JP2000217355A - 共振型スイッチング電源装置 - Google Patents

共振型スイッチング電源装置

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JP2000217355A
JP2000217355A JP11017122A JP1712299A JP2000217355A JP 2000217355 A JP2000217355 A JP 2000217355A JP 11017122 A JP11017122 A JP 11017122A JP 1712299 A JP1712299 A JP 1712299A JP 2000217355 A JP2000217355 A JP 2000217355A
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昌之 小野
Toshiichi Fujiyoshi
敏一 藤吉
Shuji Morita
修二 森田
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Sansha Electric Manufacturing Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 出力設定範囲が広く，スイッチン
グ損失の小さい電源装置を提供する。 【解決手段】 この直流電源２と並列に，直列接
続された１対のコンデンサ６ａ，６ｂと，直列接続され
たスイッチング素子８ａ，８ｂにより共振用インバータ
４が構成されている。インバータの出力には，共振用リ
アクトル１０，共振用コンデンサ１２，１次巻線１４Ｐ
の出力トランス１４が直列に接続されている。出力トラ
ンスの２次巻線１４Ｓには，出力整流器１６ａ，１６ｂ
が接続され，負荷に直流が供給されている。負荷に流れ
る出力電流を検出する電流検出器２６と，この検出信号
と出力電流を設定する基準信号とを比較し，誤差増幅
し，誤差増幅信号に応じてスイッチング素子を制御する
スイッチ制御信号を出力するスイッチ制御信号形成装置
３２とが設けられている。出力電流を設定する基準信号
が所定値に低下した時，スイッチ制御信号の一部を強制
的にオフさせる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は，出力設定範囲が広
い共振型スイッチング電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】溶接用電源装置では，例えば定格溶接電
流が２５０Ａの場合，最低の出力が１０Ａ以下まで使用
される。すなわち，溶接用電源装置は制御範囲が非常に
広く使用されている。
【０００３】一方，溶接用電源装置は，小型，軽量，高
力率の利点を持つＰＷＭ方式のスイッチングレギュレー
タが多く使用されている。しかし，スイッチング周波数
が２０ｋＨｚ以下の場合には，大きな問題はないが，１
００ｋＨｚ以上になると，スイッチング素子の浮遊容量
の影響を受け，スイッチング素子のオンオフ転換時期に
おけるスイッチング素子の両端の電圧波形と電流波形と
が重なり合う割合が大きくなり，この電圧，電流波形で
重なり合う部分がスイッチング損失となって損失が増加
する。スイッチング損失が増加すると，電力変換効率が
低下すると共に発熱する。この為，大きな放熱器を必要
とし，電源装置の小型化の妨げとなる。
【０００４】この問題を解決するために，図３に示す共
振型スイッチング電源装置がある。図３において，２は
直流電源で通常商用の交流電源を整流して形成される。
４は入力の直流電圧を高周波交流に変換するインバータ
であり，直流電源２の出力間に直列接続されたコンデン
サ６ａ，６ｂと，直列接続され交互にオンオフスイッチ
ングされるスイッチング素子８ａ，８ｂとにより構成さ
れている。インバータ４の出力は，コンデンサ６ａと６
ｂとの接続点と，スイッチング素子８ａと８ｂとの接続
点とから取り出され，インバータ４の出力には，直列接
続された共振用インダクタンス１０と，共振用コンデン
サ１２と，高周波交流を出力する出力トランス１４の１
次巻線１４ｐが接続されている。出力トランス１４の２
次巻線１４ｓは，センサータップ形に形成され，２次巻
