JP4434204B2 - 電源装置 - Google Patents

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Description

本発明は、放電部を有した負荷に交流電圧を供給して放電を発生させる電源装置の技術に関するものである。
日本国特開平9−129953号公報に記載の、従来のガスレーザ発振器用電源装置の構成を第7図に示す。商用電源1の交流電圧はコンバータ部2で直流電圧に変換され、インバータ部3に入力される。インバータ部3では、ゲート信号出力回路10のゲート信号によりスイッチング素子がオンオフし、直流電圧が方形波交流電圧に変換される。インバータ部3の出力電圧はインダクタンスLを有した高周波トランス4で昇圧され、静電容量Cを有した誘電体電極5a、5bの間に印加されることにより、放電6が発生する。誘電体電極5a、5b間を流れる放電電流は、NC装置9から出力される指令値によりその大きさを設定される。ゲート信号出力回路10は、前記放電電流を検出する放電電流検出回路8の出力値とNC装置9の指令値から、PWM制御により放電周波数fso(>1/2π√(LC))でインバータ部3にゲート信号を出力する。
放電6が点灯している場合(以下放電点灯時と呼ぶ)のインバータ部3の動作を以下に示す。第8図は、従来技術におけるインバータ部3の構成を示す図であり、スイッチング素子11a、11b、11c、11dとこれに並列に接続された還流ダイオード12a、12b、12c、12dで構成されている。第9図は、インバータ部3をPWM方式により制御した場合のインバータ部3の出力電圧・電流波形の例である。第9図における電圧波形および電流波形のプラスは、電圧波形は第8図において出力電圧が矢印の向きがプラス(高電位)側のときを示し、電流波形は第8図において出力電流が矢印の向きに流れるときを示している。このとき、高力率かつインバータ部3を構成する素子のスイッチング損失を軽減するため、一般に、インバータ部3は、高周波トランス4のインダクタンスLと誘電体電極5a、5bの静電容量Cで決定される直列共振周波数fr(=1/2π√(LC))よりも少し高い周波数fso(>1/2π√(LC))で動作しており、第9図に示すようにインバータ部出力電圧に対してインバータ部出力電流は遅れ位相となっている。スイッチング素子11a、11bがオンしている状態(第9図のt1間)から11bがオフに転ずると、第8図の破線で示した還流電流Ifがプラスの向きに還流ダイオード12cに流れる(第9図のt2間)。この状態のままでスイッチング素子11cがオン、次いでスイッチング素子11dがオンする。スイッチング素子11dがオンする時点、すなわち第9図のBにおいて、還流ダイオード12aに逆電圧が印加されるが、Bでは還流電流Ifがプラスの向きに流れているので、還流ダイオード12aには順方向の電流は流れておらず、よって、還流ダイオード12aにはリカバリー電流は発生しない。
同様に、スイッチング素子11c、11dがオンしている状態(第9図のt3間)から11dがオフに転ずると、第8図の破線で示した還流電流Ifとは逆向き、すなわちマイナスの向きに還流電流If’が還流ダイオード12aに流れる(第9図のt4間)。この状態でスイッチング素子11aがオン、次いで11bがオンする。スイッチング素子11bがオンする時点、すなわち第9図のAにおいて、還流ダイオード12cに逆電圧が印加されるが、Aでは還流電流If’がマイナスの向きに流れているので、還流ダイオード12cには順方向の電流は流れておらず、よって、還流ダイオード12cにはリカバリー電流は発生しない。
このように、従来技術では、一般に出力電圧に対して出力電流を遅れ位相とすることで、放電が点灯している場合、還流ダイオードにリカバリー電流が発生しないように工夫されている。
ところが、放電6が点灯していない場合(以下放電非点灯時と呼ぶ)は、誘電体電極に電圧を印加して放電が点灯するまでの間は、電圧が印加されているにもかかわらず、放電電流が流れない状態が継続される。この場合のインバータ部3の出力電圧・電流波形は、例えば第10図のような出力電圧・電流動作となる。第10図における電圧波形および電流波形のプラスは、電圧波形は第8図において出力電圧が矢印の向きがプラス(高電位)側のときを示し、電流波形は第8図において出力電流が矢印の向きに流れるときを示している。第10図に示すように、放電非点灯時のインバータ部3の出力電流は、出力電圧波形に対して非同期な波形となる。これは、誘電体電極5a,5b間で放電が点灯しているときは、誘電体電極5a,5b間のギャップは直流抵抗成分として働くが、放電が点灯していないときは、前記ギャップはキャパシタンスとして働くため、前記キャパシタンスが誘電体電極5a、5bと直列に挿入された回路と等価となり、これにより、回路のインピーダンスおよび共振周波数が変化するため、これらで決定されるピークや周波数の暗電流が流れるためである。上記のように、前記キャパシタンスが誘電体電極5a、5bと直列に挿入された回路と等価となるので、通常、放電部全体の静電容量は小さくなり、共振周波数は高くなる。
