(57)【要約】【課題】小型で低コストな定電圧素子を用いて高い耐電圧試験にも対応できる過電圧保護回路を備えた電源装置を提供する。【解決手段】電源装置は、電源ラインに発生した一過性の過電圧を吸収するサージノイズフィルタ回路２０を備え、当該サージノイズフィルタ回路２０は、電源ラインとグラウンド２との間に直列接続した定電圧素子１０および第１コンデンサ１１と、定電圧素子１０に並列接続した第２コンデンサ１２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】
電源に接続される電源ラインと、
前記電源ラインに供給される電力から、所望の出力電力を生成する電力変換回路と、
前記電源ラインに発生した一過性の過電圧を吸収する過電圧防止回路とを備え、
前記過電圧防止回路は、
前記電源ラインとグラウンドとの間に直列接続した定電圧素子および第１コンデンサと、
前記定電圧素子に並列接続した第２コンデンサとを備える
ことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記定電圧素子は第１のバリスタである
請求項１記載の電源装置。
【請求項３】
２つの前記電源ライン間に接続する第２のバリスタをさらに備える
請求項２記載の電源装置。
【請求項４】
前記第１および第２のバリスタは、互いに互換性のあるものである
請求項３記載の電源装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項記載の電源装置の耐電圧試験方法であって、
当該耐電圧試験の試験電圧をＶS、前記第１コンデンサの容量をＣ1、前記第２コンデンサと非導通状態の前記定電圧素子との合成容量をＣ2、前記定電圧素子の定電圧をＶTとしたとき、
Ｃ2＞Ｃ1・（ＶS／ＶT−１）
の関係が成り立つ
ことを特徴とする耐電圧試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機器の電源装置に関し、特に、電源装置に電力を供給する電源側から侵入する一過性の過電圧を吸収する過電圧防止回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
商用電源から安定した所望の電力を得る電源装置は、多くの電気機器に用いられている。例えば下記の特許文献１には、コモンモードノイズおよびノーマルモードノイズを減衰・吸収するフィルタ回路に、さらに商用電源から侵入する一過性のサージノイズを吸収する過電圧防止回路（サージノイズフィルタ回路）を備える電源装置が開示されている。
【０００３】
特許文献１の電源装置が備えるサージノイズフィルタ回路は、商用電源ラインとフレームグラウンドとの間に、定電圧素子とコンデンサを直列接続させて成るものである。定電圧素子は、通常（サージノイズが小さいとき）は非導通であるが、商用電源ラインに一定電圧以上のコモンモードのサージノイズが発生すると導通し、サージノイズフィルタ回路のコンデンサを商用電源ラインに接続させる。それにより、商用電源ラインとフレームグラウンド間のインピーダンスが低下するため、サージノイズはフレームグラウンドに吸収される。
【０００４】
また、定電圧素子は通常は非導通であるため、サージノイズフィルタ回路を設けたことによって、通常動作時における商用電源ラインとフレームグラウンドとの間の容量成分が増加することはない。そのため、商用電源ラインからの漏れ電流の増加は伴わない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１１６２６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、特許文献１の電源装置のサージノイズフィルタ回路は、商用電源ラインとフレームグラウンドとの間に直列接続した定電圧素子およびコンデンサから成っている。そのため電源装置の製造過程において、所定の安全規格に基づく耐電圧試験を実施したとき、その試験電圧とほぼ同じ電圧が定電圧素子の両端に印加される。試験電圧が定電圧素子のしきい値電圧よりも大きい場合、耐電圧試験の間定電圧素子は導通状態となり、当該定電圧素子の性能が劣化する可能性がある。
