(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の半導体スイッチの直列接続体と、前記第１及び第２の半導体スイッチの直列接続体に並列接続される第１及び第２の整流ダイオードの直列接続体と、前記第１または第２の半導体スイッチの端子間に接続される負荷と共振コンデンサの直列接続体と、前記第１及び第２の整流ダイオードに各々並列に接続される第１及び第２のクランプコンデンサとを有し、前記第１及び第２の半導体スイッチの接続点と前記第１及び第２の整流ダイオードの接続点間に、商用電源及びチョークコイルの直列回路が接続されてなる高周波電源装置。
【請求項２】
第１及び第２の半導体スイッチは、順方向に導通する半導体スイッチ素子とダイオードを逆並列に接続してなる請求項１に記載の高周波電源装置。
【請求項３】
第１及び第２のクランプコンデンサの容量を数μＦ〜数十μＦのフィルムコンデンサで構成した請求項１〜２記載の高周波電源装置。
【請求項４】
第１及び第２のクランプコンデンサの容量を略等しくした請求項１または２に記載の高周波電源装置。
【請求項５】
第１または第２の半導体スイッチの少なくとも一方の端子間にコンデンサを接続したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の高周波電源装置。
【請求項６】
第１及び第２の半導体スイッチの導通時間を商用電源電圧のピーク付近から谷間付近に向かうにつれて長くすることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の高周波電源装置。
【請求項７】
商用電源電圧のピーク付近から谷間付近に向かうにつれて、第１及び第２の半導体スイッチの導通時間を長くするとともに、第１及び第２の半導体スイッチの駆動周波数を低くすることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の高周波電源装置。
【請求項８】
第１と第２の半導体スイッチの非導通時間の重なりを、商用電源電圧のピーク付近では短く、谷間付近では長く設定する請求項６または７に記載の高周波電源装置。
【請求項９】
チョークコイルに流れる電流を検知する電流検出手段を設け、前記チョークコイルの電流が正弦波になるように制御する請求項１〜５のいずれか１項に記載の高周波電源装置。
【請求項１０】
電流検出手段の出力との比較信号に上限と下限を設け、前記電流検出手段の値が上限と下限の間に収まるように、第１及び第２の半導体スイッチの導通時間を決める請求項９に記載の高周波電源装置。
【請求項１１】
第１及び第２の半導体スイッチの導通時間に上限を設ける請求項１０に記載の高周波電源装置。
【請求項１２】
第１または第２のクランプコンデンサの電圧を検知する電圧検出手段を設け、前記電圧検出手段の検知する電圧値が所定値になるように前記第１及び第２の半導体スイッチの導通時間を設定する請求項１〜５のいずれか１項に記載の高周波電源装置。
【請求項１３】
電圧検出手段の電圧値が同じになるように前記第１及び第２の半導体スイッチの導通時間を設定する請求項１２に記載の高周波電源装置。
【請求項１４】
商用電源の電流を検知する電源電流検出手段を設け、前記電源電流検出手段の積分値が零になるように、第１及び第２の半導体スイッチの導通時間を設定する請求項１〜５のいずれか１項に記載の高周波電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導加熱用高周波電源や電子レンジのマグネトロン駆動用高周波電源など高周波電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、誘導加熱や電子レンジのマグネトロン駆動用高周波電源として用いられてる高周波高周波電源装置について図面を用いて説明する。図２７は、力率及び波形歪みを改善し、かつ負荷に商用電源周期において電圧変動が少ない形で電力を供給できる従来の高周波電源装置の回路構成を示す図である。商用電源１は、並列に接続された整流ダイオード２０を介して、高周波電流を供給する供給源として働く平滑コンデンサ２１に接続される。チョークコイル３は、平滑コンデンサ２１の正極と第１の半導体スイッチ６と第２の半導体スイッチ７の直列接続体の中点に接続される。ここで、第２の半導体７のエミッタ端子は平滑コンデンサ２１の負極に接続される。第１及び第２の半導体スイッチ６、７の直列接続体には、第３のクランプコンデンサ２２が並列に接続され、負荷１２と共振コンデンサ１０の直列接続体は、第２の半導体スイッチ７に並列に接続される。ここで、負荷としては誘導加熱に用いられる被加熱物を含むコイルや２次側に整流回路及びマグネトロンが接続された高周波トランスなど、一次側にコイル成分を支配的に持つ負荷が接続されることになる。また、第１及び第２の半導体スイッチ６、７には、それぞれ逆並列にダイオードが接続されている。
【０００３】
図２８はインバータの各期間における電流が流れる経路を示した図であり、図２９はそれに対応した動作波形図である。商用電源１は整流ダイオード２０で整流され、平滑コンデンサ２１に電力を供給する。平滑コンデンサ２１は高周波動作における電源として働くことになる。
【０００４】
ここでは、平滑コンデンサ２１を電源として、第２の半導体スイッチ７がオン状態から説明をはじめる。この状態では図２８（ａ）に示すように平滑コンデンサ２１→チョークコイル３→第２の半導体スイッチ７の経路で電流が流れチョークコイル３にエネルギーを蓄える動作と、共振コンデンサ１０→負荷１２→第２の半導体スイッチ７の経路で負荷に電力を供給する動作が同時に行われ、図２９のＩ７に示す電流が第２の半導体スイッチ７に流れることになる。
【０００５】
