JP4109476B2 - 定電力出力電源装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電源装置の技術分野にかかり、特に、定電力出力に適した電源装置の技術分野に関する。
【０００２】
【従来の技術】
成膜装置等、一定の装置においては定電力出力が可能な電源装置が求められている。
【０００３】
図１５の符号１０２は、その電源装置の例であり、一次側の副変換部１０７と、トランスＴと、二次側整流回路１２４と、平滑回路１２７とを有している。
【０００４】
トランスＴは、一次巻線Ｗ1と二次巻線Ｗ2とを有しており、副変換部１０７は、４個のトランジスタＱ1〜Ｑ4を有している。４個のトランジスタＱ1〜Ｑ4と一次巻線Ｗ1とは、Ｈブリッジ回路を構成しており、該Ｈブリッジ回路には、直流電圧源１１０が出力する直流電圧が印加されている。
【０００５】
Ｈブリッジ回路は、一次巻線Ｗ1を介して接続された、２個のトランジスタ(Ｑ1、Ｑ2)、(Ｑ3、Ｑ4)が一組となり、一方の組みのトランジスタＱ1、Ｑ2が導通したときと、他方の組みのトランジスタ(Ｑ3、Ｑ4)が導通したときとでは、一次巻線Ｗ1には、逆方向の電流が流れるようになっている。即ち、一方の組と他方の組みが交互に導通することで、一次巻線Ｗ1には交流電流が流れる。
【０００６】
一次巻線Ｗ1と二次巻線Ｗ2とは磁気結合されており、一次巻線Ｗ1に交流電流が流れると、二次巻線Ｗ2に交流電圧が誘起される。
【０００７】
整流回路１２４は、ブリッジ接続された４個のダイオードＤ1〜Ｄ4によって構成されている。二次巻線Ｗ2に誘起された交流電圧は、整流回路１２４で全波整流され、平滑回路１２７に出力される。ここでは、第一組目のトランジスタ(Ｑ1、Ｑ2)が導通している間、一組のダイオード(Ｄ1、Ｄ2)が順バイアスされ、第二組目のトランジスタ(Ｑ3、Ｑ4)が導通している間、他の一組のダイオード(Ｄ3、Ｄ4)が順バイアスされ、平滑回路１２７に電流が供給される。
【０００８】
平滑回路１２７は、インダクタンス素子１２５とコンデンサ１２６とを有しており、整流回路１２４から供給された電流を平滑し、出力端子３８と接地端子３９の間に出力する。
【０００９】
符号１２８は負荷であり、出力端子３８と接地端子３９の間に接続され、電源装置１０２から直流の出力電圧Ｖ0と出力電流Ｉ0が供給される。
【００１０】
定電力制御されるときには、トランスの利用効率が悪くなり、また一次側実効値電流の増大による効率の低下等の問題がある。
【００１１】
また、負荷１２８に供給される出力電圧Ｖ0と出力電流Ｉ0の最大値の積でトランスが設計されるため、定電力制御されるときには、一次巻線Ｗ1や二次巻線Ｗ2の利用効率が悪いという問題がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、定電力制御に適した電源装置と、その電源装置を制御する制御方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、直流電圧源から交流電流を生成する主変換部と、前記主変換部からそれぞれ交流電流が供給される第１〜第４の一次巻線と、前記第１〜第４の一次巻線にそれぞれ磁気結合された第１〜第４の二次巻線と、前記第１〜第４の二次巻線に誘起される交流電圧を整流し、カソード接続点とアノード接続点に出力する整流回路と、前記カソード接続点と前記アノード接続点に出力された電圧を平滑する平滑回路とを有し、前記整流回路は、整流素子が第１〜第５の接続点でそれぞれ直列接続された第１〜第５の整流素子直列回路を有し、前記第１〜第４の二次巻線はこの順序で直列接続され、前記第１〜第４の二次巻線が直列接続された回路の両端と、前記第１〜第４の二次巻線が互いに接続された部分は、それぞれ前記第１〜第５の接続点に接続され、前記第１〜第５の整流素子直列回路のカソード側とアノード側は、カソード接続点とアノード接続点でそれぞれ互いに接続され、前記カソード接続点と前記アノード接続点に生じる電圧が、前記平滑回路で平滑され、出力端子から負荷に供給されるように構成され、制御回路により、前記第１〜第４の二次巻線に誘起される交流電圧の位相を制御し、前記第１〜第４の二次巻線を直列接続する４直列接続運転と、前記第１、第２の二次巻線を直列接続し、前記第３、第４の二次巻線を直列接続すると共に、前記第１、第２の二次巻線の直列接続回路と前記第３、第４の二次巻線の直列接続回路を並列接続する２直列２並列接続運転を行なえるように構成された電源回路であって、前記制御回路は、該電源回路に設けられた電流センサによって出力された出力電流の大きさが、予め設定された第１の規定電流値よりも小さい間は、前記４直列接続運転を行なって前記出力端子から定電圧を出力し、前記出力電流の大きさが前記第１の規定電流値を超えると、一周期中に前記４直列接続運転と前記２直列２並列接続の両方の運転を行ない、前記出力端子から定電力を出力するように構成された電源回路である。
請求項２記載の発明は、前記制御回路により、前記第１〜第４の二次巻線に誘起される交流電圧の位相を制御し、前記第１〜第４の二次巻線を並列接続する４並列接続運転を行なえるように構成された請求項１記載の電源回路であって、前記出力電流が前記第１の規定電流値の二倍の第２の規定電流値を超えると、前記４直列接続運転を無くし、一周期中に前記２直列２並列接続運転と前記４並列接続運転との両方の運転を行ない、前記出力端子から定電力を出力するように構成された電源回路である。
請求項３記載の発明は、前記制御回路により、前記出力電流が前記第１の規定電流値の四倍の第３の規定電流値に達すると、一周期中で前記２直列２並列接続運転を無くし、前記４並列接続運転を行なって前記出力端子の電圧を低下させるように構成された請求項２記載の電源回路である。
請求項４記載の発明は、交流電流がそれぞれ供給される第１〜第４の一次巻線と、前記第１〜第４の一次巻線にそれぞれ磁気結合された第１〜第４の二次巻線と、前記第１〜第４の二次巻線に誘起される交流電圧を整流し、カソード接続点とアノード接続点に出力する整流回路とを有し、前記カソード接続点と前記アノード接続点に出力された電圧を平滑して出力端子から負荷に供給する電源装置の出力電圧を制御する制御方法であって、前記第１〜第４の二次巻線に誘起される交流電圧の位相を制御し、前記出力端子から出力される出力電流の大きさが予め設定された第１の規定電流値よりも小さい間は、前記第１〜第４の二次巻線を直列接続する４直列接続運転を行なって前記出力端子から定電圧を出力し、前記出力電流の大きさが前記第１の規定電流値を超えると、一周期中に、前記４直列接続運転と、前記第１、第２の二次巻線を直列接続し前記第３、第４の二次巻線を直列接続すると共に前記第１、第２の二次巻線の直列接続回路と前記第３、第４の二次巻線の直列接続回路を並列接続する２直列２並列接続運転との両方の運転を行ない、前記出力端子から定電力を出力する電源装置の制御方法である。
請求項５記載の発明は、前記第１〜第４の二次巻線に誘起される交流電圧の位相を制御し、前記出力電流が前記第１の規定電流値の二倍の第２の規定電流値を超えると、前記４直列接続運転を無くし、一周期中に前記２直列２並列接続運転と、前記第１〜第４の二次 巻線を並列接続する４並列接続運転の両方を行ない、前記出力端子から定電力を出力する電源装置の制御方法である。
請求項６記載の発明は、前記第１〜第４の二次巻線に誘起される交流電圧の位相を制御し、前記出力電流が前記第１の規定電流値の四倍の第３の規定電流値に達すると、一周期中で前記２直列２並列接続運転を無くし、前記４並列接続運転を行なって前記出力端子の電圧を低下させる電源装置の制御方法である。
【００１４】
本発明は上記のように構成されており、第２〜第４の接続点には、２個の二次巻線の端子が接続されており、第１〜第４の二次巻線に誘起される電圧の極性を制御することで、４個の二次巻線のうちの２個以上の二次巻線を直列接続できるようになっている。
【００１５】
また、整流回路は、第１〜第４の二次巻線に誘起された電圧を個別に整流可能であるから、４個の二次巻線のうちの２個以上の二次巻線を並列接続させることができる。
【００１６】
従って、出力電圧が大きく、出力電流が小さい場合は、第１〜第４の二次巻線を直列接続し、出力電流が大きくなると、各二次巻線に誘起される電圧の位相を制御し、電源装置の動作期間中に含まれる並列接続期間の長さや、並列接続される二次巻線の個数を増加させ、出力電流を増加させながら出力電圧を低下させることができる。
【００１７】
出力電流と出力電圧の積を一定値に維持しながら出力電圧を低下させれば、定電力制御になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１の符号２は、本発明の一例の電源装置を示している。
この電源装置２は、主変換部７と、第１〜第４のトランス８1〜８4と、整流回路２４と、平滑回路２７とを有している。
【００１９】
第１〜第４のトランス８1〜８4内には、第１〜第４の一次巻線１３1〜１３4と、該第１〜第４の一次巻線１３1〜１３4とそれぞれ磁気結合された第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4とが設けられている。