第10図で示したような暗電流が流れている場合、第10図のスイッチング素子11bがオンする時点Aではスイッチング素子11bがオンし還流ダイオード12cに逆電圧が印加されるが、Aでは暗電流はプラスの向き、すなわちスイッチング素子11a→高周波トランス→還流ダイオード12cと流れており、還流ダイオード12cには順方向に電流が流れているので、還流ダイオード12cにリカバリー電流が流れ、還流ダイオード12cに異常発熱が発生してしまう。
同様に、第10図のスイッチング素子11dがオンする時点Bではスイッチング素子11dがオンし還流ダイオード12aに逆電圧が印加されるが、Bでは暗電流はマイナスの向き、すなわちスイッチング素子11c→高周波トランス→還流ダイオード12aと流れており、還流ダイオード12aには順方向に電流が流れているので、還流ダイオード12aにリカバリー電流が流れ、還流ダイオード12aに異常発熱が発生してしまう。
このように、放電点灯時と放電非点灯時とで不連続な負荷をもつガスレーザ発振器用電源装置において、従来技術では、放電非点灯時に発生する上記問題に対し、還流ダイオードの並列数を増やすことで、還流ダイオードのリカバリー電流による損失を分散するしかなかった。ところが、近年、ガスレーザ発振器用電源装置における放電周波数は高周波化が進んでおり、使用する還流ダイオードの応答速度も高速化が要求され、これによってリカバリー電流による損失も増大している。したがって、比較的高価な高速ダイオードを多並列にて使用しなければならないことから、コストおよび実装スペースの拡大という面から、非常に深刻な問題となっていた。
本発明は、放電点灯時と放電非点灯時のように不連続な負荷をもつ電源装置について、すべての動作領域において、インバータ部の還流ダイオードがリカバリーモードに入ることを防止、もしくは軽減することによって、その結果リカバリー電流による環流用ダイオードの発熱を軽減することができ、より小型で安価な電源装置を提供することを目的としている。
この発明に係わる電源装置は、商用交流電圧を整流素子によって直流電圧に変換するコンバータ部と、コンバータ部から出力された直流電圧を高周波数の交流電圧に変換するインバータ部と、負荷が有する誘電体電極の静電容量と直列共振回路を構成するインダクタンスを有し、インバータ部から出力された高周波交流電圧を高電圧に昇圧する高周波トランスを備えた電源装置において、前記インバータ出力部に前記高周波トランスと並列にインダクタンスを備えたものである。
本発明に係わる電源装置は、商用交流電圧を整流素子によって直流電圧に変換するコンバータ部と、コンバータ部から出力された直流電圧を高周波数の交流電圧に変換するインバータ部と、負荷が有する誘電体電極の静電容量と直列共振回路を構成するインダクタンスを有し、インバータ部から出力された高周波交流電圧を高電圧に昇圧する高周波トランスを備えており、前記インバータ出力部に前記高周波トランスと並列にインダクタンスを有することにより、負荷における放電非点灯時において、前記インバータ内の還流ダイオードにリカバリー電流が流れない、あるいはリカバリー電流の量が軽減されるため、還流ダイオードの素子数を増やすことなくダイオードの発熱を抑えることが可能であり、電源装置の小型化および低コスト化を図ることできる効果を奏する。
第1図は、本発明の実施の形態1に基づく電源装置の基本構成図である。
第2図は、本発明の実施の形態1に基づく電源装置のインバータ部の負荷側の等価回路を示した図である。
第3図は、本発明の実施の形態1に基づく電源装置のインバータ部の負荷の放電点灯時における出力電圧・電流波形である。
第4図は、本発明の実施の形態1に基づく電源装置のインバータ部の負荷の放電非点灯時における出力電圧・電流波形である。
第5図は、本発明の実施の形態2に基づく電源装置の基本構成図である。
第6図は、本発明の実施の形態3に基づく電源装置の基本構成図である。
第7図は、従来のガスレーザ発振器用電源装置の基本構成図である。
第8図は、従来のガスレーザ発振器用電源装置のインバータ部の基本構成図である。
第9図は、従来のガスレーザ発振器用電源装置のインバータ部の放電点灯時における出力電圧・電流波形である。
第10図は、従来のガスレーザ発振器用電源装置のインバータ部の放電非点灯時における出力電圧・電流波形である。
実施の形態1.
