JP2009124880A - 高電圧電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子ビーム発生回路の電源装置において、電子ビーム特有の現象である放電管内のアーキング現象と電源装置の負荷短絡故障を区別することができなかった。
【解決手段】電源装置の内部電流及び出力電流を検出する電流検出回路１０９、１１１を設け、電源の内部電流のみ過電流または短絡電流を検出した場合は、故障原因が電源内部回路と判別し、電源の内部電流と出力電流が同時に短絡電流を検出した場合は、短絡故障と判断して電源装置１００の出力を停止する。所定時間後に電源装置の再起動を行ない、この再起動中に、再度内部電流及び出力電流に過電流もしくは短絡電流が検出されない場合はアーキング現象と判別し、再度内部電流及び出力電流に過電流もしくは短絡電流が検出された場合は負荷短絡故障と判別し、電源装置１００の出力を停止するようにする。
【選択図】図１

Description

この発明は、電子ビーム発生回路の加速電源回路等として使用される高電圧電源装置に関するもので、特に電子ビーム特有の現象であるアーキング現象と負荷短絡故障を区別することができる高電圧電源装置に関するものである。

電子ビーム発生回路の放電管の電極間に接続される加速電源回路において、放電管内において電界集中が発生し異常放電（以後アーキング現象という）が発生することがある。
電子ビーム溶接の際に、電子銃内でカソードとアノードとの間にアーク放電（アーキング現象）が発生した時の負荷電流と、電源装置の後段に設けられるコッククロフトやトランスなどの昇圧回路の故障や、電源装置の出力端子に接続される放電管の短絡故障（負荷短絡故障）の場合の短絡電流はほぼ同じであるため、短絡故障原因の区別がつけにくいという問題があった。
また、負荷短絡故障時に出力半導体素子が破壊しないように、短絡電流を許容できる大容量の半導体素子を出力回路に搭載した高電圧電源装置が使用されるが、この場合でも半導体素子は保護できたとしても故障箇所の特定が困難であった。

電源装置の半導体素子に流れる電流を検出する電流検出回路を設け、過電流を検出した場合に負荷を電源から切離したり、半導体素子をソフトスタートにより再起動して半導体素子の破壊を防いだり、半導体素子の電圧及び電流耐量を小さくするようにした電源装置は一般的である。
例えば、電流検出回路で過電流が検出されても、それが正常状態での一時的なものであるか、電気回路の短絡などによる異常発生によるものかを確認し、その電流値が短時間で定常値に収束するものであるときには主電流通路の半導体素子を遮断しないようにするため、ある回数以下の過電流検出は無視し、ある回数以上の過電流を検出した場合のみ、負荷を電源から切離すようにした過電流遮断回路が知られている。（特許文献１参照）

また、半導体素子に流れる電流を検出する電流検出回路と、電流検出回路の出力が所定値を越えたことを判断するレベル判定回路を設け、電源起動時や負荷である放電器に短絡やアーク放電等の過負荷が発生して半導体素子に過大な電流が流れた場合は、半導体素子をソフトスタートさせるソフトスタート回路をリセットして、ソフトスタート回路を再起動するようにした高電圧電源装置が知られている。（特許文献２参照）
さらに、この特許文献２の高電圧電源装置には、昇圧トランスの２次側にも出力電流を検出する電流検出回路を設け、半導体素子のスイッチングを制御する制御回路に入力して半導体素子のタイミングを制御し、出力電圧あるいは出力電流を調整するようにしている。

特許第３４００３０２号公報 特開平５−１８４１４０号公報

このように従来の電源装置においては、電流検出回路が１箇所または２箇所設けられるものの、過電流を検出した後に、負荷を電源から切離すか、ソフトスタートで電源を再起動するか等の方法しかとられておらず、電源内部の故障か負荷短絡による故障か、あるいは電子ビーム特有のアーキング現象なのかを区別する方法はなかった。そのため、故障箇所の特定が困難で、事後の対策処置に長時間を要するなど不都合を来たしていた。
この発明は、電源装置に接続される負荷の短絡故障か、電源装置に接続される負荷の放
電管によるアーキング現象なのかを区別することができる、高電圧電源装置を提供することを目的とするものである。更には電源装置に接続される負荷の短絡故障とアーキング現象の故障の区別に加えて、電源装置の内部回路による故障をも区別することができる、高電圧電源装置を提供することを目的とするものである。

この発明に係る高電圧電源装置は、半導体素子で構成され外部指令値により出力電圧を調整する出力回路と、この出力回路の出力電流を検出する出力電流検出回路と、この出力電流検出回路が所定値以上の電流を検出した場合に、出力回路に停止信号を出力して出力回路の動作を停止すると共に、所定時間後に停止信号を解除する制御回路とを備え、停止信号の解除によって出力回路はソフトスタートにより再起動され、制御回路は再起動中に出力電流検出回路から再度所定値以上の電流を検出した場合は出力回路に接続される負荷回路の短絡故障と判別し、出力電流検出回路から再度所定値以上の電流を検出しなかった場合は出力回路の負荷である放電管のアーキング現象と判別するようにしたようにしたものである。

