JP2009509485A - 改良突入電流制限装置及び改良突入電流制限装置を有する力率制御（ｐｆｃ）回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、接続可能負荷（３）への突入電流を制限する突入電流制限装置（４）に関する。
【解決手段】 前記装置は：前記突入電流を選択的に制限する少なくとも１つの切り替え可能ＩＧＢＴ制限装置（５）を有する。切り替え可能ＩＧＢＴ制限装置（５）は、電流の流れを制限する少なくとも１つの電流制限導体素子と、少なくとも１つのＩＧＢＴスイッチ（Ｑ２）とを有する。ＩＧＢＴスイッチ（Ｑ２）は、制御電流制限器及びバイパス素子としても用いられる。突入電流制限装置（４）はＩＧＢＴスイッチ（Ｑ２）を制御する少なくとも１つの制御装置（７）を有する。制御装置（７）は、少なくとも１つのＩＧＢＴスイッチ電源（６）と選択された導体素子の出力信号の端の平滑化を実現する手段（８）とを有する。
【選択図】 図３

Description

本発明は接続可能な負荷への突入電流を制限する突入電流制限装置に関する。前記装置は：前記突入電流を選択的に制限する少なくとも１つの切り替え可能ＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）制限装置を有する。切り替え可能ＩＧＢＴ制限装置は、電流の流れを制限する少なくとも１つの電流制限導体素子と、少なくとも１つのＩＧＢＴスイッチとを有する。ＩＧＢＴスイッチは、制御電流制限器及びバイパス素子としても用いられる。突入電流制限装置はＩＧＢＴスイッチを制御する少なくとも１つの制御装置を有する。制御装置は、少なくとも１つのＩＧＢＴスイッチ電源と選択された導体素子の出力信号の端の平滑化を実現する手段とを有する。

本発明は、主給電と負荷とに及び／又は主給電と負荷との間に接続可能な力率制御回路に更に関する。前記力率制御回路は、容量性バッファー装置を備えたＡＣ／ＤＣ変換器、及び突入電流制限装置、を有する。

良く知られている力率制御回路及び突入電流制限装置は、高レベルの電力及び／又は電圧で動作する負荷が突入電流による損傷から保護される必要のある広範囲の分野に利用されている。現在の負荷は、電力消費を最小化することにより最大電気効率に最適化されている。残念ながら、バラストの効率を向上するために行われた変更は、特定の外部電気抵抗を低減する。これは新たな問題を生じる。つまり電力を最初に適用する際に大きな突入逆電流を生じる。この突入電流は、主フィルター・キャパシター及びバラストが安定状態値まで充電されるときに、流れる。多数のバラストを有する照明回路では、突入電流の合成振幅は、場合によってはアーク放電や接触溶接による切り替え素子の接触不良を引き起こすほど大きい。

負荷を突入電流による損傷から保護するため、突入電流制限器を有する専用力率制御回路が用いられる。

良く知られている負荷力率制御回路は、通常、ＡＣ／ＤＣ変換器、前記ＡＣ／ＤＣ変換器の後段にある突入電流制限器、を有する。前記突入電流制限器は、ＩＧＢＴゲート電源により電力を供給されるＩＧＢＴスイッチを有する。ＩＧＢＴスイッチの特に切り替えを制御するために、複雑な集積回路が用いられる。従来、オンに切り替えられたときの突入電流は、オンに切り替えられた後にリレー又はＩＧＢＴにより短絡され、ＮＴＣ（負の温度係数）抵抗器又は電力抵抗器の何れかにより制限される。ＮＴＣは電力損失のために約数百ワットの低電力レベルでのみ有用であり、リレーは低損失だが寿命が限られている。ＩＧＢＴスイッチの使用は、数千ワットの使用で低損失且つ長寿命な良い解決策である。しかしＩＧＢＴスイッチをオフ状態からオン状態へ切り替える瞬間及び速度は非常に重要である。この切り替えが早過ぎる又は急に起こると、ＩＧＢＴスイッチは過剰電流及びワット損のためにオンに切り替えた瞬間に破壊されるだろう。

非常に複雑な回路及び駆動装置がこの切り替えを処理するために設計されたが、依然としてオン及びオフの反復される切り替えに伴う故障の可能性がある。更なる欠点は、ＩＧＢＴを制御する回路が非常に複雑で故障し易いことである。

