JP2009098886A - 電力供給回路、電源装置および磁場発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷に大電流を安定して流すことができる電源装置等を提供する。
【解決手段】電源装置３は、電源１０、電力供給回路５０、制御部８０およびスイッチ９０を備える。電力供給回路５０は、電界効果トランジスタ５１_１〜５１_Ｍ、電流値検出部５２_１〜５２_Ｍ、ゲート電圧制御部５３、バッファ部５４_１〜５４_Ｍ、加算部５５および異常検出部５６を含む。電源１０と負荷２０との間の電力供給経路の一部において、電界効果トランジスタ５１_ｍおよび電流値検出部５２_ｍを１組として、Ｍ組が並列的に設けられていて、各電界効果トランジスタ５１_ｍに流れる電流の値が電流値検出部５２_ｍにより検出される。各電流値検出部５２_ｍにより検出された電流値の和が一定となるようにゲート電圧制御部５３により各電界効果トランジスタ５１_ｍのゲート端子に与えられる電圧値が制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力供給回路、この電力供給回路および電源を含む電源装置、ならびに、この電力供給回路，電源および電磁石を含む磁場発生装置に関するものである。

特許文献１に開示された電源装置が知られている。この文献に開示された電源装置は、電源から負荷に電力を供給されるものであって、負荷に印加される電圧の値を検出して、その検出した電圧値が一定となるように制御を行う。
特開平９−３１１７３１号公報

しかし、上記特許文献１に開示されたものを含めて従来の電源装置は、負荷に大電流を安定して流すには限界がある。負荷としての電磁石と電源装置とを組み合わせて構成される磁場発生装置では、大きな磁場を発生させようとするには電磁石に大電流を流せばよいが、その場合に安定した大きさの磁場を発生させることは困難である。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、負荷に大電流を安定して流すことができる電源装置および電力供給回路、ならびに、このような電源装置を含み磁場の大きさを一定とすることができる磁場発生装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電力供給回路は、電源から負荷に電力を供給する電力供給回路であって、(1)電源と負荷との間の電力供給経路の一部に設けられた複数本の分岐経路と、(2) 複数本の分岐経路それぞれに設けられ、制御端子，第１端子および第２端子を含み、各分岐経路に第１端子および第２端子が接続されて挿入されたトランジスタと、(3)複数本の分岐経路それぞれに設けられ、各分岐経路に流れる電流の値を検出する電流値検出部と、(4) 複数の電流値検出部それぞれにより検出された電流値の和に応じた値を出力する加算部と、(5)加算部の出力値が一定となるように、複数のトランジスタそれぞれの制御端子に与える電圧値を制御する電圧制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る電力供給回路は、複数の電流値検出部それぞれにより検出された電流値の異常を検出する異常検出部を更に備えるのが好適であり、また、異常検出部により異常が検出されたときに電源からの電力供給を停止させる制御部を更に備えるのも好適である。

本発明に係る電源装置は、電源と、電源から負荷に電力を供給する上記の本発明に係る電力供給回路と、を備えることを特徴とする。また、本発明に係る磁場発生装置は、電源と、電磁石と、電源から負荷としての電磁石に電力を供給する上記の本発明に係る電力供給回路と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、電源から負荷に電力を供給する電力供給回路の一部が複数本の分岐経路とされていて、複数本の分岐経路それぞれにトランジスタおよび電流値検出部が設けられ、各分岐経路に流れる電流の値が電流値検出部により検出される。そして、複数の電流値検出部それぞれにより検出された電流値の和に応じた電圧値が加算部から出力され、この加算部の出力値が一定となるように電圧制御部によりトランジスタの制御端子に与えられる電圧値が制御される。電源と負荷との間の電力供給経路の一部において複数個のトランジスタが並列的に設けられていることにより、より大きな値の電流を負荷に流すことができる。また、負荷が電磁石である場合に、この負荷（電磁石）および電源装置を含んで構成される磁場発生装置では、発生する磁場が大きく、しかも、その磁場の大きさが安定化される。

また、各分岐経路にトランジスタおよび電流値検出部が設けられていて、各トランジスタに流れる電流の大きさが個々に電流値検出部により検出されて、その検出された電流値の異常が異常検出部により検出される。この異常検出部により、トランジスタが破壊される危険があるか否かが判定され、トランジスタを保護するための信号が制御部へ出力される。そして、異常検出部から出力された信号がトランジスタの破壊の危険を示している場合には、制御部による制御により、電源からの電力供給が停止される。これにより、各トランジスタの破壊が回避され得る。

