(57)【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。
【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６ｂ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１１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３００μＦ、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Ｖｏ、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Ｖｃ１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Ｖｃ１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Ｖｏ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１５に示すように、Δｔが大きくなるほど直流出力電圧Ｖｏ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。
（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
２４  ＯＣ１
【図１】
0003726732.tif 000002
【図２】
0003726732.tif 000003
【図３】
0003726732.tif 000004
【図４】
0003726732.tif 000005
【図５】
0003726732.tif 000006
【図６】
0003726732.tif 000007
【図７】
0003726732.tif 000008
【図８】
0003726732.tif 000009
【図９】
0003726732.tif 000010
【図１０】
0003726732.tif 000011
【図１１】
0003726732.tif 000012
【図１２】
0003726732.tif 000013
【図１３】
0003726732.tif 000014
【図１４】
0003726732.tif 000015
【図１５】
0003726732.tif 000016