JP5679239B1 - 単相インバータ - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ回路特に単相インバータにおいて、簡易な構成によってソフトスイッチングを行い、スイッチング素子のスイッチング損失を防ぐ。【解決手段】単相インバータ１を構成するブリッジ回路５の電源側に設けた共振コンデンサ４とブリッジ回路の出力側に設けた共振インダクタ６、およびブリッジ回路によって共振回路を構成し、この共振回路を流れる共振電流によってブリッジ回路を構成する主スイッチング素子の立ち上がり時において零電圧スイッチング（ＺＶＳ）および零電流スイッチング（ＺＣＳ）を行い、共振コンデンサの零電圧によってブリッジ回路を構成する主スイッチング素子の立ち下がり時において零電圧スイッチングを行う。【選択図】図１

Description

本願発明は、例えば、プラズマ負荷等の負荷に電流を供給する電源に用いることができる単相インバータに関する。

直流電力を交流電力に変換するインバータとして、電圧形インバータおよび電流形インバータが知られている。電圧形インバータは、負荷と直流電圧源との間を半導体スイッチで切り換えることによって負荷に電圧源として方形波の交流を供給する。

インバータの一回路構成として、トランジスタやサイリスタのスイッチング素子と帰還ダイオードとの逆並列接続をブリッジ回路のアームとして構成し、各スイッチング素子をＰＷＭ制御することによって直交変換する回路構成が知られている。

図１９は単相インバータ回路の一般的な回路構成を説明するための回路図である。図１９（ａ）において、単相インバータは、スイッチング素子Ｑ_１に帰還ダイオードＤ_１を逆並列接続した回路素子とスイッチング素子Ｑ_２に帰還ダイオードＤ_２を逆並列接続した回路素子とを直列接続してブリッジ回路の一方の上下のアームとし、スイッチング素子Ｑ_３に帰還ダイオードＤ_３を逆並列接続した回路素子とスイッチング素子Ｑ_４に帰還ダイオードＤ_４を逆並列接続した回路素子とを直列接続してブリッジ回路の他方の上下のアームとしている。ここでは、ブリッジ回路の上方のアームを正端子に接続し、下方のアームを負端子に接続する構成としている。一方の上下のアームの素子（スイッチング素子Ｑ_１と帰還ダイオードＤ_１、およびスイッチング素子Ｑ_２と帰還ダイオードＤ_２）の接続点と、他方のアームの素子の（スイッチング素子Ｑ_３と帰還ダイオードＤ_３、およびスイッチング素子Ｑ_４と帰還ダイオードＤ_４）の接続点とを負荷に接続する。

スイッチング素子Ｑ_１とＱ_４はベース信号（図１９（ｂ）の上方）に基づいて駆動され、スイッチング素子Ｑ_２とＱ_３はベース信号（図１９（ｂ）の下方）に基づいて駆動される。両ベース信号を互いに逆位相とすることによってブリッジ回路を流れる電流方向を切り換え、これによって出力電圧（図１９（ｃ））を反転させ、交流の出力電流を出力する（図１９（ｄ））。なお、図１９（ｄ）中のＱ_１〜Ｑ_４、およびＤ_１〜Ｄ_４は、ブリッジ回路において出力電流が流れるデバイス（スイッチング素子、帰還ダイオード）を表している。図１９（ｂ）中のデットタイムTdは、ベース信号の切り換え時においてブリッジ回路の上下アームの短絡を防止するために設けている。

スイッチング素子によるオン／オフ動作において、インバータ回路を構成するスイッチング素子をソフトスイッチング（零電圧スイッチング（ＺＶＳ）、零電流スイッチング（ＺＣＳ））とすることでスイッチング損失を低減する構成が提案されている。

スイッチング損失を低減するソフトスイッチインバータとして３相ブリッジ回路で構成された共振形インバータが知られている。共振形インバータは、スイッチング素子に転流ダーオードおよび共振用コンデンサを並列接続し、この共振用コンデンサと共振用インダクタ、および共振回路に接続したスイッチング素子とによって共振回路を構成する。共振回路の共振電流による共振用コンデンサの充放電と転流ダーオードの導通とによって、スイッチング素子の零電圧スイッチング（ＺＶＳ）、零電流スイッチング（ＺＣＳ）を実現している（例えば、特許文献１）。

また、共振回路は、スイッチング素子に共振用コンデンサを並列接続する構成であるため、コンデンサによる容量が増加するという問題がある。この問題を解決するために、補助スイッチング素子からなる補助回路によって共振回路を形成する構成が提案されている（特許文献２）。

また、単相ブリッジ回路で構成されるインバータ回路においても、インバータ回路の他に補助回路を設けることによってソフトスイッチングを行う構成が提案されている（特許文献３，４）。

特許文献３には、直列接続された第１主スイッチ及び第２主スイッチにダイオードとスナバコンデンサを並列接続し、直列接続された第１補助スイッチおよび第２補助スイッチと共振用インダクタとからなる第１補助共振回路を直流電源に接続し、主スイッチおよび補助スイッチの各々の両端電圧の電圧信号を入力して、第１主スイッチにスイッチング信号としてのターンオン信号が与えられる前に第１および第２補助スイッチにターンオン信号を与える制御を行うことが記載されている。

また、特許文献４には、ソフトスイッチングのために、第１〜第４の補助スイッチ、第１〜第４の補助ダイオード、第１および第２の補助コンデンサ、および共振リアクトルとからなる補助回路を備え、補助スイッチ制御回路によって補助スイッチをオン／オフ制御して、第１の補助コンデンサと第１の補助スイッチと共振リアクトルと第４の補助スイッチとからなる第１の共振電流通路と、第２の補助コンデンサと第２の補助スイッチと共振リアクトルと第３の補助スイッチとからなる第２の共振電流通路を択一的に形成することが記載されている。

