JP6858805B2 - 直流パルス電源装置、及び直流パルス電源装置の周波数制御方法 - Google Patents
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Description
周波数制御の態様は、オン期間の時間幅Tonを固定し、キャパシタ電圧の増加に伴ってオフ期間の時間幅Toffを漸次減少させ、キャパシタ電圧が小さいときにはオフ期間の時間幅Toffを長時間とし、キャパシタ電圧が増加するのに伴ってオフ期間の時間幅Toffを漸減する。この周波数制御により、初期段階においてオフ期間の電圧時間積Soffとオン期間の電圧時間積Sonとの差分の増加は抑制され、直流リアクトルの磁気飽和の発生は抑制される。
本発明の直流パルス電源装置は、直流電源、パルス部、電圧クランプ部、及び制御回路部を備える。パルス部は、直流リアクトルとスイッチング素子の直列回路を備えた昇圧チョッパ回路によりパルス出力を発生する。電圧クランプ部は、パルス部の直流リアクトルに並列接続されたコンデンサのキャパシタ電圧により直流リアクトルの両端電圧をクランプ電圧にクランプする。制御回路部は、パルス部のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する。
周波数制御の態様による構成において、周波数制御部は、パルス動作の初期段階の複数周期の各周期において、スイッチング素子のオン期間の時間幅Tonを固定し、キャパシタ電圧の増加に伴ってスイッチング素子のオフ期間の時間幅Toffを漸次減少させる。オフ期間の時間幅Toffは、キャパシタ電圧が小さい初期段階では長く設定しておき、キャパシタ電圧が増加するのに伴って定常段階の時間幅に向かって短くする。周波数制御により、オフ期間の電圧時間積Soffとオン期間の電圧時間積Sonとの差分の増加は抑制され、直流リアクトルの磁気飽和の発生は抑制される。
本発明の周波数制御方法は、直流電源、パルス部、電圧クランプ部、及び制御回路部を備えた本発明の直流パルス電源の制御方法であり、キャパシタ電圧が直流リアクトルの磁気飽和をリセットする十分な電圧となるまでの間、スイッチング動作の周波数を制御することにより直流リアクトルの磁気飽和の発生を抑制する。
動作態様:スイッチング素子を閉じて直流リアクトルに電源電圧を印加するオン期間の時間幅を固定し、スイッチング素子を開いて直流リアクトルをキャパシタ電圧にクランプするオフ期間の時間幅を漸次減少させる。
図1は本発明の直流パルス電源装置の周波数制御を説明するフローチャートであり、パルスモードの初期段階での制御フローを示している。
可変周波数による周波数制御は、パルス動作の各周期において、スイッチング素子をオフ状態とするオフ期間の時間幅Toffを漸次減少させることにより行う態様により行うことができる。
(周波数制御の態様)
図2は周波数制御の態様の制御フローを説明するフローチャートであり、図3は周波数制御の態様による電圧、電流状態を説明するための波形図である。
パルスモードの定常段階では、定常段階の周波数によりパルス動作を行う。この定常段階では、キャパシタ電圧VCは直流リアクトルの磁気飽和をリセットするのに十分な電圧に充電されているため、直流リアクトルは磁気飽和することなくリセットされ、直流リアクトル電流iDCLは各周期内で変動するものの磁気飽和レベルを越えることはない。
図5は本発明の直流パルス電源装置の構成例を示している。直流パルス電源装置は直流電源部10、パルス部20、電圧クランプ部30cl、制御回路部40、及び電圧検出部60を備える。パルス部20は直流電源部10の直流電圧から生成したパルス出力を負荷50に供給する。
以下、直流パルス電源装置の構成例について説明する。構成例の直流パルス電源装置のパルス部は、直流リアクトルのリアクトル電圧を回生する回生部を備える。回生部は直流リアクトルのリアクトル電圧を回生する構成として、直流リアクトルに並列接続したコンデンサを備える。回生部は、直流リアクトルのリアクトル電圧を回生する他、電圧クランプ部30clと同様にコンデンサのキャパシタ電圧をクランプし、コンデンサに並列接続される直流リアクトルのリアクトル電圧をキャパシタ電圧にクランプする。
本発明の直流パルス電源装置の第1の構成例について図6を用いて説明する。
