JPS6347074B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、直流の電気エネルギを交流に変換
する静止インバータに関し、特に1980年５月６日
に発行されたヘスラー他による米国特許第
4202031号に開示された静止インバータの改良に
関する。

この発明の一般的な目的は、改良された上記形
式の静止インバータを提供することにある。

この発明が特に目的とすることは、被制御スイ
ツチを用いる上記形式の静止インバータにおい
て、被制御スイツチの転流および再トリガを確実
に行うように作用する改良された制御装置を提供
することにある。

この発明の他の目的は、ほぼ一定の尖頭値を持
つ高周波出力電圧を発生する上記形式のインバー
タ回路を提供することにある。

この発明のさらに他の目的は、ターンオンする
ときの過剰な（オーバシユート）電圧を避ける上
記形式のインバータ回路を提供することにある。

この発明のさらに他の目的は、高圧ナトリウム
灯のような高光度ガス入り放電灯の始動および再
始動に使用するのに好適な上記形式のインバータ
回路を提供することにある。

他の目的および長所は、以下の説明より明らか
となろう。

上記目的を考慮し、この発明は、その一面にお
いて以下の構成の静止インバータに関するもので
ある。すなわち、静止インバータは、直流源に接
続される入力端子と、誘導性手段と、被制御スイ
ツチとを有し、誘導性手段は、閉じた主磁路を持
ち、この主磁路の一部分に主磁路の断面を２個の
枝路に分割して磁気抵抗の低い閉じた磁路をつく
る開口を含むほぼ直線性の磁性材料の磁心と、主
磁路を通る磁束を発生させるため磁心の断面全体
を取り巻く第１電力巻線と、磁心の断面全体を取
り巻き且つ直流源に接続された第２電力巻線と、
第２電力巻線と直流源との間に接続されたダイオ
ードと、第２電力巻線と直列であつて２つの枝路
の内の一方を取り巻き、一方の枝路では主磁路の
磁束と同一の方向を持ち且つ他方の枝路では主磁
路の磁束と反対の方向を持つ磁束を前記磁気抵抗
の低い閉じた磁路に発生させる帰還制御巻線とで
構成され、被制御スイツチは、第１電力巻線に直
列に接続されると共に、誘導性手段を直流源から
間欠的に励振するために制御電極、共通電極およ
び出力電極を持つており、もつて帰還制御巻線は
被制御スイツチの転流および再トリガを確実に行
うように作用する。

この発明は、添付の図面を参照することによつ
て以下の説明からより良く理解されよう。

図面、特に第１図を参照すると、前述したヘス
ラー他による特許に開示された形式の静止インバ
ータが図示されている。その特許に開示されてい
るように、インバータは、電力トランジスタ１７
と、電力変成器１８と、トランジスタ１７の始動
および制御に関連した回路素子１９，２０，２
１，２２，３０とより成り、これらの組合わせ
は、自走順方向コンバータあるいは発振器として
作用する。例示された回路において、変成器１８
は、１次巻線７２と、減磁巻線７１と、２次巻線
７３と、３個の帰還巻線２７，２８，２９とより
成る。

第２図に示されるように、変成器１８は、閉じ
た形状に組立てられ且つ主磁路を形成する２個の
Ｃ字形磁心より成るフエライト磁心２３を有す
る。一方の側部又は両方の側部に空隙を設けて、
この主磁路に直線性の磁気抵抗を更に導入する。
この設計では１次・２次間にかなりの漏れインダ
クタンスを持つ。Ｃ形磁心のひとつの脚部に図示
するように設けられた方形の開口３３は、磁心断
面を２個の局部的な枝路３４，３５に分割する。

変成器の帰還巻線２７，２８，２９は、開口３
３での枝路の飽和状態によつてトランジスタの導
通を助けたりあるいは阻止したりすることができ
る。巻線２７は制御機能を司どる１次帰還巻線で
あり、巻線２８，２９は２次帰還巻線である。

