TWI625908B - Laser drive - Google Patents

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TWI625908B TW106110363A TW106110363A TWI625908B TW I625908 B TWI625908 B TW I625908B TW 106110363 A TW106110363 A TW 106110363A TW 106110363 A TW106110363 A TW 106110363A TW I625908 B TWI625908 B TW I625908B
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Abstract

本發明提供一種可穩定輸出能量之雷射驅動裝置。於本發明中，關於高頻電源(106)，其輸入與電容器組(104)連接，且向雷射光源(2)間歇地供給交流電壓(VDRV)。於高頻電源(106)的休止期間，充電電源(102)將電容器組(104)充電成目標電壓(VREF)。

Description

雷射驅動裝置
本發明係有關一種雷射驅動裝置。
作為工業用加工工具，廣泛推廣雷射加工裝置。圖1係雷射加工裝置1r的方塊圖。雷射加工裝置1r具備CO2雷射等雷射光源2及向雷射光源2供給交流電力且使其激發之雷射驅動裝置4r。雷射驅動裝置4r具備直流電源6及高頻電源8。直流電源6藉由利用PID(Proportional-Integral-Differential)控制或PI控制等之反饋控制，使作為其輸出之直流電壓VDC穩定成目標值。高頻電源8接收直流電壓VDC，並將其轉換為交流電壓來供給至作為負荷的雷射光源2。
於鑽孔用雷射加工裝置100r中，雷射光源2不連續運轉。亦即，較短的幾微秒~10微秒左右的發光期間和與其相同程度或較短或較長的休止期間進行交替重複。為了穩定雷射光源2之輸出能量，直流電壓VDC必須落在規定的容許變動範圍內。
(先前技術文獻) (專利文獻)
專利文獻1：日本特開2015-100029號公報
圖2係圖1的雷射加工裝置1r的動作波形圖。於本說明書中進行參閱之波形圖、時序圖的縱軸及橫軸係用於便於理解而進行了適當放大、縮小者，又，所示之各波形亦為了便於理解而進行了簡化或擴大或者強調。
與雷射光源2之點燈、消燈相應地，高頻電源8重複動作期間和休止期間。在高頻電源8從休止期間轉變為動作期間時，於直流電源6中發生反饋的響應延遲，從而直流電壓VDC降低，有可能脫離容許變動範圍。在高頻電源8從動作期間轉變為休止期間時，由於反饋延遲而直流電壓VDC上升，有可能脫離容許變動範圍。
又，於切換為不同之加工時，有時切換直流電壓VDC之目標值。若在此處直流電源6之響應速度亦延遲，則直流電壓VDC到達下一個目標值為止的遷移時間變長。於遷移時間期間無法使雷射光源2發光，故成為降低運轉率之因素。
本發明係鑑於該課題而完成者，其一態樣之示例性目的之一係提供一種可穩定輸出能量之雷射驅動裝置。
本發明之一態樣係有關一種雷射驅動裝置。雷射驅動裝置具備：電容器組；高頻電源，其輸入與電容器組連接，且向雷射光源間歇地供給交流電壓；及充電電路，於高頻電源的休止期間，將電容器組充電成目標電壓。
於該態樣中，電容器組作為向高頻電源供給電力之電源發揮作用。在基於充電電源的電容器組的充電期間，高頻電源處於停止狀態，故充電電源實質上成為無負荷之狀態。故，與需要於負荷變動中穩定電壓之現有之直流電源相比，能夠於短時間內將電容器組的電壓穩定地充電成目標電壓，並能夠穩定輸出能量。
充電電源可以包括第1升壓轉換器。
第1升壓轉換器可以於不連續模式下動作。該情形下，可與導通時間及電抗器的電感、轉換器的輸入電壓相應地準確地控制藉由一次切換而供給至電容器組之電荷量，並可準確地控制電容器組之電壓。
充電電源還可以包括電抗器的電感小於第1升壓轉換器之第2升壓轉換器。藉此，能夠藉由第1升壓轉換器以較粗的精度快速地對電容器組進行充電，且能夠藉由第2升壓轉換器以較高的精度準確地對電容器組進行充電，從而可使電容器組的電壓更接近目標電壓。
可以在基於第1升壓轉換器的電容器組的充電動作之後，轉變為基於第2升壓轉換器的電容器組的充電動作。
