JP3556120B2 - 共振形スイッチング電源装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は出力設定範囲が広い共振形スイッチング電源装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
溶接用電源装置では,例えば定格溶接電流が250Aの場合,最低の出力が10A以下まで使用される。すなわち,溶接用電源装置は制御範囲が非常に広く使用されている。
【0003】
一方,溶接用電源装置は,小型,軽量,高力率の利点をもつPWM方式のスイッチングレギュレータが多く使用されている。しかし,スイッチング周波数が20kHz以下の場合には大きな問題はないが,100kHz以上になると,スイッチング素子の浮遊容量の影響を受け,スイッチング素子のオンオフ転換時におけるスイッチング素子の両端の電圧波形で,重なり合う部分がスイッチング損失となって損失が増加する。スイッチング損失が増加すると,電力変換効率が低下するとともに発熱する。このため,大きな放熱器を必要とし,電源装置の小型化の妨げとなる。
【0004】
この問題を解決するために,図4に示す共振形スイッチング電源装置がある。図4において,2は直流電源で,通常商用の交流電源を整流して形成される。4は入力の直流電圧を高周波交流に変換するインバータであり,直流電源2の出力間に直列接続されたコンデンサ6a,6bと,直列接続され交互にオンオフスイッチングされるスイッチング素子8a,8bとにより構成されている。インバータ4の出力は,コンデンサ6aと6bとの接続点Bと,スイッチング素子8aと8bとの接続点Aとから取り出される。インバータ4の出力には出力トランス12の1次巻線12Pが接続され,インバータ4の出力の高周波交流を変圧して出力する。出力トランス12の2次巻線12Sの一端には,共振用リアクトル14a,14bの一部が接続され,共振用リアクトル14a,14bの他端には出力整流器16a,16bが設けられている。また,出力整流器16a,16bのそれぞれの他端と,2次巻線12Sの他端との間には,共振用コンデンサ18a,18bが設けられ,出力トランス12から出力される高周波交流を整流している。出力整流器16aの出力には平滑用リアクトル20が設けられ,整流された直流が平滑され,出力端子22P,22Nを介して図示しない負荷に直流が供給される。
【0005】
26は負荷に流れる出力電流を検出する電流検出器,30はインバータ4のスイッチング素子8a,8bをオンオフスイッチさせるスイッチ制御信号を出力させるスイッチ制御信号形成装置であり,電流検出器26の検出信号に応じてスイッチ制御信号形成装置30を制御し,スイッチング素子8a,8bをオンオフスイッチさせ,出力電流を定電流制御させている。
【0006】
今,第1のスイッチング素子8aが,図5で示すようにスイッチ制御信号形成装置30の制御信号によりオンしたとすると,直流電源2,スイッチング素子8a,出力トランス12の1次巻線12P,コンデンサ6bに電流が流れ,出力トランス12から高周波を出力する。この出力トランス12の2次巻線12S,第1の共振用リアクトル14a,第1の出力整流器16a,第1の共振用コンデンサ18aの共振回路に電流が流れる。
【0007】
この電流は図5(b)に示すように共振の弧を描いて0から徐々に上昇していき,スイッチング素子8aのターンオン時のスイッチング損失はほとんど発生することなくオン状態に移行する。その後,電流は共振の弧に沿って減少していき0に達する。
【0008】
一方,第2のスイッチング素子8bが,図5(a)に示すようにスイッチング制御信号形成装置30の制御信号によりオンしたとすると,直流電源2,コンデンサ6a,出力トランス12の1次巻線12P,スイッチング素子8bに電流が流れ,出力トランス12から高周波電圧が出力する。そして,2次巻線12S,第2の共振用コンデンサ18b,第2の出力整流器16b,第2の共振用リアクトル14bの共振回路に電流が流れる。この電流は図5(b)に示すように共振の弧を描いて0から徐々に上昇していき,スイッチング素子8bのターンオン時のスイッチング損失はほとんど発生することなくオン状態に移行する。