TWI660185B - 反向器用負載異常檢測電路 - Google Patents

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金井彦
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Abstract

本發明係提供反向器用負載異常檢測電路，其係能正確且迅速的檢測負載之異常，且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係在反向器的運轉中檢測前述負載之異常，該反向器係具有自熄元件作為切換元件並且在鎖相迴路中被控制成使輸出頻率成為負載之共振頻率，該反向器用負載異常檢測電路50係具備相位偏移檢測手段，其係檢測用以控制自熄元件的導通關斷之閘極電壓信號Vg與供應於負載2之反向器的輸出電流I1的相位偏移，且根據該相位偏移而送出第一負載異常信號。

Description

反向器用負載異常檢測電路
本發明係有關於由反向器供應電力的負載產生異常時，保護反向器免於受到該負載之異常所致的影響而設置的反向器用負載異常檢測電路。
習知技術中，使用反向器(inverter，也稱為「逆變器」)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以及其頻率，故能因應於負載的特性或所需要的工作量而供應電力，不致於使供應電力於負載形成無謂之浪費，且能有效的進行電力供應。
作為反向器裝置之一例，如第5圖所示，已知一種反向器裝置1，係具備：整流電路10，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，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，係將來自該定電壓電路20的直流電力變換成交流電力；以及鎖相迴路電路(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，亦能將預定的直流電壓予以穩定化而供應於輸出側之截波方式者。該定電壓電路20係設有：電力控制用之MOSFET(金屬氧化物半導體場效電晶體)21，其係成為截波器本體之高速切換元件；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，其係成為MOSFET 21關斷時之負載電流通路。定電壓電路20係藉由使施加於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高速切換元件的頻率控制用MOSFET(自熄元件之一例)31。各MOSFET 31係並聯連接於將感應負載時之滯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，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，係加減預先設定之頻率設定值，使相位比較電路41所檢測出之電流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，將信號依序傳送至反向器電路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側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係將輸出的頻率控制成以負載2的共振頻率進行運轉，但在過渡狀態當中，有瞬間產生較大的電流或電壓而破壞MOSFET 31的可能性。特別是，當因為負載2的阻抗之變化，電流I1的相位相對於電壓V1的相位為超前時，會產生較大的突波電壓，而有因為該突波電壓而易於使MOSFET 31被破壞的問題。
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輸出至負載2之輸出電壓V1與輸出電流I1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調整為預定的方形波，進而將一方(例如電流I1)的波形予以反轉，且將電流I1及電壓V1的波形作比較。
負載2產生異常，且負載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的共振電路係形成電容性負載，電流I1的相位係相對於電壓V1的相位為超前。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，即能停止供應電力至負載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
