JP6954733B2 - Laser power supply - Google Patents
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Description
本発明は、スイッチングコンバータに関する。 The present invention relates to a switching converter.
産業用の加工ツールとして、レーザ加工装置が広く普及している。図1は、レーザ加工装置1rのブロック図である。レーザ加工装置1rは、CO2レーザなどのレーザ光源2と、レーザ光源2に交流電力を供給し、励振させるレーザ用電源4rを備える。レーザ用電源4rは、直流電源6および高周波電源8を備える。直流電源6は、PID(Proportional-Integral-Differential)制御やPI制御などを用いたフィードバック制御によってその出力である直流電圧VDCを目標値に安定化させる。高周波電源8は、直流電圧VDCを受け、それを交番電圧に変換して、負荷であるレーザ光源2に供給する。
Laser processing equipment is widely used as an industrial processing tool. FIG. 1 is a block diagram of the
ドリル用のレーザ加工装置1rにおいて、レーザ光源2は不連続運転する。すなわち、比較的短い数マイクロ〜10マイクロ秒程度の発光期間と、それと同程度、あるいは短い、あるいは長い休止期間とが交互に繰り返される。レーザ光源2の出力エネルギーを安定化するためには、直流電圧VDCが所定の許容変動範囲に収まっていなければならない。
In the
図2は、図1のレーザ加工装置1rの動作波形図である。本明細書において参照する波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化され、あるいは誇張もしくは強調されている。
FIG. 2 is an operation waveform diagram of the
レーザ光源2の点灯、消灯に応じて、高周波電源8は動作期間と休止期間を繰り返す。高周波電源8が休止期間から動作期間に移行するときに、直流電源6においてフィードバックの応答遅れが生じ、直流電圧VDCが低下し、許容変動範囲から逸脱するおそれがある。高周波電源8の動作期間から休止期間に移行したときに、フィードバック遅れにより直流電圧VDCが上昇し、許容変動範囲から逸脱するおそれがある。 The high-frequency power supply 8 repeats an operation period and a rest period according to whether the laser light source 2 is turned on or off. When the high-frequency power supply 8 shifts from the hibernation period to the operation period, the feedback response delay occurs in the DC power supply 6, the DC voltage VDC may decrease, and the DC power supply 8 may deviate from the permissible fluctuation range. When the high-frequency power supply 8 shifts from the operating period to the rest period, the DC voltage VDC may rise due to the feedback delay and deviate from the permissible fluctuation range.
また異なる加工に切りかえる際に、直流電圧VDCの目標値を切りかえる場合がある。ここでも直流電源6の応答速度が遅いと、直流電圧VDCが次の目標値に到達するまでの遷移時間が長くなる。直流電圧VDCが許容電圧範囲から逸脱している期間は、レーザ光源2を発光させることができないため、稼働率(繰り返し周波数)の低下の要因となる。 Further, when switching to a different process, the target value of the DC voltage VDC may be switched. Again, if the response speed of the DC power supply 6 is slow, the transition time until the DC voltage VDC reaches the next target value becomes long. During the period when the DC voltage VDC deviates from the permissible voltage range, the laser light source 2 cannot emit light, which causes a decrease in the operating rate (repetition frequency).
許容電圧範囲を広くすると、ショットごとのレーザの出力エネルギーのばらつきが大きくなり、許容電圧範囲を狭くすると、稼働率が低下する。出力エネルギーの均一化と高い繰り返し周波数を両立するために、レーザ用電源1rには短時間で直流電圧VDCを目標電圧に近づけることが求められる。
When the permissible voltage range is widened, the variation in the output energy of the laser for each shot becomes large, and when the permissible voltage range is narrowed, the operating rate decreases. In order to achieve both uniform output energy and high repetition frequency, the
本発明者らは、レーザ用電源について検討した結果、以下の課題を認識するに至った。レーザ用電源には、スイッチングコンバータが用いられる。スイッチングコンバータは、スイッチング素子、リアクトルなどを含む。リアクトルには大電流が流れるため、温度上昇が生ずる。リアクトルが発熱すると、そのインダクタンス値が変動する。スイッチングコンバータのコントローラが、スイッチング素子の制御演算にリアクトルのインダクタンス値を使用している場合、インダクタンス値の変動が直流電圧VDCの変動を引き起こしてしまう。 As a result of examining the power supply for the laser, the present inventors have come to recognize the following problems. A switching converter is used as the power supply for the laser. The switching converter includes a switching element, a reactor and the like. Since a large current flows through the reactor, the temperature rises. When the reactor generates heat, its inductance value fluctuates. When the controller of the switching converter uses the inductance value of the reactor for the control calculation of the switching element, the fluctuation of the inductance value causes the fluctuation of the DC voltage VDC.
