JP2003111422A

JP2003111422A - 電源装置

Info

Publication number: JP2003111422A
Application number: JP2001300613A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Furukawa; 聡古川; Toshinari Baba; 俊成馬場; Eiji Goto; 英二後藤; Yukihisa Ninomiya; 恭久二宮; Kazuhiro Harada; 員宏原田; Keizo Matsui; 敬三松井; Hirobumi Noma; 博文野間; Yuji Tani; 祐二谷; Masafumi Nishinomiya; 理文西宮
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2003-04-11
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: JP3726732B2

Abstract

(57)【要約】【課題】構成要素の双方向スイッチが破壊して短絡し
た時、過電流による電源装置の構成部品の保護する。【解決手段】交流電源１の全波整流ブリッジ整流回路
６と、交流入力端６bと直流出力端６dとの間に双方向ス
イッチ９を介して接続されたコンデンサ１０と、平滑コ
ンデンサ７と、ゼロクロス検出手段１２と、双方向スイ
ッチ駆動信号生成手段１３と、双方向スイッチ駆動手段
１４と、前記双方向スイッチ１４と前記ブリッジ整流回
路６を接続する連絡路に流れる電流を検出する過電流検
出手段１６と、この過電流検出手段１６が所定値以上の
電流値を検出した時に、連絡路を開閉する開閉スイッチ
１５を開とする過電流保護手段１７を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ブリッジ整流回路
を利用した整流方式を用い、装置、システム等に直流電
力を供給する電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ダイオードを利用した種々の整流方式が
知られていた。

【０００３】図４〜図７は従来の電源装置構成を示して
いる。各図に示した電源装置は、４つのダイオード２〜
５で形成されたブリッジ整流回路６と、交流電源１とを
備えている。交流電源１とブリッジ整流回路６の交流入
力端との間にはリアクタ８が、ブリッジ整流回路の交流
入力端と直流出力端との間にはコンデンサ１０が接続さ
れている。

【０００４】図４、図５に示した構成図では、コンデン
サ１０はブリッジ整流回路６の交流入力端６ａまたは６
ｂと、負の直流出力端６ｃとの間に双方向スイッチ９を
介して接続されており、図６、図７に示した構成図で
は、コンデンサ１０はブリッジ整流回路６の交流入力端
６ａまたは６ｂと、正の直流出力端６ｄとの間に接続さ
れている。

【０００５】また、ブリッジ整流回路６の正の直流出力
端６ｄと、負の直流出力端６ｃとの間には、平滑コンデ
ンサ７が接続されている。この平滑コンデンサ７によ
り、ブリッジ整流回路６によって得られた変化の激しい
直流を滑らかな直流にすることができる。

【０００６】さらに、交流電源１の電圧のゼロクロス点
を検出するゼロクロス検出手段１２と、前記ゼロクロス
検出手段１２の出力に基づき、双方向スイッチ９の駆動
信号を生成する双方向スイッチ駆動信号生成手段１３
と、前記双方向スイッチ駆動信号生成手段１３の出力に
基づき双方向スイッチ９の駆動を行う双方向スイッチ駆
動手段１４と、前記平滑コンデンサ７の両端の直流出力
電圧を検出する直流出力電圧検出手段１５と、前記直流
出力電圧が出力電圧過昇防止レベルＯＶ１を超えると前
記ＯＶ１より低く設定された出力電圧過昇防止解除レベ
ルを下回るまで双方向スイッチ９をＯＦＦする過電圧保
護第１手段１７とを有している。

【０００７】なお、図４〜図７ではゼロクロス検出手段
１２、双方向スイッチ駆動信号生成手段１３、双方向ス
イッチ駆動手段１４、直流出力電圧検出手段１５、過電
圧保護第１手段１７の記載を省略している。

【０００８】以下、図８〜図１１を用いて、図４に示し
た電源装置の動作について説明する。図８、図９は、交
流入力電圧Ｖｉが正の半周期の間を示し、図１０、図１
１は、負の半周期の間を示している。

