JP4886110B2 - 特にスタッド溶接装置用パワー・スイッチング・レギュレータのパワー・トランス - Google Patents

特にスタッド溶接装置用パワー・スイッチング・レギュレータのパワー・トランス Download PDF

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Description

【0001】
本発明は請求項1の上位概念に記載の特にスタッド溶接装置用パワー・スイッチング・レギュレータ(断続制御方式安定化電源)のパワー・トランス(電源変圧器)並びにパワー・トランスを有するパワー・スイッチング・レギュレータに関するものである。
【0002】
例えばスタッド溶接装置技術において使用されるような既知のパワー・スイッチング・レギュレータのパワー・トランスは、あるkW、例えば50kW以下の出力電力を供給可能でなければならない。この高い電力のために、既知のパワー・トランスは、重い重量で且つ大きな寸法で形成されている。通常、パワー・トランスがスイッチング・レギュレータの寸法並びに重量の大部分を決定するので、このようなスイッチング・レギュレータは、その構造寸法およびその重量のために、取扱いが不便であることが欠点である。さらに、このようなパワー・トランスは、その構造寸法のために、比較的高い電力損をコア内(ヒステリシス損)並びに巻線内(抵抗損)に有し、その必要な構造寸法のために製造コストが高くなる。
【0003】
さらに、比較的高いパワー・トランス損のために、既知のパワー・トランスを有するスイッチング・レギュレータの構成要素・周辺機器全体は、極めて高い電力に対して設計されなければならない。したがって、このようなスイッチング・レギュレータの構造はコストを上昇させ且つ価格を高くさせる。
【0004】
運転中の損失が少なく、その構造形状が簡単且つ小型であり、およびその製造が容易に且つコスト的に有利に可能なパワー・トランス並びにこのようなパワー・トランスを有するパワー・スイッチング・レギュレータを提供する課題が本発明の基礎となっている。
【0005】
この課題は本発明により請求項1および10の特徴により解決される。
【0006】
本発明のその他の有利な実施態様が従属請求項から明らかである。
【0007】
以下に本発明を図面に示す実施態様により説明する。
【0008】
図1ないし図3に示したパワー・トランス1は、上部半部分3およびこれと鏡像対称に形成された下部半部分5から組み立てられたフェライト・コアを有し、フェライト・コアは図7および8に個別部品として示されている。これらのフェライト・コアは、リング状をなして、内部に交互に積み重ねて水平に配置された一次および二次パケット(積層)7,9を含む。平行な水平面内に配置されたパケットは、中央で垂直方向に、図1には破線で示したフェライト・コアのヨーク11により貫通されている。図7および図8からわかるように、フェライト・コア半部分3,5の中心は直方体形状のヨーク11からなり、ヨーク11から、直方体の底面側の軸に沿って両側に、相互に対面するL形状脚部12a,12bが伸長している。平面図において、二等辺三角形の断面のこれらの脚部12a,12bはその外側14a,14bまで伸長し、外側14a,14bは軸A,Bに平行な面内に存在し且つ直方体の高さまで上方に直角にU形状に伸長している。下部および上部半部分3,5を密着させて相互に重ねた場合に、両方のU形状半部分が閉じられてリングを形成し、このようにしてフェライト・コアはパケット7,9をリング状に包囲し、この場合、フェライト・コアのヨーク11はパケット7,9を垂直に貫通する。
【0009】
図1に示した斜めの中央領域10は、例えば相互に重なるそれぞれ2つの一次パケット7を相互に電気的に結合可能であることを略図で示している。同様に二次パケットを相互に結合することもまた考えられることは明らかである。
【0010】
好ましい実施態様においては、すべての一次パケット7は直列に結合されているので、始端6aおよび終端6bおよび多数の巻線を有する全体巻線が提供されることが有利である。
【0011】
これに対し、二次パケット9は相互に重なるそれぞれの対内に相互に並列に結合可能なので、例えば平行配置された3つの対が与えられる。これにより、トランス1内の二次側で必要な高い電流を3つに分割することができるので、高い電流のために必要な1つの二次パケット9内の導体断面はそれに応じて低下されることもまた有利である。
【0012】
