JP4497600B2 - 定電力出力直流電源装置の制御方式 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、スイッチング電源装置に関するもので、特に定電力出力を給電する直流電源装置及びその出力電力制御に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
成膜装置等の電源装置には、従来、図３に示すような回路構成のスイッチング電源を使用している。図３において、１はスイッチング変換部で、Ｄ０は整流ダイオード、Ｃ1
は平滑コンデンサ、Ｑ1〜Ｑ4はパワートランジスタで４個でフルブリッジを形成し、
Ｄ1とＤ2は、夫々トランジスタＱ3とＱ4に対し逆導通方向に接続されたダイオード、
２は変換部の出力トランス、３はトランス出力の整流ダイオード、４と５は夫々、平滑フィルター用リアクトルとコンデンサである。
【０００３】
成膜装置を制御するには定電力制御が必要であり、従って電源装置の出力特性は、図５に示すような特性になる。図５でＶo は電源装置の出力電圧、Ｉoは出力電流である。
Ｖ1とＩ2は夫々、最大出力電圧と最大出力電流である。Ｖ2とＩ1は夫々、定電力特性の両端に位置する出力電圧と出力電流である。従ってＡ、Ｂ間が定電力範囲である。
図５において、例えばＶ1＝500Ｖ、Ｉ2＝40Ａとすると、電源装置の出力容量は20ＫＷ（Ｖ1×Ｉ1）となるが、実際には、定電力制御を行っているため、この装置の最大出力はＩ1×Ｖ1（＝Ｉ2×Ｖ2）で、Ｉ1＝20Ａ、Ｖ2＝250Ｖとすると10ＫＷとなる。
【０００４】
従って出力トランスは20ＫＷの容量をもちながら、10ＫＷで使われているにすぎず、利用率が悪い。一方トランジスタＱ1〜Ｑ4等で構成されるスイッチング部は、パワートランジスタＱ1〜Ｑ4がフルブリッジに構成され、一定周期Ｔ（図４）で、よく知られているパルス巾制御（ＰＷＭ）を行っている。図４において（ａ）〜（ｄ）の波形はＱ1〜Ｑ4がオン状態にあることを示し、フルブリッジの出力（トランスの１次入力）は（ｅ）の波形で示される、パルス巾ｔのパルス出力になる。定電力出力のため、電源装置出力電流が最大値になるときは、出力電圧が低くなり、従ってパルス巾ｔも小さくなるため、この電圧を整流して（波形(f)）、平滑するときに、平滑用フィルタが大きくなる。
上記のように、従来の制御方式ではトランスの利用率が低く、フィルタが大きくなる等の欠点があった。
【０００５】
【解決すべき課題】
本発明は、上記のような欠点を改善するためのもので、トランスの利用率を高め、出力電圧のリップル分の発生要因を低減し、トランスや平滑フィルタの小型化を計り、さらには電源装置の小型化を可能とする電源装置及びその制御方式を提供するものである。
【０００６】
【解決手段】
上記課題を解決するため、請求項１の発明はパルス巾制御波形を出力するスイッチング変換部と、出力トランスと、前記出力トランスの出力を整流する整流平滑部を有する定電力出力直流電源装置を２台備え、一方の該電源装置の出力負端子と、他方の該電源装置の出力正端子間にスイッチ素子を接続し、又、該夫々電源装置の出力正端子間及び出力負端子間に夫々一方の該電源装置の出力端子側をカソードとする極性にダイオードを接続し、該一方の電源装置の出力正端子と他方の電源装置の出力負端子間より平滑用フィルタを経て直流定電力を給電するようにしたことを特徴とするもので、この構成により、夫々の回路の部品、特にトランスは自己のもつ容量を100％利用でき、その利用率の高さからトランスの小型化ができ、又、出力波形の変化分の少ないことから出力フィルタも小型化できる。又電源装置の構成において、比較的、大きさと重量の比率の大きいこれらの部品の小型化により電源装置の小型化ができる。
【０００７】
上記課題を解決するため、請求項２の発明は、請求項１の構成の電源装置において、該夫々スイッチング変換部を同期運転せしめると共に夫々出力パルス巾を180°導通巾となし、且つ、各出力サイクルの始めに該スイッチ素子をＯＮとして該夫々電源装置の出力を直列接続して電力を給電し、又、各出力サイクルの所定時間後、該スイッチ素子をＯＦＦせしめて該夫々電源装置の出力を並列接続して電力を給電するようにしたことを特徴とする制御方式であり、この制御によりトランスは常時180°出力状態のため、自己のもつ容量を100％利用でき、又、各出力の出力サイクルの始めにスイッチ素子を、
