JP6428227B2 - 大電流電源装置および通電加熱システム - Google Patents

Description

本発明は、被通電材の通電加熱を行うために好適なものに関する。

大電流は多くの用途で用いられる。例えば磁場の発生、電動機の駆動、通電加熱による被通電材（導電材料）の熱処理・接合・焼結等、多くの産業に用いられている。この中で、通電加熱を行う際には、目的に応じて被通電材の発熱をさせるために電流の制御が求められる。

例えば、被通電材の発熱分布を制御する際には通電周波数の重畳が有効であることが知られており、特許文献１に記載の技術では、直流と交流を重畳させることで、被通電材の温度分布を均一に保つ技術が開示されている。周波数の異なる電流を重畳させることは、浸透深さの異なる電流を流すことになるため、被通電材の表皮に集中する周波数の高い電流と、被通電材内を均一に流れる周波数の低い電流との重畳は、被通電材の発熱分布の制御に有効である。

また、電流の極性の制御が通電加熱において有効であることが知られている。通電経路における異なる物質の界面では、ペルチェ効果により、電流の極性に応じた発熱吸熱が発生する。そのため、通電加熱のような抵抗発熱を利用する場合においては、電流の極性によって被通電材の昇温が変化する。したがって、電流の極性によって被通電材の通電後の性質は変化する場合がある。例えば特許文献２では正負それぞれの極性の電流を制御することで、正負それぞれの極性においても入熱が等しくなる技術が開示されている。

制御性の高い電源として、磁気回生エネルギースイッチを用いた電源があり、任意の通電周数数をソフトスイッチングで実現可能であることが、特許文献３で開示されている。

特開平０３−１２６８１０号公報 特開平１１−２２６７４７号公報 特許第４５３４００７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、二つの周波数を重畳させるために、二つの電源を用いることを前提としており、被通電材の寸法や目的に合った温度分布を得るためには条件の数だけの電源を準備しなければならない。さらに、極性の制御は全く考慮されていない。特許文献２に記載の技術では、正負それぞれの極性の制御は可能であっても、周波数を重畳させるには複数の電源が必要になる。特許文献３に記載の技術では、制御信号によって様々な電流パターンを出力できることが開示されているが、周波数の重畳と極性の制御に関しての検討はなされていない。

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、大電流を出力する際の電流の制御性を従来の電源に比べて向上させることを目的とする。

本発明の通電加熱用大電流電源装置は、元電源より供給される電流を、磁気エネルギー回生スイッチを用いて、出力電流に変換する大電流電源装置であって、前記磁気エネルギー回生スイッチから出力される前記出力電流の極性が、前記出力電流における通電周波数の逆数である第１周期よりも長い周期である第２周期で交番するように前記磁気エネルギー回生スイッチの動作の制御が可能な制御手段を有し、前記元電源と、前記出力電流が流れる被通電材との間に配置される前記磁気エネルギー回生スイッチの数は１つであり、前記制御手段は、前記第２周期の一周期内の、連続する複数の前記第１周期において、正負の極性のうち一方の極性のみのパルス波形の電流が出力されることがあるように前記磁気エネルギー回生スイッチの動作を制御することを特徴とする。
本発明の通電加熱システムは、前記大電流電源装置を有し、前記大電流電源装置から出力された出力電流を、被通電材に通電することで、当該被通電材を加熱することを特徴とする。

本発明によれば、電流の制御性を従来の電源に比べて向上させることができる。

通電加熱システムの構成の一例を示す図である。 スイッチングパターンと当該スイッチングパターンに対応する部分の通電パターンの第１の例を示す図である。 スイッチングパターンと当該スイッチングパターンに対応する部分の通電パターンの第２の例を示す図である。 スイッチングパターンの変形例を示す図である。 通電パターンの第１の例を示す図である。 通電パターンの第２の例を示す図である。

本実施形態では、磁気エネルギー回生スイッチ（Magnetic Energy Recovery Switch、以降、ＭＥＲＳと称する。）を用いることで、導電材料（被通電材）に与える電流の極性を、通電加熱時間内で制御することが可能な大電流通電用電源装置を提供する。

ＭＥＲＳについては、特許文献３等に記載されている。本実施形態では、特許文献３に記載のスナバーエネルギーを回生する電流スイッチの構成を利用している。しかしながら、特許文献３では大電流による通電中に、電流の極性を制御することについての検討はなされていない。かかる状況の下、本実施形態のように、本発明者らは、大電流による通電加熱の時間内での極性の制御を行えることを知見した。

以下で、本発明を実施するための一形態について説明する。本実施形態では、大電流の通電加熱を行う場合を例として説明する。

（通電加熱システムの構成）
図１は、通電加熱システムの構成の一例を示す図である。
本システムは本発明の技術を用いたシステムの一例であり、交流電源１００と、整流器２００と、直流リアクトル３００と、ＭＥＲＳ４００と、制御部５００と、負荷の交流インダクタンス６００と、被通電材である抵抗体７００と、を有する。

図１において、ＭＥＲＳ４００の入力側の接続関係は以下の通りである。
整流器２００の入力端と、交流電源１００とが相互に接続される。整流器２００の出力端の一つと、直流リアクトル３００の一端とが相互に接続される。整流器２００の出力端の他の一つと、ＭＥＲＳ４００の直流端子ｃとが相互に接続される。直流リアクトル３００の他端と、ＭＥＲＳ４００の直流端子ｂとが相互に接続される。

ＭＥＲＳ４００の出力側の接続関係は以下の通りである。
ＭＥＲＳ４００の交流端子ａと交流端子ｄとが、負荷に接続される。本実施形態では負荷を交流インダクタンス６００と抵抗体７００の単純な構成としている。