第1升壓轉換器可以係二極體整流型，第2升壓轉換器可以係同步整流型。第2升壓轉換器可進行充電及放 電，且可進行電容器組的電壓的更精密之調節。
充電電源可以藉由數值運算來求出第1升壓轉換器的導通時間。依據充電開始前的電容器組的電壓與其目標電壓之差值，能夠計算待供給至電容器組之電荷量，而且能夠計算導通時間。藉此，無需PI控制或PID控制，且響應延遲減小。
另外，將以上構成要件之任意的組合或本發明之構成要件或表現在方法、裝置、系統等之間相互置換者亦作為本發明之態樣而有效。
依本發明之一態樣，能夠穩定輸出能量。
100‧‧‧雷射驅動裝置
102‧‧‧充電電源
104‧‧‧電容器組
106‧‧‧高頻電源
110‧‧‧整流平滑化電路
112‧‧‧第1升壓轉換器
114‧‧‧第2升壓轉換器
L1、L2‧‧‧電抗器
M1‧‧‧開關電晶體
圖1係雷射加工裝置的方塊圖。
圖2係圖1的雷射加工裝置的動作波形圖。
圖3係實施形態之雷射加工裝置的方塊圖。
圖4係圖3的雷射加工裝置的動作波形圖。
圖5係表示圖2的充電電源的構成例之方塊圖。
圖6係第1升壓轉換器的動作波形圖。
圖7係圖5的充電電源的動作波形圖。
以下，以適宜之實施形態為依據並參閱圖式，對本發 明進行說明。對於各圖式所示之相同或等同之構成要件、構件、處理，標註相同之符號，並適當省略重複之說明。又，實施形態並非係限定發明者，而係例示，於實施形態中所記述之所有特徵或其組合並不一定係發明之本質性者。
圖3係實施形態之雷射加工裝置1的方塊圖。雷射加工裝置1具備雷射光源2及雷射驅動裝置100。雷射光源2例如係CO2雷射。雷射驅動裝置100向雷射光源2供給交流電力且使其激發。
雷射驅動裝置100具備充電電源102、電容器組104及高頻電源106。關於高頻電源106，其輸入108連接於電容器組104，且其輸出連接於雷射光源2。高頻電源106接收生成於電容器組104之直流電壓VDC，且向雷射光源2間歇地供給交流電壓(驅動電壓)VDRV。亦即，於雷射光源2的發光期間，高頻電源106進行切換動作，於雷射光源2的消燈期間，高頻電源106之切換停止。將高頻電源106進行切換之期間稱為動作期間，將切換停止之期間稱為休止期間。高頻電源106之構成並無特別限定，利用公知技術即可。
能夠將電容器組104理解為如用其單體向高頻電源106供給電力之蓄電設備之類的直流電源。充電電源102於高頻電源106的休止期間，將電容器組104充電成目標電壓VREF。於高頻電源106的動作期間，停止向電容器組104之充電，故電容器組104的電壓VDC藉由基於高頻電 源106之放電而降低。故，電容器組104的容量在基於高頻電源106之放電過程中，亦被設計成直流電壓VDC不低於許容範圍。
以上係雷射加工裝置1的構成。接著，對其動作進行說明。圖4係圖3的雷射加工裝置1的動作波形圖。高頻電源106在5kHz左右的重複頻率、5%左右的工作比下間歇動作。於高頻電源106的動作期間，電容器組104作為向高頻電源106供給電力之電源發揮作用。於該期間，充電電源102處於停止狀態，且藉由放電而電容器組104的直流電壓VDC降低。然而，電容器組104的容量足夠大，因此直流電壓VDC不低於許容電壓範圍。
若高頻電源106的動作停止而進入休止期間，則開始充電電源102對電容器組104的充電，電容器組104被充電成目標電壓VREF。雷射加工裝置1重複該動作。
以上係雷射加工裝置1的動作。接著，對其優點進行說明。
於圖1的雷射加工裝置1r中，直流電源6始終動作，故其負荷在動作中大幅變動，這成為輸出電壓VDC的變動之因素。相對於此，於圖3的雷射加工裝置1中，在充電電源102對電容器組104的充電期間中，高頻電源106處於停止狀態，充電電源102實質上成為無負荷之狀態。亦即，成為於不產生負荷變動之靜止狀態下，對電容器組104進行充電。故，與需要於負荷變動中穩定電壓之圖1的直流電源6相比，能夠於短時間內將電容器組104 的電壓VDC穩定地充電成目標電壓VREF，進而能夠穩定輸出能量。
本發明被理解為圖3的方塊圖或電路圖，或者係遍及由上述說明導出之各種裝置、電路者，並不限定於特定之構成。以下，不係為了縮小本發明之範圍，而係協助發明之本質或電路動作之理解並使它們明確，對更具體的構成例或實施例進行說明。