【０００９】図８に示した全波整流回路は、４つのダイ
オード２〜５で構成されたブリッジ整流回路６を備えて
いる。１１は負荷を示している。

【００１０】図９は、交流電源１からの交流が正の半周
期の間における電流の流れを示している。電流は矢印で
示したように、ダイオード２、平滑コンデンサ７、ダイ
オード５の順に流れるので、正の電圧Ｖｏを取り出すこ
とができる。

【００１１】図１０は、交流電源１からの交流が負の半
周期の間における電流の流れを示している。電流は矢印
で示したように、ダイオード４、平滑コンデンサ７、ダ
イオード３の順に流れるので、正の電圧Ｖｏを取り出す
ことができる。すなわち、交流電源１からの交流入力は
全波整流され、正の直流電圧が得られることになる。

【００１２】また、図１２、図１３は図４に示した電源
装置についてＶｉを２００Ｖ、Ｌを１０ｍＨ、Ｃを３０
０μＦ、Ｃｏを１８００μＦとした場合の実施例の各波
形を示したものである。

【００１３】図１２は、交流入力電圧Ｖｉ、リアクタ８
を流れる電流（交流入力電流）ＩＬ、直流出力電圧Ｖ
ｏ、および双方向スイッチ９の駆動信号Ｖｇの各波形
を、図１３は、交流入力電圧Ｖｉ、コンデンサ１０を流
れる電流Ｉｃ、およびコンデンサ１０の両端間電圧Ｖｃ
の各波形を示している。

【００１４】以上の構成において、交流入力電圧Ｖｉ
の、正の交流半周期のゼロクロス直後では、双方向スイ
ッチ９はオフされており、直流出力電圧Ｖｏが交流入力
電圧Ｖｉより高く、ダイオード２、５が逆バイアスされ
ているため入力電流は流れない。なお、この時コンデン
サ１０は前周期で充電された結果、図示の極性で電圧Ｖ
ｃ１を有する。交流入力電圧Ｖｉの負から正へのゼロク
ロス点から時間Δｄ後に双方向スイッチ駆動信号生成手
段１３は双方向スイッチ９のオン信号を生成し、双方向
スイッチ駆動手段１４により双方向スイッチ９がオンさ
れると、図５の矢印に示すように電流が流れる。

【００１５】すなわち交流電源１から順に、リアクタ
８、ダイオード２、平滑コンデンサ７、コンデンサ１０
に電流が流れ、コンデンサ１０は放電してその電圧はＶ
ｃ１より低下する。なお、この双方向スイッチ９のオン
時点で交流入力電圧Ｖｉとコンデンサ１０の電圧Ｖｃ１
の和が平滑コンデンサ７の電圧Ｖｏより大きくなるよう
にΔｄを選ぶものとする。

【００１６】そして、双方向スイッチ９のオン時点から
時間Δｔ後に双方向スイッチ駆動信号生成手段１３は双
方向スイッチ９のオフ信号を生成し、双方向スイッチ駆
動手段１４により双方向スイッチ９がオフされると、コ
ンデンサ１０はその時点の電圧Ｖｃ２を保持しながら、
電流は図６に示すように交流電源１からリアクタ８、ダ
イオード２、平滑コンデンサ７、ダイオード５の順に流
れ、交流入力電圧Ｖｉの低下によりやがてゼロとなる。

【００１７】交流入力電圧Ｖｉの、負の交流半周期のゼ
ロクロス直後では、双方向スイッチ９はオフされてお
り、直流出力電圧Ｖｏが交流入力電圧Ｖｉより高く、ダ
イオード３、４が逆バイアスされているため入力電流は
流れない。交流入力電圧Ｖｉの正から負へのゼロクロス
点からΔｄ後に双方向スイッチ駆動信号生成手段１３は
双方向スイッチ９のオン信号を生成し、双方向スイッチ
駆動手段１４により双方向スイッチ９がオンされると、
図７の矢印に示すように電流が流れる。