交流電源１００は、元電源の一例であり、交流電力を出力する。交流電源１００は、単相交流電源であっても、三相交流電源であってもよい。
整流器２００は、交流電源１００から出力される交流電力を整流して直流電力にする。交流電源１００が単相交流電源である場合、整流器２００は単相整流回路を備えることになる。一方、交流電源１００が三相交流電源である場合、整流器２００は三相整流回路を備えることになる。
直流リアクトル３００は、整流器２００を通った直流電力を平滑化する。
ＭＥＲＳ４００は、ＭＥＲＳの一例であり、整流器２００から直流リアクトル３００を介して入力した直流電力を後述するようにして交流電力として出力する。
制御部５００は、ＭＥＲＳ４００の動作を制御する。
本実施形態では、交流電源１００、整流器２００、直流リアクトル３００、ＭＥＲＳ４００および制御部５００を用いることにより、大電流電源装置が構成される。ＭＥＲＳ４００の動作の詳細については後述する。

抵抗体７００は、通電性を有する導電材料であればよく、複数の導電材が接触したようなものでもよい。通電加熱に用いる際には必然的に大電流電源装置と被通電材との接続部が発生するが、大電流電源装置（ＭＥＲＳ４００の交流端子ａ、ｄの少なくとも何れか一方）が導電材で負荷と接続していれば、大電流電源装置と負荷との接続方法は特に指定されない。

（ＭＥＲＳ４００の構成）
次に、ＭＥＲＳ４００の構成の一例を説明する。
ＭＥＲＳ４００は、特許文献２等に開示されているＭＥＲＳの一例である。
図１に示すように、ＭＥＲＳ４００は、ブリッジ回路と、コンデンサＣとを含む。
ブリッジ回路は、２つの経路にそれぞれ２つずつ配置された４つの逆導通型半導体スイッチＵ、Ｖ、Ｘ、Ｙによって構成される。コンデンサＣは、ブリッジ回路の２つの経路の間に配置される。

具体的にブリッジ回路は、交流端子ａから直流端子ｂを経由して交流端子ｄまで到達する経路である第１の経路と、交流端子ａから直流端子ｃを経由して交流端子ｄまで到達する経路である第２の経路とを含む。第１の経路には、交流端子ｄと直流端子ｂとの間に逆導通型半導体スイッチＶ（第４の逆導通型半導体スイッチ）が配置され、直流端子ｂと交流端子ａとの間に逆導通型半導体スイッチＵ（第１の逆導通型半導体スイッチ）が配置される。第２の経路には、交流端子ｄと直流端子ｃとの間に逆導通型半導体スイッチＹ（第３の逆導通型半導体スイッチ）が配置され、直流端子ｃと交流端子ａとの間に逆導通型半導体スイッチＸ（第２の逆導通型半導体スイッチ）が配置される。コンデンサＣは、直流端子ｂと直流端子ｃとの間に配置される。

逆導通型半導体スイッチＵ、Ｖ、Ｘ、Ｙのそれぞれは、ゲート端子Ｇ_U、Ｇ_V、Ｇ_X、Ｇ_Yにオン信号が入力していないスイッチオフ時には、電流を一方向にのみ導通させ、ゲート端子Ｇ_U、Ｇ_V、Ｇ_X、Ｇ_Yにオン信号が入力しているスイッチオン時には、電流を両方向に導通させる。すなわち、逆導通半導体スイッチＵ、Ｖ、Ｘ、Ｙは、スイッチオフ時には、エミッタ端子及びコレクタ端子間の一方向において電流を導通させるが、スイッチオン時には、エミッタ端子及びコレクタ端子間の両方向において電流を導通させる。尚、以下の説明では、「各逆導通型半導体スイッチＵ、Ｖ、Ｘ、Ｙがスイッチオフ時に電流を流す方向」を、必要に応じて「順方向」と称し、スイッチオフ時に電流を流さない方向を、必要に応じて「逆方向」と称する。また、以下の説明では、「順方向及び逆方向の、回路に対する接続方向」を、必要に応じて「スイッチ極性」と称する。

また、各逆導通型半導体スイッチＵ、Ｖ、Ｘ、Ｙは、それぞれスイッチの極性が以下のようになるように配置される。並列に接続された逆導通型半導体スイッチＵと逆導通型半導体スイッチＸは逆方向のスイッチ極性を有し、同様に、並列に接続された逆導通型半導体スイッチＶと逆導通型半導体スイッチＹも、逆方向のスイッチ極性を有する。また、直列に接続された逆導通型半導体スイッチＵと逆導通型半導体スイッチＶは、逆方向のスイッチ極性を有し、同様に、直列に接続された逆導通型半導体スイッチＸと逆導通型半導体スイッチＹも、逆方向のスイッチ極性を有する。よって、逆導通型半導体スイッチＵと逆導通型半導体スイッチＹは、順方向のスイッチ極性を有し、逆導通型半導体スイッチＶと逆導通型半導体スイッチＸも、順方向のスイッチ極性を有す。また、逆導通型半導体スイッチＵ、Ｙのスイッチ極性と、逆導通型半導体スイッチＶ、Ｘのスイッチ極性は、逆方向となる。

