JP2009081901A

JP2009081901A - 過電圧保護装置

Info

Publication number: JP2009081901A
Application number: JP2007247363A
Authority: JP
Inventors: Masanori Ashida; 雅則芦田
Original assignee: Aiphone Co Ltd
Current assignee: Aiphone Co Ltd
Priority date: 2007-09-25
Filing date: 2007-09-25
Publication date: 2009-04-16

Abstract

【課題】負荷への出力電圧から過電圧を検出して当該負荷の両端を短絡させ、スイッチング動作をラッチ制御して停止させることにより、複雑な回路構成を必要とせず完全かつ確実に過電圧から負荷を保護する。
【解決手段】交流電源２からの交流電圧Ｖinを整流・平滑する電源入力制御部３と負荷１への出力電圧Ｖoutを生成する電源出力制御部４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５の一次巻線５００から誘起された電源を受電する二次巻線５０１の電圧が過電圧になった場合、この過電圧は過電圧短絡回路４０２にて検出され、過電圧短絡回路のサイリスタＳＣＲが導通することで負荷の両端Ｐ1、Ｐ2が短絡する。電源入力制御部３のスイッチング制御回路３０２を構成する制御ＩＣ３２０は、負荷の両端の短絡により発生した二次巻線の過電流を定電圧制御回路４０１を経由して検出し、トランジスタ３０１のスイッチング動作をラッチ制御して停止させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング電源の過電圧保護装置に係り、特に、過電圧から負荷を保護することができる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、一次側に過電圧が入力されてときの絶縁トランスの飽和と一次側回路素子の耐圧ストレスの増大とを共に抑制することができる電源装置が開示されている（例えば、特許文献１を参照。）。

この電源装置によれば、制御回路の起動後、その制御回路の電源となる補助巻線に過電圧が印加されると、この過電圧を、過電圧保護回路により制御回路が動作を継続せしめる動作電圧以下にクランプさせるので、制御回路の動作を停止させることができ、スイッチング素子とトランスが停止する。

特開平６−９０５６１号公報

背景技術に記載した特許文献１の電源装置によれば、出力電圧検出部により出力電圧に過電圧を検出したときには、フォトカプラ発光部を発光させて、出力側過電圧検出信号をフォトカプラ受光部へ電気的に絶縁させた状態で送信するように構成されているため、過電圧の保護用のフォトカプラが必要とされ、当該フォトカプラの経年劣化に伴い過電圧の保護動作に不良が発生する虞があるばかりでなく、このフォトカプラは、一次側及び二次側の間を接続する構成部品であるために回路パターンの設計が煩雑であった。

本発明は、この難点を解消するためになされたもので、負荷への出力電圧から過電圧を検出して当該負荷の両端を短絡させ、スイッチング動作をラッチ制御して停止させることにより、複雑な回路構成を必要とせず完全かつ確実に過電圧から負荷を保護する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、本発明の第１の態様である過電圧保護装置は、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、負荷への出力電圧を生成するための電源出力制御部と、電源入力制御部及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及び一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、一次補助巻線の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スイッチング制御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、二次巻線の電圧を検出し過電圧となったとき負荷の両端を短絡させ、出力側整流・平滑回路、定電圧制御回路を経由してスイッチング制御回路を制御し過電圧から負荷を保護するための過電圧短絡回路とを備えたものである。

また、本発明の第２の態様である過電圧保護装置は、本発明の第１の態様において、過電圧短絡回路は、二次巻線の電圧を検出し過電圧となったとき導通して負荷の両端を短絡させるサイリスタを有している。

また、本発明の第３の態様である過電圧保護装置は、本発明の第１の態様において、スイッチング制御回路は、負荷の両端の短絡により発生した二次巻線の過電流を、定電圧制御回路を経由して検出し、トランジスタのスイッチング動作をラッチ制御して停止させる制御ＩＣを有している。

