インバータ装置

【課題】チョッパ用インダクタを使わないチョッパ回路を形成し、それを併用した安価なインバータ装置を提供する。
【解決手段】主スイッチング回路３０はそのオン期間の間に平滑用コンデンサ６１電圧を副スイッチング素子４０へ順方向に印加する平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１を含み、かつ整流電源１０電圧を副スイッチング素子４０へ順方向に印加する整流電源側スイッチング素子３２を含む。平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１と逆並列に接続する主フライホイールダイオード５１を備える。副スイッチング素子４０と逆並列に接続する副フライホイールダイオード５２を備える。整流電源側スイッチング素子３２をそのターンオンにより平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１をターンオフさせるように該平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１へ接続する。整流電源側スイッチング素子３２をチョッパ用スイッチング素子とし、誘導性負荷９０をチョッパ用インダクタとするチョッパ回路を併用する。専用のチョッパ用インダクタを使わない。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は交流電源電圧を整流する整流電源を含み、平滑用コンデンサを含み、誘導性負荷を含むハーフブリッジ形のインバータ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】整流電源電圧を平滑する平滑用コンデンサを用いると整流電源の力率が低下する。そこで整流電源とチョッパ用インダクタとチョッパ用スイッチング素子を含むチョッパ回路を設け、チョッパ回路の出力で平滑用コンデンサを充電し、それらの後段にインバータ回路を配置する。このようにすると、高力率化する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】前段にチョッパ回路を配置する前記方式はチョッパ用インダクタを必要とする。そのために高価である。またインバータ動作とは無関係なチョッパ用インダクタに電力損失が発生し、装置全体の効率を悪くする。本発明の主たる目的はチョッパ用インダクタを使わないチョッパ回路を形成し、それを併用した安価なインバータ装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明においては、交流電源電圧を整流する整流電源を備える。平滑用コンデンサを備える。主スイッチング回路を備える。前記主スイッチング回路と順直列に接続する副スイッチング素子を備える。前記主スイッチング回路・副スイッチング素子を交互にオンオフするように制御するスイッチング制御回路を備える。誘導性負荷を前記副スイッチング素子へ並列に接続する中間電源用コンデンサを備える。前記主スイッチング回路はそのオン期間の間に前記平滑用コンデンサ電圧を前記副スイッチング素子へ順方向に印加する平滑用コンデンサ側スイッチング素子を含み、かつ前記整流電源電圧を前記副スイッチング素子へ順方向に印加する整流電源側スイッチング素子を含む。前記平滑用コンデンサ側スイッチング素子と逆並列に接続する主フライホイールダイオードを備える。前記副スイッチング素子と逆並列に接続する副フライホイールダイオードを備える。前記整流電源側スイッチング素子をそのターンオンにより前記平滑用コンデンサ側スイッチング素子をターンオフさせるように該平滑用コンデンサ側スイッチング素子へ接続する。本発明においては前記整流電源側スイッチング素子をチョッパ用スイッチング素子とし、前記誘導性負荷をチョッパ用インダクタとするチョッパ回路を併用する。専用のチョッパ用インダクタを使わない。
【０００５】
【発明の実施の形態】図１・図２を用いて説明する。図１R>１・図２の本発明に係るインバータ装置は、交流電源１１電圧を整流する整流電源１０を備える。平滑用コンデンサ６１を備える。主スイッチング回路３０を備える。主スイッチング回路３０と順直列に接続する副スイッチング素子４０を備える。主スイッチング回路３０・副スイッチング素子４０を交互にオンオフするように制御するスイッチング制御回路２０を備える。誘導性負荷９０を副スイッチング素子４０へ並列に接続する中間電源用コンデンサ６２を備える。主スイッチング回路３０はそのオン期間の間に平滑用コンデンサ６１電圧を副スイッチング素子４０へ順方向に印加する平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１を含み、かつ整流電源１０電圧を副スイッチング素子４０へ順方向に印加する整流電源側スイッチング素子３２を含む。平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１と逆並列に接続する主フライホイールダイオード５１を備える。副スイッチング素子４０と逆並列に接続する副フライホイールダイオード５２を備える。整流電源側スイッチング素子３２をそのターンオンにより平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１をターンオフさせるように該平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１へ接続する。
