JP2007267567A - 過電圧保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安全かつ確実にスイッチング動作を停止させて過電圧の保護動作を行う。
【解決手段】交流電源１からの交流電圧Ｖinを整流・平滑する電源入力制御部２と出力電圧Ｖoutを生成する電源出力制御部３との間を絶縁するために設けられるスイッチングトランス４の一次巻線４００から誘起された電源を受電する二次巻線４０１の出力電圧が過電圧になった場合、この過電圧は、逆極性の第２の一次補助巻線４０３にて検出され、過電圧保護回路２０３を構成するサイリスタＳＣＲの制御により電源入力制御部を構成するトランジスタＱ1へのベース電流が基準電位点に吸入されるため、スイッチングトランスを駆動させるトランジスタ２０１のスイッチング動作を停止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング電源の過電圧保護回路に係り、特に、スイッチング動作を停止させて過電圧の保護動作を行う過電圧保護装置に関する。

従来から、この種の過電圧保護装置として、出力電圧が過電圧となって過電圧保護回路が動作した時にも、出力電圧を一定電圧に保持することができる過電圧保護回路が開示されている（例えば、特許文献１を参照。）。

この過電圧保護回路によれば、リンギングチョークコンバータのトランスのベース巻線においてフライバック電圧を検出するダイオードおよびコンデンサと、スイッチングトランジスタのベース電流を吸入するツェナーダイオードとを有することにより、出力電圧が過電圧の時に安定な動作で出力電圧を一定値に抑圧することができる。

特開平５−１１１２４８号公報（段落番号「００１３」乃至「００１７」、第１図）

しかしながら、背景技術に記載した特許文献１の過電圧保護回路によれば、スイッチングトランジスタへのベース電流を吸入する回路素子として、ツェナーダイオードが使用されているため、ある程度大きな電力の当該ツェナーダイオードを適用せねばならず、さらには、オープンモードで破壊されて過電圧の保護動作が行われず、トランスを経由して絶縁された電源出力側の回路やスイッチング電源自体の破損、発煙または発火の原因となり、非常に危険であった。

本発明は、この難点を解消するためになされたもので、安全かつ確実にスイッチング動作を停止させて過電圧の保護動作を行うことができる過電圧保護装置を提供することを目的としている。

前述の目的を達成するため、本発明の過電圧保護装置は、交流電源からの交流電圧が印加される電源入力制御部と、出力電圧を生成するための電源出力制御部と、電源入力制御部および電源出力制御部の間を絶縁するためのスイッチングトランスとを設けたものである。スイッチングトランスは、電源入力制御部の電源を電源出力制御部に供給するための一次巻線と、電源入力制御部の電源が受電される二次巻線および第１の一次補助巻線と、出力電圧の過電圧を検出するための逆極性の第２の二次補助巻線とを備えたものである。電源入力制御部は、交流電圧を整流・平滑するための入力側整流・平滑回路と、第１の一次補助巻線の出力電圧に基づいてスイッチングトランスを駆動させるためのトランジスタと、トランジスタのスイッチング動作を制御するための制御回路と、二次巻線の出力電圧が過電圧となった場合に逆極性の第２の一次補助巻線で過電圧を検出し、トランジスタのスイッチング動作を停止させて過電圧の保護動作を行うための過電圧保護回路とを備えたものである。電源出力制御部は、二次巻線の電圧を整流・平滑するための出力側整流・平滑回路と、出力電圧を一定に保持するための制御を行う定電圧制御回路とを備えたものである。

本発明の過電圧保護装置によれば、交流電源からの交流電圧を整流・平滑する電源入力制御部と出力電圧を生成する電源出力制御部との間を絶縁するために設けられるスイッチングトランスの一次巻線から誘起された電源を受電する二次巻線の出力電圧が過電圧になった場合、この過電圧は、逆極性の第２の一次補助巻線にて検出され、過電圧保護回路を構成するサイリスタの制御により電源入力制御部を構成するトランジスタへのベース電流が基準電位点に吸入されるため、スイッチングトランスを駆動させるトランジスタのスイッチング動作を停止することができ、安全かつ確実な過電圧の保護動作が可能となる。

以下、本発明の過電圧保護装置を適用した最良の実施の形態例について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施例による過電圧保護装置の具体的な構成を示す回路図である。

