JP5087385B2 - 電源装置及びアーク加工用電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ回路を有する電源装置及びアーク加工用電源装置に関するものである。

アーク加工機等に用いられる電源装置は、例えば特許文献１に示されるように、商用電源（三相交流電源）を整流回路にて整流し平滑コンデンサにて平滑化した直流電圧に変換する直流変換回路と、２個のスイッチング素子のハーフブリッジ回路で構成されるインバータ回路とを備えている。インバータ回路は、その２個のスイッチング素子が交互にオンオフ制御されることで、直流変換回路からの直流電圧を所定の高周波交流電圧に変換している。そして、インバータ回路からの所定の高周波交流電圧がアーク溶接やアーク切断等のアーク加工に適したアーク加工用直流電圧に更に変換されている。

また、特許文献１に示される電源装置では、直流変換回路を構成する平滑コンデンサとインバータ回路との間の一対の電源線間に補助コンデンサが接続されるとともに、平滑及び補助コンデンサ間の各電源線上にそれぞれ補助スイッチング素子が配置されている。各補助スイッチング素子は、インバータ回路の一対のスイッチング素子と組をなしてオンオフ制御され、オン時にはインバータ回路のスイッチング素子と補助スイッチング素子とが組毎に同時オンされ、オフ時にはインバータ回路のスイッチング素子がオフするよりも補助スイッチング素子が先にオフされる。このようなインバータ回路のスイッチング素子及び補助スイッチング素子の動作に付随した補助コンデンサの充放電動作を利用することで、各スイッチング素子におけるスイッチング損失を低減するソフトスイッチング制御を行う構成となっている。
特開２００５−２７９７７４号公報

しかしながら、軽負荷時や無負荷時等において、補助コンデンサの充放電が不完全となる場合がある。この補助コンデンサの不完全な充放電動作は、スイッチング損失の増大やサージ電圧発生によるスイッチング素子の破損に繋がるため、これらを解決することが要望されている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ソフトスイッチング制御で用いる補助コンデンサの充放電を負荷状態にかかわらず確実とし、スイッチング損失の低減や電圧サージの抑制を図ることができる電源装置及びアーク加工用電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、整流回路及びその出力側の一対の電源線間に直列接続された第１及び第２の平滑コンデンサを有し、入力交流電源を整流・平滑化した直流電圧に変換する直流変換回路と、第１及び第２のスイッチング素子を用いたハーフブリッジ回路で構成され、その第１及び第２のスイッチング素子が交互にオンオフして前記各電源線を介して供給された前記直流電圧を所定の交流電圧に変換するインバータ回路と、前記平滑コンデンサと前記インバータ回路との間の前記各電源線間に直列接続された第１及び第２の補助コンデンサを有するとともに、前記平滑コンデンサと前記補助コンデンサの間の前記各電源線上に前記第１及び第２のスイッチング素子と組をなして交互に動作される第３及び第４のスイッチング素子のそれぞれが配置されてなる補助スイッチング回路とを備え、対応する前記第１及び第２の補助コンデンサの充電状態で前記第３及び第４のスイッチング素子が前記第１及び第２のスイッチング素子のオフに先立ってそれぞれオフし、対応する前記第１及び第２の補助コンデンサの放電後に前記第１及び第２のスイッチング素子をそれぞれオフさせるソフトスイッチング制御が行われる構成の電源装置であって、前記第１及び第２のスイッチング素子間と前記第１及び第２の補助コンデンサ間との間に設けられ、前記第１及び第２の補助コンデンサの放電開始となる前記第３及び第４のスイッチング素子の各オフ又は各オフに先立って共振動作し、前記補助コンデンサの放電電流に基づく前記第１及び第２のスイッチング素子の出力電流を増大させる共振電流を生じさせる共振回路を備えたことをその要旨とする。

この発明では、インバータ回路の第１及び第２のスイッチング素子間と補助スイッチング回路の第１及び第２の補助コンデンサ間との間に共振回路が設けられ、該共振回路は、第１及び第２の補助コンデンサの放電開始となる第３及び第４のスイッチング素子の各オフ又は各オフに先立って共振動作し、補助コンデンサの放電電流に基づく第１及び第２のスイッチング素子の出力電流が増大するような共振電流を生じさせる。これにより、補助コンデンサの放電速度が速くなり、該補助コンデンサの放電時間が短縮化される。従って、補助コンデンサの放電が短時間で速やかに行われ、軽負荷時や無負荷時であっても補助コンデンサの放電を確実に行うことが可能となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電源装置において、前記共振回路は、前記第１及び第２のスイッチング素子の各オフに基づいて、前記共振電流を、反対側の組の前記第１及び第２の補助コンデンサの充電電流としてそれぞれ供給することをその要旨とする。

