(57)【要約】【課題】ハイブリッドＩＣの高電圧部と端子間に短絡故障が発生した場合に、確実に電源回路が切れるようにして安定した安全性を確保する。【解決手段】スイッチング素子４を制御する制御部１４を設けて、該制御部によりトランスの二次巻線に接続した整流平滑回路からの出力電圧が定電圧に保持されるようにスイッチング素子４のオン・オフ間隔を制御可能に構成するとともに、電流検出抵抗５による検出電流を制御部１４に入力して出力電流値が所定値以上にならないようにスイッチング素子４の動作を制限可能に構成し、ハイブリッドＩＣの高電圧部と端子間で発生する短絡故障に起因するサージ電流で溶断不能な高耐サージ電流素子１０を、スイッチング素子１０とグランドラインとの間に直列に設けることによりヒューズにサージ電流を流して溶断可能に構成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧入力端子間に、ヒューズ、スイッチング素子および電流検出抵抗を直列接続すると共にハイブリッドＩＣを設けた安全電源装置であって、前記ハイブリッドＩＣの高電圧部と端子間で発生する短絡故障に起因するサージ電流で溶断不能な高耐サージ電流素子を、前記ハイブリッドＩＣに設けられたパワーデバイスとグランドラインとの間に直列に設けることにより前記ヒューズにサージ電流を流して溶断可能に構成したことを特徴とする安全電源装置。
【請求項２】
電圧入力端子間に、ヒューズ、スイッチング素子および電流検出抵抗を直列接続すると共にハイブリッドＩＣを設けた安全電源装置であって、前記ハイブリッドＩＣの高電圧部と端子間で発生する短絡故障に起因するサージ電流で溶断可能な低耐サージ電流素子を、前記ハイブリッドＩＣの高電圧部に設けることにより、前記低耐サージ電流素子または前記ヒューズのいずれかが溶断可能に構成したことを特徴とする安全電源装置。
【請求項３】
電圧入力端子間に、ヒューズ、スイッチング素子および電流検出抵抗を直列接続すると共にハイブリッドＩＣを設けた安全電源装置であって、前記ハイブリッドＩＣの高電圧部と端子間で発生する短絡故障に起因するサージ電流で溶断不能な高耐サージ電流素子を、前記スイッチング素子とグランドラインとの間に設けることにより前記ヒューズにサージ電流を流して溶断可能に構成すると共に、前記ハイブリッドＩＣの高電圧部と端子間で発生する短絡故障に起因するサージ電流で溶断可能な低耐サージ電流素子を、前記ハイブリッドＩＣの高電圧部に設けることにより、前記低耐サージ電流素子または前記ヒューズのいずれかが溶断可能に構成したことを特徴とする安全電源装置。
【請求項４】
前記高耐サージ電流素子は、金属板抵抗、耐サージ抵抗又は金属から選定することを特徴とする請求項１又は３記載の安全電源装置。
【請求項５】
前記低耐サージ電流素子は角チップ抵抗、炭素皮膜抵抗又はヒューズ抵抗から構成されていることを特徴とする請求項２又は３記載の安全電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング素子を利用して出力電圧を一定に制御する電源装置、特にハイブリッドＩＣの短絡故障時に安全に電源回路を切断可能な安全電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電源装置における従来の電源回路として、例えば図２に示すように、交流電圧入力端子間に、スイッチｂ、スイッチｂを制御する制御部ｃおよびパワーデバイスｄから構成されるハイブリッドＩＣ、電流検出抵抗ｅ、ヒューズａ等を、それぞれ設けたものが知られている。
【０００３】
ところが、このような従来の装置では、ハイブリッドＩＣの高電圧部と端子間に短絡故障が発生すると、電流検出抵抗ｅに過大な電流が流入し、これにより電流検出抵抗ｅがオープン破壊を起こしヒューズａが安全に溶断しないため、パワーデバイスｄの印加電圧が急激に上昇してパワーデバイスが破裂するというおそれがあった。
