TWI644517B - 反向器用負載異常檢測電路及反向器裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明係提供反向器用負載異常檢測電路及反向器裝置，其係能防止屬於反向器的重要構成要素之切換元件的破壞。本發明之反向器用負載異常檢測電路50係在反向器裝置3的運轉中檢測負載2之異常，該反向器裝置具有自熄元件31作為切換元件並且被控制為在相位同步迴路中使輸出頻率成為負載2之共振頻率，其中，切換元件係具有和自熄元件31反並聯連接的還流二極體32，且該反向器用負載異常檢測電路具備相位偏移檢測手段，其係檢測從反向器裝置3供應至負載2之輸出電壓V1及輸出電流I1的相位偏移，且根據檢測出的相位偏移而送出負載異常信號，相位偏移檢測手段係檢測輸出電流I1相對於輸出電壓V1的相位之前進及相位之延後。

Description

反向器用負載異常檢測電路及反向器裝置
本發明係有關於在反向器(inverter，也稱為「逆變器」)供應電力的負載產生異常情形時，為了保護反向器免於受到該負載之異常情形所造成的影響而設置的反向器用負載異常檢測電路，及具備該反向器用負載異常檢測電路的反向器裝置之相關技術。
吾人係使用反向器裝置作為供應交流電力於負載之電源裝置。若使用反向器裝置而供應電力，則由於能任意設定供應於負載之電壓值及電流值，故能因應於負載的特性或所需的工作量而供應電力，不致於使供應電力於負載形成徒勞無功，且能有效的進行電力供應。
作為反向器裝置之一例，如第7圖所示，已知有一種反向器裝置1，其係具備：整流電路10，其係以二極體11及平滑電容器12將三相交流電力變換成直流電力；定電壓電路20，其係將該整流電路10之輸出電壓調整為特定電壓；反向器電路30，其係將來自該定電壓電路20的直流電力變換成交流電 力；以及相位同步迴路電路(以下，簡稱為「PLL電路」。)40，其係能將自該反向器電路30輸出之交流電力的頻率控制為形成負載2的共振頻率。該反向器裝置1係產生被視為高頻之高頻率之交流電力並且形成輸出阻抗較小之電壓型者。
定電壓電路20係即使負載或輸入電壓產生變動，亦能將特定的直流電壓予以安定而供應於輸出側之截波方式的電路。該定電壓電路20係設有：電力控制用之MOSFET 21，其係形成截波器本體之切換元件；電壓.電流平滑用之電抗器22及電容器23；以及續流二極體24，其係形成MOSFET 21關斷時之負載電流通路。定電壓電路20係藉由使附加於MOSFET 21的閘極之週期信號的導通時間之寬度產生變化而能調節輸出電壓。
反向器電路30係設有屬於連接成橋狀之切換元件的頻率控制用MOSFET 31。各MOSFET 31係並聯連接於將感應負載時之延後電流成分歸還於直流電路，且使橋內做環流之二極體32。此外，反向器電路30係連接於由電感L及電容量C所組成之負載2，為了檢測流往該負載2之電流I1及電壓V1而設有變流器33及變壓器34。
PLL電路40係設有：相位比較電路41，其係檢測流往負載2之電流I1及電壓V1的相位偏移；類比加減法器42，其係加減預先設定之頻率設定值，使相位比較電路41所檢測之電流I1及電壓V1的相位偏移能形成一致；電壓控制振盪器43，其係輸出因應於該類比加減法 器42所輸出的電壓之頻率的信號；以及閘極信號控制電路44，其係因應於電壓控制振盪器43所輸出的信號之頻率，將信號依序傳送於反向器電路30之各MOSFET 31所具有之閘極A至D。
根據如此之反向器裝置1，即能產生被視為高頻之高頻率的交流電力，且能利用於鋼材等之高頻淬燒。因此，由於控制輸出的電頻率而使流往負載2之電流I1及電壓V1的相位能形成一致，故能使輸出電力的頻率和由電感L及電容C所組成之負載2的共振頻率形成一致，且能有效的使負載2運轉。
