特開 2024-101403 電源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024101403

(43)【公開日】2024-07-29

(54)【発明の名称】電源装置

(51)【国際特許分類】

   G05F 1/56 20060101AFI20240722BHJP

   H02M 1/00 20070101ALI20240722BHJP

【ＦＩ】

G05F1/56 330Z

H02M1/00 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023005366

(22)【出願日】2023-01-17

(71)【出願人】

【識別番号】000004606

【氏名又は名称】ニチコン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000475

【氏名又は名称】弁理士法人みのり特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】青木 孝典

(72)【発明者】

【氏名】戸田 克則

(72)【発明者】

【氏名】藤森 弘之

(72)【発明者】

【氏名】年木 健

【テーマコード（参考）】

5H420

5H740

【Ｆターム（参考）】

5H420BB13

5H420DD02

5H420EA03

5H420EB01

5H420FF03

5H420FF04

5H420FF22

5H420FF23

5H420LL04

5H420LL09

5H740BA01

5H740BB06

5H740BB07

5H740BC01

5H740BC02

5H740MM01

5H740MM11

(57)【要約】

【課題】ノイズに起因してサイリスタが局所的に導通した場合に、サイリスタの故障および劣化を抑制できる電源装置を提供する。
【解決手段】電源装置Ａは、ゲート端子２Ｇにハイレベルのゲート信号が入力されることでアノード端子２Ａからカソード端子２Ｋに電流が流れるサイリスタ２と、指令信号を受けて、ゲート端子２Ｇにハイレベルのゲート信号を出力するサイリスタ駆動回路３と、所定のタイミングで上記指令信号である第１指令信号をサイリスタ駆動回路３に出力する第１指令部５と、アノード端子２Ａとカソード端子２Ｋとの導通を検出する導通検出部６と、第１指令部５が第１指令信号を出力していないタイミングで導通検出部６により上記導通が検出されたとき、上記指令信号である第２指令信号をサイリスタ駆動回路３に出力する第２指令部７とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ゲート端子にハイレベルのゲート信号が入力されることでアノード端子からカソード端子に電流が流れるサイリスタと、
指令信号を受けて、前記ゲート端子にハイレベルの前記ゲート信号を出力するサイリスタ駆動回路と、
所定のタイミングで前記指令信号である第１指令信号を前記サイリスタ駆動回路に出力する第１指令部と、
前記アノード端子と前記カソード端子との導通を検出する導通検出部と、
前記第１指令部が前記第１指令信号を出力していないタイミングで前記導通検出部により前記導通が検出されたとき、前記指令信号である第２指令信号を前記サイリスタ駆動回路に出力する第２指令部とを備える
ことを特徴とする電源装置。

【請求項2】

前記導通検出部は、前記アノード端子から前記カソード端子に流れる電流の検出結果に基づいて、前記導通を検出する
ことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。

【請求項3】

前記導通検出部は、前記アノード端子と前記カソード端子との間の電圧の変化の検出結果に基づいて、前記導通を検出する
ことを特徴とする請求項１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、サイリスタを介して負荷に電流を出力する電源装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

強磁場発生装置等を構成する誘導性負荷に大電流を供給するための電源装置として、予め蓄えた電力を、放電用スイッチをオフ状態からオン状態に切り替えることで、誘導性負荷に大電流として供給する電源装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

【0003】

放電用スイッチとしては、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、またはサイリスタ等の半導体スイッチを採用できるが、大きなサージ電流に耐えられることからサイリスタが広く採用されている。サイリスタは、ゲート端子にハイレベルのゲート信号が入力されることでアノード端子からカソード端子に電流が流れるように構成されており、ゲート端子にハイレベルのゲート信号の入力が無くなった状態でも、アノード端子とカソード端子との導通の維持（すなわちサイリスタのオン状態の維持）が可能であるという利点がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－１５０６２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、大電流が流れる電源装置内では過大なノイズが発生し易く、サイリスタのゲート端子に意図しないハイレベルのノイズ信号が短時間だけ入力された場合には、サイリスタが局所的に導通し、サイリスタのアノード端子からカソード端子に大電流が流れる。このため、サイリスタの局所的な導通領域に大電流が流れ、サイリスタが過剰に発熱して故障したり劣化したりするおそれがあった。

