JP4346391B2 - Phase shift type high frequency inverter device - Google Patents
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Description
本発明は、一台で出力電力制御と負荷変動に対する周波数制御(負荷変動追従制御)とが可能な位相シフト型高周波インバータ装置に関するものである。 The present invention relates to a phase shift type high frequency inverter device capable of performing output power control and frequency control (load change tracking control) with respect to load change with a single unit.
高周波インバータ装置は、金属の溶解、焼き入れ、焼き戻し、焼き鈍し、ろうづけ、圧延や鍛造に先立つ予熱など誘導加熱技術を用いた産業用機器の高周波電源として利用されている。また、誘導加熱技術を用いた過熱蒸気発生装置、大型食品加工調理器、有害物質の無害化処理装置などの高周波電源としても、高周波インバータ装置は、大いに利用が期待されている。 The high-frequency inverter device is used as a high-frequency power source for industrial equipment using induction heating technology such as pre-heating prior to melting, quenching, tempering, annealing, brazing, rolling and forging of metals. In addition, high-frequency inverter devices are also expected to be used as high-frequency power sources such as superheated steam generators using induction heating technology, large food processing cookers, and detoxifying treatment devices for harmful substances.
誘導加熱用高周波電源には「負荷変動追尾周波数制御(負荷の周波数の変動に対応して動作周波数を変更する制御)」と「出力電力制御(負荷の変動により不足または余剰になった出力電力を変更するための制御)」の両機能が求められることが多い。この場合、従来技術では「負荷変動追尾周波数制御」は高周波インバータ回路の制御をPLL制御により実現し、「出力電力制御」は高周波インバータ回路の前段に設けたコンバータの電圧制御機能により実現していた(非特許文献1及び非特許文献2)。そのため高周波電源が複雑化し、コストが高くなる問題があった。なお図17は、この従来の高周波インバータ装置の回路構成の概略を示すブロック図である。この従来の高周波インバータ回路では、動作周波数を負荷の共振周波数とは異ならせている。
The induction heating high-frequency power supply has "load fluctuation tracking frequency control (control that changes the operating frequency in response to fluctuations in the load frequency)" and "output power control (output power that becomes insufficient or surplus due to load fluctuations). Both functions of “control for changing” ”are often required. In this case, in the prior art, “load fluctuation tracking frequency control” is realized by PLL control of the high frequency inverter circuit, and “output power control” is realized by the voltage control function of the converter provided in the previous stage of the high frequency inverter circuit. (Non-patent
そこで発明者等は、動作周波数を共振周波数と一致させることを条件として、高周波インバータ回路において対になって導通制御される2つの半導体スイッチング素子のための導通信号間の位相をシフトすることにより、高周波インバータ回路から負荷に供給される電力を制御する位相シフト型高周波インバータ装置を提案して、コンバータを用いずに電力制御を行う位相シフト型高周波インバータ装置を提案した(非特許文献3)。
しかしながら発明者等が先に提案した位相シフト型高周波インバータ装置では、負荷の共振周波数の変動に対する検討が十分にはなされていなかった。 However, in the phase shift type high frequency inverter device previously proposed by the inventors, the variation of the resonance frequency of the load has not been sufficiently studied.
本発明の目的は、コンバータやPLL制御を用いることなく出力電力制御と負荷変動に対する周波数制御とが可能な位相シフト型高周波インバータ装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a phase shift type high frequency inverter device capable of output power control and frequency control with respect to load fluctuations without using a converter or PLL control.
本発明の他の目的は、部品点数が少ない位相シフト型高周波インバータ装置を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a phase shift type high frequency inverter device having a small number of parts.
本発明が改良の対象とする位相シフト型高周波インバータ装置は、ダイオードが逆並列接続された2つの半導体スイッチイング素子が直列接続されてなる2以上のアーム回路が並列接続されて構成された高周波インバータ回路と、この高周波インバータ回路にインバータ動作を行わせるように、複数個の半導体スイッチング素子のそれぞれに導通信号を与える導通信号発生回路とを具備する。そして導通信号発生回路は、負荷共振周波数と高周波インバータ回路の動作周波数とが一致している状態において、対になって導通制御される2つの半導体スイッチング素子のための導通信号間の位相をシフトすることにより、高周波インバータ回路から負荷に供給される電力を制御するように構成されている。 The phase shift type high-frequency inverter device to be improved by the present invention is a high-frequency inverter configured by connecting two or more arm circuits in which two semiconductor switching elements having diodes connected in reverse parallel are connected in series. A circuit and a conduction signal generating circuit for providing a conduction signal to each of the plurality of semiconductor switching elements so as to cause the high-frequency inverter circuit to perform an inverter operation. The conduction signal generation circuit shifts the phase between the conduction signals for the two semiconductor switching elements controlled in conduction in pairs in a state where the load resonance frequency and the operating frequency of the high-frequency inverter circuit match. Thus, the power supplied from the high-frequency inverter circuit to the load is controlled.
本発明では、導通信号発生回路を、各アームに含まれる半導体スイッチング素子またはダイオードを流れる電流を検出し、対になって導通制御される2つの半導体スイッチング素子の動作周期期間において、各アームに含まれる半導体スイッチング素子またはダイオードに電流が流れている期間または時間(電流検出期間または電流検出時間)を比較し、比較の対象となる2以上の期間または時間が一致するように導通信号の周波数を変更するように構成する。 In the present invention, a conduction signal generating circuit is included in each arm in the operation cycle period of two semiconductor switching elements that detect the current flowing through the semiconductor switching element or the diode included in each arm and are controlled to conduct in pairs. Compare the period or time (current detection period or current detection time) during which current is flowing in the semiconductor switching element or diode to be changed, and change the frequency of the conduction signal so that two or more periods or times to be compared match To be configured.
ここで動作周期とは、導通信号発生回路が出力する導通信号の周波数の逆数に相当する時間または期間のことをいう。 Here, the operation cycle refers to a time or period corresponding to the reciprocal of the frequency of the conduction signal output from the conduction signal generating circuit.
より具体的な導通信号発生回路は、2以上のアーム回路(例えば単相電源の場合には2つのアーム回路、3相電源の場合には3つのアーム回路)にそれぞれ含まれる半導体スイッチング素子または前記ダイオードを流れる電流を検出する電流検出回路と、対になって導通制御される2つの半導体スイッチング素子の動作周期期間において、2以上の電流検出回路が前記電流を検出している電流検出期間または電流検出時間を比較し、比較の対象となる2以上の電流検出期間または電流検出時間が一致するように導通信号の周波数を変更する周波数変更手段とを備えている。 More specific conduction signal generating circuits include semiconductor switching elements respectively included in two or more arm circuits (for example, two arm circuits in the case of a single-phase power supply and three arm circuits in the case of a three-phase power supply) A current detection period or a current in which two or more current detection circuits detect the current in an operation cycle period of a current detection circuit that detects a current flowing through the diode and two semiconductor switching elements that are conductively controlled in pairs. Frequency detection means for comparing the detection times and changing the frequency of the conduction signal so that two or more current detection periods or current detection times to be compared coincide with each other.
また本発明で用いる別の導通信号発生回路は、直流電源と高周波インバータ回路の2つのアーム回路とを電気的に接続する2本のDCバスラインのうち1本のDCバスラインに対して設けられて高周波インバータ回路に供給される直流電流を検出する第1の電流検出手段及び一方のアーム回路に流れる電流を検出する第2の電流検出手段を備え、2つのアーム回路に含まれる半導体スイッチング素子またはダイオードを流れる電流を検出する電流検出回路と、対になって導通制御される2つの半導体スイッチング素子の動作周期期間において、電流検出回路が2つのアーム回路に含まれる半導体スイッチング素子またはダイオードを流れる電流をそれぞれ検出している電流検出期間または電流検出時間を比較し、比較の対象となる2つの電流検出期間または電流検出時間が一致するように導通信号の周波数を変更する周波数変更手段とを更に備えて構成することができる。なおこの場合には、電流検出回路を、第1の電流検出手段により検出した直流電流から第2の電流検出手段により検出した電流を差し引いたものを2つのアーム回路の他方のアーム回路に含まれる前記半導体スイッチング素子またはダイオードを流れる電流として検出し、第2の電流検出手段により検出した電流を前記一方のアーム回路に含まれる半導体スイッチング素子またはダイオードを流れる電流として検出するように構成することになる。このように1本のDCバスラインに対して2つの電流検出手段を用いると、実際の回路設計において、DCバスラインの長さを短くすることができて、インダクタンスの影響を小さなものとすることができる。 Another conduction signal generating circuit used in the present invention is provided for one DC bus line of two DC bus lines that electrically connect the DC power source and the two arm circuits of the high-frequency inverter circuit. A first current detecting means for detecting a direct current supplied to the high-frequency inverter circuit and a second current detecting means for detecting a current flowing in one arm circuit, or a semiconductor switching element included in the two arm circuits or A current detection circuit for detecting a current flowing through the diode and a current flowing through the semiconductor switching element or the diode included in the two arm circuits in the operation cycle period of the two semiconductor switching elements whose conduction is controlled in pairs Compare the current detection period or current detection time for detecting each of the two currents to be compared. And frequency changing means for changing the frequency of the conduction signals as time or current detection time matched output may be further configured with. In this case, the current detection circuit includes a current obtained by subtracting the current detected by the second current detection means from the direct current detected by the first current detection means in the other arm circuit of the two arm circuits. The current flowing through the semiconductor switching element or the diode is detected, and the current detected by the second current detecting means is detected as the current flowing through the semiconductor switching element or the diode included in the one arm circuit. . When two current detection means are used for one DC bus line in this way, the length of the DC bus line can be shortened in an actual circuit design, and the influence of inductance should be reduced. Can do.
