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公開番号2025073696
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-05-13
出願番号2023184688
出願日2023-10-27
発明の名称パルス駆動回路
出願人株式会社三社電機製作所
代理人個人,個人
主分類H05B 45/14 20200101AFI20250502BHJP(他に分類されない電気技術)
要約【課題】電流パルスのリップルを改善する。
【解決手段】パルス駆動回路100が、選択されたリアクトル電流指令Ci又はリアクトル両端電圧指令Cvlに応じた直流電圧を生成する直流電圧生成回路1と、平滑リアクトル2と、平滑リアクトル2で平滑化されたリアクトル電流Ilから電流パルスIoutを生成する電流パルス生成回路4と、リアクトル電流目標値に対するリアクトル電流Ilの誤差に基づいてリアクトル電流指令Ciを出力するリアクトル電流制御回路6と、リアクトル両端電圧目標値である0V又は所定の0Vに近い電圧に対するリアクトル両端電圧センサ7で検出されたリアクトル両端電圧に由来する電圧Vlaの誤差に基づいてリアクトル両端電圧指令Cvlを出力するリアクトル両端電圧制御回路9と、電流パルスのオン・オフに応じてリアクトル電流指令又はリアクトル両端電圧指令を選択する指令選択回路10と、を備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
指令選択回路で選択されたリアクトル電流指令又はリアクトル両端電圧指令に応じた直流電圧を生成して出力する直流電圧生成回路と、
前記直流電圧生成回路の高電位出力端に一端が接続され、当該直流電圧生成回路から出力されるリアクトル電流を平滑化する平滑リアクトルと、
第１出力端と第２出力端とを有し、前記第２出力端が前記平滑リアクトルの他端に接続されるとともに前記第１出力端が前記直流電圧生成回路の低電位出力端に接続されていて、前記第２出力端と前記第１出力端との間に、電流パルス駆動される負荷が接続される出力端と、
電流パルスオフ期間と電流パルスオン期間とを交互に含むパルス信号が外部から入力され、前記電流パルスオフ期間の間、前記第２出力端と前記第１出力端との間を短絡するとともに前記電流パルスオン期間の間、前記第２出力端と前記第１出力端との間を開放することによって、前記平滑リアクトルで平滑化された前記リアクトル電流から電流パルスを生成し、当該電流パルスを、前記出力端を介して前記負荷に出力する電流パルス生成回路と、
前記リアクトル電流を検出するリアクトル電流センサと、
リアクトル電流目標値に対する前記リアクトル電流センサで検出されたリアクトル電流の誤差に基づいてリアクトル電流指令を出力するリアクトル電流制御回路と、
前記平滑リアクトルのリアクトル両端電圧を検出するリアクトル両端電圧センサと、
リアクトル両端電圧目標値である０Ｖ又は所定の０Ｖに近い電圧に対する前記リアクトル両端電圧センサで検出されたリアクトル両端電圧に由来する電圧の誤差に基づいてリアクトル両端電圧指令を出力するリアクトル両端電圧制御回路と、
前記パルス信号が外部から入力され、前記電流パルスオン期間の間、前記リアクトル電流指令を選択し、且つ、前記電流パルスオン期間の間、前記リアクトル両端電圧指令を選択して出力する前記指令選択回路と、備える、パルス駆動回路。
続きを表示（約 840 文字）【請求項２】
前記０Ｖ又は所定の０Ｖに近い電圧が、前記パルス駆動回路の定格出力電圧の５％以内の電圧である、請求項１に記載のパルス駆動回路。
【請求項３】
前記直流電圧生成回路が、ＰＷＭ信号に応じてオン・オフする１以上のスイッチング素子を用いて直流電源から入力される直流電圧からＰＷＭ制御された矩形波直流電圧を生成して出力する直流／直流変換回路であり、
前記平滑リアクトルが、前記直流／直流変換回路の高電位出力端に一端が接続され、当該直流／直流変換回路から出力されるリアクトル電流を平滑化するリアクトルであり、
前記出力端の前記第１出力端が、前記直流／直流変換回路の低電位出力端に接続されており、
前記パルス電流生成回路に、前記パルス信号が制御装置から入力され、
前記リアクトル電流制御回路に、前記リアクトル電流目標値が前記制御装置から入力され、
前記指令選択回路に、前記制御装置から前記パルス信号が入力され、且つ、
前記パルス駆動回路が、前記指令選択回路からの前記出力電流指令又は前記リアクトル両端電圧指令に応じて、前記１以上のスイッチング素子に対応する１以上の前記ＰＷＭ信号を生成し、当該１以上の前記ＰＷＭ信号を前記１以上のスイッチング素子にそれぞれ出力するＰＷＭ信号生成回路、を備える、請求項１又は２に記載のパルス駆動回路。
【請求項４】
前記リアクトル両端電圧センサで検出された前記平滑リアクトルの両端電圧に由来する電圧として、前記リアクトル両端電圧センサで検出される前記平滑リアクトルの両端電圧を平均化した電圧を生成して出力する両端電圧平均化回路をさらに備え、