圖5係表示圖2的充電電源102的構成例之方塊圖。充電電源102具備整流平滑化電路110、第1升壓轉換器112及第2升壓轉換器114。整流平滑化電路110接收商用交流電壓VAC，並對其進行整流、平滑化，從而生成直流電壓VIN。例如，商用交流電壓VAC為三相220V，直流電壓VIN為300V。
電容器組104的電壓VDC的目標電壓VREF例如為500V。第1升壓轉換器112接收直流電壓VIN，且向電容器組104供給充電電流ICHG1。第1升壓轉換器112對電容器組104進行快速充電。第1升壓轉換器112係具備電抗器L1、開關電晶體M1及整流二極體D1之二極體整流型。該第1升壓轉換器112所生成之充電電流ICHG1僅向對電容器組104進行充電之方向流動。
第2升壓轉換器114設置用於以高於第1升壓轉換器112之精度準確地對電容器組104進行充電。第2升壓轉換器114係具備電抗器L2、開關電晶體M2及同步整流電晶體M3之同步整流型。該第2升壓轉換器114所生成之 充電電流ICHG2不僅朝向對電容器組104充電的方向流動，而且還朝向對其放電的方向流動。於電壓VDC大於目標值VREF之情形下，藉由第2升壓轉換器114，可向降低之方向微調電壓VDC。
藉由組合使用第1升壓轉換器112與第2升壓轉換器114，能夠藉由第1升壓轉換器112使電容器組104的電壓VDC在短時間內接近目標電壓VREF，且能夠藉由第2升壓轉換器114使電壓VDC以較高的精度進一步接近目標電壓VREF，從而能夠使其穩定。
此處，第1升壓轉換器112需要對電容器組104進行快速充電，且要求藉由一次切換動作盡可能將較多的電流ICHG1供給至電容器組104。故，電抗器L1的電感可選擇較大的值。
充電電荷量係充電電流的時間積分量。故，在充電恆定之電荷量之情形下，電流峰值越高，充電脈衝時間寬度越短。換言之，電感越小，充電速度越快。關於第2升壓轉換器114，要求藉由數次切換動作迅速微調電容器組104的電荷。故，電抗器L2的電感為小於電抗器L1的電感的值為較佳。
圖6係第1升壓轉換器112的動作波形圖。較佳為第1升壓轉換器112以在不連續模式(Discontinuous Mode)下動作之方式受到控制。於開關電晶體M1的導通時間TON1下，電抗器電流IL1依據式(1)，在斜率VIN/L1下與時間t一同增加。
IL1=VIN/L1×t……(1)
在將開關電晶體M1的導通時間設為TON1時，電抗器電流IL1的峰值IPEAK成為式(2)。
IPEAK=VIN/L1×TON1……(2)
若開關電晶體M1斷開，則電抗器電流IL1依據式(3)，在斜率(VDC+Vf-VIN)/L1下與時間t一同減小。Vf係整流二極體D1的順向電壓。只要係通常的DC/DC轉換器，則VDC可視為恆定，但在圖5的充電電源102中，於開關電晶體M1的斷開時間期間，電壓VDC逐漸增加，故斜率並不恆定。然而，此處為了容易說明，假定為電壓VDC係恆定者。
IL1=IPEAK-(VDC+Vf-VIN)/L1×t……(3)
只要忽略Vf，則獲得式(4)。
IL1=IPEAK-(VDC-VIN)/L1×t……(4)
於圖6的電抗器電流IL1中，附加陰影線之部分流向整流二極體D1，並作為充電電流ICHG1供給至電容器組 104。藉由於電流不連續模式下動作，可與導通時間TON及電抗器L1的電感、轉換器的輸入電壓VIN相應地準確地控制藉由一次切換而供給至電容器組104之電荷量，並可準確地控制電容器組104的電壓VDC。
接著，對轉換器的控制方法進行說明。
若將充電電源102的第1升壓轉換器112與以往同樣地利用PID控制器或PI控制器進行控制，則運算成本提高，並成為遅延之因素。故，於本實施形態中，將第1升壓轉換器112的導通時間TON1設為藉由不依賴於PID控制器等之數值運算來求出。又，將第1升壓轉換器112設為切換一次者。
待供給至電容器組104之電荷量△Q能夠由充電開始前的電容器組104的電壓VINIT與其目標電壓VREF的差值，依據式(5)計算。CBANK係電容器組104的容量。
△Q=CBANK×(VREF-VINIT)……(5)