尚、図１に示すスイッチ極性は、逆導通型半導体スイッチＵ、Ｙと、逆導通型半導体スイッチＶ、Ｘとの間で、反対に構成されてもよい。
また、逆導通型半導体スイッチＵ、Ｖ、Ｘ、Ｙには、様々な構成が考えられるが、本実施形態では、半導体スイッチＳ_U、Ｓ_V、Ｓ_X、Ｓ_YとダイオードＤ_U、Ｄ_V、Ｄ_X、Ｄ_Yとの並列接続によって構成されるものとする。すわなち、逆導通型半導体スイッチＵ、Ｖ、Ｘ、Ｙのそれぞれは、１つのダイオードＤ_U、Ｄ_V、Ｄ_X、Ｄ_Yと、当該ダイオードに並列に接続された１つの半導体スイッチＳ_U、Ｓ_V、Ｓ_X、Ｓ_Yとを有する。

また、半導体スイッチＳ_U、Ｓ_V、Ｓ_X、Ｓ_Yのそれぞれのゲート端子Ｇ_U、Ｇ_V、Ｇ_X、Ｇ_Yは、それぞれ制御部５００と接続される。制御部５００からＭＥＲＳ４００への制御信号として、半導体スイッチＳ_U、Ｓ_V、Ｓ_X、Ｓ_Yをオンするオン信号（ゲート信号）の入力を受ける。オン信号が入力されている間、半導体スイッチＳ_U、Ｓ_V、Ｓ_X、Ｓ_Yはオン状態となり、両方向に電流を導通させる。しかしながら、オン信号が入力されない場合、半導体スイッチＳ_U、Ｓ_V、Ｓ_X、Ｓ_Yはオフ状態となり、電流をどちらの方向にも導通させない。よって、半導体スイッチＳ_U、Ｓ_V、Ｓ_X、Ｓ_Yのオフ時には、半導体スイッチＳ_U、Ｓ_V、Ｓ_X、Ｓ_Yに並列に接続されたダイオードＤ_U、Ｄ_V、Ｄ_X、Ｄ_Yの導通方向にのみ、電流は導通される。

また、ＭＥＲＳ４００に含まれる逆導通型半導体スイッチは、逆導通型半導体スイッチＵ、Ｖ、Ｘ、Ｙに限定されるものではない。すなわち、逆導通型半導体スイッチは、前述した動作を示す構成であればよく、例えば、パワーＭＯＳ ＦＥＴ、逆導通型ＧＴＯサイリスタ等であってもよく、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチとダイオードとの並列接続であってもよい。

また、逆導通型半導体スイッチＵ、Ｖ、Ｘ、Ｙのスイッチ極性を、ダイオードＤ_U、Ｄ_V、Ｄ_X、Ｄ_Yに置き換えて説明すれば、以下のようになる。すなわち、順方向（スイッチオフ時に導通する方向）は、各ダイオードＤ_U、Ｄ_V、Ｄ_X、Ｄ_Yの導通方向であり、逆方向（スイッチオフ時に導通しない方向）は、各ダイオードＤ_U、Ｄ_V、Ｄ_X、Ｄ_Yの非導通方向である。また並列に接続されたダイオード同士（Ｕ・Ｘ又はＶ・Ｙ）の導通方向は、相互に逆方向であり、直列に接続されたダイオード同士（Ｕ・Ｖ又はＸ・Ｙ）の導通方向も、相互に逆方向である。また、ダイオードＵ、Ｙの導通方向は、相互に順方向であり、同様にダイオードＶ、Ｘの導通方向も相互に順方向である。よって、ダイオードＵ、Ｙと、ダイオードＶ、Ｘの導通方向は、相互に逆方向である。

以上のように、各逆導通型半導体スイッチＵ、Ｖ、Ｘ、Ｙは、順方向が以下のようになるように配置される。すなわち、逆導通型半導体スイッチＵ及び逆導通型半導体スイッチＹを第１のペアとし、逆導通型半導体スイッチＶ及び逆導通型半導体スイッチＸを第２のペアとすると、第１のペアの逆導通型半導体スイッチＵ及び逆導通型半導体スイッチＹは、順方向が同じ方向になるように配置され、第２のペアの逆導通型半導体スイッチＶ及び逆導通型半導体スイッチＸは、順方向が同じ方向になるように配置され、第１のペアと第２のペアとは、順方向が相互に逆向きになるように配置される。したがって、ブリッジ回路で対角線上に配置された逆導通型半導体スイッチ（Ｕ・Ｙ又はＶ・Ｘ）は、各順方向が同方向になるように配置される。

（ＭＥＲＳ４００の動作）
ＭＥＲＳ４００では、ブリッジ回路の対角線上に配置された２つの逆導通型半導体スイッチのうち、一方の逆導通型半導体スイッチがオンすると他方の逆導通型半導体スイッチもオンする。同様に、ブリッジ回路の対角線上に配置された２つの逆導通型半導体スイッチの一方の逆導通型半導体スイッチがオフすると他方の逆導通型半導体スイッチもオフする。例えば、逆導通型半導体スイッチＵがオンすると逆導通型半導体スイッチＹもオンし、逆導通型半導体スイッチＵがオフすると逆導通型半導体スイッチＹもオフする。これらのことは、逆導通型半導体スイッチＶ、Ｘについても同じである。

また、ブリッジ回路における２つの対角線のうち、一方の対角線上に配置された２つの逆導通型半導体スイッチがオンであるときには、他方の対角線上に配置された２つの逆導通型半導体スイッチはオフとなる。例えば、逆導通型半導体スイッチＵ、Ｙがオンであるときには、逆導通型半導体スイッチＶ、Ｘはオフとなる。

