JP2022011459A

JP2022011459A - スイッチング電源装置

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Publication number: JP2022011459A
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Inventors: 昌春前坂; Masaharu Maesaka
Original assignee: Cosel Co Ltd
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Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2020-06-30
Publication date: 2022-01-17
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Abstract

【課題】降圧チョッパのスイッチング素子が短絡故障した時、電力供給を速やかに停止させ、内部の回路素子及び負荷を確実に保護することができるスイッチング電源装置を提供する。【解決手段】スイッチング素子２０を有する降圧チョッパ１８と、スイッチング素子２０を駆動パルスVgで制御するスイッチング制御回路４０とを備える。降圧チョッパ１８の前段に設けられたスイッチ３２と、スイッチング素子２０の状態に応じてスイッチ３２を開閉させるスイッチング素子監視回路４２とを備える。スイッチング制御回路４０は、スイッチング素子２０の最大オンデューティが１００％未満の値に制限されるように駆動パルスVgを生成する。スイッチング素子監視回路４２は、スイッチング素子２０のオン状態が、スイッチング周期Tswよりも長い規定時間Tthを超えて継続したことを検知すると、スイッチ３２を開状態にして降圧チョッパ１８への電力供給を停止させる。【選択図】図１

Description

本発明は、降圧チョッパを備えたスイッチング電源装置に関する。

従来、図８に示すように、商用三相交流電圧を所定の直流電圧Voに変換して出力するスイッチング電源装置１０があった。スイッチング電源装置１０は、商用三相交流電源１２から供給された三相交流電圧を６つの整流素子で全波整流し、商用周波数の６倍の周波数の小さいリップルが重畳した直流電圧Viを出力する整流回路１４を備え、整流回路１４の後段に、インダクタ１６ａ及び２つのコンデンサ１６ｂでπ型フィルタを構成したノイズフィルタ１６が接続されている。正常運転時、ノイズフィルタ１６の出力端の電圧V16は、ほぼ直流電圧Viと等しくなる。

ノイズフィルタ１６の後段には、ノイズフィルタ１６を通過した直流電圧Viを、直流電圧Viよりも低い出力電圧Voに変換する降圧チョッパ１８が設けられている。降圧チョッパ１８は、一般的な非絶縁型のＤＣ－ＤＣコンバータで、ＭＯＳ型ＦＥＴで成るスイッチング素子２０、ダイオードで成る転流素子２２、平滑インダクタ２４、平滑コンデンサ２６及び入力コンデンサ２８とで構成されている。そして、平滑コンデンサ２６の両端がスイッチング電源装置１０の出力端となり、負荷３０が接続される。

降圧チョッパ１８の動作を簡単に説明すると、スイッチング素子２０は、スイッチング制御回路３４が出力する駆動パルスVgを受け、所定のスイッチング周期Tswでオンオフする。スイッチング素子２０がオンオフすると、スイッチング素子２０の後段に入力電圧Viを断続した電圧が発生し、その断続電圧が、転流素子２２、平滑インダクタ２４及び平滑コンデンサ２６によって整流平滑され、平滑コンデンサ２６の両端に直流の出力電圧Voが発生する。入力コンデンサ２８は、スイッチング素子２０に流れるスイッチング電流I20の交流成分が、ノイズフィルタ１６の側に流出して、入力帰還ノイズになるのを防止する働きをする。

降圧チョッパ１８の入力ラインは、ＩＧＢＴで成るスイッチ３２を介してノイズフィルタ１６の出力ラインに接続されている。スイッチ３２は、スイッチング素子２０のようなスイッチング動作を行うのではなく、過電圧検出手段３６から信号を受けて、降圧チョッパ１８の入力ラインを開閉する働きをする。降圧チョッパ１８は、スイッチ３２が閉状態の時だけ、動作することが可能になる。

降圧チョッパ１８の出力電圧Voの制御は、スイッチング制御回路３４が行う。スイッチング制御回路３４が出力する駆動パルスVgは、所定のスイッチング周期Tswでハイレベルとローレベルとを繰り返すパルス電圧であり、出力電圧Voを検出し、駆動パルスVgのハイとローの時比率を、出力電圧Voを目標値Vrに近づける方向に変化させることによって、スイッチング素子２０のオンデューティを変化させ、出力電圧Voを目標値Vrに保持させる。

過電圧検出手段３６は、何らかの異常が発生して降圧チョッパ１８の出力電圧Voが上昇し、出力電圧Voが過電圧閾値Vth（＞Vr）に達したことを検知すると、スイッチ３２を開状態にする信号を出力し、降圧チョッパ１８の動作を停止させて負荷３０を保護する。

スイッチング電源装置１０の構成は、概して言うと、特許文献１に開示されたスイッチング電源装置の構成に、特許文献２に開示されたスイッチング電源装置が有する過電圧保護の機能を組み合わせたものと言える。

特開２００７－２６８１４号公報特開２００６－３３９４３号公報

従来のスイッチング電源装置１０の場合、何らかの理由でスイッチング素子２０の両端、すなわちドレイン・ソース間が短絡故障すると、上記の過電圧保護の動作が行われたとしても、スイッチ３２を含む他の回路素子が故障してしまう可能性があり、安全性の面で問題がある。

