JP6331480B2 - Inverter device and plasma generator - Google Patents
Inverter device and plasma generator Download PDFInfo
- Publication number
- JP6331480B2 JP6331480B2 JP2014040379A JP2014040379A JP6331480B2 JP 6331480 B2 JP6331480 B2 JP 6331480B2 JP 2014040379 A JP2014040379 A JP 2014040379A JP 2014040379 A JP2014040379 A JP 2014040379A JP 6331480 B2 JP6331480 B2 JP 6331480B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- transformer
- output
- voltage
- excitation
- transformers
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
Description
この発明は、入力電圧をスイッチングして昇圧トランスの一次側の励磁巻線に励磁電流を流し、二次側の出力巻線から交流電圧を出力するインバータ装置、及びそれを用いたプラズマ発生装置に関する。 The present invention relates to an inverter device that switches an input voltage, passes an exciting current through an exciting winding on a primary side of a step-up transformer, and outputs an AC voltage from an output winding on a secondary side, and a plasma generator using the inverter device .
大型プラズマディスプレー用放電管、プラズマ発生装置など、種々の放電装置に交流高電圧を供給するためにインバータ装置が用いられている。
例えば、大気圧プラズマは、表面処理の一つの手段として、被処理材の表面改質や汚染物の除去等、種々の工業製品の価値向上に応用されている。樹脂等に接着や印刷、コーティング等を施す場合に、大気圧プラズマにより前処理を施すことによって濡れ性を向上させ、それらを容易に且つ確実に行うことが可能になる。
An inverter device is used to supply an alternating high voltage to various discharge devices such as a discharge tube for a large plasma display and a plasma generator.
For example, atmospheric pressure plasma is applied as one means of surface treatment to improve the value of various industrial products such as surface modification of a material to be treated and removal of contaminants. When adhesion, printing, coating, or the like is applied to a resin or the like, pretreatment with atmospheric pressure plasma improves wettability, which can be easily and reliably performed.
その大気圧プラズマを発生させるためには高電圧が必要である。そのための電源装置としては、商用電源からの交流を全波整流及び平滑した直流、もしくは直流成分に脈流が重畳された電圧を昇圧して高電圧を発生させる装置がある。
入力電圧Vinから所要の出力電圧Voutを得るためには、数10倍から数100倍の昇圧比nが必要となる。
A high voltage is required to generate the atmospheric pressure plasma. As a power supply device therefor, there is a device that generates a high voltage by boosting a direct current obtained by full-wave rectification and smoothing of an alternating current from a commercial power supply, or a voltage in which a pulsating current is superimposed on a direct current component.
In order to obtain a required output voltage Vout from the input voltage Vin, a step-up ratio n of several tens to several hundreds is required.
これを実現するためには、コッククロフトウオルトン回路(Cockcroft-Walton circuit)等のN倍整流回路がある。しかし、この回路はコンデンサによる充放電で行うものであるため、瞬間的な単発出力は引き出せるが、連続的に出力電力を取り出すことは困難である。
そのため、安定した高電圧出力を得るには、一般に、入力電圧をスイッチングしてトランスの一次側の励磁巻線に断続的に励磁電流を流し、二次側の出力巻線に交流高電圧を発生させるインバータ装置が使用される。
しかし、上述のように高い昇圧比の高電圧を得るためには、励磁巻線と出力巻線との巻数比が大きな大型のトランスを使用しなければならない。
In order to realize this, there is an N-fold rectifier circuit such as a Cockcroft-Walton circuit. However, since this circuit is performed by charging and discharging with a capacitor, an instantaneous single-shot output can be extracted, but it is difficult to continuously extract output power.
Therefore, in order to obtain a stable high voltage output, in general, the input voltage is switched and an exciting current is intermittently passed through the primary exciting winding of the transformer to generate an alternating high voltage on the secondary output winding. An inverter device is used.
However, in order to obtain a high voltage with a high step-up ratio as described above, a large transformer having a large turn ratio between the excitation winding and the output winding must be used.
トランスを決定する一般定義は次式のように表記される。すなわち、励磁巻線の巻数Np、励磁巻線に流れる電流Ip、および出力巻線の巻数Noutは、次式で求められる。
Np= Vin・Ton/Ae・B
Ip=Nout・Iout/Np
Nout =Vout・Np・Ton/Vin
ここで、Ton:時比率(sec) Ae:コアの実効断面積(cm2)
B:磁束密度(gauss) Vin:入力電圧(V)
Vout:出力電圧(V) Iout:出力電流(A)
A general definition for determining a transformer is expressed as follows. That is, the number of turns Np of the excitation winding, the current Ip flowing through the excitation winding, and the number of turns Nout of the output winding are obtained by the following equations.
Np = Vin ・ Ton / Ae ・ B
Ip = Nout / Iout / Np
Nout = Vout ・ Np ・ Ton / Vin
Where Ton: duty ratio (sec) Ae: effective area of the core (cm 2 )
B: Magnetic flux density (gauss) Vin: Input voltage (V)
Vout: Output voltage (V) Iout: Output current (A)
これらの定義から分かるように、励磁巻線の巻数Npは、トランスの持つコアの磁束密度Bもしくは実効断面積Aeとの関係が反比例となっているため、それらによって制約されてしまう。励磁巻線の巻数Npは、なるべく少ない正の整数であることが必要になってくる。しかし、その巻数が少ないとコアの磁束密度Bが大きくなり、損失が増大すると共に磁気飽和の方向に進み、トランスとしての機能がなくなってしまう。また、逆に巻数が多すぎると巻線長さが増えるため、そこに流れる電流による損失が増加してしまう。 As can be seen from these definitions, the number of turns Np of the excitation winding is restricted by the relationship with the magnetic flux density B of the transformer or the effective cross-sectional area Ae, which is inversely proportional. It is necessary that the number Np of excitation windings be as small a positive integer as possible. However, if the number of turns is small, the magnetic flux density B of the core is increased, the loss is increased, the magnetic saturation is advanced, and the function as a transformer is lost. On the other hand, if the number of turns is too large, the winding length increases, and the loss due to the current flowing therethrough increases.
図11に示すフェライトコアのB−Hカーブから、コアの磁束密度Bは、ΔBで示す特定の範囲のみで磁界の強さHに略比例して変化し、磁界の強さHがΔHで示す範囲を超えると磁気飽和になる。したがって、この範囲でのみトランスとして機能することになる。B−Hカーブにおいて、磁界の強さHが増加する時と減少する時の経路に囲まれた部分の面積(斜線部)が、一般的にはヒステリシス損(鉄損)といわれる。 From the BH curve of the ferrite core shown in FIG. 11, the magnetic flux density B of the core changes substantially in proportion to the magnetic field strength H only in a specific range indicated by ΔB, and the magnetic field strength H is indicated by ΔH. When the range is exceeded, magnetic saturation occurs. Therefore, it functions as a transformer only in this range. In the BH curve, the area (hatched portion) of the portion surrounded by the path when the magnetic field strength H increases and decreases is generally referred to as hysteresis loss (iron loss).
このような理由で、励磁巻線の巻数Npは特定の範囲のみとなり、トランスから引き出せる出力は、この励磁巻線の巻数Npとコアの磁束密度Bとの兼ね合いにかかっているが、結果的には特定の範囲に限定される。
磁束密度Bが必要十分に取り出せればトランスの特性低下が生じない。しかし現実的にはコアの材料(例えばフェライト0.2〜0.3tesla、珪素鋼板1tesla:ただし使用したい周波数による、アモルファス1tesla、パーマロイ等がある)により磁束が不足する。
For this reason, the number of turns Np of the exciting winding is limited to a specific range, and the output that can be drawn from the transformer depends on the balance between the number of turns Np of the exciting winding and the magnetic flux density B of the core. Is limited to a specific range.
If the magnetic flux density B can be taken out sufficiently and sufficiently, the transformer characteristics do not deteriorate. However, in reality, the core material (for example, ferrite 0.2 to 0.3 tesla,
このような問題を解決するために、本発明者は先に、特許文献1に記載されている高電圧インバータ装置を提案した。
その高電圧インバータ装置は図12に示すように、磁路が全く違う別個のコアを持ち、同じ特性を持つ複数のトランスT1,T2によって昇圧トランスを構成する。
そして、制御回路ICによってオン・オフ制御されるスイッチング素子Qswによって入力電圧Vinをスイッチングして、その各トランスT1,T2の励磁巻線Np1,Np2に同時に励磁電流を流して励磁させる。その複数のトランスT1,T2の各出力巻線Nout,Nout(sub)を互いに直列に接続して、その両端の出力電圧Voutを出力端子OUTから出力させる。
In order to solve such a problem, the present inventor has previously proposed a high-voltage inverter device described in
As shown in FIG. 12, the high-voltage inverter device has separate cores with completely different magnetic paths, and constitutes a step-up transformer by a plurality of transformers T1 and T2 having the same characteristics.
