JP2015070678A - 直流電源装置、直流電源装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】直流電源装置が備える電圧形降圧チョッパ部に微小時間だけ短絡電流を流してリアクトルにエネルギーを蓄積する工程を複数回繰り返して行い、リアクトルに蓄積したエネルギーを出力容量に放出して出力電圧を逐次上昇させ、これによりイグニッション設定電圧まで昇圧させる。短絡電流は、直流電源装置が備える昇圧回路のスイッチング素子を用いて形成する。短絡電流の蓄積と解放とによる出力端の昇圧を繰り返すことによって、直流電源装置の出力端の電圧をイグニッション設定電圧まで昇圧する。
【選択図】図1
Description
本願発明の直流電源装置は、プラズマ発生装置に直流電力を供給する直流電源装置であり、直流電圧源を構成する電圧形降圧チョッパ部と、電圧形降圧チョッパ部の直流電圧を昇圧する昇圧回路と、昇圧回路の直流出力を単相交流に変換する単相インバータ部と、制御部とを備え、制御部は電圧形降圧チョッパ部を制御するチョッパ制御部、および昇圧回路を制御する昇圧制御部とを含む構成である。
本願発明の直流電源装置の制御方法は、直流電圧源を構成する電圧形降圧チョッパ部と、電圧形降圧チョッパ部の直流電圧を昇圧する昇圧回路と、昇圧回路の直流出力を単相交流に変換する単相インバータ部と、電圧形降圧チョッパ部を制御するチョッパ制御部、および昇圧回路を制御する昇圧制御部とを含む制御部を備え、プラズマ発生装置に直流電力を供給する直流電源装置の制御方法である。
制御部は、イグニッションモードにおいて、短絡電流による昇圧を複数回繰り返して出力電圧をイグニッション設定電圧まで電圧上昇させる昇圧制御と、チョッパ制御部によって前記出力電圧をイグニッション設定電圧に維持する定電圧制御とを切り換えて行う。この昇圧制御から定電圧制御への切り換えは、出力電圧がイグニッション設定電圧に到達した時点で行う。
イグニッションモードの定電圧制御において、出力電流がイグニッション設定電流に到達し、かつ、出力電圧がプラズマ発生電圧に下降したとき、イグニションモードから定常運転モードに切り換え、定常運転モードにおいて、定電圧制御、定電流制御、定電力制御から選択した何れかの制御を行う。
本願発明の直流電源装置の構成例について図1,図2を用いて説明する。
チョッパ制御部5Aは電圧形降圧チョッパ部2のスイッチング素子Q1をパルス幅制御し、イグニッションモードでは定電圧制御を行い、定常運転モードでは定電圧制御、定電流制御、あるいは定電力制御から選択した何れかの制御を行う。イグニッションモードと定常運転モードにおいてそれぞれ異なる設定値に切り換えて制御を行う。イグニッションモードではイグニッション設定電圧VIGRに設定し、定常運転モードにおいて、定電圧制御では定常運転設定電圧VRに設定し、定電流制御では定常運転設定電流IRに設定し、定電力制御では定常運転設定電力PRに設定する。
昇圧制御部5Bは、短絡パルス信号Piを生成する短絡パルス信号生成回路5Baを備え、短絡パルス信号Piによって昇圧回路3の間欠短絡動作を制御する。短絡パルス信号Piは、イグニッション信号IGの立ち上がりで生成を開始し、チョッパ制御部5Aの比較回路5Aeの出力である切り換え信号によって生成を停止する。
次に、本願発明の直流電源装置のイグニッションモードおよび定常運転モードの動作例について、図5の昇圧動作の説明図、図6のフローチャート、図7,8のタイミングチャート、および図9のイグニッションモード,定常運転モードの動作状態図を用いて説明する。
図5は本願発明の直流電源装置の昇圧回路の短絡動作を示している。図5(a)は短絡時の回路状態を示し、図5(b)は短絡終了時の回路状態を示している。
昇圧回路は、イグニッションモード時の間欠短絡動作を行う他、直流電源装置の直流出力の停止・復帰において、停止時においてチョッパ部を単相インバータから切り離して、アーク発生時の負荷への過剰電流を抑制してアークの消弧を高速で行い、チョッパ部を流れる電流を循環電流として保持し、その後、インバータの再起動時において保持していた循環電流を負荷に供給することによって、直流電源装置の直流出力の復帰時における、負荷への直流電力の供給遅れを低減する動作を行うことができる。
はじめに、イグニッションモードS1について説明する。
チョッパ制御部は、出力電圧をイグニッション設定電圧まで昇圧させるIG電圧上昇区間の制御(S1a〜S1c)と、昇圧した出力電圧をイグニッション設定電圧に維持するIG電圧定電圧区間の制御(S1d〜S1f)の2つの区間によってイグニッションモードの制御を行う。一方、昇圧制御部は、イグニッションモードS1中において昇圧制御を行い、短絡パルス信号Piによって昇圧回路を間欠短絡動作させる。
IG電圧上昇区間において、出力電圧をイグニッション設定電圧まで昇圧させる制御を行う。
