CN107529349A - 沿面放电元件驱动用电源电路 - Google Patents

Abstract

根据实施方式的沿面放电元件驱动用电源电路，对沿面放电元件进行驱动，该沿面放电元件的放电电极与感应电极以在它们之间隔着电介质的方式配置，开关电路是将两组包括正侧和负侧开关元件的串联电路并联连接而成的，被供给直流电源。平滑电容器与开关电路并联连接，变压器的一次侧连接在开关电路的输出端子间。电流检测单元对在负侧开关元件中流动的电流进行检测，保护动作单元根据零交检测单元检测出的上述电流的零交点检测上述电流的共振频率，并基于该共振频率的变化进行过载保护动作。

Description

沿面放电元件驱动用电源电路

技术领域

本发明的实施方式涉及一种沿面放电元件驱动用电源电路。

背景技术

沿面放电元件驱动用电源电路例如包括对直流电压源进行开闭的开关电路、共振用电抗器、电压升压用高电压变压器以及沿面放电元件。并且，利用由于共振电抗器以及沿面放电元件的电容成分而产生的共振现象，产生高频高电压。在这样的构成中，沿面放电元件的电容成分不仅根据设置环境、而且根据放电时的流光的成长状态等而较大地变动。因此，如专利文献1所公开的那样，需要限制由电压和电流决定的电力，使共振频率在一定的范围内动作。另外，另行使用降雨检测装置等对电源电路的环境状态进行检测，并根据需要使电源供给动作停止。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4029422号公报。

发明内容

发明要解决的课题

因此，提供一种沿面放电元件驱动用电源电路，即使由于放电元件的劣化、外部环境的变化而负载容量增大，也能够避免使电路成为过载状态。

用于解决课题的手段

根据实施方式的沿面放电元件驱动用电源电路，对沿面放电元件进行驱动，该沿面放电元件的放电电极与感应电极以在它们之间隔着电介质的方式配置，其中，开关电路是将两组包括正侧以及负侧开关元件的串联电路并联连接而成的，被供给直流电源。平滑电容器与开关电路并联连接，变压器的一次侧连接在开关电路的输出端子间。电流检测单元对在负侧开关元件中流动的电流进行检测，保护动作单元根据零交检测单元检测出的上述电流的零交点来检测上述电流的共振频率，并基于该共振频率的变化进行过载保护动作。

附图说明

图1是表示第1实施方式、且是表示电源电路的电气构成的图。

图2是表示电源电路的动作的时间图。

图3是表示负载容量较小时的动作的时间图。

图4是表示负载容量较大时的动作的时间图。

图5是表示驱动信号生成电路的电气构成的图。

图6是表示驱动信号生成电路的动作的时间图。

图7是以基于MCU的控制内容为中心进行表示的流程图。

图8是表示电源电路间歇地动作的状态的时间图。

图9是表示电力检测电路的电气构成的图。

图10是表示电源电路中的电力控制的时间图。

图11是以基于MCU的过载保护动作的控制内容为中心进行表示的流程图。

图12是表示第2实施方式、且是表示电源电路的电气构成的图。

图13是表示电源电路的动作的时间图。

图14是表示驱动信号生成电路的电气构成的图。

图15是表示驱动信号生成电路的动作的时间图。

具体实施方式

(第1实施方式)

以下，参照图1至图11对第1实施方式进行说明。图1表示本实施方式中的电源电路的电气构成。整流电路1例如具有与商用三相交流电源2连接的例如三相整流器3、限流电抗器4以及平滑电容器5，将三相交流的200V(Vac)转换为直流的280V(Vdc)。

与整流电路1连接的降压电路6具有开关元件7及8的串联电路、以及与开关元件8并联连接的电抗器9及平滑电容器10的串联电路，将整流电路1的输出电压降压到20V～200V。开关元件7及8例如使用具备续流二极管的IGBT(Insulate Gate BipolarTransistor：绝缘栅双极型晶体管)，但也可以使用MOSFET(Field Effect Transistor：场效应晶体管)等功率器件。另外，开关元件8也可以使用不是自消弧元件的整流器那样的半导体器件。

