(57)【要約】【課題】低消費電力の電源回路を提供する。【解決手段】このイオン発生装置では、トランジスタ４がオン状態からオフ状態に遷移された後に昇圧トランス５の１次巻線５ａに現れる電圧によってトランジスタ４のドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓが上昇すると、ダイオード１３およびツェナーダイオード１４がオンし、１次巻線５ａからダイオード１３，１４を介してコンデンサ１１に電流Ｉ１が流れる。コンデンサ１１に吸収した電流は、次にトランジスタ４がオンしたときに１次巻線１ａに供給し、再利用する。したがって、消費電力を低減できる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次巻線の一方端子が直流電源からの直流電圧を受ける昇圧トランスと、
前記１次巻線の他方端子と基準電圧のラインとの間に接続され、交互にオン状態およびオフ状態にされるスイッチング素子と、
前記トランスの２次巻線に現れる交流電圧に基づいて直流高電圧を生成する高電圧発生回路と、
前記スイッチング素子がオン状態からオフ状態に遷移した後に前記１次巻線の他方端子に現れる電圧から前記スイッチング素子を保護する保護回路と備え、
前記保護回路は、
一方端子が前記直流電源からの直流電圧を受け、他方端子が前記１次巻線の一方端子に接続された抵抗素子と、
アノードが前記１次巻線の他方端子に接続された第１のダイオードと、
カソードが前記第１のダイオードのカソードに接続され、アノードが前記抵抗素子の一方端子に接続されたツェナーダイオードとを含む、電源回路。
【請求項２】
さらに、前記１次巻線の一方端子と前記基準電圧のラインとの間に接続された第１のコンデンサを備え、
前記保護回路は、
さらに、アノードが前記直流電源からの直流電圧を受け、カソードが前記抵抗素子の一方端子に接続された第２のダイオードと、
前記抵抗素子の一方端子と前記基準電圧のラインとの間に接続された第２のコンデンサとを含む、請求項１に記載の電源回路。
【請求項３】
前記スイッチング素子がオン状態からオフ状態に遷移した後に前記１次巻線の他方端子に現れる電圧が前記スイッチング素子の耐圧以下になるように、前記ツェナーダイオードのツェナー電圧が設定されている、請求項１または請求項２に記載の電源回路。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の電源回路と、
前記電源回路によって生成された直流高電圧によって駆動され、放電現象によってイオンを発生するイオン発生素子とを備える、イオン発生装置。
【請求項５】
請求項４に記載のイオン発生装置を備える、電気機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は電源回路と、それを用いたイオン発生装置および電気機器に関し、特に、昇圧トランスの１次巻線に直列接続されたスイッチング素子を備えた電源回路と、それを用いたイオン発生装置および電気機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、放電現象を利用してイオンを発生するイオン発生装置が実用化されている。イオン発生装置は、イオン発生素子を放電させるための直流高電圧を発生する電源回路を備えている。この電源回路は、１次巻線の一方端子が直流電源からの直流電圧を受ける昇圧トランスと、１次巻線の他方端子と基準電圧のラインとの間に接続され、交互にオン状態およびオフ状態にされるスイッチング素子と、トランスの２次巻線に現れる交流電圧に基づいて直流高電圧を生成する高電圧発生回路とを含む。
【０００３】
また、このような電源回路では、スイッチング素子がオン状態からオフ状態に遷移した後に昇圧トランスの１次巻線の他方端子に電圧が発生するので、そのような電圧からスイッチング素子を保護する必要がある。スイッチング素子を保護する方法としては、抵抗素子とコンデンサの直列接続体をスイッチング素子または１次巻線に並列接続する方法や、ダイオードまたはバリスタを１次巻線に並列接続する方法がある（たとえば、特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−８９３２７号公報
【特許文献２】特開２０１０−１０３２６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の保護方法では、昇圧トランスの１次巻線の他方端子に現れる電圧を無駄に捨てていたので、消費電力が大きくなるという問題があった（図５参照）。
【０００６】