【0006】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、ノイズに起因してサイリスタが局所的に導通した場合に、サイリスタの故障および劣化を抑制できる電源装置を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するため、本発明に係る電源装置は、ゲート端子にハイレベルのゲート信号が入力されることでアノード端子からカソード端子に電流が流れるサイリスタと、指令信号を受けて、前記ゲート端子にハイレベルの前記ゲート信号を出力するサイリスタ駆動回路と、所定のタイミングで前記指令信号である第１指令信号を前記サイリスタ駆動回路に出力する第１指令部と、前記アノード端子と前記カソード端子との導通を検出する導通検出部と、前記第１指令部が前記第１指令信号を出力していないタイミングで前記導通検出部により前記導通が検出されたとき、前記指令信号である第２指令信号を前記サイリスタ駆動回路に出力する第２指令部とを備える。

【0008】

上記構成によれば、第１指令部が第１指令信号を出力していないタイミングで導通検出部によりアノード端子とカソード端子との導通が検出されたとき、すなわちノイズに起因して意図しないタイミングでサイリスタが導通しているとき、第２指令信号が第２指令部からサイリスタ駆動回路に出力される。このため、ハイレベルのゲート信号がゲート端子に入力されることで、サイリスタが局所的に導通している状態が解消され、サイリスタが過剰に発熱することを抑止でき、サイリスタの故障および劣化を抑制できる。

【0009】

また、上記電源装置において、前記導通検出部は、前記アノード端子から前記カソード端子に流れる電流の検出結果に基づいて、前記導通を検出することもできる。

【0010】

また、上記電源装置において、前記導通検出部は、前記アノード端子と前記カソード端子との間の電圧の変化の検出結果に基づいて、前記導通を検出することもできる。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、ノイズに起因してサイリスタが局所的に導通した場合に、サイリスタの故障および劣化を抑制できる電源装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態に係る電源装置の概略構成図である。

【図2】（Ａ）および（Ｂ）は、同実施形態に係る電源装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。

【図3】変形例に係る電源装置の概略構成図である。

【図4】（Ａ）は、比較例に係る電源装置の概略構成図であり、（Ｂ）は、同比較例に係る電源装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

図１および図２を参照して、本発明の一実施形態に係る電源装置Ａを説明する。
図１に示すように、電源装置Ａは、蓄電部１と、サイリスタ２と、サイリスタ駆動回路３と、カレントトランス４と、第１指令部５と、導通検出部６と、第２指令部７と、論理和回路８とを備えている。電源装置Ａは、強磁場を発生させるための大電流を負荷Ｌに供給する。負荷Ｌは、例えば強磁場発生装置を構成する誘導性負荷である。

【0014】

蓄電部１は、大電流を供給するために電力を蓄える。蓄電部１は、充電回路（図示略）に接続されたコンデンサにより構成され、充電回路から出力された直流電圧が印加されることで蓄電する。

【0015】

サイリスタ２は、蓄電部１に蓄えられた電力を出力するための放電用スイッチとして機能する。サイリスタ２は、蓄電部１に接続されたアノード端子２Ａと、負荷Ｌに接続されたカソード端子２Ｋと、サイリスタ駆動回路３に接続されたゲート端子２Ｇとを有している。

【0016】

サイリスタ２は、ゲート端子２Ｇにハイレベルのゲート信号が入力されることで（すなわちゲート端子２Ｇとカソード端子２Ｋとの間に所定のトリガ電圧が印加されることで）、アノード端子２Ａからカソード端子２Ｋに電流が流れるように構成されている。すなわち、サイリスタ２は、アノード端子２Ａとカソード端子２Ｋとが導通していないオフ状態と、アノード端子２Ａとカソード端子２Ｋとが導通しているオン状態とをとり、ゲート端子２Ｇにハイレベルのゲート信号が入力されると、オフ状態からオン状態に切り替わる。オン状態をとっているサイリスタ２は、アノード端子２Ａからカソード端子２Ｋに電流が流れている間は、ゲート端子２Ｇにハイレベルのゲート信号が入力されているか否かに関わらずオン状態を維持し、アノード端子２Ａからカソード端子２Ｋに電流が流れなくなったとき、オフ状態に切り替わる。

