JP4473041B2

JP4473041B2 - 直流電源装置

Info

Publication number: JP4473041B2
Application number: JP2004152727A
Authority: JP
Inventors: 進山地; 博教有信
Original assignee: 四変テック株式会社
Priority date: 2004-05-24
Filing date: 2004-05-24
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2024-05-24
Also published as: JP2005341627A

Description

この発明は、例えばプラズマ発生装置に使用される直流電源装置に関する。

従来から、インバータ回路を用いた直流電源装置が知られている（特許文献１参照）。

かかる直流電源装置は、直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ回路と、このインバータ回路が出力する交流電圧を入力するトランスと、このトランスの二次側から出力される交流電圧を直流電圧に変換する整流回路とを備えている。

インバータ回路は、４つの第１〜第４スイッチング素子からなるフルブリッジ回路を形成するとともに、第１,第４スイッチング素子と第２,第３スイッチング素子とを交互にオン・オフすることにより直流電圧を交流電圧に変換する。

この交流電圧はトランスで昇圧され、この昇圧された交流電圧は整流回路により整流されて直流電圧として出力される。
特開２００４−４０９６２号公報

ところで、このような直流電源装置にあっては、出力電圧を数Ｖから数百Ｖの範囲に亘って出力する必要があることにより、トランスの巻数比の大きなものを使用している。そして、トランスの一次側には出力電流の巻数比に比例した電流が流れる。また、このような直流電源装置では、出力として電力で規定されることが多く、特に、低電圧出力時には出力電流が大きくなることにより、トランスの一次側にはさらに大きな電流が流れる。

このため、トランスは巻数比が大きく大電流に耐えるものが必要であり、さらにトランスの一次側に接続される素子も大電流に耐えるものが必要となる。

この発明の目的は、トランスの巻数比を小さくすることができ、低電圧出力時にもトランスの一次側に流れる電流を小さくすることのできる直流電源装置を提供することにある。

請求項１の発明は、直流電圧を断続して出力する主スイッチ素子と、この主スイッチ素子から出力される断続した直流電圧を受け電流源として動作するインダクタと、主スイッチ素子のオフ時にインダクタ電流を還流させるダイオードと、前記インダクタから出力される直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータと、このインバータが出力する交流電圧を入力するトランスと、このトランスの二次側から出力される交流電圧を直流電圧に変換する整流回路とを備え、前記インバータは、４つの第１〜第４スイッチング素子からなるフルブリッジ回路を形成するとともに、第１,第４スイッチング素子と第２,第３スイッチング素子とを交互にオン・オフすることにより前記交流電圧を出力し、前記主スイッチ素子のオン・オフを制御することにより前記整流回路の直流電圧が調整されるようになっている直流電源装置であって、
第１,第４スイッチング素子と第２,第３スイッチング素子とがオンしているオーバラップ期間を制御することを特徴とする。

請求項２の発明は、前記オーバラップ期間は、整流回路の直流電圧が低いとき小さくし、その直流電圧が高いとき大きくすることを特徴とする。

この発明によれば、巻数比を小さくすることができるので、低電圧出力時にトランスの一次側に流れる電流を小さくすることができる。

以下、この発明に係る直流電源装置の実施例を図面に基づいて説明する。

［第１実施例］
図１はプラズマ発生装置１に使用される直流電源装置１０の構成を示した回路図であり、図１において、１１は三相交流の交流電圧を全波整流して平滑する整流回路である。この整流回路１１は６つのダイオードＤ１〜Ｄ６とコンデンサＣ１とから構成されている。

１２は整流回路の出力電圧（直流電圧）を断続して出力する主スイッチ素子、１３は主スイッチ素子１２からの断続した直流電圧を受けて電流源として動作するチョークコイル（インダクタ）、１４は主スイッチ素子１２のオフ時にチョークコイル１３へ電流（インダクタ電流）を流す、すなわち還流させるダイオードである。そして、主スイッチ素子１２とチョークコイル１３とダイオード１４とで電流源として動作する電流型降圧チョッパが構成されている。なお、ここでは電流型降圧チョッパを構成しているが、必ずしもこれに限るものではなく、昇圧チョッパや昇降圧チョッパを構成するものでもよい。

２０は主スイッチ素子１２から出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータであり、このインバータ２０は４つの第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４からなるフルブリッジ回路を形成している。すなわち、直列接続された第１,第２スイッチング素子Ｑ１,Ｑ２と、直列接続された第３,第４スイッチング素子Ｑ３,Ｑ４とが並列接続されている。