【００２０】
第１〜第４の一次巻線１３1〜１３4の巻数は互いに等しく、且つ、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4の巻数も互いに等しくされており、第１〜第４の一次巻線１３1〜１３4の巻数をｎ1、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4の巻数をｎ2とすると、第１〜第４のトランス８1〜８4の巻線比ｎ2／ｎ1＝Ｎは互いに等しくなっている。
【００２１】
主変換部７内には、第１〜第４の副変換部７1〜７4が設けられている。
各副変換部７1〜７4は直流電圧源１０に接続されており、直流電圧源１０が出力する直流電圧Ｖinが印加されている。各副変換部７1〜７4は、直流電圧Ｖinから交流電流を生成し、第１〜第４の一次巻線１３1〜１３4にそれぞれ供給する。第１〜第４の副変換部７1〜７4には、上記図１５の電源回路１０２の副変換部１０７と同様に、４個のトランジスタを設け、第１〜第４の一次巻線１３1〜１３4と、それぞれＨブリッジ回路を形成することで、第１〜第４の一次巻線１３1〜１３4に交流電流を流すことができる。
【００２２】
第１〜第４の副変換部７1〜７4により、第１〜第４の一次巻線１３1〜１３4に交流電流が流れると、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4に交流電圧が誘起される。
【００２３】
第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4は、この順序で直列接続されている。即ち、第１の二次巻線２３1の一端は、第２の二次巻線２３2の一端に接続され、該第２の二次巻線２３2の他端は第３の二次巻線２３3の一端に接続され、該第３の二次巻線２３3の他端は第４の二次巻線２３4の一端に接続されており、第１、第４の二次巻線２３1、２３4の他端を除き、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4は互いに接続されている。
【００２４】
整流回路２４内には、第１〜第５の整流素子直列回路３１1〜３１5を有している。この第１〜第５の整流素子直列回路３１1〜３１5は、ＰＮ接合ダイオードやショットキー接合ダイオード等の整流素子５１ａ〜５５ａ、５１ｂ〜５５ｂが直列接続されて構成されている。
【００２５】
図１の符号ａ1は、第１の整流素子直列回路３１1内の整流素子５１ａ、５１ｂが互いに直列接続された第１の接続点を示しており、同様に、符号ａ2〜ａ5は、第２〜第５の接続点を示している。この第２〜第５の接続点は、ａ2〜ａ5は、第２〜第５の整流素子直列回路３１2〜３１5内の整流素子５２ａ〜５５ａ、５２ｂ〜５５ｂが互いに直列接続された部分である。
【００２６】
第１の二次巻線２３1の両端のうち、第２の二次巻線２３2に接続されていない方の端子は第１の接続点ａ1に接続されている。第１の二次巻線２３1と第２の二次巻線２３2が接続された部分は、第２の接続点ａ2に接続されており、同様に、第２の二次巻線２３2と第２の二次巻線２３3とが接続された部分と、第３の二次巻線２３3と第４の二次巻線２３4とが接続された部分は、それぞれ第３、第４の接続点ａ3、ａ4に接続されており、第４の二次巻線２３4の端子のうち、第３の二次巻線２３3に接続されていない方の端子は第５の接続点ａ5に接続されている。
【００２７】
第１〜第５の整流素子直列回路３１1〜３１5のカソード側の端子は、カソード接続点３６に全て接続されており、アノード側の端子は、アノード接続点３７に全て接続されている。従って、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4に交流電圧が誘起されると、その交流電圧は、第１〜第５の整流素子直列回路３１1〜３１5によって整流され、カソード側接続点３６に正電圧、アノード側接続点３７に負電圧が印加されるようになっている。
【００２８】
カソード側接続点３６は、インダクタンス素子２５を介して、出力端子３８に接続されている。アノード側接続点３７は、接地端子３９に接続されている。
【００２９】
出力端子３８と接地端子３９の間にはコンデンサ２６が接続されており、負荷２８は、コンデンサ２６に対して並列に、出力端子３８と接地端子３９の間に接続されるようになっている。
【００３０】
このコンデンサ２６とインダクタンス素子２５とで平滑回路２７が構成されており、整流回路２４によって整流された電圧は、平滑回路２７によって平滑され、負荷２８に供給される。
【００３１】
この電源回路２は、制御回路９を有しており、制御回路９は、出力端子３８から負荷２８に出力される出力電圧Ｖ0(即ち、出力端子３８と接地端子３９の間の電圧)と、負荷２８に供給される出力電流Ｉ0を検出し、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4に生じる交流電圧の位相を変化させ、図１３のグラフに示すように、出力電圧Ｖ0と出力電流Ｉ0を制御する。制御回路９は、出力端子３８の電圧は直接検出するが、接地端子３９に電流センサ４６を設け、出力電流Ｉ0を接地端子３９に流れる電流として検出している。
【００３２】
第１〜第４の副変換部７1〜７4は、第１〜第４の一次巻線１３1〜１３4に流す交流電流の導通期間及び位相を制御することで、第１〜第２の二次巻線２３1〜２３4に誘起される交流電圧の周波数、位相、及び正電圧と負電圧の発生期間を制御している。
【００３３】
主変換部７により、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4に誘起される交流電圧の周波数は等しく、且つ、その交流電圧のうち、正電圧の期間と負電圧の期間が等しくなるように制御されている。
【００３４】
また、正電圧が誘起される期間と負電圧が誘起される期間の比をデューティとすると、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4のデューティは全て“１”になっている。
【００３５】
出力電流Ｉ0が増加する場合を例にとって電源回路２の動作を説明すると、予め第１の規定電流値Ｉ1が設定されており、電源装置２は、出力電流Ｉ0が第１の規定電流値Ｉ1よりも小さいうちは、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4の位相を一致させ、各二次巻線２３2〜２３4に同極性の電圧を誘起させ、接続点ａ2〜ａ4に同極性の電圧を印加する。
【００３６】
例えば、第１の二次巻線２３1に正極性の電圧が誘起され、第１の接続点ａ1に正電圧を印加される場合は、第２〜第４の二次巻線２３2〜２３4にも正極性の電圧が誘起され、第２〜第４の接続点ａ2〜ａ4に正電圧が印加される。逆に、第１の二次巻線２３1に負極性の電圧が誘起され、第１の接続点ａ1に負電圧が印加される場合は、第２〜第４の二次巻線２３2〜２３4にも負極性の電圧が誘起され、第２〜第２の接続点ａ2〜ａ4にも負電圧が印加される。
【００３７】
このときの第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4の誘起電圧Ｖ２３1〜Ｖ２３4の模式的な波形を図８に示す。この図８及び後述する図９〜図１２において、第１の二次巻線２３1では、その第１の二次巻線２３1の第１の接続点ａ1側の端子に正極性の電圧が誘起される場合を正電圧とし、同様に、第２〜第４の二次巻線２３2〜２３4では、それぞれ接続点ａ2〜ａ4側の端子に正極性の電圧が誘起される場合を正電圧としてある。
【００３８】
第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4の誘起電圧Ｖ２３1〜Ｖ２３4の位相は一致しているため、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4には、時刻ｔ11において、一斉に正極性の電圧が誘起され、時刻ｔ12において誘起電圧がゼロになり、次いで、時刻ｔ13において、一斉に負極性の電圧が誘起される。
【００３９】
図８の符号４Ｓは、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4の全てに同極性の電圧が誘起されている期間(４直列接続期間)を示している。
【００４０】
そして、各二次巻線２３1〜２３4に誘起される電圧の極性が反転するとき、即ち期間４Ｓの間には、副変換部７1〜７4が構成するＨブリッジ回路のトランジスタに貫通電流が流れないように、一旦Ｈブリッジ内の全トランジスタが遮断し、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4に誘起される電圧がゼロＶになる。その期間は符号Ｄで示してあり、期間Ｄ中の二次巻線には電流は流れない。
【００４１】
