JP2006042573A - 電源保護装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】交流１００Ｖ仕様のスイッチング電源に交流２００Ｖを印加した場合、従来の電流ヒューズを利用した遮断方式やワイド入力仕様のスイッチング電源等の保護方式では、部品交換を必要としたり高耐圧部品の使用で部品コストが増加する。
【解決手段】フライバック式スイッチング電源において、スイッチングをコントロールする制御部２と、補助巻き線４ａの出力電圧を検出し一定以上のレベルとなったとき制御部２を継続停止させる過大電圧検出部６と、二次側出力を制御部２へフィードバックするフィードバック部５と、フォワードに巻いた過電大圧検出巻き線４ｂを有するスイッチングトランス４とで構成し、過大電圧が印加された場合、電源を継続的に停止しスイッチング素子３等を保護する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波スイッチングにより電力を取り出すスイッチング電源の保護装置に関するものである。
従来の電源は１００Ｖ、２００Ｖの商用電源を有する日本のような国を想定し、メインスイッチング素子の耐圧保護として、一定以上の電圧の印加によりショートモードとなるサージ吸収素子とショートモードとなった時の電流により回路を遮断する電流ヒューズとで構成したもの、入力電圧範囲を広範囲に設定したワイド入力仕様としたもの、および過大電圧印加を検出してスイッチ素子で回路を遮断するものがあった（例えば、特許文献１から３参照）。
図６は従来の一般的なフライバック式スイッチング電源の保護装置の構成図、図７はその代表的な動作波形図である。
図６において、整流器１により整流されたＤＣ電圧を電源として制御部２によりスイッチング素子３が高周波スイッチング制御され二次側へ電力供給する。
電源の起動には、起動回路から一定の電流を供給するつまり一次ＤＣ入力が一定値を越えることでスイッチングを開始する構成がなされている。起動後はスイッチングトランスの補助巻線からの出力により得られる電圧により制御用電源とし、スイッチングを継続する。フライバック式ＤＣコンバータにおいては、メインスイッチング素子のＯＮ時間にスイッチングトランス４にエネルギーを蓄え、ＯＦＦ時に二次側へ放出するという動作を高周波スイッチングにて繰り返すことにより電力出力を行っている。さらに二次出力電圧を一次制御回路へフィードバック５により帰還させ、二次出力を安定させる構成としている。
ここで、使用する商用電源が交流１００Ｖ用として設計されたスイッチング電源に工事不具合等により交流２００Ｖが印加された場合、整流後の直流電圧は正常時の２倍の電圧が印加されることになりスイッチング素子の耐圧を越えたり、インバータ式セパレートエアコンのような機器の場合、交流１００Ｖ用の室外機へ交流２００Ｖが印加されるといったように室外側部品の耐圧が問題になる。
特開昭６２−２２５１６５号公報 特開平１１−８３１１６号公報 特開２０００−３４６４２７号公報
上記従来技術で、第１の構成は部品破壊を伴うものであり、機器の復旧には部品交換を要する。第２の構成はメインスイッチングデバイスの高耐圧化や、ワイドレンジに対しレギュレーション仕様を満足させるためスイッチングトランス等の巻き線仕様は複雑になり、いずれも部品コストを上昇させる要因となる。
第３の構成の特許文献１では、過大電圧検出用巻き線と過大電圧検出専用回路を設け一定以上の電圧入力がなされた場合、それに相応する検出電圧により過大電圧検出専用回路が作用しメインのスイッチング素子を停止させることが記載されている。また、特許文献２及び特許文献３記載の構成には、電源二次側に設けられた過大電圧検出回路の作用によ
り、一定以上の電圧印加時に二次側回路の一部を遮断することにより過大電圧の影響を止めようとする事が記載されている。過大電圧印加の検出により電源を停止させスイッチング素子を保護しようとするものであるが、スイッチング素子の停止により二次側及び過大電圧検出巻き線出力は低下するため過大電圧検出結果がリセットされ、再びスイッチング電源は動作を開始するといった繰り返し動作となり、従って過大電圧による負荷は延々と継続することになる。
また特許文献２および３は、いずれも検出回路以降の二次回路を遮断することにより過大電圧印加による二次側回路の破壊を防止しようとすることを特徴としているが、一次側入力への過大電圧印加は継続されておりまた、特許文献１も併せ電源周辺のみで過大電圧に対する保護を完結させるため、原因の特定がし難いまま機器としては動作しないため、使用者側からのクレームとなりやすいという課題があった。
本発明は上記従来の課題を解決するもので、電源に過大電圧が印加された場合に、低コストで、電源の動作を安定に停止してスイッチング素子等の部品の破壊を防止すると共に二次側回路への影響も防止し、さらに過大電圧印加異常であることを表示し使用者に停止原因が分かり易くした電源保護回路を提供することを目的とする。
