JPH04236169A - 電圧形インバータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、互いに異なる固有の
共振周波数を持つ２つの誘導加熱負荷回路やプラズマ発
生用共振回路などに対し、高周波電力を供給するために
用いて好適な電圧形インバータに関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は１台の高周波インバータから２つ
の共振回路に高周波電力を供給する従来例を示す回路図
である。同図において、１０は高周波（数ＭＨｚのオー
ダ）の交流電力を出力する電圧形インバータ、９０は交
流電力を所定の負荷回路に供給するための切換スイッチ
で、この切換スイッチ９０には配線１０１を介する並列
共振回路２０と、配線１０３を介する直列共振回路３０
とが接続され、スイッチ９０の切り換えにより各負荷に
それぞれ高周波電力を供給する。電圧形インバータ１０
から高周波の交流電力が供給される負荷は一般に誘導性
であることから、図に示すように負荷リアクタンス２１
と負荷抵抗２２の直列回路、および負荷リアクタンス３
１と負荷抵抗３２の直列回路で構成されるが、負荷回路
２０ではこの直列回路に共振コンデンサ２３を並列に接
続することで並列共振回路が形成され、負荷回路３０で
はその直列回路に共振コンデンサ３３を直列に接続する
ことで直列共振回路が形成されている。そして、これら
共振負荷回路に対して高周波電力を高効率で供給するた
め、電圧形インバータ１０は一般に、スイッチ９０を介
して接続される共振回路の共振周波数またはその近傍の
周波数で運転される。

【０００３】ところで、図４の如き回路では並列共振回
路２０はその共振周波数におけるインピーダンスをＺＴ
１，高調波に対するインピーダンスをＺＮ１とすれば、
一般にＺＴ１＞＞ＺＮ１である。一方、電圧形インバー
タ１０から出力される電圧には多くの高調波成分が含ま
れているので、この電圧形インバータ１０の出力側を配
線１０１を介して直接並列共振回路２０に接続すると、
高調波に対するインピーダンスＺＮ１が小であることか
ら、多くの高調波電流が並列共振回路２０に流れ、電圧
形インバータ１０が過電流となる。このような高調波電
流が流れるのを抑制する目的で、配線１０１には直列リ
アクトル１０５が挿入される。しかしながら、この直列
リアクトル１０５の挿入により、運転時の電圧変動率が
大となり、並列共振回路２０に印加される電圧が低下す
るという問題が生じる。さらに、配線１０１には配線イ
ンダクタンス１０２が存在しているので、電圧形インバ
ータ１０と並列共振回路２０とを接続するための距離が
長い場合、またはこの配線を流れる交流の周波数が特に
高い領域にある場合は、配線インダクタンス１０２の影
響が大となり、挿入された直列リアクトル１０５を取り
除いても全体のインダクタンス値が過大となって並列共
振回路２０に印加される電圧が所定値以下になり、電圧
形インバータ１０から充分な電力が供給できないという
問題が生じる。

【０００４】一方、配線１０３にも配線インダクタンス
１０４が存在しているので、電圧形インバータ１０と直
列共振回路３０とを接続するための距離が長い場合、ま
たはこの配線を流れる交流の周波数が特に高い領域にあ
る場合は、配線インダクタンス値が増加し、このインダ
クタンス値が負荷リアクタンスのインダクタンス値に加
算されることになるので、インバータ出力端子から直列
共振負荷側を見た回路の共振周波数が直列共振回路３０
の共振周波数と異なってしまうという問題や、直列共振
回路３０に印加される電圧が所定値以下になり、電圧形
インバータ１０から充分な電力が供給できないという問
題が生じる。また、電圧形インバータ１０から供給する
電力を２つの負荷回路のうちの一方から他方に切り換え
る場合、スイッチ９０による切り換えが必要になること
、さらには電圧形インバータ１０から各負荷回路に高周
波電力を供給するための配線が個別に必要で、そのため
のスペースを確保しなければならない、などの問題があ
る。

【０００５】そこで、出願人はこのような課題を解決す
べく、１つのインバータ回路から２つの共振負荷回路に
高周波電力を高効率に供給し得る回路を先に提案した。 図５はこのような回路を示す回路図である。同図におい
て、１０は電圧形インバータ、２０は並列共振負荷回路
、３０は直列共振負荷回路、４０は第１の分布定数形同
軸線路、５０は第２の分布定数形同軸線路である。

