(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源、及びこの直流電源に接続され、複数のスイッチング素子を直列に接続したスイッチング回路を少なくとも１つ以上有するインバータ回路と、
前記複数のスイッチング素子をオンオフするスイッチング素子駆動信号を出力する制御回路と、
インダクタンス及びコンデンサから構成される共振回路並びに前記共振回路に接続された負荷で構成され、前記インバータ回路に接続された出力回路と、
前記出力回路に流れる電流を検出する変流器と、
前記変流器の出力を整流し、前記出力回路に流れる電流に比例した電圧を出力する整流回路と、
前記整流回路の出力電圧に基づき、前記出力回路の電流と正負の位相が合致した位相を有する矩形波信号を出力する出力電流位相検出回路と、
前記制御回路からのスイッチング素子駆動信号に基づき、前記出力回路に流れる電流の位相と比較するための基準矩形波信号を出力する比較基準信号出力回路と、
前記出力電流位相検出回路が出力した矩形波信号及び前記比較基準信号出力回路が出力した基準矩形波信号を比較し、前記出力回路の電流位相が前記出力回路の電圧位相に近付いたこと、あるいは前記出力回路の電流位相が前記出力回路の電圧位相より進んだことを示す単一の矩形波信号を出力する位相比較回路と
を備えたことを特徴とする進相検知回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、出力側に共振回路と負荷を有するインバータ装置に関するもので、特に、出力電流の位相が出力電圧の位相に対し進み位相になった場合に、これを検出出力する進相検知回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
まず、出力側に共振回路を有するインバータ装置で、出力の電流が出力の電圧より進み位相となる場合に生じる現象について説明する。
【０００３】
従来のインバータ装置について図面を参照しながら説明する。図５は、従来のインバータ装置の構成を示す図である。この図５は、出力側に共振回路が接続されたインバータ装置の一般的な構成例である。
【０００４】
図５において、直流電源１にスイッチング素子２及び３が接続されてインバータ回路を構成する。また、その出力側にインダクタンス４及びコンデンサ５からなる共振回路６と負荷７が接続され、出力回路８を構成している。
【０００５】
つぎに、前述した従来のインバータ装置の動作について図面を参照しながら説明する。図６及び図７は、従来のインバータ装置の動作を示すタイミングチャートである。
【０００６】
図５に示すインバータ回路では、スイッチング素子２及び３に、図６（ａ）及び（ｂ）に示すような駆動信号を与える。スイッチング素子２及び３を交互にオン・オフすることにより、スイッチング素子２及び３に図６（ｃ）に示すような電流を流し、出力回路８に高周波電力を供給する。なお、図６に示す時間ＤＴは、スイッチング素子２及び３が同時にオンする事を防ぐデッドタイムである。
【０００７】
ここで、スイッチング素子２及び３を交互にオン・オフする周波数（以下、スイッチング周波数と記述）が、出力回路８中の共振回路６の共振周波数より低い場合、前述の出力の電流が出力の電圧より進み位相となる。
【０００８】
この状況を示すタイミングチャートを図７に示す。この図７で、（ａ）及び（ｂ）はスイッチング素子２及び３をオン、オフする駆動信号である。いま、スイッチング素子２がオンであるとする。この時、出力回路８には直流電源１の電圧が印加され、スイッチング素子２と出力回路８には、図７（ｃ）に示す電流が流れる。
【０００９】
この電流はスイッチング周波数より周波数が高いため、スイッチング素子２がオフする以前に位相が反転し、スイッチング素子２がオフする時点では、スイッチング素子２に内蔵しているダイオードを通じて、出力回路８から直流電源１へ電流が流れる。すなわち、出力回路８には、直流電源１の電圧が印加されたままの状態であるが、電流の位相は反転しており、結果、出力回路８に印加された電圧に対して電流の位相が進んでいる。
【００１０】
この状態でスイッチング素子３がオンする。この時、前記スイッチング素子２内蔵ダイオードは、電流が流れている状態で電圧が印加されることになり、該ダイオードにはオフまでの間、大きなリカバリ電流が流れる。このリカバリ電流は、素子に大きなストレスとなり、繰り返されれば素子の寿命を縮める上、印加される電圧の大きさによっては素子を破壊せしめるという点で問題であり、また、このリカバリ電流は出力とは無関係に直流電源１を短絡する形で流れるため、インバータ装置全体としては損失になる点でも問題である。