【０００４】
そこで、電流検出抵抗と並列に、スイッチング素子のショート故障時に逆耐圧を超える電圧を受けてショート破壊することによりヒューズに大きな電流を流して切る保護用ダイオードを逆極性に接続したスイッチング電源装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１４５３３９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１では、パワーデバイスであるスイッチング素子に印加される電圧がダイオードを破壊させる電圧よりも小さい場合には、電流検出抵抗がオープン破壊してヒューズにサージ電流が流入しないため、スイッチング素子を制御する制御部に過電圧が印加されることとなって制御部の破壊を防止することができず、言い換えれば、ダイオードが破壊する電圧とスイッチング素子が破壊する電圧との調整が困難という課題が残されている。
【０００７】
また、新たに保護用ダイオードを追加しなければならず、部品点数の増加によるコストの上昇が避けられなかった。
【０００８】
従来から安全性を確保する上で、異常状態においても装置（回路）として危険な状態にならないよう安全性を設計に反映させている。それを第３者機関であるＵＬ（アメリカ）、ＣＳＡ（カナダ）、ＶＤＥ（ドイツ）などに評価を依頼し、それぞれの規格に適合していることの認証を受け、安全規格適合商品であることを商品価値としてユーザーへ提供している。すなわち、グローバル商品として電源製品を供給する場合、安全規格の遵守は避けて通れないものとなっている。
【０００９】
しかしながら、昨今の安全性の要求の高まりや、製造業者としてのＰＬ／ＰＳに関する責任の重要性の高まりを背景に、より安全性確保が重要になりつつある。
【００１０】
一方で装置の小型化の要求などに伴い、電源装置に用いるパワーデバイスなども部品の集積化（ハイブリッドＩＣ化）が盛んに行われ、部品の単一故障も複雑化してきている。
【００１１】
複雑化してきた故障モードの全てに安全にヒューズを溶断し、装置として安全性を確保するには、ヒューズ特性の選定などに困難が生ずる。ヒューズの溶断特性として安全を維持しようとした場合に、通常使用時のヒューズ寿命が短くなったりするトレードオフが生じるからである。
【００１２】
ヒューズが安全に溶断しない場合に、集積化されたパワーデバイス部に異常（端子間ショート）が発生すると、大きな電気エネルギーとなって爆破に至り、火の粉を散らすことになる。
【００１３】
このときの爆破のメカニズムは次のようであることが解明されている。▲１▼端子間のショートによる異常発生、▲２▼電流検出抵抗に過大な電流が流入、▲３▼電流検出抵抗値が増大してオープン破壊、▲４▼パワーデバイスの印加電圧の上昇、▲５▼パワーデバイスが破裂して火の粉が発生。
【００１４】
本発明は、上記問題点に着目してなされたもので、その目的とするところは、ハイブリッドＩＣに異常が発生しても安全に電源回路が切れる安価な安全電源装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、電圧入力端子間に、ヒューズ、スイッチング素子および電流検出抵抗を直列接続すると共にハイブリッドＩＣを設けた安全電源装置であって、前記ハイブリッドＩＣの高電圧部と端子間で発生する短絡故障に起因するサージ電流で溶断不能な高耐サージ電流素子を、前記ハイブリッドＩＣに設けられたパワーデバイスとグランドラインとの間に直列に設けることにより前記ヒューズにサージ電流を流して溶断可能に構成する。
【００１６】
