(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換する順変換回路と、この順変換回路からの直流電力を所定の高周波電力に変換する逆変換回路とを備えた高周波電圧型インバータ装置であって、
前記順変換回路と前記逆変換回路との間には、スイッチング素子が接続され、このスイッチング素子をオン状態にすることで、前記順変換回路に前記逆変換回路が結合可能となり、
前記スイッチング素子がＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、
前記順変換回路は、整流素子としてサイリスタを有するとともに、このサイリスタが位相制御されるものであり、
前記逆変換回路の出力電流を検出し、この出力電流が所定値よりも大きくなると、前記スイッチング素子をオフ状態にする異常検出トリップ回路が設けられていることを特徴とする高周波電圧型インバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導加熱装置等を駆動するために必要な高周波電圧を出力する高周波電圧型インバータ装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来より、インダクタンス成分を有する誘導加熱装置等の誘導負荷の出力を容量制御するにあたり、負荷に供給する交流電力の周波数が調節可能となった高周波電圧型インバータ装置が利用されている。
高周波電圧型インバータ装置は、商用電源から供給される交流電力を、一旦、順変換回路で直流電力に変換し、この直流電力をさらに逆変換回路で交流電力に変換することにより、必要な周波数、例えば、誘導加熱装置では、５０〜２００ｋＨｚ程度の高周波電力を出力するものとなっている。
高周波電圧型インバータ装置では、逆変換回路に採用される電力制御用のスイッチング素子として、高速スイッチング動作が可能なＭＯＳＦＥＴを採用することが多い。
また、順変換回路としては、整流ダイオードとチョッパーとを組み合わせたチョッパー式順変換回路、および、整流素子としてのサイリスタを位相制御するサイリスタ式順変換回路のいずれかを採用するのが一般的である。
【０００３】
図２には、チョッパー式順変換回路を備えた高周波電圧型インバータ装置の一例が示されている。図において、この高周波電圧型インバータ装置５０は、交流電源１からの交流電圧を受動素子であるダイオード５１Ａ  で整流する整流回路５１と、後段との接続を断続的に行うことで、整流回路５１からの直流電圧を所望の電圧レベルに調節するチョッパー回路５２とが設けられた順変換回路５３を備えている。
そして、高周波電圧型インバータ装置５０には、ＭＯＳＦＥＴ５４Ａ  の高速スイッチングにより、順変換回路５３が出力する直流電圧を高周波電圧に変換する逆変換回路５４が設けられている。
【０００４】
図３には、サイリスタ式順変換回路を備えた高周波電圧型インバータ装置の一例が示されている。図において、この高周波電圧型インバータ装置６０は、能動素子であるサイリスタ５５Ａ  で、交流電源１からの交流電圧を整流するとともに、サイリスタ５５Ａ  を位相制御して、後段との接続を断続的に行うことにより、所望の電圧レベルの直流電圧を出力する順変換回路５５を備えている。
そして、高周波電圧型インバータ装置６０には、前述の高周波電圧型インバータ装置５０と同様に、ＭＯＳＦＥＴ５４Ａ  の高速スイッチングにより、順変換回路５５が出力する直流電圧を高周波電圧に変換する逆変換回路５４が設けられている。
このようなサイリスタ式の順変換回路を備えた高周波電圧型インバータ装置６０によれば、装置全体を形成する回路素子の数や種類が少なく、回路構成が簡素化されるので、電源としての信頼性および効率、ならびに、製造効率および生産性がチョッパー式の順変換回路を備えた高周波電圧型インバータ装置５０よりも優れている。
【０００５】
ここで、インバータ装置では、過電流等から各電気素子を保護するために、ヒューズや遮断器等の保護手段が設けられるのが一般的であるが、このようなヒューズや遮断器では、その遮断時間が長く、高周波電圧型インバータ装置に設けられた逆変換回路のスイッチング素子の高速スイッチング動作に対応できないため、回路の遮断が完了する前に、逆変換回路のスイッチング素子が破壊されるおそれがあり、当該スイッチング素子の充分な保護が図れない。
一方、チョッパー式の順変換回路を備えた高周波電圧型インバータ装置では、順変換回路のチョッパーにより、回路の高速遮断（数μｓで遮断完了）が可能なため、過電流の検出によりチョッパーを強制遮断する回路を設ければ、逆変換回路のスイッチング素子の破壊が防止され、当該スイッチング素子の充分な保護が図れるようになる。
