JPH06126451A - アーク溶接機のスイッチング駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低周波変換装置の電力用のスイッチング素子
を従来より小型，軽量な構成で安定に制御する。 【構成】 低周波変換装置１０の電力用のスイッチング
素子１１のスイッチング周期で２値変化する低周波指令
信号と高周波のクロック信号とをアンドゲート処理する
制御ゲート部１８と、商用交流電源を整流，平滑した直
流の駆動電源が供給され，制御ゲート部１８のアンドゲ
ート信号により駆動されて駆動電源を間欠的に高周波交
流電源に変換するインバータ部１９と、この高周波交流
電源が１次巻線に供給される絶縁用の高周波変圧器２０
と、変圧器２０の２次巻線出力を整流，平滑して低周波
指令信号の周期で変化する低周波のスイッチング制御信
号を形成し，この信号をスイッチング素子１１の制御端
子に供給する制御出力部２１とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、交流アーク溶接に用い
るアーク溶接機の出力段に設けた低周波変換装置のスイ
ッチング素子を駆動するアーク溶接機のスイッチング駆
動回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、交流アーク溶接においては、溶
接負荷を流れる電流が交番して半周期毎に負荷が正極
性，逆極性に交互に変化し、この間、溶接電流が極性移
行毎にゼロクロスしてアークが瞬断されるため、その都
度アークを再点弧する必要がある。

【０００３】そして、酸化し易い金属，例えばアルミニ
ュームを溶接負荷の母材とする場合、溶接負荷に正弦波
状の交流電流を給電すると、母材が負，電極が正になる
逆極性の半周期には、母材表面の酸化膜がクリーニング
作用で除去されるが、極性移行直後のエネルギが不足し
て電子放出が良好でなく、アークの再点弧が困難にな
る。そこで、この種交流アーク溶接に用いられるアーク
溶接機は例えば図３に示すように構成され、溶接電流を
矩形波にしてアークの再点弧特性を改善する。

【０００４】図３は３相商用電源により動作する場合を
示し、入力電源端子１ａ〜１ｃの３相商用電源がダイオ
ード整流器構成の入力整流器２，平滑用のコンデンサ３
により整流，平滑され、この平滑により形成された入力
直流電源が高周波交流変換装置４に供給される。この変
換装置４はＩＧＢＴ，ＦＥＴ等の電力用のスイッチング
素子のフルブリッジインバータにより形成され、高周波
側駆動制御装置５のスイッチング制御により入力直流電
源を高周波交流電源に変換して主変圧器６の１次巻線６
ａに供給する。

【０００５】そして、主変圧器６は２次巻線６ｂにタッ
プｔが設けられ、２次巻線６ｂの高周波交流電源はダイ
オード７ａ〜７ｄの２相半波整流器７と平滑用のリアク
トル８，９とにより主直流電源に変換され、この主直流
電源が出力段の低周波変換装置１０に供給される。

【０００６】この変換装置１０はＩＧＢＴ，ＦＥＴ等の
電力用の２個のスイッチング素子１１，１２により形成
され、両スイッチング素子１１，１２は制御端子として
のベース又はゲートに供給されるスイッチング制御信号
により相互に逆相で低周波スイッチングし、主整流電源
を矩形波の低周波交流電源に変換し、溶接負荷１３の電
極１４，母材１５に供給する。このとき、電極１４，母
材１５を流れる溶接電流（アーク電流）は図４に示すよ
うに矩形波の交番電流になり、溶接負荷１３の極性移行
毎のゼロクロスでのエネルギが大きくなり、アークの再
点弧特性が改善されて向上する。

【０００７】なお、図４のＴは低周波交流電源の周期を
示し、ｔａは母材１５が正，電極１４が負になる正極性
の期間を示し、ｔｂは母材１５が負，電極１４が正にな
る逆極性の期間を示す。ところで、スイッチング素子１
１，１２のスイッチング制御信号は、低周波側駆動制御
装置１６に設けられたスイッチング素子１１，１２毎の
スイッチング駆動回路により形成される。

