特許 7158319 電源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-13

(45)【発行日】2022-10-21

(54)【発明の名称】電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 9/04 20060101AFI20221014BHJP

【ＦＩ】

H02M9/04 Z

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2019044598

(22)【出願日】2019-03-12

(65)【公開番号】P2020150622

(43)【公開日】2020-09-17

【審査請求日】2021-09-13

(73)【特許権者】

【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】特許業務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

【審査官】白井 孝治

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－０３７０９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－００７８２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－３４３８４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－０４４９６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－０４０９０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０５９０５３７１（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ９／００～ ９／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

誘導性負荷に出力電流を供給するための電源装置であって、
前記誘導性負荷が接続される出力端と、
前記出力電流として放電電流を出力するコンデンサと、
前記コンデンサの充電を行う充電器と、
前記コンデンサ－前記出力端間の放電電流経路に介装された半導体スイッチと、
前記半導体スイッチに並列接続された第１均圧用抵抗と、
前記出力端に生じる出力端電圧を検出する第１電圧検出手段と、
前記コンデンサの充電電圧を検出する第２電圧検出手段と、
前記第１電圧検出手段および前記第２電圧検出手段の検出結果に応じて前記充電器を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記充電器にプリ充電を開始させ、前記出力端電圧を所定の閾値と比較することで前記出力端が開放状態であるか否かの自己診断を行い、開放状態であると診断した場合に前記プリ充電を停止させる第１充電処理と、
前記自己診断において開放状態であると診断しなかった場合に、前記充電電圧が所定の電圧値となるように、前記充電器に主充電を行わせる第２充電処理と、を実行することを特徴とする電源装置。

【請求項2】

前記制御部は、
前記自己診断において開放状態であると診断しなかった場合に、前記コンデンサの充電を停止させることなく前記プリ充電から前記主充電に移行させ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】

前記半導体スイッチは、直列接続された複数のサイリスタからなり、
前記第１均圧用抵抗は、前記複数のサイリスタのそれぞれに並列接続された複数の抵抗からなることを特徴とする請求項１または２に記載の電源装置。

【請求項4】

前記放電電流経路に介装され、一端が前記半導体スイッチに接続され、他端が前記出力端の高電位側に接続された保護リアクトルと、
前記半導体スイッチと前記出力端との間に設けられたクローバ回路と、をさらに備え、
前記クローバ回路は、
ダイオードおよび抵抗からなる直列回路と、
前記ダイオードに並列接続された第２均圧用抵抗と、
を備え、
前記ダイオードのカソード側は、前記半導体スイッチと前記保護リアクトルとの接続点に接続され、前記ダイオードのアノード側は、前記抵抗を介して前記出力端の低電位側に接続されることを特徴とする請求項１～３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、誘導性負荷に大電流を供給するための電源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

磁場発生装置等の誘導性負荷に大電流を供給するための電源装置として、コンデンサ蓄電型の電源装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。コンデンサ蓄電型の電源装置は、予め大きなエネルギーをコンデンサに蓄え、放電用のスイッチを動作させてコンデンサを放電させ、その放電電流を誘導性負荷となるコイルに供給する。

【0003】

放電用のスイッチには、ギャップスイッチやイグナイトロン等の大電流用のスイッチが使用される。図４に、ギャップスイッチ２１を備えた電源装置１００Ｂを示す。電源装置１００Ｂは、さらにコンデンサ２２と、充電抵抗２３と、充電器２４と、保護リアクトル２５と、クローバ回路２６と、放電回路２７とを備える。

【0004】

電源装置１００Ｂは、充電抵抗２３を介して充電器２４によりコンデンサ２２を充電した後、ギャップスイッチ２１をオンさせることで、コンデンサ２２の放電電流を出力端Ｔ１、Ｔ２に接続された誘導性負荷２００に供給する。

【0005】

電源装置１００Ｂでは、誘導性負荷２００の接続不良や接触不良等により出力端Ｔ１、Ｔ２が開放状態になることがあるが、ギャップスイッチ２１の場合は特に問題にはならなかった。

【0006】

一方で、近年はスイッチの安定性向上やランニングコスト抑制のためにスイッチの半導体化が求められている。ギャップスイッチ２１に代えて半導体スイッチ（例えば、サイリスタ）を使用する場合、半導体スイッチに均圧用抵抗を並列接続する必要がある。

【0007】

しかしながら、上記の構成では、出力端Ｔ１、Ｔ２が開放状態になると均圧用抵抗を介してコンデンサの充電電圧がリークし、出力端Ｔ１、Ｔ２に高電圧が生じてしまうという問題が発生する。

