JP2017055557A

JP2017055557A - 誘導加熱用電源装置

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Publication number: JP2017055557A
Application number: JP2015177757A
Authority: JP
Inventors: 隆彦金井; Takahiko Kanai; 真人杉本; Masato Sugimoto; 春樹吉田; Haruki Yoshida
Original assignee: Neturen Co Ltd
Current assignee: Neturen Co Ltd
Priority date: 2015-09-09
Filing date: 2015-09-09
Publication date: 2017-03-16
Anticipated expiration: 2035-09-09
Also published as: EP3348117A1; KR102617435B1; KR20230066489A; WO2017043088A1; CN108029161B; US20190008001A1; EP3348117B1; KR20180050661A; US10973090B2; JP6482438B2; CN108029161A; MX2018002897A

Abstract

【課題】サージ電圧を抑制してインバータ部の保護を強化することができる誘導加熱用電源装置を提供する。
【解決手段】誘導加熱用電源装置１は、直流電源部４から出力される直流電力の脈流を平滑する平滑部５と、平滑部５による平滑後の直流電力を交流電力に変換するインバータ部６と、を備え、平滑部５は、インバータ部６に接続される一対のブスバー１１ａ，１１ｂと、一対のブスバー１１ａ，１１ｂに接続されるコンデンサＣとを含み、一対のブスバー１１ａ，１１ｂは、通電方向に沿う外表面に少なくとも一つの平面を含み、該平面のうち面内における通電方向と直交する方向の寸法が相対的に大きい平面を互いに対向させて且つ絶縁材１２を間に挟んで積層されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、誘導加熱用電源装置に関する。

鋼製ワークの熱処理におけるワークの加熱方式として、加熱コイルに交流電力を供給し、加熱コイルによって形成される磁界に置かれたワークに誘起される誘導電流によってワークを加熱する誘導加熱が用いられている。

加熱コイルに交流電力を供給する電源装置は、一般に商用電源の交流電力をコンバータで直流電力に変換し、直流電力の脈流をコンデンサで平滑し、平滑後の直流電力をインバータで交流電力に逆変換して、加熱コイルに供給する高周波の交流電力を生成している（例えば、特許文献１参照）。

インバータは、典型的にはスイッチング動作可能な複数のパワー半導体素子を含むブリッジ回路によって構成され、パワー半導体素子の高速なスイッチング動作によって高周波の交流電力が生成される。

特開２００９−２７７５７７号公報

パワー半導体素子の高速なスイッチング動作はパワー半導体素子に流れる電流を急激に変化させる。この電流変化ｄｉ／ｄｔは、パワー半導体素子と電圧源であるコンデンサとの間の導電路の寄生インダクタンスＬにより、パワー半導体素子の両端にサージ電圧Ｌ×ｄｉ／ｄｔを発生させる。

過大なサージ電圧はパワー半導体素子を破壊する虞があり、サージ電圧の抑制が求められる。ｄｉ／ｄｔは主としてパワー半導体素子の特性によって決まり、サージ電圧を抑制するには寄生インダクタンスＬを低減することが肝要である。

本発明は、上述した事情に鑑みなされたものであり、サージ電圧を抑制してインバータ部の保護を強化することができる誘導加熱用電源装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様の誘導加熱用電源装置は、直流電源部から出力される直流電力の脈流を平滑する平滑部と、前記平滑部による平滑後の直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、を備え、前記平滑部は、前記インバータ部に接続される一対のブスバーと、一対の前記ブスバーに接続される少なくとも一つのコンデンサとを含み、一対の前記ブスバーは、通電方向に沿う外表面に少なくとも一つの平面を含み、該平面のうち面内における前記通電方向と直交する方向の寸法が相対的に大きい平面を互いに対向させて且つ絶縁材を間に挟んで積層されている。

