KR20190087951A - 전원장치 및 레이저장치 - Google Patents

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Abstract

간헐동작하는 부하의 동작주파수를 높이는 것이 가능한 전원장치를 제공한다.
전원장치(200)는, 뱅크콘덴서(202) 및 충전전원(210)을 구비한다. 뱅크콘덴서(202)에는, 간헐동작하는 부하(고주파전원(104))가 접속된다. 충전전원(210)은, 스위칭컨버터(212)를 포함하고, 뱅크콘덴서(202)를 충전한다. 충전전원(210)은, 부하(고주파전원(104))의 동작개시를 트리거로 하여, 스위칭컨버터(212)의 로사이드트랜지스터(M1)를 1회, 턴온하는 메인충전을 행한다.

Description

전원장치 및 레이저장치{Power Supply Apparatus and Laser Apparatus}
본 출원은 2018년 1월 17일에 출원된 일본 특허출원 제2018-005849호에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 전체 내용은 이 명세서 중에 참고로 원용되어 있다.
본 발명은, 전원장치에 관한 것이다.
산업용의 가공툴로서, 레이저가공장치가 널리 보급되어 있다. 도 1은, 레이저가공장치(1r)의 블록도이다. 레이저가공장치(1r)는, CO2레이저 등의 레이저광원(2)과, 레이저광원(2)에 교류전력을 공급하여, 여진시키는 레이저구동장치(4r)를 구비한다. 레이저구동장치(4r)는, 직류전원(6) 및 고주파전원(8)을 구비한다. 직류전원(6)은 정전압원이며, PID(Proportional-Integral-Differential)제어나 PI제어 등을 이용한 피드백제어에 의하여 그 출력인 직류전압(VDC)을 목푯값으로 안정화시킨다. 고주파전원(8)은, 직류전압(VDC)을 받아, 이를 교번전압으로 변환하여, 부하(負荷)인 레이저광원(2)에 공급한다.
드릴용의 레이저가공장치(1r)에 있어서, 레이저광원(2)은 불연속운전한다. 즉, 비교적 짧은 수 마이크로~10마이크로초 정도의 발광기간과, 이와 동일한 정도, 혹은 짧은, 혹은 긴 휴지기간이 교대로 반복된다. 레이저광원(2)의 출력에너지를 안정화하기 위해서는, 직류전압(VDC)이 소정의 허용범위(사양전압범위)에 수용되어야 한다.
특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2002-254186호 특허문헌 2: 일본 공개특허공보 평8-168891호
도 2는, 도 1의 레이저가공장치(1r)의 동작파형도이다. 본 명세서에 있어서 참조하는 파형도나 타임차트의 세로축 및 가로축은, 이해를 용이하게 하기 위하여 적절히 확대, 축소한 것이며, 또 나타나는 각 파형도, 이해를 용이하게 하기 위하여 간략화되거나, 혹은 과장 또는 강조되어 있다.
레이저광원(2)의 점등, 소등에 따라, 고주파전원(8)은 동작기간과 휴지기간을 반복한다. 고주파전원(8)이 휴지기간으로부터 동작기간으로 이행할 때에, 직류전원(6)에 있어서 피드백의 응답지연이 발생하여, 직류전압(VDC)이 저하되고, 허용범위로부터 벗어날 우려가 있다. 고주파전원(8)의 동작기간으로부터 휴지기간으로 이행했을 때에, 피드백지연에 의하여 직류전압(VDC)이 상승하고, 허용범위로부터 벗어날 우려가 있다.
본 발명은 이러한 상황에 있어서 이루어진 것이며, 그 일 양태의 예시적인 목적 중 하나는, 간헐동작하는 부하의 동작주파수를 높이는 것이 가능한 전원장치의 제공에 있다.
본 발명의 일 양태는, 전원장치에 관한 것이다. 전원장치는, 간헐동작하는 부하가 접속되는 뱅크콘덴서와, 스위칭컨버터를 포함하고, 뱅크콘덴서를 충전하는 충전전원을 구비한다. 충전전원은, 스위칭컨버터의 로사이드트랜지스터를 부하의 동작개시를 트리거로 하여 1회, 턴온하는 메인충전을 행한다.
이 양태에 의하면, 고주파전원의 동작완료를 기다리지 않고, 고주파전원의 동작과 병행하여 뱅크콘덴서를 충전할 수 있기 때문에, 부하의 반복주파수를 높일 수 있다.
로사이드트랜지스터의 온시간은, 고주파전원의 동작사이클마다 갱신되어도 된다. 이로써, 뱅크콘덴서의 전압의 드리프트를 억제할 수 있다.
