(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端に受電した交流を整流する入力整流器と、
この入力整流器の２つの出力側間に切替手段によって直列・並列切替自在に接続された第一及び第二のインバータと、
これら第一及び第二のインバータそれぞれの出力側に接続された高周波トランスと、
これら高周波トランスの出力側に接続された出力整流器と、
前記第一のインバータに並列に接続された第一の平滑コンデンサと、
前記第二のインバータに並列に接続された第二の平滑コンデンサと、
前記第一のインバータに並列に接続された第一の半導体スイッチング素子と、
前記第二のインバータに並列に接続された第二の半導体スイッチング素子と、
前記切替手段によって前記入力整流器の二つの出力側間に前記第一及び第二のインバータが直列に接続された状態において、前記第一及び第二のインバータの直列接続点と、前記入力整流器の２つの出力側間に直列に接続された等しい抵抗値を持つ抵抗器の直列回路からなる電圧分割手段で得た電位の中点との間に、第一及び第二の入力素子が接続され、前記第一の入力素子に対応する第一の出力素子が前記第一の半導体スイッチング素子の制御極に接続され、前記第二の入力素子に対応する第二の出力素子が前記第二の半導体スイッチング素子の制御極に接続された第一及び第二のフォトカプラとを、
具備し、前記第一の平滑コンデンサの電圧が前記第二の平滑コンデンサの電圧よりも高いとき、前記第一の入力素子に電流が流れ、これに伴い前記第一の出力素子が前記第一の半導体スイッチング素子を導通させ、前記第二の平滑コンデンサの電圧が前記第一の平滑コンデンサの電圧よりも高いとき、前記第二の入力素子に電流が流れ、これに伴い前記第二の出力素子が前記第二の半導体スイッチング素子を導通させる
アーク応用機器電源装置。
【請求項２】
入力整流器の出力側に直列に接続された第一及び第二のインバータと、第一及び第二のインバータの出力側に接続された高周波トランスと、この高周波トランスの出力側に接続された出力整流器とから形成される直流生成手段と、
前記第一のインバータの入力側に接続された第一の平滑コンデンサと、
前記第二のインバータの入力側に接続された第二の平滑コンデンサと、
前記第一のインバータに並列に接続された第一の半導体スイッチング素子と、
前記第二のインバータに並列に接続された第二の半導体スイッチング素子と、
前記入力整流器の出力電圧を等しい抵抗値を持つ抵抗器の直列回路からなる電圧分割手段で得た電位の中点に、第一及び第二の入力素子の一端を接続し、前記第一及び第二の平滑コンデンサの直列接続点に前記第一及び第二の入力素子の他端を接続し、前記第一の入力素子に対応する第一の出力素子を前記第一の半導体スイッチング素子の制御極に接続し、前記第二の入力素子に対応する第２の出力素子を前記第二の半導体スイッチング素子の制御極に接続した第一及び第二のフォトカプラとを、
具備し、
前記第一の平滑コンデンサの電圧が前記第二の平滑コンデンサの電圧よりも高いとき、前記第一の入力素子に電流が流れ、これに伴い前記第一の出力素子が前記第一の半導体スイッチング素子を導通させ、前記第二の平滑コンデンサの電圧が前記第一の平滑コンデンサの電圧よりも高いとき、前記第二の入力素子に電流が流れ、これに伴い前記第二の出力素子が前記第二の半導体スイッチング素子を導通させる方向に、前記第一及び第二の入力素子を接続した
アーク応用機器電源装置。
【請求項３】