線１４ｓの両端には出力整流器１６ａ，１６ｂが接続さ
れ，出力トランス１４で出力された高周波交流を整流し
ている。出力整流器１６ａ，１６ｂの出力には，平滑用
リアクトル１８，コンデンサ２０が設けられ，出力整流
された直流が平滑され，出力端子２２Ｐ，２２Ｎから図
示していない負荷に直流出力が供給されている。
【０００５】２６は負荷に流れる出力電流を検出する電
流検出器で，電流検出器２６により検出された検出信号
と，出力電流を設定する基準電源３０の設定信号とが誤
差増幅器２８により比較され，検出信号と設定信号との
誤差が増幅される。増幅された信号は，スイッチング制
御信号形成装置３２により制御され，スイッチング素子
８ａ，８ｂがスイッチングされ，出力電流が定電流で制
御される。
【０００６】又，スイッチング素子８ａ，８ｂは，直列
共振回路の共振周波数より低い周波数でオンオフ制御さ
れる。第１のスイッチング素子８ａがオン，第２のスイ
ッチング素子８ｂがオフの期間では，直列共振に基づく
電流が直流電源２，第１スイッチング素子８ａ，コンデ
ンサ１２，１次巻線１４ｐ，リアクトル１０，コンデン
サ６ｂからなる回路に流れる。第１のスイッチング素子
８ａのスイッチング直前は，コンデンサ１２には図示す
る極性と逆極性の電圧が印加しており，スイッチング素
子８ａのスイッチングによって徐々に０に向かって減少
し，その後図の極性に充電されていく。コンデンサ１
２，リアクトル１０に流れる電流Ｉは，コンデンサ１２
の電圧が零になる時点で正の最大値になり，その後減少
する。コンデンサ１２の充電電荷の放電は，コンデンサ
１２，ダイオード９ａ，コンデンサ６ａ，リアクトル１
０，１次巻線１４ｐを介して行われる。第２のスイッチ
ング素子８ｂのオン期間も同様な動作が行われる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところで，出力設定を
小さくする場合，スイッチング素子８ａ，８ｂにはそれ
ぞれ図５（ａ），（ｂ）のスイッチ制御信号を入力して
いる。このスイッチ制御信号には，制御可能なパルス幅
Ｔ３と一定休止期間Ｔ２を有しており，負荷が溶接負荷
のような広い範囲まで使用される場合は，スイッチング
速度によって限界が生じ，パルス幅Ｔ３を下げることが
できず，従って最低出力が設定できないという問題があ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は，
直流電源と，上記直流電源と並列に直列接続された少な
くとも１対のスイッチング素子を有するインバータと，
上記インバータの出力に設けられ直列接続された共振用
リアクトルとコンデンサと負荷が接続される出力トラン
スと，出力トランスの出力を整流する出力整流器と，上
記負荷に流れる出力電流を検出する電流検出器と，上記
電流検出器の検出信号と，出力電流を設定する基準信号
とを比較し，誤差増幅する誤差増幅器と，上記誤差増幅
信号に応じて，上記スイッチグ素子を制御するスイッチ
ング制御信号を出力するスイッチング制御信号形成装置
とを有する共振型スイッチング電源装置において，上記
出力電流を設定する基準信号が，所定値に低下したと
き，上記スイッチング制御信号の一部を強制的にオフさ
せる周波数変更指令装置を設けたものである。
【０００９】すなわち，インバータは直流電源から直流
電圧の供給を受け，高周波交流を出力する。インバータ
の出力には，リアクトルとコンデンサによる直列共振回
路が設けられており，インバータの周波数より高い周波
数で共振している。インバータの出力は出力変圧器によ
り変圧され，出力整流器により整流され負荷に直流出力
が供給されている。また，リアクトルとコンデンサによ
り共振周波数は，インバータの高周波より高い周波数に
設定され，インバータのスイッチング素子のスイッチン
グ損失は小さい。
【００１０】また，負荷に流れる電流は，電流検出器に
より検出され，この指令信号は出力電流を設定する基準
信号と誤差増幅器により比較され，誤差増幅される。増
幅された信号は，スイッチング制御信号形成装置を介し
て，インバータのスイッチング素子をスイッチングし，
出力電流を定電流制御している。そして，出力電流を設
