(57)【要約】【課題】  ヒューズ個々に電流を流して実験を行なうことなく、装置に組み込まれたヒューズの溶断時間を正確に求めることができるシミュレーション回路及び方法を提供する。【解決手段】  初めは、短絡スイッチはオフ、ヒューズスイッチはオンに設定しておく。短絡スイッチをオンにすることにより、対象とする装置に電流を流す。その後、電流測定部でヒューズスイッチに流れる電流を測定する。蓄積エネルギー演算部で、測定した電流値を２乗して熱量を求め、累積することによりヒューズスイッチに蓄積されたエネルギーＰ１を求める。蓄積されたエネルギーを、例えばカタログに記載されているヒューズの許容エネルギーと比較する。蓄積されたエネルギーＰ１が許容エネルギーより小さい場合は、ヒューズ溶断前と判断する。そして電流測定、演算を繰り返す。蓄積されたエネルギーＰ１が許容エネルギーを超えた場合は、ヒューズスイッチをオフにして測定、演算を終了する。そして短絡スイッチをオンにしてからそれまでに経過した時間を、ヒューズ溶断時間とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象となる装置のヒューズと代替されるヒューズスイッチと、該ヒューズスイッチに流れる電流を測定する電流測定部と、測定した電流値を２乗して累積することにより該ヒューズスイッチに蓄積されるエネルギーを算出する蓄積エネルギー演算部と、該蓄積エネルギー演算部で蓄積されたエネルギー値をヒューズの許容エネルギー値と比較する比較部とにより構成されることを特徴とするヒューズ溶断時間シミュレーション回路。
【請求項２】
対象となる装置のヒューズからの熱放散により失われるエネルギーを演算する放散エネルギー演算部を具備したことを特徴とする請求項１記載のヒューズ溶断時間シミュレーション回路。
【請求項３】
ヒューズスイッチを対象となる装置のヒューズと代替する工程と、対象となる装置を動作させてから該ヒューズスイッチに蓄積されるエネルギーを求める工程と、蓄積されたエネルギー値がヒューズの許容エネルギー値に達した時間をヒューズ溶断時間とする工程とを有することを特徴とするヒューズ溶断時間シミュレーション方法。
【請求項４】
ヒューズスイッチを対象となる装置のヒューズと代替する工程と、対象となる装置を動作させてから該ヒューズスイッチに蓄積されるエネルギーを求める工程と、蓄積されるエネルギー値とヒューズからの熱放散により失われるエネルギー値との差がヒューズの許容エネルギー値に達した時間をヒューズ溶断時間とする工程とを有することを特徴とするヒューズ溶断時間シミュレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、装置に組み込まれたヒューズの溶断時間を算出するシミュレーション回路及びシミュレーション方法に関する。特に装置に組み込まれたヒューズの溶断時間を予め算出しておき、装置の連続駆動はその時間内で行なうようにする。そのことにより、ヒューズを長期的に使用できるようになり、ヒューズの組み込まれた装置のメンテナンスが容易になる。
【背景技術】
【０００２】
従来のシミュレーション用ヒューズモデルは、実際にヒューズが溶断するまで電流を流しながら測定することにより、モデル化していた。すなわち、測定中の電流と電圧の変化から、ヒューズ抵抗の時間変化を算出する。そしてヒューズを時間とともに変化する抵抗としてモデル化してシミュレータに組み込んでいた。
【０００３】
図１４に、ヒューズを通過した電流と電圧波形から算出したヒューズの抵抗変化の一例を示す。このようなデータは、実験によって得られる。すなわち、ヒューズの定格容量、金属の組成や構造が変わる度毎に実験を行ない、ヒューズ溶断時における抵抗変化のデータを得る必要がある。
【０００４】
溶断時間の算出に関しては、図１５のヒューズ試験回路を用いてヒューズに流れる電流を計算する。ヒューズに蓄積されるエネルギー、すなわち熱量積分値が、基準となるエネルギー（許容エネルギー）に達した時を溶断時間とする方法がある。