トランス1内にできるだけ多数の二次パケット9を配置するために、下部位置および上部位置として二次パケット9を設けてもよい。さらに、これは絶縁強度を向上させるという利点を有している。その理由は、この場合、一次パケットがその上側または下側を直接平面状にフェライト・コアの内面と当接させないからである。
【0013】
両方のフェライト・コア半部分3,5は締付装置13により締付保持され、締付装置13は通常上部および下部四角板15,17からなり、四角板15,17は隅においてねじ16により相互に結合されている。このために、板15,17は両側で縦方向にフェライト・コア半部分3,5の寸法を超えて突出し、この場合、少なくとも1つの板15,17が冷却体または締付ばねとして形成されていてもよい。
【0014】
図4および図5において個別部品として示されている一次および二次パケット7,9は同様な四角形状を有し、この場合、両方のパケット7,9に、片側に突出する接続ラグ19,21が形成されている。一次パケット7の接続ラグ19は1辺の両方の隅に存在し、二次パケット9の接続ラグ21は両隅に追加して1辺の中央にも存在する。
【0015】
図6aないし6hからわかるように、四角形から突出する接続ラグ19,21を有するこれらの四角形リング形状は、図6aないし図6dおよび図6f、図6gに示すような複数の四角形渦巻形状に形成された薄板の積層からなっている。
【0016】
図6aに示した二次薄板は、上側からみて、1つの隅における接続ラグ21として働く拡張始端領域21aから開始し、例えば0.2ないし0.4mmの同じ厚さおよび例えば6ないし15mmの同じ幅の、それぞれ四角に内方に右渦巻の形で曲げられたテープとして伸長する。渦巻の終端20aは例えば始端領域21aと同じ側に存在し、辺の中央を超える位置まで到達している。渦巻の始端および終端領域21a,20aの間の隅は斜めに形成することができるので、これにより理想的な四角形渦巻とは異なる形状をなしている。このようにして、始端および終端領域21a,20aの間の空間もまた最適に利用することができるので、最適な小型構造形状が可能となる。
【0017】
これに対して、図6bに示した二次薄板は、上からみて、一辺の中央において一辺に対し直角方向に突出する、接続ラグ19として働く始端領域21bから開始し、同じ厚さおよび幅のテープとして例えば内方に二巻きの左渦巻の形状に直角に曲げられて伸長している。渦巻の終端20bは例えば始端領域21bと同じ側に存在し、辺の中央まで到達している。渦巻の始端および終端領域21b,20bの間の隅は斜めに形成することができるので、これにより理想的な四角形渦巻に対して異なる形状をなしている。このようにして、始端および終端領域21b,20bの間の空間もまた最適に利用することができるので、最適な小型構造形状が可能となる。
【0018】
図6aおよび図6bに示すように両方の薄板を例えば密着させて相互に重ねた場合、これにより始端および終端領域21a,21b,20a,20bは同じ側に存在し、終端領域20aおよび20bはオーバラップし、これらの終端領域20aおよび20bは例えばはんだ付けまたは溶接により電気的に結合される(図6aと図6bとの間の破線)。
【0019】
図6cおよび図6dに示した薄板は原理的に図6aおよび図6bに示した薄板に対応しているが、その縦軸L1の周りに回転されている。図6cおよび図6dに示した両方の薄板を密着させて相互に重ねた場合、終端領域20cおよび20dはオーバラップし、これらの終端領域20cおよび20dは例えばはんだ付けまたは溶接により電気的に結合される(図6cおよび図6dの間の破線)。4枚の薄板をすべて相互に重ね合わせた場合、図6aおよび図6bに示した薄板の終端領域20aおよび20b、図6bおよび図6cに示した薄板の始端領域21bおよび21c、並びに図6cおよび図6dに示した薄板の終端領域20cおよび20dはオーバラップする。オーバラップされた始端ないし終端領域はそれぞれ、例えばはんだ付け、溶接または圧着により電気的に結合することができるので、始端タップ21a、中間タップ21cdおよび終端タップ21dを有する二次パケット9の連続結合巻線が得られる。
【0020】