図９は、スイッチング電源装置１０の動作を示すタイムチャートであって、スイッチング素子２０が短絡故障した時の、降圧チョッパ１８の出力電圧Vo、ノイズフィルタ１６のインダクタ電流I16、ノイズフィルタ１６の出力端の電圧V16の各動作波形を模式的に描いたものである。正常運転中（タイミングT1の前）は、スイッチ３２が閉状態になっており、各回路素子が適切に動作して、出力電圧Voが目標値Vrに保持されている。

スイッチング素子２０が短絡故障すると（タイミングT1）、スイッチング素子２０は、スイッチング制御回路３４からの駆動パルスVgの時比率に関係なく、オン状態に固定されることになる。そのため、出力電圧Voが直流電圧Viに向かって急上昇し、同時にインダクタ電流I16も急増する。電圧V16はあまり変化せず、ほぼ直流電圧Viに保持される。その後、出力電圧Voが過電圧閾値Vthに達すると（タイミングT2）、過電圧検出手段３６がスイッチ３２を開状態に切り替える制御を行って、降圧チョッパ１８への電力供給を停止させる。

しかしながら、タイミングT2では、既にインダクタ電流I16が非常に大きな値になっているので、スイッチ３２が開状態に切り換わると、インダクタ１６ａに、電流I16を流し続けようとする大きい逆起電力が生じ、電圧V16に過大なサージ電圧（リンギング）が発生する。その結果、スイッチ３２の両端に、スイッチ３２の定格電圧以上の過大な電圧が加わるので、スイッチ３２が故障してしまう。

スイッチ３２のコレクタ・エミッタ間が短絡故障すると、降圧チョッパ１８への電力供給が再開され、転流素子２２及び平滑コンデンサ２６にも過大な電圧が加わることになるので、これらの回路素子も故障する可能性が高い。同様に、スイッチング制御回路３４や過電圧検出手段３６も故障する可能性がある。

スイッチ３２が故障するのを防止する対策として、例えば、スイッチ３２と直列に保護用のヒューズを挿入する方法が考えられるが、ヒューズは溶断するまでに時間遅れが発生するので、スイッチ３２を確実に保護することは難しい。また、スイッチ３２として、上記のサージ電圧に耐え得る高耐圧スイッチを使用する方法が考えられるが、通常動作中においては過剰品質であり、コストアップが問題になる。また、コンデンサ１６ｂの両端にツェナーダイオードやバリスタ等を並列接続してサージ電圧を吸収する方法が考えられるが、吸収しなければならないエネルギーが大きいと、ツェナーダイオード等が激しく破壊して開放してしまう可能性があり、スイッチ３２を確実に保護することは難しい。

その他、過電圧閾値Vthをできるだけ低い値（出力電圧Voの目標値Vrよりも少しだけ高い値）に設定し、電流I16が大きくなる前に過電圧を検知し、スイッチ３２を開放させる方法が考えられる。しかし、出力電圧Voは、正常運転中であっても、目標値Vrを中心にある程度の幅で変動する（例えば、負荷３０の電流が急変した時、出力電圧Voが過渡的に上昇したり低下したりする）ので、過電圧閾値Vthを目標値Vrに近い値にすると、正常運転中にもかかわらず過電圧検出手段３４が動作し、降圧チョッパ１８を停止させてしまうおそれがある。したがって、過電圧閾値Vthを低くする方法には限界がある。

また、サージ電圧（リンギング）の発生源となるノイズフィルタ１６を省く方法も考えられる。しかしながら、実際の使用環境において、交流電源１２とスイッチング電源装置１０との間の配線が非常に長くなるケースが想定され、配線のインダクタンスが無視できないほど大きくなると、上記と同様のメカニズムでサージ電圧が発生する。したがって、対策は、降圧チョッパ１８の入力ラインに、ある程度のインダクタンスが存在するという前提で行う必要がある。

本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、降圧チョッパのスイッチング素子が短絡故障した時、電力供給を速やかに停止させ、内部の回路素子及び負荷を確実に保護することができるスイッチング電源装置を提供することを目的とする。

本発明は、スイッチング素子、転流素子、平滑インダクタ及び平滑コンデンサを有した降圧チョッパと、前記スイッチング素子を所定のスイッチング周期でオンオフさせる駆動パルスを生成するスイッチング制御回路と、前記降圧チョッパの前段に設けられたスイッチと、前記スイッチング素子の状態に応じて前記スイッチを開閉させるスイッチング素子監視回路とを備え、
前記スイッチング制御回路は、前記スイッチング素子の最大オンデューティが１００％未満の値に制限されるように前記駆動パルスを生成し、前記スイッチング素子監視回路は、前記スイッチング素子のオン状態が、前記スイッチング周期よりも長い規定時間を超えて継続したことを検知すると、前記スイッチを開状態にして前記降圧チョッパへの電力供給を停止させるスイッチング電源装置である。