但し、その期間Ｄは、各二次巻線２３1〜２３4に誘起される交流電圧の１周期Ｔと比較するとごく短い期間であるから、電源装置２の運転上、無視することができる。
【００４２】
第１〜第５の接続点ａ1〜ａ5の電圧を符号Ｅ1〜Ｅ5で表すと、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4に正極性の電圧が誘起され、接続点ａ1〜ａ4に正電圧が印加されると、電圧Ｅ1〜Ｅ5は、Ｅ5＜Ｅ4＜Ｅ3＜Ｅ2＜Ｅ1 の関係となり、その結果、整流回路２４内の整流素子５１ａ〜５５ａ、５１ｂ〜５５ｂのうち、最高電圧となる第１の接続点ａ1をアノード端子とする整流素子５１ａと、最低電圧となる第５の接続点ａ5をカソード端子とする整流素子５５ｂだけが順バイアスされ、図２の破線に示すように電流が流れる。
【００４３】
この状態では、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4は、第１の二次巻線２３1を最高電圧として第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4が直列接続された状態になっている。
【００４４】
逆に、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4に負極性の電圧が誘起されると、Ｅ1＜Ｅ2＜Ｅ3＜Ｅ4＜Ｅ5 となり、第１の接続点ａ1の電圧Ｅ1が最低電圧、第５の接続点ａ5の電圧Ｅ5が最高電圧となるから、第１の接続点ａ1をカソード端子とする整流素子５１ｂと、第５の接続点ａ5をアノード端子とする整流素子５５ａだけが順バイアスされ、図３の破線に示すように電流が流れる。この状態では、第４の二次巻線２３4を最高電圧として、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4が直列接続されている。
【００４５】
上述したように、各トランス８1〜８4の巻数比Ｎは互いに等しい値であり、各一次巻線１３1〜１３4には、同じ直流電圧Ｖinが印加されているから、第１〜第４の副変換部７1〜７4の動作に伴う電圧降下や、各トランス８1〜８4内での損失が無く、理想状態にあるものとすると、各二次巻線２３1〜２３4に誘起される電圧は、±Ｎ・Ｖinの大きさである。
【００４６】
従って、整流回路２４の動作に伴う電圧降下や配線のロスが無く、二次側の回路も理想状態にあるものとすると、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4が直列接続された場合には、整流回路２４には４Ｎ・Ｖinの電圧が発生し、平滑回路２７で平滑されて負荷２８に供給される。
【００４７】
従って、出力電流Ｉ0が第１の規定電流値Ｉ1よりも小さく、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4が直列接続されている場合、理想状態では出力電流Ｉ0の大きさによらずに、４Ｎ・Ｖinの大きさの出力電圧Ｖ0が維持される。即ち、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4が直列接続されている間は、電源装置２は定電圧モードで運転される。
【００４８】
図１３は、電源装置２の出力電圧Ｖ0と出力電流Ｉ0の間の関係を示すグラフであり、符号Ａで示す動作点から符号Ｂで示す動作点の間の動作が定電圧モードである。電圧Ｖ1は、４Ｎ・Ｖinの大きさの電圧を示している。
【００４９】
出力電流Ｉ0が第１の規定電流値Ｉ1を超えると、第１、第２の二次巻線２３1、２３2の位相に対し、第３、第４の二次巻線２３3、２３4の位相がずれ始める。図９はΔＴ1だけ位相がずれた状態を示すグラフであり、位相がずれる結果、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4に誘起される電圧の極性が全て等しい期間と、第１、第２の二次巻線２３1、２３2に誘起される電圧と、第３、第４の二次巻線２３に誘起される電圧の極性が互いに逆極性になる期間が発生する。
【００５０】
図９の符号４Ｓは、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4に誘起される電圧の極性が全て等しい期間を示しており、この期間４Ｓの間は、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4は４直列接続回路になり、整流回路２４から４Ｎ・Ｖinの電圧が出力される。
【００５１】
符号２Ｓ２Ｐは、第１、第２の二次巻線２３1、２３2に誘起される電圧の極性と、第３、第４の二次巻線２３3、２３4に誘起される電圧の極性が異なる期間(２直列２並列接続期間)である。
【００５２】
期間２Ｓ２Ｐの間の第１〜第５の接続点ａ1〜ａ5の電圧Ｅ1〜Ｅ5は、第１、第２の二次巻線２３1、２３2に正極性の電圧が誘起され、第３、第４の二次巻線２３3、２３4に負極性の電圧が誘起される場合は、Ｅ3＜Ｅ2＜Ｅ1 且つ Ｅ3＜Ｅ4＜Ｅ5 であり、巻数比が等しいことから、Ｅ2＝Ｅ4、Ｅ1＝Ｅ5であるから、アノード端子が最高電圧の接続点ａ1、ａ5に接続された整流素子５１ａ、５５ａと、カソード端子が最低電圧の接続点ａ3に接続された整流素子５３ｂが順バイアスされ、図４の点線に示すように電流が流れる。この状態では、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4は、第１、第２の二次巻線２３1、２３2が一個の２直列回路となり、第３、第４の二次巻線２３3、２３4が他の２直列回路となり、それら二個の直列回路が並列接続されている。
【００５３】
逆に、第１、第２の二次巻線２３1、２３2に負極性の電圧が誘起され、第３、第４の二次巻線２３3、２３4に正極性の電圧が誘起される場合は、Ｅ2＝Ｅ4、且つＥ1＝Ｅ5である点は正極性の電圧が誘起される場合と同じであるが、Ｅ1＜Ｅ2＜Ｅ3 、Ｅ5＜Ｅ4＜Ｅ3 である。この状態では、アノード端子が最高電圧の接続点ａ3に接続された整流素子５３ａと、カソード端子が最低電圧の接続点ａ1、ａ5に接続された整流素子５１ｂ、５５ｂが順バイアスされ、図５の点線に示すように電流が流れる。この場合も、同じ二個の直列回路が並列接続されたことになる。
【００５４】
期間２Ｓ２Ｐの間は、２直列回路の並列接続回路になるから、整流回路２４から出力される電圧は、期間４Ｓのときの半分の２Ｎ・Ｖinになる。
【００５５】
従って、１周期Ｔ中に占める期間２Ｓ２Ｐの比率が大きくなると出力電圧Ｖ0が低下する。
【００５６】
この電源装置２では、制御回路９が、電流センサ４６によって出力電流Ｉ0の大きさを測定しており、１周期中の期間４Ｓに対する期間２Ｓ２Ｐの長さ、即ち、期間４Ｓに対する期間２Ｓ２Ｐの比率は、出力電流Ｉ0が第１の規定電流値Ｉ1を超えた量に応じて増加するようになっている。
【００５７】
特に、この電源装置２では、出力電流Ｉ0の増加量に比例して２Ｓ２Ｐの比率が増加し、出力電圧Ｖ0×出力電流Ｉ0の値が、動作点Ｂにおける値と等しくなるように動作する。従って、この状態では、電源装置２が定電力モードで運転されることになる。
【００５８】
第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4に誘起される電圧がゼロの期間Ｄは１周期Ｔと比較するとごく短い期間であるから無視することができる。
【００５９】
そして、出力電流Ｉ0が増加し、４直列接続の期間４Ｓが図１０に示すようにゼロになると、１周期Ｔの全期間が期間２Ｓ２Ｐで占められる。この状態では、出力電圧Ｖ0は定電圧モードのときの半分の大きさになり、定電力モードでは、出力電流Ｉ0は、第１の規定電流値Ｉ1の二倍の大きさになる。
【００６０】
図１３の符号Ｃはその動作点を示しており、Ｖ2＝Ｖ1／２、Ｉ2＝Ｉ1×２である。該図１３において、動作点Ｂから動作点Ｃの間が定電力モードである。
【００６１】
図１０から分かるように、１周期Ｔが期間２Ｓ２Ｐで占められた状態では、第１、第２の二次巻線２３1、２３2に誘起される電圧に対し、第３、第４の二次巻線２３3、２３4に誘起される電圧が逆相となり、位相差が１８０°の状態になる。
【００６２】
１周期Ｔが期間２Ｓ２Ｐで占められた状態から、出力電流Ｉ0が更に増加し、第１の規定電流値Ｉ1の２倍よりも大きくなると、第２、第３の二次巻線２３2、２３3の位相に対し、第１、第４の二次巻線２３1、２３4の位相がずれる。図１１の符号ΔＴ2は、このときの位相のズレ量を示している。
【００６３】
第１、第４の二次巻線２３1、２３4の位相が第２、第３の二次巻線２３2、２３3の位相に対してずれると、第２、第３の二次巻線２３2、２３3に誘起される電圧の極性が互いに逆の状態を維持しながら、第１の二次巻線２３1の誘起電圧の極性が第２の二次巻線２３2の誘起電圧の極性と異なり、且つ、第４の二次巻線２３4の誘起電圧の極性が、第３の二次巻線２３3の誘起電圧の極性と異なる期間が発生する。
【００６４】
符号４Ｐは、その期間(４並列接続期間)を示しており、期間４Ｐの間は、第１、第３の二次巻線２３1、２３3の誘起電圧の極性が等しく、第２、第４の二次巻線２３2、２３4の誘起電圧がそれとは逆極性になる。