第1図は、本発明を実施するための実施の形態1における電源装置を示す構成図あり、負荷として誘電体電極を有し前記誘電体電極間で放電を発生するガスレーザ発振器に接続されている図である。
第1図において、商用電源1の交流電圧はコンバータ部2で直流電圧に変換され、インバータ部3に入力される。スイッチング素子とこれに並列に接続された還流ダイオードで構成されるインバータ部3では、ゲート信号出力回路10のゲート信号によりスイッチング素子がオンオフし、直流電圧が方形波交流電圧に変換される。インバータ部3の出力電圧はインダクタンスLを有した高周波トランス4で昇圧され、電源装置より出力される。電源装置から出力された高周波高圧電力は、例えば、電源装置に負荷として接続されたガスレーザ発振器の静電容量Cを有した誘電体電極5a、5bの間に印加され、誘電体電極5a、5b間で放電6が発生しレーザ発振が行われる。高周波トランス4のインダクタンスLと、負荷であるレーザ発振器の誘電体電極5a、5bの静電容量Cとで直列共振回路を構成している。また、インバータ部3の出力側に高周波トランス4と並列に並列インダクタンス7が接続されている。また、誘電体電極5a、5b間を流れる放電電流は、NC装置9から出力される指令値によりその大きさを設定される。ゲート信号出力回路10は、前記放電電流を検出する放電電流検出回路8の出力値とNC装置9の指令値から、PWM制御により放電周波数fso(>1/2π√(LC))でインバータ部3にゲート信号を出力する。なお、本実施の形態1に示すインバータ部3は、第8図で示される回路と同様の構成であるので、本実施の形態においては第8図に記載の符号にて説明を行う。
次に、本実施の形態1の動作について説明する。第2図は、上記実施の形態1に示す電源装置におけるインバータ部3の負荷側の等価回路を示す。また、第3図は放電点灯時のインバータ部3の出力電圧・電流波形を示す。第3図における電圧波形および電流波形のプラス符号は、第8図における出力電圧が矢印の向きがプラス(高電位)の場合および出力電流が矢印の向きに流れる場合を意味している。第3図における破線i1は、第2図に示すように高周波トランス4側を流れる電流の波形であり、第9図で示した並列インダクタンス7を有していない従来の電源装置の出力電流波形と同等な波形である。第3図における一点鎖線i2は、第2図に示すように並列インダクタンス7側を流れる電流の波形であり、単純な誘導性負荷であることから第3図に示したように出力電圧に対して出力電流は遅れ位相となる。第3図における実線i0は、第2図に示すようにインバータ部3の出力電流の波形であり、i0=i1+i2となる。よって、出力電流i0は、従来技術におけるインバータ部3の放電点灯時の出力電圧・電流波形(第9図)に対して、並列インダクタンス7に流れる電流i2の分だけ増加した波形となっており、第3図に示したようにスイッチング素子11bがオンする時点Aでは還流電流はマイナスの向きに流れ、スイッチング素子11dがオンする時点Bでは還流電流はプラスの向きに流れる状態は維持される。これにより、インバータ部3の動作としては従来の放電点灯時の動作と同じであり、したがって、インバータ部3内の還流ダイオード12a、12bにリカバリー電流は発生しない。
第4図は、上記実施の形態に示す装置におけるインバータ部3の放電非点灯時の出力電圧・電流波形を示す。第4図における電圧波形および電流波形のプラス符号は、第8図における出力電圧が矢印の向きがプラス(高電位)の場合および出力電流が矢印の向きに流れる場合を意味している。第4図において、破線は高周波トランス4側を流れる電流i1aであり、第10図で示した並列インダクタンス7を有していない従来の電源装置の暗電流波形と同等な波形である。一点鎖線は並列インダクタンス7側を流れる電流i2aであり、単純な誘導性負荷であることから第3図と同様に出力電圧に対して出力電流は遅れ位相となる。実線はインバータ部3の出力電流i0aを示し、放電点灯時と同様に、i0a=i1a+i2aが成り立つ。
