JP2006050697A - 交流電力調整装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 交流スイッチによる交流電力の開閉を任意のタイミングで行うとともに電力損失を軽減し、しかも過大電流が流れた際のスイッチング素子の破損も回避する。
【解決手段】 交流スイッチ３はスイッチング素子としてサイリスタを用いた第１スイッチ４とMOSFETを用いた第２スイッチ５とを並列接続した構成とし、通常状態では第２スイッチ５を介して負荷１１に交流電力を供給する。これにより任意の時点で電力を遮断でき、電力損失も抑えられる。負荷側での短絡等により過大な電流が流れると、制御部８は変流器６からの電流検出値によりこれを検知し、直ちに第１スイッチ４を導通、第２スイッチ５を非導通に切り換える。サイリスタはMOSFETよりも最大定格電流が大きいので過大電流に耐え、過大電流が継続した場合にはサイリスタが破損する前にヒューズ２が溶断して電流を遮断する。
【選択図】 図１

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。

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。

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。

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。

特開平８−６５９２１号公報 特開２０００−１５２５１９号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の一実施例による交流電力調整装置の要部の構成図。 従来の交流電力調整装置の概略構成図。 本実施例の交流電力調整装置の動作を説明するための制御フローチャート。

符号の説明

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

Claims (2)

1. 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。
2. 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ことを特徴とする請求項１に記載の交流電力調整装置。

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