在反向器裝置1的運轉中，若負載2的電路之一部分產生短路、或被開放等之異常情形時，則負載2的阻抗係產生劇烈變化，且共振頻率將產生極大的變動。因此，反向器裝置1的PLL電路40雖係將輸出的頻率控制成追蹤負載2的共振頻率，但，在控制的過渡狀態當中，亦具有瞬間產生較大的電流或電壓，且破壞MOSFET 31的可能性。特別是，因為負載2的阻抗之變化，使電流I1的相位對電壓V1的相位而前進時，則會有產生較大的衝激電壓，且因為該衝激電壓而易於使MOSFET 31被破壞的問題。因此，基於確保對電流I1的相位的前進之餘裕的觀點，典型上係在使電流I1的相位相對於電壓V1的相位多少有延後之狀態下使反向器裝置1運轉。此外，亦已知檢測電流I1相對於電壓V1的相位的前進而強化MOSFET 31的保護動作之技術。
記載於專利文獻1之反向器用負載異常檢測電路係附加於上述反向器裝置1，檢測自反向器裝置1輸出於負載2之電流I1及電壓V1的相位偏移，且根據該相位偏移而送出負載異常信號。該負載異常檢測電路係輸入分別自和PLL電路40連接之變流器33及變壓器34所取得之電流I1及電壓V1。此外，負載異常檢測電路係分別將所輸入之電流I1及電壓V1調整為特定的方形波而將電流I1及電壓V1的波形作比較。
在產生負載共振電路的電感消滅之異常情形，負載2之共振頻率自反向器裝置3的作動頻率偏移時，則負載2的共振電路係形成容量性負載，電流I1的相位係相對於電壓V1的相位而前進。該情形時，負載異常檢測電路係將反向器電路30之MOSFET 31的閘極信號全部設成關斷狀態，截波方式之定電壓電路20所使用之MOSFET 21亦設成關斷狀態，防止來自輸入側之電流流入。據此，即能停止供應電力於負載2，並且可保護MOSFET 31。
先前技術文獻： 專利文獻：
專利文獻1：日本特許第3652098號公報
根據記載於專利文獻1之反向器用負載異常檢測電路，雖檢測電流I1之相對於電壓V1的相位之前 進，但，並未檢測電流I1之相對於電壓V1的相位之延後。產生電流I1之相對於電壓V1的相位之延後之情形時，電流I1的延後電流成分係流通於和MOSFET 31並聯連接之二極體32。又，產生電流I1之相對於電壓V1的相位之前進時亦相同，電流I1的前進電流成分係流通於二極體32。另一方面，電流I1及電壓V1的相位為一致時，電流I1係不流通於二極體32。PLL電路40所進行之電流I1及電壓V1的相位的調整係可謂進行將電流I1流通於MOSFET 31或流通於二極體32的調整而自無爭議。
電流I1及電壓V1的相位偏移係導致流通於二極體32的延後電流成分或前進電流成分的增加，擔心二極體32所造成的損失的增加。二極體32係例如編入MOSFET 31，則具有伴隨著二極體32所造成的損失之增加而使MOSFET 31發熱，且MOSFET 31係藉由熱的要因而被破壞之虞。
本發明係提供反向器用負載異常檢測電路及反向器裝置，其係能防止反向器的重要構成要素之切換元件的破壞。
本發明之一實施形態1的反向器用負載異常檢測電路係在反向器的運轉中檢測負載之異常，該反向器係具有自熄元件(self-extinguishing element)作為切換元件並且在相位同步迴路中被控制成使輸出頻率成為前述負載之共振頻率，其中，前述切換元件係具有和前述自熄元 件反並聯連接的還流二極體，該反向器用負載異常檢測電路係具備相位偏移檢測手段，其係檢測從前述反向器供應至前述負載之輸出電壓及輸出電流的相位偏移，且根據檢測之相位偏移而送出負載異常信號，前述相位偏移檢測手段係檢測前述輸出電流相對於前述輸出電壓的相位之前進及相位之延後。
