(57)【要約】【課題】直流電源Ｅの出力電圧を平滑化する平滑コンデンサＣの残留電荷を放電する放電回路２０について、実装の省スペースを実現すると同時に、トランジスタのしきい値電圧にバラツキがあったとしても影響を受け難い構造を提案する。【解決手段】上記課題を解決する放電回路２０は、平滑コンデンサＣの高電位側Ｐと低電位側Ｎとの間に直列に設けられたノーマリオン型トランジスタ２１と定電流ダイオード２２とを含む。定電流ダイオード２２のアノードは、ノーマリオン型トランジスタ２１の低電位側に電流源として接続してあり、ノーマリオン型トランジスタ２１のゲート端子が、定電流ダイオード２２のカソードに接続してある。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源の出力電圧を平滑化する平滑コンデンサの残留電荷を放電する放電回路であって、
前記平滑コンデンサの高電位側と低電位側との間に直列に設けられたノーマリオン型トランジスタと定電流ダイオードとを含み、
前記定電流ダイオードのアノードは、前記ノーマリオン型トランジスタの低電位側に電流源として接続してあり、
前記ノーマリオン型トランジスタのゲート端子が、前記定電流ダイオードのカソードに接続してある、放電回路。
【請求項２】
前記ノーマリオン型トランジスタが接合型電界効果トランジスタである、請求項１に記載の放電回路。
【請求項３】
前記定電流ダイオードと直列に、放電電流を遮断するスイッチ素子を設けてある、請求項１又は請求項２に記載の放電回路。
【請求項４】
前記スイッチ素子に絶縁ゲートバイポーラトランジスタを用いた請求項３に記載の放電回路。
【請求項５】
前記スイッチ素子に電界効果トランジスタを用いた請求項３に記載の放電回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置で使用される平滑コンデンサの残留電荷を放電する放電回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
無停電電源装置に代表される電力変換装置は、装置内の直流電源とインバータなどの電力変換器との間に、直流電圧を平滑化するための平滑コンデンサを備えている。この平滑コンデンサは容量が大きく、電力変換装置を停止した後の放電に時間がかかり、比較的長時間、その充電電荷を保持する。したがって、装置保守時の安全面等を考慮して、平滑コンデンサに対して放電回路が設けられる。
【０００３】
この平滑コンデンサの放電回路としては、特許文献１に開示されているように、スイッチ付きの固定抵抗放電回路、スイッチを使用しない固定抵抗放電回路、定電流放電回路、及び定電力放電回路が知られている。スイッチ付き固定抵抗放電回路（特許文献１の図３）は、電力変換装置を停止させる電源スイッチ（ＳＷ１）のオフに合わせて放電スイッチ（ＳＷ２）がオンとされることによって、平滑コンデンサの残留電荷が放電抵抗を通して放電される。スイッチを使用しない固定抵抗放電回路（特許文献１の図４）は、前記放電スイッチをもたず、放電抵抗が平滑コンデンサに常時接続されている構造であり、構造が簡単であるが無視できない電力損失が発生する。定電流放電回路（特許文献１の図５）は、直列接続した放電抵抗、トランジスタ及びシャント抵抗を備え、そのトランジスタが定電流制御回路で制御される。定電流制御回路は、シャント抵抗によるリファレンス電圧が一定となるように、つまり該抵抗を流れる放電電流が一定となるように、トランジスタのゲート電圧を制御する。定電力放電回路（特許文献１の図１）は、直列接続した放電抵抗、トランジスタ及びシャント抵抗を備え、そのトランジスタが定電力制御回路で制御される。定電力制御回路は、シャント抵抗に係るリファレンス電圧、平滑コンデンサの残留電圧に比例するモニタ電圧、及び予め設定されている比較電圧に基づいて、シャント抵抗を流れる放電電流が放電電流設定値に等しくなるように、トランジスタのゲート電圧を制御する。
【０００４】
