JP2020167860A - 処理回路および電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧急変時にメイン回路に高電圧が印加されることを防ぐことができる処理回路を提供する。【解決手段】対象電圧の変化の微分値を出力する微分回路と、前記微分回路から出力される前記微分値が所定値以上である場合に、所定の電圧を出力する所定電圧出力部と、電流検出部によって検出される電流に基づいて保護を行う機能を有する保護回路に対して、前記所定電圧出力部から出力される電圧に基づいた所定の処理を実行する所定処理実行部と、を備える処理回路。【選択図】図１

Description

本発明は、処理回路および電源装置に関する。

入力される直流または交流の電力を直流の電力へ変換するスイッチング電源装置が知られている（特許文献１参照。）。
スイッチング電源装置では、入力源の電圧急変時に、高速な電圧の上昇を伴う高電圧が回路に印可される場合がある。この場合、従来では、レベル検出方式の過電圧保護が行われていた。

特開２００５−７３４３０号公報

スイッチング電源装置において、既存のレベル検出方式の過電圧保護では、保護が間に合わず、半導体スイッチ素子に高電圧が加わり、半導体スイッチ素子の耐圧を超え、素子の破壊に至る場合があった。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、電圧急変時に高電圧が印加されることを防ぐことができる処理回路および電源装置を提供することを課題とする。

本発明の一態様は、対象電圧の変化の微分値を出力する微分回路と、前記微分回路から出力される前記微分値が所定値以上である場合に、所定の電圧を出力する所定電圧出力部と、電流検出部によって検出される電流に基づいて保護を行う機能を有する保護回路に対して、前記所定電圧出力部から出力される電圧に基づいた所定の処理を実行する所定処理実行部と、を備える処理回路である。

本発明によれば、処理回路および電源装置において、電圧急変時にメイン回路（例えば、半導体スイッチ素子）に高電圧が印加されることを防ぐことができる。

本発明の一実施形態に係る電源装置の概略的な構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る入力電圧および電圧急変検知時動作回路における信号波形の例を示す図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。

［電源装置］
図１は、本発明の一実施形態に係る電源装置１の概略的な構成を示す図である。
本実施形態では、電源装置１は、スイッチング電源装置である。
電源装置１は、メイン回路１１と、入力電圧検出部１２と、電流検出部１３と、電圧急変検出部１４と、入力過電圧保護部１５と、短絡電流保護部１６と、入力電源３１と、負荷３２と、入力コンデンサ３３を備える。

ここで、電力を負荷３２に供給するメイン回路１１と、入力される電圧を検出する入力電圧検出部１２と、電流を検出する電流検出部１３と、入力される過電圧に対する保護を行う入力過電圧保護部１５と、短絡電流保護部１６については、例えば、従来から知られている回路構成が用いられてもよく、本実施形態では、詳しい回路構成については説明を省略する。ただし、短絡電流保護部１６に関しては、実施形態の動作に関わるため、回路構成、及び、動作の説明を行う。

電圧急変検出部１４は、微分回路２１と、所定電圧出力部２２と、を備える。
微分回路２１は、コンデンサ６１と、抵抗６２と、接地端１１４と、を備える。
所定電圧出力部２２は、補助電源５１と、スイッチ５２と、スイッチ５３と、抵抗５４と、接地端１１３と、を備える。
短絡電流保護部１６は、コンパレータ７１と、基準電源７２と、接地端１１６と、を備える。
本実施形態では、電圧急変検出部１４と短絡電流保護部１６とから、電圧急変検知時動作回路２０１が構成されている。電圧急変検知時動作回路２０１は、対象となる電圧の急変を検知したときに所定の動作（所定の処理）を行う回路である。

