JP2013242666A

JP2013242666A - 直流電源装置

Info

Publication number: JP2013242666A
Application number: JP2012114865A
Authority: JP
Inventors: Tsunehiro Ono; 恒宏大野
Original assignee: Fujitsu Telecom Networks Ltd
Current assignee: Fujitsu Telecom Networks Ltd
Priority date: 2012-05-18
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2013-12-05

Abstract

【課題】直流負荷に安定化直流電圧を供給する直流電源装置に関し、入力直流電圧が高電圧であっても、一般的なトランジスタにより構成可能とする。
【解決手段】複数のシリーズレギュレータは、トランジスタと該トランジスタを制御する演算増幅器とをそれぞれ含み、縦続接続した終段のシリーズレギュレータは、直流負荷に供給する出力直流電圧となるように、出力直流電圧と基準電圧とを比較して、終段のシリーズレギュレータのトランジスタを制御する構成を有し、該終段のシリーズレギュレータ以外の他のシリーズレギュレータは、入力直流電圧と直流負荷に供給する出力直流電圧との差分を、シリーズレギュレータの接続段数と接続順位とを基に分割した値を基準電圧として、入力される直流電圧を、接続段数に対応した値に制御して出力する構成を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のシリーズレギュレータにより構成し、負荷に対して一定の直流電圧を供給する直流電源装置に関する。

直流負荷に供給する直流電圧を、設定した値となるように制御する直流電源装置は、既に各種の構成が提案され、且つ実用化されている。例えば、スイッチングレギュレータが一般的であり、直流負荷に供給する出力電圧を検出し、設定した出力電圧となるように、スイッチングトランジスタのオン、オフを制御する構成が知られている。又スイッチングレギュレータに比較して構成が簡単なシリーズレギュレータも各種の分野に適用されている。又スイッチングレギュレータとシリーズレギュレータとを、直流電源側と直流負荷側との間に直列的に接続し、直流負荷に供給する電流が所定値以下に低減した時、即ち、低負荷時に、スイッチングレギュレータを、トランジスタからなるバイパススイッチをオンとすることによりバイパスし、直流電源と直流負荷との間にはシリーズレギュレータのみを接続した構成として、直流負荷低減時に、スイッチングレギュレータに於ける消費電力を削減する手段が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

又シリーズレギュレータを構成するトランジスタにバランス抵抗を直列に接続し、そのバランス抵抗に並列にダイオードを接続した構成を複数個並列接続し、出力電圧が所定値となるように、出力電圧制御部により各トランジスタを制御して、直流負荷に所定の直流電圧を供給する構成に於いて、何れかのトランジスタの短絡障害発生時には、トランジスタと抵抗との間の電圧低下となるから、この電圧低下を検出して、入力直流電圧をオフとする構成が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平５−３８１３８号公報特開平５−２７６７３９号公報

直流電源側の電圧が、負荷に供給する電圧に比較した比較的高い場合、シリーズレギュレータを構成するトランジスタは、入力される直流高電圧に対応した高耐圧トランジスタを使用することが必要である。しかし、このような高耐圧特性のトランジスタは、高価である問題がある。そこで、複数のトランジスタを直列に接続した構成として、それぞれのトランジスタにより電圧を分担し、負荷に供給する電圧を一定化する構成が考えられる。例えば、図４の（Ａ）に示すように、それぞれシリーズレギュレータを構成するトランジスタＴｒ２１，Ｔｒ２２を直列に接続し、入力直流電圧Ｖ１を、１段目のシリーズレギュレータにより出力直流電圧Ｖ０とし、その出力直流電圧Ｖ０を、入力直流電圧とする２段目のシリーズレギュレータにより出力直流電圧Ｖ２として、図示を省略した直流負荷に供給する。なお、ＯＰ２１，ＯＰ２２は演算増幅器、Ｖｒ１，Ｖｒ２は基準電圧、Ｒ２１〜Ｒ２４は抵抗を示す。

