JP6061983B2 - 放電装置 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電素子に蓄電されている電力を放電させる放電装置に関するもので、特に、蓄電素子に並列接続されたスイッチ素子を制御信号によって駆動する放電装置に関するものである。

モータを制御するインバータなどは、スイッチング装置を制御することで、電源からモータの各コイルへ流す電流供給経路を切り替え、モータの駆動制御を行っている。また、変圧機などは、スイッチング装置を制御することで、電源からリアクトル（コイル）への電流供給量を調整し、電源で発生する電圧を任意の電圧に変圧して出力することが行われている。

スイッチング装置の具体的な構成としては、第１のスイッチ素子と第２のスイッチ素子が直列に接続され、第１のスイッチ素子と第２のスイッチ素子の接続点が、出力部として、モータあるいはリアクトルに接続されているものがある。そして、直列に接続された第１のスイッチ素子と第２のスイッチ素子に対して、電源変動を平滑する蓄電素子（一般的にはコンデンサ）が設けられている。そして、インバータ等の運転終了後に、インバータやモータの保守、点検、修理などのために、モータとインバータの配線を外す場合には、インバータ入力段の蓄電素子に電荷がたまっていると作業効率が悪いため、蓄電素子に充電されたエネルギー（電荷）を放電させる必要がある。

蓄電素子の電荷を放電させるために、スイッチ素子の内部抵抗による通電ロスに着眼し、第１のスイッチ素子と第２のスイッチ素子とを直列に接続し、この直列接続した第１のスイッチ素子と第２のスイッチ素子を、蓄電素子に並列接続となるように、蓄電素子の正端子側に第１のスイッチ素子を接続し、蓄電素子の負端子側に第２スイッチ素子を接続し、これらのスイッチ素子を同時に、極短時間にオン状態を繰返すことで、蓄電素子の両電極間を短絡し、予め備えているスイッチ素子のスイッチング操作だけで蓄電素子の電荷を放電させるものが、特許文献１において提案されている。

しかし、スイッチ素子に電流が流れると、スイッチ素子に印加される電圧と流れる電流の積算により損失が発生し、蓄電素子に蓄えられた電荷を放電させることができるが、スイッチ素子の通電電流が増加すれば、スイッチ素子の損失が増加し、発熱量も増加する。そのため、放電時にスイッチ素子の通電電流が過度に大きくなれば、スイッチ素子の損失および発熱も大きくなり、最悪の場合、スイッチ素子が熱破壊することに至る。
従って、放電装置は蓄電素子の電荷を放電させる際には、スイッチ素子の通電電流を抑制しスイッチ素子が熱破壊に至ることを回避しなければならない。

例えば、特許文献１に記載の放電装置では、放電を行う場合には、スイッチ素子の駆動信号のオン時間（電流上昇時間）を規定し、スイッチ素子の通電電流の限界電流Ｉｃｍａｘよりも低くなる領域でオフすることで、スイッチ素子の通電電流が過電流になることを防いでいる。そしてスイッチ素子のオン・オフを蓄電素子が放電するまで複数回行い、スイッチ素子の通電電流を抑制し、スイッチ素子が熱破壊に至ることを回避している。
また、特許文献１に記載の放電装置の実施の形態では、放電制御時に、通常時と比較して、スイッチ素子の通電電流の限界電流Ｉｃｍａｘよりも低くなる領域（電流の飽和領域）のスイッチ素子駆動電圧を供給（スイッチ素子駆動電圧の低減を行い供給）することで、スイッチ素子の通電電流を抑制することができる。従って、蓄電素子を放電させる際に、スイッチ素子の通電電流を抑制し、スイッチ素子が熱破壊に至ることを回避している。

特開２００９−２３２６２０号公報

しかしながら、特許文献１において提案されている放電装置では、放電制御時にスイッチ素子の駆動信号のオン時間（電流上昇時間）を規定しているが、スイッチ素子の駆動信号がオン時間の間、電流の上昇が起きる。すなわち、駆動信号によるオンの指示を受けて、スイッチ素子のオン電圧閾値以上となると、スイッチ素子に電流が流れ始め、オン時間の間中、電流が増加する。そして、スイッチ素子の通電電流の限界電流Ｉｃｍａｘよりも低い領域で、駆動信号によってオフとされる。
この特許文献１においては、電圧駆動型のスイッチ素子（例えばＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ）が示されており、この場合、オン時間（電流上昇時間）ｔｒは、スイッチ素子入力抵抗Ｒｇ、スイッチ素子入力容量Ｃｉｓｓ、スイッチ素子駆動電圧Ｖｇ、スイッチ素子オン電圧閾値Ｖｔｈ、スイッチ素子通電電流Ｉｃ、スイッチ素子伝達係数ｇｍとすれば、式１にて表すことができ、任意の電流値をＩｃに入力すれば、電流上昇時間ｔｒを求めることが出来る。