また、この発明に係る高電圧電源装置は、半導体素子で構成され外部指令値により出力電圧を調整する出力回路と、この出力回路の入力電流を検出する内部電流検出回路と、出力回路の出力に接続され所定値以上の過電流を検出した場合に過電流出力信号を出力する出力電流検出回路と、内部電流検出回路及び出力電流検出回路の検出結果を受け、これら検出結果より電源の仕様で定められた過電流閾値以上の過電流であるか、もしくは過電流閾値よりも大きな値に定められた短絡電流閾値以上の短絡電流であるかを判断する制御回路とを備え、制御回路は、２つの電流検出回路の検出結果から、出力回路の故障と出力回路に接続される昇圧回路の故障と出力回路の負荷である放電管のアーキング現象とを判別するようにしたものである。

この発明は、出力回路の出力電流が所定値以上の電流となった場合に、出力回路の動作を一旦停止してその後出力回路を再起動し、この再起動中に出力電流が再度所定値以上の電流となった場合は出力回路に接続される負荷回路の短絡故障と判別し、出力電流が再度所定値以上の電流とならなかった場合は出力回路の負荷である放電管のアーキング現象と判別するようにしているから、簡単に負荷短絡故障とアーキング現象の区別ができ、負荷回路である昇圧回路等の故障検出回路も不要となる。

またこの発明は、電源の内部電流と出力電流を個別に検出し、また内部電流の大きさにより過電流か短絡電流かを判断し、これら内部電流の値と出力電流が過電流レベルかの２つの検出結果により、故障原因が電源内部回路なのか電源の出力回路に接続される負荷回路なのかを判別することができる。また出力電流が過電流レベルの負荷回路故障の場合は、出力回路の動作を一旦停止してその後出力回路を再起動し、この再起動中に出力電流が再度過電流となった場合は負荷回路である昇圧回路の短絡故障と判別し、出力電流が再度過電流とならなかった場合は電源装置の負荷である放電管のアーキング現象と判別するようにしているから、出力回路に接続される昇圧回路の短絡故障と電源負荷である放電管のアーキング現象の区別ができる。このようにして電源内部故障と昇圧回路の短絡故障とアーキング現象との区別を簡単に出来るので、事後の対策処置が短時間で行なえる効果を有する。

実施の形態１
この発明の実施の形態１に係る高電圧電源装置について図面を参照しながら説明する。図１はこの発明の実施の形態１による高電圧電源装置の回路構成図、図２はこの発明の実施の形態１による高電圧電源装置の制御タイムチャート図、図３はこの発明の実施の形態１による高電圧電源装置の全体動作を示す関係図である。

図１において、電子ビーム発生用の高電圧電源装置１００は、高電圧電源装置１００を入力電源に接続するための入力端子１０１と、電源の負荷回路である昇圧回路１０８に接続される出力端子１０２を備えている。また昇圧回路１０８の出力には負荷として図示しない電子ビーム発生回路の放電管が接続される。入力端子１０１には高電圧電源装置１００を入力電源から切り離すための遮断機１０３が接続される。なお遮断機１０３としては、外部信号により開閉可能な電磁開閉器やＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子を用いた遮断回路が用いられる。この遮断機１０３の後段には入力電力を整流するための整流回路１０４が接続される。整流回路１０４の出力端には、負荷電流の変動の際に整流回路１０４の出力電圧を安定させるための平滑コンデンサ１０５が接続される。平滑コンデンサ１０５の両端には、外部指令値１０６より高電圧電源の出力電圧を調整する出力回路１０７が設けられ、この出力回路１０７はスイッチング素子である複数の半導体素子によって構成されている。なおこの出力回路１０７はスイッチング素子のゲート信号を作成し、出力電圧および出力電流を外部指令値１０６に近づける機能をそれ自身が持っている。

出力端子１０２には出力回路１０７からの出力電圧を昇圧する昇圧回路１０８が設けられ、この昇圧回路１０８としてはトランスで絶縁されたコッククロフト昇圧回路を想定するが、他の昇圧回路としてトランス等でもかまわない。
コッククロフト昇圧回路の場合、回路素子の破壊により昇圧回路の段数が減ってしまい、志望の電圧昇圧比が満たせなくなる。この場合、コッククロフト昇圧回路のすべてのコンデンサが充電されてしまい、コッククロフト入力のトランスの二次側電流が制限されるためトランス一次側に過電流が流れることがある。またコッククロフトのコンデンサが短絡故障した場合、トランス二次側に短絡電流が流れるために、トランス一次側に過電流が流れることがある。