本発明は、負荷の共振周波数と高周波インバータ回路の動作周波数とが一致している状態において、対になって導通制御される2つの半導体スイッチング素子のための導通信号間の位相をシフトすることにより、高周波インバータ回路から負荷に供給される電力を制御する場合には、動作周波数と共振周波数とが一致しているときには、対になって導通制御される2つの半導体スイッチング素子またはダイオードをそれぞれ流れる電流の電流検出期間または電流検出時間が一致し、動作周波数と共振周波数とが一致していないときには、対になって導通制御される2つの半導体スイッチング素子またはダイオードをそれぞれ流れる電流の電流検出期間または電流検出時間が一致しないという現象の発見に基づいてなされたものである。そこで本発明においては、周波数変更手段により、対になって導通制御される2つの半導体スイッチング素子またはダイオードをそれぞれ流れる電流の電流検出期間または電流検出時間を比較し、それらが一致するように導通信号の周波数を変更することにした。その結果、本発明によれば1台の高周波インバータ回路で電力制御だけでなく、周波数制御も、コンバータ及びPLL制御を用いることなく簡単な構成で実現できるようになった。 The present invention shifts the phase between conduction signals for two semiconductor switching elements that are controlled in conduction in a state where the resonant frequency of the load and the operating frequency of the high-frequency inverter circuit match. When controlling the power supplied to the load from the high-frequency inverter circuit, when the operating frequency and the resonance frequency coincide with each other, the currents flowing through the two semiconductor switching elements or diodes that are controlled to conduct in pairs When the current detection period or current detection time of the two currents coincides and the operating frequency and the resonance frequency do not coincide, the current detection period or current of the current flowing through the two semiconductor switching elements or diodes that are controlled to conduct in pairs This is based on the discovery of a phenomenon that the detection times do not match. Therefore, in the present invention, the current detection periods or the current detection times of the currents flowing through the two semiconductor switching elements or diodes controlled in pairs by the frequency changing means are compared, and the conduction signal is set so that they match. Decided to change the frequency. As a result, according to the present invention, not only power control but also frequency control can be realized with a simple configuration without using a converter and PLL control with a single high-frequency inverter circuit.
なお単相の高周波インバータ装置を構成するのであれば、2つのアーム回路を用いて高周波インバータ回路を構成し、各アーム回路に対して電流検出手段を設けるのが簡単である。 If a single-phase high-frequency inverter device is configured, it is easy to configure a high-frequency inverter circuit using two arm circuits and provide a current detection means for each arm circuit.
なお導通信号発生回路としては、制御信号により発振周波数が変更される制御発振器を含み、制御発信器の出力に基づいて導通信号を出力するように構成されたものを用いることができる。その場合、周波数変更手段は、電流検出期間または電流検出時間を比較し、比較結果に応じた比較信号を出力する比較手段と、比較信号に基づいて制御信号を生成する制御信号生成手段とを備えた構成とすることができる。このような構成によれば、簡単な構成で、比較結果を得て、しかも導通信号の周波数を変更することができる。この場合、例えば、制御発振器は電圧制御発振器から構成することができる。そして比較回路は、比較信号が電圧の変化により比較結果を示すように構成し、比較信号がローパスフィルタを通して電圧制御発振器に与えられるようにするのが好ましい。このような構成を採用すると、現段階では最も安価且つ簡単に導通信号発生回路を構成することができる。 As the conduction signal generation circuit, a circuit including a control oscillator whose oscillation frequency is changed by a control signal and configured to output a conduction signal based on the output of the control oscillator can be used. In this case, the frequency changing unit includes a comparison unit that compares a current detection period or a current detection time and outputs a comparison signal according to the comparison result, and a control signal generation unit that generates a control signal based on the comparison signal. Can be configured. According to such a configuration, a comparison result can be obtained with a simple configuration, and the frequency of the conduction signal can be changed. In this case, for example, the controlled oscillator can be composed of a voltage controlled oscillator. The comparison circuit is preferably configured so that the comparison signal indicates a comparison result by a change in voltage, and the comparison signal is preferably supplied to the voltage controlled oscillator through a low-pass filter. By adopting such a configuration, the conduction signal generating circuit can be configured most inexpensively and easily at the present stage.
なお単相の高周波インバータ装置の場合には、電流検出手段を2つのアーム回路に流れる電流を検出する2つの電流センサと、2つの電流センサのそれぞれの出力の一方の極性信号(正または負の極性の信号波形)の発生期間または発生時間を電流検出期間または電流検出時間として出力する変換手段とを備えた構造とするのが好ましい。 In the case of a single-phase high-frequency inverter device, the current detection unit detects two current sensors that detect currents flowing in the two arm circuits, and one polarity signal (positive or negative) of each output of the two current sensors. It is preferable to have a structure including conversion means for outputting the generation period or generation time of the polarity signal waveform) as the current detection period or current detection time.
本発明によれば、1台の高周波インバータ装置で同時に電力制御と周波数制御とを行うことが可能になり、装置全体の小型・軽量化、低コスト化を簡単に実現することができる。 According to the present invention, it is possible to perform power control and frequency control simultaneously with a single high-frequency inverter device, and it is possible to easily realize downsizing, weight reduction, and cost reduction of the entire device.
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。本発明のコア技術である負荷変動追尾周波数制御は、フルブリッジ形の位相シフト高周波インバータに対して適用される。そこで最初に、位相シフト型の高周波インバータ回路の動作原理について簡単に説明する。図1は、非特許文献3により公知になった位相シフト型の高周波インバータ回路の構成を示している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The load fluctuation tracking frequency control which is the core technology of the present invention is applied to a full bridge type phase shift high frequency inverter. First, the operation principle of the phase shift type high frequency inverter circuit will be briefly described. FIG. 1 shows the configuration of a phase shift type high-frequency inverter circuit that has become known from Non-Patent
図1において、位相シフト型の高周波インバータ回路1は、ダイオードD1〜D4が逆並列接続された2つの半導体スイッチイング素子S1及びS2またはS3及びS4が直列接続されてなる2つのアーム回路2及び3が並列接続されたブリッジ回路によって構成されている。実際には、一つの半導体スイッチング素子にダイオードが逆並列接続された電力半導体スイッチ(Q1〜Q4)を用いている。電力半導体スイッチQ1〜Q4としては、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),MOSFET(Metal−Oxide Semiconductor Field−Effect Transistor),SIT(Static Induction Transistor)等を用いることができる。符号Edで示した部材は、直流電源であり、この直流電源は単相あるいは三相の交流入力を整流して直流電力を発生する。a及びbは、それぞれインバータ回路1の出力端子であり、この出力端子a及びbにはインダクタLo、キャパシタCs、交流電力を消費する抵抗Roで構成された負荷直列共振回路4が接続されている。なお負荷が誘導加熱負荷の場合、その等価回路はインダクタLo及び抵抗Roの直列回路で表される。
In FIG. 1, a phase shift type high
図1に示すとおり、電力用半導体デバイスQ1〜Q4によってフルブリッジ回路が構成されている。S1〜S4の半導体スイッチング素子は、導通信号としてのゲート電圧(vG1〜vG4)によってオン・オフ制御される。ゲート電圧が入力されているときに、半導体スイッチング素子S1〜S4がオン状態となる。図2は位相シフト高周波インバータを動作させるためのゲート電圧(導通信号)、インバータ出力電圧vab、インバータ出力電流io、各半導体スイッチング素子に流れる電流i1〜i4の波形を表している。 As shown in FIG. 1, the power semiconductor devices Q1 to Q4 constitute a full bridge circuit. The semiconductor switching elements S1 to S4 are on / off controlled by gate voltages (v G1 to v G4 ) as conduction signals. When the gate voltage is input, the semiconductor switching elements S1 to S4 are turned on. FIG. 2 shows waveforms of a gate voltage (conduction signal) for operating the phase shift high-frequency inverter, an inverter output voltage v ab , an inverter output current i o , and currents i 1 to i 4 flowing through the semiconductor switching elements.
