TW202345498A - 電源裝置、雷射裝置 - Google Patents

電源裝置、雷射裝置 Download PDF

Info

Publication number
TW202345498A
TW202345498A TW112108017A TW112108017A TW202345498A TW 202345498 A TW202345498 A TW 202345498A TW 112108017 A TW112108017 A TW 112108017A TW 112108017 A TW112108017 A TW 112108017A TW 202345498 A TW202345498 A TW 202345498A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
frequency
power supply
voltage
circuit
resonance
Prior art date
Application number
TW112108017A
Other languages
English (en)
Inventor
宮嵜洸一
Original Assignee
日商住友重機械工業股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日商住友重機械工業股份有限公司 filed Critical 日商住友重機械工業股份有限公司
Publication of TW202345498A publication Critical patent/TW202345498A/zh

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/097—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser
    • H01S3/09702—Details of the driver electronics and electric discharge circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0038—Circuits or arrangements for suppressing, e.g. by masking incorrect turn-on or turn-off signals, e.g. due to current spikes in current mode control
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/14—Arrangements for reducing ripples from dc input or output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/1566—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators with means for compensating against rapid load changes, e.g. with auxiliary current source, with dual mode control or with inductance variation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/02—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc
    • H02M5/04—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/10—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using transformers
    • H02M5/12—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using transformers for conversion of voltage or current amplitude only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/06—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes without control electrode or semiconductor devices without control electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

[課題] 提供一種僅藉由硬體亦能夠有效地抑制過電壓之電源裝置等。 [解決手段] 驅動包含一對放電電極之雷射共振器(200)之電源裝置(250)具備：高頻電源，其係對包含一對放電電極的電容之共振電路施加高頻電壓(V RF)；及箝制電路(600)，其係設置在高頻電源與共振電路之間，並將高頻電壓(V RF)限制在規定範圍內。高頻電源具備：充電電容器(411)，其係由充電電路進行充電；逆變器(412)，其係將該充電電容器(411)的直流電壓轉換為交流電壓；及升壓變壓器(413)，其係將該交流電壓進行升壓而生成高頻電壓(V RF)；箝制電路(600)具備：變壓器(620)，其係與升壓變壓器(413)並列設置；及整流電路(630)，其係連接於該變壓器(620)的高頻電源(400)側而能夠對充電電容器(411)進行充電。

