KR19990007296A

KR19990007296A - 레이저 전원장치

Info

Publication number: KR19990007296A
Application number: KR1019980023948A
Authority: KR
Inventors: 미끼오 와다나베
Original assignee: 죠우찌 다까시; 미야찌테크노스 가부시끼가이샤
Priority date: 1997-06-27
Filing date: 1998-06-24
Publication date: 1999-01-25
Also published as: EP0887899A3; US6154473A; EP0887899A2

Abstract

본 레이저 전원 장치의 주제어부(10)는, 상용 주파수의 단상 교류 전압(EA)을 입력하여 직류로 변환하는 단상 정류 회로(16)와, 이 단상 정류 회로(16)로부터의 직류 전력을 일단 저축하는 콘덴서(18)와, 단상 정류 회로와 콘덴서와의 사이에 접속된 충전 회로(20)와, 콘덴서와 여기 램프(102)와의 사이에 접속된 램프 전류 공급 회로(22)를 포함하고 있다. 충전 회로(20)에는, 단상 정류 회로와 콘덴서와의 사이에서 콘덴서와 병렬로 접속된 충전용 스위칭 소자(24)와, 단상 정류 회로와 충전용 스위칭 소자(22)와의 사이에 직렬로 접속된 인덕턴스 코일(26)과, 충전용 스위칭 소자(24)와 콘덴서(18)와의 사이에 직렬로 접속된 다이오드(28)가 포함되어 있다.

역률 제어 회로(34)는, 콘덴서(18)에 공급되는 충전 전류(Ic)의 위상을 단상 정류 회로(16)로부터 출력되는 직류 전압((EB)의 위상에 맞도록 예를 들면, 70kHz의 고주파수로 충전용 스위칭 소자(18)를 스위칭 제어한다.

Description

레이저 전원장치

본 발명은, 레이저 발진용의 여기 램프에 전력을 공급하기 위한 레이저 전원 장치에 관한 것이다.

야그(YAG) 레이저 등의 고체 레이저 장치에서는, 여기 램프를 점등시키고, 그 광 에너지를 야그로드 등의 레이저 매체에 조사하여 레이저 발진을 일으키도록 구성되어 있다.

제 10 도에 이러한 종류의 고체 레이저 장치에 이용되고 있는 종래의 레이저 전원장치의 회로 구성을 나타낸다.

이 레이저 전원 장치에 있어서, 출력 단자(OUTa,OUTb)는 레이저 발진부의 여기 램프(도시하지 않음)의 양전극 단자에 각각 접속되어 있다.

입력측의 삼상 정류 회로(200)는, 삼상 교류 전원 단자(U,V,W)로부터의 상용 주파수의 삼상 교류 전압을 정류하여 직류전압으로 변환시킨다. 이 삼상 정류 회로(200)로부터 직류의 충전 전류(Ic)가 전자 개폐기(202) 및 평활용 코일(204)을 통하여 콘덴서(206)에 흐르고, 콘덴서(206)가 소정 전압으로 충전된다.

콘덴서(206)와 출력단자(OUTa,OUTb)와의 사이에는 방전용의 스위칭소자(208)가 직렬로 접속되어 있다. 이 스위칭 소자(208)가 온(ON)이 되면, 콘덴서(206)가 방전되고, 그 방전 전류(iL)가 스위칭 소자(208), 인덕턴스 코일(210), 출력 콘덴서(212) 및 역류 방지용 다이오드(214)를 통하여 여기 램프에 흐른다. 이 램프 전류(iL)에 의해 여기 램프가 점등한다.

스위칭 소자(208)가 온이 되면, 콘덴서(206)의 방전은 중단되지만, 인덕턴스 코일(210) 및 출력 콘덴서(212)에 모아져 있던 전자 에너지 및 전하 에너지가 방출되는 것으로 램프 전류(iL)는 계속 흐른다.

방전용 스위칭 소자(208)는, 제어부(220)로부터의 예를들면, 50kHz의 고주파 스위칭 신호(cs)에 의해 온, 오프된다. 이것에 의해, 램프 전류(iL) 를 끊임없이 지속적으로 흐르게 하고, 여기 램프를 연속 점등시키고, 레이저 발진부로부터 연속 발진의 레이저 광을 얻을 수 있다. 이와 같은 연속 발진으로 발진 램프에 인가되는 전압은, 정규값 예를들면, 150V정도이다.

역류방지 다이오드(214)와 출력단자(OUTa)와의 사이에는 램프 전류(iL)를 검출하기 위한 전류 센서(216)가 설치되어있다. 이 전류 센서(216)로부터의 출력 신호에 따라 전류 검출 회로(218)로부터 램프 전류(iL)의 크기(예를 들면 전류 실효값)를 나타내는 램프 전류 검출신호(SiL)가 얻어진다. 이 램프 전류 검출 신호(SiL)는 제어부(220)에 인가된다. 제어부(220)는 전류 검출 회로(218)로부터의 램프 전류 검출 신호(SiL)를 기초로 하여 램프 전류(iL)를 설정 전류값과 일치하도록 스위칭 소자(208)의 스위칭 동작을 제어함과 동시에, 스위칭 소자(208)의 파괴 등에 의해 램프 전류(iL)가 이상으로 과대해졌을 때는 전자 개폐기(202)를 차단하도록 하고 있다. 한편, 전자 개폐기(202)와 병렬로 접속되어 있는 저항(203)은 전류 제한 저항이다.

이러한 종류의 레이저 전원 장치에서는, 상기한 바와 같이 여기 램프에 레이저 발진용의 전력을 공급하는 주전원부 외에, 여기 램프에 점등을 개시시키기 위한 트리거 회로(도시하지 않음) 및 부스터 회로가 설치된다.

도시한 종래의 레이저 전원 장치에서는, 삼상 교류 전원 전압의 일상분의 교류 전압(e)(220V)이 승압 트랜스(224)의 일차측 코일에 공급되며, 승압 트랜스(224)의 이차측 코일에 얻어지는 승압 전압(예를 들면 1000V)이 부스터 회로(226)에 입력된다. 부스터 회로(226)는, 트랜스(224)로부터의 교류 전압을 다이오드(d1,d2)로 정류하여 콘덴서(c1,c2)에 겹쳐지도록 하여 예를 들면 2500V까지 승압시키고, 그 승압한 고전압을 저항(228)및 역류 방지 다이오드(230)를 통하여 부스터 전압(Ef)으로서 여기 램프에 인가하도록 되어 있다.

여기 램프를 점등시킬 때, 제어부(220)는, 먼저 주전원부와 부스터회로(226)를 여기시킨다. 즉, 주전원부에 대해서는, 전자 개폐기(202)를 닫고 스위칭 소자(208)에 스위칭 제어신호(cs)를 공급한다. 또한, 부스터 회로(226)에 대해서는, 승압 트랜스(224)의 일차측 회로에 설치되어 있는 개폐기(222)를 닫는다.

이와 같이 하여 주전원부 또는 부스터 회로(226)를 대기시켜서, 제어부(220)는 트리거 회로(도시하지 않음)를 작동시킨다. 그렇게 하면, 트리거 회로의 작동에 의해 여기 램프내의 가스가 절연 파괴되고, 램프의 임피던스가 급격히 내려간다. 거기에 부스터 회로(226)로부터 약2500V의 부스터 전압(Ef)이 여기 램프에 인가되는 것으로, 여기 램프의 임피던스가 더욱 내려가고, 여기 램프에 전류가 흘러 들어간다. 그 다음은 주전원부로부터의 150V정도의 램프전압에서도 램프 점등에 충분한 크기의 램프 전류(iL)를 흐르게 할 수 있다.

이러한 종류의 고체 레이저 장치에서, 높은 레이저 발진효율을 얻으려면, 레이저 발진부에 있어서 램프광의 광에너지→ 레이저 출력의 광변환 효율을 높게 하거나, 레이저 전원 장치에 있어서 교류 전원으로부터의 입력 전력→램프로의 공급 전력의 전력 변환 효율(역률)을 높게 하는 것이 요구된다.

상기한 종래의 이러한 종류의 레이저 전원 장치에서는, 그와 같은 전력 변환 효율을 높게 하기 위하여, 입력의 교류 전원을 삼상 교류 전원으로하고, 정류 회로에 삼상 정류 회로(200)를 이용한다. 삼상 정류 회로(200)의 출력 단자로부터는 리플이 작은 직류 선간 전압이 출력이 되기 때문에, 콘덴서(206)에는 고주파분의 적은 충전 전류(ic)가 공급되며, 전원 전압의 변동에 대해서도 안정된 콘덴서 충전 전압이 얻어진다. 이것에 의해, 높은 전력 변환 효율(역률)로 여기 램프에 전력을 공급하는 것이 가능하게 되어 있다.

그러나, 삼상식의 레이저 전원 장치는, 장치 사이즈, 중량 및 비용이 높을뿐더러, 삼상 교류 전원이 구비 또는 배선되어 있는 장소에서밖에 사용할 수 없다고 하는 커다란 제약이 있다.

