(57)【要約】      （修正有）【課題】インバータ構成のアーク溶接用等の電源装置における，インバータ入力側の２個直列接続されている平滑コンデンサの不均衡な電圧分担を抑制する。【解決手段】入力整流器の出力を平滑する２個直列コンデンサ夫々の正・負極間の直流電圧を入力し、交流を出力する２個のインバータを具備し並列で負荷に給電する電源において，各平滑コンデンサ端子間電圧を検出し基準信号との差電圧を検出する回路，コンデンサ端子間電圧が低いときは時間軸で狭くなるようにパルスタイミングを補正する回路および、補正ＰＷＭ駆動信号発生回路，から成る修正ＰＷＭ駆動信号生成手段を形成し具備した電源装置とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流を受電して直流化する入力整流器と、該入力整流器の出力電圧を分圧する２個直列の平滑コンデンサと、前記各平滑コンデンサそれぞれの端子間を入力側として接続され高周波交流を出力する２個のインバータと、該インバータの出力が供給される出力トランスと、前記入力整流器の直流出力端子間に前記各平滑コンデンサを直列の場合と並列の場合とに切換え接続する接続切換手段とを設けた電源装置において、前記２個のコンデンサの各端子間電圧が均等になるようにするコンデンサ電圧均等化手段を形成して具備したことを特徴とするアーク溶接用等の電源装置。
【請求項２】
交流を受電して直流化する入力整流器と、該入力整流器の出力電圧を分圧する複数個直列の平滑コンデンサと、該平滑コンデンサそれぞれの端子間電圧を入力として高周波交流を出力する複数個のインバータと、該インバータの出力が供給される出力トランスと、各出力トランスの２次巻線の出力端を並列接続又はカスケード接続し負荷端子とするか、または、該２次巻線の出力端に出力整流器を接続し出力整流器の出力端を並列接続又はカスケード接続して負荷端子とした電源装置において、前記複数個のコンデンサの各端子間電圧が均等になるようにするコンデンサ電圧均等化手段を形成して具備したことを特徴とするアーク溶接用等の電源装置。
【請求項３】
前記コンデンサ電圧均等化手段が，各コンデンサの端子間電圧を検出する電圧検出手段と，インバータのスイッチング素子に出力信号を供給する修正ＰＷＭ駆動信号生成手段と、を具備したコンデンサ電圧均等化手段である，請求項１乃至２記載のアーク溶接用等の電源装置。
【請求項４】
前記修正ＰＷＭ駆動信号生成手段が，各コンデンサの端子間電圧を検出する電圧検出手段の出力信号，基準信号との差電圧検出回路，パルスタイミング補正回路，補正ＰＷＭ駆動信号回路とを具備してインバータのスイッチング素子の制御極に供給する修正ＰＷＭ駆動信号生成手段である請求項３記載のアーク溶接用等の電源装置。
【請求項５】
前記パルスタイミング補正回路が，三角波信号生成回路（又は鋸歯状波信号生成回路）を具備してパルスタイミングを差電圧検出回路の出力信号に対応し時間軸的に補正した補正ＰＷＭパルスを生成して駆動信号回路に供給するパルスタイミング補正回路である請求項４記載のアーク溶接用等の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受電端が高電圧（４４０Ｖ），その約半分の低電圧（２２０Ｖ）の２電圧の交流電源のいずれでも使用可能な小型で軽い、インバータ構成のアーク溶接用やメッキ用などの電源装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の２入力電圧対応型のアーク溶接機は図５に示した「特許文献１」に記載されているように、交流受電電源を整流する入力整流器と、平滑コンデンサと、直流により動作して高周波交流を出力する半導体スイッチ構成のインバータと、インバータの出力が供給される出力トランスと、交流電源の高電圧，低電圧に対応して前記高電圧，前記低電圧により入力整流器の出力端子間に平滑コンデンサを直列，並列に切換えて接続する接続切換装置とを設けている。
【０００３】
交流受電電圧が高電圧側のとき、入力整流器の出力端子間に平滑コンデンサが直列接続されていて，各コンデンサの正極・負極間の電圧は、各コンデンサに対し電圧分割され、均等に電圧を分担した状態となっている。しかし，インバータ負荷が不平衡でスイッチング素子の導通幅がバランスしていないときは，各平滑コンデンサの分担電圧がばらつき一方の平滑コンデンサに高い分担電圧となってコンデンサの耐久性が極度に低下することになり，コンデンサの耐電圧に余裕を持たせて選定しておくことになる，スイッチング素子の耐電圧も同様に１ランク上位の部材を選定する必要があった。
