(57)【要約】【課題】故障が少なく、精度良く確実に短絡を検出することのできる過電流検出装置及び過電流検出方法を提供する。【解決手段】回路が過電流状態になった時のようにゆっくりと電流が変化する場合には、シャント抵抗１１ａの両端子間電圧により過電流を検出する。また、回路が短絡状態になった時のように電流が大きく変化する場合には、コイル１１ｂの両端子間電圧により過電流を検出を行う。ホール素子等を用いずに、シャント抵抗１１ａとコイル１１ｂとを組み合わせて用いることによって、シャント抵抗１１ａのみにより過電流を検出する時と同様の信頼性を維持しつつ、正常時、過負荷時、短絡時のいずれの状態でも故障を少なくして、確実に過電流を検出することがてきる。【選択図】図１
2012065459.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からの信号によって過電流の遮断を行う遮断器を動作させるために、過電流を検出する過電流検出装置であって、
電流を検出するためのシャント抵抗と、
前記シャント抵抗と直列に接続され、電流を検出するためのコイルと、
前記シャント抵抗の両端子間の電圧を検出する第１の電圧検出手段と、
前記コイルの両端子間の電圧を検出する第２の電圧検出手段と、
前記第１の電圧検出手段によって検出された前記シャント抵抗の両端子間の電圧と、前記第２の電圧検出手段によって検出された前記コイルの両端子間の電圧とに基づいて、前記シャント抵抗及び前記コイルに流れる電流とその電流の変化量とを検出する電流検出手段と、
を備えることを特徴とする過電流検出装置。
【請求項２】
前記シャント抵抗及び前記コイルを流れる電流の変化量が、所定の変化量を超えた場合に、前記遮断器に遮断を開始させるための信号を出力する遮断開始信号出力手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の過電流検出装置。
【請求項３】
前記コイルは、当該コイルが接続されている配線のインダクタンスよりも大きいインダクタンスを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の過電流検出装置。
【請求項４】
前記遮断器は、半導体を用いた半導体遮断器であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の過電流検出装置。
【請求項５】
外部からの信号によって過電流の遮断を行う遮断器を動作させるために、過電流を検出する過電流検出方法であって、
シャント抵抗の両端子間の電圧を検出し、
前記シャント抵抗と直列に接続されたコイルの両端子間の電圧を検出し、
前記第１の電圧検出手段によって検出された前記シャント抵抗の両端子間の電圧と、前記第２の電圧検出手段によって検出された前記コイルの両端子間の電圧とに基づいて、前記シャント抵抗及び前記コイルに流れる電流とその電流の変化量とを検出することを特徴とする過電流検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過電流検出装置及び過電流検出方法に関し、特に過負荷状態や短絡状態となった際に回路を保護する遮断器を動作させるために回路の過電流を検出する過電流検出装置及び過電流検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、直流電源と、その直流電源から給電線を介して給電されて駆動する負荷とを備えた給電回路においては、過負荷状態や短絡状態となった際に回路を保護するために、直流電源と負荷との間に電流を遮断する回路遮断器が設けられている。なお、過負荷には、定格を超えた負荷を増設することによって生じるもの等があり、短絡には、地絡等がある。回路遮断器には、ヒューズや、半導体を用いた半導体遮断器、サーキットブレーカ等の様々な回路遮断器がある。
【０００３】
例えば、半導体遮断器を利用した給電回路で短絡が発生すると、半導体遮断器のコレクタとエミッタとからなるスイッチング素子によって電流の遮断が開始される。このとき、直流電源から流れる電流の時間変化と、給電回路のインダクタンスとに応じた起電力が半導体遮断器にかかる。これにより、半導体遮断器のコレクタとエミッタとの間の電圧値が急激に上昇するため、半導体遮断器が破損してしまう場合がある。
【０００４】
