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(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】P2024011288
(43)【公開日】2024-01-25
(54)【発明の名称】インバータ装置、電源装置
(51)【国際特許分類】
H02M 7/48 20070101AFI20240118BHJP
H02M 9/02 20060101ALI20240118BHJP
【ＦＩ】
H02M7/48 Z
H02M9/02
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022113171
(22)【出願日】2022-07-14
(71)【出願人】
【識別番号】000002107
【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100105924
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 賢樹
(74)【代理人】
【識別番号】100116274
【弁理士】
【氏名又は名称】富所 輝観夫
(72)【発明者】
【氏名】宮嵜 洸一
【テーマコード（参考）】
5H770
【Ｆターム（参考）】
5H770AA05
5H770DA41
5H770QA02
5H770QA09
(57)【要約】
【課題】安定的に動作可能なインバータを効率的に基板に実装できるインバータ装置等を提供する。
【解決手段】高電位ライン４０Ｈと低電位ライン４０Ｌの間に直列に接続される高電位側トランジスタ４１２Ａおよび低電位側トランジスタ４１２Ｂを備え、当該各トランジスタのスイッチング制御によって高電位ライン４０Ｈと低電位ライン４０Ｌの間の直流電圧を交流電圧に変換し、当該各トランジスタの接続点から出力するインバータ装置５００は、回路基板５０の表面における高電位側インダクタンス領域に存在する高電位側インダクタンス５２と、回路基板５０の表面における低電位側インダクタンス領域に存在する低電位側インダクタンス５３と、回路基板５０の裏面における出力側インダクタンス領域に存在する出力側インダクタンスと、を備える。
【選択図】図６
【解決手段】高電位ライン４０Ｈと低電位ライン４０Ｌの間に直列に接続される高電位側トランジスタ４１２Ａおよび低電位側トランジスタ４１２Ｂを備え、当該各トランジスタのスイッチング制御によって高電位ライン４０Ｈと低電位ライン４０Ｌの間の直流電圧を交流電圧に変換し、当該各トランジスタの接続点から出力するインバータ装置５００は、回路基板５０の表面における高電位側インダクタンス領域に存在する高電位側インダクタンス５２と、回路基板５０の表面における低電位側インダクタンス領域に存在する低電位側インダクタンス５３と、回路基板５０の裏面における出力側インダクタンス領域に存在する出力側インダクタンスと、を備える。
【選択図】図６
【特許請求の範囲】
【請求項1】
高電位ラインと低電位ラインの間に直列に接続される高電位側スイッチング素子および低電位側スイッチング素子を備え、当該各スイッチング素子のスイッチング制御によって前記高電位ラインと前記低電位ラインの間の直流電圧を交流電圧に変換し、当該各スイッチング素子の接続点から出力するインバータ装置であって、
前記高電位ラインと前記高電位側スイッチング素子の間の高電位側インダクタンスが、基板の第１面における高電位側インダクタンス領域に存在し、
前記低電位ラインと前記低電位側スイッチング素子の間の低電位側インダクタンスが、前記第１面において前記高電位側インダクタンス領域と異なる低電位側インダクタンス領域に存在し、
前記高電位側スイッチング素子と前記低電位側スイッチング素子の間の出力側インダクタンスが、前記基板の前記第１面と反対の第２面における出力側インダクタンス領域に存在し、
前記第２面における前記出力側インダクタンス領域の少なくとも一部は、前記第１面における前記高電位側インダクタンス領域および／または前記低電位側インダクタンス領域の少なくとも一部と、前記基板を挟んで対向している、
インバータ装置。
前記高電位ラインと前記高電位側スイッチング素子の間の高電位側インダクタンスが、基板の第１面における高電位側インダクタンス領域に存在し、
前記低電位ラインと前記低電位側スイッチング素子の間の低電位側インダクタンスが、前記第１面において前記高電位側インダクタンス領域と異なる低電位側インダクタンス領域に存在し、
前記高電位側スイッチング素子と前記低電位側スイッチング素子の間の出力側インダクタンスが、前記基板の前記第１面と反対の第２面における出力側インダクタンス領域に存在し、
前記第２面における前記出力側インダクタンス領域の少なくとも一部は、前記第１面における前記高電位側インダクタンス領域および／または前記低電位側インダクタンス領域の少なくとも一部と、前記基板を挟んで対向している、
インバータ装置。
【請求項2】
前記高電位ラインと前記低電位ラインの間に前記高電位側スイッチング素子および前記低電位側スイッチング素子と並列に設けられるコンデンサが、前記第１面側における前記高電位側インダクタンス領域と前記低電位側インダクタンス領域の間のコンデンサ領域に実装され、
