JP6115026B2 - Induction heating power supply - Google Patents
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Description
本発明は、MERS(Magnetic Energy Recovery Switch、 磁気エネルギー回生スイッチ)を用いた誘導加熱電源装置に関する。 The present invention relates to an induction heating power supply device using MERS (Magnetic Energy Recovery Switch).
図4に、背景技術を説明するためのMERSの回路図を、図2にその動作を説明する波形図を示す。MERSの回路は、IGBT、MOSFETなどの自己消弧形素子とダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ(ここではIGBT)51と52とを直列接続した回路と、同様に半導体スイッチ(ここではIGBT)53と54を直列接続した回路と、コンデンサ6とを並列接続した回路で構成され、その出力は直列接続した半導体スイッチ(IGBT)の直列接続点で、誘導加熱負荷のコイル7と被加熱物の損失を表わす抵抗8に接続される。また、入力は、半導体スイッチ(IGBT)を直列接続した回路2回路とコンデンサ6を並列接続した回路の両端で、リアクトル2を介して直流電源1に接続される。以下、半導体スイッチはIGBTとして説明する。
FIG. 4 is a circuit diagram of MERS for explaining the background art, and FIG. 2 is a waveform diagram for explaining the operation thereof. The MERS circuit includes a semiconductor switch (in this case, IGBT) 51 and 52 in which self-extinguishing elements such as IGBTs and MOSFETs and diodes are connected in antiparallel, and a semiconductor switch (in this case, IGBT) 53 in the same manner. And 54 and a circuit in which a capacitor 6 is connected in parallel, the output of which is a series connection point of serially connected semiconductor switches (IGBT), the loss of the
このような構成における動作を図2に基づいて説明する。コンデンサ6とコイル7の共振動作により出力電流Ioの極性を切替える方式である。期間Aでは、出力電流Ioの初期値は負であり、IGBT51、54をオンさせても電流はIGBT51、54に逆並列接続されたダイオードに流れているが、コイル7に蓄積されたエネルギーによりコンデンサ6を充電しているため、出力電流Ioは負から零に減少していく。その後、共振動作により極性が反転した後は、IGBT51と54がオンであるため、IGBTに電流が切替わり、コンデンサ6に蓄積されたエネルギーにより出力電流Ioは零から正へ増加し、コンデンサ6の電荷は放電され、再びコイル7にエネルギーが移行する。
The operation in such a configuration will be described with reference to FIG. In this method, the polarity of the output current Io is switched by the resonance operation of the capacitor 6 and the
コンデンサ6の電圧VDC≒0になると、期間Bになる。コイル7に蓄積されたエネルギーによるコンデンサ6を充電する経路が無いため、出力電流Ioは還流する。還流の経路はコイル7と抵抗8に流れているIoが、IGBT53のダイオードとIGBT51の経路、及びIGBT54とIGBT52のダイオードの経路に分流する。この電流は抵抗8などによる損失により、徐々に減少する。
The period B is reached when the voltage VDC of the capacitor 6 becomes ≈0. Since there is no path for charging the capacitor 6 by the energy accumulated in the
所望の周波数に応じて、IGBT51と54をオフすると、期間Cとなる。出力電流Ioは、IGBT52と53のダイオードに全て流れ、コイル7に蓄積されたエネルギーにより再びコンデンサ6を充電し、以後、同様の動作を繰り返す。ここで、出力電圧VoにはIGBT51と54が導通している時はコンデンサ6の電圧VDCが表れ、IGBT52と53が導通している時は〔−VDC〕となる。また、リアクトル2の電流IDCは、ほぼ一定で流れ続けており、各部の電流に重畳している。
When the IGBTs 51 and 54 are turned off in accordance with a desired frequency, the period C is reached. The output current Io all flows through the diodes of the
時点D以降は、負荷の短絡が生じた場合を表わしている。時点DのVoが最大の時点で、コイル7に短絡(この場合は一部短絡)が生じると、コンデンサ6に蓄積されているエネルギーが、通常運転をしている時のコイル7のインダクタンスよりも減少した短絡の生じていないコイルに移動して電流が流れる。この時、通常の運転をしている時よりも出力電流Ioが増加し、過大な電流となる。
After time point D, a case where a short circuit of the load occurs is shown. When a short circuit occurs in the
これを検出し、出力電流Ioが設定値以上となった時にIGBTを保護するため、時点Eで全てのIGBT51〜54をオフする。この時点は、コンデンサ6の電圧VDC≒0となった時のタイミングと同じである。これにより、IGBT51と54に流れていた電流は、IGBT52と53の逆並列接続されたダイオードに転流して、コイル7に蓄積されたエネルギーにより再びコンデンサ6を充電し、出力電流Ioは減少する。
