CN110048695B - 电源装置及激光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够提高进行间歇动作的负载的动作频率的电源装置。电源装置(200)具备电容器组(202)及充电电源(210)。在电容器组(202)连接有进行间歇动作的负载即高频电源(104)。充电电源(210)包含开关转换器(212)，并且对电容器组(202)进行充电。充电电源(210)以负载即高频电源(104)的动作开始作为触发而进行使开关转换器(212)的低侧晶体管(M₁)导通一次的主充电。

Description

电源装置及激光装置

本申请主张基于2018年1月17日申请的日本专利申请第2018-005849号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

技术领域

本发明涉及一种电源装置及激光装置。

背景技术

作为工业用加工工具，广泛普及有激光加工装置。图1是激光加工装置1r的框图。激光加工装置1r具备CO₂激光器等激光光源2及向激光光源2供给交流电以使其激励的激光驱动装置4r。激光驱动装置4r具备直流电源6及高频电源8。直流电源6为恒压电源，通过使用PID(比例积分微分：Proportional-Integral-Differential)控制或PI(比例积分)控制等进行的反馈控制，其输出(即，直流电压V_DC)稳定在目标值。高频电源8接受直流电压V_DC，并将其转换为交变电压后供给给负载(即，激光光源2)。

在钻孔用的激光加工装置1r中，激光光源2并不连续运转。即，比较短的几微妙～十微秒左右的发光期间和与其相同程度或比其短或比其长的停止期间交替重复。为了稳定激光光源2的输出能量，直流电压V_DC必须落在规定的允许范围(标准电压范围)内。

专利文献1：日本特开2002-254186号公报

专利文献2：日本特开平8-168891号公报

图2是图1的激光加工装置1r的动作波形图。为了便于理解，适当扩大或缩小表示本说明书中参考的波形图或时序图的纵轴及横轴，并且为了便于理解，还简化、夸张或强调表示各波形。

对应于激光光源2的点亮及熄灭，高频电源8重复动作期间与停止期间。在高频电源8从停止期间转移到动作期间时，在直流电源6产生反馈响应延迟，可能会导致直流电压V_DC下降而脱离允许范围。在高频电源8从动作期间转移到停止期间时，反馈延迟可能会导致直流电压V_DC上升而脱离允许范围。

发明内容

本发明是鉴于这种状况而完成的，其一种实施方式的例示性目的之一在于提供一种能够提高进行间歇动作的负载的动作频率的电源装置。

本发明的一种实施方式涉及一种电源装置。电源装置具备：电容器组，其上连接有进行间歇动作的负载；及充电电源，其包含开关转换器，并且所述充电电源对电容器组进行充电。充电电源以负载的动作开始作为触发而进行使开关转换器的低侧晶体管导通一次的主充电。

根据该方式，无需等待高频电源的动作结束，能够与高频电源的动作并行地对电容器组进行充电，因此能够提高负载的重复频率。

低侧晶体管的导通时间可以按照高频电源的每个动作循环得到更新。由此，能够抑制电容器组的电压的漂移。

低侧晶体管的导通时间可以为固定导通时间与校正导通时间之和。关于某一动作循环中的校正导通时间，可以根据其之前的动作循环中的电容器组的电压与目标电压的误差来进行调节。

在进行主充电的结果电容器组的电压脱离了标准电压范围时，充电电源可以进行子充放电。通过在主充电中进行粗略充电并且在子充放电中进行伴随导通时间的反馈控制的精密充电，由此能够使脱离标准电压范围的电容器组的电压恢复到标准电压范围内。

关于主充电中的低侧晶体管的导通时间，可以通过PI(比例/积分)控制或PID(比例/积分/微分)控制来进行调节。在产生了子充放电的动作循环的下一个动作循环中，可以使用之前的动作循环中的子充放电的导通时间作为主充电中的低侧晶体管的校正导通时间。由此，能够使主充电中的充电量最佳化。