この発明では、第１及び第２のスイッチング素子の各オフに基づいて、共振回路は、その共振電流を、放電が完了した補助コンデンサとは反対側の補助コンデンサの充電電流としてそれぞれ供給する。これにより、共振回路からの共振電流が反対側の組の補助コンデンサの充電電流としても用いられることから、補助コンデンサの充電速度が速くなり、該補助コンデンサの充電時間が短縮化される。従って、補助コンデンサの充電が短時間で速やかに行われ、軽負荷時や無負荷時であっても補助コンデンサの充電を確実に行うことが可能となる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の電源装置において、前記共振回路は、還流ダイオードを有し前記第３及び第４のスイッチング素子と組をなして交互に動作される第５及び第６のスイッチング素子と、共振インダクタとを備えてなり、前記共振インダクタの両側に互いに逆向きに前記第５及び第６のスイッチング素子を配置しその一方が前記第１及び第２のスイッチング素子間に、他方が前記第１及び第２の補助コンデンサ間にそれぞれ接続されて構成されていることをその要旨とする。

この発明では、共振回路は、還流ダイオードを有し第３及び第４のスイッチング素子と組をなして交互に動作される第５及び第６のスイッチング素子が互いに逆向きとされて共振インダクタの両側に配置され、第５及び第６のスイッチング素子の一方が第１及び第２のスイッチング素子間に、他方が第１及び第２の補助コンデンサ間にそれぞれ接続されて構成される。つまり、共振回路を２個のスイッチング素子と共振インダクタとで簡素に構成可能である。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の電源装置において、前記第５及び第６のスイッチング素子は、対応する前記第３及び第４のスイッチング素子のオフに先立ってオンされることをその要旨とする。

この発明では、共振回路の第５及び第６のスイッチング素子は、対応する第３及び第４のスイッチング素子のオフに先立ってオンされ、共振インダクタによる共振動作が行われる。つまり、第３及び第４のスイッチング素子のオフに先立ってこの共振回路の第５及び第６のスイッチング素子がオンされることで、補助コンデンサの放電開始前に立ち上がりの緩やかなインダクタの共振電流（共振エネルギー）を予め増大させておくことができ、これにより第３及び第４のスイッチング素子のオフにより補助コンデンサの放電が開始された時からその放電が速やかとなる。そのため、補助コンデンサの放電時間がより短縮化される。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電源装置を用い、加工対象物のアーク加工を行うアーク加工用電圧を生成するように構成されているアーク加工用電源装置である。

この発明では、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電源装置が用いられてアーク加工用電源装置が構成されるため、上記各請求項の作用効果が得られるアーク加工用電源装置を提供できる。

本発明によれば、ソフトスイッチング制御で用いる補助コンデンサの充放電が負荷状態にかかわらず確実となり、スイッチング損失の低減や電圧サージの抑制を図ることができる電源装置及びアーク加工用電源装置を提供することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態のアーク加工用電源装置１１を備えたアーク加工機１０を示す。アーク加工機１０は、その電源装置１１から出力される加工用直流電圧をトーチＴＨに供給し、そのトーチＴＨから加工対象物Ｍに向けてアークを発生させることで、加工対象物Ｍに対してアーク溶接やアーク切断等のアーク加工を行う装置である。

アーク加工用電源装置１１は、入力される例えば２００Ｖ又は４００Ｖの商用電源（三相交流電圧）を直流電圧に変換する直流変換回路１２と、その直流電圧を所定の高周波交流電圧に変換するインバータ回路１３とを備えてなる。

直流変換回路１２は、ダイオードを用いたブリッジ回路で構成され三相の入力交流電源を全波整流する一次側整流回路ＤＲ１と、該整流回路ＤＲ１の出力側の電源線Ｌ１，Ｌ２間に接続され該整流回路ＤＲ１の出力電圧を平滑化する同容量の２個の平滑コンデンサＣａ，Ｃｂとを有してなる。直流変換回路１２は、この整流回路ＤＲ１及び平滑コンデンサＣａ，Ｃｂにて入力交流電源から直流電圧を生成している。