ドリル用レーザ加工装置は年々高速化が要求されており、加工速度と加工精度の両立が求められる。レーザ用電源にもこれに寄与する改善が求められている。 Laser machining equipment for drills is required to be faster year by year, and both machining speed and machining accuracy are required. Improvements that contribute to this are also required for laser power supplies.
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、高い繰り返し周波数でも、出力エネルギーを高精度に安定化可能なレーザ用電源の提供にある。 The present invention has been made in view of the above problems, and one of the exemplary purposes of the embodiment is to provide a power source for a laser capable of stabilizing output energy with high accuracy even at a high repetition frequency.
本発明のある態様は、レーザ用電源に関する。レーザ用電源は、バンクコンデンサと、入力がバンクコンデンサと接続され、レーザ光源に交番電圧を間欠的に供給する高周波電源と、高周波電源の休止期間にバンクコンデンサを充電する第1スイッチングコンバータを含む充電回路と、を備える。第1スイッチングコンバータは、リアクトルと、スイッチングトランジスタと、リアクトルの温度を測定する温度センサと、温度センサが検出したリアクトルの温度にもとづいて、リアクトルのインダクタンスを取得し、当該インダクタンスを利用してスイッチングトランジスタのオン時間を計算するコントローラと、を含む。 One aspect of the present invention relates to a laser power supply. The laser power supply includes a bank capacitor, a high-frequency power supply whose input is connected to the bank capacitor and intermittently supplies an alternating voltage to the laser light source, and a first switching converter that charges the bank capacitor during the pause period of the high-frequency power supply. It is equipped with a circuit. The first switching converter acquires the inductance of the reactor based on the reactor, the switching transistor, the temperature sensor that measures the temperature of the reactor, and the temperature of the reactor detected by the temperature sensor, and uses the inductance to obtain the switching transistor. Includes a controller that calculates the on-time of the.
リアクトルのインダクタンスは、コア(鉄心)の透磁率に依存するところ、コアの透磁率は温度に応じて変動する。したがってコントローラにおいてリアクトルのインダクタンスを一定として、スイッチングトランジスタのオン時間を計算すると、インダクタンスが変動したときに、スイッチングトランジスタの1回のスイッチングによってリアクトルからバンクコンデンサに供給される充電電流の誤差が大きくなってしまう。そこでリアクトルの温度を監視し、オン時間の計算に反映させることにより、バンクコンデンサへの充電電流を高精度に制御することが可能となり、ひいてはレーザの出力エネルギーを高精度に安定化できる。 The inductance of the reactor depends on the magnetic permeability of the core (iron core), but the magnetic permeability of the core fluctuates with temperature. Therefore, if the on-time of the switching transistor is calculated with the inductance of the reactor constant in the controller, the error of the charging current supplied from the reactor to the bank capacitor by one switching of the switching transistor becomes large when the inductance fluctuates. It ends up. Therefore, by monitoring the temperature of the reactor and reflecting it in the calculation of the on-time, it is possible to control the charging current to the bank capacitor with high accuracy, and by extension, the output energy of the laser can be stabilized with high accuracy.
コントローラは、バンクコンデンサの電圧の検出値と目標電圧の差にもとづいて、スイッチングトランジスタのオン時間を計算してもよい。
バンクコンデンサの電圧の検出値と目標電圧の差がΔVであるとき、バンクコンデンサに供給すべき電荷量Qは、Q=C×ΔVで計算できる。したがって、この電荷量Qがバンクコンデンサに供給されるように、スイッチングトランジスタのオン時間を計算してもよい。
The controller may calculate the on-time of the switching transistor based on the difference between the detected value of the voltage of the bank capacitor and the target voltage.
When the difference between the detected value of the voltage of the bank capacitor and the target voltage is ΔV, the amount of charge Q to be supplied to the bank capacitor can be calculated by Q = C × ΔV. Therefore, the on-time of the switching transistor may be calculated so that this amount of charge Q is supplied to the bank capacitor.