従って、本発明は、サージ電流で溶断不能な高耐サージ電流素子をパワーデバイスとグランドラインとの間に直列に設けるため、ハイブリッドＩＣと端子間で短絡故障が発生して高耐サージ電流素子に過大な電流が流入しても高耐サージ電流素子は、スイッチング素子等のパワーデバイスに印加される電圧の大小にかかわらず溶断しないため、必ずヒューズが溶断されることになり、よって安定した安全性の確保が可能になる。また、高耐サージ電流素子は電流検出抵抗としての機能を有するため、安全性が確保されるにもかかわらず部品点数の増加を招くことがなく、よってコスト低減が可能となる。さらに、高耐サージ電流素子を直列に設けるだけであるから、電源回路を簡素に構成することができる。
【００１７】
また、本発明は、電圧入力端子間に、ヒューズ、スイッチング素子および電流検出抵抗を直列接続すると共にハイブリッドＩＣを設けた安全電源装置であって、前記ハイブリッドＩＣの高電圧部と端子間で発生する短絡故障に起因するサージ電流で溶断可能な低耐サージ電流素子を、前記ハイブリッドＩＣの高電圧部に設けることにより、前記低耐サージ電流素子または前記ヒューズのいずれかが溶断可能に構成する。
【００１８】
従って、本発明は、サージ電流で溶断可能な低耐サージ電流素子を、前記ハイブリッドＩＣの高電圧部に設けたので、ヒューズ側の端子間においてハイブリッドＩＣに短絡故障が生じた場合に、サージ電流は低電圧部である制御部に流入するため、低耐サージ電流素子またはヒューズのいずれかが確実に溶断可能であり、よって安定した安全性を確保することができる。
【００１９】
さらに、本発明は、電圧入力端子間に、ヒューズ、スイッチング素子および電流検出抵抗を直列接続すると共にハイブリッドＩＣを設けた安全電源装置であって、前記ハイブリッドＩＣの高電圧部と端子間で発生する短絡故障に起因するサージ電流で溶断不能な高耐サージ電流素子を、前記スイッチング素子とグランドラインとの間に設けることにより前記ヒューズにサージ電流を流して溶断可能に構成すると共に、前記ハイブリッドＩＣの高電圧部と端子間で発生する短絡故障に起因するサージ電流で溶断可能な低耐サージ電流素子を、前記ハイブリッドＩＣの高電圧部に設けることにより、前記低耐サージ電流素子または前記ヒューズのいずれかが溶断可能に構成する。
【００２０】
従って、本発明は、パワーデバイスの一次側およびヒューズ側のいずれの側においてハイブリッドＩＣに短絡故障が生じても安価かつ安定的にパワーデバイスの破壊を防止することが可能である。
【００２１】
さらにまた、本発明は、前記高耐サージ電流素子は、金属抵抗、耐サージ抵抗又は金属から選定することや前記低耐サージ電流素子は角チップ抵抗、炭素皮膜抵抗又はヒューズ抵抗から構成することが考えられる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る安全電源装置の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
交流電圧の入力端子間には、ヒューズＦ、サーミスタ抵抗１、ノイズフィルタ２および整流ブリッジ３が直流接続され、さらに整流ブリッジ３に続いて変圧器の一次巻線Ｌ１、ＭＯＳＦＥＴから構成される第１スイッチング素子４および電流検出抵抗５が直流接続されている。
【００２４】
さらに、昇圧インダクタ９と変圧器の一次巻線Ｌ１との間には、グランドラインに接続されたハイブリッドＩＣが設けられている。ハイブリッドＩＣは、入力電流を、交流電圧の相似形であるサイン波形状に整え、通常発生する高調波電流を抑制するためのもので、ＭＯＳＦＥＴから構成される第２スイッチング素子６、整流素子７および第２スイッチング素子６のオン・オフを制御する第１制御部８を備えており、さらに本発明ではこれらに加えて低耐サージ電流素子１５を備えている。
【００２５】
低耐サージ電流素子１５は整流ブリッジ３とハイブリッドＩＣの端子１０３との間に直列に接続されている。この低耐サージ電流素子１５はサージ電流で溶断し易い抵抗、例えば、サージ耐量が、電流Ｉの二乗に時間ｔをかけた値が２０〜６０［Ａの二乗・ＳＥＣ］程度の範囲内にある角チップ抵抗、炭素皮膜抵抗又はヒューズ抵抗を用いる。
