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JP7524134B2 - Power Supplies - Google Patents
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Description

本発明は、容量性負荷を駆動する電源装置に関するものである。 The present invention relates to a power supply device that drives a capacitive load.

近年、誘電エラストマアクチュエータは、自由な形態を持たせたアクチュエータとしてハプティクス等の様々な分野での開発が行われている。誘電エラストマアクチュエータは、製作コストが安く、電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する効率が良いアクチュエータである。 In recent years, dielectric elastomer actuators have been developed as free-form actuators in various fields such as haptics. Dielectric elastomer actuators are inexpensive to manufacture and are highly efficient at converting electrical energy into mechanical energy.

誘電エラストマアクチュエータは、コンデンサ構造の容量性負荷であり、印加電圧に応じた変位が発生するものである。従って、発生させたい変位に応じた電圧を印加する必要がある。すなわち、容量性負荷の駆動には、電圧を任意に制御でき、且つ正負の電流を流すことのできる電源装置が必要となる。このような条件を満たすものとして、出力段がブリッジ構成の電源装置である(例えば、特許文献1参照)。 A dielectric elastomer actuator is a capacitive load with a capacitor structure, which generates a displacement according to the applied voltage. Therefore, it is necessary to apply a voltage according to the displacement to be generated. In other words, to drive a capacitive load, a power supply device is required that can arbitrarily control the voltage and can pass positive and negative currents. A power supply device with a bridge-configured output stage meets these conditions (see, for example, Patent Document 1).

特表2003-524361号公報Special Publication No. 2003-524361

しかしながら、出力段がブリッジ構成の電源装置は、大電力電源(例えば、特許文献1の電源装置は、誘導加熱、誘電加熱及びプラズマ励起により、材料の処理をする無線周波数帯域を想定している)として採用されることが多く、そのままでは、誘電エラストマアクチュエータの駆動に適していない。すなわち、誘電エラストマアクチュエータは、ハプティクス分野等で人体に触れる装置、商品をつかむ装置等の用途に用いられることが想定されている。従って、誘電エラストマアクチュエータを駆動する電源装置には、安全性が重要視される。 However, power supplies with a bridge-configured output stage are often used as high-power power supplies (for example, the power supply in Patent Document 1 is intended for use in radio frequency bands for processing materials through induction heating, dielectric heating, and plasma excitation), and are not suitable for driving dielectric elastomer actuators as is. In other words, dielectric elastomer actuators are intended for use in devices that come into contact with the human body in the haptics field, devices for grasping products, and the like. Therefore, safety is considered important for power supplies that drive dielectric elastomer actuators.

本発明は斯かる問題点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電圧を任意に制御でき、且つ正負の電流を流すことのできる安全性の高い電源装置を提供する点にある。 The present invention was made in consideration of these problems, and its purpose is to provide a highly safe power supply device that can freely control the voltage and can pass both positive and negative currents.

本発明に係る電源装置は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。
本発明に係る電源装置は、容量性負荷を駆動する電源装置であって、直流電圧を出力する第1電源部と、前記第1電源部からの直流電圧によって充電される入力コンデンサを備え、ブリッジ接続されたスイッチング素子のオンオフ動作によって前記入力コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換して前記容量性負荷に供給し、前記交流電圧の下降時に前記容量性負荷に充電された電荷を前記入力コンデンサに回生する共振型の第2電源部と、を備え、前記第1電源部は、前記第2電源部よりも小さな電流容量で構成されていると共に、前記第1電源部が過電流保護を開始する過電流閾値は、前記第2電源部が過電流保護を開始する過電流閾値よりも低い値に設定されていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the power supply device according to the present invention is configured as follows.
The power supply device of the present invention is a power supply device for driving a capacitive load, comprising a first power supply unit that outputs a DC voltage, and an input capacitor that is charged by the DC voltage from the first power supply unit, and a resonant second power supply unit that converts the DC voltage of the input capacitor into an AC voltage by on/off operation of bridge-connected switching elements and supplies it to the capacitive load, and regenerates the charge stored in the capacitive load to the input capacitor when the AC voltage drops, wherein the first power supply unit is configured with a smaller current capacity than the second power supply unit, and the overcurrent threshold at which the first power supply unit starts overcurrent protection is set to a lower value than the overcurrent threshold at which the second power supply unit starts overcurrent protection.