以下に、短絡電流による昇圧動作について説明する。
Δi1=(Vin/LF1)×Tion(n) …(1)
Ji(n)=(1/2)×LF1×Δi1 2 …(2)
Ji(n)=(1/2)×LF1×Δi1 2
=(1/2)×COT×(VO(n) 2−VO(n−1) 2) …(3)
ただし、最初の短絡動作を行う前の出力電圧はVO(0)=0としている。
VO(n)={(LF1/COT)×Δi1 2+VO(n−1) 2}1/2 …(4)
式(4)は、短絡動作をn回繰り返したときの出力電圧Vo(n)を表している。
VO(1)={(LF1/COT)×Δi1 2}1/2 …(5)
VO(2)={(LF1/COT)×Δi1 2+VO(1) 2}1/2 …(6)
VO(3)={(LF1/COT)×Δi1 2+VO(2) 2}1/2 …(7)
IG電圧定電圧区間において、昇圧した出力電圧(イグニッション電圧)をイグニッション設定電圧に維持する制御を行う。
第1の態様は電圧形降圧チョッパ部のチョッパ制御によってイグニッション電圧を定電圧制御することによってイグニッション設定電圧VIGRに維持する。
第2の態様は昇圧回路のスイッチング素子Q2をオフ状態(図8(b))として昇圧動作を停止することによって出力電圧VO(イグニッション電圧VOIG)をイグニッション設定電圧VIGRに維持する。
次に、定常運転モードS2では、イグニッションモードで発生したプラズマ放電を維持する。プラズマ放電を維持するために、チョッパ制御部は定常運転設定電圧VRで定電圧制御を行い、インバータ制御部は通常のパルス幅制御を行う。
以下、直流電源装置の使用形態例について図11,12を用いて説明する。
図11は本願発明の直流電源装置をデュアルカソード電源装置に適用した使用形態例を示している。
直流電源装置はプラズマ発生装置の負荷に高周波電力を供給する電源であり、プラズマ発生装置は、直流電源装置から直流電圧入力する電極と、接地された電極の二つの電極を備える。この直流電源装置によれば、一方の電極を接地し、他方の電極に直流電圧を印加することができる。
2 電圧形降圧チョッパ部
3 昇圧回路
4 単相インバータ
5 制御部
5A チョッパ制御部
5Aa スイッチング素子制御信号生成回路
5Ab 回路
5Ac メモリ手段
5Ad メモリ手段
5Ae 比較回路
5Af メモリ手段
5Ag メモリ手段
5B 昇圧制御部
5Ba 短絡パルス信号生成回路
5C インバータ制御部
10 負荷
CF1 チョッパ出力コンデンサ
CL 負荷容量
COT 出力容量
D1 ダイオード
D2 ダイオード
Edc 入力直流電圧
Ein 入力直流電圧
F 符号
IG イグニッション信号
IG イグニッション電流
IIGR イグニッション設定電流
IO 出力電流
IR 定常運転設定電流
Ji エネルギー
LF1 直流リアクトル
Lm1 リアクトル
N 負端子
P 正端子
Pi 短絡パルス信号
PR 定常運転設定電力
Q1 スイッチング素子
Q2 スイッチング素子
QU,QV,QX,QY スイッチング素子
Tion 微小時間幅
VIGR イグニッション設定電圧
Vin 入力電圧
VO 出力電圧
VOIG イグニッション電圧
VPLR プラズマ発生設定電圧
VR 定常運転設定電圧
Δi 短絡電流
Δi1 短絡電流
Δic 循環電流
図2に示す直流電源装置1は、直流電圧源を構成する電圧形降圧チョッパ部2と、昇圧回路3と、第1スイッチング素子〜第4スイッチング素子の4つのスイッチング素子からなるブリッジ回路を有し、電圧形降圧チョッパ部2の直流出力をスイッチング素子の動作により単相の交流電力に変換する単相インバータ4と、電圧形降圧チョッパ部2、昇圧回路3、および単相インバータ4を制御する制御部5を備える。
Claims (9)
- プラズマ発生装置に直流電力を供給する直流電源装置において、
直流電圧源を構成する電圧形降圧チョッパ部と、
前記電圧形降圧チョッパ部の直流電圧を昇圧する昇圧回路と、
前記昇圧回路の直流出力を単相交流に変換する単相インバータ部と、
前記電圧形降圧チョッパ部を制御するチョッパ制御部、および前記昇圧回路を制御する昇圧制御部とを含む制御部を備え、
前記制御部は、前記プラズマ発生装置にプラズマ放電を発生させるイグニッション電圧を供給するイグニッションモードと、前記プラズマ発生装置のプラズマ放電を継続させる定常運転モードとを切り換えて制御し、
前記イグニッションモードにおいて、
前記昇圧制御部は、前記昇圧回路の正電圧側と負電圧側との間を間欠的に短絡し、当該短絡で形成される短絡電流による昇圧動作を制御し、プラズマ発生装置に印加する出力電圧を制御することを特徴とする、直流電源装置。 - 前記昇圧制御部は、前記昇圧回路において正電圧端と負電圧端との間を接続するスイッチング素子を間欠的に短絡する短絡パルス信号を生成し、
