JP5124349B2 - 電源装置及びアーク加工用電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ回路を有する電源装置及びアーク加工用電源装置に関するものである。

アーク加工機等に用いられる電源装置は、例えば特許文献１に示されるように、商用電源（三相交流電源）を整流回路にて整流し平滑コンデンサにて平滑化した直流電圧に変換する直流変換回路と、スイッチング素子のフルブリッジ回路で構成されるインバータ回路とを備えている。インバータ回路は、各スイッチング素子が組毎に交互にオンオフ制御されることで、直流変換回路からの直流電圧を所定の高周波交流電圧に変換している。そして、インバータ回路からの所定の高周波交流電圧がアーク溶接やアーク切断等のアーク加工に適したアーク加工用直流電圧に更に変換されている。

また、特許文献１の第１図及び第１６図に示される電源装置では、直流変換回路を構成する平滑コンデンサとインバータ回路との間の一対の電源線間に補助コンデンサが接続されるとともに、平滑及び補助コンデンサ間の電源線上に補助スイッチング素子が配置されてなる。補助スイッチング素子は、インバータ回路のスイッチング素子のオンと同時オンされ、インバータ回路のスイッチング素子のオフ時にはそのオフよりも先にオフされる。このような補助スイッチング素子のオンオフ制御に基づく補助コンデンサの充放電動作を利用することで、各スイッチング素子におけるスイッチング損失を低減するソフトスイッチング制御が実施可能な構成となっている。尚、第１図の電源装置は２００Ｖの入力交流電源対応であり、第１６図の電源装置は４００Ｖの入力交流電源対応となっている。
特開２００３−３１１４０８号公報

しかしながら、軽負荷時や無負荷時等において、補助コンデンサの充放電が不完全となる場合がある。この補助コンデンサの不完全な充放電動作は、スイッチング損失の増大やサージ電圧発生によるスイッチング素子の破損に繋がるため、これらを解決することが要望されている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ソフトスイッチング制御で用いる補助コンデンサの充放電を負荷状態にかかわらず確実とし、スイッチング損失の低減や電圧サージの抑制を図ることができる電源装置及びアーク加工用電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、整流回路及びその出力側の一対の電源線間に接続された平滑コンデンサを有し、入力交流電源を整流・平滑化した直流電圧に変換する直流変換回路と、複数個のスイッチング素子を用いたフルブリッジ回路で構成され、第１組及び第２組のスイッチング素子が交互にオンオフして前記各電源線を介して供給された前記直流電圧を所定の交流電圧に変換するインバータ回路と、前記平滑コンデンサと前記インバータ回路との間の前記各電源線間に接続された補助コンデンサを有するとともに、前記平滑コンデンサと前記補助コンデンサとの間の前記電源線上に前記インバータ回路の第１組及び第２組のスイッチング素子と連動して動作される補助スイッチング素子が配置されてなる補助スイッチング回路とを備え、前記補助コンデンサの充電状態で前記インバータ回路のスイッチング素子のオフに先立って前記補助スイッチング素子をオフさせ、前記補助スイッチング素子のオフによる前記補助コンデンサの放電に伴いその放電後に前記インバータ回路のスイッチング素子をオフさせるソフトスイッチング制御が行われる構成の電源装置であって、前記インバータ回路の出力端子間に設けられ、前記補助コンデンサの放電開始となる前記補助スイッチング素子のオフ以前に共振動作を開始させ、前記補助コンデンサの放電電流に基づく前記インバータ回路のスイッチング素子の出力電流を増大させる共振電流を生じさせる共振回路を備えたことをその要旨とする。

この発明では、インバータ回路の出力端子間（ブリッジアームの中間点間）に共振回路が設けられ、該共振回路は、補助コンデンサの放電開始となる補助スイッチング素子のオフ以前（オフと同時又はオフに先立って）に共振動作を開始させ、補助コンデンサの放電電流に基づくインバータ回路のスイッチング素子の出力電流が増大するような共振電流を生じさせる。これにより、補助コンデンサの放電速度が速くなり、該補助コンデンサの放電時間が短縮化される。従って、補助コンデンサの放電が短時間で速やかに行われ、軽負荷時や無負荷時であっても補助コンデンサの放電を確実に行うことが可能となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電源装置において、前記共振回路は、前記補助スイッチング素子のオフに先立って前記共振動作が開始されることをその要旨とする。

この発明では、共振回路は、補助スイッチング素子のオフに先立って共振動作が開始される。つまり、補助スイッチング素子のオフに先立ってその共振動作にて生じる共振電流を予め増大させておくことができ、これにより補助スイッチング素子のオフにより補助コンデンサの放電が開始された時からその放電が速やかとなる。そのため、補助コンデンサの放電時間がより短縮化される。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の電源装置において、前記共振回路は、前記インバータ回路のスイッチング素子のオフに基づいて、前記共振電流を前記補助コンデンサの充電電流として供給するように構成されていることをその要旨とする。