第２の半導体スイッチ７を所定の時間でオフすると、図２８（ｂ）に示すように、平滑コンデンサ２１→チョークコイル３→第１の半導体スイッチ６内のダイオード→第３のクランプコンデンサ２２の経路で電流が流れ、第３のクランプコンデンサ２２にチョークコイル３のエネルギーを伝達する動作と、負荷１２→第１の半導体スイッチ６内のダイオード→第３のクランプコンデンサ２２→共振コンデンサ１０の経路で電流が流れ、負荷１２内のインダクタンスに蓄えられたエネルギーを、共振コンデンサ１０に蓄える動作が同時に行われる。
【０００６】
この第１の半導体スイッチ６内のダイオードが導通している間に第１の半導体スイッチ６を導通状態にしておくことにより、図２８（ｃ）に示すように共振コンデンサ１０→第３のクランプコンデンサ２２→第１の半導体スイッチ６→負荷１２の経路で負荷１２に電力を供給する動作と、平滑コンデンサ２１→チョークコイル３→負荷１２→共振コンデンサ１０の経路でチョークコイル３にエネルギーを供給する動作が同時に行われ、図２９のＩ６に示す電流が流れることになる。
【０００７】
第１の半導体スイッチ６を所定の時間でオフすると、図２８（ｄ）に示すように負荷１２→共振コンデンサ１０→第２の半導体スイッチ７内のダイオードの経路で負荷１２内のインダクタンスに蓄えられたエネルギーを共振コンデンサ１０に蓄える動作と、平滑コンデンサ２２→チョークコイル３→負荷１２→共振コンデンサ１０の経路で電流が流れチョークコイル３にエネルギーを蓄える動作を同時に行うことになる。この第２の半導体スイッチ７のダイオードに電流が流れている状態で第２の半導体スイッチ７を導通状態にしておくことで、図２８（ａ）の状態に戻り、この動作を２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ程度の高周波で行うことにより、必要な電力を得ることになる。
【０００８】
このような動作をさせることで、図３０に示す様に、負荷１２には、第３のクランプコンデンサ２２の働きにより、商用電源１の電圧変化に対し、ある程度平滑された形で電力供給することが可能となる。また、商用電源１からの入力電流は、第２の半導体スイッチ７の動作を工夫することにより、力率の改善されたあるいは電源高調波成分の少ない電流を流すことが可能になる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の高周波電源装置においては、第２の半導体スイッチ７が、チョークコイル３と第３のクランプコンデンサ２２に対する昇圧動作と負荷１２と共振コンデンサ１０に対するインバータ動作を同時に行うため、素子責務が多大になる。一方、第１の半導体スイッチ６は昇圧動作に関わる補助スイッチとして使われるため、素子責務は第２の半導体スイッチ７に比べかなり小さいものとなる。このように素子責務が偏ることにより、冷却設計が難しくなるとともに、一方素子のみ大電流素子を使う必要が生じ、価格的にも効果なものになる課題が生じることになる。
【００１０】
本発明は上記の課題を解決するもので、素子責務を均一にできる構成を取ることにより、冷却設計を簡易なものとすることができ、負荷に供給する電力を平滑化でき、力率が良くしかも安価で、冷却能力に優れた高周波電源を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、第１及び第２の半導体スイッチの直列接続体と、前記第１及び第２の半導体スイッチの直列接続体に並列接続される第１及び第２の整流ダイオードの直列接続体と、前記第１及び第２の整流ダイオードに各々並列に接続される第１及び第２のクランプコンデンサと、前記第１及び第２の半導体スイッチの接続点と第１及び第２の整流ダイオードの接続点間に接続され、互いに直列に接続される商用電源及びチョークコイルと、第１または第２の半導体スイッチの端子間に接続され、互いに直列に接続される負荷と共振コンデンサからなる高周波電源装置としている。
【００１２】
これにより、負荷に供給する電力を平滑化でき、力率が良くできるという利点を有した状態で、素子責務を等分することができる構成をとることで、冷却構成を簡易化でき、安価な高周波電源を実現できるものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、第１及び第２の半導体スイッチの直列接続体と、前記第１及び第２の半導体スイッチの直列接続体に並列接続される第１及び第２の整流ダイオードの直列接続体と、前記１及び第２の整流ダイオードに各々並列に接続される第１及び第２のクランプコンデンサと、前記第１及び第２の半導体スイッチの接続点と第１及び第２の整流ダイオードの接続点間に接続され、互いに直列に接続される商用電源及びチョークコイルと、第１または第２の半導体スイッチの端子間に接続され、互いに直列に接続される負荷と共振コンデンサからなる高周波電源装置としている。
【００１４】
これにより、負荷に供給する電力を平滑化でき、力率が良くできるという利点を有した状態で、素子責務を等分することができる構成をとることで、冷却構成を簡易化でき、安価な高周波電源を実現できるものである。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、特に、請求項１に記載の第１及び第２の半導体スイッチは、順方向に導通する半導体スイッチ素子とダイオードを逆並列に接続してなることにより、ダイオードの定格を比較的容易に変更することができ、素子の選択あるいは冷却設計の自由度を増すことができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、特に、請求項１または２に記載の第１及び第２のクランプコンデンサの容量を数μＦ〜数十μＦのフィルムコンデンサで構成したことにより、価格的に安価のものとすることができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、特に、請求項１または２に記載の第１及び第２のクランプコンデンサの容量を略等しくしたことにより、商用電源の極性によりシンメトリックな動作をさせることができる。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、特に、請求項１〜４のいずれか１項に記載の第１または第２の半導体スイッチの少なくとも一方の端子間にコンデンサを接続したことにより、各半導体スイッチのターンオフ時の損失を大幅に軽減でき、冷却構成を更に簡易化でき、安価な高周波電源を実現できるものである。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、特に、請求項１〜５のいずれか１項に記載の第１及び第２の半導体スイッチの導通時間を商用電源電圧のピーク付近から谷間付近に向かうにつれて長くすることにより、商用電源の電圧の谷間付近でも電流を流すことができるようになり、高調波成分の少ない入力電流で動作できる高周波電源装置を実現できるものである。
