(57)【要約】【課題】高効率で交流電流を負荷回路に供給できるようにする。【構成】インバータ回路に使用する半導体スイッチＳ１及びＳ２の制御端子を共通の電位点に接続し、従って、電気的絶縁を経なくても各半導体スイッチＳ１及びＳ２の制御端子に、そのオン・オフ動作に必要な駆動信号を高速に伝達でき、さらに、二つのイミタンス変換回路Ｌ１及びＬ２の各入力端子を半導体スイッチＳ１及びＳ２の主端子と直流電圧源Ｅの間に相互に直列に接続し、これらのイミタンス変換回路Ｌ１及びＬ２の出力端子は相互に逆並列に接続して、これらの出力端子から高周波の交流電流源を出力させる構成とした。【選択図】　　図１
2004080934.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力される直流電圧を交流電流に変換するインバータ回路であって、
ゲート駆動回路により相互にスイチングする第１の半導体スイッチの低圧側主端子と、第２の半導体スイッチの低圧側主端子がそれぞれ直流電圧源の低圧側端子に接続され、
第１の半導体スイッチの高圧側主端子は第１のイミタンス変換回路の正極入力端子に、第２の半導体スイッチの高圧側主端子は第２のイミタンス変換回路の正極入力端子にそれぞれ接続され、
第１及び第２のイミタンス変換回路のそれぞれの負極入力端子は直流電圧源の他方の端子に接続され、
第１のイミタンス変換回路の正極出力端子と第２のイミタンス変換回路の負極出力端子とが接続されて第１のインバータ出力端子に接続され、
第１のイミタンス変換回路の負極出力端子と第２のイミタンス変換回路の正極出力端子が接続されて第２のインバータ出力端子に接続され、
第１及び第２のインバータ出力端子に接続された負荷回路に交流電源を供給することを特徴とする、電流出力形インバータ回路。
【請求項２】
前記インバータ回路において、前記直流電圧源の代わりに、前記第１の半導体スイッチに接続される直流電圧源と前記第２の半導体スイッチに接続される直流電圧源を個々に備えたことを特徴とする、請求項１に記載の電流出力形インバータ回路。
【請求項３】
前記インバータ回路に使用するイミタンス変換回路として、インバータ回路が出力する基本波周波数、或いはその高調波成分に対してイミタンス変換作用を持つ多段Ｌ−Ｃ梯子型回路、或いはこれと同等の機能を有する集積要素を使用することを特徴とする、請求項１又は２に記載の電流出力形インバータ回路。
【請求項４】
前記インバータ回路において、並列Ｌ−Ｃ共振回路と負荷回路がその負荷回路として接続されることを特徴とする、請求項１、２又は３のいずれかに記載の電流出力形インバータ回路。
【請求項５】
前記インバータ回路に使用するイミタンス変換回路として、インバータ回路が出力する基本波周波数の伝搬波長の１／４に相当する長さの分布定数線路を使用し、インバータの基本周波数及びその奇数次高調波成分に対するイミタンス変換を行うことを特徴とする、請求項１、２、３又は４に記載の電流出力形インバータ回路。
【請求項６】
前記インバータ回路に使用するイミタンス変換回路として、インバータ回路が出力する奇数次高調波成分のうちのいずれかの周波数の伝搬波長の１／４に相当する分布定数線路を使用することを特徴とする、請求項１、２、３又は４に記載の電流出力形インバータ回路。
【請求項７】
前記二つの各半導体スイッチを相互にオン・オフさせる駆動ゲート回路を、各半導体スイッチのゲート・ソース端子間に新たに接続したコンデンサと、付加したインダクタンスと交流電圧源から成るＬＣ直列共振回路としたことを特徴とする、請求項１、２、３，４，５又は６に記載の電流出力形インバータ回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、入力される直流電圧を交流電流に変換するインバータ回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
直流電源から交流電力を発生するインバータ回路には、多数の回路方式が使用されているが、特にＭＨｚ級の高周波数でスイッチングを行い、高周波数の交流電力を発生させるには、スイッチングに使用する半導体素子を高速にオン・オフさせる必要がある。図９に示すインバータ回路は一般的によく使用される方式である。