【0008】

図５に示すように、出力端Ｔ１、Ｔ２が開放状態の場合、時刻ｔ_１１において充電器２４をオンさせてコンデンサ２２の充電を開始すると、コンデンサ２２の充電電圧Ｖｃが上昇するとともに出力端Ｔ１、Ｔ２の出力端電圧Ｖｏも上昇する。

【0009】

時刻ｔ_１２において半導体スイッチをオンさせると、出力端Ｔ１、Ｔ２に高電圧が生じている状態でコンデンサ２２の充電電圧Ｖｃが出力端Ｔ１、Ｔ２に印加されるので、出力端電圧Ｖｏは充電電圧Ｖｃを超えて大きく上昇する。なお、時刻ｔ_１２において出力電流が現れているのは、出力端Ｔ１、Ｔ２側に浮遊の静電容量が存在するためである。

【0010】

結局、半導体スイッチを使用した従来の電源装置では、出力端Ｔ１、Ｔ２が開放状態になると出力端Ｔ１、Ｔ２に高電圧が生じるので、電源装置１００Ｂ内の部品が損傷したり故障したりする可能性がある。また、高電圧による部品の損傷や故障を回避するためには、過剰な部品選定が必要となり、コストアップにつながる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【文献】特開平７－１９２９１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、出力端が開放状態のときに出力端に高電圧が生じるのを抑制可能な電源装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記課題を解決するために、本発明に係る電源装置は、
誘導性負荷に出力電流を供給するための電源装置であって、
前記誘導性負荷が接続される出力端と、
前記出力電流として放電電流を出力するコンデンサと、
前記コンデンサの充電を行う充電器と、
前記コンデンサ－前記出力端間の放電電流経路に介装された半導体スイッチと、
前記半導体スイッチに並列接続された第１均圧用抵抗と、
前記出力端が開放状態か否かを検出する検出手段と、
前記充電器を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記充電器にプリ充電を開始させ、前記検出手段の検出結果に基づき前記出力端が開放状態であるか否かの自己診断を行い、開放状態であると診断した場合に前記プリ充電を停止させる第１充電処理と、
前記自己診断において開放状態であると診断しなかった場合に、前記充電電圧が所定の電圧値となるように、前記充電器に主充電を行わせる第２充電処理と、を実行することを特徴とする。

【0014】

この構成によれば、制御部が、充電器にプリ充電を開始させて出力端が開放状態であるか否かの自己診断を行い、開放状態であると診断した場合にプリ充電を停止させるので、出力端が開放状態のときに出力端に高電圧が生じるのを抑制することができる。

【0015】

上記電源装置において、
前記検出手段は、
前記出力端に生じる出力端電圧を検出する第１電圧検出手段と、
前記コンデンサの充電電圧を検出する第２電圧検出手段と、
を有し、
前記制御部は、前記第１電圧検出手段および前記第２電圧検出手段の検出結果に応じて前記充電器を制御するとともに、前記第１充電処理を実行する際に、前記出力端電圧を所定の閾値と比較することで前記出力端が開放状態であるか否かの自己診断を行うよう構成できる。

【0016】

上記電源装置において、
前記制御部は、
前記自己診断において開放状態であると診断しなかった場合に、前記コンデンサの充電を停止させることなく前記プリ充電から前記主充電に移行させることが好ましい。

【0017】

上記電源装置において、
前記半導体スイッチは、直列接続された複数のサイリスタからなり、
前記第１均圧用抵抗は、前記複数のサイリスタのそれぞれに並列接続された複数の抵抗からなるよう構成できる。

【0018】

上記電源装置において、
前記半導体スイッチと前記出力端との間に設けられたクローバ回路をさらに備え、
前記クローバ回路は、
ダイオードおよび抵抗からなる直列回路と、
前記ダイオードに並列接続された第２均圧用抵抗と、
を備えるよう構成できる。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、出力端が開放状態のときに出力端に高電圧が生じるのを抑制可能な電源装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明に係る電源装置の回路図である。

【図2】出力端が開放状態のときの本発明に係る電源装置の動作を示す図である。

【図3】出力端が正常状態のときの本発明に係る電源装置の動作を示す図である。

【図4】従来の電源装置の回路図である。

【図5】出力端が開放状態のときの従来の電源装置の動作を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、添付図面を参照して、本発明に係る電源装置の実施形態について説明する。

【0022】

図１に、本発明の一実施形態に係る電源装置１００Ａを示す。電源装置１００Ａは、出力端Ｔ１、Ｔ２に接続された誘導性負荷２００に大電流を供給するものである。誘導性負荷２００は、図示していない２次側のコイルに強磁場発生装置が接続されている。

【0023】

電源装置１００Ａは、コンデンサ１と、充電抵抗２と、充電器３と、半導体スイッチ４と、保護リアクトル５と、第１均圧用抵抗６と、クローバ回路７と、放電回路８と、第１電圧検出手段９と、第２電圧検出手段１０と、制御部１１とを備える。