特開２００２−３２５４６４号公報 特開２００４−２３８８１号公報 国際公開ＷＯ０１／０８４６９９号 特開２００９−２１９３１１公報

共振型インバータの場合には、スイッチング素子に並列に共振コンデンサを接続する必要があるという問題がある。

また、単相ブリッジ回路において補助回路を設けることによってソフトスイッチングを行う構成では、補助回路を構成するために複数の補助スイッチや補助コンデンサを要するという問題がある。

したがって、従来知られているインバータ回路では、ソフトスイッチングを行うために共振コンデンサ、あるいは補助スイッチや補助コンデンサ等の複数の素子を必要とするという問題がある。

本発明は前記した従来の問題点を解決し、インバータ回路、特に単相インバータにおいて、簡易な構成によってソフトスイッチングを行い、スイッチング素子のスイッチング損失を防ぐことを目的とする。

本願発明は、単相インバータを構成するブリッジ回路の電源側に設けた共振コンデンサとブリッジ回路の出力側に設けた共振インダクタ、およびブリッジ回路によって共振回路を構成し、この共振回路を流れる共振電流によってブリッジ回路を構成する主スイッチング素子の立ち上がり時において零電圧スイッチング（ＺＶＳ）および零電流スイッチング（ＺＣＳ）を行い、共振コンデンサの零電圧によってブリッジ回路を構成する主スイッチング素子の立ち下がり時において零電圧スイッチングを行う。

さらに、本願発明の単相インバータは、共振回路を形成するために共振コンデンサ以降の回路構成を電源側から電気的に分離する補助スイッチング回路を備え、この補助スイッチング回路が備える補助スイッチング素子においても、共振コンデンサの電圧を共振電流の充電によって電源側と同電圧とすることによって、補助スイッチング素子の両端電圧を零電圧として零電圧スイッチングを行う。

本願発明の単相インバータは、第１および第２の主スイッチング素子の直列接続と、第３および第４の主スイッチング素子の直列接続とを直流電源に対して並列接続し、各主スイッチング素子は直流電源に対して逆バイアスでダイオードを並列接続してなるブリッジ回路と、平滑回路、補助スイッチング回路、共振コンデンサ、および共振インダクタを備える。

平滑回路、補助スイッチング回路、および共振コンデンサは、直流電源とブリッジ回路との間に直流電源側から順に接続される。共振インダクタは、ブリッジ回路の第１の主スイッチング素子と第２の主スイッチング素子の接続点と、第３の主スイッチング素子と第４の主スイッチング素子の接続点との間に接続される。補助スイッチング回路は、開動作によって平滑回路と共振コンデンサとの間を遮断状態とし、共振コンデンサ以降の回路を電源側から電気的に分離する。共振コンデンサ以降の回路は電源側から分離されることによって、共振コンデンサ、共振インダクタおよびブリッジ回路による共振回路が形成される。

（主スイッチング素子のソフトスイッチング）
主スイッチング素子のスイッチング動作において、
（ａ）主スイッチング素子をオフ状態からオン状態に切り換えるスイッチング動作において、共振回路に共振電流が流れることによって、その主スイッチング素子の両端電圧を零電圧としてスイッチング動作を零電圧スイッチングとし、共振回路の共振電流が主スイッチング素子に並列接続されるダイオードに流れることによってその主スイッチング素子のスイッチング動作を零電流スイッチングとする。
（ｂ）主スイッチング素子をオン状態からオフ状態に切り換えるスイッチング動作において、オン状態にある主スイッチング素子において、共振電流が流れることによって共振コンデンサが放電して、その主スイッチング素子の両端電圧が零電圧となることによって主スイッチング素子のスイッチング動作を零電圧スイッチングとする。

主スイッチング素子のソフトスイッチングは、オフ状態からオン状態に切り換えるスイッチング動作では零電圧スイッチングおよび零電流スイッチングを行い、オン状態からオフ状態に切り換えるスイッチング動作では零電圧スイッチングを行う。

（補助スイッチング素子のソフトスイッチング）
さらに、本願発明の単相インバータにおいて、平滑回路は直流電源の正側と負側との間に接続された平滑コンデンサを備え、共振コンデンサは直流電源の正側と負側との間に接続された共振コンデンサを備え、補助スイッチング回路は平滑コンデンサと共振コンデンサとの間の接続を開閉する補助スイッチング素子およびこの補助スイッチング素子に並列接続されるダイオードを備える構成とすることができる。

補助スイッチング回路は、平滑コンデンサと共振コンデンサとの接続を切断することにより、共振コンデンサ、共振インダクタ、およびブリッジ回路による共振回路を構成する。

補助スイッチング素子のスイッチング動作において、
（ａ）補助スイッチング素子をオン状態からオフ状態に切り換えるスイッチング動作において、直流電源から負荷側に向かって供給電流が流れることで共振コンデンサの電圧と平滑コンデンサの電圧とは同電圧であることにより、補助スイッチング素子の両端電圧を零電圧として、スイッチング動作を零電圧スイッチングとする。
（ｂ）補助スイッチング素子をオフ状態からオン状態に切り換えるスイッチング動作において、共振回路を流れる電流による共振コンデンサの充電によって、共振コンデンサの電圧を平滑コンデンサの電圧と同電圧として、スイッチング動作を零電圧スイッチングとし、また、共振コンデンサの充電によって、補助スイッチング素子と並列接続されるダイオードが導通して、負荷側から直流電源に向かって回生電流が当該ダイオードを流れることによって、スイッチング動作を零電流スイッチングとする。

補助スイッチング素子のソフトスイッチングは、オン状態からオフ状態に切り換えるスイッチング動作では零電圧スイッチングを行い、オフ状態からオン状態へ切り換えるスイッチング動作では零電流スイッチングおよび零電圧スイッチングを行う。