１段目のトランジスタＴｒ２１は、抵抗Ｒ２１，Ｒ２２により分圧した電圧と基準電圧Ｖｒ１とを演算増幅器ＯＰ２１により比較してトランジスタＴｒ２１を制御し、入力直流電圧Ｖ１を、基準電圧Ｖｒ１に対応した所定の出力直流電圧Ｖ０とする。２段目のトランジスタＴｒ２２は、出力直流電圧Ｖ２を抵抗Ｒ２３，Ｒ２４により分圧した電圧と基準電圧Ｖｒ２とを演算増幅器ＯＰ２２により比較して制御し、所望の安定化した出力直流電圧Ｖ２を、図示を省略した直流負荷に供給する。

図４の（Ｂ）は、図４の（Ａ）に示す構成の特性を示すもので、縦軸は電圧Ｖ、横軸は時間ｔを示し、入力直流電圧Ｖ１を時間ｔの経過に従って低下した場合、１段目のシリーズレギュレータの出力直流電圧Ｖ０は、一定値となるように制御される。この出力直流電圧Ｖ０を入力電圧とする２段目のシリーズレギュレータの出力直流電圧Ｖ２も一定値となるように制御される。この場合、Ｖ０≧Ｖ２の関係となる。

図５は、トランジスタの安全動作領域の説明図であり、縦軸をコレクタ電流Ｉｃ（Ａ）、横軸をトランジスタのコレクタ・エミッタ間電圧Ｖ_ＣＥ（Ｖ）として、パルス電流ＩｃＭＡＸと、連続電流ＩｃＭＡＸとについて、安定動作領域を示すもので、パルス電流については、パルス幅１ｍｓと１０ｍｓとの場合と、動作温度Ｔｃが摂氏２５度の場合のパルス幅１００ｍｓの単一のパルス電流の場合とを示し、コレクタ・エミッタ間電圧が、例えば、１０Ｖを超えると、その電圧の上昇に従ってコレクタ電流の上限値を低下させる必要があることを示している。従って、トランジスタの特性を有効に利用する為には、コレクタ・エミッタ間電圧の増大を回避する構成が望ましいことになる。

前述の図４の（Ａ）に示す従来例の構成に於いては、１段目のシリーズレギュレータに入力する直流電圧を上昇させても、その出力電圧Ｖ０はほぼ一定となるように制御されるもので、従って、２段目のシリーズレギュレータに対する入力直流電圧は、１段目のシリーズレギュレータの入力直流電圧を上昇させても、基準電圧Ｖｒ１に従ったほぼ一定の電圧Ｖ０に制御される。即ち、２段目のシリーズレギュレータに対する入力直流電圧は、ほぼ一定となるように制御される。従って、１段目のシリーズレギュレータを構成するトランジスタＴｒ２１のコレクタ・エミッタ間電圧は、入力直流電圧Ｖ１を上昇させても、ほぼ一定に維持される。即ち、入力直流電圧Ｖ１を上昇させても、２段目のシリーズレギュレータに対する入力直流電圧Ｖ０はほぼ一定に維持される。それにより、１段目のシリーズレギュレータのトランジスタＴｒ２１のコレクタ・エミッタ間電圧が増大し、コレクタ電流の最大値が、図５の特性曲線図に示すように、抑制されることになり、トランジスタの特性を有効利用できないことになる。