インバータ回路１３は、電源線Ｌ１，Ｌ２に接続され、ＩＧＢＴよりなる２個のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を用いたハーフブリッジ回路で構成されている。尚、これらのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２には、それぞれ還流ダイオードＤ１，Ｄ２が逆接続されている。各スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は、ゲートに入力される出力制御回路ＳＣからの制御信号に基づいて交互にオンオフ駆動され、直流変換回路１２から出力された直流電圧を所定の高周波交流電圧に変換し、該高周波交流電圧を変圧器ＩＮＴの一次側コイルに供給している。

また本実施形態では、インバータ回路１３及び前記直流変換回路１２の間に、補助スイッチング回路１４及び共振回路１５が備えられている。
補助スイッチング回路１４は、ＩＧＢＴよりなる２個のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４と、２個の補助コンデンサＣ１，Ｃ２と、２個の還流ダイオードＤ７，Ｄ８とを備えている。スイッチング素子Ｓ３は平滑コンデンサＣａ，Ｃｂの後段の電源線Ｌ１上に配置され、スイッチング素子Ｓ４は該コンデンサＣ１，Ｃ２の後段の電源線Ｌ２上に配置されている。各スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４には、それぞれ還流ダイオードＤ３，Ｄ４が逆接続されている。各スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４は、ゲートに入力される出力制御回路ＳＣからの制御信号に基づいて交互にオンオフ駆動される。

スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の後段の電源線Ｌ１，Ｌ２間には還流ダイオードＤ７，Ｄ８が直列に接続されており、この還流ダイオードＤ７，Ｄ８は、電源線Ｌ２から電源線Ｌ１に向けて順方向となるように接続されている。還流ダイオードＤ７，Ｄ８の後段の電源線Ｌ１，Ｌ２間には、同容量の補助コンデンサＣ１，Ｃ２が直列に接続されている。この補助コンデンサＣ１，Ｃ２間の接続点Ｎ１は、還流ダイオードＤ７，Ｄ８間の接続点及び前記平滑コンデンサＣａ，Ｃｂ間の接続点にともに接続されている。

共振回路１５は、補助コンデンサＣ１，Ｃ２間の接続点Ｎ１と、前記インバータ回路１３のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２間の接続点Ｎ２との間に接続されている。共振回路１５は、ＩＧＢＴよりなる２個のスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６と、２個のインダクタ（共振インダクタＬｒ及び直列インダクタＬｓ）とを備えている。スイッチング素子Ｓ５は、そのコレクタが前記接続点Ｎ２に接続されるとともに、エミッタが共振インダクタＬｒを介してスイッチング素子Ｓ６のエミッタに接続されている。スイッチング素子Ｓ６のコレクタは、前記接続点Ｎ１に接続されている。各スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６には、それぞれ還流ダイオードＤ５，Ｄ６が逆接続されている。各スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６は、ゲートに入力される出力制御回路ＳＣからの制御信号に基づいて交互にオンオフ駆動される。直列インダクタＬｓは、一端が接続点Ｎ２に接続されるとともに、他端が変圧器ＩＮＴの一次側コイルを介して前記接続点Ｎ１に接続されている。

そして、補助スイッチング回路１４及び共振回路１５における各スイッチング素子Ｓ３〜Ｓ６は、前記インバータ回路１３のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の動作に付随したオンオフ駆動がなされ、このスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のスイッチング損失を低減、及びスイッチング素子Ｓ３〜Ｓ６自身のスイッチング損失を低減するソフトスイッチング制御が行われる。尚、この制御についての詳細は、インバータ回路１３の制御と合わせて後述する。