【０００８】この駆動回路はスイッチング制御信号を商
用電源から電気的に絶縁するため、商用電源をそのまま
変圧器に供給し、この変圧器の２次巻線出力をダイオー
ド整流器，平滑コンデンサにより整流，平滑して直流の
駆動電源を形成し、この駆動電源をオン用のトランジス
タとオフ用のトランジスタの低周波スイッチングにより
断続してスイッチング素子１１，１２の制御に十分な大
きさの前記スイッチング制御信号を形成する。なお、オ
ン用のトランジスタ及びオフ用のトランジスタは、例え
ばスイッチング駆動回路内の別電源の低周波指令装置の
小信号の低周波指令信号により低周波でスイッチング制
御される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前記従来のこの種アー
ク溶接機の場合、例えば図３の低周波変換装置１０のス
イッチング素子１１，１２を駆動するため同図の低周波
側駆動制御装置１６のスイッチング素子１１，１２毎の
スイッチング駆動回路に、商用交流電源からの絶縁等を
図る低周波用の大型，大重量の変圧器を要するととも
に、この変圧器の出力を整流，平滑して商用交流電源の
変動等の影響を受けない安定な直流の制御電源を形成す
るため、大型，大容量の平滑コンデンサも要し、溶接機
の小型化，軽量化が図れない問題点がある。

【００１０】そして、小型化の要請等に基づく制約によ
り実際には前記平滑コンデンサにはあまり容量の大きな
ものを用いることができず、スイッチング制御信号の電
圧が商用交流電源の変動の影響を受け、この結果、スイ
ッチング素子１１，１２が誤動作する虞れがある。

【００１１】本発明は、低周波変換装置の電力用のスイ
ッチング素子を、従来より小型，軽量な構成で安定に制
御することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明のアーク溶接機のスイッチング駆動回路に
おいては、低周波変換装置のスイッチング素子のスイッ
チング周期で２値変化する低周波指令信号と高周波のク
ロック信号とをアンドゲート処理する制御ゲート部と、
商用交流電源を整流，平滑した直流の駆動電源が供給さ
れ，制御ゲート部のアンドゲート信号により駆動されて
駆動電源を間欠的に高周波交流電源に変換するインバー
タ部と、高周波交流電源が１次巻線に供給される絶縁用
の高周波変圧器と、この変圧器の２次巻線出力を整流，
平滑して低周波指令信号の周期で変化する低周波のスイ
ッチング制御信号を形成し，該制御信号をスイッチング
素子の制御端子に供給する制御出力部とを備える。

【００１３】

【作用】前記のように構成された本発明のアーク溶接機
のスイッチング駆動回路の場合、商用交流電源は整流，
平滑された後、制御ゲート部のアンドゲート信号に基づ
くインバータ部の動作により、商用交流電源の影響を受
け難く低周波指令信号の周期で断続する高周波交流電源
に変換される。

【００１４】さらに、この高周波交流電源が高周波変圧
器により電気的に絶縁されて制御出力部に供給され、こ
の制御出力部により高周波変圧器の２次巻線出力が整
流，平滑されて低周波のスイッチング制御信号が形成さ
れ、この信号が低周波変換装置の電力用のスイッチング
素子の制御端子に供給される。

【００１５】そして、商用交流電源が高周波交流電源に
変換され、この高周波交流電源を用いてスイッチング制
御信号が形成されるため、スイッチング制御信号は商用
交流電源の変動の影響を直接受けることがなく、商用交
流電源の整流，平滑に従来機の平滑コンデンサより小容
量の小型の平滑コンデンサを用いてもスイッチング制御
信号が安定に形成される。

【００１６】また、高周波変圧器が従来機の低周波用の
変圧器より小型，軽量で高効率であり、しかも、この変
圧器によりスイッチング制御信号が商用交流電源から電
気的に絶縁され、商用交流電源を整流，平滑する際は変
圧器を省くか小容量の小型のものにすることができるた
め、従来機のように大型，大重量の変圧器を用いること
なく形成できる。したがって、従来より小型，軽量な構
成で低周波変換装置の電力用のスイッチング素子が安定
に制御される。