【００２０】
請求項７に記載の発明は、特に、請求項１〜６のいずれか１項に記載の第１、第２の半導体スイッチの導通時間および駆動周波数を、商用電源電圧のピーク付近から谷間付近に向かうにつれて、それぞれ長くなるように、及び、低くなるように設定することにより、商用電源の電圧の谷間付近でもより電流を流すことができるようになり、高調波成分の少ない入力電流で動作できる高周波電源装置を実現できるものである。
【００２１】
請求項８に記載の発明は、特に、請求項６または７に記載の第１と第２の半導体スイッチの非導通時間の重なりを、商用電源電圧のピーク付近では短く、谷間付近では長く設定することにより、谷間付近での半導体スイッチの短絡モード発生による損失を低減でき、冷却構成の簡易化及び低ノイズの高周波電源を実現できるものである。
【００２２】
請求項９に記載の発明は、特に、請求項１〜５のいずれか１項に記載のチョークコイルに流れる電流を検知する電流検出手段を設け、前記チョークコイルの電流が正弦波になるように制御することにより、簡易な構成で入力電流を正弦波に近づけることが可能となり、力率が良く高調波成分の少ない電流を供給できる高周波電源を実現できるものである。
【００２３】
請求項１０に記載の発明は、特に、請求項９に記載の電流検出手段の出力と比較する目標信号に上限値と下限値を設け、前記電流検出手段の値が上限値と下限値の間に収まるように、第１、第２の半導体スイッチの導通時間を決めることにより、簡易な回路構成で入力電流を正弦波に近づけることが可能となり、力率が良く高調波成分の少ない電流を供給できる高周波電源を実現できるものである。
【００２４】
請求項１１に記載の発明は、特に、請求項１０に記載の第１、第２の半導体スイッチの導通時間に上限及び駆動周波数に下限を設けることにより、駆動周波数が可聴域まで下がることを防止することができ、力率が良く高調波成分の少ない電流を供給できる高周波電源を実現できるものである。
【００２５】
請求項１２に記載の発明は、特に、請求項１〜５のいずれか１項に記載の第１または第２のクランプコンデンサの電圧を検知する電圧検出手段を設け、前記電圧検出手段の電圧値が所定値になるように前記第１及び第２の半導体スイッチの導通時間を設定することにより、より簡易で安価な構成で入力電力の設定が可能になり、安価な高周波電源装置を実現できるものである。
【００２６】
請求項１３に記載の発明は、特に、請求項１２に記載の電圧検出手段の電圧値が同じになるように第１及び第２の半導体スイッチの導通時間を設定することにより、入力電流の直流成分流出を防ぐことが可能になり、偶数次の高調波の成分の少ない高周波電源装置を実現できるものである。
【００２７】
請求項１４に記載の発明は、特に、請求項１〜５のいずれか１項に記載の構成で商用電源の入力に入力電流検出手段を設け、前記入力電流検知手段の積分値が零になるように、第１及び第２の半導体スイッチの導通時間を設定することにより、入力電流の直流成分流出を防ぐことが可能になり、偶数次の高調波の成分の少ない高周波電源装置を実現できるものである。
【００２８】
【実施例】
（実施例１）
本発明の第１の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項１〜４に係わる。
【００２９】
図１は本実施例の高周波電源装置の回路構成を示す図である。第１及び第２の半導体スイッチ６、７の直列接続体には、第１及び第２のダイオード４、５の直列接続体を並列接続している。第１及び第２のダイオード４、５にはそれぞれ第１及び第２のクランプコンデンサ８、９がそれぞれ接続されており、第１及び第２のダイオードの４、５の接続点と第１及び第２の半導体スイッチ６、７の接続点の間には、商用電源１、フィルタ２及びチョークコイル３の直列回路が接続されている。また、第１の半導体スイッチには、共振コンデンサ１０と負荷１２の直列回路が並列に接続されている。更に、第１及び第２の半導体スイッチ６、７は制御手段１４からの信号を受け動作することになる。ここで、負荷１２に関しては、誘導加熱であれば平板コイルと鍋などの被加熱物で構成され、マグネトロン用駆動電源であれば２次側に整流回路とマグネトロンが接続された高圧トランスで構成され、いずれの場合も１次側はインダクタンス成分で構成される負荷になる。また、制御手段１４は、入力電圧や供給電力に応じた指令値に従い、第１及び第２の半導体スイッチ６、７の駆動を行うものである。また、本実施例では第１及び第２の半導体スイッチ６、７は順方向に導通するＩＧＢＴとこれに逆並列に接続したダイオードで記載しているので、ダイオードの電流耐量などの定格を変更することが比較的容易で、半導体スイッチ及びダイオードの設計の自由度が大きくなる。ただ、ＭＯＳＦＥＴのように素子内部にダイオードを構成した素子を用いても、流れる電流あるいは温度上昇が許容範囲を超えなければ問題ない。
【００３０】
