JPH05316649A - 直流電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 サージ電圧吸収回路の定電圧素子の容量を大
きく設定しても、サージ電圧により定電圧素子がショー
トしても、リーク電流を防止し直流電源装置の安全性，
信頼性を向上する。 【構成】 交流電源１のラインＨ，ラインＮ間にかかる
ノーマルモードのサージ電圧に対してはコンデンサ８，
９とアレスタ１０，１１（第１の定電圧素子）の直列回
路１２，１３が、ラインＨ又はラインＮとフレームグラ
ンドＦＧ間にかかるコモンモードのサージ電圧に対して
は、コンデンサ８又は９及びアレスタ１０又は１１とバ
リスタ１４（第２の定電圧素子）とがそれぞれ直列に作
用してサージ電圧を吸収する。いずれも２個の定電圧素
子が直列に作用するから耐圧性，電力容量が増すと共
に、いずれか１個がショートしてもサージ電圧吸収作用
を維持し、万一両方共ショートした場合にもコンデンサ
８，９がリーク電流を防止するから、感電の危険がな
い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は独立装置としての、あ
るいは本体電子装置に内蔵された直流電源装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近時、電子機器は電子回路用のみなら
ず、所要精度の向上に供って以前は交流電源により駆動
していたモータ，ソレノイド等の電動機構系まで安定化
又は準安定化した直流電力を使用するようになったた
め、直流電源装置に要求される電力容量が次第に増大し
て来ている。

【０００３】そのため、直流電源装置には、小型軽量で
電力変換効率の高い（電力ロスの少ない）スイッチング
レギュレータ方式のＤＣ−ＤＣコンバータを採用したも
のが多い。さらに、これらの直流電源装置は、互に出力
電圧の異なる安定化又は準安定化した多出力が簡単に得
られ、また商用交流電源の範囲であれば、電圧（１００
Ｖ系，２００Ｖ系）や周波数（５０Ｈｚ，６０Ｈｚ）に
関係なく、何等の切換操作を行なわずに接続出来るとい
う優れた特徴をもっている。

【０００４】図３は、このようなスイッチングレギュレ
ータ方式のＤＣ−ＤＣコンバータを用いた直流電源装置
の従来例を示す回路図であり、交流電源１からの交流電
力を入力する電源フューズＦＳを備えたＡＣ入力部２
と、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３とチョークコイルＬか
らなるノイズフィルタとサージ電圧を吸収する酸化亜鉛
バリスタ（以下単に「バリスタ」ともいう）ＺＶからな
るノイズ遮断部４と、交流電力を整流平滑する整流平滑
部５と、該整流平滑部５が出力する１次直流電力を所要
電圧の２次直流電力に変換して負荷７に供給するＤＣ−
ＤＣコンバータ６により構成されている。

【０００５】ここで、ノイズ遮断部４のノイズフィルタ
は交流電源１からの外来ノイズと、ＤＣ−ＤＣコンバー
タ６が発生するスイッチングノイズを共に遮断する。バ
リスタＺＶは、落雷により誘導される又は他の大電力機
器のオン・オフによる時には１０ＫＶにも達することが
あるサージ電圧を吸収するサージ電圧吸収素子であり、
交流電力ライン間にのったノーマルモードのサージ電圧
のエネルギを吸収して、整流平滑部５，ＤＣ−ＤＣコン
バータ６の各素子を破壊から防ぐ。

【０００６】しかしながら、サージ電圧はノーマルモー
ドだけではなく、交流電力ラインのいずれかと直流電源
装置及びそれを使用する機器のフレームグランドＦＧ
（以下「グランドＦＧ」ともいう）との間にのってくる
コモンモードのサージ電圧もあり、このコモンモードの
サージ電圧に対しては図３に示したバリスタＺＶは無効
である。

