JP2014533076A

JP2014533076A - 同期整流器

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Publication number: JP2014533076A
Application number: JP2014537420A
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Inventors: ベルンハルト・アルテルスマイアー; クリストフ・シュルチク; ヨハネス・ノイベック; シュテファン・ヴォルフスグルーバー
Original assignee: Fronius International GmbH
Current assignee: Fronius International GmbH
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2014-12-08
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Abstract

本発明は、直流電流を、特に大電流変圧器（１２）のキューブまたは切石形状のユニットに供給するための電源（１０）への統合のための同期整流器（１６）に関する。同期整流器（１６）は、複数の回路要素（２４）と、複数の回路要素（２４）を作動する作動回路（１７）と、供給回路（４８）とを備える。導体トラックと接続面を有する印刷回路基板（３５）は電子構成要素を受けるように配置される。損失の低減と効率の改善のために、複数の回路要素（２４）、作動回路（１７）、および供給回路（４８）は、その自律動作のために印刷回路基板上に配置され、並列および直列に設けられるいくつかの開口（３７）は、接触板（２９）の複数の突出部（３６）を受けるように回路基板（３５）上に設けられ、複数の回路要素（２４）は、複数の開口（３７）の上に配置されて接続またははんだ付けされ、接触板（２９）の複数の突出部（３６）と接続可能である。

Description

本発明は、直流電流を特に大電流変圧器のキューブ（立方体）または切石形状のユニットに供給するための電源への統合のための同期整流器に関し、当該同期整流器は、回路要素、回路要素を作動する作動回路、および供給回路を備え、導体トラックおよび接続面を有する印刷回路基板は電子構成要素を受けるように配置される。

本発明は主として、抵抗溶接装置、特に数ｋＡのオーダーの特に直流大電流を発生するスポット溶接装置のための電源のための同期整流器に関するが、これに限らない。そのような直流大電流が用いられる他の装置のための電源のための同期整流器はまた、本特許出願の主題にカバーされる。そのような装置の例は、充電装置、粒子加速器、電気メッキのための設備、または同様のものである。ＷＯ２００７／０４１７２９Ａ１（特許文献１）には、例えば、対応して大きい直流電流を生成するための充電装置および変圧器が記載されている。

国際公開第２００７／０４１７２９Ａ１号ＤＥ１０２００７０４２７７１Ｂ３

抵抗溶接装置において、必要とされる直流大電流は、適切な大電流変圧器および整流器を用いて供給される。発生する大電流によって、ダイオード整流器は、相対的に高い損失のために不利である。したがって、個々のトランジスタによって形成される制御要素を備える能動的（アクティブ）な整流器が主として使用される。しかしながら、例えば同期整流器である能動的な整流器を有する抵抗溶接装置はまた、相対的に高い損失を有し、したがって、相対的に低い効率を有する。例えば大電流変圧器および整流器の通常の分離した設計による従来技術において、著しい線路長と、したがって電力損失を被るため、非常に低い効率が大電流によって引き起こされる。

例えば、ＤＥ１０２００７０４２７７１Ｂ３（特許文献２）には、それを用いて電力損が低減可能であり且つ効率が改善可能である同期整流器を使用することによって、抵抗溶接装置の電力供給装置を動作させる方法が記載されている。

自動車産業における生産ラインにおいて、製造されるべき自動車の車体およびシャーシ上の種々の接続を整えるために、（多くの場合、数百〜数千個の個別のユニットの）複数のスポット溶接装置が使用される。個別のスポット溶接装置は、大電流変圧器および電力供給線路および回路要素によって既に、高い損失を引き起こし、全損失は、そのような生産ラインにおいて、非常に高い次元の範囲で、例えば１ＭＷと５０ＭＷの間の範囲で生じている。損失は熱損失の形式で主として反映されるため、この場合も測定は、エネルギーバランス全体をさらに悪化させる熱を分散するよう行われる必要がある。

もう１つの不利な点は、電力網の非常に高い接続される消費電力がそのような設備の高い損失によって必要とされるという事実から生じ、結果として、そのような設備の製造、試運転、および動作のための非常に高いコストが引き起こされる。

２０ｋＡの溶接電流を用いたシングルスポット溶接を生じさせるために、最大１５０ｋＷの電力網の接続される消費電力が、例えば現在の視点からの従来技術に照らして必要とされる。溶接電流を使用することで最大１３５ｋＷの損失が発生し、およそ１０％だけの非常に低い効率がもたらされる。

したがって、本発明の目的は、損失が低減可能であり且つエネルギーバランスおよび効率が改善可能である、直流電流を供給するための電源への統合のための同期整流器を作り出すことである。公知の装置の不利な点は低減または回避されるはずである。

目的は以下の点において解決される。すなわち、複数の回路要素、作動回路、および供給回路は、その自律動作のために回路基板上に配置され、並列におよび直列に設けられるいくつかの開口は、接触板の複数の突出部を受けるように回路基板上に設けられ、複数の回路要素は、前記複数の開口の上に配置されてそして接続またははんだ付けされて、接触板の複数の突出部と接触可能である。同期整流器の回路基板の接触板への実装の間に、接触板の複数の突出部は、回路基板における複数の開口を通って突出し、それによって回路基板の背面はまた接触板としっかり接続またははんだ付けされ、また、反対側に配置される複数の回路要素はまた、接触板に接続またははんだ付けされることができる、という点は利点である。よって、大量の配線は省略可能である。また、接触板上の回路基板の簡単な位置決めが可能であり、それはもはやはんだ付け時において滑らない。

同期整流器の複数の回路要素、作動回路、供給回路を回路基板上に配置することによって、自律設計を得ることができる。回路基板は、例えば大電流変圧器に統合されることができる。同期整流器が自律動作のために大電流変圧器において形成されるとき、回路基板への、したがって大電流変圧器への、全ての線路は回避可能である。複数の回路要素、作動回路、および供給回路などの、大電流変圧器の動作のための全ての構成要素（部品）は、回路基板上で統合される場合、１つの電力ユニットのみは入力側に接続される必要があり、対応する消費負荷は、出力側に接続される必要がある。

回路基板上に配置される同期整流器の複数の回路要素によって、同期整流器はしたがって、線路を用いることなく大電流変圧器の出力に接続可能であり、実質的に損失が低減される。

作動回路が、個別の複数の回路要素への線路の短縮が達成されるため、回路基板上で、並列におよび直列に配置された複数の回路要素の両側に配置されることはさらなる利点である。したがって、非常に短い時間の周期内において、並列接続された全ての回路要素は、スイッチがオンされることが確保可能である。作動回路を両側に配置することによって、線路長の半減、またそれ故の線路インダクタンスの低減、またしたがってスイッチング時間の顕著な短縮が達成される。

作動回路が、大電流変圧器において統合される少なくとも１つのセンサ、特に電流変換器に接続されるとき、大電流変圧器における状態は少なくとも１つのセンサを介して検出可能であるため、精密な制御または調整が可能になる。

有利に、供給回路は好ましくは、対応して大きいスイッチング電流、例えば８００Ａと１５００Ａとの間のスイッチング電流、特に１０００Ａのスイッチング電流を発生して複数の構成要素に、対応する供給電圧を供給するように、構成される。非常に大きいスイッチング電流により、特にｎｓ（ナノ秒）範囲内の、非常に短いスイッチング時間が達成される。これによって、いかなるスイッチング損失も引き起こされない、またはスイッチング損失がほとんど引き起こされないように、複数の回路要素が、ゼロ交差において、または低い出力電流におけるゼロ交差のすぐ直前に、常にスイッチングされることが確保されることが可能である。

好ましくは誘導的な、磁気的な、またはブルートゥースを介したデータの無線伝送のためのデータ通信回路が配置されるとき、データが同期整流器の回路基板から、および回路基板へ、無線で伝送されることが可能であるという有利な方法において達成される。したがって、スイッチング時点の調節は、大電流変圧器の応用の種々の領域において行われることが可能である。同様に、データは、さらに処理されるため、もしくは制御または品質制御それぞれのために、同期整流器の回路基板上に配置された記憶装置（ストレージ）から読み出されることが可能である。

最後に、実施形態は、はんだ付け可能な面は、接触板にはんだ付けされるために、回路基板の一方の側の全面にわたって設けられるという点において利点を有し、なぜならばそれによって、接触板とのしっかりと固定される接続が達成される。したがって、回路基板の全面接続はより低い接触抵抗を有するため、接触抵抗は著しく低減される。

