JPS6249830B2

JPS6249830B2 -

Info

Publication number: JPS6249830B2
Application number: JP55007850A
Authority: JP
Inventors: Takuji Matsumura; Kiichi Tokunaga; Hiroshi Fukui; Hisao Amano
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Proterial Ltd
Priority date: 1980-01-28
Filing date: 1980-01-28
Publication date: 1987-10-21
Also published as: JPS56107782A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はスイツチング電源装置に係り、特に、
高電圧出力を必要とするチヨツパ方式のスイツチ
ング電源に好適なスイツチング電源装置に関す
る。

第１図は従来の電子レンジの回路図である。

商用電源（AC100V）１は装置に設けられた電
源スイツチであるドアスイツチ２を介して制御回
路３に供給される。さらに商用電源１は制御回路
３によつて駆動制御されるパワースイツチ４を介
して変圧器５に供給される。変圧器５の２次側は
数千キロボルトの高電圧を発生する巻線と、マグ
ネトロン用のヒータ電圧用低電圧を発生する巻線
とより成る。２次側高電圧は高圧ダイオード６及
びフイルタコンデンサ７，８により倍電圧整流し
て、マグネトロン９の陽極に印加する簡単な回路
構成である。マグネトロンは約3.5kv乃至4kv程
度で発振を行い、アンテナにより熱エネルギを放
射する。出力は600w乃至1kw程度で、ゆつくり
加熱等の場合はコンデンサ７のみとして出力を低
減し、スピード加熱等の時にはコンデンサ７とコ
ンデンサ８が並列となり、定格出力が出せるよう
に、電磁リレー１０で切替えて調整している。変
圧器５は定電圧特性を持たせるため、大型とな
る。前記変圧器５は電子レンジ装置の中で容積、
重量に関してかなりの部分を占めている。また、
高圧コンデンサ７及び８も商用電源周波数で使用
するため、大きいものとなる。変圧器５、コンデ
ンサ７及び８を含めて電源の小形化、重量の低減
が要望されており、このため、高周波スイツチン
グ電源により小形化することが考えられてきた。

しかし、これまでは非可聴の高周波でスイツチ
ングできて、容量の大きいスイツチ素子がなく実
現できなかつた。トランジスタではスイツチング
速度は満足するが耐圧、容量共に不足であり、サ
イリスタではスイツチング速度が不足である。サ
イリスタインバータを何個か用意して、時分割で
用いることにより、十数ｋHzで運転することは実
験的には可能であるが、サイリスタ素子の数が多
く高価で、大形、複雑になる。

また、第１図のような従来回路では、出力の調
整は、変圧器５にタツプを設けてスイツチで切替
えるか、コンデンサ７及び８あるいは更に付加し
たコンデンサを接点スイツチ１０により切替えて
段階的に行つている。切替え数も限定され、接点
摩もう等の欠点もある。

最近、ゲート・ターン・オフ・サイリスタ等が
進歩して、電子レンジ用の高周波スイツチング電
源に適用できるようになつた。そこで、高周波ス
イツチング方式により無段階に出力調整が可能
で、小型、軽量な電子レンジ用電源で、現用の電
源の欠点を補うことを考えた。

本発明の目的は、高電圧出力を連続的に出力可
変することのできるスイツチング電源装置を提供
するにある。

第２図は本発明の実施例を示すブロツク図であ
る。第２図においては従来例と同様に電子レンジ
に適用した場合を例示している。

商用電源１はパワースイツチ１１を介して整流
回路１２に印加され、全波整流される。整流出力
は変圧器１３、GTO１４、分流器１５の直列回
路に供給される。GTO１４の転流角制御を制御
することによつて変圧器１３の２次側電圧をコン
トロールし所望の交流電圧を発生させる。なお、
変圧器１３の１次側コンデンサ１６は数十ｋHzの
高い周波数でGTOチヨツパを駆動する場合チヨ
ツパに比し、電源側のインピーダンスが高くなる
ので、電源インピーダンスを下げる為に用いるも
ので、整流回路１２で整流された単相全波の脈流
電圧波形が平滑されない数μＦ程度の小さな容量
のコンデンサである。また、GTO１４に並列接
続されるスナバ１７は過電圧吸収用である。変圧
器１３の２次側出力は高圧ダイオード１８で半波
整流したのちコンデンサ１９で平滑し、マグネト
ロン９のヒータ電極と陽極間に印加する。マグネ
トロン９のヒータはヒータ変圧器２０より供給さ
れる。

