特開 2023-105837 インバータ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023105837

(43)【公開日】2023-08-01

(54)【発明の名称】インバータ装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20230725BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 Z

H02M7/48 L

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022006810

(22)【出願日】2022-01-20

(71)【出願人】

【識別番号】000106276

【氏名又は名称】サンケン電気株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000241463

【氏名又は名称】豊田合成株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100097113

【弁理士】

【氏名又は名称】堀 城之

(74)【代理人】

【識別番号】100162363

【弁理士】

【氏名又は名称】前島 幸彦

(72)【発明者】

【氏名】足利 亨

(72)【発明者】

【氏名】堀邊 隆介

【テーマコード（参考）】

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H770AA01

5H770AA05

5H770DA01

5H770DA44

5H770EA01

5H770FA01

5H770GA17

5H770HA01Y

5H770HA02Y

5H770HA03Y

5H770KA01Y

(57)【要約】

【課題】負荷容量の異なる容量性負荷に対応することができるインバータ装置を提供する。
【解決手段】直流の入力電圧Ｖｉｎから変換した矩形波状のＰＷＭ波形にフィルタ処理を施した交流の出力電圧Ｖｏｕｔで接続された容量性負荷ＣＬを駆動するインバータ装置２０であって、容量性負荷ＣＬとでＰＷＭ波形を平滑化するＬＣフィルタを構成するリアクトルＬｆと、容量性負荷ＣＬに並列に接続されたコンデンサＣ＿ａｄｄとスイッチ素子ＳＷ３とからなる直列回路と、容量性負荷ＣＬの負荷容量を検出する負荷容量検出部２１と、負荷容量検出部２１によって検出された負荷容量の大小を判定し、負荷容量が大きいと判定した場合にスイッチ素子ＳＷ３をオフ状態に制御し、負荷容量が小さいと判定した場合にスイッチ素子ＳＷ３をオン状態に制御する負荷容量判定部２２とを備えている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流の入力電圧から変換した矩形波状のＰＷＭ波形にフィルタ処理を施した交流の出力電圧で接続された容量性負荷を駆動するインバータ装置であって、
前記容量性負荷とで前記ＰＷＭ波形を平滑化するＬＣフィルタを構成するリアクトルと、
前記容量性負荷に並列に接続されたコンデンサとスイッチ素子とからなる直列回路と、
前記容量性負荷の負荷容量を検出する負荷容量検出部と、
前記負荷容量検出部によって検出された前記負荷容量の大小を判定し、前記負荷容量が大きいと判定した場合に前記スイッチ素子をオフ状態に制御し、前記負荷容量が小さいと判定した場合に前記スイッチ素子をオン状態に制御する負荷容量判定部と、を具備することを特徴とするインバータ装置。

【請求項2】

前記負荷容量検出部は、前記出力電圧のリプル電圧もしくは前記容量性負荷に流れる出力電流のリプル電流に基づいて前記負荷容量を検出することを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。

【請求項3】

前記負荷容量検出部は、前記リプル電圧もしくは前記リプル電流を検出するハイパスフィルタで構成され、
前記負荷容量判定部は、前記負荷容量検出部によって検出された前記リプル電圧もしくは前記リプル電流に応じた制御電圧を出力する積分回路で構成され、
前記スイッチ素子は、前記負荷容量判定部から出力される前記制御電圧に応じてオン・オフ制御される半導体素子で構成されていることを特徴とする請求項２に記載のインバータ装置。

【請求項4】

起動開始時に所望の前記出力電圧よりも低い検出用電圧を出力する検出期間を設け、前記検出期間の経過後に所望の前記出力電圧の出力を開始することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のインバータ装置。

【請求項5】

起動開始時に前記スイッチ素子を強制的に前記オン状態に制御する強制オン回路を具備することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のインバータ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、直流を交流に変換するインバータ装置に関し、特に、誘電エラストマアクチュエータ等の容量性負荷を交流で駆動するインバータ装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

容量性負荷である誘電エラストマアクチュエータの駆動方法（電圧の印加方法）として、周期的な直流電圧を印加する周期的駆動方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。周期的駆動方法は、誘電エラストマアクチュエータを波形に追従させて周期的に変位させることができ、ハプティクス（触覚技術）等の用途に適している。誘電エラストマアクチュエータはコンデンサ構造であり、印加電圧に応じた変位が発生する。従って、発生させたい変位に応じた電圧を印加する必要があるため、電圧を任意に制御できる電源が必要となる。

