JP6057087B2 - 直流電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流電源からの交流電圧を整流する整流回路と、リアクトルを介して交流電源からの交流電圧を短絡・開放するスイッチング手段とを備えて直流出力電圧を得る直流電源装置に関するものであり、特にスイッチング手段の過電流保護に関する。

スイッチング手段を用いて、リアクトルを介して交流電源からの交流電圧を短絡・開放することによって、交流電源からの交流電圧を所望の直流電圧に変換する従来の直流電源装置においては、外的要因によってスイッチング手段の短絡タイミングや短絡時間が一時的に不正規な状態となっても、スイッチング手段に定格電流以上の大電流が流れて、当該スイッチング手段が破壊されることのないよう、一般にスイッチング手段に対する過電流保護手段が備えられている。

スイッチング手段の過電流保護手段は、通常、スイッチング手段に流れる電流を検出するために、スイッチング手段のオン時に電流が流れる経路上に配置された電流検出抵抗（電流検出用の低抵抗値の抵抗）や電流センサなどから成る電流検出手段と、電流検出手段によって検出された電流値が所定の値を超えた場合にスイッチング手段を強制的にオフ状態とする駆動部とを備えている。このように構成されたスイッチング手段の過電流保護手段は、スイッチング手段に過電流が流れたとき、この過電流を検出してスイッチング手段を強制的にオフ状態とすることにより、スイッチング手段に流れる電流の最大値を抑制して、当該スイッチング手段を保護している。

図９は、スイッチング手段の過電流保護を有する従来の直流電源装置の構成の一例を示すものである。

図９に示す従来の直流電源装置は、交流電源１０１を整流する整流回路１０２と、負荷１００に電力を供給する平滑コンデンサ１０４と、整流回路１０２と平滑コンデンサ１０４との間に接続された力率改善回路１０３とを有して構成されている。力率改善回路１０３は、リアクトル１０５と順方向接続のダイオード１０６とを直列接続し、この直列接続回路に対してスイッチング素子１０７ａを並列接続して、構成されている。また、図９に示す従来の直流電源装置においては、スイッチング素子１０７ａに直列に接続された電流検出抵抗１０９を備えている。この直流電源装置は、スイッチング素子１０７ａのオン時に流れる電流を電流検出抵抗１０９により検出し、電流検出抵抗１０９により検出された電流値が所定の電流値以上となった場合にスイッチング素子１０７ａを強制的にオフ状態とすることにより、当該スイッチング素子１０７ａに過電流が流れて、スイッチング素子１０７ａが破壊されることを防止する構成を有している（例えば、特許文献１参照）。

図９に示すように、従来の直流電源装置においては、入力電流をフィードバック制御するために用いられる電流検出手段（図９では電流検出抵抗１０８）とは別に、過電流保護のために専用の電流検出手段（図９では電流検出抵抗１０９）を備えた構成がよく知られている。

特開平９−２３３８０７号公報

しかしながら、上記従来の直流電源装置においては、過電流保護のための電流検出手段を、原理上、スイッチング手段（スイッチング素子）のオン時に電流が流れる経路上に配置しなければならなかった。そのため、スイッチング素子の基準電位が平滑コンデンサのＧＮＤ電位と異なる主回路構成を有する直流電源装置（例えば、図１０に示す従来の直流電源装置の構成）では、過電流保護用の電流検出手段からの出力情報を制御部または制御部と同じ基準電位で動作するスイッチング手段１０７の駆動回路側で用いる場合には、両者間を絶縁して電気的に接続する絶縁回路が必要となる。

また、上記のような絶縁回路を用いずに過電流保護動作を行う方法としては、従来、スイッチング素子と基準電位を同じくして動作するトランジスタやコンパレータなどで構成された保護回路（例えば、図１１に示す従来の直流電源装置における保護回路１１０）を備えて制御部とは独立して保護動作させる方法がよく知られている。しかし、このような保護回路の構成を有する直流電源装置の場合には、基準電位の異なる複数のスイッチング素子を有する主回路構成を持つ直流電源装置（例えば、図１２に示す従来の直流電源装置の構成）においては、それぞれのスイッチング素子（１０７ａ，１０７ｂ）毎に電流検出手段と保護回路を設ける必要があるために、過電流保護のための回路が大型化してしまうという課題を有していた。