本发明的另一种实施方式涉及一种激光装置。激光装置具备：激光光源；高频电源，其向激光光源间歇性地供给交变电压；及上述电源装置，其将高频电源作为负载。

另外，将以上构成要件的任意组合或本发明的构成要件或表述在方法、装置、系统等之间相互置换的方式也作为本发明的实施方式而有效。

根据本发明的一种实施方式，能够提高负载的动作频率。

附图说明

图1是激光加工装置的框图。

图2是图1的激光加工装置的动作波形图。

图3是具备实施方式所涉及的电源装置的激光装置的框图。

图4是实施方式所涉及的激光装置的动作波形图。

图5是比较技术所涉及的电源装置的动作波形图。

图6是与可变导通时间控制相对应的转换器控制器的框图。

图7(a)是表示固定了导通时间时的直流电压V_DC的波形的一例的图，图7(b)是表示进行了可变导通时间控制时的直流电压V_DC的波形的一例的图。

图8是与子充放电相对应的转换器控制器的框图。

图9(a)及图9(b)是用于说明子充放电的时序图。

图10是用于说明将子充放电的导通时间反映到主充电的情况的图。

图11(a)是未进行图10的控制时的动作波形图，图11(b)是进行了图10的控制时的动作波形图。

图12是表示具备激光装置的激光加工装置的图。

图中：100-激光装置,102-激光光源,104-高频电源，106-上位控制器，200-电源装置，202-电容器组，210-充电电源，212-开关转换器，220-转换器控制器，226-PID控制器，240-子充放电控制器，L₁-电抗器，M₁-低侧晶体管，M₂-高侧电晶体，300-激光加工装置，310-光学系统，320-控制装置，330-工作台。

具体实施方式

以下，参考附图对本发明的优选实施方式进行说明。在各附图中，对相同或同等的构成要件、构件及处理标注相同的符号，并适当省略重复说明。并且，实施方式并不限定发明而只是示例，并且实施方式中记载的所有特征或其组合并非一定是发明的本质性内容。

图3是具备实施方式所涉及的电源装置200的激光装置100的框图。激光装置100具备激光光源102、高频电源104、上位控制器106及电源装置200。激光光源102例如为CO₂激光器。上位控制器106生成指示激光光源102激励(发光)或停止的激励信号S_EXC。

高频电源104的输入侧与电源装置200连接，并且其输出侧与激光光源102连接。来自电源装置200的直流电压V_DC供给到高频电源104。高频电源104根据激励信号S_EXC向激光光源102间歇性地供给交流的驱动电压V_DRV。即，高频电源104在激励信号S_EXC指示激励的期间(例如，高电平)成为激活状态，向激光光源102供给交流的驱动电压V_DRV。高频电源104在激励信号S_EXC指示停止的期间(例如，低电平)成为非激活状态，停止向激光光源102供电。将高频电源104进行开关动作的期间称为动作期间，将停止开关动作的期间称为停止期间。高频电源104的结构并不受特别限定，使用公知技术即可。

电源装置200具备电容器组202及充电电源210。在电容器组202连接有进行间歇动作的负载(即，高频电源104)。电容器组202可以看作用其单体向高频电源104供给电力的蓄电设备等直流电源。

充电电源210包含开关转换器212及转换器控制器220。充电电源210对电容器组202进行充电，以使在电容器组202中产生的直流电压V_DC在标准电压范围V_TGT内。电容器组202的电容C设计为足够大，以使在高频电源104放电的过程中直流电压V_DC也不会下降到低于允许范围。

充电电源210以负载(即，高频电源104)的动作开始作为触发而进行主充电。例如，可以将激励信号S_EXC或者基于该激励信号S_EXC的信号输入于转换器控制器220，并以激励信号S_EXC转变为高电平的情况(即，高频电源104的动作开始)作为触发而开始进行主充电。

