(57)【要約】【課題】直流電源から負荷装置への大きな突入電流の流入ならびに負荷装置から直流電源への電力逆流を防止できる直流電源スイッチを提供する。【解決手段】給電を終わらせるときは、まず、スイッチＳ２をオフする。すると、コンデンサＣ１に蓄積された電荷が抵抗Ｒ１で放電され、抵抗Ｒ１の両端で生成されるトランジスタＱ１のバイアス電圧が低下し始める。トランジスタＱ１が流せる電流の値も徐々に低下する。最終的には、トランジスタＱ１がオフ状態になり、そのときにスイッチＳ１をオフする。こうして、供給電力が徐々に低下するので、負荷装置２で高い逆起電力が発生せず、直流電源１への電力逆流を防止することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と負荷装置の間の正極側または負極側の配線に挿入された半導体素子およびスイッチと、
該半導体素子への逆電流の防止のために該半導体素子に対して直列に接続された逆電流防止半導体素子と、
該半導体素子のバイアス制御点と該点の基準点との間に並列接続された抵抗性素子、該抵抗性素子に並列接続された容量性素子、該バイアス制御点に一端を接続された抵抗性素子、該２つの抵抗性素子による直列回路に並列接続され且つスイッチおよび直流電源を直列接続してなる回路を備えるバイアス回路と
を備えることを特徴とする直流電源スイッチ。
【請求項２】
前記バイアス回路は、
前記容量性素子に並列接続され且つ該バイアス回路のスイッチとでオンオフが逆になるように連動するスイッチを備える
ことを特徴とする請求項１記載の直流電源スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電源から負荷装置への大きな突入電流の流入ならびに負荷装置から直流電源への電力逆流を防止できる直流電源スイッチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、交流電源による給電システムが使用され、そこでは一方向給電が行われている。
【０００３】
近年では給電方式の多様化や省エネルギーの要求があり、将来は新たな給電システムが使用されるようになるだろう。つまり、小型の燃料電池や太陽光発電や熱発電の技術を使用した分散的且つ双方向給電可能な給電システムが使用されることが予想されている。
【０００４】
図５は、かかる給電システムにおける給電回路の回路図である。
【０００５】
直流電源１は、かかる給電システムでの使用が予測されるものである。直流電源１は負荷装置２に電力を供給するものであり、その間の配線にスイッチ４が挿入される。図示しないが、直流電源１には同様に他の負荷装置も接続される。
【０００６】
ところで、交流電源においては、出力電圧の大きさが変化するので、負荷装置への突入電流が小さくなることもある。しかし、直流電源１は、公称電圧範囲内の電圧を常に出力するので、スイッチ４をオンするタイミングに依らず、オン時には負荷装置２に常に大きな突入電流が流れる。なお、突入電流の要因は主に負荷装置がもつコンデンサである。また、インバータをもつ負荷装置も多く、その消費電力によらず、大きな突入電流が流れる事態が顕在化する可能性がある。
【０００７】
これにより、直流電源１の出力電圧が変動し、その電圧変動やそのような電圧変動による不要な電磁波により、他の負荷装置が動作異常を起こす可能性がある。
【０００８】
図６は、従来の突入電流防止を図った給電回路の回路図である。
【０００９】
直流電源１と負荷装置２の間の配線には、別のスイッチ５が挿入され、そのうちの１つの端子に対して抵抗Ｒ３が直列接続されている。
【００１０】
この給電回路では、スイッチ４をオンする前にスイッチ５をオンすると、負荷装置２のコンデンサが予め充電される。したがい、その後、スイッチ４をオンしたときの電流を低くすることができる。なお、スイッチ４の機能を半導体により実現した給電回路を使用してもよい。
【００１１】
なお、突入電流を防止する技術として、疑似インタクタンス回路が特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特許第３８８１８６０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図６に示した給電回路は、突入電流を低く制限できるとはいえ、不都合が生じることもある。
【００１３】
