JP2012070620A

JP2012070620A - 高電流パルス電源の制御方法および電源回路

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Publication number: JP2012070620A
Application number: JP2011200066A
Authority: JP
Inventors: Isaacson Michael; イサクソンマイケル; Dewayne Wyatt Johnny; デュウェインワイアットジョニー; Moses Gannet Jr; ギャネットモーゼスジュニア
Original assignee: Kidde Technologies Inc
Current assignee: Kidde Technologies Inc
Priority date: 2010-09-22
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2012-04-05
Also published as: IL215198B; ZA201105816B; EP2434602A3; AU2011218782A1; CA2967404A1; AU2011218782B2; KR20120031125A; TW201223078A; US20120072739A1; IL215198A0; CA2749451A1; CA2749451C; CA2967404C; EP2434602A2; TWI502853B

Abstract

【課題】望ましい高電流負荷スパイクと、電源または負荷内の短絡から生じる連続的な故障電流とを識別することができる短絡制御を提供すること。
【解決手段】ステップ２２０において、電流センサ１７０は、入力負荷電流を計測し、この計測された電流をコントローラ１６０へ伝達する。そして、ステップ２３０において、コントローラ１６０は、入力負荷電流が所定の電流閾値を超過しているかを判断する。電流閾値を超過している場合には、ステップ２４０において、コントローラ１６０は、期間カウンタを起動する。そして、ステップ２５０が、超過電流期間が超過電流期間閾値を超過していると判断した場合には、ステップ２７０において、コントローラ１６０は、短絡故障が電源１１０に存在すると判断する。短絡故障を検出すると、コントローラ１６０は、ステップ２８０において、一次電源１１０を絶縁する。そして、ステップ２９０において、コントローラ１６０は、負荷１４０にバックアップ電源１２０を接続する。
【選択図】図２

Description

本発明は、高電流パルス電源の短絡制御に関する。

一次電源として、バッテリや他の電力貯蔵装置を用いた用途においては、電源に短絡故障が存在するかを判断するために、一般に、短絡検出回路が内蔵されている。また、短絡検出回路は、短絡を検出したときに、負荷から電源を絶縁することができ、これにより、負荷の作動を妨害し得る過度の故障電流が負荷に生じなくなる。さらに、短絡故障に起因して一次電源が負荷から絶縁されたときに、負荷へ電力を供給し続けるために、バックアップ電源が内蔵されていることが多い。また、バックアップ電源を用いたシステムは、接続されたバックアップ電源において短絡を検出するための検出回路も備えている。追加的な検出回路を内蔵すると、上記のシステムの構成に付加的な重量およびコストが生じる。

１つの通常の短絡検出方法は、電源の出力電流が電流閾値を超過したときを検出するために、コントローラと組み合わされた電流センサを用いている。出力電流が電流閾値を超過しているときには、コントローラは、短絡が存在すると判断し、電源を遮断する。閾値は、予想される短絡電流に設定され、該短絡電流は、通常の動作で使用される電流よりも大きいものである。

本発明は、高電流パルス電源の制御方法を開示している。この方法は、電流センサを用いて負荷電流を検出するステップと、負荷電流が電流閾値を超過し、かつ期間が超過電流期間閾値よりも大きいときに、負荷から電源を絶縁するステップと、を含む。

また、本発明は、スイッチ駆動装置に電気的に接続されるコントローラを有した電源回路を開示している。また、この電源回路は、スイッチ駆動装置にそれぞれ電気的に接続される複数の電力チャネルであって、各々が複数の電源のうちの１つを負荷電力入力部に接続する複数の電力チャネルも備えている。さらに、この電源回路は、負荷電力入力部およびコントローラに接続された電流センサも備えている。電流センサは、負荷入力電流を検出し、この負荷入力電流をコントローラに伝達することができる。

一次電源、バックアップ電源および短絡検出手段を有してなる電気システム用の電源回路の概略図である。高電流パルス電源システムにおいて短絡を検出するための方法を示したフローチャートである。

ある電気システムは、高電流パルスを用いて動作する。このシステムでは、予想される短絡電流が、高電流パルスの大きさよりも低いものとなり得る。周知の短絡検出回路では、望ましい電流パルスの大きさが、予想短絡電流を超過しているときに短絡故障（ｆａｌｓｅｓｈｏｒｔｃｉｒｃｕｉｔ）が検出され得る。

