(57)【要約】【課題】スイッチング素子の異常発熱状態を適切に検出でき、装置の信頼性向上を図ることができる電源装置（溶接用電源装置）を提供する。【解決手段】制御回路２１は、周囲温度（第２温度センサ１７にて検出）、使用電力及び使用率（使用環境情報）から算出したスイッチング素子ＴＲの推定温度と、スイッチング素子ＴＲの実測温度（第１温度センサ１６にて検出）との比較に基づいて、スイッチング素子ＴＲが異常発熱状態か否かの判定を行う。トランス１４の偏磁等、回路上を想定以上の電流が流れるとスイッチング素子ＴＲの実測温度と推定温度との差が拡大するため、過電流によるスイッチング素子ＴＲの異常発熱状態が適切に検出可能となる。【選択図】図１
2015119610.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子のスイッチング動作にて電力変換を行うスイッチング電源回路と、これを制御する制御回路とを備えた電源装置であって、
前記スイッチング素子の周囲に設置され素子の実測温度を検出する第１温度センサと、電源装置内の所定箇所に設置されて周囲温度を検出する第２温度センサとを備え、
前記制御回路は、電源装置の使用電力及び使用率を取得し、これら使用電力及び使用率と前記第２温度センサから得られる周囲温度とを含む使用環境情報から前記スイッチング素子の推定温度を算出し、
算出した前記スイッチング素子の推定温度と前記第１温度センサから得られる前記スイッチング素子の実測温度との比較に基づいて、前記スイッチング素子が異常発熱状態か否かを判定する機能を備えたことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電源装置において、
前記スイッチング素子の異常発熱状態かの判定は、前記スイッチング素子の実測温度が推定温度を上回り、実測温度と推定温度との差が閾値を上回った場合に、前記スイッチング素子が異常発熱状態であると判定することを特徴とする電源装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電源装置において、
前記制御回路は、前記スイッチング素子が異常発熱状態であると判定すると、前記スイッチング電源回路の動作の停止及び報知装置による報知の実施の少なくとも一方を行うことを特徴とする電源装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源装置において、
前記スイッチング電源回路としてインバータ回路を備えると共に、該インバータ回路の後段にトランスを備え、
前記インバータ回路にて直流電力から高周波交流電力に変換し、変換した高周波交流電力をトランスを介して二次側に供給し、該トランスの二次側にて所望の出力電力を生成するように構成されたことを特徴とする電源装置。
【請求項５】
請求項４に記載の電源装置を用い、トランスの二次側にて溶接用の出力電力を生成するように構成されたことを特徴とする溶接用電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接機等に用いる電源装置に係り、特にスイッチング電源回路を構成する半導体スイッチング素子の過熱保護を図る際の素子温度の検出手法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばアーク溶接機に用いる電源装置は、スイッチング素子を用いるインバータ回路（スイッチング電源回路）を備えて直流電力を高周波交流電力に一旦変換し、トランスを介した二次側にて所望の出力電力を生成する構成となっている。このような電源装置では、スイッチング素子がスイッチング動作を繰り返すことで発熱するため、スイッチング素子の過熱保護を図るべく素子温度を把握することが行われている。
【０００３】
例えば特許文献１に開示の溶接装置では、発熱部の一つであるスイッチング素子の温度をサーミスタ等の温度検出手段にて検出し、この検出温度が上限温度を超えると素子破損の虞があるとして、これ以上の動作を停止（発熱部への電流供給停止）の処置が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２０５４５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、アーク溶接機においては、溶接中の目まぐるしいアークの負荷変動の影響により、インバータ制御のバランスが崩れて、トランスの磁束が片側の極性に偏る偏磁という現象が発生する。このような偏磁が発生すると、片側の極性を担当するインバータ回路のスイッチング素子に過度な電流が流れることとなり、このスイッチング素子が異常発熱し、最悪の場合には破損することがある。そのため、スイッチング素子の異常発熱状態を適切に検出することが要求されている。
