JP2670192B2 - 共振形pwmインバータ - Google Patents

共振形pwmインバータ

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JP2670192B2
JP2670192B2 JP3023904A JP2390491A JP2670192B2 JP 2670192 B2 JP2670192 B2 JP 2670192B2 JP 3023904 A JP3023904 A JP 3023904A JP 2390491 A JP2390491 A JP 2390491A JP 2670192 B2 JP2670192 B2 JP 2670192B2
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switching element
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泰文 赤木
澄夫 永渕
雅一 木幡
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    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は電動機駆動や誘導加熱、
高調波・無効電力補償装置、無停電電源など各種電源装
置に利用される共振形PWMインバ−タに関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】インバ−タを高周波化するには、これを
構成するスイッチング素子として高速動作が可能なもの
が必要となる。近年、サイリスタやトランジスタなどが
高速化され、本質的に高速素子であるFET,IGB
T,SIT(静電誘導トランジスタ),SITY(静電
誘導サイリスタ)なども実用化されてきており、これら
を用いることにより高周波化は可能である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、単に従
来装置のスイッチング素子を高速素子に置き換えて高周
波化したのでは、素子のスイッチング損失やスナバ回路
の損失が膨大なものとなって実用化は難しい。そのた
め、LC共振回路での電圧や電流の振動現象を利用し、
電圧なり電流の極く小さい領域でスイッチング素子の開
閉を行い、前述の損失を低減させるいわゆる共振形イン
バ−タが種々提案されている。しかるに、これらの共振
形インバ−タでは、負荷電流に共振電流を常に重畳して
流し、その重畳した電流が零となる時刻を利用して零電
流スイッチングを行うので、スイッチング素子には常に
大きな共振電流が流れていなければならず、絶えず無駄
な電流を流して導通損失の増大を招くとともに、定格電
流の大きな素子を用いる必要があった。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は上述したような
点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは
零電流とさせるモ−ドを作る共振回路に新たにスイッチ
ング素子を直列に一つ接続するだけで、インバ−タを構
成するスイッチング素子のスイッチング時のみ共振電流
を流して零電流となしスイッチングを行うようにするも
ので、絶えず無駄な共振電流を素子に流さないようにし
たものである。
【0005】特にインバ−タの低騒音化や高性能化には
スイッチング周波数の高周波化が必要となるが、共振を
利用して零電流スイッチングを行うには、インバ−タの
スイッチング周波数の数倍以上の周波数で共振する共振
電流を絶えず流していた。更にこの共振電流は、スイッ
チング制御を行おうとする負荷電流以上の電流としない
と零電流モ−ドが発生しないので、負荷の定格電流以上
の大きな電流となる。従って、共振電流による導通損失
が大きくなり、零電流スイッチングによるスイッチング
損失低減の効果が損なわれることになる。本発明は、イ
ンバ−タのスイッチングを行うときのみ共振電流を流し
て零電流モ−ドをつくり、それ以外には無駄な共振電流
を流さないようにしたものである。
【0006】以下、本発明を図面に基づいて詳細説明を
する。図1は本発明による構成例を示すもので、1は直
流電源、2,2′及び4,4′はインバ−タを構成する
スイッチング素子、3,3′及び5、5′はダイオ−
ド、6はスイッチング時のみ共振電流を流すためのスイ
ッチング素子、7はダイオ−ド、8は負荷装置、9は共
振回路である。ここで、直流電源1は実際には蓄電池や
交流電源を整流,平滑したものが用いられ、スイッチン
グ素子2,2′,4,4′及び6は高速動作が可能であ
るIGBTやSITYなどが望ましく、電圧形インバ−
タでは双方向の通電が必要であり、素子によっては逆並
列のダイオ−ド3,3′、5,5′及び7が必要とな
る。負荷装置8は誘導性をもち、等価的にリアクトル81
と抵抗82の直列回路で表している。共振回路9は負荷装
置8に並列接続されてなり、リアクトル91とコンデンサ
92の直列回路にて構成される。
【0007】
【作用】図1回路の動作を各動作モ−ドにおける等価回
路を示す図2及び図3と各部の動作波形を示す図4及び
図5を用いて説明する。ここで説明を簡単化するため、
動作開始前の時刻T0 以前におけるリアクトル81, 91の
電流は零、コンデンサ92の電圧も零とする。
【0008】まず、図5を用いて共振回路にスイッチン
グ素子がない従来技術について述べる。いま時刻T0
おいて、スイッチング素子2(以下S1と略称する)及び
4′(以下S4と略称する)を閉とし、スイッチング素子
2′(以下S2と略称する)及び4 (以下S3と略称する)
は開とすると、等価回路は図2に示す如くなる。この
時、直流電源1より負荷装置8へは電流IL が、共振回