図１には、高電流パルス電源回路１００が概略的に示されている。電源回路１００は、一次電源１１０および二次（バックアップ）電源１２０を備えている。電源１１０，１２０の各々は、出力電力ライン１１２，１２２を備えており、該出力電力ライン１１２，１２２の各々は、対応したスイッチ回路１３０に接続されている。ここで、電源１１０，１２０は、任意の周知の形式の電源とすることができる。１つの例では、電源１１０，１２０の各々は、１つまたは複数のバッテリである。出力電力ライン１１２，１２２とスイッチ回路１３０との組み合わせは、電力チャネル１１６，１２６と呼ばれる。スイッチ回路１３０の各々によって、対応した出力電力ライン１１２，１２２を負荷電力入力部１４２に接続することができ、負荷電力入力部１４２は、負荷１４０に電力を供給する。スイッチ回路１３０は、スイッチ駆動装置１５０によって制御され、該スイッチ駆動装置１５０は、（コントローラ１６０と呼ばれることもある）マイクロコントローラ１６０によって制御される。電流センサ１７０が、負荷電力入力部１４２において、負荷１４０へ流入する電流を監視し、マイクロコントローラ１６０に制御信号１７２を送信し、これにより、マイクロコントローラ１６０に負荷１４０へ流入する電流の大きさを伝達する。また、電源１１０，１２０の各々は、マイクロコントローラ１６０への制御接続部１１４，１２４も備えている。制御接続部１１４，１２４によって、コントローラ１６０は、電源統計情報（ｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ）、例えば、残りの電力を検出することができる。また、コントローラ１６０は、電源１１０，１２０からの電力出力を制御することもできる。

通常の動作時には、電源１１０，１２０の各々は、電力チャネル１１６，１２６を介して負荷１４０に接続されている。各電力チャネル１１６，１２６内のスイッチ回路１３０は、出力電力ライン１１２，１２２を遮断することができるように構成されている。電源１１０，１２０の各々は、対応した電力チャネル１１６，１２６によって負荷電力入力部１４２に接続されており、これにより、コントローラ１６０は、短絡故障している電源１１０，１２０を絶縁することができる。

通常の動作時に、負荷１４０が周期的な高電流負荷スパイクを必要とするときに、通常の短絡検出方法においては、各電流スパイクにおいて誤ってトリップすることになり、これは適切ではない。代わりに、図１に示したコントローラ１６０は、短絡が存在するときを判断するために、電流センサ１７０および一対の電流閾値を用いる。例えば、電流センサ１７０は、ホール効果センサとすることができる。

電流センサ１７０は、負荷電力入力部１４２の電流の大きさを検出し、この電流が電流閾値（ｃｕｒｒｅｎｔｍａｇｎｉｔｕｄｅｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）を超過しているかを判断する。電流閾値は、予想短絡出力電流に設定され、該予想短絡出力電流を超過したときにトリップされる。電流閾値を超過したときには、コントローラ１６０は、電流閾値を超過していた期間を決定し、この電流閾値の超過期間を、超過電流期間閾値と比較する。コントローラ１６０は、電流閾値および期間閾値の双方を超過したときに短絡故障が存在すると判断する。このように、コントローラ１６０は、電源１１０，１２０の予想短絡電流を超過する望ましい高電流負荷スパイクと、電源１１０，１２０または負荷１４０内の短絡から生じる連続的な故障電流とを識別することができる。

負荷電力入力部に電流センサ１７０を配置することによって、コントローラ１６０は、いずれの電源１１０，１２０が負荷１４０に電力を供給しているかに拘わらず、通流している負荷電流を検出する。この構成によって、単一の電源が所定の時間の間だけ負荷１４０に電力を供給するように使用されるシステムにおいて、電源１１０，１２０の全てを制御するように使用すべき単一の電流センサ１７０が提供される。代替的に、コントローラ１６０が各電流センサ１７０のための専用のコントローラ入力部を備えるようにして、電流出力ライン１１２，１２２の各々に電流センサ１７０を配置することができる。

