CN107546986B - 沿面放电元件驱动用电源电路 - Google Patents

沿面放电元件驱动用电源电路 Download PDF

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Abstract

本实施方式的沿面放电元件驱动用电源电路，对放电电极与感应电极以在它们之间隔着电介体的方式配置的沿面放电元件进行驱动，具备：开关电路，将包括正侧及负侧开关元件的串联电路并联连接2组而成，被供给直流电源；平滑电容器，与所述开关电路并联连接；变压器，1次侧连接在所述开关电路的输出端子间；电流检测部，检测在所述负侧开关元件中流通的电流；屏蔽期间设定部，基于通过驱动所述沿面放电元件而产生的共振现象的频率，设定将所述负侧开关元件的断开禁止的屏蔽期间；以及控制部，在经过了所述屏蔽期间后，基于经由所述电流检测部检测的电流的过零点，使所述负侧开关元件断开。

Description

沿面放电元件驱动用电源电路
技术领域
本发明的实施方式涉及沿面放电元件驱动用电源电路。
背景技术
沿面放电元件驱动用电源电路，通过例如将直流电压源开关的开关电路、共振用电抗器、电压升压用高电压变压器及沿面放电元件构成。并且，利用由共振电抗器及沿面放电元件的电容成分产生的共振现象，产生高频高电压。在这种构成中，沿面放电元件的电容成分，不仅根据设置环境大幅变动，还根据放电时的流的生长状态等大幅变动，因此需要如日本国专利第4029422号公报所公开那样限制通过电压和电流决定的功率，并使共振频率在一定的范围中动作。
另外，伴随着沿面放电元件的电容成分的增减，电路中流通的共振电流也变化。因此，在电容负载变得过大时，因开关元件的开关噪声、与该元件并联连接的二极管的恢复电流的影响而误检测共振电流过零点，无法使放电动作稳定的问题是存在的。
发明内容
因此，提供一种沿面放电元件驱动用电源电路，即使沿面放电元件的寄生电容根据外部环境、放电而变动，也能够在不限制输出范围的情况下进行稳定动作。
本实施方式的沿面放电元件驱动用电源电路，对放电电极与感应电极以在它们之间隔着电介体的方式配置的沿面放电元件进行驱动，具备：开关电路，将包括正侧及负侧开关元件的串联电路并联连接2组而成，被供给直流电源；平滑电容器，与所述开关电路并联连接；变压器，1次侧连接在所述开关电路的输出端子间；电流检测部，检测在所述负侧开关元件中流通的电流；屏蔽期间设定部，基于通过驱动所述沿面放电元件而产生的共振现象的频率，设定将所述负侧开关元件的断开禁止的屏蔽期间；以及控制部，在经过了所述屏蔽期间后，基于经由所述电流检测部检测的电流的过零点，使所述负侧开关元件断开。
附图说明
图1是第1实施方式，是表示电源电路的电气构成的图。
图2是表示电源电路的动作的时序图。
图3是表示负载电容小时的动作的时序图。
图4是表示负载电容大时的动作的时序图。
图5是表示驱动信号生成电路的电气构成的图。
图6是表示驱动信号生成电路的动作的时序图。
图7是表示产生了以开关元件为噪声源的共态噪声的情况下的各信号波形的图。
图8是以基于MCU的控制内容为中心进行表示的流程图。
图9是与图8的处理内容对应的时序图。
图10是假定在断开许可期间内无法将开关元件断开的情况，并表示出无法适当地维持共振状态的情况下的1次侧电压及1次侧电流的波形的图。
图11是第2实施方式，是表示电源电路的电气构成的图。
图12是表示电源电路的动作的时序图。
图13是表示驱动信号生成电路的电气构成的图。
图14是表示驱动信号生成电路的动作的时序图。
具体实施方式
(第1实施方式)
以下，参照图1至图10对第1实施方式进行说明。图1表示本实施方式中的电源电路的电气构成。整流电路1，通过与例如商用三相交流电源2连接的例如三相整流器3、限流电抗器4及平滑电容器5构成。整流电路1将三相交流的200V(Vac)变换为直流的280V(Vdc)。
与整流电路1连接的降压电路6，通过开关元件7及8的串联电路、电抗器9及平滑电容器10的串联电路构成，该电抗器9及平滑电容器10的串联电路与开关元件8并联连接。降压电路6将整流电路1的输出电压降压到20V～200V。开关元件7及8，使用具备例如旁路二极管的IGBT(Insulate Gate Bipolar Transistor)，但可以使用MOSFET(Field EffectTransistor)等功率器件。另外，关于开关元件8，也可以使用不是自灭弧元件的整流器那样的半导体器件。