本発明によれば、サージ電圧を抑制してインバータ部の保護を強化することができる。

本発明の実施形態を説明するための、誘導加熱用電源装置の一例の回路図である。図１の誘導加熱用電源装置の平滑部の構成例を示す斜視図である。図２の平滑部の分解斜視図である。図２の平滑部の断面図である。平滑部の参考例を示す斜視図である。平滑部の他の参考例を示す斜視図である。図１の誘導加熱用電源装置の変形例の回路図である。本発明の実施形態を説明するための、誘導加熱用電源装置の他の例の回路図である。図８の誘導加熱用電源装置の平滑部の構成例を示す斜視図である。図９の平滑部の断面図である。図８の誘導加熱用電源装置の変形例の回路図である。

図１は、本発明の実施形態を説明するための、誘導加熱用電源装置の一例を示す。

図１に示す誘導加熱用電源装置１は、商用の交流電源２から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータ部３を含む直流電源部４と、直流電源部４から出力される直流電力の脈流を平滑する平滑部５と、平滑部５による平滑後の直流電力を高周波の交流電力に逆変換するインバータ部６と、を備える。

インバータ部６は、パワー半導体素子Ｑ１，Ｑ２が直列に接続されてなるアームと、同じくパワー半導体素子Ｑ３，Ｑ４が直列に接続されてなるアームとを有し、アーム毎のパワー半導体素子の直列接続点を出力端とするフルブリッジ回路として構成される。なお、パワー半導体素子Ｑ１〜Ｑ４の各々には還流ダイオード素子Ｄが並列に接続されている。

パワー半導体素子としては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）や、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）等のスイッチング動作可能な各種のパワー半導体素子が使用可能である。また、パワー半導体素子の素材は、例えばＳｉ（シリコン）やＳｉＣ（シリコンカーバイト）のものがある。

パワー半導体素子Ｑ１，Ｑ２の直列接続点と、パワー半導体素子Ｑ３，Ｑ４の直列接続点との間に加熱コイル７が接続されており、パワー半導体素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング動作によって加熱コイル７に高周波の電力が供給される。

図２から図４は、平滑部５の構成例を示す。

平滑部５は、一対のブスバー１１ａ，１１ｂと、一対のブスバー１１ａ，１１ｂに接続される少なくとも一つのコンデンサＣとを含む。

ブスバー１１ａ，１１ｂは、平板状の導電材からなり、通電方向（長手方向）に沿う外表面を構成している一対の平らな板面と一対の平らな側面うち面内における通電方向と直交する方向（幅方向）の寸法が相対的に大きい板面を互いに対向させ、シート状の絶縁材１２を間に挟んで積層されている。

ブスバー１１ａの一方の端部はコンバータ部３の出力端の正極Ｐｏｕｔに接続され、ブスバー１１ａの他方の端部はインバータ部６の入力端の正極Ｐｉｎに接続される。ブスバー１１ｂの一方の端部はコンバータ部３の出力端の負極Ｎｏｕｔに接続され、ブスバー１１ｂの他方の端部はインバータ部６の入力端の負極Ｎｉｎに接続される。

ブスバー１１ａ，１１ｂに接続されるコンデンサＣの一対の端子１４ａ，１４ｂはネジ端子として構成されており、コンデンサＣの一面に並設されている。そして、端子１４ａ，１４ｂはブスバー１１ａ，１１ｂ及び絶縁材１２をそれらの積層方向にブスバー１１ａ、絶縁材１２、ブスバー１１ｂの順に貫通して配置されており、端子１４ａ，１４ｂの先端部にナット１５がそれぞれ螺合され、コンデンサＣはブスバー１１ａ，１１ｂに固定されている。

図３及び図４に示すように、端子１４ａ及び端子１４ａに螺合するナット１５とブスバー１１ｂとは絶縁ワッシャー１６によって絶縁されている。一方、端子１４ａの基端部に形成された大径のフランジ部１７ａがブスバー１１ａに接触し、端子１４ａとブスバー１１ａとの導通がとられる。これにより、端子１４ａはブスバー１１ａにのみ接続される。

端子１４ｂ及び端子１４ｂの基端部に形成された大径のフランジ部１７ｂとブスバー１１ａとは絶縁ワッシャー１６によって絶縁されている。一方、端子１４ｂに螺合するナット１５がブスバー１１ｂに接触し、ナット１５を介して端子１４ｂとブスバー１１ｂとの導通がとられる。これにより、端子１４ｂはブスバー１１ｂにのみ接続される。

