JPH0744827B2

JPH0744827B2 - 電源装置

Info

Publication number: JPH0744827B2
Application number: JP61262708A
Authority: JP
Inventors: 光博芝田; 輝夫中川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-11-06
Filing date: 1986-11-06
Publication date: 1995-05-15
Anticipated expiration: 2010-05-15
Also published as: JPS63117661A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、電源装置に係り、特にガスレーザ等の放電負
荷用の電源装置に関する。

（従来の技術）従来の技術としてCO₂レーザに適用された電源装置につ
いて、図面を用いて説明する。

第６図において、可変直流電圧源1aからの直流電圧V
_Dは、開閉器2aを介してインバータ回路3aで交流電圧V_A
に変換される。インバータ回路3aで変換された交流電圧
V_Aは変圧器4aで昇圧され、さらに、整流器5aにて整流さ
れて直流高電圧V_HAとなる。この直流高電圧V_HAは安定抵
抗６を介して放電管７に印加される。直流高電圧V_HAが
印加された放電管７では、グロー放電が発生し、レーザ
発振器（図示せず）でこのグロー放電を基にレーザ光を
発振する。

ここで、可変直流電圧源1a、開閉器2a、インバータ回路
3a、変圧器4a、整流器5aから構成される回路を第１の直
流電圧源回路とする。また、第２の直流電圧源回路は、
第１の直流電圧源回路と同様に、可変直流電圧源1b、開
閉器2b、インバータ回路3b、変圧器4b、整流器5bから構
成される。尚、作用については第１の直流電圧源回路と
同様であるので、説明は省略する。

以上のように、第１の直流電圧源回路の開閉器2aと第２
の直流電圧源回路の開閉器2bとを、それぞれオン・オフ
動作させることにより、波高値が二種類の任意のパルス
波形状の電圧を出力する。

次に、CO₂レーザにおける放電管の典型的な電流電圧特
性を第７図を用いて説明する。尚、第７図において、i_K
は放電電流、v_AKは放電管電圧、v_AKSは放電開始電圧、v
_AKOは放電消滅電圧である。

放電管電圧v_AKが放電管７の長さで決まる放電開始電圧v
_AKSに達すると、放電が発生する。そして、一旦放電す
ると、放電消滅電圧v_AKOにほぼ等しい電圧となり、放電
電流i_Kの増加に伴い、放電管電圧v_AKは次第に低下す
る。さらに、放電電流i_Kを増加すると、グロー放電の領
域を越えて、アーク放電へ移行する。

このような電流電圧特性を有する放電管に、直流電圧源
により電流を供給する場合、電源側から見た負荷特性を
正抵抗特性にする必要が生じる。なぜなら、電源が内部
インピーダンスの小さい直流電圧源であるために、放電
開始直後、瞬時にして大電流に達し、グロー放電からア
ーク放電へと移行してしまうためである。これを防止す
るために、安定抵抗を設ける必要がある。また、安定な
レーザ発振を得るためには、各放電管において均一で安
定なグロー放電を行なわせること、つまり均一な電流を
供給することが必要であり、そのために安定抵抗は第６
図に示すように、各放電管ごとに設けている。

（発明が解決しようとする課題）このように構成された従来の電源装置においては、次の
ような問題点がある。

（ｉ）放電電流を安定抵抗で制限しているので、安定抵
抗による電力損失が生じ、必要とされている放電入力電
力に対し電源装置の容量が大きくなる。

（ii）各放電管の電流電圧特性の差異、及び各安定抵抗
値の誤差が全て放電電流のアンバランスとなって生じ
る。さらに、電流電圧特性上、電圧変化の割合に対する
電流変化の割合が大きいため、わずかな特性の差異で、
非常に大きな電流アンバランスとなる。

この電流アンバランスによって、次のような問題点が生
じる。

（ii−イ）最も大きな電流アンバランスが生じている放
電管によって、総放電電流が制限されてしまい、電源装
置のもつ能力を最大限に発揮できない。

（ii−ロ）放電管によって、グロー放電の状態が異な
り、放電電流の大きな放電管ではガス温度の上昇等によ
って、レーザ発振効率が低下するので、全体のレーザ光
出力が低下してしまう。

