WO2015059735A1

WO2015059735A1 - 電源装置

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Publication number: WO2015059735A1
Application number: PCT/JP2013/006239
Authority: WO
Inventors: 今井　満
Original assignee: 今井　満
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2013-10-22
Publication date: 2015-04-30
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Abstract

　従来の電源装置では、半導体素子のジャンクション温度を直接モニタするための機構を半導体素子に設けなければらない問題があった。本発明の電源装置は、直流システム電源の電圧と予め設定された目標電圧との差に応じたデューティー比を有するＰＷＭ信号を出力する電源制御部（１２）と、ヒートシンクが取り付けられたスイッチング素子を含み、ＰＷＭ信号に基づきスイッチング素子をスイッチングして、外部から与えられる交流電源から直流システム電源を出力する電源回路（１０）と、を有し、電源制御部（１０）は、ヒートシンクに取り付けられた第１の温度センサ（ＴＨＳＥＮ１）から得た温度情報の変化率が保護開始温度変化率以上となる期間が予め設定した保護開始閾値時間以上となったことに応じて電源回路の保護機構を作動させる。

Description

電源装置

　本発明は電源装置に関し、特に交流電源から直流電源を生成する電源装置に関する。

　電気機器を構成する部品の多くは直流電源に基づき動作する。そのため、電気機器は、商用電源等から供給される交流電源から直流電源を生成する電源回路或いはＡＣアダプタ等を有する。この電源回路は、一般的にスイッチング素子を含むパワー素子を含む。パワー素子は、大きな電流が流れる半導体素子であるため、半導体素子のジャンクション温度が高くなりやすい傾向がある。パワー素子は、ジャンクション温度が予め規定された仕様温度範囲よりも高くなると破壊に至る或いは経年劣化が早まる。そのため、パワー素子を利用する場合は、ジャンクション温度が仕様温度範囲を超えないようにする必要がある。そこで、パワー素子のジャンクション温度或いはパワー素子に流れる電流を制御する技術が特許文献１～４に開示されている。

　特許文献１では、周囲温度に変動信号に基づいて対応した制限電流を読み出す技術が開示されている。特許文献２では、半導体装置にサーミスタを内蔵して、当該サーミスタにより半導体装置の温度を検出する技術が開示されている。特許文献３には、瞬時測定値と測定値トレンド（例えば、システムの電圧、電流、温度変化率などが含まれる）との双方に基づいてパワーエレクトロニクスコンポーネントの診断及び健全性監視を行うことが開示されている。特許文献４には、半導体装置をＡＳＯ（安全動作領域：Area of Safety Operation）で動作させるための電流設定値の例が開示されている。

特開平０７－０３９０６２号公報特開平０７－０７４３０６号公報特表２００６－５０８６２７号公報特開２００１－１７８１３０号公報

　しかしながら、特許文献１～４に開示された技術では、半導体素子のジャンクション温度を直接モニタするための機構を半導体素子に設けなければならず、半導体素子を含む半導体装置の選択肢が制限される問題がある。

　本発明にかかる電源装置の一態様は、直流システム電源の電圧と予め設定された目標電圧との差に応じたデューティー比を有するＰＷＭ信号を出力する電源制御部と、ヒートシンクが取り付けられたスイッチング素子を含み、前記ＰＷＭ信号に基づき前記スイッチング素子をスイッチングして、外部から与えられる交流電源から前記直流システム電源を出力する電源回路と、を有し、前記電源制御部は、前記ヒートシンクに取り付けられた第１の温度センサから得た温度情報の変化率が保護開始温度変化率以上となる期間が予め設定した保護開始閾値時間以上となったことに応じて前記電源回路の保護機構を作動させる。

　本発明にかかる電源装置によれば、半導体素子にジャンクション温度を直接モニタする機構を必要とせず、半導体素子の選択肢の範囲を広げることができる。

実施の形態１にかかる電話システムのブロック図である。実施の形態１にかかる電源装置のブロック図である。実施の形態１にかかるパワー素子、ヒートシンク及び温度センサの配置を説明するための図である。実施の形態１にかかる電源装置におけるジャンクション温度の上昇率が小さい場合のジャンクション温度とヒートシンクの温度との関係を示すグラフである。実施の形態１にかかる電源装置におけるジャンクション温度の上昇率が大きい場合のジャンクション温度とヒートシンクの温度との関係を示すグラフである。実施の形態１にかかる電源装置において定格電流を負荷電流として出力した場合のヒートシンクの温度変化を示すグラフである。実施の形態１にかかる電源装置における温度情報が記載されるテーブル情報の例を示す図である。実施の形態２にかかる電源装置における過電流保護設定値の制御方法を示すグラフである。実施の形態２にかかる電源装置における過電流保護設定値の制御方法を示すフローチャートである。実施の形態３にかかる電源装置における過電流保護設定値の制御方法を示すグラフである。実施の形態３にかかる電源装置における過電流保護設定値の制御方法を示すフローチャートである。

