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公開番号2020025434
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200213
出願番号2019091083
出願日20190514
発明の名称電源回路
出願人オムロン株式会社
代理人特許業務法人深見特許事務所
主分類H02M 3/155 20060101AFI20200121BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】サージ電圧からスイッチング素子をより確実に保護することを可能にする電源回路を提供する。
【解決手段】電源回路10は、入力電圧を受ける第1端と、第2端とを有するコイルL1と、コイルL1の前記第2端に接続されたトランジスタTR1と、コイルL1の第2端に接続された第1のコンデンサC1と、コンデンサC1と並列に、コイルL1の第2端に接続されたサージ保護回路11とを備える。サージ保護回路11は、ダイオードと、第2のコンデンサC2と、抵抗R1とを含む。ダイオードと、第2のコンデンサC2と、抵抗R1とは、コイルL1の第2端に直列に接続される。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
入力電圧を受ける第1端と、第2端とを有するコイルと、
前記コイルの前記第2端に接続されたスイッチング素子と、
前記コイルの前記第2端に接続された第1のコンデンサと、
前記第1のコンデンサと並列に、前記コイルの前記第2端に接続されたサージ保護回路とを備え、
前記サージ保護回路は、
ダイオードと、
第2のコンデンサと、
抵抗とを含み、
前記ダイオードと、前記第2のコンデンサと、前記抵抗とは、前記コイルの前記第2端に直列に接続される、電源回路。
続きを表示(約 550 文字)【請求項2】
前記第2のコンデンサの容量は、前記第1のコンデンサの容量よりも大きい、請求項1に記載の電源回路。
【請求項3】
前記ダイオードは、ツェナーダイオードであり、
前記ツェナーダイオードのカソードは、前記コイルの前記第2端に電気的に接続され、
前記第2のコンデンサおよび前記抵抗は、前記ツェナーダイオードのアノードに直列に接続される、請求項1または請求項2に記載の電源回路。
【請求項4】
前記ツェナーダイオードの動作電圧は、前記スイッチング素子の定格電圧を下回る、請求項3に記載の電源回路。
【請求項5】
前記ツェナーダイオードの動作電圧は、前記入力電圧の設計値を上回る、請求項3または請求項4に記載の電源回路。
【請求項6】
前記ダイオードのアノードは、前記コイルの前記第2端に接続される、請求項1または請求項2に記載の電源回路。
【請求項7】
前記ダイオードのアノードは、前記コイルの前記第2端に接続され、
前記サージ保護回路は、
前記ダイオードのカソードに、前記第2のコンデンサおよび前記抵抗とともに直列接続されるツェナーダイオードをさらに含む、請求項6に記載の電源回路。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、電源回路に関し、特に降圧チョッパに関する。
続きを表示(約 8,800 文字)【背景技術】
【0002】
降圧チョッパは、DC−DCコンバータの一種である。降圧チョッパでは、入力電圧がスイッチング素子によって直接スイッチングされる。直流の入力電圧は、スイッチング素子によって高周波の電力に変換される。その変換された電圧が平滑用のチョークコイルおよびコンデンサによって、直流電圧に再度変換される(非特許文献1を参照)。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
戸川治朗著、「実用電源回路設計ハンドブック」、第22版、CQ出版株式会社、2003年8月、p.92-93
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
降圧チョッパの動作開始時には、スイッチング素子が電流の流れを遮断している。したがって、電流が平滑コンデンサに流入する。チョークコイルに瞬間的に大きな電流が流れることにより、平滑コンデンサの電圧が想定以上の大きさまで跳ね上がる。平滑コンデンサとスイッチング素子とが接続されているので、このような瞬間的な電圧の上昇によってスイッチング素子が破損する可能性がある。
【0005】
