JP2024141237A - 直流電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁型直流電源装置において、突入電流防止用の抵抗と直列にヒューズを設けた場合にヒューズが溶断してもＸコンデンサの放電機能が損なわれないようにする。
【解決手段】入力された交流電圧を整流するダイオード・ブリッジ回路と、Ｘコンデンサおよびコイルを備え前記ダイオード・ブリッジ回路の前段に設けられたフィルタ回路と、ＡＣ入力の投入時に前記ダイオード・ブリッジ回路に流れる突入電流を抑制するための第１抵抗素子（Ｒ２）と、前記第１抵抗素子と並列に設けられた電流スイッチ手段（ＲＬＹ）と、を備えた直流電源装置において、前記第１抵抗素子と直列に該抵抗素子を保護するヒューズ素子（Ｆ２）が接続され、第１抵抗素子およびヒューズ素子と並例にダイオード（Ｄ３）と第２抵抗素子（Ｒ３）の直列回路が設けられており、前記ダイオードはＡＣ入力側にカソード端子が来るように接続した。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＡＣフィルタを備えた直流電源装置に関し、特にＡＣフィルタを構成するＸコンデンサの残留電荷を放電する技術に関する。

直流電源装置には、交流電源を整流するダイオード・ブリッジ回路と、該回路で整流された直流電圧を電圧変換用トランスで変換して所望の電位の直流電圧を出力する絶縁型ＡＣ－ＤＣコンバータがある。
絶縁型のＡＣ－ＤＣコンバータにおいては、一般に、ノーマルモードノイズを減衰することを目的としたＡＣフィルタが実装されている。

通常、このＡＣフィルタにはＸコンデンサが使用されており、電源のプラグをＡＣ電源のコンセントから引き抜いた際に、Ｘコンデンサに電荷が残ることで、プラグ両端に電圧が発生し、人体が接触すると感電する可能性がある。そのため、かかる事故を防ぐため、Ｘコンデンサの残留電荷を、プラグ引き抜き後一定時間内に放電することが、各国の安全規格で定められている。そこで、Ｘコンデンサに残留する電荷を速やかに放電するため、Ｘコンデンサと並列に放電用の抵抗（図１のＲ０）が接続されていた。

しかしながら、Ｘコンデンサと並列に放電用の抵抗を接続した構成のＡＣ－ＤＣコンバータにあっては、ＡＣ電源接続中、放電用の抵抗が常に電力を消費するので、無負荷時やスタンバイ時の待機電力を増加させる原因となる。
そこで、待機時における消費電力を低減するため、プラグ引き抜き時にＸコンデンサの残留電荷を速やかに放電する放電回路を電源制御ＩＣに設けて抵抗損失を抑えることができるようにした発明が提案されている（例えば特許文献１）。

また、ＡＣ電源からコンバータへ過剰な電流が流れ込むのを防止するため、ＡＣフィルタの一方の端子とダイオード・ブリッジ回路との間にヒューズを設けるようした電源装置において、ヒューズが溶断してもＸコンデンサの電荷を放電することができるようにした発明も提案されている（例えば特許文献２）。
一方、絶縁型直流電源装置においては、コンバータへの突入電流を防止するための抵抗を設けるとともに、該抵抗が突入電流の抑圧の効果を発揮した後に抵抗の両端子間を短絡するためのリレーを抵抗と並列に設けることがある（例えば特許文献３）。

特開２０１６－１５８３１０号公報 特開２０１８－１１４３９号公報 特開２０１０－４６１３号公報

しかしながら、特許文献３に記載されているリレーを備えた電源装置においては、リレーがオープン故障すると、リレーと並列に接続されている突入電流防止用の抵抗に電流が流れ続けて発熱するおそれがある。そこで、本発明者は、突入電流防止用の抵抗と直列に抵抗保護用の温度ヒューズを設けることを検討した。