本発明は、上記の従来の課題を解決するものであり、スイッチング素子の基準電位が平滑コンデンサのＧＮＤ電位と異なる主回路構成を有する直流電源装置においても、保護回路のために新たな絶縁回路を必要としない直流電源装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の直流電源装置は、
交流電源からの交流電圧を整流する整流回路と、
リアクトルを介して入力された前記交流電源からの電圧を短絡・開放するスイッチング部と、
前記整流回路の出力側に設けられた平滑コンデンサと、
前記スイッチング部を駆動して前記交流電源からの入力電流波形を制御する制御部と、
前記整流回路の出力側に設けられ、前記スイッチング部のオフ時に前記平滑コンデンサを充電する電流が流れる経路に配置された電流検出部と、
前記スイッチング部の連続オン時間を制限するオン時間制限部と、
前記電流検出部によって検出された電流値が予め定められた基準電流値を超えた場合に前記スイッチング部のターンオンを禁止させる過電流判定部と、を備えている。

本発明の直流電源装置においては、主回路構成におけるスイッチング部の配置に関係なく、スイッチング部のターンオン開始時にスイッチング部に流れる電流の最大値を制限し、かつ、オン時間制限部によって１回のオン期間中に増加するスイッチング部に流れる電流の増加量を制限することができる。この結果、本発明によれば、一般に制御部の基準電位（ＧＮＤ電位）となる平滑コンデンサのＧＮＤ電位と異なる基準電位で動作するスイッチング部を有する場合においても、保護回路のために新たな絶縁回路を必要とせずに精度の高い過電流保護制御を実現することができる。

本発明の直流電源装置は、スイッチング素子の基準電位が平滑コンデンサのＧＮＤ電位と異なる主回路構成を有する直流電源装置においても、保護回路のために新たな絶縁回路を必要としない直流電源装置を提供することができる。

本発明に係る実施の形態１の直流電源装置の構成を一部ブロックで示す図 （ａ）はオン時間制限部の具体的な回路構成の一例を示す回路図、（ｂ）は、オン時間制限部の動作時の波形を示す図 （ａ）は実施の形態１の直流電源装置におけるスイッチング部のオン時に電流が流れる経路を示す図、（ｂ）は実施の形態１の直流電源装置におけるスイッチング部のオフ時に電流が流れる経路を示す図 実施の形態１の直流電源装置における、スイッチング駆動信号と入力電流との関係の一例を示す図 本発明に係る実施の形態１の直流電源装置の別の主回路構成を示す図 本発明に係る実施の形態２の直流電源装置の構成を一部ブロックで示す図 実施の形態２の直流電源装置におけるスイッチング部のオン時に電流が流れる経路を示す図であり、（ａ）は交流電源の瞬時電圧が正の場合に電流が流れる経路を示す図、（ｂ）は交流電源の瞬時電圧が負の場合に電流が流れる経路を示す図 実施の形態２の直流電源装置におけるスイッチング部のオフ時に電流が流れる経路を示す図であり、（ａ）は交流電源の瞬時電圧が正の場合に電流が流れる経路を示す図、（ｂ）は交流電源の瞬時電圧が負の場合に電流が流れる経路を示す図 従来の直流電源装置の構成を示す図 平滑コンデンサのＧＮＤ電位と基準電位が異なるスイッチング手段を有する従来の直流電源装置の主回路構成例を示す図 従来の直流電源装置における過電流保護回路の構成例を示す図 基準電位の異なる複数のスイッチング手段を有する従来の直流電源装置の主回路構成例を示す図

本発明に係る第１の態様の直流電源装置は、
交流電源からの交流電圧を整流する整流回路と、
リアクトルを介して入力された前記交流電源からの電圧を短絡・開放するスイッチング部と、
前記整流回路の出力側に設けられた平滑コンデンサと、
前記スイッチング部を駆動して前記交流電源からの入力電流波形を制御する制御部と、
前記整流回路の出力側に設けられ、前記スイッチング部のオフ時に前記平滑コンデンサを充電する電流が流れる経路に配置された電流検出部と、
前記スイッチング部の連続オン時間を制限するオン時間制限部と、
前記電流検出部によって検出された電流値が予め定められた基準電流値を超えた場合に前記スイッチング部のターンオンを禁止させる過電流判定部と、を備えている。

上記のように構成された本発明に係る第１の態様の直流電源装置は、主回路構成におけるスイッチング部の配置に関係なく、スイッチング部のターンオン開始時にスイッチング部に流れる電流の最大値を制限し、かつ、オン時間制限部によって１回のオン期間中に増加するスイッチング部に流れる電流の増加量を制限することができる。この結果、本発明によれば、一般に制御部の基準電位（ＧＮＤ電位）となる平滑コンデンサのＧＮＤ電位と異なる基準電位で動作するスイッチング部を有する場合においても、保護回路のために新たな絶縁回路を必要とせずに精度の高い過電流保護制御を実現することができる。

本発明に係る第２の態様の直流電源装置においては、前記第１の態様における前記電流検出部の一端を前記平滑コンデンサのマイナス端子に接続してもよい。上記のように構成された本発明に係る第２の態様の直流電源装置は、電流検出部として抵抗を用いることが可能となるため、前記第１の態様と同様の効果を安価な構成で得ることができる。