それゆえに、この発明の主たる目的は、低消費電力の電源回路と、それを用いたイオン発生装置および電気機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る電源回路は、１次巻線の一方端子が直流電源からの直流電圧を受ける昇圧トランスと、１次巻線の他方端子と基準電圧のラインとの間に接続され、交互にオン状態およびオフ状態にされるスイッチング素子と、トランスの２次巻線に現れる交流電圧に基づいて直流高電圧を生成する高電圧発生回路と、スイッチング素子がオン状態からオフ状態に遷移した後に１次巻線の他方端子に現れる電圧からスイッチング素子を保護する保護回路と備えたものである。この保護回路は、一方端子が直流電源からの直流電圧を受け、他方端子が１次巻線の一方端子に接続された抵抗素子と、アノードが１次巻線の他方端子に接続された第１のダイオードと、カソードが第１のダイオードのカソードに接続され、アノードが抵抗素子の一方端子に接続されたツェナーダイオードとを含む。
【０００８】
好ましくは、さらに、１次巻線の一方端子と基準電圧のラインとの間に接続された第１のコンデンサを備え、保護回路は、さらに、アノードが直流電源からの直流電圧を受け、カソードが抵抗素子の一方端子に接続された第１のダイオードと、抵抗素子の一方端子と基準電圧のラインとの間に接続された第２のコンデンサとを含む。
【０００９】
また好ましくは、スイッチング素子がオン状態からオフ状態に遷移した後に１次巻線の他方端子に現れる電圧がスイッチング素子の耐圧以下になるように、ツェナーダイオードのツェナー電圧が設定されている。
【００１０】
また、この発明に係るイオン発生装置は、上記電源回路と、上記電源回路によって生成された直流高電圧によって駆動され、放電現象によってイオンを発生するイオン発生素子とを備えたものである。
【００１１】
また、この発明に係る電気機器は、上記イオン発生装置を備えたものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明に係る電源回路では、スイッチング素子がオン状態からオフ状態に遷移した後に昇圧トランスの１次巻線に現れる電圧は第１のダイオードおよびツェナーダイオードを介して直流電源に吸収される。したがって、１次巻線の他方端子に現れる電圧を無駄に捨てることなく利用するので、消費電力の低減化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の比較例１となるイオン発生装置の構成を示す回路ブロック図である。
【図２】図１に示した制御信号ＣＮＴの波形を示すタイムチャートである。
【図３】図１に示した昇圧トランスの２次巻線に現れる交流電圧の波形を示すタイムチャートである。
【図４】図１に示したＮチャネルＭＯＳトランジスタのドレイン−ソース間電圧の波形を示すタイムチャートである。
【図５】本発明の比較例２となるイオン発生装置の構成を示す回路ブロック図である。
【図６】本発明の一実施の形態となるイオン発生装置の構成を示す回路ブロック図である。
【図７】図６に示したＮチャネルＭＯＳトランジスタのドレイン−ソース間電圧の波形を示すタイムチャートである。
【図８】本発明の効果を説明するための図である。
【図９】本発明の効果を説明するための他の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
[比較例１]
本発明の比較例１となるイオン発生装置は、図１に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１、マイクロコンピュータ２、コンデンサ３、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ（スイッチング素子）４、昇圧トランス５、高電圧発生回路６、正イオン発生素子７、および負イオン発生素子８を備える。イオン発生装置のうちのイオン発生素子７，８以外の部分は、電源回路を構成する。
【００１５】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、外部から与えられる電源電圧ＶＣＣに基づいて一定の直流電源電圧ＶＤＤ（たとえば、２０Ｖ）を生成する。コンデンサ３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の出力端子と基準電圧ＶＳＳのラインとの間に接続され、直流電源電圧ＶＤＤを平滑化および安定化させる。また、コンデンサ３は、昇圧トランス５に大きな電流を瞬間的に流すために設けられている。
【００１６】
昇圧トランス５は、１次巻線５ａおよび２次巻線５ｂを含む。２次巻線５ｂの巻数は、１次巻線５ａの巻数よりも大きい。１次巻線５ａの一方端子は直流電源電圧ＶＤＤを受ける。ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４のドレインは１次巻線５ａの他方端子に接続され、そのソースは基準電圧ＶＳＳのラインに接続される。ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４のドレイン−ソース間の耐圧は、たとえば１００Ｖである。
【００１７】
