JP2012253965A - 直流電源装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】リアクトル2a,2bを介して交流電源1の両端に一対の交流入力端子が接続されるダイオードブリッジと、前記交流入力端子間に接続された双方向スイッチと、を備え、この双方向スイッチをオン・オフ制御してダイオードブリッジの入力電流を入力電圧と同位相の正弦波に保ちつつ所定の直流出力電圧を負荷10に供給する直流電源装置において、ダイオードブリッジを構成するダイオード5〜8と双方向スイッチを構成するスイッチング素子3,4とを、プリント基板上で平面的に線対称となる位置に配置し、第1の配線パターンU1と第2の配線パターンV1とを、それぞれ別のプリント基板上でほぼ同一形状に形成して両パターンU1,V1が平面的に重なり合うように配置する。
【選択図】図1
Description
図10において、1は交流電源、2a,2bは交流電源1の出力端子U,Vに各一端が接続され、各他端が後述するダイオードブリッジの入力端子U1,V1にそれぞれ接続された第1,第2のリアクトル、3,4は前記入力端子U1,V1間に互いに逆方向で直列接続された半導体スイッチング素子、5〜8はダイオードブリッジを構成するダイオード、9はダイオードブリッジの直流出力端子P,N間に接続されたコンデンサ、10はコンデンサ9の両端に接続されて直流電圧が供給される負荷である。なお、11は回路の配線インダクタンスを示す。
次に、これらの機能を実現するための動作について説明する。
スイッチング素子3をオフすると、交流電源1→リアクトル2a→ダイオード5→配線インダクタンス11→コンデンサ9→ダイオード8→リアクトル2b→交流電源1の経路で電流が流れる。このとき、リアクトル2a,2bには出力電圧Voutと入力電圧Vinとの差電圧が印加されるが、回路の動作により出力電圧Voutは入力電圧Vinのピーク値より高く保たれているので、入力電流Iinは減少する。
このため、スイッチング素子3,4のゲート駆動回路を共通化することができ、これによって構成の簡略化を図ることができる。
この特許文献1では、前記リアクトル2a,2bに相当するリアクトルが一方の交流母線だけに設けられているが、図10のように第1,第2のリアクトル2a,2bを両方の交流母線に分割して接続することにより、スイッチング素子3,4のスイッチング動作に伴って発生するノイズを低減することができる。以下、その原理を説明する。
図10において、接地コンデンサ101,102のキャパシタンスが等しく、また、リアクトル2a,2bのインダクタンスが等しいとする。出力端子U,Vの接地電位Eに対する電位は、接地コンデンサ101,102により入力電圧Vinを分圧した中点が接地電位Eとなっていることから、それぞれ+Vin/2,−Vin/2となる。
このため、入力端子U1の電位は出力端子Uの電位−VLa=Vin/2−Vin/2=0、入力端子V1の電位は出力端子Vの電位+Vin=−Vin+Vin=0となり、何れも接地電位Eに等しい。
このとき、リアクトル2a,2bには入力電圧Vinと出力電圧Voutとの差電圧が1/2ずつ加わるので、VLa=VLb=(Vin−Vout)/2となり、入力端子U1の電位、すなわち出力端子Pの電位は、Vin/2−(Vin−Vout)/2=Vout/2となり、入力端子V1の電位、すなわち出力端子Nの電位は、−Vin/2+(Vin−Vout)/2=−Vout/2となる。
よって、図10の回路においては、入力端子U1,V1の電位変動幅は入力電圧Vinによらず、出力電圧Voutのみによって決まる。
以上の説明から明らかなように、出力端子P,Nの電位は入力電圧Vinの瞬時値やスイッチング動作に関わらず、図11に示すごとく、一定の直流値すなわち(+Vout/2),(−Vout/2)となる。このとき、対地寄生キャパシタンス105を介して流れる漏洩電流はほぼ0であるので、これによるノイズの発生は防止される。
