高速反転パルス電源装置
【課題】損失が小さく、小型でコストが低く、どのようなパルス幅であっても良好な波形の反転パルス電流を供給することができる高速反転パルス電源装置を提供する。
【解決手段】中性点に対しプラス、マイナス両極性の直流を出力するスイッチング方式の両極性直流電源を設け、両極性直流電源のプラス極と中性点との間に半導体スイッチ１１ａと半導体スイッチ１１ｂを直列に接続し、両極性直流電源の中性点と両極性直流電源のマイナス極との間に半導体スイッチ１２ａと半導体スイッチ１２ｂを直列に接続し、半導体スイッチ１１ａ、１１ｂの接続点と半導体スイッチ１２ａ、１２ｂの接続点との間にコンデンサ１４を接続し、両極性直流電源のプラス極とマイナス極との間に半導体スイッチ１５ａと半導体スイッチ１５ｂを直列に接続し、半導体スイッチ１５ａ、１５ｂの接続点と中性点との間から出力を取り出すようにした。
【解決手段】中性点に対しプラス、マイナス両極性の直流を出力するスイッチング方式の両極性直流電源を設け、両極性直流電源のプラス極と中性点との間に半導体スイッチ１１ａと半導体スイッチ１１ｂを直列に接続し、両極性直流電源の中性点と両極性直流電源のマイナス極との間に半導体スイッチ１２ａと半導体スイッチ１２ｂを直列に接続し、半導体スイッチ１１ａ、１１ｂの接続点と半導体スイッチ１２ａ、１２ｂの接続点との間にコンデンサ１４を接続し、両極性直流電源のプラス極とマイナス極との間に半導体スイッチ１５ａと半導体スイッチ１５ｂを直列に接続し、半導体スイッチ１５ａ、１５ｂの接続点と中性点との間から出力を取り出すようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気めっき等に使用する高速反転パルス電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ある種の電気めっきでは周期的に反転する電流を流すとその鍍膜の物性が良くなることが知られており、銅めっきでは古くからＰＲ銅めっきとして実用化されている。この銅のＰＲめっきは数秒以上の周期で極性を反転させるものであるが、近年百マイクロ秒ないし数ミリ秒単位の周期で高速に極性を反転させると、ある種のめっきのめっき品質に顕著な改善効果があることが見出されており、クロムめっきやニッケルめっき等にも使用されるようになってきている。こうしためっきをするための高速反転パルス電源装置としては例えば特許文献１に示されるようなものが提案されており、本願出願人は特許文献１に示される電源装置の問題点を解決した高速反転パルス電源装置に関し特願２００７−３２２６９８として出願中である。
【０００３】
この特許文献１で開示されている電源装置は、第１直流電源装置と、第２直流電源装置と、上記第１直流電源装置の一方の出力端と、上記第２直流電源装置の他方の出力端及び負荷の一端との間に設けられた第１リアクトルと、高速でオン、オフする第１主スイッチング素子との直列回路と、上記第２直流電源装置の一方の出力端と、上記第１直流電源装置の他方の出力端及び負荷の他端との間に設けられた第２リアクトルと、上記第１主スイッチング素子のオン、オフに対応し相補的にオフ、オンする第２主スイッチング素子との直列回路と、上記第１リアクトルの出力と上記第１直流電源装置の他方の出力端との間に上記第１主スイッチング素子のオン、オフに対応し相補的にオフ、オンする第１補助スイッチング素子と、上記第２リアクトルの出力と上記第２直流電源装置の他方の出力端との間に、上記第２主スイッチング素子のオン、オフに対応し相補的にオフ、オンする第２補助スイッチング素子と、第１、第２補助スイッチング素子とそれぞれ並列に接続され、第１、第２クランプ用ダイオードと上記第１、第２クランプ用ダイオードにそれぞれ直列に接続され定常時ピーク電圧で充電される第１、第２クランプ用コンデンサにより構成される第１、第２クランプ回路と、上記第１又は第２補助スイッチング素子の両端をそれぞれ検出する第１又は第２電圧検出器と、上記第１又は第２電圧検出器の検出信号が所定電圧以上のときに上記第１又は第２補助スイッチング素子をオンさせる制御装置とにより構成されたものである。
【０００４】
この構成では第１補助スイッチング素子がオンの間は第１直流電源装置の出力が第１リアクトルにより短絡され、また、第２補助スイッチング素子がオンの間は第２直流電源装置の出力が第２リアクトルにより短絡されてそれぞれのリアクトルにエネルギーが蓄積される。第１主スイッチング素子がオンになると第１補助スイッチング素子がオフになり、第１リアクトルに蓄積されたエネルギーは正の電流として負荷に供給され、第２主スイッチング素子がオンになると第２補助スイッチング素子がオフになり、第２リアクトルに蓄積されたエネルギーは負の電流として負荷に供給されることになる。
【０００５】
この方式はリアクトルに流しておいた電流を負荷に移行させるものであり、各通電時の電流の立ち上がりは良好であるが、通電時以外も、変圧器、補助スイッチング素子、リアクトルに電流を流し続けることから損失が大きくなり、使用率が低くても大型のリアクトルを要することから装置を小型にできないという問題があった。この問題を解決した特願２００７−３２２６９８の発明は、正極性電流供給用の電源の出力と負極性電流供給用の電源を設けて正極性電流供給用の電源の出力と負極性電流供給用の電源の出力とを極性を逆にして並列接続したものであり、負極性電流供給用の電源はパルス変圧器を介して電流を供給するようにしたものである。
【０００６】
これにより通電時以外の時間に変圧器、補助スイッチング素子、リアクトル等に電流を流し続けることがないので損失が小さくなり、大型のリアクトルを必要としないことから装置を小型化することが可能となった。ところが、負極性パルスの電流はパルス変圧器を介して供給しているため、極端に長い幅の負極性パルスが必要な場合にはそのパルス電力を通過させるに充分な電圧時間積を有するパルス変圧器が必要となり、パルス変圧器を大型にしなければならないという問題があった。この問題を解決する方法として本願出願人は正極性電流供給用の電源を構成するＤＣ−ＤＣコンバータとは別に第二のＤＣ−ＤＣコンバータを設け、該第二のＤＣ−ＤＣコンバータの出力をパルス変圧器の二次コイルと直列に接続して長い幅の負極性パルスを第二のＤＣ−ＤＣコンバータから供給することを考えた。しかしながらこの方法ではＤＣ−ＤＣコンバータが２個必要になりコストがかさむという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１２９３９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記の問題点を解決し、損失が小さく、小型でコストが低く、どのようなパルス幅であっても良好な波形の反転パルス電流を供給することができる高速反転パルス電源装置を提供するためになされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の問題を解決するためになされた本発明の高速反転パルス電源装置は、中性点に対しプラス、マイナス両極性の直流を出力するスイッチング方式の両極性直流電源を設け、両極性直流電源のプラス極と中性点との間に第一の半導体スイッチと第二の半導体スイッチを直列に接続し、両極性直流電源の中性点と両極性直流電源のマイナス極との間に第三の半導体スイッチと第四の半導体スイッチを直列に接続し、第一の半導体スイッチと第二の半導体スイッチの接続点と第三の半導体スイッチと第四の半導体スイッチの接続点との間にコンデンサを接続し、両極性直流電源のプラス極とマイナス極との間に第五の半導体スイッチと第六の半導体スイッチを直列に接続し、第五の半導体スイッチと第六の半導体スイッチの接続点と中性点との間から出力を取り出すことを特徴とするものである。
【００１０】
