(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電流を出力電流に変換するように構成された電力変換回路と、制御装置と、前記電力変換回路に動作可能に接続され、また溶接電源の溶接出力に動作可能に接続された溶接出力回路経路を通る前記出力電流の向きを前記制御装置のコマンドに従って切り替えるように構成されたブリッジ回路と、前記ブリッジ回路に動作可能に接続され、前記出力電流の極性遷移中にアークを再点火させるのに十分な電圧を、前記溶接出力回路経路の電極と被加工物の間に誘起するように構成され、オーバーシュート電流を誘起して、前記出力電流の少なくとも負から正への極性遷移中にアーク再点火を容易にするようにさらに構成されたアーク調整回路とを備え、
前記アーク調整回路が、エネルギーを蓄積するように構成されたインダクタと、当該インダクタに調整した定電流を供給するように構成された定電流源とを備え、
前記アーク調整回路の出力が前記ブリッジ回路に接続されていることを特徴とする溶接電源。
【請求項２】
請求項１に記載の溶接電源において、前記アーク調整回路が、前記オーバーシュート電流を供給するように構成された重畳キャパシタを備えることを特徴とする溶接電源。
【請求項３】
請求項２に記載の溶接電源において、前記アーク調整回路が、前記出力電流の前記負から正への極性遷移中に前記重畳キャパシタを選択的に放電するように構成された、独立した放電制御スイッチを備えることを特徴とする溶接電源。
【請求項４】
請求項３に記載の溶接電源において、前記インダクタのインダクタンス値が、約１０〜１００ミリヘンリーの間であることを特徴とする溶接電源。
【請求項５】
請求項１に記載の溶接電源において、前記定電流源が、２アンペア〜１０アンペアの間の調整可能な電流を供給するように構成されること特徴とする溶接電源。
【請求項６】
請求項１に記載の溶接電源において、前記電力変換回路、前記ブリッジ回路、および前記アーク調整回路が、前記溶接電源の前記制御装置のコマンドに従って、ＤＣ正溶接作業、ＤＣ負溶接作業、およびＡＣ溶接作業のうちの何れかを提供するように構成されることを特徴とする溶接電源。
【請求項７】
請求項１に記載の溶接電源において、前記電力変換回路が、ハーフブリッジ出力トポロジを有するトランス・ベースであることを特徴とする溶接電源。
【請求項８】
請求項１に記載の溶接電源において、前記電力変換回路が、ＤＣ出力トポロジを含むことを特徴とする溶接電源。
【請求項９】
請求項１に記載の溶接電源において、前記電力変換回路が、チョッパ・ベースの回路であることを特徴とする溶接電源。
【請求項１０】
請求項１に記載の溶接電源において、前記ブリッジ回路が、少なくとも２つのスイッチング・トランジスタを備えることを特徴とする溶接電源。
【請求項１１】
溶接電源において、
入力電流を出力電流に変換するための手段と、前記溶接電源の溶接出力に動作可能に接続された溶接出力回路経路を通る出力電流の向きを切り替えて、少なくともＡＣ溶接作業を提供するための手段と、前記出力電流の極性遷移中に前記溶接出力回路経路の溶接電極と溶接被加工物の間に電圧を誘起して、前記溶接電極と被加工物の間に逆極性のアークを自動的に回復する手段であって、前記電圧を誘起するための手段の出力が、前記出力電流の向きを切り替えるための手段に接続されている手段と、オーバーシュート電流を誘起して、前記出力電流の少なくとも負から正への極性遷移中にアーク再点火を容易にする手段であって、前記オーバーシュート電流を誘起するための手段が、インダクタと、調整された定電流を前記インダクタに供給するように構成された定電流源とを備える手段と、を含むことを特徴とする溶接電源。
【請求項１２】
溶接電源内で入力電流を出力電流に変換するステップと、前記溶接電源の制御装置のコマンドに従って、前記溶接電源の溶接出力に動作可能に接続された溶接出力回路経路を通る出力電流の向きを、第１の向きから第２の向きに、ブリッジ回路を使用して切り替えるステップと、前記第２の向きに切り替えるステップの一環として、前記第２の向きで溶接電極と被加工物の間にアークを自動的に再点火するのに十分な電圧レベルを、前記溶接出力回路経路の前記溶接電極と前記被加工物の間に、アーク調整回路を使用して誘起するステップと、オーバーシュート電流を、アーク調整回路を用い誘起して、前記出力電流の少なくとも負から正への極性遷移中にアーク再点火を容易にするステップとを具え、前記オーバーシュート電流を誘起するステップが、前記アーク調整回路の定電流源から前記アーク調整回路のインダクタに調整された定電流を供給するステップを備えており、前記アーク調整回路の出力が、前記ブリッジ回路に接続されていることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法において、前記溶接電源の前記制御装置のコマンドに従って、前記第２の向きから前記第１の向きに前記溶接出力回路経路を通る前記出力電流の向きを切り替えるステップと、前記第１の向きに切り替えるステップの一環として、前記第１の向きで前記溶接電極と前記被加工物の間にアークを自動的に再点火するのに十分な電圧レベルを、溶接出力回路経路の前記溶接電極と前記被加工物の間に誘起するステップとをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の方法において、オーバーシュート電流を誘起するステップが、少なくとも１つの重畳キャパシタを有する前記アーク調整回路によって達成されることを特徴とする方法。
【請求項１５】
溶接電源において、
ＡＣ溶接出力電流を供給するように構成されたブリッジ回路と、前記ブリッジ回路に動作可能に接続され、出力回路経路を通る前記ＡＣ溶接出力電流の極性が反転すると、溶接出力に接続された前記出力回路経路でアークを自動的に再点火するのに振幅が十分な電圧を、前記溶接電源の前記溶接出力に誘起するように構成され、オーバーシュート電流を誘起して、前記ＡＣ溶接出力電流の少なくとも負から正への極性遷移中にアーク再点火を容易にするようにさらに構成されたアーク調整回路とを備え、
前記アーク調整回路が、
エネルギーを蓄積するように構成されたインダクタと、
前記インダクタに調整された定電流を供給するように構成された定電流源とを備え、
前記アーク調整回路の出力が、前記ブリッジ回路に接続されていることを特徴とする溶接電源。
【請求項１６】
溶接電源において、
少なくとも１つのインダクタと、前記少なくとも１つのインダクタに直列に接続され、前記少なくとも１つのインダクタに調整された定電流を供給するように構成された少なくとも１つの定電流源と、少なくとも１つの重畳キャパシタとを備えている電流スイッチング回路を具え、前記少なくとも１つのインダクタと、前記少なくとも１つの定電流源と、前記少なくとも１つの重畳キャパシタが、前記溶接電源の溶接出力に接続された負荷を通る溶接出力電流の極性が反転すると、前記負荷の両端に溶接アークを再点火するのに十分な電圧を、前記負荷の両端に誘起するように構成されており、前記少なくとも１つの重畳キャパシタが、前記少なくとも１つのインダクタおよび前記少なくとも１つの定電流源に並列に接続されている
ことを特徴とする溶接電源。
【請求項１７】
請求項１６に記載の溶接電源において、前記電流スイッチング回路が、ハーフブリッジ回路またはフルブリッジ回路のうちの一方として構成されていることを特徴とする溶接電源。
【請求項１８】
請求項１に記載の溶接電源において、前記定電流源が、チョッパ・バック・レギュレータ、または電圧源と抵抗器のうちの少なくとも１つを備えていることを特徴とする溶接電源。
【請求項１９】
請求項１に記載の溶接電源において、前記インダクタおよび前記定電流源が、前記アーク調整回路内で直列に接続されていることを特徴とする溶接電源。
【請求項２０】
請求項１９に記載の溶接電源において、重畳キャパシタが、前記アーク調整回路内で前記インダクタおよび前記定電流源に並列に接続されていることを特徴とする溶接電源。
【請求項２１】
請求項１に記載の溶接電源において、前記電力変換回路が、外部電源から交流電流を受け入れ、前記アーク調整回路および前記ブリッジ回路へ直流電流を出力するように構成されていることを特徴とする溶接電源。
【請求項２２】
入力電流を出力電流に変換するように構成された電力変換回路と、制御装置と、前記電力変換回路に動作可能に接続され、また溶接電源の溶接出力に動作可能に接続された溶接出力回路経路を通る前記出力電流の向きを前記制御装置のコマンドに従って切り替えるように構成されたブリッジ回路と、前記ブリッジ回路に動作可能に接続され、前記出力電流の極性遷移中にアークを再点火させるのに十分な電圧を、前記溶接出力回路経路の電極と被加工物の間に誘起するように構成され、オーバーシュート電流を誘起して、前記出力電流の少なくとも負から正への極性遷移中にアーク再点火を容易にするようにさらに構成されたアーク調整回路とを備え、
前記アーク調整回路が、エネルギーを蓄積するように構成されたインダクタと、前記インダクタに調整された定電流を供給するように構成された定電流源と、どちらの極性でも高電圧レベルを選択的に誘起するよう構成された２つのスイッチング・トランジスタとを備えていることを特徴とする溶接電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本米国特許出願は、２０１３年１１月６日出願の米国仮特許出願第６１／９００，６３５号明細書、ならびに２０１４年４月４日出願の米国特許出願第１４／２４８，４１０号明細書の優先権およびその利益を主張し、２０１２年９月２４日出願の米国特許出願第１３／６２５，１７７号明細書の一部継続出願であり、これらのそれぞれを参考としてそっくりそのまま本明細書に援用する。
【０００２】
本発明のある実施形態は、アーク溶接に関する。より詳細には、本発明のある実施形態は、ＡＣアーク溶接プロセス用の低い電流変動率をもたらしてアーク溶接性能を調整するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ある種の従来技術の溶接システムは、溶接電源にブリッジ・トポロジを使用して、ＡＣ溶接機能を提供する。共通経路を共用し、したがって共用経路でそれぞれの出力が逆極性の流れを誘導できるように構成された、２重出力電流経路を有する溶接電源において、ハーフブリッジ・トポロジを使用してもよい。実際には、多くの溶接電源がこのように構成され、第２の経路を設けるために、整流器装置の第２のセットだけを必要とすることがある。各電源区間の非共用経路にスイッチを配置してもよく、接続された溶接出力電流経路を介した電流の流れの向きは、能動状態の区間によって確定される。フルブリッジ・トポロジは、ほとんどあらゆる電源のトポロジ、適応性、および既存設計の電源に追加する実現可能性を考慮して使用してもよい。フルブリッジ・トポロジによって、ゼロ交差支援回路を容易に実装できるようになる。ブロッキング・ダイオードを使用して、ゼロ交差の際に生じる高電圧過渡現象から電源内の各デバイスを保護することができる。たとえば、ＡＣガス・タングステン・アーク溶接（ＧＴＡＷもしくはＴＩＧ）プロセス、またはガス・メタル・アーク溶接（ＧＭＡＷもしくはＭＩＧ）プロセスなど多くの溶接プロセスにおいて、溶接電流がゼロ交差するとき、電極と被加工物の間のアークが逆極性の向きに素早く再点火することが望ましい。
【０００４】