インバータ回路１３で生成された高周波交流電圧は、変圧器ＩＮＴの一次側コイルに供給され、該変圧器ＩＮＴの二次側には、二次側整流回路ＤＲ２及び直流リアクトルＤＣＬが備えられる。二次側整流回路ＤＲ２は、変圧器ＩＮＴの二次側コイルの両端にそれぞれアノードが接続される２個のダイオードＤ１１，Ｄ１２を備え、各ダイオードＤ１１，Ｄ１２のカソードが接続される該整流回路ＤＲ２の出力側には、直流リアクトルＤＣＬが接続されている。直流リアクトルＤＣＬは、出力線Ｌ３を介してトーチＴＨと接続される。二次側整流回路ＤＲ２及び直流リアクトルＤＣＬは、インバータ回路１３からの高周波交流電圧をアーク加工用直流電圧に変換してトーチＴＨに出力する。一方、変圧器ＩＮＴの二次側コイルの中間タップに接続された出力線Ｌ４は加工対象物Ｍと接続され、トーチＴＨへのアーク加工用直流電圧の供給に基づきトーチＴＨから加工対象物Ｍに向けてアークが生じるようになっている。

次に、上記したインバータ回路１３のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２と、補助スイッチング回路１４及び共振回路１５のスイッチング素子Ｓ３〜Ｓ６とをスイッチング制御する出力制御回路ＳＣのその制御について図２を参照しつつ説明する。尚、図２において、「Ｓ１」〜「Ｓ６」は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のオンオフ状態を示しており、電圧「Ｖ」及び電流「Ｉ」の添え字「ｓ１〜ｓ６，ｃ１，ｃ２，ｄ７，ｄ８」は各素子の符号に対応付けてある。また添え字「ｓ１〜ｓ６」については、還流ダイオードＤ１〜Ｄ６も含んでいる。電圧「Ｖ」及び電流「Ｉ」は、各素子にかかる電圧及び電流変化を示している。

出力制御回路ＳＣは、先ずはインバータ回路１３の主たる動作として直流電圧から高周波交流電圧を生成するために、インバータ回路１３のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を所定周波数で交互にオンオフさせる。ここで、出力制御回路ＳＣは、出力線Ｌ４等から実出力電流値の検出を行っており、その実出力電流値と出力設定値とに基づいてＰＷＭ制御を実施、即ちオンパルス幅Ｗ（デューティ）の変更にてスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のオン時間を調整し、その高周波交流電圧を制御している。

また、この出力制御回路ＳＣは、インバータ回路１３のスイッチング素子Ｓ１と組でスイッチング素子Ｓ３，Ｓ５を動作させるとともに、スイッチング素子Ｓ２と組でスイッチング素子Ｓ４，Ｓ６を動作させ、インバータ回路１３の主たる動作に付随して補助スイッチング回路１４及び共振回路１５の各スイッチング素子Ｓ３〜Ｓ６を動作させるソフトスイッチング制御も行っている。

詳述すると、出力制御回路ＳＣは、インバータ回路１３のスイッチング素子Ｓ１のオン側では、補助スイッチング回路１４のスイッチング素子Ｓ３を同時にオンさせる。これに対し、インバータ回路１３のスイッチング素子Ｓ１のオフ側では、出力制御回路ＳＣは、そのオフよりも所定時間Ｔ１前にスイッチング素子Ｓ３をオフ、更にそのスイッチング素子Ｓ３をオフよりも所定時間Ｔ２前に共振回路１５のスイッチング素子Ｓ５をオンさせる。そして、出力制御回路ＳＣは、もう一方の組のスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４のオンと同時にスイッチング素子Ｓ５をオフさせる。因みに、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３のオンからスイッチング素子Ｓ５のオフまでの間は少なくとも、もう一方の組のスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６をオフ状態に維持している。もう一方の組のスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６のオンオフ動作については、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４のオン以降、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５の上記オンオフ動作と同様に実施される。

このような出力制御回路ＳＣのスイッチング制御により、各タイミングでの回路各所の電流及び電圧変化を見てみると、先ず、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３がオン状態、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４〜Ｓ６がオフ状態にある時刻ｔ０前においては、平滑コンデンサＣａ（補助コンデンサＣ１）の端子間電圧がインバータ回路１３のスイッチング素子Ｓ１に供給される。スイッチング素子Ｓ１からの出力電圧は、直列インダクタＬｓを介して変圧器ＩＮＴの一次側コイルに供給され、これに伴い変圧器ＩＮＴの二次側では、二次側整流回路ＤＲ２のダイオードＤ１１側から直流リアクトルＤＣＬを介してトーチＴＨにアーク加工用直流電圧が出力される。