作為反向器電路30的MOSFET 31者，通常係使用Si製者，但近年來，係使用相較於Si製者每一個元件之定額電流較大且切換速度較高之SiC製者。但，SiC-MOSFET相較於Si-MOSFET，在高速動作的OFF(關斷)狀態時，則易於產生振鈴(ringing)現象。在MOSFET 31 產生振鈴現象時，記載於專利文獻1的負載異常檢測電路係有高頻的雜訊重疊於輸入至負載異常檢測電路之電壓V1的波形，且伴隨著雜訊成分的增加而形成錯誤動作之虞。
此處，記載於專利文獻1的負載異常檢測電路係設有將所輸入之電壓V1的波形調整為方形波之波形整形器，波形整形器係具備電阻器、以及用以去除包含於電壓V1的波形之不需要的高諧波分之電容器等。藉由增加該電容器的容量，雖能去除包含於電壓V1的波形之雜訊成分，但電容器的容量過大時，則由電阻器及電容器而形成的濾波器之時間常數變大，相對於所輸入之電壓V1的波形之相位，整形後的方形波之相位會有產生延遲之情形。負載異常檢測電路係根據電壓V1與電流I1的相位偏移而檢測負載異常之情形，而有因為由電壓V1所產生之方形波之相位的延遲而導致錯誤檢測之虞。
本發明係提供一種反向器用負載異常檢測電路，其係能正確且迅速的檢測負載之異常，且能防止屬於反向器的重要構成要素之切換元件的破壞。
本發明之一實施形態的反向器用負載異常檢測電路係在反向器的運轉中檢測前述負載之異常，前述反向器係具有自熄元件(self-extinguishing element)作為切換元件並且在鎖相迴路中被控制成使輸出頻率成為負載之共振頻率，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，其係檢測用以控制前述自熄元件導通關斷之 閘極電壓信號與供應至前述負載之前述反向器的輸出電流的相位偏移，且根據該相位偏移而送出第一負載異常信號。
根據本發明，即能正確且迅速地檢測負載之異常，且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‧‧‧電容器
24‧‧‧續流二極體
30‧‧‧反向器電路
33‧‧‧變流器
34‧‧‧變壓器
40‧‧‧PLL電路
41‧‧‧相位比較電路
42‧‧‧類比加法器
43‧‧‧電壓控制振盪器
44‧‧‧閘極信號控制電路
50‧‧‧負載異常檢測電路
51、52‧‧‧波形整形器
51A、52A‧‧‧電阻器
53‧‧‧資料正反器
54、64‧‧‧正反器
55、61‧‧‧比較器
56‧‧‧反轉器
57‧‧‧可變電阻器
58‧‧‧遮蔽手段
60‧‧‧電流降低檢測手段
62‧‧‧計時器
63‧‧‧AND電路
C‧‧‧電容
CL‧‧‧時脈輸入埠
D‧‧‧資料輸入埠
I1‧‧‧電流
L‧‧‧電感
Q‧‧‧設定信號埠
R‧‧‧重設輸入埠
S‧‧‧設定輸入埠
V1‧‧‧電壓
Vg‧‧‧閘極電壓信號
第1圖係表示本發明之第1實施形態之反向器裝置的電路圖。
第2圖係表示前述第1實施形態之負載異常檢測所使用的閘極信號之信號電壓Vg及自反向器裝置輸出至負載之輸出電壓的關係之曲線圖。
第3圖係表示前述第1實施形態之負載異常檢測電路的電路圖。
第4圖係表示本發明之第2實施形態之負載異常檢測電路的電路圖。
第5圖係表示習知例之電路圖。
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圖係表示本發明之第1實施形態之反向器裝置3。該反向器裝置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係使用例如Si-MOSFET、SiC-MOSFET等。
負載異常檢測電路50係檢測自PLL電路40供應至MOSFET 31之閘極電壓信號之信號電壓Vg、以及自反向器裝置3輸出至負載之輸出電流I1的相位偏移，且根據該相位偏移而送出第一負載異常信號之相位偏移檢測式者。負載異常檢測電路50係輸入有自PLL電路40取得之閘極電壓信號、以及自和PLL電路40連接之變流器33取得之電流I1。
如第2圖所示，閘極電壓信號之信號電壓Vg的週期及自反向器裝置3輸出至負載2之輸出電壓V1的週期係互為一致。此外，閘極電壓信號之信號電壓Vg係不包含起因於MOSFET 31的振鈴現象而重疊於輸出電壓V1的雜訊成分。因此，閘極電壓信號之信號電壓Vg係取代輸出電壓V1而使用作為用以檢測和輸出電流I1的相位偏移的電壓。