ここにおいて、正極性パルス期間の終了時に第一の半導体スイッチと第四の半導体スイッチをオンにし、負極性パルス期間の開始時に第二の半導体スイッチと第六の半導体スイッチをオンにし、負極性パルス期間中第六の半導体スイッチをオンにし、負極性パルス期間の終了時に第一の半導体スイッチと第四の半導体スイッチをオンにし、正極性パルス期間の開始時に第三の半導体スイッチと第五の半導体スイッチをオンにし、正極性パルス期間中第第五の半導体スイッチをオンにする駆動信号を順次生成するとともに、正極性パルス期間中または負極性パルス期間中出力電流が設定値になるように両極性直流電源を制御する制御手段を設けることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、正極性パルス期間の終了時と負極性パルス期間の終了時に第一の半導体スイッチと第四の半導体スイッチをオンにすることにより回路のインダクタンスに蓄えられているエネルギーをコンデンサに回収して蓄えることができ、特に負荷回路のインダクタンスに蓄えられたエネルギーを回収することで正極性パルス及び負極性パルスの電流を急速に立ち下げることができる。また、負極性パルス期間の開始時には第二の半導体スイッチと第六の半導体スイッチを、正極性パルス期間の開始時には第三の半導体スイッチと第五の半導体スイッチをそれぞれオンにすることによりコンデンサに蓄えられているエネルギーを負荷に放出することができ、負極性パルス及び正極性パルスの電流を急速に立ち上げることができる。
【００１２】
このように回路のインダクタンスに蓄えられているエネルギーをコンデンサに回収することにより電流を急速に立ち下げ、コンデンサに回収して蓄えられているエネルギーを負荷に放出することにより電流を急速に立ち上げるので、パルス電流の立ち上がり時間、立ち下り時間が短くなるだけでなく、エネルギーが失われないので高効率となる効果がある。また、パルス電流が立ち上がった後は両極性直流電源から電流が供給されることになるが、両極性直流電源をスイッチング方式としていることから追従性がよく、良好な波形のパルス電流が供給される利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の構成を示す結線図である。
【図２】動作時の要部の波形図である。
【図３】動作時の電流の経路を示す図である。
【図４】動作時の電流の経路を示す図である。
【図５】動作時の電流の経路を示す図である。
【図６】動作時の電流の経路を示す図である。
【図７】動作時の電流の経路を示す図である。
【図８】動作時の電流の経路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明を実施するための最良の形態について、図を参照しながら具体的に説明する。
図１は本発明の第一の実施の形態を示す主回路の結線図であって、整流器１により交流入力端子２から供給される交流電力を直流電力に変換する直流電源のプラス極に半導体スイッチ３ａ、３ｂのプラス極が接続してあり、該半導体スイッチ３ａ、３ｂのマイナス極にはそれぞれマイナス極を直流電源のマイナス極に接続した半導体スイッチ４ａ、４ｂのプラス極が接続してある。
【００１５】
半導体スイッチ３ａ、４ａの接続点と半導体スイッチ３ｂ、４ｂの接続点との間には変圧器５の一次コイルが接続してあり、該変圧器５の二次コイルにはセンタータップ６を設けるとともに両端にそれぞれダイオード７ａ、７ｂのアノードとダイオード８ａ、８ｂのカソードが接続してある。ダイオード７ａ、７ｂのカソードは相互に接続したうえリアクトル９の一端に、ダイオード８ａ、８ｂのアノードは相互に接続したうえリアクトル１０の一端にそれぞれ接続してあり、これらの整流器１、半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、変圧器５及びダイオード７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂは中性点に対しプラス、マイナス両極性の直流を出力するスイッチング方式の両極性直流電源を構成し、センタータップ６が中性点、リアクトル９の他端がプラス極、リアクトル１０の他端がマイナス極となる。
【００１６】
両極性直流電源のプラス極であるリアクトル９の他端には第一の半導体スイッチである半導体スイッチ１１ａのプラス極が接続してあり、該半導体スイッチ１１ａのマイナス極には第二の半導体スイッチである半導体スイッチ１１ｂのプラス極を接続し、半導体スイッチ１１ｂのマイナス極は両極性直流電源の中性点であるセンタータップ６に接続してある。また、センタータップ６には第三の半導体スイッチである半導体スイッチ１２ａのプラス極が接続してあり、該半導体スイッチ１２ａのマイナス極には第四の半導体スイッチである半導体スイッチ１２ｂのプラス極を接続し、半導体スイッチ１２ｂのマイナス極は両極性直流電源のマイナス極であるリアクトル１０の他端に接続してある。
【００１７】
これにより両極性直流電源のプラス極と中性点との間には半導体スイッチ１１ａと半導体スイッチ１１ｂが直列に接続されることになり、中性点と両極性直流電源のマイナス極との間には半導体スイッチ１２ａと半導体スイッチ１２ｂが直列に接続されることになる。これらの半導体スイッチ１１ａと半導体スイッチ１１ｂの接続点と、半導体スイッチ１２ａと半導体スイッチ１２ｂの接続点との間には、コンデンサ電流検出器１３を介してコンデンサ１４が接続してある。
【００１８】
また、両極性直流電源のプラス極には第五の半導体スイッチである半導体スイッチ１５ａのプラス極が接続してあり、該半導体スイッチ１５ａのマイナス極には第六の半導体スイッチである半導体スイッチ１５ｂのプラス極が接続してあり、半導体スイッチ１５ｂのマイナス極は両極性直流電源のマイナス極に接続してある。これにより両極性直流電源のプラス極とマイナス極の間には半導体スイッチ１５ａと半導体スイッチ１５ｂが直列に接続されることになる。半導体スイッチ１５ａと半導体スイッチ１５ｂの接続点は出力端子１６ａに接続してあり、出力端子１６ｂは出力電流検出器１７を介してセンタータップ６に接続してある。上記の回路を構成する半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、半導体スイッチ１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ及び半導体スイッチ１５ａ、１５ｂは逆方向に導通するダイオードを内蔵したものとし、高速な素子とするのが望ましい。
【００１９】
図中１８は制御装置であり、正極性パルス及び負極性パルスの時間すなわち各パルス幅をそれぞれ設定してタイミング信号を生成するタイミング回路と、正極性パルス及び負極性パルスの出力電流をそれぞれ設定して電流基準信号を生成する電流設定回路と、出力電流を制御するＰＷＭ変調回路とが設けてある。また、制御装置１８にはコンデンサ電流検出器１３から得られるコンデンサ電流検出信号、出力電流検出器１７から得られる出力電流検出信号、出力電圧検出信号及びコンデンサ１４の両端の電圧を検出して得られるコンデンサ電圧検出信号が入力してある。
【００２０】
これらの回路を設け、各検出信号を入力した制御装置１８はタイミング信号及びコンデンサ電流検出信号、出力電流検出信号、出力電圧検出信号、コンデンサ電圧検出信号等の条件により半導体スイッチ１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ及び半導体スイッチ１５ａ、１５ｂを個別にオンさせる駆動指令信号を生成して駆動装置１９に与えるように構成してあり、タイミング信号及び電流基準信号と出力電流検出信号により半導体スイッチ３ａ、４ｂと半導体スイッチ３ｂ、４ａとを交互にオンさせる駆動指令信号を生成して駆動装置２０に与えるように構成してある。駆動装置１９は駆動指令信号に基づき、絶縁するとともに増幅して各半導体スイッチ１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ及び半導体スイッチ１５ａ、１５ｂのゲートに加えるようにしてあり、駆動装置２０は駆動指令信号に基づき、絶縁するとともに増幅して各半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂのゲートに加えるようにしてある。
