(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々２個のスイッチング素子の直列回路からなる第１、第２のスイッチング素子対を直列に接続し、各スイッチング素子対に並列に直流電圧源を接続するとともに、
各スイッチング素子対を構成する２個のスイッチング素子同士の接続点と、２つのスイッチング素子対同士の接続点またはスイッチング素子対の一端との間に、コンデンサと負荷との直列回路を形成して構成され、
各スイッチング素子対の上アームのスイッチング素子同士と下アームのスイッチング素子同士とを一括して交互にオン・オフさせることを特徴とするインバータ回路。
【請求項２】
各々２個のスイッチング素子の直列回路からなる３つ以上のスイッチング素子対を直列に接続し、各スイッチング素子対に並列に直流電圧源を接続するとともに、
各スイッチング素子対を構成する２個のスイッチング素子同士の接続点と、２つのスイッチング素子対同士の接続点またはスイッチング素子対の一端との間に、コンデンサと負荷との直列回路を形成して構成され、
各スイッチング素子対の上アームのスイッチング素子同士と下アームのスイッチング素子同士とを一括して交互にオン・オフさせることを特徴とするインバータ回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低電圧、大電流を必要とする負荷の給電回路に適したインバータ回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、特公平７−２０３７８号公報に記載されたこの種のインバータ回路の従来技術である。
図において、１は直流電源（電圧Ｅd）、２ａ，２ｂは直流電源１の両端に直列接続された直流電圧源としての分圧用のコンデンサ、３ａ，３ｂはコンデンサ２ａに並列接続されたＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子、３ｃ，３ｄはコンデンサ２ｂに並列接続されたスイッチング素子対、４ａ〜４ｄは各スイッチング素子３ａ〜３ｄにそれぞれ逆並列接続されたダイオード、５は一端がスイッチング素子３ａ，３ｂ同士の接続点に接続されたコンデンサ、７は一次巻線の一端が前記コンデンサ５の他端に接続され、他端がスイッチング素子３ｃ，３ｄ同士の接続点に接続された変圧器、６は変圧器７の二次巻線の両端に接続された負荷であり、低電圧、大電流を必要とする誘導加熱装置等である。
【０００３】
このインバータ回路においては、スイッチング素子の耐電圧の２倍の直流中間電圧Ｅｄがスイッチング素子３ａ〜３ｄの直列回路両端に印加され、±Ｅd／４の負荷電圧とスイッチング素子の許容電流の２倍の負荷電流を供給するように動作する。
また、前記変圧器７は、インバータ回路の出力電圧を１／２倍にし、出力電流を２倍にして負荷６に供給する機能を持つ。
【０００４】
その動作を詳述すると、上記従来技術では、直列接続された２つのスイッチング素子対のそれぞれ外側のスイッチング素子３ａ，３ｄと、内側のスイッチング素子３ｂ，３ｃとを交互にスイッチングすることにより、負荷６に交流電力を供給する。
つまり、直流中間電圧Ｅdを分圧するコンデンサ２ａ，２ｂが並列接続された各スイッチング素子対の中の一方のスイッチング素子がオンするので、各スイッチング素子３ａ〜３ｄには、直流中間電圧Ｅdの１／２以下が印加されることになる。
【０００５】
外側のスイッチング素子３ａ，３ｄがオンしているとき、電流はコンデンサ５を介して負荷６に供給されるため、図示の極性で電圧が印加されているコンデンサ５の電圧が差し引かれ、変圧器７の一次巻線に電圧（＋Ｅd／２）が印加される。また、内側のスイッチング素子３ｂ，３ｃがオンしているとき、コンデンサ５の電圧（−Ｅd／２）が変圧器７の一次巻線に印加されることになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示したインバータ回路では、出力電圧を１／２倍、出力電流を２倍にするためにインバータ回路の出力側に変圧器が接続されており、装置全体が大形化するとともにコストが高くなるという問題があった。
