JP2017118302A - 高圧放電用半導体スイッチおよびこれを備えた電磁成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型・軽量でかつ誤動作を引き起こすことがない新規な高圧放電用半導体スイッチおよびこれを備えた電磁成形装置の提供。【解決手段】高周波インバータ基板３０からドライブ基板２０に対して供給する駆動用電源を高周波パルス信号として入力する。これにより、効率的に電気を供給できるため、ドライブ基板２０側の高周波トランス２１を従来のパルストランスに比べて大幅に小型・軽量化することができる。これにより設置スペースが小さくなると共に軽量化が可能となるため、電磁成形装置１００全体の大型化、大重量化を回避できる。【選択図】図１

Description

本発明は、強力な電磁力によって金属部品を塑性加工するための電磁成形装置およびこれに用いる高圧放電用半導体スイッチに関するものである。

近年、自動車用金属部品などの製造分野においては電磁成形法を用いた加工技術が注目を浴びている。この電磁成形法は、成形対象の金属材料、特に電気の良導体であるアルミニウムやアルミニウム合金、銅および銅合金からなる材料をインダクタ（電磁コイル）の付近に設置し、コンデンサに充電した電荷を数ミリｓｅｃ以内の極めて短い時間でパルス状の大電流としてそのインダクタに印加して塑性加工するものである。

すなわち、パルス状の大電流をインダクタに流すことによって、そのインダクタに強力な磁束が生じると共に、成形対象の金属材料には誘導電流が発生してフレミングの左手の法則によりその金属材料が型に押しつけられて、その型とおりの形状に瞬時に塑性変形加工するものである。そして、この電磁成形法によれば、プレス成形では困難な塑性加工、例えば管体の拡管やフランジ成形、縮管かしめ、板成形などのような様々な成形が可能となる。

このような電磁成形法を実現するための装置には、コンデンサに充電した電荷を瞬時にインダクタに放電するための高圧放電スイッチが必要である。この高圧放電スイッチとしては、例えば以下の特許文献１に示すように接点同士を機械的接触させて通電するメカニカルスイッチやギャップスイッチの他に、以下の特許文献２に示すようにサイラトロンスイッチ、半導体スイッチ、イグナイトロンスイットなど様々なものが用いられている。

特開２０１５−１３５７６４号公報 特開２００７−２５３１８２号公報

ところで、この高圧放電スイッチとして半導体スイッチを用いた場合には、次のような問題点がある。すなわち、高圧放電用の半導体スイッチは、サイリスタとダイオードを組み合わせて構成するため、サイリスタの数と同数のパルストランスが必要となってくる。しかしながら、このパルストランスは大型の重量物であるため、半導体スイッチの設置スペースの大部分を占めてしまい、その数が増えると装置全体が大型化、大重量化するといった問題がある。また、パルストランスをサイリスタのゲート回路に使うことでサイリスタの動作時にパルストランスの二次回路から一次回路へノイズを誘導させてしまい、動作信号回路の誤作動を引き起こしてしまうおそれがある。

そこで、本発明はこれらの課題を解決するために案出されたものであり、その目的は小型・軽量でかつ誤動作を引き起こすことがない新規な高圧放電用半導体スイッチおよびこれを備えた電磁成形装置を提供するものである。

一般に電磁成形装置用の高圧放電スイッチとしてサイリスタ（ＳＣＲ）を主とする半導体スイッチを用いるためには、例えば数ＫＶ（ボルト）・数ＫＡ（アンペア）以上の高電圧・大電流に耐え、かつゲートパルス入力幅が長い（３ｍｓ）仕様の高電力用サイリスタが必要となってくる。そして、このような高電力用サイリスタを駆動するためのトリガー電流であるゲートパルス電流を供給するためにはそれに対応したパルストランスが必要となってくるが、前記のように従来のパルストランスで５０または６０Ｈｚの商用電源をそのままパルス波形が数ｍｓのゲートパルス電流にするためには大型なものが必要となってくる。

