JPH061940B2 - ブ−スタ電源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば蓄電池等の電圧変動要因を有する直流
電源の電圧をブースタコンバータで補償して負荷に供給
するブースタ電源装置に関し、更に詳細には、ブースタ
コンバータの過電流保護回路に関する。

〔従来の技術〕

停電時等において、電圧変動要因を有する蓄電池電源か
ら負荷に規定範囲内の電圧を供給する方式として次のも
のが知られている。

(イ) 蓄電池の直列セル数を、その出力電圧の低下と共
に逐次電磁接触器で切替えて増やす端電池方式。

(ロ) 蓄電池と負荷との間に挿入されているシリコンド
ロッパを電磁接触器で短絡してその電圧ドロップを減少
させるＳＩＤ方式。

(ハ) 電圧補償用ＤＣ／ＤＣコンバータ（以下ブースタ
コンバータと呼ぶ）を設け、この出力電圧を直流入力電
圧に重畳するブースタ電源方式。

本発明は上記のブースタ電源方式に係わるものである。
従来のブースタ電源方式を第４図で説明すると、(1)は
変動要因を有する直流電源であり、例えば商用交流電源
に接続された整流回路とこれにより充電されるバックア
ップ用蓄電池とから成る。この直流電源(1)はバイアス
用ダイオード(2)を介して負荷(3)に接続されている。
(4)はブースタコンバータであり、その入力端子が直流
電源(1)に接続され、その出力端子がバイパス用ダイオ
ードの両端に接続されている。従って、バイパス用ダイ
オード(2)がオフの時には、直流電源(1)の電圧V_iにブー
スタコンバータ(4)の出力電圧V_oが重畳されて負荷(3)に
供給され、昇圧動作になり、一方、ブースタコンバータ
(4)の出力電圧V_oが零又はこの近傍の時にはバイパス用
ダイオード(2)がオンになり、ここを通して負荷(3)に電
流が流れる。

ブースタコンバータ(4)は、直流電源(1)の一端にその一
端が接続された出力トランス(5)の１次巻線(6)と、この
１次巻線(6)の他端と直流電源(1)の他端との間に接続さ
れたトランジスタから成るスイツチ素子(7)と、トラン
ス(5)の２次巻線(8)に接続された整流平滑回路(9)と、
スイツチ素子(7)の制御回路(10)と、電流検出器(11)
と、過電流検出回路(12)とを備えている整流平滑回路
(9)の一対の出力ライン(13)，(14)はバイパス用ダイオ
ード(2)の両端に接続されている。制御回路(10)には負
荷(3)の両端電圧を検出するためのライン(15)が接続さ
れていると共に、過電流検出回路(12)が接続されてい
る。過電流検出回路(12)は、スイツチ素子(7)に直列に
接続された例えば変流器（ＣＴ）からなる電流検出器(1
1)の出力に基づいて過電流であるか否かを検出し、過電
流の時に出力電圧を垂下制御する回路である。制御回路
(10)はライン(15)で検出される負荷電圧V_Lに基づいて、
これを一定にするようにスイツチ素子(7)を制御し、且
つ過電流時には出力電圧の垂下特性が得られる様にスイ
ツチ素子(7)を制御する回路である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

第４図の回路の電流検出器(11)で検出されるスイツチ素
子(7)に流れる電流即ち１次巻線(6)の電流は、ブースタ
コンバータ出力電流I_oにほぼ比例するので、これに基づ
いて過電流検出回路(12)で過電流を検出し、オン時間を
狭くするようにスイツチ素子(7)を制御すれば、出力電
圧V_oを垂下させることができる。もし、コンバータ(4)
をブースタとして使用せずに、コンバータ(4)の出力ラ
イン(13)，(14)に負荷を直接に接続する場合には、上述
の１次側電流検出器(11)による電流検出に基づく垂下制
御で殆んど支障なく過電流保護が達成される。しかし、
第４図に示す如く、直流電源電圧V_iにコンバータ出力電
圧V_oを加算した電圧V_i＋V_oを負荷(3)に供給する場合に
は、十分な過電流制限ができない。即ち、出力電圧V_oが
非常に小さい値になった領域では出力電流I_oを制限する
ことができない。第５図はこれを説明するものであり、
コンバータ出力電流I_oの過電流制限値をI_omとすると、
第５図(B)に示す如く負荷電流I_Lの増加に対してコンバ
ータ出力電流I_oは比較的に増加し、コンバータ出力電圧
V_oが零になる点でのコンバータ出力電流I_Mは、過電流制
限値I_omよりもかなり増加した値になり、その点からコ
ンバータ出力電流I_oの増加割合が少し下がる。V_o≦０に
なると、負荷電流I_Lはバイパス用ダイオード(2)に少し
づつ移り、このバイパス用ダイオード(2)を通って電流I
_Dが流れる。この様にコンバータ出力電圧V_oが深い垂下
領域に入ったところでは、コンバータ出力電流I_oの電流
制限が十分に行なえない。次に、この理由を説明する。

