JP2008263755A - Switching power supply - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、レーザ加工装置の電源装置等に用いられるスイッチング電源装置に関するものである。 The present invention relates to a switching power supply device used for a power supply device of a laser processing apparatus.
従来、例えばレーザ加工を行う際に使用される高周波放電励起によるCO2レーザ発振器に用いられるスイッチング電源装置の構成は、電力をコントロールするためのチョッパ回路と、電圧を高周波に変換するための高周波インバータ回路および放電負荷に電力を効率よく注入し、かつ昇圧するためのマッチング回路あるいは昇圧トランス等から構成されている。(例えば,特許文献1参照) 2. Description of the Related Art Conventionally, for example, a configuration of a switching power supply device used in a CO2 laser oscillator by high frequency discharge excitation used when performing laser processing includes a chopper circuit for controlling electric power and a high frequency inverter circuit for converting voltage to high frequency. And a matching circuit or a step-up transformer for efficiently injecting power into the discharge load and boosting the voltage. (For example, see Patent Document 1)
このような構成のスイッチング電源装置のチョッパ回路と高周波インバータ回路には、例えばバイポーラトランジスタ、MOSFETあるいはIGBTなどの高周波でスイッチングできる半導体素子が用いられ、場合によってはそれらの半導体素子を多数並列に使用する場合がある。このような半導体素子を複数使用して安定な回路動作を実現し、かつ小型で安価な回路を構成するためには、構造上の工夫が必要である。 For the chopper circuit and the high-frequency inverter circuit of the switching power supply device having such a configuration, semiconductor elements that can be switched at a high frequency such as bipolar transistors, MOSFETs, or IGBTs are used, and in some cases, a large number of these semiconductor elements are used in parallel. There is a case. In order to realize a stable circuit operation by using a plurality of such semiconductor elements and to construct a small and inexpensive circuit, structural ingenuity is required.
従来のスイッチング電源装置は、例えば4組の半導体スイッチング素子をブリッジ接続し、半導体スイッチング素子の各々に対して接続される直流側配線導体と、交流側配線導体間に絶縁物を介在させ、かつ半導体スイッチング素子接続部を除いて相互に近接配線している。このような構成とすることで、配線の浮遊インダクタンスを極力抑えてサージ電圧の発生を抑制し、スナバ回路のない小型・高効率の電源を実現している。(例えば,特許文献2参照) A conventional switching power supply device includes, for example, a bridge connection of four sets of semiconductor switching elements, a DC side wiring conductor connected to each of the semiconductor switching elements, an insulator interposed between the AC side wiring conductors, and a semiconductor Wiring is close to each other except for the switching element connecting portion. With this configuration, the stray inductance of the wiring is suppressed as much as possible to suppress the generation of a surge voltage, and a small and highly efficient power source without a snubber circuit is realized. (For example, see Patent Document 2)
また別の従来のスイッチング電源装置では、例えば多層プリント基板上にMOSFETとデカップリングコンデンサを配置している。これにより主回路の物理的空間を小さくでき、電流ループの面積を小さくできるので、浮遊インダクタンスが減少し、浮遊インダクタンスによる過大電圧、異常発振等の発生がなくなり、高速スイッチングを可能にしている。また主回路の各ブランチを少数のパワーMOSFETの並列接続対で構成した、同期して動作する同一構成のインバータを用意し、これらのインバータの各出力トランス2次側を直列接続して、それを出力端としている。(例えば,特許文献3参照) In another conventional switching power supply device, for example, a MOSFET and a decoupling capacitor are arranged on a multilayer printed board. As a result, the physical space of the main circuit can be reduced, and the area of the current loop can be reduced, so that the stray inductance is reduced, the occurrence of excessive voltage and abnormal oscillation due to the stray inductance is eliminated, and high-speed switching is enabled. In addition, each inverter in the main circuit is composed of a small number of power MOSFETs connected in parallel and is operated in synchronism, and the output transformer secondary sides of these inverters are connected in series. Output end. (For example, see Patent Document 3)
前記特許文献1に開示されたレーザ電源装置においては、電力を調整するために、インバータの前段にチョッパ回路を必要とする場合がある。この構成の電源で、単純に大容量電源を構成しようとした場合には、各スイッチング素子の並列数を多く必要とする。スイッチング素子の並列数が増大するのに伴い、スイッチング素子の配置上の問題に起因するスイッチングばらつきの問題が発生する。 In the laser power supply device disclosed in Patent Document 1, a chopper circuit may be required before the inverter in order to adjust power. When a large-capacity power supply is simply configured with the power supply of this configuration, a large number of parallel switching elements are required. As the number of parallel switching elements increases, there arises a problem of switching variation due to a problem in arrangement of the switching elements.