このため、電磁成形装置全体が大型化、大重量化してしまい、運搬や設置作業に多大な労力を要する。また、大型のパルストランスは鉄心やコイルの量も多いため、コストも高くなる。さらに、前記のようにサイリスタの動作時にパルストランスの二次回路から一次回路へノイズを誘導させてしまい、動作信号回路の誤作動を引き起こしてしまうおそれがある。

そこで、これらの課題を解決するために第１の発明は、高圧放電回路をゲートパルス電流でオンオフ制御するサイリスタを含むスイッチ基板と、前記サイリスタのゲート回路にゲートパルス電流を供給して駆動するドライブ基板と、当該ドライブ回路に駆動用電流を高周波パルスで供給する高周波インバータ基板とを有し、前記ドライブ基板は、前記高周波インバータ基板から供給された高周波パルス電流を変圧する高周波トランスと、当該高周波トランスで変圧された高周波パルス電流を整流する整流回路と、光信号を受信してパルス状のデジタル信号に変換する光電気変換回路と、当該光電気変換回路で変換したデジタル信号に基づいて前記サイリスタが動作する電流値まで増幅したゲートパルス電流を供給する増幅器とを備えることを特徴とする高圧放電用半導体スイッチである。

このような構成によれば、高周波インバータ基板からドライブ基板に対して供給する駆動用電源を高周波パルス信号として入力することにより、効率的に電気を供給できるため、ドライブ基板側の高周波トランスを従来のパルストランスに比べて大幅に小型・軽量化できる。これにより、設置スペースを小さくできると共に軽量化が可能となるため、電磁成形装置全体の大型化、大重量化を回避でき、その結果、運搬や設置作業に要する労力を軽減できる。また、小型の高周波トランスを用いることによりコストの削減も達成できる。

第２の発明は、第１の発明において、前記サイリスタは、ゲートパルス入力幅が３ｍｓ前後のゲートパルス電流で動作すると共に、前記ドライブ基板は、５μｓ以内に６アンペア以上に達する急峻なパルス波形のゲートパルス電流を供給することを特徴とする高圧放電用半導体スイッチである。このようにドライブ基板から５μｓ以内に６アンペア以上に達する急峻なゲートパルス電流を供給することにより、従来のパルストランスではなし得なかった高効率なサイリスタ駆動制御を行うことができる。

第３の発明は、第２の発明において、前記ドライブ基板の光電気変換回路は、ゲートパルス入力幅内においてゲートパルス電流をさらに短い時間で繰り返しオンオフすることを特徴とする高圧放電用半導体スイッチである。ゲートパルス電流はゲートパルス入力幅である３ｍｓ間連続しても良いが、このようにゲートパルス入力幅内においてさらに短時間でオンオフを繰り返えせば、サイリスタの動作に影響を与えることなく、オフの間の合計分だけそのエネルギーを節約することができる。

第４の発明は、第１乃至３のいずれかの発明において、前記ドライブ基板の高周波トランスと、整流回路と、ゲートパルス変換回路と、増幅器とをシールドボックス内に封入すると共に、前記整流回路と、ゲートパルス変換回路と、増幅器とをモールド絶縁処理したことを特徴とする高圧放電用半導体スイッチである。これにより、優れた絶縁耐圧を発揮できるため、外部ノイズなどによる誤作動などを確実に回避できる。

第５の発明は、第１乃至４のいずれかの発明において、前記ドライブ基板とスイッチ基板との間にノイズ除去回路を設けたことを特徴とする高圧放電用半導体スイッチである。このような構成によれば、サイリスタの動作に伴って発生したノイズがドライブ基板側へ入ってその誤動作を起こすことを確実に防止できる。

第６の発明は、高圧放電回路に前記第１乃至５のいずれかの高圧放電用半導体スイッチを備えたことを特徴とする電磁成形装置である。このような構成によれば、高圧放電用半導体スイッチの占めるスペースを小さくできると共にその重量が大幅に軽減されるため、装置全体の小型・軽量化が可能となる。

