JP5000919B2 - 直流電源装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えばプラズマ発生装置に使用される直流電源装置に関する。

従来から、インバータ回路を用いた直流電源装置が知られている（特許文献１参照）。

かかる直流電源装置は、直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ回路と、このインバータ回路が出力する交流電圧を入力するトランスと、このトランスの二次側から出力される交流電圧を直流電圧に変換する整流回路とを備えている。

インバータ回路は、４つの第１〜第４スイッチング素子からなるフルブリッジ回路を形成するとともに、第１,第４スイッチング素子と第２,第３スイッチング素子とを交互にオン・オフすることにより直流電圧を交流電圧に変換する。

この交流電圧はトランスで昇圧され、この昇圧された交流電圧は整流回路により整流され、さらにインダクタを有する平滑回路によって平滑されて直流電圧としてプラズマ発生装置に印加される。

また、このような直流電源装置にあっては、プラズマ発生装置にアークが発生した場合、アークによりターゲットに損傷が生じたりするので、そのアークを強制消弧させる必要があり、この強制消弧のために逆電圧をプラズマ発生装置に印加させる逆電圧発生回路１００を図３に示すように設けている。
特開２００４−４０９６２号公報

しかしながら、アーク発生時にプラズマ発生装置に逆電圧を印加してアークを高速に遮断したとき、インダクタに蓄えられたエネルギーにより出力端子に過大な電圧が発生するなどの問題があった。

この発明の目的は、アーク発生時に負荷に逆電圧を印加してアークを高速に遮断した場合であっても、過大電圧の発生を防止することのできる直流電源装置を提供することにある。

請求項１の発明は、トランスの二次側から出力される交流電圧を整流する整流回路と、この整流回路から出力される整流電圧を平滑するインダクタを有する平滑回路と、このインダクタから出力される直流電圧を出力端子を介して印加される負荷にアークが発生したとき、そのアークを遮断するアーク遮断回路とを備えている直流電源装置であって、
前記アークが発生したとき前記インダクタに蓄えられたエネルギーを放出するエネルギー放出手段を設け、
前記エネルギー放出手段が動作してから所定時間後に前記出力端子を短絡する出力短絡手段を設けたことを特徴とする。

この発明によれば、アーク発生時に負荷に逆電圧を印加してアークを高速に遮断した場合であっても出力端子に過大電圧が発生してしまうことを防止することができる。

以下、この発明に係る直流電源装置の実施例を図面に基づいて説明する。

図１はプラズマ発生装置（負荷）１に使用される直流電源装置１０の構成を示した回路図であり、図１において、１１は三相交流の交流電圧を全波整流して平滑する整流回路である。この整流回路１１は６つのダイオードＤ１〜Ｄ６とコンデンサＣ１とから構成されている。

１２は整流回路の出力電圧（直流電圧）を断続して出力する主スイッチ素子、１３は主スイッチ素子１２からの断続した直流電圧を受けて電流源として動作するチョークコイル、１４は主スイッチ素子１２のオフ時にチョークコイル１３へ電流を流す、すなわち還流させるダイオードである。そして、主スイッチ素子１２とチョークコイル１３とダイオード１４とで電流源として動作する電流型降圧チョッパが構成されている。

２０は主スイッチ素子１２から出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータであり、このインバータ２０は４つの第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４からなるフルブリッジ回路を形成している。

１５はトランスであり、このトランス１５の一次側にはインバータ２０から出力される交流電圧が入力される。トランス１５の二次側には整流回路３０が接続されている。

整流回路３０は、トランス１５の二次側から出力される交流電圧を整流する４つのダイオードＤ７〜Ｄ１０とから構成されている。

８０は整流された電圧を平滑する平滑回路であり、この平滑回路８０は平滑コンデンサ３１とチョークコイル（インダクタ）３２とから構成されている。

チョークコイル３２には抵抗Ｒ１が直列接続され、この抵抗Ｒ１にはスイッチ素子（第１スイッチ素子）Ｑ５が並列接続されている。また、チョークコイル３２と抵抗Ｒ１の直列回路（第２直列回路）にダイオード（第１ダイオード）Ｄ１１とスイッチ素子（第２スイッチ素子）Ｑ６の直列回路（第１直列回路）が並列接続されている。

そして、抵抗Ｒ１とスイッチ素子Ｑ５，Ｑ６とダイオードＤ１１とでチョークコイル３２に蓄えられるエネルギーを放出するエネルギー放出回路（エネルギー放出手段）５０が構成されている。

６０は出力端子Ｐ１，Ｐ２に逆電圧を印加してアークを遮断するアーク遮断回路であり、このアーク遮断回路６０はスイッチ素子Ｑ７，Ｑ８と直流電源Ｖ１とから構成されている。

そして、スイッチ素子（第３スイッチ素子）Ｑ７とダイオード（第２ダイオード）Ｄ１２の直列回路（第３直列回路）が出力端子Ｐ１，Ｐ２間に接続されており、このスイッチ素子Ｑ７とダイオードＤ１２とで出力端子Ｐ１，Ｐ２を短絡する短絡回路（出力短絡手段）７０を構成している。

４０は主スイッチ素子１２の断続とインバータ２０の第１〜第４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン・オフとスイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８のオン・オフを制御するコントローラであり、このコントローラ４０は図示しない操作部の入力やプラズマ発生装置１のアークを検出するアーク検出回路（図示せず）の検出に基づいてその制御を行うものである。
［動 作］
次に、上記のように構成される直流電源装置１０の動作を図２に示すタイムチャートを参照しながら説明する。

