JP2015154656A - 突入電流抑制回路 - Google Patents

Abstract

【課題】突入電流抑制回路を提供する。【解決手段】負荷は、電源１に接続する入力キャパシタ１０と、当該入力キャパシタ１０に並列接続されて電源１からの入力電流を出力する一対の出力端子３，４とを備えている。ここで、突入電流抑制回路は、直流電源１と接続されてオンオフ制御されるＦＥＴ５と、接続点（一方の出力端子３と入力キャパシタ１０の一方の電極との接続点）とＦＥＴ５との間に接続される第１インダクタ８と、ＦＥＴ５と第１インダクタ８との接続点にカソードを接続する還流ダイオード９と、接続点（入力キャパシタ１０の他方の電極と他方の出力端子４との接続点）とダイオードのアノードとの間に接続される第２インダクタと、を有している。ここで、第１及び第２インダクタ８は、電流経路である電線の回りを覆う磁性体から構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、突入電流抑制回路に関する。

機器（負荷）の電源を投入した際には、電源から負荷へと定常的な電流を超えた大容量の電流（突入電流）が流れることがある。突入電流は機器の各所に悪影響を及ぼす虞があるところ、電源から供給される突入電流を抑制する突入電流抑制回路が知られている。

例えば、特許文献１には、降圧チョッパ回路の原理を利用した突入電流抑制回路が開示されている。この突入電流抑制回路は、直流電源を入力として、一対の出力端子から負荷へと電力を出力するものである。突入電流抑制回路では、直流電源の正極と一方の出力端子との間に、ＦＥＴ及びコイルの直列回路を備えている。他方の出力端子は、直流電源のグランドに接続されており、コイルには還流ダイオードが逆並列に接続されている。また、一方の出力端子と、直流電源のグランドとの間にはキャパシタが設けられている。

この突入電流抑制回路では、高周波パルス信号に応じて制御電圧が駆動回路からＦＥＴのゲートに出力され、この制御電圧に応じてＦＥＴがスイッチング動作する。ＦＥＴによりスイッチングされた入力電圧がコイルへ加わるとＦＥＴのオン期間（導通期間）のみＦＥＴに電流が流れ、キャパシタを充電する。ＦＥＴの非導通期間ではキャパシタへの充電は停止し、コイルの電流はコイルとダイオードを循環しながら減少する。このようなサイクルを通じて高周波パルス信号毎にキャパシタが充電される。この際、充電電流のピーク値は徐々に小さくなり、キャパシタの充電完了でゼロとなる。

特開平８−２７５３８３号公報

ところで、特許文献１に開示された手法では、インダクタとしてコイルを利用している。大電流を用いる機器においては径の太い電線が用いられ、当該電線でコイルを巻回する必要があるところ、回路の大型化を招いてしまうという問題がある。また、電線径が太い場合には、コイルの巻回作業に手間がかかるため、製造作業が煩雑となるという問題ある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、回路の大型化の抑制及び製造作業の簡素化を図ることができる突入電流抑制回路を提供する。

かかる課題を解決するために、本発明は、電源から負荷に流れる突入電流を抑制する突入電流抑制回路を提供する。この突入電流抑制回路は、負荷に流れる突入電流を抑制するものであり、この負荷は、電源に接続する入力キャパシタと当該入力キャパシタに並列接続されて電源からの入力電流を出力する一対の出力端子とを含んでいる。ここで、突入電流抑制回路は、電源と接続されてオンオフ制御されるスイッチング素子と、一方の出力端子と入力キャパシタの一方の電極との接続点と、スイッチング素子との間に接続される第１インダクタと、スイッチング素子と第１インダクタとの接続点にカソードを接続するダイオードと、入力キャパシタの他方の電極と他方の出力端子との接続点と、ダイオードのアノードとの間に接続される第２インダクタと、を有している。この場合、第１インダクタ及び第２インダクタは、軸方向に沿って所定の長さを有する環状の磁性体にて、電流経路である電線の周りを覆って構成されている。

ここで、本発明において、磁性体は、軸方向に沿って分割される複数の環状要素により構成されており、当該環状要素の個数を選択することで磁性体の所定の長さを変更可能であることが好ましい。