定する基準信号が，所定値に低下したとき，周波数変換
指令装置によりスイッチ制御信号の一部を強制的にオフ
させて，周波数を低周波化している。これにより出力設
定の範囲を広げている。
【００１１】請求項２記載の発明は，上記周波数変更装
置が可聴周波数に達した時，上記スイッチング制御信号
の強制オフを停止させる周波数変更指令装置である。
【００１２】すなわち，スイッチ制御信号の強制オフを
停止させるため，スイッチング素子が可聴周波数まで低
下することがなく，出力トランス等が可聴周波数の振動
が生じることがないので，騒音の発生が抑制される。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明を，その実施の形態を示し
た図１及び図２により説明する。図１において，図３と
異なる点は，図１のものは基準電源３０の基準値，すな
わち，出力電流の設定値が所定値より低下したとき，ス
イッチ制御信号の一部を強制的にオフさせる周波数変更
指令装置３６を設けたものである。
【００１４】すなわち，２は直流電源で通常商用の交流
電源を整流して形成されている。４は入力の直流電圧を
高周波交流に変換するインバータであり，直流電源２の
出力間に直列接続されたコンデンサ６ａ，６ｂと，直列
接続され交互にオンオフスイッチングされるスイッチン
グ素子８ａ，８ｂとにより構成されている。インバータ
４の出力は，コンデンサ６ａと６ｂとの接続点と，スイ
ッチング素子８ａ，８ｂとの接続点とから取り出され，
インバータ４の出力には，直列接続された共振用インダ
クタンス１０と，共振用コンデンサ１２と，高周波交流
を出力するトランス１４の１次巻線１４Ｐが接続されて
いる。出力トランス１４の２次巻線１４Ｓは，センター
タップ形に形成され，２次巻線１４Ｓの両端には出力整
流器１６ａ，１６ｂが接続され，出力トランス１４で出
力された高周波交流を整流している。出力整流器１６
ａ，１６ｂの出力には，平滑用リアクトル１８，コンデ
ンサ２０が設けられ，出力整流された直流が平滑され，
出力端子２２Ｐ，２２Ｎから図示しない負荷に直流出力
が供給される。
【００１５】２６は，負荷に流れる出力電流を検出する
電流検出器で，電流検出器２６により検出された検出信
号と，基準電源３０の基準信号とが誤差増幅器２８によ
り比較され，検出信号と基準信号との誤差が増幅され
る。増幅された信号は，スイッチング制御信号形成回路
３２により制御され，スイッチング素子８ａ，８ｂがス
イッチングされ，出力電流が定電流で制御される。
【００１６】さらに，基準電源３０の基準信号は，周波
数変更指令装置３６に入力する。この周波数変更指令装
置３６は，基準信号が所定値より低下したとき，スイッ
チング制御信号形成装置３２にスイッチン制御信号の一
部を強制的にオフさせるものである。
【００１７】今，スイッチング素子８ａ，８ｂは直列共
振回路の共振周波数より低い周波数でオンオフ制御され
る。第１のスイッチング素子８ａがオン，第２のスイッ
チング素子８ｂがオフの期間では，直列共振に基づく電
流が直流電源２，第１スイッチング素子８ａ，コンデン
サ１２，１次巻線１４Ｐ，リアクトル１０，コンデンサ
６ｂからなる回路に流れる。第１のスイッチング素子８
ａのスイッチング直前は，コンデンサ１２は図示する極
性と逆極性の電圧が印加しており，スイッチング素子８
ａのスイッチングによって徐々に０に向かって減少し，
その後，図の極性に充電されていく。コンデンサ１２，
リアクトル１０に流れる電流Ｉは，コンデンサ１２の電
圧が零になる時点で正の最大値となり，その後減少す
る。コンデンサ１２の充電電荷の放電は，コンデンサ１
２，ダイオード９ａ，コンデンサ６ａ，リアクトル１
０，１次巻線１４Ｐを介して行われる。第２のスイッチ
ング素子８ｂのオン期間も同様な動作が行われる。
【００１８】そして，出力設定を小さくしていった場
合，基準電源３０の基準信号が所定値に達するまで，周
波数変更指令装置３６から何ら指令信号が出力されな
い。このため，スイッチ制御信号形成回路３２から図２
（ａ）で示すスイッチ制御信号が出力されている。
【００１９】そして，基準信号が所定値に達すると，周
波数変更指令装置３６から，スイッチ制御信号形成装置
３２に図２（ｂ）に示すように破線で示すスイッチ制御
