JP2000045004A - 大電流での直流を交流に切り換える電流制御方法およびその制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大電流をパルス出力する焼結電源において、
直流出力を矩形波交流に変換する切り換え用半導体素子
に自己消弧機能を持たないサイリスタを採用し、導通指
令を切った後、一方の素子が切断状態になるまで待ち、
その後、他方の素子を導通状態にする大電流での直流を
交流に切り換える電流の制御方法を提供する。 【解決手段】 出力電流検出解除から予め設定された一
定時間後に保持状態の解放を行うための素子間電流監視
部と入力選択部にて、一方のサイリスタ素子が導通状態
の時には他方のサイリスタ素子は、けっして導通状態に
はならないように監視する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属の焼結に適し
たもので、高周波の交流大電流出力により効率よく金属
の焼結を可能にした電流の制御方法およびその装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】焼結とは一般に金属の粉末を所望の型に
いれ、１平方センチ当たり数トン乃至10数トンの圧力で
固めたものを、その材質の融点以下の真空炉あるいは中
性炉、還元炉等で数時間焼いて成形することである。焼
結加工法は従来のように鋳造し、それを切削や研削する
加工行程を必要とせずに、高精度で複雑な機械部品が多
量に生産できることから、材料の無駄が少なく、自動生
産が可能である等の経済的長所もあるため、機械部品の
製作には既に広く利用されている。

【０００３】金属粉末に電気を流して固める方法は、古
くは1912年にドイツで試みられている。1927年には、S.
L.Hoightがアメリカで、翌年には、わが国で「硬質金属
合成物製造方法」として特許を取得し、周知のものとな
った。従来より、金属の焼結を行うには、金属粉末粒子
群を加熱し該粒子群の表面が溶融状態に達したところ
で、加熱行程より、冷却行程に移行する方法が一般的で
ある。

【０００４】前記、加熱の方法としては、電気炉を用い
る方法や他の方法として金属粉末粒子群に大電流（本発
明で大電流とは500Ａ乃至100,000Ａの電流をいう）を通
電して該粒子群の表面を溶融状態する方法がよく知られ
ている。なかでも、前記大電流は直流出力もしくは直流
パルス出力を用いて被溶融金属粉末粒子群を加熱溶融す
る方法がとられている。

【０００５】ところで市場の要求は、今日、市場に出回
っている大電流供給電源にはない、高効率で安価な電源
を希望されるに至った。そこで前記要求を満たすべく、
プラズマ焼結には大別すると熱プラズマ焼結と放電プラ
ズマ焼結（SPS:Spark Plasuma Sintering）がある。例
えば、SPS法は、粉末粒子間隙に直接パルス状の電気エ
ネルギーを投入することで、火花放電により瞬時に発生
する高温プラズマを利用して、放電衝撃圧力とともにス
パッタ作用で粉末表面の吸着ガスの除去や酸化被膜を破
壊し、容易に焼結を促進させるといわれている。

【０００６】いずれにしても、SPS法は従来のホットプ
レスや抵抗焼結などの通常の通電焼結法と上記の点で異
なることから、従来法と比べ低温・短時間で焼結体が得
られることを特徴としており、粒成長の制御や難焼結性
の粉末粒子の焼結に適している。この例にみるように高
出力、高速の直流パルス、または高周波の矩形波交流
（本発明で、いわゆる「高周波の矩形波交流」とは30ヘ
ルツ乃至500ヘルツの範囲をいう）出力なる機能をもつ
大電流供給電源が望まれることとなった。

【０００７】直流出力を高周波の交流出力に変換する場
合は、交流切り換え用素子が必要になる。そこで大電流
出力で切り換えを行う場合に自己消弧機能を持つ、例え
ば、トランジスタ、IGBT、GTOなどを採用すると素子自
体の価格が比較的高価なため安価な電源という希望はか
なえられなくなる。そこで、一般的には安価なサイリス
タの採用を検討してみる必要にせまられる。ところが、
前述のサイリスタには、自己消弧機能がないために、大
電流になると直流出力を遮断しても回路中のリアクタン
スや接続線路にある浮遊リアクタンスの影響により、す
ぐには無通電の状態にはならない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】自己消弧機能を持たな
い素子の場合、素子間に流れる電流が大きくなればその
線路に応じたリアクタンス分の影響を受けるため、波形
が鈍り一定以下の水準まで出力電流が下がるのに要する
時間が大きくなる。このことは素子のON/OFF周波数が低
くなることを意味する。本発明では、直流パルス・交流
切り換え時に素早く素子間電流を一定以下の水準まで下
げ、より高い周波数で素子のON/OFFが可能な回路構成と
している。

