JP5489075B2

JP5489075B2 - 直流電源回路

Info

Publication number: JP5489075B2
Application number: JP2010140457A
Authority: JP
Inventors: 昌俊沓掛
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2010-06-21
Filing date: 2010-06-21
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2030-06-21
Also published as: JP2012005317A

Description

本発明は、入力端子に与えられる直流電源の入力電圧を、電圧変換回路を介して出力端子に接続される負荷に与える直流電源回路であって、前記入力電圧の印加時に前記入力端子間に接続された電圧保持用のコンデンサに流入する突入電流を、突入電流制御回路からの制御信号により所定時間制限する突入電流制限回路と、前記電圧変換回路に流入する電流が所定値以上であるとき、前記電圧変換回路の出力と前記負荷とを接続するスイッチ手段を開に操作する過電流検出回路と、を具備する直流電源回路に関するものである。

図５は、従来の直流電源回路の構成例を示す機能ブロック図である。直流電源回路の基本構成は、入力端子Ｔ１，Ｔ２に与えられる直流電源１の入力電圧Ｖｉｎを、電圧変換回路６を介してて電圧Ｖｏｕｔに変換し、出力端子Ｔ３，Ｔ４に接続される負荷２に与える。

突入電流制限回路３は、入力電圧のＶｉｎの印加時に、入力端子Ｔ１，Ｔ２間に接続された電圧保持用のコンデンサ４に流入する突入電流Ｉｒ１を所定時間制限する。突入電流制限回路３は、突入電流制限抵抗３１（Ｒ１）と、この突入電流制限抵抗３１に並列接続された短絡スイッチ３２（ＳＷ１）と、この短絡スイッチ３２を操作信号Ｐで開閉する突入電流制御回路３３よりなる。

突入電流制御回路３３は、操作信号Ｐにより入力電圧のＶｉｎの印加時に短絡スイッチ３２（ＳＷ１）を開に操作し、電圧変換回路６の入力電圧が所定の動作電圧に達したタイミングで出力される制限解除信号Ｓを取得して短絡スイッチ３２（ＳＷ１）を閉に操作する。

過電流検出回路５は、電圧変換回路６に流入する電流Ｉｒ２が所定値以上であるとき、後述する電圧変換回路６の出力と負荷２とを接続するスイッチ手段６２（ＳＷ２）を開に操作し、負荷２への出力電圧供給を遮断する。

過電流検出回路５は、電流Ｉｒ２の電流検出抵抗５１（Ｒ２）と、この電流検出抵抗５１に発生する電圧を所定スパンの検出電圧Ｖｉｒ２に変換する電流／電圧変換回路５２と、検出電圧Ｖｉｒ２と過電流検出設定電圧Ｖｏｃｄ１を比較し、Ｖｉｒ２＞Ｖｏｃｄ１の状態で過電流検出信号Ｃ１を出力するコンパレータ５３よりなる。

電圧変換回路６の主体は、スイッチングレギュレータ等で構成されるＤＣ／ＤＣコンバータ６１である。ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、コンデンサ４の端子間電圧Ｖｃａｐを入力し、所定の定電圧に変換した出力電圧Ｖｏｕｔをスイッチ手段６２（ＳＷ２）を介して出力端子Ｔ３，Ｔ４に接続される負荷２に与える。

電圧変換回路６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１の入力電圧Ｖｃａｐと作動開始設定電圧Ｖｒｅｇとを比較し、Ｖｃａｐ＞Ｖｒｅｇの状態で作動開始信号Ｃ２を出力するコンパレータ６３と、この作動開始信号Ｃ２を入力し、Ｖｃａｐ≦Ｖｒｅｇでスイッチ手段６２を開に操作し、Ｖｃａｐ＞Ｖｒｅｇでスイッチ手段６２（ＳＷ２）を閉に操作する論理回路６４を備える。

論理回路６４は、過電流検出信号Ｃ１も入力し、Ｖｉｒ２＞Ｖｏｃｄ１の状態では、スイッチ手段６２（ＳＷ２）を強制的に開に操作し、負荷２に対するする出力電圧Ｖｏｕｔの供給を遮断し、過電流を防止する。

図６は、図５の動作を説明する波形図である。図６（Ａ）は、時刻ｔ１で入力端子Ｔ１，Ｔ２間にステップ的に印加される直流電圧Ｖｉｎを示す。図６（Ｂ）は、時刻ｔ１より突入電流制限抵抗３１の抵抗値Ｒ１と自己の容量による所定の時定数で上昇するコンデンサ４の端子間電圧Ｖｃａｐを示す。