路9へは電流IR が供給され、その合成電流 (IL +I
R ) が電源電流I0 となる。図4及び図5 (イ),(ロ),
(ハ) はそれぞれ電流IR ,IL ,I0の波形を示す。こ
こで、負荷装置8のリアクトル,抵抗と、共振回路9の
リアクトル,コンデンサとの各定数をそれぞれLL ,R
L とLR ,CR とすると、電流IR は周期TRがTR
2π√(LR ・CR ) の振動電流、電流IL は時定数T
L が (TL = LL /RL ) で増加する指数関数の電流と
なる。ただし、図では (TL ≫TR )として示す。ま
た、図4と図5の(ニ), (ホ) 及び図4の (ヘ) はそれ
ぞれ S1 (S4 ), S2 (S3 ) 及びS0の開閉状態を示す。
【0009】時刻T1 とT2 でI0 =0(IR =−
L ) であるが、時刻T1 〜T1 ′及び時刻T2
2 ′間はスイッチング素子S1とS4に逆電流が流れてい
る期間であって、この間でS1とS4を開路すれば零電流ス
イッチングができるが、負荷電流が増加する途中であ
り、時刻T2 〜T2 ′間にS1とS4のタ−ンオフを行う。
負荷電流を減少させるために時刻T2 ′でスイッチング
素子S2とS3を閉路すると、図3の等価回路に示すように
負荷回路に逆方向の電圧が印加され、負方向に共振電流
が流れる。時刻T3 〜T3 ′間はスイッチング素子S2
S3のダイオ−ド側に電流が流れているので、同様にこの
期間でスイッチング素子S2とS3を開路すれば零電流スイ
ッチングができる。時刻T3 ′以降は同様の動作により
負荷電流を増加させて、時刻T5 ′でスイッチングを行
わせている。従来の方式では、例えばT2 ′〜T3 ′間
は共振周期でスイッチングを行わせているが、T0 〜T
2 ′間およびT3 ′〜T5 ′間では共振周期の2周期後
にスイッチング動作を行わせているので、スイッチング
を行う必要のないT0 〜T1 ′およびT3 ′〜T4 ′間
にも共振電流をスイッチング素子に流して導通損失を増
大させている。
【0010】本発明では、共振回路内にスイッチング素
子6を追加することにより、インバ−タを構成する素子
がスイッチングを行う時にのみ、共振電流を流して零電
流スイッチングを行わせようとするもので、図5と同様
の負荷電流の制御を行う時の動作波形を図4に示す。図
で、T0 〜T1 ′およびT3 ′〜T4 ′間は、スイッチ
ング素子6をオフとしているので、この期間には共振電
流は流れず、必要な負荷電流IL のみ流れている。時刻
2 ′およびT5 ′の負荷電流をスイッチングする時の
み共振電流を流すことにより、素子の導通損失を著しく
低減することができる。
【0011】
【実施例】図6は本発明が適用された共振形PWMイン
バ−タの動作波形の一例を示す。負荷電流IL を正弦波
状に制御した例であって、負荷電流と共振電流を合成し
た電流 I0 は負荷電流上に共振による振動電流が重畳さ
れており、この電流が零になった時に負荷電流が切り替
わりスイッチングが行われていることがわかる。更にス
イッチングが行われていない期間に、共振電流が流れて
いない期間があることが見れる。図7は共振回路にスイ
ッチング素子を入れない従来のインバ−タにおける同様
の動作波形を示すが、常に共振電流が重畳されており、
本発明の効果が理解できる。
【0012】
【発明の効果】以上に説明した如く本発明によれば、共
振回路にスイッチング素子を一つ追加して、それをスイ
ッチングする時のみ動作させることにより、インバ−タ
を構成する各々のスイッチング素子に必要以外の共振電
流を流すことなく、スイッチング損失を大幅に低減させ
ることが可能となり、高周波スイッチングによる高性能
化および低騒音化されたインバ−タ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明による共振形PWMインバ−タ
の回路構成図である。
【図2】図2はスイッチング素子2と4′を閉とし、ス
イッチング素子2′と4を開とした動作状態における図
1の等価回路図である。
【図3】図3はスイッチング素子2と4′を開とし、ス
イッチング素子2′と4を閉とした動作状態における図
1の等価回路図である。
【図4】図4は図1回路の各部動作波形を示す図であ
る。
【図5】図5は図4と同じ負荷電流の制御を行った従来
方式の各部動作波形を示す図である。
【図6】図6は本発明が適用された共振形PWMインバ
−タの動作波形の一例を示す図である。
【図7】図7は従来のインバ−タにおける同様の動作波
形を示す図である。
【符号の説明】
1 直流電源 2,2′,4,4′,6 スイッチング素子 3,3′,5,5′,7 ダイオード 8 負荷装置 81 リアクトル 82 抵抗 9 共振回路。 91 リアクトル 92 コンデンサ

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 インバ−タで付勢される誘導性負荷、該
    誘導性負荷にインダクタンスとコンデンサを直列に接続
    した直列共振回路を並列に接続すると共に、両者の合成
    電流を振動電流とならしめ、該合成電流が零電流となる
    ときを利用してスイッチングを行う共振形PWMインバ
    −タにおいて、前記共振回路に直列にスイッチング素子
    を接続し、該スイッチング素子をインバ−タを構成する
    スイッチング素子のスイッチング時のみ開閉して共振電
    流を流し、零電流スイッチングを行うことを特徴とした
    共振形PWMインバ−タ。
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平成2年電気学会産業応用部門全国大会講演論文集(平成2年8月)P.363〜364

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