本発明の電源装置は、容量性負荷が短絡故障した場合や第2電源部が故障しても、容量性負荷に流れる負荷電流は自動的に小さな値に抑制され、安全性が確保されるという効果を奏する。 The power supply device of the present invention has the advantage that even if the capacitive load is short-circuited or the second power supply unit is broken, the load current flowing through the capacitive load is automatically suppressed to a small value, thereby ensuring safety.

本発明に係る電源装置の実施の形態の構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of a power supply device according to the present invention; 図1に示す第1電流制御部及び第2電流制御部による過電流保護特性を示す図である。2 is a diagram showing overcurrent protection characteristics by the first current control unit and the second current control unit shown in FIG. 1; 図1に示す第2電源部による正弦波出力時の波形図である。2 is a waveform diagram showing a sine wave output from the second power supply unit shown in FIG. 1 . 図1に示す第2電源部による正弦波出力時の波形図である。2 is a waveform diagram showing a sine wave output from the second power supply unit shown in FIG. 1 . 図1に示すHi側スイッチング素子及びLow側スイッチング素子のオンオフ状態と、容量性負荷を充放電する電流経路を示す図である。2 is a diagram showing the on/off states of a high-side switching element and a low-side switching element shown in FIG. 1 and a current path for charging and discharging a capacitive load. FIG. 図1に示す第2電源部による正弦波出力時の波形図である。2 is a waveform diagram showing a sine wave output from the second power supply unit shown in FIG. 1 . 図1に示す容量性負荷が短絡故障時の等価回路図である。2 is an equivalent circuit diagram of the capacitive load shown in FIG. 1 when a short-circuit fault occurs.

以下に、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて説明する。 A preferred embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

本実施の形態の電源装置1は、図1を参照すると、第1電源部2と、第2電源部3とを備え、容量性負荷CLに正または負の片電圧で、かつ任意電圧(直流、正弦波、矩形波など)を印加する。 Referring to FIG. 1, the power supply device 1 of this embodiment includes a first power supply unit 2 and a second power supply unit 3, and applies a positive or negative single-sided voltage and any voltage (DC, sine wave, square wave, etc.) to the capacitive load CL.

第1電源部2は、直流電源Eから入力端子Tin1に入力される入力電圧Vinを直流の出力電圧Vout1に変換して出力端子Tout1から第2電源部3に供給するDC-DCコンバータである。なお、図1に示す第1電源部2は、フライバック式のスイッチング電源で構成した例が示されているが、フォワード方等の他の方式であっても良い。 The first power supply unit 2 is a DC-DC converter that converts the input voltage Vin input from the DC power supply E to the input terminal Tin1 into a DC output voltage Vout1 and supplies it from the output terminal Tout1 to the second power supply unit 3. Note that while the first power supply unit 2 shown in FIG. 1 is an example configured as a flyback type switching power supply, it may be configured in other ways, such as a forward type.

第1電源部2は、トランス21と、スイッチング素子22と、出力整流平滑回路23と、第1電圧制御回路24と、第1電流制御回路25と、ドライバ26とを備えている。 The first power supply unit 2 includes a transformer 21, a switching element 22, an output rectifier smoothing circuit 23, a first voltage control circuit 24, a first current control circuit 25, and a driver 26.

トランス21は、1次巻線と、2次巻線とを備え、1次巻線の極性と、2次巻線の極性とは、逆に設定されている。トランス21の1次巻線は、直流電源Eの正極端子とスイッチング素子22との間に接続されている。これにより、直流電源Eが入力電圧Vinとしてトランス21の1次巻線に印加される。 The transformer 21 has a primary winding and a secondary winding, and the polarity of the primary winding and the polarity of the secondary winding are set to be opposite. The primary winding of the transformer 21 is connected between the positive terminal of the DC power source E and the switching element 22. As a result, the DC power source E is applied to the primary winding of the transformer 21 as the input voltage Vin.