この発明では、インバータ回路のスイッチング素子のオフ時には既に放電が完了している補助コンデンサに対し、共振回路は、共振動作にて生じる共振電流をその補助コンデンサの充電電流として供給する。これにより、共振回路からの共振電流が補助コンデンサの充電電流としても用いられることから、補助コンデンサの充電速度が速くなり、該補助コンデンサの充電時間が短縮化される。従って、補助コンデンサの充電が短時間で速やかに行われ、軽負荷時や無負荷時であっても補助コンデンサの充電を確実に行うことが可能となる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源装置において、前記共振回路は、還流ダイオードを有し前記補助スイッチング素子と連動して交互に動作される一対の共振用スイッチング素子を共振インダクタの両側にそれぞれ逆向きに接続し、前記各共振用スイッチング素子を前記インバータ回路の各出力端子にそれぞれ接続して構成されていることをその要旨とする。

この発明では、共振回路は、還流ダイオードを有し補助スイッチング素子と連動して交互に動作される一対の共振用スイッチング素子が共振インダクタの両側にそれぞれ逆向きに接続され、各共振用スイッチング素子がインバータ回路の各出力端子にそれぞれ接続されて構成される。つまり、共振回路を２個のスイッチング素子と共振インダクタとで簡素に構成可能である。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電源装置において、前記直流変換回路は、１個の前記平滑コンデンサが前記各電源線間に接続されてなり、前記補助スイッチング回路は、前記インバータ回路の第１組及び第２組のスイッチング素子の両者と連動して動作される１個の前記補助スイッチング素子が一方の前記電源線上に配置されてなることをその要旨とする。

この発明では、直流変換回路は、１個の平滑コンデンサが各電源線間に接続され、補助スイッチング回路は、インバータ回路の第１組及び第２組のスイッチング素子の両者と連動して動作される１個の補助スイッチング素子が一方の電源線上に配置される。つまり、直流変換回路及び補助スイッチング回路が簡素に構成され、電源装置の構成の簡素化に寄与できる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電源装置において、前記直流変換回路は、２個の前記平滑コンデンサが前記各電源線間に直列に接続されてなり、前記各平滑コンデンサは、自身の前記直流電圧を後段の前記インバータ回路にそれぞれ供給可能に接続され、前記補助スイッチング回路は、前記インバータ回路の第１組及び第２組のスイッチング素子の対応する素子とそれぞれ連動して動作される前記補助スイッチング素子が前記各電源線上にそれぞれ配置されてなることをその要旨とする。

この発明では、直流変換回路は、２個の平滑コンデンサが各電源線間に直列に接続され、各平滑コンデンサは、自身の直流電圧を後段のインバータ回路にそれぞれ供給可能に接続される。補助スイッチング回路は、インバータ回路の第１組及び第２組のスイッチング素子の対応する素子とそれぞれ連動して動作される補助スイッチング素子が各電源線上にそれぞれ配置される。これにより、各平滑コンデンサからの直流電圧が後段のインバータ回路にて交互に使用されることから、インバータ回路を低い耐圧で構成しながらも高い電圧の入力交流電源に対応することが可能である。

請求項７に記載の発明は、複数個のスイッチング素子を用いたフルブリッジ回路で構成され、第１組及び第２組のスイッチング素子が交互にオンオフして一対の電源線を介して供給された直流電圧を所定の交流電圧に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路前段の前記各電源線間に接続された補助コンデンサを有するとともに、その補助コンデンサ前段の前記電源線上に前記インバータ回路の第１組及び第２組のスイッチング素子と連動して動作される補助スイッチング素子が配置されてなる補助スイッチング回路とを備え、前記補助コンデンサの充電状態で前記インバータ回路のスイッチング素子のオフに先立って前記補助スイッチング素子をオフさせ、前記補助スイッチング素子のオフによる前記補助コンデンサの放電に伴いその放電後に前記インバータ回路のスイッチング素子をオフさせるソフトスイッチング制御が行われる構成の電源装置であって、前記インバータ回路の出力端子間に設けられ、前記補助コンデンサの放電開始となる前記補助スイッチング素子のオフ以前に共振動作を開始させ、前記補助コンデンサの放電電流に基づく前記インバータ回路のスイッチング素子の出力電流を増大させる共振電流を生じさせる共振回路を備えたことをその要旨とする。

この発明では、直流電源入力型の電源装置であり、該電源装置においても上記請求項１と同様の作用効果を有する。
請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電源装置を用い、加工対象物のアーク加工を行うアーク加工用電圧を生成するように構成されているアーク加工用電源装置である。

この発明では、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電源装置が用いられてアーク加工用電源装置が構成されるため、上記各請求項の作用効果が得られるアーク加工用電源装置を提供できる。

本発明によれば、ソフトスイッチング制御で用いる補助コンデンサの充放電が負荷状態にかかわらず確実となり、スイッチング損失の低減や電圧サージの抑制を図ることができる電源装置及びアーク加工用電源装置を提供することができる。

（第１実施形態）
以下、本発明を具体化した第１実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態のアーク加工用電源装置１１を備えたアーク加工機１０を示す。アーク加工機１０は、その電源装置１１から出力される加工用直流電圧をトーチＴＨに供給し、そのトーチＴＨから加工対象物Ｍに向けてアークを発生させることで、加工対象物Ｍに対してアーク溶接やアーク切断等のアーク加工を行う装置である。

