(57)【要約】【課題】直流電源逆接続時の保護と直流電源投入時の突入電流の抑制とを行いながら回路の小型化を図ることができる電源保護回路を得る。【解決手段】直流電源１のプラス側端子に接続されるコンデンサ３と、コンデンサ３に直列に接続される抵抗４と、抵抗４に並列に接続されるＭＯＳＦＥＴ５と、直流電源１のマイナス側端子と抵抗４との間に接続されるＭＯＳＦＥＴ６と、直流電源１からの電力の供給を受けてＭＯＳＦＥＴ５とＭＯＳＦＥＴ６とをＯＮ／ＯＦＦ制御する駆動制御部２１とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源のプラス側端子に接続されるコンデンサと、
前記コンデンサに直列に接続される抵抗と、
前記抵抗に並列に接続される第１のＭＯＳＦＥＴと、
前記直流電源のマイナス側端子と前記抵抗との間に接続される第２のＭＯＳＦＥＴと、
前記直流電源からの電力の供給を受けて前記第１のＭＯＳＦＥＴと前記第２のＭＯＳＦＥＴとをＯＮ／ＯＦＦ制御する駆動制御部と、
を備え、
前記駆動制御部は、駆動制御部の起動から所定時間が経過するまで前記第１のＭＯＳＦＥＴと前記第２のＭＯＳＦＥＴとをＯＦＦ状態にさせ、前記所定時間が経過した後には前記第１のＭＯＳＦＥＴと前記第２のＭＯＳＦＥＴとをＯＮ状態にさせることを特徴とする電源保護回路。
【請求項２】
直流電源のプラス側端子に接続されるコンデンサと、
前記コンデンサに直列に接続される抵抗と、
前記抵抗に並列に接続される第１のＭＯＳＦＥＴと、
前記直流電源のマイナス側端子と前記抵抗との間に接続される第２のＭＯＳＦＥＴと、
前記直流電源からの電力の供給を受けて前記第１のＭＯＳＦＥＴと前記第２のＭＯＳＦＥＴとをＯＮ／ＯＦＦ制御する駆動制御部と、
前記コンデンサに平行に接続されコンデンサに印加される電圧の値を検出する電圧検出部と、
を備え、
前記駆動制御部は、
前記電圧検出部で検出された電圧の値が所定の電圧値を超えるまで前記第１のＭＯＳＦＥＴと前記第２のＭＯＳＦＥＴとをＯＦＦ状態にさせ、前記電圧の値が所定の電圧値を超えた後には前記第１のＭＯＳＦＥＴと前記第２のＭＯＳＦＥＴとをＯＮ状態にさせることを特徴とする電源保護回路。
【請求項３】
前記駆動制御部は、
前記電圧検出部で検出された電圧の値に基づいて、前記コンデンサの容量低下を検知し、前記コンデンサの容量低下を報知する信号を生成して出力することを特徴とする請求項２に記載の電源保護回路。
【請求項４】
前記第１のＭＯＳＦＥＴと前記第２のＭＯＳＦＥＴとの少なくとも一方は、ワイドバンドギャップ半導体によって構成されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１つに記載の電源保護回路。
【請求項５】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素または窒化ガリウム系材料を用いた半導体で形成されることを特徴とする請求項４に記載の電源保護回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源保護回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡＣ／ＤＣコンバータやバッテリーなどの直流電源からの電力が供給される電子機器では、直流電源のプラス側が電子機器のマイナス側に接続され、直流電源のマイナス側が電子機器のプラス側に接続されたとき（電源逆接続時）の電子機器の故障防止として、逆接防止用ダイオードが広く用いられてきた。ただし、ダイオードには順方向の電圧降下が存在するため、大電流を必要とする電子機器においてはこの電圧降下分の電圧と逆接防止用ダイオードに流れる電流との積であらわされるダイオードの消費電力が電子機器全体の消費電力に対し大きくなり、電力効率が低くなることがある。
【０００３】
また、直流電源から電子機器までの電力供給用の配線が長い場合や、電子機器での消費電力の時間変化が大きい場合、電子機器に印加されている直流電圧の振れが無視できないほど大きくなるため、平滑用コンデンサが用いられることがある。この平滑用コンデンサに電荷が無い状態で電源が投入された場合、平滑用コンデンサを充電するため瞬間的に大きな電流（以下「突入電流」）が流れて平滑用コンデンサが故障する場合や、異常に高い電流が流れた際に入力電流を遮断するヒューズが溶断したりする場合があり、突入電流を抑える必要がある。
【０００４】