【０００６】
また、サイリスタ式の順変換回路を備えた高周波電圧型インバータ装置では、サイリスタに自己消弧性がなく、遮断速度が遅いので（最速で数１０ｍｓ）、チョッパー式順変換回路のように順変換回路自体で高速遮断を行うことができないため、順変換回路および逆変換回路とは別個に保護回路を設ける必要がある。
図４には、一般的な保護回路７０を有する高周波電圧型インバータ装置７１が示されている。図において、保護回路７０は、サイリスタ式の順変換回路５５と逆変換回路５４との間に接続されたもので、直列に接続されたサイリスタ７２および直流抵抗素子７３を有している。
このような保護回路７０を設ければ、異常時に、サイリスタ７２をオン状態にし、逆変換回路５４への入力電流をアース側にバイパスさせれば、逆変換回路５４に過大な電流が入力しなくなり、逆変換回路５４のスイッチング素子の破壊が防止され、当該スイッチング素子の保護が図れるようになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような保護回路70では、インバータ装置71が電圧型であることから、順変換回路55の出力側のインダクタンス74が小さく、かつ、保護回路70が導通状態となると、逆変換回路54の入力側のキャパシタ75の電荷が保護回路70側へ放電されるので、異常時に、サイリスタ72をオン状態にすると、保護回路70に大きなサージ電流が流れ、このサージ電流により、サイリスタ72が破壊され、保護回路70が損傷するおそれがあるとうい問題がある。
また、前述のサージ電流は、交流電源１側に交流過電流を発生させるので、過電流遮断器等を誤動作させるという問題の原因となる。
このような大きなサージ電流を防ぐために、保護回路70の直流抵抗素子73を大きく設定することが考えられるが、直流抵抗素子73を大きくして、保護回路70に流れる電流を小さくすれば、その分だけ、逆変換回路54へ流れる電流が大きくなり、保護回路70の本来の機能が損なわれ、逆変換回路のスイッチング素子が破壊される可能性が大きくなる。
【０００８】
本発明の目的は、全体の回路構成を複雑にすることなく、保護回路の動作により逆変換回路のスイッチング素子が保護されるとともに、保護回路自身の損傷が免れるようになる高周波電圧型インバータ装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換する順変換回路と、この順変換回路からの直流電力を所定の高周波電力に変換する逆変換回路とを備えた高周波電圧型インバータ装置であって、前記順変換回路と前記逆変換回路との間には、スイッチング素子が接続され、このスイッチング素子をオン状態にすることで、前記順変換回路に前記逆変換回路が結合可能となり、前記スイッチング素子がＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、前記順変換回路は、整流素子としてサイリスタを有するとともに、このサイリスタが位相制御されるものであり、前記逆変換回路の出力電流を検出し、この出力電流が所定値よりも大きくなると、前記スイッチング素子をオフ状態にする異常検出トリップ回路が設けられていることを特徴とする。
このような本発明では、前記スイッチング素子として、高速スイッチング動作を行うことが可能なＭＯＳＦＥＴおよびＩＧＢＴ等が採用でき、このような高速スイッチング素子によれば、順変換回路と逆変換回路との接続を高速遮断（数μｓで遮断完了）することが可能となり、過電流の検出により、スイッチング素子をオフ状態にすれば、逆変換回路に過電流が流れることがなくなり、逆変換回路のスイッチング素子の破壊が防止され、当該スイッチング素子の充分な保護が図れるようになる。
そして、正常に運転している時には、保護回路のスイッチング素子はオン状態となっているので、定格電流よりも大きな電流が当該スイッチング素子に流れることはないうえ、異常時には、保護回路のスイッチング素子はオフ状態となるので、当該スイッチング素子に電流が流れることがなく、大きなサージ電流も発生せず、当該スイッチング素子が過電流により破壊されることがなくなる。
しかも、単に、順変換回路と逆変換回路との間に接続されたスイッチング素子のみで保護回路が形成されるので、高周波電圧型インバータ装置全体の回路構成を何ら複雑にすることがない。
【００１０】
以上において、前記スイッチング素子としては、高速スイッチング素子であるＩＧＢＴを採用している。ここで、ＩＧＢＴは、電流容量が大きく、オン抵抗が小さいことから、オン状態での電力損失が小さいうえ、入力インピーダンスが大きく、制御動作に要する電力も小さい。