Description

電源裝置、雷射裝置
本發明有關一種雷射裝置等。
作為產業用的加工工具，廣泛普及有雷射加工裝置。關於雷射加工裝置，使用CO 2雷射等的高輸出的氣體雷射。 圖1為雷射加工裝置或雷射裝置100R的功能方塊圖。雷射裝置100R具備雷射共振器200及電源裝置250R。雷射共振器200具備一對放電電極202、204、全反射鏡206及部分反射鏡208。
一對放電電極202、204設置在填充有CO 2等雷射介質氣體之氣體腔室內。在一對放電電極202、204之間存在電容C。該電容C與電感L(電感元件或寄生電感)形成具有共振頻率F RES之共振電路210。
驅動雷射共振器200之電源裝置250R對共振電路210施加高頻電壓V RF。高頻電壓V RF的頻率F RF(以下，亦稱為同步頻率)設定在共振電路210的共振頻率F RES的附近。藉由施加高頻電壓V RF，放電電流流過一對放電電極202、204之間。該放電電流激發雷射介質氣體，形成用於雷射振盪或誘導發射之反轉分布。來自反轉分布的誘導發射光藉由在由全反射鏡206和部分反射鏡208形成之光共振器內往返，並通過激發狀態的雷射介質氣體來增幅。被增幅之誘導發射光的一部分從部分反射鏡208作為輸出(雷射光)被取出。
電源裝置250R具備：直流電源300，其係生成穩定化之直流電壓V DC；及高頻電源400，其係將直流電壓V DC轉換為高頻電壓V RF而施加於共振電路210。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1] 日本特開2019-192715號專利公報
[發明所欲解決之問題]
在由放電電極202、204的連接不良等造成之開放狀態或雷射未發光時等輕負載狀態下，由於放電電極202、204之間的電容C變得極小，因此共振電路210的共振頻率(以下，亦稱為異常共振頻率F RES')變得非常高。其結果，在高頻電源400的同步頻率F RF與共振電路210的異常共振頻率F RES'中產生較大的偏離(F RF＜F RES')，在高頻電源400中所包含之升壓變壓器的二次側產生過大的高頻電壓V RF。另外，本說明書中簡稱為「共振頻率」時，除非另有說明，否則係指正常時的共振頻率F RES。又，在將正常時的共振頻率F RES與異常共振頻率F RES'特別區分之情況下，有時表述為正常共振頻率(F RES)。
專利文獻1中，揭示了為了抑制施加於共振電路之過大的高頻電壓而暫時抑制共振電路的兩端之間的過電壓之氣體避雷器或變阻器等過電壓抑制元件。過電壓抑制元件耐受過電壓之時間有限，在此期間檢測出異常之保護電路藉由軟體控制停止向共振電路施加高頻電壓。但是，除了異常產生時過電壓直接施加之過電壓抑制元件的壽命短等問題以外，還存在伴隨軟體控制之保護電路的動作慢等問題。
本發明係有鑑於該種狀況而完成之者，其目的在於提供一種僅藉由硬體亦能夠有效地抑制過電壓之電源裝置等。 [解決問題之技術手段]
為了解決上述問題，本發明的一態樣的電源裝置係一種驅動包含一對放電電極之雷射共振器之電源裝置，其具備：高頻電源，其係對包含一對放電電極的電容之共振電路施加高頻電壓；及振動抑制電路，其係設置在高頻電源與共振電路之間，並抑制高頻電壓下的共振電路的共振頻帶外的振動。
依該態樣，能夠藉由設置在高頻電源與共振電路之間之振動抑制電路，抑制正常共振頻帶外的振動。在開放狀態或輕負載狀態下產生之過大的高頻電壓起因於高於正常時的共振頻率(F RES)的異常共振頻率(F RES')的高頻振動。本發明中，藉由僅由硬體構成能夠非暫時或始終抑制正常共振頻帶外的異常共振頻率的高頻振動之振動抑制電路，從而能夠比伴隨軟體控制之專利文獻1高速地抑制過電壓。作為振動抑制電路，例示有選擇性地衰減正常共振頻帶外的頻率的電流之阻尼電路或至少將正常共振頻帶外的頻率的高頻電壓限制在規定範圍內之箝制電路。
本發明的另一態樣為雷射裝置。該裝置具備：雷射共振器，其係包含一對放電電極；高頻電源，其係對包含一對放電電極的電容之共振電路施加高頻電壓；及振動抑制電路，其係設置在高頻電源與共振電路之間，並抑制高頻電壓下的共振電路的共振頻帶外的振動。
此外，將以上構成要件的任意組合或該等表現轉換為方法、裝置、系統、記錄媒體、電腦程式等之態樣，亦包含在本發明中。 [發明之效果]
根據本發明，僅藉由硬體亦能夠有效地抑制過電壓。
以下，一邊參照圖式，一邊對用於實施本發明之形態(以下亦稱為實施方式)進行詳細說明。在說明和/或圖式中，對相同或等同之構成要件、構件、處理等標註相同之符號並省略重複的說明。圖中所示之各部的縮尺和形狀係為了簡化說明而方便地設定，只要沒有特別提及，就不作限定性解釋。實施方式為例示，並非對本發明的範圍做任何限定。實施方式中所記載之所有特徵、該等的組合未必限於本發明的本質者。
圖2為本發明的第1實施方式之雷射裝置100的功能方塊圖。雷射裝置100具備商用電源10、直流電源300、高頻電源400、阻尼電路500、共振電感器L及雷射共振器200。本發明的第1實施方式之電源裝置250由直流電源300、高頻電源400、阻尼電路500的全部或一部分構成。電源裝置250的功能方塊中伴隨軟體控制者藉由電腦的中央運算處理裝置、記憶體、輸入裝置、輸出裝置、連接於電腦之周邊機器等硬體資源和使用該等而執行之軟體的協作來實現。無論電腦的種類、設置位置如何，上述各機能方塊都可以由單個電腦的硬體資源實現，亦可以組合分散於複數個電腦中之硬體資源來實現。