【００２１】
前記のように構成した制御装置１８は以下のように動作するものとしてある。運転開始時は正極性パルス期間となり、半導体スイッチ１５ａに駆動信号を与え、半導体スイッチ３ａ、４ｂと半導体スイッチ３ｂ、４ａに交互に駆動信号を与える。正極性パルス期間の終了時には半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、１５ａに駆動信号を与えるのを止め、半導体スイッチ１１ａ、１２ｂに駆動信号を与える。コンデンサ電流検出信号によりコンデンサ１４の電流がゼロになると負極性パルス期間に入り、負極性パルス期間の開始時には半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、１１ｂ、１５ｂに駆動信号を与え、出力電流検出信号により出力電流が設定値に達したことが検出されるか、コンデンサ電圧検出信号によりコンデンサ１４の電圧がゼロになったことが検出されると半導体スイッチ１１ｂに駆動信号を与えるのを止め、負極性パルス期間中は引き続き半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、１５ｂに駆動信号を与える。
【００２２】
負極性パルス期間の終了時には半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、１５ｂに駆動信号を与えるのを止め、半導体スイッチ１１ａ、１２ｂに駆動信号を与える。コンデンサ電流検出信号によりコンデンサ１４の電流がゼロになると正極性パルス期間に入り、正極性パルス期間の開始時には半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、１２ａ、１５ａに駆動信号を与え、出力電流検出信号により出力電流が設定値に達したことが検出されるか、コンデンサ電圧検出信号によりコンデンサ１４の電圧がゼロになったことが検出されると半導体スイッチ１２ａに駆動信号を与えるのを止め、正極性パルス期間中は上記のように引き続き半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、１５ａに駆動信号を与える。
【００２３】
以下このように構成された高速反転パルス電源装置の動作について説明する。基本的には正極性のパルスと負極性のパルスを交互に出力するものであるが、めっき用の場合正極性通電期間に鍍膜が形成されるので、通常正極性通電時間は負極性通電期間の数倍以上に設定される。図２は２個の正極性のパルスが出力される間に１個の負極性のパルスが出力されるときの要部の波形を示すもので、Ａ、Ｂはそれぞれ半導体スイッチ１５ａ、１５ｂの駆動信号、Ｃ、Ｄ及びＥ、Ｆはそれぞれ半導体スイッチ１１ａ、１１ｂ及び半導体スイッチ１２ａ、１２ｂの駆動信号、Ｇは半導体スイッチ３ａと４ｂの駆動信号、Ｈは半導体スイッチ３ｂと４ａの駆動信号であり、Ｊは出力電流、Ｋは出力電圧、Ｌは両極性直流電源のプラス側の出力電圧、Ｍ及びＮはコンデンサ１４の電流と電圧である。両極性直流電源のマイナス側の出力電圧がＬとは極性が逆で絶対値が同じであることはいうまでもなく、波形Ｌの点線は平均電圧を示している。
【００２４】
交流入力端子２から供給された交流電力は整流器１により直流電力に変換され、半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂの回路に供給される。正極性パルス期間中は半導体スイッチ１５ａに駆動信号が与えられ、半導体スイッチ３ａ、４ｂと半導体スイッチ３ｂ、４ａには交互に駆動信号が与えられる。これにより半導体スイッチ１５ａがオン、半導体スイッチ３ａ、４ｂと半導体スイッチ３ｂ、４ａが交互にオンとなり、変圧器５の一次コイルに交流電流が流れる。変圧器５の二次コイルに誘起した交流電力はダイオード７ａ、７ｂにより整流され、リアクトル９と半導体スイッチ１５ａを通して出力端子１６ａがプラス、出力端子１６ｂがマイナスの正極性パルスが出力される。
【００２５】
負荷は等価的にインダクタンスＬと抵抗Ｒの直列回路と見なすことができるので変圧器５の二次側以降では図３に実線矢印で示すリアクトル９、半導体スイッチ１５ａ、出力端子１６ａ、インダクタンスＬ、抵抗Ｒ、出力端子１６ｂ、出力電流検出器１７の経路を通って電流が流れることになり、負荷には正極性のパルス電流が流れる。出力電流は出力電流検出器１７により検出され、検出された出力電流検出信号と設定された正極性パルス電流の電流基準信号との誤差は増幅されてＰＷＭ変調回路に与えられる。ＰＷＭ変調回路はその誤差が最小になるように半導体スイッチ３ａ、４ｂと半導体スイッチ３ｂ、４ａに与える駆動信号をパルス幅制御し、正極性パルス電流は正極性パルス電流の設定値に制御される。ここで、出力端子１６ａに陽極板、出力端子１６ｂに被めっき物を接続し、めっき液に浸漬しておけばめっき皮膜が形成される。
【００２６】
正極性パルス期間が終了すると半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、１５ａには駆動信号が与えられなくなり、半導体スイッチ１１ａ、１２ｂに駆動信号が与えられる。これにより半導体スイッチ１５ａ、半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂはすべてオフ、半導体スイッチ１１ａ、１２ｂがオンとなる。リアクトル９には流れていた正極性パルス電流によりエネルギーが蓄えられており、そのエネルギーにより図４に鎖線矢印で示すリアクトル９、半導体スイッチ１１ａ、コンデンサ１４、コンデンサ電流検出器１３、半導体スイッチ１２ａの経路を通って電流が流れ、リアクトル９に蓄えられていたエネルギーがコンデンサ１４に移行する。このとき半導体スイッチ１２ａでは内蔵される逆方向のダイオードを通して電流が逆方向に流れるものである。
【００２７】
また、インダクタンスＬにもエネルギーが蓄えられており、そのエネルギーにより図４に実線矢印で示すインダクタンスＬ、抵抗Ｒ、出力端子１６ｂ、出力電流検出器１７、半導体スイッチ１１ｂ、コンデンサ１４、コンデンサ電流検出器１３、半導体スイッチ１２ｂ、半導体スイッチ１５ｂ、出力端子１６ａの経路を通って電流が流れ、インダクタンスＬに蓄えられていたエネルギーもコンデンサ１４に移行する。リアクトル９及びインダクタンスＬに蓄えられていたエネルギーがコンデンサ１４に移行することによりコンデンサ１４の電圧は上昇し、正極性パルス電流は急速に減少してゼロになる。エネルギーの移行が終了するとコンデンサ１４には電流が流れなくなるので、これがコンデンサ電流検出器１３により検出され、負極性パルス期間に入ることになる。
【００２８】
負極性パルス期間の最初では、半導体スイッチ１１ｂ、１５ｂに駆動信号が与えられ、半導体スイッチ３ａ、４ｂと３ｂ、４ａには交互に駆動信号が与えられる。これにより半導体スイッチ１１ｂ、１５ｂがオン、半導体スイッチ３ａ、４ｂと３ｂ、４ａが交互にオンになり、コンデンサ１４に蓄えられていたエネルギーは図５に実線矢印で示す半導体スイッチ１１ｂ、出力電流検出器１７、出力端子１６ｂ、抵抗Ｒ、インダクタンスＬ、出力端子１６ａ、半導体スイッチ１５ｂ、半導体スイッチ１２ｂ、コンデンサ電流検出器１３の経路を通って放出されることになる。このときコンデンサ１４の電圧はリアクトル９及びインダクタンスＬに蓄えられていたエネルギーが移行していることにより上昇しており、インダクタンスＬに高い電圧が加わることとなって負極性パルス電流が急速に立ち上がる。
