JP2004112971A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直流電源とＤＣ−ＤＣコンバータとの接続を容易にし、大型化やコストアップを抑制した電源装置を提供する。
【解決手段】直流電源１のＸ端子を電磁遮断器２ａを介してＤＣ−ＤＣコンバータ５のＡ端子に接続し、Ｙ端子を電磁遮断器２ｂを介してＢ端子に接続する。また、中間電位端子Ｚ３端子をＣ端子に接続する。そして、平滑コンデンサ８ａで平滑化された高電位側セル１ａの電圧を、トランス３の一次側コイルの中間タップと、一次側コイルの一端にソース端子が接続されたＭＯＳＦＥＴ４ａのドレイン端子との間に印加する一方、平滑コンデンサ８ｂで平滑化された低電位側セル１ｂの電圧を、一次側コイルの中間タップと、一次側コイルの一端にドレイン端子が接続されたＭＯＳＦＥＴ４ｂのソース端子との間に印加する。そして、ＭＯＳＦＥＴ４ａ、４ｂを交互に導通及び遮断することで、トランス３の２次側コイルに交流電圧を発生させる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流電源の電圧変換を行うＤＣ−ＤＣコンバータを備えた電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電源装置では、高圧の電源電圧の電圧変換を行う場合は、感電への考慮からトランスを用いた絶縁式のＤＣ−ＤＣコンバータを使用している。このようなＤＣ−ＤＣコンバータでは、直流電源を交流に変換し、トランスの電磁誘導現象を利用して電圧変換を行う。すなわち、トランスの電磁誘導現象により電圧変換された交流電圧を生成し、更にこれを再度整流して、電圧変換された直流電圧に変換する。
また、電源を直流から交流へ変換する際には、一般的にフルブリッジ、ハーフブリッジ、プッシュプル等、直流電源と正負両端の２接点で接続されたトランス及びスイッチング素子を利用したブリッジ回路を構成し、該スイッチング素子の導通・遮断制御により、トランスの電磁誘導現象を発生させる（例えば、非特許文献１、または非特許文献２参照。）。
【０００３】
更に、図面を参照して説明すると、従来のプッシュプル方式のブリッジ回路を使用したＤＣ−ＤＣコンバータを備える電源装置は、例えば図２に示すように、直流電源５１の電圧を、電磁遮断器５２を介して、電圧を変換するためのトランス５３とスイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ　：電界効果トランジスタ）５４ａ、５４ｂとからなるプッシュプル回路を備えたＤＣ−ＤＣコンバータ５５に印加する。
【０００４】
具体的には、平滑コンデンサ５８により平滑化された電圧を、トランス５３の一次側コイルの中間タップと、該一次側コイルの両端にそれぞれのドレイン端子が接続されたＭＯＳＦＥＴ５４ａ、５４ｂのソース端子との間に印加し、ＭＯＳＦＥＴ５４ａ、５４ｂを交互に導通及び遮断することで、トランス５３の２次側コイルに電磁誘導現象による交流電圧を発生させる。
そして、この交流電圧を整流ダイオード５９ａ、５９ｂにより整流すると共に、平滑コンデンサ６０により平滑化して直流電圧に変換し、負荷６１に供給することでＤＣ−ＤＣコンバータ５５の機能を実現する（例えば、特許文献１、または特許文献２、または特許文献３参照。）。
【０００５】
また、特に高電圧大電流の電源装置では、図２に示すように、保守点検作業やメンテナンス時等に作業の安全性を確保する為、直流電源を２つのセルに分割し、分割された高電位側セル５１ａと低電位側セル５１ｂとの間に、電力の供給または遮断を制御する電力遮断器５７を備えているものがある（例えば、特許文献４参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
実開平０７−１６５９５号公報
【特許文献２】
特開平０８−６６０２９号公報
【特許文献３】
特開２００１−１１２２５３号公報
【特許文献４】
特開２００１−２３７００号公報（第３−４頁、第４図）
【非特許文献１】