まずヒューズに蓄積されるエネルギーである熱量積分値Ｗ1を求める。短絡スイッチを投入する時刻をｔ＝0とする。ｔ秒後の電流i(t)は、(1)式で表される。
【数１】
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ここでＲはヒューズ抵抗を含む回路抵抗、Ｌはケーブルインダクタンス、Ｅは電源電圧である。(1)式をi(t)について解くと、(2)式になる。
【数２】
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(2)式を用いることより、熱量積分値Ｗ1  は(3)式で表される。
【数３】
2005339967.tif 000005
【０００５】
一方、許容エネルギーの値Ｗ2  は、メーカーから出されているカタログ値の一部分を使用することが多い。通信用に使用されるヒューズは約10ms以内で遮断する程度の大きな電流の場合、許容エネルギー値は溶断時間に依存せず一定であることが多い。そのために、Ｗ2は定数とみなすことができる。
【０００６】
Ｗ１＝Ｗ2となる時間tが、溶断時間である。図１６にヒューズ溶断時間を説明するグラフを示す。このグラフには、許容エネルギー値と、あるインダクタンス値と抵抗値を(3)式の右辺に代入して得られる熱量積分値の時間変化を示している。許容エネルギー値と、計算により求めた熱量積分値との交点が溶断時間となる。
【０００７】
以上の解法は、ヒューズが約10ｍｓ以内で溶断する程度の大きな通過電流である時のみ成り立つ。ヒューズへの通過電流が小さい時、すなわち溶断時間が長くなると、許容エネルギー値も時間とともに変化するので、計算が複雑になる。また回路定数が変わったときは、そのつど熱量積分値、溶断時間を導出する。そしてヒューズスイッチにこの値を投入してシミュレーション回路を組む必要が出てくる。
【０００８】
さらにヒューズを図１７（ｂ）に示すような大規模給電系回路に組み込んだ場合には、複数の回路素子の間の相互作用が強くなる。そのために、図１７（ａ）に示す単純回路のパラメータを用いて、ヒューズ溶断時間を解析することはできない。
【０００９】
図１８に単純回路（図１７（ａ））と大規模給電系回路（図１７（ｂ））におけるヒューズを通過する電流の違いを示す。図１７において短絡回路に含まれるインダクタンス値と抵抗値が同じでも、単純回路に比べて大規模給電回路の電流増加率は小さく、定常状態の電流値も小さいことがわかる。従って、単純回路と大規模給電系回路では、許容エネルギー値に達する時間、すなわち溶断時間も溶断時直前の通過電流も異なってしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、上記従来技術における問題点を解決するためになされたものである。ヒューズを通過する電流が小さい場合でも、また複雑な回路にヒューズを組み込んだ場合でも簡単かつ正確にヒューズ溶断時間を求めるシミュレーション回路及び方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によるヒューズ溶断時間シミュレーション回路は、対象となる装置のヒューズと代替されるヒューズスイッチと、該ヒューズスイッチに流れる電流を測定する電流測定部と、測定した電流値を２乗して累積することにより該ヒューズスイッチに蓄積されるエネルギーを算出する蓄積エネルギー演算部と、該蓄積エネルギー演算部で蓄積されたエネルギー値をヒューズの許容エネルギー値と比較する比較部とにより構成されることを特徴とする。
【００１２】
本発明によるヒューズ溶断時間シミュレーション方法は、ヒューズスイッチを対象となる装置のヒューズと代替する工程と、対象となる装置を動作させてから該ヒューズスイッチに蓄積されるエネルギーを求める工程と、蓄積されたエネルギー値がヒューズの許容エネルギー値に達した時間をヒューズ溶断時間とする工程とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１、３によれば、個々のヒューズに電流を流して実験を行なうことなく、シミュレーションにより正確にヒューズの溶断時間を求めることができる。