　実施の形態１
　以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。本発明は、電源装置に関するものである。この電源装置は、電話システム以外のシステムにも適用することができるものであり、適用可能なシステムは電話システムに限られない。

　図１に実施の形態１にかかる電話システム１のブロック図を示す。図１に示すように、実施の形態１にかかる電話システム１は、電源装置１０、構内交換機２０、電話端末ＴＭ１、ＴＭ２、システム温度センサＳＥＮを有する。システム温度センサＳＥＮは、電話システム１の筐体内温度（以下、周囲温度と称す）を示す温度情報ＴＳＥＮを出力する。

　電源装置１０は、外部の商用系統電源から供給される交流電源から直流システム電源に変換する。以下の説明では、直流システム電源の電圧を直流出力電圧ＶＯＵＴと表記する。電源装置１０は、電源回路１１、電源制御部１２、絶縁回路１３を有する。

　電源回路１１は、ヒートシンクが取り付けられたスイッチング素子を含み、電源制御部１２が生成するＰＷＭ信号に基づきスイッチング素子をスイッチングして、外部から与えられる交流電源から直流システム電源を出力する。電源制御部１２は、直流システム電源の電圧（直流出力電圧ＶＯＵＴ）と予め設定された目標電圧との差に応じたデューティー比を有するＰＷＭ信号を出力する。また、電源制御部１２は、ヒートシンクに取り付けられた第１の温度センサから得た温度情報の変化率が保護開始温度変化率以上となる期間が予め設定した保護開始閾値時間以上となったことに応じて電源回路１１の保護機構を作動させる。電源制御部１２は、例えば、プログラムに応じて各種演算及び制御を行うＭＰＵ（Micro Processor Unit）が用いられる。絶縁回路１３は、電源回路１１の電圧観測点ＯＶＳ及び電流観測点ＯＣＳと、電源制御部１２の入力端子との間を絶縁しながら、各観測点から得られる電圧に応じた信号レベルの信号を出力する。各観測点で観測される電圧が、電源制御部１２の入力レンジよりも大きくなる場合、絶縁回路１３を設けることが特に有効である。なお、電源装置１０については、その詳細を後述する。

　構内交換機２０は、電話端末ＴＭ１、ＴＭ２と局線との接続制御を行う。構内交換機２０は、直流システム電源に基づき動作する。構内交換機２０は、システム制御部２１、メモリ２２、リアルタイムクロック生成部２３、インタフェース回路２４を有する。

　システム制御部２１は、電話端末ＴＭ１と局線との接続制御を行う。システム制御部２１は、例えば、プログラムに応じて各種演算及び制御を行うＭＰＵ（Micro Processor Unit）が用いられる。メモリ２２は、システム制御部２１が動作するためのプログラムを格納する。このメモリ２２は、電源装置１０に備えられたメモリよりも容量が大きいものとする。リアルタイムクロック生成部２３は、システム制御部２１に与えるリアルタイムクロック信号を生成する。このリアルタイムクロック信号は、システム制御部２１において時間の計測に用いられる。

　電話端末ＴＭ１、ＴＭ２は例えば、固定電話である。電話端末ＴＭ１、ＴＭ２は、構内交換機２０のインタフェース回路２４と接続される。この電話端末ＴＭ１、ＴＭ２には、着信情報等の各種情報が表示される表示部（例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display））及び端末制御部を有する。端末制御部は、例えば、プログラムに応じて各種演算及び制御を行うＭＰＵ（Micro Processor Unit）が用いられる。

　続いて、電源装置１０の詳細について説明する。そこで、図２に実施の形態１にかかる電源装置１０の詳細なブロック図を示す。図２に示すように、実施の形態２にかかる電源装置１０の電源回路１１は、直流出力電圧ＶＯＵＴを生成する回路としてＰＦＣ回路（力率改善回路：Power Factor Correction回路）を用いるものである。電源回路５１は、整流平滑回路３１、駆動回路３２、スイッチング素子（例えば、駆動トランジスタＴｒ）、インダクタＬ、ダイオードＤ、コンデンサＣ、ヒートシンク温度センサＴＨＳＥＮ１、ＴＨＳＥＮ２、電流検出抵抗Ｒｓ１、抵抗Ｒ１、Ｒ２を有する。なお、駆動トランジスタＴｒ及びダイオードＤは、大きな電流が半導体基板を介して流れるパワー素子である。

　整流平滑回路３１は、交流電源から与えられる交流入力電圧を整流して直流電圧を出力する。この直流電圧は、整流平滑回路３１の正出力端子に接続される電源ノードと、負出力端子に接続される接地ノードと、に出力される。

