(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流入力電圧が印加される一対の直流入力端子の間に接続され、交互にオンオフする第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子を少なくとも有するインバータ回路と、
前記インバータ回路に接続される１次巻線と２次巻線を有するトランスと、
該トランスの前記１次巻線又は前記２次巻線と直列に接続されている共振インダクタンス手段と、
前記第１のスイッチング素子又は前記第２のスイッチング素子がオンするとき、前記共振インダクタンス手段及び前記トランスの前記１次巻線に直列に接続される１次側共振コンデンサと、
一対の直流出力端子の間に互いに直列に接続される第１の２次側共振コンデンサと第２の２次側共振コンデンサと、前記直流出力端子の間に互いに直列に接続される第１の一方向性素子と第２の一方向性素子とからなる多機能整流回路と、
を備え、
前記第１の２次側共振コンデンサと前記第２の２次側共振コンデンサとの接続点は、前記トランスの前記２次巻線の一端へ接続され、
前記第１の一方向性素子と前記第２の一方向性素子との接続点は、前記トランスの前記２次巻線の他端へ接続され、
前記直流出力端子間に接続される負荷が高インピーダンスであるとき、前記多機能整流回路が倍電圧整流回路として働くと共に、前記共振インダクタンス手段は前記１次側共振コンデンサと前記第１、第２の２次側共振コンデンサと協働して直列共振し、
前記直流出力端子間に接続される負荷が低インピーダンスであるときには、前記多機能整流回路が主に全波整流回路として働くと共に、前記共振インダクタンス手段は主に前記１次側共振コンデンサと協働して直列共振し、
広範囲の負荷インピーダンスにおいて前記スイッチング素子を流れる電流を正弦波に近づけることを特徴とする直列共振型コンバータ回路。
【請求項２】
請求項１に記載の直列共振型コンバータ回路おいて、
前記第１、第２の２次側共振コンデンサは、前記トランスの１次側に等価変換したとき、前記１次側共振コンデンサと実質的に等しいキャパシタンスを有することを特徴とする直列共振型コンバータ回路。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の直列共振型コンバータ回路おいて、
前記１次側共振コンデンサには逆充電防止兼電圧制限用ダイオードが並列又は直列に接続され、
前記逆充電防止兼電圧制限用ダイオードは、前記１次側共振コンデンサの充電電圧を前記直流入力端子の間の直流電源電圧に制限すると共に、前記１次側共振コンデンサが逆極性で充電されるのを防止することを特徴とする直列共振型コンバータ回路。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の直列共振型コンバータ回路おいて、
前記インバータ回路は、前記第１のスイッチング素子にその極性と逆極性に並列に設けられる第１の帰還用ダイオード、及び前記第２のスイッチング素子にその極性と逆極性に並列に設けられる第２の帰還用ダイオードを備えることを特徴とする直列共振型コンバータ回路。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の直列共振型コンバータ回路において、
前記第１、第２の２次側共振コンデンサのキャパシタンスよりも十分に大きいキャパシタンスを有する平滑用コンデンサが、一対の前記直流出力端子の間に接続されることを特徴とする直列共振型コンバータ回路。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の直列共振型コンバータ回路において、
前記第１、第２のスイッチング素子は、前記共振インダクタンス手段と前記１次側共振コンデンサで定まる共振周波数よりも低い周波数で動作することを特徴とする直列共振型コンバータ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、共振インダクタンス手段と共振コンデンサとの直列共振作用を利用した直列共振型コンバータ回路、特にプラズマなどの放電負荷に適した直流スパッタ電源、負荷電圧が大きく変化するコンデンサ、蓄電池などの充電用直流電源に適する特性を有する直列共振型コンバータ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
放電エネルギーを利用する放電負荷として、各種のレーザ装置、放電灯点灯装置、ストロボ装置、放電加工装置、光ファイバの融着接続装置、放電によって金属薄膜を種々の物質の表面に形成する真空装置などがあり、非常に広い分野において放電負荷が使用されている。これら放電負荷は定電力を要求するものが多い。
【０００３】
前述のような放電負荷用の電源装置の場合、出力電圧がプラズマ状態によってある範囲で変化するので、その範囲で定電力を保証しなければならない。例えば、出力が８００Ｗの場合には、定格出力電圧が８００Ｖ、そのとき供給可能な出力電流は１Ａである。そして、出力電圧が４００Ｖのときには、２Ａの出力電流を放電負荷に供給することが要求される。しかし、通常の放電負荷用電源装置では、８００Ｖ−１Ａで電源を設計すると、回路方式にもよるが、４００Ｖでの最大電流が高々１Ａ強程度であり、いずれにせよ定格出力電圧８００Ｖとそれよりも大幅に低い出力電圧４００Ｖとの双方において８００Ｗの出力電力を満足させることができない。
【０００４】
このような電源装置においては、トランスの２次巻線に中間電圧タップを設け、その中間電圧タップに切り替えると低電圧大電流になり、４００Ｖ−２Ａの電力を出力できるようにしているものがある。しかし、タップ切替は、電源装置のハウジングを開けて切え替作業を行わなければならないので、手間がかかると同時に、切り替え時に必ず残留電荷の放電を確認して安全性を図らなければならないなど煩雑である。
【０００５】
このようなことを避けるために、最大電流を供給できる大容量の電源を設計する必要があるが、例えば前記の例では、８００Ｖ−２Ａの電力容量、つまり１．６ｋＷを出力できる容量の電源装置を製作しなければならない。その場合、トランスの大きさは、概略その最大電圧と最大電流との積に比例するので、１．６ｋＷの電力容量をもつトランスが必要になり、これは伝達電力８００Ｗの２倍程度となる。このことは、明らかにトランスを含む電源装置全体が大型化すると同時に、重量も増し、また、コストアップとなって不経済である。
【０００６】
前記問題点を解決する発明も既に提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されている発明は、負荷電流の大小によって通常の全波整流回路と倍電圧整流回路との間で自動的に切替るよう動作して、ほぼ一定の電力を供給できる多機能の整流回路を実現している。この自動的な切替は、トランスの中間電圧タップの切替は勿論のこと、機械的スイッチ、半導体スイッチなど物理的な切替を一切必要とすることなく、電子的に行われる。しかも、例えば負荷が放電負荷の場合には、非常に簡単な回路構成で、かつインバータ回路の簡便な通常のパルス幅制御方法でもって、放電を発生させるのに必要な交流入力電圧のほぼ２倍の高い電圧を供給し、また、放電負荷が放電状態になって、低インピーダンスになるときには、前記初期の高い電圧よりも低い電圧であって、定常放電状態を維持するのに必要な直流定電力を供給できる。
【０００７】
