JP5165454B2 - 電源装置 - Google Patents

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本発明は、電源装置に内蔵されているチョッパ回路を駆動するチョッパ駆動回路に関するものである。
チョッパ回路を形成するチョッパ・スイッチング素子を駆動するチョッパ駆動回路は、通常パルストランスを用いているものとフォトカプラを用いているものとがあり、パルストランスを用いているとオンデューテイが50%近傍でに制限され、フォトカプラを用いるとオンデューテイが100%近傍まで可能であるが応答速度が遅くチョッパ・スイッチング素子のスイッチング周波数の高速化が困難である。
図5は、従来技術の(例えば)ソフトスイッチングを行う溶接電源の電気接続図である。同図において、直流変換回路は、整流回路DR1及び出力側に並列に設けた平滑コンデンサC1から形成される。
チョッパ・スイッチング素子TR1は、直流変換回路とインバータ回路INVとの間に設け、直流変換回路の直流電圧を開閉し、補助コンデンサC2に電力を供給する。
インバータ回路INVは、図示省略の相対向する第1のスイッチング素子乃至第4のスイッチング素子からフルブリッジを形成し、直流電圧を高周波交流電圧に変換して出力する。
主変圧器INTは、インバータ回路INVによって変換された高周波交流電圧をアーク加工に適した高周波交流電圧に変換し、2次整流回路DR3は、主変圧器INTの出力を整流し直流リアクトルDCLを介してトーチTHと被加工物Mとの間に電力を供給する。
出力電流検出回路IDは、主変圧器INTの2次側の出力電流を検出して出力電流検出信号Idとして出力する。電流対応出力制御回路SCIは、パルス周波数が一定でパルス幅を変調するPWM制御を行い、出力電流検出信号Idに応じて互いに半周期ずれた第1の出力制御信号Sc1及び第2の出力制御信号Sc2のパルス幅を制御する。
インバータ駆動回路IKは、第1の出力制御信号Sc1のオンに同期して図示省略の相対向する第1のスイッチング素子及び第4のスイッチング素子TR4を駆動し、第1の出力制御信号Sc1のオフから所定の時間が経過した後に第1のスイッチング素子及び第4のスイッチング素子TR4を停止させる第1のインバータ駆動信号Ik1を出力し、第2の出力制御信号Sc2のオンに同期して図示省略の相対向する第2のスイッチング素子及び第3のスイッチング素子を駆動し、第2の出力制御信号Sc2のオフから所定の時間が経過した後に第2のスイッチング素子及び第3のスイッチング素子を停止させる第2のインバータ駆動信号Ik2を出力する。
図5に示すCDは、(従来技術の)チョッパ制御回路であり、チョッパ制御回路CDは、第1の出力制御信号Sc1のオン及びオフ並びに第2の出力制御信号SC2のオン及びオフに同期してチョッパ制御信号Cdを出力する。
図6に示すDCは、パルストランスを用いた従来技術のチョッパ駆動回路の詳細図であり、チョッパ駆動回路DCは、チョッパ制御信号Cdに応じて導通する1次駆動スイッチング素子TR2と、この1次駆動スイッチング素子TR2の導通に応じて直流電源からの電圧が断続的に印加する1次巻線及び1次巻線に印加する電圧に応じて誘導起電圧を発生して2次巻線に出力するパルストランスT1と、誘導起電圧に応じて2次駆動スイッチング素子3を導通してチョッパ・スイッチング素子TR1を駆動する。
図7は従来技術の電源装置の動作を説明するための波形タイミング図である。
図7において、同図(a)の波形は第1の出力制御信号Sc1を示し、同図(b)の波形は第2の出力制御信号Sc2を示し、同図(c)の波形は第1のインバータ駆動信号Ik1を示し、同図(d)の波形は第2のインバータ駆動信号Ik2を示し、同図(e)の波形は第1のチョッパ制御信号Cdを示し、同図(f)の波形はチョッパ駆動信号Pdを示す。
インバータ回路INVのターンオフ損失を略零にするソフトスイッチングを行うとき、図7(f)に示すチョッパ駆動Dcのオフは、同図(c)に示す第1のインバータ駆動信号Ik1及び同図(d)に示す第2のインバータ駆動信号Ik2のオフより所定時間前にオフする。このとき、同図(f)に示すチョッパ駆動Dcのオンデューテイは、最大90%近傍にまでなる。
次に、チョッパ駆動Dcのオンデューテイが50%のときチョッパ駆動回路DCについて説明する。
