JPH0729704Y2 - 降圧型チョッパ回路用過電圧保護回路 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔考案の技術分野〕 この考案は降圧型チヨツパ回路の過電圧保護回路に関す
るものである。

〔従来の技術〕

第２図は従来の降圧型チヨツパ回路の過電圧保護回路を
含む直流変換装置の回路図である。

図において、（１）は例えば電気車のパンタグラフ（13
1）からの正電圧の直流入力を接地電位を共通とし電圧
値が上記直流入力の電圧より低い正電圧の直流に変換し
て出力する降圧型チヨツパ回路で、スイツチング素子
（２），ダイオード（３），リアクトル（４）及びコン
デンサ（５）により構成される。（13）は上記直流変換
装置の入力端子、（12）は入力端子（13）に印加される
直流入力を降圧型チヨツパ回路（１）へ投入あるいはし
や断する開閉器である。

（９）は入力端子（13）に印加される直流入力に混入す
ることがあるサージ（SURGE）電圧を吸収するために設
けられた入力フイルタ回路でリアクトル及びコンデンサ
（11）により構成される。（15）は降圧型チヨツパ回路
の入力端子、（14）は降圧型チヨツパ回路の出力端子で
あると共に上記直流変換装置の出力端子である。

（6A）は降圧型チヨツパ回路（１）の入力端子（15）間
に接続され、動作時に降圧型チヨツパ回路（１）の直流
入力を短絡する入力短絡回路で、短絡電流制限抵抗（7
A）及び半導体スイツチング素子（8A）により構成され
る。

（6B）は降圧型チヨツパ回路（１）の出力端子（14）間
に接続され、動作時に降圧型チヨツパ回路（１）の直流
出力を短絡する出力短絡回路で、短絡電流制限抵抗（7
B）及び半導体スイツチング素子（8B）により構成され
る。

次に動作について第２図を用いて説明する。

まず通常の動作について説明する。

上記直流変換装置の入力端子（13）に加えられた直流入
力は、開閉器（12）が閉成されていることにより入力フ
イルター（９）に印加され、このフイルターのろ過作用
により上記直流入力に混入するサージ電圧を除去されて
降圧型チヨツパ回路（１）の入力端子（15）に印加され
る。

この降圧型チヨツパ回路（１）に印加された直流は、ス
イツチング素子（２）がオン（ON）するとリアクトル
（４）を経てコンデンサ（５）及び降圧型チヨツパ回路
（１）の出力端子（14）に接続された負荷（図示せ
ず。）に電流を流す。

今、降圧型チヨツパ回路（１）の入力端子（15）に印加
された直流の電圧をEdボルト、リアクトル（４）のイン
ダクタンスをＬヘンリー、負荷（図示せず）をＲオーム
とし、コンデンサ（５）の容量を非常に小さいものとし
て無視し、リアクトル（４）に流れる電流をI₁とすれば が成り立つ。

従つてリアクトル（４）に流れる電流I₁は となる。

但しｔは秒の単位を持つ時間、τは時定数でτ＝L/R、I
₁₀はスイツチング素子（２）がオンした瞬間に流れてい
る電流である。

次にスイツチング素子（２）がオフ（OFF）すると上記
降圧型チヨツパ回路（１）の入力端子（15）に印加され
た直流からは電流が供給されず、その代りにスイツチン
グ素子（２）がオン中にリアクトル（４）に蓄積された
電磁エネルギーにより負荷（図示せず）及びダイオード
（３）へ電流が供給される。

この時のリアクトル（４）に流れる電流をI₂とすれば が成り立つ。

従つてリアクトル（４）に流れる電流I₂は となる。

但し、I₂₀はスイツチング素子（２）がオフした瞬間に
リアクトル（４）に流れている電流である。

チヨツパ制御回路（図示せず）を設けてそのチヨツパ制
御回路によりスイツチング素子（２）のオン時間及びオ
フ時間をそれぞれある一定の値にし、このオン及びオフ
の繰返しを時定数τ（＝L/R）に比べて十分長い時間連
続させると、（Ｂ）式のI₁₀及び（Ｄ）式のI₂₀はそれぞ
れある値で平衡状態となる。この平衡状態におけるI₁₀
は（Ｄ）式においてｔ＝オフ時間とした時のI₂の値であ
る。また上記平衡状態におけるI₂₀は（Ｂ）式において
ｔ＝オン時間とした時のI₁の値である。

