JP5942320B2 - 電源装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電源装置に関するものである。
従来から、外部の電源から入力された電力を変換して出力する電源装置において、始動時の突入電流を抑えるために、正の温度特性を有するサーミスタ（いわゆるＰＴＣサーミスタ）を電源からの給電路に挿入したものが提供されている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、突入電流などの過剰な電流が流れた場合には、ジュール熱によりサーミスタの温度が上昇し、これによってサーミスタの抵抗値が上昇することで電流が抑制される。
上記のサーミスタとしては、例えば１６０℃のときの抵抗値が２５℃のときの抵抗値の約１００倍になるような、比較的に急峻な温度特性を有するものが用いられる。
また、上記のサーミスタにはサイリスタが並列に接続され、安定動作中には上記のサイリスタがオンされるように回路が構成される。すなわち、突入電流が問題となるのは始動時のみであるから、安定動作中には上記のサイリスタに電流をバイパスさせることで、サーミスタにおける損失を抑えるのである。
一方、電源装置としては、直流電源回路の出力端間に、複数個のバックコンバータが互いに並列に接続されたものも提供されている（例えば、特許文献２参照）。各バックコンバータの出力端間にはそれぞれ例えば発光ダイオードアレイのような負荷が接続される。上記の直流電源回路としては、例えば、ダイオードブリッジの脈流出力を平滑化するコンデンサや、周知のブーストコンバータなどが考えられる。この電源装置においては、複数個のバックコンバータで直流電源回路を共用としながらも、仕様や動作をバックコンバータ毎に異ならせることができる。
特開２００８−１０４２７３号公報 特開２０１１−７８２１８号公報
ここで、特許文献２のように直流電源回路と複数個のバックコンバータとを備える電源装置において、特許文献１のように直流電源回路への給電路にサーミスタとサイリスタとの並列回路を介在させることも可能である。
このような電源装置において、いずれかのバックコンバータの動作が安定していれば上記のサイリスタがオンされるように回路が構成された場合を考える。この場合、いずれかのバックコンバータでスイッチング素子の短絡が発生していて過剰な電流が流れる可能性があっても、他のいずれかのバックコンバータの動作が安定していれば、サーミスタによる電流抑制の効果が得られない。
本発明は、上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、安全性を向上した電源装置を提供することにある。
本発明の電源装置は、サイリスタと正の温度特性を有するサーミスタとの並列回路と、前記並列回路を介して給電される直流電源回路と、前記直流電源回路の出力端間に互いに並列に接続された複数個のバックコンバータとを備え、各前記バックコンバータは、それぞれ、ダイオードとスイッチング素子との直列回路であって前記直流電源回路の出力端間に接続された直列回路と、両端が出力端を構成するコンデンサと、前記ダイオードと前記コンデンサとともにループを構成するインダクタと、前記スイッチング素子を駆動する駆動回路とを有し、前記バックコンバータのうちの１個は、前記インダクタに二次巻線が設けられて前記二次巻線に誘導された電圧により前記サイリスタをオンするメインコンバータであり、前記メインコンバータの前記駆動回路は、他の前記バックコンバータのいずれかで前記スイッチング素子の短絡が発生した場合には、前記スイッチング素子の駆動を停止するように構成され、前記メインコンバータ以外の全ての前記バックコンバータにおいても、前記インダクタには二次巻線が設けられていて、前記メインコンバータの前記駆動回路は、他の前記バックコンバータのいずれかで前記二次巻線に電圧が発生しなくなった場合に前記スイッチング素子の駆動を停止することを特徴とする。
また、上記の電源装置において、前記メインコンバータの前記駆動回路は、始動後に所定の遅れ時間が経過するまでは、他の前記バックコンバータで前記スイッチング素子の短絡が発生しているか否かに関わらず前記スイッチング素子の駆動を行うことが望ましい。
本発明によれば、いずれのバックコンバータでスイッチング素子に短絡が発生した場合であってもサイリスタがオフされてサーミスタによる電流の抑制が有効となるから、全てのバックコンバータでスイッチング素子に短絡が発生した場合しかサイリスタがオフされない場合に比べ、安全性が向上する。
