JP2022146090A - Surge protection circuit for dc power distribution - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、雷等の突発的な大電流・大電圧から機器や装置等を防護する、SPD(Surge protective device、サージ防護デバイス)を用いた、サージ防護回路に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a surge protection circuit using an SPD (Surge protective device) that protects equipment, devices, etc. from sudden high current/high voltage such as lightning.
従来から、雷等の突発的な大電流・大電圧(≒サージ)から機器や装置等を防護する、SPDを用いたサージ防護回路が存在している。 2. Description of the Related Art Conventionally, there have been surge protection circuits using SPDs that protect equipment and devices from sudden large currents and large voltages (≈surges) such as lightning.
そして、サージ防護回路には、ガス放電管(GDT)を用いたものや、酸化亜鉛型バリスタ(MOV)を用いたものがある。 Surge protection circuits include those using a gas discharge tube (GDT) and those using a zinc oxide varistor (MOV).
例えば、特許文献1では、酸化亜鉛型バリスタの熱暴走による発煙発火を防止するために、バリスタ劣化による発熱で断線動作する温度ヒューズを酸化亜鉛形バリスタに一体に組み付ける構成が開示されている。
For example,
しかしながら、上述したガス放電管を用いたサージ防護回路は、小型で大電流に対応できるが、直流回路の場合、放電(アーク)が続流してしまい、回路の破壊等が生じてしまう。なお、「続流」とは、サージが終息した後、装置の主電源電圧及びガス放電管内のアーク放電によって、放電が維持され、回路内を電流が継続して流れる現象を指す。交流電源(回路)では、ゼロクロスにより、0Vを迎えるが、直流電源(回路)では、0Vに至らないことから、続流対策が必要となる。 However, although the surge protection circuit using the gas discharge tube described above is compact and can handle a large current, in the case of a direct current circuit, a discharge (arc) continues to flow, resulting in damage to the circuit. "Follow-on" refers to a phenomenon in which, after the surge has ended, the discharge is maintained by the main power supply voltage of the device and the arc discharge in the gas discharge tube, and the current continues to flow in the circuit. AC power supplies (circuits) reach 0V due to zero crossing, but DC power supplies (circuits) do not reach 0V, so follow current countermeasures are required.
一方、酸化亜鉛型バリスタを用いたサージ防護回路では、続流は発生しないが、形状が大きく、大電流には不向きである。また素子自体も高価である。 On the other hand, a surge protection circuit using a zinc oxide varistor does not generate a follow current, but is large in size and unsuitable for large currents. Also, the device itself is expensive.
そこで、上記問題点に対処するため、大電流に対応し、続流を抑制可能な直流配電用のサージ防護回路を提供することを目的とする。 Therefore, in order to deal with the above problems, it is an object of the present invention to provide a surge protection circuit for DC power distribution that can handle large currents and suppress follow currents.
前記目的を達成するため、請求項1に係る発明は、
正極端子と負極端子の間に設けられる直流配電用のサージ防護回路であって、
前記正極端子と前記負極端子を接続する第1の電流路上にガス放電管が直列に設けられ、
前記第1の電流路と並列に第2の電流路が設けられ、
当該第2の電流路上にコンデンサと半導体素子が直列に設けられ、
前記コンデンサと並列に抵抗が設けられ、
前記第1の電流路に電流センサが接続され、当該電流センサの出力端子が、遅延回路を介して前記半導体素子に接続されている、直流配電用のサージ防護回路とした。
In order to achieve the above object, the invention according to
A surge protection circuit for direct current distribution provided between a positive terminal and a negative terminal, comprising:
A gas discharge tube is provided in series on a first current path connecting the positive electrode terminal and the negative electrode terminal,
A second current path is provided in parallel with the first current path,
a capacitor and a semiconductor element are provided in series on the second current path;
A resistor is provided in parallel with the capacitor,
A current sensor is connected to the first current path, and the output terminal of the current sensor is connected to the semiconductor device via a delay circuit, in a surge protection circuit for DC power distribution.