溶接電源は、最大電圧レベル（たとえば１００ＶＤＣ）を有してもよく、それを出力するように設計される。ＡＣ溶接電流がゼロ交差するとき（すなわち極性が変化するとき）、アークの点火状態を保ち、アーク電流が低いときにアークをより安定になるようにし、電極と被加工物の間にアークを再点火するために、電源が供給できる電圧よりも高い電圧（たとえば３００ＶＤＣ）が電源に要求されることがある。その結果、アークが消失し、回復しないことがある。（ワイヤ電極がない）ＴＩＧ溶接では、アークが消失する場合、溶接電源は、アーク確立プロセス全体を繰り返した後に溶接が継続できるようになることがあり、その結果、溶接プロセスが非効率になる。一般に、低電流アーク溶接に伴うプラズマ柱は不安定になる傾向にあり、その結果、望ましくないアーク停止に至る可能性がある。
【０００５】
このようなシステムおよび方法を、添付図面を参照しながら本出願の残り部分に記載した本発明の実施形態と比較すると、通常手法、従来手法、および提案された手法のさらなる限界および欠点が当業者に明白になる。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の実施形態は、溶接出力電流を調整し、また極性遷移中に再点火用の電圧を生成してアークの再点火を確実にするための手段を提供することによって、ＤＣおよびＡＣのアーク溶接プロセス用の低い電流変動率をもたらしてアーク溶接性能を調整するためのシステムおよび方法を含む。電源からの電圧が制限されていても、溶接電流の極性遷移時およびその前後に、溶接電極と被加工物の間の電圧レベルをさらに高くして、逆極性のアークを容易に、かつ信頼性高く再点火する。ＡＣ溶接、可変極性溶接（たとえば、いずれかの極性でのＤＣ溶接）、および他のハイブリッド溶接プロセスが支援される。極性反転ブリッジ回路およびアーク調整回路の構成によって、溶接出力回路経路を介した出力溶接電流の向きの切替えが可能になり、また低い電流変動率が改善され、溶接電流の極性が変化するときにアークの迅速な再点火が可能になる。インダクタおよび定電流源を有するアーク調整回路は、迅速かつ信頼性高くアークを再点火するために、電流極性遷移中に必要となる電圧を提供する。実施形態によっては、重畳キャパシタは、追加の蓄積エネルギーを供給して、極性遷移のうちの一方または両方においてアークの再点火を支援する。
【０００７】
本発明の一実施形態は、溶接電源である。溶接電源は、制御装置、および入力電流を出力電流に変換するように構成された電力変換回路を備える。電力変換回路は、ハーフブリッジ出力トポロジを有するトランス・ベースでもよい。電力変換回路は、ＤＣ出力トポロジを含んでもよい。電力変換回路は、たとえば、インバータ・ベースの回路またはチョッパ・ベースの回路でもよい。溶接電源はまた、電力変換回路に動作可能に接続され、また溶接電源の溶接出力に動作可能に接続された溶接出力回路経路を通る出力電流の向きを制御装置のコマンドに従って切り替えるように構成されたブリッジ回路を備える。ブリッジ回路は、たとえば、ハーフブリッジ回路として、またはフルブリッジ回路として構成してもよい。ブリッジ回路は、たとえば、少なくとも２つのスイッチング・トランジスタを備えてもよい。溶接電源はさらに、ブリッジ回路に動作可能に接続され、出力電流の極性遷移中にアークを再点火させるのに十分な電圧を、溶接出力回路経路の電極と被加工物の間に誘起するように構成されたアーク調整回路を備える。アーク調整回路は、たとえば、少なくとも１つのインダクタ、および少なくとも１つの定電流源を備えてもよい。定電流源は、たとえば、アーク全体にわたって２〜１０アンペアの間の調整された定電流を供給し、低い電流変動率を可能にする。様々な実施形態によれば、少なくとも１つのインダクタの値は、約１０〜１００ミリヘンリーの間（たとえば２０ミリヘンリー）でもよい。電力変換回路、ブリッジ回路、およびアーク調整回路は、溶接電源の制御装置のコマンドに従って、ＤＣ正溶接作業、ＤＣ負溶接作業、およびＡＣ溶接作業のうちの何れを提供するように構成してもよい。一代替実施形態によれば、ブリッジ回路およびアーク調整回路は、溶接電源の外部にあってもよく、たとえば溶接電源に動作可能に接続するモジュールの形態でもよい。
【０００８】
本発明の一実施形態は、溶接電源である。溶接電源は、入力電流を出力電流に変換するための手段、および溶接電源の溶接出力に動作可能に接続された溶接出力回路経路を通る出力電流の向きを切り替えて、少なくともＡＣ溶接作業を提供するための手段を備える。溶接電源はまた、出力電流の極性遷移中に溶接出力回路経路の溶接電極と溶接被加工物の間に電圧を誘起して、溶接電極と被加工物の間に逆極性のアークを自動的に回復する手段を備える。
【０００９】
本発明の一実施形態は、方法である。この方法は、溶接電源で入力電流を出力電流に変換するステップを含む。この方法はまた、溶接電源の制御装置のコマンドに従って、溶接電源の溶接出力に動作可能に接続された溶接出力回路経路を通る出力電流の向きを第１の向きから第２の向きに切り替えるステップを含む。この方法はさらに、第２の向きに切り替えるステップの一環として、この第２の向きで電極と被加工物の間にアークを自動的に再点火するのに十分な電圧レベルを、溶接出力回路経路の溶接電極と被加工物の間に誘起するステップを含む。この方法はまた、溶接電源の制御装置のコマンドに従って、第２の向きから第１の向きに溶接出力回路経路を通る出力電流の向きを切り替えるステップと、さらに、第１の向きに切り替えるステップの一環として、この第１の向きで電極と被加工物の間にアークを自動的に再点火するのに十分な電圧レベルを、溶接出力回路経路の溶接電極と被加工物の間に誘起するステップとを含む。電圧レベルを誘起する各ステップは、少なくとも１つのインダクタ、および少なくとも１つの定電流源を有するアーク調整回路によって達成することができる。
【００１０】
本発明の一実施形態は、溶接電源である。溶接電源は、ＡＣ溶接出力電流を供給するように構成されたブリッジ回路を備える。溶接電源はさらに、ブリッジ回路に動作可能に接続され、出力回路経路を通る溶接出力電流の極性が反転すると、溶接出力に接続された出力回路経路でアークを自動的に再点火するのに振幅が十分な電圧を、溶接電源の溶接出力に誘起するように構成されたアーク調整回路を備える。アーク調整回路は、少なくとも１つのインダクタ、および少なくとも１つの定電流源を備えてもよい。
【００１１】
本発明の一実施形態は、溶接電源である。溶接電源は、少なくとも１つのインダクタおよび少なくとも１つの定電流源を有する電流スイッチング回路を備え、この少なくとも１つのインダクタおよび少なくとも１つの定電流源は、負荷を通る溶接出力電流の極性が反転すると、この負荷の両端に溶接アークを再点火するのに十分な電圧を、溶接電源の溶接出力に接続された負荷の両端に誘起するように構成される。電流スイッチング回路は、たとえば、ハーフブリッジ回路、またはフルブリッジ回路のうちの１つとして構成してもよい。以下の説明、特許請求の範囲、および各図面から、さらに実施形態を考えることができる。
【００１２】
以下の説明および図面から、本発明の例示した実施形態の詳細がより完全に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、溶接電極および被加工物に動作可能に接続された溶接電源の例示的な実施形態の概略ブロック図を示す。
【図２】図２は、ブリッジ回路および双極性アーク調整回路を有する、図１の溶接電源の一部分の第１の例示的な実施形態の概略図を示す。
【図３Ａ】図３Ａは、ＡＣ溶接出力電流波形を実現するときの、図２の溶接電源の動作を示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、ＡＣ溶接出力電流波形を実現するときの、図２の溶接電源の動作を示す。
【図３Ｃ】図３Ｃは、ＡＣ溶接出力電流波形を実現するときの、図２の溶接電源の動作を示す。
【図４】図４は、ブリッジ回路および双極性アーク調整回路を有する、図１の溶接電源の一部分の第２の例示的な実施形態の概略図を示す。
【図５】図５は、ブリッジ回路および双極性アーク調整回路を有する、図１の溶接電源の一部分の第３の例示的な実施形態の概略図を示す。
【図６】図６は、ブリッジ回路および双極性アーク調整回路を有する、図１の溶接電源の一部分の第４の例示的な実施形態の概略図を示す。
【図７Ａ】図７Ａは、ＡＣ溶接出力電流波形を実現するときの、任意選択の重畳キャパシタを備える、図２の溶接電源の動作を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、ＡＣ溶接出力電流波形を実現するときの、任意選択の重畳キャパシタを備える、図２の溶接電源の動作を示す。
【図８Ａ】図８Ａは、ＡＣ溶接出力電流波形を実現するときの、重畳キャパシタを備える溶接電源の別の実施形態の動作を示す。
【図８Ｂ】図８Ｂは、ＡＣ溶接出力電流波形を実現するときの、重畳キャパシタを備える溶接電源の別の実施形態の動作を示す。
【図９Ａ】図９Ａは、ＡＣ溶接出力電流波形を実現するときの、重畳キャパシタの独立した放電制御を含む、溶接電源の別の実施形態の動作を示す。
【図９Ｂ】図９Ｂは、ＡＣ溶接出力電流波形を実現するときの、重畳キャパシタの独立した放電制御を含む、溶接電源の別の実施形態の動作を示す。
【図９Ｃ】図９Ｃは、ＡＣ溶接出力電流波形を実現するときの、重畳キャパシタの独立した放電制御を含む、溶接電源の別の実施形態の動作を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下は、この開示内で使用してもよい例示的な用語の定義である。全ての用語の単数形と複数形は両方とも、それぞれの意味の範囲内に含まれる。
【００１５】
本明細書では「ソフトウェア」または「コンピュータ・プログラム」は、それだけには限定されないが、１つまたは複数のコンピュータ読取り可能および／または実行可能な命令を含み、これらの命令により、コンピュータまたは他の電子装置が、機能、動作、および／または挙動を所望の方式で実施するようになる。各命令は、ダイナミック・リンク・ライブラリからの別々のアプリケーションまたはコードを含むルーチン、アルゴリズム、モジュール、またはプログラムなど、様々な形態に埋め込んでもよい。ソフトウェアはまた、独立型のプログラム、関数呼出し、サーブレット、アプレット、アプリケーション、メモリに記憶された命令、オペレーティング・システムの一部、または別のタイプの実行可能命令など、様々な形態で実施してもよい。ソフトウェアの形態は、たとえば所望の用途の要求事項、ソフトウェアが実行される環境、および／または設計者／プログラマの要望などによって決まることが当業者には理解されよう。
【００１６】
本明細書では、「コンピュータ」または「処理要素」または「コンピュータ装置」は、それだけには限定されないが、データを記憶し、取り出し、処理することができる、任意のプログラム済みまたはプログラム可能な電子装置を備える。「持続的でコンピュータ読取り可能な媒体」には、それだけには限らないが、ＣＤ−ＲＯＭ、取外し可能なフラッシュ・メモリ・カード、ハード・ディスク・ドライブ、磁気テープ、およびフロッピー・ディスクが含まれる。
【００１７】
本明細書では、「溶接工具」は、それだけには限定されないが、溶接ガン、溶接トーチ、または、溶接電源によって溶接電極に電力を供給するための消耗性もしくは非消耗性溶接電極を使用可能にする任意の溶接装置を指す。
【００１８】
本明細書では、「溶接出力回路経路」は、溶接電源の溶接出力の第１の側部から、第１の溶接ケーブル（または溶接ケーブルの第１の側部）を通って、溶接電極、被加工物に至り（溶接電極と被加工物の間の短絡またはアークの何れかによって）、第２の溶接ケーブル（または溶接ケーブルの第２の側部）を通り、溶接電源の溶接出力の第２の側部に戻る電気経路を指す。