インバータ出力端子間a−bに電圧vabが出力される条件は、
1.S1とS4にゲート電圧(vG1,vG4)が同時に入力されていること
2.S2とS3にゲート電圧(vG2,vG3)が同時に入力されていること
である。それ以外の状態(以下の3〜5)ではインバータ出力端に電圧は出力されない。
The condition for outputting the voltage v ab between the inverter output terminals ab is as follows:
1. 1. Gate voltages (v G1 , v G4 ) are simultaneously input to S1 and S4. That is, gate voltages (v G2 , v G3 ) are simultaneously input to S2 and S3. In other states (3 to 5 below), no voltage is output to the inverter output terminal.
3.S1〜S4のいずれか1つのみにゲート電圧が入力されている
4.S1とS3にゲート電圧(vG1,vG3)が同時に入力されている
5.S2とS4にゲート電圧(vG2,vG4)が同時に入力されている
位相シフト型高周波インバータ回路では、ゲート電圧vG1とvG4の間に時間差PDを与えており、同時にvG2とvG3の間にも時間差PDを与えている。時間差PDが大きいほど、vG1とvG4またvG2とvG3が同時に入力されている期間Twが短くなり、インバータ出力電圧の実効値が小さくなり、出力電力が減少する。逆に時間差PDが小さいほどTwが長くなり、インバータ出力電圧の実効値が大きくなり、出力電力が増大する。本願明細書では、このゲート電圧を半導体スイッチング素子に入力するタイミングの時間差PDを位相差と呼ぶ。この位相差により出力電圧の幅Twが変化するため、位相シフトPWM(Pulse Width Modulation)高周波インバータとも呼ばれる(電気学会高周波共振形スイッチング電源方式と応用技術調査専門委員会編:電気学会技術報告「高周波共振形スイッチング電源方式と応用技術の動向」、1992年11月、pp.22−23s参照)。
3. 3. The gate voltage is input to only one of S1 to S4. 4. Gate voltages (v G1 , v G3 ) are simultaneously input to S1 and S3. In the phase shift type high frequency inverter circuit in which the gate voltages (v G2 , v G4 ) are simultaneously input to S2 and S4, a time difference PD is given between the gate voltages v G1 and v G4 , and v G2 and v G3 are simultaneously generated. A time difference PD is also given between the two. The larger the time difference PD, the shorter the period Tw in which v G1 and v G4 or v G2 and v G3 are simultaneously input, the smaller the effective value of the inverter output voltage, and the lower the output power. Conversely, the smaller the time difference PD is, the longer Tw is, the effective value of the inverter output voltage is increased, and the output power is increased. In the present specification, the time difference PD of the timing at which this gate voltage is input to the semiconductor switching element is called a phase difference. Since the output voltage width Tw changes due to this phase difference, it is also called a phase shift PWM (Pulse Width Modulation) high-frequency inverter (Electrical Society High Frequency Resonance Switching Power Supply System and Applied Technology Research Special Committee Edition: IEEJ Technical Report “High Frequency Trends of Resonant Switching Power Supply Systems and Applied Technologies, "November 1992, pp. 22-23s).
この位相シフト型の高周波インバータ回路の動作周波数を負荷共振周波数に一致させて駆動すると、図2のような負荷電流ioが流れる。各半導体スイッチング素子に流れる電流波形i1〜i4は、この負荷電流をゲート電圧によって切り出した波形となる。 When the operation frequency of this phase shift type high frequency inverter circuit is driven to coincide with the load resonance frequency, a load current io as shown in FIG. 2 flows. The current waveforms i 1 to i 4 flowing through the semiconductor switching elements are waveforms obtained by cutting out the load current with the gate voltage.
まず、電流波形i1(i2)について詳述する。半導体スイッチング素子S2(S1)に電流が流れているときに、半導体スイッチング素子S2(S1)をターンオフすると、電流は瞬時にダイオードD1(D2)に転流する。ダイオードD1(D2)が導通している間にゲート電圧vG1(vG2)を半導体スイッチング素子S1(S2)に入力しておくと、電流共振により半導体スイッチング素子S1(S2)に電流が流れ始める。このように、半導体スイッチング素子S1/ダイオードD1(または半導体スイッチング素子S2/ダイオードD2)では、先にダイオードが導通し、後から半導体スイッチング素子が導通する動作状態となる。これを「電流遅れ動作」ともいう。 First, the current waveform i 1 (i 2 ) will be described in detail. If the semiconductor switching element S2 (S1) is turned off while a current is flowing through the semiconductor switching element S2 (S1), the current is instantaneously commutated to the diode D1 (D2). If the gate voltage v G1 (v G2 ) is input to the semiconductor switching element S1 (S2) while the diode D1 (D2) is conducting, current starts to flow through the semiconductor switching element S1 (S2) due to current resonance. . Thus, the semiconductor switching element S1 / diode D1 (or the semiconductor switching element S2 / diode D2) is in an operating state in which the diode is first conducted and the semiconductor switching element is subsequently conducted. This is also referred to as “current delay operation”.
次に電流波形i3(i4)について説明する。ダイオードD4(D3)に電流が流れている間に半導体スイッチング素子S3(S4)にゲート電圧VG3(VG4)を入力すると、ダイオードD4(D3)の電流は瞬時に半導体スイッチング素子S3(S4)に転流する。半導体スイッチング素子S3(S4)を流れる電流は共振状に変化し、半導体スイッチング素子S3(S4)の電流がゼロになった後にダイオードD3(D4)に電流が流れ始める。そしてダイオードD3(D4)が導通している間にゲート電圧vG3(vG4)を0にする。このように、半導体スイッチング素子S3/ダイオードD3(半導体スイッチング素子S4/ダイオードD4)では、半導体スイッチング素子に電流が流れた後にダイオードに電流が流れる動作状態となる。これを「電流進み動作」ともいう。 Next, the current waveform i 3 (i 4 ) will be described. When the gate voltage V G3 (V G4 ) is input to the semiconductor switching element S3 (S4) while the current flows through the diode D4 (D3), the current of the diode D4 (D3) instantaneously changes to the semiconductor switching element S3 (S4). To commutate. The current flowing through the semiconductor switching element S3 (S4) changes in a resonant manner, and the current starts to flow through the diode D3 (D4) after the current of the semiconductor switching element S3 (S4) becomes zero. The gate voltage v G3 (v G4 ) is set to 0 while the diode D3 (D4) is conducting. As described above, the semiconductor switching element S3 / diode D3 (semiconductor switching element S4 / diode D4) is in an operation state in which a current flows through the diode after a current flows through the semiconductor switching element. This is also referred to as “current advance operation”.
位相シフト型の高周波インバータ回路1を負荷共振周波数で動作させると、半導体スイッチング素子の動作が「電流遅れ動作」と「電流進み動作」に分かれることが特徴となる。
When the phase shift type high
図3は電流波形のみを抜き出した波形図である。図3を注意深く観察すると、ダイオードD1がオン状態の時間Td1とダイオードD4がオン状態の時間Td4はほぼ等しい。このことはダイオードD2とダイオードD3についても同様である。 FIG. 3 is a waveform diagram in which only the current waveform is extracted. When carefully observing FIG. 3, the time Td1 during which the diode D1 is on and the time Td4 during which the diode D4 is on are approximately equal. The same applies to the diode D2 and the diode D3.
