激光二极管驱动用电源装置的制作方法

本发明涉及一种激光二极管驱动用电源装置。

背景技术：

近些年，对于加工用激光器而言，半导体激光器激励型的固体激光器、光纤激光器的高输出化得到发展，在以往以co2激光器、yag激光器为主流的金属的熔接、切断、标记等加工领域中，固体激光器、光纤激光器对co2激光器、yag激光器的置换正在进行。作为这样的半导体激光器激励型的激光振荡源，常使用激光二极管(下面，称作ld。)。通常，在激光加工机中使用的ld为了得到高输出而被串联或并联排列多个，使它们全部同时发光。这样的ld阵列构成为，电气地将ld全部串联连接、或者将ld串联电路并联连接，阵列整体需要大的驱动电流。

另外，由于ld是电流驱动型的元件，因此，通常构成为能够以恒流供给为了以所希望的输出进行激光振荡所需的驱动电流的恒流源电路。对于这样的高效开关电源方式的恒流源电路而言，由于通常使用电抗器，因此存在下述课题，即，即使想要对应于加工条件而输出脉冲宽度小的激光脉冲，但输出电流的响应速度慢，不会形成矩形波。

因此，设计了下述驱动电路，即，与ld并联配置开关元件，通过使该开关元件进行通断，从而使向ld的电流路径瞬时地变更，高速地进行电流响应。(例如，参照专利文献1)

另外，还设计了一种驱动电路，即，通过电阻器消耗恒流源电路的输出电流，从而使该输出电流强制性地衰减，进而高速地进行电流响应(例如，参照专利文献2及专利文献3)。

专利文献1：日本特开平11-87817号公报

专利文献2：日本特开2010-015883号公报

专利文献3：日本特开2011-243669号公报

技术实现要素：

这样的ld驱动用电源装置存在下述问题，即，如果对应于加工条件而设定所希望的电流，针对每个脉冲而设定相同的电流，则能够高速地进行激光束通断，在针对每个脉冲而设定不同的电流的情况下，由于恒流源电路的电抗器，无法高速地进行变化，得不到所希望的电流。

为了解决上述的问题，本发明的目的是提供一种即使针对每个脉冲设定不同的电流，也会高速地追随的ld驱动用电源装置及其控制方法。

本发明涉及的激光二极管驱动用电源装置具有电源，该电源向包含激光二极管的激光振荡器供给电力，

所述激光二极管驱动用电源装置的特征在于，具有：

电抗器，其一端与所述激光振荡器串联连接，另一端与所述电源串联连接；

并联二极管，其相对于所述激光振荡器和所述电抗器的串联连接而构成闭合电路；

电流检测单元，其对流过所述电抗器的电流进行检测；

第1开关元件，其与所述激光振荡器并联连接，对所述激光振荡器进行脉冲驱动；以及

能量消耗单元，其用于消耗所述电抗器的能量，

所述能量消耗单元基于来自控制装置的控制信号，在针对所述激光振荡器的脉冲驱动时预读电流指令值，在该电流指令值小于其之前的脉冲的情况下，直至成为规定的目标电流值为止对能量进行消耗。

发明的效果

根据本发明涉及的ld驱动用电源装置及其控制方法，通过安装将在电抗器储存的能量瞬时地消耗的负载，从而能够对应于加工目的而将激光器输出脉冲化为1～几khz，即使针对每个脉冲设定不同的电流，ld驱动电流也能够高速地追随。由此，能够高速地进行激光加工机的条件切换，因此等待时间缩短，实现生产率的提高。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1涉及的ld驱动用电源装置的结构的框图。