【0003】

容量性負荷ＣＬである誘電エラストマアクチュエータを駆動する電源システム例を図１２（ａ）に示す。図１２（ａ）に示す電源システムは、ＤＣ／ＤＣコンバータであるコンバータ装置１とＤＣ／ＡＣインバータであるＰＷＭ方式のインバータ装置２の２段構成であり、正の任意の交流電圧を出力電圧Ｖｏｕｔとして出力する。

【0004】

インバータ装置２は、２個のスイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ２と、リアクトルＬｆと、コンデンサＣ０とを備えたハーフブリッジインバータである。図１２（ｂ）を参照すると、コンバータ装置１から入力される直流の入力電圧は、スイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ２のオン・オフ制御によって矩形波状のＰＷＭ波形に変換される。そして、変換されたＰＷＭ波形は、リアクトルＬｆ及びコンデンサＣ０で構成されるＬＣフィルタを用いて平滑化され、交流の出力電圧Ｖｏｕｔとして出力される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２０－８９０６２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

誘電エラストマアクチュエータ等の容量性負荷ＣＬをインバータ装置２に接続したときの回路は、図１３（ａ）のようになり、コンデンサＣ０と容量性負荷ＣＬとが並列に接続され、（Ｃｆ＋ＣＬ）の値がＬＣフィルタのフィルタ容量として動作することになる。

【0007】

容量性負荷ＣＬの負荷容量が十分に大きい場合、容量性負荷ＣＬがＬＣフィルタのフィルタ容量として十分に動作し、図１４（ａ）に示すように、出力電圧Ｖｏｕｔのリプルを小さくすることができる。従って、実動作において、コンデンサＣ０は、無くても良い。

【0008】

しかし、容量性負荷ＣＬの負荷容量が小さい場合、コンデンサＣ０が十分に大きくないと、図１４（ｂ）に示すように、出力電圧Ｖｏｕｔのリプルが増大してしまう。そのため、実際の設計では、無負荷時（容量性負荷ＣＬ＝０ｐＦ）や軽負荷時（容量性負荷ＣＬが小さい）を考慮して、コンデンサＣ０の容量を十分に大きく設計することになる。

【0009】

ところが、コンデンサＣ０の容量を十分に大きくした場合、無駄な内部電流Ｉ＿Ｃｆが増加してしまい、出力電流Ｉｏｕｔとして取り出せる電流量が減ってしまう。また、無駄な内部電流Ｉ＿Ｃｆによって、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２やリアクトルＬｆの損失の増大や部品定格が高くなってしまう。

【0010】

図１３（ｂ）に示すように、インバータ装置２の出力電圧Ｖｏｕｔが振幅Ｖａ、周波数ｆ（＝１／Ｔ）であるとすると、容量性負荷ＣＬに流れる出力電流Ｉｏｕｔは、
Ｉｏｕｔ＝Ｖａ／Ｚ＿ＣＬ＝２πｆ・ＣＬ・Ｖａ （式Ａ）
となる。

【0011】

また、コンデンサＣ０に流れる内部電流Ｉ＿Ｃｆも同様に下記で表せ、
Ｉ＿Ｃｆ＝Ｖａ／Ｚ＿Ｃｆ＝２πｆ・Ｃｆ・Ｖａ （式Ｂ）
となる。

【0012】

そして、リアクトルＬｆを流れる電流Ｉ＿Ｌｆは、出力電流Ｉｏｕｔと内部電流Ｉ＿Ｃｆとの和なので、
Ｉ＿Ｌｆ＝Ｉｏｕｔ＋Ｉ＿Ｃｆ＝２πｆ・（ＣＬ＋Ｃｆ）・Ｖａ （式Ｃ）
となる。

【0013】

式Ａより、出力電流ＩｏｕｔにコンデンサＣ０の値は関与しない。しかし、式ＣからわかるようにコンデンサＣ０の値が大きいほどリアクトルＬｆを流れる電流Ｉ＿Ｌｆが大きくなる。当然、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２に流れる電流も電流Ｉ＿Ｌｆに応じで大きくなる。

【0014】

すなわち、コンデンサＣ０が大きいほどスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、リアクトルＬｆなど出力電流Ｉｏｕｔに関与しない内部電流Ｉ＿Ｃｆでの電流損失が大きくなってしまう。そして、コンデンサＣ０が大きく内部電流Ｉ＿Ｃｆが大きいほど入力電流Ｉｉｎも大きくなってしまうため、同じＶｉｎの電源容量が同じであれば、コンデンサＣ０に流れる内部電流Ｉ＿Ｃｆのぶんだけ出力電流Ｉｏｕｔとして出力できる電流量が減ってしまうことになる。だからといってコンデンサＣ０をむやみに小さく設計してしまうと、リアクトルＬｆとコンデンサＣ０で構成されるＬＣフィルタのカットオフ周波数があがってしまい、出力電圧Ｖｏｕｔのリプルが大きくなってしまう。