図6に示す、パルストランスT1の1次巻線の正の電圧が、例えばαVのとき、負の電圧は、オンデューテイで決まり、下記の式で求めることができ、
αV×(0.5/0.5)より、負の電圧はαVとなり、正の電圧と同一になる。
しかし、図7(f)に示すチョッパ駆動信号Dcのオンデューテイが、50%を超えると負の電圧は増加し、例えば、オンデューテイが90%のとき、負の電圧は、
αV×(0.9/0.1)=9αV
と正の電圧の9倍にもなる。
(例えば、特許文献1)
特開2001−345194号公報
図5に示すチョッパ・スイッチング素子で形成するチョッパ回路は、チョッパ駆動回路で駆動し直流変換回路からの直流電圧を開閉し補助コンデンサ及びインバータ回路に供給していた。このとき、チョッパ駆動回路のオンデューテイは、最大90%近傍まで要求されるため、オンデューテイが100%でも使用可能なフォトカプラを用いてチョッパ駆動回路のオンデューテイを制御していた。しかし、チョッパ回路のスイッチング周波数の高速化の要求に対して高速スイッチングが可能なフォトカプラの品種が少なく、安定供給に問題を生じ、コストも上昇する。
また、チョッパ回路のスイッチング周波数の高速化を図るために、図6に示すパルストランスを用いたチョッパ駆動回路が一般的に使用されている。そして、パルストランスのオンデューテイが50%以下のときはパルストランスの1次巻線の正の電圧が、例えばαVのとき負の電圧はαVより低くなり、一般的なパルストランスを使用できるが、チョッパ回路のスイッチング周波数の高速化のためにパルストランスのオンデューテイを90%にしたときは、パルストランスの1次巻線の負の電圧は9αVにもなり、パルストランスの構造が複雑になり大きくなってしまう。
そこで、本発明では、一般的なパルストランスを用いてチョッパ回路のスイッチング周波数の高速化が可能となり、且つオンデューテイが50%を超えてもチョッパ・スイッチング素子を駆動できるチョッパ駆動回路を提供することにある。
上述した課題を解決するために、本発明は、商用交流電源を整流して直流電圧を出力する直流電源回路と、チョッパ・スイッチング素子を有し前記チョッパ・スイッチング素子のオン及びオフに応じて前記直流電圧を所定の直流電圧に変換して負荷に供給するチョッパ回路と、前記チョッパ回路の出力電圧に基づいて出力制御信号のパルス幅を制御する出力制御回路と、前記出力制御信号に同期してチョッパ制御信号を出力するチョッパ制御回路と、前記チョッパ制御信号に応じて前記チョッパ・スイッチング素子を駆動するチョッパ駆動回路と、を備えた電源装置において、前記チョッパ制御回路は、前記出力制御信号のオンに同期し前記出力制御信号の1周期の1/2のパルス幅を有する基準制御信号を生成し、前記基準制御信号と前記出力制御信号とのアンド論理を行ない第1のチョッパ制御信号を生成し、前記基準制御信号の反転信号と前記出力制御信号とのアンド論理を行ない第2のチョッパ制御信号を生成し、前記チョッパ駆動回路は、前記第1の出力制御信号に応じて第1の1次駆動スイッチング素子を導通し、この導通にて第1のパルストランスの1次巻線に所定の電圧を印加して2次巻線に誘導起電圧を発生し、前記第2の出力制御信号に応じて第2の1次駆動スイッチング素子を導通し、この導通にて第2のパルストランスの1次巻線に所定の電圧を印加して2次巻線に誘導起電圧を発生し、前記第1のパルストランスの2次巻線と前記第2のパルストランスの2次巻線とをダイオードを介しオア接続し前記2つの誘導起電圧に応じて前記チョッパ・スイッチング素子を駆動すること、を特徴とする電源装置である。
第2の発明は、前記基準制御信号のパルス幅を前記出力制御信号の最大パルス幅1/2とすること、を特徴とする請求項1記載の電源装置である。
本発明では、チョッパ駆動回路の構成を第1の1次駆動スイッチング素子と、この素子の導通に応じて所定の電圧を1次巻線に印加し2次巻線に誘導起電圧を発生して出力する第1のパルストランスと、第2の1次駆動スイッチング素子と、この素子の導通に応じて所定の電圧を1次巻線に印加し2次巻線に誘導起電圧を発生して出力する第2のパルストランスとを並列に設け、第1のパルストランスと第2のパルストランスとの出力をダイオードを介してオア接続する構成にし、チョッパ制御回路によって、第1のチョッパ制御信号の最大パルス幅を1周期の1/2に制限することによって、チョッパ駆動回路の第1のパルストランスのオンデューテイが最大50%になり、第2のパルストランスのオンデューテイも50%以下で制限される。よって、オンデューテイ90%近傍を有する特別なパルストランスを使用しなくても、オンデューテイ100%近傍を有するチョッパ駆動回路が容易に実現できる。
