JP4861784B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

この発明は、重電プラント監視制御装置等の高信頼性が要求されるシステムに用いられる電源装置及びその寿命診断方法に関するものである。

高信頼性を要求される重電プラントの監視制御システムにおいては、そのキーパーツとなる電源装置の寿命はシステムの信頼性に大きく影響する。一方、この電源装置の寿命は、装置内部に有する入力電圧平滑用の電解コンデンサの寿命に大きく影響されるものである。これらの事実から、これまで上記平滑コンデンサの寿命を推定するための方法が種々提案されている。

例えば、電解コンデンサのリップル電流の測定を行うことによりこれを行うもの（特許文献１を参照）あるいは、電源装置内部の温度の測定によりこれを行うもの（特許文献２を参照）等がある。しかし、このような従来の方式は、いずれも、測定のための専用ハードウェアが必要となり電源装置の回路規模が増大する課題を有していた。例えば、重電プラント監視制御装置等の高信頼性が要求されるシステムにおいては、リップル電流の測定のためには、専用のＣＰＵ、ＡＤコンバータ等の付帯回路が常時必要となり、また、リップル電圧の増大を確認した電源装置に対しては、可及的速やかな電源装置一式での予防保全的な交換が発生するため、交換費用が高くつく等、低価格化の支障となっていた。

特開２００２−２８１７３５号公報 特開平９−２９３５３９

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、専用の付帯回路を用いた常時の寿命診断を行うことなく、システムの定期的な点検時等に所望の点検が可能であり、且つ木目細かな部品レベルの診断が可能で、しかも各部品毎にメンテンナンスが可能となる電源装置を提供することを目的とする。

この発明は、一対のＡＣ入力端子に接続された電源スイッチ、前記電源スイッチにより入力された交流入力を整流する整流回路、前記整流回路の出力側に挿入された半導体スイッチング素子からなるスイッチング回路、前記整流回路とスイッチング回路との間に挿入され前記整流回路の直流出力を平滑する平滑コンデンサを有するスイッチング電源装置において、前記平滑コンデンサの両端に前記電源スイッチの投入時に発生する前記平滑コンデンサへの突入電流を外部から測定するための一対のモニタ端子を設け、前記スイッチング電源装置の出荷時の突入電流モニタ結果と、定期点検時の突入電流モニタ結果を比較し、所定レベル以下への低減により寿命を診断することを特徴とするものである。

この発明によれば、大容量の平滑コンデンサの容量低下を、電源投入時に発生する突入電流をモニタすることによって判断するために、電源装置内部にＣＰＵ、ＡＤコンバータ等の専用回路が不要となり、また、同突入電流の測定にあたっては、電源回路内部の電圧をオシロスコープ等で直接モニタできるので、電流プローブ等の特殊な計測器を使用する必要がなく簡単且つ安価な方式で電源装置の寿命診断が可能となる効果を有する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１におけるスイッチング電源装置の概略構成回路図である。図１において、１は一対のＡＣ入力端子に接続され、スイッチング電源装置への交流入力をオン・オフする電源スイッチ、２は上記ＡＣ入力に含まれるノイズを除去するノイズフィルタ、３はノイズが除去された交流を整流する整流回路で通常、半導体素子からなる全波整流回路により構成される。４は電解コンデンサからなる平滑用コンデンサであり電源装置の寿命に大きく影響を与える素子である。

５は半導体スイッチング素子からなるスイッチング回路、６は上記平滑化された電圧を所定の電圧に変換する絶縁・変圧用トランス、７は半導体スイッチング素子及びコンデンサ等からなりＤＣ出力端子に整流出力を供給するＤＣ出力回路、８は上記スイッチング回路５及びＤＣ出力回路７のスイッチング素子を導通制御する制御回路である。以上の構成はいわゆるスイッチング電源装置として公知のものである。

９は上記平滑コンデンサの両端の電圧を外部にモニタするためのモニタ回路であり、例えば外線短絡時に内部回路を保護するために高抵抗、あるいはフィルタ回路を含んでいる。１０は外部からモニタ用の測定器を接続するためのモニタ端子である。モニタ端子１０はオシロスコープ等の標準的な測定器を接続することにより、上記平滑コンデンサへの突入電流をモニタできる。なお、上記モニタ回路９はオシロスコープ等の標準的な測定器内に外線短絡時に内部回路を保護する手段が装備されている場合はこれを省略することができる。

次に、このスイッチング電源装置の動作を説明する。今、電源スイッチ１を押下すると、平滑コンデンサ４には、ほぼＩ＝２πｆＣＶで決まる突入電流Ｉが流れる。ここに、ｆは入力電圧の周波数、Ｃは一次側平滑コンデンサの容量、Ｖは入力平滑コンデンサの両端の電圧である。このため、平滑コンデンサ４の両端の電圧を、モニタ回路９を通して、モニタ端子１０にオシロスコープ等の標準的な測定器を接続することによりモニタすれば、突入電流Ｉの測定が可能となる。本測定を、例えば製品出荷時、電源装置の定期点検時等に行い、これらをデータ比較することで、簡単に入力平滑コンデンサ４の容量低下が推定可能となる。

図５は平滑コンデンサ４の突入電流Ｉ波形の一例を示しており、その大きさ、波形はコンデンサのタイプあるいは容量によって若干異なることは言うまでもない。今、製品出荷時のある平滑コンデンサ４の突入電流Ｉが、図５に示すi1であったとして、電源装置の定期点検時のモニタ結果i2が例えばその８０％まで低下したことが判明した場合には寿命が劣化したものとしてその交換を行うこととする。

