JP4527959B2 - 高周波インバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、一対の直列的に接続したスイッチング素子を備えた高周波インバータ装置に関する。

商用交流電源のような低周波交流電源を用いて例えば放電ランプを高周波で点灯する照明用電子安定器における高調波対策は、パッシブフィルタ方式、アクティブフィルタ方式（例えば、非特許文献１参照。）および部分平滑方式に区分される。また、アクティブフィルタ方式には、チョッパ方式、チャージポンプ方式およびチャージポンプ＋チョッパ方式がある。
「照明学会誌」第８４巻第５号、２０００年５月発行、第２７３頁〜第２８０頁「チョッパ兼用インバータ式点灯回路の動作解析」

ところが、パッシブフィルタにおいては、負荷に直列のインダクタおよび並列のコンデンサを接続してそれらの共振周波数を電源周波数の３倍に共振するように回路定数を選択するが、特にインダクタには電力容量の大きなものを必要とするので、小形、軽量化を図ることができない。

アクティブフィルタにおいては、チョッパ形の場合、インバータとは別に独立した昇圧チョッパ回路を配設するので、部品点数が多くなり、コストアップを招く。また、チャージポンプ方式およびチャージポンプ＋チョッパ方式は、インバータのスイッチング素子をアクティブフィルタのスイッチング素子として兼用するいわゆる複合形であるが、回路構成が複雑であったり、十分な平滑化作用が得られなかったりするなどの問題がある。

部分平滑回路においては、最近の厳しい入力電流高調波規格を満足することができない。

本発明は、中性点形降圧非反転インバータを備え、入力電流の休止期間が短くなって高調波ひずみが低減し、高周波電圧のリップルが少なくて、しかもチョッパ回路の帰還出力が昇圧した高周波電圧を発生する高周波インバータ装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明の高周波インバータ装置は、高周波で交互にスイッチングする一対のスイッチング素子の直列回路および一対の整流素子の直列回路を並列接続するとともに、前記一対のスイッチング素子の接続点と前記一対の整流素子の接続点との間に、低周波交流電源とインダクタと負荷の直列回路を接続したブリッジ形整流・変換回路と；第１の整流素子および第１のコンデンサの直列回路からなり、一端を前記一対の整流素子の接続点、他端を前記インダクタと負荷の接続点に接続することで、前記交流電源とインダクタの直列回路に並列接続した第１の帰還回路要素と前記インダクタに対する極性が第１の整流素子と逆の極性を有する第２の整流素子および第２のコンデンサの直列回路からなり一端を前記一対の整流素子の接続点、他端を前記インダクタと負荷の接続点に接続することで、前記交流電源とインダクタの直列回路に並列接続した第２の帰還回路要素とからなる帰還回路、ならびに前記インダクタと前記一対のスイッチング素子を含むチョッパ回路と；チョッパ回路における帰還回路の第１の整流素子および第１のコンデンサの接続点と帰還回路の第２の整流素子および第２のコンデンサの接続点との間に接続された平滑コンデンサと；平滑コンデンサおよび一対のスイッチング素子の直列回路の間に順方向に介在する第３よび第４の整流素子と；を具備していることを特徴としている。

本発明および以下の各発明において、特に指定しない限り用語の定義および技術的意味は次による。

本発明において、「高周波」とは、周波数１ｋＨｚ以上、好ましくは可聴周波数の限界を超える２０ｋＨｚ以上、より好ましくはリモコンの搬送周波数より高い４０ｋＨｚ以上をいう。

＜ブリッジ形整流・変換回路について＞ ブリッジ形整流・変換回路は、低周波交流を整流して直流に変換するとともに、直流をスイッチングによって高周波に変換する手段であり、したがって中性点形降圧非反転形のインバータとして動作する。低周波交流を直流に変換するには、主として一対の整流素子が作用する。また、直流を高周波に変換するには、一対のスイッチング素子が作用する。

一対のスイッチング素子は、直接直列接続している態様および他の回路素子、例えば抵抗器などを介して間接的に直列接続した態様のいずれであってもよい。また、一対のスイッチング素子および一対の整流素子は、機能上一対として作用することができればよく、一対の両方またはいずれか一方がそれぞれ複数の素子により構成されていることを許容する。さらに、スイッチング素子は、高周波でスイッチング可能な可制御なスイッチング素子であれば、どのような構成であってもよく、例えばバイポーラトランジスタ、ＦＥＴなどを用いることができる。さらに、一対のスイッチング素子の交互スイッチングは、一方のスイッチング素子のオンから他方のスイッチング素子のオンへ移行する間に同時オフ状態が形成されるように行われるのを許容する。

低周波交流電源は、ブリッジ形整流・変換回路の交流入力端間に、チョッパ回路のインダクタおよび放電ランプなどの負荷を直列に介して接続している。

＜チョッパ回路について＞ 本発明において、「チョッパ回路」とは、直流電流のスイッチングによりインダクタの両端間に生じる逆起電力を帰還して、ある電圧の直流電圧を電圧の異なる他の直流電圧に変換する手段をいう。そして、以下説明する回路構成によって降圧形のチョッパ回路が形成される。