【００１１】
こうした電流が進み位相になることによる問題を解決するため、進み位相であることを検出し、制御に適用できる信号として取り出す機能を有した例に、特開昭５９−８６４８１号公報に示された高周波電源装置の制御方法や、特開平３−１９０５６８号公報に示されたインバータ装置がある。以下に、これらについて説明する。
【００１２】
図８は、特開昭５９−８６４８１号公報に示された高周波電源装置を示す。この特開昭５９−８６４８１号公報に示された高周波電源装置の構成について説明する。
【００１３】
図８において、Ｅ１及びＥ２は直流電源、Ｑ１及びＱ２は電界効果トランジスタ、Ｄ１及びＤ２はそれぞれ該電界効果トランジスタＱ１、Ｑ２内蔵のダイオード、Ｃｘは容量成分、Ｌｘはインダクタンス成分、Ｌｙは突入防止用リアクトルで、容量ＣｘとインダクタンスＬｘは共振回路をなし、負荷Ｚを構成している。
【００１４】
また、同図において、Ｔｐは負荷Ｚに印加される出力電圧を検出する電圧検出器、Ｔｃは負荷Ｚの電流を検出する電流検出器、Ａは電界効果トランジスタＱ１及びＱ２のオン、オフを制御する制御部である。
【００１５】
次に、特開昭５９−８６４８１号公報に示された高周波電源装置の動作について説明する。この装置では、制御部Ａから出力される制御信号で電界効果トランジスタＱ１、Ｑ２を交互にオン、オフし、負荷Ｚに高周波電力を供給している。この際、電圧検出器Ｔｐは負荷Ｚの電圧変化に従って変化する電圧変化信号を発生し、電流検出器Ｔｃは負荷Ｚの電流変化に従って変化する電流変化信号を発生するが、制御部Ａは、この電圧変化信号と電流変化信号の位相差によって電界効果トランジスタＱ１、Ｑ２の制御信号の周波数を変化させている。
【００１６】
すなわち、電流の位相が電圧に対し進み始めると、制御部Ａから出力される電界効果トランジスタＱ１、Ｑ２のオン、オフを制御する制御信号の周波数が低下するという形で出力される。つまり、位相進みは、制御部Ａからの電界効果トランジスタＱ１、Ｑ２の制御信号の周波数低下という形で検出される。
【００１７】
一方、図９は、特開平３−１９０５６８号公報に示されたインバータ装置を示す図である。この特開平３−１９０５６８号公報に示されたインバータ装置の構成について説明する。
【００１８】
図９において、Ｖは直流電源、Ｑ１及びＱ２はスイッチング素子、Ｄ１及びＤ２はダイオード、Ｃは共振用コンデンサ、Ｌはチョークコイル、Ｌｏは負荷、Ｃ１は負荷Ｌｏに直流電流が流れるのを阻止するカップリングコンデンサ、ＣＴはカレントトランス、ＯＳＣは発振器、ＤＲ１及びＤＲ２は駆動回路である。
【００１９】
また、同図において、Ｄ３及びＤ４は整流ダイオード、Ｖｏは基準電圧、ＣＯＭＰはコンパレータ、Ｇ７及びＧ８はＡＮＤゲート素子、Ａは制御部で、チョークコイルＬと共振用コンデンサＣで共振回路を構成し、発振器ＯＳＣ，駆動回路ＤＲ１、ＤＲ２が制御回路を構成し、カレントトランスＣＴが電流検出手段を構成し、コンパレータＣＯＭＰが判別手段を構成し、ＡＮＤゲート素子Ｇ７、Ｇ８および制御部Ａで保持制御手段を構成している。
【００２０】
次に、特開平３−１９０５６８号公報に示されたインバータ装置の動作について説明する。この装置では、発振器ＯＳＣより出力された駆動信号により、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が交互にオン、オフし、このスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の動作によって、負荷Ｌｏおよび共振回路、カレントトランスＣＴの一次側に流れる。
【００２１】
いま、共振回路を流れる電流の位相が、共振回路に印加される電圧の位相に対して位相進みであるとし、この状態がどのように検出されるかを説明する。まず、この状態は、負荷Ｌｏの抵抗値が大きく、これよって共振回路の共振周波数が高くなった場合に生ずる。これは、例えば、負荷Ｌｏが蛍光ランプなどで、このランプの電極が充分に冷えている状態から点灯しようとした場合などに起こりうる。
【００２２】
この時、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の動作によって、共振回路に流れる電流は、共振回路を構成するＬやＣに殆ど抵抗成分がないため大きな値となる。この大きな電流は、共振回路に接続されたカレントトランスＣＴの１次側にも流れる。これにより、カレントトランスＣＴの２次側には、整流ダイオードＤ３、Ｄ４によって全波整流され、共振回路を流れる電流の波形と相似した電圧の波形が取り出される。
【００２３】