図２、図３は、スイッチングパターンと通電パターン（当該スイッチングパターンに対応する部分の通電パターン）の第１、第２の例を示す図である。具体的に図２、図３は、ゲート端子Ｇ_U、Ｇ_V、Ｇ_X、Ｇ_Yに入力されるオン信号（ゲート信号）、コンデンサＣの両端の電圧Ｖ_C、及びＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉと、時間との関係の第１、第２の例を示す。ここで、本実施形態におけるスイッチングパターンとは、図２、図３に示す「Ｕ−Ｙゲート（ゲート端子Ｇ_U、Ｇ_Y）」及び「ゲート端子Ｇ_V、Ｇ_X（Ｖ−Ｘゲート）」に入力されるゲート信号のオン・オフのパターンである。また、通電パターンとは、図２、図３に示す「ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉ」のパターンであって、一回の通電加熱時間（１パルス通電）におけるパターンである。

図２、図３において、Ｕ−Ｙゲートとは、ゲート端子Ｇ_U、Ｇ_Yに入力されるオン信号（ゲート信号）を表す。また、Ｖ−Ｘゲートとは、ゲート端子Ｇ_V、Ｇ_Xに入力されるオン信号（ゲート信号）を表す。Ｕ−Ｙゲートの波形が立ち上がっている期間に、逆導通型半導体スイッチＵ、Ｙ（半導体スイッチＳ_U、Ｓ_Y）はオンとなり、Ｕ−Ｙゲートの波形が立ち下がっている期間に、逆導通型半導体スイッチＵ、Ｙ（半導体スイッチＳ_U、Ｓ_Y）はオフとなる。同様に、Ｖ−Ｘゲートの波形が立ち上がっている期間に、逆導通型半導体スイッチＶ、Ｘ（半導体スイッチＳ_V、Ｓ_X）はオンとなり、Ｖ−Ｘゲートの波形が立ち下がっている期間に、逆導通型半導体スイッチＶ、Ｘ（半導体スイッチＳ_V、Ｓ_X）はオフとなる。

尚、以下の説明では、ゲート端子Ｇ_U、Ｇ_Yにオン信号（ゲート信号）が入力され、逆導通型半導体スイッチＵ、Ｙがオンすることを必要に応じて「Ｕ−Ｙゲートがオン・オフする」と称する。また、ゲート端子Ｇ_V、Ｇ_Xにオン信号（ゲート信号）が入力され、逆導通型半導体スイッチＶ、Ｘがオン・オフすることを必要に応じて「Ｖ−Ｘゲートがオン・オフする」と称する。

以下に、図２、図３に示す動作を説明する。
＜図２に示す動作＞
図２に示す例におけるスイッチングパターンは、ブリッジ回路における対角線のうち、一方の対角線上に配置された２つの逆導通型半導体スイッチＵ、Ｙのみをオン・オフと、他方の対角線上に配置された２つの逆導通型半導体スイッチＶ、Ｘのオン・オフとをそれぞれ３回ずつ繰り返すパターンである。ここで、逆導通型半導体スイッチＵ、Ｖ、Ｘ、Ｙのオン時間及びオフ時間を変更しない。具体的に説明すると、図２に示すように、逆導通型半導体スイッチＵ、Ｖ、Ｘ、Ｙの１回のオン・オフの周期をＴ₁にする。周期をＴ₁については後述する。

ここで、逆導通型半導体スイッチＵ、Ｙのオン・オフを周期Ｔ₁の半分の周期で繰り返している。他方、逆導通型半導体スイッチＵ、Ｙのオン・オフを行っている間においては、逆導通型半導体スイッチＶ、Ｘのオン・オフは行わない。
図２に示すように、逆導通型半導体スイッチＵ、Ｙの１回のオン・オフの周期Ｔ₁は、ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉの周期に対応する。すなわち、逆導通型半導体スイッチＵ、Ｙの１回のオン・オフの周波数は、ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉの周波数（通電周波数）に対応する。このことは、図３〜図４に示す例においても同じである。

本実施形態では、この通電周波数として、ＭＥＲＳ４００の出力端から負荷側を見たときのインダクタンスと、コンデンサＣのキャパシタンス（容量）とに基づく共振周波数以下の周波数を採用する。このようにすることにより、特許文献３に記載されているようにソフトスイッチングを行うことができるからである。また、大容量の電圧源コンデンサを用いる必要がなくなるので、コンデンサＣのキャパシタンスを小さくすることができる。これらのことは、図３〜図４に示す例においても同じである。

また、周波数ｆ₁（＝１／Ｔ₁）が前記共振周波数になるようにする。このことは、図３〜図４に示す例においても同じである。尚、図３、図４において、周波数ｆ₂（＝１／Ｔ₂）は周波数ｆ₁よりも低い周波数である（すなわち、ｆ₁＞ｆ₂である）。
以下の説明では、周期Ｔ₁を必要に応じて共振周期Ｔ₁と称する。

次に、図１及び図２を参照しながら、図２に示す例でのＭＥＲＳ４００の動作を説明する。
（１ａ）Ｕ−Ｙゲート：オン、Ｖ−Ｘゲート：オフ
図２において、Ｕ−Ｙゲートがオンするタイミングでは、その直前の期間では、Ｖ−ＸゲートもＵ−Ｙゲートもオフしているので、直流リアクトル３００を介して入力した直流入力電流により、コンデンサＣは充電されている。したがって、コンデンサＣの両端の電圧Ｖ_Cは最大値を示す。

この状態でＵ−Ｙゲートがオンすると、コンデンサＣの放電が開始し、ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉは、コンデンサＣ→逆導通型半導体スイッチＵ→抵抗体７００→逆導通型半導体スイッチＹの経路を流れる。したがって、ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉは０（ゼロ）から増加し、コンデンサＣの両端の電圧Ｖ_Cは減少する。そして、コンデンサＣの放電が完了すると、ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉは正の最大値を示すと共に、コンデンサＣの両端の電圧Ｖ_Cは最小値（０（ゼロ））になる。