これら３個の帰還巻線は数ターン、典型的には
１ターンあるいは２ターンよりなり、各々開口３
３を通過して開口のいずれかひとつの枝路のみを
取り巻いている。１次帰還制御巻線２７は、開口
３３の周りの低磁気抵抗路を通る磁束を生じさせ
る。この磁束が主磁束と組合わさるとき、ふたつ
の磁束が相加わる枝路（枝路３４）は、発振器の
正常導通段階において飽和する。磁束が互いに逆
方向である他方の枝路（枝路３５）は、通常飽和
することはない。いずれの枝路が飽和するかは、
帰還制御巻線２７の方向によつて設定され、飽和
がおきる点は制御回路のインピーダンスと巻線比
によつて設定される。帰還巻線２８および２９
は、各々磁心の枝路３４および３５を取り巻き、
数字の８を形づくるように直列に接続されてい
る。２次帰還巻線２８および２９をこのように配
置し相互接続することによつて、磁束が開口３３
の周りを循環する時、同方向の電圧が誘起され
る。このように、１次制御巻線２７と帰還巻線２
８および２９は、１ターンの１次巻線と２ターン
２次巻線を有した、仮想（見かけの）トロイダル
磁心を持つ変流器を形成し、このため２次帰還巻
線の電流は１次帰還巻線の電流の半分になる。し
かし、枝路３４か又はいずれかの枝路が飽和する
と、開口の周りの磁束に対する低インピーダンス
路が実質的に中断される。このため、仮想トロイ
ダルは崩壊し、そして変流器の帰還作用は中止さ
れる。帰還巻線２８および２９は、磁心の枝路３
４および３５において主磁束が変化すると、トラ
ンジスタの制御に適した導通に影響を及ぼす電圧
を誘起するように設計されている。いずれの枝路
も飽和していないと仮定すると、巻線２８および
２９は互いに逆方向に巻回されているので、主磁
束が増加すると巻線２８には或る方向の電圧を誘
起し、巻線２９には逆方向の電圧を誘起する。巻
線は互いに直列に接続されているので、磁束増加
に起因する２つの互いに逆方向の電圧はほぼ相殺
され、とりわけ開口３３が中央に位置していて枝
路３４，３５が対称的である場合にはそうであ
る。枝路３４が飽和すると、巻線２８はそれ以上
の電圧増加をもはや生じない。主磁束が増加する
とき、他の帰還巻線２９に発生したなんらかの追
加の電圧は、もはや相殺されない。

後述するように、トランジスタが通常の導通状
態にあり且つ枝路３４が飽和していない時に生じ
る変流器動作により、導通を助けるかあるいは再
生帰還をなす方向に、帰還巻線２８および２９は
電力トランジスタ１８の入力電極に相互接続され
ている。第１の枝路３４が飽和した後は、巻線２
９による帰還は導通を阻止するかあるいは減衰さ
せる。これらのふたつの機構は、トランジスタ１
７を効率よく制御するのに有用である。

静止インバータの巻線および回路素子は以下の
ように相互接続されている。直流入力電流のイン
バータへの通路は、変成器の１次巻線７２、１次
帰還制御巻線２７およびトランジスタ１７が直列
に接続されたものより成る。トランジスタ１７の
コレクタは、直列接続された巻線７２，２７を介
してVcc端子に結合されている。トランジスタ１
７のエミツタは接地されている。この直列接続に
より、１次電流の流れはトランジスタ１７の導通
状態に依存している。トランジスタ１７の間欠的
な導通は、１次巻線７２に１次電流を間欠的に流
し、磁心２３の磁束に対応する変化を起こし、２
次巻線７３に対応する交流電圧を誘起する。

トランジスタ１７のベースは、抵抗３０、ダイ
オード１９および２０、２次帰還巻線２８および
２９、抵抗２１、並びにコンデンサ２２より成る
始動制御回路網に接続されている。抵抗３０は
Vcc端子とトランジスタ１７のベースとの間に接
続されている。トランジスタのベースはダイオー
ド１９のカソードにも接続され、このダイオード
のアノードはダイオード２０のカソードに結合さ
れている。ダイオード２０のアノードは接地され
ている。抵抗２１、２次巻線２８および２次巻線
２９はこの順序でダイオード１９のカソードとア
ノードとの間に直列に接続されている。コンデン
サ２２はダイオード２０に並列接続されている。

