JP2007244090A

JP2007244090A - コンデンサ収容箱

Info

Publication number: JP2007244090A
Application number: JP2006062537A
Authority: JP
Inventors: Toru Tanaka; 徹田中; Mikio Yamazaki; 幹夫山崎; Hirotsugu Kawaguchi; 博嗣川口; Koji Terao; 孝司寺尾
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-03-08
Filing date: 2006-03-08
Publication date: 2007-09-20

Abstract

【課題】直流給電系の安定を図るために給電系に取り付けられるコンデンサ収容箱を構成するコンデンサとしては、容量/体積比の大きい電解コンデンサが予備も含め並列に接続され用いられていた。しかし、電解コンデンサは発熱、電解液の減少により容量が低下するという問題があり、給電系の長期信頼性が確保できないという問題があった。
【解決手段】コンデンサ収容箱に用いるコンデンサとして、フィルムコンデンサ又はセラミックコンデンサを抵抗と直列に接続したコンデンサユニットを電解コンデンサからなるコンデンサユニットと並列に接続することにした。フィルムコンデンサなど容量の経時変化の小さい素子を用いることにより給電系を長期的に安定動作させることが可能になる。また、抵抗を直列に接続することにより、比較的容量の小さいコンデンサに対しても安定動作領域を広くとることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、通信用給電システムなど、高信頼直流給電システムにおける発振防止機能を備えたコンデンサ収容箱に関する。

特開2004-159463号公報

一般的な通信用直流給電システムを図1に示す。図１に示すシステムと同様に、電流分配装置にコンデンサ収容箱を接続した直流給電系の構成としては、例えば特許文献1に示す公知例がある。

直流給電システムは、商用交流電圧Vを直流電圧に変換する整流装置１と、商用交流が停電したときに電力を供給する蓄電池BATTと、図には1台しか示さないが整流装置1から出力される電流を分配する複数の電流分配装置２と、複数のコンデンサ収容箱３とから構成される。
整流装置１及び整流装置１の出力部に接続された蓄電池BATTと電流分配装置２は、電力ケーブルK_Oにより接続されている。また、電流分配装置２とコンデンサ収容箱３及び給電システムの負荷となる複数の通信装置４１〜４３は、電力ケーブルK₁〜K₃により接続されている。電流分配装置２の出力部には、通信装置４１〜４３に対応してヒューズF₁〜F₃が搭載されている。

通信装置41〜43にはDC―DCコンバータが搭載されており、-48Vの電圧を5Vあるいは3.3Vなど負荷に必要な安定した電圧に変換して、電力を供給している。このDC―DCコンバータの効率が入力電圧によって著しく変化せず、通信装置の消費電力が短時間の間一定であるとすると、DC―DCコンバータ以降の消費電力はDC―DCコンバータの入力電圧、すなわち直流給電システムの電圧に無関係に一定となる。従って、整流装置1から通信装置を見ると、通信装置は定電力負荷として扱うことができる。例えば商用電源が停止すると蓄電池の放電が開始し、時間と共に蓄電池の電圧が低下する。これに従って給電電圧が低下し、DC―DCコンバータの入力電圧が低下する。DC―DCコンバータは定電力を負荷に供給するため、入力電圧が低下した分入力電流は増加する。このため、蓄電池から通信装置を見ると、DC―DCコンバータの動的な抵抗は電圧が低下すると電流が増加する負の値をもつこととなり、負性抵抗特性を示す。
従って、図１に示す直流給電システムでは、回路定数を適切に設定しないと、DC―DCコンバータの負性抵抗特性、系の電圧、通信装置41〜43の消費電流、電力ケーブルのインピーダンス、及び通信装置入力部のコンデンサを含むフィルタ構成や回路定数により系が発振するという問題がある。
ここで、発振が起こった場合の発振波長は電力ケーブルのケーブル長より十分に長い。そのため、ケーブルの寄生的なインダクタンス成分と抵抗成分に起因する電力ケーブルのインピーダンス、すなわち、整流装置1と電流分配装置2とを結ぶ直流給電ケーブルK_O、及び、電流分配装置2と通信装置41〜43とを結ぶ直流給電ケーブルK₁〜K₃の配線インダクタンスと抵抗は、実際にはケーブル全体に分布しているが、近似的に集中定数として扱うことができる。
発振が起きやすい条件は、説明を簡単にすると、系の直流給電電圧が低く、通信装置の消費電流が大きく、直流ケーブルのインダクタンス成分が大きく、抵抗が小さく、通信装置に搭載されている入力コンデンサが小さい場合である。

