(57)【要約】【課題】本発明の目的は、突入電流抑制回路を用いた機器等の立ち上がりまでの待ち時間を低減することである。【解決手段】本発明に係る突入電流抑制回路１００は、電気的に接続された第一の抵抗Ｒ１および第一のスイッチング素子ＳＷ１と、第一の抵抗Ｒ１および第一のスイッチング素子ＳＷ１と並列に接続された切替えスイッチング素子ＳＷ３と、負荷２の端子間電圧を検出する電圧検出回路４と、電圧検出回路４で検出した端子間電圧に応じて第一の抵抗Ｒ１の電流値を調整する電流調整部５と、を備えている。【選択図】図１
2019122158.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的に接続された第一の抵抗および第一のスイッチング素子と、
前記第一の抵抗および前記第一のスイッチング素子と並列に接続された切替えスイッチング素子と、
負荷の端子間電圧を検出する電圧検出回路と、
前記電圧検出回路で検出した前記端子間電圧に応じて前記第一の抵抗の電流値を調整する電流調整部と
を備えたことを特徴とする突入電流抑制回路。
【請求項２】
電気的に接続された第一の抵抗および第一のスイッチング素子と、
前記第一の抵抗および前記第一のスイッチング素子と並列に接続された切替えスイッチング素子と、
負荷の端子間電圧、入力電圧、および前記負荷の端子間電圧と前記入力電圧との電圧差を検出する電圧検出回路と、
前記電圧検出回路で検出した前記電圧差に応じて前記第一の抵抗の電流値を調整する電流調整部と
を備えたことを特徴とする突入電流抑制回路。
【請求項３】
電気的に接続された第二の抵抗および第二のスイッチング素子をさらに備え、
前記電流調整部は、前記第一のスイッチング素子および前記第二のスイッチング素子の開閉を行うことにより前記第一の抵抗および前記第二の抵抗の合成抵抗値を変更して、前記第一の抵抗および前記第二の抵抗の電流値を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の突入電流抑制回路。
【請求項４】
前記電流調整部は、複数の閾値電圧を有し、前記端子間電圧と前記複数の閾値電圧のいずれかの閾値電圧との比較結果に応じて前記電流値を調整することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の突入電流抑制回路。
【請求項５】
前記電流調整部は、各閾値電圧に達した時に発生する突入電流を、電源投入時に発生する突入電流以下に調整することを特徴とする請求項４に記載の突入電流抑制回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源投入時に発生する突入電流を抑制する突入電流抑制回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、コンデンサなどの容量性負荷やインダクタなどの誘導性負荷を含むシステムでは、電源投入時に突入電流と呼ばれる瞬時大電流が発生する。この突入電流の発生原理は以下の通りである。例えば、容量性負荷の場合で説明する。
【０００３】
容量性負荷は、蓄えられた電荷量に比例して容量性負荷の端子間電圧が上昇するという特性を持っており、電荷が溜まっていないときの容量性負荷の端子間電圧は０Ｖである。
【０００４】
すなわち、電荷が溜まっていない容量性負荷に電源を接続すると、瞬間的には電源の出力端子間電圧が０Ｖとなり、いわゆるショートした状態となり、その結果として大電流が流れる。また、別の見方をすれば、電荷を持っていない状態の容量性負荷が電源から電荷を急速に引き込もうとする動作が大電流という形で観測されるとも言える。
【０００５】
しかしながら、いつまでも大電流が流れるわけではなく、前述のとおり、容量性負荷に電荷が蓄えられるにつれて容量性負荷の端子間電圧が上昇するので、電源電圧と容量性負荷の端子間電圧との差がなくなっていき、電荷の移動が起こりにくくなるため、次第に流れる電流も小さくなっていく。最終的には上記電圧差がなくなり、充電完了と呼ばれる状態に落ち着く。以上が容量性負荷を含むシステムで、突入電流が発生する原理である。
【０００６】
さて、この突入電流は、容量性負荷の静電容量が大きくなればなるほど大電流が流れる時間が長くなり、素子の故障および電源電圧変動などの原因となるため、特に静電容量が大きな、電源の出力電圧の安定化のために使用されるバッファ用コンデンサや、大容量コンバータの出力平滑用コンデンサや二次電池などを用いる場合は注意が必要であり、古くから大電流が流れないようにするために突入電流抑制回路が提案されてきた。