前記第２面における前記出力側インダクタンス領域の少なくとも一部は、前記第１面における前記コンデンサ領域の少なくとも一部と、前記基板を挟んで対向している、
請求項１に記載のインバータ装置。
前記第２面における前記出力側インダクタンス領域の少なくとも一部は、前記第１面における前記コンデンサ領域の少なくとも一部と、前記基板を挟んで対向している、
請求項１に記載のインバータ装置。
【請求項3】
前記高電位側スイッチング素子および前記低電位側スイッチング素子は、前記基板の周縁領域に実装され、
前記高電位側スイッチング素子の高電位側端子は、前記第１面の前記高電位側インダクタンス領域に接続され、
前記高電位側スイッチング素子の低電位側端子は、前記第２面の前記出力側インダクタンス領域に接続され、
前記低電位側スイッチング素子の低電位側端子は、前記第１面の前記低電位側インダクタンス領域に接続され、
前記低電位側スイッチング素子の高電位側端子は、前記第２面の前記出力側インダクタンス領域に接続される、
請求項１または２に記載のインバータ装置。
前記高電位側スイッチング素子の高電位側端子は、前記第１面の前記高電位側インダクタンス領域に接続され、
前記高電位側スイッチング素子の低電位側端子は、前記第２面の前記出力側インダクタンス領域に接続され、
前記低電位側スイッチング素子の低電位側端子は、前記第１面の前記低電位側インダクタンス領域に接続され、
前記低電位側スイッチング素子の高電位側端子は、前記第２面の前記出力側インダクタンス領域に接続される、
請求項１または２に記載のインバータ装置。
【請求項4】
前記高電位側スイッチング素子および前記低電位側スイッチング素子の少なくともいずれかは、SiC基板およびGaN基板の少なくともいずれかに形成されたトランジスタである、請求項１または２に記載のインバータ装置。
【請求項5】
高電位ラインと低電位ラインの間に直列に接続される高電位側スイッチング素子および低電位側スイッチング素子を備え、当該各スイッチング素子のスイッチング制御によって前記高電位ラインと前記低電位ラインの間の直流電圧を交流電圧に変換し、当該各スイッチング素子の接続点からレーザ共振器の一対の放電電極に印加するインバータを備える電源装置であって、
前記高電位ラインと前記高電位側スイッチング素子の間の高電位側インダクタンスが、基板の第１面における高電位側インダクタンス領域に存在し、
前記低電位ラインと前記低電位側スイッチング素子の間の低電位側インダクタンスが、前記第１面において前記高電位側インダクタンス領域と異なる低電位側インダクタンス領域に存在し、
前記高電位側スイッチング素子と前記低電位側スイッチング素子の間の出力側インダクタンスが、前記基板の前記第１面と反対の第２面における出力側インダクタンス領域に存在し、
前記第２面における前記出力側インダクタンス領域の少なくとも一部は、前記第１面における前記高電位側インダクタンス領域および／または前記低電位側インダクタンス領域の少なくとも一部と、前記基板を挟んで対向している、
電源装置。
前記高電位ラインと前記高電位側スイッチング素子の間の高電位側インダクタンスが、基板の第１面における高電位側インダクタンス領域に存在し、
前記低電位ラインと前記低電位側スイッチング素子の間の低電位側インダクタンスが、前記第１面において前記高電位側インダクタンス領域と異なる低電位側インダクタンス領域に存在し、
前記高電位側スイッチング素子と前記低電位側スイッチング素子の間の出力側インダクタンスが、前記基板の前記第１面と反対の第２面における出力側インダクタンス領域に存在し、
前記第２面における前記出力側インダクタンス領域の少なくとも一部は、前記第１面における前記高電位側インダクタンス領域および／または前記低電位側インダクタンス領域の少なくとも一部と、前記基板を挟んで対向している、
電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電源装置に好適なインバータ装置等に関する。
【背景技術】
【0002】
産業用の加工ツールとして、レーザ加工装置が広く普及している。レーザ加工装置には、ＣＯ２レーザなどの高出力のガスレーザが使用される。図１は、レーザ加工装置またはレーザ装置１００Ｒの機能ブロック図である。レーザ装置１００Ｒは、レーザ共振器２００および電源装置２５０Ｒを備える。レーザ共振器２００は、一対の放電電極２０２、２０４と、全反射鏡２０６と、部分反射鏡２０８を備える。
【0003】
一対の放電電極２０２、２０４は、ＣＯ２などのレーザ媒質ガスが充填されたガスチャンバ内に設けられる。一対の放電電極２０２、２０４の間には、静電容量Ｃが存在する。この静電容量ＣとインダクタＬ（インダクタ素子あるいは寄生インダクタ）は、共振周波数ＦＲＥＳを有する共振回路２１０を形成する。
【0004】