ＯＮすることにより直列接続から並列接続時又は並列接続から直列接続時におけるダイオード、11、12のリカバリ電流による制御の不安定化を防止できる。
【０００８】
【実施の態様】
図１は、本発明の実施例を示す回路で、1-1と1-2は従来のスイッチング変換部１と同じ構成をもつスイッチング変換部、６はスイッチング変換部1-1の出力トランス、７はトランス６の出力の整流ダイオード、８はスイッチング変換部1-2の出力トランス、９はトランス８の出力の整流ダイオード、１０は整流ダイオード７の出力の負側と整流ダイオード９の出力の正側を接続する高速のスイッチ（例えばパワートランジスタ）、１１と１２は２ケの変換回路の出力をこれらを介して並列運転できるように接続されたダイオード、１３は同一鉄心に巻かれた二巻線をもつリアクトルで夫々の巻線を並列運転された正負各ラインに挿入されていて、コンデンサ１４とともに平滑フィルタを構成する。
【０００９】
図１の回路の動作波形を図２に示す。図１において、変換回路1-1と1-2は全く同じタイミングで、最大制御角（ほぼ180°）の状態で動作をさせる。従って、夫々の出力側の整流ダイオードで整流された波形は全く同一のものとなる（図２(a)、(b)）。スイッチ
１０が動作してないと、この２つの出力はダイオード１２，１３を介して並列運転状態となり、又、スイッチ１０が動作しオン状態になると、この２つの出力はスイッチ１０を介して直列運転状態となり、電源装置としての出力電圧Ｖｏは一回路出力電圧の２倍の電圧になる。
【００１０】
これらの動作状態を使って次のような制御を行わせる。図２(c) に示すように、各出力サイクルの初めto でスイッチ１０をオンにすると、整流ダイオード７の出力電圧Ｖ1
と整流ダイオード９の出力電圧Ｖ2（但しV1=V2）が直列接続され、合成出力電圧は
Ｖ1＋Ｖ2となる。時間ｔsの後、ｔ1 の時点でスイッチ１０をＯＦＦにする。その時点から２つの回路は並列となり合成出力電圧はＶ1（＝Ｖ2）となり、その状態で出力サイクルの終わりｔ2 まで続く（ｔp期間）。ｔ2 から次のサイクルの初めｔ’ 0 までの期間ｔr は、スイッチング変換部1-1と1-2におけるスイッチ動作を安定に行わせるための動作時間で、極めて短い時間である。ｔ１ は制御可能な時間で、必要な総合出力電圧Ｖ0 （平均値）になるように制御する。
【００１１】
従って合成された出力電圧はｔ１ がｔ２ と等しくなったとき最大となり
Ｖ０ ｍａｘ＝２Ｖ１ （＝２Ｖ２）、ｔ１がｔ０になったとき最小となりＶ０ｍｉｎ＝
Ｖ１（＝Ｖ２）である。従って出力電圧Ｖ０はＶ１から２Ｖ１までの間制御可能である。又出力の平滑フィルタの入力の電圧波形は、図２(d) に示すように、全出力サイクルに亘って電圧波高値の1/2 がベースにあり、出力リップルの要因となる制御部分が波高値の1/2 であるので、図４の波形（ｆ）と較べて分かるように、本質的にリップル成分の少ない波形となり、従って出力の平滑フィルタも小さくてよい。
【００１２】
電流については、図５に示すような定電力制御をするため、最大電流が流れるときは、出力電圧が最小で、従って出力サイクル全期間で２つの回路が並列となり、１つの回路では最大出力電流の1/2 を分担する容量があればよい（実際には出力電圧が増加したとき、直列期間が入っているため、最大所要電流容量は約20%大きくなる）。上記のように、トランスは常時ほぼ180°出力状態にあり、又、その状態で最大電流まで流すので、自己のもつ容量を100％利用できる。
【００１３】
【発明の効果】
上記の説明のように、定電力出力特性をもつ直流電源装置の変換回路において、２つの変換回路出力の直・並列動作で出力電力制御を行わせることにより、２つの回路夫々は常時180°の期間出力している動作のため、夫々の回路の部品、特にトランスは自己のもつ容量を100％利用でき、その利用率の高さからトランスの小型化ができ、又、出力波形の変化分が少ないことから出力フィルタも小型化できる。電源装置の構成において、比較的、大きさと重量の比率の大きいこれらの部品の小型化により電源装置の小型化ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例回路図
