(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置に組み込まれるヒューズに流れる電流を検出する検出部と、該検出部に接続されてヒューズ溶断エネルギーを算出する第１の演算部と、該検出部に接続されて放散エネルギーを算出する第２の演算部と、該第１、第２演算部の演算結果を比較する比較部と、ヒューズ溶断直後のアーク期間におけるアーク時間と、ヒューズを流れていた電流や該ヒューズの両端の電圧の変化を算出するアーク演算部とを有することを特徴とするヒューズのアーク期間算出用シミュレーション回路。
【請求項２】
前記アーク演算部はダイオードを有することを特徴とする請求項１記載のヒューズのアーク期間算出用シミュレーション回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒューズ溶断時のアーク期間における特性、すなわちアーク時間と、そのとき変化する電圧電流特性を正確に算出するシミュレーション回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のシミュレーション用ヒューズモデルでは、実際にヒューズの遮断試験を行って電流と電圧の変化を測定し、測定して得られた電流と電圧の変化から、ヒューズ抵抗の時間変化を算出していた。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３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。
溶断時間の算出に関しては、図４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。
【０００４】
図４において、１１は直流電源、１２は抵抗、１３はインダクタンス、２７はヒューズ、２８はスイッチである。
ヒューズ２７に蓄積されるエネルギー、すなわち熱量積分値が、ヒューズ２７が溶断する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。特にヒューズ２７の抵抗を一定として、ヒューズ２７に流れる電流を積分した値であるジュール積分値で表すことが多い。
まずヒューズ２７に蓄積されるエネルギーであるジュール積分値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】
0004396897.tif 000002
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】
0004396897.tif 000003
（２）式を用いることより、ジュール積分値Ｗ１は（３）式で表される。
【数３】
0004396897.tif 000004
【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２７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。
Ｗ１＝Ｗ２となる時間ｔが、溶断時間である。図５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ジュール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。
以上の解法は、ヒューズ２７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２７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、そのつどジュール積分値、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。
しかもヒューズ２７を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４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。
【０００６】
図６に単純回路（図４）と大規模給電系回路におけるヒューズ２７を通過する電流の違いを示す。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。
【０００７】
