JP2005086886A

JP2005086886A - 電源装置

Info

Publication number: JP2005086886A
Application number: JP2003315060A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Takahashi; 和也高橋
Original assignee: TDK Lambda Corp
Current assignee: TDK Lambda Corp
Priority date: 2003-09-08
Filing date: 2003-09-08
Publication date: 2005-03-31

Abstract

【課題】出力電圧の設定値を可変した場合でも、予め規定された最大電力以下で確実にシャットダウンできるようにする。
【解決手段】出力制限手段21は、出力電流Ｉoutが設定した第２の値になると、出力手段41からの出力電圧Ｖoutを遮断するためにシャットダウン信号を出力する。また、設定電圧可変回路42により第１の値を可変して、出力電圧Ｖoutを高くしたり低くすることができるが、出力電圧Ｖoutが高い値であるほど、前記シャットダウン信号が出力される動作点としての第２の値が低く設定される。そのため、出力電圧Ｖoutの設定値を可変できる可変電源であっても、予め規定された最大電力を越えないように、電源装置を確実にシャットダウンできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、過電流保護装置を備えるＤＣ／ＤＣコンバータやスイッチング電源などの電源装置に関する。

一般に、電力変換部として絶縁トランスを有するこの種の電源装置は、例えば出力電力を生成する絶縁トランスの二次側が短絡したり、内部回路が破損した場合でも、装置本体を安全な状態に維持する安全規格上の要求がある。例えば、安全規格として定義される有限電源は、過電流保護装置を備えた固有限定されていない電源の場合に、短絡を含む非容量性負荷を繋いだ状態で、運転６０秒後の最大皮相電力が２５０ＶＡ以下となるように出力を制限する必要がある。

こうした過電流保護装置を備えた電源装置は、例えば特許文献１などに開示されている。特許文献１では、スイッチング素子のスイッチング動作によりトランスの一次巻線に直流入力電圧を断続的に印加し、トランスの二次巻線に誘起した電圧を整流平滑して負荷に直流出力電圧を供給する電源装置において、トランスの二次巻線に流れる電流を電流検出素子で検出し、この検出電流値を電流−電圧変換回路で電圧に変換して、スイッチング素子をオン，オフするＰＷＭ制御回路に供給しており、電流−電圧変換回路の検出電圧が増大して過電流保護動作点を越えると、ＰＷＭ制御回路によりスイッチング素子のオン比率を小さくして、出力電圧を強制的に低下させるようにしている。

一方、前述の有限電源としての条件を満たすには、内部回路である過電流保護装置が壊れた場合でも、最大皮相電力を所定値以下に制限しなければならないため、過電流保護装置とは別の出力制限回路を付加する必要がある。

図３はこうした出力制限回路を付加した電源装置の回路例である。同図において、１は一次側と二次側とを絶縁するトランス、２は例えば制御端子付きの半導体素子、すなわちトランジスタやＭＯＳ型ＦＥＴからなるスイッチング素子で、直流入力電圧Ｖinが印加される入力端子＋Ｖｉ，−Ｖｉ間に、トランス１の一次巻線１Ａとスイッチング素子２との直列回路が接続される。一方、トランス１の二次側はユニット化された出力モジュール４で構成され、同一若しくは異なる出力特性を有する一乃至複数の出力モジュール４が、トランス１のコアに着脱可能に設けられる。

出力モジュール４は、トランス１の二次巻線１Ｂと、この二次巻線１Ｂに誘起した電圧を整流平滑して出力端子＋Ｖｏ，−Ｖｏ間に直流出力電圧Ｖoutを供給する整流平滑回路５と、二次巻線１Ｂから整流平滑回路５に至るパワーラインの一方に挿入接続され、このパワーラインを流れる出力電流Ｉoutを検出する電流検出器としてのカレントトランス６と、同じく前記パワーラインの一方に挿入接続されるマグアンプ（可飽和リアクトル）７と、出力電圧Ｖoutの安定化を図るためにマグアンプ７に適切なリセット信号を与える帰還回路８とを備えている。また、前記整流平滑回路５は周知のように、二次巻線１Ｂのドット側に正極性の電圧が発生すると導通する整流ダイオード11と、二次巻線１Ｂの非ドット側に正極性の電圧が発生すると導通する転流ダイオード12と、平滑用のチョークコイル13およびコンデンサ14とにより構成され、出力端子＋Ｖｏ，−Ｖｏはコンデンサ14の両端間に接続される。