本発明は、複数のシリーズレギュレータを縦続接続し、各シリーズレギュレータの機能を均等に分担することにより、効率改善を図ることを目的とする。

本発明の直流電源装置は、複数のシリーズレギュレータを縦続接続して、入力直流電圧を直流負荷に供給する出力直流電圧に制御する直流電源装置に於いて、前記複数のシリーズレギュレータは、トランジスタと該トランジスタを制御する演算増幅器とをそれぞれ含む構成を有し、前記縦続接続した終段のシリーズレギュレータは、前記直流負荷に供給する出力直流電圧となるように、該出力直流電圧と基準電圧とを比較して、該終段のシリーズレギュレータのトランジスタを制御する構成を有し、前記終段のシリーズレギュレータ以外の他のシリーズレギュレータは、前記入力直流電圧と前記直流負荷に供給する出力直流電圧との差分を、前記シリーズレギュレータの接続段数と接続順位とを基に分割した値を基準電圧として、入力される直流電圧を前記接続段数に対応した値に制御して出力する構成を有するものである。

又前記入力直流電圧と前記直流負荷に供給する出力直流電圧との差分を前記シリーズレギュレータの縦続接続数に応じて分圧した値を基準電圧とする分圧抵抗と、該分圧抵抗により形成した前記基準電圧と縦続接続段数対応のシリーズレギュレータを構成するトランジスタの出力直流電圧とを比較して該トランジスタを制御する演算増幅器と、前記縦続接続した終段のシリーズレギュレータを構成するトランジスタの出力直流電圧と基準電圧とを比較して該トランジスタを制御する演算増幅器とを含む構成を有するものである。

入力直流電圧を高電圧とした場合に於いても、特別な高耐圧トランジスタを使用することなく、一般的なトランジスタを用いて安定化直流電圧を負荷に供給することができる利点がある。更に、シリーズレギュレータの例えば、１段目の出力電圧を、（入力電圧＋出力電圧）／２となるように制御する構成であるから、１段目と２段目とのトランジスタのロスの割合が常に一定となり、放熱設計が簡単となる利点がある。

本発明の実施例１の要部構成及び特性説明図である。本発明の実施例１の動作シミュレーション用回路図である。本発明の実施例１の動作シミュレーション結果の特性説明図である。従来例の要部構成及び要部特性説明図である。トランジスタの安全動作領域の説明図である。

本発明の本発明の直流電源装置は、図１の（Ａ）を参照して説明すると、複数のシリーズレギュレータを縦続接続して、入力直流電圧Ｖ１を直流負荷に供給する出力直流電圧Ｖ２に制御する直流電源装置であって、前記複数のシリーズレギュレータは、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２とそれらのトランジスタを制御する演算増幅器ＯＰ１，ＯＰ２とをそれぞれ含む構成を有し、縦続接続した終段のシリーズレギュレータは、直流負荷に供給する出力直流電圧Ｖ２となるように、その出力直流電圧Ｖ２と基準電圧Ｖｒとを比較して、終段のシリーズレギュレータのトランジスタＴｒ２を制御する構成を有し、終段のシリーズレギュレータ以外の他のシリーズレギュレータは、入力直流電圧Ｖ１と直流負荷に供給する出力直流電圧Ｖ２との差分を、シリーズレギュレータの接続段数と接続順位とを基に分割した値を基準電圧Ｖ３として、入力される直流電圧Ｖ１を接続段数に対応した値に制御して出力する構成を有するものである。

図１は、本発明の実施例１の説明図であり、（Ａ）は要部構成説明図、（Ｂ）は入力電圧と中間電圧と出力電圧との説明図である。図１の（Ａ）に於いて、Ｔｒ１，Ｔｒ２はトランジスタ、Ｒ１〜Ｒ７は抵抗、ＯＰ１、ＯＰ２は演算増幅器、Ｖ１は入力直流電圧、Ｖ２は出力直流電圧、Ｖ０は１段目の出力直流電圧で、２段目の入力直流電圧、Ｖ２は２段目の出力直流電圧、Ｖ３は１段目の基準電圧、Ｖｒは２段目の基準電圧を示す。１段目の基準電圧Ｖ３は、抵抗Ｒ１，Ｒ２による入力直流電圧Ｖ１と出力直流電圧Ｖ２との差分の電圧に相当し、１段目の基準電圧とする。又２段目の基準電圧Ｖｒは、図４に示す従来例の基準電圧Ｖｒ２に相当するもので、予め設定した値とする。