レーザ共振器２００を駆動する電源装置２５０Ｒは、高周波電圧ＶＲＦを共振回路２１０に印加する。高周波電圧ＶＲＦの周波数ＦＲＦ（以下では同期周波数ともいう）は、共振回路２１０の共振周波数ＦＲＥＳの近傍に設定される。高周波電圧ＶＲＦが印加されることで、一対の放電電極２０２、２０４の間に放電電流が流れる。この放電電流がレーザ媒質ガスを励起し、レーザ発振または誘導放出のための反転分布を形成する。反転分布からの誘導放出光は、全反射鏡２０６と部分反射鏡２０８が形成する光共振器内を往復し、励起状態のレーザ媒質ガスを通過することで増幅される。増幅された誘導放出光の一部が部分反射鏡２０８から出力（レーザ光）として取り出される。
【0005】
電源装置２５０Ｒは、安定化された直流電圧ＶＤＣを生成する直流電源３００と、直流電圧ＶＤＣを高周波電圧ＶＲＦに変換して共振回路２１０に印加する高周波電源４００を備える。高周波電源４００には、直流電圧ＶＤＣを交流電圧である高周波電圧ＶＲＦに変換するインバータが設けられる。一般的なインバータは、相補的にスイッチング制御される一または複数のトランジスタ対を備える。各トランジスタは、例えば、制御信号としてのPWM（パルス幅変調：Pulse Width Modulation）信号によって、オン状態とオフ状態の間で切り替えられる。
【0006】
特許文献１には、出力トランス等の負荷の周りの電流経路のインダクタンスを低減できるインバータ装置が開示されている。具体的には、高電位ラインと低電位ラインの間に直列に接続されるトランジスタ対が二つ設けられ、一方のトランジスタ対における高電位側トランジスタと、他方のトランジスタ対における低電位側トランジスタが、同じ基板領域に実装されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開２０１６－１６５１２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
特許文献１のような「たすき掛け」の実装では、同じトランジスタ対を構成する高電位側トランジスタと低電位側トランジスタが異なる基板領域に配置されるため、当該トランジスタ対と並列に高電位ラインと低電位ラインの間に存在する寄生容量を通る電流経路が長くなり、むしろインダクタンスが大きくなってしまうことがある。この結果、サージ電圧等による望ましくない振動がインバータ装置に発生してしまう恐れがある。
【0009】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、安定的に動作可能なインバータを効率的に基板に実装できるインバータ装置等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記課題を解決するために、本発明のある態様のインバータ装置は、高電位ラインと低電位ラインの間に直列に接続される高電位側スイッチング素子および低電位側スイッチング素子を備え、当該各スイッチング素子のスイッチング制御によって高電位ラインと低電位ラインの間の直流電圧を交流電圧に変換し、当該各スイッチング素子の接続点から出力するインバータ装置であって、高電位ラインと高電位側スイッチング素子の間の高電位側インダクタンスが、基板の第１面における高電位側インダクタンス領域に存在し、低電位ラインと低電位側スイッチング素子の間の低電位側インダクタンスが、第１面において高電位側インダクタンス領域と異なる低電位側インダクタンス領域に存在し、高電位側スイッチング素子と低電位側スイッチング素子の間の出力側インダクタンスが、基板の第１面と反対の第２面における出力側インダクタンス領域に存在し、第２面における出力側インダクタンス領域の少なくとも一部は、第１面における高電位側インダクタンス領域および／または低電位側インダクタンス領域の少なくとも一部と、基板を挟んで対向している。
【0011】
この態様では、一対の高電位側スイッチング素子および低電位側スイッチング素子の少なくともいずれかに接続される高電位側インダクタンス領域、低電位側インダクタンス領域、出力側インダクタンス領域を、基板の両面に効率的に配置できる。また、特許文献１のような「たすき掛け」の実装にもなっていないため、高電位ラインと低電位ラインの間に存在する寄生容量を通る電流経路のインダクタンスが小さくなる。この結果、サージ電圧等による望ましくない振動がインバータ装置に発生することを効果的に防止できる。
【0012】
本発明の別の態様は、電源装置である。この装置は、高電位ラインと低電位ラインの間に直列に接続される高電位側スイッチング素子および低電位側スイッチング素子を備え、当該各スイッチング素子のスイッチング制御によって高電位ラインと低電位ラインの間の直流電圧を交流電圧に変換し、当該各スイッチング素子の接続点からレーザ共振器の一対の放電電極に印加するインバータを備える電源装置であって、高電位ラインと高電位側スイッチング素子の間の高電位側インダクタンスが、基板の第１面における高電位側インダクタンス領域に存在し、低電位ラインと低電位側スイッチング素子の間の低電位側インダクタンスが、第１面において高電位側インダクタンス領域と異なる低電位側インダクタンス領域に存在し、高電位側スイッチング素子と低電位側スイッチング素子の間の出力側インダクタンスが、基板の第１面と反対の第２面における出力側インダクタンス領域に存在し、第２面における出力側インダクタンス領域の少なくとも一部は、第１面における高電位側インダクタンス領域および／または低電位側インダクタンス領域の少なくとも一部と、基板を挟んで対向している。