従つてスイツチング素子（２）のオン時間をt_ON秒、オ
フ時間をt_OFF秒、t_ON秒＋t_OFF秒＝T_p秒とすると、
（Ｄ）式より （Ｂ）式より となり、（Ｅ）式及び（Ｆ）式からI₁₀及びI₂₀を求める
と、 となる。

リアクトル（４）のインダクタンスが充分に大きいとす
れば、 及び が０近くの値になり、（Ｇ）式及び（Ｈ）式はテーラー
の一次展開による近似ができ、I₁₀及びI₂₀は となりI₁₀＝I₂₀となる。

従つて負荷（図示せず）から見ると降圧型チヨツパ回路
（１）の出力端子（14）に の直流が印加されたのと同じこととなる。

従つて降圧型チヨツパ回路（１）はその入力端子（15）
に印加された直流の電圧を の比で降圧し出力端子（14）に出力する機能を持つ。

上記説明ではリアクトル（４）のインダクタンスは充分
に大きいとしたが、実際の回路構成ではある有限の値を
とり、上記説明での平衡状態でI₁₀は よりやや小さい値、I₂₀は よりやや大きい値となるので、その電流変動分を軽減す
るためにコンデンサ（５）を降圧型チヨツパ回路（１）
の出力端子（14）間に接続する。

次に降圧型チヨツパ回路（１）の直流出力の過電圧保護
について説明する。

上記チヨツパ制御回路（図示せず）が仮に故障してスイ
ツチング素子（２）がオンしつぱなしとなつて時定数τ
に比べて充分長い時間経過したとすると、 において であるので となる。

即ち降圧型チヨツパ回路（１）の入力端子（15）に印加
された直流の電圧Edがそのまま降圧型チヨツパ回路
（１）の出力端子（14）にでてくる。

一方上記負荷は通常使用する電圧即ち の電圧に適する部品を選定しているので、このEdの電圧
では破壊される。この破壊を防止するために、出力過電
圧検出回路（図示せず）を降圧型チヨツパ回路（１）の
出力端子（14）間に設け、この出力端子（14）間の電圧
が通常使用する電圧より高いが上記負荷の破壊が発生す
る電圧より低い所定電圧値以上になると、上記出力過電
圧検出回路（図示せず）を動作させることにより出力短
絡回路（6B）の半導体スイツチング素子（8B）をオン
し、出力短絡電流制限抵抗（7B）により制限された短絡
電流を流す。

上記短絡電流がリアクトル（４）及びリアクトル（10）
を流れる時の電圧降下により、直流変換装置の入力端子
（13）に印加された直流入力の電圧が減圧されて降圧型
チヨツパ回路（１）の出力端子（14）に出てくるため、
降圧型チヨツパ回路（１）の出力端子（14）間の直流電
圧が負荷（図示せず）を破壊する電圧値に至らないよう
になる。

要約すれば出力短絡回路（6B）により降圧型チヨツパ回
路（１）の出力の過電圧保護を行う。

なおリアクトル（10），リアクトル（４），出力短絡電
流制限抵抗（7B）あるいは半導体スイツチング素子（8
B）に、上記短絡電流を短時間は流せるが長時間は流せ
ないものを使用していた場合は、出力過電圧検出回路
（図示せず）を動作させることにより出力短絡回路（6
B）の半導体スイツチング素子（8B）をオンすると共に
開閉器（12）を開放し、降圧型チヨツパ回路（１）への
直流入力をしや断し、ひいては降圧型チヨツパ回路
（１）の出力をもしや断する。

次に降圧型チヨツパ回路（１）の入力の過電圧保護につ
いて説明する。

今、仮に、前記直流変換装置の入力端子（13）の直流入
力の電圧が異常に急上昇し、その電圧が入力フイルター
（９）のろ過作用で吸収できずに降圧型チヨツパ回路
（１）の入力端子（15）に印加されたとすると、スイツ
チング素子（２）が過電圧により破壊することがある。

この破壊を防止するために、入力過電圧検出回路（図示
せず）を降圧型チヨツパ回路（１）の入力端子（15）間
に設け、この入力端子（15）間に印加された直流の電圧
が通常使用される電圧より高いがスイツチング素子
（２）の過電圧による破壊が発生する電圧より低い所定
の電圧値以上になると上記過電圧検出回路（図示せず）
を動作させることにより入力短絡回路（6A）の半導体ス
イツチング素子（8A）をオンし、入力短絡電流制限抵抗
（7A）により制限された短絡電流を流す。

