反映した温度が得られる場所であればどこでも良い。またメインアンプ7の負荷は抵抗負荷でも良く、同様の効果が得られる。
【0012】
(実施形態2)
本発明の実施形態2の回路構成を図3に示す。実施形態1と同一の構成、動作及び効果については説明を省略する。実施形態1との相違点は、従来の技術のようにバリコンVCを採用し、駆動トランスTの1次巻線n1にタップa,bを設け、スイッチSにより切り替え可能としたことである。ここでタップa,bに接続した時の1次巻線n1の実質的なインダクタンスをそれぞれLa,LbとするとLa<Lbであり、バリコンVC、駆動回路9内のC級増幅回路及び駆動トランスTによって決まる固有共振周波数をそれぞれf0a,f0bとすればf0a>f0bの関係が有る。
【0013】
駆動トランスTの周囲温度Tct=Tctoにおいて、駆動トランスTの周囲温度が増加した時に駆動電圧が減少するように設定された場合(図4のP点)、その状態ではタップbが選択され、固有共振周波数はf0bとなっている。駆動トランスTの周囲温度TctがTct>Tctoと変化した場合、その温度変化を温度検出部21で検出してスイッチSによりタップaに切り替え、固有共振周波数をf0aに増加させ、その結果、ゲート・ソース間電圧VGSは図4のように高温側に移動する。したがって、スイッチング素子Q1、Q2のゲート・ソース間電圧VGSも増加して、スイッチング素子Q1、Q2はドライブ不足を起こしにくくなるという効果がある。また特に高温時でのドライブ不足を抑制することでスイッチング素子Q1、Q2が熱破壊しにくくなるという効果がある。なお駆動トランスTの周囲温度Tct=Tctoにおいて、固有共振周波数f0を高周波電源3の動作周波数fに略等しく設定しても良く、その場合でも同様の効果がある。
【0014】
(実施形態3)
本発明の実施形態3の回路構成を図5に示す。実施形態2と同一の構成、動作及び効果については説明を省略する。実施形態2との相違点は、駆動トランスTの1次巻線n1の代わりに2次巻線n2にタップc,dを設け、スイッチS1,S2により切り替え可能としたことである。ここでタップc,dに接続した時の2次巻線n2の実質的なインダクタンスをそれぞれLc,LbとするとLc<Ldであり、バリコンVC、駆動回路9内のC級増幅回路及び駆動トランスTによって決まる固有共振周波数をそれぞれf0c,f0dとすればf0c>f0dの関係が有る。
【0015】
駆動トランスTの周囲温度Tct=Tctoにおいて、駆動トランスTの周囲温度が増加した時に駆動電圧が増加するように設定された場合(図6のP点)、その状態ではタップcが選択され、固有共振周波数はf0cとなっている。駆動トランスTの周囲温度TctがTct<Tctoと変化した場合、その温度変化を温度検出部21で検出してスイッチS1,S2によりタップdに切り替え、固有共振周波数をf0dに減少させ、その結果、ゲート・ソース間電圧VGSは図4のように低温側に移動する。したがって、スイッチング素子Q1、Q2のゲート・ソース間電圧VGSも増加して、スイッチング素子Q1、Q2はドライブ不足を起こしにくくなるという効果がある。なお駆動トランスTの周囲温度Tct=Tctoにおいて、固有共振周波数f0を高周波電源3の動作周波数fに略等しく設定しても良く、その場合でも同様の効果がある。
【0016】
【発明の効果】
請求項1〜11の発明によれば、駆動トランスの磁気コアの温度が変化して、スイッチング素子のゲート・ソース間電圧が低下するような環境であっても、駆動トランス周辺の固有共振周波数を切り替えることによりスイッチング素子のゲート・ソース間電圧が増加するので、スイッチング素子はドライブ不足を生じないという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1の回路図である。
【図2】本発明の実施形態1の動作説明図である。
【図3】本発明の実施形態2の回路図である。
【図4】本発明の実施形態2の動作説明図である。
【図5】本発明の実施形態3の回路図である。