【０００７】
このような突入電流抑制回路としては、特許文献１に記載された突入電流抑制回路が有名である。特許文献１の回路を模式的に図示した図５を用いて説明する。
【０００８】
特許文献１の回路では、制限抵抗Ｒ１を含み流れる電流を制限した電流制限経路と、スイッチング素子ＳＷ１の開閉で電流制御ができる非電流制限経路とが並列に接続された突入電流抑制回路をサーボ電源１と容量性負荷３の間に直列に接続する。さらに、容量性負荷３の端子間電圧を電圧検出回路４で監視している。そして、電流調整部５は、電圧検出回路４で得た電圧をもとにスイッチング素子ＳＷ１の開閉状態を制御することができる。
【０００９】
特許文献１の回路の動作を説明する。まず、初期状態ではスイッチング素子ＳＷ１が開状態であるため、サーボ電源１から容量性負荷３への充電は、電流制限経路を通って行われる。すなわち、サーボ電源１、電流制限抵抗Ｒ１、容量性負荷３を直列に接続した閉回路となり、たとえ容量性負荷３に電荷が蓄えられておらず０Ｖであっても、サーボ電源１の電圧と電流制限抵抗Ｒ１の抵抗値からオームの法則を用いて得られる電流以上は流れない。
【００１０】
また見方を変えると、容量性負荷３がサーボ電源１から電荷を急速に引き込もうとしても、電流制限抵抗Ｒ１によって、電荷の移動量が制限されるので、大電流が流れることはない。
【００１１】
このような状態で、容量性負荷３の充電を進めていき、電圧検出回路４を介して電流調整部５が、容量性負荷３の端子間電圧が突入電流を起こさないような電圧まで上昇したことを検知し、スイッチング素子ＳＷ１を閉状態にする。
【００１２】
ここで、電流制限抵抗Ｒ１に対して、スイッチング素子ＳＷ１の抵抗値が極僅かであるため、スイッチング素子ＳＷ１が閉状態では、容量性負荷３への電力供給は非電流制限経路を通って行われるので、電流制限抵抗Ｒ１による電力損失はほとんどない。このような制御を行うことで、電源投入時の突入電流を抑制することができる。
【００１３】
しかしながら、特許文献１に記載の回路では、容量性負荷３の充電を、電流制限された状態で行うので充電が完了するまでの時間が長くなってしまうという問題点が生じる。このような問題を解決する手段としては、特許文献２に記載された突入電流抑制回路がある。特許文献２の回路を模式的に図示した図６を用いて説明する。
【００１４】
特許文献２の回路では、特許文献１の回路における電流制限経路と並列に第二の電流制限経路を追加するとともに、一方の電流制限経路に第二のスイッチング素子ＳＷ２を設けている。さらに、電圧検出回路４でサーボ電源１の電圧を監視している。
【００１５】
上記回路では、電源投入されると電圧検出回路４で、電源電圧が検出され、電源電圧に合った最適な制限抵抗値となるように第二のスイッチング素子ＳＷ２の開閉を決定する。このような状態で、特許文献１同様に容量性負荷３への充電を行うことで、入力電圧の高低に関わらず最適な電流値での充電が可能となり、電流制限による充電時間増を極力抑えることが可能となる。
【００１６】
しかしながら、前述のとおり充電が進むにつれて、充電電流も小さくなっていくことは変わらないので、特許文献２に記載の回路もまた、電流制限による充電時間増は抑えきれない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特許２６４６６４６号
【特許文献２】特許３８８７７５０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
改めて、充電時間の長さによる影響を考えてみると、特許文献１および２のような常に電力供給されるようなシステムであれば、容量性負荷への充電が一度完了してしまえば、再度充電を行うことはなく、充電時間が延びたところで大きな問題ではない。しかしながら、モータードライバやＬＥＤドライバといった、電源供給が頻繁に絶たれるようなシステムの場合、電源供給再開から再充電完了までの立ち上がりの間、システムあるいはユーザーは待機する必要があるので、効率が著しく低下する。
【００１９】
