JPS6247106B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、出力トランスの一次側にスイツチ
ング回路、二次側に整流出力回路および高周波回
路を接続して、スイツチング周波数を制御するこ
とによつて整流出力の大きさを変化させる様にし
た溶接用電源装置に関し、特には、出力トランス
の偏磁によるスイツチング回路の半導体素子の破
壊を防止する制御回路の改良に関するものであ
る。

出力トランスの一次側にスイツチング回路、二
次側に整流出力回路を接続した例えば直流TIG溶
接用電源装置としては、二次側の整流出力の検出
量を一次側にフイードバツクして前記スイツチン
グ回路を周波数制御する様にしたものがある。こ
のスイツチング回路と、フイードバツク制御系を
備える直流TIG溶接用電源装置は、他の幾つかの
方式の電源装置に比べ大容量リアクトルを不用に
し、しかも応答性と精度を格段に向上する利点を
有している。しかしこうした利点を有する反面、
所謂出力トランスの偏磁現象に起因してスイツチ
ング素子に過大電流の流れることがあるため、動
作の安定度と装置の信頼性を高く維持するには何
等かのスイツチング素子保護手段が必要になつて
くる。

特に、アーク起動をおこなうための高周波回路
を備えた装置では、起動時に、偏磁を生じやすく
するノイズが上記高周波回路からスイツチング制
御回路へ侵入するので、起動時でのスイツチング
素子保護手段が非常に重要となる。

そこで、この要求に応えるため、本出願人は先
に特願昭56−56016号に於いて、高速で且つ高精
度な制御特性を保有したまま、スイツチング素子
の破壊を防止し得る溶接用電源装置を提案した。

この提案の溶接用電源装置を要約すると、整流
出力の検出量をフイードバツクしてスイツチング
回路を周波数制御する制御回路とともに、この制
御回路に優先して作動し、スイツチングを行う半
導体素子に流れる電流が所定値に達した時、当該
半導体素子をオフする別の制御回路を設けたもの
である。

先ず、この発明の理解を容易にするため、第１
図および第２図を参照してこの発明の前提である
上記電源装置の一例を説明する。

第１図に於いて、１は商用電源を整流かつ平滑
することによつて得られる直流電源で、スイツチ
ング回路２に供給されている。スイツチング回路
２は、出力トランス３の一次側巻線にプツシユプ
ル接続される２個のスイツチングトランジスタ２
０，２１を主要素に構成されていて、そのスイツ
チング電流は出力トランス３の一次側に供給され
る。また出力トランス３の二次側巻線に接続され
る整流出力回路４は、整流ダイオードブリツジ４
０とリアクトル４１から成り、その出力端には電
極トーチ５と母材６が接続されている。そして、
電極トーチ５と母材６間には、溶接開始時にそれ
らに高周波を印加し、良好にアークスタートさせ
る高周波回路７が設けられている。この高周波回
路７は、高周波カツプリングコイル７０、高周波
発生回路７１、高周波が出力トランス側に流れる
のを防止するバイパスコンデンサ７２とから構成
されている。

前記スイツチング回路２を周波数制御する第１
の制御回路８は、整流出力電流を検出する第１の
電流検出器８０、この電流検出器８０の出力を基
準設定電圧Edと比較する誤差増幅制御回路８
１、この誤差増幅制御回路８１の出力を出力トラ
ンスの一次側と二次側を絶縁した状態でスイツチ
ング制御回路８３に伝達する、フオトカツプラを
使用した信号伝達回路８２、およびスイツチング
回路２を制御するスイツチング制御回路８３とに
より構成される。なお、このスイツチング制御回
路８３は、信号伝達回路８２の出力レベルに対応
する周波数でスイツチングトランジスタ２０，２
１を交互にオン、オフする二相クロツク発生回路
（図示せず）、および本出願人が先に提案している
二相クロツク間に休止期間を介在させるオフタイ
ム発生回路（図示せず）を含んでいる。

前記第１の制御回路８に優先して作動し、スイ
ツチングトランジスタ２０，２１に流れる電流が
所定値に達した時、そのトランジスタ２０，２１
をオフする第２の制御回路９は、スイツチング電
流、即ちトランジスタ２０，２１に流れる電流を
検出する第２の電流検出器９０、この電流検出器
９０の出力と一定の基準電圧Ekとを比較する比
較増幅器９１とにより構成される。なお、基準電
圧Ekは、トランジスタ２０，２１に流れる許容
電流の限界を設定する電圧で、電流検出器９０の
特性やトランジスタ２０，２１の最大特性等を考
慮して定められる。