すなわち、インダクタは、チョッパ専用であってもよいし、出力トランスを兼ねていてもよい。逆起電力を帰還するための帰還回路は、第１および第２の帰還回路要素を有して構成されている。第１の帰還回路要素は、第１の整流素子および第１のコンデンサの直列回路を含み、低周波交流電源およびインダクタの直列回路に並列接続して低周波交流電圧が一方の極性のときに作動するように整流素子の極性が選択されている。これに対して、第２の帰還回路要素は、第２の整流素子および第２のコンデンサの直列回路を含み、低周波交流電源およびインダクタの直列回路に並列接続するが、上記インダクタに対する極性が第１の整流素子とは逆の極性を有し、したがって主として低周波交流電圧が他方の極性のときに作動するように整流素子の極性が選択されている。そして、第１および第２の帰還回路は、インダクタの逆起電力の極性に対して整流素子が順方向になる方が帰還作用を行う。要するに、低周波交流電圧の各半波の極性に応じて第１および第２の帰還回路要素が交互に帰還作用を担当する。なお、本発明において、「第１および第２のコンデンサ」は、その静電容量が相対的に小さくて、低周波交流電圧に対してほぼ完全平滑的ないし部分平滑的な平滑化作用を実質的に奏しない小容量のコンデンサである。

＜平滑コンデンサについて＞ 平滑コンデンサは、チョッパ回路の帰還電流により充電され、さらに一対のスイッチング素子により再び高周波に変換されるように配設されている、したがって、平滑コンデンサは、帰還回路の出力端となる第１の帰還回路要素の第１の整流素子および第１のコンデンサの接続点と、第２の帰還回路要素の第２の整流素子および第２のコンデンサの接続点との間に接続されている。また、平滑コンデンサは、電解コンデンサなどの相対的にその静電容量が大きくて、低周波交流電圧を少なくとも部分的に平滑化作用を奏し得る能力を有する。

＜第３および第４の整流素子について＞ 第３および第４の整流素子は、平滑コンデンサと一対のスイッチング素子の直列回路との間に順方向に介在して、ブリッジ形整流・変換回路の一対の整流素子によって整流された低周波交流電流の平滑コンデンサへの回り込みを防止するとともに、平滑コンデンサならびに帰還回路の帰還回路の第１および第２のコンデンサの電荷の放電路を提供する。

＜本発明の作用について＞ 本発明は、以上の構成を具備していることにより、低周波交流電圧がブリッジ形整流・変換回路において全波整流されるとともに高周波でスイッチングされる結果、ブリッジ形整流・変換回路によって降圧変換インバータ動作を行う。

また、チョッパ回路のインダクタには、低周波交流電源から流入するスイッチングにより高周波化された低周波交流電流とチョッパ回路による高周波電流とが双方向に流れる。そして、インダクタは、スイッチング素子のスイッチングによる高周波電流に対してのみ有効なインピーダンスを有すればよいので、低周波交流電源が実質的に短絡されることなく動作することが可能になる。したがって、チョッパ回路のインダクタを小形化、軽量化することができる。

さらに、低周波交流電圧の半波の極性に応じて一対のスイッチング素子のいずれか一方における交互スイッチングによりチョッパ回路のインダクタに発生する逆起電力が低周波交流電圧の半波の電圧に重畳して昇圧してから第１および第２の帰還回路要素のうちいずれか一方におけるコンデンサに帰還して充電され、さらに平滑コンデンサに充電される。そして、帰還して上記コンデンサおよび平滑コンデンサにいったん蓄積された昇圧した直流エネルギーが次に放電する際には、第３および第４の整流素子のいずれか一方により形成される放電回路に介在するスイッチング素子のスイッチングによって直流エネルギーが昇圧した高周波に変換されるので、負荷はその昇圧した高周波電圧により付勢される。

次に、低周波交流電圧の半波の極性が反転すると、同様に一対のうち他方のスイッチング素子におけるスイッチングにより、直流エネルギーが低周波交流電圧の他方の半波の電圧に重畳して第１および第２の帰還回路要素のうち他方におけるコンデンサに帰還してこれを充電するとともに、さらに平滑コンデンサを充電する。そして、上記コンデンサおよび平滑コンデンサに蓄積された昇圧した直流エネルギーが次に放電する際には、第３および第４の整流素子のいずれか他方により形成される放電回路に介在する他方のスイッチング素子のスイッチングによって直流エネルギーが昇圧した高周波に変換されるので、負荷はその昇圧した高周波電圧により付勢される。

