JPWO2019207627A1

JPWO2019207627A1 - 電源装置

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Publication number: JPWO2019207627A1
Application number: JP2018536218A
Authority: JP
Inventors: 村上　哲; 哲村上; 岩蕗　寛康; 寛康岩蕗; 亮祐小林; 松原　真人; 真人松原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-04-23
Filing date: 2018-04-23
Publication date: 2020-04-30
Anticipated expiration: 2038-04-23
Also published as: WO2019207627A1; JP6399273B1

Abstract

交流電源に接続され、交流電源から入力される交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換部と、それぞれＡＣ／ＤＣ変換部に対して並列に接続され、ＡＣ／ＤＣ変換部により変換された直流電圧を交流電圧に変換する複数のインバータ回路と、１次巻線のそれぞれが複数のインバータ回路に接続され、２次巻線がそれぞれ直列接続された複数のトランスと、直列接続された複数のトランスの２次巻線に一端が接続され、他端が負荷に接続された共振回路と、複数のインバータ回路を制御する制御回路と、を備え、制御回路は、複数のインバータ回路をオンとして負荷に電圧を印加する第１動作モードと、複数のインバータ回路の一部であって、第１動作モードにおいてオンとするインバータ回路の数より少ないインバータ回路をオンとする第２動作モードを用いて制御すること、を特徴とする電源装置であり、半導体のスイッチング損失を低減させることができる。

Description

この発明は、負荷に対して高周波電圧を供給する電源装置に関するものであり、特に放電電極に高周波電圧を供給し、放電させてレーザ光を発生させる電源装置に関するものである。

炭酸ガスレーザ発振器などに使用されるプラズマ発生用電源装置として、放電電極に印加する高周波、高電圧を得るため、複数のトランスを用いて一次側を並列接続し、二次側を直列接続するような構成が取られている（例えば、特許文献１参照）。
また、インバータ部を連続動作する以外に、インバータの入力電圧である昇圧コンバータを調整してレーザを非発振かつ放電を維持状態とし、インバータを群パルス動作による間欠動作させて負荷電流を流すことで、昇圧コンバータのスイッチング損失を低減させる技術が示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００３−１２５５８６号公報特開２００３−２４３７４９号公報

しかしながら、特許文献１に示された電源装置は、レーザ発振およびレーザ非発振かつ放電を維持させる等のように、負荷である放電電極の電圧源であるトランスの二次側電圧を調整する考えが示されていない。また特許文献２に示された電源装置の構成では、インバータの入力電圧である昇圧コンバータを調整することで放電電極をレーザ非発振としながらも放電を維持するように調整し、また群パルス動作を間欠動作させてインバータのスイッチング損失を低減する技術が示されているが、群パルスを間欠動作させた時に生じるインバータのスイッチングロスを低減させる考えが示されていない。

一般に、レーザ加工機用電源は、プリント基板などの被加工物に対して、効率良く高速に微細加工を行うために、被加工物の材質に応じてレーザの強度とエネルギー量とを最適化する必要がある。このためには、レーザパルスの放電電力のピーク値、レーザパルスの繰り返しパルス周波数、レーザパルス出力のパルス幅等をそれぞれ制御する必要があり、中でも加工時間を短縮するにはレーザパルスの繰り返し周波数となる群パルスの繰り返し周波数を高くする必要がある。しかしながら、インバータを構成する半導体の損失が課題で、群パルスの繰り返し周波数を高くすることが出来なかった。

この発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであって、レーザ非発振の状態で、複数のインバータを選択的に動作させ、放電が維持した共振電流を継続して流し、レーザ発振時の群パルス動作時のインバータのターンオン時のスイッチング損失を低現させた電源装置の提供を目的とする。

本発明に係る電源装置は、交流電源に接続され、交流電源から入力される交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換部と、それぞれＡＣ／ＤＣ変換部に対して並列に接続され、ＡＣ／ＤＣ変換部により変換された直流電圧を交流電圧に変換する複数のインバータ回路と、１次巻線のそれぞれが複数のインバータ回路に接続され、２次巻線がそれぞれ直列接続された複数のトランスと、直列接続された複数のトランスの２次巻線に一端が接続され、他端が負荷に接続された共振回路と、複数のインバータ回路を制御する制御回路と、を備え、制御回路は、複数のインバータ回路をオンとして負荷に電圧を印加する第１動作モードと、複数のインバータ回路の一部であって、第１動作モードにおいてオンとするインバータ回路の数より少ないインバータ回路をオンとする第２動作モードを用いて制御すること、を特徴とする。