アーク加工用電源装置１１は、２００Ｖの入力交流電源対応であり、その交流電圧を直流電圧に変換する直流変換回路１２と、その直流電圧を所定の高周波交流電圧に変換するインバータ回路１３とを備えてなる。

直流変換回路１２は、ダイオードを用いたブリッジ回路で構成され三相の入力交流電源を全波整流する一次側整流回路ＤＲ１と、該整流回路ＤＲ１の出力側の電源線Ｌ１，Ｌ２間に接続され該整流回路ＤＲ１の出力電圧を平滑化する１個の平滑コンデンサＣ０を有してなる。直流変換回路１２は、この整流回路ＤＲ１及び平滑コンデンサＣ０にて入力交流電源から直流電圧を生成している。

インバータ回路１３は、電源線Ｌ１，Ｌ２に接続され、ＩＧＢＴよりなる４個のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を用いたフルブリッジ回路で構成されている。この場合、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２が電源線Ｌ１，Ｌ２間に直列に接続されて一方のブリッジアームが構成されるとともに、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４が電源線Ｌ１，Ｌ２間に直列に接続されてもう一方のブリッジアームが構成されている。尚、これらのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４には、それぞれ還流ダイオードＤ１〜Ｄ４が逆接続されている。各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４は、ゲートに入力される出力制御回路ＳＣからの制御信号に基づいて、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４とスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３とがそれぞれ組をなして交互にオンオフ駆動され、直流変換回路１２から出力された直流電圧を所定の高周波交流電圧に変換し、該高周波交流電圧を変圧器ＩＮＴの一次側コイルに供給している。

また本実施形態では、インバータ回路１３及び前記直流変換回路１２の間に補助スイッチング回路１４が備えられているとともに、インバータ回路１３の一対のブリッジアームの中間点Ｎ１，Ｎ２間、即ちインバータ回路１３の出力端子間に共振回路１５が備えられている。

補助スイッチング回路１４は、ＩＧＢＴよりなる１個のスイッチング素子Ｓ６と、１個の補助コンデンサＣ１とを備えている。スイッチング素子Ｓ６は平滑コンデンサＣ０の後段の電源線Ｌ２上に配置され、該スイッチング素子Ｓ６には還流ダイオードＤ６が逆接続されている。スイッチング素子Ｓ６は、ゲートに入力される出力制御回路ＳＣからの制御信号に基づいて交互にオンオフ駆動される。スイッチング素子Ｓ６の後段の電源線Ｌ１，Ｌ２間には補助コンデンサＣ１が接続されている。

共振回路１５は、前記インバータ回路１３のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２間の中間点（出力端子）Ｎ１と、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４間の中間点（出力端子）Ｎ２との間に接続されている。共振回路１５は、ＩＧＢＴよりなる２個のスイッチング素子Ｓ７，Ｓ８と、２個のインダクタ（共振インダクタＬｒ及び直列インダクタＬｓ）とを備えている。スイッチング素子Ｓ７は、そのコレクタが中間点Ｎ１に接続されるとともに、エミッタが共振インダクタＬｒを介してスイッチング素子Ｓ８のエミッタに接続され、該スイッチング素子Ｓ８のコレクタは中間点Ｎ２に接続されている。各スイッチング素子Ｓ７，Ｓ８には、それぞれ還流ダイオードＤ７，Ｄ８が逆接続されている。各スイッチング素子Ｓ７，Ｓ８は、ゲートに入力される出力制御回路ＳＣからの制御信号に基づいて交互にオンオフ駆動される。直列インダクタＬｓは、一端が中間点Ｎ１に接続されるとともに、他端が変圧器ＩＮＴの一次側コイルを介して中間点Ｎ２に接続されている。

そして、補助スイッチング回路１４のスイッチング素子Ｓ６及び共振回路１５のスイッチング素子Ｓ７，Ｓ８は、前記インバータ回路１３のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４の動作に付随したオンオフ駆動がなされ、このスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のスイッチング損失を低減、及びスイッチング素子Ｓ６〜Ｓ８自身のスイッチング損失を低減するソフトスイッチング制御が行われる。尚、この制御についての詳細は、インバータ回路１３の制御と合わせて後述する。

インバータ回路１３で生成された高周波交流電圧は、変圧器ＩＮＴの一次側コイルに供給され、該変圧器ＩＮＴの二次側には、二次側整流回路ＤＲ２及び直流リアクトルＤＣＬが備えられる。二次側整流回路ＤＲ２は、変圧器ＩＮＴの二次側コイルの両端にそれぞれアノードが接続される２個のダイオードＤ１１，Ｄ１２を備え、各ダイオードＤ１１，Ｄ１２のカソードが接続される該整流回路ＤＲ２の出力側には、直流リアクトルＤＣＬが接続されている。直流リアクトルＤＣＬは、出力線Ｌ３を介してトーチＴＨと接続される。二次側整流回路ＤＲ２及び直流リアクトルＤＣＬは、インバータ回路１３からの高周波交流電圧をアーク加工用直流電圧に変換してトーチＴＨに出力する。一方、変圧器ＩＮＴの二次側コイルの中間タップに接続された出力線Ｌ４は加工対象物Ｍと接続され、トーチＴＨへのアーク加工用直流電圧の供給に基づきトーチＴＨから加工対象物Ｍに向けてアークが生じるようになっている。

