JP2001268917A - 直流電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】主回路に給電する交流電源から非絶縁で所望の
直流電圧を得る直流電源として、発生するノイズが少な
く、高効率で小型，安価な直流電源装置を提供する。 【解決手段】単相交流電源１からダイオード１１，ＩＧ
ＢＴ１２を介して、電解コンデンサ１４と補助負荷１５
の並列回路に所望の直流電圧を供給するために、駆動回
路１３により、ダイオード１１で半波整流された電圧が
発生している期間に、任意にＩＧＢＴ１２をオンオフさ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、交流電源から非
絶縁で平滑コンデンサと補助負荷との並列回路に所望の
直流電圧を供給する直流電源装置であって、特に、この
交流電源から電力変換回路などの主回路に電力が供給さ
れるときに、該主回路を制御する制御回路の直流電源な
どを前記補助負荷とした直流電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の直流電源装置として、例えば、
その出力電圧が数ボルトから数十ボルト，出力電流が数
十ミリアンペアから数百ミリアンペアの直流電源として
は、下記〜の方法などによる直流電源装置が知られ
ている。 ．降圧用変圧器と整流ダイオードと３端子レギュレー
タとを組合わせた方法。 ．スイッチングレギュレータ方式を用いた方法。 ．シリーズドロッパ方式を用いた方法。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の方法では発生
するスイッチングノイズは少ないがその重量が重く，大
型，高価であり、また、上記の方法では発生するスイ
ッチングノイズが多く，高価であり、さらに、上記の
方法では安価であるが内部損失が大きいなど、それぞれ
の方法には問題点がある。

【０００４】この発明の目的は上記問題点を解決し、交
流電源に対して非絶縁で発生するスイッチングノイズ及
び内部損失が少なく、小型，安価な直流電源装置を提供
することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この第１の発明は、主回
路に接続された交流電源と、この交流電源に非絶縁接続
された平滑コンデンサと補助負荷との並列回路へ所望の
直流電圧を供給するために、前記交流電源と前記並列回
路との間に、整流ダイオードと、任意にオンオフする半
導体スイッチとの直列回路を備えたことを特徴とした直
流電源装置にする。

【０００６】第２の発明は前記第１の発明の直流電源装
置において、前記整流ダイオードにより半波整流した電
圧に基づいて前記半導体スイッチが動作することを特徴
とする。

【０００７】第３の発明は前記第１の発明の直流電源装
置において、前記主回路の電位を前記直流電源装置の一
部に接続し、前記主回路の電流を検出する変流器（Ｃ
Ｔ）は、前記整流ダイオードの前記交流電源への接続点
と該主回路との間の経路に挿設することを特徴とする。

【０００８】第４の発明は前記第１の発明の直流電源装
置において、前記整流ダイオードにより全波整流した電
圧に基づいて前記半導体スイッチが動作することを特徴
とする。

【０００９】第５の発明は前記第４の発明の直流電源装
置において、前記主回路の電位を前記直流電源装置の一
部に接続し、前記主回路の電流を検出する変流器（Ｃ
Ｔ）は、前記交流電源から前記整流ダイオード及び主回
路への経路に挿設することを特徴とする。

【００１０】第６の発明は前記第１の発明の直流電源装
置において、前記交流電源は多相交流電源とし、前記整
流ダイオードと半導体スイッチとをそれぞれ複数個備え
たことを特徴とする。

【００１１】第７の発明は前記第１の発明の直流電源装
置において、前記主回路の電位を前記直流電源装置の一
部に接続し、前記交流電源から主回路への接続線と該主
回路との間の浮遊容量に対処するダミー抵抗を、前記直
流電源装置に設けたことを特徴とする。

【００１２】第８の発明は前記第１の発明の直流電源装
置において、前記直流電源装置により励磁される補助継
電器を設け、該補助継電器は前記主回路の動作を停止さ
せた後の所定の時間は前記励磁状態を継続し、前記補助
継電器が無励磁状態になったときには、該継電器の接点
を介して前記交流電源から前記直流電源装置への電圧の
印加を停止させ、該直流電源装置の消費電力を零にする
ことを特徴とする。

【００１３】第９の発明は前記第１〜第８の発明の直流
電源装置において、前記半導体スイッチは自己消弧形半
導体素子と該半導体素子の駆動回路とから形成され、こ
の駆動回路は前記交流電源の電圧の瞬時値が第１の所定
値以下のとき、又は、前記並列回路の両端電圧が第２の
所定値以下のときに前記半導体素子をオンさせることを
特徴とする。

【００１４】第１０の発明は前記第１〜第８の発明の直
流電源装置において、前記半導体スイッチは電圧制御形
半導体素子と該半導体素子のゲート駆動回路とから形成
され、このゲート駆動回路は第１のトランジスタ回路と
第２のトランジスタ回路とダイオードとコンデンサと高
抵抗（＞１ＭΩ）とからなり、前記第１のトランジスタ
回路は前記交流電源の電圧の瞬時値が第１の所定値以下
のときに該トランジスタ回路を形成するトランジスタが
オフし、前記第２のトランジスタ回路は前記並列回路の
両端電圧が第２の所定値以下のときに該トランジスタ回
路を形成するトランジスタがオフし、前記ダイオードと
コンデンサとにより前記交流電源の電圧に基づくピーク
充電を行ない、この充電電圧に前記高抵抗を介した電圧
を前記電圧制御形半導体素子のゲートに印加し、このゲ
ート印加電圧を、第１のトランジスタ回路を構成する前
記トランジスタがオンしているときには前記電圧制御形
半導体素子をオフさせる電圧にし、第２のトランジスタ
回路を構成する前記トランジスタがオンしているときに
は前記電圧制御形半導体素子のしきい値電圧にすること
を特徴とする。

【００１５】第１１の発明は前記第１０の発明の直流電
源装置において、前記第１のトランジスタ回路における
第１の所定値は、前記交流電源の電圧に対応して変化さ
せることを特徴とする。

【００１６】第１２の発明は前記第１０の発明の直流電
源装置において、前記電圧制御形半導体素子のゲート印
加電圧を、該半導体素子がオフする電圧にする操作手段
を前記ゲート駆動回路に設け、該操作手段を動作させて
いるときには、前記直流電源装置の消費電力をほぼ零に
することを特徴とする。