例えば、負荷装置２がモータのような誘導性負荷をもつ場合、給電を終わらせようとして、スイッチ４をオフすると、負荷装置２に高い逆起電力が生じる。抵抗Ｒ３があるとはいえ、供給電力の変化が急激なので、逆起電力が高くなるのである。
【００１４】
これにより、直流電源１の出力電圧が変動し、その電圧変動やそのような電圧変動による不要な電磁波により、他の負荷装置が動作異常を起こす可能性がある。
【００１５】
また、スイッチ４の機能を半導体により実現した給電回路では、負荷装置２における高い逆起電力により、その半導体自体が誤動作する可能性がある。
【００１６】
また、電圧変動を防止すべく、直流電源１に蓄電池（例えば、鉛電池や大容量のコンデンサ）を設ける必要が生じる。
【００１７】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、直流電源から負荷装置への大きな突入電流の流入ならびに負荷装置から直流電源への電力逆流を防止できる直流電源スイッチを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の課題を解決するために、請求項１の本発明は、直流電源と負荷装置の間の正極側または負極側の配線に挿入された半導体素子およびスイッチと、該半導体素子への逆電流の防止のために該半導体素子に対して直列に接続された逆電流防止半導体素子と、該半導体素子のバイアス制御点と該点の基準点との間に並列接続された抵抗性素子、該抵抗性素子に並列接続された容量性素子、該バイアス制御点に一端を接続された抵抗性素子、該２つの抵抗性素子による直列回路に並列接続され且つスイッチおよび直流電源を直列接続してなる回路を備えるバイアス回路とを備えることを特徴とする直流電源スイッチをもって解決手段とする。
【００１９】
請求項２の本発明は、前記バイアス回路は、前記容量性素子に並列接続され且つ該バイアス回路のスイッチとでオンオフが逆になるように連動するスイッチを備えることを特徴とする請求項１記載の直流電源スイッチをもって解決手段とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る直流電源スイッチによれば、バイアス回路の直流電源、スイッチ、抵抗性素子および容量性素子の直列回路に電流が流れ、半導体素子のバイアス電圧を生成する抵抗性素子の両端に電位差が生じようとするが、その抵抗性素子に並列接続された容量性素子は未充電状態にあるのでその両端の電位差は、該スイッチがオンしてから徐々に大きくなる。こうして、半導体素子のバイアス電圧を徐々に増加させることで、半導体素子が流せる電流の値も徐々に増加する。これにより、負荷装置へ大きな突入電流が流れるのを防止できる。
【００２１】
また、バイアス回路のスイッチをオフすると、容量性素子に蓄積された電荷が並列接続された抵抗性素子で放電され、その抵抗性素子の両端で生成される半導体素子のバイアス電圧が低下し始める。半導体素子が流せる電流の値も徐々に低下する。最終的には、半導体素子がオフ状態になり、そのときに配線に挿入されたスイッチをオフする。こうして、供給電力が徐々に低下するので、負荷装置で高い逆起電力が発生せず、配線に接続された直流電源への電力逆流を防止することができる。
【００２２】
また、バイアス回路の直流電源に直列接続されたスイッチをオフし且つ連動するスイッチをオンすると、容量性素子に蓄積された電荷が後者のスイッチにより短時間で放電され、半導体素子のバイアス電圧も短時間で低下する。半導体素子も短時間でオフ状態になり、そのときに配線に挿入されたスイッチをオフする。供給電力は短時間で低下するので、負荷装置で高い逆起電力が発生する可能性もあるが、そうなったとしても、逆電流防止半導体素子により、直流電源へその電力が逆流するのを防止することができる。
【００２３】
したがい、本発明の直流電源スイッチによれば、配線に接続された直流電源の出力電圧が安定化し、問題となっていた電圧変動やそのような電圧変動による不要な電磁波で他の負荷装置が動作異常となるのを防止することができる。よって、直流電源に設ける必要のあった蓄電池を不要にまたは小容量にできる。また、負荷装置から直流電源への電力逆流を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２５】
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る直流電源スイッチを使用した給電回路の回路図である。
【００２６】