（iii）アーク放電領域に達すると、放電管電圧は急激
に低下する特性を有しているので、共通電圧源で各放電
管に放電電流を供給する方式では、アーク放電へ移行し
た放電管は、正帰還的にその度合を増長してしまう。

そこで、本発明は上記問題点を解決するために、直流電
流源回路により、安定抵抗なしで放電負荷に対し、任意
に放電電流を均等に供給できる電源装置を提供すること
を目的とする。

（課題を解決するための手段と作用）上記目的を達成するために、本発明は、所定の直流電流
をそれぞれ出力する少なくとも２個の直流電流源と、一
端が前記直流電流源の出力端に接続され他端が共通接続
され各直流電流源から出力される直流電流を合流させ第
２の直流電流を出力する少なくとも２個のダイオード
と、前記第２の直流電流を交流電流に変換するインバー
タと、前記交流電流を複数の第２の交流電流に変成する
直列接続された複数の変流器と、前記複数の第２の交流
電流をそれぞれ第３の直流電流に変換する複数の整流器
と、前記直流電流源のいずれかに、該直流電流源の出力
端子間を開閉するスイッチ素子を備え、前記スイッチ素
子を開閉することにより該直流電流源から出力される直
流電流をバイパス制御して前記複数の第３の直流電流を
可変制御し、それぞれ負性抵抗特性を有する複数の放電
負荷に均等に電流を供給する。

（実施例）本発明の一実施例を図面を用いて説明する。

第１図に示すように、本発明の一実施例である電源装置
は、可変直流電流源10aと、この電流源10aからの直流電
流I_D1をオン・オフする開閉器11aと、ダイオード12aと
から構成される第１の直流電流源回路と、可変直流電流
源10bと、この電流源10bからの直流電流I_D2をオン・オ
フする開閉器11bと、ダイオード12bとから構成される第
２の直流電流源回路とを有し、さらに、第１の直流電流
源回路からの直流電流I_D1と第２の直流電流源回路から
の直流電流I_D2とを合算し、直流電流I_DTとし、この直流
電流I_DTを交流電流I_ATに変換するインバータ回路13と、
この回路13からの交流電流I_ATを所望の電流値に変成す
る変流器14と、この変流器14で変成された交流電流I_ATH
を整流する整流器15と、この整流器15で整流されて直流
高電圧電流となった放電電流I_Kを入力し、それによりグ
ロー放電を発生する放電管16とから構成される。また、
放電電流I_Kの流れる回路を放電回路17と呼ぶ。

整流器15は、１次側で放電回路17の並列数分が直列接続
され、該変流器14に対して同一の交流電流I_ATが流れる
ことから、並列接続された放電回路17には、各々等しい
放電電流I_Kが流れる。

以上のように構成された電源装置においては、可変直流
電流源10a,10bはそれぞれ直流電流I_D1，I_D2を出力し、
ダイオード12a,12bを介して両直流電流を合算して、直
流電流I_DTとなり、インバータ回路13にて交流電流I_ATに
変換され、さらに変流器14にて所望の電流値に変流、整
流器15にて整流されて直流高電圧電流源となり、放電管
15に放電電流I_Kが供給される。また本実施例では変流器
14と、整流器15と、放電管16とが１対１対に対応してい
るが、放電管数と変流器数と整流器数は同じ数でなくて
もよい。

以上説明した回路動作について、各部の動作波形の例を
第２図に示す。なお、同図に付した符号は第１図に対応
している。

開閉器11a,11bを、それぞれ適当にオン・オフさせるこ
とにより、零電流および波高値が２種類（直流電流源回
路が３回路以上であれば、回路数の組合わせ数の種類）
の任意の段階状電流を出力することができる。