また前記特許文献2に開示されたインバータ装置の構成では、1つのスイッチング電源を構成するために上下に2枚の両面プリント基板を使用しており、回路の小型化には不利である。
Further, in the configuration of the inverter device disclosed in
また前記特許文献3に開示されたインバータ装置は、多層プリント配線板を用いて主回路の配線を構成したものである。この構成では、1つの高周波インバータ回路を構成するための4つのスイッチング素子が近傍に設置される構成となっているため、浮遊インダクタンスによる過大電圧、異常発振等の発生が無くなり、高速スイッチングは安定になるが、電源装置を大容量化する場合の装置小型化には不利である。 Further, the inverter device disclosed in Patent Document 3 is configured such that the wiring of the main circuit is configured using a multilayer printed wiring board. In this configuration, four switching elements for configuring one high-frequency inverter circuit are installed in the vicinity, so there is no occurrence of excessive voltage or abnormal oscillation due to stray inductance, and high-speed switching is stable. However, it is disadvantageous for downsizing the apparatus when the capacity of the power supply apparatus is increased.
また主回路の各ブランチを小数のパワーMOSFETで構成した高周波インバータ回路を多数並列接続して出力側で結合し、それぞれに出力トランスを使用し、トランスの2次側で直列接続して所要の電力を得ているため、電源出力を大容量化させる際の装置小型化には不利である。 In addition, a number of high-frequency inverter circuits each consisting of a small number of power MOSFETs in each branch of the main circuit are connected in parallel and coupled on the output side, each using an output transformer and connected in series on the secondary side of the transformer. Therefore, it is disadvantageous for downsizing the apparatus when increasing the power output capacity.
また前記特許文献2および特許文献3に開示された技術は、高周波インバータ回路の構成に関するものであり、高周波インバータ回路の前段にチョッパ回路を必要とする電源装置の構成については言及していない。
The techniques disclosed in
よってこの発明は、前記のような問題点を解決するためになされたものであり、スイッチング電源装置の小型化を実現することを目的とするものである。 Therefore, the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to realize miniaturization of a switching power supply device.
この発明によるスイッチング電源装置は、直流電圧を所望の直流出力電圧に調整するチョッパ回路と、前記チョッパ回路の直流出力電圧を高周波電圧に変換するインバータ回路により構成されるスイッチング電源装置において、前記チョッパ回路と前記インバータ回路を同一プリント基板上に配置したものである。 According to another aspect of the present invention, there is provided a switching power supply comprising a chopper circuit that adjusts a DC voltage to a desired DC output voltage, and an inverter circuit that converts the DC output voltage of the chopper circuit into a high-frequency voltage. And the inverter circuit are arranged on the same printed circuit board.
また、別の発明によるスイッチング電源装置は、直流電圧を所望の直流出力電圧に調整するチョッパ回路と、前記チョッパ回路の直流出力電圧を高周波電圧に変換するインバータ回路により構成されるスイッチング電源装置において、前記昇圧チョッパ回路と前記インバータ回路を同一プリント基板上に配置し、各々の回路素子を冷却フィンで一括冷却することを特徴としたものである。 A switching power supply according to another invention is a switching power supply comprising a chopper circuit that adjusts a DC voltage to a desired DC output voltage, and an inverter circuit that converts the DC output voltage of the chopper circuit into a high-frequency voltage. The step-up chopper circuit and the inverter circuit are arranged on the same printed circuit board, and each circuit element is collectively cooled by cooling fins.
また、別の発明によるスイッチング電源装置は、直流電圧を高周波電圧に変換するインバータ回路により構成されるスイッチング電源装置において、前記インバータ回路は複数並列接続されたデカップリングコンデンサを含む構成とし、前記デカップリングコンデンサの少なくとも1つの電流を検出することにより、前記インバータ回路の過電流の検出を行うことを特徴としたものである。 According to another aspect of the present invention, there is provided a switching power supply comprising an inverter circuit for converting a DC voltage into a high frequency voltage, wherein the inverter circuit includes a plurality of decoupling capacitors connected in parallel, and the decoupling The overcurrent of the inverter circuit is detected by detecting at least one current of the capacitor.