【００１９】
本明細書では、「溶接ケーブル」は、溶接電源と溶接電極および被加工物との間に（たとえば、溶接ワイヤ供給装置を介して）接続して、電力を供給し、溶接電極と被加工物と間にアークを生成することのできる電気ケーブルを指す。
【００２０】
本明細書では、「溶接出力」は、溶接電源の電気出力回路もしくは出力ポートもしくは端子、または溶接電源の電気出力回路もしくは出力ポートが供給する電力、電圧、もしくは電流、または溶接電源の出力に接続された負荷を指してもよい。
【００２１】
本明細書では、「コンピュータ記憶装置」は、コンピュータまたは処理要素によって取り出すことができるデジタル・データまたはデジタル情報を記憶するように構成された記憶装置を指す。
【００２２】
本明細書では、「制御装置」は、論理回路および／または処理要素、ならびに溶接電源を制御する際に必要となる関連するソフトウェアまたはプログラムを指す。
【００２３】
用語「信号」、「データ」、および「情報」は、本明細書において区別なく使用することができ、デジタル形式またはアナログ形式でもよい。
【００２４】
用語「ＡＣ溶接」は、本明細書において全般に使用され、実際のＡＣ溶接、正極性と負極性両方でのＤＣ溶接、可変極性溶接、および他のハイブリッド式溶接プロセスを指してもよい。
【００２５】
低電流アーク溶接に伴うプラズマ柱は不安定になる傾向にあり、その結果、望ましくないアーク停止に至る可能性がある。さらに、ＡＣ溶接プロセスでは、ゼロ遷移の際にアーク電流が停止して向きを変える。溶接部を囲繞するアークのプラズマおよびガスの状態に応じて、アークは再点火してもしなくてもよい。本発明の実施形態は、著しい量のインダクタンスが高エネルギー定電流源を提供して、アーク・プラズマを安定化させる、良好に制御された電流を供給する低電流アーク調整回路を含む。極性変更の際、アーク電流は、逆極性に移行する前にゼロまで減少する。この極性遷移時間中、アークとアーク調整回路からの電流は両方とも、高電圧スナバ回路に流れ込む。スナバ回路によって印加される高電圧によって、アーク・エネルギーの全てがなくなる。しかし、アーク調整回路のエネルギーは、そのほんのわずかな部分しかなくならない。溶接回路のインダクタンスのエネルギーがなくなると、溶接出力は極性を反転することができる。アーク再点火電圧は、アーク調整回路のインダクタに蓄積されたエネルギーによって供給され、高電圧スナバ回路によって制限される。アークが回復すると、アーク調整回路からの電流がアークまで戻り、アークを維持するのに必要な電圧まで急激に電圧が低下する。
【００２６】
図１には、溶接電極Ｅおよび被加工物Ｗに動作可能に接続された溶接電源１００の例示的な実施形態の概略ブロック図が示してある。溶接電源１００は、溶接電極Ｅと被加工物Ｗの間に溶接出力電力を供給する、電力変換回路１１０を備える。電力変換回路１１０は、ハーフブリッジ出力トポロジを有するトランス・ベースでもよい。たとえば、電力変換回路１１０は、たとえば、溶接トランスのそれぞれ１次側および２次側で示す、入力電力側および出力電力側を含むインバータ・タイプでもよい。たとえば、ＤＣ出力トポロジを有するチョッパ・タイプなど、他のタイプの電力変換回路も実現可能である。任意選択のワイヤ供給装置５は、消耗性ワイヤの溶接電極Ｅを、被加工物Ｗに向けて供給してもよい。あるいは、ＧＴＡＷプロセスの場合のように、電極Ｅは非消耗性でもよく、ワイヤ供給装置５を使用しなくてもよく、またはこれを使用して溶接ワイヤを被加工物Ｗに向けて供給してもよい。ワイヤ供給装置５、消耗性溶接電極Ｅ、および被加工物Ｗは、溶接電源１００の一部ではなく、溶接出力ケーブルを介して溶接電源１００に動作可能に接続してもよい。
【００２７】
溶接電源１００はさらに、波形発生器１２０および制御装置１３０を備える。波形発生器１２０は、制御装置１３０のコマンドに従って溶接波形を生成する。波形発生器１２０によって生成された波形は、電力変換回路１１０の出力を変調して、電極Ｅと被加工物Ｗの間に溶接出力電流を生成する。
【００２８】
溶接電源１００はさらに、電圧帰還回路１４０および電流帰還回路１５０を備えて、電極Ｅと被加工物Ｗの間での溶接出力電圧および出力電流を監視し、監視された電圧および電流を制御装置１３０に戻してもよい。フィードバック電圧および電流を制御装置１３０が使用して、波形発生器１２０が生成した溶接波形を修正することについて決定を下してもよく、かつ／または、たとえば溶接電源１００の安全操作に影響を及ぼす他の決定を下してもよい。
【００２９】
溶接電源１００はまた、ブリッジ回路１６０およびアーク調整回路１７０を有する電流スイッチング回路１８０を備える。ブリッジ回路１６０は、電力変換回路１１０に動作可能に接続され、また溶接電源１００の溶接出力に動作可能に接続された低インピーダンス溶接出力回路経路（電極Ｅおよび被加工物Ｗを含む）を通る出力電流の向きを制御装置１３０のコマンドに従って切り替えるように構成される。アーク調整回路は、ブリッジ回路に動作可能に接続され、（たとえば、出力電流の極性遷移中にアークを再点火するのに十分な電圧を、溶接出力回路経路の電極Ｅと被加工物Ｗの間に誘起することによって）良好に調整された低い値での電流供給を提供して、最低レベルでの溶接を安定化させ、ゼロを中心とした電流の極性遷移を支援するように構成される。このようなブリッジおよびアーク調整回路の詳細な例および動作を、後ほど本明細書で詳細に説明する。
【００３０】
図２には、ブリッジ回路１６０および双極性アーク調整回路１７０を有する、図１の溶接電源１００の一部分の第１の例示的な実施形態の概略図が示してある。電力変換回路１１０の一部分２１０も図２に示してあり、ここで電力変換回路１１０は、センター・タップまたはハーフブリッジのトポロジ（たとえば、インバータ・ベースの回路）である。図２の電流スイッチング回路１８０は、ハーフブリッジ・トポロジの形式であり、ここで電力変換回路１１０は、共通経路を共用し、したがって共用経路でそれぞれの出力経路が逆極性の流れを誘導できるように構成された２重出力電流経路を提供する。
【００３１】
ブリッジ回路１６０は、スイッチング・トランジスタ２１１および２１２を備える。アーク調整回路１７０は、スイッチング・トランジスタ２１３および２１４、インダクタ２１５、定電流源２１６、ダイオード２１７〜２２０、ならびに、場合によっては重畳キャパシタ２２１を備える。一実施形態によれば、スイッチング・トランジスタは、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）である。しかし、他の実施形態によっては、他のタイプのスイッチング・トランジスタも使用してよい（たとえば金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ、すなわちＭＯＳＦＥＴ）。一実施形態によれば、定電流源は、（たとえば、２アンペア〜１０アンペアの間で）調整可能でもよい。ダイオード１８２およびキャパシタ１８３を有するアクティブ・スナバ回路１８１を使用し、電流スイッチング回路１８０の両端の電圧を（たとえば、３００Ｖ〜６００Ｖの間のどこかに）制限して、出力回路経路を通る出力電流を急速に減少させ、アーク再点火電圧レベルを制限し、すなわち限度内にとどめるようにする。スイッチング・トランジスタ２１１および２１２の逆平行のダイオードが、スナバ／減少電流を運ぶ。インダクタがエネルギーを蓄積し、（溶接プロセスの開始時点で）初期アーク点火機能を、または（ゼロ交差時点で）アーク再点火機能を、いつでもさらに迅速に実行できるよう、（たとえば、アーク調整回路１７０の各トランジスタの両端を短絡させることによる）インダクタの事前充電が必要になる場合がある。
【００３２】
アーク調整回路１７０の任意選択の重畳キャパシタ２２１を使用して、極性切替え時に、ゼロ電流を介して穏やかなオーバーシュートをもたらしてもよい。キャパシタ２２１は、ブリッジの不感時間中に、アーク調整回路のインダクタからのエネルギーを蓄積してもよい。このエネルギーは、アークが逆極性で回復されるときに解放してもよく、定電流源およびインダクタによって供給される電流とともに昇圧またはオーバーシュートをさらに実施してもよい。図２では、キャパシタは、電流源２１６およびインダクタ２１５の両端に直接接続される。不感時間中、インダクタはキャパシタを充電し、ブリッジ回路１６０がオンに戻ると、このキャパシタがエネルギーを負荷に解放する。このサイクルは、極性変更毎に生じる。キャパシタ２２１の頂部は、インダクタ２１５の代わりにダイオード２１７のカソードに接続してもよく、依然として両方の半周期に充電することができるが、負から正への遷移時にのみエネルギーを解放し、したがってサイクル毎の所要の不感時間を最小限に抑えて、蓄積エネルギーを最大化しながら充電できるようにする。
【００３３】
図２の電流スイッチング回路１８０は、ＡＣ溶接作業を提供し、溶接プロセスの極性反転中に電極Ｅと被加工物Ｗの間に溶接アークを回復するのに振幅が十分な電圧を溶接電源の溶接出力で誘起するが、任意選択の重畳キャパシタ２２１がない場合の図３Ａ〜３Ｃについては本明細書に記載の通りである。溶接出力端子１９１および１９２が図示してあり、溶接ケーブル経路を介して電極Ｅおよび被加工物Ｗを接続してもよい、溶接電源の溶接出力を表す。
【００３４】
一実施形態によれば、インダクタ２１５は、約１０〜１００ミリヘンリーの間の（通常は、溶接出力回路経路の総合インダクタンスよりもはるかに大きい）インダクタンス値を有し、定電流源２１６は、２アンペア〜１０アンペアの範囲の定電流を供給する。定電流源２１６は、たとえば、チョッパ・バック・レギュレータまたは簡略な電圧源および抵抗器を含む、いくつかの異なるタイプのうちの何れでもよい。電極と被加工物の間に十分高い電圧を誘起しながら相対的に安定した電流を生成するようにインダクタをサイズ調整して、出力電流の切替え向き（極性反転／切替え）が原因でアークが消失した直後に、迅速かつ信頼性高くアークを再点火する。ゼロ電流交差（極性反転／切替え）時には、電流がゼロに達するとアークが消滅し、アーク調整回路１７０のインダクタ２１５からのエネルギーによって誘起される高電圧（たとえば、２００〜４００ＶＤＣ）を使用して、逆極性でアークを回復する。インダクタ２１５は、電流の流れを維持し、スナバ回路１８１によって設定された限界（たとえば４００ＶＤＣ）まで高電圧を誘起する。インダクタ２１５は、スイッチング・トランジスタ２１１および２１２とともにスイッチング・トランジスタ２１３および２１４の状態によって決定されるように（すなわち、何れかの向きからゼロ電流ポイントと交差するとき）、どちらの極性においても高電圧レベルを誘起することができる。
【００３５】
一実施形態によれば、アーク調整回路内のスイッチング・トランジスタおよびダイオードは、バックグラウンド電流（たとえば、２〜１０アンペア未満）のみを運び、ブリッジ回路のスイッチング・トランジスタを共用して、アーク調整回路のフルブリッジ経路を完成する。アーク調整回路内のダイオードは、電源電流経路と、アーク調整回路の各区間によって形成される意図しないフリーホイーリング電流経路とを阻止する。アーク調整回路内のスイッチング・トランジスタを使用して簡略な昇圧電源を形成してもよく、この昇圧電源を使用して、スナバ回路のキャパシタを事前充電してもよい（ブリッジ回路はオフ）。同様に、アーク調整回路内のスイッチング・トランジスタを使用して、アーク調整回路のインダクタを事前充電してもよい。一実施形態によれば、１００ミリヘンリーのインダクタを約２０ミリ秒で１０アンペアまで充電してもよい（アーク電圧と電流源用の電圧源との間に５０Ｖの差があると仮定する）。したがって、ＤＣでのＧＴＡＷプロセス（または他の任意のプロセス）を開始し、安定化させるための時間は、追加手段がなにもない場合、アーク調整回路のインダクタを事前充電するのに十分な時間より長くしなければならない。