ロボットおよびそこに固定された溶接ガンを有する従来技術の抵抗溶接装置の概略図である。溶接電流を供給するための電源を有する抵抗溶接装置の概略ブロック図である。抵抗溶接装置、特に、溶接電流を供給するための統合された電源を有する溶接ガンの概略図である。溶接電流を供給するための電源の概略ブロック図である。直流電流を供給するための電源の実施形態を示す。図５に係る電源の分解図を示す。冷却路のプロットされた経路を有する図５に係る電源を示す。電源における大電流変圧器のＩビームの斜視図である。図８に係るＩビームの断面図を示す。同期整流器および作動回路の印刷回路基板を含む電源の大電流変圧器の接触板である。図１０に係る接触板の断面図を示す。電流変換器を有する大電流変圧器の二次巻線の分解図を示す。大電流変圧器における二次巻線の設計の分解図を示す。同期整流器および作動回路に電気エネルギーを供給するための回路のブロック図である。図１４に係る供給回路の供給電圧の時間経過を示す。大電流変圧器の二次側電流に依存した、同期整流器における複数の回路要素の作動を示すための時間経過を示す。

本発明は、添付の図面を用いてより詳細に説明される。

図１から図１６において示される実施形態において、基本的な複数の構成要素を有する抵抗溶接装置１の設計が説明される。図面において、いくつかの部分には同一の参照文字が付される。

図１において、操作のためのロボットを有する少なくとも２つのワークピース２，３の抵抗溶接のための抵抗溶接装置１が斜視図で示される。抵抗溶接装置１は、ロボットに装着され且つ２つのガンアーム５を有する溶接ガン４から構成され、溶接ガン４には、それぞれ電極７を保持するための複数のホルダー６が配置される。複数の電極７はそれぞれ、抵抗溶接において接触抵抗を低減するとともに複数の電極７を保護するバンド８によって、循環される。さらに、生成されたスポット溶接のバンド８上における結果として得られる画像は分析可能であり、溶接品質を評価するために使用されることができる。複数の電極７の保護のためのバンド８は、それぞれ、溶接ガン４または複数のガンアーム５上に配置されることができる巻線装置９からの巻きがなく、また、複数のガンアーム５、複数の電極ホルダー６、および複数の電極７に沿って巻線装置９に戻るように導かれる。ここで、バンド８は再びらせん状に巻かれる。スポット溶接を行うために、対応する電力ユニット１９によって供給される溶接電流は、複数の電極７を流れて導通する。これによって、複数のワークピース２，３は、スポット溶接工程の間に生成されるスポット溶接によって共に接続される。通常、溶接電流を供給するための電力ユニット１９は、図１に模式的に示すように、抵抗溶接装置１の外側に設置される。溶接電流は、適切な複数の線路１１を介して、導電性に形成される複数の電極７または複数のガンアーム５に供給される。溶接電流の振幅が数ｋＡの範囲内にあるために、複数の線路１１のための、対応して大きい複数の断面が必要とされ、結果として対応して高い抵抗損失をもたらす。

またさらに、長い複数の一次供給線路は、複数の線路１１の増加されたインダクタンスを導き、したがって、電源１０の大電流変圧器１２が動作されるときのスイッチング周波数は制限され、結果として非常に大きな複数の大電流変圧器１２をもたらす。従来技術において、大電流変圧器１２への例えば最長３０ｍの非常に長い複数の供給線路がロボット上の溶接ガン４のために必要とされるように、電力ユニット１９は溶接ロボットに隣接するスイッチングキャビネットに位置付けられる。

本発明に係る解決方法において、重量および寸法の顕著な削減が達成され、特にガンホルダーの断面における、電力ユニット１９のロボット上への直接的な位置決めが可能となる。また、電力ユニット１９は好ましくは水冷式に設計される。

図２は、溶接電流を供給するための電源１０を有する抵抗溶接装置１の概略ブロック図を示す。示される実施形態において、電源１０は溶接電流を抵抗溶接装置１に提供するために使用されるが、電源１０、特に電力供給装置の全体設計はまた、直流電流を他の複数の応用のために提供するために使用可能である。電源１０は、少なくとも１つの一次巻線１３、センタータップを有する少なくとも１つの二次巻線１４、およびリングコア１５を有する大電流変圧器１２を含む。大電流変圧器１２の手段によって伝送される電流は、同期整流器１６において整流されて、抵抗溶接装置１の複数のガンアーム５または複数の電極７に供給される。同期整流器１６を制御するために、作動回路１７が配置される。作動回路１７は、例えば電流変流器１８を介して測定される大電流変圧器１２の複数の二次側電流に基づいて、トリガーパルスを同期整流器１６の複数の回路要素２４に送信する。

一般的に知られているように、大きい溶接電流により、必要とされる線路長の合計の結果として、著しい抵抗損失および／または誘導損失、並びに導通損失およびスイッチング損失の両方が、同期整流器１６の複数の回路要素２４において生じる。その上また、整流器において、同期整流器１６および作動回路１７のための電力供給において、損失が発生する。したがって、そのような複数の抵抗溶接装置１の結果として得られる効率は低い。

大電流変圧器１２の一次側電流を生成するために電力ユニット１９が提供され、電力ユニット１９は、電力網と電源１０との間に設置される。電力ユニット１９は、所望の振幅および所望の周波数を用いて、一次側電流を、大電流変圧器１２または電源１０に供給する。

図３は、統合された電源１０を有する抵抗溶接装置１の概略図を示す。溶接電流を複数の電極７に導くための、複数の線路１１の少なくとも一部分が、省略可能となるように、電源１０は、特に支持部材として、抵抗溶接装置１の溶接ガン４上または複数のガンアーム５上に直接配置され、したがって、１つのガンアーム５との接続が必要とされるのみであるために線路長は著しく短縮される。電源１０は、少なくとも４つの接触部２０，２１，２２，２３を有して多点接触を形成する。１つの極における２つの第１の接触部２０，２１は、１つのガンアーム５に接続され、反対の極性における２つの付加的な接触部２２，２３は、別のガンアーム５に接続される。有利に、１つの極性の２つの第１の接触部２０，２１と、他の極性の他の２つの接触部２２，２３とはそれぞれ、互いに反対側に配置される。２つの他の接触部２２，２３は実質的に、２つの第１の接触部２０，２１に比較して、９０度だけ互いにオフセットするように配置される。そのような多点接触によって、大電流変圧器１２の二次側１４を抵抗溶接装置１の複数のガンアーム５または複数の電極６に接続するために通常必要とされる線路は抑制され、または、線路の長さを低減できる。したがって、抵抗損失および接触損失は大幅に低減可能である。したがって、溶接ガン４の自由度が維持されると同時に、好ましくは大きな複数の断面を有する好ましくは短い線路が使用されることができる。さらなる利点は、そのような接触によって、損失、特に接触抵抗が低減されるという点にある。少なくとも４つの接触部２０，２１，２２，２３により、送出されるべき溶接電流は半減されることができ、これによってまた、活性状態の（アクティブな）複数の接触領域の実質的な増加により接触抵抗が低減されるために、接触損失の低減がもたらされる。例えば、２０ｋＡの直流電流を供給するための大電流変圧器１２または電源１０の大きさの調整において、４つの接触部２０，２１，２２，２３の各々は、１５ｃｍ×１５ｃｍから２５ｃｍ×２５ｃｍの面積を有し、好ましくは２０ｃｍ×２０ｃｍの面積を有する。

示される実施形態において、電源１０は実質的にキューブ形状に形成され、キューブの側面は複数の接触部２０，２１，２２，２３を形成する。２つの第１の接触部２０，２１は１つの電極７に接続されて、２つの他の接触部２２，２３は複数のガンアーム５を介して抵抗溶接装置１の他の電極７に接続される。部分分解図に見られるように、少なくとも１つのガンアーム５、特に下側のガンアーム５は、下側のガンアーム５の支持部材２３ａを介して接続されると同時に、他方、特に上側のガンアーム５は、柔軟な接続クランプ２３ｂを介して付加的な複数の接触部２２，２３に接続される。少なくとも１つのガンアーム５はしたがって、大電流変圧器１２に直接接続され、別のガンアーム５は、例えば５０ｃｍよりも短い非常に短い線路を介して大電流変圧器１２に接続される。省略されるまたは特に短い、電源１０と抵抗溶接装置１の複数の電極７または複数のガンアーム５との間の複数の線路１１を用いて、抵抗損失および誘導損失は大幅に低減可能である。