よって、半導体遮断器を用いるのに当たっては、素子を通過する電流が増えることにより素子が破損するのを回避する必要がある。このため、過負荷状態や短絡状態を素早く判断することが重要となる。そこで、半導体遮断器を利用した給電回路には、例えば、図３に示すような、特許文献１の電流検出回路１００を備えている。そして、このような電流検出回路１００には、電流を検出するための素子である電流検出抵抗（シャント抵抗）１０１や、これに代わるホール素子等が用いられる。そして、この電流検出回路１００の電流検出部１０２が、シャント抵抗１０１の両端子間の電圧から電流を検出する。そして、その検出された電流値に基づいて、例えば回路のある系統に短絡が発生したことを判断していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６３−１０１７６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、電流検出にシャント抵抗を用いる場合、短絡等で電流の変化が大きくなると、本来計測したい電流成分だけではなく、シャント抵抗が持っているインダクタンス成分も大きくなる。このインダクタンス成分によって、正確に電流を検出することができない場合があった。
【０００７】
また、検出値に誤差を与える原因となるインダクタンスによる成分は、短絡した系統の配線の長さによって大きさが変化するため、一意なデータ処理のみでは電流値を導出することができない場合があった。逆に、インダクタンス成分の寄与を小さくするために、シャント抵抗の抵抗値を大きくすると、シャント抵抗による損失が大きくなってしまう場合があった。
【０００８】
一方、ホール素子を用いた電流検出計を用いる場合、ホール素子を動作させるための直流電源や、ホール素子の動作を制御するための制御回路等が必要となり、回路が複雑になる。このため、回路を構成する部品の故障率が高くなることにより、信頼性が低下するという課題があった。
【０００９】
また、ホール素子からの出力値は、温度等によってもシフトしてしまう。このため、電流の検出精度に欠けるという課題もあった。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、上記の課題に鑑み、故障が少なく、精度良く確実に過電流を検出することのできる過電流検出装置及び過電流検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る過電流検出装置及び過電流検出方法は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。
【００１２】
本発明のうち、請求項１に対応する第１の過電流検出装置は、外部からの信号によって過電流の遮断を行う遮断器を動作させるために、過電流を検出する過電流検出装置であって、電流を検出するためのシャント抵抗と、前記シャント抵抗と直列に接続され、電流を検出するためのコイルと、前記シャント抵抗の両端子間の電圧を検出する第１の電圧検出手段と、前記コイルの両端子間の電圧を検出する第２の電圧検出手段と、前記第１の電圧検出手段によって検出された前記シャント抵抗の両端子間の電圧と、前記第２の電圧検出手段によって検出された前記コイルの両端子間の電圧とに基づいて、前記シャント抵抗及び前記コイルに流れる電流とその電流の変化量とを検出する電流検出手段と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
上記の第１の過電流検出装置によれば、第１の電圧検出手段が、シャント抵抗の両端子間の電圧を検出する。さらに、第２の電圧検出手段が、コイルの両端子間の電圧を検出する。そして、電流検出手段が、第１の電圧検出手段によって検出されたシャント抵抗の両端子間の電圧と、第２の電圧検出手段によって検出されたコイルの両端子間の電圧とに基づいて、シャント抵抗及びコイルに流れる電流とその電流の変化量とを検出する。回路が過電流状態となった時のようにゆっくりと電流が変化する場合には、コイルの両端子間電圧が大きく変化しないので、シャント抵抗の両端子間電圧により過電流の検出を行う。また、回路が短絡状態となった時のように電流が大きく変化する場合には、コイルの両端子間電圧が大きく変化するので、コイルの両端子間電圧により過電流の検出を行う。このように、シャント抵抗及びコイルを有し、回路が過電流状態となった時の電流の変化量と、回路が短絡状態となった時の電流の変化量とを正確に判断することができるため、回路が過負荷状態や短絡状態になったことによって生じる過電流を、より確実に検出することが可能となる。
【００１４】