本発明の実施形態を示す回路ブロック図である。 同上の比較例を示す回路ブロック図である。 同上において、サブコンバータのスイッチング素子Ｑ２のオンオフ状態と、誘導整流電圧Ｖｉと、サブコンバータの出力電流Ｉ２と、検出電圧Ｖｄと、メインコンバータのスイッチング素子Ｑ１のオンオフ状態と、メインコンバータの出力電流Ｉ１との、それぞれの時間変化の一例を示す説明図である。 同上の変更例において、サブコンバータのスイッチング素子Ｑ２のオンオフ状態と、誘導整流電圧Ｖｉと、サブコンバータの出力電流Ｉ２と、検出電圧Ｖｄと、メインコンバータのスイッチング素子Ｑ１のオンオフ状態と、メインコンバータの出力電流Ｉ１との、それぞれの時間変化の一例を示す説明図である。 同上の別の変更例を示す回路ブロック図である。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
本実施形態は、図１に示すように、サイリスタＱ０と正の温度特性を有するサーミスタＰＴＨとの並列回路と、この並列回路を介して給電される直流電源回路としてのブーストコンバータ１と、ブーストコンバータ１の出力端間に互いに並列に接続された複数個のバックコンバータ２１，２２とを備える。
また、本実施形態は、交流電源ＡＣから入力された交流電流を全波整流し上記の並列回路を介してブーストコンバータ１に入力するダイオードブリッジ３１を備える。さらに、交流電源ＡＣとダイオードブリッジ３１との間には、例えばコモンモードチョーク等によりノイズを減衰させるフィルタ回路３０が介装されている。ダイオードブリッジ３１の低電圧側の出力端と、ブーストコンバータ１の低電圧側の出力端とは、それぞれグランドに接続される。
ブーストコンバータ１は、昇圧形コンバータや、昇圧チョッパ回路や、力率改善回路とも呼ばれる周知の回路であり、入力電流歪を改善する作用を有する。なお、直流電源回路としては、上記のようなブーストコンバータ１に代えて、ダイオードブリッジ３１の直流出力（脈流出力）を平滑化するコンデンサのみを用いてもよい。
各バックコンバータ２１，２２は、それぞれ、カソードがブーストコンバータ１の高電圧側の出力端に接続されたダイオードＤ１，Ｄ２と、一端がダイオードＤ１，Ｄ２のアノードに接続されるとともに他端が抵抗Ｒ１，Ｒ２を介してブーストコンバータ１の低電圧側の出力端に接続されたスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオンオフ駆動する駆動回路２１０，２２０とを備える。上記のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２としては例えばＭＯＳＦＥＴを用いることができる。また、各バックコンバータ２１，２２において、ダイオードＤ１，Ｄ２の両端間には、例えば電解コンデンサからなり両端がバックコンバータ２１，２２の出力端となる出力コンデンサＣ１，Ｃ２と、トランスＴ１，Ｔ２の一次巻線Ｎ１１，Ｎ２１との直列回路が接続されている。すなわち、トランスＴ１，Ｔ２の一次巻線Ｎ１１，Ｎ２１は、ダイオードＤ１，Ｄ２と出力コンデンサＣ１，Ｃ２とともにループを構成しており、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオンオフに伴ってエネルギーの蓄積と放出とを交互に繰り返すインダクタとして作用する。
各バックコンバータ２１，２２の出力端（すなわち出力コンデンサＣ１，Ｃ２の両端）間には、それぞれ発光ダイオードＬＤ１，ＬＤ２が接続されている。駆動回路２１０，２２０は、発光ダイオードＬＤ１，ＬＤ２への出力電流Ｉ１，Ｉ２を一定に維持するように、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオンデューティ或いはスイッチング周波数を随時変更する。上記のような駆動回路２１０，２２０は周知技術で実現可能であるので、詳細な図示並びに説明は省略する。
ここで、バックコンバータ２１，２２のうちの１個は、トランスＴ１の二次巻線Ｎ１２に誘導された電圧によりサイリスタＱ０をオンするメインコンバータ２１である。メインコンバータ２１の駆動回路２１０は、他のバックコンバータ（以下、「サブコンバータ」と呼ぶ。）２２においてスイッチング素子Ｑ２の短絡が発生した場合には、スイッチング素子Ｑ１の駆動を停止する。ここでいうスイッチング素子Ｑ２の短絡とは、ドレイン−ソース間の短絡のように、スイッチング素子Ｑ２がオンされたままとなるような短絡を指す。