少なくとも２つの接触部２０，２１が、直接にまたは線路を用いることなく、したがって接触抵抗を有することなく、ガンアーム５に接続されるときに、特別な利点は生じる。このことは、そのような２つの接触部２０，２１が電源１０に実質的に統合され、且つ、抵抗溶接装置１の対応する複数の部分に、特に複数のガンアーム５に直接に、すなわち複数の供給線路によることなく接続されるという点において達成可能である。したがって、ガンアーム５を大電流変圧器１２の複数の接触部２０，２１に直接接続することによって、線路を用いない接続が達成され、その一方で、第２のガンアーム５は、非常に短い線路によって２つの接触部２２，２３に接続される必要がある。このように、線路長が最小に低減されるため、線路損失の非常に高い低減が達成可能である。従来技術では、大電流変圧器は理想的には可能な限り溶接ガン４の近くに位置付けられるため、線路はしたがって大電流変圧器１２から溶接ガン４に配される必要がある。その一方で、本発明に係る解決方法では、大電流変圧器１２は溶接ガン４に統合されると同時に、１つのガンアーム５は大電流変圧器１２上に直接装着されるため、第２のガンアーム５のみが１つまたは２つの短い線路によって接続される必要がある。もちろん、例えば、複数の摺動接点または他の複数の接触要素はまた、線路に替えて使用されることが可能である。また、電源１０内の損失は、電源１０の複数の構成要素の、コンパクトな設計および直接的接続すなわち線路を用いない接続によって、著しく低減可能である。

有利に、同期整流器１６、作動回路１７、電流変換器１８、ならびに同期整流器１６および作動回路１７のための全ての供給回路を含む、電源１０の全ての構成要素は、キューブまたは切石形状のユニットに含まれる。すなわち、複数の電子構成要素（電子部品）／回路の統合によって、構成ユニットはキューブの形状に生成され、ここでユーザは、高い性能を有する適切に大きさが調整された二次側上の直流電流または直流電圧を得るために、一次側の対応する交流電圧または対応する交流電流の形式のエネルギーを供給する必要があるのみである。制御および調整は、キューブまたは電源１０において自律的に実行される。したがって、キューブおよび電源１０は、複数の構成要素に直流大電流を供給するために万能に適用可能である。特に、電源１０は、抵抗溶接工程において平常通り、低い電圧および大電流を供給することに役立つ。

抵抗溶接工程において使用されるとき、キューブ形状の電源１０の複数の部分はまた、抵抗溶接装置１の複数の構成要素によって、例えば図示のように複数のガンアーム５または同様のものの複数の部分によって形成されることが可能である。キューブまたは電源１０は、ガンアーム５をキューブに直接装着することによって支持機能を担う。別のガンアーム５は、複数の接続線路を介して接続される（図示せず）。上記設計も用いることによって、長い供給線路は防ぐことが可能であり、したがって損失の実質的な低減が得られる。しかしながら、キューブをそのような溶接ガン４に統合させるために、そのサイズを可能な限り小さく保つことが要求される。例えば、最大２０ｋＡの供給されるべき直流電流の大きさの調整において、キューブまたは電源１０は、１０ｃｍと２０ｃｍとの間の辺長を有し、好ましくは１５ｃｍの辺長を有する。キューブ形状の電源１０の上記コンパクトな設計を用いることによって、例えば溶接ガン４のベース体において、これを統合することが簡単に可能である。

図４は、直流電流、特に溶接電流を供給するための電源１０の概略ブロック図を示す。電源１０のこの好ましい実施形態において、大電流変圧器１２の１０個の一次巻線１３は直列接続され、また、センタータップを有する大電流変圧器１２の１０個の二次巻線１４は、並列接続される。大電流変圧器１２のそのような設計を用いることによって、二次側上の対応する大電流を達成するための、対応する高い伝送比（トランスミッション比）は、複数の一次巻線１３の低い数の巻数および複数の二次巻線１４の低い数の巻数を用いたとしても達成可能である。例えば、１００の伝送比は、１０個の一次巻線１３そして１０個の二次巻線１４も用いて達成可能である。一次電流は、直列接続された大電流変圧器１２の複数の一次巻線１３を通って流れるとともに、相対的に大きい二次側電流は、並列接続された１０個の二次巻線１４の間で分割される。二次側上の部分的な電流は、同期整流器１６の複数の対応する回路要素２４に供給される。そのような分割を用いることによって、対応して高い伝送比（ここで１００）は、低い一次側の巻数および二次側の巻数にもかかわらず得られる。上記構成を用いることによって、従来の複数の大電流変圧器とは対照的に一次側上ではより少ない巻数が要求され、それによって一次巻線１３の長さは減少可能であり、これによって抵抗損失が低減可能である。一次巻線１３の低減された巻数のために、したがって結果として線路長の短縮が得られ、システムにとって典型的である大電流変圧器１２の漏れインダクタンスが次いで低減され、それによって大電流変圧器１２が、例えば１０ｋＨｚの、より高いスイッチング周波数で動作可能である。次いで、従来型の複数の大電流変圧器に比較してより高いスイッチング周波数は、大電流変圧器１２の全体寸法および重量の低減をもたらし、したがって、有利な複数の導入オプションをもたらす。したがって、大電流変圧器１２は、例えば、抵抗溶接装置１の複数の電極７に非常に近くに位置付けられることが可能である。したがって、小さなより安価な溶接ロボットで十分となるように、大電流変圧器１２のより低い重量によって溶接ロボットの負荷さえも低減可能である。

一次巻線および二次巻線の直列／並列接続がない従来型の複数の変圧器は、対応してより多くの複数の一次巻線を必要とし得る。このことは、一次側上で実質的により長い配線長をもたらすであろう。より大きな配線長によって、一方では抵抗損失が増加し、また他方ではより高い漏れインダクタンスがもたらされる。このことは、従来技術の変圧器が動作可能な周波数が数ｋＨｚに制限される理由である。

対照的に、本明細書において説明される大電流変圧器１２の構成において、システムに固有の、複数の一次巻線１３および複数の二次巻線１４の抵抗損失および漏れインダクタンスは低く、このことは１０ｋＨｚおよび上述の範囲の周波数が使用可能である理由である。これにより、大電流変圧器１２の実質的により小さな全体寸法が同じく達成可能である。大電流変圧器１２または電源１０のより小さな全体寸法は、それを、生成される電流が必要とされる位置、例えば抵抗溶接装置１における複数のガンアーム５上の位置のより近くに配置することを同じく可能とする。

大電流変圧器１２の複数の二次巻線１４を並列接続することによって、二次側上の結果として得られる大電流は、いくつかの部分的な電流に分割される。これらの部分的な電流は、模式的に図示するように、同期整流器１６の複数の回路要素２４に伝送される。複数の回路要素２４を活性化（アクティベート）するために、作動回路１７は配置されて一次巻線１３および二次巻線１４の断面に引き込まれ、関連する複数のセンサを含む同期整流器１６および作動回路１７の両方は、キューブ内、すなわち大電流変圧器１２内に配置される。同期整流器１６および作動回路１７は、それらが自律的に、すなわち外部の影響を受けることなく、電源１０の調整および制御を実行するように、形成されて大きさが調整される。したがって、キューブは好ましくは、外部からの介入のための複数の制御線路を有しないが、単に、一次側供給のための複数の接続または複数の接触のため、および発生される二次側電気エネルギー、特に大きい二次直流電流の送出のための複数の接続または複数の接触のための複数の制御線路を有する。

しかしながら、作動回路１７の対応する接続が配線されて作動回路１７に所与の値が供給されることが可能である。外部の複数の調整を行うことによって、電源１０は理想的には、応用の分野に向けて調整されることが可能である。従来技術から知られるように、データを変更または伝送するシステムはしかしながら、いかなる制御接続も配線される必要がないように無線で動作して使用可能であり、好ましくは誘導的に、磁気的に、またはブルートゥースを介して動作するように使用可能である。

電源１０の制御および／または調整は、統合された複数のセンサを介して行われる。対応する電流変換器１８を使用して二次巻線１４の複数の二次側電流を測定することによって、作動回路１７は、同期整流器１６の複数の回路要素２４がスイッチングされるべき時点における情報を取得する。電流変換器１８は、大電流変圧器１２の二次側電流の一部、ここで１０分の１、を測定するのみであるため、それらはより小さく設計されることが可能であり、再び電源１０の全体寸法に良い影響を与える。