電圧駆動型のスイッチ素子の特徴は、スイッチ素子駆動電圧が低い領域では、スイッチ素子の通電電流はある一定の電流値で飽和する。つまり、スイッチ素子駆動電圧が低い領域では、任意のスイッチ素子駆動電圧に対し、任意のスイッチ素子の通電電流に抑制できる。そのため、特許文献１の放電装置においては、スイッチ素子駆動電圧を任意のスイッチ素子の通電電流となるように、通常動作時に印加するスイッチ素子駆動電圧の値よりも低くなるように、任意のスイッチ素子駆動電圧に制御している。
一方、スイッチ素子には、個体差やスイッチ素子駆動電圧電源回路の部品のバラつきにより、オン電圧閾値およびスイッチ素子駆動電圧は一般的にバラつくことになる。
このため、特許文献１記載の放電装置では、予め設定したスイッチ素子オン電圧閾値Ｖｔｈが大きい場合、もしくはスイッチ素子駆動電圧Ｖｇが小さい場合、規定したオン時間ｔｒが大きくなり、想定していたスイッチ素子通電電流よりも大きくなる。結果として、オン電圧閾値Ｖｔｈおよびスイッチ素子駆動電圧Ｖｇにバラつきがある場合、蓄電素子を放電させる際にスイッチ素子通電電流を抑制できず、スイッチ素子が想定以上に加熱するという問題が生じる。
また、前述のバラつきにより、スイッチ素子駆動電圧Ｖｇを低く設定する場合、オン電圧閾値Ｖｔｈが高く、スイッチ素子駆動電圧Ｖｇが任意に設定したスイッチ素子駆動電圧Ｖｇよりもさらに低い場合、（オン電圧閾値Ｖｔｈ）＞（スイッチ素子駆動電圧Ｖｇ）となりスイッチ素子が駆動せず、放電ができない可能性もある。

本発明は前述の問題を解決するためになされたもので、蓄電素子の両極間に接続されるスイッチ素子により、蓄電素子の両極間を短絡し、蓄電素子の放電時に、スイッチ素子のオン電圧閾値およびスイッチ素子駆動電圧のばらつきに起因したスイッチ素子の損失による温度上昇を抑制し、確実に放電を行わせる放電装置を提供することを目的とする。

本発明に係る放電装置は、蓄電素子に対して並列に接続されたスイッチ素子と、前記スイッチ素子に定電流を供給する定電流出力手段と、前記定電流出力手段にオンまたはオフの指示を行う制御手段を備え、前記スイッチ素子の電流上昇時間ｔｒが、前記スイッチ素子の入力容量をＣｉｓｓ、前記スイッチ素子の駆動電流をＩｇ、前記スイッチ素子の通電電流をＩｃ、および前記スイッチ素子の伝達係数をｇｍとして、次の式から求められ、

前記制御手段は、前記スイッチ素子の通電電流が前記スイッチ素子の限界電流になるまでの前記電流上昇時間ｔｒの間、オンの指示を前記定電流出力手段に出力し、前記蓄電素子を短絡状態として放電させるようにし、前記電流上昇時間ｔｒに達したら、オフ信号を前記定電流出力手段に出力し、前記スイッチ素子をオフすることによって、前記蓄電素子の放電を停止するようにしたものである。

本発明に係る放電装置によれば、蓄電素子に充電されたエネルギーをスイッチ素子で消費させながら放電させるように、スイッチ素子の電流がスイッチ素子通電電流の限界電流Ｉｃｍａｘよりも低い領域でオフするようにスイッチ素子の制御信号のオン時間を規定し、定電流出力手段はスイッチ素子の駆動端子へスイッチ素子最大駆動電圧に到達するまで一定電流を出力しスイッチ素子をオンさせ、スイッチ素子は規定したオン時間分スイッチ素子通電電流を増加されながら駆動させ、蓄電素子の放電時オン・オフ制御を行う方式を採用することで、スイッチ素子のオン電圧閾値、スイッチ素子スイッチ素子駆動電圧がバラついても、規定したオン時間のみスイッチ素子を通電させ、スイッチ素子のオン電圧閾値およびスイッチ素子駆動電圧のばらつきに起因したスイッチ素子の損失による温度上昇を抑制させながら、蓄電素子に蓄積されたエネルギーを確実に放電させることのできる放電装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る放電装置の一例を説明する回路図である。 スイッチ素子のゲートチャージ量Ｑｇに対するスイッチ素子駆動電圧Ｖｇの関係を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る放電装置の他の例を説明する回路図である。 本発明の実施の形態１に係る放電装置の他の例を説明する回路図である。 本発明の実施の形態２に係る放電装置の一例を説明する回路図である。 本発明の実施の形態３に係る放電装置の一例を説明する回路図である。 本発明の実施の形態１に係る放電装置の他の例を説明する回路図である。