上記短絡電流がリアクトル（10）を流れる時の電圧降下
により、上記直流変換装置の入力端子（13）に印加され
た直流入力の電圧が減圧されて降圧型チヨツパ回路
（１）へ入力されるので、降圧型チヨツパ回路（１）の
入力端子（15）間に印加された直流の電圧がスイツチン
グ素子（２）を破壊する電圧値に至らないようになる。

要約すれば入力短絡回路（6A）により降圧型チヨツパ回
路（１）の入力の過電圧保護を行つている。

なお、リアクトル（10），入力短絡電流制限抵抗（7A）
あるいは半導体スイツチング素子（8A）に、上記短絡電
流を短時間は流せるが長時間は流せないものを使用して
いた場合は、入力過電圧検出回路（図示せず）を動作さ
せることにより、入力短絡回路（6A）の半導体スイツチ
ング素子（8A）をオンすると共に開閉器（12）を開放
し、降圧型チヨツパ回路（１）への直流入力をしや断す
る。

従来の装置は以上のように構成されているので、降圧型
チヨツパ回路の過電圧保護を行う短絡回路を構成する電
流制限抵抗及び半導体スイツチング素子は主回路を短絡
するために定格電圧及び定格電流が非常に大きなものが
必要で、そのうえ上記短絡回路は降圧型チヨツパ回路の
入力側及び出力側の合せて２回路必要なので、装置が大
型でかつ高価となる問題があつた。

〔考案の概要〕

本考案は上記のような問題点を解決するためになされた
もので、降圧型チヨツパ回路の過電圧保護回路を小形化
しかつ安価にすることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この考案にかかる降圧型チヨツパ回路の過電圧保護回路
は、降圧型チヨツパ回路の出力端子にアノードが、入力
端子にカソードが接続されたダイオード、及び降圧型チ
ヨツパ回路の入力端子間に接続され、動作時に降圧型チ
ヨツパ回路の直流入力を短絡すると共に上記ダイオード
を介して降圧型チヨツパ回路の直流出力をも短絡する短
絡回路を設けたものである。

〔作用〕

この考案における降圧型チヨツパ回路の入力端子間に接
続された短絡回路は直流入力の電圧が所定値以上に上昇
したとき、その直流入力を短絡して、降圧型チヨツパ回
路を構成する素子の破壊を防止する。

また、降圧型チヨツパ回路の直流出力の電圧が所定値以
上に上昇したとき、その直流出力をダイオードを介して
上記短絡回路により短絡し、降圧型チヨツパ回路の直流
出力の負荷の破壊を防止する。

〔考案の実施例〕

以下、この考案の一実施例について説明する。

第１図において、（１）〜（５）及び（９）〜（15）は
従来の装置と全く同じである。

（16）は降圧型チヨツパ回路（１）の接地電位でない方
の出力端子（14）にアノードが、接地電位でない方の入
力端子（15）にカソードが接続されたダイオードであ
る。

（6C）は降圧型チヨツパ回路（１）の入力端子（15）間
に接続され、動作時に降圧型チヨツパ回路（１）の直流
入力を短絡すると共にダイオード（16）を介して降圧型
チヨツパ回路（１）の直流出力を短絡する短絡回路で、
電流制限抵抗（7C）及び半導体スイツチング素子（8C）
により構成され、電流制限抵抗（7C）は、短絡電流がフ
イルター用リアクトル（10）に流れることにより生じる
電圧降下の降下電圧値が、入力過電圧検出回路（図示せ
ず）が動作する電圧値と降圧型チヨツパ回路（１）の直
流出力の通常使用電圧値との差の電圧値より大きくなる
に充分な短絡電流を流すように抵抗値を選定する。

この降圧型チヨツパ回路（１）の通常動作時には、従来
の装置で説明したように降圧型チヨツパ回路（１）の直
流入力の電圧は降圧型チヨツパ回路（１）の直流出力の
電圧より高いため、ダイオード（16）は導通しない。

従つて降圧型チヨツパ回路（１）の通常動作はダイオー
ドが無いのと同じ動作即ち従来の装置と全く同じ動作と
なる。

次に降圧型チヨツパ回路（１）の直流入力の過電圧保護
について説明する。

今、仮に、直流変換装置の入力端子（13）の直流入力の
電圧が異常に急上昇し、その電圧が入力フイルター
（９）のろ過作用で吸収できずに降圧型チヨツパ回路
（１）の入力端子（15）に印加され、この電圧が所定値
以上になつて降圧型チヨツパ回路（１）の入力端子（1
5）間に設けられた入力過電圧検出回路（図示せず）が
動作したとすると、この動作により半導体スイツチング
素子（8C）がオンされ、電流制限抵抗（7C）により制限
された短絡電流が流される。この短絡電流がリアクトル
（10）を流れるときの電圧降下により上記直流変換装置
の入力端子（13）へ印加された電圧が減圧されて降圧型
チヨツパ回路（１）へ入力されるため、降圧型チヨツパ
回路（１）の直流入力の電圧が降圧型チヨツパ回路
（１）を構成するスイツチング素子（２）を破壊する過
電圧に至らないようになる。