また、請求項2に係る発明は、
正極端子、あるいは負極端子と基準電位点の間に設けられる直流配電用のサージ防護回路であって、
前記正極端子、あるいは前記負極端子と前記基準電位点を接続する第1の電流路上にガス放電管が直列に設けられ、
前記第1の電流路と並列に第2の電流路が設けられ、
当該第2の電流路上にコンデンサと半導体素子が直列に設けられ、
前記コンデンサと並列に抵抗が設けられ、
前記第1の電流路に電流センサが接続され、当該電流センサの出力端子が、遅延回路を介して前記半導体素子に接続されている、直流配電用のサージ防護回路とした。
Further, the invention according to claim 2 is
A surge protection circuit for direct current distribution provided between a positive terminal or a negative terminal and a reference potential point,
A gas discharge tube is provided in series on a first current path connecting the positive electrode terminal or the negative electrode terminal and the reference potential point,
A second current path is provided in parallel with the first current path,
a capacitor and a semiconductor element are provided in series on the second current path;
A resistor is provided in parallel with the capacitor,
A current sensor is connected to the first current path, and an output terminal of the current sensor is connected to the semiconductor device via a delay circuit, in a surge protection circuit for DC power distribution.
また、請求項3に係る発明は、
前記電流センサが、ホール素子を用いた電流センサである、請求項1又は2に記載の直流配電用のサージ防護回路とした。
Further, the invention according to claim 3 is
3. The surge protection circuit for DC power distribution according to
また、請求項4に係る発明は、
前記遅延回路が、コイルL及びコンデンサCが直列されたLC回路である、請求項1~3のいずれかに記載の直流配電用のサージ防護回路とした。
In addition, the invention according to claim 4,
A surge protection circuit for DC power distribution according to any one of
また、請求項5に係る発明は、
前記遅延回路が、抵抗R及びコンデンサCが直列されたRC回路である、請求項1~3のいずれかに記載の直流配電用のサージ防護回路とした。
Further, the invention according to claim 5 is
A surge protection circuit for direct current power distribution according to any one of
また、請求項6に係る発明は、
前記半導体素子が、サイリスタである、請求項1~5のいずれかに記載の直流配電用のサージ防護回路とした。
Further, the invention according to claim 6 is
A surge protection circuit for DC power distribution according to any one of
本発明によって、続流を抑制しながら、小型、安価かつ大電流に対応可能なガス放電管を、直流配電システム用のサージ防護回路に、使用することができる。また、本発明では、時間的に劣化する構成要素は、ガス放電管だけであるため、ランニングコストを低減させることができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, a gas discharge tube that is compact, inexpensive, and capable of handling a large current while suppressing follow-current can be used in a surge protection circuit for a DC power distribution system. Also, in the present invention, the only component that deteriorates over time is the gas discharge tube, so the running cost can be reduced.
(実施の形態例1)
以下、添付図面を参照して本発明に係る実施の形態例1を詳細に説明する。ただし、本実施の形態例に記載されている構成要素はあくまでも例示であり、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。なお、本発明に係る実施の形態例1のサージ防護回路1は、雷等の大電流・大電圧から、直流配電を受ける機器や装置を、防護するために設けられるものである。
(Embodiment example 1)
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A first embodiment according to the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. However, the components described in this embodiment are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to them. The
<直流配電用のサージ防護回路1の構成>
実施の形態例1の直流配電用のサージ防護回路1は、装置の主電源電圧が印加される、正極端子31と負極端子32間に設けられる。
<Configuration of
A
正極端子31と負極端子32を接続する第1の電流路11上にガス放電管GDT12が直列に設けられている。
A gas
ガス放電管GDT12は、電極121を対向させた絶縁体容器122の中に、ガスが封入された構造で、印加される電圧に依存した動作をする。即ち、電極121間にしきい値より低い電圧が印加されても、インピーダンスが高い状態が維持され、電極121間に電流は流れない。一方、電極121間にしきい値以上の電圧(雷等によって突発的に発生した異常な高電圧・高電流(サージ)等)が印加された場合には、封入されたガスがイオン化し、電極121間にアーク放電が起こり、接地側(本実施の形態例1では、負極端子32)に電流が流れる。
The gas discharge tube GDT12 has a structure in which a gas is sealed in an
第1の電流路11と並列に第2の電流路13が設けられ、第2の電流路13上で、電位が高い順に、コンデンサC14、半導体素子15と、直列に設けられている。また、コンデンサC14と並列に抵抗R16が設けられている。詳しくは、第2電流路13と並列に第3の電流路17が設けられ、第3電流路17上に直列に抵抗R16が設けられている。
A second
コンデンサC14と並列に設けられている抵抗R16は、コンデンサC14に貯まった電荷を消費(放電)するためのものであり、例えば、1M(メガ)Ωの抵抗である。一方、抵抗値が大き過ぎる抵抗R16を用いると、次の被雷時までにコンデンサC14に貯まった電荷を消費(放電)しきれなくなりガス放電管GDT12のアーク放電を消弧できなくなる。 A resistor R16 provided in parallel with the capacitor C14 is for consuming (discharging) the charge accumulated in the capacitor C14, and is, for example, a 1M (mega)Ω resistor. On the other hand, if the resistor R16 with an excessively large resistance value is used, the charge accumulated in the capacitor C14 cannot be consumed (discharged) until the next lightning strike, and the arc discharge of the gas discharge tube GDT12 cannot be extinguished.
