JP5927635B2 - High-speed inversion pulse power supply - Google Patents
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Description
本発明は、電気めっき等に使用する高速反転パルス電源装置に関するものである。 The present invention relates to a high-speed inversion pulse power supply device used for electroplating or the like.
ある種の電気めっきでは周期的に反転する電流を流すとその鍍膜の物性が良くなることが知られており、銅めっきでは古くからPR銅めっきとして実用化されている。このPR銅めっきは数秒以上の周期で極性を反転させるものであるが、ある種のめっきではこれを高速化して百マイクロ秒ないし数ミリ秒の周期とすることでめっき品質に顕著な改善効果があることが見出されており、近年クロムめっきやニッケルめっき等にも使用されるようになってきている。こうしためっきをするための高速反転パルス電源装置としては例えば特許文献1に示されるようなものが実用化されている。 In certain types of electroplating, it is known that when a periodically reversing current is passed, the physical properties of the coating are improved, and copper plating has long been put into practical use as PR copper plating. This PR copper plating reverses the polarity with a period of several seconds or more. However, with certain types of plating, the speed can be increased to a period of one hundred microseconds to several milliseconds to significantly improve the plating quality. In recent years, it has been found to be used for chromium plating, nickel plating and the like. As a high-speed inversion pulse power supply device for performing such plating, for example, a device disclosed in Patent Document 1 has been put into practical use.
この特許文献1で開示されている電源装置は、中性点に対しプラス、マイナス両極性の直流を出力するスイッチング方式の両極性直流電源を設け、両極性直流電源のプラス極と中性点との間に第一の半導体スイッチと第二の半導体スイッチを直列に接続し、両極性直流電源の中性点と両極性直流電源のマイナス極との間に第三の半導体スイッチと第四の半導体スイッチを直列に接続し、第一の半導体スイッチと第二の半導体スイッチの接続点と第三の半導体スイッチと第四の半導体スイッチの接続点との間にコンデンサを接続し、両極性直流電源のプラス極とマイナス極との間に第五の半導体スイッチと第六の半導体スイッチを直列に接続し、第五の半導体スイッチと第六の半導体スイッチの接続点と中性点との間から出力を取り出すようにしたものである。 The power supply device disclosed in Patent Document 1 is provided with a switching type bipolar DC power source that outputs positive and negative bipolar DC with respect to the neutral point, and the positive and neutral points of the bipolar DC power source The first semiconductor switch and the second semiconductor switch are connected in series between the third semiconductor switch and the fourth semiconductor between the neutral point of the bipolar DC power supply and the negative pole of the bipolar DC power supply. Connect the switch in series, connect a capacitor between the connection point of the first semiconductor switch and the second semiconductor switch and the connection point of the third semiconductor switch and the fourth semiconductor switch, Connect a fifth semiconductor switch and a sixth semiconductor switch in series between the positive and negative poles, and output from between the connection point and the neutral point of the fifth semiconductor switch and the sixth semiconductor switch. To take out Those were.
この電源装置では、正極性パルス期間の終了時と負極性パルス期間の終了時に第一の半導体スイッチと第四の半導体スイッチをオンにし、回路のインダクタンスに蓄えられているエネルギーをコンデンサに回収して蓄えることで正極性パルス及び負極性パルスの電流を急速に立ち下げることができ、負極性パルス期間の開始時には第二の半導体スイッチと第六の半導体スイッチを、正極性パルス期間の開始時には第三の半導体スイッチと第五の半導体スイッチをそれぞれオンにし、コンデンサに蓄えられているエネルギーを負荷に放出することで負極性パルス及び正極性パルスの電流を急速に立ち上げることができる利点があるが、多数の半導体スイッチを必要とするという問題があった。 In this power supply device, the first semiconductor switch and the fourth semiconductor switch are turned on at the end of the positive polarity pulse period and at the end of the negative polarity pulse period, and the energy stored in the circuit inductance is recovered in the capacitor. By accumulating, the current of the positive polarity pulse and the negative polarity pulse can be rapidly lowered, the second semiconductor switch and the sixth semiconductor switch are set at the start of the negative polarity pulse period, and the third pulse is set at the start of the positive polarity pulse period. There is an advantage that the current of the negative polarity pulse and the positive polarity pulse can be quickly raised by turning on each of the semiconductor switch and the fifth semiconductor switch and releasing the energy stored in the capacitor to the load. There was a problem of requiring a large number of semiconductor switches.