導通損失およびスイッチング損失を低減するために、同期整流器１６の複数の回路要素２４は好ましくは、大電流変圧器１２の複数の二次巻線１４を流れる複数の二次側電流のゼロ交差においてスイッチングされる。ある遅延が、電流変換器１８による二次側電流のゼロ交差の検出から、本発明に係る同期整流器１６の複数の回路要素２４の活性化まで発生するため、作動回路１７は、二次巻線１４における電流のゼロ交差の到達よりも前のあらかじめ設定された時点において同期整流器１６の複数の回路要素２４をスイッチングするように構成される。したがって、作動回路１７は、電流変換器１８によって測定される大電流変圧器１２の二次巻線１４における電流があるスイッチオンしきい値およびスイッチオフしきい値を下回るまたは超える時点において、同期整流器１６における複数の回路要素２４のスイッチングを引き起こす。上記方法を使用することによって、同期整流器１６の複数の回路要素２４が、大電流変圧器１２の二次巻線１４を流れる電流のゼロ交差の間に実質的にスイッチングされることが達成可能であり、それによって導通損失およびスイッチング損失が最小化可能である（図１６も参照）。

図４において、また、同期整流器１６および作動回路１７に電気エネルギーを供給する供給回路４８は、一次巻線１３および二次巻線１４のために引き込まれる。また、この供給回路４８は好ましくは、電源１０に、すなわちキューブに統合される。電源１０の同期整流器１６および作動回路１７への十分な電気エネルギーの供給は、例えば溶接電流である直流電流の送出が望まれる時点において確実にされる必要があるため、供給回路４８の十分に速い活性化が必要とされ（図１５参照）、またそれは、電源１０の活性化を用いて十分に高い供給電圧が可能な限り速く供給されて、続いて要求される電力または要求される電流が送出されるように、構成される。

図５は、図３に係る電源１０の実施形態の拡大図を示す。例えば溶接電流である直流電流を供給するための電源１０は、キューブまたは切石の形状を実質的に有する。キューブまたは切石の複数の側面は、複数の接触部２０，２１，２２，２３を表し、そこを介して、発生される直流電流は、抵抗溶接装置１の複数のガンアーム５または複数の電極７などの、関連する消費負荷に伝送されることが可能である。電源１０の全ての構成要素、すなわち大電流変圧器１２、同期整流器１６、作動回路１７、電流変換器１８、供給回路４８などは、電源１０のこのキューブまたは切石形状の部材に含まれる、または統合される。上記コンパクトな設計を使用することによって、電源１０の損失は、線路の最適な短縮のために、特に低く保たれることが可能であり、したがってその効率は実質的に向上する。また、したがって、複数の電子構成要素の統合によって、特に同期整流器１６、作動回路１７および供給回路４８を備える複数の印刷回路基板の統合によって、スイッチング時間がキューブにおいて達成される。同期整流器１６および作動回路１７ならびに電源１０の複数の供給線路４８を大電流変圧器１２に統合することによって、また同期整流器１６のいくつかの回路要素２４を並列接続することによって、また線路を用いることなく複数の回路要素２４を大電流変圧器１２の複数の二次巻線１４に接続することによって、いかなる線路も、同期整流器１６と大電流変圧器１２の二次側１４との間において必要とされず、それによって、そのような線路を用いることで発生する、可能性のある抵抗損失および他の損失はまた省かれる。大電流変圧器１２に供給するための電力ユニット１９は、可能な限り大電流変圧器１２の近くに位置付けられて可能な限り短い接続線路が達成され、したがって、可能な限り短い線路損失および線路インダクタンスが達成される。全ての構成要素を統合することによって自律ユニットが形成され、それは入力側で電力ユニット１９に接続される必要があり、また出力側で、−抵抗溶接装置１の場合において−複数のガンアーム５または複数の電極７のみに接続される必要がある。電源１０の個々の回路の間の共通の線路はもはや必要とされない、または少なくとも実質的にその長さは低減される。

電源１０の大電流変圧器１２の基礎は、導電性材料で作られたＩビーム（Ｉ型梁）２５の形式の変圧器要素であり、ここで、上記導電性材料は特に銅または銅合金であり、最良の状態で例えば銀のコーティングを有する。Ｉビーム２５の複数の凹部２５ａにおいて、大電流変圧器１２の複数の二次巻線１４を備える複数のリングコア１５が両側に配置される。スペースの観点において、複数のリングコア１５が円形を有さず、しかし楕円形または平坦な断面を有するときが有利である。図示される実施形態において、Ｉビーム２５の各凹部２５において、５つのリングコア１５はそれぞれ、それぞれの複数の二次巻線１４と並列に配置される。一次巻線１３または直列に相互接続される複数の一次巻線１３は（一点鎖線）、Ｉビーム２５の複数の凹部２５ａに配置される複数のリングコア１５を貫通して伸び、Ｉビーム２５のウェブの周囲を巻く。一次巻線１３のそのような経路を使用することによって、またＩビーム２５の２つの凹部２５ａにおいて特に対称的に配置される複数のリングコア１５によって、複数の二次巻線１４への最適な磁気結合が達成可能である。一次巻線１３の複数の接続部２６は、Ｉビーム２５の外面２８上の少なくとも１つの開口２７を通って導かれる。大電流変圧器１２の一次巻線１３は、上記複数の接続部２６を介して、対応する電力ユニット１９に接続可能である。Ｉビーム２５の複数の外面２８は電源１０の２つの第１の接触部２０，２１を形成し、これらは例えば、抵抗溶接装置１における複数の電極７のうちの１つに接続される。

Ｉビーム２５における複数の凹部２５ａの上に複数の接触板２９が配置され、そこの複数の外面は、電源１０における他の２つの接触部２２，２３を形成して、Ｉビーム２５に対して絶縁される。複数の接触板２９はまた導電性材料で作られ、例えば銅または銅合金で作られ、最良の状態でコーティングを有し、例えば銀で作られたコーティングを有する。銅または銅合金は最適な電気的特性を有し、また良好な熱伝導性を示す。それによって、発生する熱損失は、より速く放出されることが可能である。銀コーティングは、銅または銅合金の酸化を防ぐ。銅または銅合金に代えてアルミニウムまたはアルミニウム合金が考慮され、これは銅に勝る重量の利点を有するが、耐腐食性はそれほど高くない。銀コーティングに代えて、錫および他の材料または合成物のコーティングまたはそれらのレイヤーもまた可能である。複数の接触板２９と、大電流変圧器１２における複数の二次巻線１４の、対応する複数の接続との間に、同期整流器１６および作動回路１７の複数の回路基板３５が配置される。上記複数の回路基板３５または複数の印刷回路基板は、複数の接触板２９に直接装着されまたははんだ付けされ、続いて、絶縁される方法でＩビーム２５に装着されることとなる。上記設計を使用することによって、大電流変圧器１２の複数の二次側接続は、線路を敷く必要なく直接に、同期整流器１６の複数の回路要素２４に接続されまたは接触されることが可能である。同期整流器１６の出力はまた好ましくは複数の接触板２９に直接接続され、それによって線路は必要とされない。複数の接触板２９は、Ｉビーム２５に接続され、好ましくは所定の位置にねじで取り付けられる（図示せず）。Ｉビーム２５の複数の外面２８上に、また複数の接触板２９の複数の外面上に、ねじを受けるための対応するねじ山を有する複数のボアホールなどの、複数の接続デバイス３０が配置可能である。例えば、直流電流が供給されるべき、抵抗溶接装置１または他の複数の装置における複数のガンアーム５への複数の線路は、上記複数の接続デバイス３０を介して装着可能であり、または、ガンアーム５は、Ｉビーム２５に、または複数の接触板２９に直接装着可能である。

複数のカバー板３１は、キューブまたは切石形状の電源１０の上側および下側に装着可能であり、また、例えばねじで取り付けられて（図６参照）、Ｉビーム２５および複数の接触板２９に接続可能である。好ましくは、複数のカバー板３１はまた導電性材料で作られて、複数の接触板２９にねじで取り付けられ、結果として、複数のカバー板３１を介した複数の接触板２９の間の電気的接続に加えて、大電流変圧器１２の頑丈なユニットが得られる。したがって、荷電均等化がカバー板３１を介して生じることが達成され、よって大電流変圧器１２の不平衡な負荷は引き起こされない。したがって、電圧および電位の均等化を引き起こして不均衡を避けるために、２つの接触板２９を互いに電気的に接続する分離した電線路は、省かれることが可能である。そのようなことは、溶接電流を供給するための大電流変圧器１２または電源１０のバランスがとれた（平衡な）レイアウトの、両方の複数の接触板２９の電気的接続が、複数のカバー板３１を介して確立されることを意味する。この場合において、もちろん、Ｉビーム２５上の適切な絶縁は提供される必要がある。Ｉビーム２５および複数の接触板２９に加えて複数の接触板３１も、好ましくは銅または銅合金で作られ、好ましくは銀コーティングを有する。