この発明によれば、直流電圧を所望の電圧に調整するチョッパ回路と、前記チョッパ回路の直流出力電圧を高電圧に変換するインバータ回路を同一の多層プリント基板上に配置することにより、浮遊インダクタンスによる過大電圧、異常発振等の発生が無くなり、高速スイッチングが安定になるとともに、電源装置の小型化を図ることができる。 According to the present invention, the chopper circuit that adjusts the DC voltage to a desired voltage and the inverter circuit that converts the DC output voltage of the chopper circuit to a high voltage are arranged on the same multilayer printed circuit board, thereby causing stray inductance. Occurrence of excessive voltage, abnormal oscillation, etc. is eliminated, high-speed switching is stabilized, and the power supply device can be reduced in size.
また、各々の回路素子を冷却フィンで一括冷却することにより、電源装置の小型化を図ることができる。 Further, the power supply device can be downsized by collectively cooling each circuit element with the cooling fins.
また、直流電圧を高周波電圧に変換するインバータ回路は複数並列接続されたデカップリングコンデンサを含む構成とし、前記デカップリングコンデンサのうち、少なくとも1つのデカップリングコンデンサの電流検出により、前記インバータ回路の過電流を検出するので過電流検出回路を小型化できる。よって電源装置を小型化することができる。 The inverter circuit for converting a DC voltage into a high-frequency voltage includes a plurality of decoupling capacitors connected in parallel, and an overcurrent of the inverter circuit is detected by detecting a current of at least one of the decoupling capacitors. Therefore, the overcurrent detection circuit can be downsized. Therefore, the power supply device can be reduced in size.
以下に添付図面を参照して、この発明に係るスイッチング電源装置について好適な実施の形態を説明する。 Exemplary embodiments of a switching power supply according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
実施の形態1.
図1に、この発明の実施の形態1による昇圧チョッパ回路と高周波インバータ回路を有するスイッチング電源装置の構造を示し、図2にその回路図を示す。図2では特に入力電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路を示しているが、入力電圧を降圧する降圧チョッパ回路や昇降圧する昇降圧チョッパ回路でもよい。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 shows the structure of a switching power supply device having a step-up chopper circuit and a high frequency inverter circuit according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 shows a circuit diagram thereof. Although FIG. 2 particularly shows a boost chopper circuit that boosts the input voltage, a step-down chopper circuit that steps down the input voltage or a step-up / step-down chopper circuit that steps up or down the input voltage may be used.
図1に示すように、スイッチング電源装置は、チョッパ回路を構成するダイオードD11とスイッチング素子S51およびデカップリングコンデンサC1と、高周波インバータ回路を構成する4つのスイッチング素子S11,S21,S31,S41が同一の多層プリント基板1上に配置された構造となっている。また、図2に示すように、制御回路71による制御信号がチョッパ信号発生回路72およびインバータ信号発生回路73に信号を与え、各々のスイッチング素子S11,S21,S31,S41およびS51が駆動される。なお、制御回路71、チョッパ信号発生回路72およびインバータ信号発生回路73は、多層プリント基板1上に配置されても良いが、別基板で構成されたものであっても良い。また、図2中では出力制御用の出力フィードバック信号やチョッパ回路の過電圧検出回路等を省略しているが、適宜これらの回路は実装されている。
As shown in FIG. 1, in the switching power supply device, the diode D11, the switching element S51 and the decoupling capacitor C1 constituting the chopper circuit, and the four switching elements S11, S21, S31, S41 constituting the high frequency inverter circuit are the same. The structure is arranged on the multilayer printed circuit board 1. Further, as shown in FIG. 2, the control signal from the
入力電源配線LA1とLB1はそれぞれ正側電位とグランド側電位を結ぶ接続線を示し、配線LC1とLD1はインバータ回路の出力線を示す。これらの接続線には、例えばケーブル線あるいは銅ブスバーが使用される。 Input power supply lines LA1 and LB1 indicate connection lines connecting the positive side potential and the ground side potential, respectively, and lines LC1 and LD1 indicate output lines of the inverter circuit. For these connection lines, for example, cable lines or copper bus bars are used.