原田耕介監修、「スイッチング電源ハンドブック」、第２版、日刊工業新聞社、２００１年１月２５日、ｐ．１５
【非特許文献２】
社団法人日本電子機械工業会編集、「スイッチング電源の現状と動向１９９８」、社団法人日本電子機械工業会、平成１０年３月、ｐ．２６−２７
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のプッシュプル方式のブリッジ回路を使用したＤＣ−ＤＣコンバータは、他の方式と比較してスイッチング素子数が少なく回路が単純である反面、２個のスイッチング素子の一方には、他方のスイッチング素子及びトランスの一次側コイルにより生成される逆起電力による直流電源の電圧と同等の電圧と、直流電源により印加される直流電源の電圧とが、トランスの一次側コイルの中間タップを介して印加されるため、直流電源の電圧のほぼ２倍の電圧が同時に印加されることとなる。このため、直流電源の電圧が大きいほどスイッチング素子の耐圧を上げる必要があり、電源装置のコストアップにつながってしまうという問題があった。
【０００８】
また、直流電源の出力は２端子であるため、トランスの一次側コイルの両端端子と中間タップとからなる３端子を２端子の直流電源と接続しなければならないプッシュプル方式コンバータを適用する場合、回路を実現する際に配線パターンをクロスさせる必要があるため、回路の複雑化や装置の大型化、コストアップなどが発生する可能性があるという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、直流電源とＤＣ−ＤＣコンバータとの接続を容易にし、大型化やコストアップを抑制した電源装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明に係る電源装置は、内部を構成するセルを高電位側と低電位側との２つのセル（例えば実施の形態の高電位側セル１ａ及び低電位側セル１ｂ）に分割することにより生成された中間電位を出力する中間電位端子（例えば実施の形態のＺ３端子）を備えた直流電源（例えば実施の形態の直流電源１）と、該直流電源の電圧変換を行うＤＣ−ＤＣコンバータ（例えば実施の形態のＤＣ−ＤＣコンバータ５）とを備えた電源装置であって、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが、一次側コイルに中間タップを備えると共に該中間タップが前記直流電源の中間電位端子に接続されたトランス（例えば実施の形態のトランス３）と、前記直流電源の正極端子（例えば実施の形態のＸ端子）と前記トランスの一次側コイルのいずれか一方の端子との間に接続され、前記トランスの一次側コイルへの通電を制御する第１のスイッチング素子（例えば実施の形態のＭＯＳＦＥＴ４ａ）と、前記直流電源の負極端子（例えば実施の形態のＹ端子）と前記トランスの一次側コイルの残る他方の端子との間に接続され、前記トランスの一次側コイルへの通電を制御する第２のスイッチング素子（例えば実施の形態のＭＯＳＦＥＴ４ｂ）と、前記直流電源の正極端子と前記中間タップとの間に接続される第１の平滑コンデンサ（例えば実施の形態の平滑コンデンサ８ａ）と、前記直流電源の負極端子と前記中間タップとの間に接続される第２の平滑コンデンサ（例えば実施の形態の平滑コンデンサ８ｂ）とを含むことを特徴とする。
【００１１】
以上の構成を備えた電源装置は、第１のスイッチング素子が、トランスの一次側コイルの中間タップを介して直流電源の正極端子と中間電位端子との間の通電を制御することで、トランスの２次側コイルに電磁誘導現象による電圧変換された交流を生成し、同様に第２のスイッチング素子が、トランスの一次側コイルの中間タップを介して直流電源の中間電位端子と負極端子との間の通電を制御することで、トランスの２次側コイルに電磁誘導現象による電圧変換された交流を生成する。これにより、第１のスイッチング素子には、第２のスイッチング素子及びトランスの一次側コイルにより生成される逆起電力による直流電源の電圧の半分の電圧と直流電源の高電位側のセルにより印加される直流電源の電圧の半分の電圧とが、トランスの一次側コイルの中間タップを介して同時に印加されるため、直流電源の電圧とほぼ同等の電圧が印加されることになり、同様に第２のスイッチング素子にも、直流電源の電圧とほぼ同等の電圧が印加されることになるので、スイッチング素子の耐圧を、従来のプッシュプル方式のブリッジ回路を使用したＤＣ−ＤＣコンバータより低くすることができる。