本発明によれば、インダクタを磁性体により構成したことで、回路の大型化の抑制及び製造作業の簡素化を図ることができる。

突入電流抑制回路の構成を概念的に示す回路図 第１及び第２インダクタの構成を模式的に示す説明図 突入電流抑制回路の動作原理を模式的に示す説明図 電流波形及び電圧波形の推移を示す説明図 突入電流抑制回路を用いた実験結果を示す説明図

図１は、本実施形態に係る突入電流抑制回路の構成を示す回路図である。本実施形態に係る突入電流抑制回路は、直流電源１を入力として負荷に電力を出力するものであり、直流電源１（例えばバッテリ）から負荷に流れる突入電流を抑制する。突入電流抑制回路は、ＦＥＴ５と、第１及び第２インダクタ８と、還流ダイオード９とを主体に構成されている。

また、負荷は、入力キャパシタ１０と、一対の出力端子３，４とを含んでおり、例えばインバータなどが該当する。

入力キャパシタ１０は、突入電流抑制回路を介して直流電源１に接続しており、一対の出力端子３，４の入力側に位置付けられている。

一対の出力端子３，４は、入力キャパシタ１０に並列接続されて直流電流１からの入力電流を出力する。これらの出力端子３，４の間には、負荷要素（図示しない）が接続される。一方の出力端子３は直流電源１の正極側に対応し、他方の出力端子４は直流電源１のグランド側に対応している。

ＦＥＴ５は、直流電源１と接続されてオンオフ制御されるスイッチング素子である。具体的には、ＦＥＴ５のドレインは直流電源１の正極側に接続されており、ＦＥＴ５のソースは、第１インダクタ８を介して一方の出力端子３に接続されている。また、ＦＥＴ５のゲートは、駆動回路６に接続されている。ＦＥＴ５は、当該ＦＥＴ５のゲートにオン制御信号が入力されるとオン（導通）となり、また、ＦＥＴ５のゲートにオフ制御信号が入力されるとオフ（非導通）となる。なお、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）以外のスイッチング素子を用いることも可能である。

駆動回路６は、後述する発振回路７からの高周波パルス信号に基づいてオンオフ制御信号を出力し、ＦＥＴ５のゲートに所定の制御電圧を印加する。発振回路７は、駆動回路６の出力制御を行うものであり、駆動回路６に対して高周波パルス信号を出力する。駆動回路６及び発振回路７を通じて、ＦＥＴ５のスイッチング周波数やデューティを設定することができる。

第１インダクタ８は、直流電源１の正極側に設けられている。具体的には、第１インダクタ８は、一方の出力端子３と入力キャパシタ１０の一方の電極との接続点と、ＦＥＴ５のソースとの間に接続されている。また、第２インダクタ８は、直流電源１のグランド側に設けられており、入力キャパシタ１０の他方の電極と他方の出力端子４との接続点と、還流ダイオード９のアノードとの間に接続されている。第１及び第２インダクタ８のインダクタンス値は同じに設定されている。

還流ダイオード９は、ＦＥＴ５と第１インダクタ８との接続点にカソードを接続している。この還流ダイオード９のアノードは、第２インダクタ８から見て、入力キャパシタ１０の他方の電極と他方の出力端子４との接続点とは反対側に接続されている。

図２は、第１及び第２インダクタ８の構成を模式的に示す説明図である。本実施形態において、上記の第１及び第２インダクタ８（以下「インダクタ８」に両者を総称する）は、磁性体２０から構成されている。この磁性体２０は、軸方向に一定の長さを備える環状部材であり、磁性材料から成形した磁性体である。磁性体２０において、環状部分の径方向長さ、すなわち電線Ｌが内接する内径部から外径部までの長さは「ａ」であり、軸方向の長さは「ｈ」である。この磁性体２０は、その内径部分に電流経路である電線Ｌが挿通されており、当該電線Ｌの回りを覆うように構成されている。

磁性体２０として用いる磁性材料の選択は、電線Ｌにおける通電電流に依存する。例えば、３００Ａ位までの大電流を流す場合、パーメンジュール（permendur）や電磁軟鉄といった飽和磁束密度が大きなもの選択することが好ましい。