【0015】

本発明は斯かる問題点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、負荷容量の異なる容量性負荷に対応することができるインバータ装置を提供する点にある。

【課題を解決するための手段】

【0016】

本発明に係るインバータ装置は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。
本発明に係るインバータ装置は、直流の入力電圧から変換した矩形波状のＰＷＭ波形にフィルタ処理を施した交流の出力電圧で接続された容量性負荷を駆動するインバータ装置であって、前記容量性負荷とで前記ＰＷＭ波形を平滑化するＬＣフィルタを構成するリアクトルと、前記容量性負荷に並列に接続されたコンデンサとスイッチ素子とからなる直列回路と、前記容量性負荷の負荷容量を検出する負荷容量検出部と、前記負荷容量検出部によって検出された前記負荷容量の大小を判定し、前記負荷容量が大きいと判定した場合に前記スイッチ素子をオフ状態に制御し、前記負荷容量が小さいと判定した場合に前記スイッチ素子をオン状態に制御する負荷容量判定部と、を具備することを特徴とする。

【発明の効果】

【0017】

本発明のインバータ装置は、容量性負荷の容量が大きい場合に、無駄な内部電流を低減させて、損失の低減、出力容量の増大の効果を得ることができる共に、容量性負荷の容量が小さい場合に、リプル電圧やリプル電流を低減することができるため、負荷容量の異なる容量性負荷に対応することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明に係るインバータ装置の実施の形態の構成を示す回路図である。

【図2】図1に示すインバータ装置の回路構成を説明する回路図である。

【図3】図1に示すインバータ装置の特性を示す図である。

【図4】図1に示すインバータ装置の動作を示す波形図である。

【図5】図1に示すインバータ装置の動作の改良例を示す波形図である。

【図6】本発明に係るインバータ装置の第１の変形例を示す回路図である。

【図7】図６に示すインバータ装置の動作を示す波形図である。

【図8】本発明に係るインバータ装置の第２の変形例を示す回路図である。

【図9】本発明に係るインバータ装置の第３の変形例を示す回路図である。

【図10】図１に示す負荷容量検出部及び負荷容量判定部の変形例を示す図である。

【図11】図９に示す負荷容量算出部による算出方法を説明する波形図である。

【図12】従来の電源装置の構成例を示す回路図である。

【図13】図１２に示すインバータ装置を流れる電流を説明する図である。

【図14】リプル電圧を説明する波形図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下に、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

【0020】

本実施の形態のインバータ装置２０は、図１を参照すると、高電位側入力端子Ｔｉｎ^＋と低電位側入力端子Ｔｉｎ^－との間に接続された直流の入力電圧Ｖｉｎを交流の出力電圧Ｖｏｕｔに変換し、変換した出力電圧Ｖｏｕｔを高電位側出力端子Ｔｏｕｔ^＋と低電位側出力端子Ｔｏｕｔ^－との間に接続された誘電エラストマアクチュエータ等の容量性負荷ＣＬに出力する。

【0021】

本実施の形態のインバータ装置２０は、２個のスイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ２と、リアクトルＬｆ、コンデンサＣ０と、コンデンサＣ＿ａｄｄと、スイッチ素子ＳＷ３と、負荷容量検出部２１と、負荷容量判定部２２とを備えている。

【0022】

スイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ２は、高電位側入力端子Ｔｉｎ^＋と低電位側入力端子Ｔｉｎ^－との間に直列に接続されている。本実施の形態では、スイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ２は、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）で構成される。

【0023】

上アームスイッチとして機能するスイッチング素子ＳＷ１は、ドレインが高電位側入力端子Ｔｉｎ^＋に接続されていると共に、ソースが下アームスイッチとして機能するスイッチング素子ＳＷ２のドレインに接続され、スイッチング素子ＳＷ２のソースが低電位側入力端子Ｔｉｎ^－に接続されている。

【0024】

インバータ制御装置３０によってスイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ２のオン・オフ制御（ＰＷＭ制御）することで、スイッチング素子ＳＷ１のソースとスイッチング素子ＳＷ２のドレインとの接続点の電圧Ｖｒは、矩形波状のＰＷＭ波形となる。

