JP2007043822A

JP2007043822A - 過電圧保護回路

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Publication number: JP2007043822A
Application number: JP2005225213A
Authority: JP
Inventors: Yasunobu Iwata; 靖信岩田
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2005-08-03
Filing date: 2005-08-03
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2025-08-03
Also published as: JP4626809B2

Abstract

【課題】入力部にサージ対策を施した電源装置の過電圧保護回路において、サージ電流の大きさに影響されることなく、適正なスイッチ素子及びヒューズを使用した過電圧保護回路を実現する。
【解決手段】電源装置の過電圧保護回路に関し、更に詳しくは、入力部にサージ対策を施した電源装置の過電圧保護回路に関するものである。
入力ラインに設けられ、所定の電流が流れると入力ラインを遮断する第１の過電流遮断手段と、入力ライン間に接続され、所定の制限電圧以上になると導通電流を流して一定の電圧に制限する過電圧制限手段と、第１の過電流遮断手段及び過電圧制限手段の後段の入力ラインに設けられ、所定の電流が流れると入力ラインを遮断する第２の過電流遮断手段と、入力電圧と出力電圧の少なくともいずれか一方の過電圧を検出する過電圧検出手段と、第２の過電流遮断手段の後段の入力ライン間に接続され、過電圧検出手段の検出電圧に応じて開閉する開閉手段とを設けた。

【選択図】図１

Description

本発明は、電源装置の過電圧保護回路に関し、更に詳しくは、入力部にサージ対策を施した電源装置の過電圧保護回路に関するものである。

従来の電源装置の過電圧保護回路においては、出力に定格電圧を上回る過電圧が発生した場合に、入力ライン間を短絡状態にし、入力端子に接続されたヒューズを溶断することにより、出力を停止させるものがある。

図６は、従来の過電圧保護回路の構成例を示す図である。
ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１において、入力端子ＩＮ＋に接続されたヒューズＦ１と、入力ライン間に接続され、サージ電圧を一定電圧以下にクランプするサージ防護素子２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１の出力電圧を入力し、過電圧の発生を検知して過電圧検知信号を出力する過電圧検出回路３と、過電圧検出回路３が出力する過電圧検知信号によりスイッチをＯＮ／ＯＦＦするスイッチ素子ＳＷ１から構成されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１が故障し、出力に定格電圧を上回る過電圧が発生すると、過電圧検出回路３がこれを検出し、スイッチ素子ＳＷ１に過電圧検知信号を送る。スイッチ素子ＳＷ１は、この信号を受け取ると、スイッチがＯＮして入力ライン間を短絡状態とする。その結果、大きな短絡電流がＩＮ＋端子からヒューズＦ１、スイッチ素子ＳＷ１、ＩＮ−端子の経路で流れることにより、ヒューズＦ１は溶断し、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１の出力が停止することで、負荷は過電圧から保護される。
ここで、サージ防護素子２に素子の耐量を上回るサージ電圧が印加された場合には、サージ防護素子２が短絡故障する場合があるので、ヒューズＦ１はサージ防護素子２の上流側に設けられている。

特開２００５−１０２３４８号公報

入力ライン間にサージ電圧が印加されると、サージ電流は入力端子ＩＮ＋からヒューズＦ１、サージ防護素子２、入力端子ＩＮ―の経路で流れる。この際、ヒューズＦ１が溶断してしまってはサージ対策を施した電源装置とはならないので、電源装置の仕様で定めたサージ電圧以下のサージ電圧が印加された場合は、ヒューズＦ１は溶断してはいけない。ヒューズＦ１のサージ耐量は、ジュール積分値Ｉ^２ｔで評価される。したがって、ヒューズＦ１のＩ^２ｔは、サージ電圧が印加された際に流れるサージ電流のＩ^２ｔよりも大きくなければならない。

一方、出力に過電圧が検出された際には、スイッチ素子ＳＷ１のスイッチがＯＮして、入力ラインを短絡することにより、大きな短絡電流が流れるが、このとき確実にヒューズＦ１を溶断させるためには、スイッチ素子ＳＷ１はヒューズＦ１が溶断する前に壊れてはいけない。
これらより、Ｉ^２ｔに関し、全ての時間領域で次の関係が成立している必要がある。
［サージ電流のＩ^２ｔ］＜［ヒューズＦ１のＩ^２ｔ］＜［スイッチ素子ＳＷ１のＩ^２ｔ］

一般にサージ電流のＩ^２ｔは、かなり大きな値となるため、この関係を満足するスイッチ素子ＳＷ１は大形となってしまい、電源装置の小形化の妨げるとともに、コストも高くなるという問題点があった。
また、［サージ電流のＩ^２ｔ］＜［ヒューズＦ１のＩ^２ｔ］の関係を満足するサージ耐量の大きなヒューズＦ１は、定格電流も大きくなるため、入力短絡といった極端に大きな入力電流が流れる故障に対しては、ヒューズが溶断するが、例えば、定格電流の２〜３倍程度の入力電流が流れる故障が発生しても、ヒューズは溶断せず、保護が働かないという問題があり、この傾向は、定格入力電流の小さい小形電源ほど顕著な問題となっていた。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、入力部にサージ対策を施した電源装置の過電圧保護回路において、サージ電流の大きさに影響されることなく、適正なスイッチ素子及びヒューズを使用した過電圧保護回路を実現することを目的とする。