【図２】 本発明実施例の動作波形図
【図３】 従来回路図
【図４】 従来回路の動作波形図
【図５】 定電力直流電源装置の出力特性図
【符号の説明】
１−１，１−２ ： スイッチンク変換部
６，８ ： 出力トランス
７，９ ： 整流ダイオード
１０ ： スイッチ素子
１１，１２ ： ダイオード
１３ ： リアクトル
１４ ： コンデンサ
【発明の属する分野】
本発明は、スイッチング電源装置に関するもので、特に定電力出力を給電する直流電源装置及びその出力電力制御に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
成膜装置等の電源装置には、従来、図３に示すような回路構成のスイッチング電源を使用している。図３において、１はスイッチング変換部で、Ｄ０は整流ダイオード、Ｃ1
は平滑コンデンサ、Ｑ1〜Ｑ4はパワートランジスタで４個でフルブリッジを形成し、
Ｄ1とＤ2は、夫々トランジスタＱ3とＱ4に対し逆導通方向に接続されたダイオード、
２は変換部の出力トランス、３はトランス出力の整流ダイオード、４と５は夫々、平滑フィルター用リアクトルとコンデンサである。
【０００３】
成膜装置を制御するには定電力制御が必要であり、従って電源装置の出力特性は、図５に示すような特性になる。図５でＶo は電源装置の出力電圧、Ｉoは出力電流である。
Ｖ1とＩ2は夫々、最大出力電圧と最大出力電流である。Ｖ2とＩ1は夫々、定電力特性の両端に位置する出力電圧と出力電流である。従ってＡ、Ｂ間が定電力範囲である。
図５において、例えばＶ1＝500Ｖ、Ｉ2＝40Ａとすると、電源装置の出力容量は20ＫＷ（Ｖ1×Ｉ1）となるが、実際には、定電力制御を行っているため、この装置の最大出力はＩ1×Ｖ1（＝Ｉ2×Ｖ2）で、Ｉ1＝20Ａ、Ｖ2＝250Ｖとすると10ＫＷとなる。
【０００４】
従って出力トランスは20ＫＷの容量をもちながら、10ＫＷで使われているにすぎず、利用率が悪い。一方トランジスタＱ1〜Ｑ4等で構成されるスイッチング部は、パワートランジスタＱ1〜Ｑ4がフルブリッジに構成され、一定周期Ｔ（図４）で、よく知られているパルス巾制御（ＰＷＭ）を行っている。図４において（ａ）〜（ｄ）の波形はＱ1〜Ｑ4がオン状態にあることを示し、フルブリッジの出力（トランスの１次入力）は（ｅ）の波形で示される、パルス巾ｔのパルス出力になる。定電力出力のため、電源装置出力電流が最大値になるときは、出力電圧が低くなり、従ってパルス巾ｔも小さくなるため、この電圧を整流して（波形(f)）、平滑するときに、平滑用フィルタが大きくなる。
上記のように、従来の制御方式ではトランスの利用率が低く、フィルタが大きくなる等の欠点があった。
【０００５】
【解決すべき課題】
本発明は、上記のような欠点を改善するためのもので、トランスの利用率を高め、出力電圧のリップル分の発生要因を低減し、トランスや平滑フィルタの小型化を計り、さらには電源装置の小型化を可能とする電源装置及びその制御方式を提供するものである。
【０００６】
【解決手段】
上記課題を解決するため、請求項１の発明はパルス巾制御波形を出力するスイッチング変換部と、出力トランスと、前記出力トランスの出力を整流する整流平滑部を有する定電力出力直流電源装置を２台備え、一方の該電源装置の出力負端子と、他方の該電源装置の出力正端子間にスイッチ素子を接続し、又、該夫々電源装置の出力正端子間及び出力負端子間に夫々一方の該電源装置の出力端子側をカソードとする極性にダイオードを接続し、該一方の電源装置の出力正端子と他方の電源装置の出力負端子間より平滑用フィルタを経て直流定電力を給電するようにしたことを特徴とするもので、この構成により、夫々の回路の部品、特にトランスは自己のもつ容量を100％利用でき、その利用率の高さからトランスの小型化ができ、又、出力波形の変化分の少ないことから出力フィルタも小型化できる。又電源装置の構成において、比較的、大きさと重量の比率の大きいこれらの部品の小型化により電源装置の小型化ができる。
【０００７】