第７の発明は、高圧放電回路に前記第１乃至５のいずれかの高圧放電用半導体スイッチを複数直列に備えると共に、前記各高圧放電用半導体スイッチを同期させて動作させる同期回路を備えたことを特徴とする電磁成形装置である。このように複数の高圧放電用半導体スイッチを直列に備え、同期させて動作させれば、高圧放電回路の電圧が１つの高圧放電用半導体スイッチの耐圧以上の場合でも損傷を招くことなく正常に放電することができる。

本発明によれば、高周波インバータ基板からドライブ基板に対して供給する駆動用電源を高周波パルス信号として入力することにより、効率的に電気を供給できるため、ドライブ基板側の高周波トランスを従来のパルストランスに比べて大幅に小型・軽量化できる。これにより、設置スペースを小さくできると共に軽量化が可能となるため、電磁成形装置全体の大型化、大重量化を回避でき、その結果、運搬や設置作業に要する労力を軽減できる。また、小型の高周波トランスを用いることによりコストの削減も達成できる。

本発明に係る電磁成形装置１００および高圧放電用半導体スイッチ２００の実施の一形態を示した回路図である。 高圧放電用半導体スイッチ２００を構成するスイッチ基板１０の等価回路図である。 高圧放電用半導体スイッチ２００を構成するドライブ基板２０の等価回路図である。 高圧放電用半導体スイッチ２００を構成する高周波インバータ基板３０の等価回路図である。 ドライブ基板２０からスイッチ基板１０に供給されるゲートパルス電流の一例を示した波形図である。 ゲートパルス電流を供給するために従来のパルストランスＰＴを使用した場合の等価回路図である。 本発明に係る電磁成形装置１００および高圧放電用半導体スイッチ２００の他の実施形態を示した回路図である。

次に、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明に係る電磁成形装置１００の実施の一形態を示したものである。図示するようにこの電磁成形装置１００は、主に充電器１１０とメインコンデンサ１２０とインダクタ（電磁コイル）１３０を有し、充電器１１０からメインコンデンサ１２０に充電した高圧・大電流の電荷を瞬時にインダクタ１３０に放電することで金属の塑性加工を行うものである。そして、このメインコンデンサ１２０とインダクタ１３０間を接続する高圧放電回路Ｓ１には、本発明に係る高圧放電用半導体スイッチ２００が設けられている。

この高圧放電用半導体スイッチ２００は、高圧放電回路Ｓ１上に位置するスイッチ基板１０と、このスイッチ基板１０を駆動するドライブ基板２０と、このドライブ基板２０に駆動用電源を供給する高周波インバータ基板３０とから構成されており、ドライブ基板２０で駆動されるスイッチ基板１０によって高圧放電回路Ｓ１をオンオフ制御している。

図２はこのスイッチ基板１０の等価回路図である。図示するようにこのスイッチ基板１０は、アノードＡ及びカソードＫならびにゲートＧを有する高圧ＳＣＲ素子であるサイリスタ１１と高圧ダイオードＤおよび抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３、Ｒ４、コンデンサＣ１，Ｃ２をそれぞれ並列に繋げた構成となっている。そしてゲートＧとカソードＫおよびコンデンサＣ１と抵抗Ｒ１，Ｒ４とでゲート回路を構成している。さらに、このサイリスタ１１のゲート回路にはノイズ除去回路を構成するフェライトコア４０が接続されている。このサイリスタ１１は高圧放電回路Ｓ１を流れる数ＫＶ・数ＫＡ以上の耐圧・高電流仕様であり、そのためには少なくともゲートパルス入力幅が３ｍｓ以上でかつ２Ａ以上のゲートパルス電流をトリガー電流として動作するようになっている。

図３はドライブ基板２０の等価回路図である。図示するようにこのドライブ基板２０は、高周波トランス２１と、整流回路２２と、光電気変換回路２３と、増幅器（パワーアンプ）２４とからなデジタル回路で構成されている。光電気変換回路２３は、光パルスジェネレータ２５から送られる光信号を受信して電気信号（デジタル信号）に変換するものである。