電源１０における複数の構成要素の冷却を可能とするために、Ｉビーム２５の外面２８上に、特に第１の接触部２０上に、冷却流体を供給するための２つの注入口３２が配置され、また冷却流体を排出するための排出口３３が配置される。冷却流体を排出するための排出口３３の断面は、冷却流体を供給するための全ての注入口３２の複数の断面の合計を示す。冷却流体の最適な経路のために、複数の冷却路３９は、対応して配置される（図９および１１参照）。冷却流体として、水または他の液体が使用可能であり、またガス冷却剤も使用可能である。

図６に係る電源１０の分解図に見られるように、大電流変圧器１２の複数の二次側電流を測定するための電流変換器１８は、上部に配置された複数の二次巻線１４上に直接位置付けられ、このことは、この二次巻線１４を流れる電流が誘導される電流によって決定可能であるように、Ｉビーム２５の両側における各第１のまたは最上部の二次巻線１４上に、電流変換器１８が配置されることを意味する。外部の磁界による、電流変換器１８によって測定される電流の動作を回避するために、好ましくは例えばフェライトである磁気伝導性材料で作られたハウジング３４は、遮蔽（シールド）のために電流変換器１８の上に配置される。

電流変換器１８は、第１および第２の二次巻線１４の、各々のＩビーム２５の両側上に配置される。複数の一次巻線１３を通って流れる電流により、電流はＩビーム２５の一方の側上に放電され、それによって最上部の二次巻線１４はしたがって第１の二次巻線１４を形成する。その一方で、反対側では、電流は今度は最上部の二次巻線１４に流入し、したがって、第２の二次巻線を形成する。フルブリッジを使用することによって、電流に応じて同期変圧器１６の対応する複数の回路要素２４が作動されるように、常に互いに独立な第１のおよび第２の二次巻線１４からの電流の流れを検出することが要求される。したがって、電流変換器１８によって誘導される制御パルスによってほぼ同期してＩビーム２５の両側の複数の回路要素２４を作動することが可能である。

複数の接触板２９とＩビーム２５との間に、同期整流器１６および作動回路１７の複数の回路基板３５は配置される。同時に、複数の回路基板３５は、Ｉビームと複数の接触板２９との間の必要とされる絶縁を確立する。同期整流器１６の複数の対応する回路要素２４は、大電流変圧器１２の複数の二次巻線１４と直接接触される。接触板２９の内側上の対応する複数の突出部３６、特に尖塔形状の複数の突出部と、回路基板３５上の対応する複数の開口３７とを介して、複数の回路要素２４の複数の接触板２９との直接接触が行われることが可能である。複数の回路要素２４は好ましくは、適切な複数の電界効果トランジスタで形成され、それらのドレインはそのハウジングによって形成される。複数の電界効果トランジスタの複数のハウジングは、これらのユニットの間でいかなる線路も必要とされないように、線路を用いることなく直接に、大電流変圧器１２の少なくとも１つの二次巻線１４に接続される。例えば、ケイ素または窒化ガリウムで作られた複数の電界効果トランジスタは使用される。電流変換器１８は、並んで配置される同期整流器１６および作動回路１７の回路基板３５に直接接続され、適切な線路３８を介して同期整流器１６および作動回路１７の反対側の回路基板３５に接続される。

図５および６に係る電源１０の組み立ては好ましくは、２つの異なるはんだ付け温度を用いた、はんだ付け工程によって行われる。まず、複数の二次巻線１４は、はんだ付け材料を用いて、特に、例えば２６０度の第１のより高い温度Ｔ_Ｓ１で融解するはんだ錫を用いて、Ｉビーム２５の複数の凹部２５ａに接続される。また、複数の接触板２９は、例えば２６０度の第１のより高い融解温度Ｔ_Ｓ１で融解するはんだ付け材料を用いて、複数の回路基板３５と接触される。そして次いで、例えば２６０度の第１の融解温度Ｔ_Ｓ１で融解するはんだ付け材料を用いて、同期整流器１６および作動回路１７の複数の構成要素は回路基板３５に装着される。接触板２９上の回路基板３５における毛管作用のために、回路基板３５が接触板２９から外れるリスクはない。これらのステップに続いて、複数の二次巻線１４の外側の接触部および複数の回路基板３５上の接触部は、例えば１８０度の、第１の融解温度Ｔ_Ｓ１に比較してより低い第２の融解温度Ｔ_Ｓ２のはんだ付け材料が点在され（散りばめられ）、複数の回路基板３５を備える複数の接触板２９はＩビーム２５に接続され、好ましくはねじで取り付けられ、続いて、複数の二次巻線１４の、同期整流器１６の複数の回路要素２４への接続が確立されるように、はんだ付け材料の第２の融解温度Ｔ_Ｓ２、例えば１８０度を用いて、加熱される。上記第２のより低い融解温度Ｔ_Ｓ２のはんだ付け材料を使用することによって、より高い融解温度Ｔ_Ｓ１のはんだ付け材料を使用して生成されるはんだ接合部は、晶出過程によって融解しないまたは高い耐温度性を有するようになることが確保されることができる。最後に、一次巻線１３は複数のリングコア１５を通され、続いて、複数の電力変換器１８は装着されて接触されて、線路３８が配線される。複数のカバー板３１を装着することによって、電源１０は完成する。電源１０の複数の構成要素への張力および曲げの力を低減するために、全ての空洞は、複数のカバー板３１の組み立てよりも前にカプセル化されることが可能である。したがって例えば複数のカバー板３１において与えられた複数の開口を介して（図示せず）、カプセル化はまた、複数のカバー板３１の組み立ての後に行われることが可能である。

図７は、複数の冷却路３９の経路（破線）を示す図５および６の電源１０を示す。したがって、複数の冷却路３９はまず、対称的に配置された２つの注入口３２から複数の接触板２９内に延び、当該複数の接触板２９内では、最も強力な熱源（同期整流器１６の複数の回路要素２４および作動回路１７の複数の構成要素）および最も影響を受けやすい（感度の高い）複数の構成要素が、冷えた冷却流体を用いて冷却される。その後、複数の冷却路３９は、Ｉビーム２５の複数の外部の要素内にわたり、大電流変圧器１２の複数の巻線が冷却されるＩビーム２５のウェブ内にわたる。側部において流れ込む両方の複数の冷却路３９は、ウェブにおいて１つの単一の冷却路３９に合流する。そして、複数の冷却路３９は、冷却流体の共通の排出口３３において終わる。複数の接触板２９における、およびＩビーム２５における複数の冷却路は好ましくは対応する複数のボアホール４０によって形成され、当該複数のボアホール４０は、対応する位置において、複数のクロージャ部材４１によって閉じられる。Ｉビーム２５および複数の接触板２９の間において、複数の冷却路３９をシーリングするための対応する複数のシーリング部材４２、例えば複数のＯリング（オーリング）が配置される（図８参照）。

図８において、大電流変圧器１２のＩビーム２５は、大電流変圧器１２または電源１０の他の複数の構成要素から分離して示される。複数の冷却路３９の複数の端位置において、例えば複数のＯリングの形式の、上述の複数のシーリング部材４２が配置される。Ｉビーム２５における複数の凹部２５ａは、リングコア１５を精密に受けるように設計され、非常にコンパクトな設計が達成される。同時に、Ｉビーム２５のウェブは、大電流変圧器１２の複数の二次巻線１４のセンタータップのための接触面を形成する。複数の二次巻線１４の複数のセンタータップは、線路を用いることなくＩビーム２５のウェブに接続され、それによって、対応する線路は省略可能である。複数の二次巻線１４をＩビーム２５に直接接続することによって、接続面の実質的な増加はまた達成され、したがって、接触損失および線路損失はこの場合も回避することが可能である。

Ｉビーム２５は大電流変圧器１２の基礎を形成し、大電流変圧器１２の周囲には、接続線路が必要とされないように複数の二次巻線１４が配置される。Ｉビーム２５の複数の外面は、電源１０の２つの第１の接触部２０，２１を表し、これらは直接に、すなわち線路を用いることなく、抵抗溶接装置１の複数のガンアーム５に接続される。複数のリングコア１５が円形に設計されず、しかし楕円形または平坦に設計されるという点において、省スペースの配置が達成される。好ましくは、複数の閉じたリングコア１５が使用される。上記設計を用いることによって、複数の一次巻線１３および複数の二次巻線１４の直列／並列接続は実施可能であり、それによって、複数の一次巻線１３および複数の二次巻線１４の低減された巻数を用いて供給されるべき直流大電流のための大電流変圧器１２の要求される伝送比が達成される。そのような設計は、並列接続された少なくとも３つの二次巻線１４がＩビーム２５の各側部に配置されるときに特に有用である。