ここでの出力モジュール４は、カレントトランス６の検出電流が過電流保護動作点を越えたときに、出力電圧Ｖoutを低下させる過電流保護回路（図示せず）とは別に、カレントトランス６の検出電流が予め設定した制限値に達すると、出力電流Ｉoutがそれ以上流れないように制御信号を出力する出力制限回路21を備えている。この出力制限回路21は、具体的にはカレントトランス６の検出電流を整流するダイオード22と、抵抗24〜26，ダイオード27，コンデンサ28，29により構成され、前記検出電流に見合う監視電圧を生成する電流−電圧変換回路23と、電流−電圧変換回路23からの監視電圧がリファレンス電圧Ｖrefを越えるとカソード・アノード間が導通するシャントレギュレータ30と、このシャントレギュレータと直列に接続される抵抗31およびフォトカプラ32の発光素子32Ａとからなり、フォトカプラ32の受光素子32Ｂが出力モジュール４のコネクタ33を介して、トランス１の一次側にある制御回路34に接続される。制御回路34は、前記スイッチング素子２にパルス駆動信号を供給するものであり、またシャントレギュレータ30のカソード・アノード間が導通すると、一方の出力端子＋Ｖｏに繋がる出力電圧ラインから、抵抗31およびフォトカプラ32の発光素子32Ａを通してカソード電流Ｉｋが流れ込むようになっている。

上記図３の回路構成では、制御回路34からのパルス駆動信号によりスイッチング素子２がオン，オフ動作し、トランスの一次巻線１Ａに入力電圧Ｖinが断続的に印加される。すると、トランス１の二次巻線１Ｂに誘起された電圧が、出力モジュール４の整流平滑回路５により整流平滑され、出力端子＋Ｖｏ，−Ｖｏ間から負荷（図示せず）に出力電圧Ｖoutが供給される。また、帰還回路８は出力電圧Ｖoutの変動を監視し、出力電圧Ｖoutが一定の設定値となるようにマグアンプ７の導通時間を可変制御する。これにより、スイッチング素子２に供給するパルス駆動信号のデューティを変えずに、個々の出力モジュール４における出力電圧Ｖoutの安定化を図ることができる。

上記一連の動作中に、出力モジュール４のパワーラインを流れる出力電流Ｉoutは、カレントトランス６により常時検出され、その検出電流が出力制限回路21を構成する電流−電圧変換回路23により監視電圧に変換される。このとき、トランス１の二次側が短絡するなどして出力電流Ｉoutが増加し、電流−電圧変換回路23からの監視電圧が上昇してシャントレギュレータ30の動作電圧であるリファレンス電圧Ｖrefに達すると、出力電圧ラインからフォトカプラ32の発光素子32Ａおよび抵抗31を通過して、シャントレギュレータ30にカソード電流Ｉｋが流れ込む。これにより、フォトカプラ32の発光素子32Ａが発光して受光素子32Ｂに絶縁されたシャットダウン信号が伝送され、この制御信号を受けてトランス１の一次側にある制御回路34がスイッチング素子２へのパルス駆動信号の供給を停止することにより、出力モジュール４からの出力電圧Ｖoutの供給を遮断（シャットダウン）するようになっている。
特開２０００−２０１４７６公報

上記従来技術においては、電源装置内に備えた過電流保護回路が万一機能しなくなった場合でも、出力制限回路21により出力電流Ｉoutを設定値以上に流さないように装置を安全にシャットダウンできるが、上述の有限電源としての仕様を満たすには、出力電圧Ｖoutが固定されている場合に限る、という使用上の制約を受ける。