本発明は上記課題に対して、突入電流抑制回路を用いた機器等の立ち上がりまでの待ち時間を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を解決するために本発明に係る突入電流抑制回路は、一例として、電気的に接続された第一の抵抗および第一のスイッチング素子と、第一の抵抗および第一のスイッチング素子と並列に接続された切替えスイッチング素子と、負荷の端子間電圧を検出する電圧検出回路と、電圧検出回路で検出した端子間電圧に応じて第一の抵抗の電流値を調整する電流調整部と、を備えている。
【発明の効果】
【００２１】
本発明では、容量性負荷の充電が進むにつれて、充電電流が小さくなることによる充電時間の増加を抑えることができる。なお、ここに記載された効果は、必ずしも限定されるものではなく、本技術中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る突入電流抑制回路の構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態および従来技術に係る突入電流抑制回路の電圧電流推移を説明するグラフである。
【図３】本発明の第２実施形態に係る突入電流抑制回路の構成例を示すブロック図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る突入電流抑制回路の構成例を示すブロック図である。
【図５】従来技術に係る突入電流抑制回路の構成例を示すブロック図である。
【図６】従来技術に係る突入電流抑制回路の他の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。
【００２４】
＜第１実施形態＞
まず、本発明の第１実施形態に係る突入電流抑制回路について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る突入電流抑制回路１００の構成例を示すブロック図である。図１では、各ブロック内の回路構成を簡単化して例示している。なお、図１においては、本実施形態に関するブロックのみを図示しており、その他各システムに必要なブロックについては省略している。
【００２５】
図１に例示したように、突入電流抑制回路１００は、サーボ電源１と負荷２および容量性負荷３との間に配置されており、第一の電流制限抵抗Ｒ１、第二の電流制限抵抗Ｒ２、第一のスイッチング素子ＳＷ１、第二のスイッチング素子ＳＷ２、第三のスイッチング素子（切替えスイッチング素子）ＳＷ３、電圧検出回路４、および電流調整部５から構成されている。突入電流抑制回路１００は、第一の電流制限抵抗Ｒ１および第一のスイッチング素子ＳＷ１が電気的に直列接続され、第二の電流制限抵抗Ｒ２および第二のスイッチング素子ＳＷ２が電気的に直列接続されている。ここで、第一の電流制限抵抗Ｒ１と第一のスイッチング素子ＳＷ１を含む経路を第一の電流制限経路、第二の電流制限抵抗Ｒ２と第二のスイッチング素子ＳＷ２を含む経路を第二の電流制限経路、第三のスイッチング素子ＳＷ３を含む経路を非電流制限経路、と呼ぶことにする。なお、各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ３は、電流調整部５と接続されており、電流調整部５によって開閉状態を切り替えられる。さらに、上記第一の電流制限経路および第二の電流制限経路と上記非電流制限経路とは並列に接続されている。本実施形態では、電圧検出回路４で、負荷２および容量性負荷３の端子間電圧を測定しており、その測定された電圧は電流調整部５に入力される。
【００２６】
電流制限抵抗Ｒ１およびＲ２は、電流を制限するための素子であればよく、特に限定するものではない。電流制限抵抗Ｒ１およびＲ２は、セメント抵抗や、酸化金属皮膜抵抗に代表されるいわゆる抵抗素子であり、インラッシュ対応品であることが望ましい。また、電流制限抵抗Ｒ１およびＲ２は、上記抵抗素子以外にもサーミスタや可変抵抗などの抵抗値が制御できる素子であってもかまわない。さらには、ＦＥＴなどのスイッチング素子におけるＯＮ抵抗を利用してもよい。特に、可変抵抗については、デジタルポテンショメータのような外部信号で抵抗値が変えられるものもあり、このような素子を利用すれば、電流制限経路を複数に分なくてもよくなり、回路の小型化が可能となる。
【００２７】
スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ３は、回路の接続を開閉できる素子であればよく、特に限定するものではない。例えば、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ３は、バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ、ＩＧＢＴ、サイリスタと呼ばれるような半導体スイッチでもよく、リレーなどのメカニカルスイッチでもよい。ただし、本実施形態で述べている突入電流は、瞬時に起こる現象であることから、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ３は、応答性のよい半導体スイッチが望ましい。
【００２８】
電圧検出回路４は、接続された二端子間の電圧を測定できるものであればよく、特に限定するものではない。電圧検出回路４は、オペアンプを用いた差動回路や、ツェナーダイオードを利用したものでもよい。なお、電圧検出回路４は、負荷２および容量性負荷３の端子間電圧と入力電圧との電圧差（＝入力電圧−負荷電圧）を検出することもできる。電圧検出回路４で上記電圧差を検出し、電圧差／電流制限抵抗値・・・（式１）によって、突入電流抑制回路１００に流れる最適な充電電流を算出することができる。
【００２９】
電流調整部５は、複数の閾値電圧を有し、電圧検出回路で得た電圧と閾値電圧の比較結果を元に電流制限経路のスイッチング素子を開閉できるものあればよく、特に限定するものではない。例えば、電流調整部５は、コンパレータを用いたものや、ツェナーダイオードを用いたものやマイコンを用いたものである。また、電流調整部５は、各閾値電圧に達した時に発生する突入電流を、例えばサーボ電源（運転準備電源）等の電源投入時に発生する突入電流以下に調整することができる。なお、電流調整部５は、マイコンを用いれば、電圧検出回路で得た電圧をＡＤ変換して用いることで、細かな制御が可能となるがシステムが複雑化してしまうため、コンパレータなどを用いるのが望ましい。
【００３０】
次に、図１および図２を用いて、本実施形態の突入電流抑制回路１００の制御について詳述する。図２は、本実施形態および従来技術に係る突入電流抑制回路の電圧電流推移を説明するグラフである。図２Ａは、本実施形態の突入電流抑制回路１００における負荷にかかわる電圧の過渡応答と、各スイッチング素子の開閉状態を示すグラフである。図２Ｂは、本実施形態の突入電流抑制回路１００における負荷にかかわる電流の過渡応答と、各スイッチング素子の開閉状態を示すグラフである。図２Ａおよび図２Ｂにおいて、実線は本実施形態を用いた場合であり、点線は後述する比較例２の従来技術を用いた場合の電圧および電流の過渡応答である。なお、本実施形態では電流調整部５の閾値電圧を２つ用いた例を示しているが、特に個数を限定するものではなく、２つ以上持っていても本実施形態の効果を得ることができる。
【００３１】
まず、突入電流抑制回路１００において、電源が接続されていない状態では、第一のスイッチング素子ＳＷ１は閉状態、第二のスイッチング素子ＳＷ２は開状態、第三のスイッチング素子ＳＷ３は開状態である。このような状態でサーボ電源１から電力が投入されると、電流は第一の電流制限経路のみを通って、負荷２および容量性負荷３へ流れる。すなわち、第一の電流制限抵抗Ｒ１によって電流が制限された状態で、容量性負荷３は充電され、負荷２および容量性負荷３の端子間電圧が上昇していく。
【００３２】
しばらく充電が進み、図２Ａにおいて時間ｔ１から時間ｔ２まで経過した時に、負荷２および容量性負荷３の端子間電圧は、電圧Ｖｔ１から第一の閾値電圧Ｖｔ２に到達する。このとき、電圧検出回路４経由で第一の閾値電圧Ｖｔ２を超えたことを検知した電流調整部５によって、第二のスイッチング素子ＳＷ２が閉状態にされる。すると、第一の電流制限経路に加えて、第二の電流制限経路からも電流が流れようになるため、全体としての電流制限が緩和されるので、負荷２の充電が進むにつれて小さくなっていた電力供給が大きくなり、充電速度の停滞を是正することができる。
【００３３】
このとき注意が必要なのは、図２Ｂにおいて第二のスイッチング素子ＳＷ２を閉状態にしたとき、サーボ電源１と負荷２および容量性負荷３との間の経路の合成抵抗値が不連続に小さくなってしまうことである。あまりに、合成抵抗値が小さくなりすぎると電流制限が十分ではなく、突入電流が発生してしまう。したがって、第二の電流制限抵抗Ｒ２の抵抗値は、第二のスイッチング素子ＳＷ２が閉状態になったときに発生する突入電流Ｉｔ２が、機器の故障の原因とならないようにするため、電源投入時に第一の電流制限経路を通って流れる電流のピーク電流Ｉｔ１よりも小さくなるように選定しておくことが望ましい。すなわち、第二の電流制限抵抗Ｒ２の抵抗値は、第一の電流制限抵抗Ｒ１の抵抗値よりも大きくしておくことが望ましい。