与降压电路6连接的串联共振电路11具备由开关元件12a、12b、12c、12d构成的开关电路(H桥电路)12。在开关电路12的输出端子间经由共振电抗器13连接有高频高压变压器14的一次侧绕组15。在高频高压变压器14的二次侧绕组16连接有用电容器的符号表示的沿面放电元件17(放电元件电容)。沿面放电元件17是在放电电极17a与感应电极17b之间配置有电介质17c而构成的。

在开关电路12的负侧臂即开关元件12d、12c与负侧电源线之间，分别插入有电流检测元件18a、18b(电流检测单元)。开关元件7和8、以及开关元件12a～12d的驱动信号，通过MCU19(参照图5，电流检测单元、控制单元、保护动作单元)来赋予。通过开关电路12的开关动作，产生沿面放电元件17与共振电抗器10之间的共振现象。MCU(微型计算机)19通过电流检测元件18a、18b检测共振电流，并基于该共振电流输出开关元件12a～12d的驱动信号。以上构成电源电路20。

接着，参照图2到图10对本实施例的作用进行说明。如图2所示，开关元件12a及12b的驱动信号被输出，以使该元件12a及12b按照被设定为沿面放电周期的开关频率的50％负载进行接通。MCU19为，当将开关元件12a及12c同时接通时，在经由电流检测元件18b检测到经由共振电抗器13以及高频高压变压器14流动的共振电流的零交点的定时进行关断。另外，MCU19同样为，当将开关元件12a及12d同时接通时，在检测到共振电流的零交点的定时进行关断。上述共振电流的共振频率比开关元件12a、12b的开关频率高，因此比MCU19的控制周期快。

此处，共振频率根据沿面放电元件17自身的杂散电容以及与在放电时产生的流光的成长状态等相应的电容成分而发生变化。特别是在沿面放电元件17被设置在室外的情况下，杂散电容例如由于雨等环境原因、尘埃与沿面放电元件17冲撞而发生变化。图3和图4表示发生了负载变动时的高频高压变压器14的二次侧电压以及电流波形，电流的共振频率和零交点根据负载的大小而不同。在产生这样的负载变动的沿面放电元件17中，如果没有检测到共振电流的零交点而生成开关元件12c、12d的截止指令，则无法维持正常的共振动作。

另外，在图4所示的负载容量较大时，共振频率成为开关频率的2倍。在这样的负载状态下，有可能引起开关电路12的开关元件12a-12d间、12b-12c间的短路状态。因此，在对共振电流的零交点进行检测、共振频率接近于开关频率的2倍的情况下，使开关频率降低，并与负载容量较小时同样地生成零电流期间，由此能够安全地进行动作。

如此，在用于对负载变动较大的沿面放电元件17进行驱动的电源电路20中，如果不基于电流的零交点来控制串联共振电路11，则不仅能够动作的范围被限制，而且成为使电路元件的可靠性降低的原因。为了根据负载环境来稳定地生成驱动信号，而如图5所示那样，使用对共振电流的零交点进行检测并生成用于使开关元件12c(以及12d)截止的中断信号的电路。

在该例子中，表示作为电流检测元件18而使用了分流电阻的情况下的电路。经由分流电阻18而检测到的电流为较微弱的信号，因此通过差动放大电路21对该信号进行放大而使SN比提高。差动放大电路21具备运算放大器22，运算放大器22的非反相输入端子经由电阻元件23与分流电阻18的一端(开关元件12c的发射极)连接，并且经由电阻元件24而被上拉。运算放大器22的反相输入端子经由电阻元件25与分流电阻18的另一端(接地)连接，并且经由电阻元件26与运算放大器22的输出端子连接。