共振回路を構成する共振インダクタは、ブリッジ回路と負荷との間に接続されるインダクタ素子と負荷の誘導分で構成する。

共振インダクタをインダクタ素子で構成する場合には、ブリッジ回路の上下アームの中点からインダクタ素子を介して負荷との間で電流路を形成し、負荷に出力電流を供給する。

本願発明によれば、ソフトスイッチング動作を行うための共振回路は共振コンデンサ、共振インダクタ、およびブリッジ回路で構成することができ、共振回路を形成する回路構成は、平滑回路、補助スイッチング回路で構成することができるため、簡易な回路構成とすることができる。また、共振コンデンサおよび平滑コンデンサは一つのコンデンサ素子で構成することができ、補助スイッチング回路においても、一つのスイッチング素子で構成することができるため、回路に要する素子数を低減させることができる。

以上説明したように、本願発明の単相インバータによれば、簡易な構成によってソフトスイッチングを行い、スイッチング素子のスイッチング損失を防ぐことができる。

本願発明の単相インバータの概略構成例を説明するための図である。 本願発明の単相インバータの概略構成例を説明するための図である。 本願発明の単相インバータの回路構成例を説明するための図である。 本願発明の単相インバータの動作を説明するためのスイッチング素子の動作図である。 本願発明の単相インバータの動作例を説明するための動作モード１〜動作モード１０の各部の信号状態を示す図である。 本願発明の単相インバータの動作例を説明するためのモード１の動作図である。 本願発明の単相インバータの動作例を説明するためのモード１→２の動作図である。 本願発明の単相インバータの動作例を説明するためのモード２の動作図である。 本願発明の単相インバータの動作例を説明するためのモード３の動作図である。 本願発明の単相インバータの動作例を説明するためのモード４の動作図である。 本願発明の単相インバータの動作例を説明するためのモード５の動作図である。 本願発明の単相インバータの動作例を説明するためのモード６の動作図である。 本願発明の単相インバータの動作例を説明するためのモード７の動作図である。 本願発明の単相インバータの動作例を説明するためのモード８の動作図である。 本願発明の単相インバータの動作例を説明するためのモード９の動作図である。 本願発明の単相インバータの動作例を説明するためのモード１０の動作図である。 本願発明の単相インバータを用いたプラズマ用電源装置の構成例を説明するための図である。 本願発明の単相インバータを用いたプラズマ用電源装置の構成例を説明するための図である。 単相インバータ回路の一般的な回路構成を説明するための回路図である。

以下、本願発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。以下では、本願発明の単相インバータについて、図１、図２を用いて本願発明の単相インバータの概略構成例を説明し、図３を用いて本願発明の単相インバータの回路構成例を説明し、図４〜図１６を用いて本願発明の単相インバータの動作例を説明し、図１７，１８を用いて本願発明の単相インバータを用いたプラズマ用電源装置の構成例について説明する。

[単相インバータの構成例]
はじめに、本願発明の単相インバータの概略構成例について図１，図２を用いて説明する。なお、図２は共振インダクタによる例を示している。

図１において、本願発明の単相インバータ１は、平滑回路２、補助スイッチング回路３、共振コンデンサ４、ブリッジ回路５、および共振インダクタ６を備え、直流電源１０からの直流を交流に変換し、変換した交流出力を負荷７に供給する。平滑回路２、補助スイッチング回路３、および共振コンデンサ４は、直流電源１０とブリッジ回路５との間において直流電源１０側から順に接続され、本願発明の単相インバータにおいて、共振コンデンサ４、ブリッジ回路５、および共振インダクタ６によって共振回路が構成される。

補助スイッチング回路３は、開動作によって平滑回路２と共振コンデンサ４との間を遮断状態とし、共振コンデンサ４以降の回路構成であるブリッジ回路５および共振インダクタ６を電源側から電気的に分離する。共振コンデンサ４、ブリッジ回路５および共振インダクタ６は電源側から分離されることによって共振回路が形成される。本願発明はこの共振回路による共振電流および共振コンデンサのコンデンサ電圧が零電圧となることを利用して、ブリッジ回路５を構成する主スイッチング素子（Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｘ，Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｙ）および補助スイッチング素子（Ｑ_Ａ）をソフトスイッチングでスイッチング動作させる。

図１（ｂ），（ｃ）はブリッジ回路の主スイッチング素子のソフトスイッチングを説明するための図である。

図１（ｂ）はブリッジ回路５の一方のアームを構成する主スイッチング素子Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｙのソフトスイッチングを説明するための図である。

主スイッチング素子Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｙをオフ状態からオン状態に切り換える際には、共振コンデンサには共振電流の充電あるいは放電が行われ、共振コンデンサの電圧Ｖ_ｃ２は零電圧の状態であるため、この時点でスイッチング動作を行うことで零電圧スイッチングを行うことができる。また、共振電流は主スイッチング素子Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｙと逆バイアスで並列接続されているダイオードＤ_Ｕ，Ｄ_Ｙを流れるため、この時点でスイッチング動作を行うことで零電流スイッチングを行うことができる。

一方、主スイッチング素子Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｙをオン状態からオフ状態に切り換える際には、共振コンデンサは共振回路を通して蓄積した電荷を放電する。共振コンデンサの電圧Ｖ_ｃ２が零電圧となる状態でスイッチング動作を行うことで零電圧スイッチングを行うことができる。

図１（ｃ）はブリッジ回路５の他方のアームを構成する主スイッチング素子Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｘのソフトスイッチングを説明するための図である。

主スイッチング素子Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｘのソフトスイッチングは、主スイッチング素子Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｙと同様にソフトスイッチングを行う。

主スイッチング素子Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｘをオフ状態からオン状態に切り換える際には、共振コンデンサには共振電流の充電あるいは放電が行われ、共振コンデンサの電圧Ｖ_ｃ２は零電圧の状態であるため、この時点でスイッチング動作を行うことで零電圧スイッチングを行うことができる。また、共振電流は主スイッチング素子Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｘと逆バイアスで並列接続されているダイオードＤ_Ｖ，Ｄ_Ｘを流れるため、この時点でスイッチング動作を行うことで零電流スイッチングを行うことができる。