以下、本発明に係る放電装置の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図面中、同一又は相当する部分には、同一符号を付している。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る放電装置の一例を説明する回路図である。本実施の形態１における放電装置は、蓄電素子４に対して、制御手段１、定電流出力手段２、およびスイッチ素子３により構成されている。

図１に示すように、蓄電素子４とスイッチ素子３は、並列接続されている。定電流出力手段２は、スイッチ素子３に定電流を出力し、制御手段１は、定電流出力手段２にオン・オフ制御の制御信号を出力する。

このような回路構成において、次のような状態を前提としている。
（１）蓄電素子４は、エネルギーが充電された状態である。
（２）定電流出力手段２は、制御手段１から制御信号を受け、出力をしていない。
（３）スイッチ素子３は、定電流出力手段２からの電流出力がないためオフ状態である。

本実施の形態１における放電装置は、以下に示す手順１から手順３により、放電処理を実行する。
（手順１）
まず、制御手段１は、定電流出力手段２へオン制御信号を出力する。

このときの制御信号のオン時間は、スイッチ素子３の限界電流Ｉｃｍａｘ以下となるように設定する。

例えば、スイッチ素子３のオン時間（電流上昇時間）ｔｒは、スイッチ素子３の入力容量Ｃｉｓｓ、スイッチ素子３の駆動電流Ｉｇ、スイッチ素子３の通電電流Ｉｃ、スイッチ素子３の伝達係数ｇｍとすれば、式２にて表すことができ、通電電流Ｉｃの値を入力すれば、ｔｒを求めることが出来る。また、駆動電流Ｉｇは、定電流出力手段２の出力でもある。従って、定電流出力手段２の出力電流設定値は、制御手段１の制約からオン時間ｔｒを制御手段１が制御可能な時間で、スイッチ素子３の制約から通電電流Ｉｃをスイッチ素子３の限界電流Ｉｃｍａｘ以下となるように設定する。すなわち、定電流出力手段２によって、スイッチ素子３の駆動電流Ｉｇが制御され、スイッチ素子３の通電電流上昇スピード（時間あたりの電流量）が制御されることになり、結果的に、スイッチ素子３に流れる通電電流Ｉｃが限界電流Ｉｃｍａｘになるまでの任意の時間内で制御できることになる。

限界電流Ｉｃｍａｘは、例えば、スイッチ素子３の限界温度Ｔｊｍａｘ（例えばジャンクション温度の限界温度）となる電流である。スイッチ素子３のジャンクション温度Ｔｊは、スイッチ素子３の冷媒−ジャンクション間熱抵抗Ｒｔｈ、スイッチ素子３の両端電圧Ｖｃｅ、スイッチ素子３に流れる電流Ｉｃ、スイッチ素子３を冷却するための冷媒温度Ｔｏを用いれば、式３によって求められる。

式３より、スイッチ素子３の最大ジャンクション温度Ｔｊｍａｘが決定すれば、スイッチ素子３の限界電流Ｉｃｍａｘが求まる。また、スイッチ素子３の両端電圧Ｖｃｅは、スイッチ素子３が通電していない場合は、蓄電素子４の両端電圧、スイッチ素子３が通電している場合は、スイッチ素子３の通電電流に応じたスイッチ素子３の素子特性にて決定される。

従って、制御手段１は、電流上昇時間ｔｒだけからオン制御信号を定電流出力手段２へ出力している。そして、定電流出力手段２は、スイッチ素子３の駆動電流をスイッチ素子３の最大駆動電圧に到達するまで出力し、スイッチ素子３の駆動電圧がオン電圧閾値より高いとき、スイッチ素子３をオンさせることで、蓄電素子４を短絡状態とし放電させる。このとき、スイッチ素子３に流れる電流は、制御手段１からオン制御信号を出力している時間ｔｒ以下で、スイッチ素子３に流れる電流は増加する。また、スイッチ素子３に流れる電流Ｉｃは、スイッチ素子３の限界電流Ｉｃｍａｘ以下としているため、必ずスイッチ素子３の限界電流Ｉｃｍａｘを超えることはない。

（手順２）
次に、制御手段１は、電流上昇時間ｔｒの時間に達したら、オフ信号を定電流出力手段２へ出力する。定電流出力手段２は、制御手段１から制御信号を受け、スイッチ素子３への電流出力を停止する。スイッチ素子３は、定電流出力手段２からの電流出力がなくなり、スイッチ素子３の駆動電圧がオン電圧閾値より低くなり、オフとなって、蓄電素子４の放電を停止する。