图2是各信号的时序图，表示的是对比例涉及的ld驱动用电源装置中的脉冲电流驱动的一个例子。

图3a是各信号的时序图，表示的是图1的ld驱动用电源装置中的脉冲电流驱动的第1例。

图3b是各信号的时序图，表示的是图1的ld驱动用电源装置中的脉冲电流驱动的第2例。

图4是表示图1的ld驱动控制部80的结构例的框图。

图5是表示本发明的实施方式2涉及的ld驱动用电源装置的结构的框图。

图6是表示本发明的实施方式3涉及的ld驱动用电源装置的结构的框图。

图7是表示本发明的实施方式4涉及的ld驱动用电源装置的结构的框图。

图8是表示由mos场效应晶体管构成图7的开关元件s2时的栅极电压和接通电阻的关系的曲线图。

图9是表示图7的开关元件s2为由以sic为主的半导体材料制作的sic半导体时的栅极电压和接通电阻的关系的曲线图。

图10是表示在图7的ld驱动用电源装置中，以在开关元件s2即将接通时电流指令值成为下一个脉冲的电流指令值的方式进行校正的情况下的动作的时序图。

图11是表示本发明的实施方式6涉及的ld驱动用电源装置的结构的框图。

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明涉及的实施方式进行说明。此外，在以下各实施方式中，对于同样的结构要素标注相同的标号。

实施方式1.

图1是表示本发明的实施方式1涉及的ld驱动用电源装置的结构的框图。实施方式1涉及的电源装置例如是用于向激光加工机等的激光二极管供给电力而进行驱动的电源装置，将由激光振荡器2内的多个ldd5的串联电路构成的激光二极管电路(下面，称作ld电路。)40作为控制对象。特别地，对于本实施方式涉及的ld驱动用电源装置而言，预先由用户使用输入部3将最适合加工对象的加工条件输入至计算机数控装置(下面，称作cnc装置。)1，该ld驱动用电源装置具有能量消耗单元，该能量消耗单元将在恒流源电路的电抗器l1中储存的能量瞬时消耗。特别地，在本实施方式中，作为能量消耗单元，示出了使用开关元件s3及消耗电阻r1的串联电路的例子，还具有ld驱动控制部80，该ld驱动控制部80基于来自cnc装置1的激光束接通信号等控制信号而控制开关元件s3。

在图4的ld驱动控制部80内搭载从cnc装置1预先将加工条件(激光束接通定时和电流指令值信息读入并进行存储的存储器82，通过在每个脉冲的间歇期间中将下一个激光束接通脉冲的电流值从存储器82进行预读，从而高速地消耗电抗器l1的能量，由此，与现有技术相比，特征在于，能够高速地使对ld电路40进行驱动的驱动电流变化为所希望的电流值。

该电源装置具有下述部件而构成，即：整流部d1，其将来自例如商用200v的三相交流电源5的交流电压整流为整流电压；平滑电容器c1，其使整流后的整流电压平滑而得到直流电压；逆变器部10，其用于将直流电压变换为高频电压，由多个开关元件q1～q4构成；降压变压器部20，其将高频电压降压为低电压；整流部d2，其将降压后的交流电压整流为整流电压；平滑电容器c2，其将整流后的整流电压平滑为直流电压；以及降压斩波器部30，其将平滑而得到的直流电压作为恒流而供给至ld电路40。

在逆变器部10中，为了使得来自平滑电容器c2的直流电压恒定，通过恒压控制部70进行恒压控制。另外，降压斩波器部30具有电流控制用开关元件s1、续流二极管d3和电抗器l1，通过使用了变流器(ct(currenttransformer))等的电流检测部50而对流过电抗器l1的电流进行检测，使表示所检测出的电流值的检测信号反馈至恒流控制部60的误差比较器，恒流控制部60通过将该检测信号的电流值与由cnc装置1的指令器设定的电流指令值进行比较，从而进行反馈控制而驱动电流控制用开关元件s1，以供给与电流指令值相同的电流。

此外，电抗器l1的电感值选择适当值，以避免大的波纹电流。另外，对于与逆变器部10的开关元件q1～q4分别串联连接的二极管d11～d14和分别并联反向连接的快速恢复二极管d21～d24、d31～d34而言，在开关元件q1～q4的通断特性良好的情况下也可以省略。另外，优选取代上述开关元件q1～q4，置换为具有比续流二极管d3的正向电压低的正向电压的mos(metal-oxidesemiconductor)场效应晶体管(mosfet)等开关元件而设为同步整流，在该情况下，变得高效。