＜回路の接続の関係＞
ここで、入力電源３１と電流検出部１３とメイン回路１１とが直列接続されている。メイン回路１１と負荷３２とが接続されている。
入力電源３１に対して、入力電圧検出部１２が、接続されている。
入力電圧検出部１２および電流検出部１３のそれぞれと、電圧急変検出部１４とが接続されている。
電圧急変検出部１４と、入力過電圧保護部１５および短絡電流保護部１６のそれぞれとが接続されている。

電圧急変検出部１４において、入力電圧検出部１２と入力過電圧保護部１５とを接続する接続線２１１が設けられており、当該接続線２１１に微分回路２１が接続されている。
微分回路２１において、当該接続線に、直列に、コンデンサ６１と抵抗６２が接続されており、その抵抗６２の先に接地端１１４が接続されている。
電圧急変検出部１４において、電流検出部１３と短絡電流保護部１６とを接続する接続線２１２が設けられており、当該接続線２１２と補助電源５１との間にスイッチ５３が接続されている。また、補助電源５１に、直列に、スイッチ５２と抵抗５４が接続されており、その抵抗５４の先に接地端１１３が接続されている。なお、スイッチ５２とスイッチ５３は、補助電源５１に対して並列に接続されている。

ここで、上記の接続関係をより詳しく説明する。
入力電源３１は、正極端子（高電圧の側の端子）と負極端子（低電圧の側の端子）との２つの出力端子４１１、４１２を有する直流電圧源である。
メイン回路１１は、入力電源３１からの電力を受けるための２つの入力端子４２１、４２２と負荷３２に電力を供給するための２つの出力端子４２３、４２４を有する。
入力電源３１の２つの出力端子４１１、４１２の間には、入力電圧検出部１２の２つの端子４４１、４４２と、一般的に設けられる入力コンデンサ３３とが接続される。

電流検出部１３は、入力電源３１から入力コンデンサ３３を経由してメイン回路１１へ電力を供給することに伴う電流Ｉｉｎ（メイン回路１１を流れる電流）を検出するために、電流の流入端子４３１および流出端子４３２と、検出された電流信号の検出結果を出力するための２つの出力端子４３３、４３４を有し、入力電源３１の２つの出力端子４１１、４１２の間（および、入力コンデンサ３３の両端間）に対して、電流検出部１３の流入端子４３１、流出端子４３２とメイン回路１１の入力端子４２１、入力端子４２２は直列に接続されている。
よって、電流検出部１３は、入力電源３１の出力端子４１１の側の高電圧ラインに挿入されていてもよく、あるいは、出力端子４１２の側の低電圧ラインに挿入されていてもよい。

図１の例のように、電流検出部１３が高電圧ラインに挿入される場合、入力コンデンサ３３と入力電圧検出部１２は、電流検出部１３の流入端子４３１の側に接続される。他の例として、電流検出部１３が低電圧ラインに挿入される場合、入力コンデンサ３３と入力電圧検出部１２は、電流検出部１３の流出端子４３２の側に接続される。
入力電圧検出部１２によって検出された１次側の入力電源３１の電圧の検出値は、絶縁トランス等によって電圧変換され、２次側の電圧急変検出部１４と、入力過電圧保護部１５に伝送される。
電圧急変検出部１４によって入力電源３１の電源の急変を検出した結果は、短絡電流保護部１６に伝送される。
電流検出部１３によって検出される１次側の入力電流Ｉｉｎの検出値は、カレントトランス等によって電圧変換され、２次側の短絡電流保護部１６に伝送される。

ここで、本実施形態では、互いに接続される各素子は、例えば、接続線を介して接続されるが、説明の便宜上、一部の接続線２１１、２１２以外の接続線については図示の符号および詳しい説明を省略する。

短絡電流保護部１６において、コンパレータ７１のプラスの入力端子２３１に、接続線２１２が接続されており、当該接続線２１２を介して電流検出部１３の出力端とスイッチ５３の一端とが、並列に、接続されている。
コンパレータ７１のマイナスの入力端子２３２と接地端１１６との間に、基準電源７２が接続されている。基準電源７２のプラス側の端子がコンパレータ７１のマイナスの入力端子２３２と接続されており、基準電源７２のマイナス側の端子が接地端１１６と接続されている。