一方、本発明の高周波インバータ装置の定常状態時においては、帰還回路および高周波変換の動作は、次のとおりとなる。すなわち、平滑コンデンサが上述したようにチョッパ回路の帰還動作および低周波交流電圧における半波の電圧の重畳により昇圧して充電されている。そして、一方の帰還回路要素の整流素子が順方向になる低周波交流電圧における半波の極性の期間において、一方のスイッチング素子がオンしたときに、平滑コンデンサの昇圧した充電電圧が低周波交流電圧の瞬時値より高いときには、その充電電荷が第３の整流素子、当該スイッチング素子および他方のコンデンサを介して放電し、次に当該スイッチング素子がオフし、他方のスイッチング素子がオンすると他方のコンデンサの充電電荷が他方のスイッチング素子を介して放電するので、交互に正負両極性に振れる昇圧した高周波電圧が発生する。この昇圧した高周波電圧によって負荷が付勢される。低周波交流電圧における半波の極性が反転したときにも、他方の帰還回路要素の帰還動作および低周波交流電圧における半波の電圧の重畳により昇圧して一方のコンデンサを介して平滑コンデンサが充電される。なお、平滑コンデンサの放電作用は、上述と同様に行われる。

以上の説明によって理解できるように、低周波交流電源から流入する低周波交流が直接スイッチングされて変換される高周波電流と、主として平滑コンデンサに帰還し、かつ、低周波交流電圧の半波の電圧が重畳して昇圧した直流エネルギーがスイッチングされながら放電して発生する昇圧した高周波電流とが、負荷に通流するので、負荷は昇圧した高周波電圧の印加により所定の作動を行う。そこで、高周波交流が通流する回路部分に負荷を接続すれば、負荷を高周波電圧により付勢することができる。さらに要すれば、後述するように帰還された直流エネルギーがスイッチングされて変換された高周波電流が通流する回路部分にコンデンサとは別に共振回路を接続して、その共振出力によって負荷を付勢するように構成することができる。

また、本発明においては、低周波交流電源から流入する入力電流が低周波交流電圧の各半波の全期間を通じて休止期間を生じることなく、しかも正弦波状をなすので、高調波ひずみが極めて少なくなる。また、平滑コンデンサを備えていることにより、発生する高周波電圧のリップルが少なくなって負荷に対する高周波電力の供給が容易に行われるようになる。

さらに、本発明においては、チョッパ回路の帰還回路が一対のスイッチング素子とは別に配設されるので、スイッチング素子としてＦＥＴを用いるとしても、その寄生ダイオードを経由して帰還させる必要がないために、高効率化される。あるいは、スイッチング素子に帰還用のダイオードを並列接続しなくてもよいので、スイッチング素子やその駆動回路などが密集した位置近傍に帰還回路を実装する必要性がなくなるために、配線基板設計における実装自由度が向上する。

さらにまた、インダクタに蓄積された磁気エネルギーを一対のスイッチング素子を経由しないで平滑コンデンサの直流エネルギーに転換して、これを高周波発生の電源とするので、高効率で、しかも回路設計の自由度が高くなる。

さらにまた、第１および第２のコンデンサの充電回路は、一対のスイッチング素子が高周波のスイッチングを開始する以前には存在しないので、低周波交流電源の投入時の突入電流が発生しなくなるとともに、低周波交流電圧の半波の全期間にわたって入力電流がほぼ正弦波状に流入する。このため、電源容量や配線容量に余裕が生じるとともに、入力電流の休止期間が生じないので、高調波ひずみが少なくなる。

＜その他の構成について＞ 本発明の必須構成要件ではないが、以下の構成を付加することにより、より実用的な高周波インバータ装置やこれを用いた放電ランプ点灯装置を得ることができる。
１．（共振回路について） 共振回路は、一対のスイッチング素子の交互スイッチングにより形成された高周波電圧に共振して高周波インバータ装置の負荷回路を提供する。共振回路は、インダクタおよびコンデンサにより形成される。なお、「インダクタ」とは、インダクタンスを有する回路手段を意味し、チョークコイルのようなものに限定されない。したがって、１次側から見て適当なインダクタンスを有すればトランスなどであってもよい。そうして、共振回路は、負荷、例えば放電ランプの始動時には共振により高電圧を形成して、これを負荷に印加することによりその始動を促進するとともに、高周波電圧の波形を正弦波に整形する。
２．（高周波ノイズフィルタ回路） 高周波ノイズフィルタ回路は、高周波インバータ装置の作動により発生した高周波ノイズが低周波交流電源側へ流出するのを防止する回路手段であり、低周波交流電源と高周波インバータ装置の入力端との間に直並列接続することができる。
３．（平滑コンデンサ） 一対のスイッチング素子の直列回路に並列に平滑コンデンサを接続することにより、負荷に印加される高周波電圧の包絡線波形のリップル成分を低減させることができる。

