專利名稱:相位控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種作為白熾燈的調(diào)光裝置而使用的相位控制裝置。
背景技術(shù):
一直以來(lái),作為白熾燈的調(diào)光裝置,使用應(yīng)用了雙方向3端子的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(以下,稱為三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件(TRIAC))的相位控制裝置。在圖15A~15C中示出了現(xiàn)有一般的相位控制裝置的電路構(gòu)成。
相位控制裝置,是具有與商用交流電源AC和負(fù)載(白熾燈)LA的串聯(lián)電路連接的兩個(gè)端子的構(gòu)造。如圖15A所示的那樣,三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件Q1,通過(guò)電抗元件L,與商用交流電源AC以及作為負(fù)載的白熾燈LA的串聯(lián)電路并聯(lián)連接。觸發(fā)電路T包括由電阻R1、可變電阻R2和電容器C1的串聯(lián)電路構(gòu)成、在三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件Q1的兩端之間連接的定時(shí)電路;連接在電容器C1和可變電阻R2的連接點(diǎn)與三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件Q1的門極端子之間的二端交流開(kāi)關(guān)元件(DIAC)Q5;連接在可變電阻R2和電容器C1的串聯(lián)電路的兩端之間的、將兩端電壓限定為一定的定電壓二極管ZD1以及ZD2的反向串聯(lián)電路。圖15B所示的相位控制裝置中,代替二端交流開(kāi)關(guān)元件Q5而使用的是應(yīng)用了SBS(硅雙通開(kāi)關(guān))Q5’的觸發(fā)電路T。
這些現(xiàn)有的相位控制裝置中,通過(guò)電阻R1以及可變電阻R2而被充電的電容器C1的電壓,當(dāng)達(dá)到二端交流開(kāi)關(guān)元件Q5的轉(zhuǎn)折電壓時(shí),或者在與SBSQ5’的門極連接的定電壓二極管ZD3的陰極上施加的電壓超過(guò)齊納電壓使得門電流流過(guò)SBSQ5’時(shí),二端交流開(kāi)關(guān)元件Q5或者SBSQ5’導(dǎo)通,電容器C1的電荷作為三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件Q1的門電流i而釋放,使得三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件Q1導(dǎo)通。
另一方面,圖15C所示現(xiàn)有的相位控制裝置是這樣構(gòu)成的,即不用二端交流開(kāi)關(guān)元件和SBS,利用晶體管Q6,通過(guò)二極管電橋DB從規(guī)定的相位角到零交叉使三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件Q1的門電流連續(xù)流動(dòng)。
在這些相位控制裝置中,使三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件Q1在設(shè)定的相位角處導(dǎo)通,白熾燈LA的負(fù)載電流流過(guò)三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件Q1。由此,在相位角在90度附近的情況下,負(fù)載電流表示為非常陡峭的上升。特別是,由于在三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件Q1的點(diǎn)弧時(shí)的di/dt很大,有產(chǎn)生高頻噪音(150KHz-30MHz)的可能。另外,在白熾燈LA中,由于陡峭的負(fù)載電流的影響,有由于燈絲的振動(dòng)而產(chǎn)生音響噪音的可能。
作為其對(duì)策,在一般的相位控制裝置中,如圖示的那樣,在相對(duì)于白熾燈LA和交流電源AC的串聯(lián)電路之間并聯(lián)連接電容器C0(或者C0和C0’的串聯(lián)電路)的同時(shí),在白熾燈LA和交流電源AC的串聯(lián)電路和三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件Q1之間連接電抗元件L,從而使負(fù)載電流的上升緩和,減少上述噪音的產(chǎn)生。
可是,現(xiàn)有的相位控制裝置中,為了將噪音的級(jí)別減少到滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)等的規(guī)格值的級(jí)別,需要非常大的電抗元件L。由此,使得整個(gè)相位控制裝置大型化。另外,電抗元件L本身也會(huì)產(chǎn)生音響噪音,或者產(chǎn)生熱量。在負(fù)載容量大的相位控制裝置中,這種傾向更加明顯。
由此,根據(jù)日本專利第2507848號(hào)和日本專利第2920771號(hào)等,作為相位控制元件,代替三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件和半導(dǎo)體元件開(kāi)關(guān),使用MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)、IGBT(絕緣門型雙極晶體管)、功率晶體管等的開(kāi)關(guān)元件。
但是,由于MOSFET等的開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通電阻與三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件相比要大,需要將散熱結(jié)構(gòu)大型化,結(jié)果是不可避免相位控制裝置的大型化。另外,為了使得具有與三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件同樣的導(dǎo)通電阻,需要使開(kāi)關(guān)元件本身也大型化,隨著開(kāi)關(guān)元件的大型化,提高了成本。
