JP4719030B2 - チョッパ装置 - Google Patents

Description

本発明は、チョッパ装置に関するものである。特には、主回路機器に新規部品を追加することなく起動時の制御方法の変更のみで電源側と負荷側からの多大な短絡電流を防止することによって、半導体スイッチング素子の故障を防ぎ、他の回路への悪影響を最小限に抑える保護回路を簡便且つ安価に構成することができるチョッパ装置に関する。

図３は、一般的なチョッパ装置の構成を示す図である。図３において、チョッパ装置は、第１の接触器１０１と、第１の接触器１０１の電磁コイル１０１ａと、第１の接触器１０１の連動補助接点１０１ｂと、第２の接触器１０２と、第２の接触器１０２の電磁コイル１０２ａと、第２の接触器１０２の連動補助接点１０２ｂと、充電電流制限抵抗器１０３と、フィルタ回路を構成するフィルタリアクトル１０４と、同様のフィルタコンデンサ１０５と、チョッバ回路の制御に用いる電圧検出器１０６と、チョッパ回路１０７と、スムージングリアクトル１０８と、制御指令器１１０と、シーケンス演算部１１１と、論理回路部１１２と、ゲート指令増幅器１１３と、タイマ回路１１４と、増幅部１１７と、第１の接触器投入用補助継電器の電磁コイル１１９ａと、第１の接触器投入用補助継電器の接点１１９ｂと、駆動回路の各電磁コイルの電源１３１と、第１の接触器投入指令ＬＢと、チョッパの高圧側の入力端子Ｐと、チョッバの接地側の端子Ｇと、を備えている。チョッパ回路１０７は半導体スイッチング素子１０７ａ，１０７ｂおよびこれに並列接続するフリーホイールダイオード１７１ａ，１７１ｂにて構成されている。

図３において、制御指令器１１０により制御指令が与えられると、シーケンス演算部１１１から第１の接触器投入指令ＬＢが出力され、増幅部１１７を通して電磁コイル１１９ａが励磁され、その接点１１９ｂにより電源１３１から投入用電磁コイル１０１ａに電圧が印加されて第１の接触器１０１が閉る。これにより、直流電源からの電流は、第１の接触器１０１、充電電流制限抵抗器１０３、フィルタリアクトル１０４を通してフィルタコンデンサ１０５を充電する。

次に、その連動する補助接点１０１ｂが閉じ、タイマ回路１１４に入力信号が与えられる。このタイマ回路１１４はー定時間（通常チョッパ回路が充分動作可能となる電圧までフィルタコンデンサ１０５が充電される時間）後に信号を出力し、電磁コイル１０２ａを励磁し、第２の接触器１０２を閉じて充電電流制限抵抗器１０３を短絡する。一方前記シーケンス演算部１１１は、第２の接触器１０２が閉じることによりその連動する補助接点１０２ｂを通して第２の接触器投入完了信号ＣＣＳを受け、論理回路部１１２に半導体スイッチング素子のゲート開始信号ＧＳＳを与える。論理回路部１１２は、ゲート開始信号ＧＳＳと制御指令器１１０から与えられるパルスモードを指令するシーケンス演算部１１１からのゲート指令信号によって、ゲート指令増幅器１１３を通してチョッパ回路１０７の半導体スイッチング素子１０７ａ，１０７ｂ（図３ではＩＧＢＴを使用した場合を示す）にゲート信号を印加する。これにより、チョッパ回路１０７はＰＷＭ制御を開始し、出力を得る。
特願２００３−１８７０２号公報

このような構成のチョッパ装置では、チョッパ回路の半導体素子のいずれかが短絡故障していると、直流電源およびチョッパの入力回路に多大の電流が流れる欠点があった。すなわち、図３において、一例としてＩＧＢＴ１０７ｂが短絡故障している場合チョッパのゲート開始指令信号ＧＳＳによってＩＧＢＴ１０７ａにオンゲート信号が印加され、このＩＧＢＴ１０７ａが点弧した時に本チョッパ回路はアーム短絡モードになり、多大の電流がチョッパ回路１０７に流れることとなる。

上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係るチョッパ装置は、直流電源の第１の端子に接続された一端を有する第１の接触器と、充電電流制限抵抗器と第２の接触器とが並列接続された並列回路であって、前記第１の接触器の他端に接続された一端を有する前記並列回路と、前記並列回路の他端と前記直流電源の第２の端子との間にフィルタ回路を介して接続された第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子を含み、直列接続された前記第１及び第２のスイッチング素子がゲート信号に従って交互にオン／オフすることによりパルス電圧を生成するチョッパ回路と、前記第１及び第２のスイッチング素子の接続点と前記チョッパ装置の出力端子との間の信号経路に直列接続された第３の接触器と、前記第１の接触器を閉じる第１の指令信号が出力されてから一定時間後に遅延信号を出力するタイマ回路と、前記チョッパ回路に印加される電源電圧を検出する電圧検出器と、前記電圧検出器によって検出された電圧を設定値と比較し、前記電圧検出器によって検出された電圧が設定値よりも大きい場合に比較信号を出力する比較器と、前記タイマ回路から出力される遅延信号と前記比較器から出力される比較信号との論理和を求めるＡＮＤ回路と、前記第１の接触器を閉じる第１の指令信号を出力した後に、前記ＡＮＤ回路によって求められた論理和が真であるときに、前記第２及び第３の接触器をそれぞれ閉じる第２及び第３の指令信号を出力する駆動回路とを具備する。