【００６５】
期間４Ｐにおいて、第１、第３の二次巻線２３1、２３3に正極性の電圧が誘起され、第２、第４の二次巻線２３2、２３4に負極性の電圧が誘起される場合は、第１〜第５の接続点ａ1〜ａ5の電圧Ｅ1〜Ｅ5は、Ｅ1＞Ｅ2，Ｅ2＜Ｅ3，Ｅ3＞Ｅ4，Ｅ4＜Ｅ5である。更に、各トランス８1〜８4のの巻数比が等しいから、Ｅ2＝Ｅ4，且つ Ｅ1＝Ｅ3＝Ｅ5になる。
【００６６】
その結果、正電圧が印加される接続点ａ1、ａ3、ａ5にアノード端子が接続された整流素子５１ａ、５３ａ、５５ａと、負電圧が印加される接続点ａ2、ａ4にカソード端子が接続された整流素子５２ｂ、５４ｂが順バイアスされ、図６の点線に示すように電流が流れる。
この状態では、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4の全部が並列接続された状態になる。
【００６７】
それとは逆に、第１、第３の二次巻線２３1、２３3に負極性の電圧が誘起され、第２、第４の二次巻線２３2、２３4に正極性の電圧が誘起される場合は、Ｅ1＜Ｅ2，Ｅ2＞Ｅ3，Ｅ3＜Ｅ4，Ｅ4＞Ｅ5，Ｅ2＝Ｅ4，且つ Ｅ1＝Ｅ3＝Ｅ5になり、正電圧が印加される接続点ａ2、ａ4にアノード端子が接続された整流素子５２ａ、５４ａと、負電圧が印加される接続点ａ1、ａ3、ａ5にカソード端子が接続された整流素子５１ｂ、５３ｂ、５５ｂが順バイアスされ、図７の点線に示すように電流が流れる。この状態でも、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4の全部が並列接続されている。
【００６８】
第１の規定電流値Ｉ1の二倍の電流値Ｉ2を第２の規定電流値とすると、１周期Ｔ中の期間２Ｓ２Ｐに対する期間４Ｐの長さ、即ち、期間４Ｐの期間２Ｓ２Ｐに対する比率は、出力電圧Ｖ0×出力電流Ｉ0が動作点Ｂや動作点Ｃにおける値を維持しながら、出力電流Ｉ0が第２の規定電流値Ｉ2を超えた量に応じて増加するようになっている。即ち、電源装置２は定電力モードで運転される。
【００６９】
第１の規定電流値Ｉ1の４倍の電流値を第３の規定電流値Ｉ3とすると、期間２Ｓ２Ｐと期間４Ｐが混在する状態から出力電流Ｉ0が更に増加し、第３の規定電流値Ｉ3に達すると、図１２に示すように、期間２Ｓ２Ｐがゼロになり、１周期Ｔが期間４Ｐで占められる。この状態は図１３の動作点Ｄである。
【００７０】
動作点Ｄにある状態から更に出力電流Ｉ0が増加しようとすると、定電力モードでの運転は解除され、第１〜４の副変換部７1〜７4内のＨブリッジ回路を構成するトランジスタの動作期間が短くなる。即ち、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4の電圧がゼロＶの期間が増加し、出力電流Ｉ0が減少する結果、出力電圧Ｖ0は低下する。出力電圧Ｖ0は、ほとんどゼロＶである動作点Ｅまで移行する。
【００７１】
以上説明したように、本電源装置２では、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4の接続状態を４直列から４並列まで段階的に変化させ、出力電流Ｉ0を増加させながら出力電圧Ｖ0を低下させるようになっている。
【００７２】
この場合、各二次巻線２３1〜２３4に誘起される電圧の大きさと流れる電流の大きさには変化がなく、定電力が維持されるので、負荷２８に供給される電流の最大値と電圧の最大値でトランスを設計しないで済む。
【００７３】
なお、上記実施例では、整流回路２４を構成する第１〜第５の整流素子直列回路３１1〜３１5は、２個の整流素子５１ａ〜５５ａ、５１ｂ〜５５ｂを直列接続して構成したが、例えば、図１４の第２の整流素子直列回路３１2が、並列接続した２個の整流素子５２ａ1、５２ａ2、５２ｂ1、５２ｂ2を直列接続して整流素子直列回路を構成しているように、どの整流素子直列回路を構成する整流素子であっても、２個以上の整流素子を並列接続することができる。
【００７４】
また、各整流素子直列回路を構成する整流素子は、ＰＮ接合ダイオードやショットキー接合ダイオードの他、ＭＯＳＦＥＴをダイオードとして用いることもできる。
【００７５】
更にまた、本発明は第１〜第４のトランス８1に加え、第５番目以上の第５〜第Ｍ(Ｍは６以上の整数)のトランスを追加することもできる。この場合は、整流素子直列回路はＭ＋１個必要になる。
【００７６】
そして、第１〜第Ｍのトランス８1〜８M内の第１〜第Ｍの二次巻線１３1〜１３Mに誘起される交流電圧の位相を制御し、第１〜第Ｍの二次巻線１３1〜１３Mを直列接続したときに、１個の二次巻線から出力される電圧のＭ倍の電圧が出力され、第１〜第Ｍの二次巻線１３1〜１３Mを並列接続したときに、１個の二次巻線に流れる電流のＭ倍の電流が出力される。
【００７７】
【発明の効果】
制御が容易な位相を変化させることで出力電力を一定に維持したまま出力電流を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電源装置の一例
【図２】その電源装置が４直列接続期間であって正極性の電圧が誘起されるときの電流の流れ方を説明するための図
【図３】４直列接続期間であって負極性の電圧が誘起されるときの電流の流れ方を説明するための図
【図４】２直列２並列接続期間であって正極性の電圧が誘起されるときの電流の流れ方を説明するための図
【図５】２直列２並列接続期間であって負極性の電圧が誘起されるときの電流の流れ方を説明するための図
【図６】４並列接続期間であって正極性の電圧が誘起されるときの電流の流れ方を説明するための図
【図７】４並列接続期間であって負極性の電圧が誘起されるときの電流の流れ方を説明するための図
【図８】１周期全部が４直列接続期間である場合のタイミングチャート
【図９】４直列接続期間と２直列２並列接続期間が混在する場合のタイミングチャート
【図１０】１周期全部が２直列２並列接続期間である場合のタイミングチャート
【図１１】２直列２並列接続期間と４並列接続期間が混在する場合のタイミングチャート
【図１２】１周期全部が４並列接続期間である場合のタイミングチャート
【図１３】本発明の電源装置の出力電流と出力電圧の関係を説明するためのグラフ
【図１４】整流素子直列回路を構成する整流素子を並列接続させた電源装置の例
【図１５】従来技術の電源装置の例
【符号の説明】
２……電源装置
７……主変換部
１０……直流電圧源
１３1〜１３4……第１〜第４の一次巻線
２３1〜２３4……第１〜第４の二次巻線
２４……整流回路
２７……平滑回路
３１1〜３１5……第１〜第５の整流素子直列回路
３６……カソード接続点
３７……アノード接続点
５１ａ〜５５ａ、５１ｂ〜５５ｂ……整流素子
ａ1〜ａ5……第１〜第５の接続点
４Ｓ……４直列接続期間
２Ｓ２Ｐ……２直列２並列接続期間
４Ｐ……４並列接続期間
【発明の属する技術分野】
本発明は電源装置の技術分野にかかり、特に、定電力出力に適した電源装置の技術分野に関する。
【０００２】
【従来の技術】
成膜装置等、一定の装置においては定電力出力が可能な電源装置が求められている。
【０００３】
図１５の符号１０２は、その電源装置の例であり、一次側の副変換部１０７と、トランスＴと、二次側整流回路１２４と、平滑回路１２７とを有している。
【０００４】
トランスＴは、一次巻線Ｗ1と二次巻線Ｗ2とを有しており、副変換部１０７は、４個のトランジスタＱ1〜Ｑ4を有している。４個のトランジスタＱ1〜Ｑ4と一次巻線Ｗ1とは、Ｈブリッジ回路を構成しており、該Ｈブリッジ回路には、直流電圧源１１０が出力する直流電圧が印加されている。
【０００５】
Ｈブリッジ回路は、一次巻線Ｗ1を介して接続された、２個のトランジスタ(Ｑ1、Ｑ2)、(Ｑ3、Ｑ4)が一組となり、一方の組みのトランジスタＱ1、Ｑ2が導通したときと、他方の組みのトランジスタ(Ｑ3、Ｑ4)が導通したときとでは、一次巻線Ｗ1には、逆方向の電流が流れるようになっている。即ち、一方の組と他方の組みが交互に導通することで、一次巻線Ｗ1には交流電流が流れる。
【０００６】
一次巻線Ｗ1と二次巻線Ｗ2とは磁気結合されており、一次巻線Ｗ1に交流電流が流れると、二次巻線Ｗ2に交流電圧が誘起される。
【０００７】
整流回路１２４は、ブリッジ接続された４個のダイオードＤ1〜Ｄ4によって構成されている。二次巻線Ｗ2に誘起された交流電圧は、整流回路１２４で全波整流され、平滑回路１２７に出力される。ここでは、第一組目のトランジスタ(Ｑ1、Ｑ2)が導通している間、一組のダイオード(Ｄ1、Ｄ2)が順バイアスされ、第二組目のトランジスタ(Ｑ3、Ｑ4)が導通している間、他の一組のダイオード(Ｄ3、Ｄ4)が順バイアスされ、平滑回路１２７に電流が供給される。
【０００８】
平滑回路１２７は、インダクタンス素子１２５とコンデンサ１２６とを有しており、整流回路１２４から供給された電流を平滑し、出力端子３８と接地端子３９の間に出力する。
【０００９】
符号１２８は負荷であり、出力端子３８と接地端子３９の間に接続され、電源装置１０２から直流の出力電圧Ｖ0と出力電流Ｉ0が供給される。