このため、ＩＧＢＴを採用しているので、ＩＧＢＴで消費される電力が小さいため、前述のように、正常運転時にスイッチング素子がオン状態とされる保護回路を設けても、高周波電圧型インバータ装置の効率低下が最小限に抑えられる。
【００１１】
また、前記順変換回路は、整流素子としてサイリスタを有するとともに、このサイリスタが位相制御されている。
このようなサイリスタ式の順変換回路を採用しているので、高周波電圧型インバータ装置全体を形成する回路素子の数や種類が少なくなり、回路構成が簡素化されるので、高周波電圧型インバータ装置は、電源としての信頼性および効率、ならびに、製造効率および生産性が優れたものとなる。
さらに、前記逆変換回路の出力電流を検出し、この出力電流が所定値よりも大きくなると、前記スイッチング素子をオフ状態にする異常検出トリップ回路が設けられている。
逆変換回路のスイッチング素子が破壊されるような過電流は、負荷の一部分が短絡した等、負荷側の事故により発生する場合が多いので、前述のような異常検出トリップ回路により、負荷側の電流が許容値を超えたことを迅速に検出するようにすれば、速やかに保護回路のスイッチング素子がオフ状態となり、逆変換回路のスイッチング素子の破壊が確実に防止されるようになる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の一形態を図面に基づいて説明する。
図１には、本実施形態に係るインバータ装置１０が示されている。このインバータ装置１０は、三相交流電源１から供給される交流電力を、誘導加熱装置等の駆動に必要な高周波電力に変換する高周波電圧型インバータ装置であり、三相交流電力を整流して直流電流を出力する順変換回路１１と、この順変換回路１１が出力する直流電力を交流電力に変換する逆変換回路１２とを備えている。
インバータ装置１０には、順変換回路１１および逆変換回路１２の他に、順変換回路１１および逆変換回路１２の間に接続された保護回路１３と、この保護回路１３に駆動制御用の操作信号を送出する異常検出トリップ回路１４とが設けられている。
【００１３】
順変換回路１１には、制御電極であるゲートを備えた能動的な整流素子であるサイリスタ１５を含んで構成された整流回路１６と、この整流回路１６が整流した脈動する直流電力を平滑するリアクトル１７およびキャパシタ１８とが設けられている。このリアクトル１７のインダクタンスは、インバータ装置１０が電圧型となるように、比較的小さい値に設定されている。
ここで、整流回路１６のサイリスタ１５は、動作時には、その出力電圧が所定電圧となるように、位相制御されるものとなっている。
【００１４】
逆変換回路１２には、方形波状の高周波電圧を発生するスイッチング回路１９と、このスイッチング回路１９への高周波を遮断するためのキャパシタ２０とが設けられている。このうち、スイッチング回路１９は、高速スイッチング動作が可能なスイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ２１を含んで構成されている。
このうち、逆変換回路１５のＭＯＳＦＥＴ２１のゲートには、図示しない位相同期ループ回路が送出する制御電圧信号が入力されるようになっている。位相同期ループ回路は、インバータ装置１０から出力される交流電力の周波数が負荷の共振周波数となるように制御するものである。
【００１５】
保護回路１３は、高速スイッチング素子であるＩＧＢＴ２２からなり、正常運転時にはオン状態となって、順変換回路１１と逆変換回路１２とを相互に結合する一方、異常時にはオフ状態となって、順変換回路１１と逆変換回路１２との接続を遮断し、逆変換回路１２のＭＯＳＦＥＴ２１を過電流から保護するものである。
異常検出トリップ回路１４は、逆変換回路１２の出力電流を検出する変流器２３を備え、この変流器２３の出力信号に基づいて異常を検出するとともに、異常を検出すると保護回路１３のＩＧＢＴ２２を強制的に遮断するものである。
具体的に説明すると、異常検出トリップ回路１４は、逆変換回路１２の出力電流が正常の範囲である時には、保護回路１３に設けられたＩＧＢＴ２２のゲートに駆動用の操作電圧を印加し、ＩＧＢＴ２２をオン状態とするように設定されている。
一方、逆変換回路１２の出力電流が正常の範囲を逸脱し、過電流となる異常時には、ＩＧＢＴ２２のゲートへ印加していた駆動用の操作電圧を解除し、ＩＧＢＴ２２を強制的にオフ状態とするように設定されている。
【００１６】
前述のような本実施形態によれば、次のような効果がある。