开关转换器212具有升压转换器的拓扑(topology)。具体而言，开关转换器212包括：电抗器L₁、低侧晶体管M₁、高侧晶体管M₂。晶体管M₁及晶体管M₂可以由场效应晶体管(FET：Field Effect Transistor)、绝缘栅双极晶体管(IGBT：Insulated Gate BipolarTransistor)或双极晶体管构成。也可以代替高侧晶体管M₂而使用二极体。转换器控制器220控制低侧晶体管M₁及高侧晶体管M₂。

在主充电中，转换器控制器220使开关转换器212的低侧晶体管M₁导通一次。

以上为实施方式所涉及的激光装置100的基本结构。接着，对激光装置100的基本动作进行说明。

图4是实施方式所涉及的激光装置100的动作波形图。高频电源104根据激励信号S_EXC以数kHz左右的重复频率且以5％左右的占空比进行间歇动作。图4中示出了1个循环(照射一次(one shot)激光)的动作。

在时刻t₀，激励信号S_EXC成为高电平(激活)，成为激励期间T_EXC(t₀～t₁)。在激励期间T_EXC，高频电源104进行开关动作。在激励期间T_EXC，电容器组202的电荷被放电，直流电压V_DC降低下降量ΔV。但是，由于电容器组202的电容C足够大，因此下降后的直流电压V_DC也不会低于标准电压范围V_TGT的下限。

转换器控制器220以激励信号S_EXC转变为高电平作为触发而使低侧晶体管M₁导通，并且在经过了导通时间T_ON后的时刻t₂，使低侧晶体管M₁断开。

在低侧晶体管M₁的导通期间，流过电抗器L₁的电流(电抗器电流)I_L会增大。由于此时的电抗器电流I_L流过低侧晶体管M₁，因此流向电容器组202的充电电流I_CHG为零。

转换器控制器220在时刻t₂使低侧晶体管M₁断开。若低侧晶体管M₁被断开，则电抗器电流I_L会随着时间的经过而减小。此时的电抗器电流I_L作为充电电流I_CHG而经由高侧晶体管M₂的体二极管(或者外置的二极体)供给到电容器组202。其结果，电容器组202的直流电压V_DC上升，恢复到原来电平。

下面，对导通时间T_ON进行说明。为了便于说明，将下降量ΔV看作其取决于激光光源102的输出且实质上恒定。在激光光源102的激励期间，从电容器组202供给到高频电源104的电荷量Q成为Q＝C×ΔV。因此，只需以使充电电流I_CHG的时间积分值与电荷量Q一致的方式规定导通时间T_ON即可。

转换器控制器220在使低侧晶体管M₁断开之后，如图4的单点划线所示，也可以使高侧晶体管M₂导通(同步整流模式)。在该情况下，充电电流I_CHG流过高侧晶体管M₂的沟道(channel)。以上为激光装置100的动作。

下面，通过与比较技术进行对比来明确电源装置200的优点。图5是比较技术所涉及的电源装置的动作波形图。在比较技术中，在激励信号S_EXC成为低电平而使高频电源104停止之后，使低侧晶体管M₁导通。因此，1个循环的周期(重复周期)T_CYC表示为不等式(1)。

T_CYC≥T_EXC+T_ON+T_OFF……(1)

另一方面，根据实施方式所涉及的电源装置200，无需等待高频电源104的动作结束，能够与高频电源104的动作并行地对电容器组202进行充电。具体而言，1个循环的周期T_CYC表示为不等式(2)。

T_CYC≥T_ON+T_OFF……(2)

比较不等式(1)与不等式(2)可知，采用实施方式所涉及的电源装置200，能够缩短负载(即，高频电源104)的1个循环的周期，进而能够提高负载的重复频率。

本发明可以理解为图3的框图或电路图或者从上述说明推导出的各种装置及电路，其并不限定于特定结构。以下，对更加具体的结构例或实施例进行说明，但是，这些结构例或实施例并不用于缩小本发明的范围，而是用于理解及明确发明的本质或电路的动作。

