JP2004215498A - 絶縁された低電圧の電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 全波三相整流ブリッジの中又は上流の、高電圧の負荷の制御回路を低電圧で給電する絶縁回路を提供する。
【解決手段】 絶縁回路は、
第１電極をブリッジの整流出力端子の１つに接続させた第１の低電圧コンデンサと、
低電圧を供給する少なくとも１つの第２のコンデンサとを備え、
該第２のコンデンサの第１電極は、ブリッジの交流入力端子の１つに接続され、それらコンデンサの第２電極それぞれは、カソードを第２のコンデンサに接続させた高電圧ダイオードによって接続されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、比較的に高い電圧で給電される負荷の制御又はスイッチのための回路に対する、比較的に低い直流電圧の電源装置に関する。本発明は、より詳細には、整流ブリッジの上流での高電圧の負荷の制御回路の給電に関し、例えば、スイッチング電源型の電力コンバータに整流電圧を供給することに関する。

図１は、負荷２（Ｑ）の、この例ではスイッチＫを介した、制御回路１に対する、比較的に低い供給電圧の電源の第１の従来例を、ブロック図で概略的に表した図である。負荷２（Ｑ）は、端子ＰとＮとの間に印加された比較的に高い交流電圧Ｖ_ａｃによって、給電されている。端子Ｐ及びＮは、例えばスイッチング電源型の電力コンバータ４（ＣＯＮＶ）に給電する、整流出力端子Ｅ及びＭを有する全波整流ブリッジ３の交流入力端子に対応する。図１の例では、コンバータ４は、異なるレベル（例えば２つの電圧Ｖ_ｓ１及びＶ_ｓ２）の直流電圧を供給し、その電圧は、ブリッジ３の出力接地Ｍとは別の接地Ｇを基準としている。

制御回路１の供給電圧は、例えば、補助巻線を用いてコンバータ４により供給される電圧Ｖ_ｓａｕｘから給電される供給ブロック６によって供給される。

問題点は、電圧Ｖ_ｓａｕｘを供給する巻線は、交流電源の中性点Ｎを基準としなければならない、つまりコンバータ４の他の出力電圧の接地Ｇから絶縁させなければならない、ということである。実際のコンバータ４内でのこの絶縁の必要性は、交流回路網を基準とする補助巻線が存在することに関係し、コンバータの複雑さと大きさを増加させる。

さらに、補助巻線は、その結合を変更させ、コンバータの漏れインダクタンスも増加させる。

図２は、交流電圧Ｖ_ａｃによって給電された負荷２の制御回路１に対する供給電圧の供給の第２の従来例を表している。図２はまた、全波整流ブリッジ３及びスイッチング電源型のコンバータ４’を表している。図１との大きな違いは、図２の例は、コンバータ４’の補助巻線のかわりに、整流ブリッジ３の上流で高電圧コンデンサＣＸを使用していることである。コンデンサＣＸは、電極の１つが交流電源のフェイズＰに接続され、もう一方の電極が、ダイオードＤ及び回路１の供給電圧を供給するコンデンサＣに直列な抵抗Ｒに接続されている。ツェナーダイオードＤＺが、抵抗ＲとダイオードＤとの接続点と、交流電源の中性点Ｎとの間に接続される。ツェナーダイオードＤＺは、コンデンサＣの両端の電圧の値、従って回路１の低供給電圧の値を設定する。ダイオードＤは整流素子として用いられ、コンデンサＣは交流電源Ｖ_ａｃの２つから１つの半波で再充電される。それは、ダイオードＤＺがコンデンサＣＸを介して順方向に導通するからである。

図２の例は、制御回路１の給電を供給するコンデンサＣと直列の非消費型高インピーダンスを形成することから成るが、図１の例と同様、大きさと費用の面での問題を有する。

本発明は、比較的に高い電圧で、一般的には交流電圧で給電された負荷の制御回路を、比較的に低い電圧で給電する新しい解決方法を提供し、従来の不利な点を克服することを目的としている。

整流ブリッジにより給電される電力コンバータを備える回路への応用において、本発明は、より具体的には、整流ブリッジの上流、下流に配置された制御回路１の供給電力をとり出している間、コンバータの特定の補助巻線の使用を回避し、それによって絶縁の問題を解決することを目的としている。

