JP5322572B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、外部電源から出力される交流電力から所要の電力を生成して負荷に供給する電源装置の技術分野に属し、特に、突入電流の発生を防止する技術に関する。

例えば画像形成装置に搭載される定着装置のヒータへの電力供給を行う電源装置として、スイッチング電源がある。スイッチング電源は、例えば、交流電力を整流する整流回路と、整流回路の出力を平滑化する平滑回路と、前記平滑回路の出力を高周波数でスイッチングするスイッチング素子と、スイッチング素子により断続的に供給される平滑回路からの電圧の変圧を行うトランスとを備えて構成される。このようなスイッチング電源の平滑回路は、通常、コンデンサを用いた構成であるため、前記ヒータへの電力供給開始直後に、このコンデンサに、非常に大きな電流である所謂突入電流が発生する。この突入電流は、前記電源の電圧を瞬間的に低下させ、該電源から電力供給を受けている他の電子機器に悪影響を及ぼす虞があるものであるため、該突入電流の発生を防止するための技術が種々提案されている。その１つとして下記特許文献１がある。

下記特許文献１には、コンデンサへの充電電流を制限するためのＦＥＴと、前記入力電圧の分圧電圧を前記ＦＥＴのゲート・ソース間に印加し該ＦＥＴをオンさせる分圧抵抗と、コンデンサへの突入電流を検出するための検出抵抗と、前記検出抵抗の両端電圧がスレッシュホルド電圧を上回ると前記ＦＥＴへの前記分圧電圧を低下させて該ＦＥＴをオフ側に制御するトランジスタとを備えた突入電流抑制回路が記載されている。
特開平５−３８１３９号公報

しかしながら、前記特許文献１の技術においては、入力電圧が印加されると、一旦、ＦＥＴのゲート・ソース間電圧がスレッシュホルド電圧より大きくなり、該ＦＥＴを介して前記コンデンサに突入電流が流入した後に、前記ＦＥＴによる突入電流制限作用が働くような回路構成になっている。すなわち、ＦＥＴがコンデンサへの充電電流を制限するまでに所定の時間を要し、コンデンサに突入電流が流れ込む期間がある。このように、前記特許文献１では、コンデンサへの突入電流を確実に防止することができない。

本発明は、突入電流の発生をより確実に防止することのできる電源装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電源装置は、外部電源から供給される交流電力を整流する第１の整流回路と、前記第１の整流回路に対して直列に接続された、温度上昇に伴って抵抗値が低下する特性を備えた抵抗素子と第１のスイッチング素子との並列回路と、前記並列回路の出力を平滑化する平滑部と、電磁誘導を利用して電力値の変換を行うトランスと、前記平滑部から前記トランスへの電力供給のオンオフを行う第２のスイッチング素子と、前記トランスの出力を平滑化し、この平滑後の電力を負荷に供給するコンデンサと、前記外部電源から出力される交流電力のレベルが予め設定された第１の閾値を超え、且つ、前記コンデンサで平滑された電圧値が予め設定された第２の閾値を超えたときに、前記第１のスイッチング素子をオンさせる駆動部とを備え、前記駆動部は、第１の制御端子を有し、前記第１の制御端子の電圧に応じてオン、オフすると共に、オンした場合に前記第１のスイッチング素子をオンさせる第３のスイッチング素子と、前記コンデンサで平滑された電圧を分圧し、その分圧された電圧を前記第１の制御端子に印加することにより、前記コンデンサで平滑された電圧値が前記第２の閾値を超えたときに前記第３のスイッチング素子をオンさせる第１の抵抗素子及び第２の抵抗素子と、第２の制御端子を有し、前記第２の制御端子の電圧に応じてオン、オフすると共に、オンした場合に前記第２の抵抗素子を短絡して前記第１の制御端子に印加される電圧を低下させることにより前記第３のスイッチング素子をオフさせる第４のスイッチング素子と、前記コンデンサで平滑された電圧を分圧し、その分圧された電圧を前記第２の制御端子に印加することにより、前記第４のスイッチング素子をオンさせる第３の抵抗素子及び第４の抵抗素子と、前記外部電源から出力される交流電力のレベルが前記第１の閾値以下のときにオフし、前記交流電力のレベルが前記第１の閾値を超えたときにオンすると共に、オンした場合に前記第４の抵抗素子を短絡して前記第２の制御端子に印加される電圧を低下させることにより前記第４のスイッチング素子をオフさせるフォトカプラとを備える。