与降压电路6连接的串联共振电路11，具备通过开关元件12a、12b、12c、12d构成的开关电路(H电桥电路)12。在开关电路12的输出端子间，经由共振电抗器13连接有高频高压变压器14的1次侧绕组15。在高频高压变压器14的2次侧绕组16上，连接有用电容器的符号表示的沿面放电元件17(放电元件电容)。沿面放电元件17，在放电电极17a与感应电极17b之间配置电介体17c而构成。
在开关电路12的负侧支路即开关元件12d、12c与负侧电源线之间，分别插入有电流检测元件18a、18b(电流检测单元)。开关元件7及8以及开关元件12a～12d的驱动信号，通过MCU19(参照图5，电流检测单元、控制单元)来提供。沿面放电元件17与共振电抗器10的共振现象，通过开关电路12的开关动作而产生。MCU(微型计算机)19，通过电流检测元件18a、18b检测共振电流，并基于该共振电流输出开关元件12a～12d的驱动信号。以上构成电源电路20。
接着，参照图2至图10对本实施方式的作用进行说明。如图2所示，开关元件12a及12b的驱动信号，以按设定为沿面放电周期的开关频率的50％占空比为高电平的方式输出。MCU19使开关元件12a及12c同时导通。并且，MCU19，使开关元件12a及12c，在通过电流检测元件18b检测到经由共振电抗器13及高频高压变压器14流通的共振电流的过零点的定时截止(断开)。另外，MCU19同样地、使开关元件12b及12d同时导通时，在检测到共振电流的过零点的定时截止。所述共振电流的共振频率比开关元件12a、12b的开关频率高速，因此也比MCU19的控制周期快。
这里，共振频率根据沿面放电元件17自身的寄生电容和与在放电时产生的流的生长状态等对应的电容成分而变化。尤其在沿面放电元件17被设置在室外的情况下，例如雨等的环境因素、尘土、尘埃与沿面放电元件17冲突从而寄生电容变化。图3及图4表示负载变动发生时的高频高压变压器14的2次侧电压及电流波形，电流的共振频率和过零点根据负载的大小而不同。
关于这样的发生负载变动的沿面放电元件17，在图5所示的驱动信号生成电路40中，检测共振电流的过零点后生成开关元件12c、12d的截止指令，并维持正常的共振动作。在该例子中，示出使用分流电阻作为电流检测元件18的情况下的电路。
通过分流电阻18检测的电流是微弱的信号，因此将该信号通过差动放大电路21放大后使SN比提高。差动放大电路21具备运算放大器22，运算放大器22的非反转输入端子，经由电阻元件23与分流电阻18的一端(开关元件12c的发射极)连接。另外，所述非反转输入端子，通过电阻元件24被上拉。运算放大器22的反转输入端子，经由电阻元件25与分流电阻18的另一端(接地)连接。另外，所述反转输入端子，经由电阻元件26与运算放大器22的输出端子连接。
通过差动放大电路21放大后的信号，通过下一级的数字变换电路27被变换为以电流的过零点为基准的数字信号。数字变换电路27具备比较器28。比较器28的非反转输入端子，经由电阻元件29与差动放大电路21的输出端子连接。另外，所述非反转输入端子经由电容器30与接地连接。比较器28的反转输入端子与对直流电源电压分压的电阻元件31及32的串联电路的共用连接点连接。另外，所述反转输入端子经由电容器33与接地连接。比较器28的输出端子通过电阻元件34被上拉。另外，所述输出端子经由电容器35与接地连接。
对数字变换电路27事先赋予滞后特性，以能够在通常电流未流通时输出高电平的信号，比较器28的比较信号，变化到电流值成为负极性为止。如果这样构成，则数字变换电路27的输出信号，在共振电流的过零点从高电平向低电平变化。
数字变换电路27的输出信号，经由用于将主电路与控制电路绝缘的绝缘器(Digital Isolator)36以及由电阻元件37及电容器38构成的低通滤波器39被输入至MCU19。在上述中，差动放大电路21～低通滤波器39构成驱动信号生成电路40。并且，驱动信号生成电路40的输出信号的下降沿，成为对于MCU19的中断信号(过零信号)。
