JP2012164502A - リレーモジュールおよびそれを用いた電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力遮断を確実に行うことでアーク放電の発生をなくし、開閉器の小型化が行えるリレーモジュールおよびそれを用いた電源装置を提供する。
【解決手段】電源装置は、電源と、インバータと、コンデンサと、電源とインバータとを電気的に接続あるいは遮断するリレーモジュール１とを備えている。リレーモジュール１は、開閉手段１０と双方向スイッチ２０とこれらを制御する制御手段４とを備え、開閉手段１０と双方向スイッチ２０とは直列接続されている。リレーモジュール１は電源とインバータとの間に介設されており、電源からインバータに直流電力を供給する際には、制御手段４は双方向スイッチ２０をオフとしてから開閉手段１０を閉じ、その後双方向スイッチ２０をソフトスタートする。また、電源からインバータへの直流電力の供給を遮断する場合は、制御手段４は双方向スイッチ２０をオフとしてから開閉手段１０を開く。
【選択図】図２

Description

本発明は、リレーモジュールおよびそれを用いた電源装置に係わり、より詳細には、小型化を行いつつ確実な電力遮断が行えるリレーモジュールおよびそれを用いた電源装置に関する。

従来、モータ等の負荷に駆動電力を供給する電源装置においては、電源装置に備えられたスイッチを閉じて負荷への電力供給を開始した際に瞬時に流れる大きな電流（突入電流）によるコンデンサやスイッチの接点の破損を防ぐ様々な手段が提案されている。

例えば、特許文献１に記載の電源装置には、第１開閉器と、第２開閉器と、パワーサーミスタとが備えられている。電源供給手段の一端に第１開閉器の一端が接続され、負荷の一端にパワーサーミスタの一端が接続される。また、第１開閉器の他端とパワーサーミスタの他端とが接続される。そして、パワーサーミスタに第２開閉器が並列接続される。

負荷に駆動電力を供給するために第１開閉器が閉じられると、その瞬間に大きな突入電流が流れようとするが、この時はパワーサーミスタの温度が低く抵抗値が大きいため、大きな突入電流が流れない。従って、大きな突入電流によって第１開閉器や負荷が損傷することを防止できる。また、第１開閉器を閉じた後所定時間、例えば、パワーサーミスタの働きにより突入電流が十分小さくなるのに必要な時間が経過すれば、第２開閉器を閉じパワーサーミスタを短絡することによりパワーサーミスタでの損失をなくすことができる。

特開２００１−２２４５３号公報（第２〜３頁、第１図）

一般に、開閉器の両端に大きな電圧が加わった場合は、開閉器が開いた状態であるときに接点間でアーク放電が起こる虞があり、特に電源装置が直流電源に接続されている場合は、開閉器の両端に大きな電圧が継続的に加わるためアーク放電が起こりやすい。アーク放電が発生すると開閉器が損傷する虞があるので、アーク放電が発生しないよう開閉器の接点間距離を大きくする必要があり、開閉器の小型化の障壁となっていた。

また、特許文献１の電源装置は、電源供給手段と負荷との間は第１開閉器でのみ電気的に遮断が行える構成となっているため、第１開閉器に大きな電圧が加わることによるアーク放電の発生を防ぐことができず、第１開閉器や負荷等が損傷する虞があった。

本発明は以上述べた問題点を解決し、電力遮断を確実に行うことでアーク放電の発生をなくし、開閉器の小型化が行えるリレーモジュールおよびそれを用いた電源装置を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明のリレーモジュールは、電源と電源から電力供給を受ける負荷とを電気的に接続あるいは遮断するものである。このリレーモジュールは、制御手段と、制御手段によって機械的に開閉される開閉手段と、制御手段によって電気的にオンオフされるスイッチ手段とを備えており、開閉手段とスイッチ手段とは直列接続されている。電源からインバータに電力を供給する際には、制御手段はスイッチ手段をオフとしてから開閉手段を閉じ、その後スイッチ手段をソフトスタートする。また、電源からインバータへの電力の供給を遮断する場合は、制御手段はスイッチ手段をオフとしてから開閉手段を開く。