この発明によれば、外部電源から交流電力が供給されると、整流回路により該交流電力が整流される。整流回路により生成された電力は、抵抗素子又は第１のスイッチング素子を介して平滑部に供給され、この平滑部により前記電力が平滑化される。そして、平滑部からトランスへの電力供給が、第２のスイッチング部によるスイッチング動作により断続的に行われ、トランスの出力がコンデンサにより平滑化された後、コンデンサの出力が負荷に供給される。

また、前記第１のスイッチング素子がオフのときには、整流回路から出力される電流が前記抵抗素子を通ることになるため、該抵抗素子によりコンデンサへの充電電流が制限される。このとき、抵抗素子により電力損失が発生する。一方、前記第１のスイッチング素子がオンのときには、整流回路から出力される電流がほとんど前記第１のスイッチング素子を通ることになるため、コンデンサへの充電電流がほとんど制限されることがない。このとき、ほとんど電力損失が発生しない。

ここで、第１のスイッチング素子がオンする条件を、仮に、コンデンサで平滑された電圧値が予め設定された第２の閾値を超えたときのみとした場合、外部電源から前記交流電力の供給が停止されても、コンデンサの端子電圧が前記第２の閾値を下回るまで、第１のスイッチング素子がオンする状態が続く。そのため、コンデンサの端子電圧が前記第２の閾値を下回る前に前記交流電力の供給が再開された場合には、整流回路から出力される電流は第１のスイッチング素子を流れることとなり、前記平滑部への充電電流が制限されない。したがって、突入電流が発生する。

そこで、本発明では、前記第１のスイッチング素子がオンする条件を、コンデンサで平滑された電圧値が予め設定された第２の閾値を超え、且つ、前記外部電源から出力される交流電力のレベルが前記第１の閾値を超えたときとすることで、外部電源から前記交流電力の供給が停止された場合は、第１のスイッチング素子が速やかにオフする。したがって、コンデンサの端子電圧が前記第２の閾値を下回る前に前記交流電力の供給が再開されたときには、前記平滑部への充電電流が抵抗素子を流れることとなり、突入電流の発生を防止することができる。

前記駆動部の具体的な構成としては、例えば、前記コンデンサで平滑された電圧値が前記第２の閾値を超えたときに前記第１のスイッチング素子をオンさせる第３のスイッチング素子と、前記交流電力のレベルが前記第１の閾値以下のときに前記第１のスイッチング素子を強制的にオフさせる駆動回路部とを備えたものが想定される。

また、前記外部電源から出力される交流電力を整流して前記フォトカプラへ供給する第２の整流回路をさらに備えることが好ましい。

また、前記駆動回路部の具体的な構成としては、例えば、前記外部電源から出力される交流電力のレベルが前記第１の閾値を超えたときにオンするフォトカプラと、前記フォトカプラがオンし、且つ、前記コンデンサで平滑された電圧値が前記第２の閾値を超えたときに、前記第１のスイッチング素子のオン動作を前記第３のスイッチング素子に行わせる第４のスイッチング素子とを備えたものや、例えば、前記外部電源から出力される交流電力を整流する第２の整流回路と、前記第２の整流回路の出力のレベルが前記第１の閾値を超えたときにオンするフォトカプラと、前記フォトカプラがオンし、且つ、前記コンデンサで平滑された電圧値が前記第２の閾値を超えたときに、前記第１のスイッチング素子のオン動作を前記第３のスイッチング素子に行わせる第４のスイッチング素子とを備えたものが想定される。

本発明によれば、外部電源からの電力供給がオンからオフに切り替わった場合やオフからオンに切り替わった場合も、その切り替わりに連動して前記第１のスイッチング素子が動作するため、突入電流の発生を確実に防止することができる。