コントローラ４０により、主スイッチ素子１２やスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン・オフが制御され、インバータ２０から交流電圧が出力されてトランス１５の一次側に入力される。そして、トランス１５の二次側に交流電圧が出力され、この交流電圧が整流回路３０により整流され、平滑回路８０によりその整流電圧が平滑され、高圧の直流電圧となって出力端子Ｐ１，Ｐ２を介してプラズマ発生装置１に印加される。このとき、スイッチ素子Ｑ５，Ｑ８はオンされ、スイッチ素子Ｑ６，Ｑ７はオフされている。

プラズマ発生装置１にアーク放電が発生すると、図示しないアーク検出回路がそのアーク放電を検出し、この検出に基づいてコントローラ４０はスイッチ素子Ｑ７をオンさせる（図２の時点ｔ１）。このスイッチ素子Ｑ７，Ｑ８のオンにより直流電源Ｖ１の電圧が出力端子Ｐ１，Ｐ２を介してプラズマ発生装置１に逆電圧として印加してアークを急速に遮断する。一方、この逆電圧の印加と同時にスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をオンさせてインバータ２０の動作を停止させるとともにスイッチ素子Ｑ５をオフし、スイッチ素子Ｑ６をオンする。

このスイッチ素子Ｑ６のオンにより、ダイオードＤ１１とスイッチ素子Ｑ６と抵抗Ｒ１とチョークコイル３２とによって閉回路が形成され、この閉回路に電流が流れてチョークコイル３２に蓄えられたエネルギーが抵抗Ｒ１により消費（放出）される。

このように、チョークコイル３２に蓄えられたエネルギーが放出されるので、アークを遮断してもチョークコイル３２のインダクタンスによる出力電圧の急激な上昇が抑えられ、出力端子Ｐ１，Ｐ２間に過大電圧が発生してしまうことが防止される。このため、アークを確実に遮断することができ、プラズマ発生装置１のターゲットの損傷を防止することができるとともに過度時の動作・応答が安定することになる。

また、出力に過大な電圧が発生しないためアーク遮断回路６０に高耐圧の半導体や過電圧保護部品を設ける必要がない。

そして、アークを遮断してから所定時間経過後にスイッチ素子Ｑ８をオフすると（図２の時点ｔ２）、アークの遮断動作が停止されるとともにダイオードＤ１２が導通し、出力端子Ｐ１，Ｐ２は短絡状態となり、プラズマ発生装置１に流れる電流は０［Ａ］となり、プラズマ発生装置１に印加される電圧も０［Ｖ］となる。

このため、所定期間Ｔ１（時点ｔ１〜ｔ２間の時間）内にアークを消弧することができなかった場合でも、一定期間Ｔ２（時点ｔ２〜ｔ３間の時間）出力を短絡するとともにインバータ２０を停止させているため、プラズマ発生装置１へ電流が流れ込まず、アークによるターゲットの損傷を低減させることができる。なお、期間Ｔ１，Ｔ２はコントローラ４０の制御により可変することが可能である。

そして、アークが消弧するまでの一定時間経過後に、スイッチ素子Ｑ８をオンし、スイッチ素子Ｑ７をオフする（図２の時点ｔ３）。このスイッチ素子Ｑ８のオンおよびスイッチ素子Ｑ７のオフにより、直流電源Ｖ１の電圧がダイオードＤ１２を逆バイアスし、これによりダイオードＤ１２がオフして出力端子Ｐ１，Ｐ２の短絡は解除される。

この時、スイッチ素子Ｑ５をオンし、スイッチ素子Ｑ６をオフしてインバータ２０を動作させることにより、通常の動作が行われる。

上記実施例では、スイッチ素子Ｑ７をアーク遮断回路６０と短絡回路７０とに共用しているので、部品点数を減らすことができる。

この発明は、上記実施例に限定されるものではなく、例えば、ダイオードＤ１１およびスイッチ素子Ｑ６を省略してもよい。この場合、チョークコイル３２→整流回路３０→ダイオードＤ１２→スイッチ素子Ｑ７→抵抗Ｒ１へと電流が流れるため、チョークコイル３２に蓄えられたエネルギーを放出することができる。

この発明に係る直流電源装置の構成を示した回路図である。 直流電源装置の動作を示したタイムチャートである。 従来の直流電源装置の構成を示した回路図である。

符号の説明

１５ トランス
２０ インバータ
３０ 整流回路
３２ チョークコイル
５０ エネルギー放出回路
６０ アーク遮断回路
８０ 平滑回路

Claims (5)

1. トランスの二次側から出力される交流電圧を整流する整流回路と、この整流回路から出力される整流電圧を平滑するインダクタを有する平滑回路と、このインダクタから出力される直流電圧を出力端子を介して印加される負荷にアークが発生したとき、そのアークを遮断するアーク遮断回路とを備えている直流電源装置であって、
   前記アークが発生したとき前記インダクタに蓄えられたエネルギーを放出するエネルギー放出手段を設け、
   前記エネルギー放出手段が動作してから所定時間後に前記出力端子を短絡する出力短絡手段を設けたことを特徴とする直流電源装置。
2. 前記エネルギー放出手段は、前記インダクタに直列接続される抵抗と、この抵抗に並列接続される第１スイッチ素子と、第２スイッチ素子に第１ダイオードを直列接続した第１直列回路とを有し、この第１直列回路を前記インダクタと抵抗の第２直列回路に並列接続したことを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
3. 前記出力短絡手段は、第３スイッチ素子に第２ダイオードを直列接続した第３直列回路を前記出力端子間に接続したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の直流電源装置。
4. 前記エネルギー放出手段は、前記インダクタに直列接続される抵抗と、この抵抗に並列接続される第１スイッチ素子とを有し、
   前記出力短絡手段は、第３スイッチ素子に第２ダイオードを直列接続した第３直列回路を前記出力端子間に接続したことを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
5. 前記第３スイッチ素子は、アーク遮断回路に共用されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の直流電源装置。

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