図５及び図６は、平滑部５の参考例をそれぞれ示す。

図５に示す例は、一対のブスバー１１ａ，１１ｂの側面を互いに対向させてブスバー１１ａ，１１ｂを配置したものである。また、図６に示す例は、一対のブスバー１１ａ，１１ｂの板面を互いに対向させ、コンデンサを間に挟んでブスバー１１ａ，１１ｂを配置したものである。なお、図６に示す例においてコンデンサの一対の端子は、コンデンサの両側面にそれぞれ設けられている。

ここで、一対の平行平板導体の対向面の幅、即ち導体の延在方向（電流が流れる方向）と直交する方向の寸法をａとし、導体の対向面間の距離をｂとして、一対の平行平板導体のインダクタンスはｂ／ａに関連し、ｂ／ａが小さくなるほどインダクタンスは小さくなる。対向面の幅ａが一定の条件では、対向面間の距離ｂが小さくなるほどインダクタンスは小さくなり、対向面間の距離ｂが一定の条件では、対向面の幅ａが大きくなるほどインダクタンスは小さくなる。

一対のブスバー１１ａ，１１ｂの側面を互いに対向させた図５に示す参考例との比較において、図２から図４に示したように、一対のブスバー１１ａ，１１ｂの板面を互いに対向させ、シート状の絶縁材１２を間に挟んでブスバー１１ａ，１１ｂを積層することにより、一対のブスバー１１ａ，１１ｂの対向面の幅ａを大きくでき、一対のブスバー１１ａ，１１ｂのインダクタンスを低減することができる。

また、一対のブスバー１１ａ，１１ｂの板面を互いに対向させ、コンデンサを間に挟んだ図６に示す参考例との比較において、図２から図４に示したように、一対のブスバー１１ａ，１１ｂの板面を互いに対向させ、シート状の絶縁材１２を間に挟んでブスバー１１ａ，１１ｂを積層することにより、一対のブスバー１１ａ，１１ｂの対向面間の距離ｂを小さくでき、一対のブスバー１１ａ，１１ｂのインダクタンスを低減することができる。

このように、一対のブスバー１１ａ，１１ｂの板面を互いに対向させ、シート状の絶縁材１２を間に挟んでブスバー１１ａ，１１ｂを積層することにより、コンデンサＣとコンデンサＣから直流電力が供給されるパワー半導体素子Ｑ１〜Ｑ４との間の導電路の寄生インダクタンスを低減することができる。そして、寄生インダクタンスに起因してパワー半導体素子Ｑ１〜Ｑ４の両端に発生するサージ電圧を抑制することができ、インバータ部６の保護を強化することができる。

コンデンサＣとしては、コンデンサの内部インダクタンスが電解コンデンサに比べて小さいフィルムコンデンサやセラミックコンデンサなどが好適に用いられる。

なお、一対のブスバー１１ａ，１１ｂに一つのコンデンサＣが接続されているものとして説明したが、複数のコンデンサＣが一対のブスバー１１ａ，１１ｂに並列に接続されてもよい。

また、図７に示すように、パワー半導体素子Ｑ１，Ｑ２からなるアームと、パワー半導体素子Ｑ３，Ｑ４からなるアームとでアーム毎にモジュール化される場合に、パワー半導体素子Ｑ１，Ｑ２からなる第１モジュールＭ１が接続される一対のブスバー１１ａ−１，１１ｂ−１と、パワー半導体素子Ｑ３，Ｑ４からなる第２モジュールＭ２が接続される一対のブスバー１１ａ−２，１１ｂ−２とを平滑部５に設け、一対のブスバー１１ａ−１，１１ｂ−１及び一対のブスバー１１ａ−２，１１ｂ−２それぞれを、上述した一対のブスバー１１ａ，１１ｂと同様に、シート状の絶縁材を板面の間に挟んで積層するようにしてもよい。一対のブスバー１１ａ−１，１１ｂ−１、及び一対のブスバー１１ａ−２，１１ｂ−２には、少なくとも一つのコンデンサＣがそれぞれ接続される。