而作為主開(kāi)關(guān)元件使用三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件和半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件那樣的非自滅弧型開(kāi)關(guān)元件,在加工的時(shí)候,在負(fù)載一側(cè)發(fā)生短路、或由于錯(cuò)誤布線導(dǎo)致負(fù)載兩端發(fā)生短路的情況下,從開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通起直到零交叉,短路電流都流過(guò)開(kāi)關(guān)元件,開(kāi)關(guān)元件發(fā)熱,有引起熱破壞的可能性。
另一方面,以降低噪音為目的而將MOSFET和IGBT等的自滅弧型開(kāi)關(guān)元件作為主開(kāi)關(guān)元件而使用的情況下,采用這樣的短路電流保護(hù)技術(shù),即通過(guò)設(shè)置從負(fù)載電流的大小檢測(cè)出短路電流的傳感器,在傳感器檢測(cè)出短路電流時(shí)關(guān)斷主開(kāi)關(guān)元件而遮斷電流,從而防止短路電流引起的開(kāi)關(guān)元件的破壞。但是,如上所述使用MOSFET和IGBT作為主開(kāi)關(guān)元件時(shí),無(wú)法避免裝置的大型化,也提高了成本。
另外,控制白熾燈這樣的沖擊電流很大的負(fù)載的情況下,存在由于開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流導(dǎo)致MOSFET或IGBT被破壞的可能性。因此,為了增大最大允許電流,作為MOSFET和IGBT,需要使用更大容量的元件,在相位控制裝置進(jìn)一步大型化的同時(shí),也提高了成本。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種即使連接到容量大的負(fù)載(白熾燈)的情況下,也能夠在減少高頻噪音的產(chǎn)生的同時(shí),達(dá)到小型化和低成本的相位控制裝置。
為了達(dá)到上述目的,本發(fā)明一實(shí)施例的相位控制裝置,具有第1開(kāi)關(guān)元件,由反向阻斷3端子半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件或者雙方向3端子半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件構(gòu)成;第2開(kāi)關(guān)元件,由自滅弧型開(kāi)關(guān)元件構(gòu)成,連接在前述第1開(kāi)關(guān)元件的兩端;控制部,控制前述第1開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通以及第2開(kāi)關(guān)元件的驅(qū)動(dòng);負(fù)載電流檢測(cè)裝置,在前述第2開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通時(shí),檢測(cè)通過(guò)前述第2開(kāi)關(guān)元件而流動(dòng)的負(fù)載電流,連接在交流電源和白熾燈之間,進(jìn)行白熾燈的調(diào)光。
前述控制部,在相位控制時(shí),從動(dòng)作開(kāi)始起在規(guī)定時(shí)間內(nèi),設(shè)定電流感應(yīng)期間,進(jìn)行規(guī)定次數(shù)的使前述第2開(kāi)關(guān)元件在交流電源電壓的規(guī)定的相位角處短時(shí)間導(dǎo)通的電流感應(yīng)動(dòng)作,前述電流感應(yīng)期間中,比較來(lái)自前述負(fù)載電流檢測(cè)裝置的檢測(cè)值和預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)值,從該比較結(jié)果選擇使前述第2開(kāi)關(guān)元件以及第1開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通的形式,在前述檢測(cè)值比與白熾燈的沖擊電流具有相對(duì)應(yīng)關(guān)系的基準(zhǔn)值大、并且比與短路電流具有相對(duì)應(yīng)關(guān)系的基準(zhǔn)值小的情況下,從電流感應(yīng)動(dòng)作的結(jié)束起設(shè)定預(yù)熱期間,進(jìn)行僅使前述第1開(kāi)關(guān)元件在交流電源電壓的預(yù)先設(shè)定的相位角處導(dǎo)通的控制,從前述預(yù)熱期間結(jié)束起,設(shè)定傾斜上升期間,從設(shè)定的規(guī)定的相位角起控制驅(qū)動(dòng)前述第2開(kāi)關(guān)元件,使通過(guò)前述第2開(kāi)關(guān)元件而施加在白熾燈上的負(fù)載電壓慢慢上升,經(jīng)過(guò)該傾斜上升期間之后,使前述第1開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通,在前述檢測(cè)值比與短路電流具有相對(duì)應(yīng)關(guān)系的基準(zhǔn)值大的情況下使相位控制動(dòng)作停止。
根據(jù)這樣的構(gòu)成,作為第1開(kāi)關(guān)元件使用反向阻斷3端子半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件或雙方向3端子半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件,作為第2開(kāi)關(guān)元件使用IGBT或MOSFET等自滅弧型開(kāi)關(guān)元件,在第1開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通之前控制驅(qū)動(dòng)第2開(kāi)關(guān)元件,在預(yù)熱期間結(jié)束后的通常動(dòng)作時(shí),使負(fù)載電壓慢慢傾斜上升,從而能夠?qū)崿F(xiàn)低噪音化。
另外,在傾斜上升的概念中,包含線性和非線性。
另外,判斷在電流感應(yīng)期間檢測(cè)出的負(fù)載電流是短路電流還是沖擊電流,在短路電流的情況下停止控制相位,從而能夠防止第1以及第2開(kāi)關(guān)元件的破壞。進(jìn)一步,由相對(duì)于白熾燈通電開(kāi)始時(shí)流入的沖擊電流較弱的IGBT或MOSFET等自滅弧型開(kāi)關(guān)元件構(gòu)成的第2開(kāi)關(guān)元件,能夠從過(guò)大的沖擊電流引起的破壞中得到保護(hù)。結(jié)果是,能夠使用對(duì)沖擊電流容量小的、小型化且低成本的IGBT和MOSFET,也能實(shí)現(xiàn)相位控制裝置的小型化。
