JP2021132492A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】供給される電源が不足している場合においても電源装置を保護することができる電源装置を提供する。【解決手段】交流電源から出力される交流電圧を直流電圧に整流する整流手段と、整流手段の出力側に接続されたインダクタと、整流手段の出力端間に配置され、かつ、インダクタの後段側に設置された第１スイッチング手段と、第１スイッチング手段と並列に接続され、整流手段が出力する直流電圧を平滑化する平滑手段と、平滑手段から第１スイッチング手段への逆流電流を防止するダイオードと、第１スイッチング手段から整流手段へ流れる経路に配置された電流制限手段と、電流制限手段と並列に接続された第２スイッチング手段と、第１スイッチング手段の動作を検出する動作検出手段と、動作検出手段により検出された動作が第１スイッチング手段の短絡状態を示す場合、第２スイッチング手段を開状態にする制御手段と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、電源装置に関する。

電源装置において、入力電流の検出値に応じて、入力側に配置された突入電流防止抵抗に電流を流すか短絡させるかを切り替える突入電流防止リレーを制御する技術が知られている。

このような突入電流防止リレーを制御する電源装置として、入力された交流電圧を整流する整流器、整流された電圧を平滑する平滑コンデンサ、平滑コンデンサに入力される突入電流を制限する抵抗、抵抗に電流を入力させるか否か制御するためのリレー、および、電流検知回路、および、平滑コンデンサの後段に接続され、平滑コンデンサにより平滑された電圧を所定の電圧に調製するコンバータを有し、電流検知回路は、流れる電流に応じて抵抗を有効にするか否かを制御するものが開示されている（例えば特許文献１）。当該装置では、電流が所定値以上流れると（短絡電流を検出すると）、リレーのコイルをオフ状態にして、インピーダンスの高い抵抗へ短絡電流を流すことにより、電源装置を保護するものとしている。

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、例えば、たこ足状態の配線によって電源供給される場合、または屋内電源設備の電源容量が十分でない場合には、短絡が発生し短絡電流が流れたとしても、上述の所定値まで電流が流れず、突入電流を制限する抵抗が有効にならず電源装置を保護できない場合があるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、供給される電源が不足している場合においても電源装置を保護することができる電源装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、交流電源から出力される交流電圧を直流電圧に整流する整流手段と、前記整流手段の出力側に接続されたインダクタと、前記整流手段の出力端間に配置され、かつ、前記インダクタの後段側に設置された第１スイッチング手段と、前記第１スイッチング手段と並列に接続され、前記整流手段が出力する直流電圧を平滑化する平滑手段と、前記平滑手段から前記第１スイッチング手段への逆流電流を防止するダイオードと、前記第１スイッチング手段から前記整流手段へ流れる経路に配置された電流制限手段と、前記電流制限手段と並列に接続された第２スイッチング手段と、前記第１スイッチング手段の動作を検出する動作検出手段と、前記動作検出手段により検出された動作が前記第１スイッチング手段の短絡状態を示す場合、前記第２スイッチング手段を開状態にする制御手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、供給される電源が不足している場合においても電源装置を保護することができる。

図１は、異常時に電源装置に十分な電流を引き込むことができない場合を説明する図である。 図２は、従来の電源装置の構成の一例を示す図である。 図３は、ヒューズ溶断特性を示す図である。 図４は、実施形態に係る電源装置の構成の一例を示す図である。 図５は、短絡した場合の電流および電圧の状態の一例を示す図である。 図６は、短絡時間の判定の閾値を補正する動作について説明する図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る電源装置を詳細に説明する。また、以下の実施形態によって本発明が限定されるものではなく、以下の実施形態における構成要素には、当業者が容易に想到できるもの、実質的に同一のもの、およびいわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、以下の実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換、変更および組み合わせを行うことができる。

（異常時に電源装置に十分な電流が流れない状態の一例）
図１は、異常時に電源装置に十分な電流を引き込むことができない場合を説明する図である。図１を参照しながら、短絡が発生した場合に電源装置に十分な電流を引き込むことができない場合について説明する。