その理由を、出力電流Ｉoutと出力電圧Ｖoutとの相関関係を示す図４のグラフに基づいて説明する。同図において、Ｉ１は過電流保護回路の動作点である出力電流Ｉoutの電流制限値、Ｉ２は出力制限回路21の動作点である出力電流Ｉoutの電流制限値であり、またＰmaxは有限電源として規定された最大電力（最大皮相電力Ｐmax＝２５０ＶＡ）である。有限電源としての仕様を満たすには、装置がいかなる状況に陥っても最大皮相電力Ｐmaxを越えないようにしなければならない。

例えば出力モジュール４の出力電圧Ｖoutが２５Ｖで動作する場合、出力電流Ｉoutが１０Ａとなる時点で出力制限回路21のシャントレギュレータ30が動作するように設定すれば、最大皮相電力Ｐmax＝２５０ＶＡの条件を満足する。しかし、出力電圧Ｖoutの設定値を可変できる機能を備えた電源装置では、出力電圧Ｖoutが２５Ｖ以上になると、出力電力が２５０ＶＡを越えても、図４に示す斜線部分では装置がシャットダウンせず（例えばＶout’＝３０Ｖまで可変できる場合は、３００ＶＡでシャットダウン）、有限電源としての仕様を満たすことができない。したがって従来は、固定した最大皮相電力Ｐmax以下で装置を確実にシャットダウンさせるために、出力モジュール４からの出力電圧Ｖoutを固定して使用せざるを得なかった。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、出力電圧の設定値を可変した場合でも、予め規定された最大電力以下で確実にシャットダウンすることが可能な電源装置を提供することをその目的とする。

本発明の電源装置は、上記目的を達成するために、設定した第１の値で出力電圧を供給する出力手段と、前記第１の値を可変する設定電圧可変手段と、前記出力手段からの出力電流と出力電圧をそれぞれ監視し、出力電流が設定した第２の値になると出力を遮断するシャットダウン信号を出力すると共に、出力電圧が高い値であるほど前記第２の値を低く設定する出力制限手段とを備えて構成される。

この場合、出力制限手段は出力手段からの出力電流と出力電圧をそれぞれ監視しており、仮に過電流保護回路などが機能しなくなっても、出力電流が設定した第２の値になると、出力手段からの出力電圧を遮断するためにシャットダウン信号を出力する。また、設定電圧可変手段により第１の値を可変して、出力電圧を高くしたり低くすることができるが、出力電圧が高い値であるほど、前記シャットダウン信号が出力される動作点としての第２の値が低く設定される。そのため、出力電圧の設定値を可変できる可変電源であっても、予め規定された最大電力を越えないように、電源装置を確実にシャットダウンすることができる。

本発明の電源装置によれば、出力電圧が高い値であるほど、出力制限手段からシャットダウン信号が出力される動作点である第２の値が低く設定されるので、出力電圧の設定値を可変した場合でも、予め規定された最大電力以下で確実にシャットダウンすることが可能になる。

以下、本発明における電源装置の好ましい実施例について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において、従来例と同一部分には同一符号を付し、その共通する箇所の説明は重複するため省略する。

電源装置の回路図を示す図１において、41は二次巻線１Ｂに誘起した電圧を整流平滑して、出力端子＋Ｖｏ，−Ｖｏから負荷（図示せず）に出力電圧Ｖoutを供給すると共に、この出力電圧Ｖoutが設定した第１の値となるようにフィードバック制御する出力手段で、これは具体的には前述の整流平滑回路５と、マグアンプ７と、帰還回路８とにより構成される。また、出力電圧Ｖoutの安定化を図るための帰還回路８には、例えば外部可変端子を備えた設定電圧可変手段としての設定電圧可変回路42が設けられる。この設定電圧可変回路42は、帰還回路８により設定される第１の値を外部から可変可能にするもので、外部可変端子に印加する電圧を変えることにより、前記第１の値ひいては出力電圧Ｖoutを高くしたり低くしたりすることができる。