スイッチング素子22は、例えば、N型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)で構成される。スイッチング素子22は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やBJT(バイポーラートランジスター)であっても良い。スイッチング素子22のドレインは、トランス21の1次巻線に接続されていると共に、スイッチング素子22のソースは、接地端子に接続されている。これにより、入力電圧Vinは、トランス21の1次巻線を介して接続されたスイッチング素子22のオンオフ動作により、オフ期間にトランス21の2次巻線に出力される。 The switching element 22 is, for example, an N-type MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). The switching element 22 may be an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a BJT (Bipolar Transistor). The drain of the switching element 22 is connected to the primary winding of the transformer 21, and the source of the switching element 22 is connected to the ground terminal. As a result, the input voltage Vin is output to the secondary winding of the transformer 21 during the off period by the on/off operation of the switching element 22 connected via the primary winding of the transformer 21.

出力整流平滑回路23は、整流ダイオードD1と、出力コンデンサCoutとを備え、トランス21の2次巻線の両端子間に、整流ダイオードD1を介して出力コンデンサCoutが接続されている。これにより、トランス21の2次巻線に誘起される交流電圧は、出力整流平滑回路23により整流平滑され、直流の出力電圧Vout1として抵抗R1と逆流防止ダイオード4とを介して第2電源部3に供給される。 The output rectifier smoothing circuit 23 includes a rectifier diode D1 and an output capacitor Cout, and the output capacitor Cout is connected between both terminals of the secondary winding of the transformer 21 via the rectifier diode D1. As a result, the AC voltage induced in the secondary winding of the transformer 21 is rectified and smoothed by the output rectifier smoothing circuit 23, and is supplied to the second power supply unit 3 via the resistor R1 and the backflow prevention diode 4 as the DC output voltage Vout1.

抵抗R1は、第1電源部2から出力される出力電流Iout1(第2電源部3への入力電流)を検出する電流検出抵抗であり、両端電圧が第1電流制御回路25に入力される。なお、抵抗R1は、Low(ローサイド)側に設けても良い。 Resistor R1 is a current detection resistor that detects the output current Iout1 (input current to the second power supply unit 3) output from the first power supply unit 2, and the voltage across it is input to the first current control circuit 25. Resistor R1 may also be provided on the low side.

逆流防止ダイオード4は、第2電源部3から第1電源部2への電荷の逆流を防止するためのダイオードであり、アノードが第2電源部3の出力端子Tout2に、カソードが第1電源部2の入力端子Tin2に接続されている。 The backflow prevention diode 4 is a diode for preventing the backflow of charge from the second power supply unit 3 to the first power supply unit 2, and has an anode connected to the output terminal Tout2 of the second power supply unit 3 and a cathode connected to the input terminal Tin2 of the first power supply unit 2.

第1電圧制御回路24は、スイッチング素子22をオンオフ制御する制御信号を生成する回路であり、制御信号によって出力電圧Vout1を所望の一定電圧に制御する。第1電圧制御回路24によって生成された制御信号は、ドライバ26を介してスイッチング素子22のゲートに入力され、制御信号に基づいてスイッチング素子22がオンオフ動作する。 The first voltage control circuit 24 is a circuit that generates a control signal that controls the on/off state of the switching element 22, and controls the output voltage Vout1 to a desired constant voltage using the control signal. The control signal generated by the first voltage control circuit 24 is input to the gate of the switching element 22 via the driver 26, and the switching element 22 is turned on and off based on the control signal.

第1電流制御回路25は、抵抗R1の両端電圧によって出力電流Iout1を監視し、出力電流Iout1が上昇して過電流閾値I_oc1に到達すると、ドライバ26を介してスイッチング素子22のオンオフを制御して第2電源部3に供給する電力を制限する過電流保護(OCP)機能を有している。 The first current control circuit 25 monitors the output current Iout1 by the voltage across resistor R1, and has an overcurrent protection (OCP) function that controls the on/off of the switching element 22 via the driver 26 to limit the power supplied to the second power supply unit 3 when the output current Iout1 rises and reaches the overcurrent threshold I_oc1.

なお、第1電流制御回路25による過電流保護特性には、特に制限はなく、図2(a)に実線で示す垂下特性であっても良く、図2(a)に点線で示すフの字特性や図2(a)に一点鎖線で示すヘの字特性であっても良い。 The overcurrent protection characteristics of the first current control circuit 25 are not particularly limited, and may be the drooping characteristics shown by the solid line in FIG. 2(a), the V-shaped characteristics shown by the dotted line in FIG. 2(a), or the V-shaped characteristics shown by the dashed line in FIG. 2(a).