또한, 종래의 레이저 전원 장치에서는, 주회로에 예를 들면, 전자릴레이로 이루어지는 전자 개폐기(202)를 설치하고, 과전류 등의 이상시에는 제어부(220)가 전자 개폐기(202)를 열림(차단)상태로 하도록 되어 있다. 그러나, 전자 개폐기(202)는, 기계적인 접점을 움직여서 개폐(스위칭)를 하는 기구이며, 제어 신호를 받고 나서 스위치 동작을 완료하기 까지 상당시간을 요한다. 이 때문에 과전류 등의 이상이 검출되었을 때는 주회로를 신속하게 차단하기가 어렵고, 안전 기능에 만전을 기할 수 없었다.

더욱이, 상기와 같은 종래의 레이저 전원 장치에서는, 여기 램프를 접속 점등시켜서 연속 발진의 레이저 광을 얻도록, 방전용 스위칭 소자(208)를 상용 주파수보다도 규모가 큰 주파수(50kHz) 로 스위칭 제어하고, 연속된(끊어짐이 없는) 램프 전류(iL)를 여기 램프에 공급하도록 하고 있다. 이 때문에 스위칭 소자(208)가 스위칭 동작으로 피폐하여 파괴되기 쉽다.

스위칭 소자(208)가 파괴되어 단락하면, 여기 램프 전류(iL) 가 과대해지며, 램프 고장의 원인이 된다. 그래서 상기한 바와같이 전류 센서(216) 및 전류 검출 회로(218)를 설치하여 그와같은 과전류를 검출하고, 제어부(22)가 주회로의 전자 개폐기(202)를 차단하도록 하고 있다.

그러나, 스위칭 소자(208)가 파괴되면, 그 시점에서 레이저 발진을 멈추도록 되어, 예를들면 레이저 가공 장치에 있어서는, 거기서 레이저 가공을 중단 또는 정지하지않으면 안되고, 생산 관리나 품질 관리면에서 바람직하지 않다. 따라서 스위칭 소자(208)의 수명을 될 수 있는 한 늘리고, 레이저 발진을, 뜻하지 않게 멈추는 빈도를 적게 하는 것이 요구된다.

상기의 과제에 대해, 여러개의 스위칭 소자(208)를 병렬 접속하고, 그들을 병렬 동작즉 동시에 온, 오프시키고, 소자1개당 부담 또는 일량을 경감하는 방식을 생각할 수있다.

그러나, 보통, 이러한 종류의 스위칭 소자에 이용되는 FET(Field Effect Transistor) 이나 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등은 부품간 특성(특히 온 저항값)에 약간의 불균형이 있다. 이 때문에 상기의 방식에서는, 병렬동작하는 여러개의 스위칭 소자(208)중에서, 온 저항값의 가장 작은 스위칭 소자에 치우쳐 다른 것 보다도 많은 전류가 흐르고, 그 스위칭 소자가 일찍 피로하여 파괴되어버려, 결과적으로 병렬 운전이 유효하게 기능하지 않는다고 하는 문제가 있다.

또한, 상기한 종래의 레이저 전원장치에 있어서, 여기 램프의 점등을 개시하려면, 주전원부를 기동 내지 대기시켜 트리거 회로를 동작시킨다. 이 경우, 여기램프는 점등직전까지 고임피던스상태로 되어 있다. 이 때문에, 대기상태의 주전원부로부터는 콘덴서(206)의 전압(280V)과 동일한 최대출력 전압이 여기 램프에 인가되게 된다.

이렇게하여, 트리거 회로 및 부스터 회로(226)에 의해 여기램프의 임피던스가 내려갔을 때, 주전원부로부터의 램프 전압이 정격치(약150V)보다도 상당히 높은 전압치(280V)가 되어 있기 때문, 일순간이기는 하지만 여기 램프에 과대한 램프 전류(iL) 가 흘러버린다. 이것이 램프 고장의 원인이되는 수가 있다.

또 상기한 바와같이, 종래의 레이저 전원장치에서는, 교류전원전압(e)을 승압트랜스(224)로 승압하고, 트랜스(224)의 이차측 전압을 더욱 승압회로 또는 부스터회로(226)로 승압하는 것에 의해, 소요 전압치의 부스터 전압(Ef)을 발생하도록 하고 있다.

그러나, 이와같은 부스트 방식에서는, 교류 전원전압의 변동을 받기 쉽고, 부스터 전압(Ef)이 불안정하게 된다고 하는 문제가 있다. 즉, 교류 전원 전압(e)이 변동하면, 그 변동분이 승압트랜스(224) 및 부스터 회로(226)를 통하여 몇배(예를들면 10배)로도 증압되어 부스터 전압(Ef)에 반영한다.

이 때문에,여기 램프의 점등 개시시에, 부스터 전압(Ef)이 설정전압치(2500V)보다 상당히 낮아져 있기 때문에 여기 램프가 고장나는 수가 있었다.

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로,

단상 교류 전원으로도 고효율으로 안정된 레이저 발진용의 전력을 얻을수 있는 보급형 레이저 전원장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은, 과전류 등의 이상시에 주회로를 신속하게 차단할 수 있도록 하여 안전 기능을 향상시킨 레이저 전원 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 여기 램프에 램프전류를 제공하기 위한 스위칭 수단의 수명을 연장하여 스위칭 수단의 고장에 의한 레이저 발진의 정지를 적게하도록 한 레이저 전원 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 여기 램프의 점등 개시시에 주전원부로부터 과대한 램프전류가 흐르지 않도록 하여 램프나 회로 부품의 안전을 도모하는 레이저 전원장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 입력 전원 전압의 변동등에 대해 안정화된 여기램프 점등 개시용의 부스트 전압을 얻도록 한 레이저 전원 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 단상 교류 전원 전압으로도 안정된 부스트 전압을 얻을 수 있도록 한 레이저 전원 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 점등개시시에 여기 램프를 안전하고도 확실하게 점등시키도록 한 레이저 전원 장치를 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본발명의 제1 레이저 전원 장치는, 레이저 매체에 레이저 발진용의 광에너지를 조사하는 여기 램프에 전력을 공급하는 레이저 전원 장치에 있어서, 상용 주파수의 단상 교류 전압을 입력하여 정류하는 단상 정류 회로와, 상기 단상 정류회로로부터의 직류 전력을 일단 저축하는 콘덴서와, 상기 단상정류 회로와 상기 콘덴서와의 사이에 접속된 충전용 스위칭 수단과, 상기 콘덴서에 저축된 전기 에너지를 방전 시켜서 상기 여기 램프에 램프 전류를 공급하기 위한 램프 전류 공급수단과, 상기 단상 정류 회로로부터 상기 콘덴서에 공급되는 충전 전류의 위상을 상기 정류 회로로부터 출력되는 직류 전압의 위상에 맞추도록 상기 충전용스위칭 수단을 상기 상용 주파수보다도 높은 소정의 주파수로 스위칭 제어하는 역률 제어 수단을 구비하는 구성으로 하였다.

일실시태양에 따르면, 상기 제1 레이저 전원 장치에 있어서, 상기 역률 제어 수단이 상기 콘덴서에 공급되는 충전 전류의 파형을 상기 정류 회로로부터 출력되는 직류 전압의 파형을 따르도록 상기 충전용 스위칭 수단의 스위칭 동작을 제어하는 구성으로 하였다 .

또한 다른 실시태양에 의하면, 상기 역률 제어 수단이, 상기 콘덴서의 충전전압에 반비례하고, 한편, 상기 정류 회로로부터의 직류 전압에 비례하는 기준치 신호를 발생하는 기준치 신호 발생수단과, 상기 콘덴서와 병렬로 접속된 상기 충전용 스위칭 수단을 포함하는 바이패스 회로와, 상기 바이패스 회로를 흐르는 바이패스 전류가 상기 기준치 신호의 값에 도달했을 때 소정의 전환 타이밍 신호를 발생하는 전환 타이밍 검출 수단과, 상기 소정의 주파수를 가지는 클럭 펄스를 발생하는 클럭 회로와, 상기 클럭 펄스로 규정되는 각 사이클에 있어서 사이클 개시시에 상기 충전용 스위칭 수단을 오프 상태에서 온상태로 전환하고 상기 전환 타이밍 검출 수단으로부터의 전환 타이밍신호에 응답하여 상기 충전용 스위칭 수단을 온상태로부터 오프상태로 전환하는 전류 전환 수단을 구비하는 구성으로 하였다.

