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公開番号2021132492
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210909
出願番号2020027321
出願日20200220
発明の名称電源装置
出願人株式会社リコー
代理人個人
主分類H02M 3/155 20060101AFI20210813BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】供給される電源が不足している場合においても電源装置を保護することができる電源装置を提供する。
【解決手段】交流電源から出力される交流電圧を直流電圧に整流する整流手段と、整流手段の出力側に接続されたインダクタと、整流手段の出力端間に配置され、かつ、インダクタの後段側に設置された第1スイッチング手段と、第1スイッチング手段と並列に接続され、整流手段が出力する直流電圧を平滑化する平滑手段と、平滑手段から第1スイッチング手段への逆流電流を防止するダイオードと、第1スイッチング手段から整流手段へ流れる経路に配置された電流制限手段と、電流制限手段と並列に接続された第2スイッチング手段と、第1スイッチング手段の動作を検出する動作検出手段と、動作検出手段により検出された動作が第1スイッチング手段の短絡状態を示す場合、第2スイッチング手段を開状態にする制御手段と、を備える。
【選択図】図4
特許請求の範囲【請求項1】
交流電源から出力される交流電圧を直流電圧に整流する整流手段と、
前記整流手段の出力側に接続されたインダクタと、
前記整流手段の出力端間に配置され、かつ、前記インダクタの後段側に設置された第1スイッチング手段と、
前記第1スイッチング手段と並列に接続され、前記整流手段が出力する直流電圧を平滑化する平滑手段と、
前記平滑手段から前記第1スイッチング手段への逆流電流を防止するダイオードと、
前記第1スイッチング手段から前記整流手段へ流れる経路に配置された電流制限手段と、
前記電流制限手段と並列に接続された第2スイッチング手段と、
前記第1スイッチング手段の動作を検出する動作検出手段と、
前記動作検出手段により検出された動作が前記第1スイッチング手段の短絡状態を示す場合、前記第2スイッチング手段を開状態にする制御手段と、
を備えた電源装置。
続きを表示(約 430 文字)【請求項2】
前記動作検出手段は、前記第1スイッチング手段の両端電圧を検出する電圧検出手段であり、
前記制御手段は、前記電圧検出手段により検出された前記両端電圧に基づいて、前記第1スイッチング手段が短絡状態となっているか否かを判定する請求項1に記載の電源装置。
【請求項3】
前記電圧検出手段は、検出した前記第1スイッチング手段の前記両端電圧に基づいて、前記第1スイッチング手段の短絡時間を検出し、
前記制御手段は、前記電圧検出手段により検出された前記短絡時間が所定の閾値以上であると判定した場合、前記第2スイッチング手段を開状態にする請求項2に記載の電源装置。
【請求項4】
前記制御手段は、前記電圧検出手段により検出された前記両端電圧に応じて、前記閾値を補正する請求項3に記載の電源装置。
【請求項5】
前記電流制限手段は、温度ヒューズ抵抗である請求項1〜4のいずれか一項に記載の電源装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、電源装置に関する。
続きを表示(約 6,800 文字)【背景技術】
【0002】
電源装置において、入力電流の検出値に応じて、入力側に配置された突入電流防止抵抗に電流を流すか短絡させるかを切り替える突入電流防止リレーを制御する技術が知られている。
【0003】
このような突入電流防止リレーを制御する電源装置として、入力された交流電圧を整流する整流器、整流された電圧を平滑する平滑コンデンサ、平滑コンデンサに入力される突入電流を制限する抵抗、抵抗に電流を入力させるか否か制御するためのリレー、および、電流検知回路、および、平滑コンデンサの後段に接続され、平滑コンデンサにより平滑された電圧を所定の電圧に調製するコンバータを有し、電流検知回路は、流れる電流に応じて抵抗を有効にするか否かを制御するものが開示されている(例えば特許文献1)。当該装置では、電流が所定値以上流れると(短絡電流を検出すると)、リレーのコイルをオフ状態にして、インピーダンスの高い抵抗へ短絡電流を流すことにより、電源装置を保護するものとしている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、特許文献1に記載された技術では、例えば、たこ足状態の配線によって電源供給される場合、または屋内電源設備の電源容量が十分でない場合には、短絡が発生し短絡電流が流れたとしても、上述の所定値まで電流が流れず、突入電流を制限する抵抗が有効にならず電源装置を保護できない場合があるという問題があった。