光パルスジェネレータ２５から送られる光信号はオンパルス幅が約５μｓ、オフパルス幅が同じく５μｓの繰り返しパルスであり、オンパルス、オフパルスの交互繰り返し時間が約３ｍｓとなっている。なお、この光パルスジェネレータ２５は、図示しない外部パルスジェネレータのデジタル信号を電気信号から光信号に（Ｅ／Ｏ）変換したものを光電気変換回路２３に送るようになっている。また、この光パルスジェネレータ２５の光信号は図示しない光ファイバを介して光電気変換回路２３に送られるが、この光ファイバは、高絶縁であり、電気的ノイズ、誘電を受けない仕様になっている。

このドライブ基板２０は、高周波インバータ基板３０から供給される１２Ｖ、約３００ＫＨｚの高周波パルス電流を高周波トランス２１で２５Ｖに変圧し、変圧した高周波パルス電流を整流回路２２で高周波整流を行い、直流の＋２５Ｖを発生させ、この直流を整流回路２２の＋回路に設けられた光電気変換回路２３でゲートパルス電流に変換し、変換したゲートパルス電流を増幅器２４によってサイリスタ１１が動作する電流値まで増幅してスイッチ基板１０に供給するようになっている。

高周波トランス２１は、発信周波数が約３００ＫＨｚでトランス一次入力電圧が１２Ｖのときにこれをトランス二次電圧が２５Ｖで出力することができる。また、この高周波トランス２１のトランス一次コイル対二次コイルの絶縁耐圧はＤＣ電圧３０ＫＶ、その外形寸法はフェライトリングコア径２５ｍｍ、厚さ１０ｍｍ以下であり、高耐圧の超小型の高周波トランスである。

増幅器（パワーアンプ）２４は、光電気変換回路２３でＯ／Ｅ変換された電気信号（デジタル信号）を急峻な立ち上がり（＋２５Ｖ・Ｐ／５０ｎｓ）のデジタル増幅を行うものであり、サイリスタ１１のゲート回路（Ｃ１およびＲ１を含む）にゲートオンパルス（＋２５Ｖ・Ｐ／５μｓパルス）及びゲートオフパルス（５μｓ／立ち上がり時間１００ｎｓ）を印加し、急峻な立ち上がり時においてのゲートピーク電流は６Ａを出力し、サイリスタ１１のゲート特性を最大限に引き出すようになっている。

また、このドライブ基板２０を構成する高周波トランス２１、整流回路２２、ゲートパルス変換回路２３、増幅器２４は、アルミシールドボックス２６内に封入されており、さらにこのうち整流回路２２とゲートパルス変換回路２３と増幅器２４は絶縁性の樹脂でモールド２７して絶縁処理されており、その絶縁耐圧は３０ＫＶ以上となっている。

図４は高周波インバータ基板３０の等価回路図である。この高周波インバータ基板３０は、発信回路３１と、増幅器３２と、低損失スイッチング素子３３と有する電源供給用のデジタル回路から構成されている。低損失スイッチング素子３３としては例えばＳＩＣ（シリコンカーバイト）ＭＯＳＦＥＴが用いられる。そして、この発信回路３１が１２Ｖの外部駆動用電源を用いて約３００ＫＨｚの発信周波数、パルス幅０．３〜０．５にて発信した高周波信号を生成し、これを増幅器３２で増幅して低損失スイッチング素子３３のゲートを強力にドライブし、ドライブ基板２０の高周波トランス２１の一次コイル側に１２Ｖ、３００ＫＨｚの高周波信号を入力している。

