JP7233460B2 - サージ保護回路および電力変換装置 - Google Patents

Description

本願は、電源と負荷との間に接続されるサージ保護回路およびこれを備えた電力変換装置に関するものである。

自動車におけるサージとして、ロードダンプサージがよく知られており、一般的にオルタネータ内にツェナーダイオードを使ったロードダンプサージ保護回路が具備されている。これにより、バッテリの下流（出力側）に接続される装置内に、個別にロードダンプサージ保護回路を設ける必要は無い。

一方、モータ駆動用の電力変換装置を使用する場合、モータエネルギの回生サージに対して、電力変換装置内に同じくツェナーダイオードを使った回生サージ保護回路が具備されていることがある。この場合、電源供給線の長さあるいは材質および電力変換装置の回路構成にもよるが、ロードダンプサージにも対応することを前提とした、回生サージ保護回路が必要となる。

例えば、ロードダンプサージのエネルギ量が、回生サージのエネルギ量より多く、かつ、オルタネータ内のロードダンプサージ保護回路よりも先に、電力変換装置内の回生サージ保護回路が動作する場合には、ロードダンプサージのエネルギを吸収してなおかつ、ツェナーダイオードが破壊しない回路としておく必要がある。

そこで、大きなエネルギ量を、破壊せずに吸収するために、ツェナーダイオードの複数配置あるいはツェナーダイオード自身の大型化などが対策としてよく知られている。

また、特許文献１にはバッテリと同電位の電源供給線に、電流を制限する抵抗を挿入し、ツェナーダイオードの破壊を防止することが挙げられている。

特許第３８９４７５４号公報

しかしながら、ツェナーダイオードの点数増加あるいは大型化は、実装面積の増加、延いてはコストアップの要因となることから好ましくない。また、特許文献１にはバッテリと同電位の電源供給線に、電流を制限する抵抗を挿入し、ツェナーダイオードの破壊を防止することが挙げられているが、モータ駆動用の電力変換装置など、通常時の電力消費が比較的大きい装置に対しては、装置が動作できるバッテリの電圧範囲が著しく低下するといった背反がある。

本願は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、電源側に起因するサージおよび負荷側に起因するサージに対して、サージ吸収体であるツェナーダイオードを大型化することなく構成することができるサージ保護回路を得ることを目的とする。

本願に開示されるサージ保護回路は、電源とモータの間に設けられた電力変換回路と、電源との間に接続されたサージ保護回路において、電源とモータとの間の電源供給線に接続されており、電源供給線に発生したサージのエネルギを吸収し、電源供給線の電圧上昇を抑制する向きに電源供給線に接続されたツェナーダイオードと、ツェナーダイオードと直列に接続されたスイッチと、ツェナーダイオードのアノードの電圧が信号線を介して入力され、アノードの電圧によって動作するものであって、抵抗とコンデンサによる充電回路で構成したタイマ手段の出力によってスイッチを開閉制御する制御部とを備え、ツェナーダイオードとスイッチとの間に抵抗が配置されており、信号線がツェナーダイオードと抵抗との間と制御部に接続されている。

本願のサージ保護回路によれば、ツェナーダイオードと直列に接続されたスイッチを制御部のタイマ機能によって開閉するので、ツェナーダイオードによるサージのエネルギ吸収に時間の上限を設定し、必要な量のエネルギだけを吸収することができるため、ツェナーダイオードの大型化を抑制でき、しかも、充電回路の抵抗がスイッチのツェナーダイオード側に配置されているので、スイッチをオフした後でも、サージ継続中は、ツェナーダイオードおよび信号線を介して制御部に電流を供給し続け、スイッチのオフ状態を保持することができるので、サージのエネルギを再度吸収することを防止することができる。