なお、本発明において用いられるトランジスタは、電界効果トランジスタおよびバイポーラトランジスタの何れであってもよい。電界効果トランジスタである場合、制御端子はゲート端子であり、第１端子はドレイン端子であり、第２端子はソース端子である。また、バイポーラトランジスタである場合、制御端子はベース端子であり、第１端子はエミッタ端子であり、第２端子はコレクタ端子である。ただし、電界効果トランジスタは、バイポーラトランジスタと比較して低抵抗であるので、電源から負荷へ電力を高効率に供給する上で好ましい。

本発明に係る電源装置および電力供給回路は、負荷に大電流を安定して流すことができる。また、本発明に係る磁場発生装置は、磁場の大きさを一定とすることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）

先ず、本発明の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る電源装置３および電力供給回路５０の構成を示す図である。この図に示される電源装置３は、電源１０、電源１０から負荷２０に電力を供給する電力供給回路５０、制御部８０およびスイッチ９０を備える。また、電力供給回路５０は、Ｍ個の電界効果トランジスタ５１_１〜５１_Ｍ、Ｍ個の電流値検出部５２_１〜５２_Ｍ、ゲート電圧制御部５３、Ｍ個のバッファ部５４_１〜５４_Ｍ、加算部５５および異常検出部５６を含む。なお、負荷２０が電磁石である場合には、この負荷（電磁石）２０および電源装置３を含む構成のものは磁場発生装置となる。ここで、Ｍは２以上の整数である。また、以下に登場するｍは１以上Ｍ以下の各整数である。

本実施形態では、電源１０と負荷２０との間の電力供給経路の一部がＭ本の分岐経路Ｐ_１〜Ｐ_Ｍとされていて、各分岐経路Ｐ_ｍに電界効果トランジスタ５１_ｍおよび電流値検出部５２_ｍが設けられている。すなわち、電界効果トランジスタ５１_ｍおよび電流値検出部５２_ｍを１組として、Ｍ組が電源１０と負荷２０との間の電力供給経路の一部において並列的に設けられている。

各電界効果トランジスタ５１_ｍは、ゲート端子，ソース端子およびドレイン端子を含んでおり、共通の特性を有している。各電界効果トランジスタ５１_ｍは、分岐経路Ｐ_ｍにソース端子およびドレイン端子が接続されて挿入されている。各電界効果トランジスタ５１_ｍは、ゲート電圧に印加される電圧の値に応じて、ソース端子とドレイン端子との間の抵抗値が変化する。

各電流値検出部５２_ｍは、分岐経路Ｐ_ｍに設けられ、この経路に流れる電流の値を検出するものであり、共通の特性を有している。より具体的には、図示のとおり、各電流値検出部５２_ｍとしてシャント抵抗器が用いられ、その抵抗器の一端が接地されていて、その抵抗器の他端が加算部５５の入力端に接続されている。したがって、各電流値検出部５２_ｍから加算部５５の入力端に入力される電圧値は、該電流値検出部５２_ｍに流れる電流（すなわち、分岐経路Ｐ_ｍに流れる電流）の値に比例する。

加算部５５は、Ｍ個の電流値検出部５２_１〜５２_Ｍそれぞれにより検出された電流値の和に応じた値をゲート電圧制御部５３へ出力する。すなわち、加算部５５の出力値は、負荷２０に流れる電流の大きさを表す。より具体的には、図２に示されるように、加算部５５は、アンプＡ_５、抵抗器Ｒ_５１、抵抗器Ｒ_５２、抵抗器Ｒ_５３およびＭ個の抵抗器Ｒ_５４,１〜Ｒ_５４,Ｍを含む。アンプＡ_５の非反転入力端子は、抵抗器Ｒ_５１を介して接地されている。アンプＡ_５の反転入力端子と出力端子との間に抵抗器Ｒ_５２が接続されている。アンプＡ_５の反転入力端子は、抵抗器Ｒ_５３および抵抗器Ｒ_５４,ｍを介して、電界効果トランジスタ５１_ｍと電流値検出部５２_ｍとの接続点に接続されている。Ｍ個の抵抗器Ｒ_５４,１〜Ｒ_５４,Ｍそれぞれの抵抗値は互いに等しい。このように構成される加算部５５は、Ｍ個の電流値検出部５２_１〜５２_Ｍそれぞれにより検出された電流値の和に応じた電圧値をアンプＡ_５の出力端子から出力することができる。

ゲート電圧制御部５３は、加算部５５の出力値が一定となるように、Ｍ個の電界効果トランジスタ５１_１〜５１_Ｍそれぞれのゲート端子に与える電圧値を制御する。より具体的には、ゲート電圧制御部５３は、アンプＡ_３、抵抗器Ｒ_３１、抵抗器Ｒ_３２、抵抗器Ｒ_３３および帰還部Ｚ_３を含む。