前記短絡パルス信号によって前記スイッチング素子をオン状態とすることによって電圧形降圧チョッパ部の出力端の正電圧端と負電圧端とを短絡することを特徴とする、請求項1に記載の直流電源装置。 - 前記イグニッションモードにおいて、前記制御部は、前記昇圧制御部による、短絡電流による昇圧を複数回繰り返して出力電圧をイグニッション設定電圧まで電圧上昇させる昇圧制御と、前記チョッパ制御部による、前記出力電圧をイグニッション設定電圧に維持する定電圧制御とを切り換えて行い、
前記出力電圧がイグニッション設定電圧に到達した後、昇圧制御から定電圧制御に切り換えることを特徴とする、請求項1又は2に記載の直流電源装置。 - 前記制御部は、チョッパ制御部におけるチョッパ制御のオンデューティー比と、昇圧制御部における間欠短絡動作の回数とをパラメータとし、
前記オンデューティー比によって前記電圧形降圧チョッパ部の入力電圧を制御し、
前記間欠短絡動作の回数によって昇圧比を制御し、
前記入力電圧と昇圧比によって出力電圧の電圧上昇を制御することを特徴とする、請求項3に記載の直流電源装置。 - 前記定常運転モードは、
定常運転の設定値をイグニッションモードで設定されるイグニッション設定電圧から定常運転設定電圧に切り換えて、出力電圧を定常運転設定電圧に維持する定電圧制御、
定常運転の設定値をイグニッションモードで設定されるイグニッション設定電圧から定常運転設定電流に切り換えて、出力電流を定常運転設定電流に維持する定電流制御、
定常運転の設定値をイグニッションモードで設定されるイグニッション設定電圧から定常運転設定電力に切り換えて、出力電力を定常運転設定電力に維持する定電力制御
の何れかの制御を選択可能であり、
前記制御部の切換制御は、出力電流がイグニッション設定電流に到達し、かつ、出力電圧がプラズマ発生電圧に下降したとき前記イグニションモードから前記定常運転モードに切り換え、前記定電圧制御、前記定電流制御、前記定電力制御から選択した制御を行うことを特徴とする、請求項1に記載の直流電源装置。 - 直流電圧源を構成する電圧形降圧チョッパ部と、
前記電圧形降圧チョッパ部の直流電圧を昇圧する昇圧回路と、
前記昇圧回路の直流出力を単相交流に変換する単相インバータ部と、
前記電圧形降圧チョッパ部を制御するチョッパ制御部、および前記昇圧回路を制御する昇圧制御部とを含む制御部を備え、プラズマ発生装置に直流電力を供給する直流電源装置の制御方法において、
前記制御部は、前記プラズマ発生装置にプラズマ放電を発生させるイグニッション電圧を供給するイグニッションモードと、前記プラズマ発生装置のプラズマ放電を継続させる定常運転モードとを切り換えて制御し、
前記イグニッションモードにおいて、
前記昇圧制御部は、前記昇圧回路の正電圧側と負電圧側との間を間欠的に短絡し、当該短絡で形成される短絡電流による昇圧動作を制御し、プラズマ発生装置に印加する出力電圧を制御することを特徴とする、直流電源装置の制御方法。 - 前記イグニッションモードにおいて、前記制御部は、短絡電流による昇圧を複数回繰り返して出力電圧をイグニッション設定電圧まで電圧上昇させる昇圧制御と、前記チョッパ制御部によって前記出力電圧をイグニッション設定電圧に維持する定電圧制御とを切り換えて行い、
前記出力電圧がイグニッション設定電圧に到達した後、昇圧制御から定電圧制御に切り換えることを特徴とする、請求項6に記載の直流電源装置の制御方法。 - 前記制御部は、チョッパ制御部におけるチョッパ制御のオンデューティー比と、昇圧制御部における間欠短絡動作の回数とをパラメータとし、
前記オンデューティー比によって前記電圧形降圧チョッパ部の入力電圧を制御し、
前記間欠短絡動作の回数によって昇圧比を制御し、
前記入力電圧と昇圧比によって出力電圧の電圧上昇を制御することを特徴とする、請求項7に記載の直流電源装置の制御方法。 - 前記定常運転モードは、
定常運転の設定値をイグニッションモードで設定されるイグニッション設定電圧から定常運転設定電圧に切り換えて、出力電圧を定常運転設定電圧に維持する定電圧制御、
定常運転の設定値をイグニッションモードで設定されるイグニッション設定電圧から定常運転設定電流に切り換えて、出力電流を定常運転設定電流に維持する定電流制御、
定常運転の設定値をイグニッションモードで設定されるイグニッション設定電圧から定常運転設定電力に切り換えて、出力電力を定常運転設定電力に維持する定電力制御
の何れかの制御を選択可能であり、
前記制御部の切換制御は、出力電流がイグニッション設定電流に到達し、かつ、出力電圧がプラズマ発生電圧に下降したとき前記イグニションモードから前記定常運転モードに切り換え、前記定電圧制御、前記定電流制御、前記定電力制御から選択した制御を行うことを特徴とする、請求項6に記載の直流電源装置の制御方法。
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