図6dに示した二次側薄板と同様に図6fに示した一次側薄板が形成され、この一次側薄板は、上からみて、内方に左渦巻で伸長している。しかしながら、このテープは二次薄板に比較して厚さないし幅が小さくなつている。その理由は、この実施態様においては、一次側の電流が小さく、したがって導体の断面をより小さく形成することができるからである。しかしながら、一次側においては、図6fおよび図6gに示すように、同様にそれらの縦軸L2に沿って相互に回転された、同じ形状に形成された2つの薄板のみが、例えば密着して相互に重ね合わされる。オーバラップする終端領域20fおよび20gはそれぞれ、例えばはんだ付けまたは溶接により電気的に結合することができる(図6fおよび図6gの間の破線)。
【0021】
この実施態様においては、電圧は低下するように且つ電流は上昇するように変換されるので、一次薄板は二次薄板に比較して小さな導体断面を有しているが、より多くの巻線を有している。
【0022】
このようにして、図6hに示すように一次側に一次パケット7が形成され、図6eに示すように二次側に二次パケット9が形成される。
【0023】
適用および需要に応じてそれぞれ、相互に重ね合わされる、および連続結合される薄板の数および一次側並びに二次側の導体断面積は変更することができることは明らかである。
【0024】
これらの薄板は、高い導電率を有する材料、例えば銅から構成され、少なくとも二次側においては、少なくとも200μ、好ましくは250μの厚さの薄板から、例えば打抜加工され、エッチング加工され、腐食加工され、ウォータ・ジェットにより切断されること等で形成することができる。
【0025】
図2からわかるように、二次パケット対の並列回路はそれぞれの始端領域21aの結合により、およびそれぞれの始端領域21dの結合により形成することができる。さらに、二次パケットの始端領域21bcのすべてを相互に結合してただ1つの中間タップを形成することができる。図2に示すように、結合は、例えばねじ、金属スペーサ・スリーブないし接点スリーブおよびナットからなるクランプにより行われ、この場合、2つの接続ラグの間にスリーブが存在し、接続ラグの耳並びにスリーブは片側からねじにより貫通され、他方側から止めナットにより共に圧着される。
【0026】
二次パケットのこのような並列回路により、25−50mm、好ましくは40−50mmの二次側有効総導体断面積を達成することができる。
【0027】
薄板のみならずパケット7,9もまた相互に積層されるので、短絡を回避するために、薄板のみならずパケットもまた絶縁体により包囲されている。この絶縁体は、発生するねじの締付に、ないしはエネルギー流れにより発生する結果としての熱に適合させることができる。したがって、薄板の絶縁体は、例えばラッカ、薄いプラスチック・フォイル内へのパック、織布繊維等により薄い絶縁層として形成することができる。その理由は、ここでは、ねじによる締付はパケットにおけるよりも小さいからである。これに対して、パケットの絶縁層はより強くなければならない。その理由は、この場合にはより高い締付力が発生するからである。したがって、パケットは、例えばプラスチック内で一体射出成形され、厚いプラスチック・フォイル内または織布繊維内にパックされまたは埋め込まれること等により形成されてもよい。一次および二次薄板およびパケットからなる巻線の構造における特に有利な点は、このような巻線の製造(固定、射出成形)における良好な再現性にある。
【0028】
図3に示すように、一次および二次パケット7,9は、一次側接続ラグ19がトランス1の片側に突出し、二次側接続ラグ21がトランス1の反対側の開放側に突出し、およびリング状ハウジングから横に突出するように交互に積層されている。
【0029】
図9に、このようなパワー・トランス1を有するパワー・スイッチング・レギュレータの回路が略図で示されている。
【0030】
このパワー・トランス1の出力側に出力整流器30が接続され、出力整流器30は、構造的に、例えば二次側接続ラグ21ないしはそれの前記並列回路に直接、またはパワー・トランス1のできるだけ近くに装着されてもよい。このようにして、電力損をできるだけ小さく保持することができる。
【0031】
パワー・トランス1の入力側にインバータ33から高周波交流ないし高周波交流電圧が供給される。この場合、高周波は100kHz以上の値である。パワー・トランス1のフェライト・コアは、それがこの高周波を変換可能なように設計されていなければならないことは当然である。これは例えば特殊フェライトを使用することにより保証される。
【0032】
