单相逆变器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明例如涉及一种能够用于向等离子负载等负载供给电流的电源的单相逆变 器。
【背景技术】
[0002] 作为将直流电力变换成交流电力的逆变器，已知电压型逆变器和电流型逆变器。 电压型逆变器通过半导体开关切换负载和直流电压源之间，由此向负载供给方形波的交流 作为电压源。
[0003] 作为逆变器的一种电路结构，已知如下电路结构：将晶体管或晶闸管的开关元件 与反馈二极管的逆并联连接构成为电桥电路的支路，并通过对各开关元件进行PWM控制来 进行直交变换。
[0004] 图19是用于说明单相逆变器电路的一般的电路结构的电路图。在图19(a)中，单 相逆变器中，串联连接向开关元件Q 1逆并联连接了反馈二极管D i的电路元件与向开关元件 Q2逆并联连接了反馈二极管D 2的电路元件而设为电桥电路一方的上下支路，串联连接向开 关元件Q3逆并联连接了反馈二极管D 3的电路元件与向开关元件Q 4逆并联连接了反馈二极 管D4的电路元件而设为电桥电路另一方的上下支路。在此，将电桥电路的上方支路连接至 正端子，下方支路连接至负端子。将一方的上下支路的元件（开关元件Q 1和反馈二极管D1 以及开关元件Q2和反馈二极管D2)的连接点和另一方支路的元件（开关元件％和反馈二 极管D 3以及开关元件Q 4和反馈二极管D 4)的连接点连接至负载。
[0005] 基于基础信号（图19(b)的上方）驱动开关元件QdPQ4,基于基础信号（图19(b) 的下方）驱动开关元件QjPQ 3。通过将两个基础信号设为相互逆相位来切换流过电桥电 路的电流方向，由此使输出电压（图19(c))反相，输出交流的输出电流（图19(d))。另外， 图19(d)中的Qi~Q 4以及Di~D4表示在电桥电路中流过输出电流的器件（开关元件、反 馈二极管）。为了在基础信号的切换时防止电桥电路的上下支路的短路，设置图19(b)中的 死区时间Td。
[0006] 提出了如下的结构，即：在开关元件的接通/断开动作中，将构成逆变器电路的开 关元件设为软开关（零电压开关（ZVS)、零电流开关（ZCS))来降低开关损失。
[0007] 作为降低开关损失的软开关逆变器，已知由三相电桥电路构成的共振型逆变器。 共振型逆变器将整流二极管和共振用电容器并联连接至开关元件，通过该共振用电容器、 共振用电感器以及与共振电路连接的开关元件构成共振电路。通过基于共振电路的共振电 流的共振用电容器的充放电和整流二极管的导通，实现了开关元件的零电压开关（ZVS)、零 电流开关（ZCS)(例如，专利文献1)。
[0008] 此外，共振电路是向开关元件并联连接共振用电容器的结构，因此存在电容器的 电容增加的问题。为了解决该问题，提出了由辅助开关元件构成的辅助电路形成共振电路 的结构（专利文献2)。
[0009] 此外，在由单相电桥电路构成的逆变器电路中，也提出了通过在逆变器电路外设 置辅助电路来进行软开关的结构（专利文献3、4)。
[0010] 在专利文献3中记载了如下的技术：向串联连接的第1主开关和第2主开关并联 连接二极管和缓冲电容器，将由串联连接的第1辅助开关以及第2辅助开关和共振用电感 器构成的第1辅助共振电路连接至直流电源，输入主开关和辅助开关的各自的两端电压的 电压信号，在向第1主开关提供作为开关信号的接通信号前，进行向第1和第2辅助开关提 供接通信号的控制。
[0011] 此外，在专利文献4中记载了如下的技术：为了进行软开关，具备由第1~第4辅 助开关、第1~第4辅助二极管、第1和第2辅助电容器以及共振电抗器构成的辅助电路， 并通过辅助开关控制电路对辅助开关进行接通/断开控制，来择一地形成由第1辅助电容 器、第1辅助开关、共振电抗器以及第4辅助开关构成的第1共振电流通路、和由第2辅助 电容器、第2辅助开关、共振电抗器以及第3辅助开关构成的第2共振电流通路。
[0012] 现有技术文献
[0013] 专利文献
[0014] 专利文献1 :日本特开2002-325464号公报
[0015] 专利文献2 :日本特开2004-23881号公报
[0016] 专利文献3 :国际公开W001/084699号
[0017] 专利文献4 :日本特开2009-219311公报
【发明内容】
[0018] 发明要解决的课题
[0019] 共振型逆变器的情况下，存在需要在开关元件上并联连接共振电容器的问题。
[0020] 此外，通过在单相电桥电路中设置辅助电路来进行软开关的结构中，存在如下问 题：为了构成辅助电路需要多个辅助开关或辅助电容器。
[0021] 因此，在以往已知的逆变器电路中存在如下的问题：为了进行软开关，需要共振电 容器、或者辅助开关、辅助电容器等多个元件。