１段目のシリーズレギュレータと２段目のシリーズレギュレータとを直列的に接続した構成とし、１段目の入力直流電圧Ｖ１と２段目の出力電圧Ｖ２との差分の１／２を、１段目の基準電圧Ｖ３とする。又１段目のトランジスタＴｒ１のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅ１は、Ｖｃｅ１＝Ｖ１−Ｖ２、２段目のトランジスタＴｒ２のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅ２は、Ｖｃｅ２＝Ｖ０−Ｖ２となる。従って、１段目と２段目とのトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のコレクタ・エミッタ間電圧を同一とする為、即ち、Ｖｃｅ１＝Ｖｃｅ２とする為には、
Ｖ１−Ｖ０＝Ｖ０−Ｖ２
従って、
Ｖ０＝（Ｖ１＋Ｖ２）／２
｛（Ｖ２−Ｖ３）／Ｒ２｝＋｛（Ｖ１−Ｖ３）／Ｒ１｝＝Ｖ３／Ｒ３
Ｖ３／Ｒ１＋Ｖ３／Ｒ２＋Ｖ３／Ｒ３＝Ｖ１／Ｒ１＋Ｖ２／Ｒ２
Ｖ３＝Ｒ３（Ｒ２・Ｖ１＋Ｒ１・Ｖ２）／（Ｒ２・Ｒ３＋Ｒ１・Ｒ３＋Ｒ１・Ｒ２）
となる。そして、
Ｖ３＝Ｒ３（Ｒ２・Ｖ１＋Ｒ１・Ｖ２）／（Ｒ２・Ｒ３＋Ｒ１・Ｒ３＋Ｒ１・Ｒ２）
となるから、基準電圧Ｖ３を、（Ｖ１＋Ｖ２）の値に比例させる為には、Ｒ１＝Ｒ２とすることになり、
Ｖ３＝（Ｖ１＋Ｖ２）・Ｒ３／（２・Ｒ３＋Ｒ１）
となる。１段目の出力電圧、即ち、２段目の入力電圧Ｖ０を、（Ｖ１＋Ｖ２）／２とする為には、
Ｖ０＝Ｖ３（Ｒ４＋Ｒ５）／Ｒ４＝（Ｖ１＋Ｖ２）／２
の条件を満足するように、抵抗Ｒ１〜Ｒ５を選定する。

従って、１段目の入力直流電圧Ｖ１と、この１段目の出力電圧、即ち、２段目の入力直流電圧Ｖ０と、直流負荷に供給する為の２段目の出力直流電圧Ｖ２とは、時間ｔの経過に従って低下させた場合、図１の（Ｂ）に示すように、２段目の入力直流電圧Ｖ０も、１段目の入力直流電圧Ｖ１の低下に対応して低下し、且つ直流負荷に供給する２段目の出力直流電圧Ｖ２を一定化することができる。それによって、１段目のトランジスタＴｒ１と２段目のトランジスタＴｒ２とをほぼ同一の動作状態とすることができる。

図２は、動作シミュレーション用の回路図であり、図１と同一符号は同一部分を示し、ＡＭＰ１，ＡＭＰ２は、図１の演算増幅器ＯＰ１，ＯＰ２に対応する演算増幅器、Ｖｄｃ１は入力直流電圧、Ｖｄｃ２は基準電圧Ｖｒに対応する基準電圧、Ｃ１は出力用コンデンサ、Ｒ１〜Ｒ１２は抵抗を示し、各抵抗Ｒ１〜Ｒ１２については、単位のΩの表示を省略した抵抗値を示している。又１００ｋΩの抵抗と１０μＦの容量とからなる直流負荷に対して、入力直流電圧Ｖｄｃ１を３００Ｖから５００Ｖに上昇し、次に５００Ｖから３００Ｖに低下させて、直流負荷に２００Ｖの直流出力電圧を印加する場合の動作シミュレーションを行った。その結果を図３に示す。