図９は、交線ＩＸ−ＩＸに沿った図８のＩビーム２５の断面図を示す。この図において、冷却流体の共通の排出口３３への複数の冷却路３９の経路が明確に見られる。

図１０は、回路基板３５の上に配置される同期整流器１６および作動回路１７のための回路基板３５に加えて、大電流変圧器１２または電源１０の接触板２９を示す拡大図である。すでに上述したように、同期整流器１６の複数の回路要素２４は、一方の側上において、大電流変圧器１２の対応する複数の二次巻線１４に直接接続され、また他方の側上において、接触板２９に直接接続される。この目的のために、複数の突出部３６、特に尖塔形状の複数の突出部は接触板２９の内面上に配置され、それらは、回路基板３５上の対応する複数の開口３７の中に突出し、それらは、直接にまたは線路を用いることなく、複数の開口３７の上に配置される複数の回路要素２４の複数のソース接続に接触する。複数の突出部３６のために、同期整流器１６の複数の回路要素２４と複数の接触板２９との間の接続線路は省略可能である。それによって、一方では抵抗損失は低減可能であり、他方では複数の回路要素２４と複数の接触板２９との間の熱伝導が向上する。最後に、いかなる接続線路も配線され接続される必要がないが複数の回路要素２４は複数の突出部３６に直接接続され、好ましくははんだ付けされるため、製造努力はまた軽減可能である。また、回路基板３５の簡単な配置（位置決め）が可能であり、したがって、製造は実質的に簡単化される。

接触板２９の内側に配置される回路基板３５上に作動回路１７および同期整流器１６を配置することによって、線路を用いない同期整流器１６の出力の接触板２９への直接接触または接触に加えて、線路を用いない複数の二次巻線１４の、同期整流器１６の複数の回路要素２４への接続の直接接触または接触が達成可能である。好ましくは、直流電流を供給するための大電流変圧器１２または電源１０は対称的に設計され、対称的に配置される複数の二次巻線１４の両側上において、１つの回路基板３５それぞれは、１つの接触板２９それぞれの下の同期整流器１６および作動回路１７の部分とともに配置される。

図１０に係る同期整流器１６において、１０個の回路要素２４は行に並んでそれぞれ配置される。並列接続される全ての回路要素２４が実質的に同時に作動され、且つ、実行時損失がほんのわずかな影響を有することを確実にするために、両側からの複数の回路要素２４の対称的な作動が行われ、このことは、好ましくは５つの回路要素２４がそれぞれ両側に配置された複数のゲートドライバを介して右および左から作動されることを意味する。また、中央に延びる付加的なゲートドライバなどの異なる複数の作動オプションは配置可能であり、それによって線路長およびそれらのインダクタンスは３つに分割される。同期整流器１６の複数の回路要素２４の複数のゲートのそのような並列動作によって、実行時損失は発生しないまたはほとんど発生しないため、短い作動パス、およびしたがって複数の回路要素２４のほぼ同期したスイッチング時間が確保されることが可能である。

回路基板３５の接触板２９上への装着の間に、接触板２９の複数の突出部３６は回路基板３５の複数の開口３７を通って突出する。それによって、回路基板３５の背面は同時に、接触板２９にしっかりと接続またははんだ付けされることが可能であり、また、反対側に配置される複数の回路要素２４はまた、接触板２９に接続またははんだ付けされることができる。したがって、通常の大量の配線は省略可能である。また、接触板２９上の回路基板３５の簡単な位置決めが可能であり、それはもはやはんだ付け時において滑らない。同期整流器１６、作動回路１７、および供給回路４８が回路基板３５上に配置されるとき、自律設計は、大電流変圧器１２回路基板３５の統合において達成されることが可能である。個別の複数の回路要素２４への線路の短縮が達成されるため、作動回路１７が、並列および直列で配置される複数の回路要素２４の両側に配置されることはさらなる利点である。したがって、並列接続された全ての回路要素２４が、非常に短い時間の周期内においてスイッチがオンされることを確実とすることが可能である。作動回路１７の上記両側配置を用いて、線路長の半減、またそれ故の線路インダクタンスの低減、またしたがってスイッチング時間の顕著な短縮が達成される。回路基板３５の一方の側上で、はんだ付け可能な面は、接触板（２９）にはんだ付けされるために、好ましくは全面に設けられ、それによって、接触板２９へのしっかりと固定される接続が達成される。したがって、回路基板３５の全面接続はより低い接触抵抗を有するため、接触抵抗はまた著しく低減可能である。はんだ付けによる好ましい直接接続に替えて、短い複数の接続配線、いわゆる複数のボンディングワイヤが配置されることも可能である。

供給回路４８は好ましくは、対応して大きいスイッチング電流、例えば８００Ａと１５００Ａとの間の大きいスイッチング電流、特に１０００Ａの大きいスイッチング電流を形成して複数の構成要素に、対応する供給電圧を供給するように、設計される。非常に大きいスイッチング電流により、特にｎｓ（ナノ秒）範囲における、非常に短いスイッチング時間が達成される。これによって、いかなるスイッチング損失も引き起こされないように、またはスイッチング損失がほとんど引き起こされなように、複数の回路要素２４がゼロ交差において、または低い出力電流におけるゼロ交差のすぐ直前に、常にスイッチングされることが確保されることが可能である。好ましくは誘導的な、磁気的な、またはブルートゥースを介したデータの無線通信のためのデータ通信回路が配置される場合、データは、回路基板３５から、および回路基板３５へ、無線で伝送されることが可能である（図示せず）。したがって、複数のスイッチング時点の調節は、大電流変圧器１２の応用の種々の領域において行われることが可能である。同様に、データは、さらに処理されるために、もしくは制御または品質制御それぞれのために、回路基板３５上に配置された記憶装置（図示せず）から読み出されることが可能である。

同期整流器１６の複数の回路要素２４のための過電圧保護を提供するために、それらが必要とされないときに複数の回路要素２４をスイッチオンすることは有利である。これは、抵抗溶接装置１における応用の場合において、複数の回路要素２４の損傷を回避するために、能動的な同期整流器１６が溶接の中断において活性化されることを意味する。一次電流または二次電流が大電流変圧器１２を通って流れるているかが監視され、溶接ガン４が新たな溶接スポットに対応して位置付けられる間に電流の流れがない場合において、作動回路１７は、複数のゲートの対応する作動によって全ての回路要素２４を活性化させる。電源１０が溶接ガン４の位置決めの後に活性化されるときは、手動または自動の溶接工程が開始されるときを意味する。このとき、交流電圧は、大電流変圧器１２の一次巻線１３に印加され、これは次に電流の流れによって作動回路１７によって検出され、したがって、複数の回路要素２４の保護モードが非活性化（デアクティベート）される。もちろん、同期整流器１６の複数の回路要素２４の活性化および非活性化はまた、複数の制御信号を介して行われ、当該複数の制御信号は、無線を介してもしくは誘導的にまたは磁気的に、作動回路１７に送信される。可能性がある過電圧は、スイッチがオンされている複数の回路要素２４に害を及ぼさない。また、複数のツェナーダイオードの手段による複数の回路要素２４のある最小保護は、提供可能である。

図１１は、交線ＸＩ−ＸＩに沿った図１０に係る接触板２９の断面図を示す。この図において、複数の冷却路３９の経路は明確に見られる。複数の冷却路３９を形成するための、製造工程から得られる複数のボアホール４０における複数の開口は、対応する複数のクロージャ部材４１によってシーリングされる。複数のクロージャ部材４１は、複数のボアホール４０内の対応するねじ山に取り付けられる適切な複数のねじによって、実施可能である。

図１２は、そこに配置された大電流変圧器１２の２つの二次巻線１４を有するリングコア１５と、その上に配置された電流変換器１８との分解図を示す。二次巻線１４を流れる二次側電流が、可能な限り精密に測定可能であるように、且つ、同期整流器１６の複数の回路要素２４を制御するために作動回路１７に供給可能であるように、電流変換器１８は、シールドハウジング３４およびシールド部材４３によって外部の磁界から保護される。磁場からの遮蔽のために、フェライトは特に好適な材料である。電流変換器１８は、配置される２つの二次巻線１４のうちの１つの部分上に位置付けられまたは固定される。従来技術から知られるように、電流変換器１８は、そこに配置された巻線を有する磁心で形成され、巻線の接触部は作動回路１７に接続される。さらに、リングコア１５と二次巻線１４との間に、電流変換器１８のためのコア板に加えてシールド部材４３が配置され、電流変換器１８のコアは上記コア板上に配置される。