多層プリント基板1は、図3に示すように銅箔パターン21と22、22と23および23と24のそれぞれの間に絶縁部材20を挟み込んだ積層構造となっており、入力電源配線LA1とLB1、インバータ電源パターンXとY、およびインバータ出力配線LC1とLD1を各層のパターンに設けた構造となっている。特に、インバータ電源パターンXとYを上下層でパターン化し、インバータ電源パターンXとYの電流が上下層折り返しで流れるようにパターンを構成することが望ましい。このような構造にすると、主回路の電流ループの面積を小さくできるため、配線インダクタンスに起因するスイッチング素子へのサージ電圧や異常発振を抑制することができる。
As shown in FIG. 3, the multilayer printed circuit board 1 has a laminated structure in which an
デカップリングコンデンサC1は、配線インダクタンスの影響によりスイッチング素子S11,S21,S31,S41からなるブリッジの両端に発生するサージ電圧を低減させるためのコンデンサで、周波数特性の良いフィルムコンデンサなどを使用する。またデカップリングコンデンサC1は、回路構成上チョッパ回路の出力コンデンサとしての機能も兼ねており、コンデンサ容量を増加させるために多数のコンデンサを並列に接続する構成としてもよい。この場合、デカップリングコンデンサC1は、インバータ電源パターンXとY上に分散的に配置することが望ましく、分散的に配置することで、配線インダクタンスによるMOSFETブリッジの両端に発生するサージ電圧抑制の効果をより得ることが可能となる。 The decoupling capacitor C1 is a capacitor for reducing a surge voltage generated at both ends of the bridge composed of the switching elements S11, S21, S31, and S41 due to the influence of the wiring inductance, and a film capacitor having a good frequency characteristic is used. Further, the decoupling capacitor C1 also functions as an output capacitor of the chopper circuit in terms of circuit configuration, and may be configured to connect a large number of capacitors in parallel in order to increase the capacitor capacity. In this case, it is desirable that the decoupling capacitors C1 are arranged in a distributed manner on the inverter power supply patterns X and Y. By arranging the decoupling capacitors C1 in a distributed manner, the effect of suppressing the surge voltage generated at both ends of the MOSFET bridge due to the wiring inductance is achieved. It becomes possible to obtain more.
またインバータ回路の過電流検出用CT60は、インバータ電源パターンXもしくはYに貫通させて取り付けても良いが、分散的に配置したデカップリングコンデンサC1のいずれか1個に流れる電流を測定し、検出対象となるデカップリングコンデンサC1の信号を過電流検出回路70で判定し、制御回路71に返す方法としても良い。インバータ回路のアーム短絡時あるいは負荷異常に伴うインバータ過電流時には、複数並列に接続されたデカップリングコンデンサC1の電流が正常動作時の数倍〜数10倍流れるため、いずれか1個のコンデンサ電流の検出によりインバータ過電流の判定が可能である。
In addition, the inverter circuit overcurrent detection CT60 may be installed through the inverter power supply pattern X or Y, but the current flowing in any one of the decoupling capacitors C1 arranged in a distributed manner is measured and the detection target is detected. Alternatively, the signal of the decoupling capacitor C1 may be determined by the overcurrent detection circuit 70 and returned to the
このような検出方法とすると、パターン化されたインバータ電源パターンXもしくはYを、一旦過電流検出用CT60の貫通のために引き出すことが無くなるため、配線インダクタンスによるインバータブリッジの両端に発生するサージ電圧抑制の効果をより得ることが可能となる。また1個当りのデカップリングコンデンサC1の電流は、インバータ電源パターンXもしくはYの電流よりも小さいため、過電流検出用CT60を小型化することができ、電源装置全体を小型化することができる。
With such a detection method, since the patterned inverter power supply pattern X or Y is not pulled out once for passing through the
スイッチング素子S11,S21,S31,S41およびS51は、高周波スイッチングに適した半導体素子、例えばバイポーラトランジスタ、MOSFETあるいはIGBTが用いられる。特に50kHz以上の周波数でのスイッチングが要求される場合には、高速スイッチングに適したMOSFETを使用することが望ましい。またチョッパ用ダイオードD11は、リカバリー特性に優れたファーストリカバリーダイオード、あるいはダイオードリカバリーのないショットキーバリアダイオード等を使用することが望ましい。このような高速スイッチング素子を使用することにより素子発熱の低減や素子破損の回避ができ、高速スイッチングにも関わらず安定で小型の電源装置を提供できる。 As the switching elements S11, S21, S31, S41, and S51, a semiconductor element suitable for high-frequency switching, for example, a bipolar transistor, a MOSFET, or an IGBT is used. In particular, when switching at a frequency of 50 kHz or higher is required, it is desirable to use a MOSFET suitable for high-speed switching. As the chopper diode D11, it is desirable to use a fast recovery diode having excellent recovery characteristics or a Schottky barrier diode without diode recovery. By using such a high-speed switching element, it is possible to reduce element heat generation and avoid element breakage, and to provide a stable and compact power supply device despite high-speed switching.