動作周波数fo=負荷共振周波数frの状態から、負荷変動等の原因により、負荷共振周波数が低くなった場合(fo≧fr)の電流波形が図4である。ダイオードD1がオン状態の時間Td1に比べ、ダイオードD4がオン状態のTd4が長くなっているのがわかる。また動作周波数fo≦負荷共振周波数frとなった場合、電流波形が図5のようになり、Td1≧Td4となる。これらの状態から動作周波数を負荷共振周波数に再度一致させると、Td1,Td4の絶対値こそ変化するが、Td1=Td4の状態になる。 FIG. 4 shows a current waveform when the load resonance frequency is lowered (fo ≧ fr) from the state where the operating frequency fo = the load resonance frequency fr due to load fluctuation or the like. It can be seen that Td4 when the diode D4 is on is longer than the time Td1 when the diode D1 is on. When the operating frequency fo ≦ the load resonance frequency fr, the current waveform is as shown in FIG. 5 and Td1 ≧ Td4. If the operating frequency is again matched with the load resonance frequency from these states, the absolute values of Td1 and Td4 change, but Td1 = Td4.
このことから、位相シフト型の高周波インバータ回路では、動作周波数が負荷直列共振周波数と一致していないときは、図4、図5のように各ダイオードを導通する時間に差が生じ、一致しているときは図3のように各ダイオードを電流が流れる時間が等しくなる。更にこの考えを延長し、制御に応用すると、常にTd1=Td4となるよう動作周波数を制御すれば、必ず動作周波数と負荷共振周波数が一致すること(負荷変動追従すること)になる。 Therefore, in the phase shift type high frequency inverter circuit, when the operating frequency does not coincide with the load series resonance frequency, a difference occurs in the time for conducting each diode as shown in FIGS. When this is the case, the current flows through each diode as shown in FIG. Further, when this idea is extended and applied to control, if the operating frequency is always controlled so that Td1 = Td4, the operating frequency and the load resonance frequency always coincide (follow the load fluctuation).
本発明はこの原理に基づき、ダイオード(または半導体スイッチング素子)を電流が流れる時間Td1,Td4をサンプリングし、これらを比較することで高周波インバータの動作周波数を制御するという、従来に無い新しいコンセプトに立脚するものである。 Based on this principle, the present invention is based on a new concept that does not exist in the past, which samples the times Td1 and Td4 during which current flows through a diode (or a semiconductor switching element) and compares them to control the operating frequency of the high-frequency inverter. To do.
例えば、半導体スイッチング素子S1/ダイオードD1,半導体スイッチング素子S4/ダイオードD4に流れる電流波形について着目すると、Td1≦Td4であれば動作周波数が負荷共振周波数より低い状態であることがわかるため、動作周波数を低くすれば良い。逆にTd1≧Td4であれば動作周波数が負荷共振周波数より高くなっていることがわかり、動作周波数を低くすれば良いことになる。なお、説明ではTd1とTd4の比較方法を提示したが、基本的には、半導体スイッチング素子S1〜S4または逆並列ダイオードD1〜D4を流れる電流波形を2カ所サンプリングすることで実現できる。 For example, paying attention to the current waveform flowing through the semiconductor switching element S1 / diode D1 and the semiconductor switching element S4 / diode D4, it can be seen that if Td1 ≦ Td4, the operating frequency is lower than the load resonance frequency. Lower it. Conversely, if Td1 ≧ Td4, it can be seen that the operating frequency is higher than the load resonance frequency, and the operating frequency can be lowered. In the description, a method of comparing Td1 and Td4 has been presented, but basically, it can be realized by sampling the current waveform flowing through the semiconductor switching elements S1 to S4 or the antiparallel diodes D1 to D4 at two locations.
後に説明するように、電流検出手段としての電流センサで電流をサンプリングする対象となる半導体デバイスの組み合わせは以下の通りである。 As will be described later, combinations of semiconductor devices to be subjected to current sampling by a current sensor as current detection means are as follows.
a)D1とD4
b)D2とD3
c)D1とD3
d)D2とD4
e)S1とS4
f)S2とS3
g)S1とS3
h)S2とS4
a)〜h)のいずれかの組み合わせで電流をサンプリングし、以下に示す(1)〜(8)の関係式のいずれか1つが成立すれば本発明の負荷追従制御が可能になる。
a) D1 and D4
b) D2 and D3
c) D1 and D3
d) D2 and D4
e) S1 and S4
f) S2 and S3
g) S1 and S3
h) S2 and S4
When the current is sampled by any combination of a) to h) and any one of the following relational expressions (1) to (8) is established, the load follow-up control of the present invention is possible.
Td1−Td4=0…(1)
Td2−Td3=0…(2)
Td1−Td3=0…(3)
Td2−Td4=0…(4)
Ts1−Ts4=0…(5)
Ts2−Ts3=0…(6)
Ts1−Ts3=0…(7)
Ts2−Ts4=0…(8)
上記式において、Td1〜Td4は、ダイオードD1〜D4が導通している期間または時間であり、Ts1〜Ts4は半導体スイッチング素子が導通している期間または時間である。
Td1-Td4 = 0 (1)
Td2-Td3 = 0 (2)
Td1-Td3 = 0 (3)
Td2-Td4 = 0 (4)
Ts1-Ts4 = 0 (5)
Ts2-Ts3 = 0 (6)
Ts1-Ts3 = 0 (7)
Ts2-Ts4 = 0 (8)
In the above formula, Td1 to Td4 are periods or times when the diodes D1 to D4 are conducting, and Ts1 to Ts4 are periods or times when the semiconductor switching element is conducting.
後に説明するように、本発明の第1のポイントは、「半導体デバイス(ダイオードまたは半導体スイッチング素子)を電流が流れる期間または時間を検出し、これを比較することで動作周波数を制御する」ことであり、本願明細書ではこれを導通時間均衡化制御(CTBC: Conduction Time Balanced Control)という。 As will be described later, the first point of the present invention is to control the operating frequency by detecting the period or time during which a current flows through a semiconductor device (diode or semiconductor switching element) and comparing it. In the present specification, this is referred to as conduction time balanced control (CTBC).
上記式(1)〜(8)からわかるように、導通時間均衡化制御では、各半導体デバイスを導通する時間の差だけを情報として取り出しているため、半導体デバイスを電流が流れる時間が何μsかは問わない。この点が本発明の第2のポイントである。 As can be seen from the above equations (1) to (8), in the conduction time balancing control, only the difference in the conduction time of each semiconductor device is taken out as information, so how many μs the current flows through the semiconductor device. Does not matter. This is the second point of the present invention.
先にも詳述した通り、位相シフト型の高周波インバータ回路は、ゲート電圧に与える位相差の大小により出力電力の制御を行う。この制御方式では、電力の制御状態(位相差の大小)によって各半導体デバイスを導通する時間の絶対値(たとえば、Td1,Td4)は変化する。しかしながら、fo=frである限り、導通時間の差はゼロのままである。これが本発明の第3のポイントである。つまり、位相シフトによる出力電力制御の状態はCTBCによる動作周波数制御の状態に影響を与えないことになる。したがって、CTBCによる動作周波数の負荷共振周波数追尾制御を行っているときであっても、高周波インバータ回路は位相シフト制御により自由に出力電力の制御が可能になる。 As described in detail above, the phase shift type high frequency inverter circuit controls the output power by the magnitude of the phase difference applied to the gate voltage. In this control method, the absolute value (for example, Td1, Td4) of the time during which each semiconductor device is conducted changes depending on the power control state (phase difference). However, as long as fo = fr, the conduction time difference remains zero. This is the third point of the present invention. That is, the state of output power control by phase shift does not affect the state of operation frequency control by CTBC. Therefore, even when load resonance frequency tracking control of the operating frequency by CTBC is performed, the high frequency inverter circuit can freely control the output power by phase shift control.
以上のことから、位相シフト高周波インバータに導通時間均衡化制御を適用することにより、1台の高周波インバータ装置で「負荷変動追尾周波数制御」と「出力電力制御」が同時に実現可能になる。 From the above, by applying conduction time balancing control to the phase shift high frequency inverter, it is possible to simultaneously realize “load fluctuation tracking frequency control” and “output power control” with one high frequency inverter device.