圖1是示出本發(fā)明一實(shí)施例的相位控制裝置的結(jié)構(gòu)的電路圖;圖2是示出在上述一實(shí)施例中使用的比較基準(zhǔn)電壓值的視圖,Imax是與IGBT實(shí)際上被破壞的界限電流值相對(duì)應(yīng)的比較基準(zhǔn)電壓值,Imax1是與作為相應(yīng)于界限電流值Imax的富裕值的短路電流值相對(duì)應(yīng)的比較基準(zhǔn)電壓值,Imax2是與預(yù)測(cè)IGBT被沖擊電流破壞的過(guò)大的沖擊電流值相對(duì)應(yīng)的比較基準(zhǔn)電壓值;圖3A是檢測(cè)過(guò)大的沖擊電流時(shí)的波形圖;圖3B是檢測(cè)短路電流時(shí)的波形圖;圖3C是檢測(cè)正常的沖擊電流的波形圖;圖4是示出上述一實(shí)施例的相位控制裝置的動(dòng)作的流程圖;圖5中A是示出上述一實(shí)施例的相位控制時(shí)的負(fù)載電壓的變化的曲線圖;B是示出上述一實(shí)施例的相位控制時(shí)的IGBT的損失的曲線圖;
圖6A是示出上述一實(shí)施例的施加給IGBT的控制信號(hào)電壓的波形的一個(gè)例子的曲線圖;圖6B是示出上述一實(shí)施例的施加給IGBT的控制信號(hào)電壓的波形的其他例子的曲線圖;圖7A是上述一實(shí)施例的第1變形例中的、使電流感應(yīng)下的IGBT導(dǎo)通的相位角在90度附近的情況的波形圖;圖7B是上述第1變形例中的、使電流感應(yīng)下的IGBT導(dǎo)通的相位角在零交叉附近的情況的波形圖;圖8A是示出上述一實(shí)施例的第2變形例中的、預(yù)熱期間內(nèi)的IGBT的導(dǎo)通角的波形圖;圖8B是示出上述第2變形例中的、檢測(cè)過(guò)大的沖擊電流時(shí)的動(dòng)作的波形圖;圖9是示出上述一實(shí)施例的第3變形例的動(dòng)作的流程圖;圖10A是示出上述第3變形例的預(yù)熱期間為一次的情況的動(dòng)作的波形圖;圖10B是示出上述第3變形例的預(yù)熱期間為多次的情況的動(dòng)作的波形圖;圖11是示出上述一實(shí)施例的第4變形例中的電流感應(yīng)期間的波形圖;圖12是示出上述一實(shí)施例的第4變形例中的IGBT的短時(shí)間導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)的相位角和界限電流值、短路電流值、沖擊電流值之間的關(guān)系的波形圖;圖13是示出上述第4實(shí)施例的動(dòng)作的流程圖;圖14是示出上述第4實(shí)施例的電流感應(yīng)期間內(nèi)的IGBT的導(dǎo)通相位角的變化的波形圖;圖15A是示出現(xiàn)有例的相位控制裝置的結(jié)構(gòu)的電路圖;圖15B是示出另外的現(xiàn)有例的相位控制裝置的結(jié)構(gòu)的電路圖;圖15C是示出再一個(gè)另外的現(xiàn)有例的相位控制裝置的結(jié)構(gòu)的電路圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出本發(fā)明一實(shí)施例的相位控制裝置1的電路結(jié)構(gòu)。相位控制裝置1包括構(gòu)成第1開(kāi)關(guān)元件的三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件Q1;通過(guò)二極管電橋DB連接在三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件Q1的兩端之間、構(gòu)成自滅弧型的第2開(kāi)關(guān)元件的IGBTQ4和檢測(cè)電流用分路電阻R6的串聯(lián)電路;控制這些三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件Q1以及IGBTQ4的驅(qū)動(dòng)的控制部10;設(shè)定白熾燈LA的照度比(調(diào)光級(jí)別)的外部輸入部2等。而相位控制裝置1連接在交流電源AC的一端和白熾燈LA的一端之間。圖1中,C3表示作為IGBTQ4的控制端的門極內(nèi)的電容量,R3表示與門極連接的電阻。
而且,也可以代替三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件而使用反向阻斷3端子半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件。另外,代替分路電阻R6而使用電流檢測(cè)用元件(變流器、霍爾元件)也可以。
控制部分10由電源電路11、CPU電路12、D/A轉(zhuǎn)換電路13、驅(qū)動(dòng)電路14構(gòu)成。電源電路11具有這樣的功能,即將二極管電橋DB的整流輸出電壓變換成規(guī)定的直流電壓而作為電源向各部供給的同時(shí),檢測(cè)交流電源電壓的零交叉。CPU電路12從電源電路11接受電源供給而進(jìn)行動(dòng)作,為了驅(qū)動(dòng)控制三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件Q1以及IGBTQ4,計(jì)算相位控制角,使白熾燈LA的照度比為設(shè)定值,基于來(lái)自電源電路11的零交叉檢測(cè)信號(hào)ZS產(chǎn)生與之相應(yīng)的信號(hào)。D/A轉(zhuǎn)換電路13,將從CPU電路12作為IGBTQ4的驅(qū)動(dòng)用而輸出的數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬的控制信號(hào)電壓。驅(qū)動(dòng)電路14,將從CPU電路12輸出的信號(hào)作為單發(fā)的觸發(fā)信號(hào)供給到三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件Q1的門極。而且,電源電路11具備有蓄電用的平滑電容器等,在三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件Q1或IGBTQ4導(dǎo)通時(shí)也進(jìn)行電源供給。