続いてこの電源装置の動作を説明すると、ま
ず、アーク起動時は、高周波発生回路７１から高
周波を発生させ、カツプリングコイル７０を介し
て電極トーチ５と母材６間に高周波を印加し、そ
の間にアークを発生させる。そしてアークが発生
すると、高周波発生回路７１の動作を停止させ
る。このようにしてアークが形成されると、整流
出力電流は第１の電流検出器８０により検出さ
れ、この電流検出器８０の出力と第１の基準設定
電圧Edが誤差増幅制御回路８１により誤差増幅
され、更にその誤差増幅制御回路８１の出力は信
号伝達回路８２を介してスイツチング制御回路８
３に伝達されてこのスイツチング制御回路８３に
よりスイツチング回路２が制御される。即ちこの
第１の制御回路８は、整流出力が基準設定電圧
Edに対応した大きさとなる様常時フイードバツ
ク制御を行うことになる。一方、スイツチング回
路２に流れる電流は第２の電流検出器９０により
検出され、この電流検出器９０の出力は、比較増
幅器９１によつて一定の基準電圧Ekと比較され
る。そしてこの第２の制御回路９が動作する時、
言い換えれば、偏磁現象等の回路の異常に生じて
いずれかのトランジスタに基準電圧Ekに対応す
る許容最大電流以上の異常電流が流れた時は、比
較増幅器９１の出力がハイレベルとなりスイツチ
ング制御回路８３を介してトランジスタ２０，２
１をオフし、従つて第１の制御回路８の動作も停
止させる。この状態は比較増幅器９１の出力がハ
イレベルの間継続する。そして上記の異常電流が
一時的なものである限り、トランジスタ２０，２
１に流れる電流が許容最大電流以下の状態に復帰
した時に、前記トランジスタ２０，２１のオフの
状態は解除され、再び第１の制御回路８は機能す
る様になつて元の定常状態に復帰する。この様に
して異常電流がトランジスタに流れ始めると、第
１の制御回路８の動作に優先して第２の制御回路
９が動作をし、当該トランジスタを強制的にオフ
にしてトランジスタの破壊を防ぐ様にしている。
そしてこの様な動作を行つている間も負荷に対し
電力の供給が行われ、溶接動作の継続を可能にし
ている。

なお、異常電流が流れたときには、トランジス
タ２０，２１を保護すればよいので、上記のよう
に完全オフ状態となるように電流をクランプせ
ず、若干の能動状態を保つように一定の安全な電
流にクランプされることもある。

以上の様に第１の制御回路８に優先して動作す
る第２の制御回路９を設けることによつて、偏磁
に起因するトランジスタの破壊が防止される。し
かし、一般にこの破壊防止が完全に保証されるに
は、制御回路９の制御速度或いはトランジスタの
応答性がスイツチング電流の上昇傾き、つまり
di／dtよりも充分に高速でなければならない。第
２図は、スイツチング回路２のトランジスタ２
０，２１に流れるスイツチング電流波形の三つの
形態を表しているが、基準電圧Ek（許容最大電
流に対応）およびトランジスタの最大定格電流に
対応する電流検出器９０の出力レベルEMを図の
様に設定した場合、Ａ，Ｂの電流はトランジスタ
を破壊しないが、偏磁等に起因して生じるＣの電
流はトランジスタを破壊するおそれがある。即
ち、電流Ａは制御回路９が作動せず従つてトラン
ジスタの破壊も無く、また電流Ｂも、制御回路９
は作動するが、その制御速度はdi／dtに対して充
分に高速となるためトランジスタの破壊には到ら
ないのに対して、電流Ｃは、di／dtが急峻である
ため制御速度がその変化に追従出来ず、つまり制
御遅れ時間Ｔの期間内に電流値が最大定格電流値
を越えることになつて、結局この期間Ｔ内でトラ
ンジスタを破壊するおそれが生じてくる。そして
この破壊は、前述のアーク起動用高周波回路を備
えた電源装置において起動時に特に生じやすくな
る。この様なことから、制御回路９或いはトラン
ジスタの高速性が要求される訳であるが、実際に
はこうした要求に充分に応える素子が無く、低価
格で汎用の素子を使う限りに於いては上述の破壊
が生じる危険がないとは言えなかつた。