直流電源300具備AC-DC轉換部310、DC-DC轉換部320、DC鏈電壓檢測部330、高頻電壓指令運算部340、佔空比決定部350及PWM訊號生成部360。AC-DC轉換部310將從商用電源10供給之三相交流等交流電壓轉換為直流電壓。DC-DC轉換部320將由AC-DC轉換部310轉換之直流電壓轉換為適合雷射裝置100的雷射振盪動作之直流電壓。DC-DC轉換部320具備藉由由PWM訊號生成部360生成之PWM(脈衝寬度調變：Pulse Width Modulation)訊號被切換控制之電晶體等切換元件。以下，將由DC-DC轉換部320轉換之直流電壓亦稱為直流電壓V DC或DC鏈電壓V DC。DC鏈電壓檢測部330檢測由DC-DC轉換部320生成之DC鏈電壓V DC而回饋給佔空比決定部350。
高頻電壓指令運算部340依據表示雷射共振器200的動作及/或狀態之資訊的回饋，運算對高頻電源400應生成的高頻電壓V RF及/或直流電源300應生成的DC鏈電壓V DC的指令。作為從雷射共振器200回饋給高頻電壓指令運算部340之資訊，例示有雷射共振器200振盪之雷射光的強度或流過一對放電電極202、204及/或共振電感器L之電流。佔空比決定部350依據由DC鏈電壓檢測部330檢測出之DC鏈電壓V DC及由高頻電壓指令運算部340運算出之高頻電壓指令，決定PWM訊號生成部360應生成的PWM訊號(脈衝波)的佔空比。PWM訊號生成部360生成由佔空比決定部350決定之佔空比的PWM訊號而施加於DC-DC轉換部320的切換元件。
高頻電源400具備DC-RF轉換部410及高頻訊號生成部420。DC-RF轉換部410將由直流電源300生成之DC鏈電壓V DC轉換為同步頻率FRF的高頻電壓V RF。如後述之圖3所示，DC-RF轉換部410具備：逆變器412，將DC鏈電壓V DC轉換為交流電壓V AC；及升壓變壓器413，將該交流電壓V AC進行升壓而生成高頻電壓V RF。高頻訊號生成部420生成用於切換控制逆變器412的電晶體群組之高頻訊號。作為該高頻訊號的頻率的切換頻率F SW與高頻電壓V RF的同步頻率F RF實質上相等。又，同步頻率F RF設定在共振電路210的正常共振頻率F RES的附近，因此切換頻率F SW亦設定在正常共振頻率F RES的附近。本實施方式適合於以高頻率進行動作之電源裝置250，切換頻率F SW、同步頻率F RF、正常共振頻率F RES例如係100kHz以上為較佳。又，雷射裝置100為雷射加工裝置時的高頻電源400的輸出(高頻電壓VRF)係1kW以上為較佳。
作為本發明的振動抑制電路的一例的阻尼電路500設置在高頻電源400與共振電路210(共振電感器L)之間，並抑制由高頻電源400生成之高頻電壓V RF下的共振電路210的共振頻帶外的振動。在此「共振頻帶」係指高頻電壓V RF中有助於共振電路210的正常共振動作之頻帶，典型地，係指以共振電路210的正常共振頻率F RES為中心的微小的頻帶。共振頻帶亦可以改稱為以同步頻率F RF及/或切換頻率F SW為中心的微小的頻帶。
雷射共振器200的構成與圖1相同。但是，圖1中的電感器L在圖2中作為共振電感器L顯示在雷射共振器200外。
圖3表示圖2的電源裝置250的主要電路構成的一例。從商用電源10被供給三相交流之AC-DC轉換部310具備由六個二極體構成之三相全波整流電路311(三相橋式整流電路)及平滑電容器312。三相全波整流電路311將所輸入之三相交流進行整流而轉換為脈衝電流，平滑電容器312將該脈衝電流進行平滑化而轉換為直流電壓。
DC-DC轉換部320具備：電晶體321，連接於高電位線與低電位線之間；電感器322，設置在電晶體321的前級的高電位線上；及二極體323，設置在電晶體321的後級的高電位線上。藉由來自未圖示的PWM訊號生成部360的PWM訊號被施加於控制端子之電晶體321的切換動作，DC-DC轉換部320將由AC-DC轉換部310轉換之直流電壓轉換為適合雷射共振器200的雷射振盪動作之直流電壓V DC或DC鏈電壓V DC。
高頻電源400中的DC-RF轉換部410具備充電電容器411、逆變器412及升壓變壓器413。亦稱為電容器組之充電電容器411在DC-DC轉換部320的後級中，連接於高電位線與低電位線之間。因此，充電電容器411藉由作為充電電路發揮功能之DC-DC轉換部320所生成之DC鏈電壓V DC來充電。在電極之間出現DC鏈電壓V DC之充電電容器411亦能夠作為DC鏈電壓檢測部330發揮功能。
逆變器412將充電電容器411的電極之間的直流電壓V DC轉換為交流電壓V AC並施加於升壓變壓器413的一次線圈413A。逆變器412具備能夠使電流在圖3中從上到下流過一次線圈413A之一對電晶體412A/412D及能夠使電流在圖3中從下到上流過一次線圈413A之一對電晶體412B/412C。高電位側的電晶體412A與低電位側的電晶體412B在高電位線與低電位線之間串列連接，其連接點連接於升壓變壓器413的一次線圈413A的一端(圖3中的上端)。相同地，高電位側的電晶體412C與低電位側的電晶體412D在高電位線與低電位線之間串列連接，其連接點連接於升壓變壓器413的一次線圈413A的另一端(圖3中的下端)。