【００３６】
図３Ａ〜３Ｃには、任意選択の重畳キャパシタ２２１がない場合での、ＡＣ溶接出力電流波形（たとえば、簡略な矩形波形として表してある）を実現するときの、図２の溶接電源の動作が示してある。図３Ａ〜３Ｃに示す負荷２３０は、電極Ｅと被加工物Ｗの間のアークの抵抗値およびインダクタンス、ならびに電極Ｅおよび被加工物Ｗを溶接電源に接続する溶接ケーブル経路（すなわち、溶接出力回路経路）を表す。しかし、電極Ｅ、被加工物Ｗ、および溶接ケーブル経路は、溶接電源の一部分ではない。
【００３７】
図３Ａの上部を参照すると、溶接電源が生成するＡＣ波形３００の正の電流部分（波形３００の黒い太線参照）では、電流は、主に電力変換回路２１０から、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１１を通り、（正の向きで）負荷２３０を通り、共通経路を通って、電力変換回路２１０まで戻る（太い矢印参照）。また、アーク・レギュレータ回路１７０が供給する変動率の低い電流は、定電流源２１６から、インダクタ２１５を通り（インダクタにエネルギーを蓄積する）、ダイオード２１７を通り、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１１を通り、（正の向きで）負荷２３０を通り、アーク調整回路１７０のダイオード２１９およびスイッチング・トランジスタ２１４を通って、定電流源２１６まで戻る（細い矢印参照）。
【００３８】
図３Ａの下部を参照すると、ＡＣ波形３００の正の電流減少部分（波形３００の黒い太線参照）では、負荷２３０が実質的に電源の役割を果たし、電流の流れを保持しようとする。電流は、負荷２３０から、（フリーホイーリングのように）電力変換回路２１０を通り、アクティブ・スナバ回路１８１を通り、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１２の逆平行ダイオードを通って流れ、（正の向きで（太い矢印参照））負荷２３０に戻った後、完全に減少する。また、アーク・レギュレータ回路１７０が供給する変動率の低い電流は、定電流源２１６から、インダクタ２１５を通り（インダクタにエネルギーを蓄積する）、ダイオード２１７を通り、スナバ回路１８１を通り、アーク調整回路１７０のダイオード２２０を通って、定電流源２１６まで戻る（細い矢印参照）。負荷２３０を通る電流が完全に減少しても、前述の通りアーク・レギュレータ回路１７０からの電流は流れを保持する。
【００３９】
電流が減少している間に、ブリッジ回路１６０が極性を変更する。しかし、アーク電流が依然として正である限り、インダクタ２１５は、スナバ回路１８１によって生成された高電圧経路を徐々になくしていく。アーク調整回路１７０は、スナバ回路１８１に２〜１０アンペアを供給する。負荷を通る電流がゼロに向けて降下するとき、アークが消失し、アーク調整回路が、負荷の両端に高電圧を印加して、逆極性でアークを再点火する。
【００４０】
図３Ｂを参照すると、ＡＣ波形３００の極性遷移部分（波形３００の黒い太線参照）では、電力変換回路２１０によって供給される電流がほとんどない。電極Ｅと被加工物Ｗの間のアークは、短時間で消失する。しかし、インダクタ２１５に蓄積されたエネルギーが、電極Ｅと被加工物Ｗの間にアーク点火電圧を誘起する。電力変換回路からの電流は、負荷を通って逆向きに再び流れ始めることができる。アーク電流が迅速に回復し、溶接出力電流の任意のアンダーシュートまたはオーバーシュートが、インダクタ２１５によって制御される。アーク調整回路がない場合、電力変換回路がアークを回復しようとするはずである。しかし、電力変換回路が供給する電圧は、通常（たとえば１００ＶＤＣに）制限されるので、アークの回復が起きないことがある。アーク調整回路１７０のインダクタ２１５からのエネルギーが解放されると、電流は、インダクタ２１５から、スイッチング・トランジスタ２１３を通り、ダイオード２１８を通り、（負の向きで）負荷２３０を通り、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１２を通り、ダイオード２２０を通り、定電流源２１６を通って、インダクタ２１５まで戻る（矢印参照）。その結果、電極Ｅと被加工物Ｗの間のアークが、負の向きで迅速に再点火し、電源が電流を供給するのに十分低い電圧レベルに落ち着く。
【００４１】
図３Ｃの上部を参照すると、溶接電源が生成するＡＣ波形３００の負の電流部分（波形３００の黒い太線参照）では、電流は、主に電力変換回路２１０から、（負の向きで）負荷２３０を通り、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１２を通って、電力変換回路２１０まで戻る（太い矢印参照）。また、アーク・レギュレータ回路１７０が供給する変動率の低い電流は、定電流源２１６から、インダクタ２１５を通り（インダクタにエネルギーを蓄積する）、スイッチング・トランジスタ２１３を通り、ダイオード２１８を通り、（負の向きで）負荷２３０を通り、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１２を通り、アーク調整回路１７０のダイオード２２０を通って、定電流源２１６まで戻る（細い矢印参照）。
【００４２】
図３Ｃの下部を参照すると、ＡＣ波形３００の負の電流減少部分（波形３００の黒い太線参照）では、負荷２３０が実質的に電源の役割を果たし、電流の流れを保持しようとする。電流は、負荷２３０から、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１１の逆平行ダイオードを通り、アクティブ・スナバ回路１８１を通り、（フリーホイーリングのように）電力変換回路２１０を通って、負荷２３０に戻る（太い矢印参照）。また、アーク・レギュレータ回路１７０が供給する変動率の低い電流は、定電流源２１６から、インダクタ２１５を通り（インダクタにエネルギーを蓄積する）、ダイオード２１７を通り、スナバ回路１８１を通り、アーク調整回路１７０のダイオード２２０を通って、定電流源２１６まで戻る（細い矢印参照）。負荷２３０を通る電流が完全に減少しても、前述の通りアーク・レギュレータ回路１７０からの電流は流れを保持する。
【００４３】
図３Ｂの場合と同様にして、波形３００の正の部分に遷移して戻ると（すなわち、波形が繰り返される）、インダクタ２１５は、負荷を通し（ただし正の向きで）、ダイオード２１７、スイッチング・トランジスタ２１１、ダイオード２１９、スイッチング・トランジスタ２１４、および定電流源２１６を介してその蓄積エネルギーを解放することになり、したがって、電極Ｅと被加工物Ｗの間のアークが、正の向きで迅速に再点火できるようになる。アーク調整回路１７０は、良好に調整された低い値の電流を、電源によって供給された溶接出力電流に絶えず加算して、電力変換回路が供給する電流がゼロに向けて減少するときにアークを安定化させ、ただちに逆極性でアークを再点火する。
【００４４】
図４には、ブリッジ回路１６０および双極性アーク調整回路１７０を有する、図１の溶接電源１００の一部分の第２の例示的な実施形態の概略図が示してある。電力変換回路１１０の一部分２１０も図４に示してあり、ここで電力変換回路１１０は、センター・タップまたはハーフブリッジのトポロジ（たとえば、インバータ・ベースの回路）である。図４の電流スイッチング回路１８０は、ハーフブリッジ・トポロジの形式であり、ここで電力変換回路１１０は、共通経路を共用し、したがって共用経路でそれぞれの出力経路が逆極性の流れを誘導できるように構成された２重出力電流経路を提供する。図４の溶接電源部分の動作は、図２の動作と同様である。しかし、図４には、４つのスイッチング・トランジスタを有するフルブリッジのアーク調整回路１７０が示してあり、その結果、図２の構成を上回る低い電流変動率およびアーク点火性能を改善できる、さらに多少洗練された実装形態が得られる。
【００４５】
ブリッジ回路１６０は、スイッチング・トランジスタ４１１および４１２を備える。アーク調整回路１７０は、スイッチング・トランジスタ４１３、４１４、４１５、および４１６、インダクタ４１７、定電流源４１８、ダイオード４１９、ならびに、場合によっては事前充電スイッチング・トランジスタ４２０を備える。一実施形態によれば、スイッチング・トランジスタは、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）である。しかし、他の実施形態によっては、他のタイプのスイッチング・トランジスタも使用してよい（たとえば金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ、すなわちＭＯＳＦＥＴ）。ダイオード４８２およびキャパシタ４８３を有するアクティブ・スナバ回路４８１を使用し、電流スイッチング回路１８０の両端の電圧を（たとえば、３００Ｖ〜６００Ｖの間のどこかに）制限して、出力回路経路を通る出力電流を急速に減少させ、アーク再点火電圧レベルを制限し、すなわち限度内にとどめるようにする。スイッチング・トランジスタ４１１および４１２の逆平行のダイオードが、スナバ／減少電流を運ぶ。アーク調整回路１７０の任意選択の事前充電スイッチング・トランジスタ４２０を使用して、インダクタ４１７にエネルギーを事前蓄積してもよい。事前充電トランジスタ４２０がオンのとき、インダクタ４１７からの電流が、この事前充電トランジスタ４２０を通って流れる。代替選択肢として、アーク調整回路１７０のトランジスタ（たとえば、４１３および４１４、または４１５および４１６）の両端を短絡することによって、インダクタの事前充電を遂行してもよい。インダクタがエネルギーを蓄積し、（溶接プロセスの開始時点で）初期アーク点火機能を、または（ゼロ交差時点で）アーク再点火機能を、いつでもさらに迅速に実行できるよう、インダクタの事前充電が必要になる場合がある。
【００４６】
図４の電流スイッチング回路１８０は、ＡＣ溶接作業を提供し、溶接プロセスの極性反転中に電極Ｅと被加工物Ｗの間に溶接アークを回復するのに振幅が十分な電圧を溶接電源の溶接出力で誘起する。溶接出力端子１９１および１９２が図示してあり、溶接ケーブル経路を介して電極Ｅおよび被加工物Ｗを接続してもよい、溶接電源の溶接出力を表す。
【００４７】
一実施形態によれば、インダクタ４１７は、約１０〜１００ミリヘンリーの間のインダクタンス値を有し、定電流源４１８は、２アンペア〜１０アンペアの範囲の定電流を供給する。定電流源４１８は、たとえば、チョッパ・バック・レギュレータまたは簡略な電圧源および抵抗器を含む、いくつかの異なるタイプのうちの何れでもよい。電極と被加工物の間に十分高い電圧を誘起しながら相対的に安定した電流を生成するようにインダクタをサイズ調整して、出力電流の切替え向き（極性反転／切替え）が原因でアークが消失した直後に、迅速かつ信頼性高くアークを再点火する。
【００４８】
ゼロ電流交差（極性反転／切替え）時には、アークが消滅し、アーク調整回路１７０のインダクタ４１７からのエネルギーによって誘起される高電圧を使用して、逆極性でアークを回復する。インダクタ４１７は、電流の流れを維持し、スナバ回路４８１によって設定された限界（たとえば４００ＶＤＣ）まで高電圧を誘起する。インダクタ４１７は、各スイッチング・トランジスタの状態によって決定されるように（すなわち、何れかの向きからゼロ電流ポイントと交差するとき）、どちらの極性においても高電圧レベルを誘起する。
