(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源に接続したフィルタと、該フィルタと接続されスイッチング素子の両端にダイオードを逆並列に接続した２個のスイッチング装置を直列接続した２個のトーテムポール回路と、該トーテムポール回路と並列に接続したスナバコンデンサと、前記トーテムポール回路の出力端子と負荷との間に接続されたローパスフィルタから成る交流チョッパ装置において、前記トーテムポール回路のアーム短絡によって前記スナバコンデンサの放電電流が流れる共通の電路となる前記２個のトーテムポール回路の接続点と前記２個のスナバコンデンサの接続点との間に電流検出手段を設け、該電流検出手段の出力により前記トーテムポール回路のスイッチング素子をオフする制御手段を設けたことを特徴とする交流チョッパ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電圧調整装置等に用いられる交流チョッパ装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の交流チョッパ装置は、特開平７−１０７７５１号公報に開示のように、スイッチング素子（ＳＷ１）〜（ＳＷ４）の両端にダイオード（Ｄ１）〜（Ｄ４）を逆並列に接続した２個のトーテムポール回路により交流チョッパ装置が構成されている。交流チョッパ装置は、制御回路の故障やノイズによる制御回路の誤動作等によってスイッチング素子（ＳＷ１）と（ＳＷ２）又は（ＳＷ３）と（ＳＷ４）が同時にオンしてアーム短絡する場合がある。アーム短絡するとスイッチング素子（ＳＷ１）〜（ＳＷ４）が破壊され、装置が故障するため、交流チョッパ装置にはアーム短絡を防ぐ構造が設けられている。この交流チョッパ装置では、負荷に流れる電流を検出する変流器（ＣＴａ）と、トーテムポール回路に流れる電流を検出する変流器（ＣＴｂ），（ＣＴｃ）が設けられ、これらの変流器（ＣＴａ）〜（ＣＴｃ）によって短絡電流を検出すると、制御回路がトーテムポール回路のスイッチング素子（ＳＷ１）〜（ＳＷ４）をオフして装置を保護していた。
【０００３】
また、特開平９−１８２４６３号公報に開示のものは、トーテムポール回路を構成する２個のスイッチング素子（１１），（１４）の夫々に短絡検知回路（２１），（２４）を並列に接続してスイッチング素子（１１），（１４）の電圧を検出し、両方の短絡検知回路（２１），（２４）が同時にオンすると故障判別回路（２７）がアーム短絡と判断して制御回路からスイッチング素子（１１），（１４）をオフして装置を保護していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者の交流チョッパ装置は、負荷に流れる電流を検出するための変流器に加えてトーテムポール回路毎に変流器を必要とし、後者の交流チョッパ装置は、スイッチング素子毎に短絡検知回路を必要とするため、トーテムポール回路が多くなるといずれも構成が複雑になり、大型化するという欠点があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記従来の交流チョッパ装置の問題点に鑑み、本発明の目的は、アーム短絡保護回路の構成が単純で信頼性が高く、装置を小型化することができる交流チョッパ装置を提供するもので、その構造は、交流電源に接続したフィルタと、フィルタと接続されスイッチング素子の両端にダイオードを逆並列に接続した２個のスイッチング装置を直列接続した２個のトーテムポール回路と、トーテムポール回路と並列に接続したスナバコンデンサと、トーテムポール回路の出力端子と負荷との間に接続されたローパスフィルタから成る交流チョッパ装置において、２個のトーテムポール回路の接続点と２個のスナバコンデンサの接続点とを結んで形成され、共通の電路となる２個のトーテムポール回路の接続点と２個のスナバコンデンサの接続点との間に電流検出手段を設け、電流検出手段の出力によりトーテムポール回路のスイッチング素子をオフする制御手段を設けたことである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
交流チョッパ装置は、装置から発生するノイズが交流電源に流出するのを防止するためのフィルタを交流電源に接続し、スイッチング素子の両端にダイオードを逆並列に接続した２個のスイッチング装置を直列接続した２個のトーテムポール回路をフィルタに接続し、過大電圧ノイズを吸収するスナバ回路としてトーテムポール回路と並列にスナバコンデンサを接続し、トーテムポール回路の出力端子と負荷との間にリアクトルとコンデンサから成るローパスフィルタを接続し、スナバコンデンサの放電電流が流れる共通の電路となる２個のトーテムポール回路の接続点と２個のスナバコンデンサの接続点との間に電流検出手段を設け、電流検出手段の出力によりトーテムポール回路のスイッチング素子をオフする制御手段を設ける。
【０００７】
【実施例】
本発明に係る交流チョッパ装置の第１実施例を図１〜図３の添付図面に基づいて説明する。
【０００８】
