JP5712704B2 - 高電圧インバータ装置 - Google Patents
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Description
例えば、大気圧プラズマは、表面処理の一つの手段として、表面の改質や汚染物の除去等、様々な工業製品に応用されている。樹脂等に接着や印刷、コーティング等を施す場合に、大気圧プラズマにより前処理を行うと、濡れ性を向上させることが可能になる。
大気圧プラズマが発生し易い数KV、もしくは二十〜十数KVの高電圧を発生させる交流のインバータ装置において、この電圧範囲の高電圧は感電やスパークによる発火・発煙等が発生する恐れがあり、人体に極めて危険である。
上記共振トランスの励磁巻線の両端に並列に接続したバリスタによって該励磁巻線に発生する異常電圧を検出する異常電圧検出回路と、上記スイッチング素子のスイッチング動作を制御し、上記異常電圧検出回路が上記異常電圧を検出した信号によって上記スイッチング素子のスイッチング動作を停止させる制御回路とを備え、
上記異常電圧検出回路による上記異常電圧を検出した信号を、フォトカプラ又はフォトトライアックカプラによって上記制御回路へ伝達するようにし、そのフォトカプラ又はフォトトライアックカプラの発光素子を上記異常電圧検出回路側に、受光素子を上記制御回路側にそれぞれ設け、
上記異常電圧検出回路は、ダイオードと上記バリスタと上記フォトカプラ又はフォトトライアックカプラの発光素子とが直列に接続された直列回路からなり、その直列回路中に電流制限用の抵抗とコンデンサとの並列回路を介挿したことを特徴とする。
〔第1実施例:図1、図2〕
図1は、この発明による高電圧インバータ装置の第1実施例を示す回路図である。
この高電圧インバータ装置5は、入力端子1a,1b、共振トランス10、出力端子2a,2b、およびその共振トランス10を制御する制御回路20とスイッチング素子Qsw等を備えている。
・Vds=Vout/Nps ……(式1)
・Vout=Qe・Vin ……(式2)
ここで、共振の鋭さQeについて説明する。周波数に対する共振電流の特性をとると、共振周波数foで共振電流が最大値になるが、その前後の周波数で共振電流が最大値の1/√2になる周波数の幅(半値幅という)をΔfとすると、Qe=fo/Δfで表される無次元数である。
これらによって、負荷側の異常を検出する異常電圧検出回路7を構成している。
バリスタ12は、両端子間の電圧が低い場合には電気抵抗が高いが、両端子間の電圧がある程度以上に高くなると電気抵抗が急激に低下する性質を持つ非直線性抵抗素子である。
この高電圧インバータ装置5は、出力端子2a,2b間に負荷が接続されて、正常に動作しているときには、共振トランス10の出力巻線NSには図2の(a)に示すように、スイッチング素子Qswのスイッチング周期でオフの期間に正弦波に近い半波で、波高値が十数KVの交流高電圧を発生しており、それが出力電圧Voutとなっている。
このとき、励磁巻線NPの端子間には、出力電圧Voutの波形を反転したような波形で、その波高値が共振トランス10の巻数比Nps分の一(Vnp=Vout/Nps)の正弦波に近い半波の負電圧Vnpが発生している。
すなわち、この高電圧インバータ装置5は正常に動作している。
その電圧が異常電圧検出回路7のダイオードD1等を通してバリスタ12に印加され、バリスタ12は印加電圧が所定値を超えてその抵抗値が急激に低下するため、上記直列回路に急峻に電流が流れ始め、フォトカプラ11のLED11aに電流が流れて発光する。これが異常検出信号に相当する。異常電圧は瞬時にスナバ回路のコンデンサC1に流れるが、その後すぐにバリスタ12を含む異常電圧検出回路7に流れる。
すなわち、高電圧インバータ装置5は動作を停止し、出力電圧Voutは図2の(c)に示すように0Vになって変化しなくなる。
図3はこの発明による高電圧インバータ装置の第2実施例を示す回路図である。
この図3および以降の図4〜図7においても、図1と同じ部分には同一の符号を付してあり、それらの説明は省略する。また、図3〜図5に示す高電圧インバータ装置5は、図1に示した高電圧インバータ装置5とは、保護回路の構成が異なるが、高電圧インバータ装置としての基本的な構成及び機能は同じであるから、便宜上同一の符号を使用する。
