JP2009033826A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷短絡の発生を素早く且つ確実に検出し、高速に負荷への電力供給を停止することができる電源装置を提供する。
【解決手段】 直流電源１と、スイッチ回路２と、限流リアクトル３と、負荷４に直流エネルギーを供給するため、スイッチ回路２にオンオフ指令を与える制御手段７と、負荷電圧を検出する電圧検出手段５と、信号絶縁手段６とで構成する。制御手段７は、オンオフ指令の基準信号を出力するスイッチ制御回路７１と、信号絶縁手段６の出力を受け、電圧信号を出力する信号処理手段７３と、この電圧信号が所定値以下のとき論理レベルＨを出力する比較手段７４と、スイッチ制御回路７１の出力を所定時間オンディレイさせたオンオフ信号を出力するオンディレイ手段７６とを有し、比較手段７４の出力がＨで且つオンディレイ手段７６の出力がオンのとき、当該制御手段７の出力をオフするようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は電源装置に係り、特にスイッチ回路をオンオフさせることにより直流電圧を断続的に負荷に供給するようにした電源装置に関する。

例えば、クライストロン等の真空管にパルスパワーを供給する高電圧電源装置や、核融合の中性粒子入射装置に使用される高電圧電源装置においては、通常時スイッチ回路をオンオフさせることにより直流電源のエネルギーを断続的に負荷に供給する。このような負荷では、しばしば電圧印加中に負荷が短絡することがある。負荷が短絡状態となったまま負荷への電力供給が継続すると、負荷の電極等が損傷する恐れがある。このため、負荷短絡が発生した場合、高速にこれを検出し、スイッチ回路をオフすることにより負荷への電流流入を遮断する必要がある。

また、負荷短絡が発生したとき、負荷短絡時の電流上昇率を制限する限流リアクトルのリアクタンスをＬ、入力電圧をＶｉｎとすると、電流増加率Ｖｉｎ／Ｌに従って時間と共に電流が増加する。例えば、スイッチ回路のスイッチとして半導体スイッチング素子を使用した場合、負荷短絡に伴い増加する遮断電流の許容値、及び電流遮断時にスイッチ両端に発生するサージ電圧の許容値が制限されるため、できる限り高速に電流を遮断することによりスイッチに対する責務を低減することが重要な課題となる。

この対策として、電流検出手段を用いて負荷に流れる電流を検出し、正常時に流れる電流から負荷短絡時にＶｉｎ／Ｌの割合で増加する電流がある閾値を超えたことを検出して負荷短絡が発生したと判断し、負荷への電力供給を停止させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、負荷に印加される電圧を検出し、この検出電圧と基準電圧とを比較し、検出電圧が基準電圧より低い値になったとき、負荷短絡と判断して負荷への電力供給を停止させる方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００４−３４３８４８号公報（第４−６頁、図１） 特開２０００−１４１３４号公報（第３−４頁、図１）

特許文献１に示された方法は、負荷に流れる電流を検出し、ある閾値を超えた場合に負荷短絡と判断して、スイッチを停止することにより負荷への電力供給を停止させている。しかしながら、特許文献1に示す方法には高速遮断という点において問題がある。すなわち、負荷短絡が発生し、限流リアクトルL及び入力電圧Ｖｉｎとで決まる電流増加率Ｖｉｎ／Ｌにより電流が増加し、ある閾値を超えたとき、初めて負荷短絡と判断し、負荷への電力供給を停止することが可能となる。従って、閾値に到達するまでの時間は不感時間となり、負荷への電力供給が継続してしまう。更に、定常状態の負荷電流値と、閾値との差異が小さい場合には、検出器の検出誤差やノイズ及び負荷の状態変化などにより誤検出する恐れがある。閾値はこのような影響を考慮した上で決定されるため、定常状態の負荷電流値に比べて数１０％程度大きな値を選定する必要がある。これは、例えば、スイッチとして半導体スイッチング素子を使用した場合、遮断電流の許容値及び、電流遮断時にスイッチ両端に発生するサージ電圧の点から不利となる。