温度センサは、リアクトルのコアの温度を測定するよう構成されてもよい。温度センサはコアの表面に取り付けてもよいし、コアに埋め込んでもよい。 The temperature sensor may be configured to measure the temperature of the reactor core. The temperature sensor may be mounted on the surface of the core or embedded in the core.
充電回路は、第1スイッチングコンバータによるバンクコンデンサの粗い充電動作の後に、バンクコンデンサを高精度に充電する第2スイッチングコンバータをさらに含んでもよい。第2スイッチングコンバータは、リアクトルと、スイッチングトランジスタと、リアクトルの温度を測定する温度センサと、温度センサが検出したリアクトルの温度にもとづいて、リアクトルのインダクタンスを取得し、当該インダクタンスを利用してスイッチングトランジスタのオン時間を計算するコントローラと、を含んでもよい。
第2スイッチングコンバータのリアクトルのインダクタンスを、第1スイッチングコンバータのリアクトルのインダクタンスより小さくすることにより、第2スイッチングコンバータによる1回のスイッチング当たりの充電電荷量を小さくでき、高精度な充電が可能となる。
The charging circuit may further include a second switching converter that charges the bank capacitor with high accuracy after the rough charging operation of the bank capacitor by the first switching converter. The second switching converter acquires the inductance of the reactor based on the reactor, the switching transistor, the temperature sensor that measures the temperature of the reactor, and the temperature of the reactor detected by the temperature sensor, and uses the inductance to obtain the switching transistor. It may include a controller that calculates the on-time of the.
By making the inductance of the reactor of the second switching converter smaller than the inductance of the reactor of the first switching converter, the amount of charge charged per switching by the second switching converter can be reduced, and highly accurate charging becomes possible. ..
第2スイッチングコンバータは、バンクコンデンサを充電および放電可能な同期整流型(昇降圧型)であってもよい。これにより、バンクコンデンサが過充電されて、バンクコンデンサの電圧が目標電圧を超えた場合に、その電圧を低下させて目標電圧に近づけることができる。 The second switching converter may be a synchronous rectification type (boost-boost type) capable of charging and discharging a bank capacitor. As a result, when the bank capacitor is overcharged and the voltage of the bank capacitor exceeds the target voltage, the voltage can be lowered to approach the target voltage.
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above components or components and expressions of the present invention that are mutually replaced between methods, devices, systems, and the like are also effective as aspects of the present invention.
本発明のある態様によれば、高い繰り返し周波数でも、温度変動にかかわらず、レーザの出力エネルギーを安定化できる。 According to an aspect of the present invention, the output energy of the laser can be stabilized regardless of temperature fluctuations even at high repetition frequencies.
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings based on preferred embodiments. The same or equivalent components, members, and processes shown in the drawings shall be designated by the same reference numerals, and redundant description will be omitted as appropriate. Further, the embodiment is not limited to the invention, but is an example, and all the features and combinations thereof described in the embodiment are not necessarily essential to the invention.
図3は、実施の形態に係るレーザ加工装置1のブロック図である。レーザ加工装置1は、レーザ光源2およびレーザ用電源100を備える。レーザ光源2は、たとえばCO2レーザである。レーザ用電源100は、レーザ光源2に交流電力を供給し、励振させる。