【００１７】第１３の発明は前記第１０の発明の直流電
源装置において、前記第１のトランジスタ回路にツェナ
ーダイオードを設け、該ツェナーダイオードにより前記
直流電源装置の動作開始時の電圧立ち上がり特性を改善
することを特徴とする。

【００１８】第１４の発明は前記第１０の発明の直流電
源装置において、前記第１及び第２のトランジスタ回路
それぞれの前記動作の基準となる電圧を、前記並列回路
の両端電圧を入力電圧とする３端子レギュレータの出力
電圧としたことを特徴とする。

【００１９】第１５の発明は前記第１４の発明の直流電
源装置において、前記第２のトランジスタ回路にツェナ
ーダイオードを設け、該ツェナーダイオードにより前記
直流電源装置の動作開始時の電圧立ち上がり特性を改善
することを特徴とする。

【００２０】第１６の発明は前記第１０の発明の直流電
源装置において、前記整流ダイオードの整流電圧が全波
整流電圧から半波整流電圧に切り替えられたことを検知
して、前記第１のトランジスタ回路における第１の所定
値を新たな値に変更することを特徴とする。

【００２１】この発明の直流電源装置によれば、後述の
如く、前記半導体スイッチのオンオフ動作の繰り返し周
波数は前記交流電源の基本波周波数の２〜６倍程度であ
り、従って、発生するスイッチングノイズを少なくで
き、また、該交流電源に対して非絶縁で簡単な回路構成
で具現できるので、小型，軽量，安価になる。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１は、この発明の第１の実施の
形態を示す直流電源装置の回路構成図であり、１は商用
電源などの単相交流電源、２ａは単相交流電源１から給
電される図示の如き回路構成の主回路、３ａは主回路２
ａの電流を検出するＣＴ、１１はこの発明の整流ダイオ
ードとしてのダイオード、１２は自己消弧形半導体素子
としてのＩＧＢＴ、１３はＩＧＢＴ１２の駆動回路、１
４はこの発明の平滑コンデンサとしての電解コンデン
サ、１５は主回路２ａの図示しない制御回路の制御電源
などの補助負荷を示す。

【００２３】図１に示した直流電源装置ではダイオード
１１により単相交流電源１の電圧を半波整流し、駆動回
路１３により前記半波整流電圧の瞬時値が前記第１の所
定値以下のとき、又は、電解コンデンサ１４の両端電圧
が前記第２の所定値以下のときにＩＧＢＴ１２をオンさ
せることにより、後述の第１の実施例回路の如く、補助
負荷１５に所望の直流電圧を供給することができる。

【００２４】このとき、単相交流電源１の端子Ｕ側の線
路に挿設されたＣＴ３ａにはこの直流電源装置の電流は
流れず、主回路２ａの電流のみが流れる。

【００２５】図２は、この発明の第２の実施の形態を示
す直流電源装置の回路構成図であり、図１に示した第１
の実施形態回路を同一機能を有するものには同一符号を
付して、重複する説明を省略する。

【００２６】すなわち図２に示す直流電源装置では単相
交流電源１の端子Ｕにはこの発明の整流ダイオードとし
てのダイオード１１ａが接続され、同様に、端子Ｖには
ダイオード１１ｂが接続され、このダイオード１１ａ，
１１ｂと図示の如き主回路２ｂを構成するダイオードブ
リッジ整流回路とにより単相交流電源１の電圧を全波整
流することが可能であり、この全波整流電圧がＩＧＢＴ
１２，駆動回路１３に供給される。従って、駆動回路１
３により前記全波整流電圧の瞬時値が前記第１の所定値
以下のとき、又は、電解コンデンサ１４の両端電圧が前
記第２の所定値以下のときにＩＧＢＴ１２をオンさせる
ことにより、後述の第２の実施例回路の如く、補助負荷
１５に所望の直流電圧を供給することができる。

【００２７】このとき、ＣＴ３ｂを単相交流電源１の端
子Ｕ側とダイオード１１ａの前記接続点との間の線路に
挿設することにより、ＣＴ３ｂにはこの直流電源装置の
電流が流れるが、この電流による直流偏磁はなく、ま
た、主回路２ｂの電流に対して僅かな値である。

【００２８】図３は、この発明の第３の実施の形態を示
す直流電源装置の回路構成図であり、４は多相交流電源
としての三相交流電源、５は三相交流電源４から給電さ
れる図示の如き回路構成の主回路、２１，２２はこの発
明の整流ダイオードとしてのダイオード、２３は自己消
弧形半導体素子としてのＩＧＢＴ、２４はＩＧＢＴ２３
の駆動回路、２５は自己消弧形半導体素子としてのＩＧ
ＢＴ、２６はＩＧＢＴ２５の駆動回路、２７はこの発明
の平滑コンデンサとしての電解コンデンサ、２８は主回
路５の図示しない制御回路の制御電源などの補助負荷を
示す。

【００２９】すなわち図３に示す直流電源装置では三相
交流電源４の端子Ｕにはダイオード２１が接続され、端
子Ｖにはダイオード２２が接続され、このダイオード２
１と図示の如き主回路４を構成するダイオードブリッジ
整流回路とにより三相交流電源４の端子Ｕ−Ｖ間電圧と
端子Ｕ−Ｗ間電圧とを半波整流することが可能であり、
この半波整流電圧がＩＧＢＴ２３，駆動回路２４に供給
され、同様に、ダイオード２２と図示の如き主回路４を
構成するダイオードブリッジ整流回路とにより三相交流
電源４の端子Ｖ−Ｕ間電圧と端子Ｖ−Ｗ間電圧とを半波
整流することが可能であり、この半波整流電圧がＩＧＢ
Ｔ２５，駆動回路２６に供給される。