トランジスタ始動回路は、１次的には抵抗３０
より成るものとみなされ、２次的にはトランジス
タ１７のベース電極と関連したダイオード１９お
よび２０より成るとみなすことができる。抵抗３
０は大きな値（270K）を有し、Vcc端子からベ
ース回路に0.5ミリアンペアの電流を流すように
選定されている。まず初めに電流はコンデンサ２
２に流入する。コンデンサ２２がベース・エミツ
タ接合の順方向導通電圧まで充電されると、この
コンデンサへの電流の流入は止まり、そしてベー
スへの電流の流入が始まる。始動時にベース以外
へ電流が流れでるのを、直流電流の流れの方向と
逆の極性に接続されたダイオード２０と、充電時
に直流の流れを阻止するコンデンサ２２とによつ
て防いでいる。

トランジスタ１７の動作点さらに詳しくはその
ベース・エミツタ間電圧は、ダイオード２０とと
もに動作するコンデンサ２２によつて設定され
る。ひとたび始動され正常に動作すると、トラン
ジスタのコレクタ・ベース接合は、変成器１次電
圧の周期的な負の振れによつて順方向にバイアス
される。この状態では、ダイオード１９および２
０を介して電流が接地点から引きだされ、コンデ
ンサ２２の非接地端子を接地点に対して負に充電
する。コンデンサはこの充電を各サイクルの間に
おいて保持するに充分な容量を持ち、トランジス
タ１７のベースに約−0.7ボルトの直流バイアス
を印加する。この負バイアスはフライバツクの間
トランジスタを遮断させるが、おおくの場合この
負バイアスは随意的なものである。

トランジスタ１７を高電圧のサージから保護す
るための受動手段が減磁巻線７１と直列接続され
たダイオード７４を含み、減磁巻線７１は１次巻
線７２と密に結合されている。

コンデンサ１はダイオード７４間に接続された
蓄積コンデンサであつて、トランジスタをオンに
切換えるようにトリガするための電流パルスを供
給し、発振器の自走動作を確保する。

この発明によれば、さらに別の帰還巻線７が変
成器１８に設けられ、これは減磁巻線７１と直列
に接続されて、磁心の開口３３を第２図に示すよ
うに通過している。この別の巻線７の目的ならび
に長所を以下にさらに詳しく説明する。

第１図の順方向コンバータは、正常の発振動作
サイクルにおいて４つの段階をとる。これらの各
段階の個々の特性は第３図の３つの波形に説明さ
れている。以下の説明においてこの第３図を参照
する。発振の開始は、通常の状態とは異なりエネ
ルギがエネルギ蓄積素子に分布されていず、この
ためまずトランジスタ１７に正常な導通を行わせ
るようにする。この点は段階によく相似してい
る。

段階に対応するトランジスタの正常な導通
（入力接合は順方向にバイアスされ、コレクタ・
エミツタ電圧は“飽和”および減少した電流利得
を生じる程充分に低いが、コレクタ電流の流れる
方向は正常である）の間、インバータの１次電流
は、変成器の巻線７２を通り、点が付されていな
い端子より帰還制御巻線２７を経てコレクタ電極
に直列的に流入する。第２図に示すように、１次
巻線７２を流れる電流が磁心２３に（磁心を前方
より見て）時計方向の１次磁化磁束を発生すると
仮定すると、開口３３を通過する１次帰還制御巻
線２７は、開口３３の周りに（磁心の上部脚を上
方より見おろして）反時計方向の磁束を発生す
る。主磁束および制御磁束は開口３３の前方の枝
路３４において相加わり、開口の後方の枝路３５
において互に差し引かれるので、枝路３４では磁
束が多く、枝路３５では磁束が少なくなる。既に
述べたように、２次巻線２８は枝路３４の周りに
結合され、２次巻線２９は枝路３５の周りに結合
されている。主磁束に関して云うと、巻線２８お
よび２９に誘起された電圧はたがいに差し引かれ
て、たがいにほぼ相殺し、その出力は無視でき
る。制御磁束に関して云うと、誘起電圧は相加わ
り、前述した変流器の再生作用を生じる。コレク
タ電流が増加し枝路３４がいまだ飽和していない
間、かなりの再生電流帰還がトランジスタ１７の
ベース電極に印加される。この機構は、電源イン
ピーダンスに対して低いインピーダンスで巻線２
８を終端した本質的に変流器作用である。２次帰
還巻線２８は、２次帰還巻線２９と（ダイオード
２０を並列接続した）コンデンサ２２と直列に、
トランジスタ１７のベースおよびエミツタ間に接
続されている。段階の間、両巻線２８および２
９が作用し、コンデンサとダイオード２０が、巻
線２８および２９に誘起された電流に対してエミ
ツタへの低インピーダンス通路を提供している。
両巻線は、コレクタ電流が増加するとベース電流
を増加させるような極性に接続されているので、
コレクタ電流をほぼ直線的に増加させる。この作
用は、再生的であつて、トランジスタは変成器の
インダクタンスおよび印加電圧によつて要求され
た１次電流を通す。枝路３４の磁束が増加する
と、この枝路が飽和し、再生電流帰還が止まる。