図１に示す過電圧保護装置には、交流電源（商用電源）１と、交流電源１からの交流電圧Ｖinが印加される電源入力制御部２と、例えば、家電機器等の負荷（図示せず。）を動作させる出力電圧Ｖoutを生成するための電源出力制御部３と、電源入力制御部２および電源出力制御部３の間を絶縁するためのスイッチングトランス４と、前述の負荷が接続される２つの端子（以下、それぞれ出力端子、ＧＮＤ端子という。）Ｐ1、Ｐ2とが設けられている。

スイッチングトランス４には、電源入力制御部２からの電源を電源出力制御部３に供給するための一次巻線４００と、電源入力制御部２から一次巻線４００を経由して誘起された電源（直流電圧）が受電される二次巻線４０１および第１の一次補助巻線４０２と、後述するフォトカプラＰＣ等の故障により制御回路２０２の制御が行われなくなった場合に発生する出力電圧Ｖoutの過電圧を検出するための逆極性の第２の一次補助巻線４０３とが備えられている。

また、電源入力制御部２には、交流電源１からの交流電圧Ｖinを整流・平滑して直流電圧を生成するための入力側整流・平滑回路２００と、スイッチングトランス４を構成する第１の一次補助巻線４０２の出力電圧に基づいて当該スイッチングトランスを駆動させるための（ＮＰＮ型の）トランジスタ２０１と、トランジスタ２０１のスイッチング動作、すなわち、オン状態またはオフ状態の切り替えを制御するための制御回路２０２と、スイッチングトランス４を構成する二次巻線４０１の出力電圧が過電圧となった場合に、その過電圧を逆極性の第２の一次補助巻線４０３にて検出し、制御回路２０２の制御によりトランジスタ２０１のスイッチング動作を停止させて過電圧の保護を行うための過電圧保護回路２０３とが備えられている。

この電源入力制御部２において、入力側整流・平滑回路２００は、ダイオードブリッジＤＢ、コンデンサＣ1を有している。

また、制御回路２０２は、抵抗Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4、Ｒ5、Ｒ6、コンデンサＣ2、Ｃ3、Ｃ4、ダイオードＤ1、Ｄ2、ツェナーダイオードＺＤ1、（ＮＰＮ型の）トランジスタＱ1、フォトカプラＰＣを構成する（ＮＰＮ型の）トランジスタ（以下、受光トランジスタという。）Ｑ2を有している。

さらに、過電圧保護回路２０３は、抵抗Ｒ7、Ｒ8、コンデンサＣ5、Ｃ6、ダイオードＤ3、ツェナーダイオードＺＤ2、サイリスタＳＣＲを有している。

電源入力制御部２の構成各部／回路の具体的な接続として、入力側整流・平滑回路２００を構成するダイオードブリッジ回路ＤＢの整流側の一方および他方の間には、交流電源１が接続されている。また、ダイオードブリッジ回路ＤＢの（＋）端子および（−）端子の両端子の間には、コンデンサＣ1が並列接続されているとともに、制御回路２０２を構成する直列接続された抵抗Ｒ3およびトランジスタＱ1が並列接続されている。また、ダイオードブリッジ回路ＤＢの（＋）端子には、スイッチングトランス４を構成する一次巻線４００（の両端）を経由してトランジスタ２０１のコレクタが接続されており、このトランジスタ２０１のエミッタには、制御回路２０２を構成する抵抗Ｒ1を経由して基準電位点が接続されている。また、トランジスタ２０１のベースには、制御回路２０２を構成する抵抗Ｒ4、ダイオードＤ1を順次経由してスイッチングトランス４を構成する第１の一次補助巻線４０２に接続されている。さらに、ダイオードブリッジ回路ＤＢの（−）端子には、基準電位点が接続されている。

制御回路２０２を構成するトランジスタＱ1のベースは、抵抗Ｒ2を経由してトランジスタ２０１のエミッタおよび抵抗Ｒ1の一端の間に接続されている。

制御回路２０２において、フォトカプラＰＣを構成する受光トランジスタＱ2のコレクタは、抵抗Ｒ6を経由してダイオードＤ2のカソードおよびコンデンサＣ4の間に接続されている。また、受光トランジスタＱ2のエミッタは、コンデンサＣ2を経由してトランジスタ２０１のエミッタおよび抵抗Ｒ1の間に接続されている。さらに、受光トランジスタＱ2のエミッタおよびコンデンサＣ2の間には、抵抗Ｒ5、ツェナーダイオードＺＤ1を順次経由してスイッチングトランス４を構成する第１の一次補助巻線４０２の一端およびダイオードＤ1のアノードの間に接続されている。

