电源装置以及电弧加工用电源装置制造方法
【专利摘要】提供能响应低输出请求的同时实现逆变器电路的开关元件稳定驱动的电源装置（电弧焊接用电源装置）。电源装置（11）的控制电路（20）在比规定输出请求高的高输出侧，进行对输出至半桥型逆变器电路（13）的开关元件（TR1、TR2）的控制脉冲信号（S1、S2）的导通脉冲宽度进行调整的PWM控制。与此相对，在比规定输出请求低的低输出侧，切换至将控制脉冲信号（S1、S2）的导通脉冲宽度设为开关元件（TR1、TR2）能充分导通的规定宽度（最小宽度）并调整该控制脉冲信号（S1、S2）的导通脉冲的密度的PDM控制。
【专利说明】电源装置以及电弧加工用电源装置【技术领域】
[0001]本发明涉及具备在电源装置的输出电力的生成过程中进行由直流电力变换到高频交流电力的电力变换的逆变器电路的电源装置以及电弧加工用电源装置。
【背景技术】
[0002]作为具备逆变器电路的电源装置，例如已知有专利文献I中公开的电弧加工用电源装置。该电源装置成为如下构成:由整流电路将所输入的商用交流电力变换成直流电力，将变换得到的直流电力通过半桥型逆变器电路的开关动作变换成高频交流电力，将变换得到的高频交流电力经由变压器而供应至次级侧，在该次级侧变换成适于电弧焊接等电弧加工的直流输出电力。调整输出电力是通过控制逆变器电路的开关动作来进行的。
[0003]作为逆变器电路的开关控制之一，有脉冲宽度调制控制(PWM控制)。在某时要增大输出电力的情况下，进行加长逆变器电路的开关元件的导通时间的处理，将输出至开关元件的控制脉冲信号的导通脉冲宽度设定为宽幅。与此相对，在要减小输出电力的情况下，进行缩短逆变器电路的开关元件的导通时间的处理，将输出至开关元件的控制脉冲信号的导通脉冲宽度设定为窄幅。
[0004]先行技术文献
[0005]专利文献
[0006]专利文献1:日本特开2005 - 279774号公报(第I图等)
[0007]发明概要
[0008]发明要解决的课题
[0009]而在高~中输出请求时，输出至逆变器电路(开关元件)的控制脉冲信号的导通脉冲宽度充分宽幅，从而开关元件能充分导通。
[0010]但在产生低输出的请求时，在PWM控制中，控制脉冲信号的导通脉冲宽度被设定得更窄，因此存在开关元件不能充分导通的情况。这将会导致输出不稳定、变压器的磁偏差等产生，因此，期望低输出请求时的开关元件的稳定驱动。
【发明内容】
[0011]本发明是为了解决上述课题而提出的，其目的在于，提供能响应低输出请求的同时实现逆变器电路的开关元件的稳定驱动的电源装置以及电弧加工用电源装置。
[0012]用于解决课题的手段
[0013]解决了上述课题的电源装置具备:半桥电路结构的逆变器电路，其在电源装置的输出电力的生成过程中，通过 开关元件的导通截止动作来进行由直流电力变换到高频交流电力的电力变换；以及控制电路，其对所述开关元件输出控制脉冲信号来控制该开关元件的导通截止动作，进行所述输出电力的控制，所述电源装置的特征在于，所述控制电路构成为能实施PWM控制和PDM控制，所述PWM控制对输出至所述开关元件的控制脉冲信号的导通脉冲宽度进行调整，所述PDM控制将所述控制脉冲信号的导通脉冲宽度设为开关元件能充分导通的规定宽度并调整该控制脉冲信号的导通脉冲的密度，所述电源装置具备:控制切换部，其在所述控制电路的控制中，在比规定输出请求高的高输出侧使所述PWM控制被执行，在比规定输出请求低的低输出侧切换至所述PDM控制。
[0014]根据此构成，在比规定输出请求高的高输出侧，进行对输出至半桥型逆变器电路的开关元件的控制脉冲信号的导通脉冲宽度进行调整的PWM控制。与此相对，在比规定输出请求低的低输出侧，切换至PDM控制，将控制脉冲信号的导通脉冲宽度设为开关元件能充分导通的规定宽度并调整该控制脉冲信号的导通脉冲的密度。也就是说，在低输出请求时，通过在设定为实施PWM控制则开关元件不能导通的导通脉冲宽度之处切换成PDM控制来实施，从而使开关元件的导通脉冲宽度确保成为能充分导通的规定宽度，另外对于低输出请求，间隔去除导通脉冲自身来调整导通脉冲的密度，由此来进行。由此，能响应低输出请求并实现逆变器电路的开关元件的稳定驱动。