一方、特許文献２に示す検出方法は、負荷の短絡状態を出力電圧により検出している。負荷が短絡した場合、負荷のインピーダンスはきわめて小さな値となるため、負荷の両端に発生する電圧は、瞬時にしてほぼ０Ｖとなる。このため、高速遮断の点では有利である。しかしながら、特許文献2に示された方式においては以下の問題がある。

まず、負荷に供給される電圧は直流である必要があり、本発明が適用されるような負荷に断続的に電力を供給する電源装置に適用することが困難である。

更に、本発明が適用されるような高電圧の電源装置においては、負荷短絡が発生した場合、負荷の電位が変動し、制御部との間に電位差が生じる恐れがある。この電位差は数ｋＶに達する場合もあり、電子回路の誤動作や破損等の原因となり、信頼性の問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、負荷短絡の発生を素早く且つ確実に検出し、高速に負荷への電力供給を停止することができる電源装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の第1の発明である電源装置は、直流電源と、この直流電源と負荷の間に限流リアクトルを介して接続されたスイッチ回路と、前記負荷に所望の直流エネルギーを供給するため、前記スイッチ回路にオンオフ指令を与える制御手段と、前記負荷に印加される電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段の出力信号を電気的に絶縁して前記制御手段に与える信号絶縁手段とから構成され、前記制御手段は、前記オンオフ指令の基準信号を出力するスイッチ制御回路と、前記信号絶縁手段の出力から所望の電圧信号を得る信号処理手段と、前記電圧信号が所定の短絡検出閾値以下のとき論理レベルＨを出力する第１の比較手段と、前記スイッチ制御回路が出力するオンオフ指令がオフからオンに変わるとき、所定の時間だけ遅らせるようにしたオンオフ信号を出力するオンディレイ手段とを有し、前記第１の比較手段の出力がＨで且つ前記オンディレイ手段の出力がオンのとき、当該スイッチ制御回路の出力をオフするようにしたことを特徴としている。

また、本発明の第２の発明である電源装置は、直流電源と、この直流電源と負荷の間に限流リアクトルを介して接続されたスイッチ回路と、前記負荷に所望の直流エネルギーを供給するため、前記スイッチ回路にオンオフ指令を与える制御手段と、前記負荷に印加される電圧を検出する電圧検出手段と、この電圧検出手段によって検出された電圧が所定の短絡検出閾値以下のとき論理レベルＨを出力する第２の比較手段と、前記第２の比較手段の出力信号を電気的に絶縁して前記制御手段に与える信号絶縁手段とから構成され、前記制御手段は、前記オンオフ指令の基準信号を出力するスイッチ制御回路と、前記信号絶縁手段の出力から所望の論理レベルの信号を得る信号処理手段と、前記スイッチ制御回路のオンオフ指令信号がオフからオンに変わるとき、所定の時間だけ遅らせるようにしたオンオフ信号を出力するオンディレイ手段とを有し、前記信号処理手段の出力がＨで且つ前記オンディレイ手段の出力がオンのとき、当該スイッチ制御回路の出力をオフするようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、負荷短絡の発生を素早く且つ確実に検出し、高速に負荷への電力供給を停止することができる電源装置を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、本発明の実施例１に係る電源装置を図１乃至図４を参照して説明する。図1は本発明の実施例１に係る電源装置のブロック構成図である。

所望の電圧に充電された直流電源１の電圧を、スイッチ回路２をオンオフすることにより負荷4に断続的に供給する。スイッチ回路2と直列に、負荷短絡時に電流上昇率を制限する限流リアクトル3が接続されている。スイッチ回路２に使用されるスイッチには通常は半導体スイッチング素子が使用されるが、機械的スイッチであっても、また電子管であっても良い。またスイッチは１個であるとは限らない。このスイッチ回路２に与えるオンオフ指令は、その詳細を後述する制御部７によって生成される。

負荷4の両端電圧を検出するために電圧検出器５が設けられ、この電圧検出器５によって検出された電圧信号を信号絶縁回路６により、電圧検出器５とは電気的に絶縁された信号に変換して制御部７に信号伝送する。

信号絶縁回路6の内部構成の一例を図２に示す。電圧検出器５で得られた電圧信号は、A／D変換器６１によってデジタル信号に変換され、このデジタル信号はＥ／Ｏ変換器６２によって電気信号から光信号に変換される。そしてこの光信号は光ファイバ６３を経由して制御部７に伝送される。