【０００７】
これを防止するためには、しきい値電圧が耐電圧試験の試験電圧よりも高い定電圧素子を使用すればよいが、しきい値電圧が高い定電圧素子は高価な上、素子サイズも大きいので、電源装置の小型化および低コスト化の妨げとなる点で好ましくない。
【０００８】
一方、最近の安全規格の改正により、電源装置の一次回路に使用できる定電圧素子が電圧依存抵抗器（ＶＤＲ：Voltage Dependent Resister）と規定された。それに適合する素子は、バリスタまたは酸化金属バリスタであるが、現在市販されているバリスタの製品には、欧州の電気・電子産業界の安全規格に基づく耐電圧試験の電圧で動作が保証されるものはない。
【０００９】
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、電源ラインの漏れ電流の増加を抑えつつ過電圧の発生を防止でき、且つ、小型で低コストな定電圧素子を用いながら高い耐電圧試験にも対応できる過電圧保護回路を備えた電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る電源装置は、電源に接続される電源ラインと、前記電源ラインに供給される電力から、所望の出力電力を生成する電力変換回路と、前記電源ラインに発生した一過性の過電圧を吸収する過電圧防止回路とを備え、前記過電圧防止回路は、前記電源ラインとグラウンドとの間に直列接続した定電圧素子および第１コンデンサと、前記定電圧素子に並列接続した第２コンデンサとを備えるものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、過電圧防止回路の定電圧素子には、第１および第２コンデンサによって分圧された電圧がかかるため、定電圧素子が導通状態になるために過電圧防止回路に印加される必要がある電圧を大きくできる。よって第１および第２コンデンサの容量を適切に設定すれば、しきい値電圧の高い定電圧素子を使用することなく、耐電圧試験の際に定電圧素子が導通しないようにできる。よって小型で低コストな定電圧素子を用いながら、耐電圧試験による定電圧素子の性能劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１に係るサージノイズフィルタ回路を備える電源装置の構成図である。
【図２】実施の形態１の変更例に係る電源装置の構成図である。
【図３】実施の形態１の変更例に係る電源装置の構成図である。
【図４】実施の形態２に係るサージノイズフィルタ回路を備える電源装置の構成図である。
【図５】実施の形態３に係るサージノイズフィルタ回路を備える電源装置の構成図である。
【図６】前提技術である電源装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜前提技術＞
本発明の実施の形態の説明に先立って、本発明の前提技術である特許文献１の電源装置について説明する。その構成図を図６に示す。
【００１４】
図６に示す電源１は、電源装置の電源ラインに電源を供給する商用電源であり、電源装置のプロテクトアース端子はグラウンド２に接続されている。同図の如く、当該電源装置は、コモンモードコイル３、アクロスザラインコンデンサ４、ラインバイパスコンデンサ５，６、整流回路７、平滑コンデンサ８、スイッチングレギュレータ９およびサージノイズフィルタ回路１５を備えている。
【００１５】
コモンモードコイル３は電源ラインに挿入され、アクロスザラインコンデンサ４は２つの電源ライン間に接続されている。ラインバイパスコンデンサ５，６は、各電源ラインとグラウンド２との間にそれぞれ接続されている。