しかしながら、入力端子U1,V1にも対地寄生キャパシタンス103,104が存在し、スイッチングに伴う各端子U1,V1の電位変動によりこれらのキャパシタンス103,104を介して漏洩電流が流れる。このため、図10の従来技術ではノイズの発生を十分に抑制することができないという問題があった。
前記ダイオードブリッジの一対の交流入力端子間に接続された双方向スイッチと、を備え、
前記双方向スイッチをオン・オフ制御して前記ダイオードブリッジの入力電流を入力電圧と同位相の正弦波に保ちつつ所定の直流出力電圧を前記負荷に供給する直流電源装置において、
前記ダイオードブリッジを構成するダイオードと前記双方向スイッチを構成する半導体スイッチング素子とを、プリント基板上で平面的に線対称となる位置に配置すると共に、
前記ダイオードブリッジの一方の交流入力端子と前記双方向スイッチの一端とを接続する第1の配線パターンと、前記ダイオードブリッジの他方の交流入力端子と前記双方向スイッチの他端とを接続する第2の配線パターンとを、それぞれ別のプリント基板上に形成してこれらのプリント基板を積層し、
前記第1の配線パターン及び前記第2の配線パターンをほぼ同一形状に形成して両配線パターンが平面的に重なり合うように配置したものである。
前記ダイオードブリッジの一対の交流入力端子間に接続された双方向スイッチと、を備え、
前記双方向スイッチをオン・オフ制御して前記ダイオードブリッジの入力電流を入力電圧と同位相の正弦波に保ちつつ所定の直流出力電圧を前記負荷に供給する直流電源装置において、
前記ダイオードブリッジを構成するダイオードと前記双方向スイッチを構成する半導体スイッチング素子とを、平面的に線対称となる位置に配置すると共に、
前記ダイオードブリッジの一方の交流入力端子と前記双方向スイッチの一端とを接続する第1の金属バーと、前記ダイオードブリッジの他方の交流入力端子と前記双方向スイッチの他端とを接続する第2の金属バーとを互いに絶縁しつつ積層し、
前記第1の金属バー及び前記第2の金属バーをほぼ同一形状に形成して両金属バーが平面的に重なり合うように配置したものである。
まず、図1は、本発明の第1実施形態の主要部を示すものである。図1(a),(b),(c)は、図10に示した回路構成の直流電源装置を構成する場合に、各素子を実装するために使用されるプリント基板201,202,203を平面的に(上面から)見た部品配置及び配線パターン(左側に示した図)、並びに、その配線パターンの回路上の部位(右側に示した回路の太線部分)を示している。
また、図1(d)は、プリント基板201,202,203を側面から見た図である。但し、見易くするために、プリント基板及び配線パターンの厚さは実際よりも誇張してある。
なお、図1(a)における冷却面とは、図示されていない冷却フィンを取り付けて部品を冷却するために、部品内部の半導体チップと表面までの熱抵抗を低くしている面である。
また、図1(c)に示すプリント基板203には、第3層の配線パターンが形成されている。この第3層には、ダイオード7のアノード、ダイオード8のカソード、スイッチング素子4のドレインを接続する配線パターンV1(請求項における第2の配線パターン)が形成されている。
勿論、各配線パターンが形成される層は、上記の例に何ら限定されるものではなく、例えば、第2層、第3層を入れ替えてもよい。
このため、図1(d)に示すように、プリント基板202,203を積層すると、配線パターンU1と配線パターンV1(ダイオードブリッジの入力端子に相当する)とは、各素子との接続部分を除けば、平面的にほぼ重なり合うことになる。
図示するように、配線パターンU1とフレームEとの間には寄生キャパシタンス103が存在すると共に、配線パターンV1とフレームEとの間には寄生キャパシタンス104が存在する。寄生キャパシタンス103,104は、実際には空間に分布しているが、図1(d)では複数のコンデンサを並列に配置することで模式的に表してある。