マイクロコンピュータ２は、外部から与えられる直流電源電圧ＶＣＣによって駆動され、制御信号ＣＮＴを生成してＮチャネルＭＯＳトランジスタ４のゲートに与える。制御信号ＣＮＴは、図２に示すように、所定の周期で交互に「Ｈ」レベルおよび「Ｌ」レベルにされる信号である。制御信号ＣＮＴのデューティ比は、マイクロコンピュータ２によって調整される。
【００１８】
制御信号ＣＮＴが「Ｈ」レベルにされると、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４がオンし、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の出力端子から１次巻線５ａおよびＮチャネルＭＯＳトランジスタ４を介して基準電圧ＶＳＳのラインに電流が流れる。制御信号ＣＮＴが「Ｌ」レベルにされると、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４がオフする。
【００１９】
制御信号ＣＮＴが、「Ｈ」レベルにされる毎に、図３に示すように、トランス５の２次巻線５ｂにリンギングが発生する。すなわち、制御信号ＣＮＴが所定時間だけ「Ｈ」レベルに立ち上げられると、トランス５の２次巻線５ｂには正負に振動しながら徐々に減衰する交流電圧Ｖ２が発生する。
【００２０】
高電圧発生回路６は、交流電圧Ｖ２に基づいて正の直流高電圧ＶＰおよび負の直流高電圧ＶＮを生成する。たとえば、高電圧発生回路６は、２つのダイオードを含み、交流電圧Ｖ２のうちの正電圧のみを正イオン発生素子７に通過させ、交流電圧Ｖ２のうちの負電圧のみを負イオン発生素子８に通過させる。
【００２１】
正イオン発生素子７は、高電圧発生回路６からの正の直流高電圧ＶＰによって駆動され、放電現象によって正イオンを発生する。負イオン発生素子８は、高電圧発生回路６からの負の直流高電圧ＶＮによって駆動され、放電現象によって負イオンを発生する。
【００２２】
正イオン発生素子７と負イオン発生素子８は、受ける直流高電圧の極性が異なるだけであり、同じ構成である。イオン発生素子７，８としては、たとえば、金属線、鋭角部を持った金属板、針形状の金属などを放電電極とし、大地電位の金属板やグリッドなどを誘導電極（対向電極）としたものがある。また、イオン発生素子７，８の他の例としては、金属線、鋭角部を持った金属板、針形状の金属などを放電電極とし、誘導電極の代わりに大地を用いて特に誘導電極を配置しないものがある。
【００２３】
イオン発生素子７，８では、空気が絶縁体の役割を果たす。また、イオン発生素子７，８では、放電電極と誘導電極の間（または放電電極と大地の間）に高電圧を印加すると、放電電極の鋭角形状の先端で電界集中が生じ、その先端の極近部分の空気が絶縁破壊し、放電現象によってイオンが発生する。
【００２４】
図４（ａ）はＮチャネルＭＯＳトランジスタ４のドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓ（Ｖ）の変化を示すタイムチャートであり、図４（ｂ）は図４（ａ）の時刻ｔ１前後の時間軸を拡大した図である。図４（ａ）（ｂ）において、初期状態ではＮチャネルＭＯＳトランジスタ４はオフしており、Ｖｄｓは直流電源電圧ＶＤＤ（２０Ｖ）に一致しているものとする。
【００２５】
時刻ｔ０において、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４がオンされると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の出力端子から昇圧トランス５の１次巻線５ａおよびＮチャネルＭＯＳトランジスタ４を介して基準電圧ＶＳＳのラインに電流が流れ、１次巻線５ａに電磁エネルギーが蓄えられる。このとき、Ｖｄｓは０Ｖになる。
【００２６】
時刻ｔ１において、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４がオフされると、１次巻線５ａに蓄えられた電磁エネルギーにより、１次巻線５ａの電流が流れ続けようとする。しかし、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４がオフされるので、電流の行き場が無くなり、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４のドレインにサージ電圧が発生する。ＶｄｓがＮチャネルＭＯＳトランジスタ４の耐圧（１００Ｖ）を超えると、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４は破損し、Ｖｄｓのピーク値は１３７Ｖとなった。
【００２７】
[比較例２]
図５は、本発明の比較例２となるイオン発生装置の構成を示す回路ブロック図であって、図１と対比される図である。図５を参照して、このイオン発生装置が図１のイオン発生装置と異なる点は、ツェナーダイオード９が追加されている点である。ツェナーダイオード９のアノードおよびカソードは、それぞれＮチャネルＭＯＳトランジスタ４のソースおよびドレインに接続される。ツェナーダイオード９のツェナー電圧Ｖｚ９は、たとえば３０Ｖである。
