JP5729181B2 - インバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング時に発生するサージをスナバ回路を用いずに抑制するインバータ装置に関する。

インバータ装置に備わるスイッチング素子は、例えばＰＷＭ（pulse width modulation）制御などによって間欠駆動される。スイッチング素子に電圧が掛かり、又は電流が流れる状況でのスイッチングはハードスイッチングと称される。ハードスイッチングによれば、スイッチングの際に過渡応答を生じる。この過渡応答は、大きなスイッチングノイズやスイッチング損失を生じさせる。そのため、ハードスイッチングを行うインバータ装置には、サージ電圧、サージ電流を吸収するためのスナバ回路が設けられている。

ところが、このようなスナバ回路は、スイッチング素子ごとに設ける必要があるため、回路構成が複雑になってしまう。また、スナバ回路で吸収される分のエネルギー損失が発生するという問題があった。

そのため、ハードスイッチングに対して、スイッチング素子に掛かる電圧や流れる電流がほぼゼロの状態でスイッチングさせるソフトスイッチングと称される方式がある。ソフトスイッチングの基本的な構成は、スイッチング素子の外部に、ＬＣ共振回路を設けるものである。スイッチング素子のスイッチングタイミングの制御によりＬＣ共振回路に共振を発生させて、スイッチングの際の電圧や電流をゼロの状態とする。これにより、スイッチングに伴うスイッチングノイズやスイッチング損失が、ハードスイッチングに比べて大きく低減されるため、スナバ回路が不要となる。

そして、このようなソフトスイッチングを行うインバータ装置として、例えば、特許文献１に記載されたものがある。このインバータ装置では、上アーム若しくは下アームの２つの半導体スイッチング素子を短時間の間、両方をオンにすることにより電流ゼロの状態でのソフトスイッチングを実現している。

特開平６−２８４７４９号公報

しかしながら、上記したインバータ装置では、２つの上アーム若しくは下アームの半導体スイッチング素子の両方をオンにするため、例えば図５に示すような順番で半導体スイッチ素子をオン・オフさせる必要がある。そのため、スイッチング動作の１サイクルにおける動作パターンが多くなり、より高周波の電力を発生させることが困難であるという問題があった。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、サージの発生を抑制しつつ、スイッチング動作の１サイクルにおける動作パターンを少なくして、より高周波の電力を発生させることができるインバータ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の一態様は、直列接続され相互にオン・オフする第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子と、直列接続され相互にオン・オフする第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子とが並列接続されたインバータ回路と、前記インバータ回路に接続された直流電源と、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子の接合点と前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子の接合点との間に接続されたリアクタ及びコンデンサの直列共振回路と、前記直列共振回路を流れるインバータ出力電流が、前記インバータ回路から出力されるインバータ出力電圧に対して、所定の位相だけ遅れるように前記インバータ出力電流と前記インバータ出力電圧の位相差を制御するとともに、前記第１〜第４スイッチング素子のオン・オフ制御を行う制御部と、を有するインバータ装置において、前記制御部は、前記第１スイッチング素子をオフしてから前記第３スイッチング素子をオンするまでに、前記第２スイッチング素子のオンと前記第４スイッチング素子のオフを同時に行う、又は前記第３スイッチング素子をオフしてから前記第１スイッチング素子をオンするまでに、前記第２スイッチング素子のオフと前記第４スイッチング素子のオンを同時に行うことを特徴とする。

このインバータ装置では、制御部により、第１スイッチング素子又は第３スイッチング素子がオフされてから第３スイッチング素子又は第１スイッチング素子がオンされるまでに、第２スイッチング素子のオンと第４スイッチング素子のオフ、又は第２スイッチング素子のオフと第４スイッチング素子のオンが同時に行われる。そして、インバータ出力電流がインバータ出力電圧に対して、所定の位相だけ遅れるようにインバータ出力電流とインバータ出力電圧の位相差を制御しているため、インバータ出力電流の流れる向きが逆転するタイミングがある。そのタイミングを調整することにより、従来のように、ソフトスイッチングを実現するために、第１スイッチング素子と第３スイッチング素子、又は第２スイッチング素子と第４スイッチング素子の両方を同時にオンすることなく、各スイッチング素子に電流が流れていない状態又は電圧が印加されていない状態で、各スイッチング素子をオン又はオフすることができる。従って、サージの発生を抑制しつつ、スイッチング動作の１サイクルにおける動作パターンを少なくすることができる。その結果、より高周波の電力を発生させることができる。