請求項２記載のアーク応用機器電源装置において、前記第一及び第二の平滑コンデンサに並列接続される前記第一及び第二の半導体スイッチング素子が、前記第一及び第二のインバータを形成する半導体スイッチング素子と同一物体で兼用されているアーク応用機器電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，アーク溶接機やアーク溶断機，アーク放電灯などアーク応用機器の電源装置に関し，特に入力電圧が２００Ｖ系（低電圧系）と４００Ｖ系（高電圧系）など二電圧に対応できる小型軽量のアーク応用機器電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，小型軽量のアーク応用機器電源装置では商用周波数の電源トランスを用いないで交流受電入力を一旦，入力整流器で直流に変換した後，インバータで高周波電力に変換し所要の電圧に軽量の高周波出力トランスで変圧して，出力整流器でこの高周波電力を直流に変換する方式が用いられて軽量化を達成してきた。この種の高低二入力電圧対応のインバータ内臓式アーク応用機器電源装置では，図４に示すように一対のインバータ３，４を具備してインバータ入力端の平滑コンデンサ９，１０の端子間電圧を直列・並列切替えによって二入力電圧に対応し，図４のように直列接続で使用の場合において，一対のインバータ入力電圧に不均衡が生じるのを抑制するために，各インバータ出力トランス５，６に３次巻き線５０３，６０３を形成してその出力電圧をダイオードブリッジで直流に変換しインバータ入力回路に対し帰還する。帰還方法は，第一の高周波トランスの第３次巻線５０３から第二のインバータ４の入力に帰還，第二の高周波トランスの第３次巻線６０３から第一インバータ３の入力に帰還して各インバータ入力電圧の不均衡を抑制していた。そのような回路を示した文献として下記の特許文献１がある。
【０００３】
【特許文献１】
「特開平０５−２７７７３１号」
上記の文献「アーク溶接機」に技術開示されているブロック図の要部を図４に示した。同号（段落００３０）に，「出力トランスとして設けられたインバータ毎の出力トランスに１次巻き線，２次巻き線，及び帰還用の３次巻き線を有し」（段落００３３）に「３次巻き線５０３，６０３の出力を整流してインバータ４，３の入力側に注入する」との記述がある。しかし，３次巻線５０３，６０３を設けた高周波トランス５，６も，ダイオードブリッジも軽量・小型化を阻害する欠点があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
入力電圧が２００Ｖ系（低電圧系）と４００Ｖ系（高電圧系）など二電圧に対応できるアーク応用機器の電源装置を，低電圧の逆耐電圧半導体スイッチング素子を用いて小型・軽量且つ安価に提供すること及び，一対のインバータ入力電圧が不均衡となるのを電圧均衡制御手段で制御し軽量・小型の電源装置を実現することが課題である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、入力端に受電した交流を整流する入力整流器と、この入力整流器の２つの出力側間に切替手段によって直列・並列切替自在に接続された第一及び第二のインバータと、これら第一及び第二のインバータそれぞれの出力側に接続された高周波トランスと、これら高周波トランスの出力側に接続された出力整流器と、前記第一のインバータに並列に接続された第一の平滑コンデンサと、前記第二のインバータに並列に接続された第二の平滑コンデンサと、前記第一のインバータに並列に接続された第一の半導体スイッチング素子と、前記第二のインバータに並列に接続された第二の半導体スイッチング素子と、前記切替手段によって前記入力整流器の二つの出力側間に前記第一及び第二のインバータが直列に接続された状態において、前記第一及び第二のインバータの直列接続点と、前記入力整流器の２つの出力側間に直列に接続された等しい抵抗値を持つ抵抗器の直列回路からなる電圧分割手段で得た電位の中点との間に、第一及び第二の入力素子が接続され、前記第一の入力素子に対応する第一の出力素子が前記第一の半導体スイッチング素子の制御極に接続され、前記第二の入力素子に対応する第二の出力素子が前記第二の半導体スイッチング素子の制御極に接続された第一及び第二のフォトカプラとを、具備している。前記第一の平滑コンデンサの電圧が前記第二の平滑コンデンサの電圧よりも高いとき、前記第一の入力素子に電流が流れ、これに伴い前記第一の出力素子が前記第一の半導体スイッチング素子を導通させ、前記第二の平滑コンデンサの電圧が前記第一の平滑コンデンサの電圧よりも高いとき、前記第二の入力素子に電流が流れ、これに伴い前記第二の出力素子が前記第二の半導体スイッチング素子を導通させる。