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負荷への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電圧が過電圧になった場合、この過電圧は過電圧短絡回路にて検出され、過電圧短絡回路のサイリスタが導通することで負荷の両端が短絡する。また、電源入力制御部のスイッチング制御回路を構成する制御ＩＣは、負荷の両端の短絡により発生した二次巻線の過電流を、定電圧制御回路を経由して検出し、トランジスタのスイッチング動作をラッチ制御して停止させることにより、過電圧から負荷を保護することができる。これにより、過電圧の保護用のフォトカプラを必要とせず簡素な回路構成で、安全かつ確実に過電圧から負荷を保護することができる。

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、家電機器等の負荷１と、交流電源（商用電源）２と、交流電源２からの交流電圧Ｖinが印加される電源入力制御部３と、負荷１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４と、電源入力制御部３及び電源出力制御部４の間を絶縁するためのスイッチングトランス５と、負荷１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５には、電源入力制御部３からの電源（直流電圧）を電源出力制御部４に供給するための一次巻線５００と、電源入力制御部３から一次巻線５００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５０１及び一次補助巻線５０２とが備えられている。

また、電源入力制御部３には、交流電源２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３００と、スイッチングトランス５を構成する一次補助巻線５０２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３０１と、トランジスタ３０１のスイッチング動作、すなわち、オン状態又はオフ状態の切り替えを制御するためのスイッチング制御回路３０２とが備えられている。

この電源入力制御部３において、入力側整流・平滑回路３００は、ダイオードブリッジ回路ＤＢ、コンデンサＣ1を有している。また、スイッチング制御回路３０２は、コンデンサＣ2、ダイオードＤ1、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。）Ｑ1、制御ＩＣ３２０を有している。

電源入力制御部３の具体的な接続の態様として、入力側整流・平滑回路３００を構成するダイオードブリッジ回路ＤＢの整流側の一方及び他方の間には、交流電源２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（＋）端子及び（−）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。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５を構成する一次巻線４００（の両端）を経由してトランジスタ３０１のコレクタが接続されており、このトランジスタ３０１のエミッタには、基準電位点が接続されている。また、トランジスタ３０１のベースには、スイッチング制御回路３０２を構成する制御ＩＣ３２０の第１の制御端子Ｐ320aが接続されている。

スイッチング制御回路３０２を構成する制御ＩＣ３２０の第２の制御端子Ｐ320bには、フォトカプラＰＣを構成する受光トランジスタＱ1のコレクタが接続されており、この受光トランジスタＱ1のエミッタには、基準電位点が接続されている。また、制御ＩＣ３２０の電源端子Ｐ320cには、ダイオードＤ1のカソード、アノード、スイッチングトランス５を構成する一次補助巻線５０２（の両端）を経由して基準電位点が接続されている。さらに、制御ＩＣ３２０の電源端子Ｐ320c及び基準電位点の間には、コンデンサＣ2が並列接続されている。

さらに、電源出力制御部４には、スイッチングトランス５を構成する一次巻線５００から誘起された後、二次巻線５０１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４００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４０１と、二次巻線５０１の電圧が過電圧となったとき、負荷１の両端である出力端子Ｐ1及びＧＮＤ端子Ｐ2の間を短絡させ、出力側整流・平滑回路４００、定電圧制御回路４０１を経由して電源入力制御部３のスイッチング制御回路３０２を制御し、過電圧から負荷１を保護するための過電圧短絡回路４０２とが備えられている。

この電源出力制御部４において、出力側整流・平滑回路４００は、ダイオードＤ2、Ｄ3、コンデンサＣ3、コイルＬを有している。また、定電圧制御回路４０１は、抵抗Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4、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。）Ｄ4、シャントレギュレータＳＲを有している。さらに、過電圧短絡回路４０２は、抵抗Ｒ5、コンデンサＣ4、ツェナーダイオードＺＤ、サイリスタＳＣＲを有している。