　電源ノードには、インダクタＬとダイオードＤとが直列接続されるように挿入される。そして、インダクタＬとダイオードＤとの間のノードと接地ノードとの間に駆動トランジスタＴｒが接続される。駆動トランジスタＴｒのゲートには駆動回路３２から駆動信号が与えられる。駆動回路３２は、電源制御部１２のＰＷＭタイマ４３が出力するＰＷＭ信号から駆動信号を生成する。また、電源回路１１では、駆動トランジスタＴｒ及びダイオードＤにはヒートシンクが設けられている。そして、駆動トランジスタＴｒに設けられているヒートシンクには、当該ヒートシンクの温度を検出する第１の温度センサ（例えば、ヒートシンク温度センサＴＨＳＥＮ１）が設けられている。ダイオードＤに設けられているヒートシンクには、当該ヒートシンクの温度を検出する第２の温度センサ（例えば、ヒートシンク温度センサＴＨＳＥＮ２）が設けられている。そして、ヒートシンク温度センサＴＨＳＥＮ１、ＴＨＳＥＮ２が検出した温度情報は、電源制御部１２のＡＤ変換回路４１に与えられる。

　コンデンサＣは、ダイオードＤの端子のうち電源回路１１の出力側の端子と接地ノードとの間に設けられる。このコンデンサＣは、インダクタＬと駆動トランジスタＴｒのスイッチングにより生じたパルス信号を平滑化するものである。

　また、電源ノードと接地ノードとの間には抵抗Ｒ１、Ｒ２が直列に接続される。抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とが接続されるノードは、電圧観測点ＯＶＳとなる。また、接地ノードには電流検出抵抗Ｒｓ１が挿入される。そして、電流検出抵抗Ｒｓ１の整流平滑回路３１側の端子は、電流観測点ＯＣＳとなる。

　電源制御部１２は、ＡＤ変換回路４１、演算部４２、ＰＷＭタイマ４３、メモリ４４を有する。

　ＡＤ変換回路４１は、絶縁回路１３を介して得た電流観測点ＯＣＳの電圧値と電圧観測点ＯＶＳの電圧値に対応するデジタル値を出力する。また、電源装置１０では、交流電源から与えられる交流入力電圧の電圧レベルを示す交流入力電圧値に対応するデジタル値を出力する。また、ＡＤ変換回路４１は、システム温度センサＳＥＮ、ヒートシンク温度センサＴＨＳＥＮ１、及び、ヒートシンク温度センサＴＨＳＥＮ２が出力する温度情報に対応するデジタル値を出力する。なお、図２では、システム温度センサＳＥＮが出力する温度情報をＴＳＥＮとして表した。

　演算部４２は、直流システム電源として生成される直流出力電圧ＶＯＵＴと予め設定された目標電圧値との差がゼロに近づくようにＰＷＭタイマ４３の設定値を更新する。また、演算部４２は、ヒートシンク温度センサＴＨＳＥＮ１、ＴＨＳＥＮ２から得た温度情報の変化率を計算し、当該温度情報の変化率に基づき駆動トランジスタＴｒ或いはダイオードＤに流れる電流値が定格電流値を上回っているか否かを判断する。また、演算部４２は、駆動トランジスタＴｒ或いはダイオードＤに流れる電流が定格電流を上回っていると判断した場合、アラーム信号を発する。演算部４２は、温度情報の変化率と定格電流との関係をメモリ４４に格納されたテーブル情報を参照して判断する。そして、このアラーム信号により、電源回路１１の動作は停止される。この電源回路１１を停止させる機能は、保護機構の１つであり、保護機構は電源回路１１の仕様に応じて異なる。

　ＰＷＭタイマ４３は、演算部４２から与えられた設定値に応じたデューティー比のＰＷＭ信号を出力する。また、ＰＷＭタイマ４３は、演算部４２が発するアラーム信号に応じてＰＷＭ信号の生成を停止する。メモリ４４は、演算部４２の動作を決定するプログラムが格納される。また、メモリ４４は、演算部４２が利用するテーブル情報及び演算部４２が演算途中で生成する中間データ等の各種情報を格納する。

　続いて、実施の形態１にかかる電源装置１０において用いられるパワー素子、ヒートシンク及び温度センサの位置関係について説明する。そこで、図３に実施の形態１にかかる電源装置１０におけるパワー素子、ヒートシンク及び温度センサの配置を説明するための図を示す。

　図３に示すように、電源装置１０では、パワー素子５１（例えば、駆動トランジスタＴｒ及びダイオードＤ）として個別部品が利用される。このパワー素子５１は、駆動トランジスタＴｒ或いはダイオードＤとして機能する構造が形成された半導体チップ５２と、フレーム５３と、半導体チップ５２を包むモールド材とにより構成される。そして、パワー素子５１は、実装基板５４に半田等の導電材により接着される。

　ヒートシンク５５は、パワー素子５１の背面（フレームが露出する面又はフレーム５３がモールド材の直下に存在する面）に接着される。ヒートシンク５５とパワー素子５１とは、例えば、ねじ等の構造部材及び導電性グリスにより接着される。そして、温度センサ５６は、ヒートシンク５５に取り付けられる。