図6に、本発明の具体的な実施例の一例の基本ブロック図を示す。図6から分かるように、この実施例では、制御回路内での信号ループは無い。図6においては、CTBCは導通時間均衡化制御回路であり、CTCは導通時間比較器、LFはローパスフィルタ、VCOは電圧制御発振器である。図7は、実際に試作した位相シフト型高周波インバータ装置の実験回路及びその制御系のブロックダイアグラムである。図8は、図7のブロックダイアグラムの各部における信号波形のタイミングチャートである。なお図8に付した数字1〜14は、図7の各部に付した数字1〜14の部分に発生する信号であること意味している。 FIG. 6 shows a basic block diagram of an example of a specific embodiment of the present invention. As can be seen from FIG. 6, there is no signal loop in the control circuit in this embodiment. In FIG. 6, CTBC is a conduction time balancing control circuit, CTC is a conduction time comparator, LF is a low-pass filter, and VCO is a voltage controlled oscillator. FIG. 7 is a block diagram of an experimental circuit and its control system of a phase-shift type high-frequency inverter device actually fabricated. FIG. 8 is a timing chart of signal waveforms in each part of the block diagram of FIG. In addition, the numbers 1-14 attached | subjected to FIG. 8 mean that it is a signal generate | occur | produced in the part of the numbers 1-14 attached | subjected to each part of FIG.
図7の構成では、半導体デバイスQ1〜Q4に絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(一般にIGBTと呼ばれる)を使用している。そして半導体スイッチング素子S1/ダイオードD1の電流岐路に電流検出手段として電流センサCT1を取り付け、半導体スイッチング素子S4/ダイオードD4の電流岐路に電流センサCT2を取り付けている。この実施例では、電流センサCT1及びCT2を用いてサンプリングされる検出電流(図8の信号「1」及び「2」参照)を、ダイオードD11及びD12を通すことで検出電流のうち負の部分だけを情報源として取り出している(図8の信号「3」「4」参照)。次に、この電流を、A/D変換器AD1及びAD2を通してパルス状の電圧信号に変換する(図8の信号「5」「6」を参照)。本実施例では、電流センサCT1及びCT2と、ダイオードD11及びD12とA/D変換器AD1及びAD2とにより、電流検出回路が構成されている。そして比較回路CCで、2つのパルス電圧信号を比較(図8の比較回路出力信号「7」参照)した後、ローパスフィルタLFを通して平滑する(図8の信号「8」参照)。ここでA/D変換器AD1の出力(図8の「5」参照)の信号よりA/D変換器AD2の出力(図8の信号「6」参照)の信号が長い場合は基準電圧より高い電圧(図8の「8」参照)が出力される。そしてA/D変換器AD1の出力(図8の信号「5」参照)の信号がA/D変換器AD2の出力(図8の信号「6」参照)の信号より長い場合は、基準電圧より低い電圧(図8の信号「8」参照)が出力される。これにより、電圧制御発振器VCOの発振周波数(図8の信号「9」参照)が変化・制御される。そして位相シフト制御回路PSC内で、各半導体スイッチング素子S1〜S4に与えられる各ゲートパルスに位相差が与えられる(図8の信号「10」参照)。そしてデッドタイム挿入回路DTI1〜DTI4を通して各半導体スイッチング素子S1〜S4に導通信号が入力される(図8の信号「11」〜「14」参照)。なおここで挿入されるデッドタイムは、図1及び図2で説明した公知の構成でも採用しているもので、半導体スイッチング素子S1とS2及び半導体スイッチング素子S3とS4が同時にオン状態となるいことで発生する短絡事故の発生を防ぐ目的で挿入されているものである。したがって本願発明を実施する場合には、任意に採用できるものであって、デッドタイムを設けることは必須の要件ではない。 In the configuration of FIG. 7, insulated gate bipolar transistors (generally called IGBTs) are used for the semiconductor devices Q1 to Q4. A current sensor CT1 is attached as a current detection means to the current branch of the semiconductor switching element S1 / diode D1, and a current sensor CT2 is attached to the current branch of the semiconductor switching element S4 / diode D4. In this embodiment, only the negative part of the detected current is detected by passing the detected current sampled using the current sensors CT1 and CT2 (see signals “1” and “2” in FIG. 8) through the diodes D11 and D12. As an information source (see signals “3” and “4” in FIG. 8). Next, this current is converted into a pulsed voltage signal through the A / D converters AD1 and AD2 (see signals “5” and “6” in FIG. 8). In this embodiment, the current sensors CT1 and CT2, diodes D11 and D12, and A / D converters AD1 and AD2 constitute a current detection circuit. Then, the comparison circuit CC compares the two pulse voltage signals (see the comparison circuit output signal “7” in FIG. 8) and then smoothes them through the low-pass filter LF (see the signal “8” in FIG. 8). Here, when the signal of the output of the A / D converter AD2 (see signal “6” in FIG. 8) is longer than the signal of the output of the A / D converter AD1 (see “5” in FIG. 8), it is higher than the reference voltage. The voltage (see “8” in FIG. 8) is output. When the signal of the output of the A / D converter AD1 (see signal “5” in FIG. 8) is longer than the signal of the output of the A / D converter AD2 (see signal “6” in FIG. 8), the reference voltage is used. A low voltage (see signal “8” in FIG. 8) is output. As a result, the oscillation frequency of the voltage controlled oscillator VCO (see signal “9” in FIG. 8) is changed and controlled. In the phase shift control circuit PSC, a phase difference is given to each gate pulse given to each of the semiconductor switching elements S1 to S4 (see signal “10” in FIG. 8). Then, conduction signals are input to the semiconductor switching elements S1 to S4 through the dead time insertion circuits DTI1 to DTI4 (see signals “11” to “14” in FIG. 8). The dead time inserted here is also used in the known configuration described with reference to FIGS. 1 and 2, and the semiconductor switching elements S1 and S2 and the semiconductor switching elements S3 and S4 should not be turned on simultaneously. It is inserted for the purpose of preventing the occurrence of short circuit accidents that occur in Therefore, when implementing this invention, it can employ | adopt arbitrarily and providing a dead time is not an essential requirement.
図9〜図13は模擬負荷を用いて行った実験時の電圧・電流波形である。負荷インダクタンスLo(図1参照)の変化による負荷共振周波数の変化を模擬するため、パンケーキ形ワーキングコイルに高透磁率のフェライトを複数個近づけたり遠ざけたりして試験を行った。図9は実験初期条件における波形を表しており、Ed=100V、Lo=67μH、Ro=3.3Ω、Cs=0.6μF、位相角45°(=360・PD・fo)であり、動作周波数(fo)と負荷共振周波数(fr=25.0kHz)が一致している。この状態からフェライトを取り除いてインダクタンスLoを約2/3の46μHに変化させたのが図10,図11である。 9 to 13 are voltage / current waveforms during an experiment performed using a simulated load. In order to simulate the change in the load resonance frequency due to the change in the load inductance Lo (see FIG. 1), a test was conducted with a plurality of high permeability ferrites approaching or moving away from the pancake-type working coil. FIG. 9 shows a waveform in the initial condition of the experiment, Ed = 100V, Lo = 67 μH, Ro = 3.3Ω, Cs = 0.6 μF, phase angle 45 ° (= 360 · PD · fo), and operating frequency. (Fo) and the load resonance frequency (fr = 25.0 kHz) coincide. FIGS. 10 and 11 show that the ferrite Lo is removed from this state and the inductance Lo is changed to 46 μH, which is about 2/3.
図10は本願発明による周波数制御を実施した場合の電圧・電流波形であり、図11では周波数制御が導入されていない場合の電圧と電流の波形を表している。インダクタンスLoの減少とともに、負荷共振周波数が高くなっており(fr=30.3kHz)、これを受けて制御を行った場合には、foが25.0kHzから30.3kHzへと制御されている(図10参照)。その結果、電圧・電流の動作波形は相似形を保っている。一方、制御をしない場合では(図11参照)、foとfrとにずれが生じ、電圧・電流波形が図5で見たのと同じように変化している。 FIG. 10 shows voltage / current waveforms when frequency control according to the present invention is performed, and FIG. 11 shows voltage and current waveforms when frequency control is not introduced. As the inductance Lo decreases, the load resonance frequency increases (fr = 30.3 kHz). When control is performed in response to this, fo is controlled from 25.0 kHz to 30.3 kHz ( (See FIG. 10). As a result, the operation waveforms of voltage and current are similar. On the other hand, when the control is not performed (see FIG. 11), a difference occurs between fo and fr, and the voltage / current waveforms change in the same manner as those shown in FIG.
