JP6653131B2 - 誘導加熱用電源装置 - Google Patents
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Description
本発明は、誘導加熱用電源装置に関する。
加熱コイルに交流電力を供給し、加熱コイルによって形成される磁界に置かれたワークに誘起される誘導電流によってワークを加熱する誘導加熱において、加熱コイルに交流電力を供給する電源装置は、一般に商用電源の交流電力をコンバータで直流電力に変換し、直流電力の脈流をコンデンサで平滑し、平滑後の直流電力をインバータで交流電力に逆変換して、加熱コイルに供給する高周波の交流電力を生成している（例えば、特許文献１参照）。
インバータは、基本的に、直列に接続されたスイッチング素子としてのパワー半導体素子の対が並列に接続されて構成される。加熱コイルは各対におけるパワー半導体素子の直列接続点の間に接続され、パワー半導体素子の高速なスイッチング動作によって加熱コイルに高周波の交流電力が供給される。
パワー半導体素子の高速なスイッチング動作はパワー半導体素子に流れる電流を急激に変化させ、この電流変化ｄｉ／ｄｔはパワー半導体素子と電圧源であるコンデンサとの間の導電路の寄生インダクタンスＬにより、パワー半導体素子の両端にサージ電圧Ｌ×ｄｉ／ｄｔを発生させる。過大なサージ電圧はパワー半導体素子を破壊する虞があり、サージ電圧の抑制が求められる。ｄｉ／ｄｔは主としてパワー半導体素子の特性によって決まるため、寄生インダクタンスＬを低減することによってサージ電圧を抑制することが可能である。
寄生インダクタンスを低減する方策として、典型的には負荷の近傍に電圧源としてのコンデンサが配置される。しかし、誘導加熱用電源装置という大電力用途においてコンデンサには比較的大きな静電容量が必要となるところ、コンデンサは静電容量の増加とともに外形も大きくなり、誘導加熱用電源装置に相応の静電容量を有するコンデンサを負荷であるパワー半導体素子の近傍に配置することは困難である。
本発明は、上述した事情に鑑みなされたものであり、サージ電圧を抑制してインバータ部の保護を強化することができる誘導加熱用電源装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様の誘導加熱用電源装置は、直流電源部から出力される直流電力の脈流を平滑する平滑部と、前記平滑部による平滑後の直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、を備え、前記平滑部は、前記インバータ部の入力端間に直接又は一対のブスバーを介して並列接続された内部インダクタスが異なる複数のコンデンサを含み、前記インバータ部の入力端間における導電路長が短いコンデンサほど内部インダクタンスが小さい。
本発明によれば、サージ電圧を抑制してインバータ部の保護を強化することができる。
図１は、本発明の実施形態を説明するための、誘導加熱用電源装置の一例を示す。
誘導加熱用電源装置１は、商用の交流電源２から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータ部３を含む直流電源部４と、直流電源部４から出力される直流電力の脈流を平滑する平滑部５と、平滑部５による平滑後の直流電力を高周波の交流電力に逆変換するインバータ部６と、を備える。
インバータ部６は、直列に接続されたパワー半導体素子Ｑ１，Ｑ２の対と、同じく直列に接続されたパワー半導体素子Ｑ３，Ｑ４の対とを有し、パワー半導体素子Ｑ１，Ｑ２の対とパワー半導体素子Ｑ３，Ｑ４の対とが並列に接続されている。また、これらのパワー半導体素子Ｑ１〜Ｑ４の各々には還流ダイオード素子Ｄが並列に接続されている。
パワー半導体素子としては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）や、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）等のスイッチング動作可能な各種のパワー半導体素子が使用可能である。また、パワー半導体素子の素材は、例えばＳｉ（シリコン）やＳｉＣ（シリコンカーバイト）のものがある。
加熱コイル７は、対をなすパワー半導体素子Ｑ１，Ｑ２の直列接続点と、対をなすパワー半導体素子Ｑ３，Ｑ４の直列接続点との間に接続されており、パワー半導体素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング動作によって加熱コイル７に高周波の電力が供給される。
