JP4240791B2 - マグネトロン駆動用電源 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子レンジなどのマグネトロンを負荷とするマグネトロン駆動用電源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のマグネトロン駆動用電源について図面を用いて説明する。図２９は従来のマグネトロン駆動用電源の回路図である。従来のマグネトロン駆動用電源は交流である商用電源１を一旦ダイオードブリッジ２で直流電圧に変換し、この直流電圧を半導体スイッチ素子３，４のオンオフによってインバータ回路５は高圧トランス６の１次巻線に高周波電圧を発生し、高圧トランス６は２次巻線に高周波高電圧を励起する。この高周波高電圧は高圧整流回路７によって直流高電圧に整流され、マグネトロン８に印加される。マグネトロン８はこの直流高電圧で駆動され、２．４５ＧＨｚの電波を発生する。
【０００３】
図３０は従来のマグネトロン駆動用電源の動作波形を示した図である。商用電源１の交流電圧Ｖ１はダイオードブリッジ２によって直流電圧に整流される。インダクタ９とコンデンサ１０は平滑回路を構成しているが、コンデンサ１０の容量はインバータ回路５のサイズを小型化するために２０ｋＨｚから５０ｋＨｚで動作するインバータ回路５に対して直流電圧を保持できる程度の容量としており、商用電源１の周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）に対しては平滑する能力を有していない。このためコンデンサ１０の電圧Ｖ１０は商用電源１を単に全波整流した波形を示し、ほぼ０電圧から商用電源１の最大電圧まで変動する脈動波形を示す。インバータ回路５はこの脈動するコンデンサ１０の電圧Ｖ１０によって動作するので、高圧トランス６の１次巻線に発生する高周波電圧の包絡線波形はＶ６（Ｌｐ）に示すような波形となりコンデンサ１０の電圧Ｖ１０が低い期間では同様に低い電圧しか発生し得ない。
【０００４】
一方、マグネトロン８の動作特性は図３１に示すようにアノードカソード間に所定の電圧以上が印加されないとアノード電流が流れないような非線形な電圧電流特性を示す。したがって、高圧トランス６の１次巻線に発生する電圧が低い期間では２次巻線に励起される電圧も同時に低くなるためマグネトロン８に印加される電圧Ｖ８の波形は図に示すごとくＶAK(TH)に到達しなくなる期間が発生する。この期間はマグネトロン８が発振を停止しているため負荷であるマグネトロン８で電力消費されないため商用電源１の電流Ｉ１は流れなくなる。この結果商用電源１の電流Ｉ１の波形は図３０に示すごとく電流が０となる期間を有する非常に歪を持った波形となり、これが原因でマグネトロン駆動用電源の力率の低下、入力電流に高調波電流を発生することになる。
【０００５】
このような課題に対して図３２に示す回路構成のようにアクティブフィルタ回路１３をインバータ回路５の前段に設け、入力電流の力率向上、高調波抑制を図ったものが提案されている。アクティブフィルタ回路１３はいわゆる昇圧チョッパ回路の構成をしており、半導体スイッチ素子１７のオン時間比によって昇圧電圧を制御することができる。
【０００６】
この場合の動作について図３３を用いて説明する。商用電源１の電圧はＶ１に示すように交流電圧波形を示している。アクティブフィルタ回路１３はダイオードブリッジ２によって交流電圧Ｖ１を全波整流した電圧を半導体スイッチ素子１４のオンオフによって制御することによってコンデンサ１５に昇圧電圧を発生する。この昇圧電圧Ｖ１５はコンデンサ１５の容量によって脈動率は変化するが、図２９の構成におけるＶ１０のように完全に０まで低下しないようにすることができる。このため高圧トランス６の１次巻線に発生する電圧Ｖ６（Ｌｐ）も商用電源１の電圧が０近傍であっても所定の値以上を発生することができる。この結果マグネトロン８に印加する電圧は常に発振可能電圧以上を保持することが可能となる。その結果、入力電流Ｉ１は図に示すように０となる期間を持たない略正弦波状の波形とすることができ、入力力率の向上、高調波電流の抑制が可能となる。
【０００７】
しかしながらこのような構成ではインバータ回路５にアクティブフィルタ回路１３を付加した構成となり、電力変換の過程が整流→昇圧→高周波発生（インバータ回路）→高圧整流となるので電力変換の過程が増加し、変換効率の低下と回路規模の増大が課題となる。
【０００８】
そこで、さらに構成部品、回路機能の共用化を図った構成のものが特開平１０−２７１８４６にて公開されている。図３４はこの発明の回路構成を示した回路図である。この回路構成によって昇圧機能、インバータ機能の動作を一度に行い、入力力率の向上と回路構成の簡素化を目的としている。図３５、図３６は回路動作を説明した図であり、図３５（ａ）〜（ｄ）は半導体スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフによって各々通電経路を説明した図であり、図３６はそれに対応した動作波形図である。図３５、図３６を用いて回路動作について説明する。説明の都合上商用電源１の電圧極性が図に示す方向で半導体スイッチ素子Ｑ２がオンの状態から説明をはじめる。半導体スイッチ素子Ｑ２がオンの状態では図３５（ａ）に示すようにコンデンサＣ２→商用電源１→誘導性負荷回路１９→半導体スイッチ素子Ｑ２の経路で電流が流れ、図３６（ａ）に示すように半導体スイッチ素子Ｑ２の電流ＩQ2は単調に増加する。所定の時間で半導体スイッチ素子Ｑ２をオフすると電流経路は図３５（ｂ）の状態へ移り、ダイオードＤ２→商用電源１→誘導性負荷回路１９→ダイオードＤ３→コンデンサＣ１の経路でコンデンサＣ１を充電する。誘導性負荷回路１９に蓄えられたエネルギーをすべて放出するとコンデンサＣ１を電源としてコンデンサＣ１→半導体スイッチ素子Ｑ１→誘導性負荷回路１９→商用電源１→コンデンサＣ２で構成される図３５（ｃ）の経路で電流が流れる。所定の時間で半導体スイッチ素子Ｑ１をオフすると誘導性負荷回路１９は同じ方向へ電流を流そうとするので図３５（ｄ）に示す経路（商用電源１→コンデンサＣ２→ダイオードＤ４→誘導性負荷回路１９）で電流が流れ、誘導性負荷回路１９に蓄えたエネルギーをコンデンサＣ１へ充電する。誘導性負荷回路１９に蓄えたエネルギーがすべて放出されると再び図３５（ａ）の経路で電流が流れ回路動作が継続する。特開平１０−２７１８４６には開示されていないが、この動作を実現するためにはコンデンサＣ１とコンデンサＣ２の容量には式１で示されるような容量関係が必要である。
【０００９】
（式１） Ｃ１≫Ｃ２
このような関係を満たすためにコンデンサＣ１には電解コンデンサのような大容量に対応できるコンデンサを用いる必要がある。
【００１０】
このような動作によって商用電源１からの電流を電源周期の略全域に渡り流すことができるようになり入力電流の力率向上、高調波の抑制と回路の簡素化を図っている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成では下記にあげるような課題があり、高い回路効率を十分に得ることができない。
【００１２】
図３６の動作波形図においてダイオードＤ２を流れる電流はＩD2に示す電流が流れる。また、ダイオードＤ２に印加する電圧はＶD2のように変化する。ここで図３６（ｂ）の期間から（ｃ）へ移行するタイミングでダイオードＤ２の電流は理想的には０となるが実際のダイオードはターンオフ時にリカバリー電流を生じる。このリカバリー電流が生じると印加電圧との積でダイオードにスイッチング損失を発生する。したがってダイオードＤ１，Ｄ２にはスイッチングスピードＴｒｒが速い特性が要求されることになる。しかしながらスイッチングスピードＴｒｒが速いダイオードはもうひとつのダイオードの特性である順方向オン電圧ＶＦが高くなる傾向にあり、この場合導通時のオン損失が大きくなる。この結果ダイオードＤ１，Ｄ２の損失は大きなものとなり、回路の総合効率を十分に高いものとすることができない。
【００１３】
しかしながら特開平１０−２７１８４６で開示されている従来例で示した構成は照明機器を対象としたものでありこれらの機器の変換電力は最大でも１００Ｗから２００Ｗ程度である。したがって回路を流れる電流もおのずと数Ａ程度の微小な電流しか流れないのでダイオードをスイッチングスピード重視の設計として順方向オン電圧ＶＦが高くなるようにしてもダイオードの損失はそれほど増加することなく設計することが可能である。
【００１４】
一方、電子レンジ等に用いられるマグネトロン駆動用電源は変換電力が１０００Ｗから１５００Ｗ程度の大電力を扱うので、回路を流れる電流は最大で４０Ａから５０Ａの大電流が流れる。このためスイッチングスピードを重視してダイオードを設計すると順方向オン電圧ＶＦが高くなるのでダイオードが導通しているときの損失（導通損失）が大きくなり、スイッチングスピードを速くする事によって損失を低減しようとする効果が薄れてしまう。また家庭用電子レンジの冷却能力は電子レンジのサイズやコストの関係からおのずと限られたものとなるのでスイッチングスピードを速め、順方向オン電圧ＶＦの上昇を抑えるためにはダイオードの大型化あるいは限られた冷却条件下で放熱するための大型の放熱フィンなどが必要となってくる。このためマグネトロン駆動用電源においては変換効率を高め、回路の各部品での発生損失低減が必須条件となる。したがって従来例で示した構成をマグネトロン駆動用電源に適用することは損失低減の観点からすると非常な困難を伴ってしまう。そのためマグネトロン駆動用電源に適用する場合にはダイオードのスイッチング損失もオン損失も増加させないような回路構成とすることが必要となる。また、変換電力の大きさゆえマグネトロン駆動用電源に電解コンデンサを用いると電解コンデンサの脈動電流を押さえるために高容量でかつ耐電圧の高いスペックの電解コンデンサを必要としてしまう。その結果、電源自体の大型化を招くことからマグネトロン駆動用電源を搭載する電子レンジのサイズアップを誘発し、高周波スイッチング動作によってマグネトロン駆動用電源を小型軽量化する効果が損なわれてしまう。
【００１５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、入力電流の歪を抑制し高調波の発生を抑え入力力率を高めるとともに、回路の簡素化と１ｋＷ以上の大電力を変換しても回路効率を向上させたマグネトロン駆動用電源を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明のマグネトロン駆動用電源は、第１および第２の逆導通可能な半導体スイッチ素子の直列接続体と、第１および第２のダイオードの直列接続体を並列接続し、前述の第１および第２のダイオードに其々第１と第２のコンデンサを並列接続し、第１および第２のダイオードの接続点と第１および第２の逆導通可能な半導体スイッチ素子の接続点間に商用電源と高圧トランスの直列回路を接続するとともに高圧トランスの高圧出力は高圧整流回路を介してマグネトロンに電力を供給する構成としたものである。
【００１７】