本発明に係る電源装置では、レーザ非発振時、選択的にインバータを動作させ、インバータ群に共振電流を継続して流すことより、半導体のスイッチング損失を低減させることができる。

本発明の実施の形態１に示す電源装置の構成を示す回路図である。本発明の実施の形態１に示す電源装置のインバータ回路の構成例を示す図である。本発明の実施の形態１に示す電源装置の動作を説明する図である。本発明の実施の形態１に示す電源装置の動作を説明する図である。本発明の実施の形態１に示す電源装置のインバータ回路の電圧と電流の位相関係を説明する図である。本発明の実施の形態１に示す電源装置のインバータ回路の動作を説明する図である。本発明の実施の形態１に示す電源装置のインバータを動作させる段数により放電電極の電圧が増減することを説明する図である。本発明の実施の形態１によるインバータの動作期間によりレーザ出力が変化することを説明する図である。本発明の実施の形態１による放電電極への印加電圧による状態を説明する図である。本発明の実施の形態２にインバータの位相をずらすことで放電電極への電圧調整が可能となることを説明する図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る電源装置について、図面を用いて説明する。本実施の形態においては、高周波電圧を供給する負荷としてレーザ光を発光する放電電極を用いた場合について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る電源装置の構成図である。図面または以下の説明において、同一または相当の構成要素を示す場合には同一の符号を付すものとする。また、インバータ回路のように、同一または相当の構成要素が複数存在する場合には、インバータ回路２３−１のように「−」と数字を付して区別する。なお、各構成要素を区別しない場合、または、総称する場合には、例えば、インバータ回路２３のように、「−」と数字を省略して説明する。

図１に示す電源装置２は、交流電源１および放電電極３と接続されており、交流電源１からの入力電圧を高周波電圧に変換し、放電電極３に出力する。電源装置２は、ＡＣ／ＤＣ変換部２０、リンクコンデンサ２１、インバータ群２２、トランス群２４、および共振回路２６を備えており、ＡＣ／ＤＣ変換部２０の一端が交流電源１に接続され、共振回路２６の一端が放電電極３に接続されている。

ＡＣ／ＤＣ変換部２０は、一端（交流側端子）が交流電源１に接続されており、交流電源１から入力される交流電圧を直流電圧に変換し、他端（直流側端子）から出力する電力変換回路である。ＡＣ／ＤＣ変換部２０は、交流電圧を直流電圧に変換できればどのような回路でもよいが、例えば、フルブリッジ型に構成された４つのスイッチング素子からなるＡＣ／ＤＣ変換器としてもよい。

リンクコンデンサ２１は、ＡＣ／ＤＣ変換部２０の直流側端子と後述するインバータ群２２とを接続する直流母線に接続されており、リンクコンデンサ２１の一端が直流母線の正極側に接続され、他端が直流母線の負極側に接続されている。

インバータ群２２は、一端（直流側端子）が直流母線を介してＡＣ／ＤＣ変換部２０およびリンクコンデンサ２１と接続されており、他端（交流側端子）が後述するトランス群２４に接続されている。インバータ群２２は、複数のインバータ回路２３−１〜ｎを有しており、インバータ回路２３−１〜ｎはＡＣ／ＤＣ変換部２０に対してそれぞれ並列接続されている。すなわち、インバータ回路２３−１〜ｎのそれぞれの直流側端子は、直流母線に接続されている。ここで、ｎは２以上の整数である。複数のインバータ回路２３−１〜ｎは、それぞれ双方向に電力伝送が可能であり、ＡＣ／ＤＣ変換部２０からリンクコンデンサ２１を介して出力された直流電力を交流電力に変換してトランス群２４に出力可能であり、また、トランス群２４から出力された交流電力を直流電力に変換してＡＣ／ＤＣ変換部２０に出力することが可能である。