ここで、電流分配装置2にコンデンサ収容箱3を接続すると、一般的に整流装置1と電流分配装置2を結ぶ直流給電ケーブルK₀の配線インピーダンスが系の発振に及ぼす影響を抑えることができ、端子3と端子4間の電圧を一定に保つことができる。従って、電流分配装置2にコンデンサ収容箱3を接続する場合は、接続しない場合に比べて、通信装置に搭載する入力コンデンサ容量を小さくしても給電システム全体を安定に保つことができる。そのため、通信装置の設計・導入が簡単になる。また通信装置入力部にコンデンサ収容箱3を接続しても同様の効果を得ることができる。従って、一般的に、高信頼直流給電システムにおける発振を回避するために、電流分配装置出力部や通信装置入力部に大容量の電解コンデンサを搭載したコンデンサ収容箱が接続されている。

図２は、従来のコンデンサ収容箱の内部回路図である。コンデンサ収容箱の内部回路は、図に示すように、電流分配装置２の出力ラインであるプラスラインとマイナスラインとの間に、突入電流防止回路、ヒューズ、コンデンサが直列に配置されている。また、図２では、1個のヒューズと1個のコンデンサからなるコンデンサユニットが3個並列に配置されている。
コンデンサの種類としては、誘電体の材質の違いにより、セラミックコンデンサ、電解コンデンサ、フィルムコンデンサなど、さまざまな種類のコンデンサが実用化されている。従来の給電システムでは、コンデンサ収容箱の内部に用いられるコンデンサとしては、小型、安価で大容量の電解コンデンサが用いられていた。しかし、電解コンデンサは、周囲温度の上昇やリプル電流の増大など、使用条件によっては時間経過とともにコンデンサ容量が低下し、システムが発振しやすくなるという問題があった。
図２に示すように、予備のコンデンサを含め、コンデンサユニットを3個並列に配置する冗長構成がとられていた。しかし、すべてのコンデンサユニットで1種類のコンデンサ（電解コンデンサ）を用いていたために、予備のコンデンサも同時にコンデンサ容量が低下し、システムが不安定になるという問題があった。

また、プリント基板の電源入力部において、電界コンデンサの容量低下を補うために、電解コンデンサと並列にフィルムコンデンサを接続する技術が知られている。フィルムコンデンサは、容量は小さいが経年変化による容量の低下が少ない。しかし、フィルムコンデンサは電解コンデンサと比較して容量が小さいため、直流給電システムにおいて系の発振防止の目的で使用しても十分な効果が得られないという問題があった。

本発明の目的は、上記従来技術における問題点を解決するためになされたものであって、設置後時間が経過しても発振抑制効果を持続することができるコンデンサ収容箱を提供することを目的とする。

本発明（１）は、電源装置、電流分配装置、負荷装置を順に給電ケーブルにより配線して構成される直流給電システムの前記電流分配装置の出力端子又は前記負荷装置の入力端子に接続され電源電圧を安定化するコンデンサ収容箱において、前記コンデンサ収容箱が並列接続した少なくともひとつの第一のコンデンサユニットと少なくともひとつの第二のコンデンサユニットを有し、前記第一のコンデンサユニットが電解コンデンサを有し、前記第二のコンデンサユニットが直列接続したセラミックコンデンサと抵抗又は直列接続したフィルムコンデンサと抵抗を有することを特徴とするコンデンサ収容箱である。

