(57)【要約】【課題】カレントトランスを用いることなく、高価なＩＣや規模の大きな回路構成を必要とすることなく、半導体素子の故障を検出できるようにする。【解決手段】交流電源２とヒータ３との間の電力供給ラインに設けられてオンオフ制御されるスイッチング素子としてのサイリスタ４，５の故障を検出する回路１２であって、サイリスタ４，５の両端電圧を、波形整形し、閾値と比較してデジタル信号に変換する変換部としての波形整形・比較部１３と、変換されたデジタル信号を、電気的に絶縁して判定部としてのマイコン８に伝達する光結合部１４と、伝達されたデジタル信号およびサイリスタ４，５に対するオンオフの制御指令に基づいて、故障の有無を判定する前記判定部としてのマイコン８とを備えている。【選択図】図１
2010122082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と負荷との間の電力供給ラインに設けられてオンオフ制御されるスイッチング素子の故障を検出する回路であって、
前記スイッチング素子の両端電圧を、閾値と比較してデジタル信号に変換する変換部と、変換されたデジタル信号を、電気的に絶縁して判定部に伝達する光結合部と、伝達されたデジタル信号および前記スイッチング素子に対するオンオフの制御指令に基づいて、故障の有無を判定する前記判定部とを含むことを特徴とする故障検出回路。
【請求項２】
前記閾値は、前記スイッチング素子のオン電圧よりも高い値である請求項１に記載の故障検出回路。
【請求項３】
前記電源が交流電源であって、前記スイッチング素子が、サイリスタまたはトライアックである請求項１または２に記載の故障検出回路。
【請求項４】
前記請求項１ないし３のいずれか一項に記載の故障検出回路を備えることを特徴とする電力調整器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷への電力の供給、遮断を行うスイッチング素子の故障を検出する回路およびそれを用いた電力調整装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、ヒータなどの負荷に供給する電力を制御して温度制御を行う電力制御方法として、サイクル制御がある。
【０００３】
サイクル制御は、交流電源のゼロクロスタイミングでスイッチング素子をオンオフさせて負荷への通電時間を制御して電力を調整するものであり、ゼロクロスタイミングでスイッチングを行うので、高調波ノイズが小さいという利点を有する。
【０００４】
ところで、ランプヒータなどは、ヒータの電気的インピーダンスが、ヒータ温度によって大きく変化するものが多く、このような負荷に対する電力をサイクル制御で調整して温度制御しようとすると、特にランプヒータが冷えている時には、過大な突入電流が流れ、スイッチング素子が故障したり、電源ラインにフリッカを生じる場合がある。
【０００５】
このため、例えば、ヒータへの通電開始時には、交流電流が流れる位相角を制御して負荷への電力を調整する位相制御を行って突入電流を抑制し、定常状態では、サイクル制御を行って低ノイズで電力制御を行うようにしたものがある。（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３３１３０４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のようなスイッチング素子として用いられる、例えば、サイリスタやトライアック等の半導体素子は、サージ電圧や過電流、規定範囲外温度での使用などにより、熱破壊によるショート故障などが発生する。かかる半導体素子のショート故障などを検出するために、従来では、電流をカレントトランスなどで検出してマイコンでモニタし、電流量などで異常状態を検出する方法がとられている。
【０００７】
しかし、カレントトランスは、コストが高く、また部品専有体積も大きい為、電力調整器等への搭載において、製品の小型化や低価格化を阻む要因となっている。更に、カレントトランスによってショート故障を検出するには、検出用の閾値の設定が必要になるという難点がある。
【０００８】
このため、電流ではなく、電圧をマイコンでモニタすることが考えられるが、アナログ電圧をそのまま絶縁してマイコンでモニタしようとすると、高価なＩＣが必要になったり、規模の大きな回路を構成せざるを得ないといった難点がある。
【０００９】
本発明は、上述のような点に鑑みてなされたものであって、カレントトランスを用いることなく、高価なＩＣや規模の大きな回路構成を必要とすることなく、半導体素子の故障を検出できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）本発明の故障検出回路は、電源と負荷との間の電力供給ラインに設けられてオンオフ制御されるスイッチング素子の故障を検出する回路であって、前記スイッチング素子の両端電圧を、閾値と比較してデジタル信号に変換する変換部と、変換されたデジタル信号を、電気的に絶縁して判定部に伝達する光結合部と、伝達されたデジタル信号および前記スイッチング素子に対するオンオフの制御指令に基づいて、故障の有無を判定する前記判定部とを含んでいる。