【0017】

サイリスタ駆動回路３は、サイリスタ２を駆動する（すなわちサイリスタ２をオフ状態からオン状態に切り替える）回路である。サイリスタ駆動回路３は、後述する指令信号を受けて、ゲート端子２Ｇにハイレベルのゲート信号を出力する。サイリスタ駆動回路３は、ゲート端子２Ｇとカソード端子２Ｋとの間に接続されている。サイリスタ駆動回路３は、パルス生成部３１と、抵抗３２Ｒおよびコンデンサ３２Ｃを含んだローパスフィルタ３２と、定電圧ダイオード３３と、ダイオード３４とにより構成されている。

【0018】

パルス生成部３１は、第１指令部５および第２指令部７からの指令信号を受けたとき、パルス状のゲート信号を生成して出力する。パルス生成部３１が出力するハイレベルのゲート信号は、所定の信号レベルおよび信号幅を有する単パルスであって、サイリスタ２が局所的に導通しないように十分に長い信号幅を有している。

【0019】

ローパスフィルタ３２は、サイリスタ駆動回路３に発生する高周波のノイズを除去する。定電圧ダイオード３３は、ゲート端子２Ｇとカソード端子２Ｋとの間の電圧を制限することによって、サイリスタ２を保護する。ダイオード３４は、その順方向電圧降下によって、サイリスタ駆動回路３に発生する低電圧のノイズを除去する。

【0020】

カレントトランス４は、アノード端子２Ａとカソード端子２Ｋの導通を検出するための構成要素である。カレントトランス４は、アノード端子２Ａ側に設けられ、蓄電部１からサイリスタ２に流れる電流を検出する。

【0021】

第１指令部５は、所定のタイミングで、指令信号である第１指令信号を、論理和回路８を介してサイリスタ駆動回路３に出力する。第１指令部５が第１指令信号を出力するタイミングは、例えば、予めプログラムされたタイミング、または、何らかの操作に応じたタイミングである。

【0022】

導通検出部６は、アノード端子２Ａからカソード端子２Ｋに流れる電流の検出結果に基づいて、アノード端子２Ａとカソード端子２Ｋとの導通を検出する。具体的には、導通検出部６は、カレントトランス４が検出した電流に基づき、カレントトランス４が検出した電流が実質的に０でなければ、アノード端子２Ａとカソード端子２Ｋとが導通していることを検出する。

【0023】

第２指令部７は、第１指令部５が第１指令信号を出力していないタイミングで導通検出部６によりアノード端子２Ａとカソード端子２Ｋとの導通が検出されたとき、指令信号である第２指令信号を、論理和回路８を介してサイリスタ駆動回路３に出力する。なお、第１指令部５が第１指令信号を出力していないタイミングと、導通検出部６によりアノード端子２Ａとカソード端子２Ｋとの導通が検出されたタイミングは、同時刻でなくてもよく、動作の遅延を鑑みて時間差があってもよい。

【0024】

具体的には、第２指令部７は、第１指令部５が第１指令信号を出力するタイミングと導通検出部６による導通の検出結果とに基づいて、所定のタイミングでサイリスタ２が導通しているか否かを判定する。第１指令部５が第１指令信号を出力していないタイミングでアノード端子２Ａとカソード端子２Ｋとの導通が検出された場合は、第２指令部７は、サイリスタ駆動回路３に発生したノイズに起因するハイレベルのノイズ信号がゲート端子２Ｇに入力されたことでサイリスタ２が導通したと判断し、サイリスタ２の局所的な導通を解消するための第２指令信号を出力する。

【0025】

なお、第１指令部５が第１指令信号を出力したタイミングでアノード端子２Ａとカソード端子２Ｋとの導通が検出された場合は、第２指令部７は、パルス生成部３１が生成したハイレベルのゲート信号がゲート端子２Ｇに入力されたことでサイリスタ２が導通したと判断し、第２指令信号を出力しない。すなわち、第２指令部７は、第１指令部５が第１指令信号を出力する上記タイミング以外のタイミングでアノード端子２Ａとカソード端子２Ｋとの導通が検出されたときのみ、第２指令信号を出力する。

【0026】

論理和回路８は、２入力１出力の２値論理回路であって、第１指令信号および第２指令信号が入力されるように構成されている。論理和回路８は、第１指令信号および第２指令信号の少なくとも一方が入力されているとき、サイリスタ駆動回路３のパルス生成部３１に指令信号を出力する。

