(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と，上記直流電源と並列に直列接続された少なくとも１対のスイッチング素子を有するインバータと，上記インバータの出力に設けられ高周波交流を出力する出力トランスと，上記出力トランスの出力に設けられた共振用リアクトル又は上記出力トランスのリーケージインダクタンスと，共振用コンデンサとにより形成される共振回路と，上記高周波交流を整流し，負荷に直流電圧を出力する出力整流器と，上記スイッチング素子にオンオフスイッチさせるスイッチ制御信号を出力させるスイッチ制御信号形成装置を備えた共振形スイッチング電源装置において，上記負荷に流れる電流を検出する電流検出器と，検出信号が所定値より低下したとき，上記スイッチ制御信号の一部を強制的にオフさせる周波数変更指令装置を設けたことを特徴とする共振形スイッチング電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は出力設定範囲が広い共振形スイッチング電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶接用電源装置では，例えば定格溶接電流が２５０Ａの場合，最低の出力が１０Ａ以下まで使用される。すなわち，溶接用電源装置は制御範囲が非常に広く使用されている。
【０００３】
一方，溶接用電源装置は，小型，軽量，高力率の利点をもつＰＷＭ方式のスイッチングレギュレータが多く使用されている。しかし，スイッチング周波数が２０ｋＨｚ以下の場合には大きな問題はないが，１００ｋＨｚ以上になると，スイッチング素子の浮遊容量の影響を受け，スイッチング素子のオンオフ転換時におけるスイッチング素子の両端の電圧波形で，重なり合う部分がスイッチング損失となって損失が増加する。スイッチング損失が増加すると，電力変換効率が低下するとともに発熱する。このため，大きな放熱器を必要とし，電源装置の小型化の妨げとなる。
【０００４】
この問題を解決するために，図４に示す共振形スイッチング電源装置がある。図４において，２は直流電源で，通常商用の交流電源を整流して形成される。４は入力の直流電圧を高周波交流に変換するインバータであり，直流電源２の出力間に直列接続されたコンデンサ６ａ，６ｂと，直列接続され交互にオンオフスイッチングされるスイッチング素子８ａ，８ｂとにより構成されている。インバータ４の出力は，コンデンサ６ａと６ｂとの接続点Ｂと，スイッチング素子８ａと８ｂとの接続点Ａとから取り出される。インバータ４の出力には出力トランス１２の１次巻線１２Ｐが接続され，インバータ４の出力の高周波交流を変圧して出力する。出力トランス１２の２次巻線１２Ｓの一端には，共振用リアクトル１４ａ，１４ｂの一部が接続され，共振用リアクトル１４ａ，１４ｂの他端には出力整流器１６ａ，１６ｂが設けられている。また，出力整流器１６ａ，１６ｂのそれぞれの他端と，２次巻線１２Ｓの他端との間には，共振用コンデンサ１８ａ，１８ｂが設けられ，出力トランス１２から出力される高周波交流を整流している。出力整流器１６ａの出力には平滑用リアクトル２０が設けられ，整流された直流が平滑され，出力端子２２Ｐ，２２Ｎを介して図示しない負荷に直流が供給される。
【０００５】
２６は負荷に流れる出力電流を検出する電流検出器，３０はインバータ４のスイッチング素子８ａ，８ｂをオンオフスイッチさせるスイッチ制御信号を出力させるスイッチ制御信号形成装置であり，電流検出器２６の検出信号に応じてスイッチ制御信号形成装置３０を制御し，スイッチング素子８ａ，８ｂをオンオフスイッチさせ，出力電流を定電流制御させている。
【０００６】
今，第１のスイッチング素子８ａが，図５で示すようにスイッチ制御信号形成装置３０の制御信号によりオンしたとすると，直流電源２，スイッチング素子８ａ，出力トランス１２の１次巻線１２Ｐ，コンデンサ６ｂに電流が流れ，出力トランス１２から高周波を出力する。この出力トランス１２の２次巻線１２Ｓ，第１の共振用リアクトル１４ａ，第１の出力整流器１６ａ，第１の共振用コンデンサ１８ａの共振回路に電流が流れる。
【０００７】
この電流は図５（ｂ）に示すように共振の弧を描いて０から徐々に上昇していき，スイッチング素子８ａのターンオン時のスイッチング損失はほとんど発生することなくオン状態に移行する。その後，電流は共振の弧に沿って減少していき０に達する。
【０００８】