以下、本発明に係る電源装置の実施形態について図面に基づき説明する。図１は、本発明に係る電源装置の一例を示す回路図である。

図１に示すように、電源装置１は、例えばプリンタ装置の電源装置として適しており、１次側回路部１０と２次側回路部２０とを有して構成されている。

１次側回路部１０は、商用電源等の外部電源Ｅに接続されることにより外部電源Ｅから電力の供給を受ける回路であり、整流回路ＲＣ１と、パワーサーミスタＴＨと、コンデンサＣ１と、スイッチング素子Ｑ１と、抵抗素子Ｒ１，Ｒ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを備えて構成されている。

整流回路ＲＣ１は、外部電源Ｅの出力端子Ｔ１，Ｔ２に接続されており、図１に示す回路例ではブリッジ型の全波整流回路である。外部電源Ｅの出力端子Ｔ１，Ｔ２は、例えば商用電源のコンセントに差し込んで用いるプラグに設けられた端子である。整流回路ＲＣ１の出力端子Ｔ３と出力端子Ｔ４との間には、パワーサーミスタＴＨとコンデンサＣ１との直列回路が接続されている。前記整流回路ＲＣ１は、前記第１の整流回路に相当する。

パワーサーミスタＴＨは、コンデンサＣ１への突入電流の発生を防止するためのものである。すなわち、パワーサーミスタＴＨは、当該パワーサーミスタＴＨ自身の温度が高くなるほど該パワーサーミスタＴＨの抵抗値が低下する（当該パワーサーミスタＴＨの温度が低いほど該パワーサーミスタＴＨの抵抗値が高い）という性質を有しており、このパワーサーミスタＴＨの特性を利用して、通常、パワーサーミスタＴＨの温度が比較的低いと想定される電力供給開始時のコンデンサＣ１への充電電流を、前記パワーサーミスタＴＨの比較的高い抵抗値によって制限する。パワーサーミスタＴＨには、後述のリレー部ＲＬ１の構成要素であるスイッチング素子Ｑ２（前記第１のスイッチング素子に相当）が並列に接続されている。パワーサーミスタＴＨは、温度上昇に伴って抵抗値が低下する特性を備えた前記抵抗素子の一例である。

コンデンサＣ１は、整流回路ＲＣ１が出力する全波整流を平滑化する機能を果たすものであり、前記平滑回路の構成要素である。コンデンサＣ１には、トランスＴＲ１の一次巻線とスイッチング素子Ｑ１（前記第２のスイッチング素子に相当）との直列回路が並列に接続されている。

トランスＴＲ１の一次巻線における一方の端子は、スイッチング素子Ｑ１のドレイン端子と接続されている。スイッチング素子Ｑ１のゲート端子は、抵抗素子Ｒ１と抵抗素子Ｒ２との直列回路の一方の端子に接続されており、スイッチング素子Ｑ１のソース端子は、ＰＷＭ制御回路１１に接続されている。スイッチング素子Ｑ１は、ＰＷＭ制御回路１１から出力される駆動信号に基づき高周波でオン・オフを繰り返すことにより、トランスＴＲ１の一次巻線に断続的に電流を供給する。図１に示す回路例では、スイッチング素子Ｑ１はＭＯＳ型ＦＥＴであるが、スイッチング素子Ｑ１としてバイポーラトランジスタを含むトランジスタ全般を用いることが可能である。

抵抗素子Ｒ１と抵抗素子Ｒ２との直列回路における他方の端子は、ＰＷＭ制御回路１１に接続されている。抵抗素子Ｒ２には、ダイオードＤ１が並列に接続されており、このダイオードＤ１は、ＰＷＭ制御回路１１からスイッチング素子Ｑ１に向けて電流が流れる（電流の逆流）を防止するためのものである。

２次側回路部２０は、トランスＴＲ１の二次巻線と、ダイオードＤ３と、コンデンサＣ２と、抵抗素子Ｒ４〜Ｒ９と、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４とを有する。

二次巻線は、前記一次巻線に断続的に電流が流れることにより、電磁誘導によって断続的な電流が誘起されるものである。該二次巻線の一方の端子とダイオードＤ３のアノードとが接続されている。前記二次巻線の他方の端子は、グランドに接続されている。