請求項２、４では、対象となる装置を動作させたときにヒューズからの熱放散により失われるエネルギーを考慮している。すなわち、本発明により求めたヒューズの溶断時間の信頼性を向上させることができる。
対象となる装置を駆動させるとき、その連続駆動をシミュレーションされた溶断時間内で行なうようにする。そのことにより、ヒューズを長期的に使用できるようになり、対象となる装置のメンテナンスが容易になる。
【実施例１】
【００１４】
（シミュレーション回路）
図１に、本発明の実施例１によるヒューズ溶断時間シミュレーション回路を、対象となる装置に組み込んだ回路例を示す。対象となる装置は、直流電源、抵抗、インダクタンス、短絡スイッチ、ヒューズにより構成されるものとする。ヒューズを含む装置全体の抵抗値、インダクタンス値は、それぞれ抵抗、インダクタンスの一つのブロックにまとめている。また本実施例によるヒューズ溶断時間シミュレーション回路は、ヒューズスイッチ、電流測定部、蓄積エネルギー演算部、比較部により構成される。図１に示した回路では、対象となる装置のヒューズを、ヒューズスイッチと電流測定部からなる直列回路に置き換えている。そしてヒューズ、すなわち代替されたヒューズスイッチに流れる電流を測定する。
【００１５】
（シミュレーション方法）
図２に本実施例による解析の流れを示す。初めは、短絡スイッチはオフ、ヒューズスイッチはオンになっている。短絡スイッチをオンにする（短絡スタート）ことにより、図１に示した回路に電流を流す。その後、電流測定部でヒューズスイッチに流れる電流を測定する（ヒューズ電流測定）。蓄積エネルギー演算部で、測定した電流値を２乗して熱量を求め（熱量演算）、累積することによりヒューズスイッチに蓄積されたエネルギーＰ１を求める。蓄積されたエネルギーを、例えばカタログに記載されているヒューズの許容エネルギーと比較する（比較）。蓄積されたエネルギーＰ１が許容エネルギーより小さい場合は、ヒューズ溶断前と判断する。そして「ヒューズ電流測定」に戻って、測定、演算を繰り返す。蓄積されたエネルギーＰ１が許容エネルギーを超えた場合は、ヒューズスイッチをオフにして測定、演算を終了する。そして短絡スイッチをオンにしてからそれまでに経過した時間を、ヒューズ溶断時間とする。
【００１６】
（シミュレーション結果）
図３に本実施例によるヒューズ溶断時間シミュレーション回路を用いて解析したグラフを示す。左側は対象となる装置にインダクタンス成分がない場合、右側はインダクタンス成分がある場合のグラフである。
【００１７】
インダクタンス成分がない場合、短絡スイッチのオンにすると同時に回路に流れる電流が急激に変化する。そして短絡スイッチをオンにしたときからの時間経過に比例して蓄積エネルギーＰ１が上昇する。許容エネルギーから蓄積エネルギーＰ１を引いた蓄積可能エネルギーＰ３は、時間経過に伴って減少していく。蓄積可能エネルギーＰ３が０以下の値になったとき、回路に電流が流れなくなり、ヒューズスイッチがオフになったことが分かる。短絡スイッチをオンにしてから、個々まで経過した時間をヒューズ溶断時間とする。
【００１８】
インダクタンス成分がある場合、短絡スイッチをオンにした後、インダクタンス値と抵抗値によって決まる時定数で電流が上昇する。蓄積エネルギーＰ１も時間経過に伴って上昇していく。しかしインダクタンス成分がない場合と比較して、穏やかに上昇していくのが分かる。これに伴って、蓄積可能エネルギーＰ３は穏やかに減少していく。この場合も、蓄積可能エネルギーＰ３が０以下の値になったとき、回路に電流が流れなくなり、ヒューズスイッチがオフになったことが分かる。しかしインダクタンス成分がない場合と比較して、ヒューズ溶断時間が長くなっていることが分かる。
