JP5987454B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

この発明は電源装置に関し、より詳細には、スイッチングトランスを備えた電源装置における半導体素子の放熱技術に関する。

従来、電源装置においては、スイッチングトランスを備えた電源装置、いわゆるスイッチング電源装置が提供されている。この種の電源装置は、周知のとおり、スイッチングトランスの１次側にスイッチング用の半導体素子（たとえば、ＦＥＴ）が備えられるとともに、スイッチングトランスの２次側に整流用の半導体素子（たとえば、ダイオード）が備えられており、直流電力をスイッチング用の半導体素子で高速スイッチングしてスイッチングトランスの１次側に供給し、スイッチングトランスの２次側に誘起されたエネルギ（交流電力）を整流用の半導体素子で整流し、さらにこれを平滑して直流電力を得るように構成されている。

そして、このような電源装置に使用される上記各半導体素子（スイッチング用および整流用の各半導体素子）はその性質上、通電によって昇温するので、昇温による熱破壊が起きないようにするための放熱器（たとえば、アルミニウム製の蛇腹状または剣山状の形をしたヒートシンクや鉄製の板状の形をした放熱板など）が備えられている（たとえば、特許文献１参照）。

実公平７−３９３４８号公報

ところで、このような電源装置における半導体素子の放熱器は、主として電源装置が正常動作（電源装置の定格電流の範囲内で動作）をしているときの放熱を目的としてその材質・形状・大きさが選定（放熱設計）されているため、電源装置の出力側に異常が発生するなどして電源装置が過負荷状態になったときには、放熱器の能力を超えて、電源装置の半導体素子の温度が定格温度以上となって破損（熱破壊）するおそれがある。

このような過負荷による熱破壊のおそれがある半導体素子の主なものとしては、スイッチングトランスの１次側に備えられたスイッチング用の半導体素子と、スイッチングトランスの２次側に備えられた整流用の半導体素子とが挙げられるが、従来の電源装置では、これら半導体素子のうちのどちらが先に熱破壊するかを特定できるように半導体素子の放熱設計は行われていないため、どちらが先に熱破壊を起こすかをあらかじめ特定することができなかった。

そのため、従来の電源装置では、スイッチング用の半導体素子が先に熱破壊を起こした場合には、当該半導体素子の周辺回路部品（具体的には、スイッチングトランスの１次側の回路部品）が２次破壊（破損）を起こすことがあり、破損部品の特定が困難になるおそれがあった。

また、このようにスイッチング用の半導体素子が先に熱破壊した場合、破損したスイッチング用の半導体素子は高い電圧（たとえば、数１００Ｖ程度）が印加された状態で放置されることになるので、回路構成上、好ましくないという問題もあった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、過負荷状態になったときに先に熱破壊する半導体素子をあらかじめ特定することで、破損部品の特定が容易な電源装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載の電源装置は、スイッチングトランスの１次側にスイッチング用の半導体素子を備えるとともに、スイッチングトランスの２次側に整流用の半導体素子を備えた電源装置において、当該電源装置が過負荷状態となったときには、上記スイッチングトランスの１次側に備えられたスイッチング用の半導体素子よりも先に上記スイッチングトランスの２次側に備えられた整流用の半導体素子が熱破壊するように上記各半導体素子の放熱設計がなされているとともに、上記スイッチングトランスの２次側に規定値以上の電流が流れるのを防止する、過電流保護回路が備えられてなり、上記整流用の半導体素子が熱破壊により短絡した場合には、上記過電流保護回路による過電流保護動作によって、上記スイッチング用の半導体素子がシャットダウンあるいは間欠動作することを特徴とする。

すなわち、この請求項１に係る電源装置では、スイッチングトランスの１次側に備えられたスイッチング用の半導体素子とスイッチングトランスの２次側に備えられた整流用の半導体素子の放熱設計にあたり、電源装置が過負荷状態となったときには、スイッチングトランスの１次側に備えられたスイッチング用の半導体素子よりも先にスイッチングトランスの２次側に備えられた整流用の半導体素子が熱破壊するように放熱設計を行っているので、出力側の異常などによって電源装置が過負荷状態に陥ったときには、スイッチングトランスの２次側に備えられた整流用の半導体素子がスイッチングトランスの１次側に備えられたスイッチング用の半導体素子よりも先に熱破壊するようになる。このように、請求項１に係る電源装置では、過負荷状態となったときに先に熱破壊する半導体素子が放熱設計によって特定されているので、破損部品の特定を容易に行うことができる。