そこで本発明は、出力側に変圧器を設けなくても低電圧、大電流の負荷に対して所望の交流電力を供給できるようにしたインバータ回路を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、各々２個のスイッチング素子の直列回路からなる第１、第２のスイッチング素子対を直列に接続し、各スイッチング素子対に並列に直流電圧源を接続するとともに、各スイッチング素子対を構成する２個のスイッチング素子同士の接続点と、２つのスイッチング素子対同士の接続点またはスイッチング素子対の一端との間に、コンデンサと負荷との直列回路を形成して構成され、各スイッチング素子対の上アームのスイッチング素子同士と下アームのスイッチング素子同士とを一括して交互にオン・オフさせるものである。
【０００８】
本発明においては、スイッチング素子対に並列に接続されたコンデンサ電圧と負荷側に接続されたコンデンサ電圧との組合せにより、負荷の両端にそれぞれ直流中間電圧Ｅdを±１／（２×２）倍にした電圧を出力し、負荷には電流を並列的に供給してスイッチング素子の許容電流の２倍の電流を流すことができる。
【０００９】
請求項２記載の発明は、各々２個のスイッチング素子の直列回路からなる３つ以上のスイッチング素子対を直列に接続し、各スイッチング素子対に並列に直流電圧源を接続するとともに、各スイッチング素子対を構成する２個のスイッチング素子同士の接続点と、２つのスイッチング素子対同士の接続点またはスイッチング素子対の一端との間に、コンデンサと負荷との直列回路を形成して構成され、各スイッチング素子対の上アームのスイッチング素子同士と下アームのスイッチング素子同士とを一括して交互にオン・オフさせるものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。まず、図１は請求項１に記載した発明の実施形態を示す回路図であり、図６と同一の構成要素には同一の参照符号を付してある。
【００１１】
図１の実施形態は、図６と同様にスイッチング素子対が２個直列に接続されている。すなわち、スイッチング素子の耐電圧の２倍の電圧を供給する直流電源１に直流電圧源としての分圧用のコンデンサ２ａ，２ｂの直列回路が接続され、コンデンサ２ａには直列接続されたＭＯＳＦＥＴ等の第１、第２のスイッチング素子３ａ，３ｂが、コンデンサ２ｂには直列接続された第３、第４のスイッチング素子３ｃ，３ｄがそれぞれ並列に接続されている。
ここで、スイッチング素子３ａ，３ｂは第１のスイッチング素子対を構成し、スイッチング素子３ｃ，３ｄは第２のスイッチング素子対を構成している。また、各スイッチング素子３ａ〜３ｄには、逆並列にダイオード４ａ〜４ｄが接続されている。
【００１２】
更に、スイッチング素子３ａ，３ｂ同士の接続点と負荷６の一端との間にコンデンサ５ａが接続され、スイッチング素子３ｃ，３ｄ同士の接続点と負荷６の一端との間にコンデンサ５ｂが接続されている。また、負荷６の他端はスイッチング素子３ｂ，３ｃ同士の接続点に接続されている。
上記接続構成は、見方を変えれば、スイッチング素子３ａ，３ｂ同士の接続点と第１、第２のスイッチング素子対同士の接続点との間、及び、スイッチング素子３ｃ，３ｄ同士の接続点と第１、第２のスイッチング素子対同士の接続点との間に、何れも負荷６とコンデンサ５ａ（またはコンデンサ５ｂ）との直列回路が形成されるものである。
コンデンサ５ａ，５ｂは、直流分電圧Ｅd／４を分担する目的ばかりでなく、インダクタンス負荷との直列共振コンデンサ、負荷の偏磁防止用直流分カットコンデンサ等を兼ねることができる。
【００１３】
上記実施形態の動作を、図２、図３を用いて説明する。なお、図３は本実施形態におけるスイッチング素子３ａ〜３ｄの動作を示すタイミングチャート、並びに各部の電圧、電流波形図である。ここで、図３における電圧の極性は図１に矢印で示すとおりであり、電流については図１の矢印方向を正方向とする。
この実施形態では、直列接続された第１、第２のスイッチング素子対の、それぞれ上アームのスイッチング素子（第１、第３のスイッチング素子）３ａ，３ｃと下アームのスイッチング素子（第２、第４のスイッチング素子）３ｂ，３ｄとを一括して交互にオン・オフすることにより、負荷６に低電圧、大電流の交流電力を供給する。