次に図9の状態からフェライトを増やしてインダクタンスLoを約3/2倍の100μHに変化させたのが図12,図13である。図12は本願発明による周波数制御を実施した場合の電圧・電流波形であり、図13では周波数制御が導入されていない場合の電圧と電流の波形を表している。インダクタンスLoの増加とともに、負荷共振周波数が低くなっており(fr=20.5kHz)、これを受けて制御を行った場合には、foが25.0kHzから20.5kHz前後へと制御されている(図12参照)。その結果、電圧・電流の動作波形は相似形を保っている。一方、制御をしない場合では(図13参照)、foとfrとにずれが生じ、電圧・電流波形が図4で見たのと同じように変化している。 Next, FIGS. 12 and 13 show that the ferrite Lo is increased from the state of FIG. 9 to change the inductance Lo to 100 μH, which is about 3/2 times. FIG. 12 shows voltage / current waveforms when frequency control according to the present invention is performed, and FIG. 13 shows voltage and current waveforms when frequency control is not introduced. As the inductance Lo increases, the load resonance frequency decreases (fr = 20.5 kHz). When control is performed in response to this, fo is controlled from 25.0 kHz to around 20.5 kHz. (See FIG. 12). As a result, the operation waveforms of voltage and current are similar. On the other hand, when the control is not performed (see FIG. 13), a difference occurs between fo and fr, and the voltage / current waveform changes in the same manner as seen in FIG.
このように負荷共振周波数を追尾しているかどうかは、出力電力の大きさに影響してくる。図14はその一例である。負荷インダクタンスを変化させる前の初期条件に比べ、変化後の「制御無し」では電力が下がっているが、「制御有り」ではほぼ同一の電力を保っていることがわかる。 Whether or not the load resonance frequency is tracked in this way affects the magnitude of the output power. FIG. 14 shows an example. Compared to the initial condition before changing the load inductance, it can be seen that the power is decreased in the “no control” after the change, but the same power is maintained in the “control”.
ここで電流のサンプリング方法について考える。電力半導体スイッチQ3(S3/D3)及び電力半導体スイッチQ4(S4/D4)のように電流進み動作のスイッチでは、配線のインダクタンス成分が動作に影響することは無い。一方で電力半導体スイッチQ1(S1/D1)及び電力半導体スイッチQ2(S2/D2)のように電流遅れ動作のスイッチでは、そのスイッチに対して等価直列の配線のインダクタンス成分が大きくなると、ターンオフ時のサージ電圧が大きくなり、電力半導体スイッチ(半導体スイッチング素子)の耐電圧を超えるおそれがある。 Now consider the current sampling method. In the current advance operation switch such as the power semiconductor switch Q3 (S3 / D3) and the power semiconductor switch Q4 (S4 / D4), the inductance component of the wiring does not affect the operation. On the other hand, in a current delayed operation switch such as the power semiconductor switch Q1 (S1 / D1) and the power semiconductor switch Q2 (S2 / D2), when the inductance component of the equivalent series wiring with respect to the switch increases, The surge voltage may increase and exceed the withstand voltage of the power semiconductor switch (semiconductor switching element).
先に示した電流のサンプリング方法a)〜h)では、電流遅れ動作となる電力半導体スイッチQ1(S1/D1)及び電力半導体スイッチQ2(S2/D2)に流れる電流をサンプリングする必要がある。例えば、半導体スイッチング素子S1またはダイオードD1の電流をサンプリングする場合、DCバスラインの+側と電力半導体スイッチQ1との間に電流センサを取り付けなければならない。このとき、DCバスラインからQ1までの間に配線によるインダクタンス成分が発生する。同様に、半導体スイッチング素子S2またはダイオードD2の電流をサンプリングする場合、DCバスラインのGND側と電力半導体スイッチQ2との間に電流センサを取り付けなければならい。このため、DCバスラインから電力半導体スイッチQ2までの間に配線によるインダクタンス成分が発生する。したがって、本発明を実施するにあたっては、電力半導体Q1またはQ2に電流センサを取り付けるための配線を極力短くし、配線のインダクタンスを極小化することが望ましい。 In the current sampling methods a) to h) described above, it is necessary to sample the current flowing through the power semiconductor switch Q1 (S1 / D1) and the power semiconductor switch Q2 (S2 / D2) that are in a current delay operation. For example, when sampling the current of the semiconductor switching element S1 or the diode D1, a current sensor must be attached between the + side of the DC bus line and the power semiconductor switch Q1. At this time, an inductance component is generated by wiring between the DC bus line and Q1. Similarly, when the current of the semiconductor switching element S2 or the diode D2 is sampled, a current sensor must be attached between the GND side of the DC bus line and the power semiconductor switch Q2. For this reason, an inductance component is generated by wiring between the DC bus line and the power semiconductor switch Q2. Therefore, in carrying out the present invention, it is desirable to shorten the wiring for attaching the current sensor to the power semiconductor Q1 or Q2 as much as possible to minimize the inductance of the wiring.
また、DCバスラインは直線状である方が作りやすいが、電流遅れ動作スイッチと電流進みスイッチの電流をサンプリングする場合、まっすぐのバスバーを利用することができない。このため図15のように、電流センサCT2を配置する場合には、一部の配線を迂回させるようにする必要性がある。しかしながら、既存の高周波インバータで図15のようにバスバーを変更することが難しい場合や、何らかの理由により、電力半導体スイッチQ1またはQ2に電流センサを取り付けることが困難な場合は次に示す手法を採用する。 Moreover, although it is easier to make a DC bus line in a straight line shape, when sampling the current of the current delay operation switch and the current advance switch, a straight bus bar cannot be used. For this reason, as shown in FIG. 15, when the current sensor CT2 is arranged, it is necessary to bypass a part of the wiring. However, if it is difficult to change the bus bar as shown in FIG. 15 with an existing high-frequency inverter, or if it is difficult to attach a current sensor to the power semiconductor switch Q1 or Q2 for some reason, the following method is adopted. .
例えば、電力半導体スイッチQ1とQ3の電流をサンプリングする場合(組み合わせパターンは上記c)とg)、関係式は上記(3)と(7))について考える。図1に示すように、DCバスラインのプラス側を流れる電流をidhigh、DCバスラインのGND側を流れる電流をidlowとして表す。このとき、DCバスラインを流れる電流idhighと電力半導体スイッチQ1を流れる電流i1、電力半導体スイッチQ3を流れる電流i3の間にはキルヒホッフの電流則が成立するため、次式の関係がある。 For example, when the currents of the power semiconductor switches Q1 and Q3 are sampled (combination patterns are c) and g), the relational expressions are considered (3) and (7)). As shown in FIG. 1, the current flowing through the positive side of the DC bus line is expressed as id high and the current flowing through the GND side of the DC bus line is expressed as id low . At this time, Kirchhoff's current law is established between the current id high flowing through the DC bus line, the current i1 flowing through the power semiconductor switch Q1, and the current i3 flowing through the power semiconductor switch Q3.
idhigh=i1+i3…(9)
したがって電力半導体スイッチQ1を流れる電流i1は
i1=idhigh−i3…(10)
これを応用すると次の方法が見つかる。電流センサCT1はDCバスラインのプラス側と電力半導体スイッチQ3をサンプリングするよう取り付ける。idhighとi3の波形の差分はi1となるから、この差分波形とi3の波形を周波数制御のための情報として用いることができる。この考え方を適用すると、電流センサによりサンプリングする対象は先に述べたa)〜h)以外に、以下の組み合わせがあげられる。
id high = i1 + i3 (9)
Therefore, the current i1 flowing through the power semiconductor switch Q1 is i1 = id high −i3 (10)
Applying this, the following method can be found. The current sensor CT1 is attached so as to sample the positive side of the DC bus line and the power semiconductor switch Q3. Since the difference between the id high and i3 waveforms is i1, this difference waveform and the i3 waveform can be used as information for frequency control. When this concept is applied, the following combinations can be raised in addition to the above-mentioned a) to h) for sampling by the current sensor.
i)DChighとS3
j)DChighとD3
k)DChighとS4
l)DChighとD4
m)DClowとS3
n)DClowとD3
o)DClowとS4
p)DClowとD4
ただしDChighはDCバスラインのプラス側の配線であり、DClowはDCバスラインのGND側の配線をそれぞれ表す。この方法により、電流センサCT1及びCT2の取り付け位置を図16の例のようにすることが可能となり、DCバスラインはDChigh、DClowともに直線状のバスバーを利用することが可能となる。
i) DC high and S3
j) DC high and D3
k) DC high and S4
l) DC high and D4
m) DC low and S3
n) DC low and D3
o) DC low and S4
p) DC low and D4
However, DC high is a wiring on the plus side of the DC bus line, and DC low represents a wiring on the GND side of the DC bus line. With this method, the attachment positions of the current sensors CT1 and CT2 can be set as in the example of FIG. 16, and the DC bus line can use a straight bus bar for both DC high and DC low .
