JPH0687427B2 - 高周波発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は高周波加熱器などに利用され、商用電源などの
電源により得られた電力を半導体スイッチを含む電力変
換器により高周波電力に変換した後トランスによりさら
に電力変換し、マグネトロンにその変換電力を供給し高
周波を発生する高周波発生装置に関するものである。

従来の技術 一般にこのような電力供給装置は、主として装置のトラ
ンスを小型・軽量・低コスト化することなどを目的とし
て様々な構成のものが提案されている。

第７図は、このような従来の高周波発生装置の１例であ
る。

このような構成で、トランジスタ６を20KHz〜100KHz程
度の周波数で動作させると、商用電源周波数のままで昇
圧する場合に比べて昇圧トランスの重量、サイズを数分
の一から十数分の一にでき、高周波発生装置の小型化・
低コスト化が可能であるというものである。

商用電源９の電力はダイオードブリッジ10により整流さ
れ、単方向電源が形成されている。商用電源９と直流電
源回路13はインバータ14の電源を構成している。なお11
はチョークコイル、12は平滑コンデンサであってインバ
ータの高周波スイッチング動作に対するフィルタの役割
をも果たしている。

インバータ14は共振コンデンサ５、トランス２、トラン
ジスタ６、ダイオード７および駆動回路８より構成され
ている。トランジスタ６は駆動回路８より供給されるベ
ース電流によって所定の周期とデューティ（オンオフ時
間比）でスイッチング動作する。この結果トランス２の
一時巻線には第４図（ａ）のようなコレクタ電流ICEと
ダイオード電流Idを中心とした電流が流れ、第４図
（ｂ）のようなILが流れる。

トランス２の２次側には逆阻止特性を有し高周波を発生
するマグネトロン３が接続されこれにインバータ14によ
り変換された電力を供給するものである。マグネトロン
３は等価的にダイオードDM、抵抗RM、ツェナーダイオー
ドZDMの直列接続体で表わされる負荷である。

マグネトロン３には第８図（ｂ）のような電流IAが流れ
る。マグネトロン３の電圧VAKは同図（ａ）のようにな
る。これはトランス２がリーケージ型トランスとなって
いること、さらに逆バイアス電流バイパス手段であるコ
ンデンサCH4が負荷に並列に接続されていることによる
ものである。すなわちマグネトロン３は抵抗RM、ダイオ
ードDM、ツェナーダイオードZDMの直列回路で置き換え
ることができ、これに並列にコンデンサCHが接続された
構成である。

マグネトロン３は非線形であり、逆電圧（正方向電圧）
に対してはダイオードDMにより非常に大きなインピーダ
ンス（ほぼ開放）となり、一方順電圧（負方向電圧）に
対してはある一定電圧（ZDMのツェナー電圧）を越える
までは大きなインピーダンスとなり、この電圧を越える
と小さなインピーダンスとなる。マグネトロンの特性を
第９図に示す。

従って第８図（ａ）においてマグネトロン３の電圧VAK
が−4KVの時に負荷が導通し、低インピーダンスである
ため一次側の電圧が上がってもほぼ−4KV程度を維持す
る。又、この時負荷電流IAが流れる。

一方逆電圧が印加されると負荷は非常に高いインピーダ
ンスとなるため、逆バイアスのバイパス用コンデンサ４
を接続することにより同図（ａ）の様な電圧が発生す
る。この大きさは約10KV程度のものであり、コンデンサ
CH4を大きくすることによりいく分小さくすることはで
きるが、その分コンデンサCH4への充電電流が増加し、
トランスの巻線に生じる銅損が大きくなり発熱による温
度上昇が発生する。従ってほぼ最適なコンデンサ容量で
は逆電圧が10KV程度となる。又、マグネトロン３の出力
を大きくすると逆電圧がそれにともなって大きくなる。

発明が解決しようとする問題点 ところがこのような電力供給装置においては、この電圧
VAKが10KV程度のものが印加されることによりマグネト
ロン３の両端子からコロナ放電やアーク放電などの絶縁
破壊が発生し、装置を破損するに到る。又、この電圧を
小さくするため逆バイアスのバイパス用コンデンサCH4
の大きさを大きくすることによりいく分下げることがで
きるが、逆にコンデンサの充電電流が大きくなり、トラ
ンス２の銅損が増加し発熱してトランスが絶縁破壊によ
り破損してしまう。この様にVAKを下げ、コロナ放電や
アーク放電を防止するのは非常に困難であるという問題
があった。