電源出力制御部４の具体的な接続の態様として、出力側整流・平滑回路４００を構成するダイオードＤ2のアノードには、スイッチングトランス５を構成する二次巻線５０１（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Ｄ2のカソードには、コイルＬを経由して出力端子Ｐ1が接続されている。また、ダイオードＤ2のカソード及びコイルＬの一端の間には、ダイオードＤ3のカソードが接続されており、このダイオードＤ3のアノードには、基準電位点が接続されている。また、コイルＬの他端及び出力端子Ｐ1の間には、コンデンサＣ3が並列接続されているとともに、定電圧制御回路４０１を構成する抵抗Ｒ3、Ｒ4を経由して基準電位点が接続されている。さらに、二次巻線５０１の他端及び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４０１において、フォトカプラＰＣを構成する発光ダイオードＤ4のアノードは、抵抗Ｒ1を経由して出力側整流・平滑回路４００を構成するコイルＬの他端及び出力端子Ｐ1の間に接続されている。また、発光ダイオードＤ4のカソード及びシャントレギュレータＳＲのカソードの間は、抵抗Ｒ2を経由して出力側整流・平滑回路４００を構成するコイルＬの他端及び出力端子Ｐ1の間に接続されている。また、シャントレギュレータＳＲのリファレンスは、直列接続された抵抗Ｒ3、Ｒ4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ＳＲのアノードには、基準電位点が接続されている。

過電圧短絡回路４０２において、サイリスタＳＣＲのアノードは、出力側整流・平滑回路４００を構成するコイルＬの他端及び出力端子Ｐ1の間に接続されており、このサイリスタＳＣＲのカソードには、基準電位点が接続されている。また、サイリスタＳＣＲのカソード及びゲート（ゲート電極）の間には、抵抗Ｒ5、コンデンサＣ4がそれぞれ並列接続されている。また、ツェナーダイオードＺＤのアノードには、抵抗Ｒ5を経由して基準電位点が接続されており、このツェナーダイオードＺＤのアノードは、出力側整流・平滑回路４００を構成するコイルＬの他端及び出力端子Ｐ1の間に接続されている。

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３の入力側整流・平滑回路３００を構成するダイオードブリッジ回路ＤＢの整流側の一方及び他方の両端間に、交流電源２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ことにより、直流電圧が生成される。また、前述の直流電圧が生成されると、電源入力制御部３の制御ＩＣ３２０が起動し、制御ＩＣ３２０の第１の制御端子Ｐ320aからトランジスタ３０１にベース電流が供給され、トランジスタ３００がオン状態となり、スイッチングトランス５を構成する一次巻線５００に直流電圧が印加されるため、一次巻線５００から誘起された（＋）電圧が二次巻線５０１及び一次補助巻線５０２にそれぞれ発生する。

ここで、スイッチングトランス５において、二次巻線５０１に発生した（＋）電圧は、電源出力制御部４の出力側整流・平滑回路４００を構成するダイオードＤ2、コイルＬ、コンデンサＣ3の経路でコイルＬにエネルギーを蓄積しながら整流・平滑されることになる。一方、一次補助巻線５０２に発生した（＋）電圧は、電源入力制御部３のスイッチング制御回路３０２を構成するダイオードＤ1、コンデンサＣ2の経路で整流・平滑された後、制御ＩＣ３２０の電源端子Ｐ320cに印加されることになる。このような電源が供給されることにより、制御ＩＣ３２０は、一定の周期で第１の制御端子Ｐ320aにパルス状の電圧を発生させ、トランジスタ３０１をオン／オフ切り替えることができる。

