JP2016192868A - 平滑コンデンサの放電回路 - Google Patents

Abstract

【課題】構成が簡単で、実装スペースの小さい平滑コンデンサの放電回路を提供する。【解決手段】電力変換装置の直流電源の出力側に直流電圧を平滑にするための平滑コンデンサを接続したものにおいて、ノーマリオン形トランジスタを設け、このノーマリオン形トランジスタのドレイン端子を前記平滑コンデンサの高電位端に接続し、ソース端子をこのトランジスタの動作点を決める抵抗器を介して前記平滑コンデンサの低電位端に接続し、かつゲート端子を前記平滑コンデンサの低電位端に接続する。【選択図】図２

Description

この発明は、電力変換装置で使用されている直流電圧を平滑にするための平滑コンデンサの放電回路に関する。

無停電電源装置等の電力変換装置は、直流電源とインバータ等の電力変換器との間に直流電圧を平滑にするための大容量の平滑用コンデンサを備える。このコンデンサは、電力変換装置の入力スイッチを遮断して装置を停止しても、直ちには放電せず、比較的長時間充電電荷を保持する。このため、装置の保守等で、装置内部を点検、修理する際に、コンデンサに接触すると、感電する危険がある。このような平滑コンデンサによる感電事故を防止するために、平滑コンデンサに放電回路が設けられる。

この放電回路は、平滑コンデンサの残留電荷を放電し、平滑コンデンサの残留電圧を所定時間内に人体に影響しない安全な電圧まで低下させる。

このような平滑コンデンサの放電回路としては、従来から特許文献１に記載されるように、スイッチ付きの固定抵抗放電回路、スイッチを使用しない固定抵抗放電回路、定電流放電回路、および定電力放電回路が知られている。

図５は、スイッチ付き固定抵抗放電回路である。この回路では、電力変換装置の運転時にスイッチＳＷ１がオンとなり、直流電源Ｅの電圧Ｅが平滑コンデンサＣに印加され、コンデンサＣが電圧Ｅまで充電される。

スイッチＳＷ１をオフにして電力変換装置を停止し、同時に放電スイッチＳＷ２をオンにすると、平滑コンデンサＣの直流電源Ｅによる充電が停止され、平滑コンデンサＣの残留電荷が放電抵抗Ｒｄ（Ｒｄ１〜Ｒｄｎ）を通して放電され、時間とともに平滑コンデンサＣの残留電圧が低下し、所定時間後に零となる。

この放電回路は、電力変換装置の運転時は、放電スイッチＳＷ２をオフにしておくので、運転中の放電抵抗Ｒｄによる電力損失は発生しない。このため、この放電回路によれば、電力変換装置が運転を停止して放電スイッチＳＷ２がオンとなった際に放電抵抗Ｒｄ１〜Ｒｄｎに流れる放電電流Ｉｄによって放電抵抗Ｒｄ１〜Ｒｄｎが損傷しない程度まで抵抗値を小さくすることで、平滑コンデンサＣの放電を急速に行うことができる。

しかし、放電抵抗を単一の抵抗で構成すると抵抗の電力容量が大きくなり、形状も大きくなる。そして、放電抵抗の電力容量を低減するようにすると、図示するように複数の抵抗を直列接続することが必要となり、実装面積が拡大する問題がある。

図６は、定電流放電回路を備えた電力変換装置の例である。この放電回路は、放電抵抗Ｒｄ、トランジスタＱ、放電電流検出抵抗Ｒｃ、および定電流制御回路５６を備える。

定電流制御回路５６は、電流検出抵抗Ｒｃで検出された放電電流Ｉｄが一定になるようにトランジスタＱのゲート電圧を制御する。

この放電回路によれば、スイッチＳＷ１がオフされ、装置が運転を停止したとき、平滑コンデンサＣの残留電荷が、放電抵抗ＲｄおよびトランジスタＱを通して放電され、このときの放電電流が一定電流に制限される。このため、平滑コンデンサＣの残留電圧は直線的に低下する。

さらに、図７は、定電力放電回路を備えた電力変換装置の例である。この定電力放電回路は、放電抵抗Ｒｄ、トランジスタＱ、放電電流検出抵抗Ｒｃ、定電力制御回路６３、およびコンデンサＣの電圧Ｅｃを検出する電圧検出回路６４を備える。