図１の例では、コントローラ１６０は、プログラム可能なマイクロコントローラであり、このマイクロコントローラは、図２について後述される方法を実行するための指示を記憶することができるコンピュータ可読媒体を備えている。プログラム可能なマイクロコントローラ１６０によって、使用者は、接続された負荷１４０の電力要求に基づいて電流閾値および期間閾値を修正することができる。プログラム可能なコントローラによって、電源１１０，１２０が代替的な電源と交換された場合に、もしくは望ましい負荷電力プロフィール（ｐｒｏｆｉｌｅ）が変化した場合に、同様の制御方法を用いることができる。例えば、初期の負荷が、高電流でかつ非常に短いパルスを有するプロフィールを要求する場合には、コントローラ１６０は、高電流閾値および非常に低い期間閾値を有するようにプログラムされる。また、負荷が、高電流でかつ中間の長さのパルスを有するプロフィールを要求する場合には、コントローラ１６０は、高電流閾値および中間の長さの期間閾値を有するようにプログラムされる。

図１のスイッチ回路１３０は、接続された電源１１０，１２０を電気的に絶縁することができる任意の周知のスイッチ装置とすることができる。例示的なスイッチ回路１３０は、ＭＯＳＦＥＴ（金属−酸化物−半導体電界効果トランジスタ）とダイオードとからなるアレイであり、該アレイは、ＭＯＳＦＥＴ／デュアルダイオードアレイスイッチを形成するように周知の原理に従って構成されている。ＭＯＳＦＥＴ／デュアルダイオードアレイは、スイッチ駆動装置１５０から高制御入力または低制御入力を受ける。高入力によって、アレイは、「オン」モードに置かれ、出力電力部１１２，１２２と負荷電力入力部１４２との間の接続がもたらされる。また、低入力によって、アレイは、「オフ」状態に置かれ、電源出力部１１２，１２２は、負荷電力入力部１４２から電気的に絶縁される。追加的なスイッチ１３０を付加することによって、高電流パルス電源回路１００に追加的な一次電源またはバックアップ電源を付加することができ、スイッチ１３０の各々は、１つの付加的な一次電源またはバックアップ電源の接続を制御することを理解されたい。さらに、同様の制御方法を用いて、他の形式のスイッチ装置が作動することができ、該スイッチが本発明に属することを理解されたい。

図２には、図１の短絡検出・保護方法の動作のための方法２００が概略的に示されている。最初に、方法２００では、「負荷へ電力を供給する」ステップ２１０において、電力が、一次電源１１０から負荷１４０へ供給される。そして、「入力負荷電流を検出する」ステップ２２０において、電流センサ１７０は、入力負荷電流を計測し、この計測された電流をコントローラ１６０へ伝達する。そして、「入力電流が閾値を超過するか？」ステップ２３０において、コントローラ１６０は、入力負荷電流が所定の電流閾値を超過しているかを判断する。電流閾値を超過していない場合には、上記方法は、「負荷へ電力を供給する」ステップ２１０において再始動する。

電流閾値を超過している場合には、「期間カウンタを起動する」ステップ２４０において、コントローラ１６０は、期間カウンタを起動する。期間カウンタは、入力負荷電流が電流閾値を超過した期間を決定するソフトウェアカウンタとすることができる。そして、「期間が閾値を超過しているか？」ステップ２５０において、コントローラ１６０は、期間が超過電流期間閾値を超過しているかを見るために確認する。超過電流期間閾値を超過していない場合には、「電流閾値を超過していないか？」ステップ２６０において、コントローラ１６０は、電流閾値を超過したままであるかを判断する。電流閾値を超過していない場合には、「負荷へ電力を供給する」ステップ２１０において、コントローラ１６０は、上記方法を再始動する。電流閾値を一時的に超過したが超過電流期間閾値を超過していない状態は、望ましい高電流パルスが存在し、短絡故障が無いことを示している。

電流閾値を超過したままである場合には、コントローラ１６０は、超過電流の期間を判断し続け、「期間が超過電流期間閾値を超過しているか？」ステップ２５０へ戻る。「期間が超過電流期間閾値を超過しているか？」ステップ２５０が、超過電流期間が超過電流期間閾値を超過していると判断した場合には、「短絡故障の存在を判断する」ステップ２７０において、コントローラ１６０は、短絡故障が電源１１０に存在すると判断する。