この回路方式においては、使用する二つの半導体スイッチ（パワーＭＯＳＦＥＴ）１、２は直流電源３１、３２の高圧側と低圧側にそれぞれ接続されるので、二つの半導体スイッチ１，２の制御端子にオン・オフ信号を伝達するには、絶縁機能を有するゲート駆動回路１０、２０を使用する必要がある。しかし、絶縁して制御端子に信号を伝達するためには、フォトカプラやパルストランスが使用されるが、これらは原理的に制御信号の遅れ時間を生じさせるために、高周波数の駆動信号を伝達するには周波数の上限が生じてしまい、結果的にＭＨｚ級の高周波スイッチングを効率的に行うことは困難であった。
なお、図９において、４はイミタンス変換回路、６は負荷回路、１００は発振器、１０１は反転ゲート回路である。イミタンス変換回路については、例えば、特開２００２−９５２４１号、特開２００２−９４３０６号を参照されたい。
【０００３】
また、特に高電位側に接続された半導体スイッチの制御端子の電位は、二つの半導体スイッチの交互のオン・オフ動作に伴って、ゲート駆動回路の一次側の端子との間で大きな電位変動率（ｄｖ／ｄｔ）を持つため、駆動信号を絶縁するには内在する寄生静電容量等を経由して大きな漏洩電流が流れ、その漏洩電流によって駆動回路自体が誤動作を起こしたり、ゲート駆動回路に信号を供給する制御回路にその漏洩電流が流れ込むことにより、制御回路が誤動作するなどの問題が生じる。
【０００４】
このようなゲート信号の遅れや、誤動作を回避する手法として、図１０に示す回路構成がある。
この回路においては、二つの半導体スイッチ１，２の制御端子（この場合はソース端子）の接点を共通にすることにより、それぞれの駆動信号を絶縁する必要が無くなるため、それぞれのゲート駆動回路１１，１２の出力信号の一方が共通接続点に接続でき、従って、フォトカプラやパルストランスなどを使用せずに済むため、前記のような駆動信号の伝達遅れや誤動作を回避できる。
なお、図９及び図１０において、図中の符号は共通である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、インバータ回路から交流電力を取り出すためには、二つの半導体スイッチ１，２の主端子と直流電圧源３の端子との間に中間タップを備えた変圧器７、或いは中間タップを備えたリアクトルを使用する必要がある。このような変圧器７或いはリアクトルをＭＨｚ級の高周波において使用した場合、この鉄心材料に使用する磁性体の高周波数における損失増加や、或いは巻線の相互間に生じる浮遊静電容量の影響によって、インバータ回路の変換効率が著しく低下すると言う問題を持っている。しかも図１０に示す方式において、その出力が等価的な交流電流源となるためには、変圧器７の出力側にイミタンス変換回路４を接続する必要があり、回路構成も複雑化する欠点がある。
【０００６】
そこで、この発明は、インバータ回路に使用する半導体スイッチの制御端子を共通の電位点に接続し、従って、電気的絶縁を経なくても各半導体スイッチの制御端子に、そのオン・オフ動作に必要な駆動信号を高速に伝達でき、さらに、二つのイミタンス変換回路の各入力端子を半導体スイッチ回路の主端子と直流電圧源の間に相互に直列に接続し、これらのイミタンス変換回路の出力端子は相互に逆並列に接続して、これらの出力端子から高周波の交流電流源を出力させ、よって高効率で交流電流を負荷回路に供給できるようにするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１項の発明は、入力される直流電圧を交流電流に変換するインバータ回路であって、ゲート駆動回路により相互にスイチングする第１の半導体スイッチの低圧側主端子と、第２の半導体スイッチの低圧側主端子がそれぞれ直流電圧源の低圧側端子に接続され、第１の半導体スイッチの高圧側主端子は第１のイミタンス変換回路の正極入力端子に、第２の半導体スイッチの高圧側主端子は第２のイミタンス変換回路の正極入力端子にそれぞれ接続され、第１及び第２のイミタンス変換回路のそれぞれの負極入力端子は直流電圧源の他方の端子に接続され、第１のイミタンス変換回路の正極出力端子と第２のイミタンス変換回路の負極出力端子とが接続されて第１のインバータ出力端子に接続され、第１のイミタンス変換回路の負極出力端子と第２のイミタンス変換回路の正極出力端子が接続されて第２のインバータ出力端子に接続され、第１及び第２のインバータ出力端子に接続された負荷回路に交流電源を供給する、電流出力形インバータ回路とした。ただし、上記第１のイミタンス変換回路の正極入力端子と負極入力端子及び第２のイミタンス変換回路の正極入力端子と負極入力端子は、それぞれどちらを正極入力端子、負極入力端子としてもよく、これらの正極、負極は、単に一方または他方という意味である。