本発明に係る第３の態様の直流電源装置は、前記第１の態様または第２の態様において、前記電流検出部によって検出された電流値が予め定められた基準電流値を超えた場合、前記電流検出部によって検出される電流値が前記基準電流値よりも低く設定された第２の基準電流値よりも低くなるまで前記スイッチング部のターンオン禁止を継続するよう構成してもよい。上記のように構成された本発明に係る第３の態様の直流電源装置は、断続的に過電流状態になるような状況下に置かれた場合において、過電流状態に入る周期を長くすることができるため、過電流状態になる頻度を低減することにより、スイッチング部の温度上昇をより低く抑えることが可能となる。

本発明に係る第４の態様の直流電源装置は、前記第１の態様または第２の態様において、前記電流検出部によって検出された電流値が予め定められた基準電流値を超えた場合、所定の時間が経過するまで前記スイッチング部のターンオン禁止を継続するよう構成してもよい。上記のように構成された本発明に係る第４の態様の直流電源装置は、前記第３の態様の構成と同様、断続的に過電流状態になるような状況下に置かれた場合において、スイッチング部の温度上昇をより低く抑えることが可能となる。

本発明に係る第５の態様の直流電源装置は、前記第１の態様または第２の態様において、前記電流検出部によって検出された電流値が予め定められた基準電流値を超えた場合、前記制御部がリセットされるまで前記スイッチング部のターンオン禁止を継続するよう構成してもよい。上記のように構成された本発明に係る第５の態様の直流電源装置は、断続的に過電流状態になるような状況下におかれた場合には、スイッチング部による昇圧動作を停止することで、スイッチング部の温度上昇を、前記第４の態様または第５の態様の構成に比べてさらに低く抑えることができる。

本発明に係る第６の態様の直流電源装置においては、前記第１の態様乃至第５の態様のいずれかの態様における前記制御部が、前記スイッチング部の駆動信号をＰＷＭ制御によって出力生成するものであって、かつ、前記オン時間制限部が、ＰＷＭのデューティ比に最大値を設けることによって前記スイッチング部の連続オン時間を制限するよう構成してもよい。上記のように構成された本発明に係る第６の態様の直流電源装置は、前記第１の態様の構成における効果を、簡単な構成にて実現することができる。

本発明に係る第７の態様の直流電源装置において、前記第１の態様乃至第５の態様のいずれかの態様における前記オン時間制限部は、前記制御部からの前記スイッチング部の駆動信号のオン・オフに対応して充放電される時定数回路を備え、該時定数回路の充電電圧に基づいて、前記スイッチング部の連続オン時間を制限するよう構成してもよい。上記のように構成された本発明に係る第７の態様の直流電源装置は、保護回路のために新たな絶縁回路を必要としない過電流保護制御を実現することができる。

以下、本発明に係る実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態において説明する構成に限定されるものではなく、同等の技術的思想に基づく構成を含むものである。

（実施の形態１）
図１は、本発明に係る実施の形態１の直流電源装置の構成を一部ブロックで示す図である。

図１に示すように、本発明に係る実施の形態１の直流電源装置は、交流電源１の一端に接続されたリアクトル２と、リアクトル２を介して交流電源１を短絡・開放する双方向性のスイッチング手段であるスイッチング部３と、スイッチング部３を駆動する駆動部４と、スイッチング部３の両端に交流入力端がそれぞれ接続された整流回路５と、整流回路５の直流出力端間に接続された平滑コンデンサ６と、マイクロコンピュータなどで構成される制御部７と、交流電源１の両ライン間に接続された交流電圧位相検出部８と、を備えている。交流電圧位相検出部８としては、例えば、ゼロクロス検出回路などで構成される。制御部７は、交流電圧位相検出部８から得られる交流電源１の電圧位相情報をもとに、平滑コンデンサ６に接続された負荷９へ供給される直流電圧が所望の直流電圧となるようにスイッチング部３を短絡・開放させるためのスイッチング駆動信号を生成する。

実施の形態１の直流電源装置におけるスイッチング部３は、双方向性のものであればよく、例えば、ダイオードブリッジの出力端間をＩＧＢＴで短絡するように組み合わせた回路（ダイオードブリッジの交流入力端がスイッチング部３の両端に相当する）や、各々ソース端子を共通として逆向きに直列接続された２個のパワーＭＯＳＦＥＴ等で構成することができる。