이러한 제1 레이저 전원 장치의 구성에 따르면, 단상 교류 전원으로부터의 교류 전력을 고효율에서 직류 전류로 변환하여 여기 램프에 공급하도록 하였기 때문에, 레이저 발진 효율의 향상과 경량 소형화를 동시에 실현할 수가 있다. 또한, 과전류 등의 이상시에는 주회로를 신속하게 차단할 수 있도록 하였기 때문에 안전 기능을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 제2 레이저 전원 장치는, 레이저 매체에 레이저 발진용의 광에너지를 조사하는 여기 램프에 전력을 공급하는 레이저 전원장치에 있어서, 상용 주파수의 교류전압을 입력하여 정류하는 정류 회로와, 상기 정류 회로로부터의 직류 전력을 일단 저축하는 콘덴서와, 상기 콘덴서와 상기 여기 램프와의 사이에 각각 직렬로 접속되며, 또한 서로 병렬로 접속된 제 1 및 제 2 스위칭 소자와, 상기 제 1 및 제 2 의 스위칭 소자를 상용 주파수보다도 높은 소정의 주파수로 교대로 온시키는 제어수단을 구비하는 구성으로 하였다.

이러한 본 발명의 제 2 레이저 전원 장치에 따르면, 여기 램프에 램프 전류를 공급하기 위한 여러개의 스위칭 소자를 교대로 온시키는 방식으로 병렬 운전시키는 것에 의해, 각 스위칭 소자의 부담을 거의 균등하게 경감하여, 소자의 긴수명을 도모하고, 스위칭 소자의 고장에 의한 레이저 발진의 정지를 적게할 수 있다. 이것에 의해, 예를들면 레이저 가공장치에 있어서, 생산 관리나 품질 관리를 향상 시킬 수가 있다 .

또한 본 발명의 제 3 레이저 전원 장치는, 레이저 발진부의 여기 램프에 전력을 공급하는 레이저 전원장치에 있어서, 상용 주파수의 교류 전압을 입력하여 정류하는 정류 회로와, 상기 정류 회로로부터의 직류 전력을 일단 저축하는 콘덴서와, 상기 콘덴서의 충전전압을 미리 설정한 일정 전압값으로 제어하기 위한 충전 전압 제어 수단과, 상기 콘덴서에 저축된 전기 에너지를 방전시켜서 상기 여기 램프에 램프 전류를 공급하는 램프 전류 공급 수단과, 상기 콘덴서의 충전 전압을 입력하여 상용 주파수보다도 높은 소정 주파수의 교류전압으로 변환하는 인버터와, 상기 인버터로부터의 교류 전압을 승압하여 미리 설정한 전압치의 직류 부스트 전압을 발생하는 승압회로와, 상기 부스트 전압을 상기 여기 램프의 점등개시시에 상기 여기 램프에 공급시키는 점등 개시 제어수단을 구비하는 구성으로 하였다.

이러한 본 발명의 제 3 레이저 전원 장치에 따르면, 입력교류 전원 전압을 정류하지 않은 안정된 직류 전압으로하여 콘덴서에 충전하여 두고, 이 콘덴서를 방전시켜 얻어지는 램프전류로 레이저 발진용의 여기 램프를 점등구동함과 동시에,램프 점등개시시에는 이 콘덴서의 충전 전압을 인버터로 고주파의 교류 전압으로 변환시키고, 이어서 그 고주파 교류 전압을 승압 회로로 승압시켜 얻어지는 안정된 부스트전압을 여기 램프에 인가하도록 하였기 때문에, 여기 램프를 안전하며, 확실하게 점등시킬 수 있다.

제 1 도는, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 레이저 전원 장치의 회로 구성을 나타내는 블록도이다.

제 2도는 실시예에 있어서의 병렬형의 방전용 스위칭 소자에 공급하는 스위칭 제어 신호의 위상 또는 타이밍관계를 나타내는 파형도이다.

제 3 도는 실시예에 있어서의 부스터 회로의 회로구성을 나타내는 회로도이다.

제 4 도는 실시예에 있어서의 역률 제어회로의 회로구성을 나타내는 회로도이다.

제 5 도는 실시예에 있어서의 역률 제어회로의 각부의 파형을 나타내는 파형도이다.

제 6 도는 실시예의 단상식 레이저 전원 장치에 있어서의 정류 회로의 출력 전압 및 콘덴서 충전 전류의 위상 관계를 나타내는 파형도이다.

제 7 도는 실시예의 역률 제어 회로를 구비하지 않은 단상식 레이저 전원 장치에 있어서의 정류 회로의 출력 전압 및 콘덴서 충전 전류의 위상 관계를 나타내는 파형도이다.

제 8 도는 실시예에 있어서의 사이리스터 제어 회로의 구성을 나타내는 회로도이다.

제 9 도는 실시예에 있어서의 사이리스터 제어 회로의 각부의 파형을 나타내는 파형도이다.

제 10 도는 종래의 레이저 전원장치의 회로 구성을 나타내는 블록도이다.

-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-

12 : 부스터 회로 16 : 단상 정류 회로 18 : 콘덴서

24 : 스위칭 소자 28 : 다이오드 34 : 역률제어회로

36 : 사이리스터 38 : 제어회로 40 : 방전용 스위칭 회로

48 : 역류 방지 다이오드 50 : 전류 센서 52 : 전류 검출 회로

54 : 전압 검출 회로 58 : 온도 검출 회로

100: 발진부 102 : 여기 램프 104 : 야그로드 106 : 챔버

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

제 1 도에 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 전원 장치의 회로 구성을 나타낸다. 이 레이저 전원 장치는, 고체 레이저 장치 예를들면, 야그레이저 가공 장치에 설치되며, 레이저 발진부(100)의 여기 램프(102)에 전력을 공급한다.

레이저 발진부(100)에 있어서, 여기 램프(102) 및 야그로드(104)(레이저 매체)는, 예를들면, 아크릴 수지로 이루어지는 챔버(106)내에 설치된 반사경통(도시하지 않음)속에 서로 인접하여 배치되어있다. 챔버(106)의 밖에서 야그로드(104)의 광축상에는, 한쌍의 광공진기밀러(108),(110)가 야그 로드(104)를 끼고 평형으로 서로 향하여 배치되어 있다.

후술하는 본 실시예의 레이저 전원 장치로부터 공급되는 램프 전류(1L)에 의해 여기 램프(102)가 발광하면, 그 광에너지에 의해 야그로드(104)가 여기되며, 야그로드(104)의 양단면으로부터 축방향으로 나온 빛이 광 공진기 밀러(108),(110)의 사이에서 반사를 반복하여 증폭된 후, 레이저광(LB)으로서 출력 밀러(108)를 벗어난다. 출력 밀러(108)를 벗어난 레이저광(LB)은, 밀러를 통하여 혹은 입사 유니트, 광섬유 및 출사유니트를 통하여 피가공물의 가공 포인트를 향하여 조사되도록 되어 있다.

본 실시예의 레이저 전원 장치는, 여기 램프(102)에 레이저 발진용의 전력을 공급하기 위한 주전원부(10)와, 여기 램프(102)의 점등을 개시시키기 위한 부스트 회로(12) 및 트리거회로(도시않음)와, 장치 전체를 제어하기 위한 제어부(14) 및 주전원부의 역률을 제어하기위한 역률 제어회로(34)를 가지고 있다.

주전원부(10)는, 상용 주파수(50Hz또는60Hz)의 단상 교류 전압(EA)을 입력하여 직류로 변환(정류)하는 단상 정류 회로(16)와, 이 단상 정류 회로(16)로부터의 직류 전력을 일단 저축하는 콘덴서(18)와, 단상 정류 회로(16)와,콘덴서(18)의 사이에 접속된 충전 회로(20)와, 콘덴서(18)와 여기 램프(102)와의 사이에 접속된 램프 전류 공급 회로(22)를 포함하고 있다.

단상 정류 회로(16)는, 예를들면, 단상 전파(全波) 정류회로로 이루어지며, 입력된 단상 교류전압(EA)을 전파 정류하여, 정현파형의 반파(半波)를 180°씩 반복하는것 같은 전파정류파형의 직류 전압(EB)을 출력한다.

충전 회로(20)에는, 단상 정류회로(16)와 콘덴서(18)와의 사이에서 콘덴서(18)와 병렬로 접속된 충전용 스위칭 소자(24)와, 단상 정류 회로(16)와 충전용 스위칭 소자(24)의 사이에 직렬로 접속된 인덕턴스 코일(26)과, 충전용 스위칭 소자(24)와 콘덴서(18)와의 사이에 직렬로 접속된 다이오드(28)가 포함되어 있다.

단상 정류 회로(16)와 콘덴서(18)와의 사이에는, 인덕턴스 코일(26) 및 다이오드(28)로 이루어지는 충전 회로와 병렬로, 전류 제어 저항(30) 및 역류 방지 다이오드(32)로 이루어지는 충전 바이패스회로가 접속되어 있다. 또한 충전 회로의 개폐기로서 사이리스터가 설치되어 있다. 이 사이리스터(36)의 도통(온)/차단(오프)상태는, 사이리스터 제어회로(38)에 의해 제어된다.

충전용 스위칭 소자(24)는, 예를들면 FET로 이루어지며, 본 실시예의 역률 제어 회로(PFC) (34)에 의해 스위칭 제어된다.