【００２６】
また第２スイッチング素子６は昇圧インダクタ９と整流素子７の間と後述するハイブリッドＩＣの端子１０４との間に接続されており、第２スイッチング素子６とグランドラインとの間には高耐サージ電流素子１０が接続されている。この高耐サージ電流素子１０は耐サージ量が十分に大きい抵抗、例えば、サージ耐量が、電流Ｉの二乗に時間ｔをかけた値が４００〜８００［Ａの二乗・ＳＥＣ］程度の範囲内にある金属板抵抗、耐サージ抵抗ないし金属等の内から選定される。さらに第１制御部８には、低耐サージ電流素子１５および整流素子７の両端の電圧が入力されている。
【００２７】
ハイブリッドＩＣはパッケージ素子から構成されており、昇圧インダクタ９と整流素子７との間に第１端子１０１、整流素子７とトランスの一次巻線Ｌ１との間に第２端子１０２、低耐サージ電流素子１５と第１制御部８との間に第３端子１０３、第２スイッチング素子６と高耐サージ電流素子１０との間に第４端子１０４、第１制御部８とグランドラインに接続されたコンデンサＣ１との間に第５接点１０５が、グランドライン側に位置してグランドラインに直接接続される第６端子１０６が、それぞれ設けられている。
【００２８】
一方、変圧器の二次巻線Ｌ２には、ダイオード１１とコンデンサ１２とから構成される整流平滑回路が接続され、出力端子から負荷に出力電圧が供給される。この出力電圧は電圧検出部１３により検出されて基準電圧と比較され、その誤差は制御量として第２制御部１４へフォトカプラを介してフィードバックされる。第２制御部１４は制御量に応じて第１スイッチング素子４のオン・オフの間隔を変えることにより、出力電流を要求値に一致させる。
【００２９】
出力電圧が所定の電圧値以上の過電圧になった場合には、過電圧検出部１３ａに検出されてその検出信号が第２制御部１４にフィードバックされる。すると第２制御部１４は第１スイッチング素子４をオフさせて出力電圧を零に制御する。
【００３０】
一方、電流検出抵抗５によりトランスの一次側に過電流が検出されると、その検出信号が第２制御部１４にフィードバックされる。これにより第２制御部１４は第１スイッチング素子４のオン・オフの間隔を変えることにより、出力電流を制限する。
【００３１】
次に、ハイブリッドＩＣが短絡故障した場合にどのようにして安全性が確保されるかについて説明する。低耐サージ電流素子１５と整流素子７を含む領域は高電圧になっており、例えば、この高電圧部と第４端子１０４との間、すなわち第２端子１０２と第４端子１０４との間で短絡故障が発生した場合、仮に高耐サージ電流素子１０のサージ耐量が小さいとすると、図２によりフローチャートで示される経過をたどってハイブリッドＩＣが破裂するに至る。すなわち、高耐サージ電流素子１０に過大な電流が流入した場合に、ヒューズＦが溶断すれば回路が切り離されて安全が保たれるが、高耐サージ電流素子１０のサージ耐量が小さい場合には、高耐サージ電流素子１０が溶断してヒューズが溶断しないため、ハイブリッドＩＣが高電圧に印加されて破裂に至る。
【００３２】
しかしながら、本発明では、高耐サージ電流素子１０はサージ耐量が十分にある抵抗から構成されているため溶断することがなくヒューズＦが溶断する。従って、図３にフローチャートで示すように、第２スイッチング素子６に高電圧が印加されることがなく、よってパワーデバイスとしての整流素子７の破壊が防止される。
【００３３】
一方、高電圧部と他の端子との間、例えば、第１端子１０３と第５端子１０５との間で短絡故障が発生した場合、仮に低耐サージ電流素子１５が設けられていないとすると、図４によりフローチャートで示される経過をたどってハイブリッドＩＣが破裂する。すなわち、低電圧部である第１制御部８に過大な電流が流入した場合に、ヒューズＦが溶断すれば安全が保たれるが、ヒューズＦが溶断しない場合には、ハイブリッドＩＣが破裂するに至る。