ここで、Ｖｃａｐは、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１の入力電圧である。図６（Ｂ）のＶｃａｐに対して設定されるレベルＶｒｅｇは、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１の動作開始電圧、Ｖｒａｔｅｄは、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１の定格出力電圧であり、負荷２に対する出力電圧Ｖｏｕｔとなる。

図６（Ｃ）は、突入電流制限抵抗３１（Ｒ１）に並列接続された短絡スイッチ３２（ＳＷ１）の動作を示す。短絡スイッチ３２（ＳＷ１）は、時刻ｔ１のＶｉｎの印加時では開に操作されて突入電流の制限モードであるが、時刻ｔ３でＤＣ／ＤＣコンバータ６１が定格出力電圧Ｖｒａｔｅｄに達したタイミングで出力される制限解除信号Ｓより、突入電流制御回路３３からの操作信号Ｐで開から閉に操作される。これにより、Ｉｒ１×Ｒ１の電力損失をなくす。

図６（Ｄ）は、突入電流制限回路３に流れる突入電流Ｉｒ１の波形である。時刻ｔ１より作動している突入電流制限回路３の機能により所定のピーク値に達した後に下降する。時刻ｔ２でＶｃａｐがＶｒｅｇに達した以降は、スイッチ手段６２（ＳＷ２）が閉に操作されてＤＣ／ＤＣコンバータ６１の動作が開始されるので、Ｉｒ１は再び上昇する。

図６（Ｅ）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１の入力電流Ｉｒ２の波形を示す。時刻ｔ２よりＩｒ２流れ始めるが、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は一定電力で動作するので、入力電圧Ｖｃａｐが定格電圧Ｖｒａｔｅｄより低い場合には入力電流Ｉｒ２が増加する。これは、一過性の過電流である。

Ｉｒ２が上昇し、時刻ｔ１〜ｔ３の突入電流制限中の期間Ｔの途中で一過性の過電流が流れ、所定期間τの期間で過電流検出電圧Ｖｉｒ２が過電流検出設定電圧Ｖｏｃｄ１を超える状態が発生する。

図６（Ｆ）は、過電流検出回路５のコンパレータ５３の出力Ｃ１の波形を示す。即ち、突入電流制限中の期間Ｔの途中の所定期間τでコンパレータ５３の出力Ｃ１がＨ状態に遷移する。

コンパレータ出力Ｃ１を入力する論理回路６４は、Ｃ１の遷移によりスイッチ手段６２（ＳＷ２）を強制的に開に操作するので、負荷２に対するＤＣ／ＤＣコンバータ６１の出力電圧の供給は遮断される。

図６（Ｇ）は、負荷２に印加されるＤＣ／ＤＣコンバータ６１の出力電圧Ｖｏｕｔの波形を示す。時刻ｔ２のＤＣ／ＤＣコンバータ６１の動作開始時刻より時刻ｔ３の定格電圧Ｖｒａｔｅｄに向かって上昇した電圧は、途中の所定期間τで過電流検出のためにスイッチ手段６２（ＳＷ２）が強制的に開に操作される。これにより、負荷２への電流供給が遮断されるので、負荷２が備える時定数に従い出力電圧Ｖｏｕｔが下降する。

τの期間経過後に過電流検出回路５の動作が停止し、コンパレータ５３の出力Ｃ１がＬに遷移すればスイッチ手段６２は閉に復帰するので、出力電圧Ｖｏｕｔは再び上昇し、時刻ｔ３でＤＣ／ＤＣコンバータ６１の定格出力電圧Ｖｒａｔｅｄに達し、以降この電圧を維持する。

特開平５−２１９７３３号公報

一般に、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１に供給する電力は一定のため、突入電流制限期間中において、入力電圧Ｖｃａｐが、Ｖｒａｔｅｄ＞Ｖｃａｐ＞Ｖｒｅｇの期間に一過性の過電流Ｉｒ２が流れる。この一過性の過電流Ｉｒ２を過電流検出回路５が検出すると、一定期間（τ）負荷２対する電圧変換回路６の出力電圧の供給を停止してしまう。そのため、図６（Ｇ）に示すように、出力電圧Ｖｏｕｔの立上り波形に歪が生じる。

本発明の目的は、突入電流制限期間中に電圧変換回路に一過性の過電流が流れても、この過電流の検出を停止することを可能とした直流電源回路を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）入力端子に与えられる直流電源の入力電圧を、電圧変換回路を介して出力端子に接続される負荷に与える直流電源回路であって、前記入力電圧の印加時に前記入力端子間に接続された電圧保持用のコンデンサに流入する突入電流を、突入電流制御回路からの制御信号により所定時間制限する突入電流制限回路と、前記電圧変換回路に流入する電流が所定値以上であるとき、前記電圧変換回路の出力と前記負荷とを接続するスイッチ手段を開に操作する過電流検出回路と、を具備する直流電源回路において、
前記突入電流が制限される前記所定時間中に、前記過電流検出回路による前記スイッチ手段の操作を停止させる過電流検出無効化手段を備え、
前記過電流検出無効化手段は、前記突入電流制御回路からの制御信号により、前記過電流検出回路を形成するコンパレータの出力を停止させることを特徴とする直流電源回路。

