(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源の両端にスイッチング素子とダイオードの直列体からなるアーム２組を、各スイッチング素子の片側が直流電源の異なる極性側に、各ダイオードの電流方向が直流電源の陽極側に向かうように接続し、各アームのスイッチング素子とダイオードの接続点間に誘導性の負荷を接続し、片側アームのダイオードと直列にコンデンサを、並列にリアクトルを接続したことを特徴とする誘導性負荷駆動装置。
【請求項２】
ダイオードと直列に接続したコンデンサの電圧を一定値に制御することを特徴とする請求項１記載の誘導性負荷駆動装置。
【請求項３】
負荷電流の制御をダイオードと直列に接続したコンデンサの電圧を一定値に制御することよりも優先することを特徴とする請求項１または２記載の誘導性負荷駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は直流電源より直流電動機、誘導加熱用コイル、各種電磁石用コイルなどの誘導性負荷に１方向の電流と双方向の電圧を供給する２象限駆動装置に関するもので、特に低損失と高速性を共に要求されるものに使用して効果がある。
【０００２】
【従来の技術】
図４はこのような用途に従来用いられている装置の構成を示すものである。
同図において１は直流電源、２、３はスイッチング素子で具体的にはＦＥＴ、ＢＴＲ、ＩＧＢＴなどの各種トランジスタや、ＧＴＯ、ＳＩＴＨなどの各種サイリスタが使用される。４、５はダイオードで、高速動作させる場合は逆電流により直流電源を短絡せぬよう逆回復時間の短いものが使用される。６は誘導性の負荷で、等価リアクトル６１と等価抵抗６２から成る。
説明を簡素化するために負荷電流ｉＬは連続しているものと仮定する。そうでない場合でも負荷と直列にリアクトルを挿入したり、スイッチング素子２、３の動作周波数を上げるなどの方法により連続状態とすることができる。この場合図４の回路はスイッチング素子２、３の開閉状態により４つの動作モード１〜４を持ち、この様子を表１に示す。
【０００３】
【表１】
0003736826.tif 000002
【０００４】
表１において、直流電源１の電圧をＶ、スイッチング素子２をＳＷ１、スイッチング素子３をＳＷ２、直流電源１の陰極に対するダイオード４のカソード電圧をｖ１、直流電源１の陰極対するダイオード５のアノード電圧をｖ２、負荷の両端電圧をｖＬ、各モードの持続時間ＴをＴ１〜Ｔ４とし、スイッチング素子２、３やダイオード４、５の電圧降下は無視している。ｉＬの項の下向きの矢印はｉＬが急速に減少することを、斜め下向きの矢印は緩やかに減少することを示している。他の記号も同様である。
【０００５】
モード１ではＳＷ１、ＳＷ２の両スイッチング素子がＯＦＦしており、負荷電流ｉＬは
直流電源１の陰極→ダイオード４→負荷６→ダイオード５→直流電源１の陽極の経路で流れ、ダイオード４、５が導通しているためｖ１は０、ｖ２はＶとなる。負荷電圧ｖＬはｖ１−ｖ２ゆえ−Ｖとなり、ｉＬは負荷の等価リアクトル６１のインダクタンスをＬＬ、等価抵抗６２の抵抗値をＲＬとすると、−Ｖ／ＲＬに向かってＲＬ／ＬＬの時定数で急速に減少する。ただし、ダイオード４、５があるため実際には負にはならない。
モード２ではＳＷ２のみＯＮで、ｉＬは
負荷６→ＳＷ２→ダイオード４→負荷６
のループで流れ、負荷６はＳＷ２とダイオード４により短絡されるためｖＬは０となり、ｉＬは０に向かってＲＬ／ＬＬの時定数で減少する。最終値が−Ｖ／ＲＬでなく０であるため、減少速度はモード１に比べて緩やかである。
【０００６】
モード３ではＳＷ１のみＯＮで、ｉＬは
