(57)【要約】【課題】稼働中の直流レギュレータ側に短絡異常が発生してもホットスタンバイしている直流レギュレータが速やかに代替可能な直流電源装置を提供する。【解決手段】入力側電源回路１０から入力端子に給電された入力直流電圧を第１の所定電圧に変換して出力する第１直流レギュレータ２０と、第１直流レギュレータと並列に接続され入力直流電圧を第１の所定電圧とは異なる第２の所定電圧に変換して出力する第２直流レギュレータ３０と、各直流レギュレータ２０，３０の出力端子に順方向接続され各カソードが共通の出力端子に接続されたダイオードＤ１，Ｄ２とを備え、第１直流レギュレータ２０の動作停止時に第２直流レギュレータ３０から直流電圧を出力するように構成されている直流電源装置であって、入力端子Ｔｉと各直流レギュレータ２０，３０との間の夫々に短絡状態を検知すると対応する給電線を切り離す短絡保護回路４０，５０を備えている。【選択図】図１
2016149884.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力側電源回路から入力端子に給電された入力直流電圧を第１の所定電圧に変換して出力する第１直流レギュレータと、前記第１直流レギュレータと並列に接続され前記入力直流電圧を前記第１の所定電圧とは異なる第２の所定電圧に変換して出力する第２直流レギュレータと、各直流レギュレータの出力端子に順方向接続され各カソードが共通の出力端子に接続されたダイオードとを備え、前記第１直流レギュレータの動作停止時に前記第２直流レギュレータから直流電圧を出力するように構成されている直流電源装置であって、
前記入力端子と各直流レギュレータとの間の夫々に短絡状態を検知すると対応する給電線を切り離す短絡保護回路を備えている直流電源装置。
【請求項２】
前記短絡保護回路は、前記入力端子から各直流レギュレータへの給電線に設けられたスイッチ素子と、各スイッチ素子に並列接続された電流制限素子と、各直流レギュレータ側の非短絡時に前記電流制限素子を介して伝達される電圧に基づいて前記スイッチ素子を閉成して各直流レギュレータに給電し、各直流レギュレータ側の短絡時に前記スイッチ素子を開成する制御回路を備えて構成されている請求項１記載の直流電源装置。
【請求項３】
前記電流制限素子が各直流レギュレータ側の短絡時に溶断するヒューズで構成されている請求項２記載の直流電源装置。
【請求項４】
前記入力側電源回路に過電流保護回路を備え、当該過電流保護回路の作動時間よりも前記短絡保護回路の作動時間が短くなるように設定されている請求項１から３の何れかに記載の直流電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短絡保護回路を備えている直流電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４に示すように、特許文献１には、簡単な回路で出力短絡保護ができる電源装置として、直流電圧Ｖｃｃを異なる値の直流電圧に変換して出力する電源装置であって、基準電圧Ｖｒｅｆを発生させる基準電圧発生回路と、基準電圧に従ってトランジスタＱ１を制御することで出力電圧を安定化させる制御回路と、出力側の短絡時に短絡を検出して基準電圧Ｖｒｅｆを低下させて出力電圧を下げることによって出力短絡保護動作をさせる短絡検出回路を備えた電源装置が提案されている。
【０００３】
図５に示すように、特許文献２には、高い変換効率を有し、周囲温度の影響を受けることなく精度高く過電流を検出して遮断することができる過電流保護回路を有するＤＣ−ＤＣコンバータを提供することを目的とするＤＣ−ＤＣコンバータが開示されている。
【０００４】
当該ＤＣ−ＤＣコンバータは、直流入力電源の一方の電極に接続されオン／オフ動作する第１のスイッチング手段Ｓ１、第１のスイッチング手段Ｓ１の後段と直流入力電源の他方の電極とを接続し、第１のスイッチング手段Ｓ１のオン／オフ動作に同期してオフ／オン動作する第２のスイッチング手段Ｓ２、第１のスイッチング手段Ｓ１と第２のスイッチング手段Ｓ２とを駆動制御する制御回路、第２のスイッチング手段Ｓ２の後段に接続され、直流出力電圧を形成する平滑回路ＳＣ１、直流入力電源と第１のスイッチング手段Ｓ１との間に接続された第１の検出抵抗Ｒ、及び第１の検出抵抗Ｒと第１のスイッチング手段Ｓ１とにより構成された直列回路に流れる電流値を検出し、当該電流値が所定値を越えたとき第１のスイッチング手段Ｓ１をオフ動作させる信号を制御回路に出力する検出回路を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３５０５２９号公報