【０００８】
また、請求項２の発明は、前記請求項１の発明のインバータ回路において、前記直流電圧源の代わりに、前記第１の半導体スイッチに接続される直流電圧源と前記第２の半導体スイッチに接続される直流電圧源を個々に備えた、電流出力形インバータ回路とした。
また、請求項３の発明は、前記請求項１又は２の発明のインバータ回路に使用するイミタンス変換回路として、インバータ回路が出力する基本波周波数、或いはその高調波成分に対してイミタンス変換作用を持つ多段Ｌ−Ｃ梯子型回路、或いはこれと同等の機能を有する集積要素を使用する、電流出力形インバータ回路とした。
【０００９】
また、請求項４の発明は、前記請求項１、２又は３の発明のインバータ回路において、並列Ｌ−Ｃ共振回路と負荷回路がその負荷回路として接続される、電流出力形インバータ回路とした。
また、請求項５の発明は、前記請求項１、２、３又は４の発明のインバータ回路に使用するイミタンス変換回路として、インバータ回路が出力する基本波周波数の伝搬波長の１／４に相当する長さの分布定数線路を使用し、インバータの基本周波数及びその奇数次高調波成分に対するイミタンス変換を行う、電流出力形インバータ回路とした。
【００１０】
また、請求項６の発明は、前記請求項１、２、３又は４の発明のインバータ回路に使用するイミタンス変換回路として、インバータ回路が出力する奇数次高調波成分のうちのいずれかの周波数の伝搬波長の１／４に相当する分布定数線路を使用する、電流出力形インバータ回路とした。
また、請求項７の発明は、前記請求項１、２、３、４、５又は６の発明において、前記二つの各半導体スイッチを相互にオン・オフさせる共振駆動ゲート回路を、各半導体スイッチのゲート・ソース端子間に新たに接続したコンデンサ（当該ゲート・ソース端子間に生じる寄生静電容量）と、付加したインダクタンスと交流電圧源から成るＬＣ直列共振回路とした、電流出力形インバータ回路とした。
【００１１】
【実施の形態例】
次にこの発明の実施の形態例を図に基づいて説明する。
この発明の第１の実施の形態例を図１及び図２を用いて説明する。図１はこの発明の第１の実施の形態例に基づく回路であり、半導体スイッチＳ１及びＳ２はパワーＭＯＳＦＥＴであり、それぞれのソース端子は直流電圧源Ｅの低圧端子に接続され、半導体スイッチＳ１のドレイン端子はイミタンス変換回路Ｌ１の正極入力端子に、半導体スイッチＳ２のドレイン端子はイミタンス変換回路Ｌ２の正極入力端子にそれぞれ接続され、イミタンス変換回路Ｌ１及びＬ２の負極入力端子は、直流電圧源Ｅの高圧側端子に接続されている。さらに、イミタンス変回路子Ｌ１の正極出力端子とイミタンス変換回路Ｌ２の負極出力端子が、また、イミタンス変換回路Ｌ２の正極出力端子とイミタンス変換回路Ｌ１の負極端子とがそれぞれ接続され、それぞれの接続点を出力端子としてここに負荷回路Ｒが接続される。このように各イミタンス変換回路Ｌ１及びＬ２の入力側は相互に直列に接続され、また、出力側は相互に逆方向並列に接続されている。
【００１２】
また、上記実施の形態例では、各イミタンス変換回路Ｌ１及びＬ２の芯線を正極入力端子、外被線を負極入力端子としたが、外被線を正極端子とし、芯線を負極入力端子としてもよく、また、イミタンス変換回路Ｌ１の芯線を正極入力端子とし、外被線を負極入力端子とし、イミタンス変換回路Ｌ２の外被線を正極入力端子とし、芯線を負極入力端子としても、またその逆でもよい。
【００１３】
また、図２は、図１の各部位における動作波形を示したもので、縦軸は、電圧ないし電流を、横軸は、半周期ごとの時間ｔを示している。図２上部のＶＧＳ１及びＶＧＳ２は、相互に論理反転された駆動信号ＶＧＳ１、ＶＧＳ２が印加された状態を示している。ここで、半導体スイッチＳ１のゲート電圧ＶＧＳ１にしきい値以上の駆動電圧を加えると半導体スイッチＳ１が導通し、その結果イミタンス変換回路Ｌ１の入力端子の電圧Ｖ１には電圧Ｅｄが発生し、イミタンス変換回路Ｌ２の入力端子の電圧Ｖ２には−Ｅｄが発生する。