对MCU19输入的过零信号是例如数10kHz～100kHz的信号，因此绝缘器36使用能够高速变换的数字隔离器。MCU19因被输入的中断信号的下降沿即截止中断，对开关元件12c及12d输出截止指令。然后通过该截止指令，如图6所示那样，在借助MCU19中的软件处理和未图示的开关驱动电路的延迟之后，开关元件12c及12d截止。此时，需要在共振电流成为负极性的期间截止，因此所述驱动电路的门负载，设定为以最小负载能够截止的常数。
这里，沿面放电元件17，通过对置的电极17a、17b构成，所以这些电极17a、17b与接地之间的电容，即对地间电容变大。因此，将开关元件12作为噪声源的非常大的共态噪声，经由变压器14及沿面放电元件17而产生。该共态噪声如图7所示那样，在使对沿面放电元件17施加的电压上升并使之沿面放电的期间产生。
另外，产生共态噪声的定时，与开关元件12导通的定时一致。在产生开关噪声时，产生具有由在电路的配线电感和平滑电容器10通过的路径决定的共振频率的阻尼振荡，该阻尼振荡，通过上述共振的路径具有的电阻成分而衰减。这样，开关元件12进行开关动作的定时的噪声环境恶劣，为了稳定地进行开关动作，需要噪声对策。
上述的共振频率比开关元件12的开关频率快，并且比MCU19的控制周期快。因此，将噪声对策设想为，通过例如硬逻辑对于对开关元件12输出的信号进行块化即区块化。可是在此情况下，需要与共振电流到达过零点的定时几乎同时地使开关元件12截止。于是，作为误动作对策，需要另外附加滤波器、延迟电路等。其结果是，无法应对大范围的负载变动，因此并不优选。
因此，在本实施方式中，在MCU19中，在沿面放电元件17的电容表示出最小的情况下的共振周期的1/2的期间内，设定用于将负侧开关元件12c、12d的断开禁止的屏蔽期间。利用该屏蔽期间，在软件上进行区块化动作。MCU19相当于屏蔽期间设定部及控制部。
如上所述，共态噪声及开关噪声产生的定时，与开关元件12导通的定时大致一致。因此，在正侧开关元件12a、12b刚刚导通之后误检测到共振电流的过零点而引起误动作的可能性大。过零点最高速地被检测到是沿面放电元件17的电容表示出最小的情况，该电容的最小值，由电极17a、17b间的寄生电容决定。一般而言，目录规范示出的寄生电容为最小值的情况较多。
图8是以MCU19的处理为中心表示的串联共振电路11的控制流程图，图9是与图8的处理内容对应的时序图。首先，在使开关元件12a及12c同时导通时(S1)，使开关元件12c的截止许可计时器开始(S2)。截止许可计时器，是对到许可已导通的开关元件12c的截止为止的时间T12c＿dff进行计时的计时器。反言之，截止许可计时器正在进行计时期间，为开关元件12c的断开被禁止的期间。该断开被禁止的期间相当于屏蔽期间。
然后，在截止许可计时器的计时时间T达到截止许可时间T12c＿dff时(S3中为是)，许可开关元件12c的截止(S4)。在经过了截止许可时间T12c＿dff后输入了开关元件12c的截止中断时(S5中为是)，使开关元件12c截止(S6)。另外，关于开关元件12a，在使导通状态继续了从开关周期的1/2减去为了防止短路而设定的死区时间后的期间之后(S7)使之截止(S8)。然后，使开关元件12c的断开许可期间结束(S9)。即，步骤S4～S8相当于开关元件12c的断开许可期间。
接下来，在经过了死区时间后(S10)，使开关元件12b及12d同时导通(S11)，使开关元件12d的截止许可计时器开始(S12)。这里的截止许可计时器，是对到许可已导通的开关元件12d的截止为止的时间T12d＿dff进行计时的计时器。然后，与开关元件12a及12c的情况同样地，上述截止许可计时器的计时时间T达到截止许可时间T12d＿dff时(S13中为是)，许可开关元件12d的截止(S14)。在经过了截止许可时间T12d＿dff后输入了开关元件12d的截止中断时(S15中为是)，使开关元件12d截止(S16)。以后的步骤S17～S20，是与步骤S7～S10对应的处理。
图10是假定在各个断开许可期间内无法使开关元件12c、12d断开的情况，并表示出无法适当地维持共振状态的情况下的1次侧电压及1次侧电流的波形。
如以上所述，根据本实施方式，在驱动沿面放电元件17的电源电路20中，开关电路12，将由正侧开关元件12a及12b、负侧开关元件12c及12d构成的串联电路并联连接而成，被供给直流电源。平滑电容器10与开关电路12并联连接，在开关电路12的输出端子间连接高频高电压变压器14的1次侧。将电流检测元件18a、18b分别配置在负侧开关元件12d、12c的发射极与负侧电源线之间。