本発明のチョッパ装置によれば、主回路機器に新規部品を追加することなく起動時の制御方法の変更のみで電源側と負荷側からの多大な短絡電流を防止することによって、半導体スイッチング素子故障を防ぎ他の回路への悪影響を最小限に抑える保護回路を簡便且つ安価に構成することができる。

以下、図面を参照して本発明のチョッパ装置の実施の形態を説明する。

図１は、本発明のチョッパ装置を示す図である。図１において、本発明のチョッパ装置は、第１の接触器１と、第２の接触器２と、充電電流制限抵抗３と、フィルタリアクトル４と、フィルタコンデンサ５と、電圧検出器６と、チョッパ回路７と、スムージングリアクトル８と、第３の接触器９と、制御指令器１０と、シーケンス演算部１１と、論理回路部１２と、ゲート指令増幅器１３と、比較器１５と、タイマ回路３２と、比較器１５およびタイマ回路３２の出力を入力とするＡＮＤ回路１６と、増幅部１７及び１８と、第１の接触器投入用補助継電器の電磁コイル２０ａと、第１の接触器投入用補助継電器の接点２０ｂと、第２の接触器投入用補助継電器の電磁コイル２１ａと、第２の接触器投入用補助継電器の接点２１ｂと、電源３１とを備えている。

図１において、制御指令器１０より、制御指令が与えられると、シーケンス演算部１１において、第１の接触器投入指令ＬＢが出力され、増幅部１７を通して電磁コイル２０ａが励磁され、その接点２０ｂにより電源３１から投入用電磁コイル１ａが励磁される。これと同時に、シーケンス演算部１１から半導体スイッチング素子のゲート開始信号ＧＳＳを出力する。電磁コイル１ａが励磁されると、第１の接触器１が閉じ、直流電源からの電流は、第１の接触器１、充電電流制限抵抗３、フィルタリアクトル４を通してフィルタコンデンサ５を充電する。

一方、シーケンス演算部１１から出力された半導体スイッチング素子のゲート開始信号ＧＳＳ、およびパルスモードを指令する制御指令器１０からのゲート制御指令信号によって、論理回路部１２はゲート指令増幅器１３を通してチョッパ回路７の半導体スイッチング素子７ａ、７ｂ（図３と同様にＩＧＢＴを使用した例で以降単にＩＧＢＴと称す）にゲート信号を印加することにより、ＩＧＢＴ７ａ、７ｂの各素子はスイッチング動作を開始する。次に、ＩＧＢＴのゲート信号の一例としての動作を説明する。

図２は本発明の一実施例の波形図を示す。図２の波形に示すように、上アームのＩＧＢＴ７ａと下アームのＩＧＢＴ７ｂを交互にオン、オフするパルスモードゲート制御指令信号においては、チョッパの出力電圧は発生せず、チョッパの負荷回路に不要な電流を流さない効果がある。さらに、負荷がバッテリ等の電位を持つものであった場合でも第３の接触器が開いているために負荷回路に不要な電流は流れない。また、スイッチング周波数Ｆｓは、比較的高くした方が片側アームのＩＧＢＴが短絡故障している場合、チョッパの高圧側入力端子Ｐの電圧リップルを少なくする効果がある。

また、シーケンス演算部１１から出力された第１の接触器投入指令ＬＢは、タイマ回路３２に入力され、このタイマ回路３２は一定時間後に信号Ａを出力する。

この時、電圧検出器６で検出されたフィルタコンデンサ電圧は、比較器１５に入力され、この比較器１５はあらかじめ定められた（設定値）と入力信号（フィルタコンデンサ電圧）とを比較し、入力信号が設定値より大きい場合に信号Ｂを出力する。信号Ａと信号Ｂとが出力されれば、ＡＮＤ回路１６は信号Ｃを出力し、増幅部１８を通して第２の接触器投入用補助継電器の電磁コイル２１ａが励磁される。

その後、第２の接触器投入用補助継電器の接点２１ｂにより、主回路接触器電磁弁用の電源３１からコイル２ａおよびコイル９ａに電圧が印加され、第２の接触器２および第３の接触器９が閉じる。信号Ｃは論理回路部１２にも入力され、これによりゲート指令増幅器１３を通して、チョッパのＩＧＢＴ７ａ，７ｂはＰＷＭ制御を開始する。チョッパの半導体が正常な場合はこの様にしてチョッパの起動を完了する。