交流チョッパ装置１は、装置から発生するノイズが交流電源２に流出するのを防止するためのフィルタ３であるリアクトルＬ１を交流電源２に接続し、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４の両端にダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を逆並列に接続した２個のスイッチング装置４と５及び６と７を直列接続した２個のトーテムポール回路８，９をフィルタ３に接続し、過大電圧ノイズを吸収するスナバ回路としてトーテムポール回路８，９と並列にスナバコンデンサＣ１，Ｃ２を接続し、トーテムポール回路８，９の出力端子１０，１１と負荷１２との間にはリアクトルＬ２とコンデンサＣ３から成るローパスフィルタ１３が設けられている。
【０００９】
スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、交流電源２が正の半サイクルの間は制御回路１４によってスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４がオンし、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が交互に高速でオン・オフして交流電圧を裁断波形にして出力している。このとき、スナバコンデンサＣ１は交流電源２によって充電され、スナバコンデンサＣ２はスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４により短絡されている。
【００１０】
また、交流電源２が負の半サイクルの間は制御回路１４によってスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がオンし、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４が交互に高速でオン・オフして交流電圧を裁断波形にして出力している。このとき、スナバコンデンサＣ１はスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２により短絡され、スナバコンデンサＣ２は交流電源２によって充電されている。
【００１１】
裁断された交流電圧はローパスフィルタ１３によって元の交流波形に形成され、電圧を変えて負荷１２に供給している。
【００１２】
図２に示すように、通常、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の制御回路１４は、制御信号がトランジスタＴＲ１に入力されると制御信号に応じてトランジスタＴＲ１がオン・オフし、続いてゲートドライブ用集積回路ＩＣ１のフォトカプラＰＣ１がオン・オフし、ゲートドライブ用集積回路ＩＣ１からスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４にオン・オフ信号を出力し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４はオン・オフしている。
【００１３】
ここで、例えば、何らかの原因により交流電源２が正の半サイクルの間にスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が同時にオンしてアーム短絡が発生すると、スナバコンデンサＣ１に充電された電荷がスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を介して一気に放電され、このとき流れる大電流によりスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が破壊される。尚、交流電源２からの電流流入はフィルタ３によって立ち上がりが制限されるため、アーム短絡発生直後は小さい。
【００１４】
このアーム短絡を防ぐために、交流チョッパ装置１はスナバコンデンサＣ１，Ｃ２の放電電流を検出する電流検出手段とスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を制御する制御手段が設けられている。
【００１５】
図３に示すように電流検出手段としてスナバコンデンサＣ１，Ｃ２の放電電流が流れる共通の電路となる２個のトーテムポール回路の接続点と２個のスナバコンデンサの接続点との間にシャント抵抗Ｒ１が設けられている。シャント抵抗Ｒ１はシリコン双方向スイッチＳＢＳ１とフォトカプラＰＣ２の発光ダイオードと抵抗Ｒ２が並列に接続され、フォトカプラＰＣ２の発光ダイオードと逆並列にダイオードＤ５が接続されている。フォトカプラＰＣ２の発光ダイオードはスナバコンデンサＣ１，Ｃ２の放電電流が流れる極性に接続されている。抵抗Ｒ２はフォトカプラＰＣ２の発光ダイオードに流れる電流を制限するために設けられ、ダイオードＤ５はフォトカプラＰＣ２の発光ダイオードに逆電圧が印加しないように設けられている。
【００１６】
アーム短絡が発生し、スナバコンデンサＣ１，Ｃ２から放電電流が流れ始め、シャント抵抗Ｒ１の両端電圧がシリコン双方向スイッチＳＢＳ１のブレークオーバ電圧を越えると、シリコン双方向スイッチＳＢＳ１がオンし、フォトカプラＰＣ２の発光ダイオードに電流が流れ、フォトカプラＰＣ２のトランジスタがオンする。トランジスタのオンによりトランジスタＴＲ２がオンし、これによりサイリスタＳＣＲ１がオンし、サイリスタＳＣＲ１のオンによりトランジスタＴＲ３がオンして制御回路１４にアーム短絡検出信号が出力される。
【００１７】
尚、電源投入時にスナバコンデンサＣ１，Ｃ２に流入する充電電流は、スナバコンデンサＣ１，Ｃ２からシャント抵抗Ｒ１を設けた電路を経由し、スイッチング素子Ｑ４又はＱ２方向に流れるが、この充電電流によりシリコン双方向スイッチＳＢＳ１がオンしても充電電流はフォトカプラＰＣ２の発光ダイオードに流れず、ダイオードＤ５に流れる。従って、充電電流により誤動作することはない。
【００１８】
制御回路１４にアーム短絡検出信号が入力されると、トランジスタＴＲ４がオンし、これによりトランジスタＴＲ１はオフし、ゲートドライブ用集積回路ＩＣ１に制御信号が入力されないのでスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４はオフする。
【００１９】
また、通常運転に復帰させる場合は、リセット用トランジスタＴＲ５をオンし、サイリスタＳＣＲ１をオフさせることにより、アーム短絡検出信号が出力されないので制御回路１４のトランジスタＴＲ４がオフし、通常運転に復帰する。
【００２０】
本実施例においては、フォトカプラＰＣ２により電気的に絶縁して信号を出力しているため、回路構成を単純にできる。また、精度の高いシャント抵抗を使用し、ブレークオーバ電圧のバラツキが小さいシリコン双方向スイッチＳＢＳ１を使用することにより、精度の高い装置を構成することができる。
【００２１】
本発明に係る交流チョッパ装置の第２実施例を図４〜図６の添付図面に基づいて説明する。
【００２２】
交流チョッパ装置２１は、装置から発生するノイズが交流電源２２に流出するのを防止するためのフィルタ２３であるリアクトルＬ１１を交流電源２２に接続し、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４の両端にダイオードＤ１１，Ｄ１２，Ｄ１３，Ｄ１４を逆並列に接続した２個のスイッチング装置２４と２５及び２６と２７を直列接続した２個のトーテムポール回路２８，２９をフィルタ２３に接続し、過大電圧ノイズを吸収するスナバ回路としてトーテムポール回路２８，２９と並列にスナバコンデンサＣ１１，Ｃ１２を接続し、トーテムポール回路２８，２９の出力端子３０，３１と負荷３２との間にはリアクトルＬ１２とコンデンサＣ１３から成るローパスフィルタ３３が設けられている。
【００２３】
スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４は、交流電源２２が正の半サイクルの間は制御回路３４によってスイッチング素子Ｑ１３，Ｑ１４がオンし、スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２が交互に高速でオン・オフして交流電圧を裁断波形にして出力している。このとき、スナバコンデンサＣ１１は交流電源２２によって充電され、スナバコンデンサＣ１２はスイッチング素子Ｑ１３，Ｑ１４により短絡されている。
【００２４】
また、交流電源２２が負の半サイクルの間は制御回路３４によってスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２がオンし、スイッチング素子Ｑ１３，Ｑ１４が交互に高速でオン・オフして交流電圧を裁断波形にして出力している。このとき、スナバコンデンサＣ１１はスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２により短絡され、スナバコンデンサＣ１２は交流電源２２によって充電されている。
【００２５】
裁断された交流電圧はローパスフィルタ３３によって元の交流波形に形成され、電圧を変えて負荷３２に供給している。
【００２６】
図５に示すように、通常、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４の制御回路３４は、制御信号がトランジスタＴＲ１１に入力されると制御信号に応じてトランジスタＴＲ１１がオン・オフし、続いてゲートドライブ用集積回路ＩＣ１１のフォトカプラＰＣ１１がオン・オフし、ゲートドライブ用集積回路ＩＣ１１からスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４にオン・オフ信号を出力し、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４はオン・オフしている。
【００２７】
ここで、例えば、何らかの原因により交流電源２２が正の半サイクルの間にスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２が同時にオンしてアーム短絡が発生すると、スナバコンデンサＣ１１に充電された電荷がスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２を介して一気に放電され、このとき流れる大電流によりスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２が破壊される。尚、交流電源２２からの電流流入はフィルタ２３によって立ち上がりが制限されるため、アーム短絡発生直後は小さい。
【００２８】
このアーム短絡を防ぐために、交流チョッパ装置２１はスナバコンデンサＣ１１，Ｃ１２の放電電流を検出する電流検出手段とスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４を制御する制御手段が設けられている。
【００２９】
図６に示すように電流検出手段としてスナバコンデンサＣ１１，Ｃ１２の放電電流が流れる共通の電路となる２個のトーテムポール回路の接続点と２個のスナバコンデンサの接続点との間に変流器ＣＴが設けられている。変流器ＣＴの出力間にスナバコンデンサＣ１１，Ｃ１２の充電電流を短絡するためのダイオードＤ１５と検出電流値を設定するための抵抗Ｒ１１が接続されている。
【００３０】
アーム短絡が発生し、スナバコンデンサＣ１１，Ｃ１２の放電２次電流により抵抗Ｒ１１の両端電圧がシリコン双方向スイッチＳＢＳ１１のブレークオーバ電圧を越えると、シリコン双方向スイッチＳＢＳ１１がオンし、変流器ＣＴからの放電２次電流がサイリスタＳＣＲ１１のゲートに流れ、サイリスタＳＣＲ１１がオンし、これによりトランジスタＴＲ１２がオンして制御回路３４にアーム短絡検出信号が出力される。
【００３１】
尚、電源投入時にスナバコンデンサＣ１１，Ｃ１２に流入する充電電流は、スナバコンデンサＣ１１，Ｃ１２から変流器ＣＴを設けた電路を経由し、スイッチング素子Ｑ１４又はＱ１２方向に流れるため、変流器ＣＴからの充電電流はダイオードＤ１５により短絡される。従って、充電電流により誤動作することはない。
【００３２】
制御回路３４にアーム短絡検出信号が入力されると、トランジスタＴＲ１３がオンし、これによりトランジスタＴＲ１１はオフし、ゲートドライブ用集積回路ＩＣ１１に制御信号が入力されないのでスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４はオフする。
【００３３】
また、通常運転に復帰させる場合は、リセット用トランジスタＴＲ１４をオンし、サイリスタＳＣＲ１１をオフさせることにより、アーム短絡検出信号が出力されないので制御回路３４のトランジスタＴＲ１３がオフし、通常運転に復帰する。
【００３４】
本実施例においては、電流検出手段として絶縁型センサである変流器を使用しているため、回路構成を単純にできる。また、変流器は電流変換精度が高く、ブレークオーバ電圧のバラツキが小さいシリコン双方向スイッチＳＢＳ１１を使用することにより、精度の高い装置を構成することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明に係る交流チョッパ装置は、交流電源に接続したフィルタと、フィルタと接続されスイッチング素子の両端にダイオードを逆並列に接続した２個のスイッチング装置を直列接続した２個のトーテムポール回路と、トーテムポール回路と並列に接続したスナバコンデンサと、トーテムポール回路の出力端子と負荷との間に接続されたローパスフィルタから成る交流チョッパ装置において、トーテムポール回路のアーム短絡によってスナバコンデンサの放電電流が流れる共通の電路となる２個のトーテムポール回路の接続点と２個のスナバコンデンサの接続点との間に電流検出手段を設け、電流検出手段の出力によりトーテムポール回路のスイッチング素子をオフする制御手段を設けたことにより、スナバコンデンサの放電電流のみを監視するので回路構成が単純になり、構成が単純なので信頼性が高く、装置を小型化することができるという優れた効果を有するものである。
【００３６】
また、スイッチング素子を破壊するスナバコンデンサの放電電流そのものを検出してスイッチング素子のゲートブロックをかけるため、アーム短絡の検出が確実で、スイッチング素子の破壊を余裕を持って防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る交流チョッパ装置を示す回路図である。
【図２】本発明の第１実施例に係る交流チョッパ装置の制御回路である。
【図３】本発明の第１実施例に係る交流チョッパ装置のアーム短絡時にスナバコンデンサの放電電流を検出する回路である。
【図４】本発明の第２実施例に係る交流チョッパ装置を示す回路図である。
【図５】本発明の第２実施例に係る交流チョッパ装置の制御回路である。
【図６】本発明の第２実施例に係る交流チョッパ装置のアーム短絡時にスナバコンデンサの放電電流を検出する回路である。
【符号の説明】
１…交流チョッパ装置
２…交流電源
４〜７…スイッチング装置
８，９…トーテムポール回路
１２…負荷
１５…制御回路
Ｑ１〜Ｑ４…スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ５…ダイオード
Ｃ１，Ｃ２…スナバコンデンサ
ＴＲ１〜ＴＲ４…トランジスタ
ＩＣ１…ゲートドライブ用集積回路
ＰＣ１，ＰＣ２…フォトカプラ
ＳＢＳ１…シリコン双方向スイッチ
Ｒ１…シャント抵抗
Ｒ２…抵抗
ＳＣＲ１…サイリスタ
【図１】
0004739541.tif 000002
【図２】
0004739541.tif 000003
【図３】
0004739541.tif 000004
【図４】
0004739541.tif 000005
【図５】
0004739541.tif 000006
【図６】
0004739541.tif 000007