定電力制御回路６３は放電電流検出抵抗６２で検出された放電電流Ｉｄと電圧検出回路６４で検出されたコンデンサ電圧Ｅｃとの積を演算して放電電力Ｗｄを求め、この放電電力Ｗｄが一定となるようにトランジスタＱのゲート電圧を制御する。

この放電回路によれば、装置が運転を停止して、平滑コンデンサＣの残留電荷が放電抵抗ＲｄおよびトランジスタＱを介して放電されるとき、その放電電力が一定になるように、定電力制御回路６３によりトランジタＱのゲート電圧が制御される。

このような定電流放電回路および定電力放電回路によれば、平滑コンデンサＣの放電時の電流または電力が一定になるようにトランジスタＱにより制御されることにより、放電電流または放電電力が制限されるので、放電抵抗を小さくすることができる。

特開２００９−１１２１５６号公報

前記したように、定電流放電回路や定電力放電回路によれば、放電回路の放電抵抗を小さくすることができるが、これらの放電回路は、電流検出抵抗、電圧検出回路、定電流制御回路、定電力制御回路を必要とするので、構成が複雑になって、実装スペースが大きくなる問題が残る。

この発明は、このような問題を解決するため、構成が簡単で、実装スペースの小さい平滑コンデンサの放電回路を提供することを課題とするものである。

前記の課題を解決するため、この発明は、電力変換装置の直流電源の出力側に直流電圧を平滑にするための平滑コンデンサを接続したものにおいて、
ノーマリオン形トランジスタを設け、このノーマリオン形トランジスタのドレイン端子を前記平滑コンデンサの高電位端に接続し、ソース端子をこのトランジスタの動作点を決める抵抗器を介して前記平滑コンデンサの低電位端に接続し、かつゲート端子を前記平滑コンデンサの低電位端に接続することを特徴とする（請求項１の発明）。

また、請求項１の発明の平滑コンデンサの放電回路において、前記ノーマリオン形トランジスタと前記抵抗器とを通して流れる前記平滑コンデンサの放電電流を開閉するスイッチを接続するのがよい（請求項２の発明）。

この請求項２の発明の平滑コンデンサの放電回路において、前記スイッチは前記電力変換装置の運転中は、開にして前記放電電流を遮断するようにすると、電力変換装置の電力変換効率を向上することができる。

さらに、前記請求項１〜３の発明の平滑コンデンサの放電回路において、前記ノーマリオン形トランジスタは、ＳｉＣ（Silicon Carbide）製のＪ−ＦＥＴ（Junction Field Effect Transistor 接合型電界効果トランジスタ）とすることができる（請求項４の発明）。

この発明によれば、電力変換装置の直流電源の電圧を平滑する平滑コンデンサの放電回路をノーマリオン形トランジスタとこのトランジスタの動作点を決める抵抗器で構成するので、放電回路の構成が簡単となり、実装スペース小さくすることができる。

この発明の適用される電力変換装置としての無停電電源装置の例を示すブロック構成図。 この発明の平滑コンデンサの放電回路の第１の実施例を示す回路構成図。 この発明の動作説明に用いるノーマリオン形トランジスタの動作特性図。 この発明の平滑コンデンサの放電回路の第２の実施例を示す回路構成図。 平滑コンデンサの放電回路の従来例を示す回路構成図。 平滑コンデンサの放電回路の他の従来例を示す回路構成図。 平滑コンデンサの放電回路のさらに他の従来例を示す回路構成図。

この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。

この発明の実施例について説明する前に、図１に示す、この発明の適用される電力変換装置としての無停電電源装置の構成を簡単に説明する。

無停電電源装置２０は、交流入力２１から供給される交流電力を直流電力に変換する整流回路等で構成されたコンバータ２２と、バッテリ（蓄電池）２３から供給される直流電力の電圧変換を行うチョッパ回路等から構成された直流／直流変換器２４とで直流電源Ｅを構成する。この直流電源Ｅから供給される直流電力をインバータ２５により交流電力に変換し、負荷２６に供給する。