In order to protect the IGBT when this is detected and the output current Io exceeds the set value, all the IGBTs 51 to 54 are turned off at the time point E. This timing is the same as the timing when the voltage VDC of the capacitor 6 becomes approximately zero. As a result, the current flowing in the IGBTs 51 and 54 is commutated to the diodes connected in reverse parallel between the
時点Fで出力電流Ioが零になると、それ以降はコンデンサ6の電荷を放電し、電流を流す経路が無いため、負荷に電流は流れない。
一方、リアクトルの電流IDCは流れ続けており、コンデンサ6を充電し続ける。直流電源1をサイリスタを用いたフルブリッジ回路で構成し、位相制御で出力電圧を逆極性にすることによって、リアクトル2の電流IDCを減少させる操作を行うが、リアクトル2に蓄積されたエネルギーが大であるときや、例として示したサイリスタコンバータ等の直流電圧源1の応答によっては、遅れが生じ点線のようにリアクトルの電流IDCが流れ続け、コンデンサ6の電圧VDCが過大となり、コンデンサ6及びIGBT51〜54の耐圧を超える場合がある。
When the output current Io becomes zero at the time point F, the electric charge of the capacitor 6 is discharged thereafter and there is no path for current flow, so no current flows through the load.
On the other hand, the reactor current IDC continues to flow and continues to charge the capacitor 6. The
特許文献1には、回路定数例として、LDC(2)=20mH、C(6)=16μF、L(7)=100μH、R(8)=50mΩ、Vo=6000Vヒ゜ーク、Io=3000Aヒ゜ーク、f=1000Hz、P=300kW、IDC=300A、とした時の保護方法の記載があるが、リアクトル2の電流IDCが小さい場合で、またコンデンサ6の電荷を放電し終わり、コンデンサ6の電圧VDCが零となり、出力電流Ioが減少して零になった後に全てのIGBTのゲート信号をオフする方法である。半導体素子(IGBT)の保護のために、過電流が生じた時点で、ゲート信号をオフすることの記載はない。
In
解決しようとする課題は、誘導加熱負荷を接続したMERSの保護回路技術に関し、負荷のコイル短絡等により全ての半導体スイッチのゲート信号をオフにした時に、直流電流が流れ続け、MERSのコンデンサが充電され続けて、半導体素子及びコンデンサに過電圧が印加され、破壊することを防止することである。 The problem to be solved is related to the MERS protection circuit technology connected to the induction heating load. When the gate signals of all the semiconductor switches are turned off due to the load coil short circuit, etc., the DC current continues to flow and the MERS capacitor is charged. This is to prevent the overvoltage from being applied to the semiconductor element and the capacitor to prevent the destruction.
上述の課題を解決するために、この発明においては、正極と負極とを備えサイリスタを用いたブリッジ整流回路で構成した直流電源と、リアクトルと、それぞれダイオードを逆並列接続した半導体スイッチを直列接続した第1及び第2の半導体スイッチ直列回路と、コンデンサと、ダイオードと半導体スイッチとを直列接続した第3の半導体スイッチ直列回路と、を備え、前記第1及び第2の半導体スイッチ直列回路と前記コンデンサと前記第3の半導体スイッチ直列回路とを並列接続し、前記第1及び第2の半導体スイッチ直列回路内部の直列接続点間に誘導加熱負荷を接続し、前記第3の半導体スイッチ直列回路内の半導体スイッチと並列に前記直流電源と前記リアクトルとの直列回路を接続する。 In order to solve the above-described problems, in the present invention, a DC power source configured by a bridge rectifier circuit including a positive electrode and a negative electrode and using a thyristor , a reactor, and a semiconductor switch each having a diode connected in reverse parallel are connected in series The first and second semiconductor switch series circuits, a capacitor, a third semiconductor switch series circuit in which a diode and a semiconductor switch are connected in series, and the first and second semiconductor switch series circuits, A capacitor and the third semiconductor switch series circuit are connected in parallel, an induction heating load is connected between series connection points in the first and second semiconductor switch series circuits, and the third semiconductor switch series circuit is connected to the third semiconductor switch series circuit. A series circuit of the DC power source and the reactor is connected in parallel with the semiconductor switch.