（２ａ）Ｕ−Ｙゲート：オフ、Ｖ−Ｘゲート：オフ
周波数ｆ₁は前記共振周波数である。したがって、制御部５００は、以上のようにコンデンサＣの両端の電圧Ｖ_Cが０（ゼロ）になった時点で、Ｕ−Ｙゲートをオフする。このとき、コンデンサＣの両端の電圧Ｖ_Cは０（ゼロ）であるから、ソフトスイッチングが実現される。

ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉは、ダイオードＤ_V→コンデンサＣ→ダイオードＤ_xの経路を流れ、コンデンサＣが充電される。したがって、ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉは減少し（０（ゼロ）に近づき）、コンデンサＣの両端の電圧Ｖ_Cは上昇する。そして、コンデンサＣの充電が完了すると、ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉは０（ゼロ）になると共に、コンデンサＣの両端の電圧Ｖ_Cは最大値を示す。
以上のように、Ｕ−Ｙゲート及びＶ−Ｘゲートをオン・オフするタイミングでコンデンサＣの両端の電圧Ｖ_Cは０（ゼロ）になるので、ソフトスイッチングが実現される。

以上で、交番の周期の前半半分の動作が終了する。交番の周期の後半半分の動作は、前述した（１ａ）及び（２ａ）の説明において、「Ｕ−Ｙゲート」を「Ｖ−Ｘゲート」、
「Ｖ−Ｘゲート」を「Ｕ−Ｙゲート」、「正」を「負」、ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉの「増加」、「減少」をそれぞれ「減少」、「増加」に、「コンデンサＣ→逆導通型半導体スイッチＵ→抵抗体７００→逆導通型半導体スイッチＹ」を「コンデンサＣ→逆導通型半導体スイッチＶ→抵抗体７００→逆導通型半導体スイッチＸ」に、「ダイオードＤ_V→コンデンサＣ→ダイオードＤ_x」を「ダイオードＤ_U→コンデンサＣ→ダイオードＤ_Y」に、それぞれ置き換えることにより実現される。

以上のように、図２では、通電中に、Ｕ−Ｙゲートのみを、共振周期Ｔ₁（＝１／ｆ₁）の周期の半分の時間でオン・オフさせること３回繰り返し、続けて、Ｘ−Ｖゲートのみを、共振周期Ｔ₁（＝１／ｆ₁）の周期の半分の時間でオン・オフさせること３回繰り返す、というパターンを繰り返している。このとき、交番の周期は６Ｔ₁となるので、交番周波数は１／６Ｔ₁（＝ｆ₁／６）となる。このようにすれば、ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉは通電周波数ｆ₁と極性の交番周波数ｆ₁／６が重畳された電流となる。ちなみに、この場合は、交番の一周期（＝６Ｔ₁）において、正の極性と負の極性とが均等に含まれているので、ペルチェ効果による熱は無視できる。

周波数ｆ₂（＝１／Ｔ₂）は共振周波数ｆ₁よりも低い周波数である（すなわち、ｆ₁＞ｆ₂である）として、ゲートのオン・オフのパターンを図２に示すパターンと同様にすると、通電の波形が少し歪むものの極性を固定した発振が可能である。その場合の出力電流Ｉの波形を図３に示す。

＜図３に示す動作＞
図３に示す例におけるスイッチングパターンは、ブリッジ回路における対角線のうち、一方の対角線上に配置された２つの逆導通型半導体スイッチ（Ｕ・Ｙ又はＶ・Ｘ）のオン・オフを３回繰り返した後、他方の対角線上に配置された２つの逆導通型半導体スイッチ（Ｖ・Ｘ又はＵ・Ｙ）のオン・オフを３回繰り返すことを繰り返し行うパターンである。

ここで、逆導通型半導体スイッチＵ、Ｖ、Ｘ、Ｙのオン時間及びオフ時間を変更しない。具体的に説明すると、図３に示すように、逆導通型半導体スイッチＵ、Ｖ、Ｘ、Ｙの１回のオン・オフの周期をＴ₂にする。前述したように、周波数ｆ₂（＝１／Ｔ₂）は共振周波数ｆ₁よりも低い周波数である（すなわち、ｆ₁＞ｆ₂である）。
また、一方の対角線上に配置された２つの逆導通型半導体スイッチ（Ｕ・Ｙ又はＶ・Ｘ）のオン時間及びオフ時間と、他方の対角線上に配置された２つの逆導通型半導体スイッチ（Ｖ・Ｘ又はＵ・Ｙ）のオン時間及びオフの時間は、全て同じである。

次に、図１及び図３を参照しながら、図３に示す例でのＭＥＲＳ４００の動作を説明する。
［期間ｔ_6A（＝ｔ_6B）］
（１ａ）Ｕ−Ｙゲート：オン、Ｖ−Ｘゲート：オフ
Ｕ−Ｙゲートがオンするタイミングでは、その直前の期間では、Ｖ−ＸゲートもＵ−Ｙゲートもオフしているので、直流リアクトル３００を介して入力した直流入力電流により、コンデンサＣは充電されている。したがって、コンデンサＣの両端の電圧Ｖ_Cは最大値を示す。

Ｕ−Ｙゲートがオンすると、コンデンサＣの放電が開始し、ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉは、コンデンサＣ→逆導通型半導体スイッチＵ→抵抗体７００→逆導通型半導体スイッチＹの経路を流れる。したがって、ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉは０（ゼロ）から増加し、コンデンサＣの両端の電圧Ｖ_Cは減少する。そして、コンデンサＣの放電が完了すると、ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉは正の最大値を示すと共に、コンデンサＣの両端の電圧Ｖ_Cは最小値（０（ゼロ））になる。