前掲の特許文献１に記載された直流電源は、電力変換効率を高めるために、共振インダクタンスと共振コンデンサとを並列共振させる並列型共振コンバータ回路である。共振コンバータ回路は正弦波状の共振電流波形を得ることができる。しかしながら、真空装置用の直流電源として共振コンバータ回路を用いた場合には次のような問題がある。真空装置に要求される負荷電力、つまり共振コンバータ回路に要求される直流出力電力は一般的に一定の電力が要求されるが、ガス条件やターゲット材料などの変更によって、前述したようにプラズマ電圧が大きく変化する。この場合にも、ほぼ一定の出力電力になるように共振コンバータ回路はパルス幅制御される。
【０００８】
一般的に、共振コンバータ回路は定格電圧での動作時に合わせて設計されるので、定格電圧で動作しているときの共振コンバータは正弦波状の共振電流を出力するが、直流出力電圧が定格電圧から減少して行くのに伴い、共振電流の波形は正弦波状から離れて行く。例えば、出力電圧を定格電圧のほぼ１／２程度まで低くし、出力電流を定格電流のほぼ２倍まで増大なければならない場合、共振の原理から共振コンバータの共振電流は正弦波から離れた交流波形になるので、共振コンバータ回路の電力効率は低下し、ノイズも大きくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−１９１７６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、負荷電圧及び負荷電流が大きく変化するときに、共振インダクタンス手段と共振コンデンサからなる直列共振回路における共振静電容量（共振キャパシタンス）の大きさが自動的に変更されて共振電流波形を正弦波状に、又は正弦波形に近づけるように改善し、広い負荷範囲にわたって直列共振コンバータの電力効率を向上させることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る直列共振型コンバータ回路は、一対の直流入力端子の間に接続される１組の第１、第２のスイッチング素子と第１、第２の１次側共振コンデンサをハーフブリッジ構成に接続してなるインバータ回路と、このインバータ回路に接続される１次巻線と２次巻線を有するトランスと、一対の直流出力端子の間に互いに直列に接続される第１の２次側共振コンデンサと第２の２次側共振コンデンサ及び直流出力端子の間に互いに直列に接続される第１の整流ダイオードと第２の整流ダイオードからなる多機能整流回路と、前記第１、第２の１次側共振コンデンサ及び前記第１、第２の２次側共振コンデンサによる共振キャパシタンスと協働して直列共振する共振インダクタンス手段とを備える。
【００１２】
前記第１、第２の１次側共振コンデンサは、前記第１、第２の２次側共振コンデンサをトランスの１次側に換算したキャパシタンスとほぼ同じキャパシタンスを有し、このキャパシタンスは一般的に、直流出力側に備えられる平滑用コンデンサのキャパシタンスに比べてかなり小さい。定電力出力の場合、直流出力電圧が高くかつ直流出力電流が小さい負荷インピーダンス条件（以下、高負荷条件という。）のときには、前記共振インダクタンス手段は前記第１、第２の１次側共振コンデンサ及び前記第１、第２の２次側共振コンデンサによる共振キャパシタンスと直列共振を行う。しかし、直流出力電圧が低くかつ直流出力電流が大きい負荷インピーダンス条件（以下、低負荷条件という。）のときには、前記トランスの２次巻線を流れる電流の大部分は、前記第１、第２の２次側共振コンデンサに並列接続された２次側ダイオードと第１、第２の整流ダイオードとからなる全波整流回路を流れて整流されるので、前記第１、第２の２次側共振コンデンサは共振作用にほとんど寄与せず、前記共振インダクタンス手段は主として前記第１、第２の１次側共振コンデンサによる共振キャパシタンスと直列共振を行う。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、定電力負荷の場合、負荷電圧及び負荷電流が大きく変化するときに、共振インダクタンス手段と共振コンデンサからなる直列共振回路における共振キャパシタンスが自動的に変化して共振電流波形を正弦波状に、又は正弦波形に近づけるので、共振キャパシタンスの切替機構などを用いることなく直列共振コンバータの電力損失やノイズを低減することができる。更に、高負荷インピーダンス状態になると、互いに直列接続された２次側共振コンデンサと互いに直列接続された整流ダイオードとが倍電圧整流回路を構成するので、スイッチング素子と並列の帰還用ダイオードに起因するリカバリー電流が流れないので、リカバリー損失、ノイズなどが生じない。
【００１４】
また、請求項２〜請求項５の発明にあっては、前記効果の他に、共振回路から直流電源に帰還する電流、つまり進み電流が流れない回路構成にし、１次側共振コンデンサの電圧が直流電源電圧を越えないようにしたので、低負荷条件においても帰還用ダイオードにリカバリー電流が流れることは無い。したがって、より一層、電力損失を低減できると共に、ノイズを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態１に係る直列共振型コンバータ回路を示す。
【図２】この直列共振型コンバータの高負荷条件時の第１の等価回路を示す。
【図３】この直列共振型コンバータの高負荷条件時の第２の等価回路を示す。
【図４】この直列共振型コンバータの低負荷条件時の第１の等価回路を示す。
【図５】この直列共振型コンバータの低負荷条件時の第２の等価回路を示す。
【図６】実施形態１にかかる直列共振型コンバータを説明するための電圧波形、電流波形を示す。
【図７】本発明の実施形態２に係る直列共振型コンバータ回路を示す。
【図８】実施形態２にかかる直列共振型コンバータを説明するための低負荷条件時における電圧波形、電流波形を示す。
【図９】本発明の実施形態３に係る直列共振型コンバータ回路を示す。
【図１０】本発明の実施形態４に係る直列共振型コンバータ回路を示す。
【図１１】本発明の実施形態５に係る直列共振型コンバータ回路を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の第１の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本発明では、負荷が高インピーダンスになるときには実効的な共振キャパシタンスが減少し、負荷が低インピーダンスに変化するときには実効的な共振キャパシタンスが増大する。このように負荷インピーダンス条件で実効的な共振キャパシタンスが自動的に変化することによって、広範囲の負荷インピーダンスの領域で、共振電流の波形を正弦波状に改善することができる。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００１７】
［実施形態１］
本発明に係る実施形態１の直列共振型コンバータ回路について、図１〜図６によって説明する。図１において、直流電源１は、正極の直流入力端子２と負極の直流入力端子３との間に接続される。直流電源１は、例えば、単相又は３相交流電力を整流して直流電力に変換する整流回路とその直流電力を平滑化するフィルタ回路とからなる一般的なものである。蓄電池又は発電機などのエネルギー源を直流電源１としてもよい。また、直流電源１はＰＦＣ（力率改善回路）を含んだ整流器でもよい。その場合、ＰＦＣの後段に接続される本発明の直列共振型コンバータの入力電圧が安定化されるから動作態様が負荷変動だけを考えればいいので、発明の理解に好都合であり、以下の説明でも、直流入力端子２と３との間の直流電源電圧Ｅは一定値として説明する。
【００１８】