MCU19检测在电流检测元件18a、18b中流通的共振电流，在使负侧开关元件12c、12d导通了以后，设定将各自的截止禁止的屏蔽期间。并且，在经过了该期间后，基于所述电流的过零点，使负侧开关元件12c、12d断开。由此，即使1次侧损失根据温度特性、负载变动等而变化，也能够可靠地维持共振状态并以高精度进行放电功率的控制。
(第2实施方式)
图10至图14是第2实施方式，对与第1实施方式相同的部分标注同一符号并省略说明，对不同的部分进行说明。如图11所示，第2实施方式的电源电路71是，将1个电流检测元件18连接配置在开关元件12c及12d的共用连接点即两者的发射极与平滑电容器10的负侧端子之间的构成。
接着，参照图11至图14对第2实施方式的作用进行说明。另外，MCU19的控制内容与图8所示的控制内容是同样的。如图12所示，与第1实施方式同样地，开关元件12c、12d，基于在串联共振电路11中流通的共振电流的过零点来进行开关控制。但是，在第2实施方式的情况下，通过1个电流检测元件18，混合地检测出开关元件12a、12c导通时产生的共振电流的过零点和开关元件12b、12d导通时产生的共振电流的过零点。
图13表示与开关元件12c、12d分别对应的驱动信号生成电路40c、40d的构成。是基本上与第1实施方式的驱动信号生成电路40相同的构成，如图14所示那样，通过将驱动信号生成电路40c、40d相对于电流检测元件18并联地连接，能够在开关元件12c、12d各自中流通的共振电流的过零点生成截止中断信号。并且，关于开关元件12c、12d的断开许可期间的设定，也与第1实施方式同样地进行。
在此情况下，基于驱动信号生成电路40c、40d的输出信号的截止中断，在相同的定时产生，但开关元件12c、12d各自的断开许可期间被设定的定时不同，所以没有问题。
如以上所述，根据第2实施方式，将1个电流检测元件18连接配置于开关元件12c及12d的共用连接点与平滑电容器14的负侧端子之间。这样，即使是在开关元件12a～12d中流通的共振电流共存的状态下进行检测的构成，也能够检测共振电流的过零点，并对于产生负载变动的沿面放电元件17，在维持了共振频率的状态下高精度地控制放电功率。
并且，与第1实施方式同样地、设定屏蔽期间，在经过了该期间后，基于所述电流的过零点使负侧开关元件12c、12d断开，所以与第1实施方式同样地、即使1次侧损失由于温度特性、负载变动等而变化，也能够可靠地维持共振状态并能够以高精度进行放电功率的控制。
对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子提示的，意图不是限定发明的范围。这些新的实施方式，能够以其他各种各样的方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形，包含于发明的范围及主旨，并且包含于权利要求书所记载的发明及其等同的范围。

Claims (3)

1.一种沿面放电元件驱动用电源电路，驱动沿面放电元件，该沿面放电元件是放电电极与感应电极以在它们之间隔着电介体的方式配置的沿面放电元件，所述沿面放电元件驱动用电源电路具备：
开关电路，将包括正侧及负侧开关元件的串联电路并联连接2组而成，被供给直流电源；
平滑电容器，与所述开关电路并联连接；
变压器，1次侧连接在所述开关电路的输出端子间；
电流检测部，检测在所述负侧开关元件中流通的电流；
屏蔽期间设定部，基于通过驱动所述沿面放电元件而产生的共振现象的频率，设定将所述负侧开关元件的断开禁止的屏蔽期间；以及
控制部，在经过了所述屏蔽期间后，基于经由所述电流检测部检测的电流的过零点，使所述负侧开关元件断开。
2.根据权利要求1所述的沿面放电元件驱动用电源电路，
所述电流检测部具备分别连接在各组的负侧开关元件与负侧电源线之间的2个电流检测元件。
3.根据权利要求1所述的沿面放电元件驱动用电源电路，
所述电流检测部具备插入到将所述开关电路与所述平滑电容器连接的负侧电源线中的电流检测元件。
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