「時刻ｔ０」になると、スイッチング素子Ｓ５がオンされる。このオンに基づいて共振回路１５が共振動作し、共振インダクタＬｒに共振電流が生じて、接続点Ｎ２からスイッチング素子Ｓ５、共振インダクタＬｒ及び還流ダイオードＤ６の経路でこの共振電流が流れる。これにより、スイッチング素子Ｓ５を流れる電流Ｉｓ５が増加し、これに連動してスイッチング素子Ｓ１を流れる電流（出力電流）Ｉｓ１も増加する。尚、共振インダクタＬｒにより生じる共振電流はゼロからの立ち上がりが緩やかであるため、スイッチング素子Ｓ５はゼロ電流でのオンとなり、そのスイッチング損失が低減されている。スイッチング素子Ｓ１からは、変圧器ＩＮＴの一次側コイル側に平滑コンデンサＣａの端子間電圧に基づく出力電圧の供給が継続され、変圧器ＩＮＴの二次側ではダイオードＤ１１側からの直流リアクトルＤＣＬへの電流供給が継続される。補助コンデンサＣ１の端子間電圧は、依然、平滑コンデンサＣａの端子間電圧と同等に維持されている。

「時刻ｔ１」になると、スイッチング素子Ｓ３がオフされる。このオフに基づいて、スイッチング素子Ｓ１への平滑コンデンサＣａからの端子間電圧の供給が遮断されるものの、補助コンデンサＣ１の放電が開始され該コンデンサＣ１の端子間電圧の供給に替わる。尚、このスイッチング素子Ｓ３のオフ時には、時刻ｔ１以前に補助コンデンサＣ１の端子間電圧が平滑コンデンサＣａの端子間電圧まで充電されていることから、スイッチング素子Ｓ３をゼロ電圧（端子間の電位差がゼロ）でオフでき、そのスイッチング損失が低減されている。スイッチング素子Ｓ１からは、変圧器ＩＮＴの一次側コイル側に今度は補助コンデンサＣ１の端子間電圧に基づく出力電圧の供給が継続され、変圧器ＩＮＴの二次側では同様にダイオードＤ１１側からの直流リアクトルＤＣＬへの電流供給が継続される。

また、このときにおいてもスイッチング素子Ｓ１を流れる電流Ｉｓ１が変圧器ＩＮＴの一次側コイル側のみ流れる態様とした場合の電流値と比較して大きく、しかも本実施形態ではスイッチング素子Ｓ５を流れる電流Ｉｓ５が時刻ｔ１直前よりも更に増加する設定となっているため、これに連動してスイッチング素子Ｓ１を流れる電流Ｉｓ１も一層増加する。これにより、補助コンデンサＣ１の放電速度が速くなり、該補助コンデンサＣ１の放電時間が短縮化される。従って、スイッチング素子Ｓ１がオンされるよりも前に補助コンデンサＣ１の放電が短時間で速やかに行われるようになっている。

「時刻ｔ２」において、補助コンデンサＣ１の放電が完了すると、オン状態のスイッチング素子Ｓ１、変圧器ＩＮＴの一次側コイル（直列インダクタＬｓ）側、及び還流ダイオードＤ７を使用した経路で還流電流が流れる。また、共振インダクタＬｒの共振電流に基づいてスイッチング素子Ｓ５側に分岐した経路でも還流電流が流れる。変圧器ＩＮＴの二次側では、時刻ｔ２前までに直流リアクトルＤＣＬに蓄積された電磁エネルギーの放出に基づいて、両方のダイオードＤ１１，Ｄ１２を経路とした還流電流が流れる。尚、ここで放電した補助コンデンサＣ１は、次にスイッチング素子Ｓ２がオンからオフに切り替わるまでその放電状態が継続され、そのスイッチング素子Ｓ２のオフに基づいて充電が開始される。

「時刻ｔ３」になると、スイッチング素子Ｓ１がオフされる。このスイッチング素子Ｓ１のオフ時には、補助コンデンサＣ１が既に時刻ｔ２で放電されていることから、スイッチング素子Ｓ１をゼロ電圧（端子間の電位差がゼロ）でオフでき、そのスイッチング損失が低減されている。また、このオフに基づいて、直列インダクタＬｓに蓄積された電磁エネルギーの放出に基づいて還流ダイオードＤ２を使用した経路で還流電流が流れ、共振インダクタＬｒに蓄積された電磁エネルギーの放出に基づいてスイッチング素子Ｓ５側に分岐した経路でも引き続き還流電流が流れる。そして、変圧器ＩＮＴの一次側コイル側のみ流れる態様とした場合の電流値と比較して大きくなるこれら双方の還流電流に基づいて、補助コンデンサＣ２の充電が開始される。これにより、補助コンデンサＣ２の充電速度が速くなり、該補助コンデンサＣ２の充電時間が短縮化される。従って、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４がオンされるよりも前に補助コンデンサＣ２の充電が短時間で速やかに行われる。変圧器ＩＮＴの二次側では、ダイオードＤ１１，Ｄ１２の両経路を流れる還流電流が継続して生じている。