制御回路２０２を構成するダイオードＤ1のアノードおよびカソードの両端の間には、コンデンサＣ3が並列接続されている。また、ダイオードＤ1のアノードおよびスイッチングトランス４を構成する第１の一次補助巻線４０２の間には、ダイオードＤ2、コンデンサＣ4を順次経由して基準電位点が接続されている。

過電圧保護回路２０３を構成するサイリスタＳＣＲのアノードは、抵抗Ｒ7を経由して入力側整流・平滑回路２００を構成するダイオードブリッジ回路ＤＢの（＋）端子およびスイッチングトランス４を構成する一次巻線４００の一端の間に接続されている。また、サイリスタＳＣＲのカソードは、基準電位点に接続されている。また、サイリスタＳＣＲのゲート（ゲート電極）には、ツェナーダイオードＺＤ2、ダイオードＤ3、スイッチングトランス４を構成する逆極性の第２の一次補助巻線４０３（の両端）を順次経由して基準電位点が接続されている。さらに、サイリスタＳＣＲのカソードおよびゲートの間には、抵抗Ｒ8、コンデンサＣ5がそれぞれ並列接続されている。

過電圧保護回路２０３を構成するツェナーダイオードＺＤ2のカソードおよびダイオードＤ3のカソードの間には、他端が基準電位点に接続されたコンデンサＣ6の一端が接続されている。

さらに、電源出力制御部３には、スイッチングトランス４を構成する一次巻線４００から誘起された後、二次巻線４０１にて受電される電源である直流電圧を整流・平滑して出力電圧Ｖoutを生成するための出力側整流・平滑回路３００と、出力電圧Ｖoutを一定の電圧レベルで保持するための制御を行う定電圧制御回路３０１とが備えられている。

この電源出力制御部３において、出力側整流・平滑回路３００は、ダイオードＤ4、コンデンサＣ7を有している。

定電圧制御回路３０１は、抵抗Ｒ9、Ｒ10、Ｒ11、Ｒ12、フォトカプラＰＣを構成するダイオード（以下、発光ダイオードという。）Ｄ5、シャントレギュレータＩＣを有している。

電源出力制御部３の構成各部／回路の具体的な接続として、出力側整流・平滑回路３００を構成するダイオードＤ4のアノードには、スイッチングトランス４を構成する二次巻線４０１（の両端）を経由して基準電位点が接続されている。また、ダイオードＤ4のカソードには、出力端子Ｐ1が接続されている。また、ダイオードＤ4のアノードおよびＧＮＤ端子Ｐ2の間には、コンデンサＣ7が接続されている。また、ダイオードＤ4のカソードおよび出力端子Ｐ1の間には、定電圧制御回路３０１を構成する抵抗Ｒ11、Ｒ12を順次経由して基準電位点が接続されている。さらに、二次巻線４０１の他端およびＧＮＤ端子Ｐ2の間には、基準電位点が接続されている。

定電圧制御回路３０１において、フォトカプラＰＣを構成する発光ダイオードＤ5のアノードは、抵抗Ｒ9を経由して出力側整流・平滑回路３００を構成するダイオードＤ4のカソードおよび出力端子Ｐ1の間に接続されている。また、発光ダイオードＤ5のカソードおよびシャントレギュレータＩＣのカソードの間は、抵抗Ｒ10を経由して出力側整流・平滑回路３００を構成するダイオードＤ4のカソードおよび出力端子Ｐ1の間に接続されている。また、シャントレギュレータＩＣのリファレンスは、直列接続された抵抗Ｒ11、Ｒ12の間に接続されており、出力端子Ｐ1の電位を分圧して当該シャントレギュレータのリファレンスに供給している。さらに、シャントレギュレータＩＣのアノードには、基準電位点が接続されている。

このように構成された本発明の実施例による過電圧保護装置において、以下、具体的な動作について説明する。

図１において、電源入力制御部２の入力側整流・平滑回路２００を構成するダイオードブリッジ回路ＤＢの整流側の一方および他方の両端間に、交流電源１からの交流電圧Ｖinが印加されると、この交流電圧Ｖinは、ダイオードブリッジ回路ＤＢを経由して整流された後、コンデンサＣ1を経由して平滑される。