巻線２８において再生帰還が停止すると段階
が始まり、この段階の終りにおいてトランジス
タの導通が終わる。印加電圧、インダクタンスお
よび蓄積電荷の存在の影響によつて、コレクタ電
流は最初の枝路の飽和後、再生駆動が終つた後で
も、増加しつづける。枝路３４が飽和した時、主
磁束の増加はそれ以後第２の枝路３５に流入しな
ければならず、帰還電圧は巻線２９に誘起される
（この電圧は巻線２８の誘起電圧により相殺され
ない）。巻線２９はベース電極に対してベース電
流を減少させる向きに接続されているので、コレ
クタ電流の導通を減少させ、減衰作用（負帰還作
用）を行う。これらの状態は、１次側として働く
巻線７２および２７と２次側として働く巻線２９
との間で変圧器作用を生じさせる。枝路３４の飽
和は、開口３３の周りを循環する磁束を排除し、
巻線２７によつて発生される磁束に対する磁気抵
抗を増加する。この巻線２７による磁束の作用
は、その巻数が１次巻線７２に対して比較的少な
い巻数であるので通常は無視できる。理想的に
は、巻線２７による磁束は、飽和していない枝路
において主磁束と相加わり、そして、実効巻数を
１ターン分増加させる。巻線２８は巻線２９と直
列接続されているが、枝路３４が完全に飽和して
いると仮定すると、もはや巻線２８には何ら電圧
は誘起されず、巻線２８はトランジスタ１７のベ
ース回路に巻線２９の誘起電圧を接続する低イン
ピーダンスとして作用する。変圧器作用が起こる
と、印加される負帰還電圧の強さは、直列接続さ
れた小さな抵抗２１によつて制御される。２次帰
還巻線２９の影響によつて、ベースの駆動は入力
接合を逆バイアスする。蓄積電荷が取除かれた後
は通常のトランジスタ導通は止まる。抵抗２１は
このターンオフの速さを設定する。

トランジスタ１７が非導通となり、サイクルの
段階すなわちフライバツク段階が始まる。トラ
ンジスタ１７が非導通となつた時、巻線７２によ
つて作られた磁界は巻線７１の周りで崩壊（減
少）し、このため点の付されていない巻線７１の
端子が直流源よりもさらに正となり、ダイオード
７４およびコンデンサ１を介してVcc端子にエネ
ルギを帰還する。このエネルギ転送が行なわれて
いる間、帰還制御巻線７を流れる電流によつて帰
還巻線２８および２９に誘起される逆電流によ
り、トランジスタ１７はオフ状態に効果的に保持
されている。この磁界がほぼ零に減少したとき、
コンデンサ１の電荷と結合したダイオード７４に
蓄えられた蓄積電荷は巻線７１および帰還巻線７
を介して放電することにより平衡する。巻線７を
通るこの放電電流は、段階の始まりを示し、巻
線２８を介してトランジスタ１７に再生帰還を行
う。終局的に、この帰還電流はトランジスタのタ
ーンオンを開始し、段階の始まりを示す。