【０００７】このようなノーマルモードやコモンモード
のサージ電圧を防ぐため、例えば実開昭６３−１９８３
８４号公報に示されたように、バリスタＺＶ等の定電圧
素子を、交流入力相互間（ノーマルモード）、交流入力
・接地間（コモンモード）、直流電源・接地間，スイッ
チング素子の主電極間，直流出力・接地間（以上、ノー
マル，コモンに派生するモード）のいずれかに接続する
提案があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例えば
酸化金属バリスタやガスチューブアレスタ等のサージ電
圧を吸収するための定電圧素子（特に双方向性定電圧素
子が望ましい）は、サージ電力が定格以内であれば自己
復帰性を備えているが、過大なサージ電力が印加される
と端子間がショート状態になって復帰しない場合が多
い。

【０００９】図３に示した従来例では、バリスタＺＶが
交流電力ライン間をショートした状態になればＡＣ入力
部２のフューズＦＳが切れて、直流電源装置及び接続さ
れた電子機器を保護し、それらの装置，機器にユーザが
触れても（サージ電圧が収まった後であれば）感電の恐
れがない。しかしながら、実開昭６３−１９８３８４号
公報に示された実施例のように各個所に設けられたバリ
スタ（ＺＮＲ）のいずれかがショートすると、交流電力
ラインの片方がフレームグランドＦＧに短絡して、火炎
発生や感電等の重大事故が発生する恐れがある。

【００１０】また、ショート状態にならない場合でも、
吸収出来るサージ電力を大きくするためバリスタの容量
を大きく設定すればリーク電流も増大するから、予め定
めた直流電源装置や電子機器のリーク電流の規格をオー
バーして、感電等の危険性が高くなる。あるいは、火炎
発生にまで到らないとしても、リーク電流による発熱で
素子を損ったり、発煙事故を生じる恐れはあり、大容量
の直流電源装置では電源フューズＦＳの容量も大きいの
で、この程度の電流では電源フューズＦＳが切れること
を期待出来ない。

【００１１】この発明は上記の点に鑑みてなされたもの
であり、サージ電圧吸収回路の定電圧素子の容量を大き
く設定しても、万一サージ電圧により定電圧素子がショ
ート状態になった時にもリーク電流を防止し、直流電源
装置の安全性，信頼性を向上することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明は上記の目的を
達成するため、電源フューズを備えた交流電源入力部
と、該入力部から入力する交流電力を整流平滑する整流
平滑部と、該整流平滑部により整流平滑された１次直流
電力を所定電圧の安定化直流電力に変換して負荷に出力
するＤＣ−ＤＣコンバータとを備えた直流電源装置にお
いて、交流電源入力部と整流平滑部との間の交流電力ラ
イン間にコンデンサと第１の定電圧素子とからなる直列
回路を２個直列にして接続し、該２個の直列回路相互の
接続部とフレームグランドとの間に第２の定電圧素子を
接続してなるサージ電圧吸収回路を設けたものである。

【００１３】上記の直流電源装置において、第１の定電
圧素子をガスチューブアレスタ、第２の定電圧素子を酸
化金属バリスタとするか、あるいは第１の定電圧素子を
酸化金属バリスタ、第２の定電圧素子をガスチューブア
レスタとすればよい。

【００１４】

【作用】上記のように構成した直流電源装置は、交流電
力ライン間にのったノーマルモードのサージ電圧に対し
てはコンデンサと第１の定電圧素子との直列回路が２個
直列に作用し、交流電力ラインの一方とフレームグラン
ドの間にのったコモンモードのサージ電圧に対しては、
いずれかの直列回路のコンデンサ及び第１の定電圧素子
と第２の定電圧素子とが直列になって作用する。

【００１５】したがって、ノーマルモード，コモンモー
ドのいずれのサージ電圧に対しても定電圧素子が２個直
列に作用するから、サージ耐圧が増大して定電圧素子が
破壊され難くなる。もし、いずれか１個の定電圧素子が
ショートしても他の定電圧素子が復帰するから、いずれ
のモードのサージ電圧に対してもサージ電圧吸収作用を
維持する。

【００１６】万一、直列に作用した定電圧素子が２個と
もショートしても、２個の直列回路のコンデンサによっ
て交流電力ライン間及び交流電力ラインとフレームグラ
ンドとの間が絶縁されているから、発火や感電事故に対
して安全性が確保される。