インバータ回路４は、互いに直列に接続された第１、第２のスイッチング素子４Ａと４Ｂと、互いに直列に接続された第１、第２の１次側共振コンデンサ４Ｃと４Ｄとをハーフブリッジ構成に接続した回路からなる。スイッチング素子４Ａ、４Ｂには第１、第２の帰還用ダイオード４Ｅ、４Ｆがスイッチング素子４Ａ、４Ｂの極性とは逆にそれぞれ並列に接続される。スイッチング素子４Ａのアノード側及び１次側共振コンデンサ４Ｃの一端は直流入力端子２に接続され、スイッチング素子４Ｂのカソード側及び１次側共振コンデンサ４Ｄの一端は直流入力端子３に接続される。スイッチング素子４Ａ、４Ｂとしては、ＦＥＴ又はＩＧＢＴなどの半導体素子を用いる。
【００１９】
帰還用ダイオード４Ｅ、４Ｆは、外部に並列に接続されたダイオードやスイッチング素子４Ａ、４Ｂのそれぞれの内部に形成されたものでもよい。スイッチング素子４Ａ、４ＢがＦＥＴの場合には、ＦＥＴが有する内部ダイオードを帰還用ダイオード４Ｅ、４Ｆとして利用することができる。なお、通常のＦＥＴやＩＧＢＴなどの半導体素子のほとんどが内部ダイオードを内蔵している。これらの帰還用ダイオード４Ｅ、４Ｆは、スイッチング素子４Ａ又は４Ｂがオフしたときに、後で説明するトランスの励磁電流を直流電源１に帰還することにより、スイッチング素子４Ａ又は４Ｂのターンオフ電圧を直流電源電圧Ｅに制限する機能もある。
【００２０】
１次側共振コンデンサ４Ｃと４Ｄはそれぞれほぼ等しいキャパシタンスＣｐを有し、等価的に１次側共振コンデンサ４Ｃと４Ｄを並列接続したキャパシタンスに等しい並列合成キャパシタンス２Ｃｐで、後に述べる直列共振に寄与する。さらに、共振インダクタンス手段５が１次側共振コンデンサ４Ｃと４Ｄとを接続する導線４ｙに接続される共に、トランス６の１次巻線６Ａの一端に接続される。そして、トランス５の１次巻線６Ａの他端がスイッチング素子４Ａと４Ｂとを接続する導線４ｘに接続される。ここで、トランス６は１次巻線６Ａに対する２次巻線６Ｂの巻数比ｎを有するものとする。１次巻線６Ａ、２次巻線６Ｂに付された黒点は、巻線の極性を示す。共振インダクタンス手段５は導線４ｙ側でなく、トランス５の１次巻線６Ａの前記他端と導線４ｘとの間に接続されてもよい。
【００２１】
トランス６の２次巻線６Ｂには、２次巻線６Ｂの交流電圧を整流する多機能整流回路７が接続される。多機能整流回路７は、互いに直列接続された整流用ダイオード７Ａと７Ｂと、互いに直列接続された第１の２次側共振コンデンサ７Ｃと第２の２次側共振コンデンサ７Ｄと、２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄにそれぞれ並列に接続されてそれらの逆充電を防止する２次側ダイオード７Ｅと７Ｆとからなる。これら整流用ダイオード７Ａと７Ｂ、２次側共振コンデンサ７Ｃと７Ｄ、２次側ダイオード７Ｅと７Ｆはいずれも直流出力端子８、９間に接続される。整流用ダイオード７Ａと７Ｂとを接続する導線７ｘはトランス６の２次巻線６Ｂの一端に接続される。２次側共振コンデンサ７Ｃと２次側共振コンデンサ７Ｄとを接続する導線７ｙは、トランス６の２次巻線６Ｂの他端に接続される。また、直流出力端子８と９との間には、平滑用コンデンサ１０、及び負荷インピーダンス範囲の広いＤＣプラズマ放電チャンバのような負荷１１が接続される。この種の負荷は図１に示すようにプラス極を接地することができる。
【００２２】
本発明では、２次側共振コンデンサ７Ｃと７Ｄは、相対的に小さな値のキャパシタンスＣｓを有するコンデンサが使用され、直流に対しては等価的に直列なのでキャパシタンスが１／２となるためにエネルギーバンクとしてのフィルタコンデンサの機能はほとんど有しない。このため、低リプルが要求される直列共振型コンバータの場合には、平滑用コンデンサ１０を設ける。この平滑用コンデンサ１０は２次側共振コンデンサ７Ｃと７Ｄの数十倍から１００倍以上のキャパシタンスを有することが好ましい。多機能整流回路７については後述するが、高負荷条件（負荷１１が高インピーダンス状態にある。）のときには倍電圧整流回路として働き、２次側共振コンデンサ７Ｃと７Ｄは直列共振に寄与する。しかし、低負荷条件（負荷１１が低インピーダンス状態にある。）のときには、多機能整流回路７は大部分の整流電流に対して、通常の全波整流回路として働き、２次側共振コンデンサ７Ｃと７Ｄはほとんど直列共振に寄与しない。
【００２３】
負荷１１に供給される直流出力電圧Ｖｏは抵抗などの電圧検出器１２を通して直流検出電圧ｖとして検出され、また、直流出力電流ＩｏはホールＣＴなどの電流検出器１３を通して電流信号ｉとして検出される。これら直流検出電圧ｖと検出電流信号ｉは乗算回路１４に供給され、乗算回路１４はｖ×ｉの演算を行って、負荷電力信号ｐを出力信号として誤差増幅器１５に与える。誤差増幅器１５は基準源１６の電力設定信号ｓと負荷電力信号ｐとを比較して、誤差増幅信号ｅをパルス周波数発生回路１７に与える。パルス周波数発生回路１７は誤差増幅信号ｅに応じて、制御された周波数で、位相差１８０度の駆動パルス信号ＱとＲをスイッチング素子４Ａと４Ｂに与える。
【００２４】
例えば、インバータ回路４の変換周波数を５０ｋＨｚとし、オン時間は上下に位置するスイッチング素子４Ａと４Ｂの同時導通を防止するためのデットタイム（休止時間）として１μｓの時間をとって、半周期１０μｓの９０％に等しい９μｓの固定パルス幅とする。変換周波数は５０ｋＨｚを上限周波数として、周波数を高くすることで出力電力を増加し、下げることで出力電力を低下するパルス周波数変調（ＰＦＭ）制御方法を用いている。したがって、定格の最大出力の場合には、インバータ回路４の変換周波数は５０ｋＨｚに近く、軽負荷時には、周波数が可聴周波数に近い周波数まで低下する制御方式とすることができる。
【００２５】
なお、実際の直列共振型コンバータ回路では、信号系における直流電源１の電位と負荷１１の電位の絶縁が必要であり、電圧検出器１２、電流検出器１３、乗算器１４、誤差増幅器１５．パルス周波数発生回路１７、及びスイッチング素子４Ａと４Ｂのゲート端子のいずれかの信号経路のどこかにフォトカプラ、パルストランスなどの信号絶縁素子が必要であるが、本発明の動作説明には不要なので省略した。
【００２６】
また、図１、さらには後述するすべての実施形態において、共振インダクタンス手段５をトランス６と別個な部品として示しているが、トランス６のリーケージインダクタンスを利用して、共振インダクタンス手段５を不要とすること、もしくは共振インダクタンス手段５のインダクタンス値をリーケージインダクタンス分だけ小さくすることができる。さらに、共振インダクタンス手段５を個別部品とする場合には、トランス６の１次巻線６Ａと直列に接続せずに、２次巻線６Ｂと直列に接続することもできる。したがって、所望の直列共振を行なうために必要なインダクタンスを呈する共振インダクタンス手段は、主として共振インダクタンス手段５からなる場合、又はトランス６の所望の大きさのリーケージインダクタンスを利用して個別のインダクタを用いない場合、あるいは共振インダクタンス手段５とトランス６のリーケージインダクタンスとを組み合わせた場合がある。ここでは、いずれの場合も共振インダクタンスＬと言う。
【００２７】
次に、ＤＣプラズマ電源などの定電力負荷に対応するための本発明の特徴である１次側共振コンデンサ４Ｃ、４ＤのキャパシタンスＣｐと２次側共振コンデンサ７Ｃ、７ＤのキャパシタンスＣｓについて説明する。ＤＣプラズマ電源などの定電力負荷にあっては、前述したように、２つの負荷状態、負荷１１が高インピーダンス状態にある条件（高負荷条件）と、負荷１１が低インピーダンス状態にある条件（低負荷条件）を有する場合が多い。本発明の直列共振型コンバータ回路では、以下に述べるように高負荷条件と低負荷条件とで共振状態が異なる。例えば、８００Ｗの定電力負荷とすれば、高負荷条件は、高負荷電圧Ｖｏｈが８００Ｖ、小電流１Ａの負荷条件となり、低負荷条件は、低負荷電圧Ｖｏｌｌが４００Ｖ、大電流２Ａの条件となる。なお、これはあくまで一例であり、本発明はこれらの負荷電力、高負荷条件、低負荷条件の値に制限されるものではない。