図２、図３はインバータ回路の各区間における電流経路を示した図であり、図４は図２に対応した波形図である。また、図５は商用電源１の周期で見た場合の波形図である。商用電源１の極性が図２の状態で第１の半導体スイッチがオン状態から説明する。この状態では図２（ａ）に示すように商用電源１→チョークコイル３→第１のダイオード４→第１の半導体スイッチ６の経路でチョークコイル３に電力を供給するモードと第１の共振コンデンサ１０→第１の半導体スイッチ６→負荷１２の経路で負荷に電力を供給するモードを同時に行い、図４のＩ６に示す電流が半導体スイッチ６に流れるとともに、Ｉ３に示す電流がチョークコイルに流れることになる。所定のオン時間が経過した後、第１の半導体スイッチ６をオフすると、図２（ｂ）に示すように商用電源１→チョークコイル３→第２のクランプコンデンサ９→第２の半導体スイッチ７内のダイオードの経路でチョークコイル３に蓄えられた電力を第２のクランプコンデンサ９に蓄えるモードと負荷１２→第１の共振コンデンサ→第１のクランプコンデンサ８→第２のクランプコンデンサ９の経路で負荷１２のインダクタンス成分に蓄えた電力を共振コンデンサ１０に放出するモードを同時に行う様に動作する。ここで、第２のクランプコンデンサ９は、チョークコイル３と第２の半導体スイッチ７内のダイオードにより昇圧回路が形成されるため、図２の極性の間は図５のＶ９に示す様にほぼ一定電圧に保つことが可能となる。
【００３１】
第２の半導体スイッチ７内のダイオードが導通している区間で第２の半導体スイッチ７が導通状態にしておくと、図２（ｃ）のモードに遷移することになる。このモードでは、第１の共振コンデンサ１０→負荷１２→第２の半導体スイッチ７→第２のクランプコンデンサ→第１のクランプコンデンサの経路で電力を負荷１２に供給する経路と、商用電源１→チョークコイル３→第１のクランプコンデンサ８→共振コンデンサ１０→負荷１２の経路で、電力を負荷に１２供給する経路が同時に起こり、図４のＩ７に示す電流が第２の半導体スイッチ７に流れることになる。
【００３２】
第１のクランプコンデンサ８の電荷が放出されると、第１のクランプコンデンサ８に並列接続された第１のダイオード４を電流が通る図２の（ｄ）のモードに遷移していく。ここで第１のクランプコンデンサ８に蓄えられる電荷は、ほとんどないため、（ｄ）の状態にすぐに遷移すると考えられる。
【００３３】
所定の時間経過後、第２の半導体スイッチ７をオフすると、図２（ｅ）に示すように、負荷１２→第１の半導体スイッチ６内のダイオード→第１の共振コンデンサ１０の経路で、負荷１２のインダクタンスに蓄えられた電力を第１の共振コンデンサに蓄えるモードと商用電源１→チョークコイル３→第１のダイオード→第１の共振コンデンサ→負荷１２の経路で負荷１２に電力を供給するモードを同時に行うことになる。
【００３４】
この第１の半導体スイッチ６内のダイオードが導通状態を維持している間に、第１の半導体スイッチ６を導通状態にすることで、図２（ａ）の動作モードに遷移することになる。この動作を２０〜５０ｋＨｚの高周波で行うことにより、負荷１２に図４のＩ１２の様な電流を流し、必要な電力を負荷１２に供給している。
【００３５】
図３に電源電圧１の極性が逆の場合の、各モードでの電流経路を示す。今度は、第２の半導体スイッチ７が昇圧動作とインバータ動作を同時に行うための主スイッチとして働き、第１の半導体スイッチ６はサブスイッチとして働くことになる。この動作により、図５に示すように第１のクランプコンデンサ８は、ほぼ一定電圧に保たれることになる。よって、負荷には図５のＶ１２の様な定電圧に近い電圧が供給され、誘導加熱では軽量負荷での音の発生の抑制が可能であり、マグネトロン駆動用電源においては、マグネトロン駆動電圧を休止区間なしで発振させることが可能になる利点が生じる。ここで、極性に対し、第１の半導体スイッチ６と第２の半導体スイッチ７が商用電源１の極性に対しシンメトリックに動作することで、半導体スイッチの損失もほぼ同一になり、冷却構成が簡素化されることになる。また、使用される素子数も整流ダイオードが２個少なく構成されているため、価格の大きな部分をしめるパワー素子の使用数を軽減でき安価な電源を実現できることになる。
【００３６】
なお、第１及び第２のクランプコンデンサ８、９は負荷１２が誘導加熱負荷やマグネトロン駆動用電源の場合は、負荷１２への電力供給を完全平滑する必要がないため、数μＦ〜数十μＦのフィルムコンデンサで十分であり、価格的にも安価ですませることが可能である。
【００３７】
また、第１及び第２のクランプコンデンサ８、９の容量は、極性によりシンメトリックな動作をさせるため、同容量であることが望ましい。
【００３８】
また、図６に第２の半導体スイッチ７に負荷１２と第２の共振コンデンサ１１の直列回路が並列に接続された構成を、図７には第１及び第２の共振コンデンサ１０、１１が第１及び第２の半導体スイッチ６、７の直列回路に並列に接続され、各々の中点に負荷１２が接続される構成を示している。基本的な動作は、図１と同様であるが、図７の構成では共振コンデンサ１０、１１の容量は共振コンデンサ一個で実現している図１、図６の構成の１／２になる。
【００３９】
以上のように本実施例によれば、負荷１２に供給する電力を平滑化できかつ入力電流の力率を良くできるという利点を有したまま、素子責務を等分することができる構成をとることにより、冷却構成を簡素化できる安価な高周波電源を実現できるものである。
【００４０】
（実施例２）
本発明の高周波電源装置の第２の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項５に係わる。
【００４１】
図８は本実施例の回路構成を示す図である。本実施例が実施例１の構成と異なるのは第１のコンデンサ１５を第１の半導体スイッチ６と並列に配置している点である。
【００４２】