【００１７】このような直流電源装置の第１及び第２の
定電圧素子を酸化金属バリスタ及びガスチューブアレス
タの異種の定電圧素子の組合せにより構成すれば、ノー
マルモードのサージ電圧に対しては同種の定電圧素子が
直列に、コモンモードのサージ電圧に対しては異種の定
電圧素子が直列に作用するから、それぞれの特性に応じ
てサージ電圧を分担吸収する。

【００１８】

【実施例】図１はこの発明の第１実施例である直流電源
装置の構成を示す回路図である。図１に示した第１実施
例は、電源フューズＦＳを備えた交流電源入力部である
ＡＣ入力部２と、サージ電圧吸収回路３ａと、ノイズ遮
断部４，整流平滑部５，ＤＣ−ＤＣコンバータ６とによ
り構成されている。

【００１９】この第１実施例が図３に示した従来例と異
なる所は、ＡＣ入力部２とノイズ遮断部４との間にサー
ジ電圧吸収回路３ａを設けたことであり、ノイズ遮断部
４のバリスタＺＶはそのまま残してもよく、廃止しても
よい。その他の同一部分には同一符号を付している。

【００２０】商用電源である交流電源１からＡＣ入力部
２に接続された交流電力ラインは、大地アースＧＮＤに
結ばれたニュートラルライン（以下「ラインＮ」とい
う）とホットライン（以下「ラインＨ」という）とから
なるが、日本における一般のコンセントでは両者を区別
していないため、ＡＣ入力部２の電源フューズＦＳ側に
どちらのラインが接続されるか分らないから、電源フュ
ーズＦＳをそれぞれのラインに設けてもよい。

【００２１】図１乃至図３は、いずれもラインＨが電源
フューズＦＳ側に接続された場合を示しているが、サー
ジ電圧の吸収及びノイズの遮断に関しては各素子が対称
型に配置されているから、ラインＮが電源フューズＦＳ
側に接続されても同様に作用する。ＡＣ入力部２を介し
て入力した交流電力は、サージ電圧吸収回路３ａ，ノイ
ズ遮断部４を通って整流平滑部５に達し、ダイオード・
ブリッジＤＢによって両波整流された後、大容量のコン
デンサＣ４により平滑されて１次直流電力に変換され
る。

【００２２】コンデンサＣ４に充電された１次直流電力
は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６に入力し、それぞれ図示し
ないＤＣ−ＤＣコンバータ６内のスイッチング素子によ
り５０ＫＨｚ乃至２００ＫＨｚの高周波断続電流になっ
て１次２次間が絶縁されたトランスの１次コイルを流
れ、電圧変換された２次側電力は再び整流平滑されリプ
ルのない２次直流電力になって負荷７に供給される。そ
の２次直流電力の電圧はスイッチング素子の駆動回路に
フィードバックされ、駆動パルスのパルス幅を制御する
ことにより所定電圧に保持されることはよく知られてい
る。

【００２３】ノイズ遮断部４は、チョークコイルＬと、
その入力側のアクロス・ザ・ライン・コンデンサである
コンデンサＣ１及び（酸化亜鉛）バリスタＺＶと、チョ
ークコイルＬの出力側の交流電力ラインをそれぞれフレ
ームグランドＦＧと結ぶバイパス用のコンデンサＣ２，
Ｃ３とからなる。

【００２４】交流電源１からの交流電力ラインにのって
侵入する外来ノイズのうち、ラインＨ，ラインＮ間のノ
ーマルモードノイズはコンデンサＣ１をバイパスし、チ
ョークコイルＬにより阻止される。ラインＨ又はライン
Ｎの一方にのったコモンモードノイズはチョークコイル
Ｌにより大部分が阻止され、残ったノイズはコンデンサ
Ｃ２又はＣ３を通ってフレームグランドＦＧに落される
から、外来ノイズはノイズ遮断部４で遮断され、整流平
滑部５に達しない。

