JP2015180127A5 - - Google Patents

Description

この発明は、制御回路にオン・オフ制御されるスイッチング素子によって入力電圧をスイッチングして、そのスイッチング素子がオンの期間に昇圧トランスの励磁巻線に励磁電流を流し、そのスイッチング素子がオフの期間に前記昇圧トランスの出力巻線から交流半波波形の出力電圧を出力するインバータ装置において、上記の目的を達成するため、上記入力電圧の状態を電圧で検出する入力電圧検出手段と、上記出力電圧の状態を瞬時値に対応した電圧で検出する出力電圧検出手段と、その出力電圧検出手段による出力電圧検出信号に基づいて、上記出力電圧が発生している出力発生期間を検出する出力発生期間検出手段と、上記入力電圧検出手段による入力電圧検出信号と上記出力電圧検出手段による出力電圧検出信号とを比較して、上記出力電圧検出信号が上記入力電圧検出信号を超える出力大期間を検出する比較手段と、その比較手段が検出した出力大期間を示す情報を、上記出力発生期間検出手段によって上記出力発生期間が検出されなくなる次の期間へ移行させる移行手段とを有し、その移行手段によって移行された上記出力大期間を示す情報に基づいて、上記制御回路が上記スイッチング素子をオンにする期間を調整することを特徴とする。

この発明によるインバータ装置は、入力電圧が変化しても交流出力電圧の波高値電圧を一定に制御することができる。

トランスＴ１，Ｔ２の励磁巻線Ｎｐ１，Ｎｐ２の並列回路に並列に接続した、ダイオードＤ１とコンデンサＣ１の直列回路はスナバ回路を構成している。抵抗Ｒ１は、入力電圧Ｖin（ＤＣ）によって制御ＩＣ１２に起動電圧を供給するための抵抗である。
各トランスＴ１，Ｔ２は、その出力巻線Ｎｓ１，Ｎｓ２のインダクタンスＬｓと分布容量Ｃｓ及び負荷２の負荷容量Ｃｏとによる共振回路で共振し、出力電圧が共振の鋭さに比例する共振トランスであるのが望ましい。
負荷２は、この実施形態ではプラズマ発生用の放電電極とカウンタ電極を有する放電部を備え、インバータ装置１から出力される交流電圧が放電電極とカウンタ電極との間に印加されることによってプラズマを発生する。放電電極とカウンタ電極との間に負荷容量Ｃｏを有する。

なお、昇圧トランス１０を構成する複数のトランスのいずれか１個に補助巻線Ｎｈと第３次巻線Ｎｄを設けるため、複数のトランスが完全に同じ特性を持つようにするのは難しいが、補助巻線Ｎｈや第３次巻線Ｎｄの出力電力量は小さいので問題はない。
また、昇圧トランス１０を構成する複数のトランスのいずれか１個の出力巻線にタップを出し、出力巻線の一部によって、出力電圧Ｖoutと同期して、波高値がその出力電圧Ｖoutより小さい波形の電圧を発生させて、出力電圧検出信号Ｓoutとしてもよい。
しかし、昇圧トランスを複数のトランスで構成することは、この発明に必須のことではなく、１個のトランスで構成してもよい。

そこで、２個のトランスに蓄積される励磁エネルギーεは、トランス２個の励磁電流の最終値（スイッチング素子Ｑに流れる電流Ｉｄ(Ｑ)）で決まるから、
ε＝（１／２）・（Ｌｐ／２）・Ｉｄ(Ｑ)² ・・・（１）
また、スイッチング素子Ｑがオンし始めてからオフするまでの時間をＴon時間とすると、ごく小さい時間軸では微分となり、励磁電流の最終値Ｉｄ(Ｑ)は、次式になる。
Ｉｄ(Ｑ)＝Ｖin・Ｔon／Ｌｐ ・・・（２）
（１）式に（２）式を代入すると
ε＝（１／４）・Ｌｐ・（Ｖin・Ｔon／Ｌｐ）²
＝（Ｖin・Ｔon）²／４Ｌｐ ・・・・（３）
＊１周期における２個のトランスに印加するエネルギー量になる。

故に、昇圧トランス１０をｎ個のトランスで構成した場合のエネルギー量は、次式になる。
ε＝（Ｖin・Ｔon）²／（２ｎ・Ｌｐ） ・・・・（４）
したがって、出力電力は、（４）式にあるトランスに如何にエネルギーを溜め込むかにかかっており、Ｔonが一定であれば、直角三角形の斜辺の傾きである（２）式のＶin／Ｌｐとなる。

このＬｐは、直流重畳特性ＮI（巻数Ｎと電流Ｉの積）のリニヤな部分のみに依存される。また、Vinが、ＡＣになれば、交流の時間ごとの電圧変化にも依存し、ＤＣであれば、電圧偏差に依存される。このように出力電力の大きさを決定しているのは、励磁電流Ｉｐである。入力電圧Ｖinと負荷が固定であれば、励磁電流Ｉｐは、ＶinとＴonの積に応じた変化が強いられる。

そこで、入力電圧検出信号Ｓinを基準にする。そして、ＯＦＦ期間に出力電圧検出信号Ｓoutと比較し、出力電圧検出信号Ｓoutが入力電圧検出信号Ｓinを上回っていた出力大期間の信号を、次のＯＮ期間へ移行（シフト）させる。

（ｅ）は、上記出力大期間信号Ｓｃの出力大期間（Ｓout＞Ｓinの期間）を示す情報を、ゼロクロス信号Ｚｘがローレベルになる（出力発生期間が検出されなくなる）次のＯＮ期間へシフト（移行）させた信号の波形を示す。その移行手段については図３によって後述する。
この移行された出力大期間を示す情報に基づいて、図１における制御ＩＣ１２に、スイッチング素子Ｑを実際にオンにする期間であるＯＮ時間を調整させる。