平滑部５は、複数のコンデンサを含み、図示の例では三個のコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３を含んで構成されている。コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３は、コンバータ部３の出力端の正極Ｐｏｕｔと負極Ｎｏｕｔとの間、及びインバータ部６の入力端の正極Ｐｉｎと負極Ｎｉｎとの間に並列に接続されており、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３の各々の静電容量の合計により、誘導加熱用電源装置１において平滑部５に必要とされる静電容量が賄われる。
図２は、平滑部５の具体的な構成例を示す。
コンバータ部３の出力端の正極Ｐｏｕｔとインバータ部６の入力端の正極Ｐｉｎとはブスバー１１ａを介して接続されており、コンバータ部３の出力端の負極Ｎｏｕｔとインバータ部６の入力端の負極Ｎｉｎとはブスバー１１ｂを介して接続されている。
平滑部５に含まれる三個のコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３のうち、コンデンサＣ１，Ｃ２は、一対のブスバー１１ａ，１１ｂの間にそれぞれ架け渡され、インバータ部６の入力端（Ｐｉｎ，Ｎｉｎ）間に並列に接続されている。また、コンデンサＣ３は一対の電線１２ａ，１２ｂを介してコンデンサＣ１、Ｃ２と並列に接続されている。なお、図示の例では、電線１２ａ，１２ｂは、ブスバー１１ａ，１１ｂのコンバータ部３側の接続端にそれぞれ接続されているが、ブスバー１１ａ，１１ｂのインバータ部６側の接続端にそれぞれ接続されていてもよく、電線１２ａ，１２ｂの接続箇所は特に限定されるものではない。
ブスバー１１ａ，１１ｂを介してインバータ部６の入力端間に並列接続されるコンデンサＣ１，Ｃ２は入力端の近傍に配置され、入力端間におけるコンデンサＣ１，Ｃ２の各々の導電路長は極力短く設定される。
一般に、ブスバーは、電線に比べて形状自由度が高く、寄生インダクタンスの低減に有利であり、さらに、コンデンサＣ１，Ｃ２の各々の導電路長が極力短く設定されることにより、コンデンサＣ１，Ｃ２とインバータ部６のパワー半導体素子Ｑ１〜Ｑ４（図１参照）との間の導電路の寄生インダクタンスは、電線１２ａ，１２ｂを介してコンデンサＣ１，Ｃ２に並列接続されるコンデンサＣ３とパワー半導体素子Ｑ１〜Ｑ４との間の導電路の寄生インダクタンスよりも小さくなっている。
インバータ部６のパワー半導体素子Ｑ１〜Ｑ４には、導電路の寄生インダクタンス（インピーダンス）が相対的に小さいコンデンサＣ１，Ｃ２から優先的に電力が供給される。これにより、寄生インダクタンスに起因してパワー半導体素子Ｑ１〜Ｑ４の両端に発生するサージ電圧が抑制される。
コンデンサＣ１，Ｃ２としては、サージ電圧を抑制する観点から、一般的に高周波領域（例えば１００ｋＨｚ以上）でのインピーダンス（インダクタンス成分）がアルミ電解コンデンサ等の電解コンデンサに比べて小さいフィルムコンデンサやセラミックコンデンサなどが好適に用いられる。
一方、コンデンサＣ３としては、主として脈流を除去する観点から、コンデンサＣ１，Ｃ２より大きな静電容量を有していることが好ましく、例えばアルミ電解コンデンサやフィルムコンデンサなどが好適に用いられる。このように相対的に大きな静電容量を有するコンデンサＣ３は、コンデンサＣ１，Ｃ２より大きな外形寸法を有し、電線の配索自由度の高さを利用して、誘導加熱用電源装置１における適宜な空きスペースに設置される。
ここで、誘導加熱用電源装置１では、ブスバー１１ａ，１１ｂを介してインバータ部６の入力端間に並列接続されるコンデンサＣ１，Ｃ２の内部インダクタスが互いに異なり、コンデンサＣ１の内部インダクタンスはコンデンサＣ２の内部インダクタンスよりも小さい。また、インバータ部６の入力端間におけるコンデンサＣ１，Ｃ２の各々の導電路長は互いに異なり、コンデンサＣ１の導電路長はコンデンサＣ２の導電路長より短い。
図３は図２の平滑部５の等価回路を示す。
インバータ部６の入力端間におけるコンデンサＣ１の導電路の寄生インダクタンスＳＬ１は、ブスバー１１ａ，１１ｂにおけるコンデンサＣ１と入力端との間の区間の配線インダクタンスＬ１、及びコンデンサＣ１の内部インダクタンスＬ４の合成（ＳＬ１＝Ｌ１＋Ｌ４）となる。
同様に、コンデンサＣ２の導電路の寄生インダクタンスＳＬ２は、ブスバー１１ａ，１１ｂにおけるコンデンサＣ２と入力端との間の区間の配線インダクタンスＬ１＋Ｌ２、及びコンデンサＣ２の内部インダクタンスＬ５の合成となる（ＳＬ２＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ５）。
なお、コンデンサＣ３の導電路の寄生インダクタンスＳＬ３は、ブスバー１１ａ，１１ｂ及び電線１２ａ，１２ｂの配線インダクタンスＬ１＋Ｌ２＋Ｌ３、及びコンデンサＣ３の内部インダクタンスＬ６の合成（ＳＬ３＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ６）となる。