また、この請求項１に係る電源装置では、上記スイッチングトランスの２次側に規定値以上の電流が流れるのを防止する、過電流保護回路が備えられているので、スイッチングトランスの２次側に備えられた整流用の半導体素子が熱破壊によって短絡した場合には、この過電流保護回路が動作し、上記スイッチング用の半導体素子がシャットダウンあるいは間欠動作する。そのため、この請求項１に係る電源装置においては、過負荷状態のときにスイッチングトランスの２次側に備えられた整流用の半導体素子が熱破壊しても出力電流が過電流となることが回避され、過電流による電源装置の回路部品（特に、スイッチングトランスの１次側の回路部品）の破損（２次破壊）が防止される。

本発明の請求項２に記載の電源装置は、請求項１に記載の電源装置において、上記放熱設計は、上記スイッチングトランスの２次側に備えられた整流用の半導体素子の放熱器の構造によって反映されていることを特徴とする。

すなわち、この請求項２に係る電源装置では、過負荷状態のときにスイッチングトランスの２次側に備えられた整流用の半導体素子を先に熱破壊させるための放熱設計は、当該整流用の半導体素子の放熱器の構造（具体的には、その材質、形状、大きさ）によって反映（実現）されているので、たとえば、スイッチングトランスの１次側に備えられたスイッチング用の半導体素子として放熱器を持たない半導体素子を用いた場合でも本発明を適用することができる。

本発明によれば、出力側の異常などによって過負荷状態になったときには、スイッチングトランスの２次側に備えられた整流用の半導体素子がスイッチングトランスの１次側に備えられたスイッチング用の半導体素子よりも先に熱破壊するようになっているので、過負荷による電源装置の破損時に破損部品の特定を容易に行うことができる。

また、本発明は、スイッチングトランスの２次側に規定値以上の電流が流れるのを防止する過電流保護回路を備えることで、スイッチングトランスの２次側に備えられた整流用の半導体素子を先に熱破壊させることに伴う過電流が防止され、過電流による電源装置の回路部品の破損（２次破壊）を防止することができる。

本発明に係る電源装置の概略構成を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る電源装置の概略構成を示している。この図に示す電源装置１は、スイッチングトランスＳＴ１の１次側にスイッチング用の半導体素子Ｑ１を備えるとともに、スイッチングトランスＳＴ１の２次側に整流用の半導体素子Ｄ２を備えたスイッチング電源装置を示している。

この電源装置１は、交流電源（たとえば、商用電源）ＡＣ１から所定の直流電圧出力Ｖout１を得るための電源装置であって、スイッチングトランスＳＴ１の１次側には、交流電源ＡＣ１と、交流電源ＡＣ１から入力される交流電力を整流するブリッジダイオードＤ１と、ブリッジタイオードＤ１で整流された電力を平滑する平滑コンデンサＣ１と、平滑コンデンサＣ１で平滑された直流電力をスイッチングするスイッチング用の半導体素子（図示例ではＦＥＴ）Ｑ１と、スイッチング用の半導体素子Ｑ１の動作を制御する制御回路ＩＣ１とが主要部として備えられるとともに、スイッチングトランスＳＴ１の２次側には、当該スイッチングトランスＳＴ１の２次側に発生する交流電力を整流する整流用の半導体素子（図示例ではダイオード）Ｄ２と、このダイオードＤ２で整流された電力を平滑して上記所定の直流電圧出力Ｖout１を生成する平滑用のコンデンサＣ２とが主要部として備えられている。

図１においてＬ１は、交流電源ＡＣ１への帰還雑音を除去するためのＡＣラインフィルタを示している。また、上記スイッチング用の半導体素子Ｑ１は、そのドレイン端子Ｄおよびソース端子ＳがスイッチングトランスＳＴ１の１次巻線に直列に接続されるとともに、そのゲート端子（制御端子）Ｇが制御回路ＩＣ１と接続されて、制御回路ＩＣ１による制御を受けてスイッチングするように構成されている。なお、抵抗Ｒ１〜Ｒ４およびコンデンサＣ３は、これらスイッチング用の半導体素子Ｑ１および制御回路ＩＣ１を動作させるための周辺部品をそれぞれ示している。