【００２９】
負極性パルス電流が負極性パルス電流の設定値に達するか、コンデンサ１４に蓄えられていたエネルギーが完全に放出されて電圧がゼロになるかした時点で、半導体スイッチ１１ｂに駆動信号が与えられなくなり、半導体スイッチ１１ｂはオフになる。これらの条件は制御装置１８に出力電流検出信号及びコンデンサ電圧検出信号が入力されていることにより検知される。半導体スイッチ３ａ、４ｂと３ｂ、４ａが交互にオンとなり変圧器５の一次コイルに交流電流が流れているので二次コイルに誘起した交流電力はダイオード８ａ、８ｂにより整流され、図６に実線矢印で示す出力電流検出器１７、出力端子１６ｂ、抵抗Ｒ、インダクタンスＬ、出力端子１６ａ、半導体スイッチ１５ｂ、リアクトル１０の経路を通って負極性パルス電流が継続して流れ、その電流はＰＷＭ変調回路により負極性パルス電流の設定値に制御される。この負極性の通電では被めっき物に過剰に付着しためっき皮膜の先端部を溶解することを主な目的としている。
【００３０】
負極性パルス期間が終了すると半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、１５ｂには駆動信号が与えられなくなり、半導体スイッチ１１ａ、１２ｂに駆動信号が与えられる。これにより半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、１５ｂはすべてオフ、半導体スイッチ１１ａ、１２ｂがオンとなる。リアクトル１０には流れていた負極性パルス電流によりエネルギーが蓄えられており、そのエネルギーにより図７に鎖線矢印で示す半導体スイッチ１１ｂ、コンデンサ１４、コンデンサ電流検出器１３、半導体スイッチ１２ｂ、リアクトル１０の経路を通って電流が流れ、リアクトル１０に蓄えられていたエネルギーがコンデンサ１４に移行する。
【００３１】
また、インダクタンスＬにもエネルギーが蓄えられており、そのエネルギーにより図７に実線矢印で示すインダクタンスＬ、出力端子１６ａ、半導体スイッチ１１ａ、コンデンサ１４、コンデンサ電流検出器１３、半導体スイッチ１２ａ、出力電流検出器１７、出力端子１６ｂ、抵抗Ｒの経路を通って電流が流れ、インダクタンスＬに蓄えられていたエネルギーもコンデンサ１４に移行する。リアクトル１０及びインダクタンスＬに蓄えられていたエネルギーがコンデンサ１４に移行することによりコンデンサ１４が充電され、出力電流は急速に減少してゼロになる。エネルギーの移行が終了するとコンデンサ１４には電流が流れなくなるので、これがコンデンサ電流検出器１３により検出され、正極性パルス期間に入ることになる。
【００３２】
正極性パルス期間の最初では、半導体スイッチ１２ａ、１５ａに駆動信号が与えられ、半導体スイッチ３ａ、４ｂと３ｂ、４ａには交互に駆動信号が与えられる。これにより半導体スイッチ１２ａ、１５ａがオン、半導体スイッチ３ａ、４ｂと半導体スイッチ３ｂ、４ａが交互にオンとなり、コンデンサ１４に蓄えられていたエネルギーは図８に実線矢印で示す半導体スイッチ１１ａ、半導体スイッチ１５ａ、出力端子１６ａ、インダクタンスＬ、抵抗Ｒ、出力端子１６ｂ、出力電流検出器１７、半導体スイッチ１２ａ、コンデンサ電流検出器１３の経路を通って放出され、正極性パルス電流が急速に立ち上がることになる。
【００３３】
正極性パルス電流が正極性パルス電流の設定値に達するか、コンデンサ１４に蓄えられていたエネルギーが完全に放出されて電圧がゼロになるかした時点で、半導体スイッチ１２ａに駆動信号が与えられなくなり、半導体スイッチ１２ａはオフになる。半導体スイッチ３ａ、４ｂと半導体スイッチ３ｂ、４ａが交互にオンとなり変圧器５の一次コイルに交流電流が流れているので前記のように図３に実線矢印で示すリアクトル９、半導体スイッチ１５ａ、出力端子１６ａ、インダクタンスＬ、抵抗Ｒ、出力端子１６ｂ、出力電流検出器１７の経路を通って正極性パルス電流が継続して流れ、その電流はＰＷＭ変調回路により正極性パルス電流の設定値に制御される。このようにして再度正極性パルス期間となり、以後同様に正極性パルス期間と負極性パルス期間とが繰り返される。
【００３４】
ここにおいて一般的には負極性パルスの電流の方が正極性パルスの電流より大きいので、正極性パルス電流の立ち上がりに必要なエネルギーは負極性パルス電流の立ち上がりに必要なエネルギーより小さく、また、負極性パルス期間の終了時にコンデンサ１４に蓄えられるエネルギーよりも小さい。図２では正極性パルス期間の初めでコンデンサ１４に蓄えられたエネルギーが全て放出される以前に正極性パルス電流が立ち上がった様子が示されており、そのため正極性パルス期間中コンデンサ１４に電圧が残存しているのである。
【００３５】
以上説明したように、本発明によれば、正極性パルス期間の終了時と負極性パルス期間の終了時には回路のリアクトル９、１０、インダクタンスＬ等に蓄えられているエネルギーをコンデンサ１４に移行させて蓄えており、負極性パルス期間の開始時と正極性パルス期間の開始時にはコンデンサ１４に蓄えられているエネルギーを負荷に放出しているので、パルス電流を急速に立ち下げあるいは立ち上げることができるだけでなく、回路に蓄えられるエネルギーを有効に負荷に供給することができ、損失が少なく効率が高いという利点がある。また、パルス電流が立ち上がった後は両極性直流電源から電流が供給されることになるが、両極性直流電源をスイッチング方式としていることから追従性がよく、良好な波形のパルス電流が供給される利点がある。
【符号の説明】
【００３６】
１ 整流器
２ 交流入力端子
３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ 半導体スイッチ
５ 変圧器
６ センタータップ
７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂ ダイオード
９、１０ リアクトル
１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ 半導体スイッチ
１３ コンデンサ電流検出器
１４ コンデンサ
１５ａ、１５ｂ 半導体スイッチ
１６ａ、１６ｂ 出力端子
１７ 出力電流検出器
１８ 制御装置
１９、２０ 駆動装置
Ｌ インダクタンス
Ｒ 抵抗
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気めっき等に使用する高速反転パルス電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ある種の電気めっきでは周期的に反転する電流を流すとその鍍膜の物性が良くなることが知られており、銅めっきでは古くからＰＲ銅めっきとして実用化されている。この銅のＰＲめっきは数秒以上の周期で極性を反転させるものであるが、近年百マイクロ秒ないし数ミリ秒単位の周期で高速に極性を反転させると、ある種のめっきのめっき品質に顕著な改善効果があることが見出されており、クロムめっきやニッケルめっき等にも使用されるようになってきている。こうしためっきをするための高速反転パルス電源装置としては例えば特許文献１に示されるようなものが提案されており、本願出願人は特許文献１に示される電源装置の問題点を解決した高速反転パルス電源装置に関し特願２００７−３２２６９８として出願中である。
【０００３】