本発明はまた、整流ブリッジの上流での高インピーダンスの使用を回避することを目的としている。

これら及び他の目的を達成するために、本発明は、整流ブリッジの中又は上流の、高電圧の負荷の制御回路の低電圧の電源の絶縁回路を提供し、該絶縁回路は、
第１電極をブリッジの整流出力端子の１つに接続させた第１の低電圧コンデンサと、
低電圧を供給する少なくとも１つの第２のコンデンサとを備え、
該第２のコンデンサの第１電極は、ブリッジの交流入力端子の１つに接続され、それらコンデンサの第２電極それぞれは、カソードを第２のコンデンサに接続させた高電圧ダイオードによって接続されていることを特徴としている。

本発明の一実施形態によると、ブリッジの導通周期の間、すなわちコンデンサの第１電極それぞれを接続する、整流素子のブリッジが導通を行う時に、第２のコンデンサの充電が行われ、この素子は、最負電位を有する電極を接続している。

本発明の一実施形態によると、第１のコンデンサは、ブリッジの下流で、回路に低電圧を供給するコンデンサである。

本発明の一実施形態によると、回路は、第２の高電圧ダイオードを有し、該ダイオードは、論理制御スイッチを介してアノードを第１のコンデンサの第２電極に接続させ、ブリッジの上流でカソードを制御回路の論理入力端子に接続させている。

本発明の一実施形態によると、整流ブリッジは、全波又は３相ブリッジである。

本発明の一実施形態によると、ブリッジは、合成又は制御ブリッジである。

本発明の一実施形態によると、負荷は、ブリッジの整流素子の少なくとも１つで形成される。

本発明の一実施形態によると、第１のコンデンサは、ブリッジの下流で、スイッチング電源のトランスの補助巻線によって充電される。

上述した本発明の更なる目的、特徴及び利点は、図面と共に具体的な実施形態の限定されていない以下の記述で、詳細に論じられる。

同一要素は、異なる図面でも同一の符号で参照される。分かりやすくするために、本発明の理解に必要な要素のみが図で示され、ここに詳述される。特に、本発明は、スイッチング電源型のコンバータを給電するためのブリッジの適応例に関して記述されている。しかし、本発明はより一般的には、全波又は三相の整流ブリッジの下流に接続されている素子であれば何でも、低電圧のコンデンサがそこで利用可能であれば、適応する。更に、スイッチング電源型の電力コンバータの構造は詳述されておらず、本発明の目的ではない。

本発明の特徴は、整流ブリッジの上流に配置され、絶縁された低電圧制御回路の給電を意図されたコンデンサに給電する全波又は三相の整流ブリッジの下流で、比較的に低い電圧を蓄積するコンデンサを用いることである。本発明によると、２つのコンデンサが、絶縁を提供する高電圧ダイオードによって接続される。

本発明の別の特徴は、ブリッジの上流に位置するコンデンサの充電回路を閉じるために、全波又は三相ブリッジのダイオードの１つ（より一般的には整流素子の１つ）を用いることである。この点で、本発明は、ブリッジに集積化されたこの整流素子を順方向の導通で用い、ブリッジの下流の電力コンバータへの電力送出を確実にする。

図３は、ブロック図の形式で、本発明の絶縁された低電圧供給回路１０の一実施形態を概略的に表している。回路１０は、高電圧の負荷２（Ｑ）の制御回路１（ＣＴＲＬ）に給電するための電圧Ｖを供給するよう意図されている。図３の例では、回路１は、交流電圧Ｖ_ａｃを印加する２つの端子ＰとＮとの間で負荷２と直列に置かれたスイッチＫを制御する。全波整流ブリッジ３は、交流入力部を端子Ｐ及びＮに接続し、また、図２の従来例と同様のスイッチング電源型のコンバータ４’ＣＯＮＶへ、整流された高電圧を供給する。図３では、高電圧のコンデンサＣＨＴは、ブリッジ３の整流出力端子ＥとＭとの間にある。コンデンサＣＨＴは、コンデンサ供給電圧を蓄積するよう意図されている。この例では、ブリッジ３は、４つのダイオードＤ１からＤ４で形成されており、ダイオードＤ２及びＤ４と同様ダイオードＤ１及びＤ３も、端子ＥとＭとの間で直列である。ダイオードＤ１及びＤ２のアノードは、それぞれ端子Ｐ及びＮに接続されている。