(可变导通时间控制)

若激光光源102的输出能量偏离设计值，则电容器组202的电压的下降量ΔV会偏离设计值。此时，若以预先规定的导通时间T_ON进行主充电，则基于充电的直流电压V_DC的恢复量与基于放电的下降量ΔV会失去平衡，从而会导致直流电压V_DC漂移。

或者，若转换器控制器220的输入电压发生变动，则基于充电的直流电压V_DC的恢复量会偏离设计值，因此其与基于放电的下降量ΔV之间会失去平衡，从而会导致直流电压V_DC漂移。

为了抑制直流电压V_DC的漂移，优选将低侧晶体管M₁的导通时间T_ON设为可变，并且按照负载(高频电源104)的每个动作循环进行更新。图6是与可变导通时间控制相对应的转换器控制器220A的框图。转换器控制器220A的主要部分可以由软件程序和执行该软件程序的处理器的组合构成，也可以由硬件构成。转换器控制器220A的控制对象221包括脉冲宽度调制器230或未图示的驱动器、开关转换器212及电容器组202。

在转换器控制器220A中，低侧晶体管M₁的导通时间T_ON为固定导通时间T_{ON_FIX}与校正导通时间ΔT_ON之和。

T_ON＝T_{ON_FIX}+ΔT_ON

关于固定导通时间T_{ON_FIX}，可以根据每一次照射的直流电压V_DC的下降量ΔV的设计值来进行规定。校正导通时间ΔT_ON可以取零、正或负。

关于某一动作循环中的校正导通时间ΔT_ON，根据其之前的动作循环中的电容器组202的充电结束时的直流电压V_DC与目标电压V_REF的误差来进行调节。即，检测出直流电压V_DC与目标电压V_REF的误差，并以使这些误差电压V_ERR接近零的方式调节下一个动作循环的校正导通时间ΔT_ON。

在某一动作循环i(i＝1，2……)中，充电后的电压V_DC被A/D转换器222转换为数字值V_DC[i]。减法器224从目标电压值V_REF减去直流电压值V_DC[i]生成误差值V_ERR[i]。PID(比例/积分/微分)控制器226根据误差值V_ERR[i]生成下一个动作循环的校正导通时间ΔT_ON[i+1]。通过加法器228，将固定导通时间T_{O N_FIX}和校正导通时间ΔT_ON[i+1]加在一起，从而确定导通时间T_ON[i+1]。脉冲宽度调制器230生成在导通时间T_ON[i+1]的期间成为高电平的脉冲信号，从而驱动开关转换器212。另外，也可以采用PI控制器来代替PID控制器226。

以上是对可变导通时间控制的说明。图7(a)是表示固定了导通时间时的直流电压V_DC的波形的一例的图，图7(b)是表示进行了可变导通时间控制时的直流电压V_DC的波形的一例的图。

如图7(a)所示，若固定导通时间T_ON，则因负载的变动或输入电压的变动等引起电容器组202的充电电荷量与放电电荷量失去不平衡，会导致直流电压V_DC在每一个循环中漂移，最终会脱离标准电压范围V_TGT。

相对于此，如图7(b)所示，若导入可变导通时间控制，则能够抑制直流电压V_DC的漂移，以使其保持在标准电压范围V_TGT内。除此以外，由于利用PID控制来校正导通时间从而在每一个循环中使充电后的直流电压V_DC接近目标电压V_REF，因此能够抑制激光光源102的输出能量的变动。

(子充放电)

在一次主充电之后，有可能会产生电容器组202的直流电压V_DC脱离标准电压范围V_TGT的情况。这是因为，即使导入了可变导通时间控制，也会出现电容器组202的直流电压V_DC的下降量ΔV急剧变动或输入电压V_IN急剧变动的状况。在直流电压V_DC脱离标准电压范围V_TGT的期间，上位控制器106会禁止激光的发射，因此会导致生产率的下降。