このような課題を達成するために、本発明は次のとおりの構成になっている。
（１）電源装置の過電圧保護回路において、
入力ラインに設けられ、所定の電流が流れると入力ラインを遮断する第１の過電流遮断手段と、
入力ライン間に接続され、所定の制限電圧以上になると導通電流を流して一定の電圧に制限する過電圧制限手段と、
前記第１の過電流遮断手段及び前記過電圧制限手段の後段の入力ラインに設けられ、所定の電流が流れると入力ラインを遮断する第２の過電流遮断手段と、
入力電圧と出力電圧の少なくともいずれか一方の過電圧を検出する過電圧検出手段と、
前記第２の過電流遮断手段の後段の入力ライン間に接続され、前記過電圧検出手段の検出電圧に応じて開閉する開閉手段と、
を有することを特徴とする過電圧保護回路。

（２）前記過電圧検出手段は、前記検出電圧が閾値に達しているかいないかを検出し、前記開閉手段は、前記検出電圧が閾値以上になると閉じることを特徴とする（１）記載の過電圧保護回路。

（３）前記過電圧検出手段にツェナーダイオードを用い、ツェナー電圧を前記検出電圧の閾値とすることを特徴とする（１）又は（２）記載の過電圧保護回路。

（４）前記開閉手段にサイリスタを用い、前記過電圧検出手段が入力電圧と出力電圧の少なくともいずれか一方の過電圧を検出した際にサイリスタのゲートにゲート電流を与えることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の過電圧保護回路。

（５）前記開閉手段が閉状態のとき、前記第２の過電流遮断手段は遮断状態となり、前記第１の過電流遮断手段は遮断状態とならないことを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の過電圧保護回路。

（６）前記第１及び第２の過電流遮断手段はヒューズであり、第２の過電流遮断手段は第１の過電流遮断手段よりも小容量であることを特徴とする（１）乃至（５）いずれかに記載の過電圧保護回路。

（７）前記過電圧制限手段はバリスタであることを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載の過電圧保護回路。

本発明によれば次のような効果がある。
サージ電流の大きさに影響されることなく、小形のスイッチ素子を使用することができるので、実装面積及び部品コストを削減することができる。
また、ヒューズも最適化できるので、過電圧時のみならず、過電流時においても適正にヒューズを溶断して回路を安全に停止させることができる。

以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例を示す構成図である。前出の図と同一のものは同一符号を付ける。
ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１において、入力端子ＩＮ＋に接続された第１の過電流遮断手段であるヒューズＦ１と、入力ライン間に接続され、サージ電圧を一定電圧以下にクランプする過電圧制限手段であるバリスタＤ１と、ヒューズＦ１及びバリスタＤ１の後段に接続された第２の過電流遮断手段であるヒューズＦ２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１の出力電圧を入力し、過電圧の発生を検知する過電圧検出手段であるツェナーダイオードＤ２及び抵抗Ｒ１と、出力電圧が過電圧時に入力ライン間を短絡する開閉手段であるサイリスタＤ３から構成されている。
なお、抵抗Ｒ１は、ツェナーダイオードＤ２のリーク電流によりサイリスタＤ３が誤動作するのを防止するためのブリーダ抵抗である。
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１の入出力には、それぞれ入出力電圧を平滑するための平滑コンデンサＣ１，Ｃ２を設けている。

例えば、電源装置の仕様として、正常運転時において、入力端子ＩＮ＋とＩＮ−間に２４ＶＤＣが印加され、ＶｃｃとＧＮＤ間に５ＶＤＣが出力されるものとし、ＶｃｃとＧＮＤ間に過電圧が発生した場合には、７ＶＤＣを超えないようにＤＣ／ＤＣコンバータ回路１を停止させるものとする。このため、ツェナーダイオードＤ２のツェナー電圧は６．８Ｖが選定される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１の故障等により、出力電圧が上昇し、６．８Ｖに達すると、ツェナーダイオードＤ２が導通し、サイリスタＤ３のゲートにゲート電流が流れ、サイリスタＤ３のアノードとカソード間が導通状態となり、入力ライン間を短絡状態とする。その結果、大きな短絡電流がＩＮ＋端子からヒューズＦ１、ヒューズＦ２、サイリスタＤ３、ＩＮ−端子の経路で流れることにより、ヒューズＦ２が溶断し、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１が停止することで、負荷は過電圧から保護される。