請求項２の高周波インバータ装置は、高周波で交互にスイッチングする一対のスイッチング素子の直列回路および一対の整流素子の直列回路を並列接続するとともに、前記一対のスイッチング素子の接続点と前記一対の整流素子の接続点との間に、低周波交流電源と２次側に負荷を接続したトランスの１次側との直列回路、を接続したブリッジ形整流・変換回路と；第１の整流素子および第１のコンデンサの直列回路からなり一端を前記一対の整流素子の接続点、他端を前記１次側に接続することで、前記交流電源と１次側の直列回路に並列接続した第１の帰還回路要素と前記１次側に対する極性が第１の整流素子と逆の極性を有する第２の整流素子および第２のコンデンサの直列回路からなり一端を前記一対の整流素子の接続点、他端を前記１次側に接続することで、前記交流電源と１次側の直列回路に並列接続した第２の帰還回路要素とからなる帰還回路、ならびに前記１次側と前記一対のスイッチング素子を含むチョッパ回路と；チョッパ回路における帰還回路の第１の整流素子および第１のコンデンサの接続点と帰還回路の第２の整流素子および第２のコンデンサの接続点との間に接続された平滑コンデンサと；平滑コンデンサおよび一対のスイッチング素子の直列回路の間に順方向に介在する第３よび第４の整流素子と；を具備したことを特徴としている。

本発明は、請求項１の発明の高周波インバータ装置と比較において、インダクタをトランスの一次側に置換し、かつ２次側に負荷を接続したものである。

請求項３の発明の高周波インバータ装置は、請求項１または請求項２記載の負荷が放電ランプであることを特徴としている。

放電ランプは、高周波インバータ装置を主体として構成される放電ランプ点灯装置の負荷として作動する。放電ランプは、どのようなものでもよく、例えば蛍光ランプなどの低圧放電ランプやメタルハライドランプなどの高圧放電ランプを用いることができる。また、放電ランプは、高周波電圧の共振出力が印加されるような回路上の位置に接続される。例えば、ブリッジ形整流・変換回路の一対のスイッチング素子を共有し、かつ、ブリッジ形整流・変換回路と並列的な関係に共振回路を備えたハーフブリッジ形インバータ回路を構成して、共振回路のインダクタと並列的に、または直列的に放電ランプを接続することができる。また、チョッパ回路のインダクタを一方の共振要素の全部または一部とする共振回路をブリッジ形整流・変換回路の一部を共有して形成して、上記インダクタと並列的または直列的に放電ランプを接続することができる。なお、上記の接続態様において、高周波成分のみを選択して抽出するために、インダクタに２次巻線を巻装して出力トランスを構成し、当該出力トランスを経由して放電ランプを付勢するのが望ましい。

放電ランプは、例えば以下に示すような多様な接続の態様であることを許容する。
（１）ブリッジ形整流・変換回路の交流入力端間において例えば出力トランスを兼ねるインダクタの両端に接続する態様。
（２）インダクタおよび低周波交流電源と直列に接続する態様。
（３）小容量のコンデンサを電源とする一対のスイッチング素子を含むハーフブリッジ形インバータを構成してその出力端に接続する態様。

そうして、本発明においては、低周波交流電源を投入すると、低周波交流電圧がブリッジ形整流・変換回路およびチョッパ回路により整流平滑化され、さらに高周波電圧に変換されて放電ランプに印加されるので、放電ランプは高周波点灯する。

なお、本発明の必須構成要件ではないが、所望によりイグナイタを付加することができる。イグナイタは、放電ランプの始動のために、負荷回路の共振回路による共振電圧だけでは不足の場合に用いれら、高周波インバータを主体とする放電ランプ点灯装置において、放電回路に対して別設され、そこから発生する高電圧パルスが放電ランプに印加されるように放電回路に接続することができる。

請求項１の発明によれば、正負両極性の低周波交流電源電圧を高周波でスイッチングするとともに交流入力端間に低周波交流電源、インダクタおよび負荷の直列回路を接続した中性点形降圧非反転インバータを備え、第１および第２の帰還回路要素の第１および第２のコンデンサが小容量であるため入力電流に休止期間が短くなるので高調波ひずみが低減し、第１および第２のコンデンサを介して充電される平滑コンデンサを備えていることにより高周波電圧のリップルが少なくて、しかもチョッパ回路の帰還出力が低周波交流電圧の半波の電圧に重畳して平滑コンデンサに充電されることで昇圧チョッパ的な動作をして昇圧した高周波電圧を発生する高周波インバータ装置を提供することができる。

請求項２の発明によれば、正負両極性の低周波交流電源電圧を高周波でスイッチングするとともに交流入力端間に低周波交流電源と２次側に負荷を接続したトランスの１次側との直列回路を接続した中性点形降圧非反転インバータを備え、第１および第２の帰還回路要素の第１および第２のコンデンサが小容量であるため入力電流に休止期間が短くなるので高調波ひずみが低減し、第１および第２のコンデンサを介して充電される平滑コンデンサを備えていることにより高周波電圧のリップルが少なくて、しかもチョッパ回路の帰還出力が低周波交流電圧の半波の電圧に重畳して平滑コンデンサに充電されることで昇圧チョッパ的な動作をして昇圧した高周波電圧を発生する高周波インバータ装置を提供することができる。