FIG. 3 is a block diagram of the
レーザ用電源100は、充電回路102、バンクコンデンサ104、高周波電源106を備える。高周波電源106は、その入力108がバンクコンデンサ104と接続され、その出力がレーザ光源2に接続されている。高周波電源106は、バンクコンデンサ104に生ずる直流電圧VDCを受け、レーザ光源2に交番電圧(駆動電圧)VDRVを間欠的に供給する。すなわち、レーザ光源2の発光期間において高周波電源106はスイッチング動作し、レーザ光源2の消灯期間において高周波電源106のスイッチングは停止する。高周波電源106がスイッチングする期間を動作期間、スイッチングが停止する期間を休止期間という。高周波電源106の構成は特に限定されず、公知技術を用いればよい。
The
バンクコンデンサ104は、それ単体で高周波電源106に電力を供給する蓄電デバイスのような直流電源と把握することができる。充電回路102は、高周波電源106の休止期間中にバンクコンデンサ104を目標電圧VREFに充電する。高周波電源106の動作期間中は、バンクコンデンサ104への充電が停止するため、バンクコンデンサ104の電圧VDCは、高周波電源106による放電により低下する。したがってバンクコンデンサ104の容量は、高周波電源106による放電の過程においても、直流電圧VDCが許容範囲の下限を下回らないように設計される。
The
以上がレーザ加工装置1の全体構成である。続いてその動作を説明する。図4は、図3のレーザ加工装置1の動作波形図である。高周波電源106は、5kHz程度の繰り返し周波数、デューティ比5%程度で間欠動作する。高周波電源106の動作期間中において、バンクコンデンサ104が高周波電源106に電力を供給する電源として振る舞う。この間、充電電源102は停止しており、放電によってバンクコンデンサ104の直流電圧VDCは低下する。ただし、バンクコンデンサ104の容量は十分に大きいため、直流電圧VDCは許容電圧範囲の下限を下回らない。
The above is the overall configuration of the
高周波電源106の動作が停止し、休止期間に入ると、充電電源102によるバンクコンデンサ104の充電が開始し、バンクコンデンサ104が目標電圧VREFに充電される。レーザ加工装置1はこの動作を繰り返す。
When the operation of the high
続いてレーザ用電源100の構成を説明する。図5は、実施の形態に係るレーザ用電源100の充電回路102のブロック図である。
Subsequently, the configuration of the
充電回路102は、整流平滑化回路110および第1スイッチングコンバータ120を備える。整流平滑化回路110は、商用交流電圧VACを受け、それを整流、平滑化し、直流電圧VINを生成する。たとえば商用交流電圧VACは、3相200Vであり、直流電圧VINは280Vである。図4に示すように整流平滑化回路110は、整流回路112と平滑キャパシタ114の組み合わせであってもよい。あるいは整流平滑化回路110は、AC/DCコンバータであってもよい。また商用交流電圧VACは単相であってもよい。
The charging
バンクコンデンサ104の電圧VDCの目標電圧VREFは、たとえば500Vである。第1スイッチングコンバータ120は、直流電圧VINを受け、バンクコンデンサ104に充電電流ICHG1を供給する。第1スイッチングコンバータ120は、リアクトルL1、スイッチングトランジスタM1、整流ダイオードD1を備えるダイオード整流型の昇圧コンバータ(Boost converter)である。この第1スイッチングコンバータ120が生成する充電電流ICHG1は、バンクコンデンサ104を充電する方向にのみ流れる。
The target voltage V REF of the voltage V DC of the
温度センサ122は、リアクトルL1の温度を測定する。温度センサ122は、熱電対やサーミスタ、ポジスタなどであり、測定した温度に応じた電気信号S1を発生する。この電気信号S1は、コントローラ124に入力される。
図6は、リアクトルを示す斜視図である。ここではリアクトルL1として環状ソレノイドを示す。インダクタンスLは、コア(鉄心)の透磁率μ、コイル巻線の巻数N、コイル巻線の半径r、環状コアの半径Rを用いて以下の式で表され、コアの透磁率μに比例する。
L=μN2r2/(2R) …(1)
なおコア200の内部にはエアギャップが存在し、エアギャップの透磁率μ0もインダクタンスLに影響を与えるが、エアギャップの厚みはコアの厚みに比べて十分に小さいため、式(1)では省略している。
FIG. 6 is a perspective view showing the reactor. Here shows the annular solenoid as a reactor L 1. The inductance L is expressed by the following equation using the magnetic permeability μ of the core (iron core), the number of turns N of the coil winding, the radius r of the coil winding, and the radius R of the annular core, and is proportional to the magnetic permeability μ of the core. ..
L = μN 2 r 2 / (2R)… (1)
There is an air gap inside the
コアの透磁率μは温度依存性を有し、温度の関数f(T)で表すことができる。
μ=f(T) …(2)
式(2)を式(1)に代入すると、式(3)を得る。
L=f(T)・N2r2/(2R) …(3)
N2r2/(2R)は定数Aであるから、
L=A・f(T) …(4)
となる。図7は、インダクタンスの温度依存性の一例を示す図である。
The magnetic permeability μ of the core has temperature dependence and can be expressed by a function f (T) of temperature.
μ = f (T)… (2)
Substituting Eq. (2) into Eq. (1) gives Eq. (3).
L = f (T) ・ N 2 r 2 / (2R)… (3)
Since N 2 r 2 / (2R) is a constant A,
L = A · f (T)… (4)
Will be. FIG. 7 is a diagram showing an example of the temperature dependence of inductance.