「時刻ｔ４」になると、補助コンデンサＣ２の充電が完了する。これにより、直列インダクタＬｓ及び共振インダクタＬｒに蓄積された電磁エネルギーの放出に基づいて生じる還流電流が還流ダイオードＤ４を使用した経路に切り替わり、これにより平滑コンデンサＣｂの充電が開始される。尚、変圧器ＩＮＴの二次側では、依然としてダイオードＤ１１，Ｄ１２の両経路を流れる還流電流が生じている。

「時刻ｔ５」において、直列インダクタＬｓ及び共振インダクタＬｒの電磁エネルギーにて平滑コンデンサＣｂの充電が完了すると、変圧器ＩＮＴの一次側で生じていた還流電流（共振電流）が消失する。

「時刻ｔ６」になると、スイッチング素子Ｓ５がオフされるとともに、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４がともにオンされる。この場合、変圧器ＩＮＴの一次側での還流電流（共振電流）が消失していることから、スイッチング素子Ｓ５は、ゼロ電流でのオフとなり、そのスイッチング損失が低減されている。また、直列インダクタＬｓによりスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４にかかる電流のゼロからの立ち上がりが緩やかであるため、該スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４はゼロ電流でのオンとなり、これらのスイッチング損失が低減されている。また、スイッチング素子Ｓ４においては、補助コンデンサＣ２と平滑コンデンサＣｂとの端子間電圧が同電圧となっていることからゼロ電圧でのオンとなり、このことからもスイッチング損失が低減されている。

スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４のオンに基づいて、平滑コンデンサＣｂ（補助コンデンサＣ２）の端子間電圧がインバータ回路１３のスイッチング素子Ｓ２に供給される。スイッチング素子Ｓ２からの出力電圧は、直列インダクタＬｓを介して変圧器ＩＮＴの一次側コイルに供給され、これに伴い変圧器ＩＮＴの二次側では、二次側整流回路ＤＲ２のダイオードＤ１２側から直流リアクトルＤＣＬを介してトーチＴＨにアーク加工用直流電圧が出力される。

「時刻ｔ７」になると、スイッチング素子Ｓ６がオンされ、以降は上記した動作と同様の動作をスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６、補助コンデンサＣ２、及び還流ダイオードＤ８が行い、アーク加工用直流電圧の出力が継続されるようになっている。

次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）本実施形態では、インバータ回路１３のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２間の接続点Ｎ２と、補助スイッチング回路１４の補助コンデンサＣ１，Ｃ２間の接続点Ｎ１との間に共振回路１５が設けられている。共振回路１５は、補助コンデンサＣ１，Ｃ２の放電開始となるスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の各オフに時間Ｔ２だけ先立って共振動作し、補助コンデンサＣ１，Ｃ２の放電電流に基づくスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の出力電流（電流Ｉｓ１，Ｉｓ２）が増大するような共振電流を生じさせる。これにより、補助コンデンサＣ１，Ｃ２の放電速度が速くなり、該補助コンデンサＣ１，Ｃ２の放電時間が短縮化される。従って、補助コンデンサＣ１，Ｃ２の放電が短時間で速やかに行われ、軽負荷時や無負荷時であっても補助コンデンサＣ１，Ｃ２の放電を確実に行うことができる。その結果、スイッチング損失の低減や電圧サージの抑制を図ることができるアーク加工用電源装置１１を提供することができる。

（２）本実施形態では、共振回路１５は、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の各オフに基づいて、その共振電流を、放電が完了した補助コンデンサＣ１，Ｃ２とは反対側の補助コンデンサＣ２，Ｃ１の充電電流としてそれぞれ供給する。これにより、共振回路１５からの共振電流が反対側の組の補助コンデンサＣ１，Ｃ２の充電電流としても用いられることから、補助コンデンサＣ１，Ｃ２の充電速度が速くなり、該補助コンデンサＣ１，Ｃ２の充電時間が短縮化される。従って、補助コンデンサＣ１，Ｃ２の充電が短時間で速やかに行われ、軽負荷時や無負荷時であっても補助コンデンサＣ１，Ｃ２の充電を確実に行うことができる。