これによって、第１および第２の半導体スイッチ素子が相補的にオンオフすることによって商用電源の電圧極性が正の場合は第２のコンデンサに商用電源の電圧を昇圧した電圧が加えられ、これとは逆の電圧極性の場合は第１のコンデンサに商用電源を昇圧した電圧が加えられる。高圧トランスの１次巻線に印加する電圧はこの昇圧電圧に依存するので商用電源の電圧が低い期間であってもマグネトロンが発振するために必要な電圧以上を常に高圧トランスの１次巻線に印加することができ商用電源のほぼ全域に渡り入力電流を流すことができ、歪の少ない入力電流とすることができる。また、第１および第２の半導体スイッチ素子は高圧トランスの１次巻線に高周波電流を流すインバータ動作と第１および第２のコンデンサに昇圧電圧を印加する動作を一度に行うことができるのでインバータ構成部品を最小で構成することができインバータ回路を小形化できる。また、回路動作において第１および第２のダイオードのターンオフは半導体スイッチ素子が行って回路モードが切り替わるのでこれらのダイオードはスイッチングスピードに対する制約を受けることなく順方向オン電圧を重視した設計とすることができこのダイオードの損失をきわめて少なくすることができ、インバータ回路を高効率化することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、第１および第２の逆導通可能な半導体スイッチ素子の直列接続体と、第１および第２のダイオードの直列接続体を並列接続し、前記第１および第２のダイオードに各々並列に第１と第２のコンデンサを接続し、前記第１および第２の逆導通可能な半導体スイッチ素子の接続点と、前記第１および第２のダイオードの接続点間に商用電源と高圧トランスの１次巻線の直列回路を接続し、前記高圧トランスの２次巻線の出力は高圧整流回路を介してマグネトロンを付勢し、前記第１および第２の半導体スイッチ素子を駆動する駆動回路を設け、前記駆動回路は第１および第２の半導体スイッチ素子を相補的に駆動するとともに商用電源が正極の場合と負極の場合で駆動信号を入れ替えする構成とすることにより商用電源の電圧が低い期間でも高圧トランスの１次巻線にマグネトロンが発振可能な電圧以上を印加することができ、入力電流を常に流すことができるので歪の少ない入力電流としてマグネトロン駆動用電源の力率向上が可能となる。また、２つの半導体スイッチ素子が相補的にオンオフすることによって高圧トランスの１次巻線に高周波電流を流すインバータ動作と第１および第２のコンデンサに昇圧電圧を発生する動作を一度に行えるので回路構成部品を最小化でき、また、電力変換の過程が少なくなるので電力変換効率を向上することができる。また、第１および第２のダイオードのターンオフは半導体スイッチ素子が行うのでこのダイオードの特性は順方向オン電圧を重視して設計することが可能となり、インバータ回路の回路効率を向上することができる。また、半導体スイッチ素子のオン信号幅とインバータ回路の変換電力の関係が商用電源の電圧極性によって異なった特性を示すにもかかわらず常に正負対称な入力電流とすることができる。また、半導体スイッチ素子のオン時間比を制御してインバータ回路の変換電力を増減しても常に略正弦波状の入力電力を維持することができる。
【００１９】
請求項２〜４に記載の発明は、請求項１に記載のマグネトロン駆動用電源に電源極性判定手段を設け商用電源の極性を判別するとともに駆動回路は電源極性判定手段の判定情報に基づいて第１および第２の半導体スイッチ素子の駆動信号を入れ替える構成とすることにより、電源極性判定手段が商用電源の電圧極性を判定し半導体スイッチ素子の信号を入れ替えるので正負で相等しい入力電流としてマグネトロン駆動用電源の力率の向上と高調波を抑制することができる。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４にいずれか１項に記載のマグネトロン駆動用電源を商用電源のゼロクロス点近傍で所定の変化率で駆動信号を変化するよう構成することにより、商用電源のゼロクロス点近傍における半導体スイッチ素子のオン時間の変化量が小さくなるので半導体スイッチ素子のオン時間比を略５０％からずれた状態で動作させても入力電流に針状電流の発生を抑制し高力率なマグネトロン駆動用電源を実現することができる。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５にいずれか１項に記載のマグネトロン駆動用電源を商用電源の電圧が正方向に高い期間は第２の半導体スイッチ素子の導通時間を商用電源の電圧に応じて短くなるよう変化させ、逆に負方向に商用電源の電圧が高い期間は第１の半導体スイッチ素子の導通時間を商用電源の電圧に応じて短くするよう変化させる構成とすることにより、商用電源の電圧が正負に最大の時点での半導体スイッチ素子やインバータ回路を流れる電流の最大値を抑制することができるので半導体スイッチ素子の電流や高圧トランスの電流の実効値を抑制しインバータ回路の発生損失を低減することができる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
（実施例１）
本発明の第１の実施例について図１から図３を用いて説明する。図１は第１の実施例のマグネトロン駆動用電源を示す回路図である。第１、第２の半導体スイッチ素子２０、２１の直列接続体と第１、第２のダイオード２２、２３の直列接続体を並列接続し、第１、第２のダイオード２２、２３に各々並列に第１、第２のコンデンサ２４、２５を接続するとともに半導体スイッチ素子２０、２１の接続点とダイオード２２、２３の接続点間に商用電源１と高圧トランス２６の直列回路を接続する構成となっている。高圧トランス２６の２次巻線出力は高圧整流回路７に接続されマグネトロン８に直流高電圧を印加する。マグネトロン８はこの直流高電圧によって付勢され２．４５ＧＨｚの電波を発生する。なお本実施例では第１、第２の半導体スイッチ素子は順方向に導通するＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）とこれと逆並列に接続したダイオードにて記載しているが、ＭＯＳＦＥＴのように素子内部にダイオードを構成したような素子を用いても適用可能であることは言うまでもない。
【００２４】
図２はインバータ回路の各期間における電流が流れる経路を示した図であり、図３はそれに対応した動作波形図である。商用電源１の極性が図示の状態で半導体スイッチ素子２１がオンの状態から説明をはじめる。この状態では図２（ａ）に示すように商用電源１→高圧トランス２６の1次巻線→半導体スイッチ素子２１→ダイオード２３の経路で電流が流れ、図３（ａ）の期間のＩ２１に示す電流が半導体スイッチ素子２１および高圧トランス２６の１次巻線に電流が流れることによって高圧トランス２６の１次巻線にエネルギーを蓄積する。半導体スイッチ素子２１を所定の時間でオフすると高圧トランス２６の１次巻線電流は同じ方向に流れ続けようとするので今度は図２（ｂ）に示すごとく商用電源１→高圧トランス２６の１次巻線→半導体スイッチ素子２０の並列ダイオード→コンデンサ２４の経路で高圧トランス２６の１次巻線に蓄えたエネルギーをコンデンサ２４に充電する。この動作によってコンデンサ２４には商用電源１の電圧を昇圧した電圧が蓄えられる。高圧トランス２６の１次巻線に蓄えたエネルギーをすべて放出すると図２（ｃ）の経路が形成され今度はコンデンサ２４に充電したエネルギーをコンデンサ２４→半導体スイッチ素子２０→高圧トランス２６の１次巻線→商用電源１の経路で取り出す。そして半導体スイッチ素子２０を所定の時間でオフすると高圧トランス２６の１次巻線は同じ方向に電流を流し続けようとするので図２（ｄ）のように高圧トランス２６の１次巻線→商用電源１→コンデンサ２５→半導体スイッチ素子２１の並列ダイオードの経路で電流が流れる。商用電源１の電圧極性が図示と逆極性の場合は半導体スイッチ素子２０、２１とダイオード２２、２３とコンデンサ２４、２５の動作がそれぞれ入れ替わるだけで同様の動作をする。
【００２５】
上記の動作においてコンデンサ２４、２５は半導体スイッチ素子２０、２１のオンオフによって高圧トランス２６の１次巻線に高周波電流を発生させるインバータ動作と商用電源１の電圧に対して昇圧した電圧をコンデンサ２４、２５に発生させる動作を兼用できるような容量に設計され、コンデンサ２４、２５の容量は相等しい容量で構成されている。この結果商用電源１の電圧極性が図示の場合はコンデンサ２４に商用電源１の電圧を昇圧した電圧を蓄え、反対に商用電源１の電圧極性が図示とは逆極性の場合はコンデンサ２５に商用電源１の電圧を昇圧した電圧を蓄える動作をする。したがって商用電源１の電圧極性によらずコンデンサ２４、２５に発生する電圧を等しくすることができるので商用電源１の電流は正負対称な波形とすることができる。そして、このような動作を継続することで図４に示すように商用電源１の周期に対してコンデンサ２４、２５の電圧波形は商用電源１の電圧極性に応じて昇圧した電圧を発生する。このため高圧トランス２６の１次巻線に流れる電流の包絡線波形はＶ２６（Ｌｐ）に示すような波形となる。この電圧を高圧トランス２６は昇圧してマグネトロン８に印加するのでマグネトロン８に印加する電圧はＶ８のような波形を示し、常に発振電圧VAK(TH)以上の電圧を維持することが可能となる。この結果入力電流Ｉ１は商用電源１のいずれの期間においても電流を流すことができ、力率の改善、高調波の抑制を実現することができる。
【００２６】
また、図３において期間（ａ）から（ｂ）へ移行する際ダイオード２３をカットオフする動作になるが電流経路として半導体スイッチ素子２１が直列に接続されているので電流の遮断は半導体スイッチ素子２１が行うことになりダイオード２３のスイッチングスピードは要求されない。また、オフ時にダイオード２３に印加する電圧は零であるのでターンオフ時のスイッチング損失はまったく生じない。したがってダイオード２２、２３の設計としては順方向オン電圧ＶＦを重視した設計で導通時の損失を重点的に抑制するように設計することが可能となり、ダイオード２２、２３の小形化と同時にダイオード２２、２３を冷却する構成の簡素化を図ることが容易となる。特に電子レンジで用いるようなマグネトロン駆動用電源は１０００Ｗ以上の高電力を扱うのでインバータ回路の電流は４０Ａから５０Ａ程度の非常に大きな電流レベルとなりダイオード２２、２３の設計を順方向オン電圧ＶＦを重視して導通損失を低減することはインバータ回路の効率向上に有益である。このためインバータ回路のトータルの電力損失をきわめて低く抑えることができ、効率の高いマグネトロン駆動用電源を実現することができる。
【００２７】
このように本実施例のマグネトロン駆動用電源においては従来例で示した回路とは全く異なった回路動作によってダイオード２２、２３の設計を順方向オン電圧ＶＦ重視の設計とすることが可能となりダイオード２２、２３の損失を極小化しマグネトロン駆動用電源全体の電力変換効率を向上している。この効果はコンデンサ２４、２５がインバータ動作とコンデンサ２４、２５に商用電源１の電圧を昇圧した電圧を加える動作を兼用することによって発揮される本発明における特有の効果であり、従来例にて挙げた特開平１０−２７１８４６の構成とは異なったコンデンサの回路機能と回路動作によって実現されるものである。
【００２８】
図５は本実施例のマグネトロン駆動用電源のより実際的な回路構成を示したものであり、商用電源１の出力にインダクタ２７とコンデンサ２８からなるローパスフィルタ２９を設けることによってインバータ回路の高周波電流が商用電源へ流れないよう構成したものである。このように商用電源１とインバータ回路の間にローパスフィルタ２９を挿入する構成とすることによりインバータ回路の高周波電流あるいは電圧が商用電源側へ回り込まないようにすることによって端子雑音の低減を図ることが可能となる。なお、本構成によっても上述の動作は何ら変わらない。
【００２９】
（実施例２）
図６は第２の実施例におけるマグネトロン駆動用電源の回路図である。この回路構成においては前述の実施例１に加えて半導体スイッチ素子２１に並列にコンデンサ３０を接続した構成となっている。
【００３０】