この特許文献１で開示されている電源装置は、第１直流電源装置と、第２直流電源装置と、上記第１直流電源装置の一方の出力端と、上記第２直流電源装置の他方の出力端及び負荷の一端との間に設けられた第１リアクトルと、高速でオン、オフする第１主スイッチング素子との直列回路と、上記第２直流電源装置の一方の出力端と、上記第１直流電源装置の他方の出力端及び負荷の他端との間に設けられた第２リアクトルと、上記第１主スイッチング素子のオン、オフに対応し相補的にオフ、オンする第２主スイッチング素子との直列回路と、上記第１リアクトルの出力と上記第１直流電源装置の他方の出力端との間に上記第１主スイッチング素子のオン、オフに対応し相補的にオフ、オンする第１補助スイッチング素子と、上記第２リアクトルの出力と上記第２直流電源装置の他方の出力端との間に、上記第２主スイッチング素子のオン、オフに対応し相補的にオフ、オンする第２補助スイッチング素子と、第１、第２補助スイッチング素子とそれぞれ並列に接続され、第１、第２クランプ用ダイオードと上記第１、第２クランプ用ダイオードにそれぞれ直列に接続され定常時ピーク電圧で充電される第１、第２クランプ用コンデンサにより構成される第１、第２クランプ回路と、上記第１又は第２補助スイッチング素子の両端をそれぞれ検出する第１又は第２電圧検出器と、上記第１又は第２電圧検出器の検出信号が所定電圧以上のときに上記第１又は第２補助スイッチング素子をオンさせる制御装置とにより構成されたものである。
【０００４】
この構成では第１補助スイッチング素子がオンの間は第１直流電源装置の出力が第１リアクトルにより短絡され、また、第２補助スイッチング素子がオンの間は第２直流電源装置の出力が第２リアクトルにより短絡されてそれぞれのリアクトルにエネルギーが蓄積される。第１主スイッチング素子がオンになると第１補助スイッチング素子がオフになり、第１リアクトルに蓄積されたエネルギーは正の電流として負荷に供給され、第２主スイッチング素子がオンになると第２補助スイッチング素子がオフになり、第２リアクトルに蓄積されたエネルギーは負の電流として負荷に供給されることになる。
【０００５】
この方式はリアクトルに流しておいた電流を負荷に移行させるものであり、各通電時の電流の立ち上がりは良好であるが、通電時以外も、変圧器、補助スイッチング素子、リアクトルに電流を流し続けることから損失が大きくなり、使用率が低くても大型のリアクトルを要することから装置を小型にできないという問題があった。この問題を解決した特願２００７−３２２６９８の発明は、正極性電流供給用の電源の出力と負極性電流供給用の電源を設けて正極性電流供給用の電源の出力と負極性電流供給用の電源の出力とを極性を逆にして並列接続したものであり、負極性電流供給用の電源はパルス変圧器を介して電流を供給するようにしたものである。
【０００６】
これにより通電時以外の時間に変圧器、補助スイッチング素子、リアクトル等に電流を流し続けることがないので損失が小さくなり、大型のリアクトルを必要としないことから装置を小型化することが可能となった。ところが、負極性パルスの電流はパルス変圧器を介して供給しているため、極端に長い幅の負極性パルスが必要な場合にはそのパルス電力を通過させるに充分な電圧時間積を有するパルス変圧器が必要となり、パルス変圧器を大型にしなければならないという問題があった。この問題を解決する方法として本願出願人は正極性電流供給用の電源を構成するＤＣ−ＤＣコンバータとは別に第二のＤＣ−ＤＣコンバータを設け、該第二のＤＣ−ＤＣコンバータの出力をパルス変圧器の二次コイルと直列に接続して長い幅の負極性パルスを第二のＤＣ−ＤＣコンバータから供給することを考えた。しかしながらこの方法ではＤＣ−ＤＣコンバータが２個必要になりコストがかさむという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１２９３９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記の問題点を解決し、損失が小さく、小型でコストが低く、どのようなパルス幅であっても良好な波形の反転パルス電流を供給することができる高速反転パルス電源装置を提供するためになされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の問題を解決するためになされた本発明の高速反転パルス電源装置は、中性点に対しプラス、マイナス両極性の直流を出力するスイッチング方式の両極性直流電源を設け、両極性直流電源のプラス極と中性点との間に第一の半導体スイッチと第二の半導体スイッチを直列に接続し、両極性直流電源の中性点と両極性直流電源のマイナス極との間に第三の半導体スイッチと第四の半導体スイッチを直列に接続し、第一の半導体スイッチと第二の半導体スイッチの接続点と第三の半導体スイッチと第四の半導体スイッチの接続点との間にコンデンサを接続し、両極性直流電源のプラス極とマイナス極との間に第五の半導体スイッチと第六の半導体スイッチを直列に接続し、第五の半導体スイッチと第六の半導体スイッチの接続点と中性点との間から出力を取り出すことを特徴とするものである。
【００１０】
ここにおいて、正極性パルス期間の終了時に第一の半導体スイッチと第四の半導体スイッチをオンにし、負極性パルス期間の開始時に第二の半導体スイッチと第六の半導体スイッチをオンにし、負極性パルス期間中第六の半導体スイッチをオンにし、負極性パルス期間の終了時に第一の半導体スイッチと第四の半導体スイッチをオンにし、正極性パルス期間の開始時に第三の半導体スイッチと第五の半導体スイッチをオンにし、正極性パルス期間中第第五の半導体スイッチをオンにする駆動信号を順次生成するとともに、正極性パルス期間中または負極性パルス期間中出力電流が設定値になるように両極性直流電源を制御する制御手段を設けることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、正極性パルス期間の終了時と負極性パルス期間の終了時に第一の半導体スイッチと第四の半導体スイッチをオンにすることにより回路のインダクタンスに蓄えられているエネルギーをコンデンサに回収して蓄えることができ、特に負荷回路のインダクタンスに蓄えられたエネルギーを回収することで正極性パルス及び負極性パルスの電流を急速に立ち下げることができる。また、負極性パルス期間の開始時には第二の半導体スイッチと第六の半導体スイッチを、正極性パルス期間の開始時には第三の半導体スイッチと第五の半導体スイッチをそれぞれオンにすることによりコンデンサに蓄えられているエネルギーを負荷に放出することができ、負極性パルス及び正極性パルスの電流を急速に立ち上げることができる。
【００１２】
このように回路のインダクタンスに蓄えられているエネルギーをコンデンサに回収することにより電流を急速に立ち下げ、コンデンサに回収して蓄えられているエネルギーを負荷に放出することにより電流を急速に立ち上げるので、パルス電流の立ち上がり時間、立ち下り時間が短くなるだけでなく、エネルギーが失われないので高効率となる効果がある。また、パルス電流が立ち上がった後は両極性直流電源から電流が供給されることになるが、両極性直流電源をスイッチング方式としていることから追従性がよく、良好な波形のパルス電流が供給される利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の構成を示す結線図である。
【図２】動作時の要部の波形図である。
【図３】動作時の電流の経路を示す図である。
【図４】動作時の電流の経路を示す図である。
【図５】動作時の電流の経路を示す図である。
【図６】動作時の電流の経路を示す図である。
【図７】動作時の電流の経路を示す図である。
【図８】動作時の電流の経路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明を実施するための最良の形態について、図を参照しながら具体的に説明する。