直流電源１は負荷装置２に電力を供給するものであり、その正極側の配線に直流電源スイッチ３が挿入される。直流電源スイッチ３を正極側の配線に設ける構成は、負極側の配線が、図示していないが、接地されている場合に採用される。
【００２７】
直流電源１は例えば、通信用局舎で使用されるいわゆる４８Ｖ系電源である。
【００２８】
負荷装置２の正極側にパワー型のＮチャネルＭＯＳＦＥＴであるトランジスタＱ１のソースが接続されている。トランジスタＱ１の逆電流防止のための逆電流防止半導体素子であるダイオードＤ１のカソードがトランジスタＱ１のドレインに接続されている。直流電源１の正極（＋で図示）がスイッチＳ１を介してダイオードＤ１のアノードに接続されている。直流電源１の負極（−で図示）は、負荷装置２の負極側に配線で接続されている。  トランジスタＱ１のバイアス回路は、以下のように構成される。トランジスタＱ１のバイアス制御点であるゲートと該点の基準点であるソースとの間に抵抗性素子である抵抗Ｒ１が並列接続され、抵抗Ｒ１に容量性素子であるコンデンサＣ１が並列接続されている。トランジスタＱ１のゲートに抵抗性素子である抵抗Ｒ２の一端が接続されている。スイッチＳ２を介して直流電源Ｅ１の正極が抵抗Ｒ２の他端に接続されている。直流電源Ｅ１の負極がトランジスタＱ１のソースに接続されている。
【００２９】
次に、この給電回路の動作を説明する。
【００３０】
給電前では各スイッチＳ１、Ｓ２をオフしておき、給電を開始するときは、まず、スイッチＳ１をオンし、その後、スイッチＳ２をオンする。
【００３１】
すると、直流電源Ｅ１、スイッチＳ２、抵抗Ｒ２およびコンデンサＣ１の直列回路に電流が流れる。トランジスタＱ１のバイアス電圧を生成する抵抗Ｒ１の両端に電位差が生じようとするが、抵抗Ｒ１に並列接続されたコンデンサＣ１は未充電状態にあるのでその両端の電位差は、スイッチＳ２がオンしてから徐々に大きくなる。そのときの時定数は抵抗Ｒ２とコンデンサＣ１の値で決定される。こうして、抵抗Ｒ１の両端で生成されるトランジスタＱ１のバイアス電圧を徐々に増加させることで、トランジスタＱ１が流せる電流の値も徐々に増加する。これにより、負荷装置２へ大きな突入電流が流れるのを防止できる。さらに、バイアス電圧が増加すると、トランジスタＱ１はオン状態となる。トランジスタＱ１とダイオードＤ１にオン抵抗を小さいものを用いれば、これらの素子での電力損失は無視できるほど小さくできる。
【００３２】
給電を終わらせるときは、まず、スイッチＳ２をオフする。
【００３３】
すると、コンデンサＣ１に蓄積された電荷が抵抗Ｒ１で放電され、抵抗Ｒ１の両端で生成されるトランジスタＱ１のバイアス電圧が低下し始める。トランジスタＱ１が流せる電流の値も徐々に低下する。最終的には、トランジスタＱ１がオフ状態になり、そのときにスイッチＳ１をオフする。こうして、供給電力が徐々に低下するので、負荷装置２で高い逆起電力が発生せず、直流電源１への電力逆流を防止することができる。
【００３４】
したがって、第１の実施の形態に係る直流電源スイッチによれば、直流電源１の出力電圧が安定化し、問題となっていた電圧変動やそのような電圧変動による不要な電磁波で他の負荷装置が動作異常となるのを防止することができる。よって、直流電源に設ける必要のあった蓄電池を不要にまたは小容量にできる。供給電力が徐々に低下するので、負荷装置で高い逆起電力が発生せず、配線に接続された直流電源への電力逆流を防止することができる。
【００３５】
［第２の実施の形態］
図２は、第２の実施の形態に係る直流電源スイッチを使用した給電回路の回路図である。
【００３６】
この給電回路は、第１の実施の形態の給電回路と同様に、直流電源１と負荷装置２の間の正極側の配線に直流電源スイッチ３Ａを挿入したものである。直流電源スイッチ３Ａは、第１の実施の形態に係る直流電源スイッチ３のコンデンサＣ１に対して、スイッチＳ２とでオンオフが逆になるように連動するスイッチＳ３を並列接続したものである。直流電源スイッチ３Ａを正極側の配線に設ける構成は、負極側の配線が、図示していないが、接地されている場合に採用される。
【００３７】
次に、この給電回路の動作を説明する。
【００３８】
給電前では各スイッチＳ１、Ｓ２およびＳ３をオフしておき、給電を開始するときは、まず、スイッチＳ１のオン後、スイッチＳ２をオンする。
【００３９】
第１の実施の形態と同様に、負荷装置２への多大な突入電流の流入が防止される。
【００４０】
給電を終わらせるときは、まず、スイッチＳ２をオフし、連動して、スイッチＳ３をオンする。
【００４１】