【0013】
なお、以上の構成要素の任意の組合せや、これらの表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラム等に変換したものも、本発明に包含される。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、安定的に動作可能なインバータを効率的に基板に実装できる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】レーザ装置の機能ブロック図である。
【図2】レーザ装置の機能ブロック図である。
【図4】インバータ装置の構成を模式的に示す。
【図5】インバータ装置の具体的な回路構成例を示す。
【図6】インバータ装置の具体的な実装例を示す。
【図7】インバータ装置の具体的な実装例を示す。
【図8】インバータ装置の具体的な実装例を示す。
【図9】従来の一般的なインバータ装置におけるトランジスタのドレイン／ソース間の電圧を示す。
【図10】実施形態に係るインバータ装置におけるトランジスタのドレイン／ソース間の電圧を示す。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下では、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（以下では実施形態ともいう）について詳細に説明する。説明および／または図面においては、同一または同等の構成要素、部材、処理等に同一の符号を付して重複する説明を省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明の簡易化のために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施形態に記載される全ての特徴やそれらの組合せは、必ずしも本発明の本質的なものであるとは限らない。
【0017】
図２は、レーザ装置１００の機能ブロック図である。レーザ装置１００は、商用電源１０と、直流電源３００と、高周波電源４００と、共振インダクタＬと、レーザ共振器２００を備える。レーザ共振器２００の構成は図１と同様である。但し、図１におけるインダクタＬは、図２では共振インダクタＬとしてレーザ共振器２００外に示されている。
【0018】
本発明の実施形態に係る電源装置２５０は、直流電源３００および高周波電源４００の全部または一部によって構成される。電源装置２５０の機能ブロックのうちソフトウェア制御を伴うものは、コンピュータの中央演算処理装置、メモリ、入力装置、出力装置、コンピュータに接続される周辺機器等のハードウェア資源と、それらを用いて実行されるソフトウェアの協働により実現される。コンピュータの種類や設置場所は問わず、上記の各機能ブロックは、単一のコンピュータのハードウェア資源で実現してもよいし、複数のコンピュータに分散したハードウェア資源を組み合わせて実現してもよい。
【0019】
直流電源３００は、AC-DC変換部３１０と、DC-DC変換部３２０と、DCリンク電圧検出部３３０と、高周波電圧指令演算部３４０と、デューティ決定部３５０と、PWM信号生成部３６０を備える。AC-DC変換部３１０は、商用電源１０から供給される三相交流等の交流電圧を直流電圧に変換する。DC-DC変換部３２０は、AC-DC変換部３１０によって変換された直流電圧を、レーザ装置１００のレーザ発振動作に好適な直流電圧に変換する。DC-DC変換部３２０は、PWM信号生成部３６０によって生成されるPWM（パルス幅変調：Pulse Width Modulation）信号によってスイッチング制御されるトランジスタ等のスイッチング素子を備える。以下では、DC-DC変換部３２０によって変換された直流電圧を、直流電圧ＶＤＣやDCリンク電圧ＶＤＣともいう。DCリンク電圧検出部３３０は、DC-DC変換部３２０によって生成されたDCリンク電圧ＶＤＣ（データ）を検出してデューティ決定部３５０にフィードバックする。
【0020】
高周波電圧指令演算部３４０は、レーザ共振器２００の動作および／または状態を示す情報のフィードバックに基づいて、高周波電源４００が生成すべき高周波電圧ＶＲＦおよび／または直流電源３００が生成すべきDCリンク電圧ＶＤＣについての指令を演算する。レーザ共振器２００から高周波電圧指令演算部３４０にフィードバックされる情報としては、レーザ共振器２００が発振するレーザ光の強度や、一対の放電電極２０２、２０４および／または共振インダクタＬを流れる電流が例示される。デューティ決定部３５０は、DCリンク電圧検出部３３０によって検出されたDCリンク電圧ＶＤＣ（データ）と、高周波電圧指令演算部３４０によって演算された高周波電圧指令に基づいて、PWM信号生成部３６０が生成すべきPWM信号（パルス波）のデューティ比を決定する。PWM信号生成部３６０は、デューティ決定部３５０によって決定されたデューティ比のPWM信号を生成してDC-DC変換部３２０のスイッチング素子に印加する。
【0021】