【００３０】従って、駆動回路２４により前記半波整流
電圧の瞬時値が前記第１の所定値以下のとき、又は、電
解コンデンサ２７の両端電圧が前記第２の所定値以下の
ときにＩＧＢＴ２３をオンさせることにより、同様に、
駆動回路２６により前記半波整流電圧の瞬時値が前記第
１の所定値以下のとき、又は、電解コンデンサ２７の両
端電圧が前記第２の所定値以下のときにＩＧＢＴ２５を
オンさせることにより、後述の第３の実施例回路の如
く、補助負荷２８に所望の直流電圧を供給することがで
きる。

【００３１】図４は、この発明の第４の実施の形態を示
す直流電源装置の回路構成図であり、図２に示した第２
の実施の形態回路と同一機能を有するものには同一符号
を付して、重複する説明を省略する。

【００３２】すなわち、図４に示す直流電源装置では主
回路２ｂの負電位と単相交流電源１の端子Ｖの線路との
間の浮遊容量（図示のＣ_S ）に対するダミー抵抗２０が
設けられ、このダミー抵抗２０により主回路２ｂが無負
荷時に浮遊容量Ｃ_S に蓄積される電荷を放電し、ＩＧＢ
Ｔ１２，駆動回路１３の下記不動作を防止している。

【００３３】図５は、図４に示した直流電源装置の動作
を説明する波形図であり、ダミー抵抗２０が無い場合、
図５（イ）に示す如く、ダイオード１１ａ，１１ｂによ
る整流電圧（Ｖ_UN，Ｖ_VN）が電気角０°及び３６０°前
後で破線の波形となり、この破線の波形では電気角０°
及び３６０°前後での駆動回路１３を介したＩＧＢＴ１
２のオン動作が不能となり、従って、図５（ロ）に示す
電解コンデンサ１４への充電動作も行われなくなる。

【００３４】このとき、ダミー抵抗２０の抵抗値は、浮
遊容量Ｃ_S の単相交流電源１の基本波周波数に対するイ
ンピーダンスより小さな値に設定すればよい。

【００３５】図６は、この発明の第５の実施の形態を示
す直流電源装置の回路構成図であり、図１，２に示した
第１，２の実施の形態回路と同一機能を有するものには
同一符号を付して、重複する説明を省略する。

【００３６】すなわち、図６に示す直流電源装置では電
解コンデンサ１４の両端に補助継電器１６とトランジス
タ１７の直列回路が接続され、ダイオード１１のアノー
ド側には補助継電器１６のｃ接点回路１６ａが設けられ
ている。また、単相交流電源１から主回路２ｂとの間に
は主回路スイッチ６が設けられている。

【００３７】先ず、主回路スイッチ６が開路した停止状
態から、主回路スイッチ６が閉路すると、主回路２ｂに
単相交流電源１の電圧が印加され、この直流電源装置に
は端子Ｕ→主回路スイッチ６→ｃ接点１６ａ（紙面右側
接点）→ダイオード１１の経路で単相交流電源１の電圧
が印加され、自己消弧形半導体素子１２と駆動回路１３
とにより電解コンデンサ１４の両端電圧が立ち上がり、
やがて、所望の直流電圧となる。

【００３８】このとき、電解コンデンサ１４の両端電圧
が所望の直流電圧となると、図示しないトランジスタ１
７のベース回路により、トランジスタ１７がオン状態に
なって、補助継電器１６を励磁して自己保持し、ｃ接点
回路１６ａは紙面左側に閉路状態となり、この直流電源
装置および主回路２ｂは定常動作状態を継続する。

【００３９】次に、主回路２ｂの動作を停止させるため
に、主回路スイッチ６を開路すると、主回路２ｂはその
動作を停止させるが、補助継電器１６の前記自己保持継
続期間の間は端子Ｕ→ｃ接点１６ａ（紙面左側接点）→
ダイオード１１の経路での単相交流電源１の電圧印加が
継続し、この自己保持継続期間を過ぎると、ｃ接点回路
１６ａは紙面右側に閉路状態となり、やがて、この直流
電源装置の出力電圧も消滅する。この状態では直流電源
装置の消費電力は零となる。

【００４０】図７は、この発明の第６の実施の形態を示
す直流電源装置の回路構成図であり、図１に示した第１
の実施の形態回路と同一機能を有するものには同一符号
を付している。

【００４１】すなわち図７は、主回路２の制御回路の制
御電源などを補助負荷１５としたときのＩＧＢＴ１２の
駆動回路１３に対する詳細回路構成図である。

【００４２】この駆動回路１３はトランジスタ１３ａ，
１３bと、ツェナーダイオード１３ｃと、抵抗１３ｄ，
１３ｅ，１３ｆとからなる簡単な回路で構成されてい
る。なお、破線で示したツェナーダイオードが設けられ
ている場合には、この直流電源装置の出力電圧の立ち上
がりを、後述の如く、早くすることができる。

【００４３】以下に図７に示した直流電源装置の動作を
説明する。

【００４４】先ず、この直流電源装置に単相交流電源１
から電圧が印加され、ダイオード１１による半波整流電
圧が０ボルトから増大すると、抵抗１３ｄを介してＩＧ
ＢＴ１２が順バイアス状態となって、ＩＧＢＴ１２が導
通を開始し、電解コンデンサ１４を充電する。この充電
により、電解コンデンサ１４の両端電圧が増大して、補
助負荷１５が所望する直流電圧としてのツェナーダイオ
ード１３ｃのツェナー電圧を越えると、トランジスタ１
３ｂが導通状態となって、ＩＧＢＴ１２の順バイアス電
圧を下げ、電解コンデンサ１４への充電電流を抑制する
ので、電解コンデンサ１３の両端電圧はほぼツェナーダ
イオード１３ｃのツェナー電圧となる。

【００４５】次に、ダイオード１１による半波整流電圧
がさらに増大すると、抵抗１３ｅ，１３ｆを介してトラ
ンジスタ１３ａが順バイアス状態となって、ＩＧＢＴ１
２を逆バイアス状態にし、ＩＧＢＴ１２をオフさせる
が、電解コンデンサ１３の両端電圧は、前記ツェナー電
圧から補助負荷１５への放電のために徐々に低下する。