【特許文献２】特開２００２−１０６２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、高い信頼性が要求される負荷、例えば車両搭載機器や医療機器等では、瞬時的にも給電が停止することが無いように、スイッチング電源等で構成される直流レギュレータを冗長設置し、一方の直流レギュレータに故障が発生しても他方の直流レギュレータでバックアップ可能なように、他方の直流レギュレータをホットスタンバイさせる構成が採用された直流電源装置が求められている。
【０００７】
通常、このような直流電源装置では、冗長設置された直流レギュレータに直流電力を給電するために上流側にＡＣ／ＤＣコンバータが設置されている。そして、当該ＡＣ／ＤＣコンバータにも内部の半導体素子等を保護するために過電流保護回路や短絡保護回路が設けられている。
【０００８】
しかし、上述した従来の過電流保護回路や短絡保護回路は、各電源装置に接続される負荷側の短絡異常を検知することを目的として構成され、自らの短絡異常を検知するような構成ではないため、例えば稼働中の直流レギュレータに短絡異常が発生すると、当該直流レギュレータに流れる過電流を検知して上流側にＡＣ／ＤＣコンバータに備えた過電流保護回路が作動して、バックアップ用の直流レギュレータへの給電も停止するという問題があった。
【０００９】
ＡＣ／ＤＣコンバータに過電流保護回路を搭載しない場合には、直流レギュレータ側の短絡異常によってＡＣ／ＤＣコンバータの構成素子の破損を招いたり、直流レギュレータに接続された高い信頼性が要求される負荷が破損したりする虞があるため、高い信頼性が求められる負荷に対する電源装置として用いることができないという問題もあった。
【００１０】
本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、稼働中の直流レギュレータ側に短絡異常が発生してもホットスタンバイしている直流レギュレータが速やかに代替可能な直流電源装置を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の目的を達成するため、本発明による直流電源装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、入力側電源回路から入力端子に給電された入力直流電圧を第１の所定電圧に変換して出力する第１直流レギュレータと、前記第１直流レギュレータと並列に接続され前記入力直流電圧を前記第１の所定電圧とは異なる第２の所定電圧に変換して出力する第２直流レギュレータと、各直流レギュレータの出力端子に順方向接続され各カソードが共通の出力端子に接続されたダイオードとを備え、前記第１直流レギュレータの動作停止時に前記第２直流レギュレータから直流電圧を出力するように構成されている直流電源装置であって、前記入力端子と各直流レギュレータとの間の夫々に短絡状態を検知すると対応する給電線を切り離す短絡保護回路を備えている点にある。
【００１２】
第１直流レギュレータと第２直流レギュレータのうち、出力電圧が高い方の直流レギュレータが優先的に負荷に給電するメイン直流レギュレータとして機能し、出力電圧が低い方の直流レギュレータがホットスタンバイ中のサブ直流レギュレータとして機能する。それぞれの出力端子にダイオードが順方向に接続されているので、メイン直流レギュレータからサブ直流レギュレータに電流が流れ込むようなことはない。
【００１３】
第１直流レギュレータの稼働中に第１直流レギュレータ側に短絡異常が発生すると、第１直流レギュレータに備えた短絡保護回路によって第１直流レギュレータ側への給電線が切り離されるので、仮に前段の入力側電源回路に過電流保護回路が設けられていても当該過電流保護回路が作動することなく、前段の入力側電源回路からの給電が維持されている第２直流レギュレータから負荷側に直ちに給電されるようになる。
【００１４】
また、ホットスタンバイ中の第２直流レギュレータ側に短絡異常が発生すると、第２直流レギュレータに備えた短絡保護回路によって第２直流レギュレータ側への給電線が切り離されるので、作動中の第１直流レギュレータからは安定的に負荷側に給電された状態が継続される。
【００１５】
同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記短絡保護回路は、前記入力端子から各直流レギュレータへの給電線に設けられたスイッチ素子と、各スイッチ素子に並列接続された電流制限素子と、各直流レギュレータ側の非短絡時に前記電流制限素子を介して伝達される電圧に基づいて前記スイッチ素子を閉成して各直流レギュレータに給電し、各直流レギュレータ側の短絡時に前記スイッチ素子を開成する制御回路を備えて構成されている点にある。