図７、図８は本実施例における動作波形図と各期間における電流経路を示した図である。商用電源１が図示の電圧極性で半導体スイッチ素子２１がオンの状態から説明をはじめる。半導体スイッチ素子２１がオンの状態では商用電源１から高圧トランス２６の１次巻線をとおって電流が流れ図８（ａ）の経路を構成する。このとき半導体スイッチ素子２１に流れる電流は図７に示すように直線的に増加していく。ある一定の時間の後半導体スイッチ素子２１をオフすると高圧トランス２６の１次巻線の電流は同じ方向へ流れつづけようとするので電流経路は図８（ｂ）の状態となり半導体スイッチ素子２１に並列接続されたコンデンサ３０を充電する。このとき半導体スイッチ素子２１の電圧Ｖ２１はこのコンデンサ３０の充電スピードで上昇する。そしてコンデンサ３０の電圧がコンデンサ２４の電圧と等しくなると今度は半導体スイッチ素子２０の並列ダイオードが導通し、コンデンサ２４を充電する電流経路を形成し期間図８（ｃ）へと移行する。コンデンサ２４の充電が完了すると半導体スイッチ素子２０がオン状態となってコンデンサ２４の電荷を図８（ｄ）に示すコンデンサ２４→半導体スイッチ素子２０→高圧トランス２６の１次巻線→商用電源１の経路で取り出す。このとき半導体スイッチ素子２０に流れる電流波形は図７（ｄ）に示すような波形となる。所定の時間で半導体スイッチ素子２０をオフすると今度は図８（ｅ）の経路で半導体スイッチ素子２１に並列に接続されたコンデンサ３０の電荷を放電する経路を形成し、コンデンサ３０を放電する。このとき半導体スイッチ素子２１にかかる電圧Ｖ２１は徐々に減じていき、半導体スイッチ素子２０にかかる電圧Ｖ２０は逆に徐々に上昇する。コンデンサ３０の放電が完了し、半導体スイッチ素子２１にかかる電圧が零となると図８（ｆ）の電流経路を形成し、半導体スイッチ素子２１に並列接続されたダイオードが導通する。次に半導体スイッチ素子２１をオン状態にすると図８（ｇ）の電流経路となりコンデンサ２５に蓄えた電荷を放電し、放電が完了すると図８（ａ）の状態へと遷移する。
【００３１】
また、商用電源１の電圧極性が図示とは逆極性の場合は半導体スイッチ素子２０、２１、コンデンサ２４、２５、ダイオード２２、２３の動作がそれぞれ入れ替わりまったく同様の動作をする。
【００３２】
この実施例においては前述の実施例同様ダイオード２２、２３のスイッチング損失は生じず、ダイオード２２、２３は順方向オン電圧ＶＦを重視した設計でダイオード２２、２３の発生損失を極小化できる。さらに半導体スイッチ素子２０、２１にかかる電圧はターンオフ、ターンオンの際にコンデンサ３０の充放電を利用して緩やかに立ち上げることによってスイッチング時の発生損失の低減ができる。すなわち実際の半導体スイッチ素子はオン状態からオフ状態、オフ状態からオン状態へ移行する際に必ず遷移期間を有しており、この電圧と電流が同時に発生する遷移期間でスイッチング損失を発生する。特に大電流を扱う場合に適するＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やＢＪＴ（バイポーラジャンクショントランジスタ）のようにバイポーラ動作によって半導体素子の電流密度をかせぐ半導体スイッチ素子においてはゲート信号をオフしても素子内部の残留ホールが即時には消滅しないのでコレクタ電流は即時には遮断できず、数１００ｎｓから数μｓの間遷移期間が生じる。しかしながら本実施例においては半導体スイッチ素子にかかる電圧をこのタイミングで緩やかに変化させており電流を遮断するまでの期間に緩やかに電圧が上昇するため半導体スイッチ素子２０、２１のターンオフ、ターンオンの際のスイッチング損失を非常に少なくすることが可能となり、さらに回路効率を高めることが可能となる。
【００３３】
図９は半導体スイッチ素子２０に並列にコンデンサ３０を接続した構成を示している。この場合はコンデンサ３０の充電放電のタイミングが前述の場合とは逆となるが、半導体スイッチ素子２０、２１にかかる電圧を緩やかに変化させるという作用は同様である。したがって上述の図６の場合と同様ダイオード２２、２３を順方向オン電圧ＶＦ重視で損失を極小化すると同時に半導体スイッチ素子２０、２１の発生損失を低減することができマグネトロン駆動用電源の電力変換効率を向上することが可能となる。
【００３４】
図１０は半導体スイッチ素子２０、２１にそれぞれコンデンサ３１、３２を接続した構成である。この場合前述の例と同じ電圧の傾きを持たせるためには前述のコンデンサ３０に対して半分の容量のコンデンサをそれぞれ接続すればよい。この場合コンデンサ３１、３２がマグネトロン駆動電源に与える作用は上述の図６あるいは図９の場合と同等であるがコンデンサ３１を充電するときはコンデンサ３２が放電され、逆にコンデンサ３１が放電されるときはコンデンサ３２が充電されるという動作で同様の効果を奏する。
【００３５】
図１１は高圧トランス２６の１次巻線に並列にコンデンサ３０を接続した構成を示している。この場合は高圧トランス２６の１次巻線の電圧がコンデンサ３０の働きによって緩やかに変化するために半導体スイッチ素子２０、２１の電圧が緩やかに変化する動作をし、上述の例と同様の効果を発揮する。
【００３６】
（実施例３）
本発明の第３の実施例について図１２〜１５を用いて説明する。
【００３７】
図１２は本実施例におけるマグネトロン駆動用電源の回路図を示している。前述の実施例と同一符号の構成要素は同一の動作、作用をするのでここではその詳細についての説明は省略する。駆動回路３３は半導体スイッチ素子２０、２１を駆動しインバータ回路を動作させる。駆動回路３３が半導体スイッチ素子２０、２１へ送る駆動信号は図１３（ａ）に示すようにデッドタイムを有し相補的にオンオフするような波形である。このように半導体スイッチ素子２０、２１を相補的にオンオフすることによってインバータ回路はマグネトロン８へ電力を伝送している。
【００３８】
ここで半導体スイッチ素子２１のオン時間比Ｄｏｎ２１とインバータ回路の変換電力Ｐとの関係を図１４に示す。図中で実線にて示した曲線は商用電源１の電圧極性が図１２に示す極性の場合での変換電力Ｐの変化を示したものであり、破線で示した曲線はこれとは逆に商用電源１の電圧極性が図１２とは逆の電圧極性の場合での変換電力Ｐの変化を示している。このように商用電源１の電圧極性によって半導体スイッチ素子２１のオン時間比Ｄｏｎ２１とインバータ回路の変換電力Ｐの関係は異なったものとなる。したがって、半導体スイッチ素子２１のオン時間比Ｄｏｎ２１が略５０％の状態では商用電源１の電圧極性によらずいずれの電圧極性においても同じ電力変換が可能なので商用電源１の電流は図１５（ｂ）に示すように正負対称の波形とすることができる。しかしながら商用電源１の電流を正負対称な正弦波にしようとすると変換電力はこの一点のみで限定されてしまう。家庭用の電子レンジなどでは電子レンジで加熱する際に食品に応じてさまざまな加熱電力が選択される。たとえばレンジ“強”、“中”、“弱”などの設定によって加熱電力の調整が必要とされる。これに対応するためには半導体スイッチ素子２１のオン時間比Ｄｏｎ２１を所望の出力電力に応じて変化させることが必要となるが、商用電源１の電圧極性に関係なく一定のオン時間比Ｄｏｎ２１で所望の出力電力に調整しようとすると図１４に示した半導体スイッチ素子２１のオン時間比Ｄｏｎ２１と変換電力Ｐの関係からオン時間比Ｄｏｎ２１が５０％から外れてくると商用電源１の電圧が正の期間と負の期間で異なった電流波形を示すことになり、たとえば図１５（ａ）に示すような正負がアンバランスな電流波形となってしまう。この場合、電流波形が対称波形とならないので偶数次の高調波が発生することになり結局力率を向上することはできなくなってしまう。
【００３９】
そこで本実施例においては商用電源１の電圧極性に応じて半導体スイッチ素子２０、２１の駆動信号を入れ替えるように駆動回路３３が動作するようにしている。すなわち図１３に示すように商用電源１の電圧極性が正の場合には図１３（ａ）に示すようにＴ１、Ｔ２なるオン時間で半導体スイッチ素子２０、２１がそれぞれオンオフし、逆に負の電圧極性の場合は図１３（ｂ）に示すように図１３（ａ）の場合と半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間が入れ替わるように動作する。このように動作することによってマグネトロン駆動用電源の回路での発生損失を低減しつつマグネトロン駆動電源の変換電力が変化して、半導体スイッチ素子２１のオン時間比Ｄｏｎ２１が略５０％の状態からいずれかの方向へずれて変換電力が増減しても常に商用電源１の電流波形は正負対称な正弦波状の波形を維持することが可能となる。このため変換電力を変化させても常に高い電力変換効率を維持したまま高い力率で電流の歪のない動作を実現することが可能となる。
【００４０】
（実施例４）
本発明の第４の実施例について図１６〜１８を用いて説明する。図１６は本実施例のマグネトロン駆動用電源の回路図である。前述の実施例と同一符号の構成要素は同一の動作、作用を持つものでありここでは詳細な説明は省略する。電源極性判定手段３４は商用電源１の電圧極性を判定するものであり、本実施例ではフォトカップラ３５を用いて構成した例を示している。商用電源１の電圧が図１７のＶ１のように変化した場合は電圧極性が図示の時フォトカップラ３５の発光ダイオードが発光することによって受光側のトランジスタが導通する。このとき電源極性判定手段３４の出力はＬｏｗレベルとなる。この状態を駆動回路３３は電源極性が正であると判断し、半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間を其々図１８（ａ）に示すようにＴ１、Ｔ２として出力する。そして商用電源１の電圧極性が負となると今度はフォトカップラ３５の発光ダイオードの発光が停止して受光側トランジスタがオフすることによって電源極性判定手段３４の出力はＨｉｇｈレベルとなる。この状態を駆動回路３３は商用電源の電圧極性が負であると判定し半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間を図１８（ｂ）に示すように商用電源１の電圧極性が正の場合とは逆となるように駆動回路３３は駆動信号を出力する。このように動作することによってマグネトロン駆動用電源の変換電力が増減しても常に商用電源１の電流波形は正負対称な正弦波状の波形を維持することが可能となる。このため変換電力を変化させても常に高い電力変換効率を維持したまま高い力率で電流の歪のない動作を実現することが可能となる。
【００４１】
図１９は電源極性判定手段３４をコンデンサ２５に並列接続した電圧検出用の抵抗で構成した例を示している。これはコンデンサ２５に発生する電圧がすでに実施例１で述べているように図２０中Ｖ２５のように変化することを利用している。すなわちコンデンサ２５の電圧Ｖ２５は商用電源１の電圧が図２０に示すように交流波形を示しているとき、電源極性が正の場合はほぼ零である。一方、負の極性を示している時は図示のようにインバータ回路の動作に応じて商用電源１の電圧を昇圧した電圧を発生する。この電圧をこの実施例のように抵抗で分圧し、比較器を用いて基準値以上となっている期間を商用電源１の電圧極性が負であると極性判定手段３４が判定し駆動回路３３に信号を伝達する。そして駆動回路３３はこの判定信号に基づいて半導体スイッチ素子２０、２１の駆動信号を入れ替えるように動作する。このように動作することによって先の例と同様にマグネトロン駆動用電源の変換電力が増減しても常に商用電源１の電流波形は正負対称な正弦波状の波形を維持することが可能となる。このため変換電力を変化させても常に高い電力変換効率を維持したまま高い力率で電流の歪のない動作を実現することが可能となる。
【００４２】
（実施例５）
本発明の第５の実施例について図２１〜２５を用いて説明する。図２１は本実施例のマグネトロン駆動用電源の回路図である。駆動回路３３は商用電源１の電圧極性が変化したときに半導体スイッチ素子２０、２１の駆動信号をいれかえるように動作するが同時に入れ替える際に一定の変化率で変化するように動作する。
【００４３】