【0005】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、供給される電源が不足している場合においても電源装置を保護することができる電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、交流電源から出力される交流電圧を直流電圧に整流する整流手段と、前記整流手段の出力側に接続されたインダクタと、前記整流手段の出力端間に配置され、かつ、前記インダクタの後段側に設置された第1スイッチング手段と、前記第1スイッチング手段と並列に接続され、前記整流手段が出力する直流電圧を平滑化する平滑手段と、前記平滑手段から前記第1スイッチング手段への逆流電流を防止するダイオードと、前記第1スイッチング手段から前記整流手段へ流れる経路に配置された電流制限手段と、前記電流制限手段と並列に接続された第2スイッチング手段と、前記第1スイッチング手段の動作を検出する動作検出手段と、前記動作検出手段により検出された動作が前記第1スイッチング手段の短絡状態を示す場合、前記第2スイッチング手段を開状態にする制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、供給される電源が不足している場合においても電源装置を保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
図1は、異常時に電源装置に十分な電流を引き込むことができない場合を説明する図である。
図2は、従来の電源装置の構成の一例を示す図である。
図3は、ヒューズ溶断特性を示す図である。
図4は、実施形態に係る電源装置の構成の一例を示す図である。
図5は、短絡した場合の電流および電圧の状態の一例を示す図である。
図6は、短絡時間の判定の閾値を補正する動作について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る電源装置を詳細に説明する。また、以下の実施形態によって本発明が限定されるものではなく、以下の実施形態における構成要素には、当業者が容易に想到できるもの、実質的に同一のもの、およびいわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、以下の実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換、変更および組み合わせを行うことができる。
【0010】
(異常時に電源装置に十分な電流が流れない状態の一例)
図1は、異常時に電源装置に十分な電流を引き込むことができない場合を説明する図である。図1を参照しながら、短絡が発生した場合に電源装置に十分な電流を引き込むことができない場合について説明する。
【0011】
図1では、屋内の各種電子機器に電源を供給する屋内電源設備201から、電源タップ202によりたこ足状態になった配線から、他の電子機器211、212、および電源装置101へ電源が供給される状態を示している。この場合、屋内電源設備201から電源供給が各電子機器に配分されるため、電源装置101に供給される電源(電力)が不足する可能性がある。また、屋内電源設備201そのものの電源容量が十分でない、または何らかの事情に電源容量が制限されている場合にも、電源装置101に供給される電源(電力)が不足する可能性もある。このような場合において、電源装置101の内部の回路に異物等により短絡が発生した場合、本来であれば大きな短絡電流が流れるところ、短絡が発生しても電源装置101へ十分な電流を引き込むことができない状態が発生する。
【0012】
(従来の電源装置について)
図2は、従来の電源装置の構成の一例を示す図である。図3は、ヒューズ溶断特性を示す図である。図2および図3を参照しながら、従来の電源装置101の構成、および保護動作の問題点について説明する。
【0013】
図2に示す従来の電源装置101は、交流電圧から直流電圧に変換して直流電源を供給する電源装置である。電源装置101は、交流電源111と、入力ヒューズ112と、ダイオードブリッジ113と、突入電流防止抵抗114と、突入電流防止リレー115と、インダクタ116と、スイッチング素子117と、ダイオード118と、平滑コンデンサ119と、を備える。
【0014】