【００４９】
図５には、ブリッジ回路１６０および双極性アーク調整回路１７０を有する、図１の溶接電源１００の一部分の第３の例示的な実施形態の概略図が示してある。電力変換回路１１０の一部分２１０も図５に示してあり、ここで電力変換回路１１０は、センター・タップまたはハーフブリッジのトポロジ（たとえば、インバータ・ベースの回路）である。図５の電流スイッチング回路１８０は、ハーフブリッジ・トポロジの形式であり、ここで電力変換回路１１０は、共通経路を共用し、したがって共用経路でそれぞれの出力経路が逆極性の流れを誘導できるように構成された２重出力電流経路を提供する。図５の溶接電源部分の動作は、図２の動作と同様である。しかし、図５には、２つの結合されたインダクタおよび２つの定電流源を有する２重のアーク調整回路１７０が示してあり、その結果、図２の構成を上回る低い電流変動率およびアーク調整性能を改善できる、さらに洗練された実装形態が得られる。
【００５０】
ブリッジ回路１６０は、スイッチング・トランジスタ５１１および５１２を備える。アーク調整回路１７０は、結合されたインダクタ５１３および５１４、定電流源５１５および５１６、ダイオード５１７および５１９、ならびに、場合によっては事前充電スイッチング・トランジスタ５１８を備える。一実施形態によれば、スイッチング・トランジスタは、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）である。しかし、他の実施形態によっては、他のタイプのスイッチング・トランジスタも使用してよい（たとえば金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ、すなわちＭＯＳＦＥＴ）。ダイオード５８２およびキャパシタ５８３を有するアクティブ・スナバ回路５８１を使用し、電流スイッチング回路１８０の両端の電圧を（たとえば、３００Ｖ〜６００Ｖの間のどこかに）制限して、出力回路経路を通る出力電流を急速に減少させ、アーク再点火電圧レベルを制限し、すなわち限度内にとどめるようにする。スイッチング・トランジスタ５１１および５１２の逆平行のダイオードが、スナバ／減少電流を運ぶ。アーク調整回路１７０の任意選択の事前充電スイッチング・トランジスタ５１８を使用して、インダクタ５１３および５１４にエネルギーを事前蓄積してもよい。事前充電トランジスタ５１８がオンのとき、インダクタからの電流が、この事前充電トランジスタを通って流れる。その代わりとして、スイッチング・トランジスタの両端を短絡することによって事前充電を実行してもよい。インダクタがエネルギーを蓄積し、（溶接プロセスの開始時点で）初期アーク点火機能を、または（ゼロ交差時点で）アーク再点火機能を、いつでもさらに迅速に実行できるよう、インダクタの事前充電が必要になる場合がある。
【００５１】
図５の電流スイッチング回路１８０は、ＡＣ溶接作業を提供し、溶接プロセスの極性反転中に電極Ｅと被加工物Ｗの間に溶接アークを回復するのに振幅が十分な電圧を溶接電源の溶接出力で誘起する。溶接出力端子１９１および１９２が図示してあり、溶接ケーブル経路を介して電極Ｅおよび被加工物Ｗを接続してもよい、溶接電源の溶接出力を表す。
【００５２】
一実施形態によれば、インダクタ５１３および５１４はそれぞれ、約１０〜１００ミリヘンリーの間のインダクタンス値を有し、定電流源５１５および５１６はそれぞれ、２アンペア〜１０アンペアの範囲の定電流を供給する。定電流源５１５および５１６は、たとえば、チョッパ・バック・レギュレータまたは簡略な電圧源および抵抗器を含む、いくつかの異なるタイプのうちの何れでもよい。電極と被加工物の間に十分高い電圧を誘起するようにインダクタをサイズ調整して、出力電流の切替え向き（極性反転／切替え）が原因でアークが消失した直後に、迅速かつ信頼性高くアークを再点火する。
【００５３】
ゼロ電流交差（極性反転／切替え）時には、アークが消滅し、アーク調整回路１７０の対応するインダクタからのエネルギーによって誘起される高電圧を使用して、逆極性でアークを回復する。各インダクタは、電流の流れを維持し、スナバ回路５８１によって設定された限界（たとえば４００ＶＤＣ）まで高電圧を誘起する。各インダクタは、各スイッチング・トランジスタの状態によって決定されるように（すなわち、何れかの向きからゼロ電流ポイントと交差するとき）、どちらの極性においても高電圧レベルを誘起する。
【００５４】
図６には、ブリッジ回路１６０および双極性アーク調整回路１７０を有する、図１の溶接電源１００の一部分の第４の例示的な実施形態の概略図が示してある。電力変換回路１１０の一部分６１０も図６に示してあり、ここで電力変換回路１１０は、ＤＣ＋出力（たとえば、チョッパ・ベースの回路）を提供する。図６の電流スイッチング回路１８０は、ほとんどあらゆる電源のトポロジに使用してもよいフルブリッジ・トポロジの形態であり、適応性、および既存設計の電源に追加する実現可能性を提供する。図６には、共用Ｈブリッジ・スイッチング・トポロジが示してあり、図２の構成の実装形態を上回る低い電流変動率および再点火性能を改善できる実装形態が得られる。
【００５５】
ブリッジ回路１６０は、スイッチング・トランジスタ６１１、６１２、６１３、および６１４を備え、フルＨブリッジ構成を形成する。アーク調整回路１７０は、インダクタ６１５、定電流源６１６、ダイオード６１７、および、場合によっては事前充電スイッチング・トランジスタ６１８を備える。一実施形態によれば、スイッチング・トランジスタは、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）である。しかし、他の実施形態によっては、他のタイプのスイッチング・トランジスタも使用してよい（たとえば金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ、すなわちＭＯＳＦＥＴ）。ダイオード６８２およびキャパシタ６８３を有するアクティブ・スナバ回路６８１を使用し、電流スイッチング回路１８０の両端の電圧を（たとえば、３００Ｖ〜６００Ｖの間のどこかに）制限して、出力回路経路を通る出力電流を急速に減少させ、アーク再点火電圧を制限し、すなわち限度内にとどめるようにする。スイッチング・トランジスタ６１１〜６１４の逆平行のダイオードが、スナバ／減少電流を運ぶ。アーク調整回路１７０の任意選択の事前充電スイッチング・トランジスタ６１８を使用して、インダクタ６１５にエネルギーを事前蓄積してもよい。事前充電トランジスタ６１８がオンのとき、インダクタからの電流が、この事前充電トランジスタを通って流れる。やはり、その代わりとして、スイッチング・トランジスタの両端を短絡することによって事前充電を実行してもよい。インダクタがエネルギーを蓄積し、（溶接プロセスの開始時点で）初期アーク点火機能を、または（ゼロ交差時点で）アーク再点火機能を、いつでもさらに迅速に実行できるよう、インダクタの事前充電が必要になる場合がある。
【００５６】
図６の電流スイッチング回路１８０は、ＡＣ溶接作業を提供し、溶接プロセスの極性反転中に電極Ｅと被加工物Ｗの間に溶接アークを回復するのに振幅が十分な電圧を溶接電源の溶接出力で誘起する。溶接出力端子１９１および１９２が図示してあり、溶接ケーブル経路を介して電極Ｅおよび被加工物Ｗを接続してもよい、溶接電源の溶接出力を表す。
【００５７】
一実施形態によれば、インダクタ６１５は、約１０〜１００ミリヘンリーの間のインダクタンス値を有し、定電流源６１６は、２アンペア〜１０アンペアの範囲の定電流を供給する。定電流源６１６は、たとえば、チョッパ・バック・レギュレータまたは簡略な電圧源および抵抗器を含む、いくつかの異なるタイプのうちの何れでもよい。電極と被加工物の間に十分高い電圧を誘起しながら相対的に安定した電流を生成するようにインダクタをサイズ調整して、出力電流の切替え向き（極性反転／切替え）が原因でアークが消失した直後に、迅速かつ信頼性高くアークを再点火する。
【００５８】
ゼロ電流交差（極性反転／切替え）時には、アークが消滅し、アーク調整回路１７０のインダクタからのエネルギーによって誘起される高電圧を使用して、逆極性でアークを回復する。インダクタは、電流の流れを維持し、スナバ回路６８１によって設定された限界（たとえば４００ＶＤＣ）まで高電圧を誘起する。インダクタは、各スイッチング・トランジスタの状態によって決定されるように（すなわち、何れかの向きからゼロ電流ポイントと交差するとき）、どちらの極性においても高電圧レベルを誘起する。
【００５９】
実施形態によっては、アーク調整回路は、エネルギーを蓄積し、追加サージとしてこの蓄積されたエネルギーを解放して、アークの再点火を容易にする。追加サージは、両方の向きでの極性遷移で実施してもよく、または、通常は回復するのが困難であった負から正への遷移など、極性遷移の一方の向きだけに限定してもよい。図７〜９において、図２〜３と共通のこれら構成要素は、以下の考察では同じ参照番号によって識別されるが、場合によっては、図７〜９から省かれて、各図が明確になるように保つ。
【００６０】
図７Ａ〜７Ｂには、任意選択の重畳キャパシタ７２１を使用することを含め、ＡＣ溶接出力電流波形（たとえば、簡略な矩形波形として表してある）を実現するときの、図２の溶接電源の動作が示してある。図７Ａ〜７Ｂに説明してある重畳キャパシタ７２１を含むアーク調整回路１７０は、各極性間の所定の不感時間中に重畳キャパシタを充電し、ブリッジ回路１６０が何れかの極性に戻ったときに、このエネルギーを負荷に解放する。以下に述べるように、溶接電源の動作中の出力電流７００およびキャパシタ電圧７１０が示してある。
【００６１】
図７Ａ〜７Ｂに示す負荷２３０は、電極Ｅと被加工物Ｗの間のアークの抵抗値およびインダクタンス、ならびに電極Ｅおよび被加工物Ｗを溶接電源に接続する溶接ケーブル経路（すなわち、溶接出力回路経路）を表す。しかし、電極Ｅ、被加工物Ｗ、および溶接ケーブル経路は、溶接電源の一部分ではない。
【００６２】
図７Ａの上部を参照すると、溶接電源が生成するＡＣ波形７００の正の電流部分（波形７００の黒い太線参照）では、電流は、主に電力変換回路２１０から、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１１を通り、（正の向きで）負荷２３０を通り、共通経路を通って、電力変換回路２１０まで戻る（太い矢印参照）。また、アーク・レギュレータ回路１７０が供給する変動率の低い電流は、定電流源２１６から、インダクタ２１５を通り（インダクタにエネルギーを蓄積する）、ダイオード２１７を通り、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１１を通り、（正の向きで）負荷２３０を通り、アーク調整回路１７０のダイオード２１９およびスイッチング・トランジスタ２１４を通って、定電流源２１６まで戻る（細い矢印参照）。さらに、重畳キャパシタ７２１が放電して、追加電流を供給し、この電流は、ダイオード２１７を通り、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１１を通り、（正の向きで）負荷を通り、アーク調整回路１７０のダイオード２１９およびスイッチング・トランジスタ２１４を通って、重畳キャパシタ７２１まで戻る（破線矢印参照）。重畳キャパシタ７２１の放電によって、出力電流遷移として出力電流に初期サージが正の向きに生じて、アークを確立または回復する。キャパシタは、パルスに先行する不感時間から既に充電されている。回復中、キャパシタに蓄積された電圧によって、２１０の正の整流器が逆バイアスされる。したがって、アークへの電流がキャパシタから流れ、残ったエネルギーが、低電流バックグラウンド回路のインダクタ２１５に蓄積される。重畳キャパシタによって初期サージ（アークのインピーダンスによってのみ制限される）がもたらされ、これが、図７Ａの波形図に示してある。キャパシタの電圧が電源２１０の最大出力電圧を下回って低下すると、正の整流器が再び順バイアスされ、電源がアーク電流を再び供給することができる。