上述のように実際のインダクタンスは、コアの透磁率μとエアギャップの透磁率μ0の項を含むが、エアギャップの項は、コアの項よりも十分に小さく、さらに空気の透磁率μ0の温度依存性は実質的にゼロとみなすことができる。また発熱体であるコイル巻線202の熱は、エアギャップ204を介してコア200に伝わる。したがってコイル巻線202とコア200の温度は必ずしも一致するわけではなく、温度センサ122をコイル巻線202に取り付けると、コア200の温度を正確に測定することはできない。
As mentioned above, the actual inductance includes the terms of core permeability μ and air gap permeability μ 0 , but the air gap term is sufficiently smaller than the core term, and the air permeability μ 0. The temperature dependence of is virtually zero. Further, the heat of the coil winding 202, which is a heating element, is transferred to the
これらの理由から、温度センサ122は、リアクトルLのコアの温度Tを直接的に測定するよう構成される。たとえば温度センサ122は、コアの表面に直接取り付けられてもよいし、コアに埋め込まれてもよい。これにより、インダクタンスLの温度変動を正確に検出できる。
For these reasons, the
図5に戻る。コントローラ124は、温度センサ122が検出したリアクトルL1の温度Tにもとづいて、リアクトルL1のインダクタンスLを取得する。たとえば、あらかじめ測定された透磁率μと温度Tの関係を表す関数f(T)を、コントローラ124に記憶しておいてもよい。そしてコントローラ124は式(4)にしたがってインダクタンスLを計算してもよい。もちろんコントローラ124がインダクタンスLを計算する際にはエアギャップの項を考慮してもよい。
Return to FIG. The
あるいはコントローラ124は、温度Tと透磁率μの関係をルックアップテーブルとして保持しておき、テーブル参照によって、透磁率μを取得し、インダクタンスLを計算してもよい。あるいは、温度TとインダクタンスLの関係をルックアップテーブルとして保持してもよい。
Alternatively, the
コントローラ124は、このようにして取得されたインダクタンスLを利用して、スイッチングトランジスタM1のオン時間TONを計算する。コントローラ124は、バンクコンデンサ104の電圧VDCの検出値VDETと目標電圧VREFの差ΔVにもとづいて、スイッチングトランジスタM1のオン時間TONを計算することができる。より詳しくは、バンクコンデンサ104の電圧VDCの検出値VDETと目標電圧VREFの差ΔVにもとづいて、バンクコンデンサ104に供給すべき電荷量Qを計算し、当該電荷量Qが得られるようにスイッチングトランジスタM1のオン時間TONを計算してもよい。
The
検出値VDETは、高周波電源106の動作が停止し、バンクコンデンサ104から高周波電源106に流れる電流IOUTがゼロになった状態で測定することが好ましい。そこでコントローラ124は、バンクコンデンサ104からの電流IOUTを監視し、この電流IOUTがゼロになった後に、バンクコンデンサ104の電圧VDCを測定するとよい。
The detected value V DET is preferably measured in a state where the operation of the high
バンクコンデンサ104の電圧VDCの測定値VDETと目標電圧VREFの差がΔVであるとする。このとき、第1スイッチングコンバータ120がバンクコンデンサ104に供給すべき電荷量Qは、
Q=C×ΔV=C×(VREF−VDET)
である。Cはバンクコンデンサ104の容量である。
It is assumed that the difference between the measured value V DET of the voltage V DC of the
Q = C × ΔV = C × (V REF −V DET )
Is. C is the capacitance of the
第1スイッチングコンバータ120は、スイッチングトランジスタM1の1回のスイッチングで、この電荷Qをバンクコンデンサ104に供給する。
First switching
図8は、第1スイッチングコンバータ120の動作波形図である。レーザの発光期間において、バンクコンデンサ104から出力電流IOUTが高周波電源106に供給される。この間、レーザ用電源100は休止状態であり、バンクコンデンサ104が出力電流IOUTによって放電され、電圧VDCが低下していく。やがて出力電流IOUTがゼロになると、電圧VDCが安定する。安定後の電圧VDCの検出値VDETは、コントローラ124に取り込まれる。
FIG. 8 is an operation waveform diagram of the
そしてコントローラ124は、検出値VDETと目標値VREFの差分にもとづいて、スイッチングトランジスタM1のオン時間TONを計算する。
Then, the
スイッチングトランジスタM1のオン区間TONにおいて、リアクトルL1の一端には入力電圧VINが、他端には接地電圧(0V)が印加される。したがって、スイッチングトランジスタM1がターンオンすると、リアクトルL1に流れる電流ILは、ゼロから傾きVIN/Lで増加していく。オン区間TONの終了時における電流ILの量(ピーク値)は、以下の式で与えられる。
IPEAK=VIN/L×TON
スイッチングトランジスタM1のオン期間におけるリアクトル電流ILは、バンクコンデンサ104には供給されない。
In the on-period T ON switching transistors M 1, to one end of the reactor L 1 input voltage V IN is, the other end a ground voltage (0V) is applied. Therefore, when the switching transistor M 1 is turned on, the current I L flowing through the reactor L 1, increases with a slope V IN / L from zero. The amount of current I L at the end of the on period T ON (peak value) is given by the following equation.