【0027】

図２を参照して、本発明に係る電源装置Ａの動作の一例について説明する。図２（Ａ）は、サイリスタ駆動回路３にノイズが発生してないときの電圧Ｖおよび電流Ｉの変化を表し、図２（Ｂ）は、サイリスタ駆動回路３に過大なノイズが発生したときの電圧Ｖおよび電流Ｉの変化を表している。なお、図中の「電圧Ｖ」は、ゲート端子２Ｇに印加される電圧を表し、「電流Ｉ」は、アノード端子２Ａからカソード端子２Ｋに流れる電流を表している。

【0028】

図２（Ａ）に示すように、サイリスタ駆動回路３にノイズが発生していないときに、第１指令部５が所定のタイミングである時刻Ｔ１で第１指令信号を出力すると、所定時間ΔＴ１を経過するまで、ゲート端子２Ｇにハイレベルのゲート信号が入力され、アノード端子２Ａからカソード端子２Ｋに電流が流れる。ゲート信号の信号幅に対応する所定時間ΔＴ１が経過した時刻Ｔ２でゲート端子２Ｇにハイレベルのゲート信号が入力されなくなった後も、アノード端子２Ａとカソード端子２Ｋとの導通は維持され、アノード端子２Ａからカソード端子２Ｋに電流が流れ続ける。

【0029】

図２（Ｂ）に示すように、時刻Ｔ３でサイリスタ駆動回路３に過大なノイズ（すなわちローパスフィルタ３２およびダイオード３４で除去できないノイズ）が発生すると、ノイズに対応する短時間ΔＴ２が経過するまでの一瞬の間だけ、ゲート端子２Ｇにトリガ電圧となるハイレベルのノイズ信号が入力される。このため、サイリスタ２が局所的に導通し、アノード端子２Ａからカソード端子２Ｋに電流が流れる。短時間ΔＴ２が経過した時刻Ｔ４でゲート端子２Ｇにノイズ信号が入力されなくなった後も、アノード端子２Ａとカソード端子２Ｋとの導通（ただし、局所的な導通）は維持され、アノード端子２Ａからカソード端子２Ｋに電流が流れ続ける。次いで、時刻Ｔ５で導通検出部６によりアノード端子２Ａとカソード端子２Ｋとの導通が検出されると、第２指令部７が第２指令信号を出力し、所定時間ΔＴ１が経過するまで、ゲート端子２Ｇにハイレベルのゲート信号が入力される。こうして、サイリスタ２の導通領域が広がり、サイリスタ２の局所的な導通が解消される。

【0030】

図４を参照して、比較例に係る電源装置Ａについて説明する。なお、上記実施形態と同様の構成については同じ符号を用いて説明を省略する。また、図４（Ｂ）は、サイリスタ駆動回路３に過大なノイズが発生したときの電圧Ｖおよび電流Ｉの変化を表している。

【0031】

図４（Ａ）に示すように、比較例に係る電源装置Ａは、上記実施形態で説明したカレントトランス４、導通検出部６、第２指令部７、および論理和回路８を備えておらず、第１指令部５と同様に機能する指令部１０５を備えている。

【0032】

図４（Ｂ）に示すように、時刻Ｔ１０３でサイリスタ駆動回路３に過大なノイズが発生すると、ノイズに対応する短時間ΔＴ２が経過するまでの一瞬の間だけ、ゲート端子２Ｇにトリガ電圧となるハイレベルのノイズ信号が入力され、サイリスタ２が局所的に導通する。短時間ΔＴ２が経過した時刻Ｔ１０４でゲート端子２Ｇにノイズ信号が入力されなくなった後も、アノード端子２Ａとカソード端子２Ｋとの導通（ただし、局所的な導通）は維持される。したがって、アノード端子２Ａからサイリスタ２の局所的な導通領域を経てカソード端子２Ｋに電流が流れ続けるため、サイリスタ２が過剰に発熱し、サイリスタ２が故障や劣化するおそれがある。