Then, the input voltage Vin is switched by the switching element Qsw which is controlled to be turned on / off by the control circuit IC, and the exciting windings Np1 and Np2 of the transformers T1 and T2 are simultaneously excited by exciting current. The output windings Nout and Nout (sub) of the plurality of transformers T1 and T2 are connected in series to output the output voltage Vout at both ends from the output terminal OUT.
そのスイッチング素子Qswが周期的にオン・オフ動作したときに発生する各部の電圧及び電流波形を、図13のタイミングチャートに示す。
ここで、Vgsはスイッチング素子Qswのドライブ電圧(ゲート・ソース間電圧)、VNp1、VNp2は励磁巻線Np1、Np2の電圧、Idsはスイッチング素子Qswのドレイン・ソース間に流れる電流、すなわち励磁巻線Np1、Np2に流れる励磁電流の合成電流、Vdsはスイッチング素子Qswのドレイン・ソース間電圧である。
そして、スイッチング素子Qswがターンオフしたときに、トランスT1の出力巻線Noutに出力電圧VNoutが、トランスT2の出力巻線Nout(sub)に出力電圧VNout(sub)が発生し、その波形の時間軸が同期している。その二つの電圧波形が重畳された出力電圧Voutが出力端子OUTから出力される。
FIG. 13 is a timing chart showing voltage and current waveforms of each part generated when the switching element Qsw is periodically turned on and off.
Here, Vgs is the drive voltage (gate-source voltage) of the switching element Qsw, VNp1 and VNp2 are the voltages of the excitation windings Np1 and Np2, and Ids is the current flowing between the drain and source of the switching element Qsw, that is, the excitation winding. A combined current Vds of exciting currents flowing through Np1 and Np2 is a drain-source voltage of the switching element Qsw.
When the switching element Qsw is turned off, an output voltage VNout is generated in the output winding Nout of the transformer T1, and an output voltage VNout (sub) is generated in the output winding Nout (sub) of the transformer T2. Are in sync. An output voltage Vout on which the two voltage waveforms are superimposed is output from the output terminal OUT.
このように、複数のトランスT1、T2の励磁巻線Np1、Np2に同時に励磁電流を流し、ターンオフ時にその各出力巻線Nout,Nout(sub)に発生する電圧を電圧加算によって積み上げて昇圧する。したがって、各トランスの励磁巻線に偏磁が生じることがなく、トランス全体として出力巻線の巻数を多くすることができるので、昇圧比が高い高電圧を連続して、安定にしかも安全に得ることができる。 In this way, an excitation current is simultaneously supplied to the excitation windings Np1 and Np2 of the plurality of transformers T1 and T2, and the voltages generated in the output windings Nout and Nout (sub) at the time of turn-off are accumulated and boosted. Accordingly, no bias magnetism occurs in the excitation winding of each transformer, and the number of turns of the output winding can be increased as a whole transformer, so that a high voltage with a high boost ratio can be obtained continuously, stably and safely. be able to.
しかし、この高電圧インバータ装置では、交番される出力電圧は正方向が主成分である。
スイッチング素子QswがON期間、すなわち各トランスの励磁巻線Np1、Np2に同時に励磁電流を流している期間は、各トランスに励磁エネルギーを貯めている期間であり、出力電圧は発生しない。
そのため、表面改質処理を行うための大気圧プラズマ放電を連続して安定に発生させる場合等に必要になる、波高値が10kV以上のような高電圧で大きなエネルギーの電力を十分効率よく得ることは困難であるという問題があった。
However, in this high voltage inverter device, the alternating output voltage is mainly in the positive direction.
The period during which the switching element Qsw is ON, that is, the period in which the excitation current is simultaneously applied to the excitation windings Np1 and Np2 of each transformer is a period in which excitation energy is stored in each transformer, and no output voltage is generated.
For this reason, it is necessary to obtain a sufficiently large amount of electric power at a high voltage such as a peak value of 10 kV or higher, which is necessary when continuously generating an atmospheric pressure plasma discharge for performing surface modification treatment stably. Had the problem of being difficult.
この発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、インバータ装置を大型化することなく、トランスの磁束密度不足を招かずに、高電圧で大きなエネルギーの電力を効率よく得られるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, so that high-voltage and high-energy power can be efficiently obtained without increasing the size of the inverter device and without causing a shortage of the magnetic flux density of the transformer. The purpose is to do.
この発明によるインバータ装置は上記の目的を達成するため、入力電圧をスイッチングして昇圧トランスの一次側の励磁巻線に励磁電流を流し、その昇圧トランスの二次側の出力巻線から交流電圧を出力するインバータ装置において、上記昇圧トランスを第1のトランス群と第2のトランス群によって構成し、その第1、第2の各トランス群を、それぞれ同数の同一の特性を持つ個別の複数のトランスによって構成し、その複数の各トランスの励磁巻線を並列に接続して同時に励磁されるようにする。 In order to achieve the above object, the inverter device according to the present invention switches the input voltage to flow an exciting current through the exciting winding on the primary side of the step-up transformer, and generates an AC voltage from the output winding on the secondary side of the step-up transformer. In the inverter device for output, the step-up transformer is constituted by a first transformer group and a second transformer group, and each of the first and second transformer groups includes a plurality of individual transformers having the same number and the same characteristics. The excitation windings of the plurality of transformers are connected in parallel to be excited simultaneously.
そして、上記第1、第2の各トランス群の上記複数のトランスの各出力巻線を、いずれも互いに直列又は並列に接続し、上記各トランス群の互いに直列又は並列に接続した出力巻線の各一端を互いに接続した中点を接地し、各他端を負荷に出力電圧を出力する一対の出力端子に個別に接続し、上記第1、第2の各トランス群の各トランスの互いに直列又は並列に接続した出力巻線の両端間にそれぞれスイッチ素子を接続する。
さらに、上記第1のトランス群の各トランスの励磁巻線にのみ第1の励磁電流を流す制御と、上記第2のトランス群の各トランスの励磁巻線にのみ第2の励磁電流を流す制御とを交互に行うことを、所定の周期で繰り返し行うスイッチング制御手段を設け、上記第1のトランス群の各出力巻線と上記第2のトランス群の各出力巻線に、上記中点に対して逆極性の電圧を交互に発生させる。
その際、上記スイッチング制御手段が、上記第1の励磁電流を流す期間は前記第1のトランス群の上記出力巻線の両端間に接続したスイッチ素子をオン状態にし、上記第2の励磁電流を流す期間は上記第2のトランス群の上記出力巻線の両端間に接続したスイッチ素子をオン状態にするようにした。
The output windings of the plurality of transformers of the first and second transformer groups are all connected in series or in parallel, and the output windings of the transformer groups connected in series or in parallel to each other. The midpoints connecting the one ends to each other are grounded, and the other ends are individually connected to a pair of output terminals that output an output voltage to the load, and the transformers of the first and second transformer groups are connected in series or Switch elements are connected between both ends of the output windings connected in parallel .
Furthermore, the control flow of the first exciting current only to the first transformer group of each transformer excitation windings, control flow of the second exciting current only to the transformer magnetizing winding of the second transformer group And a switching control means for repeatedly performing the switching at a predetermined cycle, and each output winding of the first transformer group and each output winding of the second transformer group with respect to the middle point. alternately Ru to generate voltages of opposite polarity Te.
At that time, the switching control means turns on the switch element connected between both ends of the output winding of the first transformer group during the period in which the first excitation current flows, and the second excitation current is supplied to the switching element. During the flow period, the switch element connected between both ends of the output winding of the second transformer group is turned on.
この発明によれば、インバータ装置を大型化することなく、トランスの磁束密度不足を招かずに、高電圧で大きなエネルギーの電力を効率よく得ることができる。 According to the present invention, it is possible to efficiently obtain high-power electric power at a high voltage without increasing the size of the inverter device and without causing a shortage of the magnetic flux density of the transformer.
以下、この発明を実施するための形態を図面に基づいて具体的に説明する。
〔第1の実施形態〕
まず、この発明によるインバータ装置の第1の実施形態について詳細に説明するが、それは他の実施形態にも殆ど共通している。
図1はその第1の実施形態のインバータ装置の構成を示す回路図である。このインバータ装置1は、入力端子11a,11b間に入力される入力電圧Vinをスイッチングして、昇圧トランス10の一次側の励磁巻線に励磁電流を流し、その昇圧トランス10の二次側の出力巻線から交流電圧を出力するインバータ装置である。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
First, a first embodiment of an inverter device according to the present invention will be described in detail, but it is almost common to other embodiments.