因此，充电电源210在进行一次主充电的结果电容器组202的电压V_DC脱离了标准电压范围V_TGT时进行子充放电。在子充放电中，以高于主充电时的精度调节向电容器组202供给或者从该电容器组202提取的电流量。也可以将子充放电称作精密充放电。

图8是与子充放电相对应的转换器控制器220B的框图。转换器控制器220B除了包括图6的转换器控制器220A以外，还包括子充放电控制器240。在主充电中，PID控制器226变得有效。

在结束主充电之后，若直流电压V_DC脱离标准电压范围V_TGT，则子充放电控制器240变得有效。子充放电控制器240可以采用P控制、PI控制及PID控制中的任一种。子充放电控制器240反馈控制导通时间T_{ON_FINE}从而控制开关转换器212，以使直流电压V_DC接近基准电压V_REF(即，误差电压V_ERR接近零)。另外，正的导通时间T_{ON_FINE}可以与追加充电建立对应关系，负的导通时间T_{ON_FINE}可以与追加放电建立对应关系。当T_{ON_FINE}为负时，开关转换器212以高侧晶体管M₂先行导通的降压模式进行动作。

图9(a)及图9(b)是用于说明子充放电的时序图。在时刻t₀，激励信号S_EXC成为高电平，从而实施主充电，电容器组202的电压V_DC上升。如图9(a)所示，若进行主充电的结果电压V_DC变得低于标准电压范围V_TGT，则进行子充电。具体而言，转换器控制器220B反馈控制导通时间T_{ON_FINE}以使误差电压V_ERR接近零，并且使开关转换器212的低侧晶体管M₁进行至少一次开关动作。

如图9(b)所示，若进行主充电的结果电压V_DC变得高于标准电压范围V_TGT，则进行子放电。具体而言，转换器控制器220B反馈控制导通时间T_{ON_FINE}以使误差电压V_ERR接近零，并且使开关转换器212的高侧晶体管M₂进行至少一次开关动作。

通过导入子充放电而反馈控制开关转换器212，能够使脱离标准电压范围的电压V_DC恢复到标准电压范围V_TGT内。

(从子充放电向主充电的切换)

另外，在产生了子充放电的动作循环的下一个动作循环中，可以使用前一个动作循环中的子充放电的导通时间T_{ON_FINE}作为主充电中的低侧晶体管M₁的校正导通时间ΔT[i+1]。这可以通过用T_{ON_FINE}替换PID控制器226的积分项的值来实现。图10是用于说明将子充放电的导通时间T_{ON_FINE}反映到主充电的情况的图。

图11(a)是未进行图10的控制时的动作波形图，图11(b)是进行了图10的控制时的动作波形图。在未进行图10的控制时，如图11(a)所示，在每一个循环中均产生子放电。即，重复周期变长与子放电的时间相当的量。相对于此，在进行了图10的控制时，如图11(b)所示，能够防止在多个循环中连续产生子放电，因此能够提高激光的重复频率。

(用途)

接着，对激光装置100的用途进行说明。图12是表示具备激光装置100的激光加工装置300的图。激光加工装置300向对象物302照射激光脉冲304，从而对对象物302进行加工。对象物302的种类并不受特别限定，并且，作为加工种类，例如可以有钻孔(drill)、切割等，但也并不限于此。

激光加工装置300具备激光装置100、光学系统310、控制装置320及工作台330。对象物302载置于工作台330上，并且根据需要固定于工作台330。工作台330根据来自控制装置320的位置控制信号S₂对对象物302进行定位，使对象物302相对于激光脉冲304的照射位置进行扫描。工作台330可以为1轴、2轴(XY)或者3轴(XYZ)工作台。