スイッチを使用しない固定抵抗放電回路は運転時の電力損失が大きいので、その他の放電回路の採用が好ましいが、いずれも実際に回路を組んで装置に実装すると、これら放電回路の実装スペースはかなり大きい。そこで、放電回路の実装スペースを小さくすることを目的として、特許文献２に開示される技術が提案された。この技術は、ノーマリオン型トランジスタと、このトランジスタの動作点を決める抵抗器との直列接続からなる簡単な構成をもっており、電力損失を抑えながら放電回路の実装スペースを小さくすることに成功している。図６（Ａ）に、この放電回路を示す。
【０００５】
無停電電源装置などの電源用電力変換装置における直流電源Ｅに、該直流電源Ｅの出力電圧を平滑化する平滑コンデンサＣがスイッチＳＷを介して並列に接続されている。この平滑コンデンサＣの高電位側Ｐと低電位側Ｎとの間に、ノーマリオン型トランジスタ１と抵抗器２とが直列に接続される。図示のノーマリオン型トランジスタ１は接合型電界効果トランジスタ（Junction ＦＥＴ）であり、抵抗器２により、このノーマリオン型トランジスタ１の動作点が決められる。抵抗器２がノーマリオン型トランジスタ１のソース端子とゲート端子との間に接続されているので、抵抗器２の両端電位差（電圧降下分）がノーマリオン型トランジスタ１のゲート電圧Ｖｇｓと等しくなり、放電電流Ｉｄｓ＝抵抗器２に流れる電流である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１１２１５６号公報
【特許文献２】特開２０１６−１９２８６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
接合型電界効果トランジスタ等によるノーマリオン型トランジスタ１は、そのしきい値電圧Ｖｔｈに、製造工程と温度に依存するバラツキがあり、電流−電圧特性に違いが生じる。このため、放電電流Ｉｄｓにバラツキが出て、平滑コンデンサＣの放電時間に影響することがある。特許文献２に説明されているとおり、ノーマリオン型トランジスタ１の動作点は抵抗器２による負荷線で決定されるが、放電電流Ｉｄｓは１０ｍＡ程度に設定されるので、ノーマリオン型トランジスタ１のしきい値電圧Ｖｔｈ付近の特性が利用されることになる。したがって、図６（Ｂ）に示すように、ノーマリオン型トランジスタ１の製造及び温度によるしきい値電圧Ｖｔｈのバラツキに敏感になってしまい、放電電流Ｉｄｓに無視できない（放電時間に影響する）変動を来す。
【０００８】
このような背景に鑑みて本発明は、特許文献２と同様に実装の省スペースを実現すると同時に、トランジスタのしきい値電圧にバラツキがあったとしても影響を受け難い構造の放電回路を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題に対して提案する回路は、直流電源の出力電圧を平滑化する平滑コンデンサの残留電荷を放電する放電回路であって、前記平滑コンデンサの高電位側と低電位側との間に直列に設けられたノーマリオン型トランジスタと定電流ダイオードとを含み、前記定電流ダイオードのアノードは、前記ノーマリオン型トランジスタの低電位側に電流源として接続してあり、前記ノーマリオン型トランジスタのゲート端子が、前記定電流ダイオードのカソードに接続してある、放電回路である。
【００１０】
この放電回路は、定電流ダイオードと直列に、当該放電回路の放電電流を遮断するスイッチ素子を設けることもできる。該スイッチ素子は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ又は電界効果トランジスタとすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る平滑コンデンサの放電回路は、ノーマリオン型トランジスタの電流源として、電圧が変動してもほぼ一定の電流を流す定電流ダイオードを使用している。この定電流ダイオードの定電流特性から、ノーマリオン型トランジスタのしきい値電圧が多少変わっても、放電回路を流れる放電電流は一定に保たれる。すなわち、バラツキが抑えられる。１つの素子を変更するだけなので特許文献２の場合と実装スペースに変わりはなく、したがって省スペースが実現されると同時に、トランジスタのしきい値電圧にバラツキがあったとしても影響を受け難い放電回路が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】電力変換装置の一例としての無停電電源装置を示したブロック図。