一方、主スイッチング素子Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｘをオン状態からオフ状態に切り換える際には、共振コンデンサは共振回路を通して蓄積した電荷を放電する。共振コンデンサの電圧Ｖ_ｃ２が零電圧となる状態でスイッチング動作を行うことで零電圧スイッチングを行うことができる。

図１（ｄ）は補助スイッチング回路３の補助スイッチング素子Ｑ_Ａのソフトスイッチングを説明するための図である。

補助スイッチング素子のスイッチング動作において、補助スイッチング素子をオン状態からオフ状態に切り換えるスイッチング動作では、直流電源から負荷側に向かって供給電流が流れることで共振コンデンサの電圧と平滑コンデンサの電圧とは同電圧となり、補助スイッチング素子の両端電圧の電位差は零電圧となる。これによって、スイッチング動作を零電圧スイッチングとすることができる。

一方、補助スイッチング素子をオフ状態からオン状態に切り換えるスイッチング動作では、共振回路を流れる電流による共振コンデンサの充電によって、共振コンデンサの電圧は平滑コンデンサの電圧と同電圧となる。これによって、スイッチング動作を零電圧スイッチングとすることができる。

また、共振コンデンサの充電によって、補助スイッチング素子と並列接続されるダイオードが導通して、負荷側から直流電源に向かって回生する回生電流が当該ダイオードを流れる。これによって、補助スイッチング素子のスイッチング動作を零電流スイッチングとすることができる。

これにより、補助スイッチング素子のソフトスイッチングは、オン状態からオフ状態に切り換えるスイッチング動作では零電圧スイッチングを行い、オフ状態からオン状態へ切り換えるスイッチング動作では零電流スイッチングおよび零電圧スイッチングを行う。

図２は、単相インバータの共振インダクタの構成例を示している。図２に示す構成例では、ブリッジ回路５の出力端と負荷７との間にリアクトル素子６Ａを挿入し、リアクトル素子６Ａによって共振インダクタ６を構成している。この構成例によれば、負荷７が容量性負荷の場合においても本願発明の単相インバータにおいて共振回路を構成することができる。

[単相インバータの回路構成例]
図３は本願発明の単相インバータ１の一回路構成例を示す回路図である。
平滑回路２および共振コンデンサ４は、それぞれ直流電源１０の正負の出力端間に並列接続されるコンデンサＣ_１およびコンデンサＣ_２によって構成することができる。

補助スイッチング回路３は、コンデンサＣ_１の正側端とコンデンサＣ_２の正側端との間、あるいはコンデンサＣ_１の負側端とコンデンサＣ_２の負側端との間を接続する補助スイッチング素子Ｑ_Ａおよびこの補助スイッチング素子Ｑ_Ａに並列接続されるダイオードＤ_Ａによって構成することができる。

図３（ａ）は、補助スイッチング素子Ｑ_ＡおよびダイオードＤ_ＡをコンデンサＣ_１の負側端とコンデンサＣ_２の負側端との間に設けた構成例である。補助スイッチング素子Ｑ_Ａは、電流Ｉ_ＱＡがブリッジ回路５側から直流電源１０側に向かって流れる方向に接続され、ダイオードＤ_Ａは、電流Ｉ_ＤＡが直流電源１０側からブリッジ回路５側に向かって流れる方向に接続される。

図３（ｂ）は、補助スイッチング素子Ｑ_ＡおよびダイオードＤ_ＡをコンデンサＣ_１の正側端とコンデンサＣ_２の正側端との間に設けた構成例である。補助スイッチング素子Ｑ_Ａは、電流Ｉ_ＱＡが直流電源１０側からブリッジ回路５に向かって流れる方向に接続され、ダイオードＤ_Ａは、電流Ｉ_ＤＡがブリッジ回路５側から直流電源１０側に向かって流れる方向に接続される。

コンデンサＣ_１の入力端間には直流電源１０の直流電圧Ｅ_ｄが印加され、両端電圧Ｖ_ｃ１はＥ_ｄとなる。一方、コンデンサＣ_２の両端電圧Ｖ_ｃ２は、補助スイッチング回路３が閉じて導通している間はＥ_ｄとなり、補助スイッチング回路３が開いて非導通である間はコンデンサＣ_１が放電することによって、Ｖ_ｃ２はＥ_ｄより低電圧となる。

ブリッジ回路５は、第１および第２の主スイッチング素子Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｘの直列接続と、第３および第４の主スイッチング素子Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｙの直列接続とを直流電源１０の正負の電圧間に対して並列接続して構成され、各主スイッチング素子Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｘ，Ｑ_Ｖ，Ｑ_ＹにはダイオードＤ_Ｕ，Ｄ_Ｘ，Ｄ_Ｖ，Ｄ_Ｙが直流電源１０の電圧方向に対して逆バイアスで並列接続されている。

図３において、共振インダクタ６は共振リアクトルＬによって構成される。共振リアクトルＬを流れるインダクタ電流Ｉ_Ｌは、負荷に供給される際には出力電流となり、負荷から電源側に戻る際には回生電流となり、共振回路が形成される際には共振電流となる。

主スイッチング素子のスイッチング動作において、零電圧スイッチング（ＺＶＳ）および又は零電流スイッチング（ＺＣＳ）のソフトスイッチングは、共振コンデンサＣ_２および共振リアクトルＬの共振動作により発生する共振電流を用いている。

この共振動作を形成するためには、共振回路が形成された際に共振リアクトルＬに蓄積されたエネルギー（Ｌ×Ｉ_Ｌ ^２）／２は共振コンデンサＣ_２に蓄積されるエネルギー（Ｃ_２×Ｖ_ｃ ^２）／２よりも大きいというエネルギーの関係から、共振動作の電圧Ｖ_ｃ、電流Ｉ_Ｌ、共振コンデンサＣ_２、および共振リアクトルＬにおいて以下の関係を満たす必要がある。
（Ｃ_２×Ｖ_ｃ ^２）／２＜（Ｌ×Ｉ_Ｌ ^２）／２ ・・・（１）