由差动放大电路21放大后的信号，通过下一级的数字转换电路27转换成以电流的零交点为基准的数字信号。数字转换电路27具备比较器28，比较器28的非反相输入端子经由电阻元件29与差动放大电路21的输出端子连接，并且经由电容器30而接地。比较器28的反相输入端子与对直流电源电压进行分压的电阻元件31及32的串联电路的共通连接点连接，并且经由电容器33而接地。比较器28的输出端子经由电阻元件34而被上拉，并且经由电容器35而接地。

对数字转换电路27预先赋予磁滞特性，以便在通常没有流动电流时能够输出高电平的信号，使比较器28的比较信号变化直到电流值成为负极性。通过如此地构成，数字转换电路27的输出信号在共振电流的零交点从高电平变化为低电平。

数字转换电路27的输出信号，经由用于将主电路与控制电路进行绝缘的绝缘器(Digital Isolator：数字隔离器)36、以及由电阻元件37和电容器38构成的低通滤波器39而输入到MCU19。以上，差动放大电路21～低通滤波器39构成驱动信号生成电路40(零交检测单元)。并且，驱动信号生成电路40的输出信号的下降沿，成为对于MCU19的中断信号(零交信号)。

输入到MCU19的零交信号例如是频率为数10kHz～100kHz的信号，因此绝缘器36使用能够进行高速转换的数字隔离器。MCU19在所输入的中断信号的下降沿(截止中断)对开关元件12c及12d输出截止指令(驱动信号)。于是，如图6所示，通过该截止指令，在经由了MCU19中的软件处理以及未图示的开关驱动电路的延迟之后，开关元件12c及12d截止。此时，需要在共振电流成为负极性的期间进行截止，因此将上述驱动电路的栅极负载设定为能够以最小负载进行截止的常数。

图7是以由MCU19进行的处理为中心而表示的串联共振电路11的控制流程图。首先，当使开关元件12a及12c同时接通时(S1)，将该同时接通状态维持到开关元件12c的截止中断被输入为止(S2：否)。当开关元件12c的截止中断被输入时(S2：是)，使开关元件12c截止(S3)。在开关元件12a接通之后，使其接通状态持续从开关周期的1/2减去为了防止短路而设定的死区时间而得到的期间(S4、S5)。

在经过了死区时间之后(S6)，将开关元件12b及12d同时接通(S7)，与开关元件12a及12c的情况同样，通过输入开关元件12d的截止中断信号(S8：是)来使开关元件12d截止(S9)。并且，使开关元件12b的接通状态持续从开关周期的1/2减去死区时间而得到的期间(S10、S11)。在经过了死区时间之后(S12)，如果没有输入运行停止指令(S13：否)，则返回到步骤S1，如果输入有运行停止指令(S13：是)，则结束动作。

接着，参照图8至图10对电源电路20中的电力控制方法进行说明。对降压电路6的输出电压进行控制，而向沿面放电元件17进行电力的输入。电力优选在高频高压变压器14的二次侧检测出的构成。但是，在室外使用的情况下，由于用于防止雷击对策等的绝缘机构大型化，因此对处于高频高压变压器14的一次侧的降压压电路6的输出电力进行检测。但是，降压电路6的输出电力包含放电电力、开关元件12a～12d的损失、高频高压变压器14的损失以及由从高频高压变压器14到沿面放电元件17为止的布线电阻引起的损失。另外，在通过分流电阻等电流检测元件18进行电流检测的情况下，也包含电流检测元件18的损失。因此，在对放电电力进行控制时，由根据温度特性、负载变动而发生变化的一次侧损失导致的精度恶化成为问题。

另外，沿面放电元件17由于放电而寿命缩短，因此为了减轻寿命缩短而有时如图8所示那样间歇地运行(负载运行)。由此，难以检测出电力。并且，根据沿面放电元件的不同，还可以考虑到放电电力根据施加电压的正负而不同的情况，包含向放电电极的电容成分通电的无功电力。