スイッチング手段であるスイッチング部３の制御方法としては、一般にアクティブフィルタと呼ばれる構成により、約２０ｋＨｚ以上の比較的高い周波数でスイッチング動作を行って、交流電源１からの入力電流を略正弦波状の波形となるように制御しながら、入力電流の振幅を調整することで、平滑コンデンサ６の直流出力電圧を所望の電圧に制御する方法を用いてもよい。または、入力電流自体の電流フィードバック制御は行わずに、交流電源１の電源周期の１／２周期ごとにスイッチング部３の短絡・開放動作を数回程度行うことで、スイッチング部３の短絡幅の調整によって平滑コンデンサ６の直流出力電圧に対する電圧フィードバック制御を行う方法でもよい。いずれの制御方法も公知であり、よく知られており、かつ、直流電圧フィードバックや入力電流フィードバックの有無は本発明に直接関係しないため、その制御方法の詳細については記載を省略する。

さらに、実施の形態１の直流電源装置は、整流回路５の直流出力ライン上にあってスイッチング部３のオフ期間に平滑コンデンサ６を充電する向きに流れる電流を検出する電流検出手段である電流検出部１０と、電流検出部１０によって検出された電流の値が予め定められた基準電流値Ｉｏｃを超えているか否かを判定する過電流判定部１１と、スイッチング部３の連続オン時間を制限するオン時間制限部１２とを備える。

実施の形態１の直流電源装置における駆動部４は、制御部７からのスイッチング駆動信号に基づいてスイッチング部３を短絡・開放する。

ただし、過電流判定部１１において、電流検出部１０により検出された電流値が基準電流値Ｉｏｃを越えて過電流状態にあると判定された場合には、制御部７からのスイッチング駆動信号によらず、スイッチング部３を強制的にオフ状態に固定する。

図２（ａ）はオン時間制限部１２の具体的な回路構成の一例を示す回路図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示したオン時間制限部１２の動作時の波形を示す図である。

図２（ａ）に示すように、オン時間制限部１２におけるコンデンサＣ１は、制御部７からのスイッチング駆動信号がオンの場合に、抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２を介して充電されて電圧が上昇し、最大連続オン時間Ｔｍａｘを経過した時にコンパレータＣＯＭＰ１の出力が反転するように時定数が調整されている。

コンパレータＣＯＭＰ１の出力が反転するまでは、スイッチング駆動信号のオン・オフがそのままオン時間制限部１２の出力として出力されるが、コンパレータＣＯＭＰ１の出力反転時には、スイッチング駆動信号がオンであってもオン時間制限部１２の出力信号は、オフとなる。

また、制御部７からのスイッチング駆動信号がオフの場合には、コンデンサＣ１は、抵抗Ｒ２のみを介して放電される。

例えば、コンデンサＣ１の充電時間に対して放電時間が１桁以上短くなるように回路の時定数を設定することにより、スイッチング駆動信号のオフ中、すなわち、次のオン信号を受けるまでにコンデンサＣ１の電圧を十分低い値に戻すことができる。

なお、オン時間制限部１２は、制御部７からのスイッチング部３に対するスイッチング駆動信号のオン・オフに対応して充放電される時定数回路を備えて、この時定数回路の充電電圧に基づいて、スイッチング部３の連続オン時間を制限するよう構成してもよい。その場合の時定数回路は、スイッチング駆動信号のオン時に充電され、オフ時に放電するよう構成してもよいし、スイッチング駆動信号のオフ時に充電され、オン時に放電するよう構成してもよい。

以上により、オン時間制限部１２は、図２（ｂ）に示すように、制御部７からのスイッチング駆動信号において、予め定められた最大連続オン時間Ｔｍａｘに達する連続オン信号が発生した場合に、スイッチング部３を強制的にターンオフし、その後、少なくとも制御部７からのオン信号が継続している期間、スイッチング部３を強制的にオフ状態に保つようにスイッチング駆動信号を修正している。

図３（ａ）は、実施の形態１の直流電源装置において、スイッチング部３のオン期間中に電流が流れる経路を示す図である。

図３（ａ）に示すように、スイッチング部３のオン時にスイッチング部３に流れる電流は、交流電源１からの入力電流の大きさに等しく、電流検出部１０には電流が流れない。実際には、ターンオン時に電流検出部１０にリカバリー電流が流れるが、本発明の直流電源装置の内容に関係しないため、図中では無視している。

次に、図３（ｂ）は、実施の形態１の直流電源装置において、スイッチング部３のオフ時に電流が流れる経路を示す図である。

図３（ｂ）に示すように、電流検出部１０には、スイッチング部３のオフ時には入力電流に等しい電流が流れることが理解できる。

なお、図３（ａ）および図３（ｂ）は、交流電源１の交流電圧の瞬時値が正の場合の電流の流れを示す図であるが、交流電源１の瞬時電圧が負の場合も同様であるため、記載を省略する。