此外，本發明之一實施形態的反向器裝置係在控制作為切換元件而具有自熄元件並且能以相位同步迴路使輸出頻率形成負載之共振頻率的反向器裝置，前述切換元件係具有和前述自熄元件反並聯連接的還流二極體，具備前述反向器用負載異常檢測電路。
根據本發明，即能防止屬於反向器的重要構成要素之切換元件的破壞於未然。
2‧‧‧負載
3‧‧‧反向器裝置
10‧‧‧整流電路
11、32‧‧‧二極體
12‧‧‧平滑電容器
20‧‧‧定電壓電路
21、31‧‧‧MOSFET
22‧‧‧電抗器
23、51B、52B、53B‧‧‧電容器
24‧‧‧續流二極體
30‧‧‧反向器電路
31‧‧‧自熄元件
33‧‧‧變流器
34‧‧‧變壓器
40‧‧‧相位同步迴路電路
41‧‧‧相位比較電路
42‧‧‧類比加減算器
43‧‧‧電壓控制振盪器
44‧‧‧閘極信號控制電路
50‧‧‧反向器用負載異常檢測電路
51A、52A、53A‧‧‧電阻器
51、52‧‧‧波形整形器
53‧‧‧脈衝寬度變更手段
54‧‧‧D正反器
55‧‧‧鎖存器
56‧‧‧比較器
57‧‧‧反轉器
58‧‧‧相位偏移檢測手段
59‧‧‧可變電阻器
60‧‧‧遮蔽手段
C‧‧‧電容
CL‧‧‧時脈埠
D‧‧‧資料埠
I1‧‧‧電流
L‧‧‧電感
Q1、Q2‧‧‧輸出埠
# Q2‧‧‧反轉輸出埠
V1‧‧‧電壓
第1圖係為了說明本發明之實施形態之反向器裝置的一例之電路圖。
第2圖係第1圖之反向器用負載異常檢測電路之電路圖。
第3圖係第2圖之反向器用負載異常檢測電路之相位偏移檢測動作的一例之時序圖。
第4圖係第2圖之反向器用負載異常檢測電路之相位偏移檢測動作的一例之時序圖。
第5圖係第2圖之反向器用負載異常檢測電路之相位偏移檢測動作的一例之時序圖。
第6圖係第2圖之反向器用負載異常檢測電路之相位偏移檢測動作的一例之時序圖。
第7圖係習知例之電路圖。
以下，根據圖示而說明本發明之實施形態。又，以下的說明係對和已說明之元件或電路相同者賦予相同的符號，且省略其說明或予以簡略。
第1圖係為了說明本發明之實施形態之反向器裝置的一例之電路圖。
第1圖所示之反向器裝置3係將負載異常檢測電路50附加於前述之反向器裝置1。反向器電路30之MOSFET 31為導通電阻值小於二極體32之順方向的電阻值者，例如為SiC-MOSFET。又，二極體32係編入於MOSFET 31，亦可和MOSFET 31作分別設置。
第2圖係負載異常檢測電路50之電路圖。
負載異常檢測電路50係檢測由反向器裝置3輸出至負載2之電流I1及電壓V1的相位偏移，且根據該相位偏移而將負載異常信號送出至PLL電路40。負載異常檢測電路50係輸入自變流器33取得之電流I1及自變壓器34取得之電壓V1。
負載異常檢測電路50係如第2圖所示，設有：波形整形器51，其係根據電壓V1而產生脈衝信號； 波形整形器52，其係根據電流I1而產生脈衝信號；脈衝寬度變更手段53，其係變更自波形整形器51輸出之根據電壓V1而定之脈衝信號的脈衝寬度；D正反器54；鎖存器55，其係將D正反器54的輸出予以保持；比較器56，其係檢測電流I1的大小是否達到基準值；以及反轉器57，其係將比較器56的輸出信號予以反轉。
波形整形器51係包含用以調整所產生的脈衝信號的振幅之電阻器51A、以及用以去除包含於電壓V1的波形之不需要的高諧波之電容器51B，並根據電壓V1而產生脈衝信號。又，所謂脈衝信號係振幅以成為最大值(HIGH)及最小值(LOW)之任一值之方式週期性的產生變化者。脈衝波形係以方形波為理想，但，亦可為三角波、鋸齒波等。
波形整形器52係和波形整形器51同樣包含用以調整產生的脈衝信號的振幅之電阻器52A、以及用以去除包含於電流I1的波形之不需要的高諧波之電容器52B等，並根據電流I1而產生脈衝信號。