其中，兩電壓Vg、V1之間係產生起因於根據閘極電壓信號而形成導通關斷狀態之MOSFET 31之響應延遲時間△的相位偏移。此處，響應延遲時間係指開啟延遲時間(td)及上升時間(tr)的合計，開啟延遲時間(td)係指自閘極-源極間電壓(VGS)的上升10%至汲極-源極間電壓(VDS)的上升10%為止的時間，上升時間(tr)係指自汲極-源極間電壓(VDS)的上升10%至90%為止的時間。該MOSFET 31之響應延遲時間△係以小於輸出電壓V1的半 週期λ/2為理想，若充分小於半週期λ/2(例如半週期λ/2的1/10以下)則更為理想。如上述，輸出電流I1相對於輸出電壓V1的相位之超前係成為衝激電壓的產生要因，當MOSFET 31之響應延遲時間△為輸出電壓V1的半週期λ/2以上時，則難以根據輸出電流I1及信號電壓Vg的相位偏移之檢測結果而判斷輸出電流I1相對於輸出電壓V1的相位偏移為超前相位或延後相位。
又，輸入至負載異常檢測電路50之閘極電壓信號係自PLL電路40送出至閘極A至D之閘極電壓信號之中的任意一個閘極電壓信號(例如送出至閘極A或閘極B之閘極電壓信號)，亦可為送出至同步地形成導通關斷狀態之複數個MOSFET 31之閘極(例如閘極A至D)之複數個閘極電壓信號的平均。
如第3圖所示，負載異常檢測電路50係設有：波形整形器51，係將電壓Vg的波形調整為預定的方形波；波形整形器52，係將電流I1的波形調整為預定的方形波；資料正反器53，係作為檢測電壓Vg及電流I1的相位偏移之相位偏移檢測手段；正反器54，係作為保持該資料正反器53的輸出之鎖存器；比較器55，係檢測電流I1的大小是否達到基準值；以及反轉器56，係將該比較器55的輸出信號予以反轉。
此處，波形整形器51係具備具有因應於往資料正反器53的輸入電壓之直流電阻值之電阻器51A、或用以去除包含於電壓Vg的波形之不需要的高諧波之電容 器51B等。波形整形器52係和波形整形器51同樣具備：具有因應於往資料正反器53的輸入電壓之直流電阻值之電阻器52A、或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。
此處，電流I1係自原本的波形使相位反轉180°形成反相位而輸入於資料正反器53。換言之，電流I1原本的波形和電壓Vg為相同相位時，輸入於資料正反器53之電流I1的信號係和電壓Vg為相反相位。
資料正反器53係具有：時脈輸入埠CL，係輸入時脈信號；資料輸入埠D，係輸入資料信號；設定輸入埠S，係輸入設定信號；重設輸入埠R，係輸入重設信號；以及設定信號埠Q，係送出成為設定狀態的設定信號，和時脈信號同時輸入有資料信號時，則形成設定狀態，且自設定信號埠Q送出設定信號。
比較器55係將分別輸入至二個輸入埠之交流信號的大小作比較者。比較器55之一方的輸入埠係輸入表示流往負載2的電流I1之值之交流信號。比較器55之另一方的輸入埠係輸入以可變電阻器57將預定的交流電壓V2予以分壓後之交流信號作為預先設定之基準值。此時，當電流I1較基準值更大時，則自比較器55輸出定常運轉信號。該定常運轉信號係被反轉器56反轉而傳送至資料正反器53的重設輸入。在此處當中，藉由比較器55、反轉器56、以及可變電阻器57而形成持續輸出重設信號至資料正反器53直至電流I1之值形成較基準值更大為止 的遮蔽手段58。
如此之本實施形態係在反向器裝置3之啟動後，遮蔽手段58係持續輸入重設信號於資料正反器53，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，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，並且流往負載2的電流I1係成為較基準值更大之狀態為止。據此，可解除在流往負載2的電流I1不穩定且相位與電壓不一致的反向器裝置3之啟動瞬間後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所進行的相位偏移之檢測動作。
於此，在負載2並未產生異常情形，負載2的共振頻率與反向器裝置3之作動頻率一致，電壓Vg及電流I1互為一致時，則分別輸入至資料正反器53的時脈輸入埠CL及資料輸入埠D的信號之相位係互相反轉。因此，資料正反器53係維持為重設定狀態而不轉移至設定狀態，且設定信號係不經由設定信號埠Q送出，反向器裝置3則繼續其運轉動作。
