説明

アーク加工用電源装置

【課題】 電源装置のインバータ回路を駆動するスイッチング素子駆動回路の逆バイアス電圧が低くなると、ターン・オフ損失が増加しスイッチング素子の劣化に繋がる。
【解決手段】 直流変換回路と、直流電圧を高周波交流電圧に変換するフルブリッジのインバータ回路と、インバータ回路を制御すると共に変圧器の入力電流が基準電流以上になると所定時間インバータ回路を停止する出力制御回路と、出力制御信号に応じてスイッチング素子を駆動すると共に逆バイアスコンデンサに電流を供給するスイッチング素子駆動回路とを備え、インバータ回路が停止しているとき、第1のスイッチング素子及び第4のスイッチング素子が0から1/2周期の間で重ならないようにオンし、第2のスイッチング素及び第3のスイッチング素子が1/2から1周期の間で重ならないようにオンするスイッチング制御回路、を備えたことを特徴とするアーク加工用電源装置である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電源装置に内蔵されているインバータ回路を駆動するスイッチング素子駆動回路の制御に関するものである。
【背景技術】
【0002】
アーク加工用電源装置に内蔵されているインバータ回路のスイッチング素子は、逆バイアス電圧が低下するとターン・オフに遅れが生じてターン・オフ損失が増加する。
【0003】
図4は、従来技術のアーク加工用電源装置の電気接続図である。同図において、直流変換回路は、1次整流回路DR1及び1次整流回路DR1の出力側に並列に設けた平滑コンデンサーC1から形成される。
【0004】
インバータ回路INVは、相対向する第1のスイッチング素子TR1乃至第4のスイッチング素子TR4からフルブリッジを形成し、直流電圧を高周波交流電圧に変換して出力する。
【0005】
変圧器INTは、インバータ回路INVによって変換された高周波交流電圧をアーク加工に適した高周波交流電圧に変換し、2次整流回路DR2は、主変圧器INTの出力を整流し直流リアクトルDCLを介して消耗電極1と被加工物Mとの間に電力を供給してアークを発生させる。
【0006】
図4に示す1次電流検出回路IDは、変圧器INTの1次側の入力電流を検出して1次電流検出信号Idとして出力する。出力電流検出回路ODは、主変圧器INTの2次側の出力電流を検出して出力電流検出信号Odとして出力する。1次過電流検出回路OCPは、1次電流検出信号Idの値と図示省略の予め定めた基準電流信号Ifの値とを比較し、1次電流検出値が基準電流値以上になると1次過電流検出信号Ocpを出力する。
【0007】
図4に示す出力制御回路SCは、パルス周波数が一定でパルス幅を変調するPWM制御を行ない、出力電流検出信号Odに応じて互いに半周期ずれた第1の出力制御信号Sc1と第2の出力制御信号Sc2とをのパルス幅を制御する。そして、1次過電流検出信号Ocpが入力すると前記第1の出力制御信号Sc1及び第2の出力制御信号Sc2の出力を所定時間T1の間禁止する。
【0008】
図2は、パルストランスを用いた、例えば、図1に示す第1のスイッチング素子駆動回路DK1の詳細図であり、第1のスイッチング素子駆動回路DK1は、1次駆動スイッチング素子TR5、パルストランスPT、2次駆動スイッチング素子TR6、抵抗器R6及び逆バイアスコンデンサC2で形成し、第1の出力制御信号Sc1に応じて導通する1次駆動スイッチング素子TR5、この1次駆動スイッチング素子TR5の導通に応じて所定の電圧をパルストランスPTの1次巻線に印加し、この印加電圧に応じて誘導起電圧を発生しパルストランスPTの2次巻線に出力する。続いて、誘導起電圧に応じて2次駆動スイッチング素子TR6が遮断し、インバータ回路を形成する第1のスイッチング素子TR1のゲートに抵抗器R6を介して順バイアス電圧として印加する、と共に抵抗器R5及び抵抗器R6を介して電流を逆バイアスコンデンサC2に供給し逆バイアス電圧を生成する。