また、上記において、前記誘導加熱負荷が過電流となった際には、前記第1及び第2の半導体スイッチ直列回路の全ての半導体スイッチをオフし、前記第3の半導体スイッチ直列回路の半導体スイッチをオンさせ、前記ブリッジ整流回路を前記リアクトルの電流が減少するように制御する。 In the above, when the induction heating load becomes an overcurrent, all the semiconductor switches of the first and second semiconductor switch series circuits are turned off, and the semiconductor switch of the third semiconductor switch series circuit is turned off. And the bridge rectifier circuit is controlled so that the current of the reactor decreases.
本発明では、誘導加熱負荷を接続したMERSに関し、負荷のコイル短絡等により全てのゲート信号をオフした時に、直流電源の出力に接続したリアクトルと、半導体スイッチを直列接続した回路を2回路とコンデンサを並列接続した回路の間に、追加した直流電源の正負間をリアクトルを介して短絡する短絡用スイッチをオンすることにより、直流電流をバイパスさせるため、コンデンサが充電されず、半導体スイッチ及びコンデンサが過電圧になることを防ぐことができる。 The present invention relates to MERS to which an induction heating load is connected. When all gate signals are turned off due to a coil short circuit of the load, a reactor connected to the output of a DC power source and a circuit in which semiconductor switches are connected in series are connected to two circuits and a capacitor. By switching on the shorting switch that short-circuits the positive and negative of the added DC power supply via the reactor between the circuits connected in parallel, the DC current is bypassed, so the capacitor is not charged and the semiconductor switch and capacitor Overvoltage can be prevented.
また、正電位又は負電位に追加されたダイオードにより、コンデンサから短絡スイッチに電流が流れ込むことを防ぐことができる。
この結果、保護の信頼性の向上及び部品の低耐圧化を図ることが可能となる。
Further, the diode added to the positive potential or the negative potential can prevent current from flowing from the capacitor to the short-circuit switch.
As a result, it is possible to improve the reliability of protection and reduce the breakdown voltage of the parts.
本発明の要点は、それぞれダイオードを逆並列接続した半導体スイッチを直列接続した第1及び第2の半導体スイッチ直列回路と、コンデンサと、ダイオードと半導体スイッチを直列接続した第3の半導体スイッチ直列回路と、を並列接続し、前記第1及び第2の半導体スイッチ直列回路内部の直列接続点間に誘導加熱負荷を接続し、前記第3の半導体スイッチ直列回路の直列接続点と直流電源との間にリクトルを接続した誘導加熱電源装置において、出力過電流時第1及び第2の半導体スイッチ直列回路の半導体スイッチを全てオフさせ、第3の半導体スイッチ直列回路の半導体スイッチをオンさせ、さらに直流電源をリアクトルの電流が低減するように制御する点である。 The main points of the present invention are a first and second semiconductor switch series circuit in which semiconductor switches each having diodes connected in antiparallel are connected in series, a capacitor, and a third semiconductor switch series circuit in which diodes and semiconductor switches are connected in series. Are connected in parallel, and an induction heating load is connected between the series connection points inside the first and second semiconductor switch series circuits, and between the series connection point of the third semiconductor switch series circuit and the DC power supply. In the induction heating power supply apparatus connected to the reactor, when the output overcurrent, all the semiconductor switches of the first and second semiconductor switch series circuits are turned off, the semiconductor switches of the third semiconductor switch series circuit are turned on, and the DC power supply is turned on. It is a point which controls so that the electric current of a reactor may reduce.