第1の電流路11上のガス放電管GDT12より電位が低い位置で、電流センサ18が接続されている。そして、電流センサ18に入力された電流を出力する電流路は2つあり、その一方である第4の電流路21が、コイルL19及びコンデンサC20が直列された遅延回路を介して、半導体素子15に接続されている。なお、本実施の形態例1の直流配電用のサージ防護回路1では、電流センサ18が、ガス放電管GDT12より電位が低い位置で、第1の電流路11に接続されている構成を示したが、この構成に限定されるものではない。電流センサ18は、ガス放電管GDT12より電位が高い位置で、あるいは、同電位の位置で、第1の電流路11に接続されている構成としても良い。
A
電流センサ18は、例えば、ホール素子を用いた電流センサであって、第1の電流路11に流れる電流の周りに生じた磁界を、ホール素子に係るホール効果により、電圧に変換して出力する。なお、出力される電圧は、電流センサ18に入力された電流に比例する。
The
なお、本実施の形態例1では、電流センサ18として、ホール素子方式の電流センサを用いる構成を示したが、この構成に限定されるものではなく、例えば、電流センサ18として、AC用CT(交流用変流器)を用いる構成、DC用CT(直流用変流器)を用いる構成、あるいは、シャント抵抗を用いる構成としても良い。なお、シャント抵抗は、抵抗値が、できるだけ低い値、例えば数m(ミリ)Ωのものを用いる。そのため、シャント抵抗の両端電圧の値が小さくなるので、電圧増幅できるオペアンプ等を、シャント抵抗と共に設ける。オペアンプ等は、シャント抵抗の電圧を検出し、当該電圧を増幅して出力する。あるいは、シャント抵抗の両端に生じる電圧が大きい場合には、オペアンプ等を使用せずに、シャント抵抗のみを用いる構成としても良い。
In the first embodiment, the
コイルL19及びコンデンサC20が直列された遅延回路は、電流センサ18から出力される電圧を時間的に遅らせる(ディレイさせる)役割を果たす。
A delay circuit in which the coil L19 and the capacitor C20 are connected in series serves to delay the voltage output from the
電流センサ18から出力される電圧を遅らせ過ぎる(=ディレイ時間が長い)と、第1の電流路11上のガス放電管GDT12に電流が流れる時間が長くなり過負荷によって破損してしまう。一方、遅らせが足りない(ディレイ時間が短い)と、サージを完全に除去することができない。
If the voltage output from the
そのため、コイルL19及びコンデンサC20が直列された遅延回路の時定数(=過渡状態から定常状態までの変化の速さを表わす量、遅延時間)が、例えば、60~100μ(マイクロ)secになるような、コイルL19及びコンデンサC20を用いる。コイルL19としてインダクタンスが1mH(=1ミリヘンリー)のコイルを用い、コンデンサC20として静電容量(キャパシタンス)が0.1μF(=0.1マイクロファラッド)のコンデンサを用いれば、時定数は、100μ(マイクロ)secになる。 Therefore, the time constant of the delay circuit in which the coil L19 and the capacitor C20 are connected in series (=the amount representing the speed of change from the transient state to the steady state, the delay time) is set to, for example, 60 to 100 μ (micro) sec. However, coil L19 and capacitor C20 are used. If a coil with an inductance of 1 mH (=1 milliHenry) is used as the coil L19 and a capacitor with a capacitance of 0.1 μF (=0.1 micro farad) is used as the capacitor C20, the time constant is 100 μ (micro ) sec.