次に、上記したインバータ回路１３のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４と、補助スイッチング回路１４のスイッチング素子Ｓ６、及び共振回路１５のスイッチング素子Ｓ７，Ｓ８とをスイッチング制御する出力制御回路ＳＣのその制御について図２を参照しつつ説明する。尚、図２において、「Ｓ１」〜「Ｓ４」，「Ｓ６」〜「Ｓ８」は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４，Ｓ６〜Ｓ８のオンオフ状態を示しており、電圧「Ｖ」及び電流「Ｉ」の添え字「ｓ１〜ｓ４，ｓ６〜ｓ８，ｃ１」は各素子の符号に対応付けてあり、各素子にかかる電圧及び電流を示している。尚、この電圧「Ｖ」及び電流「Ｉ」の添え字「ｓ１〜ｓ４，ｓ６〜ｓ８」については、還流ダイオードＤ１〜Ｄ４，Ｄ６〜Ｄ８も含んでいる。

出力制御回路ＳＣは、先ずはインバータ回路１３の主たる動作として直流電圧から高周波交流電圧を生成するために、インバータ回路１３のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４の組とスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３の組とを所定周波数で交互にオンオフさせる。ここで、出力制御回路ＳＣは、出力線Ｌ４等から実出力電流値の検出を行っており、その実出力電流値と出力設定値とに基づいてＰＷＭ制御を実施、即ちオンパルス幅Ｗ（デューティ）の変更にてスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のオン時間を調整し、その高周波交流電圧を制御している。

また、この出力制御回路ＳＣは、インバータ回路１３のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のオンオフ動作に付随してスイッチング素子Ｓ６を動作させるとともに、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４と組でスイッチング素子Ｓ７を、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３と組でスイッチング素子Ｓ８をそれぞれ動作させ、インバータ回路１３の主たる動作に付随して補助スイッチング回路１４及び共振回路１５の各スイッチング素子Ｓ６〜Ｓ８を動作させるソフトスイッチング制御も行っている。

詳述すると、出力制御回路ＳＣは、インバータ回路１３のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４のオン側では、補助スイッチング回路１４のスイッチング素子Ｓ６を同時にオンさせる。これに対し、インバータ回路１３のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４のオフ側では、出力制御回路ＳＣは、そのオフよりも所定時間Ｔ１前にスイッチング素子Ｓ６をオフ、更にそのスイッチング素子Ｓ６をオフよりも所定時間Ｔ２前に共振回路１５のスイッチング素子Ｓ７をオンさせる。そして、出力制御回路ＳＣは、もう一方の組のスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３のオンと同時にスイッチング素子Ｓ７をオフさせる。因みに、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４のオンからスイッチング素子Ｓ７のオフまでの間は少なくとも、もう一方の組のスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ８をオフ状態に維持している。もう一方の組のスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ８のオンオフ動作については、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３のオン以降、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４，Ｓ７の上記オンオフ動作と同様に実施される。

このような出力制御回路ＳＣのスイッチング制御により、各タイミングでの回路各所の電流及び電圧変化を見てみると、先ず、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４，Ｓ６がオン状態、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ７，Ｓ８がオフ状態にある時刻ｔ０前においては、平滑コンデンサＣ０（補助コンデンサＣ１）の端子間電圧がインバータ回路１３のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４に供給される。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４からの出力電圧は、直列インダクタＬｓを介して変圧器ＩＮＴの一次側コイルに供給され、これに伴い変圧器ＩＮＴの二次側では、二次側整流回路ＤＲ２のダイオードＤ１１側から直流リアクトルＤＣＬを介してトーチＴＨにアーク加工用直流電圧が出力される。

「時刻ｔ０」になると、スイッチング素子Ｓ７がオンされる。このオンに基づいて共振回路１５が共振動作を開始し、共振インダクタＬｒに共振電流が生じて、中間点Ｎ１からスイッチング素子Ｓ７、共振インダクタＬｒ及び還流ダイオードＤ８の経路でこの共振電流が流れる。これにより、スイッチング素子Ｓ７を流れる電流Ｉｓ７が増加し、これに連動してスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４を流れる電流（出力電流）Ｉｓ１，Ｉｓ４も増加する。尚、共振インダクタＬｒにより生じる共振電流はゼロからの立ち上がりが緩やかであるため、スイッチング素子Ｓ７はゼロ電流でのオンとなり、そのスイッチング損失が低減されている。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４からは、変圧器ＩＮＴの一次側コイル側に平滑コンデンサＣ０の端子間電圧に基づく出力電圧の供給が継続され、変圧器ＩＮＴの二次側ではダイオードＤ１１側からの直流リアクトルＤＣＬへの電流供給が継続される。補助コンデンサＣ１の端子間電圧は、依然、平滑コンデンサＣ０の端子間電圧と同等に維持されている。