図４は、実施の形態１の直流電源装置における、スイッチング駆動信号と入力電流との関係の一例を示す図である。

図４に示すように、スイッチング駆動信号中における任意のオン期間Ｔｏｎ（図４においては、オンの開始点をＡ点、オンの終了点をＢ点と記載）中における電流値の増加分ΔＩｏｎを考えると、この電流の増加量ΔＩｏｎは、交流電源１の交流電圧の瞬時値の最大値をＶｐ（＞０）、リアクトル２のインダクタンス値をＬとして、次式（１）で表される。

ΔＩｏｎ≦（Ｖｐ／Ｌ）×Ｔｏｎ （１）

実施の形態１の直流電源装置においては、何らかの理由により制御部７からのスイッチング駆動信号中のオン信号幅が正常動作時に比べて大きくなった場合においても、オン時間制限部１２によって連続オン信号の最大幅がＴｍａｘ以下に制限されている。このため、１回のオン期間中にスイッチング部３を流れる電流の増加量ΔＩｏｎは、いかなる場合でも下記の関係式（２）を満足する。

ΔＩｏｎ≦（Ｖｐ／Ｌ）×Ｔｍａｘ （２）

さらに、実施の形態１の直流電源装置は、スイッチング部３のオフ時にはスイッチング部３のターンオン直前の状態であるオフ時において、電流検出部１０を流れる電流値が基準電流値Ｉｏｃ以下でなければ、制御部７からのスイッチング駆動信号がオンになっても、スイッチング部３をターンオンさせない構成である。このため、いかなる場合においても、スイッチング部３のオン時にスイッチング部３を流れる電流の最大値Ｉｍａｘは、次式（３）で算出される電流値Ｉｍａｘ以下に制限される。

Ｉｍａｘ＝Ｉｏｃ＋（Ｖｐ／Ｌ）×Ｔｍａｘ （３）

以上のように、実施の形態１の直流電源装置は、スイッチング部３を構成するスイッチング素子の最大電流定格とリアクトル２のインダクタンス値Ｌに合わせて、基準電流値Ｉｏｃおよび最大連続オン時間Ｔｍａｘを設定しておくことにより、スイッチング部３を構成するスイッチング素子に流れる最大電流値をＩｍａｘ以下に制限することができる。

なお、実際にスイッチング部３のオフ期間を設定するにあたっては、ターンオフ時間を考慮する必要があるため、最大連続オン時間Ｔｍａｘの設定においてもターンオフ時間を考慮する必要があることは言うまでもない。

また、本発明に係る実施の形態１の直流電源装置は、平滑コンデンサ６に流れる電流を検出する経路に電流検出部１０を有している。このため、本発明の直流電源装置においては、スイッチング部３のオフ時に流れる電流の向きだけでなく、その逆向きの電流についても検出できる回路構成でさえあれば、スイッチング部３のターンオン時に流れる整流回路５中のダイオードによるリカバリー電流についても検出し、保護することが可能である。

さらに、本発明の直流電源装置においては、リアクトル２のコア材料として、珪素鋼板を用いると、センダストなどの高周波材料系のコアで構成した場合と比べて比較的大きなインダクタンスを安価に得られるので、最大連続オン期間Ｔｍａｘ中の電流の増加量ΔＩｏｎをより小さく抑えることができる。

通常、基準電流値Ｉｏｃは、直流電源装置の実動作範囲における最大電流値に合わせて設定されるため、電流の増加分ΔＩｏｎをより小さく抑えることによって、本発明の直流電源装置においては、スイッチング部３として、電流定格がより小さな値を有するスイッチング素子の使用が可能になるという効果を奏する。

また、本発明の直流電源装置は、過電流状態が連続して発生する頻度を削減するために、過電流判定部１１において、基準電流値Ｉｏｃにヒステリシスを設けることが好ましい。このように構成された本発明の直流電源装置においては、スイッチング部３のオフ時に電流検出部１０に流れる電流が基準電流値Ｉｏｃを一旦越えた場合、基準電流値（第１基準電流値）Ｉｏｃよりも小さな値（第２基準電流値）に設定された電流値まで下がらない限り、スイッチング部３をターンオンさせず、オフ状態を継続するように制御することでき、直流電源装置に対する過電流保護において効果的な構成となる。

また、本発明の直流電源装置において、スイッチング部３のオフ時に電流検出部１０に流れる電流が基準電流値Ｉｏｃを一旦越えた場合には、所定の時間が経過するまでスイッチング部３がターンオンしないように制御しても同様の効果を得ることができる。