【0025】

リアクトルＬｆは、一端がスイッチング素子ＳＷ１のソースとスイッチング素子ＳＷ２のドレインとの接続点に、他端が高電位側出力端子Ｔｏｕｔ^＋にそれぞれ接続されている。そして、コンデンサＣ０は、一端がリアクトルＬｆの他端と高電位側出力端子Ｔｏｕｔ^＋との接続点に、他端が低電位側入力端子Ｔｉｎ^－と低電位側出力端子Ｔｏｕｔ^－とを接続する低電位側電源ラインＧにそれぞれ接続されている。

【0026】

コンデンサＣ＿ａｄｄとスイッチ素子ＳＷ３とは、直列に接続され、コンデンサＣ０と並列に接続されている。スイッチ素子ＳＷ３は、ＭＯＳＦＥＴで構成され、ドレインがコンデンサＣ＿ａｄｄを介してリアクトルＬｆの他端と高電位側出力端子Ｔｏｕｔ^＋との接続点に、ソースが低電位側電源ラインＧにそれぞれ接続されている。

【0027】

これにより、図２（ａ）に示すように、スイッチ素子ＳＷ３がオン状態では、リアクトルＬｆと、並列に接続されたコンデンサＣ０、コンデンサＣ＿ａｄｄ及び容量性負荷ＣＬとが電圧Ｖｒ（矩形波状のＰＷＭ波形）を平準化するＬＣフィルタ（ローパスフィルタ）として機能する。すなわち、コンデンサＣ０＋コンデンサＣ＿ａｄｄ＋容量性負荷ＣＬがＬＣフィルタの容量成分となる。

【0028】

図２（ｂ）に示すように、スイッチ素子ＳＷ３がオフ状態では、リアクトルＬｆと、並列に接続されたコンデンサＣ０及び容量性負荷ＣＬとが電圧Ｖｒ（矩形波状のＰＷＭ波形）を平準化するＬＣフィルタとして機能する。すなわち、コンデンサＣ０＋容量性負荷ＣＬがＬＣフィルタの容量成分となる。なお、コンデンサＣ０は、十分に小さな値、あるいは０ｐＦ（無：ＯＰＥＮ）に設定され、実質的に容量性負荷ＣＬがＬＣフィルタの容量成分となる。

【0029】

負荷容量検出部２１は、容量性負荷ＣＬの容量を検出し、検出結果を負荷容量判定部２２に出力する。負荷容量検出部２１は、例えば、出力電圧Ｖｏｕｔにおけるリプル電圧の大小に基づいて容量性負荷ＣＬの容量を検出する。すなわち、容量性負荷ＣＬの容量が小さいほど、出力電圧Ｖｏｕｔにおけるリプル電圧が大きくなるため、出力電圧Ｖｏｕｔにおけるリプル電圧の大小に基づいて、容量性負荷ＣＬの容量を検出することができる。

【0030】

図１に示す回路例において、負荷容量検出部２１は、コンデンサＣ１と抵抗Ｒ１とが直列に接続されたハイパスフィルタで構成されている。コンデンサＣ１は、一端が高電位側出力端子Ｔｏｕｔ^＋に、他端が抵抗Ｒ１の一端にそれぞれ接続され、抵抗Ｒ１の他端が低電位側出力端子Ｔｏｕｔ^－に接続されている。コンデンサＣ１と抵抗Ｒ１との接続点が検出結果の負荷容量判定部２２への出力端子となり、負荷容量検出部２１は、出力電圧Ｖｏｕｔのリプル電圧に応じて、リプル電圧が大きいほど高い検出電圧を検出結果として出力する。

【0031】

負荷容量判定部２２は、負荷容量検出部２１の検出結果に基づいて容量性負荷ＣＬの容量を判定し、判定結果に応じて、容量性負荷ＣＬの容量が十分に大きい場合にスイッチ素子ＳＷ３をオフ状態とし、容量性負荷ＣＬの容量が小さい場合にスイッチ素子ＳＷ３をオン状態とする。

【0032】

図１に示す回路例おいて、負荷容量判定部２２は、抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２と備えた積分回路で構成され、ダイオードＤ２を介して負荷容量検出部２１の検出結果が入力される。ダイオードＤ２は、アノードが負荷容量検出部２１の出力端子（コンデンサＣ１と抵抗Ｒ１との接続点）に接続され、カソードが抵抗Ｒ２を介してスイッチ素子ＳＷ３のゲートにそれぞれ接続されている。そして、コンデンサＣ２は、抵抗Ｒ２とスイッチ素子ＳＷ３のゲートとの接続点と、低電位側電源ラインＧとの間に接続されている。抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２との接続点がスイッチ素子ＳＷ３のゲートへの出力端子となり、負荷容量判定部２２は、負荷容量検出部２１の検出電圧が高いほど高い制御電圧を出力し、負荷容量判定部２２から出力される制御電圧がゲート電圧Ｖｇとしてスイッチ素子ＳＷ３のゲートに印加される。なお、コンデンサＣ２は、スイッチ素子のゲート寄生容量で代用しても良い。その場合は、コンデンサＣ２は省略できる。