そして、インバータ出力電流の流れる向きが逆転するタイミングを調整するには、前記制御部は、前記第２スイッチング素子のオンと前記第４スイッチング素子のオフを同時に行った後に前記第３スイッチング素子をオンした状態、及び前記第２スイッチング素子のオフと前記第４スイッチング素子のオンを同時に行った後に前記第１スイッチング素子をオンした状態で、前記インバータ出力電流の流れる方向が逆になるように前記位相差を制御すればよい。

このようにインバータ出力電流とインバータ出力電圧の位相差を制御することにより、確実に、各スイッチング素子に電流が流れていない状態又は電圧が印加されていない状態で、各スイッチング素子をオン又はオフすることができる。これにより、確実にサージの発生を抑制しつつ、スイッチング動作の１サイクルにおける動作パターンを少なくして、より高周波の電力を発生させることができる。

本発明に係るインバータ装置によれば、上記した通り、サージの発生を抑制しつつ、スイッチング動作の１サイクルにおける動作パターンを少なくして、より高周波の電力を発生させることができる。

実施の形態に係る誘導加熱装置の構成を示す回路図である。 インバータ出力電圧とインバータ出力電流との関係を示す図である。 インバータ回路でのスイッチング動作の１サイクルにおけるモード、各モードにおける各スイッチング素子の状態、及び電流の状態を模式的に示す図である。 各モードへの移行タイミング、及び各スイッチング素子のオン・オフのタイミングを示す図である。 従来のインバータ装置における１サイクルのスイッチング動作パターンを示す図である。

以下、本発明の無段変速機を具体化した実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。ここでは、自動車部品などに高周波焼入れを行う誘導加熱装置に本発明を適用した場合を例示する。

そこで、本実施の形態に係る誘導加熱装置について、図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、本実施の形態に係る誘導加熱装置の構成を示す回路図である。図２は、インバータ出力電圧とインバータ出力電流との関係を示す図である。
図１に示すように、誘導加熱装置１０には、直流電源１１と、インバータ回路２０と、誘導加熱回路３０と、制御部４０とが備わっている。そして、誘導加熱装置１０は、直流電源１１によって駆動されるようになっている。直流電源１１は、商用交流を整流平滑して直流電源としたものである。

インバータ回路２０は、回路に流れる電流のオン・オフを制御して擬似的に単相交流を作り出すものである。このインバータ回路２０は、４つの絶縁ゲート型両極性トランジスタ（ＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴ）で構成されるスイッチング素子ｔｒ１〜ｔｒ４からなるブリッジ回路である。具体的には、スイッチング素子ｔｒ１，ｔｒ２の直列接続回路と、スイッチング素子ｔｒ３，ｔｒ４の直列接続回路とを、並列接続してインバータ回路２０が構成されている。

誘導加熱回路３０には、コイルＬとコンデンサＣが備わっている。誘導加熱回路３０では、コイルＬとコンデンサＣが直列に接続されている。コンデンサＣは、コイルＬとで直列共振回路を構成する共振コンデンサである。この誘導加熱回路３０は、スイッチング素子ｔｒ１とｔｒ２の接合点、及びスイッチング素子ｔｒ３とｔｒ４の接合点に接続されている。そして、誘導加熱回路３０では、インバータ回路２０からのインバータ出力電圧とインバータ出力電流とを共振させることで誘導加熱回路３０におけるインバータ出力電流が最大となるようになっている。

制御部４０は、各スイッチング素子ｔｒ１〜ｔｒ４のオン・オフを制御するものである。スイッチング素子ｔｒ１〜ｔｒ４のオン・オフ制御の詳細については後述する。また、制御部４０は、インバータ出力電圧とインバータ出力電流との位相差を制御する機能（共振制御機能）も備えている。そして、この制御部４０の共振制御機能により、図２に示すように、誘導加熱回路２０を流れるインバータ出力電流Ｉが、インバータ回路２０から出力されるインバータ出力電圧Ｖに対して所定の位相だけ遅れて出力されるようになっている。なお、この位相制御については、例えば、インバータ出力電圧の周波数を変更することで実現することができる。その詳細な方法は、本出願人が出願した特願２０１０−２２０９６３に記載されているので、ここではその説明を省略する。