チョッパ回路に使用するリアクトルL1は、図1中の多層プリント基板1では実装していないが、リアクトルL1が比較的小型で軽量である場合には多層プリント基板1中に実装配置してもよい。こうすると回路全体が多層プリント基板1上で一体化され、電源をより小型化させることができる。 The reactor L1 used for the chopper circuit is not mounted on the multilayer printed circuit board 1 in FIG. 1, but may be mounted on the multilayer printed circuit board 1 when the reactor L1 is relatively small and light. If it carries out like this, the whole circuit will be integrated on the multilayer printed circuit board 1, and a power supply can be reduced more.
なお本実施の形態においてはスナバ回路、インバータの外付け高速ダイオード等を用いていないが、必要に応じてこれらを併用する形で実施しても良い。いずれの回路も同一多層プリント基板1上に実装されることにより、安定に動作し、かつ小型化させた電源を構成することができる。 In this embodiment, a snubber circuit, an external high-speed diode of an inverter, and the like are not used. However, these may be used in combination as necessary. By mounting any of the circuits on the same multilayer printed circuit board 1, it is possible to configure a power supply that operates stably and is downsized.
実施の形態2.
図4(a)(b)にこの発明の実施の形態2によるスイッチング電源装置の構造を示し、(a)は斜視図であり、(b)は正面図である。本実施の形態では、基本的な構成は実施の形態1と同等であり、同一部分に同一符号を表記している。
4 (a) and 4 (b) show the structure of a switching power supply apparatus according to
実施の形態1では、チョッパ回路と高周波インバータ回路を構成する各素子が各々1個の場合について示しているが、電源を大容量化する場合には各素子を複数並列に接続する構成とする。特に構成素子の損失が大きく、発熱が大きい場合には、大型の冷却フィンを使用して素子を一括冷却する構成が望ましい。 In the first embodiment, the case where each element constituting the chopper circuit and the high-frequency inverter circuit is one is shown. However, when the capacity of the power source is increased, a plurality of elements are connected in parallel. In particular, when the loss of the constituent elements is large and the heat generation is large, a configuration in which the elements are collectively cooled using a large cooling fin is desirable.
半導体素子では、素子の通電時のオン抵抗、あるいはオン電圧は素子のジャンクション温度に依存する。例えばMOSFETのオン抵抗は正の温度係数を、ダイオードのオン電圧は負の温度係数を持つものが多い。このため各素子のジャンクション温度を均一にし、通電時のオン抵抗あるいはオン電圧をほぼ同一にするには、多数並列接続された同一素子を同一温度で駆動することがより好ましい。よって多数並列に接続された素子を同一の冷却フィン上で冷却することにより、同一素子間で素子のジャンクション温度をほぼ均一化し、各素子に流れる電流ばらつきを抑制する。これによって素子の破損、短寿命化を防ぎ、安定に動作する電源を実現する。 In a semiconductor element, the on-resistance or on-voltage when the element is energized depends on the junction temperature of the element. For example, the on-resistance of a MOSFET often has a positive temperature coefficient, and the on-voltage of a diode often has a negative temperature coefficient. For this reason, in order to make the junction temperature of each element uniform and to make the on-resistance or on-voltage when energized substantially the same, it is more preferable to drive the same elements connected in parallel at the same temperature. Therefore, by cooling a large number of elements connected in parallel on the same cooling fin, the junction temperature of the elements is made substantially uniform between the same elements, and current variations flowing through the elements are suppressed. This prevents damage to the element and shortens the service life, and realizes a power supply that operates stably.