請求項３の発明によれば、請求項１および請求項２による効果を奏する放電ランプ点灯装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の高周波インバータ装置を実施するための第１の形態を示す回路図である。図１において、高周波インバータ装置ＨＦＩは、ブリッジ形整流・変換回路ＢＲＣ、チョッパ回路ＢＣＨ、平滑コンデンサＣ３ならびに第３および第４の整流素子Ｄ５、Ｄ６からなる。また、放電ランプ点灯装置ＤＬＯは、高周波インバータ装置ＨＦＩおよび放電ランプＤＬは、放電ランプ点灯装置ＤＬＯを構成して放電ランプＤＬを高周波点灯する。なお、ＡＣは低周波交流電源である。

ブリッジ形整流・変換回路ＢＲＣは、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の直列回路と、一対の整流素子Ｄ１、Ｄ２の直列回路とを順方向の閉回路を形成するように並列接続して形成され、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の接続点ｊ１と、一対の整流素子Ｄ１、Ｄ２の接続点ｊ２との間が交流入力端となる。図示のブリッジ形整流・変換回路ＢＲＣの交流入力端ｊ１、ｊ２には、低周波交流電源ＡＣが後述するインダクタＬ１および負荷である放電ランプＤＬを直列に介して接続している。

チョッパ回路ＢＣＨは、インダクタＬ１、帰還回路ＦＢＣおよび一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２からなる。インダクタＬ１は、ブリッジ形整流・変換回路ＢＲＣの交流入力端ｊ１、ｊ２間において低周波交流電源ＡＣおよび放電ランプＤＬとともに直列接続している。帰還回路ＦＢＣは、第１および第２の帰還回路要素ＦＢ１、ＦＢ２からなる。第１の帰還回路要素ＦＢ１は、第１の整流素子Ｄ３および第１のコンデンサＣ１の直列回路からなり、インダクタＬ１および低周波交流電源ＡＣの直列回路に並列接続している。同様に第２の帰還回路要素ＦＢ２は、第２の整流素子Ｄ４および第２のコンデンサＣ２の直列回路からなるが、インダクタＬ１および低周波交流電源ＡＣの直列回路に対して第１の整流素子Ｄ３とは逆極性になるような極性において並列接続している。一方のスイッチング素子Ｑ１は、インダクタＬ１および第１の帰還回路要素ＦＢ１と協働して、主として接続点ｊ２がプラスとなる低周波交流電源ＡＣの一方の極性となる半波の間にチョッパ動作を行う。同様に他方のスイッチング素子Ｑ２は、主としてインダクタＬ１および第２の帰還回路要素ＦＢ２と協働して、接続点ｊ１がプラスとなる他方の極性となる半波の間にチョッパ動作を行う。また、低周波交流電源ＡＣから出力される低周波交流電圧は、チョッパ回路ＢＣＨの帰還電圧に重畳して第１および第２のコンデンサＣ１、Ｃ２および平滑コンデンサＣ３に印加されるので、後述するようにチョッパ回路ＢＣＨは昇圧チョッパ的な動作を行う。

平滑コンデンサＣ３は、チョッパ回路ＢＣＨの帰還回路ＦＢＣの出力端となる第１の帰還回路要素ＦＢ１における第１の整流素子Ｄ３および第１のコンデンサＣ１の接続点と、第２の帰還回路要素ＦＢ２における第２の整流素子Ｄ４および第２のコンデンサＣ２の接続点との間に接続されている。したがって、平滑コンデンサＣ３は、第１および第２のコンデンサＣ１、Ｃ２の直列回路に並列接続している。また、平滑コンデンサＣ３は、電解コンデンサからなり、静電容量が相対的に大きい。

第３および第４の整流素子Ｄ５、Ｄ６は、チョッパ回路ＦＢＣの直流出力端間と一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２との間に介在している。したがって、平滑コンデンサＣ３および一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の間に順方向に挿入されている。第３の整流素子Ｄ５は、第１のコンデンサＣ１および平滑コンデンサＣ３の電荷がスイッチング素子Ｑ１および負荷ＤＬを経由して流れるように放電回路を提供する。同様に第４の整流素子Ｄ６は、第２のコンデンサＣ２の電荷がスイッチング素子Ｑ１および負荷ＤＬを経由して流れるように放電回路を提供する。