前記二次巻線とダイオードとの直列回路には、コンデンサＣ２が並列に接続されている。また、該コンデンサＣ２には、前記二次巻線とダイオードとの直列回路に対して負荷Ｍが並列に接続されているとともに、抵抗素子Ｒ４と抵抗素子Ｒ５との直列回路と、抵抗素子Ｒ６と抵抗素子Ｒ７との直列回路と、抵抗素子Ｒ８と抵抗素子Ｒ９との直列回路との並列回路が並列に接続されている。

電源回路１は、発光ダイオード及びフォトトランジスタを備えてなるフォトカプラＰＣ１を有している。発光ダイオードのアノードは、抵抗素子Ｒ４と抵抗素子Ｒ５との接続点Ｔ７に接続されており、カソードはグランドに接続されている。また、前記フォトトランジスタの入力端子（コレクタ）及び出力端子（エミッタ）は、ＰＷＭ制御回路１１にそれぞれ接続されている。

ＰＷＭ制御回路１１は、コンデンサＣ２の出力電圧を一定に保持するように、スイッチング素子Ｑ１により生成されるパルスの幅を制御する回路、即ちＰＷＭ（パルス幅変調）制御を行う回路である。ＰＷＭ制御回路１１は、コンデンサＣ２の出力電圧を、前記抵抗素子Ｒ４と抵抗素子Ｒ５との接続点Ｔ７における電圧でモニタし、モニタした電圧を基準電圧と比較し、その比較結果に応じて、スイッチング素子Ｑ１により生成される電流パルスの幅を制御する。なお、ＰＷＭ制御は周知の技術であるので、ＰＷＭ制御回路１１の内部構成等については図示を略している。

電源装置１は、発光ダイオード及びフォトトランジスタを備えてなるフォトカプラＰＣ２を有している。発光ダイオードのカソードは、外部電源Ｅの前記他方の端子Ｔ２に接続されており、アノードは、ダイオードＤ２のカソードに接続されている。ダイオードＤ２のアノードは、抵抗素子Ｒ３の一方の端子に接続されており、抵抗素子Ｒ３の他方の端子は、外部電源Ｅの前記一方の端子Ｔ１に接続されている。フォトカプラＰＣ２の発光ダイオード、ダイオードＤ２及び抵抗素子Ｒ３により半波整流回路が構成されている。なお、フォトカプラＰＣ２の代わりに、電磁的なリレーを含めて、光、電磁力その他の電気的に絶縁された媒体を通じて信号を伝達するリレー素子一般を用いることが可能である。

前記フォトカプラＰ２のフォトトランジスタは、入力端子が抵抗素子Ｒ６と抵抗素子Ｒ７との接続点Ｔ５に接続されており、出力端子がグランドに接続されている。一方、スイッチング素子Ｑ３は、制御端子（ベース）が抵抗素子Ｒ６と抵抗素子Ｒ７との接続点Ｔ５に接続されており、入力端子（コレクタ）が抵抗素子Ｒ８と抵抗素子Ｒ９との接続点Ｔ６に接続されており、出力端子（エミッタ）がグランドに接続されている。

スイッチング素子Ｑ４は、制御端子（ベース）が抵抗素子Ｒ８と抵抗素子Ｒ９との接続点Ｔ６に接続されており、入力端子（コレクタ）がリレー部ＲＬ１におけるリレーコイルの一方の端子に接続されており、出力端子（エミッタ）がグランドに接続されている。リレーコイルの他方の端子は、コンデンサＣ１の一方の極板に接続されている。前記スイッチング素子Ｑ４は、前記第３のスイッチング素子の一例であり、前記スイッチング素子Ｑ３は、前記第４のスイッチング素子の一例であり、フォトカプラＰＣ２，スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４は、前記駆動部の構成要素である。

以上のような構成を有する電源装置１の動作について説明する。なお、ここでは、前記第１の閾値は零に設定されているものとする。

外部電源Ｅから電源装置１への電力供給が開始されると、整流回路ＲＣ１及びコンデンサＣ１は、外部電源Ｅから出力される交流電力を整流及び平滑する。ＰＷＭ制御回路１１は、コンデンサＣ１から電力の供給を受けて起動し、起動時は予め定められた周波数でスイッチング素子Ｑ１をオンオフする。これにより、トランスＴＲ１の一次巻線に高周波電流が流れ、磁気結合によりトランスＴＲ１の二次巻線に電磁誘導された高周波電流がダイオードＤ３及びコンデンサＣ２により整流及び平滑される。