【００４６】さらに、ダイオード１１による半波整流電
圧が増大から減少に転じ、抵抗１３ｅ，１３ｆを介して
トランジスタ１３ａが逆バイアス状態となって、トラン
ジスタ１３ａがオフし、抵抗１３ｄを介してＩＧＢＴ１
２が順バイアス状態となって、ＩＧＢＴ１２が導通を開
始し、電解コンデンサ１４を充電する。この充電によ
り、電解コンデンサ１４の両端電圧が増大して、電解コ
ンデンサ１４への充電電圧がツェナーダイオード１３ｃ
のツェナー電圧を越えると、トランジスタ１３ｂが導通
状態となって、ＩＧＢＴ１２の順バイアス電圧を下げ、
電解コンデンサ１４への充電電流を抑制するので、電解
コンデンサ１３の両端電圧はほぼツェナーダイオード１
３ｃのツェナー電圧となる。

【００４７】やがて、ダイオード１１による半波整流電
圧が０ボルトに近づくことにより、上述の電解コンデン
サ１４への充電動作を停止する。

【００４８】この直流電源装置では、上述の動作を単相
交流電源１の端子Ｕの電圧が正の半波毎に繰り返す。

【００４９】図８は、前述の第１の実施の形態に対応し
たこの発明の第１の実施例を示す直流電源装置の詳細回
路構成図である。

【００５０】図８において、１は商用電源などの単相交
流電源、２ａは主回路、７はこの直流電源及び主回路２
ａのスイッチングノイズを吸収するコンデンサ、３１は
この発明の整流ダイオードとしてのダイオード、３２は
この発明の電圧形制御半導体素子としてのＩＧＢＴ、１
４はこの発明の平滑コンデンサとしての電解コンデン
サ、１５は主回路２ａの図示しない制御回路の制御電源
などの補助負荷、３３はダイオード、３４はコンデン
サ、３５，３６はトランジスタ、３７，３８はツェナー
ダイオード、３９〜４６は抵抗を示し、なお、参照符号
３３〜４６でこの発明のゲート制御回路を形成してい
る。

【００５１】図８に示した直流電源装置の動作を、図９
に示す波形図を参照しつつ、以下に説明する。

【００５２】ダイオード３３とコンデンサ３４とは単相
交流電源１の電圧のピーク充電回路を形成し、この充電
電流がコンデンサ３４に蓄えられ、コンデンサ３４の電
圧は、常時ほぼピーク充電された値になる。

【００５３】上記コンデンサ３４の電圧は、高抵抗とし
ての抵抗３９とＩＧＢＴ３２の高周波での発進防止用の
抵抗４０とを介してＩＧＢＴ３２のゲートに印加され
る。

【００５４】図９に示す時刻ｔ₀ より単相交流電源の端
子Ｕの電圧（図９（イ）参照）が正の期間に入ると、ダ
イオード３１が導通を開始し、時刻ｔ₁ でダイオード３
１による整流電圧の瞬時値が電解コンデンサ１４の両端
電圧（図９（ロ）参照）を越え、図９（ヘ）に示す如
く、このゲート駆動回路により既にオンレベルにあるＩ
ＧＢＴ３２が通流を開始し、ＩＧＢＴ３２には図９
（ハ）に示す如き電流が流れて、電解コンデンサ１４を
充電する。

【００５５】時刻ｔ₂ で、電解コンデンサ１４の両端電
圧が前記第２の所定値を越えたので、トランジスタ３６
がオン状態となり（図９（ホ）参照）、その結果、図９
（ヘ）に示す如く、ＩＧＢＴ３２のゲート電圧がしきい
値レベルとなり、このＩＧＢＴ３２は補助負荷１５への
電流に対応する電流が流れるアナログ的な動作になり、
電解コンデンサ１４の両端電圧はほぼ一定値を維持す
る。

【００５６】時刻ｔ₃ で、ダイオード３１による整流電
圧の瞬時値が前記第１の所定値を越えたので、トランジ
スタ３５がオン状態になり（図９（ニ）参照）、その結
果、図９（ヘ）に示す如く、ＩＧＢＴ３２のゲート電圧
がオフレベルとなり、ＩＧＢＴ３２はオフする。

【００５７】時刻ｔ₄ で、ダイオード３１による整流電
圧の瞬時値が前記第１の所定値を下回ったので、トラン
ジスタ３５がオフ状態になり（図９（ニ）参照）、その
結果、図９（ヘ）に示す如く、ＩＧＢＴ３２のゲート電
圧はオンレベルとなり、ＩＧＢＴ３２が通流を開始し、
ＩＧＢＴ３２には図９（ハ）に示す如き電流が流れて、
電解コンデンサ１４を充電する。

【００５８】時刻ｔ₅ で、電解コンデンサ１４の両端電
圧が前記第２の所定値を越えたので、トランジスタ３６
がオン状態となり（図９（ホ）参照）、その結果、図９
（ヘ）に示す如く、ＩＧＢＴ３２のゲート電圧がしきい
値レベルとなり、このＩＧＢＴ３２は補助負荷１５への
電流に対応する電流が流れるアナログ的な動作になり、
電解コンデンサ１４の両端電圧はほぼ一定値を維持す
る。

【００５９】時刻ｔ₆ でダイオード３１による整流電圧
の瞬時値が電解コンデンサ１４の両端電圧（図９（ロ）
参照）を下回ったので、図９（ハ）に示す如く、ＩＧＢ
Ｔ３２の電流が零となり、時刻ｔ₇ で、単相交流電源の
端子Ｕの電圧（図９（イ）参照）が正の期間が終了す
る。

【００６０】図８に示した回路構成において、抵抗４１
と抵抗４２とは前記整流電圧を分圧し、この分圧値がツ
ェナーダイオード３７のツェナー電圧を越えるとトラン
ジスタ３５がオン状態となる前記第１の所定値を決める
ために備えられ、同様に、抵抗４３と抵抗４４とは電解
コンデンサ１４の両端電圧を分圧し、この分圧値がツェ
ナーダイオード３７のツェナー電圧を越えるとトランジ
スタ３６がオン状態となる前記第２の所定値を決めるた
めに備えられ、また、ツェナーダイオード３８は、トラ
ンジスタ３５，３６のコレクタ−エミッタ電圧が過電圧
になるのを阻止し、抵抗４６の抵抗値は電解コンデンサ
１４の両端電圧からツェナーダイオード３７への電流
と、このツェナー電圧を更なる補助電源とする際の電流
値とから設定され、さらに、抵抗４５は、図９（ハ）に
示したＩＧＢＴ３２の電流のピーク値を低減し、その結
果、この直流電源装置から発生するノイズも抑制され
る。