その後,電流は共振の弧に沿って減少していき0に達する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところが,第1スイッチング素子8a及び第2スイッチング素子8bのオン時間を共振用リアクトル14a又は14bと,共振用コンデンサ18a又は18bの共振回路の共振周期よりも短くならない範囲で制御しなければ損失が増加することになる。このため,出力設定範囲が狭く,小電流の制御ができなくなっていた。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の共振形スイッチング電源は,直流電源と,上記直流電源と並列に直列接続された少なくとも1対のスイッチング素子を有するインバータと,上記インバータの出力に設けられ高周波交流を出力する出力トランスと,上記出力トランスの出力に設けられた共振用リアクトル又は上記出力トランスのリーケージインダクタンスと,共振用コンデンサとにより形成される共振回路と,上記高周波交流を整流し,負荷に直流電圧を出力する出力整流器と,上記スイッチング素子にオンオフスイッチさせるスイッチ制御信号を出力させるスイッチ制御信号形成装置を備えた共振形スイッチング電源装置において,上記負荷に流れる電流を検出する電流検出器と,検出信号が所定値より低下したとき,上記スイッチ制御信号の一部を強制的にオフさせる周波数変更指令装置を設けたものである。
【0011】
すなわち,インバータは直流電源から直流電圧の供給を受け,高周波交流を出力する。インバータの出力に設けられた出力トランスにより,高周波交流を出力する。この高周波交流は共振用リアクトルと共振用コンデンサ又は出力トランスに設けられたリーケージインダクタンスと共振用コンデンサによりインバータの周波数より高い周波数で共振している。この高周波交流は出力整流器により整流され,負荷に直流が供給されている。これによりインバータのスイッチング素子はターンオン時,スイッチング損失は小さい。
【0012】
又,負荷に流れる電流は電流検出器により検出され,この検出信号が基準電源と比較され,所定値より低下したときは,周波数変更指令装置により,スイッチング素子にオンオフスイッチ制御信号を入力するスイッチ制御信号形成装置を指令して,スイッチ制御信号の一部を強制的にオフさせて周波数を低周波数化して出力設定の範囲を広げている。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明を,その一実施の形態を示した図1に基づき説明する。図1のものが図4のものと異なる点は,図1のものは電流検出器により検出された検出信号が所定値より低下したとき,スイッチ制御信号の一部を強制的にオフさせる周波数変更指令装置を設けたものである。
【0014】
すなわち,2は直流電源で通常商用の交流電源を整流して形成されている。4は入力の直流電圧を周波数交流に変換するインバータであり,直流電源2の出力PN間に直列接続されたコンデンサ6a,6bと,直列接続され交互にオンオフスイッチングされるスイッチング素子8a,8bとにより構成されている。インバータ4の出力はコンデンサ6aと6bとの接続点Bと,スイッチング素子8aと8bとの接続点Aとから取り出され,インバータ4の出力には出力トランス12の1次巻線12Pが接続され,インバータ4の出力の高周波交流を変圧して出力する。出力トランス12の2次巻線12Sの一端には共振用リアクトル14aと,14bの一端とが接続され,共振用リアクトル14aの他端には出力整流器16aのアノードが設けられている。また,出力整流器16aのカソードと2次巻線12Sの他端との間には,共振用コンデンサ18aが設けられ,出力トランス12から出力される高周波交流を整流している。共振用リアクトル14bの他端には出力整流器16bのカソードが設けられている。また,出力整流器16bのアノードと2次巻線12Sの他端には,共振用コンデンサ18bが設けられ,出力トランス12から出力される高周波交流を整流している。出力整流器18aの出力には平滑用リアクトル20が設けられ,整流された直流が平滑され,出力端子22P,22Nを介して図示しない負荷に直流が供給される。
【0015】
26は負荷に流れる出力電流を検出する電流検出器,30はインバータ4のスイッチング素子8a,8bをオンオフスイッチさせるスイッチ制御信号を出力させるスイッチ制御信号形成装置であり,電流検出器26の検出信号に応じてスイッチ制御信号形成装置30を制御し,スイッチング素子8a,8bをオンオフスイッチさせ出力電流を定電流制御させている。
【0016】