FIG. 1 is a circuit diagram showing the configuration of the inverter device of the first embodiment. This
そして、昇圧トランス10を、第1のトランス群10Aと第2のトランス群10Bとによって構成し、その第1、第2の各トランス群10A,10Bを、それぞれ同数の同一の特性を持つ個別の複数のトランスT1,T2とT3,T4によって構成している。
その第1のトランス群10Aの複数の各トランスT1,T2の励磁巻線Np1とNp2を並列に接続し、第1の励磁電流iaを流してトランスT1,T2が同時に励磁されるようにしている。また、第2のトランス群10Bの複数の各トランスT3,T4の励磁巻線Np3とNp4も並列に接続して、第1の励磁電流iaとは逆方向に第2の励磁電流ibを流して、トランスT3,T4が同時に励磁されるようにしている。
The step-up
The excitation windings Np1 and Np2 of the plurality of transformers T1 and T2 of the
一方、第1、第2の各トランス群10A,10Bのそれぞれ複数のトランスT1,T2及びT3,T4の各出力巻線Ns1とNs2及びNs3とNs4を、いずれも互いに直列に接続している。その各トランス群10A,10Bにおける出力巻線Ns1とNs2の直列回路及び出力巻線Ns3とNs4の直列回路の互いに隣接する一端を接続した中点mをグランドGNDに接続して接地している。そして、第1のトランス群10Aの出力巻線Ns1とNs2の直列回路の他端である端点aを出力端子12aに接続し、第2のトランス群10Bの出力巻線Ns3とNs4の直列回路の他端である端点bを出力端子12bに接続している。出力端子12a,12bは、負荷2に出力電圧を出力する一対の出力端子である。
On the other hand, the output windings Ns1 and Ns2 and Ns3 and Ns4 of the plurality of transformers T1, T2 and T3, T4 of the first and
この場合、一方の出力端子12aは、グランドGNDに接続された中点mに対して負の出力電圧−Voutを出力する負側出力端子となる。他方の出力端子12bは、同じく中点mに対して正の出力電圧+Voutを出力する正側出力端子となる。
その一方の出力端子12aと他方の出力端子12bの間の電圧を出力電圧Voutとして、負荷2に出力する。
In this case, one
The voltage between the one
このインバータ装置1がプラズマ発生装置の電源部である場合、負荷2は、例えば図2に示すような放電電極21とカウンタ電極22を有する放電部であり、負荷容量Coを有する。その放電電極21とカウンタ電極22の間に出力電圧Voutを印加することによってプラズマ放電を発生する。出力端子12a,12bにこの負荷2を接続したときに流れる電流を図1にIoで示す。
図2に示す放電部(負荷2)は、複数本(図示の例では15本)の放電電極21と、それに対向するカウンタ電極22と、その放電電極21とカウンタ電極22との間に介在する誘電体23とによって構成されている。
When the
The discharge part (load 2) shown in FIG. 2 is interposed between a plurality (15 in the illustrated example) of
放電電極21は、この例では銅やアルミニウム等の導電性のよい金属線21aの周囲に、誘電体(絶縁体)21bを被覆した丸棒状に形成されている。そして、複数本の放電電極21が、平板状のカウンタ電極22の対向面22aに平行な面内で、図2で左右方向に互いに隣接する電極同士の外周が接するように並んで、紙面に垂直な方向に延びて配列されている。各放電電極21の直径(φ)は、例えば8mm程度である。各放電電極21の金属線21aは互いに導通するように接続されている。
In this example, the
カウンタ電極22は、銅やアルミニウム等の導電性のよい金属による平板状の電極であり、放熱板も兼ねている。そのカウンタ電極22の放電電極21との対向面22aに、シリコン系シート等の誘電体23を被着している。図2においては、分り易くするためにカウンタ電極22と誘電体23との間に隙間を設けているが、実際には接着等によって密着している。
放電電極21と誘電体23との間も間隔を拡げて示しているが、実際には、表面改質を施す印刷用紙等のシート材が通過できる程度の隙間があればよい。
The
Although the gap is also shown between the
このように構成した負荷2である放電部の各放電電極21とカウンタ電極22との間に、インバータ装置1の出力端子12a,12bから実効値が6KV以上の出力電圧Voutが、給電線24,25によって印加される。
それによって、各放電電極21とカウンタ電極22との間の大気圧中で、大気圧プラズマ放電の一種である沿面放電もしくは無声放電、または沿面放電と無声放電の複合放電による誘電体バリヤ放電を発生させることができる。放電電極21とカウンタ電極22との間に印加する電圧は、正負逆転してもその作用効果に殆ど差異はない。
The output voltage Vout having an effective value of 6 KV or more is output from the
Accordingly, a dielectric barrier discharge is generated in the atmospheric pressure between each
この放電部(負荷2)内を、シート材を一点鎖線の矢印Fで示すように誘電体23に沿って搬送して通過させることによって、その表面が上述した誘電体バリヤ放電によって生成されるラジカルやイオンなどの活性種に触れて改質が進行する。
それは、プラズマにより、空気中の成分やシート材自体に含まれている成分によって形成される種々の親水性官能基等の基が、シート材の表面に形成されて表面エネルギーが高くなることによって進行する。
A radical generated on the surface of the discharge portion (load 2) by the dielectric barrier discharge described above by transporting and passing the sheet material along the dielectric 23 as indicated by the dashed-dotted arrow F. The reforming proceeds by touching active species such as ions and ions.
It progresses by the fact that groups such as various hydrophilic functional groups formed by the components in the air and the components contained in the sheet material itself are formed on the surface of the sheet material by plasma and the surface energy is increased. To do.
例えば、電子写真方式による画像形成装置により樹脂トナーが印刷された印刷物に、紫外線硬化型のニスをコーティングしようとすると、樹脂トナーに含まれるワックス成分により、樹脂トナー印刷部分のニスを弾いてしまう場合がある。しかし、大気圧プラズマによる表面処理を行うと濡れ性が向上するため、均一なニスコーティングが可能になり、印刷物の付加価値が向上する。
しかし、この発明によるプラズマ発生装置の放電部の構成は上述した構成に限るものではなく、種々の変更が可能である。また、コロナ放電によってプラズマを発生する装置や、多少ガスが入った低圧雰囲気でプラズマ放電を発生する装置にも適用可能である。
For example, when an ultraviolet curable varnish is coated on a printed matter on which resin toner is printed by an electrophotographic image forming apparatus, the varnish of the resin toner printing portion is repelled by the wax component contained in the resin toner. There is. However, when surface treatment with atmospheric pressure plasma is performed, wettability is improved, so that uniform varnish coating is possible and the added value of the printed matter is improved.
However, the structure of the discharge part of the plasma generator according to the present invention is not limited to the above-described structure, and various modifications can be made. Further, the present invention can be applied to an apparatus that generates plasma by corona discharge or an apparatus that generates plasma discharge in a low-pressure atmosphere in which some gas is contained.
ところで、図1に示したインバータ装置1においては、入力電圧Vinが入力する入力端子11aと11bの間に、第1のトランス群10AのトランスT1,T2の励磁巻線Np1とNp2を並列に接続した回路に直列にスイッチング素子Q1を接続している。同じくその入力端子11aと11bの間に、第2のトランス群10BのトランスT3,T4の励磁巻線Np3とNp4を並列に接続した回路に直列にスイッチング素子Q2を接続している。
By the way, in the
したがって、第1のトランス群10Aの各トランスT1,T2の励磁巻線Np1,Np2に、入力電圧Vinによって第1の励磁電流iaを流す経路に直列に第1のスイッチング素子Q1を設けている。また、第2のトランス群10Bの各トランスT3,T4の励磁巻線Np3,Np4に、入力電圧Vinによって第2の励磁電流ibを流す経路に直列に第2のスイッチング素子Q2を設けている。
その各スイッチング素子Q1,Q2の各ゲートに、制御回路15から出力する矩形波状のスイッチング信号Sp1,Sp2を印加して、各スイッチング素子Q1とQ2を交互にオン・オフさせる。
この二つのスイッチング素子Q1,Q2と制御回路15とによってスイッチング制御手段を構成している。
Therefore, the first switching element Q1 is provided in series with the path through which the first excitation current ia flows by the input voltage Vin in the excitation windings Np1 and Np2 of the transformers T1 and T2 of the
Rectangular switching signals Sp1 and Sp2 output from the
The two switching elements Q1, Q2 and the
そのスイッチング制御手段によって、第1のトランス群10Aの各トランスT1,T2の励磁巻線Np1,Np2にのみ第1の励磁電流iaを所定期間流す制御と、第2のトランス群10Bの各トランスT3,T4の励磁巻線Np3,Np4にのみ第2の励磁電流ibを所定期間流す制御とを交互に行なうことを、所定の周期で繰り返す。
したがって、第1のトランス群10Aの各トランスT1,T2の励磁巻線Np1,Np2に第1の励磁電流iaを流す期間には、第2のトランス群10Bの各トランスT3,T4の励磁巻線Np3,Np4には第2の励磁電流ibを流さない。
そして、第1のトランス群10Aの各トランスT1,T2の励磁巻線Np1,Np2に第1の励磁電流iaを流さない期間に、第2のトランス群10Bの各トランスT3,T4の励磁巻線Np3,Np4に、第1の励磁電流iaとは逆向に第2の励磁電流ibを流す。
The switching control means controls the first excitation current ia to flow only through the excitation windings Np1, Np2 of the transformers T1, T2 of the
Therefore, during the period in which the first excitation current ia flows through the excitation windings Np1 and Np2 of the transformers T1 and T2 of the
The excitation windings of the transformers T3 and T4 of the
第1のトランス群10Aの各トランスT1,T2の励磁巻線Np1,Np2に第1の励磁電流iaを流している期間は、各トランスT1,T2に電磁エネルギーを蓄積する。そして、その励磁電流iaがオフになった期間に、各出力巻線Ns1,Ns2に、そのインダクタンスと浮遊容量及び負荷容量Coとによる共振によって高電圧を誘起する。
第2のトランス群10Bの各トランスT3,T4の励磁巻線Np3,Np4に第2の励磁電流ibを流している期間も、各トランスT3,T4に電磁エネルギーを蓄積する。そして、その励磁電流ibがオフになった期間に、各出力巻線Ns3,Ns4に、そのインダクタンスと浮遊容量及び負荷容量Coとによる共振によって高電圧を誘起する。
During the period in which the first excitation current ia is flowing through the excitation windings Np1 and Np2 of the transformers T1 and T2 of the
Electromagnetic energy is accumulated in each of the transformers T3 and T4 during the period in which the second excitation current ib is flowing through the excitation windings Np3 and Np4 of the transformers T3 and T4 of the
この場合、第1、第2の各トランス群10A及び10B内における、複数の各トランスT1とT2、T3とT4の各出力巻線に発生する出力電圧波形の時間軸が同期していることが望ましい。
スイッチング素子Q1,Q2は、この実施形態ではMOS形電界効果トランジスタ(MOSFET)を使用しているが、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)などを使用してもよい。
制御回路15は入力電圧Vinによって動作し、スイッチング素子Q1,Q2をオン・オフ制御する二つのスイッチング信号Sp1,Sp2を発生する発振回路を備えている。
In this case, the time axes of the output voltage waveforms generated in the output windings of the plurality of transformers T1 and T2 and T3 and T4 in the first and
The switching elements Q1 and Q2 use MOS field effect transistors (MOSFETs) in this embodiment, but may use insulated gate bipolar transistors (IGBTs) or the like.