【００１４】
まず、図２（Ａ）に示すように第１、第３のスイッチング素子３ａ，３ｃがオン状態、第２、第４のスイッチング素子３ｂ，３ｄがオフ状態のとき、スイッチング素子３ａから出力された電流は、コンデンサ５ａ→負荷６→コンデンサ２ａ→スイッチング素子３ａの経路で流れる。これにより、負荷６には、コンデンサ２ａの電圧（＋Ｅd／２）にコンデンサ５ａの電圧（−Ｅd／４）を足し合わせた電圧（＋Ｅd／４）が印加される。
また、スイッチング素子３ｃから出力された電流は、コンデンサ５ｂ→負荷６→スイッチング素子３ｃの経路で流れる。すなわち、上記スイッチング素子３ａを流れる電流と並列的な経路をとる。このため、負荷６には、コンデンサ５ｂの電圧（＋Ｅd／４）が印加される。
【００１５】
次に、図２（Ｂ）に示すように第２、第４のスイッチング素子３ｂ，３ｄがオン状態、第１、第３のスイッチング素子３ａ，３ｃがオフ状態のとき、電流はスイッチング素子３ｂ→負荷６→コンデンサ５ａ→スイッチング素子３ｂの経路を流れ、負荷６には、コンデンサ５ａの電圧（−Ｅd／４）が印加される。
また、他の電流は、スイッチング素子３ｄ→コンデンサ２ｂ→負荷６→コンデンサ５ｂ→スイッチング素子３ｄの経路で並列的に流れ、負荷６には、コンデンサ２ｂの電圧（−Ｅd／２）にコンデンサ５ｂの電圧（＋Ｅd／４）を足し合わせた電圧（−Ｅd／４）が印加される。
【００１６】
上記のようにこの実施形態では、従来技術と同様に、直流中間電圧Ｅdを分圧したコンデンサ２ａ，２ｂが並列接続された、第１、第２のスイッチング素子対の中の上アームまたは下アームのスイッチング素子がオンするので、各スイッチング素子３ａ〜３ｄには何れも直流中間電圧Ｅdの１／２以下が印加される。
また、スイッチング素子に逆並列接続されたダイオードに電流が流れるときは、負荷６に印加される電圧は同じであり、電流が逆方向となる。
以後、スイッチング素子３ａ，３ｃと３ｂ，３ｄとのオン・オフを交互に繰り返すことにより、負荷６には、±Ｅd／４の電圧とスイッチング素子の許容電流の２倍の電流とによる交流電力が供給される。
【００１７】
次いで、請求項２に記載した発明の実施形態を図４に示す。この実施形態では、各々２個のスイッチング素子の直列回路からなる第１〜第３のスイッチング素子対が直列に接続されている。
すなわち、スイッチング素子の耐電圧の３倍の電圧を供給する直流電源１に分圧用のコンデンサ２ａ，２ｂ，２ｃの直列回路が接続され、コンデンサ２ａには直列接続された第１、第２のスイッチング素子３ａ，３ｂが、コンデンサ２ｂには直列接続された第３、第４のスイッチング素子３ｃ，３ｄが、コンデンサ２ｃには直列接続された第５、第６のスイッチング素子３ｅ，３ｆがそれぞれ並列に接続されている。ここで、第１、第２のスイッチング素子３ａ，３ｂは第１のスイッチング素子対を構成し、第３、第４のスイッチング素子３ｃ，３ｄは第２のスイッチング素子対を構成し、第５、第６のスイッチング素子３ｅ，３ｆは第３のスイッチング素子対を構成している。また、各スイッチング素子３ａ〜３ｆには、逆並列にダイオード４ａ〜４ｆが接続されている。
【００１８】
更に、スイッチング素子３ａ，３ｂ同士の接続点と負荷６の一端との間にコンデンサ５ａが接続され、スイッチング素子３ｃ，３ｄ同士の接続点と負荷６の一端との間にコンデンサ５ｂが接続されているとともに、スイッチング素子３ｅ，３ｆ同士の接続点と負荷６の一端との間にコンデンサ５ｃが接続されている。また、負荷６の他端はスイッチング素子３ｅ，３ｆ同士の接続点に接続されている。
【００１９】
上記接続構成は、見方を変えれば、スイッチング素子３ａ，３ｂ同士の接続点と第２、第３のスイッチング素子対同士の接続点との間、スイッチング素子３ｃ，３ｄ同士の接続点と第２、第３のスイッチング素子対同士の接続点との間、及び、スイッチング素子３ｅ，３ｆ同士の接続点と第２、第３のスイッチング素子対同士の接続点との間に、何れも負荷６とコンデンサ（５ａまたは５ｂまたは５ｃ）との直列回路が形成されるものである。
【００２０】