図1に、本発明の第1の実施例を示す。IGBT51と52を直列接続した第1のIGBT直列回路と、IGBT53と54を直列接続した第2のIGBT直列回路と、コンデンサ6と、ダイオード4とIGBT3を直列接続した第3の半導体スイッチ直列回路とが並列接続され、第1のIGBT直列回路の直列接続点と第2のIGBT直列回路の直列接続点との間にはコイル7と抵抗8の直列回路(誘導加熱負荷)が、IGBT3と並列にリアクトル2とサイリスタで構成された直流電源1が、各々接続された構成である。従来技術との違いは、出力にリアクトル2を接続した直流電源1と、IGBT51〜54で構成された回路との間に、直流電源1の正極Pと負極Nとの間をリアクトル2を介して短絡するためのIGBT3と正極Pライン側にコンデンサ6の放電を抑制するダイオード4が接続されている点である。
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention. A first IGBT series circuit in which
動作波形図は、図2に示すように背景の技術と同様であるが、短絡用IGBT3を時点Gでオンすることにより、流れていたIDCは、実線のようにIGBT3に移行し、図中のIsとして流れる。このため、これ以降コンデンサ6が充電されることは無く、コンデンサ6の電圧VDCも実線のようになり、電圧上昇を抑制することができる。
The operation waveform diagram is the same as the background technology as shown in FIG. 2, but by turning on the short-
また、ダイオード4は、短絡用IGBT3をオンした時、コンデンサ6から短絡用IGBT3に電流が流れることを防止するために接続されている。また、短絡用IGBT3には直流電源1から電流が流れ込むが、リアクトル2を介しての短絡であるため、電流が急峻に増加することは無い。このような状態で、直流電源1の出力電圧を逆極性にすることによって、リアクトル2を流れる直流電流を減少させ、電源全てを安全に停止させることができる。直流電源としてサイリスタ整流器を用いた場合、位相制御角αを90度以上とすることにより、リアクトル2に逆電圧を印加することが可能で、電流を減少させて遮断することができる。サイリスタ整流器の制御については、刊行本「モータ制御のしくみと考え方」(1981年、オーム社)の43ページなどに記載されている。また、直流電源として他の回路構成を使用する場合には極性を反転させることにより、リアクトル2の電流を減少させて遮断する。
The
図3に、本発明の第2の実施例を示す。第1の実施例との違いは、短絡用IGBT3とダイオード4の挿入位置である。実施例1では直流電源1の正極Pライン側にダイオード4が接続されていたが、第2の実施例では直流電源1の負極Nライン側に接続されている。この構成における動作は、実施例1と同じであり、負荷の過電流時にコンデンサ6の電圧を所定値以上に上昇させることなく、安全に回路を遮断させることが可能である。
FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is the insertion position of the short-
尚、上記実施例には、直流電源と第3の半導体スイッチ直列回路の直列接続点との間にリアクトル2を挿入する例を示したが、リアクトル2は直流電源1と第3の半導体スイッチ直列回路内の半導体スイッチと直列に接続されておれば良いので、挿入位置は変更可能である。
In the above embodiment, the example in which the
本発明は、直流電源から共振動作により高周波の交流を作り出す回路における保護に関する提案であり、誘導加熱電源装置の他、スイッチング電源などへの適用が可能である。 The present invention is a proposal relating to protection in a circuit that generates high-frequency alternating current from a direct-current power supply by a resonant operation, and can be applied to an induction heating power supply apparatus as well as a switching power supply.
1・・・直流電源 2・・・リアクトル 4・・・ダイオード
3、51〜54・・・IGBT 6・・・コンデンサ
7・・・コイル 8・・・抵抗
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記誘導加熱負荷が過電流となった際には、前記第1及び第2の半導体スイッチ直列回路の全ての半導体スイッチをオフし、前記第3の半導体スイッチ直列回路の半導体スイッチをオンさせ、前記ブリッジ整流回路を前記リアクトルの電流が減少するように制御することを特徴とする誘導加熱電源装置。 A DC power supply comprising a bridge rectifier circuit having a positive electrode and a negative electrode and using a thyristor; a reactor; first and second semiconductor switch series circuits in which semiconductor switches each having diodes connected in antiparallel are connected in series; a capacitor; A third semiconductor switch series circuit in which a diode and a semiconductor switch are connected in series, and the first and second semiconductor switch series circuits, the capacitor, and the third semiconductor switch series circuit are connected in parallel. An induction heating load is connected between series connection points inside the first and second semiconductor switch series circuits, and the DC power supply and the reactor are connected in series with the semiconductor switches in the third semiconductor switch series circuit. Connect the circuit ,
When the induction heating load becomes an overcurrent, turn off all the semiconductor switches of the first and second semiconductor switch series circuits, turn on the semiconductor switches of the third semiconductor switch series circuit, An induction heating power supply apparatus , wherein a bridge rectifier circuit is controlled so that a current of the reactor decreases .
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