JP2017127079A - Ｄｃ／ａｃインバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】突入電流を短絡電流とを判別できるようにする。【解決手段】Ｈブリッジ回路１０の出力電流を検出した検出信号Ｖｓ２を出力する過電流検出回路５０と、Ｈブリッジ回路１０の出力電流を検出した検出信号Ｖｓ３を出力する突入／短絡検出回路６０と、Ｈブリッジ回路１０を制御する制御部７０とを有する。制御部７０は、検出信号Ｖｓ２が閾値電圧Ｖｒ１を越えたときＨブリッジ回路１０の駆動のデューティを絞る。また、検出信号Ｖｓ３が閾値電圧Ｖｒ２を超えると時間の計測を開始し、該計測した時間がタイマ時間Ｔ１に到達する以前に検出信号Ｖｓ３が閾値電圧Ｖｒ２を下回ると突入と判定する。さらに、検出信号Ｖｓ３が閾値電圧Ｖｒ２を下回ることなく計測時間がタイマ時間Ｔ１を超えると、短絡と判定する。短絡と判定したとき前記Ｈブリッジ回路を遮断する。【選択図】図１

Description

本発明は、直流電圧から交流電圧を生成して出力するＤＣ／ＡＣインバータ装置にかかり、特に、負荷電流の突入と短絡とを判別できるようにした技術に関する。

ＤＣ／ＡＣインバータ装置は、特許文献１に記載のように、出力するＡＣ電圧の波形として、正弦波、疑似正弦波、矩形波がある。そして、ＤＣ／ＡＣインバータ装置は、特許文献２に記載のように、通常は安全性の観点から短絡電流と過電流に対する保護機能を備えている。この保護機能は、ＡＣ出力側を構成するＨブリッジ回路を流れる負荷電流を検出抵抗によって検出し、そこで検出される電流の大きさに応じて、Ｈブリッジ回路のスイッチング素子の駆動信号のデューティ比を絞ることで行われている。デューティ比を０にすれば出力停止状態となる。

特開２００６−３４５６４１号公報 特開２００２−３１５３５１号公報

しかし、矩形波を出力するＤＣ／ＡＣインバータ装置では、ＡＣ出力端子に接続される負荷が、全波整流回路と出力キャパシタで構成されるＡＣアダプタのようなものである場合には、最初に大きな突入電流が出力キャパシタに流れるので、その突入電流が短絡電流と誤検知されて駆動信号のデューティ比が０に絞られ、出力が停止する場合がある。

本発明の目的は、突入電流と短絡電流とを判別できるようにして上記した問題を解決したＤＣ／ＡＣインバータ装置を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、直流電圧をスイッチングして交流電圧を生成するＨブリッジ回路を備えたＤＣ／ＡＣインバータ装置において、前記Ｈブリッジ回路の出力電流を検出した第１の検出信号を出力する過電流検出回路と、前記Ｈブリッジ回路の前記出力電流を検出した第２の検出信号を出力する突入／短絡検出回路と、前記Ｈブリッジ回路を制御する制御部とを有し、前記制御部は、前記過電流検出回路が検出した前記第１の検出信号が第１の閾値を越えたとき前記Ｈブリッジ回路の駆動のデューティ比を絞り、前記突入／短絡検出回路が検出した前記第２の検出信号が第２の閾値を超えると時間の計測を開始し、該計測した時間が設定したタイマ時間に到達する以前に前記第２の検出信号が前記第２の閾値を下回ると突入と判定し、前記第２の検出信号が前記第２の閾値を下回ることなく前記計測した時間が前記タイマ時間に到達すると短絡と判定し、該短絡と判定したとき前記Ｈブリッジ回路を遮断することを特徴とする。

請求項２にかかる発明は、請求項１に記載のＤＣ／ＡＣインバータ装置において、前記制御部は、前記過電流検出回路が検出した前記第１の検出信号が前記第１の閾値を越えることで前記Ｈブリッジ回路の駆動のデューティ比を絞ってから所定時間が経過すると前記デューティ比を元に復帰させ、その後、前記第１の検出信号が前記第１の閾値を越えると再度デューティ比を絞ることを繰り返す過電流保護動作を行うことを特徴とする。