로사이드트랜지스터의 온시간은, 고정 온시간과 보정 온시간의 합이어도 된다. 어느 동작사이클에 있어서의 보정 온시간은, 그것보다 전의 동작사이클에 있어서의 뱅크콘덴서의 전압과 목표전압의 오차에 따라 조절되어도 된다.
충전전원은, 메인충전의 결과, 뱅크콘덴서의 전압이 사양전압범위로부터 벗어났을 때에, 서브충방전을 행해도 된다. 메인충전에 있어서 대략적인 충전을 행하고, 서브충방전에 있어서, 온시간의 피드백제어를 동반하는 정밀충전을 행함으로써, 사양전압범위로부터 벗어난 뱅크콘덴서의 전압을, 사양전압범위 내로 복귀시킬 수 있다.
메인충전에 있어서의 로사이드트랜지스터의 온시간은, PI(비례·적분)제어 또는 PID(비례·적분·미분)제어에 의하여 조절되어도 된다. 서브충방전이 발생한 동작사이클의 다음의 동작사이클에 있어서, 메인충전에 있어서의 로사이드트랜지스터의 보정 온시간으로서, 전의 동작사이클의 서브충방전의 온시간을 이용해도 된다. 이로써, 메인충전에 있어서의 충전량을 최적화할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 레이저장치에 관한 것이다. 레이저장치는, 레이저광원과, 레이저광원에 교번전압을 간헐적으로 공급하는 고주파전원과, 고주파전원을 부하로 하는 상술한 전원장치를 구비한다.
다만, 이상의 구성요소의 임의의 조합이나 본 발명의 구성요소나 표현을, 방법, 장치, 시스템 등의 사이에서 상호치환한 것도, 본 발명의 양태로서 유효하다.
본 발명의 일 양태에 의하면, 부하의 동작주파수를 높일 수 있다.
도 1은 레이저가공장치의 블록도이다.
도 2는 도 1의 레이저가공장치의 동작파형도이다.
도 3은 실시형태에 관한 전원장치를 구비하는 레이저장치의 블록도이다.
도 4는 실시형태에 관한 레이저장치의 동작파형도이다.
도 5는 비교기술에 관한 전원장치의 동작파형도이다.
도 6은 가변 온시간제어에 대응한 컨버터컨트롤러의 블록도이다.
도 7에 있어서, 도 7(a)는 온시간을 고정했을 때의 직류전압(VDC)의 파형의 일례를 나타내는 도이며, 도 7(b)는 가변 온시간제어를 행했을 때의 직류전압(VDC)의 파형의 일례를 나타내는 도이다.
도 8은 서브충방전에 대응한 컨버터컨트롤러의 블록도이다.
도 9에 있어서, 도 9(a), 도 9(b)는 서브충방전을 설명하는 타임차트이다.
도 10은 서브충방전의 온시간의 메인충전으로의 반영을 설명하는 도이다.
도 11에 있어서, 도 11(a)는 도 10의 제어를 행하지 않는 경우의, 도 11(b)는 도 10의 제어를 행한 경우의 동작파형도이다.
도 12는 레이저장치를 구비하는 레이저가공장치를 나타내는 도이다.
이하, 본 발명을 적합한 실시형태를 바탕으로 도면을 참조하면서 설명한다. 각 도면에 나타나는 동일 또는 동등의 구성요소, 부재, 처리에는, 동일한 부호를 붙이는 것으로 하고, 중복된 설명은 적절히 생략한다. 또한, 실시형태는, 발명을 한정하는 것이 아닌 예시이며, 실시형태에 기술되는 모든 특징이나 그 조합은, 반드시 발명의 본질적인 것이라고는 할 수 없다.
도 3은, 실시형태에 관한 전원장치(200)를 구비하는 레이저장치(100)의 블록도이다. 레이저장치(100)는, 레이저광원(102), 고주파전원(104), 상위 컨트롤러(106), 전원장치(200)를 구비한다. 레이저광원(102)은, 예를 들면 CO2레이저이다. 상위 컨트롤러(106)는, 레이저광원(102)의 여진(발광), 정지를 지시하는 여진신호(SEXC)를 생성한다.