図８は、本発明の実施形態を説明するための、誘導加熱用電源装置の他の例を示す。なお、上述した誘導加熱用電源装置１と共通の要素には共通の符号を付し、説明を省略又は簡略する。

図８に示す誘導加熱用電源装置１０１は、交流電源２及びコンバータ部３を含む直流電源部４と、直流電源部４から出力される直流電力の脈流を平滑する平滑部１０５と、平滑部１０５による平滑後の直流電力を高周波の交流電力に逆変換するインバータ部１０６と、を備える。

インバータ部１０６には、パワー半導体素子Ｑ１〜Ｑ４を一組として構成されるブリッジ回路が複数設けられ、図示の例では、第１ブリッジＢ１及び第２ブリッジＢ２の二つのブリッジ回路が設けられている。第１ブリッジＢ１及び第２ブリッジＢ２は加熱コイル７に並列に接続され、加熱コイル７への電力供給が第１ブリッジＢ１及び第２ブリッジＢ２に分散されている。

図９及び図１０は、平滑部１０５の構成例を示す。

平滑部１０５は、一対のブスバー１１１ａ，１１１ｂと、一対のブスバー１１１ａ，１１１ｂに接続されたコンデンサＣ１，Ｃ２と、一対のブスバー１１１ａ，１１１ｂのインバータ部１０６との接続部１１８，１１９とを含む。

一対のブスバー１１１ａ，１１１ｂは、平板状の導電材からなり、通電方向（長手方向）に沿う外表面を構成している一対の平らな板面と一対の平らな側面うち面内における通電方向と直交する方向（幅方向）の寸法が相対的に大きい板面を互いに対向させ、シート状の絶縁材１１２を間に挟んで積層されており、上述した平滑部５の一対のブスバー１１ａ，１１ｂと同様にインダクタンスが低減されている。

接続部１１８，１１９はインバータ部１０６のブリッジ回路毎に設けられ、接続部１１８は第１ブリッジＢ１に接続されており、接続部１１９は第２ブリッジＢ２に接続されている。

接続部１１８は、平板状の一対の導電材１２０ａ，１２０ｂと、シート状の絶縁材１２１とを含み、一対の導電材１２０ａ，１２０ｂは、通電方向に沿う外表面を構成している一対の平らな板面と一対の平らな側面うち面内における通電方向と直交する方向の寸法が相対的に大きい板面を互いに対向させて且つ絶縁材１２１を間に挟んで積層されている。そして、導電材１２０ａの基端部はブスバー１１１ｂとの間に絶縁材１２１を挟み込んでブスバー１１１ｂに重ねられ、導電材１２０ａとブスバー１１１ｂと非導通とされており、導電材１２０ｂの基端部はブスバー１１１ｂに直接重ねられ、導電材１２０ｂとブスバー１１１ｂとは導通されている。

接続部１１９もまた、板状の一対の導電材１２０ａ，１２０ｂと、シート状の絶縁材１２１とを含み、一対の導電材１２０ａ，１２０ｂは、板面を互いに対向させて且つ絶縁材１２１を間に挟んで積層されている。そして、導電材１２０ａの基端部はブスバー１１１ｂとの間に絶縁材１２１を挟み込んでブスバー１１１ｂに重ねられ、導電材１２０ａとブスバー１１１ｂとは非導通とされており、導電材１２０ｂの基端部はブスバー１１１ｂに直接重ねられ、導電材１２０ｂとブスバー１１１ｂとは導通されている。

コンデンサＣ１の一対の端子１１４ａ，１１４ｂはネジ端子として構成されており、コンデンサの一面に並設されている。そして、端子１１４ａ，１１４ｂはブスバー１１１ａ，１１１ｂ及び絶縁材１１２をそれらの積層方向にブスバー１１１ａ、絶縁材１１２、ブスバー１１１ｂの順に貫通して配置されている。さらに、端子１１４ａの先端部は、ブスバー１１１ｂに重なる接続部１１８の絶縁材１２１及び導電材１２０ａを貫通し、端子１１４ｂの先端部は、ブスバー１１１ｂに重なる接続部１１８の導電材１２０ｂを貫通して配置されている。そして、端子１１４ａ，１１４ｂの先端部にナット１１５がそれぞれ螺合され、コンデンサＣ１はブスバー１１１ａ，１１１ｂ及び接続部１１８に固定されている。