【００２８】
本発明では、高負荷条件の直流出力電力Ｐｏは、すべて２次側共振コンデンサ７Ｃと７Ｄの充放電サイクルで供給されるように、２次側共振コンデンサ７Ｃと７ＤのキャパシタンスＣｓを選定することが望ましい。２次側共振コンデンサ７Ｃと７ＤそれぞれのキャパシタンスＣｓは、直流出力電力Ｐｏ、高負荷電圧Ｖｏｈ、変換周波数ｆｓによる式、Ｃｓ＝Ｐｏ／（２×ｆｓ×Ｖｏｈ２）とすることが望ましい。具体的な一例では、直流出力電力Ｐｏが８００Ｗ，高負荷電圧Ｖｏｈが８００Ｖ、変換周波数ｆｓが５０ｋＨｚであるものとすると、２次側共振コンデンサ７Ｃと７ＤのキャパシタンスＣｓは、前記式から１２．５ｎＦとなる。この値は８００Ｗ程度の直列共振型コンバータにおける一般的な平滑用コンデンサ１０のキャパシタンスに比べて十分に小さい。
【００２９】
また、本発明では、負荷インピーダンスの高低にかかわらず、直流出力電力Ｐｏは、１次側共振コンデンサ４Ｃ、４Ｄの充放電サイクルで供給されるように１次側共振コンデンサ４Ｃ、４ＤのキャパシタンスＣｐを選定する望ましい。したがって１次側共振コンデンサ４Ｃ、４ＤのキャパシタンスＣｐは、直流出力電力Ｐｏ、直流電源電圧Ｅ、変換周波数ｆｓによる式、Ｃｐ＝Ｐｏ／（２×ｆｓ×Ｅ２）とすること望ましい。具体的な一例では、直流出力電力が８００Ｗ、直流電源電圧Ｅが４００Ｖ、変換周波数ｆｓが５０ｋＨｚの場合、１次側共振コンデンサ４Ｃ、４ＤのキャパシタンスＣｐは、前記式から５０ｎＦとなる。
【００３０】
したがって、本発明の望ましい１次側共振コンデンサ４Ｃ、４ＤのキャパシタンスＣｐと望ましい２次側共振コンデンサ７Ｃと７ＤのキャパシタンスＣｓは、どちらも同一値の負荷電力を通過させるので、２次側共振コンデンサ７Ｃと７ＤのキャパシタンスＣｓをトランス６の１次側に換算した値はほぼ同値にならなければならない。前述したように、トランス６は１次巻線６Ａに対する２次巻線６Ｂの巻数比がｎであるものとすると、Ｃｐ＝ｎ２Ｃｓとなる。したがって、本発明では結果的にＣｐ＝ｎ２Ｃｓを満足するような１次側共振コンデンサ４Ｃ、４ＤのキャパシタンスＣｐと２次側共振コンデンサ７Ｃと７ＤのキャパシタンスＣｓが決められる。
【００３１】
次に、高負荷条件における図２に示す等価回路と、図２の等価回路をさらに単純化した図３に示す交流等価回路と、低負荷条件における図４に示す等価回路と、図４の等価回路をさらに単純化した図５に示す交流等価回路と、図６に示す電流波形図、電圧波形図を参照して、図１に示した本発明の第１の実施形態に係る直列共振型コンバータの動作を説明する。
【００３２】
図２に示す等価回路では、説明を簡単にするために図１におけるトランス６を省略し、２次側回路の部材を１次側に等価変換している。等価変換によって、直流出力電圧ＶｏはＶｏ／ｎに変換される。上述したように、２次側共振コンデンサ７Ｃと７ＤのキャパシタンスＣｓをＣｐ／ｎ２に選定すれば、２次側共振コンデンサ７Ｃと７ＤのキャパシタンスＣｓも１次側共振コンデンサ４Ｃ、４ＤのキャパシタンスＣｐと等しくなり、すべての共振コンデンサがキャパシタンスＣｐであると考えることができる。
【００３３】
インバータ回路４は前述したようにハーフブリッジ構成であり、ハーフブリッジ型インバータ回路の原理的な出力電圧はＥ／２である。したがって、インバータ回路４の出力電圧はＥ／２であるものとする。一般に、多機能整流回路７が倍電圧整流回路として働く場合には、入力電圧であるインバータ回路４の出力電圧（Ｅ／２）の２倍の整流電圧Ｅを発生する。その整流電圧Ｅは等価的に直流出力電圧Ｖｏの１／ｎである。即ち、Ｅ＝Ｖｏ／ｎとなる。したがって、巻き数比ｎは、ｎ＝Ｖｏ／Ｅとなり、実施形態１ではｎ＝２にしている。図１の多機能整流回路７の両端には平滑用コンデンサ１０が接続されているので、直流出力電圧Ｖｏは一定電圧とみなすことができる。１次側に等価変換した等価回路では直流出力電圧Ｖｏは電圧Ｅの等価蓄電池１８に変換される。
【００３４】
シミュレーションでは１次等価回路で行っているのでトランスを省略している。したがって、後述する実施形態における直流出力電圧Ｖｏが８００Ｖで直流出力電流が１Ａの場合は、シミュレーションの等価直流出力電圧Ｅが４００Ｖで、等価直流出力電流が２Ａに相当する。したがって、低負荷条件における実出力（４００Ｖ×２Ａ）はシミュレーションの等価出力（２００Ｖ×４Ａ）に相当する。１次側共振コンデンサ４Ｃ、４ＤのキャパシタンスＣｐ、２次側共振コンデンサ７Ｃと７ＤのキャパシタンスＣｓは前述の値とした。
【００３５】
本発明の直列共振型コンバータ回路では、定電力負荷のインピーダンスの高低、つまり高負荷条件と低負荷条件により直列共振動作の態様が変化する。したがって、以下では図２〜図５の１次等価回路を使用して高負荷条件の場合と低負荷条件の場合に分けて説明する。
【００３６】
具体的に動作説明を行う前に、図６について説明する、図６（１）〜（３）は高負荷条件時の波形を示し、図６（１）は共振インダクタンス手段５を流れる共振電流Ｉｒの波形であり、正の部分の波形４ａは半導体スイッチ４Ａの電流波形、負の部分の波形４ｂは半導体スイッチ４Ｂの電流波形とほぼ同一であるので、半導体スイッチ４Ａ、４Ｂの電流波形は省略した。図６（２）は第１の１次側共振コンデンサ４Ｃの電圧波形４ｃと第２の１次側共振コンデンサ４Ｄの電圧波形４ｄ、図６（３）は第１の２次側共振コンデンサ７Ｃの電圧波形７ｃと第２の２次側共振コンデンサ７Ｄの電圧波形７ｄをそれぞれ示す。
【００３７】
図６（４）〜（６）は低負荷条件時の波形を示し、図６（４）は共振インダクタンス手段５を流れる共振電流Ｉｒの波形であり、図６（１）と同様に正の部分の波形４ａは半導体スイッチ４Ａの電流波形、負の部分の波形４ｂは半導体スイッチ４Ｂの電流波形とほぼ同一であるので、半導体スイッチ４Ａ、４Ｂの電流波形は省略した。図６（５）は第１の１次側共振コンデンサ４Ｃの電圧波形４ｃと第２の１次側共振コンデンサ４Ｄの電圧波形４ｄ、図６（６）は第１の２次側共振コンデンサ７Ｃの１次側に等価変換した電圧波形７ｃと第２の２次側共振コンデンサ７Ｄの１次側に等価変換した電圧波形７ｄをそれぞれ示す。
【００３８】
図６（７）は、第１の１次側共振コンデンサ４Ｃと第２の１次側共振コンデンサ４Ｄのキャパシタンスを共振動作に関与しない程度の大きな容量とした場合、すなわち、従来のハーフブリッジ型インバータ回路の単なる分圧用コンデンサとした場合における共振電流Ｉｒの波形を示す。
【００３９】
先ず、高負荷条件の場合について説明する。高負荷条件の場合、前述したように直流出力電力Ｐｏは、すべて２次側共振コンデンサ７Ｃと７Ｄの充放電サイクルで供給されるように２次側共振コンデンサ７Ｃと７ＤのキャパシタンスＣｓを選定しているので、２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄはゼロ電圧まで放電しても、負極性までは充電されない。したがって、２次側共振コンデンサ７Ｃと７Ｄに並列接続された２次側ダイオード７Ｅと７Ｆは常に２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄの電圧が逆電圧としてかかるので導通しない。したがって、図１の２次側ダイオード７Ｅ、７Ｆは無いものとすることができるので、高負荷条件の場合の多機能整流回路７の等価回路は図２に示す倍電圧整流回路で表すことができる。
【００４０】