接著,說(shuō)明本實(shí)施例的相位控制裝置1的動(dòng)作。首先,在相位控制動(dòng)作處于斷開(kāi)狀態(tài)的待機(jī)中的情況下,從交流電源AC通過(guò)白熾燈LA以及二極管電橋DB,在全相位中或者限定的相位期間中,在電源電路11中流過(guò)電流。在電源電路11中,供給CPU電路12電源的同時(shí),進(jìn)行零交叉檢測(cè),將該零交叉檢測(cè)信號(hào)ZS提供給CPU電路12。在CPU電路12中,基于來(lái)自電源電路11的零交叉檢測(cè)信號(hào)ZS計(jì)算零交叉位置。
然后,當(dāng)從外部輸入部2輸入導(dǎo)通動(dòng)作信號(hào)以及與設(shè)定照度比對(duì)應(yīng)的設(shè)定信號(hào)時(shí),CPU電路12通過(guò)計(jì)算求出得到由外部輸入部2設(shè)定的白熾燈LA的照度比的相位角的同時(shí),基于零交叉檢測(cè)信號(hào)ZS,在交流電源AC的每半個(gè)周期輸出在規(guī)定的相位角α短時(shí)間導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)IGBTQ4的控制信號(hào)電壓。關(guān)于規(guī)定的相位角α在后向敘述。
CPU電路12,在IGBTQ4的導(dǎo)通期間內(nèi),通過(guò)二極管電橋DB和IGBTQ4,檢測(cè)流到分路電阻R6的負(fù)載電流的大小,作為對(duì)應(yīng)于電流值的分路電阻R6引起的電壓下降。CPU電路12,將檢測(cè)出的電壓下降的值和比較基準(zhǔn)電壓值進(jìn)行比較,判斷是否流過(guò)與實(shí)際上將IGBTQ4破壞的界限值相當(dāng)?shù)拇笮〉碾娏?,是否流過(guò)相對(duì)于該界限值雖然還有富裕、但是比白熾燈LA的沖擊電流大的短路電流,或者是否流過(guò)大到預(yù)測(cè)可破壞IGBTQ4的程度的大的沖擊電流。
具體地說(shuō),在CPU電路12中,為了比較與由分路電阻R6檢測(cè)出的電流值Iinput對(duì)應(yīng)的電壓值,設(shè)定實(shí)際上由對(duì)應(yīng)于外部輸入部2設(shè)定的相位角流過(guò)的沖擊電流的值和在進(jìn)行電流感應(yīng)(センシング)的相位角α流過(guò)的電流的相關(guān)關(guān)系決定的比較基準(zhǔn)電壓值。作為該比較基準(zhǔn)電壓值,設(shè)定有與如圖2所示的IGBTQ4實(shí)際上被破壞的界限電流值Imax對(duì)應(yīng)的比較基準(zhǔn)電壓值、與作為相對(duì)于該界限電流值Imax的富裕值的短路電流值Imax1對(duì)應(yīng)的比較基準(zhǔn)電壓值、與預(yù)測(cè)IGBTQ4被沖擊電流破壞的過(guò)大的沖擊電流值Imax2相對(duì)應(yīng)的比較基準(zhǔn)電壓值。
作為檢測(cè)出流過(guò)分路電阻R6的電流用的電流感應(yīng)期間A,例如如圖3A~圖3C所示的那樣,分配為交流電源AC的兩個(gè)周期。在該電流感應(yīng)期間A中,CPU電路12根據(jù)圖4所示的流程圖進(jìn)行過(guò)電流檢查。
在交流電源AC的各半周期的規(guī)定的相位角α短時(shí)間導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)IGBTQ4時(shí)(S1),開(kāi)始對(duì)分路電阻R6上流過(guò)的電流值Iinput的過(guò)電流檢查(S2)。然后,比較與通過(guò)分路電阻R6檢測(cè)出的電流值Iinput相對(duì)應(yīng)的電壓、和與上述各電流值Imax、Imax1以及Imax2對(duì)應(yīng)的比較基準(zhǔn)電壓(S3)。如圖3A所示,電流值Iinput比沖擊電流值Imax2大,而且,比短路電流值Imax1小的情況下,CPU電路12例如將電流感應(yīng)期間A之后的兩個(gè)周期的期間設(shè)定為預(yù)熱期間的B(S4)。CPU電路12,驅(qū)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)電路14,在該預(yù)熱期間B的每半個(gè)周期中,輸出在對(duì)應(yīng)調(diào)光控制而設(shè)定的相位角附近使三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件Q1導(dǎo)通的觸發(fā)信號(hào)。
在上述預(yù)熱期間B中,CPU電路12,通過(guò)計(jì)算求出得到由外部輸入部2設(shè)定的白熾燈LA的照度比的相位角,基于零交叉檢測(cè)信號(hào)ZS在上述相位角附近的規(guī)定相位角β處將三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件Q1點(diǎn)弧。這樣,通過(guò)三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件Q1使電流流過(guò)白熾燈LA,使白熾燈LA預(yù)熱。通過(guò)該預(yù)熱,降低沖擊電流之后,向?qū)?yīng)于通常動(dòng)作C的控制轉(zhuǎn)移(S5)。
在通常動(dòng)作C中,CPU電路12基于零交叉檢測(cè)信號(hào)ZS,以得到由外部輸入部2設(shè)定的白熾燈LA的照度比的相位角,通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換電路13輸出驅(qū)動(dòng)IGBTQ4的控制信號(hào)電壓。在該驅(qū)動(dòng)中,進(jìn)行控制,如圖5所示的曲線L1那樣,使通過(guò)IGBTQ4和二極管電橋DB而附加的白熾燈LA的兩端電壓(負(fù)載電壓)緩慢上升。
含有該上升期間的IGBTQ4的驅(qū)動(dòng)期間(圖3A或者圖3C中的期間“a”),在導(dǎo)通三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件Q1之前設(shè)定,最后在IGBTQ4完全處于導(dǎo)通狀態(tài)(飽和狀態(tài))之后,再通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路14向三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件Q1的門極提供觸發(fā)用脈沖信號(hào),從而轉(zhuǎn)移到使三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件Q1導(dǎo)通的期間(圖3A或者圖3C中的期間“b”)之后結(jié)束。