[0015]另外，优选地，在上述电源装置中，所述控制脉冲信号的导通脉冲宽度从最大宽度起至所述开关元件能充分导通的最小宽度为止所述控制切换部使所述PWM控制被执行，在为所述最小宽度以下的低输出请求时，切换至将所述控制脉冲信号的导通脉冲宽度固定为最小宽度并调整其导通脉冲的密度的所述PDM控制。
[0016]根据此构成，关于PWM控制，从控制脉冲信号的导通脉冲宽度的最大宽度起至开关元件能充分导通的最小宽度为止来使之执行，在其以下的低输出请求时切换至PDM控制，将控制脉冲信号的导通脉冲宽度固定为其最小宽度并调整导通脉冲的密度。也就是说，在控制脉冲信号的导通脉冲宽度成为开关元件的能导通的最小宽度为止的宽的范围，实施控制周期的细致的PWM控制，因此能有助于输出稳定化。另外，在PWM控制与PDM控制的切换时，通过以最小宽度来继承导通脉冲宽度，也能有助于控制切换时的输出稳定化。
[0017]另外，优选地，在上述电源装置中，所述PDM控制将所述PWM控制周期的一定周期量(一定个数的周期)设为PDM控制周期，间隔去除该PDM控制周期中的任意的导通脉冲来调整导通脉冲的密度。
[0018]根据此构成，在PDM控制中，将PWM控制周期的一定周期量设为PDM控制周期，间隔去除该PDM控制周期中的任意的导通脉冲来进行导通脉冲的密度的调整。也就是说，关于该PDM控制，是以PWM控制周期的一定周期量来执行PDM控制周期，因此能有助于控制的简化。
[0019]另外，优选地，在上述电源装置中，所述PDM控制中，从所述PDM控制周期的后端侧依次间隔去除导通脉冲来调整导通脉冲的密度。
[0020]根据此构成，在PDM控制中，从PDM控制周期的后端侧依次间隔去除导通脉冲来调整导通脉冲的密度。也就是说，由于单纯从PDM控制周期的后端侧间隔去除导通脉冲，因此基于此也能有助于控制的简化。
[0021 ] 另外，优选将上述电源装置应用于生成电弧加工用的直流输出电力的电弧加工用电源装置。
[0022]根据此构成，在电弧加工用电源装置中，能响应低输出请求并实现逆变器电路的开关元件的稳定驱动。
[0023]发明效果
[0024]根据本发明的电源装置以及电弧加工用电源装置，能响应低输出请求并实现逆变器电路的开关元件的稳定驱动。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是表示一实施方式中的电弧焊接用电源装置的电路图。
[0026]图2是在高输出请求时的PWM控制相关的电源装置各处的波形图。
[0027]图3是中输出请求时的PWM - PDM临界时的电源装置各处的波形图。
[0028]图4是低输出请求时的PDM控制相关的电源装置各处的波形图。
[0029]符号说明
[0030]11 电弧焊接用电源装置(电源装置、电弧加工用电源装置)
[0031]13逆变器电路
[0032]20控制电路
[0033]20b 控制切换部
[0034]S1、S2控制脉冲信号
[0035]TD PDM控制周期
[0036]Tff PWM控制周期
[0037]TR1、TR2第1、第2开关元件
[0038]Wm 导通脉冲宽度
[0039]WmO 最小宽度(规定宽度)
[0040]Wmx 最大宽度
【具体实施方式】
[0041]以下，说明作为电源装置的电弧焊接用电源装置的一实施方式。