負荷６→ダイオード５→ＳＷ１→負荷６
のループで流れ、負荷６はダイオード５とＳＷ１により短絡されるためｖＬは０となり、ｉＬはモード２と同様に緩やかに減少する。
モード４ではＳＷ１、ＳＷ２が共にＯＮで、ｉＬは
直流電源１の陽極→ＳＷ１→負荷６→ＳＷ２→直流電源１の陰極の経路で流れ、ｖＬはＶとなり、ｉＬはＶ／ＲＬに向かってＲＬ／ＬＬの時定数で急速に増加する。
【０００７】
図５（イ）はよく知られているように、ヒステリシスコンパレータにより負荷電流ｉＬの瞬時値制御を行った時の様子を示しており、ｉＬは目標値ｉＬ＊を中心として上限値ｉＬ＊ｍａｘと下限値ｉＬ＊ｍｉｎ間に制御される。同図（ロ）は表１の動作モードを示している。時刻ｔ０においてｉＬがｉＬ＊ｍｉｎに達すると、ｉＬを上昇させるモードは４のみゆえモード４が選択されてｉＬは急上昇する。実際には指数関数的に上昇するが、図では簡素化するため直線で表している。ｔ１においてｉＬがｉＬ＊ｍａｘに達するとｉＬを減少させる必要があるが、減少させるモードは１、２、３の３っがある。ｉＬとｉＬ＊との差が通常よりも大きくなった時などのように短時間で目標値に近ずけたい場合は急速に減少するモード１が選ばれるが、さもなければ緩やかに減少するモード２、３がスイッチング周波数を下げてスイッチング損失を減少させる意味で有利である。同じスイッチング周波数であれば、ｉＬのリップルを減少させることができる。
図５ではモード２を選んだ場合で示してある。時刻ｔ３においても同様の事情となっているが、この場合は前サイクルで通電したＳＷ２に電流を集中させないという意味でモード３を選びＳＷ１に通電している。ｉＬ波形はモード２と同様となる。いま定常状態で同一モードの繰り返しとなっているとすると、スイッチング周波数は時刻ｔ０〜ｔ２で示す１／（Ｔ４＋Ｔ２）またはｔ２〜ｔ４で示す１／（Ｔ４＋Ｔ３）と、ｔ４〜ｔ６で示す１／（Ｔ４＋Ｔ１）が存在する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上で説明したように負荷電流ｉＬを減少させる場合は、急速減少するモード１と緩やかに減少するモード２、３があり場合により使い分けることができるが、上昇させる場合は急速上昇するモード４のみで選択の余地がない。これに対し、本発明はｉＬを緩やかに上昇させる動作モードを可能にし、スイッチング周波数や電流リップルの減少を計らんとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明では、直流電源の両端にスイッチング素子とダイオードの直列体からなるアーム２組を、各スイッチング素子の片側が直流電源の異なる極性側に、各ダイオードの電流方向が直流電源の陽極側に向かうように接続し、各アームのスイッチング素子とダイオードの接続点間に誘導性負荷を接続し、片側アームのダイオードと直列にコンデンサを、並列にリアクトルを接続する。
このような回路構成にすることにより緩やかに電流を上昇させるモードも実現することができる。この回路構成において、ダイオードと直列に接続したコンデンサの電圧を一定値に制御することも可能である。また、負荷電流の制御をダイオードと直列に接続したコンデンサの電圧を一定値に制御することよりも優先することも可能である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による誘導性負荷２象限駆動装置の回路構成を示すもので、図４と同一番号のものは同一のものを示し、７は容量Ｃのコンデンサで図のようにダイオード４と直列に接続され、８はインダクタンスＬＣなるリアクトルで図のようにダイオード４に並列接続される。Ｃ、ＬＣは十分に大きく、コンデンサ７電圧ｖＣとリアクトル８電流ｉＬＣの平均値ＶＣ、ＩＬＣはほぼ一定に保たれているとし、ＶＣ<<Ｖと仮定する。図１の回路はスイッチング素子２のＳＷ１とスイッチング素子３のＳＷ２の開閉状態により４つの動作モード１〜４を持ち、この様子を表２に示す。ｖＣ項の斜め上向きの矢印、斜め下向きの矢印はｖＣの上昇、下降傾向を示す。