一方、入力ライン間にサージ電圧が印加されると、サージ電流は入力端子ＩＮ＋からヒューズＦ１、バリスタＤ１、入力端子ＩＮ―の経路で流れ、ヒューズＦ２へは流れない。
よって、ヒューズＦ１は、電源装置の仕様で定めたサージ電圧以下のサージ電圧が印加された場合にも溶断しないサージ耐量の大きなものを使用し、ヒューズＦ２及びサイリスタＤ３については、サージ耐量に影響されることなく、出力電圧が過電圧時に溶断するような適正なヒューズＦ２及びサイリスタＤ３を使用することができる。これにより、電源装置の小型化、低コスト化を図ることが可能となる。

また、［サージ電流のＩ^２ｔ］＜［ヒューズＦ１のＩ^２ｔ］の関係を満足するサージ耐量の大きなヒューズＦ１は、定格電流も大きくなるため、入力短絡といった極端に大きな入力電流が流れる故障に対しては、ヒューズＦ１が溶断するが、定格電流の２〜３倍程度の入力電流が流れる故障が発生しても、ヒューズＦ１は溶断せず、保護が働かない場合があるが、ヒューズＦ２を追加したことにより、ヒューズＦ２が溶断してＤＣ／ＤＣコンバータ回路１を安全に停止させることができる。

図２は本発明の他の構成例を示した図である。突入電流の影響を排除してより感度の高いヒューズＦ２を使用する場合の例を示す。
電源投入時に、入力平滑コンデンサＣ１へ突入電流が流れるので、図１の場合、ヒューズＦ２は、この突入電流に耐えられるものでなければならない。
図２で、入力平滑コンデンサＣ１をヒューズＦ２より入力端子側に接続することにより、ヒューズＦ２には突入電流が流れなくなるので、ヒューズＦ２の定格電流は、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１の最大入力電流まで下げることができ、速断型ヒューズも使用することができる。

図３は本発明の他の構成例を示した図である。絶縁形のＤＣ／ＤＣコンバータに適用する場合の例を示す。
出力電圧の過電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ回路１の２次側のツェナーダイオードＤ２で検出し、検出信号をフォトカプラＰＣ１により１次側に伝達している。

図４は本発明の他の構成例を示した図である。絶縁形のＡＣ／ＤＣコンバータに適用する場合の例を示す。
図３の絶縁形ＤＣ／ＤＣコンバータの入力段に整流ブリッジＤ４を追加したものである。

図５は本発明の他の構成例を示した図である。入力過電圧保護を追加する場合の例を示す。
サイリスタＤ３のアノードとゲート間にツェナーダイオードＤ４を追加したものであり、例えば、電源装置の定格入力電圧が１２ＶＤＣの場合、ツェナーダイオードＤ４のツェナー電圧を２０Ｖ程度に設定しておけば、誤って２４ＶＤＣを入力された場合でも、ツェナーダイオードＤ４が導通してサイリスタＤ３にゲート電流が流れ、サイリスタＤ３が導通してヒューズＦ２が溶断してＤＣ／ＤＣコンバータ回路１は停止して保護が働く。

本発明の一実施例を示す構成図である。本発明の他の構成例を示した図である。本発明の他の構成例を示した図である。本発明の他の構成例を示した図である。本発明の他の構成例を示した図である。従来の過電圧保護回路の構成例を示す図である。

符号の説明

Ｆ１第１の過電流遮断手段
Ｆ２第２の過電流遮断手段
Ｄ１過電圧制限手段
Ｄ２過電圧検出手段
Ｄ３開閉手段

Claims

電源装置の過電圧保護回路において、
入力ラインに設けられ、所定の電流が流れると入力ラインを遮断する第１の過電流遮断手段と、
入力ライン間に接続され、所定の制限電圧以上になると導通電流を流して一定の電圧に制限する過電圧制限手段と、
前記第１の過電流遮断手段及び前記過電圧制限手段の後段の入力ラインに設けられ、所定の電流が流れると入力ラインを遮断する第２の過電流遮断手段と、
入力電圧と出力電圧の少なくともいずれか一方の過電圧を検出する過電圧検出手段と、
前記第２の過電流遮断手段の後段の入力ライン間に接続され、前記過電圧検出手段の検出電圧に応じて開閉する開閉手段と、
を有することを特徴とする過電圧保護回路。
前記過電圧検出手段は、前記検出電圧が閾値に達しているかいないかを検出し、前記開閉手段は、前記検出電圧が閾値以上になると閉じることを特徴とする請求項１記載の過電圧保護回路。
前記過電圧検出手段にツェナーダイオードを用い、ツェナー電圧を前記検出電圧の閾値とすることを特徴とする請求項１又は２記載の過電圧保護回路。
前記開閉手段にサイリスタを用い、前記過電圧検出手段が入力電圧と出力電圧の少なくともいずれか一方の過電圧を検出した際にサイリスタのゲートにゲート電流を与えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の過電圧保護回路。
前記開閉手段が閉状態のとき、前記第２の過電流遮断手段は遮断状態となり、前記第１の過電流遮断手段は遮断状態とならないことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の過電圧保護回路。
前記第１及び第２の過電流遮断手段はヒューズであり、第２の過電流遮断手段は第１の過電流遮断手段よりも小容量であることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の過電圧保護回路。
前記過電圧制限手段はバリスタであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の過電圧保護回路。