【０００６】
またこのことは、トランスを有するアーク溶接用電源装置以外の電源装置で、スイッチング電源回路を構成するスイッチング素子に対しても同様である。
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、スイッチング素子の異常発熱状態を適切に検出でき、装置の信頼性向上を図ることができる電源装置及び溶接用電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する電源装置は、スイッチング素子のスイッチング動作にて電力変換を行うスイッチング電源回路と、これを制御する制御回路とを備えた電源装置であって、前記スイッチング素子の周囲に設置され素子の実測温度を検出する第１温度センサと、電源装置内の所定箇所に設置されて周囲温度を検出する第２温度センサとを備え、前記制御回路は、電源装置の使用電力及び使用率を取得し、これら使用電力及び使用率と前記第２温度センサから得られる周囲温度とを含む使用環境情報から前記スイッチング素子の推定温度を算出し、算出した前記スイッチング素子の推定温度と前記第１温度センサから得られる前記スイッチング素子の実測温度との比較に基づいて、前記スイッチング素子が異常発熱状態か否かを判定する機能を備える。
【０００８】
この構成によれば、電源装置の制御回路では、周囲温度（第２温度センサにて検出）、使用電力及び使用率を含む使用環境情報から算出したスイッチング素子の推定温度と、スイッチング素子の実測温度（第１温度センサにて検出）との比較に基づいて、スイッチング素子が異常発熱状態か否かの判定が行われる。つまり、例えば電源装置の回路上を想定の電流が流れている状況ではスイッチング素子の推定温度と実測温度との差は小さいが、何らかの原因で想定以上の電流が回路上を流れると、過電流にてスイッチング素子が異常発熱状態となり推定温度と実測温度との差が拡大することが想定できる。このようにスイッチング素子の異常発熱状態を適切に検出できることでその後の処置（制御）を適切に行うことができ、電源装置の信頼性向上に繋がる。
【０００９】
また上記の電源装置において、前記スイッチング素子の異常発熱状態かの判定は、前記スイッチング素子の実測温度が推定温度を上回り、実測温度と推定温度との差が閾値を上回った場合に、前記スイッチング素子が異常発熱状態であると判定することが好ましい。
【００１０】
この構成によれば、スイッチング素子の実測温度が推定温度を上回り、実測温度と推定温度との差が閾値を上回った場合に、スイッチング素子が異常発熱状態であると判定される。つまり、何らかの原因で想定以上の電流が回路上を流れると、実測温度が推定温度を上回って互いの差が拡大するため、スイッチング素子の異常過熱状態が適切に検出できる。
【００１１】
また上記の電源装置において、前記制御回路は、前記スイッチング素子が異常発熱状態であると判定すると、前記スイッチング電源回路の動作の停止及び報知装置による報知の実施の少なくとも一方を行うことが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、スイッチング素子が異常発熱状態であると判定されると、スイッチング電源回路の動作の停止及び報知装置による報知の実施の少なくとも一方が行われる。つまり、スイッチング電源回路の動作の自動停止や、報知を受けた作業者によるスイッチング電源回路の動作の手動停止が行われることで、これ以上の状況の悪化を防止できる。また、報知により、スイッチング素子が異常発熱状態である旨を作業者が認識できる。
【００１３】
また上記の電源装置において、前記スイッチング電源回路としてインバータ回路を備えると共に、該インバータ回路の後段にトランスを備え、前記インバータ回路にて直流電力から高周波交流電力に変換し、変換した高周波交流電力をトランスを介して二次側に供給し、該トランスの二次側にて所望の出力電力を生成するように構成されることが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、インバータ回路とトランスとを備える電源装置においては、トランスが過度の偏磁状態となると回路上に大きな電流が生じるため、インバータ回路のスイッチング素子が異常発熱状態となり得る構成である。従って、このような構成の電源装置への適用が特に有効であり、電源装置の信頼性向上に貢献できる。