一方、コンパレータＣＯＭＰの基準電圧Ｖｏは、負荷Ｌｏの抵抗値が大きくなったことによる大きな電流がＣＴを流れた場合にＣＴ２次側に発生する電圧を検知するレベルに設定されている。このため、上記カレントトランスＣＴの２次側に発生し整流ダイオードＤ３、Ｄ４によって全波整流された電圧は、コンパレータＣＯＭＰを作動させ、ＡＮＤゲート素子Ｇ７、Ｇ８および制御部Ａで構成される保持制御手段を作動させ、スイッチング素子のオン、オフ切り替わりを遅らせる。
【００２４】
これを例えば前記スイッチング素子Ｑ１がオンしている場合を例に取り説明する。保持制御手段は、あらかじめ定められた時間、スイッチング素子Ｑ１をオン状態に、スイッチング素子Ｑ２をオフ状態に保ち、ダイオードＤ１に電流が流れている間にスイッチング素子Ｑ２がオンしてダイオードＤ１に逆回復電流が流れるのを防止する。
【００２５】
すなわち、特開平３−１９０５６８号公報に示されたインバータ装置は、負荷Ｌｏの抵抗値が大きく、共振回路の共振周波数が高くなっている場合に共振回路に流れる電流の位相が共振回路に印加された電圧の位相に対して進み位相となることを、共振回路を流れる電流が大きくなることを利用し、ＡＮＤゲート素子の出力変化によって検出するものである。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、まず、特開昭５９−８６４８１号公報に示された高周波電源装置では、出力電流を検出するカレントトランス以外に出力電圧検出用トランスを別個設ける必要があり、これによる装置の大型化、コストアップが懸念されるという問題点があった。
【００２７】
また、特開平３−１９０５６８号公報に示されたインバータ装置では、負荷Ｌｏの抵抗値が大きく、これにより共振回路の電流が大きくなることを利用して位相進みを検知するものであり、負荷特性の違う他の回路には応用できず、また、スイッチング素子に大きな電流が流れること自体は阻止できないという問題点があった。
【００２８】
この発明は、前述した問題点を解決するためになされたもので、スイッチング素子に流れる電流の大きさ如何に関わらず、負荷回路電流が負荷回路電圧に対して進み位相状態であることを検出することができる進相検知回路を得ることを目的とする。
【００２９】
また、この発明は、負荷特性の違いに関わらず、負荷回路電流が負荷回路電圧に対して進み位相状態であることを検出することができる進相検知回路を得ることを目的とする。
【００３０】
さらに、この発明は、出力回路に新たに何らの検出装置も付加することなく、負荷回路電流が負荷回路電圧に対して進み位相状態であることを検出することができる進相検知回路を得ることを目的とする。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係る進相検知回路は、直流電源、及びこの直流電源に接続され、複数のスイッチング素子を直列に接続したスイッチング回路を少なくとも１つ以上有するインバータ回路と、前記複数のスイッチング素子をオンオフするスイッチング素子駆動信号を出力する制御回路と、インダクタンス及びコンデンサから構成される共振回路並びに前記共振回路に接続された負荷で構成され、前記インバータ回路に接続された出力回路と、前記出力回路に流れる電流を検出する変流器と、前記変流器の出力を整流し、前記出力回路に流れる電流に比例した電圧を出力する整流回路と、前記整流回路の出力電圧に基づき、前記出力回路の電流と正負の位相が合致した位相を有する矩形波信号を出力する出力電流位相検出回路と、前記制御回路からのスイッチング素子駆動信号に基づき、前記出力回路に流れる電流の位相と比較するための基準矩形波信号を出力する比較基準信号出力回路と、前記出力電流位相検出回路が出力した矩形波信号及び前記比較基準信号出力回路が出力した基準矩形波信号を比較し、前記出力回路の電流位相が前記出力回路の電圧位相に近付いたこと、あるいは前記出力回路の電流位相が前記出力回路の電圧位相より進んだことを示す単一の矩形波信号を出力する位相比較回路とを備えたものである。
【００３４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る進相検知回路について図面を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る進相検知回路の構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００３５】
図１において、１１は直流電源、１２及び１３はスイッチング素子、１４はインダクタンス、１５は共振コンデンサ、１６は負荷、１７は電流検出カレントトランスである。
【００３６】