１５はトランスであり、このトランス１５の一次側にはインバータ２０から出力される交流電圧が入力される。トランス１５の二次側には整流回路３０が接続されている。

整流回路３０は、トランス１５の二次側から出力される交流電圧を整流する４つのダイオードＤ７〜Ｄ１０と、整流された電圧を平滑する平滑コンデンサ３１と、チョークコイル３２とから構成されている。

４０は主スイッチ素子１２の断続とインバータ２０の第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン・オフを制御するコントローラであり、このコントローラ４０は図示しない操作部の入力に応じて主スイッチ素子１２および第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を制御する。
［動作］
次に、上記のように構成される直流電源装置１０の動作を図２に示すタイムチャートを参照しながら説明する。

先ず、図示しない操作部を操作して例えば出力電圧を「低」に設定すると、コントローラ４０により、図２（Ａ）に示すように主スイッチ素子１２がＴ１周期毎にＴ２期間だけオンされていく。

他方、インバータ２０のスイッチング素子Ｑ１,Ｑ４とスイッチング素子Ｑ２,Ｑ３は交互にオン・オフが繰り返されていき、スイッチング素子Ｑ１,Ｑ４とスイッチング素子Ｑ２,Ｑ３はそれぞれＴａ周期毎にＴｂ期間だけオンされていく。そして、スイッチング素子Ｑ１,Ｑ４とスイッチング素子Ｑ２,Ｑ３とが同時にオンしている期間、すなわちオーバラップしている期間Ｔｃに設定されている。

なお、降圧チョッパは電流型で動作するので、インバータ２０は常に電流経路が形成されるように制御される。

インバータ２０のスイッチング素子Ｑ１,Ｑ４とスイッチング素子Ｑ２,Ｑ３とが交互にオン・オフされることにより、インバータ２０から交流電圧が出力されてトランス１５の一次側に入力される。そして、トランス１５の二次側に交流電圧が出力される。

ところで、主スイッチ素子１２がオンしている期間Ｔ２が短いことにより、インバータ２０に入力される直流電圧は低いものとなる。すなわち、降圧チョッパにより、整流回路１１から出力される直流電圧は低い電圧に降圧される。

このため、トランス１５の一次側に入力される交流電圧は低く、トランス１５の二次側に出力される交流電圧は低い。この結果、整流回路３０から出力される直流の出力電圧は低いものとなる。

出力電圧が「中」に設定されると、図２（Ｂ）に示すように主スイッチ素子１２がＴ１周期毎にＴ３（＞Ｔ２）期間だけオンされていく。そして、インバータ２０のスイッチング素子Ｑ１,Ｑ４とスイッチング素子Ｑ２,Ｑ３は、図２（Ａ）と同様にしてオン・オフされていく。

主スイッチ素子１２がオンしている期間Ｔ３はＴ２期間より長いので、インバータ２０に入力される直流電圧は高いものとなる。すなわち、降圧チョッパにより、整流回路１１から出力される直流電圧の降圧は小さい。

換言すれば、インバータ２０に入力される直流電圧は図２（Ａ）の場合に比較して高くなる。このため、トランス１５の二次側から出力される交流電圧は大きくなり、整流回路３０から出力される直流の出力電圧は図２（Ａ）より高くなる。すなわち、整流回路３０の出力電圧は「中」となる。

出力電圧が「高」に設定されると、図２（Ｂ）と同様に、主スイッチ素子１２がＴ１周期毎にＴ３期間だけオンされていく。そして、図２（Ｃ）に示すように、インバータ２０のスイッチング素子Ｑ１,Ｑ４とスイッチング素子Ｑ２,Ｑ３は、それぞれＴａ周期毎にＴｄ（＞Ｔｂ）期間だけオンされていく。そして、スイッチング素子Ｑ１,Ｑ４とスイッチング素子Ｑ２,Ｑ３とが同時にオンしている期間、すなわちオーバラップしている期間がＴ３ｃ（＞Ｔｃ）となるように各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン・オフが制御される。

図２（Ｃ）では、インバータ２０に入力される直流電圧の大きさは、図２（Ｂ）の場合と同じであるが、オーバラップ期間Ｔ３ｃ（＞Ｔｃ）が図２（Ｂ）の場合より大きくなっている。このオーバラップ期間があることにより、インバータ２０は昇圧型インバータとして動作する。