在本电源装置中，为了使向ld电路40的驱动电流高速上升、下降而进行激光的通断，将开关元件s2与ld电路40并联连接。对开关元件s2、s3进行控制的ld驱动控制部80在激光的脉冲驱动时，通过开关元件s2的通断而针对流过电抗器l1的恒流的电流路径，选择性地切换为使恒流流过ld电路40或者流过开关元件s2。通过将恒流的电流路径瞬时地切换，从而能够使向ld电路40的电流高速地下降。

此外，在向ld电路40的驱动电流大的情况下，也可以还具有规定的缓冲电路81，该缓冲电路81与开关元件s2并联，以抑制在将开关元件s2断开时产生的浪涌电压。作为缓冲电路81，例如能够使用由电阻和电容器的串联电路构成的rc缓冲电路、或者将二极管与该串联电路的电阻或者电容器并联连接而构成的rcd缓冲电路等。

然而，在激光加工机等大型的装置中，例如在图1中电源装置和激光振荡器2远离的情况是常见的，开关元件s2和ld电路40的配线变长，难以通过配线的寄生电感而高速地使电流下降。因此，在本实施方式涉及的电源装置中，构成为紧靠激光振荡器2内的ld电路40而配置开关元件s2，使ld电路40和开关元件s2成为1个激光振荡器2的模块，将因配线的寄生电感引起的延迟时间抑制为最小限度。将ld电路40和开关元件s2通过1个模块构成也能够应用于其他实施方式2～5。另外，也可以构成为，使ld电路40和开关元件s2、s3成为1个激光振荡器2的模块。将ld电路40和开关元件s2、s3通过1个模块构成也能够应用于其他实施方式3。

图2是各信号的时序图，表示的是对比例涉及的ld驱动用电源装置中的脉冲电流驱动的一个例子。如图2所示，在反复进行激光的通断的脉冲驱动时，在想要针对每个脉冲而输出不同的电流的情况下，当在脉冲的电流指令值为零的期间开关元件s2接通时，流过电抗器l1的电流在包含开关元件s2及续流二极管d3的路径在内的闭合电路中流动。在该期间没有大的电阻，电流仅在由电抗器l1、开关元件s2、续流二极管d3的内部阻抗和电感决定的时间减少。此时，在下一个激光的接通脉冲时的电流指令值小于其之前的脉冲的情况下，并未消耗在电抗器l1中蓄积的能量，因此瞬时地输出比所设定的指令电流大的电流。特别是，对于激光加工机而言，经常对应于加工形状而使激光脉冲的电流值变化，有可能在这样的激光束下引起加工不良。

因此，在本实施方式涉及的电源装置中，如图1所示，特征在于，在激光振荡器2内将开关元件s3及消耗电阻r1作为能量消耗单元800而与ld电路40并联连接，ld驱动控制部80以下述方式控制开关元件s2、s3。

图3a是各信号的时序图，其表示的是图1的ld驱动用电源装置中的脉冲电流驱动的第1例。如图3a所示，ld驱动控制部80通过在激光束断开时在规定的脉冲期间将该开关元件s3接通，从而消耗在电抗器l1中蓄积的能量(102)，由此使电流高速地减少，即使针对每个脉冲设定不同的电流指令值，也能够高速地追随。

此外，在保持将开关元件s3接通的状态下，消耗电阻r1所产生的损耗变大，因此，ld驱动控制部80在能量消耗后将开关元件s3断开，将开关元件s2接通，从而能够将消耗电阻r1处的损耗抑制为最小限度。如果使用接通电阻低的元件作为开关元件s2，则能够进一步抑制激光束断开时的损耗。

另外，在本实施方式涉及的电源装置中，能够对应于加工条件而控制对开关元件s2及开关元件s3进行驱动的定时。例如，在激光加工机中，由用户预先使用输入部3将最适合加工对象的加工条件输入至cnc装置1，与加工物的形状对应地进行了在哪个定时对电流指令值作出变更的编程。这如图4所示，在ld驱动控制部80中，从cnc装置1预先读入加工条件1～n(电流指令值及激光束接通信号)，储存于内部的存储器82内，由电流指令值读取电路83预读下一个激光束接通定时的电流指令值，通过由栅极脉冲信号生成电路84生成的栅极脉冲信号对开关元件s2及开关元件s3进行驱动即可。