【０００６】本発明においては整流電源側スイッチング素子３２をチョッパ用スイッチング素子とし、誘導性負荷９０をチョッパ用インダクタとするチョッパ回路を併用する。専用のチョッパ用インダクタを使わない。チョッパ回路の動作は整流電源側スイッチング素子（チョッパ用スイッチング素子）３２のターンオンに始まる。しかし、整流電源側スイッチング素子３２がターンオンするだけでは始まらない。整流電源側スイッチング素子３２がターンオンし、かつ平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１がターンオフしなければならない。チョッパ用インダクタが誘導性負荷９０であるためである。平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１のオン時に副スイッチング素子４０に高い平滑用コンデンサ６１電圧が印加する。そこに、平滑用コンデンサ６１電圧よりも低い整流電源１０電圧を整流電源側スイッチング素子３２を介して印加することはできない。図１について補足する。整流電源１０は交流電源１１を含み、かつ整流用ダイオード１２〜１５を含む。主スイッチング回路３０に属する平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１・整流電源側スイッチング素子３２はトランジスタである。整流電源側スイッチング素子３２がターンオンすると、平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１のベース電流が引き抜かれ、平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１がターンオフする。副スイッチング素子４０もトランジスタである。スイッチング制御回路２０は他励のタイマ回路である。スイッチング制御回路２０は図２に示す二種の信号Ｓ３０・Ｓ４０を出力する。２１０はスイッチング制御回路２０に付属する補助制御回路である。信号Ｓ３０は補助制御回路２１０を介して平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１あるいは整流電源側スイッチング素子３２へ供給される。信号Ｓ４０は副スイッチング素子４０に供給される。１９は初期充電用ダイオードである。整流電源１０電圧が初期充電用ダイオード１９を介して平滑用コンデンサ６１に印加し、平滑用コンデンサ６１を充電する。その状況下でスイッチング動作が始まる。誘導性負荷９０は蛍光灯点灯回路であり、蛍光ランプ９１と蛍光ランプ９１に直列のバラスト用インダクタ９２と蛍光ランプ９１に並列の予熱用コンデンサ９３を含む。よく知れれているように、それら全体は誘導性負荷として機能する。中間電源用コンデンサ６２は副スイッチング素子４０オン時の誘導性負荷９０電圧を与える。誘導性負荷９０右端・平滑用コンデンサ６１上端間に図外の第３のコンデンサを接続してもよい。その場合は平滑用コンデンサ６１・中間電源用コンデンサ６２・前記第三コンデンサの三つとなるが、その三つのうちの一つを省略することが可能である。平滑用コンデンサ６１を省略した場合の平滑用コンデンサは中間電源用コンデンサ６２・前記第三コンデンサの直列回路（複合コンデンサ）となる。中間電源用コンデンサ６２を省略した場合の中間電源用コンデンサは平滑用コンデンサ６１・前記第三コンデンサの直列回路（複合コンデンサ）となる。平滑用コンデンサ６１・前記第三コンデンサの直列回路（複合コンデンサ）は副スイッチング素子４０オン時の誘導性負荷９０電圧を与えるので、図１同効である。本明細書におけるコンデンサの用語は複合コンデンサを含む。
【０００７】図２を併用して説明する。信号Ｓ３０のオン電圧は抵抗２１１・２１２を介して平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１のベースに印加し、これがターンオンする。Ｓ３１はその動作を示す。一方、信号Ｓ３０のオン電圧は補助制御回路２１０に属する抵抗２１３・ダイオード２１４・コンデンサ２１５・ツェナーダイオード２１６・抵抗２１７を介して整流電源側スイッチング素子３２のベースに印加する。これらの素子は一種の遅延回路を構成する。このため、ｔ１だけ遅れて整流電源側スイッチング素子３２もターンオンする。整流電源側スイッチング素子３２のターンオンはより正確にはターンオン可能な状態である。誘導性負荷９０の左端は整流電源１０正極電位よりも高い平滑用コンデンサ６１正極電位に保持されているので、実際には整流電源側スイッチング素子３２にすぐに電流が流れる訳ではない。