コンデンサＣ１に蓄積された電荷がスイッチＳ３により短時間で放電され、トランジスタＱ１のバイアス電圧も短時間で低下する。トランジスタＱ１も短時間でオフ状態になり、そのときにスイッチＳ１をオフする。供給電力は短時間で低下するので、負荷装置２で高い逆起電力が発生する可能性もあるが、ダイオードＤ１を設けたので、その逆起電力が直流電源１へ逆流するのを防止することができる。
【００４２】
したがって、第２の実施の形態に係る直流電源スイッチによれば、直流電源１の出力電圧が安定化し、問題となっていた電圧変動やそのような電圧変動による不要な電磁波で他の負荷装置が動作異常となるのを防止することができる。よって、直流電源に設ける必要のあった蓄電池を不要にまたは小容量にできる。また、負荷装置で逆起電力が発生しても、逆電流防止半導体素子により、直流電源へその電力が逆流するのを防止することができる。
【００４３】
［第３の実施の形態］
図３は、第３の実施の形態に係る直流電源スイッチを使用した給電回路の回路図である。
【００４４】
この給電回路は、第１、第２の実施の形態の給電回路とは異なり、直流電源１と負荷装置２の間の負極側の配線に直流電源スイッチ３Ｃを挿入したものである。直流電源スイッチ３Ｂを負極側の配線に設ける構成は、正極側の配線が、図示していないが、接地されている場合に採用される。
【００４５】
直流電源１の負極（−で図示）にパワー型のＮチャネルＭＯＳＦＥＴであるトランジスタＱ２のソースが接続されている。トランジスタＱ２の逆電流防止のための逆電流防止半導体素子であるダイオードＤ２のカソードがトランジスタＱ２のドレインに接続されている。負荷装置２の負極側がスイッチＳ１１を介してダイオードＤ２のアノードに接続されている。直流電源１の正極（＋で図示）は、負荷装置２の正極側に配線で接続されている。
【００４６】
トランジスタＱ２のバイアス回路は、以下のように構成される。トランジスタＱ２のバイアス制御点であるゲートと該点の基準点であるソースとの間に抵抗性素子である抵抗Ｒ１１が並列接続され、抵抗Ｒ１１に容量性素子であるコンデンサＣ２が並列接続されている。トランジスタＱ２のゲートに抵抗性素子である抵抗Ｒ１２の一端が接続されている。スイッチＳ１２を介して直流電源Ｅ２の正極が抵抗Ｒ１２の他端に接続されている。直流電源Ｅ２の負極がトランジスタＱ２のソースに接続されている。
【００４７】
次に、この給電回路の動作を説明する。
【００４８】
給電前では各スイッチＳ１１、Ｓ１２をオフしておき、給電を開始するときは、まず、スイッチＳ１１をオンし、その後、スイッチＳ１２をオンする。
【００４９】
すると、直流電源Ｅ２、スイッチＳ１２、抵抗Ｒ１２およびコンデンサＣ２の直列回路に電流が流れる。トランジスタＱ２のバイアス電圧を生成する抵抗Ｒ１１の両端に電位差が生じようとするが、抵抗Ｒ１１に並列接続されたコンデンサＣ２は未充電状態にあるのでその両端の電位差は、スイッチＳ１２がオンしてから徐々に大きくなる。そのときの時定数は抵抗Ｒ１２とコンデンサＣ２の値で決定される。こうして、抵抗Ｒ１１の両端で生成されるトランジスタＱ２のバイアス電圧を徐々に増加させることで、トランジスタＱ２が流せる電流の値も徐々に増加する。これにより、負荷装置２へ大きな突入電流が流れるのを防止できる。さらに、バイアス電圧が増加すると、トランジスタＱ２はオン状態となる。トランジスタＱ２とダイオードＤ２にオン抵抗を小さいものを用いれば、これらの素子での電力損失は無視できるほど小さくできる。
【００５０】
給電を終わらせるときは、まず、スイッチＳ１２をオフする。
【００５１】
すると、コンデンサＣ２に蓄積された電荷が抵抗Ｒ１１で放電され、抵抗Ｒ１１の両端で生成されるトランジスタＱ２のバイアス電圧が低下し始める。トランジスタＱ２が流せる電流の値も徐々に低下する。最終的には、トランジスタＱ２がオフ状態になり、そのときにスイッチＳ１１をオフする。こうして、供給電力が徐々に低下するので、負荷装置２で高い逆起電力が発生せず、直流電源１への電力逆流を防止することができる。
【００５２】
したがって、第３の実施の形態に係る直流電源スイッチによれば、直流電源１の出力電圧が安定化し、問題となっていた電圧変動やそのような電圧変動による不要な電磁波で他の負荷装置が動作異常となるのを防止することができる。よって、直流電源に設ける必要のあった蓄電池を不要にまたは小容量にできる。また、供給電力が徐々に低下するので、負荷装置で高い逆起電力が発生せず、配線に接続された直流電源への電力逆流を防止することができる。