图3b是各信号的时序图，其表示的是图1的ld驱动用电源装置中的脉冲电流驱动的第2例。如上所述，基于由用户进行了编程后的信息，如图3b所示，ld驱动控制部80预读电流指令值(103、104)，在下一个激光脉冲时的电流指令值小于其之前的脉冲的情况下(103)，将开关元件s3接通，能够通过电流检测部50对流过电抗器l1的电流进行检测。因此，直至变为规定的目标电流指令值为止消耗电抗器l1的能量，之后将开关元件s2接通即可。此外，在下一个激光脉冲时的电流指令值大于其之前的脉冲的情况下(104)，将开关元件s2接通，在脉冲断开时变更电流指令值即可。

如图3a及图3b所示，通过控制将开关元件s2及开关元件s3接通的时间，从而直至达到下一个激光脉冲时的电流指令值为止进行消耗，由此能够使激光脉冲的上升或下降高速地进行。

如以上所说明，根据实施方式1，通过消耗电阻r1的负载来消耗在电抗器l1中储存的能量，从而即使在脉冲驱动时，也能够高速地对电流指令值进行切换。

此外，在本实施方式中，设为由ld驱动控制部80预读来自cnc装置1的加工条件的电流指令值，但也可以由cnc装置1承担该作用，在该情况下，ld驱动控制部80无需存储功能。即，也可以设为cnc装置1对当前的电流指令值和间歇后的电流指令值进行比较，在电流指令值小于其之前的脉冲的情况下，发送用于驱动开关元件s3的信号。

实施方式2.

图5是表示本发明的实施方式2涉及的ld驱动用电源装置的结构的框图。实施方式2涉及的ld驱动用电源装置与图1的实施方式1涉及的ld驱动用电源装置相比，下述方面不同。

(1)省略了具有开关元件s1及续流二极管d3的降压斩波器部30。

(2)取代恒流控制部60而具有恒流控制部60a。

下面，详细叙述这些不同点。

在激光器输出小且电源容量小的情况下，能够如图5那样省略降压斩波器部30，能够缩小电路规模。对于逆变器部10的开关元件q1～q4而言，为了使得流过电抗器l1的电流恒定，由恒流控制部60a基于电流检测部50的检测电流对逆变器部10的开关元件q1～q4进行pwm控制，构成恒流源电路。

另外，在能够取代电抗器l1而利用降压变压器部20的漏电感的情况下，也可以省略电抗器l1。

如以上所说明，与实施方式1同样地，在实施方式2涉及的电源装置中，在激光振荡器2内设置与ld电路40并联连接的开关元件s2，并且设置与ld电路40及开关元件s2并联连接的能量消耗单元800，具体而言，能够设置开关元件s3及消耗电阻r1，因此即使针对每个脉冲设定不同的电流指令值，也能够高速地追随。

此外，实施方式2的结构也能够在其他实施方式3～5中应用。

实施方式3.

图6是表示本发明的实施方式3涉及的ld驱动用电源装置的结构的框图。在实施方式1及2中，将激光振荡器2内的开关元件s3及消耗电阻r1与ld电路40并联连接。实施方式3涉及的ld驱动用电源装置与实施方式1相比，以下方面不同。

(1)如图6所示，将开关元件s3及消耗电阻r1作为能量消耗单元800而与ld电路40串联连接。

(2)与作为能量消耗单元800的开关元件s3及消耗电阻r1的串联电路并联地连接有开关元件s4。

(3)取代ld驱动控制部80，具有对开关元件s2、s3、s4进行控制的ld驱动控制部80a。

下面，对这些不同点进行说明。

如实施方式1及2那样，在消耗电阻r1与ld电路40并联连接的情况下，为了在激光束断开时不在ld侧流过电流，需要对电阻值进行选择，以使得在开关元件s3接通时产生的消耗电阻间电压不会大于或等于ld电路40的正向电压。然而，在将消耗电阻r1与ld电路40串联连接的情况下，可以使消耗电阻r1的电阻值与实施方式1及2的消耗电阻r1的电阻值相比较大，由此，与实施方式1及2相比，能够更高速地消耗电抗器l1的能量。