第4図において、スイッチング素子11dがオンする時点Bでは、高周波トランス4を流れる電流i1aはマイナス(スイッチング素子11c→高周波トランス4→還流ダイオード12a)の方向に流れているが、並列インダクタンス7側に流れる電流i2aはプラス(スイッチング素子11a→並列インダクタンス7→還流ダイオード12c)方向に流れており、i2aの絶対値がi1aの絶対値以上であれば、その合計電流であるインバータ部3の出力電流i0aはプラス(スイッチング素子11a→並列インダクタンス7→還流ダイオード12c)の方向に流れるかもしくは電流が流れないため、還流ダイオード12aにはリカバリー電流は発生しない。i2aの絶対値がi1aの絶対値よりも小さいときは、出力電流i0aはマイナスの向きに流れ還流ダイオード12aにはリカバリー電流が発生するが、並列リアクトル7を接続することによりマイナスの方向に流れる電流量を小さくすることが可能となるので、還流ダイオード12aに流れるリカバリー電流の量は、並列インダクタンス7を有していないときに比べ軽減することができる効果がある。
同様に、スイッチング素子11bがオンする時点Aでは、高周波トランス4を流れる電流i1aはプラス(スイッチング素子11a→高周波トランス4→還流ダイオード12c)の方向に流れているが、並列インダクタンス7側に流れる電流i2aはマイナス(スイッチング素子11c→並列インダクタンス7→還流ダイオード12a)方向に流れており、i2aの絶対値がi1aの絶対値以上であれば、その合計電流であるインバータ部3の出力電流i0aはマイナス(スイッチング素子11c→並列インダクタンス7→還流ダイオード12a)の方向に流れるかもしくは電流が流れないため、還流ダイオード12cにはリカバリー電流は発生しない。i2aの絶対値がi1aの絶対値よりも小さいときは、出力電流i0aはプラスの向きに流れ還流ダイオード12cにはリカバリー電流が発生するが、スイッチング素子11dがオンする時点Bと同様に、還流ダイオード12cに流れるリカバリー電流の量は、並列インダクタンス7を有していないときに比べ軽減することができる効果がある。ここで、第4図のi0aに関しては、AおよびBにおいてi2aの絶対値がi1aの絶対値よりも大きい場合の電流波形を記載した。
本実施の形態1に示す構成により、負荷における放電点灯時および放電非点灯時ともにインバータ部3内の還流ダイオードにリカバリー電流が発生しない、あるいはリカバリー電流を軽減することができるため、還流ダイオードの発熱が少なく、電源装置の小型化および低コスト化が実現できる。特に、還流ダイオード12a、12cに逆電圧が印加される第4図のA、Bにおいて、高周波トランス4に流れる電流i1aの向きが還流ダイオード12a、12cの順方向と同じ向きの場合、高周波トランス4を流れる暗電流i1aの絶対値よりも並列インダクタンス7を流れる電流i2aの絶対値の方が大きくなるように、並列インダクタンス7の値を設定することで、リカバリー電流が発生しない構成とすることができる。
ここで、本実施の形態1においては、本発明に係る電源装置の負荷として、誘電体電極を有し前記誘電体電極間で放電を発生するガスレーザ発振器を例に用いて本実施の形態1を説明したが、負荷は特にガスレーザ発振器に限定されるものでは無く、静電容量を有し前記高周波トランス4のインダクタンスLと直列共振回路を構成するものであればよい。
実施の形態2.