另一方面，在負載2產生異常，負載2的共振頻率係自反向器裝置3之作動頻率偏移時，電壓Vg及電流I1係形成互相不一致之狀態。形成該狀態時，則分別輸入至資料正反器53的時脈輸入埠CL及資料輸入埠D 的信號，同時開始產生成為正極的部分。因此，資料正反器53係轉移至設定狀態，且設定信號係經由設定信號埠Q而送出，該設定信號係經由正反器54作為第一負載異常信號而輸入至反向器裝置3之PLL電路40。
接收第一負載異常信號之PLL電路40係將MOSFET 31適當地設成關斷狀態，停止供應電力於負載2，保護MOSFET 31不受到破壞。又，第一負載異常信號係持續輸出，直至正反器54被重設為止。
根據如前述之本實施形態，則具有如下的功效。
亦即，由於設置負載異常檢測電路50，其係根據流往負載2之電流I1及閘極電壓信號的信號電壓Vg的相位偏移而檢測負載2之異常，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Vg的相位偏移而迅速檢測負載2之異常情形，PLL電路40係能在以負載2之共振頻率進行運轉的動作結束之前，確實檢測負載2之異常情形。
此外，由於負載異常檢測電路50係在檢測負載之異常之後，將反向器裝置3之MOSFET 31適當地設成關斷狀態，停止供應電力於負載2，故能防止負載之異常造成的MOSFET 31的破壞於未然。
此外，由於使用不包含起因於MOSFET 31的振鈴現象的雜訊成分之閘極電壓信號的信號電壓Vg作為檢測和電流I1的相位偏移之電壓，取代重疊有起因於 MOSFET 31的振鈴現象的雜訊成分之流往負載2的電壓V1，故能防止伴隨著雜訊成分的增加而造成負載異常檢測電路50的錯誤動作，且能正確地檢測負載2之異常。
此外，由於係以含有資料正反器53的方式構成負載異常檢測電路50，其中該資料正反器53係藉由和時脈信號同時輸入的資料信號而形成設定狀態且送出屬於設定狀態之信號的設定輸出，且將流通至負載2的電流I1之反相位信號輸入至時脈輸入埠CL，將閘極電壓信號的信號電壓Vg輸入至資料輸入埠D，因此僅在電流I1與電壓Vg之相位有偏移時，自資料正反器53輸出設定信號，據此，即能以簡單的電路構成用以檢測流往負載2的電流I1及閘極電壓信號的信號電壓Vg之相位偏移，且能將負載異常檢測電路50予以明顯簡化。
此外，由於設置有將供應至負載2的電流I1之電流值和預先設定之基準值作比較而持續輸出重設信號至資料正反器53直至電流I1之值較基準值更大為止之遮蔽手段58於負載異常檢測電路50，故能在流往負載2的電流I1形成不安定狀態且相位和電壓Vg為不一致的反向器之啟動時，暫時停止負載異常檢測電路50的相位偏移檢測動作，而防止在啟動瞬間後，反向器裝置3被強制性停止之不合理現象的產生於未然。
第4圖係表示本發明之第2實施形態之要部。本實施形態係將電流降低檢測手段60附加於前述第1實施形態之相位偏移檢測式的負載異常檢測電路50。又， 以下的說明中，由於電流降低檢測手段60以外的部分係和前述第1實施形態相同，故僅針對電流降低檢測手段60進行說明。
電流降低檢測手段60係根據流通至負載2的電流I1之值而送出第二負載異常信號，如第4圖所示，具備比較器61，其係將供應至負載2的電流I1之值和預先設定之基準值作比較，當電流I1之值較基準值更小時，則送出第二負載異常信號。
該電流降低檢測手段60除了比較器61之外，尚設有：作為時限手段之計時器62，其係僅在輸入來自比較器61的第二負載異常信號，且該第二負載異常信號持續預定的時間以上時，輸出該第二負載異常信號；作為遮蔽手段之AND電路63，其係輸入反向器裝置3的運轉信號，並且僅在輸入有該運轉信號時，輸出第二負載異常信號；以及作為鎖存器之正反器64，其係保持該AND電路63的輸出。
本實施形態中，由於負載2之共振頻率和反向器裝置3的動作頻率為一致，因此從流通於負載2之電流形成極大之狀態，因為事故等而使負載2之阻抗產生變化，使其共振頻率產生變動時，即使反向器裝置3側的輸出電壓未產生變化，亦會在共振頻率和其動作頻率之間產生偏移，故流通至負載2之電流I1係變小，若藉由比較器61而檢測往負載2之電流降低情形，則PLL電路40係能在以負載2之共振頻率進行運轉的動作結束之前，確實 檢測負載2之異常。此外，若以在檢測負載之異常之後即停止反向器的動作之方式，亦即以將切換元件適當地設成關斷之狀態而停止供應電力至負載的方式構成電路全體，則更能確實防止因為負載2之異常而導致切換元件的破壞於未然。
此外，由於有計時器62，即使因雜訊等而使電流I1瞬間降低，流往負載2的電流I1亦不被視為降低，反向器裝置3係能進行穩定的運轉。