このとき、制御手段１は、スイッチ素子３が次の電流上昇時間ｔｒの時間通電しても、スイッチ素子３の限界電流Ｉｃｍａｘよりも低くなる時間だけオフを継続させる。

（手順３）
手順１および手順２を繰り返すことで、蓄電素子４に充電されたエネルギーを放電することができる。

手順１において、スイッチ素子３の駆動を定電流出力手段２とした場合は、電流上昇時間ｔｒの算出式にオン電圧閾値Ｖｔｈおよびスイッチ素子駆動電圧Ｖｇが含まれないため、オン電圧閾値Ｖｔｈおよびスイッチ素子駆動電圧Ｖｇに関係なく、安定した電流上昇時間ｔｒを提供できる。

このように、スイッチ素子３のオン電圧閾値、スイッチ素子駆動電圧がバラついても、規定したオン時間のみスイッチ素子３を通電させ、スイッチ素子のオン電圧閾値およびスイッチ素子駆動電圧のばらつきに起因したスイッチ素子３の損失による温度上昇を抑制させながら、蓄電素子４に蓄積されたエネルギーを確実に放電させることのできる放電装置を得ることができる。

また、前述の説明では、スイッチ素子３のオン時間を式２で示した電流上昇時間ｔｒとしたが、ゲートチャージ時間ｔを用いても構わない。以下に詳細を説明する。

ゲートチャージ時間ｔは、スイッチ素子３の入力電流Ｉｇ（＝定電流出力手段２の出力電流）とゲートチャージ量Ｑｇの関係を用いて、式４のように示すことができる。

次に、電圧型のスイッチ素子駆動電圧Ｖｇ、スイッチ素子のオン電圧閾値Ｖｔｈ、スイッチ素子のゲートチャージ量Ｑｇ、スイッチ素子のゲートチャージ量閾値Ｑｇｔｈについて説明する。
図２は、本発明の実施の形態１に係るスイッチ素子のゲートチャージ量Ｑｇに対するスイッチ素子駆動電圧Ｖｇの関係を示す図である。図２において、横軸はスイッチ素子のゲートチャージ量Ｑｇ、縦軸はスイッチ素子駆動電圧Ｖｇを示す。

図２に示すように、スイッチ素子駆動電圧Ｖｇが増加すれば、それに伴いゲートチャージ量Ｑｇも増加し、スイッチ素子駆動電圧Ｖｇが減少すれば、それに伴いゲートチャージ量Ｑｇも減少する。また、スイッチ素子３が動作するためには、オン電圧閾値Ｖｔｈに相当するゲートチャージ量閾値Ｑｇｔｈ以上を必要とする。

そして、式４によれば、スイッチ素子３の入力電流Ｉｇ（Ｉｇ＝０Ａを除く）にかかわらず、ゲートチャージ時間ｔを経過すれば、ゲートチャージ量閾値Ｑｇｔｈとなり、確実にオン電圧閾値Ｖｔｈとなるため、スイッチ素子３を駆動できる。
これは、スイッチ素子３のバラつきによりオン電圧閾値Ｖｔｈのバラつき（ゲートチャージ量閾値Ｑｇｔｈのバラつき）が生じている場合であっても関係なく、ゲートチャージ時間ｔ経過すれば、確実にスイッチ素子３を駆動できることを意味する。

制御手段１は、オン制御信号を定電流出力手段２へ出力している間は、定電流出力手段２にてスイッチ素子３の最大駆動電圧に到達するまでスイッチ素子３をオンさせ、蓄電素子４を短絡状態とし放電させ、蓄電素子４に充電されたエネルギーを放電することができる。

また、ゲートチャージ時間ｔ時にスイッチ素子３の限界電流Ｉｃｍａｘとなるようにスイッチ素子３の入力電流Ｉｇ（＝定電流出力手段２の出力電流）を設定する。
なお、スイッチ素子３がオン（通電）するためには、オン電圧閾値Ｖｔｈ以上必要となるため、スイッチ素子３の通電電流であるスイッチ素子３の限界電流Ｉｃｍａｘとなるためには、ゲートチャージ量閾値Ｑｇｔｈで規定されるゲートチャージ時間ｔよりも確実に長い時間となるため、スイッチ素子３の限界電流Ｉｃｍａｘになるまでの時間であれば確実にスイッチ素子３を駆動することができる。