図５はドライブ基板２０からスイッチ基板１０に供給されるゲートパルス電流の一例を示したものである。同図中の波形図Ａに示すようにドライブ基板２０のゲートパルス変換回路２３に対して光パルスジェネレータ２５からパルス入力幅３ｍｓ内で５μｓ間隔でオンオフが繰り返されるバーストパルス状の光トリガー入力信号が入力されると、これと同波形のゲートパルス電流が生成され、これが増幅器２４で６Ａ程度まで増幅されてスイッチ基板１０に入力される。スイッチ基板１０のサイリスタ１１の最低動作電流は約２Ａであるが、その３倍近くのゲートパルス電流を供給することにより、サイリスタ１１が最大効率で動作するため、高電圧・大電流を効率良く放電させることができる。

ここでバーストパルスのオンオフ間隔を５μｓとしたのは、同図の波形図Ｃに示すように０から６Ａに達するまでに必要な立ち上がり時間が少なくと５μｓ必要であり、これより短いと６Ａのゲートパルス電流が供給できないからである。６Ａに達した後はそのまま３ｍｓの間、ゲートパルス電流を連続して供給しても良いが、５μｓ間隔でオンオフを繰り返せば、６Ａのゲートパルス電流を維持しつつ波形図Ｂの斜線に示す分だけ電流を節約することができる。

そして、このような構成をした本発明に係る高圧放電用半導体スイッチ２００にあっては、高周波インバータ基板３０からドライブ基板２０に対して供給する駆動用電源を例えば３００ＫＨｚの高周波パルス信号として入力することにより、効率的に電源を供給できる。これにより、ドライブ基板２０側の高周波トランスを従来のパルストランスに比べて大幅に小型・軽量化することができるため、電磁成形装置１００全体の大型化、大重量化を回避できる。

また、小型の高周波トランスを用いることによりコストの削減も達成できる。さらに、高周波トランスで変圧された高周波パルス電流を整流して増幅してからサイリスタ側に供給するため、サイリスタの動作信号回路の誤作動も防止できる。さらにドライブ基板２０の高周波トランス２１と、整流回路２２と、ゲートパルス変換回路２３と、増幅器２４とをシールドボックス２６内に封入すると共に、モールド絶縁処理したことから、優れた絶縁耐圧、例えば３０ＫＶを発揮できるため、外部ノイズなどによるドライブ基板２０の誤作動などを確実に回避できる。なお、放電回路Ｓ１の電圧は最大でも１４ＫＶであるため、３０ＫＶの絶縁耐圧であれば、いかなる外部ノイズが発生してもそのドライブ基板２０本来の性能を十分に発揮できる、

また、スイッチ基板１０とドライブ基板２０との間にフェライトコア４０を設けることにより、サイリスタ１１の作動時などに発生する高周波ノイズがドライブ基板２０側に侵入するのを防止できる。

図６はゲートパルス電流を供給するために従来のパルストランスＰＴを使用した場合の等価回路図である。図示するようにパルストランスＰＴからサイリスタ１１のゲートＧにパルス入力幅３ｍｓで６Ａのゲートパルス電流を直接入力する構成では、磁気飽和を起こさないように鉄心の大きなパルストランスＰＴを使う必要があるため、パルストランスＰＴが大型化・大重量化する。

また、後述するように１つの高電圧放電回路Ｓ１に対してサイリスタ１１を複数用いる構成の場合では、サイリスタ１１の数に応じたパルストランスＰＴを用意する必要があるため、益々装置の大型化・大重量化を招く。すなわち、従来のパルストランスＰＴを用いた場合では高圧放電用半導体スイッチ回路全体におけるパルストランスＰＴの占める体積や重量の割合は５０％を超えるため、その数が増えるにつれてその体積や重量が増大する。また、パルストランスＰＴの一次回路に誘導ノイズが誘起され、トリガー回路の誤動作に繋がるおそれがある。従って、高電圧放電回路Ｓ１をオンオフする高圧放電用半導体スイッチとして従来のパルストランスＰＴを用いるのは望ましくない。