【００２５】一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ６内のそれぞ
れ図示しないスイッチング素子により発生するスイッチ
ングノイズは、スナバ回路等により相当抑えられている
が、ＤＣ−ＤＣコンバータ６から内部ノイズとして交流
電力ラインにリークしたノイズのうち、コモンモードノ
イズはそれぞれコンデンサＣ２又はＣ３によりフレーム
グランドＦＧに落され、ノーマルモードノイズはコンデ
ンサＣ２，Ｃ３の直列回路によりバイパスされる。さら
に残ったノイズはチョークコイルＬにより阻止されるか
ら、内部ノイズもノイズ遮断部４で遮断され、交流電源
ラインには洩れない。したがって、同一の交流電源ライ
ンに接続された他の機器に障害を及ぼすことはない。

【００２６】同一の交流電源ラインに接続された他の機
器、特に大電力機器のオン・オフにより発生するサージ
電圧、あるいは高圧線や避雷針への落雷により誘導され
たサージ電圧は、広い意味では外来ノイズの一種である
が一般のノイズに比べてそのピーク電圧が桁違いに大き
く、時には１０ＫＶにも達することがあり、またその電
力も瞬間的ではあるが大きい。

【００２７】したがって、ノイズフィルタだけでは防ぎ
切れないから図示したようなバリスタＺＶを設けている
が、既に説明したように、ラインＨ，ラインＮ間に設け
たバリスタＺＶだけではノーマルモードのサージ電圧に
は有効であっても、コモンモードのサージ電圧に対して
は効果がない。

【００２８】そのために設けたサージ電圧吸収回路３ａ
は、交流電力ラインであるラインＨ，ラインＮ間に直列
に接続したそれぞれコンデンサ８，９と第１の定電圧素
子であるガスチューブアレスタ（以下単に「アレスタ」
ともいう）１０，１１からなる直列回路１２，１３と、
直列回路１２，１３の接続部とフレームグランドＦＧと
の間に接続した第２の定電圧素子であり酸化金属バリス
タの１種である酸化亜鉛バリスタ１４とから構成されて
いる。

【００２９】ガスチューブアレスタは、その特性による
放電開始電圧までは殆んど電流が流れないが、端子間電
圧が放電開始電圧を超えるとガス放電を開始し、その端
子間電圧は放電開始電圧より低い放電電圧まで下って、
放電電流の大小に関係なく略一定の放電電圧を維持す
る。端子間電圧が放電電圧より低下すると放電が停止し
て、放電開始前の状態に戻るという自己復帰性がある。

【００３０】しかしながら、サージ電圧が異常に高いか
放電電流が大き過ぎる場合は、ガス放電でなくアーク放
電になって両端子間がショート状態になり、放電電圧よ
り低い電圧になっても放電が止らず、放電電極が融けて
破損して了うことがある。

【００３１】酸化亜鉛バリスタは、他の酸化金属バリス
タあるいは炭化珪素バリスタと同様に、その端子間電圧
が電流の対数に略比例する特性がある。逆にいえば、電
流は端子間電圧の指数関数に略比例して変化するから、
端子間電圧が或る閾値を超えるとバリスタを流れる電流
が急激に増大する。この特性によってバリスタは定電圧
素子として使用される。

【００３２】しかしながら、ガスチューブアレスタと異
なり、低い電圧でも僅かながら電流（リーク電流）が流
れ、閾値近くなると無視出来ないリーク電流が流れるか
ら、閾値を交流電源のピーク電圧より可成高くとる必要
がある。また、サージ電力を吸収する目的から見ればガ
スチューブアレスタより遙かに小型で済む利点はある
が、サージ電圧及び電力が大きい時はその電力損失によ
る発熱のため、端子間がショート状態になって了う場合
が多い。

【００３３】図１に示したサージ電圧吸収回路３ａは、
第１及び第２の定電圧素子がそれぞれ以上説明した特性
によって、ノーマルモードのサージ電圧に対してはアレ
スタ１０，１１が直列に作用して放電し、サージ電力を
吸収する。従って、アレスタ１０，１１がそれぞれ単体
で用いられる場合に比べてサージ耐圧及び電力量がそれ
ぞれの和になるから、破損する確率が減少し安全性が向
上する。また、万一両方共ショート状態になった時も、
コンデンサ８，９により交流電力ライン間のショートや
交流電力ラインからフレームグランドＦＧに流れるリー
ク電流が防止されるから、発火や感電等の重大事故が発
生する恐れがない。