The
二つのスイッチング信号Sp1,Sp2は、その波形を図3に示すように、同じ周期Tを有する矩形波パルスであるが、ハイレベルになる期間tq1,tq2が等しく、位相が1/2周期以上ずれている。すなわち、
tq1=tq2≦0.5T
の条件が必須となる。この条件からはずれると、励磁インダクタンスに蓄えるエネルギーのバランスを崩し、共振からずれてしまう。また、正負の出力電圧が異なる状態になる。
As shown in FIG. 3, the two switching signals Sp1 and Sp2 are rectangular wave pulses having the same period T, but the periods tq1 and tq2 during which they become high level are equal and the phase is shifted by more than ½ period. ing. That is,
tq1 = tq2 ≦ 0.5T
These conditions are essential. If it deviates from this condition, the balance of the energy stored in the excitation inductance is lost, and it deviates from resonance. In addition, the positive and negative output voltages are different.
このスイッチング信号Sp1がハイレベルになる期間tq1にスイッチング素子Q1がオンになり、第1のトランス群10Aの各トランスT1,T2の励磁巻線Np1,Np2に第1の励磁電流iaが流れる。
このスイッチング信号Sp2がハイレベルになる期間tq2にスイッチング素子Q2がオンになり、第2のトランス群10Bの各トランスT3,T4の励磁巻線Np3,Np4に第2の励磁電流ibが流れる。
The switching element Q1 is turned on during the period tq1 when the switching signal Sp1 is at a high level, and the first excitation current ia flows through the excitation windings Np1, Np2 of the transformers T1, T2 of the
The switching element Q2 is turned on during the period tq2 when the switching signal Sp2 is at a high level, and the second excitation current ib flows through the excitation windings Np3 and Np4 of the transformers T3 and T4 of the
そして、スイッチング素子Q1がオフになり、第1のトランス群10Aの各トランスT1,T2の励磁巻線Np1,Np2に第1の励磁電流iaが流れない期間に、その出力巻線Ns1,Ns2に中点mに対して負の出力電圧が発生する。同様に、スイッチング素子Q2がオフになり、第2のトランス群10Bの各トランスT3,T4の励磁巻線Np3,Np4に第2の励磁電流ibが流れない期間に、その出力巻線Ns3,Ns4に中点mに対して正の出力電圧が発生する。
Then, the switching element Q1 is turned off, and the output windings Ns1, Ns2 are supplied to the output windings Ns1, Ns2 during a period in which the first excitation current ia does not flow through the excitation windings Np1, Np2 of the transformers T1, T2 of the
すなわち、第1のトランス群10Aの各トランスT1,T2の出力巻線Ns1,Ns2と、第2のトランス群10Bの各トランスT3,T4の出力巻線Ns3,Ns4に、接地された中点mに対して逆極性の電圧を交互に発生させる。
第1のトランス群10Aの各トランスT1,T2と第2のトランス群10Bの各トランスT3,T4における、各励磁巻線と出力巻線の巻き始め及び巻き方向の関係と、励磁電流を流す方向とによって、各出力巻線に発生する電圧が中点mに対して同極性の電圧になる場合と、逆極性の電圧になる場合とが生じる。
That is, the middle point m grounded to the output windings Ns1, Ns2 of the transformers T1, T2 of the
The relationship between the winding start and winding direction of each excitation winding and output winding in each transformer T1, T2 of the
この実施形態では、励磁巻線Np1,Np2に流す第1の励磁電流iaと励磁巻線Np3,Np4に流す第2の励磁電流ibの向きを逆にしている。それによって、出力巻線Ns1,Ns2に発生する電圧は中点mに対して負極性に、出力巻線Ns3,Ns4に発生する電圧は中点mに対して正極性になるように、各トランスの励磁巻線と出力巻線の巻方向が設定されている。 In this embodiment, the directions of the first excitation current ia flowing through the excitation windings Np1 and Np2 and the second excitation current ib flowing through the excitation windings Np3 and Np4 are reversed. As a result, each transformer is set so that the voltage generated in the output windings Ns1 and Ns2 has a negative polarity with respect to the midpoint m, and the voltage generated in the output windings Ns3 and Ns4 has a positive polarity with respect to the midpoint m. The winding direction of the excitation winding and the output winding is set.
ここで、図3におけるtq1,tq2が、tq1=tq2=0.45T の場合について、第1のトランス群10Aの出力電圧−Vout、第2のトランス群10Bの出力電圧+Voutと、出力端子12a,12b間の出力電圧Voutの電圧波形を図4に示す。(B)が第1のトランス群10Aの出力電圧−Vout(破線の波形)と、第2のトランス群10Bの出力電圧+Vout(実線の波形)を示し、(A)が出力端子12a,12b間の出力電圧Voutの波形を示す。
出力電圧Voutは、各トランス群10A,10Bの出力電圧−Voutと+Voutの波形を重畳した波形になる。そのため、各トランス群10A,10Bの出力電圧−Voutと+Voutがそれぞれ負又は正に偏った波高値−8KV又は+8KV程度の半波の脈流に近い波形であっても、出力端子間の出力電圧Voutは波高値が±12KV程度の略連続した交流波形になる。
Here, when tq1 and tq2 in FIG. 3 are tq1 = tq2 = 0.45T, the output voltage −Vout of the
The output voltage Vout has a waveform in which the waveforms of the output voltages −Vout and + Vout of the
図5は、従来のインバータ装置とこの発明によるインバータ装置の出力電圧波形を簡略化して比較する波形図である。
(A)は、図12及び図13によって説明した特許文献1に記載されたインバータ装置による出力電圧Voutの波形例を示す。この場合は、スイッチング素子Qswのスイッチング周期T(周波数f)のうち、全トランスの一次側ON時間すなわち励磁電流を流す時間は、トランスに励磁エネルギーを貯めている期間であり、出力電圧は発生しない。
したがって、全トランスの一次側OFF時間にのみ、正の出力電圧(+Vpeak)を発生する。したがって、1周期内で出力電圧がない時間の比率が高くなり、十分な電力を得にくい。
FIG. 5 is a waveform diagram for simplifying and comparing the output voltage waveforms of the conventional inverter device and the inverter device according to the present invention.
(A) shows the example of a waveform of the output voltage Vout by the inverter apparatus described in
Therefore, a positive output voltage (+ Vpeak) is generated only during the primary side OFF time of all transformers. Therefore, the ratio of the time when there is no output voltage within one cycle increases, and it is difficult to obtain sufficient power.