고주파전원(104)은, 그 입력이 전원장치(200)와 접속되며, 그 출력이 레이저광원(102)에 접속되어 있다. 고주파전원(104)에는, 전원장치(200)로부터의 직류전압(VDC)이 공급된다. 고주파전원(104)은, 여진신호(SEXC)에 따라, 레이저광원(102)에 교류의 구동전압(VDRV)을 간헐적으로 공급한다. 즉 고주파전원(104)은, 여진신호(SEXC)가 여진을 지시하는 기간(예를 들면 하이(high)), 액티브가 되고, 레이저광원(102)에 교류의 구동전압(VDRV)을 공급한다. 고주파전원(104)은, 여진신호(SEXC)가 정지를 지시하는 기간(예를 들면 로(low)), 비액티브가 되고, 레이저광원(102)에 대한 전력공급을 정지한다. 고주파전원(104)이 스위칭하는 기간을 동작기간, 스위칭이 정지하는 기간을 휴지기간이라고 한다. 고주파전원(104)의 구성은 특별히 한정되지 않으며, 공지기술을 이용하면 된다.
전원장치(200)는, 뱅크콘덴서(202) 및 충전전원(210)을 구비한다. 뱅크콘덴서(202)에는, 간헐동작하는 부하인 고주파전원(104)이 접속된다. 뱅크콘덴서(202)는, 그것 자체로 고주파전원(104)에 전력을 공급하는 축전디바이스와 같은 직류전원으로 파악할 수 있다.
충전전원(210)은, 스위칭컨버터(212) 및 컨버터컨트롤러(220)를 포함한다. 충전전원(210)은, 뱅크콘덴서(202)에 발생하는 직류전압(VDC)이 사양전압범위(VTGT)에 포함되도록, 뱅크콘덴서(202)를 충전한다. 뱅크콘덴서(202)의 용량(C)은, 고주파전원(104)에 의한 방전의 과정에 있어서도, 직류전압(VDC)이 허용범위를 하회하지 않도록 충분히 크게 설계된다.
충전전원(210)은, 부하인 고주파전원(104)의 동작개시를 트리거로 하여, 메인충전을 행한다. 예를 들면 컨버터컨트롤러(220)에는, 여진신호(SEXC) 혹은 그에 근거하는 신호가 입력되며, 여진신호(SEXC)가 하이로 천이된 것, 즉 고주파전원(104)의 동작개시를 트리거로 하여, 메인충전을 개시해도 된다.
스위칭컨버터(212)는, 승압컨버터의 토폴로지를 갖는다. 구체적으로는 스위칭컨버터(212)는, 리액터(L1), 로사이드트랜지스터(M1), 하이사이드트랜지스터(M2)를 포함한다. 트랜지스터(M1, M2)는, FET(Field Effect Transistor)나 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), 바이폴러트랜지스터로 구성할 수 있다. 하이사이드트랜지스터(M2) 대신에, 다이오드가 이용되어도 된다. 컨버터컨트롤러(220)는, 로사이드트랜지스터(M1) 및 하이사이드트랜지스터(M2)를 제어한다.
메인충전에 있어서 컨버터컨트롤러(220)는, 스위칭컨버터(212)의 로사이드트랜지스터(M1)를 1회, 턴온한다.
이상이 실시형태에 관한 레이저장치(100)의 기본구성이다. 계속해서 레이저장치(100)의 기본이 되는 동작을 설명한다.
도 4는, 실시형태에 관한 레이저장치(100)의 동작파형도이다. 고주파전원(104)은, 여진신호(SEXC)에 따라, 수 kHz 정도의 반복주파수, 듀티비 5% 정도에서 간헐동작한다. 도 4에는 1사이클(레이저 원샷)의 동작이 나타난다.
시각 t0에, 여진신호(SEXC)가 하이(어서트)가 되고, 여진기간(TEXC)(t0~t1)이 된다. 여진기간(TEXC) 동안, 고주파전원(104)이 스위칭동작한다. 여진기간(TEXC) 동안, 뱅크콘덴서(202)의 전하가 방전되고, 직류전압(VDC)이, 드롭량(ΔV)만큼 저하된다. 단, 뱅크콘덴서(202)의 용량(C)은 충분히 크기 때문에, 저하 후의 직류전압(VDC)은 사양전압범위(VTGT)의 하한을 하회하지 않는다.
컨버터컨트롤러(220)는, 여진신호(SEXC)의 하이레벨로의 천이를 트리거로 하여 로사이드트랜지스터(M1)를 턴온하고, 온시간 TON의 경과 후의 시각 t2에, 로사이드트랜지스터(M1)를 턴오프한다.
로사이드트랜지스터(M1)가 온인 기간, 리액터(L1)에 흐르는 전류(리액터전류)(IL)가 증대된다. 이때의 리액터전류(IL)는, 로사이드트랜지스터(M1)에 흐르기 때문에, 뱅크콘덴서(202)에 대한 충전전류(ICHG)는 제로이다.