高周波電源４００は、DC-RF変換部４１０と高周波信号生成部４２０を備える。DC-RF変換部４１０は、直流電源３００によって生成されたDCリンク電圧ＶＤＣを、同期周波数ＦＲＦの高周波電圧ＶＲＦに変換する。後述する図３に示されるように、DC-RF変換部４１０は、DCリンク電圧ＶＤＣを交流電圧ＶＡＣに変換するインバータ４１２と、当該交流電圧ＶＡＣを昇圧して高周波電圧ＶＲＦを生成する昇圧トランス４１３を備える。高周波信号生成部４２０は、インバータ４１２のトランジスタ群をスイッチング制御するための高周波信号を生成する。この高周波信号の周波数であるスイッチング周波数ＦＳＷは、高周波電圧ＶＲＦの同期周波数ＦＲＦと実質的に等しい。また、同期周波数ＦＲＦは共振回路２１０の共振周波数ＦＲＥＳの近傍に設定されるため、スイッチング周波数ＦＳＷも共振周波数ＦＲＥＳの近傍に設定される。本実施形態は高周波数で動作する電源装置２５０に好適であり、スイッチング周波数ＦＳＷ、同期周波数ＦＲＦ、共振周波数ＦＲＥＳは例えば1 MHz以上であるのが好ましい。また、レーザ装置１００がレーザ加工装置である場合の高周波電源４００の出力（高周波電圧ＶＲＦ）は1 kW以上であるのが好ましい。
【0022】
図３は、図２の電源装置２５０（特に高周波電源４００）の主な回路構成の一例を示す。高周波電源４００におけるDC-RF変換部４１０は、充電コンデンサ４１１と、インバータ４１２と、昇圧トランス４１３を備える。バンクコンデンサとも呼ばれる充電コンデンサ４１１は、DC-DC変換部３２０（図３では不図示）の後段において、高電位ライン４０Ｈと低電位ライン４０Ｌの間に接続される。このため、充電コンデンサ４１１は、充電回路として機能するDC-DC変換部３２０が生成したDCリンク電圧ＶＤＣによって充電される。電極間にDCリンク電圧ＶＤＣが現れる充電コンデンサ４１１は、DCリンク電圧検出部３３０としても機能しうる。
【0023】
インバータ４１２は、充電コンデンサ４１１の電極間の直流電圧ＶＤＣを交流電圧ＶＡＣに変換して、昇圧トランス４１３の１次コイル４１３Ａに印加する。インバータ４１２は、高電位ライン４０Ｈと低電位ライン４０Ｌの間に直列に接続される少なくとも二つのスイッチング素子を備え、高周波信号生成部４２０による当該各スイッチング素子のスイッチング制御によって高電位ライン４０Ｈと低電位ライン４０Ｌの間の直流電圧ＶＤＣを交流電圧ＶＡＣに変換し、当該各スイッチング素子の接続点から昇圧トランス４１３を介してレーザ共振器２００の一対の放電電極２０２、２０４に印加する。
【0024】
本実施形態では、インバータ４１２におけるスイッチング素子がトランジスタ４１２Ａ～４１２Ｄによって構成される。トランジスタ４１２Ａ～４１２Ｄの種類は任意であり、電界効果トランジスタ（FET: Field effect transistor）でもよいし、バイポーラトランジスタでもよいし、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor）でもよいし、高電子移動度トランジスタ（HEMT: High Electron Mobility Transistor）でもよい。また、トランジスタ４１２Ａ～４１２Ｄの少なくともいずれかは、SiC基板およびGaN基板の少なくともいずれかに形成されたトランジスタであるのが好ましい。このようなトランジスタ４１２Ａ～４１２Ｄは、電力の制御に好適であることから、パワー半導体（デバイス）とも呼ばれる。
【0025】
図３の例におけるインバータ４１２は、高電位ライン４０Ｈと低電位ライン４０Ｌの間に直列に接続される第１高電位側スイッチング素子としての第１高電位側トランジスタ４１２Ａと第１低電位側スイッチング素子としての第１低電位側トランジスタ４１２Ｂからなる第１スイッチング素子対としての第１トランジスタ対４１２Ａ／４１２Ｂと、高電位ライン４０Ｈと低電位ライン４０Ｌの間に直列に接続される第２高電位側スイッチング素子としての第２高電位側トランジスタ４１２Ｃと第２低電位側スイッチング素子としての第２低電位側トランジスタ４１２Ｄからなる第２スイッチング素子対としての第２トランジスタ対４１２Ｃ／４１２Ｄを備える。第１高電位側トランジスタ４１２Ａと第１低電位側トランジスタ４１２Ｂの接続点（中点）は、昇圧トランス４１３の１次コイル４１３Ａの一端（図３における上端）に接続されている。同様に、第２高電位側トランジスタ４１２Ｃと第２低電位側トランジスタ４１２Ｄの接続点（中点）は、昇圧トランス４１３の１次コイル４１３Ａの他端（図３における下端）に接続されている。
【0026】
高周波信号生成部４２０（図２）は、これらの二組のトランジスタ対（４１２Ａ／４１２Ｂおよび４１２Ｃ／４１２Ｄ）に対して、互いに相補的な高周波信号を印加することで、昇圧トランス４１３の１次コイル４１３Ａに交流電圧ＶＡＣを発生させる。具体的には、第１トランジスタ対４１２Ａ／４１２Ｂの一方のトランジスタの制御端子に印加される高周波信号が「ON」の時は、他方のトランジスタの制御端子に印加される高周波信号が「OFF」になっている。すなわち、第１トランジスタ対４１２Ａ／４１２Ｂは、同時に「ON」となることがないように制御される。図３において、第１高電位側トランジスタ４１２Ａの制御端子への入力が「４２０」と示されているのに対し、第１低電位側トランジスタ４１２Ｂの制御端子への入力が「４２０′」と示されているのは、このことを便宜的に表す趣旨である。