また、上記説明は、電流進み動作IGBTモジュールより電流遅れ動作IGBTモジュールに近い方に直流電源があることを想定してきたが、これとは反対に直流電源が電流進み動作IGBTモジュールに近い方に接続されている場合も考えられる。この場合、電流センサによるサンプリング対象は次の組み合わせにおいても成立する。 The above description assumes that the DC power supply is closer to the current delay operation IGBT module than the current advance operation IGBT module. On the contrary, the DC power supply is connected to the current advance operation IGBT module closer to the current advance operation IGBT module. The case where it is done is also considered. In this case, the sampling target by the current sensor is also established in the following combination.
q)DChighとS1
r)DChighとD1
s)DChighとS2
t)DChighとD2
u)DClowとS1
v)DClowとD1
w)DClowとS2
x)DClowとD2
なお図16に示す配線パターンのようにする場合には、第1の電流検出手段として電流センサCT1により検出した直流電流から第2の電流検出手段として電流センサCT2により検出した電流を差し引いたものを、電流遅れ動作のIGBTモジュール中のアーム回路に含まれる半導体スイッチング素子S1またはダイオードD1を流れる電流として検出し、電流センサCT2により検出した電流を電流進み動作のIGBTモジュール中のアーム回路に含まれる半導体スイッチング素子S3またはダイオードD3を流れる電流として検出するように電流検出回路を構成すればよい。このように1本のDCバスラインに対して2つの電流検出手段(CT1及びCT2)を用いると、実際の回路設計において、DCバスラインの長さを短くすることができて、インダクタンスの影響を小さなものとすることができる。
q) DC high and S1
r) DC high and D1
s) DC high and S2
t) DC high and D2
u) DC low and S1
v) DC low and D1
w) DC low and S2
x) DC low and D2
In the case of the wiring pattern shown in FIG. 16, a current obtained by subtracting the current detected by the current sensor CT2 as the second current detection means from the direct current detected by the current sensor CT1 as the first current detection means. The semiconductor circuit included in the arm circuit in the current advance operation IGBT module detects the current flowing through the semiconductor switching element S1 or the diode D1 included in the arm circuit in the current delay operation IGBT module and detects the current detected by the current sensor CT2. What is necessary is just to comprise a current detection circuit so that it may detect as a current which flows through switching element S3 or diode D3. Thus, when two current detection means (CT1 and CT2) are used for one DC bus line, the length of the DC bus line can be shortened in the actual circuit design, and the influence of the inductance can be reduced. Can be small.
また従来技術と本発明技術とを比較するための前提条件として、系統接続部分に力率改善コンバータが入っているとした場合に、「負荷共振周波数追尾制御」と「出力電力制御」の両機能が求められているときに、従来技術では、以下の部品構成が必要となる。すなわち
1.PLL制御回路とセンサ類
2.高周波インバータを駆動するためのドライブ回路とその絶縁電源
3.高周波インバータ
4.出力電力制御のためのコンバータの制御回路
5.コンバータを駆動するためのドライブ回路とその絶縁電源
6.可制御素子を持つコンバータ
一方本発明を適用することで、回路構成部品は以下のように少なくなる。
In addition, as a precondition for comparing the prior art and the present invention technique, when a power factor correction converter is included in the system connection part, both functions of “load resonance frequency tracking control” and “output power control” are provided. In the prior art, the following parts configuration is required. That is: 1. PLL control circuit and
1.負荷変動追従するためのCTBC制御回路とセンサ類
2.高周波インバータを駆動するための絶縁電源
3.出力電力制御のための高周波インバータの位相シフト制御回路
4.高周波インバータ
このように、本発明を適用すれば、回路構成部品点数を大幅に減少させることができ、回路システム全体の小型化だけでなく、低コスト化を図ることができる。
1. 1. CTBC control circuit and sensors for tracking
上記実施例で対象とする誘導加熱は低電圧大電流用途であるが、高電圧小電流用途(例えば、オゾン発生器など)にも、本発明の高周波インバータ装置を適用できるのは勿論である。また本発明は誘導加熱用高周波インバータに対してだけでなく、リアクタンス成分が変化する誘導性負荷あるいは容量性負荷を持つDC/DCコンバータのインバータ部分に適用することも可能である。 Although the induction heating which is the object of the above embodiment is used for a low voltage and a large current, it is needless to say that the high frequency inverter device of the present invention can be applied to a high voltage and a small current (for example, an ozone generator). Further, the present invention can be applied not only to an induction heating high-frequency inverter but also to an inverter portion of a DC / DC converter having an inductive load or a capacitive load whose reactance component changes.
上記実施例によれば、「負荷変動追尾周波数制御」を実現する手法として、導通時間均衡化制御を位相シフト高周波インバータに適用することで、「負荷変動追尾周波数制御」と「出力電力制御」が1台の高周波インバータで同時に実現させることが可能になった。これにより、従来技術で必要であった、電圧制御可能なコンバータが不要になり、回路構成の簡略化・低コスト化が実現される。 According to the above embodiment, as a method for realizing “load fluctuation tracking frequency control”, “load fluctuation tracking frequency control” and “output power control” are obtained by applying conduction time balancing control to a phase shift high frequency inverter. A single high-frequency inverter can be realized simultaneously. This eliminates the need for a voltage-controllable converter, which is necessary in the prior art, and simplifies the circuit configuration and reduces the cost.
1 位相シフト型の高周波インバータ回路
2,3 アーム回路
4 負荷直列共振回路
Q1〜Q4 電力半導体スイッチ
S1〜S4 半導体スイッチング素子
D1〜D4,D11,D12 ダイオード
DC1,DC2 電流センサ(電流検出手段)
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記高周波インバータ回路にインバータ動作を行わせるように、前記複数個の半導体スイッチング素子のそれぞれに導通信号を与える導通信号発生回路とを具備し、
前記導通信号発生回路が、負荷共振周波数と前記高周波インバータ回路の動作周波数とが一致している状態において、対になって導通制御される2つの前記半導体スイッチング素子のための前記導通信号間の位相をシフトすることにより、前記高周波インバータ回路から負荷に供給される電力を制御するように構成されている位相シフト型高周波インバータ装置であって、
前記導通信号発生回路は、各アームに含まれる前記半導体スイッチング素子または前記ダイオードを流れる電流を検出し、対になって導通制御される2つの前記半導体スイッチング素子の動作周期期間において、前記各アームに含まれる前記半導体スイッチング素子または前記ダイオードに電流が流れている期間または時間を比較し、比較の対象となる2以上の前記期間または時間が一致するように前記導通信号の周波数を変更するように構成されていることを特徴とする位相シフト型高周波インバータ装置。 A high-frequency inverter circuit configured by connecting in parallel two or more arm circuits in which two semiconductor switching elements having diodes connected in anti-parallel are connected in series;
A conduction signal generating circuit for providing a conduction signal to each of the plurality of semiconductor switching elements so as to cause the high-frequency inverter circuit to perform an inverter operation;
The phase between the conduction signals for the two semiconductor switching elements that are conduction-controlled in pairs in a state in which the conduction signal generation circuit matches the load resonance frequency and the operating frequency of the high-frequency inverter circuit. Is a phase shift type high frequency inverter device configured to control the power supplied to the load from the high frequency inverter circuit,
The conduction signal generating circuit detects a current flowing through the semiconductor switching element or the diode included in each arm, and in each operation period period of the two semiconductor switching elements controlled in conduction as a pair, A period or time during which a current flows through the semiconductor switching element or the diode included is compared, and the frequency of the conduction signal is changed so that two or more of the periods or times to be compared coincide with each other. A phase-shift type high-frequency inverter device characterized by that.