【０００６】電圧形インバータ１０の高周波交流出力端
子ｕ，ｖは第１の分布定数形同軸線路４０の一方の中心
線端子および被覆線端子に接続され、第１の分布定数形
同軸線路４０の他方の中心線端子は並列共振負荷回路２
０の一方の端子に接続される。また、第１の分布定数形
同軸線路４０の他方の被覆線端子は第２の分布定数形同
軸線路５０の被覆線端子に、第２の分布定数形同軸線路
５０の一方の中心線端子は並列共振負荷回路２０の他方
の端子に接続される。さらに、第２の分布定数形同軸線
路５０の他方の中心線端子および被覆線端子は直列共振
負荷回路３０の２つの端子にそれぞれ接続される。しか
して、並列共振負荷回路２０は第１の負荷リアクタンス
２１と第１の負荷抵抗２２からなる直列回路と第１の共
振コンデンサ２３との並列回路で構成されて第１の共振
周波数ＦＴ１を持ち、直列共振負荷回路３０は第２の負
荷リアクタンス３１，第２の負荷抵抗３２および第２の
共振コンデンサ３３の直列回路で構成されて第２の共振
周波数ＦＴ２を持つ。そして、第１の共振周波数ＦＴ１
は第２の共振周波数ＦＴ２の整数倍、例えば２倍の周波
数とし、第１の分布定数線路の長さＸ１は周波数ＦＴ１
の伝搬波長λ１の１／４またはその奇数倍、また第２の
分布定数線路の長さＸ２と第１の分布定数線路の長さＸ
１との和は、周波数ＦＴ２の伝搬波長λ２の１／２また
はその整数倍とする。これらの関係を数式で示すと、次
のようになる。 Ｘ１＝（２ｎ＋１）・λ１／４ Ｘ１＋Ｘ２＝ｎ・λ２／２ （ｎ＝１，２…） なお、第１，第２分布定数線路の特性インピーダンスは
、いずれも等しくＺｗとする。

【０００７】このような構成において、インバータ１０
の出力周波数が第１の共振周波数ＦＴ１のとき並列共振
負荷回路２０は共振状態となるので、その基本波インピ
ーダンスは線路の特性インピーダンスＺｗとほぼ等しい
か多少大きく、第１の共振周波数ＦＴ１の高調波周波数
成分に対するインピーダンスは充分に小さくなり、また
直列共振負荷回路３０のインピーダンスにおいてはその
共振周波数ＦＴ２よりも高いので、常に誘導性でその絶
対値も大きな値となる。このとき、第２の分布定数線路
の長さは、第１の共振周波数の１／４伝搬波長の奇数倍
になる（Ｘ１をλ１／４、λ２＝２λ１とすると、Ｘ２
＝３／４・λ１となる）から、第２の分布定数線路の送
電端におけるインピーダンスは、共振状態にある並列共
振負荷回路２０のインピーダンスに比べて充分小さく、
したがって第１の分布定数線路受電端には、あたかも並
列共振負荷回路２０だけが接続されたのと同様となる。 第１の分布定数線路の長さは周波数ＦＴ１の波長λ１の
１／４またはその整数倍であるから、その結果として、
第１の分布定数線路の送電端インピーダンスＺｓは周波
数ＦＴ１においては、 Ｚｓ＝Ｚｗ２／ＺＴ１ となり、その高調波成分に対しては充分に大きな値とな
る。そのため、インバータ１の出力電流は周波数ＦＴ１
の正弦波形になり、その電力の殆ど全てが並列共振負荷
回路２０に供給される。次に、インバータ１０の出力周
波数が第２の共振周波数ＦＴ２のとき直列共振負荷回路
３０は共振状態となるので、その基本波インピーダンス
は線路の特性インピーダンスＺｗに比べ一般に比較的小
さく、高調波に対するインピーダンスは充分に大きい。 しかも、並列共振負荷回路２０は上記いずれの周波数に
おいても充分に低いインピーダンスになるので、送電端
インピーダンスは見かけ上直列共振負荷回路３０の基本
波インピーダンス値とほぼ等しくなる。そのため、イン
バータ１０の出力電流は周波数ＦＴ２の正弦波形になり
、その電力の殆ど全てが直列共振負荷回路３０に供給さ
れることになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記に
示すものは主としてインバータに対する第１および第２
共振回路の接続方式を工夫することにより、高周波電力
を効率良く供給するようにしたものであるが、ここで用
いるインバータの構成については何ら具体的には示され
ていない。したがって、この発明の課題はかかる場合に
使用して好適なインバータを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため、この発明は互いに異なる周波数をもつ第１，第
２の共振負荷回路に電力を供給するに当たり、第１の半
導体スイッチと第２の半導体スイッチとの直列回路から
なる第１のインバータアーム対と、第３の半導体スイッ
チと第４の半導体スイッチとの直列回路からなる第２の
インバータアーム対と、前記第１インバータアーム対の
第１，第２の半導体スイッチを第１の共振周波数または
その近傍の周波数で交互にオン，オフさせる第１の発振
器と、前記第２インバータアーム対の第３，第４の半導
体スイッチを第２の共振周波数またはその近傍の周波数
で交互にオン，オフさせる第２の発振器とを設け、第１
の共振周波数またはその近傍の周波数の交流相電圧と、
第２の共振周波数またはその近傍の周波数の交流相電圧
とを同時に発生させ、前記第１，第２の共振負荷回路に
それぞれ供給することを特徴としている。