実施の形態１に係るサージ保護回路を備えた電力変換装置を示す回路図である。 実施の形態２に係るサージ保護回路を備えた電力変換装置を示す回路図である。 実施の形態３に係るサージ保護回路を備えた電力変換装置を示す回路図である。 実施の形態３に係る電力変換装置におけるマイクロコンピュータの構成例を示すブロック図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る代表的なサージ保護回路を備えた電力変換装置を示した回路図である。自動車のモータを駆動するための電力変換装置に係り、特に、モータの回生サージ保護回路を合理的に配したものである。
図１に示す電力変換装置１は、車載電源としてのバッテリ２とオルタネータ３、およびモータ４に接続され、電力変換を実施する電力変換回路５、及びサージ保護回路６で構成される。電力変換回路５は、複数のスイッチング素子によってハーフブリッジ回路に構成されている。

サージ保護回路６は、バッテリ２と同電位の電源供給線１３に発生したサージのエネルギを吸収するツェナーダイオード７と、ツェナーダイオード７に直列に接続されたスイッチ８及び抵抗１１と、ツェナーダイオード７がエネルギを吸収してからの経過時間を計測し、信号線１０を介してスイッチ８を開閉制御する制御部９で構成される。制御部９は、抵抗９ａ、コンデンサ９ｂ、抵抗９ｃ、トランジスタ９ｄで構成されている。なおスイッチ８の初期状態はオンである。抵抗９ａとコンデンサ９ｂは、充電回路を構成し、またタイマ手段としてタイマ機能を有する。トランジスタ９ｄは、スイッチ８をオフするデバイスであって、バイポーラタイプのトランジスタが使用されている。スイッチ８は、ツェナーダイオード７のアノード側に接続されたＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）であるが、ツェナーダイオード７のアノード側またはカソード側に接続されたＰチャネルＭＯＳＦＥＴであっても良い。

この構成において、ロードダンプサージ発生時にツェナーダイオード７が吸収したエネルギは、抵抗１１とスイッチ８を介してバッテリ２の負極あるいはオルタネータ３に回収されるが、一部は電流として信号線１２を介して制御部９に入力される。この電流をトリガとして、抵抗９ａとコンデンサ９ｂによるいわゆるＲＣ充電が行われ、充電電圧がトランジスタ９ｄをオンする電圧に達した際に、信号線１０を介してスイッチ８をオフする。すなわち、このように構成されたサージ保護回路は、制御部９のタイマ機能によって充電の期間のみエネルギを吸収し、充電完了後はエネルギの吸収を行わないことを特徴としている。制御部９は、モータ４の回生動作時に発生する回生サージに対しても同様に機能する。

実施の形態１のサージ保護回路６について詳細な特徴を述べる。本サージ保護回路６は、抵抗９ａとコンデンサ９ｂの定数によりエネルギ吸収の時間が任意に設定できるほか、ツェナーダイオード７に流れる電流量の大きさで、その時間が自動的に調整されるというタイマ機能の特徴を持っている。

例えば電力変換装置１の電源供給線の変更などで、ロードダンプサージ発生時の電流量が倍増したような場合、ツェナーダイオード７の発熱速度も倍増するが、前述の通り、本実施の形態によるサージ保護回路６は、流れる電流の一部を制御部９の充電に利用するため、電流量が倍増した場合は、自動的に充電の速度も倍増し、スイッチ８のオフまでの時間が短縮できる。

またサージ保護回路６は、電力変換装置１の周囲および内部の温度が高い場合にも、自動的に時間が調整されるという特徴も持っている。スイッチ８をオフするデバイスにバイポーラトランジスタ９ｄを使用しているので、高温時にトランジスタ９ｄのオンする閾値の電圧が下がるという特性を利用して、より短い時間でスイッチ８をオフして、ツェナーダイオード７を保護することができる。また、抵抗９ａに高温時に抵抗値が下がる特性を有するタイプのサーミスタを使用すれば、充電をより加速させることができる。

さらに本サージ保護回路６では、スイッチ８のオフ後に、誤って、サージのエネルギを再度吸収することを防止することができるという特徴も持っている。抵抗１１がスイッチ８の上流（ツェナーダイオード７側）に配置されているので、スイッチ８をオフした後でも、ロードダンプサージ継続中は、ツェナーダイオード７および信号線１２を介して制御部９に電流を供給し続け、トランジスタ９ｄのオン（スイッチ８のオフ）状態を保持する。