このように、スイッチ素子３のオン電圧閾値Ｖｔｈ、スイッチ素子駆動電圧Ｖｇがバラついても、定電流出力手段２からの出力電流Ｉｇをゲートチャージ時間ｔにスイッチ素子３の限界電流Ｉｃｍａｘとなるように制御し、ゲートチャージ時間ｔ経過すれば、スイッチ素子３のオン電圧閾値およびスイッチ素子駆動電圧のばらつきに起因したスイッチ素子３の損失による温度上昇を抑制させながら、蓄電素子４に蓄積されたエネルギーを確実に放電させることのできる放電装置を得ることができる。

また、前述した効果以外に、スイッチ素子３の限界電流Ｉｃｍａｘに到達するまでの時間を任意の時間として制御できるため、制御手段の計算能力が低い場合でも蓄電素子４の放電が可能であるという効果を得ることができる。
以下に詳細を説明する。

始めに、スイッチ素子駆動電圧Ｖｇとスイッチ素子３の入力電流Ｉｇの関係について説明する。入力電流Ｉｇはスイッチ素子３のオン電圧閾値Ｖｔｈとスイッチ素子入力抵抗Ｒｇを用いれば、式５で示すことができる。

スイッチ素子３が駆動するためには、スイッチ素子３のオン電圧閾値Ｖｔｈ以上のスイッチ素子駆動電圧Ｖｇを設定することになるが、結局のところ、式５に示すように、スイッチ素子３の入力電流Ｉｇを発生させ、式４に示すオンゲートチャージ量Ｑｇとなるようにし、スイッチ素子駆動電圧Ｖｇとゲートチャージ量Ｑｇの関係は図２に示す通りのことから、オンゲートチャージ量閾値Ｑｇｔｈ以上としている。
つまりスイッチ素子３のオン・オフはゲートチャージ量Ｑｇで制御される。また、前記で説明した通りスイッチ素子３の入力電流Ｉｇが低い場合、電流の急峻な上昇を抑えることができる。

特許文献１記載の放電装置ではスイッチ素子駆動電圧Ｖｇとスイッチ素子のオン電圧閾値Ｖｔｈの関係は、（スイッチ素子駆動電圧Ｖｇ）＞（オン電圧閾値Ｖｔｈ）でなければ、スイッチ素子３を駆動できないため、スイッチ素子駆動電圧Ｖｇは、スイッチ素子３のオン電圧閾値Ｖｔｈより大きくしなければならない。これは、スイッチ素子のオン電圧閾値Ｖｔｈがスイッチ素子のバラツキにより大きい場合、必然的にスイッチ素子駆動電圧Ｖｇを大きくしなければならない。つまり、スイッチ素子３の入力電流Ｉｇを大きくしなければならないことになる。スイッチ素子３の入力電流Ｉｇが大きい場合、ゲートチャージ時間ｔを短くする必要があり、従って、スイッチ素子駆動電圧Ｖｇの制約により、スイッチ素子３の限界電流値に到達するまでの時間（＝ゲートチャージ時間ｔ）の最大値に制約があることになる。

一方、本発明では、スイッチ素子３の入力電流Ｉｇを直接、定電流出力手段２で制御するため、スイッチ素子３の限界電流Ｉｃｍａｘに到達するまでの時間（＝ゲートチャージ時間ｔ）を任意に制御できる。
また、スイッチ素子３の短絡時には、スイッチ素子３の通電電流値は、短時間で非常に大きくなる。そこで、スイッチ素子３へ通電する時間（＝ゲートチャージ時間ｔ）を短くしたいところであるが、制御手段１の計算能力が低い場合には、スイッチ素子３のオフが間に合わずスイッチ素子３の限界電流Ｉｃｍａｘを超える可能性もある。
しかしながら、本発明の実施の形態１では、スイッチ素子３に流れる電流上昇時間（＝ゲートチャージ時間ｔ）を任意に決定することができるため、制御手段１の計算能力が低い場合でも蓄電素子４の放電が可能である。

前述の説明では、ゲートチャージ時間ｔを、定電流出力手段２からの出力電流Ｉｇを調整しスイッチ素子３の限界電流Ｉｃｍａｘに達する時間としたが、スイッチ素子３の通電電流は限界電流Ｉｃｍａｘ以下であればよいため、ゲートチャージ時間ｔにスイッチ素子３の通電電流Ｉｃを任意となるように定電流出力手段２からの出力電流Ｉｇを制限しても構わない。
この場合、前述した実施の形態よりもスイッチ素子３の損失を過度に大きくせずに温度上昇を抑制させながら、蓄電素子４に蓄積されたエネルギーを確実に放電させることのできる放電装置を得ることができる。

また、前述の実施の形態１では、放電抵抗を用いない例を示したが、蓄電素子４と並行に放電抵抗（図示せず）を接続し、放電抵抗を併用して効率よく蓄電素子４を放電しても構わない。
なお、実施の形態１の制御手段１の制御信号のオン時間は、スイッチ素子３の温度情報を用いても構わない。