本実施の形態例1では、遅延回路として、コイルL19及びコンデンサC20が直列されたLC回路を用いる構成を示したが、時定数が、例えば、60~100μ(マイクロ)secになるような遅延回路であれば、この構成に限定されるものではない。例えば、抵抗R及びコンデンサCが直列されたRC回路を用いる構成としても良いし、リアクトル及びコンデンサCが直列された回路を用いる構成としても良い。RC回路を用いる構成の場合、例えば、抵抗Rとして抵抗値が1KΩ(=1キロオーム)の抵抗を用い、コンデンサCとして静電容量(キャパシタンス)が0.1μF(=0.1マイクロファラッド)のコンデンサを用いれば、時定数は、100μ(マイクロ)secになる。
In
また、本実施の形態例1では、半導体素子15は、サイリスタである。電流センサ18の出力端子(第4の電流路21)は、このサイリスタのゲート(図1では、「G」と表示されている)に接続されている。なお、第2の電流路13上で、半導体素子15のアノード(図1では、「A」と表示されている)がコンデンサ14と接続されている。
Further, in
なお、本実施の形態例1では、半導体素子15として、サイリスタを用いる構成を示したが、この構成に限定されるものではない。例えば、サイリスタの代わりに、FET(電界効果トランジスタ)、バイポーラトランジスタ、LGBT、トライアックを用いる構成としても良い。その場合には、電流センサ18の出力端子は、このFETのゲート、バイポーラトランジスタのベース、LGBTのゲート、あるいはトライアックのゲートに接続される。また、FETのドレイン(Nチャネルの場合)、バイポーラトランジスタのコレクタ、LGBTのコレクタ、あるいはトライアックのいずれかのメインターミナルがコンデンサC14と接続される。
In addition, although the configuration using a thyristor as the
また、電流センサ18に入力された電流を出力する電流路の他方である第5の電流路22が、サイリスタである半導体素子15のカソード(図1では「K」と表示されている)より電位が低い位置で、第2の電流路13と接続されている。
The fifth
第4の電流路21上のコンデンサC20の接続点と半導体素子15の接続点の間と、第5の電流路22上のコンデンサC20の接続点と第2の電流路13の接続点の間を接続する第6の電流路23上に、第4の電流路21の方向をカソードとして、ダイオード24が設けられている。このダイオード24は、半導体素子15を突発的な電圧・電流から防護するためのものである。詳しくは、本実施の形態例1では、サイリスタである半導体素子15のカソード(図1では「K」と表示されている)側から逆向きの電圧が印加されないように、カソードからゲートへ逆向きの電流が流れないようにするためのものである。
Between the connection point of the capacitor C20 on the fourth
第2の電流路13は、電流センサ18が接続されている箇所よりも電位が低い位置で、第1の電流路11に接続されている。
The second
<直流配電用のサージ防護回路1の動作>
次に、本実施の形態例1に係る直流配電用のサージ防護回路1の動作を、図2~4を使用して説明する。
<Operation of
Next, the operation of the DC power distribution
雷等より突発的にサージが発生し、ガス放電管GDT12の電極121間にしきい値以上の電圧が印加された場合には、図2に示すように、絶縁体容器122内に封入されたガスがイオン化し、電極121間にアーク放電が起こり、正極端子31から接地側である負極端子32に電流が流れる。
When a surge suddenly occurs due to lightning or the like and a voltage exceeding the threshold value is applied between the
サージによって第1の電流路11に電流が流れると、図3に示すように、電流センサ18は、当該電流を、電圧に変換して出力する。但し、電流センサ18には、コイルL19及びコンデンサC20が直列された遅延回路が接続されているため、当該電圧は、サイリスタである半導体素子15のゲートに遅れて出力される。ゲートに電圧を印加された半導体素子15は、ON状態(アノードとカソード間が導通する)になる。
When current flows through the first
その結果、図4に示すように、第1の電流路11に係るガス放電管GDT12の電極121間の電圧は、第2の電流路13に係るコンデンサC14と並列回路が形成されることによって、0Vになる。電極121間の電圧が、0Vになったことにより、アーク放電に基づく続流が消滅する(=アーク消弧)。
As a result, as shown in FIG. 4, the voltage between the
その後、図5に示すように、主電源から電圧が印加されても、ガス放電管GDT12の電極121間に電流が流れないため、第1の電流路11には電流が流れないが、半導体素子15が、ON状態であるため、第2の電流路13に電流が流れ、コンデンサC14が充電される。
After that, as shown in FIG. 5, even if a voltage is applied from the main power source, no current flows between the
そして、図6に示すように、コンデンサC14の充電が完了すると、半導体素子15は、OFF状態(アノードとカソード間が非導通状態)となる。コンデンサC14に貯まった電荷は、並列に設けられた抵抗R16で、消費(放電)される。
Then, as shown in FIG. 6, when the charging of the capacitor C14 is completed, the
このように、続流を抑制しながら、小型、安価かつ大電流に対応可能なガス放電管GDT12を、直流配電用のサージ防護回路に使用することができる。また、本実施の形態例1に係る直流配電用のサージ防護回路1では、時間的に劣化する構成要素は、ガス放電管GDT12だけであるため、ランニングコストを低減させることができる。
In this way, the gas discharge tube GDT12, which is compact, inexpensive, and capable of handling a large current while suppressing the follow-current, can be used in a surge protection circuit for DC power distribution. Moreover, in the DC power distribution
なお、本実施の形態例1では、線間に、直流配電用のサージ防護回路1を設ける構成を示したが、この構成に限定されるものではなく、図7に示すように、対地間(正極、あるいは負極と基準電位点)に直流配電用のサージ防護回路1を設ける構成としても良い。
In addition, although the configuration in which the
但し、対地間に直流配電用のサージ防護回路1を設ける際には、素子の向きや素子の追加・削除等の細かい変更が必要となる場合があることは、言うまでもない。
However, when the
例えば、半導体素子15としてサイリスタを用いる場合、正極と基準電位点の対地間に本発明に係る直流配電用のサージ防護回路を設ける場合は、図7に示した構成をそのまま用いることができる。しかし、正極と基準電位点の対地間だけでなく、負極と基準電位点の対地間でも、本発明の機能を発揮させるには、半導体素子15に係るサイリスタとは逆の向きのサイリスタを回路上に追加する必要がある。