ところで、チョッパの半導体素子のいずれかが導通故障をしていると、短絡電流によりチョッパの高圧側入力端子Ｐの電位が、接地側端子Ｇの電位とほぼ同じとなるため、フィルタコンデンサ５の電圧検出器６の出力値は、比較器１５の設定値より小さくなり、信号Ａが出力された後も信号Ｂは出力されない。

従って、信号Ｃも出力されず、第２の接触器投入用補助継電器の電磁コイル２１ａが励磁されないで、第２の接触器２が開いたままとなり、充電電流制限抵抗器３は短絡されない。ゆえに、直流電源又はチョッパの入力回路に多大な電流が流れることがない。また、信号Ａが出力されても、信号Ｂが出力されない場合は、チョッパの故障と判断して、第１の接触器１を開く制御を行うことや、運転者に故障情報を知らせることが可能である。

本発明はチョッパ装置に関するものであり、主回路機器に何ら新しい部品を追加することなく起動時の制御方式を変更するのみで、半導体スイッチング素子故障を判別し、多大な短絡電流が流れることを防ぐため、半導体スイッテング素子故障による他の回路に与える悪影響を最小限に抑える保護回路を簡便かつ安価に構成することができる。

本発明のチョッパ装置を示す図である。 本発明の一実施例の波形図を示す。 従来の一般的なチョッパ装置を示す図である。

符号の説明

１，１０１ 第１の接触器
１ａ，１０１ａ 第１の接触器の電磁コイル
１０１ｂ 第１の接触器の補助接点
２０ａ，１１９ａ 第１の接触器投入用補助継電器の電磁コイル
２０ｂ，１１９ｂ 第１の接触器投入用補助継電器の接点
２，１０２ 第２の接触器
２ａ，１０２ａ 第２の接触器の電磁コイル
１０２ｂ 第２の接触器の補助接点
２１ａ 第２の接触器投入用補助継電器の電磁コイル
２１ｂ 第２の接触器投入用補助継電器の接点
３，１０３ 充電電流制限抵抗
４，１０４ フィルタリアクトル
５，１０５ フィルタコンデンサ
６，１０６ 電圧検出器
７，１０７ チョッパ回路
７ａ，１０７ａ 半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）
７ｂ，１０７ｂ 半導体スイッテング素子（ＩＧＢＴ）
７１ａ，１７１ａ フリーホイルダイオード
７１ｂ，１７１ｂ フリーホイルダイオード
８，１０８ スムージングリアクトル
９ 第３の接触器
９ａ 第３の接触器の電磁コイル
１０，１１０ 制御指令器
１１，１１１ シーケンス演算部
１２，１１２ 論理回路部
１３，１１３ ゲート指令増幅器
１５ 比較器
１６ ＡＮＤ回路
１７ 増幅器
１８ 増幅器
３１，１３１ 電源
３２，１１４ タイマ回路

Claims (2)

1. チョッパ装置であって、
   直流電源の第１の端子に接続された一端を有する第１の接触器と、
   充電電流制限抵抗器と第２の接触器とが並列接続された並列回路であって、前記第１の接触器の他端に接続された一端を有する前記並列回路と、
   前記並列回路の他端と前記直流電源の第２の端子との間にフィルタ回路を介して接続された第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子を含み、直列接続された前記第１及び第２のスイッチング素子がゲート信号に従って交互にオン／オフすることによりパルス電圧を生成するチョッパ回路と、
   前記第１及び第２のスイッチング素子の接続点と前記チョッパ装置の出力端子との間の信号経路に直列接続された第３の接触器と、
   前記第１の接触器を閉じる第１の指令信号が出力されてから一定時間後に遅延信号を出力するタイマ回路と、
   前記チョッパ回路に印加される電源電圧を検出する電圧検出器と、
   前記電圧検出器によって検出された電圧を設定値と比較し、前記電圧検出器によって検出された電圧が設定値よりも大きい場合に比較信号を出力する比較器と、
   前記タイマ回路から出力される遅延信号と前記比較器から出力される比較信号との論理和を求めるＡＮＤ回路と、
   前記第１の接触器を閉じる第１の指令信号を出力した後に、前記ＡＮＤ回路によって求められた論理和が真であるときに、前記第２及び第３の接触器をそれぞれ閉じる第２及び第３の指令信号を出力する駆動回路と、
   を具備するチョッパ装置。
2. 制御指令器からの制御指令に従ってゲート開始信号及び電源投入開始信号を生成するシーケンス演算部と、
   前記シーケンス演算部によって生成されたゲート開始信号に応答してゲート信号を生成する論理回路部と、
   をさらに具備し、
   前記駆動回路が、前記シーケンス演算部によって生成された電源投入開始信号に応答して第１の指令信号を出力した後に、前記ＡＮＤ回路によって求められた論理和が真であるときに第２及び第３の指令信号を出力する、請求項１記載のチョッパ装置。

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