I PEAK = V IN / L × T ON
Reactor current I L during the ON period of the switching transistor M 1 is not supplied to the
続いてスイッチングトランジスタM1がターンオフする。スイッチングトランジスタM1がオフのとき、リアクトルL1の一端には入力電圧VINが、他端にはVDC+VFが印加される。VFは整流ダイオードD1の順方向電圧である。スイッチングM1のオフ期間TCHGにおいて、リアクトル電流ILは、ピーク値IPEAKを初期値として、傾き(VIN−VDC−VF)/Lで減少していく。
IL=IPEAK−∫(VDC+VF−VIN)/Ldt
VF≪VDC,VF≪VINとすると、リアクトル電流ILは
IL=IPEAK−∫(VDC−VIN)/Ldt
となる。ハッチングを付したリアクトル電流ILが、バンクコンデンサ104への充電電流ICHGとなる。バンクコンデンサ104に供給される電荷量Qは、ハッチングを付した面積に相当する。
Q=∫{IPEAK−∫(VDC−VIN)/Ldt}dt
=∫{VIN/L×TON−∫(VDC−VIN)/Ldt}dt
Subsequently, the switching transistor M 1 turns off. When the switching transistor M 1 is turned off, the end of a reactor L 1 input voltage V IN is, V DC + V F is applied to the other end. V F is the forward voltage of the rectifier diode D 1. In the off period T CHG switching M 1, the reactor current I L is the peak value I PEAK as an initial value, it decreases with a slope (V IN -V DC -V F) / L.
I L = I PEAK -∫ (V DC + V F -V IN) / Ldt
V F «V DC, When V F «V IN, reactor current I L I L = I PEAK -∫ (V DC -V IN) / Ldt
Will be. Reactor current I L which hatched, the charging current I CHG to the
Q = ∫ {I PEAK -∫ (V DC- V IN ) / Ldt} dt
= ∫ {V IN / L × T ON − ∫ (V DC −V IN ) / Ldt} dt
したがって、
C×(VREF−VDET)=∫{VIN/L×TON−∫(VDC−VIN)/Ldt}dt
を満たすように、オン時間TONを計算すればよいことが分かる。
therefore,
C × (V REF −V DET ) = ∫ {V IN / L × T ON − ∫ (V DC −V IN ) / Ldt} dt
To meet, it can be seen that may be calculated on-time T ON.
入力電圧VINの変動が大きい場合、その電圧レベルを直流電圧VDCとともに検出することが望ましい。一方、入力電圧VINが所定の電圧レベルに高精度に安定化されている場合、検出値ではなく規定値を用いることができる。 When the fluctuation of the input voltage VIN is large, it is desirable to detect the voltage level together with the DC voltage VDC. On the other hand, when the input voltage VIN is stabilized to a predetermined voltage level with high accuracy, a specified value can be used instead of the detected value.