図１は本発明の第一の実施の形態を示す主回路の結線図であって、整流器１により交流入力端子２から供給される交流電力を直流電力に変換する直流電源のプラス極に半導体スイッチ３ａ、３ｂのプラス極が接続してあり、該半導体スイッチ３ａ、３ｂのマイナス極にはそれぞれマイナス極を直流電源のマイナス極に接続した半導体スイッチ４ａ、４ｂのプラス極が接続してある。
【００１５】
半導体スイッチ３ａ、４ａの接続点と半導体スイッチ３ｂ、４ｂの接続点との間には変圧器５の一次コイルが接続してあり、該変圧器５の二次コイルにはセンタータップ６を設けるとともに両端にそれぞれダイオード７ａ、７ｂのアノードとダイオード８ａ、８ｂのカソードが接続してある。ダイオード７ａ、７ｂのカソードは相互に接続したうえリアクトル９の一端に、ダイオード８ａ、８ｂのアノードは相互に接続したうえリアクトル１０の一端にそれぞれ接続してあり、これらの整流器１、半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、変圧器５及びダイオード７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂは中性点に対しプラス、マイナス両極性の直流を出力するスイッチング方式の両極性直流電源を構成し、センタータップ６が中性点、リアクトル９の他端がプラス極、リアクトル１０の他端がマイナス極となる。
【００１６】
両極性直流電源のプラス極であるリアクトル９の他端には第一の半導体スイッチである半導体スイッチ１１ａのプラス極が接続してあり、該半導体スイッチ１１ａのマイナス極には第二の半導体スイッチである半導体スイッチ１１ｂのプラス極を接続し、半導体スイッチ１１ｂのマイナス極は両極性直流電源の中性点であるセンタータップ６に接続してある。また、センタータップ６には第三の半導体スイッチである半導体スイッチ１２ａのプラス極が接続してあり、該半導体スイッチ１２ａのマイナス極には第四の半導体スイッチである半導体スイッチ１２ｂのプラス極を接続し、半導体スイッチ１２ｂのマイナス極は両極性直流電源のマイナス極であるリアクトル１０の他端に接続してある。
【００１７】
これにより両極性直流電源のプラス極と中性点との間には半導体スイッチ１１ａと半導体スイッチ１１ｂが直列に接続されることになり、中性点と両極性直流電源のマイナス極との間には半導体スイッチ１２ａと半導体スイッチ１２ｂが直列に接続されることになる。これらの半導体スイッチ１１ａと半導体スイッチ１１ｂの接続点と、半導体スイッチ１２ａと半導体スイッチ１２ｂの接続点との間には、コンデンサ電流検出器１３を介してコンデンサ１４が接続してある。
【００１８】
また、両極性直流電源のプラス極には第五の半導体スイッチである半導体スイッチ１５ａのプラス極が接続してあり、該半導体スイッチ１５ａのマイナス極には第六の半導体スイッチである半導体スイッチ１５ｂのプラス極が接続してあり、半導体スイッチ１５ｂのマイナス極は両極性直流電源のマイナス極に接続してある。これにより両極性直流電源のプラス極とマイナス極の間には半導体スイッチ１５ａと半導体スイッチ１５ｂが直列に接続されることになる。半導体スイッチ１５ａと半導体スイッチ１５ｂの接続点は出力端子１６ａに接続してあり、出力端子１６ｂは出力電流検出器１７を介してセンタータップ６に接続してある。上記の回路を構成する半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、半導体スイッチ１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ及び半導体スイッチ１５ａ、１５ｂは逆方向に導通するダイオードを内蔵したものとし、高速な素子とするのが望ましい。
【００１９】
図中１８は制御装置であり、正極性パルス及び負極性パルスの時間すなわち各パルス幅をそれぞれ設定してタイミング信号を生成するタイミング回路と、正極性パルス及び負極性パルスの出力電流をそれぞれ設定して電流基準信号を生成する電流設定回路と、出力電流を制御するＰＷＭ変調回路とが設けてある。また、制御装置１８にはコンデンサ電流検出器１３から得られるコンデンサ電流検出信号、出力電流検出器１７から得られる出力電流検出信号、出力電圧検出信号及びコンデンサ１４の両端の電圧を検出して得られるコンデンサ電圧検出信号が入力してある。
【００２０】
これらの回路を設け、各検出信号を入力した制御装置１８はタイミング信号及びコンデンサ電流検出信号、出力電流検出信号、出力電圧検出信号、コンデンサ電圧検出信号等の条件により半導体スイッチ１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ及び半導体スイッチ１５ａ、１５ｂを個別にオンさせる駆動指令信号を生成して駆動装置１９に与えるように構成してあり、タイミング信号及び電流基準信号と出力電流検出信号により半導体スイッチ３ａ、４ｂと半導体スイッチ３ｂ、４ａとを交互にオンさせる駆動指令信号を生成して駆動装置２０に与えるように構成してある。駆動装置１９は駆動指令信号に基づき、絶縁するとともに増幅して各半導体スイッチ１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ及び半導体スイッチ１５ａ、１５ｂのゲートに加えるようにしてあり、駆動装置２０は駆動指令信号に基づき、絶縁するとともに増幅して各半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂのゲートに加えるようにしてある。
【００２１】
前記のように構成した制御装置１８は以下のように動作するものとしてある。運転開始時は正極性パルス期間となり、半導体スイッチ１５ａに駆動信号を与え、半導体スイッチ３ａ、４ｂと半導体スイッチ３ｂ、４ａに交互に駆動信号を与える。正極性パルス期間の終了時には半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、１５ａに駆動信号を与えるのを止め、半導体スイッチ１１ａ、１２ｂに駆動信号を与える。コンデンサ電流検出信号によりコンデンサ１４の電流がゼロになると負極性パルス期間に入り、負極性パルス期間の開始時には半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、１１ｂ、１５ｂに駆動信号を与え、出力電流検出信号により出力電流が設定値に達したことが検出されるか、コンデンサ電圧検出信号によりコンデンサ１４の電圧がゼロになったことが検出されると半導体スイッチ１１ｂに駆動信号を与えるのを止め、負極性パルス期間中は引き続き半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、１５ｂに駆動信号を与える。
【００２２】
負極性パルス期間の終了時には半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、１５ｂに駆動信号を与えるのを止め、半導体スイッチ１１ａ、１２ｂに駆動信号を与える。コンデンサ電流検出信号によりコンデンサ１４の電流がゼロになると正極性パルス期間に入り、正極性パルス期間の開始時には半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、１２ａ、１５ａに駆動信号を与え、出力電流検出信号により出力電流が設定値に達したことが検出されるか、コンデンサ電圧検出信号によりコンデンサ１４の電圧がゼロになったことが検出されると半導体スイッチ１２ａに駆動信号を与えるのを止め、正極性パルス期間中は上記のように引き続き半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、１５ａに駆動信号を与える。
【００２３】