また、本発明は、スイッチング素子、転流素子、平滑インダクタ及び平滑コンデンサを有した降圧チョッパと、前記スイッチング素子を所定のスイッチング周期でオンオフさせる駆動パルスを生成するスイッチング制御回路と、前記降圧チョッパの前段に設けられたスイッチと、前記スイッチング素子の状態に応じて前記スイッチを開閉させるスイッチング素子監視回路とを備え、
前記スイッチング制御回路が、前記スイッチング素子のオンデューティを１００％未満にしようとする駆動パルスを出力している時、前記スイッチング素子監視回路は、前記スイッチング素子のオン状態が、前記スイッチング周期よりも長い規定時間を超えて継続したことを検知すると、前記スイッチを開状態にして前記降圧チョッパへの電力供給を停止させ、
前記スイッチング制御回路が、前記スイッチング素子のオンデューティを１００％にしようとする駆動パルスを出力している時、前記スイッチング素子監視回路は、前記スイッチング素子の状態に関係なく、前記スイッチを閉状態に保持させるスイッチング電源装置である。

前記スイッチング素子監視回路は、前記スイッチング素子の両端電圧又はこれに対応した電圧を検出する電圧検出回路を備え、前記スイッチング素子の両端電圧の変化幅が前記規定時間を超えて一定以下の小さい値に保持されたことを検知すると、前記スイッチング素子のオン状態が前記規定時間を超えて継続したと判断する構成にすることができる。

あるいは、前記スイッチング素子監視回路は、前記スイッチング素子に流れるスイッチング電流を検出する電流検出回路を備え、前記スイッチング電流が前記規定時間を超えて流れ続けたことを検知すると、前記スイッチング素子のオン状態が前記規定時間を超えて継続したと判断する構成にすることができる。この場合、前記スイッチング制御回路は、前記電流検出回路の出力信号を取得し、前記スイッチング電流の波高値が閾値を超えたことを検知すると、そのスイッチング周期における残り期間は前記スイッチング素子を強制的にオフにさせるように前記駆動パルスを変化させる構成にすることが好ましい。

商用三相交流電圧を全波整流し、リップルが重畳した直流電圧を出力する整流回路を備え、前記整流回路の後段に、前記スイッチを介して前記降圧チョッパの入力ラインが接続されている構成にすることができる。また、前記スイッチの前段に、インダクタを有したノイズフィルタが設けられている構成にすることができる。

本発明のスイッチング電源装置によれば、降圧チョッパのスイッチング素子が短絡故障した時、降圧チョッパへの電力供給を速やかに停止させることができ、スイッチを含む内部の回路素子及び負荷を確実に保護することができる。

本発明のスイッチング電源装置の第一の実施形態を示す回路図である。第一の実施形態のスイッチング電源装置の、スイッチング素子が短絡故障した時の動作を示すタイムチャートである。本発明のスイッチング電源装置の第二の実施形態を示す回路図である。第二の実施形態のスイッチング電源装置の、スイッチング素子が短絡故障した時の動作を示すタイムチャートである。本発明のスイッチング電源装置の第三の実施形態を示す回路図である。第三の実施形態のスイッチング電源装置の、スイッチング素子が短絡故障した時の動作を示すタイムチャートである。降圧チョッパ及びスイッチに係る変形例を示す回路図（ａ）、元電源が商用単相交流電源の場合の変形例を示す回路図（ｂ）、元電源が直流電源の場合の変形例を示す回路図（ｃ）である。従来のスイッチング電源装置を示す回路図である。従来のスイッチング電源装置の、スイッチング素子が短絡故障した時の動作を示すタイムチャートである。

以下、本発明のスイッチング電源装置の第一の実施形態について、図１、図２に基づいて説明する。ここで、従来のスイッチング電源装置１０と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。

この実施形態のスイッチング電源装置３８は、スイッチング電源装置１０と同様に、商用三相交流電圧を所定の直流電圧Voに変換して出力する装置である。構成が異なるのは、スイッチング制御回路３４に代えてスイッチング制御回路４０（電流検出回路４４を含む）が設けられている点と、過電圧検出手段３６に代えてスイッチング素子監視回路４２（電圧検出回路４６を含む）が設けられている点であり、その他の構成は同様である。以下、構成が異なる点を中心に説明する。

スイッチング制御回路４０は、上記のスイッチング制御回路３４と同様に、降圧チョッパ１８の出力電圧Voの制御を行う回路で、所定のスイッチング周期Tswでハイレベルとローレベルとを繰り返す駆動パルスVgを生成する。そして、出力電圧Voを検出し、駆動パルスVgのハイとローの時比率を、出力電圧Voを目標値Vrに近づける方向に変化させることによって、スイッチング素子２０のオンデューティを変化させ、出力電圧Voを目標値Vrに保持させる。

また、このスイッチング制御回路４０は、スイッチング素子２０の最大オンデューティが１００％未満の値に制限されるように、駆動パルスVgを生成する。つまり、スイッチングの１周期Tswの中に、スイッチング素子２０がオフする期間を必ず設けるという条件のもとで、制御を行う。

さらに、スイッチング制御回路４０は、スイッチング素子２０に流れるスイッチング電流I20を検出する電流検出回路４４を有し、スイッチング電流I20の波高値が規定の閾値を超えたことを検知すると、そのスイッチング周期Tswにおける残り期間は、スイッチング素子２０を強制的にオフさせるように、駆動パルスVgを変化させる。この動作は、いわゆるパルス・バイ・パルス方式の過電流保護動作である。