上記課題を解決するため、請求項２の発明は、請求項１の構成の電源装置において、該夫々スイッチング変換部を同期運転せしめると共に夫々出力パルス巾を180°導通巾となし、且つ、各出力サイクルの始めに該スイッチ素子をＯＮとして該夫々電源装置の出力を直列接続して電力を給電し、又、各出力サイクルの所定時間後、該スイッチ素子をＯＦＦせしめて該夫々電源装置の出力を並列接続して電力を給電するようにしたことを特徴とする制御方式であり、この制御によりトランスは常時180°出力状態のため、自己のもつ容量を100％利用でき、又、各出力の出力サイクルの始めにスイッチ素子を、
ＯＮすることにより直列接続から並列接続時又は並列接続から直列接続時におけるダイオード、11、12のリカバリ電流による制御の不安定化を防止できる。
【０００８】
【実施の態様】
図１は、本発明の実施例を示す回路で、1-1と1-2は従来のスイッチング変換部１と同じ構成をもつスイッチング変換部、６はスイッチング変換部1-1の出力トランス、７はトランス６の出力の整流ダイオード、８はスイッチング変換部1-2の出力トランス、９はトランス８の出力の整流ダイオード、１０は整流ダイオード７の出力の負側と整流ダイオード９の出力の正側を接続する高速のスイッチ（例えばパワートランジスタ）、１１と１２は２ケの変換回路の出力をこれらを介して並列運転できるように接続されたダイオード、１３は同一鉄心に巻かれた二巻線をもつリアクトルで夫々の巻線を並列運転された正負各ラインに挿入されていて、コンデンサ１４とともに平滑フィルタを構成する。
【０００９】
図１の回路の動作波形を図２に示す。図１において、変換回路1-1と1-2は全く同じタイミングで、最大制御角（ほぼ180°）の状態で動作をさせる。従って、夫々の出力側の整流ダイオードで整流された波形は全く同一のものとなる（図２(a)、(b)）。スイッチ
１０が動作してないと、この２つの出力はダイオード１２，１３を介して並列運転状態となり、又、スイッチ１０が動作しオン状態になると、この２つの出力はスイッチ１０を介して直列運転状態となり、電源装置としての出力電圧Ｖｏは一回路出力電圧の２倍の電圧になる。
【００１０】
これらの動作状態を使って次のような制御を行わせる。図２(c) に示すように、各出力サイクルの初めto でスイッチ１０をオンにすると、整流ダイオード７の出力電圧Ｖ1
と整流ダイオード９の出力電圧Ｖ2（但しV1=V2）が直列接続され、合成出力電圧は
Ｖ1＋Ｖ2となる。時間ｔsの後、ｔ1 の時点でスイッチ１０をＯＦＦにする。その時点から２つの回路は並列となり合成出力電圧はＶ1（＝Ｖ2）となり、その状態で出力サイクルの終わりｔ2 まで続く（ｔp期間）。ｔ2 から次のサイクルの初めｔ’ 0 までの期間ｔr は、スイッチング変換部1-1と1-2におけるスイッチ動作を安定に行わせるための動作時間で、極めて短い時間である。ｔ１ は制御可能な時間で、必要な総合出力電圧Ｖ0 （平均値）になるように制御する。
【００１１】
従って合成された出力電圧はｔ１ がｔ２ と等しくなったとき最大となり
Ｖ０ ｍａｘ＝２Ｖ１ （＝２Ｖ２）、ｔ１がｔ０になったとき最小となりＶ０ｍｉｎ＝
Ｖ１（＝Ｖ２）である。従って出力電圧Ｖ０はＶ１から２Ｖ１までの間制御可能である。又出力の平滑フィルタの入力の電圧波形は、図２(d) に示すように、全出力サイクルに亘って電圧波高値の1/2 がベースにあり、出力リップルの要因となる制御部分が波高値の1/2 であるので、図４の波形（ｆ）と較べて分かるように、本質的にリップル成分の少ない波形となり、従って出力の平滑フィルタも小さくてよい。
【００１２】
電流については、図５に示すような定電力制御をするため、最大電流が流れるときは、出力電圧が最小で、従って出力サイクル全期間で２つの回路が並列となり、１つの回路では最大出力電流の1/2 を分担する容量があればよい（実際には出力電圧が増加したとき、直列期間が入っているため、最大所要電流容量は約20%大きくなる）。上記のように、トランスは常時ほぼ180°出力状態にあり、又、その状態で最大電流まで流すので、自己のもつ容量を100％利用できる。
【００１３】
【発明の効果】