図１では、屋内の各種電子機器に電源を供給する屋内電源設備２０１から、電源タップ２０２によりたこ足状態になった配線から、他の電子機器２１１、２１２、および電源装置１０１へ電源が供給される状態を示している。この場合、屋内電源設備２０１から電源供給が各電子機器に配分されるため、電源装置１０１に供給される電源（電力）が不足する可能性がある。また、屋内電源設備２０１そのものの電源容量が十分でない、または何らかの事情に電源容量が制限されている場合にも、電源装置１０１に供給される電源（電力）が不足する可能性もある。このような場合において、電源装置１０１の内部の回路に異物等により短絡が発生した場合、本来であれば大きな短絡電流が流れるところ、短絡が発生しても電源装置１０１へ十分な電流を引き込むことができない状態が発生する。

（従来の電源装置について）
図２は、従来の電源装置の構成の一例を示す図である。図３は、ヒューズ溶断特性を示す図である。図２および図３を参照しながら、従来の電源装置１０１の構成、および保護動作の問題点について説明する。

図２に示す従来の電源装置１０１は、交流電圧から直流電圧に変換して直流電源を供給する電源装置である。電源装置１０１は、交流電源１１１と、入力ヒューズ１１２と、ダイオードブリッジ１１３と、突入電流防止抵抗１１４と、突入電流防止リレー１１５と、インダクタ１１６と、スイッチング素子１１７と、ダイオード１１８と、平滑コンデンサ１１９と、を備える。

交流電源１１１は、交流電圧を供給する電源である。入力ヒューズ１１２は、交流電源１１１から流れる電流が所定値以上の大電流となった場合に、回路を保護するためにジュール熱によって溶断する電子部品である。ダイオードブリッジ１１３は、交流電源１１１からの交流電圧を全波整流して直流電圧に変換する電子部品である。

突入電流防止抵抗１１４は、ダイオードブリッジ１１３から整流された直流電圧に基づく電流Ｉが何らかの原因（短絡等）によって過大になった場合に、インピーダンスの高い自身に電流が流れることによって回路を保護する抵抗器である。突入電流防止リレー１１５は、後述する制御手段１３２による制御に従って、突入電流防止抵抗１１４に電流を流すか、突入電流防止抵抗１１４の両端を短絡するかを切り替えるためのリレーである。突入電流防止リレー１１５は、スイッチング素子１１５ａと、コイル１１５ｂとを有する。スイッチング素子１１５ａは、コイル１１５ｂのオンオフにより開閉され、突入電流防止抵抗１１４を短絡するか否かを切り替えるスイッチング手段である。コイル１１５ｂは、制御手段１３２の制御に従ってオンオフ動作し、スイッチング素子１１５ａの開閉動作を行う電子部品である。

インダクタ１１６、スイッチング素子１１７およびダイオード１１８は、ＰＦＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）回路（力率改善回路）を構成し、インダクタ１１６の機能、ダイオード１１８の整流機能（平滑コンデンサ１１９からスイッチング素子１１７への逆流防止）、およびスイッチング素子１１７の開閉動作により、高調波電流の発生を抑制し、電源装置１０１の力率を改善する。平滑コンデンサ１１９は、ダイオードブリッジ１１３により交流電圧から変換された直流電圧を平滑化するコンデンサである。

電源装置１０１は、さらに、トランス１２０と、スイッチング素子１２１と、ダイオード１２２と、二次側平滑コンデンサ１２３と、コンデンサ１２４と、ダイオード１２５と、を備える。

トランス１２０は、一次巻線１２０ａと、二次巻線１２０ｂとを有し、平滑コンデンサ１１９により平滑化された直流電圧がスイッチング素子１２１の開閉動作により一次巻線１２０ａに交流電流が流れる。そして、一次巻線１２０ａに流れる交流電流は、トランス１２０の巻き線比に応じた交流電圧が二次巻線１２０ｂに発生する。そして、二次巻線１２０ｂに発生した交流電圧は、ダイオード１２２により整流され、二次側平滑コンデンサ１２３により平滑化される。そして、二次側平滑コンデンサ１２３の両端電圧（直流電圧）が、電源装置１０１の出力電圧となる。

また、トランス１２０は、補助巻線１２０ｃを有し、スイッチング素子１２１の開閉動作により、当該補助巻線１２０ｃの両端に電圧が発生し、ダイオード１２５に電流が流れてコンデンサ２４が充電され、当該コンデンサ２４の両端から直流電圧が発生する。