一方、図11に示したように、入力端子U1の電位すなわち寄生キャパシタンス103の両端電圧と、入力端子V1の電位すなわち寄生キャパシタンス104の両端電圧とは、逆向きで大きさが等しい。従って、寄生キャパシタンス103,104を介して流れる漏洩電流も、逆向きで大きさが等しくなる。更に、寄生キャパシタンス103,104を構成する模式的な各コンデンサは、平面的にほとんど同じ位置に分布しているので、寄生キャパシタンス103の漏洩電流Iuはそのまま寄生キャパシタンス104の漏洩電流Ivとなって最短距離で回路内を循環するため、外部への流出がほとんどなくなる。
図3(a),(b),(c)は、図2に示した直流電源装置を構成する場合のプリント基板301,302,303を平面的に見た部品配置及び配線パターン(左側に示した図)、並びに、対応する回路図(右側に示した図)である。これらの図3(a),(b),(c)及び図2では、同一部品に同一番号を付してある。
なお、図3(a),(b),(c)において、Cはスイッチング素子20,21のコレクタ、Eはエミッタ、Gはゲートを示している。
また、図3(b)の配線パターンU1は、各素子との接続部分を除けば、前記中心線C1,C2を基準として線対称の形状であり、図3(c)の配線パターンV1も、同様に前記中心線C1,C2を基準として線対称の形状である。更に、配線パターンU1と配線パターンV1とは、各素子との接続部分を除けばほぼ同一形状であるため、プリント基板302,303を積層した際に、配線パターンU1と配線パターンV1とは、各素子との接続部分を除けば、平面的にほぼ重なり合うことになる。
この第2実施形態の作用効果は実質的に第1実施形態と同様であり、図2の寄生キャパシタンス103,104を介して外部に流れる漏洩電流を減少させることができる。
なお、図11に示した原理により、中性点Mは出力端子P,Nの中間電位すなわち接地電位Eに保たれるため、中性点Mをフレームに直接接続することも可能である。
図5(a),(b),(c)は、図4に示した直流電源装置を構成する場合のプリント基板401,402,403を平面的に見た部品配置及び配線パターン(左側に示した図)、並びに、対応する回路図(右側に示した図)である。これらの図5(a),(b),(c)及び図4では、同一部品に同一番号を付してある。
なお、図5(a)において、M2,M3は、スイッチング素子31,33のソース同士、スイッチング素子32,34のソース同士をそれぞれ接続する配線パターンである。
また、図5(b)の配線パターンU1は、各素子との接続部分を除けば、前記中心線C1,C2を基準としてほぼ線対称の形状であり、図5(c)の配線パターンV1も、同様に前記中心線C1,C2を基準としてほぼ線対称の形状である。更に、配線パターンU1と配線パターンV1とは、平面的にほぼ同一形状であり、プリント基板402,403を積層した際に、配線パターンU1と配線パターンV1とが平面的にほぼ重なり合うようになっている。
この第3実施形態の作用効果も実質的に第1実施形態、第2実施形態と同様であり、図4の寄生キャパシタンス103,104を介して外部に流出する漏洩電流を減少させることができる。
この場合、出力電圧Voutが等しければ、図2のスイッチング素子20,21に比べて1/2の耐圧を有するスイッチング素子41〜44を用いることができる。また、中性点Mをフレームに直接接続することも可能である。
図7(a),(b),(c)は、図6に示した直流電源装置を構成する場合のプリント基板501,502,503を平面的に見た部品配置及び配線パターン(左側に示した図)、並びに、対応する回路図(右側に示した図)である。これらの図7(a),(b),(c)及び図6では、同一部品に同一番号を付してある。
なお、図7(a)において、Mはスイッチング素子41,43のエミッタ及びスイッチング素子42,44のコレクタを一括して接続する配線パターンであり、中性点Mと電気的に等価である。