ここで、本実施形態では、入力電圧検出部１２の接地端１１１と、電流検出部１３の接地端１１２と、電圧急変検出部１４の接地端１１３、１１４と、入力過電圧保護部１５の接地端１１５と、短絡電流保護部１６の接地端１１６は、共通のグラウンドに接続されている。

＜回路の動作の例＞
入力電源３１は、メイン回路１１に所定の電圧Ｖｉｎを出力する。
メイン回路１１は、入力電源３１から入力される電圧Ｖｉｎを用いて電力を生成し、当該電力を負荷３２に供給する。
負荷３２は、メイン回路１１から供給される電力を用いて動作を行う。なお、負荷３２としては、任意のものが用いられてもよい。

入力電圧検出部１２は、入力電源３１からメイン回路１１に入力される電圧Ｖｉｎを検出し、検出された電圧Ｖｉｎ＿ｓｅｎｓｅを電圧急変検出部１４に出力する。
ここで、入力電圧検出部１２は、例えば、トランスを用いて、電圧Ｖｉｎを検出しトランスを介して電圧Ｖｉｎ＿ｓｅｎｓｅを生成する。
本実施形態では、入力電圧検出部１２から出力される電圧Ｖｉｎ＿ｓｅｎｓｅは、入力電圧急変時には、交流の矩形等の波形を有する電圧である。この場合、例えば、微分回路２１とスイッチ５２との間に、微分回路２１からスイッチ５２の制御端に向かう電圧を印加するように整流を行う整流素子が備えられてもよい。当該整流素子としては、例えば、ダイオードが用いられてもよい。

電流検出部１３は、入力電源３１とメイン回路１１との間に流れる電流Ｉｉｎを検出し、検出された電流Ｉｉｎに応じた電圧Ｖｃｓを短絡電流保護部１６のプラスの入力端子２３１に入力する。したがって、メイン回路１１に短絡電流が流れた際に、短絡電流保護部１６のプラスの入力端子２３１の値が基準電源７２の電圧（基準電圧）Ｖｒｅｆを上回り、メイン回路１１のスイッチングを停止する。

入力過電圧保護部１５には、接続線２１１を介して、入力電圧検出部１２によって検出された電圧Ｖｉｎ＿ｓｅｎｓｅが入力される。そして、入力過電圧保護部１５は、入力される電圧Ｖｉｎ＿ｓｅｎｓｅが過電圧である場合、メイン回路１１のスイッチングを停止させる制御を行う。ここで、過電圧であることを判定する条件は、例えば、あらかじめ入力過電圧保護部１５に設定される。

電圧急変検出部１４において行われる動作について説明する。
微分回路２１は、入力電圧検出部１２から入力される電圧Ｖｉｎ＿ｓｅｎｓｅを微分した結果（導関数であって、傾き）に相当する電圧Ｖｄｅｒをスイッチ５２の制御端に出力する。本実施形態では、当該電圧Ｖｄｅｒが所定の閾値以上である場合にスイッチ５２がオン（導通状態）となり、当該電圧Ｖｄｅｒが所定の閾値未満である場合にスイッチ５２がオフ（非導通状態）となる。

スイッチ５２がオンになると、補助電源５１から出力される電圧ＶＤＤが抵抗５４に印加されて、抵抗５４にかかる電圧Ｖｓｗ１がスイッチＳＷ２の制御端に出力される。本実施形態では、当該電圧Ｖｓｗ１が所定の閾値以上である場合にスイッチ５３がオン（導通状態）となり、当該電圧Ｖｓｗ１が所定の閾値未満である場合にスイッチ５３がオフ（非導通状態）となる。
スイッチ５３がオンになると、補助電源５１から出力される電圧ＶＤＤがスイッチ５３を通して印加されて、当該電圧ＶＤＤが短絡電流保護部１６に印加される。