図11に示すように、二次側で、例えば3つのパケット対9は、巻線端子ないし端子ラグ21′,21″においてそれぞれ電力整流ダイオード35の陽極に接続され、電力整流ダイオード35の陰極は相互に結合されている(1極)。同様に相互に結合されたパケット対9の中間タップ21′″(2極)を用いて、このようにして中間点整流を有する三重整流器が形成され、この三重整流器は同時に二重整流および1つの電流分岐を保証する。
【0033】
スイッチング・レギュレータの入力側において、交流の3相L1,L2,L3は相互に独立の3つの入力整流器37′,37″,37′″内で整流される。安定電圧を保証するために、各入力整流器は、それに追加して、例えば他のスイッチング・レギュレータにおいては既知であるが、このようなパワー・スイッチング・レギュレータにおいては既知でない力率補正装置39′,39″,39′″(PFC)の形の電圧安定化回路を有していてもよい。このPFCを介して、異なる電源においても(例えばUSA)入力整流ののちに安定な一定電圧を得ることが可能である。さらに、入力整流器と同様にそれぞれ必要な入力電力の1/3のみが与えられるので有利なこのようなPFCを介して、電源フィード・バック、高調波等もまた回避され、または完全に回避され、さらに電磁的適合性(EMV)に関する特性もまた改善される。
【0034】
入力整流後に相互に並列に結合された電圧は、コンデンサ41(Elko)により平滑化されたのち、交流電圧としてインバータ33に与えられる。図10に示すように、インバータは4個のトランジスタT1−T4を有するトランジスタ・ブリッジ回路として形成されていることが有利であり、トランジスタ・ブリッジ回路のブリッジ電圧がパワー・トランス1の一次巻線に与えられる。
【0035】
この構造および場合によりさらにそれぞれ個々のトランジスタに並列に設けられたトランジスタにより電流が分割されるので、必要とされる高い電力にもかかわらず標準トランジスタを使用することが可能である。
【0036】
図12aないし図12cに示すように、対角分岐T1−T3,T2−T4の結合の位相シフトにより、ブリッジ信号の振幅幅変化の結果として、パワー・トランスは一定サイクル周波数において電圧および電流の関数として制御され、したがってスイッチング・レギュレータの出力端に希望の電圧および希望の電流を供給することができる。
【0037】
このために、対角分岐T1−T3およびT2−T4の結合の位相シフトを、操作論理43から、この操作論理に供給された出力側電流または電圧タップ47,49の関数として制御することができる。この場合、電流タップは例えば通常のように溶接電極に形成されてもよい。
【0038】
図12aないし12cに、異なる負荷事例に対して必要なトランジスタT1−T4のスイッチング特性が略図で示されている。
【0039】
図12aに、例えば「0%」の負荷事例が示されている。図からわかるように、対角方向のトランジスタT1−T3,T2−T4のみならず、垂直方向のトランジスタT1−T2,T3−T4もまた逆位相にある。このようにして、トランジスタ・ブリッジに、即ちトランジスタT1およびT2の間のタップおよびトランジスタT3およびT4の間のタップに同じ電位が存在し、このとき垂直方向T1−T2およびT3−T4が結合されて短絡の原因となることはない。
【0040】
これに対して、図12bに「50%」の負荷事例が示されている。図からわかるように、これは図12aに対する−90°の位相シフト(T3,T4がT1,T2に対して)により形成される。図からわかるように、対角方向のトランジスタT1−T3,T2−T4の信号は50%オーバラップし、垂直方向のトランジスタT1−T2,T3−T4の信号は逆位相のままである。このようにして、トランジスタ・ブリッジに、即ちトランジスタT1およびT2の間のタップおよびトランジスタT3およびT4の間のタップに、半分の振幅幅を有する信号が与えられ、このとき垂直方向T1−T2およびT3−T4が結合されて短絡の原因となることはない。
【0041】
これに対して、図12cに「100%」の負荷事例が示されている。図からわかるように、これは図12aに対する−180°の位相シフト(T3,T4がT1,T2に対して)により形成される。図からわかるように、対角方向のトランジスタT1−T3,T2−T4の信号は100%オーバラップし、垂直方向のトランジスタT1−T2,T3−T4の信号は逆位相のままである。このようにして、トランジスタ・ブリッジに、即ちT1およびT2の間のタップおよびトランジスタT3およびT4の間のタップに、全振幅幅を有する信号が与えられ、このとき垂直方向のT1−T2およびT3−T4が結合されて短絡の原因となることはない。