　図３に示すような、電源装置１０のパワー素子取り付け方法を用いた場合、温度センサ５６で計測される温度は、半導体チップ５２のジャンクション温度とは異なる温度となる。より具体的には、温度センサ５６で計測される温度とジャンクション温度との関係は、計測温度をＴ、パワー素子のジャンクションとパッケージとの熱抵抗をＲｊｐ［℃／Ｗ］、パッケージとヒートシンクとの接触部の熱抵抗をＲｐｈ［℃／Ｗ］、ヒートシンクの熱抵抗をＲｈ［℃／Ｗ］、ヒートシンクと温度センサとの接触部の熱抵抗をＲｈｓ［℃／Ｗ］、温度センサのパッケージと内部センサとの熱抵抗をＲｃｓ［℃／Ｗ］、ジャンクションの発熱量をＷｊ［Ｗ］とすると（１）式で示される関係を有する。

Ｔ＝（Ｒｊｐ＋Ｒｐｈ＋Ｒｈ＋Ｒｈｓ＋Ｒｃｓ）×Ｗｊ　・・・　（１）

　上記（１）式で示されるように、温度センサ５６で計測される温度は、実際のジャンクション温度とは異なる。また、ヒートシンクは、常に放熱しているため、ジャンクション温度の上昇率が大きな場合、温度センサ５６で計測される温度の上昇率がジャンクションの温度の上昇率よりも小さくなる傾向がある。そこで、ジャンクション温度の変化と温度センサ５６で計測される温度との関係を以下で説明する。

　図４及び図５に、実施の形態１にかかる電源装置におけるジャンクション温度の上昇率とヒートシンクの温度の上昇率との関係を示すグラフを示す。図４に示すグラフは、図５に示すグラフよりもジャンクション温度の上昇率が小さい場合を示すものである。

　図４に示すように、ジャンクション温度の上昇率が小さい場合、放熱板温度は、ジャンクション温度が最大許容ジャンクション温度に達する前に加熱保護開始温度に達する。そのため、図４に示すようなジャンクション温度の上昇率である場合は、電源装置１０は、放熱板の温度のみによってパワー素子のジャンクション温度を適切に管理することができる。

　一方、図５に示すように、ジャンクション温度の上昇率が大きい場合、放熱板温度が加熱保護開始温度に達する前に、ジャンクション温度が最大許容ジャンクション温度に達する。そのため、図５に示すようなジャンクション温度の上昇率である場合は、電源装置１０は、放熱板の温度だけではパワー素子のジャンクション温度を適切に管理することができない。

　そこで、実施の形態１にかかる電源装置１０では、ヒートシンク温度センサＴＨＳＥＮ１、ＴＨＳＥＮ２から得た温度情報の変化率から、ジャンクション温度が最大許容ジャンクション温度を超える発熱量となる過電流状態を推測し、当該推測結果に基づき電源回路１１のパワー素子を加熱破壊から保護する保護機構を動作させる。以下では、実施の形態１にかかる電源装置１０の温度検出及び加熱保護動作について説明する。

　実施の形態１にかかる電源装置１０では、演算部４２が、メモリ４４からテーブル情報を読み込み、当該テーブル情報を参照してヒートシンク温度センサＴＨＳＥＮ１、ＴＨＳＥＮ２から得た温度情報の変化率から推測されるパワー素子の出力電流が定格電流以上か否か、及び、ジャンクション温度が規定の範囲内か否かを判断する。そこで、テーブル情報に記載されている情報の詳細について説明する。

　テーブル情報には、監視対象となるパワー素子に定格電流を流したときに、ヒートシンク温度センサＴＨＳＥＮ１、ＴＨＳＥＮ２から得られる温度情報の変化率を示す情報が、測定時の周囲温度及び交流入力電圧と共に記載される。

　そこで、図６に実施の形態１にかかる電源装置において定格電流を負荷電流として出力した場合のヒートシンクの温度変化を示すグラフを示す。図６に示すように、ヒートシンク温度センサから得られる温度情報は、パワー素子に定格電流を流した場合、電源制御部１２が電源回路１１の加熱保護を開始する保護開始温度まで一定の速度で上昇する。実施の形態１にかかる電源装置１０では、図６に示す温度情報の変化率ΔＴを周囲温度及び交流入力電圧毎に予め測定することでテーブル情報を作成する。そして、演算部４２は、テーブル情報に記載された温度情報の変化率ΔＴを保護開始温度変化率として用いる。このテーブル情報を電源制御部１２のメモリ４４に格納する。メモリ４４は、不揮発性メモリであることが好ましい。

　また、図７に、実施の形態１にかかる電源装置における温度情報が記載されるテーブル情報の例を示す。図７に示すように、テーブル情報には、周囲温度が１０℃刻みで定義され、１つの周囲温度に対して交流入力電圧を８０Ｖ～１４０Ｖとした場合の保護開始温度変化率ΔＴが記述される。