上記のように構成したリレーモジュールでは、負荷に電力を供給する際には、制御手段は開閉手段を閉じてからスイッチ手段をソフトスタートする。この時、開閉手段とスイッチ手段とは直列接続されているので、開閉手段が閉じる前に開閉手段に大きな電圧が加わることがなく開閉手段の接点間でアーク放電が発生しない。また、負荷への電力供給を遮断する際には、制御手段はスイッチ手段をオフとしてから開閉手段を開く。先にスイッチ手段をオフとするので、開閉手段に大きな電圧が加わることがなく開閉手段の接点間でアーク放電が発生しない。従って、開閉手段の接点間距離を近づけることができ、開閉手段の小型化が行える。また、開閉手段とスイッチ手段とは直列接続されているので、開閉手段を開とすることで電源側と負荷側との遮断が機械的に確実に行える。

本発明の実施例である電源装置の要部ブロック図である。 本発明の実施例における、リレーモジュールの構成説明図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。実施例としては、電動自転車や電気自動車等に備えられたモータを駆動する電源装置を例に挙げて説明する。尚、本発明は以下の実施形態に限定されることはなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。

図１に示すように、本発明の電源装置１００は、リレーモジュール１と、インバータ２と、インバータ２に加わる電圧のリップルを除去するためのコンデンサ３と、充電器を備え直流電力を供給する電源５とを備えている。リレーモジュール１の一端は電源５の一端に接続され、他端はインバータ２の一端に接続されている。また、電源５の他端とインバータ２の他端とが接続されている。また、コンデンサ３は、リレーモジュール１とインバータ２との間でインバータ２に並列接続されている。インバータ２は、入力した直流電力を交流電力に変換し負荷６（例えば、３相ブラシレスモータ）を駆動する。尚、電源装置１００はこれら以外に、カレントトランスやシャント抵抗等で構成され電源装置を流れる電流を検出する電流検出手段等が備えられているが、本発明と直接関係がないため、詳細な説明は省略する。

リレーモジュール１は、電源５とインバータ２との間を電気的に接続あるいは遮断するものであり、図２に示すように、リレーでなる開閉手段１０と、スイッチ手段である双方向スイッチ２０と、開閉手段１０の開閉制御および双方向スイッチ２０のオンオフ制御を行う制御手段４とで構成される。

開閉手段１０は、スイッチ部１１と、電流が流れることにより電磁力が発生する操作コイル１２とを備えている。さらに、スイッチ部１１は、所定の距離を置いて配置された端子１１ａおよび端子１１ｂと、端子１１ｂに一端が接続され操作コイル１２で発生した電磁力によって他端が端子ａ側へ吸引されるスイッチ片１１ｃとを備えている。端子ａが電源５の一端に接続され、端子１１ｂが双方向スイッチ２０に接続されている。尚、スイッチ片１１ｃは、鉄等の導電性を備えた磁性材料で形成される。

双方向スイッチ２０は、ベースにＬｏ（例えば０Ｖ）信号が入力されればオフとなりＨｉ（例えば５Ｖ）信号が入力されればオンとなるＩＧＢＴやバイポーラトランジスタ等のスイッチング素子２１と、５個のダイオード２２乃至２６とを備えている。ダイオード２３のアノードとダイオード２４のカソードとが接点Ａで接続され、接点Ａと開閉手段１０の端子１１ｂとが接続されている。また、ダイオード２５のアノードとダイオード２６のカソードとが接点Ｂで接続され、接点Ｂにインバータ２の入力側の一端が接続されている。

また、ダイオード２３のカソードとダイオード２５のカソードとが接点Ｃで接続され、接点Ｃにスイッチング素子２１のコレクタが接続されている。また、ダイオード２４のアノードとダイオード２６のアノードとが接点Ｄで接続され、接点Ｄにスイッチング素子２１のエミッタが接続されている。そして、ダイオード２２のカソードとスイッチング素子２１のコレクタとが接点Ｅで接続され、ダイオード２２のアノードとスイッチング素子２１のエミッタとが接点Ｆで接続されている。
尚、ダイオード２２は、スイッチング素子２１を保護するために設けられる、所謂、フライバックダイオードである。