続いて、上記したインバータ回路２０におけるスイッチング素子ｔｒ１〜ｔｒ４のオン・オフ制御について、図３及び図４を参照しながら説明する。図３は、各モードにおける各スイッチング素子の状態、及び電流の状態を模式的に示す図である。図４は、各モードへの移行タイミング、及び各スイッチング素子のオン・オフのタイミングを示す図である。

スイッチング素子ｔｒ１〜ｔｒ４のスイッチング動作の１サイクルは、例示的に、図３に示すような状態遷移（モード（１）〜（６））で表すことができる。そして、各モードへの移行は、図４に示すようなタイミングで行われる。なお、図４において、破線で囲んだスイッチング素子がオンとなっている。

［モード（１）］
図３に示すモード（１）では、スイッチング素子ｔｒ４のみがオンされた状態である。このモード（１）の状態にされるのは、例えば、図４に示す時刻ｔ１や時刻ｔ９である。モード（１）の状態では、誘導加熱回路３０には、コイルＬからコンデンサＣの方向にインバータ出力電流Ｉが流れている。

［モード（２）］
図３に示すモード（２）では、スイッチング素子ｔｒ１とスイッチング素子ｔｒ４がオンされた状態である。すなわち、モード（１）から（２）に移行する際に、スイッチング素子ｔｒ１がオンされる。このモード（２）への移行は、例えば、図４に示す時刻ｔ２に行われる。
このとき、モード（２）に移行する直前のモード（１）において、図３に示すように、電流はスイッチング素子ｔｒ１には流れず、並列に接続された（又は内蔵された）ダイオードに流れている。そのため、モード（２）へ移行する際、スイッチング素子ｔｒ１は、コレクタ電流Ｉｃ＝０の状態でオンされるため、スイッチングノイズやスイッチング損失が生じない。すなわち、インバータ出力電流Ｉに急激な変化が生じることなくサージ電流の発生を抑制することができる。

ここで、モード（２）において、時刻ｔ２にてスイッチング素子ｔｒ１がオンされた直後は、誘導加熱回路３０には、コイルＬからコンデンサＣの方向にインバータ出力電流Ｉが流れている（状態（２ａ）参照）。その後、時刻ｔ３にて、誘導加熱回路３０に流れるインバータ出力電流Ｉの向きが変わり、誘導加熱回路３０には、コンデンサＣからコイルＬの方向にインバータ出力電流Ｉが流れる（状態（２ｂ）参照）。この状態（２ｂ）では、スイッチング素子ｔｒ２に、直流電源１１の電圧（コンデンサＣの充電電圧）が印加されており、スイッチング素子ｔｒ１には電圧が印加されていない。

［モード（３）］
図３に示すモード（３）では、スイッチング素子ｔｒ４のみがオンされた状態である。すなわち、モード（２）から（３）に移行する際に、スイッチング素子ｔｒ１がオフされる。このモード（３）への移行は、、例えば、図４に示す時刻ｔ４に行われる。
このとき、モード（３）に移行する直前のモード（２）では、スイッチング素子ｔｒ１には電圧が印加されていない。そのため、モード（２）から（３）へ移行する際、スイッチング素子ｔｒ１は、コレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅ＝０の状態でオフされるため、スイッチングノイズやスイッチング損失が生じない。すなわち、インバータ出力電圧Ｖに急激な変化が生じることなくサージ電圧の発生を抑制することができる。

ここで、モード（３）では、コンデンサＣの充電電圧が放電されるため、スイッチング素子ｔｒ２に印加される電圧がゼロになる。また、この放電中、電流はスイッチング素子ｔｒ２には流れず、並列に接続された（又は内蔵された）ダイオードに流れる。

［モード（４）］
図３に示すモード（４）では、スイッチング素子ｔｒ２のみがオンされた状態である。すなわち、モード（３）から（４）に移行する際に、スイッチング素子ｔｒ２のオンと、スイッチング素子ｔｒ４のオフが同時に行われる。このモード（４）への移行は、例えば、図４に示す時刻ｔ５に行われる。
このとき、スイッチング素子ｔｒ２には電流が流れておらず、スイッチング素子ｔｒ２は、コレクタ電流Ｉｃ＝０の状態でオンされるため、スイッチングノイズやスイッチング損失が生じない。すなわち、インバータ出力電流に急激な変化が生じることなくサージ電流の発生を抑制することができる。また、スイッチング素子ｔｒ４には電圧が印加されていないため、スイッチング素子ｔｒ４は、コレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅ＝０の状態でオフされるため、スイッチングノイズやスイッチング損失が生じない。すなわち、インバータ出力電圧Ｖに急激な変化が生じることなくサージ電圧の発生を抑制することができる。