후술하는 바와같이 역률 제어회로(34)는, 콘덴서(18)에 공급되는 충전 전류(Ic) 의 위상을 단상 정류 회로(16)로부터 출력되는 직류 전압(EB)

의 위상에 맞추도록 예를들면,70kHz 의 고주파수로 충전용 스위칭 소자(18)를 스위칭 제어한다. 이것에 의해, 본 장치에 입력되는 교류 전력에 대해 여기 램프(102)측으로 실제(유효)로 공급되는 유효 전력의 비율 즉 역률을 가급적으로 1에 가깝게 할수 있다. 따라서, 단상식의 전원 장치에 있어서, 높은 전력 효율 및 레이저 발진효율을 실현할 수 있다. 또한, 예를들면, 220V의 입력교류 전압(EA) 에 대해 콘덴서(18)의 충전 전압(Ec)을 예를들면 360V까지 승압하기 때문에, 입력 교류 전원의 전압 변동에 영향을 받지 않는 안정된 전력을 여기 램프(102)에 공급할 수 있도록 되어 있다.

램프전류공급회로(22)는 방전용 스위칭 회로(40), 인덕턴스 코일(42), 출력 콘덴서(44), 환류 다이오드(46) 및 역류 방지 다이오드(48)로 구성되어 있다.

방전용 스위칭 회로(40)는, 콘덴서(18)와 여기 램프(102)와의 사이에 직렬로 접속되며, 또한 서로 병렬로 접속된 한 쌍의 스위칭 소자(40a)(40b)로 이루어진다. 이들의 스위칭 소자(40a)(40b)에는, 고속 또한, 대용량의 트랜지스터 예를들면 FET 또는 IGBT가 이용된다.

제어부(14)는 이들의 스위칭 소자(40a)(40b)의 제어 단자에 상용 주파수보다도 높은 주파수 예를들면, 25kHz의 스위칭 제어 신호(Ga)(Gb)를 개별적으로 부여하고, 양 스위칭 소자(40a)(40b)를 교대로 온시킨다.

방전용 스위칭 소자(40a)(40b) 의 어느 한쪽 예를들면, 40a가 온이 되어 있을 때는, 콘덴서(18)가 방전되고, 그 방전 전류(IL)가 온 상태의 스위칭 소자(40a), 인덕턴스 코일(42), 출력 콘덴서(44) 및 역류 방지 다이오드(48)를 통하여 여기 램프(102)에 흐른다. 이 방전 전류, 즉 램프 전류(IL)에 의해 여기램프(102)가 점등한다.

스위칭 소자(40a)가 온이 되면, 콘덴서(18)의 방전은 일시 중단되지만, 인덕턴스 코일(42) 및 출력 콘덴서(44)에 저축되어 있는 전자 에너지 및 전하 에너지가 방출되어 램프전류(IL)는 계속 흐른다. 이 직후에, 다른쪽의 스위칭 소자(40b)가 온이 되고, 콘덴서(18)의 방전이 재개된다.

상기와 같이, 양 방전용 스위칭 소자(40a)(40b)가 양쪽 합쳐서 50kHz의 고주파 스위칭 제어신호(Ga)(Gb)에 의해 교대로 온되기 때문에, 램프 전류(IL)는 도중에 중단되는 일이 없이 연속적으로 흐른다. 이것에 의해 여기 램프(102)는 연속 점등되고, 레이저 발진부(100)로부터 연속 발진의 레이저 광(LB)을 얻을수 있다.

역류 방지 다이오드(48)와 여기 램프(102)와의 사이에는 램프 전류(IL)를 검출하기 위한 전류 센서(50)가 설치되어 있다. 이 전류 센서(50)의 출력 신호에 따라 전류 검출 회로(52)로부터 램프 전류(IL)의 크기(예를들면 전류 실효값을 나타내는 램프 전류 검출 신호(SIL)가 얻어진다. 이 램프 전류 검출 신호(SIL)는 제어부(14)에 인가된다.

출력 콘덴서(44)의 양 단자는 전압 검출 회로(54)의 입력 단자에 접속되며, 전압 검출 회로(54)의 출력 단자에는 출력 콘덴서(44)의 전압(ED)을 나타내는 전압 검출 신호(SED)가 얻어진다. 이 전압 검출 신호(SED)도 제어부(14)에 부여된다.

방전용 스위칭 회로(40)에 근접하여 예를들면, 서미스터로 이루어지는 온도 센서(56)가 설치되어 있다. 이 온도 센서(56)의 출력 신호에 따라 온도 검출 회로(56)로부터 방전용 스위칭 회로(40)부근의 온도를 나타내는 온도 검출 신호(ST)가 출력 된다. 이 온도 검출 신호(ST)도 제어부(14)에 인가된다.

제어부(14)는 예를들면, 마이크로세서로 이루어지며 적당한 인터페이스 회로(도시하지 않음)를 통하여 입력 장치나 표시 장치 등에 접속되며, 소정의 프로그램에 따라 각종 설정값 및 각종 측정값을 토대로, 장치내 소요의 제어를 한다.

예를들면, 제어부(14)는, 전류 검출 회로(52)로부터의 램프 전류 검출 신호(SIL)를 토대로, 램프 전류(IL)에 대하여 피이드백식의 정전류 제어를 한다. 즉, 방전용 스위칭 소자(40a)(40b)를 스위칭 제어하는 단위 시간(사이클)마다, 램프 전류 검출 신호(SIL)를 설정 전류값과 비교하여 오차를 구하고, 다음의 사이클에서는 그 오차를 영으로 하도록 펄스폭 변조( PWM)로 스위칭 제어신호(Ga)(Gb)의 펄스 폭을 가변 제어한다.

여기서, 제 2 도에 스위칭 제어신호(Ga)(Gb)의 위상 또는 타이밍 관계를 나타낸다. 제어부(14)는 50kHz의 내부 클럭(CL)에 동기하여, 예를들면, 클럭(CL)의 홀수 사이클(주기)에서는 H레벨의 펄스를 가지는 제 1 스위칭 제어신호(Ga)를 출력하고, 클럭(CL)의 짝수 사이클에서는 H레벨의 펄스를 가지는 제 2 스위칭 제어신호(Gb)를 출력한다. 이것에 의해, 홀수 사이클에서는 제 1 스위칭 제어신호(Ga)의 H레벨 기간만 제 1의 스위칭 소자(40a)가 온 되고, 짝수 사이클에서는 제 2 스위칭 제어신호(Gb)의 H레벨 기간만 제 2 스위칭 소자(40b)가 온 된다.

본 실시예에서는, 상기처럼 PWM제어를 하기 때문에, 홀수 사이클에서 제 1 스위칭 소자(40a) 를 온시켰을 때의 램프 전류(IL)의 전류값(SIL)을 설정 전류값과 비교하여 오차를 구하고, 다음의 짝수 사이클에서 그 오차를 0으로 하도록 제 2 스위칭 제어신호(Gb)의 H레벨기간(펄스폭)을 정하고 제 2 스위칭 소자(40b)의 온 시간을 제어한다. 그리고 그 짝수 사이클의 램프 전류(IL)의 전류값(SIL)을 설정 전류값과 비교하여 오차를 구하고, 다음의 홀수 사이클에서 그 오차를 0으로 하도록 제 1 스위칭 제어신호(Ga)의 H레벨기간(펄스폭)을 결정하고 제 1 스위칭 소자(40a)의 온시간을 제어한다. 이와같은 스위칭 제어를 사이클마다 반복한다.

이처럼, 방전용 스위칭 회로(40)는, 외부에 대해서는 마치 1개의 스위칭 소자가 펄스폭 제어에 의해 50kHz에서 스위칭 동작하고 있는것과 같지만, 회로(40)의 내부에서는, 두 개의 스위칭 소자(40a),(40b)가 각각 25kHz에서 스위칭 동작하고 있다. 이 경우, 양 스위칭 소자(40a),(40b)는 교대로 온되기 때문에, 각각의 온 저항값에 다소 차이가 있더라도, 거의 균등하게 전류(IL)가 흐르고, 부담 또는 일량이 한쪽으로 치우치는 일은 없다.

따라서, 각각의 스위칭 소자(40a),(40b)가 단독으로 사용되는 경우와 비교하여, 스위칭 동작 회수도 부담도 반감되고, 그마만큼 수명이 연장되게 된다. 이것에 의해, 본 실시예의 야그 레이저 가공 장치에 있어서는, 생산 관리나 품질관리를 향상시킬 수가 있다.

또한 제어부(14)는, 램프 전류(IL)가 과대해 졌을 때, 혹은 방전용 스위칭 회로(40)가 과열 상태가 되었을 때 주전원부(20)를 멈추게 하기 위한 제어신호(Ki,Kt)를 각각 앤드게이트(And Gate;60)를 통하여 사이리스터 (Thyristor)제어회로(38)에 부여한다. 정상시는, 제어신호(Ki,Kt)가 각각 H레벨로 유지되며, 따라서 앤드게이트(60)의 출력 단자로부터 H레벨의 제어신호(K)가 사이리스터 제어회로(38)에 가해진다. 이것에 의해, 사이리스터 제어회로(38)는 사이리스터(36)를 온(도통)상태로 유지한다.