請求項３にかかる発明は、請求項１又は２に記載のＤＣ／ＡＣインバータ装置において、前記突入／短絡検出回路は、前記Ｈブリッジ回路の前記出力電流に対応した電圧を充電して前記第２の検出信号を生成する第２のキャパシタを備え、該第２のキャパシタの充電時定数が放電時定数よりも小さく設定されていることを特徴とする。

請求項４にかかる発明は、請求項１、２又は３に記載のＤＣ／ＡＣインバータ装置において、前記過電流検出回路は、前記Ｈブリッジ回路の前記出力電流に対応した電圧を充電して前記第１の検出信号を生成する第１のキャパシタを備えるローパスフィルタからなることを特徴とする。

本発明によれば、突入電流発生と短絡電流発生とを区別して検出することができるので、突入電流を短絡電流と誤検知して駆動信号のデューティが０に絞られ、出力が停止する事態を回避することができる。

本発明の１つの実施例のＤＣ／ＡＣインバータ装置の回路図である。 図１のＤＣ／ＡＣインバータ装置の動作波形図である。

図１に本発明の１つの実施例のＤＣ／ＡＣインバータ装置の回路図を示す。１０はＨブリッジ回路であり、スイッチング素子としてのＮＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４により構成されており、トランジスタＭ１，Ｍ２のドレインは電圧Ｖ１の電源に接続され、トランジスタＭ３，Ｍ４のソースは電流検出抵抗Ｒ１を介して接地ＧＮＤに接続されている。そして、トランジスタＭ１，Ｍ３の共通接続点とトランジスタＭ２，Ｍ４の共通接続点が、それぞれＡＣラインフィルタ２０に接続されている。このＡＣラインフィルタ２０の出力側には負荷３０が接続される。

４０はゲート駆動回路であり、Ｈブリッジ回路１０のトランジスタＭ１，Ｍ４の組の導通／遮断とトランジスタＭ２，Ｍ３の組の遮断／導通を、交互に所定のデューティ比で制御することで、電圧Ｖ１を矩形波の正負の電圧に変換してＡＣラインフィルタ２０に出力させる。

５０は過電流検出回路であり、ノイズによる誤動作防止のために抵抗Ｒ２とキャパシタＣ１からなるＬＰＦで構成され、電流検出抵抗Ｒ１に流れる電流によって生じる検出電圧Ｖｓ１を入力して、キャパシタＣ１に生じた検出電圧Ｖｓ２を出力する。

６０は突入／短絡検出回路であり、抵抗Ｒ３，Ｒ４とキャパシタＣ２とダイオードＤ１で構成され、キャパシタＣ２に生じた検出電圧Ｖｓ３を出力する。電流検出抵抗Ｒ１は小さな値に設定されるので、充電時定数はほぼＣ２・Ｒ３で設定され、放電時定数はほぼＣ２・（Ｒ３＋Ｒ４）で設定されている。つまり、キャパシタＣ２の充電時定数はその放電時定数よりも小さくなっていて応答性を高めている。放電時定数を大きくしたのは、放電時間を長くして検出の確実性を高めるためである。

７０は制御部であり、タイマ回路（図示せず）を有する制御回路７１と過電流検出用の比較器７２と短絡／突入電流検出用の比較器７３を備える。比較器７２の閾値電圧Ｖｒ１は、電圧Ｖ２を抵抗Ｒ５の抵抗値と抵抗Ｒ６，Ｒ７の合計抵抗値で分圧して設定されている。比較器７３の閾値電圧Ｖｒ２は、電圧Ｖ２を抵抗Ｒ５，Ｒ６の合計抵抗値と抵抗Ｒ７の抵抗値で分圧して設定されている。よって、Ｖｒ１＜Ｖｒ２となっている。

比較器７２は、非反転入力端子に入力する検出電圧Ｖｓ２が閾値電圧Ｖｒ１を超えたとき、出力信号Ｖｓ４を“Ｈ”にし、過電流発生を示す信号として制御回路７１に出力する。比較器７３は、非反転入力端子に入力する検出電圧Ｖｓ３が閾値電圧Ｖｒ２を超えたとき、出力信号Ｖｓ５を“Ｈ”にし、短絡又は突入電流発生を示す信号として制御回路７１に出力する。