[0042]如图1所示，电弧焊接机10在用于该电弧焊接机10的电弧焊接用电源装置11的正极侧的输出端子ol连接焊炬TH的电极WE，在负极侧的输出端子o2连接焊接对象(母材)M，基于由电源装置11生成的直流输出电力来使电弧在电极WE的前端生成，进行焊接对象M的电弧焊接。电弧焊接机10例如是熔化电极式的电弧焊接机，通过电弧来消耗用作电极WE的丝电极，因此使用对应于该消耗来进给该电极WE的进给装置(图示略)。
[0043]电弧焊接用电源装置11具备输入变换电路12、逆变器电路13、变压器INT、以及输出变换电路14，根据所输入的商用交流电力来生成适于电弧焊接的直流输出电力。
[0044]输入变换电路12具备由二极管桥电路构成的初级侧整流电路DR1、以及连接于该整流电路DRl的输出端子间的平滑电容器CO，将三相的商用交流电力变换成直流电力。直流输入电力被供应至后级的逆变器电路13。
[0045]逆变器电路13通过使用由IGBT等的半导体开关元件所构成的第1、第2开关元件TR1、TR2以及2个电容器Cl、C2的半桥电路来构成。值得一提的是，一边是第1、第2开关元件TRl、TR2的串联连接，另一边是电容器Cl、C2的串联连接，第I开关元件TRl和电容器C2形成组，第2开关元件TR2和电容器Cl形成组。另外，在第1、第2开关元件TR1、TR2，分别逆连接有二极管D1、D2。第1、第2开关元件TR1、TR2间的逆变器电路13的输出端子a和电容器Cl、C2间的输出端子b分别与变压器INT的初级侧线圈LI连接。
[0046]而 且，逆变器电路13通过由第1、第2开关元件TR1、TR2交替地开关动作，来将从输入变换电路12输入的直流电力变换成高频交流电力，并供应给变压器INT的初级侧线圈LI。这些开关元件TRl、TR2的开关动作将基于从控制电路20输入的控制脉冲信号S1、S2来进行。
[0047]在变压器INT的次级侧，将由逆变器电路13生成的高频交流电力变换成规定电压，从次级侧线圈L2输出。次级侧线圈L2连接输出变换电路14。
[0048]输出变换电路14具备:次级侧整流电路DR2、以及直流电抗器DCL。次级侧整流电路DR2由利用了一对二极管的全波整流电路构成，各二极管的阳极分别与次级侧线圈L2的两侧端子连接，各二极管的阴极均与直流电抗器DCL的一端连接。直流电抗器DCL的另一端与电源装置11的正极侧的输出端子ol连接。电源装置11的负极侧的输出端子o2与次级侧线圈L2的中间端子连接。这样的输出变换电路14将来自变压器INT的次级侧线圈L2的高频交流电力变换成电弧焊接用的直流输出电力，从输出端子ol、o2输出。
[0049]在电源装置11中具备包含CPU等的控制电路20。对于控制电路20，分别地，从设置于电源装置11的输出侧电源线上的电流检测器21输入与输出电流1对应的检测信号Id,从能由使用者等进行操作的输出电流设定器22输入与输出电流目标值对应的设定信号Ir。控制电路20基于包含分别从所输入的检测信号Id以及设定信号Ir中得到的输出电流1的实际值以及其目标值等在内的各种参数，时刻进行用于进行适当的输出的内部运算。然后，控制电路20基于其内部运算来对逆变器电路13的开关元件TR1、TR2实施开关控制。
[0050]作为本实施方式的开关控制，在高?中输出请求时，使用脉冲宽度调制(PulseWidth Modulation:PWM)控制，在低输出请求时，使用脉冲密度调制(Pulse DensityModulation:PDM)控制，并适当切换PWM控制与PDM控制。关于控制的切换，在本实施方式中，首先由控制电路20的脉冲宽度设定部20a基于输出电流1的实际值以及目标值等时刻计算适当的控制脉冲信号S1、S2的导通脉冲宽度Wm(参照图2等)，接着基于其计算出的导通脉冲宽度Wm，由控制切换部20b进行是PWM控制还是PDM控制的切换。
[0051]接下来，使用图2?图4来说明本实施方式的动作(作用)。
[0052][高?中输出请求时:PWM控制]
