(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
全波整流ダイオードブリッジ回路の一対の入力端子間に、インダクタ及び交流電源を直列接続し、この全波整流ダイオードブリッジ回路の一対の出力端子間に、第１及び第２スイッチング素子を直列接続するとともに、これらのスイッチング素子からなる直列回路に平滑コンデンサを並列接続し、第１及び第２スイッチング素子の接続点と全波整流ダイオードブリッジ回路の前記インダクタと接続した入力端子の一方との間に、負荷を接続して、この負荷が接続された入力端子と該全波整流ダイオードブリッジ回路の各出力端子のうちの高電位側間に、第１コンデンサを接続し、かつ、その第１コンデンサと該第１コンデンサを接続した全波整流ダイオードブリッジ回路の入力端子の間に、第２コンデンサを設けたインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流電圧を整流平滑して形成された直流電圧を高周波数の交流電圧に変換して負荷に供給するインバータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の装置としては、例えば図４に示すようなものがある（特開平４−１９３０６６号公報を参照）。同図に示す回路では、商用交流電源１０１をローパスフィルター１０２を介して全波整流ダイオードブリッジ回路１０３の各入力端子に接続し、この全波整流ダイオードブリッジ回路１０３の各出力端子間に、２つのコンデンサ１０４，１０５を直列接続するとともに、平滑コンデンサ１０６を挿入している。また、この全波整流ダイオードブリッジ回路１０３の各出力端子間に、２つのスイッチング素子１０７，１０８を直列接続するとともに、２つのダイオード１０９，１１０を直列接続している。さらに、各コンデンサ１０４，１０５並びに全波整流ダイオードブリッジ回路１０３の接続点Ａと、各スイッチング素子１０７，１０８並びに各ダイオード１０９，１１０の接続点Ｂ間に、負荷１１１を接続している。
【０００３】
この回路の特徴は、接続点Ａにおいて全波整流ダイオードブリッジ回路１０３と各コンデンサ１０４，１０５を接続している点にある。このような構成では、各スイッチング素子１０７，１０８を高周波信号（数十KHz）に同期させてオンとオフに交互に切換えると、交流電源１０１からの電流が負荷１１１に直接的に流れる。そして、各コンデンサ１０４，１０５の容量を小さくして、各スイッチング素子１０７，１０８のスイッチング周期内で、これらのコンデンサ１０４，１０５の電荷を完全に放電し切るようにすれば、交流電源１０１からの入力電流を常に流すことができ、入力力率を高くして、高調波を小さくすることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の回路では、交流電源１０１の電圧をそのまま負荷１１１に加えるので、負荷１１１に加わる電圧を高めることができず、この負荷１１１として、高電圧を必要とするものを適用することができなかった。
【０００５】
なお、交流電源の電圧を昇圧してから負荷に加えるインバータ装置として、各種のものが提案されているが、いずれにおいても、入力力率が低下したり、高調波が増大した。あるいは、電圧の昇圧、入力力率の向上、高調波の抑制を共に実現するには、回路構成の複雑化や、コストの高騰を招くと言う問題があった。
【０００６】