電源装置１０１は、さらに、電流検出手段１３１と、制御手段１３２と、を備える。

電流検出手段１３１は、ダイオードブリッジ１１３へ流れ込む電流Ｉの値を検出する電子部品であり、検出した電流値を制御手段１３２へ送信する。制御手段１３２は、電流検出手段１３１により検出された電流値に基づいて、突入電流防止リレー１１５の動作を制御する制御装置である。具体的には、制御手段１３２は、電流検出手段１３１により検出された電流値が、短絡電流の発生等により所定の閾値以上であると判定した場合、突入電流防止リレー１１５のコイル１１５ｂをオフ状態にしてスイッチング素子１１５ａを開状態（非導通状態）にし、電流Ｉが突入電流防止抵抗１１４に流れるようにする。これによって、過大となった短絡電流が抑制され、電源装置１０１を保護することができる。

以上のような構成を有する従来の電源装置１０１において、交流電源１１１が供給する電源について図１で上述した状態により供給電源が不足している場合に、図２に示すように、スイッチング素子１１７の両端が異物により短絡状態となった場合を考える。この場合、図２に示すように、スイッチング素子１１７の両端の短絡により電流Ｉとして短絡電流が矢印の向きに流れるが、交流電源１１１の供給電源が不足しているために、電流検出手段１３１で検出される当該短絡電流の電流値が、上述の制御手段１３２で判定される閾値に達しない場合がある。この場合、制御手段１３２は、電流検出手段１３１で検出された電流値が閾値未満であると判定して通常の電流値の範囲であると判断し、突入電流防止リレー１１５のコイル１１５ｂのオン状態を継続して、スイッチング素子１１５ａの閉状態（導通状態）が維持される。すると、上述の閾値には達しないものの大きな短絡電流である電流Ｉは、突入電流防止抵抗１１４を流れることなく、大きさが抑制されないまま流れる。そして、図３に示す入力ヒューズ１１２のヒューズ溶断特性が示すように、当該電流Ｉ（図３に示すたこ足配線・屋内容量制限がある場合の電流値）では、入力ヒューズ１１２の溶断まで時間がかかり（または入力ヒューズ１１２が溶断せず）、図２の矢印の向きに流れる電流の遮断動作が遅れ、電源装置１０１の内部配線・電子部品について発火・破損等による故障を招来する可能性がある。

以上のような、従来の電源装置１０１での問題点を解消するための本実施形態に係る電源装置１の構成および動作について、以下の図４〜図６で説明する。

（本実施形態に係る電源装置の構成）
図４は、実施形態に係る電源装置の構成の一例を示す図である。図５は、短絡した場合の電流および電圧の状態の一例を示す図である。図４および図５を参照しながら、本実施形態に係る電源装置１の構成および動作について説明する。

図４に示す電源装置１は、電源装置１０１と同様に、交流電圧から直流電圧に変換して直流電源を供給する電源装置である。電源装置１は、交流電源１１と、入力ヒューズ１２と、ダイオードブリッジ１３（整流手段の一例）と、突入電流防止抵抗１４（電流制限手段の一例）と、突入電流防止リレー１５と、インダクタ１６と、スイッチング素子１７と、スイッチング素子１７（第１スイッチング手段）と、ダイオード１８と、平滑コンデンサ１９（平滑手段の一例）と、を備える。突入電流防止リレー１５は、スイッチング素子１５ａ（第２スイッチング手段）と、コイル１５ｂとを有する。なお、これらの構成部品は、それぞれ上述の図２に示した電源装置１０１の交流電源１１１、入力ヒューズ１１２、ダイオードブリッジ１１３、突入電流防止抵抗１１４、突入電流防止リレー１１５（スイッチング素子１１５ａ、コイル１１５ｂ）、インダクタ１１６、スイッチング素子１１７、ダイオード１１８、および平滑コンデンサ１１９と機能は同様である。

電源装置１は、さらに、トランス２０と、スイッチング素子２１と、ダイオード２２と、二次側平滑コンデンサ２３と、コンデンサ２４と、ダイオード２５と、を備える。トランス２０は、一次巻線２０ａと、二次巻線２０ｂと、補助巻線２０ｃと、を有する。なお、これらの構成部品は、それぞれ上述の図２に示した電源装置１０１のトランス１２０（一次巻線１２０ａ、二次巻線１２０ｂ、補助巻線１２０ｃ）、スイッチング素子１２１、ダイオード１２２、二次側平滑コンデンサ１２３、コンデンサ１２４、およびダイオード１２５と機能は同様である。

電源装置１は、さらに、電圧検出手段３１（動作検出手段の一例）と、制御手段３２と、備える。すなわち、電源装置１は、電源装置１０１の電流検出手段１３１の代わりに、電圧検出手段３１を備え、制御手段１３２の代わりに制御手段３２を備える。