[0053]计算要输出至逆变器电路13 (开关元件TR1、TR2)的控制脉冲信号S1、S2的导通脉冲宽度Wm，在所计算出的导通脉冲宽度Wm处于图2所示的最大宽度Wmx至图3所示的最小宽度WmO之间的情况下，将计算值直接作为导通脉冲宽度Wm进行设定。也就是说，在该高?中输出请求时，通过将导通脉冲宽度Wm (PWM占空因数)调整到最大宽度Wmx至最小宽度WmO之间的PWM控制，来调整电源装置11的输出。
[0054]在图2以及图3 (后述的图4也同样)中，将逆变器电路13的输出端子a、b间电压设为Vab，将流过开关元件TRl、TR2的电流设为Im、Itk2，将施加至开关元件TRl、TR2的电压设为VTK1、VTK2。通过对应于控制脉冲信号S1、S2的导通脉冲宽度Wm的长短来使逆变器电路13的输出电压Vab变化，从而执行变压器INT的次级侧所生成的电源装置11的输出电力的调整。
[0055]然而，将控制脉冲信号S1、S2的导通脉冲宽度Wm的最小宽度WmO设定为开关元件TR1、TR2能充分导通的宽度。也就是说，即使将导通脉冲宽度Wm设定为最小宽度WmO，也能可靠地进行开关元件TR1、TR2的导通动作。[0056]与此相对，假如导通脉冲宽度Wm变得比最小宽度WmO小，则开关元件TR1、TR2的导通动作将不能得到保证。故而，在与输出请求相应计算出的导通脉冲宽度Wm变得小于最小宽度WmO的情况下,转移至将导通脉冲宽度Wm固定为最小宽度WmO并调整其导通脉冲的密度的PDM控制。换言之，在上述的PWM控制中，在每个周期中给出导通机会，作为导通脉冲的密度(PDM占空因数)，最大为100%。
[0057][低输出请求时:PDM控制]
[0058]在计算出的导通脉冲宽度Wm成为了小于最小宽度WmO的计算值的情况下，将导通脉冲宽度Wm固定为最小宽度WmO，并将其导通脉冲的密度设定得小。也就是说，在该低输出请求时，通过对最小宽度WmO的导通脉冲数进行调整的PDM控制来调整电源装置11的输出。
[0059]具体而言，在本实施方式中，如图4所示，控制脉冲信号S1、S2的导通脉冲为10个，即，将PWM控制周期TW的10周期量设为PDM控制周期TD的I周期，按各控制周期TD的每一个，根据先前的导通脉冲宽度Wm的计算值来决定间隔去除的数目。在计算出的导通脉冲宽度Wm小于最小宽度WmO的情况下，所计算出的导通脉冲宽度Wm越小则要间隔去除的数目越多。另外，从PDM控制周期TD的后端起依次间隔去除不需要的导通脉冲，将导通脉冲的密度设得小。进而，控制脉冲信号S1、S2同样地间隔去除。值得一提的是，同图4中，PDM占空因数为50%，在PDM控制的I周期内，前半5个导通脉冲(固定为最小宽度WmO)被直接设定，后半5个导通脉冲被间隔去除而消失。
[0060]在此，在本实施方式与【背景技术】的比较中，在【背景技术】中，至电源装置成为最低输出为止，将控制脉冲信号的导通脉冲宽度设定为窄幅，因此在导通脉冲宽度变得极窄的情况下，逆变器电路的开关元件不能导通，或者不清楚逆变器电路(桥电路)的上下臂的开关元件的哪一个不能导通。也就是说，由于不能有意地使开关元件导通(控制不能)，因此，向经由了开关元件的变压器的电力传递的极性的平衡将丧失，在变压器产生磁偏差。
[0061]与此相对，在本实施方式的PDM控制中，在控制电路20中进行控制脉冲信号S1、S2的导通脉冲的间隔去除，因此开关元件TR1、TR2不导通是基于控制进行的，并非不经意。值得一提的是，在本实施方式中，由于控制脉冲信号S1、S2同样地被间隔去除，因此即使产生使开关元件TR1、TR2不导通的期间，也极力抑制变压器INT的磁偏差的发生。