脈衝寬度變更手段53係將波形整形器51輸出之根據電壓V1而定的脈衝信號(例如方形波)的脈衝寬度變更為較電壓V1的半週期T/2更短之脈衝寬度PW。脈衝寬度變更手段53係例如能使用單安定複振器。脈衝寬度變更手段53係作成單安定複振器，脈衝寬度變更手段53係具有連接於電源Vcc的電阻器53A、以及電容器53B，將輸入至輸入埠A的信號作為觸發信號，將根據 電阻器53A的電阻值及電容器53B的靜電容量而決定之RC時常數所對應之脈衝寬度的脈衝信號自輸出埠Q1予以輸出。
D正反器54係具有：時脈埠CL，其係輸入有波形整形器52所輸出之根據電流I1而定的脈衝信號作為時脈信號；資料埠D，其係輸入有具有較電壓V1的半週期T/2更短之脈衝寬度PW的脈衝信號作為資料信號，該脈衝信號為自脈衝寬度變更手段53所輸出的脈衝信號、亦即根據電壓V1而定的脈衝信號；重設埠R，其係供輸入重設信號；輸出埠Q2，其係輸出形成設定狀態的信號；以及反轉輸出埠# Q2，其係和輸出埠Q2相反地輸出形成重設狀態的信號。藉由脈衝寬度變更手段53及D正反器54而形成檢測電流I1相對於電壓V1的相位之前進及相位之延後之相位偏移檢測手段58。
比較器56係將分別輸入於二個輸入埠之交流信號的大小作比較。比較器56之一方的輸入埠係供輸入表示流往負載2的電流I1之值之交流信號。比較器56之另一方的輸入埠係供輸入以可變電阻器59將特定的交流電壓V2予以分壓後之交流信號作為預先設定之基準值。
當電流I1較基準值更大時，則自比較器56輸出定常運轉信號。該定常運轉信號係以反轉器57予以反轉而輸入至D正反器54的重設埠R。藉由比較器56、反轉器57、以及可變電阻器59而形成持續輸入重設信號至D正反器54的重設埠R直至電流I1之值形成較基準值更 大為止之遮蔽手段60。
反向器裝置3之啟動後，遮蔽手段60係持續輸入重設信號至D正反器54的重設埠R，且停止負載異常檢測電路50的相位偏移之檢測動作，直至反向器裝置3之運轉達到定常狀態為止，具體而言係反向器裝置3之作動頻率與負載2的共振頻率一致，且流往負載2的電流I1係形成較基準值更大為止。據此，可解除在流往負載2的電流I1不穩定且電流I1及電壓V1的相位不一致的反向器裝置3之啟動瞬間後，反向器裝置3被強制性停止之不合理現象。此外，當反向器裝置3的運轉達到定常狀態時，即開始負載異常檢測電路50的相位偏移之檢測動作。
第3圖至第6圖係負載異常檢測電路50之相位偏移檢測動作的一例之時序圖。
第3圖至第6圖所示之例中，波形整形器51係根據電壓V1而產生方形波的脈衝信號，波形整形器52係根據電流I1而產生方形波的脈衝信號。此外，脈衝寬度變更手段53係自輸出埠Q1輸出具有較電壓V1的半週期λ/2更短之脈衝寬度PW的脈衝信號，該脈衝信號係在自波形整形器51輸出之根據電壓V1而定之脈衝信號且為輸入於輸入埠A之脈衝信號的上升時序而上升。此外，D正反器54係上升邊緣觸發器型的D正反器，在時脈信號的上升時序被輸入有資料信號時，則形成設定狀態。
如第3圖所示，電流I1及電壓V1的相位為一致時，輸入至D正反器54的時脈埠CL的時脈信號(自 波形整形器52輸出的根據電流I1而定的脈衝信號)及輸入於資料埠D的資料信號(自脈衝寬度變更手段53輸出的根據電壓V1而定的脈衝信號)的相位為一致，且在輸入至時脈埠CL的時脈信號的上升時序於資料埠D輸入有資料信號，D正反器54係形成設定狀態。在設定狀態當中，D正反器54的輸出埠Q2係形成HIGH狀態，反轉輸出埠# Q2係形成LOW狀態。
另一方面，如第4圖所示，電流I1的相位相對於電壓V1的相位前進時，在輸入至D正反器54的時脈埠CL的時脈信號的上升時序，於資料埠D並未輸入有資料信號，D正反器54係形成重設狀態。在重狀態當中，D正反器54的輸出埠Q2係形成LOW狀態，反轉輸出埠# Q2係形成HIGH狀態。