第2の発明では、チョッパ駆動回路の最大オンデューテイが、例えば70%のとき、第1のパルストランス及び第2のパルストランスの最大オンデューテイが35%と均一になり、チョッパ駆動回路の構成を第1の1次駆動スイッチング素子及び第2の1次駆動スイッチング素子のドレイン・ソースに印加される最大電圧が均一になり、2つのスイッチング素子の信頼性向上につながる。
図1は、本発明の実施形態に係る電源装置、(例えば)降圧チョッパ回路を用いた電源装置の電気接続図である。同図において、図5に示す従来技術の電源装置、(例えば)ソフトスイッチングを行う溶接電源の電気接続図と同一符号の構成物は、同一動作を行うので説明は省略し、符号の相違する構成物についてのみ説明する。また、本発明の実施形態では、降圧チョッパ回路を用いて説明を行っているが、昇圧チョッパ回路を用いても本発明に適用することができる。
直流電源回路は、整流回路DR1及び出力側に並列に設けた第1の平滑コンデンサC1から形成され、商用交流電源を整流し直流電圧を出力する。
降圧チョッパ回路は、図1に示すチョッパ・スイッチング素子TR1、環流ダイオードDR2、直流リアクトルDCL及び第2の平滑コンデンサC3とによって形成され、チョッパ・スイッチング素子TR1のオンデューテイに基づいて直流電源回路からの直流電圧を降圧して負荷に供給する。
出力電圧検出回路VDは、降圧チョッパ回路の出力電圧を検出して出力電圧検出信号Vdとして出力する。出力制御回路SCは、パルス周波数が一定でパルス幅を変調するPWM制御を行ない、出力電圧検出信号Vdの値に基づいて出力制御信号Scのパルス幅を制御する。
図3は、本発明のチョッパ制御回路COの詳細図である。
同図において、チョッパ制御回路COは、単安定マルチバイブレータ回路TM、反転回路IN、第1のアンド回路AND1及び第2のアンド回路AND2によって形成され、単安定マルチバイブレータ回路TMは、出力制御信号Scのオンに同期し、出力制御信号Scの1周期の1/2のパルス幅を有する基準制御信号Tmを生成して出力する。第1のアンド回路AND1は、出力制御信号Scと基準制御信号Tmとのアンド論理を行って第1のチョッパ制御信号Co1として出力し、第2のアンド回路AND2は、第1の出力制御信号Scと基準制御信号Tmの反転信号Inとのアンド論理を行って第2のチョッパ制御信号Co2として出力する。
また、基準制御信号Tmのパルス幅を出力制御信号Scの最大パルス幅の1/2としてもよい。
図2は、本発明のチョッパ駆動回路PDの詳細図である。
同図に示すように第1のチョッパ制御信号Co1に応じて導通/遮断する第1の1次駆動スイッチング素子TR3と、この第1の1次駆動スイッチング素子TR3の導通/遮断に応じて、図示省略の直流電源からの電圧が断続的に印加する1次巻線及び1次巻線に印加する電圧に応じて誘導起電圧を発生して2次巻線に出力する第1のパルストランスT1と、第2のチョッパ制御信号Co2に応じて導通/遮断する第2の1次駆動スイッチング素子TR5と、この第2の1次駆動スイッチング素子TR5の導通/遮断に応じて直流電源からの電圧が断続的に印加する1次巻線および1次巻線に印加する電圧に応じて誘導起電圧を発生して2次巻線に出力する第2のパルストランスT2と、第1のパルストランスT1と第2のパルストランスT2との出力をダイオードを介して2次駆動スイッチング素子TR4にオア接続し、2つの誘導起電圧に応じてハイ・サイド動作を行う2次駆動スイッチング素子とで形成される。
図4は、本発明の実施の形態の動作を説明するための波形タイミング図である。
図4において、同図(a)の波形は出力制御信号Scを示し、同図(b)の波形は基準制御信号Tmを示し、同図(c)の波形は反転信号Inを示し、同図(d)の波形は第1のチョッパ制御信号Co1を示し、同図(e)の波形は第2のチョッパ制御信号Co2を示し、同図(f)の波形はチョッパ駆動信号Pdを示す。