コンデンサＣ２の出力電圧は、抵抗素子Ｒ４，Ｒ５によりフォトカプラＰＣ１を介してＰＷＭ制御回路１１へフィードバックされる。ＰＷＭ制御回路１１は、このフィードバックされた出力電圧に基づき、スイッチング素子Ｑ１のオンデューティを制御することで、コンデンサＣ２の出力電圧を定電圧化する。

ここで、外部電源Ｅから電源装置１への電力供給が開始される直前は、スイッチング素子Ｑ３はオン、スイッチング素子Ｑ４はオフの状態とされ、コンデンサＣ２が所定の電圧に充電されるまで、パワーリレーＲＬ１はオフされている。よって、外部電源Ｅから負荷Ｍへの電力供給の開始直後は、パワーリレーＲＬ１のオフにより、整流回路ＲＣ１による整流後の電流がパワーリレーＲＬ１ではなくパワーサーミスタＴＨを通る。このとき、パワーサーミスタＴＨは、温度が低いときには抵抗値が高いという特性によってコンデンサＣ１への充電電流を制限する。これにより、外部電源Ｅから電源回路１への電力供給開始直後における突入電流の発生が防止される。

その後、フォトカプラＰＣ２の発光ダイオードを電流が通過し、且つ、コンデンサＣ２が前記所定の電圧に充電されると、スイッチング素子Ｑ３はオフ、スイッチング素子Ｑ４はオンとなる結果、パワーリレーＲＬ１はオンとなる。よって、整流回路ＲＣ１による整流後の電流は、電力損失が大きいパワーサーミスタＴＨではなくパワーリレーＲＬ１のスイッチング素子Ｑ２を流れることとなる。これにより、電流の経路を前記パワーサーミスタＴＨのままとする形態に比して電力損失を低減することができる。

また、本実施形態のように仮にフォトカプラＰＣ２やスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４が備えられていない場合には、電力の供給状態から供給停止に切り替えられても、コンデンサＣ２には電荷が残っているために、すぐにはパワーリレーＲＬ１がオフとならず、コンデンサＣ２に蓄積された電荷が放電しきるための所要の時間が経過した後にパワーリレーＲＬ１がオフとなる。

そのため、パワーリレーＲＬ１がオフとなる前に電力の供給状態に再び切り替えられる状況（電力の供給状態から供給停止に切り替えられてから短時間で電力の供給状態に再び切り替えられる状況）が発生した場合、電力の供給状態に再び切り替えられた直後は、パワーリレーＲＬ１がオンのままであることによりコンデンサＣ１への充電電流はスイッチング素子Ｑ２を流れることとなる。したがって、コンデンサＣ１への突入電流が発生する。

これに対し、本実施形態では、外部電源Ｅから負荷Ｍへの電力供給が停止すると、コンデンサＣ２が充電されていても、フォトカプラＰＣ２がオフとなり、スイッチング素子Ｑ３がオン、スイッチング素子Ｑ４がオフすることにより、パワーリレーＰＬ１が強制的にオフされる（外部電源Ｅから電源装置１への電力供給が行われていない状態では、コンデンサＣ１，Ｃ２の充電量に関係なく必ずパワーリレーＲＬ１がオフとなる）。

すなわち、本実施形態では、外部電源Ｅから負荷Ｍへの電力供給状態から該電力供給停止状態に切り替えられた場合に、その電力のオンオフに同期してパワーリレーＲＬ１がオフする。したがって、電力の供給停止状態に切り替えられてから短時間で再び電力の供給状態に切り替えられた直後は、コンデンサＣ１への充電電流がパワーサーミスタＴＨを通るため、確実にコンデンサＣ１への充電電流を制限することができる。その結果、電力の供給停止状態に切り替えられてから短時間で再び電力の供給状態に切り替えられた場合であっても、コンデンサＣ１への突入電流の発生を確実に防止することができる。