【実施例２】
【００１９】
ヒューズを通過する電流が小さい場合、融点に達するまでゆっくり加熱される。従って周囲への熱の放散を無視することができなくなる。すなわち、ヒューズが溶断するまでの時間が長くなり、その間の許容エネルギーの変化も無視できなくなる。
図６に、許容エネルギーの変化を無視できなくなることを説明するグラフを示す。ヒューズを流れる電流が大きい場合は、早く溶断時間に達する。その間、許容エネルギーはほとんど変化しないため、許容エネルギーは一定の値Ｂとして求めることができる。一方ヒューズを流れる電流が小さい場合は、溶断する時間が長くなる。その間、曲線Ａで示すように許容エネルギーが変化する。許容エネルギーが一定であると仮定すると、正確にヒューズ溶断時間を求めることができなくなる。ヒューズからの熱放散などの影響も受けて、通電時間が長くなるにつれて許容エネルギーは大きくなる。
【００２０】
図７にヒューズ溶断時間を正確に求める方法を説明するグラフを示す。許容エネルギー変更時間をｔ１、ｔ２、ｔ３、…とする。またシミュレーション開始から許容エネルギー変更時間の間に、ヒューズからの熱放散により失われるエネルギーの累積値をＰ２とする。すなわち、一定の値Ｂに熱放散により失われるエネルギーの累積値Ｐ２を加算した値が、蓄積されたエネルギーＰ１と交わる点（Ｂ＋Ｐ２＝Ｐ１）をヒューズ溶解時間とする。
【００２１】
（シミュレーション回路）
図４に、本発明の実施例２によるヒューズ溶断時間シミュレーション回路を、対象となる装置に組み込んだ回路例を示す。本実施例によるヒューズ溶断時間シミュレーション回路は、実施例１に放散エネルギー演算部を追加している。ここで、ヒューズから熱放散により失われるエネルギーを累積している。
【００２２】
（シミュレーション方法）
図５に本実施例による解析の流れを示す。実施例１である図２のフローチャートとの違いは、ヒューズ電流を測定した後に、ヒューズから熱放散により失われるエネルギーＰ２を求めて累積するようにしたことである。そして例えばカタログに記載されているヒューズの許容エネルギーと熱放散により失われたエネルギーＰ２との和と、蓄積されたエネルギーＰ１とを比較する（比較）。実施例１と同じく、蓄積されたエネルギーＰ１の方が小さい場合は、ヒューズ溶断前と判断する。そして「ヒューズ電流測定」に戻って、測定、演算を繰り返す。蓄積されたエネルギーＰ１の方が大きくなった場合は、ヒューズスイッチをオフにして測定、演算を終了する。そして短絡スイッチをオンにしてからそれまでに経過した時間を、ヒューズ溶断時間とする。
【００２３】
（シミュレーション結果）
図８に、本実施例のように熱放散によるエネルギーを考慮して解析したグラフと、考慮しないで解析したグラフを示す。左側は考慮しないで解析したグラフ、右側は考慮して解析したグラフである。ただし両方とも、インダクタンス成分がない状態で測定している。
【００２４】
熱放散を考慮した場合、それにより失われるエネルギーの累積値Ｐ２は、短絡スイッチをオンにしたときから遅れて立ち上がる。そのために蓄積可能エネルギーＰ３（＝許容エネルギー＋熱放散により失われるエネルギーＰ２−蓄積エネルギーＰ１）は、途中で傾きが緩くなる。そのために、ヒューズ溶断時間が長くなる。
図９に本実施例によるヒューズ溶断時間シミュレーション回路を用いて解析したグラフを示す。左側は対象となる装置にインダクタンス成分がない場合、右側はインダクタンス成分がある場合のグラフである。
【００２５】
インダクタンス成分がある場合、短絡スイッチをオンにした後、インダクタンス値と抵抗値によって決まる時定数で電流が上昇する。すなわち、インダクタンス成分がない場合と比較して、ヒューズに流れる電流が穏やかに上昇する。そのために蓄積可能エネルギーＰ３が０以下の値となる時間が遅くなり、ヒューズ溶断時間が長くなることが分かる。