【００１７】

【実施例】１実施例について、図１及び図２を参照して
説明する。図１，図２において、図３，図４と同一符号
は同一もしくは相当するものを示し、図１は図３の低周
波駆動制御装置１６に従来回路の代わりに設けられたス
イッチング素子１１のスイッチング駆動回路１７を示
す。

【００１８】この駆動回路１７は制御ゲート部１８，イ
ンバータ部１９，絶縁用の高周波変圧器２０及び制御出
力部２１を備える。

【００１９】そして、制御ゲート部１８は例えばマルチ
バイブレータ構成の低周波指令装置２２を有し、この装
置２２はスイッチング素子１１のスイッチング周期で２
値変化する小信号の低周波指令信号を発生する。

【００２０】すなわち、スイッチング素子１１が図４に
相当する図２の（ａ）の溶接電流の正極性の期間ｔａに
オンして逆極性の期間ｔｂにオフするため、低周波指令
装置２２は溶接電流と同じ波形変化の低周波指令信号を
発生する。

【００２１】また、制御ゲート部１８の２個の高周波入
力端子２３，２４には、例えば制御装置１６のクロック
発生器で形成された位相差１８０°の５０ＫＨｚ程度の
高周波のクロック信号それぞれが供給される。

【００２２】そして、低周波指令信号と高周波入力端子
２３，２４のクロック信号それぞれとがアンドゲート２
５，２６によりアンドゲート処理され、アンドゲート２
５は図２の（ｂ）に示すように正極性の期間ｔａに高周
波入力端子２３のクロック信号を出力し、アンドゲート
２６は同図の（ｃ）に示すように正極性の期間ｔａに高
周波入力端子２４のクロック信号を出力する。さらに、
アンドゲート２５の出力信号はインバータゲート２７に
より反転してインバータ部１９に供給され、アンドゲー
ト２６の出力信号はそのままインバータ部１９に供給さ
れる。

【００２３】そして、インバータ部１９はＭＯＳＦＥＴ
等の２個のスイッチング素子２８，２９それぞれのゲー
トバイアス抵抗３０，３１及びデカップリング用のコン
デンサ３２，３３により、いわゆるハーフブリッジイン
バータに形成されている。また、スイッチング素子２
８，２９はソース，ドレインが正，負の駆動電源端子３
４，３５間に直列に接続され、制御端子としてのゲート
にインバータゲート２７，アンドゲート２６の出力信号
それぞれが供給される。

【００２４】ところで、駆動電源端子３４，３５には入
力端子１ａ〜１ｃの３相商用交流電源をダイオード整流
器，コンデンサにより整流，平滑して形成された直流の
駆動電源が供給される。

【００２５】このとき、商用交流電源との電気的絶縁が
高周波変圧器２０で果たされるため、商用交流電源は変
圧器を用いることなく、いわゆるトランスレスで整流，
平滑される。

【００２６】そして、図２の正極性期間ｔａになると、
インバータゲート２７の出力信号が図２の（ｂ）の信号
を反転した信号となるため、この信号がローレベルにな
る例えば時刻ｔ₁ にスイッチング素子２８が瞬時オン
し、つぎにアンドゲート２６の出力信号がハイレベルに
なる時刻ｔ₂ にスイッチング素子２９が瞬時オンし、以
降、時刻ｔ₃ ，ｔ₄ ，…にスイッチング素子２８，２９
が交互に瞬時オンする。

【００２７】この瞬時オンの高周波のくり返しにより、
インバータ部１９は毎期間ｔａに駆動電源を高周波交流
電源に変換し、等価的に低周波指令信号を高周波のクロ
ック信号で振幅変調する。そして、インバータ部２９に
より形成された高周波交流電源が高周波変圧器２０の１
次巻線２０ａに供給され、この変圧器２０のタップｔ’
を有する２次巻線２０ｂの出力が制御出力部２１に供給
される。