また、第五の半導体スイッチや第六の半導体スイッチがオフになるときには過渡的なサージ電圧が発生するが、これを吸収するためにスナバを設ける必要があり、大容量の場合には半導体スイッチを所要数並列に接続することも必要であった。そのため半導体スイッチ、スナバ等構成部品が多くなり、構造が複雑になって大容量化が難しいという問題があった。 In addition, a transient surge voltage is generated when the fifth semiconductor switch or the sixth semiconductor switch is turned off. To absorb this, a snubber must be provided. It was also necessary to connect the required number in parallel. For this reason, there are problems that the number of components such as semiconductor switches and snubbers increases, the structure becomes complicated, and it is difficult to increase the capacity.
本発明は上記の問題点を解決し、少数の半導体スイッチで構成でき、サージ電圧を吸収するためのスナバを設ける必要のない、高速反転パルス電源装置を提供するためになされたものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems and to provide a high-speed inversion pulse power supply device that can be configured with a small number of semiconductor switches and does not require a snubber for absorbing a surge voltage.
上記の問題を解決するためになされた本発明の高速反転パルス電源装置は、中性点に対しプラス、マイナス両極性の直流を出力するスイッチング方式の両極性直流電源を設け、両極性直流電源のプラス極と両極性直流電源のマイナス極との間にコンデンサを接続するとともに第一の半導体スイッチと第二の半導体スイッチを直列に接続したものを接続し、両極性直流電源のプラス極と中性点との間に第三の半導体スイッチ、両極性直流電源の中性点と両極性直流電源のマイナス極との間に第四の半導体スイッチをそれぞれ接続し、第一の半導体スイッチと第二の半導体スイッチの接続点と中性点との間から出力を取り出すことを特徴とするものである。 In order to solve the above problems, the high-speed inversion pulse power supply device of the present invention is provided with a switching type bipolar DC power supply that outputs positive and negative bipolar DC with respect to the neutral point. Connect a capacitor between the positive pole and the negative pole of the bipolar DC power supply and connect the first semiconductor switch and the second semiconductor switch connected in series to connect the positive pole and neutrality of the bipolar DC power supply. A third semiconductor switch between the two points, a fourth semiconductor switch connected between the neutral point of the bipolar DC power supply and the negative pole of the bipolar DC power supply, respectively, The output is taken out between the connection point and the neutral point of the semiconductor switch.
ここにおいて、両極性直流電源を構成する変圧器に三次コイルを設け、三次コイルに誘起する電力を整流してコンデンサを充電する充電回路を設けることが好ましく、コンデンサを充電する独立した直流電源を設けることが好ましい。また、正極性パルス期間の開始時に第一の半導体スイッチと第四の半導体スイッチをオンにし、正極性パルス期間中第一の半導体スイッチをオンにし、負極性パルス期間の開始時に第二の半導体スイッチと第三の半導体スイッチをオンにし、負極性パルス期間中第二の半導体スイッチをオンにする駆動信号を順次生成するとともに、正極性パルス期間中及び負極性パルス期間中出力電流がそれぞれの設定値になるように両極性直流電源を制御する制御手段を設けることが好ましい。 Here, it is preferable to provide a third coil in the transformer constituting the bipolar DC power source, and to provide a charging circuit for charging the capacitor by rectifying the electric power induced in the tertiary coil, and to provide an independent DC power source for charging the capacitor. It is preferable. Also, the first semiconductor switch and the fourth semiconductor switch are turned on at the start of the positive polarity pulse period, the first semiconductor switch is turned on during the positive polarity pulse period, and the second semiconductor switch is turned on at the start of the negative polarity pulse period. And the third semiconductor switch are turned on, and the drive signal for turning on the second semiconductor switch during the negative polarity pulse period is sequentially generated, and the output currents during the positive polarity pulse period and the negative polarity pulse period are respectively set values. It is preferable to provide a control means for controlling the bipolar DC power supply.