なお、本実施の形態では、１つの高電圧放電回路Ｓ１に対して１つのスイッチ基板１０を設けた例で説明したが、高電圧放電回路Ｓ１の電圧がより高電圧の場合は、図７に示すように複数のスイッチ基板１０を直列に配置しても良い。例えば、高電圧放電回路Ｓ１の電圧が７ＫＶであってサイリスタ１１の耐圧が２．５ＫＶである場合には、図示するように３つのスイッチ基板１０を直列に配置すれば、７ＫＶ以上の耐圧（２，５ＫＶ×３＝７．５ＫＶ）を発揮することができる。

この場合、各スイッチ基板１０を同期して駆動させるための同期回路が必要となるが、例えば１つの光パルスジェネレータ２５から各ドライブ基板２０，２０，２０に同時に光トリガー信号を入力するように構成すれば容易に同期駆動することが可能となる。また、スイッチ基板１０ごとにそれぞれドライブ基板２０が必要になってくるが、高周波インバータ基板３０は１つで兼用可能であり、これにより高圧放電用スイッチ２００の全体構成をより簡略化できる。

１００…電磁成形装置
１１０…充電器
１２０…メインコンデンサ
１３０…インダクタ（電磁コイル）
２００…高圧放電用半導体スイッチ
１０…スイッチ基板
１１…サイリスタ（ＳＣＲ）
２０…ドライブ基板
２１…高周波トランス
２２…整流回路
２３…光電気変換回路
２４…増幅器
２５…光パルスジェネレータ
２６…シールドボックス
２７…モールド絶縁
３０…高周波インバータ基板
３１…発信回路
３２…増幅器
３３…低損失スイッチング素子
４０…ノイズ除去回路

Claims (7)

1. 高圧放電回路をゲートパルス電流でオンオフ制御するサイリスタを含むスイッチ基板と、前記サイリスタのゲート回路にゲートパルス電流を供給して駆動するドライブ基板と、当該ドライブ基板に駆動用電流を高周波パルスで供給する高周波インバータ基板とを有し、
   前記ドライブ基板は、前記高周波インバータ基板から供給された高周波パルス電流を変圧する高周波トランスと、当該高周波トランスで変圧された高周波パルス電流を整流する整流回路と、光信号を受信してパルス状のデジタル信号に変換する光電気変換回路と、当該光電気変換回路で変換したデジタル信号に基づいて前記サイリスタが動作する電流値まで増幅したゲートパルス電流を供給する増幅器とを備えることを特徴とする高圧放電用半導体スイッチ。
2. 請求項１に記載電磁成形用高圧放電用半導体スイッチにおいて、
   前記サイリスタは、ゲートパルス入力幅が３ｍｓ前後のゲートパルス電流で動作すると共に、
   前記ドライブ基板は、５μｓ以内に６アンペア以上に達する急峻なパルス波形のゲートパルス電流を供給することを特徴とする高圧放電用半導体スイッチ。
3. 請求項２に記載の高圧放電用半導体スイッチにおいて、
   前記ドライブ基板の光電気変換回路は、ゲートパルス入力幅内においてゲートパルス電流をさらに短い時間で繰り返しオンオフすることを特徴とする高圧放電用半導体スイッチ。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の高圧放電用半導体スイッチにおいて、
   前記ドライブ基板の高周波トランスと、整流回路と、ゲートパルス変換回路と、増幅器とをシールドボックス内に封入すると共に、前記整流回路と、ゲートパルス変換回路と、増幅器とをモールド絶縁処理したことを特徴とする高圧放電用半導体スイッチ。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の高圧放電用半導体スイッチにおいて、
   前記ドライブ基板とスイッチ基板との間にノイズ除去回路を設けたことを特徴とする高圧放電用半導体スイッチ。
6. 放電回路に前記請求項１乃至５のいずれかの高圧放電用半導体スイッチを備えたことを特徴とする電磁成形装置。
7. 放電回路に前記請求項１乃至５のいずれかの高圧放電用半導体スイッチを複数直列に備えると共に、前記各高圧放電用半導体スイッチを同期させて動作させる同期回路を備えたことを特徴とする電磁成形装置。

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