それ故に、この発明の主な目的は、一般的な低
価格な素子を使用したままで、アーク起動用高周
波回路を備える電源装置におけるトランジスタ等
のスイツチング素子の破壊防止をより一層確実化
することにある。

この発明を要約すれば、アーク起動用高周波回
路を備え、整流出力の検出量をフイードバツクし
てスイツチング制御をするフイードバツク系を有
する溶接用電源装置に於いて、前記フイードバツ
ク系の制御回路（第１の制御回路）と、この制御
回路に優先して動作する半導体素子オフ用の制御
回路（第２の制御回路）と、第２の制御回路にお
いて半導体素子をオフする基準値を、アーク起動
時には定格電流より充分小さな値に設定し、アー
ク起動後には定格電流以上で且つ最大許容電流以
下の値に設定する第３の制御回路を設けたもので
ある。なお、アーク起動時に基準値を定格電流よ
りも十部小さな値に設定するが、この十分小さな
値とは、オフ信号が出力されて半導体素子が実際
にオフするまでの間に流れる電流をその最大許容
電流以下にする値である。

以下この発明の実施例を図面を参照して説明す
る。

第３図はこの発明の実施例である溶接用電源装
置の回路図である。なお、第１図に示す電源装置
と同一部分には同一符号を付してあり、以下にお
いてはその部分の説明を略する。

構成に於いて第１図と相違する部分は、第２の
制御回路９に切換スイツチ９２で切換選択される
二つの基準設定電圧Ek₁，Ek₂を設けたことと、
アーク起動時には上記基準設定電圧Ek₁に切換
え、アーク起動後には上記基準設定電圧Ek₂に切
換える第３の制御回路１０を設けたことである。
二つの基準設定電圧のうち電圧Ek₁は、トランジ
スタ２０，２１の定格電流に対応する電流検出器
９０の出力より充分小さな値に設定され、電圧
Ek₂は、最大許容電流に対応する電流検出器９０
の出力より小さく且つ定格電流に対応する電流検
出器９０の出力より大きい値に設定されている。
すなわち、第２の制御回路９では、切換スイツチ
９２で電圧Ek₁が選択されたときトランジスタ２
０，２１の定格電流より充分小さな電流がトラン
ジスタをオフする基準値となり、電圧Ek₂が選択
されたときトランジスタ２０，２１の最大許容電
流より小さく且つ定格電流より大きい電流がトラ
ンジスタをオフする基準値となる。

第３の制御回路１０は、電流検出器８０の出力
を受けて上記切換スイツチ９２を制御する一方、
この実施例では同時に高周波発生回路７１の制御
もおこなう。この制御回路１０の回路図を第４図
に示す。電流検出器８０からの出力は基準電圧
Esとの比較をおこなう比較器１２に導かれる。
この基準電圧Esは、アーク起動後の溶接電流に
対応する電圧値に設定されていて、アーク起動前
の小電流時には比較器１２は出力せず、アーク起
動後の一定の電流値に達したときに比較器１２は
出力する。この比較器１２は本発明のアーク起動
状態検出手段を構成している。比較器１２の出力
は、リレー１４を制御するトランジスタ１３をオ
ンし、また高周波発生回路７１の駆動を停止す
る。リレー１４はトランジスタ１３のオフ時に切
換スイツチ９２を電圧Ek₁に設定させているが、
トランジスタ１３がオンすると切換スイツチ９２
を電圧Ek₁から電圧Ek₂に切換える。このリレー
１４は本発明のスイツチ作動手段を構成してい
る。

以上の構成から、高周波発生回路７１が駆動し
ているときには、つまりアーク起動時には、第２
の制御回路９の基準設定電圧がEk₁となり、高周
波発生回路７１の駆動していないとき、つまりア
ーク起動後には上記基準設定電圧がEk₂となる。

次にこの電源装置の動作を説明する。

まず高周波発生回路７１を駆動すると、高周波
がカツプリングコイル７０を介して電極トーチ５
と母材６間に印加されてアークが発生する。前述
のようにこの高周波の発生は、電流検出器８０の
出力が基準電圧Esに達する迄継続し、その間に
溶接電流が増加していく。そしてもし、このアー
ク起動時に出力トランス３の偏磁が生じなけれ
ば、第２の制御回路９が動作することなく基準電
圧がEk₁からEk₂に切換わり、且つ高周波発生回
路７１の動作が停止して定常の状態に移行する。
この定常状態においては、第１の制御回路９での
基準電圧がトランジスタ２０，２１の定格電流以
上となるため、各トランジスタを最大定格付近で
作動させることができる。