前述したように直流出力電力Ｐｏがすべて１次側共振コンデンサ４Ｃ、４Ｄの充放電サイクルで供給されるように、１次側共振コンデンサ４Ｃ、４ＤのキャパシタンスＣｐを選定している。したがって、高負荷条件の場合、１次側共振コンデンサ４Ｃ、４Ｄはゼロ電圧まで放電しても、負極性までは充電されない。スイッチング素子４Ａ、４Ｄは、共振電流の半周期中でオンさせるので、電流を遮断させないこと、また、単純化するためにトランス６の励磁電流を考えないので、励磁電流を遮断したときのバイパス回路となるスイッチング素子４Ａ、４Ｄのそれぞれに並列の帰還用ダイオード４Ｅ、４Ｆは導通しない。したがって、図１の帰還用ダイオード４Ｅ、４Ｆは無いものとして説明することができる。
【００４１】
図６における時刻ｔ０以前では、図２に示すように、１次側共振コンデンサ４Ｄは図示極性で直流電源電圧Ｅ（「１」で示す。）に充電され、１次側共振コンデンサ４Ｃの充電電圧はゼロ（「０」で示す。）とする。また、２次側共振コンデンサ７Ｃは図示極性で直流出力電圧Ｖｏ、即ち、直流電源電圧Ｅ（「１」で示す。）に充電され、２次側共振コンデンサ７Ｄの充電電圧はゼロ（「０」で示す。）とする。
【００４２】
時刻ｔ０において、スイッチング素子４Ａはオフ状態で、スイッチング素子４Ｂがオフからオンする。図２に示すように、正極の直流入力端子２から１次側共振コンデンサ４Ｃを通して流れる電流ｉ１と、１次側共振コンデンサ４Ｄの放電による電流ｉ２とが合流し、共振インダクタンス手段５を通して２次側に流れる。２次側では、共振インダクタンス手段５を流れる電流が２次側共振コンデンサ７Ｃ、Ｃ７Ｄに分流して流れる。分流した一方の電流ｉ３は２次側共振コンデンサ７Ｃの放電電流として等価蓄電池１８に流れ、分流した他方の電流ｉ４は２次側共振コンデンサ７Ｄを充電して整流用ダイオード７Ｂのアノード側で電流ｉ３と合流する。そして、合流した電流はダイオード７Ｂのカソード、スイッチング素子４Ｂを通ってから、電流ｉ１が負極の直流入力端子３に戻り、他の電流ｉ２がコンデンサ４Ｄの負極に戻る。
【００４３】
この動作で、図６（２）に示すように、１次側共振コンデンサ４Ｃはゼロから直流電源電圧Ｅに向かって充電され、１次側共振コンデンサ４Ｄは全部の電荷を放電して充電電圧がゼロとなる。２次側共振コンデンサ７Ｄは、図６（３）に示すようにゼロから等価蓄電池１８の電圧Ｖｏに向かって充電され、２次側共振コンデンサ７Ｃは全ての電荷を放電して充電電圧がゼロとなる。この結果、１次側共振コンデンサ４Ｃ、４Ｄ及び２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄの電圧は、スイッチング素子４Ｂがオンする前の初期条件と逆転する。以上の動作は、共振インダクタンス手段５と１次側共振コンデンサ４Ｃ、４Ｄの並列回路と、２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄの並列回路との直列共振動作となり、図６（１）に示すように、スイッチング素子４Ｂの電流は負の正弦半波４ｂとなる。時刻ｔ１までスイッチング素子４Ａはオフ状態を継続するが、スイッチング素子４Ｂは半周期が終わるまでオンさせる必要がなく、負の正弦半波の電流４ｂがゼロになったときにオフさせることもできる。
【００４４】
次に、１次側共振コンデンサ４Ｃ、４Ｄ及び２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄの電圧がスイッチング素子４Ｂのオン前の初期条件と逆転した時刻ｔ１の条件において、スイッチング素子４Ｂはオフ状態を継続し、スイッチング素子４Ａがオフからオンに移行するものとする。この場合には、上記説明と正負極性の対照な動作が行われ、共振インダクタンス手段５の共振インダクタンスＬと、１次側共振コンデンサ４Ｃ、４Ｄの並列回路と２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄの並列回路との合成共振キャパシタンスとの直列共振となり、図６（１）に示すように、スイッチング素子４Ａの電流は正の正弦半波４ａとなり、時刻ｔ２で再び各共振コンデンサの初期条件が時刻ｔ０に戻る。
【００４５】
１次側共振コンデンサ４Ｃ、４Ｄ及び２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄの電圧がゼロからＥまでの充放電動作をスイッチング周波数で繰り返すことにより、１次側共振コンデンサ４Ｃ、４Ｄの充放電エネルギーは電力として負荷１１に転送されるので、直流出力電力Ｐｏは、Ｐｏ＝２×Ｃｐ×ｆｓ×Ｅ２＝２×Ｃｓ×ｆｓ×Ｅ２となる。
【００４６】
図２に示した等価回路を簡単な交流回路で表示すると、図３に示す回路となる。即ち、１次側共振コンデンサ４Ｃ、４Ｄの並列キャパシタンス２Ｃｐと２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄの並列キャパシタンス２Ｃｓは直列となり、かつ前述からキャパシタンスＣｐとキャパシタンスＣｓとは等しいから、交流等価的に直列共振キャパシタンスはＣｐとなる。したがって、高負荷条件では、共振インダクタンス手段５、スイッチング素子４Ａ、４Ｂを流れる共振電流の周波数ｆｒは、共振インダクタンス手段５の共振インダクタンスＬと共振キャパシタンスＣｐとによる直列共振周波数となる。なお、Ａｃは交流源、Ｚは負荷のインピーダンスを示す。
【００４７】
１次側に等価変換した２次側共振コンデンサ７Ｃ、７ＤのキャパシタンスＣｓが１次側共振コンデンサ４Ｃ、４ＤのキャパシタンスＣｐとほぼ等しく、かつこれらキャパシタンスが平滑用コンデンサ１０のキャパシタンスに比べて小さいという条件、並びに前述した回路構成を満足した上で、共振キャパシタンスＣｐと共振インダクタンス手段５の共振インダクタンスＬとによる直列共振周波数ｆｒがインバータ回路４の変換周波数ｆｓ以上になるように、共振キャパシタンスＣｐと共振インダクタンスＬとを選定すれば、スイッチング素子４Ａ又は４Ｂがオンするとき、共振電流はゼロからスタートして、インバータ回路４の出力電流である共振電流Ｉｒは、図６（１）に示すように、休止期間のある正弦波となる。
【００４８】
したがって、スイッチング素子４Ａ又は４Ｂを前記直列共振周波数ｆｒよりも低い周波数でスイッチングさせれば、スイッチング素子４Ａ、４Ｂのゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）を実現することができる。また、２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄの電圧は、等価的に直流電源電圧Ｅ以上とならないこと、又は２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄの電荷を直流入力端子２、３に放電する経路が整流用ダイオード７Ａ、７Ｂによって阻止されていることから、高負荷条件では、帰還用ダイオード４Ｅと４Ｆ（図１）には電流が流れず、リカバリー現象は発生しない。以上のことから、インバータ回路４の電力損失を低減することができる。
【００４９】