つぎに、図4の波形タイミング図を用いて本発明の動作について説明する。
図1に示す、起動スイッチTSから起動信号Tsが出力されると出力制御回路SCは、予め定めた電圧基準値Vrと出力電圧検出信号Vdの値とを比較演算した値(例えば、Vr−Vd)に基づいて図4(a)に示す出力制御信号Scのパルス幅を制御する。
時刻t=t1において、図3に示すチョッパ制御回路COの単安定マルチバイブレータ回路TMに、図4(a)に示す出力制御信号Scが入力されHighレベルになると、単安定マルチバイブレータ回路TMは、出力制御信号Scのオンに同期し、出力制御信号Scの1周期の1/2のパルス幅を有する同図(b)に示す基準制御信号Tmを出力する。また、基準制御信号Tmのパルス幅を出力制御信号Scの最大パルス幅の1/2としてもよい。
時刻t=t1において、第1のアンド回路AND1は、出力制御信号Scと基準制御信号Tmとのアンド論理を行ない図4(d)に示す第1のチョッパ制御信号Co1をHighレベルにする。さらに、第2のアンド回路AND2は、出力制御信号Scと基準制御信号Tmの反転信号Inとのアンド論理を行ない図4(e)に示す第2のチョッパ制御信号Co2をLowレベルにする。
チョッパ駆動回路PDは、第1のチョッパ制御信号Co1と第2のチョッパ制御信号Co2とのオア論理を行って図4(f)に示すチョッパ駆動信号PdをHighレベルにし、時刻t=t1のときチョッパ・スイッチング素子TR1を導通する。
時刻t=t1〜t2において、図4(d)に示す第1のチョッパ制御信号Co1はHighレベルを維持するので、チョッパ・スイッチング素子TR1の導通は継続する。
単安定マルチバイブレータ回路TMは、出力制御信号ScのHighレベルから1/2周期の時間が経過する時刻t=t2において、基準制御信号TmがLowレベルになる。
時刻t=t2において、第1のアンド回路AND1は、出力制御信号Scと基準制御信号Tmとのアンド論理を行ない図4(d)に示す第1のチョッパ制御信号Co1をLowレベルにする。さらに、第2のアンド回路AND2は、出力制御信号ScのHighレベルと基準制御信号Tmの反転信号InのHighレベルとのアンド論理を行ない図4(e)に示す第2のチョッパ制御信号Co2をHighレベルにする。
チョッパ駆動回路PDは、第1のチョッパ制御信号Co1と第2のチョッパ制御信号Co2とのオア論理を行って図4(f)に示すチョッパ駆動信号PdのHighレベルを維持し、チョッパ・スイッチング素子TR1を導通を継続する。
図4に示す時刻t=t3において、図4(a)に示す出力制御信号ScがLowレベルになると図4(e)に示す第2のチョッパ制御信号Co2はHighレベルからLowレベルになり、チョッパ駆動回路PDは、第1のチョッパ制御信号Co1と第2のチョッパ制御信号Co2とのオア論理を行って図4(f)に示すチョッパ駆動信号PdがLowレベルになり、チョッパ・スイッチング素子TR1を遮断する。そして、時刻t=t3〜t4の期間は、チョッパ・スイッチング素子TR1は遮断を継続する。
時刻t=t4において、図4(a)に示す出力制御信号Scが再度Highレベルになると、単安定マルチバイブレータ回路TMは、出力制御信号Scのオンに同期し、出力制御信号Scの1周期の1/2のパルス幅を有する基準制御信号Tmを出力する。
時刻t=t4において、第1のアンド回路AND1は、出力制御信号Scと基準制御信号Tmとのアンド論理を行ない図4(d)に示す第1のチョッパ制御信号Co1をHighレベルにする。さらに、第2のアンド回路AND2は、第1の出力制御信号Sc1と基準制御信号Tmの反転信号Inとのアンド論理を行ない同図(e)に示す第2のチョッパ制御信号Co2をLowレベルにする。
チョッパ駆動回路PDは、第1のチョッパ制御信号Co1と第2のチョッパ制御信号Co2とのオア論理を行って図4(f)に示すチョッパ駆動信号PdをHighレベルにし、時刻t=t4のときチョッパ・スイッチング素子TR1を導通する。そして、以後は上記と同一動作を繰り返すので説明を省略する。