例えば従来技術では、電源逆接続時の機器の故障防止のため、電圧降下の低い電磁接続器を用いた装置が提案されている（下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−３３１６７４号公報（図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に示される従来技術では、電磁接続器が機械接点を開閉させるように構成されているため、接点寿命が短い場合が多く、また回路構成が大型化する傾向にあるという課題があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、直流電源逆接続時の保護と直流電源投入時の突入電流の抑制とを行いながら回路の小型化を図ることができる電源保護回路を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、直流電源のプラス側端子に接続されるコンデンサと、前記コンデンサに直列に接続される抵抗と、前記抵抗に並列に接続される第１のＭＯＳＦＥＴと、前記直流電源のマイナス側端子と前記抵抗との間に接続される第２のＭＯＳＦＥＴと、前記直流電源からの電力の供給を受けて前記第１のＭＯＳＦＥＴと前記第２のＭＯＳＦＥＴとをＯＮ／ＯＦＦ制御する駆動制御部と、を備え、前記駆動制御部は、駆動制御部の起動から所定時間が経過するまで前記第１のＭＯＳＦＥＴと前記第２のＭＯＳＦＥＴとをＯＦＦ状態にさせ、前記所定時間が経過した後には前記第１のＭＯＳＦＥＴと前記第２のＭＯＳＦＥＴとをＯＮ状態にさせることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、逆接続時の回路保護に半導体スイッチのＭＯＳＦＥＴを用いるようにしたので、直流電源逆接続時の保護と直流電源投入時の突入電流の抑制とを行いながら回路の小型化を図ることができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る電源保護回路の構成図である。
【図２】図２は、外部スイッチがＯＦＦ状態からＯＮ状態となったときに流れる電流の経路を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１に係る電源保護回路の動作を示す時系列チャートである。
【図４】図４は、突入電流抑制用のＭＯＳＦＥＴと電源逆接続保護用のＭＯＳＦＥＴとがＯＮされたときに流れる電流の経路を示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２に係る電源保護回路の構成図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態３に係る電源保護回路の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明に係る電源保護回路の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電源保護回路の構成図である。図２は、外部スイッチがＯＦＦ状態からＯＮ状態となったときに流れる電流の経路を示す図である。図３は、本発明の実施の形態１に係る電源保護回路の動作を示す時系列チャートである。図４は、突入電流抑制用のＭＯＳＦＥＴと電源逆接続保護用のＭＯＳＦＥＴとがＯＮされたときに流れる電流の経路を示す図である。
【００１３】
図１に示される電源保護回路２０は、主たる構成として、直流電源１からの直流電圧を平滑し負荷側回路１１への入力電圧の変動を抑制するコンデンサ３と、直流電源投入時の突入電流を抑制する抵抗４と、抵抗４に並列に接続される突入電流抑制用のＭＯＳＦＥＴ５と、直流電源１を逆接続した際の逆電流をカットしてＤＣ／ＤＣコンバータ回路１０を保護するためのＭＯＳＦＥＴ６と、ＭＯＳＦＥＴ５およびＭＯＳＦＥＴ６をＯＮ／ＯＦＦ制御する駆動回路８と、駆動回路８を動作させる制御信号を出力する制御回路９と、駆動回路８および制御回路９への電源供給を行うＤＣ／ＤＣコンバータ１０とを有して構成されている。駆動回路８、制御回路９およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、直流電源１からの電力の供給を受けてＭＯＳＦＥＴ５とＭＯＳＦＥＴ６とをＯＮ／ＯＦＦ制御する駆動制御部２１を構成する。
【００１４】