次に、等価直流出力電圧Ｅが約１／２となり、等価直流出力電流が２倍となる低インピーダンス負荷、つまり低負荷条件の場合の動作を説明する。高負荷条件では、２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄの充電電圧はＥとなり、２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄの充電電荷ＱｈはＣｓ×Ｅである。しかし低負荷条件では、２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄの充電電圧はＥ／２となり、２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄの充電電荷ＱｈはＣｓ×Ｅ／２と高負荷条件時の半分になる。同時に、負荷電流が高負荷条件よりも約２倍と大きいので、高負荷条件で選定された２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄの小さなキャパシタンスＣｓでは高負荷条件の１／４の期間しか電流を供給できない。したがって、２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄの充電電圧はほぼゼロまで低下し、それ以降は２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄに並列接続された２次側ダイオード７Ｅ、７Ｆ（図１）が導通する。２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄからの放電電流期間が高負荷条件の１／４であることから、ほとんどの電流が２次側ダイオード７Ｅ、７Ｆを通して供給される。したがって、２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄの寄与分を無視し、すべての負荷電流が２次側ダイオード７Ｅ、７Ｆを通して流れると考えた場合、１次側換算等価回路は図４に示すようになる。
【００５０】
即ち、多機能整流回路７は倍電圧整流回路でなく、整流用ダイオード７Ａ、７Ｂと２次側ダイオード７Ｅ、７Ｆとからなる通常の全波整流回路となり、倍電圧機能は無くなる。つまり、低負荷条件では２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄが直列共振に寄与しない。したがって、図４に示す１次側換算等価回路は交流的には図５に示す交流回路で表すことができる。この交流回路から分かるように、低負荷条件における共振キャパシタンスは、高負荷条件の共振キャパシタンスのほぼ２倍の２Ｃｐとなる。
【００５１】
図１の実施形態では、１次側共振コンデンサ４Ｃ、４Ｄには、後述する実施形態のようにダイオードが並列接続されていない。このため、低負荷条件の場合、インバータ回路４を高負荷条件と同じ周波数で動作させると、図４に示すように１次側共振コンデンサ４Ｃ、４Ｄは直流電源電圧Ｅ以上に、又は負極性に充電される。このため、ハーフブリッジ構成のインバータ回路４の出力電圧はＥ／２以上となり、多機能整流回路７の整流電圧もＥ／２以上となる。直流出力電圧をＥ／２に制限するために、シミュレーションでは変換周波数を４５ｋＨｚに下げている。また、１次側共振コンデンサ４Ｄは直流電源電圧Ｅ以上に充電されることから、直流電源１への帰還電流が帰還用ダイオード４Ｅ、４Ｆを通して流れる。
【００５２】
図６（４）に示す共振電流Ｉｒの正の正弦半波４ａと負の正弦半波４ｂとの間の期間、つまりスイッチング素子４Ａと４Ｂの双方がオフの期間に帰還用ダイオード４Ｅ、４Ｆを通して帰還電流が流れる。このような前提で、低負荷条件の場合の動作を説明する。図６における時刻ｔ０直前において、１次側共振コンデンサ４Ｄは直流電源電圧Ｅ以上に充電され、１次側共振コンデンサ４Ｃの充電電圧は負極性であるものとする。時刻ｔ０において、スイッチング素子４Ｂがオンする。直流電源１の正極から１次側共振コンデンサ４Ｃを通して流れる電流ｉ１と１次側共振コンデンサ４Ｄの放電電流ｉ２とが合流して電流ｉｏとなり、図６（４）に示すように、この電流ｉｏが共振インダクタンス手段５を流れる。電流ｉｏはさらに２次側ダイオード７Ｅを通して負荷１１に流れ、整流用ダイオード７Ｂを通してからインバータ回路４のスイッチング素子４Ｂを流れ、スイッチング素子４Ｂの負極で電流ｉ１と電流ｉ２とに分流し、電流ｉ１は直流入力端子３、つまり直流電源１の負極に、電流ｉ２は１次側共振コンデンサ４Ｄの負極に戻る。
【００５３】
以上の動作の結果、１次側、２次側の各共振コンデンサの電圧はスイッチング素子４Ｂがオンする前の初期条件と逆転する。以上の動作は、共振インダクタンス手段５の共振インダクタンスＬと１次側共振コンデンサ４Ｃ、４Ｄの並列回路の共振キャパシタンス２Ｃｐとの直列共振となり、図６（４）に示すように、スイッチング素子４Ｂの電流は負の正弦半波４ｂとなる。このとき１次側共振コンデンサ４Ｃは、図６（５）に示すように、直流電源電圧Ｅ以上に充電されているので、スイッチング素子４Ｂがオフになると、その直流電源電圧Ｅ以上の電荷は帰還電流として直流電源１及び帰還用ダイオード４Ｆを通して時刻ｔ１まで流れる。
【００５４】
次に、時刻ｔ１でスイッチング素子４Ａがオンすると、１次側共振コンデンサ４Ｃ、４Ｄの電圧はスイッチング素子４Ｂがオンする前の初期条件と逆転した条件で、図６（５）に示すように、上記説明と極性が対照な動作となり、スイッチング素子４Ａは正の正弦半波の電流４ａを流す。このとき、スイッチング素子４Ａがオフになると、前述したのと同様に、その直流電源電圧Ｅ以上の電荷は帰還電流として直流電源１及び帰還用ダイオード４Ｅを通して時刻ｔ２まで流れる。時刻ｔ２で、再び１次側共振コンデンサ４Ｃ、４Ｄの初期条件が時刻ｔ０と同じ状態に戻る。
【００５５】
図４に示す１次側換算等価回路の交流的な等価回路は図５に示す回路となる。即ち、直列共振に関与するのは１次側共振コンデンサ４Ｃ、４Ｄのみとなるので、等価的な共振キャパシタンスは２Ｃｐとなる。共振インダクタンス手段５、スイッチング素子４Ａ、４Ｂを流れる共振電流の共振周波数ｆｒ２は、共振インダクタンス手段５の共振インダクタンスＬと共振キャパシタンス２Ｃｐとによる直列共振周波数となる。低負荷時の共振キャパシタンスは高負荷時の共振キャパシタンスに比べてほぼ２倍になるので、共振周波数ｆｒ２は高負荷条件時の共振周波数ｆｒ１よりも低い周波数（ｆｒ２＜ｆｒ１）となる。
【００５６】
したがって、インバータ回路４の変換周波数ｆｓを、高負荷条件時の第１の共振周波数ｆｒ１ではなく、第２の共振周波数ｆｒ２に近い周波数となるように、スイッチング素子４Ａ、４Ｂのスイッチングを制御する。この具体的な一例では、インバータ回路４の変換周波数ｆｓはほぼ５０ｋＨｚであり、低負荷時の第２の共振周波数ｆｒ２が高負荷条件時の共振周波数ｆｒ１よりも低い周波数である５０ｋＨｚである。
【００５７】
ここで、共振インダクタンス手段５の共振インダクタンスＬの選定について説明する。以上述べたように、低負荷条件時では、高負荷条件の場合に比べて共振キャパシタンスがほぼ２倍の大きさになるので、当然、低負荷条件時における第２の共振周波数ｆｒ２は高負荷条件時の第１の共振周波数ｆｒ１よりも低くなり、共振インダクタンスＬの選定は低負荷条件だけで考えればよい。即ち、共振インダクタンス手段５の共振インダクタンスＬは、低負荷条件で１次側共振コンデンサの等価容量２Ｃｐと直列共振して、かつ共振波形の半サイクルが変換周波数の半サイクルより短い時間になる値とすれば、スイッチング素子４Ａ、４Ｂを流れる電流はゼロからスタートし、ゼロで終わることができ、ゼロ電流スイッチングを維持できる。シミュレーションの一例では、等価容量２Ｃｐは１００ｎＦであり、直列共振周波数を変換周波数と同じ５０ｋＨｚにして計算すると、共振インダクタンスＬの値は１０１μＨとなる。シミュレーションで確認すると、実施例と同じ１００μＨの値で、共振電流波形の半サイクルが、変換周波数の半サイクル１０μｓ以内に収まっている。
【００５８】