また、図7(b)の配線パターンU1は、各素子との接続部分を除けば、平面的に前記中心線C1,C2を基準としてほぼ線対称の形状であり、図7(c)の配線パターンV1も、同様に前記中心線C1,C2を基準としてほぼ線対称の形状である。更に、配線パターンU1と配線パターンV1とは、各素子との接続部分を除けば、平面的にほぼ同一形状であり、プリント基板502,503を積層すると、配線パターンU1と配線パターンV1とは平面的にほぼ重なり合うことになる。
この第4実施形態の作用効果も実質的に第1〜第3実施形態と同様であり、図6の寄生キャパシタンス103,104を介して外部に流れる漏洩電流を減少させることができる。
これらの双方向スイッチを用いた場合の対応する配線パターンは図示を省略するが、前述した各実施形態と同様に、配線パターンU1,V1を極力同一形状で重なり合うようにすることで、寄生キャパシタンスを介した漏洩電流の流出を最小限にすることができる。
2a,2b:リアクトル
3,4:半導体スイッチング素子
5,6,7,8:ダイオード
9,9a,9b:コンデンサ
10:負荷
11:配線インダクタンス
20,21,31,32,33,34,41,42,43,44:半導体スイッチング素子
101,102:接地コンデンサ
103,104,105:対地寄生キャパシタンス
201,202,203:プリント基板
301,302,303:プリント基板
401,402,403:プリント基板
501,502,503:プリント基板
600:冷却板
P,N:配線パターン(出力端子)
U,V:出力端子
U1,V1:配線パターン(入力端子)
M1,M2,M3:配線パターン
M:配線パターン(中性点)
E:フレーム(接地電位)
D1〜D4:ダイオード
Q1,Q2:半導体スイッチング素子
T1,T2:端子
Claims (2)
- 一方の交流入力端子が第1のリアクトルを介して交流電源の一端に接続され、かつ、他方の交流入力端子が第2のリアクトルを介して交流電源の他端に接続されると共に、直流出力端子が負荷に接続されるダイオードブリッジと、
前記ダイオードブリッジの一対の交流入力端子間に接続された双方向スイッチと、を備え、
前記双方向スイッチをオン・オフ制御して前記ダイオードブリッジの入力電流を入力電圧と同位相の正弦波に保ちつつ所定の直流出力電圧を前記負荷に供給する直流電源装置において、
前記ダイオードブリッジを構成するダイオードと前記双方向スイッチを構成する半導体スイッチング素子とを、プリント基板上で平面的に線対称となる位置に配置すると共に、
前記ダイオードブリッジの一方の交流入力端子と前記双方向スイッチの一端とを接続する第1の配線パターンと、前記ダイオードブリッジの他方の交流入力端子と前記双方向スイッチの他端とを接続する第2の配線パターンとを、それぞれ別のプリント基板上に形成してこれらのプリント基板を積層し、
前記第1の配線パターン及び前記第2の配線パターンをほぼ同一形状に形成して両配線パターンが平面的に重なり合うように配置したことを特徴とする直流電源装置。 - 一方の交流入力端子が第1のリアクトルを介して交流電源の一端に接続され、かつ、他方の交流入力端子が第2のリアクトルを介して交流電源の他端に接続されると共に、直流出力端子が負荷に接続されるダイオードブリッジと、
前記ダイオードブリッジの一対の交流入力端子間に接続された双方向スイッチと、を備え、
前記双方向スイッチをオン・オフ制御して前記ダイオードブリッジの入力電流を入力電圧と同位相の正弦波に保ちつつ所定の直流出力電圧を前記負荷に供給する直流電源装置において、
前記ダイオードブリッジを構成するダイオードと前記双方向スイッチを構成する半導体スイッチング素子とを、平面的に線対称となる位置に配置すると共に、
前記ダイオードブリッジの一方の交流入力端子と前記双方向スイッチの一端とを接続する第1の金属バーと、前記ダイオードブリッジの他方の交流入力端子と前記双方向スイッチの他端とを接続する第2の金属バーとを互いに絶縁しつつ積層し、
前記第1の金属バー及び前記第2の金属バーをほぼ同一形状に形成して両金属バーが平面的に重なり合うように配置したことを特徴とする直流電源装置。
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