JP5393277B2

JP5393277B2 - 電源装置及び照明装置

Info

Publication number: JP5393277B2
Application number: JP2009143353A
Authority: JP
Inventors: 典明奥田; 信介船山; 直樹和田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Lighting Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Lighting Corp
Priority date: 2009-06-16
Filing date: 2009-06-16
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2029-06-16
Also published as: JP2011004462A

Description

この発明は、負荷に直流電力を供給する電源装置に関し、特に電源投入時の突入電流を制御する限流素子と異常検出回路に関する。

限流素子に並列にスイッチング素子が接続され、電源投入時の突入電流を抑制する機能を有する電源装置では、電源投入時に限流素子により突入電流が抑制された後は、スイッチング素子がオンすることでスイッチング素子の経路で回路電流が流れることになるため、限流素子のインピーダンスは、入力電源電圧と突入電流の抑制値との除算から決定されるのが一般的である（例えば、特許文献１、特許文献２）。

特開平７−１４７７７０号公報特開２００７−１５９２６５号公報

特許文献１、２の電源装置では、例えば、何らかの回路動作の不具合によりスイッチ素子がオンしない場合、またはスイッチ素子自体が部品故障によって開放状態となった場合に、限流素子の経路で回路電流が流れ続ける。このため、限流素子による電力損失が生じて、ひいては熱的破壊、あるいは周辺部品の発煙、発火などを招くことが懸念される。

また前述の様に限流素子の経路で回路電流が流れた場合を想定して例えば限流素子の温度が上昇することで素子の電気抵抗値が低下する特性を持つサーミスタ素子の様な部品を使用すると、回路のコストが高価なものとなる。

この発明は、不具合により限流素子に並列接続されたスイッチ素子がオンしない場合に、限流素子の熱的破壊や周辺部品の発煙、発火などを簡易な構成により防止可能とする電源装置の提供を目的とする。

この発明の電源装置は、
チョッパ動作により脈流電圧を昇圧する電源装置において、
投入された交流電源を整流して脈流成分を含む脈流電圧を正極から出力する整流部と、
前記整流部が出力した脈流電圧を昇圧するエネルギを蓄えるインダクタであって前記正極から流れ出す電流を一端から入力して他端から出力すると共に素子を駆動する駆動信号を出力するインダクタを含む昇圧チョッパ回路と、
前記インダクタと前記正極との間と、前記整流部の負極の直前とのいずれかの位置に直列接続された限流素子と、
前記限流素子に並列接続され前記インダクタから出力された駆動信号に基づいてオンとなるスイッチング素子と、
前記昇圧チョッパ回路に所定の負荷が接続された場合に、前記昇圧チョッパ回路の出力電圧に由来する電流と電圧との少なくともいずれかを検出する検出回路と
を備え、
前記限流素子は、
インピーダンスＺが、
以下の式１を満たし、
Ｚ₁≦Ｚ（式１）
ここにＺ₁は、
前記インダクタによって前記駆動信号が出力された場合でも前記スイッチング素子がオンしない場合において、前記検出回路によって、前記昇圧チョッパ回路の出力電圧に由来する電流と電圧との少なくともいずれかが検出可能なインピーダンスであることを特徴とする。

この発明により、不具合によって限流素子に並列接続されたスイッチ素子がオンしない場合に、限流素子の熱的破壊や周辺部品の発煙、発火などを簡易な構成により防止可能とする電源装置を提供できる。

実施の形態１の電源装置１００Ａの回路図。実施の形態１の電源装置１００Ａの実験データを示す図。実施の形態１の電源装置１００Ｂの回路図。実施の形態１の電源装置１００Ｃの回路図。実施の形態１の電源装置１００Ｄの回路図。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１の電源装置１００Ａの回路図である。電源装置１００Ａは、ダイオードブリッジ２（整流部）、昇圧チョッパ回路７０、突入電流抑制回路８０、及び異常検出回路９０を備えている。

本実施の形態１の電源装置の特徴は、限流素子３のインピーダンス値にある。電源装置においては、インピーダンスＺが後述するＺ１以上の値の限流素子３を採用する。このインピーダンスにより、限流素子３に並列接続されたスイッチング素子４が他の素子あるいは自身の不具合によりオンしない時に限流素子３の経路で回路電流が流れた場合に、昇圧チョッパ回路７０の出力電圧を故意に低下させ、異常検出回路によってその出力電圧あるいは出力電圧に由来する負荷回路中の電圧あるいは電流（後述するＡ点、Ｂ点、Ｃ点の電流あるいは電圧）を検出させて、検出値が異常のときは、インバータ制御回路２９がインバータ回路の動作を停止する構成である。