端子１１４ａとブスバー１１１ｂとは絶縁ワッシャー１１６によって絶縁されている。端子１１４ａの基端部に形成された大径のフランジ部１１７ａがブスバー１１１ａに接触し、端子１１４ａとブスバー１１１ａとの導通がとられる。また、端子１１４ａに螺合するナット１１５が接続部１１８の導電材１２０ａに接触し、ナット１１５を介して端子１１４ａと導電材１２０ａとの導通がとられる。これにより、端子１１４ａはブスバー１１１ａ及び導電材１２０ａに接続される。

端子１１４ｂ及び端子１１４ｂの基端部に形成された大径のフランジ部１１７ｂとブスバー１１１ａとは絶縁ワッシャー１１６によって絶縁されている。一方、端子１１４ｂに螺合するナット１１５が接触部１１８の導電材１２０ｂに接触し、ナット１１５を介して端子１１４ｂと導電材１２０ｂ及びブスバー１１１ｂとの導通がとられる。これにより、端子１１４ｂはブスバー１１１ｂ及び導電材１２０ｂに接続される。

そして、接続部１１８の導電材１２０ａの先端部は、第１ブリッジＢ１の入力端の正極Ｐｉｎに接続され、導電材１２０ｂの先端部は第１ブリッジＢ１の入力端の負極Ｎｉｎに接続される。第１ブリッジＢ１にはコンデンサＣ１から直流電力が供給される。

コンデンサＣ２の一対の端子１１４ａ，１１４ｂは、コンデンサＣ１の端子１１４ａ，１１４ｂと同様にしてブスバー１１１ａ，１１１ｂ及び接続部１１９に固定されており、端子１１４ａはブスバー１１１ａ及び導電材１２０ａに接続され、端子１１４ｂはブスバー１１１ｂ及び導電材１２０ｂに接続される。

そして、接続部１１９の導電材１２０ａの先端部は、第２ブリッジＢ２の入力端の正極Ｐｉｎに接続され、導電材１２０ｂの先端部は第２ブリッジＢ２の入力端の負極Ｎｉｎに接続される。第２ブリッジＢ２にはコンデンサＣ２から直流電力が供給される。

一対のブスバー１１１ａ，１１１ｂのインバータ部１０６との接続部がインバータ部１０６のブリッジ毎に複数設けられ、接続部１１８，１１９それぞれにコンデンサが接続されることにより、第１ブリッジＢ１とその電圧源となるコンデンサＣ１との間の導電路長、及び第２ブリッジＢ２とその電圧源となるコンデンサＣ２との間の導電路長がいずれも短縮され、両導電路それぞれの寄生インダクタンスが低減される。これにより、寄生インダクタンスに起因してパワー半導体素子Ｑ１〜Ｑ４の両端に発生するサージ電圧を抑制することができ、インバータ部１０６の保護を強化することができる。

さらに、接続部１１８，１１９それぞれの一対の導電材１２０ａ，１２０ｂは、板面を互いに対向させて且つシート状の絶縁材１２１を間に挟んで積層されており、一対のブスバー１１１ａ，１１１ｂと同様に、接続部１１８，１１９それぞれのインダクタンスが低減される。これにより、寄生インダクタンスに起因してパワー半導体素子Ｑ１〜Ｑ４の両端に発生するサージ電圧を一層抑制することができ、インバータ部６の保護をさらに強化することができる。

なお、接続部１１８，１１９それぞれに一つのコンデンサが接続されているものとして説明したが、複数のコンデンサが接続部１１８，１１９それぞれに並列に接続されてもよい。