本発明はこの様な従来の問題点を解消するものであり、
トランスの銅損の増加をおさえてかつ逆方向の印加電圧
を小さくすることで、コロナ放電やアーク放電による装
置の破損をなくすることを目的とする。

問題点を解決するための手段 上記目的を達するため、本発明の高周波発生装置は、商
用電源などの電源と、半導体スイッチとその駆動手段を
有し高周波電力を発生する電力変換器と、逆阻止特性を
有し高周波を発生するマグネトロンと、このマグネトロ
ンに先に電力変換された電力を供給するトランスと、電
力変換器の動作周波の約３倍の共振周波数を有し、かつ
電力変換器に同調動作する同調回路要素を設ける構成で
ある。又この同調回路要素は動作周波数の第３高調波と
ほぼ同一にする構成である。

作用 本発明の高周波発生装置は、電力変換器の基本動作に同
調回路要素を結合することにより、電力変換器の基本波
に同調回路要素の波形をのせることにより、基本波形を
歪ませてピーク値の低い波形に変えることにより逆側の
発生電圧を下げるというものであり、コロナ放電やアー
ク放電の発生を防止するとともに、トランスの銅損によ
る発熱も増すことがないという効果を有するものであ
る。

実施例 以下、本発明の一実施例について図面に基づき説明す
る。

第１図に示すように、商用電源９は直流電源回路13に送
られ電力変換器であるインバータ14に供給される。商用
電源９と直流電流13はインバータ14の電源を形成してい
る。インバータ14は半導体スイッチ（トランジスタ）６
やダイオード７等より成り、トランス２を付勢して逆阻
止特性を有するマグネトロン３に変換された電力を供給
するものである。マグネトロン３は等価的にダイオード
DM、抵抗RM、ツェナーダイオードZDMの直列接続体で表
わされる負荷である。

トランジスタ６、ダイオード７、トランスの一次巻線、
共振コンデンサ５に流れる電流は、それぞれ第４図
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のようになる。すなわちトラン
ジスタ６の電流ICE、ダイオード７の電流Idは第４図
（ａ）の様に流れる。そしてトランス２の一次巻線には
同図（ｂ）のような高周波電流ILが流れる。共振コンデ
ンサ５には同図（ｃ）のような電流IC1が流れる。これ
らの波形はトランジスタ６のON−OFFによって流れるも
のである。

すなわち、トランジスタ６がONの時（第４図（ａ）に示
す）にはトランス２の一次側にほぼICEと同じ電流が流
れ、このON時間が所定時間経過した時、トランジスタ６
をOFFする。その時トランス２の一次側に流れていた電
流は、トランス２のインダクタンス成分と共振用コンデ
ンサとの間で発振し、トランジスタ６がOFF時では同図
（ｂ）、（ｃ）に示す様な発振電流が流れる。そしてこ
の発振周期のほぼ半サイクル〜１サイクル程度のOFF時
間経過後に再びトランジスタ６をONする。そして、再び
トランス２の一次巻線のインダクタンス成分に電流が流
れ同図（ａ）、（ｂ）に示す様な電流が流れる。以上の
様な動作を繰り返して発振が継続し、高周波電力に電力
変換される。

一方トランス２の２次側の各動作電圧電流波形を第５図
に示す。マグネトロン３の電圧VAKは同図（ａ）、電流I
Aは同図（ｂ）に示す。すなわちトランス２がマグネト
ロンが導通する方向に電圧が発生した時、マグネトロン
３のツェナー電圧に相当する電圧を超えるとマグネトロ
ン３が導通して電流IAが流れる。そしてこの時の電圧VA
Kはほぼツェナー電圧程度に維持される。一般にマグネ
トロンの場合は−4KV程度となる。

さてトランス２がマグネトロン３の非導通方向に電圧が
発生した時は、マグネトロン３の電流IAは流れず、逆バ
イアスのバイパス用コンデンサCH4を流れる。そしてそ
の時の電圧VAKは−6KV程度発生する。さてここで、従来
の高周波発生装置ではこれが−10KV以上発生していた。
ところが本発明の高周波発生装置では−6KV程度であ
る。これは第１図に示す同調回路要素１を設けることに
より実現できる。すなわちこの同調回路要素１を、イン
バータ14の動作周波数の約３倍の周波数に共振時を有す
る定数とする。この共振周波数はインバータ14の動作周
波数の第３高周波にすることが最も効果的である。第１
図の実施例では、トランス２に巻線T3を追加し、その追
加巻線T3にコンデンサC3を接続し、このT3とC3の動作状
態での共振周波数をインバータ14の動作周波数の第３高
調波にする。そして、この同調回路要素１とトランス２
の２次側とは鉄心を通じて磁気結合した構成である。