本発明の他の態様は、入力整流器の出力側に直列に接続された第一及び第二のインバータと、これら第一及び第二のインバータの出力側に接続された高周波トランスと、この高周波トランスの出力側に接続された出力整流器とから形成される直流生成手段と、前記第一のインバータの入力側に接続された第一の平滑コンデンサと、前記第二のインバータの入力側に接続された第二の平滑コンデンサと、前記第一のインバータに並列に接続された第一の半導体スイッチング素子と、前記第二のインバータに並列に接続された第二の半導体スイッチング素子と、前記入力整流器の出力電圧を等しい抵抗値を持つ抵抗器の直列回路からなる電圧分割手段で得た電位の中点に、第一及び第二の入力素子の一端を接続し、前記第一及び第二の平滑コンデンサの直列接続点に前記第一及び第二の入力素子の他端を接続し、前記第一の入力素子に対応する第一の出力素子を前記第一の半導体スイッチング素子の制御極に接続し、前記第二の入力素子に対応する第２の出力素子を前記第二の半導体スイッチング素子の制御極に接続した第一及び第二のフォトカプラとを、具備している。前記第一の平滑コンデンサの電圧が前記第二の平滑コンデンサの電圧よりも高いとき、前記第一の入力素子に電流が流れ、これに伴い前記第一の出力素子が前記第一の半導体スイッチング素子を導通させ、前記第二の平滑コンデンサの電圧が前記第一の平滑コンデンサの電圧よりも高いとき、前記第二の入力素子に電流が流れ、これに伴い前記第二の出力素子が前記第二の半導体スイッチング素子を導通させる方向に、前記第一及び第二の入力素子を接続した。
上記の他の態様では、前記第一及び第二の平滑コンデンサに並列接続される前記第一及び第二の半導体スイッチング素子が、前記第一及び第二のインバータを形成する半導体スイッチング素子と同一物体で兼用されているものとすることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明による実施の形態を図一のブロック図及び，図２と図３の要部回路図に示して説明する。図１には電圧均衡制御手段５３と直列・並列接続切替手段２０を具体的に示した。交流入力端１に受電した交流電力を直流電力に変換する入力整流器２の出力側に接続された第一のインバータ３及び第二のインバータ４で直流電力を高周波電力に変換し，高周波トランス５及び６で負荷に適する所定電圧に変圧する。これを出力整流器７及び８で整流し負荷に直流電力を供給する。以上の構成が直流生成手段５１である。２０は直列・並列切替手段であり，第一のインバータ３及び第二のインバータ四の入力側の直流電圧を直列・並列切替によって，入力整流器２の出力電圧をそのままで，又は半分ずつの電圧にして各インバータの入力電圧として給電する。
【０００７】
各インバータの入力端のコンデンサ９，１０が直列接続の場合は各インバータの入力端に対し受電電圧をそのまま整流した電圧が半分ずつに分割されて印加されるので，交流受電電圧が４００Ｖ系の場合に適応され，２００Ｖ系の時はコンデンサ９，１０が並列接続になるように接続される。負荷に印加する直流電力を出力制御手段５２で定電圧制御したり，設定された値に定電流制御する信号を生成し，ドライブ信号生成手段５０で変換されインバータ３，４の制御極信号として該インバータを構成するスイッチング素子の制御極に与えられる。
【０００８】
図２に示すように各平滑コンデンサ９と１０とが直列に接続されて，この直列接続点をＰ点として，第一のインバータ３及び第二のインバータ４の入力電圧が印加されているが，例えば受電した交流が４００Ｖ系の場合には各インバータ４の入力は半分ずつの電圧が供給される。受電した交流が２００Ｖ系の場合には並列接続でインバータ入力端子に印加され各インバータの入力は上記のような半分ずつではなく受電し整流した１００％の電圧を供給する。このような要求のために直列・並列切替手段２０が接続される。