【０００４】
特許文献１の段落（００２７）に次の記述があり、これを転記すると、「３２，３３は電圧バランサ用の２個の帰還整流器であり、ダイオード３３〜３６，３７〜４０のダイオードブリッジからなり、３次巻線２７ｄ，２６ｄの出力を整流してインバータ１１，１２の入力側に注入する」と記載されている。帰還整流器や３次巻線を有する出力トランスなど大電流回路部材を具備していた。以上のような各構成要素の耐電圧グレードアップした設計とすることが、電源装置を安価に提供する阻害要因となっていた。
【０００５】
【特許文献１】特開平０５−１１１７６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、交流電源の高電圧，低電圧に対応して内部接続が切換えられ、３相電源にも適用できる小型，軽量な２入力電圧対応型のインバータ構成のアーク溶接用や電気メッキ電源などの用途の電源で、（高電圧に対応した内部接続の場合の課題）であり，各インバータの出力不均等や，各インバータのスイッチング素子の導通幅が不均等になったりして各直列コンデンサの正極、負極間電圧がアンバランスとなる問題点がある。
【０００７】
また、不均等な直流電圧がインバータ入力側に印加されるため、インバータを構成するスイッチング素子として高耐圧のパワートランジスタを必要とする。そして、このような高耐圧のパワートランジスタにはスイッチング周波数の高いものが得にくいので、インバータの動作周波数を高くすることができず、設計上インバータの出力周波数が低くなってきて、インバータ出力トランスの小型化が抑えられた設計となっていた。
【０００８】
また、高耐圧のトランジスタはコレクタ，エミッタ飽和電圧（オン電圧）が耐圧の低いものに比して高く、内部損失が大きくなるため、インバータに放熱用フィンとして大型のものを必要とする。そのため、溶接用やメッキ用などとして用いる電源装置の小型，軽量化が阻止される問題点がある。
【０００９】
出力トランスに３次巻線を設けて，この出力を電圧バランサ用の帰還整流器により整流して他方のインバータの入力側に注入すると、インバータの出力不平衡を防止し、インバータの必要な素子耐圧を一層低くして溶接機を一層小型，軽量にできるという報告もあるが出力トランスの寸法・重量と製作工数が増大する欠点があった。
【００１０】
小型で安価な電源装置を提供することが目的であるから、出力トランスの製作工数が増え、サイズが大きくなる解決案は採用できないので、信号回路の技術で解決する事にした。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に関しては、
交流受電電源を直流化する入力整流器と、この出力電圧を分圧する２個直列の平滑コンデンサと、平滑コンデンサそれぞれの正極・負極間電圧により動作して高周波交流を出力する半導体スイッチ素子構成の２個のインバータと、前記各インバータの出力が供給される出力トランスと、前記交流受電電源の電圧が高電圧であるか，該高電圧の約半分の低電圧であるか、に対応して，前記入力整流器の直流出力端子間に前記各平滑コンデンサを直列，並列に切換え接続する接続切換手段とを設けた電源装置において，各平滑コンデンサが直列の場合に、２個のコンデンサの各正極・負極間電圧が均等になるようにするコンデンサ電圧均等化手段を形成して具備したことを特徴とするアーク溶接等の電源装置とした。
【００１２】
請求項２に関しては、
交流受電電源を直流化する入力整流器と、該入力整流器の出力電圧を分圧する複数個直列の平滑コンデンサと、前記各平滑コンデンサそれぞれの正極・負極間電圧により動作して高周波交流を出力する複数個のインバータと、前記各インバータの出力が供給される出力トランスと、出力トランスの２次巻線の出力端を並列接続又はカスケード接続し負荷端子とするか、又は該２次巻線の出力端に出力整流器を接続した出力端を並列接続又はカスケード接続し負荷端子とした電源装置において，複数個のコンデンサの各正極・負極間電圧が均等になるようにするコンデンサ電圧均等化手段を形成して具備したことを特徴とするアーク溶接等の電源装置とした。
【００１３】
請求項３に関しては、
前記コンデンサ電圧均等化手段が，各コンデンサの端子間電圧を検出する電圧検出手段と，インバータのスイッチング素子に、その出力信号を供給する修正ＰＷＭ駆動信号生成手段と、を具備したコンデンサ電圧均等化手段である請求項１乃至２記載のアーク溶接等の電源装置とした。
【００１４】
請求項４に関しては、