【００１２】
請求項２の発明に係る電源装置は、請求項１に記載の電源装置において、前記直流電源の中間電位を生成する時に分割された高電位側のセルの負極側端子（例えば実施の形態のＺ１端子）と、前記直流電源の中間電位を生成する時に分割された低電位側のセルの正極側端子（例えば実施の形態のＺ２端子）と、前記直流電源の中間電位端子との間に、これら３端子を同時に短絡または開放することができる３個の接点を具備する３端子３接点スイッチ（例えば実施の形態の３端子３接点スイッチ７）を備えたことを特徴とする。
【００１３】
以上の構成を備えた電源装置は、３端子３接点スイッチを用いて、直流電源の高電位側のセルの負極側端子と、直流電源の低電位側のセルの正極側端子と、直流電源の中間電位端子の３端子を同時に短絡または開放することにより、直流電源の中間電位端子とトランスの中間タップとを接続することにより必要となる、電気安全上の観点から電力供給を遮断するためのスイッチ数の増加を抑制することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施の形態の電源装置を示す回路図である。
図１において、本実施の形態の電源装置は、直流電源１の正極端子に接続されると共に該正極端子との間の短絡または開放を制御する電磁遮断器２ａと直流電源１の負極端子に接続されると共に該負極端子との間の短絡または開放を制御する電磁遮断器２ｂとを介して、直流電源１の電圧を、電圧を変換するためのトランス３と該トランス３に対する通電を制御するための例えばスイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ　：電界効果トランジスタ）４ａ、４ｂとを備えたＤＣ−ＤＣコンバータ５に印加する。
【００１５】
具体的に直流電源１からＤＣ−ＤＣコンバータ５への電圧の印加方法を説明すると、直流電源１から、まずその正極端子をＸ端子、負極端子をＹ端子として出力する。また、直流電源１の内部を構成するセルを高電位側セル１ａと低電位側セル１ｂとの２つに分割し、直流電源１の分割された高電位側セル１ａの負極側端子をＺ１端子とする。また、直流電源１の分割された低電位側セル１ｂの正極側端子から過電流時に電流路を遮断するヒューズ６を介した端子をＺ２端子とする。
【００１６】
そして、３端子を同時に短絡または開放することができる３個の接点を具備する３端子３接点スイッチ７を介して、Ｚ１端子及びＺ２端子を、直流電源１の中間電位を出力する中間電位端子であるＺ３端子として出力する。すなわち、３端子３接点スイッチ７の３個の端子には、Ｚ１端子、Ｚ２端子、Ｚ３端子がそれぞれ接続され、３端子３接点スイッチ７により、Ｚ１端子、Ｚ２端子、Ｚ３端子は、同時に短絡または開放することができる。
【００１７】
一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ５では、トランス３の一次側コイルのいずれか一方にＭＯＳＦＥＴ４ａのソース端子を、またトランス３の一次側コイルの残る他方にＭＯＳＦＥＴ４ｂのドレイン端子を接続すると共に、ＭＯＳＦＥＴ４ａのドレイン端子を正極入力端子であるＡ端子、ＭＯＳＦＥＴ４ｂのソース端子を負極入力端子であるＢ端子、トランス３の中間タップを中間入力端子であるＣ端子として出力する。なお、正極入力端子のＡ端子と中間入力端子のＣ端子との間には平滑コンデンサ８ａが接続され、負極入力端子のＢ端子と中間入力端子のＣ端子との間には平滑コンデンサ８ｂが接続されている。
【００１８】
そして、直流電源１のＸ端子を電磁遮断器２ａを介してＤＣ−ＤＣコンバータ５のＡ端子に接続し、直流電源１のＹ端子を電磁遮断器２ｂを介してＤＣ−ＤＣコンバータ５のＢ端子に接続する。また、直流電源１のＺ３端子をＤＣ−ＤＣコンバータ５のＣ端子に接続する。