整流回路１０４の出力端に接続された平滑コンデンサ１０５と出力回路１０７の間には内部電流検出回路１０９が接続され、出力回路１０７の入力電流値、すなわち電源内部に流れる電流を検出して内部電流検出値１１０を出力する。出力回路１０７と昇圧回路１０８の間には出力電流検出回路１１１が接続され、出力回路１０７の出力電流値、すなわち高電圧電源から流れ出る出力電流を検出し、出力電流が所定値以下であれば「０」（オフ）、所定値以上の過電流であれば「１」（オン）の過電流出力信号１１２を出力する。なお内部電流検出回路１０９および出力電流検出回路１１１はシャント抵抗などを用いた電流値の高速検出が可能な回路構成とする。

内部電流検出回路１０９が出力する内部電流検出値１１０と出力電流検出回路１１１が出力する過電流出力信号１１２を入力する制御回路１１３は、それぞれの電流検出回路の電流検出値が電源の仕様で定められた過電流検出値以上である過電流であるか、もしくは前記の過電流検出値よりも大きな値に設定され、部品の定格により定められる短絡電流検出値以上である短絡であるかを判断し、異常電流の原因を特定する。即ち、制御回路１１３は、２つの電流検出回路１０９、１１１からの検出結果より、高電圧電源装置１００の短絡原因の特定を行い、電源内部故障の場合は、高電圧電源装置１００を内部故障から保護するため入力端子１０１から高電圧電源装置１００を切り離すための遮断制御信号１１４を遮断機１０３へ出力する。また電源外部の負荷短絡故障の場合は、出力回路１０７の半導体素子のスイッチング動作を停止するための出力停止信号１１５を出力する。

また、出力回路１０７には、制御回路１１３からの出力停止信号１１５により出力回路１０７の動作を停止した後に出力回路１０７を再起動するため、半導体素子のスイッチング素子のオン時間を徐々に長くすることにより半導体素子のピーク電流を抑えながら定常動作に移行するためのソフトスタート回路１１６が設けられている。
制御回路１１３で判断した故障原因は電源外部の外部回路１１７や光（ランプ）、音などにより電源外部に故障原因が通知され、監視員が事後の故障原因を取り除く対策が行えるようにしている。

なおこの実施の形態１では高電圧電源装置１００の入力端子１０１に接続される入力電源として３相交流の場合について説明しているが、入力が直流である場合、整流回路１０４を省略して、ダイオード等を介するもしくは平滑コンデンサ１０５に直接接続するなどの形態でもかまわない。

また出力電流は出力回路１０７の出力端に接続された出力電流検出回路１１１で検出しているが、内部電流検出回路１０９の内部電流検出値１１０から出力電流を検出することもできる。出力電流値の検出を出力電流検出回路１１１で行った場合、出力電流検出回路１１１と制御回路１１３のＧＮＤ（グランド）に電位差が生じており、検出値を制御回路１１３に送る際、検出信号を絶縁して制御回路１１３へ送る必要があるため、回路規模および検出遅れ時間が大きく生じてしまう。内部電流検出回路１０９で電流値を検出する場合、制御回路１１３と内部電流検出回路１０９との電位差が小さく、制御回路１１３と主回路の絶縁を取る必要がないため、絶縁することなく電流検出値を制御回路１１３に伝達することができる。このため内部電流検出値１１０で出力電流を検出すれば、電流検出及び保護動作の遅れを小さくすることができる。なおこの場合でも、検出された電流値が負荷短絡電流か内部短絡電流かの区別をつけるため、出力電流検出回路１１１により定格電流以上の電流出力検出を行って、「０」「１」の過電流出力信号１１２は出力する必要がある。

次にこの発明の実施の形態１における高電圧電源装置の動作を図２及び図３に基づいて説明する。
なお、各電流検出回路１０９、１１１及び制御回路１１３における検出値や検出閾値はアナログ値で図を表記しているが、検出値はアナログ、ディジタル値形式を問わない。また、各検出回路１０９、１１１及び制御回路１１３は、コンパレータなどによるアナログ回路、もしくはアナログ回路とディジタル回路をあわせた回路により構成することができる。

この発明の特徴として、短絡電流が生じた際、短絡故障原因が電源内部の回路故障によるものなのか、負荷短絡故障によるものなのか、負荷である放電管によるアーキング現象によるものなのかを、制御回路１１３が内部電流検出値１１０と過電流出力信号１１２の検出信号により判断する。
図２は異常信号が検出された場合の制御回路１１３の入出力パターンを示す図であり、内部電流検出値１１０と過電流出力信号１１２が制御回路１１３の入力となり、遮断制御信号１１４と出力停止信号１１５が制御回路１１３の出力となる。
内部電流検出値１１０により短絡電流と過電流を区別して検出する閾値として、過電流検出閾値１１８と短絡検出閾値１１９の２つの閾値を設定する。過電流検出閾値１１８は電源の仕様により定められ、短絡検出閾値１１９は過電流検出閾値１１８よりも大きな値に設定され、出力回路１０７で使用している半導体素子の定格により定められるものとする。