本発明によると、回路１０は基本的に、
電極の１つを、ブリッジの整流出力端子の１つ（ここでは端子Ｍ）に接続させた、つまり整流素子の共通のアノードに接続させた、ブリッジ３の下流にあるコンデンサＣ１と、
ブリッジ３の上流に置かれ、電圧Ｖを供給し、電極の１つをブリッジ３の交流入力端子の１つ（ここでは端子Ｎ）に接続させた少なくとも１つのコンデンサＣ２と、
コンデンサＣ１及びＣ２それぞれの第２電極を接続するダイオードＤｒ（もしくはより一般的には整流素子）であって、該ダイオードＤｒのアノードがブリッジ３の下流のコンデンサの電極に接続されているダイオードＤｒと
を備えている。

本発明によると、コンデンサＣ１及びＣ２は、両方とも低電圧コンデンサである。ダイオードＤｒは、それらのコンデンサの第２（正）電極の絶縁バリアの役割をし、その一方、ブリッジ３のダイオード（ここではＤ４）は、第１のコンデンサの電極の間（接地）の絶縁バリアの役割をする。

本発明は、ブリッジ３でのダイオード４を利用する。しかし、該ダイオードは、ブリッジ内での通常の動作のようには用いられない。実際には、端子ＥとＭとの間の高電圧コンデンサＣＨＴを充電するために、順方向ダイオードＤ１及びＤ４が、任意の正の半波用に用いられ、ダイオードＤ２及びＤ３は、順方向にバイアスのかかったときに負の半波用に用いられる。

本発明によると、比較的に低い電圧Ｖのみを供給するコンデンサＣ２は、コンデンサＣ１及びＣ２の各充電のバランスを取りながらコンデンサＣ１の電力を直接送出することによって充電する。ブリッジ３に関する唯一の条件は、この充電のバランスがとられるのは、ダイオードＤ４が導通する周期の間、すなわち、例で、正の半波でのコンデンサＣＨＴの充電周期の間ということである。しかし、本発明によると、そのときダイオードＤ４は順方向の電力送出には用いられない。

ダイオードＤ４が導通するとき、その両端の電圧は減少し、接合電圧（例えば、０．６ボルトのオーダ）に向かう傾向がある。そして、コンデンサＣ２の両端の電圧がコンデンサＣ１の両端の電圧よりも小さければ、ダイオードＤｒがターンオンし、コンデンサＣ２及びＣ１の両端の電圧のバランスがとれる。そして、コンデンサＣ２の両端の電圧ＶがコンデンサＣ１の両端の電圧と一致するように、ダイオードＤ４及びＤｒにおける電圧降下は互いにそれを補い合う。事実、ダイオードＤｒ及びＤ４の方向から、コンデンサＣ１がコンデンサＣ２を再充電するという結果になる。実際、コンデンサＣ２の充電を保証する電流は、コンバータ４’の動作のための電力送出に対応する電流から引かれる。

本発明を実行するに当たって注意するべき唯一のことは、コンバータ４’の素子にさらに給電しなければいけない場合、コンデンサＣ１が、これらの素子及び制御回路１の両方に対して電力を供給するのに十分な大きさを与えられることである。言い換えると、コンデンサＣ１は、十分な電圧を絶えず供給できるような大きさである。

好ましくは、ブリッジ３の下流のコンデンサＣ１は、コンバータ４の制御回路（図示なし）に給電するために用いられるコンデンサに対応する（例えばこのコンバータのカットオフスイッチの制御回路）。この場合、本発明は、ブリッジの下流に低電圧コンデンサがあることを利用して、これによって蓄えられる電力を用いてブリッジの上流のコンデンサＣ２にこの電力を送出する。

本発明の利点は、コンバータ４の他の補助巻線から絶縁された別の補助巻線が必要ないということである。従って、巻線の１つが交流電源の中性点を基準としなければならない場合に関し、コンバータによって低電圧を供給するためのトランスの結合が改良される。本発明は、（例えばコンバータ制御回路の供給電圧を供給する）既存の巻線のうちの１つを用いる。

本発明の別の利点は、整流ブリッジの上流にあるか下流にあるかに関係なく、高電圧コンデンサが必要ないということである。

本発明の別の利点は、その実装に関して必要なことが、図２で述べられている型の従来の回路と比較して、整流ブリッジの上流の回路１に必要な供給電圧を考慮に入れるために、カットオフスイッチ回路の供給コンデンサＣ１を少しだけ大きくすることだけであるということである。