「時刻ｔ１」になると、スイッチング素子Ｓ６がオフされる。このオフに基づいて、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４への平滑コンデンサＣ０からの端子間電圧の供給が遮断されるものの、補助コンデンサＣ１の放電が開始され該コンデンサＣ１の端子間電圧の供給に替わる。尚、このスイッチング素子Ｓ６のオフ時には、時刻ｔ１以前に補助コンデンサＣ１の端子間電圧が平滑コンデンサＣ０の端子間電圧まで充電されていることから、スイッチング素子Ｓ６をゼロ電圧（端子間の電位差がゼロ）でオフでき、そのスイッチング損失が低減されている。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４からは、変圧器ＩＮＴの一次側コイル側に今度は補助コンデンサＣ１の端子間電圧に基づく出力電圧の供給が継続され、変圧器ＩＮＴの二次側では同様にダイオードＤ１１側からの直流リアクトルＤＣＬへの電流供給が継続される。

また、このときにおいてもスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４を流れる電流Ｉｓ１，Ｉｓ４が変圧器ＩＮＴの一次側コイル側のみ流れる態様とした場合の電流値と比較して大きく、しかも本実施形態ではスイッチング素子Ｓ７を流れる電流Ｉｓ７が時刻ｔ１直前よりも更に増加する設定となっているため、これに連動してスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４を流れる電流Ｉｓ１，Ｉｓ４も一層増加する。これにより、補助コンデンサＣ１の放電速度が速くなり、該補助コンデンサＣ１の放電時間が短縮化される。従って、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４がオフされるよりも前に補助コンデンサＣ１の放電が短時間で速やかに行われるようになっている。

「時刻ｔ２」において、補助コンデンサＣ１の放電が完了すると、オン状態のスイッチング素子Ｓ１、変圧器ＩＮＴの一次側コイル（直列インダクタＬｓ）、及び還流ダイオードＤ３を使用した経路と、オン状態のスイッチング素子Ｓ４、変圧器ＩＮＴの一次側コイル（直列インダクタＬｓ）、及び還流ダイオードＤ２を使用した経路とに還流電流が流れる。また、共振インダクタＬｒの共振電流に基づいてスイッチング素子Ｓ７側に分岐した経路でも還流電流が流れる。変圧器ＩＮＴの二次側では、時刻ｔ２前までに直流リアクトルＤＣＬに蓄積された電磁エネルギーの放出に基づいて、両方のダイオードＤ１１，Ｄ１２を経路とした還流電流が流れる。

「時刻ｔ３」になると、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４がオフされる。このスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４のオフ時には、補助コンデンサＣ１が既に時刻ｔ２で放電されていることから、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４をゼロ電圧（端子間の電位差がゼロ）でオフでき、そのスイッチング損失が低減されている。また、このオフに基づいて、直列インダクタＬｓに蓄積された電磁エネルギーの放出に基づいて還流ダイオードＤ２，Ｄ３を使用した経路で還流電流が流れ、共振インダクタＬｒに蓄積された電磁エネルギーの放出に基づいてスイッチング素子Ｓ７側に分岐した経路でも引き続き還流電流が流れる。そして、変圧器ＩＮＴの一次側コイル側のみ流れる態様とした場合の電流値と比較して大きくなるこれら双方の還流電流に基づいて、補助コンデンサＣ１の充電が再び開始される。これにより、補助コンデンサＣ１の充電速度が速くなり、該補助コンデンサＣ１の充電時間が短縮化される。従って、次にスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ６がオンされるよりも前に補助コンデンサＣ１の充電が短時間で速やかに行われる。変圧器ＩＮＴの二次側では、ダイオードＤ１１，Ｄ１２の両経路を流れる還流電流が継続して生じている。

「時刻ｔ４」になると、補助コンデンサＣ１の充電が完了する。これにより、直列インダクタＬｓ及び共振インダクタＬｒに蓄積された電磁エネルギーの放出に基づいて生じる還流電流が還流ダイオードＤ６を使用した経路に切り替わり、これにより平滑コンデンサＣ０の充電が開始される。尚、変圧器ＩＮＴの二次側では、依然としてダイオードＤ１１，Ｄ１２の両経路を流れる還流電流が生じている。

「時刻ｔ５」において、直列インダクタＬｓ及び共振インダクタＬｒの電磁エネルギーがやがて消失すると、平滑コンデンサＣ０への充電が完了し、変圧器ＩＮＴの一次側で生じていた還流電流（共振電流）が消失する。

「時刻ｔ６」になると、スイッチング素子Ｓ７がオフされるとともに、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ６がともにオンされる。この場合、変圧器ＩＮＴの一次側での還流電流（共振電流）が消失していることから、スイッチング素子Ｓ７は、ゼロ電流でのオフとなり、そのスイッチング損失が低減されている。また、直列インダクタＬｓによりスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ６にかかる電流のゼロからの立ち上がりが緩やかであるため、該スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ６はゼロ電流でのオンとなり、これらのスイッチング損失が低減されている。また、スイッチング素子Ｓ６においては、補助コンデンサＣ１と平滑コンデンサＣ０との端子間電圧が同電圧となっていることからゼロ電圧でのオンとなり、このことからもスイッチング損失が低減されている。

スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ６のオンに基づいて、平滑コンデンサＣ０の端子間電圧がインバータ回路１３のスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３に供給される。スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３からの出力電圧は、直列インダクタＬｓを介して変圧器ＩＮＴの一次側コイルに供給され、これに伴い変圧器ＩＮＴの二次側では、二次側整流回路ＤＲ２のダイオードＤ１２側から直流リアクトルＤＣＬを介してトーチＴＨにアーク加工用直流電圧が出力される。