電源定格運転時以上の過電流が生じた際、内部電流検出回路１０９が出力する内部電流検出値１１０を制御回路１１３が受け、その電流値が過電流検出閾値１１８以上となった場合に過電流と判断する。また、内部電流検出回路１０９が出力する内部電流検出値１１０を制御回路１１３が受け、その電流値が短絡検出閾値１１９以上となった場合に短絡電流と判断する。
図３は図２の制御タイムチャートの各時間Ｔ１〜Ｔ４および短絡電流検出後のソフトスタート再起動中における動作を、各電流検出回路１０９、１１１が検出する電流と制御回路１１３との関係で示したものである。

図２の時間Ｔ１において、内部電流検出回路１０９の出力する内部電流検出値１１０が定格運転時の電流値（過電流検出閾値１１８）以上の電流値を検出し、一方、出力電流検出回路１１１の出力する過電流出力信号１１２が入力されていない場合、制御回路１１３は出力回路１０７の故障と判断し、高電圧電源装置１００を入力電源系統から切り離すために遮断制御信号１１４を遮断機１０３に出力し、高電圧電源装置１００を入力端子１０１から切り離す。この際制御回路１１３から外部回路１１７へは内部故障信号が出力される。

図２の時間Ｔ２において、内部電流検出値１１０が過電流検出閾値１１８以上の電流を検出し、かつ出力電流検出回路１１１の過電流出力信号１１２が出力（オン）された際、制御回路１１３が過電流と判断し高電圧電源装置１００の出力回路１０７のスイッチング動作を停止するための出力停止信号１１５を出力する。この際制御回路１１３から外部回路１１７には過電流信号が出力される。出力停止信号１１５は外部信号などにより解除されるまでその停止状態を保持し、出力停止信号１１５解除後に高電圧電源装置１００の出力回路１０７はソフトスタート回路１１６により再起動を行う。

図２の時間Ｔ３において、内部電流検出回路１０９から短絡電流（短絡検出閾値１１９）以上の内部電流検出値１１０が検出され、出力電流検出回路１１１から過電流出力信号１１２が入力されていない場合、制御回路１１３は出力回路１０７の短絡故障と判断し、高電圧電源装置１００を入力電源系統から切り離すために、制御回路１１３より遮断機１０３に遮断制御信号１１４を出力し、高電圧電源装置１００を入力端子１０１から切り離す。この際制御回路１１３から外部回路１１７には内部短絡故障を伝えるための内部短絡故障信号が出力される。

図２の時間Ｔ４において、内部電流検出回路１０９の出力する内部電流検出値１１０が短絡電流レベル（短絡検出閾値１１９）以上の電流を検出し、出力電流検出回路１１１の過電流出力信号１１２が出力（オン）された場合、制御回路１１３が電源外部の昇圧回路１０８などの負荷回路による短絡故障と判断し、高電圧電源装置１００の出力回路１０７のスイッチング動作を停止するための出力停止信号１１５を出力する。出力回路１０７は出力停止信号１１５を受け瞬時に出力動作を停止する。所定の待ち時間Ｔａの後、制御回路１１３は出力停止信号１１５を自動的に解除し、出力回路１０７は正常時と同様にソフトスタート回路１１６により立ち上げ、昇圧回路１０８への出力を再開する。所定の待ち時間Ｔａの間に放電管の電極間内の電界異常分布を解消し、アーキング現象が連続して起こらないようにする処置を行う事も可能である。

再起動時のソフトスタート期間中Ｔｂに、再び内部電流検出回路１０９の出力する内部電流検出値１１０が過電流検出閾値１１８、もしくは短絡電流検出閾値１１９以上の電流を検出し、かつ出力電流検出回路１１１の過電流出力信号１１２が出力（オン）された場合、制御回路１１３は短絡の原因が昇圧回路１０８もしくは出力負荷短絡故障と判断し、出力回路１０７のスイッチング動作を停止するための出力停止信号１１５を出力する。このようにして制御回路１１３は短絡の原因が出力短絡と判断した場合、出力回路１０７のスイッチング動作を停止するための出力停止信号１１５を保持し続け、高電圧電源装置１００の出力を停止させる。この際制御回路１１３から外部回路１１７へは負荷短絡故障信号が出力され、外部信号による出力停止信号１１５の解除があるまで短絡信号は保持される。
このソフトスタートによる負荷短絡検出は、誤検出回避のため過電流、もしくは短絡電流値を数回検出した場合、出力停止信号１１５が出力される等の対応でもかまわない。また、この場合の再スタートは負荷短絡の原因判別のために行うのであり、原因究明のためのソフトスタートの期間は通常のソフトスタートの期間より短く、昇圧回路１０８からの電圧を外部からの指定電圧まで上昇させなくてもかまわない。