【００２８】このとき、高周波変圧器２０は低周波用の
変圧器に比して十分に小型，軽量な変圧器で形成され
る。

【００２９】また、制御出力部２１は２次巻線２０ｂの
出力をダイオード３６〜３９が形成する２相全波整流器
により整流し、ダイオード３６，３７による２次巻線２
０ｂの一端とタップｔ’との間の整流出力を平滑用の抵
抗４０，コンデンサ４１により平滑し、ダイオード３
８，３９による２次巻線２０ｂの他端とタップｔ’との
間の整流出力を平滑用の抵抗４２，コンデンサ４３によ
り平滑する。

【００３０】そして、正極性の期間ｔａになると、コン
デンサ４１の平滑出力が抵抗４４を介してダイオード４
５に供給され、このダイオード４５がオンしてスイッチ
ング素子１１の制御端子にオン指令のスイッチング制御
信号が供給され、スイッチング素子１１がオンする。

【００３１】また、コンデンサ４３の平滑出力がトラン
ジスタ４６のベースに供給されてこのトランジスタ４６
がオンし、このオンにより抵抗４４を介したコンデンサ
４１の平滑出力がトランジスタ４６のコレクタ，エミッ
タを介してＰＮＰ形のトランジスタ４７のベースに供給
される。

【００３２】このとき、トランジスタ４７はエミッタ，
コレクタがダイオード４５のカソード，タップｔ’に接
続され、ダイオード４５の電圧降下によりエミッタ・ベ
ース間が逆バイアスされて確実にオフする。なお、トラ
ンジスタ４６のエミッタの平滑出力はバイアス用の抵抗
４８を介してタップｔ’に還流し、このとき、抵抗４８
は電力消費を低減するように高抵抗値に設定されてい
る。

【００３３】つぎに、正極性の期間ｔａが終了して逆極
性の期間ｔｂに移行すると、２次巻線２０ｂの出力が消
失し、コンデンサ４３が低抵抗値の放電用の抵抗４９に
より瞬時に放電してトランジスタ４６が直ちにオフす
る。このトランジスタ４６のオフによりトランジスタ４
７はベース・エミッタ側が順バイアスに反転してオン
し、コンデンサ４１が抵抗４４，ダイオード４５，トラ
ンジスタ４７のエミッタ及びコレクタのループを介して
放電する。

【００３４】このとき、トランジスタ４７のエミッタ，
コレクタによりスイッチング素子１１のベース，エミッ
タ間が短絡され、スイッチング素子１１の制御端子に供
給されていたスイッチング制御信号が直ちにリセットさ
れてオフ指令に反転し、スイッチング素子１１が直ちに
オフする。

【００３５】そして、インバータ部１９の高周波交流電
源を整流，平滑してスイッチング制御信号が形成される
ため、この制御信号は商用交流電源の変動の影響を直接
には受けることがなく、商用交流電源を整流，平滑して
インバータ部１９の駆動用の制御電源を形成する際に、
平滑コンデンサを小容量の小型のコンデンサで形成して
も、スイッチング制御信号の電圧変動等がほとんど発生
せず、商用交流電源の変動に伴うスイッチング素子１１
の誤動作が確実に防止される。

【００３６】また、変換損失の少ない高周波変圧器２０
によりスイッチング制御信号が商用交流電源から絶縁さ
れるため、前記制御電源を形成する際には商用交流電源
の変圧器を省ける。なお、この変圧器を設けて形成して
もよく、この場合でも従来より小容量の小型，軽量のも
ので済む。

【００３７】そして、低周波駆動装置１６にスイッチン
グ駆動回路１７及び該回路１７と同様に構成されたスイ
ッチング素子１２のスイッチング駆動回路を設けること
により、溶接機を従来より大幅に小型，軽量に形成して
低周波変換装置１０の駆動を安定に制御することができ
る。なお、スイッチング駆動回路１７の各部の構成は実
施例に限定されるものではない。