第5図は、本発明を実施するための実施の形態2を示す構成図の一例である。基本的な構成は実施の形態1と同様なので、同一構成については同一番号を付与し説明を省略し、第1図と異なる点について以下に説明する。
第5図において、並列インダクタンス7の一端には、放電6の有無に応じてNC装置9から出力される切り替え信号により、放電点灯時には並列インダクタンス7を回路から分離し、放電非点灯時には並列インダクタンス7を回路に接続する切り替え装置13を備えている。放電6の有無に関しては、放電電流検出回路8で検出される電流値の大小を放電点灯信号出力回路14にて判定し、放電点灯信号出力回路14はNC装置9に放電点灯の有無を判別する信号を出力する。ただし、切り替え装置13へ出力する切り替え信号は、NC装置9から必ずしも出力される必要はなく、放電点灯信号出力回路14から直接出力されても差し支えなく、上記方法に限るものではない。なお、本実施形態に示すインバータ部3は、第8図で示される回路と同様の構成であるので、本実施の形態においては第8図に記載の符号にて説明を行う。
次に、本実施の形態2の動作について説明する。電流検出回路8によって検出される放電点灯時の高周波トランスの二次側を流れる放電電流i1Dは、放電非点灯時の高周波トランスの二次側を流れる暗電流i1Eよりも大きい(i1D>i1E)ことから、i1D>is>i1Eとなる電流値isを設定し、放電点灯信号出力装置14の記憶部に記憶させておく。
電流検出回路8によって検出された電流ixは、放電点灯信号出力装置14の比較部にて設定値isと比較され、ix>isならば放電点灯時と判定し、放電点灯信号出力装置14の出力部からNC装置9へ並列インダクタンス7を回路から分離するように信号が送られる。分離信号を受信したNC装置9は、切り替え装置13に回路を切断するように信号を出力し、切り替え装置13は並列インダクタンス7を回路から分離するよう回路を切断し、その結果、インバータ部3の出力に接続されている回路構成は、従来構成(第7図)と同じとなる。したがって、インバータ部3の出力電流はすべて高周波トランス4に流れ、第9図に示す出力電圧・電流波形となる。
ix<isならば放電非点灯時と判定し、放電点灯信号出力装置14の出力部からNC装置9へ並列インダクタンス7を回路に接続するように信号が送られる。分離信号を受信したNC装置9は、切り替え装置13に回路を接続するように信号を出力し、切り替え装置13は並列インダクタンス7を回路に接続するよう回路を接続する。その結果、インバータ部3の出力に接続されている回路構成は、実施の形態1(第1図)と同じとなる。したがって、インバータ部3の出力電圧・電流波形は第4図に示す波形となり、インバータ部3内の還流ダイオードにリカバリー電流は発生しないか、あるいはリカバリー電流を軽減することができる。
本実施の形態2に示す構成により、負荷における放電点灯時、放電非点灯時ともにインバータ部3内の還流ダイオードにリカバリー電流が発生しないか、あるいはリカバリー電流を軽減することができるため、還流ダイオードの発熱が少なく、電源装置の小型化および低コスト化が実現できる実施の形態1と同様な効果が得られる。特に、還流ダイオード12a、12cに逆電圧が印加される第4図のA、Bにおいて、高周波トランス4に流れる電流i1aの向きが還流ダイオード12a、12cの順方向と同じ向きの場合、高周波トランス4を流れる暗電流i1aの絶対値よりも並列インダクタンス7を流れる電流i2aの絶対値の方が大きくなるように、並列インダクタンス7の値を設定することで、リカバリー電流が発生しない構成とすることができることは言うまでもない。
更に、放電点灯時には、実施の形態1では並列インダクタンス7に流れる電流の分だけインバータ部3の出力電流が従来よりも多くなりインバータ部3への負荷が増加したが、本実施の形態2では、放電点灯時に並列インダクタンス7を回路から分離することで並列インダクタンス7に流す電流が必要なくなり、インバータ部3の出力電流値を従来と同等にすることができる。これにより、電源装置の効率を高めることが可能となり、インバータ部3のスイッチング素子11a〜11dの負荷を低減することができる。
実施の形態3.