本発明によれば、正極性パルス期間の終了時及び負極性パルス期間の終了時に回路のインダクタンスに蓄えられているエネルギーが回収されるので正極性パルス及び負極性パルスの電流が急速に立ち下がり、この回収されたエネルギーがコンデンサに蓄積され、次の負極性パルス期間の開始時及び正極性パルスの開始時に放出されるので次の負極性パルス及び正極性パルスの電流が急速に立ち上がることになる。このように回路のインダクタンスに蓄えられているエネルギーをコンデンサに回収することにより電流を急速に立ち下げ、コンデンサに回収して蓄えられているエネルギーを負荷に放出することにより電流を急速に立ち上げるので、パルス電流の立ち上がり、立ち下りが早くなるだけでなく、エネルギーが失われないので高効率となる効果がある。また、各パルスの電流が立ち上がった後は両極性直流電源から電流が供給されることになるが、両極性直流電源をスイッチング方式としていることから追従性がよく、良好な波形のパルス電流が供給される利点がある。 According to the present invention, the energy stored in the inductance of the circuit is recovered at the end of the positive pulse period and at the end of the negative pulse period, so the current of the positive pulse and the negative pulse falls rapidly, The recovered energy is accumulated in the capacitor and released at the start of the next negative pulse period and at the start of the positive pulse, so that the current of the next negative pulse and positive pulse rises rapidly. In this way, the current is rapidly lowered by recovering the energy stored in the circuit inductance to the capacitor, and the current is rapidly raised by discharging the energy stored in the capacitor and stored in the load. Not only does the rise and fall of the pulse current become faster, but there is an effect of higher efficiency because energy is not lost. Also, after the current of each pulse rises, the current is supplied from the bipolar DC power supply, but since the bipolar DC power supply is a switching method, it has good tracking characteristics and a pulse current with a good waveform is supplied. There are advantages to being.
両極性直流電源を構成する変圧器に三次コイルを設け、三次コイルに誘起する電力を整流してコンデンサを充電する充電回路を設けた場合には、この充電回路によりコンデンサが充電され、正極性パルス期間の終了時及び負極性パルス期間の終了時にコンデンサの電圧が次の負極性パルス及び正極性パルスの電流が急速に立ち上がるのに充分な電圧に確実になるので、次の負極性パルス及び正極性パルスの電流が必ず急速に立ち上がる利点がある。コンデンサを充電する独立した直流電源を設けた場合には、運転開始時最初の正極性パルスが出力される前にコンデンサが充電されるので、運転開始時最初の正極性パルスも立ち上がりの早い良好な波形のパルス電流となる利点がある。 When a transformer that constitutes a bipolar DC power supply is provided with a tertiary coil and a charging circuit that charges the capacitor by rectifying the electric power induced in the tertiary coil is provided, the capacitor is charged by this charging circuit, and the positive pulse At the end of the period and at the end of the negative pulse period, the voltage of the capacitor is ensured to a voltage sufficient for the current of the next negative pulse and positive pulse to rise rapidly, so the next negative pulse and positive polarity There is an advantage that the pulse current always rises rapidly. When an independent DC power supply is used to charge the capacitor, the capacitor is charged before the first positive pulse is output at the start of operation. There is an advantage that the pulse current becomes a waveform.
運転中、第一の半導体スイッチや第二の半導体スイッチがオフになるときにはサージ電圧が発生することがあるが、第一の半導体スイッチのプラス端子がコンデンサのプラス端子と、第二の半導体スイッチのマイナス端子がコンデンサのマイナス端子とそれぞれ直接に接続されているので、こうしたサージ電圧は全てコンデンサによって吸収されることになり、別途スナバを設ける必要がない利点がある。 During operation, when the first semiconductor switch or the second semiconductor switch is turned off, a surge voltage may occur, but the positive terminal of the first semiconductor switch is connected to the positive terminal of the capacitor and the second semiconductor switch. Since the negative terminal is directly connected to the negative terminal of the capacitor, all such surge voltages are absorbed by the capacitor, and there is an advantage that it is not necessary to provide a separate snubber.
次に、本発明を実施するための形態について、図を参照しながら具体的に説明する。
図1は本発明の実施の形態を示す主回路の結線図であって、交流入力端子1から供給される交流電力を直流電力に変換する整流器2のプラス極に半導体スイッチ3a、3bのプラス端子が接続してあり、該半導体スイッチ3a、3bのマイナス端子にはマイナス端子を整流器2のマイナス極に接続した半導体スイッチ4a、4bのプラス端子がそれぞれ接続してある。また、整流器2のプラス極とマイナス極の間にはコンデンサ5が接続してある。
Next, the form for implementing this invention is demonstrated concretely, referring a figure.