前記リアクトル電圧制御回路は、前記両端電圧平均化回路から出力される電圧の前記両端電圧目標値に対する誤差に基づいて前記リアクトル両端電圧指令を出力する回路である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のパルス駆動回路。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明はパルス駆動回路に関する。
続きを表示（約 4,000 文字）【背景技術】
【０００２】
レーザダイオード（ＬＤ）を用いて金属の切断、マーキング等の加工を行うレーザ加工機が知られている。このようなレーザ加工機では、大きな駆動電流と加工条件に合わせたパルス幅の短いレーザパルスとが必要とされる。一方、レーザダイオードは電流駆動型の素子であるため、電源として、所望の出力でレーザ発振させるのに必要な駆動電流を定電流で供給できる定電流電源回路が用いられる。このような定電流電源回路では、高効率なスイッチング電源方式が採用されることから一般的に平滑リアクトルが使用される。そのため、加工条件に合わせてパルス幅の短い電流パルスを出力しようとしても、出力電流の応答速度が遅く、矩形波にならない。
【０００３】
そこで、このような用途におけるレーザ加工機には、パルス駆動回路が設けられる。このパルス駆動回路では、レーザダイオードと並列にスイッチング素子が配置され、このスイッチング素子がオン・オフされることによって定電流源から出力される出力電流の通流経路が、レーザダイオードへの供給経路と定電流源への帰還経路との間で切り替えられ、それによって、高速の電流応答で所要の矩形波の電流パルスがレーザダイオードに供給される（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
再公表特許公報ＷＯ２０１６／１６７０１９（特に、図５及び実施形態２参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記従来のパルス駆動回路では、電流パルスのパルス幅を広げると、電流パルスのリップルが大きくなって波形が歪むという課題があった。
【０００６】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、電流パルスのリップルを改善することが可能なパルス駆動回路を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本開示のある形態（aspect）に係るパルス駆動回路は、指令選択回路で選択されたリアクトル電流指令又はリアクトル両端電圧指令に応じた直流電圧を生成して出力する直流電圧生成回路と、前記直流電圧生成回路の高電位出力端に一端が接続され、当該直流電圧生成回路から出力されるリアクトル電流を平滑化する平滑リアクトルと、第１出力端と第２出力端とを有し、前記第２出力端が前記平滑リアクトルの他端に接続されるとともに前記第１出力端が前記直流電圧生成回路の低電位出力端に接続されていて、前記第２出力端と前記第１出力端との間に、電流パルス駆動される負荷が接続される出力端と、電流パルスオフ期間と電流パルスオン期間とを交互に含むパルス信号が外部から入力され、前記電流パルスオフ期間の間、前記第２出力端と前記第１出力端との間を短絡するとともに前記電流パルスオン期間の間、前記第２出力端と前記第１出力端との間を開放することによって、前記平滑リアクトルで平滑化された前記リアクトル電流から電流パルスを生成し、当該電流パルスを、前記出力端を介して前記負荷に出力する電流パルス生成回路と、前記リアクトル電流を検出するリアクトル電流センサと、リアクトル電流目標値に対する前記リアクトル電流センサで検出されたリアクトル電流の誤差に基づいてリアクトル電流指令を出力するリアクトル電流制御回路と、前記平滑リアクトルのリアクトル両端電圧を検出するリアクトル両端電圧センサと、リアクトル両端電圧目標値である０Ｖ又は所定の０Ｖに近い電圧に対する前記リアクトル両端電圧センサで検出されたリアクトル両端電圧に由来する電圧の誤差に基づいてリアクトル両端電圧指令を出力するリアクトル両端電圧制御回路と、前記パルス信号が外部から入力され、前記電流パルスオン期間の間、前記リアクトル電流指令を選択して出力し、且つ、前記電流パルスオフ期間の間、前記リアクトル両端電圧指令を選択して出力する前記指令選択回路と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本開示は、電流パルスのリップルを改善することが可能なパルス駆動回路を提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
図１は、本開示の実施形態に係るパルス駆動回路の構成の一例を示すブロック図である。
図２は、図１の直流／直流変換回路の具体的な回路構成の一例を示す回路図である。