因此，如图9所示，通过对高频高电压变压器14的一次侧电力的平均电力进行检测的电路，对放电电力进行控制。电阻元件41及42的串联电路与一次侧绕组15并联连接，电阻元件42的两端与绝缘器43的输入端子连接。即，对一次侧绕组15的端子电压进行分压，并将其电压经由绝缘器43、差动放大电路44以及低通滤波器45输入到乘法器46。

差动放大电路44具备运算放大器47，运算放大器47的非反相输入端子经由电阻元件48与绝缘器43的一个输出端子连接，并且经由电阻元件49而接地。运算放大器47的反相输入端子经由电阻元件50与绝缘器43的另一个输出端子连接，并且经由电阻元件51与运算放大器47的输出端子连接。低通滤波器45包括电阻元件52以及电容器53。

另外，在一次侧绕组15的一端侧插入有电流检测元件54，电流检测元件54的检测输出端子与乘法器46的输入端子连接。乘法器46将一次侧绕组15的端子电压与由电流检测元件54检测出的一次侧电流相乘来求出一次侧电力。乘法器46的乘法运算结果经由反相放大电路55及56、以及低通滤波器57而输入到MCU19。

反相放大电路55具备运算放大器58。运算放大器58的反相输入端子经由电阻元件59与乘法器46的输出端子连接，并且经由电阻元件60以及电容器61的并联电路与运算放大器58的输出端子连接。运算放大器58的非反相输入端子经由电阻元件62而接地。

下一级的反相放大电路56具备运算放大器63。运算放大器63的反相输入端子经由电阻元件64与反相放大电路55的输出端子连接，并且经由电阻元件65与运算放大器63的输出端子连接。运算放大器63的非反相输入端子经由电阻元件66而接地。低通滤波器57包括电阻元件67和电容器68。以上构成电力检测电路69。

图10是表示在从放电开始到放电停止为止的负载运行期间对高频高电压变压器14的一次侧电力进行检测，并在下一次负载运行时对降压电路6的输出电压进行控制的状态的波形图。基于前一次的负载运行中的放电停止时的放电电力平均值，降压电路6的输出电压被进行电压控制。通过MCU19，降压电路6在放电停止中被控制为由PI(ProportionalIntegral：比例积分)控制决定的目标电压。通过如此地基于负载运行的放电电力的平均值来进行电压控制，由此能够在高频高电压变压器14的一次侧进行正负的电力变化、控制周期更快的放电动作的电力控制。

另外，在通过沿面放电元件17进行放电的期间，由于放电流光而电容成分增加，因此在放电时和非放电时共振频率不同，共振电流的频率过渡地变化。因此，通过对共振频率的变化进行监视，由此进行电源电路1的过载保护动作。

图11表示以基于MCU19的过载保护动作的控制内容为中心而表示的流程图。MCU19为，当从外部输入放电开始指令时(S21)，开始基于沿面放电元件17的放电(S22)。即，开始图7所示的流程图的执行。接着，MCU19根据共振电流的零交点求出其共振频率，并进行异常检测(S23)。例如，通过定时器、计数器等计测从使开关元件12a及12c开通的时刻起到存在开关元件12c的截止中断信号(零电流恢复信号)的输入为止的时间，由此求出共振频率。

此处，在沿面放电元件17没有异常、且杂散电容没有因为雨天等环境原因而增加的状态下，共振频率为异常检测值(规定的频率)以上，因此电源电路1正常地进行动作。在该情况下(S23；否)，对后述的异常检测计数器(cnt)进行复位(S28)，而返回到步骤22。

另一方面，当在电源电路1的运行时由于某些原因而杂散电容增加、共振频率低于异常检测值时(S23；是)，使基于开关电路12的振荡动作停止(S24)，并使异常检测计数器增量(S25)。并且，如果计数器值低于“432”，则例如判断为是由于降雨状态那样的环境原因导致的暂时的异常，向放电停止模式转移规定的时间(例如10分钟期间)(S29、S30)。