【００３４】
なお、本実施形態では、第二のスイッチング素子ＳＷ２が閉状態になった際の第一のスイッチング素子ＳＷ１の状態は閉状態のままであるが、開状態にして、第二の電流制限経路のみに切り替えてもよく、この場合は各スイッチング素子ＳＷ１およびＳＷ２の開閉状態の組み合わせでより細かく電流制限する電流値を切り替えることができる。ただしこの場合は、スイッチング素子ＳＷ１およびＳＷ２の開閉のタイミングが難しく、第一のスイッチング素子ＳＷ１が閉状態で、第二のスイッチング素子ＳＷ２も閉状態になる区間が存在すると瞬間的に電流制限を緩和しすぎる状態ができてしまう。また、第一のスイッチング素子ＳＷ１が開状態で、第二のスイッチング素子ＳＷ２も開状態になる区間が存在するとサーボ電源１から負荷２への電力供給が瞬間的に断たれてしまう。これらの場合には、予期せぬ誤動作を生む可能性がある。このような問題に対しては、第二の電流制限抵抗にサーミスタなどを使用すれば解決することができる。これは、サーミスタは低温では抵抗が大きく、高温になるほど抵抗が小さくなる素子であり、第二のスイッチング素子ＳＷ２が閉状態になった直後は電流が流れにくいが、時間がたつにつれてサーミスタがその電力損失によって温度上昇をしていくことで電流が流れやすくなるためである。
【００３５】
次に、図２Ａにおいて、さらに時間ｔ３まで経過した時に、第二の閾値電圧Ｖｔ３を超えたことを検知した電流調整回路５が、第三のスイッチング素子ＳＷ３を閉状態に切り替える。前述した第二のスイッチング素子ＳＷ２を切り替えたときと同様に、サーボ電源１から負荷２および容量性負荷３への経路の合成抵抗値が小さくなり、電流制限が緩和されることで、充電速度の低下を抑えることができる。ところで、第三のスイッチング素子ＳＷ３を切り替えた際にもサーボ電源１から負荷２および容量性負荷３への経路の合成抵抗値が不連続に変化するため、前述したように突入電流が発生しうる。
【００３６】
しかしながら、この非電流制限経路には電流制限抵抗が含まれておらず、前述したような電流制限抵抗による突入電流の抑制は不可能である。したがって、第三のスイッチング素子ＳＷ３を開閉する基点となる第二の閾値電圧Ｖｔ３を、電源投入時に第一の電流制限経路を通って流れる電流のピーク電流It1よりも小さくなる電圧に選定しておくことが望ましい。ここで、突入電流抑制回路１００は、第一の閾値電圧Ｖｔ２を超えた第二の閾値電圧Ｖｔ３に達した時に発生する突入電流が、第一の閾値電圧Ｖｔ２に達した時に発生する突入電流よりも小さくなるように、電流制限抵抗Ｒ１〜Ｒ２または閾値電圧Ｖｔ２〜Ｖｔ３が設定されている。
【００３７】
また、第三のスイッチング素子ＳＷ３が閉状態だと、電源から負荷への電力供給は非電流制限経路によって行われる。ただし、非常時にサーボ電源１から負荷２および容量性負荷３への電力供給を可能な限り早く遮断することを想定して、電力供給に寄与しない第一の電流制限経路および第二の電流制限経路の各スイッチング素子は開状態にしておくことが望ましい。
【００３８】
上記動作を具体的な数値を用いて説明する。例えば、電源電圧を２４Ｖ、負荷をコンデンサ（静電容量１０，０００μＦ、ＥＳＲ（等価電気的抵抗）１００ｍΩ）の場合、第一の電流制限抵抗Ｒ１の抵抗値を２Ω、第二の電流制限抵抗Ｒ２の抵抗値を４Ωとし、第一の閾値電圧Ｖｔ２を１２Ｖ、第二の閾値電圧Ｖｔ３を１８Ｖとする。まず、電源投入時には、１０Ａの突入電流が発生し、その後充電が進み、負荷の端子間電圧が第一の閾値電圧Ｖｔ２に達するのは１６ｍｓ後である。
【００３９】
次に、第一の閾値電圧Ｖｔ２を超えたことを検知した電流調整部５が、第二のスイッチング素子ＳＷ２を閉状態に切り替える。このとき、９．５Ａの突入電流が発生するものの、電流投入時の突入電流より小さな電流であるためシステムの故障の原因とはならない。
【００４０】
さらに、１０ｍｓ後に、負荷２および容量性負荷３の端子間電圧が第二の閾値電圧Ｖｔ３に達する。さらに、第二の閾値電圧Ｖｔ３を超えたことを検知した電流調整部５が、第三のスイッチング素子ＳＷ３を閉状態に切り替える。このとき、９Ａの突入電流が発生するものの、電流投入時の突入電流より小さな電流であるためシステムの故障の原因とはならない。