図２に、インバータ群２２を構成するインバータ回路２３−１〜ｎの１ユニットの構成例を示す。図２（ａ）に示すインバータ回路２３は、フルブリッジ型に接続された４つのスイッチング素子２３ａ〜２３ｄと、直流コンデンサ２３ｅとを備えており、対角となるスイッチング素子の２組（スイッチング素子２３ａと２３ｄ、スイッチング素子２３ｂと２３ｃ）を交互にオンオフさせることにより直流電圧と交流電圧とを変換させる。インバータ回路２３を構成する各スイッチング素子２３ａ〜２３ｄは、逆並列に接続されたダイオードを備えている。このダイオードはスイッチング素子の内蔵ダイオードであってもよいし、各スイッチング素子に外付けされたダイオードであってもよい。以下の説明では、内蔵ダイオードとして説明する。また、図２（ｂ）に示すようハーフブリッジ型に接続された２つのスイッチング素子２３ａ〜２３ｂと、直流コンデンサ２３ｅ〜２３ｇを有するインバータ回路を用いてもよい。図２（ｂ）に示すインバータ回路のスイッチング素子２３ａ〜２３ｂも同様に、逆並列に接続されたダイオードを備えている。なお、インバータ回路２３は、スイッチング素子を有し、双方向に交流と直流とを変換可能な回路であればどのようなものであってもよい。

トランス群２４は、複数のトランス２５−１〜ｎを有しており、トランス２５−１〜ｎは、互いに磁気的に結合可能な１次巻線と２次巻線をそれぞれ備えている。トランス２５−１〜ｎの１次巻線は、それぞれインバータ回路２３−１〜ｎの交流側端子に接続されている。また、トランス２５−１〜ｎの２次巻線は、それぞれが直列に接続されている。すなわち、トランス２５−１の２次巻線の一方の端子がトランス群２４の出力端子となり、トランス２５−１の２次巻線の他方の端子とトランス２５−２の２次巻線の一方の端子、トランス２５−２の２次巻線の他方の端子とトランス２５−３の２次巻線の一方の端子、トランス２５−（ｎ−１）の２次巻線の一方の端子とトランス２５−ｎの２次巻線の一方の端子とがそれぞれ接続されている。また、トランス２５−ｎの他方の端子がもう一方の出力端子となっている。

共振回路２６は、共振コイル２６ａおよび共振コイル２６ｂを備えている。共振コイル２６ａは、一端がトランス群２４の出力端子に接続されており、他端が放電電極３に接続されている。同様に共振コイル２６ｂは、一端がトランス２５−ｎに接続されており、他端が放電電極３に接続されている。共振コイル２６ａおよび共振コイル２６ｂは、放電電極３の放電時において、放電電極３のキャパシタンス成分と合わせて共振可能なようにその値が設定されている。なお、図１に示す電源装置では、共振コイルを放電電極３の両端に２つ設けた構成について示したが、これに限ったものではなく、例えば、共振コイルを１つとし、共振コイル２６ａまたは共振コイル２６ｂのいずれか１つとしてもよい。また。共振コイルをトランス群２４の漏れインダクタンスで構成し、物理的に設けない構成としても構わない。

制御回路２７は、複数のインバータ回路２３に対し、それぞれ制御信号２８を送信し、複数のインバータ回路２３を制御する。すなわち、インバータ回路２３が有するスイッチング素子のオンオフ信号を送信することにより、各インバータ回路２３をオンまたはオフの状態にし、放電電極３に印加する電圧を制御する。ここで、インバータ回路２３−１〜ｎのオフの状態とは、対応するトランス２５−１〜ｎの電力伝送方向が２次側巻線から１次側巻線の方向に電流が流れる状態を指し、図２に示すスイッチング素子が全てオフしている状態に加え、図２（ａ）に示すインバータ回路であれば、上アームのスイッチング素子２３ａ、２３ｃがオンする上アーム還流、もしくは下アームのスイッチング素子２３ｂ、２３ｄの下アームがオンする下アーム還流の状態も含む。

放電電極３は、共振回路２６を介してトランス群２４と接続されており、高周波電圧が供給されることにより電極間で放電を行い、一定以上の高電圧がかかることによりレーザ発振する。また、放電電極３は、キャパシタンス成分および抵抗成分を有しており、共振回路２６とともに放電時に共振し、放電電極３に共振電流が流れることとなる。