電流検出器(11)は前述の如くスイツチ素子(7)でスイツ
チングされた電流を検出するが、スイツチ素子(7)及び
過電流制限回路等には動作遅れ要素が含まれている。例
えば、スイツチ素子(7)としてバイボーラトランジスタ
を使った場合にはターンオフ時に蓄積時間だけターンオ
フが遅くなり、導通時間が長くなる。従って、過電流制
限によって出力電圧V_oを小さくすべくスイツチ素子(7)
の導通時間を短かく制御してもスイッチ素子(7)の最低
導通時間には限度があり、出力電圧V_oはなかなか零には
ならない。V_o＞０である限りバイパス用ダイオード(2)
に逆バイアスを与えるので、負荷電流I_Lはバイパス用ダ
イオード(2)に移れない。即ち、負荷電流I_Lによるブー
スタコンバータ(4)内の電圧降下が出力電圧V_oより大と
なるまでバイパス用ダイオード(2)には電流が流れな
い。この様な動作により１次側の電流検出器(11)により
電流検出ではブースタコンバータ(4)の過電流を制限で
きない領域がある。コンバータ(4)の出力ライン(13)，
(14)に直接に負荷を接続する一般のＤＣ／ＤＣコンバー
タの場合にも、出力電圧V_oの小さい領域において上記と
同様の傾向はあるが、出力電圧V_oの垂下により負荷電圧
そのものが非常に低い値となるので、V_o＝０の時の出力
電流I_Mは電流制限値I_omよりも少し大きくなる程度であ
り、さほど問題にならない。しかし、ブースタコンバー
タの場合は、入力電圧V_iに出力電圧V_oを加えた電圧V_i＋
V_oを負荷電圧として供給するため、上記の如く過電流保
護を十分に行うことができない。

（電流検出器(11a)による過電流制限） 上述の如く、１次側の電流検出器(11)のみでは、十分な
過電流制限が行えないので、第４図で点線で示す如く、
ブースタコンバータ(4)の出力ライン(13)に電流検出器
(11a)を設け、出力電流I_oを直接に検出し、第６図に示
す如く過電流制限を行う方法がある。この様に出力電流
I_oを直接検出し、この検出信号により電流制限を行なう
べく、スイツチ素子(7)の導通時間を制限すると、スイ
ツチ素子(7)に動作遅れ時間があっても、V_o＝０近辺で
電流検出器(11a)に電流制限値以上の電流が流れる時
は、スイツチ素子(7)が間欠的なスイツチング動作に入
るなどして電流制限することができる。１次側の電流検
出器(11)による場合は間欠動作になると、間欠したサイ
クルは電流検出器(11)に電流が流れないので、実際は間
欠動作はできない。２次側の電流検出器(11a)は上記の
如く出力電流I_oを直接検出するので、第６図(B)に示す
如く負荷電流I_Lが増加してブースタコンバータ(4)の出
力電流I_oが制限値I_omとなったところで定電流特性を示
し、出力電圧V_oが垂下により零ボルトとなった後はI_o＝
I_omとなり、I_L−I_om＝I_Dがバイパス用ダイオード(2)に
流れる。