直流電源部(DC部)10は、交流電源2の交流電圧を直流電圧に整流する整流器11と、整流時に発生する過渡的に発生するスパイクの高電圧を吸収して抑制するスナバ回路12と、直流電圧を交流電圧に変換する単相インバータ回路13と、単相インバータ回路13の交流電圧を所定の電圧値に電圧変換する単相変圧器14と、単相変圧器14で電圧変換された交流電圧を直流電圧に整流する整流器15と、両端電圧を直流電源部の直流電圧とするキャパシタ16(CF)を備える。キャパシタ16の一端は接地され、他端に負電圧の低電圧が形成される。なお、図6に示す構成では、負荷5としてプラズマ発生装置の容量負荷の例を示している。ここでは、プラズマ発生装置の一端を接地して負電圧を供給しているため、直流電源部10は負電圧のパルス出力を発生する構成を示している。
パルス部20Aは昇圧チョッパ回路により直流電圧からパルス波形を生成する。昇圧チョッパ回路は、直流電源側と負荷側との間に直列接続された直流リアクトル21aと、負荷側に対して並列接続されたスイッチング素子(Q1)22と、スイッチング素子22のオン/オフ動作を駆動する駆動回路23を備える。パルス部20Aの直流電源側は、接地された端子Bと低電圧側として負電圧の端子Aを備える。図示するスイッチング素子22はFETの例を示し、ソースS側を低電圧側にドレインD側を接地電圧の高電圧側に接続し、ゲートG側には駆動回路23からの駆動信号が入力される。
回生部30は昇圧チョッパ回路の直流リアクトルのリアクトル電圧の内、設定電圧を超える電圧分を直流電源に回生する。回生部30は、ダイオード31、キャパシタ32(C1)、インバータ回路33,変圧器34,整流器35を備える。
図7を用いて直流パルス電源装置の回生部が備えるインバータ回路の回路構成例を説明する。
図8を用いて本発明の直流パルス電源装置の第2の構成例について説明する。第2の構成例は、パルス部20の昇圧チョッパ回路の構成において第1の構成例と相違し、その他の構成は第1の構成例と同様である。以下、第1の構成例と相違する構成について説明し、その他の共通する構成の説明は省略する。
図9を用いて本発明の直流パルス電源装置の第3の構成例について説明する。第3の構成例は、パルス部20Cの昇圧チョッパ回路の構成において第1,2の構成例と相違し、その他の構成は第1,2の構成例と同様である。以下、第1,2の構成例と相違する構成について説明し、その他の共通する構成の説明は省略する。
図10を用いて本発明の直流パルス電源装置の第4の構成例について説明する。第4の構成例は、パルス部20Dの昇圧チョッパ回路の直流リアクトルを構成するトランスの構成において第3の構成例と相違し、その他の構成は第3の構成例と同様である。
図11を用いて本発明の直流パルス電源装置の第5の構成例について説明する。第5の構成例は、昇圧チョッパ回路の直流リアクトルの設置態様において第2の構成例と相違し、その他の構成は第2の構成例と同様である。以下、第2の構成例と相違する構成について説明し、その他の共通する構成の説明は省略する。
2 交流電源
3 出力ケーブル
5 負荷
10 直流電源部
11 整流器
12 スナバ回路
13 単相インバータ回路
14 単相変圧器
15 整流器
16 キャパシタ
20,20A,20B,20C,20D パルス部
21,21a,21b,21c,21d,21e 直流リアクトル
22 スイッチング素子
23 駆動回路
30 回生部
30cl 電圧クランプ部
31 ダイオード
32 キャパシタ
33 インバータ回路
33a ブリッジ回路
33b 駆動回路
34 変圧器
35 整流器
40 制御回路部
41 モード切替部
42 イグニッションモード制御部
43 直流モード制御部
44 パルスモード制御部
44a 周期検出部
44b 電圧判定部
44c 周波数制御部
44c1 初期周波数部
44c2 可変周波数部
44c3 パルスモード周波数部
50 負荷
60 電圧検出部
100 直流パルス電源装置
110 直流電源部
120 パルス部
120A パルス部
121,121A,121B 直流リアクトル
122,122A,122B スイッチング素子
123 駆動回路
130 電圧クランプ部
140 制御回路部
150 負荷
C コンデンサ
D ドレイン
G ゲート
QR1-QR4 スイッチング素子
S ソース
Soff 電圧時間積
Son 電圧時間積
T 時間幅
TA 時間幅
TB 時間幅
TPU 時間幅
Tfix 固定時間幅
Toff 時間幅
ToffA 初期値
ToffB 時間幅
Ton 時間幅
TonA 初期値
TonB 時間幅
Tva 可変時間幅
VAB 直流電圧
VC キャパシタ電圧
VC1 キャパシタ電圧
VDCL リアクトル電圧
VDCL1 リアクトル電圧
VDCL2 リアクトル電圧
Vin 回生入力電圧
Vo 出力電圧
fA 初期周波数
fB 可変周波数
fPU パルスモード周波数
iDCL 直流リアクトル電流
ΔVC 電圧変化
α 制御信号
Claims (9)