本発明のうち、請求項２に対応する第２の過電流検出装置は、前記シャント抵抗及び前記コイルを流れる電流の変化量が、所定の変化量を超えた場合に、前記遮断器に遮断を開始させるための信号を出力する遮断開始信号出力手段を備えることを特徴とする。
【００１５】
上記の第２の過電流検出装置によれば、遮断開始信号出力手段は、シャント抵抗又はコイルを流れる電流の変化量が、所定の変化量を超えた場合に、遮断器に対して遮断を開始させるための信号を出力する。これにより、外部からの信号によって過電流の遮断を行う遮断器を動作させて、遮断器を破損させずに過電流の遮断を行うことが可能となる。
【００１６】
本発明のうち、請求項３に対応する第３の過電流検出装置は、前記コイルは、当該コイルが接続されている配線のインダクタンスよりも大きいインダクタンスを有することを特徴とする。
【００１７】
上記の第３の過電流検出装置によれば、コイルは、そのコイルが接続されている配線のインダクタンスよりも大きいインダクタンスを有するものを選択する。これにより、コイルのインダクタンス成分がノイズレベルよりも大きくなり、コイルによる電流の変化量を正確にとらえ、回路の過電流を検出する精度を高めることが可能となる。
【００１８】
本発明のうち、請求項４に対応する第４の過電流検出装置は、前記遮断器は、半導体を用いた半導体遮断器であることを特徴とする。
【００１９】
上記の第４の過電流検出装置によれば、外部からの信号によって過電流の遮断を行う遮断器として半導体遮断器を用いるが可能となる。半導体遮断器を用いても、素子を通過する電流が増えることにより素子が破損するのを回避して、回路の過電流を遮断することが可能となる。
【００２０】
本発明のうち、請求項５に対応する過電流検出方法は、外部からの信号によって過電流の遮断を行う遮断器を動作させるために、過電流を検出する過電流検出方法であって、シャント抵抗の両端子間の電圧を検出し、前記シャント抵抗と直列に接続されたコイルの両端子間の電圧を検出し、前記第１の電圧検出手段によって検出された前記シャント抵抗の両端子間の電圧と、前記第２の電圧検出手段によって検出された前記コイルの両端子間の電圧とに基づいて、前記シャント抵抗及び前記コイルに流れる電流とその電流の変化量とを検出することを特徴とする。
【００２１】
上記の過電流検出方法によれば、上記の第１の過電流検出装置と同じ作用を得ることが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、シャント抵抗とコイルとを組み合わせて用いることによって、シャント抵抗単体による電流を検出する時と同様の信頼性を維持しつつ、正常時、過負荷時、短絡時のいずれの状態でも確実に短絡を検出することができる。また、ホール素子等の素子を用いていないため、ホール素子を動作させるための回路が必要ないため、故障率を低く抑えることもできる。
【００２３】
さらに、シャント抵抗に加えてコイルを用いることで、回路が短絡状態となった時のように電流が大きく変化するのを判断することができるため、シャント抵抗のみで短絡を検出するよりも、短絡を検出するのに必要な時間を短縮することができる。これにより、遮断器の故障を一層回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る過電流検出装置１１を適用した給電回路１０の回路構成を示す回路構成図である。
【図２】制御部１１ｅにおける過電流を検出する処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】従来の過電流検出装置１００の回路構成を示す回路構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明の好適な実施の形態について添付図面を参照して説明する。なお、以下の説明において参照する各図では、他の図と同等の構成要素は同一の符号によって示す。
【００２６】
（実施形態）
（過電流検出装置１１を適用した給電回路１０の回路構成）
図１は、本発明に係る過電流検出装置１１を適用した給電回路１０の回路構成を示す回路構成図である。
【００２７】
図１に示す給電回路１０は、過電流検出装置１１及び半導体遮断器１２を備えている。直流電流を出力する直流電源２１と、直流電源２１によって動作する負荷２２とは、正極線２３及び正極線２４から構成される給電線によって接続されている。そして、直流電源２１から負荷２２に、給電線を介して電流が流れる。
【００２８】