【００１１】
スイッチング素子の両端電圧とは、スイッチング素子の出力両端間の電圧をいう。
【００１２】
変換部は、両端電圧を閾値と比較するコンパレータを含むのが好ましい。
【００１３】
スイッチング素子、例えば、サイリスタやトライアックは、出力両端端子間のオン電圧が、電流に大きく依存せず、略一定値であるので、このオン電圧に基づく閾値と、その出力両端電圧とを比較することによって、オン状態であるかオフ状態であるかに応じた出力を得ることができる。
【００１４】
デジタル信号は、スイッチング素子のオンオフに対応した２値信号であるのが好ましい。
【００１５】
判定部で、故障と判定されたときには、それを報知するための警報信号を出力するのが好ましく、更に、警報信号を送信できるようにしてもよい。
【００１６】
本発明の故障検出回路によると、スイッチング素子は、オンオフの状態によって、その両端電圧が相違するので、閾値と比較することによって、スイッチング素子のオンオフ状態を判定することができ、この判定結果を、２値のデジタル信号として判定部に与え、判定部では、スイッチング素子に対するオンオフの制御指令と、スイッチング素子のオンオフの状態とを比較して、スイッチング素子が、正常であるか、あるいは、オープンやショート故障であるかを判定することができる。
【００１７】
しかも、スイッチング素子のオンオフの判定結果は、その両端電圧を、閾値と比較した２値のデジタル信号であり、この２値のデジタル信号を、光結合部を介して、例えば、マイコンからなる判定部でモニタすればよく、アナログの両端電圧をそのままマイコンでモニタする必要がなく、これによって、高価なＩＣや規模の大きな回路構成を必要とすることなく、スイッチング素子の故障を検出することができる。
【００１８】
（２）本発明の故障検出回路の一つの実施形態では、前記閾値は、前記スイッチング素子のオン電圧よりも高い値である。
【００１９】
スイッチング素子は、オンしている状態では、その両端電圧はオン電圧となり、オフしている状態では、電源電圧となるので、この実施形態によると、スイッチング素子の両端電圧を、オン電圧よりもやや高い閾値と比較することによって、スイッチング素子の両端電圧が、閾値よりも低いオン電圧であるか、閾値よりも高い電源電圧であるかに応じて、スイッチング素子のオンオフの状態を判定することができる。
【００２０】
（３）本発明の故障検出回路の他の実施形態では、前記電源が交流電源であって、前記スイッチング素子が、サイリスタまたはトライアックである。
【００２１】
変換部では、スイッチング素子の両端電圧を、正負に対応する閾値とそれぞれ比較してデジタル信号に変換してもよいし、あるいは、両端電圧を整流した後に、閾値と比較してもよい。
【００２２】
この実施形態によると、交流電力の供給／遮断を行うサイリスタやトライアックのオープン故障や短絡故障を検出することができる。
【００２３】
（４）本発明の電力調整器は、本発明に係る故障検出回路を備えている。
【００２４】
本発明の電力調整器によると、内蔵のスイッチング素子のショートやオープン故障を、高価なＩＣや規模の大きな回路構成を必要とすることなく検出することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によると、スイッチング素子の両端電圧に基づいて判定したスイッチング素子のオンオフ状態とスイッチング素子に対するオンオフの制御指令とに基づいて、スイッチング素子のオープン故障やショート故障を検出することができる。
【００２６】
しかも、スイッチング素子のオンオフの判定結果は、その両端電圧を、閾値と比較した２値のデジタル信号であり、この２値のデジタル信号を、光結合部を介して、例えば、マイコンからなる判定部でモニタすればよく、アナログの両端電圧をそのままマイコンでモニタする必要がなく、これによって、高価なＩＣや規模の大きな回路構成を必要とすることなく、スイッチング素子の故障を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面によって、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００２８】
図１は、本発明の一つの実施の形態に係る電力調整器を備えるシステムの概略構成を示すブロック図である。
【００２９】
このシステムでは、交流電源２から負荷であるヒータ３に供給される交流電力を開閉するために電力調整器１を備えている。負荷としては、電気炉、乾燥器等に使用されるヒータ３に限らず、照明、赤外線装置等のランプ、または電動機械等に使用するモータなどであってもよい。
【００３０】