本発明（２）は、前記第二のコンデンサユニットを構成する直列接続したコンデンサと抵抗において、前記抵抗の抵抗値が前記コンデンサの等価直列抵抗の抵抗値よりも大きいことを特徴とする前記発明（１）のコンデンサ収容箱である。

本発明（３）は、前記抵抗の抵抗値が、1mΩ以上、100mΩ以下であることを特徴とする前記発明（２）のコンデンサ収容箱である。

本発明（４）は、前記発明（１）乃至前記発明（３）のコンデンサ収容箱を備えた直流給電システムである。

１．電解コンデンサなど、容量は大きいが経年変化により容量が減少しやすいコンデンサAと、セラミックコンデンサやフィルムコンデンサなど、容量は小さいが経年変化により容量が減少しにくいコンデンサBを並列に接続することにより、長期的にコンデンサ収容箱に用いるコンデンサ容量を発振防止に十分な値に維持できるので、長期に渡って給電システムの発振を防止することができる。
２．コンデンサBに直列に、コンデンサBの等価直列抵抗よりも十分大きな抵抗を挿入することにより、容量の小さなコンデンサBを用いた場合でも十分大きな発振防止効果を得る。
３．使用環境温度が高い、又は、大きなリプル電流が流入するなど、コンデンサが劣化しやすい環境においても、長期に渡って発振を防止できる。
４．特性の異なる複数の種類のコンデンサを用いることにより、同じ環境において複数のコンデンサの劣化が同時に進んだり、破壊が同時期に起きたりする危険性を回避することが可能になる。

以下、図面に基づいて本発明の最良の形態を詳細に説明する。

図３は、本発明に係るコンデンサ収容箱の内部回路図である。
コンデンサ収容箱は、電流分配装置の出力端、或いは、通信装置の入力端であるプラスラインとマイナスラインの間に接続する。コンデンサ収容箱の内部は、突入電流防止回路と並列接続された複数のコンデンサユニットが直列に接続されている。突入電流防止回路は、コンデンサを充電する際に発生する突入電流を防止するための保護回路である。

本発明に係るコンデンサユニットを構成するコンデンサとしては、従来のように1種類のコンデンサのみを用いるのではなく、特性の異なる複数の種類のコンデンサを用いる。本明細書では、仮に、電解コンデンサのように、時間とともに容量が低下するが容量/体積比の大きいコンデンサをコンデンサAと呼ぶ。また、セラミックコンデンサ、或いは、フィルムコンデンサのように、電解コンデンサに比べ容量/体積比は小さいが、容量の経時変化の小さいコンデンサをコンデンサBと呼ぶ。本発明に係るコンデンサ収容箱では、少なくとも一つのコンデンサAを含むコンデンサユニットと、少なくとも一つのコンデンサBを含むコンデンサユニットを並列に接続して使用する。
ここで、電解コンデンサは、電解液を使用しているためドライアウトなどの現象が発生する。従って、特に高温で使用した場合に、経時変化により容量が大きく低下する。一方、セラミックコンデンサ、フィルムコンデンサは、時間とともに容量が低下する割合は電解コンデンサに比べて少ない。
本発明に係るコンデンサ収容箱を構成するコンデンサユニットは、少なくとも2種類の異なる内部構成をとるものとする。一つは、図３に示すヒューズFC1とコンデンサC1とからなるもので、ヒューズとコンデンサAを直列に接続したコンデンサユニットである。もう一つは、ヒューズFC3、コンデンサC'、抵抗Rcとからなるもので、ヒューズとコンデンサBと抵抗を直列に接続したものである。ヒューズは過電流がコンデンサに流れこみ、コンデンサを破壊する事故を防止するための素子である。図３では、ヒューズ、コンデンサ、抵抗の順に接続しているが、接続する順序は、図に示す順序に限らず、例えば、ヒューズ、抵抗、コンデンサの順に接続しても本発明に係る効果が得られる。