此外，如第5圖所示，電流I1的相位相對於電壓V1的相位延後時，該延後△T為脈衝寬度變更手段53輸出的根據電壓V1而定的脈衝信號之脈衝寬度PW以上時，在輸入至D正反器54的時脈埠CL的時脈信號的上升時序，於資料埠D並未輸入有資料信號，D正反器54係形成重設狀態。在重狀態當中，D正反器54的輸出埠Q2係形成LOW狀態，反轉輸出埠# Q2係形成HIGH狀態。
例如，使用D正反器54的輸出埠Q2所輸出的信號，將輸出信號為HIGH狀態時當作正常，將LOW狀態時當作負載異常，即能檢測電流I1相對於電壓V1的相位之前進、以及脈衝寬度PW以上的相位之延後。此外， 使用D正反器54的反轉輸出埠# Q2所輸出的信號，將輸出信號為LOW狀態時當作正常，將HIGH狀態時當作負載異常，亦能檢測電流I1相對於電壓V1的相位之前進、以及脈衝寬度PW以上的相位之延後。D正反器54的輸出信號係中介鎖存器55而輸入至反向器裝置3的PLL電路40，PLL電路40係在經輸入有表示負載異常的的輸出信號(負載異常信號)時，將MOSFET 31適當的作成關斷狀態，停止供應電力於負載2，保護MOSFET 31而不受到破壞。
又，本例係藉由遮蔽手段60而持續輸入重設信號至D正反器54的重設埠R，據此而停止負載異常檢測電路50的相位偏移之檢測動作，直至反向器裝置3之運轉達到定常狀態為止，因此係將輸出信號為LOW之狀態時當作正常，將輸出信號為HIGH之狀態時當作負載異常，而使用反轉輸出埠# Q2的輸出信號(參考第2圖)。
此處，如第6圖所示，電流I1的相位相對於電壓V1的相位延後時，該延後△T若未滿脈衝寬度變更手段53輸出的根據電壓V1而定的脈衝信號之脈衝寬度PW時，在輸入至D正反器54的時脈埠CL的時脈信號的上升時序於資料埠D輸入有資料信號，D正反器54係和第3圖所示之電壓V1及電流I1的相位為一致時同樣的形成設定狀態。換言之，未滿脈衝寬度PW的相位之延後係被容許的。脈衝寬度PW係能根據脈衝寬度變更手段53的RC時常數而作變更，且因應於容許的相位之延後而適當地設定。
根據上述之實施形態，則具有如下的功效。
首先，由於設置有負載異常檢測電路50，其係根據流往負載2之電流I1及電壓V1的相位偏移而檢測負載2之異常情形，故當事故等而使負載2之阻抗產生變化時，即能根據該共振頻率的變動所產生之電流I1及電壓V1的相位偏移而迅速檢測負載2之異常情形，而能在PLL電路40追隨負載2之共振頻率的動作結束之前，確實檢測負載2之異常情形。
此外，由於不僅能檢測電流I1相對於電壓V1的相位之前進，亦能能檢測電流I1相對於電壓V1的相位之延後作為電流I1與電壓V1的相位偏移，故能抑制電流I1的前進電流成分或延後電流成分流通於二極體32所造成之損失的增加。此外，在二極體32被組入於MOSFET 31之情形中，係能防止以伴隨著二極體32所造成之損失的增加而導致MOSFET 31的發熱作為要因之MOSFET 31的破壞於未然。此係當MOSFET 31為SiC-MOSFET，且其導通電阻值較二極體32之順方向的電阻值更小時特別有用。
此外，由脈衝寬度變更手段53及D正反器54來構成檢測電流I1相對於電壓V1的相位之前進及相位之延後的相位偏移檢測手段，將根據電流I1而定之脈衝信號輸入至D正反器54的時脈埠CL，將根據電壓V1而定之脈衝信號輸入於D正反器54的資料埠D，且根據D正反器54之狀態而檢測電流I1相對於電壓V1的相位之前 進及相位之延後，故能以簡單的電路構成來檢測電流I1相對於電壓V1的相位之前進及相位之延後，能將負載異常檢測電路50予以明顯簡化。