【００３４】
しかし、本発明では、低耐サージ電流素子１５が設けられているため、第１制御部８に高電圧が印加されて過大電流が流入した場合に、図５によりフローチャートで示すように、ヒューズＦが溶断しなくても低耐サージ電流素子１５が溶断するため安全性が確保される。
【００３５】
図６はハイブリッドＩＣパッケージを収容する防爆カバーを示すもので、パワーデバイス７や第１制御部８等が実装されるハイブリッドＩＣ基板を載置する底板５０の外周部から周壁５１を起立し、かつ周壁５１の一部をパワーデバイスの破裂によって破壊可能な脆弱部に形成している。
【００３６】
仮に脆弱部を設けないとすれば、パワーデバイスの破裂でカバーは四方に吹き飛ばされることになり危険であるが、脆弱部を設けることにより爆風は脆弱部方向に流出するため、火の粉の飛散方向を安全な方向に向けることができる。
【００３７】
なお、脆弱部の代わりに開口部を形成してもよく、あるいは脆弱部を爆風により変形可能に形成してもよい。変形することにより破裂のエネルギーを吸収することができるからである。
【００３８】
【発明の効果】
請求項１に係る発明は、サージ電流で溶断不能な高耐サージ電流素子をスイッチング素子とグランドラインとの間に直列に設けるため、ハイブリッドＩＣと端子間で短絡故障が発生して高耐サージ電流素子に過大な電流が流入しても高耐サージ電流素子は、スイッチング素子等のパワーデバイスに印加される電圧の大小にかかわらず溶断しないため、必ずヒューズが溶断されることになり、よって安定した安全性の確保が可能になる。また、高耐サージ電流素子は電流検出抵抗としての機能を有するため、安全性が確保されるにもかかわらず点数の増加を招くことがなく、よってコスト低減が可能となる。さらに、高耐サージ電流素子を直列に設けるだけであるから、電源回路を簡素に構成することができる。
【００３９】
請求項２に係る発明は、サージ電流で溶断可能な低耐サージ電流素子を、前記ハイブリッドＩＣの高電圧部に設けたので、ヒューズ側の端子間においてハイブリッドＩＣに短絡故障が生じた場合に、サージ電流は低電圧部である制御部に流入するため、低耐サージ電流素子またはヒューズのいずれかが確実に溶断可能であり、よって安定した安全性を確保することができる。
【００４０】
請求項３に係る発明は、パワーデバイスの一次側およびヒューズ側のいずれの側においてハイブリッドＩＣに短絡故障が生じても安価かつ安定的にパワーデバイスの破壊を防止することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る安全電源装置の回路構成図である。
【図２】ハイブリッドＩＣの高電圧部と端子１０４間に短絡故障が発生した場合の従来構成によるフローチャートである。
【図３】ハイブリッドＩＣの高電圧部と端子１０４間に短絡故障が発生した場合の本発明に係る構成によるフローチャートである。
【図４】ハイブリッドＩＣの高電圧部と端子１０５間に短絡故障が発生した場合の従来構成によるフローチャートである。
【図５】ハイブリッドＩＣの高電圧部と端子１０５間に短絡故障が発生した場合の本発明に係る構成によるフローチャートである。
【図６】本発明に係る安全電源装置におけるハイブリッドＩＣの防爆カバーを示す斜視図ある。
【図７】従来の電源装置における回路の概略を示す回路図である。
【符号の説明】
４  第１スイッチング素子
５  電流検出抵抗
６  第２スイッチング素子
８  第１制御部
９  昇圧インダクタ
１０  高耐サージ電流素子
１４  第２制御部
１５  低耐サージ電流素子
【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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