【０００９】
直列の場合の平滑コンデンサ９と１０には電圧が半分ずつにチャージされるように，一対の平滑コンデンサ容量を正確に選び出されている。しかしながら負荷電流の大きさによって平滑コンデンサの端子間の電圧は低下するから，第一のインバータ３及び，第二のインバータ４の入力電圧間に不均衡が生じる。この電圧の不均衡は一方のインバータに含まれる半導体スイッチング素子に過大な電流分担を負わせ、素子焼損に至らしめる欠陥が発生する。そのような不具合を未然に防ぐ必要があるから許容範囲内に抑制する。この為に電圧均衡制御手段５３が発明された。
【００１０】
各インバータ３及び４の入力端に接続された各平滑コンデンサ９，１０の直列接続点Ｐの電位を制御する電圧均衡制御手段５３について説明する。入力整流器の出力電圧Ｖ１を例えば同じ抵抗値の抵抗器Ｒ１，Ｒ２からなる電圧分割手段で得た電位の中点Ｑに，フォトカプラの入力素子２５，２６の一端を接続し，両平滑コンデンサ９，１０の直列接続点Ｐに該フォトカプラの入力素子２５，２６の他端を接続して，両平滑コンデンサ９，１０に並列接続された半導体スイッチング素子１５，１６の制御極に該フォトカプラの出力素子３５，３６を接続してスイッチング素子１５，１６の導通期間を変化させて，平滑コンデンサ９，１０の端子間電圧を所定の直流電圧範囲に制御出来ることを見つけ出した。ダイオードＤがフォトカプラの入力素子に直列接続されて逆電圧に耐えるようにした。
【００１１】
電位の中点Ｑに，フォトカプラの入力素子の一端を接続し，両平滑コンデンサの直列接続点Ｐに該フォトカプラの入力素子の他端を接続すると，両平滑コンデンサの端子間電圧が高い方，例えば平滑コンデンサ１０の端子間の方が９より高いときは中点Ｑに向かって直列接続点Ｐから電流が流れる電位差を利用してフォトカプラの入力素子２６に電流を流し，これの発光部を点灯させる。このフォトカプラの出力素子３６が受光して抵抗値を低くし，スイッチング素子１６を導通させ，この瞬間に平滑コンデンサ１０を放電させる。このため平滑コンデンサ１０の端子電圧が低下する。これが低下しすぎた時は平滑コンデンサ９の方が高い電圧になるからフォトカプラの出力素子３５が受光して抵抗値を低くし，スイッチング素子１５を導通させ，この瞬間に平滑コンデンサ９の電圧を低下させる。以上のようにして電圧が高くなった方の平滑コンデンサに並列接続された半導体スイッチング素子の導通期間を長くさせて，各平滑コンデンサの端子間電圧を低下させる方向に働かせて不均衡電圧をある範囲内に抑える。
【００１２】
平滑コンデンサ９，１０に並列接続された半導体スイッチング素子１５，１６の代わりに，第一のインバータ３及び第二のンバータ４に含まれる半導体スイッチング素子１１，１２，１３，１４を兼用させる事が可能である事を見つけ出した。
【００１３】
図３で電位の中点Ｑに，フォトカプラの入力素子の一端を接続し，両平滑コンデンサの直列接続点Ｐに該フォトカプラの入力素子の他端を接続すると，両平滑コンデンサの端子間電圧が高い方，例えば平滑コンデンサ１０の端子間の方が高いときは中点Ｑに向かって直列接続点Ｐから電流が流れようとする電位差を利用してフォトカプラの入力素子２３，２４に電流を流し，これの発光部を点灯させる。このフォトカプラの出力素子３３，３４が受光して抵抗値を低くし，スイッチング素子１３，１４を導通させ，この瞬間に平滑コンデンサ１０を放電させる。このため平滑コンデンサ１０の端子電圧が低下する。これが低下しすぎた時は平滑コンデンサ９の方が高い電圧になるからフォトカプラの出力素子３１，３２が受光して抵抗値を低くし，スイッチング素子１１，１２を導通させ，この瞬間に平滑コンデンサ９の電圧を低下させる。以上のようにして平滑コンデンサに並列接続された半導体スイッチング素子の導通期間を変化させて，各平滑コンデンサの端子間電圧を低い方向に働かせて不均衡電圧のある範囲内に抑える。