【００１０】
定電力制御されるときには、トランスの利用効率が悪くなり、また一次側実効値電流の増大による効率の低下等の問題がある。
【００１１】
また、負荷１２８に供給される出力電圧Ｖ0と出力電流Ｉ0の最大値の積でトランスが設計されるため、定電力制御されるときには、一次巻線Ｗ1や二次巻線Ｗ2の利用効率が悪いという問題がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、定電力制御に適した電源装置と、その電源装置を制御する制御方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、直流電圧源から交流電流を生成する主変換部と、前記主変換部からそれぞれ交流電流が供給される第１〜第４の一次巻線と、前記第１〜第４の一次巻線にそれぞれ磁気結合された第１〜第４の二次巻線と、前記第１〜第４の二次巻線に誘起される交流電圧を整流し、カソード接続点とアノード接続点に出力する整流回路と、前記カソード接続点と前記アノード接続点に出力された電圧を平滑する平滑回路とを有し、前記整流回路は、整流素子が第１〜第５の接続点でそれぞれ直列接続された第１〜第５の整流素子直列回路を有し、前記第１〜第４の二次巻線はこの順序で直列接続され、前記第１〜第４の二次巻線が直列接続された回路の両端と、前記第１〜第４の二次巻線が互いに接続された部分は、それぞれ前記第１〜第５の接続点に接続され、前記第１〜第５の整流素子直列回路のカソード側とアノード側は、カソード接続点とアノード接続点でそれぞれ互いに接続され、前記カソード接続点と前記アノード接続点に生じる電圧が、前記平滑回路で平滑され、出力端子から負荷に供給されるように構成され、制御回路により、前記第１〜第４の二次巻線に誘起される交流電圧の位相を制御し、前記第１〜第４の二次巻線を直列接続する４直列接続運転と、前記第１、第２の二次巻線を直列接続し、前記第３、第４の二次巻線を直列接続すると共に、前記第１、第２の二次巻線の直列接続回路と前記第３、第４の二次巻線の直列接続回路を並列接続する２直列２並列接続運転を行なえるように構成された電源回路であって、前記制御回路は、該電源回路に設けられた電流センサによって出力された出力電流の大きさが、予め設定された第１の規定電流値よりも小さい間は、前記４直列接続運転を行なって前記出力端子から定電圧を出力し、前記出力電流の大きさが前記第１の規定電流値を超えると、一周期中に前記４直列接続運転と前記２直列２並列接続の両方の運転を行ない、前記出力端子から定電力を出力するように構成された電源回路である。
請求項２記載の発明は、前記制御回路により、前記第１〜第４の二次巻線に誘起される交流電圧の位相を制御し、前記第１〜第４の二次巻線を並列接続する４並列接続運転を行なえるように構成された請求項１記載の電源回路であって、前記出力電流が前記第１の規定電流値の二倍の第２の規定電流値を超えると、前記４直列接続運転を無くし、一周期中に前記２直列２並列接続運転と前記４並列接続運転との両方の運転を行ない、前記出力端子から定電力を出力するように構成された電源回路である。
請求項３記載の発明は、前記制御回路により、前記出力電流が前記第１の規定電流値の四倍の第３の規定電流値に達すると、一周期中で前記２直列２並列接続運転を無くし、前記４並列接続運転を行なって前記出力端子の電圧を低下させるように構成された請求項２記載の電源回路である。
請求項４記載の発明は、交流電流がそれぞれ供給される第１〜第４の一次巻線と、前記第１〜第４の一次巻線にそれぞれ磁気結合された第１〜第４の二次巻線と、前記第１〜第４の二次巻線に誘起される交流電圧を整流し、カソード接続点とアノード接続点に出力する整流回路とを有し、前記カソード接続点と前記アノード接続点に出力された電圧を平滑して出力端子から負荷に供給する電源装置の出力電圧を制御する制御方法であって、前記第１〜第４の二次巻線に誘起される交流電圧の位相を制御し、前記出力端子から出力される出力電流の大きさが予め設定された第１の規定電流値よりも小さい間は、前記第１〜第４の二次巻線を直列接続する４直列接続運転を行なって前記出力端子から定電圧を出力し、前記出力電流の大きさが前記第１の規定電流値を超えると、一周期中に、前記４直列接続運転と、前記第１、第２の二次巻線を直列接続し前記第３、第４の二次巻線を直列接続すると共に前記第１、第２の二次巻線の直列接続回路と前記第３、第４の二次巻線の直列接続回路を並列接続する２直列２並列接続運転との両方の運転を行ない、前記出力端子から定電力を出力する電源装置の制御方法である。
請求項５記載の発明は、前記第１〜第４の二次巻線に誘起される交流電圧の位相を制御し、前記出力電流が前記第１の規定電流値の二倍の第２の規定電流値を超えると、前記４直列接続運転を無くし、一周期中に前記２直列２並列接続運転と、前記第１〜第４の二次 巻線を並列接続する４並列接続運転の両方を行ない、前記出力端子から定電力を出力する電源装置の制御方法である。
請求項６記載の発明は、前記第１〜第４の二次巻線に誘起される交流電圧の位相を制御し、前記出力電流が前記第１の規定電流値の四倍の第３の規定電流値に達すると、一周期中で前記２直列２並列接続運転を無くし、前記４並列接続運転を行なって前記出力端子の電圧を低下させる電源装置の制御方法である。
【００１４】
本発明は上記のように構成されており、第２〜第４の接続点には、２個の二次巻線の端子が接続されており、第１〜第４の二次巻線に誘起される電圧の極性を制御することで、４個の二次巻線のうちの２個以上の二次巻線を直列接続できるようになっている。
【００１５】
また、整流回路は、第１〜第４の二次巻線に誘起された電圧を個別に整流可能であるから、４個の二次巻線のうちの２個以上の二次巻線を並列接続させることができる。
【００１６】
従って、出力電圧が大きく、出力電流が小さい場合は、第１〜第４の二次巻線を直列接続し、出力電流が大きくなると、各二次巻線に誘起される電圧の位相を制御し、電源装置の動作期間中に含まれる並列接続期間の長さや、並列接続される二次巻線の個数を増加させ、出力電流を増加させながら出力電圧を低下させることができる。
【００１７】
出力電流と出力電圧の積を一定値に維持しながら出力電圧を低下させれば、定電力制御になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１の符号２は、本発明の一例の電源装置を示している。
この電源装置２は、主変換部７と、第１〜第４のトランス８1〜８4と、整流回路２４と、平滑回路２７とを有している。
【００１９】
第１〜第４のトランス８1〜８4内には、第１〜第４の一次巻線１３1〜１３4と、該第１〜第４の一次巻線１３1〜１３4とそれぞれ磁気結合された第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4とが設けられている。
【００２０】
第１〜第４の一次巻線１３1〜１３4の巻数は互いに等しく、且つ、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4の巻数も互いに等しくされており、第１〜第４の一次巻線１３1〜１３4の巻数をｎ1、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4の巻数をｎ2とすると、第１〜第４のトランス８1〜８4の巻線比ｎ2／ｎ1＝Ｎは互いに等しくなっている。
【００２１】
主変換部７内には、第１〜第４の副変換部７1〜７4が設けられている。
各副変換部７1〜７4は直流電圧源１０に接続されており、直流電圧源１０が出力する直流電圧Ｖinが印加されている。各副変換部７1〜７4は、直流電圧Ｖinから交流電流を生成し、第１〜第４の一次巻線１３1〜１３4にそれぞれ供給する。第１〜第４の副変換部７1〜７4には、上記図１５の電源回路１０２の副変換部１０７と同様に、４個のトランジスタを設け、第１〜第４の一次巻線１３1〜１３4と、それぞれＨブリッジ回路を形成することで、第１〜第４の一次巻線１３1〜１３4に交流電流を流すことができる。
【００２２】
第１〜第４の副変換部７1〜７4により、第１〜第４の一次巻線１３1〜１３4に交流電流が流れると、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4に交流電圧が誘起される。
【００２３】
第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4は、この順序で直列接続されている。即ち、第１の二次巻線２３1の一端は、第２の二次巻線２３2の一端に接続され、該第２の二次巻線２３2の他端は第３の二次巻線２３3の一端に接続され、該第３の二次巻線２３3の他端は第４の二次巻線２３4の一端に接続されており、第１、第４の二次巻線２３1、２３4の他端を除き、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4は互いに接続されている。
【００２４】
