JPS63117661A

JPS63117661A - 電源装置

Info

Publication number: JPS63117661A
Application number: JP61262708A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Shibata; 光博芝田; Teruo Nakagawa; 中川　輝夫
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-11-06
Filing date: 1986-11-06
Publication date: 1988-05-21
Anticipated expiration: 2010-05-15
Also published as: JPH0744827B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、電源装置に係り、特にガスレーザ等の放電負
荷用のＷｉ電源装置関する。

（従来の技縛）従来の技術としてＣＯ３レーザに適用された電源装置に
ついて１図面を用いて説明する。

第６図において、可変ｉ［流電圧源１ａからの直流電圧
ＶＤは、開閉器２ａを介してインバータ回路３ａで交流
電圧ｖＡに変換される。インバータ回路３ａで変換され
た交流電圧Ｖ＾は変圧器４ａで昇圧され、さらに、整流
器５ａにて整流されて直流高電圧Ｖｌ＋八となる。この
直流高電圧■貼は安定抵抗６を介して放電管７に印加さ
れる。直流高電圧Ｖｌｌ＾が印加された放電管７では、
グロー放電が発生し、レーザ発振器（図示せず）でこの
グロー放廿工を基にレーザ光を発振する。

ここで、可変直流電圧源１ａ、開閉器２ａ、インバータ
回路３ａ、変圧器４ａ、整流梧５ａから構成される回路
を第１の直流電圧源回路とする。また、第２の直流電圧
源回路は、第１の直流電圧源回路と同様に、可変直流電
圧源１ｂ、開閉器２ｂ、インバータ回路３ｂ、変圧器４
ｂ、整流ｉ５ｂから構成される。尚。

作用については第１の直流電圧源回路と同様であるので
、説明は省略する。

以上のように、第１の直流電圧源回路の開閉器２ａと第
２の直流電圧源回路の開閉器２ｂとを、それぞれオン・
オフ動作させることにより、波高値が二種類の任意のパ
ルス波形状の電圧を出力する。

次に、ＣＯ，レーザにおける放電管の典型的な電流電圧
特性を第７図を用いて説明する。尚、第７図において、
１には放電電流、　ＶＡには放電管電圧、ｖｈｇｓは放
電開始電圧、ＶＡに０は放電消滅電圧である。

放電管電圧ＶＡＩ＋が放電管７の長さで決まる放電開始
電圧ＶＡにＳに達すると、放電が発生する。そして、−
旦放電すると、放電消滅電圧ＶＡＫＯにほぼ等しい電圧
となり、放電電流１区の増加に伴い、放電管電圧ＶＡＮ
は次第に低下する。さらに、放Ｗ１ｆｆｉ流ｌにを増加
すると、グロー放電の領域を越えて、アーク放電へ移行
する。

このような電流電圧特性を有する放電管に、直流電圧源
により電流を供給する場合、電源側から見た負荷特性を
正抵抗特性にする必要が生じる。

なぜなら、電源が内部インピーダンスの小さい直流電圧
源であるために、放電開始直後、瞬時にして大電流に遠
し、グロー放電からアーク放電へと移行してしまうため
である。これを防止するために、安定抵抗を設ける必要
がある。また、安定なレーザ発振を得るためには、各放
電管において均一で安定なグロー放電を行なわせること
、つまり均一な電流を供給することが必要であり、その
ために安定抵抗は第６図に示すように、各放電管ごとに
設けている。

（発明が解決しようとする問題点）このように構成された従来の′Ｉａ源装置においては、
次のような問題点がある。

（１）放電電流を安定抵抗で制限しているので。

安定抵抗による電力損失が生じ、必要とされている放電
入力電力に対し電源装置の容量が大きくなる。

（ｉｉ）　　各放電管の電流電圧特性の差異、及び各安
定抵抗値の誤差が全て放電電流のアンバランスとなって
生じる。さらに、電流電圧特性上、電圧変化の割合に対
する電流変化の割合が大きいため、わずかな特性の差異
で、非常に大きな電流アンバランスとなる。