【００１４】
次に，直列・並列切替手段２０の構成例に付いて述べる。電磁リレーＲＹ１が接点オンのときは電磁リレーＲＹ２，ＲＹ３が接点オフである。この状態でコンデンサ９，１０が直列接続されている，受電電圧４００Ｖ系のとき各インバータの入力電圧が低くて安価なスイッチング素子が使えるので経済性に優れる装置が製作出来る。これとは逆に電磁リレーＲＹ１が接点オフのときは電磁リレーＲＹ２，ＲＹ３が接点オンである。この状態でコンデンサ９，１０が並列接続されている，受電電圧２００Ｖ系のとき各インバータの入力電圧が上記と同様に低くて経済性に対し有利である。
【００１５】
このようにして簡素化された不均衡電圧を抑制する電圧均衡制御手段を形成する事によって，コンデンサに並列接続される半導体スイッチング素子がインバータを形成する半導体スイッチング素子と同一物体で兼用されていて，電圧均衡制御手段が該インバータを形成する半導体スイッチング素子の制御極に直列接続される抵抗器の合成抵抗値を時系列的に（導通幅を）加減するように，半導体素子の制御極に抵抗値可変体（フォトカプラ）の出力素子が接続される電圧均衡制御手段としたので，電圧均衡制御のスイッチング素子が，前記第一と第二のインバータに含まれるスイッチング素子で兼用するようにしたのでアーク応用機器電源装置をより一層安価に提供する事を可能にした。
【００１６】
【発明の効果】
以上のように，一対のインバータ直流入力電圧の不均衡を抑制する為の電圧均衡制御手段が半導体スイッチング素子の制御極に信号を与えるフォトカプラの入力素子と出力素子によって簡単な構造で実現できたので，インバータ入力端の分担電圧の不均衡値を抑制するようにしたアーク応用機器電源装置を軽量小型にし，より安価な提供を可能にし，二電源電圧の中の何れの電源からでも使用できる様にして省資源に寄与し工業的価値が大きい。
【００１７】
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による一実施の形態を示すブロック図である。
【図２】  本発明による一実施の形態を示す要部回路図である。
【図３】  本発明による他の実施の形態を示す要部回路図である。
【図４】  従来のアーク応用機器電源装置のブロック図である。
【符号の説明】
１    交流入力端
２    入力整流器
３    第一のインバータ
４    第二のインバータ
５    高周波トランス
６    高周波トランス
７    出力整流器
８    出力整流器
９    平滑コンデンサ
１０    平滑コンデンサ
１１    半導体スイッチング素子
１５    半導体スイッチング素子
１６    半導体スイッチング素子
２０    直列・並列接続切替手段
２１    抵抗値可変体の入力素子（フォトカプラの入力素子）
２５    抵抗値可変体の入力素子（フォトカプラの入力素子）
２６    抵抗値可変体の入力素子（フォトカプラの入力素子）
３１    抵抗値可変体の出力素子（フォトカプラの出力素子）
３５    抵抗値可変体の出力素子（フォトカプラの出力素子）
３６    抵抗値可変体の出力素子（フォトカプラの出力素子）
５０    ドライブ信号生成手段
５１    直流生成手段
５２    出力制御手段
５３    電圧均衡制御手段
Ｐ    直列接続点
Ｑ    電位の中点
Ｒ１  抵抗器（電圧分割手段）
ＲＹ１  電磁リレー１
ＲＹ２  電磁リレー２
２０１  入力整流器の出力端
５０３  高周波トランスの第３次巻線
６０３  高周波トランスの第３次巻線
７０１  出力端子
【図１】
0004531352.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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