また、共振コンデンサＣ_２とブリッジ回路の各主スイッチング素子Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｘ，Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｙまでの配線やパターンの距離を極力短くすることによって、スイッチング素子の浮遊容量Ｃと共振コンデンサＣ_２との間の配線リアクトルによって生じる共振動作を抑制し、主スイッチング素子のオフ時のサージ電圧の発生を抑制することができる。

図４は、単相インバータの動作を説明するためのスイッチング素子の動作図である。図４の動作図では、補助スイッチング素子Ｑ_Ａを駆動するゲート信号Ｇ_Ａ、および主スイッチング素子Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｘ，Ｑ_Ｙをそれぞれ駆動するゲート信号Ｇ_Ｕ，Ｇ_Ｖ，Ｇ_Ｘ，Ｇ_Ｙの出力状態を動作モード１から動作モード１０の１０段階に分けて示している。

ブリッジ回路５は主スイッチング素子Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｘ，Ｑ_Ｙのオン／オフ状態によって直交変換を行う。ブリッジ回路５の第１の主スイッチング素子Ｑ_Ｕと第４の主スイッチング素子Ｑ_Ｙのスイッチング素子の組と、第２の主スイッチング素子Ｑ_Ｘと第３の主スイッチング素子Ｑ_Ｖのスイッチング素子の組とを交互に駆動することによって、負荷に向かう出力電流の電流方向を切り換え、この主スイッチング素子の切り換えによって直交変換を行う。

例えば、第１の主スイッチング素子Ｑ_Ｕと第４の主スイッチング素子Ｑ_Ｙのスイッチング素子の組をオン状態とし、第２の主スイッチング素子Ｑ_Ｘと第３の主スイッチング素子Ｑ_Ｖのスイッチング素子の組をオフ状態とした場合（動作モード９，１０，１，２）には、第１および第２の主スイッチング素子Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｘの接続点から負荷７に向かい、負荷７から第３および第４の主スイッチング素子Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｙの接続点に向かう電流方向に電流が流れる。

主スイッチング素子の駆動状態の位相を反転させて、第１の主スイッチング素子Ｑ_Ｕと第４の主スイッチング素子Ｑ_Ｙのスイッチング素子の組をオフ状態とし、第２の主スイッチング素子Ｑ_Ｘと第３の主スイッチング素子Ｑ_Ｖのスイッチング素子の組をオン状態とした場合（動作モード４〜７）には、負荷７から第１および第２の主スイッチング素子Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｘの接続点に向かい、第３および第４の主スイッチング素子Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｙの接続点から負荷７向かう電流方向に電流が流れる。

スイッチング素子の駆動状態が切り替わって、第１の主スイッチング素子Ｑ_Ｕと第４の主スイッチング素子Ｑ_Ｙのスイッチング素子の組をオフ状態とし、第２の主スイッチング素子Ｑ_Ｘと第３の主スイッチング素子Ｑ_Ｖのスイッチング素子の組をオン状態とした場合（動作モード４、５，６，７）には、第３および第４の主スイッチング素子Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｙの接続点から負荷７に向かい、負荷７から第１および第２の主スイッチング素子Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｘの接続点に向かう電流方向に流れる。

第１の主スイッチング素子Ｑ_Ｕおよび第４の主スイッチング素子Ｑ_Ｙのオン状態（動作モード９，１０，１，２）と、第２の主スイッチング素子Ｑ_Ｘおよび第３の主スイッチング素子Ｑ_Ｖのオン状態（動作モード４、５，６，７）との間には、インバータ回路の上下のアームが短絡することを防ぐために、全ての主スイッチング素子Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｘ，Ｑ_Ｙをオフ状態とする動作モード３，８を設ける。

本願発明の単相インバータは、主スイッチング素子のスイッチング動作をソフトスイッチングで行うために、ブリッジ回路を含む共振回路に流れる共振電流を利用している。共振電流は、補助スイッチング回路によって共振コンデンサ以降の回路を直流電源１０側と電気的に分離するとともに、共振コンデンサとブリッジ回路と共振インダクタとにより共振回路を形成することによって形成する。

補助スイッチング回路は、動作モード１０，１および動作モード５，６においてゲート信号Ｇ_Ａを出力して補助スイッチング素子Ｑ_Ａをオン状態とする。この動作モードにより共振回路が形成される。

主スイッチング素子を駆動する動作モード１，２，４，５，６，７，９，１０の各区間の時間幅は駆動周波数によって可変である。一方、補助スイッチング素子Ｑ_Ａのオフ区間である動作モード２〜４、７〜９、および上下アームの主スイッチング素子Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｘ，Ｑ_Ｙの不動時間（dead time）である動作モード３，８の区間の時間幅は、回路素子の値等で定まる電圧変化の時定数等に基づいて設定した固定値とする。

[動作例]
図５は動作モード１〜動作モード１０における各部の信号状態を示している。図５では、補助スイッチング素子Ｑ_Ａ、主スイッチング素子Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｘ，Ｑ_Ｙのゲート信号、共振コンデンサＣ_２の電圧Ｖ_ｃ２、主スイッチング素子Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｙ，Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｘを流れる電流Ｉ_ＱＵ，Ｉ_ＱＹ，Ｉ_ＱＶ，Ｉ_ＱＸ、ダイオードＤ_Ｖ，Ｄ_Ｘを流れる電流Ｉ_ＤＶ，Ｉ_ＤＸ，共振電流Ｉ_ｏｕｔを示している。

以下、図６〜図１６を用いて動作モード１〜１０について説明する。
（動作モード１）
図６は動作モード１の動作状態を示している。動作モード１において、補助スイッチング素子Ｑ_Ａおよび主スイッチング素子Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｙはオン状態である。この動作モード１では、直流電源の正側のＰ端子から主スイッチング素子Ｑ_Ｕ、共振リアクトルＬ、主スイッチング素子Ｑ_Ｙ、および補助スイッチング素子Ｑ_Ａとを通って直流電源の負側のＮ端子に電流路に電流が流れる経路が形成され、負荷に出力電流が供給される。