一方、出力制限手段21は、カレントトランス６の二次巻線の両端間にダイオード22と抵抗24との直列回路を接続し、抵抗24の両端間にダイオード27とコンデンサ28との直列回路を接続し、このコンデンサ28の両端間に抵抗25を接続すると共に、抵抗25，26の直列回路をシャントレギュレータ30のアノード・リファレンス間に接続して、出力電流Ｉoutのフィードバック回路を構成している。さらに、一方の出力端子＋Ｖｏに繋がる出力電圧ラインと、シャントレギュレータ30のリファレンスとの間に、出力電圧Ｖoutのフィードバック回路となる別の抵抗44を接続している。これにより出力制限手段21は、出力電流Ｉoutおよび出力電圧Ｖoutの双方を監視して、その結果に応じたカソード電流Ｉｋをシャントレギュレータ30に流し込むようにしている。なお、それ以外の構成は、前記従来例と共通している。

本実施例では、トランス１の二次側に備えたマグアンプ７と帰還回路８とにより、複数の出力モジュール４でそれぞれ出力電圧Ｖoutの安定化を図るように構成しているが、例えば単一の出力電圧Ｖoutを供給する電源装置では、マグアンプ７を用いずに、帰還回路８からの制御信号を受けて、スイッチング素子２に供給するパルス駆動信号の導通幅を可変制御（ＰＷＭ制御）してもよい。また、シャントレギュレータ30の代わりにコンパレータを利用して、外部からリファレンス電圧を与えてもよい。

次に、上記構成についてその作用を説明する。制御回路34からのパルス駆動信号によって、スイッチング素子２をオン，オフ動作させ、トランスの一次巻線１Ａに入力電圧Ｖinを断続的に印加すると、トランス１の二次巻線１Ｂに誘起された電圧が、出力モジュール４の整流平滑回路５により整流平滑され、出力端子＋Ｖｏ，−Ｖｏ間から負荷（図示せず）に出力電圧Ｖoutが供給される。このとき帰還回路８は、出力電圧Ｖoutの変動を監視して、出力電圧Ｖoutが設定した第１の値となるようにマグアンプ７の導通時間を可変制御する。これにより、各出力モジュール４における出力電圧Ｖoutの安定化が図られる。

一方、出力端子＋Ｖｏ，−Ｖｏ間に負荷を接続した状態では、カレントトランス６の一次巻線に流れる出力電流Ｉoutによって、このカレントトランス６から出力制限回路21のダイオード22を介して抵抗24間に電圧が発生し、後段のダイオード27およびコンデンサ28により整流平滑される。ここで従来例のように抵抗44を接続していない場合は、出力電流Ｉoutに見合う抵抗24間の電圧からダイオード27の順電圧降下分を差し引いた電圧だけが、シャントレギュレータ30のリファレンスに印加され、装置がシャットダウンする出力電流Ｉoutの電流制限値Ｉ１が固定されてしまう。しかし本実施例では、シャントレギュレータ30のリファレンスに接続する抵抗26の一端と出力電圧ラインとの間に抵抗44を接続しているので、出力電圧Ｖoutに応じたバイアス電流が抵抗44から抵抗26に流れ込み、シャントレギュレータ30のリファレンスは、出力電流Ｉoutのみならず出力電圧Ｖoutの変動を加味したものとなる。

ここで、トランス１の二次側が短絡するなどして出力電流Ｉoutが増加し、電流−電圧変換回路23からの監視電圧が上昇してシャントレギュレータ30の動作電圧であるリファレンス電圧Ｖrefに達すると、出力電圧ラインからフォトカプラ32の発光素子32Ａおよび抵抗31を通過して、シャントレギュレータ30にカソード電流Ｉｋが流れ込む。これにより、フォトカプラ32の発光素子32Ａが発光して受光素子32Ｂに絶縁されたシャットダウン信号が伝送され、この制御信号を受けてトランス１の一次側にある制御回路34がスイッチング素子２へのパルス駆動信号の供給を停止することにより、出力モジュール４からの出力電圧Ｖoutの供給が遮断される。