本構成における動作を説明する。図９に図２の極性に対応する波形図を示す。基本動作は実施例１と同様であるが、第１及び第２の半導体スイッチ６、７がターンオフする際に、第１のコンデンサ１５が充電あるいは放電されることにより、第１及び第２の半導体スイッチ６、７の電圧の立ち上がりが緩やかに動作することになる。この動作により図９のＶ６とＩ６あるいはＶ７とＩ７に示される様に半導体スイッチの電流が０に遷移する際の電流・電圧積で示されるターンオフ時のスイッチング損失を減らすことができる。特に負荷１２が誘導加熱負荷やマグネトロン駆動電源の負荷の場合は、電流ピークが５０Ａ以上になる場合も多く、半導体スイッチの電圧の立ち上がりを緩やかにすることで、大幅な損失低減を実現することが可能となる。このことにより、冷却構成をより簡素化することが可能となる。
【００４３】
また、図１０に第２の半導体スイッチ７と並列に第２のコンデンサ１６を接続した例を、図１１に第１及び第２の半導体スイッチ６、７にそれぞれコンデンサを並列に接続した例を示している。効果はどの接続でも同様な効果があるが、図１１のコンデンサの容量は、図８及び図９に示す様に一個で実現した場合の容量の１／２の容量になる。
【００４４】
以上のように本実施例によれば、第１または第２の半導体スイッチ６、７に第１または第２のコンデンサ１５、１６を接続することにより、半導体スイッチのターンオフ時の損失を大幅に減少させることで、冷却構成の簡素化を図り、安価な高周波電源を実現できるものである。
【００４５】
（実施例３）
本発明の第３の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項６に係わる。
【００４６】
本実施例の構成を図１２に示す。本実施例が実施例１と異なるのは、商用電源１の電圧値を検知する電圧検出手段１７を有している点である。
【００４７】
上記構成における動作について説明する。図１３に本実施例での動作についての動作図を示す。電圧検出手段１７により商用電源１の電圧値、０電圧タイミング、周波数等を検知して、その検出値に従い制御手段１４により第１及び第２の半導体スイッチ６、７に供給するオン時間を決定する。ここで、電源電圧のピーク付近でオン時間を短く、谷間付近に向かってオン時間を長く設定することで、第１及び第２のクランプコンデンサ８、９の電圧を一定値に近づけることが出来ると共に入力電流を正弦波に近づけることが可能なる。ここで、商用電源の極性により、第１及び第２の半導体スイッチ６、７の主スイッチが変わるため、オン時間幅を極性により切り替える必要がある。また、制御手段１４は、電圧検出手段１７から０電圧タイミングと周波数の情報を受け取ることができれば、あらかじめ設定されたオン時間により、入力電力を規定することができる。そこで、電圧検出手段１７はフォトカプラやトランスによる構成を取ることが可能である。
【００４８】
以上のように本実施例によれば、前記第１、第２の半導体スイッチ６、７の導通時間を商用電源電圧の谷間付近でのスイッチング周波数をピーク付近よりも低く設定することにより、商用電源１の電圧の谷間付近でもより電流を流すことができるようになり、高調波成分の少ない入力電流で動作できる高周波電源装置を実現できるものである。
【００４９】
（実施例４）
本発明の第４の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項７に係わる。
【００５０】
本実施例の構成は実施例３と同一の構成をとるため省略する。
【００５１】
本実施例の動作について説明する。図１４は本実施例の動作を示す動作図である。本実施例が実施例３と異なるのは、電圧検出手段１７により商用電源１の電圧値、０電圧タイミング、周波数等を検知して、その検出値に従い制御手段１４により第１及び第２の半導体スイッチ６、７に供給するオン時間と駆動周波数を決定している点である。つまり、電源電圧のピーク付近でオン時間を短くかつ周波数を高く設定し、谷間付近に向かってオン時間を長く、周波数を低く設定することで、第１及び第２のクランプコンデンサ８、９の電圧をより一定値に近づけることが出来ると共に入力電流をより正弦波に近づけることが可能なる。
【００５２】
以上の様に本実施例によれば、第１、第２の半導体スイッチ６、７の導通時間を商用電源１の電圧の谷間付近でのスイッチング周波数をピーク付近よりも低く設定することで、商用電源１の電圧の谷間付近で、より電流を流すことができるようになり、高調波成分の少ない入力電流で動作できる高周波電源装置を実現できるものである。
【００５３】
（実施例５）
本発明の第５の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項８に係わる。
【００５４】
本実施例の構成は実施例３と同一な構成をとるため省略する。
【００５５】
本実施例の動作について説明する。図１５は本実施例の動作を示す動作図である。本実施例が実施例３と異なるのは、電圧検知手段１７により商用電源１の電圧値を検知して、その検出値に従い制御手段１４により、第１及び第２の半導体スイッチ６、７に供給する互いのオン信号の休止区間の重なり（デットタイム）を可変にしている点である。第１のコンデンサ１５は、第１の半導体スイッチ６がオフした際に電荷を蓄えることで第１の半導体スイッチ６がオフした際の電圧上昇を緩やかにする働きをし、第２の半導体スイッチ７がオフした際に電荷を放出する動作を行うことで第２の半導体スイッチ７の電圧上昇を緩やかにする働きをもつことになる。ここで、商用電源１の電圧の谷間付近では電圧のピーク付近に比べ、第１のコンデンサ１５の電荷が抜けるまでに時間を要することになる。この電荷を放出する前に第１の半導体スイッチ６がオン状態になると、第１のコンデンサ１の容量を短絡することになり、第１の半導体スイッチ６は電圧を残したまま、大電流が流れるためターンオン損失が発生することになる。この損失を考慮して冷却設計を行うと、その損失分冷却性能を上げておく必要が生じることになる。また、スパイク状の電流が流れるため、大きなノイズ源となることも避けられない。そこで、商用電源１の電圧に応じて、デットタイムを可変させることによりこの短絡モードの発生を防ぐことが可能になる。本実施例では、図１５に示す様に、電圧ピーク付近ではデットタイムを狭く、電圧の谷間付近ではデットタイムを長くとることにより短絡モードの発生を予防している。