以上が第1スイッチングコンバータ120の動作である。第1スイッチングコンバータ120によれば、リアクトルL1のインダクタンスLの温度変動を考慮して、オン時間TONを正確に計算することができる。これにより、温度変動が生じていても、バンクコンデンサ104の電圧VDCを1回スイッチングで目標電圧VREFに近づけることができる。これによりショット不良を低減できる。また充電時間が短くなるため、レーザ発光の繰り返し周波数が低下するのを抑制でき、高い繰り返しレートが実現できる。
The above is the operation of the
図9は、変形例に係る充電回路102Aの回路図である。充電回路102は、第1スイッチングコンバータ120に加えて、第2スイッチングコンバータ140を備える。第2スイッチングコンバータ140は、第1スイッチングコンバータ120によるバンクコンデンサ104の粗い充電動作の後に、バンクコンデンサ104を高精度に充電する。
FIG. 9 is a circuit diagram of the charging
第2スイッチングコンバータ140は、リアクトルL2、スイッチングトランジスタM2、同期整流トランジスタM3を含む同期整流昇圧コンバータである。第1スイッチングコンバータ120と同様に、第2スイッチングコンバータ140には、リアクトルL2の温度を測定する温度センサ142が設けられる。コントローラ144は、温度センサ142が検出したリアクトルL2の温度にもとづいて、リアクトルL2のインダクタンスを取得し、当該インダクタンスを利用してスイッチングトランジスタM2のオン時間TONおよびオフ時間(同期整流トランジスタM3のオン時間TON)を計算する。
The
第2スイッチングコンバータ140が生成する充電電流ICHG2は、バンクコンデンサ104を充電する方向のみでなく、それを放電する方向にも流れることが可能である。第1スイッチングコンバータ120による充電の結果、電圧VDCが目標値VREFに不足する場合には、第2スイッチングコンバータ140により、電圧DCを上昇させる方向に微調節可能であり、第1スイッチングコンバータ120による充電の結果、電圧VDCが目標値VREFを超過した場合には、第2スイッチングコンバータ140により、電圧DCを低下させる方向に微調節可能である。
The charging current I CHG2 generated by the
ここで第1スイッチングコンバータ120は、バンクコンデンサ104を急速充電する必要があり、1回のスイッチング動作で、なるべく多くの電流ICHG1をバンクコンデンサ104に供給することが求められる。したがってリアクトルL1のインダクタンスLは、大きい値が選択される。
Here, the
充電電荷量は、充電電流の時間積分量である。したがって一定の電荷量を充電する場合、電流ピーク値が高いほど、充電パルス時間幅は短くなる。言い換えると、インダクタンスが小さいほど、充電速度が速い。第2スイッチングコンバータ140は数回のスイッチング動作で、バンクコンデンサ104の電荷を素早く微調節することが求められる。したがってリアクトルL2のインダクタンスは、リアクトルL1のそれよりも小さい値が好ましい。
The charge charge amount is the time integral amount of the charge current. Therefore, when charging a constant amount of charge, the higher the current peak value, the shorter the charging pulse time width. In other words, the smaller the inductance, the faster the charging speed. The
第2スイッチングコンバータ140のコントローラ144によるオン時間の計算は、コントローラ124と同様とすることができる。あるいはコントローラ144は、PI制御あるいはPID制御によって、オン時間TONを計算してもよい。
The calculation of the on-time by the
続いて充電回路102Aの動作を説明する。
図10は、図9の充電電源102Aの動作波形図である。高周波電源106の休止期間に入ると、はじめに第1スイッチングコンバータ120によるバンクコンデンサ104の急速充電動作が行われる。続いて、第2スイッチングコンバータ140のトランジスタM2,M3のスイッチングが開始し、バンクコンデンサ104の電圧VDCがさらに目標電圧VREFに近づけられる。
Subsequently, the operation of the charging
FIG. 10 is an operation waveform diagram of the charging
第1スイッチングコンバータ120と第2スイッチングコンバータ140の併用によって、第1スイッチングコンバータ120によりバンクコンデンサ104の電圧VDCを短時間で目標電圧VREFに近づけ、第2スイッチングコンバータ140により高い精度で、電圧VDCを目標電圧VREFにさらに近づけ、安定化することができる。
By using the
実施の形態では、レーザ用電源に使用されるスイッチングコンバータの高精度化を説明したがその限りではなく、第1スイッチングコンバータ120と第2スイッチングコンバータ140の組み合わせ、あるいは各々は、さまざまな用途に使用することができる。本明細書には、以下の発明が開示される。
In the embodiment, the improvement of the accuracy of the switching converter used for the power supply for the laser has been described, but the present invention is not limited to this, and the combination of the
本発明のある態様は、スイッチングコンバータに関する。このスイッチングコンバータは、リアクトルと、スイッチングトランジスタと、リアクトルの温度を測定する温度センサと、温度センサが検出したリアクトルの温度にもとづいて、リアクトルのインダクタンスを取得し、当該インダクタンスを利用してスイッチングトランジスタのオン時間を計算するコントローラと、を備える。 One aspect of the present invention relates to a switching converter. This switching converter acquires the inductance of the reactor based on the reactor, the switching transistor, the temperature sensor that measures the temperature of the reactor, and the temperature of the reactor detected by the temperature sensor, and uses the inductance to obtain the inductance of the switching transistor. It is equipped with a controller that calculates the on-time.