【００１０】

【作用】第１の半導体スイッチと第２の半導体スイッチ
との直列回路からなる第１のインバータアーム対では、
第１の共振周波数またはその近傍の周波数で第１，第２
半導体スイッチをオン，オフさせて第１の共振周波数ま
たはその近傍の周波数の交流相電圧を発生させる一方、
第３の半導体スイッチと第４の半導体スイッチとの直列
回路からなる第２のインバータアーム対では、第２の共
振周波数またはその近傍の周波数で第３，第４半導体ス
イッチをオン，オフさせて第２の共振周波数またはその
近傍の周波数の交流相電圧を発生させることにより、第
１，第２の共振負荷回路に同時に高周波電力を供給し得
るようにする。

【００１１】

【実施例】図１はこの発明の実施例を示すブロック図で
ある。同図において、１，２は発振器、３，４は反転ゲ
ート、５は直流電源、６，７，８および９は例えばＭＯ
ＳＦＥＴ型の半導体スイッチである。すなわち、半導体
スイッチ６のソース端子は半導体スイッチ７のドレイン
端子に接続され、半導体スイッチ６のドレイン端子と半
導体スイッチ７のソース端子はそれぞれ直流電源５の正
および負端子に接続されて第１のインバータアーム対を
形成している。また、半導体スイッチ８，９についても
半導体スイッチ６，７と同様に接続されて第２のインバ
ータアーム対を形成し、第１，第２インバータアーム対
の各半導体スイッチの接続点を交流出力端子ｕ，ｖとす
る、いわゆるフルブリッジ形の電圧形インバータ回路を
構成する。一方、発振器１の出力端子は端子Ｕおよび反
転ゲート３の入力端子に接続され、この反転ゲート３の
出力は端子Ｘに接続されている。また、発振器２の出力
端子は端子Ｖおよび反転ゲート４の入力端子に接続され
、この反転ゲート４の出力は端子Ｙに接続されている。 これらの出力端子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙは図示されない手段に
て絶縁され、半導体スイッチ６，７，８，９に接続され
ている。

【００１２】図２は図１の動作を説明するための説明図
である。すなわち、発振器１が図２の信号１に示すよう
な周波数ＦＴ１の方形波電圧信号を出力すると、端子Ｕ
からはこれと同一の信号が出力される一方、端子Ｘから
はその反転信号が出力され、半導体スイッチ６および７
が周波数ＦＴ１で交互にオン，オフする。その結果、イ
ンバータ回路のｕ端子からは図２の信号３に示すように
、周波数がＦＴ１で振幅が±Ｅｄ／２の電圧が出力され
る。一方、発振器２が図２の信号２に示すような周波数
ＦＴ２の方形波電圧信号を出力すると、端子Ｖからはこ
れと同一の信号が出力される一方、端子Ｙからはその反
転信号が出力され、半導体スイッチ８および９が周波数
ＦＴ２で交互にオン，オフする。その結果、インバータ
回路のｖ端子からは図２の信号４に示すように、周波数
がＦＴ２で振幅が±Ｅｄ／２の電圧が出力される。した
がって、インバータ回路の出力端子ｕ，ｖ間に発生する
電圧波形は、図２の信号５に示すように信号３と信号４
との合成波形（信号３と信号４との差の信号）となり、
周波数ＦＴ１とＦＴ２の両方の成分を含むものとなる。 なお、スイッチ６と７、８と９が同時にオン（短絡）と
ならないようにするため、これらは同時にオフとなる期
間も実際には存在するが、図示は省略した。そして、こ
のような電圧波形を図５に示す電圧形インバータ１０に
代わって供給することにより、周波数成分ＦＴ１の高周
波電力は共振周波数がＦＴ１の共振負荷回路（２０）に
、また周波数成分ＦＴ２の高周波電力は共振周波数がＦ
Ｔ２の共振負荷回路（３０）にそれぞれ供給されること
になる。