再起動のソフトスタートの期間中Ｔｂに、再び内部電流検出回路１０９の出力する内部電流検出値１１０が短絡電流（短絡検出閾値１１９）を検出し、過電流出力信号１１２が制御回路１１３に入力されなかった場合は、制御回路１１３は出力回路１０７の故障と判断し、高電圧電源装置１００を入力電源系統から切り離すために遮断制御信号１１４を遮断機１０３に出力し、高電圧電源装置１００を入力端子１０１から切り離す。制御回路１１３から外部回路１１７には内部短絡故障を伝えるための内部故障信号が出力される。

再起動のソフトスタート期間中Ｔｂに、出力電流検出回路１１１から過電流出力信号１１２が入力されず、また内部電流検出回路１０９の出力する内部電流検出値１１０が過電流検出閾値１１８、もしくは短絡電流検出閾値１１９以上の電流を検出しなかった場合、短絡原因は出力回路１０７の負荷である放電管のアーキング現象と判断し、出力回路１０７のスイッチング動作を停止するための出力停止信号１１５を出力する。また制御回路１１３から外部回路１１７にはアーキング検出信号が出力される。

上記の時間Ｔ１〜Ｔ４およびＴ４後のソフトスタート再起動時期間中における高電圧電源装置１００の電流検出回路１０９、１１１及び制御回路１１３の各動作の関係を纏めて図３に記載している。なおこの図３において、内部電流検出値の「有」は各検出閾値１１８、１１９以上の電流を検出したことを示す。
この図３から明らかなように、内部電流検出値１１０と過電流出力信号１１２を個別に検出し、過電流や短絡電流の原因が電源の内部回路なのか負荷回路なのかを判別するようにしている。また、電源の内部電流のみ過電流または短絡電流を検出した場合は、故障原因が電源内部回路と判断し、高電圧電源装置１００を入力電源系統から切り離すようにしている。また、電源装置１００の内部電流検出値の大きさにより短絡電流か過電流かを判断し、内部電流と出力電流が同時に過電流を検出した場合は、過電流と判断し高電圧電源装置１００の出力を停止するようにしている。これにより、負荷短絡の場合と過電流の場合を区別することができる。

さらに、高電圧電源装置１００の内部電流と出力電流が同時に短絡電流を検出した場合は、電源装置１００は出力を停止し、電源装置の再起動を行なう。再起動の際、再度内部電流及び出力電流に過電流もしくは短絡電流が検出されない場合は、アーキング現象と判別し高電圧電源装置１００の出力回路１０７の出力を停止するようにしている。再起動の際、短絡電流レベルの内部電流及び出力電流が同時に検出された場合は、負荷短絡と判別し高電圧電源装置１００の出力回路１０７の出力を停止するようにしている。これによりアーキング現象なのか負荷短絡なのかの区別をすることができ、昇圧回路１０８の故障検出回路が別途必要なくなる。

以上説明した実施の形態１の発明は、内部電流検出回路１０９と出力電流検出回路１１１の検出結果から、電源装置の出力回路１０７故障による電源内部回路故障と昇圧回路１０８などの負荷短絡故障（昇圧回路故障）と負荷である放電管の異常放電時のアーキング現象の３つの故障を区別して判別するようにしたが、制御回路１１３は遮断機１０３の遮断制御信号１１４を出力する機能を省略するなどして、少なくとも負荷短絡故障と異常放電時のアーキング現象が区別して判別できるようにしてもよい。

実施の形態２
次にこの発明の実施の形態２に係わる高電圧電源装置について説明する。図４はこの発明の実施の形態２による高電圧電源装置の回路構成図、図５はこの発明の実施の形態２による高電圧電源装置の制御タイムチャート図、図６はこの発明の実施の形態２による高電圧電源装置の全体動作を示す関係図である。

図４において、実施の形態２の回路構成が実施の形態１と異なる点は、外部指令値１０６を制御回路１１３に入力して、制御回路１１３から出力回路１０７のスイッチング素子のゲート信号１２１を出力している。そして昇圧回路１０８の出力電圧を出力電圧検出回路１２０にて検出し、この出力電圧検出回路１２０からの出力電圧を制御回路１１３に入力して、外部指令値１０６により指定された出力電圧になるように、出力回路１０７のスイッチング素子のゲート信号１２１を調整している。このように制御回路１１３は外部指令値１０６と検出した出力電圧に基づいたゲート信号１２１を出力回路１０７へ出力し、出力回路１０７はそのゲート信号１２１を受けて半導体素子のスイッチングを行い、高電圧電源装置１００の出力電圧を調整するようにしている。したがってこの実施の形態２ではソフトスタート回路１１６は制御回路１１３の中に設けられている。