また、上述のようにスイッチ８がオフ後もロードダンプサージが継続している場合、ツェナーダイオード７は、若干量のエネルギを吸収し続けていることを意味しているが、抵抗９ａが電流制限の役割を兼ね、スイッチ８をオンしている場合のエネルギ吸収量と比較して、無視できる水準に抑えることが出来るため、ツェナーダイオード７が破壊に至ることは無い。

なお、ロードダンプサージが終息した後には、コンデンサ９ｂの自然放電により制御部９のタイマ機能がリセットされ、トランジスタ９ｄはオフし、スイッチ８はオンの状態に復帰するが、必要に応じて強制的にリセットすることも可能である。タイマ機能を強制的にリセットするリセット手段としては、例えばトランジスタ９ｄのベースとエミッタ間に抵抗を配置する、あるいはトランジスタ９ｄのベースに放電用のスイッチを接続し、マイクロコンピュータで制御する、またはマイクロコンピュータの出力端子で直接放電する、あるいは制御部９に外部からタイマリセットが可能なインターフェースを備えるなど、その方法は任意である。

本実施の形態１では、電力変換装置内にロードダンプサージのエネルギ吸収を前提としたサージ保護回路を設けなくて済むように成し、以って、実装面積の増加、コストの低減、および装置の動作電圧範囲の低下防止を図ることができるようにされた、回生サージ保護回路を得ることができる。

実施の形態１におけるサージ保護回路は、電源供給線を介して車載電源に接続された電力変換装置内に設けられ、電源供給線に発生したサージのエネルギを吸収し、電源供給線の電圧上昇を抑制する向きに接続されたツェナーダイオードと、ツェナーダイオードと直列に接続されたスイッチと、タイマ機能を内蔵し、スイッチを開閉制御する制御部を備え、サージのエネルギ吸収に時間制約を設けることを特徴としている。

実施の形態１のサージ保護回路は、エネルギ吸収用のツェナーダイオードの大型化あるいは点数増加によってサージのエネルギを全て吸収しきるのではなく、不要なサージの吸収を止めるように構成しているため、ツェナーダイオードをより小型な部品を使用して実現できる。即ち、ツェナーダイオードの点数増加あるいは大型化を抑制できる。
また、大きなエネルギの吸収を目的とした特定用途のツェナーダイオードを用いずに、幅広い用途の電気部品を使用して、安価にサージ保護回路を実現できる。

実施の形態１におけるサージ保護回路は、電源として車載電源、負荷としてモータの場合について説明したが、これに限らず、電源に起因するサージおよび負荷に起因するサージのエネルギを吸収するために、電源と負荷との間の電源供給線に接続されるものに適用可能である。後述する他の実施の形態においても同様である。

実施の形態２．
図２は、実施の形態２に係るサージ保護回路を備えた電力変換装置を示した回路図であって、図１に示す実施の形態１におけるサージ保護回路を応用したものである。この実施の形態２におけるサージ保護回路６は、図１における抵抗１１の代わりに、第１のツェナーダイオード７と並列に、小電力用の小型な第２のツェナーダイオード１４を配置し、信号線１２を接続する。このように構成されたサージ保護回路６のツェナーダイオード１４としては、動作電圧がツェナーダイオード７の動作電圧よりもやや低く、具体的にはトランジスタ９ｄのオンのベース電圧分だけ低い値のものを使用する。

実施の形態１においては、サージ吸収時の電源供給線１３の電圧は、ツェナーダイオード７の電圧に抵抗１１による電圧分がかさ上げされているが、電圧のかさ上げが許容されない場合には、本実施の形態２のように、実施の形態１における抵抗１１を設けずに、ツェナーダイオード７と並列に接続したツェナーダイオード１４で制御部９を動作させることで対応できる。ツェナーダイオード１４の動作電圧を、トランジスタ９ｄのオンのベース電圧分だけ低く設定する理由は、ツェナーダイオード７とツェナーダイオード１４がほぼ同時に動作するようにするためである。