【００４１】
さらに、２５ｍｓ後に、負荷２および容量性負荷３の端子間電圧がサーボ電源１と同じ電圧に達し、充電完了となる。上記動作では、充電にかかる時間は約５０ｍｓである。
【００４２】
本実施形態の変形例として、突入電流抑制回路１００の回路構成を変更せずに定数を変更した例について説明する。
【００４３】
ここで、電源電圧を２４Ｖ、負荷をコンデンサ（静電容量１０，０００μＦ、ＥＳＲ（等価直列抵抗）１００ｍΩ）の場合、第一の電流制限抵抗Ｒ１の抵抗値を４Ω、第二の電流制限抵抗Ｒ２の抵抗値を６Ωとし、第一の閾値電圧Ｖｔ２を１５Ｖ、第二の閾値電圧Ｖｔ３を２０Ｖとする。まず、電源投入時には、５Ａの突入電流が発生し、その後充電が進み、負荷の端子間電圧が第一の閾値電圧Ｖｔ２に達するのは５０ｍｓ後である。次に、第一の閾値電圧Ｖｔ２を超えたことを検知した電流調整部５が、第二のスイッチング素子ＳＷ２を閉状態に切り替える。このとき、５Ａの突入電流が発生するものの、電流投入時の突入電流より小さな電流であるためシステムの故障の原因とはならない。さらに、１５ｍｓ後に、負荷２および容量性負荷３の端子間電圧が第二の閾値電圧Ｖｔ３に達する。さらに、第二の閾値電圧Ｖｔ３を超えたことを検知した電流調整部５が、第三のスイッチング素子ＳＷ３を閉状態に切り替える。このとき、４Ａの突入電流が発生するものの、電流投入時の突入電流より小さな電流であるためシステムの故障の原因とはならない。さらに、３５ｍｓ後に、負荷２および容量性負荷３の端子間電圧がサーボ電源１と同じ電圧に達し、充電完了となる。上記動作では、充電にかかる時間は約１００ｍｓである。
【００４４】
＜第２実施形態＞
次に、図３を用いて本発明の第２実施形態に係る突入電流抑制回路について説明する。なお、説明の便宜上、第１実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。図３は、本発明の第２実施形態に係る突入電流抑制回路２００の構成例を示すブロック図である。
【００４５】
第１実施形態では、電圧検出回路４を負荷２および容量性負荷３の端子間電圧の測定に用いていたが、本実施形態のように電流制限経路および非電流制限経路の入力側と出力側それぞれの接続点間の電圧を用いることも可能である。ここで、電流制限経路での電圧降下は、すなわちサーボ電源１の電圧と負荷２および容量性負荷３の端子間電圧の差と等しく、より突入電流が発生する原因に近い物理量を観測することができるため、負荷２および容量性負荷３の端子間電圧を測定するよりも厳密に突入電流を抑えることができる。ただし、このような測定位置の場合は、第１実施形態とは異なり、充電が進むにつれて、電圧検出回路４で得る電圧は小さくなっていくため、第一の閾値電圧を第二の閾値電圧よりも小さな電圧値にしておく必要がある。
【００４６】
＜第３実施形態＞
次に、図４を用いて本発明の第３実施形態に係る突入電流抑制回路について説明する。なお、説明の便宜上、第１実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。図４は、本発明の第３実施形態に係る突入電流抑制回路３００の構成例を示すブロック図である。
【００４７】
第１実施形態は、第一の電流制限経路、第二の電流制限経路および非電流制限経路を並列に接続した例であるが、図４の本実施形態のように、第一の電流制限経路および第二の電流制限経路を直列に接続することも可能である。突入電流抑制回路３００は、各電流制限抵抗Ｒ１およびＲ２にそれぞれ並列に接続したスイッチング素子ＳＷ１およびＳＷ２の開閉状態を制御することで、電流制限する電流値を変えることができる。このため、第１実施形態と同様に、負荷２および容量性負荷３の端子間電圧に応じて電流制限する電流値を制御することで、突入電流を抑制しながらも、充電時間の増加を抑えることができる。
【００４８】
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００４９】
＜比較例１＞
次に、比較例１に係る突入電流抑制回路について説明する。ここで、突入電流が発生する場合の事例として、電源と負荷が直接接続されている状態を考える。例えば、電源電圧を２４Ｖ、負荷をコンデンサ（静電容量１０，０００μＦ、ＥＳＲ（等価直列抵抗）１００ｍΩ）の場合、２４０Ａピークを持った突入電流が発生し、その後、５ｍｓ程度で充電が完了する。このような瞬時大電流が発生すると、一般的なヒューズやスイッチング素子であれば容易に破壊してしまう。