この電流アンバランスによって、次のような問題点が生
じる。

（Ｍ−イ）最も大きな電流アンバランスが生じている放
電管によって、総数電電流が制限されてしまい、電源装
置のもつ能力を最大限に発揮できない。

（五−口）放電管によって、グロー放電の状態が異なり
、放電電流の大きな放電管ではガス温度の上昇等によっ
て、レーザ発振効率が低下するので、全体のレーザ光出
力が低下してしまう。

（迅）アーク放電領域に達すると、放電管電圧は急激に
低下する特性を有しているので、共通電圧源で各放電管
に放電電流を供給する方式では、アーク放電へ移行した
放電管は、正帰還的にその度合を増長してしまう。

そこで、本発明は上記問題点を解決するために、直流電
流源回路により、安定抵抗なしで放電負荷に対し、任意
の放電電流を均等に供給できる電源装置を提供すること
を目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段と作用）上記目的を達成
するために１本発明は次のような電源装置を提供する。

（ｉ）　　放電負荷に電力を供給する電源装置において
、直流電流源と、この直流電流源からの直流電流を交流
電流に変換するインバータ回路と、このインバータ回路
からの交流電流を所望値に変成する変流器と、この変流
器からの変成された交流電流を直流電流に変換する整流
器とを具備した電源装置。

（ｉｉ）　　放電負荷に電力を供給する電源装置におい
て、少なくとも２つ以上の直流電流源と、この直流電流
源と短絡可能な開閉器と、直流電流源からの直流電流を
合算するダイオードと、このダイオードからの合算され
た直流電流を交流電流に変換するインバータ回路と、こ
のインバータ回路からの交流電流を所望値に変成する変
流器と、この変流器からの変成された交流電流を直流電
流に変換する整流器とを具備した電源装置。

（実施例）本発明の一実施例を図面を用いて説明する。

第１図に示すように、本発明の一実施例である１を源装
置は、可変直流電流源１０ａと、この電流源１０ａから
の直流電流ＩＤ１をオン・オフする開閉器１１ａと、ダ
イオード１２ａとから構成される第１の直流電流源回路
を、可変直流電流源１０ｂと、この電流源１０ｂからの
直流電流ＩＤ２をオン・オフする開閉器１１ｂと、ダイ
オード１２ｂとから構成される第２の直流電流源回路と
を有し、さらに、第１の直流電流源回路からの直流電流
ＩＤ４と第２の直流電流源回路からの直流電流ＩＤ２と
を合算し、直流電流ＩＤＴとし、この直流電流ＩＤＴを
交流電流ＩＡＴに変換するインバータ回路１３と、この
回路１３からの交流電流工＾Ｔを所望の電流値に変成す
る変流器１４と、この変流器１４で変成された交流電流
ＩＡＴＨを整流する整流器１５と、この整流器１５で整
流されて直流高電圧電流となった放電電流ＩＫを入力し
、それによりグロー放電を発生する放電管１６とから構
成される。

また、放Ｗ１電流工にの流れる回路を放電回路１７と呼
ぶ。

整流器１５は、１次側で放電回路１７の並列数分が直列
接続され、各変流器１４に対して同一の交流電流ＩＡＴ
が流れることから、並列接続された放電回路１７には、
各々等しい放電電流１．が流れる。

以上のように構成された電源装置においては、可変直流
電流源１０ａ、１０ｂはそれぞれ直流電流工。、。

ＩＤ２を出力し、ダイオード１２ａ、１２ｂを介して雨
直流流器１４にて所望の電流値に変流、整流器１５にて
整流されて直流高電圧電流源となり、放電管１６に放電
電流工にが供給される。また本実施例では変流器１４と
、整流器１５と、放電管１６とが１対１対に対応してい
るが、放電管数と変流器数と整流器数は同じ数でなくて
もよい。

以上説明した回路動作について、各部の動作波形の例を
第２図に示す。なお、同図に付した符号は第１図に対応
している。

開閉器１１ａ、ｌｌｂを、それぞれ適当にオン・オフさ
せることにより、零電流および波高値が２種類（直流電
流源回路が３回路以上であれば、回路数の組合わせ数の
種類）の任意の階段状電流を出力することができる。