図２２は商用電源１の電圧波形Ｖ１と半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間比Ｄｏｎ２０、Ｄｏｎ２１の変化を示した図である。この図ではオン時間比の変化は商用電源１の電圧極性が変化する時点で瞬時に入れ替わるようになっており、その変化の幅はΔＤなる変化量を持っている。商用電源１の電圧極性が変化する時点での半導体スイッチ素子２０、２１の駆動信号の変化の様子を図２３に示す。図中ＺＶＰの時点が商用電源１の電圧極性が変化する時点であり、ここを境に半導体スイッチ素子２０のオン時間はＴ１なるオン時間から次の周期ではＴ２なるオン時間に変化する。一方、半導体スイッチ素子２１はＴ２なるオン時間からＴ１なるオン時間に変化する。このように動作してしまうと半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間がほぼ等しい場合はオン時間比の変化幅ΔＤが小さいので商用電源１の電圧極性が変化する時点でのインバータ回路の動作の変化量は小さい。このため図２４（ａ）に示すように商用電源１の電流は商用電源１の電圧極性が変化する時点においても滑らかな変化を示す。しかし、インバータ回路の変換電力をこの状態よりも増加または減少するように半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間を調整すると半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間は等しい状態から外れてくる。この場合商用電源１の電圧極性が変化する時点でのオン時間の変化量は大きくなるので商用電源１電流波形は図２４（ｂ）に示すように商用電源１の電圧極性が変化する時点でインバータ回路の動作の変化量が大きいことが原因となって過渡的に針状の電流波形が発生する可能性がある。特に商用電源１の電圧極性が変化する時点と駆動回路が半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間を入れ替えるタイミングにずれが生じるとこの現象は顕在化する。
【００４４】
しかしながら本実施例の構成では図２５に示すように商用電源１の電圧極性が変化するときに半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間比を一定の変化率を持って入れ替えるように動作するのでこの時点における半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間比Ｄｏｎ２０、Ｄｏｎ２１の変化量は制限される。このためインバータ回路の変換電力を変化させて半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間比の差ΔＤが大きい状態であっても常に商用電源１の電流波形は滑らかな変化をさせることができ過渡的な電流波形を呈する事はなく常に略正弦波状の電流波形を維持することが可能である。また、何らかの要因で商用電源１の電圧極性が変化する時点と駆動回路が半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間を入れ替えるタイミングにずれが生じても入れ替える際に一定の変化率で切り替えていくのである程度のタイミングのずれに対しては保証することが可能となる。
【００４５】
このように本実施例のマグネトロン駆動用電源においてはインバータ回路の変換電力を増減して半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間比の差が大きくなっても常に過渡的な電流を呈さず商用電源１の電流波形を常に略正弦波状に維持することが可能である。
【００４６】
また、図２５に示したように商用電源１の電圧が変化する時点で半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間比Ｄｏｎ２０、Ｄｏｎ２１が各々略５０％となる様に変化するとすでに実施例３で示したようなオン時間比Ｄｏｎとインバータ回路の変換電力Ｐの関係からよりスムーズに商用電源１の電流波形を変化させることが可能である。
【００４７】
（実施例６）
本発明の第６の実施例について図２６〜２８を用いて説明する。図２６は本実施例のマグネトロン駆動用電源の回路図である。電源極性判定手段３４は商用電源１の電圧極性を判定し駆動回路３３に商用電源１が正の電圧極性か負の電圧極性かの信号を伝達する。駆動回路３３はこの判定信号に基づき半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間比を入れ替えるように動作すると同時に商用電源１の電圧が正の方向に大きい期間では半導体スイッチ素子２１のオン時間比Ｄｏｎ２１を商用電源１の電圧値に応じて減ずるように動作し、商用電源１の電圧が負の方向に大きい場合は半導体スイッチ素子２０のオン時間比Ｄｏｎ２０を商用電源１の電圧値に応じて減ずるように動作する。図２７はこの状態を示したものであり、商用電源１の電圧に応じて半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間比は其々Ｄｏｎ２０、Ｄｏｎ２１のように変化する。このように半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間比を制御することによって商用電源１の電流波形Ｉ１は図示のように略正弦波に比べて最大値の部分を押しつぶしたように台形波状に変化する。同じ変換電力を扱う場合正弦波状にするよりも台形波状に電流波形を制御したほうが電流最大値は小さくすることができる。商用電源１の電圧に応じてオン時間比を制御した場合と一定のオン時間比で入力電流を略正弦波状にした場合の最大電流時の半導体スイッチ素子２０、２１の電流電圧波形を図２８に示す。図２８（ａ）はオン時間比Ｄｏｎ２０、Ｄｏｎ２１を商用電源１の電圧に応じて制御した場合であり、図２８（ｂ）は入力電流を略正弦波状にした場合の波形例である。これらの波形を比較すると図２８（ａ）の場合は図２８（ｂ）の場合に比べて半導体スイッチ素子２１の電流最大値Ｉ２１（ｍａｘ）がひくくなる。この結果半導体スイッチ素子の電流実効値は低くなるのでリード線やプリント基板上で配線する場合における損失を低減しインバータ回路の損失を低減することができる。また、其々の半導体スイッチ素子２０、２１がオンしているとき同時に高圧トランス２６の１次巻線にも電流が流れるので、半導体スイッチ素子の電流実効値を低減することは同時に高圧トランス２６の１次巻線の電流実効値を低減することになる。高圧トランス２６は発生する損失は巻線に電流を流すことによって生じる銅損とフェライトコアなどの磁気回路で生じる鉄損とに大分することができる。特に銅損の部分は巻線の等価直列抵抗Ｒｓと通電電流の実効値Ｉの２乗との積でおおよそあらわすことができる。したがって本実施例のように半導体スイッチ素子のオン時間比を商用電源１の電圧によって変化させて電流実行値を低減することによって高圧トランス２６の１次巻線の銅損を大幅に低減することが可能である。したがってインバータ回路の損失をさらに低減することが可能となり回路効率の向上が可能となる。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように、請求項１〜６に記載の発明によれば、マグネトロンのような非線形な特性をもつ負荷であっても商用電源の略全域にわたり入力電流を流すことができるとともに電子レンジのような高い変換電力を扱う機器においてもインバータ回路の発生損失を抑制することができ高効率のマグネトロン駆動用電源を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１におけるマグネトロン駆動用電源の回路図
【図２】同実施例のマグネトロン駆動用電源の各動作モードでの電流経路図
【図３】同実施例のインバータ回路の動作波形図
【図４】同実施例のマグネトロン駆動用電源の動作波形図
【図５】同、別の実施例におけるマグネトロン駆動用電源の構成を示す回路図
【図６】本発明の実施例２におけるマグネトロン駆動用電源の回路図
【図７】同実施例のインバータ回路の動作波形図
【図８】同実施例のインバータ回路の各動作モードでの電流経路図
【図９】同実施例の半導体スイッチ素子にコンデンサを並列接続した回路図
【図１０】同実施例の半導体スイッチ素子に其々コンデンサを接続した回路図
【図１１】同実施例の高圧トランスにコンデンサを並列接続した回路図
【図１２】本発明の実施例３におけるマグネトロン駆動用電源の回路図
【図１３】同実施例の半導体スイッチ素子の駆動信号波形図
【図１４】同実施例の半導体スイッチ素子のオン信号幅Ｄｏｎ２１と変換電力Ｐの特性図
【図１５】同実施例の商用電源の電流波形図
【図１６】本発明の実施例４におけるマグネトロン駆動用電源の回路図
【図１７】同実施例の電源極性判定手段の出力波形図
【図１８】同実施例の半導体スイッチ素子の駆動信号波形図
【図１９】同実施例における電圧極性判定手段の他の構成例を示す回路図
【図２０】同実施例の電源極性判定手段の出力波形図
【図２１】本発明の実施例５におけるマグネトロン駆動用電源の回路図
【図２２】同実施例において半導体スイッチ素子のオン時間比を入れ替える際に瞬時に入れ替えた場合の商用電源の電圧と半導体スイッチ素子のオン時間比の波形図
【図２３】同実施例において商用電源の電圧極性が変化する時点での半導体スイッチ素子の駆動信号波形図
【図２４】同実施例の商用電源の電流波形図
【図２５】同実施例の商用電源の電圧と半導体スイッチ素子のオン時間比の波形図
【図２６】本発明の実施例６におけるマグネトロン駆動用電源の回路図
【図２７】同実施例の商用電源の電圧波形と半導体スイッチ素子のオン時間比の波形図
【図２８】同実施例の半導体スイッチ素子の動作波形図
（ａ）本実施例のように商用電源の電圧に応じてオン時間比を変化させた場合の電圧最大時の動作波形図
（ｂ）本実施例のようにオン時間比を変化させなかった場合の電圧最大時の動作波形図
【図２９】従来のマグネトロン駆動用電源を示す回路図
【図３０】同マグネトロン駆動用電源の動作波形図
【図３１】マグネトロンの動作特性図
【図３２】アクティブフィルタ回路を追加した従来のマグネトロン駆動用電源の回路図
【図３３】同マグネトロン駆動用電源の動作波形図
【図３４】特開平１０−２７１８４６にて公開された電源装置の回路図
【図３５】同電源装置の各動作モードにおける電流経路を示す回路図
【図３６】同電源装置の動作波形図
【符号の説明】
１ 商用電源
７ 高圧整流回路
８ マグネトロン
２０ 第１の半導体スイッチ素子
２１ 第２の半導体スイッチ素子
２２ 第１のダイオード
２３ 第２のダイオード
２４ 第１のコンデンサ
２５ 第２のコンデンサ
２６ 高圧トランス
３０ 第３のコンデンサ
３３ 駆動回路
３４ 電源極性判定手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子レンジなどのマグネトロンを負荷とするマグネトロン駆動用電源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のマグネトロン駆動用電源について図面を用いて説明する。図２９は従来のマグネトロン駆動用電源の回路図である。従来のマグネトロン駆動用電源は交流である商用電源１を一旦ダイオードブリッジ２で直流電圧に変換し、この直流電圧を半導体スイッチ素子３，４のオンオフによってインバータ回路５は高圧トランス６の１次巻線に高周波電圧を発生し、高圧トランス６は２次巻線に高周波高電圧を励起する。この高周波高電圧は高圧整流回路７によって直流高電圧に整流され、マグネトロン８に印加される。マグネトロン８はこの直流高電圧で駆動され、２．４５ＧＨｚの電波を発生する。