而三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件Q1的導(dǎo)通期間,持續(xù)到成為保持電流以下的交流電源AC的電壓的零交叉附近。通過(guò)在交流電源電壓的每半個(gè)周期反復(fù)進(jìn)行這一連串的動(dòng)作,從而向白熾燈LA供給進(jìn)行相位控制的電力,調(diào)光到由外部輸入部2設(shè)定的照度比。
另外,在電流感應(yīng)期間A,控制驅(qū)動(dòng)作為第2開(kāi)關(guān)元件的IGBTQ4,使負(fù)載電流緩緩上升也可以。由此,可防止在IGBTQ4中一下流過(guò)電流,在達(dá)到界限電流之前,可以確實(shí)檢測(cè)出短路電流或者過(guò)大的沖擊電流,可以保護(hù)開(kāi)關(guān)元件。
CPU電路12在上述IGBTQ4的驅(qū)動(dòng)期間,為了使在白熾燈LA上施加的電壓(負(fù)載電壓)以規(guī)定的圖形平滑的變化,生成用于驅(qū)動(dòng)IGBTQ4的控制信號(hào)。例如,通過(guò)對(duì)應(yīng)于加在IGBTQ4的門極上的控制信號(hào)電,控制IGBTQ4的兩端電壓的方法,說(shuō)明控制白熾燈LA上施加的電壓的情況。CPU電路12,將IGBTQ4的驅(qū)動(dòng)期間分成多個(gè)區(qū)間,在各個(gè)區(qū)間中,生成與IGBTQ4的門極上施加的控制信號(hào)電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字控制信號(hào)。該按分時(shí)(時(shí)系列)生成的數(shù)字控制信號(hào),通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成模擬的控制信號(hào)電壓之后,施加到IGBTQ4的門極。IGBTQ4由模擬的控制信號(hào)電壓驅(qū)動(dòng),使驅(qū)動(dòng)期間的上升中的負(fù)載電壓,如圖5A所示的直線L2那樣上升或者如該圖中所示的曲線L1那樣的非線性的上升。
而且,圖6A示出了為使負(fù)載電壓呈直線狀上升而在IGBTQ4的門極上施加的控制信號(hào)電壓的變化圖形。圖6B示出了為使負(fù)載電壓呈非線形狀上升而在IGBTQ4的門極上施加的控制信號(hào)電壓的變化圖形。
圖5B中,曲線L3表示沿著如圖5A所示的直線L2使負(fù)載電壓上升的情況下的切換損失,曲線L4表示沿著如圖5A所示的曲線L1使負(fù)載電壓上升的情況下的切換損失。兩者相比較可知,使負(fù)載電壓上升的時(shí)間越短,切換損失就越小,發(fā)熱量就越少。
如圖3B所示,在電流感應(yīng)期間A中,通過(guò)幾個(gè)周期,當(dāng)由分路電阻R6檢測(cè)出的電流值Iinput超過(guò)短路電流值Imax1時(shí),CPU電路12停止相位控制動(dòng)作,而成為動(dòng)作停止模式(S6)。也可以在控制部1中設(shè)置報(bào)警器,向外部通知該動(dòng)作停止模式。
另外,在電流感應(yīng)期間A中的任何一個(gè)的半周期中,當(dāng)通過(guò)分路電阻R6檢測(cè)出的電流值Iinput超過(guò)界限電流值Imax時(shí),CPU電路12判斷為短路而立即進(jìn)行進(jìn)入動(dòng)作停止模式的處理。這種情況下,IGBTQ4的遮斷時(shí)間滯后部分,作為富裕值預(yù)先設(shè)定在界限電流值Imax中。
另一方面,在連接小容量的白熾燈LA的情況下,在電流感應(yīng)期間A中,通過(guò)分路電阻R6檢測(cè)出的電流值Iinput比沖擊電流值Imax2小。因此,如圖3C所示,電流感應(yīng)期間A結(jié)束后,CPU電路12立即進(jìn)行與上述通常動(dòng)作C對(duì)應(yīng)的控制動(dòng)作(S7)。
這樣,根據(jù)本實(shí)施例的相位控制裝置,由于在動(dòng)作開(kāi)始時(shí)設(shè)置有檢測(cè)IGBTQ4上流過(guò)的電流的電流感應(yīng)期間A,所以能夠防止負(fù)載一側(cè)短路、或者因?yàn)闆_擊電流導(dǎo)致的開(kāi)關(guān)元件的破壞。另外,在通常動(dòng)作中,由于通過(guò)IGBTQ4進(jìn)行在時(shí)間軸上分割的波形控制,所以能夠減少噪音的產(chǎn)生。
但是,如圖7A所示,在電流感應(yīng)期間A中,在交流電源AC的電壓高的相位角(例如90度附近)使IGBTQ4導(dǎo)通時(shí),此時(shí)流過(guò)的沖擊電流或者短路電流,成為達(dá)到界限值Imax那樣大的值,在用于電流感應(yīng)的短時(shí)間導(dǎo)通中,存在破壞IGBTQ4的可能性。
這種情況下,如圖7B所示,使將電流感應(yīng)期間的IGBTQ4導(dǎo)通的相位角α為低相位角、即交流電源電壓的零交叉附近也可以。由此,可以使電流感應(yīng)用的短時(shí)間導(dǎo)通中流過(guò)的沖擊電流和短路電流,成為不會(huì)破壞IGBTQ4的級(jí)別的電流Is。在交流電源電壓的零交叉點(diǎn)附近的低相位角的區(qū)域中,由于實(shí)際的沖擊電流和比較基準(zhǔn)電壓值的相對(duì)比率變高,所以能夠更確實(shí)的防止在電流感應(yīng)中破壞IGBTQ4。
另外,如圖8B所示,在經(jīng)過(guò)電流感應(yīng)期間A后的預(yù)熱期間B中,進(jìn)行控制,使導(dǎo)通角依次增大也可以。圖8A放大了圖8B的預(yù)熱期間B的波形。另外,圖8A中的Imax11~I(xiàn)max14示出在各導(dǎo)通角T1~T4的電流值的峰值。
如圖8A以及圖8B所示,使三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件Q1的每個(gè)半周期的導(dǎo)通角(投入相位角)T1、T2、T3、T4......從預(yù)熱期間B開(kāi)始時(shí)到結(jié)束為止的期間依次增大,接近與設(shè)定的照度比對(duì)應(yīng)的相位角,從而能夠使在對(duì)應(yīng)于通常動(dòng)作C時(shí)的相位控制而設(shè)定的相位角附近的沖擊電流變小。設(shè)定的相位角是90度附近時(shí),能夠減少噪音的產(chǎn)生。