（動作モード１→２）
図７は動作モード１→２の動作状態を示し、動作モード１から動作モード２への移行は、補助スイッチング素子Ｑ_Ａをオン状態からオフ状態への切換え動作によって行う。

補助スイッチング素子Ｑ_Ａのオン状態からオフ状態への移行において、補助スイッチング素子Ｑ_Ａをオフとする時点では共振コンデンサＣ_２は平滑コンデンサＣ_１と同電圧であり、共振コンデンサＣ_２の電圧Ｖ_ｃ２と平滑コンデンサＣ_１の電圧Ｖ_ｃ１との間に電位差はなく、補助スイッチング素子の両端電圧は零である。したがって、この状態において、補助スイッチング素子Ｑ_Ａをオン状態からオフ状態への切り換え動作は、零電流スイッチング（ＺＶＳ）となる。

補助スイッチング素子Ｑ_Ａをオン状態からオフ状態に切り換えると、共振コンデンサＣ_２の電圧Ｖ_ｃ２から放電を開始する。

（動作モード２）
図８は動作モード２を示している。共振コンデンサＣ_２の放電によって電圧Ｖ_ｃ２が０電圧に達した時点で動作モード２に移行する。

動作モード２では、共振コンデンサＣ_２、ブリッジ回路、および共振リアクトルＬは、直流電源側から電気的に分離されて共振回路が形成される。共振回路を流れる共振電流において、主スイッチング素子Ｑ_Ｙと主スイッチング素子Ｑ_Ｕに流れる電流はダイオードＤ_ＸとダイオードＤ_Ｖに分流する。図８中の破線は分流を示している。

（動作モード３）
図９は動作モード３を示し、主スイッチング素子Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｙをオン状態からオフ状態に切り換えた状態を示している。動作モード２において共振コンデンサＣ_２の放電によって電圧Ｖ_ｃ２が０電圧に達した時点で、動作モード２から動作モード３へ移行しては、主スイッチング素子をオン状態からオフ状態に切り換える。

この時点において、共振コンデンサＣ_２の電圧Ｖ_ｃ２が０電圧であるため、主スイッチング素子Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｙのそれぞれの両端電圧Ｖ_ＱＵ，Ｖ_ＱＹは０電圧である。したがって、この時点で主スイッチング素子Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｙのオン状態からオフ状態への切り換えは、零電圧スイッチング（ＺＶＳ）で行うことができる。

主スイッチング素子Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｙをオフ状態に移行することによって、主スイッチング素子Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｙの電流Ｉ_ＱＵ，Ｉ_ＱＹは０になる。その後、共振コンデンサＣ_２は０電圧から充電を開始して、共振電流は反転してダイオードＤ_ＶとダイオードＤ_Ｘに流れるようになる。

（動作モード４）
図１０は動作モード４を示し、主スイッチング素子Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｘをオフ状態からオン状態に切り換えた状態を示している。動作モード３において、共振コンデンサＣ_２の電圧Ｖ_ｃ２が０電圧であるため、主スイッチング素子Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｘのそれぞれの両端電圧Ｖ_ＱＶ，Ｖ_ＱＸは０電圧である。したがって、この時点で主スイッチング素子Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｘのオフ状態からオン状態への切り換えは、零電圧スイッチング（ＺＶＳ）で行うことができる。

また、動作モード３において、ダイオードＤ_ＶとダイオードＤ_Ｘは導通して共振電流が流れているため、この時点で主スイッチング素子Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｘのオフ状態からオン状態への切り換えは、零電流スイッチング（ＺＣＳ）で行うことができる。

動作モード３において、共振コンデンサＣ_２が充電され、共振コンデンサの電圧Ｖ_ｃ２がダイオードＤ_Ａを導通できる電圧まで充電されると、動作モード４に移行してダイオードＤ_Ａが導通する。ダイオードＤ_Ａの電圧降下を無視すれば、平滑コンデンサＣ_１と共振コンデンサＣ_２は同電位になり、共振回路側から電源側に向かって回生電流が流れるようになる。

（動作モード５）
図１１は動作モード５を示し、補助スイッチング素子Ｑ_Ａをオフ状態からオン状態に切り換えた状態を示している。動作モード４により平滑コンデンサＣ_１と共振コンデンサＣ_２は同電位になった状態において、補助スイッチング素子Ｑ_Ａをオフ状態からオン状態に切り換えると、補助スイッチング素子Ｑ_Ａの両端電圧は０電圧であるため、零電圧スイッチング（ＺＶＳ）で行うことができ、また、ダイオードＤ_Ａに回生電流が流れているため零電流スイッチング素子（ＺＣＳ）で行うことができる。

上記した動作モード１から動作モード５は半サイクル動作であり、次の動作モード６から動作モード１０の半サイクル動作と合わせて一サイクル動作が完了する。

動作モード６〜動作モード１０は、動作する主スイッチング素子のＱ_Ｕ，Ｑ_Ｙとの組み合わせとＱ_Ｖ，Ｑ_Ｘの組み合わせを入れ替えた動作モード１〜動作モード５と同様の動作である。

（動作モード６）
図１２は動作モード６の動作状態を示している。動作モード６において、補助スイッチング素子Ｑ_Ａおよび主スイッチング素子Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｘはオン状態である。この動作モード６では、直流電源の正側のＰ端子から主スイッチング素子Ｑ_Ｖ、共振リアクトルＬ、主スイッチング素子Ｑ_Ｘ、および補助スイッチング素子Ｑ_Ａとを通って直流電源の負側のＮ端子の電流路に電流が流れる経路が形成され、負荷に出力電流が供給される。

動作モード６から動作モード７への移行は、補助スイッチング素子Ｑ_Ａのオン状態からオフ状態への切換え動作によって行う。

補助スイッチング素子Ｑ_Ａのオン状態からオフ状態への移行において、補助スイッチング素子Ｑ_Ａをオフとする時点では共振コンデンサＣ_２は平滑コンデンサＣ_１と同電圧であり、共振コンデンサＣ_２との電圧Ｖ_ｃ２と平滑コンデンサＣ_１の電圧Ｖ_ｃ１との間に電位差はなく、補助スイッチング素子の両端電圧は零である。したがって、この状態において、補助スイッチング素子Ｑ_Ａをオン状態からオフ状態への切り換え動作は、零電流スイッチング（ＺＶＳ）となる。