以上のように、この発明の実施の形態１によれば、平滑後の電圧を外部からモニタできる端子を設け、電源投入時に発生する平滑コンデンサ４の突入電流Ｉをモニタ端子１０にオシロスコープ等の標準的な測定器を接続するだけで簡単に測定できるようにしたので、この突入電流Ｉはコンデンサの静電容量Ｃの値に比例することから、平滑コンデンサ４の容量抜けを電流プローブ等の特殊測定器を用いることなく即座に判定することができるものである。なお、このモニタ端子１０はチェック端子等により構成することができる。

実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２になるスイッチング電源装置の概略構成回路であり、平滑用コンデンサが複数個から構成される場合を示している。この場合平滑用コンデンサ４−１から４−ｎまで任意の必要数nを並列接続し、それぞれの平滑用コンデンサ４−１〜４−ｎに対してスイッチＳ１〜Ｓｎを直列接続されている。上記以外の構成は図１の実施の形態１と同一である。このスイッチＳ１〜Ｓｎは突入電流の測定対象となる平滑用コンデンサ（４−１〜４−ｎ）に応じて、選択的に開閉することにより、各平滑用コンデンサ４−１から４−ｎ毎に突入電流の測定が可能となり、コンデンサ毎の容量抜けが推定可能となる。

実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３になるスイッチング電源装置の概略構成回路であり、実施の形態２において、必要な平滑コンデンサ（４−１〜４−ｎ）に対して４−（ｎ＋１）のコンデンサを追加することで冗長化を図ったものである。例えば平滑コンデンサ４−１に容量抜けが確認されても冗長化コンデンサ４−（ｎ＋１）を使用することにより、緊急のコンデンサ交換が不要な電源装置が得られるものである。これは重電プラント監視制御装置等高信頼性が要求されるシステムに用いられる電源装置において、特に有用性をもつものである。

実施の形態４．
更に、図４はこの発明の実施の形態４になるスイッチング電源装置の概略構成回路であり、図３の冗長化コンデンサ４−（ｎ＋１）を例えばタンタルコンデンサ等比較的小容量で且つ寿命レスであるコンデンサを容量補償用コンデンサとして搭載したものである。実施の形態４においては、回路としてクリティカルとなる容量低下分を、予め設計段階にて計画しておくことで、冗長化のためのスイッチＳｎ＋１を不要とし、且つ平滑機能を実現する大容量コンデンサに容量低下が確認されても、緊急のコンデンサ交換が不要な電源装置を得るものである。

実施の形態５．
図６は、平滑コンデンサ４をモジュール化し、容量抜けが判定されたコンデンサの簡単・速やかな取替えを可能としたものである。図中、４−１、４−２は上述した複数個の電解コンデンサの一部本体であり、１１−１、１１−２はそのコンデンサ単体の取付板で、それぞれ取付孔１２を介してネジ１３−１、１３−２、取付台１４により電源装置本体基板１５に締付け固定されている。

いま電解コンデンサ４−１の容量抜けが判定された場合、ネジ１３−１を緩めることにより簡単に、これを取り外すことができ、速やかに新品と交換することができる。以上のように本モジュール化コンデンサを、例えばネジ等を用いて電源装置本体基板１５に容易な着脱が可能となる構造としておくことにより、容量低下が確認されたコンデンサのみを容易に交換可能とすることができる。

この発明の実施の形態１における電源装置の寿命診断装置の構成を示す概略回路構成図である。 この発明の実施の形態２における電源装置の寿命診断装置の構成を示す概略回路構成図である。 この発明の実施の形態３における電源装置の寿命診断装置の構成を示す概略回路構成図である。 この発明の実施の形態４における電源装置の寿命診断装置の構成を示す概略回路構成図である。 この発明の測定対象であるコンデンサへの突入電流の一例を示す波形図である。 この発明の実施の形態５におけるモジュール化コンデンサの取付例を示す斜視図である。

符号の説明

１ 電源スイッチ、 ２ ノイズ除去回路、 ３ 整流回路、
４ 平滑コンデンサ、 ５ スイッチング回路、
６ 絶縁・変圧トランス、７ ＤＣ出力回路、８ 制御回路、
９ モニタ回路、１０ モニタ端子、
１１ 取付板、 １２ 取付孔、
１３ ネジ、 １４ 取付台。

Claims (4)

1. 一対のＡＣ入力端子に接続された電源スイッチ、前記電源スイッチにより入力された交流入力を整流する整流回路、前記整流回路の出力側に挿入された半導体スイッチング素子からなるスイッチング回路、前記整流回路とスイッチング回路との間に挿入され前記整流回路の直流出力を平滑する平滑コンデンサを有するスイッチング電源装置において、前記平滑コンデンサの両端に前記電源スイッチの投入時に発生する前記平滑コンデンサへの突入電流を外部から測定するための一対のモニタ端子を設け、前記スイッチング電源装置の出荷時の突入電流モニタ結果と、定期点検時の突入電流モニタ結果を比較し、所定レベル以下への低減により寿命を診断することを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記平滑コンデンサの両端と前記モニタ端子との間に挿入され外線短絡時の内部保護回路を有するモニタ回路を設けたことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 前記平滑コンデンサは互いに並列接続された複数個のコンデンサからなり、各並列コンデンサに直列に、個別に回路への接続・切断を行うスイッチを設けたことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
4. 前記平滑コンデンサを、個別にモジュール化し個別に着脱可能としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載のスイッチング電源装置。

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