図３に於いて、横軸は時間、縦軸は電圧Ｖを示し、時間ｔ１から時間ｔ２にかけて、入力直流電圧Ｖｄｃ１を３００Ｖから５００Ｖに直線状に上昇させ、時間ｔ２から時間ｔ３にかけて、５００Ｖから３００Ｖに直線状に低下させた場合を曲線（ａ）として示す。この１段目の入力直流電圧Ｖｄｃ１の変化に対して、その出力直流電圧、即ち、２段目の入力直流電圧Ｖ０は、曲線（ｂ）に示すように変化し、２段目の出力直流電圧Ｖ２は、曲線（ｃ）に示すように、２００Ｖ一定となった。又曲線（ｄ）は、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２による電圧降下分を示すもので、それぞれのトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２は、同一の負荷分担を行うことになる。

前述の実施例は、シリーズレギュレータを２段縦続接続とした場合の構成を示すが、更に３段、４段と複数段の縦続接続構成とすることも可能である。このような２段以上の複数段の縦続接続の場合、各段のシリーズレギュレータの分担電圧をそれぞれ同一となるように、入力直流電圧と出力直流電圧との差分を、縦続接続数に応じて分割した基準電圧を形成して、最終段以外の各段の基準電圧とし、最終段の基準電圧は、直流負荷に供給する直流電圧に対応した値とする。例えば、シリーズレギュレータの３段縦続接続構成の場合、入力直流電圧Ｖ１と出力直流電圧Ｖ２との差分を、１段目のシリーズレギュレータの基準電圧とする為に、２（Ｖ１−Ｖ２）／３とし、２段目のシリーズレギュレータの基準電圧とする為に、（Ｖ１−Ｖ２）／３とし、３段目のシリーズレギュレータの基準電圧は、出力直流電圧Ｖ２に対応した値とするものである。それによって、入力直流電圧を高くした場合に於いても、一般的なトランジスタを用いて、安定化した出力直流電圧を負荷に供給することが可能となる。

Ｔｒ１，Ｔｒ２トランジスタ
ＯＰ１，ＯＰ２演算増幅器
Ｒ１〜Ｒ７抵抗
Ｖｒ基準電圧
Ｖ１入力直流電圧
Ｖ２出力直流電圧

Claims

複数のシリーズレギュレータを縦続接続して、入力直流電圧を直流負荷に供給する出力直流電圧に制御する直流電源装置に於いて、
前記複数のシリーズレギュレータは、トランジスタと該トランジスタを制御する演算増幅器とをそれぞれ含む構成を有し、
前記縦続接続した終段のシリーズレギュレータは、前記直流負荷に供給する出力直流電圧となるように、該出力直流電圧と基準電圧とを比較して、該終段のシリーズレギュレータのトランジスタを制御する構成を有し、
前記終段のシリーズレギュレータ以外の他のシリーズレギュレータは、前記入力直流電圧と前記直流負荷に供給する出力直流電圧との差分を、前記シリーズレギュレータの接続段数と接続順位とを基に分割した値を基準電圧として、入力される直流電圧を前記接続段数に対応した値に制御して出力する構成を有する
ことを特徴とする直流電源装置。
前記入力直流電圧と前記直流負荷に供給する出力直流電圧との差分を前記シリーズレギュレータの縦続接続数に応じて分圧した値を基準電圧とする分圧抵抗と、該分圧抵抗により形成した前記基準電圧と縦続接続段数対応のシリーズレギュレータを構成するトランジスタの出力直流電圧とを比較して該トランジスタを制御する演算増幅器と、前記縦続接続した終段のシリーズレギュレータを構成するトランジスタの出力直流電圧と基準電圧とを比較して該トランジスタを制御する演算増幅器とを含む構成を有することを特徴とする請求項１記載の直流電源装置。