【００３４】ノイズ遮断部４のバリスタＺＶがあれば、
それとアレスタ１０，１１の直列回路とが並列に作用す
るから、両者の電力容量に応じてバリスタＺＶの閾値と
アレスタ１０，１１の放電電圧とのバランスを適宜とっ
てサージ電流が両者によって分流されるように設定して
おく。このようにすれば、安全性は更に向上する。

【００３５】例えばアレスタ１０，１１の放電電圧の和
をバリスタＺＶの閾値より高めに設定しておけば、サー
ジ電圧の立上りで先ずバリスタＺＶに電流が流れ、その
端子電圧がアレスタ１０，１１の放電開始電圧を超える
とアレスタ１０，１１が放電して、バリスタＺＶの端子
電圧をその閾値より若干高めに維持するから、バリスタ
ＺＶの破壊は防止される。

【００３６】もし、バリスタＺＶがショートすれば、Ａ
Ｃ入力部２の電源フューズＦＳが熔断して直流電源装置
及びそれに接続された機器を保護する。電源フューズＦ
Ｓの熔断を避けたければ、バリスタＺＶを廃止するか、
バリスタＺＶにも直列にコンデンサを設けておけばよ
い。

【００３７】ラインＨ（又はＮ）とフレームグランドＦ
Ｇ間にかかるコモンモードのサージ電圧に対しては、コ
ンデンサ８（又は９）及びアレスタ１０（又は１１）と
バリスタ１４とが直列回路を形成して作用し、サージ電
力を吸収する。この場合も、サージ耐圧及び電力量がそ
れぞれ単体の場合に比して増大し、安全性が向上するこ
とはいうまでもない。

【００３８】もし仮りに、アレスタ１０（又は１１）と
バリスタ１４とが両方共ショート状態になっても、サー
ジ電圧が消えた後はラインＨ（又はＮ）とフレームグラ
ンドとの間にはコンデンサ８（又は９）が残っているか
ら、交流電源電圧による感電の危険はない。

【００３９】コンデンサ８又は９を通るサージ電流の積
分値がゼロであれば問題ないが、もし一方向の電流の積
分値が逆方向のそれより大きければ、コンデンサ１３に
直流電荷が残存することになる。ここに使用される強化
絶縁タイプのコンデンサ１３は、例えば交流印加電圧の
定格は４００Ｖであってもピークで略１０倍の４ＫＶが
保証されているもので、簡単にはパンク（ショート）し
ない。しかしながら、このような場合に備えて、コンデ
ンサ１３に並列に耐電圧性及び抵抗値の高い抵抗を設
け、残存電荷を放電させるとよい。

【００４０】図２は、第２実施例の構成を示す回路図で
あり、図１に示した第１実施例と同一部分には同一符号
を付して説明を省略する。図２に示した第２実施例が第
１実施例と異なる所は、第１及び第２の定電圧素子を構
成するガスチューブアレスタ及び酸化金属バリスタを交
換して配置したことであり、第２実施例においてはサー
ジ電圧吸収回路３ｂの第１の定電圧素子を酸化亜鉛バリ
スタ２０，２１で、第２の定電圧素子をアレスタ２４で
それぞれ構成している。

【００４１】個々の定電圧素子の特性や、ノーマルモー
ド又はコモンモードのサージ電圧に対する作用について
は第１実施例と同様であるから説明を省略する。ただ
し、ノイズ遮断部４にバリスタＺＶが残っている場合
は、バリスタ２０，２１の閾値の和がバリスタＺＶの閾
値と同程度か若干低めになるように設定した方がよい。

【００４２】以上説明した第１及び第２実施例について
まとめて考察すると、いずれもノーマルモード及びコモ
ンモードのサージ電圧に対して２個の定電圧素子が直列
に作用するから、サージ電圧及び電力によって破損又は
ショート状態になる確率が低くなり、従って安全性が高
くなる。