一方，第２のスイッチング素子８ｂが，図５（ａ）に示すようにスイッチング制御信号形成装置３０の制御信号によりオンしたとすると，直流電源２，コンデンサ６ａ，出力トランス１２の１次巻線１２Ｐ，スイッチング素子８ｂに電流が流れ，出力トランス１２から高周波電圧が出力する。そして，２次巻線１２Ｓ，第２の共振用コンデンサ１８ｂ，第２の出力整流器１６ｂ，第２の共振用リアクトル１４ｂの共振回路に電流が流れる。この電流は図５（ｂ）に示すように共振の弧を描いて０から徐々に上昇していき，スイッチング素子８ｂのターンオン時のスイッチング損失はほとんど発生することなくオン状態に移行する。その後，電流は共振の弧に沿って減少していき０に達する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが，第１スイッチング素子８ａ及び第２スイッチング素子８ｂのオン時間を共振用リアクトル１４ａ又は１４ｂと，共振用コンデンサ１８ａ又は１８ｂの共振回路の共振周期よりも短くならない範囲で制御しなければ損失が増加することになる。このため，出力設定範囲が狭く，小電流の制御ができなくなっていた。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の共振形スイッチング電源は，直流電源と，上記直流電源と並列に直列接続された少なくとも１対のスイッチング素子を有するインバータと，上記インバータの出力に設けられ高周波交流を出力する出力トランスと，上記出力トランスの出力に設けられた共振用リアクトル又は上記出力トランスのリーケージインダクタンスと，共振用コンデンサとにより形成される共振回路と，上記高周波交流を整流し，負荷に直流電圧を出力する出力整流器と，上記スイッチング素子にオンオフスイッチさせるスイッチ制御信号を出力させるスイッチ制御信号形成装置を備えた共振形スイッチング電源装置において，上記負荷に流れる電流を検出する電流検出器と，検出信号が所定値より低下したとき，上記スイッチ制御信号の一部を強制的にオフさせる周波数変更指令装置を設けたものである。
【００１１】
すなわち，インバータは直流電源から直流電圧の供給を受け，高周波交流を出力する。インバータの出力に設けられた出力トランスにより，高周波交流を出力する。この高周波交流は共振用リアクトルと共振用コンデンサ又は出力トランスに設けられたリーケージインダクタンスと共振用コンデンサによりインバータの周波数より高い周波数で共振している。この高周波交流は出力整流器により整流され，負荷に直流が供給されている。これによりインバータのスイッチング素子はターンオン時，スイッチング損失は小さい。
【００１２】
又，負荷に流れる電流は電流検出器により検出され，この検出信号が基準電源と比較され，所定値より低下したときは，周波数変更指令装置により，スイッチング素子にオンオフスイッチ制御信号を入力するスイッチ制御信号形成装置を指令して，スイッチ制御信号の一部を強制的にオフさせて周波数を低周波数化して出力設定の範囲を広げている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明を，その一実施の形態を示した図１に基づき説明する。図１のものが図４のものと異なる点は，図１のものは電流検出器により検出された検出信号が所定値より低下したとき，スイッチ制御信号の一部を強制的にオフさせる周波数変更指令装置を設けたものである。
【００１４】
すなわち，２は直流電源で通常商用の交流電源を整流して形成されている。４は入力の直流電圧を周波数交流に変換するインバータであり，直流電源２の出力ＰＮ間に直列接続されたコンデンサ６ａ，６ｂと，直列接続され交互にオンオフスイッチングされるスイッチング素子８ａ，８ｂとにより構成されている。インバータ４の出力はコンデンサ６ａと６ｂとの接続点Ｂと，スイッチング素子８ａと８ｂとの接続点Ａとから取り出され，インバータ４の出力には出力トランス１２の１次巻線１２Ｐが接続され，インバータ４の出力の高周波交流を変圧して出力する。出力トランス１２の２次巻線１２Ｓの一端には共振用リアクトル１４ａと，１４ｂの一端とが接続され，共振用リアクトル１４ａの他端には出力整流器１６ａのアノードが設けられている。また，出力整流器１６ａのカソードと２次巻線１２Ｓの他端との間には，共振用コンデンサ１８ａが設けられ，出力トランス１２から出力される高周波交流を整流している。共振用リアクトル１４ｂの他端には出力整流器１６ｂのカソードが設けられている。また，出力整流器１６ｂのアノードと２次巻線１２Ｓの他端には，共振用コンデンサ１８ｂが設けられ，出力トランス１２から出力される高周波交流を整流している。出力整流器１８ａの出力には平滑用リアクトル２０が設けられ，整流された直流が平滑され，出力端子２２Ｐ，２２Ｎを介して図示しない負荷に直流が供給される。