第2電源部3は、第1電源部2の出力電圧Vout1を任意(正弦波、矩形波、三角波、直流等)の出力電圧Vout2に変換して容量性負荷CLに供給する出力段がブリッジ構成の共振型DC-ACコンバータである。なお、図1に示す第2電源部3は、ハーフブリッジ回路で構成した例が示されているが、フルブリッジ回路であっても良い。 The second power supply unit 3 is a resonant DC-AC converter with a bridge-configured output stage that converts the output voltage Vout1 of the first power supply unit 2 into an arbitrary (sine wave, rectangular wave, triangular wave, direct current, etc.) output voltage Vout2 and supplies it to a capacitive load CL. Note that while the second power supply unit 3 shown in FIG. 1 is configured as a half-bridge circuit, it may also be configured as a full-bridge circuit.

第2電源部3は、入力コンデンサCinと、Hi(ハイサイド)側スイッチング素子31と、Low(ローサイド)側スイッチング素子32と、リアクトルL1と、第2電圧制御回路33と、第2電流制御回路34と、Hi/Low(ハイサイド/ローサイド)ドライバ35とを備えている。 The second power supply unit 3 includes an input capacitor Cin, a Hi (high side) switching element 31, a Low (low side) switching element 32, a reactor L1, a second voltage control circuit 33, a second current control circuit 34, and a Hi/Low (high side/low side) driver 35.

入力コンデンサCinは、例えば、電解コンデンサで構成され、第1電源部2からの出力電圧Vout1が入力される入力端子Tin2(逆流防止ダイオード4のカソード)に正極側端子が接続されていると共に、負極側端子が接地端子に接続されている。なお、入力コンデンサCinの静電容量は、容量性負荷CLの静電容量に対して、十分に大きい値が好ましい。 The input capacitor Cin is, for example, an electrolytic capacitor, and its positive terminal is connected to the input terminal Tin2 (cathode of the backflow prevention diode 4) to which the output voltage Vout1 from the first power supply unit 2 is input, and its negative terminal is connected to the ground terminal. Note that the capacitance of the input capacitor Cin is preferably sufficiently large relative to the capacitance of the capacitive load CL.

Hi側スイッチング素子31及びLow側スイッチング素子32は、例えば、N型MOSFETで構成される。Hi側スイッチング素子31及びLow側スイッチング素子32は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やBJT(バイポーラートランジスター)であっても良い。入力コンデンサCinの正極端子と接地端子との間には、Hi側スイッチング素子31とLow側スイッチング素子32との直列回路(ハーフブリッジ回路)が接続されている。Hi側スイッチング素子31のドレインは、入力コンデンサCinの正極端子に接続されていると共に、Hi側スイッチング素子31のソースは、Low側スイッチング素子32のドレインに接続され、Low側スイッチング素子32のソースは、接地端子に接続されている。 The high-side switching element 31 and the low-side switching element 32 are, for example, composed of an N-type MOSFET. The high-side switching element 31 and the low-side switching element 32 may be an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a BJT (Bipolar Transistor). A series circuit (half-bridge circuit) of the high-side switching element 31 and the low-side switching element 32 is connected between the positive terminal of the input capacitor Cin and the ground terminal. The drain of the high-side switching element 31 is connected to the positive terminal of the input capacitor Cin, and the source of the high-side switching element 31 is connected to the drain of the low-side switching element 32, and the source of the low-side switching element 32 is connected to the ground terminal.

Hi側スイッチング素子31及びLow側スイッチング素子32のドレイン―ソース間には、ダイオードDH、DLがそれぞれ接続されている。ダイオードDH、DLは、カソードがドレインに、アノードがソースにそれぞれ接続されている。なお、本実施の形態のように、Hi側スイッチング素子31及びLow側スイッチング素子32は、例えば、N型MOSFETで構成した場合、ダイオードDH、DLは、Hi側スイッチング素子31及びLow側スイッチング素子32の寄生ダイオードとすることができる。 Diodes DH and DL are connected between the drain and source of the high-side switching element 31 and the low-side switching element 32, respectively. The cathodes of the diodes DH and DL are connected to the drains and the anodes to the sources. Note that, as in this embodiment, when the high-side switching element 31 and the low-side switching element 32 are configured, for example, with N-type MOSFETs, the diodes DH and DL can be parasitic diodes of the high-side switching element 31 and the low-side switching element 32.