ここで、モード（４）の状態では、図３に示すように、誘導加熱回路３０には、コンデンサＣからコイルＬの方向にインバータ出力電流Ｉが流れている。そのため、電流はスイッチング素子ｔｒ３には流れず、並列に接続された（又は内蔵された）ダイオードを流れている。

［モード（５）］
図３に示すモード（５）では、スイッチング素子ｔｒ２とスイッチング素子ｔｒ３がオンされた状態である。すなわち、モード（４）から（５）に移行する際に、スイッチング素子ｔｒ３がオンされる。このモード（４）への移行は、例えば、図４に示す時刻ｔ６に行われる。
このとき、モード（５）に移行する直前のモード（４）において、電流はスイッチング素子ｔｒ３には流れていないため、モード（５）へ移行する際、スイッチング素子ｔｒ３は、コレクタ電流Ｉｃ＝０の状態でオンされる。そのため、スイッチングノイズやスイッチング損失が生じない。すなわち、インバータ出力電流Ｉに急激な変化が生じることなくサージ電流の発生を抑制することができる。

ここで、モード（５）において、時刻ｔ６にてスイッチング素子ｔｒ３がオンされた直後は、図３に示すように、誘導加熱回路３０には、コンデンサＣからコイルＬの方向にインバータ出力電流Ｉが流れている（状態（５ａ）参照）。その後、時刻ｔ７にて、誘導加熱回路３０に流れるインバータ出力電流Ｉの向きが変わり、誘導加熱回路３０には、コイルＬからコンデンサＣの方向にインバータ出力電流Ｉが流れる（状態（５ｂ）参照）。この状態（５ｂ）では、スイッチング素子ｔｒ４に、直流電源１１の電圧（コンデンサＣの充電電圧）が印加されており、スイッチング素子ｔｒ３には電圧が印加されていない。

［モード（６）］
図３に示すモード（６）では、スイッチング素子ｔｒ２のみがオンされた状態である。すなわち、モード（５）から（６）に移行する際に、スイッチング素子ｔｒ３がオフされる。このモード（６）への移行は、例えば、図４に示す時刻ｔ８に行われる。
このとき、モード（６）に移行する直前のモード（５）では、スイッチング素子ｔｒ３には電圧が印加されていない。そのため、モード（６）へ移行する際、スイッチング素子ｔｒ３は、コレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅ＝０の状態でオフされるため、スイッチングノイズやスイッチング損失が生じない。すなわち、インバータ出力電圧Ｖに急激な変化が生じることなくサージ電圧の発生を抑制することができる。

ここで、モード（６）では、コンデンサＣの充電電圧が放電されるため、スイッチング素子ｔｒ２に印加される電圧がゼロになる。また、この放電中、電流はスイッチング素子ｔｒ４には流れず、並列に接続された（又は内蔵された）ダイオードに流れる。

その後、モード（６）から（１）に移行する。すなわち、スイッチング素子ｔｒ２のオフと、スイッチング素子ｔｒ４のオンが同時に行われる。このモード（１）への移行は、例えば、図４に示す時刻ｔ９に行われる。
このとき、スイッチング素子ｔｒ４には電流が流れておらず、スイッチング素子ｔｒ４は、コレクタ電流Ｉｃ＝０の状態でオンされるため、スイッチングノイズやスイッチング損失が生じない。すなわち、インバータ出力電流に急激な変化が生じることなくサージ電流の発生を抑制することができる。また、スイッチング素子ｔｒ２には電圧が印加されていないため、スイッチング素子ｔｒ２は、コレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅ＝０の状態でオフされるため、スイッチングノイズやスイッチング損失が生じない。すなわち、インバータ出力電圧Ｖに急激な変化が生じることなくサージ電圧の発生を抑制することができる。