直流電源Ｅとインバータ２５の間に直流電源Ｅの直流電圧を平滑にするためのコンデンサＣが接続され、このコンデンサＣに並列、放電回路１０が設けられる。

この無停電電源装置２０は、通常は、交流入力２１に接続された交流の商用電源から給電され、この商用電源が停電したとき、バッテリ２３から給電することにより、停電なしに負荷２６へ給電するものである。

直流電源Ｅの電圧は、通常、電力用の電力変換装置の場合、２００〜１０００Ｖ程度の高電圧になる。

このため、無停電電源装置２０においては、保守、点検等のために装置を停止したとき、保守、点検作業を安全に行うために、平滑コンデンサＣの充電電荷を放電回路１０により放電することが必須となるのである。

図２は、このような電力変換装置に適用されるこの発明の平滑コンデンサの放電回路１０の第１の実施例を示すものである。

この図２において、Ｅは、電力変換装置内の、たとえば、図１における交流電力を直流電力に変換するコンバータ２２、直流／直流変換器２４等により構成された直流電源、Ｃは、直流電源Ｅの出力電圧を平滑する平滑コンデンサ、１は、ノーマリオン形電界効果トランジスタ（以下においてはＦＥＴと称する）、２は、このトランジスタ１の動作点を決める抵抗器である。

平滑コンデンサＣは、電源スイッチＳＷを介して、直流電源Ｅに並列に接続される。ＦＥＴ１のドレイン端子Ｄは、平滑コンデンサＣの高電位端Ｐに接続し、ソース端子Ｓは、抵抗器２を介して平滑コンデンサＣの低電位端Ｎに接続し、さらに、ゲート端子Ｇは、平滑コンデンサＣの低電位端Ｎに接続する。

図３に、ＦＥＴ１の動作特性を示す。この図において、縦軸は、ＦＥＴ１のドレイン端子Ｄからソース端子Ｓに流れる導通電流Ｉｄｓを示し、横軸は、ゲート端子Ｇ−ソース端子Ｓ間のゲート電圧Ｖｇｓを示す。ＦＥＴ１は、ゲート電圧Ｖｇｓに対して導通電流Ｉｄｓが特性線４で示すように変化する特性を有する。

この図３から、明らかなように、ＦＥＴ１は、ノーマリオン形であるため、ゲート電圧Ｖｇｓがゼロであっても導通し、導通電流Ｉｄｓ０が流れ、ゲート電圧Ｖｇｓが閾値電圧−Ｖｇｓｔ以下に低下すると、不導通となり、導通電流Ｉｄｓが極端に小さくなる特性を有する。

図２の放電回路における抵抗器２の抵抗値Ｒによって決まる負荷線（Ｉｒ＝−Ｖｇｓ／Ｒ）を、図３の負荷線５のように選定すると、ＦＥＴ１の動作特性線４と抵抗器２の負荷線５との交点６が動作点となり、ＦＥＴ１のゲートに−Ｖｇｓ１のゲート電圧が加わり、これが導通し、コンデンサＣの電荷がＦＥＴ１および抵抗器２を通して放電され、ほぼ一定のＩｄｓ１の放電電流が流れる。

抵抗器２は、ＦＥＴ１のソース端子Ｓとゲート端子Ｇとの間に接続されるため、抵抗器２の両端の電位差がゲート電圧Ｖｇｓ１と等しくなり、抵抗器２に流れる電流ＩｒがＦＥＴの導通電流Ｉｄｓ１、すなわち、平滑コンデンサＣの放電電流と等しくなる。このため、ゲート電圧Ｖｇｓ１は、抵抗器の２の抵抗値Ｒと放電電流Ｉｄｓ１との積で表すことができる。

例えば、閾値電圧Ｖｇｓｔが−１５ＶでＶｇｓ１が−１４Ｖにおける導通電流Ｉｄｓ１が１０ｍＡのＦＥＴ１と１．４ｋΩの抵抗器２を用いれば、図２の放電回路における放電電流値Ｉｄｓを、図５に示す抵抗器９のみによって構成された従来の放電回路と同様に１０ｍＡに程度に設定することができる。このように設定すると、抵抗器２は、電流Ｉｒが１０ｍＡ、電圧Ｖｒが１４Ｖで、消費電力Ｗｒ（＝Ｉｒ×Ｖｒ）が、１０ｍＡ×１４Ｖ＝０．１４Ｗとなる。このため、抵抗器２は、定格電力が０．５Ｗのチップ抵抗器１つで十分となる。