【００３８】また、低周波変換装置１０が実施例と異な
る構成、例えば４個の電力用のスイッチング素子のフル
ブリッジ構成であっても、電力用のスイッチング素子毎
にスイッチング駆動回路１７と同様の回路を設けること
により、実施例と同様の効果が得られるのは勿論であ
る。

【００３９】さらに、前記実施例では制御ゲート部１８
に低周波指令装置２２を設けたが、この装置２２は制御
ゲート部１８と別個に設けてもよい。そして、複数台の
アーク溶接機を使用する際は、例えば低周波指令信号及
びクロック端子２３，２４の高周波クロック信号を共通
の低周波指令装置及びクロック発生器から各溶接機に分
配するようにしてもよい。

【００４０】

【発明の効果】本発明は以上説明したように構成されて
いるため、以下に記載する効果を奏する。制御ゲート部
１８のアンドゲート信号によりインバータ部１９を駆動
して商用交流電源を低周波指令信号の周期で断続する高
周波交流電源に変換し、この交流電源を高周波変圧器２
０を介して制御出力部２１に供給し、この制御部２１の
整流，平滑により低周波変換装置１０の電力用のスイッ
チング素子１１のスイッチング制御信号を形成したた
め、このスイッチング制御信号が商用交流電源の変動の
影響を直接受けることがなく、商用交流電源の整流，平
滑に従来機の平滑コンデンサより小容量の小型の平滑コ
ンデンサを用いてスイッチング制御信号を安定に形成す
ることができる。

【００４１】また、高周波変圧器が従来機の低周波用の
変圧器より小型，軽量で高効率であり、しかも、この変
圧器によりスイッチング制御信号が商用交流電源から電
気的に絶縁され、商用交流電源を整流，平滑する際は、
変圧器を省くか小容量の小型のものにすることができる
ため、従来機のように大型，大重量の変圧器を用いるこ
となく形成できる。そのため、従来より小型，軽量な構
成で低周波変換装置１０の電力用のスイッチング素子を
安定に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアーク溶接機のスイッチング駆動回路
の１実施例の結線図である。

【図２】（ａ），（ｂ），（ｃ）は図１の動作説明用の
波形図である。

【図３】本発明が適用されるアーク溶接機のブロック結
線図である。

【図４】図３の溶接機の溶接電流の波形図である。

【符号の説明】

１０ 低周波変換装置 １１，１２ 電力用のスイッチング素子 １７ スイッチング駆動回路 １８ 制御ゲート部 １９ インバータ部 ２０ 高周波変圧器 ２１ 制御出力部

フロントページの続き (72)発明者 木下 敦史 大阪市東淀川区淡路２丁目14番３号 株式 会社三社電機製作所内 (72)発明者 森口 晴雄 大阪市東淀川区淡路２丁目14番３号 株式 会社三社電機製作所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流電源を出力段に設けた低周波変換装
   置の電力用のスイッチング素子のスイッチングにより矩
   形の低周波交流電源に変換して出力するアーク溶接機の
   スイッチング駆動回路において、 前記スイッチング素子のスイッチング周期で２値変化す
   る低周波指令信号と高周波のクロック信号とをアンドゲ
   ート処理する制御ゲート部と、 商用交流電源を整流，平滑した直流の駆動電源が供給さ
   れ，前記制御ゲート部のアンドゲート信号により駆動さ
   れて前記駆動電源を間欠的に高周波交流電源に変換する
   インバータ部と、 前記高周波交流電源が１次巻線に供給される絶縁用の高
   周波変圧器と、 該変圧器の２次巻線出力を整流，平滑して前記低周波指
   令信号の周期で変化する低周波のスイッチング制御信号
   を形成し，該制御信号を前記スイッチング素子の制御端
   子に供給する制御出力部とを備えたことを特徴とするア
   ーク溶接機のスイッチング駆動回路。