【００１６】
サージノイズフィルタ回路１５は、ラインバイパスコンデンサ６に対して並列接続されており、電源ラインとグラウンド２との間に直列接続した定電圧素子１０と第１コンデンサ１１とから構成されている。定電圧素子１０は、その端子間電圧がしきい値電圧を超えると導通状態になり、端子間電圧が一定電圧（しきい値電圧に相当）を超えることを防ぐように動作する。
【００１７】
整流回路７は、４つの整流ダイオードから成る全波整流回路であり、商用電源１から供給された交流電圧を整流する。平滑コンデンサ８は整流された電圧波形を平滑化する。整流および平滑化された電圧はスイッチングレギュレータ９に入力される。スイッチングレギュレータ９は、入力された電圧を高周波でスイッチングすることで所望の出力電圧を生成する。すなわち整流回路７、平滑コンデンサ８、スイッチングレギュレータ９は、商用電源１から電源ラインに供給された交流電力から、所望の出力電力を生成する電力変換回路として機能する。
【００１８】
一方、上記のコモンモードコイル３、アクロスザラインコンデンサ４、ラインバイパスコンデンサ５，６およびサージノイズフィルタ回路１５は、各種のノイズを減衰または吸収するフィルタ回路として機能する。
【００１９】
例えばコモンモードコイル３は、コモンモードノイズに対してインダクタンスとして働いて、コモンモードノイズを減衰させる。またラインバイパスコンデンサ５，６は、コモンモードコイル３で減衰しきれなかったコモンモードノイズの成分を吸収する。さらに、アクロスザラインコンデンサ４は、ノーマルモードノイズを吸収する。
【００２０】
ここで、商用電源１に接続された他の電気機器のスイッチ開閉や落雷等によって発生する高周波のサージノイズがコモンモードにて商用電源１から侵入すると、コモンモードコイル３とラインバイパスコンデンサ５，６との共振効果により大きな誘起電圧が発生する。サージノイズフィルタ回路１５は、このサージノイズによる一過性の過電圧を吸収することにより、スイッチングレギュレータ９が誤動作や破壊等を防止する、過電圧防止回路として機能する。
【００２１】
サージノイズによる過電圧が発生し、定電圧素子１０にしきい値電圧を超える電圧がかかると、定電圧素子１０が導通状態となり、電源ラインとグラウンド２との間にコンデンサ１１とラインバイパスコンデンサ６との並列回路が構成される。それにより、電源ラインとグラウンド２との間の容量成分（Ｃ）が増加するため、電源ラインとグラウンド２との間のインピーダンス（Ｚ）は、Ｚ＝１／２π・ｆ・Ｃ（ｆは周波数）に従って低下し、発生した過電圧はグラウンド２へと吸収される。
【００２２】
定電圧素子１０は一定電圧以上のコモンモードノイズが発生したときのみ導通するため、通常動作時では各電源ラインとグラウンド２との間の容量成分は増加せず、商用周波数における電源ラインからの漏れ電流Ｉ＝２π・ｆ・Ｃ・Ｖ（Ｖは電圧）の増加は防止されている。
【００２３】
＜実施の形態１＞
以下、上記の前提技術を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る電源装置について説明する。
【００２４】
図１は、本発明の実施の形態１に係る電源装置の構成図である。当該電源装置は、前提技術である図６の回路に対し、サージノイズフィルタ回路１５およびラインバイパスコンデンサ６に代えて、本発明に係る過電圧防止回路であるサージノイズフィルタ回路２０を設けたものである。つまり図１の電源装置では、一方の電源ラインにサージノイズフィルタ回路２０が設けられ、他方の電源ラインにラインバイパスコンデンサ５が設けられている。その他の構成は図６と同様であり、図６に示したものと同様の要素には同一符号を付してあるため、ここではそれらの説明は省略する。以下、図６の電源装置を指して「従来回路」と称する。
【００２５】
