JP4533034B2 - AC power conditioner - Google Patents
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Description
本発明は、負荷に供給する交流電力を開閉するための交流電力調整装置に関する。 The present invention relates to an AC power adjustment device for opening and closing AC power supplied to a load.
電力変換装置や電力制御装置などの装置では、図2に示すように、交流電源10から負荷11に供給される交流電力を開閉するために、交流スイッチ3を含む交流電力調整装置が利用される。例えば、特許文献1、2等に記載の瞬時電圧低下保護装置では、スイッチング素子として一対のサイリスタを逆方向に並列接続したもの、又は同様の機能を果たす双方向性三端子サイリスタ(トライアック)が交流スイッチ3として使用されている。
In an apparatus such as a power conversion apparatus or a power control apparatus, an AC power adjustment apparatus including an AC switch 3 is used to open and close AC power supplied from an
しかしながら、周知のようにサイリスタは自己消弧が出来ないため、一旦閉成させた交流スイッチを任意のタイミングで開成するためには転流回路などの付加的な回路が必要になり、回路構成が複雑になる。また、サイリスタは素子自体による電圧降下が1.6V程度発生するため、その電圧降下に相当する分の電力損失が生じる。交流電力調整装置の電力供給線路に介挿される交流スイッチでは、電力供給時にその交流スイッチは常に導通していて比較的大きな電流が流れるため、上記のような電力損失はユーザにとって大きなロスとなる。 However, as is well known, since a thyristor cannot self-extinguish, an additional circuit such as a commutation circuit is required to open an AC switch once closed at an arbitrary timing. It becomes complicated. Further, since the thyristor generates a voltage drop of about 1.6 V due to the element itself, a power loss corresponding to the voltage drop occurs. In the AC switch inserted in the power supply line of the AC power adjusting apparatus, the AC switch is always conductive when a power is supplied, and a relatively large current flows. Therefore, the power loss as described above becomes a large loss for the user.
一方、電力用のスイッチング素子として、近年、MOSFET(電界効果トランジスタ)が広く使用されるようになっている。MOSFETではゲート(G)端子に印加される電圧のみによってソース(S)端子−ドレイン(D)端子間の導通・非導通が決まるため、サイリスタのように転流回路などの付加的な回路を必要としない。しかしながら、上記のような交流電力調整装置における交流スイッチをMOSFETに置き換える際には次のような問題がある。即ち、一般にMOSFETはサイリスタに比べて最大定格電流(出力容量)が小さい。そのため、例えば負荷が短絡されたり負荷抵抗が急激に低下したりすることによって過大な電流が流れると、比較的短時間で破損してしまう。異常に過大な電流が流れることを防止するためにヒューズ等が介挿されている場合であっても、ヒューズが溶断する前にMOSFET自体が破損してしまうことが多い。 On the other hand, MOSFETs (field effect transistors) have been widely used as power switching elements in recent years. In a MOSFET, conduction / non-conduction between the source (S) terminal and the drain (D) terminal is determined only by the voltage applied to the gate (G) terminal, so an additional circuit such as a commutation circuit is required like a thyristor. And not. However, when the AC switch in the AC power adjusting apparatus as described above is replaced with a MOSFET, there are the following problems. That is, MOSFETs generally have a smaller maximum rated current (output capacity) than thyristors. Therefore, for example, when an excessive current flows due to a short circuit of the load or a sudden decrease in load resistance, the load is damaged in a relatively short time. Even when a fuse or the like is inserted in order to prevent an excessively large current from flowing, the MOSFET itself is often damaged before the fuse is blown.
本発明はこのような点に鑑みて成されたものであり、その主たる目的は、複雑な回路構成を採らずに任意のタイミングで以て負荷に供給される交流電力を遮断することができるとともに、異常時にも交流スイッチ自体が破壊されることを回避できる交流電力調整装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of these points, and its main object is to cut off AC power supplied to a load at an arbitrary timing without adopting a complicated circuit configuration. Another object of the present invention is to provide an AC power adjusting device that can prevent the AC switch itself from being destroyed even in an abnormal state.