スイッチング素子監視回路４２は、転流素子２２の両端電圧V22を検出する電圧検出回路４６を有し、両端電圧V22の変化幅が規定時間Tthを超えて一定以下の小さい値に保持されたことを検知すると、スイッチング素子２０のオン状態が規定時間Tthを超えて継続したと判断し、スイッチ３２を開状態にする動作を行う。規定時間Tthは、スイッチング周期Tswよりも長い時間である。

規定時間Tthは、スイッチング素子監視回路４２の内部に、ＣＲタイマ回路やマイコンカウンタを持たせることによって適宜の値に設定することができる。ここでは、スイッチング周期Tswの約２倍の時間に設定されている（Tth≒２×Tsw）。

図２は、スイッチング電源装置３８の動作を示すタイムチャートであって、スイッチング素子２０が短絡故障した時の、降圧チョッパ１８の出力電圧Vo、スイッチング素子２０の両端電圧Vds22（ドレイン・ソース間電圧）、転流素子２２の両端電圧V22（カソード・アノード間電圧）、ノイズフィルタ１６のインダクタ電流I16、ノイズフィルタ１６の出力端の電圧V16の各動作波形を模式的に描いたものである。

正常運転中（タイミングT1の前）は、スイッチ３２が閉状態になっており、各回路素子が適切に動作して、出力電圧Voが目標値Vrに保持されている。スイッチング素子２０の両端電圧Vds20は、ハイレベル（オフ）とローレベル（オン）とを繰り返すパルス状の波形になり、転流素子２２の両端電圧V22は、ローレベルとハイレベルとを繰り返すパルス状の波形、すなわち電圧Vds20に対してハイとローが逆転した波形になる。

スイッチング素子２０が短絡故障すると（タイミングT1）、スイッチング素子２０は、スイッチング制御回路４０からの駆動パルスVgの時比率に関係なく、オン状態に固定されることになる。そのため、出力電圧Voが直流電圧Viに向かって上昇し、同時にインダクタ電流I16も増加する。電圧V16はあまり変化せず、ほぼ直流電圧Viに保持される。スイッチング素子２０の両端電圧Vds20は略ゼロボルトに保持され、転流素子２２の両端電圧V22は、ほぼ入力電圧Viに保持される。

その後、スイッチング素子監視回路４２は、転流素子２２の両端電圧V22の変化幅が、規定時間Tthを超えて一定以下の小さい値の保持されたことを検知すると（タイミングT2）、スイッチング素子２０の両端電圧Vds20の変化幅が、規定時間Tthを超えて一定以下の小さい値に保持されたとみなし、スイッチング素子２０のオン状態が規定時間Tth（≒２×Tsw）を超えて継続したと判断する。

正常運転中のスイッチング素子２０は、駆動パルスVgによって最大オンデューティが１００％未満に制限されるので、オン状態がスイッチング周期Tsw以上継続することはない。つまり、オン状態が規定時間Tth（≒２×Tsw）を超えて継続したということは、スイッチング素子２０の両端が短絡故障したと判断することができる。したがって、スイッチング素子監視回路４２は、タイミングT2で、スイッチ３２を開状態に切り替える制御を行い、降圧チョッパ１８への電力供給を速やかに停止させる。

タイミングT1からT2までの時間はTth≒２×Tswであり、図９に示す時間Txよりもかなり短いので、タイミングT2において、インダクタ電流I16はそれほど大きな値になっていない。したがって、スイッチ３２が開状態に切り換わった時、インダクタ１６ａに生じる逆起電力は小さく、電圧V16に発生するサージ電圧（リンギング）が小さく抑えられる。その結果、スイッチ３２の両端に加わる電圧が低い値に抑えられ、スイッチ３２が安全に保護される。また、降圧チョッパ１８への電力供給も停止するので、降圧チョッパ１８の他の回路素子や負荷３０も安全に保護される。

内部の回路素子や負荷３０を保護することだけを考えれば、規定時間Tthはできるだけ短い時間（例えば、Tth≒Tsw）に設定することが好ましいが、規定時間Tthを短くしすぎると、スイッチング素子監視回路４２が誤動作しやすくなる。例えばスイッチング電源装置１０に外来ノイズが侵入した時にスイッチング素子監視回路４２が誤動作し、正常運転中にもかかわらずスイッチ３２を開状態に切り替えてしまうおそれがある。したがって、規定時間Tthは、例えばスイッチング周期Tswの1.5倍以上の時間に設定することが好ましい。

また、スイッチ３２を開状態に切り替えるタイミングT2を、電流I16の値が、平滑インダクタ２４が完全に磁気飽和する電流値に達する前に設定すれば、より高い安全性が確保できる。したがって、規定時間Tthは、例えばスイッチング周期Tswの2.5倍以下の時間に設定することが好ましい。

この実施形態のスイッチング電源装置３８の回路構成は、例えば、AC400V（３φ）をDC370V程度に降圧する数ｋＷクラスの力率改善用アクティブフィルタに好適な構成である。図１に示すように、スイッチング電源装置１０は、三相交流電圧を整流回路１４で全波整流して直流電圧Viを生成する構成なので、整流回路１４の出力に大容量の平滑コンデンサを接続しなくても、降圧チョッパ１８の入力電圧（直流電圧Vi）を出力電圧Voよりも高い値に保持させることができるという特徴があり、昇圧チョッパを用いたアクティブフィルタと同等の高い力率を実現することが可能になる。