故，以圖6的充電電流ICHG1的積分值成為與△Q相等之方式計算開關電晶體M1的導通時間TON1即可。
△Q=ʃICHG1dt=IPEAK×TD1/2=CBANK×(VREF-VINIT)……(6)
具體而言，可以以如下方式計算導通時間TON1。關於在整流二極體D1中電流ID1(亦即，充電電流ICHG1)流 動之時間TD1，能夠由式(4)計算，且由式(7)表示。
TD1=IPEAK×L1/(VDC-VIN)……(7)
若將式(7)代入式(6)，則獲得式(8)。
IPEAK×IPEAK×L1/(VDC-VIN)/2=CBANK×(VREF-VINIT)……(8)
若將式(2)代入式(8)並解答TON1，則獲得式(9)。
TON1={2×L1×CBAN×(VREF-VINIT)×(VDC-VIN)/VIN 2}……(9)
藉此，無需PI控制或PID控制，且響應延遲減小。另外，具體的運算式並不限定於此。
圖7係圖5的充電電源102的動作波形圖。若高頻電源106進入休止期間，則首先進行基於第1升壓轉換器112之電容器組104的快速充電動作。接著，開始第2升壓轉換器114的電晶體M2、M3之切換，從而電容器組104的電壓VDC進一步接近目標電壓VREF。
關於第2升壓轉換器114亦與第1升壓轉換器112同樣地，可以藉由不依賴於PID控制器等之運算處理，確定開關電晶體M2及同步整流電晶體M3的導通時間。
以上，以若干個實施形態為依據對本發明進行了說明。本領域技術人員應理解該些實施形態為例示，可對該 些各構成要件或各處理工藝之組合實施各種變形例，且該種變形例亦在本發明之範圍內。以下，對這種變形例進行說明。
在可藉由圖5的基於第1升壓轉換器112之充電，使電壓VDC足夠接近目標值之情形下，可以省略第2升壓轉換器114。又，於以上說明中，設為使第1升壓轉換器112僅切換一次，但還可以切換兩次或三次左右。關於切換次數，與電容器組104的容量值及電抗器L1的電感相應地規定即可。
又，可以藉由PID控制器控制充電電源102的第1升壓轉換器112或第2升壓轉換器114。於設計第1升壓轉換器112或第2升壓轉換器114時，無需考慮負荷變動，故以在無負荷狀態下成為穩定之方式設計反饋迴路即可。能夠將響應性提高為高於圖1的直流電源6。
依據實施形態，並利用具體的語句對本發明進行了說明，但實施形態僅係示出本發明之原理、應用的一側面，在實施形態中在不脫離申請專利範圍中所規定之本發明的思想之範圍內可認同多個變形例或配置的變更。

Claims (7)

  1. 一種雷射驅動裝置，其特徵為，具備：電容器；高頻電源，其輸入與前述電容器連接，且向雷射光源間歇地供給交流電壓；及充電電源，於前述高頻電源的休止期間，將前述電容器充電成目標電壓；前述充電電源係將輸入電壓被升壓後的電壓供給至前述電容器。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之雷射驅動裝置，其中前述充電電源包括第1升壓轉換器。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之雷射驅動裝置，其中前述第1升壓轉換器於不連續模式下動作。
  4. 如申請專利範圍第2或3項所述之雷射驅動裝置，其中前述充電電源還包括電抗器的電感小於前述第1升壓轉換器之第2升壓轉換器。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之雷射驅動裝置，其中在基於前述第1升壓轉換器的前述電容器的充電動作之後，轉變為基於前述第2升壓轉換器的前述電容器的充電動作。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之雷射驅動裝置，其中前述第1升壓轉換器係二極體整流型，前述第2升壓轉換器係同步整流型。
  7. 如申請專利範圍第2或3項所述之雷射驅動裝置，其中前述充電電源藉由不依賴於PID(Proportional-Integral-Differential)或PI(Proportional-Integral)控制之數值運算來求出前述第1升壓轉換器的導通時間。
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