電圧検出手段３１は、図５に示すように、スイッチング素子１７のオンオフ動作を検出する電子部品である。具体的には、電圧検出手段３１は、スイッチング素子１７の両端電圧である電圧Ｖｄｓを検出し、スイッチング素子１７が閉状態（導通状態、短絡状態）の時間、すなわち、図５に示すように電圧ＶｄｓがＬｏｗの時間（以下、短絡時間と称する場合がある）を検出し、検出した短絡時間を、制御手段３２へ送信する。制御手段３２は、電圧検出手段３１により測定されたスイッチング素子１７の短絡時間に基づいて、突入電流防止リレー１５の動作を制御する制御装置である。具体的には、制御手段３２は、電圧検出手段３１により検出された短絡時間が所定の閾値以上であるか否かを判定し、当該閾値以上である場合、スイッチング素子１７について異常により短絡状態になっていると判断し、突入電流防止リレー１５のコイル１５ｂをオフ状態にしてスイッチング素子１５ａを開状態（非導通状態）にし、電流Ｉが突入電流防止抵抗１４に流れるようにする。

これによって、過大となった短絡電流が抑制され、電源装置１を保護することができる。また、電流Ｉに依存せず、スイッチング素子１７の短絡状態を検出することができるため、屋内電源設備等（屋内電源設備２０１等）から電源装置１がたこ足状態になった配線で電源供給を受ける場合、または、屋内電源設備そのものの電源容量が十分でない、もしくは何らかの事情に電源容量が制限されている場合のように十分な電流を引き込むことができない場合においても、電源装置１を保護することができる。

なお、突入電流防止抵抗１４は、例えば温度ヒューズ抵抗であってもよい。これによって、電流Ｉがスイッチング素子１７の短絡による短絡電流となっても、ジュール熱により内部のヒューズが溶断して回路を遮断し、電源装置１をより確実に保護することができる。

また、制御手段３２が制御するスイッチング素子１５ａの開閉動作はコイル１５ｂに対するオンオフ動作により行っているが、これに限定されるものではなく、例えば制御信号により開閉動作を制御できるスイッチング素子をスイッチング素子１５ａの代わりに用いるものとしてもよい。

（制御手段の判定処理に用いる閾値の補正について）
図６は、短絡時間の判定の閾値を補正する動作について説明する図である。図６を参照しながら、本実施形態に係る電源装置１の制御手段３２において短絡時間の判定の閾値を補正する動作について説明する。

図４に示した、インダクタ１６、スイッチング素子１７およびダイオード１８は、ＰＲＣ回路（力率改善回路）を構成し、インダクタ１６の機能、ダイオード１８の整流機能、およびスイッチング素子１７の開閉動作により、高調波電流の発生を抑制し、電源装置１の力率を改善する。この場合、スイッチング素子１７は、両端の電圧である入力電圧（電圧Ｖｄｓ）の大きさに応じて、開閉動作のデューティ比が変動する。具体的には、スイッチング素子１７は、図６（ａ）に示すように、入力電圧が高い場合にはオン時間（閉状態の時間、短絡時間）が短く、低い場合には長くなるようなデューティ比で動作する。したがって、制御手段３２は、電圧検出手段３１により検出される短絡時間に対する判定の閾値については、スイッチング素子１７のオン時間が長い入力電圧の低い場合に合わせて設定する必要があり、例えば、図６（ａ）の場合、閾値を検出時間Ｔ１とする必要がある。しかし、閾値を検出時間Ｔ１に固定にしたものとすると、オン時間が短い入力電圧が高い場合においても、スイッチング素子１７の短絡が発生したときの検出が遅れることになる。

そこで、制御手段３２は、図６（ｂ）に示すように、スイッチング素子１７のオン時間が短い入力電圧が高い場合には、例えば、閾値を検出時間Ｔ２とすることにより、オン時間が長く入力電圧が低い場合における閾値（検出時間Ｔ１）の場合よりも、Ｔ１−Ｔ２だけスイッチング素子１７の短絡状態の検出を早めることができる。このように、制御手段３２は、電圧検出手段３１により検出される入力電圧（電圧Ｖｄｓ）の大きさに応じて、短絡時間に対する判定の閾値を補正する。これによって、制御手段３２は、スイッチング素子１７の動作に応じて適切な閾値により判定を行うことによって、スイッチング素子１７の短絡状態を早く検出することができる。