また、過電流検出装置１１は、正極線２３上に接続され、その接続点に流れる電流の電流値を検出する。そして、過電流検出装置１１は、検出された電流値が所定の電流値に達すると、半導体遮断器１２の遮断を開始するための信号を半導体遮断器１２に出力する。
【００２９】
過電流検出装置１１は、シャント抵抗１１ａ、コイル１１ｂ、電圧検出部１１ｃ，１１ｄ及び制御部１１ｅを備える。
【００３０】
シャント抵抗１１ａは、正極線２３上に接続され、電流を検出するために設けられた素子である。シャント抵抗１１ａには、電流が流れることによって電圧が発生する。
【００３１】
コイル１１ｂは、シャント抵抗１１ａと同様に、正極線２３上に接続され、電流を検出するために設けられた素子である。コイル１１ｂには、単位時間の間に電流が大きく変化することによって、その変化量に応じた電圧が発生する。つまり、電流の変化量が少ない場合には、電圧が発生しない。なお、コイル１１ｂのインダクタンスが、コイル１１ｂの出力のノイズレベルよりも大きくなるようにする必要があるため、コイル１１ｂには、コイル１１ｂと接続されている給電線のインダクタンスの数倍以上大きいインダクタンスを有するものを選択する。
【００３２】
上述したシャント抵抗１１ａ及びコイル１１ｂは、図示するように、半導体遮断器１２と負荷２２との間であって、正極線２３上に互いに直列に接続される。
【００３３】
電圧検出部１１ｃは、シャント抵抗１１ａの両端子間に接続され、シャント抵抗１１ａの両端子間の電圧を検出する。
【００３４】
電圧検出部１１ｄは、コイル１１ｂの両端子間に接続され、コイル１１ｂの両端子間の電圧を検出する。
【００３５】
制御部１１ｅは、電流検出部１１ｆ及び遮断開始信号出力部１１ｇを備えて構成される。電流検出部１１ｆは、電圧検出部１１ｃによって検出されたシャント抵抗１１ａの両端子間の電圧と、電圧検出部１１ｄによって検出されたコイル１１ｂの両端子間の電圧とに基づいて、シャント抵抗１１ａ及びコイル１１ｂに流れる電流とその電流の変化量とを検出する。遮断開始信号出力部１１ｇは、電流検出部１１ｆによって検出された電流の変化量が、所定の変化量を超えた場合に、半導体遮断器１２に電流の遮断を開始させるための信号を出力、つまり半導体遮断器１２で過電流を遮断することができるように半導体遮断器１２のゲート電圧を制御する。
【００３６】
半導体遮断器１２は、直流電源２１と負荷２２との間で、正極線２３上に接続され、過電流検出装置１１から出力される信号に基づいて電流の遮断を開始する。
【００３７】
まず、シャント抵抗１１ａ及びコイル１１ｂに電流が流れる。電流が流れることによりシャント抵抗１１ａには、シャント抵抗１１ａを流れる電流とシャント抵抗１１ａの抵抗値とを乗じた分の電圧が発生する。但し、過負荷状態や短絡状態となっていない通常状態においては、電流の変化がほとんどないため、コイル１１ｂには電圧が発生しない。このため、シャント抵抗１１ａの端子間電圧により、正確に電流を計測し、過負荷状態や短絡状態となっていない通常状態であることを判断することができる。
【００３８】
また、定格以上の負荷を増設したこと等により、緩やかに負荷電流が大きくなり過電流状態となった場合にも、上述した通常状態と同じようにシャント抵抗１１ａにより正確に電流を計測できる。従って、シャント抵抗１１ａの端子間電圧が所定の電圧値を超えた場合には、過負荷状態であると判断することができる。
【００３９】
また、短絡が発生したことにより、急激に回路を流れる電流が大きくなり過電流状態となった場合には、シャント抵抗１１ａには上述したように抵抗成分の電圧と、インダクタンス成分の電圧との合計の電圧が出力される。一方で、コイル１１ｂには、Ｖ＝Ｌ×ｄｉ／ｄｔで表わされるように、単位時間当たりの電流の変化量に応じた電圧が発生する。つまり、コイル１１ｂに電圧が発生する現象は、電流が大きく変化した場合に起こる。このため、コイル１１ｂに大きな電圧が発生した場合には、それだけで短絡状態であると判断することができる。また、コイル１１ｂを用いることによって、シャント抵抗１１ａのみで短絡を検出するよりも、短い時間で短絡状態であることを検出することができる。
【００４０】
（制御部１１ｅにおける過電流検出処理の流れ）
続いて、図２を参照して、制御部１１ｅにおける過電流検出処理の流れを説明する。
【００４１】
まず、制御部１１ｅは、電圧検出部１１ｃによって検出されたシャント抵抗１１ａの両端子間の電圧と、電圧検出部１１ｄによって検出されたコイル１１ｂの両端子間の電圧とを入力する（ステップＳ１０１）。電流検出部１１ｆは、シャント抵抗１１ａの両端子間の電圧と、コイル１１ｂの両端子間の電圧とに基づいて、シャント抵抗１１ａ及びコイル１１ｂに流れる電流とその電流の変化量とを検出する（ステップＳ１０２）。