[0062]如此，即使在进行了控制脉冲信号S1、S2的导通脉冲宽度Wm的计算值成为小于最小宽度WmO的值的低输出请求的情况下，将导通脉冲宽度Wm固定为其最小宽度WmO来实现开关元件TR1、TR2的稳定驱动，另外按照较之于与输出请求相应的计算值，将导通脉冲宽度Wm作为最小宽度WmO而设为了宽幅的量，适当间隔去除导通脉冲自身来减小导通脉冲的密度，从而作为电源装置11，至最低输出为止能进行与输出请求相应的稳定的低输出。
[0063]值得一提的是，如图4所示，尽管相对于控制脉冲信号S1、S2各自的导通脉冲的逆变器电路13的输出电压Vab与PWM — PDM控制临界时的图3相同，但输出电压Vab的平均电压下降了从中间隔去除了导通脉冲的量。故而，在变压器INT的次级侧所生成的电源装置11的输出电力也成为低输出。
[0064]接下来，记载本实施方式的特征性的效果。
[0065](I)在比规定输出请求高的高输出侧，进行对输出至半桥型逆变器电路13的开关元件TR1、TR2的控制脉冲信号S1、S2的导通脉冲宽度Wm进行调整的PWM控制。与此相对，在比规定输出请求低的低输出侧，切换至将控制脉冲信号S1、S2的导通脉冲宽度Wm设为开关元件TR1、TR2能充分导通的规定宽度(最小宽度WmO)并调整该控制脉冲信号S1、S2的导通脉冲的密度的PDM控制。也就是说，在低输出请求时，通过在设定为假如实施PWM控制则开关元件TR1、TR2不能导通的导通脉冲宽度Wm之处切换为PDM控制来实施，从而开关元件TRl、TR2的导通脉冲宽度Wm被确保为能充分导通的规定宽度(最小宽度WmO )，另外，对于低输出请求，间隔去除导通脉冲自身来调整导通脉冲的密度，由此来执行。由此，能响应低输出请求并实现逆变器电路13的开关元件TR1、TR2的稳定驱动。
[0066] 特别是在本实施方式那样的电弧焊接用电源装置11的情况下，逆变器电路13的开关元件TR1、TR2的稳定驱动较大地左右焊接性能，另外在使用变压器INT的情况下成为磁偏差主要原因，因此对于本实施方式那样的电弧焊接用电源装置11的应用的意义大。
[0067](2)关于PWM控制，从控制脉冲信号S1、S2的导通脉冲宽度Wm的最大宽度Wmx起至开关元件TRl、TR2能充分导通的最小宽度WmO为止来使之执行，在其以下的低输出请求时切换至PDM控制，将控制脉冲信号S1、S2的导通脉冲宽度Wm固定为其最小宽度WmO并调整导通脉冲的密度。也就是说，在控制脉冲信号S1、S2的导通脉冲宽度Wm成为开关元件TR1、TR2的能导通的最小宽度WmO为止的宽的范围实施控制周期(TW)的细致的PWM控制，因此有助于输出稳定化。另外，在PWM控制与PDM控制的切换时，通过以最小宽度WmO来继承导通脉冲宽度Wm，也有助于控制切换时的输出稳定化。
[0068](3)在PDM控制中，将PWM控制周期TW的一定周期量设为PDM控制周期TD，间隔去除该PDM控制周期TD中的任意的导通脉冲来进行导通脉冲的密度的调整。也就是说，关于该PDM控制，是以PWM控制周期TW的一定周期量来执行PDM控制周期TD，因此有助于控制的简化。
[0069](4)在PDM控制中，从PDM控制周期TD的后端侧依次间隔去除导通脉冲来调整导通脉冲的密度。也就是说，由于单纯从PDM控制周期TD的后端侧间隔去除导通脉冲，因此基于此也能有助于控制的简化。
[0070]此外，上述实施方式可以如下变更。
[0071].尽管将PDM控制周期TD固定地设定为PWM控制周期TW的10周期，但PWM控制周期TW的周期数不限于此，也可以设定为其他的周期数。另外，PWM控制周期TW的规定周期可以不固定，而可时刻变更PWM控制周期TW的周期数。
[0072].尽管从PDM控制周期TD的后端起依次间隔去除了导通脉冲，但也可以从前端起依次间隔去除，还可以从适当的地方起间隔去除。在此情况下，可以按照导通脉冲间的间隔成为相同的方式(导通脉冲间的间隔之差变小的方式)进行间隔去除。