【0027】
同様に、第２トランジスタ対４１２Ｃ／４１２Ｄの一方のトランジスタの制御端子に印加される高周波信号が「ON」の時は、他方のトランジスタの制御端子に印加される高周波信号が「OFF」になっている。すなわち、第２トランジスタ対４１２Ｃ／４１２Ｄは、同時に「ON」となることがないように制御される。図３において、第２高電位側トランジスタ４１２Ｃの制御端子への入力が「４２０′」と示されているのに対し、第２低電位側トランジスタ４１２Ｄの制御端子への入力が「４２０」と示されているのは、このことを便宜的に表す趣旨である。
【0028】
図３における同一の符号「４２０」で表されるように、第１高電位側トランジスタ４１２Ａおよび第２低電位側トランジスタ４１２Ｄの制御端子には、当該各トランジスタ４１２Ａ、４１２Ｄが同時に「ON」となるような制御信号が高周波信号生成部４２０によって印加される。トランジスタ４１２Ａ、４１２Ｄが同時に「ON」となっている間は、これらと相補的に制御されるトランジスタ４１２Ｂ、４１２Ｃは「OFF」となっており、図３における上から下に１次コイル４１３Ａに電流が流れる。
【0029】
同様に、図３における同一の符号「４２０′」で表されるように、第１低電位側トランジスタ４１２Ｂおよび第２高電位側トランジスタ４１２Ｃの制御端子には、当該各トランジスタ４１２Ｂ、４１２Ｃが同時に「ON」となるような制御信号が高周波信号生成部４２０によって印加される。トランジスタ４１２Ｂ、４１２Ｃが同時に「ON」となっている間は、これらと相補的に制御されるトランジスタ４１２Ａ、４１２Ｄは「OFF」となっており、図３における下から上に１次コイル４１３Ａに電流が流れる。
【0030】
昇圧トランス４１３は、インバータ４１２によって生成された交流電圧ＶＡＣを昇圧して高周波電圧ＶＲＦを生成する。具体的には、１次コイル４１３Ａの交流電圧ＶＡＣが昇圧された高周波電圧ＶＲＦが２次コイル４１３Ｂに現れる。
【0031】
図４は、インバータ４１２を構成する第１インバータ装置５００Ａおよび第２インバータ装置５００Ｂの構成を模式的に示す。第１インバータ装置５００Ａを構成する第１回路基板には、インバータ４１２における第１トランジスタ対４１２Ａ／４１２Ｂが実装される。第２インバータ装置５００Ｂを構成する第２回路基板には、インバータ４１２における第２トランジスタ対４１２Ｃ／４１２Ｄが実装される。以下では第１回路基板および第２回路基板が互いに異なる基板であるものとするが、第１回路基板および第２回路基板は一つの基板における互いに異なる領域でもよい。
【0032】
第１インバータ装置５００Ａおよび第２インバータ装置５００Ｂの構成は、実装されるトランジスタ対（４１２Ａ／４１２Ｂおよび４１２Ｃ／４１２Ｄ）の違いを除けば実質的に同じである。そこで、以下では第１インバータ装置５００Ａおよび第２インバータ装置５００Ｂを区別する必要がある場合を除いて、第１インバータ装置５００Ａのみについて説明する。記載の簡素化のため、第１インバータ装置５００Ａ（および／または第２インバータ装置５００Ｂ）をインバータ装置５００ともいう。
【0033】
インバータ装置５００は、高電位ライン４０Ｈと低電位ライン４０Ｌの間に直列に接続される高電位側トランジスタ４１２Ａと低電位側トランジスタ４１２Ｂからなるトランジスタ対４１２Ａ／４１２Ｂを備える。高電位側トランジスタ４１２ＡがMOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）等のFETの場合、高電位側端子であるドレインが高電位ライン４０Ｈに接続され、低電位側端子であるソースが昇圧トランス４１３の１次コイル４１３Ａの一端および低電位側トランジスタ４１２Ｂの高電位側端子（ドレイン）に接続される。同様に、低電位側トランジスタ４１２ＢがMOSFET等のFETの場合、高電位側端子であるドレインが昇圧トランス４１３の１次コイル４１３Ａの一端および高電位側トランジスタ４１２Ａの低電位側端子（ソース）に接続され、低電位側端子であるソースが低電位ライン４０Ｌに接続される。
【0034】
高電位ライン４０Ｈと低電位ライン４０Ｌの間には、高電位側トランジスタ４１２Ａおよび低電位側トランジスタ４１２Ｂと並列にセラミックコンデンサ等のコンデンサ５１が設けられる。換言すれば、コンデンサ５１の高電位側電極は高電位側トランジスタ４１２Ａのドレインに接続され、コンデンサ５１の低電位側電極は低電位側トランジスタ４１２Ｂのソースに接続される。コンデンサ５１は、後述する平滑コンデンサ５４の充放電に関わる電流経路を実質的に短くする効果があり、トランジスタ対４１２Ａ／４１２Ｂのスイッチング動作を安定化させる。この効果を発揮させる上で、コンデンサ５１のインピーダンスは、スイッチング周波数ＦＳＷ（例えば1 MHz以上）において1Ω以下とするのが好ましい。
【0035】