図３は、本実施形態に係る突入電流抑制回路の動作原理を模式的に示す説明図であり、（ａ）はＦＥＴ５がオンの状態を示し、（ｂ）はＦＥＴ５がオフの状態を示す。図４は、各部の電流波形及び電圧波形の推移を示す説明図であり、（ａ）はインダクタ電流が不連続となる電流不連続モードを示し、（ｂ）はインダクタ電流が連続となる電流連続モードを示している。

ＦＥＴ５がオンの場合、ＦＥＴ５のドレイン−ソース間には、ＦＥＴ５のオン抵抗による電圧降下分の電圧（図４では０Ｖとする）が印加される。図４において、「Ｖｄｓ」はドレイン−ソース間の電圧である。一方、ＦＥＴ５がオフの場合、ＦＥＴ５のドレイン−ソース間には、電源電圧Ｖｂａｔが印加される。

ＦＥＴ５がオンされると、入力キャパシタ１０が充電されるため、ドレイン電流Ｉｄには大電流が流れようとする。しかしながら、インダクタ８の逆起電圧により、ドレイン電流Ｉｄの増加は、図４（ａ）（ｂ）に示すように、ある傾きをもって増加する。この傾きは、インダクタ８のインダクタンス値に依存する。また、電流のピーク値は、オン時間やインダクタンス値によって制御することができる。ＦＥＴ５がオフされると、ドレイン電流Ｉｄは流れなくなる。

ＦＥＴ５がオンのとき、ダイオード電流Ｉｄｉｏは流れない。一方、ＦＥＴ５がオフされると、インダクタ８が電流を流し続けようとするため、図３（ｂ）に示す経路で電流が流れる。しかし、直流電源１からの電流供給がないため、この電流は、ある傾きをもって徐々に減少していく。この傾きは、インダクタ８のインダクタンス値に依存する。また、この傾きやオフ時間を変えることで、動作モードを電流連続モード（図４（ａ））、或いは電流不連続モード（図４（ｂ））に切り替えることができる。

ＦＥＴ５がオンのとき、インダクタ電流ＩＬはドレイン電流Ｉｄが流れる。一方、ＦＥＴ５がオフのとき、インダクタ電流ＩＬはダイオード電流Ｉｄｉｏが流れる。電流不連続モードでは、入力キャパシタ１０が充電されるにつれてピーク値は徐々に減少していく傾向を示す。一方、電流連続モードでは、入力キャパシタ１０が充電されるにつれて、ある時間まではピーク値は増加していくが、その後減少し、入力キャパシタ１０が完全に充電されると、ピーク値は一定値をとるという傾向を示す。なお、図４に示す状態は、突入電流に対応した初期的な状態を示すものであるため、上述したような傾向の全てを表しているものでない。

以上の動作を入力キャパシタ１０の充電完了まで繰り返すことにより、突入電流を抑制することができる。設計時には、動作周波数、デューティ比、インダクタンス値、スイッチング素子（最大定格）、ダイオード（最大定格）、プリチャージ時間などの条件により、上記の各パラメータを定めることができる。

図５は、所定のパラメータが設定された突入電流抑制回路を用いた実験結果を示す説明図である。同図は、インダクタ電流ＩＬと入力キャパシタ１０の両端電圧Ｖｃｏｎとの推移を示す説明図である。図５は、電流不連続モードにて突入電流（インダクタ電流ＩＬ）を抑制した状態を示している。なお、ＦＥＴ５のオン時における入力キャパシタ１０の両端に加わる１２乃至１５Ｖ程度の電圧は、キャパシタの等価直列抵抗によるものである。

このように本実施形態において、突入電流抑制回路は、負荷に流れる突入電流を抑制するものであり、この負荷は、電源１に接続する入力キャパシタ１０と、当該入力キャパシタ１０に並列接続されて電源１からの入力電流を出力する一対の出力端子３，４とを備えている。ここで、突入電流抑制回路は、直流電源１と接続されてオンオフ制御されるＦＥＴ５と、接続点（一方の出力端子３と入力キャパシタ１０の一方の電極との接続点）とＦＥＴ５との間に接続される第１インダクタ８と、ＦＥＴ５と第１インダクタ８との接続点にカソードを接続する還流ダイオード９と、接続点（入力キャパシタ１０の他方の電極と他方の出力端子４との接続点）とダイオードのアノードとの間に接続される第２インダクタ８と、を有している。この場合、第１及び第２インダクタ８は、電流経路である電線Ｌの回りを覆う磁性体２０から構成される。