交流電流I_ATの波形および放電電流I_Kの波形にスリット
があるのは、インバータ回路13のスイッチング動作にお
ける安全上の時間、いわゆるデッドタイムである。

次に、第２の実施例を第３図により説明する。

第３図に示すように、本発明の他の実施例である電源装
置は三相交流電圧源20と、この三相交流電圧源20からの
交流電流I_ATHを直流電流I_DTに変換するサイリスタコン
バータ21a,21bと、サイリスタコンバータ21a,21bからの
直流電流I_DTを平滑化する直流リアクトル22a,22bと、三
相交流電圧源20とサイリスタコンバータ21bとの間に設
けられる絶縁変圧器23と、直流リアクトル22aにて形成
される直流電流を短絡するトランジスタ24と、直流リア
クトル22a,22bにて形成される直流電流はダイオード25
a,25bを介して合算され、この合算された直流電流を交
流電流I_BTHに変換するインバータ回路26と、この回路26
からの交流電流I_BTHを所望の電流値に変成する変流器27
と、この変流器27で変成された交流電流を整流する整流
器28と、この整流器28で整流されて直流高電圧電流とな
つた放電電流を入力し、グロー放電を発生する放電管29
から構成されている。また、インバータ回路26は、トラ
ンジスタ30,31,32,33を基に構成されている。

このように構成された電源装置は、次のように作用す
る。

三相交流電源20は、一方をサイリスタコンバータ21a
に、他方を絶縁変圧器23を介してサイリスタコンバータ
21bに供給され、それぞれサイリスタの点弧位相を制御
して、サイリスタコンバータ21a,21bの直流出力電圧を
制御している。

直流リアクトル22a,22bは、非常に大きなインダクタン
スを有しており、サイリスタコンバータ21a,21bからの
直流電流を平滑化すると共に、負荷側から見た電源のイ
ンピーダンスを大きく、すなわち直流電圧源を直流電流
源に変換する作用を有している。

直流リアクトル22a,22bによって形成された直流電流
は、それぞれダイオード25a,25bを介して合算され、イ
ンバータ回路26にて一括して交流電流に変換されて、直
列接続された交流器27へ同一の電流として供給される。
交流器27は、所望の電流値にインバータ回路26からの交
流電流を変流し、整流器28は、その変流された交流電流
を整流し、各放電管29へ電流源による大きさの等しい直
流電流を供給する。電流源による放電電流であるため、
放電管の電流電圧特性が負性抵抗特性であっても、電源
側のインピーダンスが非常に大きいことから、放電電流
は暴走することなく安定に制御される。

トランジスタ24は直流リアクトル22aにて形成された直
流電流を適当に短絡することにより、２つのレベルの電
流値を有する任意の階段状出力電流を得るものである。

インバータ回路26に設けられるトランジスタ30,31,32,3
3は、トランジスタ30とトランジスタ31が対になって同
一タイミングでスイッチングし、また、トランジスタ32
とトランジスタ33が対になって、同一タイミングでスイ
ッチングする。

まず、第１のモードでは、トランジスタ30,31がオン
し、負荷側へ電流を出力する。

次に、第２のモードでは、トランジスタ32,33がオン
し、インバータ回路16内のトランジスタ30,31,32,33が
全てオンとなり、負荷側へ電流が出力されない。

第３のモードでは、トランジスタ30,31がオフし、それ
により負荷側へは第１のモードの電流の流れとは逆方向
の電流が流れる。

第４のモードでは、トランジスタ30,31が再びオンし、
第２のモードと同様に、インバータ回路26内のトランジ
スタ30,31,32,33全てがオンとなり、負荷側へ電流は出
力されない。

以上４つのモードを順次繰返すことにより、直流電流源
電流が交流電流源電流に変換される。なお、本実施例で
は変流器27と整流器28と放電管29とが１対１対に対応し
ているが、変流器数と整流器数と放電管数とは同じ数で
なくてもよい。

以上のような構成・作用を有する本実施例では、以下の
効果を奏する。

（１）電源の内部インピーダンスが非常に大きい電流源
方式であるため、負性抵抗特性を有する放電負荷に対し
ても、電力損失を伴う安定抵抗を設けることなく安定に
電流を供給でき、電源装置の容量は放電管入力電力とし
て要求される必要最小限で良い。