以上のように、本実施形態に係る電源装置１では、電流を制限する突入電流防止抵抗１４と、突入電流防止抵抗１４に並列に接続されたスイッチング素子１５ａと、力率改善回路に含まれるスイッチング素子１７の動作を検出する電圧検出手段３１と、電圧検出手段３１により検出されたスイッチング素子１７の動作に応じて当該スイッチング素子１７の短絡状態の発生の有無を判定し、短絡状態の発生を判定した場合、スイッチング素子１５ａを開状態にするものとしている。これによって、電流Ｉに依存せず、スイッチング素子１７の短絡状態を検出することができるため、屋内電源設備等（屋内電源設備２０１等）から電源装置１がたこ足状態になった配線で電源供給を受ける場合、または、屋内電源設備そのものの電源容量が十分でない、もしくは何らかの事情に電源容量が制限されている場合のように十分な電流を引き込むことができない場合においても、電源装置１を保護することができる。

１ 電源装置
１１ 交流電源
１２ 入力ヒューズ
１３ ダイオードブリッジ
１４ 突入電流防止抵抗
１５ 突入電流防止リレー
１５ａ スイッチング素子
１５ｂ コイル
１６ インダクタ
１７ スイッチング素子
１８ ダイオード
１９ 平滑コンデンサ
２０ トランス
２０ａ 一次巻線
２０ｂ 二次巻線
２０ｃ 補助巻線
２１ スイッチング素子
２２ ダイオード
２３ 二次側平滑コンデンサ
２４ コンデンサ
２５ ダイオード
３１ 電圧検出手段
３２ 制御手段
１０１ 電源装置
１１１ 交流電源
１１２ 入力ヒューズ
１１３ ダイオードブリッジ
１１４ 突入電流防止抵抗
１１５ 突入電流防止リレー
１１５ａ スイッチング素子
１１５ｂ コイル
１１６ インダクタ
１１７ スイッチング素子
１１８ ダイオード
１１９ 平滑コンデンサ
１２０ トランス
１２０ａ 一次巻線
１２０ｂ 二次巻線
１２０ｃ 補助巻線
１２１ スイッチング素子
１２２ ダイオード
１２３ 二次側平滑コンデンサ
１２４ コンデンサ
１２５ ダイオード
１３１ 電流検出手段
１３２ 制御手段
２０１ 屋内電源設備
２０２ 電源タップ
２１１、２１２ 他の電子機器

特開２０１９−００４５４１号公報

Claims (5)

1. 交流電源から出力される交流電圧を直流電圧に整流する整流手段と、
   前記整流手段の出力側に接続されたインダクタと、
   前記整流手段の出力端間に配置され、かつ、前記インダクタの後段側に設置された第１スイッチング手段と、
   前記第１スイッチング手段と並列に接続され、前記整流手段が出力する直流電圧を平滑化する平滑手段と、
   前記平滑手段から前記第１スイッチング手段への逆流電流を防止するダイオードと、
   前記第１スイッチング手段から前記整流手段へ流れる経路に配置された電流制限手段と、
   前記電流制限手段と並列に接続された第２スイッチング手段と、
   前記第１スイッチング手段の動作を検出する動作検出手段と、
   前記動作検出手段により検出された動作が前記第１スイッチング手段の短絡状態を示す場合、前記第２スイッチング手段を開状態にする制御手段と、
   を備えた電源装置。
2. 前記動作検出手段は、前記第１スイッチング手段の両端電圧を検出する電圧検出手段であり、
   前記制御手段は、前記電圧検出手段により検出された前記両端電圧に基づいて、前記第１スイッチング手段が短絡状態となっているか否かを判定する請求項１に記載の電源装置。
3. 前記電圧検出手段は、検出した前記第１スイッチング手段の前記両端電圧に基づいて、前記第１スイッチング手段の短絡時間を検出し、
   前記制御手段は、前記電圧検出手段により検出された前記短絡時間が所定の閾値以上であると判定した場合、前記第２スイッチング手段を開状態にする請求項２に記載の電源装置。
4. 前記制御手段は、前記電圧検出手段により検出された前記両端電圧に応じて、前記閾値を補正する請求項３に記載の電源装置。
5. 前記電流制限手段は、温度ヒューズ抵抗である請求項１〜４のいずれか一項に記載の電源装置。

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