すなわち、高周波電圧型インバータ装置１０の逆変換回路１２に設けられたスイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ２１を過電流から保護するために、順変換回路１１および逆変換回路１２との間に、高速スイッチング素子であるＩＧＢＴ２２を接続し、このＩＧＢＴ２２で順変換回路１１および逆変換回路１２を相互に結合するようにしたので、過電流の検出により、ＩＧＢＴ２２を高速でオフ状態とすることが可能となり、電源１側から逆変換回路１２が遮断され、逆変換回路１２に過電流が流れることがなくなり、逆変換回路１２のＭＯＳＦＥＴ２１の破壊が防止され、ＭＯＳＦＥＴ２１を確実に保護することができる。
そして、正常に運転している時には、保護回路１３のＩＧＢＴ２２はオン状態となっているので、定格電流よりも大きな電流がＩＧＢＴ２２に流れることがなく、異常時には、ＩＧＢＴ２２はオフ状態となるので、ＩＧＢＴ２２に大きなサージ電流が流れず、ＩＧＢＴ２２が過電流により破壊されることがなく、保護回路１３自身の損傷を防止することができる。
しかも、単に、順変換回路１１と逆変換回路１２との間に接続されたＩＧＢＴ２２で保護回路１３が形成されているので、高周波電圧型インバータ装置１０全体の回路構成を何ら複雑にすることがない。
【００１７】
また、保護回路１３のスイッチング素子として、電流容量が大きいＩＧＢＴ２２を採用し、オン状態での電力損失を抑えたので、正常運転時にＩＧＢＴ２２がオン状態とされる保護回路１３としても、高周波電圧型インバータ装置１０の効率低下を最小限に抑えることができる。
さらに、このような保護回路１３と整流素子としてのサイリスタ１５を位相制御する順変換回路１１とを組み合わせたので、高周波電圧型インバータ装置１０全体を形成する回路素子の数や種類が少なくなり、回路構成が簡素化され、高周波電圧型インバータ装置１０の電源としての信頼性および効率、ならびに、製造効率および生産性を優れたものとできる。
【００１８】
また、逆変換回路２１の出力電流を変流器２３で検出し、この出力電流が所定値よりも大きくなると、ＩＧＢＴ２２をオフ状態にする異常検出トリップ回路１４を設けたので、逆変換回路のスイッチング素子が破壊されるような過電流を発生させる負荷側の事故による過電流発生が迅速に検出可能となり、速やかに保護回路１３のＩＧＢＴ２２がオフ状態とされ、逆変換回路１２のＭＯＳＦＥＴ２１の破壊を確実に防止することができる。
【００１９】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は、この実施形態に限られるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改良並びに設計の変更が可能である。
すなわち、保護回路のスイッチング素子としては、ＩＧＢＴに限らず、ＭＯＳＦＥＴ等高速スイッチング動作が可能なものであればよいが、前記実施形態のようにＩＧＢＴを採用すれば、前述のように、ＩＧＢＴは電流容量が大きいため、高周波電圧型インバータ装置の効率低下を最小限に抑えることができるという効果が得られる。
また、順変換回路としては、整流素子としてのサイリスタを位相制御して、所定の出力電圧を確保するサイリスタ式のものに限らず、チョッパーで所定の出力電圧を確保するチョッパー式のものでもよいが、サイリスタ式の順変換回路を採用すれば、前述の通り、高周波電圧型インバータ装置１０の電源としての信頼性および効率、ならびに、製造効率および生産性を優れたものとできるという効果が得られる。
【００２０】
【発明の効果】
前述のように本発明によれば、全体の回路構成を複雑にすることなく、保護回路の動作により逆変換回路のスイッチング素子を保護できるとともに、保護回路自身の損傷を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態を示す単結線図である。
【図２】従来例を示す単結線図である。
【図３】別の従来例を示す単結線図である。
【図４】さらに異なる従来例を示す単結線図である。
【符号の説明】
１    交流電源
１０    高周波電圧型インバータ装置
１１    順変換回路
１２    逆変換回路
１４    異常検出トリップ回路
１５    整流素子としてサイリスタ
２２    スイッチング素子としてのＩＧＢＴ
【図１】
0003602332.tif 000002
【図２】
0003602332.tif 000003
【図３】
0003602332.tif 000004
【図４】
0003602332.tif 000005