그러나, 예를들면, 방전용 스위칭 회로(40)가 파괴되어 램프 전류(IL)가 소정의 전류 감시값을 초과했을 때는, 제어신호(Ki)가 L레벨이 되며, 이것에 의해 앤드게이트(60)의 출력 신호(K)도 L레벨이 되며, 사이리스터 제어회로(38)는 사이리스터(36)를 오프(차단)상태로 전환한다. 또한 방전용 스위칭 회로(40)가 파괴상태는 이르지 않더라도 소정의 온도 감시값을 초과할 만큼 높은 온도까지 발열했을 때는, 제어신호(Kt)가 L레벨로 되며, 이것에 응답하여 사이리스터 제어회로(38)가 사이리스터(36)를 오프(차단)상태로 전환하도록 되어 있다.

또한, 제어부(14)는, 인버터·스위칭 제어신호(HV)에 의해 부스터회로(12)를 제어한다. 본 실시예의 부스터 회로(12)는, 콘덴서(18)의 충전 전압(Ec)를 입력하고, 여기 램프(102)의 점등 개시에 필요한 소정 전압 예를들면, 2500V의 부스트 전압(EF)를 발생시킨다.

제 3 도에 , 부스터 회로(12)의 회로 구성을 나타낸다. 이 부스터 회로(12)는 인버터(80), 인버터 구동회로(85,86), 콕 크로프트 승압회로(87) 및 부스트 전압 출력 회로(90)로 구성되어 있다.

인버터(80)는, 4개의 트랜지스터(81,82,83,84)를 브릿지접속하여 이루어지고, 콘덴서(18)로부터의 직류 전압(Ec)을 입력 단자(88,89)로 받아 들인다. 구동회로(85,86)는, 제어부(14)로부터의 위상이 180°다른 2상의 인버터·스위칭 제어신호(HVa,HVb)에 응답하고, 인버터(80)의 제 1 셋트의 트랜지스터(81,84) 및 제 2 셋트의 트랜지스터(82,83)를 교대로 온시킨다. 인버터·스위칭 제어신호(HVa,HVb)는, 예를들면, 50kHz의 주파수를 가지는 펄스로서 인가된다.

인버터(80)는, 상기와 같은 스위칭 동작을 하는 것에 의해, 입력 직류 전압(Ec)의 전압레벨과 거의 동일한 전압레벨(진폭)을 가지며, 스위칭 주파수(50kHz)와 동일한 주파수를 가지는 펄스형상(구형파)의 고주파 교류 전압(EM)을 출력한다. 이 고주파 교류 전압(EM)은, 콕 클로프트 승압회로(Cockcroft Voltage;87)에 입력된다. 콕 클로프트 승합회로(87)는, 8개의 콘덴서C10-C17 및 8개의 다이오드 D10-D17을 래더형식(Ladder Type)으로 접속하여 이루어지는 4단 승압 회로이며, 인버터(80)로부터의 진폭360V, 주파수50kHz의 고주파 교류 전압(EM)을 다이오드(D10-D17)로 정류하면서 콘덴서C10-C17에 직렬로 겹치도록 증압하여 약 8배의 전압치(약2800V)까지 승압한다.

콕클로프트 승압회로(87)로부터의 부스트전압은, 예를들면 100μF의 전계 콘덴서(CE)를 8개 직렬 접속하여 이루어지는 출력 콘덴서(92)에 일단 충전된 후, 저항(93) 및 역류 방지 다이오드(94)를 통하여 출력 단자(95,96)로부터 출력된다. 한편, 역류 방지 다이오드(94)에는, 예를들면 600V내압의 다이오드가 이용된다.

이처럼 본 실시예에 의한 부스터 회로(12)에는, 콘덴서(18)로부터의 직류 전압(EC)이 입력된다. 이 콘덴서 전압(EC)은, 단상 정류 회로(16), 충전 회로(20) 및 역률 제어회로(34)에 의해 220V의 단상 교류 전원 전압(EA)을 고효율로 정류 승압하여 얻어지는 정전압이며, 교류 전원 전압(EA)변동 의 영향을 받지 않고 설정 전압값(360V)으로 안정적으로 유지된다.

부스터회로(12)내에서는, 입력 직류 전압(EC)이 인버터(80)에 의해 고주파수(50kHz)의 펄스 형상 교류 전압(EM)으로 변환된다. 교류 전원 전압(EA)의 변동 등에 대해, 입력 직류 전압(EC)의 전압레벨이 설정 전압값(360V)으로 안정되어 있기 때문에, 이 펄스형상 교류 전압레벨(진폭)도 설정 전압값(360V)부근으로 안정되어 있다.

그리고, 인버터(80)로부터의 그와 같은 전압(EM)의 전압 레벨(진폭)의 안정된 고주파 펄스 형상 교류 전압(EM)이 콕 클로프트 승압회로(87)로 정류되면서 고주파수에서 조금씩 겹쳐지도록 하여 승압되는 것에 의해, 안정적인 고전압의 직류 부스트 전압(EF)을 얻을수 있다.

상기와같이, 부스터 회로(12)에 입력되는 직류 전압(Ec)의 전압레벨이 안정되어 있을 뿐만아니라, 인버터(80)로부터 고주파 즉, 정밀하고 섬세한 펄스형상 교류 전압(EM)이 콕클로프트 승압회로(87)에 인가되므로, 이 부스트 전압(EF)의 전압 레벨도 안정되며, 교류 전원 전압(EA)이 변동하더라도 그 영향을 받지 않고 설정값(예를들면,2700V)부근으로 유지된다.

이 부스터 회로(12)는 여기 램프(102)에 점등을 개시시킬때에 이용된다. 여기 램프(102)는 예를들면, 크세논 램프로 이루어지며, 유리관의 양쪽 끝에 전극 단자를 설치하고, 관내에 가스를 봉입하고 있다. 여기 램프(102)를 점등시키려면, 램프내에서 가스의 절연을 돌파하고, 양 전극간에 방전시킬 필요가 있다.

여기 램프(102)를 점등시킬 때, 제어부(14)는 먼저 주전원부(10)와 부스터 회로(12)를 기동시킨다. 즉, 주전원부(10)에 대해서는, 상기 제어신호(Kl,Kt)를 H레벨로하여 사이리스터 제어 회로(38)에 사이리스터(36)를 온시킴과 동시에 방전용 스위칭 회로(40)에 스위칭 제어 신호(Ga,Gb)를 공급한다. 또한, 부스터 회로(12)에 대해서는, 인버터 구동 회로(85,86)에 인버터·스위칭 제어 신호(HVa,HVb)를 각각 공급한다.

그리고, 제어부(14)는 트리거 회로(도시하지 않음)를 작동시킨다. 트리거 회로는, 여기 램프(102)의 캐소드 단자와 램프(102) 유리관의 주위에 배치된 금속판과의 사이에 약 20kV의 고전압을 인가하는 것에 의해 램프(108)내의 가스를 절연 파괴하고, 임피던스를 낮춘다. 그렇게 하면, 그 뒤를 쫓듯이 부스터 회로(12)로부터 약2500V의 고전압에서 전류가 여기 램프(102)에 흘러들어가고, 여기 램프(102)의 임피던스가 한층 내려간다. 그 다음은, 주전원부(10)로부터의 150V정도의 램프 전압(ED)으로도 충분한 크기의 전류(램프전류IL)를 흐르게 할 수 있다.

여기 램프(102)가 점등을 개시했다면, 제어부(14)는 인버터·스위칭 제어신호(HV(HVa,HVb)의 공급을 중지하여 부스터 회로(12)의 가동을 중지한다. 한편, 주전원부(10)의 역류 방지 다이오드(48)에는, 예를들면 3200V 내압의 고내압형 다이오드가 이용된다.

본 실시예의 레이저 전원 장치에서는, 여기 램프의 점등개시시에, 예를들어 입력 교류 전원 전압(EA)이 변동하더라도, 부스터 회로(12)로부터는 설정 전압값(2700V)으로 유지 또는 정전압화된 안정된 부스트 전압(EF)이 여기 램프(102)에 공급되므로, 여기 램프(102)는 안전하고도 확실하게 점등을 개시시킨다.

한편, 본 실시예의 레이저 전원 장치에서, 단상 정류 회로(16), 충전 회로(20) 및 콘덴서(18)는, 주전원부(10)와 부스터 회로(12)에 공용된다. 그러나, 시간적으로는 부스터 회로(12)는 램프 점등 개시시에만 작동하고, 점등후는 주전원부(10)만이 기능하므로 경합의 문제는 없다.

이어서, 본 실시예에 따른 역률제어회로(34)의 구성 및 작용에 대해 설명한다. 제 4 도에, 역률 제어회로(34)의 회로구성을 나타낸다. 이 역률 제어회로(34)는, 기준치 발생회로(61), 바이패스회로(34), 전환 타이밍 검출 회로(63) 및 클럭 회로(64) 및 전류 전환회로(65)를 가지고 있다.