この電力調整器１は、交流電力を開閉するためのスイッチング素子として、正負に対応するように、一対のサイリスタ４，５を逆方向に並列接続しており、各サイリスタ４，５は、マイコン８からのゲート信号によって、フォトカプラ（ＰＨＣ）６，７を介してオンオフ制御される。また、サイリスタ４，５に並列に、スナバ回路１０を接続している。マイコン８には、外部の温度調節器９からオンオフの出力指令が与えられ、この出力指令に応じて、サイリスタ４，５をオンオフ制御する。なお、外部の機器は、温度調節器９に限らず、ＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）やＰＣ（パーソナルコンピュータ）などであってもよい。また、この実施形態では、スイッチング素子として、２個のサイリスタ４，５を逆並列にしたものを用いているが、他の実施形態として、１個で同等の働きをするトライアックで構成してもよい。
【００３１】
この実施形態では、サイリスタ４，５のショート故障やオープン故障を、カレントトランスを用いることなく、しかも、高価なＩＣや規模の大きな回路構成を必要とすることなく、検出できるようにするために、次のように構成している。
【００３２】
すなわち、この実施形態の電力調整器１では、サイリスタ４，５の両端電圧に基づいて、サイリスタ４，５の故障を検出する故障検出回路１１を備えており、この故障検出回路１１は、サイリスタ４，５の両端電圧に基づいて、サイリスタ４，５がオン／オフのどちらの状態にあるかを判定して、対応する「Ｈ」、「Ｌ」の２値のデジタル信号に変換して出力する素子状態判定部１２と、この素子状態判定部１２で判定されたサイリスタ４，５の状態とサイリスタ４，５に対するオン／オフの制御指令とに基づいて、サイリスタ４，５の故障の有無を判定する判定部としての機能を有するマイコン８とを備えている。
【００３３】
素子状態判定部１２は、サイリスタ４，５の両端電圧を波形整形して、閾値と比較してオン／オフのどちらの状態にあるかを判定して、対応するデジタル信号に変換する変化部としての波形整形・比較部１３と、この波形整形・比較部１３からの２値の判定信号を、電気的に絶縁して判定部としてのマイコン８に伝達する光結合部１４とを備えている。
【００３４】
ここで、この実施形態の故障の有無の判定について、図２および図３に基づいて、説明する。
【００３５】
図２は、正常時の正の半サイクルにおける、サイリスタの両端電圧、ヒータ３の両端電圧である負荷電圧、サイリスタに対する制御指令を示すものであり、（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ制御指令が、０％、５０％、１００％であるときの状態を示している。
【００３６】
同図（ａ）に示すように、制御指令が０％であるときには、半サイクルの全期間において、サイリスタはオフしており、サイリスタの両端電圧は、交流電源２の交流電圧となり、負荷電圧は、略０となる。
【００３７】
同図（ｃ）に示すように、制御指令が１００％であるときには、半サイクルの全期間において、サイリスタはオンしており、サイリスタの両端電圧は、略０となり、負荷電圧は、交流電源２の交流電圧となる。
【００３８】
また、制御指令が５０％であるときには、同図（ｂ）に示すように、半サイクルの内、制御指令がオフしている期間は、サイリスタの両端電圧は、交流電源２の交流電圧となり、負荷電圧は、略０となる。また、制御指令がオンしている期間は、サイリスタの両端電圧は略０となり、負荷電圧は、交流電源２の交流電圧となる。
【００３９】
この図２に示すように、正常時には、制御指令がオンの期間に、サイリスタがオンし、サイリスタの両端電圧は、略０となり、制御指令がオフの期間に、サイリスタがオフし、サイリスタの両端電圧は、交流電源２の交流電圧となる。したがって、サイリスタの両端電圧に基づいて、サイリスタのオンオフ状態を判定することができ、正常であれば、そのオンオフ状態は、制御指令のオンオフ状態に一致することになる。
【００４０】
一方、図３は、故障時の正の半サイクルにおける、サイリスタの両端電圧、負荷電圧、サイリスタに対する制御指令を示すものであり、（ａ），（ｂ）は、それぞれ制御指令が５０％のショート故障時およびオープン故障時の状態を示している。
【００４１】
同図（ａ）に示すショート故障では、制御指令に拘らず、サイリスタの両端電圧は、略０となり、負荷電圧は、交流電源２の交流電圧となる。また、同図（ｂ）に示すオープン故障では、制御指令に拘らず、サイリスタの両端電圧は、交流電源２の交流電圧となり、負荷電圧は、略０となる。
【００４２】
図２（ｂ）に示す制御指令５０％のときの正常なサイリスタの両端電圧と、図３（ａ），（ｂ）に示す制御指令５０％のときの故障時のサイリスタの両端電圧とを比較すれば明らかなように、両端電圧の波形は相違する。
【００４３】