（直流電源５０）
直流電源５０は商用電源等の交流電源１をダイオードブリッジ２で全波整流して得られる。直流電源５０の出力電圧は、昇圧チョッパ回路７０で昇圧され、負荷６０に供給される。

（突入電流抑制回路８０）
突入電流抑制回路８０は、電源投入時に直流電源５０から昇圧値チョッパ回路７０のコンデンサ１０に突入電流が流れるのを抑制する回路であり、直流電源５０と昇圧チョッパ回路７０との間に接続される。突入電流抑制回路８０は、ダイオードブリッジ２の正極側から抵抗等の限流素子３（限流素子という場合もある）を介して昇圧チョッパ回路７０のインダクタ７の一端（ａ端子）に接続される。図１のように限流素子３は、インダクタ７とダイオードブリッジ２の正極との間との位置に直列接続されている。スイッチング素子４は、限流素子３に並列接続され、インダクタ７から出力された駆動電圧（駆動信号）に基づいてオンとなる。図１では、スイッチング素子４の駆動電圧は、インダクタ７の中間端子（ｃ端子）に誘起する電圧からダイオード６で整流、コンデンサ５で平滑して得る。

（昇圧チョッパ回路７０）
昇圧チョッパ回路７０は限流素子３に一端が接続されたインダクタ７の他端（ｂ端をスイッチング素子９でスイッチングし、その際インダクタ７に蓄積されたエネルギをダイオード８で整流、コンデンサ１０で平滑して直流電源２の電圧を昇圧して負荷６０に供給する。

（負荷６０）
スイッチング素子２１とスイッチング素子２２とは直列接続され、昇圧チョッパ回路７０の出力に接続されるスイッチング素子２１とスイッチング素子２２との接続点から、コンデンサ２３、インダクタ２４、放電灯２５を介して直流電源５０の負極に接続される。放電灯２５に並列にコンデンサ２６が接続される。インバータ制御回路２９はインバータ制御電源Ｖｃｃ２から駆動電圧の供給を受けて、スイッチング素子２１及びスイッチング素子２２を交互にオン、オフする。なお、インバータ制御回路２９は電源投入時は昇圧チョッパ回路から抵抗３０を介してインバータ制御電源Ｖｃｃ２に流れる電流によって起動される。

（昇圧チョッパ制御回路１１）
昇圧チョッパ制御回路１１は、昇圧チョッパ制御電源Ｖｃｃ１から駆動電圧を供給されてスイッチング素子９のチョッパ動作を制御する。

（限流素子３のインピーダンスＺ：条件１）
電源装置１００Ａの特徴である限流素子３のインピーダンスＺの条件は、以下のように決めるものとする。突入電流抑制回路８０が何らかの不具合によりスイッチング素子４に駆動電圧を供給できない場合や、スイッチング素子４の自体の故障の場合に、スイッチング素子４がオンしない（閉じない）時に、限流素子３の経路で回路電流が流れる。この場合、限流素子３の経路で回路電流が流れことに伴い昇圧チョッパ回路７０の出力電圧７１が低下し、異常検出回路９０が出力電圧７１の低下を検出可能であり、かつ、この異常検出回路９０による検出結果によってインバータ制御回路２９が出力電圧７１の低下を異常と判定し、負荷６０（スイッチング素子２１、２２から構成されるインバータ回路、以下単にインバータ回路という）の動作を停止することができる最も小さいインピーダンスＺ１以上の値とする。
すなわち、限流素子３のインピーダンスＺの条件は、最小インピーダンスＺ１に対して、
Ｚ１≦Ｚ
とする。また、負荷６０（インバータ回路）の動作を停止させた後は、入力電源１がＯＦＦされて再度ＯＮされない限りはその状態（インバータ回路の停止状態）が保持されるものとする。つまり、インバータ制御回路２９はインバータ回路をいったん停止させた後は、入力電源１がＯＦＦされて再度ＯＮされるまで停止状態を維持する。