前記修正ＰＷＭ駆動信号生成手段が，各コンデンサの正極・負極間電圧を検出する電圧検出手段の出力信号を入力して，基準信号との差電圧検出回路，パルスタイミング補正回路，補正ＰＷＭ駆動信号回路とを有し、インバータのスイッチング素子の制御極に供給する修正ＰＷＭ駆動信号生成手段である請求項３記載のアーク溶接等の電源装置とした。
【００１５】
請求項５に関しては、
パルスタイミング補正回路が差電圧検出回路の出力信号に対応し、時間軸的に補正した補正ＰＷＭパルスを生成して駆動信号回路に供給するパルスタイミング補正回路である請求項４記載のアーク溶接用等の電源装置とした。
以上のように両平滑コンデンサそれぞれの正極・負極間には、低電圧の交流電源受電時の比較的低い電圧に相当する一定電圧の直流が生じ、両インバータの入力側へ印加される電圧が高電圧の交流電源給電時にも低電圧の交流電源の給電時と同じ値の比較的低い電圧に保持され、両インバータは必要なスイッチング素子耐圧が低くてもよくなってスイッチング周波数を高くできる。したがって、供給される交流電源が高周波出力トランスを小型，軽量にすることができ、単相電源だけでなく３相電源でも使用可能な２入力電圧対応型の小型，軽量なインバータ構成のアーク溶接用電源装置が実現できる。
【発明の効果】
【００１６】
直列接続された各平滑コンデンサが均等に電圧を分担することになり，耐電圧に余裕を持たせて選定しておく必要がなくなった。スイッチング素子として高耐圧のパワートランジスタを必要とせず、高耐圧でないパワートランジスタにはスイッチング周波数の高いものが得やすいので、設計上インバータの出力周波数が高くできて出力トランスが小型になった。インバータの入力電圧の不平衡を抑制し、必要なスイッチング素子耐圧を一層低く選択できて溶接用等の電源装置を一層安価に製作できた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１を参照して本発明による第１実施の形態を説明する。部分的に第１実施の形態を説明する為の図３を用いて本発明に関連した装置の形態を説明する。交流電源を３相電源としたときの全体構成を示し、図１において、１ａ〜１ｃは受電用の３相の電源端子、２は入力整流器であり正極出力端２ｐ、負極出力端２ｎを有する、３は第１の平滑コンデンサであり、その正極が該出力端２ｐに接続されている。４は第２の平滑コンデンサでその負極が該出力端２ｎに接続されている。
【００１８】
接続切換手段９は、入力整流器２の直流出力端２ｐと２ｎ間に第１の平滑コンデンサ３，第２の平滑コンデンサ４を直列接続して各コンデンサに直流出力電圧を５０％ずつ分圧し印加して供給する場合と、図３のように、該平滑コンデンサ３，４を並列接続して各コンデンサに入力整流器２の出力電圧を各１００％印加して供給する場合とに直・並列接続切換えする接続切換手段である。
【００１９】
インバータ１１，１２は、平滑コンデンサ３，４それぞれの正極，負極間の直流電圧を入力し、動作する半導体スイッチ素子のブリッジ構成によるインバータである。半導体スイッチ素子として、ＩＧＢＴまたはパワーＭＯＳトランジスタが用いられ各スイッチ素子には逆並列にダイオードが接続されている。
【００２０】
修正ＰＷＭ駆動信号生成手段５０は，各コンデンサの端子間電圧を検出する電圧検出手段５５の出力信号を入力し，基準信号との差電圧を検出する差電圧検出回路５２の信号を受けてパルスタイミング補正手段の出力を，補正ＰＷＭ駆動信号回路５４に与えてインバータのスイッチング素子の制御極に供給する修正ＰＷＭ駆動信号を生成する手段である。これらの動作を以下に述べる。
【００２１】
図２の動作説明図において横軸は時間、縦軸は振幅を示す信号波形である。ＡはＰＷＭされる搬送波（三角波）Ｗとこれを変調する信号波Ｓ１、Ｓ2の大小関係を示す。Ｂはインバータ１１、１２を構成するＩＧＢＴ等のスイッチング素子のゲート（制御極）に入力する駆動信号のパルス波形で（仮に平滑コンデンサの電圧を無視した）本発明の技術を実施しないときの出力パルス波形であり、例えば信号波Ｓ１がインバータ出力電流一定に制御するときの目標電流値として生成した信号波である。搬送波（ここでは三角波）Ｗが信号波Ｓ１より高い波高の時のみパルス波形が（斜線のパルスのように）Ｈレベルで出力され、Ｗが信号波Ｓ１より低い時間帯はパルス波形がＬレベルで出力される。斜線のパルスに応じてスイッチング素子がオン、インバータ出力電流を出力トランスに出す。
【００２２】
Ｃはインバータのゲートに入力する駆動信号のパルス波形であるが、平滑コンデンサの電圧を検出し、基準値との差電圧を増幅して、本発明実施形態でのパルスタイミング補正回路５３で平滑コンデンサの検出電圧の高いときは低い波高値のＳ２として、平滑コンデンサの検出電圧の低いときは高い波高値のＳ２として出力信号を生成する。