次に、本形態における回路動作について説明する。

ブリッジ形整流・変換回路ＢＲＣの回路動作は次のとおりである。すなわち、低周波交流電源ＡＣが投入されて、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が高周波で交互にスイッチング動作を行うと、低周波交流電源ＡＣの電圧の極性が整流素子Ｄ１の順方向に一致する期間、したがって接続点ｊ２がプラスとなる半波の期間中、低周波交流電源ＡＣ、整流素子Ｄ１、一方のスイッチング素子Ｑ１、放電ランプＤＬ、チョッパ回路ＢＣＨのインダクタＬ１および低周波交流電源ＡＣの閉回路内を一方のスイッチング素子Ｑ１がオンのとき電流が流れ、負荷Ｌの両端に間欠的に電圧降下を生じる。換言すれば、低周波交流電源ＡＣから放電ランプＤＬに対して高周波電流が一方の極性の半波として流れる。

チョッパ回路ＢＣＨの回路動作は以下のとおりである。すなわち、一方のスイッチング素子Ｑ１の上記スイッチング動作において、一方のスイッチング素子Ｑ１がオンしている期間中チョッパ回路ＢＣＨのインダクタＬ１を流れる電流が直線的に増大する。次に、一方のスイッチング素子Ｑ１がオフすると、インダクタＬ１にはそこに流れていた電流を継続させようとして逆起電力が発生する。そして、インダクタＬ１、低周波交流電源ＡＣ、第１の帰還回路要素ＦＢ１における第１の整流素子Ｄ３、第１のコンデンサＣ１およびインダクタＬ１の閉回路内を帰還電流が流れて、第１のコンデンサＣ１が充電される。この第１のコンデンサＣ１に対する充電は、インダクタＬ１の逆起電力と低周波交流電圧とが重畳した電圧であるから、昇圧した電圧により行われている。また、帰還電流は、インダクタＬ１、低周波交流電源ＡＣ、平滑コンデンサＣ３、第２のコンデンサＣ２およびインダクタＬ１の閉回路内を帰還電流が流れて、平滑コンデンサＣ３が充電される。したがって、第２のコンデンサＣ２および平滑コンデンサＣ３に対する充電は、昇圧した電圧により行われている。

次に、一方のスイッチング素子Ｑ１が再びオンしたときに、第１のコンデンサＣ１の電荷は、第１のコンデンサＣ１、第３の整流素子Ｄ５、スイッチング素子Ｑ１、放電ランプＤＬおよび第１のコンデンサＣ１からなる閉回路すなわち放電回路内を昇圧した高周波電流として流れる。また、平滑コンデンサＣ３および第２のコンデンサＣ２の電荷は、平滑コンデンサＣ３、第３の整流素子Ｄ５、スイッチング素子Ｑ１、放電ランプＤＬ、第２のコンデンサＣ２および平滑コンデンサＣ３の閉回路すなわち放電回路内を昇圧した高周波電流として流れる。これらの高周波電流は、負荷の放電ランプＤＬに一方の極性における高周波電圧の半波となって印加される。このとき、第２のコンデンサＣ２は、放電ランプＤＬ側の端子がプラスに充電される。

これに対して、一方のスイッチング素子Ｑのオンに続いて他方のスイッチング素子Ｑ２がオンすると、第２のコンデンサＣ２に充電された電荷が第２のコンデンサＣ２、放電ランプＤＬ、スイッチング素子Ｑ２、第４の整流素子Ｄ６および第２のコンデンサＣ２の閉回路内を昇圧した高周波電流として流れる。この高周波電流は、負荷の放電ランプＤＬに他方の極性における高周波電圧の半波となって印加される。したがって、負荷の放電ランプＤＬには、昇圧した高周波交流電圧が印加して付勢される。

さて、低周波交流電源ＡＣの電圧の極性が反転して整流素子Ｄ２の順方向に一致する期間、したがって接続点ｊ１がプラスとなる半波の期間中、低周波交流電源ＡＣ、インダクタＬ１、放電ランプＤＬ、他方のスイッチング素子Ｑ２、整流素子Ｄ２および低周波交流電源ＡＣの閉回路内を他方のスイッチング素子Ｑ２がオンのとき電流が短時間流れ、放電ランプＤＬの両端に間欠的に電圧降下を生じる。換言すれば、低周波交流電源ＡＣから放電ランプＤＬに半波の高周波電流が間欠的に流れる。

次に、他方のスイッチング素子Ｑ２がオフすると、チョッパ回路ＢＣＨのインダクタＬ１に生じた逆起電力が上記極性における低周波交流電圧の半波の電圧に重畳して第２の帰還回路ＦＢ２に印加するので、インダクタＬ１、第２のコンデンサＣ２、第２の整流素子Ｄ４、低周波交流電源ＡＣおよびインダクタＬ１の閉回路内を帰還電流が流れて第２のコンデンサＣ２に電荷が蓄積される。この第２のコンデンサＣ２に対する充電は、インダクタＬ１の逆起電力と低周波交流電圧とが重畳した電圧であるから、昇圧した電圧により行われている。また、帰還電流は、インダクタＬ１、第１のコンデンサＣ１、平滑コンデンサＣ３、第２の整流素子Ｄ４、低周波交流電源ＡＣおよびインダクタＬ１の閉回路内を帰還電流が流れて、平滑コンデンサＣ３が充電される。したがって、第２のコンデンサＣ２および平滑コンデンサＣ３に対する充電は、昇圧した電圧により行われている。このとき第２のコンデンサＣ２および平滑コンデンサＣ３にそれぞれ蓄積された電荷は、次に他方のスイッチング素子Ｑ１が再びオンしたときに、第２のコンデンサＣ２、放電ランプＤＬ、他方のスイッチング素子Ｑ２、第４の整流素子Ｄ６および第２のコンデンサＣ２の閉回路すなわち放電回路内を放電する。