【0009】
図5は、従来技術の動作を説明する波形タイミング図である。図5において、同図(A)の波形は1次過電流検出信号Ocpを示し、同図(B)の波形は第1の出力制御信号Sc1を示し、同図(C)の波形は第2の出力制御信号Sc2を示し、同図(D)の波形は第1のスイッチング駆動信号Dk1を示し、同図(d)の波形は第2のスイッチング駆動信号Dk2を示す。
【0010】
図5に示す時刻t=t1において、同図(B)に示す第1の出力制御信号Sc1がHighレベルになると、図2に示す第1のスイッチング素子駆動回路DK1の1次駆動スイッチング素子TR5が導通し、パルストランスPTの1次巻線N1に所定の1次電圧を印加する。そして、パルストランスPTは1次巻線N1に1次電圧が印加されると2次巻線N2に誘導起電圧を発生する。
【0011】
時刻t=t1において、誘導起電圧に応じて2次駆動スイッチング素子TR6が遮断し、インバータ回路を形成する第1のスイッチング素子TR1に抵抗器R6を介して順バイアス電圧が印加されて導通する。さらに、抵抗器R6を介して電流を逆バイアスコンデンサC2に供給すると共に抵抗器R5を介して電流を逆バイアスコンデンサC2に供給し逆バイアス電圧(例えば、−8V)を生成する。
【0012】
時刻t=t2において、図5(B)に示す第1の出力制御信号Sc1がLowレベルになると1次駆動スイッチング素子TR5が遮断され、パルストランスT1の1次巻線N1に1次電圧の印加が停止する。
【0013】
時刻t=t2において、図2に示すパルストランスT1の1次巻線N1に1次電圧の印加が停止すると、2次巻線N2の誘導起電圧の発生が停止する。このとき、2次駆動スイッチング素子T6が導通すると順バイアス電圧から逆バイアス電圧(例えば+16Vから−8V)に変化し、図4に示す第1のスイッチング素子TR1を遮断する。
【0014】
このとき、時刻t=t2において、アーク発生中に長期短絡が発生すると、図4に示す1次過電流検出回路OCPが長期短絡による1次過電流を検出し1次過電流検出信号Ocpを出力する。そして、出力制御回路SCは1次過電流検出信号Ocpが入力すると、予め定めた時間T1(例えば、インバータ周期の2周期)の間は、第1の出力制御信号Sc1及び第2の出力制御信号Sc2の出力を禁止しインバータ回路の動作を停止させることで、長期短絡による電力損失の増加からスイッチング素子の破壊を回避していた。
【0015】
しかし、図5(C)に示すように、第2の出力制御信号Sc2の出力禁止時間が長くなると、逆バイアスコンデンサC2の電荷が放電されて逆バイアス電圧が低下する。
【0016】
時刻t=t4において、第1の出力制御信号Sc1及び第2の出力制御信号Sc2の出力禁止時間T1が終了し、時刻t=t5において、図5(B)に示す第1の出力制御信号Sc1がHighレベルになり、第1のスイッチング素子TR1に順バイアス電圧が印加されて導通する。
【0017】
時刻t=t6において、図5(B)に示す第1の出力制御信号Sc1がLowレベルになると第1のスイッチング素子TR1を遮断する。このとき逆バイアス電圧(例えば−8Vから−2V)が低下しているために、第1のスイッチング素子TR1のターン・オフに遅れが生じてターン・オフ損失及びターン・オフ時のスイッチング素子のコレクタ電流が増加する。このとき、インバータ回路を形成するスイッチング素子の許容範囲を超えるとスイッチング素子の劣化に繋がってしまう。
(例えば、特許文献1)
【先行技術文献】
【特許文献】
【0018】
【特許文献1】特開昭59−104830号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0019】