その結果、図１に示すように、ＸコンデンサＣ１の放電ループには、プラグをコンセントから引き抜かれたタイミングにおけるＡＣ電圧の極性によって、ＤＬ１とＤＬ２の２つのループがある。ところが、図２に示すように、突入電流防止用の抵抗Ｒ２と直列に温度ヒューズＦ２を設けた場合、リレーＲＬＹがオープン故障した状態で、抵抗に電流が流れ続けて温度ヒューズＦ２が溶断すると、放電ループＤＬ２が遮断されてしまい、ＸコンデンサＣ１の放電機能が損なわれてしまうという課題があることが明らかになった。

本発明は上記のような課題に着目してなされたもので、その目的とするところは、突入電流を防止するための抵抗および該抵抗と並列に設けられたリレーを備えた直流電源装置において、突入電流防止用の抵抗と直列にヒューズを設けた場合に、ヒューズが溶断してもＸコンデンサの放電機能が損なわれないようにすることができる技術を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明は、
入力された交流電圧を整流するダイオード・ブリッジ回路と、Ｘコンデンサおよびコイルを備え前記ダイオード・ブリッジ回路の前段に設けられたフィルタ回路と、ＡＣ入力の投入時に前記ダイオード・ブリッジ回路に流れる突入電流を抑制するための第１抵抗素子と、前記第１抵抗素子と並列に設けられた電流スイッチ手段と、を備えた直流電源装置において、
前記第１抵抗素子と直列に該第１抵抗素子を保護するヒューズ素子が接続され、
直列形態の前記第１抵抗素子およびヒューズ素子と並例に、ダイオードと第２抵抗素子の直列回路が設けられており、
前記ダイオードは、カソード端子がＡＣ入力側に来るように接続されているようにした。

上記のような構成によれば、突入電流を防止するための抵抗および該抵抗と並列に設けられた電流スイッチ手段（リレー）を備えた直流電源装置において、突入電流防止用の抵抗と直列に、該抵抗を保護するためのヒューズ素子（温度ヒューズ）を設けた場合に、抵抗が過熱してヒューズが溶断してもＸコンデンサの放電機能が損なわれないようにすることができる。これにより、プラグ引き抜き時にＸコンデンサの残留電荷を速やかに放電して、感電事故が発生するのを防止することができる。また、Ｘコンデンサと並列に放電用の抵抗を実装する必要がないため、待機電力の向上が見込まれる。さらに、ダイオード1個と抵抗１個を追加するだけで良いので、機能の追加に伴うコストも安価に抑えることができる。

本発明によれば、突入電流を防止するための抵抗および該抵抗と並列に設けられたリレーを備えた直流電源装置において、突入電流防止用の抵抗と直列にヒューズを設けた場合に、ヒューズが溶断してもＸコンデンサの放電機能が損なわれないようにすることができるという効果がある。

放電回路を備えたＩＣを使用した絶縁型直流電源装置におけるＸコンデンサの放電ループを示す図である。 本発明に先立って検討した絶縁型直流電源装置の一次側回路を示す回路構成図である。 本発明に係る絶縁型直流電源装置の一次側回路の一実施形態を示す回路構成図である。 Ｘコンデンサの放電機能を備えた一次側制御用ＩＣを使用した絶縁型直流電源装置に本発明を適用した場合の実施例を示す回路構成図である。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
図３は、本発明を適用した絶縁型直流電源装置（ＡＣ－ＤＣコンバータ）の一次側回路の一実施形態を示す回路構成図である。

本実施形態の絶縁型直流電源装置の一次側回路１０は、図３に示すように、ノーマルモードノイズを遮断するため、ＡＣ電源１１からの交流電圧（ＡＣ）が入力される一対のＡＣ端子間に接続されたＸコンデンサＣ１とコイルＬ１，Ｌ２などからなるＡＣフィルタ１２と、交流電圧（ＡＣ）を整流するダイオード・ブリッジ回路１３を備える。