For example, when a thyristor is used as the
また、半導体素子15としてトライアックを用いる場合、正極と基準電位点の対地間であっても、負極と基準電位点の対地間であっても、図7に示した構成をそのまま用いることができる。但し、ダイオード24を設ける必要はない。
When a triac is used as the
1:直流配電用のサージ防護回路、11:第1の電流路、12:ガス放電管GDT、121:電極、122:絶縁体容器、13:第2の電流路、14:コンデンサC、15:半導体素子、16:抵抗R、17:第3電流路、18:電流センサ、19:コイルL、20:コンデンサC、21:第4の電流路、22:第5の電流路、23:第6の電流路、24:ダイオード、31:正極端子、32:負極端子
Reference Signs List 1: surge protection circuit for direct current distribution, 11: first current path, 12: gas discharge tube GDT, 121: electrode, 122: insulator container, 13: second current path, 14: capacitor C, 15: Semiconductor element 16: resistor R 17: third current path 18: current sensor 19: coil L 20: capacitor C 21: fourth current path 22: fifth current path 23: sixth current path, 24: diode, 31: positive terminal, 32: negative terminal
Claims (6)
前記正極端子と前記負極端子を接続する第1の電流路上にガス放電管が直列に設けられ、
前記第1の電流路と並列に第2の電流路が設けられ、
当該第2の電流路上にコンデンサと半導体素子が直列に設けられ、
前記コンデンサと並列に抵抗が設けられ、
前記第1の電流路に電流センサが接続され、当該電流センサの出力端子が、遅延回路を介して前記半導体素子に接続されていることを特徴とする、直流配電用のサージ防護回路。 A surge protection circuit for direct current distribution provided between a positive terminal and a negative terminal, comprising:
A gas discharge tube is provided in series on a first current path connecting the positive electrode terminal and the negative electrode terminal,
A second current path is provided in parallel with the first current path,
a capacitor and a semiconductor element are provided in series on the second current path;
A resistor is provided in parallel with the capacitor,
A surge protection circuit for DC power distribution, wherein a current sensor is connected to said first current path, and an output terminal of said current sensor is connected to said semiconductor element via a delay circuit.
前記正極端子、あるいは前記負極端子と前記基準電位点を接続する第1の電流路上にガス放電管が直列に設けられ、
前記第1の電流路と並列に第2の電流路が設けられ、
当該第2の電流路上にコンデンサと半導体素子が直列に設けられ、
前記コンデンサと並列に抵抗が設けられ、
前記第1の電流路に電流センサが接続され、当該電流センサの出力端子が、遅延回路を介して前記半導体素子に接続されていることを特徴とする、直流配電用のサージ防護回路。 A surge protection circuit for direct current distribution provided between a positive terminal or a negative terminal and a reference potential point,
A gas discharge tube is provided in series on a first current path connecting the positive electrode terminal or the negative electrode terminal and the reference potential point,
A second current path is provided in parallel with the first current path,
a capacitor and a semiconductor element are provided in series on the second current path;
A resistor is provided in parallel with the capacitor,
A surge protection circuit for DC power distribution, wherein a current sensor is connected to said first current path, and an output terminal of said current sensor is connected to said semiconductor element via a delay circuit.
A surge protection circuit for DC power distribution according to any one of claims 1 to 5, characterized in that said semiconductor element is a thyristor.
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JP2021046886A Pending JP2022146090A (en) | 2021-03-22 | 2021-03-22 | Surge protection circuit for dc power distribution |
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2021
- 2021-03-22 JP JP2021046886A patent/JP2022146090A/en active Pending
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Legal Events
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A621 | Written request for application examination |
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