図１に示すサージノイズフィルタ回路２０は、電源ラインとグラウンド２との間に直列接続した定電圧素子１０および第１コンデンサ１１と、当該定電圧素子１０に並列接続した第２コンデンサ１２とから構成される。図面上、このサージノイズフィルタ回路２０は、図６のサージノイズフィルタ回路１５に対して第２コンデンサ１２を追加しただけのように見えるが、第１コンデンサ１１の容量は図６の場合とは異なる値に設定される。第１および第２コンデンサ１１，１２の容量値については後述する。
【００２６】
ここで図１のサージノイズフィルタ回路２０の動作を説明する。まず、商用電源１側から侵入するコモンモードノイズが小さく、定電圧素子１０にしきい値電圧以下の電圧しかかかっていない場合、定電圧素子１０は非導通状態（開放状態）なので、サージノイズフィルタ回路２０は、第１および第２コンデンサ１１，１２の直列回路と等価になる。よってサージノイズフィルタ回路２０のインピーダンスは、第１および第２コンデンサ１１，１２の直列回路の容量とほぼ同じになる。従って、第１および第２コンデンサ１１，１２のそれぞれの容量を、第１および第２コンデンサ１１，１２の直列回路の容量が従来回路のラインバイパスコンデンサ６の容量と同じになるように設定すれば、商用周波数における漏れ電流（Ｉ＝２π・ｆ・Ｃ・Ｖ）は従来回路と同程度に抑えられる。
【００２７】
商用電源１側から大きなコモンモードノイズが侵入し、それに応じてコモンモードコイル３に過大な誘起電圧が発生した結果、サージノイズフィルタ回路２０の定電圧素子１０に一定電圧以上の電圧がかかった場合、当該定電圧素子１０は導通状態となる。このときサージノイズフィルタ回路２０は第１コンデンサ１１のみの回路と等価になり、そのインピーダンスは第１コンデンサ１１の容量とほぼ同じになる。つまりサージノイズが小さい場合に比べて、サージノイズフィルタ回路２０のインピーダンスが、Ｚ＝１／２π・ｆ・Ｃに従って小さくなる。これにより、コモンモードコイル３に発生した過大な誘起電圧は、サージノイズフィルタ回路２０を通してグラウンド２へと吸収される。よって、スイッチングレギュレータ９に過電圧がかかることが防止され、誤動作や破壊等を防止することができる。
【００２８】
また本実施の形態のサージノイズフィルタ回路２０では、定電圧素子１０が非導通状態の場合、サージノイズフィルタ回路２０の両端にかかる電圧は第１コンデンサ１１と第２コンデンサ１２とで分圧される。そのため従来回路の場合よりも、定電圧素子１０にかかる電圧は小さくなる。逆に言えば、より高い電圧をサージノイズフィルタ回路２０に印加しなければ定電圧素子１０は導通しないので、見かけ上、定電圧素子１０のしきい値電圧が高くなったのと同じ効果が得られる。
【００２９】
定電圧素子１０にかかる電圧の大きさは、第１および第２コンデンサ１１，１２の分圧比（容量の比）に依存する。従って、第１および第２コンデンサ１１，１２の容量値を適切に設定し、耐電圧試験における試験電圧がサージノイズフィルタ回路２０に印加された場合でも定電圧素子１０が非導通状態に維持されるようにすれば、試験中に定電圧素子１０が導通してその性能が劣化することを防止することができる。
【００３０】
以下、本実施の形態の電源装置において、耐電圧試験の試験電圧ＶSがサージノイズフィルタ回路２０に印加されても、定電圧素子１０が非導通状態に維持される条件を説明する。ここで、第１コンデンサ１１の容量をＣ1、非導通状態の定電圧素子１０と第２コンデンサ１２との合成容量をＣ2、定電圧素子１０のしきい値電圧（定電圧素子１０が維持する定電圧）をＶTと定義する。
【００３１】
定電圧素子１０が非導通状態であると仮定すると、サージノイズフィルタ回路の両端間の電圧Ｖ0と、定電圧素子１０並びに第２コンデンサ１２にかかる電圧Ｖ1とは、
Ｃ2・Ｖ1＝Ｃ1・（Ｖ0−Ｖ1）  …（１）
の関係となる。式（１）において、Ｖ1＜ＶTとすると、
Ｃ2＞Ｃ1・（Ｖ0／ＶT−１）  …（２）