以上の様な構成でVAKが6KVに下がる理由を第６図に説明
する。同図の点線は従来の同調回路要素１がない場合の
電圧波形であり10KV程度発生する。これに本発明の同調
回路要素１が付加された場合の電圧波形を実線で示す。
この場合の同調回路要素１の共振周波数はインバータ14
の動作周波数の第３高調波に設定する。従って、従来の
10KVも発生していた電圧波形（点線で示す）に同調回路
要素１の第３高調波の周波数（一点鎖線で示す）が重複
することにより、実線で示す低い電圧の波形となる。

さて、同調回路要素１による作用、効果は以上の通りで
あるが、第１図に示す同調路要素以外にもその実現方法
はある。第１図に示す同調回路要素１とトランス２を含
む点線で囲んだ部分の他の実施例を第２図（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）および第３図（ａ）、（ｂ）に示す。第
２図（ａ）、（ｂ）はトランス２に巻線を追加し、これ
にコンデンサを接続したものであり、第２図（ｃ）はト
ランス２の２次巻線に中間タップを設け、これにコンデ
ンサを接続したものである。第３図（ａ）、（ｂ）は新
たなＬとＣを設け、負荷回路に接続したものである。

第１図に示す同調回路要素１には第５図（ｃ）に示す電
圧が発生し、同図（ｄ）に示す様な電流が流れる。この
波形はインバータ14の動作周波数の３倍周波数に負荷電
圧が重複されたものである。

以上の様に同調回路要素１を設けることにより、マグネ
トロン３の逆電圧を下げることができる。そのことによ
りコロナ放電、アーク放電の発生する恐れがなく、安定
した動作が得られる。又、配線や電力、端子等の絶縁を
強くする必要もなく、実現が容易でコストも安いという
効果がある。

発明の効果 以上のような本発明の高周波発生装置によれば次の効果
を得ることができる。

（１）発生電圧を下げることによりコロナ放電、アーク
放電の発生がない。

（２）発生電圧が低いため、配線等の絶縁耐圧を下げる
事ができ、コストが安い。又、配線の引き廻しが容易と
なる。

（３）発生電圧が低いため、各負荷や回路要素の絶縁耐
圧を下げることができ、コストが下がり、構成の実現が
容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である高周波発生装置の回路
図、第２図および第３図は同回路図中の同調回路要素の
他の実施例を示す回路図、第４図および第５図は同回路
図の動作波形図、第６図は同回路の要部説明のための波
形図、第７図は従来の高周波発生装置の回路図、第８図
は同回路図の波形図、第９図は逆阻止負荷特性の代表例
としてのマグネトロンの動作特性図である。 １……同調回路要素、２……トランス、３……マグネト
ロン、４……逆バイアスのバイパス用コンデンサ、５…
…共振コンデンサ、６……半導体スイッチ（トランジス
タ）、７……ダイオード、８……駆動回路、９……商用
電源、10……ダイオードブリッジ、11……チョークコイ
ル、12……平滑コンデンサ、13……直流電源回路、14…
…インバータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 前原 直芳 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 丹羽 孝 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 松本 孝広 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 別荘 大介 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−259488（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−150882（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】商用電源、電池等の電源と、少なくとも１
   つの半導体スイッチとその駆動手段を有し高周波電力を
   発生する電力変換器と、逆阻止特性を有し高周波を発生
   するマグネトロンと、このマグネトロンに前記電力変換
   器の発生電力を昇圧して供給するトランスと、前記マグ
   ネトロンに並列に接続されたバイパス用コンデンサと、
   前記電力変換器の動作周波数の約３倍の共振周波数を有
   する同調回路要素を備え、この同調回路要素はトランス
   の磁気結合により前記電力変換器に対し同調動作する構
   成とした高周波発生装置。
2. 【請求項２】トランスのマグネトロン側に同調回路要素
   を接続する構成とした特許請求の範囲第１項記載の高周
   波発生装置。