また、電源入力制御部２の入力側整流・平滑回路２００を構成するダイオードブリッジ回路ＤＢおよびコンデンサＣ1をそれぞれ経由して直流電圧が生成されると、制御回路２０２を構成する抵抗Ｒ3を経由してトランジスタ２０１にベース電流が流れ込むことにより、このトランジスタ２０１は起動してコレクタ電流が流れる。この動作によって、スイッチングトランス４を構成する一次巻線４００に直流電圧が印加されるため、一次巻線４００から誘起された（−）電圧が第１の一次補助巻線４０２にて受電され、制御回路２０２を構成するダイオードＤ1、抵抗Ｒ4を経由してベース電流がトランジスタ２０１に流れ込み、このトランジスタ２０１はオン状態が継続する。

さらに、電源入力制御部２を構成するトランジスタ２０１がオン状態になり、スイッチングトランス４を構成する一次巻線４００に直流電圧が印加されると、一次巻線４００から誘起された（＋）電圧が二次巻線４０１にて受電される。

次に、スイッチングトランス４を構成する二次巻線４０１にて受電された（＋）電圧は、電源出力制御部３の出力側整流・平滑回路３００を構成するダイオードＤ4を経由して整流された後、コンデンサＣ7を経由して平滑される。また、ダイオードＤ4およびコンデンサＣ7をそれぞれ経由して整流・平滑された直流電圧は、定電圧の出力電圧Ｖoutとして出力端子Ｐ1（およびＧＮＤ端子Ｐ2）から例えば、家電機器等の負荷に出力されるとともに、定電圧制御回路３０１を構成する抵抗Ｒ11、Ｒ12を経由してその電圧レベルが分圧される。

また、電源出力制御部３の定電圧制御回路３０１を構成する抵抗Ｒ11、Ｒ12を経由して分圧された出力電圧ＶoutによりシャントレギュレータＩＣに流れ込むシャント電流が所定の閾値以上であると、このシャントレギュレータＩＣはオン状態になり、抵抗Ｒ9を経由してアノード電流が流れ込むフォトカプラＰＣを構成する発光ダイオードＤ5を点灯させることができる。この点灯によって、（電源入力制御部２の）制御回路２０２のフォトカプラＰＣを構成する受光トランジスタＱ2がオン状態になり、ダイオードＤ2を経由してコンデンサＣ4に蓄電される直流電圧に基づき、ベース電流がトランジスタＱ1に流れ込む。

また、電源入力制御部２の制御回路２０２を構成するトランジスタＱ1にベース電流が流れ込み、このトランジスタＱ1がオン状態になると、トランジスタ２０１へのベース電流が基準電位点に吸入されるため、このトランジスタ２０１はオン状態からオフ状態に切り替わる。

また、電源入力制御部２を構成するトランジスタ２０１がオフ状態になると、スイッチングトランス４のエネルギーが減少していき、一次巻線４００から二次巻線４０１へと（＋）電圧が誘起されなくなる状況が発生する。そこで、スイッチングトランス４のエネルギーが「０」になると、残留磁化により電源出力制御部３の出力側整流・平滑回路３００を構成するコンデンサＣ7から放電されたダイオードＤ4への電流がバックスイングして、二次巻線４０１に逆方向の電流を流すため、第１の一次補助巻線４０２にて（＋）電圧が受電される。

さらに、スイッチングトランス４を構成する第１の一次補助巻線４０２に（＋）電圧が受電されると、電源入力制御部２の制御回路２０２を構成するダイオードＤ1、抵抗Ｒ4、入力側整流・平滑回路２００を構成するダイオードブリッジ回路ＤＢ、抵抗Ｒ3を（順次）経由してベース電流がトランジスタ２０１に流れ込み、このトランジスタ２０１は再びオン状態となるように、トランジスタ２０１のスイッチング動作、すなわち、オン状態またはオフ状態の切り替えが繰り返される。このように、トランジスタ２０１がオフ状態になる時間を制御することにより、出力電圧Ｖoutの定電圧制御が可能となる。

次に、スイッチングトランス４を構成する一次巻線４００から誘起された（−）電圧を受電する第１の一次補助巻線４０２にて過電圧が発生すると、電源入力制御部２の制御回路２０２を構成するダイオードＤ2を経由してコンデンサＣ4に蓄電される過電圧が、ツェナーダイオードＺＤ1のツェナー電圧よりも高くなるため、このツェナーダイオードＺＤ1が降伏して、ツェナー電流がベース電流としてトランジスタＱ1に流れ込み、このトランジスタＱ1はオン状態になる。