ここで、制御回路ＩＣ１は、スイッチング用の半導体素子Ｑ１のゲート端子Ｇに制御信号を与えることによって半導体素子Ｑ１のオン／オフを制御して半導体素子Ｑ１をスイッチングさせる制御回路を集積化したものであって、本実施形態では、この制御回路ＩＣ１は、スイッチングトランスの２次側にあらかじめ設定された規定値（たとえば、電源装置１の定格電流）Ｉo以上の電流が流れるのを防止する過電流保護回路としても機能するように構成されている。

この過電流保護回路としての機能は、スイッチングトランスＳＴ１の２次側の電流（出力電流）Ｉ２を監視することにより行われる。具体的には、たとえば、スイッチングトランスＳＴ１の２次側の電流Ｉ２に比例するスイッチングトランスＳＴ１の１次側の電流Ｉ１を図示しないカレントトランスなど電圧信号に変換して制御回路ＩＣ１に入力することにより、１次側の電流Ｉ１を通じてスイッチングトランスＳＴ１の２次側の電流を監視するように構成されている。

そして、制御回路ＩＣ１は、スイッチングトランスＳＴ１の２次側の電流Ｉ２があらかじめ設定された規定値Ｉｏ以上であると判断される場合には、あらかじめ設定された所定の過電流保護動作（たとえば、スイッチング用の半導体素子Ｑ１をオンさせないシャットダウン動作や、あるいは、半導体素子Ｑ１のスイッチングを間欠的に行う間欠動作などの保護動作）を行って、スイッチングトランスＳＴ１の２次側の電流が過電流となるのを防止するようになっている。

しかして、このように構成された電源装置１において、本発明では、スイッチングトランスＳＴ１の１次側に備えられたスイッチング用の半導体素子Ｑ１と、スイッチングトランスＳＴ１の２次側に備えられた整流用の半導体素子Ｄ２の放熱設計にあたり、電源装置１が過負荷状態となったときには、スイッチング用の半導体素子Ｑ１よりも先に整流用の半導体素子Ｄ２が熱破壊するように、各半導体素子Ｑ１，Ｄ２の放熱設計がなされている。

すなわち、これら各半導体素子Ｑ１，Ｄ２の放熱設計にあたっては、電源装置１の出力電流が定格電流の範囲内で正常に動作しているときに、各半導体素子Ｑ１，Ｄ２の温度がそれぞれの定格温度の範囲内となるように設計されるが、本発明では、かかる条件に加えて、電源装置１が過負荷状態（つまり、定格電流を超える出力電流が流れる状態）となったときには、整流用の半導体素子Ｄ２がスイッチング用の半導体素子Ｑ１よりも先に熱破壊することを条件として、各半導体素子Ｑ１，Ｄ２の放熱設計が行われている。

つまり、この種の電源装置１におけるこれら半導体素子Ｑ１，Ｄ２の放熱設計においては、電源装置１の出力電流が定格電流の範囲を超えた場合でも直ちにこれら半導体素子Ｑ１，Ｄ２が熱破壊されないようにマージンをとって放熱設計されているが、本発明では、半導体素子Ｄ２について設定されるマージンを半導体素子Ｑ１について設定されるマージンよりも小さく設定することにより、電源装置１が過負荷状態となったときには、半導体素子Ｄ２が先に熱破壊されるようにしている。

ここで、この放熱設計は、これら各半導体素子Ｑ１，Ｄ２に備えられる放熱器（図示せず）の構造（具体的には、放熱器の材質、形状、大きさ）を調節することによって電源装置１に反映されるが、たとえば、スイッチング用の半導体素子Ｑ１が放熱器を備えていないような場合には、整流用の半導体素子Ｄ２側の放熱器の材質、形状、大きさを調節すること（たとえば、放熱効果の低い材質・形状を採用したり、放熱器のサイズを小さくするなど）によって、過負荷状態のときにはスイッチング用の半導体素子Ｑ１よりも先に整流用の半導体素子Ｄ２が熱破壊するように構成する。

このように、本発明の電源装置１では、過負荷状態となったときにはスイッチング用の半導体素子Ｑ１よりも先に整流用の半導体素子Ｄ２が熱破壊するように半導体素子Ｑ１，Ｄ２の放熱設計がなされているので、たとえば、出力側の異常によって電源装置１が過負荷状態に陥ったときには、スイッチングトランスＳＴ１の２次側に備えられた整流用の半導体素子Ｄ２がスイッチングトランスＳＴ１の１次側に備えられたスイッチング用の半導体素子Ｑ１よりも先に熱破壊するようになる。