【００１８】すなわち交流電源１から順に、コンデンサ
１０、ダイオード３、リアクタ８と電流が流れ、コンデ
ンサ１０は充電される。そして、双方向スイッチ９のオ
ン時点からΔｔ後に双方向スイッチ駆動信号生成手段１
３は双方向スイッチ９のオフ信号を生成し、双方向スイ
ッチ駆動手段１４により双方向スイッチ９がオフされる
と、コンデンサ１０は電圧Ｖｃ１まで充電された状態で
その電圧を保持し、電流は図８に示すように交流電源１
から、ダイオード４、平滑コンデンサ７、ダイオード
３、リアクタ８の順に流れ、交流入力電圧Ｖｉの低下に
よりやがてゼロとなる。

【００１９】以上のようにコンデンサ１０を充放電させ
ることにより、入力電圧のゼロクロスに近いところから
入力電流を流せることとなるため、高力率化が図ってい
た。

【００２０】また、Δｔを増加することによりリアクタ
８への磁気エネルギー蓄積量およびコンデンサ１０への
充電量を増加させ、直流出力電圧Ｖｏを増加することが
できる。同様にΔｔを減少させることにより出力電圧Ｖ
ｏを減少させることができ、Δｔの増減により直流出力
電圧Ｖｏを可変できることとなる。Δｔの可変範囲は、
最大負荷時に必要な直流出力電圧を生成する双方向スイ
ッチの導通幅Δｔｏ以下に制限するものである。

【００２１】従来の電源装置は図１０に示した通り、交
流入力電圧Ｖｉの負の半周期における双方向スイッチ９
の導通期間Δｔに、リアクタ８、コンデンサ１０にエネ
ルギーを蓄積し、交流入力電圧Ｖｉの正の半周期でそれ
らのエネルギーを平滑コンデンサ７に放出する、いわゆ
る昇圧作用を有している。

【００２２】このΔｔと直流出力電圧Ｖｏの関係は図１
５に示すように、Δｔが大きくなるほど直流出力電圧Ｖ
ｏが増加するが、その値は負荷の大きさに依存し、負荷
が小さいほど同じΔｔに対する直流出力電圧Ｖｏが高く
なる。従って、軽負荷時にΔｔを大きくしすぎると直流
出力電圧Ｖｏが異常に高くなり、平滑コンデンサ７の耐
圧を超える恐れがある。

【００２３】以上の現象を避けるためにΔｔの最大値を
前述の通り、最大負荷時に必要な直流出力電圧Ｖｏを生
成する導通幅Δｔｏ以下に制限しており、これによって
軽負荷時にも双方向スイッチ９の導通幅がΔｔｏ以下に
制限され、直流出力電圧Ｖｏが異常に上昇することを防
止することができる。

【００２４】さらに、電流はリアクタ８と、コンデンサ
１０または平滑コンデンサ７との直列共振電流となるた
め、昇圧回路で一般的に用いられるリアクタの電源短絡
方式と比較し電流の急増が抑制でき、リアクタ８のうな
りを抑制できることとなる。さらに電流はリアクタ８
と、コンデンサ１０または平滑コンデンサ７との直列共
振電流となり、高周波のリンギング成分を含まないた
め、リアクタ８のインダクタンスＬとコンデンサ１０の
キャパシタンスＣ、Δｄ、Δｔを適当に選ぶことによ
り、高調波を適切に抑制することができる。図１４に入
力電流の高調波成分と高調波規制国内ガイドライン１５
との比較の一例を示している。本図では、横軸が高調波
の次数、縦軸が電流値を示している。

【００２５】なお、図４に示した電源装置の動作につい
て説明したが、図５〜図７に示したいずれの電源装置に
ついても動作は同様である。

【００２６】しかしながら、前記のような従来の電源装
置では、交流電源１の電圧が直流出力電圧より高い期間
しか入力電流が流れないため力率が低く、電源高調波も
大きくなるという課題があった。

【００２７】通常これらの改善策として交流電源１とブ
リッジ整流回路６との間にリアクタを接続する方法が用
いられるが、この方法では高調波を抑制できても力率が
約７０％程度しか得られないため、中容量から大容量の
電源としてはそれに用いる素子の大型化、ひいては装置
の大型化を招くと共に、電源系統にも負担をかけるとい
う課題があった。