また、図１１に示すように、パワー半導体素子Ｑ１，Ｑ２からなるアームと、パワー半導体素子Ｑ３，Ｑ４からなるアームとでアーム毎にモジュール化される場合に、パワー半導体素子Ｑ１，Ｑ２からなる第１ブリッジＢ１及び第２ブリッジＢ２それぞれの第１モジュールＭ１が接続される一対のブスバー１１１ａ−１，１１１ｂ−１と、パワー半導体素子Ｑ３，Ｑ４からなる第１ブリッジＢ１及び第２ブリッジＢ２それぞれの第２モジュールＭ２が接続される一対のブスバー１１１ａ−２，１１１ｂ−２と、を平滑部１０５に設け、一対のブスバー１１１ａ−１，１１１ｂ−１及び一対のブスバー１１１ａ−２，１１１ｂ−２それぞれを、上述した一対のブスバー１１１ａ，１１１ｂと同様に、シート状の絶縁材を板面の間に挟んで積層し、そして、一対のブスバー１１１ａ−１，１１１ｂ−１の第１モジュールＭ１との接続部をモジュール毎に設け、一対のブスバー１１１ａ−２，１１１ｂ−２の第２モジュールＭ２との接続部をモジュール毎に設けてもよい。一対のブスバー１１１ａ−１，１１１ｂ−１の接続部１１８−１，１１９−１には少なくとも一つのコンデンサＣがそれぞれ接続され、一対のブスバー１１１ａ−２，１１１ｂ−２の接続部１１８−２，１１９−２には、少なくとも一つのコンデンサＣがそれぞれ接続される。

以上の説明では、一対のブスバー１１ａ，１１ｂ及び一対のブスバー１１１ａ，１１１ｂ並びに一対の導電材１２０ａ，１２０ｂはいずれも平板状、即ち通電方向に垂直な断面において矩形状であるものとしたが、これに限定されるものではない。例えば通電方向に垂直な断面において半円形状とすることもでき、この場合に、通電方向に沿う外表面は、断面における直径を含む平面と、断面における円弧を含む半円筒面とで構成され、平面を互いに対向させ且つ絶縁材を間に挟んで積層すればよい。

１誘導加熱用電源装置
２交流電源
３コンバータ部
４直流電源部
５平滑部
６インバータ部
７加熱コイル
１１ａ，１１ｂブスバー
１２絶縁材
１４ａ，１４ｂ端子
１０１誘導加熱用電源装置
１０５平滑部
１０６インバータ部
１１１ａ，１１１ｂブスバー
１１２絶縁材
１１４ａ，１１４ｂ端子
１１８接続部
１１９接続部
１２０ａ，１２０ｂ導電材
１２１絶縁材
Ｃ，Ｃ１，Ｃ２コンデンサ
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４パワー半導体素子

Claims

直流電源部から出力される直流電力の脈流を平滑する平滑部と、
前記平滑部による平滑後の直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、
を備え、
前記平滑部は、前記インバータ部に接続される一対のブスバーと、一対の前記ブスバーに接続される少なくとも一つのコンデンサとを含み、
一対の前記ブスバーは、通電方向に沿う外表面に少なくとも一つの平面を含み、該平面のうち面内における前記通電方向と直交する方向の寸法が相対的に大きい平面を互いに対向させて且つ絶縁材を間に挟んで積層されている誘導加熱用電源装置。
請求項１記載の誘導加熱用電源装置であって、
前記コンデンサは、前記コンデンサの一面に並設された一対の端子を有し、
一対の前記端子は、一対の前記ブスバー及び前記絶縁材を積層方向に貫通して一対の前記ブスバーに接続されている誘導加熱用電源装置。
請求項２記載の誘導加熱用電源装置であって、
一対の前記ブスバーの前記インバータ部との接続部が複数設けられており、
前記コンデンサは、前記接続部毎に少なくとも一つ設けられ、前記接続部に接続されている誘導加熱用電源装置。
請求項３記載の誘導加熱用電源装置であって、
前記接続部は、一対の導電材と、絶縁材とを含み、
一対の前記導電材は、通電方向に沿う外表面に少なくとも一つの平面を含み、該平面のうち面内における前記通電方向と直交する方向の寸法が相対的に大きい平面を互いに対向させて且つ前記絶縁材を間に挟んで積層されている誘導加熱用電源装置。