上記課題を解決するために成された本発明は、負荷に供給される交流電力を開閉するための交流電力調整装置において、
a)電力供給線路に介挿され、スイッチング素子としてサイリスタを用いた第1のスイッチとMOSFETを用いた第2のスイッチとが並列に接続されて成る交流スイッチと、
b)該交流スイッチを通して負荷に交流電流を供給し始めたときに該電流が所定値以上であるか否かを判定するとともに、前記交流スイッチを通して負荷に交流電流を供給しているときに該電流が所定値以上であるか否かを判定する電流判定手段と、
c)第1及び第2のスイッチの導通・非導通を制御する手段であって、通電開始時には第2のスイッチを非導通、第1のスイッチを導通させるように制御し、前記電流判定手段により電流が所定値未満であると判定されたときには第2のスイッチを導通させるとともに第1のスイッチを非導通とするように切り換え、通常状態では第1のスイッチを非導通、第2のスイッチを導通させるように制御し、前記電流判定手段により電流が所定値以上であると判定されたときには第1のスイッチを導通させるとともに第2のスイッチを非導通とするように切り換える制御手段と、
を備えることを特徴としている。
In order to solve the above problems, the present invention provides an AC power adjustment device for opening and closing AC power supplied to a load.
a) an AC switch comprising a first switch using a thyristor as a switching element and a second switch using a MOSFET, which are inserted in the power supply line and connected in parallel;
with said current when started to supply an alternating current to a load through b) said AC switch to determine whether it is greater than a predetermined value, said current when that supplies alternating current to the load through the AC switch Current determination means for determining whether or not is greater than or equal to a predetermined value;
c) A means for controlling conduction / non-conduction of the first and second switches, wherein at the start of energization, the second switch is controlled to be non-conduction and the first switch is conducted, and the current determination means When it is determined that the current is less than the predetermined value, the second switch is turned on and the first switch is turned off. In the normal state, the first switch is turned off and the second switch is turned on. Control means for switching the first switch to be conductive and the second switch to be non-conductive when the current determination means determines that the current is greater than or equal to a predetermined value;
It is characterized by having.
本発明に係る交流電力調整装置では、電力用スイッチング素子として一般に使用されるサイリスタとMOSFETとを併用する。通常状態では、サイリスタを用いた第1のスイッチを非導通とし、MOSFETを用いた第2のスイッチを導通させ、第2のスイッチを通して交流電流を負荷に供給する。MOSFETはソース端子−ドレイン端子間の印加電圧に拘わらずゲート端子に印加される電圧に応じて導通・非導通が決まるため、交流電力の位相に依らずに任意のタイミングで交流電流を遮断することができる。また、MOSFETの導通時のソース端子−ドレイン端子間の電圧降下は1[V]以下、典型的には0.8[V]程度であるので、サイリスタに比較して電力損失が小さく、同一の負荷を駆動する際に電力使用量を抑制することができる。 In the AC power adjustment device according to the present invention, a thyristor generally used as a power switching element and a MOSFET are used in combination. In the normal state, the first switch using the thyristor is turned off, the second switch using the MOSFET is turned on, and an alternating current is supplied to the load through the second switch. Since the MOSFET is turned on and off according to the voltage applied to the gate terminal regardless of the voltage applied between the source terminal and the drain terminal, the AC current can be cut off at an arbitrary timing regardless of the phase of the AC power. Can do. Further, since the voltage drop between the source terminal and the drain terminal when the MOSFET is conductive is 1 [V] or less, typically about 0.8 [V], the power loss is smaller than that of the thyristor, and the same. When driving the load, the amount of power used can be suppressed.
例えば負荷が誤って短絡される又は負荷抵抗が急激に下がるといった異常な事態が生じると、交流スイッチを通して負荷に過大な電流が流れようとする。このとき電流判定手段は、負荷に供給される出力電流が所定値以上になったことを検知することにより電流が過大であると判断する。この判定結果を受けた制御手段は、直ちに、第1のスイッチを非導通から導通に、第2のスイッチを導通から非導通に切り換えるようにそれぞれのスイッチング素子(サイリスタ及びMOSFET)に制御信号を与える。それにより、所定値以上となるような過大な電流はMOSFETでなくサイリスタに流れる。 For example, when an abnormal situation occurs, such as when the load is accidentally short-circuited or when the load resistance falls rapidly, an excessive current flows through the load through the AC switch. At this time, the current determination means determines that the current is excessive by detecting that the output current supplied to the load has reached a predetermined value or more. Upon receiving this determination result, the control means immediately gives a control signal to each switching element (thyristor and MOSFET) so as to switch the first switch from non-conduction to conduction and the second switch from conduction to non-conduction. . Thereby, an excessive current that exceeds a predetermined value flows through the thyristor instead of the MOSFET.