ブスバー１１ａ，１１ｂを介してインバータ部６の入力端間に並列接続されるコンデンサＣ１，Ｃ２に関し、入力端間における導電路長が相対的に短いコンデンサＣ１の内部インダクタンスＬ４は、導電路長が相対的に長いコンデンサＣ２の内部インダクタンスＬ５より小さい（Ｌ４＜Ｌ５）。また、導電路長が相対的に短いコンデンサＣ１の導電路に含まれる配線インダクタンスＬ１は、導電路長が相対的に長いコンデンサＣ２の導電路に含まれる配線インダクタンスＬ１＋Ｌ２より小さい（Ｌ１＜Ｌ１＋Ｌ２）。
よって、コンデンサＣ１の導電路の寄生インダクタンスＳＬ１はコンデンサＣ２の導電路の寄生インダクタンスＳＬ２より小さく、インバータ部６のパワー半導体素子Ｑ１〜Ｑ４には、導電路の寄生インダクタンス（インピーダンス）が相対的に小さいコンデンサＣ１から優先的に電力が供給される。これにより、寄生インダクタンスに起因してパワー半導体素子Ｑ１〜Ｑ４の両端に発生するサージ電圧が一層抑制され、インバータ部６の保護が強化される。
このように、ブスバー１１ａ，１１ｂを介してインバータ部６の入力端間に並列接続されるコンデンサＣ１，Ｃ２のうち、入力端間における導電路長が短いコンデンサＣ１の内部インダクタンスを小さくすることにより、電力供給において優先されるコンデンサの導電路の寄生インダクタンスの低減、それによるサージ電圧の抑制を効果的に行うことができる。
特に、コンデンサＣ１，Ｃ２が同種のコンデンサである場合に、内部インダクタンスが小さいコンデンサほど外形寸法が小さく、コンデンサＣ１の内部インダクタンスを小さくすることにより、コンデンサＣ１とインバータ部６の入力端との間の距離を短縮してコンデンサＣ１の導電路に含まれる配線インダクタンスＬ１を低減でき、サージ電圧を一層抑制することが可能である。
図４は、誘導加熱用電源装置１の平滑部５の変形例を示し、コンデンサＣ１をインバータ部６の入力端に直接接続したものである。この場合、コンデンサＣ１の導電路に含まれる配線インダクタンスＬ１を実質的に０とすることができ、サージ電圧のさらなる抑制が可能となる。
以上説明した例では、ブスバー１１ａ、１１ｂを介してインバータ部６の入力端間に並列接続されるコンデンサが二個であるものとして説明したが、内部インダクタンスが異なる三個以上のコンデンサを用い、入力端間における導電路長が短いコンデンサほど内部インダクタンスが小さくなるように並列接続してもよい。
１ 誘導加熱用電源装置
２ 交流電源
３ コンバータ部
４ 直流電源部
５ 平滑部
６ インバータ部
１１ａ，１１ｂ ブスバー
１２ａ，１２ｂ 電線
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３ コンデンサ
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４ パワー半導体素子
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Claims (5)
- 直流電源部から出力される直流電力の脈流を平滑する平滑部と、
前記平滑部による平滑後の直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、
を備え、
前記平滑部は、前記インバータ部の入力端間に直接又は一対のブスバーを介して並列接続された内部インダクタスが異なる複数のコンデンサを含み、前記インバータ部の入力端間における導電路長が短いコンデンサほど内部インダクタンスが小さい誘導加熱用電源装置。 - 請求項１記載の誘導加熱用電源装置であって、
前記複数のコンデンサは、外形寸法が異なる同種のコンデンサであって、前記インバータ部の入力端間における導電路長が短いコンデンサほど外形寸法が小さい誘導加熱用電源装置。 - 請求項１又は２記載の誘導加熱用電源装置であって、
前記複数のコンデンサは、フィルムコンデンサ又はセラミックコンデンサである誘導加熱用電源装置。 - 請求項１から３のいずれか一項記載の誘導加熱用電源装置であって、
前記複数のコンデンサのうち内部インダクタンスが最も小さいコンデンサは前記インバータ部の入力端間に直接接続されている誘導加熱用電源装置。 - 請求項１から４のいずれか一項記載の誘導加熱用電源装置であって、
前記平滑部は、前記複数のコンデンサの各々の静電容量よりも大きい静電容量を有し、一対の電線を介して前記複数のコンデンサと並列接続される一つ以上の大容量コンデンサをさらに含む誘導加熱用電源装置。
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