そして、そのオーバラップ期間Ｔ３ｃが期間Ｔｃより長いので、昇圧型としてインバータ２０が動作していることにより、トランス１５の二次側から出力される交流電圧は、図２（Ｂ）の場合に比較して大きくなり、整流回路３０から出力される直流の出力電圧は図２（Ｂ）より高くなる。すなわち、整流回路３０の出力電圧は「高」となる。

出力電圧が「大高」に設定されると、図２（Ｃ）と同様に、主スイッチ素子１２がＴ１周期毎にＴ３期間だけオンされていく。そして、図２（Ｄ）に示すように、インバータ２０のスイッチング素子Ｑ１,Ｑ４とスイッチング素子Ｑ２,Ｑ３は、それぞれＴａ周期毎にＴｅ（＞Ｔｄ）期間だけオンされていく。そして、スイッチング素子Ｑ１,Ｑ４とスイッチング素子Ｑ２,Ｑ３とが同時にオンしている期間、すなわちオーバラップしている期間がＴ４ｃ（＞Ｔ３ｃ）となるように各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン・オフが制御される。

そして、オーバラップ期間Ｔ４ｃが期間Ｔ３ｃより長いので、昇圧型としてインバータ２０が動作していることにより、トランス１５の二次側から出力される交流電圧は、図２（Ｃ）の場合に比較して大きくなり、整流回路３０から出力される直流の出力電圧は図２（Ｃ）より高くなる。すなわち、整流回路３０の出力電圧は「大高」となる。

このように、インバータ２０のスイッチング素子Ｑ１,Ｑ４とスイッチング素子Ｑ２,Ｑ３とが同時にオンしているオーバラップ期間を制御して、トランス１５の昇圧量を変えるようにしたものであるから、トランス１５の巻数比を大きくしなくても、トランス１５の二次側の出力電圧を大きくすることができる。このため、トランス１５の巻数比を小さく、すなわち最適なものにすることができ、直流電源装置１０の低電圧出力時にトランス１５の一次側に流れる電流を小さくすることができる。

このため、トランス１５の一次側に接続されるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４等の素子の容量は小さくて済み、安価な直流電源装置１０を提供することができる。

なお、図２（Ａ）,（Ｂ）でも、オーバラップ期間が発生してインバータ２０は昇圧型として動作するが、そのオーバラップ期間が短いことにより、その影響は僅かである。
［第２実施例］
図３は第２実施例の直流電源装置１００の構成を示した回路図である。この直流電源装置１００は、第１実施例のインバータ２０とトランス１５と整流回路３０とからなる回路に、同じ回路であるインバータ１２０,トランス１１５,整流回路１３０からなる回路を並列接続したものである。コントローラ１４０は各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４,Ｑ５〜Ｑ８のオン・オフを制御する。

インバータ２０のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４と、インバータ１２０のスイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８のオン・オフするタイミングである位相をずらすことにより、出力のリップル電流・電圧を低減することができる。

この発明に係る直流電源装置の構成を示した回路図である。直流電源装置の動作を示したタイムチャートである。第２実施例の直流電源装置の構成を示した回路図である。

符号の説明

１２主スイッチ素子
１３チョークコイル（インダクタ）
１４ダイオード
１５トランス
２０インバータ
３０整流回路
Ｑ１,Ｑ２第１,第２スイッチング素子
Ｑ３,Ｑ４第３,第４スイッチング素子

Claims

直流電圧を断続して出力する主スイッチ素子と、この主スイッチ素子から出力される断続した直流電圧を受け電流源として動作するインダクタと、主スイッチ素子のオフ時にインダクタ電流を還流させるダイオードと、前記インダクタから出力される直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータと、このインバータが出力する交流電圧を入力するトランスと、このトランスの二次側から出力される交流電圧を直流電圧に変換する整流回路とを備え、前記インバータは、４つの第１〜第４スイッチング素子からなるフルブリッジ回路を形成するとともに、第１,第４スイッチング素子と第２,第３スイッチング素子とを交互にオン・オフすることにより前記交流電圧を出力し、前記主スイッチ素子のオン・オフを制御することにより前記整流回路の直流電圧が調整されるようになっている直流電源装置であって、
第１,第４スイッチング素子と第２,第３スイッチング素子とがオンしているオーバラップ期間を制御することを特徴とする直流電源装置。
前記オーバラップ期間は、整流回路の直流電圧が低いとき小さくし、その直流電圧が高いとき大きくすることを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。