【００１６】
スイッチ素子が制御回路により閉成されると直流レギュレータへ給電され、開成されると直流レギュレータへの給電が阻止される。直流レギュレータ側の非短絡時には電流制限素子を介して入力端子への印加電圧が制御回路に入力され、直流レギュレータ側の短絡時には入力端子への印加電圧より低い電圧が制御回路に入力され、各直流レギュレータへの給電線に設けられたスイッチ素子が閉成または開成制御される。直流レギュレータ側の短絡によってスイッチ素子が開成されると、電流制限素子によって入力側電源回路から直流レギュレータ側に流れる電流が制限されるので、仮に前段の入力側電源回路に過電流保護回路が設けられていても当該過電流保護回路が作動することはない。
【００１７】
同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第二の特徴構成に加えて、前記電流制限素子が各直流レギュレータ側の短絡時に溶断するヒューズで構成されている点にある。
【００１８】
電流制限素子としてヒューズを好適に用いることができる。直流レギュレータ側に短絡異常が発生すると瞬時に溶断するので、当該直流レギュレータへの給電が確実に遮断される。
【００１９】
同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記入力側電源回路に過電流保護回路を備え、当該過電流保護回路の作動時間よりも前記短絡保護回路の作動時間が短くなるように設定されている点にある。
【００２０】
入力側電源回路に備えた過電流保護回路よりも各直流レギュレータ側に備えた短絡保護回路が先に作動するので、入力側電源回路からの給電が停止することがなく、確実にホットスタンバイ中の直流レギュレータから負荷への給電が継続されるようになる。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明した通り、本発明によれば、稼働中の直流レギュレータ側に短絡異常が発生してもホットスタンバイしている直流レギュレータが速やかに代替可能な直流電源装置を提供することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明による直流電源装置のブロック構成図
【図２】本発明による直流電源装置の直流レギュレータ側の短絡異常を検知する短絡保護回路の回路図
【図３】別実施形態を示す短絡保護回路の回路図
【図４】従来の短絡検出回路の説明図
【図５】従来の過電流検出回路の説明図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明による直流電源装置を図面に基づいて説明する。
図１には本発明による直流電源装置１００の一例が示されている。直流電源装置１００は、入力側電源回路１０から直流電源装置１００の入力端子Ｔｉに給電された入力直流電圧Ｖｉを第１の所定電圧Ｖｏ１に変換して出力する第１直流レギュレータ２０と、第１直流レギュレータ２０と並列に接続され入力直流電圧Ｖｉを第１の所定電圧Ｖｏ１とは異なる第２の所定電圧Ｖｏ２に変換して出力する第２直流レギュレータ３０と、各直流レギュレータ２０，３０の出力端子に順方向接続され各カソードが共通の出力端子Ｔｏに接続されたダイオードＤ１，Ｄ２とを備えている。
【００２４】
入力側電源回路１０は、例えばＡＣ１００Ｖの商用電源から供給される交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータで構成され、出力電圧を所定の直流電圧Ｖｉ、本実施形態ではＤＣ２０Ｖに変換するＡＣ／ＤＣコンバータと、ＡＣ／ＤＣコンバータに接続された負荷に流れる過剰電流を検出して出力を停止する過電流保護回路とを備えている。本実施形態では当該負荷が各直流レギュレータ２０，３０となる。
【００２５】
第１直流レギュレータ２０及び第２直流レギュレータ３０は、トランス２４，３４が組み込まれた絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータで構成され、入力電圧のリップル等のノイズを吸収する電解コンデンサ２１，３１と、トランス２４，３４の一次側コイルに接続されＦＥＴ等のスイッチ素子を備えたスイッチング回路２２，３２と、スイッチング回路２２，３２のスイッチ素子をオン／オフ制御するスイッチング制御部２３，３３と、トランス２４，３４の二次側コイルに接続された二次側回路２５，３５を備えている。