【０００３】
図３０は従来のマグネトロン駆動用電源の動作波形を示した図である。商用電源１の交流電圧Ｖ１はダイオードブリッジ２によって直流電圧に整流される。インダクタ９とコンデンサ１０は平滑回路を構成しているが、コンデンサ１０の容量はインバータ回路５のサイズを小型化するために２０ｋＨｚから５０ｋＨｚで動作するインバータ回路５に対して直流電圧を保持できる程度の容量としており、商用電源１の周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）に対しては平滑する能力を有していない。このためコンデンサ１０の電圧Ｖ１０は商用電源１を単に全波整流した波形を示し、ほぼ０電圧から商用電源１の最大電圧まで変動する脈動波形を示す。インバータ回路５はこの脈動するコンデンサ１０の電圧Ｖ１０によって動作するので、高圧トランス６の１次巻線に発生する高周波電圧の包絡線波形はＶ６（Ｌｐ）に示すような波形となりコンデンサ１０の電圧Ｖ１０が低い期間では同様に低い電圧しか発生し得ない。
【０００４】
一方、マグネトロン８の動作特性は図３１に示すようにアノードカソード間に所定の電圧以上が印加されないとアノード電流が流れないような非線形な電圧電流特性を示す。したがって、高圧トランス６の１次巻線に発生する電圧が低い期間では２次巻線に励起される電圧も同時に低くなるためマグネトロン８に印加される電圧Ｖ８の波形は図に示すごとくＶAK(TH)に到達しなくなる期間が発生する。この期間はマグネトロン８が発振を停止しているため負荷であるマグネトロン８で電力消費されないため商用電源１の電流Ｉ１は流れなくなる。この結果商用電源１の電流Ｉ１の波形は図３０に示すごとく電流が０となる期間を有する非常に歪を持った波形となり、これが原因でマグネトロン駆動用電源の力率の低下、入力電流に高調波電流を発生することになる。
【０００５】
このような課題に対して図３２に示す回路構成のようにアクティブフィルタ回路１３をインバータ回路５の前段に設け、入力電流の力率向上、高調波抑制を図ったものが提案されている。アクティブフィルタ回路１３はいわゆる昇圧チョッパ回路の構成をしており、半導体スイッチ素子１７のオン時間比によって昇圧電圧を制御することができる。
【０００６】
この場合の動作について図３３を用いて説明する。商用電源１の電圧はＶ１に示すように交流電圧波形を示している。アクティブフィルタ回路１３はダイオードブリッジ２によって交流電圧Ｖ１を全波整流した電圧を半導体スイッチ素子１４のオンオフによって制御することによってコンデンサ１５に昇圧電圧を発生する。この昇圧電圧Ｖ１５はコンデンサ１５の容量によって脈動率は変化するが、図２９の構成におけるＶ１０のように完全に０まで低下しないようにすることができる。このため高圧トランス６の１次巻線に発生する電圧Ｖ６（Ｌｐ）も商用電源１の電圧が０近傍であっても所定の値以上を発生することができる。この結果マグネトロン８に印加する電圧は常に発振可能電圧以上を保持することが可能となる。その結果、入力電流Ｉ１は図に示すように０となる期間を持たない略正弦波状の波形とすることができ、入力力率の向上、高調波電流の抑制が可能となる。
【０００７】
しかしながらこのような構成ではインバータ回路５にアクティブフィルタ回路１３を付加した構成となり、電力変換の過程が整流→昇圧→高周波発生（インバータ回路）→高圧整流となるので電力変換の過程が増加し、変換効率の低下と回路規模の増大が課題となる。
【０００８】
そこで、さらに構成部品、回路機能の共用化を図った構成のものが特開平１０−２７１８４６にて公開されている。図３４はこの発明の回路構成を示した回路図である。この回路構成によって昇圧機能、インバータ機能の動作を一度に行い、入力力率の向上と回路構成の簡素化を目的としている。図３５、図３６は回路動作を説明した図であり、図３５（ａ）〜（ｄ）は半導体スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフによって各々通電経路を説明した図であり、図３６はそれに対応した動作波形図である。図３５、図３６を用いて回路動作について説明する。説明の都合上商用電源１の電圧極性が図に示す方向で半導体スイッチ素子Ｑ２がオンの状態から説明をはじめる。半導体スイッチ素子Ｑ２がオンの状態では図３５（ａ）に示すようにコンデンサＣ２→商用電源１→誘導性負荷回路１９→半導体スイッチ素子Ｑ２の経路で電流が流れ、図３６（ａ）に示すように半導体スイッチ素子Ｑ２の電流ＩQ2は単調に増加する。所定の時間で半導体スイッチ素子Ｑ２をオフすると電流経路は図３５（ｂ）の状態へ移り、ダイオードＤ２→商用電源１→誘導性負荷回路１９→ダイオードＤ３→コンデンサＣ１の経路でコンデンサＣ１を充電する。誘導性負荷回路１９に蓄えられたエネルギーをすべて放出するとコンデンサＣ１を電源としてコンデンサＣ１→半導体スイッチ素子Ｑ１→誘導性負荷回路１９→商用電源１→コンデンサＣ２で構成される図３５（ｃ）の経路で電流が流れる。所定の時間で半導体スイッチ素子Ｑ１をオフすると誘導性負荷回路１９は同じ方向へ電流を流そうとするので図３５（ｄ）に示す経路（商用電源１→コンデンサＣ２→ダイオードＤ４→誘導性負荷回路１９）で電流が流れ、誘導性負荷回路１９に蓄えたエネルギーをコンデンサＣ１へ充電する。誘導性負荷回路１９に蓄えたエネルギーがすべて放出されると再び図３５（ａ）の経路で電流が流れ回路動作が継続する。特開平１０−２７１８４６には開示されていないが、この動作を実現するためにはコンデンサＣ１とコンデンサＣ２の容量には式１で示されるような容量関係が必要である。
【０００９】
（式１） Ｃ１≫Ｃ２
このような関係を満たすためにコンデンサＣ１には電解コンデンサのような大容量に対応できるコンデンサを用いる必要がある。
【００１０】
このような動作によって商用電源１からの電流を電源周期の略全域に渡り流すことができるようになり入力電流の力率向上、高調波の抑制と回路の簡素化を図っている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成では下記にあげるような課題があり、高い回路効率を十分に得ることができない。
【００１２】
図３６の動作波形図においてダイオードＤ２を流れる電流はＩD2に示す電流が流れる。また、ダイオードＤ２に印加する電圧はＶD2のように変化する。ここで図３６（ｂ）の期間から（ｃ）へ移行するタイミングでダイオードＤ２の電流は理想的には０となるが実際のダイオードはターンオフ時にリカバリー電流を生じる。このリカバリー電流が生じると印加電圧との積でダイオードにスイッチング損失を発生する。したがってダイオードＤ１，Ｄ２にはスイッチングスピードＴｒｒが速い特性が要求されることになる。しかしながらスイッチングスピードＴｒｒが速いダイオードはもうひとつのダイオードの特性である順方向オン電圧ＶＦが高くなる傾向にあり、この場合導通時のオン損失が大きくなる。この結果ダイオードＤ１，Ｄ２の損失は大きなものとなり、回路の総合効率を十分に高いものとすることができない。
【００１３】
しかしながら特開平１０−２７１８４６で開示されている従来例で示した構成は照明機器を対象としたものでありこれらの機器の変換電力は最大でも１００Ｗから２００Ｗ程度である。したがって回路を流れる電流もおのずと数Ａ程度の微小な電流しか流れないのでダイオードをスイッチングスピード重視の設計として順方向オン電圧ＶＦが高くなるようにしてもダイオードの損失はそれほど増加することなく設計することが可能である。
【００１４】
一方、電子レンジ等に用いられるマグネトロン駆動用電源は変換電力が１０００Ｗから１５００Ｗ程度の大電力を扱うので、回路を流れる電流は最大で４０Ａから５０Ａの大電流が流れる。このためスイッチングスピードを重視してダイオードを設計すると順方向オン電圧ＶＦが高くなるのでダイオードが導通しているときの損失（導通損失）が大きくなり、スイッチングスピードを速くする事によって損失を低減しようとする効果が薄れてしまう。また家庭用電子レンジの冷却能力は電子レンジのサイズやコストの関係からおのずと限られたものとなるのでスイッチングスピードを速め、順方向オン電圧ＶＦの上昇を抑えるためにはダイオードの大型化あるいは限られた冷却条件下で放熱するための大型の放熱フィンなどが必要となってくる。このためマグネトロン駆動用電源においては変換効率を高め、回路の各部品での発生損失低減が必須条件となる。したがって従来例で示した構成をマグネトロン駆動用電源に適用することは損失低減の観点からすると非常な困難を伴ってしまう。そのためマグネトロン駆動用電源に適用する場合にはダイオードのスイッチング損失もオン損失も増加させないような回路構成とすることが必要となる。また、変換電力の大きさゆえマグネトロン駆動用電源に電解コンデンサを用いると電解コンデンサの脈動電流を押さえるために高容量でかつ耐電圧の高いスペックの電解コンデンサを必要としてしまう。その結果、電源自体の大型化を招くことからマグネトロン駆動用電源を搭載する電子レンジのサイズアップを誘発し、高周波スイッチング動作によってマグネトロン駆動用電源を小型軽量化する効果が損なわれてしまう。
【００１５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、入力電流の歪を抑制し高調波の発生を抑え入力力率を高めるとともに、回路の簡素化と１ｋＷ以上の大電力を変換しても回路効率を向上させたマグネトロン駆動用電源を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明のマグネトロン駆動用電源は、第１および第２の逆導通可能な半導体スイッチ素子の直列接続体と、第１および第２のダイオードの直列接続体を並列接続し、前述の第１および第２のダイオードに其々第１と第２のコンデンサを並列接続し、第１および第２のダイオードの接続点と第１および第２の逆導通可能な半導体スイッチ素子の接続点間に商用電源と高圧トランスの直列回路を接続するとともに高圧トランスの高圧出力は高圧整流回路を介してマグネトロンに電力を供給する構成としたものである。
【００１７】
これによって、第１および第２の半導体スイッチ素子が相補的にオンオフすることによって商用電源の電圧極性が正の場合は第２のコンデンサに商用電源の電圧を昇圧した電圧が加えられ、これとは逆の電圧極性の場合は第１のコンデンサに商用電源を昇圧した電圧が加えられる。高圧トランスの１次巻線に印加する電圧はこの昇圧電圧に依存するので商用電源の電圧が低い期間であってもマグネトロンが発振するために必要な電圧以上を常に高圧トランスの１次巻線に印加することができ商用電源のほぼ全域に渡り入力電流を流すことができ、歪の少ない入力電流とすることができる。また、第１および第２の半導体スイッチ素子は高圧トランスの１次巻線に高周波電流を流すインバータ動作と第１および第２のコンデンサに昇圧電圧を印加する動作を一度に行うことができるのでインバータ構成部品を最小で構成することができインバータ回路を小形化できる。また、回路動作において第１および第２のダイオードのターンオフは半導体スイッチ素子が行って回路モードが切り替わるのでこれらのダイオードはスイッチングスピードに対する制約を受けることなく順方向オン電圧を重視した設計とすることができこのダイオードの損失をきわめて少なくすることができ、インバータ回路を高効率化することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、第１および第２の逆導通可能な半導体スイッチ素子の直列接続体と、第１および第２のダイオードの直列接続体を並列接続し、前記第１および第２のダイオードに各々並列に第１と第２のコンデンサを接続し、前記第１および第２の逆導通可能な半導体スイッチ素子の接続点と、前記第１および第２のダイオードの接続点間に商用電源と高圧トランスの１次巻線の直列回路を接続し、前記高圧トランスの２次巻線の出力は高圧整流回路を介してマグネトロンを付勢し、前記第１および第２の半導体スイッチ素子を駆動する駆動回路を設け、前記駆動回路は第１および第２の半導体スイッチ素子を相補的に駆動するとともに商用電源が正極の場合と負極の場合で駆動信号を入れ替えする構成とすることにより商用電源の電圧が低い期間でも高圧トランスの１次巻線にマグネトロンが発振可能な電圧以上を印加することができ、入力電流を常に流すことができるので歪の少ない入力電流としてマグネトロン駆動用電源の力率向上が可能となる。また、２つの半導体スイッチ素子が相補的にオンオフすることによって高圧トランスの１次巻線に高周波電流を流すインバータ動作と第１および第２のコンデンサに昇圧電圧を発生する動作を一度に行えるので回路構成部品を最小化でき、また、電力変換の過程が少なくなるので電力変換効率を向上することができる。また、第１および第２のダイオードのターンオフは半導体スイッチ素子が行うのでこのダイオードの特性は順方向オン電圧を重視して設計することが可能となり、インバータ回路の回路効率を向上することができる。また、半導体スイッチ素子のオン信号幅とインバータ回路の変換電力の関係が商用電源の電圧極性によって異なった特性を示すにもかかわらず常に正負対称な入力電流とすることができる。また、半導体スイッチ素子のオン時間比を制御してインバータ回路の変換電力を増減しても常に略正弦波状の入力電力を維持することができる。