本件は、前記実施形態に代えて、或いは前記実施形態に加えて次のような変形形態も採用可能である。

［１］前記第１の実施形態では、フォトカプラＰＣ１をオンオフさせる構成を半波整流回路としたが、この構成に限らず、図２に示すような全波整流回路を採用してもよい。

図２に示す全波整流回路は、抵抗素子Ｒ３と、整流回路ＲＣ２と、フォトカプラＰＣ３とを有する。抵抗素子Ｒ３は、一方の端子が外部電源Ｅの一方の入力端子Ｔ１に接続されており、他方の端子が整流回路ＲＣ２の一方の端子Ｔ８に接続されている。整流回路ＲＣ２の他方の入力端子Ｔ９は、外部電源Ｅの前記他方の端子Ｔ２に接続されている。

整流回路ＲＣ２の一方の出力端子Ｔ１０は、フォトカプラＰＣ３の発光ダイオードにおけるアノードに接続されており、整流回路ＲＣ２の他方の出力端子Ｔ１１は、前記発光ダイオードのカソードに接続されている。

この構成によれば、外部電源Ｅの交流電力が整流回路ＲＣ２により全波整流に変換され、この全波整流された直流電力がフォトカプラＰＣ３に出力される。これにより、フォトカプラＰＣ３がオンとなる。これ以降の各部の動作については、前記第１の実施形態と略同様であるから、その説明は省略する。このような全波整流回路によっても確実に突入電流の発生を防止することができる。

本発明に係る電源装置の一例を示す回路図である。 本発明に係る電源装置の他の例を示す回路図である。

１ 電源装置
１０ １次側回路部
２０ ２次側回路部
ＲＣ１，ＲＣ２ 整流回路
ＴＨ パワーサーミスタ
Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ
Ｑ１〜Ｑ４ スイッチング素子
Ｒ１〜Ｒ９ 抵抗素子
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３ ダイオード
１１ ＰＷＭ制御回路
ＰＣ１〜ＰＣ３ フォトカプラ
ＰＬ１ パワーリレー

Claims (2)

1. 外部電源から供給される交流電力を整流する第１の整流回路と、
   前記第１の整流回路に対して直列に接続された、温度上昇に伴って抵抗値が低下する特性を備えた抵抗素子と第１のスイッチング素子との並列回路と、
   前記並列回路の出力を平滑化する平滑部と、
   電磁誘導を利用して電力値の変換を行うトランスと、
   前記平滑部から前記トランスへの電力供給のオンオフを行う第２のスイッチング素子と、
   前記トランスの出力を平滑化し、この平滑後の電力を負荷に供給するコンデンサと、
   前記外部電源から出力される交流電力のレベルが予め設定された第１の閾値を超え、且つ、前記コンデンサで平滑された電圧値が予め設定された第２の閾値を超えたときに、前記第１のスイッチング素子をオンさせる駆動部とを備え、
   前記駆動部は、
   第１の制御端子を有し、前記第１の制御端子の電圧に応じてオン、オフすると共に、オンした場合に前記第１のスイッチング素子をオンさせる第３のスイッチング素子と、
   前記コンデンサで平滑された電圧を分圧し、その分圧された電圧を前記第１の制御端子に印加することにより、前記コンデンサで平滑された電圧値が前記第２の閾値を超えたときに前記第３のスイッチング素子をオンさせる第１の抵抗素子及び第２の抵抗素子と、
   第２の制御端子を有し、前記第２の制御端子の電圧に応じてオン、オフすると共に、オンした場合に前記第２の抵抗素子を短絡して前記第１の制御端子に印加される電圧を低下させることにより前記第３のスイッチング素子をオフさせる第４のスイッチング素子と、
   前記コンデンサで平滑された電圧を分圧し、その分圧された電圧を前記第２の制御端子に印加することにより、前記第４のスイッチング素子をオンさせる第３の抵抗素子及び第４の抵抗素子と、
   前記外部電源から出力される交流電力のレベルが前記第１の閾値以下のときにオフし、前記交流電力のレベルが前記第１の閾値を超えたときにオンすると共に、オンした場合に前記第４の抵抗素子を短絡して前記第２の制御端子に印加される電圧を低下させることにより前記第４のスイッチング素子をオフさせるフォトカプラとを備える電源装置。
2. 前記外部電源から出力される交流電力を整流して前記フォトカプラへ供給する第２の整流回路をさらに備える請求項１記載の電源装置。

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