となり、これは定電圧素子１０が非導通状態であることの条件式である。よってサージノイズフィルタ回路２０の両端に試験電圧ＶSが印加されたとき、すなわちＶ0＝ＶSのときに式（２）が満たされれば、耐電圧試験時に定電圧素子１０が非導通状態に維持されることになる。つまり、
Ｃ2＞Ｃ1・（ＶS／ＶT−１）  …（３）
が満たされるように、第１および第２コンデンサ１１，１２の容量Ｃ1，Ｃ2を設定すればよい。
【００３２】
さらに、通常動作時（コモンモードノイズに起因してコモンモードコイル３に発生する誘起電圧が定電圧素子１０のしきい値電圧ＶT以下のとき）における、商用周波数での漏れ電流を従来回路と同程度に抑えるためには、定電圧素子１０が非導通状態のときのサージノイズフィルタ回路２０のインピーダンスを、従来回路のラインバイパスコンデンサ６と同等に設定すればよい。つまり従来回路のラインバイパスコンデンサ６の容量がＣ3であったとすると、
Ｃ3＝Ｃ1・Ｃ2／（Ｃ1＋Ｃ2）  …（４）
も満たされるようにＣ1，Ｃ2を設定すればよい。
【００３３】
ここで、具体的な数値例を用いてＣ1，Ｃ2の設計を行う。例えば、定電圧素子１０のしきい値電圧ＶTを４７０Ｖ、耐電圧試験の試験電圧ＶSを１６００Ｖと仮定する。また従来回路のラインバイパスコンデンサ６の容量Ｃ3が１０００ｐＦであったとする。
【００３４】
式（３）より、耐電圧試験時に定電圧素子１０が導通状態になる条件は、Ｃ2＞２．４０・Ｃ1であるので、Ｃ2とＣ1との関係を、例えばＣ2＝２．５・Ｃ1と決定する。これを式（４）式に代入すると、Ｃ3＝２．５・Ｃ1／３．５となるので、Ｃ2およびＣ1それぞれの値を、Ｃ2＝２．５・Ｃ1＝３．５・Ｃ3＝３５００ｐＦ、Ｃ1＝３．５・Ｃ3／２．５＝１４００ｐＦと決定できる。
【００３５】
ここで、上で決定したＣ1，Ｃ2の値を用いて、サージノイズフィルタ回路２０に試験電圧ＶS（＝１６００Ｖ）が印加されたときの、定電圧回路１０にかかる電圧Ｖ1を確認してみる。
【００３６】
第１コンデンサ１１の容量Ｃ1および、定電圧素子１０と第２コンデンサ１２との合成容量Ｃ2のそれぞれにチャージされている電荷をＱとすると、サージノイズフィルタ回路２０の両端間の電圧Ｖ0は、
Ｖ0＝Ｑ／Ｃ1＋Ｑ／Ｃ2  …（５）
と表すことができる。
【００３７】
仮に、定電圧素子１０に、しきい値電圧ＶT（＝４７０Ｖ）と等しい電圧が印加されているとすると、Ｑ＝４７０・Ｃ2である。この場合、サージノイズフィルタ回路２０の両端の電圧Ｖ0は、
Ｖ0＝４７０・（１＋Ｃ2／Ｃ1）＝４７０（１＋２．５）＝１６４５Ｖ
となる。
【００３８】
この結果は、定電圧素子１０にしきい値電圧ＶT＝４７０Ｖを印加するためには、サージノイズフィルタ回路２０の両端間に１６４５Ｖの電圧を印加する必要があることを意味している。つまり、耐電圧試験の試験電圧ＶS＝１６００Ｖが印加されても、定電圧素子１０にはしきい値電圧ＶT（＝４７０Ｖ）よりも低い電圧しか印加されず、定電圧素子１０は導通しないことが分かる。
【００３９】
このように本実施の形態のサージノイズフィルタ回路２０では、サージノイズフィルタ回路２０の両端間の電圧が第１および第２コンデンサ１１，１２により分圧されて、定電圧素子１０に与えられるため、耐電圧試験のとき、定電圧素子１０には試験電圧よりも低い電圧が印加されることになる。
【００４０】
よって定電圧素子１０のしきい値電圧ＶTが耐電圧試験の試験電圧ＶSよりも低い場合でも、第１および第２コンデンサ１１，１２の容量Ｃ1，Ｃ2が、式（３）を満たすように設定されていれば、耐電圧試験の間、定電圧素子１０を非導通状態に維持することができ、定電圧素子１０の性能劣化を防止できる。従って、しきい値電圧が比較的低い定電圧素子１０を使用ながら、所定の安全規格に基づく耐電圧試験の要求を満たすことができ、装置の小型化および低コスト化に寄与できる。
【００４１】