スイッチング素子の破損を防止するためには、サージ対策用の素子(典型的にはツェナーダイオード)を回路内に挿入する必要がある。スイッチング素子を保護するためにはサージ対策用素子の動作電圧をスイッチング素子の定格電圧よりも低くしなければならない。しかし、サージ対策用素子の動作電圧を低くすると、降圧チョッパの通常動作時にもサージ対策用素子が動作する可能性がある。
【0006】
サージ対策用の素子を単体で用いる場合、その動作電圧は、降圧チョッパの通常動作時の電圧よりも高く、かつ、スイッチング素子の定格電圧よりも低い必要がある。しかし、一般的に、回路素子の特性はバラツキを有する。したがって、サージ対策用の素子の動作電圧も、ある範囲内でしか保証することができない。仮に、サージ対策用素子の実際の動作電圧が、スイッチング素子の定格電圧を上回る場合、スイッチング素子が破損する可能性がある。
【0007】
本発明の目的は、サージ電圧からスイッチング素子をより確実に保護することを可能にする電源回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本開示の一例によれば、電源回路は、入力電圧を受ける第1端と、第2端とを有するコイルと、コイルの第2端に接続されたスイッチング素子と、コイルの第2端に接続された第1のコンデンサと、第1のコンデンサと並列に、コイルの第2端に接続されたサージ保護回路とを備える。サージ保護回路は、ダイオードと、第2のコンデンサと、抵抗とを含む。ダイオードと、第2のコンデンサと、抵抗とは、コイルの前記第2端に直列に接続される。
【0009】
この構成によれば、サージ電圧からスイッチング素子をより確実に保護することを可能にする電源回路を提供できる。サージが発生すると、第1のコンデンサおよび第2のコンデンサに電流が流入する。これによりサージを吸収することができる。第2のコンデンサに流入する電流は抵抗によって制限されるため、突入電流の発生を防ぐことができる。これによりコイルの第2端の電圧の上昇を抑えることができる。コイルの第2端の電圧は、スイッチング素子に印加されるので、サージ電圧からスイッチング素子をより確実に保護することができる。サージ保護回路はさらにダイオードを含む。ダイオードの電流−電圧特性を利用することにより、電源回路の回路素子の保護、あるいは電源回路の安定的な動作を実現することができる。
【0010】
上記電源回路において、第2のコンデンサの容量は、第1のコンデンサの容量よりも大きい。
【0011】
この構成によれば、入力電圧が上昇したことにより電流が増えたとしても、第2のコンデンサが充電可能であれば、その増加分の電流は第2のコンデンサに流入する。したがって、ツェナーダイオードの両端(カソード−アノード間)の電圧の上昇を抑えることができるので、ツェナーダイオードを保護することができる。
【0012】
上記電源回路において、前記ダイオードはツェナーダイオードである。ツェナーダイオードのカソードは、コイルの第2端に電気的に接続される。第2のコンデンサおよび抵抗は、ツェナーダイオードのアノードに直列に接続される。
【0013】
この構成によれば、第1のコンデンサの電圧(すなわちコイルの第2端の電圧)がツェナーダイオードの動作電圧を上回るとツェナーダイオードが動作する。ツェナーダイオードに電流が流れるとともに、その電流が第2のコンデンサに流入する。これによりサージを吸収することができる。
【0014】
上記電源回路において、ツェナーダイオードの動作電圧は、前記スイッチング素子の定格電圧を下回る。
【0015】
この構成によれば、スイッチング素子の定格電圧を上回る電圧がスイッチング素子に印加されることを防止できる。なお、「ツェナーダイオードの動作電圧」とは、「降伏電圧」あるいは「ツェナー電圧」と置き換えてもよい。
【0016】
上記電源回路において、ツェナーダイオードの動作電圧は、入力電圧の設計値を上回る。
【0017】
この構成によれば、電源回路の通常の動作時に、ツェナーダイオードが誤って動作することを防ぐことができる。
【0018】
上記電源回路において、前記ダイオードのアノードは、コイルの第2端に接続される。
この構成によれば、電源回路の定常動作時に、第2のコンデンサの充電および放電を抑えることができる。したがってサージ保護回路が電源回路の動作に影響を与えるのを防ぐことができる。さらに第2のコンデンサの充電および放電により生じる損失を抑制することができる。
【0019】
上記電源回路において、ダイオードのアノードは、コイルの第2端に接続される。サージ保護回路は、ダイオードのカソードに、第2のコンデンサおよび抵抗とともに直列接続されるツェナーダイオードをさらに含む。
【0020】