図4(a)(b)において、チョッパ回路を構成するダイオードD11とスイッチング素子S51およびデカップリングコンデンサC1と、高周波インバータ回路を構成する4つのスイッチング素子S11,S21,S31,S41は、冷却フィン10に絶縁シート100を介して螺子81により取り付けられている。そして、それぞれの素子の足を上向きに折り曲げ、その足を同一の多層プリント基板1に半田付けして接続した構造となっている。デカップリングコンデンサC1は、実施の形態1と同様にインバータ電源パターンXとY上に分散的に配置され、サージ電圧抑制の効果を得る。このような構成にすれば、実施の形態1と同様にインバータ電源パターンXとYによる電流ループの面積が小さくなるので浮遊インダクタンスが減少し、浮遊インダクタンスによる過大電圧、異常発生等の発生がなくなる。またスイッチング素子S11,S21,S31,S41を並列接続した際の各素子に流れる電流が均等化するため、スイッチング素子S11,S21,S31,S41の損失偏りによる異常発熱や素子の破損を防ぐことが可能となり、電源の大容量化が容易になる。
4A and 4B, the diode D11, the switching element S51 and the decoupling capacitor C1 that constitute the chopper circuit, and the four switching elements S11, S21, S31, and S41 that constitute the high-frequency inverter circuit include the cooling fin 10
なお冷却フィン10は自然空冷あるいは強制空冷タイプのものでもよいが、より冷却効果を高めるために水冷式の冷却フィンを用いてもよい。水冷式の冷却フィンを用いれば、冷却フィンの小型化に伴い、より電源全体を小型化することが可能になる。またこれらの冷却フィンには、熱伝導特性のよい銅あるいはアルミニウムを材料としたものを選択することが望ましい。
The cooling
特に図4では平面的な1台の大型冷却フィンを用いて素子を取り付けているが、例えば図5(a)(b)にその斜視図と正面図を示すように、インバータアームのS11とS41の組、S21とS31の組、およびチョッパ用スイッチング素子S51とダイオードD11の組に各々1台のブロック状の冷却フィン11,12および13を用い、個々の素子を冷却フィン11,12および13の側部から螺子81で止めるといった構成としても良い。特にインバータアームの組み合わせは問題ではなく、多数並列接続された同一箇所の素子が同一冷却フィン上に実装されていれば、各々の素子がほぼ同一の温度で駆動されるため、各素子に流れる電流ばらつきが抑制される。またこのような構成とすると、素子の取り付け面積が小さくなるため、多層プリント基板1を有効に利用することができ、電源全体をより小型化できる。さらには素子毎の部品取替えが可能になり、回路製作が容易になり、生産性が向上するといったメリットもある。
In particular, in FIG. 4, the element is mounted using a single large cooling fin, but for example, as shown in FIGS. 5A and 5B, the perspective view and the front view thereof,
さらにまた図6(a)(b)にその斜視図と正面図を示すように、前記素子および冷却フィン11,12および13を多層プリント基板1の裏面から取り付けるといった構成であっても良い。このような構成にすると、前記図5と同様の効果が得られるとともに、多層プリント基板1の表面をさらに有効に利用することができるため、より多層プリント基板1を小さくすることができ、電源全体を小型化することが可能となる。
Furthermore, as shown in FIGS. 6A and 6B, a perspective view and a front view thereof, the element and the cooling
なお冷却フィン11,12および13については横長の直方体形状でもよいが、図7に示すような横長の台形柱あるいは三角柱形状でもよい。このような形状の冷却フィンを使用すると、斜め方向からの素子の取り付けおよび取り外しが可能となるため、製作の際に工具が冷却フィンに干渉せず、回路製作が容易になるとともに、隣り合う冷却フィン間の空間を最大限縮めることが可能となるので、多層プリント基板1の面積を小さくでき、電源をより小型化することが可能となる。
The cooling
各々の素子を冷却フィン11,12および13に取り付ける際には、個々の素子を個別に螺子81により締め付ける構成でも良いが、素子の並列数が多くなった場合には取り付けが煩雑になる。よって図8に示すように冷却フィン11,12あるいは13を介して背中合わせに配置された2個の素子を、冷却フィン11,12あるいは13を貫通させた長螺子82とナット83で共締めする構成としても良い。この場合、それぞれの素子を個別の螺子81で締め付ける場合に比べて、螺子止めの煩雑さが解消されるので、電源大容量化時の回路製作が容易になり、生産性が向上する。また図9に示すように、弾性力を持った弓状プレート31と、素子と弓状プレート31の間に挟みこんだクッション材32により、複数の素子を押さえつけるように一括して冷却フィン11に取り付ける構成としても良い。
When attaching each element to the cooling
さらには図10(a)(b)にその斜視図と正面図を示すように、弾性力のあるスプリング形状の金具41によって個々の素子を押さえつけ、螺子42によって複数の素子を一括して螺子止めする構成としてもよい。いずれの場合も、個々の素子を螺子止めする煩雑さが解消されるので、電源大容量化時の回路製作が容易になり、生産性が向上する。
Further, as shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b), a perspective view and a front view thereof, each element is pressed by an elastic spring-shaped
なお図5〜図8では例として冷却フィン11,12および13を3台使用した図を示したが、回路規模、冷却フィンの冷却能力に応じて、冷却フィンの台数は任意に選定される。
Although FIGS. 5 to 8 show three cooling
また本実施の形態においては、インバータの外付け高速ダイオード等を用いていないが、必要に応じてこれを併用し、同一の冷却フィン上に取り付ける構成としても良い。同一多層プリント基板を使用し、かつ冷却フィンにて素子を一括冷却する構成とすることにより、安定に動作し、かつ小型化させた電源を構成することができる。 Further, in this embodiment, an external high-speed diode or the like of the inverter is not used, but it may be configured so that it is used on the same cooling fin as needed. By using the same multilayer printed circuit board and cooling the elements at once with cooling fins, it is possible to configure a power supply that operates stably and is downsized.