【００２８】
ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４がオン状態からオフ状態に遷移した後も昇圧トランス５の１次巻線５ａに電流が流れ続けようとするが、行き場のない電流によってＮチャネルＭＯＳトランジスタ４のドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓが上昇する。Ｖｄｓがツェナー電圧Ｖｚ９を超えると、図中の矢印で示すように、ツェナーダイオード９に電流が流れる。このため、ＶｄｓはＶｚ９に維持され、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４が破壊されるのを防止することができる。ただし、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４のオフ時に１次巻線５ａに現れる電圧は無駄に捨てられるので、イオン発生装置の消費電力は大きくなる。
【００２９】
[実施の形態]
図６は、本発明の一実施の形態となるイオン発生装置の構成を示す回路ブロック図であって、図１と対比される図である。図６を参照して、このイオン発生装置が図１のイオン発生装置と異なる点は、ダイオード１０，１３、コンデンサ１１、抵抗素子１２、およびツェナーダイオード１４が追加されている点である。
【００３０】
ダイオード１０のアノードは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の出力端子に接続される。コンデンサ１１は、ダイオード１０のカソードと基準電圧ＶＳＳのラインとの間に接続される。抵抗素子１２の一方端子（ノードＮ１）はダイオード１０のカソードに接続され、抵抗素子１２の他方端子は昇圧トランス５の１次巻線５ａの一方端子に接続される。ダイオード１３のアノードは、１次巻線５ａの他方端子（ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４のドレイン）に接続される。ツェナーダイオード１４のカソードは、ダイオード１３のカソードに接続される。ツェナーダイオード１４のアノードは、抵抗素子１２の一方端子（ダイオード１０のカソード）に接続される。
【００３１】
ツェナーダイオード１４のツェナー電圧をＶｚ１４とし、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４の耐圧をＶｂとすると、ＶＤＤ＋Ｖｚ１４＜ＶｂとなるようにＶｚ１４が設定されている。また、ダイオード１３を設けずにツェナーダイオード１４だけを設けると、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４をオンさせたときにツェナーダイオード１４が順バイアス方向となり、ツェナーダイオード１４およびＮチャネルＭＯＳトランジスタ４に大電流が流れてしまう。そこで、それを防止するためにダイオード１３をツェナーダイオード１４と逆方向に接続している。
【００３２】
ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４がオンされた後にオフされると、昇圧トランス５の１次巻線５ａに電流が流れ続けようとするが、行き場のない電流によってＮチャネルＭＯＳトランジスタ４のドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓが上昇する。Ｖｄｓがツェナー電圧Ｖｚ１４を超えるとツェナーダイオード１４がオンし、図中の矢印で示すように、１次巻線５ａからダイオード１３およびツェナーダイオード１４を介してノードＮ１に電流Ｉ１が流れる。
【００３３】
この電流Ｉ１は、コンデンサ１１と抵抗素子１２に分流される。抵抗素子１２の抵抗値は、コンデンサ１１の内部抵抗値よりも十分に大きな値に設定されている。また、ダイオード１０は、電流Ｉ１がＤＣ／ＤＣコンバータ１０に逆流するのを防止する。このため、電流Ｉ１の大部分は、コンデンサ１１に吸収されて蓄えられる。コンデンサ１１に蓄えられた電流は、次にＮチャネルＭＯＳトランジスタ４がオンされたときに１次巻線５ａに流されて再利用される。
【００３４】
このため、ＶｄｓはＶＤＤ＋Ｖｚ１４（＜Ｖｂ）に維持され、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４が破壊されるを防止することができる。また、１次巻線５ａに発生した電流Ｉ１をコンデンサ１１に蓄えて再利用するので、イオン発生装置の消費電力の低減化を図ることができる。
【００３５】
図７（ａ）はＮチャネルＭＯＳトランジスタ４のドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓ（Ｖ）の変化を示すタイムチャートであり、図７（ｂ）は図７（ａ）の時刻ｔ１前後の時間軸を拡大した図であり、図７（ａ）（ｂ）は図４（ａ）（ｂ）と対比される図である。図７（ａ）（ｂ）において、初期状態ではＮチャネルＭＯＳトランジスタ４はオフしており、Ｖｄｓは直流電源電圧ＶＤＤ（２０Ｖ）に一致しているものとする。