由于向通常動(dòng)作C轉(zhuǎn)移前的預(yù)熱期間B的長(zhǎng)度是數(shù)個(gè)周期(圖8B中是兩個(gè)周期),用戶不能判別白熾燈LA成為設(shè)定照度的時(shí)間,能沒(méi)有失調(diào)感地進(jìn)行調(diào)光的操作。
對(duì)于這時(shí)的CPU電路12的動(dòng)作,參照?qǐng)D9的流程圖進(jìn)行說(shuō)明。而且,對(duì)于與圖4所示的流程圖相同的部分,省略其說(shuō)明。
在步驟S3中,在判斷在電流感應(yīng)期間A中通過(guò)分路電阻R6檢測(cè)出的電流值Iinput比界限電流值Imax小,而且,比沖擊電流值Imax2大的情況下,直到步驟S4中設(shè)定預(yù)熱期間B為止,與圖4中所示的情況相同,預(yù)熱期間B結(jié)束后,CPU電路12再次設(shè)定電流感應(yīng)期間A,在該電流感應(yīng)期間A中使IGBTQ4短時(shí)間導(dǎo)通而進(jìn)行過(guò)電流檢查(S20)。然后,進(jìn)行這樣的判斷處理,即是否對(duì)應(yīng)于IGBTQ4導(dǎo)通時(shí)分路電阻R6上流過(guò)的電流值Iinput的分路電阻R6的兩端電壓值比對(duì)應(yīng)于界限電流值Imax的比較基準(zhǔn)電壓值小,比對(duì)應(yīng)于沖擊電流值Imax2的比較基準(zhǔn)電壓值大(S30)。
在步驟S30的判斷處理中,與電流值Iinput對(duì)應(yīng)的分路電阻R6的兩端電壓值在與沖擊電流值Imax2對(duì)應(yīng)的比較基準(zhǔn)電壓值以下的情況下,在步驟S5中,進(jìn)行如圖10A所示那樣的通常動(dòng)作C。另一方面,與電流值Iinput對(duì)應(yīng)的分路電阻R6的兩端電壓值,比與沖擊電流值Imax2對(duì)應(yīng)的比較基準(zhǔn)電壓值大的情況下,返回到步驟S4,如圖10B所示,再次進(jìn)行設(shè)定預(yù)熱期間B的處理。然后,反復(fù)進(jìn)行步驟S4、S20、S30的一系列的處理,直到在IGBTQ4導(dǎo)通時(shí)分路電阻R6上流過(guò)的電流值Iinput在與沖擊電流值Imax2對(duì)應(yīng)的比較基準(zhǔn)電壓值以下。
這樣,在判斷沖擊電流為過(guò)電流的期間反復(fù)設(shè)定預(yù)熱期間B和電流感應(yīng)期間A,若向通常動(dòng)作C的轉(zhuǎn)移,在判斷在電流感應(yīng)期間A沖擊電流不是過(guò)電流時(shí)進(jìn)行,就能夠更加可靠的防止IGBTQ4等的元件或電路的破壞。
而且,若將再次設(shè)定的預(yù)熱期間B對(duì)應(yīng)于先前的電流感應(yīng)時(shí)的檢測(cè)電流值而進(jìn)行設(shè)定,則能夠在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移到通常動(dòng)作C。
可是,從白熾燈LA到相位控制裝置1的布線很長(zhǎng)的情況下,布線的阻抗變大,存在即使流過(guò)短路電流,在相位控制裝置1側(cè)的大小也成為與沖擊電流相同的程度的可能性。這種情況下,為了暫時(shí)儲(chǔ)存電流感應(yīng)時(shí)的檢測(cè)電流的檢測(cè)值Iinput,例如在CPU電路12內(nèi)設(shè)置由閃存等構(gòu)成的存儲(chǔ)裝置(圖中未示出),利用該存儲(chǔ)裝置中存儲(chǔ)的檢測(cè)值Iinput,進(jìn)行以下這樣的短路電流和沖擊電流的判斷處理,從而能夠可靠的判斷短路電流和沖擊電流。
在電流感應(yīng)期間A,在規(guī)定的相位角α點(diǎn)弧而使IGBTQ4短時(shí)間導(dǎo)通,在CPU電路12中比較那時(shí)流過(guò)的電流產(chǎn)生的分路電阻R6的兩端電壓和預(yù)先設(shè)定的比較基準(zhǔn)電壓值,從而判斷流過(guò)的是比沖擊電流大的過(guò)電流,或者是短路電流。這時(shí),CPU電路12在上述存儲(chǔ)裝置中存儲(chǔ)檢測(cè)值Iinput的同時(shí),比較前次的電流感應(yīng)的檢測(cè)值Iinput和這次的電流感應(yīng)中的檢測(cè)值Iinput。前次的檢測(cè)值Iinput和這次的檢測(cè)值Iinput之間存在變化的情況下,例如,兩者具有一定的差,而且,該差是在減少的情況下,判斷是由于白熾燈LA的通電導(dǎo)致的預(yù)熱效果而減少的沖擊電流。另外,前次的檢測(cè)值Iinput與這次的檢測(cè)值Iinput之間沒(méi)有差的情況下,判斷為短路電流。即使在使用比較基準(zhǔn)電壓的判斷中判斷為過(guò)大的沖擊電流,由于最后判斷為短路電流而進(jìn)行動(dòng)作停止的處理,所以能夠防止元件的破壞。
而且,在最開(kāi)始的電流感應(yīng)中,由于存儲(chǔ)裝置中沒(méi)有存儲(chǔ)前次的檢測(cè)值Iinput,不能進(jìn)行是沖擊電流還是短路電流的判斷。
如圖11所示,在電流感應(yīng)期間A的檢測(cè)值Iinput小的情況下,將IGBTQ4點(diǎn)弧的相位角α變更為相位角α’,從而使IGBTQ4導(dǎo)通的時(shí)間(導(dǎo)通角)變大,在先前的電流感應(yīng)期間A結(jié)束后設(shè)定將白熾燈LA的預(yù)熱效果提高的電流感應(yīng)期間A’也可以。由此,由于檢測(cè)值Iinput的值變大了,能夠更加正確的判斷短路電流和沖擊電流。這時(shí),在IGBTQ4的直到允許電流最大值的范圍內(nèi),設(shè)定將三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件Q1點(diǎn)弧的相位角β。