しかし、整流電源側スイッチング素子３２は平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１に対する信号Ｓ３０のオン電圧を無効とする。Ｓ３０端子→抵抗２１１→ダイオード２１８→整流電源側スイッチング素子３２→Ｓ３０端子の閉回路に電流が流れ、抵抗２１１に信号Ｓ３０のオン電圧に等しい電圧効果が生ずる。そのために、平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１がターンオフする。かくして信号Ｓ３０のオン電圧期間ｔ１＋ｔ２は平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１のオン期間（Ｓ３１のオン期間）ｔ１と整流電源側スイッチング素子３２のオン期間（Ｓ３２のオン期間）・ｔ２に区分される。信号Ｓ３０のオン電圧期間ｔ１＋ｔ２が終了すると整流電源側スイッチング素子３２がターンオフする。それ以降は副フライホイールダイオード５２のオン期間ｔ３となる。信号Ｓ４０は整流電源側スイッチング素子３２のターンオフ後であって副フライホイールダイオード５２のターンオフ前にオン電圧に変化する。このオン電圧変化が早すぎると、整流電源側スイッチング素子３２・副スイッチング素子４０が同時導通し、遅すぎると誘導性負荷９０電流に休止期間が生ずる。ダイオード２１８がないと、整流電源１０電圧が平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１のオン電圧として作用する。説明の便宜上、図２は副フライホイールダイオード５２のオン期間ｔ３終了の時点で信号Ｓ４０がオン電圧に変化するものとして描かれている。従って、信号Ｓ４０のオン電圧期間ｔ４は副スイッチング素子４０のオン期間と一致するので、わかり易い。副スイッチング素子４０のオン期間ｔ４の後に続く期間ｔ５は主フライホイールダイオード５１のオン期間である。図２は、主フライホイールダイオード５１のオン期間ｔ５の終了時点と信号ｓ３０のオン電圧変化点は一致するものとして描かれている。図３〜図７を併用してさらに説明する。
【０００８】（１）図３の動作図２の平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１オン期間ｔ１に、図３の電流ｉｔ１が流れる。電流ｉｔ１は誘導性負荷９０電流の一部である。電流ｉｔ１は平滑用コンデンサ６１電圧による電流であり、安定である。たとえ整流電源１０電圧（瞬時値）が低くあるいはゼロであっても、オン期間ｔ１は誘導性負荷９０電流の休止期間とはならずに、右向き誘導性負荷９０電流はゼロから立ち上がる。
（２）図４の動作図２の整流電源側スイッチング素子３２オン期間ｔ２に図４の電流ｉｔ２が流れる。電流ｉｔ２は誘導性負荷９０電流の一部である。電流ｉｔ２は瞬時値が変化する整流電源１０電圧に依存する電流であり、不安定である。電流ｉｔ１終期値（ｔ１終了時点の電流）がベースとなり電流ｉｔ２が形成される。電流ｉｔ２は整流電源１０電圧（瞬時値）が低ければ減少傾向電流となり、高ければ増加傾向電流となる。期間ｔ２の動作は一種のチョッパ動作である。整流電源１０・チョッパ用スイッチング素子（整流電源側スイッチング素子３２）・チョッパ用インダクタ（誘導性負荷９０）でなされるチョッパ動作である。この場合の誘導性負荷９０はチョッパ用インダクタ兼用形誘導性負荷９０となる。この場合のチョッパ用インダクタ電流は誘導性負荷９０電流そのものであり、無駄がない。
【０００９】期間ｔ２は整流電源１０給電期間であり、整流電源１０電圧（瞬時値）が高い場合はもとより低い場合にも給電がなされるため、整流電源１０導通角が増し、力率を高める。
（３）図５の動作図２の副フライホイールダイオード５２オン期間ｔ３に図５の電流ｉｔ３が流れる。
（４）図６の動作図２の副スイッチング素子４０オン期間ｔ４に図６の電流ｉｔ４が流れる。
（５）図７の動作図２の主フライホイールダイオード５１オン期間ｔ５に図７の電流ｉｔ５が流れる。図７の後で図３へ戻り、以下は繰り返し動作となる。これらの過程で電流ｉｔ１・ｉｔ２・ｉｔ３・ｉｔ４・ｉｔ５を形成し、インバータ動作ないしはチョッパ動作を形成する。それらの電流ｉｔ１・ｉｔ２・ｉｔ３・ｉｔ４・ｉｔ５は誘導性負荷９０電流であり、無駄がない。図８の他の実施例について説明する。主スイッチング回路３０は平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１・整流電源側スイッチング素子３２を含む。スイッチング制御回路に２０に補助制御回路が付属する点は図１と同じである。しかして、図１の補助制御回路２１０が図８の２２０のごとくに変化する。図１の部品符号・説明をなるべくそのまま転用し、主として図８の補助制御回路２２０について説明する。スイッチング制御回路２０の信号Ｓ３０を補助制御回路２２０のＳ３０＋・Ｓ３０−端子に印加する。信号Ｓ４０を副スイッチング素子４０の信号端子Ｓ４０＋・Ｓ４０−に印加する。