次に、図３において、（ａ）は図１における発振器１７が出力するクロック信号ＣＬＫであり、図示の都合上スイッチング周波数の６倍の周波数（周期は１／６）の例で示したが、実際には１０倍以上の周波数であるのが望ましい。このクロック信号ＣＬＫの周波数が高い方が分解能が高くなり、シフトレジスタ１９による出力大期間信号Ｓｃの取り込み誤差が、スイッチング周期を２０分割する場合は５％、１０分割する場合は１０％になる。

（ｃ）の太い破線で示す波形は、比較回路１８による比較の結果、出力電圧検出信号Ｓoutの値（レベル）が入力電圧検出信号Ｓinの値（レベル）を超えている期間を検出した出力大期間信号Ｓｃを示す。この出力大期間信号Ｓｃがハイレベルの期間が、Ｓout＞Ｓinの期間である。
この出力大期間信号Ｓｃを６段のシフトレジスタ１９のデータ入力とし、クロック信号ＣＬＫをクロック端子に入力してそれを取り込んでシフトさせたときのシフトレジスタ１９の各段のデータを（ｂ）に示す。このシフトレジスタ１９は、クロック信号ＣＬＫの立ち上がりでデータをラッチするので、その時、出力大期間信号Ｓｃがハイになっていれば“１”がラッチされ、ローになっていれば“０”がラッチされる。

（ｈ）は、クロック信号ＣＬＫと反転ゼロクロス信号／ＺｘとをＡＮＤ回路２０を通してアンドをとった信号で、反転ゼロクロス信号／ＺｘがハイのＯＮ期間中のみ出力されるクロック信号である。このＤ−ＦＦ回路２１も、このクロック信号の立ち上がりでデータ端子Ｄの入力データをラッチしてＱ端子に出力する。
そこで、（ｄ）に示したシフトレジスタ１９から出力されるシフトされた出力大期間信号ＳＳciを（ｇ）に示したクロック信号ＣＬＫ（ＯＮ）の立ち上がりで、Ｄ−ＦＦ回路２１にラッチする。そのＤ−ＦＦ回路２１のＱ端子の出力信号は（ｈ）に示す波形になる。

そこで、図１の実施形態ではＡＮＤ回路２２を設けて、Ｄ−ＦＦ回路２１から出力される信号ＳＳciＲと（ｆ）に示した反転ゼロクロス信号／Ｚｘとのアンドをとって、図３の（ｉ）に示す信号を出力するようにした。このＡＮＤ回路２２が、ゼロクロス回路１５によって出力発生期間が検出された（／Ｚｘがローの）期間には、出力大期間を示す情報（信号ＳＳci）の制御ＩＣ１２への伝達を禁止する手段に相当する。
このＡＮＤ回路２２の出力信号を図１におけるトランジスタＴｒのベースに印加する。それによって、その信号がハイレベルの期間、すなわち直前のＯＦＦ期間で出力電圧検出信号Ｓoutが入力電圧検出信号Ｓinを超えていた（Ｓout＞Ｓin）期間だけ、トランジスタＴｒをオン状態にする。すると、制御ＩＣ１２のトランジスタＴｒを接続している端子が、その期間だけアース電位になり、Ｓout＞Ｓinだった時間の情報が制御ＩＣ１２に伝達される。

この実施形態によれば、図４の（ａ）に示すように、入力電圧検出信号Ｓinが、ゆるい傾斜で直線的に変化し、その電圧レベルが同図に実線で示す基準値から、太い破線で示す最大値と、点線で示す最小値の間で変動する。
また、同図には出力電圧検出信号Ｓoutの波形も点線で示している。したがって、入力電圧検出信号Ｓinと出力電圧検出信号Ｓoutの値を比較して、出力電圧検出信号Ｓoutの値の方が大きい期間を示す出力大期間信号Ｓｃは、図４の（ｂ）に示すようになる。
この場合、同図に、長短の矢印範囲で示す情報によって、制御ＩＣ１２がスイッチング素子ＱをオンにするＯＮ時間を調整して、出力電圧の波高値を一定にするように制御する。
このようにすると、入力電圧の変動の検出精度がよくなる。

１：インバータ装置 ２：負荷（プラズマ発生用の放電部）
１０：昇圧トランス １１：全波整流回路 １２：制御ＩＣ（制御回路）
１３：補助電源回路 １４：入力電圧検出回路（入力電圧検出手段）
１５：ゼロクロス回路（出力発生期間検出手段） １６：反転回路
１７：発振器（ＯＳＣ） １８：比較回路（比較手段）
１９：シフトレジスタ（移行手段） ２０，２２：ＡＮＤ回路 ２１：Ｄ−ＦＦ回路
Ｑ：スイッチング素子 Ｔ１，Ｔ２：トランス Ｎｐ１，Ｎｐ２：励磁巻線
Ｎｓ１，Ｎｓ２：出力巻線 Ｎｈ：補助巻線
Ｎｄ：第３次巻線（出力電圧検出手段） Ｔｒ：トランジスタ
Ｖin：入力電圧 Ｖout：出力電圧
Ｖｈ：補助巻線に誘起される電圧 Ｃｏ：負荷容量
Ｓin:入力電圧検出信号 Ｓout：出力電圧検出信号 ＣＬＫ：クロック信号
Ｚｘ：ゼロクロス信号 ／Ｚｘ：反転ゼロクロス信号

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