「時刻ｔ７」になると、スイッチング素子Ｓ８がオンされ、以降は上記した動作と同様の動作をスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ６，Ｓ８が行い、アーク加工用直流電圧の出力が継続されるようになっている。

次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）本実施形態では、インバータ回路１３の各ブリッジアームの中間点Ｎ１，Ｎ２間（出力端子間）に共振回路１５が設けられている。共振回路１５は、補助コンデンサＣ１の放電開始となる補助スイッチング回路１４のスイッチング素子Ｓ６のオフに時間Ｔ２だけ先立って共振動作を開始し、補助コンデンサＣ１の放電電流に基づくインバータ回路１３のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４の出力電流（電流Ｉｓ１〜Ｉｓ４）が増大するような共振電流を生じさせる。これにより、補助コンデンサＣ１の放電速度が速くなり、該補助コンデンサＣ１の放電時間が短縮化される。従って、補助コンデンサＣ１の放電が短時間で速やかに行われ、軽負荷時や無負荷時であっても補助コンデンサＣ１の放電を確実に行うことができる。その結果、スイッチング損失の低減や電圧サージの抑制を図ることができるアーク加工用電源装置１１を提供することができる。

（２）本実施形態では、共振回路１５のスイッチング素子Ｓ７，Ｓ８は、その時々のオン時においてスイッチング素子Ｓ６のオフに先立ってオンされ、該スイッチング素子Ｓ６のオフに先立って共振インダクタＬｒによる共振動作が開始される。つまり、補助スイッチング回路１４のスイッチング素子Ｓ６のオフに先立ってこの共振回路１５のスイッチング素子Ｓ７，Ｓ８がその時々でオンされることで、立ち上がりの緩やかなインダクタＬｒの共振電流（共振エネルギー）を補助コンデンサＣ１の放電開始前に予め増大させておくことができ、これによりスイッチング素子Ｓ６のオフにより補助コンデンサＣ１の放電が開始された時からその放電が速やかとなる。そのため、本実施形態では、補助コンデンサＣ１の放電時間をより短縮化できる構成となっている。

（３）本実施形態では、インバータ回路１３のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のオフ時には既に放電が完了している補助コンデンサＣ１に対し、共振回路１５は、共振動作にて生じる共振電流をその補助コンデンサＣ１の充電電流として供給する。これにより、共振回路１５からの共振電流が補助コンデンサＣ１の充電電流としても用いられることから、補助コンデンサＣ１の充電速度が速くなり、該補助コンデンサＣ１の充電時間が短縮化される。従って、補助コンデンサＣ１の充電が短時間で速やかに行われ、軽負荷時や無負荷時であっても補助コンデンサＣ１の充電を確実に行うことができる。

（４）本実施形態では、共振回路１５は、還流ダイオードＤ７，Ｄ８を有しスイッチング素子Ｓ６と連動して交互に動作されるスイッチング素子Ｓ７，Ｓ８が共振インダクタＬｒの両側にそれぞれ逆向きに接続され、各スイッチング素子Ｓ７，Ｓ８がインバータ回路１３の各ブリッジアームの中間点Ｎ１，Ｎ２間に接続されて構成されている。また、本実施形態の共振回路１５は、変圧器ＩＮＴの一次側コイルに直列接続される直列インダクタＬｓを有している。つまり、共振回路１５を２個のスイッチング素子Ｓ７，Ｓ８とインダクタＬｒ，Ｌｓとで簡素に構成することができる。

（５）本実施形態では、直流変換回路１２を１個の平滑コンデンサＣ０を用い、補助スイッチング回路１４を１個のスイッチング素子Ｓ６を用いてそれぞれ簡素に構成され、電源装置１１の構成の簡素化に寄与できる。

（第２実施形態）
以下、本発明を具体化した第２実施形態を図面に従って説明する。
図３は、本実施形態のアーク加工用電源装置１１ａを備えたアーク加工機１０を示す。本実施形態のアーク加工用電源装置１１ａは、４００Ｖの入力交流電源対応である。

詳述すると、直流変換回路１２ａでは、一次側整流回路ＤＲ１の出力側の電源線Ｌ１，Ｌ２間に同容量の２個の平滑コンデンサＣａ，Ｃｂが直列に接続されている。
補助スイッチング回路１４ａでは、ＩＧＢＴよりなるスイッチング素子Ｓ５が平滑コンデンサＣａ，Ｃｂの後段の電源線Ｌ１上に配置され、ＩＧＢＴよりなるスイッチング素子Ｓ６が平滑コンデンサＣａ，Ｃｂの後段の電源線Ｌ２上に配置されている。各スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６には、それぞれ還流ダイオードＤ５，Ｄ６が逆接続されている。各スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６は、ゲートに入力される出力制御回路ＳＣからの制御信号に基づいて交互にオンオフ駆動される。スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６と補助コンデンサＣ１との間の電源線Ｌ１，Ｌ２間にはダイオードＤ９，Ｄ１０が直列に接続されており、該ダイオードＤ９，Ｄ１０は電源線Ｌ２から電源線Ｌ１に向けて順方向となるように接続されている。そして、このダイオードＤ９，Ｄ１０間と前記平滑コンデンサＣａ，Ｃｂ間とは互いに接続されている。