（３）本実施形態では、共振回路１５は、還流ダイオードＤ５，Ｄ６を有しスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４と組をなして交互に動作されるスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６が互いに逆向きとされて共振インダクタＬｒの両側に配置され、スイッチング素子Ｓ５がスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２間の接続点Ｎ２に、スイッチング素子Ｓ６が補助コンデンサＣ１，Ｃ２間の接続点Ｎ１にそれぞれ接続されて構成されている。また、本実施形態の共振回路１５は、変圧器ＩＮＴの一次側コイルに直列接続される直列インダクタＬｓを有している。つまり、共振回路１５を２個のスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６とインダクタＬｒ，Ｌｓとで簡素に構成することができる。

（４）本実施形態では、共振回路１５のスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６は、対応するスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４のオフに先立ってオンされ、共振インダクタＬｒによる共振動作が行われる。つまり、第３及び第４のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４のオフに先立ってこの共振回路１５の第５及び第６のスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６がオンされることで、補助コンデンサＣ１，Ｃ２の放電開始前に立ち上がりの緩やかなインダクタＬｒの共振電流（共振エネルギー）を予め増大させておくことができ、これにより第３及び第４のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４のオフにより補助コンデンサＣ１，Ｃ２の放電が開始された時からその放電が速やかとなる。そのため、本実施形態では、補助コンデンサＣ１，Ｃ２の放電時間をより短縮化できる構成となっている。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、共振回路１５を２個のスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６とインダクタＬｒ，Ｌｓとで構成したが、スイッチング素子やインダクタの数や配置等、適宜変更してもよい。またこれらの素子の他に、コンデンサや抵抗等を付加又は置換して構成してもよい。

・上記実施形態では、共振回路１５のスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６をスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の各オフに先立ってそれぞれオンさせて共振動作を開始させたが、スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６の各オンをスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の各オフと同時としてもよい。また、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の各オフよりも前なら、スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６の各オンをスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の各オフよりも若干遅らせることもできる。また、スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６のオフは、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４のオンと同時でなくとも、共振電流が消失した時点でオフさせてもよい。

・上記実施形態では、共振回路１５は、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の各オフに基づいて、その共振電流を、放電が完了した補助コンデンサＣ１，Ｃ２とは反対側の補助コンデンサＣ２，Ｃ１の充電電流としてそれぞれ供給するように構成されているが、その共振電流が補助コンデンサＣ１，Ｃ２の放電時のみに生じる構成とし、共振電流を充電電流としてまで用いない構成としてもよい。

・上記実施形態では、各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６にＩＧＢＴを用いたが、ＩＧＢＴ以外のスイッチング素子を用いて構成してもよい。
・上記実施形態では、アーク加工用電源装置１１に実施したが、アーク加工用以外の目的で用いられる電源装置、具体的には直流変換回路１２、インバータ回路１３、補助スイッチング回路１４及び共振回路１５を有する交流−交流変換電源装置に実施してもよい。また、直流変換回路１２のない、インバータ回路１３、補助スイッチング回路１４及び共振回路１５を有する直流−交流変換電源装置に実施してもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想を以下に追記する。
（イ） 第１及び第２のスイッチング素子を用いたハーフブリッジ回路で構成され、その第１及び第２のスイッチング素子が交互にオンオフして一対の電源線を介して供給された直流電圧を所定の交流電圧に変換するインバータ回路と、
前記各電源線間に直列接続される第１及び第２の平滑コンデンサと前記インバータ回路との間の前記各電源線間に直列接続された第１及び第２の補助コンデンサを有するとともに、前記平滑コンデンサと前記補助コンデンサの間の前記各電源線上に前記第１及び第２のスイッチング素子と組をなして交互に動作される第３及び第４のスイッチング素子のそれぞれが配置されてなる補助スイッチング回路とを備え、
対応する前記第１及び第２の補助コンデンサの充電状態で前記第３及び第４のスイッチング素子が前記第１及び第２のスイッチング素子のオフに先立ってそれぞれオフし、対応する前記第１及び第２の補助コンデンサの放電後に前記第１及び第２のスイッチング素子をそれぞれオフさせるソフトスイッチング制御が行われる構成の電源装置であって、
前記第１及び第２のスイッチング素子間と前記第１及び第２の補助コンデンサ間との間に設けられ、前記第１及び第２の補助コンデンサの放電開始となる前記第３及び第４のスイッチング素子の各オフ又は各オフに先立って共振動作し、前記補助コンデンサの放電電流に基づく前記第１及び第２のスイッチング素子の出力電流を増大させる共振電流を生じさせる共振回路を備えたことを特徴とする電源装置。