未圖示的高頻訊號生成部420對該等兩組電晶體對(412A/412D及412B/412C)施加彼此互補的高頻訊號，藉此使升壓變壓器413的一次線圈413A產生交流電壓V AC。具體而言，施加於一個電晶體對412A/412D的控制端子之高頻訊號「420」為「導通」時，施加於另一個電晶體對412B/412C的控制端子之高頻訊號「420'」變成「斷開」，電流在圖3中從上到下流過一次線圈413A。又，施加於另一個電晶體對412B/412C的控制端子之高頻訊號「420'」為「導通」時，施加於一個電晶體對412A/412D的控制端子之高頻訊號「420」變成「斷開」，電流在圖3中從下到上流過一次線圈413A。如此，施加於兩組電晶體對的控制端子之互補的高頻訊號「420」及「420'」雖然彼此在時間點上錯開，但具有實質上相等的切換頻率F SW。
升壓變壓器413將由逆變器412生成之交流電壓V AC進行升壓而生成高頻電壓V RF。具體而言，一次線圈413A的交流電壓V AC被升壓而成之高頻電壓V RF出現在二次線圈413B中。
作為振動抑制電路的阻尼電路500在升壓變壓器413的二次側與共振電感器L之間與二次線圈413B並列連接，並抑制出現在該二次線圈413B中的高頻電壓V RF下的共振頻帶外的振動。阻尼電路500具備：共振部510，在共振頻帶內具有共振頻率；及阻尼電阻520，使流過該共振部510之電流衰減。
共振部510係具備並列連接之電感器511及電容器512之LC共振電路。共振部510的共振頻率設定為與逆變器412的切換頻率F SW(或者與其等價的高頻電壓V RF的同步頻率F RF、共振電路210的正常共振頻率F RES)大致相等。在共振電路210以正常共振頻率F RES正常動作之情況下，藉由具有與其等價的共振頻率之共振部510的作用，以正常共振頻率F RES為中心的共振頻帶內的高頻電壓V RF幾乎不流過阻尼電路500的阻尼電阻520。
另一方面，在由放電電極202、204的連接不良等造成之開放狀態或雷射共振器200未發光時等輕負載狀態下，放電電極202、204之間的電容C變得極小，藉此比正常共振頻率F RES格外高的異常共振頻率F RES'的異常振動出現在高頻電壓V RF中。圖4表示在未設置阻尼電路500之電源裝置250中將雷射共振器200切換為負載開放狀態時的高頻電壓V RF的參考例。向負載開放狀態的切換在本圖中央的「Load Released：負載釋放」的時間點進行。
切換為負載開放狀態之前的正常動作時的高頻電壓V RF表示正常共振頻率F RES(圖4的例子中約為2MHz)的正常振動。另一方面，切換為負載開放狀態之後的異常動作時的高頻電壓V RF中出現異常共振頻率F RES'的異常振動。該異常振動與正常動作時的高頻電壓V RF相比，不僅振幅大，而且頻率亦高(F RES'＞F RES)。該種高頻率的過電壓的影響亦波及到升壓變壓器413的一次側，例如對構成高頻電源400的逆變器412之電晶體施加高頻率的過電壓或過電流。因此，存在由電晶體的誤動作或湧浪引起之破壞的風險。又，伴隨該種急劇的負載變動之高頻率的異常振動由於包含LC濾波器(例如，圖3中的電感器322及平滑電容器312)，因此藉由時間常數比較大的直流電源300中的回饋控制，無法充分地進行抑制。
相對於此，依設置了阻尼電路500之本實施方式之電源裝置250，如圖5所示，能夠有效地抑制切換為負載開放狀態之後的異常振動。這係因為，共振頻帶外的異常共振頻率F RES'的異常振動通過阻尼電路500的共振部510並流過阻尼電阻520而作為焦耳熱被消耗。如此，藉由具備共振部510之阻尼電路500，能夠迅速地僅抑制在開放狀態或輕負載狀態下產生之高頻率的異常振動，該共振部賦予實質上僅使共振頻帶外的高頻電壓V RF流過阻尼電阻520之頻率選擇性。本實施方式中，藉由僅由硬體或被動元件構成能夠非暫時或始終抑制正常共振頻帶外的異常共振頻率F RES'的高頻振動之阻尼電路500，從而能夠比直流電源300中的軟體控制或回饋控制高速地抑制過電壓。
另外，即使在雷射共振器200正常動作之情況下，高頻電壓V RF中所包含之正常共振頻率F RES的高諧波成分亦通過阻尼電路500的共振部510而繼續流過阻尼電阻520。因此，擔心阻尼電阻520的溫度上升。為了抑制溫度上升，亦考慮了使阻尼電阻520大型化，但亦可能導致電源裝置250整體的大型化。依以下說明之本發明的第2實施方式及/或第3實施方式之雷射裝置100及/或電源裝置250，亦能夠解決該種問題。
圖6為本發明的第2實施方式之雷射裝置100的功能方塊圖。對於與前述實施方式相同的構成要素標註相同的符號並省略重複之說明。圖6中的雷射裝置100具備箝制電路600，來代替圖2中的雷射裝置100的阻尼電路500。又，圖2的直流電源300中的軟體控制或回饋控制的功能的一部分在圖6中轉移到高頻電源400中。具體而言，與圖2中的直流電源300的高頻電壓指令運算部340相同的功能作為高頻電壓檢測部430、高頻電壓運算部440、高頻電壓指令運算部450、控制參數決定部460等轉移到高頻電源400中。圖6中的直流電源300具備DC鏈電壓指令部370，來代替圖2中的高頻電壓指令運算部340。
DC鏈電壓指令部370生成對DC-DC轉換部320應生成的DC鏈電壓V DC的指令。典型地，DC鏈電壓指令部370生成之DC鏈電壓指令係恆定的。佔空比決定部350為了縮小由DC鏈電壓檢測部330檢測出之DC鏈電壓V DC與由DC鏈電壓指令部370生成之恆定的DC鏈電壓指令的偏差，決定PWM訊號生成部360應生成的PWM訊號(脈衝波)的佔空比。PWM訊號生成部360生成由佔空比決定部350決定之佔空比的PWM訊號而施加於DC-DC轉換部320的切換元件(電晶體321)。如此，本實施方式的直流電源300中，進行用於將DC-DC轉換部320生成之DC鏈電壓V DC保持為恆定之簡易的控制。