【００６３】
図７Ａの下部を参照すると、ＡＣ波形７００の正の電流減少部分（波形７００の黒い太線参照）では、負荷２３０が実質的に電源の役割を果たし、電流の流れを保持しようとする。電流は、負荷２３０から、（フリーホイーリングのように）電力変換回路２１０を通り、アクティブ・スナバ回路１８１を通り、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１２の逆平行ダイオードを通って流れ、（正の向きで（太い矢印参照））負荷２３０に戻った後、完全に減少する。また、アーク・レギュレータ回路１７０が供給する変動率の低い電流は、定電流源２１６から、インダクタ２１５を通り、重畳キャパシタ７２１を通って（キャパシタを充電する）、定電流源２１６まで戻る（破線矢印参照）。エネルギーは、インダクタ２１５に既に蓄積されている。重畳キャパシタの電圧が電流源の最大供給電圧を超えると、キャパシタを充電し続ける（キャパシタにそのエネルギーを供給している間ずっと減少している）のは、インダクタ内のエネルギーである。負荷２３０を通る電流が完全に減少しても、前述の通りアーク・レギュレータ回路１７０からの電流は流れを保持して、極性変更の不感時間中に重畳キャパシタ７２１を充電する。極性変更中の不感時間を調節して、重畳キャパシタに所望の充電を実施してもよい。
【００６４】
電流が減少している間に、ブリッジ回路１６０が極性を変更する。負荷を通る電流がゼロに向けて降下するとき、アークが消失し、重畳キャパシタを有するアーク調整回路が、負荷の両端に高電圧を印加して、逆極性でアークを再点火する。
【００６５】
図７Ｂの上部を参照すると、ＡＣ波形７００の極性遷移部分（波形７００の黒い太線参照）では、電力変換回路２１０によって供給される電流がほとんどない。電極Ｅと被加工物Ｗの間のアークは、短時間で消失する。しかし、インダクタ２１５に蓄積されたエネルギーと、重畳キャパシタ７２１に蓄積されたエネルギーとを結合して、電極Ｅと被加工物Ｗの間にアーク点火電圧を誘起する。再点火が起きると、重畳キャパシタに蓄積されたエネルギーがアークに供給されて、低インピーダンスのプラズマを生成する。アーク電圧が電源２１０の最大出力電圧を下回って降下すると、負の整流器が再び順バイアスされ、電源がアーク電流を再び供給することができる。電力変換回路からの電流は、負荷を通って逆向きに再び流れ始めることができる。アーク調整回路がない場合、電力変換回路がアークを回復しようとするはずである。しかし、電力変換回路が供給する電圧は、通常（たとえば１００ＶＤＣに）制限されるので、アークの回復が起きないことがある。アーク調整回路１７０のインダクタ２１５および重畳キャパシタ７２１からのエネルギーが解放されると、電流は、インダクタ２１５および重畳キャパシタ７２１から、スイッチング・トランジスタ２１３を通り、ダイオード２１８を通り、（負の向きで）負荷２３０を通り、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１２を通り、ダイオード２２０を通り、キャパシタ７２１に戻り、定電流源２１６を通って、インダクタ２１５まで戻る（矢印参照）。重畳キャパシタ７２１の放電によって、出力電流遷移として出力電流に初期サージが負の向きに生じて、アークを確立または回復する。その結果、電極Ｅと被加工物Ｗの間のアークが、負の向きで迅速に再点火し、電源が電流を供給するのに十分低い電圧レベルに落ち着く。
【００６６】
やはり図７Ｂの上部を参照すると、溶接電源が生成するＡＣ波形７００の負の電流部分（波形７００の黒い太線参照）では、電流は、主に電力変換回路２１０から、（負の向きで）負荷２３０を通り、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１２を通って、電力変換回路２１０まで戻る（太い矢印参照）。また、アーク・レギュレータ回路１７０が供給する変動率の低い電流は、定電流源２１６から、インダクタ２１５を通り（インダクタにエネルギーを蓄積する）、スイッチング・トランジスタ２１３を通り、ダイオード２１８を通り、（負の向きで）負荷２３０を通り、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１２を通り、アーク調整回路１７０のダイオード２２０を通って、定電流源２１６まで戻る（細い矢印参照）。さらに、重畳キャパシタ７２１が放電して、追加電流を供給し、この電流は、スイッチング・トランジスタ２１３を通り、ダイオード２１８を通り、（負の向きで）負荷２３０を通り、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１２を通り、アーク調整回路１７０のダイオード２２０を通って、重畳キャパシタ７２１まで戻り（破線矢印参照）、キャパシタ内のエネルギーがなくなる（放電する）まで、半波の初期部分の間に発生する。
【００６７】
図７Ｂの下部を参照すると、ＡＣ波形７００の負の電流減少部分（波形７００の黒い太線参照）では、負荷２３０が実質的に電源の役割を果たし、電流の流れを保持しようとする。電流は、負荷２３０から、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１１の逆平行ダイオードを通り、アクティブ・スナバ回路１８１を通り、（フリーホイーリングのように）電力変換回路２１０を通って、負荷２３０に戻る（太い矢印参照）。また、アーク・レギュレータ回路１７０が供給する変動率の低い電流は、定電流源２１６から、インダクタ２１５を通り、重畳キャパシタ７２１を通って（キャパシタを充電する）、定電流源２１６まで戻る（破線矢印参照）。エネルギーは、インダクタ２１５に既に蓄積されている。重畳キャパシタの電圧が電流源の最大供給電圧を超えると、キャパシタを充電し続ける（キャパシタにそのエネルギーを供給している間ずっと減少している）のは、インダクタ内のエネルギーである。負荷２３０を通る電流が完全に減少しても、前述の通りアーク・レギュレータ回路１７０からの電流は流れを保持して、極性変更の不感時間中に重畳キャパシタ７２１を充電する。極性変更中の不感時間を調節して、重畳キャパシタに適切な充電を実施してもよい。
【００６８】
図７Ａについて前述した通り、波形７００の正の部分に遷移して戻ると（すなわち、波形が繰り返される）、インダクタ２１５および重畳キャパシタ７２１は両方とも、負荷を通し（ただし正の向きで）、ダイオード２１７、スイッチング・トランジスタ２１１、ダイオード２１９、スイッチング・トランジスタ２１４、および定電流源２１６を介して蓄積エネルギーを解放することになり、したがって、電極Ｅと被加工物Ｗの間のアークが、正の向きで迅速に再点火できるようになる。規定の不感時間の後、インダクタと重畳キャパシタの両方に蓄積されたエネルギーを解放することによって、アーク調整回路１７０は、良好に調整された低い値の電流を、電源によって供給された溶接出力電流に絶えず加算して、電力変換回路が供給する電流がゼロに向けて減少するときにアークを安定化させ、ただちに逆極性でアークを再点火する。
【００６９】
図８Ａ〜８Ｂには、ダイオード２１７のカソードに接続された重畳キャパシタ８２１を使用することを含め、ＡＣ溶接出力電流波形（たとえば、簡略な矩形波形として表してある）を実現するときの溶接電源の別の実施形態の動作が示してある。図８Ａ〜８Ｂに示してある重畳キャパシタ８２１を含むアーク調整回路１７０は、各極性間の所定の不感時間中に重畳キャパシタを充電し、負から正に遷移する際にこのエネルギーを負荷に解放するが、これは従来より回復するのが最も困難であった。サイクル毎に２度充電し、一度放電することで、負から正に遷移する際にアークを再点火するのに利用可能な蓄積エネルギーを増大させながら、サイクル毎に必要とされる不感時間を減らして重畳キャパシタを充電してもよい。以下に述べるように、溶接電源の動作中の出力電流８００およびキャパシタ電圧８１０が示してある。
【００７０】
図８Ａ〜８Ｂに示す負荷２３０は、電極Ｅと被加工物Ｗの間のアークの抵抗値およびインダクタンス、ならびに電極Ｅおよび被加工物Ｗを溶接電源に接続する溶接ケーブル経路（すなわち、溶接出力回路経路）を表す。しかし、電極Ｅ、被加工物Ｗ、および溶接ケーブル経路は、溶接電源の一部分ではない。
【００７１】
図８Ａの上部を参照すると、溶接電源が生成するＡＣ波形８００の正の電流部分（波形８００の黒い太線参照）では、電流は、主に電力変換回路２１０から、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１１を通り、（正の向きで）負荷２３０を通り、共通経路を通って、電力変換回路２１０まで戻る（太い矢印参照）。また、アーク・レギュレータ回路１７０が供給する変動率の低い電流は、定電流源２１６から、インダクタ２１５を通り（インダクタにエネルギーを蓄積する）、ダイオード２１７を通り、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１１を通り、（正の向きで）負荷２３０を通り、アーク調整回路１７０のダイオード２１９およびスイッチング・トランジスタ２１４を通って、定電流源２１６まで戻る（細い矢印参照）。さらに、重畳キャパシタ８２１が放電して、追加電流を正のバスに供給し、この電流は、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１１を通り、（正の向きで）負荷を通り、アーク調整回路１７０のダイオード２１９およびスイッチング・トランジスタ２１４を通って、重畳キャパシタ８２１まで戻る（破線矢印参照）。重畳キャパシタ８２１の放電によって、出力電流遷移として出力電流８００に初期サージが正の向きに生じて、アークを確立または回復する。キャパシタは、パルスに先行する不感時間から既に充電されている。回復中、キャパシタに蓄積された電圧によって、２１０の正の整流器が逆バイアスされる。したがって、アークへの電流がキャパシタから流れ、残ったエネルギーが、低電流バックグラウンド回路のインダクタ２１５に蓄積される。重畳キャパシタによって初期サージ（アークのインピーダンスによってのみ制限される）がもたらされ、これが、図８Ａの波形図に示してある。キャパシタの電圧が電源２１０の最大出力電圧を下回って低下すると、正の整流器が再び順バイアスされ、電源がアーク電流を再び供給することができる。
【００７２】