上記従来の課題を解決するために、本発明の電源保護装置は一次入力のＤＣ電圧の上昇により起動し、起動後は二次側よりフィードバックされる補助巻線出力により生成される電圧によりスイッチング動作を続けるフライバック式スイッチング電源において、前記補助巻き線出力電圧を電源としてＦＥＴ等のメインスイッチング素子を高周波スイッチングコントロールする制御部と、前記補助巻き線の出力電圧を検出し、一定以上のレベルとなったときその状態をラッチして制御部を継続停止させる過大電圧検出部と、二次側出力を前記制御部へフィードバックして二次側出力を安定させるフィードバック部と、メインスイッチング素子の高周波スイッチングにより二次側にその巻線仕様に応じた低圧を出力する少なくとも１つの出力巻き線を有し、また前記制御部用の電源を作り出す補助巻き線と、前記補助巻き線に並列に入力するようにフォワードに巻いた過大電圧検出巻き線を有するスイッチングトランスとで構成したものである。
本発明の電源保護装置は、過大電圧が印加された場合、電源のスイッチング動作を継続的に停止することによりメインスイッチング素子を保護するとともに二次側以降の回路への影響をなくすことが出来る。
第１の発明は、一次入力のＤＣ電圧の上昇により起動し、起動後は二次側よりフィードバックされる補助巻線出力により生成される電圧によりスイッチング動作を続けるフライバック式スイッチング電源において、前記補助巻き線出力電圧を電源としてＦＥＴ等のメインスイッチング素子を高周波スイッチングコントロールする制御部と、前記補助巻き線の出力電圧を検出し、一定以上のレベルとなったときその状態をラッチして制御部を継続停止させる過大電圧検出部と、二次側出力を前記制御部へフィードバックして二次側出力を安定させるフィードバック部と、メインスイッチング素子の高周波スイッチングにより二次側にその巻線仕様に応じた低圧を出力する少なくとも１つの出力巻き線を有し、また前記制御部用の電源を作り出す補助巻き線と、前記補助巻き線に並列に入力するようにフォワードに巻いた過大電圧検出巻き線を有するスイッチングトランスとで構成した。これによって過大電圧が印加された場合、電源を継続的に停止することによりメインスイッチング素子を保護するとともに二次側以降の回路への影響をなくすことが出来る。
第２の発明は特に第１の発明において、スイッチングトランス二次側に設けた過大電圧検出回路と、前記過大電圧検出回路の信号を受けて種々の制御を行うマイクロコンピュ−タと、過大電圧検出を受けて異常を表示する表示部とを備えた。これによって、過大電圧検出を機器の主制御装置であるマイクロコンピュータへ伝えることにより、エアコン室外機への過大電圧印加等機器の被害拡大を防止しするとともにその結果を表示することにより、機器の使用者にどのような課題が発生しているかを知らせることができる。
第３の発明は特に第２の発明において、一次入力に一定の直流抵抗値をもった入力部と、前記入力部に並列に接続されたバイパス部を備えた。これによって、一定以上の直流抵抗を有する入力部とその入力部をバイパスさせるバイパス部を設置することにより、過大電圧印加時にはその直流抵抗の電圧降下により低下した入力電圧が電源に印加されるので、整流回路部品も含めスイッチング電源一次側部品の耐圧保護を行う事が出来る。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における電源保護装置の構成図、図２はその代表的な動作波形図である。
図１において、一次入力のＤＣ電圧の上昇により起動し、起動後は二次側よりフィードバックされる補助巻線出力により生成される電圧によりスイッチング動作を続けるフライバック式スイッチング電源において、制御部用に供給される制御電源であるフライバックに巻いた補助巻き線に並列して、フォワードに巻いた過大電圧検出巻き線を設けたことを特徴としている。
また、過大電圧検出巻き線の仕様は、交流１００Ｖ用として設計された電源の入力保証範囲（例えば交流１５０Ｖ未満）ではその出力電圧は電源用補助巻き線出力以下となり交流２００Ｖの最小値（−１５％を考慮した場合は１７５Ｖ）では過大電圧検出レベルに達する仕様としている。
一例として、図３に過大電圧検出部への印加電圧の変化を示す。
通常フライバック巻き線の出力はメインスイッチング素子がＯＮ時間にスイッチングトランスに磁気エネルギーとして保持し、ＯＦＦ時間に二次側へ電力として放出するといった動作をするが、フォワード巻き線では前記の逆の動作となる。以上の動作によりフライバック巻き線とフォワード巻き線を並列接続して二次電源とし、制御部電源及び過大電圧検出部入力とすることにより、一次入力電圧の変化に敏感に反応する。