기준치 발생회로(61)는, 분압회로(66),기준 전압원(67), 연산 증폭기(68) 및 승산기(69)로 구성되어 있다. 분압회로(66)는, 콘덴서(18)의 충전 전압(EC)을 저항(r1, r2)에 의해 일정 비율(k)로 분압한다. 연산 증폭기(68)는, 분압회로(66)로부터의 분압전압(kEc)과 기준 전압원(67)으로부터의 기준 전압(Eo)과의 차분(Eo-kEc)를 구한다. 승산기(69)는, 단상 정류 회로(16)로부터의 전파 정류 파형의 직류 전압(EB)을 한쪽의 입력 단자(X)에 입력함과 동시에, 연산 증폭기(68)로부터의 차분 전압(Eo-kEc)을 다른쪽의 입력 단자(Y)에 입력하고, 양 입력 전압값의 적{EB(Eo-kEc)}을 연산하고, 그 적값(순시값)을 나타내는 전압신호를 기준치 신호(JC)로서 출력 단자(Z)로부터 발생시킨다.

기준치 발생회로(61)로부터 얻어지는 기준치신호(JC)는, 단상 정류 회로(16)로부터의 직류 전압(EB)에 비례하고, 콘덴서(18)의 충전 전압( EC)에는 반비례한다. 즉 이 기준치 신호(JC)는, 단상 정류회로(16)로부터의 직류 전압(EB)의 파형과 서로 비슷한 전압파형을 가지며, 콘덴서 전압(EC)이 내려가면 전압레벨(진폭)이 커지며, 콘덴서 전압(EC)이 올라가면 전압레벨이 작아진다고하는 특성을 갖는다.

기준치 발생회로(61)로부터의 기준치 신호(JC)는, 전환 타이밍 검출 회로(63)에 인가된다. 전환 타이밍 검출 회로(63)는, 전류 센서(70) 및 비교기(72)를 가지고 있다. 전류 센서(70)는 전류 트랜스 코일(71), 다이오드(d3) 및 저항(r3)으로 이루어지며, 바이패스회로(62)를 흐르는 바이패스 전류(Isw)의 전류값을 나타내는 전류 검출 신호(전압)(SIsw)을 발생한다. 비교기(72)는, 전류 센서(70)로부터의 전류 검출 신호(SIsw)와 기준치 발생회로로부터의 기준치 신호(JC)를 입력하고, SIsw의 전압 레벨이 JC의 전압레벨에 달했을 때에 H레벨의 펄스를 전환 타이밍 신호(AH)로서 출력한다. 이 전환 타이밍 신호(AH)는, 전류 전환회로(65)에 인가된다.

전류 전환 회로(65)는, RS형 플립플롭(Filp-Flop)으로 이루어지며, 그 셋트 단자(S)에 클럭 회로(64)로부터의 고주파수 예를들면 75kHz의 클럭 펄스(CK)를 받아들이고, 그 리셋트단자(R)에 상기 전환 타이밍 검출 회로(63)로부터의 전환 타이밍 신호(AH)를 받아들인다. 전류 전환 회로(65)의 출력(Q)은 앤드게이트(73)의 한쪽의 입력단자에 인가된다. 앤드게이트의 다른쪽의 입력단자에는 클럭 회로(64)로부터의 클럭 펄스(CK) 가 입력된다. 앤드게이트(73)의 출력은 제어펄스(DP) 로서 충전용 스위칭 소(24)의 게이트 단자에 인가된다.

제 5 도에 이 역률 제어 회로(34)의 작용을 나타낸다. 클럭 회로(64)로부터 각각 클럭펄스(Clock Pulse)(CK) 가 출력되면, 그 시단(始端)에서 전류 전환 회로(65)의 출력(Q)이 H레벨이 되며, 앤드게이트(73)으로부터 H레벨의 제어 펄스(DP)가 출력된다. 이 H레벨의 제어펄스(DP)에 응동하여 충전용 스위칭 소자(24)가 온이 되며, 바이패스 회로(62)가 거의 단락 상태에서 도통한다.

그러면, 단상 정류 회로(16)의 출력측의 전류 패스는, 그때까지 콘덴서(18)측에 흐르고 있던 패스로부터 바이패스 회로(62)를 흐르는 패스로 전환한다. 즉, 콘덴서(18)로 흐르고 있던 충전 전류(Ic)가 일단 중단됨과 동시에, 거기에 대신하여 바이패스 회로(62)에 바이패스 전류(Isw)가 흐르기 시작한다. 그 전환점에 있어서 충전 전류(Ic)의 전류값(중단시의 값)과 바이패스 전류(Isw)의 전류값(초기값)은 연속해 있다.

바이패스회로(62)에 바이패스 전류(Isw)가 흐르면, 전환 타이밍 검출 회로(63)에 있어서 전류 센서(70)로부터 바이패스 전류(Isw)에 대응한 전류 검출 신호(SIsw)가 발생한다. 바이패스 전류(Isw)는 전환 시점의 초기값으로부터 급속히 올라가고, 그에 대응하여 전류 검출 신호(Isw)도 급속히 올라간다. 한편, 기준치 발생회로(61)로부터의 기준치 신호(JC)의 전압 레벨은, 단상 정류 회로(16)의 출력 전압(EB)의 파형(전파 정류파형)과 서로 닮은모양을 유지하여 정현파 상태로 변화한다.

그러나, 전류 검출 신호(SIsw)의 전압 레벨이 기준치 신호의 전압 레벨에 도달했을 때, 비교기(72)의 출력 단자로부터 H레벨의 전환 타이밍 신호가 순간적으로 출력된다.

그렇게 하면, 이 전환 타이밍 신호(AH)에 응답하여 전류 전환 회로(65)의 출력(Q)이 L레벨로 되며, 앤드 게이트(73)의 출력의 제어펄스(DP)도 L레벨로 내려간다. 이것에 의해, 충전용 스위칭 소자(24)가 오프 상태가 되며, 바이패스 회로(62)가 차단된다.

바이패스 회로가 차단되면, 단상 정류 회로(16)의 출력측의 전류 패스는 콘덴서(18)측의 패스로 전환한다. 따라서, 바이패스 전류(Isw)가 멈춤과 동시에, 콘덴서(18)로의 충전전류(Ic)가 흐르기 시작한다. 이 때, 인덕턴스 코일(26)에는 그 직전까지 흐르고 있던 바이패스 전류(Isw)를 토대로 한 기전력이 발생하며, 이 기전력이 단상 정류 회로(16)의 출력 전압(EB)에 가산되어 콘덴서(18)에 인가된다. 이것에 의해, 바이패스 전류(Isw)가 중단시의 전류값과 동일한 초기값에서 충전 전류(Ic)가 흐르기 시작한다. 당연히, 충전 회로의 임피던스는 단락 상태의 바이패스 회로(62)의 임피던스 보다도 크기 때문에 충전 전류는 초기값으로부터 차례로 감소한다.

그리고, 클럭 회로(64)로부터 다음의 클럭 펄스(CK)가 출력되면, 다음의 사이클(CY)이 시작되며, 상기와 같게하여 전류 전환 회로(65)에 의해 충전 전류로부터 바이패스 전류(Isw)로 전환된다. 그리고 바이패스 전류가 기준치 신호에 도달하면, 상기와 마찬가지로하여 바이패스 전류로부터 충전 전류(Ic)로 전환된다.

한편, 각 사이클(CY)내에서 클럭 펄스(CK)가 H레벨로부터 L레벨로 내려간 시점에서, 전류 전환 회로(65)의 출력(Q)이 H레벨인 상태이더라도(즉, 바이패스 전류가 기준치 신호에 도달해 있지 않더라도), 앤드게이트(73) 출력의 제어 펄스(DP)가 L레벨로 되며, 충전용 스위칭 소자(24)는 강제적으로 오프 상태로 전환된다.

단상 정류 회로(16)의 출력 전압(EB)이 비교적 낮은 레벨일 때는(전파 정류 파형의 끝부분에서는)기준치 신호(JC)의 레벨도 낮아지지만, 바이패스 전류(I_SW)가 그 이상으로 작아서 클럭 펄스(CK)의 H레벨기간내에서 기준치 신호(JC)에 도달하지 않은 수가 있다. 그러나 상기와 같은 강제적 전환 기능에 의해, 클럭 펄스(CK)가 L레벨로 되어 있는 기간에서는 반드시 충전 전류(Ic)로 전환해 있다.

역으로, 단상 정류 회로의 출력 전압이 비교적 높은 (전파 정류 파형의 피이크값 부근), 기준치 신호의 레벨은 높아지지만, 바이패스 전류가 느는 정도가 그 이상으로 크고 단시간에 기준치 신호(JC)에 도달한다. 이 때문에 충전 전류(Ic)가 각 사이클(CY)의 대부분의 기간에 걸쳐서 더구나, 커다란 전류값으로 흐르게 된다.