整流回路２４内には、第１〜第５の整流素子直列回路３１1〜３１5を有している。この第１〜第５の整流素子直列回路３１1〜３１5は、ＰＮ接合ダイオードやショットキー接合ダイオード等の整流素子５１ａ〜５５ａ、５１ｂ〜５５ｂが直列接続されて構成されている。
【００２５】
図１の符号ａ1は、第１の整流素子直列回路３１1内の整流素子５１ａ、５１ｂが互いに直列接続された第１の接続点を示しており、同様に、符号ａ2〜ａ5は、第２〜第５の接続点を示している。この第２〜第５の接続点は、ａ2〜ａ5は、第２〜第５の整流素子直列回路３１2〜３１5内の整流素子５２ａ〜５５ａ、５２ｂ〜５５ｂが互いに直列接続された部分である。
【００２６】
第１の二次巻線２３1の両端のうち、第２の二次巻線２３2に接続されていない方の端子は第１の接続点ａ1に接続されている。第１の二次巻線２３1と第２の二次巻線２３2が接続された部分は、第２の接続点ａ2に接続されており、同様に、第２の二次巻線２３2と第２の二次巻線２３3とが接続された部分と、第３の二次巻線２３3と第４の二次巻線２３4とが接続された部分は、それぞれ第３、第４の接続点ａ3、ａ4に接続されており、第４の二次巻線２３4の端子のうち、第３の二次巻線２３3に接続されていない方の端子は第５の接続点ａ5に接続されている。
【００２７】
第１〜第５の整流素子直列回路３１1〜３１5のカソード側の端子は、カソード接続点３６に全て接続されており、アノード側の端子は、アノード接続点３７に全て接続されている。従って、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4に交流電圧が誘起されると、その交流電圧は、第１〜第５の整流素子直列回路３１1〜３１5によって整流され、カソード側接続点３６に正電圧、アノード側接続点３７に負電圧が印加されるようになっている。
【００２８】
カソード側接続点３６は、インダクタンス素子２５を介して、出力端子３８に接続されている。アノード側接続点３７は、接地端子３９に接続されている。
【００２９】
出力端子３８と接地端子３９の間にはコンデンサ２６が接続されており、負荷２８は、コンデンサ２６に対して並列に、出力端子３８と接地端子３９の間に接続されるようになっている。
【００３０】
このコンデンサ２６とインダクタンス素子２５とで平滑回路２７が構成されており、整流回路２４によって整流された電圧は、平滑回路２７によって平滑され、負荷２８に供給される。
【００３１】
この電源回路２は、制御回路９を有しており、制御回路９は、出力端子３８から負荷２８に出力される出力電圧Ｖ0(即ち、出力端子３８と接地端子３９の間の電圧)と、負荷２８に供給される出力電流Ｉ0を検出し、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4に生じる交流電圧の位相を変化させ、図１３のグラフに示すように、出力電圧Ｖ0と出力電流Ｉ0を制御する。制御回路９は、出力端子３８の電圧は直接検出するが、接地端子３９に電流センサ４６を設け、出力電流Ｉ0を接地端子３９に流れる電流として検出している。
【００３２】
第１〜第４の副変換部７1〜７4は、第１〜第４の一次巻線１３1〜１３4に流す交流電流の導通期間及び位相を制御することで、第１〜第２の二次巻線２３1〜２３4に誘起される交流電圧の周波数、位相、及び正電圧と負電圧の発生期間を制御している。
【００３３】
主変換部７により、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4に誘起される交流電圧の周波数は等しく、且つ、その交流電圧のうち、正電圧の期間と負電圧の期間が等しくなるように制御されている。
【００３４】
また、正電圧が誘起される期間と負電圧が誘起される期間の比をデューティとすると、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4のデューティは全て“１”になっている。
【００３５】
出力電流Ｉ0が増加する場合を例にとって電源回路２の動作を説明すると、予め第１の規定電流値Ｉ1が設定されており、電源装置２は、出力電流Ｉ0が第１の規定電流値Ｉ1よりも小さいうちは、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4の位相を一致させ、各二次巻線２３2〜２３4に同極性の電圧を誘起させ、接続点ａ2〜ａ4に同極性の電圧を印加する。
【００３６】
例えば、第１の二次巻線２３1に正極性の電圧が誘起され、第１の接続点ａ1に正電圧を印加される場合は、第２〜第４の二次巻線２３2〜２３4にも正極性の電圧が誘起され、第２〜第４の接続点ａ2〜ａ4に正電圧が印加される。逆に、第１の二次巻線２３1に負極性の電圧が誘起され、第１の接続点ａ1に負電圧が印加される場合は、第２〜第４の二次巻線２３2〜２３4にも負極性の電圧が誘起され、第２〜第２の接続点ａ2〜ａ4にも負電圧が印加される。
【００３７】
このときの第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4の誘起電圧Ｖ２３1〜Ｖ２３4の模式的な波形を図８に示す。この図８及び後述する図９〜図１２において、第１の二次巻線２３1では、その第１の二次巻線２３1の第１の接続点ａ1側の端子に正極性の電圧が誘起される場合を正電圧とし、同様に、第２〜第４の二次巻線２３2〜２３4では、それぞれ接続点ａ2〜ａ4側の端子に正極性の電圧が誘起される場合を正電圧としてある。
【００３８】
第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4の誘起電圧Ｖ２３1〜Ｖ２３4の位相は一致しているため、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4には、時刻ｔ11において、一斉に正極性の電圧が誘起され、時刻ｔ12において誘起電圧がゼロになり、次いで、時刻ｔ13において、一斉に負極性の電圧が誘起される。
【００３９】
図８の符号４Ｓは、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4の全てに同極性の電圧が誘起されている期間(４直列接続期間)を示している。
【００４０】
そして、各二次巻線２３1〜２３4に誘起される電圧の極性が反転するとき、即ち期間４Ｓの間には、副変換部７1〜７4が構成するＨブリッジ回路のトランジスタに貫通電流が流れないように、一旦Ｈブリッジ内の全トランジスタが遮断し、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4に誘起される電圧がゼロＶになる。その期間は符号Ｄで示してあり、期間Ｄ中の二次巻線には電流は流れない。
【００４１】
但し、その期間Ｄは、各二次巻線２３1〜２３4に誘起される交流電圧の１周期Ｔと比較するとごく短い期間であるから、電源装置２の運転上、無視することができる。
【００４２】
第１〜第５の接続点ａ1〜ａ5の電圧を符号Ｅ1〜Ｅ5で表すと、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4に正極性の電圧が誘起され、接続点ａ1〜ａ4に正電圧が印加されると、電圧Ｅ1〜Ｅ5は、Ｅ5＜Ｅ4＜Ｅ3＜Ｅ2＜Ｅ1 の関係となり、その結果、整流回路２４内の整流素子５１ａ〜５５ａ、５１ｂ〜５５ｂのうち、最高電圧となる第１の接続点ａ1をアノード端子とする整流素子５１ａと、最低電圧となる第５の接続点ａ5をカソード端子とする整流素子５５ｂだけが順バイアスされ、図２の破線に示すように電流が流れる。
【００４３】
この状態では、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4は、第１の二次巻線２３1を最高電圧として第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4が直列接続された状態になっている。
【００４４】
逆に、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4に負極性の電圧が誘起されると、Ｅ1＜Ｅ2＜Ｅ3＜Ｅ4＜Ｅ5 となり、第１の接続点ａ1の電圧Ｅ1が最低電圧、第５の接続点ａ5の電圧Ｅ5が最高電圧となるから、第１の接続点ａ1をカソード端子とする整流素子５１ｂと、第５の接続点ａ5をアノード端子とする整流素子５５ａだけが順バイアスされ、図３の破線に示すように電流が流れる。この状態では、第４の二次巻線２３4を最高電圧として、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4が直列接続されている。
【００４５】
上述したように、各トランス８1〜８4の巻数比Ｎは互いに等しい値であり、各一次巻線１３1〜１３4には、同じ直流電圧Ｖinが印加されているから、第１〜第４の副変換部７1〜７4の動作に伴う電圧降下や、各トランス８1〜８4内での損失が無く、理想状態にあるものとすると、各二次巻線２３1〜２３4に誘起される電圧は、±Ｎ・Ｖinの大きさである。
【００４６】