（２）入力端子に与えられる直流電源の入力電圧を、電圧変換回路を介して出力端子に接続される負荷に与える直流電源回路であって、前記入力電圧の印加時に前記入力端子間に接続された電圧保持用のコンデンサに流入する突入電流を、突入電流制御回路からの制御信号により所定時間制限する突入電流制限回路と、前記電圧変換回路に流入する電流が所定値以上であるとき、前記電圧変換回路の出力と前記負荷とを接続するスイッチ手段を開に操作する過電流検出回路と、を具備する直流電源回路において、
前記突入電流が制限される前記所定時間中に、前記過電流検出回路による前記スイッチ手段の操作を停止させる過電流検出無効化手段を備え、
前記過電流検出無効化手段は、前記突入電流制御回路からの制御信号により、前記過電流検出回路を形成するコンパレータに対する過電流検出の設定値を変更することを特徴とする直流電源回路。

（３）前記突入電流制御回路は、前記電圧変換回路の入力電圧が所定値超えてから定格出力値に達する期間に、前記電圧変換回路から与えられる操作信号に基づいて前記制御信号を出力することを特徴とする（１）または（２）に記載の直流電源回路。

（４）前記電圧変換回路は、前記直流電源の印加時より前記電圧変換回路の入力電圧が所定値を超えるまでの期間中は、前記スイッチ手段を開に操作するスイッチ操作手段を供えることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の直流電源回路。

（５）前記電圧変換回路は、前記負荷への印加電圧を一定値に制御するＤＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の直流電源回路。

本発明によれば、突入電流を制限している期間中に発生する一過性の過電流に対して過電流検出回路の過電流検出を停止させることが可能であり、出力電圧Ｖｏｕｔの立上り波形の歪を発生させることを防止することができる。

本発明を適用した直流電源回路の一実施例を示す機能ブロック図である。図１の動作を説明する波形図である。本発明を適用した直流電源回路の他の実施例を示す機能ブロック図である。図３の動作を説明する波形図である。従来の直流電源回路の構成例を示す機能ブロック図である。図５の動作を説明する波形図である。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明を適用した直流電源回路の一実施例を示す機能ブロック図である。図５で説明した従来回路と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

本発明を適用した直流電源回路の基本構成は、図５で説明した従来構成及び図６で説明した動作と同一であるため、重複説明は省略する。従来構成に追加された本発明の特徴部は、短絡スイッチ３２の開閉を操作する突入電流制御回路３３の操作信号Ｐを、過電流検出回路５のコンパレータ５３のＯＥ（Output Enable）端子に導く過電流検出無効化手段１００を設けた構成にある。

操作信号Ｐは、直流電圧Ｖｉｎの印加時から、ＤＣ／ＤＣコンバータの動作開始を示す突入電流制限解除指令Ｓの発生まではＬレベルに保持されるので、この信号Ｐを利用して突入電流制限期間に同期してコンパレータ５３の機能を停止させ、出力Ｃ１の発生を阻止する。

コンパレータ５３の出力Ｃ１の発生を阻止することにより、突入電流制限期間中にＤＣ／ＤＣコンバータ６１に一過性の過電流Ｉｒ２が流れても、見かけ上これを検出しないようにすることが可能となり、出力電圧Ｖｏｕｔの立上り波形に歪が生じる惧れはなくなる。

図２は、図１の動作を説明する波形図である。図２（Ａ）乃至図２（Ｇ）は、図６（Ａ）乃至図６（Ｇ）に対応している。図２（Ａ）乃至図２（Ｅ）は、図６（Ａ）乃至図６（Ｅ）と同一同一の波形を示しており、重複説明を省略する。

図２（Ｆ）は、過電流検出回路５のコンパレータ５３の出力Ｃ１の波形を示す。突入電流制限期間中は、過電流検出の機能を停止しているので、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１に一過性の過電流Ｉｒ２が流れても、コンパレータ５３の出力Ｃ１の遷移は発生せず、スイッチ手段６２は閉状態を維持する。従って、図２（Ｇ）に示すように、突入電流制限期間中に出力電圧Ｖｏｕｔの変動は発生せず、スムーズな立ち上がり特性を実現することができる。