한편, 각 사이클의 클럭 펄스(CK)의 듀티비율은 임의로 선택가능하며, 예를들면 H레벨 기간을 80%, L레벨 기간을 20%로 설정해도 좋다.

이처럼, 이 역률 제어회로(34)에 있어서는, 단상 정류 회로(16)의 출력 전압(EB)의 파형을 따르는것과 같은 전류 파형으로, 즉, 위상을 맞추도록 하여 충전 전류(Ic)가 콘덴서(18)에 공급된다. 이것에 의해, 단상 교류 전압으로부터의 입력 전력에 대해 여기 램프(102)측으로 실제로 공급되는 유효전력의 비율 즉, 역률을 가급적 1에 가깝게 할 수가 있다.

따라서, 단상식의 레이저 전원 장치에 있어서, 삼상식의 장치와 동등 혹은 그 이상의 높은 전력 효율 및 레이저 발진 효율을 실현하고, 고출력의 레이저 광(LB)을 얻을 수 가 있다.

또한, 삼상식의 전원 장치에서는, 삼상 정류 회로가 큰 공간을 차지하고, 장치 전체의 사이즈, 중량, 가격도 높다. 그 점에서 단상 정류 회로는 소형으로 공간을 차지하지 않는다. 더구나, 이 레이저 전원 장치(10)에서는, 75kHz정도의 높은 주파수로 충전 전류(Ic)를 흐르게 하므로, 충전 회로의 인덕턴스 코일(26)을 소형화할 수 있다. 이것에 의해 장치 전체의 경량 소형화, 비용 절감을 실현할 수가 있다.

또한, 이 레이저 전원 장치에서는, 바이패스 전류(Isw)로 인덕턴스 코일(26)에 저축해 둔 전자 에너지를 토대로 기전력을 단상 정류 회로로부터의 직류 전압에 가산하여 콘덴서에 공급하고, 승압 방식으로 콘덴서(18)를 충전한다. 이것에 의해 콘덴서(18)의 충전 전압(Ec)을 입력 교류 전압(EA)(220V)보다도 높은 소망의 전압 예를들면 360V까지 승압시킬 수가 있다.

이처럼, 콘덴서를 승압식으로 입력 교류 전압보다도 높은 전압으로 충전하기 때문에, 전원 전압의 변동 등에 대해 콘덴서의 충전 전압(EB)을 일정하게 유지할 수 있다.

제 6 도에 , 본 실시예의 레이저 전원 장치의 단상 정류 회로(16)의 출력 전압(EB) 및 충전 전류(Ic)의 파형을 나타낸다. 또한, 제 7 도에 비교예로서, 역률 제어 회로(34)를 구비하지 않은 경우의 출력 전압 및 충전전류(IC')의 파형을 나타낸다. 종래의 단상식 레이저 전원 장치에서는, 역률 제어 회로(34)를 구비하지 않기 때문에 역률은 60%정도 밖에 올릴수 없다. 이에 대해, 본 실시예의 레이저 전원 장치(10)에서는, 역률 제어 회로(34)를 구비하여 역률을 98%까지 개선할 수 있다.

본 실시예의 역류 제어 회로에 의하면, 콘덴서(18)에 공급되는 전류(IL)가 단상 정류 회로의 출력 전압에 대해 위상을 맞출뿐만 아니라, 파형도 맞추어져 있기 때문에, 아주 높은 역률을 실현할 수 있다. 그러나 위상을 맞출 뿐, 파형을 전혀 별개인 것이라 하더라도, 비교적 높은 역률을 달성하는 것이 가능하다.

이어서, 이 레이저 전원 장치의 주회로에 설치되는 개폐기에 대해 설명한다.

상기한 바와같이, 여기 램프(102)에 인가하는 정격 전압(ED)이 약 150V인 것에 반해, 콘덴서(18)의 전압(EC)은 360V이다. 방전용 스위칭 회로(40)가 단락했을 경우는 콘덴서 전압(EC)(360V)이 그대로 여기 램프(102)에 인가되어 버리기 때문에, 램프(102)를 보호해야할 뿐더러 즉각 개폐기를 차단할 필요가 있다.

이 레이저 전원 장치에서는, 주전원부(20)의 개폐기에 사이리스터(36)를 사용하고 있다. 사이리스터를 통과하는 전류는 반 사이클마다 0 이 되기 때문에, 사이리스터 제어 회로로부터의 점호 신호를 끊으면 그 시점으로부터 늦어도 반 사이클이 경과하기 까지 사이리스터(36)를 차단할 수가 있다.

제 8 도에, 사이리스터 제어회로(38)의 회로 구성예를 나타낸다. 이 사이리스터 제어회로(38)에서는, 애노드 트리거 방식을 채용하며, 사이리스터의 애노트 캐소드사이에 접속한 저항(RA,Rg)을 포함하는 바이패스 회로(74)를 흐르는 전류(ip)에 의해 게이트 전류 또는 점호 신호(SRg)를 생성하도록 하고 있다. 또한 바이패스 회로(74)에 포트커플러(75)를 설치하고 주회로측과 제어부(14)측과를 전기적으로 절연하고, 제어부(14)측의 보호를 꾀하고 있다.

제 9 도에, 사이리스터 제어 회로(38)내의 각부의 파형을 나타낸다. 제어부(14)측으로부터의 제어 신호(K)가 L레벨로부터 H레벨로 되면, 포트커플러(75)에 있어서 발광 다이오드가 발광하고, 포트 트라이악이 온하고, 바이패스 회로(74)에 전류(ip)가 흐르고, 점호 신호(SRg)가 발생하고, 사이리스터(36)가 턴온한다. 그 이후는 각 반 사이클의 경계면에서 일단 사이리스터가 턴오프 하자마자 바이패스 회로(74)에 전류(ip)가 흐르는 것에 의해 점호 신호가 발생하고, 즉각 사이리스터가 턴 온한다.

상기한 바와같이, 램프 전류(IL)가 과대해 졌을 때나, 방전용 스위칭 회로(40)가 과열 상태가 되면, 제어부(14)는 제어 신호(K)를 L레벨로 한다. 그렇게 하면, 사이리스터 제어 회로에서는, 포트 커플러(75)가 오프하고, 바이패스 회로(74)가 차단되는 것에 의해, 직후의 반 사이클로부터는 점호 신호가 발생하지 않게 된다. 즉, 제어신호를 L레벨로 전환하고 나서, 늦어도 반사이클 이내에 사이리스터가 완전히 오프 상태로 전환되며, 주회로가 차단되게 된다.

제 8 도에 도시하는 구성의 사이리스터 제어 회로에 따르면, 간단한 구성으로 점호 신호를 자동공급할수 있음과 동시에, 제어부측의 절연(안전)을 꾀할 수 있다고 하는 이점이 있다.

마땅히, 다른 회로 구성도 사용가능하다. 예를들면, 직류 전압원을 설치하여 직류 전류를 점호 신호로 사용하고, 사이리스터를 온 시켜두고 싶은 시간만큼 이 직류 전류(점호신호)를 사이리스터의 게이트에 계속 흘려보내는 구성으로 하는 것도 가능하다.

혹은, 상용 주파수보다도 충분히 높은 주파수로 발진하는 발진기를 프리온시키고, 사이리스터를 온시켜 두고 싶은 시간 만큼 이 발진기의 출력 펄스를 펄스 트랜스를 통하여 사이리스터의 게이트에 가하도록 해도 좋다.

한편, 사이리스터(36)가 오프 상태로 전환된 후는 콘덴서의 전압(Ec)이 단상 정류 회로(16)의 출력 전압(EB)보다도 저하한 시점에서 단상 정류 회로(18)로부터의 바이패스회로(30,32)를 통하여 제한(억제)된 전류가 콘덴서(18)측에 흐른다.

이상, 가장 바람직한 실시예에 대해 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예로 한정되는 것은 아니며, 그 기술 사상의 범위내에서 여러 변형, 변경이 가능하다.

예를들면, 상기한 실시예에서는 방전용 스위칭 회로(40)에 있어서 한쌍의 스위칭 소자(40a,40b)를 병렬 접속하였지만, 3개 이상의 스위칭 소자를 병렬 접속하여 그들을 교대로 온시키도록 스위칭 제어하는 구성으로 하는것도 가능하다.

또한, 상기한 실시예에서는, 레이저 발진중은 방전용 스위칭 회로를정전류 제어방식으로 스위칭 제어하였다. 그러나, 전압 검출 회로(54)로부터의 전압 검출 신호(SEo)를 토대로 정전압 제어 또는 정전력 제어 방식으로 스위칭 제어하는 것도 가능하다.

상기한 실시예에서는, 제어부(14)로부터의 인버터 스위칭 제어 신호(HV)에의해 부스터 회로(12)에 있어서의 부스트 전압(EF)의 발생개시/종료를 제어하였다. 그러나, 다른 방식, 예를들면 콘덴서와 부스터 회로와의 사이에 개폐 스위치(도시않음)를 설치하고, 이 스위치의 개폐로 부스트 전압의 발생개시/종료를 제어하는 방식도 가능하다.