フォトトライアックカプラ13は、発光素子である発光ダイオード(LED)13aと受光素子であるフォトトライアック13bとを同一の容器内に対向させて配置し、入出力間を完全に絶縁した無接点リレーである。そして、LED13aに電流が流れて発光すると、その光をフォトトライアック13bが受光して両方向に導通し、完全な導通状態になるので、フォトトランジスタ11bより多くの電流を流せる。
この異常電圧検出回路7′による異常検出動作と、その検出信号をフォトトライアックカプラ13によって制御回路20に伝達してその発振動作を停止させる機能は、前述の第1実施例と同様である。
図4はこの発明による高電圧インバータ装置の第3実施例を示す回路図である。
この第3実施例の高電圧インバータ装置5は、異常電圧検出回路17をFETによるスイッチング素子Qswのドレイン・ソース間に並列に接続している。その異常検出回路17は、
バリスタ22と抵抗R3とダイオードD2と、フォトカプラ21の発光素子であるLED21aとを直列に接続
し、抵抗R3に並列にコンデンサC3を接続して構成している。
そして、フォトカプラ21の受光素子であるフォトトランジスタ21bを制御回路20に接続している。また、スナバ回路のコンデンサC1に並列に抵抗Rを接続している。
抵抗R3とコンデンサC3の役目は、図1における抵抗R2とコンデンサC2の役目と同じである。また、フォトカプラ21に代えて、図3に示した第2実施例のようにフォトトライアックカプラを用いてもよい。
図5は、この発明による高電圧インバータ装置の第4実施例を示す回路図である。
この第4実施例の高電圧インバータ装置5は、共振トランス10の出力巻線NSと並列に(出力巻線NSの両端から出力端子2a,2bへの出力線間)にアレスタ(避雷器)15を接続する。また、前記共振トランス10の励磁巻線NPに流れる励磁電流を検出する励磁電流検出回路として、スイッチング素子Qswのソースを制御回路20を通してフレームグラウンドに接続するラインに電流検出用の抵抗R4を介挿し、その両端の電圧を励磁電流検出信号として制御回路20に入力させる。
図6は、この発明による高電圧インバータ装置の第5実施例を示す回路図である。
この第5実施例の高電圧インバータ装置5′では、高電圧を発生させる共振トランス30を、同じ構成で同一の特性を持つ3個の共振トランスT1,T2,T3によって構成している。
この場合、スイッチング素子Qswのドレイン端子と各励磁巻線NP1,NP2,NP3の負極側端子との配線距離が均等になるようにスイッチング素子Qswを配置するとよい。
但し、この実施例の場合には、出力電圧に対して各共振トランスT1,T2,T3の励磁巻線に発生する電圧(接続点a−b間の電圧)は、その共振トランスの巻数比とトランス個数の積に逆比例して小さくなる。
また、異常検出回路7に代えて、図4に示した第3実施例のように、スイッチング素子Qswのドレイン・ソース間に並列に異常電圧検出回路17を接続し、そのフォトカプラ21のフォトトランジスタ21bを制御回路20に接続してもよい。
図7は、この発明による高電圧インバータ装置の第6実施例を示す回路図である。
この第6実施例の高電圧インバータ装置は、前述した第5実施例と同じ構成の共振トランス30を備えており、その3個の共振トランスT1,T2,T3の直列に接続された出力巻線NS1,NS2,NS3に、それぞれ個別に並列にアレスタ15a,15b,15cを接続している。
共振トランス30の構成に関しては、前述した第5実施例で述べたのと同様に種々に変更することができる。
アレスタ15a,15b,15cに代えて、共振トランスT1,T2,T3の各出力巻線NS1,NS2,NS3が直列に接続された出力端子2a,2b間に1個のアレスタを接続してもよい。
また、上述した各実施例は最良の形態を説明したが、そのすべての構成が必須なわけではないので、適宜省略することができる。さらに、各実施例に記載した素子は適宜変更でき、それら以外のものを追加することもできることは勿論である。