さらには、第１および第２コンデンサ１１，１２の容量Ｃ1，Ｃ2を、上記の式（４）をも満たすように設定すれば、従来回路に比較して漏れ電流が増大することも防止できる。
【００４２】
なお、図１においては、従来回路のラインバイパスコンデンサ６に代えて、本発明に係るサージノイズフィルタ回路２０を設けた構成を示したが、図２のように、従来回路のもう一方のラインバイパスコンデンサ５に代えて、サージノイズフィルタ回路２０を設けてもよい。また図３のように、従来回路のラインバイパスコンデンサ５，６の両方に代えて、２つのサージノイズフィルタ回路２０を設けてもよい。
【００４３】
＜実施の形態２＞
図４は、実施の形態２に係るサージノイズフィルタ回路を備える電源装置の構成図である。本実施の形態では、定電圧素子１０としてバリスタ（酸化金属バリスタを含む）１０ａを使用する。バリスタは材質、面積、厚み等を変えることにより、定電圧特性を変化させることが容易であり、またコスト的にも安価である。なおバリスタでは、１０ｍＡの電流が流れるときの端子間電圧をしきい値電圧（バリスタ電圧）として扱うのが一般的である。
【００４４】
本発明のサージノイズフィルタ回路２０では、定電圧素子１０のしきい値電圧よりも高い試験電圧の耐電圧試験に対応できるため、定電圧素子１０として現存するバリスタ１０ａを使用しながら、例えば欧州向け機器の安全規格上要求される耐電圧試験に対する誤動作保証を可能にすることが期待できる。
【００４５】
本実施の形態は、実施の形態１の変更例である図２および図３の各サージノイズフィルタ回路２０に対しても適用可能である。
【００４６】
＜実施の形態３＞
図５は、実施の形態３に係る電源装置の構成図である。当該電源装置は、図４の回路に対し、さらに２つの電源ライン間にバリスタ１０ｂを接続させたものである。すなわちバリスタ１０ｂは、アクロスザラインコンデンサ４に並列接続されている。
【００４７】
バリスタ１０ｂは、商用電源１側から一定電圧以上のノーマルモードノイズが侵入して２つの電源ライン間に過電圧が発生した場合に導通する。それにより、過電圧に係るノーマルモードノイズは、バリスタ１０ｂを経由して流れることとなり、スイッチングレギュレータ９に到達することが防止される。
【００４８】
耐電圧試験の際、バリスタ１０ｂの両端には、試験電圧に相当する電圧はかからないので、バリスタ１０ｂに関しては、耐電圧試験時に導通する心配はない。一方、サージノイズフィルタ回路２０の定電圧素子であるバリスタ１０ａは、実施の形態１で説明したように、第１および第２コンデンサ１１，１２が試験電圧を分圧することにより、耐電圧試験時に導通することが防止されている。
【００４９】
従って、バリスタ１０ａ，１０ｂとも、しきい値電圧が比較的低いものを使用することができ、装置の小型化および低コスト化に寄与できる。特に、バリスタ１０ａ，１０ｂで、互いに互換性のある同等の製品を使用すれば、低コスト化のみならず生産管理の容易化にも寄与できる。
【００５０】
なお、本実施の形態では図４の回路に対してバリスタ１０ｂを設けた構成を示したが、実施の形態１の変更例である図２および図３の回路に対しても同様にバリスタ１０ｂを設けてもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１  商用電源、２  グラウンド、３  コモンモードコイル、４  アクロスザラインコンデンサ、５，６  ラインバイパスコンデンサ、７  整流回路、８  平滑コンデンサ、９  スイッチングレギュレータ、１０  定電圧素子、１０ａ，１０ｂ  バリスタ、１１  第１コンデンサ、１２  第２コンデンサ、２０  サージノイズフィルタ回路。
【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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