また、AC400V（３φ）をDC370V程度に降圧する数ｋＷクラスの力率改善用のアクティブフィルタに、従来のスイッチング電源装置１０の構成を適用した場合、降圧チョッパ１８のスイッチング素子２０が短絡故障すると、図９のタイミングT2の時点で電流I16が数百アンペアにまで達してしまい、スイッチ３２が開状態になると、スイッチ３２の両端に定格電圧を超える過大なサージ電圧（例えば、数kVのサージ電圧）が加わり、スイッチ３２が短絡故障する可能性が高い。そして、スイッチ３２が短絡故障すると、降圧チョッパ１８への電力供給が再開され、平滑コンデンサ２６（例えば、アルミ電解コンデンサ）に過大な電圧が加わって激しく破裂したり、平滑インダクタ２４に大電流が流れて異常発熱したり、転流素子２２が激しく破損したりするので、非常に危険である。これに対して、スイッチング電源装置３８の構成を適用すれば、スイッチ３２を含む内部の回路素子及び負荷３０を安全に保護することができ。

以上説明したように、スイッチング電源装置３８によれば、降圧チョッパ１８のスイッチング素子２０が短絡故障した時、降圧チョッパ１８への電力供給を速やかに停止させることができ、スイッチ３２を含む内部の回路素子及び負荷３０を確実に保護することができる。

次に、本発明のスイッチング電源装置の第二の実施形態について、図３、図４に基づいて説明する。ここで、上記のスイッチング電源装置３８と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。

この実施形態のスイッチング電源装置４８は、スイッチング電源装置３８と同様に、商用三相交流電圧を所定の直流電圧Voに変換して出力する装置である。構成が異なるのは、スイッチング素子監視回路４２に代えて、スイッチング素子監視回路５０（電流検出回路４４を含む）が設けられている点であり、その他の構成は同様である。なお、スイッチング素子監視回路５０の電流検出回路４４は、スイッチング制御回路４０の電流検出回路４４で兼用されている。以下、構成が異なる点を中心に説明する。

スイッチング素子監視回路５０は、スイッチング素子２０に流れるスイッチング電流I20を検出する電流検出回路４４を有し、スイッチング電流I20が規定時間Tthを超えて流れ続けたことを検知すると、スイッチング素子２０のオン状態が規定時間Tthを超えて継続したと判断し、スイッチ３２を開状態にする動作を行う。規定時間Tthは、スイッチング周期Tswよりも長い時間であり、スイッチング素子監視回路４２の規定時間Tthと同様の考え方で設定される。ここでは、上記と同様に、スイッチング周期Tswの約２倍の時間に設定されている（Tth≒２×Tsw）。

図４は、スイッチング電源装置４８の動作を示すタイムチャートであって、スイッチング素子２０が短絡故障した時の、降圧チョッパ１８の出力電圧Vo、スイッチング素子２０に流れるスイッチング電流I20、ノイズフィルタ１６のインダクタ電流I16、ノイズフィルタ１６の出力端の電圧V16の各動作波形を模式的に描いたものである。

正常運転中（タイミングT1の前）は、スイッチ３２が閉状態になっており、各回路素子が適切に動作して、出力電圧Voが目標値Vrに保持されている。スイッチング電流I20は、ハイレベル（オン）とローレベル（オフ）とを繰り返すパルス状の波形になる。

スイッチング素子２０が短絡故障すると（タイミングT1）、スイッチング素子２０は、スイッチング制御回路４０からの駆動パルスVgの時比率に関係なく、オン状態に固定されることになる。そのため、出力電圧Voが直流電圧Viに向かって上昇し、同時にインダクタ電流I16も増加する。電圧V16はあまり変化せず、ほぼ直流電圧Viに保持される。スイッチング電流I20は、インダクタ電流I16と同様に増加する。

その後、スイッチング素子監視回路５０は、スイッチング電流I20が規定時間Tthを超えて流れ続けたことを検知すると（タイミングT2）、スイッチング素子２０のオン状態が規定時間Tth（≒２×Tsw）を超えて継続したと判断する。

正常運転中のスイッチング素子２０は、駆動パルスVgによって最大オンデューティが１００％未満に制限されるので、オン状態がスイッチング周期Tsw以上継続することはない。つまり、オン状態が規定時間Tth（≒２×Tsw）を超えて継続したということは、スイッチング素子２０の両端が短絡故障したと判断することができる。したがって、スイッチング素子監視回路５０は、タイミングT2で、スイッチ３２を開状態に切り替える制御を行い、降圧チョッパ１８への電力供給を速やかに停止させる。

このように、スイッチング電源装置４８は、上記のスイッチング電源装置３８と同様に、降圧チョッパ１８のスイッチング素子２０が短絡故障した時、降圧チョッパ１８への電力供給を速やかに停止させることができ、スイッチ３２を含む内部の回路素子及び負荷３０を確実に保護することができる。また、スイッチング素子監視回路５０の電流検出回路４４は、スイッチング制御回路４０が有する電流検出回路４４で兼用しているので、部品点数やコストの増加が最小限に抑えられる。勿論、スイッチング素子監視回路５０の電流検出回路は、電流検出回路４４と別に設けても構わない。