【００５６】
また、入力電力が変わった場合も同様な現象が生じるため、入力電力が大きいときはデットタイムを短く、入力電力が小さいときはデットタイムを狭く取ることが望ましい。
【００５７】
以上の様に本実施例では、第１と第２の半導体スイッチ６、７の非導通時間の重なりを、商用電源電圧のピーク付近では短く、谷間付近では長く設定することにより、谷間付近での半導体スイッチの短絡モード発生による損失を低減でき、冷却構成の簡易化及び低ノイズの高周波電源を実現できるものである。
【００５８】
（実施例６）
本発明の第６の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項９に係わる。
【００５９】
本実施例の構成を図１６に示す。本実施例が実施例３の構成と異なるのは、チョークコイルの電流を検出する電流検出手段１８を備えている点である。
【００６０】
本実施例の動作について説明する。制御手段１４は、電圧検出手段１７の検出値に従い、チョークコイル３の電流を検出する電流検出手段１８の出力が所望の電流になるように第１及び第２の半導体スイッチ６、７のオン時間を決めることになる。ここで特に、チョークコイル３の電流を検出しているのは、貫通型電流センサの使用などが簡易にできるため、あるいは電流センサとチョークコイルの一体構成が可能などの利点を含むことが上げられる。また、制御手段１４は電圧検知手段１７の出力と電流検出手段１８の出力を一致させる様に動作することになる。この動作により、入力電流を正弦波に近づけることが可能になり、力率が良く、高調波成分の少ない高周波電源を実現することが可能になる。
【００６１】
以上の様に本実施例では、チョークコイル３と直列に電流検出手段１８を設け、制御手段１４がチョークコイル３の電流が正弦波になるように制御することにより、簡易な構成で、力率が良く、高調波成分の少ない電流を供給できる高周波電源を実現できるものである。
【００６２】
（実施例７）
本発明の第７の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項１０に係わる。
【００６３】
本実施例の構成を図１７に示す。本実施例が実施例６の構成と異なるのは制御手段１４の内部に、電圧検出手段１７の検出値に従い、電流検出手段１８の検出値の目標値を決める目標信号設定手段３０と、目標信号の上限値を決める目標上限設定手段３１と、目標信号の下限値を決める目標下限設定手段３２と、電流検出手段１７の検出値が、目標の下限または上限からはずれることを検出する第１の比較手段３３及び第２の比較手段３４と、第１及び第２の比較手段３３、３４の出力に従い第１及び第２の半導体スイッチ６、７のオン信号を発生する制御信号発生手段３５を構成してることである。
【００６４】
本実施例の動作について説明する。図１８、図１９は本実施例の動作を示す動作図である。チョークコイル３に流れる電流はチョークコイル３のインダクタンス値と商用電源１の電圧値で決まる傾きを持って上昇・下降することになる。商用電源１の極性により第１、第２半導体スイッチ６、７の一方が主側のスイッチとして働き、もう一方が従側のスイッチとして働くことになる。図１８が、図２の場合と同極性になった場合の振る舞いであり、図１９は図３と同極性になった場合の振る舞いである。極性に応じて第１、第２の半導体スイッチ６、７の内、主側のスイッチがオン状態になると電流値は増加し、主スイッチがオフするつまり従側スイッチがオン状態になると電流値は減少することになる。そこで、制御手段１４内に電流値の目標信号に目標信号上限と目標値下限を持たせ、電流値が目標値の下限を下回った場合に主側の半導体スイッチをオン状態にし、目標値の上限を越えた段階で主側の半導体スイッチをオフ状態にする制御を行うこととする。このように、目標電流値に上限、下限を設けるという簡易な構成で正弦波に近い入力電流を実現できることになる。ここで、目標上限設定手段３１の値と目標下限設定手段３２の値の幅は、第１及び第２の半導体スイッチ６、７の駆動周波数が２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚで収まる範囲になる幅に設定することが望ましい。
【００６５】
以上の様に本実施例においては、電流検出手段１８の出力と比較する目標信号に上限値と下限値を設け、電流検出手段１８の値が上限値と下限値の間に収まるように、第１、第２の半導体スイッチ６、７の導通時間を決める方式とすることにより、簡易な回路構成で入力電流を正弦波に近づけることが可能となり、力率が良く高調波成分の少ない電流を供給できる高周波電源を実現できるものである。
【００６６】
（実施例８）
本発明の第８の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項１１に係わる。
【００６７】
本実施例の構成を図２０に示す。本実施例が実施例７と異なる構成は、第１及び第２の半導体スイッチ６、７のオン時間に上限を設けるオン時間上限設定手段３６と駆動周波数の下限値を設定する周波数下限設定手段３７を備えている点である。
【００６８】
本実施例の動作について説明する。図２１は本実施例の動作を示す動作図である。チョークコイル３に流れる電流は、チョークコイル３のインダクタンス値と商用電源１の電圧値に依存することになる。そこで、商用電源１の電圧値により、傾きがかわるため、電圧のピーク付近と谷間付近では大きく傾きが異なることになる。よって、谷間付近では、オン時間が長くなり駆動周波数が２０ｋＨｚ以下になる場合が生じる。一方、駆動周波数を上げすぎると、ピーク付近での周波数が上がりすぎるため第１、第２の半導体スイッチ６、７のスイッチング損失が大きくなり、冷却構成が複雑になる。そこで、オン時間及び駆動周波数に制限を設けることで、駆動周波数を上げずにしかも、可聴域まで周波数が下がることなく、動作を行わせることが可能になる。また、オン時間が制限値にかかる区間は１ｍｓｅｃ以下の短い区間であるため、力率などに大きな影響を与えることはない。