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。 Although the present invention has been described using specific terms and phrases based on the embodiments, the embodiments show only one aspect of the principles and applications of the present invention, and the embodiments are claimed. Many modifications and arrangement changes are permitted within the range not departing from the idea of the present invention defined in the scope.
1r…レーザ加工装置、2…レーザ光源、4r…レーザ用電源、6…直流電源、8…高周波電源、100…レーザ用電源、102…充電回路、104…バンクコンデンサ、106…高周波電源、110…整流平滑化回路、112…整流回路、114…平滑キャパシタ、120…第1スイッチングコンバータ、122…温度センサ、124…コントローラ、140…第2スイッチングコンバータ、142…温度センサ、144…コントローラ、200…コア、202…コイル巻線、204…エアギャップ、L1,L2…リアクトル、M1…スイッチングトランジスタ、D1…整流ダイオード、M2…スイッチングトランジスタ、M3…同期整流トランジスタ。 1r ... Laser processing device, 2 ... Laser light source, 4r ... Laser power supply, 6 ... DC power supply, 8 ... High frequency power supply, 100 ... Laser power supply, 102 ... Charging circuit, 104 ... Bank capacitor, 106 ... High frequency power supply, 110 ... Rectifier smoothing circuit, 112 ... Rectifier circuit, 114 ... Smoothing capacitor, 120 ... First switching converter, 122 ... Temperature sensor, 124 ... Controller, 140 ... Second switching converter, 142 ... Temperature sensor, 144 ... Controller, 200 ... Core , 202 ... Coil winding, 204 ... Air gap, L 1 , L 2 ... Reactor, M 1 ... Switching transistor, D 1 ... Rectifier diode, M 2 ... Switching transistor, M 3 ... Synchronous rectifier transistor.
Claims (3)
入力が前記バンクコンデンサと接続され、レーザ光源に交番電圧を間欠的に供給する高周波電源と、
前記高周波電源の休止期間に前記バンクコンデンサを充電する第1スイッチングコンバータを含む充電回路と、
を備え、
前記第1スイッチングコンバータは、
第1リアクトルと、
第1スイッチングトランジスタと、
前記第1リアクトルのコアの表面に取り付けられ、または当該コアに埋め込まれ、当該コアの温度を測定する第1温度センサと、
前記第1温度センサが検出した前記第1リアクトルの前記コアの温度にもとづいて、前記第1リアクトルのインダクタンスを取得し、当該インダクタンスを利用して前記第1スイッチングトランジスタのオン時間を計算する第1コントローラと、
を含むことを特徴とするレーザ用電源。 With a bank capacitor
A high-frequency power supply whose input is connected to the bank capacitor and intermittently supplies an alternating voltage to the laser light source.
A charging circuit including a first switching converter that charges the bank capacitor during the pause period of the high frequency power supply.
With
The first switching converter is
The first reactor and
The first switching transistor and
Attached to the surface of the core of the first reactor, or embedded in the core, a first temperature sensor for measuring the temperature of the core,
Based on the temperature of the core of the first reactor detected by the first temperature sensor, the inductance of the first reactor is acquired, and the on-time of the first switching transistor is calculated using the inductance. With the controller
A power supply for a laser, characterized by including.
前記第2スイッチングコンバータは、
第2リアクトルと、
第2スイッチングトランジスタと、
前記第2リアクトルのコアの表面に取り付けられ。または当該コアに埋め込まれ、当該コアの温度を測定する第2温度センサと、
前記第2温度センサが検出した前記第2リアクトルの前記コアの温度にもとづいて、前記第2リアクトルのインダクタンスを取得し、当該インダクタンスを利用して前記第2スイッチングトランジスタのオン時間を計算する第2コントローラと、
を含むことを特徴とする請求項1または2に記載のレーザ用電源。 The charging circuit further includes a second switching converter that charges the bank capacitor with high accuracy after a rough charging operation of the bank capacitor by the first switching converter.
The second switching converter is
With the second reactor,
The second switching transistor and
Attached to the surface of the core of the second reactor. Alternatively, a second temperature sensor embedded in the core and measuring the temperature of the core,
Based on the temperature of the core of the second reactor detected by the second temperature sensor, the inductance of the second reactor is acquired, and the on-time of the second switching transistor is calculated using the inductance. With the controller
The laser power supply according to claim 1 or 2, wherein the laser power supply comprises.
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