信号Ｓ３０のオン電圧は抵抗２２１１と抵抗２２２１・コンデンサ２２３１の回路を介して平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１の信号入力端子に印加する。また信号Ｓ３０のオン電圧は抵抗２２１２と抵抗２２２２・コンデンサ２２３２の回路を介して整流電源側スイッチング素子３２の信号入力端子に印加する。抵抗２２１２よりも抵抗２２１１の方が相対的に低抵抗である。このため、平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１の方が先にターンオンする。平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１がターンオンすると、ダイオード２２４２・平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１の回路が働いて整流電源側スイッチング素子３２のターンオンを阻止する。やがてコンデンサ２２３１の充電が深まると、平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１がオフ傾向を示し始めターンオフする。その過程で整流電源側スイッチング素子３２がターンオンする。その過程でダイオード２２４１・整流電源側スイッチング素子３２の回路が働いて平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１にターンオフを促し、かつオフ状態に保持する。整流電源側スイッチング素子３２のターンオンにより平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１をターンオフさせる点は図１同様である。信号Ｓ３０によって規定される主スイッチング回路３０のオン期間は平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１のオン期間と、整流電源側スイッチング素子３２のオン期間に区分される。主スイッチング回路３０のオン期間の間に平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１・整流電源側スイッチング素子３２のオンオフを繰り替えさせることも可能である。繰り替えさせると、整流電源１０電圧（瞬時値）変動が希釈化され、誘導性負荷９０電流は安定化する。ダイオード２２４１は整流電源１０電圧が平滑用コンデンサ側スイッチング素子３１のオン電圧として作用することを防止する。ダイオード２２４２は平滑用コンデンサ６１電圧が整流電源側スイッチング素子３２のオン電圧として作用することを防止する。
【００１０】
【発明の効果】本発明はチョッパ用インダクタ兼用形誘導性負荷とするものである。これによれば、高力率・高効率形のインバータ装置が得られる。また、整流電源側スイッチング素子を利用して平滑用コンデンサ側スイッチング素子をターンオフさせる仕組みであるため、安価となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るインバータ装置の回路図である。
【図２】図１の信号波形図である。
【図３】図１の動作説明図である。
【図４】図３の次のステップを示す同様な動作説明図である。
【図５】図４の次のステップを示す同様な動作説明図である。
【図６】図５の次のステップを示す同様な動作説明図である。
【図７】図６の次のステップを示す同様な動作説明図である。
【図８】図１とは異なる形態の図１同様の回路図である。
【符号の説明】
１０：整流電源、１１：交流電源、２０：スイッチング制御回路、３０：主スイッチング回路、３１：平滑用コンデンサ側スイッチング素子、３２：整流電源側スイッチング素子、４０：副スイッチング素子、５１：主フライホイールダイオード、５２：副フライホイールダイオード、６１：平滑用コンデンサ、６２：中間電源用コンデンサ、９０：誘導性負荷

【特許請求の範囲】
【請求項１】交流電源電圧を整流する整流電源を備え、平滑用コンデンサを備え、主スイッチング回路を備え、前記主スイッチング回路と順直列に接続する副スイッチング素子を備え、前記主スイッチング回路・副スイッチング素子を交互にオンオフするように制御するスイッチング制御回路を備え、誘導性負荷を前記副スイッチング素子へ並列に接続する中間電源用コンデンサを備え、前記主スイッチング回路はそのオン期間の間に前記平滑用コンデンサ電圧を前記副スイッチング素子へ順方向に印加する平滑用コンデンサ側スイッチング素子を含みかつ前記整流電源電圧を前記副スイッチング素子へ順方向に印加する整流電源側スイッチング素子を含み、前記平滑用コンデンサ側スイッチング素子と逆並列に接続する主フライホイールダイオードを備え、前記副スイッチング素子と逆並列に接続する副フライホイールダイオードを備え、前記整流電源側スイッチング素子をそのターンオンにより前記平滑用コンデンサ側スイッチング素子をターンオフさせるように該平滑用コンデンサ側スイッチング素子へ接続したことを特徴とするインバータ装置。

【図１】