一般に、MOSFETはサイリスタに比較して高速のスイッチング動作が可能であるものの最大定格電流が小さい。即ち、過大な電流が流れると短時間のうちに破損し易い。本発明に係る交流電力調整装置では、上述したように過大な電流が流れる状況に陥ったときに、MOSFETを通した電流が遮断され、より最大定格電流が大きく破損しにくいサイリスタの側に電流が流れる。したがって、過大電流によってMOSFETが破壊されることを未然に防止することができる。 In general, a MOSFET can perform a high-speed switching operation as compared with a thyristor, but has a small maximum rated current. That is, when an excessive current flows, it is easily damaged in a short time. In the AC power adjustment apparatus according to the present invention, when an excessive current flows as described above, the current through the MOSFET is cut off, and the current is supplied to the thyristor side where the maximum rated current is large and is not easily damaged. Flowing. Therefore, it is possible to prevent the MOSFET from being destroyed by an excessive current.
なお、制御手段は、一旦第1のスイッチを通した交流電力供給に切り換えた後に、すぐに出力電流が元の正常な値(例えば上記所定値未満の値)に戻った場合には、再び第1のスイッチを非導通、第2のスイッチを導通に切り換えるようにするとよい。これにより、一時的にのみ過大な電流が流れたような場合に、その異常状態が解消されてから速やかに通常状態に復帰させることができる。 The control means once again switches to AC power supply through the first switch, and immediately after the output current returns to the original normal value (for example, a value less than the predetermined value), the control means again. It is preferable to switch the first switch to non-conductive and the second switch to conductive. As a result, when an excessive current flows only temporarily, the normal state can be quickly restored after the abnormal state is resolved.
また本発明の好ましい一態様として、前記交流スイッチの手前の電力供給線路にヒューズを介挿した構成とするとよい。この構成では、上述したようにサイリスタに過大電流が流れるように切り換わってから短時間の間に通常状態に戻らない場合に、その過大電流によってサイリスタが破壊されるよりも速くヒューズが溶断して交流スイッチに流れる電流自体が遮断される。したがって、サイリスタ、MOSFETともに破壊を免れ、ヒューズが溶断するだけであるので、修理としてはヒューズの交換のみを行えばよい。それによって、こうした不具合の場合にも修理の手間が少なくて済み、MOSFETが破壊される場合に比べて修理に要するコストを大幅に抑制することができる。 Moreover, as a preferable aspect of the present invention, a configuration may be adopted in which a fuse is inserted in the power supply line before the AC switch. In this configuration, as described above, when the thyristor does not return to the normal state in a short time after switching so that an excessive current flows in the thyristor, the fuse blows faster than the thyristor is destroyed by the excessive current. The current itself flowing through the AC switch is cut off. Therefore, since both the thyristor and the MOSFET are free from destruction and the fuse is blown out, only the fuse needs to be replaced as repair. Thereby, even in the case of such a malfunction, the labor for repair is reduced, and the cost required for repair can be greatly suppressed as compared with the case where the MOSFET is destroyed.
本発明の一実施例による交流電力調整装置について、図面を参照しつつ説明する。図1は本実施例による交流電力調整装置の要部の構成図である。 An AC power adjusting apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of a main part of an AC power adjusting apparatus according to this embodiment.
本実施例による交流電力調整装置の入力端子1a、1bには例えば交流100[V]又は200[V]の単相交流電源10が接続され、出力端子7a、7bには交流電力で駆動される負荷11が接続される。入力端子1aと出力端子7bの間の線路には、ヒューズ2、交流スイッチ3、電流検出用の変流器6が順に設けられている。交流スイッチ3は、スイッチング素子として2個のサイリスタが逆方向に並列接続された第1スイッチ4と、スイッチング素子として電力用MOSFETを含む第2スイッチ5とが並列に接続されたものである。変流器6は出力端子7aから出力される電流を検出し、その検出信号は制御部8に入力される。制御部8はCPU、ROM、RAM等を含むマイクロプロセッサを中心に構成されており、予めROMに書き込まれた制御プログラムに従って駆動回路9を介して第1スイッチ4のサイリスタのゲート端子及び第2スイッチ5のMOSFETのゲート端子にそれぞれ制御信号を供給する。
For example, an AC 100 [V] or 200 [V] single-phase
次に、上記構成の交流電力調整装置の動作について、図3の制御フローチャートを参照して説明する。初期状態つまり負荷に交流電力を供給する前の状態は、第1、第2スイッチ4、5ともに非導通状態であるとする。 Next, the operation of the AC power adjustment apparatus having the above configuration will be described with reference to the control flowchart of FIG. It is assumed that both the first and second switches 4 and 5 are in a non-conducting state in the initial state, that is, the state before supplying AC power to the load.