図２は、本実施例における出力電流Ｉoutと出力電圧Ｖoutとの相関関係を示したものである。本実施例では、上述のような出力制限回路21の回路構成により、出力モジュール４がシャットダウンする出力電流Ｉoutと出力電圧Ｖoutの相関関係を示す特性線が直線となるように設定される。すなわちここでは、設定電圧可変回路42により出力電圧Ｖoutが低くなるように第１の値を設定するのに比例して、出力モジュール４がシャットダウンする出力電流Ｉoutの設定値（第２の値）が増加する特性線Ａとなる。出力制限回路21には出力電流Ｉoutと出力電圧Ｖoutとの各検出値を掛算する掛算器が設けられてはいないため、直線状の特性線Ａは最大皮相電力Ｐmaxに完全に追従してはいない。しかし、このような特性線Ａは出力制限回路21に抵抗44を追加するだけで簡単に実現できと共に、最大皮相電力Ｐmaxの内側に特性線Ａを設定することで、設定電圧可変回路42により出力電圧Ｖoutの設定値を任意に変えた場合でも、予め規定した最大皮相電力Ｐmaxで装置を確実にシャットダウンさせることができる。次の表１では、図１の回路構成において、装置がシャットダウンする時点の出力電圧Ｖout，出力電流Ｉoutおよび出力電力Ｐoutの各値の例を示す。

上記表１のように特性線Ａを設定すると、出力電力Ｐoutが２５０ＶＡを越えない範囲内で装置をシャットダウンさせることができる。また、特に出力電圧Ｖoutを低く設定する場合は、装置がシャットダウンする出力電流Ｉoutの上限値を高くすることができる。

以上のように本実施例では、設定した第１の値で出力電圧Ｖoutを供給する出力手段41と、この設定した第１の値を可変する設定電圧可変手段としての設定電圧可変回路42と、出力手段41からの出力電流Ｉoutと出力電圧Ｖoutとをそれぞれ監視し、出力電流Ｉoutが設定した第２の値になると出力を遮断するシャットダウン信号を出力すると共に、出力電圧Ｖoutが高い値であるほど第２の値を低く設定する出力制限手段21とを備えている。

この場合、出力制限手段21は出力手段41からの出力電流Ｉoutと出力電圧Ｖoutをそれぞれ監視しており、仮に過電流保護回路などが機能しなくなっても、出力電流Ｉoutが設定した第２の値になると、出力手段41からの出力電圧Ｖoutを遮断するためにシャットダウン信号を出力する。また、設定電圧可変回路42により第１の値を可変して、出力電圧Ｖoutを高くしたり低くすることができるが、出力電圧Ｖoutが高い値であるほど、前記シャットダウン信号が出力される動作点としての第２の値が低く設定される。そのため、出力電圧Ｖoutの設定値を可変できる可変電源であっても、予め規定された最大電力を越えないように、電源装置を確実にシャットダウンすることができる。

なお、本実施例は上記各実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。出力手段や出力制限手段などは、実施例中における回路構成に限定されず、同様の趣旨の下に適宜変形が可能である。

本発明の一実施例を示す電源装置の回路構成図である。同上、出力電流と出力電圧との関係を示すグラフである。従来例を示す電源装置の回路構成図である。同上、出力電流と出力電圧との関係を示すグラフである。

符号の説明

21 出力制限手段
41 出力手段
42 設定電圧可変回路（設定電圧可変手段）

Claims

設定した第１の値で出力電圧を供給する出力手段と、前記第１の値を可変する設定電圧可変手段と、前記出力手段からの出力電流と出力電圧とをそれぞれ監視し、出力電流が設定した第２の値になると出力を遮断するシャットダウン信号を出力すると共に、出力電圧が高い値であるほど前記第２の値を低く設定する出力制限手段とを備えたことを特徴とする電源装置。