図示例のＭＯＳＦＥＴ５およびＭＯＳＦＥＴ６は、一例としてｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴである。ＭＯＳＦＥＴ５のドレイン・ソース間に寄生しているボディダイオード５ａは、アノードがソースに接続され、カソードがドレインに接続されている。またＭＯＳＦＥＴ６のドレイン・ソース間に寄生しているボディダイオード６ａは、アノードがソースに接続され、カソードがドレインに接続されている。
【００１５】
直流電源１の入力プラス端子とコンデンサ３との間には外部スイッチ２が設けられ、コンデンサ３は、一端が外部スイッチ２を介して直流電源１の入力プラス端子に接続可能に設けられ、他端がＭＯＳＦＥＴ５のドレインと抵抗４との接続端に接続される。
【００１６】
ＭＯＳＦＥＴ６は、ソースがＭＯＳＦＥＴ５のソースと抵抗４との接続端に接続され、ドレインが直流電源１の入力マイナス端子に接続される。駆動回路８および制御回路９にはＤＣ／ＤＣコンバータ１０からの電源が供給され、ＭＯＳＦＥＴ５およびＭＯＳＦＥＴ６のゲートには駆動回路８からの制御信号が入力される。
【００１７】
以下、動作を説明する。図１に示されるように外部スイッチ２がＯＦＦ状態のとき、コンデンサ３には充分な電荷が充電されていない。また、外部スイッチ２がＯＦＦ状態のとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０には直流電源１からの電力が供給されないため、駆動回路８および制御回路９が動作せずＭＯＳＦＥＴ５およびＭＯＳＦＥＴ６がＯＦＦ状態である。
【００１８】
電源保護回路２０が直流電源１に正常に接続された場合（逆接続されていない場合）において、外部スイッチ２がＯＮされたとき、図２に示されるように、直流電源１からの電力がＤＣ／ＤＣコンバータ１０に供給されると共に、コンデンサ３に充電される電流（すなわち突入電流）が外部スイッチ２、コンデンサ３、抵抗４、ＭＯＳＦＥＴ６のボディダイオード６ａ、および直流電源１の順で流れる。
【００１９】
図２には、コンデンサ３に充電される電流の経路Ｉ１ａとＤＣ／ＤＣコンバータ１０へ電力を供給する電流の経路Ｉ２ａとが示されている。図示例ではＭＯＳＦＥＴ５およびＭＯＳＦＥＴ６はＯＦＦ状態にあるため、コンデンサ３に充電される電流は抵抗４を流れることにより、その大きさが抑制される。すなわち、コンデンサ３に電荷がたまっていない状態で電源投入されたときの突入電流の大きさが抑えられる。
【００２０】
次に図３を用いて外部スイッチ２がＯＮされたときの動作を説明する。外部スイッチ２がＯＮされたとき（時刻ｔ１）、コンデンサ３には突入電流（電流Ｉ３）が流れ、コンデンサ３が充電されることによりコンデンサ３の両端電圧Ｖ３が経時的に上昇する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、コンデンサ３への充電が開始されたとき（時刻ｔ１）からコンデンサ３が充分に充電されるまでの間（例えば図示例の時刻ｔ２の時点）で起動し、駆動回路８および制御回路９にはＤＣ／ＤＣコンバータ１０からの電力が供給される。
【００２１】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１０から供給された電力により制御回路９が起動したとき、制御回路９は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ１０が起動した時点（時刻ｔ２）からコンデンサ３が充分に充電される時間が経過したとき（時刻ｔ３）、駆動回路８に対してＯＮ信号を送信する。
【００２２】
コンデンサ３が充分に充電される時間は、例えばコンデンサ３の容量と抵抗４の値との積で求められる時定数と等しく、制御回路９にはこの時定数がＯＮ信号を送信する時間Ｔとして設定されている。時間Ｔが経過したときに制御回路９から出力されるＯＮ信号が駆動回路８で受信されたとき、ＭＯＳＦＥＴ５およびＭＯＳＦＥＴ６がＯＮになる。なお、制御回路９に設定される時間Ｔはコンデンサ３の容量と抵抗４の値との積で求められる時定数に限定されるものではなく、時定数より長い時間であってもよい。
【００２３】
図４には、制御回路９からのＯＮ信号によりＭＯＳＦＥＴ５およびＭＯＳＦＥＴ６がＯＮ状態になった際、コンデンサ３から放電される電流の経路Ｉ１ｂが示されている。ＭＯＳＦＥＴ５およびＭＯＳＦＥＴ６がＯＮ状態であるため、コンデンサ３から放電された電流は、コンデンサ３、ＭＯＳＦＥＴ５、ＭＯＳＦＥＴ６、および直流電源１の順で流れる。すなわち、コンデンサ３から放電された電流は、抵抗４とＭＯＳＦＥＴ６のボディダイオード６ａとに流れないため、無駄な電力損失が生じることがない。
【００２４】