詳しく説明すると、メインコンバータ２１のトランスＴ１の二次巻線Ｎ１２に誘導された電圧は、ダイオードＤ１１による半波整流と抵抗Ｒ１１，Ｒ１２による分圧とコンデンサＣ１１による平滑化とを経てサイリスタＱ０のゲート−カソード間に入力されている。
また、サブコンバータ２２においてトランスＴ２の二次巻線Ｎ２２に誘導された電圧は、ダイオードＤ２１による半波整流と抵抗Ｒ２１，Ｒ２２による分圧とコンデンサＣ２１による平滑化とを経て、検出電圧Ｖｄとしてメインコンバータ２１の駆動回路２１０に入力される。メインコンバータ２１の駆動回路２１０は、サブコンバータ２２から入力された上記の検出電圧Ｖｄを所定の基準電圧Ｖｒと比較し、検出電圧Ｖｄが基準電圧Ｖｒを下回ったときに他のバックコンバータ２２におけるスイッチング素子Ｑ２の短絡を判定してスイッチング素子Ｑ１の駆動を停止する。
上記動作によってメインコンバータ２１においてスイッチング素子Ｑ１の駆動が停止されるか、又は、メインコンバータ２１においてスイッチング素子Ｑ１に短絡が発生すると、メインコンバータ２１のトランスＴ１の二次巻線Ｎ１２に電圧が発生しなくなる。すると、サイリスタＱ０のゲートへの電圧の入力が停止されることで、サイリスタＱ０がオフされ、以後はサーミスタＰＴＨによる電流の抑制が行われる。
ここで、図２に示すように、全てのバックコンバータ２１，２２がサイリスタＱ０に接続され、いずれのバックコンバータ２１，２２のトランスＴ１，Ｔ２の二次巻線Ｎ１２，Ｎ２２の電圧によってもサイリスタＱ０がオン制御される場合を考える。この場合、全てのバックコンバータ２１，２２でスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に短絡が発生した場合しかサイリスタＱ０がオフされない。そうすると、いずれかのバックコンバータ２１，２２でスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に短絡が発生していても、バックコンバータ２１，２２のうちいずれか１個でも動作していればサイリスタＱ０はオフされず、サーミスタＰＴＨによる電流の抑制が行われない。これにより、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に短絡が発生したバックコンバータ２１，２２や、これに接続された発光ダイオードＬＤ１，ＬＤ２等の負荷において、異常発熱が発生する可能性がある。
これに対し、本実施形態では、いずれのバックコンバータ２１，２２でスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に短絡が発生した場合であってもサイリスタＱ０がオフされてサーミスタＰＴＨによる電流の抑制が有効となるから、図２に示す比較例に比べ、安全性が向上する。
また、突入電流を抑制するサーミスタＰＴＨを、バックコンバータ２１，２２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に短絡が発生した際の電流の抑制にも兼用するので、ヒューズ等の別途の保護素子を設ける場合に比べて製造コストが低減される。
ここで、サブコンバータ２２のスイッチング素子Ｑ２のオンオフ状態と、サブコンバータ２２のトランスＴ２の二次巻線Ｎ２２の電圧が半波整流された電圧（以下、「誘導整流電圧」と呼ぶ。）Ｖｉと、サブコンバータ２２の出力電流Ｉ２と、検出電圧Ｖｄと、メインコンバータ２１のスイッチング素子Ｑ１のオンオフ状態と、メインコンバータ２１の出力電流Ｉ１との、それぞれの時間変化の一例を図３に示す。図３において横軸は始動後の経過時間であり、これは後述する図４でも同様である。
図３に示すように、サブコンバータ２２での検出電圧Ｖｄは、始動直後はほぼ０であり、始動後に徐々に上昇する。従って、メインコンバータ２１の駆動回路２１０が始動時からサブコンバータ２２の検出電圧Ｖｄに応じた動作を行う場合、サブコンバータ２２において検出電圧Ｖｄが基準電圧Ｖｒに達するまではメインコンバータ２１でスイッチング素子Ｑ１の駆動が開始されない。この結果、メインコンバータ２１に接続された発光ダイオードＬＤ１の点灯のタイミングが、サブコンバータ２２に接続された発光ダイオードＬＤ２の点灯のタイミングよりも遅れてしまう。