【0033】

図３（ａ）を参照すると、容量性負荷ＣＬが予め設定された負荷容量Ｃ_ａよりも小さい場合、ＬＣフィルタのカットオフ周波数が高くなるので、出力電圧Ｖｏｕｔのリプル電圧が大きくなってしまう。なお、図３（ａ）は、負荷容量－リプル電圧特性であり、実線は本実施の形態のインバータ装置２０のものを、点線は従来のインバータ装置２のものをそれぞれ示す。

【0034】

リプル電圧が大きいと高調波成分が多くなり、ハイパスフィルタで構成された負荷容量検出部２１から出力される検出電圧も高くなる。そして、積分回路で構成された負荷容量判定部２２から出力される制御電圧（ゲート電圧Ｖｇ）がスイッチ素子ＳＷ３の閾値電圧Ｖｔｈより十分に高くなって、図２（ａ）に示すように、スイッチ素子ＳＷ３がオン状態となり、コンデンサＣ０＋コンデンサＣ＿ａｄｄ＋容量性負荷ＣＬがＬＣフィルタの容量成分となる。スイッチ素子ＳＷ３をＭＯＳＦＥＴで構成した場合、オン状態のスイッチ素子ＳＷ３は、電流電圧特性における線形領域で動作することになる。

【0035】

すなわち、容量性負荷ＣＬが小さい場合には、コンデンサＣ＿ａｄｄによってＬＣフィルタの容量値を増やし（ＬＣフィルタのカットオフ周波数を下げて）、コンデンサＣ０と容量性負荷ＣＬでＬＣフィルタを構成した従来回路（インバータ装置２）に比べて、リプル低減効果を増すことができる。

【0036】

図３（ａ）を参照すると、容量性負荷ＣＬが予め設定された負荷容量Ｃ_ｂ（＞負荷容量Ｃａ）よりも大きい場合、ＬＣフィルタのカットオフ周波数が低くなるので、出力電圧Ｖｏｕｔのリプル電圧が小さく抑えられる。

【0037】

リプル電圧が小さいと高調波成分が少なくなり、ハイパスフィルタで構成された負荷容量検出部２１から出力される検出電圧も低くなる。そして、積分回路で構成された負荷容量判定部２２から出力される制御電圧（ゲート電圧Ｖｇ）がスイッチ素子ＳＷ３の閾値電圧Ｖｔｈより十分に低くなって、図２（ｂ）に示すように、スイッチ素子ＳＷ３がオフ状態となり、コンデンサＣ０＋容量性負荷ＣＬがＬＣフィルタの容量成分となる。スイッチ素子ＳＷ３をＭＯＳＦＥＴで構成した場合、オフ状態のスイッチ素子ＳＷ３は、電流電圧特性における遮断領域で動作することになる。

【0038】

すなわち、容量性負荷ＣＬが大きく、ＬＣフィルタの容量成分として容量性負荷ＣＬのみで充分リプル除去効果が得られる場合、コンデンサＣ＿ａｄｄを切り離すことにより、出力に関係のないコンデンサＣ＿ａｄｄの流れる無効電流を減らすことができる。

【0039】

なお、容量性負荷ＣＬが負荷容量Ｃａと負荷容量Ｃｂとの間の値の場合、ＭＯＳＦＥＴで構成されたスイッチ素子ＳＷ３は、図２（ｃ）に示すように、負荷容量判定部２２から出力される制御電圧（ゲート電圧Ｖｇ）に依存した抵抗状態となる。抵抗状態のスイッチ素子ＳＷ３は、電流電圧特性における飽和領域で動作することになる。

【0040】

抵抗状態では、リプル電圧が大きくなると、負荷容量判定部２２から出力される制御電圧（ゲート電圧Ｖｇ）が高くなり、制御電圧（ゲート電圧Ｖｇ）が高くなると、リプル電圧が小さくなるという負帰還制御によって、スイッチ素子ＳＷ３の状態が安定する。この結果、抵抗状態の区間では、リプル電圧が一定制御されることになる。