また、電源入力制御部３のトランジスタ３０１がオフになると、スイッチングトランス５を構成する一次巻線５００から誘起された（−）電圧が二次巻線５０１及び一次補助巻線５０２にそれぞれ発生し、電源出力制御部４の出力側整流・平滑回路４００を構成するダイオードＤ2には逆電圧が加わるためにダイオードＤ2は導通せず、コイルＬに逆起電力が発生し、コイルＬ、コンデンサＣ3、ダイオードＤ3の経路で整流・平滑されることになる。一方、一次補助巻線５０２に（−）電圧が発生すると、電源入力制御部３のスイッチング制御回路３０２を構成するダイオードＤ1には逆電圧が加わるためダイオードＤ1は導通せず、コンデンサＣ2に蓄えられた電荷により制御ＩＣ３２０の電源電圧が電源端子Ｐ320cに印加されることになる。このような電源が供給されることにより、制御ＩＣ３２０は、一定の周期で第１の制御端子Ｐ320aにパルス状の電圧を発生させ、トランジスタ３０１を再度オンさせることより、スイッチング動作を繰り返すことができる。

さらに、前述のように整流・平滑される直流電圧であり出力端子Ｐ1（及びＧＮＤ端子Ｐ2）から負荷１に供給される出力電圧Ｖout（の電圧レベル）は、電源出力制御部４の定電圧制御回路４０１を構成する抵抗Ｒ3、Ｒ4により設定される。ここで、出力電圧Ｖoutが上昇した場合には、シャントレギュレータＳＲが電流を引き込み、フォトカプラＰＣを構成する発光ダイオードＤ4に電流を流すことにより、（電源入力制御部３の）スイッチング制御回路３０２のフォトカプラＰＣを構成する受光トランジスタＱ1のインピーダンスを下げることで制御ＩＣ３２０の第２の制御端子Ｐ320bの端子電圧が低下し、第１の制御端子Ｐ320aに発生するパルス状の電圧のオン幅が小さくなり、出力電圧Ｖout（の電圧レベル）を低下させて定電圧制御を行うことができる。一方、出力電圧Ｖoutが低下した場合には、シャントレギュレータＳＲが電流を引き込まず、フォトカプラＰＣを構成する発光ダイオードＤ4に電流を流さないことにより、受光トランジスタＱ1のインピーダンスを上げることで制御ＩＣ３２０の第２の制御端子Ｐ320bの端子電圧が上昇し、第１の制御端子Ｐ320aに発生するパルス状の電圧のオン幅が大きくなり、出力電圧Ｖout（の電圧レベル）を上昇させて定電圧制御を行うことができる。

次に、スイッチングトランス５を構成する一次巻線５００から誘起された（＋）電圧を受電する二次巻線５０２にて過電流が発生すると、電源出力制御部４の出力側整流・平滑回路４００を構成するダイオードＤ2、コイルＬ及びコンデンサＣ3を経由して整流・平滑された過電圧が、ツェナーダイオードＺＤ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ＺＤが降伏してツェナー電流が流れ、サイリスタＳＣＲのゲートに電圧が印加される。ここで、サイリスタＳＣＲのゲートに印加された電圧レベルが、所定のゲートトリガ電圧よりも大きくなると、このサイリスタＳＣＲが非導通状態から導通状態に遷移されるため、負荷１の両端である出力端子Ｐ1及びＧＮＤ端子Ｐ2の間が短絡することになる。この出力端子Ｐ1及びＧＮＤ端子Ｐ2の間が短絡すると、電源出力制御部４の定電圧制御回路４０２を構成するシャントレギュレータＳＲに流れ込むシャント電流が所定の閾値未満となり、抵抗Ｒ1を経由してフォトカプラＰＣを構成する発光ダイオードＤ4に流れ込むアノード電流が減少するため、これに対応して、（電源入力制御部３の）スイッチング制御回路３０２のフォトカプラＰＣを構成する受光トランジスタＱ1に流れ込む電流も減少し、定電流出力である制御ＩＣ３２０の第２の制御端子Ｐ320bの端子電圧が上昇する。これを検出した制御ＩＣ３２０は、トランジスタ３０１のスイッチング動作をラッチ制御して停止させることができる。この制御により、スイッチングトランス５を構成する二次巻線５０１に発生する過電圧は、所定の電圧レベル以上で負荷１に出力されることはないため、従来例のような過電圧の保護用のフォトカプラを必要とせず簡素な回路構成で、安全かつ確実に過電圧から負荷１を保護することができる。