信号を強制的にオフするように指令する。このため，周
波数が低下する。尚，さらに出力設定を小さくする場合
には，強制的にオフされるスイッチ制御信号の数を増加
させればよい。
【００２０】さらに，強制的にオフさせるスイッチ制御
信号の数を増加させて，スイッチング素子の周波数が十
数ｋＨｚの可聴周波数まで低下したとき，強制的にオフ
させるスイッチ制御信号の数の増加を停止させる。これ
により，スイッチング素子の発振周波数による出力トラ
ンス等の振動による騒音の発生を防止できる。
【００２１】上記インバータは，スイッチング素子とコ
ンデンサとによるハーフブリッジで構成されているが，
コンデンサをスイッチング素子にしてフルブリッジ構成
であってもよい。
【００２２】
【発明の効果】請求項１記載の発明では，スイッチング
素子のスイッチング損失を低下させるとともに，出力設
定の範囲を広げることができ，溶接用電源の出力設定範
囲の広い電源に適用できる。
【００２３】請求項２記載の発明では，スイッチング素
子が可聴周波数まで低下することがなく，出力トランス
に可聴振動の発生がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の共振型スイッチング電源装置の一実施
の形態を示すブロック図である。
【図２】図１のスイッチング素子に印加するスイッチ制
御信号の波形図である。
【図３】従来の共振型スイッチング電源装置のブロック
図である。
【図４】図３において高出力設定時のスイッチ制御信号
の波形図である。
【図５】図３において低出力設定時のスイッチ制御信号
の波形図である。
【符号の説明】
２ 直流電源 ４ インバータ ６ａ，６ｂ コンデンサ ８ａ，８ｂ スイッチング素子 １０ 共振用リアクトル １２ 共振用コンデンサ １４ 出力トランス ２６ 電流検出器 ２８ 誤差増幅器 ３２ スイッチング制御信号形成装置 ３６ 周波数変更指令装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4E082 BB01 DA01 EC13 EE04 5H730 AA14 AS02 BB26 BB62 DD03 EE03 EE07 FD31

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 直流電源と，上記直流電源と並列に直列
    接続された少なくとも１対のスイッチング素子を有する
    インバータと，上記インバータの出力に設けられた直列
    接続された共振用リアクトルとコンデンサと負荷が接続
    される出力トトランスと，出力トランスの出力を整流す
    る出力整流器と，上記負荷に流れる出力電流を検出する
    電流検出器と，上記電流検出器の検出信号と，出力電流
    を設定する基準信号とを比較し，誤差増幅する誤差増幅
    器と，上記誤差増幅信号に応じて，上記スイッチグ素子
    を制御するスイッチング制御信号を出力するスイッチン
    グ制御信号形成装置とを有する共振型スイッチング電源
    装置において，上記出力電流を設定する基準信号が，所
    定値に低下したとき，上記スイッチング制御信号の一部
    を強制的にオフさせる周波数変更指令装置を設けたこと
    を特徴とする共振型スイッチング電源装置。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の上記周波数変換指令装置
    が，可聴周波数に達したとき，上記スイッチング制御信
    号の強制オフを停止させる周波数変更指令装置であるこ
    とを特徴とする共振型スイッチング電源装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012042754A1 (ja) * 2010-09-27 2012-04-05 パナソニック株式会社 インバータを備えた溶接装置の溶接制御方法
KR101857185B1 (ko) * 2016-06-03 2018-05-11 (주)엔에스 레이저 절단 장치 및 방법

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