高電位ライン４０Ｈと高電位側トランジスタ４１２Ａのドレインの間には、高電位側インダクタンス５２が存在する。同様に、低電位ライン４０Ｌと低電位側トランジスタ４１２Ｂのソースの間には、低電位側インダクタンス５３が存在する。高電位側インダクタンス５２、低電位側インダクタンス５３、後述する出力側インダクタンス５５は、典型的には回路パターンにおける寄生インダクタンスである。また、高電位ライン４０Ｈと低電位ライン４０Ｌの間には、トランジスタ対４１２Ａ／４１２Ｂおよびコンデンサ５１と並列に、高電位側トランジスタ４１２Ａおよび／または低電位側トランジスタ４１２Ｂの平滑コンデンサ５４が実装される。
【0036】
図５は、インバータ装置５００の具体的な回路構成例を示す。本図の例における高電位側トランジスタ４１２Ａおよび低電位側トランジスタ４１２Ｂは、それぞれ並列に接続された七つのトランジスタによって構成される。高電位ライン４０Ｈと七つの高電位側トランジスタ４１２Ａのドレインおよびコンデンサ５１の高電位側電極の間には、多数の寄生インダクタンスである高電位側インダクタンス５２が存在する。同様に、低電位ライン４０Ｌと七つの低電位側トランジスタ４１２Ｂのソースおよびコンデンサ５１の低電位側電極の間には、多数の寄生インダクタンスである低電位側インダクタンス５３が存在する。七つの高電位側トランジスタ４１２Ａのソースと七つの低電位側トランジスタ４１２Ｂのドレインの間の出力段には、多数の寄生インダクタンスである出力側インダクタンス５５が存在する。なお、高電位側トランジスタ４１２Ａおよび／または低電位側トランジスタ４１２Ｂの平滑コンデンサ５４については図示を省略した。
【0037】
図６～図８は、インバータ装置５００の具体的な実装例を示す。これらの例におけるインバータ装置５００の回路基板５０は略半円状である。図６は回路基板５０の第１面（以下では便宜的に表面ともいう）における実装例を示し、図７は回路基板５０の第１面（表面）と反対の第２面（以下では便宜的に裏面ともいう）における実装例を示す。図８は、図６におけるＡ－Ａ断面図である。これらの例における高電位側トランジスタ４１２Ａおよび低電位側トランジスタ４１２Ｂのパッケージとしては、「TO-247-3」や「TO-247-4」等の汎用パッケージを利用できる。なお、回路基板５０は略半円状に限られない任意の形状（例えば矩形状）でよい。
【0038】
回路基板５０の表面を示す図６において、回路基板５０の一端（図６における右上端）には高電位ライン４０Ｈに接続される高電位端子「P」が設けられ、回路基板５０の他端（図６における右下端）には低電位ライン４０Ｌに接続される低電位端子「N」が設けられる。
【0039】
回路基板５０の表面において高電位端子「P」と隣接する高電位側インダクタンス領域には、高電位側インダクタンス５２の群が存在する。図示の例における高電位側インダクタンス領域は、回路基板５０の表面の高電位側（図６における上側）の略半分を占める。回路基板５０が略半円状の場合の高電位側インダクタンス領域は中心角が略90度の略扇形状である。高電位側インダクタンス領域の周縁領域には、図５の例における七つの高電位側トランジスタ４１２Ａが実装される。各高電位側トランジスタ４１２Ａの高電位側端子であるドレインＤは、回路基板５０の表面の高電位側インダクタンス領域に接続される。
【0040】
回路基板５０の表面において低電位端子「N」と隣接する低電位側インダクタンス領域には、低電位側インダクタンス５３の群が存在する。図示の例における低電位側インダクタンス領域は、回路基板５０の表面の低電位側（図６における下側）の略半分を占める。回路基板５０が略半円状の場合の低電位側インダクタンス領域は中心角が略90度の略扇形状である。低電位側インダクタンス領域の周縁領域には、図５の例における七つの低電位側トランジスタ４１２Ｂが実装される。各低電位側トランジスタ４１２Ｂの低電位側端子であるソースＳは、回路基板５０の表面の低電位側インダクタンス領域に接続される。
【0041】
以上のように、回路基板５０の表面において、高電位側インダクタンス５２が存在する高電位側インダクタンス領域（図６における略上半分の領域）と、低電位側インダクタンス５３が存在する低電位側インダクタンス領域（図６における略下半分の領域）は互いに異なる。更に、高電位側インダクタンス領域と低電位側インダクタンス領域の間のコンデンサ領域にはコンデンサ５１が実装される。コンデンサ領域は、「北半球」としての高電位側インダクタンス領域と「南半球」としての低電位側インダクタンス領域に挟まれた「赤道領域」である。このように、「北半球」の高電位側インダクタンス領域および「南半球」の低電位側インダクタンス領域が隣接または対向する、広いまたは長い「赤道領域」を利用してコンデンサ領域を配置することで、サージが影響する経路のインピーダンスが低減されるためインバータ装置５００の動作が安定化される。
【0042】
回路基板５０の裏面を示す図７において、略半円状の回路基板５０の中央には昇圧トランス４１３の１次コイル４１３Ａに接続される出力端子「OUT」が設けられる。回路基板５０の裏面において出力端子「OUT」と隣接する出力側インダクタンス領域には、出力側インダクタンス５５の群が存在する。図示の例における出力側インダクタンス領域は、略半円状の回路基板５０の裏面の略全体を占める。
【0043】