図３は、本発明の実施の形態１に係る放電装置の他の例を説明する回路図である。図３に示した構成は、先の図１に示した構成と比較すると、スイッチ素子３の温度を検出し、検出したスイッチ素子３の温度を制御手段１へ出力するスイッチ素子温度検出手段５を備えている点が異なっている。そこで、相違点であるスイッチ素子温度検出手段５の働きを中心に、以下に説明する。

（手順１）
スイッチ素子温度検出手段５にて、スイッチ素子３のスイッチ素子温度を検出する。
（手順２）
制御手段１は、スイッチ素子温度検出手段５にて検出したスイッチ素子温度が、スイッチ素子３の限界温度（例えばスイッチ素子３のジャンクション限界温度Ｔｊｍａｘ）か否かを判断する。
このとき、スイッチ素子温度がスイッチ素子３の限界温度でなければ制御信号をオンとし定電流出力手段２へ出力する。
スイッチ素子温度がスイッチ素子３の限界温度であるならば制御信号をオフとし定電流出力手段２へ出力する。制御信号のオフを受けた定電流出力手段２は、出力をオフとするため、スイッチ素子３はオフになる。

（手順３）
手順１および手順２を繰り返すことで、蓄電素子４に充電されたエネルギーを放電することができる。
このように、スイッチ素子３の温度を検出し、検出したスイッチ素子３の温度を制御手段１へ出力するスイッチ素子温度検出手段５を用いれば、制御手段１は、スイッチ素子３のオン電圧閾値、スイッチ素子駆動電圧のバラつきに関係なく、スイッチ素子３の損失による温度上昇をスイッチ素子３の限界温度に抑制させながら、蓄電素子４に蓄積されたエネルギーを確実に放電させることができる。

また、スイッチ素子３の入力電流Ｉｇを制限して、制御信号のオン時間を延ばし、スイッチ素子３に流れる電流上昇時間（＝ゲートチャージ時間ｔ）を任意に決定し、計算能力が低い制御手段１を用いた蓄電素子４の放電が可能である。

さらに、実施の形態１の制御手段１の制御信号のオン時間は、スイッチ素子３の電流情報を用いても構わない。この場合の構成は、図４に示す構成となる。

図４は、本発明の実施の形態１に係る放電装置の他の例を説明する回路図である。図４に示した構成は、先の図１に示した構成と比較すると、スイッチ素子３の電流を検出し、検出したスイッチ素子３の電流を制御手段１へ出力するスイッチ素子電流検出手段６をさらに備えている点が異なっている。そこで、相違点であるスイッチ素子電流検出手段６の働きを中心に、以下に説明する。

（手順１）
スイッチ素子電流検出手段６にてスイッチ素子３のスイッチ素子電流を検出する。
（手順２）
制御手段１は、スイッチ素子電流検出手段６にて検出したスイッチ素子電流がスイッチ素子３の限界電流Ｉｃｍａｘか否かを判断する。
このとき、スイッチ素子電流がスイッチ素子３の限界電流でなければ、制御手段１は、制御信号をオンとし定電流出力手段２へ出力する。スイッチ素子電流がスイッチ素子３の限界電流であれば、制御手段１は、制御信号をオフとし、定電流出力手段２へ出力する。制御信号のオフを受けた定電流出力手段２は、出力をオフとするため、スイッチ素子３は、オフとなる。

（手順３）
手順１および手順２を繰り返すことで、蓄電素子４に充電されたエネルギーを放電することができる。

このように、スイッチ素子３の電流を検出し、検出したスイッチ素子の電流を制御手段１へ出力するスイッチ素子電流検出手段６を用いれば、制御手段１は、スイッチ素子３のオン電圧閾値、スイッチ素子駆動電圧のバラつきに関係なく、スイッチ素子３の損失による温度上昇をスイッチ素子の限界温度となるスイッチ素子限界電流に抑制させながら、蓄電素子４に蓄積されたエネルギーを確実に放電させることができる。

実施の形態２．
次に、本実施の形態２について説明する。図５は、本発明の実施の形態２に係る放電装置の一例を説明する回路図である。図５に示した構成は、先の実施の形態１における図１に示した構成と比較すると、スイッチ素子３を含むスイッチング部７が追加された構成となる点が異なっている。

本実施の形態２におけるスイッチング部７は、第１のスイッチ素子３に加えて、さらに第１のスイッチ素子３に直列接続された第２のスイッチ素子３１となる直列体、第１のスイッチ素子３と第２のスイッチ素子３１の直列体と並行に接続される第３のスイッチ素子３２と第４のスイッチ素子３３からなる直列体、さらに第３のスイッチ素子３２と第４のスイッチ素子３３からなる直列体と並行に接続される第５のスイッチ素子３４と第６のスイッチ素子３５からなる直列体を含んで構成されている。