【図２】本発明に係る放電回路の第１の実施形態を示す回路図。
【図３】本発明に係る放電回路の定電流ダイオードとノーマリオン型トランジスタに関する特性の説明図。
【図４】本発明に係る放電回路の第２の実施形態を示す回路図。
【図５】本発明に係る放電回路の第３の実施形態を示す回路図。
【図６】先行技術文献に開示されている従来回路の回路図と特性図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１に、本発明に係る放電回路を適用した電力変換装置として、無停電電源装置１０を例示する。この例の無停電電源装置１０は、直流電源Ｅとして、交流電力を直流電力に変換するコンバータ１１と、直流電力の電圧変換を行うＤＣ／ＤＣ変換器１２と、を備える。そして、この直流電源Ｅによる直流電力をインバータ１３により交流電力へ変換し、負荷Ｌへ供給する。コンバータ１１は整流回路を備え、交流の商用電源等による交流入力Ｅ０から供給される交流電力を直流電力に変換する。ＤＣ／ＤＣ変換器１２はチョッパ回路を備え、バッテリ（二次電池）Ｅ１から供給される直流電力を電圧変換する。
この無停電電源装置１０は、平常時は交流入力Ｅ０を電源として負荷Ｌへ給電し、交流入力Ｅ０に停電など異常が生じたときには、蓄電したバッテリＥ１を電源として負荷Ｌへ給電することにより、無停電で負荷Ｌへの給電を行う。各回路の動作制御は、制御部１４により統括される。このような無停電電源装置１０における直流電源Ｅの電圧は、通常、２００Ｖ〜１０００Ｖになる。
【００１４】
当該構成をもつ無停電電源装置１０において、直流電源Ｅから出力される直流電力の電圧を平滑化するために、平滑コンデンサＣが設けられる。一般的には、無停電電源装置１０を停止させる電源スイッチＳＷの後段に、直流電源Ｅと並列にして平滑コンデンサＣは接続されている。そして、保守等でスイッチＳＷがオフとされたときに、平滑コンデンサＣの残留電荷を放電するために、平滑コンデンサＣと並列にして放電回路２０が接続される。この放電回路２０の第１の実施形態について、図２に回路図を示している。
【００１５】
平滑コンデンサＣは、一方の端子がスイッチＳＷを介して直流電源Ｅの高電位側Ｐへ接続され、他方の端子が直流電源Ｅの低電位側Ｎへ接続されている。そして、この平滑コンデンサＣの高電位側Ｐと低電位側Ｎとの間に、ノーマリオン型トランジスタ２１と定電流ダイオード２２とが直列にして設けられる。
【００１６】
この例のノーマリオン型トランジスタ２１には接合型電界効果トランジスタ（Junction ＦＥＴ）を使用してあり、そのドレイン端子が平滑コンデンサＣの高電位側Ｐに接続され、このノーマリオン型トランジスタ２１の低電位側になるソース端子に、電流源となる定電流ダイオード２２が接続される。定電流ダイオード２２は、そのアノード端子がノーマリオン型トランジスタ２１のソース端子に、カソード端子が平滑コンデンサＣの低電位側Ｎに、それぞれ接続される。そして、ノーマリオン型トランジスタ２１のゲート端子は、定電流ダイオード２２のカソード端子へ接続してある。
【００１７】
ノーマリオン型トランジスタ２１のソース端子に定電流ダイオード２２のアノードが接続され、且つゲート端子が定電流ダイオード２２のカソードへ接続されているので、ノーマリオン型トランジスタ２１のゲート電圧Ｖｇｓは、定電流ダイオード２２の両端電位差（電圧降下分）と等しくなる（Ｖdiode＝Ｖｇｓ）。この回路構成により、放電回路２０に流れる放電電流Ｉｄｓは、定電流ダイオード２２の電流Ｉｐに従い、すなわち、ノーマリオン型トランジスタ２１の動作点は電流Ｉｐにより決定される（Ｉｄｓ＝Ｉｐ）。電流Ｉｐにより動作点が決まることから、ノーマリオン型トランジスタ２１のゲート電圧Ｖｇｓは、しきい値電圧をＶｔｈとすると、｜Ｖｔｈ｜〜０（Ｖ）になる。すなわち、ゲート電圧Ｖｇｓ＝定電流ダイオード２２の両端電位差Ｖdiode＝｜Ｖｔｈ｜〜０（Ｖ）である。
【００１８】