図３は、図１のパルス駆動回路の主要部の具体的な回路構成の一例を示す回路図である。
図４は、図１のパルス駆動回路の制御系統の具体的な回路構成の一例を示す回路図である。
図５は、直流／直流変換回路について、電流パルスの周波数が１ｋＨｚである場合において、リアクトル電流のフィードバック制御のみを行うパルス駆動回路の動作シミュレーションの結果を示す波形図である。
図６は、直流／直流変換回路について、電流パルスの周波数が１０ｋＨｚである場合において、リアクトル電流のフィードバック制御のみを行うパルス駆動回路の動作シミュレーションの結果を示す波形図である。
図７は、直流／直流変換回路について、電流パルスの周波数が５０ｋＨｚである場合において、リアクトル電流のフィードバック制御のみを行うパルス駆動回路の動作シミュレーションの結果を示す波形図である。
図８は、直流／直流変換回路について、電流パルスの周波数が１ｋＨｚである場合において、電流パルスのオフ期間においてリアクトル両端電圧のフィードバック制御を行うとともに電流パルスのオン期間においてリアクトル電流のフィードバック制御を行うパルス駆動回路の動作シミュレーションの結果を示す波形図である。
図９は、直流／直流変換回路について、電流パルスの周波数が１０ｋＨｚである場合において、電流パルスのオフ期間においてリアクトル両端電圧のフィードバック制御を行うとともに電流パルスのオン期間においてリアクトル電流のフィードバック制御を行うパルス駆動回路の動作シミュレーションの結果を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示のある形態（aspect）に係るパルス駆動回路は、指令選択回路で選択されたリアクトル電流指令又はリアクトル両端電圧指令に応じた直流電圧を生成して出力する直流電圧生成回路と、前記直流電圧生成回路の高電位出力端に一端が接続され、当該直流電圧生成回路から出力されるリアクトル電流を平滑化する平滑リアクトルと、第１出力端と第２出力端とを有し、前記第２出力端が前記平滑リアクトルの他端に接続されるとともに前記第１出力端が前記直流電圧生成回路の低電位出力端に接続されていて、前記第２出力端と前記第１出力端との間に、電流パルス駆動される負荷が接続される出力端と、電流パルスオフ期間と電流パルスオン期間とを交互に含むパルス信号が外部から入力され、前記電流パルスオフ期間の間、前記第２出力端と前記第１出力端との間を短絡するとともに前記電流パルスオン期間の間、前記第２出力端と前記第１出力端との間を開放することによって、前記平滑リアクトルで平滑化された前記リアクトル電流から電流パルスを生成し、当該電流パルスを、前記出力端を介して前記負荷に出力する電流パルス生成回路と、前記リアクトル電流を検出するリアクトル電流センサと、リアクトル電流目標値に対する前記リアクトル電流センサで検出されたリアクトル電流の誤差に基づいてリアクトル電流指令を出力するリアクトル電流制御回路と、前記平滑リアクトルのリアクトル両端電圧を検出するリアクトル両端電圧センサと、リアクトル両端電圧目標値である０Ｖ又は所定の０Ｖに近い電圧に対する前記リアクトル両端電圧センサで検出されたリアクトル両端電圧に由来する電圧の誤差に基づいてリアクトル両端電圧指令を出力するリアクトル両端電圧制御回路と、前記パルス信号が外部から入力され、前記電流パルスオン期間の間、前記リアクトル電流指令を選択して出力し、且つ、前記電流パルスオフ期間の間、前記リアクトル両端電圧指令を選択して出力する前記指令選択回路と、を備える。ここで、「０Ｖ又は所定の０Ｖに近い電圧」の技術的意義について説明する。リアクトル両端電圧のフィードバック制御におけるリアクトル両端電圧の理想的な目標値は、平滑リアクトルの抵抗成分が０Ωである場合（例えば平滑リアクトルが超電導状態にある場合）には０Ｖであり、平滑リアクトルの抵抗成分が０Ωでない場合には、平滑リアクトルの抵抗成分による電圧降下に相当する電圧（以下、抵抗降下電圧という）である。しかしながら、抵抗降下電圧はリアクトル電流の大きさに依存して変化するので、現実には、リアクトル両端電圧目標値を理想的な電圧値に設定することができず、リアクトル両端電圧目標値は次善の電圧値に設定される。従って、リアクトル両端電圧目標値は、平滑リアクトルの抵抗成分及びリアクトル電流の変化範囲を考慮して、０Ｖ又は次善の電圧値に設定される。この０Ｖ又は次善の電圧値が「０Ｖ又は所定の０Ｖに近い電圧」である。リアクトル両端電圧目標値が理想的な電圧値から乖離するほど、フィードバック制御の、定電流源（直流電圧生成回路＋平滑リアクトル）の負荷の急減時において直流電圧生成回路の出力エネルギーを負荷（ここでは定電流源の内部抵抗）の消費エネルギーへ一致させる機能が不十分になる。「０Ｖ又は所定の０Ｖに近い電圧」は、設計、実験、シミュレーション等によって求められる。
（【００１１】以降は省略されています）

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