かかる課題を解決する手段として、本発明者は、ヒューズ溶断時間シミュレーション回路を別途特許出願している（特願２００５−８６０１３号）。この回路は、回路に流れる電流を検出する検出部と、この検出部に直列に接続されて検出開始スイッチがＯＮの時にヒューズ溶断エネルギーを算出する第１の演算部と、この第１の演算部と並列に接続されて前記検出開始スイッチがＯＮの時の放散エネルギーを算出する第２の演算部と、前記第１，第２の演算部の演算結果を比較する比較部と、対象となる装置のヒューズと代替されてヒューズの状態を模擬するヒューズスイッチとを備え、不完全短絡時に生じた変動電流がしきい値以上の場合に前記検出開始スイッチをＯＮさせ且つ変動電流がしきい値以下の場合に前記検出開始スイッチがＯＦＦすることを特徴とするものである。
【０００８】
この回路図を図７に示すとともに以下にその動作を説明する。
直流電源１１、抵抗１２、インダクタンス１３、短絡スイッチ１４、ヒューズで一つの装置が構成されている。図７の回路では、ヒューズをヒューズスイッチ１５と検出部１６から成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１５を流れる電流を測定する。またヒューズを含む装置全体の抵抗値並びにインダクタンス値は、それぞれ抵抗１２、インダクタンス１３の一つのブロックにまとめている。
第１の演算部１８は演算部１９と積分部２０とを備え、第２の演算部２１は比較部２２と演算遮断スイッチ２３と演算部２４とを備えている。
初めは短絡スイッチ１４がＯＦＦ、ヒューズスイッチ１５がＯＮである。短絡スイッチ１４をＯＮにして回路に電流を流すと、その電流を検出部１６が検出し、電圧V0に変換して出力する。
【０００９】
ヒューズにエネルギーが蓄積されるしきい値をVthとする。V0>Vthのときは溶断モードであり、検出開始スイッチ１７を第１の演算部１８に接続する。このとき、第１の演算部１８の演算部１９で２乗して、溶断値Vmを求める。更に演算部１９の演算開始時間を０秒とすると、積分部２０は０秒からある時間ｔ１秒まで積分して、溶断累積値V1(t1)を導出する。比較部２５では、ヒューズのカタログ値V2と溶断累積値V1(t1)とを比較して、それらの差である実効累積値V3（=V2-V1）を導出する。
ここで、カタログ値V2は、メーカーで出されているヒューズの溶断時間と溶断電流の関係によりジュール積分値として容易に導き出すことができる。V3の値がプラスであれば溶断前と判断し、引き続き電流検出する。
【００１０】
更に時間が経過してV3=0となったときに、ヒューズスイッチ１５をオープン（ＯＦＦ）する。従って、V3=0となる時間が溶断時間となる。
短絡スイッチ１４をＯＮにした後の検出部１６から出力される電圧V0がしきい値Vth以下の場合（V0≦Vth）には、検出開始スイッチ１７を第２の演算部２１に接続して、ヒューズに蓄積されるエネルギーを放散（放出）するモードとなる。
第２の演算部２１では、放散するエネルギーを算出する。比較部２２で、しきい値Vthと検出部１６から出力される電圧V0との差Vd1（=Vth-V0）を算出する。差Vd1がプラスのときは、演算遮断スイッチ２３をＯＮにして、その値を演算部２４に出力する。演算部２４では、得られた値を２乗し、-1を掛けることにより放散値Vdを計算して、第１の演算部の積分部２０に出力する。
V0>Vthのときは溶断モードとなり、プラスの値である溶断値Vmが積分部２０で累積されて、ヒューズに蓄積されるエネルギーを増加させていく。
【００１１】
一方、V0≦Vthのときは放散モードとなり、マイナスの値である放散値Vdが積分器２０で累積され、ヒューズに蓄積されたエネルギーを減少させていくこととなる。その減少する値は、ヒューズを通過する電流を変換した電圧V0と、しきい値Vthとの差分を元にしているため、通過する電流に応じて放散量が変化することとなる。すなわち、変換された電圧がしきい値よりも小さいが差分が小さい場合には、放散量が少なくなる。逆に差分が大きい場合には、放散量も大きくなる。
【００１２】
以上説明したヒューズ溶断時間シミュレーション回路を用いることにより、装置に組み込むヒューズの溶断時間を正確に求めることができる。
図８に、図７に示した回路を用いてシミュレーションした結果と、装置にヒューズを組み込んで実験した結果を比較したグラフである。図８（ａ）はヒューズを通過する電流を比較したグラフ、図８（ｂ）はヒューズ両端の電圧を比較したグラフである。ヒューズが溶断に至るまではよく一致しているが、ヒューズが溶断した点（溶断点）からヒューズ通過電流が０となり遮断に至るまでの期間、すなわちアーク期間に入ったときにはシミュレーションできなくなることがわかる。しかしながら、ヒューズが溶断した直後に電流、電圧が過渡的に変化することで他の通信装置に悪影響を及ぼす場合がある。