進(jìn)一步,為了判斷沖擊電流成為過(guò)電流的情況,還是成為短路電流的情況,也可以設(shè)定多個(gè)電流感應(yīng)期間A的驅(qū)動(dòng)IGBTQ4的相位角α(i)。這種情況下,對(duì)于多個(gè)相位角α(i),分別設(shè)定界限電流值Imax(i)、短路電流值Imax1(i)、沖擊電流值Imax2(i)。作為一例,圖12示出與3個(gè)相位角α(0)、α(1)以及α(2)對(duì)應(yīng)的界限電流值Imax(0)~I(xiàn)max(2)、短路電流值Imax1(0)~I(xiàn)max1(2),沖擊電流值Imx2(0)~I(xiàn)max2(2)。另外,對(duì)于CPU電路12的動(dòng)作,參照?qǐng)D13所示的流程圖進(jìn)行說(shuō)明。
低相位角短時(shí)間投入、即成為電流感應(yīng)期間A時(shí)(S1),CPU電路12開(kāi)始過(guò)電流檢查動(dòng)作(S2),在相位角α(0)短時(shí)間導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)IGBTQ4。然后,CPU電路12進(jìn)行將作為分路電阻R6的兩端電壓而檢測(cè)出的檢測(cè)電流值Iinput和界限電流值Imax(0)、短路電流值Imax1(0)、沖擊電流值Imax2(0)進(jìn)行比較的判斷處理(S40)。
在步驟S40中,判斷Imax(0)>Iinput>Imax1(0)、且Imax1(0)>Iinput>Imax2(0)的情況下,CPU電路12進(jìn)一步判斷電流感應(yīng)期間A是否結(jié)束(S50)。在電流感應(yīng)期間A沒(méi)有結(jié)束時(shí),在接下來(lái)的半個(gè)周期中進(jìn)行使驅(qū)動(dòng)IGBTQ4的相位角從α(0)變化為α(1)的設(shè)定處理(S60),返回到步驟S2。
在步驟S2中,在由步驟S60設(shè)定的相位角α(1)處短時(shí)間導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)IGBTQ4。在步驟S40中,判斷Imx(1)>Iinput>Imax1(1),且Imax1(1)>Iinput>Imax2(1)的情況下,在步驟S60中,在接下來(lái)的半個(gè)周期中使驅(qū)動(dòng)IGBTQ4的相位角從α(1)變化為α(2)。相位角設(shè)定為4個(gè)以上的情況也同樣使相位角α(i)依次變化。圖14示出了在電流感應(yīng)期間A中,使短時(shí)間導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)IGBTQ4的相位角α(i)變化的狀態(tài)。
電流感應(yīng)期間A結(jié)束后(S50為“是”),在步驟S3的綜合判斷過(guò)程中,從判斷為Iinput>Imax1(i)的結(jié)果數(shù)量和判斷為Imax1(i)>Iinput>Imax2(i)的結(jié)果數(shù)量、和判斷為Iinput<Imax2(i)的結(jié)果數(shù)量,判斷沖擊電流是過(guò)電流還是短路電流。而判斷檢測(cè)出短路電流的情況下,CPU電路12停止相位控制動(dòng)作,成為動(dòng)作停止模式(S6)。另一方面,判斷沖擊電流是過(guò)電流的情況下,CPU電路12與圖4所示的情況相同而進(jìn)行設(shè)定預(yù)熱期間B的動(dòng)作(S4),該預(yù)熱期間B結(jié)束之后轉(zhuǎn)移到通常動(dòng)作的控制(S5)。
另外,在步驟S40中判斷為Iinput<Imax2(0)的情況下,在綜合判斷過(guò)程(S3)中,立即轉(zhuǎn)移到通常動(dòng)作的控制(S7)。進(jìn)一步,在Iinput>Imax1(0)的情況下,不用說(shuō),立即停止動(dòng)作。而且,在步驟3中進(jìn)行綜合判斷的情況下,例如將判斷結(jié)果數(shù)量最多的判斷結(jié)果作為判斷結(jié)果采用也可以。
本申請(qǐng)是基于日本專利申請(qǐng)2003-284185的申請(qǐng),其內(nèi)容是根據(jù)參照上述專利申請(qǐng)的說(shuō)明書和附圖與本申請(qǐng)發(fā)明進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合作為其結(jié)果得到的方案。
另外,本申請(qǐng)發(fā)明,雖然根據(jù)參照附圖的實(shí)施例充分記載,但是對(duì)于本領(lǐng)域的具有普通知識(shí)的人來(lái)說(shuō),還可進(jìn)行各種各樣的變更或變形。因此,這樣的變更和變形,并未脫離本申請(qǐng)發(fā)明的范圍,也應(yīng)當(dāng)包含在本申請(qǐng)發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種相位控制裝置,連接在交流電源和白熾燈之間,進(jìn)行白熾燈的調(diào)光,其特征在于,具有第1開(kāi)關(guān)元件,由反向阻斷3端子半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件或者雙方向3端子半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件構(gòu)成;第2開(kāi)關(guān)元件,由自滅弧型開(kāi)關(guān)元件構(gòu)成,連接在前述第1開(kāi)關(guān)元件的兩端;控制部,控制前述第1開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通以及第2開(kāi)關(guān)元件的驅(qū)動(dòng);負(fù)載電流檢測(cè)裝置,在前述第2開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通時(shí),檢測(cè)通過(guò)前述第2開(kāi)關(guān)元件而流動(dòng)的負(fù)載電流,前述控制部,在相位控制時(shí),從動(dòng)作開(kāi)始起在規(guī)定時(shí)間內(nèi),設(shè)定電流感應(yīng)期間,進(jìn)行規(guī)定次數(shù)的使前述第2開(kāi)關(guān)元件在交流電源電壓的規(guī)定的相位角處短時(shí)間導(dǎo)通的電流感應(yīng)動(dòng)作,前述電流感應(yīng)期間中,比較來(lái)自前述負(fù)載電流檢測(cè)裝置的檢測(cè)值和預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)值,從該比較結(jié)果選擇使前述第2開(kāi)關(guān)元件以及第1開