激光装置100根据来自控制装置320的触发信号(激励信号)S₁进行激励从而产生激光脉冲306。光学系统310将激光脉冲306照射向对象物302。光学系统310的结构并不受特别限定，可以包括用于将光束引导向对象物302的反射镜组、用于对光束进行整形的透镜及光圈等。

控制装置320集中控制激光加工装置300。具体而言，控制装置320向激光装置100间歇性地输出触发信号S₁。并且，控制装置320按照描述加工处理的数据(工序)生成用于控制工作台330的位置控制信号S₂。

以上，根据若干实施方式对本发明进行了说明。本领域技术人员应当理解：这些实施方式为示例，这些各个构成要件或各个处理步骤的组合可以存在各种变形例，并且这种变形例也属于本发明的范围。以下，对这种变形例进行说明。

在实施方式中，使用共同的转换器来进行了主充电和子充放电，但是并不限于此，也可以准备主充电用开关转换器及子充放电用开关转换器的两个系统。

实施方式所涉及的电源装置200的用途并不限定于电源装置200，可以用于向进行间歇动作的负载供给直流电压的用途。

以上，根据实施方式并使用具体词句来对本发明进行了说明，但实施方式仅示出了本发明的原理及应用的一个侧面，在不脱离技术方案中所规定的本发明的思想的范围内，实施方式允许存在多个变形例或配置的改变。

Claims (6)

1.一种电源装置，其特征在于，具备：

电容器组，其上连接有进行间歇动作的负载；及

充电电源，其包含开关转换器，并且所述充电电源对所述电容器组进行充电，

所述充电电源具有升压转换器的拓扑，至少包括一端接受输入电压的电抗器，连接于所述电抗器的另一端与接地之间的低侧晶体管，以及连接于所述电抗器的所述另一端与所述电容器组之间的高侧晶体管，

所述充电电源以所述负载的动作开始作为触发而进行使所述开关转换器的所述低侧晶体管导通一次的充电，将所述负载进行开关动作的期间称为所述负载的动作期间，在与所述负载的动作期间重叠的导通时间的期间，维持所述低侧晶体管的导通状态，在接下来的断开期间，流过所述电抗器的电流经所述高侧晶体管供给至所述电容器组以对所述电容器组进行充电。

2.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，

将所述充电电源对所述电容器组进行的一次充电称为一个循环时，

所述充电电源检测出某个循环中的所述电容器组的充电结束时的直流电压与目标电压的误差，并以使这些误差接近零的方式调节下一个循环的所述以所述负载的动作开始作为触发而进行使所述开关转换器的所述低侧晶体管导通一次的充电中的所述低侧晶体管的导通时间。

3.根据权利要求2所述的电源装置，其特征在于，

所述低侧晶体管的所述导通时间为固定导通时间与校正导通时间之和，并且，所述校正导通时间被调节为所述误差接近于零。

4.根据权利要求3所述的电源装置，其特征在于，

所述充电电源以所述负载的动作开始作为触发而进行使所述开关转换器的所述低侧晶体管导通一次的充电为主充电，

在结束所述主充电后，所述电容器组的电压脱离了标准电压范围时，所述充电电源进行子充放电，

在所述子充放电中，反馈控制导通时间以使所述电容器组的电压与目标电压的误差电压接近于零，同时对所述低侧晶体管进行至少一次开关。

5.根据权利要求4所述的电源装置，其特征在于，

关于所述主充电中的所述低侧晶体管的所述校正导通时间，通过将所述误差电压作为输入的PI控制即比例/积分控制或PID控制即比例/积分/微分控制来进行调节，

在产生了所述子充放电的循环的下一个循环中，使用之前的循环中的所述子充放电的所述导通时间作为所述主充电中的所述低侧晶体管的所述校正导通时间。

6.一种激光装置，其特征在于，具备：

激光光源；

高频电源，其向所述激光光源间歇性地供给交变电压；及

权利要求1至5中任一项所述的电源装置，其将所述高频电源作为进行所述间歇动作的所述负载而连接于所述电容器组。