更にヒューズを時間の経過と共に変化する可変抵抗として、シミュレーションする方法もある。図９にヒューズを可変抵抗２６にモデル化した回路図を示す。例えば断面積38mm2、長さ10mのＣＦＤケーブルに直流電源１１、短絡スイッチ１４、ヒューズを接続する。１２、１３は、該ＣＦＤケーブルの抵抗値、インダクタンス値に対応する抵抗、インダクタンスである。短絡スイッチ１４をＯＮにしてからのヒューズの抵抗値の変化を測定する。
【００１３】
しかし一つの系で測定したヒューズの抵抗値の変化のデータを、そのまま他の系に接続した場合のシミュレーションに利用することはできない。
【００１４】
図１０にそれを説明するためのグラフを示す。
図１０（ａ）、（ｂ）は、断面積38mm2、長さ10mのＣＦＤケーブルにヒューズを接続したときのシミュレーション値と実験値との比較結果を示す。この場合は、シミュレーション値と実験値はよく一致している。
図１０（ｃ）、（ｄ）は、断面積325mm2、長さ10mのＣＦＤケーブルにヒューズを接続して実験した結果と、比較したものである。ヒューズ通過電流、溶断時間、跳ね上がり電圧が大きく異なっている。これはケーブルの断面積が変わると、ケーブルの寄生抵抗値とインダクタンス値が変化し、各特性に影響を及ぼすためである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、装置に組み込まれたヒューズの溶断時間と共に、ヒューズが溶断した直後のアーク期間における特性も正確にシミュレーションできる回路を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明（１）は、装置に組み込まれるヒューズに流れる電流を検出する検出部と、該検出部に接続されてヒューズ溶断エネルギーを算出する第１の演算部と、該検出部に接続されて放散エネルギーを算出する第２の演算部と、該第１、第２演算部の演算結果を比較する比較部と、ヒューズ溶断直後のアーク期間におけるアーク時間と、ヒューズを流れていた電流や該ヒューズの両端の電圧の変化を算出するアーク演算部とを有することを特徴とするヒューズのアーク期間算出用シミュレーション回路である。
【００１７】
本発明（２）は、前記アーク演算部はダイオードを有することを特徴とする本発明（１）のヒューズのアーク期間算出用シミュレーション回路である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明（１）の回路によれば、装置に組み込まれたヒューズの溶断時間と共に、ヒューズが溶断した直後のアーク期間における特性、すなわちアーク時間と、そのとき変化する電圧電流特性も正確にシミュレーションできる。本回路で測定した結果を用いることにより、例えばアーク期間において電圧の跳ね上がりが大きいと過電圧の伝搬が生じ、他系の通信装置に影響を及ぼしたり、溶断時間が長いと他系の通信装置の電圧低下期間が長くなり装置停止が生じることが考えられるため、他の通信装置を保護するための補償回路の設計等を、容易に行なうことができる。
本発明（２）によれば、ヒューズが溶断してその両端の電圧が急激に低下するときの特性も正確にシミュレーションすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１に本発明の実施の形態に係るヒューズのアーク期間算出用シミュレーション回路を示す。このヒューズのアーク期間算出用シミュレーション回路は、装置に組み込まれるヒューズに流れる電流を検出する検出部１６と、検出部１６に接続されてヒューズ溶断エネルギーを算出する第１の演算部１８と、検出部１６に接続されて放散エネルギーを算出する第２の演算部２１と、第１、第２演算部１８、２１の演算結果を比較する比較部２５と、ヒューズ溶断直後のアーク期間におけるアーク時間と、ヒューズを流れていた電流や該ヒューズの両端の電圧の変化を測定するアーク演算部３１とを有する。
【００２０】
以下本形態をより詳細に説明する。
なお、前述した図７と同じものは、同一符号で示す。これは図７に示した回路にアーク演算部３１を追加すると共に、ヒューズスイッチ１５をアーク算出切り替えスイッチ３６に置き換えている。
アーク演算部３１では、アーク用コンデンサ３２、アーク用抵抗３３、アーク用ダイオード３４が直列に接続されている。またアーク用ダイオード３４と並列に、シミュレーションエラーを防ぎ、数値計算上の収束性を向上することができる抵抗３５が接続されている。
ヒューズを装置に組み込んで該装置を動作させてからヒューズが溶断するまでの時間をシミュレーションするときは、アーク算出切り替えスイッチ３６は、アーク演算部３１を介さないで直接検出部１６に接続される。そして短絡スイッチ１４をONにして、測定を開始する。
【００２１】