ここで、それぞれのスイッチ５２、５３は、例えば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、あるいは、バイポーラトランジスタを用いて構成されてもよい。
また、それぞれのスイッチ５２、５３は、例えば、多段の構成であってもよい。

短絡電流保護部１６において行われる動作について説明する。
コンパレータ７１には、プラスの入力端子２３１に電圧急変検出部１４から出力される電圧ＶＤＤが入力され、マイナスの入力端子２３２に基準電源７２から出力される基準となる電圧（基準電圧）Ｖｒｅｆが入力される。
そして、コンパレータ７１は、電圧急変検出部１４から入力される電圧ＶＤＤが基準となる電圧Ｖｒｅｆを超える場合には、メイン回路１１のスイッチングを停止させる制御を行う。具体例として、コンパレータ７１の出力端子２３３からの出力電圧を電源制御用のＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）のイネーブル端子に入力する構成として、コンパレータ７１は、電圧急変検出部１４から入力される電圧ＶＤＤが基準となる電圧Ｖｒｅｆを超える場合には、電源制御用のＩＣのイネーブル端子にイネーブル信号を入力することで、メイン回路１１のスイッチングを停止させてもよい。
ここで、本実施形態では、電圧ＶＤＤは基準となる電圧Ｖｒｅｆよりも大きい値に設定されている。
また、基準となる電圧Ｖｒｅｆは、メイン回路１１の短絡電流保護のための閾値に相当する電圧である。

［信号波形の例］
図２は、本発明の一実施形態に係る入力電圧および電圧急変検知時動作回路２０１における信号波形の例を示す図である。
図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）では、横軸は時間を表しており共通化されており、縦軸はそれぞれの電圧の値を表している。
図２（Ａ）には、入力電源３１から出力される電圧Ｖｉｎの波形３１１の例を示してある。
図２（Ｂ）には、入力電圧検出部１２によって検出される電圧Ｖｉｎ＿ｓｅｎｓｅの波形３１２の例を示してある。
図２（Ｃ）には、微分回路２１からスイッチ５２の制御端に出力される電圧Ｖｄｅｒの波形３１３の例を示してある。

入力電圧Ｖｉｎが時間ｔ１における電圧Ｖ１から時間ｔ２における電圧Ｖ２まで急峻に変化すると、入力電圧検出部１２からの出力電圧Ｖｉｎ＿ｓｅｎｓｅも、同様に、電圧Ｖ１’から電圧Ｖ２’まで急峻に変化する。これにより、微分回路２１からの出力電圧Ｖｄｅｒは、スイッチ５２をオフからオンへ切り替えるための閾値電圧Ｖｔｈ１まで達し、スイッチ５２がオフからオンとなる。
スイッチ５２がオンになると、スイッチ５２からの出力電圧に電圧ＶＤＤが印加され、スイッチ５３もオフからオンとなる。スイッチ５３がオンとなると、電圧ＶＤＤが短絡電流保護部１６に印加される。電圧ＶＤＤは短絡電流保護部１６の基準電圧Ｖｒｅｆよりも高く設定されている。これにより、コンパレータ７１がハイ（Ｈｉｇｈ）信号を出力し、メイン回路１１はスイッチングを停止する。

ここで、図２（Ｃ）の例では、時間ｔｐｃｔにおいて、電圧Ｖｄｅｒが電圧Ｖｔｈ１に達している。
図２（Ａ）の例では、時間ｔｐｃｔにおける入力電圧Ｖｉｎの値Ｖｐｃｔを示してある。
図２（Ｂ）には、時間ｔｐｃｔにおける電圧Ｖｉｎ＿ｓｅｎｓｅの値Ｖｐｃｔ’を示してある。