従って、整流回路２４の動作に伴う電圧降下や配線のロスが無く、二次側の回路も理想状態にあるものとすると、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4が直列接続された場合には、整流回路２４には４Ｎ・Ｖinの電圧が発生し、平滑回路２７で平滑されて負荷２８に供給される。
【００４７】
従って、出力電流Ｉ0が第１の規定電流値Ｉ1よりも小さく、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4が直列接続されている場合、理想状態では出力電流Ｉ0の大きさによらずに、４Ｎ・Ｖinの大きさの出力電圧Ｖ0が維持される。即ち、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4が直列接続されている間は、電源装置２は定電圧モードで運転される。
【００４８】
図１３は、電源装置２の出力電圧Ｖ0と出力電流Ｉ0の間の関係を示すグラフであり、符号Ａで示す動作点から符号Ｂで示す動作点の間の動作が定電圧モードである。電圧Ｖ1は、４Ｎ・Ｖinの大きさの電圧を示している。
【００４９】
出力電流Ｉ0が第１の規定電流値Ｉ1を超えると、第１、第２の二次巻線２３1、２３2の位相に対し、第３、第４の二次巻線２３3、２３4の位相がずれ始める。図９はΔＴ1だけ位相がずれた状態を示すグラフであり、位相がずれる結果、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4に誘起される電圧の極性が全て等しい期間と、第１、第２の二次巻線２３1、２３2に誘起される電圧と、第３、第４の二次巻線２３に誘起される電圧の極性が互いに逆極性になる期間が発生する。
【００５０】
図９の符号４Ｓは、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4に誘起される電圧の極性が全て等しい期間を示しており、この期間４Ｓの間は、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4は４直列接続回路になり、整流回路２４から４Ｎ・Ｖinの電圧が出力される。
【００５１】
符号２Ｓ２Ｐは、第１、第２の二次巻線２３1、２３2に誘起される電圧の極性と、第３、第４の二次巻線２３3、２３4に誘起される電圧の極性が異なる期間(２直列２並列接続期間)である。
【００５２】
期間２Ｓ２Ｐの間の第１〜第５の接続点ａ1〜ａ5の電圧Ｅ1〜Ｅ5は、第１、第２の二次巻線２３1、２３2に正極性の電圧が誘起され、第３、第４の二次巻線２３3、２３4に負極性の電圧が誘起される場合は、Ｅ3＜Ｅ2＜Ｅ1 且つ Ｅ3＜Ｅ4＜Ｅ5 であり、巻数比が等しいことから、Ｅ2＝Ｅ4、Ｅ1＝Ｅ5であるから、アノード端子が最高電圧の接続点ａ1、ａ5に接続された整流素子５１ａ、５５ａと、カソード端子が最低電圧の接続点ａ3に接続された整流素子５３ｂが順バイアスされ、図４の点線に示すように電流が流れる。この状態では、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4は、第１、第２の二次巻線２３1、２３2が一個の２直列回路となり、第３、第４の二次巻線２３3、２３4が他の２直列回路となり、それら二個の直列回路が並列接続されている。
【００５３】
逆に、第１、第２の二次巻線２３1、２３2に負極性の電圧が誘起され、第３、第４の二次巻線２３3、２３4に正極性の電圧が誘起される場合は、Ｅ2＝Ｅ4、且つＥ1＝Ｅ5である点は正極性の電圧が誘起される場合と同じであるが、Ｅ1＜Ｅ2＜Ｅ3 、Ｅ5＜Ｅ4＜Ｅ3 である。この状態では、アノード端子が最高電圧の接続点ａ3に接続された整流素子５３ａと、カソード端子が最低電圧の接続点ａ1、ａ5に接続された整流素子５１ｂ、５５ｂが順バイアスされ、図５の点線に示すように電流が流れる。この場合も、同じ二個の直列回路が並列接続されたことになる。
【００５４】
期間２Ｓ２Ｐの間は、２直列回路の並列接続回路になるから、整流回路２４から出力される電圧は、期間４Ｓのときの半分の２Ｎ・Ｖinになる。
【００５５】
従って、１周期Ｔ中に占める期間２Ｓ２Ｐの比率が大きくなると出力電圧Ｖ0が低下する。
【００５６】
この電源装置２では、制御回路９が、電流センサ４６によって出力電流Ｉ0の大きさを測定しており、１周期中の期間４Ｓに対する期間２Ｓ２Ｐの長さ、即ち、期間４Ｓに対する期間２Ｓ２Ｐの比率は、出力電流Ｉ0が第１の規定電流値Ｉ1を超えた量に応じて増加するようになっている。
【００５７】
特に、この電源装置２では、出力電流Ｉ0の増加量に比例して２Ｓ２Ｐの比率が増加し、出力電圧Ｖ0×出力電流Ｉ0の値が、動作点Ｂにおける値と等しくなるように動作する。従って、この状態では、電源装置２が定電力モードで運転されることになる。
【００５８】
第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4に誘起される電圧がゼロの期間Ｄは１周期Ｔと比較するとごく短い期間であるから無視することができる。
【００５９】
そして、出力電流Ｉ0が増加し、４直列接続の期間４Ｓが図１０に示すようにゼロになると、１周期Ｔの全期間が期間２Ｓ２Ｐで占められる。この状態では、出力電圧Ｖ0は定電圧モードのときの半分の大きさになり、定電力モードでは、出力電流Ｉ0は、第１の規定電流値Ｉ1の二倍の大きさになる。
【００６０】
図１３の符号Ｃはその動作点を示しており、Ｖ2＝Ｖ1／２、Ｉ2＝Ｉ1×２である。該図１３において、動作点Ｂから動作点Ｃの間が定電力モードである。
【００６１】
図１０から分かるように、１周期Ｔが期間２Ｓ２Ｐで占められた状態では、第１、第２の二次巻線２３1、２３2に誘起される電圧に対し、第３、第４の二次巻線２３3、２３4に誘起される電圧が逆相となり、位相差が１８０°の状態になる。
【００６２】
１周期Ｔが期間２Ｓ２Ｐで占められた状態から、出力電流Ｉ0が更に増加し、第１の規定電流値Ｉ1の２倍よりも大きくなると、第２、第３の二次巻線２３2、２３3の位相に対し、第１、第４の二次巻線２３1、２３4の位相がずれる。図１１の符号ΔＴ2は、このときの位相のズレ量を示している。
【００６３】
第１、第４の二次巻線２３1、２３4の位相が第２、第３の二次巻線２３2、２３3の位相に対してずれると、第２、第３の二次巻線２３2、２３3に誘起される電圧の極性が互いに逆の状態を維持しながら、第１の二次巻線２３1の誘起電圧の極性が第２の二次巻線２３2の誘起電圧の極性と異なり、且つ、第４の二次巻線２３4の誘起電圧の極性が、第３の二次巻線２３3の誘起電圧の極性と異なる期間が発生する。
【００６４】
符号４Ｐは、その期間(４並列接続期間)を示しており、期間４Ｐの間は、第１、第３の二次巻線２３1、２３3の誘起電圧の極性が等しく、第２、第４の二次巻線２３2、２３4の誘起電圧がそれとは逆極性になる。
【００６５】
期間４Ｐにおいて、第１、第３の二次巻線２３1、２３3に正極性の電圧が誘起され、第２、第４の二次巻線２３2、２３4に負極性の電圧が誘起される場合は、第１〜第５の接続点ａ1〜ａ5の電圧Ｅ1〜Ｅ5は、Ｅ1＞Ｅ2，Ｅ2＜Ｅ3，Ｅ3＞Ｅ4，Ｅ4＜Ｅ5である。更に、各トランス８1〜８4のの巻数比が等しいから、Ｅ2＝Ｅ4，且つ Ｅ1＝Ｅ3＝Ｅ5になる。
【００６６】
その結果、正電圧が印加される接続点ａ1、ａ3、ａ5にアノード端子が接続された整流素子５１ａ、５３ａ、５５ａと、負電圧が印加される接続点ａ2、ａ4にカソード端子が接続された整流素子５２ｂ、５４ｂが順バイアスされ、図６の点線に示すように電流が流れる。
この状態では、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4の全部が並列接続された状態になる。
【００６７】
それとは逆に、第１、第３の二次巻線２３1、２３3に負極性の電圧が誘起され、第２、第４の二次巻線２３2、２３4に正極性の電圧が誘起される場合は、Ｅ1＜Ｅ2，Ｅ2＞Ｅ3，Ｅ3＜Ｅ4，Ｅ4＞Ｅ5，Ｅ2＝Ｅ4，且つ Ｅ1＝Ｅ3＝Ｅ5になり、正電圧が印加される接続点ａ2、ａ4にアノード端子が接続された整流素子５２ａ、５４ａと、負電圧が印加される接続点ａ1、ａ3、ａ5にカソード端子が接続された整流素子５１ｂ、５３ｂ、５５ｂが順バイアスされ、図７の点線に示すように電流が流れる。この状態でも、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4の全部が並列接続されている。
【００６８】
第１の規定電流値Ｉ1の二倍の電流値Ｉ2を第２の規定電流値とすると、１周期Ｔ中の期間２Ｓ２Ｐに対する期間４Ｐの長さ、即ち、期間４Ｐの期間２Ｓ２Ｐに対する比率は、出力電圧Ｖ0×出力電流Ｉ0が動作点Ｂや動作点Ｃにおける値を維持しながら、出力電流Ｉ0が第２の規定電流値Ｉ2を超えた量に応じて増加するようになっている。即ち、電源装置２は定電力モードで運転される。
【００６９】
第１の規定電流値Ｉ1の４倍の電流値を第３の規定電流値Ｉ3とすると、期間２Ｓ２Ｐと期間４Ｐが混在する状態から出力電流Ｉ0が更に増加し、第３の規定電流値Ｉ3に達すると、図１２に示すように、期間２Ｓ２Ｐがゼロになり、１周期Ｔが期間４Ｐで占められる。この状態は図１３の動作点Ｄである。