もちろん、ダイオードＤｒは高電圧ダイオードであり、絶縁の必要があり、ダイオードＤ４それ自体がすでにブリッジに集積されているので高電圧ダイオードである必要がある。

図４は本発明の代替例を表している。この代替例は、図３で述べられた型の供給回路に、整流ブリッジの下流の回路部と、コンデンサＣ２によって給電された制御回路１との間において、論理情報送出回路を加えることからなる。この例では、制御回路１はスイッチＫをターンオフするよう意図されており、そのスイッチＫは、コンデンサＣ２を通して端子ＰとＮとの間の負荷２と直列なトライアックＴのゲートを給電する。オプションとして、抵抗Ｒｋ（スイッチＫと一体化してもよい）が、スイッチＫとトライアックＴのゲートとの間に挿入される。

本発明によると、制御回路は、整流ブリッジ３の下流で論理回路１１（ＭＣＵ）から論理基準値ＬＯＧを受信する。例えば、回路１１は、出力オープンコレクタ集合型トランジスタＢを有するマイクロ制御装置であり、該トランジスタＢは、エミッタがコンデンサＣ１の正極に接続され、ベースは回路１１により制御される（図示なし）。

本発明によると、トランジスタＢのコレクタか、又は論理レベルを提供する他の同等の素子が、絶縁ダイオードＤｉを介して、信号ＬＯＧを受信する回路１の入力部に接続されている。該信号ＬＯＧはさらに、抵抗Ｒｉと並列のコンデンサＣ３によって、接地(交流電源の中性点Ｎ)に接続されている。コンデンサＣ３の機能は、一時的に論理信号の制御状態を記憶することであり、抵抗Ｒｉは、一定時間（コンポーネントＣ３及びＲｉによって決められる時定数）のあとこの信号を消滅させる。

コンデンサＣ２の給電のように、論理基準値が整流ブリッジの下流から上流へ送出されるのは、ダイオードＤ４が導通し、整流ブリッジの上流と下流との間の絶縁が制御信号のためにダイオードＤｉ及びＤ４によって保証されたときのみである。

図４の実施形態における利点は、コンバータを給電する整流ブリッジの下流と上流の回路部間に高電圧ダイオードＤｉを加えることによってのみ、制御基準値を送出することが可能だということである。

図５は、本発明の別の実施例を概略的にそして部分的に表した図であり、それによると、正確に制御される負荷が整流ブリッジ１３である。この例では、ブリッジは合成ブリッジであり、前出の図と比べると、ダイオードＤ３及びＤ４は、２つのカソードゲートサイリスタＴｈ３及びＴｈ４に置き換えられている。ブリッジ１３の下流では、前出の図で述べられた要素と同じ要素が存在する。すなわち図示されていないコンバータ及び低電圧コンデンサＣ１である。

本発明のこの実施形態によると、コンデンサＣ１を用いて電力を回路１１（ＣＴ３）及び１１’（ＣＴ４）に供給し、コンデンサＣ２に関して前出の図と同様の動作をする２つのコンデンサＣ２及びＣ２’を介して、サイリスタＴｈ３及びＴｈ４をそれぞれ制御する。各コンデンサＣ２、Ｃ２’は、ブリッジ１３の下流でコンデンサＣ１の正極上に接続されたダイオードＤｒ、Ｄｒ’と関連している。回路１１及び１１’は、コンデンサＣ２及びＣ２’の両端の各電圧によって給電される。

このような実施例により、合成ブリッジのサイリスタを制御するのに必要な電源装置を作り出すことが可能になる。

ブリッジの低部分（交流電源の中性点）のサイリスタに関して上述したことは、そのサイリスタが電源装置のフェイズ側にある場合、より一般的にいえば共通のカソードの回路に一致する場合にも、同様に行われる。従って、ダイオード及びコンデンサを備える構造体が、コンデンサＣ２から作り出される。次に、コンデンサＣ２は、追加のダイオードを通って、端子Ｅに電極を接続させた追加のコンデンサを充電する。電力は依然としてコンデンサＣ１からくるが、コンデンサＣ２を通過する。なされるべき修正は、前出の図に関してなされた機能面における記述から推定することができる。