ところで、実施の形態1および実施の形態2では、本発明に係る電源装置が有する高周波トランスのインダクタンスと、負荷が有する静電容量とが直列共振回路を構成するとしたが、第6図に示したように、負荷がインダクタンスも有し負荷内でLC直列共振回路を構成しており、また電源装置が高周波トランスを有さない場合においても、電源装置に負荷と並列に並列インダクタンス7を設けることで電源装置のインバータ部の負荷側の等価回路は第2図と同様になり、実施の形態1と同様な効果を得ることができる。もちろん、実施の形態2に用いた切り替え装置13を備えることで、実施の形態2と同様な効果を得られることは言うまでもない。
以上のように、この発明に係る電源装置は、特に誘電体電極を有し前記誘電体電極間で放電を発生するガスレーザ発振器への電力供給に用いられるのに適している。

Claims (10)

  1. 静電容量が不連続的に変化する負荷に電力を供給する電源装置において、
    交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ部と、
    スイッチング素子及びこれに並列接続された環流ダイオードを有し、前記コンバータ部から出力された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部と、
    前記負荷が有する静電容量と直列共振回路を構成する第1のインダクタンスを有し、前記インバータ部から出力された交流電圧の電圧を変換するトランスと、
    前記インバータ部の出力部に前記トランスと並列に接続された第2のインダクタンスとを備えたことを特徴とする電源装置。
  2. 前記第2のインダクタンスの値は、
    前記スイッチング素子がオンすることにより前記還流ダイオードに逆電圧が印加されるときに、前記トランスに流れる電流の向きが前記還流ダイオードの順方向と同じ向きの場合、前記トランスに流れる電流の絶対値よりも前記第2のインダクタンスに流れる電流の絶対値が大きくなるように設定したことを特徴とする請求の範囲1に記載の電源装置。
  3. 前記第2のインダクタンスの一端と前記インバータ部の出力部との間に設けられ、回路の切断および接続を切り替えるための切り替え手段と、
    前記切り替え手段を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする請求の範囲1または2に記載の電源装置。
  4. 前記制御装置は、前記負荷が有する放電部において放電発生時には前記第2のインダクタンスと前記インバータ部の出力部を接続し、放電非発生時には前記第2のインダクタンスと前記インバータ部の出力部を切断するように前記切り替え手段を制御するものであることを特徴とする請求の範囲3に記載の電源装置。
  5. 前記負荷に流れる電流値を検出する電流検出手段を備え、
    前記制御装置は、前記電流検出装置にて検出された電流値を設定値と比較することにより前記負荷にて放電が発生しているかどうかを判断するものであることを特徴とする請求の範囲4に記載の電源装置。
  6. LC直列共振回路を有し静電容量が不連続的に変化する負荷に電力を供給する電源装置において、
    交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ部と、
    スイッチング素子及びこれに並列接続された環流ダイオードを有し、前記コンバータ部から出力された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部と、
    前記インバータ部の出力部に前記負荷と並列に接続されたインダクタンスとを備えたことを特徴とする電源装置。
  7. 前記第2のインダクタンスの値は、
    前記スイッチング素子がオンすることにより前記還流ダイオードに逆電圧が印加されるときに、前記負荷に流れる電流の向きが前記還流ダイオードの順方向と同じ向きの場合、前記負荷に流れる電流の絶対値よりも前記第2のインダクタンスに流れる電流の絶対値が大きくなるように設定したことを特徴とする請求の範囲6に記載の電源装置。
  8. 前記インダクタンスの一端と前記インバータ部の出力部との間に設けられ、回路の切断および接続を切り替えるための切り替え手段と、前記切り替え手段を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする請求の範囲6または7に記載の電源装置。
  9. 前記制御装置は、前記負荷が有する放電部において放電発生時には前記インダクタンスと前記インバータ部の出力部を接続し、放電非発生時には前記インダクタンスと前記インバータ部の出力部を切断するように前記切り替え手段を制御するものであることを特徴とする請求の範囲8に記載の電源装置。
  10. 前記負荷に流れる電流値を検出する電流検出手段を備え、
    前記制御装置は、前記電流検出装置にて検出された電流値を設定値と比較することにより前記負荷にて放電が発生しているかどうかを判断するものであることを特徴とする請求の範囲9に記載の電源装置。
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