【００１５】
２６は負荷に流れる出力電流を検出する電流検出器，３０はインバータ４のスイッチング素子８ａ，８ｂをオンオフスイッチさせるスイッチ制御信号を出力させるスイッチ制御信号形成装置であり，電流検出器２６の検出信号に応じてスイッチ制御信号形成装置３０を制御し，スイッチング素子８ａ，８ｂをオンオフスイッチさせ出力電流を定電流制御させている。
【００１６】
今，第１のスイッチング素子８ａが，図２（ａ）に記すようにスイッチング制御信号形成装置３０の制御信号によりオンしたとすると，直流電源２，スイッチング素子８ａ，出力トランス１２の１次巻線１２ｐ，コンデンサ６ｂに電流が流れ，出力トランス１２から高周波を出力する。これにより２次巻線１２Ｓ，第１の共振用リアクトル１４ａ，第１の出力整流器１６ａ，第１の共振用コンデンサ１８ａの共振回路に電流が流れる。
【００１７】
この電流は図２（ｂ）に示すように，共振の弧を描いて０から徐々に上昇していき，スイッチング素子８ａのターンオン時のスイッチング損失はほとんど発生することなく，オン状態に移行する。この後，電流は共振の弧に沿って減少していき０に達する。
【００１８】
一方，第２のスイッチング素子８ｂが，図２（ａ）に示すようにスイッチ制御信号形成装置３０の制御信号によりオンしたとすると，直流電源２，コンデンサ６ａ，出力トランス１２の１次巻線１２Ｐ，スイッチング素子８ｂに電流が流れ，出力トランス１２から高周波電圧が出力する。そして２次巻線１２Ｓ，第２の共振用コンデンサ１８ｂ，第２の出力整流器１６ｂ，第２の共振用リアクトル１４ｂの共振回路に電流が流れる。
【００１９】
この電流は，図２（ｂ）に示すように共振の弧を描いて０から徐々に上昇していき，スイッチンク素子８ｂのターンオン時のスイッチング損失はほとんど発生することがなく，オン状態に移行する。その後，電流は共振の弧に沿って減少していき，０に達する。
【００２０】
さらに，３２は周波数変更指令装置で，電流検出器２６により検出された信号が，周波数変更指令装置３２により基準電源３４の基準値と比較される。そして検出信号が基準値より低下すると，周波数変更指令装置３２からスイッチ制御信号の一部を図３（ｃ）の破線で示す部分を強制的にオフするように，スイッチ制御信号形成装置３０を指令し，周波数を低周波化して，出力設定範囲を広げている。なお，図３（ａ）は出力が大電流設定時のスイッチ制御信号の波形図で，図３（ｂ）は出力が小電流時のスイッチ制御信号の波形図である。
【００２１】
上記実施の形態では，インバータ４がスイッチング素子とコンデンサとによるハーフブリッジで構成されているが，コンデンサ６ａ，６ｂをスイッチング素子にしてフルブリッジ構成であってもよい。
【００２２】
また，上記実施の形態では，共振用リアクトル１４ａ，１４ｂを設けていたが，共振用リアクトルに代えて出力トランス１２の２次巻線側にリーケージインダクタンスを持たせてもよい。
【００２３】
【発明の効果】
本発明では，スイッチング素子のスイッチング損失を低下させるとともに，出力設定の範囲を広げることができ，溶接用電源装置等の出力設定範囲の広い電源に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の共振形スイッチング電源の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１の各部波形のタイムチャート図である。
【図３】図１のスイッチ制御信号のタイムチャート図である。
【図４】従来の共振形スイッチング電源のブロック図である。
【図５】図４の各部波形のタイムチャート図である。
【符号の説明】
２  直流電源
４  インバータ
６ａ，６ｂ  コンデンサ
８ａ，８ｂ  スイッチング素子
１２  出力トランス
１４ａ，１４ｂ  共振用リアクトル
１６ａ，１６ｂ  出力整流器
１８ａ，１８ｂ  共振用コンデンサ
２０  平滑リアクトル
２６  電流検出器
３０  スイッチ制御信号形成装置
３２  周波数変更指令装置
３４  基準電源
【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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