そこで、この発明の課題は、簡単な構成でありながら、電圧の昇圧、入力力率の向上、高調波の抑制を可能にするインバータ装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、この発明のインバータ装置は、全波整流ダイオードブリッジ回路の一対の入力端子間に、インダクタ及び交流電源を直列接続し、この全波整流ダイオードブリッジ回路の一対の出力端子間に、第１及び第２スイッチング素子を直列接続するとともに、これらのスイッチング素子からなる直列回路に平滑コンデンサを並列接続し、第１及び第２スイッチング素子の接続点と全波整流ダイオードブリッジ回路の前記インダクタと接続した入力端子の一方との間に、負荷を接続して、この負荷が接続された入力端子と該全波整流ダイオードブリッジ回路の各出力端子のうちの高電位側間に、第１コンデンサを接続し、かつ、その第１コンデンサと該第１コンデンサを接続した全波整流ダイオードブリッジ回路の入力端子の間に、第２コンデンサを設けた構成を採用したのである。
【０００８】
このような構成においては、第１又は第２スイッチング素子のオンの度に、交流電源の電流がインダクタを通じて流れ、第１又は第２スイッチング素子のオフの度に、このインダクタに誘導電流が発生し、このインダクタの電流が全波整流ダイオードブリッジ回路を通じて平滑コンデンサに流れ、この平滑コンデンサが充電される。
【０００９】
また、第２スイッチング素子がオンのときには、平滑コンデンサ→第１コンデンサ→負荷→第２スイッチング素子→平滑コンデンサと言う経路で電流が流れ、これに伴い第１コンデンサが充電される。また、第１スイッチング素子がオンのときには、第１コンデンサ→第１スイッチング素子→負荷→第１コンデンサと言う経路で電流が流れる。
【００１０】
すなわち、平滑コンデンサをインダクタの誘導電流によって充電し、第１コンデンサを平滑コンデンサの放電によって充電し、負荷には、平滑コンデンサ及び第１コンデンサからの電流を交互に流す。
【００１１】
ここで、インダクタ、平滑コンデンサ、及び第１コンデンサの容量を適宜に設定すると、平滑コンデンサ及び第１コンデンサの電圧を交流電源の電圧よりも十分に高くすることができる。つまり、交流電源の電圧を昇圧することができ、第１及び第２スイッチング素子は、インバータ装置としてだけで無く、チョッパーとしての役目も果たす。
【００１２】
また、各コンデンサの電圧を交流電源の電圧よりも十分に高くすれば、交流電源から該各コンデンサに突入電流が流れることは無く、高調波成分を低く抑えることができる。
【００１３】
一方、この回路においては、交流電源の電流をインダクタを通じて流しており、第１及び第２スイッチング素子を交互にオンにすれば、この電流を常に流すことができ、これにより高入力力率を達成することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、この発明のインバータ装置の一実施形態を示している。同図において、商用交流電源１は、ローパスフィルター２及びインダクタ３を介して全波整流ダイオードブリッジ回路４の各入力端子４ａに接続されており、この商用交流電源１にインダクタ３を直列に挿入している。この全波整流ダイオードブリッジ回路４の各出力端子４ｂ間には、２つの平滑コンデンサ５，６を直列接続するとともに、第１コンデンサ７及びダイオード８を直列接続している。このダイオード８には、ダイオード９を並列接続し、ダイオード９のカソードとインダクタ３間に第２コンデンサ１０を挿入している。
【００１６】
第１及び第２トランジスタ１１，１２は、相互に直列接続され、これらのトランジスタ１１，１２に各ダイオード１６，１７を並列接続している。第１及び第２トランジスタ１１，１２の接続点Ａと第１コンデンサ７及びダイオード８の接続点Ｂ間には、ランプ１３、チョークコイル１４及び結合トランス１５の１次コイル１５ａを直列接続している。
【００１７】