更に、遮断機１０３はそれ自身が電流検出機能をもち、高電圧電源装置１００の入力電流を検出し、設定された電流値以上の電流を検出した際、高電圧電源装置１００を入力端子１０１から切り離すようにしている。但しこの場合、平滑コンデンサ１０５による遅れや、遮断機１０３の遅れ時間が大きいため、短絡時の出力回路１０７の半導体素子の保護は不十分と考えられる。即ち、遮断機１０３は電源内部の故障、並びに定格以上の過負荷を検出し、高電圧電源装置１００を入力端子１０１から切り離す内部電流検出回路の機能を有しているものである。したがってこの実施の形態２では実施の形態１における内部電流検出回路１０９は備えていない。また遮断機１０３は外部回路１１７へ電源内部故障信号１２２を出力するため、その電源内部故障信号１２２を制御回路１１３に入力するようにしている。

出力電流検出回路１２３は高電圧電源装置１００の出力回路１０７の出力電流を検出しその出力電流検出値１２４を制御回路１１３に入力するようにしている。制御回路１１３は出力電流検出回路１２３が出力する出力電流検出値１２４を受け、過電流検出閾値１１８とこの過電流閾値１１８よりも大きな値の短絡電流検出閾値１１９の２つのレベルで判断し、出力電流が過電流か短絡電流であるかを検出している。
その他の回路構成は実施の形態１と同じにつき同じ符号を付して説明を省略する。

次にこの発明の実施の形態２における高電圧電源装置の動作を図５及び図６に基づいて説明する。図５は異常信号が検出された場合の制御回路１１３の入出力パターンを示す図であり、出力電流検出値１２４が制御回路１１３の入力となる。ゲート信号１２１の出力停止信号１２１ａは、制御回路１１３から出力回路１０７に出力されているゲート信号１２１が制御回路１１３から出力されないようゲート信号を停止する信号で、制御回路１１３内で処理される信号である。出力停止信号１２１ａが出力（オン）されたとき，制御回路１１３から出力されるゲート信号１２１は停止され、出力回路１０７はスイッチング動作を停止する。
図６は図５の制御タイムチャートの各時間Ｔ５〜Ｔ７および短絡電流検出後のソフトスタート再起動中における動作を、出力電流検出回路１２３が検出する出力電流検出値１２４と制御回路１１３との関係で示したものである。

図５の時間Ｔ５において、出力電流検出回路１２３からは過電流の出力電流検出値１２４は検出されないが、遮断機１０３の電流検出機能が定格運転時の電流値以上の電流を検出した場合、遮断機１０３は高電圧電源装置１００を入力端子１０１から切離す。それと同時に遮断機１０３は電源内部故障信号１２２を制御回路１１３に出力し、制御回路１１３は電源内部の回路故障と判断して外部回路１１７に電源内部故障信号を出力する。

図５の時間Ｔ６において、遮断機１０３の電流検出機能は過電流を検出していないが、出力電流検出回路１２３からの出力電流検出値１２４が過電流検出閾値１１８以上の電流を検出した際、制御回路１１３は過電流と判断し高電圧電源装置１００の出力回路１０７のスイッチング動作を停止するためゲート信号１２１の出力を停止する出力停止信号１２１ａを出力する。この際、制御回路１１３から外部回路１１７には過電流信号が出力される。出力停止信号１２１ａは外部信号などにより解除されるまでその停止状態を保持し、出力停止信号１２１ａ解除後に高電圧電源装置１００の制御回路１１３は出力回路１０７にゲート信号１２１の出力を開始し、ソフトスタート回路１１６により出力回路１０７は再起動を行う。

図５の時間Ｔ７において、出力電流検出回路１２３の出力する出力電流検出値１２４が短絡電流レベル（短絡検出閾値１１９）以上の電流を検出した場合、制御回路１１３が電源外部の負荷回路による短絡故障もしくは負荷である放電管のアーキング現象と判断し、高電圧電源装置１００の出力回路１０７のスイッチング動作を停止するためゲート信号１２１の出力を停止する出力停止信号１２１ａを出力する。出力回路１０７は出力停止信号１２１ａを受け瞬時に出力動作を停止する。所定の待ち時間Ｔａの後、制御回路１１３は出力停止信号１２１ａを自動的に解除し、遮断機１０３が遮断している場合、遮断機１０３を復旧させ正常時と同様にソフトスタート回路１１６により出力回路１０７にゲート信号１２１を出力して出力回路１０７を立ち上げ、昇圧回路１０８への出力を再開する。所定の待ち時間Ｔａの間に放電管の電極間内の電界異常分布を解消し、アーキング現象が連続して起こらないようにする処置を行う事も可能である。