在本实施方式3的结构中，也如图3b那样，预先进行电流指令值的预读，在脉冲驱动时，在下一个激光脉冲时的电流指令值小于其之前的脉冲的情况下，控制为将开关元件s2及开关元件s3接通而进行消耗即可，即使针对每个脉冲设定不同的电流指令值，也能够高速地追随。

此外，在保持将开关元件s3接通的状态下，消耗电阻r1所产生的损耗变大，因此，在能量消耗后将开关元件s3断开，将开关元件s4接通，从而能够抑制消耗电阻r1处的损耗。如果使用接通电阻低的元件作为开关元件s4，则能够进一步抑制激光束断开时的损耗。

实施方式4.

图7是表示本发明的实施方式4涉及的ld驱动用电源装置的结构的框图。另外，图8是表示由mos场效应晶体管构成图7的开关元件s2时的栅极电压和接通电阻的关系的曲线图。实施方式4涉及的ld驱动用电源装置与图1的实施方式1涉及的ld驱动用电源装置相比，以下方面不同。

(1)由mos场效应晶体管构成开关元件s2。

(2)删除了开关元件s3及消耗电阻r1。

(3)取代ld驱动控制部80，具有对开关元件s2的通断进行控制的ld驱动控制部80b。

下面，详细叙述这些不同点。

在实施方式1～3中，将开关元件s3及消耗电阻r1作为能量消耗单元800而进行追加，通过消耗电阻r1消耗电抗器所蓄积的能量。但是，如图8所示，在能够对开关元件s2的接通电阻进行控制的情况下，也可以省略开关元件s3及消耗电阻r1而将开关元件s2用作能量消耗单元。例如，如果使用mosfet作为开关元件s2，则接通电阻相对于栅极电压的关系呈现如图8所示的特性，因此，在激光束断开时使开关元件s2的栅极电压下降，从而通过消耗在电抗器l1中蓄积的能量，由此能够使电流高速地减少。即，由此能够使开关元件s2作为能量消耗单元800而动作。

另外，如果前述的mos场效应晶体管是由以sic为主的半导体材料制作的sic半导体器件，则接通电阻相对于栅极电压的关系如图9所示，呈现比图8更线性的特性，因此进行消耗时的控制性提高。另外，器件能够在高温动作，因此即使在电抗器中蓄积的能量大，也能够进行消耗而不发生热破坏。

另外，在本实施方式涉及的电源装置中，能够通过电流检测部50对流过电抗器l1的电流进行检测，因此预先进行电流指令值的预读，在脉冲驱动时，在下一个激光脉冲时的电流指令值小于其之前的脉冲的情况下，通过控制为使得栅极电压成为电流指令值，从而即使针对每个脉冲设定不同的电流指令值，也能够高速地追随。具体而言，ld驱动控制部80b从cnc装置1将加工条件预先读入至存储器82，基于控制信号，在针对激光振荡器40的脉冲驱动时由电流指令值读取电路83预读电流指令值，在该电流指令值小于其之前的脉冲的情况下，将开关元件s2接通，通过该开关元件s2的mos场效应晶体管的接通电阻相对于栅极电压的特性(图8)，将开关元件s2控制为直至成为规定的目标电流值为止消耗在电抗器l1中蓄积的能量。

例如，对于在激光加工机中使用的这样的ld电路40而言，需要进行大电流驱动，为了将开关元件s3配置于大电流路径，需要与ld电路40并联地追加将该开关元件s3，电路规模变大。通过设为本实施方式的结构，从而仅与ld电路40并联配置开关元件s2即可，与实施方式1～3相比，能够大幅地将电源装置小型化。

如以上所说明，根据实施方式4，具有与实施方式1同样的作用效果，并且与实施方式1～3相比，能够大幅地将电源装置小型化。

实施方式5.