一方、アーク起動時に高周波が第１の制御回路
８に流入してスイツチングタイミングを狂わせ、
それによつて出力トランス３の偏磁を生じさせる
とトランジスタ２０，２１に流れる電流が低電流
状態から急激に増大する。しかしこのアーク起動
時での第２の制御回路９の基準電圧は、定格電流
より充分小さい電流に対応する電圧Ek₂であるか
ら、上記の偏磁による電流の急峻な増大は早いタ
イミングで検出されてトランジスタ２０，２１の
オフ動作がおこなわれる。すなわち、di／dtが急
峻であつても、基準電圧Ek₂が非常に低いためそ
の立上がりの最初の付近で異常状態が検出され、
それ故トランジスタの制御遅れ時間Ｔ内に最大許
容電流を越える電流が流れることなく、トランジ
スタ２０，２１がオフされることになる。

このように、高周波発生回路７１からの高周波
に起因して偏磁しやすいアーク起動時において、
第２の制御回路９の基準電圧を低く設定すること
によりトランジスタの破壊を完全に防ぐことがで
きる。なお、アーク起動後に偏磁が生じた場合
は、di／dtがそれ程急峻にならないため、第２の
制御回路９の基準電圧が定格電流に対応する電圧
値付近の大きさEk₂であつても、トランジスタの
制御遅れ時間Ｔ内に最大許容電流を越えることが
ないようにトランジスタをオフできる。

以上の実施例は直流TIG溶接機に適用した電源
装置であるが、この発明は、プラズマ溶接機等の
他の溶接機にも適用することができる。

以上詳述したように、この発明によれば、特に
アーク起動用の高周波に起因してアーク起動時に
偏磁が生じ、さらにスイツチング電流に異常が生
じても常にdi／dtの小さい段階で半導体素子をオ
フすることができる。したがつて、制御回路、半
導体素子の応答性を高速にしなくても充分に装置
を保護でき、しかも使用素子が汎用の低価格のも
のでよく、また制御回路も簡単な構成でよいた
め、高信頼性にして低価格な電源装置にすること
ができる。さらに、半導体素子を最大定格付近で
作動させることができるため、能率を向上する利
点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の前提である直流TIG溶接用
電源装置のブロツク図、第２図は同電源装置のス
イツチング電流波形を示す。また第３図はこの発
明の実施例である直流TIG溶接用電源装置のブロ
ツク図、第４図は同電源装置の第３の制御回路の
回路図を示す。 ２……スイツチング回路、２０，２１……スイ
ツチングトランジスタ（半導体素子）、３……出
力トランス、４……整流出力回路、７……アーク
起動用高周波回路、８……第１の制御回路、９…
…第２の制御回路、１０……第３の制御回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも２個の半導体素子を用いたスイツ
   チング回路と、このスイツチング回路を一次側に
   接続し、二次側に整流出力回路とアーク起動用高
   周波回路とを接続した出力トランスと、 この出力トランスの整流出力の検出量をフイー
   ドバツクして前記スイツチング回路を周波数制御
   する第１の制御回路と、 この第１の制御回路に優先して動作するととも
   に前記半導体素子に流れる電流を検出する電流検
   出器とこの電流検出器で検出した電流値と所定の
   基準値とを比較する比較器とを備え、前記電流検
   出器で検出した電流が前記所定の基準値に達した
   とき前記半導体素子に流れる電流をオフすべくオ
   フ信号を前記第１の制御回路に出力する第２の制
   御回路と、を備えた溶接用電源装置において、 前記第２の制御回路は、前記所定の基準値を、
   前記オフ信号が出力されて半導体素子が実際にオ
   フするまでの間に半導体素子に流れる電流をその
   最大許容電流以下にする第１の値と、前記半導体
   素子の最大許容電流以下で且つ定格電流以上の第
   ２の値のいずれかに切り換えるスイツチ手段を含
   み、さらにアーク起動時および起動後を検出する
   アーク起動状態検出手段と、このアーク起動状態
   検出手段でアーク起動時を検出しているときには
   前記第１の値を選択し、アーク起動後を検出して
   いるときには前記第２の値を選択するよう前記ス
   イツチ手段を作動させるスイツチ作動手段と、を
   備える第３の制御回路を設けたことを特徴とする
   溶接用電源装置。