アンプＡ_３の反転入力端子は、抵抗器Ｒ_３１を介して基準電位が入力される。アンプＡ_３の非反転入力端子は、抵抗器Ｒ_３２を介して加算部５５の出力端と接続されていて、加算部５５から出力される電圧値が入力される。アンプＡ_３の出力端子は、抵抗器Ｒ_３３およびバッファ部５４_ｍを介して電界効果トランジスタ５１_ｍのゲート端子に接続されている。また、アンプＡ_３の反転入力端子と出力端子との間に帰還部Ｚ_３が接続されている。帰還部Ｚ_３は、抵抗器およびコンデンサを含み、複素インピーダンスを有する。

このように構成されるゲート電圧制御部５３は、反転入力端子および非反転入力端子それぞれに入力される電圧値の差に応じた電圧値をＭ個の電界効果トランジスタ５１_１〜５１_Ｍそれぞれのゲート端子へ出力することで、加算部５５の出力値が一定となるように、Ｍ個の電界効果トランジスタ５１_１〜５１_Ｍそれぞれのゲート端子に与える電圧値を制御することができる。また、ゲート電圧制御部５３は、帰還部Ｚ_３の複素インピーダンスの値に応じて位相補償を行うことができる。

異常検出部５６は、Ｍ個の電流値検出部５２_１〜５２_Ｍそれぞれにより検出された電流値の異常を検出するものである。異常検出部５６は、各電流値検出部５２_ｍにより検出された電流値（すなわち、分岐経路Ｐ_ｍに流れる電流の値）に基づいて、電界効果トランジスタ５１_ｍが破壊される危険があるか否かを判定して、その判定結果を表示し、電界効果トランジスタを保護するための信号を制御部８０へ出力する。

より具体的には、図３に示されるように、異常検出部５６は、Ｍ個の部分検出回路５７_１〜５７_Ｍ、抵抗器Ｒ_６０およびフォトカプラＰＣを備える。Ｍ個の部分検出回路５７_１〜５７_Ｍは共通の構成を有する。各部分検出回路５７_ｍは、発光ダイオードＬＥＤ、抵抗器Ｒ_７１、抵抗器Ｒ_７２、抵抗器Ｒ_７３、サイリスタＴＨＹおよびコンデンサＣを含む。

発光ダイオードＬＥＤのアノード端子は、高電位の電圧値（＋１５Ｖ）が入力される。サイリスタＴＨＹのアノード端子は、抵抗器Ｒ_７１を介して発光ダイオードＬＥＤのカソード端子と接続され、また、ダイオードＤのカソード端子とも接続されている。サイリスタＴＨＹのカソード端子は、接地されている。サイリスタＴＨＹのゲート端子は、互いに並列的に接続された抵抗器Ｒ_７２およびコンデンサＣを介して接地されている。また、サイリスタＴＨＹのゲート端子は、抵抗器Ｒ_７３を介して、電界効果トランジスタ５１_ｍと電流値検出部５２_ｍとの接続点に接続されている。

フォトカプラＰＣは、発光ダイオードおよびフォトトランジスタを含む。フォトカプラＰＣに含まれる発光ダイオードのアノード端子は、高電位の電圧値（＋１５Ｖ）が入力される。フォトカプラＰＣに含まれる発光ダイオードのカソード端子は、抵抗器Ｒ_６０を介して、Ｍ個の部分検出回路５７_１〜５７_ＭそれぞれのダイオードＤのアノード端子と接続されている。フォトカプラＰＣに含まれる発光ダイオードの発光の有無に応じて、フォトカプラＰＣに含まれるフォトトランジスタのエミッタ端子とコレクタ端子との間はオープンおよびショートの何れかの状態となる。フォトカプラＰＣは、このフォトトランジスタのエミッタ端子とコレクタ端子との間の状態を出力信号として制御部８０へ出力する。

このように構成される異常検出部５６では、分岐回路Ｐ_ｍに流れる電流が大きくなって電流値検出部５２_ｍから出力される電圧値が大きくなると、対応する各部分検出回路５７_ｍにおいて直列的に接続された抵抗器Ｒ_７２と抵抗器Ｒ_７３との間の電位（すなわち、サイリスタＴＨＹのゲート端子の電位）が高くなる。すると、サイリスタＴＨＹのアノード端子からカソード端子へ流れる電流が大きくなり、発光ダイオードＬＥＤに流れる電流も大きくなって、発光ダイオードＬＥＤが発光する。このように、分岐回路Ｐ_ｍに流れる電流が大きくなって電流値検出部５２_ｍから出力される電圧値が大きくなると、発光ダイオードＬＥＤが発光する。したがって、各部分検出回路５７_ｍに含まれる発光ダイオードＬＥＤの発光により、対応する分岐回路Ｐ_ｍに流れる電流の値の異常が検出され、この分岐回路Ｐ_ｍに設けられた電界効果トランジスタ５１_ｍの破壊の危険の有無が判定され得る。