また、ＡＣ入力の一方の端子とフィルタ１２との間には、過大な電流が流れ込むのを防止するための電流ヒューズＦ１が接続されている。また、ダイオード・ブリッジ回路１３の後段には、整流後の電圧を平滑する平滑用コンデンサＣ２が設けられている。図示しないが、ダイオード・ブリッジ回路１３の出力ノードに接続されている端子１４ａ,１４ｂ間には、電圧変換用のトランスの一次側巻線とスイッチング素子が接続されている。

また、ＡＣフィルタ１２の一対の出力ノードにそれぞれアノード端子が接続されたダイオードＤ１，Ｄ２が設けられ、このダイオードＤ１とＤ２のカソード端子は抵抗Ｒ１を介して、ＸコンデンサＣ１の放電回路を内蔵したＩＣ（半導体集積回路）１５に接続されている。このＩＣ１５は、図示しないが、ＡＣ電圧を監視する電圧検出回路と、抵抗Ｒ１と直列に接続されたスイッチ素子とを備えており、一次側制御ＩＣでＸコンデンサＣ１の放電を行う場合、ＡＣ電圧がなくなるとスイッチ素子をオンさせてＸコンデンサＣ１の残留電荷を接地点へ放電させる機能を有している。

さらに、本実施形態の絶縁型直流電源装置は、フィルタ１２とダイオード・ブリッジ回路１３との間に、電源投入時に平滑用コンデンサＣ２に向かって流れ込む突入電流を抑制するための抵抗Ｒ２と、通常動作状態において抵抗Ｒ２に電流が流れないようにするためのリレー（電磁継電器）ＲＬＹと、が並列に接続されている。このリレーＲＬＹは、電源投入後の通常動作中、接点Ｓ１が連続して導通状態にされる。また、リレーＲＬＹがオープン故障すると突入電流抑制用の抵抗Ｒ２に電流が流れ続けて発熱し破損するおそれがあるため、それを防止するため保護用の温度ヒューズＦ２が抵抗Ｒ２と直列に設けられている。

また、抵抗Ｒ２に電流が流れ続けることで温度ヒューズＦ２が溶断すると、ＡＣ電源を供給するコンセントからプラグを引き抜いた際に、ＸコンデンサＣ１の残留電荷を放電させるループが失われてしまう。そこで、本実施形態においては、直列の抵抗Ｒ２および温度ヒューズＦ２と並列にダイオードＤ３が、ＸコンデンサＣ１の放電電流を流す向きすなわちカソード端子がＡＣ入力側に来るように設けられている。
これにより、温度ヒューズＦ２が溶断されている状態で、コンセントからプラグが引き抜かれたとすると、図３に破線ＤＬ３で示すようなループで、ＸコンデンサＣ１の残留電荷を放電させることができる。

さらに、本実施形態においては、上記ダイオードＤ３と直列に抵抗Ｒ３が接続されている。この抵抗Ｒ３は、温度ヒューズＦ２が溶断されていない通常動作時に、ダイオードＤ３へ電流が流れないようにするためのものであり、少なくとも１ｋΩ以上の高抵抗値とする。つまり、抵抗Ｒ３はリレーＲＬＹの接触抵抗及び抵抗Ｒ２の抵抗値よりも充分に高い抵抗値を有するようにされる。抵抗Ｒ２の抵抗値は、電源投入時の突入電流を適切に抑制できるような値に設定される。

なお、上記リレーＲＬＹは、電源投入時は非励磁で通常動作に入るとコイルが励磁されて接点Ｓ１が導通状態にされる常開タイプである。そして、図示しないが、リレーＲＬＹのコイルの一方の端子には、トランスの二次側に誘起された電圧を平滑した電圧が印加されている。また、リレーＲＬＹのコイルの他方の端子は接地点に接続され、その接地点は二次側の接地点とする。なお、二次側の接地点とするのではなく、一次側にコイルを接続して一次側の接地点を使用しても良い。また、接地点を一次側とする場合には、リレーＲＬＹに印加される電圧は、一次側の電圧に応じた電圧とされる。