大電流変圧器１２のこの設計において、作動回路１７が、両側に並列接続されて位置付けられる複数の二次巻線１４のうちの１つを通って流れる電流を測定するように、そのような設計の２つの二次巻線１４は、Ｉビーム２５の両側に配置される。作動回路１７がこれらの電流変換器１８に接続されるとき、大電流変圧器１２における状態が電流変換器１８を介して検出可能であるため、精密な制御または調整が可能になる。

上述の複数の二次巻線１４の並列接続により、全ての二次巻線１４において、同一の電流が流れている。したがって、電流の流れの全体に関する結果を得るために、電流は１つの二次巻線１４からタップされる必要があるのみである。１０個の二次巻線１４の並列接続において、電流の流れの全体の１０分の１だけが電流変換器１８によって測定され、このことはこれらが実質的により小さなサイズとされることが可能であることの理由である。したがって、次に、大電流変圧器１２または電源１０の全体寸法の低減が達成される。電流変換器１８が、直流電流、特に溶接電流の方向に対して実質的に９０度の向きに配置される点が有利であり、なぜならばそれにより、直流電流によって誘導された磁場による干渉が低減されるからであり、また、したがって測定誤差が低減されるからである。したがって、非常に精密な測定を行うことが可能である。

図１３に係る分解図に見られるように、大電流変圧器１２の複数の二次巻線１４は好ましくは２枚の金属シート４４，４５で形成される。金属シート４４，４５は、絶縁層４６、例えばペーパー層によって互いに絶縁される。金属シート４４，４５は、リングコア１５の断面の周囲に、互いに配置されるリングコア１５を貫通する、実質的にＳ字形状の鏡面反転された経路を有する。このことは、１つのリングコア１５上に、２つの二次巻線１４、またはセンタータップを有する二次巻線１４の部分が、配置されることを意味する。複数の二次巻線１４の金属シート４４，４５の複数の外面４７は、同期整流器１６の複数の回路要素２４に接触するための複数の接触面と、整流のセンターとして動作（作用）するＩビーム２５とを同時に形成する。したがって、いかなる線路も、大電流変圧器１２の複数の二次巻線１４を同期整流器の複数の回路要素２４に接続するために、必要とされない。複数の二次巻線１４、特に複数の二次巻線１４を形成する金属シート４４，４５は、線路を用いることなく直接に、同期整流器１６の複数の回路要素２４に接続され、また、Ｉビーム２５のウェブまたは整流のセンターに接続される。したがって、非常に省スペース且つコンパクトな、低い損失を有する軽量設計が達成される。同時に、二次巻線１４をＩビーム２５のウェブおよび同期整流器１６の複数の回路要素２４に接続するための相対的に大きな複数の面４７は、可能な限り少ない損失を有する大電流の流れを確実にするために接触のために配置される。そのような配置によって、センター整流器は二次側で実施され、Ｉビーム２５は複数の二次巻線１４の１つの接続された端子を有するセンターを形成している。

リングコア１５は、フェライト、アモルファス材料、またはナノ結晶原材料で作られる。使用されるより良い材料は磁気特性に関し、より小さなリングコア１５が設計可能である。しかしながら、リングコア１５の価格は、もちろん上昇している。複数の金属シート４４，４５の設計において、それらが少なくとも１回だけリングコア１５を貫通するような方法においてそれらが折り曲げられまたは曲げられることとなることが実質的である。２枚の金属シート４４，４５または１つのリングコア１５上に配置される複数の二次巻線１４は、鏡面反転される方法において設計され、互いに絶縁される。

図１４は、同期整流器１６および作動回路１７に電気エネルギーを供給するための供給回路４８、特に電力供給ユニットのブロック図を示す。供給回路４８は、大電流変圧器１２の二次巻線１４の二次側または複数の接続部に接続され、また、ピーク値整流器４９、昇圧器（電圧インクリーザー）５０、リニア電圧レギュレータ５１、および分圧器５２を含む。昇圧器５０または電圧ブースターは、電源１０の複数の構成要素への供給が迅速に提供されることを確実にする。同時に、活性化された同期整流器１６の内部供給電圧は、可能な限り迅速に発生される。昇圧器５０を用いることによって、活性化の初期フェーズにおいて、大電流変圧器１２に統合される同期整流器１６の確実な機能を可能な限り早いときにおいて確保するために、供給電圧の要求される振幅が可能な限り早くまず発生されることが確実になる。

図１５は、図１４に係る供給回路４８の供給電圧Ｖの時間経過を示す。電圧上昇の傾きΔＶ／Δｔは、十分に急に選択されて、要求される電圧ＶＣＣが同期整流器１６および作動回路１７において最大遅延Ｔ_ｄを有して印加されることを確実にする。例えば、遅延Ｔ_ｄは２００μｓ未満である必要がある。ピーク値整流器４９および昇圧器５０の複数の回路の適切な構成ならびに適度に低い容量によって、電圧の十分なスルーレートが達成される。したがって、まず急激な増加を有する供給電圧の最小高さが確保され、そして適切な供給のみが生成される、と言うことができる。

図１６は、損失がない作動の説明のための、大電流変圧器１２の二次側電流Ｉ_Ｓの時間経過と、同期整流器１６の複数の回路要素２４のための複数の制御信号Ｇ_１およびＧ_２の時間経過と、を示す。対応する電流変換器１８を用いて二次巻線１４の複数の二次側電流Ｉ_Ｓを測定することによって、作動回路１７は、同期整流器１６の複数の回路要素２４がスイッチングされる必要がある時点において、情報を取得する。導通損失およびスイッチング損失を低減するために、同期整流器１６の複数の回路要素２４は好ましくは、大電流変圧器１２の複数の二次巻線１４を流れる複数の二次側電流のゼロ交差においてスイッチングされる。ある遅延ｔ_Ｐｒｅは、電流変換器１８による二次側電流Ｉ_Ｓのゼロ交差の検出から、同期整流器１６の複数の回路要素２４の活性化まで発生するため、本発明に係る作動回路１７は、二次巻線１４における電流のゼロ交差の到達よりも前のあらかじめ設定された時間において、同期整流器１６の複数の回路要素２４を作動するように構成される。したがって、作動回路１７は、電流変換器１８によって測定される大電流変圧器１２の二次巻線１４における電流Ｉ_Ｓが、あるスイッチオンしきい値Ｉ_ＳＥおよびスイッチオフしきい値Ｉ_ＳＡを下回るまたは超える時点において、同期整流器１６の複数の回路要素２４のスイッチングを引き起こす。この方法を用いることによって、大電流変圧器１２の複数の二次巻線１４を通る電流Ｉ_Ｓの実質的にゼロ交差の間に、同期整流器１６の複数の回路要素２４がスイッチングされ、それによって同期整流器１６の複数の回路要素２４の導通損失およびスイッチング損失が最小化されることが達成可能である。同期整流器１６の複数の回路要素２４のスイッチオン時およびスイッチオフ時はしたがって、二次側電流のゼロ交差によって決定されないが、しかし規定されたスイッチオンしきい値Ｉ_ＳＥおよびスイッチオフしきい値Ｉ_ＳＡの達成によって決定可能である。スイッチオンしきい値Ｉ_ＳＥおよびスイッチオフしきい値Ｉ_ＳＡは、予期されるスイッチング遅延に応じて、規定される。スイッチオンしきい値Ｉ_ＳＥおよびスイッチオフしきい値Ｉ_ＳＡは、損失をさらに低減するために、最良の状態で調整可能に設計される。２０ｋＡの大電流変圧器１２において、スイッチング時間は例えば、同期整流器１６の複数の回路要素２４がこの時間周期内でスイッチングされる必要があるように、ゼロ交差の１００ｎｓだけ前に設定可能である。

例えば２０ｋＡの溶接電流を供給するための抵抗溶接装置のための慣用の従来技術の大電流変圧器は、およそ４０〜５０ｋＷの損失を示す。従来技術に係る２０ｋＡの溶接電流を供給するために、最大１５０ｋＷの接続される消費電力が全体で必要とされ、全損失は合計でおよそ１３５ｋＷであり、結果としておよそ１０％の効率が得られる。対照的に、本発明の大電流変圧器１２は、およそ５〜６ｋＷだけの損失を示す。線路損失は、通常３０ｋＷから２０ｋＷに低減可能である。したがって、本発明に係る抵抗溶接装置１において、２０ｋＡの溶接電流を発生するための接続される消費電力は、全損失が合計でおよそ６０ｋＷだけであるため、７５ｋＷに低減可能である。したがって、およそ２０％を有する得られる効率は、従来技術のおよそ２倍の高さである。この比較から、潜在的な節約は明確に見られ、特に複数の抵抗溶接装置を備える自動車産業における生産ラインにおいて明確に見られる。