또한, 부스트 전압을 전압 검출 회로로 검출하고, 그 전압 검출 신호를 토대로 제어부(14)가 피이드백식 또는 펄스폭 제어방식으로 인버터 스위칭 제어신호(HV)를 생성하도록 해도 좋다.

여기 램프에 공급하는 전류, 전압 또는 전력을 제어하는 방식으로서, 상기 실시예의 PWM제어는 일예이며, 다른 스위칭 방식도 가능하다.

상기 실시예의 레이저 전원은, 입력 교류 전원에 단상 교류 전원을 사용했지만, 본 발명은 삼상 교류 전원을 이용하는 전원장치에도 적용가능하다.

본 발명은 단상 교류전원으로도 고효율로 안정된 레이저 발진용 전력을 얻어 보급형레이저 전원장치에 사용할 수 있다는데 있다.

이러한 본 발명의 제 3 레이저 전원 장치에 따르면, 입력교류 전원 전압을 정류하지 않은 안정된 직류 전압으로하여 콘덴서에 충전하여 두고, 이 콘덴서를 방전시켜 얻어지는 램프전류로 레이저 발진용의 여기 램프를 점등구동함과 동시에,램프 점등개시시에는 이 콘덴서의 충전 전압을 인버터로 고주파의 교류 전압으로 변환시키고, 이어서 그 고주파 교류 전압을 승압 회로로 승압시켜 얻어지는 안정된 부스트전압을 여기 램프에 입가하도록 하였기 때문에, 여기 램프를 안전하며, 확실하게 점등시킬 수 있다.

Claims

레이저 매체에 레이저 발진용의 광에너지를 조사하는 여기 램프에 전력을 공급하는 레이저 전원 장치에 있어서,

상용 주파수의 단상 교류 전압을 입력하여 정류하는 단상 정류 회로와,

상기 단상 정류회로로부터의 직류 전력을 일단 저축하는 콘덴서와, 상기 단상정류 회로와 상기 콘덴서와의 사이에 접속된 충전용 스위칭 수단과,

상기 콘덴서에 저축된 전기 에너지를 방전 시켜서 상기 여기 램프에 램프 전류를 공급하기 위한 램프 전류 공급수단과,

상기 단상 정류 회로로부터 상기 콘덴서에 공급되는 충전 전류의 위상을 상기 정류 회로로부터 출력되는 직류 전압의 위상에 맞추도록 상기 충전용스위칭 수단을 상기 상용 주파수보다도 높은 소정의 주파수로 스위칭 제어하는 역률 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 전원 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 단상 정류 회로의 출력 단자에 대해 상기 충전용 스위칭 수단이 상기 콘덴서와 병렬로 접속되며, 상기 단상 정류 회로와 상기 충전용 스위칭 수단간에 인덕턴스 코일이 직렬로 접속되며, 상기 충전용 스위칭 수단과 상기 콘덴서와의 사이에 다이오드가 직렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 레이저 전원 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 역률 제어 수단이, 상기 콘덴서에 공급되는 충전 전류의 파형을 상기 정류 회로로부터 출력되는 직류 전압의 파형을 따르도록 상기 소정의 주파수로 상기 충전용 스위칭 수단을 스위칭 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 전원 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 역률 제어 수단이, 상기 콘덴서의 충전전압에 반비례하고, 한편, 상기 정류 회로로부터의 직류 전압에 비례하는 기준치 신호를 발생하는 기준치 신호 발생수단과,

상기 콘덴서와 병렬로 접속된 상기 충전용 스위칭 수단을 포함하는 바이패스 회로와,

상기 바이패스 회로를 흐르는 바이패스 전류가 상기 기준치 신호의 값에 도달했을 때 소정의 전환 타이밍 신호를 발생하는 전환 타이밍 검출 수단과,

상기 소정의 주파수를 가지는 클럭 펄스를 발생하는 클럭 회로와,

상기 클럭 펄스로 규정되는 각 사이클에 있어서 사이클 개시시에 상기 충전용 스위칭 수단을 오프 상태에서 온 상태로 전환하고, 상기 전환 타이밍 검출 수단으로부터의 전환 타이밍신호에 응답하여 상기 충전용 스위칭 수단을 온 상태로부터 오프 상태로 전환하는 전류 전환 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 전원 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 전류 전환 수단이, 상기 각 사이클내의 미리 설정된 시점에서 상기 충전용 스위칭 수단을 강제적으로 가지는 것을 특징으로하는 레이저 전원 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 단상 정류 회로와 상기 콘덴서와의 사이에 접속된 사이리스터와, 정상시는 상기 사이리스터를 계속적으로 도통상태로 유지하며, 소정의 이상 상태가 발생했을 때에 상기 사이리스터를 차단상태로 하는 사이리스터 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 전원 장치.
레이저 매체에 레이저 발진용의 광에너지를 조사하는 여기 램프에 전력을 공급하는 레이저 전원장치에 있어서,

상용 주파수의 교류전압을 입력하여 정류하는 정류 회로와,

상기 정류 회로로부터의 직류 전력을 일단 저축하는 콘덴서와,

상기 콘덴서와 상기 여기 램프와의 사이에 각각 직렬로 접속되며, 또한 서로 병렬로 접속된 제 1 및 제 2 스위칭 소자와,

상기 제 1 및 제 2 의 스위칭 소자를 상용 주파수보다도 높은 소정의 주파수로 교대로 온시키는 제어수단을 구비하는 특징으로 하는 레이저 전원 장치.
제 7 항에 있어서,

상기 소정의 주파수에 대응한 사이클마다에 상기 여기 램프에 공급되는 램프 전류의 전류값을 검출하는 램프 전류 검출 수단과, 상기 사이클마다에 상기 램프 전류의 설정 전류값과 비교하여 오차를 구하는 비교 수단과, 상기 오차를 0 으로 하도록 다음의 사이클마다에 있어서의 상기 스위칭 수단의 온시간을 가변 제어하는 펄스폭 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 전원 장치.
레이저 매체에 레이저 발진용의 광 에너지를 조사하는 여기 램프에 전력을 공급하는 레이저 전원 장치에 있어서,

상용 주파수의 교류 전압을 입력하여 정류하는 정류 회로와,

상기 정류 회로로부터의 직류 전류를 일단 저축하는 콘덴서와,

상기 콘덴서와 상기 여기 램프와의 사이에 접속된 스위칭 수단과,

상기 콘덴서측으로부터 상기 여기 램프에 인가되는 램프 전압을 검출하는 램프 전압 검출 수단과,

상기 여기 램프의 점등을 개시시키기 위한 점등 스테이터 수단과,

상기 여기 램프가 점등을 개시하기까지의 대기중은 상기 램프 전압을 상기 여기 램프의 정격 전압보다는 높게 상기 콘덴서의 전압보다도 낮은 소정의 대기용 전압값으로 유지하도록 상기 스위칭 수단을 상용 주파수보다도 높은 소정의 주파수로 스위칭 제어하고, 상기 여기 램프가 점등을 개시한 후는 상기 여기 램프에 소망의 레이저 출력에 대응한 전력, 전류 또는 전압이 공급되도록 상기 스위칭 수단을 상기 소정의 주파수로 스위칭 제어하는 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 전원 장치.
레이저 발진부의 여기 램프에 전력을 공급하는 레이저 전원 장치에 있어서,

상용 주파수의 교류 전압을 입력하여 정류하는 정류 회로와,

상기 정류 회로로부터의 직류 전류를 일단 저축하는 콘덴서와,

상기 콘덴서의 충전 전압을 미리 설정한 일정의 전압값으로 제어하기 위한 충전 전압 제어 수단과,

상기 콘덴서에 저축된 전기 에너지를 방전시켜서 상기 여기 램프에 램프 전류를 공급하는 램프 전류 공급 수단과,

상기 콘덴서의 충전 전압을 입력하여 상용 주파수보다도 높은 소정 주파수의 교류 전압으로 변환하는 인버터와,

상기 인버터로부터의 교류 전압을 승압하여 미리 설정한 전압값의 직류 부스트 전압을 발생하는 승압회로와,

상기 부스트 전압을 상기 여기 램프의 점등 개시시에 상기 여기 램프에 공급시키는 점등 개시 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 전원 장치.
제 10 항에 있어서,

상기 상용 주파수의 교류 전압은 단상 교류 전압이며, 상기 정류 회로는 상기 단상 교류 전압을 전파 정류하는 단상 정류 회로인 것을 특징으로 하는 레이저 전원 장치.
제 11 항에 있어서,

상기 충전 전압 제어 수단이, 상기 단상 정류 회로와 상기 콘덴서와의 사이에 접속된 스위칭 수단과, 상기 단상 정류 회로로부터 상기 콘덴서에 공급되는 충전 전류의 위상을 상기 단상 정류 회로로부터 출력되는 직류 전압의 위상에 맞추도록 상기 스위칭 수단을 상기 상용 주파수보다도 높은 소정의 주파수로 스위칭 제어하는 역률 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 전원 장치.