制御部8は負荷11に交流電力を供給するように指示を受けると、まず駆動回路9を介してサイリスタをターンオンさせるように制御信号を送る(ステップS1)。これにより、第1スイッチ4は閉成されて導通し、サイリスタを通して負荷11に交流電力が供給される。制御部8は給電開始後に、変流器6による電流検出値を読み込み(ステップS2)、この検出値が予め定められた所定値以上であるか否かを判定する(ステップS3)。この所定値は、例えば第2スイッチ5のMOSFETの最大定格電流値に応じて決められる。
When receiving an instruction to supply AC power to the load 11, the
ステップS3で電流検出値が所定値以上であると判定された場合には、出力端子7a、7bが短絡されている又は負荷11の抵抗が異常に小さい等の初期的な異常が有るものと判断する。但し、後述するようにサイリスタの最大定格電流は比較的大きく、所定値を超えるような電流であっても或る程度の時間耐え得る場合があるから、ステップS1に戻って第1スイッチ4を介した給電を継続する。こうした給電継続の間に負荷の異常が復旧しない場合には、後述するようにヒューズ2が溶断して交流電源10からの給電が停止する。なお、ステップS3で電流値が所定値以上であると判定された場合に、表示ランプを点灯させる等の方法でユーザに異常を報知するようにしてもよい。
If it is determined in step S3 that the detected current value is equal to or greater than the predetermined value, it is determined that there is an initial abnormality such as the
一方、ステップS3で電流検出値が所定値未満であると判定された場合には初期的な異常が無い、又は上記のような給電継続中に異常が解消されたものと判断し、第1スイッチ4を開成させる代わりに第2スイッチ5を閉成させるように、MOSFETをオンさせるとともにサイリスタをオフさせるように制御信号を送る(ステップS5)。MOSFETがオンされると、交流スイッチ3においてMOSFETのソース端子−ドレイン端子間が導通し、第2スイッチ5を通して負荷11に交流電力が供給される。このとき、第1スイッチ4のサイリスタは非導通である。 On the other hand, if it is determined in step S3 that the current detection value is less than the predetermined value, it is determined that there is no initial abnormality or that the abnormality has been resolved during the power supply as described above, and the first switch Instead of opening 4, a control signal is sent to turn on the MOSFET and turn off the thyristor so that the second switch 5 is closed (step S 5). When the MOSFET is turned on, the source terminal-drain terminal of the MOSFET becomes conductive in the AC switch 3, and AC power is supplied to the load 11 through the second switch 5. At this time, the thyristor of the first switch 4 is non-conductive.
その後、制御部8は上記ステップS2と同様に変流器6による電流検出値を読み込み(ステップS6)、この検出値が所定値以上であるか否かを判定する(ステップS7)。このときの所定値はステップS3の所定値と同じにすればよいが、必ずしも同じにしなくてもよい。ステップS7で電流検出値が所定値未満であると判定された場合には給電が正常に行われていると判断し、ステップS5に戻って、MOSFETをオンした状態で第2スイッチ5を通しての交流電力の供給を継続する。
Thereafter, the
これに対し、ステップS7で電流検出値が所定値以上であると判定された場合には、例えば負荷の異常や短絡などの要因により、通常状態でない過大な電流が流れていると判断する。このときには、制御部8は駆動回路9を介して直ちにMOSFETをオフさせるとともに、サイリスタをターンオンさせるように制御信号を送る(ステップS8)。これにより、第2スイッチ5は開成される一方、第1スイッチ4は閉成され、今度は第1スイッチ4を通して負荷11に交流電力が供給されるようになる。通常、サイリスタの最大定格電流はMOSFETのそれよりもかなり大きいため、ステップS7で所定値以上となるような電流であってもサイリスタの最大定格電流以内に収まっている場合があり得る。
On the other hand, when it is determined in step S7 that the detected current value is equal to or greater than the predetermined value, it is determined that an excessive current that is not in a normal state flows due to, for example, a load abnormality or a short circuit. At this time, the
制御部8はステップS8でのスイッチの切換え制御を行った後にも、ステップS6に戻って電流検出値の監視を継続する。上述したように出力電流が所定値以上となる状態がごく一時的なものであった場合には、第1スイッチ4を通した給電への移行後に時間を経ずに電流検出値が所定値未満に戻る。その場合には、ステップS7からS5へと戻って、第1スイッチ4を非導通状態に、第2スイッチ5を導通状態に切り換えて、第2スイッチ5つまりMOSFETを通した給電に復帰させる。
Even after performing the switch switching control in step S8, the
一方、出力電流が所定値以上である状態が或る程度以上継続した場合、過大な電流によってヒューズ2が溶断するに至り、単相交流電源10から交流スイッチ3に供給される電力自体が遮断される。サイリスタが破損する前にヒューズが溶断する必要があるから、サイリスタの最大定格電流などに応じてヒューズの特性が選ばれる。即ち、異常状態の発生によって第2スイッチ5を通しての給電から第1スイッチ4を通しての給電に移行した後、異常状態が速やかに解消されない場合でも、サイリスタが破損する状況に至る前にヒューズ2が溶断して交流スイッチ3には何らの損傷も与えない。したがって、ユーザが誤って負荷を短絡させてしまったような場合でも、溶断したヒューズ2のみを新品に交換すればよく、装置の保守が非常に楽である。