【0033】

本実施形態では次の効果が得られる。
（１）サイリスタ２のゲート端子２Ｇに意図しないハイレベルのノイズ信号が短時間だけ入力された場合には、サイリスタ２が局所的に導通し、サイリスタ２のアノード端子２Ａからカソード端子２Ｋに大電流が流れる。このとき、上記構成によれば、第１指令部５が第１指令信号を出力していないタイミングで導通検出部６によりアノード端子２Ａとカソード端子２Ｋとの導通が検出されたとき、すなわちノイズに起因して意図しないタイミングでサイリスタ２が導通しているとき、第２指令信号が第２指令部７からサイリスタ駆動回路３に出力される。このため、ハイレベルのゲート信号がゲート端子２Ｇに入力されることで、サイリスタ２が局所的に導通している状態が解消され、サイリスタ２が過剰に発熱することを抑止でき、サイリスタ２の故障および劣化を抑制できる。

【0034】

（２）導通検出部６は、アノード端子２Ａからカソード端子２Ｋに流れる電流の検出結果に基づいて、アノード端子２Ａとカソード端子２Ｋとの導通を検出する。このため、カレントトランス４で検出された電流に基づいて、アノード端子２Ａとカソード端子２Ｋとの導通を検出できる。

【0035】

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、上記構成を変更することもできる。例えば、以下のように変更して実施することもでき、以下の変更を組み合わせて実施することもできる。

【0036】

導通検出部６がアノード端子２Ａとカソード端子２Ｋとの導通を検出できるのであれば、カレントトランス４に係る構成を変更してもよい。例えば、カレントトランス４は、カソード端子２Ｋ側に設けられ、カソード端子２Ｋから負荷Ｌに流れる電流を検出してもよい。

【0037】

また、アノード端子２Ａとカソード端子２Ｋとの導通を検出できるのであれば、導通検出部６に係る構成を変更してもよい。図３を参照して、本変形例に係る電源装置Ａを説明する。なお、上記実施形態と同様の構成については同じ符号を用いて説明を省略する。

【0038】

図３に示すように、本変形例に係る電源装置Ａは、上記実施形態で説明したカレントトランス４に代えて電圧計９を備えている。電圧計９は、アノード端子２Ａとカソード端子２Ｋの導通を検出するための構成要素である。電圧計９は、サイリスタ２と並列に接続されるように、アノード端子２Ａとカソード端子２Ｋとに接続されており、アノード端子２Ａとカソード端子２Ｋとの間の電圧を測定する。

【0039】

本変形例の導通検出部６は、アノード端子２Ａとカソード端子２Ｋとの間の電圧の変化の検出結果に基づいて、アノード端子２Ａとカソード端子２Ｋとの導通を検出する。具体的には、導通検出部６は、電圧計９が測定した電圧またはその電圧の微分値に基づき、所定量以上の電圧の変化があれば、アノード端子２Ａとカソード端子２Ｋとが導通していることを検出する。

【0040】

本変形例によれば上記（２）の効果に代えて次の効果が得られる。
（３）導通検出部６は、アノード端子２Ａからカソード端子２Ｋとの間の電圧の変化の検出結果に基づいて、アノード端子２Ａとカソード端子２Ｋとの導通を検出する。このため、電圧計９で測定された電圧に基づいて、アノード端子２Ａとカソード端子２Ｋとの導通を検出できる。

【0041】

また、第１指令信号および第２指令信号をサイリスタ駆動回路３に出力することができるのであれば、論理和回路８を省いてもよい。すなわち、例えば、サイリスタ駆動回路３のパルス生成部３１が、第１指令部５から第１指令信号を直接受けるとともに、第２指令部７から第２指令信号を直接受けるように構成してもよい。

【0042】

また、第１指令信号を受けてサイリスタ駆動回路３が出力するハイレベルのゲート信号と、第２指令信号を受けてサイリスタ駆動回路３が出力するハイレベルのゲート信号とは、信号レベルまたは信号幅が同じでなくてもよい。すなわち、サイリスタ２が局所的に導通している状態を解消できるのであれば、第２指令信号を受けてサイリスタ駆動回路３が出力するハイレベルのゲート信号を変更してもよい。

【符号の説明】

【0043】

Ａ 電源装置
Ｌ 負荷
１ 蓄電部
２ サイリスタ
２Ａ アノード端子
２Ｋ カソード端子
２Ｇ ゲート端子
３ サイリスタ駆動回路
４ カレントトランス
５ 第１指令部
６ 導通検出部
７ 第２指令部
８ 論理和回路
９ 電圧計
３１ パルス生成部
３２ ローパスフィルタ
３２Ｒ 抵抗
３２Ｃ コンデンサ
３３ 定電圧ダイオード
３４ オフセットダイオード

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】