この構成によれば、電源回路の定常動作時に、第2のコンデンサにおける充電および放電を抑制できる。さらに、第2のコンデンサにおける損失を抑制することができる。
【発明の効果】
【0021】
本開示によれば、サージ電圧からスイッチング素子をより確実に保護することを可能にする電源回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
本実施の形態に係る電源回路の第1の構成例を示したブロック図である。
図1に示す電源回路の基本構成を示した回路図である。
図1に示す電源回路において発生し得るサージ電圧の模式的な波形を示す図である。
図2に示した降圧チョッパに一般的なサージ対策を施した例を示す回路図である。
図4に示した回路における課題を説明するための図である。
図1に示す電源回路におけるサージ保護を説明するための図である。
本実施の形態に係る電源回路の第2の構成例を示したブロック図である。
本実施の形態に係る電源回路の第3の構成例を示したブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
以下において、本実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。
【0024】
<適用例>
まず、図1を用いて、本発明が適用される場面の一例について説明する。図1は、本実施の形態に係る電源回路10の第1の構成例を示したブロック図である。図1に示すように、電源回路10は、降圧チョッパである。交流電源20からの交流電圧は、整流回路21によって整流される。これにより電源回路10に直流電圧が入力される。
【0025】
電源回路10は、コイルL1と、コンデンサC1(第1のコンデンサ)と、ツェナーダイオードZD1と、コンデンサC2(第2のコンデンサ)と、抵抗R1と、トランジスタTR1と、ダイオードD1と、コイルL2と、コンデンサC3とを含む。コイルL1およびコンデンサC1は、電源回路10に入力される電圧を平滑化する。トランジスタTR1は、入力電圧をスイッチングするスイッチング素子である。
【0026】
コイルL1の第1端は整流回路21に接続されて、直流の入力電圧を受ける。トランジスタTR1の高電圧側の端子(たとえば、NPNトランジスタの場合にはコレクタが相当する)は、コイルL1の第2端に接続される。トランジスタTR1の低電圧側の端子(NPNトランジスタの場合にはエミッタ)は、コイルL2の第1端に接続される。コイルL2の第2端は、コンデンサC3の第1端および出力端子に接続される。
【0027】
電源回路10に入力された直流電圧は、トランジスタTR1によって高周波の電力に変換される。その変換された電圧がコイルL2およびコンデンサC3によって、直流電圧(電圧Vo)に再度変換される。なお、図1には示されていないがトランジスタTR1のスイッチングは、制御回路によって制御される。
【0028】
ダイオードD1は、フライホイールダイオードであり、トランジスタTR1のオフ時に、コイルL2に蓄えられたエネルギーを還流する。したがって、ダイオードD1のアノードはコンデンサC3の第2端に接続され、ダイオードD1のカソードはコイルL2の第1端およびトランジスタTR1の低電圧側の端子に接続される。
【0029】
サージ保護回路11は、ダイオードと、第2のコンデンサと、抵抗とを含む。第1の構成例では、サージ保護回路11のダイオードは、ツェナーダイオードである。ダイオードと、第2のコンデンサと、抵抗とは、コイルL1の第2端に直列に接続される。具体的には、ツェナーダイオードZD1、コンデンサC2、および抵抗R1は、サージ保護回路11を構成する。サージ保護回路11はコンデンサC1と並列に、コイルL1の第2端に接続される。ツェナーダイオードZD1のカソードは、コイルL1の第2端に接続される。コンデンサC2および抵抗R1は、ツェナーダイオードZD1のアノードに直列に接続される。図1では、ツェナーダイオードZD1のアノードにコンデンサC2の第1端が接続され、コンデンサC2の第2端に抵抗R1の第1端に接続される。抵抗R1の第2端は、コンデンサC1の第2端、ダイオードD1のアノードおよびコンデンサC3の第2端とともに共通のライン(基準電圧ライン)に接続される。なお、抵抗R1の第1端がツェナーダイオードZD1のアノードに接続され、抵抗R1の第2端にコンデンサC2が接続されるのでもよい。
【0030】