図１０に、本実施例によるヒューズ溶断時間シミュレーションを用いて単純回路と大規模給電系回路を解析したグラフを示す。左側は単純回路、右側は大規模給電系回路を解析したグラフである。電源とヒューズとの間を短絡する回路に含まれるインダクタンス成分と抵抗成分は同じである。単純回路と比較して、大規模給電系回路のヒューズに流れる電流は小さくなり、ヒューズ溶断時間が長くなることが分かる。
【００２６】
（実験とシミュレーションとの比較）
図１１に、ヒューズに電流を流して測定した溶断時間と、本発明のシミュレーションにより求めた溶断時間との比較結果を示す。熱放散を考慮しないシミュレーションの場合は、電流が大きいときに実験結果とよく一致している。しかし電流が小さくなると一致しなくなる。一方熱放散を考慮した場合は、電流が小さいときでも実験結果とほぼ一致していることが分かる。
【００２７】
図１２に、熱放散を考慮したシミュレーションで許容エネルギー変更時間を細かく設定して比較した結果を示す。熱放散を考慮したシミュレーションは、実験結果とよく一致していることが分かる。
【００２８】
図１３に溶断時間にヒューズ又はヒューズスイッチ蓄積されているエネルギーの比較結果を示す。溶断時間が短いときは、蓄積されているエネルギーは一定で、３つの結果は一致している。溶断時間が長くなると、熱放散を考慮したシミュレーションの結果はエネルギーが上昇していく。これは実験結果と一致している。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施例１によるヒューズ溶断時間シミュレーション回路を、対象となる装置に組み込んだ回路例である。
【図２】本発明の実施例１によるヒューズ溶断時間シミュレーション方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施例１を用いてインダクタンス成分のない装置及びある装置を解析したグラフである。
【図４】本発明の実施例２によるヒューズ溶断時間シミュレーション回路を、対象となる装置に組み込んだ回路例である。
【図５】本発明の実施例２によるヒューズ溶断時間シミュレーション方法を示すフローチャートである。
【図６】ヒューズから熱放散されるエネルギーにより、ヒューズの許容エネルギーの変化が無視できなくなることを説明するグラフである。
【図７】ヒューズから熱放散されるエネルギーを考慮して、ヒューズ溶断時間を正確に求める方法を説明するグラフである。
【図８】熱放散によるエネルギーを考慮した場合と考慮しない場合を比較するグラフである。
【図９】本発明の実施例２を用いてインダクタンス成分のない装置及びある装置を解析したグラフである。
【図１０】本発明の実施例２を用いて単純回路及び大規模給電系回路を解析したグラフである。
【図１１】ヒューズに電流を流して測定した溶断時間と、本発明のシミュレーションにより求めた溶断時間との比較結果を示すグラフである。
【図１２】ヒューズに電流を流して測定した溶断時間と、本発明のシミュレーションにより求めた溶断時間との比較結果を示すグラフである。
【図１３】実験及びシミュレーションにおいて、溶断時間にヒューズ又はヒューズスイッチに蓄積されているエネルギーの比較結果を示すグラフである。
【図１４】ヒューズを通過した電流と電圧波形から算出したヒューズの抵抗変化の一例を示すグラフである。
【図１５】従来の方法でヒューズ溶断時間を求めるヒューズ試験回路である。
【図１６】ヒューズ溶断時間を説明するグラフである。
【図１７】単純回路とヒューズを取り付けた場合と、大規模給電系回路にヒューズを取り付けた場合でヒューズ溶断時間が違ってくることを説明する回路図である。
【図１８】図１７に示した２つの回路でヒューズを流れる電流が異なることを説明するグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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