此外，由於有AND電路63，流往負載2的電流I1未達到額定值的反向器裝置3之啟動時，來自比較器61的第二負載異常信號係暫時被遮斷，而能消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說明了本發明，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，整流電路的整流方式並不限定於使用二極體的被動元件作為整流元件，亦可使用SCR等主動的整流元件，並且對主動的整流元件進行相位控制之主動元件者。
此外，定電壓電路之截波方式並不限定於使用MOSFET，亦可使用其他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等，將截波方式的定電壓電路予以省略。
此外，反向器電路並不限定於使用MOSFET， 亦可使用其他雙極性電晶體等切換元件，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地作選擇。
又，前述第1實施形態之遮蔽手段、以及第2實施形態之遮蔽手段係能互相置換，此外，亦可將第2實施形態的時限手段附加至前述第1實施形態。

Claims (9)

  1. 一種反向器用負載異常檢測電路，其係在反向器的運轉中檢測負載之異常，前述反向器係具有自熄元件作為切換元件並且在鎖相迴路中係被控制成使輸出頻率成為前述負載之共振頻率，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，其係檢測供應至前述自熄元件且用以控制前述自熄元件之導通關斷之閘極電壓信號的相位與供應至前述負載之前述反向器的輸出電流的相位偏移，且根據該相位偏移而送出第一負載異常信號。
  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，係具有：將輸入至前述相位偏移檢測手段之前述閘極電壓信號的波形進行調整之波形整形器；以及將輸入至前述相位偏移檢測手段之前述輸出電流的波形進行調整之波形整形器。
  3. 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，其中前述自熄元件相對於前述閘極電壓信號之響應延遲時間係較前述反向器的輸出頻率之半週期更小。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之反向器用負載異常檢測電路，其中前述自熄元件相對於前述閘極電壓信號之響應延遲時間係較前述反向器的輸出頻率之半週期更小。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之反向器用負載異常檢測電路，其中係設有資料正反器作為前述相位偏移檢測手段，該資料正反器係藉由和時脈信號同時輸入之資料信號而成為設定狀態，且送出屬於設定狀態之信號的設定輸出。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之反向器用負載異常檢測電路，其中前述資料正反器係設有重設輸入，該重設輸入係供輸入使前述設定狀態轉移至重設狀態的重設信號，前述反向器用負載異常檢測電路更設有遮蔽手段，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出至前述資料正反器，直至前述電流值較前述基準值更大為止。
  7. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之反向器用負載異常檢測電路，更具備電流降低檢測手段，該電流降低檢測手段係將供應至前述負載之前述反向器的輸出電流之電流值和預先設定之基準值作比較，當前述電流值較前述基準值更小時，即送出第二負載異常信號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之反向器用負載異常檢測電路，其中，係設有時限手段，該時限手段係供輸入來自前述電流降低檢測手段之前述第二負載異常信號，且僅在該第二負載異常信號繼續預定的時間以上時，輸出該第二負載異常信號。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之反向器用負載異常檢測電路，其中，係設有遮蔽手段，該遮蔽手段係供輸入前述反向器的運轉信號，並且僅在輸入有該運轉信號時，輸出前述第二負載異常信號。
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