同様にして、半導体スイッチＳ２のゲート電圧ＶＧＳ２にしきい値以上の駆動電圧を加えると半導体スイッチＳ２が導通し、その結果イミタンス変換回路Ｌ２の入力端子の電圧Ｖ２には電圧Ｅｄが発生し、イミタンス変換回路Ｌ１の入力端子の電圧Ｖ２には−Ｅｄが発生する。
【００１４】
ここで、二つの駆動信号ＶＧＳ１、ＶＧＳ２は二つの半導体スイッチＳ１、Ｓ２がそのオンオフ比率が丁度５０％づつで、相補的に交互にオンオフを繰り返し、しかもその繰り返し周波数において、イミタンス変換回路Ｌ１及びイミタンス変換回路Ｌ２はイミタンス変換作用を持つように選定されているので、イミタンス変換回路Ｌ１及びＬ２の出力側端子からはＩ１、Ｉ２に示す矩形波状の電流が出力され、その合成電流ＩＲは矩形波状の交流電流となり、負荷Ｒに供給される。
この電流の振幅はイミタンス変換作用に基づいて、イミタンス変換回路の特性インピーダンスを用いて、Ｅｄ／Ｚω（ただし、Ｚωはイミタンス変換回路の特性インピーダンス）で与えられ、負荷回路の抵抗値或いはインピーダンスにかかわらず一定の値になるので、インバータ回路の出力はあたかも交流電流源のように動作する。図３に負荷Ｒと電流Ｉ０の関係を示す。負荷インピーダンスによらず電流Ｉ０は定電流特性を示すことが確認できる。なお、この明細書ではＥは電圧源を示し、Ｖは計測電圧を示す。
【００１５】
また、二つのスイッチに駆動信号を供給する駆動電源ＥＧ１、及びＥＧ２は、そのそれぞれの一方の端子が半導体スイッチＳ１及び半導体スイッチＳ２、及び直流電圧源Ｅと同電位点に接続されているので、フォトカプラやパルストランスなどを介することなく、両者の駆動電源は直流的に絶縁せずに駆動信号を供給できる。従って、高周波の駆動信号を最小の遅れ時間で供給できるので、スイッチを高周波数で動作でき、それ故、半導体スイッチＳ１、Ｓ２のスイッチングに伴う損失を最小に抑制し、高効率な電力変換が実現する。
しかも、駆動電源ＥＧ１及びＥＧ２が接続される電位は、主回路の半導体スイッチＳ１、Ｓ２の端子と同電位のため、これらの半導体スイッチＳ１、Ｓ２のスイッチングに伴う大きな電位変動（ｄｖ／ｄｔ）が生じないので、寄生静電容量を経由する変位電流ノイズも生じない結果、駆動電源ＥＧ１及びＥＧ２に信号を供給する制御回路等の周辺回路のノイズによる誤動作の危険も回避できる。
【００１６】
図４はこの発明の第２の実施の形態例を示し、上記第１の実施の形態例において、前記直流電圧源Ｅの代わりに、前記第１の半導体スイッチに接続される直流電圧源Ｅ１と前記第２の半導体スイッチに接続される直流電圧源Ｅ２を個々に備えたものであり、他の構成は、第１の実施の形態例と同じである。また、この実施の形態例の直流電圧源Ｅ１とＥ２の低圧側の端子を点線Ｐで示すように接続すれば、上記第１の実施の形態例の構成と同じになる。
また、図５はこの発明の第３の実施の形態例を示し、この形態例は第１の実施の形態例の回路の負荷側にＬＣの共振回路を負荷したもので、高電圧を発生することができる。従って、特に放電ランプを負荷Ｒとする等、積極的に高電圧を発生させたい場合に適している。なお、図中、６１は共振リアクトル、６２は共振コンデンサである。また、上記ＬＣに替えて、その他のものを接続することができる。
【００１７】
また、図６はこの発明の第４の実施の形態例を示し、これは上記第１の実施の形態例と同様に、半導体スイッチＳ１及びＳ２のソースを共通にし、さらに二つの各半導体スイッチを相互にオン・オフさせる共振駆動ゲート回路を設けた。これは各ゲート・ソース間キャパシタンスＣＧＳ１、ＣＧＳ２と共振リアクトルＬＧ、トランスから構成されるＬＣ直列共振回路の共振を利用してゲート駆動を行う。この駆動回路では各キャパシタンスの放電電荷を相互の充電に利用する。従って、トランスからは損失分のみの電力を供給するため、低損失化を期待できる。即ち、ゲート駆動電力の低減を図ることができる。
【００１８】
また、上記図６までの実施の形態例では、同軸線路を用いた分布定数線路である。図７、図８はこれを集中定数回路化したものであり、具体的には、インバータ回路に使用するイミタンス変換回路として、図７及び図８に示すように、インバータ回路が出力する基本波周波数、或いはその高調波成分に対してイミタンス変換作用を持つ多段Ｌ−Ｃ梯子型回路を用いたものである。また或いは、これと同等の機能を有する集積要素を使用する場合もある。