【００４２】
遮断開始信号出力部１１ｇは、電流検出部１１ｆによって検出されたコイル１１ｂに流れる電流の変化量が、所定の変化量を超えた場合には（ステップＳ１０３のＹＥＳ）、回路が短絡状態になったと判断する。そして、遮断開始信号出力部１１ｇは、半導体遮断器１２に遮断を開始させるための信号を出力、つまり半導体遮断器１２で過電流が遮断されるようにゲート電圧を制御する（ステップＳ１０４）。
【００４３】
また、遮断開始信号出力部１１ｇは、電流検出部１１ｆによってコイル１１ｂに流れる電流の変化量が、所定の変化量を超えていない場合であって（ステップＳ１０３のＮＯ）、電流検出部１１ｆによってシャント抵抗１１ａに流れる電流の変化量が、所定の変化量を超えた場合には（ステップＳ１０５のＹＥＳ）、回路が過負荷状態になったと判断する。そして、遮断開始信号出力部１１ｇは、半導体遮断器１２に遮断を開始させるための信号を出力、つまり半導体遮断器１２で過電流が遮断されるようにゲート電圧を制御する（ステップＳ１０６）。
【００４４】
また、電流検出部１１ｆによってシャント抵抗１１ａに流れる電流の変化量が、所定の変化量を超えていない場合には（ステップＳ１０５のＮＯ）、過負荷状態や短絡状態になっていない通常状態であるので、ステップＳ１０１の処理に戻り、上述した過電流の検出処理を継続する。
【００４５】
（変形例）
なお、回路に短絡が発生したことは、上述したようにコイル１１ｂに流れる電流が急激に増え、コイル１１ｂの両端子間に電圧が発生することにより検出する。但し、回路内で部分的に短絡が発生したり、給電線の配線長が長かったりすると、回路に短絡が発生してもコイル１１ｂに流れる電流の立ち上がりが緩やかな場合がある。この場合には、シャント抵抗１１ａの両端子間電圧の大きさによって、回路が短絡状態になったと判断することができる。従って、コイル１１ｂの両端子間の電圧のみで短絡を検出するよりも、シャント抵抗１１ａとコイル１１ｂとを組み合わせて用いて短絡を検出する方が、短絡の検出精度を高めることができる。
【００４６】
また、上述したようにコイル１１ｂと接続されている給電線のインダクタンスの数倍以上大きいインダクタンスを有するコイル１１ｂを通常用いるが、コイルからの出力にノイズ成分が多く含まれている場合がある。この場合、例えば、コイル１１ｂと並列に、シャント抵抗１１ａ及びコンデンサ等を接続した積分回路を設けると良い。そして、この積分回路の出力値、つまり積算値に基づいて、過電流状態や短絡状態を判断することもできる。
【００４７】
（まとめ）
上述したように、本実施形態に係る過電流検出装置１１においては、過電流状態のようにゆっくりと電流が変化する場合には、シャント抵抗１１ａの両端子間電圧により過電流の検出を行う。また、短絡が発生した時のように電流が大きく変化する場合には、コイル１１ｂの両端子間電圧により過電流の検出を行う。
【００４８】
このように、ホール素子等を用いずに、シャント抵抗１１ａとコイル１１ｂとを組み合わせて用いることによって、シャント抵抗１１ａのみで回路の過電流を検出する時と同様の信頼性を維持しつつ、正常時、過負荷時、短絡時のいずれの状態でも故障を少なくして、回路の過電流を確実に電流を検出することができる。また、シャント抵抗１１ａに加えてコイル１１ｂを用いることで、短絡を検出するのに必要な時間を短縮することもできる。これにより、遮断器の故障をさらに回避することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、外部の信号によって電流の遮断を行う半導体遮断器等の遮断器を動作させるために、過電流の検出を行う過電流検出装置として利用することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１１                    過電流検出装置
１１ａ                  シャント抵抗
１１ｂ                  コイル
１１ｃ，１１ｄ          電圧検出部
１１ｅ                  制御部
１１ｆ                  電流検出部
１１ｇ                  遮断開始信号出力部
【図１】
2012065459.tif 000003
【図２】
2012065459.tif 000004
【図３】
2012065459.tif 000005