次に、出力端子Ｐ1及びＧＮＤ端子Ｐ2にそれぞれ接続される負荷１にて故障、破損等が発生し、出力電圧Ｖoutが上昇して過電圧になった場合であっても、この過電圧は、ツェナーダイオードＺＤ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ＺＤが降伏してツェナー電流が流れ、サイリスタＳＣＲのゲートに電圧が印加される。ここで、サイリスタＳＣＲのゲートに印加された電圧のレベルが、所定のゲートトリガ電圧よりも大きくなると、このサイリスタＳＣＲが非導通状態から導通状態に遷移されるため、負荷１の両端である出力端子Ｐ1及びＧＮＤ端子Ｐ2の間が短絡する。この出力端子Ｐ1及びＧＮＤ端子Ｐ2の間が短絡すると、電源出力制御部４の定電圧制御回路４０２を構成するシャントレギュレータＳＲに流れ込むシャント電流が所定の閾値未満となり、抵抗Ｒ1を経由してフォトカプラＰＣを構成する発光ダイオードＤ4に流れ込むアノード電流が減少するため、これに対応して、（電源入力制御部３の）スイッチング制御回路３０２のフォトカプラＰＣを構成する受光トランジスタＱ1に流れ込む電流も減少し、定電流出力である制御ＩＣ３２０の第２の制御端子Ｐ320bの端子電圧が上昇する。これを検出した制御ＩＣ３２０は、トランジスタ３０１のスイッチング動作をラッチ制御して停止させることができる。この制御により、負荷１の故障、破損等により発生する過電圧は、所定の電圧レベル以上で負荷１に出力されることはないため、従来例のような過電圧の保護用のフォトカプラを必要とせず簡素な回路構成で、安全かつ確実に過電圧から負荷１を保護することができる。

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……負荷
２……交流電源
３……電源入力制御部
３００……入力側整流・平滑回路
３０１……トランジスタ
３０２……スイッチング制御回路
３２０……制御ＩＣ
４……電源出力制御部
４００……出力側整流・平滑回路
４０１……定電圧制御回路
４０２……過電圧短絡回路
ＳＣＲ……サイリスタ
５……スイッチングトランス
５００……一次巻線
５０１……二次巻線
５０２……一次補助巻線
Ｖin……交流電圧
Ｖout……出力電圧

Claims

交流電源（２）からの交流電圧（Ｖin）が印加される電源入力制御部（３）と、負荷（１）への出力電圧（Ｖout）を生成するための電源出力制御部（４）と、前記電源入力制御部及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（５）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（５００）と、前記電源入力制御部の電源が受電される二次巻線（５０１）及び一次補助巻線（５０２）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（３００）と、前記一次補助巻線の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（３０１）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スイッチング制御回路（３０２）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（４００）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（４０１）と、前記二次巻線の電圧を検出し過電圧となったとき前記負荷の両端を短絡させ、前記出力側整流・平滑回路、前記定電圧制御回路を経由して前記スイッチング制御回路を制御し前記過電圧から前記負荷を保護するための過電圧短絡回路（４０２）とを備えることを特徴とする過電圧保護装置。
前記過電圧短絡回路は、前記二次巻線の電圧を検出し過電圧となったとき導通して前記負荷の両端を短絡させるサイリスタ（ＳＣＲ）を有することを特徴とする請求項１記載の過電圧保護装置。
前記スイッチング制御回路は、前記負荷の両端の短絡により発生した前記二次巻線の過電流を、前記定電圧制御回路を経由して検出し、前記トランジスタのスイッチング動作をラッチ制御して停止させる制御ＩＣ（３２０）を有することを特徴とする請求項１記載の過電圧保護装置。