実施の形態3.
図11にこの発明の実施の形態3によるスイッチング電源装置の回路図を示す。基本的な構成および構造は、実施の形態2と同等であり、同一部分に同一符号を表記している。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 11 shows a circuit diagram of a switching power supply device according to Embodiment 3 of the present invention. The basic configuration and structure are the same as those of the second embodiment, and the same reference numerals are used for the same parts.
実施の形態2では、冷却フィンを用いて電源を大容量化した例を示した。しかしながらさらに電源の大容量化を図りたい場合に、素子の並列数を多くすると、スイッチング素子の駆動回路が複雑化するとともに、スイッチング素子に流れる電流に差が生じ、スイッチング素子の破損、短寿命化が生じる場合がある。 In the second embodiment, the example in which the capacity of the power source is increased by using the cooling fins is shown. However, if you want to further increase the capacity of the power supply and increase the number of parallel elements, the drive circuit of the switching element becomes more complex, and a difference occurs in the current flowing through the switching element. May occur.
そこで本実施の形態では、主回路のスイッチング素子を少数で構成し、各スイッチング素子が同期して動作する同一構成の主回路を複数並列接続し、その両端51、52を出力端とするものである。このような構成とすると、出力電圧は各インバータ回路で同じであるが、出力電流は各インバータ回路の和となり、所要の電力を得ることができる。 Therefore, in this embodiment, the switching elements of the main circuit are configured with a small number, a plurality of main circuits having the same configuration in which each switching element operates in synchronization are connected in parallel, and both ends 51 and 52 are used as output terminals. is there. With such a configuration, the output voltage is the same in each inverter circuit, but the output current is the sum of the inverter circuits, and the required power can be obtained.
図11において、リアクトルL21とL22は、並列接続の際のチョッパ回路のスイッチング素子S51とS52のスイッチングばらつきによる電流偏りを補正するためのリアクトルである。
例えばスイッチング素子S51,S52の制御信号に同期ずれが生じ、スイッチング素子S51のスイッチング開始がスイッチング素子S52よりも早い場合、スイッチング素子S51とS52の同期ずれ時間をt、チョッパ回路出力をV、リアクトルL21およびL22の値をL、均等に分流された場合のスイッチ電流値をio(=I/2、IはリアクトルL1電流)とすると、同期ずれ発生時にスイッチング素子S51に流れる電流i(≦I)は、
i=Vt/L+io
で表される。リアクトルL21とL22が無い場合には、スイッチング素子S51にリアクトルL1の電流がすべて流れることとなるため、スイッチング素子S51,S52は同期ずれに対して補償される電流容量分のスイッチング素子を必要とし、回路の小型化、低コスト化には不利である。
In FIG. 11, reactors L21 and L22 are reactors for correcting current bias due to switching variations of the switching elements S51 and S52 of the chopper circuit in parallel connection.
For example, when the control signal of the switching elements S51 and S52 is out of synchronization, and the switching start of the switching element S51 is earlier than the switching element S52, the synchronization deviation time of the switching elements S51 and S52 is t, the chopper circuit output is V, and the reactor L21. When the value of L22 is L and the switch current value when equally divided is io (= I / 2, I is the reactor L1 current), the current i (≦ I) that flows through the switching element S51 when the synchronization shift occurs is ,
i = Vt / L + io
It is represented by Without the reactors L21 and L22, all the current of the reactor L1 flows through the switching element S51. Therefore, the switching elements S51 and S52 require switching elements corresponding to the current capacity compensated for the synchronization shift, This is disadvantageous for circuit miniaturization and cost reduction.