さらに、スイッチング部３のオフ時に電流検出部１０に流れる電流が基準電流値Ｉｏｃを１回でも越えた場合には、制御部７が一旦リセット（例えば、再始動）されるまでターンオンしないように制御することによって、過電流状態が断続的に発生する可能性をなくすことができる。このように構成することにより、本発明の直流電源装置における過電流時のスイッチング素子の温度上昇をより小さく抑えることができる。

なお、本発明の直流電源装置においては、スイッチング部３の連続オン時間を制限する手段として、オン時間制限部１２と駆動部４とが必ずしも独立した関係にある必要はなく、駆動部は連続オン時間が最大連続オン時間Ｔｍａｘ以上になったことを検出する連続オン時間検出部（図示せず）を備えており、連続オン時間が最大連続オン時間Ｔｍａｘ以上になったときに、駆動部においてスイッチング部３を強制的にオフにするように制御してもよい。

また、本発明に係る実施の形態１の直流電源装置として、スイッチング部３が整流回路５の交流側に配置された主回路を持つ例で示したが、図５に示すように、スイッチング部が整流回路の直流側に配置された、一般的な１石型の主回路構成においても、同様の効果を奏することは言うまでもない。

以上のように、本発明の直流電源装置は、実施の形態１において説明したように、スイッチング手段（スイッチング部３）の連続オン時間を制限する回路を備えて、１回のオン時間内にスイッチング手段を流れる電流が増加する電流増加量ΔＩｏｎを抑制する構成を有している。また、本発明の直流電源装置は、スイッチング手段のオフ期間にコンデンサを充電する電流を、整流回路の出力側に接続されたコンデンサのマイナス端子に接続された電流検出手段（電流検出部１０）を用いて検出しており、所定の基準電流値を越えている場合にはスイッチング手段のターンオンを禁止することにより、主回路構成におけるスイッチング素子の個数によらず単一の電流検出手段だけを用いて、スイッチング手段に流れる電流値を（Ｉｏｃ＋ΔＩｏｎ）に抑制することができる構成となっている。

さらに、本発明の直流電源装置においては、電流検出手段（電流検出部１０）を平滑コンデンサのマイナス端子に接続することにより、電流検出用の抵抗を用いて電流値を簡単に検出することができるため、安価に過電流保護回路を構成することが可能である。

（実施の形態２）
図６は、本発明に係る実施の形態２の直流電源装置の構成を一部ブロックで示す図である。

図６に示すように、本発明に係る実施の形態２の直流電源装置は、交流電源１の一端に接続されたリアクトル２と、交流電源１からの交流電圧を直流に整流するために、交流電源１の両ライン間にリアクトル２を介してその交流入力端が接続された整流回路５と、リアクトル２を介して交流電源１を短絡・開放するために、整流回路５を構成する４個のダイオードのうちの２個のダイオード５ａおよび５ｂと並列に、電流の流れる向きが逆となる方向に接続されたスイッチング素子３ａおよび３ｂと、整流回路５の直流出力端間に接続された平滑コンデンサ６と、スイッチング素子３ａおよび３ｂを有するスイッチング部３のスイッチング駆動信号を生成する制御部７と、を備えている。このように構成された実施の形態２の直流電源装置は、平滑コンデンサ６に接続された負荷９に対して直流電圧を供給する。

さらに、実施の形態２の直流電源装置においては、実施の形態１の直流電源装置と同様に、整流回路５の直流出力ライン上にあってスイッチング部３のオフ時に平滑コンデンサ６を充電する向きに流れる電流を検出する電流検出部１０と、電流検出部１０によって検出された電流の値が予め定められた基準電流値Ｉｏｃを超えているか否かを判定する過電流判定部１１と、スイッチング部３の連続オン時間を制限するオン時間制限部１２と、を備えている。

特に、電流検出部１０を平滑コンデンサ６のＧＮＤ側に接続して配置する場合には、電流検出部１０として、抵抗の使用が可能となり、必要に応じてＯＰアンプ等で増幅することにより、回路を簡単に構成することができる。

図７（ａ）および図７（ｂ）は、実施の形態２の直流電源装置において、スイッチング部３のオン時に電流が流れる経路を示す図であり、図７（ａ）は、交流電源１の瞬時電圧が正の場合において電流が流れる経路を示している。図７（ｂ）は、交流電源１の瞬時電圧が負の場合において電流が流れる経路を示している。

図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、スイッチング部３がオン状態、すなわち、スイッチング素子３ａまたは３ｂがオンの場合には、交流電源１の電圧位相によらず、電流検出部１０には電流が流れないため、オンとなっているスイッチング素子（スイッチング素子３ａまたは３ｂ）を流れる電流を直接検出することはできない。スイッチング素子３ａまたは３ｂのオン期間をＴｏｎ、リアクトル２を流れる電流、すなわち、オン期間中にスイッチング素子３ａまたは３ｂを流れる電流の増加量をΔＩｏｎとすると、実施の形態１の直流電源装置と同様に、電流の増加量ΔＩｏｎは、交流電源１の電圧波高値Ｖｐとリアクトル２のインダクタンス値Ｌを用いて算出される下記関係式（４）に示す値以下となる。