図4に示す従来技術のアーク加工用電源装置において、アーク発生中に長期短絡が生じると、インバータ回路を形成する各スイッチング素子に大電流が流れて電力損失が大きくなりスイッチング素子の破壊に繋がる。そこで、スイッチング素子の破壊を回避するために、従来ではインバータ回路のスイッチング素子に大電流が流れたとき、所定時間(例えば、インバータ周期の1周期から3周期)の間、インバータ回路の動作を停止してインバータ周期を長くしスイッチング素子の電力損失及びスイッチング素子に流れる大電流の発生回数を減少させて破壊を回避していた。
【0020】
しかし、インバータ回路の動作停止時間が長くなると、スイッチング素子駆動回路を形成する逆バイアスコンデンサの充電が不十分になり逆バイアス電圧が低下する。そして、逆バイアス電圧が低下するとスイッチング素子のターン・オフ速度が遅くなり、この状態で長期短絡が解除しインバータ回路が動作を開始すると、初回のターン・オフ損失及びターン・オフ時のスイッチング素子のコレクタ電流が大きく増加し、スイッチング素子の劣化に繋がるという問題を生じてしまう。
【0021】
そこで、本発明では、アーク発生中に長期短絡が生じても過電流保護が充分機能するアーク加工用電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0022】
上述した課題を解決するために、第1の発明は、商用交流電源を整流・平滑して直流電圧を出力する直流変換回路と、前記直流電圧を高周波交流電圧に変換する第1のスイッチング素子乃至第4のスイッチング素子から成るフルブリッジのインバータ回路と、前記高周波交流電圧を負荷に適した電圧に変換する変圧器と、前記インバータ回路を制御する出力制御信号を出力すると共に前記変圧器の入力電流が予め定めた基準電流以上になると予め定めた時間前記インバータ回路を停止する出力制御回路と、前記出力制御信号に応じてパルストランスの1次側に所定電圧を印加し2次側に誘導起電圧を出力し抵抗を介して前記スイッチング素子を駆動すると共に逆バイアスコンデンサに電流を供給するスイッチング素子駆動回路と、を備えたアーク加工用電源装置において、前記インバータ回路が停止しているとき、前記第1のスイッチング素子及び第4のスイッチング素子が0から1/2周期の間で重ならないようにオンし、前記第2のスイッチング素及び第3のスイッチング素子が1/2から1周期の間で重ならないようにオンするスイッチング制御回路、を備えたことを特徴とするアーク加工用電源装置である。
【0023】
第2の発明は、前記スイッチング制御回路は、前記第1のスイッチング素子のオン時間を0から1/4周期、前記第2のスイッチング素子のオン時間を1/4から2/4周期、前記第3のスイッチング素子のオン時間を2/4から3/4周期、前記第4のスイッチング素子のオン時間を3/4から4/4周期にすること、を特徴とする請求項1記載のアーク加工用電源装置である。
【0024】
第3の発明は、前記インバータ回路が停止しているとき、前記スイッチング素子の最少オン時間は1周期の5%であること、を特徴とする請求項1記載のアーク加工用電源である。
【発明の効果】
【0025】
上述した課題を解決するために、第1の発明は、アーク発生中に長期短絡が生じてインバータ回路のスイッチング素子に大電流が流れたとき、インバータ回路を所定時間停止する、と共に停止中にスイッチング素子駆動回路を形成する逆バイアスコンデンサに電荷を供給し逆バイアス電圧の低下を防止するので、長期短絡が解除しインバータ回路が動作を開始するときのターン・オフ速度に遅れが生じなくなり、初回のターン・オフ損失及びコレクタ電流の増加抑制が可能となり、スイッチング素子を劣化又は破壊から回避できる。
【0026】
第2の発明及び第3の発明は、インバータのオンデューチイを適正な値に設定することで、逆バイアスコンデンサに電荷が充分供給でき逆バイアス電圧を適正な値で維持できる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】本発明の実施の形態1に係るアーク加工用電源装置の電気接続図である。