【００１９】
請求項２〜４に記載の発明は、請求項１に記載のマグネトロン駆動用電源に電源極性判定手段を設け商用電源の極性を判別するとともに駆動回路は電源極性判定手段の判定情報に基づいて第１および第２の半導体スイッチ素子の駆動信号を入れ替える構成とすることにより、電源極性判定手段が商用電源の電圧極性を判定し半導体スイッチ素子の信号を入れ替えるので正負で相等しい入力電流としてマグネトロン駆動用電源の力率の向上と高調波を抑制することができる。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４にいずれか１項に記載のマグネトロン駆動用電源を商用電源のゼロクロス点近傍で所定の変化率で駆動信号を変化するよう構成することにより、商用電源のゼロクロス点近傍における半導体スイッチ素子のオン時間の変化量が小さくなるので半導体スイッチ素子のオン時間比を略５０％からずれた状態で動作させても入力電流に針状電流の発生を抑制し高力率なマグネトロン駆動用電源を実現することができる。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５にいずれか１項に記載のマグネトロン駆動用電源を商用電源の電圧が正方向に高い期間は第２の半導体スイッチ素子の導通時間を商用電源の電圧に応じて短くなるよう変化させ、逆に負方向に商用電源の電圧が高い期間は第１の半導体スイッチ素子の導通時間を商用電源の電圧に応じて短くするよう変化させる構成とすることにより、商用電源の電圧が正負に最大の時点での半導体スイッチ素子やインバータ回路を流れる電流の最大値を抑制することができるので半導体スイッチ素子の電流や高圧トランスの電流の実効値を抑制しインバータ回路の発生損失を低減することができる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
（実施例１）
本発明の第１の実施例について図１から図３を用いて説明する。図１は第１の実施例のマグネトロン駆動用電源を示す回路図である。第１、第２の半導体スイッチ素子２０、２１の直列接続体と第１、第２のダイオード２２、２３の直列接続体を並列接続し、第１、第２のダイオード２２、２３に各々並列に第１、第２のコンデンサ２４、２５を接続するとともに半導体スイッチ素子２０、２１の接続点とダイオード２２、２３の接続点間に商用電源１と高圧トランス２６の直列回路を接続する構成となっている。高圧トランス２６の２次巻線出力は高圧整流回路７に接続されマグネトロン８に直流高電圧を印加する。マグネトロン８はこの直流高電圧によって付勢され２．４５ＧＨｚの電波を発生する。なお本実施例では第１、第２の半導体スイッチ素子は順方向に導通するＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）とこれと逆並列に接続したダイオードにて記載しているが、ＭＯＳＦＥＴのように素子内部にダイオードを構成したような素子を用いても適用可能であることは言うまでもない。
【００２４】
図２はインバータ回路の各期間における電流が流れる経路を示した図であり、図３はそれに対応した動作波形図である。商用電源１の極性が図示の状態で半導体スイッチ素子２１がオンの状態から説明をはじめる。この状態では図２（ａ）に示すように商用電源１→高圧トランス２６の1次巻線→半導体スイッチ素子２１→ダイオード２３の経路で電流が流れ、図３（ａ）の期間のＩ２１に示す電流が半導体スイッチ素子２１および高圧トランス２６の１次巻線に電流が流れることによって高圧トランス２６の１次巻線にエネルギーを蓄積する。半導体スイッチ素子２１を所定の時間でオフすると高圧トランス２６の１次巻線電流は同じ方向に流れ続けようとするので今度は図２（ｂ）に示すごとく商用電源１→高圧トランス２６の１次巻線→半導体スイッチ素子２０の並列ダイオード→コンデンサ２４の経路で高圧トランス２６の１次巻線に蓄えたエネルギーをコンデンサ２４に充電する。この動作によってコンデンサ２４には商用電源１の電圧を昇圧した電圧が蓄えられる。高圧トランス２６の１次巻線に蓄えたエネルギーをすべて放出すると図２（ｃ）の経路が形成され今度はコンデンサ２４に充電したエネルギーをコンデンサ２４→半導体スイッチ素子２０→高圧トランス２６の１次巻線→商用電源１の経路で取り出す。そして半導体スイッチ素子２０を所定の時間でオフすると高圧トランス２６の１次巻線は同じ方向に電流を流し続けようとするので図２（ｄ）のように高圧トランス２６の１次巻線→商用電源１→コンデンサ２５→半導体スイッチ素子２１の並列ダイオードの経路で電流が流れる。商用電源１の電圧極性が図示と逆極性の場合は半導体スイッチ素子２０、２１とダイオード２２、２３とコンデンサ２４、２５の動作がそれぞれ入れ替わるだけで同様の動作をする。
【００２５】
上記の動作においてコンデンサ２４、２５は半導体スイッチ素子２０、２１のオンオフによって高圧トランス２６の１次巻線に高周波電流を発生させるインバータ動作と商用電源１の電圧に対して昇圧した電圧をコンデンサ２４、２５に発生させる動作を兼用できるような容量に設計され、コンデンサ２４、２５の容量は相等しい容量で構成されている。この結果商用電源１の電圧極性が図示の場合はコンデンサ２４に商用電源１の電圧を昇圧した電圧を蓄え、反対に商用電源１の電圧極性が図示とは逆極性の場合はコンデンサ２５に商用電源１の電圧を昇圧した電圧を蓄える動作をする。したがって商用電源１の電圧極性によらずコンデンサ２４、２５に発生する電圧を等しくすることができるので商用電源１の電流は正負対称な波形とすることができる。そして、このような動作を継続することで図４に示すように商用電源１の周期に対してコンデンサ２４、２５の電圧波形は商用電源１の電圧極性に応じて昇圧した電圧を発生する。このため高圧トランス２６の１次巻線に流れる電流の包絡線波形はＶ２６（Ｌｐ）に示すような波形となる。この電圧を高圧トランス２６は昇圧してマグネトロン８に印加するのでマグネトロン８に印加する電圧はＶ８のような波形を示し、常に発振電圧VAK(TH)以上の電圧を維持することが可能となる。この結果入力電流Ｉ１は商用電源１のいずれの期間においても電流を流すことができ、力率の改善、高調波の抑制を実現することができる。
【００２６】
また、図３において期間（ａ）から（ｂ）へ移行する際ダイオード２３をカットオフする動作になるが電流経路として半導体スイッチ素子２１が直列に接続されているので電流の遮断は半導体スイッチ素子２１が行うことになりダイオード２３のスイッチングスピードは要求されない。また、オフ時にダイオード２３に印加する電圧は零であるのでターンオフ時のスイッチング損失はまったく生じない。したがってダイオード２２、２３の設計としては順方向オン電圧ＶＦを重視した設計で導通時の損失を重点的に抑制するように設計することが可能となり、ダイオード２２、２３の小形化と同時にダイオード２２、２３を冷却する構成の簡素化を図ることが容易となる。特に電子レンジで用いるようなマグネトロン駆動用電源は１０００Ｗ以上の高電力を扱うのでインバータ回路の電流は４０Ａから５０Ａ程度の非常に大きな電流レベルとなりダイオード２２、２３の設計を順方向オン電圧ＶＦを重視して導通損失を低減することはインバータ回路の効率向上に有益である。このためインバータ回路のトータルの電力損失をきわめて低く抑えることができ、効率の高いマグネトロン駆動用電源を実現することができる。
【００２７】
このように本実施例のマグネトロン駆動用電源においては従来例で示した回路とは全く異なった回路動作によってダイオード２２、２３の設計を順方向オン電圧ＶＦ重視の設計とすることが可能となりダイオード２２、２３の損失を極小化しマグネトロン駆動用電源全体の電力変換効率を向上している。この効果はコンデンサ２４、２５がインバータ動作とコンデンサ２４、２５に商用電源１の電圧を昇圧した電圧を加える動作を兼用することによって発揮される本発明における特有の効果であり、従来例にて挙げた特開平１０−２７１８４６の構成とは異なったコンデンサの回路機能と回路動作によって実現されるものである。
【００２８】
図５は本実施例のマグネトロン駆動用電源のより実際的な回路構成を示したものであり、商用電源１の出力にインダクタ２７とコンデンサ２８からなるローパスフィルタ２９を設けることによってインバータ回路の高周波電流が商用電源へ流れないよう構成したものである。このように商用電源１とインバータ回路の間にローパスフィルタ２９を挿入する構成とすることによりインバータ回路の高周波電流あるいは電圧が商用電源側へ回り込まないようにすることによって端子雑音の低減を図ることが可能となる。なお、本構成によっても上述の動作は何ら変わらない。
【００２９】
（実施例２）
図６は第２の実施例におけるマグネトロン駆動用電源の回路図である。この回路構成においては前述の実施例１に加えて半導体スイッチ素子２１に並列にコンデンサ３０を接続した構成となっている。
【００３０】
図７、図８は本実施例における動作波形図と各期間における電流経路を示した図である。商用電源１が図示の電圧極性で半導体スイッチ素子２１がオンの状態から説明をはじめる。半導体スイッチ素子２１がオンの状態では商用電源１から高圧トランス２６の１次巻線をとおって電流が流れ図８（ａ）の経路を構成する。このとき半導体スイッチ素子２１に流れる電流は図７に示すように直線的に増加していく。ある一定の時間の後半導体スイッチ素子２１をオフすると高圧トランス２６の１次巻線の電流は同じ方向へ流れつづけようとするので電流経路は図８（ｂ）の状態となり半導体スイッチ素子２１に並列接続されたコンデンサ３０を充電する。このとき半導体スイッチ素子２１の電圧Ｖ２１はこのコンデンサ３０の充電スピードで上昇する。そしてコンデンサ３０の電圧がコンデンサ２４の電圧と等しくなると今度は半導体スイッチ素子２０の並列ダイオードが導通し、コンデンサ２４を充電する電流経路を形成し期間図８（ｃ）へと移行する。コンデンサ２４の充電が完了すると半導体スイッチ素子２０がオン状態となってコンデンサ２４の電荷を図８（ｄ）に示すコンデンサ２４→半導体スイッチ素子２０→高圧トランス２６の１次巻線→商用電源１の経路で取り出す。このとき半導体スイッチ素子２０に流れる電流波形は図７（ｄ）に示すような波形となる。所定の時間で半導体スイッチ素子２０をオフすると今度は図８（ｅ）の経路で半導体スイッチ素子２１に並列に接続されたコンデンサ３０の電荷を放電する経路を形成し、コンデンサ３０を放電する。このとき半導体スイッチ素子２１にかかる電圧Ｖ２１は徐々に減じていき、半導体スイッチ素子２０にかかる電圧Ｖ２０は逆に徐々に上昇する。コンデンサ３０の放電が完了し、半導体スイッチ素子２１にかかる電圧が零となると図８（ｆ）の電流経路を形成し、半導体スイッチ素子２１に並列接続されたダイオードが導通する。次に半導体スイッチ素子２１をオン状態にすると図８（ｇ）の電流経路となりコンデンサ２５に蓄えた電荷を放電し、放電が完了すると図８（ａ）の状態へと遷移する。