【００２６】
第１直流レギュレータ２０の出力電圧Ｖｏ１はＤＣ１５Ｖ、第２直流レギュレータ３０の出力電圧Ｖｏ２はＶｏ１より僅かに低いＤＣ１４．５Ｖ前後に設定されている。第１直流レギュレータ２０及び第２直流レギュレータ３０の出力端子がダイオードＤ１，Ｄ２を介して共通の出力端子Ｔｏに接続され、一方の直流レギュレータの出力が他方の直流レギュレータに逆流しないように構成されている。
【００２７】
第１直流レギュレータ２０及び第２直流レギュレータ３０は、入力側電源回路１０から直流電圧Ｖｉが供給されることで常時作動しているが、通常は出力電圧Ｖｏ１が出力電圧Ｖｏ２よりも僅かに高い第１直流レギュレータ２０から出力端子Ｔｏに接続された負荷装置Ｌに給電され、何らかの原因で第１直流レギュレータ２０の出力が停止したときに第２直流レギュレータ３０から出力端子Ｔｏに接続された負荷装置Ｌに給電されるように構成されている。
【００２８】
つまり、出力電圧が高い第１直流レギュレータ２０が優先的に負荷に給電するメイン直流レギュレータとして機能し、出力電圧が低い第２直流レギュレータ３０がホットスタンバイ中のサブ直流レギュレータとして機能する。
【００２９】
第１直流レギュレータ２０に短絡故障が発生して入力側電源回路１０に備えた過電流保護回路が作動すると、必然的に第２直流レギュレータ３０への給電も停止するので、負荷装置Ｌとして医療機器や車両搭載機器が接続されている場合、給電の停止によって安全性が損なわれ、人命に影響を及ぼす虞もある。
【００３０】
そこで、入力端子Ｔｉと各直流レギュレータ２０，３０との間の夫々に、短絡状態を検知すると対応する給電線を切り離す短絡保護回路４０，５０が設けられている。
【００３１】
第１直流レギュレータ２０の稼働中に第１直流レギュレータ２０側に短絡異常が発生すると、短絡保護回路４０によって第１直流レギュレータ２０側への給電線が切り離されるので、仮に入力側電源回路１０に過電流保護回路が設けられていても当該過電流保護回路が作動することなく、入力側電源回路１０からの給電が維持されている第２直流レギュレータ３０から負荷装置Ｌに直ちに給電されるようになる。
【００３２】
また、ホットスタンバイ中の第２直流レギュレータ３０側に短絡異常が発生すると、短絡保護回路５０によって第２直流レギュレータ３０側への給電線が切り離されるので、作動中の第１直流レギュレータ２０からは安定的に負荷装置Ｌに給電された状態が継続される。
【００３３】
尚、直流レギュレータ２０，３０の短絡故障とは、例えば電解コンデンサ２１，３１の短絡やスイッチング回路に備えたスイッチング素子の短絡等の故障ばかりでなく、外部の導電性部材が回路の電源側と接地側に接触する短絡事故等を含む。
【００３４】
図２に示すように、各短絡保護回路４０，５０は、入力端子Ｔｉから各直流レギュレータ２０，３０への給電線に設けられたスイッチ素子ＴＲ１と、各スイッチ素子ＴＲ１に並列接続された電流制限素子Ｒ１と、各直流レギュレータ側の非短絡時に電流制限素子Ｒ１を介して伝達される電圧に基づいてスイッチ素子ＴＲ１を閉成して各直流レギュレータ２０，３０に給電し、各直流レギュレータ２０，３０側の短絡時にスイッチ素子ＴＲ１を開成する制御回路４５，５５を備えて構成されている。本実施形態では、電流制限素子Ｒ１に数百Ω〜１ｋΩ程度の高抵抗値の抵抗素子が用いられている。
【００３５】
各制御回路４５，５５は、夫々トランジスタＴＲ２，ＴＲ３と、各トランジスタＴＲ２，ＴＲ３のベース電圧を調整するバイアス回路で構成されている。スイッチ素子ＴＲ１が開成（オフ）した電源投入時には、電流制限素子Ｒ１を介して入力電圧Ｖｉ（＝ＤＣ２０Ｖ）が抵抗Ｒ２、ダイオードＤ３、抵抗Ｒ３の分圧回路に印加されてトランジスタＴＲ３がオンする。トランジスタＴＲ３がオンするとトタンジスタＴＲ２がオフしてスイッチ素子ＴＲ１が閉成（オン）する。その結果、入力側電源回路１０から各制御回路４５，５５を経由して後段の供給直流レギュレータ２０，３０に直流電圧Ｖｉが印加される。
【００３６】
何れかの直流レギュレータ２０，３０側に短絡事故が発生すると、コンデンサＣ１（２１，３１）の両端電圧が急激に低下するので、分圧回路に印加される電圧が低下してトランジスタＴＲ３がオフする。トランジスタＴＲ３がオフするとトタンジスタＴＲ２がオンしてゲートに蓄積された電荷が放電されるので、スイッチ素子ＴＲ１が開成（オフ）する。その結果、入力側電源回路１０から後段の供給直流レギュレータへの給電線が開放されて、後段の直流レギュレータが停止する。