以下、制御部７の内部構成について説明する。

スイッチ制御回路７１は、スイッチ回路２に与えるべきオンオフ指令の基準信号を生成し、出力オフ回路７２を介して信号レベルが“H”の場合にスイッチ回路２がオンし、“Ｌ”の場合にスイッチ回路２がオフするようなオンオフ指令をスイッチ回路２に与える。

一方、信号絶縁回路6によって伝送された光信号は、信号処理回路７３によって再び電気信号に変換され、比較回路７４に与えられる。尚、ここで信号処理回路７３の出力信号はアナログ／デジタルの種別を問わない。このため、後段の信号処理は、アナログ回路、デジタル回路どちらであっても適用可能である。本実施例においては、アナログ回路として以下記載する。

比較回路７４においては、入力された信号と内部で設定された所定の短絡検出閾値とを比較し、入力された信号が短絡検出閾値以下であればＡＮＤ回路７５の一方の入力にロジック信号“Ｈ”を出力し、そうでなければ“Ｌ”を出力する。ＡＮＤ回路７５の他方の入力には、スイッチ制御回路７１の出力であるオンオフ指令信号がオンディレイ回路７６を介して与えられる。前述したようにオンオフ指令信号のオン、オフはロジック信号“Ｈ”、“Ｌ”に夫々対応している。そしてＡＮＤ回路７５の出力は出力オフ回路７２にその制御入力として与えられ、ＡＮＤ回路７５がロジック信号“Ｈ”を出力したとき、出力オフ回路７２はスイッチ回路２に与えるオンオフ指令信号をオフして負荷４への電力の供給を停止する。

尚、上記比較回路７４に代えて、図３に示すように比較回路内のアンプの入出力を短絡する短絡器を設けた比較回路７４ａを用い、オンディレイ回路７６の出力レベルが“Ｌ”のときこの短絡器を短絡して比較回路７４ａの出力を“Ｌ”に固定するようにすれば、比較回路７４ａの出力が図１のＡＮＤ回路７５の出力と等価となるのでＡＮＤ回路７５を省略することが可能となる。尚、本発明においてＡＮＤ回路７５の機能を実現する手法は他にも多数あるが、他の方法についての説明は省略する。

以上説明した実施例１の構成における動作を図４に示す動作タイムチャートに従って以下に説明する。

図４の動作タイムチャートにおいて、時刻ｔ＝Ｔ０でスイッチ制御回路７１がオン指令を出力し、時刻ｔ＝Ｔ３においてオフ指令を出力する場合を考える。

直流電源１の出力電圧をＶｏｕｔ、限流リアクトル３のインダクタンスをＬ、負荷４の等価抵抗をＲとしたとき、負荷４に印加される負荷電圧VＬは、
ＶＬ＝Ｖｏｕｔ×{１−ｅｘｐ（Ｌ／Ｒ ×ｔ）}・・・（１）
となる。ここで、比較回路７４の短絡検出閾値をＶｔｈとすると、負荷電圧ＶＬが短絡検出閾値Ｖｔｈに到達するまでの時間Ｔは、（１）式のＶＬにＶｔｈを、ｔにＴを代入して解くことにより、
Ｔ＝−L／Ｒ ×ｌｎ{(Vｏｕｔ−Vｔｈ)／ Vｏｕｔ}・・・（２）
と表すことができる。従って図４において負荷電圧ＶＬが短絡検出閾値Ｖｔｈに到達する時刻をｔ＝Ｔ１とすると、Ｔ＝Ｔ１−Ｔ０となる。

この時間Ｔの間は、スイッチ制御出力回路７１がオン指令を出力している状態ではあるが、負荷電圧が短絡検出閾値Ｖｔｈ以下であるので、比較回路７４は電圧低下異常を検出し、実際の負荷短絡の有無に拘らずロジック信号“Ｈ”を出力する。このとき、出力オフ回路７２がオンオフ指令信号をオフしないようにするため、オンディレイ回路７６を設け、そのディレイ時間が上記時間Ｔよりも大きくなるように選定する。このようにすると、図４に示したように時刻ｔ＝Ｔ２（但し、Ｔ２≧Ｔ１）においてオンディレイ回路７６の出力がオン（“Ｈ”レベル）となり、時刻Ｔ２からＴ３までの期間だけ負荷短絡検出機能が有効となる。