【００４３】実験から、例えばＡＣ２００Ｖ入力の直流
電源装置において、ガスチューブアレスタ１０，１１，
２４の放電開始電圧を７００Ｖ乃至２４００Ｖ、酸化亜
鉛バリスタ１４，２０，２１の閾値を５０Ｖ乃至４７０
Ｖ、コンデンサ８，９の容量を１０００ｐＦ乃至４７０
０ｐＦの各範囲での組合せで良好な結果が得られた。

【００４４】もし、直列に作用した２個の定電圧素子の
いずれかがショート状態になったとしても、他の定電圧
素子が自己復帰しているから、耐サージ電圧，電力の性
能は若干低下するが、ノーマルモード，コモンモードの
いずれのサージ電圧に対しても、サージ電圧吸収作用は
維持している。万一、２個の定電圧素子が両方共ショー
ト状態になっても、コンデンサ８及び９が交流電力ライ
ン間ショートやフレームグランドＦＧへのリーク電流を
防止するから、発火や感電の危険がなく安全性が保たれ
る。

【００４５】さらに、直流電源装置の各素子をサージ電
圧による破壊から確実に防護するようにバリスタの閾値
やアレスタの放電開始電圧を低く設定したり、その電流
（電力）容量を大きく設定したために、バリスタの交流
電源電圧によるリーク電流が増えたとしても、フレーム
グランドに対しては必ずコンデンサが直列に入っている
からリーク電流が流れず感電する恐れはない。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明による直流
電源装置は、サージ電圧吸収回路の定電圧素子の容量を
大きく設定しても、万一サージ電圧により定電圧素子が
ショート状態になった時にもリーク電流を防止し、安全
性，信頼性を向上することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による直流電源装置の第１実施例の構
成を示す回路図である。

【図２】この発明による直流電源装置の第２実施例の構
成を示す回路図である。

【図３】直流電源装置の従来例の構成を示す回路図であ
る。

【符号の説明】

１ 交流電源 ２ ＡＣ入力部
（交流電源入力部） ３ａ，３ｂ サージ電圧吸収回路 ５ 整流平滑部 ６ ＤＣ−ＤＣコンバータ ８，９ コンデン
サ １０，１１ ガスチューブアレスタ（第１の定電圧素
子） １２，１３，２２，２３ 直列回路 １４ 酸化亜鉛バリスタ（酸化金属バリスタ，第２の定
電圧素子） ２０，２１ 酸化亜鉛バリスタ（酸化金属バリスタ，第
１の定電圧素子） ２４ ガスチューブアレスタ（第２の定電圧素子） ＦＧ フレームグランド ＦＳ 電源フュ
ーズ ＧＮＤ 大地アース

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０２Ｍ 7/06 Ａ 9180−5Ｈ Ｈ 9180−5Ｈ // Ｈ０２Ｍ 3/28 Ｃ 8726−5Ｈ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電源フューズを備えた交流電源入力部
   と、該入力部から入力する交流電力を整流平滑する整流
   平滑部と、該整流平滑部により整流平滑された１次直流
   電力を所定電圧の安定化直流電力に変換して負荷に出力
   するＤＣ−ＤＣコンバータとを備えた直流電源装置にお
   いて、 前記交流電源入力部と前記整流平滑部との間の交流電力
   ライン間にコンデンサと第１の定電圧素子とからなる直
   列回路を２個直列にして接続し、該２個の直列回路相互
   の接続部とフレームグランドとの間に第２の定電圧素子
   を接続してなるサージ電圧吸収回路を設けたことを特徴
   とする直流電源装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の直流電源装置において、
   前記第１の定電圧素子をガスチューブアレスタ、前記第
   ２の定電圧素子を酸化金属バリスタによりそれぞれ構成
   したことを特徴とする直流電源装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の直流電源装置において、
   前記第１の定電圧素子を酸化金属バリスタ、前記第２の
   定電圧素子をガスチューブアレスタによりそれぞれ構成
   したことを特徴とする直流電源装置。