すなわち、図３（ａ）に示すショート故障では、半サイクルの内、制御指令がオフしている期間もサイリスタの両端電圧が略０となっており、図２（ｂ）の正常時と相違している。また、図３（ｂ）に示すオープン故障では、半サイクルの内、制御指令がオンしている期間もサイリスタの両端電圧が、交流電源２の交流電圧となっており、図２（ｂ）の正常時と相違している。
【００４４】
したがって、サイリスタの両端電圧に基づいて、サイリスタのオンオフ状態を判定し、そのオンオフの状態が、半サイクルの期間におけるオンオフの制御指令と一致しているか否かによって、正常であるか、ショート故障であるか、あるいは、オープン故障であるかを判定できることになる。
【００４５】
この実施形態では、サイリスタの両端電圧に基づいて、サイリスタのオンオフの状態を判定するために、サイリスタのオン電圧よりもやや高い電圧を、図２（ｂ）に示すように、閾値Ｖｒｅｆとし、サイリスタの両端電圧が、閾値Ｖｒｅｆよりも低いときには、サイリスタの状態はオンであると判定し、サイリスタの両端電圧が、閾値Ｖｒｅｆ以上であるときには、サイリスタの状態は、オフであると判定するものである。
【００４６】
サイリスタあるいはトライアックは、通電電流による出力両端の端子間電圧の変化は少なく、ほぼ２Ｖ以下の電圧である。したがって、上記閾値Ｖｒｅｆを、例えば、２Ｖとし、両端電圧が２Ｖ未満であれば、サイリスタあるいはトライアックはオン状態、それ以上の電圧であればオフ状態と判定することができる。
【００４７】
以上では、正の半サイクルについて説明したけれども、負の半サイクルについても同様である。
【００４８】
図４は、上述の素子状態判定部１２のブロック図であり、図５は、その各部の波形図である。
【００４９】
素子状態判定部１２は、サイリスタ４，５の両端電圧Ｖ１を波形成形する波形整形部１５と、この波形成形部１５の出力Ｖ２を、後述の閾値と比較して２値の信号に変換するコンパレータからなる比較部１６と、比較部１６の出力Ｖ３を、判定部としてのマイコン８に伝達する光結合部１４とからなり、波形整形部１５と比較部１６とによって、上述の波形整形・比較部１３が構成される。
【００５０】
図５は、この素子状態判定部１２の詳細構成を示す回路図であり、図６は、
出力指令が５０％である場合の各部の出力波形を示すものであり、同図（ａ）はサイリスタの両端電圧Ｖ１を、同図（ｂ）は波形整形部１５の出力Ｖ２を、同図（ｃ）は比較部１６の出力Ｖ３を、同図（ｄ）は光結合部１４の出力Ｖ４をそれぞれ示している。
【００５１】
波形整形部１５は、図５に示すように、整流ダイオードＤおよびツェナーダイオードＺＤを備え、図６（ａ）に示すサイリスタの両端電圧Ｖ１を、波形整形して図６（ｂ）に示すように電圧を制限した出力電圧Ｖ２を与える。
【００５２】
比較部１６は、交流電圧の正負に対応する二つの第１，第２のコンパレータ１７，１８を備え、波形整形部１５の出力電圧Ｖ２を、正負の閾値Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２とそれぞれ比較して図６（ｃ）に示す出力Ｖ３を与える。なお、この正負の閾値Ｖｒｅｆ１，２は、上述のように、例えば、２Ｖ，−２Ｖである。
【００５３】
この比較部１６では、波形整形部１５の出力電圧Ｖ２が、図６（ｂ）に示すように、正側の閾値Ｖｒｅｆ１以上のときには、第１のコンパレータ１７の出力は「Ｈ」となり、第２のコンパレータ１８の出力は「Ｌ」となり、比較部１６の出力Ｖ３は、「Ｌ」となる。また、波形整形部１５の出力電圧Ｖ２が、正側の閾値Ｖｒｅｆ１未満であって、負側の閾値Ｖｒｅｆ２以上であるときには、第１，第２のコンパレータ１７，１８の出力は共に「Ｈ」となり、比較部１６の出力Ｖ３は、「Ｈ」となる。また、波形整形部１５の出力電圧Ｖ２が、負側の閾値Ｖｒｅｆ２未満であるときには、第１のコンパレータ１７の出力は「Ｈ」となり、第２のコンパレータ１８の出力は「Ｌ」となり、比較部１６の出力Ｖ３は、「Ｌ」となる。
【００５４】
このように比較部１６は、波形整形部１５の出力電圧Ｖ２が、正負の閾値Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２の範囲内のときには、サイリスタのオン状態に対応する「Ｈ」の出力Ｖ３を与え、閾値Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２の範囲外であるときには、サイリスタのオフ状態に対応する「Ｌ」の出力Ｖ３を与える。すなわち、比較部１６は、波形整形部１５のアナログの出力電圧Ｖ２を、「Ｈ」または「Ｌ」に対応する２値的なデジタル信号に変換する。
【００５５】
この比較部１６の２値の出力Ｖ３は、フォトカプラ１９によって電気的に絶縁されて、図６（ｄ）に示す出力Ｖ４が、判定部としての図１のマイコン８に与えられる。
【００５６】
判定部としてのマイコン８は、サイリスタ４，５に対してフォトカプラ６，７を介してオンオフの出力指令を与えており、このオンオフの出力指令の状態と、素子状態判定部１２からの「Ｈ」または「Ｌ」のサイリスタの判定状態とが一致するか否かに基づいて、故障の有無を判定するものである。