(B)は図1に示したインバータ装置による出力電圧Voutの波形例を示す。この場合も、スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング周期Tのうち、第1のトランス群10Aの一次側ON時間tq1には、トランスT1,T2の励磁巻線Np1,Np2に第1の励磁電流iaを流す。その期間には、トランスT1,T2の出力巻線Ns1,Ns2には出力電圧が発生しない。しかし、その期間には第2のトランス群10BのトランスT3,T4の励磁電流がOFFになるので、その出力巻線Ns3,Ns4に、中点mに対して端点b側に正の出力電圧(+Vpeak)が発生する。
(B) shows a waveform example of the output voltage Vout by the inverter device shown in FIG. Also in this case, the first exciting current ia is applied to the exciting windings Np1, Np2 of the transformers T1, T2 during the primary side ON time tq1 of the
また、第2のトランス群10Bの一次側ON時間tq2には、トランスT3,T4の励磁巻線Np3,Np4に第2の励磁電流ibを流す。その期間には、トランスT3,T4の出力巻線Ns3,Ns4には出力電圧が発生しない。しかし、その期間には第1のトランス群10AのトランスT1,T2の励磁電流がOFFになるので、その出力巻線Ns1,Ns2に、中点mに対して端点a側に負の出力電圧(−Vpeak)が発生する。
したがって、1周期内で出力電圧がない時間の比率が極めて小さくなり、負荷に供給する出力電力は図5の(B)に示す交番波形の網点部分の面積に比例するので、図1に示したインバータ装置によれば、正負で2倍の電力が得られることになる。
Further, during the primary side ON time tq2 of the
Accordingly, the ratio of the time when there is no output voltage within one cycle is extremely small, and the output power supplied to the load is proportional to the area of the halftone dot portion of the alternating waveform shown in FIG. According to the inverter device, double and positive power can be obtained.
図1に示した実施形態において、第1のトランス群10AのトランスT1,T2と第2のトランス群10BのトランスT3,T4のいずれか一方の極性を逆にするか、トランスT1,T2とT3,T4に同じ方向の励磁電流を交互に流すようにしてもよい。その場合、図5の(C)に示すように正側のみ、あるいはそれを反転した負側のみの全波整流波形のような出力電圧波形を得ることが可能である。
In the embodiment shown in FIG. 1, the polarity of one of the transformers T1 and T2 of the
図1の実施形態では、昇圧トランス10を、それぞれ2個のトランスからなる第1、第2のトランス群10A,10Bによって構成して、プッシュプル方式のように正負の電圧波形を分担して出力するようにしている。そのため、各トランスの出力巻線の巻数Nsは1/2で済む。それによって、磁束密度の不足や出力巻線を巻くための窓枠面積が大きくなるという問題を解決することができる。
In the embodiment of FIG. 1, the step-up
各トランス群のトランスの数は2個に限るものではなく、2個以上でもよい。但し、各トランス群におけるトランスの数は同数であることが必要である。したがって、昇圧トランス10を構成するトランスの数は、4個、6個、8個など、4個以上の偶数個になる。
そのトランスの数をn個とすると、昇圧トランス10の出力インダクタンスLsは、次式によって求められる。
Ls=AL・(Ns/2)・(Ns/2)・n (H)
ここで、ALは各トランスのインダクション係数であり、AL=μ・Ae/L で、
μはコアの透磁率、Lは磁路長、Aeは実効断面積である。
The number of transformers in each transformer group is not limited to two and may be two or more. However, the number of transformers in each transformer group needs to be the same. Therefore, the number of transformers constituting the step-up
When the number of the transformers is n, the output inductance Ls of the step-up
Ls = AL · (Ns / 2) · (Ns / 2) · n (H)
Here, AL is an induction coefficient of each transformer, AL = μ · Ae / L,
μ is the magnetic permeability of the core, L is the magnetic path length, and Ae is the effective area.
そして、上述した実施形態のようにn=4の場合、
Ls=AL・Ns・Ns(H)
となり、正又は負の一方の電圧波形の出力電圧を得る場合の昇圧トランスの出力インダクタンスLsと同一値となる。
各トランス群の励磁電流がそれぞれOFFになったときに、この出力インダクタンスLsと、各出力巻線間に分布もしくは寄生する静電容量Cs及び負荷容量Co との合成容量とによって、そのトランス群の二次側に並列共振が発生する。それによって、高電圧で交番される出力電圧(+−Vout)を出力端子間に出力する。
これらのことは、以下に説明する他の実施形態においても同様である。
And when n = 4 as in the embodiment described above,
Ls = AL / Ns / Ns (H)
Thus, it becomes the same value as the output inductance Ls of the step-up transformer when obtaining an output voltage having a positive or negative voltage waveform.
When the exciting current of each transformer group is turned off, the output inductance Ls and the combined capacitance of the capacitance Cs and the load capacitance Co distributed or parasitic between the output windings of the transformer group. Parallel resonance occurs on the secondary side. As a result, an output voltage (+ −Vout) alternated with a high voltage is output between the output terminals.
The same applies to other embodiments described below.
〔第2の実施形態〕
この発明によるインバータ装置の第2の実施形態を図6に示す。
なお、以下の各実施形態を示す図6〜図10の回路図においても、図1の各部と対応する部分には同一の符号を付し、相違する点のみを説明する。各実施形態のインバータ装置及び昇圧トランスには相違点もあるが、便宜上、全てインバータ装置1及び昇圧トランス10とする。
[Second Embodiment]
FIG. 6 shows a second embodiment of the inverter device according to the present invention.
In the circuit diagrams of FIGS. 6 to 10 showing the following embodiments, portions corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and only different points will be described. Although there is a difference between the inverter device and the step-up transformer of each embodiment, for convenience, the
図6に示す第2の実施形態のインバータ装置1が図1に示した第1の実施形態と相違する点は、第1のトランス群10AのトランスT1,T2の各出力巻線Ns1とNs2、および第2のトランス群10BのトランスT3,T4の各出力巻線Ns3とNs4を、それぞれ互いに並列に接続した点だけである。
The
この場合、第2の実施形態のインバータ装置1は第1の実施形態のインバータ装置1に比べて、第1のトランス群10Aによる負の出力電圧−Voutの波高値、および第2のトランス群10Bによる正の出力電圧+Voutの波高値は小さくなる。したがって、交番する出力電圧Voutの実効値は約1/2になるが、負荷電流Io の値は約2倍になるので、出力電力は同等である。
In this case, the
したがって、同じ電力でも大きな電流が必要な場合は、このように各トランス群を構成する複数のトランスの出力巻線を互いに並列に接続するとよい。
また、他の各実施形態においてもこの実施形態と同様に、第1、第2のトランス群10A,10Bを構成する各トランスT1,T2の各出力巻線Ns1とNs2、各トランスT3,T4の各出力巻線Ns3とNs4を、それぞれ互いに並列に接続してもよい。
Therefore, when a large current is required even with the same power, the output windings of a plurality of transformers constituting each transformer group may be connected in parallel to each other.
In the other embodiments, as in this embodiment, the output windings Ns1 and Ns2 of the transformers T1 and T2 constituting the first and
〔第3の実施形態〕
この発明によるインバータ装置の第3の実施形態を図7に示す。
この第3の実施形態のインバータ装置1は、第1、第2のトランス群10A,10Bの各トランスT1〜T4の出力巻線Ns1〜Ns4を全て直列に接続し、その中点mをグランドGNDに接続せず、出力端子12aに接続する端点aをグランドGNDに接続する。
[Third Embodiment]
A third embodiment of the inverter device according to the present invention is shown in FIG.
In the
そして、第1、第2のトランス群10A,10Bの各トランスT1〜T4の励磁巻線Np1〜Np4に流す第1の励磁電流iaと第2の励磁電流ibを、図1の第1の実施形態と同様に制御する。それによって、第1のトランス群10AにおけるトランスT1,T2の出力巻線Ns1,Ns2の直列回路には、グランド側の端点aに対して中点m側に正のピーク波形の電圧を発生させる。第2のトランス群10BにおけるトランスT3,T4の出力巻線Ns3,Ns4の直列回路には、中点mに対して端点b側に1/2周期ずれた正のピーク波形の電圧を発生させる。
The first excitation current ia and the second excitation current ib flowing through the excitation windings Np1 to Np4 of the transformers T1 to T4 of the first and
したがって、図5の(C)に示したように、スイッチングの1周期T内で、第1のトランス群10Aによる正のピーク波形の電圧と、第2のトランス群10Bによる正のピーク波形の電圧とが約1/2周期ずつ発生する。そのため、出力端子12a,12b間の出力電圧Voutは、正の全波整流波形のような脈流電圧波形になる。それによって、図7の矢示方向に負荷電流Io が流れる。
この場合、第1の実施形態による図5の(B)に示した正負のピークを有する交番電圧波形に比べて、出力電圧Voutの振幅は1/2になるが、同図の(C)に示した波形の網点部分の面積に比例する出力電力は、第1の実施形態の場合と同等である。
Therefore, as shown in FIG. 5C, the voltage of the positive peak waveform by the
In this case, the amplitude of the output voltage Vout is ½ compared to the alternating voltage waveform having positive and negative peaks shown in FIG. 5B according to the first embodiment, but in FIG. The output power proportional to the area of the halftone dot portion of the waveform shown is equivalent to that in the first embodiment.
第1の励磁電流ia及び第2の励磁電流ibを、図7に示した方向と反対向きに流すか、あるいは各トランスT1〜T4の励磁巻線Np1〜Np4又は出力巻線Ns1〜Ns4の巻き方向を逆にすれば、出力電圧Voutの極性を負にすることもできる。
その場合は、第1のトランス群10AにおけるトランスT1,T2の出力巻線Ns1,Ns2の直列回路には、グランド側の端点aに対して中点m側に負のピーク波形の電圧が発生する。第2のトランス群10BにおけるトランスT3,T4の出力巻線Ns3,Ns4の直列回路には、中点mに対して端点b側に1/2周期ずれた負のピーク波形の電圧が発生する。
The first exciting current ia and the second exciting current ib are passed in the direction opposite to the direction shown in FIG. 7, or the exciting windings Np1 to Np4 or the output windings Ns1 to Ns4 of the transformers T1 to T4 are wound. If the direction is reversed, the polarity of the output voltage Vout can be made negative.