以下このように構成された高速反転パルス電源装置の動作について説明する。基本的には正極性のパルスと負極性のパルスを交互に出力するものであるが、めっき用の場合正極性通電期間に鍍膜が形成されるので、通常正極性通電時間は負極性通電期間の数倍以上に設定される。図２は２個の正極性のパルスが出力される間に１個の負極性のパルスが出力されるときの要部の波形を示すもので、Ａ、Ｂはそれぞれ半導体スイッチ１５ａ、１５ｂの駆動信号、Ｃ、Ｄ及びＥ、Ｆはそれぞれ半導体スイッチ１１ａ、１１ｂ及び半導体スイッチ１２ａ、１２ｂの駆動信号、Ｇは半導体スイッチ３ａと４ｂの駆動信号、Ｈは半導体スイッチ３ｂと４ａの駆動信号であり、Ｊは出力電流、Ｋは出力電圧、Ｌは両極性直流電源のプラス側の出力電圧、Ｍ及びＮはコンデンサ１４の電流と電圧である。両極性直流電源のマイナス側の出力電圧がＬとは極性が逆で絶対値が同じであることはいうまでもなく、波形Ｌの点線は平均電圧を示している。
【００２４】
交流入力端子２から供給された交流電力は整流器１により直流電力に変換され、半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂの回路に供給される。正極性パルス期間中は半導体スイッチ１５ａに駆動信号が与えられ、半導体スイッチ３ａ、４ｂと半導体スイッチ３ｂ、４ａには交互に駆動信号が与えられる。これにより半導体スイッチ１５ａがオン、半導体スイッチ３ａ、４ｂと半導体スイッチ３ｂ、４ａが交互にオンとなり、変圧器５の一次コイルに交流電流が流れる。変圧器５の二次コイルに誘起した交流電力はダイオード７ａ、７ｂにより整流され、リアクトル９と半導体スイッチ１５ａを通して出力端子１６ａがプラス、出力端子１６ｂがマイナスの正極性パルスが出力される。
【００２５】
負荷は等価的にインダクタンスＬと抵抗Ｒの直列回路と見なすことができるので変圧器５の二次側以降では図３に実線矢印で示すリアクトル９、半導体スイッチ１５ａ、出力端子１６ａ、インダクタンスＬ、抵抗Ｒ、出力端子１６ｂ、出力電流検出器１７の経路を通って電流が流れることになり、負荷には正極性のパルス電流が流れる。出力電流は出力電流検出器１７により検出され、検出された出力電流検出信号と設定された正極性パルス電流の電流基準信号との誤差は増幅されてＰＷＭ変調回路に与えられる。ＰＷＭ変調回路はその誤差が最小になるように半導体スイッチ３ａ、４ｂと半導体スイッチ３ｂ、４ａに与える駆動信号をパルス幅制御し、正極性パルス電流は正極性パルス電流の設定値に制御される。ここで、出力端子１６ａに陽極板、出力端子１６ｂに被めっき物を接続し、めっき液に浸漬しておけばめっき皮膜が形成される。
【００２６】
正極性パルス期間が終了すると半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、１５ａには駆動信号が与えられなくなり、半導体スイッチ１１ａ、１２ｂに駆動信号が与えられる。これにより半導体スイッチ１５ａ、半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂはすべてオフ、半導体スイッチ１１ａ、１２ｂがオンとなる。リアクトル９には流れていた正極性パルス電流によりエネルギーが蓄えられており、そのエネルギーにより図４に鎖線矢印で示すリアクトル９、半導体スイッチ１１ａ、コンデンサ１４、コンデンサ電流検出器１３、半導体スイッチ１２ａの経路を通って電流が流れ、リアクトル９に蓄えられていたエネルギーがコンデンサ１４に移行する。このとき半導体スイッチ１２ａでは内蔵される逆方向のダイオードを通して電流が逆方向に流れるものである。
【００２７】
また、インダクタンスＬにもエネルギーが蓄えられており、そのエネルギーにより図４に実線矢印で示すインダクタンスＬ、抵抗Ｒ、出力端子１６ｂ、出力電流検出器１７、半導体スイッチ１１ｂ、コンデンサ１４、コンデンサ電流検出器１３、半導体スイッチ１２ｂ、半導体スイッチ１５ｂ、出力端子１６ａの経路を通って電流が流れ、インダクタンスＬに蓄えられていたエネルギーもコンデンサ１４に移行する。リアクトル９及びインダクタンスＬに蓄えられていたエネルギーがコンデンサ１４に移行することによりコンデンサ１４の電圧は上昇し、正極性パルス電流は急速に減少してゼロになる。エネルギーの移行が終了するとコンデンサ１４には電流が流れなくなるので、これがコンデンサ電流検出器１３により検出され、負極性パルス期間に入ることになる。
【００２８】
負極性パルス期間の最初では、半導体スイッチ１１ｂ、１５ｂに駆動信号が与えられ、半導体スイッチ３ａ、４ｂと３ｂ、４ａには交互に駆動信号が与えられる。これにより半導体スイッチ１１ｂ、１５ｂがオン、半導体スイッチ３ａ、４ｂと３ｂ、４ａが交互にオンになり、コンデンサ１４に蓄えられていたエネルギーは図５に実線矢印で示す半導体スイッチ１１ｂ、出力電流検出器１７、出力端子１６ｂ、抵抗Ｒ、インダクタンスＬ、出力端子１６ａ、半導体スイッチ１５ｂ、半導体スイッチ１２ｂ、コンデンサ電流検出器１３の経路を通って放出されることになる。このときコンデンサ１４の電圧はリアクトル９及びインダクタンスＬに蓄えられていたエネルギーが移行していることにより上昇しており、インダクタンスＬに高い電圧が加わることとなって負極性パルス電流が急速に立ち上がる。
【００２９】
負極性パルス電流が負極性パルス電流の設定値に達するか、コンデンサ１４に蓄えられていたエネルギーが完全に放出されて電圧がゼロになるかした時点で、半導体スイッチ１１ｂに駆動信号が与えられなくなり、半導体スイッチ１１ｂはオフになる。これらの条件は制御装置１８に出力電流検出信号及びコンデンサ電圧検出信号が入力されていることにより検知される。半導体スイッチ３ａ、４ｂと３ｂ、４ａが交互にオンとなり変圧器５の一次コイルに交流電流が流れているので二次コイルに誘起した交流電力はダイオード８ａ、８ｂにより整流され、図６に実線矢印で示す出力電流検出器１７、出力端子１６ｂ、抵抗Ｒ、インダクタンスＬ、出力端子１６ａ、半導体スイッチ１５ｂ、リアクトル１０の経路を通って負極性パルス電流が継続して流れ、その電流はＰＷＭ変調回路により負極性パルス電流の設定値に制御される。この負極性の通電では被めっき物に過剰に付着しためっき皮膜の先端部を溶解することを主な目的としている。
【００３０】
負極性パルス期間が終了すると半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、１５ｂには駆動信号が与えられなくなり、半導体スイッチ１１ａ、１２ｂに駆動信号が与えられる。これにより半導体スイッチ３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、１５ｂはすべてオフ、半導体スイッチ１１ａ、１２ｂがオンとなる。リアクトル１０には流れていた負極性パルス電流によりエネルギーが蓄えられており、そのエネルギーにより図７に鎖線矢印で示す半導体スイッチ１１ｂ、コンデンサ１４、コンデンサ電流検出器１３、半導体スイッチ１２ｂ、リアクトル１０の経路を通って電流が流れ、リアクトル１０に蓄えられていたエネルギーがコンデンサ１４に移行する。
【００３１】
また、インダクタンスＬにもエネルギーが蓄えられており、そのエネルギーにより図７に実線矢印で示すインダクタンスＬ、出力端子１６ａ、半導体スイッチ１１ａ、コンデンサ１４、コンデンサ電流検出器１３、半導体スイッチ１２ａ、出力電流検出器１７、出力端子１６ｂ、抵抗Ｒの経路を通って電流が流れ、インダクタンスＬに蓄えられていたエネルギーもコンデンサ１４に移行する。リアクトル１０及びインダクタンスＬに蓄えられていたエネルギーがコンデンサ１４に移行することによりコンデンサ１４が充電され、出力電流は急速に減少してゼロになる。エネルギーの移行が終了するとコンデンサ１４には電流が流れなくなるので、これがコンデンサ電流検出器１３により検出され、正極性パルス期間に入ることになる。