【００１３】図３はこの発明の応用例を示す回路図であ
る。これは、並列共振回路２０１と直列共振回路３０１
とを図５で説明したような接続方式により分布定数形同
軸線路４０および５０を介して接続するとともに、図１
に示す如き電圧形インバータ１０Ａを用いることにより
、並列共振回路２０１には周波数がＦＴ１の高周波電力
を供給する一方、直列共振回路３０１には周波数がＦＴ
２の高周波電力を供給し、それぞれ変圧器２０２，３０
２と整流回路２０３，３０３を通すことにより、２種類
の直流電圧を得るようにしたものである。なお、２００
，３００は共振リアクタンス、２０４，３０４は平滑コ
ンデンサを示す。

【００１４】

【発明の効果】この発明によれば、以下のような効果を
期待することができる。イ）インバータの動作周波数を
負荷回路の共振周波数またはその近傍で運転することに
より、その共振周波数を持つ負荷回路にだけその周波数
成分の電力を供給でき、しかもインバータの出力電流波
形をほぼ正弦波状にすることができる。ロ）インバータ
の２つのアーム対の動作周波数を、それぞれ２つの共振
負荷回路の共振周波数またはその近傍で運転することに
より、両方の負荷回路に対して同時に電力を供給するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す回路図である。

【図２】図１の動作を説明するための波形図である。

【図３】この発明の応用例を示す回路図である。

【図４】従来例を示す回路図である。

【図５】出願人が先に提案した回路例を示す回路図であ
る。

【符号の説明】

１　　発振器 ２　　発振器 ３　　反転ゲート ４　　反転ゲート ５　　直流電源 ６　　半導体スイッチ ７　　半導体スイッチ ８　　半導体スイッチ ９　　半導体スイッチ １０　　電圧形インバータ ２０　　並列共振負荷回路 ２１　　負荷リアクタンス ２２　　負荷抵抗 ２３　　共振コンデンサ ３０　　直列共振負荷回路 ３１　　負荷リアクタンス ３２　　負荷抵抗 ３３　　共振コンデンサ ４０　　第１の分布定数線路 ５０　　第２の分布定数線路 ９０　　切換スイッチ １０Ａ　　電圧形インバータ １０１　　配線 １０２　　配線インダクタンス １０３　　配線 １０４　　配線インダクタンス １０５　　直列リアクトル ２００　　共振リアクタンス ２０１　　並列共振負荷回路 ２０２　　変圧器 ２０３　　整流回路 ２０４　　平滑コンデンサ ３００　　共振リアクタンス ３０２　　変圧器 ３０３　　整流回路 ３０４　　平滑コンデンサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　互いに異なる周波数をもつ第１，第２
   の共振負荷回路に電力を供給する電圧形インバータであ
   って、第１の半導体スイッチと第２の半導体スイッチと
   の直列回路からなる第１のインバータアーム対と、第３
   の半導体スイッチと第４の半導体スイッチとの直列回路
   からなる第２のインバータアーム対と、前記第１インバ
   ータアーム対の第１，第２の半導体スイッチを第１の共
   振周波数またはその近傍の周波数で交互にオン，オフさ
   せる第１の発振器と、前記第２インバータアーム対の第
   ３，第４の半導体スイッチを第２の共振周波数またはそ
   の近傍の周波数で交互にオン，オフさせる第２の発振器
   とを設け、第１の共振周波数またはその近傍の周波数の
   交流相電圧と、第２の共振周波数またはその近傍の周波
   数の交流相電圧とを同時に発生させ、前記第１，第２の
   共振負荷回路にそれぞれ供給することを特徴とする電圧
   形インバータ。