交流電源111は、交流電圧を供給する電源である。入力ヒューズ112は、交流電源111から流れる電流が所定値以上の大電流となった場合に、回路を保護するためにジュール熱によって溶断する電子部品である。ダイオードブリッジ113は、交流電源111からの交流電圧を全波整流して直流電圧に変換する電子部品である。
【0015】
突入電流防止抵抗114は、ダイオードブリッジ113から整流された直流電圧に基づく電流Iが何らかの原因(短絡等)によって過大になった場合に、インピーダンスの高い自身に電流が流れることによって回路を保護する抵抗器である。突入電流防止リレー115は、後述する制御手段132による制御に従って、突入電流防止抵抗114に電流を流すか、突入電流防止抵抗114の両端を短絡するかを切り替えるためのリレーである。突入電流防止リレー115は、スイッチング素子115aと、コイル115bとを有する。スイッチング素子115aは、コイル115bのオンオフにより開閉され、突入電流防止抵抗114を短絡するか否かを切り替えるスイッチング手段である。コイル115bは、制御手段132の制御に従ってオンオフ動作し、スイッチング素子115aの開閉動作を行う電子部品である。
【0016】
インダクタ116、スイッチング素子117およびダイオード118は、PFC(Power Factor Correction)回路(力率改善回路)を構成し、インダクタ116の機能、ダイオード118の整流機能(平滑コンデンサ119からスイッチング素子117への逆流防止)、およびスイッチング素子117の開閉動作により、高調波電流の発生を抑制し、電源装置101の力率を改善する。平滑コンデンサ119は、ダイオードブリッジ113により交流電圧から変換された直流電圧を平滑化するコンデンサである。
【0017】
電源装置101は、さらに、トランス120と、スイッチング素子121と、ダイオード122と、二次側平滑コンデンサ123と、コンデンサ124と、ダイオード125と、を備える。
【0018】
トランス120は、一次巻線120aと、二次巻線120bとを有し、平滑コンデンサ119により平滑化された直流電圧がスイッチング素子121の開閉動作により一次巻線120aに交流電流が流れる。そして、一次巻線120aに流れる交流電流は、トランス120の巻き線比に応じた交流電圧が二次巻線120bに発生する。そして、二次巻線120bに発生した交流電圧は、ダイオード122により整流され、二次側平滑コンデンサ123により平滑化される。そして、二次側平滑コンデンサ123の両端電圧(直流電圧)が、電源装置101の出力電圧となる。
【0019】
また、トランス120は、補助巻線120cを有し、スイッチング素子121の開閉動作により、当該補助巻線120cの両端に電圧が発生し、ダイオード125に電流が流れてコンデンサ24が充電され、当該コンデンサ24の両端から直流電圧が発生する。
【0020】
電源装置101は、さらに、電流検出手段131と、制御手段132と、を備える。
【0021】
電流検出手段131は、ダイオードブリッジ113へ流れ込む電流Iの値を検出する電子部品であり、検出した電流値を制御手段132へ送信する。制御手段132は、電流検出手段131により検出された電流値に基づいて、突入電流防止リレー115の動作を制御する制御装置である。具体的には、制御手段132は、電流検出手段131により検出された電流値が、短絡電流の発生等により所定の閾値以上であると判定した場合、突入電流防止リレー115のコイル115bをオフ状態にしてスイッチング素子115aを開状態(非導通状態)にし、電流Iが突入電流防止抵抗114に流れるようにする。これによって、過大となった短絡電流が抑制され、電源装置101を保護することができる。
【0022】
以上のような構成を有する従来の電源装置101において、交流電源111が供給する電源について図1で上述した状態により供給電源が不足している場合に、図2に示すように、スイッチング素子117の両端が異物により短絡状態となった場合を考える。この場合、図2に示すように、スイッチング素子117の両端の短絡により電流Iとして短絡電流が矢印の向きに流れるが、交流電源111の供給電源が不足しているために、電流検出手段131で検出される当該短絡電流の電流値が、上述の制御手段132で判定される閾値に達しない場合がある。この場合、制御手段132は、電流検出手段131で検出された電流値が閾値未満であると判定して通常の電流値の範囲であると判断し、突入電流防止リレー115のコイル115bのオン状態を継続して、スイッチング素子115aの閉状態(導通状態)が維持される。すると、上述の閾値には達しないものの大きな短絡電流である電流Iは、突入電流防止抵抗114を流れることなく、大きさが抑制されないまま流れる。そして、図3に示す入力ヒューズ112のヒューズ溶断特性が示すように、当該電流I(図3に示すたこ足配線・屋内容量制限がある場合の電流値)では、入力ヒューズ112の溶断まで時間がかかり(または入力ヒューズ112が溶断せず)、図2の矢印の向きに流れる電流の遮断動作が遅れ、電源装置101の内部配線・電子部品について発火・破損等による故障を招来する可能性がある。