第１から第６のスイッチ素子３、３１から３５に、先の実施の形態１と同様の（手順１）から（手順３）を実施すれば、蓄電素子４に充電されたエネルギーを放電することができる。

また、第１から第６のスイッチ素子３、３１から３５のように複数のスイッチ素子を使用することによって、損失が分散され、スイッチ素子一つあたりの発熱が小さくなるという効果がある。

ここに示した実施の形態２は、インバータ回路の構成である。従って、本実施の形態２における図５で示した回路構成は、インバータ回路に別の回路を追加することなしに、放電を行うことができることを表している。

また、前述の実施の形態２では、スイッチ素子３、３１から３５を全てオン・オフ制御とさせているが、スイッチング部７の少なくとも１つの直列体のうち少なくとも１つのスイッチ素子をオン・オフさせ、直列体のうち残りのスイッチ素子を常時オンとし、オン・オフさせているスイッチ素子を、実施の形態１と同様の（手順１）から（手順３）を実施すれば、蓄電素子４に充電されたエネルギーを放電させることができる。
従って複数の直列体を同時に動作させなくてもよいため、各直列体が短絡する時間が重ならないように制御し、発熱箇所と時間を分散させることもできる。

実施の形態３．
次に、本実施の形態３について説明する。図６は、本発明の実施の形態３に係る放電装置の一例を説明する回路図である。図６に示した構成は、先の実施の形態２における図５に示した構成と比較すると、スイッチング部７の構成において、放電の対象となる第２の蓄電素子８が追加された点が異なっている。そこで、相違点であるスイッチング部７および第２の蓄電素子８の構成・働きを中心に、以下に説明する。

この実施の形態３におけるスイッチング部７は、第１のスイッチ素子３と第２のスイッチ素子３１に加えて、さらに、第３のスイッチ素子３６および第４のスイッチ素子３７を含んで構成され、４つのスイッチ素子がこの順番で直列接続されている。さらに第２の蓄電素子８は、第２のスイッチ素子３１と第３のスイッチ素子３６の直列回路に対して並列接続されている。

この実施の形態３において、第１のスイッチ素子３、第２のスイッチ素子３１、第７のスイッチ素子３６および第８のスイッチ素子３７に、先の実施の形態１と同様の（手順１）から（手順３）を実施すれば、蓄電素子４に充電されたエネルギーおよび第２の蓄電素子８に充電されたエネルギーを放電することができる。

この図６に示した蓄電素子４および第２の蓄電素子８は、第１から第２のスイッチ素子３、３１および第７から第８のスイッチ素子３６、３７との組み合わせによって、マルチレベルチョッパ回路を構成している。

したがって、この発明の実施の形態３によれば、本発明による図６に示した回路構成を用いることで、マルチレベルチョッパ回路に対して回路を追加することなく、本願発明の放電処理機能を持たせることができる。

また、前述した実施の形態３では、スイッチ素子を全てオン・オフ制御とさせているが、スイッチング部７のスイッチ素子のうち少なくとも１つのスイッチ素子をオン・オフさせ、スイッチング部７の残りのスイッチ素子を常時オンとし、オン・オフさせているスイッチ素子を実施の形態１と同様の（手順１）から（手順３）を実施すれば、蓄電素子４および第２の蓄電素子８に充電されたエネルギーを放電することができる。

前述のように、実施の形態１から実施の形態３においては、スイッチ素子３へ入力する電流値が通常制御時と放電制御時と異なる場合もある。その場合、制御手段１は、制御信号を通常制御信号から放電制御信号に切り替え、定電流装置２から出力される電流値を変更することで対応することが可能である。この内容について、実施の形態１を例に挙げ以下に説明する。

図７は、本発明の実施の形態１に係る放電装置の他の例を説明する回路図である。図７に示した構成は、先の図１に示した構成と比較すると、定電流出力手段２が通常制御時定電流出力手段２１と放電制御時定電流出力手段２２から構成されている点が異なっている。そこで、相違点である定電流出力手段２の働きを中心に、以下に説明する。

通常制御時定電流出力手段２１は、通常の制御において、スイッチ素子３の駆動端子に予め設定されている電流値を出力する回路であり、放電制御時定電流出力手段２２は、放電制御時に、予め設定した電流上昇時間となるような電流値を出力し、スイッチ素子３を駆動するように構成されている。

ここで通常制御時とは、インバータ回路やマルチレベルチョッパ回路など、放電以外の制御を行う制御を実施している状態を示す、また、放電制御時とは実施の形態１を実施している状態を示す。