高頻電源400除了圖2中的DC-RF轉換部410及高頻訊號生成部420以外，還具備高頻電壓檢測部430、高頻電壓運算部440、高頻電壓指令運算部450及控制參數決定部460。
高頻電壓檢測部430檢測由DC-RF轉換部410生成之高頻電壓V RF而回饋給控制參數決定部460。具體而言，高頻電壓檢測部430檢測升壓變壓器413的一次側(一次線圈413A)的交流電壓V AC及/或二次側(二次線圈413B)的高頻電壓V RF。高頻電壓運算部440依據由高頻電壓檢測部430檢測出之交流電壓V AC及/或高頻電壓V RF，對DC-RF轉換部410所生成之高頻電壓V RF進行運算而回饋給控制參數決定部460。
高頻電壓指令運算部450依據表示雷射共振器200的動作及/或狀態之資訊的回饋，運算對高頻電源400應生成的高頻電壓V RF的指令。作為從雷射共振器200回饋給高頻電壓指令運算部450之資訊，例示有雷射共振器200振盪之雷射光的強度或流過一對放電電極202、204及/或共振電感器L之電流。
控制參數決定部460依據由高頻電壓檢測部430及/或高頻電壓運算部440提供之高頻電壓V RF和由高頻電壓指令運算部450運算出之高頻電壓指令，決定高頻訊號生成部420應生成的高頻訊號的控制參數。作為該控制參數，例示有作為脈衝波的高頻訊號的佔空比及/或相位。在控制參數決定部460決定或調整高頻訊號的佔空比時，高頻訊號生成部420對DC-RF轉換部410的逆變器412執行PWM控制。在控制參數決定部460決定或調整高頻訊號的相位之情況下，高頻訊號生成部420對DC-RF轉換部410的逆變器412執行相移控制。作為依據由高頻電壓檢測部430檢測出之高頻電壓V RF生成對逆變器412的控制訊號之控制訊號生成部發揮功能之高頻訊號生成部420生成由控制參數決定部460決定之佔空比及/或相位的高頻訊號(脈衝波)而施加於DC-RF轉換部410的逆變器412的各電晶體。
作為本發明的振動抑制電路的一例的箝制電路600設置在高頻電源400(DC-RF轉換部410)與共振電路210(共振電感器L)之間，並抑制由高頻電源400生成之高頻電壓V RF下的共振電路210的共振頻帶外的振動。關於具體的構成和作用待留後述，但箝制電路600將由高頻電源400生成之高頻電壓V RF限制(箝制)在規定範圍內。
圖7表示圖6的電源裝置250的主要電路構成的一例。作為振動抑制電路的箝制電路600在升壓變壓器413的二次側與共振電感器L之間與二次線圈413B並列連接，並且經由變壓器620等連接於升壓變壓器413的一次側的充電電容器411。抑制出現在二次線圈413B中之高頻電壓V RF下的共振頻帶外的振動之箝制電路600具備：共振部610，在共振頻帶內具有共振頻率；變壓器620，與升壓變壓器413並列設置；整流電路630，能夠與該變壓器620的高頻電源400側(升壓變壓器413的一次側)連接而對充電電容器411進行充電；及電容器640，在該整流電路630與充電電容器411之間與該充電電容器411並列設置。
共振部610係具備並列連接之電感器611及電容器612之LC共振電路。該共振部610與圖3中的共振部510相同地，賦予實質上僅使共振頻帶外的高頻電壓V RF流過箝制電路600之頻率選擇性。藉由該頻率選擇性，在共振電路210以正常共振頻率F RES正常動作之情況下，藉由具有與其等價的共振頻率之共振部610的作用，以正常共振頻率F RES為中心的共振頻帶內的高頻電壓V RF幾乎不流過箝制電路600。另一方面，在由放電電極202、204的連接不良等造成之開放狀態或雷射共振器200未發光時等輕負載狀態下出現在高頻電壓V RF之異常共振頻率F RES′的異常振動通過變壓器620、整流電路630、電容器640、充電電容器411等而迅速被抑制。另外，如後所述，變壓器620、整流電路630、電容器640、充電電容器411等能夠與頻帶無關地將高頻電壓V RF限制在規定範圍內，因此即使未設置賦予頻率選擇性之共振部610亦能夠有效地抑制伴隨急劇的負載變動之過電壓。
變壓器620具備通過共振部610被供給共振頻帶外的高頻電壓V RF之升壓變壓器413的二次側的第1線圈621及出現該第1線圈621的高頻電壓V RF變壓後的電壓之升壓變壓器413的一次側的第2線圈622。變壓器620的變壓比與第1線圈621和第2線圈622的匝數比N成正比。從第2線圈622被供給變壓之高頻電壓V RF之整流電路630係由四個二極體構成之二相全波整流電路(二相橋式整流電路)。由整流電路630整流之電流對並列連接之電容器640及充電電容器411進行充電。如前所述，作為充電電容器411的電極間的電壓的DC鏈電壓V DC依據來自DC鏈電壓指令部370的DC鏈電壓指令被控制為恆定，因此即使因來自箝制電路600的反饋電流而充電電容器411瞬間被過度充電，電極間電壓亦迅速收斂為恆定的DC鏈電壓V DC。
如上所述構成的箝制電路600係所謂再生型的電壓箝制電路。箝制電路600進行再生動作(從變壓器620的第1線圈621向第2線圈622反饋電壓及/或電流之動作)之條件藉由出現在升壓變壓器413的二次線圈413B之高頻電壓V RF、反饋目的地的充電電容器411的DC鏈電壓V DC、變壓器620的匝數比N表示為「V RF＞N×V DC」。亦即，若出現在升壓變壓器413的二次側之高頻電壓V RF的振幅變得大於「N×V DC」，則箝制電路600進行再生動作而將高頻電壓V RF的振幅限制(箝制)在「N×V DC」以下。