【００１１】
【表２】
0003736826.tif 000003
【００１２】
モード１では表１と同様にＳＷ１、ＳＷ２の両スイッチング素子がＯＦＦしており、負荷電流ｉＬは
直流電源１の陰極→コンデンサ７→ダイオード４→負荷６→ダイオード５→直流電源１の陽極
の経路で流れ、ダイオード４、５が導通しているためｖ１はＶＣ、ｖ２はＶとなる。負荷電圧ｖＬはｖ１−ｖ２ゆえＶＣ−Ｖとなり、ｉＬは（ＶＣ−Ｖ）／ＲＬに向かってＬＬ／ＲＬの時定数で急速に減少する。ただし、ダイオード４、５があるため実際には負とはならない。コンデンサ７には放電方向の電流が流れ、ｖＣは減少傾向となる。またリアクトル８の電流ｉＬＣはダイオード４を通って環流しその値を維持する。
【００１３】
モード２ではＳＷ２のみＯＮで、ｉＬは
負荷６→ＳＷ２→コンデンサ７→ダイオード４→負荷６
のループで流れる。ＳＷ２とダイオード４が導通するためｖ１はＶＣ、ｖ２は０となり、ｖＬはｖ１−ｖ２ゆえＶＣとなり、ｉＬはＶＣ／ＲＬに向かってＬＬ／ＲＬの時定数で上昇する。最終値が（ＶＣ−Ｖ）／ＲＬでなくＶＣ／ＲＬでありＶＣ<<Ｖゆえ上昇速度はモード１に比べて緩やかである。コンデンサ７にはモード１と同様に放電方向の電流が流れ、ｖＣは減少傾向となる。リアクトル８の電流ｉＬＣはやはりダイオード４を通って環流しその値を維持する。
【００１４】
モード３ではＳＷ１のみＯＮで、ｉＬは
負荷６→ダイオード５→ＳＷ１→負荷６
のループで流れ、負荷６はダイオード５とＳＷ１により短絡されるためｖＬは０となり、ｉＬは図４回路と同様に緩やかに減少する。ＳＷ１がＯＮしてｖ１＝Ｖとなるためコンデンサ７にはリアクトル８を通して充電電流が流れ、ｖＣは上昇傾向となる。
モード４ではＳＷ１、ＳＷ２が共にＯＮで、ｉＬは
直流電源１の陽極→ＳＷ１→負荷６→ＳＷ２→直流電源１の陰極
の経路で流れ、ｖＬはＶとなり、ｉＬは図４回路と同様にＶ／ＲＬに向かってＬＬ／ＲＬの時定数で急速に増加する。モード３と同様にＳＷ１がＯＮしてｖ１＝Ｖとなるためコンデンサ７にはリアクトル８を通して充電電流が流れ、ｖＣは上昇傾向となる。
【００１５】
図２（イ）は図５と同様に、ヒステリシスコンパレータにより負荷電流ｉＬの瞬時値制御を行った時の様子を示しており、ｉＬは目標値ｉＬ＊を中心として上限値ｉＬ＊ｍａｘと下限値ｉＬ＊ｍｉｎ間に制御される。同図（ロ）は表２の動作モードを示している。時刻ｔ０においてｉＬがｉＬ＊ｍｉｎに達すると、ｉＬを上昇させるモードは２、４の２っがあるが、ここではスイッチング周波数減少の観点からモード２を選択した場合を示しており、ｉＬは緩やかに上昇する。時刻ｔ４においても同様の事情となっているが、この場合は高速応答の観点からｉＬが急上昇するモード４を選択した場合を示している。ｔ１においてｉＬがｉＬ＊ｍａｘに達するとｉＬを減少させる必要があるが、この時のモードは１、３の２っがある。ここではスイッチング周波数減少の観点からモード３を選択した場合を示している。時刻ｔ３においても同様の事情となっているが、この場合は高速応答の観点からモード１を選択した場合で示している。いま定常状態で同一モードの繰り返しとなっているとすると、スイッチング周波数としては時刻ｔ０〜ｔ２で示す１／（Ｔ２＋Ｔ３）と、ｔ２〜ｔ４で示す１／（Ｔ２＋Ｔ１）と、ｔ４〜ｔ６で示す１／（Ｔ４＋Ｔ１）と、図示せぬが１／（Ｔ４＋Ｔ３）が存在し、目的に応じて使い分ける。