補助スイッチング素子Ｑ_Ａをオン状態からオフ状態に切り換えると、共振コンデンサＣ_２は電圧Ｖ_ｃ２から放電を開始する。

（動作モード７）
図１３は動作モード７を示している。共振コンデンサＣ_２の放電によって電圧Ｖ_ｃ２が０電圧に達した時点で動作モード６から動作モード７に移行する。

動作モード７では、共振コンデンサＣ_２、ブリッジ回路、および共振リアクトルＬは、直流電源側から電気的に分離されて共振回路が形成される。共振回路を流れる共振電流において、主スイッチング素子Ｑ_Ｘと主スイッチング素子Ｑ_Ｖに流れる電流はダイオードＤ_ＹとダイオードＤ_Ｕに分流する。

（動作モード８）
図１４は動作モード８を示し、主スイッチング素子Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｘをオン状態からオフ状態に切り換えた状態を示している。動作モード７において共振コンデンサＣ_２の放電によって電圧Ｖ_ｃ２が０電圧に達した時点で、動作モード７から動作モード８へ移行しては、主スイッチング素子をオン状態からオフ状態に切り換える。

この時点において、共振コンデンサＣ_２の電圧Ｖ_ｃ２が０電圧であるため、主スイッチング素子Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｘのそれぞれの両端電圧Ｖ_ＱＶ，Ｖ_ＱＸは０電圧である。したがって、この時点で主スイッチング素子Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｘのオン状態からオフ状態への切り換えは、零電圧スイッチング（ＺＶＳ）で行うことができる。

主スイッチング素子Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｘをオフ状態に移行することによって、主スイッチング素子Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｘの電流Ｉ_ＱＶ，Ｉ_ＱＸは０になる。その後、共振コンデンサＣ_２は０電圧か充電を開始して、共振電流は反転してダイオードＤ_ＵとダイオードＤ_Ｙに流れるようになる。

（動作モード９）
図１５は動作モード９を示し、主スイッチング素子Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｙをオフ状態からオン状態に切り換えた状態を示している。動作モード８において、共振コンデンサＣ_２の電圧Ｖ_ｃ２が０電圧であるため、主スイッチング素子Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｙのそれぞれの両端電圧Ｖ_ＱＵ，Ｖ_ＱＹは０電圧である。したがって、この時点で主スイッチング素子Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｙのオフ状態からオン状態への切り換えは、零電圧スイッチング（ＺＶＳ）で行うことができる。

また、動作モード８において、ダイオードＤ_ＵとダイオードＤ_Ｙは導通して共振電流が流れているため、この時点で主スイッチング素子Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｙのオフ状態からオン状態への切り換えは、零電流スイッチング（ＺＣＳ）で行うことができる。

動作モード８において、共振コンデンサＣ_２が充電され、共振コンデンサの電圧Ｖ_ｃ２がダイオードＤ_Ａを導通できる電圧まで充電されると、動作モード９に移行してダイオードＤ_Ａが導通する。ダイオードＤ_Ａの電圧降下を無視すれば、平滑コンデンサＣ_１と共振コンデンサＣ_２は同電位になり、共振回路側から電源側に向かって回生電流が流れるようになる。

（動作モード１０）
図１６は動作モード１０を示し、補助スイッチング素子Ｑ_Ａをオフ状態からオン状態に切り換えた状態を示している。動作モード９により平滑コンデンサＣ_１と共振コンデンサＣ_２は同電位になった状態において、補助スイッチング素子Ｑ_Ａをオフ状態からオン状態に切り換えると、補助スイッチング素子Ｑ_Ａの両端電圧は０電圧であるため、零電圧スイッチング（ＺＶＳ）で行うことができ、また、ダイオードＤ_Ａに回生電流が流れているため零電流スイッチング素子（ＺＣＳ）で行うことができる。

上記した動作モード１〜５、および動作モード６〜１０を、それぞれ以下の表１，２に示す。

[単相インバータを用いた電源装置の構成例]
（デュアルカソード電源装置の構成例）
図１７は本願発明の単相インバータを用いたデュアルカソード電源装置の構成例を示している。

デュアルカソード電源装置はプラズマ発生装置の負荷に高周波電力を供給する電源であり、プラズマ発生装置は接地したケース内に電極１と電極２の二つの電極を備える。このデュアルカソード電源装置によれば、二つの電極に電気的に対称な交流電圧を印加することができる。

デュアルカソード電源装置は、交流電源の交流電力を整流する整流部、過渡的に生じる高電圧を抑制する保護回路を構成するスナバー部、整流部から入力した直流電力の電圧を所定電圧に変換して直流電流を出力する電流形降圧チョッパ部、電流形降圧チョッパ部の直流出力を多相の交流出力に変換する単相インバータ、単相インバータの交流出力を所定電圧に変換する単相変圧器を備える。

デュアルカソード電源装置は、単相変圧器の一方の出力を出力ケーブルを介して一方の電極１に供給し、他方の出力を出力ケーブルを介して他方の電極２に供給する。

図１８は本願発明の単相インバータを用いた直流電源装置の構成例を示している。
直流電源装置はプラズマ発生装置の負荷に高周波電力を供給する電源であり、プラズマ発生装置は、直流電源装置から直流電圧入力する電極Ａと、接地された電極Ｂの二つの電極を備える。この直流電源装置によれば、一方の電極Ｂを接地し、他方の電極Ａに直流電圧を印加することができる。