当上述规定的时间经过时，转移到步骤S22而再次开始放电动作。在步骤S23中，如果共振频率还是低于异常检测值，则再次执行步骤S24～S25、S29以及S30。在将该动作持续了规定次数(例如432计数、相当于3天期间(规定的期间))以上的情况下，判断为不是由环境原因导致的异常、而是放电元件异常(S26)，使电源电路1的动作停止(S27)。

如以上那样，根据本实施方式，在驱动沿面放电元件17的电源电路20中，开关电路12是将由正侧开关元件12a和12b、负侧开关元件12c和12d构成的串联电路并联连接而成的，被供给直流电源。平滑电容器10与开关电路12并联连接，在开关电路12的输出端子间连接有高频高电压变压器14的一次侧。将电流检测元件18a、18b分别配置在负侧开关元件12d、12c的发射极与负侧电源线之间。MCU19为，当检测到在这些中流动的共振电流时，基于该电流的零交点使负侧开关元件12d、12c关断。由此，即使由于温度特性、负载变化等而一次侧损失发生变化，也能够可靠地维持共振状态而以较高精度进行放电电力的控制。

另外，MCU19为，根据上述零交点来检测电流的共振频率，并基于该共振频率的变化来进行过载保护动作。具体地说，根据从开关元件12a和12c、或者12b和12d的接通定时起到存在由驱动信号生成电路40输出的开关元件12c或12d的截止中断信号的输入为止的期间，检测共振频率。由此，能够避免由于降雨等环境原因的变化、沿面放电元件17的故障等而电源电路1成为过载状态，而进行保护。因此，不需要另行准备降雨检测装置等。

并且，MCU19为，当上述共振频率变为低于异常检测值时，判断为过载状态，使基于开关电路12的开关动作在暂时停止之后重新开始。因此，在产生了由于降雨等环境原因的变化而导致的暂时的过载状态的情况下，能够使放电动作暂时停止而等待环境的恢复。另外，MCU19为，当过载状态持续规定的期间时，判断为沿面放电元件17的异常，使基于开关电路12的开关动作停止。因此，在需要沿面放电元件17的修理、更换的情况下，能够使电源供给停止。

(第2实施方式)

图12到图15是第2实施方式，对于与第1实施方式相同部分标注相同符号而省略说明，对于不同的部分进行说明。如图12所示，第2实施方式的电源电路71的构成为，将一个电流检测元件18连接配置在开关元件12c及12d的共通连接点即两者的发射极与平滑电容器10的负侧端子之间。

接着，参照图13到图15对第2实施方式的作用进行说明。此外，基于MCU19的控制内容与图7所示的控制内容相同。如图13所示，与第1实施方式同样，基于在串联共振电路11中流动的共振电流的零交点，开关元件12c、12d被进行开关控制。但是，在第2实施方式的情况下，通过一个电流检测元件18，使在开关元件12a、12c接通时产生的共振电流的零交点与在开关元件12b、12d接通时产生的共振电流的零交点混合存在而检测。

图14表示与开关元件12c、12d分别对应的驱动信号生成电路40c、40d的构成。基本上是与第1实施方式的驱动信号生成电路40相同的构成，但在第2实施方式中，电流检测元件18与驱动信号生成电路40c侧的差动放大电路21c之间的连接与第1实施方式相同，相对于此，在电流检测元件18与驱动信号生成电路40d侧的差动放大电路21d之间的连接中，反相输入端子、非反相输入端子成为相反。如此，通过替换各个放大电路21c、21d的输入信号，由此能够在开关元件12c、12d各自中流动的共振电流的零交点生成截止中断信号。

图15是表示驱动信号生成电路40c、40d的动作的时间图。驱动信号生成电路40c的输出信号为，当在电流检测元件18中流动负极性的电流时从高电平变化为低电平，当电流值成为零时从低电平恢复到高电平。另一方面，驱动信号生成电路40d的输出信号为，当在电流检测元件18中流动正极性的电流时从高电平变化为低电平，当电流值成为零时从低电平恢复到高电平。