【０００９】本発明は、このような従来の問題点を解決
して、高効率で安価な大電流供給電源を提供する目的で
完成された。現在市場に出回っている大電流供給電源に
はない、高効率で安価な電源、つまり、高出力、高速の
直流パルス、または高周波の矩形波交流出力なる機能を
もつ大電流供給電源をいかに安価に供給出来るかにかか
っている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そこで、上記課題を解決
するための手段として、大電流で、高周波の矩形波交流
出力を採用することとした。本発明の交流切り換え方式
では、交流変換部のサイリスタをプラス側素子とマイナ
ス側素子を交互にON/OFFさせることで実現する。かかる
目的を達成するためには、その交流切り換え部に自己消
弧機能をもったパワートランジスタ等高価な素子と異な
り自己消弧機能をもたない安価なサイリスタを採用する
ことにより、さらには安全に、より確実に、素早く直流
を交流に切り換えることによって問題を解決することが
出来る。

【００１１】交流周波数出力指令部は、フィリップ・フ
ロップ回路で構成され、プラス側とマイナス側を交互に
切り換える。保護回路部は、出力電流検出時は導通指令
と遮断指令をそれぞれ保持する保持部と、出力電流検出
解除から予め設定された一定時間後に保持状態の解放を
行うための素子間電流監視部にて一方のサイリスタ素子
が導通状態の時には他方のサイリスタ素子は、けっして
導通状態にはならないように監視して、同時に導通状態
になることに起因する素子の破壊を回避している。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいてさらに詳細に説明する。図１は本発明に係る
大電流での直流を交流に切り換える電流制御装置の全体
を示す電気回路図であり、図２は本発明の図１に示すチ
ェックポイント（Ａ）乃至（Ｈ）の波形をあらわすタイ
ムチャートである。

【００１３】図１において、１は交流周波数出力指令
部、２は直流出力部、３は直流出力を交流出力に変換す
る交流変換部、４は出力電流検出部、５は電流検出解除
後からカウントするタイマよりなる素子間電流監視部、
６は前記交流周波数出力指令部よりの指令と前記素子間
電流監視部よりの入力を選択する入力選択部、７は前記
入力選択部の出力を保持する保持部である。さらに、１
０は５乃至７および３つのNAND回路よりなる、交流変換
部３のサイリスタのプラス側とマイナス側を同時に点弧
させないための保護回路部、１１は交流出力端子部、そ
して１２は出力側負荷である。

【００１４】第一の発明である、大電流での直流を交流
に切り換える電流制御方法は、前述の各部よりなる電流
制御装置によって制御される電流制御方法であって、詳
しくは、図１中に図示された各チェックポイント（Ａ）
乃至（Ｈ）の波形の相関関係は、図２に示した（Ａ）〜
（Ｈ）のタイムチャートの通りである（図１の前記チェ
ックポイントに相当する波形は、図２でも（Ａ）〜
（Ｈ）の同じ符号を用いてあらわした）。

【００１５】 チェックポイント （Ａ）は、交流周波数出力指令部の指令信号プラス側 （L:ON） (Ｂ）は、交流周波数出力指令部の指令信号マイナス側（L:ON） （Ｃ）は、高周波の矩形波交流出力波形 （Ｄ）は、出力電流検出信号 （出力側にて数Ａ以上の時:H） （Ｅ）は、交直切り換え指令遅延信号 （直流出力部の直流出力を交流出力に 変換する交流変換部の交直切り換え用サイリスタが、同時に導通状態になるのを 防ぐために、出力側にて電流検出が働かなくなってからと、素子間電流監視部５ が働く遅延時間との合計時間分働く L:プラス側，H:マイナス側） この信号が働く間は入力選択部６では、（Ａ）の交流周
波数出力部の出力指令信号プラス側のＯＮ信号は無効と
なる。但しOFF信号は常に有効である。 （Ｆ）は、交流ドライブ信号のプラス側 （L:ON） （Ｇ）は、交流ドライブ信号のマイナス側 （L:ON） （Ｈ）は、直流出力部２のON/OFF信号 （H:ON）である。