【００６１】また、この直流電源装置は、例えば図９の
波形図において、時刻ｔ₂ の位置が時刻ｔ₃ 以降になる
とき、すなわち、補助負荷１５に流れる電流が過大にな
ると、最早、電解コンデンサ１４の電圧が定常値を維持
できなくなって、該電圧が低下し、その結果として、補
助負荷１５に対する限流機能を有する。

【００６２】なお、図８に示した構成部品の定数値は、
単相交流電源１の電圧がＡＣ１００ボルトで、この直流
電源装置はＤＣ２４ボルト，数百ミリアンペア程度の出
力ときの参考値である。

【００６３】図１０は、前述の第２の実施の形態に対応
したこの発明の第２の実施例を示す直流電源装置の詳細
回路構成図である。

【００６４】図１０において、１は商用電源などの単相
交流電源、２ｂは主回路、５１，５２はこの発明の整流
ダイオードとしてのダイオード、５３はこの発明の電圧
制御形半導体素子としてのＩＧＢＴ、１４はこの発明の
平滑コンデンサとしての電解コンデンサ、１５は主回路
２ｂの図示しない制御回路の制御電源などの補助負荷、
５４はダイオード、５５はコンデンサ、５６〜６０はト
ランジスタ、６１，６２はツェナーダイオード、６３〜
７２は抵抗、７３，７４はコンデンサである。

【００６５】なお、上記参照符号５４〜７４でこの発明
のゲート駆動回路を構成し、このゲート駆動回路のう
ち、トランジスタ５８と抵抗６９，７０とで後述の電源
電圧補正回路を形成し、また、トランジスタ５９，６０
と抵抗７１，７２とコンデンサ７３，７４とで後述の半
波検出回路を形成している。

【００６６】図１０に示した直流電源装置の動作を、図
１１に示す波形図を参照しつつ、以下に説明する。

【００６７】ダイオード５４とコンデンサ５５とは単相
交流電源１の電圧のピーク充電回路を形成し、この充電
電流がコンデンサ５５に蓄えられ、コンデンサ５５の電
圧は、常時ほぼピーク充電された値になる。

【００６８】上記コンデンサ５５の電圧は、高抵抗とし
ての抵抗６３を介してＩＧＢＴ５３のゲートに印加され
る。

【００６９】ダイオード５１，５２と主回路２ｂを構成
する先述のダイオードブリッジ整流回路とにより、図１
１（イ）の細実線の如く、単相交流電源１の電圧に基づ
く全波整流電圧が得られ、この整流電圧がゲート駆動回
路に入力される。

【００７０】このゲート制御回路で、ツェナーダイオー
ド６２と抵抗６４と抵抗６５とは前記整流電圧（図１１
（イ）の細実線を参照）を分圧し、この分圧値がツェナ
ーダイオード６１のツェナー電圧に基づく値を越えると
トランジスタ５６がオン状態となる前記第１の所定値を
決めるために備えられ、同様に、抵抗６６と抵抗６７と
は電解コンデンサ１４の両端電圧（図１１（イ）の太実
線を参照）を分圧し、この分圧値がツェナーダイオード
６１のツェナー電圧を越えるとトランジスタ５７がオン
状態となる前記第２の所定値を決めるために備えられ、
従って、図１１（ロ）に示すＩＧＢＴ５３の電流波形の
如く、トランジスタ５６がオンするとＩＧＢＴ５３のゲ
ート電圧が逆バイアスレベルとなって、ＩＧＢＴ５３が
オフし、また、トランジスタ５７がオンするとＩＧＢＴ
５３のゲート電圧がしきい値レベルとなり、このときＩ
ＧＢＴ５３は補助負荷１５の電流に対応する電流が流れ
るアナログ的な動作をする。

【００７１】また、抵抗６８の抵抗値は電解コンデンサ
１４の両端電圧からツェナーダイオード６１への電流
と、このツェナー電圧を更なる補助電源とする際の電流
値とから設定される。

【００７２】トランジスタ５８と抵抗６９，７０とで形
成される電源電圧補正回路の動作を、図１２に示す特性
図を参照しつつ、以下に説明する。

【００７３】例えば、単相交流電源１の電圧が１００ボ
ルトの場合と、２００ボルトの場合とを共用する場合、
前記第１の所定値が固定値で単相交流電源１が２００ボ
ルトのときに、前述のトランジスタ５７がオンする期間
が取れなくなり、その結果、電解コンデンサ１４の両端
電圧を所望の値にできなくなる。

【００７４】そこで、図１２に示す特性の如く、前記第
１の所定値をツェナーダイオード６１のツェナー電圧に
基づく値から直線状に上昇させる動作を電源電圧補正回
路に行わせている。

【００７５】次に、トランジスタ５９，６０と抵抗７
１，７２とコンデンサ７３，７４とで形成される半波検
出回路の動作を、図１３に示す波形図を参照しつつ、以
下に説明する。

【００７６】通常時は、図１３（イ）に示す如く、ダイ
オード５１，５２と主回路２ｂを構成するダイオードブ
リッジ整流回路とにより、太実線の整流電圧と細実線の
整流電圧が交互に得られ、上述のＩＧＢＴ５３のオンオ
フ動作により所望の直流電圧が得られ、このとき、コン
デンサ７３の電圧が、図１３（ロ）に示す太実線如く、
台形波の一部を構成するように変化し、この波形電圧で
はトランジスタ５９，６０共にオフ状態にあり、従っ
て、コンデンサ７４の電圧もほぼツェナーダイオード６
１のツェナー電圧となっている。

【００７７】次に、主回路２ｂの図示しないスイッチの
オフ操作により、単相交流電源１から主回路２ｂへのい
ずれかの１線が回路状態になると、図１３（イ）に示し
た太実線の整流電圧と細実線の整流電圧のうち、いずれ
か一方が消滅する。