次に、本発明のスイッチング電源装置の第三の実施形態について、図５、図６に基づいて説明する。ここで、上記のスイッチング電源装置４８と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。

この実施形態のスイッチング電源装置５２は、スイッチング電源装置４８と同様に、商用三相交流電圧を所定の直流電圧Voに変換して出力する装置である。構成が異なるのは、スイッチング制御回路４０（電流検出回路４４を含む）に代えてスイッチング制御回路５４（電流検出回路４４を含む）が設けられている点と、スイッチング素子監視回路５０（電流検出回路４４を含む）に代えてスイッチング素子監視回路５６（電流検出回路４４を含む）が設けられている点であり、その他の構成は同様である。以下、構成が異なる点を中心に説明する。

スイッチング制御回路５４は、上記のスイッチング制御回路４０と同様に、降圧チョッパ１８の出力電圧Voの制御を行う回路で、所定のスイッチング周期Tswでハイレベルとローレベルとを繰り返す駆動パルスVgを生成する。そして、出力電圧Voを検出し、駆動パルスVgのハイとローの時比率を、出力電圧Voを目標値Vrに近づける方向に変化させることによって、スイッチング素子２０のオンデューティを変化させ、出力電圧Voを目標値Vrに保持させる。また、電流検出回路４４でスイッチング電流I20を検出し、スイッチング電流I20の波高値が規定の閾値を超えたことを検知すると、そのスイッチング周期Tswにおける残り期間は、スイッチング素子２０を強制的にオフさせるように、駆動パルスVgを変化させる動作を行う（パルス・バイ・パルス方式の過電流保護動作）。

スイッチング制御回路４０と異なるのは、スイッチング素子２０の最大オンデューティが制限されないように駆動パルスVgを生成するという点である。つまり、スイッチングの１周期Tswの間、スイッチング素子２０をオンさせ続けてもよいという条件のもとで、制御を行う。

スイッチング素子監視回路５６は、駆動パルスVgの状態に応じて、２種類の動作を行う。まず、スイッチング制御回路５４が、スイッチング素子２０のオンデューティを１００％未満にしようとする駆動パルスVgを出力している時、スイッチング素子監視回路５６は、スイッチング電流I20が規定時間Tth（≒２×Tsw）を超えて流れ続けたことを検知すると、スイッチング素子２０のオン状態が規定時間Tthを超えて継続したと判断し、スイッチ３２を開状態にする動作を行う。これは、上記のスイッチング素子監視回路５０と同様の動作である。

一方、スイッチング制御回路５４が、スイッチング素子２０のオンデューティを１００％にしようとする駆動パルスVgを出力している時、スイッチング素子監視回路５６は、スイッチング素子２０の状態（スイッチング電流I20の変化のしかた）に関係なく、スイッチ３２を閉状態に保持させる動作を行う。

図６は、スイッチング電源装置５２の動作を示すタイムチャートであって、スイッチング素子２０が短絡故障した時の、降圧チョッパ１８の出力電圧Vo、スイッチング素子２０に流れるスイッチング電流I20、スイッチング制御回路５４が出力する駆動パルスVg、ノイズフィルタ１６のインダクタ電流I16、ノイズフィルタ１６の出力端の電圧V16の各動作波形を模式的に描いたものである。

正常運転中（タイミングT1の前）は、スイッチ３２が閉状態になっており、各回路素子が適切に動作して、出力電圧Voがほぼ目標値Vrに保持されている。スイッチング電流I20及び駆動パルスVgは、ハイレベル（オン）とローレベル（オフ）とを繰り返すパルス状の波形になる。

なお、スイッチング電源装置５２は、スイッチング電源装置４８とは異なり、正常運転中、スイッチング制御回路５４の制御により、スイッチング素子２０のオンデューティが１００％になる状況が考えられる。例えば、図６の中に示すように、負荷３０の電流が急に増えて出力電圧Voが目標値Vrよりも低くなった時等である。したがって、出力電圧Voが目標値Vrに復帰するまでの時間が長いと、スイッチング素子２０のオン状態が規定時間Tthを超えて継続する可能性がある。

しかし、スイッチング素子監視回路５６は、スイッチング素子２０のオンデューティを１００％にしようとする駆動パルスVgが出力されている時は、スイッチング素子２０の状態（スイッチング電流I20の変化のしかた）に関係なく、スイッチ３２を閉状態に保持させる動作を行う。したがって、正常運転中は、スイッチング素子２０のオン状態が規定時間Tthを超えて継続しても、降圧チョッパ１８への電力供給は停止されない。

スイッチング素子２０が短絡故障すると（タイミングT1）、スイッチング素子２０は、駆動パルスVgの時比率に関係なく、オン状態に固定されることになる。そのため、出力電圧Voが直流電圧Viに向かって上昇し、同時にインダクタ電流I16も増加する。電圧V16はあまり変化せず、ほぼ直流電圧Viに保持される。スイッチング電流I20は、インダクタ電流I16と同様に増加する。