FIG. 1 is a connection diagram of a main circuit showing an embodiment of the present invention, in which a positive terminal of a rectifier 2 that converts AC power supplied from an AC input terminal 1 into DC power is connected to positive terminals of
半導体スイッチ3a、4aの接続点と半導体スイッチ3b、4bの接続点との間には変圧器6の一次コイル7が接続してあり、該変圧器6の二次コイル8にはセンタータップ9を設けるとともに両端にそれぞれダイオード10a、10bのアノードとダイオード11a、11bのカソードが接続してある。ダイオード10a、10bのカソードは相互に接続したうえコンデンサ12のプラス端子に、ダイオード11a、11bのアノードは相互に接続したうえコンデンサ12のマイナス端子にそれぞれ接続してあり、これらの整流器2、コンデンサ5、半導体スイッチ3a、3b、4a、4b、変圧器6及びダイオード10a、10b、11a、11b及びコンデンサ12は中性点に対しプラス、マイナス両極性の直流を出力するスイッチング方式の両極性直流電源を構成することとなる。この両極性直流電源では、センタータップ9が中性点、コンデンサ12のプラス端子がプラス極、コンデンサ12のマイナス端子がマイナス極となる。
A
変圧器6にはさらに三次コイル13が設けてあり、該三次コイル13にはセンタータップ14を設けるとともに両端にそれぞれダイオード15a、15bのアノードが接続してある。三次コイル13のセンタータップ14はコンデンサ12のマイナス端子に接続してあり、ダイオード15a、15bのカソードは相互に接続したうえ抵抗器16を介してコンデンサ12のプラス端子に接続してある。17はスイッチング方式等の直流電源であって、該直流電源17の交流入力側は交流入力端子1に接続してあり、直流出力側のプラス極は抵抗器18を介してコンデンサ12のプラス極に、マイナス極はコンデンサ12のマイナス端子にそれぞれ接続してある。
The transformer 6 is further provided with a
コンデンサ12のプラス端子には第一の半導体スイッチである半導体スイッチ19のプラス端子が接続してあり、半導体スイッチ19のマイナス端子には第二の半導体スイッチである半導体スイッチ20のプラス端子と出力端子21aが接続してある。また、コンデンサ12のプラス端子には第三の半導体スイッチである半導体スイッチ22のプラス端子が接続してあり、センタータップ9には半導体スイッチ22のマイナス端子と第四の半導体スイッチである半導体スイッチ23のプラス端子を接続するとともに出力電流検出器24を介して出力端子21bが接続してある。コンデンサ12のマイナス端子には半導体スイッチ23のマイナス端子が接続してある。
The plus terminal of the
これにより両極性直流電源のプラス極と両極性直流電源のマイナス極の間にはコンデンサ12及び第一の半導体スイッチである半導体スイッチ19と第二の半導体スイッチである半導体スイッチ20を直列に接続したものが接続され、両極性直流電源のプラス極と中性点であるセンタータップ9との間には第三の半導体スイッチである半導体スイッチ22が、両極性直流電源の中性点とマイナス極との間には第四の半導体スイッチである半導体スイッチ23がそれぞれ接続され、半導体スイッチ19と半導体スイッチ20の接続点と中性点の間から出力が取り出されることになる。上記の回路を構成する半導体スイッチ3a、3b、4a、4b及び半導体スイッチ19、20、22、23は逆方向に導通するダイオードを内蔵したものとし、高速な素子とするのが望ましく、電源装置の定格容量によっては必要に応じ所要数を並列に接続するものとする。
Thus, the
図中25は制御装置であって、該制御装置25には出力電流検出器24から得られる出力電流検出信号と出力電圧検出信号が入力してあり、運転制御回路と、運転条件を設定する設定回路と、電流基準信号を生成する基準信号発生回路と、誤差増幅回路と、PWM変調回路と、半導体スイッチ3a、3b、4a、4b及び半導体スイッチ19、20、22、23に与える駆動信号を個別に生成するタイミング回路と、直流電源17の運転回路とが設けてある。タイミング回路が生成する半導体スイッチ3a、3b、4a、4bの駆動信号は、駆動装置26により絶縁するとともに増幅して半導体スイッチ3a、3b、4a、4bに加えるようにしてあり、半導体スイッチ19、20、22、23の駆動信号は、駆動装置27により絶縁するとともに増幅して半導体スイッチ19、20、22、23に加えるようにしてある。なお、28は電源装置内に存在する配線インダクタンスをまとめて表したものである。
In the figure,