次に、本実施の形態に係る電源装置の動作について説明する。
図３は、本実施の形態に係る電源装置を用いて、放電電極３を、レーザ発振またはレーザ非発振かつ放電維持の状態にさせるインバータ群２２の回路動作について説明したものである。ここでは一例として、図３に示すようにインバータ群２２を構成するインバータ回路の数を４個で構成した場合、すなわち図１においてｎを４とした場合の動作について説明する。ここで、図３に示すようにトランス群２４の直列に接続された２次巻線の中点が対接地されている。すなわち、トランス２５−２の２次巻線とトランス２５−３の２次巻線との接続点が接地されている。また、インバータ回路２３は、図２（ａ）に示すフルブリッジ型の双方向インバータ回路を用いるものとする。

ここでは、インバータ回路２３−１〜４の入力電圧をＶ_ｉｎ、トランス２５−１〜４のそれぞれのトランス比を１：１とし、放電電極３におけるレーザ発振に必要なトランス出力電圧を４Ｖ_ｉｎ、放電電極３においてレーザ非発振かつ放電を維持し、インバータ回路２３−１〜４をゼロ電圧スイッチングさせるために必要な共振電流を流せるトランス出力電圧を２Ｖ_ｉｎとして説明する。

本実施の形態に示す電源装置において、制御回路は、複数のインバータ回路２３をオンとして負荷である放電電極３に電圧を印加する第１動作モードと、複数のインバータ回路２３の一部であって、第１動作モードにおいてオンとするインバータ回路の数より少ないインバータ回路をオンとする第２動作モードを用いて制御する。すなわち、レーザ発振時には放電電極３への電圧が高くなるようインバータ回路２３−１〜４を全てオンさせる（第１動作モード、図３（ａ））。また、放電電極３をレーザ非発振かつ放電維持の状態の場合、動作させるインバータ回路の数を減少させ、少なくとも１つのインバータ回路２３を動作させる（第２動作モード）。ここでは２つのインバータ回路２３を動作させる。また、本実施の形態に示す電源装置では、第２動作モードにおいて、接地基準で対称となるようにトランス群２４の電圧を発生させる。すなわち、インバータ回路２３−１およびインバータ回路２３−４をオフとし、インバータ回路２３−２およびインバータ回路２３−３をオンとすることにより、トランス群５の出力に発生する電圧を可変し、かつ放電電極７の放電を維持しつつ共振電流を流し続ける（図３（ｂ））。これにより、放電電極３への印加電圧がアース基準で固定され、対称電圧がかかるため不要な放電やリーク電流等が生じにくくなる。なお、接地基準で対象にインバータ回路２３をオンまたはオフとする必要はなく、放電電極３に印加する電圧に応じて接地基準で非対称にインバータ回路２３をオンまたはオフとしてもよい。

ここで、インバータ回路２３をオフさせるとは、トランス２５−１〜ｎの電力伝送方向が二次側巻線から一次側巻線の方向に電流が流れる状態を指し、図２のスイッチング素子が全てオフしている状態に加え、図２（ａ）であれば、上アームのスイッチング素子２３ａ、２３ｃがオンする上アーム還流、もしくは下アームのスイッチング素子２３ｂ、２３ｄの下アームがオンする下アーム還流している状態をも含む。なお、インバータ回路のスイッチング素子がオフの状態であっても、インバータ回路２３が備える内蔵ダイオードを介してトランス群２４から入力される共振電流はリンクコンデンサ２１側に出力されることとなる。また、インバータ回路２３をオンとするとは、インバータ回路２３を構成するスイッチング素子をオンオフ制御することにより、交流電源１からＡＣ／ＤＣ変換部２０を介して供給された直流電圧を交流電圧に変換し、トランス２５−２に供給させることを指す。この時、インバータ回路を構成するスイッチング素子のオンオフ制御にはどのような制御を用いてもよく、例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を用いてもよい。