さらに、過大電圧検出部は過大電圧検出結果を保持するとともに制御部を停止させる動作を行うことにより交流２００Ｖの商用電源が印加された際、早やかにかつ確実にスイッチング電源を停止することができ、メインスイッチング素子及びスイッチング電源以降の回路を倍電圧のような過大電圧印加による過大電圧より保護することができる。
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２における電源保護装置の構成図である。
図４において、過大電圧検出巻き線を独立した出力回路とし、その出力電圧を機器の制御を行うマイクロコンピュータ７でモニタして倍電圧印加時の電圧を検出したとき、全ての制御を停止して待機状態とするとともに特定のモニタＬＥＤの点滅といったような異常表示を表示８にて行うものである。
実施の形態１では過大電圧が印加された場合スイッチング電源を強制的に停止させ、且
つ停止を継続するため、機器は一切動作しない状態にある。従って機器の使用者は、１００Ｖ仕様の機器に２００Ｖを印加したという工事不具合であっても機器の停止の原因がわからないままとなる。
本実施の形態２では、機器を待機状態とすることにより、電源の二次回路への異常出力印加や、インバータ式セパレートエアコンのように商用電源をさらに次段へ供給するシステムなどにおいて倍電圧印加により被害が拡大することを防止することが出来る。
また、異常であることを表示することにより、使用者が倍電圧印加により機器が停止状態であることを即時判断することができ、工事不具合等への対応を早急に取ることが出来る。
また、過大電圧検出は正常入力時にも常時動作するため、一次側での検出では電力損失が大きく待機電力が増加することになるが、二次側の回路とすることにより検出回路による電力消費を小さくすることができる。
（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態２における電源保護装置の構成図である。
図５において、直流電圧生成回路である整流回路に一定の直流抵抗値をもった入力部９と、前記入力部に並列に接続されたバイパス部１０を備え、倍電圧のような過大電圧印加時には入力部９の有する直流抵抗分により電圧降下が発生し、電圧降下による整流回路の入力低下となり従ってスイッチング電源への印加電圧は入力保証の最大値以下となる。
これにより、部品耐圧を倍電圧印加状態の過大電圧を考慮した仕様とする必要がなくなり、部品コストを下げることができる。
また、正常入力電圧（交流１００Ｖ）の印加時はバイパス部１０を動作させることにより入力部をショートさせ正常な入力としてスイッチング電源を動作させることができる。
本発明にかかる電源保護装置は、高周波スイッチングにより回路電圧を作りだすスイッチング電源及びその電源を制御電源として使用する応用機器においても適用できる。
本発明の実施の形態１における電源保護装置の構成図 フォワード動作の代表波形図 過大電圧検出部への印加電圧波形図 本発明の実施の形態２における電源保護装置の構成図 本発明の実施の形態３における電源保護装置の構成図 従来の電源保護装置の構成図 フライバック動作の代表波形図
符号の説明
１ 整流器
２ 制御部
３ スイッチング素子
４ スイッチングトランス
４ａ 補助巻き線
４ｂ 過大電圧検出巻き線
４ｃ 出力巻き線
５ フィードバック部
６ 過大電圧検出部
７ マイクロコンピュータ
８ 表示部
９ 入力部
１０ バイパス部

Claims (3)

  1. 一次入力のＤＣ電圧の上昇により起動し、起動後は二次側よりフィードバックされる補助巻線出力により生成される電圧によりスイッチング動作を続けるフライバック式スイッチング電源において、前記補助巻き線出力電圧を電源としてＦＥＴ等のメインスイッチング素子を高周波スイッチングコントロールする制御部と、前記補助巻き線の出力電圧を検出し、一定以上のレベルとなったときその状態をラッチして制御部を継続停止させる過大電圧検出部と、二次側出力を前記制御部へフィードバックして二次側出力を安定させるフィードバック部と、メインスイッチング素子の高周波スイッチングにより二次側にその巻線仕様に応じた低圧を出力する少なくとも１つの出力巻き線を有し、また前記制御部用の電源を作り出す補助巻き線と、前記補助巻き線に並列に入力するようにフォワードに巻いた過大電圧検出巻き線を有するスイッチングトランスとで構成することを特徴とする電源保護装置。
  2. スイッチングトランス二次側に設けた過大電圧検出回路と、前記過大電圧検出回路の信号を受けて種々の制御を行うマイクロコンピュ−タと、前記マイクロコンピュータにより異常を表示する表示部とを備えたことを特徴とする請求項１記載の電源保護装置。
  3. 一次入力に一定の直流抵抗値をもった入力部と、前記入力部に並列に接続されたバイパス部を備えたことを特徴とする請求項２記載の電源保護装置。
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