また、この発明のインバータ回路に使用するイミタンス変換回路として、インバータ回路が出力する基本波周波数の伝搬波長の１／４に相当する長さの分布定数線路を使用し、インバータの基本周波数及びその奇数次高調波成分に対するイミタンス変換を行うこともできる。さらに、インバータ回路が出力する奇数次高調波成分のうちのいずれかの周波数の伝搬波長の１／４に相当する分布定数線路を使用する場合もある。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１乃至３の発明は、インバータ回路に使用する半導体スイッチの制御端子を共通の電位点に接続し、従って、電気的絶縁を経なくても各半導体スイッチの制御端子に、そのオン・オフ動作に必要な駆動信号を高速に伝達でき、さらに、二つのイミタンス変換回路の各入力端子を半導体スイッチ回路の主端子と直流電圧源の間に相互に直列に接続し、これらのイミタンス変換回路の出力端子は相互に逆並列に接続して、これらの出力端子から高周波の交流電流源を出力させ、よって高効率で交流電流を負荷回路に供給することができる。
【００２０】
また、請求項４の発明は、回路の負荷側にＬＣの共振回路を負荷したもので、高電圧を発生することができる。また、請求項５の発明は、イミタンス変換回路として、インバータ回路が出力する基本波周波数の伝搬波長の１／４に相当する長さの分布定数線路を使用し、インバータの基本周波数及びその奇数次高調波成分に対するイミタンス変換を行うことができる。また、請求項６の発明においては、インバータ回路が出力する奇数次高調波成分のうちのいずれかの周波数の伝搬波長の１／４に相当する分布定数線路を使用することによって、分布定数線路を短くしたり、イミタンス変換回路を小型にすることができる。
また、請求項７の発明は、ＬＣ直列共振回路の共振を利用してゲート駆動を行うためゲート駆動電力の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態例の回路構成図である。
【図２】この発明の第１の実施の形態例の各部位の動作波形図である。
【図３】この発明の第１の実施の形態例の出力電流特性グラフ図である。
【図４】この発明の第２の実施の形態例を示す回路構成図である。
【図５】この発明の第３の実施の形態例を示す回路構成図である。
【図６】この発明の第４の実施の形態例を示す回路構成図である。
【図７】この発明のイミタンス変換回路をＬ−Ｃ梯子形回路とした回路構成図である。
【図８】この発明のイミタンス変換回路を多段Ｌ−Ｃ梯子形回路とした回路構成図である。
【図９】インバータ回路の第１の従来例の回路構成図である。
【図１０】インバータ回路の第２の従来例の回路構成図である。
【符号の説明】
１　　半導体スイッチ
２　　半導体スイッチ（パワーＭＯＳＦＥＴスイッチ）
３　　直流電圧源
４　　イミタンス変換回路（１／４波長分布定数線路）
５　　イミタンス変換回路（１／４波長分布定数線路）
６　　負荷回路　　　　　　　　　　７　　変圧器
１０　　ゲート駆動回路　　　　　　１１　　ゲート駆動回路
１２　　ゲート駆動回路　　　　　　２０　　ゲート駆動回路
３１　　直流電圧源　　　　　　　　３２　　直流電圧源
６１　　共振リアクトル　　　　　　６２　　共振コンデンサ
１００　　発振器　　　　　　　　　１０１　　反転ゲート回路
Ｓ１　　半導体スイッチ　　　　　　　Ｓ２　　　　　半導体スイッチ
Ｌ１　　イミタンス変換回路　　　　　Ｌ２　　　　　イミタンス変換回路
ＥＧ１　　　　ゲート駆動回路（駆動電源）
ＥＧ２　　　　ゲート駆動回路（駆動電源）
Ｅ　　　直流電圧源　　　　　　　　　　Ｒ　　　負荷回路
【図１】
2004080934.tif 000003
【図２】
2004080934.tif 000004
【図３】
2004080934.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2004080934.tif 000008
【図７】
2004080934.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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