[0073]?控制脉冲信号S1、S2的导通脉冲宽度Wm的计算以成为最小宽度WmO为界来进行PWM控制与PDM控制的切换，在PDM控制中使用了该最小宽度WmO，但只要能实现开关元件TRU TR2的导通，也可以使用最小宽度WmO以外的规定宽度。另外，即使在PWM控制和PDM控制中，也可不继承导通脉冲宽度Wm，只要能实现开关元件TR1、TR2的导通，也可以在PDM控制中独自设定导通脉冲宽度Wm。
[0074].也可以不基于作为输出请求的控制脉冲信号S1、S2的导通脉冲宽度Wm的计算值的大小来切换控制，而是基于由电流检测器21检测的输出电流1等的实际输出值的大小或由输出电流设定器22得到的输出电流目标值等的输出目标值的大小来切换控制。[0075].尽管电源装置11是电弧焊接用电源装置，但也可以是电弧焊接以外的电弧加工用电源装置或除此以外的其他的电源装置。
[0076]接下来，追加记载了基于上述实施方式以及个例所能把握的技术思想。
[0077]( i )提供一种电源装置的控制方法，该电源装置对于在电源装置的输出电力的生成过程中通过开关元件的导通截止动作来进行由直流电力变换到高频交流电力的电力变换的半桥电路结构的逆变器电路，向所述开关元件输出控制脉冲信号来控制该开关元件的导通截止动作，进行所述输出电力的控制，
[0078]该电源装置的控制方法以如下为特征:能实施对输出至所述开关元件的控制脉冲信号的导通脉冲宽度进行调整的PWM控制、以及将所述控制脉冲信号的导通脉冲宽度设为开关元件能充分导通的规定宽度并调整该控制脉冲信号的导通脉冲的密度的PDM控制的控制，在比规定输出请求高的高输出侧，实施PWM控制，在比规定输出请求低的低输出侧，切换至PDM控制来实施。
【权利要求】
1.一种电源装置，具备:半桥电路结构的逆变器电路，其在电源装置的输出电力的生成过程中，通过开关元件的导通截止动作来进行由直流电力变换到高频交流电力的电力变换；以及控制电路，其对所述开关元件输出控制脉冲信号来控制该开关元件的导通截止动作，进行所述输出电力的控制， 所述电源装置的特征在于， 所述控制电路构成为能实施PWM控制和PDM控制，所述PWM控制对输出至所述开关元件的控制脉冲信号的导通脉冲宽度进行调整，所述PDM控制将所述控制脉冲信号的导通脉冲宽度设为开关元件能充分导通的规定宽度并调整该控制脉冲信号的导通脉冲的密度， 所述电源装置还具备:控制切换部，其在所述控制电路的控制中，在比规定输出请求高的高输出侧，使所述PWM控制被执行，在比规定输出请求低的低输出侧，切换至所述PDM控制。
2.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于， 所述控制脉冲信号的导通脉冲宽度从最大宽度起至所述开关元件能充分导通的最小宽度为止，所述控制切换部使所述PWM控制被执行，且在为所述最小宽度以下的低输出请求时，切换至将所述控制脉冲信号的导通脉冲宽度固定为最小宽度并调整所述控制脉冲信号的导通脉冲的密度的所述PDM控制。
3.根据权利要求1或2所述的电源装置，其特征在于， 所述PDM控制中，将所述PWM控制周期的一定周期量设为PDM控制周期，间隔去除该PDM控制周期中的任意的导通脉冲来调整导通脉冲的密度。
4.根据权利要求3所述的电源装置，其特征在于， 所述PDM控制中，从所述PDM控制周期的后端侧依次间隔去除导通脉冲来调整导通脉冲的密度。
5.一种电弧加工用电源装置，其特征在于， 权利要求1?4中任一项所述的电源装置构成为:生成电弧加工用的直流输出电力。
【文档编号】H02M7/5395GK103944437SQ201310681179
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2013年12月12日 优先权日:2013年1月18日
【发明者】杦村央生 申请人:株式会社大亨