更に、従来知られている力率制御回路は急激に動作し、負荷の起動期間中に負荷と上流に配置されたバッファーとの間の同期外れによりドロップアウトを生じる。

従って、本発明の目的は、ＩＧＢＴスイッチの電流信号の端の平滑化を実現するのに適したＩＧＢＴスイッチを有する力率制御回路を提供することである。更に、本発明の更なる目的は、負荷とバッファーとを同期する力率制御回路を提供することである。ＩＧＢＴスイッチを制御する装置は複雑性が少なくなり、設計が複雑ではなくなる。

上述の問題は接続可能な負荷への突入電流を制限する突入電流制限装置により解決される。前記装置は：前記突入電流を選択的に制限する少なくとも１つの切り替え可能ＩＧＢＴ制限装置を有する。切り替え可能ＩＧＢＴ制限装置は、電流の流れを制限する少なくとも１つの電流制限導体素子と、少なくとも１つのＩＧＢＴスイッチとを有する。ＩＧＢＴスイッチは、制御電流制限器及びバイパス素子としても用いられる。突入電流制限装置はＩＧＢＴスイッチを制御する少なくとも１つの制御装置を有する。制御装置は、少なくとも１つのＩＧＢＴスイッチ電源と選択された導体素子の出力信号の端の平滑化を実現する手段とを有する。

望ましくは、実現する手段は、抵抗器、キャパシター、ダイオード、及び／又は受動構成素子などを含むグループから選択された素子だけを有する。これは製造の容易な簡易な設計を実現する。従って、如何なる能動ＩＣ構成素子も用いられない。用語「だけ」はケーブル又は他の接続手段を排除しない。

実現する手段は、集積受動回路又は回路網だけ、又は前述の非ＩＣ素子と組み合わせのグループから選択された素子も有し得る。

素子及び／又は装置は、少なくとも部分的に筐体内に統合する方法で配置され得る。筐体は放熱板などのような更なる装置を収容し得る。

更に望ましくは、実現する手段は、低域通過フィルター装置を有するフィルターを含むグループから選択され、ＩＧＢＴスイッチと結合されたフィルター装置として配置される。このフィルターにより、干渉信号がＩＧＢＴスイッチに到達するのを防ぐ。従って、導体素子の出力での鋭く且つ急激な端を防ぐ。低域通過フィルターは望ましくは能動ＩＣ素子を有さない非ＩＣ低域通過フィルターである。

また望ましくは、フィルター装置の素子はスター形に結合される。中心から、１つの線がＩＧＢＴスイッチへ至る。別の線はダイオード、望ましくはツェナー・ダイオードを介しＩＧＢＴスイッチの出力へ向けられる。第３の線はＩＧＢＴゲート電源とｄＶ／ｄｔ制限抵抗器を介し結合される。第４の線はｄＶ／ｄｔ制限キャパシターをスター形配置に結合する。全体の構成は低域通過フィルターに相当する。

望ましくは、突入電流制限装置は充電可能な容量性バッファーを更に有する。充電可能な容量性バッファーはＩＧＢＴ制限装置の下流に配置され、バッファーされた出力を形成する。この容量性バッファーは完全に充電されるまで充電される。完全に充電された後、電流は負荷へ流れる。そしてＩＧＢＴスイッチは切り替えられ、従って電流はＩＧＢＴスイッチの非制限バイパス導電素子部を流れる。

望ましくは、制御装置は接続可能負荷及び／又は容量性バッファーの切り替えを同期する手段を更に有する。低域通過フィルターを設けることにより、平滑な端が実現される。ドロップアウトの影響を防ぐため、切り替えは充電及び負荷に関し制御されなければならない。スイッチが活性化され、負荷への電流が制限導電素子を介し流れ、及び容量性バッファーが完全に満たされていない場合、導電素子は負荷に十分なエネルギーを供給しないので、負荷はバッファーに蓄積されたエネルギーを完全に使用する。従って、バッファーが空であり、制限電流導電素子が十分な電力を負荷に供給しない場合、負荷はドロップアウトする。ドロップアウトの影響を防ぐため、同期手段が設けられる。これは、ＩＧＢＴスイッチ装置が１つの位置から他の位置へ、バッファーの充電状態及び負荷の動作モードに依存して切り替えることを意味する。