圖8表示在設置有箝制電路600之電源裝置250中將雷射共振器200切換為負載開放狀態時之高頻電壓V RF的例子。可知雖然在切換為負載開放狀態之後看到由異常共振頻率F RES'引起之細微的異常振動，但其振幅有效地被箝制電路600抑制。如此高速地抑制異常振動的振幅係因為，不是通過包含時間常數大的LC濾波器(例如，圖7中的電感器322及平滑電容器312)之直流電源300，而是通過主要的延遲元件實質上僅僅係變壓器620的漏電感的一階延遲系統的箝制電路600及高頻電源400來進行回饋控制。本實施方式中，由於回饋控制目的地的充電電容器411的DC鏈電壓V DC保持為恆定，因此能夠插入如上所述的構成及作用的箝制電路600。
在此，如圖7所示，藉由設為在箝制電路600的整流電路630的前級(高頻電源400側)設置了電容器640之電容器輸入方式，能夠使成為控制延遲的原因之時間常數最小化或最佳化。但是，只要能夠容許控制的延遲，整流電路630亦可以以抗流圈輸入方式等其他方式構成。又，為了減少控制的延遲，由能夠進行高速動作之SiC或GaN等寬能隙半導體形成箝制電路600及/或振動抑制電路的至少一部分半導體元件為較佳。但是，只要能夠容許控制的延遲，亦可以由Si等通用的半導體材料形成箝制電路600及/或振動抑制電路的全部或一部分半導體元件。
本實施方式中，與正常共振頻率F RES的高諧波成分等繼續流過阻尼電阻520之圖3的第1實施方式不同，與頻率無關地只要不滿足「V RF＞N×V DC」(過電壓的產生)的動作條件，則實質上電流不流過箝制電路600。因此，在本實施方式中不會產生與第1實施方式中的阻尼電阻520的溫度上升相同的問題。又，在本實施方式中，與第1實施方式相同地，僅由硬體或被動元件構成能夠非暫時或始終抑制正常共振頻帶外的異常共振頻率F RES'的高頻振動之箝制電路600，藉此能夠高速地抑制過電壓。
圖9為本發明的第3實施方式之雷射裝置100的功能方塊圖。對於與前述實施方式相同的構成要素標註相同的符號並省略重複之說明。圖9中的雷射裝置100與圖6中的雷射裝置100的不同點在於直流電源300的構成。具體而言，如圖10的主電路構成例所示，AC-DC轉換部310由包含六個電晶體之三相PFC(Power Factor Correction：功率因數修正)電路313構成，從而代替由圖7中的三相全波整流電路311構成。由於能夠藉由三相PFC電路313來生成充分大小的直流電壓，因此不需要如圖6及圖7的DC-DC轉換部320(電晶體321等)，在三相PFC電路313的後級配置有由平滑電容器312及電感器322構成之LC濾波器380。
以上，根據實施方式說明了本發明。作為例示的實施方式中的各構成要素或各處理的組合中能夠有各種變形例，且該種變形例包含在本發明的範圍內，這對於本領域具有通常知識者來說係顯而易見的。
另外，實施方式中所說明之各裝置或各方法的構成、作用、功能能夠藉由硬體資源或軟體資源或者藉由硬體資源和軟體資源的協作來實現。作為硬體資源，例如，能夠利用處理器、ROM、RAM、各種積體電路。作為軟體資源，例如，能夠利用操作系統、應用程式等程式。 本申請案係主張基於2022年5月10日申請之日本專利申請第2022-077328號的優先權。該日本申請案的全部內容係藉由參閱而援用於本說明書中。
100:雷射裝置 200:雷射共振器 202:放電電極 204:放電電極 210:共振電路 250:電源裝置 300:直流電源 400:高頻電源 410:DC-RF轉換部 411:充電電容器 412:逆變器 413:升壓變壓器 420:高頻訊號生成部 430:高頻電壓檢測部 500:阻尼電路 510:共振部 520:阻尼電阻 600:箝制電路 610:共振部 620:變壓器 630:整流電路 640:電容器
[圖1]為雷射裝置的功能方塊圖。 [圖2]為第1實施方式之雷射裝置的功能方塊圖。 [圖3]係表示圖2的電源裝置的主要電路構成的一例。 [圖4]係表示在未設置振動抑制電路之電源裝置中將雷射共振器切換為負載開放狀態時的高頻電壓的參考例。 [圖5]係表示在第1實施方式之電源裝置中將雷射共振器切換為負載開放狀態時的高頻電壓的例子。 [圖6]為第2實施方式之雷射裝置的功能方塊圖。 [圖7]係表示圖6的電源裝置的主要電路構成的一例。 [圖8]係表示在第2實施方式之電源裝置中將雷射共振器切換為負載開放狀態時的高頻電壓的例子。 [圖9]為第3實施方式之雷射裝置的功能方塊圖。 [圖10]係表示圖9的電源裝置的主要電路構成的一例。
10:商用電源
100:雷射裝置
200:雷射共振器
250:電源裝置
310:AC-DC轉換部
311:三相全波整流電路
312:平滑電容器
320:DC-DC轉換部
321,412A,412B,412C,412D:電晶體
322,611:電感器
323:二極體
360:PWM訊號生成部
411:充電電容器
412:逆變器
413:升壓變壓器
413A:一次線圈
413B:二次線圈
420,420':高頻訊號
600:箝制電路
610:共振部
612,640:電容器
620:變壓器
621:第1線圈
622:第2線圈
630:整流電路
L:共振電感器
VDC:DC鏈電壓
VAC:交流電壓
VRF:高頻電壓