【００３７】
直流レギュレータ２０，３０側の短絡によってスイッチ素子ＴＲ１が開成されると、電流制限素子Ｒ１によって入力側電源回路１０から直流レギュレータ２０，３０側に流れる電流が制限されるので、入力側電源回路１０に過電流保護回路が設けられていても当該過電流保護回路が作動することはない。尚、短絡保護回路４０，５０を設ければ、一義的には入力側電源回路１０に過電流保護回路を設ける必要がなくなる。
【００３８】
また、電源投入時には、短絡保護回路４０、５０のスイッチ素子ＴＲ１は開成しており、電流制限素子Ｒ１を介して直流レギュレータ ２０、３０の各スイッチング制御部２３、３３の内部抵抗Ｒ７との分圧により決定された電圧は、各スイッチング制御部２３、３３の動作電圧より高い電圧になるようにＲ１を設定する必要がある。
【００３９】
直流レギュレータ２０，３０側に短絡異常が発生していた場合、電流制限素子Ｒ１を介して当該直流レギュレータ２０，３０側に流れる電流が制限されるので、入力側電源回路１０から過電流が流出するようなことが無い。
【００４０】
また、本実施形態ではスイッチング制御部２３，３３がＤＣ１０Ｖで起動するように設定され、直流レギュレータ２０，３０側に短絡異常が発生すると、直流レギュレータ２０，３０側の短絡抵抗値が数百ｍΩ以下と極端に小さくなるので、抵抗Ｒ２、ツェナーダイオードＺＤ１、抵抗Ｒ３及びトランジスタＴＲ３からなる回路は動作せず、トランジスタＴＲ３は開成され、トランジスタＴＲ１も開成される。
【００４１】
尚、入力端子Ｔｉからの電流は、抵抗Ｒ１と直流レギュレータ２０，３０側の短絡抵抗値（数十〜数百ｍΩ程度以下）との直列になるので短絡時電流は抵抗Ｒ１によって制限される。
【００４２】
図３には、本発明による直流電源装置１００に組み込まれる短絡保護回路４０，５０の別実施形態が示されている。図２に示す短絡保護回路４０，５０と異なる点は、電流制限素子として高抵抗値の抵抗に代えて各直流レギュレータ２０，３０側の短絡時に溶断するヒューズＦ１が用いられている。
【００４３】
電流制限素子としてヒューズＦ１を用いると、直流レギュレータ２０，３０側に短絡異常が発生したときに短絡電流がヒューズＦ１に流れて、瞬時に溶断するので、当該直流レギュレータ２０，３０への給電が確実に遮断される。
【００４４】
入力側電源回路１０に過電流保護回路を備えた例を説明したが、当該過電流保護回路の作動時間よりも短絡保護回路４０，５０の作動時間が短くなるように設定されていることが好ましい。
【００４５】
例えば、短絡保護回路４０、５０の起動時にはヒューズＦ１に電流が流れるが、定常時にはＴＲ１がオンしてＦ１には電流が流れなくなるため、Ｆ１溶断電流値を低く設定できることで、動作時間を短くすることが可能となる。
【００４６】
入力側電源回路１０に備えた過電流保護回路よりも各直流レギュレータ２０，３０側に備えた短絡保護回路４０，５０が先に作動するので、入力側電源回路１０からの給電が停止することがなく、確実にホットスタンバイ中の直流レギュレータから負荷装置への給電が継続されるようになる。
【００４７】
上述した実施形態では、直流レギュレータ２０，３０として絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータを用いた例を説明したが、非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータを用いてもよい。負荷装置の入力電圧に対応して降圧型、昇圧型の何れのＤＣ／ＤＣコンバータを用いてもよい。さらに、直流レギュレータ２０，３０としてＤＣ／ＤＣコンバータのようなスイッチング電源を用いる以外にシリーズレギュレータを用いてもよい。
【００４８】
尚、上述した各実施形態は本発明の一例に過ぎず、本発明が上述した具体例に限定されるものではなく、本発明本発明の作用効果を奏する範囲において各ブロックの具体的構成等を適宜変更設計できることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４９】
１０：入力側電源回路
２０：第１直流レギュレータ
３０：第２直流レギュレータ
４０：第１短絡保護回路
５０：第２短絡保護回路
１００：直流電源装置
Ｄ１，Ｄ２：ダイオード
【図１】
2016149884.tif 000003
【図２】
2016149884.tif 000004
【図３】
2016149884.tif 000005
【図４】
2016149884.tif 000006
【図５】
2016149884.tif 000007