（限流素子３のインピーダンスＺの温度変化率：条件２）
また、限流素子３としては、そのインピーダンスＺの温度変化率が略一定のものを使用する。これは、従来では安全を考え限流素子は温度上昇に従ってインピーダンスＺが高くなる高コストのものを使用している場合が多いが、上記の条件１（すなわちＺ１≦Ｚ）を満たす限流素子を選定すれば、異常検出回路により限流素子の異常がただちに発見できるので（点灯するべき放電灯が点灯しないのでユーザには異常がただちにわかる）、例えば通常の抵抗のように、インピーダンスＺの温度変化率が略一定のものを用いることにより低コスト化を図ることができる。

（実験データ）
図２は、入力電源１がそれぞれ１００Ｖ、２００Ｖ、２５４Ｖの場合において、放電灯ＦＨＴ４２を用いた場合の実験結果である。図中の「丸印」はスイッチング素子４がオンせず、限流素子３の経路で回路電流が流れ続けた場合に、異常検出回路の検出結果に基づきインバータ制御回路２９がインバータ回路を停止できず点灯が継続した場合を示している。また図中の「×印」は、異常検出回路の検出結果に基づきインバータ制御回路２９がインバータ回路を停止できた場合を示している。また図中の「−印」は、試験省略（「×印」で確認できているためそれより大きいインピーダンスは試験省略）を示している。従って図２によれば、
入力１００Ｖでは、Ｚ１＝１６０Ω、
入力２００Ｖでは、Ｚ１＝４００Ω、
入力２５４Ｖでは、Ｚ１＝５００Ω、
とすることができる。
一方、従来の限流素子のインピーダンスは１００〜１２０Ω程度であるので、前記の値をＺ１とすることで、限流素子の本来の機能を満たすことができるのは明らかである。
また、図２の実験では電源投入時に起動電流が確保できる限流素子のインピーダンスについても確認したが、次のようであった。入力１００Ｖでは１．１ｋΩまで起動、発振できた。また入力２００Ｖでは１０ｋΩまで起動、発振できた。よって、前記のインピーダンスＺ１よりも十分に高いインピーダンスにおいても回路の起動電流は確保される。

（負荷６０における異常な電圧／電流の検出）
図１では、昇圧チョッパ回路７０の出力電圧７１を低下させることで、回路の異常を検出する異常検出回路９０を備えた構成を示した。前述のように、何らかの不具合により、限流素子３の経路で回路電流が流れた場合に、限流素子３のインピーダンスに起因して出力電圧７１を低下させるようにしたことで、出力電圧７１の先の負荷６０の電圧あるいは電流（検出箇所７２、検出箇所７３における昇圧チョッパ回路７０の出力電圧７１に由来する電流または電圧）の変化を異常検出回路９０にて検出し、異常検出回路９０の検出信号をインバータ制御回路２９が入力することで、インバータ制御回路２９が、検出信号に応じて負荷６０（インバータ回路）の動作を停止する。

（昇圧チョッパ回路出力における異常な電圧／電流の検出）
図３は電源装置１００Ｂの回路図である。電源装置１００Ｂは電源装置１００Ａに対して異常検出回路による検出箇所を変更した構成である。電源装置１００Ｂの異常検出回路９１は、限流素子３のインピーダンスの効果による昇圧チョッパ回路の出力電圧７１の低下を直接検出する。図１の場合と同様に異常検出回路９０の検出信号をインバータ制御回路２９が入力することで、インバータ制御回路２９が、検出信号に応じて負荷６０（インバータ回路）の動作を停止する。

（負極側接続：負荷６０における異常な電圧／電流の検出）
図４は電源装置１００Ｃの回路図であり、図１に対応する。電源装置１００Ｃは、電源装置１００Ａに対して突入電流抑制回路８０を、ダイオードブリッジ２の負極側から抵抗等の限流素子３を介して、昇圧チョッパ回路７０の負極側の一端に接続した構成であり、異常検出の動作は図１の電源装置１００Ａと同様である。

（負極側接続：昇圧チョッパ回路出力における異常な電圧／電流の検出）
図５は電源装置１００Ｄの回路図であり、図３に対応する。電源装置１００Ｄは、電源装置１００Ｃに対して異常検出回路９１が、昇圧チョッパ回路７０の出力電圧７１の異常を検出する構成である。異常検出の動作は電源装置１００Ｂと同様である。