また、同図において、１８は整流回路、１９は出力電流位相検出回路、２０は比較基準信号出力回路、２１は位相比較回路、２２はスイッチング素子１２、１３のスイッチングパターンを制御する制御回路である。
【００３７】
さらに、同図において、インダクタンス１４と共振コンデンサ１５は共振回路３１を構成し、この共振回路３１と負荷１６は出力回路３２を構成する。なお、スイッチング素子１２及び１３は内部にダイオードを内蔵している。
【００３８】
つぎに、この実施の形態１に係る進相検知回路の動作について図面を参照しながら説明する。
【００３９】
図２は、この発明の実施の形態１に係る進相検知回路の出力回路の電流位相が出力回路の電圧位相に対し遅れ位相の場合における動作を示すタイミングチャートである。また、図３は、この発明の実施の形態１に係る進相検知回路の出力回路の電流位相が出力回路の電圧位相とほぼ一致している場合における動作を示すタイミングチャートである。さらに、図４は、この発明の実施の形態１に係る進相検知回路の出力回路の電流位相が出力回路の電圧位相に対し進み位相の場合における動作を示すタイミングチャートである。
【００４０】
まず、出力回路３２の電流位相が出力回路３２の電圧位相に対し遅れ位相である場合の動作を説明する。
【００４１】
図２（ａ）及び（ｂ）に示したような、スイッチング素子オンオフ信号が制御回路２２からスイッチング素子１２及び１３にそれぞれ与えられ、スイッチング素子１２及び１３は交互にオンオフを繰り返す。これにより、出力回路３２には図２（ｅ）に示したような電流が流れる。
【００４２】
一方、比較基準信号出力回路２０は、図２（ａ）及び（ｂ）に示したスイッチング素子オンオフ信号から、図２（ｃ）に示した、出力に流れる電流の位相と比較するための基準矩形波信号を出力する。
【００４３】
また、出力電流位相検出回路１９は、電流検出カレントトランス１７、および整流回路１８から、図２（ｆ）に示した出力回路３２の電流と正負の位相が合致した矩形波を出力する。
【００４４】
なお、この場合、出力回路３２の電流位相が出力回路３２の電圧位相に対し遅れ位相であるため、出力電流位相検出回路１９の出力矩形波の位相は、比較基準信号出力回路２０の基準矩形波の位相反転タイミングに対して時間的に遅れたタイミングで反転し、位相比較回路２１の出力は、図２（ｋ）に示すように、現れない。ここで、図２中の（ｇ）、（ｈ）、（ｉ）、（ｊ）、（ｋ）は、位相比較回路２１中の各ゲート素子の出力ｇ、ｈ、ｉ、ｊ、ｋの波形を示す。
【００４５】
次に、出力回路３２の電流位相が出力回路３２の電圧位相と一致、或いは電流位相が電圧位相に対して進み位相となった場合の動作を説明する。最初に、出力回路３２の電流位相が出力回路３２の電圧位相と一致する場合で、図３を使って説明する。
【００４６】
この時、出力電流位相検出回路１９の出力は、図３（ｆ）に示したようになり、出力電流位相検出回路１９の出力矩形波の位相は、比較基準信号出力回路２０の基準矩形波の位相反転とほぼ一致したタイミングで反転する。この結果、図３（ｋ）に示すように、位相比較回路２１の出力矩形波が現れ、出力回路３２の電流位相が出力回路３２の電圧位相に近付いたことが検知される。ここで、図３中の（ｇ）、（ｈ）、（ｉ）、（ｊ）、（ｋ）は、位相比較回路２１中の各ゲート素子の出力ｇ、ｈ、ｉ、ｊ、ｋの波形を示す。
【００４７】
つづいて、出力回路３２の電流位相が出力回路３２の電圧位相に対して進み位相となった場合を、図４を使って説明する。
【００４８】
この時、出力電流位相検出回路１９の出力は、図４（ｆ）に示したようになり、出力電流位相検出回路１９の出力矩形波の位相は、比較基準信号出力回路２０の基準矩形波の位相より時間的に進んだタイミングで反転する。この結果、図４（ｋ）に示すように、位相比較回路２１の出力に矩形波が現れ、出力回路３２の電流位相が出力回路３２の電圧位相より進んだことが検知される。ここで、図４中の（ｇ）、（ｈ）、（ｉ）、（ｊ）、（ｋ）は、位相比較回路２１中の各ゲート素子の出力ｇ、ｈ、ｉ、ｊ、ｋの波形を示す。
【００４９】
このように、本実施の形態１によれば、出力回路３２の電流位相が出力回路３２の電圧位相より進んだ場合のみならず、出力回路３２の電流位相が出力回路３２の電圧位相に近づき、ほぼ一致した段階で位相比較回路２１より矩形波を出力ことができ、実際に出力回路３２の電流位相が出力回路３２の電圧位相より進み位相となる以前に進相に近付いたことを検知出来る。これによって、進相による過大なダイオードリカバリ電流の発生や、出力回路３２への大きな電流の流入を防ぐことが出来る。
【００５０】
また、この実施の形態１は、出力電流とスイッチング素子駆動信号のみから進相検知を行うため、共振回路の方式、負荷の特性に囚われず確実に動作が可能である。