Ｃ３は制御回路７１のタイマ回路の一部を構成するキャパシタであり、突入／短絡検出用の比較器７３の出力信号Ｖｓ５が“Ｈ”になったとき、定電流で充電が開始される。この充電によるキャパシタＣ３の電圧Ｖｃ３はタイマ回路の設定タイマ時間Ｔ１に対応する閾値電圧Ｖｒ３で監視される。制御回路７１には、電源の電圧Ｖ２を抵抗Ｒ８，Ｒ９の抵抗値で分圧した電圧が、基準デューティ比の設定用の値として取り込まれている。

さて、制御回路７１によってゲート駆動回路４０が制御されることで、Ｈブリッジ回路１０のトランジスタＭ１，Ｍ４の組とＭ２，Ｍ３の組が交互に、上記設定した所定のデューティ比で導通され、図２のＡＣ出力電圧Ｖａｃの波形で示すように、ＤＣ電圧Ｖ１が矩形波に変換されて出力する。なお、トランジスタＭ１とＭ３が同時に導通したり、トランジスタＭ２とＭ４が同時に導通するタイミングが生じないように、すべてのトランジスタＭ１〜Ｍ４が同時に遮断するデッドタイムＴＤが設定されている。

ここで、負荷３０が、例えば、全波整流器とその全波整流器の出力側に接続された出力キャパシタで構成されたＡＣアダプタである場合には、Ｈブリッジ回路１０が最初に動作するとき（図２は最初にトランジスタＭ１，Ｍ４が導通した場合を示す。）、負荷３０のＡＣアダプタの出力キャパシタに大きな電流が流れ込む。この電流は電流検出抵抗Ｒ１で検出電圧Ｖｓ１に変換される。最初にトランジスタＭ２，Ｍ３が導通するときも同様である。

この検出電圧Ｖｓ１は、過電流検出回路５０に入力して検出電圧Ｖｓ２としてキャパシタＣ１から出力し、比較器７２に入力する。この検出電圧Ｖｓ２が閾値電圧Ｖｒ１より高い電圧であるときは、比較器７２の出力信号Ｖｓ４が“Ｈ”となって制御回路７１に入力する。このため、制御回路７１が過電流状態であると判定して、ゲート駆動回路４０によってすべてのトランジスタＭ１〜Ｍ４のデューティ比を絞る制御が行われる。

このデューティ比を絞る制御は、制御回路７１の内部発振器（図示せず）の発振周波数（例えば２５ｋＨｚ）の周期だけの時間が経過すると、元の正常制御に自動復帰する。この復帰時に過電流状態が継続していれば、再度同様なデューティ比を絞る制御が繰り返し行われるが、過電流状態が解除されていれば、その繰り返しは解消され、元の正常制御に戻る。

図２のＡＣ出力電圧Ｖａｃの左端に示すパルスは、突入時に発生する過電流検出と自動復帰の繰り返しにより発生するパルス列を示している。このパルスの繰り返しにより過電流の検出電圧Ｖｓ２も鋸歯状波となっている。

この過電流が発生しているときは、突入／短絡検出回路６０においても、その検出した出力信号Ｖｓ３が閾値電圧Ｖｒ２を超えているので、比較器７３の出力信号Ｖｓ５が“Ｈ”となって制御回路７１に出力する。キャパシタＣ３は、過電流発生により出力信号Ｖｓ５が“Ｈ”になった時刻ｔ１に定電流充電が開始されてその充電が継続するが、その後に、突入／短絡検出回路６０から検出信号Ｖｓ３が閾値電圧Ｖｒ２を下回ると、比較器７３の出力信号Ｖｓ５が“Ｈ”から“Ｌ”に反転するので、放電される。図２ではこの充電終了時刻をｔ２で示した。

なお、突入／短絡検出回路６０は、充電時定数が小さいので過電流が発生すると瞬時に検出電圧Ｖｓ３を高くして、比較器７３の出力信号Ｖｓ５を“Ｈ”にする。

このようにして、過電流状態が終了し、突入／短絡検出回路６０の検出信号Ｖｓ３が閾値電圧Ｖｒ２よりも低下して、比較器７３の出力信号Ｖｓ５が“Ｈ”から“Ｌ”に反転した時刻ｔ２の時点において、キャパシタＣ３の充電電圧Ｖｃ３が制御回路７１のタイマ回路に設定されたタイマ時間Ｔ１に対応する閾値電圧Ｖｒ３に達していないときは、制御回路７１は過電流状態を短絡ではなく突入と判定し、同時にキャパシタＣ３の電圧Ｖｃ３を放電して待機状態に戻す。