＜図２の動作＞で説明したように、周波数ｆ₂は前記共振周波数ｆ₁よりも低いので、コンデンサＣの放電が完了しても、制御部５００は、Ｕ−Ｙゲートをオフせず、Ｕ−Ｙゲートはオンされた状態のままである。したがって、ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉは、逆導通型半導体スイッチＵ→抵抗体７００→ダイオードＤ_Vの経路と、逆導通型半導体スイッチＹ→ダイオードＤ_X→抵抗体７００の経路に並列に流れ、還流する。このＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉは、負荷の抵抗とインダクタンスから定まる時定数に従って減少する（０（ゼロ）に近づく）。

（２ａ）Ｕ−Ｙゲート：オフ、Ｖ−Ｘゲート：オフ
制御部５００は、周波数ｆ₂の２倍の逆数の時間（周期Ｔ₂の１／２倍の時間）が経過すると、Ｕ−Ｙゲートをオフする。このとき、コンデンサＣの両端の電圧Ｖ_Cは０（ゼロ）であるから、ソフトスイッチングが実現される。
また、Ｕ−Ｙゲートをオフしたタイミングで、前述した還流が終了していないと（ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉが０（ゼロ）になっていないと）、ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉは、ダイオードＤ_V→コンデンサＣ→ダイオードＤ_xの経路を流れ、コンデンサＣを充電するので急速に減少して０（ゼロ）になる。

その後、直流リアクトル３００を介して入力した直流入力電流により、コンデンサＣは充電される。したがって、コンデンサＣの両端の電圧Ｖ_Cは上昇する。
制御部５００は、周波数ｆ₂の２倍の逆数の時間（周期Ｔ₂の１／２倍の時間）が経過すると、Ｕ−Ｙゲートをオンする。このとき、ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉは０（ゼロ）であるから、ソフトスイッチングが実現される。
以上の前記（１ａ）及び前記（２ａ）の動作で、周期Ｔ₂（１周期）の動作が終了する。続けて、前記（１ａ）及び前記（２ａ）の動作を３回繰り返すと、期間ｔ_6Aの動作が終了する。

［期間ｔ_6B（＝ｔ_6A）］
（１ｂ）Ｕ−Ｙゲート：オフ、Ｖ−Ｘゲート：オン
Ｖ−Ｘゲートがオンするタイミングでは、その直前の期間では、Ｖ−ＸゲートもＵ−Ｙゲートもオフしているので、直流リアクトル３００を介して入力した直流入力電流により、コンデンサＣは充電されている。したがって、コンデンサＣの両端の電圧Ｖ_Cは最大値を示す。

Ｖ−Ｘゲートがオンすると、コンデンサＣの放電が開始し、ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉは、コンデンサＣ→逆導通型半導体スイッチＶ→抵抗体７００→逆導通型半導体スイッチＸの経路を流れる。したがって、ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉは０（ゼロ）から増加し（０（ゼロ）から負の値になり）、コンデンサＣの両端の電圧Ｖ_Cは減少する。そして、コンデンサＣの放電が完了すると、ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉは負の最大値を示すと共に、コンデンサＣの両端の電圧Ｖ_Cは最小値（０（ゼロ））になる。

周波数ｆ₂は前記共振周波数ｆ₁よりも低いので、コンデンサＣの放電が完了しても、制御部５００は、Ｖ−Ｘゲートをオフせず、Ｖ−Ｘゲートはオンされた状態のままである。したがって、ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉは、逆導通型半導体スイッチＶ→抵抗体７００→ダイオードＤ_Uの経路と、逆導通型半導体スイッチＸ→ダイオードＤ_Y→抵抗体７００の経路に並列に流れ、還流する。このＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉは、負荷の抵抗とインダクタンスから定まる時定数に従って減少する（０（ゼロ）に近づく）。

（２ｂ）Ｕ−Ｙゲート：オフ、Ｖ−Ｘゲート：オフ
制御部５００は、周波数ｆ₂の２倍の逆数の時間（周期Ｔ₂の１／２倍の時間）が経過すると、Ｖ−Ｘゲートをオフする。このとき、コンデンサＣの両端の電圧Ｖ_Cは０（ゼロ）であるから、ソフトスイッチングが実現される。
また、Ｖ−Ｘゲートをオフしたタイミングで、前述した還流が終了していないと（ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉが０（ゼロ）になっていないと）、ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉは、ダイオードＤ_U→コンデンサＣ→ダイオードＤ_Yの経路を流れ、コンデンサＣを充電するので急速に減少して０（ゼロ）になる。

その後、直流リアクトル３００を介して入力した直流入力電流により、コンデンサＣは充電される。したがって、コンデンサＣの両端の電圧Ｖ_Cは上昇する。
制御部５００は、周波数ｆ₂の２倍の逆数の時間（周期Ｔ₂の１／２倍の時間）が経過すると、Ｖ−Ｘゲートをオンする。このとき、ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉは０（ゼロ）であるから、ソフトスイッチングが実現される。
以上の前記（１ｂ）及び前記（２ｂ）の動作で、周期Ｔ₂（１周期）の動作が終了する。続けて、前記（１ｂ）及び前記（２ｂ）の動作を３回繰り返すと、期間ｔ_6Bの動作が終了する。
そして、１回の抵抗スポット溶接の際に、以上の期間ｔ_6A、ｔ_6Bの動作が、少なくとも１回実行される。期間ｔ_6A、ｔ_6Bの動作が２回以上行われる場合には、期間ｔ_6A、ｔ_6Bの動作がこの順で繰り返し実行される。