【００６９】
以上より本実施例においては、第１、第２の半導体スイッチ６、７の導通時間に上限及び駆動周波数下限を設けることにより、駆動周波数が可聴域まで下がることを防止することができ、力率が良く高調波成分の少ない電流を供給できる高周波電源を実現できるものである。
【００７０】
（実施例９）
本発明の第９の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項１２に係わる。
【００７１】
本実施例の構成を図２２に示す。本実施例が実施例３と異なる点は、第１または第２のクランプコンデンサ８、９の両端電圧を検知するための第１の電圧検知手段３８を有している点である。
【００７２】
本実施例の動作について説明する。図２２は本実施例の動作を示す動作図である。制御手段１４は、所定の出力が得られるよう第１、第２の半導体スイッチ６、７のオン時間を決定する。この際、出力電力に従い第１、第２のクランプコンデンサ８、９の両端電圧は変化することになる。そこで、制御手段１４は第１の電圧検出手段３８によりクランプコンデンサの両端電圧を検出値し、この電圧値が所定値になる様に制御する方式をとる。この方式では、電流センサなどが必要ないため、より安価な構成で電力制御が可能になる。ここで、第１の電圧検出手段３８はピークホールド回路等で構成されることが望ましい。
【００７３】
以上より本実施例によれば、第１または第２のクランプコンデンサ８、９に第１の電圧検出手段３８を設け、第１の電圧検出手段３８の電圧値が所定値になるように第１及び第２の半導体スイッチ６、７の導通時間を設定することにより、簡易で安価な構成で入力電力の設定が可能になり、安価な高周波電源装置を実現できるものである。
【００７４】
（実施例１０）
本発明の第１０の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項１３に係わる。
【００７５】
本実施例の構成を図２４に示す。本実施例が従来例３の構成と異なるのは、第１のクランプコンデンサ８の両端電圧を検出する第１の電圧検知手段３８と、第２のクランプコンデンサ９の両端電圧を検出する第２の電圧検知手段３９を有する点である。
【００７６】
本実施例の動作について説明する。図２５は本実施例の動作を示す動作図である。２０ｋＨｚから５０ｋＨｚ程度の間でで発振する三角波信号と、商用電源１の電圧に同期して決まるリファレンス信号により、ＰＷＭ信号を生成する。制御手段１４は、ＰＷＭ信号としては図示している信号とその信号に相反するＰＷＭ信号の２種類を生成し、それぞれの信号からできる信号を第１及び第２の半導体スイッチ６、７のオン信号として入力する。このリファレンス信号は電圧周期に対して、対称な波形を用いることで入力電流が直流成分を持たないような設定されることになる。しかしながら、回路定数のずれの蓄積などによりわずかな直流分が検出されることになる。この現象は偶数時の高調波電流として検出されることになる。ここで、第１の電圧検知手段３８と第２の電圧検知手段３９により、第１、第２のクランプコンデンサ８、９の両端電圧を検出し、その電圧値を同じにすることで、上記現象を防止することが可能になる。電圧値を等しくする方法としては、ＰＷＭ信号またはリファレンス信号の平均値を上昇または下降させることで達成することが可能である。
【００７７】
以上より本実施例によれば、第１及び第２の電圧検出手段３８、３９の電圧値が同じになるように前記第１及び第２の半導体スイッチの６、７の導通時間を設定することにより、入力電流の直流成分流出を防ぐことが可能になり、偶数次の高調波の成分の少ない高周波電源装置を実現できるものである。
【００７８】
（実施例１１）
本発明の第１１の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項１４に係わる。
【００７９】
本実施例の構成を図２６に示す。本実施例の構成が実施例３と異なるのは入力電流を検出する入力電流検値手段を有している点である。
【００８０】
本実施例の動作について説明する。本実施例の動作は実施例１０とほぼ同一である。実施例１０と異なるのは、入力電流を検出する入力電流検出手段４０により電流値を検出し、その検出値を用いて直流分を検出し、制御手段１４により図２５と同様に三角波信号またはリファレンス信号の平均値を上下させる点である。直流分の検出方法としては入力電流を積分しその値の０からのずれにより判断することが可能である。
【００８１】
以上より本実施例によれば、商用電源１の入力に入力電流検知手段４０を設け、検出値の積分値が零になるように、第１及び第２の半導体スイッチ６、７の導通時間を設定することにより、入力電流の直流成分流出を防ぐことが可能になり、偶数次の高調波の成分の少ない高周波電源装置を実現できるものである。
【００８２】
【発明の効果】
以上のように、請求項１〜４に記載の発明によれば、負荷に供給する電力を平滑化できかつ入力電流の力率を良くできるという利点を有したまま、半導体スイッチ責務を等分して、冷却構成を簡素化できる安価な高周波電源装置を実現できるものである。
【００８３】
また、請求項５に記載の発明によれば、半導体スイッチのターンオフ時の損失を大幅に減少させることで、冷却構成の簡素化を図り、安価な高周波電源を実現できるものである。
【００８４】
また、請求項６に記載の発明によれば、商用電源１の電圧の谷間付近でもより電流を流すことができるようになり、高調波成分の少ない入力電流で動作できる高周波電源装置を実現できるものである。
【００８５】
また、請求項７に記載の発明によれば、商用電源１の電圧の谷間付近で、より電流を流すことができるようになり、高調波成分の少ない入力電流で動作できる高周波電源装置を実現できるものである。