前述したように帰還巻線７を備えることによつ
て、スイツチすなわちトランジスタ１７の改善さ
れた転流ならびに再トリガが達成される。さら
に、改善されたインバータは、ほぼ一定の尖頭値
振幅を有した高周波電圧を発生し、それに加えて
過剰なターンオフ電圧を排除している。

ここに説明したインバータは、1980年10月27日
付け米国特許願第201014号（昭和56年10月26日提
出の特許願(2)）に示されている様なガス入り放電
灯の始動および再始動用の回路として好適であ
る。

この発明を特定の実施例に基づき説明したが、
この発明の範囲から実質的に逸脱することなく当
業者には種々の変形をなすことが可能であること
は理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明を実施した発振器回路を用
いた静止インバータの回路図である。第２図は、
第１図の回路に用いられた変成器およびそれと関
係した回路を示す概略図である。第３図は、第１
図の発振器回路の動作に関する波形を例示する図
である。 ７……帰還巻線、１７……トランジスタ、１
９，２０……ダイオード、２３……フエライト磁
心、３３……開口、３４，３５……枝路、７１…
…１次巻線、７２……減磁巻線、７３……２次巻
線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (A) 直流源に接続される入力端子と、 (B) (1) 閉じた主磁路を持ち、且つこの主磁路の
   一部分に主磁路の断面を２個の枝路に分割して
   低磁気抵抗の閉磁路をつくる開口を含むほぼ直
   線性磁性材料の磁心と、(2) 前記主磁路を通る
   磁束を発生するため、磁心の断面全体を取り巻
   く第１電力巻線と、(3) 磁心の断面全体を取り
   巻いていて、前記直流源に接続された第２電力
   巻線と、(4) 前記第２電力巻線と前記直流源と
   の間に直列に接続されたダイオードと、(5) 前
   記第２電力巻線と直列に接続されていて、前記
   枝路の一方では前記主磁路の磁束と同一方向
   で、前記枝路の他方では前記主磁路の磁束と反
   対方向を持つ磁束を、前記低磁気抵抗の閉磁路
   に発生するため、前記枝路のひとつを取り巻く
   帰還制御巻線とより成る誘導性手段と、 (C) 該第１電力巻線に直列に接続されていて、前
   記誘導性手段を前記直流源から間欠的に励振す
   るため、制御電極、共通電極および出力電極を
   持つ被制御スイツチとを有し、 もつて、前記帰還制御巻線により前記被制御スイ
   ツチの転流および再トリガを確実に行うようにし
   た静止インバータ。 ２ 前記ダイオードに並列接続され、前記被制御
   スイツチのターンオンを周期的に開始するための
   エネルギの蓄積を行うコンデンサを有する特許請
   求の範囲第１項記載のインバータ。 ３ 前記帰還制御巻線が、前記第２電力巻線と前
   記入力端子のひとつとの間に接続されている特許
   請求の範囲第１項記載のインバータ。 ４ 前記枝路の一方を取り巻く第２帰還制御巻
   線、前記枝路の一方を取り巻く第３帰還制御巻線
   ならびに前記枝路の他方を取り巻く第４帰還制御
   巻線を含み、前記第１電力巻線、前記第２帰還制
   御巻線および前記被制御スイツチが前記入力端子
   間に直列に接続され、前記第３帰還制御巻線およ
   び前記第４帰還制御巻線が前記制御電極および共
   通電極間に直列に接続されている特許請求の範囲
   第１項記載のインバータ。 ５ 前記ダイオードおよび前記最初に述べた帰還
   制御巻線の順方向電流が前記被制御スイツチをタ
   ーンオフさせる電流を前記第３および第４帰還制
   御巻線に誘起し、前記ダイオードおよび前記最初
   に述べた帰還制御巻線の逆方向電流が前記被制御
   スイツチのターンオンを開始するように、前記最
   初に述べた帰還制御巻線が前記開口に配設されて
   いる特許請求の範囲第４項記載のインバータ。 ６ 前記第２電力巻線が前記第１電力巻線と磁気
   的に密に結合されている特許請求の範囲第１項記
   載のインバータ。