　実施の形態１にかかる電源装置１０では、演算部４２が、ヒートシンク温度センサＴＨＳＥＮ１、ＴＨＳＥＮ２から得た温度情報の変化率が、上記テーブル情報に記載された保護開始温度変化率ΔＴよりも大きい場合に、パワー素子に過電流が流れていると判断する。そして、演算部４２は、パワー素子に過電流が流れる過電流状態が予め設定した保護開始閾値時間以上継続した場合に電源回路１１を停止状態にする等の保護機構を動作させる。このような処理により、演算部４２は、過電流状態が発生した場合には、ヒートシンク温度センサＴＨＳＥＮ１、ＴＨＳＥＮ２から得た温度情報が保護開始温度に達する前に、電源回路１１に対する保護機構を動作させる。

　なお、演算部４２は、過電流状態を判断する場合に、システム温度センサＳＥＮから得た温度情報ＴＳＥＮに基づき周囲温度を判断し、当該周囲温度に最も近い周囲温度のテーブル情報を参照する。また、演算部４２は、過電流状態を判断する場合に、交流入力電圧を参照し、得られた交流入力電圧に最も近い交流入力電圧に対応して記述された放熱板温度変化率ΔＴを判断の基準に用いる。

　上記説明より、実施の形態１にかかる電源装置１０では、ヒートシンク温度センサＴＨＳＥＮ１、ＴＨＳＥＮ２から得られた温度情報の変化率からパワー素子が過電流状態となっているかを推定する。そして、電源装置１０は、パワー素子の過電流状態が予め設定した保護開始閾値時間以上継続した場合には、ジャンクション温度が保護開始温度に達したと推定して電源回路１１を保護する保護機構を動作させる。

　これにより、実施の形態１にかかる電源装置１０では、パワー素子のジャンクション温度の変化率よりも変化率が小さく、かつ、実際のジャンクション温度とは異なるヒートシンクの温度に基づきパワー素子を定格の範囲内で動作させることが可能になる。

　また、実施の形態１にかかる電源装置１０では、パワー素子の放熱を補助するヒートシンクの温度に基づきパワー素子のジャンクション温度を管理できるため、パワー素子自体が温度センサを有していなくても良い。そのため、実施の形態１にかかる電源装置１０では、利用するパワー素子の選択肢の幅を広くすることができる。

　また、実施の形態１にかかる電源装置１０では、ヒートシンクの温度によりパワー素子のジャンクション温度を管理できるため、温度センサを有していないパワー素子により構成された既存のシステムにおいても、ヒートシンク温度センサの追加と、電源制御部１２に搭載される制御プログラムの更新を行うのみでシステムの信頼性を向上させることができる。

　また、実施の形態１にかかる電源装置１０では、出力電圧を目標電圧に維持するフィードバック制御を行う電源制御部１２によりパワー素子のジャンクション温度を管理するため、パワー素子のジャンクション温度の管理のために新たに追加する回路等を削減することができる。つまり、実施の形態１にかかる電源装置１０は、ジャンクション温度の管理を行うための回路等の設計及び検証等にかかるコストを削減することができる。

　実施の形態２
　実施の形態２では、実施の形態１の電源装置１０における制御の別の形態について説明する。実施の形態２では、電源制御部１２が、温度情報の変化率から判断される出力電流値が予め設定した過電流状態よりも大きくなる期間が予め設定した過電流許容時間以上継続した場合、保護開始温度変化率から算出される過電流保護開始設定値を初期値よりも低下させる。また、電源制御部１２は、温度情報の変化率から判断される出力電流状態が定格電流状態と判断される範囲となる期間が予め設定した復帰許可時間以上継続した場合、低下させた過電流保護開始設定値を初期値に復帰させる。以下では、実施の形態２にかかる電源制御部１２における上記過電流保護開始設定値を電源回路１１の動作状態に応じて変化させる制御について説明する。

　ここで、過電流保護開始設定値とは、実施の形態１で説明した保護開始温度変化率ΔＴと保護開始閾値時間とから推定される電流値を過電流状態と判定するための設定値である。例えば、過電流保護開始設定値は、放熱板温度変化率と、保護開始閾値時間と、の積により定義することができる。

　また、実施の形態２にかかる電源装置１０では、ヒートシンク温度センサＴＨＳＥＮ１、ＴＨＳＥＮ２から得た温度情報の変化率と、放熱板温度変化率よりも大きな温度情報の変化率が継続する時間として許容しうる過電流許容時間と、の積により過電流状態測定値を導出する。

　そして、実施の形態２にかかる電源装置１０では、過電流保護開始設定値と、過電流状態測定値と、を比較し、過電流状態測定値が過電流保護開始設定値よりも大きくなった場合に電源回路１１を保護する保護機構を動作させる。なお、実施の形態２では、過電流保護開始設定値を低下させる場合、保護開始温度変化率ΔＴを小さくするものとするが、保護開始閾値時間を小さくすることで過電流保護開始設定値を低下させることも可能である。