[0022] 本发明的目的是解决所述的以往的问题点，在逆变器电路，尤其在单相逆变器中 通过简单的结构进行软开关，防止开关元件的开关损失。
[0023] 用于解决课题的手段
[0024] 在本发明中，通过设在用于构成单相逆变器的电桥电路的电源侧的共振电容器、 设在电桥电路的出力侧的共振电感器以及电桥电路来构成共振电路，在因流过该共振电路 的共振电流，构成电桥电路的主开关元件电压上升时进行零电压开关（ZVS)和零电流开关 (ZCS)，因共振电容器的零电压，构成电桥电路的主开关元件电压下降时，进行零电压开关。
[0025] 并且，本发明的单相逆变器具备为了形成共振电路而将共振电容器以后的电路结 构从电源侧电气分离的辅助开关电路，在具备该辅助开关电路的辅助开关元件中，也通过 共振电流的充电将共振电容器的电压设成与电源侧相同的电压，由此将辅助开关元件的两 端电压设为零电压来进行零电压开关。
[0026] 在本发明的单相逆变器中，对直流电源并联连接第1以及第2主开关元件的串联 连接和第3以及第4主开关元件的串联连接，各主开关元件具备以逆偏置对直流电源并联 连接二极管而构成的电桥电路、平滑电路、辅助开关电路、共振电容器以及共振电感器。
[0027] 在直流电源与电桥电路之间，从直流电源侧开始依次连接平滑电路、辅助开关电 路以及共振电容器。在电桥电路的第1主开关元件和第2主开关元件的连接点与第3主开 关元件和第4主开关元件的连接点之间连接共振电感器。辅助开关电路通过开动作将平滑 电路和共振电容器之间设成切断状态，使共振电容器以后的电路从电源侧电气分离。通过 将共振电容器以后的电路从电源侧分离，形成基于共振电容器、共振电感器以及电桥电路 的共振电路。
[0028] (主开关元件的软开关）
[0029] 在主开关元件的开关动作中，
[0030] (a)在将主开关元件从断开状态向接通状态切换的开关动作中，共振电流流过共 振电路，由此将该主开关元件的两端电压设为零电压来将开关动作设为零电压开关，共振 电路的共振电流流过与主开关元件并联连接的二极管，由此将该主开关元件的开关动作设 为零电流开关。
[0031 ] (b)在将主开关元件从接通状态向断开状态切换的开关动作中，在处于接通状态 的主开关元件中流过共振电流，由此，共振电容器放电，该主开关元件的两端电压成为零电 压，由此将主开关元件的开关动作设为零电压开关。
[0032] 主开关元件的软开关，在从断开状态切换成接通状态的开关动作中进行零电压开 关和零电流开关，在从接通状态切换成断开状态的开关动作中进行零电压开关。
[0033](辅助开关元件的软开关）
[0034] 并且，在本发明的单相逆变器中，平滑电路具备连接在直流电源的正侧和负侧之 间的平滑电容器，共振电容器具备连接在直流电源的正侧和负侧之间的共振电容器，辅助 开关电路具备开闭平滑电容器和共振电容器之间的连接的辅助开关元件、和与该辅助开关 元件并联连接的二极管。
[0035] 辅助开关电路切断平滑电容器和共振电容器的连接，由此构成基于共振电容器、 共振电感器以及电桥电路的共振电路。
[0036] 在辅助开关元件的开关动作中，
[0037] (a)在将辅助开关元件从接通状态切换成断开状态的开关动作中，从直流电源向 负载侧流过供给电流，从而使共振电容器的电压和平滑电容器的电压成为相同电压，由此， 将辅助开关元件的两端电压设为零电压，将开关动作设为零电压开关。
[0038] (b)在将辅助开关元件从断开状态切换成接通状态的开关动作中，通过基于流过 共振电路的电流的共振电容器的充电，使共振电容器的电压成为与平滑电容器的电压相同 的电压，将开关动作设为零电压开关，此外，通过共振电容器的充电，与辅助开关元件并联 连接的二极管导通，再生电流从负载侧向直流电源流过该二极管，由此将开关动作设为零 电流开关。
[0039] 辅助开关元件的软开关，在从接通状态切换成断开状态的开关动作中进行零电压 开关，在从断开状态切换成接通状态的开关动作中进行零电流开关和零电压开关。
[0040] 构成共振电路的共振电感器由连接在电桥电路和负载之间的电感器元件和负载 的感应量构成。
[0041 ] 通过电感器元件构成共振电感器时，从电桥电路的上下支路的中点经由电感器元 件在与负载之间形成电流路径，向负载供给输出电流。
[0042] 根据本发明，可以通过共振电容器、共振电感器以及电桥电路构成用于进行软开 关动作的共振电路，可以通过平滑电路和辅助开关电路构成用于形成共振电路的电路结 构，因此可以成为简单的电路结构。此外，共振电容器和平滑电容器可以由一个电容器元件 来构成，即使在辅助开关电路中，也可以由一个开关元件构成，因此能够减少电路所需要的 元件数量。
[0043] 发明的效果