望ましくは、同期する手段は、充電可能な容量性バッファーの充填状態／充電を検出し及び／又は前記バイパス導電素子が電流を導通する導電体であるよう前記ＩＧＢＴスイッチを切り替えるための対応する信号を送信する少なくとも１つのスイッチ及び負荷活性化回路を有する。

このスイッチ及び負荷活性化回路により、如何なるドロップアウトの影響も生じないことが保証され得る。バッファーが完全に充電された後にのみ、負荷は動作でき、スイッチは負荷に十分に電力が供給される位置へ切り替えられる。

更に、問題は、主給電と負荷とに及び／又は主給電と負荷との間に接続可能な力率制御回路に更により解決される。力率制御回路は、容量性ＤＣバッファー装置を備えたＡＣ／ＤＣ変換器、及び突入電流制限装置、上流に配置され突入電流制限器に対応する調整導体を有するＰＦＣ電圧調整装置、を有する。容量性ＤＣバッファーは高周波数減結合装置として機能し、対応するキャパシターにより形成される。

望ましくは、ＡＣ／ＤＣ変換器の出力は導体により前記突入電流制限装置と結合され、１つの導体は直流バッファー装置を減結合し電流を蓄積する調整導体に対応する。

ＩＧＢＴスイッチ電源、端を平滑化する手段及び／又は同期する手段は、少なくとも部分的に集積され構成され得る。ＩＧＢＴ制限装置との組み合わせも可能である。この集積構成により、結果として得られる集積回路は、より小さい電力定格、及び集積回路形式での大量生産に適する。

全ての素子は分散して又は少なくとも部分的に集積回路の形式で配置され得る。

本発明の上述の及び他の態様は、本願明細書に記載される実施例から、及びその説明から明らかである。

図１は本発明の設計を図示する。主給電１又は共通ＡＣ源はＰＦＣ回路２と導線を介し接続される。ＰＦＣ回路２は負荷３と接続される。負荷は如何なる負荷、例えばランプであって良い。ＰＦＣ回路は、突入電流制限装置４を更に有する。突入電流制限装置４は一端が接地と接続され、負荷３から情報を得る。当該情報は、突入電流制限装置４から負荷３の方向へ矢印により示される。突入電流制限器４は図２に更に詳細に記載される。

図２は本発明の突入電流制限装置４を示す。突入電流制限装置４は、対応するスイッチにより交互に結合される非制限導電経路及び制限導電経路（詳細に示されない）を有するＩＧＢＴ制限装置５を有する。ＩＧＢＴ制限装置はＩＧＢＴゲート電源６により電力を供給される。ＩＧＢＴスイッチ５は、ＩＧＢＴスイッチ５を制御する制御装置７と結合される。制御装置７は選択された導電素子又は導通経路の出力信号の端の平滑化を実現する手段８、接続可能負荷及び／又は容量性バッファーに関する切り替えを同期する手段９、及びＩＧＢＴゲート電源６、を有する。制御装置７は負荷及び／又は容量性バッファー（共に示されない）と結合される。本発明の更に詳細な設計は、図３に示される。

図３は詳細な回路図を示す。ＰＦＣ回路２は共通ＡＣ源又は主給電１と結合される。ＰＦＣ回路２は、ＡＣ／ＤＣ変換器を備えた従来部分を有する。ＡＣ／ＤＣ変換器は、（主給電１で開始し、左から右へ）整流ブリッジＢ１、ＰＦＣ入力キャパシターＣ１、ＰＦＣインダクターＬ１、ＰＦＣ検知抵抗器Ｒ１、ＰＦＣ ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１、及びＰＦＣダイオードＤ１、を有する。当該従来部分と並列に高周波数減結合キャパシターＣ２が結合され、減結合キャパシターＣ２の信号とＰＦＣ電圧調整装置ＶＲの信号とが加算される加算点に至る。当該加算点から、ＰＦＣ回路の新規部分、つまり４で囲まれた突入電流制限装置が始まる。突入電流制限装置４はＩＧＢＴ制限装置５を有する。ＩＧＢＴ制限装置５は、突入電流制限抵抗器Ｒ２を有する１つの抵抗性制限導電経路又は電流制限導電素子、及び１つの非制限導電経路又は電流非制限バイパス導電素子部を有する。導電経路は、制限導電経路から分岐し、純粋なＩＧＢＴスイッチを介し、制限導電経路へ戻る。