【図2】図1に示す第1のスイッチング素子駆動回路の詳細図である。
【図3】実施の形態1の動作を説明する波形タイミング図である。
【図4】従来技術のアーク加工用電源装置の電気接続図である。
【図5】従来技術の動作を説明する波形タイミング図である。
【発明を実施するための形態】
【0028】
図1は、本発明の実施の形態1に係るアーク加工用電源装置の電気接続図である。同図において、図4に示す従来技術の電気接続図と同一符号の構成物は、同一動作を行なうので説明は省略し符号の相違する構成物についてのみ説明する。
【0029】
図1に示す出力制御回路SCは、パルス周波数が一定でパルス幅を変調するPWM制御を行ない、出力電流検出信号Odに応じて互いに半周期ずれた第1の出力制御信号Sc1及び第2の出力制御信号Sc2のパルス幅を制御する。そして、1次過電流検出信号Ocpが入力すると予め定めた時間T1(例えば、インバータ周期の1周期から3周期)の位相制御信号Sctを出力すると共に位相制御信号Sctが出力している間、第1の出力制御信号Sc1及び第2の出力制御信号Sc2のオンデューチイを予め定めた値(例えば、5%から25%)に固定して出力する。
【0030】
図1に示すスイッチング制御回路DSは、第1の出力制御信号Sc1に応じて第1のスイッチング制御信号Ds1及び第4のスイッチング制御信号Ds4を出力し第1のスイッチング素子駆動回路DK1及び第4のスイッチング素子駆動回路DK4を駆動させ、第2の出力制御信号Sc2に応じて第2のスイッチング制御信号Ds2及び第3のスイッチング制御信号を出力し第2のスイッチング素子駆動回路DK2及び第3のスイッチング素子駆動回路DK3を駆動させると、共に位相制御信号Sctが入力しているときは、例えば、第1のスイッチング制御信号Ds1に対向する第4のスイッチング制御信号Ds4を1/4周期位相シフトし、第2のスイッチング制御信号Ds2に対向する第3のスイッチング制御信号Ds3を1/4周期位相シフトして出力する。
【0031】
図3は、本発明の実施の形態1の動作を説明する波形タイミング図である。
図3おいて、同図(A)の波形は1次過電流検出信号Ocpを示し、同図(B)の波形は位相制御信号Sctを示し、同図(C)の波形は第1の出力制御信号Sc1を示し、同図(D)の波形は第2の出力制御信号Sc2を示し、同図(E)の波形は第1のスイッチング制御信号Ds1を示し、同図(F)の波形は第2のスイッチング制御信号Ds2を示し、同図(G)の波形は第3のスイッチング制御信号Ds3を示し、同図(H)の波形は第4のスイッチング制御信号Ds4を示し、同図(I)の波形は第1のスイッチング駆動信号Dk1を示し、同図(J)の波形は第2のスイッチング駆動信号Dk2を示す。
【0032】
次に、本発明の動作について説明する。
図3に示す時刻t=t1において、同図(C)に示す第1の出力制御信号Sc1がHighレベルになると、スイッチング制御回路DSは第1の出力制御信号Sc1のHighレベルに応じて第1のスイッチング制御信号Ds1及び第4のスイッチング制御信号Ds4を出力する。
【0033】
図2に示す第1のスイッチング素子駆動回路DK1に第1のスイッチング制御信号Ds1が入力されて1次駆動スイッチング素子TR5が導通すると、1次駆動スイッチング素子TR5は、パルストランスPTの1次巻線N1に所定の1次電圧を印加し、パルストランスPTは1次巻線N1に1次電圧が印加されると2次巻線N2に誘導起電圧を発生する。そして、誘導起電圧に応じて2次駆動スイッチング素子TR6が遮断し、インバータ回路を形成する第1のスイッチング素子TR1のゲートに抵抗器R6を介して順バイアス電圧として印加すると共に抵抗器R5及び抵抗器R6を介して電流を逆バイアスコンデンサC2に供給し逆バイアス電圧(例えば、−8V)を生成する。そして、第4のスイッチング素子駆動回路DK4も上記と同一動作を行うので説明は省略する。