上記の説明のように、定電力出力特性をもつ直流電源装置の変換回路において、２つの変換回路出力の直・並列動作で出力電力制御を行わせることにより、２つの回路夫々は常時180°の期間出力している動作のため、夫々の回路の部品、特にトランスは自己のもつ容量を100％利用でき、その利用率の高さからトランスの小型化ができ、又、出力波形の変化分が少ないことから出力フィルタも小型化できる。電源装置の構成において、比較的、大きさと重量の比率の大きいこれらの部品の小型化により電源装置の小型化ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例回路図
【図２】 本発明実施例の動作波形図
【図３】 従来回路図
【図４】 従来回路の動作波形図
【図５】 定電力直流電源装置の出力特性図
【符号の説明】
１−１，１−２ ： スイッチンク変換部
６，８ ： 出力トランス
７，９ ： 整流ダイオード
１０ ： スイッチ素子
１１，１２ ： ダイオード
１３ ： リアクトル
１４ ： コンデンサ
Claims (1)
- パルス巾制御波形を出力するスイッチング変換部と、出力トランスと、前記出力トランスの出力を整流する整流平滑部を有する定電力出力直流電源装置を２台備え、一方の該電源装置の出力負端子と、他方の該電源装置の出力正端子間にスイッチ素子を接続し、又、該夫々電源装置の出力正端子間及び出力負端子間に夫々一方の該電源装置の出力端子側をカソードとする極性にダイオードを接続し、該一方の電源装置の出力正端子と他方の電源装置の出力負端子間に、同一鉄心に巻かれた二巻線を夫々の巻線を並列運転された正負各ラインに挿入されて構成してあるリアクトルと、これらリアクトルの出力間に接続してあるコンデンサとを有する平滑フィルタを設け、該夫々スイッチング変換部を同期運転せしめると共に夫々出力パルス巾を１８０°導通巾となし、且つ、各出力サイクルの初めに該スイッチ素子をＯＮとして該夫々電源装置の出力を直列接続して電力を給電し、又、各出力サイクルの所定時間後、該スイッチ素子をＯＦＦせしめて該夫々電源装置の出力を並列接続して電力を給電するようにしたことを特徴とする定電力出力直流電源装置の制御方式。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP30672499A JP4497600B2 (ja) | 1999-10-28 | 1999-10-28 | 定電力出力直流電源装置の制御方式 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30672499A JP4497600B2 (ja) | 1999-10-28 | 1999-10-28 | 定電力出力直流電源装置の制御方式 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001128452A JP2001128452A (ja) | 2001-05-11 |
| JP4497600B2 true JP4497600B2 (ja) | 2010-07-07 |
Family
ID=17960547
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30672499A Expired - Lifetime JP4497600B2 (ja) | 1999-10-28 | 1999-10-28 | 定電力出力直流電源装置の制御方式 |
Country Status (1)
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| JP4779573B2 (ja) * | 2005-10-27 | 2011-09-28 | コニカミノルタビジネステクノロジーズ株式会社 | 画像形成装置 |
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| JP4098868B2 (ja) * | 1998-01-19 | 2008-06-11 | Ｔｄｋ株式会社 | スイッチング電源装置 |
-
1999
- 1999-10-28 JP JP30672499A patent/JP4497600B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| JP2001128452A (ja) | 2001-05-11 |
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