直流電源装置は、交流電源の交流電力を整流する整流部、過渡的に生じる高電圧を抑制する保護回路を構成するスナバー部、整流部から入力した直流電力の電圧を所定電圧に変換して直流電流を出力する電流形降圧チョッパ部、電流形降圧チョッパ部の直流出力を多相の交流出力に変換する単相インバータ、単相インバータの交流出力を所定電圧に変換する単相変圧器、単相変圧器の交流出力を整流する整流器を備える。直流電源装置は、整流器の出力を出力ケーブルを介して電極Ａに供給する。

なお、上記実施の形態及び変形例における記述は、本願発明に係る電流形インバータ装置および電流形インバータ装置の制御方法の一例であり、本願発明は各実施の形態に限定されるものではなく、本願発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本願発明の範囲から排除するものではない。

本願発明の単相インバータは、交流を出力するデュアルカソード電源装置、および直流を出力する直流電源装置に適用することができる。

１ 単相インバータ
２ 平滑回路
３ 補助スイッチング回路
４ 共振コンデンサ
５ ブリッジ回路
６ 共振インダクタ
６Ａ リアクトル素子
７ 負荷
１０ 直流電源
Ａ，Ｂ 電極
Ｃ 浮遊容量
Ｃ_１ 平滑コンデンサ
Ｃ_２ 共振コンデンサ
Ｄ_１，Ｄ_２，Ｄ_３，Ｄ_４ 帰還ダイオード
Ｄ_Ａ ダイオード
Ｄ_Ｕ，Ｄ_Ｘ，Ｄ_Ｖ，Ｄ_Ｙ ダイオード
Ｅ_ｄ 直流電圧
Ｇ_Ａ ゲート信号
Ｇ_Ｕ，Ｇ_Ｖ，Ｇ_Ｘ，Ｇ_Ｙ ゲート信号
Ｉ_ＤＡ 電流
Ｉ_ＤＶ，Ｉ_ＤＸ 電流
Ｉ_Ｌ インダクタ電流
Ｉ_ＱＡ 電流
Ｉ_ＱＵ，Ｉ_ＱＹ，Ｉ_ＱＶ，Ｉ_ＱＸ 電流
Ｉ_ｏｕｔ 共振電流
Ｌ 共振リアクトル
Ｑ_１，Ｑ_２，Ｑ_３，Ｑ_４ スイッチング素子
Ｑ_Ａ 補助スイッチング素子
Ｑ_Ｕ，Ｑ_Ｖ，Ｑ_Ｘ，Ｑ_Ｙ 主スイッチング素子

Claims (2)

1. 第１および第２の主スイッチング素子の直列接続と、第３および第４の主スイッチング素子の直列接続とを直流電源に対して並列接続し、各主スイッチング素子は直流電源に対して逆バイアスでダイオードを並列接続してなるブリッジ回路と、
   前記直流電源と前記ブリッジ回路との間に直流電源側から順に接続される、平滑回路、補助スイッチング回路、および共振コンデンサと、
   前記ブリッジ回路の第１の主スイッチング素子と第２の主スイッチング素子の接続点と、第３の主スイッチング素子と第４の主スイッチング素子の接続点との間に接続される共振インダクタとを備え、
   前記補助スイッチング回路の開動作による前記平滑回路と前記共振コンデンサとの間の遮断状態において、前記共振コンデンサと前記共振インダクタは共振回路を形成し、
   （ａ）主スイッチング素子のオフ状態からオン状態へのスイッチング動作において、
   前記共振回路の共振電流が当該主スイッチング素子に並列接続されるダイオードに流れることによって当該主スイッチング素子を零電流スイッチングとし、共振回路に共振電流が流れることによって当該主スイッチング素子の両端電圧を零電圧として、当該スイッチング素子のオフ状態からオン状態へのスイッチング動作を零電流スイッチングおよび零電圧スイッチングとし、
   （ｂ）主スイッチング素子のオン状態からオフ状態へのスイッチング動作において、
   前記共振電流によって前記共振コンデンサが放電して両端電圧が零電圧となることによって当該主スイッチング素子の両端電圧を零電圧として、当該スイッチング素子のオン状態からオフ状態へのスイッチング動作を零電圧スイッチングとし、
   主スイッチング素子のスイッチング動作をソフトスイッチングで行うことを特徴とする、単相インバータ。
2. 前記平滑回路は、前記直流電源の正側と負側との間に接続された平滑コンデンサを備え、
   前記共振コンデンサは、前記直流電源の正側と負側との間に接続された共振コンデンサを備え、
   前記補助スイッチング回路は、前記平滑コンデンサと前記共振コンデンサとの間の接続を開閉する補助スイッチング素子および当該補助スイッチング素子に並列接続されるダイオードを備え、
   前記補助スイッチング回路は、前記平滑コンデンサと前記共振コンデンサとの接続を切断することにより、前記共振コンデンサと前記共振インダクタとの共振回路を構成し、
   （ａ）補助スイッチング素子のオン状態からオフ状態へのスイッチング素子動作において、
   直流電源から負荷に向かって供給電流が流れることによって前記共振コンデンサの電圧と前記平滑コンデンサの電圧とを同電圧として、当該補助スイッチング素子のオン状態からオフ状態へのスイッチング動作を零電圧スイッチングとし、
   （ｂ）補助スイッチング素子のオフ状態からオン状態へのスイッチング素子動作において、
   前記共振回路を流れる電流による前記共振コンデンサの充電によって前記共振コンデンサの電圧と前記平滑コンデンサの電圧とを同電圧として、当該補助スイッチング素子のオフ状態からオン状態へのスイッチング動作を零電圧スイッチングとし、
   前記共振コンデンサの充電によって前記補助スイッチング素子と並列接続されるダイオードを導通させ、負荷側から直流電源に向かい回生電流が当該ダイオードを流れることによって当該補助スイッチング素子を零電流スイッチングとして、当該補助スイッチング素子のオフ状態からオン状態へのスイッチング動作を零電流スイッチングおよび零電圧スイッチングとし、
   補助スイッチング素子のスイッチング動作をソフトスイッチングで行うことを特徴とする、請求項１に記載の単相インバータ。