【００３６】
時刻ｔ０において、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４がオンされると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の出力端子から抵抗素子１２、昇圧トランス５の１次巻線５ａ、およびＮチャネルＭＯＳトランジスタ４を介して基準電圧ＶＳＳのラインに電流が流れ、１次巻線５ａに電磁エネルギーが蓄えられる。このとき、Ｖｄｓは０Ｖになる。
【００３７】
時刻ｔ１において、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４がオフされると、１次巻線５ａに蓄えられた電磁エネルギーにより、１次巻線５ａの電流が流れ続けようとする。しかし、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４がオフされるので、電流の行き場が無くなり、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４のドレインにサージ電圧が発生する。ＶｄｓがＶＤＤ＋Ｖｚ１４（＝５２Ｖ）を超えると、ダイオード１３およびツェナーダイオード１４がオンし、１次巻線５ａからダイオード１３およびツェナーダイオード１４を介してコンデンサ１１に電流Ｉ１が流れる。このため、Ｖｄｓのピーク値は５２Ｖで飽和し、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４は破壊されなかった。
【００３８】
また、図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、比較例１，２のイオン発生装置にもダイオード１０、コンデンサ１１、および抵抗素子１２を設け、比較例１、比較例２、および本願発明のイオン発生装置の各々において、消費電流とＮチャネルＭＯＳトランジスタ４のドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓのピーク値を測定した。
【００３９】
ただし、直流電源電圧ＶＤＤを２０Ｖとし、コンデンサ１１として４．７μＦのセラミックコンデンサを使用し、抵抗素子１２の抵抗値を１００Ωとし、ツェナーダイオード９，１３のツェナー電圧Ｖｚを３０Ｖとし、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４のソース−ドレイン間耐圧Ｖｂを１００Ｖとした。
【００４０】
図９は、測定結果を示す図である。図９の上段に示すように、比較例１、比較例２、および本願発明の消費電流はそれぞれ１２．５ｍＡ、１４．５ｍＡ、１３．１ｍＡであった。また、図９の下段に示すように、比較例１、比較例２、および本願発明のＶｄｓのピーク値は１３６Ｖ、３１Ｖ、５２Ｖであった。
【００４１】
比較例１では、消費電流は小さかったが、Ｖｄｓのピーク値がＶｂを超え、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４が破壊された。比較例２では、Ｖｄｓのピーク値は最も小さな値になったが、消費電流が最も大きな値になった。本願発明では、ＶｄｓはＶｂの１／２程度に抑制され、消費電流は比較例２よりも小さかった。したがって、本願発明によれば、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４が破壊されるのを防止することができ、かつ消費電流を最も小さくすることができた。
【００４２】
また、本願発明のイオン発生装置は、空間にイオンを放出して室内環境を改善することができ、種々の電気機器に搭載することが可能である。電気機器に該当する例としては、主として閉空間（家屋内、ビル内の一室、病院の病室や手術室、車内、飛行機内、船内、倉庫内、冷蔵庫の庫内等）で使用される空気調和機、除湿器、加湿器、空気清浄機、冷蔵庫、ファンヒータ、電子レンジ、洗濯乾燥機、掃除機、殺菌装置などを挙げることができる。
【００４３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００４４】
１  ＤＣ／ＤＣコンバータ、２  マイクロコンピュータ、３，１１  コンデンサ、４  ＮチャネルＭＯＳトランジスタ、５  昇圧トランス、５ａ  １次巻線、５ｂ  ２次巻線、６  高電圧発生回路、７  正イオン発生素子、８  負イオン発生素子、９，１４  ツェナーダイオード、１０，１３  ダイオード。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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