タイミングT1～T2の間は出力電圧Voが目標値Vrよりも高くなるので、スイッチング制御回路５４は、スイッチング素子２０のオンデューティが小さくなるように駆動パルスVgを変化させる。あるいは、スイッチング電流I20の波高値が高くなるので、パルス・バイ・パルス方式の過電流保護の動作により、スイッチング素子２０のオンデューティが小さくなるように駆動パルスVgを変化させる。そうすると、スイッチング素子２０が正常に動作しているとすれば（故障していないとすれば）、スイッチングの１周期Tswの中に、スイッチング素子２０がオフする期間が必ず存在することになる。

つまり、タイミングT2において、オン状態が規定時間Tth（≒２×Tsw）を超えて継続したと検知されたということは、スイッチング素子２０の両端が短絡故障したと判断することができる。したがって、スイッチング素子監視回路５６は、スイッチ３２を開状態に切り替える制御を行い、降圧チョッパ１８への電力供給を速やかに停止させる。

このように、スイッチング電源装置５２は、上記のスイッチング電源装置４８と同様に、降圧チョッパ１８のスイッチング素子２０が短絡故障した時、降圧チョッパ１８への電力供給を速やかに停止させることができ、スイッチ３２を含む内部の回路素子及び負荷３０を確実に保護することができる。また、正常運転中、誤って降圧チョッパ１８への電力供給を停止させてしまう不具合も発生しない。

なお、本発明のスイッチング電源装置は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、図１に示すスイッチング電源装置３８の場合、スイッチング素子監視回路４２の電圧検出回路４６は、スイッチング素子２０の両端電圧Vds20の代用特性として、転流素子２２の両端電圧V22を検出する構成にしている。これは、転流素子２２の一端がグランド電位なので、両端電圧V22の検出が容易だからである。このように、電圧検出回路は、スイッチング素子２０が短絡故障した時に、スイッチング素子の両端電圧Vds20と同様の動きをする別の場所の電圧を検出する構成にすることができる。勿論、両端電圧Vds20を直接検出する構成にしてもよい。

また、図３に示すスイッチング電源装置４８の場合、スイッチング素子監視回路５０の電流検出回路４４は、スイッチング素子２０に流れるスイッチング電流I20を直接検出する構成になっているが、電流検出回路は、スイッチング素子２０が短絡故障した時に、スイッチング電流I20と同様の動きをする別の場所の電流を検出する構成に変更することができる。例えば、スイッチング素子２０のスイッチング電流I20を直接検出するのではなく、代用特性として、転流素子２２のアノードとコンデンサ２８の一端とを接続する箇所の電流を検出する構成にしてもよい。

また、図５に示すスイッチング電源装置５２の場合、スイッチング素子監視回路５６が電流検出回路４４を備える構成になっているが、図１のスイッチング素子監視回路４２のように、電圧検出回路４６を備える構成に変更してもよい。

スイッチング電源装置３８，４８，５２（図２、図４、図６）では、規定時間Tthをスイッチング周期Tswの約２倍に設定したが、２倍という数値はあくまでも例として示したものである。規定時間Tthは、上述したように、安全なタイミングでスイッチ３２を開状態にすること以外に、外来ノイズで誤動作しないようすること（ＥＭＳ試験をクリアすること）や、降圧チョッパ４４の平滑インダクタ２４の飽和特性等、装置に求められる性能や設計上の都合も考慮して、装置毎に適切な値に調節する。

スイッチング電源装置３８，４８，５２では、図７（ａ）に示すように、スイッチ３２がハイサイド側に設けられているが、ローサイド側のＡ点に設けてもよい。同様に、スイッチング素子２０及び平滑インダクタ２４も、ローサイド側のＢ点及びＣ点に設けてもよい。また、スイッチング電源装置３８，４８，５２では、スイッチング素子２０をＭＯＳ型ＦＥＴとしているが、装置の仕様（入力電圧、出力電圧、電力容量）等に鑑みて、他のトランジスタ素子等に変更することができる。同様に、転流素子２２はダイオードとしているが、同期整流用のトランジスタ素子等に変更することができる。同様に、スイッチ３２はＩＧＢＴとしているが、ＭＯＳ型ＦＥＴ等の他の半導体スイッチや、リレー等のメカニカルスイッチに変更することができる。

スイッチング電源装置３８，４８，５２は、元電源が三相交流電源１２なので、入力端に、三相交流電圧用の全波整流回路（整流回路１４）を設けている。しかし、元電源が単相交流電源５８の場合は、図７（ｂ）のスイッチング電源装置６０のように、入力端に、単相交流電圧用の全波整流回路（整流回路６２）を設けるとよい。この場合、さらに整流回路６２の出力端に大容量の入力平滑コンデンサ６４を接続し、整流後の脈流電圧を平滑して直流電圧Viを生成する構成にすることが好ましい。これによって、降圧チョッパ１８の入力電圧Viが出力電圧Voより低くなる期間を無くすことができ、全期間で力率改善動作を行うことが可能になる。また、元電源が直流電源６６の場合は、図７（ｃ）のスイッチング電源装置６８のように、整流回路を省略することができる。

スイッチング電源装置３８，４８，５２は、スイッチ３２の前段にノイズフィルタ１６を設けているが、ノイズフィルタは整流回路の前段に設けてもよいし、必要なければ、図７（ｂ）、（ｃ）のスイッチング電源装置６０，６８のように、ノイズフィルタを省略してもよい。