On the other hand, when the state where the output current is equal to or greater than the predetermined value continues for a certain extent, the
また、上記のような異常の発生の無い通常状態では、第2スイッチ5のMOSFETを通して交流電力が供給されており、MOSFETは導通時のソース端子−ドレイン端子間の電圧降下が小さいので、電力損失を抑制することができる。また、制御部8はMOSFETのゲート端子へ送る制御信号によって、任意の時点で第2スイッチ5を遮断して給電を停止することができる。
Further, in a normal state where no abnormality occurs as described above, AC power is supplied through the MOSFET of the second switch 5, and since the MOSFET has a small voltage drop between the source terminal and the drain terminal when conducting, the power loss Can be suppressed. In addition, the
なお、上記実施例は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜、変形、修正、又は追加を行っても、本願の特許請求の範囲に包含されることは明らかである。 It should be noted that the above embodiment is merely an example of the present invention, and it is obvious that any modification, correction, or addition that is appropriately made within the scope of the present invention is included in the scope of the claims of the present application.
1a、1b…入力端子
2…ヒューズ
3…交流スイッチ
4…第1スイッチ
5…第2スイッチ
6…変流器
7a、7b…出力端子
8…制御部
9…駆動回路
10…単相交流電源
11…負荷
DESCRIPTION OF
Claims (2)
a)電力供給線路に介挿され、スイッチング素子としてサイリスタを用いた第1のスイッチとMOSFETを用いた第2のスイッチとが並列に接続されて成る交流スイッチと、
b)該交流スイッチを通して負荷に交流電流を供給し始めたときに該電流が所定値以上であるか否かを判定するとともに、前記交流スイッチを通して負荷に交流電流を供給しているときに該電流が所定値以上であるか否かを判定する電流判定手段と、
c)第1及び第2のスイッチの導通・非導通を制御する手段であって、通電開始時には第2のスイッチを非導通、第1のスイッチを導通させるように制御し、前記電流判定手段により電流が所定値未満であると判定されたときには第2のスイッチを導通させるとともに第1のスイッチを非導通とするように切り換え、通常状態では第1のスイッチを非導通、第2のスイッチを導通させるように制御し、前記電流判定手段により電流が所定値以上であると判定されたときには第1のスイッチを導通させるとともに第2のスイッチを非導通とするように切り換える制御手段と、
を備えることを特徴とする交流電力調整装置。 In the AC power adjustment device for opening and closing the AC power supplied to the load,
a) an AC switch comprising a first switch using a thyristor as a switching element and a second switch using a MOSFET, which are inserted in the power supply line and connected in parallel;
with said current when started to supply an alternating current to a load through b) said AC switch to determine whether it is greater than a predetermined value, said current when that supplies alternating current to the load through the AC switch Current determination means for determining whether or not is greater than or equal to a predetermined value;
c) A means for controlling conduction / non-conduction of the first and second switches, wherein at the start of energization, the second switch is controlled to be non-conduction and the first switch is conducted, and the current determination means When it is determined that the current is less than the predetermined value, the second switch is turned on and the first switch is turned off. In the normal state, the first switch is turned off and the second switch is turned on. Control means for switching the first switch to be conductive and the second switch to be non-conductive when the current determination means determines that the current is greater than or equal to a predetermined value;
An AC power adjusting device comprising:
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