Claims (8)

  1. 一種電源裝置，係驅動包含一對放電電極之雷射共振器；該電源裝置係具備： 高頻電源，其係對包含前述一對放電電極的電容之共振電路施加高頻電壓；及 振動抑制電路，其係設置在前述高頻電源與前述共振電路之間，並抑制前述高頻電壓下的前述共振電路的共振頻帶外的振動。
  2. 如請求項1之電源裝置，其中， 前述高頻電源具備：逆變器，其將被供給之直流電壓轉換為交流電壓；及升壓變壓器，其將該交流電壓進行升壓而生成前述高頻電壓； 前述振動抑制電路連接於前述升壓變壓器的二次側與前述共振電路之間。
  3. 如請求項1之電源裝置，其中， 前述振動抑制電路為阻尼電路，該阻尼電路具備：共振部，其係在前述共振頻帶內具有共振頻率；及阻尼電阻，其係使流過該共振部之電流衰減。
  4. 如請求項1之電源裝置，其中， 前述振動抑制電路為將前述高頻電壓限制在規定範圍內之箝制電路。
  5. 如請求項4之電源裝置，其中， 前述高頻電源具備：充電電容器，其係由充電電路進行充電；逆變器，其係將該充電電容器的直流電壓轉換為交流電壓；及升壓變壓器，其係將該交流電壓進行升壓而生成前述高頻電壓； 前述箝制電路具備：變壓器，其係與前述升壓變壓器並列設置；及整流電路，其係連接於該變壓器的前述高頻電源側而能夠對前述充電電容器進行充電。
  6. 如請求項5之電源裝置，其中， 前述箝制電路具備電容器，該電容器在前述整流電路與前述充電電容器之間與該充電電容器並列設置。
  7. 如請求項5之電源裝置，其中， 前述高頻電源具備：高頻電壓檢測部，其係檢測前述高頻電壓；及控制訊號生成部，其係依據該高頻電壓生成對前述逆變器的控制訊號。
  8. 一種雷射裝置，具備： 雷射共振器，其係包含一對放電電極； 高頻電源，其係對包含前述一對放電電極的電容之共振電路施加高頻電壓；及 振動抑制電路，其係設置在前述高頻電源與前述共振電路之間，並抑制前述高頻電壓下的前述共振電路的共振頻帶外的振動。
TW112108017A 2022-05-10 2023-03-06 電源裝置、雷射裝置 TW202345498A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022-077328 2022-05-10
JP2022077328A JP2023166674A (ja) 2022-05-10 2022-05-10 電源装置、レーザ装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
TW202345498A true TW202345498A (zh) 2023-11-16