【００５３】
［第４の実施の形態］
図４は、第４の実施の形態に係る直流電源スイッチを使用した給電回路の回路図である。
【００５４】
この給電回路は、第３の実施の形態の給電回路と同様に、直流電源１と負荷装置２の間の負極側の配線に直流電源スイッチ３Ｃを挿入したものである。直流電源スイッチ３Ｃは、第３の実施の形態に係る直流電源スイッチ３ＢのコンデンサＣ２に対して、スイッチＳ１２とでオンオフが逆になるように連動するスイッチＳ１３を並列接続したものである。直流電源スイッチ３Ｃを負極側の配線に設ける構成は、正極側の配線が、図示していないが、接地されている場合に採用される。
【００５５】
次に、この給電回路の動作を説明する。
【００５６】
給電前では各スイッチＳ１１、Ｓ１２およびＳ１３をオフしておき、給電を開始するときは、まず、スイッチＳ１１のオン後、スイッチＳ１２をオンする。
【００５７】
第３の実施の形態と同様に、負荷装置２への多大な突入電流の流入が防止される。
【００５８】
給電を終わらせるときは、まず、スイッチＳ１２をオフし、連動して、スイッチＳ１３をオンする。
【００５９】
コンデンサＣ２に蓄積された電荷がスイッチＳ１３により短時間で放電され、トランジスタＱ２のバイアス電圧も短時間で低下する。トランジスタＱ２も短時間でオフ状態になり、そのときにスイッチＳ１１をオフする。供給電力は短時間で低下するので、負荷装置２で高い逆起電力が発生する可能性もあるが、ダイオードＤ２を設けたので、その逆起電力が直流電源１へ逆流するのを防止することができる。
【００６０】
したがって、第４の実施の形態に係る直流電源スイッチによれば、直流電源１の出力電圧が安定化し、問題となっていた電圧変動やそのような電圧変動による不要な電磁波で他の負荷装置が動作異常となるのを防止することができる。よって、直流電源に設ける必要のあった蓄電池を不要にまたは小容量にできる。また、負荷装置で逆起電力が発生しても、逆電流防止半導体素子により、直流電源へその電力が逆流するのを防止することができる。
【００６１】
以上、直流電源スイッチについて説明したが、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴに代えてＮＰＮバイポーラトランジスタ、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴやＰＮＰバイポーラトランジスタなどを用いてもよい。
【００６２】
また、コンデンサは、充放電可能な他の容量性素子に置き換えてもよい。また、抵抗は、抵抗値をもつ他の抵抗性素子に置き換えてもよい。また、発光ダイオードは、電球などの発光可能な他の発光素子に置き換えてもよい。また、ダイオードは、逆電流を防止できる他の逆電流防止半導体素子に置き換えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】第１の実施の形態に係る直流電源スイッチを使用した給電回路の回路図である。
【図２】第２の実施の形態に係る直流電源スイッチを使用した給電回路の回路図である。
【図３】第３の実施の形態に係る直流電源スイッチを使用した給電回路の回路図である。
【図４】第４の実施の形態に係る直流電源スイッチを使用した給電回路の回路図である。
【図５】従来の給電システムにおける給電回路の回路図である。
【図６】従来の突入電流防止を図った給電回路の回路図である。
【符号の説明】
【００６４】
Ｃ１、Ｃ２…コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２…ダイオード
１、Ｅ１、Ｅ２…直流電源
Ｑ１、Ｑ２…トランジスタ
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ１１、Ｒ１２…抵抗
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３…スイッチ
２…負荷装置
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ…直流電源スイッチ
【図１】
2008306878.tif 000003
【図２】
2008306878.tif 000004
【図３】
2008306878.tif 000005
【図４】
2008306878.tif 000006
【図５】
2008306878.tif 000007
【図６】
2008306878.tif 000008