【0042】
さらに、スイッチング過程の間に、それぞれむだ時間tを設定可能である。このむだ時間tにより、トランジスタT1−T4の応答時間および遮断時間を考慮することができるので、T1のT2に対するスイッチングないしT3のT4に対するスイッチングのオーバラップ・スイッチングによる垂直分岐の結合を防止することができる。さらに、このむだ時間により、スイッチング時点においてトランジスタT1−T4に同じ電位が存在することが保証される。むだ時間tがないときに存在するトランジスタT1−T4における電位差は、むだ時間tの間に、トランジスタ、例えば電界効果トランジスタ内に存在するダイオード接合を介して均等化することができる。このようにして、トランジスタにかかる負荷は小さくなり、このことがトランジスタの寿命に有利に働く。
【0043】
一定周波数を用いた位相シフト法による図示の逆変換の代わりに、例えば100kHz以上の作動点の周りに可変な高周波を用いた他の逆変換法を使用することもまた考えられることは明らかである。
【0044】
さらに、スタッド溶接技術におけるパワー・スイッチング・レギュレータにおいて従来既知ではない、パワー・トランス1への100kHz以上の高周波の供給により、パワー・トランスのコアおよびコイルの損失が小さくなるために小型化且つ軽量化が可能であるばかりでなく、同じ出力電力においてパワー・スイッチング・レギュレータ全体の重量および大きさが最適化される。
【0045】
さらに、入力整流、逆変換、変圧および出力整流において使用される方法により、コスト的に有利な標準構成要素を使用することが可能である。
【0046】
したがって、このようなスイッチング・レギュレータを用いて、50kW以上、好ましくは60kWの必要な出力電力を低下させることなく、通常極めて大きなスタッド溶接のスイッチング・レギュレータの重量を20kgに低減させ、且つ0.8ないし0.9以上、例えば0.95の効率を達成することが可能である。
【0047】
上記の個別部品、即ちパワー・トランス、インバータ、パワー・チョークの各々をそれ自身相互に独立に上記以外の用途において使用し、ないし他の用途において適合させることもまた考えられる。
【0048】
したがって、パワー・トランスは、ボルト溶接技術におけるような高電流変換および低電圧変換に使用する代わりに、逆の方向に高電圧変換および低電流変換にもまた使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は直列接続された一次パケットを有するパワー・トランスの正面図を示す。
【図2】 図2は並列接続された二次パケット対を有する、図1に示したパワー・トランスの後面図を示す。
【図3】 図3は図1に示したパワー・トランスの平面図を示す。
【図4】 図4は一次パケットの斜視図を示す。
【図5】 図5は二次パケットの斜視図を示す。
【図6】 図6a−6eは図5に示した二次パケットの個別部品および組立体の斜視図を示し、図6f−6hは図4に示した一次パケットの個別部品および組立体の斜視図を示す。
【図7】 図7は図1に示したパワー・トランス内で使用されるフェライト・コアの半部分の側面図を示す。
【図8】 図8は図7に示したフェライト・コアの半部分の平面図を示す。
【図9】 図9は図1に示したパワー・トランスを有するパワー・スイッチング・レギュレータの略回路図を示す。
【図10】 図10は図5に示したインバータの詳細回路図を示す。
【図11】 図11はパワー・トランスに続く出力整流器を有する、図5に示したパワー・トランスの詳細回路図を示す。
【図12】 図12a−12cは図面に示したインバータの種々の負荷事例の線図を示す。

Claims (18)

  1. リング状の閉コアおよびその上に装着された一次および二次巻線を有する特にスタッド溶接装置用パワー・スイッチング・レギュレータのパワー・トランスにおいて、
    一次巻線が複数の一次パケット(7)からなり、および二次巻線が複数の二次パケット(9)からなることと、
    前記一次パケット(7)が複数の一次薄板を有し、および前記二次パケットが複数の二次薄板を有することと、
    前記薄板が1つの平面内に渦巻状に形成された導電体として形成されていることと、
    複数の一次パケットが接続ラグ(19f,19g)を介して相互に直列に結合されていることと、
    前記複数の二次パケット(9)が接続ラグ(21a,21d)を介して相互に並列に結合されていることと、