［実施形態について］
以上のように、本実施形態に係る電源装置１における電圧急変検知時動作回路２０１では、電圧急変時においても、微分回路２１によって急峻な電圧をとらえて、短絡電流保護部１６によって保護を行うことで、例えば、スイッチング半導体素子等に高電圧が印加されることを防ぐことができる。
本実施形態に係る電圧急変検知時動作回路２０１では、例えば、電圧急変時に、高速にスイッチング電源の動作を停止させることができ、これにより、メイン回路１１内のスイッチング半導体素子等に高電圧が印加されることを防ぐことができる。

ここで、本実施形態では、過電圧保護として、２つの過電圧保護を想定した。１つ目の過電圧保護は、従来例に係る過電圧保護技術によって過電圧保護動作速度が追従可能であって、電圧の上昇速度が比較的緩慢なときにおける過電圧保護である。入力過電圧保護部１５が、従来例に係る過電圧保護技術の回路に相当する。

２つ目の過電圧保護は、従来例に係る過電圧保護技術では過電圧保護動作速度が追従不可能であって、電圧の上昇速度が比較的急峻なときにおける高速過電圧保護である。
電圧急変検知時動作回路２０１が、高速過電圧保護を実現する回路に相当する。電圧急変検知時動作回路２０１では、入力電圧検出部１２から出力される電圧Ｖｉｎ＿ｓｅｎｓｅの変化速度（上昇速度）を微分回路２１によって検出する。そして、電圧急変検知時動作回路２０１では、微分回路２１による検出結果に応じた信号を短絡電流保護部１６に入力することで、高速に過電圧保護を行うことを実現している。
このように、本実施形態では、通常の入力過電圧保護と、急変時の入力過電圧保護とを分けて考えている。なお、過電圧保護の動作にとって、電圧の上昇速度が緩慢であるか急峻であるかについては、回路に設定される時定数などに応じて決まる。

本実施形態では、電圧急変検知時動作回路２０１によって、入力過電圧保護部１５では追従することができない高速な電圧変化が生じるときにおける過電圧保護を実現している。

また、本実施形態に係る電圧急変検知時動作回路２０１では、最終的な過電圧の保護として、電源装置１が通常備えている過電流保護回路（本実施形態では、短絡電流保護部１６に関する保護回路）を利用しており、他の保護回路（例えば、スイッチングを停止させる機能を有する保護回路）を用いることも可能である。このため、本実施形態に係る電圧急変検知時動作回路２０１では、例えば、これらに代わる新たな保護回路を設けなくても、電圧レベルの検出回路と並列的に構成されることが可能である。

また、本実施形態に係る電圧急変検知時動作回路２０１では、例えば、一般的な電源回路内で使用されている制御部品を流用することが可能である。このような制御部品としては、例えば、コンパレータ７１およびその基準電圧Ｖｒｅｆを出力する基準電源７２がある。
なお、本実施形態に係る電圧急変検知時動作回路２０１では、例えば、スイッチ素子の追加、抵抗５４の位置あるいは有無、他の抵抗の追加などに関して、特に限定はなく、様々な回路構成が用いられてもよい。

ここで、本実施形態に係る電圧急変検知時動作回路２０１では、短絡電流保護部１６においてコンパレータ７１が設けられているが、他の構成例として、同様な処理を実現するデジタル処理を行うマイコンなどが用いられてもよい。

また、本実施形態では、電圧急変検知時動作回路２０１からの出力電圧をスイッチング電源の短絡電流保護部１６に入力する構成例を示したが、これに限らず、様々な制御系に入力されてもよい。これにより、様々な制御系において、高速な過電圧保護を行うことができる。
他の構成例として、電圧急変検知時動作回路２０１からの出力電圧を、短絡電流保護の機能を含む過電流保護などの電流検出回路に入力する構成が用いられてもよい。
他の構成例として、電圧急変検知時動作回路２０１からの出力電圧を、フィードバック系の回路（例えば、保護回路）に入力する構成が用いられてもよい。当該フィードバック系の回路としては、例えば、入力電圧Ｖｉｎの急峻な変動に追従して、メイン回路１１からの出力電圧を安定化させるように制御する回路が用いられてもよい。当該フィードバック系の回路としては、例えば、エラーアンプなどによって入力電圧の目標値からの誤差を検出し、当該誤差が小さくなるようにデューティ比を調整する制御を行う回路が用いられてもよい。