通常制御時に任意の制御を実施し、放電時には、先の実施の形態１と同様の手順を実施することによって、蓄電素子４に充電されたエネルギーを放電することができる。

以上、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態１から実施の形態３に説明した内容を自由に組み合わせたり、あるいは各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１ 制御手段、２ 定電流制御手段、３ スイッチ素子、４ 蓄電素子、
５ スイッチ素子温度検出手段、６ スイッチ素子電流検出手段、
７ スイッチング部、８ 第２の蓄電素子、
２１ 通常制御時定電流出力手段、２２ 放電制御時定電流出力手段、
３１ 第２のスイッチ素子、３２ 第３のスイッチ素子、３３ 第４のスイッチ素子、
３４ 第５のスイッチ素子、３５ 第６のスイッチ素子、３６ 第７のスイッチ素子、
３７ 第８のスイッチ素子

Claims (12)

1. 蓄電素子に対して並列に接続されたスイッチ素子と、前記スイッチ素子に定電流を供給する定電流出力手段と、前記定電流出力手段にオンまたはオフの指示を行う制御手段を備え、前記スイッチ素子の電流上昇時間ｔｒが、前記スイッチ素子の入力容量をＣｉｓｓ、前記スイッチ素子の駆動電流をＩｇ、前記スイッチ素子の通電電流をＩｃ、および前記スイッチ素子の伝達係数をｇｍとして、次の式から求められ、
   

   

   前記制御手段は、前記スイッチ素子の通電電流が前記スイッチ素子の限界電流になるまでの前記電流上昇時間ｔｒの間、オンの指示を前記定電流出力手段に出力し、前記蓄電素子を短絡状態として放電させるようにし、前記電流上昇時間ｔｒに達したら、オフ信号を前記定電流出力手段に出力し、前記スイッチ素子をオフすることによって、前記蓄電素子の放電を停止するようにしたことを特徴とする放電装置。
2. 前記スイッチ素子の温度を検出し、検出した前記スイッチ素子の温度情報を前記制御手段へ出力するスイッチ素子温度検出手段を備え、前記制御手段は前記スイッチ素子の温度状態によって前記スイッチ素子のオン時間を制御することを特徴とする請求項１に記載の放電装置。
3. 前記スイッチ素子の電流を検出し、検出した前記スイッチ素子の電流情報を前記制御手段へ出力するスイッチ素子電流検出手段を備え、前記制御手段は前記スイッチ素子の電流状態によって前記スイッチ素子のオン時間を制御することを特徴とする請求項１に記載の放電装置。
4. 前記スイッチ素子が複数であって、前記複数のスイッチ素子によってスイッチング部を構成し、前記蓄電素子と前記スイッチング部とが並列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の放電装置。
5. 前記制御手段が、前記複数のスイッチ素子の少なくとも１つをオン・オフ制御し、他のスイッチ素子をオン制御することを特徴とする請求項４に記載の放電装置。
6. 前記制御手段が、前記複数のスイッチ素子の全てをオン・オフ制御することを特徴とする請求項４に記載の放電装置。
7. 前記スイッチ素子がオフする時間が他のスイッチ素子がオフする時間と重ならないように、前記制御手段が制御することを特徴とする請求項６に記載の放電装置。
8. 前記スイッチング部が、前記スイッチ素子に対して別のスイッチ素子を直列に接続してなる直列体によって構成されていることを特徴とする請求項４に記載の放電装置。
9. 前記スイッチング部が、前記直列体を複数、並列に接続して構成されていることを特徴とする請求項８に記載の放電装置。
10. 前記スイッチング部が、第１のスイッチ素子と、第２のスイッチ素子と、第３のスイッチ素子と、第４のスイッチ素子の直列接続された構成を有し、前記蓄電素子が前記スイッチング部に並列になるように、前記スイッチング部の両端に接続され、第２の蓄電素子が、前記第２のスイッチ素子と前記第３のスイッチ素子の直列体に並列になるように、前記第２のスイッチ素子と前記第３のスイッチ素子の直列体の両端に接続されたことを特徴とする請求項４に記載の放電装置。
11. 前記定電流出力手段が、通常制御時定電流出力手段と放電制御時定電流出力手段から構成され、前記通常制御時定電流出力手段は、前記制御手段が前記蓄電素子の放電制御を行っていない場合の電流値を前記スイッチ素子に出力し、前記放電制御時定電流出力手段は、放電制御時の電流値を前記スイッチ素子に出力することを特徴とする請求項１に記載の放電装置。
12. 前記蓄電素子と並行に放電抵抗が接続され、前記蓄電素子の放電時に、前記放電抵抗を併用しながら放電を行うことを特徴とする請求項１に記載の放電装置。

Images