【図6】本発明の実施形態3の動作説明図である。
【図7】従来例の回路図である。
【図8】従来例におけるスイッチング素子の駆動電圧と可変容量コンデンサの容量の関係を示す動作説明図である。
【図9】従来例における駆動トランスのコアの透磁率と周囲温度の関係を示す特性図である。
【図10】従来例におけるスイッチング素子の駆動電圧と周囲温度の関係を示す動作説明図である。
【図11】従来例における周囲温度が高い場合のスイッチング素子の駆動電圧を示す動作説明図である。
【図12】従来例における周囲温度が低い場合のスイッチング素子の駆動電圧を示す動作説明図である。
【符号の説明】
20 切替制御部
21 温度検出部
Q1 スイッチング素子
Q2 スイッチング素子
T 駆動トランス
n1 1次巻線
n21 2次巻線
n22 2次巻線

Claims (11)

  1. 少なくとも1つのスイッチング素子を有し、直流電源からの直流電圧を交流の高周波電圧に変換して負荷に供給する高周波増幅回路と、
    前記スイッチング素子の制御端子に接続された2次巻線と1次巻線及び磁気コアを有すると共に各巻線のインダクタンスは正の温度係数を有する駆動トランスと、
    前記駆動トランスとの固有共振周波数がf0となる共振手段を含み、前記駆動トランスの1次巻線に高周波電圧を印加することにより前記スイッチング素子を駆動する駆動回路とから構成され、
    前記スイッチング素子の駆動電圧は、前記駆動トランスの磁気コアの温度の変化に対して最大値を持つような電源装置において、
    前記共振手段は、前記駆動電圧が最大値付近となるよう設定されると共に、前記駆動トランスの磁気コアの温度が増加すると、前記固有共振周波数f0を高くすることを特徴とする電源装置。
  2. 少なくとも1つのスイッチング素子を有し、直流電源からの直流電圧を交流の高周波電圧に変換して負荷に供給する高周波増幅回路と、
    前記スイッチング素子の制御端子に接続された2次巻線と1次巻線及び磁気コアを有すると共に各巻線のインダクタンスは正の温度係数を有する駆動トランスと、
    前記駆動トランスとの固有共振周波数がf0となる共振手段を含み、前記駆動トランスの1次巻線に高周波電圧を印加することにより前記スイッチング素子を駆動する駆動回路とから構成され、
    前記スイッチング素子の駆動電圧は、前記駆動トランスの磁気コアの温度の変化に対して最大値を持つような電源装置において、
    前記共振手段は、前記駆動電圧が最大値付近となるよう設定されると共に、前記駆動トランスの磁気コアの温度が減少すると、前記固有共振周波数f0を低くすることを特徴とする電源装置。
  3. 少なくとも1つのスイッチング素子を有し、直流電源からの直流電圧を交流の高周波電圧に変換して負荷に供給する高周波増幅回路と、
    前記スイッチング素子の制御端子に接続された2次巻線と1次巻線及び磁気コアを有すると共に各巻線のインダクタンスは正の温度係数を有する駆動トランスと、
    前記駆動トランスとの固有共振周波数がf0となる共振手段を含み、前記駆動トランスの1次巻線に高周波電圧を印加することにより前記スイッチング素子を駆動する駆動回路とから構成され、
    前記スイッチング素子の駆動電圧は、前記駆動トランスの磁気コアの温度の変化に対して最大値を持つような電源装置において、
    前記共振手段は、前記駆動電圧が最大値付近となるよう設定されると共に、前記駆動トランスの磁気コアの温度が増加すると、前記固有共振周波数f0を高くし、前記駆動トランスの磁気コアの温度が減少すると、前記固有共振周波数f0を低くすることを特徴とする電源装置。
  4. 少なくとも1つのスイッチング素子を有し、直流電源からの直流電圧を交流の高周波電圧に変換して負荷に供給する高周波増幅回路と、
    前記スイッチング素子の制御端子に接続された2次巻線と1次巻線及び磁気コアを有すると共に各巻線のインダクタンスは正の温度係数を有する駆動トランスと、