一方、高周波インバータ装置ＨＦＩの定常動作状態においては、チョッパ回路ＢＣＨの第１および第２の帰還回路要素ＦＢ１、ＦＢ２の第１および第２のコンデンサＣ１、Ｃ２ならびに平滑コンデンサＣ３が充電されているが、例えば接続点ｊ２がプラスになる低周波交流電圧の半波の期間においては、主として平滑コンデンサＣ３の電圧が低周波交流電圧の瞬時値より高いときに、第１のスイッチング素子Ｑ１がオンすると、平滑コンデンサＣ３の電荷が平滑コンデンサＣ３、第３の整流素子Ｄ５、スイッチング素子Ｑ１、放電ランプＤＬ、第２のコンデンサＣ２および平滑コンデンサＣ３の閉回路内を第２のコンデンサＣ２をさらに充電しながら短時間に図において右から左方向へ流れる。

次に、スイッチング素子Ｑ１がオフして、スイッチング素子Ｑ２がオンすると、第２の帰還回路要素ＦＢ１の第２のコンデンサＣ２に充電された電荷が放電ランプＤＬ、スイッチング素子Ｑ２および第４の整流素子Ｄ６を経由して短時間に図において左から右方向へ放電する。これにより、昇圧した交流の高周波電圧が負荷の放電ランプＤＬに印加されるので、放電ランプＤＬは付勢される。そのため、放電ランプＤＬは、高周波点灯を行う。

低周波交流電圧の極性が反転して、接続点ｊ１がプラスになる低周波交流電圧の半波の期間においては、スイッチング素子Ｑ２がオンしたときに、第２のコンデンサＣ２の電圧が低周波交流電圧の瞬時値より高いときに、第２のスイッチング素子Ｑ２がオンすると、第２のコンデンサＣ２、放電ランプＤＬ、スイッチング素子Ｑ２、第４の整流素子Ｄ６および第２のコンデンサＣ２の閉回路内を第２のコンデンサＣ２の電荷が短時間に図において左から右方向へ流れる。

次に、スイッチング素子Ｑ１がオンすると、平滑コンデンサＣ３に充電された電荷が平滑コンデンサＣ３、第３の整流素子Ｄ３、スイッチング素子Ｑ１、放電ランプＤＬ、第２のコンデンサＣ２および平滑コンデンサＣ３の閉回路内を短時間に図において右から左方向へ放電する。これにより、昇圧した交流の高周波電圧が負荷の放電ランプＤＬに印加されるので、放電ランプＤＬは付勢される。そのため、放電ランプＤＬは、高周波点灯を行う。

以下、図２ないし図４を参照して本発明を実施するための他の形態を説明する。なお、各図において、図１と同一部分については同一符号を付して説明は省略する。

図２は、本発明の高周波インバータ装置における第２の形態を示す回路図である。本形態は、チョッパ回路ＢＣＨの帰還回路ＦＢＣにおける第１および第２の整流素子Ｄ３、Ｄ４と第１および第２のコンデンサＣ１、Ｃ２とのインダクタＬ１に対する接続位置が反対になっている点で異なる。

そうして、本実施の形態においても、その回路動作は、図１に示す第１の形態におけるそれとほぼ同様である。しかしながら、帰還回路ＦＢＣの第１および第２の帰還回路要素ＦＢ１、ＦＢ２の回路動作が低周波交流電圧の各半波の極性に対して図１とは逆になる。すなわち、接続点ｊ２がプラスとなる低周波交流電圧の半波において、入力電流の低周波交流電流に対する帰還動作は、主として第２の帰還回路要素ＦＢ２が担当し、また接続点ｊ１がプラスとなる低周波交流電圧の半波において、入力電流の低周波交流電流に対する帰還動作は、主として第１の帰還回路要素ＦＢ１が担当する。

図３は、本発明の高周波インバータ装置における第３の形態を示す回路図である。本形態は、チョッパ回路ＢＣＨのインダクタＬ１を経由して放電ランプＤＬを点灯するように構成されている点で異なる。すなわち、チョッパ回路ＢＣＨのインダクタＬ１は、出力トランスＯＴを構成していて、出力トランスＯＴの２次巻線に負荷である放電ランプＤＬが接続されている。