【００３１】
また、商用電源１の電圧極性が図示とは逆極性の場合は半導体スイッチ素子２０、２１、コンデンサ２４、２５、ダイオード２２、２３の動作がそれぞれ入れ替わりまったく同様の動作をする。
【００３２】
この実施例においては前述の実施例同様ダイオード２２、２３のスイッチング損失は生じず、ダイオード２２、２３は順方向オン電圧ＶＦを重視した設計でダイオード２２、２３の発生損失を極小化できる。さらに半導体スイッチ素子２０、２１にかかる電圧はターンオフ、ターンオンの際にコンデンサ３０の充放電を利用して緩やかに立ち上げることによってスイッチング時の発生損失の低減ができる。すなわち実際の半導体スイッチ素子はオン状態からオフ状態、オフ状態からオン状態へ移行する際に必ず遷移期間を有しており、この電圧と電流が同時に発生する遷移期間でスイッチング損失を発生する。特に大電流を扱う場合に適するＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やＢＪＴ（バイポーラジャンクショントランジスタ）のようにバイポーラ動作によって半導体素子の電流密度をかせぐ半導体スイッチ素子においてはゲート信号をオフしても素子内部の残留ホールが即時には消滅しないのでコレクタ電流は即時には遮断できず、数１００ｎｓから数μｓの間遷移期間が生じる。しかしながら本実施例においては半導体スイッチ素子にかかる電圧をこのタイミングで緩やかに変化させており電流を遮断するまでの期間に緩やかに電圧が上昇するため半導体スイッチ素子２０、２１のターンオフ、ターンオンの際のスイッチング損失を非常に少なくすることが可能となり、さらに回路効率を高めることが可能となる。
【００３３】
図９は半導体スイッチ素子２０に並列にコンデンサ３０を接続した構成を示している。この場合はコンデンサ３０の充電放電のタイミングが前述の場合とは逆となるが、半導体スイッチ素子２０、２１にかかる電圧を緩やかに変化させるという作用は同様である。したがって上述の図６の場合と同様ダイオード２２、２３を順方向オン電圧ＶＦ重視で損失を極小化すると同時に半導体スイッチ素子２０、２１の発生損失を低減することができマグネトロン駆動用電源の電力変換効率を向上することが可能となる。
【００３４】
図１０は半導体スイッチ素子２０、２１にそれぞれコンデンサ３１、３２を接続した構成である。この場合前述の例と同じ電圧の傾きを持たせるためには前述のコンデンサ３０に対して半分の容量のコンデンサをそれぞれ接続すればよい。この場合コンデンサ３１、３２がマグネトロン駆動電源に与える作用は上述の図６あるいは図９の場合と同等であるがコンデンサ３１を充電するときはコンデンサ３２が放電され、逆にコンデンサ３１が放電されるときはコンデンサ３２が充電されるという動作で同様の効果を奏する。
【００３５】
図１１は高圧トランス２６の１次巻線に並列にコンデンサ３０を接続した構成を示している。この場合は高圧トランス２６の１次巻線の電圧がコンデンサ３０の働きによって緩やかに変化するために半導体スイッチ素子２０、２１の電圧が緩やかに変化する動作をし、上述の例と同様の効果を発揮する。
【００３６】
（実施例３）
本発明の第３の実施例について図１２〜１５を用いて説明する。
【００３７】
図１２は本実施例におけるマグネトロン駆動用電源の回路図を示している。前述の実施例と同一符号の構成要素は同一の動作、作用をするのでここではその詳細についての説明は省略する。駆動回路３３は半導体スイッチ素子２０、２１を駆動しインバータ回路を動作させる。駆動回路３３が半導体スイッチ素子２０、２１へ送る駆動信号は図１３（ａ）に示すようにデッドタイムを有し相補的にオンオフするような波形である。このように半導体スイッチ素子２０、２１を相補的にオンオフすることによってインバータ回路はマグネトロン８へ電力を伝送している。
【００３８】
ここで半導体スイッチ素子２１のオン時間比Ｄｏｎ２１とインバータ回路の変換電力Ｐとの関係を図１４に示す。図中で実線にて示した曲線は商用電源１の電圧極性が図１２に示す極性の場合での変換電力Ｐの変化を示したものであり、破線で示した曲線はこれとは逆に商用電源１の電圧極性が図１２とは逆の電圧極性の場合での変換電力Ｐの変化を示している。このように商用電源１の電圧極性によって半導体スイッチ素子２１のオン時間比Ｄｏｎ２１とインバータ回路の変換電力Ｐの関係は異なったものとなる。したがって、半導体スイッチ素子２１のオン時間比Ｄｏｎ２１が略５０％の状態では商用電源１の電圧極性によらずいずれの電圧極性においても同じ電力変換が可能なので商用電源１の電流は図１５（ｂ）に示すように正負対称の波形とすることができる。しかしながら商用電源１の電流を正負対称な正弦波にしようとすると変換電力はこの一点のみで限定されてしまう。家庭用の電子レンジなどでは電子レンジで加熱する際に食品に応じてさまざまな加熱電力が選択される。たとえばレンジ“強”、“中”、“弱”などの設定によって加熱電力の調整が必要とされる。これに対応するためには半導体スイッチ素子２１のオン時間比Ｄｏｎ２１を所望の出力電力に応じて変化させることが必要となるが、商用電源１の電圧極性に関係なく一定のオン時間比Ｄｏｎ２１で所望の出力電力に調整しようとすると図１４に示した半導体スイッチ素子２１のオン時間比Ｄｏｎ２１と変換電力Ｐの関係からオン時間比Ｄｏｎ２１が５０％から外れてくると商用電源１の電圧が正の期間と負の期間で異なった電流波形を示すことになり、たとえば図１５（ａ）に示すような正負がアンバランスな電流波形となってしまう。この場合、電流波形が対称波形とならないので偶数次の高調波が発生することになり結局力率を向上することはできなくなってしまう。
【００３９】
そこで本実施例においては商用電源１の電圧極性に応じて半導体スイッチ素子２０、２１の駆動信号を入れ替えるように駆動回路３３が動作するようにしている。すなわち図１３に示すように商用電源１の電圧極性が正の場合には図１３（ａ）に示すようにＴ１、Ｔ２なるオン時間で半導体スイッチ素子２０、２１がそれぞれオンオフし、逆に負の電圧極性の場合は図１３（ｂ）に示すように図１３（ａ）の場合と半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間が入れ替わるように動作する。このように動作することによってマグネトロン駆動用電源の回路での発生損失を低減しつつマグネトロン駆動電源の変換電力が変化して、半導体スイッチ素子２１のオン時間比Ｄｏｎ２１が略５０％の状態からいずれかの方向へずれて変換電力が増減しても常に商用電源１の電流波形は正負対称な正弦波状の波形を維持することが可能となる。このため変換電力を変化させても常に高い電力変換効率を維持したまま高い力率で電流の歪のない動作を実現することが可能となる。
【００４０】
（実施例４）
本発明の第４の実施例について図１６〜１８を用いて説明する。図１６は本実施例のマグネトロン駆動用電源の回路図である。前述の実施例と同一符号の構成要素は同一の動作、作用を持つものでありここでは詳細な説明は省略する。電源極性判定手段３４は商用電源１の電圧極性を判定するものであり、本実施例ではフォトカップラ３５を用いて構成した例を示している。商用電源１の電圧が図１７のＶ１のように変化した場合は電圧極性が図示の時フォトカップラ３５の発光ダイオードが発光することによって受光側のトランジスタが導通する。このとき電源極性判定手段３４の出力はＬｏｗレベルとなる。この状態を駆動回路３３は電源極性が正であると判断し、半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間を其々図１８（ａ）に示すようにＴ１、Ｔ２として出力する。そして商用電源１の電圧極性が負となると今度はフォトカップラ３５の発光ダイオードの発光が停止して受光側トランジスタがオフすることによって電源極性判定手段３４の出力はＨｉｇｈレベルとなる。この状態を駆動回路３３は商用電源の電圧極性が負であると判定し半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間を図１８（ｂ）に示すように商用電源１の電圧極性が正の場合とは逆となるように駆動回路３３は駆動信号を出力する。このように動作することによってマグネトロン駆動用電源の変換電力が増減しても常に商用電源１の電流波形は正負対称な正弦波状の波形を維持することが可能となる。このため変換電力を変化させても常に高い電力変換効率を維持したまま高い力率で電流の歪のない動作を実現することが可能となる。
【００４１】
図１９は電源極性判定手段３４をコンデンサ２５に並列接続した電圧検出用の抵抗で構成した例を示している。これはコンデンサ２５に発生する電圧がすでに実施例１で述べているように図２０中Ｖ２５のように変化することを利用している。すなわちコンデンサ２５の電圧Ｖ２５は商用電源１の電圧が図２０に示すように交流波形を示しているとき、電源極性が正の場合はほぼ零である。一方、負の極性を示している時は図示のようにインバータ回路の動作に応じて商用電源１の電圧を昇圧した電圧を発生する。この電圧をこの実施例のように抵抗で分圧し、比較器を用いて基準値以上となっている期間を商用電源１の電圧極性が負であると極性判定手段３４が判定し駆動回路３３に信号を伝達する。そして駆動回路３３はこの判定信号に基づいて半導体スイッチ素子２０、２１の駆動信号を入れ替えるように動作する。このように動作することによって先の例と同様にマグネトロン駆動用電源の変換電力が増減しても常に商用電源１の電流波形は正負対称な正弦波状の波形を維持することが可能となる。このため変換電力を変化させても常に高い電力変換効率を維持したまま高い力率で電流の歪のない動作を実現することが可能となる。
【００４２】
（実施例５）
本発明の第５の実施例について図２１〜２５を用いて説明する。図２１は本実施例のマグネトロン駆動用電源の回路図である。駆動回路３３は商用電源１の電圧極性が変化したときに半導体スイッチ素子２０、２１の駆動信号をいれかえるように動作するが同時に入れ替える際に一定の変化率で変化するように動作する。
【００４３】