交流電流ＩＡＴの波形および放電電流工にの波形にスリ
ットがあるのは、インバータ回路１３のスイッチング動
作における安全上の時間、いわゆるデッドタイムである
。

次に、第２の実施例を第３図により説明する。

第３図に示すように１本発明の他の実施例である電源装
置は三相交流電圧＠２０と、この三相交流電圧源２０か
らの交流電流工＾τＨを直流電流より丁に変換するサイ
リスタコンバータ２１ａ、２１ｂ　と、サイリスタコン
バータ２１ａ、２１ｂからの直流電流よりＴを平滑化す
る直流リアクトル２２ａ、２２ｂと、三相交流電圧源２
０とサイリスタコンバータ２１ｂとの間に設けられる絶
縁変圧器２３と、直流リアクトル２２ａにて形成される
直流電流を短絡するトランジスタ２４と。

直流リアクトル２２ａ、２２ｂにて形成される直流電流
はダイオード２５ａ　、　２５ｂを介して合算され、こ
の合算された直流電流を交流電流ＩＢＴＨに変換するイ
ンバータ回路２６と、この回路２６からの交流電流ＩＢ
ＴＨを所望の電流値に変成する変流器２７と、この変流
器２７で変成された交流電流を整流する整流器２８と、
この整流器２８で整流されて直流高電圧電流となった放
電電流を入力し、グロー放電を発生する放電管２９から
構成されている。また、インバータ回路２６は、トラン
ジスタ３０，３１，３２，３３を基に構成されている。

このように構成された電源装置は１次のように作用する
。

三相交流電源２０は、一方をサイリスタコンバータ２１
ａに、他方を絶縁変圧器２３を介してサイリスタコンバ
ータ２１ｂに供給され、それぞれサイリスタの点弧位相
を制御して、サイリスタコンバータ２１ａ、２１ｂの直
流出力電圧を制御している。

直流リアクトル２２ａ、２２ｂは、非常に大きなインダ
クタンスを有しており、サイリスタコンバータ２１ａ、
２１ｂからの直流電流を平滑化すると共に、負荷側から
見た電源のインピーダンスを大きく、すなわち直流電圧
源を直流電流源に変換する作用を有している。

直流リアクトル２２ａ、２２ｂによって形成された直流
電流は、それぞれダイオード２５ａ、２５ｂを介して合
算され、インバータ回路２６にて一括して交流電流に変
換されて、直列接続された交流器２７へ同一の電流とし
て供給される。変流器２７は、所望の電流値にインバー
タ回路２６がらの交流電流を変流し、各放電管２９へ電
流源による大きさの等しい直流電流を供給する。電流源
による放電電流であるため、放電管の電流電圧特性が負
性抵抗特性であっても、電源側のインピーダンスが非常
に大きいことから。

放電電流は暴走することなく安定に制御される。

トランジスタ２４は直流リアクトル２２ａにて形成され
た直流電流を適当に短絡することにより、２つのレベル
の電流値を有する任意の階段状出力電流を得るものであ
る。

インバータ回路２６に設けられるトランジスタ３０゜が
）３１．３２．３３は、トランジスタ３ｏとトランジスタ
３１ｖ対になって同一タイミングでスイッチングし、ま
か“ た、トランジスタ３２とトランジスタ３３ｖ対になって
、同一タイミングでスイッチングする。

まず、第１のモードでは、トランジスタ３０．３１がオ
ンし、負荷側へ電流を出力する。

次に、第２のモードでは、トランジスタ３２．３３がオ
ンし、インバータ回路１６内のトランジスタ３０゜３１
．３２，３３が全てオンとなり、負荷側へ電流が出力さ
れない。

第３のモードでは、トランジスタ３０．３１がオフし、
それにより負荷側へは第１のモードの電流の流れとは逆
方向の電流が流れる。

第４のモードでは、トランジスタ３０．３１が再びオン
し、第２のモードと同様に、インバータ回路２６内のト
ランジスタ３０，３１，３２，３３全てがオンとなり、
負荷側へ電流は出力されない。

以上４つのモードを順次繰返すことにより、直流電流源
電流が交流電流源電流に変換される。なお、本実施例で
は変流器２７と整流器２８と放電管２９とが１対１対に
対応しているが、変流器数と整流器数と放電管数とは同
じ数でなくてもよい。