컨버터컨트롤러(220)는, 시각 t2에 로사이드트랜지스터(M1)를 턴오프한다. 로사이드트랜지스터(M1)가 턴오프하면, 리액터전류(IL)는, 시간과 함께 감소한다. 이때의 리액터전류(IL)는, 충전전류(ICHG)로서, 하이사이드트랜지스터(M2)의 보디다이오드(혹은 외부부착되는 다이오드)를 경유하여 뱅크콘덴서(202)에 공급된다. 그 결과, 뱅크콘덴서(202)의 직류전압(VDC)은 상승하여, 원래의 전압레벨로 복귀한다.
온시간 TON에 대하여 설명한다. 간단하게, 드롭량(ΔV)은, 레이저광원(102)의 출력에 의존하고 있으며, 실질적으로 일정하게 취급하는 것으로 한다. 레이저광원(102)의 여진기간에, 뱅크콘덴서(202)로부터 고주파전원(104)에 공급되는 전하량(Q)은,
Q=C×ΔV
가 된다. 따라서, 충전전류(ICHG)의 시간적분값이 전하량(Q)과 일치하도록, 온시간 TON을 규정하면 된다.
컨버터컨트롤러(220)는, 로사이드트랜지스터(M1)를 턴오프한 후, 일점쇄선으로 나타내는 바와 같이 하이사이드트랜지스터(M2)를 온으로 해도 된다(동기정류모드). 이 경우, 충전전류(ICHG)는, 하이사이드트랜지스터(M2)의 채널을 경유하여 흐른다. 이상이, 레이저장치(100)의 동작이다.
전원장치(200)의 이점은, 비교기술과의 대비에 의하여 명확해진다. 도 5는, 비교기술에 관한 전원장치의 동작파형도이다. 비교기술에서는, 여진신호(SEXC)가 로가 되며, 고주파전원(104)이 정지한 후에, 로사이드트랜지스터(M1)를 턴온한다. 따라서, 1사이클의 주기(반복주기)(TCYC)는, 부등식 (1)로 나타내진다.
TCYC≥TEXC+TON+TOFF …(1)
한편, 실시형태에 관한 전원장치(200)에 의하면, 고주파전원(104)의 동작완료를 기다리지 않고, 고주파전원(104)의 동작과 병행하여 뱅크콘덴서(202)를 충전할 수 있다. 구체적으로는, 1사이클의 주기(TCYC)는, 부등식 (2)로 나타내진다.
TCYC≥TON+TOFF …(2)
부등식 (1)과 부등식 (2)의 비교에서 알 수 있는 바와 같이, 실시형태에 관한 전원장치(200)에 의하면, 부하인 고주파전원(104)의 1사이클의 주기를 단축할 수 있고, 나아가서는 부하의 반복주파수를 높일 수 있다.
본 발명은, 도 3의 블록도나 회로도로서 파악되며, 혹은 상술한 설명으로부터 유도되는 다양한 장치, 회로에 이르는 것으로, 특정 구성에 한정되는 것은 아니다. 이하, 본 발명의 범위를 좁히기 위한 것이 아니며, 발명의 본질이나 회로동작의 이해를 돕고, 또 이들을 명확화하기 위하여, 보다 구체적인 구성예나 실시예를 설명한다.
(가변 온시간제어)
레이저광원(102)의 출력에너지가 설곗값으로부터 어긋나면, 뱅크콘덴서(202)의 전압의 드롭량(ΔV)이 설곗값으로부터 어긋난다. 이때, 미리 규정해 둔 온시간 TON에서 메인충전을 행하면, 충전에 의한 직류전압(VDC)의 회복량과, 방전에 의한 드롭량(ΔV)이 불평형이 되어, 직류전압(VDC)이 드리프트한다.
혹은 컨버터컨트롤러(220)의 입력전압이 변동하면, 충전에 의한 직류전압(VDC)의 회복량이 설곗값으로부터 어긋나기 때문에, 방전에 의한 드롭량(ΔV)과의 사이에 불평형이 발생하여, 직류전압(VDC)이 드리프트한다.