このように構成すれば、上記請求項１と同様の作用効果を有する。

本実施形態のアーク加工用電源装置を示す回路図である。 電源装置各所の波形図である。

符号の説明

１１…電源装置、１２…直流変換回路、１３…インバータ回路、
１４…補助スイッチング回路、１５…共振回路、
Ｃ１，Ｃ２…補助コンデンサ（第１及び第２の補助コンデンサ）、
Ｃａ，Ｃｂ…平滑コンデンサ（第１及び第２の平滑コンデンサ）、
Ｄ５，Ｄ６…還流ダイオード、ＤＲ１…一次側整流回路（整流回路）、
Ｌ１，Ｌ２…電源線、Ｌｒ…共振インダクタ、Ｍ…加工対象物、
Ｓ１〜Ｓ６…スイッチング素子（第１〜第６のスイッチング素子）。

Claims (5)

1. 整流回路及びその出力側の一対の電源線間に直列接続された第１及び第２の平滑コンデンサを有し、入力交流電源を整流・平滑化した直流電圧に変換する直流変換回路と、
   第１及び第２のスイッチング素子を用いたハーフブリッジ回路で構成され、その第１及び第２のスイッチング素子が交互にオンオフして前記各電源線を介して供給された前記直流電圧を所定の交流電圧に変換するインバータ回路と、
   前記平滑コンデンサと前記インバータ回路との間の前記各電源線間に直列接続された第１及び第２の補助コンデンサを有するとともに、前記平滑コンデンサと前記補助コンデンサの間の前記各電源線上に前記第１及び第２のスイッチング素子と組をなして交互に動作される第３及び第４のスイッチング素子のそれぞれが配置されてなる補助スイッチング回路とを備え、
   対応する前記第１及び第２の補助コンデンサの充電状態で前記第３及び第４のスイッチング素子が前記第１及び第２のスイッチング素子のオフに先立ってそれぞれオフし、対応する前記第１及び第２の補助コンデンサの放電後に前記第１及び第２のスイッチング素子をそれぞれオフさせるソフトスイッチング制御が行われる構成の電源装置であって、
   前記第１及び第２のスイッチング素子間と前記第１及び第２の補助コンデンサ間との間に設けられ、前記第１及び第２の補助コンデンサの放電開始となる前記第３及び第４のスイッチング素子の各オフ又は各オフに先立って共振動作し、前記補助コンデンサの放電電流に基づく前記第１及び第２のスイッチング素子の出力電流を増大させる共振電流を生じさせる共振回路を備えたことを特徴とする電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置において、
   前記共振回路は、前記第１及び第２のスイッチング素子の各オフに基づいて、前記共振電流を、反対側の組の前記第１及び第２の補助コンデンサの充電電流としてそれぞれ供給することを特徴とする電源装置。
3. 請求項１又は２に記載の電源装置において、
   前記共振回路は、還流ダイオードを有し前記第３及び第４のスイッチング素子と組をなして交互に動作される第５及び第６のスイッチング素子と、共振インダクタとを備えてなり、前記共振インダクタの両側に互いに逆向きに前記第５及び第６のスイッチング素子を配置しその一方が前記第１及び第２のスイッチング素子間に、他方が前記第１及び第２の補助コンデンサ間にそれぞれ接続されて構成されていることを特徴とする電源装置。
4. 請求項３に記載の電源装置において、
   前記第５及び第６のスイッチング素子は、対応する前記第３及び第４のスイッチング素子のオフに先立ってオンされることを特徴とする電源装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電源装置を用い、加工対象物のアーク加工を行うアーク加工用電圧を生成するように構成されていることを特徴とするアーク加工用電源装置。

Images