ソフトスタートによる再起動は短絡原因判別のために行うためであり、ソフトスタートの期間は通常のソフトスタートの期間より短く、昇圧回路１０８の出力電圧を外部指定電圧まで上昇させなくてもてもかまわない。
再起動時のソフトスタート期間中Ｔｂに、再び出力電流検出回路１２３の出力する出力電流検出値１２４が過電流検出閾値１１８、もしくは短絡電流検出閾値１１９以上の電流を検出した場合、制御回路１１３は短絡の原因が出力負荷短絡故障と判断し、出力回路１０７のスイッチング動作を停止するためのゲート信号１２１の出力を停止する出力停止信号１２１ａを出力する。こうして制御回路１１３は短絡の原因が出力短絡と判断した場合、出力回路１０７のスイッチング動作を停止するための出力停止信号１２１ａを保持し続け、高電圧電源装置１００の出力を停止させる。この際制御回路１１３から外部回路１１７へは負荷短絡故障信号が出力され、外部信号による出力停止信号１２１ａの解除があるまで短絡信号は保持される。この検出は、誤検出回避のため数回過電流を検出した場合に短絡原因を判断し出力停止するなどの対応でもかまわない。

再起動時のソフトスタート期間中Ｔｂに、出力電流検出回路１２３の出力する出力電流検出値１２４が過電流もしくは短絡電流レベルの電流を検出しなかった場合、制御回路１１３は短絡原因がアーキング現象と判断し、出力回路１０７を動作させるためのゲート信号１２１の出力を停止させる出力停止信号１２１ａを出力する。同時に、外部回路１１７ヘアーキング検出信号を出力する。

上記の時間Ｔ５〜Ｔ７およびＴ７後のソフトスタート再起動時期間中における高電圧電源装置１００の出力電流検出回路１２３及び制御回路１１３の各動作の関係を纏めて図６に記載している。なおこの図６において、出力電流検出値１２４の「有」は各検出閾値１１８、１１９以上の電流を検出したことを示す。
この図６から明らかなように、出力電流検出回路１２３の出力電流検出値１２４の大きさにより短絡電流か過電流かを判断し、過電流と判断した場合は高電圧電源装置１００の出力を停止するようにしている。また短絡電流と判断した場合は、高電圧電源装置１００の出力を停止し、所定時間後に電源装置の再起動を行なう。再起動の際、再度出力電流に過電流もしくは短絡電流が検出されない場合はアーキング現象と判別し、高電圧電源装置１００の出力回路１０７の出力を停止するようにしている。再起動の際、再度出力電流に過電流もしくは短絡電流が検出された場合は負荷短絡と判別し、高電圧電源装置１００の出力回路１０７の出力を停止するようにしている。これによりアーキング現象なのか昇圧回路故障なのかの区別をすることができる。

このように実施の形態２の発明は、出力電流検出回路１２３で過電流検出閾値１１８以上の電流を検出した場合は出力回路１０７のスイッチング動作を停止して待機し、短絡電流検出閾値１１９以上の電流を検出した場合は出力回路１０７のスイッチング動作を停止し、所定時間後にソフトスタートにより出力回路１０７を再起動し、再度過電流または短絡電流を検出した場合は昇圧回路故障である負荷短絡故障、再度過電流または短絡電流を検出しない場合はアーキング現象と判別するようにしている。
なお負荷短絡故障とアーキング現象とを区別するだけであれば、出力電流検出回路１２３は短絡電流検出閾値のみを検出するようにしてもよい。また電源内部の回路故障を検出する必要がない場合は、遮断機１０３自身に電流検出機能を有していなくてもよい。

更に実施の形態２の発明では、外部指令値１０６を制御回路１１３に入力して、制御回路１１３から出力回路１０７のスイッチング素子のゲート信号１２１を出力するようにしたが、実施の形態１のように外部指令値１０６を出力回路１０７に直接入力するようにしてもよい。この場合、制御回路１１３より出力回路１０７へ送られる信号は、出力停止信号１１５となる。
また実施の形態１の発明において、外部指令値１０６を実施の形態２の発明のように制御回路１１３に入力し、出力電圧検出回路１２０を接続して、その電圧を制御回路１１３に入力するようにしてもよい。この場合、制御回路１１３より出力回路１０７へ送られる信号はスイッチング素子のゲート信号１２１となる。

実施の形態３
図７はこの発明の実施の形態３における高電圧電源装置の回路構成を示す図である。図７において、実施の形態２の図４と異なる点は、遮断機１０３から制御回路１１３に電源内部故障信号１２２を出力するようにしていないものである。
即ち、高電圧電源装置１００の故障は遮断機１０３により検出するため、制御回路１１３にて電源装置の内部故障であるかどうかを知る必要がない場合、遮断機１０３の開閉状態を遮断器自身から外部に表示できるようなものにおいては、遮断機１０３から電源内部故障信号１２２を制御回路１１３に出力する必要はなく、回路構成も簡単となる。

この発明の実施の形態１における高電圧電源装置の回路構成図である。 この発明の実施の形態１における制御タイムチャート図である。 この発明の実施の形態１における全体動作の関係図である。 この発明の実施の形態２における高電圧電源装置の回路構成図である。 この発明の実施の形態２における制御タイムチャート図である。 この発明の実施の形態２における全体動作の関係図である。 この発明の実施の形態３における高電圧電源装置の回路構成図である。