직류전압(VDC)의 드리프트를 억제하기 위하여, 로사이드트랜지스터(M1)의 온시간 TON을 가변으로 하여, 부하(고주파전원(104))의 동작사이클마다 갱신하면 된다. 도 6은, 가변 온시간제어에 대응한 컨버터컨트롤러(220A)의 블록도이다. 컨버터컨트롤러(220A)의 주요부는, 소프트웨어프로그램과 그것을 실행하는 프로세서의 조합으로 실장해도 되며, 하드웨어로 실장해도 된다. 컨버터컨트롤러(220A)의 제어대상(221)은, 펄스폭변조기(230)나 도시하지 않은 드라이버, 스위칭컨버터(212), 뱅크콘덴서(202)를 포함한다.
컨버터컨트롤러(220A)에 있어서, 로사이드트랜지스터(M1)의 온시간 TON은, 고정 온시간 TON_FIX와 보정 온시간 ΔTON의 합이다.
TON=TON_FIX+ΔTON
고정 온시간 TON_FIX는, 원샷당 직류전압(VDC)의 드롭량(ΔV)의 설곗값에 근거하여 규정할 수 있다. 보정 온시간 ΔTON은 제로, 정 혹은 부를 취할 수 있다.
어느 동작사이클에 있어서의 보정 온시간 ΔTON은, 그것보다 전의 동작사이클에 있어서의 뱅크콘덴서(202)의 충전완료 시의 직류전압(VDC)과, 목표전압 VREF의 오차에 따라 조절된다. 즉, 직류전압(VDC)과 목표전압 VREF의 오차를 검출하고, 이들의 오차전압(VERR)이 제로에 가까워지도록, 다음의 동작사이클의 보정 온시간 ΔTON을 조절한다.
어느 동작사이클 i(i=1, 2…)에 있어서, 충전 후의 전압(VDC)은, A/D컨버터(222)에 의하여 디지털값 VDC[i]으로 변환된다. 감산기(224)는, 목표전압값 VREF로부터 직류전압값 VDC[i]을 감산하여, 오차값 VERR[i]을 생성한다. PID(비례·적분·미분)컨트롤러(226)는, 오차값 VERR[i]에 근거하여, 다음의 동작사이클의 보정 온시간 ΔTON[i+1]을 생성한다. 가산기(228)에 의하여, 고정 온시간 TON_FIX와 보정 온시간 ΔTON[i+1]이 가산되어, 온시간 TON[i+1]이 결정된다. 펄스폭변조기(230)는, 온시간 TON[i+1] 동안, 하이가 되는 펄스신호를 생성하여, 스위칭컨버터(212)를 구동한다. PID컨트롤러(226) 대신에, PI컨트롤러를 채용해도 된다.
이상이 가변 온시간제어의 설명이다. 도 7(a)는, 온시간을 고정했을 때의 직류전압(VDC)의 파형의 일례를 나타내는 도이며, 도 7(b)는, 가변 온시간제어를 행했을 때의 직류전압(VDC)의 파형의 일례를 나타내는 도이다.
도 7(a)에 나타내는 바와 같이, 온시간 TON을 고정하면, 부하변동이나 입력전압변동 등에 기인하여, 뱅크콘덴서(202)의 충전전하량과 방전전하량의 사이에 불평형이 발생하고, 직류전압(VDC)이 사이클마다 드리프트하여, 결국은 사양전압범위(VTGT)로부터 벗어나게 된다.
이에 반하여, 가변 온시간제어를 도입하면, 도 7(b)에 나타내는 바와 같이, 직류전압(VDC)의 드리프트를 억제하여, 직류전압(VDC)을 사양전압범위(VTGT) 내로 유지하는 것이 가능하다. 게다가, 사이클마다 충전 후의 직류전압(VDC)이 목표전압 VREF에 가까워지도록 PID제어에 의하여 온시간이 보정되기 때문에, 레이저광원(102)의 출력에너지의 변동을 억제할 수 있다.
(서브충방전)
1회의 메인충전 후, 뱅크콘덴서(202)의 직류전압(VDC)이, 사양전압범위(VTGT)로부터 벗어나는 경우도 발생할 수 있다. 이는, 가변 온시간제어를 도입한 경우여도, 뱅크콘덴서(202)의 직류전압(VDC)의 드롭량(ΔV)이 급격하게 변동하거나, 입력전압(VIN)이 급격하게 변동하는 상황에서 발생한다. 직류전압(VDC)이 사양전압범위(VTGT)로부터 벗어나 있는 동안은, 상위 컨트롤러(106)에 의하여 레이저의 샷이 금지되기 때문에, 생산성이 저하된다.