【００５０】
＜比較例２＞
次に、比較例２に係る突入電流抑制回路について説明する。突入電流を抑制するために、従来から使われている手法である電流制限抵抗を電源と負荷との間に挿入することを考える。図５は、従来技術に係る突入電流抑制回路５００の構成例を示すブロック図である。図１では、各ブロック内の回路構成を簡単化して例示している。
【００５１】
図５に例示したように、突入電流抑制回路５００は、サーボ電源１と負荷２および容量性負荷３との間に配置されており、電流制限抵抗Ｒ１、スイッチング素子ＳＷ１、電圧検出回路４および電流調整部５から構成されている。
【００５２】
電流制限抵抗Ｒ１は、他の素子の故障の原因とならないようにピーク電流を制限するように事前に選定されていることが一般的で、比較例２では第１実施形態と同様に２Ωとした。サーボ電源１接続直後の状態では、電圧検出回路４によって得られる電圧が閾値電圧に達しておらず、スイッチング素子ＳＷ１が開状態であるため、サーボ電源１から負荷２および容量性負荷３へは、電流制限抵抗Ｒ１を介して電力を供給される。結果として、１０Ａまで突入電流を抑えることができる。
【００５３】
しかしながら、充電時間は１００ｍｓと、突入電流抑制回路がない比較例１と比べて実に２０倍の時間を要し、第１実施形態と比べて２倍の時間を要してしまう。この１００ｍｓ間はシステムの立ち上がり時間であり、操作できないため、ユーザーやコントローラーに待ち時間が発生してしまう。また、電流制限抵抗の耐量について着目すると、比較例２および第１実施形態の電流制限抵抗Ｒ１はピークで２００Ｗの耐量が必要であり、比較例２と同等の充電時間である第１実施形態の変形例では、第一の電流制限抵抗Ｒ１はピークで１００Ｗの耐量が必要である。すなわち、充電時間を短くしようとしても必要な耐量は従来例から大きくする必要はなく、また、充電時間を短くしないでよいのであれば必要な耐量は半分以下になる。
【００５４】
さらに、比較例２と第１実施形態の電流制限抵抗の耐量について詳細に分析すると、比較例２と第１実施形態のピーク耐量は、ともに２００Ｗと等しくはあるが、第１実施形態では、第一の閾値電圧Ｖｔ２に到達した時点で、分流により、第一の電流制限抵抗Ｒ１に流れる電流が大幅に小さくなり、平均電流を比較例２より小さくすることができる。
【００５５】
＜比較例３＞
次に、比較例３に係る突入電流抑制回路について説明する。図６は、従来技術に係る突入電流抑制回路６００の構成例を示すブロック図である。図６では、各ブロック内の回路構成を簡単化して例示している。
【００５６】
図６に例示したように、突入電流抑制回路６００は、サーボ電源１と負荷２および容量性負荷３との間に配置されており、第一の電流制限抵抗Ｒ１、第二の電流制限抵抗Ｒ２、第一のスイッチング素子ＳＷ１、第二のスイッチング素子ＳＷ２、電圧検出回路４および電流調整部５から構成されている。また、電圧検出回路４はサーボ電源１から突入電流抑制回路に印加される入力電圧を監視している。さらに、電流調整部５は、第一の閾値入力電圧、第二の閾値入力電圧を持ち、電圧検出回路４で得た電圧と、上記閾値入力電圧とを比較して、その結果をもとに各スイッチング素子ＳＷ１およびＳＷ２の開閉状態を制御する。
【００５７】
ここで、第一の電流制限抵抗Ｒ１は、第一の閾値入力電圧に対して最適な抵抗値が選定されており、第二の電流制限抵抗Ｒ２は、第一の電流制限抵抗Ｒ１と第二の電流制限抵抗Ｒ２が並列接続されたときの抵抗値が、第二の閾値入力電圧に対して最適な抵抗値が選定されている。例えば、第一の電流制限抵抗Ｒ１の抵抗値は２Ω、第二の電流制限抵抗Ｒ２は１Ω、第一の閾値入力電圧を１２Ｖ、第二の閾値入力電圧を２４Ｖとする。
【００５８】
まず、サーボ電源１の電圧が１２Ｖであった場合、サーボ電源１接続直後に、電圧検出回路４によって第一の閾値入力電圧に達していることを検知して、電流調整部５は第一のスイッチング素子ＳＷ１を閉状態、第二のスイッチング素子を開状態にするので、サーボ電源１から負荷２および容量性負荷３へは、電流制限抵抗Ｒ１および電流制限抵抗Ｒ２を介して電力を供給される。このとき、結果として、８Ａまで突入電流を抑えることができる。しかしながら、充電時間は１００ｍｓと、比較例２からの改善は見込めない。
【００５９】