そうして、第３の実施の形態においては、放電ランプＤＬは、インダクタＬ１の両端間に現れる高周波電圧が出力トランスＯＴの１次および２次巻数比に応じた昇圧比で変圧された電圧より点灯する。したがって、負荷である放電ランプＤＬに印加する２次電圧を所望の値まで昇圧または降圧することができる。

図４は、本発明の高周波インバータ装置における第４の形態を示す回路図である。本形態は、チョッパ回路ＢＣＨのインダクタＬ１が出力トランスＯＴを構成していて、出力トランスＯＴの２次巻線に負荷である放電ランプＤＬが接続されている点は図３に示す第３の形態と同様であるが、チョッパ回路ＢＣＨの帰還回路ＦＢＣにおける第１および第２の整流素子Ｄ３、Ｄ４と第１および第２のコンデンサＣ１、Ｃ２とのインダクタＬ１に対する接続位置が反対になっている点は図２に示す第２の形態と同様な構成である。

本発明の高周波インバータ装置を実施するための第１の形態を示す回路図 本発明の高周波インバータ装置を実施するための第２の形態を示す回路図 本発明の高周波インバータ装置を実施するための第３の形態を示す回路図 本発明の高周波インバータ装置を実施するための第４の形態を示す回路図

ＡＣ…低周波交流電源、ＢＣＨ…チョッパ回路、ＢＥＣ…ブリッジ形整流・変換回路、Ｃ１…第１のコンデンサ、Ｃ２…第２のコンデンサ、Ｃ３…平滑コンデンサ、Ｄ３……第１の整流素子、Ｄ４……第２の整流素子、Ｄ５……第３の整流素子、Ｄ６……第４の整流素子、ＤＬ…放電ランプ、ＤＬＯ…放電ランプ点灯装置、ＦＢＣ…帰還回路、ＦＢ１…第１の帰還回路要素、ＦＢ２…第２の帰還回路要素、ＨＦＩ…高周波インバータ装置、ｊ１、ｊ２……接続点、Ｌ１…インクタ、Ｑ１、Ｑ２…スイッチング素子

Claims (3)

1. 高周波で交互にスイッチングする一対のスイッチング素子の直列回路および一対の整流素子の直列回路を並列接続するとともに、前記一対のスイッチング素子の接続点と前記一対の整流素子の接続点との間に、低周波交流電源とインダクタと負荷の直列回路を接続したブリッジ形整流・変換回路と；
   第１の整流素子および第１のコンデンサの直列回路からなり、一端を前記一対の整流素子の接続点、他端を前記インダクタと負荷の接続点に接続することで、前記交流電源とインダクタの直列回路に並列接続した第１の帰還回路要素と前記インダクタに対する極性が第１の整流素子と逆の極性を有する第２の整流素子および第２のコンデンサの直列回路からなり一端を前記一対の整流素子の接続点、他端を前記インダクタと負荷の接続点に接続することで、前記交流電源とインダクタの直列回路に並列接続した第２の帰還回路要素とからなる帰還回路、ならびに前記インダクタと前記一対のスイッチング素子を含むチョッパ回路と；
   チョッパ回路における帰還回路の第１の整流素子および第１のコンデンサの接続点と帰還回路の第２の整流素子および第２のコンデンサの接続点との間に接続された平滑コンデンサと；
   平滑コンデンサおよび一対のスイッチング素子の直列回路の間に順方向に介在する第３よび第４の整流素子と；
   を具備したことを特徴とする高周波インバータ装置。
2. 高周波で交互にスイッチングする一対のスイッチング素子の直列回路および一対の整流素子の直列回路を並列接続するとともに、前記一対のスイッチング素子の接続点と前記一対の整流素子の接続点との間に、低周波交流電源と２次側に負荷を接続したトランスの１次側との直列回路、を接続したブリッジ形整流・変換回路と；
   第１の整流素子および第１のコンデンサの直列回路からなり一端を前記一対の整流素子の接続点、他端を前記１次側と負荷の接続点に接続することで、前記交流電源と１次側の直列回路に並列接続した第１の帰還回路要素と前記１次側に対する極性が第１の整流素子と逆の極性を有する第２の整流素子および第２のコンデンサの直列回路からなり一端を前記一対の整流素子の接続点、他端を前記１次側に接続することで、前記交流電源と１次側の直列回路に並列接続した第２の帰還回路要素とからなる帰還回路、ならびに前記１次側と前記一対のスイッチング素子を含むチョッパ回路と；
   チョッパ回路における帰還回路の第１の整流素子および第１のコンデンサの接続点と帰還回路の第２の整流素子および第２のコンデンサの接続点との間に接続された平滑コンデンサと；
   平滑コンデンサおよび一対のスイッチング素子の直列回路の間に順方向に介在する第３よび第４の整流素子と；
   を具備したことを特徴とする高周波インバータ装置。
3. 請求項１または請求項２記載の負荷は、放電ランプであることを特徴とする高周波インバータ装置。

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