In that case, in the series circuit of the output windings Ns1 and Ns2 of the transformers T1 and T2 in the
したがって、図5の(C)に示した波形を負側に反転したように、スイッチングの1周期T内で、第1のトランス群10Aによる負のピーク波形の電圧と、第2のトランス群10Bによる負のピーク波形の電圧とが約1/2周期ずつ発生する。そのため、出力端子12a,12b間の出力電圧Voutは、負の全波整流波形のような脈流電圧波形になり、負荷電流Io は図7に示した向きとは逆向きに流れることになる。
あるいは、図7における出力端子12a側の端点aに代えて出力端子12b側の端点bをグランドに接続して接地しても、出力電圧Vout が上記と同様に負の全波整流波形のような脈流電圧波形になる。
Therefore, the negative peak waveform voltage generated by the
Alternatively, even if the end point b on the
〔第4の実施形態〕
この発明によるインバータ装置の第4の実施形態を図8に示す。
この第4の実施形態のインバータ装置1は図8に示すように、第1のトランス群10Aの各トランスT1,T2の各励磁巻線Np1,Np2に流す第1の励磁電流iaの向きを、これまでの各実施形態の場合と反対向きにしている。したがって、第1の励磁電流iaの向きが、第2のトランス群10BのトランスT3,T4の各励磁巻線Np3,Np4に流す第2の励磁電流ibと同じになる。
また、前述した第3の実施形態と同様に、第1、第2のトランス群10A,10Bの各トランスT1〜T4の出力巻線Ns1〜Ns4を全て直列に接続し、その中点mをグランドGNDに接続せず、出力端子12aに接続する端点aをグランドGNDに接続する。
[Fourth Embodiment]
A fourth embodiment of the inverter device according to the present invention is shown in FIG.
As shown in FIG. 8, the
Similarly to the third embodiment described above, the output windings Ns1 to Ns4 of the transformers T1 to T4 of the first and
それによって、第1の励磁電流iaがOFFの期間には、第1のトランス群10AのトランスT1,T2の各出力巻線Ns1,Ns2の直列回路に、グランドGND側の端点aに対して中点m側に負のピーク波形の電圧が発生する。また、第2の励磁電流ibがOFFの期間には、第2のトランス群10BのトランスT3,T4の各出力巻線Ns3,Ns4の直列回路に、中点mに対して端点b側に1/2周期ずれた正のピーク波形の電圧が発生する。
この場合、第1のトランス群10Aの各トランスT1,T2と第2のトランス群10Bの各トランスT3,T4における励磁巻線と出力巻線の巻き始め及び巻き方向の関係は、前述した各実施形態の場合と同じとする。
As a result, during the period when the first exciting current ia is OFF, the series circuit of the output windings Ns1 and Ns2 of the transformers T1 and T2 of the
In this case, the relationship between the winding start and the winding direction of the excitation winding and the output winding in each of the transformers T1 and T2 of the
この第4の実施形態によれば、スイッチングの1周期T内で、グランドGNDに対して第1のトランス群10Aによる負のピーク波形の電圧と、第2のトランス群10Bによる正のピーク波形の電圧とが約1/2周期ずつ発生する。そのため、出力端子12a,12b間の出力電圧Voutは、図5の(B)に示したような正負に交番する波形になるが、負荷2に流れる負荷電流Ioが交互に反転することになる。
このようにしても、図1に示した第1の実施形態のインバータ装置1と同様な交流高電圧の出力電圧±Vout を負荷2に供給することができる。
図8における出力端子12a側の端点aに代えて出力端子12b側の端点bをグランドに接続して接地しても、同様の出力電圧±Vout が得られる。
あるいは、中点mをグランドに接続し、端点aと端点bは負荷2に接続するだけにしても、同様な波形の出力電圧±Vout が得られる。
According to the fourth embodiment, the voltage of the negative peak waveform by the
Even in this case, the output voltage ± Vout of the AC high voltage similar to that of the
If the end point b on the
Alternatively, the output voltage ± Vout having the same waveform can be obtained by simply connecting the midpoint m to the ground and connecting the end points a and b to the
なお、第1の励磁電流iaと第2の励磁電流ibの向きが反対である図7に示した第3の実施形態においても、第1のトランス群10Aの各トランスT1,T2の極性を逆にすれば、第4の実施形態と同様になる。
すなわち、図7に示した方向に第1の励磁電流iaを流しても、それをOFFにしたときにトランスT3,T4の出力巻線Ns3,Ns4の直列回路に、グランドGNDに対して中点m側に負のピーク波形の電圧を発生させるように、励磁巻線又は出力巻線の巻き始め及び巻き方向を逆にすればよい。その場合も、出力電圧Voutの波形は図5の(B)に示したようになる。
In the third embodiment shown in FIG. 7 in which the directions of the first excitation current ia and the second excitation current ib are opposite, the polarities of the transformers T1 and T2 of the
That is, even if the first exciting current ia flows in the direction shown in FIG. 7, when it is turned off, the series point of the output windings Ns3 and Ns4 of the transformers T3 and T4 is connected to the ground GND. What is necessary is just to reverse the winding start and winding direction of an excitation winding or an output winding so that the voltage of a negative peak waveform may be generated on the m side. Also in this case, the waveform of the output voltage Vout is as shown in FIG.
〔第5の実施形態〕
この発明によるインバータ装置の第5の実施形態を図9に示す。
この第5の実施形態のインバータ装置1の基本的な構成は、図1に示した第1の実施形態のインバータ装置1と同じである。しかし、その場合に発生する偏磁の影響を軽減するための改善を加えている。
[Fifth Embodiment]
FIG. 9 shows a fifth embodiment of the inverter device according to the present invention.
The basic configuration of the
図1に示した第1の実施形態等の正負の電圧波形の出力電圧を負荷2に供給するインバータ装置1では、正側と負側で同じだけトランスの磁束変化が起こるはずであるが、実際にはいずれか一方に偏る現象があり、それを偏磁という。それは、負荷2の電極構造により、正波形の電圧が印加される場合と負波形の電圧が印加される場合とで負荷電流値が若干変わるためかと推察される。
In the
また、図1に示した第1の実施形態のインバータ装置1では、図4の(B)に示したように、第1のトランス群10Aによって負のピーク波形の高電圧を出力している期間に、第2のトランス群10Bも波高値が半分程度の負の電圧を出力している。第2のトランス群10Bによって正のピーク波形の電圧を出力している期間に、第1のトランス群10Aも波高値が半分程度の正の電圧を出力している。
そのため、第1、第2のトランス群10A,10Bに各トランスに励磁電流が流れている期間に蓄えるエネルギーにロスが生じ、励磁電流がOFFになったときに出力巻線に発生する出力電圧が低下する(波高値が小さくなる)。
Further, in the
For this reason, energy is stored in the first and
図9に示す第5の実施形態のインバータ装置1は、これらの点を改善するための手段を設けている。
そのため、第1、第2の各トランス群10A,10Bの互いに直列に接続した出力巻線Ns1とNs2の両端間及び出力巻線Ns3とNs4の両端間に、それぞれスイッチ素子S1,S2を接続している。
The
Therefore, switching elements S1 and S2 are connected between both ends of the output windings Ns1 and Ns2 connected in series and between both ends of the output windings Ns3 and Ns4 of the first and
そして、制御回路15が、スイッチング素子Q1をONにして第1の励磁電流iaを流す期間はスイッチ素子S1をオン状態にし、スイッチング素子Q2をONにして第2の励磁電流ibを流す期間はスイッチ素子S2をオン状態にする。
すなわち、制御回路15がスイッチング信号Sp1,Sp2によってスイッチング素子Q1又はQ2をそれぞれオンにするタイミングに同期して、ゲートパルスP1又はP2を出力してスイッチ素子S1又はS2もそれぞれオンにする。
The
That is, the
この実施形態では、各スイッチ素子S1,S2はサイリスタ又はSCRのような3端子半導体スイッチ素子であり、ゲートに印加されるゲートパルスP1,P2がハイレベルになると、アノードとカソード間に順方向の電圧が印加されるとその順方向に導通する。したがって、その順方向である所定の方向にのみ電流を流す。
ゲートパルスP1,P2がローレベルになると、アノードとカソード間の順方向の電圧が無くなるとオフに戻ってそのままになる。
In this embodiment, each of the switch elements S1 and S2 is a three-terminal semiconductor switch element such as a thyristor or SCR, and when the gate pulses P1 and P2 applied to the gate are at a high level, a forward direction is applied between the anode and the cathode. When a voltage is applied, it conducts in its forward direction. Therefore, a current is allowed to flow only in a predetermined direction that is the forward direction.