以上説明したようにこの実施例１によれば、誤検出を防止して確実に負荷短絡を検出し、スイッチ回路２をオフして装置保護を行なうことが可能となる。

尚、短絡電流が立ち上がる前に装置保護を行なうためには、上記における時間Ｔは、なるべく短くすることが好ましい。このためには短絡検出閾値Ｖｔｈを誤検出の生じない範囲で最小化することが肝要となる。

また、本実施例によれば、アナログ信号をデジタル変換し、更に光信号に変換して光ファイバによって伝送することにより、電圧検出器５と制御部７との間の電気的絶縁を取ることができ、信号伝送中の耐ノイズ性に対しても、非常に優れた構成とすることができる。尚、アナログ信号からデジタル信号への変換時間は数マイクロ秒であるので、本発明が期待する負荷短絡状態を高速に検出する目的を損なうことはない。

以下、本発明の実施例２に係る電源装置を図５及び図６を参照して説明する。

図５は本発明の実施例２に係る電源装置のブロック構成図である。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電源装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、比較回路７４を制御部７内には設けず、電圧検出器５の出力側に電圧検出器５と同一絶縁電圧レベルの比較回路５ａを設け、この比較回路５ａの出力を信号絶縁回路６ａに与える構成とした点である。

この実施例２における信号絶縁回路６ａの内部構成図の一例を図６に示す。比較回路５ａの出力はロジック信号であるので、信号絶縁回路６ａはこのロジック出力を光信号に変換するＥ／Ｏ変換器６２によって電気信号から光信号に変換し、この光信号を光ファイバ６３を介して制御部７ａ内の信号処理回路７３ａに伝送する。ここで信号処理回路７３ａは、光信号を電気的ロジック信号に変換してＡＮＤ回路７５に出力する。

この実施例２においては、電圧検出器５で検出した電圧信号を絶縁する前に比較回路５ａによって電圧信号が短絡検出閾値以下かどうかをチェックする構成としたので、比較回路５ａと電圧検出器５が同一絶縁電圧レベルとなり、また信号絶縁回路６ａで扱う信号がロジック信号のみとなるため、全体の回路構成の簡素化を図ることが可能となる。

以下、本発明の実施例３に係る電源装置を図７及び図８を参照して説明する。

図７は本発明の実施例３に係る電源装置のブロック構成図であり、図８は実施例３で用いられる信号絶縁回路６ｂの内部構成図である。この実施例３の各部について、図５の本発明の実施例２に係る電源装置のブロック構成図及び図６の実施例２で用いられる信号絶縁回路６ａの内部構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例２と異なる点は、図８の信号絶縁回路６ｂにおいて、比較回路５ａのロジック出力信号をパルス変換回路６４によってパルス整形し、その出力をパルストランス６５に与え、そしてパルストランス６５の２次出力を制御部７ｂの信号処理回路７３ｂに与える構成とした点である。

ここでパルス変換回路６４は、比較回路５ａのロジック出力信号をパルストランス６５の入力として適した信号、例えばパルストランス６５が鉄心飽和を起こさないような適切なパルス幅を有するパルス信号にパルス整形する。

また、この実施例３における信号処理回路７３ｂは、その入力が光信号でなく電気信号であるので、必要に応じて信号をロジックレベルに変換する機能があれば十分である。

以上説明した実施例３によれば、光信号変換を用いていないので、例えば、電気／光、光／電気変換の遅れ時間などを考慮する必要が無く高速に信号を伝送することが可能となる。

本発明の実施例１に係る電源装置のブロック構成図。 本発明の実施例１に用いられる信号絶縁回路の内部構成図。 本発明の実施例１に用いられるコンパレータの他の一例を示す回路構成図。 本発明の動作を説明するためのタイムチャート。 本発明の実施例２に係る電源装置のブロック構成図。 本発明の実施例２に用いられる信号絶縁回路の内部構成図。 本発明の実施例３に係る電源装置のブロック構成図。 本発明の実施例３に用いられる信号絶縁回路の内部構成図。