实施方式5是实施方式1～4的变形例。在实施方式1～4中，利用消耗电阻r1以及开关元件的接通电阻而消耗在电抗器中蓄积的能量。对于本实施方式涉及的电源装置而言，结构与图7所示的ld驱动用电源装置相同，但控制方法不同。

在本实施方式中，从cnc装置1将加工条件预先读入至ld驱动控制部80内的存储器82，在脉冲驱动时电流指令值小于其之前的脉冲的情况下，如图10所示，以在开关元件s2即将接通时(即，激光束即将断开时)电流指令值成为下一个脉冲的电流指令值的方式进行校正。由此，能够在激光束断开时利用二极管负载本身消耗在电抗器中蓄积的能量而进行激光束断开。具体而言，即使在直至定时t2为止对原来的电流指令值进行输出的情况下，在明确了下一个加工中的电流指令值小的情况下，也会在定时t1将下一个电流指令值校正为目标值。由此，在定时t2，使电抗器电流的值大致降低至下一个ld驱动电流的值。

由此，与实施方式1～3相比，能够大幅地将电源装置小型化。即，通过使ld电路40本身作为能量消耗单元800的一部分进行动作，从而能够删除开关元件s3、消耗电阻r1。

实施方式6.

图11是表示本发明的实施方式6涉及的ld驱动用电源装置的结构的框图。实施方式6涉及的ld驱动用电源装置与图1的实施方式1相比，以下方面不同。

(1)删除了开关元件s3及消耗电阻r1。

(2)在电抗器l1的电源侧的连接点p1具有二极管d4、开关元件s5及负电压源71的电路。

(3)取代ld驱动控制部80，具有对开关元件s2、s5的通断进行控制的ld驱动控制部80c。

下面，详细叙述这些不同点。

在实施方式1～3中，利用消耗电阻r1的负载作为能量消耗单元800而消耗电抗器l1的能量，但在能够另外准备负电压源71的情况下，也可以设为图11所示的结构。在该情况下，能量消耗单元800成为负电压源71、二极管d4、开关元件s5。在图11中，电抗器l1的电源侧的连接点p1经由二极管d4及开关元件s5而连接于负电压源71。另外，ld驱动控制部80c对开关元件s2、s5的通断进行控制。

在图11的结构中，ld驱动控制部80c在激光束断开时将开关元件s5接通并进行保持，由此对于电抗器l1的能量而言，通过使电流经由二极管d4及开关元件s5向负电压源71侧进行再生，从而能够消耗电抗器l1的能量。另外，出于防止从负电压源71向包含降压斩波器部30及ld电路40在内的主电路流入电流的目的，设置了二极管d4。在本结构中，消耗动作时的电源损耗少，即使在激光束接通时也无需在电流路径上配置开关元件s3，因此电源效率良好。

如以上所说明，根据实施方式6，具有与实施方式1同样的作用效果，并且与实施方式1～3相比能够大幅地将电源装置小型化。

工业实用性

如以上详细叙述的那样，根据本发明涉及的ld驱动用电源装置及其控制方法，通过安装有将在电抗器中储存的能量瞬时地消耗的电路，从而即使对应于加工目的而将激光器输出脉冲化为1～几khz，针对每个脉冲设定不同的电流，ld驱动电流也能够高速地追随。由此，能够高速地进行激光加工机的条件切换，因此等待时间缩短，实现生产率的提高。

标号的说明

1计算机数控装置(cnc装置)，2激光振荡器，3输入部，5三相交流电源，10逆变器部，20降压变压器部，30降压斩波器部，40激光二极管(ld)，50电流检测部、60、60a恒流控制部，70恒压控制部，71负电压源，80、80a、80b、80cld驱动控制部，81缓冲电路，82存储器，83电流指令读取电路，84栅极脉冲信号生成电路，800能量消耗单元，c1平滑电容器，c2平滑电容器，d1、d2整流部，d3续流二极管，d4～d5整流二极管，d11～d34二极管，l1电抗器，p1连接点，q1～q4开关元件，r1消耗电阻，s1～s5开关元件。