【0034】
時刻t=t2において、図3(C)に示す第1のスイッチング制御信号Ds1がLowレベルになると、第1のスイッチング素子駆動回路DK1のパルストランスPTの1次巻線N1に1次電圧の印加が停止し、2次巻線N2の誘導起電圧の発生も停止する。このとき、2次駆動スイッチング素子T6が導通し図3(I)に示すように順バイアス電圧から逆バイアス電圧(例えば+16Vから−8V)に変化し第1のスイッチング素子TR1が遮断する。
【0035】
時刻t=t2において、アーク発生中に長期短絡が発生すると、1次過電流検出回路OCPが長期短絡による1次過電流を検出し1次過電流検出信号Ocpとして出力する。そして、出力制御回路SCは1次過電流検出信号に応じて予め定めた時間T1の位相制御信号Sctを出力すると共に位相制御信号Sctが出力している間、第1の出力制御信号Sc1及び第2の出力制御信号Sc2のオンデューチイを予め定めた値(例えば、10%)に設定する。
【0036】
図1に示すスイッチング制御回路DSは、時刻t=t3において位相制御信号SctがHighレベルになると、時刻t=t4において、図3(F)に示す第2のスイッチング制御信号Ds2に対向する、同図(G)に示す第3のスイッチング制御信号Ds3を1/4周期位相シフトし、時刻t=t6において同図(E)に示す第1のスイッチング制御信号Ds1に対向する、同図(H)に示す第4のスイッチング制御信号Ds4を1/4周期位相シフトして出力する。
【0037】
図3に示す第2のスイッチング制御信号Ds2に対向する第3のスイッチング制御信号Ds3が1/4周期位相シフトすると、第2のスイッチング素子TR2及び第3のスイッチング素子TR3は遮断状態となり、インバータ回路は動作を停止する。このとき、第2のスイッチング素子駆動回路DK2は、第2のスイッチング制御信号Ds2に応じて所定の電圧がパルストランスPTの1次巻線に印加し、この印加電圧に応じて誘導起電圧を発生しパルストランスT2の2次巻線に出力する。そして、誘導起電圧に応じて2次駆動スイッチング素子TR6が遮断し、インバータ回路を形成する第1のスイッチング素子TR1のゲートに抵抗器R6を介して順バイアス電圧として印加すると共に抵抗器R5及び抵抗器R6を介して電流を逆バイアスコンデンサC2に供給し逆バイアス電圧(例えば、−8V)を維持する。
【0038】
上記に示す同一動作を位相制御信号Sctの出力時間中、第1のスイッチング素子駆動回路DK1、第3のスイッチング素子駆動回路DK3及び第4のスイッチング素子駆動回路DK4も行ない逆バイアス電圧(例えば、−8V)を維持する。
【0039】
時刻t=t11において、位相制御信号SctがLowレベルになるとスイッチング制御回路DSは、位相制御からPWM制御に移行し、時刻t=t12において、第1のスイッチング制御信号Ds1と第4のスイッチング制御信号Ds4とがHighレベルになると、第1のスイッチング素子TR1と第4のスイッチング素子TR4とは導通する。
【0040】
続いて、時刻t=t13において、第1のスイッチング制御信号Ds1及び第4のスイッチング制御信号Ds4がLowレベルになると、第1のスイッチング素子TR1及び第4のスイッチング素子TR4を遮断する。このとき逆バイアス電圧が(例えば−8V)を維持しているので、第1のスイッチング素子TR1及び第4のスイッチング素子TR4のターン・オフ速度に遅れが生じなくなる。
【0041】
上述より、アーク発生中に長期短絡により1次過電流が発生したとき、インバータ回路をPWM制御から位相制御に移行し、位相制御でスイッチング素子に印加する逆バイアス電圧を所定電圧に維持することで、位相制御が終了しPWM制御に移行した初回のターン・オフ損失及びターン・オフ時のコレクタ電流の増加が抑制でき、スイッチング素子の保護が向上する。