すなわち、１０００Ｖ程度の高電圧の直流電源の平滑コンデンサの放電回路を前記のようなＦＥＴ１と抵抗器２とで構成することが可能となるのである。

閾値電圧が−１５Ｖで、耐電圧が１２００ＶのＦＥＴとしては、インフィニオン・テクノロジーズ社の「IJW120R100T1」型ＳｉＣ製Ｊ−ＦＥＴが好適である。

次に、図４に示すこの発明の第２の実施例について説明する。

この第２の実施例は、図２に示した第１の実施例の放電回路とは、ＦＥＴ１のソース端子Ｓに接続された抵抗器２と平滑コンデンサＣの低電位端Ｎとの間にＭＯＳ−ＦＥＴ（金属酸化物電界効果型トランジスタ）からなるスイッチ素子８を付加した点が異なるだけで、その他の点は同じである。

このため、この第２の実施例の放電回路の基本的な動作は、図２の第１の実施例の放電回路と同じである。

このスイッチ素子８は、外部からゲート端子Ｇにゲート信号を与えることによって導通され、ゲート信号を遮断することによって不導通にされる。このため、スイッチ素子８により放電回路にＦＥＴ１によって制御される平滑コンデンサＣの放電電流Ｉｄｓを断続することができる。

スイッチ素子８のゲート端子Ｇに与えるゲート信号を、この放電回路を備える電力変換装置の運転状態に応じて制御し、電力変換装置の運転中は、スイッチ素子８を不導通にして放電電流を遮断し、電力変換装置の運転を停止しときにスイッチ素子８を導通して放電電流が通流するようにする。

このようにすると、電力変換装置の運転が停止されているときだけ、スイッチ素子８が導通されて、ＦＥＴ１，抵抗器２で構成された放電回路を通して平滑コンデンサの放電が行われ、電力変換装置の運転中は、放電回路による平滑コンデンサの放電が停止されるため、電力変換装置の電力変換効率を高めることができる。

この第２の実施例の放電回路を前記したように放電電流を１０ｍＡとなるように設定したとすると、ＦＥＴ１のソース端子Ｓと平滑コンデンサＣ低電位端Ｎとの間の電位差は、せいぜい数１０Ｖ程度であるので、抵抗器２と平滑コンデンサＣの低電位端Ｎの間に接続するスイッチ素子として定格電圧が１００Ｖ程度の低圧用のｎチャネルＭＯＳ−ＦＥＴを使用することができる。

Ｅ：直流電源
ＳＷ：電源スイッチ
Ｃ：平滑コンデンサ
１：ノーマリオン形トランジスタ
２：抵抗器
８：スイッチ素子

Claims (4)

1. 電力変換装置の直流電源の出力側に直流電圧を平滑にするための平滑コンデンサを接続したものにおいて、
   ノーマリオン形トランジスタを設け、このノーマリオン形トランジスタのドレイン端子を前記平滑コンデンサの高電位端に接続し、ソース端子をこのトランジスタの動作点を決める抵抗器を介して前記平滑コンデンサの低電位端に接続し、かつゲート端子を前記平滑コンデンサの低電位端に接続することを特徴とする電力変換装置の平滑コンデンサの放電回路。
2. 前記抵抗器に直列に前記ノーマリオン形トランジスタと前記抵抗器とを通して流れる前記平滑コンデンサの放電電流を開閉するスイッチを接続することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置の平滑コンデンサの放電回路。
3. 前記スイッチは前記電力変換装置の運転中は、開にして前記放電電流を遮断することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置の平滑コンデンサの放電回路。
4. 前記ノーマリオン形トランジスタは、ＳｉＣ（Silicon Carbide）製のＪ−ＦＥＴ（Junction Field Effect Transistor 接合型電界効果トランジスタ）とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置の平滑コンデンサの放電回路。

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