【００３２】
正極性パルス期間の最初では、半導体スイッチ１２ａ、１５ａに駆動信号が与えられ、半導体スイッチ３ａ、４ｂと３ｂ、４ａには交互に駆動信号が与えられる。これにより半導体スイッチ１２ａ、１５ａがオン、半導体スイッチ３ａ、４ｂと半導体スイッチ３ｂ、４ａが交互にオンとなり、コンデンサ１４に蓄えられていたエネルギーは図８に実線矢印で示す半導体スイッチ１１ａ、半導体スイッチ１５ａ、出力端子１６ａ、インダクタンスＬ、抵抗Ｒ、出力端子１６ｂ、出力電流検出器１７、半導体スイッチ１２ａ、コンデンサ電流検出器１３の経路を通って放出され、正極性パルス電流が急速に立ち上がることになる。
【００３３】
正極性パルス電流が正極性パルス電流の設定値に達するか、コンデンサ１４に蓄えられていたエネルギーが完全に放出されて電圧がゼロになるかした時点で、半導体スイッチ１２ａに駆動信号が与えられなくなり、半導体スイッチ１２ａはオフになる。半導体スイッチ３ａ、４ｂと半導体スイッチ３ｂ、４ａが交互にオンとなり変圧器５の一次コイルに交流電流が流れているので前記のように図３に実線矢印で示すリアクトル９、半導体スイッチ１５ａ、出力端子１６ａ、インダクタンスＬ、抵抗Ｒ、出力端子１６ｂ、出力電流検出器１７の経路を通って正極性パルス電流が継続して流れ、その電流はＰＷＭ変調回路により正極性パルス電流の設定値に制御される。このようにして再度正極性パルス期間となり、以後同様に正極性パルス期間と負極性パルス期間とが繰り返される。
【００３４】
ここにおいて一般的には負極性パルスの電流の方が正極性パルスの電流より大きいので、正極性パルス電流の立ち上がりに必要なエネルギーは負極性パルス電流の立ち上がりに必要なエネルギーより小さく、また、負極性パルス期間の終了時にコンデンサ１４に蓄えられるエネルギーよりも小さい。図２では正極性パルス期間の初めでコンデンサ１４に蓄えられたエネルギーが全て放出される以前に正極性パルス電流が立ち上がった様子が示されており、そのため正極性パルス期間中コンデンサ１４に電圧が残存しているのである。
【００３５】
以上説明したように、本発明によれば、正極性パルス期間の終了時と負極性パルス期間の終了時には回路のリアクトル９、１０、インダクタンスＬ等に蓄えられているエネルギーをコンデンサ１４に移行させて蓄えており、負極性パルス期間の開始時と正極性パルス期間の開始時にはコンデンサ１４に蓄えられているエネルギーを負荷に放出しているので、パルス電流を急速に立ち下げあるいは立ち上げることができるだけでなく、回路に蓄えられるエネルギーを有効に負荷に供給することができ、損失が少なく効率が高いという利点がある。また、パルス電流が立ち上がった後は両極性直流電源から電流が供給されることになるが、両極性直流電源をスイッチング方式としていることから追従性がよく、良好な波形のパルス電流が供給される利点がある。
【符号の説明】
【００３６】
１ 整流器
２ 交流入力端子
３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ 半導体スイッチ
５ 変圧器
６ センタータップ
７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂ ダイオード
９、１０ リアクトル
１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ 半導体スイッチ
１３ コンデンサ電流検出器
１４ コンデンサ
１５ａ、１５ｂ 半導体スイッチ
１６ａ、１６ｂ 出力端子
１７ 出力電流検出器
１８ 制御装置
１９、２０ 駆動装置
Ｌ インダクタンス
Ｒ 抵抗
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中性点に対しプラス、マイナス両極性の直流を出力するスイッチング方式の両極性直流電源を設け、両極性直流電源のプラス極と中性点との間に第一の半導体スイッチと第二の半導体スイッチを直列に接続し、両極性直流電源の中性点と両極性直流電源のマイナス極との間に第三の半導体スイッチと第四の半導体スイッチを直列に接続し、第一の半導体スイッチと第二の半導体スイッチの接続点と第三の半導体スイッチと第四の半導体スイッチの接続点との間にコンデンサを接続し、両極性直流電源のプラス極とマイナス極との間に第五の半導体スイッチと第六の半導体スイッチを直列に接続し、第五の半導体スイッチと第六の半導体スイッチの接続点と中性点との間から出力を取り出すことを特徴とする高速反転パルス電源装置。
【請求項２】
正極性パルス期間の終了時に第一の半導体スイッチと第四の半導体スイッチをオンにし、負極性パルス期間の開始時に第二の半導体スイッチと第六の半導体スイッチをオンにし、負極性パルス期間中第六の半導体スイッチをオンにし、負極性パルス期間の終了時に第一の半導体スイッチと第四の半導体スイッチをオンにし、正極性パルス期間の開始時に第三の半導体スイッチと第五の半導体スイッチをオンにし、正極性パルス期間中第第五の半導体スイッチをオンにする駆動信号を順次生成するとともに、正極性パルス期間中または負極性パルス期間中出力電流が設定値になるように両極性直流電源を制御する制御手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の高速反転パルス電源装置。
【請求項１】
中性点に対しプラス、マイナス両極性の直流を出力するスイッチング方式の両極性直流電源を設け、両極性直流電源のプラス極と中性点との間に第一の半導体スイッチと第二の半導体スイッチを直列に接続し、両極性直流電源の中性点と両極性直流電源のマイナス極との間に第三の半導体スイッチと第四の半導体スイッチを直列に接続し、第一の半導体スイッチと第二の半導体スイッチの接続点と第三の半導体スイッチと第四の半導体スイッチの接続点との間にコンデンサを接続し、両極性直流電源のプラス極とマイナス極との間に第五の半導体スイッチと第六の半導体スイッチを直列に接続し、第五の半導体スイッチと第六の半導体スイッチの接続点と中性点との間から出力を取り出すことを特徴とする高速反転パルス電源装置。
【請求項２】
正極性パルス期間の終了時に第一の半導体スイッチと第四の半導体スイッチをオンにし、負極性パルス期間の開始時に第二の半導体スイッチと第六の半導体スイッチをオンにし、負極性パルス期間中第六の半導体スイッチをオンにし、負極性パルス期間の終了時に第一の半導体スイッチと第四の半導体スイッチをオンにし、正極性パルス期間の開始時に第三の半導体スイッチと第五の半導体スイッチをオンにし、正極性パルス期間中第第五の半導体スイッチをオンにする駆動信号を順次生成するとともに、正極性パルス期間中または負極性パルス期間中出力電流が設定値になるように両極性直流電源を制御する制御手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の高速反転パルス電源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−１６２４（Ｐ２０１１−１６２４Ａ）
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４７４４４（Ｐ２００９−１４７４４４）
【出願日】平成２１年６月２２日（２００９．６．２２）
【出願人】（０００１５０２０２）株式会社中央製作所 (35)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月２２日（２００９．６．２２）
【出願人】（０００１５０２０２）株式会社中央製作所 (35)
【Ｆターム（参考）】
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