この様に２次側の電流検出器(11a)による電流検出は電
流制限特性上からみれば良い特性となるが、前述の間欠
動作は安定な動作とはなりにくく、一種の乱調現象とな
り、スイツチ素子(7)の動作を乱し、危険な使い方であ
る。この対策として過電流制限動作の応答を遅らせ、電
流制限制御系の利得を下げる方法があるが、応答の遅れ
は保護機能を失うことになり、利得を下げると１次側の
電流検出器(11)の場合と同じ傾向が現われ出力電流I_oの
制限が不十分となる。又、２次側に電流検出器(11a)を
設ける場合でも、トランス(5)の過渡的な飽和電流によ
るスイツチ素子(7)の破損を避ける為に、１次側の電流
検出器(11)は省くことはできないので、ブースタコンバ
ータ(4)の１次側と２次側の両方で電流検出する結果と
なり、装置の小型化及び低コスト化が困難になる。

（電流検出器(11b)による過電流制限） 上記の２次側の電流検出器(11a)による過電流制限の欠
点を解決するために、第４図で点線で示す如く、負荷電
流I_Lが流れるラインに電流検出器(11b)を設け、これに
より負荷電流I_Lを直接検出し、第７図に示す如く過電流
制限する方法がある。この電流検出器(11b)の方法で
は、ブースタコンバータ(4)の出力電流I_oが零となって
も負荷電流I_Lが過電流検出値I_om以上流れておれば、ブ
ースタコンバータの過電流検出回路(12)はV_oを完全に零
にすべくスイツチ素子(7)の導通時間を継続的に零にす
ることができる。即ち、第７図(B)において負荷電流I_L
が電流制限値I_omになるとブースタコンバータ(4)の出力
は定電流特性となって、V_oは垂下し、V_o＝０となると負
荷電流I_Lはバイパス用ダイオード(2)に転流する。転流
時又は転流後においても電流検出器(11b)にI_om以上の負
荷電流が流れておれば、ブースタコンバータ(4)のスイ
ツチ素子(7)は過電流検出回路(12)からの信号によって
完全に非導通状態となり、I_o＝０となる。即ち、ブース
タコンバータ(4)内には負荷電流は流れない。従って、
過電流制限を理想的に行うことができる。しかし、トラ
ンス(5)の過渡的飽和によるスイツチ素子(7)の破損防止
の為に電流検出器(11)を省くことができないので、結
局、２つの電流検出器(11)，(11b)を設けなければなら
ず、装置の小型化及び低コスト化が困難になる。更に、
ブースタコンバータ(4)を並列運転する場合には、その
並列台数が変る度に、電流検出器(11b)の容量を変える
か、電流制限値の設定を変える必要があり、不便であっ
た。

そこで、本発明の目的は、簡単な回路構成で負荷電流の
直接検出とほぼ同等な過電流保護特性を得ることが出来
るブースタ電源の過電流保護回路を提供することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上述の如き問題点を解決し、上記目的を達成するための
本発明に係わるブースタ電源は、ブースタコンバータの
出力トランスの１次側に設けた１つの電流検出器に接続
された第１と第２の過電流検出回路を有する。第１の過
電流検出回路は１次側の電流が第１の過電流レベル以上
であるか否かを検出するように構成され、第２の過電流
検出回路は１次側の電流が第１の過電流レベルよりも大
きな第２の過電流レベル以上であるか否かを検出するよ
うに構成されている。第１及び第２の過電流検出回路の
出力で過電流保護を行うために、第１の過電流検出回路
の過電流検出出力に応答してブースタコンバータの出力
電圧を垂下制御し、第２の過電流検出回路の過電流検出
出力に応答してブースタコンバータを一定時間停止制御
する回路が設けられている。

〔作用〕

ブースタコンバータが過電流状態になると、まず、第１
の過電流検出回路から第１の過電流レベル以上であるこ
とを示す出力が発生し、これにより、ブースタコンバー
タは、垂下制御される。ブースタ電源装置の場合には、
出力電圧を垂下制御してもブースタコンバータの出力電
流は増加して流れ続けようとする。しかし、第２の過電
流検出回路が設けられているので、第２の過電流レベル
以上の電流が流れると、これが検出され、ブースタコン
バータが一定時間停止制御される。この結果、ブースタ
コンバータの出力電流は零になり、バイパス用ダイオー
ドを通って負荷電流が流れる。従って、負荷電流を直接
検出する方式と同等の過電流保護特性を得ることができ
る。なお。電流検出器は出力トランスの１次側に設けら
れているので、出力トランスの過渡的飽和に基づく過電
流制限を行うことも可能である。