そして、スイッチングトランスＳＴ１の２次側に備えられた整流用の半導体素子Ｄ２が熱破壊することによって短絡した場合には、制御回路ＩＣ１の過電流保護機能が動作するので、かかる場合でもスイッチングトランスＳＴ１の２次側には規定値Ｉｏ以上の電流（過電流）は流れないので、半導体素子Ｄ２を熱破壊させたことに伴って、スイッチングトランスＳＴ１の１次側の回路部品が２次破壊することが回避される。

そのため、本発明の電源装置１によれば、電源装置１が過負荷状態となったことによる破損部品（熱破壊される部品）は、スイッチングトランスＳＴ１の２次側に備えられた整流用の半導体素子Ｄ２に限定されるので、破損部品の特定を容易に行うことができるとともに、２次破壊による部品の破損を抑制することができる。

しかも、この場合、スイッチングトランスＳＴ１の１次側に備えられたスイッチング用の半導体素子Ｑ１は、熱破壊されることなく、制御回路ＩＣ１による過電流保護動作によってシャットダウンあるいは間欠動作することになるので、故障部品に高い電圧が印加されることが回避され、電源装置１を安全な状態に保つことができる。

なお、上述した実施形態は本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれらに限定されることなく発明の範囲内で種々の設計変更が可能である。

たとえば、上述した実施形態では、本発明の電源装置１は、交流電源ＡＣ１から所定の直流電圧出力Ｖout１を得るように構成した場合を示したが、本発明は、スイッチングトランスＳＴ１の１次側にスイッチング用の半導体素子Ｑ１を備えるとともに、スイッチングトランスＳＴ１の２次側に整流用の半導体素子Ｄ２を備える構成の電源装置であれば、直流電源から所定の直流電圧出力Ｖout１を得るように構成した電源装置にも適用可能である。

また、上述した実施形態では、スイッチングトランスＳＴ１の２次側の直流電圧出力Ｖout１が単一の電源装置１を示したが、もちろん多出力の電源装置にも適用可能である。たとえば、スイッチングトランスＳＴ１の２次側の巻線が複数備えられている場合には、２次側の各巻線ごとに備えられる整流用の半導体素子（たとえば、ダイオード）を１次側のスイッチング用の半導体素子Ｑ１よりも先に熱破壊されるように放熱設計しておくことが可能である。

また、各半導体素子Ｑ１，Ｄ２の放熱設計にあたっては、これら各半導体素子Ｑ１，Ｄ２の双方の放熱設計を調節することによって、過負荷状態のときには整流用の半導体素子Ｄ２が先に熱破壊するように構成するが、たとえば、半導体素子Ｑ１，Ｄ２のうち、一方の半導体素子の側の放熱設計の調節のみによって、過負荷状態のときには整流用の半導体素子Ｄ２が先に熱破壊するように構成しておくことも可能である。

１ 電源装置
ＡＣ１ 交流電源
Ｃ１，Ｃ２ 平滑用のコンデンサ
Ｄ１ ブリッジダイオード
Ｄ２ 整流用の半導体素子
ＩＣ１ 制御回路
Ｌ１ ＡＣラインフィルタ
Ｑ１ スイッチング用の半導体素子
ＳＴ１ スイッチングトランス

Claims (2)

1. スイッチングトランスの１次側にスイッチング用の半導体素子を備えるとともに、スイッチングトランスの２次側に整流用の半導体素子を備えた電源装置において、
   当該電源装置が過負荷状態となったときには、前記スイッチングトランスの１次側に備えられたスイッチング用の半導体素子よりも先に前記スイッチングトランスの２次側に備えられた整流用の半導体素子が熱破壊するように前記各半導体素子の放熱設計がなされているとともに、前記スイッチングトランスの２次側に規定値以上の電流が流れるのを防止する、過電流保護回路が備えられてなり、
   前記整流用の半導体素子が熱破壊により短絡した場合には、前記過電流保護回路による過電流保護動作によって、前記スイッチング用の半導体素子がシャットダウンあるいは間欠動作する
   ことを特徴とする電源装置。
2. 前記放熱設計は、前記スイッチングトランスの２次側に備えられた整流用の半導体素子の放熱器の構造によって反映されていることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。

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