短絡故障を検出すると、コントローラ１６０は、「接続された電源を絶縁する」ステップ２８０において、負荷電力入力部１４２にバックアップ電源１２０を接続するために、図１について上述した方法を用いて一次電源１１０を絶縁する。そして、「バックアップ電源を接続する」ステップ２９０において、コントローラ１６０は、負荷１４０にバックアップ電源１２０を接続する。あるいは、短絡故障を検出したときに、バックアップ電源１２０が接続される場合に、コントローラ１６０は、一次電源１１０に切り替えるか、もしくは負荷１４０から電源１１０，１２０を完全に絶縁することができる。

当業者であれば、一次電源およびバックアップ電源以上に複数の電源を有した単一の負荷に適応するように上述の方法を再構成することができることを理解されたい。

本発明の好ましい実施例を開示したが、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、いくつかの変更がなされ得ることを理解するであろう。この理由から、本発明の特許請求の範囲および内容を確定するために、付記の特許請求の範囲を検討されたい。

Claims

電流センサを用いて負荷電流を検出するステップと、
前記負荷電流が電流閾値を超過し、かつ期間が超過電流期間閾値よりも大きいときに、負荷から電源を絶縁するステップと、
を含む高電流パルス電源の制御方法。
前記絶縁するステップは、第１のスイッチ構成要素をオフに設定し、負荷電力入力部から一次電源を絶縁することをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記絶縁するステップは、第２のスイッチ構成要素をオンに設定し、前記負荷電力入力部にバックアップ電源を接続することをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
前記負荷電力入力部にバックアップ電源を接続することは、複数の電源が前記負荷に同時に接続されることを阻止するように、前記負荷電力入力部から一次電源を絶縁することの後に実施されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
前記検出するステップは、ホール効果電流センサを用いて、前記負荷電力入力部の負荷電流を検出することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記絶縁するステップは、前記負荷電流が前記電流閾値を超過しているときに、期間カウンタを起動するコントローラをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記絶縁するステップは、前記期間カウンタの期間を前記超過電流期間閾値と比較し、前記負荷電流が前記電流閾値を超過し、かつ前記期間が前記超過電流期間閾値よりも大きいときを判断することをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
前記期間カウンタは、コントローラソフトウェアモジュールを備えることを特徴とする請求項６に記載の方法。
前記電流閾値は、予想される短絡故障電流にほぼ等しいか、またはこれよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記超過電流期間閾値は、少なくとも望ましい電流パルス期間であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
スイッチ駆動装置に電気的に接続されたコントローラと、
前記スイッチ駆動装置にそれぞれ接続される複数の電力チャネルであって、各々が複数の電源のうちの１つを負荷電力入力部に接続する複数の電力チャネルと、
負荷入力電流を検出し、該負荷入力電流を前記コントローラに伝達することができるように、前記負荷電力入力部および前記コントローラに接続された電流センサと、
を備えた電源回路。
前記電力チャネルの各々は、電源出力電力ラインと、該電源出力電力ラインを遮断することができる電力スイッチとを備えることを特徴とする請求項１１に記載の電源回路。
前記電力スイッチの各々は、金属−酸化物−半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）／デュアルダイオードアレイであることを特徴とする請求項１２に記載の電源回路。
前記コントローラは、プログラム可能なマイクロコントローラであることを特徴とする請求項１１に記載の電源回路。
前記プログラム可能なマイクロコントローラは、コンピュータ可読媒体をさらに備え、前記コンピュータ可読媒体は、電流センサを用いて負荷電流を検出し、該負荷電流が電流閾値を超過し、かつ期間が超過電流期間閾値よりも大きいときに、負荷から電源を絶縁するステップを前記コントローラに実施させるための指示を記憶することを特徴とする請求項１４に記載の電源回路。
前記プログラム可能なマイクロコントローラは、ソフトウェア期間カウンタをさらに備えることを特徴とする請求項１４に記載の電源回路。
前記電源の各々は、前記コントローラが前記電源の各々を制御することができるように、制御接続部を介して前記コントローラに電気的に接続されることを特徴とする請求項１１に記載の電源回路。