【0024】

コンデンサ１は、１または複数のコンデンサで構成される。コンデンサ１の一端は、充電抵抗２を介して充電器３の高電位側に接続され、コンデンサ１の他端は、充電器３の低電位側に接続される。充電器３は、制御部１１の制御下で直流電圧を出力し、コンデンサ１の充電を行う。

【0025】

半導体スイッチ４は、１または直列接続された複数のサイリスタで構成される。半導体スイッチ４のアノード側は、コンデンサ１の一端に接続され、半導体スイッチ４のカソード側は、保護リアクトル５を介して高電位側の出力端Ｔ１に接続される。すなわち、半導体スイッチ４は、コンデンサ１－出力端Ｔ１間の放電電流経路に介装される。

【0026】

第１均圧用抵抗６は、半導体スイッチ４に並列接続される。例えば、半導体スイッチ４が第１サイリスタ、第２サイリスタ、第３サイリスタで構成される場合、第１均圧用抵抗６は、第１サイリスタに並列接続される第１抵抗、第２サイリスタに並列接続される第２抵抗、第３サイリスタに並列接続される第３抵抗で構成される。第１～第３抵抗は、それぞれ１または複数の抵抗で構成される。

【0027】

クローバ回路７は、ダイオード１２および抵抗１３からなる直列回路と、ダイオード１２に並列接続された第２均圧用抵抗１４とを備える。ダイオード１２のカソード側は、半導体スイッチ４と保護リアクトル５との接続点に接続され、ダイオード１２のアノード側は、抵抗１３を介して低電位側の出力端Ｔ２に接続される。ダイオード１２は、１または直列接続された複数のダイオードで構成される。第２均圧用抵抗１４は、第１均圧用抵抗６と同様に１または複数の抵抗で構成される。すなわち、ダイオード１２が複数のダイオードで構成される場合には、複数のダイオードの各々に第２均圧用抵抗１４を構成する各抵抗が並列に接続される。

【0028】

放電回路８は、スイッチ１５および抵抗１６からなる直列回路を備える。放電回路８は、例えば、異常時にスイッチ１５をオンさせてコンデンサ１の放電電流経路を形成する。スイッチ１５は、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチで構成される。放電回路８の一端はコンデンサ１の一端に接続され、放電回路８の他端はコンデンサ１の他端に接続される。

【0029】

第１電圧検出手段９は、出力端Ｔ１、Ｔ２に生じる出力端電圧Ｖｏを検出する。第１電圧検出手段９の検出結果は、所定の周期で制御部１１に出力される。第１電圧検出手段９は、本実施形態では保護リアクトル５の後段に設けられているが、保護リアクトル５の前段で、かつクローバ回路７の後段に設けられていてもよい。

【0030】

第２電圧検出手段１０は、コンデンサ１の充電電圧Ｖｃを検出する。第２電圧検出手段１０の検出結果は、所定の周期で制御部１１に出力される。

【0031】

制御部１１は、第１電圧検出手段９の検出結果（出力端電圧Ｖｏの電圧値）および第２電圧検出手段の検出結果（充電電圧Ｖｃの電圧値）に応じて、充電器３および半導体スイッチ４を制御する。制御部１１は、充電器３の制御として、第１充電処理と第２充電処理とを実行する。

【0032】

第１充電処理では、制御部１１は、充電器３にプリ充電を開始させるとともに、プリ充電期間内に出力端Ｔ１、Ｔ２が開放状態であるか否かの自己診断を所定の周期で行い、開放状態であると診断した場合にプリ充電を停止させる。自己診断は、出力端電圧Ｖｏの電圧値を所定の閾値（例えば、充電電圧Ｖｃの定格値の５％）と比較することで行われる。

【0033】

第２充電処理では、制御部１１は、充電電圧Ｖｃが所定の電圧値Ｖ１となるように、充電器３に主充電を行わせる。制御部１１は、プリ充電期間内に開放状態であると診断しなかった場合、コンデンサ１の充電を停止させることなく第２充電処理（主充電）を実行する。

【0034】

例えば図２に示すように、出力端Ｔ１、Ｔ２が開放状態の場合、時刻ｔ_１において制御部１１が充電器３をオンさせてコンデンサ１のプリ充電を開始すると、コンデンサ１の充電電圧Ｖｃが上昇する。また、充電電圧Ｖｃが第１均圧用抵抗６を介して出力端Ｔ１、Ｔ２側にリークするので、出力端電圧Ｖｏも上昇する。