次に、上記したインバータ回路１３のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４と、補助スイッチング回路１４ａのスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６、及び共振回路１５のスイッチング素子Ｓ７，Ｓ８とをスイッチング制御する出力制御回路ＳＣのその制御について図４を参照しつつ説明する。尚、図４において、本実施形態においても「Ｓ１」〜「Ｓ８」は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ８のオンオフ状態を示しており、電圧「Ｖ」及び電流「Ｉ」の添え字「ｓ１〜ｓ８，ｃ１」は各素子の符号に対応付けてあり、各素子にかかる電圧及び電流を示している。尚、この電圧「Ｖ」及び電流「Ｉ」の添え字「ｓ１〜ｓ８」については、還流ダイオードＤ１〜Ｄ８も含んでいる。

本実施形態の出力制御回路ＳＣは、インバータ回路１３のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４のオン側では、補助スイッチング回路１４ａのスイッチング素子Ｓ５を同時にオンさせる。これに対し、インバータ回路１３のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４のオフ側では、出力制御回路ＳＣは、そのオフよりも所定時間Ｔ１前にスイッチング素子Ｓ５をオフ、更にそのスイッチング素子Ｓ５をオフよりも所定時間Ｔ２前に共振回路１５のスイッチング素子Ｓ７をオンさせる。そして、出力制御回路ＳＣは、もう一方の組のスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３のオンと同時にスイッチング素子Ｓ７をオフさせる。因みに、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４のオンからスイッチング素子Ｓ７のオフまでの間は少なくとも、もう一方の組のスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ６，Ｓ８をオフ状態に維持している。もう一方の組のスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ６，Ｓ８のオンオフ動作については、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３のオン以降、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ７の上記オンオフ動作と同様に実施される。

つまり、上記のような制御を実施することで、インバータ回路１３のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４の組のオンオフ動作時には、一方の平滑コンデンサＣａとダイオードＤ１０とを使用した経路で一次側整流回路ＤＲ１の出力電圧の半分の直流電圧がそのインバータ回路１３に供給され、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３の組のオンオフ動作時には、一方の平滑コンデンサＣｂとダイオードＤ９とを使用した経路で一次側整流回路ＤＲ１の出力電圧の半分の直流電圧がそのインバータ回路１３に供給されて、４００Ｖの入力交流電源であっても前記第１実施形態と同様に動作するように構成されている。

次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）本実施形態では、直流変換回路１２ａ及び補助スイッチング回路１４ａの構成が前記第１実施形態と若干異なるが、前記第１実施形態の作用効果（１）〜（４）と同様の作用効果を得ることができる。

（２）本実施形態では、直流変換回路１２ａにて２個の平滑コンデンサＣａ，Ｃｂを用いるとともに、補助スイッチング回路１４ａにて２個のスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６とダイオードＤ９，Ｄ１０を用いて上記接続とすることで、補助スイッチング回路１４ａよりも後段のインバータ回路１３及び共振回路１５等を同一回路構成としながら、前記第１実施形態よりも高い４００Ｖの入力交流電源に対応することができる。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記各実施形態では、共振回路１５を２個のスイッチング素子Ｓ７，Ｓ８とインダクタＬｒ，Ｌｓとで構成したが、スイッチング素子やインダクタの数や配置等、適宜変更してもよい。またこれらの素子の他に、コンデンサや抵抗等を付加又は置換して構成してもよい。

・上記各実施形態では、共振回路１５のスイッチング素子Ｓ７，Ｓ８をスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６のオフに先立ってオンさせて共振動作を開始させたが、スイッチング素子Ｓ７，Ｓ８のオンをスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６のオフと同時としてもよい。また、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のオフよりも前なら、スイッチング素子Ｓ７，Ｓ８のオンをスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６のオフよりも若干遅らせることもできる。また、スイッチング素子Ｓ７，Ｓ８のオフは、次にオンするスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のオンと同時でなくとも、共振電流が消失したスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のオンより手前でオフさせてもよい。

・上記各実施形態では、共振回路１５は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のオフに基づいてその共振電流を補助コンデンサＣ１の充電電流として供給するように構成されているが、その共振電流が補助コンデンサＣ１の放電時のみに生じる構成とし、共振電流を充電電流としてまで用いない構成としてもよい。

・上記各実施形態では、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ８にＩＧＢＴを用いたが、ＩＧＢＴ以外のスイッチング素子を用いて構成してもよい。
・上記各実施形態では、アーク加工用電源装置１１に実施したが、アーク加工用以外の目的で用いられる交流−交流変換電源装置に実施してもよい。また、直流変換回路１２，１２ａを省略した直流−交流変換電源装置に実施してもよい。

第１実施形態におけるアーク加工用電源装置（２００Ｖ入力対応）を示す回路図である。 第１実施形態における電源装置各所の波形図である。 第２実施形態におけるアーク加工用電源装置（４００Ｖ入力対応）を示す回路図である。 第２実施形態における電源装置各所の波形図である。