しかしながら、図２の右側に示すように、検出信号Ｖｓ３が閾値電圧Ｖｒ２よりも高い状態が長く続くと、キャパシタＣ３の充電電圧Ｖｃ３が閾値電圧Ｖｒ３を超え、タイマ時間Ｔ１を満足する。制御回路７１は、電圧Ｖｃ３が閾値電圧Ｖｒ３を越えた時刻ｔ４において、Ｈブリッジ１０あるいはＡＣ出力側が短絡していると判定する。このため、ゲート駆動回路４０によってＨブリッジ回路１０のすべてのトランジスタＭ１〜Ｍ４のデューティ比が０に設定され、その状態がラッチされることで、短絡保護が行なわれる。

このように本実施例では、突入電流発生と短絡電流発生を区別して検出することができるので、突入電流を短絡電流と誤検知して駆動信号のデューティが０に絞られ、出力が停止する事態を回避することができる。

なお、図２においては、最初の突入時だけ過電流状態になっていて、その後のＡＣ出力電圧Ｖａｃの極性反転時では過電流が発生していない。これは最初の突入時に負荷３０のＡＣアダプタの出力キャパシタが充電された後は、ＡＣ出力電圧Ｖａｃの極性が反転してもその出力キャパシタに大きな突入電流が流れなくなるからである。

１０：Ｈブリッジ回路
２０：ＡＣラインフィルタ
３０：負荷
４０：ゲート駆動回路
５０：過電流検出回路
６０：突入／短絡検出回路
７０：制御部、７１：制御回路、７２：過電流検出用の比較器、７３：突入／短絡検出用の比較器

Claims (4)

1. 直流電圧をスイッチングして交流電圧を生成するＨブリッジ回路を備えたＤＣ／ＡＣインバータ装置において、
   前記Ｈブリッジ回路の出力電流を検出した第１の検出信号を出力する過電流検出回路と、前記Ｈブリッジ回路の前記出力電流を検出した第２の検出信号を出力する突入／短絡検出回路と、前記Ｈブリッジ回路を制御する制御部とを有し、
   前記制御部は、前記過電流検出回路が検出した前記第１の検出信号が第１の閾値を越えたとき前記Ｈブリッジ回路の駆動のデューティ比を絞り、前記突入／短絡検出回路が検出した前記第２の検出信号が第２の閾値を超えると時間の計測を開始し、該計測した時間が設定したタイマ時間に到達する以前に前記第２の検出信号が前記第２の閾値を下回ると突入と判定し、前記第２の検出信号が前記第２の閾値を下回ることなく前記計測した時間が前記タイマ時間に到達すると短絡と判定し、該短絡と判定したとき前記Ｈブリッジ回路を遮断することを特徴とするＤＣ／ＡＣインバータ装置。
2. 請求項１に記載のＤＣ／ＡＣインバータ装置において、
   前記制御部は、前記過電流検出回路が検出した前記第１の検出信号が前記第１の閾値を越えることで前記Ｈブリッジ回路の駆動のデューティ比を絞ってから所定時間が経過すると前記デューティ比を元に復帰させ、その後、前記第１の検出信号が前記第１の閾値を越えると再度デューティ比を絞ることを繰り返す過電流保護動作を行うことを特徴とするＤＣ／ＡＣインバータ装置。
3. 請求項１又は２に記載のＤＣ／ＡＣインバータ装置において、
   前記突入／短絡検出回路は、前記Ｈブリッジ回路の前記出力電流に対応した電圧を充電して前記第２の検出信号を生成する第２のキャパシタを備え、該第２のキャパシタの充電時定数が放電時定数よりも小さく設定されていることを特徴とするＤＣ／ＡＣインバータ装置。
4. 請求項１、２又は３に記載のＤＣ／ＡＣインバータ装置において、
   前記過電流検出回路は、前記Ｈブリッジ回路の前記出力電流に対応した電圧を充電して前記第１の検出信号を生成する第１のキャパシタを備えるローパスフィルタからなることを特徴とするＤＣ／ＡＣインバータ装置。

Images