図４は、インバータ回路２３の状態とトランス群２４の出力電圧およびトランス群２４の二次側電流との関係を示す図である。図４に示すように、レーザ発振動作期間（図４中の（ａ））では、インバータ回路２３−１〜４のすべてがオンとなり、トランス群２４からの出力電圧は４Ｖ_ｉｎとなる。一方、レーザ非発振かつ放電維持状態の期間（図４中の（ｂ））では、インバータ回路２３−２，３のみがオンとなるためトランス群２４からの出力電圧は２Ｖ_ｉｎとなり、レーザ非発振時においても共振電電流が放電電極３やインバータ群２２等を継続して流れることとなる。

第２動作モードから第１動作モードへ移行する場合、すなわち、放電電極３をレーザ非発振からレーザ発振に変化させる場合、オフとしていたインバータ回路２３−１，４をオンとすることにより、インバータ回路２３−１〜４の全てがオンすることとなる。この時、共振電流が流れ続けているため、インバータ回路２３−１，４をターンオンさせる時はゼロ電圧スイッチングとなりスイッチング損失を低減させることができる。このため、レーザ発振／非発振を繰り返してもインバータ群２２のターンオン時のスイッチング損失を低減させることができ、レーザ発振の繰り返し周波数を高くすることができるため、加工時間の高速化が図れることになる。

また、第２動作モードにおいて、レーザ非発振かつ放電維持の状態時にオフとなるインバータ回路２３−１，４を介して、放電電極３に流れる電流をリンクコンデンサ２１に電力回生できるため、ゼロ電圧スイッチを成立させるためにレーザ非発振かつ放電維持時に共振電流を流し続けることに対する損失増加を抑制することができる。

次に、図５を用いて、放電電極３がレーザ非発振状態からレーザ発振状態に切り替わる時の、トランス群２４の二次側電圧、インバータ回路２３の電流について説明する。図５は、インバータ回路２３の電圧と電流の位相関係を説明する図である。
従来の電源装置では、放電電極がレーザ非発振の状態では、インバータ回路がすべてオフとなるため、トランスの二次側の出力電圧が０となり、インバータ回路に流れる電流も０となる。そのため、放電電極がレーザ発振状態に切り替わり、各インバータ回路を構成するスイッチング素子がオンオフ動作を開始する場合には、ハードスイッチングとなり、スイッチング損失を抑制することができない。

一方、本実施の形態に係る電源装置では、放電電極３がレーザ非発振かつ放電維持の状態の時は、インバータ回路２３−２，３がオンとなっており、トランス群２４の出力には放電を維持させる電圧２Ｖ_ｉｎが生じ、かつ、インバータ回路２３−１〜４をソフトスイッチングさせる共振電流が放電電極３やインバータ回路２３−１〜４に流れている。この電流は、共振コイル２６ａ，２６ｂと放電電極３が放電を維持している時の容量で決まる共振周波数より高い周波数で動作させた場合の共振電流であり、インバータ回路２３の電圧に対し進み位相の関係となっている。そのため、放電電極３がレーザ発振状態に切り替わり、各インバータ回路２３を構成するスイッチング素子がオンオフ動作を開始する場合には、ソフトスイッチングが成立し、スイッチング損失を低減させることができる。従って、レーザ非発振の状態はもちろんのこと、レーザ非発振からレーザ発振状態となるときにおいてもターンオン時にソフトスイッチングが成立することとなる。

図６は、インバータ群２２がターンオン時にソフトスイッチングになること、および、放電電極３と同じ電流が、オフしているインバータ回路２３により回生されることを、インバータ回路２３−１〜４のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を用い、電流の流れにより示したものである。図６（ａ）は、インバータ回路２３の各スイッチング素子（ＳＷ１〜ＳＷ４）のゲート信号および各スイッチング素子のドレイン−ソース電圧およびトランス２５に流れる電流の関係を示したものである。また、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示す動作点ａにおけるインバータ群２２のスイッチング状態と電流の流れを示した図である。なお、本実施の形態に示す電源装置では、接地を基準に対称となるためインバータ回路２３−３，４の動作は省略している。