【００５１】
上記の実施の形態１では、スイッチング回路１回路でインバータ回路を構成するハーフ・ブリッジ方式で説明したが、スイッチング回路２回路でインバータ回路を構成するフルブリッジ方式、３回路以上使う方式でも適用できる。
【００５２】
すなわち、この実施の形態１に係る進相検知回路は、出力電流位相検出回路１９が出力電流の位相に合致した矩形波信号を出力し、比較基準信号出力回路２０が出力に流れるべき電流の位相に合致した基準矩形波信号を出力し、位相比較回路２１は、該出力電流位相検出回路１９の出力矩形波と、該比較基準信号出力回路２０の出力基準矩形波とを比較し、該出力電流位相検出回路１９の出力矩形波の位相と、該比較基準信号出力回路２０の出力基準矩形波の位相とが一致、或いは該出力電流位相検出回路１９の出力矩形波の位相が進み位相となっている場合に、進相或いは進相に近付いていると判断し、矩形波を出力するもので、出力回路３２の電流位相が出力回路３２の電圧位相に対し進み位相、或いはその状態に近付いたことを確実に検知する。
【００５３】
【発明の効果】
この発明の請求項１に係る進相検知回路は、以上説明したとおり、直流電源、及びこの直流電源に接続され、複数のスイッチング素子を直列に接続したスイッチング回路を少なくとも１つ以上有するインバータ回路と、前記複数のスイッチング素子をオンオフするスイッチング素子駆動信号を出力する制御回路と、インダクタンス及びコンデンサから構成される共振回路並びに前記共振回路に接続された負荷で構成され、前記インバータ回路に接続された出力回路と、前記出力回路に流れる電流を検出する変流器と、前記変流器の出力を整流し、前記出力回路に流れる電流に比例した電圧を出力する整流回路と、前記整流回路の出力電圧に基づき、前記出力回路の電流と正負の位相が合致した位相を有する矩形波信号を出力する出力電流位相検出回路と、前記制御回路からのスイッチング素子駆動信号に基づき、前記出力回路に流れる電流の位相と比較するための基準矩形波信号を出力する比較基準信号出力回路と、前記出力電流位相検出回路が出力した矩形波信号及び前記比較基準信号出力回路が出力した基準矩形波信号を比較し、前記出力回路の電流位相が前記出力回路の電圧位相に近付いたこと、あるいは前記出力回路の電流位相が前記出力回路の電圧位相より進んだことを示す単一の矩形波信号を出力する位相比較回路とを備えたので、電流位相が電圧位相に対し進み位相、或いはその状態に近付いたことを確実に検知することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１に係る進相検知回路の構成を示す図である。
【図２】  この発明の実施の形態１に係る進相検知回路の電流遅れ位相の場合の動作を示すタイミングチャートである。
【図３】  この発明の実施の形態１に係る進相検知回路の電流共振の場合の動作を示すタイミングチャートである。
【図４】  この発明の実施の形態１に係る進相検知回路の電流進み位相の場合の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】  従来のインバータ装置の構成を示す図である。
【図６】  従来のインバータ装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図７】  従来のインバータ装置の進み位相の場合の動作を示すタイミングチャートである。
【図８】  従来の高周波電源装置の構成を示す図である。
【図９】  従来の他のインバータ装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１１  直流電源、１２、１３  スイッチング素子、１４  インダクタンス、１５  コンデンサ、１６  負荷、１７  電流検出カレントトランス、１８  整流回路、１９  出力電流位相検出回路、２０  比較基準信号出力回路、２１  位相比較回路、２２  制御回路、３１  共振回路、３２  出力回路。
【図１】
0004230076.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0004230076.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004230076.tif 000007
【図７】
0004230076.tif 000008
【図８】
0004230076.tif 000009
【図９】
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