以上のように、図３では、通電中に、Ｕ−ＹゲートあるいはＶ−Ｘゲートのどちらか一方のゲートのみを、共振周期Ｔ₁（＝１／ｆ₁）を上回る周期の半分の時間でオン・オフさせることをオン時間とオフ時間とを同じ長さにして繰り返す。この際、ゲート信号をオン・オフさせないもう一方のゲートをオフにし続ける。そして、このようにしてＵ−ＹゲートあるいはＶ−Ｘゲートのどちらか一方のゲートのみをオン・オフし、もう一方のゲートをオフし続ける周期（図４に示す例では周期Ｔ₂）よりも長い周期（図３に示す例では周期Ｔ₆）で、オン・オフするゲートとオフにしたままにするゲートとを入れ替える。 尚、図３に示す例では、周期Ｔ₂の逆数（＝１／Ｔ₂）が通電周波数である。また、図３に示す例では、周期Ｔ₆（＝６×Ｔ₂）の逆数（＝１／Ｔ₆）が交番周波数である。尚、通電周波数と交番周波数を同じにするには、Ｕ−ＹゲートとＶ−Ｘゲートのオン・オフを１回ずつ交互に行うようにする。

＜図４に示す動作＞
図４は、スイッチングパターンのその他の例を示す図である。具体的に図４は、ゲート端子Ｇ_U、Ｇ_V、Ｇ_X、Ｇ_Yに入力されるオン信号（ゲート信号）と、時間との関係を示す。
図４に示す例におけるスイッチングパターンは、逆導通型半導体スイッチＵ、Ｙのオン・オフを図３に示した周期Ｔ₂で４回行った後、逆導通型半導体スイッチＶ、Ｘのオン・オフを図３に示した周期Ｔ₂で３回行うパターンである。
図４に示すように、逆導通型半導体スイッチＵ、Ｙの複数回のオン・オフと、逆導通型半導体スイッチＶ、Ｘの複数回のオン・オフとを交互に行う際に、逆導通型半導体スイッチＵ、Ｙのオン・オフの回数と、逆導通型半導体スイッチＶ、Ｘのオン・オフの回数とを異ならせてもよい。

尚、図４に示すスイッチングパターンにおけるＭＥＲＳ４００の動作は、＜図３に示す動作＞における前記（１ａ）及び前記（２ａ）の繰り返し数を変更することにより実現されるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。
また、図４に示す例では、周期Ｔ₂の逆数（＝１／Ｔ₂）が通電周波数である。また、図４に示す例では、周期７×Ｔ₂の逆数（＝１／（７×Ｔ₂））が交番周波数である。したがって、Ｕ−Ｙゲートのオン・オフ時に流れる電流の向きを正とすれば、交番の１周期の前半の４／７の期間は正の極性、交番の１周期の後半の３／７の期間は負の極性、の電流となっている。
また、例えば、図３に示すスイッチングパターンと図４に示すスイッチングパターンを組み合わせることで、一回の通電加熱時間（１パルス通電）において交番周波数を変更することができる。

＜通電パターンの設定＞
通電加熱を行うことにより得られる被通電材の品質に影響を与える所定の１つ又は複数の因子により定まる溶接条件に応じた適切な通電パターンを、例えば模擬実験を行って特定し、特定した通電パターンを制御部５００に記憶する。このようにして通電パターンを特定することを複数の通電条件のそれぞれについて行い、複数の通電条件のそれぞれについての通電パターンを制御部５００に記憶する。尚、前記因子としては、例えば、被通電材の材質、通電面積となる被通電材の断面積等が挙げられる。

図５と図６は、通電パターンの第１、第２の例を示す図である。
図５は、通電中に、共振周波数ｆ₁以下の一定の通電周波数（＝１／Ｔ_c）、及び当該通電周波数よりも低い一定の交番周波数（＝１／Ｔ_p）で、ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉの極性を交互に均等に変更する場合の通電パターンの一例を示す。一方、図６に示す通電パターンでは、図５に示す通電パターンよりも、正の極性の電流を多く、負の極性の電流を少なくして通電している。ペルチェ効果による発熱が、被通電材側で起こるような極性の比率を多くすると、被通電材への入熱は抵抗発熱にペルチェ効果による入熱が加わることとなり、大電流電源装置と被通電材との接続部における入熱効果を増大させることができる。

通電加熱に際し、前記通電条件が入力されると、制御部５００は、当該溶接条件に対応する通電パターンを複数の通電パターンの中から選択して読み出す。そして、制御部５００は、通電加熱が行われている間に、読み出した通電パターンに基づくスイッチングパターンを決定し、決定したスイッチングパターンに従って、逆導通型半導体スイッチＵ、Ｖ、Ｘ、Ｙに対してオン信号（ゲート信号）を出力する。制御部５００は、このようなスイッチングパターンに従う逆導通型半導体スイッチＵ、Ｖ、Ｘ、Ｙの制御を、通電加熱が終了するまで行う。

以上のように本実施形態では、通電パターンに従って、逆導通型半導体スイッチＵ、Ｖ、Ｘ、Ｙのオン・オフ（オン・オフ信号を入れる逆導通型半導体スイッチと、当該オン・オフ信号を入れるタイミング）を制御することにより、通電中に、ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉの極性あるいは極性の交番を制御する。そして、このようにして制御されるＭＥＲＳ４００から出力される出力電流Ｉを、抵抗体７００に出力する。

したがって、例えば、図２及び図３に示す例では、周期Ｔ₆の低周波に、周期Ｔ₂の高周波を重畳させた電流を、通電中に、ＭＥＲＳ４００の出力電流Ｉとして出力することができる。