運転条件の設定項目は正極性パルス及び負極性パルスの各時間、すなわち正極性パルス及び負極性パルスのパルス幅、正極性パルス及び負極性パルスの出力電流であり、基準信号発生回路は設定された運転条件に従って電流基準信号を生成するものとしてある。誤差増幅器は出力電流検出信号と電流基準信号の差を増幅してその信号をPWM変調回路に与えるようにしてあり、PWM変調回路は誤差増幅器からの信号により半導体スイッチ3a、3b、4a、4bのオン時間を変化させるようにしてある。また、直流電源17の運転回路は運転制御回路の指令により必要なとき直流電源17に運転指令信号を与えるものである。
The setting items of the operating conditions are each time of the positive polarity pulse and the negative polarity pulse, that is, the pulse width of the positive polarity pulse and the negative polarity pulse, the output current of the positive polarity pulse and the negative polarity pulse, and the reference signal generation circuit is set. The current reference signal is generated according to the operating conditions. The error amplifier amplifies the difference between the output current detection signal and the current reference signal and supplies the signal to the PWM modulation circuit. The PWM modulation circuit uses the signals from the error amplifier to switch the
前記のように構成した制御装置25は以下のように動作するものとしてある。まず、運転開始時は直流電源17に運転指令信号を与える。しばらく後、半導体スイッチ19、23に駆動信号を与え、正極性パルス期間が始まる。半導体スイッチ19には駆動信号を設定された正極性パルス期間の時間だけ継続して与え、半導体スイッチ23には駆動信号を一定時間だけ与えて停止する。半導体スイッチ23に与える駆動信号が停止した後半導体スイッチ3a、4bと半導体スイッチ3b、4aに交互に駆動信号を与え、正極性パルス期間の間継続する。正極性パルス期間が終了すると全ての半導体スイッチに与える駆動信号を停止する。
The
正極性パルス期間の終了後しばらく休止した後半導体スイッチ20、22に駆動信号を与えるが、半導体スイッチ20には設定された負極性パルス期間の時間だけ継続して与え、半導体スイッチ22には一定時間だけ与えて停止する。半導体スイッチ22に与える駆動信号が停止した後半導体スイッチ3a、4bと半導体スイッチ3b、4aに交互に駆動信号を与え、負極性パルス期間の間継続する。負極性パルス期間が終了すると全ての半導体スイッチに与える駆動信号を停止する。負極性パルス期間の終了後しばらく休止した後再度半導体スイッチ19、23に駆動信号を与えて正極性パルス期間となり、以後これを繰り返す。
A drive signal is given to the semiconductor switches 20 and 22 after having been paused for a while after the end of the positive polarity pulse period, but continuously given to the
以下このように構成された高速反転パルス電源装置の動作について説明する。基本的には正極性パルスと負極性パルスを交互に出力するものであるが、めっき用の場合正極性通電期間に鍍膜が形成されるので、通常正極性通電時間は負極性通電期間の数倍以上に設定される。図2は正極性パルスと負極性パルスが交互に出力される中、t2で正極性パルスが立ち下がった後t3で負極性パルスが立ち上がり、t4で負極性パルスが立ち下がった後t1で次の正極性パルスが立ち上がるときの要部の波形を示すもので、A、Bはそれぞれ第一の半導体スイッチ及び第二の半導体スイッチである半導体スイッチ19及び半導体スイッチ20の駆動信号、C、Dはそれぞれ第三の半導体スイッチ及び第四の半導体スイッチである半導体スイッチ22及び半導体スイッチ23の駆動信号、Eは半導体スイッチ3aと4bの駆動信号、Fは半導体スイッチ3bと4aの駆動信号であり、Gは両極性直流電源のプラス側の出力電圧、Hは両極性直流電源のマイナス側の出力電圧、Jは出力電圧、Kは出力電流、Lはコンデンサ12の電流、Mはコンデンサ12の電圧である。