そこで、図４に示すように、始動後に所定の遅れ時間ｔ１が経過するまでの期間（以下、「始動期間」と呼ぶ。）中には、メインコンバータ２１の駆動回路２１０が、サブコンバータ２２の検出電圧Ｖｄに関わらず（つまりサブコンバータ２２におけるスイッチング素子Ｑ２の短絡の有無に関わらず）、スイッチング素子Ｑ１の駆動を行うようにしてもよい。上記動作は、始動期間中に駆動回路２１０が検出電圧Ｖｄと基準電圧Ｖｒとの比較結果を無視することによって実現されてもよいし、始動期間中に基準電圧Ｖｒが０（つまり、確実に検出電圧Ｖｄより低い電圧）に維持されることによって実現されてもよい。上記の遅れ時間ｔ１は、始動後に検出電圧Ｖｄが基準電圧Ｖｒに達するのに要する時間ｔ０よりも確実に長く、且つ、なるべく短い時間とされることが望ましい。上記構成を採用すれば、図３の例のようにメインコンバータ２１に接続された発光ダイオードＬＤ１の点灯がサブコンバータ２２に接続された発光ダイオードＬＤ２の点灯に対して遅れるようなことを防ぐことができる。
なお、図１ではサブコンバータ２２を１個のみ設けているが、図５に示すようにサブコンバータ２２，２３を２個以上設けてもよい。図５の下側のサブコンバータ２３は、他のサブコンバータ２２に対して符号が異なってはいるが、回路構成及び動作は他のサブコンバータ２２と共通であるので説明は省略する。図５の例では、検出電圧Ｖｄ，Ｖｄ１を基準電圧Ｖｒ，Ｖｒ１と比較するコンパレータ（以下、「検出コンパレータ」と呼ぶ。）ＣＰ，ＣＰ１が、サブコンバータ２２，２３毎に設けられており、全ての検出コンパレータＣＰの出力が入力された論理積回路ＡＮＤの出力がメインコンバータ２１の駆動回路２１０に入力されている。図５の例におけるメインコンバータ２１の駆動回路２１０は、上記の論理積回路ＡＮＤの出力がＬレベルになると、いずれかのサブコンバータ２２，２３でスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の短絡が発生したと判定してスイッチング素子Ｑ１の駆動を停止する。すなわち、全てのサブコンバータ２２，２３で検出電圧Ｖｄ，Ｖｄ１が正常に発生している場合にのみ、メインコンバータ２１でのスイッチング素子Ｑ１の駆動が行われてサイリスタＱ０がオンされる。さらに、図５の例において、上記の始動期間中に、メインコンバータ２１の駆動回路２１０が、論理積回路ＡＮＤの出力に関わらずスイッチング素子Ｑ１の駆動を行うようにしてもよい。
１ ブーストコンバータ（直流電源回路）
２１ メインコンバータ（バックコンバータ）
２２ サブコンバータ（バックコンバータ）
２１０，２２０ 駆動回路
Ｎ１ 一次巻線（インダクタ）
Ｎ２ 二次巻線
ＰＴＨ サーミスタ
Ｑ０ サイリスタ
Ｑ１，Ｑ２ スイッチング素子
ｔ１ 遅れ時間

Claims (2)

  1. サイリスタと正の温度特性を有するサーミスタとの並列回路と、
    前記並列回路を介して給電される直流電源回路と、
    前記直流電源回路の出力端間に互いに並列に接続された複数個のバックコンバータとを備え、
    各前記バックコンバータは、それぞれ、ダイオードとスイッチング素子との直列回路であって前記直流電源回路の出力端間に接続された直列回路と、両端が出力端を構成するコンデンサと、前記ダイオードと前記コンデンサとともにループを構成するインダクタと、前記スイッチング素子を駆動する駆動回路とを有し、
    前記バックコンバータのうちの１個は、前記インダクタに二次巻線が設けられて前記二次巻線に誘導された電圧により前記サイリスタをオンするメインコンバータであり、
    前記メインコンバータの前記駆動回路は、他の前記バックコンバータのいずれかで前記スイッチング素子の短絡が発生した場合には、前記スイッチング素子の駆動を停止するように構成され、
    前記メインコンバータ以外の全ての前記バックコンバータにおいても、前記インダクタには二次巻線が設けられていて、
    前記メインコンバータの前記駆動回路は、他の前記バックコンバータのいずれかで前記二次巻線に電圧が発生しなくなった場合に前記スイッチング素子の駆動を停止することを特徴とする電源装置。
  2. 前記メインコンバータの前記駆動回路は、始動後に所定の遅れ時間が経過するまでは、他の前記バックコンバータで前記スイッチング素子の短絡が発生しているか否かに関わらず前記スイッチング素子の駆動を行うことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
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