【００７８】例えば、前記太実線の整流電圧のみになる
と、区間（図１３参照、細実線のみでは区間，）
ではコンデンサ７３の両端電圧が電解コンデンサ１４の
両端電圧より低下し、その結果、トランジスタ５９，６
０共にオン状態になり、コンデンサ７４の両端電圧が零
となり、その結果、トランジスタ５６のオンレベルを上
昇させて、先述のＩＧＢＴ５３のオフ期間を短くして、
電解コンデンサ１４の両端電圧を前記太実線の整流電圧
のみでも、所望の値にすることができる。

【００７９】図１４は、前述の第３の実施の形態に対応
したこの発明の第３の実施例を示す直流電源装置の詳細
回路構成図である。

【００８０】図１４において、４は商用電源などの三相
交流電源、５は主回路、８１，８２はこの発明の整流ダ
イオードとしてのダイオード、８３，８４はこの発明の
電圧制御形半導体素子としてのＩＧＢＴ、２７はこの発
明の平滑コンデンサとしての電解コンデンサ、２８は主
回路５の図示しない制御回路の制御電源などの補助負
荷、８５はダイオード、８６はコンデンサ、８７〜８９
はトランジスタ、９０はツェナーダイオード、９１〜９
９は抵抗、１００，１０１はダイオードである。なお、
上記参照符号８１〜１０１でこの発明のゲート駆動回路
を形成している。

【００８１】図１４に示した直流電源装置の動作を、図
１５に示す波形図を参照しつつ、以下に説明する。

【００８２】ダイオード８５とコンデンサ８６とは三相
交流電源４の電圧のピーク充電回路を形成し、この充電
電流がコンデンサ８６に蓄えられ、コンデンサ８６の電
圧は、常時ほぼピーク充電された値になる。

【００８３】上記コンデンサ８６の電圧は、高抵抗とし
ての抵抗９１，９２を介してＩＧＢＴ８３，８４それぞ
れのゲートに印加される。

【００８４】ダイオード８１と主回路５を構成する先述
のダイオードブリッジ整流回路とにより、図１５（イ）
の太実線の如く、三単相交流電源４の端子Ｕ−Ｖ間電圧
と端子Ｕ−Ｗ間電圧とを半波整流することができ、この
整流電圧がＩＧＢＴ８３と前記ゲート駆動回路に供給さ
れ、同様に、ダイオード８２と主回路５を構成する先述
のダイオードブリッジ整流回路とにより、図１５（イ）
の破線の如く、三単相交流電源４の端子Ｖ−Ｕ間電圧と
端子Ｖ−Ｗ間電圧とを半波整流することができ、この整
流電圧がＩＧＢＴ８４と前記ゲート駆動回路に供給され
る。

【００８５】このゲート制御回路で、抵抗９３と抵抗９
４とはダイオード８１による整流電圧（図１５（イ）の
太実線を参照）を分圧し、この分圧値がツェナーダイオ
ード９０のツェナー電圧を越えるとトランジスタ８７が
オン状態となる前記第１の所定値を決めるために備えら
れ、同様に、抵抗９５と抵抗９６とはダイオード８２に
よる整流電圧（図１５（イ）の破線を参照）を分圧し、
この分圧値がツェナーダイオード９０のツェナー電圧を
越えるとトランジスタ８８がオン状態となる前記第１の
所定値を決めるために備えられ、また、抵抗９７と抵抗
９８とは電解コンデンサ２７の両端電圧（図１５（イ）
の太実線を参照）を分圧し、この分圧値がツェナーダイ
オード９０のツェナー電圧を越えるとトランジスタ８９
がオン状態となる前記第２の所定値を決めるために備え
られている。

【００８６】従って、図１５（ロ）に示すＩＧＢＴ８３
の電流波形の如く、トランジスタ８７がオンするとＩＧ
ＢＴ８３のゲート電圧が逆バイアスレベルとなって、Ｉ
ＧＢＴ８３がオフし、また、図１５（ハ）に示すＩＧＢ
Ｔ８４の電流波形の如く、トランジスタ８８がオンする
とＩＧＢＴ８４のゲート電圧が逆バイアスレベルとなっ
て、ＩＧＢＴ８４がオフし、さらに、トランジスタ８９
がオンすると、ダイオード１００，１０１を介してＩＧ
ＢＴ８３，８４それぞれのゲート電圧がしきい値レベル
となり、このときＩＧＢＴ８３，８４それぞれは補助負
荷２８の電流に対応する電流が流れるアナログ的な動作
をする。

【００８７】図１６は、この発明の第４の実施例を示す
直流電源装置の詳細回路構成図である。

【００８８】図１４において、１は単相交流電源、２ｂ
は主回路、１１１はこの発明の整流ダイオードとしての
ダイオード、１１２はこの発明の電圧制御形半導体素子
としてのＩＧＢＴ、１４はこの発明の平滑コンデンサと
しての電解コンデンサ、１５は主回路２ｂの図示しない
制御回路の制御電源などの補助負荷、１８は３端子レギ
ュレータ、１９は３端子レギュレータ１６の出力電圧に
対する平滑用としてのコンデンサ、１１３はダイオー
ド、１１４はコンデンサ、１１５，１１６はトランジス
タ、１１７〜１１９はツェナーダイオード、１２０〜１
２４は抵抗、１２５は操作手段である。なお、上記参照
符号１１３〜１２５でこの発明のゲート駆動回路を形成
している。

【００８９】図１６に示した直流電源装置の動作を以下
に説明する。

【００９０】ダイオード１１３とコンデンサ１１４とは
単相交流電源１の電圧のピーク充電回路を形成し、この
充電電流がコンデンサ１１４に蓄えられ、コンデンサ１
１４の電圧は、常時ほぼピーク充電された値になる。