つまり、放電回路２０の放電電流Ｉｄｓは、定電流ダイオード２２の電流Ｉｐにより決めることができる。例えば、電流Ｉｐ＝１０ｍＡの規格電流値をもつ定電流ダイオード２２は、そのデータシートから電流Ｉｐ＝８〜１２ｍＡで管理されており且つ温度による変動も小さい。したがって、トランジスタの製造及び温度に依存した特性バラツキによる放電電流Ｉｄｓの変動を抑制することができ、ノーマリオン型トランジスタ２１の特性バラツキによる放電時間への影響を抑えることができる。
【００１９】
これについて、図３の特性図に示してある。図３（Ａ）の電流−電圧特性に示すように、電流源の定電流ダイオード２２の電流Ｉｐは、当該ダイオードの動作領域において、電圧（両端電位差）に関わらず上述のとおり一定に維持される。したがって、図３（Ｂ）に示すように、ノーマリオン型トランジスタ２１のしきい値電圧Ｖｔｈに製造工程や温度に依存したバラツキがあっても、該トランジスタ２１を流れる放電電流Ｉｄｓは、電流Ｉｐに従って一定に保たれる。
【００２０】
この放電回路２０の両端に、直流中間電圧Ｖｄｃ（平滑コンデンサＣの電圧）が印加されると、１．電流Ｉｐに従うノーマリオン型トランジスタ２１の動作点、２．ノーマリオン型トランジスタ２１のゲート電圧Ｖｇｓ＝｜Ｖｔｈ｜〜０（Ｖ）、３．定電流ダイオード２２の両端電位差Ｖdiode＝Ｖｇｓ＝｜Ｖｔｈ｜〜０（Ｖ）、４．ノーマリオン型トランジスタ２１のドレイン−ソース端子間電圧Ｖｄｓ＝Ｖｄｃ−Ｖｔｈ〜Ｖｄｃ、が決まる。一例として、接合型電界効果トランジスタとしてInfineon社製のIJW120R100T1（耐圧１２００Ｖ）を用いた場合、Ｖｔｈ≒−１４（Ｖ）になり、電流Ｉｐ＝１０ｍＡの定電流ダイオード２２を用いると、Ｖｇｓ＝１０（Ｖ）程度、Ｖｄｓ＝９９０（Ｖ）で動作点が決まる。これは、１０００Ｖ級の直流中間電圧に耐圧をもちつつ、放電電流１０ｍＡを通電できる放電回路仕様となり、１００ＫΩ抵抗器と同様の放電効果を接合型電界効果トランジスタ及び定電流ダイオードで得られることになる。
【００２１】
図４に、放電回路２０の第２の実施形態を示す。この放電回路２０は、図１に示す無停電電源装置１０の運転中に放電電流を遮断する動作停止スイッチ素子を備えた例である。この例のスイッチ素子は、図１の制御部１４によりゲート制御される絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）２３により構成される。絶縁ゲートバイポーラトランジスタ２３は、定電流ダイオード２２のカソード端子へコレクタ端子が接続され、制御部１４により制御されることで電流Ｉｐを遮断する。この場合、ノーマリオン型トランジスタ２１のゲート端子は、定電流ダイオード２２のカソード端子と絶縁ゲートバイポーラトランジスタ２３のコレクタ端子との相互接続点に接続される。放電電流を遮断するスイッチ素子を設けることにより、電力変換運転中の電力損失を抑え、効率向上を図ることができる。
【００２２】
図５には、同様にスイッチ素子を設けた放電回路２０の第３実施形態を示す。この例のスイッチ素子は、制御部１４によりゲート制御されるＮ形の電界効果トランジスタ（ＮＭＯＳＦＥＴ）２４により構成される。電界効果トランジスタ２４は、定電流ダイオード２２のカソード端子へドレイン端子が接続され、制御部１４により制御されることで電流Ｉｐを遮断する。この場合におけるノーマリオン型トランジスタ２１のゲート端子は、電界効果トランジスタ２４のソース端子（低電位側Ｐ）へ接続される。ノーマリオン型トランジスタ２１のゲート電圧Ｖｇｓは｜Ｖｔｈ｜〜０（Ｖ）であって１０（Ｖ）程度にすぎないので、低耐圧の電界効果トランジスタ２４を使用することができ、この場合、実装面積を抑えることが可能である。
【符号の説明】
【００２３】
２０  放電回路
２１  ノーマリオン型トランジスタ
２２  定電流ダイオード
２３  絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（スイッチ素子）
２４  電界効果トランジスタ（スイッチ素子）
Ｃ  平滑コンデンサ
Ｅ  直流電源
【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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