図８Ａの下部を参照すると、ＡＣ波形８００の正の電流減少部分（波形８００の黒い太線参照）では、負荷２３０が実質的に電源の役割を果たし、電流の流れを保持しようとする。電流は、負荷２３０から、（フリーホイーリングのように）電力変換回路２１０を通り、アクティブ・スナバ回路１８１を通り、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１２の逆平行ダイオードを通って流れ、（正の向きで（太い矢印参照））負荷２３０に戻った後、完全に減少する。また、アーク・レギュレータ回路１７０が供給する変動率の低い電流は、定電流源２１６から、インダクタ２１５を通り、ダイオード２１７を通り、重畳キャパシタ８２１を通って（キャパシタを充電する）、定電流源２１６まで戻る（破線矢印参照）。エネルギーは、インダクタ２１５に既に蓄積されている。重畳キャパシタの電圧が電流源の最大供給電圧を超えると、キャパシタを充電し続ける（キャパシタにそのエネルギーを供給している間ずっと減少している）のは、インダクタ内のエネルギーである。負荷２３０を通る電流が完全に減少しても、前述の通りアーク・レギュレータ回路１７０からの電流は流れを保持して、極性変更の不感時間中に重畳キャパシタ８２１を充電する。極性変更中の不感時間を調節して、重畳キャパシタに所望の充電を実施してもよい。
【００７３】
電流が減少している間に、ブリッジ回路１６０が極性を変更する。負荷を通る電流がゼロに向けて降下するとき、アークが消失し、アーク調整回路のインダクタが、負荷の両端に高電圧を印加して、逆極性でアークを再点火する。
【００７４】
図８Ｂの上部を参照すると、ＡＣ波形８００の極性遷移部分（波形８００の黒い太線参照）では、電力変換回路２１０によって供給される電流がほとんどない。電極Ｅと被加工物Ｗの間のアークは、短時間で消失する。しかし、インダクタ２１５に蓄積されたエネルギーが、電極Ｅと被加工物Ｗの間にアーク点火電圧を誘起する。電力変換回路からの電流は、負荷を通って逆向きに再び流れ始めることができる。アークでのアンダーシュートは、インダクタによって制限される。アーク電流の全てがインダクタを通って流れるわけではないので、オーバーシュートはインダクタによって制限されない。アーク調整回路がない場合、電力変換回路がアークを回復しようとするはずである。しかし、電力変換回路が供給する電圧は、通常（たとえば１００ＶＤＣに）制限されるので、アークの回復が起きないことがある。アーク調整回路１７０のインダクタ２１５からのエネルギーが解放されると、電流は、インダクタ２１５から、スイッチング・トランジスタ２１３を通り、ダイオード２１８を通り、（負の向きで）負荷２３０を通り、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１２を通り、ダイオード２２０を通り、定電流源２１６を通って、インダクタ２１５まで戻る（矢印参照）。その結果、電極Ｅと被加工物Ｗの間のアークが、負の向きで迅速に再点火し、電源が電流を供給するのに十分低い電圧レベルに落ち着く。ダイオード２１７のカソードに接続された重畳キャパシタ８２１は、出力電流遷移として負の向きに放電して、アークを確立または回復することはなく、それにより、重畳キャパシタ８２１は、極性遷移中の不感時間において蓄積されたエネルギーを保持することができるようになる。
【００７５】
やはり図８Ｂの上部を参照すると、溶接電源が生成するＡＣ波形８００の負の電流部分（波形８００の黒い太線参照）では、電流は、主に電力変換回路２１０から、（負の向きで）負荷２３０を通り、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１２を通って、電力変換回路２１０まで戻る（太い矢印参照）。また、アーク・レギュレータ回路１７０が供給する変動率の低い電流は、定電流源２１６から、インダクタ２１５を通り（インダクタにエネルギーを蓄積する）、スイッチング・トランジスタ２１３を通り、ダイオード２１８を通り、（負の向きで）負荷２３０を通り、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１２を通り、アーク調整回路１７０のダイオード２２０を通って、定電流源２１６まで戻る（細い矢印参照）。重畳キャパシタ８２１は、ＡＣ波形８００の負の電流部分では放電せず、キャパシタ電圧波形８１０によって図示したように蓄積されたエネルギーを保持する。
【００７６】
図８Ｂの下部を参照すると、ＡＣ波形８００の負の電流減少部分（波形８００の黒い太線参照）では、負荷２３０が実質的に電源の役割を果たし、電流の流れを保持しようとする。電流は、負荷２３０から、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１１の逆平行ダイオードを通り、アクティブ・スナバ回路１８１を通り、（フリーホイーリングのように）電力変換回路２１０を通って、負荷２３０に戻る（太い矢印参照）。また、アーク・レギュレータ回路１７０が供給する変動率の低い電流は、定電流源２１６から、インダクタ２１５を通り、ダイオード２１７を通り、重畳キャパシタ８２１を通って（キャパシタを充電する）、定電流源２１６まで戻る（細い矢印参照）。エネルギーは、インダクタに既に蓄積されている。重畳キャパシタの電圧が電流源の最大供給電圧を超えると、キャパシタを充電し続ける（キャパシタにそのエネルギーを供給している間ずっと減少している）のは、インダクタ内のエネルギーである。負荷２３０を通る電流が完全に減少しても、前述の通りアーク・レギュレータ回路１７０からの電流は流れを保持して、極性変更の不感時間中に重畳キャパシタ８２１を充電する。極性変更中の不感時間を調節して、重畳キャパシタに適切な充電を実施してもよい。
【００７７】
図８Ａについて前述した通り、波形８００の正の部分に遷移して戻ると（すなわち、波形が繰り返される）、インダクタ２１５および重畳キャパシタ８２１は、負荷を通して（ただし正の向きで）蓄積エネルギーを解放することになり、したがって、電極Ｅと被加工物Ｗの間のアークが、正の向きで迅速に再点火できるようになる。アーク調整回路１７０は、良好に調整された低い値の電流を、電源によって供給された溶接出力電流に絶えず加算して、電力変換回路が供給する電流がゼロに向けて減少するときにアークを安定化させ、ただちに逆極性でアークを再点火する。
【００７８】
図９Ａ〜９Ｃには、スイッチング・トランジスタ９２２を介した重畳キャパシタ９２１の独立放電制御向けに構成された、ＡＣ溶接出力電流波形（たとえば、簡略な矩形波形として表してある）を実現するときの溶接電源の別の実施形態の動作が示してある。図９Ａ〜９Ｃに示してある重畳キャパシタ９２１を含むアーク調整回路１７０は、各極性間の所定の不感時間中に重畳キャパシタを充電し、負から正に遷移する際にこのエネルギーを負荷に解放するが、これは従来より回復するのが最も困難であった。サイクル毎に２度充電し、一度放電することで、負から正に遷移する際にアークを再点火するのに利用可能な蓄積エネルギーを増大させながら、サイクル毎に必要とされる不感時間を減らして重畳キャパシタを充電してもよい。独立放電制御スイッチング・トランジスタ９２２をオンにして、負から正に遷移する際に重畳キャパシタ９２１を放電し、図８Ａ〜８Ｂに示すキャパシタ８２１を通る意図しないフリーホイーリング経路をなくす。以下に述べるように、溶接電源の動作中の出力電流９００およびキャパシタ電圧９１０が示してある。
【００７９】
図９Ａ〜９Ｃに示す負荷２３０は、電極Ｅと被加工物Ｗの間のアークの抵抗値およびインダクタンス、ならびに電極Ｅおよび被加工物Ｗを溶接電源に接続する溶接ケーブル経路（すなわち、溶接出力回路経路）を表す。しかし、電極Ｅ、被加工物Ｗ、および溶接ケーブル経路は、溶接電源の一部分ではない。
【００８０】
図９Ａの上部を参照すると、溶接電源が生成するＡＣ波形９００の正の電流部分（波形９００の黒い太線参照）では、電流は、主に電力変換回路２１０から、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１１を通り、（正の向きで）負荷２３０を通り、共通経路を通って、電力変換回路２１０まで戻る（太い矢印参照）。また、アーク・レギュレータ回路１７０が供給する変動率の低い電流は、定電流源２１６から、インダクタ２１５を通り（インダクタにエネルギーを蓄積する）、ダイオード２１７を通り、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１１を通り、（正の向きで）負荷２３０を通り、アーク調整回路１７０のダイオード２１９およびスイッチング・トランジスタ２１４を通って、定電流源２１６まで戻る（細い矢印参照）。独立放電制御スイッチング・トランジスタ９２２は、重畳キャパシタ９２１が正の電流部分において放電するのを防止し、重畳キャパシタ９２１は、キャパシタ電圧波形９１０に示したアーク電圧まで充電する。
【００８１】
図９Ａの下部を参照すると、ＡＣ波形９００の正の電流減少部分（波形９００の黒い太線参照）では、負荷２３０が実質的に電源の役割を果たし、電流の流れを保持しようとする。電流は、負荷２３０から、（フリーホイーリングのように）電力変換回路２１０を通り、アクティブ・スナバ回路１８１を通り、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１２の逆平行ダイオードを通って流れ、（正の向きで（太い矢印参照））負荷２３０に戻った後、完全に減少する。また、アーク・レギュレータ回路１７０が供給する変動率の低い電流は、定電流源２１６から、インダクタ２１５を通り、ダイオード９２３を通り、重畳キャパシタ９２１を通って（キャパシタを充電する）、定電流源２１６まで戻る（細い矢印参照）。エネルギーは、インダクタに既に蓄積されている。重畳キャパシタの電圧が電流源の最大供給電圧を超えると、キャパシタを充電し続ける（キャパシタにそのエネルギーを供給している間ずっと減少している）のは、インダクタ内のエネルギーである。負荷２３０を通る電流が完全に減少しても、前述の通りアーク・レギュレータ回路１７０からの電流は流れを保持して、極性変更の不感時間中に重畳キャパシタ９２１を充電する。極性変更中の不感時間を調節して、重畳キャパシタに所望の充電を実施してもよい。
【００８２】
電流が減少している間に、ブリッジ回路１６０が極性を変更する。負荷を通る電流がゼロに向けて降下するとき、アークが消失し、アーク調整回路が、負荷の両端に高電圧を印加して、逆極性でアークを再点火する。
【００８３】
図９Ｂの上部を参照すると、ＡＣ波形９００の極性遷移部分（波形９００の黒い太線参照）では、電力変換回路２１０によって供給される電流がほとんどない。電極Ｅと被加工物Ｗの間のアークは、短時間で消失する。しかし、インダクタ２１５に蓄積されたエネルギーが、電極Ｅと被加工物Ｗの間にアーク点火電圧を誘起する。電力変換回路からの電流は、負荷を通って逆向きに再び流れ始めることができる。アークでのアンダーシュートは、インダクタによって制限される。アーク電流の全てがインダクタを通って流れるわけではないので、オーバーシュートはインダクタによって制限されない。アーク調整回路がない場合、電力変換回路がアークを回復しようとするはずである。しかし、電力変換回路が供給する電圧は、通常（たとえば１００ＶＤＣに）制限されるので、アークの回復が起きないことがある。アーク調整回路１７０のインダクタ２１５からのエネルギーが解放されると、電流は、インダクタ２１５から、スイッチング・トランジスタ２１３を通り、ダイオード２１８を通り、（負の向きで）負荷２３０を通り、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１２を通り、ダイオード２２０を通り、定電流源２１６を通って、インダクタ２１５まで戻る（矢印参照）。その結果、電極Ｅと被加工物Ｗの間のアークが、負の向きで迅速に再点火し、電源が電流を供給するのに十分低い電圧レベルに落ち着く。独立放電制御スイッチング・トランジスタ９２２は、出力電流遷移として負の向きに重畳キャパシタ９２１が放電するのを防止し、それにより、重畳キャパシタ９２１が、前の極性遷移中の不感時間、および波形９００の正の電流部分において蓄積されたエネルギーを保持することができるようになる。