【００９１】上記コンデンサ１１４の電圧は、高抵抗と
しての抵抗１２０を介してＩＧＢＴ１１２のゲートに印
加される。

【００９２】ダイオード１１１により単相交流電源１の
電圧に基づく半波整流電圧が得られ、この整流電圧がゲ
ート駆動回路に入力される。

【００９３】このゲート制御回路で、ツェナーダイオー
ド１１７と抵抗１２１と抵抗１２２とは前記整流電圧を
分圧し、この分圧値が３端子レギュレータ１８の出力電
圧を越えるとトランジスタ１１５がオン状態となる前記
第１の所定値を決めるために備えられ、同様に、ツェナ
ーダイオード１１８と抵抗１２３と抵抗１２４とは電解
コンデンサ１４の両端電圧を分圧し、この分圧値が３端
子レギュレータ１８の出力電圧を越えるとトランジスタ
１１６がオン状態となる前記第２の所定値を決めるため
に備えられ、従って、トランジスタ１１５がオンすると
ＩＧＢＴ１１２のゲート電圧が逆バイアスレベルとなっ
て、ＩＧＢＴ１１２がオフし、また、トランジスタ１１
６がオンするとＩＧＢＴ１１２のゲート電圧がしきい値
レベルとなり、このときＩＧＢＴ１１２は補助負荷１５
の電流と３端子レギュレータ１８の電流とに対応する電
流が流れるアナログ的な動作をする。

【００９４】上述のゲート駆動回路において、ツェナー
ダイオード１１８，１１９はこの直流電源装置に単相交
流電源１から電圧が印加された直後で３端子レギュレー
タ１８の出力電圧の立ち上がるまでの間に、ＩＧＢＴ１
１２が誤オンし、その結果、電解コンデンサ１４の両端
電圧が所望の値まで立ち上がるのに非常に時間がかかる
ことに対処するために設けられ、特に、ツェナーダイオ
ード１１９が無いと、電解コンデンサ１４の両端電圧が
所望の値まで立ち上がらない恐れがある。

【００９５】また、操作手段１２５は図示の如きスイッ
チや半導体スイッチ回路で形成され、通常時は開路状態
にあるが、この操作手段１２５を閉路状態にすると、Ｉ
ＧＢＴ１１２がオフし続け、この直流電源装置の出力は
０ボルトとなり、このときの待機電力は僅かである。

【００９６】さらに、この直流電源装置において、３端
子レギュレータ１８の出力電圧をマイクロコンピュータ
などに好適な５ボルトとし、コンデンサ１９の容量を大
きく設定することにより、単相交流電源１の瞬時停電に
対処することができる。

【００９７】

【発明の効果】この発明の直流電源装置によれば、出力
電圧を所望の値にするために行われる半導体スイッチの
オンオフ動作の繰り返し周波数は交流電源の基本波周波
数の２〜６倍程度であり、従って、発生するスイッチン
グノイズを少なくでき、また、交流電源に対して非絶縁
で簡単な回路構成で具現できるので、高効率、小型，軽
量，安価になる。

【００９８】さらに、電力変換回路などの主回路の浮遊
容量の影響を除外することができ、この直流電源装置か
らの過大な出力電流に対する限流機能を有し、交流電源
の大きな電圧範囲にも対応でき、必要に応じてその待機
電力を零またはほぼ零にできるなどの効果を備えた直流
電源装置になっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施の形態を示す直流電源装
置の回路構成図

【図２】この発明の第２の実施の形態を示す直流電源装
置の回路構成図

【図３】この発明の第３の実施の形態を示す直流電源装
置の回路構成図

【図４】この発明の第４の実施の形態を示す直流電源装
置の回路構成図

【図５】図４の動作を説明する波形図

【図６】この発明の第５の実施の形態を示す直流電源装
置の回路構成図

【図７】この発明の第６の実施の形態を示す直流電源装
置の回路構成図

【図８】この発明の第１の実施例を示す直流電源装置の
回路構成図

【図９】図８の動作を説明する波形図

【図１０】この発明の第２の実施例を示す直流電源装置
の回路構成図

【図１１】図１０の動作を説明する波形図

【図１２】図１０の動作を説明する特性図

【図１３】図１０の動作を説明する波形図

【図１４】この発明の第３の実施例を示す直流電源装置
の回路構成図

【図１５】図１４の動作を説明する波形図

【図１６】この発明の第４の実施例を示す直流電源装置
の回路構成図

【符号の説明】

１…単相交流電源、２，２ａ，２ｂ，５…主回路、３
ａ，３ｂ…ＣＴ、４…三相交流電源、６…主スイッチ、
７…コンデンサ、１１，１１ａ，１１ｂ…ダイオード、
１２…ＩＧＢＴ、１３…駆動回路、１３ａ，１３ｂ…ト
ランジスタ、１３ｃ…ツェナーダイオード、１３ｄ〜１
３ｆ…抵抗、１４…電解コンデンサ、１５…補助負荷、
１６…補助継電器、１６ａ…ｃ接点回路、１７…トラン
ジスタ、１８…３端子レギュレータ、１９…コンデン
サ、２０…ダミー抵抗、２１，２２…ダイオード、２
３，２５…ＩＧＢＴ、２４，２６…駆動回路、２７…電
解コンデンサ、２８…補助負荷、３１…ダイオード、３
２…ＩＧＢＴ、３３…ダイオード、３４…コンデンサ、
３５，３６…トランジスタ、３７，３８…ツェナーダイ
オード、３９〜４６…抵抗、５１，５２…ダイオード、
５３…ＩＧＢＴ、５４…ダイオード、５５…コンデン
サ、５６〜６０…トランジスタ、６１，６２…ツェナー
ダイオード、６３〜７２…抵抗、７３，７４…コンデン
サ、８１，８２…ダイオード、８３，８４…ＩＧＢＴ、
８５…ダイオード、８６…コンデンサ、８７〜８９…ト
ランジスタ、９０…ツェナーダイオード、９１〜９９…
抵抗、１００，１０１…ダイオード、１１１…ダイオー
ド、１１２…ＩＧＢＴ、１１３…ダイオード、１１４…
コンデンサ、１１５，１１６…トランジスタ、１１７〜
１１９…ツェナーダイオード、１２０〜１２４…抵抗、
１２５…操作手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 豊 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5G065 AA01 AA08 DA06 DA07 EA06 GA06 HA04 JA02 KA02 KA05 LA01 MA01 MA03 MA07 MA10 NA01 NA02 NA04 NA06 NA07 NA10 5H006 CA01 CA07 CB01 CB03 CC02 CC08 DA04 DB01 DC05