動作点ａは、放電電極３がレーザ非発振かつ放電維持の状態（第２動作モード、インバータ回路２３−１：オフ、インバータ回路２３−２：オン）において、インバータ回路２３−２のＳＷ１、ＳＷ４がオンとなるタイミングである。トランス２５には負方向の電流が流れており、インバータ回路２３−２のＳＷ１、ＳＷ４の内蔵ダイオードを介してリンクコンデンサ２１に電力回生している。この時、内蔵ダイオードがオンとなる状態でインバータ回路２３−２のＳＷ１、ＳＷ４がターンオンするため、ゼロ電圧スイッチとなりスイッチング損失が低減できることを示す。また、インバータ回路２３−１のＳＷ１〜４はオフであり、トランス２５のトランス比が１：１であるため、放電電極３に流れる電流と同じ大きさの電流がトランスの一次巻線に流れ、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４の内蔵ダイオード通じて整流され、リンクコンデンサ２１に電力回生されることとなる。

動作点ｂは、放電電極３がレーザ非発振かつ放電維持の状態（インバータ回路２３−１：オフ、インバータ回路２３−２：オン）において、インバータ回路２３−２のＳＷ２、ＳＷ３がオンとなるタイミングである。トランス２５には正方向の電流が流れており、インバータ回路２３−２のＳＷ２、ＳＷ３の内蔵ダイオードを介してリンクコンデンサ２１に電力回生している。この時、内蔵ダイオードがオンとなる状態でインバータ回路２３−２のＳＷ２、ＳＷ３をターンオンするため、ゼロ電圧スイッチとなり、動作点ａの場合と同様にスイッチング損失を低減することができる。

なお、ここではインバータ回路２３−２をオン、インバータ回路２３−１をオフとする場合について説明したが、その逆の場合でも同様に効果が得られる。また、第１動作モードと第２動作モードを繰り返す場合に、第２動作モードにおいて、前回の第２動作モードにおいてオンとしたインバータ回路２３と異なるインバータ回路２３をオンとしてもよい。例えば、あるレーザ非発振かつ放電維持状態ではインバータ回路２３−１，４をオフとし、次のレーザ非発振かつ放電維持状態となるタイミングではインバータ回路２３−２，３をオフとし、これを交互に繰り返すことにより、各インバータ回路２３のオンオフが交互に繰り返され、インバータ回路２３の損失を分散することできる。

図７は、電源装置２の出力電圧、すなわち放電電極３に印加する電圧の調整方法を模式的に示した図である。本実施の形態に示す電源装置では、インバータ群２２を構成するインバータ回路２３のうち動作させるインバータ回路２３の数を制御させることにより放電電極電圧を調整することができる。図６に示すように、ｎ個のインバータ回路２３のうちｎ個のインバータ回路２３をオンとすることにより最大の電圧を得ることができ、放電電極電圧を下げるためには動作させるインバータ回路２３の数を減らすことにより放電電極電圧を下げることができる（図６では４個）。

図８は、放電電極３のレーザ発振時における平均レーザ出力の調整方法を模式的に示した図である。本実施の形態に示す電源装置では、インバータ回路２３のオン期間を調整することにより平均レーザ出力を調整することができる。すなわち、放電電極３のレーザ発振状態において、各インバータ回路２３のオン期間を長くすることによりレーザ出力が高くすることができ、逆に各インバータ回路２３のオン期間を短くすることによりレーザ出力を低くすることができる。

図９は、放電電極３への印加電圧による動作状態を示しており、印加電圧をあげていくと、放電停止から放電を始めレーザ非発振かつ放電維持状態となる。このレーザ非発振レーザ非発振かつ放電維持状態から、さらに電圧を上げるとレーザ発振の状態となることを示す。また、放電を維持していれば、レーザ発振時とレーザ非発振時の時では共振周波数は殆ど変わらず一定であることを示している。

以上のように実施の形態１に示す電源装置では、それぞれが並列に接続され、直流電圧を交流電圧に変換する複数のインバータ回路と、１次巻線のそれぞれが複数のインバータ回路に接続され、２次巻線がそれぞれ直列接続された複数の絶縁トランスと、直列接続された複数の絶縁トランスの２次巻線に一端が接続され、他端が負荷に接続された共振回路と、インバータ回路を制御する制御回路と、を備え、複数のインバータ回路のうち、動作させるインバータ回路の数を変化させ、負荷へ印加する電圧を制御する構成となっており、負荷がレーザ光を発光する放電電極である場合、放電電極がレーザ非発振時におけるスイッチング損失を低減させることができる。