【００８４】
やはり図９Ｂの上部を参照すると、溶接電源が生成するＡＣ波形９００の負の電流部分（波形９００の黒い太線参照）では、電流は、主に電力変換回路２１０から、（負の向きで）負荷２３０を通り、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１２を通って、電力変換回路２１０まで戻る（太い矢印参照）。また、アーク・レギュレータ回路１７０が供給する変動率の低い電流は、定電流源２１６から、インダクタ２１５を通り（インダクタにエネルギーを蓄積する）、スイッチング・トランジスタ２１３を通り、ダイオード２１８を通り、（負の向きで）負荷２３０を通り、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１２を通り、アーク調整回路１７０のダイオード２２０を通って、定電流源２１６まで戻る（細い矢印参照）。重畳キャパシタ９２１は、ＡＣ波形９００の負の電流部分では放電せず、キャパシタ電圧波形９１０によって図示したように蓄積されたエネルギーを保持する。
【００８５】
図９Ｂの下部を参照すると、ＡＣ波形９００の負の電流減少部分（波形９００の黒い太線参照）では、負荷２３０が実質的に電源の役割を果たし、電流の流れを保持しようとする。電流は、負荷２３０から、ブリッジ回路１６０のスイッチング・トランジスタ２１１の逆平行ダイオードを通り、アクティブ・スナバ回路１８１を通り、（フリーホイーリングのように）電力変換回路２１０を通って、負荷２３０に戻る（太い矢印参照）。また、アーク・レギュレータ回路１７０が供給する変動率の低い電流は、定電流源２１６から、インダクタ２１５を通り、ダイオード９２３を通り、重畳キャパシタ９２１を通って（キャパシタを充電する）、定電流源２１６まで戻る（細い矢印参照）。エネルギーは、インダクタに既に蓄積されている。重畳キャパシタの電圧が電流源の最大供給電圧を超えると、キャパシタを充電し続ける（キャパシタにそのエネルギーを供給している間ずっと減少している）のは、インダクタ内のエネルギーである。負荷２３０を通る電流が完全に減少しても、前述の通りアーク・レギュレータ回路１７０からの電流は流れを保持して、極性変更の不感時間中に重畳キャパシタ９２１を充電する。極性変更中の不感時間を調節して、重畳キャパシタに適切な充電を実施してもよい。
【００８６】
図９Ｃを参照すると、波形９００の正の部分に遷移して戻ると（すなわち、波形が繰り返される）、インダクタ２１５は、負荷を通して（ただし正の向きで）蓄積エネルギーを解放することになり、したがって、図９Ａに示したように、電極Ｅと被加工物Ｗの間のアークが、正の向きで迅速に再点火できるようになる。さらに、重畳キャパシタ９２１が放電し、この電流は、スイッチング・トランジスタ９２２を通り、（正の向きで）負荷２３０を通り、アーク調整回路１７０のダイオード２１９およびスイッチング・トランジスタ２１４を通って、重畳キャパシタ９２１まで戻る（破線矢印参照）。重畳キャパシタ９２１は、エネルギーの追加サージをもたらして、正の向きでアークを確立または回復するのに役立つ。アークが確立すると、スイッチング・トランジスタ９２２がオフになって、重畳キャパシタ９２１の放電を中止し、前述の通りプロセスが繰り返される。このようにして、アーク調整回路１７０は、良好に調整された低い値の電流を、電源によって供給された溶接出力電流に絶えず加算して、電力変換回路が供給する電流がゼロに向けて減少するときにアークを安定化させ、ただちに逆極性でアークを再点火する。
【００８７】
要約すれば、ＡＣアーク溶接プロセス用の低い電流変動率をもたらして、アーク溶接性能を調整するシステムおよび方法が開示されている。アーク溶接電源の実施形態では、ブリッジ回路およびアーク調整回路の構成により、溶接出力回路経路を通る溶接出力電流の方向切替えが可能になり、出力電流の極性遷移中にアークを再点火するのに十分な電圧が、溶接出力回路経路の電極と被加工物の間に誘起される。アーク調整回路は、両方の極性で、エネルギーを蓄積するための高インダクタンス・レベルをもたらし、これにより、出力電流のゼロ交差中にアークを再点火するための電圧レベルが誘起され、アーク電流の最低レベルでの安定化がもたらされる。
【００８８】
添付の特許請求の範囲では、用語「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」および「ｈａｖｉｎｇ」は、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」の平易な言語での等価表現として使用され、用語「ｉｎ  ｗｈｉｃｈ」は「ｗｈｅｒｅｉｎ」と同等である。さらに、添付の特許請求の範囲では、用語「第１」、「第２」、「第３」、「上部」、「下部」、「底部」、「頂部」などは、単にラベルとして使用されており、その対象への数値的または位置的な要求事項を課すものではない。さらに、添付の特許請求の範囲の制限事項は、ミーンズ・プラス・ファンクション形式では書かれておらず、こうした請求項の制限事項が、語句「ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ」と、それに続いて、さらなる構造を欠いた機能の記述とを明示的に使用しないなら、米国特許法第１１２条の第６パラグラフに基づいて解釈されるものではない。本明細書では、単数形で説明され、単語「ａ」または「ａｎ」が前置される要素またはステップは、明瞭に排除すると説明されていない限り、複数の前記要素またはステップを排除しないものと理解すべきである。さらに、本発明の「一実施形態」に言及していても、同様に説明した特徴を組み込む追加の実施形態の存在を排除するものと解釈することを意図しない。さらに、明示的にそうではないと述べていない場合は、特定の特徴を有する１つまたは複数の要素を「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」、または「ｈａｖｉｎｇ」する実施形態は、そうした特徴をもたない追加のこのような要素を含んでもよい。さらに、ある種の実施形態は、同様のまたは類似の要素を有するものとして示してもよいが、これは、単に例示する目的のためであり、特許請求の範囲で指定されない場合、このような実施形態は必ずしも同じ要素を有する必要はない。
【００８９】
本明細書では、用語「ｍａｙ」および「ｍａｙ  ｂｅ」は、１組の環境内で発生する可能性、指定された特徴を有すること、特性もしくは機能を示し、かつ／または修飾される動詞に関連する能力、機能、もしくは可能性のうちの１つもしくは複数を表すことによって、この別の動詞を修飾する。したがって、「ｍａｙ」および「ｍａｙ  ｂｅ」を使用することは、修飾される用語が、明白に適切であり、能力があり、または示された能力、機能、もしくは使用に適していることを示すが、環境によっては、修飾される用語が適切でなく、能力がなく、もしくは適していない場合もあることを考慮に入れる。たとえば、環境によっては、ある事象または能力を期待することができるが、環境によっては、この事象または能力が生じない場合もあり、この違いが、用語「ｍａｙ」および「ｍａｙ  ｂｅ」によって取り込まれる。
【００９０】
この記載された説明では、最良の形態を含め、本発明を開示するためのいくつかの例を使用し、また、任意の装置またはシステムを作製して使用し、組み込まれた任意の方法を実行するステップを含め、当業者が本発明を実施できるようにするためのいくつかの例を使用する。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思いつく他の例を含んでもよい。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言との差が重要でない等価な構造要素を含む場合には、特許請求の範囲に記載の範囲に存在するものである。
【００９１】
ある一定の実施形態を参照して本出願の特許請求される主題を説明してきたが、この特許請求される主題の範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えてもよく、また均等物で代用してもよいことが当業者には理解されよう。さらに、多くの修正を加えて、特許請求される主題の範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料をその特許請求される主題の教示に適合させてもよい。したがって、特許請求される主題は、開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求される主題が、添付特許請求の範囲に記載の範囲に含まれる全ての実施形態を含むものである。
【符号の説明】
【００９２】
１００  溶接電源
１１０  回路
１２０  発生器
１３０  制御装置
１４０  帰還回路
１５０  帰還回路
１６０  ブリッジ回路
１７０  調整回路
１８０  スイッチング回路
１８１  スナバ回路
１８２  ダイオード
１８３  キャパシタ
１９１  端子
１９２  端子
２１０  部分
２１１  トランジスタ
２１２  トランジスタ
２１３  トランジスタ
２１４  トランジスタ
２１５  インダクタ
２１６  源
２１７  ダイオード
２１８  ダイオード
２１９  ダイオード
２２０  ダイオード
２２１  キャパシタ
２３０  負荷
３００  波形
４１１  トランジスタ
４１２  トランジスタ
４１３  トランジスタ
４１４  トランジスタ
４１５  トランジスタ
４１６  トランジスタ
４１７  インダクタ
４１８  源
４１９  ダイオード
４２０  トランジスタ
４８１  スナバ回路
４８２  ダイオード
４８３  キャパシタ
５１１  トランジスタ
５１２  トランジスタ
５１３  インダクタ
５１４  インダクタ
５１５  源
５１６  源
５１７  ダイオード
５１８  トランジスタ
５１９  ダイオード
５８１  スナバ回路
５８２  ダイオード
６１１  トランジスタ
６１２  トランジスタ
６１３  トランジスタ
６１４  トランジスタ
６１５  インダクタ
６１６  源
６１７  ダイオード
６１８  トランジスタ
６８１  スナバ回路
６８２  ダイオード
６８３  キャパシタ
７００  電流
７１０  電圧
７２１  キャパシタ
８００  電流
８１０  電圧
８２１  キャパシタ
９００  電流
９１０  電圧
９２１  キャパシタ
９２２  トランジスタ
９２３  ダイオード
Ｅ  電極
Ｗ  被加工物
【図１】
0006356252.tif 000002
【図２】
0006356252.tif 000003
【図３Ａ】
0006356252.tif 000004
【図３Ｂ】
0006356252.tif 000005
【図３Ｃ】
0006356252.tif 000006
【図４】
0006356252.tif 000007
【図５】
0006356252.tif 000008
【図６】
0006356252.tif 000009
【図７Ａ】
0006356252.tif 000010
【図７Ｂ】
0006356252.tif 000011
【図８Ａ】
0006356252.tif 000012
【図８Ｂ】
0006356252.tif 000013
【図９Ａ】
0006356252.tif 000014
【図９Ｂ】
0006356252.tif 000015
【図９Ｃ】
0006356252.tif 000016