以上ダイオード４と直並列にコンデンサとリアクトルを接続する例で述べたが、ダイオード５側にても同様のことが行えるのは明らかである。
【００１６】
図３は図１回路のスイッチング素子２（ＳＷ１）、３（ＳＷ２）を駆動する信号を発生させるための制御回路構成を示すものである。同図において３１は負荷電流指令値ｉＬ＊と実負荷電流ｉＬとの差を出力する加減算器、３２はコンデンサ７電圧指令値ｖＣ＊と実コンデンサ電圧ｖＣとの差を出力する加減算器、３３は上側動作点ｉＬ＊ｍａｘと下側動作点ｉＬ＊ｍｉｎを持つヒステリシスコンパレータ、３４はｉＬ＊ｍａｘより上の動作点を有するコンパレータ、３５はｉＬ＊ｍｉｎより下の動作点を有するコンパレータ、３６は加減算器３２出力の正負を判別するコンパレータで、コンパレータ３４、３５、３６にも動作を安定化するためにわずかのヒステリシスを付けるのが通常である。
【００１７】
コンパレータ３３〜３６の出力はそれぞれ負荷電流ｉＬの上昇指令、負荷電流ｉＬの急上昇指令、負荷電流ｉＬの急下降指令、コンデンサ７電圧の上昇指令信号となる。３７、３８はＮＯＴ素子で、コンパレータ３３、ＮＯＴ素子３７、コンパレータ３４、３５、３６、ＮＯＴ素子３８の出力はそれぞれ動作モード２・４、１・３、４、１、３・４、１・２の要求信号となる。３９、４０はＡＮＤ素子で、それぞれの出力は動作モード２、３の要求信号となる。なお、ＡＮＤ素子３９、４０出力はそれぞれコンパレータ３４、３５の出力により禁止されｖＣ制御よりもｉＬ制御を優先する動作を行う。ｉＬ制御が優先された場合は一時的にｖＣが指令値ｖＣ＊よりはずれるが、その後の制御で再び指令値に近ずく。４１、４２はＯＲ素子で各出力はＳＷ２、ＳＷ１の駆動信号となる。この回路構成が妥当なことは表２より明らかである。
【００１８】
【発明の効果】
以上詳述した如く、図４の従来型誘導性負荷２象限駆動装置に１個のコンデンサと１個のリアクトルを追加するのみで負荷電流が緩やかに上昇する動作モードを追加することができ、スイッチング素子チョッピング周波数の低減や負荷電流リップルの低減に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回路構成を示す図である。
【図２】本発明の動作波形を示す図である。
【図３】本発明の制御回路構成を示す図である。
【図４】従来装置の回路構成を示す図である。
【図５】従来装置の動作波形を示す図である。
【符号の説明】
１                  直流電源
２、３              スイッチング素子
４、５              ダイオード
６                  負荷
６１                等価リアクトル
６２                等価抵抗
７                  コンデンサ
８                  リアクトル
３１、３２          加減算器
３３                ヒステリシスコンパレータ
３４、３５、３６    コンパレータ
３７、３８          ＮＯＴ素子
３９、４０          ＡＮＤ素子
４１、４２          ＯＲ素子
【図１】
0003736826.tif 000004
【図２】
0003736826.tif 000005
【図３】
0003736826.tif 000006
【図４】
0003736826.tif 000007
【図５】
0003736826.tif 000008