- 直流電源と、
前記直流電源に接続され、直流リアクトルとスイッチング素子の直列回路を備えた昇圧チョッパ回路によりパルス出力を発生するパルス部と、
前記パルス部の直流リアクトルに並列接続されたコンデンサを含み、当該コンデンサのキャパシタ電圧により直流リアクトルの両端電圧をクランプ電圧にクランプする電圧クランプ部と、
前記パルス部のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御回路部を備え、
前記制御回路部は、パルス出力を生成するパルスモードのパルス動作を制御するパルスモード制御部を備え、
前記パルスモード制御部は、周波数を可変とする周波数制御部を備え、
前記周波数制御部は、前記パルス動作の初期段階の複数周期において、
各周期の時間幅を漸次減少させることにより、パルス動作の周波数を可変とする可変周波数でパルス動作させ、
直流リアクトルの磁気飽和をリセットすることを特徴とする直流パルス電源装置。 - 前記周波数制御部は、
前記パルス動作の初期段階の複数周期の各周期において、
前記可変周波数のパルス動作は、スイッチング素子を閉じて直流リアクトルを通電状態とするオン期間の時間幅を固定し、スイッチング素子を開いて直流リアクトルをキャパシタ電圧にクランプするオフ期間の時間幅を漸次減少させるパルス動作であることを特徴とする、請求項1に記載の直流パルス電源装置。 - 前記周波数制御部は、
前記パルス動作の初期段階後の定常段階において、
前記周期の時間幅が固定された定常周波数でパルス動作させ、
前記コンデンサのキャパシタ電圧又はキャパシタ電圧の電圧変化に基づいて、前記可変周波数から定常周波数へ切り替えることを特徴とする、請求項1から請求項2の何れか一つに記載の直流パルス電源装置。 - 前記パルスモード制御部は前記キャパシタ電圧の電圧又は電圧変化に基づいてコンデンサの充電状態を判定する電圧判定部を備え、
前記周波数制御部は、前記電圧判定部がキャパシタ電圧の電圧又は電圧変化により判定した結果に基づいて、前記可変周波数から前記定常周波数へ切り替えることを特徴とする、請求項3に記載の直流パルス電源装置。 - 前記直流リアクトルのリアクトル電圧の内、設定電圧を超える電圧分を前記直流電源に回生する回生部を備え、
前記回生部は前記直流リアクトルに並列接続された前記コンデンサを備え、前記コンデンサは前記直流リアクトルのリアクトル電圧を回生入力電圧とすることを特徴とする、請求項1〜4の何れか一つに記載の直流パルス電源装置。 - 直流電源と、
前記直流電源に接続され、直流リアクトルとスイッチング素子の直列回路を備えた昇圧チョッパ回路によりパルス出力を発生するパルス部と、
前記直流電源に接続され、直流リアクトルとスイッチング素子の直列回路を備えた昇圧チョッパ回路によりパルス出力を発生するパルス部と、
前記パルス部の直流リアクトルに並列接続されたコンデンサを含み、当該コンデンサのキャパシタ電圧により直流リアクトルの両端電圧をクランプ電圧にクランプする電圧クランプ部と、
前記パルス部のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御回路部を備えた直流パルス電源装置の制御方法であり、
前記制御回路部は、
パルス出力を生成するパルスモードのパルス動作を制御するパルスモード制御において、
前記パルス動作の初期段階の複数周期において、
各周期の時間幅を漸次減少させることにより、パルス動作の周波数を可変とする可変周波数で周波数制御を行い、
前記可変周波数のパルス動作は、
スイッチング素子を閉じて直流リアクトルを通電状態とするオン期間の時間幅を固定し、スイッチング素子を開いて直流リアクトルをキャパシタ電圧にクランプするオフ期間の時間幅を漸次減少させるパルス動作であり、
直流リアクトルの磁気飽和をリセットすることを特徴とする、直流パルス電源装置の周波数制御方法。 - 前記制御回路部は、
前記コンデンサのキャパシタ電圧の規定電圧への充電に基づいて、前記初期段階から定常段階へ切り替えることを特徴とする、請求項6に記載の直流パルス電源装置の周波数制御方法。 - 前記制御回路部は、
前記コンデンサのキャパシタ電圧の電圧変化が所定の変動幅内に収まることに基づいて、前記初期段階から定常段階へ切り替えることを特徴とする、請求項7に記載の直流パルス電源装置の周波数制御方法。 - 前記規定電圧は前記直流リアクトルの磁気飽和をリセットするリセット電圧であることを特徴とする請求項8に記載の直流パルス電源装置の周波数制御方法。
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