制御手段４は、開閉手段１０の操作コイル１２への通電を制御しスイッチ部１１のスイッチ片１１ｃを端子１１ａに接続あるいは開放することで、開閉手段１０の開閉制御を行う。また、制御手段４は、双方向スイッチ２０のスイッチング素子２１のベースに制御信号を加えてスイッチング素子２１をオンオフすることで、双方向スイッチ２０のオンオフ制御を行う。

インバータ２は、図示しない複数のパワートランジスタ等のスイッチング素子と、スイッチング素子を保護するための複数のフライバックダイオードとを備えている。インバータ２は、上述したように、リレーモジュール１を介して電源５から入力された直流電力を交流電力に変換し、負荷６を駆動する。インバータ２は、図示しない電源装置１００の制御手段によって、電流検出手段で検出した電流に基づいて制御される。

次に、図１および図２を使用して、本発明による電源装置１００の動作およびその効果について説明する。使用者が、電源装置１００が搭載された機器を起動するために、機器に備えられた電源ボタン等を操作して機器の起動指示を行う。電源装置１００の制御手段を介して起動指示を受けた制御手段４は、スイッチング素子２１のベースにＬｏ信号を出力してスイッチング素子２１をオフとすることで双方向スイッチ２０をオフとする。双方向スイッチ２０をオフとすれば、開閉手段１０のスイッチ部１１の端子１１ａと端子１１ｂとの間に電圧が加わることはない。従って、端子１１ａと端子１１ｂとの間、あるいは、端子１１ａとスイッチ片１１ｃとの間には、これらの空間距離に関わらずアーク放電は発生しない。
尚、双方向スイッチ２０は、外部からの制御、例えば、制御手段４からの指示がない場合は常時オフとなるようにしてもよい。

次に、制御手段４は、開閉手段１０の操作コイル１２に通電を行い、操作コイル１２で発生する電磁力でスイッチ片１１ｃを引き寄せることによって、スイッチ片１１ｃを接点１１ａに接触させることでスイッチ１１を閉じる。スイッチ１１を閉じることで開閉手段１０は電源５に接続されるが、この時、双方向スイッチ２０はオフのままなので、コンデンサ３に突入する突入電流は発生しない。

次に、制御手段４は、双方向スイッチ２０のスイッチング素子２１をＰＷＭ駆動して、電源装置１００をソフトスタートする。具体的には、制御手段４は、スイッチング素子２１のベースにデューティー比が徐々に大きくなり最終的にはデューティー比が１００％となるパルスを加えることによって、スイッチング素子２１がオンとなる時間を徐々に長くする。スイッチング素子２１がオンとなっている時にコンデンサ３は充電されるので、インバータ２の入力電圧は徐々に上昇し、デューティー比が１００％、つまり、スイッチング素子２１が常にオンとなった際に、インバータ２の入力電圧が最大（所望する入力電圧）となる。このように、制御手段４が双方向スイッチ２０のスイッチング素子２１をＰＷＭ駆動して、電源装置１００をソフトスタートするので、電源装置１００で突入電流が発生せず、コンデンサ３やリレーモジュール１の開閉手段１０の破損を防ぐことができる。

尚、スイッチング素子２１をオンとすることで双方向スイッチ２０がオンとなった場合は、図２の矢印で示すように双方向スイッチ２０に電流が流れ、インバータ２に直流電力が供給される。また、負荷６で発生した回生電流を電源５の充電器に充電する場合は、スイッチング素子２１をオンとすることで双方向スイッチ２０がオンとなれば、図２の破線矢印で示すように双方向スイッチ２０に電流が流れ、開閉手段１０を介して電源５に電流が流れる。

次に、電源装置１００が搭載された機器を停止する場合について説明する。使用者が、電源装置１００が搭載された機器を停止するために、機器に備えられた電源ボタン等を操作して機器の停止指示を行う。電源装置１００の制御手段を介して停止指示を受けた制御手段４は、スイッチング素子２１のベースにＬｏ信号を出力してスイッチング素子２１をオフし双方向スイッチ２０をオフとする。そして、制御手段４は、操作コイル１２への通電を停止することで、操作コイル１２で発生する電磁力をなくしスイッチ片１１ｃを接点１１ａから引き離すことでスイッチ１１を開く。