따라서 충전전원(210)은, 1회의 메인충전의 결과, 뱅크콘덴서(202)의 전압(VDC)이 사양전압범위(VTGT)로부터 벗어났을 때에, 서브충방전을 행한다. 서브충방전에서는, 메인충전보다 높은 정밀도로, 뱅크콘덴서(202)에 공급하고, 혹은 이들로부터 뽑아내는 전류량을 조절한다. 서브충방전을, 정밀충방전이라고 칭해도 된다.
도 8은, 서브충방전에 대응한 컨버터컨트롤러(220B)의 블록도이다. 컨버터컨트롤러(220B)는, 도 6의 컨버터컨트롤러(220A)에 더하여, 서브충방전컨트롤러(240)를 포함한다. 메인충전에서는, PID컨트롤러(226)가 유효해진다.
메인충전의 완료 후, 직류전압(VDC)이 사양전압범위(VTGT)로부터 벗어나면, 서브충방전컨트롤러(240)가 유효해진다. 서브충방전컨트롤러(240)는, P제어, PI제어, PID제어 중 어느 하나를 채용할 수 있다. 서브충방전컨트롤러(240)는, 직류전압(VDC)이 기준전압(VREF)에 가까워지도록, 즉 오차전압(VERR)이 제로에 가까워지도록, 온시간 TON_FINE을 피드백제어하고, 스위칭컨버터(212)를 제어한다. 다만 정의 온시간 TON_FINE은, 추가 충전에 대응할 수 있으며, 부의 온시간 TON_FINE은, 추가 방전에 대응할 수 있다. TON_FINE이 부인 경우, 스위칭컨버터(212)는, 하이사이드트랜지스터(M2)가 선행하여 온하는 강압모드로 동작한다.
도 9(a), 도 9(b)는, 서브충방전을 설명하는 타임차트이다. 시각 t0에 여진신호(SEXC)가 하이가 되고, 메인충전이 실시되며, 뱅크콘덴서(202)의 전압(VDC)이 상승한다. 도 9(a)에 나타내는 바와 같이, 메인충전의 결과, 전압(VDC)이 사양전압범위(VTGT)를 하회하고 있으면, 서브충전이 행해진다. 구체적으로는, 컨버터컨트롤러(220B)는, 오차전압(VERR)이 제로에 가까워지도록 온시간 TON_FINE을 피드백제어하면서, 스위칭컨버터(212)의 로사이드트랜지스터(M1)를 적어도 1회, 스위칭한다.
도 9(b)에 나타내는 바와 같이, 메인충전의 결과, 전압(VDC)이 사양전압범위(VTGT)를 상회하고 있으면, 서브방전이 행해진다. 구체적으로는, 컨버터컨트롤러(220B)는, 오차전압(VERR)이 제로에 가까워지도록 온시간 TON_FINE을 피드백제어하면서, 스위칭컨버터(212)의 하이사이드트랜지스터(M2)를 적어도 1회, 스위칭한다.
서브충방전을 도입하여, 스위칭컨버터(212)를 피드백제어함으로써, 사양전압범위로부터 벗어난 전압(VDC)을 사양전압범위(VTGT)로 복귀시킬 수 있다.
(서브충방전으로부터 메인충전으로의 전환)
다만, 서브충방전이 발생한 동작사이클의 다음의 동작사이클에 있어서, 메인충전에 있어서의 로사이드트랜지스터(M1)의 보정 온시간 ΔT[i+1]로서, 직전의 서브충방전의 온시간 TON_FINE을 이용하면 된다. 이는, PID컨트롤러(226)의 적분항의 값을, TON_FINE으로 치환함으로써 실현해도 된다. 도 10은, 서브충방전의 온시간 TON_FINE의 메인충전으로의 반영을 설명하는 도이다.
도 11(a)는, 도 10의 제어를 행하지 않는 경우의, 도 11(b)는, 도 10의 제어를 행한 경우의 동작파형도이다. 도 10의 제어를 행하지 않는 경우, 도 11(a)에 나타내는 바와 같이, 서브방전이 매 사이클 발생한다. 즉 서브방전의 시간만큼, 반복주기가 길어진다. 이에 반하여 도 10의 제어를 행한 경우, 도 11(b)에 나타내는 바와 같이, 복수 사이클에 걸쳐 서브방전이 연속하여 발생하는 것을 방지할 수 있기 때문에, 레이저의 반복주파수를 높일 수 있다.
(용도)
계속해서 레이저장치(100)의 용도를 설명한다. 도 12는, 레이저장치(100)를 구비하는 레이저가공장치(300)를 나타내는 도이다. 레이저가공장치(300)는, 대상물(302)에 레이저펄스(304)를 조사하여, 대상물(302)을 가공한다. 대상물(302)의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 또 가공의 종류도, 천공(드릴), 절단 등이 예시되지만, 이에 한정되지 않는다.