第１及び第２トランジスタ１１，１２は、それぞれの発振回路１８，１９の構成要素でもある。各発振回路１８，１９は、結合トランス１５の１次コイル１５ａに結合するそれぞれの２次コイル１５ｂ，１５ｃを含み、第１及び第２トランジスタ１１，１２の出力側の信号を結合トランス１５を介して帰還させて入力し、高周波数（数十KHz）で発振する。結合トランス１５の各２次コイル１５ｂ，１５ｃの極性を相互に逆にして、第１及び第２トランジスタ１１，１２を交互にオンオフさせている。したがって、第１及び第２トランジスタ１１，１２は、外部からの制御信号に頼らず、自励によってオンオフしている。
【００１８】
このような構成のインバータ装置においては、各平滑コンデンサ５，６を充電してから定常状態となり、図２に示すようなタイミングで動作を継続する。なお、図２（ｂ）、（ｃ）は、全波整流ダイオードブリッジ回路４のダイオードＤ4 のカソード側（出力端子４ｂ）を接地して、第２コンデンサ１０の端子の電圧Ｖ1 、及び第２コンデンサ１０とインダクタ３間の電圧Ｖ2 をシンクロスコープによって測定したそれぞれの波形を示す。
【００１９】
まず、商用交流電源１の電圧ＶO が正の半サイクルの場合は、図２（ａ）に示す時点ｔ1 で第２トランジスタ１２がオンになると、各平滑コンデンサ５，６が放電し、これらの平滑コンデンサ５，６→第１コンデンサ７→ランプ１３→チョークコイル１４→結合トランス１５の１次コイル１５ａ→第２トランジスタ１２→各平滑コンデンサ５，６と言う経路で電流が流れる。これにより、第１コンデンサ７が充電される。
【００２０】
これに伴い、第２コンデンサ１０の端子の電圧Ｖ1 が下降し、この電圧Ｖ1 が交流電源１の電圧Ｖo よりも低くなると（Ｖo −Ｖ1 ＞０）、交流電源１→ローパスフィルター２→インダクタ３→第２コンデンサ１０→ランプ１３→チョークコイル１４→結合トランス１５の１次コイル１５ａ→第２トランジスタ１２→全波整流ダイオードブリッジ回路４のダイオードＤ2 →ローパスフィルター２→交流電源１と言う経路で電流が流れ、これにより第２コンデンサ１０が充電されると共に、インダクタ３が励磁される。
【００２１】
次に、図２（ａ）に示す時点ｔ2 で第２トランジスタ１２がオフになると、先に励磁されたインダクタ３の誘導電流が発生し、インダクタ３→全波整流ダイオードブリッジ回路４のダイオードＤ3 →各平滑コンデンサ５，６→全波整流ダイオードブリッジ回路４のダイオードＤ2 →ローパスフィルタ２→交流電源１→ローパスフィルタ２→インダクタ３と言う経路で電流が流れる。これにより、第２コンデンサ１０とインダクタ３間の電圧Ｖ2 が電圧Ｖccまで上昇し、この時点ｔ3 から各平滑コンデンサ５，６が充電される。
【００２２】
また、時点ｔ2 では、第１トランジスタ１１がオンとなっているので、先に充電された第１コンデンサ７が放電し、この第１コンデンサ７→第１トランジスタ１１→結合トランス１５の１次コイル１５ａ→チョークコイル１４→ランプ１３→第１コンデンサ７と言う経路で電流が流れる。
【００２３】
そして、時点ｔ3 で第２コンデンサ１０とインダクタ３間の電圧Ｖ2 が電圧Ｖccに達すると、この第２コンデンサ１０も放電し、この第２コンデンサ１０→全波整流ダイオードブリッジ回路４のダイオードＤ3 →第１トランジスタ１１→結合トランス１５の１次コイル１５ａ→チョークコイル１４→ランプ１３→第２コンデンサ１０と言う経路で電流が流れる。
【００２４】
以降同様に、第１トランジスタ１１をオフにして、第２トランジスタ１２をオンにすると、各平滑コンデンサ５，６の放電によって、ランプ１３に電流が流れるとともに、第１コンデンサ７が充電され、また交流電源１によって、インダクタ３が励磁される。そして、第１トランジスタ１１をオンにして、第２トランジスタ１２をオフにすると、インダクタ３の誘導電流によって、各平滑コンデンサ５，６が充電され、かつ第１コンデンサ７の放電によって、ランプ１３に電流が流れる。
【００２５】