また、電源入力制御部２の制御回路２０２を構成するトランジスタＱ1がオン状態になると、トランジスタ２０１へのベース電流が基準電位点に吸入されるため、このトランジスタ２０１はオフ状態にすることができる。この制御により、スイッチングトランス４を構成する二次巻線４０１に発生する電圧は、所定の電圧レベル以上で出力されることはないため、安全かつ確実な過電圧の保護動作が可能となる。

次に、出力端子Ｐ1、ＧＮＤ端子Ｐ2にそれぞれ接続される例えば、家電機器等の負荷にて故障、破損等が発生し、出力電圧Ｖoutが上昇して過電圧となると、この過電圧は、スイッチングトランス４を構成する二次巻線４０１から誘起された後、逆極性の第２の一次補助巻線４０３にて受電される。

また、スイッチングトランス４を構成する逆極性の第２の一次補助巻線４０３にて過電圧が受電されると、電源入力制御部２の過電圧保護回路２０３を構成するダイオードＤ3を経由してコンデンサＣ6に蓄電される過電圧が、ツェナーダイオードＺＤ2のツェナー電圧よりも高くなるため、このツェナーダイオードＺＤ2が降伏して、ツェナー電流がゲート電流としてサイリスタＳＣＲのゲートに流れ込む。

また、電源入力制御部２の過電圧保護回路２０３を構成するサイリスタＳＣＲは、ツェナー電流がゲートに流れ込むことにより、アノードおよびカソードの間に電流が流れてオン状態になる。

また、電源入力制御部２の過電圧保護回路２０３を構成するサイリスタＳＣＲがオン状態になると、ベース電流が制御回路２０３を構成するトランジスタＱ1に流れ込み、このトランジスタＱ1はオン状態になる。なお、サイリスタＳＣＲは、その性質として保持機能を有しているため、トランジスタＱ1もオン状態が継続される。

さらに、制御回路２０２を構成するトランジスタＱ1がオン状態になると、トランジスタ２０１へのベース電流が基準電位点に吸入されるため、このトランジスタ２０１はオフ状態のまま継続することができ、安全かつ確実な過電圧の保護動作が可能となる。

なお、本発明の過電圧保護装置においては、特定の実施の形態をもって説明してきたが、この形態に限定されるものでなく、本発明の効果を奏する限り、これまで知られた如何なる構成の過電圧保護装置であっても採用できるということはいうまでもないことである。

本発明の実施例による過電圧保護装置の具体的な構成を示す回路図。

符号の説明

１……交流電源
２……電源入力制御部
２００……入力側整流・平滑回路
２０１……トランジスタ
２０２……制御回路
２０３……過電圧保護回路
３……電源出力制御部
３００……出力側整流・平滑回路
３０１……定電圧制御回路
４……スイッチングトランス
４００……一次巻線
４０１……二次巻線
４０２……第１の一次補助巻線
４０３……逆極性の第２の一次補助巻線
Ｖin……交流電圧
Ｖout……出力電圧

Claims (1)

1. 交流電源（１）からの交流電圧（Ｖin）が印加される電源入力制御部（２）と、出力電圧（Ｖout）を生成するための電源出力制御部（３）と、前記電源入力制御部および前記電源出力制御部の間を絶縁するためのスイッチングトランス（４）とを設け、
   前記スイッチングトランスは、前記電源入力制御部の電源を前記電源出力制御部に供給するための一次巻線（４００）と、前記電源入力制御部の電源が受電される２次巻線（４０１）および第１の一次補助巻線（４０２）と、前記出力電圧の過電圧を検出するための逆極性の第２の一次補助巻線（４０３）とを備え、
   前記電源入力制御部は、前記交流電圧を整流・平滑するための入力側整流・平滑回路（２００）と、前記第１の一次補助巻線の出力電圧に基づいて前記スイッチングトランスを駆動させるためのトランジスタ（２０１）と、前記トランジスタのスイッチング動作を制御するための制御回路（２０２）と、前記二次巻線の出力電圧が過電圧となった場合に前記逆極性の第２の一次補助巻線で前記過電圧を検出し、前記トランジスタのスイッチング動作を停止させて前記過電圧の保護動作を行うための過電圧保護回路（２０３）とを備え、
   前記電源出力制御部は、前記二次巻線の電圧を整流・平滑するための出力側整流・平滑回路（３００）と、前記出力電圧を一定に保持するための制御を行う定電圧制御回路（３０１）とを備えたことを特徴とする過電圧保護装置。
   
   

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