次に、サーボ電源１の電圧が２４Ｖであった場合、サーボ電源１接続直後に、電圧検出回路４によって第二の閾値入力電圧に達していることを検知して、電流調整部５は第一のスイッチング素子ＳＷ１を開状態、第二のスイッチング素子を開状態にするので、サーボ電源１から負荷２および容量性負荷３へは、電流制限抵抗Ｒ１のみを介して電力を供給される。このとき、結果として、１０Ａまで突入電流を抑えることができる。しかしながら、充電時間は１００ｍｓと、これもまた比較例２からの改善は見込めない。
【００６０】
ここで、サーボ電源１がスロースタートのような順次電圧上昇するような機能を使用しているのでなければ、入力電圧に変動が起こらないため、動作中に電流制限経路の合成抵抗値は変わることなく一定である。すなわち、特許文献２の突入電流抑制回路は、入力電圧にあわせて最適な抵抗値を選択でき、入力電圧の違いによる充電時間の増加は起こりにくいものの、充電が進むことで電流が小さくなることによる充電速度の低下についてはなんら効果を発揮しない。
【００６１】
以上のように、本実施形態によれば、突入電流を抑えながらも容量性負荷等の負荷の充電時間増加により発生するシステムや機器等の立ち上がりまでの待ち時間を極力低減することができる。このような効果により、例えば、モーターとモータードライバが内蔵されたインホイールモーターで停止と始動を頻繁に切り替える場合や、ロボットハンドの開閉を頻繁に切り替える場合において、突入電流抑制による待ち時間を少なくすることができ、結果として、応答性が良く精度の高い駆動系を実現することができる。
【００６２】
さらに、上記比較例１から３のように、オンオフを頻繁に切り替えると、すでに容量性負荷に電荷が溜まっている状態で充電するいわゆる継ぎ足し充電を行うことになる。これに対し、本実施形態では、負荷の充電状態によって最適な電流制限抵抗が選択されることになるため、充電完了間際の微量電流で緩やかに充電するといった無駄な充電時間をなくすことが可能になる。すなわち、本実施形態によれば、容量性負荷３に充電されている充電量を検出してから、所定の充電量を容量性負荷３に充電することができるため、無駄な充電時間を省くことができる。
【００６３】
また、応答性の良さを求められないようなシステムで、比較例２の充電時間で十分であるのであれば、本実施形態を突入電流の抑制に重点を置いて適用することも可能である。例えば、第１実施形態の変形例のようにすれば、比較例２の突入電流抑制回路に比べて、突入電流の回数は増えるものの、それぞれのピーク電流の値を大幅に小さくでき、使用する電流制限抵抗やスイッチング素子、入力側のバッファ用コンデンサにかかる負荷が少なくなるので、より機器の故障を起こしにくくなる。その結果、各素子の耐量を小さくすることもできるので、小型で安価なものを使用できる。
【００６４】
また、本実施形態では、充電時間を短くしたい場合であっても、前述したとおり、負荷のかかる各電流制限抵抗が順番に切り替わっていくことで、一つ素子に集中していた負荷を分散させることが可能となるので、素子の小型化や長寿命化が可能となる。
【００６５】
ところで、耐量を抑える方法として、比較例２の電流制限抵抗を同じ定数の抵抗を並列化したものに変更することも考えられるが、この方法では、並列化した各抵抗に常に負荷がかかるため平均電流としての耐量を満足しなければならないが、本実施形態では、順次負荷のかかる抵抗が変わるため、瞬時ピーク電流としての耐量を満足すればよい。したがって、瞬時ピーク電流としての耐量は、平均電流としての耐量に比べて数倍以上の値であるため、本実施形態では、故障の確率も抑えられる上、素子の選定を容易にすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、電気機器の突入電流防止装置に関するものであり、産業上の利用可能性を有するものである。
【符号の説明】
【００６７】
１   サーボ電源
２   負荷
３   容量性負荷
４   電圧検出回路
５   電流調整部
ＳＷ１  第一のスイッチング素子
ＳＷ２  第二のスイッチング素子
ＳＷ３  第三のスイッチング素子
Ｒ１    第一の電流制限抵抗
Ｒ２     第二の電流制限抵抗
１００、２００、３００、５００、６００  突入電流抑制回路
【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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