制御回路１００は、電圧検出器１０１、電流検
出器１０２、比較器１０３、出力指令回路１０
４、比較器１０５、増幅器１０６，１０７、比較
器１０８、デユーテイ制御回路１０９、発振回路
１１０、増幅器１１１、AND回路１１２、ゲー
トアンプ１１３、比較器１１４より成る。交流電
源１の電圧を降圧トランス２１を介して電圧検出
器１０１で検出し、出力指令回路１０４の指令値
との比較を比較器１０８で行なう。出力指令回路
１０４の出力は更に比較器１０５および１１４に
印加され、GTO１４の通流電流を分流器１５に
介して電流検出器１０２で検出し指令値との比較
値を増幅器１０６，１１１を介して取出す。増幅
器１０６の出力と電圧検出器１０１の出力との比
較は比較器１０３で行なわれ、増幅器１０７を介
してデユーテイ制御回路１０９に送られる。デユ
ーテイ制御回路１０９では20kHzを発振する発振
器１１０の出力と増幅器１０７の出力とに基づい
てGTO１４を制御するためのデユーテイレベル
を変えるように機能する。AND回路１１２によ
つて比較器１０８の出力、デユーテイ制御回路１
０９の出力、増幅器１１１の出力の論理積がとら
れ、ゲートアンプ１１３に送られ、GTO１４の
ゲートを制御する。なお、増幅器１１１の系路は
保護回路として機能するもので、例えば高電圧負
荷短絡、トラツキング現象等の異常が生じた際の
ために設けられている。

第２図において、GTOチヨツパの入力電圧は
商用電源電圧を全波整流した、脈流であり、平滑
回路は用いない。チヨツパ入力電源が平滑な直流
の場合は出力電流は回路条件が定まれば、後はチ
ヨツピング周波数で決まり、コントロールは簡単
である。しかし、平滑回路は大きさ、重量共にチ
ヨツパ電源にとつて相当な部分を示め、せつか
く、高周波化しても利点が少なくなる。そこで本
発明では第３図ａ，ｂのように出力電流がチヨツ
パ入力電圧の脈動にかゝわらず、平均化されるよ
うに、入力電圧ｅ_cの瞬時値に応じてGTOのオ
ン・オフ期間の比を変える。また、出力を変える
場合には、オン・オフ期間の比のレベルを変える
ようにする。

第３図ａは整流出力電圧ｅ_cとデユーテイレベ
ルの関係を示すものである。ｅ_cが最も大きくな
る整流出力の半波相当分の位相角90度でデユーテ
イが最小となり、０度と180度で最大になるよう
に制御する。従つて、図示の如くデユーテイレベ
ルは，，の特性のように変化する。整流電
圧波形ｅ_cは結果として第２図のデユーテイ制御
回路１０９に与えられる増幅器１０７の出力とな
る。このような制御を行なうことにより、第３図
ｂに示すようにT₁→T₂→T₃……T₆のようにGTO
のオン期間が変り、電圧波形の面積はほぼ等しく
なる（第３図ｂは半波波形の立上り部分の一部の
みを拡大図示している）。さらに、デユーテイレ
ベルを→→の如くに変えると、T₁，T₂…
…の幅が全面的に変わるのでマグネトロン９に供
給されるエネルギーが変わり、マグネトロン出力
も任意に調整できる。

また、第４図に示すようにGTOの電流を検出
し、電流に応じてチヨツパの動作期間t₁−t₂の幅
を調整することによつても出力をコントロールす
ることができる。すなわち、第３図で説明したデ
ユーテイレベルを一定とし、動作レベルを変える
とt₁−t₂の幅が第４図のごとく変り、出力をコン
トロールすることができる。

ゆつくり加熱、スピード加熱、あるいは加熱物
の種類、形状に合せて、第２図指令回路１０４の
指令により、デユーテイレベル、チヨツパ動作レ
ベル、を変えることにより、無接点、無段階で出
力を自由にコントロールできる。

ところで、前述のデユーテイレベル制御、チヨ
ツパ動作レベル制御のどちらかの制御法を用いて
も良いし、或いは両方の組合せによる出力調整も
可能であるが、回路にとつて最良の制御は第５図
に示すような制御である。すなわち、電源高調波
成分（第３次〜第11次）はチヨツピング開始位相
t₁に対し第５図に示すようになるので、各高調波
成分が最小になる点をチヨツピング開始位相に選
定するのが望ましい。この制御法について以下詳
述する。

第２図において、GTO１４は発振器の20kHzの
固定周波数の信号で駆動される。先ず、制御回路
の電源をオンすると発振器１１０が発振を継続
し、マグネトロン９のヒータ電圧が印加される。
次に主回路の電源をオンするとGTO１４には全
波整流電圧が印加される。次に出力指令回路１０
４により、デユーテイ制御、チヨツパ動作期間と
電子レンジ駆動時間の指令を与え、発振器１１０
の信号のロツクを解除すると、第３図及び第４図
に示した制御を開始する。