【0041】

図３（ｂ）は、負荷容量－入力電流特性であり、実線は本実施の形態のインバータ装置２０のものを、点線は従来のインバータ装置２のものをそれぞれ示す。コンデンサＣ０のみでＬＣフィルタを構成した従来回路（インバータ装置２）において、インバータ装置２０の入力電流Ｉｉｎは、図３（ｂ）に点線で示すように、容量性負荷ＣＬの負荷容量に比例して上がる。そして、入力電流Ｉｉｎは、入力電源Ｖｉｎの電流供給能力で制限され、負荷容量をＣ_Ｃで入力電源Ｖｉｎから出力できる最大の入力電流Ｉｉｎ（ｍａｘ）となる。

【0042】

これに対し、本実施の形態のインバータ装置２０では、コンデンサＣ０を十分に小さな値、あるいは０ｐＦ（無：ＯＰＥＮ）に設定することで、容量性負荷ＣＬが大きい場合、実質的に容量性負荷ＣＬのみをＬＣフィルタの容量成分とすることができ、内部電流Ｉ＿Ｃｆを減らすもしくは無くして、入力電流Ｉｉｎを減らすことができる。減らせた電流分は出力に使うことができるため、本実施の形態のインバータ装置２０は、負荷容量Ｃ_Ｃより大きい容量値Ｃ_ｄの容量性負荷ＣＬまで駆動できることになる。また、無効電流が減ることで部品の電流定格を下げられるため、価格や外形にメリットがだせる。

【0043】

本実施の形態のインバータ装置２０では、出力電圧Ｖｏｕｔのリプル電圧が大きいことを検出し、積分回路で構成した負荷容量判定部２２が出力する制御電圧（ゲート電圧Ｖｇ）を上昇させ、スイッチ素子ＳＷ３をオン状態とすることで、リプル電圧を抑制している。従って、図４に示すように、起動開始時刻ｔａからスイッチ素子ＳＷ３がオン状態となるまでに遅延時間Ｔｘが発生する。この遅延時間Ｔｘの間は、リプル電圧が大きい状態となり、場合によっては問題になる。

【0044】

そこで、インバータ制御装置３０は、図５に示すように、起動開始時刻ｔｂから所望の出力電圧Ｖｏｕｔの出力を開始するまでに、所望の出力電圧Ｖｏｕｔよりも低い検出用電圧を出力する検出期間Ｔｙを設けると良い。検出期間Ｔｙは、負荷容量検出部２１が容量性負荷ＣＬの負荷容量を検出し、負荷容量判定部２２が容量性負荷ＣＬの負荷容量の大小を判定する時間を確保するための期間である。低い検出用電圧でもリプル電圧は発生するため、検出期間Ｔｙの間に負荷容量判定部２２が出力する制御電圧（ゲート電圧Ｖｇ）を上昇させ、スイッチ素子ＳＷ３をオン状態とさせる。これにより、容量性負荷ＣＬが小さい場合でも、所望の出力電圧Ｖｏｕｔの出力開始からリプル電圧の少ない出力電圧Ｖｏｕｔを容量性負荷ＣＬに供給することが可能となる。

【0045】

また、図６に示すインバータ装置２０Ａのように、起動時にゲート電圧Ｖｇを上昇させ、強制的にスイッチ素子ＳＷ３をオン状態にさせる強制オン回路２３を設けても良い。インバータ装置２０Ａは、インバータ制御装置３０に起動を指示する起動信号Ｖｓの入力を受け付ける起動信号入力端子Ｔｓｔａｒｔを有し、強制オン回路２３は、図７に示すように、起動時（時刻Ｔｃ）にハイレベルとなる起動信号Ｖｓを用いて起動時にゲート電圧Ｖｇを上昇させる。強制オン回路２３は、起動信号入力端子Ｔｓｔａｒｔと接地端子との間に接続されたコンデンサＣ３と抵抗Ｒ３とからなる直列回路を備え、コンデンサＣ３と抵抗Ｒ３との接続点がダイオードＤ３を介してスイッチ素子ＳＷ３のゲートに接続されている。

【0046】

インバータ装置２０Ａでは、容量性負荷ＣＬの負荷容量が大きい場合もスイッチ素子ＳＷ３がオン状態で起動されるため、起動時に無駄な内部電流（コンデンサＣ＿ａｄｄに流れる電流）が短期間発生するが、容量性負荷ＣＬの負荷容量が小さいときに起動時に発生する大きなリプル電圧を抑制することができる。

【0047】

本実施の形態のインバータ装置２０では、出力電圧Ｖｏｕｔのリプル電圧の大きさを検出してスイッチ素子ＳＷ３をオン状態、抵抗状態、オフ状態に連続的に遷移させているため、広い容量範囲の容量性負荷ＣＬにおいて安定した制御を得ることができる。しかし、スイッチ素子ＳＷ３が抵抗状態の場合において、スイッチ素子ＳＷ３に流れる電流により発生する損失が無視できない場合がある。すなわち、電流が大きいアプリケーションの場合、スイッチ素子ＳＷ３のゲートでの損失が大きくなってしまう。