符号の説明

１００：高電圧電源装置 １０１：入力端子
１０２：出力端子 １０３：遮断機
１０４：整流回路 １０５：平滑コンデンサ
１０６：外部指令値 １０７：出力回路
１０８：昇圧回路 １０９：内部電流検出回路
１１０：内部電流検出値 １１１：出力電流検出回路
１１２：過電流出力信号 １１３：制御回路
１１４：遮断制御信号 １１５：出力停止信号
１１６：ソフトスタート回路 １１７：外部回路
１１８：過電流検出閾値 １１９：短絡電流検出閾値
１２０：出力電圧検出回路 １２１：ゲート信号
１２１ａ：ゲート信号の出力停止信号 １２２：電源内部故障信号
１２３：出力電流検出回路 １２４：出力電流検出値

Claims (8)

1. 半導体素子で構成され外部指令値により出力電圧を調整する出力回路と、この出力回路の出力電流を検出する出力電流検出回路と、この出力電流検出回路が所定値以上の電流を検出した場合に、前記出力回路に停止信号を出力して前記出力回路の動作を停止すると共に、所定時間後に前記停止信号を解除する制御回路とを備え、前記停止信号の解除によって前記出力回路はソフトスタートにより再起動され、前記制御回路は再起動中に前記出力電流検出回路から再度所定値以上の電流を検出した場合は前記出力回路に接続される負荷回路の短絡故障と判別し、前記出力電流検出回路から再度所定値以上の電流を検出しなかった場合は前記出力回路の負荷である放電管のアーキング現象と判別するようにした高電圧電源装置。
2. 半導体素子で構成され外部指令値により出力電圧を調整する出力回路と、この出力回路の入力電流を検出する内部電流検出回路と、前記出力回路の出力に接続され所定値以上の過電流を検出した場合に過電流出力信号を出力する出力電流検出回路と、前記内部電流検出回路及び出力電流検出回路の検出結果を受け、これら検出結果より電源の仕様で定められた過電流閾値以上の過電流であるか、もしくは前記過電流閾値よりも大きな値に定められた短絡電流閾値以上の短絡電流であるかを判断する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記２つの電流検出回路の検出結果から、前記出力回路の故障と前記出力回路に接続される昇圧回路の故障と前記出力回路の負荷である放電管のアーキング現象とを判別するようにした高電圧電源装置。
3. 前記制御回路は、前記内部電流検出回路及び出力電流検出回路の検出結果のうち、前記内部電流検出回路より過電流もしくは短絡電流が検出され、前記出力電流検出回路からの過電流出力信号が出力されなかった場合、前記出力回路の故障と判別することを特徴とする請求項２記載の高電圧電源装置。
4. 前記制御回路は、前記内部電流検出回路及び出力電流検出回路の検出結果のうち、前記内部電流検出回路より短絡電流が検出され、前記出力電流検出回路が過電流出力信号を出力した場合、瞬時に前記出力回路の動作を停止し、所定時間経過後にソフトスタートにより前記出力回路を再起動し、再度短絡電流もしくは過電流を検出した場合は前記出力回路に接続される昇圧回路の故障と判別することを特徴とする請求項２記載の高電圧電源装置。
5. 前記制御回路は、前記内部電流検出回路及び出力電流検出回路の検出結果のうち、前記内部電流検出回路より短絡電流が検出され、前記出力電流検出回路が過電流出力信号を出力した場合、瞬時に前記出力回路の動作を停止し、所定時間経過後にソフトスタートにより前記出力回路を再起動し、再度短絡電流もしくは過電流を検出しない場合は前記出力回路に接続される放電管のアーキング現象と判別することを特徴とする請求項２記載の高電圧電源装置。
6. 前記出力回路の前段に、外部信号により導通もしくは遮断することができる遮断機を設け、前記制御回路が前記出力回路の故障と判別した際、前記遮断機を遮断し前記出力回路を入力から切り離すようにした請求項２乃至請求項５のいずれか１つに記載の高電圧電源装置。
7. 前記出力回路の前段に、電流検出機能を有する遮断機を設け、前記遮断機の電流検出機能が所定値以上の電流を検出した場合に、前記遮断機を遮断して前記出力回路を入力から切り離すようにした請求項１に記載の高電圧電源装置。
8. 前記制御回路は、前記出力電流検出回路が検出する電流を過電流検出閾値と前記過電流閾値よりも大きな値の短絡電流検出閾値の２つのレベルで判断し、前記過電流検出閾値以上の電流を検出した場合は前記出力回路の動作を停止して待機し、前記短絡電流検出閾値以上の電流を検出した場合は前記出力回路の動作を停止し、所定時間後にソフトスタートにより前記出力回路を再起動し、この再起動中に再度過電流または短絡電流を検出した場合は前記出力回路に接続される昇圧回路の故障、再度過電流または短絡電流を検出しない場合は前記昇圧回路に接続される放電管のアーキング現象と判別することを特徴とする請求項１または請求項７に記載の高電圧電源装置。

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