電源回路10の起動時に、コイルL1を電流が流れて、コンデンサC1が充電される。トランジスタTR1が停止しているため、コンデンサC1に電流が流入することにより、コンデンサC1の電圧が上昇する。電圧ViがツェナーダイオードZD1の動作電圧に達すると、ツェナーダイオードZD1に電流が流れるので、コンデンサC2が充電される。ツェナーダイオードZD1の動作電圧は、電源回路10の入力電圧よりも高く、かつ、トランジスタTR1の定格電圧よりも小さい。ツェナーダイオードZD1に電流が流れることにより、電圧ViがトランジスタTR1の定格電圧以下に保たれるので、トランジスタTR1を保護できる。
【0031】
さらに、抵抗R1によって、突入電流のような過大な電流がツェナーダイオードZD1およびコンデンサC2に流れることが防がれる。これにより、電圧Viが瞬間的に大きく上昇することが防がれる。すなわちコンデンサC1にサージ電圧が生じることを抑制できる。したがってサージ電圧からスイッチング素子(トランジスタTR1)をより確実に保護することができる。以下、サージ保護回路11によるサージ保護について、詳細に説明する。
【0032】
<降圧チョッパの基本構成>
図2は、図1に示す電源回路10の基本構成を示した回路図である。図2に示した電源回路10Aは、サージ保護回路11が省略されている点において、電源回路10と相違する。
【0033】
電源回路10Aの起動時には、コンデンサC1が充電されるために、コイルL1を通じて電流i1が流れる。この場合の電流i1は、瞬間的に大きな電流(いわゆる突入電流)である。トランジスタTR1がオフしているために、電流i1はコンデンサC1に流入する。電流i1が瞬間的に上昇した場合、コイルL1の電圧、すなわちコンデンサC1の両端の電圧(電圧Vi)が、図3に示すように急激に上昇する。
【0034】
電圧ViはトランジスタTR1に印加されるため、電圧ViがトランジスタTR1の定格電圧を上回った場合、トランジスタTR1が損傷する。コンデンサC1のサージ電圧はトランジスタTR1を損傷させる要因となる。
【0035】
急激な上昇する電圧(いわゆるサージ電圧)を抑制するために、一般的にはサージ保護回路が用いられる。典型的には、ツェナーダイオードがサージ保護素子として用いられる。
【0036】
図4は、図2に示した降圧チョッパに一般的なサージ対策を施した例を示す回路図である。図4に示すように、コンデンサC1と並列に、ツェナーダイオードZD1が設けられる。電源回路10Aの通常の動作時には、ツェナーダイオードZD1は動作してはならない。したがって、ツェナーダイオードZD1の動作電圧は、入力電圧の設計値より大きくなくてはならない。一方、トランジスタTR1を保護するため、ツェナーダイオードZD1の動作電圧は、トランジスタTR1の定格電圧よりも低くなければならない。
【0037】
電源回路10Aの効率の観点から、トランジスタTR1のスイッチング時の損失は、できるだけ低いことが望ましい。一般に、スイッチング損失も低いトランジスタの場合は、定格電圧も低い。しかし、トランジスタTR1の定格電圧が低い場合、電源回路10Aの通常動作時の入力電圧と、トランジスタTR1の定格電圧との間の差は小さくなる。たとえば交流電源20の電圧が100VACである場合、ピーク電圧Vpeak(および整流後の電圧)は141Vであるので、電源回路10Aの通常動作時の入力電圧(電圧Vi)は141Vである。図4に示す電源回路10Aの場合、ツェナーダイオードZD1の動作電圧は141Vより大きく180Vでなければならない。
【0038】
しかしながら、電源回路10Aの通常動作時の入力電圧と、トランジスタTR1の定格電圧との間の差が小さい場合、たとえば以下に説明する課題が生じうる。
【0039】
図5は、図4に示した回路における課題を説明するための図である。図5において、Vz=150Vであるとする。電源回路10Aの入力電圧(電圧Vi)が141Vのときは、ツェナーダイオードZD1は動作しない。しかし、入力電圧は変動しうるので、入力電圧がツェナー電圧Vzを上回る可能性が常に存在し得る。
【0040】
ツェナー電圧Vzが高いほど、電源回路10Aの入力電圧とツェナー電圧Vzとの間の差は大きくなる。しかし逆に、トランジスタTR1の定格電圧とツェナー電圧Vzとの差が小さくなる。ツェナーダイオードZD1の特性にばらつきがある場合、ツェナー電圧VzがトランジスタTR1の定格電圧(180V)よりも大きいことも起こり得る。
【0041】
たとえばツェナー電圧Vzの典型値が160Vであり、トランジスタTR1の定格電圧が180Vである場合、ツェナー電圧Vzの実際の値が典型値通りであれば問題ない。しかし、ツェナー電圧Vzの規格が、ある範囲によって定められ、その範囲の上限がトランジスタTR1の定格電圧(180V)を上回る場合、ツェナー電圧Vzの実際の値がトランジスタTR1の定格電圧を上回る可能性が考えられる。このようなツェナーダイオードをサージ保護素子に用いて入力電圧が180Vを上回った場合には、トランジスタTR1が損傷する可能性がある。