したがって、図６（７）に示す従来のハーフブリッジ型インバータ回路の共振電流に比べて、本発明の低負荷条件の場合における共振電流を正弦波形に改善することができ、電力損失を低減することができる。なお、従来のハーフブリッジ型インバータ回路の場合には、コンデンサ４Ｃ、４Ｄに対応するコンデンサとして５μＦのキャパシタンスのコンデンサとし、共振インダクタンスを１００μＨとした。他はほとんど同じ条件で、シミュレーションを行った。この場合、５μＦという大きなキャパシタンスのコンデンサは、ほぼ直流電源電圧Ｅの１／２の電圧に維持され、直列共振に寄与しない。したがって、高負荷条件の場合には、２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄに相当するコンデンサのキャパシタンスと共振インダクタンスＬとの共振となる。低負荷条件では、前述から２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄに相当するコンデンサが無いもの見られるから、共振を行わないと見做すことができる。
【００５９】
［実施形態２］
次に、図７及び図８によって本発明に係る第２の実施形態について説明する。図７に示す直列共振型インバータ回路が図１に示した回路と異なる点は、低負荷条件における前述した帰還電流を減少又はゼロにするために、１次側共振コンデンサ４Ｃ、４Ｄそれぞれに逆充電防止兼電圧制限用ダイオード４Ｇ、４Ｈを接続したことである。したがって、以下にはこの異なる箇所に関連して説明を行う。図８は、逆充電防止兼電圧制限用ダイオード４Ｇ、４Ｈを備えた以外は実施形態１と同一条件で低負荷条件におけるシミュレーションを行ったときの波形を示す。図８（１）は共振インダクタンス手段５を流れる共振電流Ｉｒの波形であり、図６と同様にスイッチ素子４Ａの正の正弦波電流４ａとスイッチ素子４Ｂの負の正弦波電流４ｂを合成した電流を示す。図８（２）は１次側共振コンデンサ４Ｃの電圧波形４ｃと１次側共振コンデンサ４Ｄの電圧波形４ｄ、図８（３）は２次側共振コンデンサ７Ｃの電圧波形７ｃと２次側共振コンデンサ７Ｄの電圧波形７ｄ、図８（４）は逆充電防止兼電圧制限用ダイオード４Ｇを流れる電流の波形４ｇと逆充電防止兼電圧制限用ダイオード４Ｈを流れる電流の波形４ｈをそれぞれ示す。
【００６０】
先ず、２個の１次側共振コンデンサ４Ｃ、４Ｄそれぞれに接続されている逆充電防止兼電圧制限用ダイオード４Ｇと４Ｈについて説明する。実施形態１で述べたように、高負荷条件の場合には、２次側共振コンデンサ７Ｃと７Ｄに並列接続された２次側ダイオード７Ｅと７Ｆは常に２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄの電圧が逆電圧としてかかるので導通しない。同様に逆充電防止兼電圧制限用ダイオード４Ｇと４Ｈにも２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄの電圧が逆電圧としてかかるので導通しない。したがって、実施形態２の高負荷条件における等価回路は図２、図３と同様であり、動作は実施形態１と同様になるので、説明を省略する。
【００６１】
しかし、低負荷条件の場合には、前述したように多機能整流回路７は通常の全波整流回路であって、倍電圧機能が無いので、１次側共振コンデンサ４Ｄの充電電圧が直流電源電圧Ｅを超えれば、１次側共振コンデンサ４Ｄに直列接続された逆充電防止兼電圧制限用ダイオード４Ｇが導通し、他方、１次側共振コンデンサ４Ｄが負極性に充電されようとすれば、１次側共振コンデンサ４Ｄに並列接続された逆充電防止兼電圧制限用ダイオード４Ｈが導通して図９（４）に示す電流４ｇ、４ｈを流す。この点についてもう少し詳しく述べると、前述したようにして１次側共振コンデンサ４Ｄが充電され、その充電電圧が直流電源電圧Ｅを超えれば、その充電電圧と直流電源電圧Ｅとの差の電圧によって逆充電防止兼電圧制限用ダイオード４Ｇが順バイアスされて導通する。１次側共振コンデンサ４Ｃについても同様であるので、説明を省略する。なお、図８（１）に示す共振電流Ｉｒの波形のスケールは図６（１）の共振電流Ｉｒの波形のスケールよりも大きく示した。
【００６２】
また、１次側共振コンデンサ４Ｄが負極性に充電されれば、同様に逆充電防止兼電圧制限用ダイオード４Ｈが順バイアスされて導通する。逆充電防止兼電圧制限用ダイオード４Ｈ、４Ｇを流れる電流は直入力端子２、３に流れ直流電源１に帰還される。このとき、帰還用ダイオード４Ｅ、４Ｆは導通せず、帰還電流を流すことは無い。したがって、スイッチング素子４Ａ、４Ｂがオフするときに、帰還用ダイオード４Ｅ、４Ｆを逆方向にリカバリー電流が流れることは無く、リカバリー損失が発生しない。１次側共振コンデンサ４Ｃ、４Ｄの充電電圧は図８（３）に示すようにほぼ直流電源電圧Ｅに制限される。
【００６３】
この点、逆充電防止兼電圧制限用ダイオード４Ｇ、４Ｈが無い実施形態１では、図６（５）に示したように、１次側共振コンデンサ４Ｃ、４Ｄは直流電源電圧Ｅを越える。したがって、実施形態１の低負荷条件では、スイッチング素子４Ａ又は４Ｂを流れる正極性又は負極性の共振電流の次に、前述したようにスイッチング素子４Ｂ又は４Ａと逆極性に並列接続された帰還用ダイオード４Ｆ又は４Ｅを通して直流電源１へ帰還電流が流れる。この帰還電流が帰還用ダイオード４Ｆ又は４Ｅを通して流れているときに、スイッチング素子４Ａ又は４Ｂがオンすると、逆阻止特性が回復していない帰還用ダイオード４Ｆ又は４Ｅを逆方向に電流が流れるので、リカバリー損失、つまり電力損失が生じると共に、サージ電圧、ノイズ発生などの問題を引き起こす。
【００６４】
しかし、実施形態２では逆充電防止兼電圧制限用ダイオード４Ｇ、４Ｈが１次側共振コンデンサ４Ｃ、４Ｄの電圧をほぼ直流電源電圧Ｅに制限し、スイッチング素子４Ａ又は４Ｂと並列の帰還用ダイオード４Ｅ又は４Ｆが導通して直流電源１へ帰還電流を流すことが無いので、帰還用ダイオード４Ｅ又は４Ｆに起因するサージ電圧、ノイズを発生することはない。したがって、実施形態２では、原理的には帰還用ダイオード４Ｅ又は４Ｆは必要ない。なお、低負荷条件の場合、図７の交流的な等価回路は図５と同じになるものと考えられる。
【００６５】
［実施形態３］
図９は、２次側の多機能整流回路７に同期整流を適用した第３の実施形態に係る直列共振型コンバータ回路を示す。前記実施形態における２次側の多機能整流回路７の整流用ダイオード７Ａと７Ｂを整流用ＦＥＴ７Ｇと７Ｈに置き換えている。７Ｉ、７Ｊは整流用ＦＥＴ７Ｇ、ＦＥＴ７Ｈがそれぞれ有する内部ダイオードを示している。制御回路１７からのゲート信号ｑ、ゲート信号ｒで整流用ＦＥＴ７Ｇと７Ｈを交互に駆動する。１次側のインバータ回路４のスイッチング素子４Ａ、４ＢとしてＦＥＴを用いたとき、インバータ回路４のＦＥＴ４Ａと多機能整流回路７の整流用ＦＥＴ７Ｇとが同一のゲート信号Ｑとゲート信号ｑで駆動され、インバータ回路４のＦＥＴ４Ｂと多機能整流回路７の整流用ＦＥＴ７Ｈが同一のゲート信号Ｒとゲート信号ｒで駆動される。
【００６６】
この直列共振型コンバータ回路では、１次側のインバータ回路４のスイッチ素子がオンするときに電流が流れる２次側の多機能整流回路７のダイオードを整流用ＦＥＴの内部ダイオードに置き換えて、そのオン抵抗の小さいことによる電力損失を減少したものである。２次側の多機能整流回路７の整流用ＦＥＴ７Ｇ、７Ｈがダイオード動作をする以外は、図７の実施形態と同様であるので、説明を省略する。なお、ここでは多機能整流回路７の整流用ダイオード７Ａ、７Ｂ及び整流用ＦＥＴ７Ｇ、７Ｈを一方向性素子という。
【００６７】
［実施形態４］
図１０は第４の実施形態に係る直列共振型コンバータ回路を示す。これは、図１に示した実施形態１におけるハーフブリッジ構成のインバータ回路４の２個の１次側共振コンデンサ４Ｃ、４Ｄを１個の１次側共振コンデンサ４Ｄにまとめた例である。他の回路構成は図１の回路構成とほぼ同じである。したがって、この実施形態の１次側共振コンデンサ４Ｄのキャパシタンスは図１の実施形態の１次側共振コンデンサのほぼ２個分のキャパシタンスを有する。８００Ｗの前述の実施形態では、１次側共振コンデンサ４Ｃ、４ＤのキャパシタンスＣｐがそれぞれ５０ｎＦであったので、この１次側共振コンデンサ４Ｄのキャパシタンスはほぼ１００ｎＦとなる。