【0042】
上述において、第1の出力制御信号Sc1及び第2の出力制御信号Sc2のオンデューチイを5%にすると、逆バイアス電圧が略維持でき、スイッチング素子のターン・オフ速度に遅れが生じなくなる。
【符号の説明】
【0043】
1 消耗電極
AC 商用交流電源
C1 平滑コンデンサー
DS スイッチング制御回路
Ds1 第1のスイッチング制御信号
Ds2 第2のスイッチング制御信号
Ds3 第3のスイッチング制御信号
Ds4 第4のスイッチング制御信号
DCL 直流リアクトル
DR1 1次整流回路
DR2 2次整流回路
DK1 第1のスイッチング素子駆動回路
DK2 第2のスイッチング素子駆動回路
DK3 第3のスイッチング素子駆動回路
DK4 第4のスイッチング素子駆動回路
Dk1 第1のスイッチング素子駆動信号
Dk2 第2のスイッチング素子駆動信号
Dk3 第3のスイッチング素子駆動信号
Dk4 第4のスイッチング素子駆動信号
ID 1次電流検出回路
Id 1次電流検出信号
IR 出力電流設定回路
Ir 出力電流設定信号
INT 変圧器
OD 出力電流検出回路
Od 出力電流検出信号
OCP 1次過電流検出回路
Ocp 1次過電流検出信号
M 被加工物
SC 主制御回路
Sc1 第1の出力制御信号
Sc2 第2の出力制御信号
TH トーチ
TS 起動スイッチ
Ts 起動信号
TR1 第1のスイッチング素子
TR2 第2のスイッチング素子
TR3 第3のスイッチング素子
TR4 第4のスイッチング素子



【特許請求の範囲】
【請求項1】
商用交流電源を整流・平滑して直流電圧を出力する直流変換回路と、前記直流電圧を高周波交流電圧に変換する第1のスイッチング素子乃至第4のスイッチング素子から成るフルブリッジのインバータ回路と、前記高周波交流電圧を負荷に適した電圧に変換する変圧器と、前記インバータ回路を制御する出力制御信号を出力すると共に前記変圧器の入力電流が予め定めた基準電流以上になると予め定めた時間前記インバータ回路を停止する出力制御回路と、前記出力制御信号に応じてパルストランスの1次側に所定電圧を印加し2次側に誘導起電圧を出力し抵抗を介して前記スイッチング素子を駆動すると共に逆バイアスコンデンサに電流を供給するスイッチング素子駆動回路と、を備えたアーク加工用電源装置において、前記インバータ回路が停止しているとき、前記第1のスイッチング素子及び第4のスイッチング素子が0から1/2周期の間で重ならないようにオンし、前記第2のスイッチング素及び第3のスイッチング素子が1/2から1周期の間で重ならないようにオンするスイッチング制御回路、を備えたことを特徴とするアーク加工用電源装置。
【請求項2】
前記スイッチング制御回路は、前記第1のスイッチング素子のオン時間を0から1/4周期、前記第2のスイッチング素子のオン時間を1/4から2/4周期、前記第3のスイッチング素子のオン時間を2/4から3/4周期、前記第4のスイッチング素子のオン時間を3/4から4/4周期にすること、を特徴とする請求項1記載のアーク加工用電源装置。
【請求項3】
前記インバータ回路が停止しているとき、前記スイッチング素子の最少オン時間は1周期の5%であること、を特徴とする請求項1記載のアーク加工用電源装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2012−115009(P2012−115009A)
【公開日】平成24年6月14日(2012.6.14)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−260905(P2010−260905)
【出願日】平成22年11月24日(2010.11.24)
【出願人】(000000262)株式会社ダイヘン (990)
【Fターム(参考)】