この時、双方向スイッチ２０はオフとなっているため、開閉手段１０のスイッチ部１１の端子１１ａと端子１１ｂとの間に電圧は加わらない。従って、スイッチ片１１ｃを接点１１ａから引き離した際に、端子１１ａと端子１１ｂとの間、あるいは、端子１１ａとスイッチ片１１ｃとの間には、これらの空間距離に関わらずアーク放電は発生しない。また、開閉手段１０と双方向スイッチ２０とは直列接続されているので、電源装置１００が搭載された機器を停止した状態では、開閉手段１０が開となっていることによって電源５と負荷６とが電気的および機械的に遮断された状態となっている。

以上説明したように、本発明のリレーモジュールでは、負荷に電力を供給する際には、制御手段は開閉手段を閉じてからスイッチ手段をソフトスタートする。この時、開閉手段とスイッチ手段とは直列接続されているので、開閉手段が閉じる前に開閉手段に大きな電圧が加わることがなく開閉手段の接点間でアーク放電が発生しない。また、負荷への電力供給を遮断する際には、制御手段はスイッチ手段をオフとしてから開閉手段を開く。先にスイッチ手段をオフとするので、開閉手段に大きな電圧が加わることがなく開閉手段の接点間でアーク放電が発生しない。従って、開閉手段の接点間距離を近づけることができ、開閉手段の小型化が行える。また、開閉手段とスイッチ手段とは直列接続されているので、開閉手段を開とすることで電源側と負荷側との遮断が機械的に確実に行える。

尚、以上説明した実施例では、リレーモジュール１の構成として、開閉手段１０にスイッチ手段として双方向スイッチ２０を直列接続した場合について説明したが、本実施例のように負荷６から電源５に向かって電流がながれることがないような電源装置に本発明のリレーモジュールが搭載される場合は、スイッチ手段としてスイッチング素子２１のようなスイッチング素子１個が開閉手段１０と直列接続され、このスイッチンング素子のオンオフを行うようにしてもよい。

また、電源装置１００をソフトスタートする方法としては、スイッチング素子２１のベースに加えるパルスのデューティー比が徐々に大きくなるよう、制御手段４がスイッチング素子２１をＰＷＭ駆動する場合を例に挙げて説明したが、コンデンサ3の容量が大きい場合は、デューティー比が一定のパルスをスイッチング素子２１のベースに加えるようにしてもよい。また、パルスではなく、スイッチング素子２１のベースに加える電流を徐々に大きくすることで、コンデンサ３に流れる電流を徐々に大きくするようにしてもよい。

１ リレーモジュール
２ インバータ
３ コンデンサ
４ 制御手段
１０ 開閉手段
１１ スイッチ部
１１ａ 端子
１１ｂ 端子
１１ｃ スイッチ片
２０ 双方向スイッチ
２１ スイッチング素子
１００ 電源装置

Claims (3)

1. 電源と同電源から電力供給を受ける負荷とを接続あるいは遮断するリレーモジュールであって、
   前記リレーモジュールは、機械的に開閉する開閉手段と、電気的にオンオフするスイッチ手段と、前記開閉手段および前記スイッチ手段を制御する制御手段とを備え、
   前記開閉手段と前記スイッチ手段とは直列接続して構成され、
   前記電源から前記負荷に電力を供給する際には、前記制御手段は、前記開閉手段を閉じてから前記スイッチ手段をオンオフ制御することで前記スイッチ手段をソフトスタートし、
   前記電源から前記負荷への電力の供給を遮断する場合は、前記制御手段は、前記スイッチ手段をオフとしてから前記開閉手段を開くことを特徴とするリレーモジュール。
2. 前記スイッチ手段が、前記電源から前記負荷へ電流が流せることに加えて、前記負荷から前記電源へも電流が流せる双方向スイッチであることを特徴とする請求項１に記載のリレーモジュール。
3. 請求項１または請求項２に記載のリレーモジュールを備えた電源装置。

Images