    前記駆動トランスとの固有共振周波数がf0となる共振手段を含み、前記駆動トランスの1次巻線に高周波電圧を印加することにより前記スイッチング素子を駆動する駆動回路とから構成され、
    前記スイッチング素子の駆動電圧は、前記駆動トランスの磁気コアの温度の変化に対して最大値を持つような電源装置において、
    前記共振手段は、前記駆動トランスの駆動電圧が負の温度係数を持つように設定されると共に、前記駆動トランスの磁気コアの温度が増加すると、前記固有共振周波数f0を大きくすることを特徴とする電源装置。
  5. 少なくとも1つのスイッチング素子を有し、直流電源からの直流電圧を交流の高周波電圧に変換して負荷に供給する高周波増幅回路と、
    前記スイッチング素子の制御端子に接続された2次巻線と1次巻線及び磁気コアを有すると共に各巻線のインダクタンスは正の温度係数を有する駆動トランスと、
    前記駆動トランスとの固有共振周波数がf0となる共振手段を含み、前記駆動トランスの1次巻線に高周波電圧を印加することにより前記スイッチング素子を駆動する駆動回路とから構成され、
    前記スイッチング素子の駆動電圧は、前記駆動トランスの磁気コアの温度の変化に対して最大値を持つような電源装置において、
    前記共振手段は、前記駆動トランスの駆動電圧が正の温度係数を持つように設定されると共に、前記駆動トランスの磁気コアの温度が減少すると、前記固有共振周波数f0を小さくすることを特徴とする電源装置。
  6. 前記共振手段により固有共振周波数f0を変化させることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の電源装置。
  7. 前記共振手段には、前記駆動トランスの1次巻線に並列接続されたコンデンサがあり、固有共振周波数f0を大きくする時は該コンデンサの容量を小さく、固有共振周波数f0を小さくする時は該コンデンサの容量を大きくすることを特徴とする請求項6に記載の電源装置。
  8. 固有共振周波数f0を大きくする時は前記駆動トランスの1次巻線のインダクタンスを小さく、固有共振周波数f0を小さくする時は前記駆動トランスの1次巻線のインダクタンスを大きくすることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の電源装置。
  9. 固有共振周波数f0を大きくする時は前記駆動トランスの2次巻線のインダクタンスを小さく、固有共振周波数f0を小さくする時は前記駆動トランスの2次巻線のインダクタンスを大きくすることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の電源装置。
  10. 前記負荷に無電極放電灯を含むことを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の電源装置。
  11. 少なくとも1つのスイッチング素子を有し、直流電源からの直流電圧を交流の高周波電圧に変換して負荷に供給する高周波増幅回路と、
    前記スイッチング素子の制御端子に接続された2次巻線と1次巻線及び磁気コアを有すると共に各巻線のインダクタンスは正の温度係数を有する駆動トランスと、
    前記駆動トランスとの固有共振周波数がf0となる共振手段を含み、前記駆動トランスの1次巻線に高周波電圧を印加することにより前記スイッチング素子を駆動する駆動回路とから構成され、
    前記スイッチング素子の駆動電圧は、前記駆動トランスの磁気コアの温度の変化に対して最大値を持つような電源装置において、
    前記共振手段は、前記駆動電圧が最大値付近となるよう設定されると共に、前記駆動トランスの1次巻線に並列接続されたコンデンサがあり、前記駆動トランスの磁気コアの温度が増加すると、該コンデンサの容量を小さくして前記固有共振周波数f0を高くし、前記駆動トランスの磁気コアの温度が減少すると、該コンデンサの容量を大きくして前記固有共振周波数f0を低くすることを特徴とする電源装置。
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