図３は、本発明を適用した直流電源回路の他の実施例を示す機能ブロック図である。図１に示した実施例との相違点は、突入電流制限期間中に過電流検出回路５のコンパレータ５３の機能は停止させず、突入電流制限期間中の過電流検出設定電圧を定常値Ｖｏｃｄ１から一過性電流を検出しない、Ｖｏｃｄ１よりは高い設定電圧Ｖｏｃｄ２に切換える構成にある。

過電流検出の設定電圧Ｖｏｃｄ１と設定電圧Ｖｏｃｄ２を切換えてコンパレータ５３の設定端子に供給するための切換えスイッチ５４を、突入電流制御回路３３からの操作信号Ｐにより切換え操作する。

図４は、図３の動作を説明する波形図である。図４（Ａ）乃至図４（Ｇ）の波形は、図２（Ａ）乃至図２（Ｇ）の波形と同一であり、重複説明を省略する。図４（Ｄ）と図４（Ｅ）の間に追加された図４（Ｈ）は、切換えスイッチ５４で切換えられるコンパレータ５３の設定端子の設定電圧Ｖｏｃｄ１と設定電圧Ｖｏｃｄ２の変化を示す。

コンパレータ５３の設定電圧は、時刻ｔ１〜ｔ３の突入電流制限期間中は、一過性過電流Ｉｒ２を検出しない高い設定電圧Ｖｏｃｄ２に維持され、ｔ３以降の突入電流制限期間終了後は定常の設定電圧Ｖｏｃｄ１に切換えられる。

このような切換えによって、突入電流制限期間中においても過電流検出回路５が一過性過電流Ｉｒ２を検出することはない。従って、コンパレータ５３の出力Ｃ１は遷移せず、スイッチ手段６２（ＳＷ２）も開に操作されることがない。これにより、図１の実施例と同様に、図４（Ｇ）に示すように突入電流制限期間中に出力電圧Ｖｏｕｔの変動は発生せず、スムーズな立ち上がり特性を実現することができる。

１直流電源
２負荷
３突入電流制限回路
３１突入電流制限抵抗
３２短絡スイッチ
３３突入電流制御回路
４コンデンサ
５過電流検出回路
５１電流検出抵抗
５２電流／電圧変換回路
５３コンパレータ
６電圧変換回路
６１ＤＣ／ＤＣコンバータ
６２スイッチ手段
６３コンパレータ
６４論理回路

Claims

入力端子に与えられる直流電源の入力電圧を、電圧変換回路を介して出力端子に接続される負荷に与える直流電源回路であって、前記入力電圧の印加時に前記入力端子間に接続された電圧保持用のコンデンサに流入する突入電流を、突入電流制御回路からの制御信号により所定時間制限する突入電流制限回路と、前記電圧変換回路に流入する電流が所定値以上であるとき、前記電圧変換回路の出力と前記負荷とを接続するスイッチ手段を開に操作する過電流検出回路と、を具備する直流電源回路において、
前記突入電流が制限される前記所定時間中に、前記過電流検出回路による前記スイッチ手段の操作を停止させる過電流検出無効化手段を備え、
前記過電流検出無効化手段は、前記突入電流制御回路からの制御信号により、前記過電流検出回路を形成するコンパレータの出力を停止させることを特徴とする直流電源回路。
入力端子に与えられる直流電源の入力電圧を、電圧変換回路を介して出力端子に接続される負荷に与える直流電源回路であって、前記入力電圧の印加時に前記入力端子間に接続された電圧保持用のコンデンサに流入する突入電流を、突入電流制御回路からの制御信号により所定時間制限する突入電流制限回路と、前記電圧変換回路に流入する電流が所定値以上であるとき、前記電圧変換回路の出力と前記負荷とを接続するスイッチ手段を開に操作する過電流検出回路と、を具備する直流電源回路において、
前記突入電流が制限される前記所定時間中に、前記過電流検出回路による前記スイッチ手段の操作を停止させる過電流検出無効化手段を備え、
前記過電流検出無効化手段は、前記突入電流制御回路からの制御信号により、前記過電流検出回路を形成するコンパレータに対する過電流検出の設定値を変更することを特徴とする直流電源回路。
前記突入電流制御回路は、前記電圧変換回路の入力電圧が所定値超えてから定格出力値に達する期間に、前記電圧変換回路から与えられる操作信号に基づいて前記制御信号を出力することを特徴とする請求項１または２に記載の直流電源回路。
前記電圧変換回路は、前記直流電源の印加時より前記電圧変換回路の入力電圧が所定値を超えるまでの期間中は、前記スイッチ手段を開に操作するスイッチ操作手段を供えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の直流電源回路。
前記電圧変換回路は、前記負荷への印加電圧を一定値に制御するＤＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の直流電源回路。