The operation of the high-speed inversion pulse power supply device configured as described above will be described below. Basically, the positive polarity pulse and the negative polarity pulse are output alternately. However, in the case of plating, since a film is formed during the positive polarity energization period, the normal positive polarity energization time is usually several times the negative polarity energization period. Set as above. In FIG. 2, while the positive polarity pulse and the negative polarity pulse are alternately output, after the positive polarity pulse falls at t2, the negative polarity pulse rises at t3, and after the negative polarity pulse falls at t4, the next time at t1 The waveform of the main part when the positive pulse rises is shown. A and B are drive signals for the
交流入力端子1から供給された交流電力は整流器2により直流電力に変換され、コンデンサ5により平滑化されて半導体スイッチ3a、3b、4a、4bの回路に供給される。正極性パルス時間及び負極性パルス時間、正極性パルスの出力電流及び負極性パルスの出力電流を設定し、運転制御回路に押釦スイッチの接点等により運転指令を与えると運転状態となり、直流電源17に運転指令信号が与えられる。直流電源17が運転状態になり、抵抗器18を通してコンデンサ12が充電されたところで、半導体スイッチ19、23に駆動信号が与えられ、半導体スイッチ19と半導体スイッチ23がオンになる。
The AC power supplied from the AC input terminal 1 is converted into DC power by the rectifier 2, smoothed by the capacitor 5, and supplied to the circuits of the
負荷は等価的にインダクタンスLと抵抗Rの直列回路と見なすことができるので、図3ないし図8においては負荷をインダクタンスLと抵抗Rの直列回路で表してある。半導体スイッチ19と半導体スイッチ23がオンになると図3に矢印で示すようにコンデンサ12から半導体スイッチ19、配線インダクタンス28、出力端子21a、インダクタンスL、抵抗R、出力端子21b、出力電流検出器24、半導体スイッチ23の経路を通って電流が流れ、出力端子21aがプラス、出力端子21bがマイナスの正極性パルスが出力される。このときコンデンサ12の高い充電電圧により正極性パルスは急速に立ち上がる。その後半導体スイッチ23に駆動信号が与えられなくなって半導体スイッチ3a、4bと半導体スイッチ3b、4aに交互に駆動信号が与えられ、半導体スイッチ3a、4bと半導体スイッチ3b、4aが交互にオンとなって変圧器6の一次コイル7に交流電流が流れ、二次コイル8に交流電力が誘起される。
Since the load can be equivalently regarded as a series circuit of an inductance L and a resistor R, in FIGS. 3 to 8, the load is represented by a series circuit of an inductance L and a resistor R. When the
二次コイル8に誘起される交流電力はダイオード10a、10bにより整流され、図4に矢印で示すように半導体スイッチ19、配線インダクタンス28、出力端子21a、インダクタンスL、抵抗R、出力端子21b、出力電流検出器24、センタータップ9の経路を通って電流が流れ、引き続き出力端子21aがプラス、出力端子21bがマイナスの正極性パルスが出力される。出力電流は出力電流検出器24により検出され、検出された出力電流検出信号と設定された電流基準信号との誤差は増幅されてPWM変調回路に与えられる。PWM変調回路はその誤差が最小になるように半導体スイッチ3a、4bと半導体スイッチ3b、4aに与える駆動信号のパルス幅を制御し、正極性パルスの出力電流は設定された電流値に制御される。ここで、出力端子21aに陽極板、出力端子21bに被めっき物を接続し、めっき液に浸漬しておけばめっき皮膜が形成される。
The AC power induced in the
前記のようにコンデンサ12から半導体スイッチ19、出力端子21a、インダクタンスL、抵抗R、出力端子21b、出力電流検出器24、半導体スイッチ23の経路を通って電流が流れると、コンデンサ12の電荷が負荷に供給されてコンデンサ12の電圧は低下することになる。その後正極性パルスが出力される間は変圧器6の三次コイル13にも交流電力が誘起されるので、その交流電力はダイオード15a、15bにより整流され、抵抗器16を通してコンデンサ12に供給されることになり、コンデンサ12は充電されて低下した電圧が回復する。