本実施形態に係る電圧急変検知時動作回路２０１は、任意のものに適用されてもよく、例えば、対象となる装置への入力電圧の変化に基づいて動作を行うものばかりでなく、対象となる装置からの出力電圧の変化に基づいて動作を行うものに適用されてもよい。
また、本実施形態に係る電源装置１は、任意のものに適用されてもよく、例えば、自動車などの移動可能な物体に適用されてもよい。

＜構成例＞
一構成例として、処理回路（図１の例では、電圧急変検知時動作回路２０１）において、対象電圧（図１の例では、電圧Ｖｉｎ＿ｓｅｎｓｅ）の変化の微分値（図１の例では、Ｖｄｅｒ）を出力する微分回路（図１の例では、微分回路２１）と、微分回路から出力される微分値が所定値（図２の例では、Ｖｔｈ１）以上である場合に、所定の電圧（図１の例では、ＶＤＤ）を出力する所定電圧出力部（図１の例では、所定電圧出力部２２）と、電流検出部によって検出される電流に基づいて保護を行う機能を有する保護回路に対して、所定電圧出力部から出力される電圧に基づいた所定の処理を実行する所定処理実行部（図１の例では、短絡電流保護部１６）と、を備える。
一構成例として、処理回路において、所定処理実行部によって行われる所定の処理は、短絡電流保護の処理を含む。
一構成例として、処理回路において、所定処理実行部によって行われる所定の処理は、過電流保護の処理を含む。
一構成例として、処理回路において、所定処理実行部によって行われる所定の処理は、フィードバック系の処理を含む。
一構成例として、電源装置において、以上のような処理回路を備える。

［以上の実施形態について］
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

１…電源装置、１１…メイン回路、１２…入力電圧検出部、１３…電流検出部、１４…電圧急変検出部、１５…入力過電圧保護部、１６…短絡電流保護部、２１…微分回路、２２…所定電圧出力部、３１…入力電源、３２…負荷、３３…入力コンデンサ、５１…補助電源、５２、５３…スイッチ、５４、６２…抵抗、６１…コンデンサ、７１…コンパレータ、７２…基準電源、１１１〜１１６…接地端、２０１…電圧急変検知時動作回路、２１１、２１２…接続線、２３１、２３２、４２１、４２２…入力端子、２３３、４１１、４１２、４２３、４２４、４３３、４３４…出力端子、３１１〜３１３…波形、４３１…流入端子、４３２…流出端子、４４１、４４２…端子

Claims (5)

1. 対象電圧の変化の微分値を出力する微分回路と、
   前記微分回路から出力される前記微分値が所定値以上である場合に、所定の電圧を出力する所定電圧出力部と、
   電流検出部によって検出される電流に基づいて保護を行う機能を有する保護回路に対して、前記所定電圧出力部から出力される電圧に基づいた所定の処理を実行する所定処理実行部と、
   を備える処理回路。
2. 前記所定処理実行部によって行われる前記所定の処理は、短絡電流保護の処理を含む、
   請求項１に記載の処理回路。
3. 前記所定処理実行部によって行われる前記所定の処理は、過電流保護の処理を含む、
   請求項１に記載の処理回路。
4. 前記所定処理実行部によって行われる前記所定の処理は、フィードバック系の処理を含む、
   請求項１に記載の処理回路。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の処理回路を備える、
   電源装置。

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