〔実施例〕 次に、本発明の実施例に係わるブースタ電源装置を第１
図〜第３図によって説明する。但し、第１図及び第２図
において符号(1)〜(15)で示すものは、第４図で同一符
号で示すものと実質的に同一であるので、その説明を省
略する。

第１図から明らかな如く、本発明に従って、第１の過電
流検出回路(12)の他に、第２の過電流検出回路(16)が設
けられ、これ等が共通の電流検出器(11)に接続されてい
る。又、第２の過電流検出回路(16)の出力段には、この
過電流検出出力に応答して一定時間（３〜５秒）の停止
制御信号を達出するタイマ(17)が設けられている。制御
回路(10a)は、第１の過電流検出回路(12)の出力に応答
して垂下制御をなし、タイマ(17)の出力に応答して停止
制御をなす。第１の過電流検出回路(12)における第１の
過電流検出レベルI_mは定格出力電流に対して１１０％に
設定され、第２の過電流検出回路(16)の第２の過電流検
出レベルI_om′は定格出力電流に対して１２０％に設定
されている。

第２図は第１図のブースタコンバータ(4a)を詳しく示す
ものである。出力整流平滑回路(9)は、整流用ダイオー
ド(18)と、平滑用ダイオード(19)と、平滑用リアクトル
(20)と、平滑用コンデンサ(21)とから成る。

電流検出器(11)は、スイツチ素子(7)としてのトランジ
スタに直列に接続された変流器（ＣＴ）から成り、出力
トランス(5)の１次巻線(6)及びスイツチ素子(7)に流れ
る電流波形に対応した波形を出力する。なお、この電流
検出器(11)の出力は既に説明したように出力電流I_oに対
応している。

第１の過電流検出回路(12)は、比較器(23)と第１の基準
電圧源(24)とから成る。比較器(23)の反転入力端子は電
流検出器(11)に接続され、非反転入力端子は基準電圧源
(24)に接続されているので、第１の基準電圧源(24)から
与えられる第１の過電流検出レベルI_mに対応する第１の
基準電圧V₁よりも電流検出器(11)の出力が大きくなる
と、比較器(23)は過電流を示す低レベル出力を送出す
る。

第２の過電流検出回路(16)は、比較器(25)と第２の基準
電圧源(26)とから成る。比較器(25)の非反転入力端子は
電流検出器(11)に接続され、反転入力端子は第２の基準
電圧源(26)に接続されているので、第２の基準電圧源(2
6)から与えられる第２の過電流検出レベルIo_om′に対応
する第２の基準電圧V₂よりも電流検出器(11)の出力が大
きくなると、比較器(25)は過電流を示し高レベル出力を
送出する。

タイマ(17)は、前段の比較器(25)の出力の低レベルから
高レベルへの転換即ち第２の過電流検出レベルI_om′よ
りも出力電流I_oが大きくなったことを示す出力に応答し
てトリガされる単安定マルチバイブレータから成り、一
定時間（例えば３〜５秒）だけ低レベルの停止制御信号
を送出する。

制御回路(10a)は、電圧制御用誤差増幅器(27)と、基準
電圧源(28)と、比較器(29)と、三角波発生器(30)と、駆
動回路(34)と、３つのダイオード(31)，(32)，(33)とか
ら成る。誤差増幅器(27)の非反転入力端子は負荷電圧検
出ライン(15)に接続され、反転入力端子は基準電圧源(2
8)に接続されているので、両入力の差に対応した出力が
比較器(29)の反転入力端子に入力する。比較器(29)は、
三角波発生器(30)から非反転入力端子に供給される三角
波と反転入力端子に供給される誤差出力とを比較し、誤
差出力よりも三角波電圧が高い期間に対応して高レベル
の出力パルスを発生する。この高レベルの出力パルスが
ダイオード(31)と駆動回路(34)とを介してスイツチ素子
(7)としてのトランジスタのベースに供給され、スイツ
チ素子(7)がオン制御される。従って、スイツチ素子(7)
のオン・オフ周期は三角波の周期に一致する。過電流状
態でない場合には、ダイオード(32)，(33)はオフに保た
れ、第１及び第２の過電流検出回路(12)，(16)はスイツ
チ素子(7)のオン・オフ制御に無関係である。