実施の形態２．
実施の形態１に示した電源装置では、インバータ群２２を構成する複数のインバータ回路２３のうちオンとするインバータ回路２３の数を変化させることにより、負荷に出力する出力電圧を制御していたが、実施の形態２に示す電源装置では、オンとするインバータ回路２３の数を変化させることに加え、オンとするインバータ回路の動作位相をずらすことにより負荷に出力する出力電圧を制御する。

実施の形態２に示す電源装置は、実施の形態１において述べた図１に示す電源装置と同様の構成をしており、説明を省略する。

次に、動作について説明する。実施の形態１に示す電源装置では、第１動作モードおよび第２動作モードにおいて、オンとするインバータ回路２３の出力電圧が同相となるように複数のインバータ回路２３を制御したが、実施の形態２に示す電源装置では、オンとなるインバータ回路２３の出力電圧の位相を、制御回路２７によりずらして動作させて調整し、放電電極３への印加電圧の可変範囲を広げる。

図９に、インバータの位相をずらすと放電電極の印加電圧が下がり、調整できることを示す。図９（ａ）にオンとするインバータ回路２３（ＩＮＶ１〜３）間の位相ずれを大きくした場合、図９（ａ）にオンとするインバータ回路２３（ＩＮＶ１〜３）間の位相ずれを小さくした場合のインバータ合計出力電圧を示す。図９（ａ）（ｂ）に示すように、オンとする複数のインバータ回路２３の出力電圧の位相を大きくすることにより、出力電圧を低くすることができ、複数のインバータ回路２３の出力電圧の位相をずらすことにより、インバータ回路から出力される合計出力電圧を調整することができる。すなわち、各インバータ回路２３の位相調整により、放電電極３への印加電圧可変範囲が広くなるもしくは微調整が可能となる。

実施の形態２に示す電源装置では、上述のような構成及び動作であるため、実施の形態１に示す場合と同様に負荷がレーザ光を発光する放電電極である場合、放電電極がレーザ非発振時におけるスイッチング損失を低減させることができる。さらに、オンとする複数のインバータ回路の位相調整を行うことにより、放電電極への印加電圧の可変範囲が広くなる、もしくは印加電圧の微調整が可能となるという効果が得られる。

１交流電源、２電源装置、２０ＡＣ／ＤＣ変換器、２１リンクコンデンサ、２２
インバータ群、２３−１〜ｎインバータ回路、２４トランス群、２５−１〜ｎトランス、２６ａ共振コイル、２６ｂ共振コイル、２７制御回路、２８制御信号、３放電電極