【0048】

この場合、図８（ａ）に示すインバータ装置２０Ｂのように、積分回路で構成した負荷容量判定部２２の後段にコンパレータＣＰを設け、コンパレータＣＰの出力をスイッチ素子ＳＷ３のゲートに印加するゲート電圧Ｖｇとすると良い。コンパレータＣＰを設けることで、スイッチ素子ＳＷ３をオン状態とオフ状態の２つに限定でき、スイッチ素子ＳＷ３が抵抗状態にならないため損失を回避できる。

【0049】

ただし、負荷容量判定部２２がコンパレータＣＰのしきい値付近になってしまう場合、スイッチ素子ＳＷ３がオン状態とオフ状態との間の遷移を繰り返してしまい、不安定な制御になってしまう虞がある。そのため、コンパレータＣＰを設ける手法は、容量性負荷ＣＬの負荷容量が限定されている場合に特に有利である。例えば、図８（ｂ）に示すように、容量性負荷ＣＬの負荷容量が容量値Ｃ_ｄ、容量値Ｃ_ｅの２つに限定されているアプリケーションの場合、容量値Ｃ_ｄと容量値Ｃ_ｅとの間の容量値Ｃ_ｆでコンパレータＣＰの出力が切り替わるように、コンパレータＣＰのしきい値を設定すれば良い。

【0050】

本実施の形態のインバータ装置２０では、出力電圧Ｖｏｕｔの高調波成分であるリプル電圧の大小によって容量性負荷ＣＬの負荷容量が推定しているが、図９に示すインバータ装置２０Ｃのように、出力電流Ｉｏｕｔの高調波成分であるリプル電流の大小によって容量性負荷ＣＬの負荷容量が推定しても良い。

【0051】

インバータ装置２０Ｃは、出力電流Ｉｏｕｔを検出するセンス抵抗Ｒｓを備え、センス抵抗Ｒｓで電圧に変換された出力電流Ｉｏｕｔをハイパスフィルタで構成された負荷容量検出部２１の入力にしている。

【0052】

負荷容量検出部２１及び負荷容量判定部２２は、図１０に示すように、マイコン４０で構成しても良い。図１０に（ａ）示すマイコン４０は、負荷容量検出部２１を電圧測定部２１１と負荷容量算出部２１２とで構成している。電圧測定部２１１は、抵抗Ｒ４１、Ｒ４２を備えた電圧検出回路２４で分圧された出力電圧値ＶＡを出力電圧Ｖｏｕｔとして検出する。負荷容量算出部２１２は、電圧測定部２１１によって検出された出力電圧値ＶＡのリプル電圧を測定し、測定したリプル電圧から予め設定された変換式や変換テーブルを用いて容量性負荷ＣＬの負荷容量を算出する。

【0053】

図１０（ｂ）に示すマイコン４０は、負荷容量検出部２１を電流測定部２１３と負荷容量算出部２１２とで構成している。電圧測定部２１１は、センス抵抗Ｒｓで電圧に変換された出力電流値ＩＡを出力電流Ｉｏｕｔとして検出する。負荷容量算出部２１２は、電流測定部２１３によって検出された出力電流値ＩＡのリプル電圧を測定し、測定したリプル電流から予め設定された変換式や変換テーブルを用いて容量性負荷ＣＬの負荷容量を算出する。

【0054】

負荷容量算出部２１２によるリプル電圧（電流）の測定は、図１１（ａ）に示すように、リプル電圧（電流）の振動の幅を測定しても良く、図１１（ｂ）に示すように、リプル電圧の振幅を測定しても良い。また、図１１（ｃ）に示すように、リプル電圧（電流）のハイパスフィルタ処理した後の振幅を測定しても良い。なお、図１１に示す点線は、出力電圧値ＶＡ（出力電流値ＩＡ）の目標値である。

【0055】

負荷容量判定部２２をマイコン４０で構成した場合、負荷容量判定部２２は、負荷容量検出部２１で算出された容量性負荷ＣＬの負荷容量と予め設定された閾値とを比較し、容量性負荷ＣＬの負荷容量が閾値を上回る場合にスイッチ素子ＳＷ３をオフ状態とし、容量性負荷ＣＬの負荷容量が閾値以下の場合にスイッチ素子ＳＷ３をオン状態とする。