以上に説明した電源装置１００Ａ〜電源装置１００Ｄでは、それぞれ異常検出回路９０、９１にて検出した検出結果を昇圧チョッパ制御回路１１へ入力し、昇圧チョッパ制御回路１１が検出結果を異常かどうかを判定するようにし、異常と判定した場合には昇圧チョッパ制御回路１１が出力電圧７１を低減あるいは停止する制御して、負荷６０への供給電圧を低下もしくは遮断する仕組みとしても良い。

以上に説明した電源装置１００Ａ〜電源装置１００Ｄは、図１等に示したように放電灯を使用する照明装置に使用される。

以上の電源装置１００Ａ〜電源装置１００Ｄでは、限流素子３のインピーダンスの効果により、限流素子３に並列接続されたスイッチング素子４が他の素子あるいは自身の不具合によりオンしない時に限流素子３の経路で回路電流が流れた場合に昇圧チョッパ回路７０の出力電圧を故意に低下させ、異常検出回路によってその出力電圧あるいは出力電圧に由来する負荷回路中の電圧あるいは電流を検出させて、検出値が異常のときは、インバータ制御回路２９がインバータ回路の動作を停止する構成である。したがって、スイッチング素子がオンしない場合にも、限流素子の熱的破壊や周辺部品の発煙、発火などを簡易な構成により防止できる。

Ｖ_cc1 昇圧チョッパ制御電源、Ｖ_cc2 インバータ制御電源、１入力電源、２ダイオードブリッジ、３限流要素、４，９スイッチング素子、５コンデンサ、６，８ダイオード、７インダクタ、１０コンデンサ、１１昇圧チョッパ制御回路、２１，２２スイッチング素子、２３コンデンサ、２４インダクタ、２５放電灯、２６コンデンサ、２９インバータ制御回路、３０抵抗、５０直流電源、６０負荷、７０昇圧チョッパ回路、８０突入電流抑制回路、９０，９１異常検出回路、１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ電源装置。

Claims

チョッパ動作により脈流電圧を昇圧する電源装置において、
投入された交流電源を整流して脈流成分を含む脈流電圧を正極から出力する整流部と、
前記整流部が出力した脈流電圧を昇圧するエネルギを蓄えるインダクタであって前記正極から流れ出す電流を一端から入力して他端から出力すると共に駆動信号を出力するインダクタを含む昇圧チョッパ回路と、
前記インダクタと前記正極との間と、前記整流部の負極の直前とのいずれかの位置に直列接続された限流要素と、
前記限流要素に並列接続され前記インダクタから出力された前記駆動信号に基づいてオンとなるスイッチング素子と、
前記昇圧チョッパ回路に所定の負荷回路が接続されている場合に、前記昇圧チョッパ回路の出力電圧と、前記負荷回路に生じる電流と、前記負荷回路に生じる電圧とのうちの、少なくともいずれかを検出する検出回路と
を備え、
前記限流要素は、
インピーダンスＺが、
以下の式１を満たし、
Ｚ₁≦Ｚ（式１）
ここにＺ₁は、
前記インダクタによって前記駆動信号が出力された場合でも前記スイッチング素子がオンしない場合において、前記検出回路が前記昇圧チョッパ回路の出力電圧の低下を検出可能であり、かつ、前記検出回路による検出結果によって前記負荷回路が前記昇圧チョッパ回路の出力電圧の低下を異常と判定し、異常と判定した前記負荷回路が動作を停止することができる最も小さいインピーダンスであることを特徴とする電源装置。
前記Ｚ₁は、
前記交流電源の電圧が１００Ｖの場合は略１６０Ω、前記交流電源の電圧が２００Ｖの場合は略４００Ω、前記交流電源の電圧が２５４Ｖの場合は略５００Ωであることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
前記限流要素は、
インピーダンスの温度変化率が略一定であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の電源装置。
前記負荷回路は、
インバータ回路と、
前記インバータ回路を制御するインバータ制御回路と
を備え、
前記Ｚ ₁ は、
前記インダクタによって前記駆動信号が出力された場合でも前記スイッチング素子がオンしない場合において、前記検出回路が前記昇圧チョッパ回路の出力電圧の低下を検出可能であり、かつ、前記検出回路による検出結果によって前記インバータ制御回路が前記昇圧チョッパ回路の出力電圧の低下を異常と判定し、異常と判定した前記インバータ制御回路が前記インバータ回路の動作を停止することができる最も小さいインピーダンスであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電源装置。
請求項１〜４のいずれかに記載の電源装置を備えた照明装置。