　続いて、実施の形態２にかかる電源装置１０における過電流保護開始設定値の制御方法を示すタイミングチャートを図８に示す。図８に示す例では、過電流保護開始設定値を初期値として電源装置１０を起動する。この過電流保護開始設定値の初期値は、その時点での周囲温度及び交流入力電圧において定格電流が流れたときの保護開始温度変化率ΔＴよりも大きな値が設定される。そして、電源装置１０が起動した後にパワー素子の過電流状態が発生し、タイミングＴ１で過電流状態が過電流許容時間以上となる。

　そのため、電源装置１０は、タイミングＴ１から基準とする保護開始温度変化率ΔＴの値を小さくして、過電流保護開始設定値を低下させる。なお、低下させた後に選択される保護開始温度変化率ΔＴは、その時点での周囲温度及び交流入力電圧において定格電流が流れたときの値である。

　その後、タイミングＴ２において、パワー素子に流れる電流が定格電流以下となる定格電流状態が復帰許容時間以上となる。これに伴い、電源装置１０は、過電流保護開始設定値を初期値に戻す。そして、タイミングＴ３以降は、電源装置１０は、初期値として設定された過電流保護開始設定値に基づき動作を継続する。

　続いて、実施の形態２にかかる電源装置１０の動作を示すタイミングチャートを図９に示す。この図９を参照して、実施の形態２にかかる電源装置１０の動作について説明する。図９に示すように、実施の形態２にかかる電源装置１０は、起動時に、過電流保護開始設定値を初期値に設定して電源回路１１を制御する（ステップＳ１）。その後、電源装置１０は、ヒートシンク温度センサＴＨＳＥＮ１、ＴＨＳＥＮ２から温度情報を取得しながら通常動作を継続する。また、電源装置１０は、通常動作においてヒートシンク温度センサＴＨＳＥＮ１、ＴＨＳＥＮ２から取得した温度情報に基づきパワー素子に過電流が発生しているか否かを監視する（ステップＳ２）。

　そして、実施の形態２にかかる電源装置１０は、通常動作中に過電流状態を検出すると（ステップＳ２のＹＥＳの枝）、過電流状態が継続した時間（例えば、過電流状態経過時間）を計測し、過電流状態経過時間が過電流許容時間より長くなると（ステップＳ３のＹＥＳの枝）、過電流保護開始設定値を低下させる（ステップＳ４）。なお、電源装置１０では、保護開始温度変化率を初期値よりも小さくすることで過電流保護開始設定値を小さくする。また、低下させた後の過電流保護開始設定値は、その時点での周囲温度及び交流入力電圧において定格電流がパワー素子に流れたときの放熱板温度の変化率から算出されるものである。

　その後、電源装置１０は、ヒートシンク温度センサＴＨＳＥＮ１、ＴＨＳＥＮ２から算出した過電流状態測定値が、低下させた後の過電流保護開始設定値を超えなければ動作を継続する（ステップＳ５、Ｓ８）。一方、電源装置１０は、過電流状態測定値が、低下させた後の過電流保護開始設定値を超えた場合は、電源回路１１に対する保護機構を動作させる（ステップＳ５、Ｓ６）。

　そして、電源装置１０は、過電流状態が解除され、パワー素子に流れる電流が定格電流以下となる定格電流状態の経過時間が復帰許可時間を超えた場合（ステップＳ８のＹＥＳ）、過電流保護開始設定値を初期値に復帰させる（ステップＳ９）。その後、電源装置１０は、ステップＳ２～Ｓ９の処理を継続しながら運用状態を継続する。

　上記説明より、実施の形態２にかかる電源装置１０によれば、保護機能を動作させる閾値となる過電流保護開始設定値を、初期状態で高く設定し、過電流状態が所定時間（例えば、過電流許容時間）以上継続した場合に、過電流保護開始設定値を低下させる。

　ここで、パワー素子においては、２つの定格値が規定されている。１つ目は、定格電圧及び定格電流よりも高い電圧及び電流が印加された場合であっても、所定の時間以下であれば半導体装置を安全に使用できる領域を規定したＡＳＯ（安全動作領域：Area of Safety Operation）である。２つ目は、定常的に利用できる電圧と電流の最大値を規定した定格電圧及び定格電流である。

　このように、パワー素子においては、定格電圧及び定格電流以上の電圧及び電流を印加しても、これら電圧及び電流が印加される時間が一時的であれば安全な利用が可能なＡＳＯがある。そのため、実施の形態２にかかる電源装置１０では、過電流保護開始設定値の初期値をこのＡＳＯに基づき設定し、低下させた後の過電流保護開始設定値を定格電圧及び定格電流に基づき設定することで、瞬間的な過大電流状態において電源装置１０が保護機構を動作させることを防止することができる。

　例えば、電源装置１０に接続される負荷が容量性負荷である場合、起動時に突入電流が発生する可能性がある。この場合に、過電流保護開始設定値を定格電圧及び定格電流に基づき設定し、当該過電流保護開始設定値を固定的に利用した場合、起動時に流れる突入電流により保護機構が動作し、起動に失敗する可能性がある。しかしながら、実施の形態２にかかる電源装置１０によれば、過電流保護開始設定値の初期値を高く設定し、過電流状態が過電流許容時間以上発生した場合には定格電圧及び定格電流に対応する過電流保護開始設定値に変更する。これにより、実施の形態２にかかる電源装置１０は、容量性負荷に対しても安定した起動を実現しながら、ＡＳＯ、定格電圧及び定格電流等の規格を満たした安全なシステムを実現することができる。