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主回路に接続された交流電源と、この交
   流電源に非絶縁接続された平滑コンデンサと補助負荷と
   の並列回路へ所望の直流電圧を供給するために、 前記交流電源と前記並列回路との間に、整流ダイオード
   と、任意にオンオフする半導体スイッチとの直列回路を
   備えたことを特徴とする直流電源装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の直流電源装置におい
   て、 前記整流ダイオードにより半波整流した電圧に基づいて
   前記半導体スイッチが動作することを特徴とする直流電
   源装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の直流電源装置におい
   て、 前記主回路の電位を前記直流電源装置の一部に接続し、 前記主回路の電流を検出する変流器（ＣＴ）は、前記整
   流ダイオードの前記交流電源への接続点と該主回路との
   間の経路に挿設することを特徴とする直流電源装置。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の直流電源装置におい
   て、 前記整流ダイオードにより全波整流した電圧に基づいて
   前記半導体スイッチが動作することを特徴とする直流電
   源装置。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の直流電源装置におい
   て、 前記主回路の電位を前記直流電源装置の一部に接続し、 前記主回路の電流を検出する変流器（ＣＴ）は、前記交
   流電源から前記整流ダイオード及び主回路への経路に挿
   設することを特徴とする直流電源装置。
6. 【請求項６】 請求項１に記載の直流電源装置におい
   て、 前記交流電源は多相交流電源とし、 前記整流ダイオードと半導体スイッチとをそれぞれ複数
   個備えたことを特徴とする直流電源装置。
7. 【請求項７】 請求項１に記載の直流電源装置におい
   て、 前記主回路の電位を前記直流電源装置の一部に接続し、 前記交流電源から主回路への接続線と該主回路との間の
   浮遊容量に対処するダミー抵抗を、前記直流電源装置に
   設けたことを特徴とする直流電源装置。
8. 【請求項８】 請求項１に記載の直流電源装置におい
   て、 前記直流電源装置により励磁される補助継電器を設け、 該補助継電器は前記主回路の動作を停止させた後の所定
   の時間は前記励磁状態を継続し、 前記補助継電器が無励磁状態になったときには、該継電
   器の接点を介して前記交流電源から前記直流電源装置へ
   の電圧の印加を停止させ、該直流電源装置の消費電力を
   零にすることを特徴とする直流電源装置。
9. 【請求項９】 請求項１乃至請求項８のいずれかに記載
   の直流電源装置において、 前記半導体スイッチは自己消弧形半導体素子と該半導体
   素子の駆動回路とから形成され、 この駆動回路は前記交流電源の電圧の瞬時値が第１の所
   定値以下のとき、又は、前記並列回路の両端電圧が第２
   の所定値以下のときに前記半導体素子をオンさせること
   を特徴とする直流電源装置。
10. 【請求項１０】 請求項１乃至請求項８のいずれかに記
    載の直流電源装置において、 前記半導体スイッチは電圧制御形半導体素子と該半導体
    素子のゲート駆動回路とから形成され、 このゲート駆動回路は第１のトランジスタ回路と第２の
    トランジスタ回路とダイオードとコンデンサと高抵抗
    （＞１ＭΩ）とからなり、 前記第１のトランジスタ回路は前記交流電源の電圧の瞬
    時値が第１の所定値以下のときに該トランジスタ回路を
    形成するトランジスタがオフし、 前記第２のトランジスタ回路は前記並列回路の両端電圧
    が第２の所定値以下のときに該トランジスタ回路を形成
    するトランジスタがオフし、 前記ダイオードとコンデンサとにより前記交流電源の電
    圧に基づくピーク充電を行ない、この充電電圧に前記高
    抵抗を介した電圧を前記電圧制御形半導体素子のゲート
    に印加し、 このゲート印加電圧を、第１のトランジスタ回路を構成
    する前記トランジスタがオンしているときには前記電圧
    制御形半導体素子をオフさせる電圧にし、第２のトラン
    ジスタ回路を構成する前記トランジスタがオンしている
    ときには前記電圧制御形半導体素子のしきい値電圧にす
    ることを特徴とする直流電源装置。
11. 【請求項１１】 請求項１０に記載の直流電源装置にお
    いて、 前記第１のトランジスタ回路における第１の所定値は、
    前記交流電源の電圧に対応して変化させることを特徴と
    する直流電源装置。
12. 【請求項１２】 請求項１０に記載の直流電源装置にお
    いて、 前記電圧制御形半導体素子のゲート印加電圧を、該半導
    体素子がオフする電圧にする操作手段を前記ゲート駆動
    回路に設け、 該操作手段を動作させているときには、前記直流電源装
    置の消費電力をほぼ零にすることを特徴とする直流電源
    装置。
13. 【請求項１３】 請求項１０に記載の直流電源装置にお
    いて、 前記第１のトランジスタ回路にツェナーダイオードを設
    け、 該ツェナーダイオードにより前記直流電源装置の動作開
    始時の電圧立ち上がり特性を改善することを特徴とする
    直流電源装置。
14. 【請求項１４】 請求項１０に記載の直流電源装置にお
    いて、 前記第１及び第２のトランジスタ回路それぞれの前記動
    作の基準となる電圧を、前記並列回路の両端電圧を入力
    電圧とする３端子レギュレータの出力電圧としたことを
    特徴とする直流電源装置。
15. 【請求項１５】 請求項１4に記載の直流電源装置にお
    いて、 前記第２のトランジスタ回路にツェナーダイオードを設
    け、 該ツェナーダイオードにより前記直流電源装置の動作開
    始時の電圧立ち上がり特性を改善することを特徴とする
    直流電源装置。
16. 【請求項１６】 請求項１０に記載の直流電源装置にお
    いて、 前記整流ダイオードの整流電圧が全波整流電圧から半波
    整流電圧に切り替えられたことを検知して、 前記第１のトランジスタ回路における第１の所定値を新
    たな値に変更することを特徴とする直流電源装置。