次に、電源保護回路２０に直流電源１が逆接続された場合（電源逆接続時）の動作を説明する。図１に示されるように外部スイッチ２がＯＦＦ状態のときに電源逆接続が行われ、その後に外部スイッチ２がＯＮされた場合、ＭＯＳＦＥＴ６のボディダイオード６ａは、電源電流が流れる方向に対して逆極性に接続される。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０や負荷側回路１１への電流通過を防止することができる。
【００２５】
以上に説明したように本実施の形態に係る電源保護回路２０は、直流電源１のプラス側端子に接続されるコンデンサ３と、コンデンサ３に直列に接続される抵抗４と、抵抗４に並列に接続される第１のＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳＦＥＴ５）と、直流電源１のマイナス側端子と抵抗４との間に接続される第２のＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳＦＥＴ６）と、直流電源１からの電力の供給を受けて第１のＭＯＳＦＥＴと第２のＭＯＳＦＥＴとをＯＮ／ＯＦＦ制御する駆動制御部２１（ＤＣ／ＤＣコンバータ１０、制御回路９、および駆動回路８）とを備え、駆動制御部２１は、駆動制御部２１の起動から所定時間が経過するまで第１のＭＯＳＦＥＴと第２のＭＯＳＦＥＴとをＯＦＦ状態にさせ、所定時間が経過した後には第１のＭＯＳＦＥＴと第２のＭＯＳＦＥＴとをＯＮ状態にさせるように構成されている。この構成により、電磁接続器によって機械接点を開閉させるような機構を用いなくても簡易な回路構成で突入電流の抑制と電源逆接続時の回路保護とを同時に実現することができる。また逆接続時の回路保護に従来のダイオードではなく半導体スイッチのＭＯＳＦＥＴ６を用いることによって、回路の小型化を図ることができ、回路寿命を格段に延ばすことができ、さらには定常時の電力損失を抑えることができる。
【００２６】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る電源保護回路の構成図である。実施の形態１と異なる点は、コンデンサ３に抵抗分割回路７が平行に接続されている点である。以下、実施の形態１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００２７】
抵抗分割回路７はコンデンサ３の両端電圧Ｖ３を分圧し、分圧された電圧値はコンデンサ３の充電電圧値７ａとして制御回路９に入力される。この充電電圧値７ａにより制御回路９ではコンデンサ３の充電電圧が検出され、制御回路９はコンデンサ３の充電電圧に応じた任意のタイミングで駆動回路８へのＯＮ信号を生成して出力する。具体的に説明すると、制御回路９には予め所定の電圧値が設定されており、この所定の電圧値は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ１０が動作し続けることができる電圧の下限値で規定される。制御回路９は、抵抗分割回路７で検出されたコンデンサ３の充電電圧値７ａが所定の電圧値を超えるまで駆動回路８に対するＯＮ信号を送信せず、充電電圧値７ａの値が所定の電圧値を超えたときにＯＮ信号を送信する。実施の形態２に係る制御回路９はこのように構成されているため、駆動回路８に対してＯＮ信号を送信するための時間Ｔを設定する必要がない。
【００２８】
また、実施の形態２の構成では抵抗分割回路７によってコンデンサ３の充電電圧を検出することができるため、例えば外部スイッチ２がＯＮ状態のときに何らかの要因によって外部スイッチ２が短時間だけＯＦＦ状態となり再びＯＮ状態に戻るような動作をした場合でも、突入電流の大きさを抑えることができる。すなわち、ＯＮ状態の外部スイッチ２が短時間だけＯＦＦ状態となったときには充電電圧値７ａが低下し、充電電圧値７ａの値が予め制御回路９に設定された所定の電圧値を下回ったとき、制御回路９は駆動回路８に対するＯＮ信号の送信を停止する。その後、再び外部スイッチ２がＯＮ状態に戻った際、制御回路９では充電電圧値７ａの値が所定の電圧値を超えるまでＯＮ信号が送信されないため、外部スイッチ２がＯＮ状態になったときの突入電流が抵抗４によって抑制される。
【００２９】
そして、充電電圧値７ａの値が所定の電圧値を超えたとき、制御回路９から駆動回路８にはＯＮ信号が送信される。
【００３０】