以上のような構成・作用を有する本実施例では、以下の
効果を奏する。

■　電源の内部インピーダンスが非常に大きい電流源方
式であるため、負性抵抗特性を有する放電負荷に対して
も、電力損失を伴う安定抵抗を設けることなく安定に電
流を供給でき、電源装置の容量は放電管久方電力とじて
要求される必要最小限で良い。

■　各変流器の１次側に共通の電流を流すことにより、
負荷特性に係わらず、いずれの放電管に対しても同一の
電流を供給でき、均一なグロー放電を達成できるので、
電源装置の能力を最も有効に生かせ、特にレーザの発振
効率を低下させることがない。

■　アーキング限界の低下などにより、万一アーク放電
領域近傍にさしかがり、急激に放電管電圧が低下したと
しても、電流源方式であるため、放電電流にほとんど変
化をきたさず、放電管電圧の低下に伴って変流器の１次
側電圧が低下するだけで、アーキングの増長などの不具
合が生じない。

本実施例においては１以上の効果が奏するが、次に、本
実施例による個別電流源方式と、従来技術による安定抵
抗を有する共通電圧源方式とを比較し、第４図を用いて
、本実施例の効果を補足説明する。

第４図は、２つの放電管の電流電圧特性を示したもので
、各放電管の特性は異なっている。このような特性の差
異は、放電管内のガス条件すなわちガスの圧力、混合比
、流速、温度などの不均一により十分生じ得るものであ
る。また、同図において、第１の放電管の特性をＡ１、
第２の放電管の特性をＡ２とし、第１の放電管の特性Ａ
１に安定抵抗による電圧降下ＶＩＫを加算した特性を８
１、第２の放電管の特性Ａ、に安定抵抗による電圧降下
ＶＩＲを加算した特性を８２とする。第１および第２の
放電管の放電消滅電圧をＶＡＫＯ−１，ＶＡＫＯ−２，
共通電圧源電源の場合の出力電圧をＶＯＵ？、共通電圧
源電源の場合の第１および第２の放電管に流れる放電電
流を工に１＊　ＩＫ２、個別直流源電源の場合の各放電
管に流れる放電電流を工に１個別電流源電源の場合の第
１および第２の放電管の電圧をｖＡ＊ｚｐ　ｖＡＫ２と
する。

同図より明らかなように、電圧変化の割合に対する電流
変化の割合が大きいことから、共通電圧源電源の場合に
は、電流アンバランスが非常に大きく現われる。これに
対して、個別電流源電源の場合には、電流アンバランス
は生じない。

また、共通電圧源ｉｌ！源による場合には、安定抵抗に
よる電力損失が非常に大きく、一般には電源装置の容量
の２０〜３０％程度を占めるが、短時間にパルス的に定
格の数倍の電流を供給してより高いピークレーザ光を得
られる放電方式のレーザ装置では、安定抵抗の不要な個
別電流源電源が有用である。

次に、第５図を用いて１本発明の他の実施例を説明する
。

第５図に示すように、第３の実施例としての電源装置は
、三相交流電圧源４０と、この三相交流電圧源４０から
の交流電流ＩＡＴＨ２を整流する整流器４１ａ。

４１ｂと、整流器４１ａ、４１ｂからの出力電流を平滑
化する平滑コンデンサ４２ａ　、　４２ｂと、降圧チョ
ッパ回路４３ａ、４３ｂと、三相交流電圧源４０と整流
器４１ｂとの間に設けられる絶縁変圧器４４と、降圧チ
ョッパ回路４３ａ、４３ｂからの出力電流を平滑化する
直流リアクトル４５．４６と、ダイオード４７．４８と
、電流源電流短絡用のトランジスタ４９と、降圧チョッ
パ回路４３ａ。

４３ｂからの直流リアクトル４５，４６、ダイオード４
７゜４８を介して送られる出力電流を交流電流に変換す
るインバータ回路５０と、この回路５０からの交流電流
を所望の電流値に変成する変流器５１と、この変流器５
１で変成された交流電流を整流する整流器５２と、この
整流器５２で整流されて直流高電圧電流となった放電電
流を入力し、グロー放電を発生する放電管５３から構成
されている。

降圧チョッパ４３ａ、４３ｂは、トランジスタ５４　、
５５と還流ダイオード５６．５７を基に構成されている
。インバータ回路４９は先の実施例と同様に構成されて
いるので説明は省略する。