（２）各変流器の１次側に共通の電流を流すことによ
り、負荷特性に係わらず、いずれの放電管に対しても同
一の電流を供給でき、均一なグロー放電を達成できるの
で、電源装置の能力を最も有効に生かせ、特にレーザの
発振効率を低下させることがない。

（３）アーキング限界の低下などにより、万一アーク放
電領域近傍にさしかかり、急激に放電管電圧が低下した
としても、電流源方式であるため、放電電流にほとんど
変化をきたさず、放電管電圧の低下に伴って変流器の１
次側電圧が低下するだけで、アーキングの増長などの不
具合が生じない。

本実施例においては、以上の効果が奏するが、次に、本
実施例による個別電流源方式と、従来技術による安定抵
抗を有する共通電圧源方式とを比較し、第４図を用い
て、本実施例の効果を補足説明する。

第４図は、２つの放電管の電流電圧特性を示したもの
で、各放電管の特性は異なっている。このような特性の
差異は、放電管内のガス条件すなわちガスの圧力、混合
比、流速、温度などの不均一により十分生じ得るもので
ある。また、同図において、第１の放電管の特性をA₁、
第２の放電管の特性をA₂とし、第１の放電管の特性A₁に
安定抵抗による電圧降下V_IRを加算した特性をB₁、第２
の放電管の特性A₂に安定抵抗による電圧降下V_IRを加算
した特性をB₂とする。第１および第２の放電管の放電消
滅電圧をV_AKO-1，V_AKO-2、共通電圧源電源の場合の出力
電圧をV_OUT、共通電圧源電源の場合の第１および第２の
放電管に流れる放電電流をI_K1，I_K2、個別直流源電源の
場合の各放電管に流れる放電電流I_K、個別電流源電源の
場合の第１および第２の放電管の電圧をV_AK1，V_AK2とす
る。

同図より明らかなように、電圧変化の割合に対する電流
変化の割合が大きいことから、共通電圧源電源の場合に
は、電流アンバランスが非常に大きく現われる。これに
対して、個別電流源電源の場合には、電流アンバランス
は生じない。

また、共通電圧源電源による場合には、安定抵抗による
電力損失が非常に大きく、一般には電源装置の容量の20
〜30％程度を占めるが、短時間にパルス的に定格の数倍
の電流を供給してより高いピークレーザ光を得られる放
電方式のレーザ装置では、安定抵抗の不要な個別電流源
電源が有用である。

次に、第５図を用いて、本発明の他の実施例を説明す
る。

第５図に示すように、第３の実施例としての電源装置
は、三相交流電圧源40と、この三相交流電圧源40からの
交流電流I_ATH2を整流する整流器41a,41bと、整流器41a,
41bからの出力電流を平滑化する平滑コンデンサ42a,42b
と、降圧チョッパ回路43a,43bと、三相交流電圧源40と
整流器41bとの間に設けられる絶縁変圧器44と、降圧チ
ョッパ回路43a,43bからの出力電流を平滑化する直流リ
アクトル45,46と、ダイオード47,48と、電流源電流短絡
用のトランジスタ49と、降圧チョッパ回路43a,43bから
の直流リアクトル45,46、ダイオード47,48を介して送ら
れる出力電流を交流電流に変換するインバータ回路50
と、この回路50からの交流電流を所望の電流値に変成す
る変流器51と、この変流器51で変成された交流電流を整
流する整流器52と、この整流器52で整流されて直流高電
圧電流となった放電電流を入力し、グロー放電を発生す
る放電管53から構成されている。

降圧チョッパ43a,43bは、トランジスタ54,55と還流ダイ
オード56,57を基に構成されている。インバータ回路49
は先の実施例と同様に構成されているので説明は省略す
る。