リアクトルL21およびL22を取り付けることにより、同期ずれ発生時の電流偏りを低減させることが可能となり、回路の小型化、低コスト化が可能となる。電流、リアクトルL21,L22の値が大きいほど偏り抑制の効果が大きくなる。このためリアクトル値が大きいほど望ましいが、リアクトル値が大きければ体積および重量が大きくなる。よってスイッチング素子S51,S52とダイオードD11,D12の電流容量および損失等からリアクトルL21とL22の値が選択される。
なお、リアクトルL21とL22は各々の基板のスイッチング素子S51とS52の同期ずれが大きい場合には必要であるが、同期ずれがほとんど無く、各々の素子で電流偏りが許容される場合には必ずしも必要は無く、素子に流れる電流および損失等により選択される。
By attaching the reactors L21 and L22, it is possible to reduce the current bias when the synchronization shift occurs, and the circuit can be reduced in size and cost. The greater the current and reactor L21, L22 values, the greater the effect of bias suppression. For this reason, it is desirable that the reactor value is large, but if the reactor value is large, the volume and weight increase. Therefore, the values of reactors L21 and L22 are selected from the current capacities and losses of switching elements S51 and S52 and diodes D11 and D12.
Reactors L21 and L22 are necessary when the synchronization deviation between switching elements S51 and S52 of each substrate is large, but are not necessary when there is almost no synchronization deviation and current deviation is allowed in each element. It is selected depending on the current flowing through the element and the loss.
図12にスイッチング電源装置の構造例を示す。実施の形態2と同様に大型の冷却フィン11,12および13を使用して素子を一括冷却する構成が望ましく、多数並列に接続された素子を同一の冷却フィン上で冷却することにより、同一素子間で素子のケース温度をほぼ均一化し、各素子に流れる電流ばらつきを抑制する。これによって素子の破損、短寿命化を防ぎ、安定に動作する電源を実現する。それぞれのインバータ回路の出力配線LC1,LD1およびLC2,LD2には、例えばケーブル線あるいは銅ブスバーが使用される。
FIG. 12 shows a structural example of the switching power supply device. As in the second embodiment, it is desirable that the elements are collectively cooled using the
また、図13はそれそれの基板を背面で向かえ合わせに接続し、中央部からケーブル線あるいは銅ブスバーからなる出力配線LC1,LD1およびLC2,LD2にて出力を取り出した構造である。このような構造とすると、電源の設置面積を小さくすることができるので、例えば高さ方向は許容されるが、設置面積をなるべく小さくしたい場合でも、電源の小型化、大容量化を容易に図ることができる。なお図12および図13の構造を組み合わせて、例えば4枚の基板を使用してさらに大容量化を図ることも可能である。 FIG. 13 shows a structure in which the respective substrates are connected to each other on the back side, and outputs are taken out from the central portion by output wirings LC1, LD1 and LC2, LD2 made of cable wires or copper bus bars. With such a structure, the installation area of the power supply can be reduced. For example, the height direction is allowed, but even when it is desired to make the installation area as small as possible, the power supply can be easily reduced in size and capacity. be able to. Note that it is possible to further increase the capacity by using, for example, four substrates by combining the structures shown in FIGS.
この発明によるスイッチング電源装置は、レーザ加工を行う際に使用される高周波放電励起によるCO2レーザ発振器のレーザ電源装置に利用できる。 The switching power supply device according to the present invention can be used for a laser power supply device of a CO2 laser oscillator by high frequency discharge excitation used when performing laser processing.
1,2 多層プリント基板
10〜13 冷却フィン
20 絶縁部材
21〜23 銅箔パターン
31 弓状プレート
32 クッション材
33,42,81 螺子
41 金具
51,52 出力端子
60 CT
70 過電流検出回路
71 制御回路
72 チョッパ信号発生回路
73 インバータ信号発生回路
82 長螺子
83 ナット
100 絶縁シート
E1 入力電圧
LA1,LA2,LB1,LB2 電源入力配線
LC1,LC2,LD1,LD2 インバータ出力配線
X,Y インバータ電源パターン
S11〜S51、S12〜S52 スイッチング素子
D11,D12 ダイオード
C1,C11〜C13 デカップリングコンデンサ
L1,L21,L22 リアクトル
1, 2 Multi-layer printed circuit board 10-13
70
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