    前記一次および二次パケット(7,9)が、相互に交互に、相互に平行な面内に積層されている積層体状態で、二次パケット(9)を積層体の最上部位置及び最下部位置に配置することを特徴とするパワー・トランス。
  2. 前記リング状の閉コアがヨーク(11)を有し、前記ヨーク(11)がパケット(7,9)をそれらの面に垂直に貫通し且つパケットの内部の内部空間をほぼ充満することを特徴とする請求項1のパワー・トランス。
  3. ヨーク(11)がリングの中心軸を形成することを特徴とする請求項2のパワー・トランス。
  4. 一次パケット(7)および二次パケット(9)がリング状に形成されているか、或いは一次パケット(7)および二次パケット(9)が四角形状に形成されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載のパワー・トランス。
  5. 一次および二次薄板が左または右渦巻として形成されていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載のパワー・トランス。
  6. 一次パケット(7)が2つの接続ラグ(19f,19g)を有し、この場合、複数の一次薄板が相互に直列に結合されていることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載のパワー・トランス。
  7. 二次パケット(9)が3つの接続ラグ(21a,21bc,21d)を有し、この場合、複数の二次薄板が相互に直列に結合されていることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載のパワー・トランス。
  8. 相互に重なるそれぞれ2つの二次パケットが、接続ラグ(21a,21d)を介して、相互に並列に結合されていることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載のパワー・トランス。
  9. 複数の二次パケットの中央接続ラグ(21bc)が相互に結合されていることを特徴とする請求項1または8のパワー・トランス。
  10. パケット(7,9)がプラスチックで押出被覆されていることを特徴とする請求項1ないしのいずれか1項に記載のパワー・トランス。
  11. パワー・トランスと、入力整流器(37′,37″,37′″)と、インバータ(33)と、出力整流器(30)とを有するパワー・スイッチング・レギュレータにおいて、
    パワー・トランス(1)が上記の請求項1ないし10のいずれか1項に記載の構成により形成されていることを特徴とするパワー・スイッチング・レギュレータ。
  12. 出力整流器(30)がパワー・トランス(1)に組込み配置されていることを特徴とする請求項11のパワー・スイッチング・レギュレータ。
  13. インバータ(33)が100kHz以上の周波数でパワー・トランス(1)を断続操作することを特徴とする請求項11または12のパワー・スイッチング・レギュレータ。
  14. インバータ(33)が4個のトランジスタ(T1,T2,T3,T4)を有するトランジスタ・ブリッジとして形成されていることを特徴とする請求項11ないし13のいずれか1項に記載のパワー・スイッチング・レギュレータ。
  15. 各トランジスタ(T1,T2,T3,T4)に少なくとも1つの他のトランジスタが並列配置されていることを特徴とする請求項11ないし14のいずれか1項に記載のパワー・スイッチング・レギュレータ。
  16. インバータ(33)が操作論理(43)を介して100kHz以上の周波数で断続操作されていることを特徴とする請求項11ないし15のいずれか1項に記載のパワー・スイッチング・レギュレータ。
  17. インバータ(33)の対角分岐(T1−T3,T2−T4)のスイッチング過程の間にむだ時間tdが設けられ、スイッチングの間にトランジスタ(T1,T2,T3,T4)に同じ電位が存在することを特徴とする請求項11ないし16のいずれか1項に記載のパワー・スイッチング・レギュレータ。
  18. 入力整流器(37′,37″,37′″)がPFC回路(39′,39″,39′″)を有することを特徴とする請求項11ないし17のいずれか1項に記載のパワー・スイッチング・レギュレータ。
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