【００１６】図２に示す、thは、直流出力OFF後電流検
出期間であり、tcは、タイマ有効期間、tsは、直流出力
OFF期間である。本発明の電流制御方法は、大電流をパ
ルス出力する焼結電源において、交流周波数出力指令部
の指令と監視部よりの入力を選択する入力選択部と、入
力選択部の出力を保持する保持部とよりなる保護回路部
を具えてなる焼結電源で、直流電源部の直流出力を高周
波の矩形波交流出力に変換する切り換え用半導体素子
と、一方の導通指令を切った後、前記半導体素子を保護
するための出力電流検出回路と検出解除後からカウント
するタイマとで素子間電流を監視し、一方の素子が切断
状態になるまで待ち、その後、他方の素子を導通状態に
する大電流での直流を交流に切り換えることを特徴とす
る電流制御方法である。

【００１７】サイリスタを用いて直流出力を高周波の交
流出力に変換する手順としては、 （１）直流出力およびサイリスタのドライブを遮断す
る。 （２）出力側で出力電流が流れなくなるまで待つ。 （３）（１）と逆極側のサイリスタのドライブを駆動す
る。 （４）直流出力を通電状態に復活する。 の（１）〜（４）であるが、（２）にならない状態で
（３）を行うと、回路素子は破壊されてしまうので、通
常は（２）は長めの時間をとるのが一般的である。ま
た、出力側の状態によっては、つまりリアクタンス分の
大きな場合は、回路素子を破壊する恐れがある。よって
問題として ａ）必要以上に直流出力の遮断時間を長くする傾向があ
るので、どうしても交流出力部の周波数が低くなるきら
いがある。 ｂ）出力側のリアクタンスの大きさによっては、回路素
子を破壊する恐れがある。

【００１８】そこで、本発明の制御方法に用いる回路
は、出力電流検出部４と素子間電流を監視する監視部５
により２つの待ち時間を用意している、この回路により
出力電流検出時は、入力選択部６の出力を保持する保持
部７の出力を固定し、監視部５のタイマをカウントさせ
ない。また出力電流検出解除後は、監視部５のタイムア
ップまで駆動信号を通過させない。このため、交流周波
数指令部１のOFF-TIMEが短くされている場合や、出力側
のリアクタンスが大きい場合の切り換え時でも出力電流
が流れている場合は、直流出力部２は出力しないよう
に、また交流変換部３のサイリスタのドライブ信号はOF
Fを保つように制御している。このことにより、交流変
換部３のサイリスタのプラス側とマイナス側を両方とも
同時に導通状態にさせることがない。このことが本制御
方法の大きな特徴である。

【００１９】本発明の制御方法の構成と機能の特徴点を
再度整理してみると、その一番の特徴である交流変換部
３のサイリスタのプラス側とマイナス側を同時に点弧さ
せないための保護回路として ａ）出力電流を監視する出力電流検出部４と ｂ）前記電流を検出している間、駆動信号を固定する保
持部７と ｃ）前記電流検出後、一定時間駆動信号を保持するタイ
マよりなる素子間電流監視部５と ｄ）ロック時では、ドライブOFF信号のみを通過させ、
解除時では、すべてを通過させる入力選択部６と ｅ）交流出力時に直流出力部２のON/OFFを同期させるこ
と、つまりON/OFF出力信号（チェックポイント（Ｈ）の
信号）とで構成されている。

【００２０】また、第二の発明である、大電流での直流
を交流に切り換える電流制御装置は、大電流をパルス出
力する焼結電源において、交流周波数出力指令部と、直
流出力部と、前記直流出力部の直流出力を交流出力に変
換する交流変換部と、前記交流変換部で直流を交流に変
換するための交直切り換え用半導体素子を保護する目的
で出力電流検出部と、電流検出解除後からカウントする
タイマ部で素子間電流を監視する監視部と、交流周波数
出力指令部の指令と監視部よりの入力を選択する入力選
択部と、入力選択部の出力を保持する保持部とよりなる
保護回路部を具えてなる前記、第一の発明で詳述した通
りの電流制御方法による制御装置で、直流電源部の直流
出力を高周波の矩形波交流出力に変換する切り換え用半
導体素子と、一方の導通指令を切った後、前記半導体素
子を保護するための出力電流検出回路と検出解除後から
カウントするタイマとで素子間電流を監視し、一方の素
子が切断状態になるまで待ち、その後、他方の素子を導
通状態にすることを特徴とする大電流での直流を交流に
切り換える電流制御装置である。