레이저가공장치(300)는, 레이저장치(100), 광학계(310), 제어장치(320), 스테이지(330)를 구비한다. 대상물(302)은 스테이지(330) 상에 재치되며, 필요에 따라 고정된다. 스테이지(330)는, 제어장치(320)로부터의 위치제어신호(S2)에 따라, 대상물(302)을 위치결정하고, 대상물(302)과 레이저펄스(304)의 조사위치를 상대적으로 스캔한다. 스테이지(330)는, 1축, 2축(XY) 혹은 3축(XYZ)일 수 있다.
레이저장치(100)는, 제어장치(320)로부터의 트리거신호(여진신호)(S1)에 따라 발진하고, 레이저펄스(306)를 발생한다. 광학계(310)는, 레이저펄스(306)를 대상물(302)에 조사한다. 광학계(310)의 구성은 특별히 한정되지 않으며, 빔을 대상물(302)에 유도하기 위한 미러군, 빔정형을 위한 렌즈나 애퍼처 등을 포함할 수 있다.
제어장치(320)는, 레이저가공장치(300)를 통괄적으로 제어한다. 구체적으로는 제어장치(320)는, 레이저장치(100)에 대하여 간헐적으로 트리거신호(S1)를 출력한다. 또 제어장치(320)는, 가공처리를 기술하는 데이터(레시피)에 따라 스테이지(330)를 제어하기 위한 위치제어신호(S2)를 생성한다.
이상, 본 발명에 대하여, 몇 가지의 실시형태를 바탕으로 설명했다. 이들 실시형태는 예시이며, 이들의 각 구성요소나 각 처리프로세스의 조합에 다양한 변형예가 가능한 점, 또 이러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 점은 당업자에게 이해되는 바이다. 이하, 이러한 변형예에 대하여 설명한다.
실시형태에서는, 메인충전과 서브충방전을 공통의 컨버터에 의하여 행했지만 그것에 한정되지 않으며, 메인충전용의 스위칭컨버터와, 서브충방전용의 스위칭컨버터를 2계통 준비해도 된다.
실시형태에 관한 전원장치(200)의 용도는, 전원장치(200)에 한정되지 않으며, 간헐동작하는 부하에 직류전압을 공급하는 용도로 이용할 수 있다.
실시형태에 근거하여, 구체적인 어구를 이용하여 본 발명을 설명했지만, 실시형태는, 본 발명의 원리, 응용의 일 측면을 나타내고 있는 것에 지나지 않으며, 실시형태에는, 청구범위에 규정된 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위에 있어서, 많은 변형예나 배치의 변경이 인정된다.
100 레이저장치
102 레이저광원
104 고주파전원
106 상위 컨트롤러
200 전원장치
202 뱅크콘덴서
210 충전전원
212 스위칭컨버터
220 컨버터컨트롤러
226 PID컨트롤러
240 서브충방전컨트롤러
L1 리액터
M1 로사이드트랜지스터
M2 하이사이드트랜지스터
300 레이저가공장치
310 광학계
320 제어장치
330 스테이지

Claims (6)

  1. 간헐동작하는 부하가 접속되는 뱅크콘덴서와,
    스위칭컨버터를 포함하고, 상기 뱅크콘덴서를 충전하는 충전전원을 구비하며,
    상기 충전전원은, 상기 부하의 동작개시를 트리거로 하여, 상기 스위칭컨버터의 로사이드트랜지스터를 1회, 턴온하는 메인충전을 행하는 것을 특징으로 하는 전원장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 로사이드트랜지스터의 온시간은, 상기 부하의 동작사이클마다 갱신되는 것을 특징으로 하는 전원장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 로사이드트랜지스터의 온시간은, 고정 온시간과 보정 온시간의 합이며, 어느 동작사이클에 있어서의 상기 보정 온시간은, 그것보다 전의 동작사이클에 있어서의 상기 뱅크콘덴서의 전압과 목표전압의 오차에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 전원장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 충전전원은, 상기 메인충전의 결과, 상기 뱅크콘덴서의 전압이 사양전압범위로부터 벗어났을 때에, 서브충방전을 행하는 것을 특징으로 하는 전원장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 메인충전에 있어서의 상기 로사이드트랜지스터의 상기 보정 온시간은, PI(비례·적분)제어 또는 PID(비례·적분·미분)제어에 의하여 조절되고,
    상기 서브충방전이 발생한 동작사이클의 다음의 동작사이클에 있어서, 상기 메인충전에 있어서의 상기 로사이드트랜지스터의 상기 보정 온시간으로서, 전의 동작사이클의 상기 서브충방전의 상기 온시간을 이용하는 것을 특징으로 하는 전원장치.