　実施の形態３
　実施の形態３では、実施の形態２で説明した過電流保護開始設定値の変更方法の別の形態について説明する。実施の形態３では、電源制御部１２は、電源回路１１を起動させる際に、過電流保護開始設定値を初期値に設定した上で電源回路を起動させ、起動から予め設定した起動経過時間の間、初期値に基づき前記電源回路を動作させ、起動経過時間の経過後に過電流保護開始設定値を前記初期値よりも低い値に設定する。そして、電源制御部１２は、温度情報の変化率から判断される出力電流状態が定格電流状態と判断される範囲となる期間が予め設定した復帰許可時間以上継続した場合、低下させた過電流保護開始設定値を初期値に復帰させる。以下では、実施の形態３にかかる電源制御部１２における上記過電流保護開始設定値を電源回路１１の動作状態に応じて変化させる制御について説明する。

　ここで、実施の形態３においても、過電流保護開始設定値、過電流状態経過時間、定格電流状態経過時間、過電流許可時間、復帰許可時間等のパラメータを利用するが、これらパラメータは、実施の形態２と同じであるため、説明を省略する。一方、実施の形態３では、起動経過時間をパラメータとして新たに利用する。この起動経過時間は、電源回路１１の起動からの経過時間であり、例えば、ＡＳＯで規定される利用範囲を守ることができる程度の時間である。起動経過時間は、例えば、数十ミリ秒以上、数十秒以下の時間が設定される。

　続いて、実施の形態３にかかる電源装置１０における過電流保護開始設定値の制御方法を示すタイミングチャートを図１０に示す。図１０に示す例では、過電流保護開始設定値を初期値として電源装置１０を起動する。この過電流保護開始設定値の初期値は、その時点での周囲温度及び交流入力電圧において定格電流が流れたときの保護開始温度変化率ΔＴよりも大きな値が設定される。そして、電源装置１０が起動した後に起動経過時間が経過したタイミングＴ１１において、電源装置１０は、過電流保護開始設定値を低下させる。

　その後、タイミングＴ１２において、パワー素子に流れる電流が定格電流以下となる定格電流状態が復帰許容時間以上となる。これに伴い、電源装置１０は、過電流保護開始設定値を初期値に戻す。そして、タイミングＴ１２以降は、電源装置１０は、初期値として設定された過電流保護開始設定値に基づき動作を継続する。

　続いて、実施の形態３にかかる電源装置１０の動作を示すタイミングチャートを図１１に示す。この図１１を参照して、実施の形態３にかかる電源装置１０の動作について説明する。図１１に示すように、実施の形態３にかかる電源装置１０は、起動時に、過電流保護開始設定値を初期値に設定し、起動経過時間が経過するまでの間当該初期値で電源回路１１を制御する（ステップＳ１１）。

　そして、起動経過時間が経過すると、実施の形態３にかかる電源装置１０は、過電流保護開始設定値を低下させる（ステップＳ１１）。なお、電源装置１０では、保護開始温度変化率を初期値よりも小さくすることで過電流保護開始設定値を小さくする。また、低下させた後の過電流保護開始設定値は、その時点での周囲温度及び交流入力電圧において定格電流がパワー素子に流れたときの放熱板温度の変化率から算出されるものである。

　その後、電源装置１０は、ヒートシンク温度センサＴＨＳＥＮ１、ＴＨＳＥＮ２から算出した過電流状態測定値が、低下させた後の過電流保護開始設定値を超えなければ動作を継続する（ステップＳ１２、Ｓ１５）。一方、電源装置１０は、過電流状態測定値が、低下させた後の過電流保護開始設定値を超えた場合は、電源回路１１に対する保護機構を動作させる（ステップＳ１２、Ｓ１３）。

　そして、電源装置１０は、過電流状態が解除され、パワー素子に流れる電流が定格電流以下となる定格電流状態の経過時間が復帰許可時間を超えた場合（ステップＳ１５のＹＥＳ）、過電流保護開始設定値を初期値に復帰させる（ステップＳ１６）。

　その後、電源装置１０は、過電流状態が検出されなければ（ステップＳ１７のＮＯの枝）、通常運用状態を維持する。一方、電源装置１０は、過電流状態が検出され（ステップＳ１７のＹＥＳの枝）、当該過電流状態が過電流許容時間以上となった場合（ステップＳ１８のＹＥＳの枝）、過電流保護開始設定値を低下させる（ステップＳ１１）。つまり、実施の形態３にかかる電源装置１０は、ステップＳ１６で過電流保護開始設定値を初期値に復帰させた後は、ステップＳ１１～ステップＳ１８の処理を繰り返して実行することで、実施の形態２にかかる電源装置１０と同様の動作を行う。