【0056】

なお、容量性負荷ＣＬの負荷容量は、出力電圧Ｖｏｕｔのリプル電圧や出力電流Ｉｏｕｔのリプル電流を用いることなく、他の方法を用いて測定しても良い。例えば、起動時に容量性負荷ＣＬを定電流で充電し、設定電圧までの到達時間や電圧の上昇角度によって容量性負荷ＣＬの負荷容量を測定することができる。この場合、負荷容量判定部２２は、容量性負荷ＣＬの負荷容量の判定結果を起動中は保持することで、スイッチ素子ＳＷ３のオン状態もしくはオフ状態を維持すると良い。

【0057】

以上説明したように、本実施の形態は、直流の入力電圧Ｖｉｎから変換した矩形波状のＰＷＭ波形にフィルタ処理を施した交流の出力電圧Ｖｏｕｔで接続された容量性負荷ＣＬを駆動するインバータ装置２０であって、容量性負荷ＣＬとでＰＷＭ波形を平滑化するＬＣフィルタを構成するリアクトルＬｆと、容量性負荷ＣＬに並列に接続されたコンデンサＣ＿ａｄｄとスイッチ素子ＳＷ３とからなる直列回路と、容量性負荷ＣＬの負荷容量を検出する負荷容量検出部２１と、負荷容量検出部２１によって検出された負荷容量の大小を判定し、負荷容量が大きいと判定した場合にスイッチ素子ＳＷ３をオフ状態に制御し、負荷容量が小さいと判定した場合にスイッチ素子ＳＷ３をオン状態に制御する負荷容量判定部２２とを備えている。
この構成により、容量性負荷ＣＬの容量が大きい場合に、無駄な内部電流を低減させて、損失の低減、出力容量の増大の効果を得ることができる共に、容量性負荷ＣＬの容量が小さい場合に、リプル電圧やリプル電流を低減することができるため、負荷容量の異なる容量性負荷に対応することができる。

【0058】

さらに、本実施形態において、負荷容量検出部２１は、出力電圧Ｖｏｕｔのリプル電圧もしくは容量性負荷ＣＬに流れる出力電流Ｉｏｕｔのリプル電流に基づいて負荷容量を検出する。
この構成により、容量性負荷ＣＬの負荷容量を簡単に検出することができる。

【0059】

さらに、本実施形態において、負荷容量検出部２１は、リプル電圧もしくはリプル電流を検出するハイパスフィルタで構成され、負荷容量判定部２２は、負荷容量検出部２１によって検出されたリプル電圧もしくはリプル電流に応じた制御電圧（ゲート電圧Ｖｇ）を出力する積分回路で構成され、スイッチ素子ＳＷ３は、負荷容量判定部２２から出力される制御電圧（ゲート電圧Ｖｇ）に応じてオン・オフ制御される半導体素子であるＭＯＳＦＥＴで構成されている。
この構成により、簡易な少ない部品点数で負荷容量検出部２１及び負荷容量判定部２２を構成できる。

【0060】

さらに、本実施形態において、起動開始時に所望の前記出力電圧よりも低い検出用電圧を出力する検出期間Ｔｙを設け、検出期間Ｔｙの経過後に所望の出力電圧Ｖｏｕｔの出力を開始する。
この構成により、容量性負荷ＣＬが小さい場合でも、所望の出力電圧Ｖｏｕｔの出力開始からリプル電圧の少ない出力電圧Ｖｏｕｔを容量性負荷ＣＬに供給することが可能となる。

【0061】

さらに、本実施形態において、起動開始時にスイッチ素子ＳＷ３を強制的にオン状態に制御する強制オン回路２３を備えている。
この構成により、容量性負荷ＣＬの負荷容量が小さいときに起動時に発生する大きなリプル電圧を抑制することができる。

【0062】

なお、本発明が上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変更され得ることは明らかである。また、上記構成部材の数、位置、形状等は上記実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。なお、同一構成要素には、各図において、同一符号を付している。

【符号の説明】

【0063】

１ コンバータ装置
２、２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ インバータ装置
２１ 負荷容量検出部
２２ 負荷容量判定部
２３ 強制オン回路
２４ 電圧検出回路
３０ インバータ制御装置
４０ マイコン
２１１ 電圧測定部
２１２ 負荷容量算出部
２１３ 電流測定部
Ｃ０、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ＿ａｄｄ コンデンサ
ＣＬ 容量性負荷
ＣＰ コンパレータ
Ｄ２、Ｄ３ ダイオード
Ｌｆ リアクトル
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４１、Ｒ４２ 抵抗
Ｒｓ センス抵抗
ＳＷ１、ＳＷ２ スイッチング素子
ＳＷ３ スイッチ素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】