  6. 레이저광원과,
    상기 레이저광원에, 교번전압을 간헐적으로 공급하는 고주파전원과,
    청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 전원장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저장치.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7455572B2 (ja) * 2019-12-23 2024-03-26 住友重機械工業株式会社 電源装置及びレーザ装置
CN111697871B (zh) * 2020-04-29 2021-07-02 西北核技术研究院 一种Tesla变压器型脉冲功率源的输出电压调节方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08168891A (ja) 1994-04-27 1996-07-02 Mitsubishi Electric Corp レーザ加工装置およびその制御方法
KR20010047855A (ko) * 1999-11-23 2001-06-15 윤문수 전원 출력 제어 장치 및 그를 이용한 펄스형 레이저 전원장치
KR20020027115A (ko) * 2000-10-06 2002-04-13 김규 제로 크로싱 제어방식을 이용한 펄스파워 전원장치
JP2002254186A (ja) 1994-04-27 2002-09-10 Mitsubishi Electric Corp レーザ加工装置およびその制御方法
JP2017184372A (ja) * 2016-03-29 2017-10-05 住友重機械工業株式会社 レーザ駆動装置

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10248252A (ja) * 1997-03-07 1998-09-14 Meidensha Corp コンデンサの充電装置
JP2000068573A (ja) * 1998-08-18 2000-03-03 Nec Corp レーザ電源装置
US6958592B2 (en) * 2003-11-26 2005-10-25 Power-One, Inc. Adaptive delay control circuit for switched mode power supply
JP3891447B1 (ja) * 2006-09-15 2007-03-14 株式会社パワーシステム 間歇動作負荷給電システム
JP4984801B2 (ja) * 2006-10-05 2012-07-25 株式会社明電舎 コンデンサ充電装置
JP5110935B2 (ja) * 2007-03-30 2012-12-26 キヤノン株式会社 電源装置、電源装置を備える記録装置
JP2012122879A (ja) * 2010-12-09 2012-06-28 Advantest Corp 電源装置、その制御方法ならびにそれらを用いた試験装置
EP3367519B1 (en) * 2011-02-03 2019-07-10 IPG Photonics Corporation System for driving a pulsed laser diode pump
JP5423777B2 (ja) * 2011-06-03 2014-02-19 株式会社デンソー 車両用コンバータ制御装置
JP2013009535A (ja) * 2011-06-24 2013-01-10 Rohm Co Ltd 電源回路およびそれを用いたディスプレイ装置
JP5790563B2 (ja) * 2012-03-26 2015-10-07 株式会社村田製作所 スイッチング電源装置
KR20130129584A (ko) * 2012-05-21 2013-11-29 박찬웅 스위칭 전원의 권선 전압에 의해 출력 전압의 오차를 검출하는 방법 및 회로와 출력전압을 제어하는 방법 및 회로
JP5704124B2 (ja) * 2012-06-14 2015-04-22 株式会社村田製作所 スイッチング電源装置
CN103701323B (zh) * 2013-12-30 2016-06-15 成都芯源系统有限公司 恒定导通时长控制的开关电源及其控制电路和控制方法
JP6357966B2 (ja) * 2014-08-12 2018-07-18 富士通株式会社 電源制御装置および電子装置
CN104467410B (zh) * 2014-12-03 2017-02-22 无锡中感微电子股份有限公司 具有能量回收功能的直流‑直流转换器
JP6637717B2 (ja) * 2015-10-16 2020-01-29 ローム株式会社 Ｄｃ／ｄｃコンバータおよびその制御回路、システム電源

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08168891A (ja) 1994-04-27 1996-07-02 Mitsubishi Electric Corp レーザ加工装置およびその制御方法
JP2002254186A (ja) 1994-04-27 2002-09-10 Mitsubishi Electric Corp レーザ加工装置およびその制御方法
KR20010047855A (ko) * 1999-11-23 2001-06-15 윤문수 전원 출력 제어 장치 및 그를 이용한 펄스형 레이저 전원장치
KR20020027115A (ko) * 2000-10-06 2002-04-13 김규 제로 크로싱 제어방식을 이용한 펄스파워 전원장치
JP2017184372A (ja) * 2016-03-29 2017-10-05 住友重機械工業株式会社 レーザ駆動装置

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