When the gate pulses P1 and P2 become low level, when the forward voltage between the anode and the cathode disappears, it turns off and remains as it is.
このインバータ装置1は、第1の励磁電流iaがOFFになると、第1のトランス群10AのトランスT1,T2の出力巻線Ns1,Ns2に発生する中点mに対して端点a側に負の波形の電圧によって、図9に破線矢印で示すように負荷2に電流を流す。このとき、スイッチ素子S2がその電流を流す方向に導通するので、負荷電流はスイッチ素子S2を通り、トランスT3,T4の出力巻線Ns3,Ns4は通過しない。
When the first exciting current ia is turned off, the
また、第2の励磁電流ibがOFFになると、第2のトランス群10BのトランスT3,T4の出力巻線Ns3,Ns4に発生する中点mに対して端点b側に正の波形の電圧によって、図9に細実線矢印で示すように負荷2に電流を流す。このとき、スイッチ素子S1がその電流を流す方向に導通するので、負荷電流はスイッチ素子S1を通り、トランスT1,T2の出力巻線Ns1,Ns2は通過しない。
When the second exciting current ib is turned off, a positive waveform voltage is applied to the end point b side with respect to the middle point m generated in the output windings Ns3 and Ns4 of the transformers T3 and T4 of the
このように、第1、第2のトランス群10A,10Bのうち、出力電圧を発生しなくてよい方、すなわち励磁電流を流してエネルギーを蓄えている方のトランスの出力巻線の直列回路の両端間を導通状態にして、その出力巻線に不要な電圧が発生しないようにする。
それによって、蓄積エネルギーのロスがなくなり、そのトランス群の各トランスの励磁電流がOFFになったときに、その出力巻線に波高値の大きな電圧を出力させることができる。また、これによって、偏磁の影響も軽減することができる。
スイッチ素子S1,S2として、サイリスタやSCRのような3端子半導体スイッチ素子を使用すれば、オン状態のときに完全に短絡するのでなく、所定の方向にのみ電流を流す導通状態にすることができるので好ましい。
As described above, of the first and
Thereby, the loss of stored energy is eliminated, and when the excitation current of each transformer in the transformer group is turned off, a voltage having a large peak value can be output to the output winding. In addition, this can also reduce the influence of bias.
If a three-terminal semiconductor switch element such as a thyristor or SCR is used as the switch elements S1 and S2, the switch elements S1 and S2 can be brought into a conductive state in which a current flows only in a predetermined direction, instead of being completely short-circuited in the on state. Therefore, it is preferable.
このスイッチ素子S1,S2の代わりに、正又は負の出力巻線間に転流ダイオードを設け、各出力巻線の短絡を防止するためのカップリングコンデンサを介挿して、正もしくは負の交流出力電圧のみを出力させるようにしてもよい。
カップリングコンデンサの代わりに、整流ダイオードを設けて、それぞれ正又は負の交流の脈流と正又は負の直流を含んだ出力電圧を出力するようにしてもよい。
Instead of the switch elements S1 and S2, a commutation diode is provided between the positive and negative output windings, and a coupling capacitor for preventing a short circuit between the output windings is inserted, so that a positive or negative AC output is provided. Only the voltage may be output.
Instead of the coupling capacitor, a rectifier diode may be provided to output an output voltage including a positive or negative alternating current pulsation and a positive or negative direct current, respectively.
〔第6の実施形態〕
この発明によるインバータ装置の第6の実施形態を図10に示す。
この第6の実施形態のインバータ装置1の構成は、殆ど図1に示した第1の実施形態のインバータ装置1と同じである。第1の実施形態と異なる点は、正側の入力端子11bと、昇圧トランス10を構成する各トランスT1〜T4の各励磁巻線Np1〜Np4の共通接続点dとの間に、インダクタCHを介挿した点だけである。そのインダクタCHのインダクタンスを、各トランスT1〜T4の一次側インダクタンスLpの1倍から100倍にする。それによって、各トランススT1〜T4の入力側のd点を交流的にフローティングにする。
[Sixth Embodiment]
A sixth embodiment of the inverter device according to the present invention is shown in FIG.
The configuration of the
トランスの偏磁は正もしくは負のどちらか一方に偏る傾向が、負荷の変化、実装パターン、トランスのほんの少しの特性の偏りなどによって出てしまう傾向がある。そのため、各トランスT1〜T4の励磁巻線Np1〜Np4に、入力電圧Vin(交流又は直流あるいは脈流)を直接印加するのではなく、インダクタCHを通して印加する。
これによって、励磁電流を流さない方のトランスの励磁巻線は両端側がフローティング状態になるため、ON,OFFいずれも入力電圧にクランプされる電力帰還が回避される。すなわち、トランスの偏磁力が回避される。
Transformer magnetism tends to be biased to either positive or negative, but tends to occur due to changes in load, mounting pattern, or a slight bias in the characteristics of the transformer. Therefore, the input voltage Vin (alternating current, direct current, or pulsating current) is not directly applied to the excitation windings Np1 to Np4 of the transformers T1 to T4, but is applied through the inductor CH.
As a result, both ends of the exciting winding of the transformer that does not pass the exciting current are in a floating state, so that power feedback that is clamped to the input voltage in both ON and OFF is avoided. That is, the bias magnetic force of the transformer is avoided.
インダクタCHの代わりにコンデンサを介挿しても、同様の効果を得ることができる。
また、トランスの入力電圧を、正もしくは負の出力を得るために正負2電源にして、偏磁を無くしたシングルの複合型にすることもできる。
The same effect can be obtained even if a capacitor is inserted instead of the inductor CH.
Further, the input voltage of the transformer may be a positive and negative power source to obtain a positive or negative output, and may be a single composite type that eliminates bias magnetism.
〔補足説明〕
この発明によるインバータ装置は2石コンバータであるが、このようなコンバータは、BHカーブの第一、第三象限を使用し、鉄損も2倍に増大する。一般にはこのような状態で出力すると使用磁束密度が不足し、電力がとれない。しかし、この発明では使用磁束密度の不足を回避するために、トランスの磁路を少なくても二つに分け、使用機器の仕様に応じた高電圧の高出力を得られるようにするため、昇圧トランスを2群構成にした簡単な回路で、トランスを2個ずつ増やして対応可能になる。
また、1群構成のトランスで、正又は負のいずれか一方の電圧波形を出力する場合と、出力電圧の波高値は同一であることから、昇圧トランスを2群構成にした場合は、トランスの出力巻線の巻数Nsが1/2で済むことになる。
[Supplementary explanation]
Although the inverter device according to the present invention is a two-stone converter, such a converter uses the first and third quadrants of the BH curve, and the iron loss is doubled. In general, when output is performed in such a state, the magnetic flux density used is insufficient and power cannot be obtained. However, in this invention, in order to avoid the shortage of the magnetic flux density used, the transformer magnetic path is divided into at least two, and in order to obtain a high output of high voltage according to the specifications of the equipment used, A simple circuit with two transformers makes it possible to increase the number of transformers by two.
In addition, since either the positive or negative voltage waveform is output by the transformer of one group configuration and the peak value of the output voltage is the same, when the step-up transformer is configured of two groups, The number of turns Ns of the output winding can be halved.
そして、同じスイッチング周期でも、出力電圧の発生周期は1/2になり、休止時間が殆ど無くなるので、最大2倍の放電エネルギーを引き出せる。
したがって、インバータ装置をあまり大型化することなく、トランスの磁束密度不足を招かずに、高電圧で大きなエネルギーの電力を効率よく得ることができる。
そのため、この発明によるインバータ装置の出力電圧を、放電電極とカウンタ電極を有する放電部に印加するプラズマ発生装置は、放電部で連続的に効率よくプラズマを発生させることができる。
そのプラズマ発生装置が発生するプラズマによって、シート材の表面改質を行なう表面改質装置によれば、短時間で効率よく均一に表面改質を行なうことができる。
Even in the same switching period, the generation period of the output voltage is halved and the rest time is almost eliminated, so that the discharge energy can be extracted up to twice as much.
Therefore, it is possible to efficiently obtain high-power electric power at a high voltage without causing the inverter device to be too large and without causing a shortage of the magnetic flux density of the transformer.
Therefore, the plasma generator that applies the output voltage of the inverter device according to the present invention to the discharge unit having the discharge electrode and the counter electrode can generate plasma continuously and efficiently.
According to the surface reforming apparatus that modifies the surface of the sheet material by the plasma generated by the plasma generating apparatus, the surface modification can be performed efficiently and uniformly in a short time.
この発明によるインバータ装置は、プラズマ発生装置とそれを利用した表面改質装置だけではなく、半導体ウエハー接着装置、画像処理機器、塗装装置、蛍光ランプ等の照明機器、空気清浄機、鶴首の放電機器、液晶TVのバックライト用放電灯、除菌装置など、種々の装置に交流高電圧を供給する高電圧電源装置として使用可能である。 The inverter device according to the present invention is not only a plasma generator and a surface modification device using the same, but also a semiconductor wafer bonding device, an image processing device, a coating device, a lighting device such as a fluorescent lamp , an air cleaner, and a crane neck discharge device. It can be used as a high-voltage power supply device that supplies an alternating high voltage to various devices such as a discharge lamp for a backlight of a liquid crystal TV and a sterilization device.