（過電流時の動作） 第１図及び第２図の回路で出力電流I_oが第１の過電流検
出レベルI_m以上になると、第１の過電流検出回路(12)に
よってこれが検出され、この出力が低レベルになる。こ
の結果、ダイオード(33)が導通状態となり、制御バルス
形成用の比較器(29)の出力ラインがダイオード(33)と比
較器(23)とを介して低レベル状態となり、制御バルスの
幅が制限される。このため、スイツチ素子(7)のオン期
間が短かくなり、出力電圧V_oが第３図(A)に示す如く垂
下する。この様に第１の過電流検出回路(12)によって出
力電圧V_oが垂下制御されても、第４図の従来回路で説明
した様に、出力電流I_oは負荷電流I_Lと共に増加する。し
かし、第３図(B)に示す第２の過電流検出レベルI_om′ま
で増加すると、第２の過電流検出回路(16)の出力が高レ
ベルに転換し、タイマ(17)がトリガされ、タイマ(17)か
ら一定時間の低レベル出力が発生する。従って、比較器
(29)から高レベルの制御パルスが発生しても、ダイオー
ド(32)を介してタイマ(17)に流れ込み、スイツチ素子
(7)には供給されない。この結果、タイマ(17)が低レベ
ル状態の期間は、スイツチ素子(7)が停止制御される。
これにより、ブースタコンバータ(4a)は運転動作を停止
し、出力電圧V_o、出力電流I_oは零となり、負荷電流I_Lは
バイパス用ダイオード(2)を介して供給される。即ち、
負荷電流I_LがI_om′に達すると、I_o＝０となり、I_L＝I_D
となって過電流のすべてをバイパス用ダイオード(2)が
負担する。タイマ(17)の時限動作が解けると、再び制御
回路(10a)が正常に動作してスイツチ素子(7)に駆動信号
を送出し、出力電圧V_oが現われ、負荷電流I_Lはバイパス
用ダイオード(2)からブースタコンバータ(4a)側に移ろ
うとする。この時、過負荷条件が解けてI_L＜I_omとなっ
ておれば、ブースタコンバータ(4a)は負荷電圧を補償す
るに必要な出力電圧を発生し、一方、I_om＜I_L＜I_om′の
範囲の負荷電流条件であれば、垂下状態を継続し、I_L＜
I_omの条件が成立され次第電圧補償動作に自動復帰す
る。

また、I_L＞I_om′の過負荷条件が継続している場合は、
出力電圧V_oは零から立上る途中においてI_o＝I_om′とな
るので、再度第２の過電流検出回路(16)がこの過電流を
検出してタイマ(17)によるブースタコンバータ(4a)の動
作停止時限に入り、負荷電流I_Lは完全にバイパス用ダイ
オード(2)側に流れ、I_o＝０となる。I_L＞I_om′の状態が
継続すればブースタコンバータ(4a)はタイマ(17)の有す
る時限によって動作と停止とを繰り返す。この繰り返し
動作において、停止時間中に一担I_o＝０となるので、I_L
＞I_om′の条件でタイマ(17)の停止時限が解けてブース
タコンバータ(4a)が再度動作状態に入っても整流平滑回
路(9)内のリアクトル(20)によってI_oは瞬時にI_Lになる
ことはなく、零からI_om′に増加するまでに一定の時間
を要する。即ち、I_L＜I_om′の状態が継続してブースタ
コンバータ(4a)が動作と停止とを繰り返しても、スイツ
チ素子(7)やダイオード(18)に過大な電流が流れること
なく、ブースタコンバータ(4a)の過電流保護動作が可能
となる。従って、このブースタコンバータ(4a)の過電流
制限特性は第４図で電流検出器(11b)を使用する場合を
示す第７図とほゝ同等になる。