【００１５】
また上記課題を解決する溶接用電源装置は、上記の電源装置を用い、トランスの二次側にて溶接用の出力電力を生成するように構成される。
この構成によれば、上記したようにインバータ回路とトランスとを備える溶接用電源装置への適用が特に有効で、溶接用電源装置の信頼性向上に貢献できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の電源装置及び溶接用電源装置によれば、スイッチング素子の異常発熱状態を適切に検出でき、装置の信頼性向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】一実施形態におけるアーク溶接機（溶接用電源装置）を示す回路図である。
【図２】（ａ）（ｂ）は、スイッチング素子の推定温度についての説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、電源装置（溶接用電源装置）の一実施形態について説明する。
図１に示すように、アーク溶接機１０に用いる溶接用電源装置１１は、商用電源から供給される三相の交流入力電力をアーク溶接に適した直流出力電力に変換するものである。交流入力電力は、ダイオードブリッジ等で構成される整流回路１２にて直流電力に変換され、変換された直流電力はインバータ回路１３にて高周波交流電力に変換される。
【００１９】
インバータ回路１３にて生成された高周波交流電力は、溶接トランス１４にて所定電圧値に調整され、電圧調整されたその二次側の高周波交流電力は、ダイオード等を用いて構成される整流回路１５にてアーク溶接に適した直流出力電力に変換される。このように生成される出力電力は、電源装置１１に接続されたトーチＴＨに供給され、溶接対象Ｍのアーク溶接が行われる。
【００２０】
上記のインバータ回路１３は、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子ＴＲを４個用いたフルブリッジ回路等にて構成されている。制御回路２１は、そのインバータ回路１３の各スイッチング素子ＴＲのスイッチング制御を行い、電源装置１１の出力電力がその時々で適正値となる制御を行っている。
【００２１】
電源装置１１には、スイッチング素子ＴＲの素子温度を検出するサーミスタ等の第１温度センサ１６が電源装置１１内の所定箇所（例えばインバータ回路１３付近）に設置されている。温度センサ１６はスイッチング素子ＴＲの素子温度を検出し、その検出温度に応じた信号を制御回路２１に出力する。制御回路２１は、温度センサ１６からの出力信号に基づいてスイッチング素子ＴＲの素子温度（実測温度）を取得している。
【００２２】
また、電源装置１１には、周囲温度（雰囲気温度）を検出するサーミスタ等の第２温度センサ１７が電源装置１１内の所定箇所（例えば冷却ファン１８近傍の筐体開口部付近）に設置されている。温度センサ１７は周囲温度を検出し、その検出温度に応じた信号を制御回路２１に出力する。制御回路２１は、温度センサ１７からの出力信号に基づいて周囲温度を取得している。
【００２３】
その他、制御回路２１は、電源装置１１の使用電力（溶接電流×溶接電圧）や使用率（所定時間における通電時間の割合）の取得も行っている。制御回路２１は、周囲温度、使用電力及び使用率（使用環境情報）から周知の計算式を用いて、図２（ａ）（ｂ）に示すようにスイッチング素子ＴＲ（図中では半導体素子）の推定温度を算出している。因みに、制御回路２１にはデータ格納用のメモリ２２が備えられ、周囲温度、使用電力及び使用率とスイッチング素子ＴＲの推定温度との相関データがメモリ２２に格納されている。スイッチング素子ＴＲの推定温度の算出の際には、メモリ２２内の格納データが参照される。
【００２４】