As described above, when current flows from the
正極性パルス期間が終了すると全ての半導体スイッチに駆動信号が与えられなくなり、全ての半導体スイッチはオフになる。配線インダクタンス28及びインダクタンスLにはエネルギーが蓄えられており、そのエネルギーにより図5に矢印で示すように配線インダクタンス28、出力端子21a、インダクタンスL、抵抗R、出力端子21b、出力電流検出器24、半導体スイッチ22、コンデンサ12、半導体スイッチ20の経路を通って電流が流れ、配線インダクタンス28及びインダクタンスLに蓄えられていたエネルギーがコンデンサ12に移行し、正極性パルスの電流が急速に減少してゼロになる。これによりコンデンサ12の電圧は上昇することになる。このとき、半導体スイッチ22及び半導体スイッチ20では内蔵される逆方向のダイオードを通して電流が流れるものである。
When the positive pulse period ends, no drive signal is applied to all the semiconductor switches, and all the semiconductor switches are turned off. Energy is stored in the
わずかな休止時間の後半導体スイッチ22と半導体スイッチ20に駆動信号が与えられ、半導体スイッチ22と半導体スイッチ20がオンになると図6に矢印で示すようにコンデンサ12から半導体スイッチ22、出力電流検出器24、出力端子21b、抵抗R、インダクタンスL、出力端子21a、配線インダクタンス28、半導体スイッチ20の経路を通って電流が流れ、出力端子21aがマイナス、出力端子21bがプラスの負極性パルスが出力される。このときコンデンサ12の高い電圧により負極性パルスが急速に立ち上がるのは正極性パルスの場合と同様である。その後半導体スイッチ22に駆動信号が与えられなくなって半導体スイッチ3a、4bと半導体スイッチ3b、4aに交互に駆動信号が与えられ、半導体スイッチ3a、4bと半導体スイッチ3b、4aが交互にオンとなって変圧器6の一次コイル7に交流電流が流れ、二次コイル8に交流電力が誘起される。
After a short pause, a drive signal is applied to the
二次コイル8に交流電力が誘起されるとダイオード11a、11bにより整流され、図7に矢印で示すようにセンタータップ9、出力電流検出器24、出力端子21b、抵抗R、インダクタンスL、出力端子21a、配線インダクタンス28、半導体スイッチ20の経路を通って電流が流れ、引き続き出力端子21aがマイナス、出力端子21bがプラスの負極性パルスが出力される。出力電流が設定された電流値に制御されるのは正極性パルスの場合と同様である。また、負極性パルスの立ち上がり時に負荷に電荷を供給して電圧が低下したコンデンサ12が負極性パルス期間中に三次コイル13からの電力で充電されて電圧が回復することも正極性パルスの場合と同様である。
When AC power is induced in the
負極性パルス期間が終了すると全ての半導体スイッチに駆動信号が与えられなくなり、全ての半導体スイッチはオフになる。配線インダクタンス28及びインダクタンスLに蓄えられたエネルギーにより図8に矢印で示すようにインダクタンスL、出力端子21a、配線インダクタンス28、半導体スイッチ19、コンデンサ12、半導体スイッチ23、出力電流検出器24、出力端子21b、抵抗Rの経路を通って電流が流れ、配線インダクタンス28及びインダクタンスLに蓄えられていたエネルギーがコンデンサ12に移行し、負極性パルスの電流が急速に減少してゼロになる。これによりコンデンサ12の電圧が上昇すること、半導体スイッチ19及び半導体スイッチ23で内蔵される逆方向のダイオードを通して電流が流れるのは正極性パルスの場合と同様である。
When the negative polarity pulse period ends, no drive signal is applied to all the semiconductor switches, and all the semiconductor switches are turned off. As shown by arrows in FIG. 8, the inductance L,
負極性パルス期間の終了後わずかな休止時間の後半導体スイッチ19と半導体スイッチ23がオンになって再度正極性パルス期間となり、以後同様に正極性パルス期間と負極性パルス期間とが繰り返されて正極性パルスと負極性パルスが交互に出力される。ここにおいて、正極性パルス期間の終了時と負極性パルス期間の終了時にはインダクタンスL、配線インダクタンス28に蓄えられているエネルギーがコンデンサ12に移行して蓄えられ、負極性パルス期間の開始時と正極性パルス期間の開始時にはコンデンサ12に蓄えられているエネルギーが負荷に放出されるのであるが、負荷電流等の運転条件によって蓄えられるエネルギーや放出されるエネルギーは変化することになる。したがって、蓄えられるエネルギーや放出されるエネルギーによるコンデンサ12の電圧変化の大きさ等も負荷電流等の運転条件により変化する。