【００５７】
図７は、この実施形態の故障検出の処理動作を説明するためのフローチャートである。
【００５８】
先ず、サイリスタの出力端子間電圧、すなわち、両端電圧を検出し（ステップｎ１）、閾値Ｖｒｅｆ以上（上述の閾値Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２の範囲外）であるか否かを判断し(ステップｎ２)、閾値Ｖｒｅｆ以上であるときには、サイリスタは、オフ状態であると判定し、オフに対応する「Ｌ」の判定出力を、判定部としてのマイコン８に与える(ステップｎ３)。マイコン８は、制御指令がオフであるか否かを判断し(ステップｎ４)、オフでなければ、すなわち、制御指令がオンであれば、制御指令のオンにも拘わらず、サイリスタがオフしたままのオープン故障であると判定する(ステップｎ５)。また、ステップｎ４において、制御指令がオフであったときには、制御指令とサイリスタの状態とが一致しており、正常動作中であると判定する(ステップｎ６)。
【００５９】
また、ステップｎ２において、閾値以上（上述の閾値Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２の範囲外）でないときには、サイリスタはオン状態であると判定し、オンに対応する「Ｈ」の判定出力を、判定部としてのマイコン８に与える（ステップｎ７）。マイコン８は、制御指令がオンであるか否かを判断し(ステップｎ８)、制御指令がオンでなければ、すなわち、制御指令がオフであれば、制御指令のオフにも拘わらず、サイリスタがオンしたままのショート故障であると判定する(ステップｎ９)。また、ステップｎ８において、制御指令がオンであったときには、制御指令とサイリスタの状態とが一致しており、正常動作中であると判定する(ステップｎ６)。
【００６０】
上述の実施形態では、電力調整器１に内蔵されたマイコン８よって、故障の有無を判定したけれども、本発明の他の実施形態として、例えば、図８に示すように、マイコンを用いることなく、故障の有無を判定できるようにしてもよい。温度調節器９などの外部機器から直流電圧が制御指令として与えられ、この制御指令に応じて、フォトカプラ６，７を介してサイリスタ４，５のオンフを制御する。故障の有無を判定する判定部２０では、制御指令がある時にサイリスタ４，５がオン、制御指令が無い時にオフであることを確認出来ればよいので、ロジックＩＣによって、排他的論理和回路を構成すればよい。
【００６１】
上述の実施形態では、電力調整器について説明したけれども、本発明は、故障検出回路をソリッドステートリレーなどに内蔵させてもよい。
【００６２】
上述の実施形態では、スイッチング素子として、サイリスタやトライアックに適用して説明したけれども、本発明の他の実施形態として、ＭＯＳＦＥＴやトランジスタに適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、負荷に対する電力を制御する電力調整器等のスイッチング素子の故障検出に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】図１は、本発明に係る電力調整器を備えるシステムの概略構成図である。
【図２】図２は、正常時の半サイクルのサイリスタ両端電圧、負荷電圧および制御指令を示す図である。
【図３】図３は、故障時の半サイクルのサイリスタ両端電圧、負荷電圧および制御指令を示す図である。
【図４】素子状態判定部１２のブロック図である。
【図５】素子状態判定部１２の詳細構成を示す回路図である。
【図６】図５の各部の出力波形を示す図である。
【図７】故障検出の処理動作を説明するためのフローチャートである。
【図８】本発明の他の実施形態のブロック図である。
【符号の説明】
【００６５】
１                      電力調整器
２                      交流電源
３                      ヒータ
４，５                  サイリスタ
８                      マイコン
１１                    故障検出回路
１２                    素子状態判定部
１４                    光結合部
【図１】
2010122082.tif 000003
【図２】
2010122082.tif 000004
【図３】
2010122082.tif 000005
【図４】
2010122082.tif 000006
【図５】
2010122082.tif 000007
【図６】
2010122082.tif 000008
【図７】
2010122082.tif 000009
【図８】
2010122082.tif 000010