【００２３】
このようにして変調信号波Ｓ２を生成し、補正ＰＷＭ駆動信号回路５４に入力し、搬送波（ここでは三角波）Ｗを変調した場合の出力信号パルス波形がＣの斜線で示したパルス波形である。図１の補正ＰＷＭ駆動信号回路５４の出力波形に相当するものでＳ2の高いとき（平滑コンデンサ電圧が低いとき）は狭いパルス幅である。
【００２４】
平滑コンデンサ３及び４の電圧を検出して基準信号生成回路５１の出力である基準信号との差電圧を検出する差電圧検出回路５２の出力信号が平滑コンデンサ３と４のどちらの電圧が低いかによってＣのパルス波形の幅が小さく出力される。Ｃのパルス波形の幅が小さいときインバータ出力が小となり負荷を軽く負担し、平滑コンデンサ３と４のどちらの電圧が高い（又は低い）かによってＣのパルス波形の幅が大きく（又は小さく）出力され負荷を多く（又は少なく）負担しコンデンサ端子電圧が低下（又は上昇）する。このように平滑コンデンサ３及び４の分担電圧の差を埋合わせられる。負荷が重いか（又は軽い）かによって直列接続された平滑コンデンサの分担電圧が低く（又は高く）分担することに着眼した発明である。
【００２５】
トランス２６，２７はインバータ毎の出力トランスとして設けられた高周波トランスであり、インバータ１１，１２それぞれに接続された１次巻線２６ａ，２７ａと出力用の２次巻線２６ｂ，２７ｂを個別の磁心に巻回して形成されている。そして、該トランス２６，２７の２次巻線２６ｂ，２７ｂが並列接続されるとともに整流用のダイードが接続され、直流電流を負荷に給電する場合と、整流用のダイードが接続されずに交流アーク負荷に給電する場合がある。２次巻線２６ｂ，２７ｂが並列接続されるとともに整流用のダイードが接続され、直流電流を負荷に給電する場合と、整流用のダイードが接続されずに交流アーク負荷に給電する場合がある。並列・直列接続手段５６が２次巻線２６ｂ，２７ｂに接続される。
【００２６】
図４に示した本発明による第２実施形態のブロック図において、ＩＮＶは平滑コンデンサＣｎを入力側に具備し、出力端にトランスを有するインバータユニットである。各平滑コンデンサＣｎの正・負極間に電圧検出手段５５、５０は前記の修正ＰＷＭ駆動信号生成手段である。各基準電圧との差を増幅して搬送波（三角波）Ｗを変調する信号波Ｓ2を生成することによってインバータ出力を制御して各平滑コンデンサＣｎの分担電圧を均等化する。このようにして複数の直列接続された平滑コンデンサが夫々端子間電圧のバラツキが抑制されて入力電圧を受電交流電圧より低い電圧で印加させるインバータを形成することができた。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
インバータを構成するスイッチング素子として高耐圧のパワートランジスタを必要とせず、高耐圧でないパワートランジスタにはスイッチング周波数の高いものが得やすいので、インバータの動作周波数を高くすることができ、インバータ出力トランスの小型・軽量化が可能となって溶接用等の電源装置を節約した資材で製作できるようになったので、省エネルギー・省資源に寄与できた。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による第１実施の形態の結線図である。
【図２】本発明による実施の形態の動作説明図である。
【図３】本発明に関連した説明の為の装置の結線図である。
【図４】本発明による第２実施形態のブロック図である。
【図５】従来例のアーク溶接用電源装置の結線図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  交流受電端子
２  入力整流器
２ｐ  正極出力端
２ｎ  負極出力端
３  第１の 平滑コンデンサ
４  第２の 平滑コンデンサ
９  接続切換手段
１１，１２ インバータ
２６，２７ 出力トランス
２６ａ，２７ａ  １次巻線
２６ｂ，２７ｂ  ２次巻線
２６ｄ，２７ｄ  ３次巻線
４２  接続切換装置
４８，４９  出力端子
５０  修正ＰＷＭ駆動信号生成手段
５１  基準信号生成回路
５２  差電圧検出回路
５３  パルスタイミング補正回路
５４  補正ＰＷＭ駆動信号回路
５５  電圧検出手段
Ｃn  第ｎの平滑コンデンサ
ＩＮＶ  インバータユニット
【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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