また、Ｍ個の部分検出回路５７_１〜５７_Ｍのうちの何れの部分検出回路において、サイリスタＴＨＹのアノード端子からカソード端子へ流れる電流が大きくなると、ダイオードＤのアノード端子の電位が低くなる。これにより、フォトカプラＰＣに含まれる発光ダイオードに流れる電流が大きくなって、この発光ダイオードが発光し、フォトカプラＰＣに含まれるフォトトランジスタのエミッタ端子とコレクタ端子との間がショート状態となる。すなわち、このフォトトランジスタのエミッタ端子とコレクタ端子との間がショート状態であることは、Ｍ個の電界効果トランジスタ５１_１〜５１_Ｍのうち少なくとも１個の電界効果トランジスタに流れる電流が大きく破壊の危険があることを示している。

制御部８０は、異常検出部５６から出力された信号（カプラＰＣに含まれるフォトトランジスタのエミッタ端子とコレクタ端子との間がオープンおよびショートの何れかの状態であるか）を入力して、その信号が電界効果トランジスタの破壊の危険を示している場合には、電力供給経路上に設けられているスイッチ９０を開かせて、電源１０からの電力供給を停止させる。

本実施形態に係る電力供給回路３および電力供給回路５０では、電源１０と負荷２０との間の電力供給経路の一部において、電界効果トランジスタ５１_ｍおよび電流値検出部５２_ｍを１組として、Ｍ組が並列的に設けられていて、各電界効果トランジスタ５１_ｍに流れる電流の値が電流値検出部５２_ｍにより検出される。そして、Ｍ個の電流値検出部５２_１〜５２_Ｍそれぞれにより検出された電流値の和に応じた電圧値が加算部５５から出力され、この加算部５５の出力値が一定となるようにゲート電圧制御部５３によりＭ個の電界効果トランジスタ５１_１〜５１_Ｍそれぞれのゲート端子に与えられる電圧値が制御される。したがって、温度変動等があっても負荷２０に流れる電流の値は一定とされ得る。また、負荷２０が電磁石である場合に、この負荷（電磁石）２０および電源装置３を含んで構成される磁場発生装置では、温度変動等があっても磁場の大きさが一定とされ得る。

また、一般に、バイポーラトランジスタにおけるコレクタ端子とエミッタ端子との間の抵抗値と比べて、電界効果トランジスタにおけるソース端子とドレイン端子との間の抵抗値は小さい。すなわち、バイポーラトランジスタにおける電圧降下量と比較して、電界効果トランジスタにおける電圧降下量は小さい。したがって、本実施形態では、負荷２０に流れる電流の値を一定に制御するために低抵抗のＭ個の電界効果トランジスタ５１_１〜５１_Ｍが設けられていることにより、電源１０から負荷２０へ電力が高効率に供給される。また、Ｍ個の電界効果トランジスタ５１_１〜５１_Ｍそれぞれにおける発熱量が小さく、また、それ故に水冷等により容易にＭ個の電界効果トランジスタ５１_１〜５１_Ｍが一定温度に維持され得る。

また、本実施形態でも、電源１０と負荷２０との間の電力供給経路の一部においてＭ個の電界効果トランジスタ５１_１〜５１_Ｍが並列的に設けられていることから、より大きな値の電流を負荷２０に流すことができる。

また、本実施形態でも、ゲート電圧制御部５３から各電界効果トランジスタ５１_ｍのゲート端子への経路にバッファ部５４_ｍが設けられていることから、各電界効果トランジスタ５１_ｍのゲート端子に与えられる電圧値の相互干渉が低減されて各電界効果トランジスタ５１_ｍの動作が安定し、また、インピーダンスを低くすることができて外来ノイズの影響を受け難い。