【００２１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、大電流
をパルス出力する焼結電源において、直流電源部の直流
出力を交流出力に変換するに際して、交流切り換え用素
子として、大電流対応の素子自体の価格が比較的高価な
自己消弧機能を持つ、例えば、パワートランジスタ等を
採用することなく、自己消弧機能はないが、一般的に安
価で大電流対応の容易な素子としてサイリスタを採用し
た。このことにより、装置全体のコストを大幅に下げる
ことが出来た。

【００２２】また、本発明独自の保護回路部の機能によ
りサイリスタ素子は、けっして一方の極のサイリスタが
導通状態のときは他方の極のサイリスタは同時に導通状
態になることはない。このことにより、同時に通電状態
になることに起因する素子の破壊を回避するという卓越
した効果を発揮している。

【００２３】また、同様の理由により、直流出力を交流
出力に変換するに際して、高速スイッチングが可能とな
り、本発明のもう一つの目的である、高周波の矩形波交
流を発生させるという卓越した効果も同時に発揮してい
る。この三つの効果により、本発明の目的である高効率
で安価な大電流供給電源の提供を可能とした。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る大電流での直流を交流に切り換
える電流制御装置の全体を示す電気回路図である。

【図２】 本発明に係るチェックポイントの波形の相関
関係を示したタイムチャートである。

【符号の説明】

１．交流周波数出力指令部 ２．直流出力部 ３．直流出力を交流出力に変換する交流変換部 ４．出力電流検出部 ５．電流検出解除後からカウントするタイマよりなる素
子間電流監視部 ６．入力選択部 ７．入力選択部の出力を保持する保持部 １０．サイリスタのプラス側とマイナス側を同時に点弧
させないための保護回路部 １１．交流出力端子部 １２．出力側負荷

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｍ 7/521 Ｂ２２Ｆ 3/14 １０１Ａ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 大電流をパルス出力する焼結電源におい
   て、交流周波数出力指令部と、直流出力部と、前記直流
   出力部の直流出力を交流出力に変換する交流変換部と、
   前記交流変換部で直流を交流に変換するための交直切り
   換え用半導体素子を保護する目的で出力電流検出部と、
   電流検出解除後からカウントするタイマ部で素子間電流
   を監視する監視部と、交流周波数出力指令部の指令と監
   視部よりの入力を選択する入力選択部と、入力選択部の
   出力を保持する保持部とよりなる保護回路部を具えてな
   る焼結電源で、直流電源部の直流出力を高周波の矩形波
   交流出力に変換する切り換え用半導体素子と、一方の導
   通指令を切った後、前記半導体素子を保護するための出
   力電流検出回路と検出解除後からカウントするタイマと
   で素子間電流を監視し、一方の素子が切断状態になるま
   で待ち、その後、他方の素子を導通状態にすることを特
   徴とする大電流での直流を交流に切り換える電流制御方
   法。
2. 【請求項２】 大電流をパルス出力する焼結電源におい
   て、交流周波数出力指令部と、直流出力部と、前記直流
   出力部の直流出力を交流出力に変換する交流変換部と、
   前記交流変換部で直流を交流に変換するための交直切り
   換え用半導体素子を保護する目的で出力電流検出部と、
   電流検出解除後からカウントするタイマ部で素子間電流
   を監視する監視部と、交流周波数出力指令部の指令と監
   視部よりの入力を選択する入力選択部と、入力選択部の
   出力を保持する保持部とよりなる保護回路部を具えてな
   る焼結電源で、直流電源部の直流出力を高周波の矩形波
   交流出力に変換する切り換え用半導体素子と、一方の導
   通指令を切った後、前記半導体素子を保護するための出
   力電流検出回路と検出解除後からカウントするタイマと
   で素子間電流を監視し、一方の素子が切断状態になるま
   で待ち、その後、他方の素子を導通状態にすることを特
   徴とする大電流での直流を交流に切り換える電流制御装
   置。