回路に流れる電流を検出部１６が検出し、電圧V0に変換する。電圧V0がしきい値より大きいとき、すなわちV0>Vthのときは、溶断モードとなり、検出スイッチ１７を第１の演算部１８に接続する。演算部１９で電圧V0を２乗して溶断値Vmを求め、積分部２０でこの溶断値Vmを累積する。電圧V0がしきい値Vth以下のとき、すなわちV0≦Vthのときは、放散モードとなり、検出スイッチ１７を第２の演算部２１に接続する。比較部２２で、しきい値Vthと電圧V0との差Vd1（=Vth-V0）を算出する。演算部２４で差Vd1を２乗して-1を掛けることにより放散値Vdを計算し、積分器２０で累積する。比較部２５で累積された値V1とヒューズのカタログ値V2とを比較して実効累積値V3（=V2-V1）を計算し、ヒューズの溶断時間に達したか否かをチェックする。V3=0となった時間が、ヒューズの溶断時間である。
【００２２】
比較部２５で溶断時間に達したことを検出したときは、アーク算出切り替えスイッチ３６をアーク演算部３１に切り替える。そしてヒューズ溶断後の電流の変化等をシミュレーションする。
実際に装置にヒューズを装着し、該ヒューズが溶断したときの電流の変化等から、予め容量値、抵抗値等を計算しておく。これらの値に対応するコンデンサ３２、抵抗３３を用いてアーク演算部３１を構成することにより、ヒューズ溶断後の電流の変化等を正確にシミュレーションすることができる。
また図１に示した回路では、アーク用ダイオード３４と抵抗３５の並列回路を接続している。ヒューズが切断して電流が流れなくなる瞬間には、該ヒューズの両端の電圧は急激に変化する。これはダイオード３４を用いることで、シミュレーションすることができる。
【００２３】
図２に、前記の２種類のＣＦＤケーブルにヒューズを接続し、本発明の回路を用いてシミュレーションしたグラフを示す。図２（ａ）、（ｂ）は断面積38mm2、長さ10mのケーブルにヒューズを接続したもの、図２（ｃ）、（ｄ）は断面積325mm2、長さ10ｍもケーブルにヒューズを接続したものである。両方とも、シミュレーション値と実験値がよく一致している。
【００２４】
（アーク演算部の変形例）
アーク演算部３１はアナログ回路を用いて示したが、ＣＰＵ等を用いてプログラミングし、デジタル的に処理するようにしてもよい。この場合、容量値、抵抗値等の設定が容易になり、様々な装置に組み込まれたヒューズの特性のシミュレーションを簡単に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施例であるアーク期間算出用シミュレーション回路の回路図である。
【図２】本発明によるアーク期間算出用シミュレーション回路を用いてシミュレーションした結果を示すグラフである。
【図３】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４】従来のヒューズ溶断時間を求めるためのヒューズ試験回路図である。
【図５】ヒューズ溶断時間を説明するグラフである。
【図６】単純回路と大規模給電系の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７】先願に係るヒューズ溶断シミュレーション回路の回路図である。
【図８】図７に示すヒューズ溶断シミュレーション回路を用いてシミュレーションした結果を示すグラフである。
【図９】ヒューズを可変抵抗にモデル化してシミュレーションする方法を説明するための回路図である。
【図１０】ヒューズを可変抵抗にモデル化してシミュレーションした結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２６】
１１：直流電源
１２：抵抗
１３：インダクタンス
１４：短絡スイッチ
１５：ヒューズスイッチ
１６：検出部
１７：検出開始スイッチ
１８：第１の演算部
１９：演算部
２０：積分部
２１：第２の演算部
２２：比較部
２３：演算遮断スイッチ
２４：演算部
２５：比較部
２６：可変抵抗
２７：ヒューズ
２８：スイッチ
３１：アーク演算部
３２：アーク用コンデンサ
３３：アーク用抵抗
３４：アーク用ダイオード
３５：抵抗
【図１】
0004396897.tif 000005
【図２】
0004396897.tif 000006
【図３】
0004396897.tif 000007
【図４】
0004396897.tif 000008
【図５】
0004396897.tif 000009
【図６】
0004396897.tif 000010
【図７】
0004396897.tif 000011
【図８】
0004396897.tif 000012
【図９】
0004396897.tif 000013
【図１０】
0004396897.tif 000014