以上のように本実施形態では、ＭＥＲＳ４００の動作を制御部５００で制御することにより、通電加熱中に、出力電流における電流Ｉの極性を、通電周波数（図２では１／Ｔ₁、図３、図４では１／Ｔ₂、図５、図６では１／Ｔ_c）未満の周波数（図２では１／（６×Ｔ₁）、図３では１／（６×Ｔ₂）、図４では１／（６×Ｔ₂）、図５、図６では１／Ｔ_p）で交番させる。さらに、この際に、交番の一周期内で正負それぞれの極性の通電時間（実効値）を制御する。したがって、単一の電源に対する電源制御信号の制御のみで、電流の極性を制御することができる。また、極性を交番させる周波数が通電周波数に重畳することで発熱分布を制御することができる。これにより、電流の制御性を従来の電源に比べて向上させることができる。また、通電中に、交番周波数を制御した極性の制御が可能となる。これにより、例えば、被通電材の材質や形状に合わせて、通電後の材料特性を、通電領域を含めて制御することができる。したがって、被通電材の電流分布により熱分布の制御を行うことが可能になり、極性の制御によるペルチェ効果の発熱吸熱を制御することで、被通電材への入熱の制御性を向上させることができる。本実施形態のように、通電加熱用の大電流電源装置を、相互に接触した複数の導体を通電加熱させることに用いれば、当該複数の導体の改質だけでなく、条件によっては、当該複数の導体同士を接合させることも可能である。また、通電加熱による入熱で被通電材の一部を溶融させるプロセスも可能である。なお、本技術を用いた通電加熱の条件は連続的な通電であっても、パルス通電のような短時間の通電であってもよい。

本実施形態では、本発明の装置および制御方法を、単純な誘導と抵抗から構成される負荷に適用する場合を例に挙げて説明した。しかしながら、出力電流Ｉを変圧器により昇圧・降圧してから、負荷に供給することも可能である。

尚、以上説明した本発明の実施形態における制御部５００の処理は、コンピュータがプログラムを実行することによって実現することができる。また、前記プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体及び前記プログラム等のコンピュータプログラムプロダクトも本発明の実施形態として適用することができる。記録媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ等を用いることができる。
また、以上説明した本発明の実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１００：交流電源、２００：整流器、３００：直流リアクトル、４００：ＭＥＲＳ、５００：制御部、６００：交流インダクタンス、７００：抵抗体（被通電材）

Claims (6)

1. 元電源より供給される電流を、磁気エネルギー回生スイッチを用いて、出力電流に変換する大電流電源装置であって、
   前記磁気エネルギー回生スイッチから出力される前記出力電流の極性が、前記出力電流における通電周波数の逆数である第１周期よりも長い周期である第２周期で交番するように前記磁気エネルギー回生スイッチの動作の制御が可能な制御手段を有し、
   前記元電源と、前記出力電流が流れる被通電材との間に配置される前記磁気エネルギー回生スイッチの数は１つであり、
   前記制御手段は、前記第２周期の一周期内の、連続する複数の前記第１周期において、正負の極性のうち一方の極性のみのパルス波形の電流が出力されることがあるように前記磁気エネルギー回生スイッチの動作を制御することを特徴とする大電流電源装置。
2. 前記制御手段は、前記出力電流の極性を、前記第２周期で交番させる際に、前記第２周期の一周期内における正負それぞれの極性の通電時間を個別に変更することが可能であることを特徴とする請求項１に記載の大電流電源装置。
3. 前記制御手段は、前記第２周期を連続して変更することが可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の大電流電源装置。
4. 前記磁気エネルギー回生スイッチは、
   第１の逆導通型半導体スイッチと第４の逆導通型半導体スイッチとがスイッチオフ時の導通方向を相互に逆向きにして第１の経路に直列に配置されると共に、第２の逆導通型半導体スイッチと第３の逆導通型半導体スイッチとがスイッチオフ時の導通方向を相互に逆向きにして第２の経路に直列に配置されたブリッジ回路であって、前記第１の逆導通型半導体スイッチと前記第３の逆導通型半導体スイッチのスイッチオフ時の導通方向が同じであるブリッジ回路と、
   前記第１の経路の領域のうち、前記第１の逆導通型半導体スイッチと前記第４の逆導通型半導体スイッチとの間の領域と、前記第２の経路の領域のうち、前記第２の逆導通型半導体スイッチと前記第３の逆導通型半導体スイッチとの間の領域との間に接続されたコンデンサと、
   を有し、交流電源と被通電材との間に配置され、
   前記制御手段は、
   前記第１の逆導通型半導体スイッチおよび前記第３の逆導通型半導体スイッチの２つのスイッチの組と、前記第２の逆導通型半導体スイッチおよび前記第４の逆導通型半導体スイッチの２つのスイッチの組の、どちらか一方の組にのみにオン・オフ信号を入れて片方の極性に固定された通電を行うことと、もう片方の組にのみにオン・オフ信号を入れてもう片方の極性に固定された通電を行うことと、を繰り返し実行することで、前記出力電流の極性を交番させることを繰り返すことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の大電流電源装置。
5. 前記通電周波数は、前記磁気エネルギー回生スイッチの出力端から負荷側を見たときのインダクタンスと、前記磁気エネルギー回生スイッチに備わるコンデンサのキャパシタンスとにより定まる共振周波数以下であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の大電流電源装置。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の大電流電源装置を有し、
   前記大電流電源装置から出力された出力電流を、被通電材に通電することで、当該被通電材を加熱することを特徴とする通電加熱システム。

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