以上のように構成される電源装置は、整流器４１ａ、平
滑コンデンサ４２ａ、降圧チョッパ回路４３ａから成る
回路と、整流器４１ｂ、平滑コンデンサ４２ｂ、降圧チ
菖ツバ回路４３ｂから成る回路との２つの回路は、各々
三相交流電圧源４０を直流電圧源に変換する。

次に、直流リアクトル４５，４６、ダイオード４７．４
８、インバータ回路４９、変流器５０、整流器５１およ
び放電管５２は、第１の実施例と同様に作用する。

また、本実施例では、直流リアクトル４５．４６と、ダ
イオード４７．４８と、インバータ回路４９と、変流器
５０と、整流器５１と、放電管５２は、一つのブロック
として、直流電圧源の母線に複数回路並列に接続され、
各ブロックの直流電流は負荷状況および直流リアクトル
４５．４６の特性誤差の範囲内でほぼ均一に配分される
。なお、本実施例では変流器５１と整流器５２と放電管
５３とが、１対１対に対応しているが、変流器数と整流
器数と放電管数とは同じ数でなくてもよい。

以上述べた本実施例によれば１次のように効果を奏する
。

■　ユニット化が容易で、容量拡大においてもユニット
のビルドアップ方式にて容易に拡張できる。

■　ユニット化により、装置容量の大小に係わらずイン
バータ回路部のハードを同一とすることができ、信頼性
が向上する。

■　レーザ装置のパルス運転における繰返し周波数の高
周波化および変流器の小形化などの点がおいては、その
サージエネルギーの処理や並列素子のバランス動作など
のハード技術が重要であり、このことからも装置容量の
種類分のバー以上、本発明の実施例として２つの実施例
を述べたが、両実施例の中で示した直流電圧源回路、直
流電流源回路、トランジスタなどの半導体素子は一例に
過ぎず、必ずしも両実施例だけに限定されるものではな
い０例えば、直流電圧源回路に自己消弧形素子を用いた
コンバータを使用した場合や直流電流源回路に直流リア
クトルの代わりにトランジスタのベース電流制御による
シリーズレギュレータを使用した場合でも同様な効果が
得られる。また、スイッチンク動作を行なうトランジス
タは自己消弧形素子であればいかなる素子を使用しても
同様な効果が得られる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように１本発明によれば単数または複数の
直流電流源回路を有し、放電負荷に対して個別に電流源
電流を供給する方式の電源装置を提供できるので、安定
抵抗なしで放電負荷へ均等に電流を供給することが可能
である。また１本発明の電源装置は大幅な容量低減、放
電の均一化による安定なレーザ発振、アーク放電移行の
抑制が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概要構成図、第２図は
第１図の実施例の制御動作のタイムチャート、第３図は
本発明の他の実施例を示す概要構成図、第４図は放電管
の電流電圧特性図、第５図は本発明の他の実施例を示す
概要端成図、第６図は従来の電源装置を示す概要構成図
、第７図はＣＯ□レーザにおける放電管の典型的な電流
電圧特性図である。１１ａ、１ｌｂ−開閉器１２ａ、１２ｂ、２５ａ、２５ｂ、４７．４８−ダイオ
ード１３．２６，５０・・・インバータ回路代理人　弁
理士　則　近　憲　佑同　　三俣弘文第２図Ｕｓ＜第４図

Claims

【特許請求の範囲】１、放電負荷に電力を供給する電源装置において、直流
電流源と、この直流電流源からの直流電流を交流電流に
変換するインバータ回路と、このインバータ回路からの
交流電流を所望値に変成する変流器と、この変流器から
の変成された交流電流を直流電流に変換する整流器を具
備したことを特徴とする電源装置。２、前記直流電流源を短絡させる開閉器を具備したこと
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電源装置。３、放電負荷に電力を供給する電源装置において、少な
くとも２つ以上の直流電流源と、この直流電流源を短絡
させる開閉器と、前記直流電流源からの直流電流を整流
するダイオードと、このダイオードからの整流された直
流電流を交流電流に交換するインバータ回路と、このイ
ンバータ回路からの交流電流を所望値に変成する変流器
と、この変流器からの変成された交流電流を直流電流に
変換する整流器を具備したことを特徴とする電源装置。