以上、この発明の各実施形態について説明してきたが、その実施形態の各部の具体的な構成や処理の内容等は、そこに記載したものに限るものではない。
また、この発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に記載された技術的特徴を有する以外は、何ら限定されるものではないことは言うまでもない。
さらに、以上説明してきた各実施形態の構成例、動作例及び変形例等は、適宜変更又は追加し、あるいは一部を削除してもよく、相互に矛盾しない限り任意に組み合わせて実施することも可能であることは勿論である。
As mentioned above, although each embodiment of this invention has been described, the specific configuration of each part of the embodiment, the content of processing, and the like are not limited to those described therein.
Moreover, this invention is not limited to each embodiment mentioned above, It cannot be overemphasized that it is not limited at all except having the technical feature described in each claim of a claim.
Furthermore, the configuration examples, operation examples, modification examples, and the like of each embodiment described above may be modified or added as appropriate, or some of them may be deleted, and any combination may be implemented as long as they do not contradict each other. Of course, it is possible.
1:インバータ装置 2:負荷(放電部) 10:昇圧トランス
10A:第1のトランス群 10B:第2のトランス群 11a,11b:入力端子
12a,12b:出力端子 15:制御回路 21:放電電極
21a:金属線 21b:誘電体(絶縁体) 22:カウンタ電極
22a:カウンタ電極22の対向面 23:誘電体 24,25:給電線
T1〜T4:トランス Np1〜Np4:励磁巻線 Ns1〜Ns4:出力巻線
Q1,Q2:スイッチング素子 Sp1,Sp2:スイッチング信号
S1,S2:スイッチ素子 P1,P2:ゲートパルス CH:インダクタ
Vin:入力電圧 Vout:出力電圧
1: Inverter device 2: Load (discharge unit) 10: Step-up transformer
10A:
21a:
22a:
Vin: Input voltage Vout: Output voltage
Claims (6)
前記昇圧トランスを第1のトランス群と第2のトランス群によって構成し、
該第1、第2の各トランス群を、それぞれ同数の同一の特性を持つ個別の複数のトランスによって構成し、該複数の各トランスの励磁巻線を並列に接続して同時に励磁されるようにし、
前記第1、第2の各トランス群の前記複数のトランスの各出力巻線を、いずれも互いに直列又は並列に接続し、該第1、第2の各トランス群の互いに直列又は並列に接続した出力巻線の各一端を互いに接続した中点を接地し、各他端を負荷に出力電圧を出力する一対の出力端子に個別に接続し、
前記第1、第2の各トランス群の各トランスの互いに直列又は並列に接続した出力巻線の両端間にそれぞれスイッチ素子を接続し、
前記第1のトランス群の各トランスの励磁巻線にのみ第1の励磁電流を流す制御と、前記第2のトランス群の各トランスの励磁巻線にのみ第2の励磁電流を流す制御とを交互に行うことを、所定の周期で繰り返し行うスイッチング制御手段を設け、前記第1のトランス群の各出力巻線と前記第2のトランス群の各出力巻線に、前記中点に対して逆極性の電圧を交互に発生させ、
前記スイッチング制御手段が、前記第1の励磁電流を流す期間は前記第1のトランス群の前記出力巻線の両端間に接続したスイッチ素子をオン状態にし、前記第2の励磁電流を流す期間は前記第2のトランス群の前記出力巻線の両端間に接続したスイッチ素子をオン状態にするようにしたことを特徴とするインバータ装置。 In an inverter device that switches an input voltage to flow an excitation current through an excitation winding on the primary side of the step-up transformer and outputs an AC voltage from an output winding on the secondary side of the step-up transformer.
The step-up transformer is composed of a first transformer group and a second transformer group,
Each of the first and second transformer groups is composed of a plurality of individual transformers having the same number and the same characteristics, and the excitation windings of the plurality of transformers are connected in parallel to be excited simultaneously. ,
The output windings of the plurality of transformers of the first and second transformer groups are all connected in series or in parallel to each other, and the first and second transformer groups are connected in series or in parallel to each other. Connect the middle point of each end of the output winding to each other, and connect each other end individually to a pair of output terminals that output the output voltage to the load.
A switch element is connected between both ends of the output windings connected in series or in parallel with each other in each transformer of the first and second transformer groups,
Control for flowing the first excitation current only to the excitation winding of each transformer of the first transformer group, and control for flowing the second excitation current only to the excitation winding of each transformer of the second transformer group Switching control means for repeatedly performing the alternating operation at a predetermined cycle is provided, and each output winding of the first transformer group and each output winding of the second transformer group are reversed with respect to the middle point. Alternately generate polar voltages ,
The switching control means turns on a switch element connected between both ends of the output winding of the first transformer group during a period in which the first excitation current flows, and a period in which the second excitation current flows. An inverter device characterized in that a switch element connected between both ends of the output winding of the second transformer group is turned on .
前記入力電圧を、前記第1、第2の各トランス群の各トランスの励磁巻線のインダクタンス以上のインダクタンスを有するインダクタを通して、該各トランスの励磁巻線に印加するようにしたことを特徴とするインバータ装置。 In the inverter apparatus as described in any one of Claim 1 to 3 ,
The input voltage is applied to the excitation winding of each transformer through an inductor having an inductance greater than the inductance of the excitation winding of each transformer of each of the first and second transformer groups. Inverter device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014040379A JP6331480B2 (en) | 2014-03-03 | 2014-03-03 | Inverter device and plasma generator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014040379A JP6331480B2 (en) | 2014-03-03 | 2014-03-03 | Inverter device and plasma generator |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2015165756A JP2015165756A (en) | 2015-09-17 |
JP6331480B2 true JP6331480B2 (en) | 2018-05-30 |
Family
ID=54188008
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014040379A Expired - Fee Related JP6331480B2 (en) | 2014-03-03 | 2014-03-03 | Inverter device and plasma generator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6331480B2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114244172B (en) * | 2021-12-03 | 2023-06-20 | 科威尔技术股份有限公司 | Power grid analog power supply |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0682798U (en) * | 1993-05-07 | 1994-11-25 | 長野日本無線株式会社 | Inverter circuit |
JPH08205535A (en) * | 1995-01-20 | 1996-08-09 | Takasago Seisakusho:Kk | Control method for voltage resonance dc to dc converter |
JP3656223B2 (en) * | 1996-03-15 | 2005-06-08 | 和夫 河野 | High output generation circuit |
DE19736612A1 (en) * | 1997-08-22 | 1999-02-25 | Asea Brown Boveri | Inverter |
JP2003125586A (en) * | 2001-10-15 | 2003-04-25 | Amada Eng Center Co Ltd | Power unit for plasma generation |
JP4838031B2 (en) * | 2006-03-31 | 2011-12-14 | 公益財団法人鉄道総合技術研究所 | Multiple inverter control system |
JP2008263748A (en) * | 2007-04-13 | 2008-10-30 | Oki Power Tech Co Ltd | Inverter power supply device |
EP2375555B1 (en) * | 2010-03-26 | 2013-10-02 | Ricoh Company, Ltd. | High voltage inverter device |
-
2014
- 2014-03-03 JP JP2014040379A patent/JP6331480B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2015165756A (en) | 2015-09-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5736887B2 (en) | High voltage inverter device | |
KR102020648B1 (en) | Transformer and LLC Resonant Converter having the same | |
KR101016901B1 (en) | Power supply apparatus for a capacitive load and operation method therof | |
TW504889B (en) | Switching power circuit | |
US7289338B2 (en) | Input to output isolated DC-DC converter | |
JP6160142B2 (en) | High voltage inverter | |
KR20010106228A (en) | Switching power supply apparatus with active clamp circuit | |
US20080316773A1 (en) | High Voltage Power Supply for Static Neutralizers | |
JP2009515300A5 (en) | ||
US20140369076A1 (en) | Power supply device | |
JP2012135112A (en) | High voltage inverter device and output voltage adjustment method thereof | |
US9453860B2 (en) | Inverter device | |
JP6331480B2 (en) | Inverter device and plasma generator | |
US9467071B2 (en) | Voltage resonant inverter, control method, and surface treatment device | |
WO2019181082A1 (en) | Dc voltage conversion circuit and power supply device | |
TWI608694B (en) | Static magnetoresistive magnetic amplifying device | |
JP2020018037A (en) | Power element driving device | |
JP6322990B2 (en) | Inverter device and plasma generator | |
JPH08223945A (en) | Drive circuit of piezoelectric transformer | |
TWI553678B (en) | Magnetoelectric amplifying device | |
JP2012239288A (en) | High voltage inverter device | |
JP2017085793A (en) | Power supply device and plasma treatment device | |
JP2002519977A (en) | High pressure pulse generator for magnetron drive | |
JP2010246314A (en) | Half-bridge dc/dc converter | |
JP2023179164A (en) | Power conversion device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20170220 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20171227 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20180109 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20180312 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20180403 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20180416 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 6331480 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |