(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチング装置を備えて交流電源から所定電圧の交流出力を得るチョッパ方式による電圧変換装置であって、半導体スイッチング装置の電流を検出し、閾値を超える電流を検出した場合には２〜６ミリ秒の間、出力される電圧を前記所定電圧の４０〜６０％に低下させてしかる後に前記出力電圧を元に戻すように構成されている過電流制御装置をさらに備える、交流電圧変換装置。
【請求項２】
過電流制御装置が、特定時間に閾値を超える電流を検出したか否かを記憶し、閾値を超える電流の検出が連続して特定回数記憶された場合には電源供給を停止させるように構成されてなる請求項１記載の交流電圧変換装置。
【請求項３】
交流電源が３５０〜４５０Ｖの電圧、４５〜６５Ｈｚの周波数をもち、前記所定電圧が８０〜２２０Ｖである請求項１又は２記載の交流電圧変換装置。
【請求項４】
ブリッジダイオードを備え交流電源から直流電流を得る整流装置をさらに備え、上記半導体スイッチング装置はチョッパ方式により前記直流電流から交流出力を得るよう構成されてなる、請求項１〜３のいずれか１項記載の交流電圧変換装置。
【請求項５】
交流電源が三相電源である請求項１〜４のいずれか１項記載の交流電圧変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源の電圧値を変換する交流電圧変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電源用の電圧変換装置としては巻線を利用するトランスが従来から使用されている。巻線によるトランスの問題点として、サイズ及び重量が挙げられる。例えば、入力電圧が４００Ｖで出力電圧が２００Ｖ程度の三相電源用のトランスは、例えば１０ｋＶＡの規模では約６７ｋｇの重量、３４０ｍｍ×２０８ｍｍ×３１２ｍｍの大きさに及ぶ。
【０００３】
特許文献１によれば、巻線によるトランスではなく、ダイオードと半導体スイッチ素子とを組み合わせてなるスイッチング装置を利用する電圧変換装置が提示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１００８５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の半導体スイッチ素子として典型的にはトランジスタが用いられる。半導体スイッチ素子の保護のために、過電流対策が必要であり、通常は、過電流が流れるときには電流が停止される。しかし、その場合には、電圧変換装置として満足に機能しなくなってしまう。
【０００６】
上記事情を考慮し、本発明は、過電流対策を施しつつ、安定的に機能し得る電圧変換装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らが鋭意検討した結果、以下のような本発明を完成した。
（１）半導体スイッチング装置を備えて交流電源から所定電圧の交流出力を得るチョッパ方式による電圧変換装置であって、半導体スイッチング装置の電流を検出し、閾値を超える電流を検出した場合には２〜６ミリ秒の間、出力される電圧を前記所定電圧の４０〜６０％に低下させてしかる後に前記出力電圧を元に戻すように構成されている過電流制御装置をさらに備える、交流電圧変換装置。
（２）過電流制御装置が、特定時間に閾値を超える電流を検出したか否かを記憶し、閾値を超える電流の検出が連続して特定回数記憶された場合には電源供給を停止させるように構成されてなる（１）の交流電圧変換装置。
（３）交流電源が３５０〜４５０Ｖの電圧、４５〜６５Ｈｚの周波数をもち、前記所定電圧が８０〜２２０Ｖである（１）又は（２）の交流電圧変換装置。
（４）ブリッジダイオードを備え交流電源から直流電流を得る整流装置をさらに備え、上記半導体スイッチング装置はチョッパ方式により前記直流電流から交流出力を得るよう構成されてなる、（１）〜（３）のいずれかの交流電圧変換装置。
（５）交流電源が三相電源である（１）〜（４）のいずれかの交流電圧変換装置。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、過電流を検出して保護動作がなされても、トランスとしての機能を果たし続けることができる。本発明では、保護動作の際にごく短時間だけ電圧を小さくするのであって、電源供給自体を停止するわけではないからである。例えば、入力交流電源が６０Ｈｚであるとき、正弦波の半サイクルは８．３ミリ秒である。本発明では、それより短い時間だけ、出力電圧を低下させるに過ぎないので、モーター等の負荷側の停電検出にかからず、負荷の内部コンデンサを充電して電源を供給することができる。
【０００９】
好適態様によれば、過電流が生じたときに直ちに電源停止させるのではなく、特定時間の間に過電流が検出するか否かをチェックして、それが連続して所定回数続いたときに限り、電源が停止される。よって、偶発的な過電流によりたびたび電源停止することがなく、しかも、上述したごく短時間の電圧低下措置は取られるので、偶発的な過電流の悪影響が低減されることが期待される。
【００１０】
また別の好適態様によれば、交流電源をいったん直流化し、それをインバータに類した回路を用いてチョッパ方式による電圧変換を行い、その際にＩＰＭを用いることで、スイッチング装置に用いる半導体を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の装置の回路の模式図である。
【図２】本発明の三相電源用の装置の回路の模式図である。
【図３】本発明の装置の回路の一部の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を適宜参照しながら本発明を説明する。本発明は、図示された態様に限定されるわけではない。
【００１３】
本発明の交流電圧変換装置（以下、「本発明の装置」とも略記する。）は、交流電源を入力して、入力した電源とは異なる所定電圧の交流を出力させることを意図したものである。「所定電圧の交流を出力させる」とは、目標とすべき電圧を人為的に定めて、その電圧になるべく近い電圧の交流を出力させる、ということである。本発明の装置では、電圧の変換のためにチョッパ方式を採用する。チョッパ方式では、電流のＯＮ−ＯＦＦを繰り返すことによって直流または交流の入力から、実効値として任意の電圧や電流を擬似的に作り出すことができる。一般的には、上述のＯＮ−ＯＦＦにおけるＯＮ時間とＯＦＦ時間の割合（デューティー比）を変化させることにより、所望の電圧の交流を出力させることができる。本発明では、交流電源を交流のままチョッパ方式の回路に供してもよいし、交流電源を整流して直流を得て、しかる後に、得られた直流をチョッパ方式の回路に供して、再度、交流を得てもよい。上述のＯＮ−ＯＦＦにおける制御素子としてパワートランジスタなどの半導体スイッチング装置を用いる。
【００１４】
半導体スイッチング装置の具体的な態様は特に限定なく、従来公知の技術を適宜参照することができる。図１は本発明の装置の回路の模式図である。図１の装置では、ダイオードＤ１１〜Ｄ１４とトランジスタＱ１１〜Ｑ１４とを逆並列接続してなる半導体スイッチング装置１１〜１４が複数用いられている。交流電源１００をそのまま供する場合には、図１に記載する回路のように、半導体スイッチング装置を２個逆向きに直接接続する回路が好適に用いられる。
【００１５】
図１のような装置を用いて、例えば６０Ｈｚ、４００Ｖの交流電源１００から６０Ｈｚ、２００Ｖの交流を出力させるためには、デューティー比５０％、５０マイクロ秒周期でＯＮ−ＯＦＦさせることが好ましい。具体的なＯＮ−ＯＦＦの実現手段や、出力電圧の安定化手段などは従来技術を適宜参照することができる。例えば、図１の回路では、高速でスイッチングした出力電圧をコイルＬ１１、コンデンサＣ１１によるローパスフィルタで高周波成分を除去し、入力電源と相似の交流電圧が出力として得られる。
【００１６】
本発明の装置への入力である交流電源は、好ましくは３５０〜４５０Ｖの電圧、４５〜６５Ｈｚの周波数をもつことが好ましい。本発明の装置からの目標とする出力（所定電圧）は好ましくは８０〜２２０Ｖである。
【００１７】
通常、半導体素子には入力してもよい電流の上限があり、過大な電流が流れると、破損のおそれがある。半導体スイッチング装置としてトランジスタを用いる場合、通常は、コレクタ電流に留意が必要である。例えば、４００Ｖの交流電源を入力するときはコレクタ−エミッタ間最大電圧は１２００Ｖ程度必要であるが、この場合は、最大コレクタ電流は２０Ａ程度になる。特に、負荷を電源ＯＦＦからＯＮにした時、負荷の内部コンデンサを短時間に充電する為、大きな突入電流が流れてしまいがちである。本発明の装置には、過電流制御装置（図示せず）が設けられている。過電流制御装置は、半導体スイッチング装置の電流を検出するように構成されている。そして、前記電流が閾値を超えた場合には、後述する電圧低下措置が講じられる。閾値については、半導体スイッチング装置に用いられる各素子の定格などから適宜決定することができる。
【００１８】
本発明の装置で用いる過電流制御装置では、電圧降下措置において、直ちに電源停止させる訳ではない。過電流制御装置は、２〜６ミリ秒の間、出力される電圧を所定電圧（目標とすべき電圧）の４０〜６０％に低下させてしかる後に前記出力電圧を元に戻すように構成されている。例えば、入力電源が６０Ｈｚである場合は、正弦波の半サイクルは８．３ミリ秒である。正弦波の半サイクルよりも短い２〜６ミリ秒だけ電圧を低下させるのであれば、負荷側の停電検出にかからず、負荷の内部コンデンサを充電して電源を供給できる。また、出力電圧をゼロではなく上述のように僅かに維持するため、負荷への電源供給継続というメリットがある。過電流制御装置によって上述の電圧低下措置が取られた後は、再び、所定の電圧が出力されるように復帰される。
【００１９】
所定の短時間だけ電圧降下措置を講じるための具体的な手段については、従来技術を適宜参照することができる。例えば、半導体スイッチング装置のＯＮ−ＯＦＦにおけるＯＮ時間とＯＦＦ時間の割合（デューティー比）を、本来、出力すべきデューティー比の４０％〜６０％にすることにより電圧降下措置が実現される。出力を完全にカットすると負荷への電源供給が継続できなくなってしまうが、極めて短時間に電圧降下措置を取るのみであれば負荷の運転継続が図られる。
【００２０】
モーター等の負荷の電源をＯＮにする時の突入電流のみならず、通常動作における過電流からの保護のために過電流制御装置を動作させることもできる。
【００２１】
なお、何らかの異常で過電流が継続して流れる場合には、強制的に電源供給を停止させた方がよいこともある。本発明の好適態様では、過電流制御装置は特定時間に閾値を超える電流を検出したか否かを記憶できるように構成されている。例えば、０．５秒という特定時間に過電流を検出したか否かが記憶される。ここで、過電流が検出されたときは、上述の電圧降下措置が講じられる。特定時間が０．５秒であるとき、特定時間ごとに、つまり０．５秒ごとの時間間隔において、過電流を検出したか否かが記憶される。そのような検出が連続して特定回数記憶された場合には、好ましくは電源供給を停止させるように過電流制御装置は構成されている。例えば、特定回数が「１０回」である場合には、特定時間（例：０．５秒）の間に過電流が検出されるケースが１０回連続で生じたときに、電源供給が停止される。この例では、５秒間（０．５秒×１０回）にわたる過電流検出で電源供給を停止することとほぼ等価である。なお、このケースにおいても、過電流の検出のたびに、上述の電圧降下措置が講じられ、事態の回復が図られている。上記の過電流を検出したか否かを記憶する時間間隔である「特定時間」は好ましくは０．１〜１秒であり、上記の「特定回数」は好ましくは５回〜１５回である。
【００２２】
過電流の検出手段、特定時間や特定回数の設定基準、検出の記憶手段、電源供給の停止手段などは従来技術を適宜参照することができる。この態様によれば、偶発的な過電流においては電源供給の停止には至らずに電圧降下措置が講じられるのみであって、すぐに回復して運転が続行されるとともに、過電流が長く続いたときには電源供給が停止されて半導体スイッチング装置の破損が防止される。
【００２３】
本発明では、交流電源は単相であってもよいし三相であってもよい。また、チョッパ方式による電圧変換は、交流のまま入力して交流を出力してもよいし、いったん直流に整流してからチョッパ方式による電圧変換が行われてもよい。図１の態様では、交流電源が単相であり、交流のままチョッパ方式による電圧変換が行われる。
【００２４】
図２は、本発明の三相電源用の装置の回路の模式図である。図２の態様では、交流電源はいったん直流に整流される。図示されているように、ブリッジダイオードＤ２１〜Ｄ２６により整流させることができる。好ましくはコンデンサをさらに用いることができる。例えば、４００Ｖの入力電圧からは、計算上、約５６０Ｖの直流を得ることができる。得られた直流からチョッパ方式による電圧変換によって所望の電圧の交流を出力させることができる。直流から交流を出力させる際にはインバータ回路を用いることができ、このとき、半導体スイッチング装置２１〜２６のＯＮ−ＯＦＦにおけるＯＮ時間とＯＦＦ時間の割合（デューティー比）を変化させることにより、所望の電圧の交流を負荷２１０に対して出力させることができる。具体的な回路素子等はインバータ回路、スイッチング回路等の従来技術を適宜参照することができる。
【００２５】
インバータ回路用のＩＰＭなどを適宜活用することで、スイッチング半導体素子の使用を低減させることも可能である。このとき、ＩＰＭ内の半導体スイッチング装置に対して、上述の過電流制御装置を作用させることができる。図３は本発明の装置の回路の一部の模式図である。ＩＰＭ等の内部の概略図およびコイルやコンデンサを用いたローパスフィルタが描写されている。ＩＰＭ３０等には半導体スイッチング装置３１〜３６が内蔵されており、本発明では、これらの半導体スイッチング装置３１〜３６に対して上述の過電流制御装置（図示せず）を作用させる。チョッパ方式による電圧変換により得られた交流については、図示されるコイルＬ３１〜Ｌ３３やコンデンサＣ３１〜Ｃ３３を用いたローパスフィルタで高周波成分を除去して正弦波交流電圧を出力させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明によれば、巻線によるトランスの場合よりも著しく装置を軽量化させることができる。例えば、三相用の１０ｋＶＡの装置については本発明の適用により約１２ｋｇ程度になり、これは巻線によるトランスの装置の約１／６程度である。容積も少なくすることができ、コストは従来と同様である。また、力率０．９５％以上が実現できる。
【符号の説明】
【００２７】
Ｄ１１〜Ｄ２６：ダイオード                Ｑ１１〜Ｑ１４：トランジスタ
Ｌ１１、Ｌ３１〜Ｌ３３：コイル            Ｃ１１、Ｃ３１〜Ｃ３３：コンデンサ
１１〜１４、２１〜２６、３１〜３６：半導体スイッチング装置
３０：ＩＰＭ                １００：交流電源              ２１０：負荷
【図１】
0006310790.tif 000002
【図２】
0006310790.tif 000003
【図３】
0006310790.tif 000004