こゝで、電子レンジの出力Ｐ_putの小さい範囲
ではデユーテイレベルをあまり小さくすること
は、電流がパルス状となり、平均電流値は小さく
て済むのに尖頭値が大となりGTO１４その他回
路素子にとつて好ましくなく、電源力率も低下す
る。従つて、デユーテイレベルの下限を定め、Ｐ
_putの小さい範囲ではデユーテイレベルを固定
し、チヨツパ動作期間を変へてＰ_putのコントロ
ールを行う。しかし、デユーテイを下限ｅに固定
したままでチヨツパ動作期間を広げても、出力は
一定値以上にはならない。また、第５図に１例を
示すように第２図の回路において、20kHzでチヨ
ツパを駆動した場合、第４図におけるチヨツパ動
作開始位相t₁と高調波の関係では、t₁が30度より
前になると第５図に示すように第３、第５高調波
の含有率が増加する。このため、第６図に示すよ
うに、Ｐ_putが一定値以上となつたの範囲では
チヨツパ動作開始レベルを45度前後の一定値に固
定し、デユーテイレベルを変えることでＰ_putの
コントロールを行う。更に、出力が増加して、定
格出力近くなつたの範囲ではデユーテイレベル
を上限ａに固定し、再び動作期間の制御に切替え
る。の制御はチヨツパ回路の駆動周波数が20k
Hz一定であるところから、定格出力近くなつた
ら、GTO１４のオン・オフによる、特にター
ン・オン時の損失を減らすため、オン・オフ回数
をチヨツパ動作期間を短かくするように動作期間
の制御によりＰ_putのコントロールを行う。，
，の制御方法により、回路素子に適した、損
失の少ないＰ_putのコントロールを行うものであ
る。

更に、第２図の電子レンジ用スイツチング電源
において、昇圧変圧器１３のコアに一方向に偏磁
したコアを用いることにより、変圧器を小形にす
ることができる。即ち、鉄心と保磁力の大きい永
久磁石を合成した有極コアを用いると、変圧器の
コアは普通のコアに比しおよそ1/2になる。第７
図は有極コアの特性の１例で、横軸が励磁電流、
縦軸が変圧器の励磁リアクトルである。有極型コ
アを用いた変圧器により、電源を高周波化するこ
とと併せて小型化できる利点がある。

以上より明らかなように本発明の実施例によれ
ば、高電圧負荷を要する電源装置の小形、軽量化
を図ることができるとともにスイツチング期間
と、スイツチングのデユーテイ制御を適宜組合せ
て出力を無段階、無接点でコントロールでき、高
調波成分を押さえた、損失の少ないものとするこ
とができる。

本発明によれば、高電圧負荷を要する電源装置
を、連続出力可変にして小型、軽量化を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電源装置の回路図、第２図は本
発明の実施例のブロツク図、第３図ａ，ｂはデユ
ーテイレベル特性図および転流動作説明図、第４
図は本発明の実施例の動作説明図、第５図は電源
高調波分布図、第６図は本発明の制御パターン特
性図、第７図は有極コアの特性図である。１……商用電源、９……マグネトロン、１１…
…パワースイツチ、１２……整流回路、１３……
変圧器、１４……GTO、１５……分流器、１８
……高圧ダイオード、１００……制御回路、１０
１……電圧検出器、１０２……電流検出器、１０
４……出力指令回路、１０８……比較器、１０９
……デユーテイ制御回路、１１０……発振器、１
１２……AND回路、１１３……ゲートアンプ。

Claims

【特許請求の範囲】１直流電源スイツチ素子でチヨツパ制御しなが
らリアクトルに供給せしめるスイツチング電源装
置において、前記スイツチ素子の制御は、出力電
力の小さい範囲および定格出力付近ではデユーテ
イを固定にしてチヨツパ動作期間を可変にすると
共に、出力電力予め定めた設定値を越えた範囲で
はデユーテイを可変にしてチヨツパ動作期間を固
定にすることを特徴とするスイツチング電源装
置。２特許請求の範囲第１項において、前記スイツ
チ素子はゲートターンオフ（GTO）サイリスタ
であることを特徴とするスイツチング電源装置。３特許請求の範囲第１項において、前記リアク
トルは、一方向に偏磁した有極コアを用いた変圧
器であることを特徴とするスイツチング電源装
置。４特許請求の範囲第１項において、前記デユー
テイの制御は、前記直流電源を得るための整流器
の整流出力電圧の瞬時値を検出し、この検出値に
応じてデユーテイ変化させることを特徴とするス
イツチング電源装置。５特許請求の範囲第１項において、前記チヨツ
パ動作期間は、前記スイツチ素子の通流電流を検
出し、該検出値に応じて前記スイツチ素子の動作
期間を変化させることを特徴とするスイツチング
電源装置。