ΔＩｏｎ≦（Ｖｐ／Ｌ）×Ｔｏｎ （４）

したがって、実施の形態１の直流電源装置と同様、オン時間制限部１２によって、１回の連続オン時間を最大連続オン時間Ｔｍａｘ以下に制限することによって、１回のオン期間中にスイッチング部３（スイッチング素子３ａまたは３ｂ）に流れる電流の増加量ΔＩｏｎは、下記関係式（５）に示す値以下に制限される。

ΔＩｏｎ≦（Ｖｐ／Ｌ）×Ｔｍａｘ （５）

次に、図８（ａ）および図８（ｂ）は、スイッチング部３のオフ時に電流が流れる経路を示す図である。図８（ａ）は、交流電源１の瞬時電圧が正の場合に電流が流れる経路を示しており、図８（ｂ）は、交流電源１の瞬時電圧が負の場合に電流が流れる経路を示している。

図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、スイッチング部３がオフ、すなわち、スイッチング素子３ａおよび３ｂがオフの場合には、交流電源１の電圧位相によらず、電流検出部１０には、交流電源１からの入力電流の大きさに等しい電流が流れる。

実施の形態２の直流電源装置は、スイッチング素子３ａおよび３ｂがオフの場合に流れる入力電流を、電流検出部１０によって常に検出することができる。このため、実施の形態２の直流電源装置においては、オフ時の入力電流の大きさが基準電流値Ｉｏｃを越えている場合には、駆動部４において、制御部７からのスイッチング駆動信号がオンになってもターンオンしない保護動作が実行されている。この結果、実施の形態２の直流電源装置においては、スイッチング部３を構成するスイッチング素子３ａおよび３ｂに流れる電流値の最大値を以下の式（６）に示す値Ｉｍａｘよりも小さく保つことができる。

Ｉｍａｘ＝Ｉｏｃ＋（Ｖｐ／Ｌ）×Ｔｍａｘ （６）

以上のことから、実施の形態２の直流電源装置は、スイッチング部３のオン期間中にスイッチング部３に流れる電流を検知する手段を持たなくても、スイッチング部３のオフ時に電流が流れる経路に配置された電流検出部１０を用いることによって、基準電位の異なる複数のスイッチング素子（例えば、３ａおよび３ｂ）で構成される主回路構成を有する場合においても、単一の電流検出部１０により過電流保護動作を実現することが可能である。

直流電源装置には、もともとスイッチング部３を駆動するための絶縁回路、もしくはレベルシフト回路を、スイッチング部３のドライブ回路として有しているため、得られたスイッチング駆動信号を前記のドライブ回路に供給することにより、特別に絶縁回路やレベルシフト回路を必要とせず、スイッチング部３を構成するスイッチング素子の過電流保護を簡単に実現することが可能である。

さらに、スイッチング部３をマイクロコンピュータ等の制御部７を用いてＰＷＭ制御によってオン・オフ制御を行っている場合には、ＰＷＭ出力の最大オンデューティ比を制限することによって、オン時間制限部１２を簡単に構成することができる。

特に、交流電源１の電源周期あたりのスイッチング部３のスイッチング回数が多くなるほど、１回あたりの連続オン時間を短く設計することができる。その結果、最大連続オン時間Ｔｍａｘ中の電流の増加量ΔＩｏｎをより小さく抑えることができるため、実施の形態２の直流電源装置においては、電流定格のより小さなスイッチング素子の使用が可能になる。

また、上記のように実施の形態２の直流電源装置においては、直流電源装置の主回路が、基準電位の異なる複数のスイッチング素子によって構成される場合においても、単一の電流検出手段である電流検出部１０により過電流保護回路の構成が可能な直流電源装置を構築することができる。

以上のように、本発明の直流電源装置は、スイッチング手段であるスイッチング部のオフ時に出力コンデンサ（平滑コンデンサ）を充電する電流を検出する電流検出手段である電流検出部と、電流検出部で検出された電流が過電流か否かを判定する過電流判定部と、スイッチング部の連続オン時間を制限するオン時間制限部を設けることにより、直流電源装置の主回路を構成するスイッチング素子の基準電位や個数によらず、絶縁回路が不要の単一の電流検出部にて簡単に過電流保護を構成することができる。