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通的形式,在前述檢測(cè)值比與白熾燈的沖擊電流具有相對(duì)應(yīng)關(guān)系的基準(zhǔn)值大、并且比與短路電流具有相對(duì)應(yīng)關(guān)系的基準(zhǔn)值小的情況下,從電流感應(yīng)動(dòng)作的結(jié)束起設(shè)定預(yù)熱期間,進(jìn)行僅使前述第1開(kāi)關(guān)元件在交流電源電壓的預(yù)先設(shè)定的相位角處導(dǎo)通的控制,從前述預(yù)熱期間結(jié)束起,設(shè)定傾斜上升期間,從設(shè)定的規(guī)定的相位角起控制驅(qū)動(dòng)前述第2開(kāi)關(guān)元件,使通過(guò)前述第2開(kāi)關(guān)元件而施加在白熾燈上的負(fù)載電壓慢慢上升,經(jīng)過(guò)該傾斜上升期間之后,使前述第1開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通,在前述檢測(cè)值比與短路電流具有相對(duì)應(yīng)關(guān)系的基準(zhǔn)值大的情況下使相位控制動(dòng)作停止。
2.如權(quán)利要求1所述的相位控制裝置,其特征在于,將前述電流感應(yīng)期間的使前述第2開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通的相位角設(shè)定為前述交流電源電壓的零交叉附近的相位角。
3.如權(quán)利要求1或2所述的相位控制裝置,其特征在于,在前述電流感應(yīng)動(dòng)作中,在設(shè)定多個(gè)使前述第2開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通的相位角的同時(shí),按設(shè)定的每個(gè)相位角設(shè)定前述基準(zhǔn)值,在前述電流感應(yīng)動(dòng)作期間內(nèi)使投入相位角變化,比較與各投入相位角對(duì)應(yīng)的前述基準(zhǔn)值、來(lái)自負(fù)載電流檢測(cè)裝置的檢測(cè)值、判斷基準(zhǔn)值,從該比較結(jié)果選擇使前述第2開(kāi)關(guān)元件以及第1開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通的形式。
4.如權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述的相位控制裝置,其特征在于,在前述電流感應(yīng)動(dòng)作時(shí),控制驅(qū)動(dòng)前述第2開(kāi)關(guān)元件,使負(fù)載電流慢慢上升。
5.如權(quán)利要求1~4中任一項(xiàng)所述的相位控制裝置,其特征在于,在前述預(yù)熱期間,將使前述第1開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通的相位角設(shè)定在對(duì)應(yīng)于白熾燈的相位控制而設(shè)定的相位角附近。
6.如權(quán)利要求1~5中任一項(xiàng)所述的相位控制裝置,其特征在于,在前述預(yù)熱期間,將使前述第1開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通的相位角設(shè)定在對(duì)應(yīng)于白熾燈的相位控制而設(shè)定的相位角附近的同時(shí),使從預(yù)熱期間的開(kāi)始起到結(jié)束止的各導(dǎo)通時(shí)的導(dǎo)通角按依次增大方向變化。
7.如權(quán)利要求1~6中任一項(xiàng)所述的相位控制裝置,其特征在于,前述控制部,在前述預(yù)熱期間結(jié)束之后再次設(shè)定電流感應(yīng)期間,在新的電流感應(yīng)期間,判斷前述負(fù)載電流檢測(cè)裝置的檢測(cè)值是否超過(guò)與沖擊電流對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)值,在超過(guò)的情況下再次設(shè)定預(yù)熱期間,之后,反復(fù)進(jìn)行電流感應(yīng)期間和預(yù)熱期間的設(shè)定,直到前述負(fù)載電流檢測(cè)裝置的檢測(cè)值變?yōu)榕c沖擊電流對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)值以下。
8.如權(quán)利要求1所述的相位控制裝置,其特征在于,前述控制部,具有存儲(chǔ)電流感應(yīng)期間中的每個(gè)電流感應(yīng)動(dòng)作的前述負(fù)載電流檢測(cè)裝置的檢測(cè)值的存儲(chǔ)裝置,若存儲(chǔ)于前述存儲(chǔ)裝置中的過(guò)去的檢測(cè)值和這次的檢測(cè)值之間有變動(dòng),就判斷是沖擊電流,若沒(méi)有變動(dòng)就判斷是短路電流,判斷為沖擊電流的情況下設(shè)定前述預(yù)熱期間,判斷為短路電流的情況下停止相位控制動(dòng)作。
全文摘要
一種相位控制裝置,用于白熾燈的調(diào)光,可實(shí)現(xiàn)低噪音化、防止由短路電流引起的元件破壞、小型化以及低成本化。控制部(10)的CPU電路(12),在從動(dòng)作開(kāi)始的規(guī)定時(shí)間內(nèi)設(shè)定電流感應(yīng)期間,進(jìn)行規(guī)定次數(shù)的使IGBT(Q4)在交流電源電壓的零交叉附近的低相位角處短時(shí)間導(dǎo)通的電流感應(yīng)動(dòng)作,在該電流感應(yīng)時(shí),讀取由分路電阻(R6)檢測(cè)出的檢測(cè)值與預(yù)先設(shè)定的多個(gè)基準(zhǔn)值進(jìn)行比較,根據(jù)比較結(jié)果選擇IGBT(Q4)以及三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件(Q1)的導(dǎo)通形式。
文檔編號(hào)H02M5/257GK1582080SQ200410061838
公開(kāi)日2005年2月16日 申請(qǐng)日期2004年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月31日
發(fā)明者向井達(dá)哉, 北村常弘, 村田之廣, 岡田健治 申請(qǐng)人:松下電工株式會(huì)社