符号の説明

１１，１１ａ…電源装置、１２…直流変換回路、１３…インバータ回路、
１４，１４ａ…補助スイッチング回路、１５…共振回路、Ｃ１…補助コンデンサ、
Ｃ０，Ｃａ，Ｃｂ…平滑コンデンサ、
Ｄ７，Ｄ８…還流ダイオード、ＤＲ１…一次側整流回路（整流回路）、
Ｌ１，Ｌ２…電源線、Ｌｒ…共振インダクタ、Ｍ…加工対象物、
Ｎ１，Ｎ２…中間点（出力端子）、
Ｓ１〜Ｓ４…スイッチング素子、
Ｓ５，Ｓ６…スイッチング素子（補助スイッチング素子）、
Ｓ７，Ｓ８…スイッチング素子（共振用スイッチング素子）。

Claims (8)

1. 整流回路及びその出力側の一対の電源線間に接続された平滑コンデンサを有し、入力交流電源を整流・平滑化した直流電圧に変換する直流変換回路と、
   複数個のスイッチング素子を用いたフルブリッジ回路で構成され、第１組及び第２組のスイッチング素子が交互にオンオフして前記各電源線を介して供給された前記直流電圧を所定の交流電圧に変換するインバータ回路と、
   前記平滑コンデンサと前記インバータ回路との間の前記各電源線間に接続された補助コンデンサを有するとともに、前記平滑コンデンサと前記補助コンデンサとの間の前記電源線上に前記インバータ回路の第１組及び第２組のスイッチング素子と連動して動作される補助スイッチング素子が配置されてなる補助スイッチング回路とを備え、
   前記補助コンデンサの充電状態で前記インバータ回路のスイッチング素子のオフに先立って前記補助スイッチング素子をオフさせ、前記補助スイッチング素子のオフによる前記補助コンデンサの放電に伴いその放電後に前記インバータ回路のスイッチング素子をオフさせるソフトスイッチング制御が行われる構成の電源装置であって、
   前記インバータ回路の出力端子間に設けられ、前記補助コンデンサの放電開始となる前記補助スイッチング素子のオフ以前に共振動作を開始させ、前記補助コンデンサの放電電流に基づく前記インバータ回路のスイッチング素子の出力電流を増大させる共振電流を生じさせる共振回路を備えたことを特徴とする電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置において、
   前記共振回路は、前記補助スイッチング素子のオフに先立って前記共振動作が開始されることを特徴とする電源装置。
3. 請求項１又は２に記載の電源装置において、
   前記共振回路は、前記インバータ回路のスイッチング素子のオフに基づいて、前記共振電流を前記補助コンデンサの充電電流として供給するように構成されていることを特徴とする電源装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源装置において、
   前記共振回路は、還流ダイオードを有し前記補助スイッチング素子と連動して交互に動作される一対の共振用スイッチング素子を共振インダクタの両側にそれぞれ逆向きに接続し、前記各共振用スイッチング素子を前記インバータ回路の各出力端子にそれぞれ接続して構成されていることを特徴とする電源装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電源装置において、
   前記直流変換回路は、１個の前記平滑コンデンサが前記各電源線間に接続されてなり、
   前記補助スイッチング回路は、前記インバータ回路の第１組及び第２組のスイッチング素子の両者と連動して動作される１個の前記補助スイッチング素子が一方の前記電源線上に配置されてなることを特徴とする電源装置。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電源装置において、
   前記直流変換回路は、２個の前記平滑コンデンサが前記各電源線間に直列に接続されてなり、前記各平滑コンデンサは、自身の前記直流電圧を後段の前記インバータ回路にそれぞれ供給可能に接続され、
   前記補助スイッチング回路は、前記インバータ回路の第１組及び第２組のスイッチング素子の対応する素子とそれぞれ連動して動作される前記補助スイッチング素子が前記各電源線上にそれぞれ配置されてなることを特徴とする電源装置。
7. 複数個のスイッチング素子を用いたフルブリッジ回路で構成され、第１組及び第２組のスイッチング素子が交互にオンオフして一対の電源線を介して供給された直流電圧を所定の交流電圧に変換するインバータ回路と、
   前記インバータ回路前段の前記各電源線間に接続された補助コンデンサを有するとともに、その補助コンデンサ前段の前記電源線上に前記インバータ回路の第１組及び第２組のスイッチング素子と連動して動作される補助スイッチング素子が配置されてなる補助スイッチング回路とを備え、
   前記補助コンデンサの充電状態で前記インバータ回路のスイッチング素子のオフに先立って前記補助スイッチング素子をオフさせ、前記補助スイッチング素子のオフによる前記補助コンデンサの放電に伴いその放電後に前記インバータ回路のスイッチング素子をオフさせるソフトスイッチング制御が行われる構成の電源装置であって、
   前記インバータ回路の出力端子間に設けられ、前記補助コンデンサの放電開始となる前記補助スイッチング素子のオフ以前に共振動作を開始させ、前記補助コンデンサの放電電流に基づく前記インバータ回路のスイッチング素子の出力電流を増大させる共振電流を生じさせる共振回路を備えたことを特徴とする電源装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の電源装置を用い、加工対象物のアーク加工を行うアーク加工用電圧を生成するように構成されていることを特徴とするアーク加工用電源装置。

Images