一方、商用交流電源１の電圧ＶO が負の半サイクルの場合は、時点ｔ1 で第２トランジスタ１２がオンになると、各平滑コンデンサ５，６が放電し、これらの平滑コンデンサ５，６→第１コンデンサ７→ランプ１３→チョークコイル１４→結合トランス１５の１次コイル１５ａ→第２トランジスタ１２→各平滑コンデンサ５，６と言う経路で電流が流れ、第１コンデンサ７が充電される。
【００２６】
このときには、第２コンデンサ１０も放電し、この第２コンデンサ１０→ランプ１３→チョークコイル１４→結合トランス１５の１次コイル１５ａ→第２トランジスタ１２→ダイオードＤ2 →ローパスフィルター２→交流電源１→コイル３→第２コンデンサ１０と言う経路で電流が流れ、これに伴って、図２（ｃ）に示すように第２コンデンサ１０の端子の電圧Ｖ1 が接地電位まで変化し、第２コンデンサ１０とコイル３間の電圧Ｖ2 も変化する。
【００２７】
次に、時点ｔ2 で第１トランジスタ１１がオンになると、先に充電された第１コンデンサ７が放電し、この第１コンデンサ７→第１トランジスタ１１→結合トランス１５の１次コイル１５ａ→チョークコイル１４→ランプ１３→第１コンデンサ７と言う経路で電流が流れる。
【００２８】
これに伴い、第１コンデンサ７の端子の電圧Ｖc7が下降し、この電圧Ｖc7が交流電源１の電圧Ｖo よりも低くなると（Ｖo −Ｖc7＞０）、交流電源１→ローパスフィルター２→ダイオードＤ1 →第１トランジスタ１１→結合トランス１５の１次コイル１５ａ→チョークコイル１４→ランプ１３→第２コンデンサ１０→インダクタ３→ローパスフィルター２→交流電源１と言う経路で電流が流れ、第２コンデンサ１０が充電されると共に、インダクタ３が励磁される。このときには、図２（ｃ）に示すように第２コンデンサ１０とコイル３間の電圧Ｖ2 が電圧Ｖccまで変化し、第２コンデンサ１０の端子の電圧Ｖ1 も変化する。
【００２９】
引き続いて、第２トランジスタ１２が再びオンになったときには、インダクタ３の誘導電流によって、インダクタ３→ローパスフィルター２→交流電源１→ローパスフィルター２→ダイオードＤ1 →各平滑コンデンサ５，６→ダイオードＤ4 →インダクタ３と言う経路で電流が流れ、これらの平滑コンデンサ５，６が充電される。
【００３０】
そして、これらの平滑コンデンサ５、６が満充電になると、これらの平滑コンデンサ５，６の放電によって、第１コンデンサ７が充電されるとともに、ランプ１３に電流が流れる。また、先に充電された第２コンデンサ１０の放電によって、この第２コンデンサ１０→ランプ１３→チョークコイル１４→結合トランス１５の１次コイル１５ａ→第２トランジスタ１２→ダイオードＤ4 →第２コンデンサ１０と言う経路でも電流が流れる。
【００３１】
したがって、第１トランジスタ１１をオフにして、第２トランジスタ１２をオンにすると、インダクタ３の誘導電流によって、各平滑コンデンサ５，６が充電され、かつ該各平滑コンデンサ５，６の放電によって、ランプ１３に電流が流れるとともに、第１コンデンサ７が充電される。そして、第１トランジスタ１１をオンにして、第２トランジスタ１２をオフにすると、第１コンデンサ７の放電によって、ランプ１３に電流が流れ、また交流電源１によって、インダクタ３が励磁される。
【００３２】
ここで、図２（ａ），（ｃ）を参照すれば明らかなように、第２コンデンサ１０の両端子の各電圧Ｖ1 ，Ｖ2 には差を常に生じており、この第２コンデンサ１０に図２（ｄ）に示すような電流が常に流れている。この電流は、インダクタ３及び交流電源１にも流れ、電圧に略比例するので、この交流電源１の入力力率は高い。
【００３３】
ところで、図３（ａ），（ｂ）には、交流電源１の電圧ＶO と、入力電流Ｉinを示している。ただし、入力電流Ｉinは、平滑コンデンサ５の電圧Ｖccが電圧Ｖo の波高値ＶOPよりも高い（Ｖcc＞ＶOP）ときのものである。この場合は、交流電源１の出力が波高値ＶOPに近くなっても、交流電源１から各平滑コンデンサ５，６へと突入電流が流れることはなく、入力電流Ｉinが滑らかに変化する。