ここで、突入電流抑制回路について、インダクタ８がないと仮定し、ＦＥＴ５をオフからオンにすることを考える。突入電流抑制回路に対して直流電源１の電圧が印加されると、入力キャパシタ１０を充電するため、大きな電流が短時間に流れる。この電流（突入電流）により、ＦＥＴ５が破壊され、遮断動作ができなくなることが問題となる。

この点、本実施形態によれば、インダクタ８を設けることで、大電流が流れることが抑制することができる。これにより、ＦＥＴ５が破壊され、遮断動作ができなくなるといった問題を解決することができる。

また、本実施形態によれば、磁性体２０をインダクタ８として利用することで、コイルのように電線を巻いてインダクタ８を形成する必要がない。そのため、大径の電線をコイルとすることによる回路の大型化を抑制することができる。また、電線を巻回する作業を省略することができるので、その製造作業の簡素化や、製造工程の短縮やコストの低減を図ることができる。

さらに、同じインダクタンス値のインダクタ８を正極側及びグランド側の両方に使うことで、回路の偏りを少なくすることにより、コモンモードノイズがノーマルモードノイズに変化することを防ぐことができるので、動作への悪影響を少なくすることができる。

なお、磁性体２０をインダクタ８として用いる場合、磁性体のＢＨ曲線、周波数特性、寸法（ａ，ｈ）、電線に流れる電流の値、動作周波数など、考慮しなければならない要素が多く存在する。また、電流値が一定でないことや、磁性体に幅があること等から、設計時において磁性体中の磁界を一様に決定することが難しい。そこで、磁性体２０を軸方向に沿って輪切り状に分割して構成し、その分割した環状要素の個数を選択することにより軸方向の長さｈを可変とすることが好ましい。これにより、製造時において軸方向の長さｈを容易に変更することができるので、設計時の誤差を吸収することができる。

以上、本実施形態にかかる突入電流抑制回路について説明したが、本発明はこの実施形態に限定されることなく、その発明の範囲において種々の変更が可能である。例えば「電源」は、一次電池や二次電池のように直流電流をそのまま出力するもののみならず、交流電源の出力を整流器により整流して直流電流を出力するようなものであってもよいし、交流電源そのものであってもよい。また、本実施形態では、第１及び第２インダクタのインダクタンス値は同一に設定されているが、これが厳密に一致することは要せず、各インダクタが同等の機能を果たす範囲であればその相違があってもよい。

１ 直流電源
３ 出力端子
４ 出力端子
５ ＦＥＴ
６ 駆動回路
７ 発振回路
８ インダクタ
９ ダイオード
１０ キャパシタ
２０ 磁性体

Claims (2)

1. 電源に接続する入力キャパシタと当該入力キャパシタに並列接続されて前記電源からの入力電流を出力する一対の出力端子とを含む負荷に流れる突入電流を抑制する突入電流抑制回路において、
   前記電源と接続されてオンオフ制御されるスイッチング素子と、
   一方の出力端子と前記入力キャパシタの一方の電極との接続点と、前記スイッチング素子との間に接続される第１インダクタと、
   前記スイッチング素子と前記第１インダクタとの接続点にカソードを接続するダイオードと、
   前記入力キャパシタの他方の電極と他方の出力端子との接続点と、前記ダイオードのアノードとの間に接続される第２インダクタと、を有し、
   前記第１インダクタ及び前記第２インダクタは、軸方向に沿って所定の長さを有する環状の磁性体にて、電流経路である電線の周りを覆って構成されることを特徴とする突入電流抑制回路。
2. 前記磁性体は、軸方向に沿って分割される複数の環状要素により構成されており、当該環状要素の個数を選択することで前記所定の長さを変更可能であることを特徴とする請求項１に記載された突入電流抑制回路。

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