【0042】
<本実施の形態に係る電源回路によるサージ保護>
図6は、図1に示す電源回路10におけるサージ保護を説明するための図である。サージ保護回路11において、コンデンサC2および抵抗R1がツェナーダイオードZD1に直列に接続される。ツェナーダイオードZD1の動作電圧(ツェナー電圧Vz)は150Vであるとする。
【0043】
電源回路10の起動時に、電流i1が流れる。トランジスタTR1がオフであるため、電流i1は、コンデンサC1に流入する。電圧Viが150Vに達すると、ツェナーダイオードZD1が動作する。これにより、電流i2がツェナーダイオードZD1に流れて、コンデンサC2が充電される。
【0044】
抵抗R1は、コンデンサC2に突入電流が流れることを防ぐ。電流i2が抵抗R1を通るために電流i2の急激な上昇が抑制される。したがって、瞬間的に大きな電流がツェナーダイオードZD1に流れることが防がれる。さらに電流i2が電流i1に比べて十分に小さい。このためにコイルL1による電圧の急激な上昇が防がれる。
【0045】
また、電源回路10の入力電圧が変動等の理由により上昇した場合、電圧Viが上昇するため電流i2が増加する。電流i2によりコンデンサC2が充電される。コンデンサC2は、コンデンサC1よりも大きな容量値を有する。入力電圧の上昇により電流i2が増加しても、コンデンサC2が充電可能であれば、その増加分の電流がコンデンサC2に流入する。したがって、ツェナーダイオードZD1の両端(カソード−アノード間)の電圧の上昇を抑えることができるので、ツェナーダイオードZD1を保護することができる。
【0046】
図1に示す電源回路によれば、入力電圧Viが大きく上昇することを防ぐことができるので、ツェナーダイオードZD1の動作電圧(ツェナー電圧Vz)とトランジスタTR1の定格電圧との差を十分に確保することができる。たとえばツェナーダイオードZD1の動作電圧のバラツキ(たとえば規格範囲内のバラツキ)を考慮しても、ツェナーダイオードZD1の動作電圧が、トランジスタTR1の定格電圧よりも低い確率を高めることができる。したがって、サージ電圧からトランジスタTR1を保護することができる。
【0047】
さらに、ツェナーダイオードZD1を適用することにより、コンデンサC2に低い耐圧を有するコンデンサを適用できる。
【0048】
図7は、本実施の形態に係る電源回路の第2の構成例を示したブロック図である。図7を参照して、サージ保護回路11は、ツェナーダイオードZD1に替えて、ダイオードD2を含む。この点において、図7に示した構成は、図1に示した構成と異なる。ダイオードD2のアノードは、コイルL1の第2端に接続される。コンデンサC2および抵抗R1は、ダイオードD2のカソードに直列に接続される。
【0049】
電源回路10の起動時には、電圧Viが上昇して、ダイオードD2に順方向電流が流れる。したがって、コンデンサC1とコンデンサC2との両方が充電される。これにより、サージを吸収することができる。一方、電源回路10の定常動作時には、トランジスタTR1が動作する。これにより、ダイオードD2のアノード側の電圧に対して、ダイオードD2のカソード側の電圧が低下する。ダイオードD2に逆バイアス電圧が印加されるので、ダイオードD2は導通しない。したがって、電源回路10の定常動作時に、コンデンサC2の充電および放電を抑えることができる。さらに、電源回路10の定常動作時に、コンデンサC2の充電および放電によって生じる損失を抑制することができる。したがってサージ保護回路11が電源回路10の動作に影響を与えることを防ぐことができる。
【0050】
図8は、本実施の形態に係る電源回路の第3の構成例を示したブロック図である。図8を参照して、サージ保護回路11は、ツェナーダイオードZD1に加えてダイオードD2を含む。この点において、図8に示した構成は、図1に示した構成と異なる。図7に示す構成と同様に、ダイオードD2のアノードは、コイルL1の第2端に接続される。ダイオードD2のカソードは、ツェナーダイオードZD1のカソードに接続される。コンデンサC2および抵抗R1は、ツェナーダイオードZD1のアノードに直列に接続される。
(【0051】以降は省略されています)

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