【0023】
以上のような、従来の電源装置101での問題点を解消するための本実施形態に係る電源装置1の構成および動作について、以下の図4〜図6で説明する。
【0024】
(本実施形態に係る電源装置の構成)
図4は、実施形態に係る電源装置の構成の一例を示す図である。図5は、短絡した場合の電流および電圧の状態の一例を示す図である。図4および図5を参照しながら、本実施形態に係る電源装置1の構成および動作について説明する。
【0025】
図4に示す電源装置1は、電源装置101と同様に、交流電圧から直流電圧に変換して直流電源を供給する電源装置である。電源装置1は、交流電源11と、入力ヒューズ12と、ダイオードブリッジ13(整流手段の一例)と、突入電流防止抵抗14(電流制限手段の一例)と、突入電流防止リレー15と、インダクタ16と、スイッチング素子17と、スイッチング素子17(第1スイッチング手段)と、ダイオード18と、平滑コンデンサ19(平滑手段の一例)と、を備える。突入電流防止リレー15は、スイッチング素子15a(第2スイッチング手段)と、コイル15bとを有する。なお、これらの構成部品は、それぞれ上述の図2に示した電源装置101の交流電源111、入力ヒューズ112、ダイオードブリッジ113、突入電流防止抵抗114、突入電流防止リレー115(スイッチング素子115a、コイル115b)、インダクタ116、スイッチング素子117、ダイオード118、および平滑コンデンサ119と機能は同様である。
【0026】
電源装置1は、さらに、トランス20と、スイッチング素子21と、ダイオード22と、二次側平滑コンデンサ23と、コンデンサ24と、ダイオード25と、を備える。トランス20は、一次巻線20aと、二次巻線20bと、補助巻線20cと、を有する。なお、これらの構成部品は、それぞれ上述の図2に示した電源装置101のトランス120(一次巻線120a、二次巻線120b、補助巻線120c)、スイッチング素子121、ダイオード122、二次側平滑コンデンサ123、コンデンサ124、およびダイオード125と機能は同様である。
【0027】
電源装置1は、さらに、電圧検出手段31(動作検出手段の一例)と、制御手段32と、備える。すなわち、電源装置1は、電源装置101の電流検出手段131の代わりに、電圧検出手段31を備え、制御手段132の代わりに制御手段32を備える。
【0028】
電圧検出手段31は、図5に示すように、スイッチング素子17のオンオフ動作を検出する電子部品である。具体的には、電圧検出手段31は、スイッチング素子17の両端電圧である電圧Vdsを検出し、スイッチング素子17が閉状態(導通状態、短絡状態)の時間、すなわち、図5に示すように電圧VdsがLowの時間(以下、短絡時間と称する場合がある)を検出し、検出した短絡時間を、制御手段32へ送信する。制御手段32は、電圧検出手段31により測定されたスイッチング素子17の短絡時間に基づいて、突入電流防止リレー15の動作を制御する制御装置である。具体的には、制御手段32は、電圧検出手段31により検出された短絡時間が所定の閾値以上であるか否かを判定し、当該閾値以上である場合、スイッチング素子17について異常により短絡状態になっていると判断し、突入電流防止リレー15のコイル15bをオフ状態にしてスイッチング素子15aを開状態(非導通状態)にし、電流Iが突入電流防止抵抗14に流れるようにする。
【0029】
これによって、過大となった短絡電流が抑制され、電源装置1を保護することができる。また、電流Iに依存せず、スイッチング素子17の短絡状態を検出することができるため、屋内電源設備等(屋内電源設備201等)から電源装置1がたこ足状態になった配線で電源供給を受ける場合、または、屋内電源設備そのものの電源容量が十分でない、もしくは何らかの事情に電源容量が制限されている場合のように十分な電流を引き込むことができない場合においても、電源装置1を保護することができる。
【0030】
なお、突入電流防止抵抗14は、例えば温度ヒューズ抵抗であってもよい。これによって、電流Iがスイッチング素子17の短絡による短絡電流となっても、ジュール熱により内部のヒューズが溶断して回路を遮断し、電源装置1をより確実に保護することができる。
(【0031】以降は省略されています)

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