【００２８】従来のこのような課題を解決するために、
高力率と高調波抑制とが両立でき、かつ過電圧や過電流
の保護が可能となる電源装置として、前記交流電源と前
記ブリッジ整流回路の交流入力端との間に接続されたリ
アクタと、前記ブリッジ整流回路の交流入力端と直流出
力端との間に双方向スイッチを介して接続されたコンデ
ンサとを設けた電源装置がある。

【００２９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な電源装置では、双方向スイッチが破壊して短絡した時
に過電流により、電源装置の構成部品を破壊してしまう
という課題があった。本発明の電源装置はこのような課
題を解決するものであり、構成要素の双方向スイッチが
破壊して短絡しても、電源装置の構成部品の保護が可能
となることを目的とする。

【００３０】

【課題を解決するための手段】双方向スイッチが破壊し
短絡した時に、双方向スイッチとブリッジ整流回路を接
続する連絡路に流れる過電流を検知し、この連絡路に設
けた開閉スイッチを開とする、過電流時の保護動作を行
う過電流保護手段を設ける。

【００３１】前記の過電流保護手段を設けることによ
り、連絡路に流れる電流を遮断して電源装置の構成部品
を過電流から防止する。

【００３２】

【発明の実施の形態】上記課題を解決するための請求項
記載の発明は、交流電源と、前記交流電源からの交流を
全波整流する4個のダイオードで形成されたブリッジ整
流回路と、前記ブリッジ整流回路の直流出力端に接続さ
れた平滑コンデンサと、前記交流電源と前記ブリッジ整
流回路の交流入力端との間に接続されたリアクタと、前
記ブリッジ整流回路の交流入力端と直流出力端との間に
双方向スイッチを介して接続されたコンデンサと、前記
交流電源の電圧のゼロ点を検出するゼロクロス検出手段
と、前記ゼロクロス検出手段の出力に基づき前記双方向
スイッチの駆動信号を生成する双方向スイッチ駆動信号
生成手段と、前記双方向スイッチ駆動信号生成手段の信
号に基づき前記双方向スイッチを駆動する双方向スイッ
チ駆動手段とを備えたものである。

【００３３】このような構成により前記双方向スイッチ
を適切な位相および導通幅で導通させることで、入力電
流の高調波の抑制と高力率化が両立でき、かつ交流電源
の電圧ピーク値以上の直流出力電圧が得られる。

【００３４】以上の本発明に係わる電源装置で、双方向
スイッチ短絡による故障時、電源装置の回路の破壊を防
止するために、過電流検出手段が過電流を検知した場
合、過電流保護手段により開閉スイッチを開とする過電
流保護制御を設ける。

【００３５】以下本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。従来例と同一構成のものは、同一番号を付
して説明する。

【００３６】（実施の形態１）図１は本発明に係わる電
源装置の過電流保護制御の動作を示している。双方向ス
イッチ９が破壊し短絡されると過電流検出手段１６から
過電流検知信号を、過電流保護第１手段１７に出力す
る。この過電流検知信号を受けて開閉スイッチ１５を開
とする信号を出力する。

【００３７】よって双方向スイッチ９とブリッジ整流回
路６を接続する連絡路は遮断して電流が流れなくなるの
で、電源装置の構成部品を破壊するのを防止する。

【００３８】そして、過電流状態が収まっても開閉スイ
ッチ１５は開を継続するため安全性が確保できる。（実施の形態２）図２は本発明に係わる電源装置の過電
流保護回路を示している。なお、図４と同じ構成の箇所
は同じ番号を付し説明を省略する。

【００３９】図２に示すように、過電流保護手段２とし
て、双方向スイッチ９が破壊し短絡された時、過電流基
準値１９と過電流検出手段１６から出力された電流値を
過電流判定部２０が比較する。

【００４０】そして前記過電流判定部２０が過電流検知
の信号を送り開閉スイッチ制御部２１が開閉スイッチ１
５を開とし、電流を遮断することにより電源装置の回路
を破壊するのを防止する。（実施の形態３）図３は本発明に係わる電源装置の過電
流保護回路を示している。なお、図4と同じ構成の箇所
は同じ番号を付し説明を省略する。