After a short pause after the end of the negative pulse period, the
図2に例示されるコンデンサ12の電圧は、正極性パルス期間の終了時に回収されるエネルギーより負極性パルス期間の開始時に放出されるエネルギーが大きいため負極性パルスが立ち上がったときの方が正極性パルス期間中より低下し、負極性パルス期間の終了時に回収されるエネルギーより正極性パルス期間の開始時に放出されるエネルギーが小さいため正極性パルスが立ち上がったときの方が負極性パルス期間中より上昇している状態を表している。いずれにしても、各パルス期間の終了時にインダクタンスL及び配線インダクタンス28に蓄えられているエネルギーがコンデンサ12に回収され、次の逆極性のパルス期間の開始時に放出されるのでエネルギーのロスがなく、効率が良い利点がある。
The voltage of the
図2で負極性パルスが立ち上がったときに低下したコンデンサ12の電圧がその後上昇しているのはコンデンサ12が負極性パルス期間中三次コイル13からの電力で充電されることを示すものである。コンデンサ12は正極性パルス期間中及び負極性パルス期間中三次コイル13からの電力により充電され、次の負極性パルス及び正極性パルスが急速に立ち上がるのに充分な電圧まで確実になるので、次の負極性パルス及び正極性パルスが必ず急速に立ち上がる利点がある。コンデンサ12はこのように三次コイル13からの電力で充電され、直流電源17を継続して運転する必要はないので、運転開始後は運転指令信号が与えられなくなって停止する。運転開始時最初の正極性パルスの立ち上がりを犠牲にするならば直流電源17は省略することも可能である。
In FIG. 2, the voltage of the
また、パルス電流が立ち上がった後は両極性直流電源から電流が供給されることになるが、両極性直流電源をスイッチング方式としていることから追従性がよく、良好な波形のパルス電流が供給できる利点がある。正極性パルスと負極性パルスが交互に出力される間、半導体スイッチ19、20がオフになるときにはサージ電圧が発生することがあるが、半導体スイッチ19のプラス端子がコンデンサ12のプラス端子と、半導体スイッチ20のマイナス端子がコンデンサ12のマイナス端子とそれぞれ直接に接続されているので、こうしたサージ電圧は全てコンデンサ12によって吸収されることになり、別途スナバを設ける必要がない利点がある。
In addition, the current is supplied from the bipolar DC power supply after the pulse current rises, but since the bipolar DC power supply uses a switching method, it has good trackability and can supply a pulse current with a good waveform. There is. While the positive and negative pulses are alternately output, a surge voltage may be generated when the semiconductor switches 19 and 20 are turned off. The positive terminal of the
なお、前記の実施の形態では三次コイル13からの充電電流制限用に抵抗器16を使用しているが、その一部あるいは全部をリアクトルで置き換えることができる。前記のように負荷電流等の運転条件によってコンデンサ12の電圧変化の大きさ等が変化するが、各パルスの立ち上がり時点のコンデンサ12の電圧が高くなりすぎるとパルス電流がオーバーシュートすることがあり、特に設定電流を小さくしたときに発生し易いものである。電流制限にリアクトルを使用した場合には、コンデンサ12の充電電圧が半導体スイッチ3a、3b、4a、4bのオン時間のデューティにより変化するので、出力電流が小さく半導体スイッチ3a、3b、4a、4bのオン時間のデューティが小さいときはコンデンサ12の充電電圧が低めになり、オーバーシュートが抑制される利点がある。
In the above-described embodiment, the
1 交流入力端子
2 整流器
3a、3b、4a、4b 半導体スイッチ
5 コンデンサ
6 変圧器
7 一次コイル
8 二次コイル
9 センタータップ
10a、10b、11a、11b ダイオード
12 コンデンサ
13 三次コイル
14 センタータップ
15a、15b ダイオード
16 抵抗器
17 直流電源
18 抵抗器
19、20 半導体スイッチ
21a、21b 出力端子
22、23 半導体スイッチ
24 出力電流検出器
25 制御装置
26、27 駆動装置
28 配線インダクタンス
L インダクタンス
R 抵抗
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 AC input terminal 2
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