上記のように、リレーＲＬＹのコイルに二次側の電圧を印加することにより、電源が投入され、突入電流がなくなった後、二次側の電圧が上昇すると、リレーＲＬＹのコイルに自動的に電流が流れて励磁され、接点Ｓ１が導通状態にされ、通常動作を継続する。そのため、リレーＲＬＹのコイルに流す電流をオン、オフするスイッチおよび該スイッチを制御する信号を生成する回路を設ける必要がないという利点がある。また、外部信号でリレーＲＬＹをオン、オフすることも可能であり、２コンバータ方式の場合、例えばスタンバイコンバータのみで動作しているときはリレーＲＬＹをオフとし、メインコンバータが動作するときに一緒にリレーＲＬＹをオンさせるようにすることも可能である。
なお、リレーＲＬＹのコイルの一方の端子に印加する電圧は、トランスの二次側に誘起された電圧でなく、以下に説明するように、例えばトランスの補助巻線に誘起された電圧を平滑した電圧のような一次側の電圧であっても良い。

図４には、本発明を適用したＡＣ－ＤＣコンバータのより具体的な実施例が示されている。この実施例においては、一次側のＩＣとして、Ｘコンデンサの放電回路を内蔵した一次側制御用ＩＣ１５’が使用されている。Ｘコンデンサの放電回路を内蔵した一次側制御用ＩＣは、例えば前述の特許文献１に記載されている。
図４に示すように、本実施例においては、トランス１６の一次側巻線Ｎｐと直列に接続されたＮチャネルＭＯＳＦＥＴからなるスイッチングトランジスタＳＷ１を駆動する機能を一次側制御用ＩＣ１５’が有している。

また、この実施例のＡＣ－ＤＣコンバータにおいては、トランス１６として、補助巻線Ｎｂを備えたものが使用されており、この補助巻線Ｎｂと直列に接続された整流用ダイオードＤ４と、該ダイオードＤ４のカソード端子と接地点との間に接続された平滑用コンデンサＣ３とからなる整流平滑回路が設けられ、該整流平滑回路で整流、平滑された電圧が上記電源制御用ＩＣ１５’の電源電圧端子に印加されている。
また、上記整流平滑回路（Ｄ４、Ｃ３）で整流、平滑された電圧が、突入電流抑制用の抵抗Ｒ２と並列に設けられたリレーＲＬＹのコイルの一方の端子に抵抗Ｒ５を介して印加されている。コイルの他方の端子は、一次側の接地点に接続されている。

この実施例においても、電源が投入され、突入電流がなくなり電源装置が正常に動作を開始して、補助巻線Ｎｂに誘起された電圧を平滑する整流平滑回路の電圧が上昇すると、リレーＲＬＹのコイルに自動的に電流が流れて励磁され、接点Ｓ１が導通状態にされる。そのため、リレーＲＬＹのコイルに流す電流をオン、オフするスイッチおよび該スイッチを制御する信号を生成する回路を設ける必要がないという利点がある。
ただし、抵抗Ｒ５と直列にトランジスタスイッチ回路を設けて、外部信号によりこのスイッチ回路をオン、オフしてリレーＲＬＹのコイルに電流を流したり遮断したりするように構成しても良い。これにより、スタンバイ時のリレーＲＬＹの内部コイルにおける消費電力を削除することができる。

なお、図示しないが、上記トランス１６の二次側には、二次側巻線と直列に接続された整流用ダイオードと、このダイオードのカソード端子と二次側巻線の他方の端子との間に接続された平滑用コンデンサとが設けられ、スイッチングトランジスタＳＷ１により一次側巻線Ｎｐに間歇的に電流を流すことで二次側巻線に誘起される交流電圧を整流し平滑することによって、一次側巻線Ｎｐと二次側巻線との巻線比に応じた直流電圧を出力する。

さらに、図示しないが、トランス１６の二次側には、出力電圧を検出するための検出回路が設けられ、該検出回路により検出された電圧に応じた信号がフォトカプラを介して電源制御用ＩＣ１５’へ伝達するように構成される。そして、電源制御用ＩＣ１５’は、二次側より伝達された信号に応じて、スイッチングトランジスタＳＷ１のスイッチング周波数あるいはＳＷ１の駆動パルスのデューティを変化させるように構成される。なお、本発明は、トランスを用いない非絶縁型にも適用可能である。