Hi側スイッチング素子31とLow側スイッチング素子32との接続点Xは、リアクトルL1と抵抗R2とを介して出力端子Tout2に接続されている。そして、出力端子Tout2と接地端子との間に容量性負荷CLが接続される。 The connection point X between the high-side switching element 31 and the low-side switching element 32 is connected to the output terminal Tout2 via a reactor L1 and a resistor R2. A capacitive load CL is connected between the output terminal Tout2 and the ground terminal.

抵抗R2は、第2電源部3から出力される出力電流Iout2を検出する電流検出抵抗であり、両端電圧が第2電流制御回路34に入力される。なお、抵抗R2は、Low側に設けても良い。 Resistor R2 is a current detection resistor that detects the output current Iout2 output from the second power supply unit 3, and the voltage across it is input to the second current control circuit 34. Resistor R2 may also be provided on the low side.

第2電圧制御回路33は、Hi側スイッチング素子31及びLow側スイッチング素子32をオンオフ制御する制御信号を生成する回路であり、制御信号によって出力電圧Vout2を任意の電圧に制御する。第2電圧制御回路33によって生成された制御信号は、Hi/Lowドライバ35を介してHi側スイッチング素子31及びLow側スイッチング素子32のゲートに入力され、制御信号に基づいてHi側スイッチング素子31及びLow側スイッチング素子32がオンオフ動作する。 The second voltage control circuit 33 is a circuit that generates a control signal that controls the on/off of the high-side switching element 31 and the low-side switching element 32, and controls the output voltage Vout2 to an arbitrary voltage by the control signal. The control signal generated by the second voltage control circuit 33 is input to the gates of the high-side switching element 31 and the low-side switching element 32 via the high/low driver 35, and the high-side switching element 31 and the low-side switching element 32 are turned on and off based on the control signal.

第2電流制御回路34は、抵抗R2の両端電圧によって出力電流Iout2を監視し、出力電流Iout2が過電流閾値I_oc2に到達すると、Hi/Lowドライバ35を介してHi側スイッチング素子31及びLow側スイッチング素子32のオンオフを制御して容量性負荷CLに供給する電力を制限する過電流保護(OCP)機能を有している。 The second current control circuit 34 monitors the output current Iout2 using the voltage across resistor R2, and when the output current Iout2 reaches the overcurrent threshold I_oc2, it has an overcurrent protection (OCP) function that controls the on/off of the Hi-side switching element 31 and the Low-side switching element 32 via the Hi/Low driver 35 to limit the power supplied to the capacitive load CL.

第1電流制御回路25が過電流保護を開始する過電流閾値I_oc1は、図2に示すように、第2電流制御回路34が過電流保護を開始する過電流閾値I_oc2よりも低い値に設定されている。 The overcurrent threshold I_oc1 at which the first current control circuit 25 initiates overcurrent protection is set to a value lower than the overcurrent threshold I_oc2 at which the second current control circuit 34 initiates overcurrent protection, as shown in FIG. 2.

なお、第2電流制御回路34による過電流保護の特性には、特に制限はなく、図2(b)に実線で示す垂下特性であっても良く、図2(b)に点線で示すフの字特性や図2(b)に一点鎖線で示すヘの字特性であっても良い。 The characteristics of the overcurrent protection by the second current control circuit 34 are not particularly limited, and may be the drooping characteristics shown by the solid line in FIG. 2(b), the V-shaped characteristics shown by the dotted line in FIG. 2(b), or the V-shaped characteristics shown by the dashed line in FIG. 2(b).

第2電源部3では、リアクトルL1、入力コンデンサCin、容量性負荷CLでLCフィルター回路を構成され、図3に示すように、Hi側スイッチング素子31及びLow側スイッチング素子32を交互にオンオフ動作させ、且つデューティ比を制御することで所望の出力電圧Vout2が出力される。なお、図3に示す出力電圧Vout2は、正弦波出力時の波形である。 In the second power supply unit 3, an LC filter circuit is formed by a reactor L1, an input capacitor Cin, and a capacitive load CL. As shown in FIG. 3, the high-side switching element 31 and the low-side switching element 32 are alternately turned on and off, and the duty ratio is controlled to output the desired output voltage Vout2. Note that the output voltage Vout2 shown in FIG. 3 is a waveform when a sine wave is output.