　上記説明より、実施の形態３にかかる電源装置１０では、容量性負荷等に起因して起動時の突入電流が発生する可能性が高い期間が経過すると、強制的に過電流保護開始設定値を低下させ、電源回路１１の出力状態が安定するまでの期間にパワー素子が定格電圧及び定格電流の範囲内で動作するように制御する。このような処理を行うことで、実施の形態３にかかる電源装置１０は、実施の形態２にかかる電源装置１０よりもシステムの信頼性を向上させることができる。

　なお、突入電流が発生する時間は、数十ミリ秒から数百ミリ秒の期間であり、パワー素子が過電流及び加熱により破壊に至る時間は数十秒の時間を有する。そのため、起動経過時間及び過電流許容時間は、この突入電流の発生時間に合わせて設定することが好ましい。また、保護開始閾値時間は、過電流及び加熱により破壊に至る時間を超えない範囲で設定することが好ましい。各時間をこのように設定することで、電源装置１０の誤動作を防止することができる。

　なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上記実施の形態では、ジャンクション温度を推定する温度情報としてヒートシンク温度センサから得られる情報を用いたが、制御対象のパワー素子のジャンクション温度をより直接的にモニタできる温度センサがパワー素子に内蔵されている場合、当該温度センサの情報に基づき上記実施の形態の処理を行うことも可能である。パワー素子に内蔵された温度センサを用いることで、上記実施の形態にかかる電源装置１０よりも精度の高いジャンクション温度の管理ができる。

　１　電話システム
　１０　電源装置
　１１　電源回路
　１２　電源制御部
　１３　絶縁回路
　２０　構内交換機
　２１　システム制御部
　２２　メモリ
　２３　リアルタイムクロック生成部
　２４　インタフェース回路
　３１　整流平滑回路
　３２　駆動回路
　４１　ＡＤ変換回路
　４２　演算部
　４３　ＰＷＭタイマ
　４４　メモリ
　５１　パワー素子
　５２　半導体チップ
　５３　フレーム
　５４　実装基板
　５５　ヒートシンク
　５６　温度センサ
　ＨＴＳＥＮ１　第１の温度センサ
　ＨＴＳＥＮ２　第２の温度センサ
　Ｔｒ　駆動トランジスタ
　Ｄ　ダイオード
　Ｌ　インダクタ
　Ｃ　コンデンサ
　ＯＶＳ　電圧観測点
　ＯＣＳ　電流観測点
　ＴＭ１、ＴＭ２　電話端末

Claims

　直流システム電源の電圧と予め設定された目標電圧との差に応じたデューティー比を有するＰＷＭ信号を出力する電源制御部と、
　ヒートシンクが取り付けられたスイッチング素子を含み、前記ＰＷＭ信号に基づき前記スイッチング素子をスイッチングして、外部から与えられる交流電源から前記直流システム電源を出力する電源回路と、を有し、
　前記電源制御部は、
　前記ヒートシンクに取り付けられた第１の温度センサから得た温度情報の変化率が保護開始温度変化率以上となる期間が予め設定した保護開始閾値時間以上となったことに応じて前記電源回路の保護機構を作動させる電源装置。
　前記電源制御部は、
　前記温度情報の変化率から判断される出力電流値が予め設定した過電流状態よりも大きくなる期間が予め設定した過電流許容時間以上継続した場合、前記保護開始温度変化率から算出される過電流保護開始設定値を初期値よりも低下させ、
　前記温度情報の変化率から判断される出力電流状態が定格電流状態と判断される範囲となる期間が予め設定した復帰許可時間以上継続した場合、低下させた前記過電流保護開始設定値を前記初期値に復帰させる請求項１に記載の電源装置。
　前記電源制御部は、前記電源回路を起動させる際に、
　前記保護開始温度変化率から算出される過電流保護開始設定値を初期値に設定した上で前記電源回路を起動させ、
　起動から予め設定した起動経過時間の間、前記初期値に基づき前記電源回路を動作させ、
　前記起動経過時間の経過後に前記過電流保護開始設定値を前記初期値よりも低い値に設定し、
　前記温度情報の変化率から判断される出力電流状態が定格電流状態と判断される範囲となる期間が予め設定した復帰許可時間以上継続した場合、低下させた前記過電流保護開始設定値を前記初期値に復帰させる請求項１又は２に記載の電源装置。
　前記電源制御部は、周囲温度と前記交流電源の交流電圧と前記温度情報の変化率との関係を示したテーブル情報を有し、前記テーブル情報を参照して前記スイッチング素子に流れる出力電流値を推定する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電源装置。
　前記電源回路は、ヒートシンク及び前記ヒートシンクの温度を検出する第２の温度センサが取り付けられたダイオードを含み、
　前記電源制御部は、前記第２の温度センサから得た温度情報の変化率が保護開始温度変化率以上となる期間が前記保護開始閾値時間以上となったことに応じて前記電源回路の保護機構を作動させる請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電源装置。