以上のように構成される電源装置は、整流器41a、平滑
コンデンサ42a、降圧チョッパ回路43aから成る回路と、
整流器41b、平滑コンデンサ42b、降圧チョッパ回路43b
から成る回路との２つの回路は、各々三相交流電圧源40
を直流電圧源に変換する。

次に、直流リアクトル45,46、ダイオード47,48、インバ
ータ回路49、変流器50、整流器51および放電管52は、第
１の実施例と同様に作用する。

また、本実施例では、直流リアクトル45,46と、ダイオ
ード47,48と、インバータ回路49と、変流器50と、整流
器51と、放電管52は、一つのブロックとして、直流電圧
源の母線に複数回路並列に接続され、各ブロックの直流
電流は負荷状況および直流リアクトル45,46の特性誤差
の範囲内でほぼ均一に配分される。なお、本実施例では
変流器51と整流器52と放電管53とが、１対１対に対応し
ているが、変流器数と整流器数と放電管数とは同じ数で
なくてもよい。

以上述べた本実施例によれば、次のように効果を奏す
る。

（１）ユニット化で容易で、容量拡大においてもユニッ
トのビルドアップ方式にて容易に拡張できる。

（２）ユニット化により、装置容量の大小に係わらずイ
ンバータ回路部のハードを同一とすることができ、信頼
性が向上する。

（３）レーザ装置のパルス運転における繰返し周波数の
高周波化および変流器の小形化などの点からインバータ
回路部の高周波化が有効であるが、比較的容量の大きな
高周波スイッチング回路においては、そのサージエネル
ギーの処理や並列素子のバランス動作などのハード技術
が重要であり、このことからも装置容量の種類分のハー
ドを持つ方式よりもユニット化に対応した本実施例の方
が非常に有用である。

以上、本発明の実施例として２つの実施例を述べたが、
両実施例の中で示した直流電圧源回路、直流電流源回
路、トランジスタなどの半導体素子は一例に過ぎず、必
ずしも両実施例だけに限定されるものではない。例え
ば、直流電圧源回路に自己消弧形素子を用いたコンバー
タを使用した場合や直流電流源回路に直流リアクトルの
代わりにトランジスタのベース電流制御によるシリーズ
レギュレータを使用した場合でも同様な効果が得られ
る。また、スイッチング動作を行なうトランジスタは自
己消弧形素子であればいかなる素子を使用しても同様な
効果が得られる。

（発明の効果）本発明によれば、安定抵抗を用いることなく放電負荷へ
均等に電流を供給することができるので、電力損失が少
なくなり効率が良くなって、電源容量を大幅に低減する
ことが可能となり、アーク放電への移行を防止して安定
したレーザ発振を行わせることのできる電源装置を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概要構成図、第２図は
第１図の実施例の制御動作のタイムチャート、第３図は
本発明の他の実施例を示す概要構成図、第４図は放電管
の電流電圧特性図、第５図は本発明の他の実施例を示す
概要構成図、第６図は従来の電源装置を示す概要構成
図、第７図はCO₂レーザにおける放電管の典型的な電流
電圧特性図である。 11a,11b…開閉器 12a,12b,25a,25b,47,48…ダイオード 13,26,50…インバータ回路 14,27,51…変流器 15,28,52…整流器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の直流電流をそれぞれ出力する少なく
とも２個の直流電流源と、一端が前記直流電流源の出力
端に接続され他端が共通接続され各直流電流源から出力
される直流電流を合流させ第２の直流電流を出力する少
なくとも２個のダイオードと、前記第２の直流電流を交
流電流に変換するインバータと、前記交流電流を複数の
第２の交流電流に変成する直列接続された複数の変流器
と、前記複数の第２の交流電流をそれぞれ第３の直流電
流に変換する複数の整流器と、前記直流電流源のいずれ
かに、該直流電流源の出力端子間を開閉するスイッチ素
子を備え、前記スイッチ素子を開閉することにより該直
流電流源から出力される直流電流をバイパス制御して前
記複数の第３の直流電流を可変制御し、それぞれ負性抵
抗特性を有する複数の負荷に供給することを特徴とする
電源装置。