出力側インダクタンス領域の高電位側（図７における上側）の周縁領域には、図５の例における七つの高電位側トランジスタ４１２Ａが実装される。各高電位側トランジスタ４１２Ａの低電位側端子であるソースＳは、回路基板５０の裏面の出力側インダクタンス領域に接続される。出力側インダクタンス領域の低電位側（図７における下側）の周縁領域には、図５の例における七つの低電位側トランジスタ４１２Ｂが実装される。各低電位側トランジスタ４１２Ｂの高電位側端子であるドレインＤは、回路基板５０の裏面の出力側インダクタンス領域に接続される。
【0044】
図８に示されるように、回路基板５０の裏面における出力側インダクタンス領域（５５）の少なくとも一部は、回路基板５０の表面における高電位側インダクタンス領域（５２）および／または低電位側インダクタンス領域（５３）の少なくとも一部と、回路基板５０を挟んで対向している。好ましくは、高電位側インダクタンス領域（５２）および低電位側インダクタンス領域（５３）の略全体が、上面視で出力側インダクタンス領域（５５）に包含されるのが好ましい。また、回路基板５０の裏面における出力側インダクタンス領域（５５）の少なくとも一部は、回路基板５０の表面におけるコンデンサ領域（５１）の少なくとも一部と、回路基板５０を挟んで対向している。好ましくは、コンデンサ領域（５１）の略全体が、上面視で出力側インダクタンス領域（５５）に包含されるのが好ましい。
【0045】
以上のような本実施形態によれば、回路基板５０の表面と裏面を効率的に利用して、コンデンサ５１、高電位側インダクタンス５２、低電位側インダクタンス５３、出力側インダクタンス５５を配置でき、更には回路基板５０の周縁領域を効率的に利用して、高電位側トランジスタ４１２Ａおよび低電位側トランジスタ４１２Ｂを実装できるため、インバータ装置５００をコンパクトに構成できる。
【0046】
図９は、従来の一般的なインバータ装置５００における高電位側トランジスタ４１２Ａおよび低電位側トランジスタ４１２Ｂのドレイン／ソース間の電圧を示す。各トランジスタ４１２Ａ、４１２Ｂがオン状態とオフ状態の間で切り替えられる度に、サージ電圧等による大きな振動が発生している。
【0047】
図１０は、本実施形態に係るインバータ装置５００における高電位側トランジスタ４１２Ａおよび低電位側トランジスタ４１２Ｂのドレイン／ソース間の電圧を示す。図９におけるサージ電圧等による望ましくない振動が効果的に抑制されていることが分かる。これは、回路基板５０の表面における高電位側インダクタンス５２と回路基板５０の裏面における出力側インダクタンス５５、および、回路基板５０の表面における低電位側インダクタンス５３と回路基板５０の裏面における出力側インダクタンス５５、がそれぞれ一対となったリターン経路が構成されたことや、コンデンサ５１が、高電位側インダクタンス５２および低電位側インダクタンス５３の間であって、出力側インダクタンス５５と対向する効果的な位置に配置されたことによって、寄生インダクタンス（高電位側インダクタンス５２、低電位側インダクタンス５３、出力側インダクタンス５５）の影響が抑制されたためと考えられる。この結果、インバータ装置５００のインピーダンスが最小化されて高電位側トランジスタ４１２Ａおよび低電位側トランジスタ４１２Ｂの動作が安定する（例えば、各トランジスタ４１２Ａ、４１２Ｂのスイッチングに影響を及ぼすインピーダンスが最小化されたことで、サージ電圧が抑制される）。また、特許文献１のような「たすき掛け」の実装になっていないことやコンデンサ５１の作用によって、平滑コンデンサ５４の充放電に関わる電流経路が実質的に短くなった結果、サージ電圧が効果的に抑制されたとも考えられる。
【0048】
以上、本発明を実施形態に基づいて説明した。例示としての実施形態における各構成要素や各処理の組合せには様々な変形例が可能であり、そのような変形例が本発明の範囲に含まれることは当業者にとって自明である。
【0049】
実施形態ではレーザ装置１００における電源装置２５０について具体的に説明したが、これらに限られない任意のインバータ装置に本発明は適用できる。例えば、バッテリーの充電システムや電動の建設機械に設けられるインバータ装置に本発明を適用してもよい。
【0050】
なお、実施形態で説明した各装置や各方法の構成、作用、機能は、ハードウェア資源またはソフトウェア資源によって、あるいは、ハードウェア資源とソフトウェア資源の協働によって実現できる。ハードウェア資源としては、例えば、プロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種の集積回路を利用できる。ソフトウェア資源としては、例えば、オペレーティングシステム、アプリケーション等のプログラムを利用できる。
【符号の説明】
【0051】
４０Ｈ 高電位ライン、４０Ｌ 低電位ライン、５０ 回路基板、５１ コンデンサ、５２ 高電位側インダクタンス、５３ 低電位側インダクタンス、５４ 平滑コンデンサ、５５ 出力側インダクタンス、１００ レーザ装置、２００ レーザ共振器、２５０ 電源装置、４００ 高周波電源、４１０ DC-RF変換部、４１２ インバータ、４２０ 高周波信号生成部、５００ インバータ装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】