以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。例えば、前記実施形態では、突入電流抑制用の抵抗Ｒ２と並列にリレーＲＬＹを設けているが、リレーの代わりに半導体スイッチ（例えばトライアック、サイリスタ、ＦＥＴ、トランジスタ）を使用しても良い。また、リレーＲＬＹ又は半導体スイッチ及び温度ヒューズＦ２の実装箇所も、ＡＣ電圧を整流するブリッジダイオード回路１３の前段に限定されず後段（整流後のプラス側またはマイナス側）に実装するようにしても良い。さらに、ＡＣフィルタとリレーの位置関係は、図示のもの限定されるものではない。例えば、リレーをＡＣフィルタの前段に設けても良いし、フィルタ回路がＡＣフィルタ（Ｃ１,Ｌ１,Ｌ２）を２個備える場合に、２個のＡＣフィルタの中段にリレーを設けるようにしても良い。

また、前記実施形態では、リレーＲＬＹとして常開タイプのものを使用しているが、リレーＲＬＹは常閉タイプであってもよい。ただし、リレーＲＬＹが常閉タイプの場合、電源が立ち上がる際に、一時的にコイルを励磁させて接点Ｓ１をオフにさせる電流をリレーへ供給する電源が必要である。例えばバックアップ電源を有するシステムに使用する場合には、リレーとして常閉タイプのものを使用することが可能である。その場合、電流スイッチや制御回路が必要になるというデメリットがある一方、突入電流防止素子（抵抗やサーミスタなど）に電流が流れる時間は短いので、システムの消費電力を減らすことができるという利点がある。

１１…ＡＣ電源、１２…ＡＣフィルタ、１３…ダイオード・ブリッジ回路（整流回路）、１５…放電回路を内蔵したＩＣ、１５’…電源制御回路（電源制御用ＩＣ）、１６…トランス、Ｃ１…Ｘコンデンサ、Ｒ２…突入電流抑制用の抵抗、ＲＬＹ…リレー（電磁継電器）、Ｆ１…電流ヒューズ、Ｆ２…温度ヒューズ

Claims (4)

1. 入力された交流電圧を整流するダイオード・ブリッジ回路と、Ｘコンデンサおよびコイルを備え前記ダイオード・ブリッジ回路の前段に設けられたフィルタ回路と、ＡＣ入力の投入時に前記ダイオード・ブリッジ回路に流れる突入電流を抑制するための第１抵抗素子と、前記第１抵抗素子と並列に設けられた電流スイッチ手段と、を備えた直流電源装置であって、
   前記第１抵抗素子と直列に該第１抵抗素子を保護するヒューズ素子が接続され、
   直列形態の前記第１抵抗素子およびヒューズ素子と並例に、ダイオードと第２抵抗素子の直列回路が設けられており、
   前記ダイオードは、カソード端子がＡＣ入力側に来るように接続されていることを特徴とする直流電源装置。
2. 請求項１に記載の直流電源装置は電圧変換用のトランスの一次側に備えた絶縁型直流電源装置であって、
   前記電流スイッチ手段は、コイルおよび接点を備えた電磁継電器であり、
   前記電磁継電器のコイルの一方の端子に、二次側に誘起された電圧が印加されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
3. 請求項１に記載の直流電源装置は電圧変換用のトランスの一次側に備えた絶縁型直流電源装置であって、
   前記トランスは補助巻線を備え、
   前記電流スイッチ手段は、コイルおよび接点を備えた電磁継電器であり、
   前記補助巻線に誘起された電圧を整流、平滑する整流平滑回路がトランスの一次側に設けられ、
   前記電磁継電器のコイルの一方の端子に、前記整流平滑回路により平滑された電圧が印加されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
4. 前記ヒューズ素子が溶断された場合に、前記Ｘコンデンサの放電時に前記ダイオードと前記第２抵抗素子に放電電流が流れることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の直流電源装置。

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