【００８６】
また、請求項８に記載の発明によれば、谷間付近での半導体スイッチの短絡モード発生による損失を低減でき、冷却構成の簡易化及び低ノイズの高周波電源を実現できるものである。
【００８７】
また、請求項９に記載の発明によれば、簡易な構成で、力率が良く、高調波成分の少ない電流を供給できる高周波電源を実現できるものである。
【００８８】
また、請求項１０に記載の発明によれば、簡易な回路構成で入力電流を正弦波に近づけることが可能となり、力率が良く高調波成分の少ない電流を供給できる高周波電源を実現できるものである。
【００８９】
また、請求項１１に記載の発明によれば、駆動周波数が可聴域まで下がることを防止することができ、力率が良く高調波成分の少ない電流を供給できる高周波電源を実現できるものである。
【００９０】
また、請求項１２に記載の発明によれば、簡易で安価な構成で入力電力の設定が可能になり、安価な高周波電源装置を実現できるものである。
【００９１】
また、請求項１３に記載の発明によれば、入力電流の直流成分流出を防ぐことが可能になり、偶数次の高調波の成分の少ない高周波電源装置を実現できるものである。
【００９２】
また、請求項１４に記載の発明によれば、入力電流の直流成分流出を防ぐことが可能になり、偶数次の高調波の成分の少ない高周波電源装置を実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の高周波電源装置の回路構成を示す図
【図２】本発明の第１の実施例の高周波電源装置の動作モードを示す図
【図３】本発明の第１の実施例の高周波電源装置の動作モードを示す図
【図４】本発明の第１の実施例の高周波電源装置の波形を示す図
【図５】本発明の第１の実施例の高周波電源装置の波形を示す図
【図６】本発明の第１の実施例の高周波電源装置の回路構成を示す図
【図７】本発明の第１の実施例の高周波電源装置の回路構成を示す図
【図８】本発明の第２の実施例の高周波電源装置の回路構成を示す図
【図９】本発明の第２の実施例の高周波電源装置の波形を示す図
【図１０】本発明の第２の実施例の高周波電源装置の回路構成を示す図
【図１１】本発明の第２の実施例の高周波電源装置の回路構成を示す図
【図１２】本発明の第３の実施例の高周波電源装置の回路構成を示す図
【図１３】本発明の第３の実施例の高周波電源装置の動作を示す動作図
【図１４】本発明の第４の実施例の高周波電源装置の動作を示す動作図
【図１５】本発明の第５の実施例の高周波電源装置の動作を示す動作図
【図１６】本発明の第６の実施例の高周波電源装置の回路構成を示す図
【図１７】本発明の第７の実施例の高周波電源装置の回路構成を示す図
【図１８】本発明の第７の実施例の高周波電源装置の動作を示す動作図
【図１９】本発明の第７の実施例の高周波電源装置の動作を示す動作図
【図２０】本発明の第８の実施例の高周波電源装置の回路構成を示す動作図
【図２１】本発明の第８の実施例の高周波電源装置の動作を示す動作図
【図２２】本発明の第９の実施例の高周波電源装置の回路構成を示す動作図
【図２３】本発明の第９の実施例の高周波電源装置の動作を示す動作図
【図２４】本発明の第１０の実施例の高周波電源装置の回路構成を示す動作図
【図２５】本発明の第１０の実施例の高周波電源装置の動作を示す動作図
【図２６】本発明の第１１の実施例の高周波電源装置の回路構成を示す動作図
【図２７】従来の高周波電源装置の回路構成を示す図
【図２８】従来の高周波電源装置の動作モードを示す図
【図２９】従来の高周波電源装置の波形を示す図
【図３０】従来の高周波電源装置の波形を示す図
【符号の説明】
１  商用電源
２  フィルタ
３  チョークコイル
４  第１の整流ダイオード
５  第２の整流ダイオード
６  第１の半導体スイッチ
７  第２の半導体スイッチ
８  第１のクランプコンデンサ
９  第２のクランプコンデンサ
１０  第１の共振コンデンサ
１１  第２の共振コンデンサ
１２  負荷
１４  制御手段
１５  第１のコンデンサ
１６  第２のコンデンサ
１７  電圧検出手段
１８  電流検出手段
２０  整流ダイオード
２１  平滑コンデンサ
２２  第３のクランプコンデンサ
３０  目標信号設定手段
３１  目標上限設定手段
３２  目標下限設定手段
３３  第１の比較手段
３４  第２の比較手段
３５  制御信号発生手段
３６  オン時間上限設定手段
３７  周波数下限設定手段
３８  第１の電圧検出手段
３９  第２の電圧検出手段
４０  入力電流検知手段
【図１】
0004752159.tif 000002
【図２】
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【図３】
0004752159.tif 000004
【図４】
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【図５】
0004752159.tif 000006
【図６】
0004752159.tif 000007
【図７】
0004752159.tif 000008
【図８】
0004752159.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0004752159.tif 000011
【図１１】
0004752159.tif 000012
【図１２】
0004752159.tif 000013
【図１３】
0004752159.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
0004752159.tif 000019
【図１９】
0004752159.tif 000020
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
0004752159.tif 000031