もちろん、本発明は、当業者が容易に成し得る様々な変更、修正及び改良点を有する。詳細には、異なるコンデンサ、特に本発明に特徴的な１又は複数の低電圧コンデンサのサイズは、その応用及び予想される制御回路の消費電力によって決まる。さらに本発明は、電力コンバータのカットオフスイッチの制御回路の供給コンデンサ（Ｃ１）の利用に関して記述されているが、整流ブリッジの下流に低電圧電源を有することが望ましい、あるいはブリッジの中又はその上流のスイッチが異なる基準電圧の絶縁で制御されることが望ましければ、より一般的に適応する。最後に、コンデンサＣ１を整流素子（ダイオードＤ１及びＤ２）の共通のカソードに接続させることにより、従ってコンデンサＣ２の両端に負の電源を得ることにより、この構造は反転させることが可能である。このような動作への回路の適応は当業者の能力の範囲内である。

このような変更、修正及び改良は本発明の開示の一部分であり、本発明の精神と範囲内にあるよう意図されている。従って、前出の記述はほんの一例であり、なんら制限されるものではない。本発明は、上述した請求項及びその相当語句で定義されるもののみ制限される。

前述のように、絶縁された低電圧供給回路の第１の従来例をブロック図で概略的に表した図である。 前述のように、絶縁された低電圧供給回路の第２の従来例をブロック図で概略的に表した図である。 本発明による絶縁された低電圧供給回路の実施例をブロック図で概略的に表した図である。 本発明による、供給回路に論理基準値を提供するのに適応された、絶縁された低電圧供給回路の代替例をブロック図で概略的に表した図である。 制御可能なブリッジ専用の、絶縁された供給回路の別の実施例を表した図である。

符号の説明

１ 制御回路
２ 負荷
３ 整流ブリッジ
４、４’ コンバータ
６ 供給ブロック
１０ 供給回路
１１ 論理回路
１３ 整流ブリッジ

Claims (8)

1. 整流ブリッジ（３、１３）の中又は上流の、高電圧の負荷（２）の制御回路（１）のための絶縁された低電圧電源において、
   第１電極を前記ブリッジの整流出力端子の１つ（Ｍ）に接続させた第１の低電圧コンデンサ（Ｃ１）と、
   前記低電圧を供給する少なくとも１つの第２のコンデンサ（Ｃ２、Ｃ２’）とを備え、
   該第２のコンデンサの第１電極は、前記ブリッジの交流入力端子の１つ（Ｎ）に接続され、前記コンデンサの第２電極のそれぞれは、カソードを前記第２のコンデンサに接続させた高電圧ダイオード（Ｄｒ）によって接続されていることを特徴とする絶縁された低電圧電源。
2. 前記ブリッジ（３、１３）の導通周期の間、すなわち前記コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）の前記第１電極それぞれを接続する、整流素子（Ｄ４、Ｔｈ４）の前記ブリッジが導通の時に、前記第２のコンデンサ（Ｃ２、Ｃ２’）の充電が行われ、この素子は、最負電位を有する電極を接続していることを特徴とする請求項１に記載の回路。
3. 前記第１のコンデンサ（Ｃ１）は、前記ブリッジ（３、１３）の下流の回路への、低電圧給電のコンデンサであることを特徴とする請求項１に記載の回路。
4. 論理制御スイッチ（Ｂ）を介してアノードを前記第１のコンデンサ（Ｃ１）の前記第２電極に接続させ、前記ブリッジ（３）の上流でカソードを前記制御回路（１）の論理入力端子に接続させた第２の高電圧ダイオード（Ｄｉ）を有することを特徴とする請求項１に記載の回路。
5. 前記整流ブリッジ（３、１３）は全波又は３相ブリッジであることを特徴とする請求項１に記載の回路。
6. 前記ブリッジ（１３）は合成又は制御ブリッジであることを特徴とする請求項１に記載の回路。
7. 前記負荷は、前記ブリッジ（１３）の前記整流素子（Ｔｈ３、Ｔｈ４）の少なくとも１つから形成されることを特徴とする請求項６に記載の回路。
8. 前記第１のコンデンサ（Ｃ１）は、前記ブリッジ（３、１３）の下流で、スイッチング電源のトランスの補助巻線によって充電されることを特徴とする請求項１に記載の回路。
   

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