以後、上記したようにして、誘導加熱装置１０では、順次、モード（１）〜（６）が遷移してスイッチング素子ｔｒ１〜ｔｒ４のスイッチング動作が制御される。そして、このスイッチング動作では、ソフトスイッチングを実現させるために、スイッチング素子ｔｒ１，ｔｒ３又はｔｒ２，ｔｒ４を同時にオンさせる必要がない。そのため、スイッチング素子ｔｒ１，ｔｒ３又はｔｒ２，ｔｒ４を同時にオンさせるモードが不要となり、スイッチング動作の１サイクルにおける動作パターンを、従来よりも少なくすることができる。従って、より高周波の電力を発生させることができる。また、モード切替時（スイッチング時）において、サージ電圧やサージ電流の発生が抑制されている。そして、ソフトスイッチングが実現されているためスナバ回路も不要である。

以上、詳細に説明したように本実施の形態に係る誘導加熱装置１０では、制御部４０により、第１スイッチング素子ｔｒ１又は第３スイッチング素子ｔｒ３がオフされてから第３スイッチング素子ｔｒ３又は第１スイッチング素子ｔｒ１がオンされるまでに、第２スイッチング素子ｔｒ２のオンと第４スイッチング素子ｔｒ４のオフ、又は第２スイッチング素子ｔｒ２のオフと第４スイッチング素子ｔｒ４のオンが同時に行われる。そして、第２スイッチング素子ｔｒ２のオンと第４スイッチング素子ｔｒ４のオフを同時に行った後に第３スイッチング素子ｔｒ３をオンした状態、及び第２スイッチング素子ｔｒ２のオフと第４スイッチング素子ｔｒ４のオンを同時に行った後に第１スイッチング素子ｔｒ１をオンした状態で、インバータ出力電流Ｉの流れる方向が逆になるようにインバータ出力電力Ｉとインバータ出力電圧Ｖとの位相差が制御される。

これにより、従来のように、第１スイッチング素子ｔｒ１と第３スイッチング素子ｔｒ３、又は第２スイッチング素子ｔｒ２と第４スイッチング素子ｔｒ４の両方を同時にオンすることなく、各スイッチング素子ｔｒ１〜ｔｒ４に電流が流れていない状態又は電圧が印加されていない状態で、各スイッチング素子ｔｒ１〜ｔｒ４をオン又はオフすることができる。従って、誘導加熱装置１０によれば、サージの発生を抑制しつつ、インバータ回路２０でのスイッチング動作１サイクルにおける動作パターンを少なくすることができるため、より高周波の電力を発生させることができる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施の形態では、本発明を高周波焼入れを行う誘導加熱装置に適用した場合を例示しているが、その他の誘導加熱装置などにも適用することができる。

１０ 誘導加熱装置
１１ 直流電源
２０ インバータ回路
３０ 誘導加熱回路
４０ 制御部
Ｃ コンデンサ
Ｉ インバータ出力電流
Ｌ コイル
Ｖ インバータ出力電圧
ｔｒ１〜４ スイッチング素子

Claims (2)

1. 直列接続され相互にオン・オフする第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子と、直列接続され相互にオン・オフする第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子とが並列接続されたインバータ回路と、
   前記インバータ回路に接続された直流電源と、
   前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子の接合点と前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子の接合点との間に接続されたリアクタ及びコンデンサの直列共振回路と、
   前記直列共振回路を流れるインバータ出力電流が、前記インバータ回路から出力されるインバータ出力電圧に対して、所定の位相だけ遅れるように前記インバータ出力電流と前記インバータ出力電圧の位相差を制御するとともに、前記第１〜第４スイッチング素子のオン・オフ制御を行う制御部と、を有するインバータ装置において、
   前記制御部は、前記第１スイッチング素子をオフしてから前記第３スイッチング素子をオンするまでに、前記第２スイッチング素子のオンと前記第４スイッチング素子のオフを同時に行う、又は前記第３スイッチング素子をオフしてから前記第１スイッチング素子をオンするまでに、前記第２スイッチング素子のオフと前記第４スイッチング素子のオンを同時に行う
   ことを特徴とするインバータ装置。
2. 請求項１に記載するインバータ装置において、
   前記制御部は、前記第２スイッチング素子のオンと前記第４スイッチング素子のオフを同時に行った後に前記第３スイッチング素子をオンした状態、及び前記第２スイッチング素子のオフと前記第４スイッチング素子のオンを同時に行った後に前記第１スイッチング素子をオンした状態で、前記インバータ出力電流の流れる方向が逆になるように前記位相差を制御する
   ことを特徴とするインバータ装置。

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