Family

ID=88634177

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW112108017A TW202345498A (zh) 2022-05-10 2023-03-06 電源裝置、雷射裝置

Country Status (4)

Country Link
JP (1) JP2023166674A (zh)
KR (1) KR20230157857A (zh)
CN (1) CN117040255A (zh)
TW (1) TW202345498A (zh)

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7045250B2 (ja) 2018-04-20 2022-03-31 住友重機械工業株式会社 レーザ装置およびその電源装置

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230157857A (ko) 2023-11-17
CN117040255A (zh) 2023-11-10
JP2023166674A (ja) 2023-11-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100902207B1 (ko) 냉음극 형광 램프 인버터 장치
KR102289330B1 (ko) 전력 증폭기 출력들의 결합 및 부하 전압 클램핑 회로들의 분리를 위한 변압기들을 포함하는 전력 공급 회로
JP5584089B2 (ja) 力率を増加させた駆動回路
US9444246B2 (en) Power converter with switching element
US9048745B2 (en) Starting up a DC/DC converter having a high-frequency transformer
US6072856A (en) Power supply unit including a pulse width modulated inverter, notably for an x-ray generator
KR102116705B1 (ko) 컨버터 및 그 구동 방법
WO2015045196A1 (ja) 電圧形直流電源装置および電圧形直流電源装置の制御方法
JP5159355B2 (ja) レーザ電源装置
KR101739552B1 (ko) 홀드-업 타임 확장 회로 및 이를 포함하는 컨버터
JP6413261B2 (ja) Ｉｃｐ発光分析装置用高周波電源装置
CN109964537A (zh) 高频率高功率转换器系统
JP2006521078A (ja) ガス放電プロセス用給電ユニット
TWI701442B (zh) 一次側恆定電流調節
US10819243B2 (en) Isolated DC/DC converter, control unit for isolated DC/DC converter, and DC/AC converter
JP2010114001A (ja) プラズマ発生用電源装置
JP2009273324A (ja) スイッチング電源装置
JP2001008452A (ja) 電源装置
JP4434204B2 (ja) 電源装置
TW202345498A (zh) 電源裝置、雷射裝置
JP5708988B2 (ja) 高周波電源装置
JP2012175809A (ja) スイッチング電源装置
TWI713275B (zh) 雷射裝置及其電源裝置
US20220094269A1 (en) Dc pulse power supply device
TW202110052A (zh) 直流脈衝電源裝置