【００１９】
これにより、平滑コンデンサ８ａにより平滑化された直流電源１の高電位側セル１ａによる電圧を、トランス３の一次側コイルの中間タップと、該一次側コイルの一端にソース端子が接続されたＭＯＳＦＥＴ４ａのドレイン端子との間に印加する一方、平滑コンデンサ８ｂにより平滑化された直流電源１の低電位側セル１ｂによる電圧を、トランス３の一次側コイルの中間タップと、該一次側コイルの一端にドレイン端子が接続されたＭＯＳＦＥＴ４ｂのソース端子との間に印加し、ＭＯＳＦＥＴ４ａ、４ｂを交互に導通及び遮断することで、トランス３の２次側コイルに電磁誘導現象による交流電圧を発生させる。
【００２０】
そして、図２に示す従来のＤＣ−ＤＣコンバータ５５と同様に、トランス３の二次側コイルに発生した交流電圧を整流ダイオード５９ａ、５９ｂにより整流すると共に、平滑コンデンサ６０により平滑化して直流電圧に変換し、負荷６１に供給することでＤＣ−ＤＣコンバータ５の機能を実現する。
なお、直流電源１からトランス３の一次側コイルに印加される電圧が小さくなることにより、トランス３の２次側コイルに電磁誘導現象によって誘起される交流電圧が小さくなる場合は、トランス３の一次側コイルと二次側コイルの巻き線比を変更することにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力電圧を適正な値に調整することができる。
【００２１】
以上説明したように、本実施の形態の電源装置は、トランス３に対する通電を制御するＭＯＳＦＥＴ４ａに対し、直流電源１の高電位側セル１ａから電圧を印加し、トランス３の一次側コイルの一方の端子と中間タップとの間に通電する。同様に、トランス３に対する通電を制御するＭＯＳＦＥＴ４ｂに対し、直流電源１の低電位側セル１ｂから電圧を印加し、トランス３の一次側コイルの残る他方の端子と中間タップとの間に通電する。
そして、ＭＯＳＦＥＴ４ａ、４ｂの導通・遮断を交互に繰り返すことで、トランス３の二次側コイルに電磁誘導現象を発生させ、これを整流することで、直流電源１の電圧を変換してＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力電圧として負荷６１へ供給する。
【００２２】
これにより、ＭＯＳＦＥＴ４ａには、ＭＯＳＦＥＴ４ｂ及びトランス３の一次側コイルにより生成される逆起電力による直流電源１の電圧の半分の電圧と直流電源１の高電位側セル１ａにより印加される直流電源１の電圧の半分の電圧とが、トランス３の一次側コイルの中間タップを介して同時に印加されるため、直流電源１の電圧とほぼ同等の電圧が印加されることになり、同様にＭＯＳＦＥＴ４ｂにも、直流電源１の電圧とほぼ同等の電圧が印加されることになるので、ＭＯＳＦＥＴ４ａ、４ｂの耐圧を、従来のプッシュプル方式のブリッジ回路を使用したＤＣ−ＤＣコンバータより低くすることができる。
【００２３】
また、３端子出力の直流電源１と３端子入力のＤＣ−ＤＣコンバータ５とを、各端子同士を１対１に対応させて接続すれば良いため、回路を実現する際に配線パターンをクロスさせる必要がなく、回路の複雑化や装置の大型化、コストアップなどが発生しないという効果が得られる。
更に、直流電源１の低電位側セル１ｂの正極側端子Ｚ２端子と、直流電源１の高電位側セル１ａの負極側端子Ｚ１端子と、直流電源の中間電位端子Ｚ３端子の３端子を同時に短絡または開放する３端子３接点スイッチ７を用いて、直流電源１からＤＣ−ＤＣコンバータ５へ供給される電力を遮断することで、直流電源の中間電位端子とトランスの中間タップとを接続することにより必要となる、電気安全上の観点から電力供給を遮断するためのスイッチ数の増加を抑制することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上の如く、請求項１に記載の電源装置によれば、第１のスイッチング素子が、トランスの一次側コイルの中間タップを介して直流電源の正極端子と中間電位端子との間の通電を制御し、同様に第２のスイッチング素子が、トランスの一次側コイルの中間タップを介して直流電源の中間電位端子と負極端子との間の通電を制御することで、トランスの２次側コイルに電磁誘導現象による電圧変換された交流を生成する。