本発明の直流電源装置は、スイッチング手段であるスイッチング部の連続オン時間を制限する回路を備えて１回のオン時間内にスイッチング部を流れる電流が増加する電流増加量ΔＩｏｎを抑制するとともに、スイッチング部のオフ期間に出力コンデンサ（平滑コンデンサ）を充電する電流を、整流回路の出力側に接続された出力コンデンサのマイナス端子に接続された電流検出手段である電流検出部を用いて検出するよう構成されている。このため、本発明の直流電源装置においては、所定の基準電流値を越えている場合には、スイッチング部のターンオンを禁止することにより、主回路構成におけるスイッチング素子の個数によらず単一の電流検出部だけを用いて、スイッチング部に流れる電流値を（Ｉｏｃ＋ΔＩ）に抑制することが可能となる。

本発明の直流電源装置においては、電流検出手段である電流検出部を出力コンデンサのマイナス端子に接続することにより、電流検出用の抵抗を用いて電流値を簡単に検出することができる。このため、本発明の直流電源装置は、安価に過電流保護回路を構築することが可能となる。

本発明の直流電源装置においては、オン時間制限部によって、スイッチング手段であるスイッチング部の連続オン時間を最大連続オン時間Ｔｍａｘ以下に制限することにより１回のオン期間においてスイッチング手段を流れる電流の増加量ΔＩｏｎを制限することができる。

また、本発明の直流電源装置においては、スイッチング手段のオフ期間に流れる電流が所定の基準電流値Ｉｏｃよりも大きい場合にスイッチング手段のターンオンを禁止することにより、スイッチング手段のターンオン開始時にスイッチング手段に流れる電流値の最大値を基準電流値Ｉｏｃ以下に制限することができる。このため、本発明の直流電源装置においては、スイッチング手段のオン時にスイッチング手段に流れる電流値の最大値を（Ｉｏｃ＋ΔＩｏｎ）に制限することにより過電流保護を行うことができる。

本発明の直流電源装置は、直流電源装置の主回路を構成するスイッチング素子の基準電位や個数によらず、絶縁不要の単一の電流検出部にて簡単に過電流保護を構成できるため、交流電源からの交流電圧を一旦直流電圧に変換して、負荷へ電力供給する冷蔵庫、洗濯機、ヒートポンプ給湯機などの各種機器への用途に適用することができる。

１ 交流電源
２ リアクトル
３ スイッチング部
５ 整流回路
６ 平滑コンデンサ
７ 制御部
９ 負荷
１０ 電流検出部
１２ オン時間制限部

Claims (7)

1. 交流電源からの交流電圧を整流する整流回路と、
   リアクトルを介して入力された前記交流電源からの電圧を短絡・開放するスイッチング部と、
   前記整流回路の出力側に設けられた平滑コンデンサと、
   前記スイッチング部を駆動して前記交流電源からの入力電流波形を制御する制御部と、
   前記整流回路の出力側に設けられ、前記スイッチング部のオフ時に前記平滑コンデンサを充電する電流が流れる経路に配置された電流検出部と、
   前記スイッチング部の連続オン時間を制限するオン時間制限部と、
   前記電流検出部によって検出された電流値が予め定められた基準電流値を超えた場合に前記スイッチング部のターンオンを禁止させる過電流判定部と、を備えた直流電源装置。
2. 前記電流検出部の一端が前記平滑コンデンサのマイナス端子に接続されている請求項１に記載の直流電源装置。
3. 前記電流検出部によって検出された電流値が予め定められた基準電流値を超えた場合、前記電流検出部によって検出される電流値が前記基準電流値よりも低く設定された第２の基準電流値よりも低くなるまで前記スイッチング部のターンオン禁止を継続するよう構成された請求項１または２に記載の直流電源装置。
4. 前記電流検出部によって検出された電流値が予め定められた基準電流値を超えた場合、所定の時間が経過するまで前記スイッチング部のターンオン禁止を継続するよう構成された請求項１または２に記載の直流電源装置。
5. 前記電流検出部によって検出された電流値が予め定められた基準電流値を超えた場合、前記制御部がリセットされるまで前記スイッチング部のターンオン禁止を継続するよう構成された請求項１または２に記載の直流電源装置。
6. 前記制御部は、前記スイッチング部の駆動信号をＰＷＭ制御によって出力生成するものであって、かつ、前記オン時間制限部は、ＰＷＭのデューティ比に最大値を設けることによって前記スイッチング部の連続オン時間を制限するよう構成された請求項１から５のいずれか一項に記載の直流電源装置。
7. 前記オン時間制限部は、前記制御部からの前記スイッチング部の駆動信号のオン・オフに対応して充放電される時定数回路を備え、該時定数回路の充電電圧に基づいて、前記スイッチング部の連続オン時間を制限するよう構成された請求項１から５のいずれか一項に記載の直流電源装置。

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