なお、リアクトル（10），短絡電流制限抵抗（7C）ある
いは半導体スイツチング素子（8C）に、上記短絡電流を
短時間は流せるが長時間は流せないものを使用した場合
は、入力過電圧検出回路（図示せず）の動作により半導
体スイツチング素子（8C）をオンすると共に開閉器（1
2）を開放し、降圧型チヨツパ回路（１）への直流入力
をしや断する。

次に降圧型チヨツパ回路（１）の直流出力の過電圧保護
について説明する。

今、仮に、降圧型チヨツパ回路（１）のスイツチング素
子（２）がオンになりつぱなしとなり、降圧型チヨツパ
回路（１）の直流出力の電圧が上昇し続け、降圧型チヨ
ツパ回路（１）の出力端子（14）間に設けられた出力過
電圧検出回路（図示せず）が動作したとすると、この動
作により半導体スイツチング素子（8C）がオンされ、電
流制限抵抗（7C）により制限された短絡電流がまず降圧
型チヨツパ回路（１）の直流入力側で流れる。この短絡
電流がリアクトル（10）を流れるとき生じる電圧降下が
入力過電圧検出回路（図示せず）の動作電圧値と降圧型
チヨツパ回路（１）の直流出力の差より大きくなるた
め、降圧型チヨツパ回路（１）の直流入力の電圧は短絡
電流が流れると降圧型チヨツパ回路の通常使用時の直流
出力電圧値以下に下がる。また短絡電流の通電のための
スイツチング素子として半導体を使用しているので上記
降圧型チヨツパ回路（１）の直流入力の電圧の短絡電流
による電圧降下は瞬時に行われる。

従つて、降圧型チヨツパ回路（１）の直流出力がダイオ
ード（16）を介して短絡回路（6C）により短絡される。
このときの短絡電流がリアクトル（４）に流れることに
より生じる電圧降下により降圧型チヨツパ回路（１）の
直流入力の電圧が減圧されて、降圧型チヨツパ回路の直
流出力は更に下がろうとする。

これらの一連の動作により降圧型チヨツパ回路（１）の
直流出力が、負荷の破壊が生じる過電圧に、至らないよ
うになる。

なお、リアクトル（10），リアクトル（４），短絡電流
制限抵抗（7C）あるいはスイツチング素子（8C）に、上
記短絡電流を短時間は流せるが長時間は流せないものを
使用した場合は、出力過電圧検出回路（図示せず）を動
作させることにより短絡回路（6C）の半導体スイツチン
グ素子（8C）をオンすると共に開閉器（12）を開放し、
降圧型チヨツパ回路（１）への直流入力をしや断し、ひ
いては降圧型チヨツパ回路（１）の直流出力をもしや断
する。

〔考案の効果〕

この考案は以上説明したように、降圧型チヨツパ回路の
出力端子にアノードが、入力端子にカソードがそれぞれ
接続されたダイオードと、動作時に降圧型チヨツパ回路
の直流入力を短絡すると共に上記ダイオードを介して直
流出力を短絡する短絡回路を設けたので、従来の装置の
ように入力側及び出力側の２つの短絡回路を、１つのダ
イオードを設けるだけで１つの短絡回路で共用化できる
ようになり、装置が安価でかつ小形になる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す回路図、第２図は従
来の降圧型チヨツパ回路の過電圧保護回路を示す回路図
である。 図において、（１）は降圧型チヨツパ回路、（6C）は短
絡回路、（16）はダイオードである。 なお、図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】正電圧の直流入力を、出力電圧値が上記直
   流入力の電圧より低い正電圧の直流に変換して出力し、
   かつ、入出力が接地電位を共通とする降圧型チョッパ回
   路の入力側用と出力側用に共用化された過電圧保護回路
   において、 前記降圧型チョッパ回路の出力端子にアノードが接続さ
   れ、入力端子にカソードが接続されたダイオード、上記
   入力端子と上記接地電位との間に直列接続された短絡電
   流制限抵抗と半導体スイッチング素子からなる短絡回路
   を備えたことを特徴とする降圧型チョッパ回路用過電圧
   保護回路。