今,第1のスイッチング素子8aが,図2(a)に記すようにスイッチング制御信号形成装置30の制御信号によりオンしたとすると,直流電源2,スイッチング素子8a,出力トランス12の1次巻線12p,コンデンサ6bに電流が流れ,出力トランス12から高周波を出力する。これにより2次巻線12S,第1の共振用リアクトル14a,第1の出力整流器16a,第1の共振用コンデンサ18aの共振回路に電流が流れる。
【0017】
この電流は図2(b)に示すように,共振の弧を描いて0から徐々に上昇していき,スイッチング素子8aのターンオン時のスイッチング損失はほとんど発生することなく,オン状態に移行する。この後,電流は共振の弧に沿って減少していき0に達する。
【0018】
一方,第2のスイッチング素子8bが,図2(a)に示すようにスイッチ制御信号形成装置30の制御信号によりオンしたとすると,直流電源2,コンデンサ6a,出力トランス12の1次巻線12P,スイッチング素子8bに電流が流れ,出力トランス12から高周波電圧が出力する。そして2次巻線12S,第2の共振用コンデンサ18b,第2の出力整流器16b,第2の共振用リアクトル14bの共振回路に電流が流れる。
【0019】
この電流は,図2(b)に示すように共振の弧を描いて0から徐々に上昇していき,スイッチンク素子8bのターンオン時のスイッチング損失はほとんど発生することがなく,オン状態に移行する。その後,電流は共振の弧に沿って減少していき,0に達する。
【0020】
さらに,32は周波数変更指令装置で,電流検出器26により検出された信号が,周波数変更指令装置32により基準電源34の基準値と比較される。そして検出信号が基準値より低下すると,周波数変更指令装置32からスイッチ制御信号の一部を図3(c)の破線で示す部分を強制的にオフするように,スイッチ制御信号形成装置30を指令し,周波数を低周波化して,出力設定範囲を広げている。なお,図3(a)は出力が大電流設定時のスイッチ制御信号の波形図で,図3(b)は出力が小電流時のスイッチ制御信号の波形図である。
【0021】
上記実施の形態では,インバータ4がスイッチング素子とコンデンサとによるハーフブリッジで構成されているが,コンデンサ6a,6bをスイッチング素子にしてフルブリッジ構成であってもよい。
【0022】
また,上記実施の形態では,共振用リアクトル14a,14bを設けていたが,共振用リアクトルに代えて出力トランス12の2次巻線側にリーケージインダクタンスを持たせてもよい。
【0023】
【発明の効果】
本発明では,スイッチング素子のスイッチング損失を低下させるとともに,出力設定の範囲を広げることができ,溶接用電源装置等の出力設定範囲の広い電源に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の共振形スイッチング電源の一実施形態を示すブロック図である。
【図2】図1の各部波形のタイムチャート図である。
【図3】図1のスイッチ制御信号のタイムチャート図である。
【図4】従来の共振形スイッチング電源のブロック図である。
【図5】図4の各部波形のタイムチャート図である。
【符号の説明】
2 直流電源
4 インバータ
6a,6b コンデンサ
8a,8b スイッチング素子
12 出力トランス
14a,14b 共振用リアクトル
16a,16b 出力整流器
18a,18b 共振用コンデンサ
20 平滑リアクトル
26 電流検出器
30 スイッチ制御信号形成装置
32 周波数変更指令装置
34 基準電源
Claims (1)
- 直流電源と,上記直流電源と並列に直列接続された少なくとも1対のスイッチング素子を有するインバータと,上記インバータの出力に設けられ高周波交流を出力する出力トランスと,上記出力トランスの出力に設けられた共振用リアクトル又は上記出力トランスのリーケージインダクタンスと,共振用コンデンサとにより形成される共振回路と,上記高周波交流を整流し,負荷に直流電圧を出力する出力整流器と,上記スイッチング素子にオンオフスイッチさせるスイッチ制御信号を出力させるスイッチ制御信号形成装置を備えた共振形スイッチング電源装置において,上記負荷に流れる電流を検出する電流検出器と,検出信号が所定値より低下したとき,上記スイッチ制御信号の一部を強制的にオフさせる周波数変更指令装置を設けたことを特徴とする共振形スイッチング電源装置。
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