実施の形態３．
図３は、実施の形態３に係るサージ保護回路を備えた電力変換装置を示した回路図であって、図１に示す実施の形態１におけるサージ保護回路の制御部９の一部をマイクロコンピュータ９ｅに置き換えたものである。ツェナーダイオード７に電流が流れたことを、抵抗１１の上流の電圧をソフトウェアで検出し、タイマ機能を動作させることでスイッチ８をオフする。特徴としては、タイマ機能をソフトウェアで設定できるため、調整が必要となった場合に部品の変更を必要としないことである。なお、抵抗１１の上流の電圧ではなく、電源供給線１３の電圧を検出してタイマ機能を動作させる構成でも良い。

図４は、図３に示したマイクロコンピュータ９ｅの構成の一例を示したブロック図であって、Ａ／Ｄ変換部９１、タイマ部９２、出力ポート制御部９３を有している。信号線１２を介して入力された電流は、Ａ／Ｄ変換部９１においてデジタル信号に変換され、このデジタル信号によって、タイマ手段であるタイマ部９２が動作する。タイマ部９２は、タイマ機能によって、あらかじめ設定された時間が経過後に出力を発生する。タイマ部９２からの出力信号は、出力ポート制御部９３を経由して信号線１０に出力され、図３に示したスイッチ８をオフにする。

これら実施の形態において、具体的な電子部品と構成を実施例として挙げて説明したが、タイマ機能によるサージ吸収の時間制約を成すものとしては、使用する電子部品あるいは構成は任意であり、またこれら構成要素を適宜、変更または省略することも可能である。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ 電力変換装置、２ バッテリ、３ オルタネータ、４ モータ、５ 電力変換回路、６ サージ保護回路、７ ツェナーダイオード、８ スイッチ、９ 制御部、９ａ 抵抗、９ｂ コンデンサ、９ｃ 抵抗、９ｄ トランジスタ

Claims (7)

1. 電源とモータの間に設けられた電力変換回路と、前記電源との間に接続されたサージ保護回路において、前記電源と前記モータとの間の電源供給線に接続されており、前記電源供給線に発生した前記電源に起因するサージおよび前記モータに起因するサージのエネルギを吸収し、前記電源供給線の電圧上昇を抑制する向きに接続されたツェナーダイオードと、前記ツェナーダイオードと直列に接続されたスイッチと、前記ツェナーダイオードのアノードの電圧が信号線を介して入力され、前記アノードの電圧によって動作するものであって、抵抗とコンデンサによる充電回路で構成したタイマ手段の出力によって前記スイッチを開閉制御する制御部とを備え、前記ツェナーダイオードと前記スイッチとの間に抵抗が配置されており、前記信号線が前記ツェナーダイオードと前記抵抗との間と前記制御部に接続されていることを特徴とするサージ保護回路。
2. 前記スイッチは、前記ツェナーダイオードのアノード側に接続されたＮチャネルＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項１に記載のサージ保護回路。
3. 前記スイッチは、前記ツェナーダイオードのアノード側に接続されたＰチャネルＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項１に記載のサージ保護回路。
4. 前記充電回路は、前記抵抗がサーミスタであることを特徴とする請求項1に記載のサージ保護回路。
5. 前記充電回路には、充電電圧に応じてオンオフ動作し、前記スイッチを開閉制御するバイポーラトランジスタが接続されていることを特徴とする請求項１に記載のサージ保護回路。
6. 前記制御部は、前記タイマ手段のタイマ機能をリセットするリセット機能を有したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のサージ保護回路。
7. 前記電源となる車載電源と前記モータとの間に電源供給線を介して接続されており、前記モータに接続された電力変換回路と、前記車載電源と前記電力変換回路との間に接続された請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のサージ保護回路とを備えたことを特徴とする電力変換装置。

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