図２２は商用電源１の電圧波形Ｖ１と半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間比Ｄｏｎ２０、Ｄｏｎ２１の変化を示した図である。この図ではオン時間比の変化は商用電源１の電圧極性が変化する時点で瞬時に入れ替わるようになっており、その変化の幅はΔＤなる変化量を持っている。商用電源１の電圧極性が変化する時点での半導体スイッチ素子２０、２１の駆動信号の変化の様子を図２３に示す。図中ＺＶＰの時点が商用電源１の電圧極性が変化する時点であり、ここを境に半導体スイッチ素子２０のオン時間はＴ１なるオン時間から次の周期ではＴ２なるオン時間に変化する。一方、半導体スイッチ素子２１はＴ２なるオン時間からＴ１なるオン時間に変化する。このように動作してしまうと半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間がほぼ等しい場合はオン時間比の変化幅ΔＤが小さいので商用電源１の電圧極性が変化する時点でのインバータ回路の動作の変化量は小さい。このため図２４（ａ）に示すように商用電源１の電流は商用電源１の電圧極性が変化する時点においても滑らかな変化を示す。しかし、インバータ回路の変換電力をこの状態よりも増加または減少するように半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間を調整すると半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間は等しい状態から外れてくる。この場合商用電源１の電圧極性が変化する時点でのオン時間の変化量は大きくなるので商用電源１電流波形は図２４（ｂ）に示すように商用電源１の電圧極性が変化する時点でインバータ回路の動作の変化量が大きいことが原因となって過渡的に針状の電流波形が発生する可能性がある。特に商用電源１の電圧極性が変化する時点と駆動回路が半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間を入れ替えるタイミングにずれが生じるとこの現象は顕在化する。
【００４４】
しかしながら本実施例の構成では図２５に示すように商用電源１の電圧極性が変化するときに半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間比を一定の変化率を持って入れ替えるように動作するのでこの時点における半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間比Ｄｏｎ２０、Ｄｏｎ２１の変化量は制限される。このためインバータ回路の変換電力を変化させて半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間比の差ΔＤが大きい状態であっても常に商用電源１の電流波形は滑らかな変化をさせることができ過渡的な電流波形を呈する事はなく常に略正弦波状の電流波形を維持することが可能である。また、何らかの要因で商用電源１の電圧極性が変化する時点と駆動回路が半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間を入れ替えるタイミングにずれが生じても入れ替える際に一定の変化率で切り替えていくのである程度のタイミングのずれに対しては保証することが可能となる。
【００４５】
このように本実施例のマグネトロン駆動用電源においてはインバータ回路の変換電力を増減して半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間比の差が大きくなっても常に過渡的な電流を呈さず商用電源１の電流波形を常に略正弦波状に維持することが可能である。
【００４６】
また、図２５に示したように商用電源１の電圧が変化する時点で半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間比Ｄｏｎ２０、Ｄｏｎ２１が各々略５０％となる様に変化するとすでに実施例３で示したようなオン時間比Ｄｏｎとインバータ回路の変換電力Ｐの関係からよりスムーズに商用電源１の電流波形を変化させることが可能である。
【００４７】
（実施例６）
本発明の第６の実施例について図２６〜２８を用いて説明する。図２６は本実施例のマグネトロン駆動用電源の回路図である。電源極性判定手段３４は商用電源１の電圧極性を判定し駆動回路３３に商用電源１が正の電圧極性か負の電圧極性かの信号を伝達する。駆動回路３３はこの判定信号に基づき半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間比を入れ替えるように動作すると同時に商用電源１の電圧が正の方向に大きい期間では半導体スイッチ素子２１のオン時間比Ｄｏｎ２１を商用電源１の電圧値に応じて減ずるように動作し、商用電源１の電圧が負の方向に大きい場合は半導体スイッチ素子２０のオン時間比Ｄｏｎ２０を商用電源１の電圧値に応じて減ずるように動作する。図２７はこの状態を示したものであり、商用電源１の電圧に応じて半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間比は其々Ｄｏｎ２０、Ｄｏｎ２１のように変化する。このように半導体スイッチ素子２０、２１のオン時間比を制御することによって商用電源１の電流波形Ｉ１は図示のように略正弦波に比べて最大値の部分を押しつぶしたように台形波状に変化する。同じ変換電力を扱う場合正弦波状にするよりも台形波状に電流波形を制御したほうが電流最大値は小さくすることができる。商用電源１の電圧に応じてオン時間比を制御した場合と一定のオン時間比で入力電流を略正弦波状にした場合の最大電流時の半導体スイッチ素子２０、２１の電流電圧波形を図２８に示す。図２８（ａ）はオン時間比Ｄｏｎ２０、Ｄｏｎ２１を商用電源１の電圧に応じて制御した場合であり、図２８（ｂ）は入力電流を略正弦波状にした場合の波形例である。これらの波形を比較すると図２８（ａ）の場合は図２８（ｂ）の場合に比べて半導体スイッチ素子２１の電流最大値Ｉ２１（ｍａｘ）がひくくなる。この結果半導体スイッチ素子の電流実効値は低くなるのでリード線やプリント基板上で配線する場合における損失を低減しインバータ回路の損失を低減することができる。また、其々の半導体スイッチ素子２０、２１がオンしているとき同時に高圧トランス２６の１次巻線にも電流が流れるので、半導体スイッチ素子の電流実効値を低減することは同時に高圧トランス２６の１次巻線の電流実効値を低減することになる。高圧トランス２６は発生する損失は巻線に電流を流すことによって生じる銅損とフェライトコアなどの磁気回路で生じる鉄損とに大分することができる。特に銅損の部分は巻線の等価直列抵抗Ｒｓと通電電流の実効値Ｉの２乗との積でおおよそあらわすことができる。したがって本実施例のように半導体スイッチ素子のオン時間比を商用電源１の電圧によって変化させて電流実行値を低減することによって高圧トランス２６の１次巻線の銅損を大幅に低減することが可能である。したがってインバータ回路の損失をさらに低減することが可能となり回路効率の向上が可能となる。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように、請求項１〜６に記載の発明によれば、マグネトロンのような非線形な特性をもつ負荷であっても商用電源の略全域にわたり入力電流を流すことができるとともに電子レンジのような高い変換電力を扱う機器においてもインバータ回路の発生損失を抑制することができ高効率のマグネトロン駆動用電源を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１におけるマグネトロン駆動用電源の回路図
【図２】同実施例のマグネトロン駆動用電源の各動作モードでの電流経路図
【図３】同実施例のインバータ回路の動作波形図
【図４】同実施例のマグネトロン駆動用電源の動作波形図
【図５】同、別の実施例におけるマグネトロン駆動用電源の構成を示す回路図
【図６】本発明の実施例２におけるマグネトロン駆動用電源の回路図
【図７】同実施例のインバータ回路の動作波形図
【図８】同実施例のインバータ回路の各動作モードでの電流経路図
【図９】同実施例の半導体スイッチ素子にコンデンサを並列接続した回路図
【図１０】同実施例の半導体スイッチ素子に其々コンデンサを接続した回路図
【図１１】同実施例の高圧トランスにコンデンサを並列接続した回路図
【図１２】本発明の実施例３におけるマグネトロン駆動用電源の回路図
【図１３】同実施例の半導体スイッチ素子の駆動信号波形図
【図１４】同実施例の半導体スイッチ素子のオン信号幅Ｄｏｎ２１と変換電力Ｐの特性図
【図１５】同実施例の商用電源の電流波形図
【図１６】本発明の実施例４におけるマグネトロン駆動用電源の回路図
【図１７】同実施例の電源極性判定手段の出力波形図
【図１８】同実施例の半導体スイッチ素子の駆動信号波形図
【図１９】同実施例における電圧極性判定手段の他の構成例を示す回路図
【図２０】同実施例の電源極性判定手段の出力波形図
【図２１】本発明の実施例５におけるマグネトロン駆動用電源の回路図
【図２２】同実施例において半導体スイッチ素子のオン時間比を入れ替える際に瞬時に入れ替えた場合の商用電源の電圧と半導体スイッチ素子のオン時間比の波形図
【図２３】同実施例において商用電源の電圧極性が変化する時点での半導体スイッチ素子の駆動信号波形図
【図２４】同実施例の商用電源の電流波形図
【図２５】同実施例の商用電源の電圧と半導体スイッチ素子のオン時間比の波形図
【図２６】本発明の実施例６におけるマグネトロン駆動用電源の回路図
【図２７】同実施例の商用電源の電圧波形と半導体スイッチ素子のオン時間比の波形図
【図２８】同実施例の半導体スイッチ素子の動作波形図
（ａ）本実施例のように商用電源の電圧に応じてオン時間比を変化させた場合の電圧最大時の動作波形図
（ｂ）本実施例のようにオン時間比を変化させなかった場合の電圧最大時の動作波形図
【図２９】従来のマグネトロン駆動用電源を示す回路図
【図３０】同マグネトロン駆動用電源の動作波形図
【図３１】マグネトロンの動作特性図
【図３２】アクティブフィルタ回路を追加した従来のマグネトロン駆動用電源の回路図
【図３３】同マグネトロン駆動用電源の動作波形図
【図３４】特開平１０−２７１８４６にて公開された電源装置の回路図
【図３５】同電源装置の各動作モードにおける電流経路を示す回路図
【図３６】同電源装置の動作波形図
【符号の説明】
１ 商用電源
７ 高圧整流回路
８ マグネトロン
２０ 第１の半導体スイッチ素子
２１ 第２の半導体スイッチ素子
２２ 第１のダイオード
２３ 第２のダイオード
２４ 第１のコンデンサ
２５ 第２のコンデンサ
２６ 高圧トランス
３０ 第３のコンデンサ
３３ 駆動回路
３４ 電源極性判定手段
Claims (6)
- 第１および第２の逆導通可能な半導体スイッチ素子の直列接続体と、第１および第２のダイオードの直列接続体を並列接続し、前記第１および第２のダイオードに各々並列に第１と第２のコンデンサを接続し、前記第１および第２の逆導通可能な半導体スイッチ素子の接続点と、前記第１および第２のダイオードの接続点間に商用電源と高圧トランスの１次巻線の直列回路を接続し、前記高圧トランスの２次巻線の出力は高圧整流回路を介してマグネトロンを付勢し、前記第１および第２の半導体スイッチ素子を駆動する駆動回路と、前記駆動回路は前記第１および第２の半導体スイッチ素子を相補的に駆動するとともに前記商用電源が正極の場合と負極の場合で駆動信号を入れ替える構成としたマグネトロン駆動用電源。
- 電源極性判定手段を設け、前記電源極性判定手段は商用電源の極性を判別し、駆動回路は前記電源極性判定手段の判定情報に基づいて第１および第２の半導体スイッチ素子の駆動信号を入れ替える構成とした請求項１に記載のマグネトロン駆動用電源。
- 電源極性判定手段はフォトカップラによって構成し、商用電源の極性を判別する構成とした請求項２に記載のマグネトロン駆動用電源。
- 電源極性判定手段は第２のコンデンサの電圧を検出し、商用電源の極性を判別する構成とした請求項２に記載のマグネトロン駆動用電源。
- 商用電源のゼロクロス点近傍で所定の変化率で駆動信号を変化するよう構成した請求項１または２に記載のマグネトロン駆動用電源。
- 商用電源の電圧が正方向に高い期間は第２の半導体スイッチ素子の導通時間を商用電源の電圧に応じて短くなるよう変化させ、逆に負方向に商用電源の電圧が高い期間は第１の半導体スイッチ素子の導通時間を商用電源の電圧に応じて短くするよう変化させる構成とした請求項１〜５のいずれか１項に記載のマグネトロン駆動用電源。
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