【００４１】図３に示すように、双方向スイッチ９が破
壊し短絡された時、過電流検出手段１６の出力が、過電
流レベルを設定している過電流基準値（ＯＣ１）１９を
超え過電流保護第３手段２２が反転すると開閉スイッチ
制御手段２３が、双方向スイッチ９と直列に接続された
開閉スイッチ１５を開とし、電流を遮断することにより
電源装置の回路を破壊するのを防止する。

【００４２】

【発明の効果】以上のように本発明の電源装置によれ
ば、双方向スイッチとブリッジ整流回路を接続する連絡
路に過電流が発生しても、連絡路を開閉する開閉スイッ
チが開とするような過電流保護手段を設けることによっ
て、過電流による電源装置の構成部品の破壊を防止する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係る電源装置の構成図

【図２】本発明の実施の形態２に係る電源装置の構成図

【図３】本発明の実施の形態３に係る電源装置の構成図

【図４】従来の電源装置の構成図

【図５】従来の電源装置の構成図

【図６】従来の電源装置の構成図

【図７】従来の電源装置の構成図

【図８】従来の電源装置の動作説明図

【図９】従来の電源装置の動作説明図

【図１０】従来の電源装置の動作説明図

【図１１】従来の電源装置の動作説明図

【図１２】従来の電源装置における波形図

【図１３】従来の電源装置における波形図

【図１４】従来の電源装置における特性図

【図１５】従来の電源装置における特性図

【符号の説明】

１交流電源２、３、４、５ダイオード６ブリッジ整流回路７平滑コンデンサ８リアクタ９双方向スイッチ１０コンデンサ１１負荷１２ゼロクロス検出手段１３双方向スイッチ駆動信号生成手段１４双方向スイッチ駆動手段１５開閉スイッチ１６過電流検出手段１７過電流保護第１手段１８過電流保護第２手段１９過電流基準値２０過電流判定部２１開閉スイッチ制御部２２過電流保護第３手段２３開閉スイッチ制御手段２４ＯＣ１

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者後藤英二大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者二宮恭久大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者原田員宏大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者松井敬三大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者野間博文大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者谷祐二大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者西宮理文大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5H006 AA02 AA04 AA05 CA06 CA07 CA08 CA12 CA13 CB01 CC01 DA02 DB01 DC02 DC04 FA02 GA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】交流電源と、前記交流電源からの交流を
全波整流するブリッジ整流回路と、前記ブリッジ整流回
路の直流出力端に接続された平滑コンデンサとを有する
電源装置であって、前記交流電源と前記ブリッジ整流回
路の交流入力端との間に接続されたリアクタと、前記ブ
リッジ整流回路の交流入力端と直流出力端との間に双方
向スイッチを介して接続されたコンデンサと、前記交流
電源の電圧のゼロ点を検出するゼロクロス検出手段と、
前記ゼロクロス検出手段の出力に基づき前記双方向スイ
ッチの駆動信号を生成する双方向スイッチ駆動信号生成
手段と、前記双方向スイッチ駆動信号生成手段の信号に
基づき前記双方向スイッチを駆動する双方向スイッチ駆
動手段と、前記双方向スイッチと前記ブリッジ整流回路
を接続する連絡路に流れる電流を検出する過電流検出手
段と、この連絡路を開閉する開閉スイッチとを設け、前
記過電流検出手段が所定値以上の電流値を検出した時
に、前記開閉スイッチを開とする過電流保護手段とを有
することを特徴とする電源装置。
【請求項２】過電流保護手段として、過電流と判定す
る過電流基準値と、前記過電流基準値と過電流検出手段
からの信号を比較し、前記過電流検出手段からの信号が
前記過電流基準値を超えた場合に、過電流と判定する過
電流判定部と、前記過電流判定部が過電流と判定した時
に、開閉スイッチが開とする制御を行う開閉スイッチ制
御部を設けたことを特徴とする請求項１記載の電源装
置。
【請求項３】過電流保護手段として、過電流と判定す
る第１の入力値と、過電流検出手段が検出する電流値を
第２の入力値とし、前記第１の入力値と前記第２の入力
とを比較し、過電流発生時に出力を反転した時に開閉ス
イッチを開とする開閉スイッチ制御手段を設けたことを
特徴とする請求項１記載の電源装置。