【００３４】
これに対して、平滑コンデンサ５の電圧Ｖccが電圧Ｖo の波高値ＶOPよりも高い（Ｖcc＜ＶOP）ときには、図３（ｃ）に示すように交流電源１の出力が波高値ＶOPに近くなると、交流電源１から各平滑コンデンサ５，６へと突入電流が流れ、入力電流Ｉinの波形が乱れ、高調波歪みが発生する。
【００３５】
したがって、平滑コンデンサ５の電圧Ｖccを電圧Ｖo の波高値ＶOPよりも高くすべきであるが、このインバータ装置においては、インダクタ３及び各平滑コンデンサ５，６等の容量を適宜に設定すれば、平滑コンデンサ５の端子の電圧Ｖccを昇圧して、Ｖcc＞ＶOPを達成することができ、これによりノイズの低減を実現することができる。
【００３６】
また、平滑コンデンサ５の端子の電圧Ｖccを適宜に昇圧して、チョッパーとしての役目を果たした場合は、どのような種類のランプであっても、このインバータ装置を適合させることができる。
【００３７】
このように実施形態のインバータ装置では、入力力率を高くすることができ、またインダクタ３及び各平滑コンデンサ５，６等の容量を適宜に設定して、電圧Ｖccを昇圧すれば、ノイズの低減を実現することができ、各種のランプに柔軟に適合することができる。
【００３８】
また、交流電源１の電圧Ｖo が正であるとき、及び負であるときを通して考えると、第１及び第２トランジスタ１１，１２の負担は略等しく、一方にだけ負担が掛かることがないので、回路の耐久性が高くなる。
【００３９】
なお、上記実施形態の装置では、自励によって、第１及び第２トランジスタ１１，１２を切り換えているが、これに限定されるものでなく、外部からの制御信号によって、切り換えを行っても構わない。
【００４０】
また、この発明は、上記実施形態に限定されるものでなく、種々の変形が可能である。例えば、第１コンデンサ７をダイオード９だけでなく、ダイオード８にも並列接続したり、各ダイオード８、９の一方にのみ並列接続しても構わない。また、スイッチング素子を他の種類のものに置き換えたり、回路を簡単化しても、この発明の効果を達成することができる。
【００４１】
【効果】
以上説明したように、この発明の装置では、交流電源からの入力電流が常に流れ、入力力率が高い。また、チョッパーとしても役目を果たすことができ、各種の負荷に柔軟に適合するばかりでなく、ノイズを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のインバータ装置の一実施形態を示す回路図
【図２】図２（ａ）は図１の回路における第１及び第２トランジスタの動作を示す図、図２（ｂ），（ｃ）は図１の回路における各電圧Ｖ1 ，Ｖ2 を示す図、図２（ｄ）は図１の回路における交流電源の入力電流を示す図
【図３】図３（ａ）は図１の回路における交流電源の電圧ＶO を示す図、図３（ｂ）は図１の回路において電圧Ｖcc＞電圧ＶOP（電圧ＶO の波高値）のときの入力電流Ｉinを示す図、図３（ｃ）は図１の回路において電圧Ｖcc＜電圧ＶOP（電圧ＶO の波高値）のときの入力電流Ｉinを示す図
【図４】従来のインバータ装置を例示する回路図
【符号の説明】
１  商用交流電源
２  ローパスフィルター
３  インダクタ
４  全波整流ダイオードブリッジ回路
５，６  平滑コンデンサ
７  第１コンデンサ
８，９，１６，１７  ダイオード
１０  第２コンデンサ
１１  第１トランジスタ
１２  第２トランジスタ
１３  ランプ
１４  チョークコイル
１５  結合トランス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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