図３に示すコンデンサC'のようなコンデンサBは、一般的にコンデンサAに比べ、大きな容量のものを用いることが困難である。コンデンサBに直列に接続する抵抗Rcは、容量が比較的小さいコンデンサを用いても、発振の抑制効果を低減させない目的で使用する。抵抗Rcの値は、コンデンサの等価直列抵抗に対して、比較的大きな値とするのが好ましい。

図４は、ある特定の長さと直径を持つケーブルで構成された給電系において、コンデンサ収容箱の単位負荷に対する容量(μF/W)と抵抗(mΩ)を変化させた時に、給電系が安定に動作する領域、及び、発振しやすい領域を示すグラフである。ここで、抵抗値が極めて小さい領域（例えば1mΩ）は、近似的に直列抵抗を持たないコンデンサユニットの特性を示すものである。
図４からわかるように、コンデンサが小さい場合には、いかなる抵抗値にしても系を安定化させることはできない。一方、コンデンサを大きくすると、ある抵抗の範囲で系を安定化させることができる。特にコンデンサ容量が十分に大きい場合には、抵抗値が小さくても系を安定化させることができる。例えば1OOOOOuFの電解コンデンサを用いて10OW負荷の系を安定化させるには、横軸から1OOOuF/Wのポイントを見ることになり、安定化に必要な抵抗の範囲は1mΩ〜100 mΩとなる。ここで100OOOuFの電解コンデンサの等価直列抵抗は約1mΩ（1kHzでの測定)であるため、迫加の抵抗が不要でありコンデンサをそのまま使うことができる(Aの範囲)。一方容量を確保することが難しいコンデンサBであるセラミックコンデンサやフィルムコンデンサはコンデンサ容量を下げて、例えば50uF/Wとし、追加する抵抗を約50 mΩにすると、Bの範囲に入ることとなり、系を安定化させることができる。すなわち、容量の小さいコンデンサBを用いた場合でも、コンデンサの等価直列抵抗（たかだか1mΩ程度）に比べ大きな抵抗値（1mΩ〜100mΩ）の抵抗をコンデンサに直列に接続することにより、給電システムの発振を防止することが可能になる。

コンデンサAを含むコンデンサユニットと、直列に接続されたコンデンサBと抵抗を含むコンデンサユニットを並列に接続してコンデンサ収容箱を構成することにより、コンデンサ収容箱の部品コスト及びサイズの適正化、長期的な給電システムの動作安定化、信頼性向上に高い効果がある。

通信用直流給電システムの回路図である。従来のコンデンサ収容箱の内部回路図である。本発明に係るコンデンサ収容箱の内部回路図である。給電システムの安定領域を示す図である。

符号の説明

１整流装置
２電流分配装置
３コンデンサ収容箱
４１、４２、４３通信装置
BATT 蓄電池
F1、F2、F3、FC1、FC2、FC3 ヒューズ
C1、C2、C3、C' コンデンサ
RC 抵抗

Claims

電源装置、電流分配装置、負荷装置を順に給電ケーブルにより配線して構成される直流給電システムの前記電流分配装置の出力端子又は前記負荷装置の入力端子に接続され電源電圧を安定化するコンデンサ収容箱において、前記コンデンサ収容箱が並列接続した少なくともひとつの第一のコンデンサユニットと少なくともひとつの第二のコンデンサユニットを有し、前記第一のコンデンサユニットが電解コンデンサを有し、前記第二のコンデンサユニットが直列接続したセラミックコンデンサと抵抗又は直列接続したフィルムコンデンサと抵抗を有することを特徴とするコンデンサ収容箱。
前記第二のコンデンサユニットを構成する直列接続したコンデンサと抵抗において、前記抵抗の抵抗値が前記コンデンサの等価直列抵抗の抵抗値よりも大きいことを特徴とする請求項１記載のコンデンサ収容箱。
前記抵抗の抵抗値が、1mΩ以上、100mΩ以下であることを特徴とする請求項２記載のコンデンサ収容箱。
請求項１乃至３のいずれか1項記載のコンデンサ収容箱を備えた直流給電システム。