この実施形態では、直列接続された第１、第２、第３のスイッチング素子対の、各々上アームのスイッチング素子（第１、第３、第５のスイッチング素子）３ａ，３ｃ，３ｅと下アームのスイッチング素子（第２、第４、第６のスイッチング素子）３ｂ，３ｄ，３ｆとを一括して交互にオン・オフすることにより、負荷６に低電圧、大電流の交流電力を供給する。
その際の電流経路の図示は省略するが、各分圧用コンデンサ２ａ，２ｂ，２ｃの電圧がＥd／３である状態で上述したようなスイッチングを行い、負荷側コンデンサ５ａ，５ｂ，５ｃの電圧を図示するようにＥd／２，Ｅd／６，Ｅd／６（それぞれの極性を矢印で示す）とすれば、負荷６には、±Ｅd／６の電圧とスイッチング素子の許容電流の３倍の電流とによる交流電力が供給されることになる。
【００２１】
次に、図５は請求項２の発明の他の実施形態を示している。図４と異なるのは、図５では第２のスイッチング素子対を構成するスイッチング素子３ｃ，３ｄ同士の接続点が負荷６の一端に直接接続され、負荷６の他端が、コンデンサ８ａ，８ｂ，８ｃを介して、スイッチング素子３ｂ，３ｃ同士（第１、第２のスイッチング素子対同士）の接続点、同３ｄ，３ｅ同士（第２、第３のスイッチング素子対同士）の接続点、スイッチング素子３ｆとコンデンサ２ｃとの接続点（直流電源１の負極）にそれぞれ接続されている点である。
【００２２】
この実施形態においても、第１、第３、第５のスイッチング素子３ａ，３ｃ，３ｅと第２、第４、第６のスイッチング素子３ｂ，３ｄ，３ｆとを一括して交互にオン・オフすることにより、負荷６に低電圧、大電流の交流電力を供給する。上述したようなスイッチングを行い、出力側コンデンサ５ａ，５ｂ，８ａ，８ｂ，８ｃの電圧を図示するようにＥd／３，Ｅd／３，Ｅd／６，Ｅd／６，Ｅd／２（それぞれの極性を矢印で示す）とすれば、負荷６には、図４の実施形態と同様に±Ｅd／６の電圧とスイッチング素子の許容電流の３倍の電流とによる交流電力が供給されるものである。
【００２３】
なお、本発明は一般に、２個のスイッチング素子の直列回路からなるスイッチング素子対がｎ（ｎは２以上の整数）個直列接続されたインバータ回路であって、スイッチング素子の耐電圧のｎ倍以上の直流電圧が電源として供給された場合に、スイッチング素子を必要個数直列接続する等の手段によらずに、各スイッチング素子に印加される電圧を耐電圧以下にし、また変圧器等を用いることなく、１／（２×ｎ）の負荷電圧でスイッチング素子の許容電流のｎ倍の負荷電流を供給することができる。
【００２４】
なお、上記実施形態では、インバータ回路を構成するスイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを用いているが、他のスイッチング素子（例えばＧＴＯ等の自己消弧形素子）を使用しても良い。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、従来のように変圧器等を用いることなく低電圧、大電流の交流出力が得られるため、信頼性が高く、小形かつ低コストのインバータ回路を提供することができる。特に本発明は、低電圧、大電流を必要とする誘導加熱装置等の電源装置に適用すると有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１に記載した発明の実施形態を示す回路図である。
【図２】図１の実施形態の動作説明図である。
【図３】図１の実施形態におけるスイッチング素子の動作を示すタイミングチャート、並びに各部の電圧、電流波形図である。
【図４】請求項２に記載した発明の実施形態を示す回路図である。
【図５】請求項２に記載した発明の他の実施形態を示す回路図である。
【図６】従来技術を示す回路図である。
【符号の説明】
１  直流電源
２ａ，２ｂ，２ｃ，５ａ，５ｂ，５ｃ，８ａ，８ｂ，８ｃ  コンデンサ
３ａ〜３ｆ  スイッチング素子
４ａ〜４ｆ  ダイオード
６  負荷
【図１】
0003761019.tif 000002
【図２】
0003761019.tif 000003
【図３】
0003761019.tif 000004
【図４】
0003761019.tif 000005
【図５】
0003761019.tif 000006
【図６】
0003761019.tif 000007