【００７０】
動作点Ｄにある状態から更に出力電流Ｉ0が増加しようとすると、定電力モードでの運転は解除され、第１〜４の副変換部７1〜７4内のＨブリッジ回路を構成するトランジスタの動作期間が短くなる。即ち、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4の電圧がゼロＶの期間が増加し、出力電流Ｉ0が減少する結果、出力電圧Ｖ0は低下する。出力電圧Ｖ0は、ほとんどゼロＶである動作点Ｅまで移行する。
【００７１】
以上説明したように、本電源装置２では、第１〜第４の二次巻線２３1〜２３4の接続状態を４直列から４並列まで段階的に変化させ、出力電流Ｉ0を増加させながら出力電圧Ｖ0を低下させるようになっている。
【００７２】
この場合、各二次巻線２３1〜２３4に誘起される電圧の大きさと流れる電流の大きさには変化がなく、定電力が維持されるので、負荷２８に供給される電流の最大値と電圧の最大値でトランスを設計しないで済む。
【００７３】
なお、上記実施例では、整流回路２４を構成する第１〜第５の整流素子直列回路３１1〜３１5は、２個の整流素子５１ａ〜５５ａ、５１ｂ〜５５ｂを直列接続して構成したが、例えば、図１４の第２の整流素子直列回路３１2が、並列接続した２個の整流素子５２ａ1、５２ａ2、５２ｂ1、５２ｂ2を直列接続して整流素子直列回路を構成しているように、どの整流素子直列回路を構成する整流素子であっても、２個以上の整流素子を並列接続することができる。
【００７４】
また、各整流素子直列回路を構成する整流素子は、ＰＮ接合ダイオードやショットキー接合ダイオードの他、ＭＯＳＦＥＴをダイオードとして用いることもできる。
【００７５】
更にまた、本発明は第１〜第４のトランス８1に加え、第５番目以上の第５〜第Ｍ(Ｍは６以上の整数)のトランスを追加することもできる。この場合は、整流素子直列回路はＭ＋１個必要になる。
【００７６】
そして、第１〜第Ｍのトランス８1〜８M内の第１〜第Ｍの二次巻線１３1〜１３Mに誘起される交流電圧の位相を制御し、第１〜第Ｍの二次巻線１３1〜１３Mを直列接続したときに、１個の二次巻線から出力される電圧のＭ倍の電圧が出力され、第１〜第Ｍの二次巻線１３1〜１３Mを並列接続したときに、１個の二次巻線に流れる電流のＭ倍の電流が出力される。
【００７７】
【発明の効果】
制御が容易な位相を変化させることで出力電力を一定に維持したまま出力電流を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電源装置の一例
【図２】その電源装置が４直列接続期間であって正極性の電圧が誘起されるときの電流の流れ方を説明するための図
【図３】４直列接続期間であって負極性の電圧が誘起されるときの電流の流れ方を説明するための図
【図４】２直列２並列接続期間であって正極性の電圧が誘起されるときの電流の流れ方を説明するための図
【図５】２直列２並列接続期間であって負極性の電圧が誘起されるときの電流の流れ方を説明するための図
【図６】４並列接続期間であって正極性の電圧が誘起されるときの電流の流れ方を説明するための図
【図７】４並列接続期間であって負極性の電圧が誘起されるときの電流の流れ方を説明するための図
【図８】１周期全部が４直列接続期間である場合のタイミングチャート
【図９】４直列接続期間と２直列２並列接続期間が混在する場合のタイミングチャート
【図１０】１周期全部が２直列２並列接続期間である場合のタイミングチャート
【図１１】２直列２並列接続期間と４並列接続期間が混在する場合のタイミングチャート
【図１２】１周期全部が４並列接続期間である場合のタイミングチャート
【図１３】本発明の電源装置の出力電流と出力電圧の関係を説明するためのグラフ
【図１４】整流素子直列回路を構成する整流素子を並列接続させた電源装置の例
【図１５】従来技術の電源装置の例
【符号の説明】
２……電源装置
７……主変換部
１０……直流電圧源
１３1〜１３4……第１〜第４の一次巻線
２３1〜２３4……第１〜第４の二次巻線
２４……整流回路
２７……平滑回路
３１1〜３１5……第１〜第５の整流素子直列回路
３６……カソード接続点
３７……アノード接続点
５１ａ〜５５ａ、５１ｂ〜５５ｂ……整流素子
ａ1〜ａ5……第１〜第５の接続点
４Ｓ……４直列接続期間
２Ｓ２Ｐ……２直列２並列接続期間
４Ｐ……４並列接続期間
Claims (6)
- 直流電圧源から交流電流を生成する主変換部と、
前記主変換部からそれぞれ交流電流が供給される第１〜第４の一次巻線と、
前記第１〜第４の一次巻線にそれぞれ磁気結合された第１〜第４の二次巻線と、
前記第１〜第４の二次巻線に誘起される交流電圧を整流し、カソード接続点とアノード接続点に出力する整流回路と、
前記カソード接続点と前記アノード接続点に出力された電圧を平滑する平滑回路とを有し、
前記整流回路は、整流素子が第１〜第５の接続点でそれぞれ直列接続された第１〜第５の整流素子直列回路を有し、
前記第１〜第４の二次巻線はこの順序で直列接続され、
前記第１〜第４の二次巻線が直列接続された回路の両端と、前記第１〜第４の二次巻線が互いに接続された部分は、それぞれ前記第１〜第５の接続点に接続され、
前記第１〜第５の整流素子直列回路のカソード側とアノード側は、カソード接続点とアノード接続点でそれぞれ互いに接続され、
前記カソード接続点と前記アノード接続点に生じる電圧が、前記平滑回路で平滑され、出力端子から負荷に供給されるように構成され、
制御回路により、前記第１〜第４の二次巻線に誘起される交流電圧の位相を制御し、前記第１〜第４の二次巻線を直列接続する４直列接続運転と、
前記第１、第２の二次巻線を直列接続し、前記第３、第４の二次巻線を直列接続すると共に、前記第１、第２の二次巻線の直列接続回路と前記第３、第４の二次巻線の直列接続回路を並列接続する２直列２並列接続運転を行なえるように構成された電源回路であって、
前記制御回路は、該電源回路に設けられた電流センサによって出力された出力電流の大きさが、予め設定された第１の規定電流値よりも小さい間は、前記４直列接続運転を行なって前記出力端子から定電圧を出力し、
前記出力電流の大きさが前記第１の規定電流値を超えると、一周期中に前記４直列接続運転と前記２直列２並列接続の両方の運転を行ない、前記出力端子から定電力を出力するように構成された電源回路。 - 前記制御回路により、前記第１〜第４の二次巻線に誘起される交流電圧の位相を制御し、前記第１〜第４の二次巻線を並列接続する４並列接続運転を行なえるように構成された請求項１記載の電源回路であって、
前記出力電流が前記第１の規定電流値の二倍の第２の規定電流値を超えると、前記４直列接続運転を無くし、一周期中に前記２直列２並列接続運転と前記４並列接続運転との両方の運転を行ない、前記出力端子から定電力を出力するように構成された電源回路。 - 前記制御回路により、前記出力電流が前記第１の規定電流値の四倍の第３の規定電流値に達すると、一周期中で前記２直列２並列接続運転を無くし、前記４並列接続運転を行なって前記出力端子の電圧を低下させるように構成された請求項２記載の電源回路。
- 交流電流がそれぞれ供給される第１〜第４の一次巻線と、
前記第１〜第４の一次巻線にそれぞれ磁気結合された第１〜第４の二次巻線と、
前記第１〜第４の二次巻線に誘起される交流電圧を整流し、カソード接続点とアノード接続点に出力する整流回路とを有し、
前記カソード接続点と前記アノード接続点に出力された電圧を平滑して出力端子から負荷に供給する電源装置の出力電圧を制御する制御方法であって、
前記第１〜第４の二次巻線に誘起される交流電圧の位相を制御し、前記出力端子から出力される出力電流の大きさが予め設定された第１の規定電流値よりも小さい間は、前記第 １〜第４の二次巻線を直列接続する４直列接続運転を行なって前記出力端子から定電圧を出力し、前記出力電流の大きさが前記第１の規定電流値を超えると、一周期中に、前記４直列接続運転と、前記第１、第２の二次巻線を直列接続し前記第３、第４の二次巻線を直列接続すると共に前記第１、第２の二次巻線の直列接続回路と前記第３、第４の二次巻線の直列接続回路を並列接続する２直列２並列接続運転との両方の運転を行ない、前記出力端子から定電力を出力する電源装置の制御方法。 - 前記第１〜第４の二次巻線に誘起される交流電圧の位相を制御し、前記出力電流が前記第１の規定電流値の二倍の第２の規定電流値を超えると、前記４直列接続運転を無くし、一周期中に前記２直列２並列接続運転と、前記第１〜第４の二次巻線を並列接続する４並列接続運転の両方を行ない、前記出力端子から定電力を出力する電源装置の制御方法。
- 前記第１〜第４の二次巻線に誘起される交流電圧の位相を制御し、
前記出力電流が前記第１の規定電流値の四倍の第３の規定電流値に達すると、一周期中で前記２直列２並列接続運転を無くし、前記４並列接続運転を行なって前記出力端子の電圧を低下させる電源装置の制御方法。
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