更に、突入電流制限装置４は制御装置７を有する。制御装置７は、１つのＩＧＢＴスイッチ電源６、及び選択された導体素子の出力信号の端の平滑化を実現するか又は接続可能な負荷を同期させる手段８、９、及び／又は容量性バッファーＣ４、を有する。ＩＧＢＴスイッチ電源６は共通ＩＧＢＴゲート電源として形成される。実現する手段８は、ｄＶ／ｄｔ制限抵抗器Ｒ３、望ましくは１８Ｖツェナー・ダイオードであるツェナー・ダイオードＤ２、及び／又はｄＶ／ｄｔ制限キャパシターＣ３、を有する低域通過フィルターとして形成される。低域通過フィルターは、ＩＧＢＴスイッチ制限装置５、より詳細にはＩＧＢＴスイッチＱ２の入力と、ＩＧＢＴゲート電源６と、及び同期手段９と接続される。手段９はスイッチ、及び負荷と通信する手段を有する負荷活性化回路として形成される。手段９は低域通過フィルター、及びＡＣ／ＤＣ変換器と負荷とを接続する導線と接続される。以下では、駆動装置の主な機能が記載される。

図の左部分（主給電１まで）は従来のＰＦＣ回路である。従来のＰＦＣ回路では、主給電１が追加され、蓄積キャパシターを高周波数減結合する。ＰＦＣ ＤＣ出力電圧調整ＶＲは、通常行われるような出力バルク・キャパシターＣ４と接続される代わりに、キャパシターＣ２と接続される。

Ｒ２は、主給電１が放電されたキャパシターＣ４と接続された場合に突入電流を制限する電力抵抗器である。ＰＦＣが動作し始めると、ＩＧＢＴ（Ｑ２）ゲート電源がアクティブになる。従来通り、当該ゲート電源はＩＧＢＴと直接接続される。従って危険な可能な破壊的ピーク電流がＩＧＢＴに存在すると予想される。

ゲート電源は抵抗器Ｒ３を介し接続される。またキャパシターＣ３はＩＧＢＴゲートと接地との間に（電子スイッチを介し）接続される。Ｒ３はキャパシターＣ３の充電電流を制限する。従ってｄＶ／ｄｔがキャパシターＣ３で、及び続いてＩＧＢＴのエミッターと接続されるキャパシターＣ４でも制限される。従って、（抵抗器Ｒ２及びＩＧＢＴ Ｑ２を流れる）キャパシターＣ４の充電電流も制限され、従って如何なる構成要素も故障し得ない。ダイオードＤ２はゲート保護ダイオードとして機能する。キャパシターＣ４への電流はＩ＝ｄＶ／ｄｔ×Ｃ４により定められる。ここでｄＶ／ｄｔは例えば（１０ボルト／Ｒ３／Ｃ３）である。キャパシターＣ３の下に、スイッチ及びｄＶ／ｄｔ検出回路が接続される。スイッチ及びｄＶ／ｄｔ検出回路は、キャパシターＣ４が完全に充電された正にその時に負荷を切り替えるので、ＰＦＣ回路は長時間如何なる負荷もないため、オンとオフを繰り返し切り替えない。キャパシターＣ３が接地から切断されるのと同時に、キャパシターＣ４の負荷電圧リップルはＩＧＢＴ Ｑ２のゲート電圧に影響を与えない。

ＩＧＢＴスイッチ電源６、実現手段８、同期手段９、及び／又はＩＧＢＴ制限装置により集積回路を形成することが可能である。これは大量生産に適し、低電力定格でも用いられ得るだろう。

考慮されるべき点は、「有する」の語が他の要素を排除しないことである。同様に単数表記は複数及び単一の装置を排除せず、請求項に記載された複数手段の機能に適合して良い。請求項の参照符号は請求項を制限しない。

主給電、突入電流制限装置と負荷とを備えた力率制御回路、の配置図である。 突入電流制限装置の更に詳細な図である。 電子的配置の詳細図である。

符号の説明

１ 主給電
２ 力率制御（ＰＦＣ）回路
３ 負荷
４ 突入電流制限装置
５ ＩＧＢＴ制限装置
６ ＩＧＢＴスイッチ電源
７ 制御装置
８ （端の平滑化）実現手段
９ （ドロップアウトのない）同期手段
Ｂ１ 整流ブリッジ
Ｃ１ 入力キャパシター
Ｃ２ 減結合キャパシター
Ｃ３ 制限キャパシター
Ｃ４ 出力キャパシター
Ｄ１ ＰＦＣダイオード
Ｄ２ ツェナー・ダイオード
Ｌ１ インダクター
Ｒ１ 検知抵抗器
Ｒ２ 制限抵抗器
Ｒ３ ｄＶ／ｄｔ制限抵抗器
Ｑ１ ＭＯＳＦＥＴ
Ｑ２ ＩＧＢＴスイッチ
ＶＲ ＰＦＣ電圧調整装置