前記高周波インバータ回路にインバータ動作を行わせるように、前記複数個の半導体スイッチング素子のそれぞれに導通信号を与える導通信号発生回路とを具備し、
前記導通信号発生回路が、負荷共振周波数と前記高周波インバータ回路の動作周波数とが一致している状態において、対になって導通制御される2つの前記半導体スイッチング素子のための前記導通信号間の位相をシフトすることにより、前記高周波インバータ回路から負荷に供給される電力を制御するように構成されている位相シフト型高周波インバータ装置であって、
前記導通信号発生回路は、前記2以上のアーム回路にそれぞれ含まれる前記半導体スイッチング素子または前記ダイオードを流れる電流を検出する電流検出回路と、
前記対になって導通制御される2つの前記半導体スイッチング素子の動作周期期間において、前記2以上の電流検出回路が前記電流を検出している電流検出期間または電流検出時間を比較し、比較の対象となる2以上の前記電流検出期間または電流検出時間が一致するように前記導通信号の周波数を変更する周波数変更手段とを更に備えていることを特徴とする位相シフト型高周波インバータ装置。 A high-frequency inverter circuit configured by connecting in parallel two or more arm circuits in which two semiconductor switching elements having diodes connected in anti-parallel are connected in series;
A conduction signal generating circuit for providing a conduction signal to each of the plurality of semiconductor switching elements so as to cause the high-frequency inverter circuit to perform an inverter operation;
The phase between the conduction signals for the two semiconductor switching elements that are conduction-controlled in pairs in a state in which the conduction signal generation circuit matches the load resonance frequency and the operating frequency of the high-frequency inverter circuit. Is a phase shift type high frequency inverter device configured to control the power supplied to the load from the high frequency inverter circuit,
The conduction signal generation circuit includes a current detection circuit that detects a current flowing through the semiconductor switching element or the diode respectively included in the two or more arm circuits;
In an operation cycle period of the two semiconductor switching elements whose conduction is controlled in pairs, the current detection periods or current detection times in which the two or more current detection circuits detect the current are compared, and a comparison target The phase shift type high frequency inverter device further comprising: a frequency changing unit that changes the frequency of the conduction signal so that the two or more current detection periods or current detection times that coincide with each other.
前記高周波インバータ回路にインバータ動作を行わせるように、前記複数個の半導体スイッチング素子のそれぞれに導通信号を与える導通信号発生回路とを具備し、
前記導通信号発生回路が、負荷共振周波数と前記高周波インバータ回路の動作周波数とが一致している状態において、対になって導通制御される2つの前記半導体スイッチング素子のための前記導通信号間の位相をシフトすることにより、前記高周波インバータ回路から負荷に供給される電力を制御するように構成されている位相シフト型高周波インバータ装置であって、
前記導通信号発生回路は、前記2以上のアーム回路に対してそれぞれ設けられて、各アームに含まれる前記半導体スイッチング素子または前記ダイオードを流れる電流を検出する2以上の電流検出手段を含んで構成された電流検出回路と、
前記対になって導通制御される2つの前記半導体スイッチング素子の動作周期期間において、前記2以上の電流検出手段が前記電流を検出している電流検出期間または電流検出時間を比較し、比較の対象となる2以上の前記電流検出期間または電流検出時間が一致するように前記導通信号の周波数を変更する周波数変更手段とを更に備えていることを特徴とする位相シフト型高周波インバータ装置。 A high-frequency inverter circuit configured by connecting in parallel two or more arm circuits in which two semiconductor switching elements having diodes connected in anti-parallel are connected in series;
A conduction signal generating circuit for providing a conduction signal to each of the plurality of semiconductor switching elements so as to cause the high-frequency inverter circuit to perform an inverter operation;
The phase between the conduction signals for the two semiconductor switching elements that are conduction-controlled in pairs in a state in which the conduction signal generation circuit matches the load resonance frequency and the operating frequency of the high-frequency inverter circuit. Is a phase shift type high frequency inverter device configured to control the power supplied to the load from the high frequency inverter circuit,
The conduction signal generation circuit includes two or more current detection means provided for the two or more arm circuits, respectively, for detecting a current flowing through the semiconductor switching element or the diode included in each arm. Current detection circuit,
In an operation cycle period of the two semiconductor switching elements whose conduction is controlled in a pair, the current detection period or current detection time in which the two or more current detection means detect the current is compared, and a comparison target The phase shift type high frequency inverter device further comprising: a frequency changing unit that changes the frequency of the conduction signal so that the two or more current detection periods or current detection times that coincide with each other.
前記高周波インバータ回路にインバータ動作を行わせるように、前記複数個の半導体スイッチング素子のそれぞれに導通信号を与える導通信号発生回路とを具備し、
前記導通信号発生回路が、負荷共振周波数と前記高周波インバータ回路の動作周波数とが一致している状態において、対になって導通制御される2つの前記半導体スイッチング素子のための前記導通信号間の位相をシフトすることにより、前記高周波インバータ回路から負荷に供給される電力を制御するように構成されている位相シフト型高周波インバータ装置であって、
前記導通信号発生回路は、直流電源と前記高周波インバータ回路の2つのアーム回路とを電気的に接続する2本のDCバスラインのうち1本のDCバスラインに対して設けられて前記高周波インバータ回路に供給される直流電流を検出する第1の電流検出手段及び一方の前記アーム回路に流れる電流を検出する第2の電流検出手段を備え、前記2つのアーム回路に含まれる前記半導体スイッチング素子または前記ダイオードを流れる電流を検出する電流検出回路と、
前記対になって導通制御される2つの前記半導体スイッチング素子の動作周期期間において、前記電流検出回路が前記2つのアーム回路に含まれる前記半導体スイッチング素子または前記ダイオードを流れる前記電流をそれぞれ検出している電流検出期間または電流検出時間を比較し、比較の対象となる2つの前記電流検出期間または電流検出時間が一致するように前記導通信号の周波数を変更する周波数変更手段とを更に備えていることを特徴とする位相シフト型高周波インバータ装置。 A high-frequency inverter circuit configured by connecting in parallel two arm circuits in which two semiconductor switching elements having diodes connected in reverse parallel are connected in series;
A conduction signal generating circuit for providing a conduction signal to each of the plurality of semiconductor switching elements so as to cause the high-frequency inverter circuit to perform an inverter operation;
The phase between the conduction signals for the two semiconductor switching elements that are conduction-controlled in pairs in a state in which the conduction signal generation circuit matches the load resonance frequency and the operating frequency of the high-frequency inverter circuit. Is a phase shift type high frequency inverter device configured to control the power supplied to the load from the high frequency inverter circuit,
The conduction signal generating circuit is provided for one DC bus line of two DC bus lines that electrically connect a DC power source and two arm circuits of the high-frequency inverter circuit, and the high-frequency inverter circuit. A first current detecting means for detecting a direct current supplied to the first and second current detecting means for detecting a current flowing in one of the arm circuits, and the semiconductor switching element included in the two arm circuits or the A current detection circuit for detecting a current flowing through the diode;
In the operation cycle period of the two semiconductor switching elements whose conduction is controlled in pairs, the current detection circuit detects the current flowing through the semiconductor switching element or the diode included in the two arm circuits, respectively. Frequency change means for comparing the current detection period or current detection time, and changing the frequency of the conduction signal so that the two current detection periods or current detection times to be compared coincide with each other. A phase shift type high frequency inverter device characterized by
前記周波数変更手段は、前記電流検出期間または電流検出時間を比較し、比較結果に応じた比較信号を出力する比較手段と、前記比較信号に基づいて前記制御信号を生成する制御信号生成手段とを備えている請求項2,3または4に記載の位相シフト型高周波インバータ装置。 The conduction signal generation circuit includes a control oscillator whose oscillation frequency is changed by a control signal, and is configured to output the conduction signal based on an output of the control oscillator,
The frequency changing unit compares the current detection period or the current detection time, outputs a comparison signal according to a comparison result, and a control signal generation unit that generates the control signal based on the comparison signal. The phase shift type high frequency inverter apparatus according to claim 2, 3 or 4.
前記比較回路は前記比較信号が電圧の変化により比較結果を示すように構成されており、前記比較信号がローパスフィルタを通して前記電圧制御発振器に与えられることを特徴とする請求項5に記載の位相シフト型高周波インバータ装置。 The controlled oscillator comprises a voltage controlled oscillator;
6. The phase shift according to claim 5, wherein the comparison circuit is configured so that the comparison signal indicates a comparison result according to a change in voltage, and the comparison signal is supplied to the voltage controlled oscillator through a low-pass filter. Type high frequency inverter device.
前記2つの電流センサのそれぞれの出力の一方の極性信号の発生期間または発生時間を前記電流検出期間または電流検出時間として出力する変換手段とを備えている請求項3に記載の位相シフト型高周波インバータ装置。 The current detection means includes two current sensors that detect currents flowing through the two arm circuits;
The phase shift type high frequency inverter according to claim 3, further comprising: a conversion unit that outputs a generation period or generation time of one of the output signals of the two current sensors as the current detection period or current detection time. apparatus.
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