上述の降圧チョッパ回路では、図4(f)に示すチョッパ駆動信号Pdのオンデューテイに基づいて直流電源回路から供給される直流電圧を降圧して負荷に供給する。また、本発明のチョッパ回路では、降圧チョッパ回路を使用して動作説明を行なっているが、昇圧チョッパ回路を使用しチョッパ駆動信号Pdのオンデューテイに基づいて直流電源回路から供給される直流電圧を昇圧し負荷に供給してもよい。
本発明では、チョッパ・スイッチング素子を駆動するチョッパ駆動回路の構成としてパルストランスを2つ並列に設け、出力制御回路の第1の出力制御信号及び第2の出力制御信号に基づいて2つのパルストランスのオンデューテイを50%以下に抑えることによって通常のパルストランスが使用でき、オンデューテイが100%近傍を有するチョッパ駆動回路が可能となる。
本発明の実施形態に係る電源装置の接続図である。 本発明のチョッパ駆動回路の詳細図である。 本発明のチョッパ制御回路の詳細図である。 本発明の電源装置の動作を説明するための波形タイミング図である。 従来技術の電源装置の接続図である。 従来のチョッパ駆動回路の詳細図である。 従来の電源装置の動作を説明するための波形タイミング図である。
符号の説明
AND1 第1のアンド回路
AND2 第2のアンド回路
C1 平滑コンデンサ
C2 補助コンデンサ
CD (従来の)チョッパ制御回路
Cd (従来の)チョッパ制御信号
CO (本発明の)チョッパ制御回路
Co1 (本発明の)第1のチョッパ制御信号
Co2 (本発明の)第2のチョッパ制御信号
DC (従来の)チョッパ駆動回路
Dc (従来の)チョッパ駆動信号
DR1 1次整流回路
DR2 環流ダイオード
DR3 2次整流回路
DCL 直流リアクトル
ID 出力電流検出回路
Id 出力電流検出信号
IK インバータ駆動回路
Ik1 第1のインバータ駆動信号
Ik2 第2のインバータ駆動信号
IR 電流基準設定回路
Ir 電流基準値
IN 反転回路
INT 主変圧器
INV インバータ回路
M 被加工物
PD (本発明の)チョッパ駆動回路
Pd (本発明の)第チョッパ駆動信号
SC 出力制御回路
Sc 出力制御信号
Sc1 第1の出力制御信号
Sc2 第2の出力制御信号
T1 第1のパルストランス
T2 第2のパルストランス
TH トーチ
TM 単安定マルチバイブレータ回路
TS 起動スイッチ
Ts 起動信号
TR1 チョッパ・スイッチング素子
TR2 第1の1次駆動スイッチング素子
TR3 2次駆動スイッチング素子
TR4 第2の1次駆動スイッチング素子
VD 出力電圧検出回路
Vd 出力電圧検出信号
VR 電圧基準設定回路
Vr 電圧基準値

Claims (2)

  1. 商用交流電源を整流して直流電圧を出力する直流電源回路と、チョッパ・スイッチング素子を有し前記チョッパ・スイッチング素子のオン及びオフに応じて前記直流電圧を所定の直流電圧に変換して負荷に供給するチョッパ回路と、前記チョッパ回路の出力電圧に基づいて出力制御信号のパルス幅を制御する出力制御回路と、前記出力制御信号に同期してチョッパ制御信号を出力するチョッパ制御回路と、前記チョッパ制御信号に応じて前記チョッパ・スイッチング素子を駆動するチョッパ駆動回路と、を備えた電源装置において、前記チョッパ制御回路は、前記出力制御信号のオンに同期し前記出力制御信号の1周期の1/2のパルス幅を有する基準制御信号を生成し、前記基準制御信号と前記出力制御信号とのアンド論理を行ない第1のチョッパ制御信号を生成し、前記基準制御信号の反転信号と前記出力制御信号とのアンド論理を行ない第2のチョッパ制御信号を生成し、前記チョッパ駆動回路は、前記第1の出力制御信号に応じて第1の1次駆動スイッチング素子を導通し、この導通にて第1のパルストランスの1次巻線に所定の電圧を印加して2次巻線に誘導起電圧を発生し、前記第2の出力制御信号に応じて第2の1次駆動スイッチング素子を導通し、この導通にて第2のパルストランスの1次巻線に所定の電圧を印加して2次巻線に誘導起電圧を発生し、前記第1のパルストランスの2次巻線と前記第2のパルストランスの2次巻線とをダイオードを介しオア接続し前記2つの誘導起電圧に応じて前記チョッパ・スイッチング素子を駆動すること、を特徴とする電源装置。
  2. 前記基準制御信号のパルス幅を前記出力制御信号の最大パルス幅の1/2とすること、を特徴とする請求項1記載の電源装置。
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