本発明に係る電源装置は、交流電源に接続され、交流電源から入力される交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換部と、それぞれＡＣ／ＤＣ変換部に対して並列に接続され、ＡＣ／ＤＣ変換部により変換された直流電圧を交流電圧に変換する複数のインバータ回路と、１次巻線のそれぞれが複数のインバータ回路に接続され、２次巻線がそれぞれ直列接続された複数のトランスと、直列接続された複数のトランスの２次巻線に一端が接続され、他端が負荷に接続された共振回路と、複数のインバータ回路を制御する制御回路と、を備え、制御回路は、複数のインバータ回路をオンとして負荷に電圧を印加する第１動作モードと、複数のインバータ回路の一部であって、第１動作モードにおいてオンとするインバータ回路の数より少ないインバータ回路をオンとする第２動作モードを用いて制御し、負荷は、レーザ発振可能な放電電極であり、放電電極は、第１動作モードではレーザ発振状態であり、第２動作モードでは放電電極はレーザ非発振かつ放電維持状態であること、を特徴とする。
また、本発明に係る電源装置は、交流電源に接続され、交流電源から入力される交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換部と、それぞれＡＣ／ＤＣ変換部に対して並列に接続され、ＡＣ／ＤＣ変換部により変換された直流電圧を交流電圧に変換する複数のインバータ回路と、１次巻線が複数のインバータ回路に接続され、２次巻線が互いに直列接続された複数のトランスと、直列接続された複数のトランスの２次巻線に一端が接続され、他端が負荷に接続された共振回路と、複数のインバータ回路を制御する制御回路と、を備え、制御回路は、複数のインバータ回路をオンとして負荷に電圧を印加する第１動作モードと、複数のインバータ回路の一部であって、第１動作モードにおいてオンとするインバータ回路の数より少ないインバータ回路をオンとする第２動作モードを用いて制御し、制御回路は、第２動作モードから第１動作モードに移行する場合に、第２動作モードにおいてオフとなっているインバータ回路に共振電流を流し、オフとなっているインバータ回路が有するスイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードを共振電流が流れている状態で当該スイッチング素子をオンすること、を特徴とする。
また、本発明に係る電源装置は、交流電源に接続され、交流電源から入力される交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換部と、それぞれＡＣ／ＤＣ変換部に対して並列に接続され、ＡＣ／ＤＣ変換部により変換された直流電圧を交流電圧に変換する複数のインバータ回路と、１次巻線が複数のインバータ回路に接続され、２次巻線が互いに直列接続された複数のトランスと、直列接続された複数のトランスの２次巻線に一端が接続され、他端が負荷に接続された共振回路と、複数のインバータ回路を制御する制御回路と、を備え、制御回路は、複数のインバータ回路をオンとして負荷に電圧を印加する第１動作モードと、複数のインバータ回路の一部であって、第１動作モードにおいてオンとするインバータ回路の数より少ないインバータ回路をオンとする第２動作モードを用いて制御し、制御回路は、第２動作モードにおいて、オフとなっているインバータ回路に共振電流を流し、負荷からオフとなっているインバータ回路を介して電力回生すること、を特徴とする。

Claims

交流電源に接続され、前記交流電源から入力される交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換部と、
それぞれ前記ＡＣ／ＤＣ変換部に対して並列に接続され、前記ＡＣ／ＤＣ変換部により変換された直流電圧を交流電圧に変換する複数のインバータ回路と、
１次巻線が前記複数のインバータ回路に接続され、２次巻線が互いに直列接続された複数のトランスと、
直列接続された前記複数のトランスの２次巻線に一端が接続され、他端が負荷に接続された共振回路と、
前記複数のインバータ回路を制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記複数のインバータ回路をオンとして前記負荷に電圧を印加する第１動作モードと、前記複数のインバータ回路の一部であって、前記第１動作モードにおいてオンとするインバータ回路の数より少ないインバータ回路をオンとする第２動作モードを用いて制御すること、
を特徴とする電源装置。
前記負荷は、レーザ発振可能な放電電極であり、
前記放電電極は、前記第１動作モードではレーザ発振状態であり、前記第２動作モードでは前記放電電極はレーザ非発振かつ放電維持状態であること、
を特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記制御回路は、前記第１動作モードにおいて、前記複数のインバータ回路をオンとする時間を制御することにより、前記放電電極からのレーザ出力を制御すること、
を特徴とする請求項２に記載の電源装置。
前記制御回路は、前記第２動作モードから前記第１動作モードに移行する場合に、前記第２動作モードにおいてオフとなっている前記インバータ回路に共振電流を流し、前記オフとなっているインバータ回路が有するスイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードを共振電流が流れている状態で当該スイッチング素子をオンすること、
を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源装置。
前記制御回路は、前記第２動作モードにおいて、オフとなっている前記インバータ回路に共振電流を流し、前記負荷から前記オフとなっているインバータ回路を介して電力回生すること、
を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電源装置。
前記制御回路は、前記第１動作モードと前記第２動作モードを繰り返す場合に、前記第２動作モードにおいて、前回の第２動作モードにおいてオンとした前記インバータ回路と異なるインバータ回路をオンとすること、
を特徴とした請求項１〜５のいずれか１項に記載の電源装置。
前記複数のトランスは、前記直列接続された２次巻線の中点が対接地されていること、
を特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の電源装置。
前記制御回路は、前記第２動作モードにおいて、接地基準で対象となるように前記インバータ回路をオンとすること、
を特徴とする請求項７に記載の電源装置。
前記制御回路は、前記第１動作モードまたは前記第２動作モードにおいてオンとするインバータの出力電圧の位相を制御することにより前記負荷に出力する電圧を制御すること、
を特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電源装置。