基于驱动信号生成电路40c的输出信号的截止中断为，即使在基于开关元件12d侧的零交检测的截止中断时，也在进行了死区时间量的延迟后发生。但是，此时，由于开关元件12a及12c均截止，因此即使产生基于驱动信号生成电路40c的截止中断也没有问题。对于驱动信号生成电路40d侧也是同样的。

此处，在通过沿面放电元件17进行放电的期间，有时由于施加到沿面放电元件17的电压的极性不同而电容发生变化。因此，共振频率的检测为，如图15所示，在从开关元件12a～12d的接通定时起到驱动信号生成电路40c、40d的输出信号(开关元件12c、12d的截止中断信号)的上升沿为止的期间使定时器动作，对时间t1、t2进行检测而检测共振频率。由环境原因导致的过载保护优选为，对时间t1、t2中更长的一方进行检测而进行保护动作。

如以上那样，根据第2实施方式，将一个电流检测元件18连接配置在开关元件12c及12d的共通连接点与平滑电容器14的负侧端子之间。如此，即使是在开关元件12a～12d中流动的共振电流混合存在的状态下进行检测的构成，也能够对共振电流的零交点进行检测，对于产生负载变动的沿面放电元件17，能够在维持共振频率的状态下高精度地控制放电电力。另外，对于过载保护动作，也能够与第1实施方式同样进行。

(其他实施方式)

步骤S10中的等待时间不限于10分，根据不同的设计而适当地变更即可。另外，关于步骤S25中的计数，也不限于相当于3天期间的值即“432”计数，而可以适当地变更。

对本发明的几个实施方式进行了说明，但是这些实施方式是作为例子而提示的，并不意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式、其变形包含在发明的范围、主旨中，且包含在与专利请求范围所记载的发明等同的范围内。

产业上的可用性

如以上那样，本实施方式涉及的沿面放电元件驱动用电源电路对用于驱动沿面放电元件的电源有用。

Claims (6)

1.一种沿面放电元件驱动用电源电路，对沿面放电元件进行驱动，该沿面放电元件的放电电极与感应电极以在它们之间隔着电介质的方式配置，上述沿面放电元件驱动用电源电路具备：

开关电路，将两组包括正侧和负侧开关元件的串联电路并联连接而成，被供给直流电源；

平滑电容器，与上述开关电路并联连接；

变压器，一次侧连接在上述开关电路的输出端子间；

电流检测单元，对在上述负侧开关元件中流动的电流进行检测；

零交检测单元，对上述电流的零交点进行检测；以及

保护动作单元，根据上述零交点来检测上述电流的共振频率，基于上述共振频率的变化进行过载保护动作。

2.如权利要求1所述的沿面放电元件驱动用电源电路，其中，

上述保护动作单元为，根据从上述开关元件的接通定时起到上述零交检测单元检测出上述零交点的定时为止的期间，检测上述共振频率。

3.如权利要求1或2所述的沿面放电元件驱动用电源电路，其中，

上述保护动作单元为，当上述共振频率低于规定的频率时，判断为过载状态，使基于上述开关电路的开关动作在暂时停止之后重新开始。

4.如权利要求3所述的沿面放电元件驱动用电源电路，其中，

上述保护动作单元为，当上述过载状态持续规定的期间时，判断为上述沿面放电元件的异常，使上述开关动作停止。

5.如权利要求1至4中任一项所述的沿面放电元件驱动用电源电路，其中，

上述电流检测单元具备分别连接在各组的负侧开关元件与负侧电源线之间的两个电流检测元件。

6.如权利要求1至4中任一项所述的沿面放电元件驱动用电源电路，其中，

上述电流检测单元具备插入到将上述开关电路与上述平滑电容器进行连接的负侧电源线的电流检测元件。