【0035】

制御部１１は、コンデンサ１のプリ充電を開始させるとともに、自己診断を開始して出力端電圧Ｖｏを所定の閾値と比較する。時刻ｔ_２において出力端電圧Ｖｏが閾値に達すると、制御部１１は、出力端Ｔ１、Ｔ２が開放状態であると診断し、充電器３をオフさせてコンデンサ１のプリ充電を停止させる。これにより、出力端Ｔ１、Ｔ２に高電圧が生じるのを抑制することができる。

【0036】

図３に示すように、出力端Ｔ１、Ｔ２が正常状態の（開放状態でない）場合、時刻ｔ_１において制御部１１が充電器３をオンさせてコンデンサ１のプリ充電を開始すると、コンデンサ１の充電電圧Ｖｃが上昇する一方で、出力端電圧Ｖｏは上昇しない。

【0037】

このため、制御部１１は、プリ充電期間（時刻ｔ_１～時刻ｔ_３）内に出力端Ｔ１、Ｔ２が開放状態であると診断することなく、時刻ｔ_３において第２充電処理（主充電）を開始する。このとき制御部１１は、コンデンサ１の充電を停止させることなく第１充電処理（プリ充電）から第２充電処理（主充電）に移行する。なお、プリ充電期間と主充電期間の比率は、適宜変更できる。

【0038】

時刻ｔ_４において、制御部１１が充電器３をオフさせるとともに半導体スイッチ４をオンさせると、コンデンサ１の放電電流が、半導体スイッチ４および保護リアクトル５を介して、出力端Ｔ１、Ｔ２に接続された誘導性負荷２００に供給される。

【0039】

結局、本実施形態に係る電源装置１００Ａによれば、制御部１１が、充電器３にプリ充電を開始させて出力端Ｔ１、Ｔ２が開放状態であるか否かの自己診断を行い、開放状態であると診断した場合にプリ充電を停止させるので、出力端Ｔ１、Ｔ２が開放状態のときに出力端Ｔ１、Ｔ２に高電圧が生じるのを抑制することができる。

【0040】

その結果、高電圧による電源装置１００Ａ内の部品の損傷や故障を回避することができ、過剰な部品選定が不要となる。例えば、第２均圧用抵抗１４として従来よりも電力容量の小さい抵抗を使用することができる。

【0041】

また、電源装置１００Ａは、上記のとおり出力端Ｔ１、Ｔ２に高電圧が生じるのを抑制できることから、出力端Ｔ１、Ｔ２の直流耐圧試験が不要となる。直流耐圧試験は、例えば、定格の１．４倍の直流電圧を１分間、出力端Ｔ１、Ｔ２に印加し続けることにより行われる。直流耐圧試験が不要となることで、直流耐圧試験のための部品選定が不要となり、部品コストを抑制することができる。

【0042】

さらに、電源装置１００Ａでは、放電電流を出力する前に異常（出力端Ｔ１、Ｔ２に高電圧が生じていること）を検出できるので、誘導性負荷２００側の耐電圧不良による故障や事故を未然に防ぐことができる。

【0043】

以上、本発明に係る電源装置の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

【0044】

本発明に係る電源装置は、出力端と、コンデンサと、コンデンサの充電を行う充電器と、コンデンサ－出力端間の放電電流経路に介装された半導体スイッチと、半導体スイッチに並列接続された第１均圧用抵抗と、出力端が開放状態か否かを検出する検出手段と、充電器を制御する制御部と、を備えていれば適宜構成を変更できる。

【0045】

制御部は、充電器にプリ充電を開始させるとともに出力端が開放状態であるか否かの自己診断を行い、開放状態であると診断した場合にプリ充電を停止させる第１充電処理と、自己診断において開放状態であると診断しなかった場合に、充電器に主充電を行わせる第２充電処理と、を実行するのであれば適宜構成を変更できる。

【0046】

制御部は、第２充電処理時においても出力端が開放状態であるか否かの自己診断を行い、開放状態であると診断した場合に主充電を停止させるよう構成できる。

【0047】

制御部は、自己診断において開放状態であると診断しなかった場合に、コンデンサの充電を停止させることなくプリ充電から主充電に移行させることが好ましいが、プリ充電から主充電に移行させる際に、充電を一時的に停止させてもよい。

【0048】

自己診断における閾値は適宜変更できるが、部品コストを抑制する観点からは、閾値を充電電圧Ｖｃの定格値の１０％以下に設定することが好ましい。

【符号の説明】

【0049】

１００Ａ 電源装置
１ コンデンサ
２ 充電抵抗
３ 充電器
４ 半導体スイッチ
５ 保護リアクトル
６ 第１均圧用抵抗
７ クローバ回路
８ 放電回路
９ 第１電圧検出手段
１０ 第２電圧検出手段
１１ 制御部
１２ ダイオード
１３ 抵抗
１４ 第２均圧用抵抗
１５ スイッチ
１６ 抵抗
２００ 誘導性負荷

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】