さらに、各実施例の異常電圧検出回路等は、矛盾しない範囲で適宜組み合わせて使用することができる。
5,5′:高電圧インバータ装置 7,7′,17:異常電圧検出回路
10:共振トランス 11,21:フォトカプラ
11a,21a:発光素子である発光ダイオード(LED)
11b,21b:受光素子であるフォトトランジスタ
12,22:バリスタ 13:フォトトライアックカプラ
13a:発光素子である発光ダイオード(LED)
13b:受光素子であるフォトトライアック
15,15a,15b,15c:アレスタ 20:制御回路
30:共振トランス
Qsw:スイッチング素子 T1,T2,T3:共振トランス
NP,NP1,NP2,NP3:励磁巻線
NS,NS1,NS2,NS3:出力巻線
C1,C2,C3:コンデンサ R,R1,R2,R3,R4:抵抗
D1,D2:ダイオード
Claims (4)
- 入力電圧をスイッチング素子によってスイッチングして共振トランスの励磁巻線に励磁電流を流し、該共振トランスの出力巻線から交流高電圧を出力する高電圧インバータ装置において、
前記共振トランスの励磁巻線の両端に並列に接続したバリスタによって該励磁巻線に発生する異常電圧を検出する異常電圧検出回路と、
前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御し、前記異常電圧検出回路が前記異常電圧を検出した信号によって前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止させる制御回路とを備え、
前記異常電圧検出回路による前記異常電圧を検出した信号を、フォトカプラ又はフォトトライアックカプラによって前記制御回路へ伝達するようにし、該フォトカプラ又はフォトトライアックカプラの発光素子を前記異常電圧検出回路側に、受光素子を前記制御回路側にそれぞれ設け、
前記異常電圧検出回路は、ダイオードと前記バリスタと前記フォトカプラ又はフォトトライアックカプラの発光素子とが直列に接続された直列回路からなり、該直列回路中に電流制限用の抵抗とコンデンサとの並列回路を介挿したことを特徴とする高電圧インバータ装置。
- 入力電圧をスイッチング素子によってスイッチングして共振トランスの励磁巻線に励磁電流を流し、該共振トランスの出力巻線から交流高電圧を出力する高電圧インバータ装置において、
前記スイッチング素子の両端に並列に接続したバリスタによって該スイッチング素子がオフの期間に該スイッチング素子の端子間に発生する異常電圧を検出する異常電圧検出回路と、
前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御し、前記異常電圧検出回路が前記異常電圧を検出した信号によって前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止させる制御回路とを備え、
前記異常電圧検出回路による前記異常電圧を検出した信号を、フォトカプラ又はフォトトライアックカプラによって前記制御回路へ伝達するようにし、該フォトカプラ又はフォトトライアックカプラの発光素子を前記異常電圧検出回路側に、受光素子を前記制御回路側にそれぞれ設け、
前記異常電圧検出回路は、ダイオードと前記バリスタと前記フォトカプラ又はフォトトライアックカプラの発光素子とが直列に接続された直列回路からなり、該直列回路中に電流制限用の抵抗とコンデンサとの並列回路を介挿したことを特徴とする高電圧インバータ装置。
- 前記共振トランスが、同一の特性を持つ個別の複数の共振トランスによって構成され、該複数の共振トランスの各励磁巻線が並列又は直列に接続されて同時に励磁され、該複数の共振トランスの各出力巻線が互いに並列又は直列に接続され、かつ該各出力巻線の出力電圧波形の時間軸が同期していることを特徴とする請求項1又は2に記載の高電電圧インバータ装置。
- 前記複数の共振トランスの各出力巻線が直列に接続され、その各出力巻線に個々に並列にアレスタを接続したことを特徴とする請求項3に記載の高電圧インバータ装置。
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