【００６８】
この第４の実施形態に係る直列共振型コンバータ回路では、高負荷条件、低負荷条件とも図１と同様な波形となる。ただし、この実施形態４では実施形態２のように低負荷条件での帰還電流をなくすために、１次側共振コンデンサ４Ｄに並列に前述した逆充電防止兼電圧制限用のダイオードを接続することはできない。このダイオードを入れた場合、スイッチング素子４Ｂがオンしたときには、図１０で１次側共振コンデンサ４Ｄの右側が正になる極性で１次側共振コンデンサ４Ｄが充電されるが、そのダイオードを通して短絡されるという不都合が生じる。しかし、この第４の実施形態に係る直列共振型コンバータ回路、第１の実施形態に係る直列共振型コンバータ回路に比べて、１次側共振コンデンサ４Ｄの個数を減らし、回路構成を簡単にできるという効果を奏すると共に、第１の実施形態に係る直列共振型コンバータ回路と同様な効果も得ることができる。
【００６９】
［実施形態５］
図１１に示す実施形態５の直列共振型コンバータ回路は、帰還電流の問題を解決すると共に、実施形態４と同様に一方の１次側共振コンデンサを削除できる。第５の実施形態の直列共振型コンバータ回路は図７に示した直列共振型コンバータ回路と比べると、１次側共振コンデンサ４Ｃを削除した回路構成になっている。他の回路構成は実質的に図７の回路構成と同じであるので、異なる箇所及び関連箇所について説明する。
【００７０】
この実施形態５の直列共振型コンバータ回路では、スイッチ素子４Ａがオンするとき、トランス６の１次巻線６Ａ及び共振インダクタンス手段５を介して１次側共振コンデンサ４Ｄの図１１の上側端子が正になる極性でこれを充電する。また、スイッチ素子４Ｂがオンするとき、トランス６の１次巻線６Ａ及び共振インダクタンス手段５を介して１次側共振コンデンサ４Ｄの電荷を放電する。
【００７１】
１次側共振コンデンサ４Ｄに並列のダイオード４Ｈは、１次側共振コンデンサ４Ｄが逆極性で充電、つまり、図１１で、１次側共振コンデンサ４Ｄの上側端子の電圧が下側端子の電圧よりも低くなるように充電されると、ダイオード４Ｈが導通し、１次側共振コンデンサ４Ｄの逆極性充電を防止する。したがって、この実施形態５の直列共振型コンバータ回路は、簡素な回路構成で不都合を生ずることなく、前述したように、帰還用ダイオード４Ｅ又は４Ｆを通して帰還電流が流れないので、スイッチ素子４Ａ、４Ｂのオン時に帰還用ダイオード４Ｅ又は４Ｆに起因するリカバリー損失やノイズを低減できるという効果を更に得ることができる。この実施形態５では、ダイオード４Ｇが１次側共振コンデンサ４Ｄの充電電圧の制限を行い、ダイオード４Ｈが１次側共振コンデンサ４Ｄの逆極性の充電を防止する働きを行う。
【００７２】
以上述べたように本発明によれば、インバータ回路４の変換周波数をほぼ一定に保持して定電力出力を負荷に給電している状態で、負荷インピーダンスの変化によって直流出力電圧と直流出力電流が大きく変動しても、共振キャパシタンスが変化することにより共振周波数が変化する。したがって、この共振周波数の変化がインバータ回路４の変換周波数を含む範囲で行われるように、共振キャパシタンスと共振インダクタンスと変換周波数を選定することによって、変換周波数を変えずに定電力出力を維持した状態で、共振電流波形を正弦波に維持、あるいは正弦波に近づけることができるので、電力損失を軽減できる。また、帰還用ダイオード４Ｅ又は４Ｆに起因するサージ電圧、ノイズを発生しない。
【００７３】
なお、前記実施形態ではパルス周波数変調制御を用いた例を説明したが、これは軽負荷時や異常時など、あるいは要求される負荷電力の変更に対応するためであって、原理的には他の制御方法でもよい。例えば、ある定電力状態にあるときには前述したようにインバータ回路４の変換周波数を一定にしているので、通常の負荷変動や入力変動に対しては少しのパルス幅変調制御で十分に対応できる。したがって、本発明は特に制御方法によって制限されるものではない。また、前述した変換周波数やキャパシタンスなどの具体的な値は一例であり、それら値に制限するものではない。さらに、以上述べた実施形態では最良の実施例として、第１、第２の２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄをトランス６の１次側に等価変換したとき、第１、第２の２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄは１次側共振コンデンサ４Ｃ、４Ｄと実質的に等しいキャパシタンスを有するものとして説明したが、第１、第２の２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄをトランス６の１次側に等価変換したとき、１次側共振コンデンサ４Ｃ、４Ｄのキャパシタンスと等しくなくとも、本発明の前述した効果を得ることができる。
【００７４】
本発明における共振電流の波形では、高負荷条件と低負荷条件とで電流維持時間、つまり電流が流れない休止期間を有する場合が多く、図６（１）、（４）及び図８（１）に示すように休止期間が異なってくる。この休止期間は、電力供給の面から見れば、インバータ回路４側から負荷１１に電力を供給しない無駄な時間である。したがって、一方のスイッチング素子のオンにより流れている共振電流がゼロになる点を検出し、その時点で一方のスイッチング素子のオン信号を遮断すると同時に、他方のスイッチング素子にオン信号を与えて直ちにオンさせれば、休止期間を短くでき、大きな電力を負荷に効率よく給電できる。周波数変調制御を維持しながら、このような最小休止期間制御を行えば、休止期間がほとんどないので共振電流がより正弦波形に近い波形になり、大電力を引き出せるばかりでなく、ノイズの低減も可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明の直列共振型コンバータ回路は、真空装置や通信用電源などを含む一般的な設備装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００７６】
１・・・直流電源
２、３・・・直流入力端子
４・・・インバータ回路
４Ａ、４Ｂ・・・スイッチング素子
４Ｃ、４Ｄ・・・１次側共振コンデンサ
４Ｅ、４Ｆ・・・帰還用ダイオード
４Ｇ、４Ｈ・・・ダイオード
４ｘ、４ｙ・・・導線
５・・・共振インダクタンス手段
６・・・トランス
６Ａ・・・１次巻線
６Ｂ・・・２次巻線
７・・・多機能整流回路
７Ａ、７Ｂ・・・整流用ダイオード（一方向性素子）
７Ｃ、７Ｄ・・・２次側共振コンデンサ
７Ｅ、７Ｆ・・・２次側ダイオード
７Ｇ、７Ｈ・・・整流用ＦＥＴ（一方向性素子）
７Ｉ、７Ｊ・・・ダイオード
７ｘ、７ｙ・・・導線
８、９・・・直流出力端子
１０・・・平滑用コンデンサ
１１・・・負荷
１２・・・検出抵抗
１３・・・電流検出器
１４・・・乗算回路
１５・・・誤差増幅器
１６・・・基準源
１７・・・パルス周波数発生回路
１８・・・等価蓄電池
Ｅ・・・直流電源１の電圧（直流電源電圧）
Ｃｐ・・・１次側共振コンデンサ４Ｃ、４Ｄのキャパシタンス
Ｃｓ・・・２次側共振コンデンサ７Ｃ、７Ｄのキャパシタンス
Ｌ・・・共振インダクタンス
Ｉｒ・・・共振電流
Ｐｏ・・・直流出力電力
ｆｓ・・・インバータ回路４の変換周波数
ｆｒ・・・直列共振周波数
ｎ・・・トランス６は１次巻線６Ａに対する２次巻線６Ｂの巻数比
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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