更にブースタコンバータを並列運転する場合には、各ブ
ースタコンバータのタイマ(17)に、各ブースタコンバー
タの第２の過電流検出回路(16)の出力をＯＲゲートを介
して加えるか、又は特定されたブースタコンバータのタ
イマ(17)を複数台のブースタコンバータで共用し、この
共通のタイマ(17)に各ブースタコンバータの第２の過電
流検出回路(16)の出力をＯＲ入力させ、共通のタイマ(1
7)の出力を各ブースタコンバータの停止制御信号として
供給してもよい。これにより、いずれかのブースタコン
バータがI_o＝I_om′となった時に、すべてのブースタコ
ンバータが一定時間停止状態になる。従って、ブースタ
コンバータの並列運転台数が変っても、第４図の電流検
出器(11b)を使用する場合の欠点、即ち、電流検出器(11
b)の設定変更又は変換等の問題が生じない。

（変形例） 本発明は上述の実施例に限定されるものでなく、変形可
能なものである。例えば、電流検出器(11)を電流検出抵
抗によって構成してもよい。また、垂下制御を、比較器
(29)の出力段で行わず、入力側で行ってもよい。即ち、
比較器(29)のいずれか一方の入力レベルを変えることに
より、垂下特性を得る様に構成してもよい。また、タイ
マ(17)の出力による停止制御を比較器(29)の出力段で行
わずに、入力側で行ってもよい。

〔発明の効果〕

上述から明らかな如く、本発明によれば、従来の負荷電
流を直接に検出して過電流制限を行う方法と同等の過電
流制限特性を、出力トランスの１次側の電流検出器のみ
を使用した簡単な回路構成で得ることができる。また、
負荷電流を直接検出していないので、ブースタコンバー
タの並列運転時における過電流保護を容易に達成するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係わるブースタ電源装置を示
す回路図、 第２図は第１図のブースタコンバータを詳しく示す回路
図、 第３図は第１図の装置の過電流保護特性図、 第４図は従来のブースタ電源装置を示す回路図、 第５図、第６図及び第７図は第４図の装置の過電流保護
特性図である。 (1)…直流電源、(2)…バイパス用ダイオード、(3)…負
荷、(4a)…ブースタコンバータ、(5)…出力トランス、
(6)…１次巻線、(7)…スイツチ素子、(8)…２次巻線、
(9)…整流平滑回路、(10a)…制御回路、(11)…電流検出
器、(12)…第１の過電流検出回路、(16)…第２の過電流
検出回路、(17)…タイマ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 横山 勲 埼玉県飯能市南町10番13号 新電元工業株 式会社工場内 (72)発明者 清水 毅 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 伊藤 紀夫 東京都豊島区高田１丁目18番１号 オリジ ン電気株式会社内 (72)発明者 林 幸雄 埼玉県新座市北野３丁目６番３号 サンケ ン電気株式会社内 (56)参考文献 特開 昭59−61469（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−141687（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】負荷に電力を供給するための直流電源と、
   前記直流電源の電圧にその出力電圧を加える様にその出
   力端子が前記直流電源と前記負荷との間に接続されてい
   るブースタコンバータと、 前記ブースタコンバータの出力端子間に接続された負荷
   電流バイパス用ダイオーと、 から成り、前記ブースタコンバータが、直流電圧を断続
   するためのスイツチ素子と、前記スイツチ素子に接続さ
   れた出力トランスの１次巻線と、前記出力トランスの２
   次巻線に接続された整流平滑回路とを有しているブース
   タ電源装置において、 前記１次巻線を流れる電流を検出する電流検出器と、 前記電流検出器で検出した電流が第１の過電流検出レベ
   ル以上であるか否かを検出する第１の過電流検出回路
   と、 前記電流検出器で検出した電流が前記第１の過電流検出
   レベルよりも大きい第２の過電流検出レベル以上である
   か否かを検出する第２の過電流検出回路と、 前記第１の過電流検出回路から得られる前記第１の過電
   流検出レベル以上であることを示す信号に応答して前記
   ブースタコンバータの出力電圧を垂下制御し、前記第２
   の過電流検出回路から得られる前記第２の過電流検出レ
   ベル以上であることを示す信号に応答して前記ブースタ
   コンバータを一定時間停止制御する回路と を設けたことを特徴とするブースタ電源装置。