基本的には、説明された電源１０または大電流変圧器１２は、キューブまたは切石の形状で設計され、２つの側面はＩビーム２５によって形成され、その複数の側面上において、第３の側面および第４の側面を形成するために電気的に絶縁される複数の接触板２９は配置される。前面において、カバー板３１はそれぞれ、４つの側面に向かって配置され、カバー板３１は、キューブまたは切石の第５の側面および第６の側面を形成するように、Ｉビーム２５に対して電気的に絶縁される。キューブ内において、特に複数の側面の内側において、同期整流器１６および作動回路１７は、少なくとも１つの回路基板３５または印刷回路基板上に配置される。したがって、キューブのみは、大電流変圧器１２の複数の一次巻線１３のための複数の接続部２６と、直流電流または直流電圧の消費のための複数の接触面としての複数の側面と、を有する。また、冷却接続部、特に冷却流体の複数の注入口３２および排出口３３は配置される。このシステムは自律的に動作し、したがって電力ユニット１９または本システムの制御装置への接続が必要ではないため、キューブにおいて統合される同期整流器１６および作動回路１７のための複数の制御線路は、好ましくは配置されない。そのような設計において、好ましくはいかなる制御線路も不要であるが、電源１０は、一次側の電力ユニット１９のみに接続され、その結果、二次側で、例えば１５ｋＡから４０ｋＡまでの、対応して大きさが調整された直流電流が得られる。したがって、ユーザはいかなる調整も行う必要はなく、電源１０を接続する必要があるのみである。実際に独立した個別の複数の構成要素のそのような共通ユニットへの統合は、全体寸法の実質的な低減をもたらし、また、したがって電源１０の重量の低減をもたらす。同時に、ユニットはまた、応用において、特に溶接ガン４において、支持要素として、直接使用されることが可能である。また、利用者の利便性は実質的に向上する。

本設計において、線路を用いることなく複数の回路要素２４を対応する複数の構成要素に接続することがさらに重要である。すなわち、溶接配線に導通する複数の電界効果トランジスタによって形成される複数の回路要素２４のソース接続部は、接触板２９の複数の突出部３６に、直接接続またははんだ付けされ、複数の回路要素２４の複数のゲート接続はまた、回路基板３５およびその上に構築される作動回路１７（ゲートドライバ）に、直接配置されまたははんだ付けされる。したがって、高いスイッチング速度と非常に低い導通損失が達成可能となるように、線路インダクタンスは、線路の完全な省略によって低減可能である。

図示され説明された実施形態において、大電流変圧器１２は、５Ｖと１０Ｖとの間の出力電圧での２０ｋＡの電流のために、大きさが調整された。Ｉビーム２５は、両側に、複数のリングコア１５を有する５つの二次巻線１４が配置可能なように、１５ｃｍの全高を有する。対応する１００の伝送比を得るために、示される実施形態において、１０個の一次巻線１３は必要とされる。

大電流変圧器１２が次に、例えば３０ｋＡのより大きな大電流のために、大きさが調整されるとき、使用される複数の二次巻線１４の数は、簡単に増加可能である。例えば、Ｉビーム２５の両側の複数の凹部２５ａにおいて、７つの二次巻線１４はそれぞれ配置されることが可能であり、ここでＩビーム２５の高さは対応して拡張され、例えば５ｃｍだけより高くするように設計され、または、対応してより大きなベース体が使用される。したがって、大電流変圧器１２のＩビーム２５は、より大きな大電流を供給することができるようにするために、２つの二次巻線１４のみによって、両側で補充される。上記拡大によって、複数の接触冷却面はまた拡大可能である。さらに、対応してより多い複数の回路要素２４は並列に配置されることとなる。一次巻線１３は、例えば９８の伝送が達成されるように、より低い巻数に、例えば７回の巻数に低減可能である。断面の可能性がある増大により、また線路長の低減により、より高い一次巻線損失は、より大きい一次電流によって補償される。

したがって、２０ｋＡから３０ｋＡへの二次溶接電流の増大は、例えば５ｃｍだけのキューブまたは大電流変圧器１２の伸長をもたらすのみである。

大電流変圧器１２は好ましくは自律的に動作していかなる制御線路も備えないため、可能性があるエラーメッセージのための外部の複数の構成要素、特に制御装置、との外部への通信は可能とされるべきである。この目的のために、複数の二次巻線１４ならびに同期整流器１６および作動回路１７で構成される二次回路は、使用可能である。大電流変圧器１２のある状態において、特に大電流変圧器１２のアイドル状態において、複数の一次線路におけるアイドル状態の電流の流れが外部モニタリングユニットまたは制御装置によって検出可能であるように、上記大電流変圧器１２は、同期整流器１６を用いて、意識的に短絡されることが可能であり、したがって、電流により通信またはエラーメッセージが達成される。

例えば、温度センサを、大電流変圧器１２に、特に同期整流器１６上に統合することによって、温度が検出されて評価されることが可能となる。温度が例えば規定されたしきい値を超えるとき、アイドル状態にあるすなわち複数の溶接の中断の間の同期整流器１６は当然、作動回路１７によって短絡される。外部の制御装置は溶接が行われていないアイドル状態を知るため、それは大電流変圧器１２の複数の一次線路における増加した電流の流れによって検出または認識される。今や、外部の制御装置によって、冷却回路が活性化されたか、不具合を示すか、または、冷却効果が増加したか、が検討されることが可能であるため、より良好な冷却が行われる。

もちろん、対応するスイッチングまたはパルスパターン、すなわちアイドル状態における同期整流器１６の複数の回路要素２４において規定される開放（オープン）または短絡（クローズ）を介して、種々のエラーメッセージが外部に伝えられる。例えば、種々の温度値、２次電圧、電流、エラーメッセージなどが外部に送信されることが可能である。

しかしながら、そのような通信は溶接の間に行われることがまた可能であるが、そのような検出は明らかに困難である。例えば、対応する複数の信号は、特に複数の一次巻線１３によって、一次側電流に変調されること可能である。

Claims

直流電流を、特に大電流変圧器（１２）のキューブまたは切石形状のユニットに供給するための電源（１０）への統合のための同期整流器（１６）であって、
複数の回路要素（２４）と、
前記複数の回路要素（２４）を作動する作動回路（１７）と、
供給回路（４８）と、を備え、
導体トラックおよび接続面を有する印刷回路基板（３５）は複数の電子構成要素を受けるように配置される、同期整流器（１６）であって、
前記複数の回路要素（２４）、前記作動回路（１７）、および前記供給回路（４８）は、その自律動作のために前記印刷回路基板（３５）上に配置され、
並列および直列に設けられるいくつかの開口（３７）は、接触板（２９）の複数の突出部（３６）を受けるように前記印刷回路基板（３５）上に設けられ、
前記複数の回路要素（２４）は、前記複数の開口（３７）の上に配置されて接続またははんだ付けされ、前記接触板（２９）の前記複数の突出部（３６）と接触可能である、
ことを特徴とする同期整流器（１６）。
前記作動回路（１７）は、前記複数の回路要素（２４）の両側に配置され、前記複数の回路要素（２４）は、並列におよび直列に前記回路基板（３５）上に配置される、
ことを特徴とする、請求項１記載の同期整流器（１６）。
前記作動回路（１７）は、前記大電流変圧器（１２）に統合される少なくとも１つのセンサ、特に電流変換器（１８）に接続される、
ことを特徴とする、請求項１または２記載の同期整流器（１６）。
前記供給回路（４８）は、対応して大きいスイッチング電流を生成して、好ましくは８００Ａと１５００Ａとの間のスイッチング電流、特に１０００Ａのスイッチング電流を生成して対応する供給電圧を前記複数の構成要素に供給するために、形成される、
ことを特徴とする、請求項１〜３のうちのいずれか一項記載の同期整流器（１６）。
データ通信回路は、無線で、特に誘導的に、磁気的に、またはブルートゥースを介して、データを伝送するために配置される、
ことを特徴とする、請求項１〜４のうちのいずれか一項記載の同期整流器（１６）。
前記回路基板（３５）の一方の側において、はんだ付け可能な面は、前記接触板（２９）にはんだ付けされるために、全面にわたって設けられる、
ことを特徴とする、請求項１〜５のうちのいずれか一項記載の同期整流器（１６）。