スイッチング電源装置３８，４８，５２は、入出力が非絶縁型の構成になっているが、降圧チョッパ１８とは別のコンバータをさらに内蔵させることによって絶縁型のスイッチング電源装置を構成するこができる。例えば、降圧チョッパ１８の後段に絶縁型のＤＣ－ＤＣバータを付設し、そのＤＣ－ＤＣコンバータの出力電圧を負荷３０に供給する構成にする方法が考えられる。また、スイッチ３２の前段に絶縁型のＡＣ－ＤＣコンバータを付設し、そのＡＣ－ＤＣコンバータの出力ラインに、スイッチ３２を介して降圧チョッパ１８を接続する構成にしてもよい。どちらの構成にしても、本発明が目的とする効果を得ることができる。

１０，３８，４８，５０，５２，６０，６８スイッチング電源装置
１２商用三相交流電源
１４整流回路（三相交流電圧用の全波整流回路）
１６ノイズフィルタ
１６ａインダクタ
１６ｂコンデンサ
１８降圧チョッパ
２０スイッチング素子
２２転流素子
２４平滑インダクタ
２６平滑コンデンサ
２８入力コンデンサ
３０負荷
３２スイッチ
３４，４０，５４スイッチング制御回路
４２，５０，５６スイッチング素子監視回路
４４電流検出回路
４６電圧検出回路
５８単相交流電源
６２整流回路（単相交流電圧用の全波整流回路）
６４入力平滑コンデンサ
６６直流電源
I16 ノイズフィルタのインダクタ電流
I20 スイッチング電流
Tsw スイッチング周期
Tth 規定時間
Vds20 スイッチング素子の両端電圧
Vg 駆動パルス
V16 ノイズフィルタ１６の出力端の電圧
V22 転流素子２２の両端電圧

Claims

スイッチング素子、転流素子、平滑インダクタ及び平滑コンデンサを有した降圧チョッパと、前記スイッチング素子を所定のスイッチング周期でオンオフさせる駆動パルスを生成するスイッチング制御回路と、前記降圧チョッパの前段に設けられたスイッチと、前記スイッチング素子の状態に応じて前記スイッチを開閉させるスイッチング素子監視回路とを備え、
前記スイッチング制御回路は、前記スイッチング素子の最大オンデューティが１００％未満の値に制限されるように前記駆動パルスを生成し、
前記スイッチング素子監視回路は、前記スイッチング素子のオン状態が、前記スイッチング周期よりも長い規定時間を超えて継続したことを検知すると、前記スイッチを開状態にして前記降圧チョッパへの電力供給を停止させることを特徴とするスイッチング電源装置。
スイッチング素子、転流素子、平滑インダクタ及び平滑コンデンサを有した降圧チョッパと、前記スイッチング素子を所定のスイッチング周期でオンオフさせる駆動パルスを生成するスイッチング制御回路と、前記降圧チョッパの前段に設けられたスイッチと、前記スイッチング素子の状態に応じて前記スイッチを開閉させるスイッチング素子監視回路とを備え、
前記スイッチング制御回路が、前記スイッチング素子のオンデューティを１００％未満にしようとする駆動パルスを出力している時、前記スイッチング素子監視回路は、前記スイッチング素子のオン状態が、前記スイッチング周期よりも長い規定時間を超えて継続したことを検知すると、前記スイッチを開状態にして前記降圧チョッパへの電力供給を停止させ、
前記スイッチング制御回路が、前記スイッチング素子のオンデューティを１００％にしようとする駆動パルスを出力している時、前記スイッチング素子監視回路は、前記スイッチング素子の状態に関係なく、前記スイッチを閉状態に保持させることを特徴とするスイッチング電源装置。
前記スイッチング素子監視回路は、前記スイッチング素子の両端電圧又はこれに対応した電圧を検出する電圧検出回路を備え、
前記スイッチング素子の両端電圧の変化幅が前記規定時間を超えて一定以下の小さい値に保持されたことを検知すると、前記スイッチング素子のオン状態が前記規定時間を超えて継続したと判断する請求項１又は２記載のスイッチング電源装置。
前記スイッチング素子監視回路は、前記スイッチング素子に流れるスイッチング電流を検出する電流検出回路を備え、
前記スイッチング電流が前記規定時間を超えて流れ続けたことを検知すると、前記スイッチング素子のオン状態が前記規定時間を超えて継続したと判断する請求項１又は２記載のスイッチング電源装置。
前記スイッチング制御回路は、前記電流検出回路の出力信号を取得し、前記スイッチング電流の波高値が閾値を超えたことを検知すると、そのスイッチング周期における残り期間は前記スイッチング素子を強制的にオフにさせるように前記駆動パルスを変化させる請求項４記載のスイッチング電源装置。
商用三相交流電圧を全波整流し、リップルが重畳した直流電圧を出力する整流回路を備え、前記整流回路の後段に、前記スイッチを介して前記降圧チョッパの入力ラインが接続されている請求項１乃至５のいずれか記載のスイッチング電源装置。
前記スイッチの前段に、インダクタを有したノイズフィルタが設けられている請求項１乃至６のいずれか記載のスイッチング電源装置。