Claims (10)

1. 突入電流制限装置であって、接続可能負荷への突入電流を制限し、前記装置は：
   電流の流れを制限する少なくとも１つの電流制限導体素子と少なくとも１つの絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）スイッチとを有し、制御電流制限器及びバイパス素子として用いられ、前記突入電流を選択的に制限する少なくとも１つの切り替え可能ＩＧＢＴ制限装置、並びに
   少なくとも１つのＩＧＢＴスイッチ電源と選択された導体素子の出力信号の端の平滑化を実現する手段とを有し、前記ＩＧＢＴスイッチを制御する少なくとも１つの制御装置、を有する突入電流制限装置。
2. 前記実現する手段は、抵抗器、キャパシター、ダイオード、及び／又は受動構成素子などを含むグループから選択された素子を有する、請求項１記載の突入電流制限装置。
3. 前記実現する手段は、低域通過フィルター装置を有するフィルターを含むグループから選択され、前記ＩＧＢＴスイッチと結合されたフィルター装置として配置される、請求項１又は２記載の突入電流制限装置。
4. 前記フィルター装置の素子はスター形に結合される、請求項１乃至３の何れか１項記載の突入電流制限装置。
5. 前記ＩＧＢＴ制限装置の下流に配置され、バッファーされた出力を形成する充電可能な容量性バッファーを更に有する、請求項１乃至４の何れか１項記載の突入電流制限装置。
6. 前記制御装置は、接続可能な負荷及び／又は前記容量性バッファーの切り替えを同期する手段、を更に有する請求項１乃至５の何れか１項記載の突入電流制限装置。
7. 前記同期する手段は、前記充電可能な容量性バッファーの充填状態／充電を検出し及び／又は前記バイパス導電素子が電流を導通する導電体であるよう前記ＩＧＢＴスイッチを切り替えるための対応する信号を送信する少なくとも１つのスイッチ及び負荷活性化回路を有する、請求項１乃至６の何れか１項記載の突入電流制限装置。
8. 力率制御（ＰＦＣ）回路であって、主給電と負荷とに及び／又は主給電と負荷との間に接続可能であり、前記力率制御回路は：
   容量性ＤＣバッファー装置を備えたＡＣ／ＤＣ変換器、及び
   前記突入電流制限装置の上流に配置されたＰＦＣ電圧調整装置を有し、前記突入電流制限装置に対応する調整導体を有する請求項１乃至７の何れか１項記載の突入電流制限装置、を有する力率制御回路。
9. 前記ＡＣ／ＤＣ変換器の出力は導体により前記突入電流制限装置と結合され、
   １つの導体は前記ＤＣバッファー装置を減結合し前記ＤＣバッファー装置に電流を蓄積する前記調整導体に対応する、請求項８記載の力率制御回路。
10. システムであって、請求項１乃至９の何れか記載の突入電流制限装置及び／又は力率制御（ＰＦＣ）回路を内蔵し、
    流動体及び／又は硬い及び／又は柔らかい表面の表面処理、望ましくは洗浄、消毒、及び／又は精製；
    液体消毒及び／又は精製、
    食物及び／又は飲料の処理及び／又は消毒、
    水処理及び／又は消毒、
    廃水処理及び／又は消毒、
    飲料水処理及び／又は消毒、
    水道水処理及び／又は消毒、
    超純水の生成、
    液体又は気体の総有機炭素含有量の低減、
    気体処理及び／又は消毒、
    空気処理及び／又は消毒、
    排気ガス処理及び／又は洗浄、
    成分、望ましくは無機及び／又は有機化合物の破壊及び／又は除去、
    半導体表面の洗浄、
    半導体表面からの成分の破壊及び／又は除去、
    栄養補助食品の洗浄及び／又は消毒、
    薬剤の洗浄及び／又は消毒、の１又は複数の用途に用いられる、システム。

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