これにより、第１、及び第２のスイッチング素子には、直流電源の電圧とほぼ同等の電圧が印加されることになるので、スイッチング素子の耐圧を、従来のプッシュプル方式のブリッジ回路を使用したＤＣ−ＤＣコンバータより低くすることができる。
【００２５】
従って、電源装置に利用するスイッチング素子の耐圧を下げることにより、スイッチング素子に対するコストを低減し、直流電源の電圧が大きくても電源装置全体のコストダウンを行った電源装置を実現することができるという効果が得られる。
また、３端子出力の直流電源と３端子入力のＤＣ−ＤＣコンバータを各端子同士を１対１に対応させて接続すれば良いため、回路を実現する際に配線パターンをクロスさせる必要がなく、回路の複雑化による設計工数の増大や装置の大型化、コストアップなどが発生しないという効果が得られる。
【００２６】
請求項２に記載の電源装置によれば、３端子３接点スイッチを用いて、直流電源の高電位側のセルの負極側端子と低電位側のセルの正極側端子、更には中間電位端子の３端子とを同時に短絡または開放することにより、電気安全上の観点から電力供給を遮断するためのスイッチ数の増加を抑制することができる。
【００２７】
従って、電源装置に利用するスイッチの個数を減らすことにより、スイッチに対するコストや回路規模を低減し、直流電源の電圧が大きくても電源装置全体のコストアップを抑制することができる請求項１に記載の発明に係る電源装置のコストを更に低減することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の電源装置を示す回路図である。
【図２】従来の電源装置を示す回路図である。
【符号の説明】
１　　直流電源
１ａ　　高電位側セル
１ｂ　　低電位側セル
３　　トランス
４ａ　　ＭＯＳＦＥＴ（第１のスイッチング素子）
４ｂ　　ＭＯＳＦＥＴ（第２のスイッチング素子）
５　　ＤＣ−ＤＣコンバータ
７　　３端子３接点スイッチ
８ａ、８ｂ　　平滑コンデンサ

Claims (2)

1. 内部を構成するセルを高電位側と低電位側との２つのセルに分割することにより生成された中間電位を出力する中間電位端子を備えた直流電源と、
   該直流電源の電圧変換を行うＤＣ−ＤＣコンバータと
   を備えた電源装置であって、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータが、
   一次側コイルに中間タップを備えると共に該中間タップが前記直流電源の中間電位端子に接続されたトランスと、
   前記直流電源の正極端子と前記トランスの一次側コイルのいずれか一方の端子との間に接続され、前記トランスの一次側コイルへの通電を制御する第１のスイッチング素子と、
   前記直流電源の負極端子と前記トランスの一次側コイルの残る他方の端子との間に接続され、前記トランスの一次側コイルへの通電を制御する第２のスイッチング素子と、
   前記直流電源の正極端子と前記中間タップとの間に接続される第１の平滑コンデンサと、
   前記直流電源の負極端子と前記中間タップとの間に接続される第２の平滑コンデンサと
   を含むことを特徴とする電源装置。
2. 前記直流電源の中間電位を生成する時に分割された高電位側のセルの負極側端子と、
   前記直流電源の中間電位を生成する時に分割された低電位側のセルの正極側端子と、
   前記直流電源の中間電位端子との間に、
   これら３端子を同時に短絡または開放することができる３個の接点を具備する３端子３接点スイッチ
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。

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