此外，由於設置將供應於負載2的電流I1之電流值和預先設定之基準值作比較，持續輸出重設信號至D正反器54，直至電流I1之值較基準值更大為止之遮蔽手段60於負載異常檢測電路50，故在流往負載2的電流I1不穩定且電流I1及電壓V1的相位不一致的反向器裝置3之啟動時，係暫時停止負載異常檢測電路50的相位偏移檢測動作，而能解除在啟動瞬間後反向器裝置3被強制性停止之不合理現象。
以上，雖列舉最佳實施形態而說明本發明，但，本發明並不限定於該實施形態，在不脫離本發明的要旨之範圍內，可作各種的改良以及設計的變更。
例如，作為整流電路的整流方式並不限定於使用二極體的被動者來作為整流元件，亦可在使用SCR等之主動整流元件的同時，將主動整流元件進行相位控制之主動者。
此外，作為定電壓電路之截波方式並不限定於使用MOSFET，亦可使用另外之雙極性電晶體等切換元件，此外，亦可在組合二極體整流電路及脈衝寬度變調式的反向器電路之情形時，將截波方式的定電壓電路予以省略。
此外，就反向器電路而言，並不限定於使 用MOSFET者，亦可為使用其他雙極性電晶體等切換元件者，換言之，本發明之反向器裝置之本體側的電氣元件、電子元件、以及電路構成係能順應實施而適當的作選擇。

Claims (5)

  1. 一種反向器用負載異常檢測電路，係在反向器的運轉中檢測負載之異常，該反向器係具有自熄元件作為切換元件並且在相位同步迴路中被控制成使輸出頻率成為前述負載之共振頻率，其中，前述切換元件係具有和前述自熄元件反並聯連接的還流二極體，前述反向器用負載異常檢測電路係具備相位偏移檢測手段，係檢測從前述反向器供應至前述負載之輸出電壓及輸出電流的相位偏移，且根據檢測出的相位偏移而送出負載異常信號，前述相位偏移檢測手段係具有D正反器及脈衝寬度變更手段，該D正反器係包含：時脈埠，係輸入根據前述輸出電流而定的脈衝信號作為時脈信號；資料埠，係輸入根據前述輸出電壓而定的脈衝信號作為資料信號；以及輸出埠，係在根據前述時脈信號而規定的時序而被輸入有前述資料信號時，自重設狀態轉移至設定狀態，且輸出因應於狀態的信號，該脈衝寬度變更手段係將根據被輸入至前述資料埠之前述輸出電壓而定的脈衝信號之脈衝寬度設定為較前述輸出電壓的半週期更短之脈衝寬度，且前述相位偏移檢測手段係檢測前述輸出電流相對於前述輸出電壓的相位之前進及相位之延後。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之反向器用負載異常檢測電路，其中，前述自熄元件的導通電阻值係較前述還流二極體之順方向的電阻值更小。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之反向器用負載異常檢測電路，其中，前述D正反器係包含輸入使前述設定狀態轉移至重設狀態的重設信號之重設埠，該反向器用負載異常檢測電路更具備遮蔽手段，該遮蔽手段係將供應至前述負載的輸出電流之電流值和預先設定之基準值作比較，持續將前述重設信號輸入至前述D正反器之前述重設埠，直至前述電流值較前述基準值更大為止。
  4. 一種反向器裝置，係具有自熄元件作為切換元件並且在相位同步迴路中被控制成使輸出頻率成為負載之共振頻率，其中，前述切換元件係具有和前述自熄元件反並聯連接的還流二極體，且該反向器裝置具備申請專利範圍第1至3項中任一項所述之反向器用負載異常檢測電路。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之反向器裝置，其中，前述自熄元件的導通電阻值係較前述還流二極體之順方向的電阻值更小。
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