符号の説明

１ 直流電源
２ スイッチ回路
３ 限流リアクトル
４ 負荷
５ 電圧検出器
５ａ 比較回路
６、６ａ、６ｂ 信号絶縁回路
６１ Ａ／Ｄ変換器
６２ Ｅ／Ｏ変換器
６３ 光ファイバ
６４ パルス変換回路
６５ パルストランス
７、７ａ、７ｂ 制御部
７１ スイッチ制御回路
７２ 出力オフ回路
７３、７３ａ、７３ｂ 信号処理回路
７４、７４ａ 比較回路
７５ ＡＮＤ回路
７６ オンディレイ回路

Claims (6)

1. 直流電源と、
   この直流電源と負荷の間に限流リアクトルを介して接続されたスイッチ回路と、
   前記負荷に所望の直流エネルギーを供給するため、前記スイッチ回路にオンオフ指令を与える制御手段と、
   前記負荷に印加される電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段の出力信号を電気的に絶縁して前記制御手段に与える信号絶縁手段と
   から構成され、
   前記制御手段は、
   前記オンオフ指令の基準信号を出力するスイッチ制御回路と、
   前記信号絶縁手段の出力から所望の電圧信号を得る信号処理手段と、
   前記電圧信号が所定の短絡検出閾値以下のとき論理レベルＨを出力する第１の比較手段と、
   前記スイッチ制御回路が出力するオンオフ指令がオフからオンに変わるとき、所定の時間だけ遅らせるようにしたオンオフ信号を出力するオンディレイ手段と
   を有し、
   前記第１の比較手段の出力がＨで且つ前記オンディレイ手段の出力がオンのとき、当該制御手段の出力をオフするようにしたことを特徴とする電源装置。
2. 直流電源と、
   この直流電源と負荷の間に限流リアクトルを介して接続されたスイッチ回路と、
   前記負荷に所望の直流エネルギーを供給するため、前記スイッチ回路にオンオフ指令を与える制御手段と、
   前記負荷に印加される電圧を検出する電圧検出手段と、
   この電圧検出手段によって検出された電圧が所定の短絡検出閾値以下のとき論理レベルＨを出力する第２の比較手段と、
   前記第２の比較手段の出力信号を電気的に絶縁して前記制御手段に与える信号絶縁手段と
   から構成され、
   前記制御手段は、
   前記オンオフ指令の基準信号を出力するスイッチ制御回路と、
   前記信号絶縁手段の出力から所望の論理レベルの信号を得る信号処理手段と、
   前記スイッチ制御回路のオンオフ指令信号がオフからオンに変わるとき、所定の時間だけ遅らせるようにしたオンオフ信号を出力するオンディレイ手段と
   を有し、
   前記信号処理手段の出力がＨで且つ前記オンディレイ手段の出力がオンのとき、当該制御手段の出力をオフするようにしたことを特徴とする電源装置。
3. 前記信号絶縁手段は、
   前記電圧検出手段によって検出された電圧信号をデジタル変換し、このデジタル変換された信号を光信号に変換して光ファイバを介して信号伝送するようにし、
   前記信号処理手段は、
   前記光ファイバの出力を電気信号に変換して前記第１の比較手段の入力とするようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
4. 前記信号絶縁手段は、
   前記第２の比較手段の出力を光信号に変換して光ファイバを介して信号伝送するようにし、
   前記信号処理手段は、
   前記光ファイバの出力を電気信号に変換するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
5. 前記信号絶縁手段は、
   前記第２の比較手段の出力をパルス信号に変換し、このパルス信号をパルストランスを介して信号伝送するようにし、
   前記信号処理手段は、
   前記パルストランスの２次側の信号を必要に応じて所定の電圧レベルに変換するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
6. 前記オンディレイ手段におけるオンディレイ時間Ｔは、
   前記直流電源の出力電圧をＶｏｕｔ、前記短絡検出閾値をＶｔｈ、前記負荷の等価抵抗をＲ、前記限流リアクトルのインダクタンスをLとしたとき、
   Ｔ ≧ −L／Ｒ ×ｌｎ{(Vｏｕｔ−Vｔｈ)／ Vｏｕｔ}
   を満たすように選定したことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の電源装置。

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