以上に説明したように本実施の形態に係る電源保護回路２０は、コンデンサ３に平行に接続されコンデンサ３に印加される電圧の値（充電電圧値７ａ）を検出する電圧検出部（抵抗分割回路７）を備え、駆動制御部２１は、電圧検出部で検出された電圧の値が所定の電圧値を超えるまでＭＯＳＦＥＴ５とＭＯＳＦＥＴ６とをＯＦＦ状態にさせ、電圧の値が所定の電圧値を超えた後にはＭＯＳＦＥＴ５とＭＯＳＦＥＴ６とをＯＮ状態にさせるように構成されている。この構成により、実施の形態１の効果に加えて、何らかの要因で外部スイッチ２が短時間だけＯＮ／ＯＦＦを繰り返す動作をした場合でも、突入電流の大きさを抑えることができる。
【００３１】
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る電源保護回路の構成図である。実施の形態２と異なる点は、制御回路９がコンデンサ３の寿命による容量低下を検知してコンデンサ３の寿命をユーザに知らせるための信号９ａを出力するように構成されている点である。以下、実施の形態２と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００３２】
コンデンサ３が充電されていない状態で外部スイッチ２がＯＮされた場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０が起動した後に制御回路９が起動する。実施の形態３に係る制御回路９は、制御回路９が起動してから充電電圧値７ａが所定の電圧値を下回るまでの時間が計測され、この計測時間と予め制御回路９に設定された所定の時間とが比較される。所定の時間は例えばコンデンサ３の寿命時間で規定される。この比較の結果、計測時間が所定の時間よりも長い場合、制御回路９ではコンデンサ３の寿命による容量低下が検知され、制御回路９はコンデンサ３の寿命をユーザに知らせるための信号９ａを出力する。信号９ａは例えば電源保護回路２０の外部に設けられた表示装置（図示せず）に送信され、信号９ａを受信した表示装置では例えばコンデンサ３の寿命が近づいたことを促す警告メッセージの表示が行われる。
【００３３】
以上に説明したように本実施の形態に係る電源保護回路２０では、駆動制御部２１が抵抗分割回路７で検出された充電電圧値７ａに基づいてコンデンサ３の容量低下を検知し、コンデンサ３の容量低下を報知する信号（情報表示信号９ａ）を生成して出力するように構成されている。この構成により、実施の形態２の効果に加えて、ユーザはコンデンサ３の寿命が近づいたことを知ることができ、コンデンサ３を交換することにより電源保護回路２０の正常な動作を維持させることができる。
【００３４】
なお、実施の形態１から３に係る電源保護回路２０で用いられるＭＯＳＦＥＴ５およびＭＯＳＦＥＴ６の少なくとも一方は、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、またはダイヤモンド等のワイドバンドギャップ半導体で構成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、Ｓｉ（ケイ素）半導体に比べて、耐熱温度、絶縁破壊強度、熱伝導率などが大きく、また、電流二乗時間積で表される短絡耐量がＳｉ半導体より低い。従って、ＭＯＳＦＥＴ５およびＭＯＳＦＥＴ６の少なくとも一方にワイドバンドギャップ半導体を採用することにより、突入電流のピークを抑えることができ、短絡耐量の制約を受けることなく、低ＯＮ抵抗の電源保護回路２０を実現することができる。
【００３５】
また、本発明の実施の形態は、本発明の内容の一例を示すものであり、更なる別の公知技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは無論である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
以上のように、本発明は、電源保護回路に適用可能であり、特に、直流電源逆接続時の保護と直流電源投入時の突入電流の抑制とを行いながら回路の小型化を図ることができる発明として有用である。
【符号の説明】
【００３７】
１  直流電源、２  外部スイッチ、３  コンデンサ、４  抵抗、５，６  ＭＯＳＦＥＴ、５ａ，６ａ  ボディダイオード、７  抵抗分割回路、７ａ  充電電圧値、８  駆動回路、９  制御回路、９ａ  信号、１０  ＤＣ／ＤＣコンバータ、１１  負荷側回路、２０  電源保護回路、２１  駆動制御部。
【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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