また、本実施形態では、各電界効果トランジスタ５１_ｍに流れる電流の値が電流検出部５２_ｍにより検出されて、その検出された電流値の異常が異常検出部５６により検出される。この異常検出部５６により、電界効果トランジスタ５１_ｍが破壊される危険があるか否かが判定されて、その判定結果が表示され、電界効果トランジスタ５１_ｍを保護するための信号が制御部８０へ出力される。そして、異常検出部５６から出力された信号が電界効果トランジスタ５１_ｍの破壊の危険を示している場合には、制御部８０による制御によりスイッチ９０が開いて、電源１０からの電力供給が停止される。これにより、各電界効果トランジスタ５１_ｍの破壊が回避され得る。

（第２実施形態）

次に、本発明の第２実施形態について説明する。図４は、第２実施形態に係る電源装置４の構成を示す図である。図１に示された第１実施形態に係る電源装置３の構成と比較すると、この図４に示される第２実施形態に係る電源装置４は、電源１０から負荷２０に電力を供給する電力供給回路としてＮ個の電力供給回路５０_１〜５０_Ｎを備える点で相違し、これらＮ個の電力供給回路５０_１〜５０_Ｎそれぞれの異常検出部５６から出力される信号を制御部８０が入力する点で相違する。ここで、Ｎは２以上の整数である。

第２実施形態におけるＮ個の電力供給回路５０_１〜５０_Ｎそれぞれは、第１実施形態における電力供給回路５０と同じ構成を有していて、互いに並列的に設けられている。したがって、Ｍ個の電界効果トランジスタが並列的に設けられている第１実施形態と比較して、Ｍ×Ｎ個の電界効果トランジスタが並列的に設けられている第２実施形態では、更に大きな電流を負荷２０に流すことができる。

制御部８０は、Ｎ個の電力供給回路５０_１〜５０_Ｎそれぞれの異常検出部５６から出力される信号を入力して、その信号が電界効果トランジスタの破壊の危険を示している場合には、電力供給経路上に設けられているスイッチ９０を開かせて、電源１０からの電力供給を停止させる。このとき、制御部８０は、Ｎ個の電力供給回路５０_１〜５０_Ｎのうち１つでも電力供給回路の異常検出部５６から出力される信号が電界効果トランジスタの破壊の危険を示している場合に、スイッチ９０を開かせて、電源１０からの電力供給を停止させてもよい。また、制御部８０は、Ｎ個の電力供給回路５０_１〜５０_Ｎのうちの所定数以上の電力供給回路の異常検出部５６から出力される信号が電界効果トランジスタの破壊の危険を示している場合に、スイッチ９０を開かせて、電源１０からの電力供給を停止させてもよい。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では電界効果トランジスタが用いられたが、これに替えてバイポーラトランジスタが用いられてもよい。

第１実施形態に係る電源装置３および電力供給回路５０の構成を示す図である。 加算部５５の回路図である。 異常検出部５６の回路図である。 第２実施形態に係る電源装置４の構成を示す図である。

符号の説明

３，４…電源装置、１０…電源、２０…負荷、５０，５０_１〜５０_Ｎ…電力供給回路、５１_１〜５１_Ｍ…電界効果トランジスタ、５２_１〜５２_Ｍ…電流値検出部、５３…ゲート電圧制御部、５４_１〜５４_Ｍ…バッファ部、５５…加算部、５６…異常検出部、８０…制御部、９０…スイッチ。

Claims (5)

1. 電源から負荷に電力を供給する電力供給回路であって、
   前記電源と前記負荷との間の電力供給経路の一部に設けられた複数本の分岐経路と、
   複数本の前記分岐経路それぞれに設けられ、制御端子，第１端子および第２端子を含み、各分岐経路に前記第１端子および前記第２端子が接続されて挿入されたトランジスタと、
   複数本の前記分岐経路それぞれに設けられ、各分岐経路に流れる電流の値を検出する電流値検出部と、
   複数の前記電流値検出部それぞれにより検出された電流値の和に応じた値を出力する加算部と、
   前記加算部の出力値が一定となるように、複数の前記トランジスタそれぞれの前記制御端子に与える電圧値を制御する電圧制御部と、
   を備えることを特徴とする電力供給回路。
2. 複数の電流値検出部それぞれにより検出された電流値の異常を検出する異常検出部を更に備えることを特徴とする請求項１記載の電力供給回路。
3. 前記異常検出部により異常が検出されたときに前記電源からの電力供給を停止させる制御部を更に備えることを特徴とする請求項２記載の電力供給回路。
4. 電源と、前記電源から負荷に電力を供給する請求項１〜３の何れか１項に記載の電力供給回路と、を備えることを特徴とする電源装置。
5. 電源と、電磁石と、前記電源から負荷としての前記電磁石に電力を供給する請求項１〜３の何れか１項に記載の電力供給回路と、を備えることを特徴とする磁場発生装置。
   

Images