そして、制御回路２１は、温度センサ１６に基づいて得られるスイッチング素子ＴＲの実測温度と、温度センサ１７に基づく周囲温度、使用電力及び使用率から得られる素子ＴＲの推定温度との両者を用いて、スイッチング素子ＴＲの温度に係る動作制御（動作の許容や抑制、停止等）を行う。本実施形態では、実測温度が推定温度を上回り、更に実測温度と推定温度との差が閾値を上回ると、制御回路２１はスイッチング素子ＴＲが異常発熱状態であると判定し、インバータ回路１３の動作停止による出力停止、及び報知装置２３を動作させて表示や音による作業者への報知を行う。
【００２５】
例えば本実施形態のような溶接用電源装置１１では、溶接トランス１４の偏磁が許容範囲よりも大になると、回路上で想定よりも過大な電流が生じる。そのため、周囲温度、使用電力及び使用率から得られるスイッチング素子ＴＲの推定温度よりも実測温度の方が十分に高くなり、実測温度と推定温度との差が大きくなる。これを踏まえた閾値の設定とすれば、トランス１４が過度な偏磁状態となる前にインバータ回路１３の動作が停止するため、トランス１４がこれ以上の偏磁状態となることが防止可能である。
【００２６】
因みに、スイッチング素子ＴＲの実測温度と推定温度との差が閾値以下の状況では、制御回路２１は例えば実測温度による通常の温度監視を行い、状況によってはスイッチング素子ＴＲの温度に係る動作制御（動作の許容や抑制、停止等）を行う。
【００２７】
次に、本実施形態の特徴的な効果を記載する。
（１）制御回路２１では、周囲温度（第２温度センサ１７にて検出）、使用電力及び使用率（使用環境情報）から算出したスイッチング素子ＴＲの推定温度と、スイッチング素子ＴＲの実測温度（第１温度センサ１６にて検出）との比較に基づいて、スイッチング素子ＴＲが異常発熱状態か否かの判定が行われる。つまり、電源装置１１の回路上を想定の電流が流れている状況ではスイッチング素子ＴＲの実測温度と推定温度との差は小さいが、例えばトランス１４の過度の偏磁が原因で想定以上の電流が回路上を流れると、過電流にてスイッチング素子ＴＲが異常発熱状態となり実測温度が推定温度を上回ってその差が拡大することが想定できる。このようにスイッチング素子ＴＲの異常発熱状態を適切に検出できることでその後の動作停止や報知といった処置（制御）を適切に行うことができ、電源装置１１の信頼性向上に繋がる。
【００２８】
（２）インバータ回路１３とトランス１４とを備える溶接用電源装置１１においては、トランス１４が過度の偏磁状態となると回路上に大きな電流が生じるため、インバータ回路１３のスイッチング素子ＴＲが異常発熱状態となり得る構成である。従って、本実施形態のような構成の電源装置１１への適用が特に有効であり、溶接用電源装置１１の信頼性向上に貢献できる。
【００２９】
（３）スイッチング素子ＴＲが異常発熱状態であると判定されると、インバータ回路１３（スイッチング素子ＴＲ）の動作の停止及び報知装置２３による報知の実施が行われる。つまり、インバータ回路１３の動作の自動停止が行われることで、これ以上の状況の悪化を防止することができる。また、報知により、スイッチング素子ＴＲが異常発熱状態である旨を作業者が認識することができる。
【００３０】
尚、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・スイッチング素子ＴＲが異常発熱状態であると判定されると、インバータ回路１３（スイッチング素子ＴＲ）の動作停止と報知装置２３による報知の実施とを行ったが、いずれか一方のみでもよい。インバータ回路１３の動作停止のみであっても、これ以上の状況悪化を防止できる。また報知のみであっても、作業者が状況を把握し、インバータ回路１３の動作を手動で停止することもできる。
【００３１】
・スイッチング素子ＴＲの実測温度が推定温度を上回ってその差が閾値を上回ることで、スイッチング素子ＴＲが異常発熱状態であると判定したが、差に着目することで他の異常検出を行うこともできる。
【００３２】
・溶接用電源装置１１に適用したが、溶接以外の電源装置に適用してもよい。またインバータ回路１３とトランス１４とを備える電源装置に適用したが、トランスを用いない電源装置やインバータ回路以外のスイッチング電源回路を用いる電源装置等に適用してもよい。
【符号の説明】
【００３３】
ＴＲ  半導体スイッチング素子（スイッチング素子）
１１  溶接用電源装置（電源装置）
１３  インバータ回路（スイッチング電源回路）
１４  溶接トランス（トランス）
１６  第１温度センサ
１７  第２温度センサ
２１  制御回路
２３  報知装置
【図１】
2015119610.tif 000003
【図２】
2015119610.tif 000004