Hi側スイッチング素子31及びLow側スイッチング素子32のオンオフ動作は、図4及び図5に示すように、同時オンでの貫通電流を抑制するため、いずれもがオフ状態となるデッドタイム期間(期間T1、T3)を挟んで行われる。図4は、上から順に、Hi側スイッチング素子31のオンオフ状態、Low側スイッチング素子32のオンオフ状態、Hi側スイッチング素子31のドレイン電流、Low側スイッチング素子32のドレイン電流、リアクトルL1のリアクトル電流を示している。図5は、図4に示す期間T1~T4bにおけるHi側スイッチング素子31及びLow側スイッチング素子32のオンオフ状態と、容量性負荷CLを充放電する電流経路を示している。 As shown in Figures 4 and 5, the on/off operation of the high-side switching element 31 and the low-side switching element 32 is performed with a dead time period (periods T1 and T3) in between, during which both are in the off state, in order to suppress through current when they are simultaneously on. From the top, Figure 4 shows the on/off state of the high-side switching element 31, the on/off state of the low-side switching element 32, the drain current of the high-side switching element 31, the drain current of the low-side switching element 32, and the reactor current of the reactor L1. Figure 5 shows the on/off states of the high-side switching element 31 and the low-side switching element 32 during periods T1 to T4b shown in Figure 4, and the current path that charges and discharges the capacitive load CL.

第2電源部3では、図4及び図5に示す期間T1、T2aにおいて、容量性負荷CLの電圧を下げたい場合(電圧下降時)、容量性負荷CLに充電されている電荷が引き抜かれ、引き抜いた電荷が回生電流Ireとして入力コンデンサCinに回生される。すなわち、第2電源部3は、不必要な電荷を再利用できる。 In the second power supply unit 3, during periods T1 and T2a shown in Figures 4 and 5, when it is desired to lower the voltage of the capacitive load CL (when the voltage is dropping), the charge stored in the capacitive load CL is extracted, and the extracted charge is regenerated as the regenerative current Ire to the input capacitor Cin. In other words, the second power supply unit 3 can reuse unnecessary charge.

なお、本実施の形態の電源装置1では、逆流防止ダイオード4によって、第2電源部3から第1電源部2への電荷の逆流を防止している。従って、回生電流Ireの回生エネルギーによる第1電源部2の出力電圧Vout1の上昇が防止される。これにより、出力電圧Vout1の上昇に伴って第1電源部2のスイッチング動作が停止されることがないため、ダイナミックレギュレーションが改善する。 In the power supply device 1 of this embodiment, the backflow prevention diode 4 prevents the backflow of charge from the second power supply unit 3 to the first power supply unit 2. This prevents the output voltage Vout1 of the first power supply unit 2 from increasing due to the regenerative energy of the regenerative current Ire. This improves dynamic regulation because the switching operation of the first power supply unit 2 is not stopped as the output voltage Vout1 increases.

第2電源部3への入力電流、すなわち第1電源部2の出力電流Iout1と、第2電源部3の出力電流Iout2と、回生電流Ireの関係は、
Iout1=Iout2-Ire (式1)
で表される。
The relationship between the input current to the second power supply unit 3, that is, the output current Iout1 of the first power supply unit 2, the output current Iout2 of the second power supply unit 3, and the regenerative current Ire is expressed as follows:
Iout1=Iout2−Ire (Formula 1)
It is expressed as:

容量性負荷CLの場合、仮に回路に損失が無いとすれば、容量性負荷CLに充電された電荷はすべて回生されて入力コンデンサCinに戻るので、入力コンデンサCinと容量性負荷CLでは損失のない電荷のやりとりができる。この場合、第1電源部2に求められる電流供給能力は、最初に第2電源部3の入力コンデンサCinに充電することだけになり、それ以降は第1電源部2の出力電流Iout1がゼロになる。 In the case of a capacitive load CL, if there is no loss in the circuit, all the charge stored in the capacitive load CL is regenerated and returned to the input capacitor Cin, so charge can be exchanged between the input capacitor Cin and the capacitive load CL without loss. In this case, the current supply capacity required of the first power supply unit 2 is only to initially charge the input capacitor Cin of the second power supply unit 3, and thereafter the output current Iout1 of the first power supply unit 2 becomes zero.

実際には、回路の抵抗成分や容量性負荷CLでのエネルギー消費があるため、出力電流Iout2>回生電流Ireとなるため、入力コンデンサCinに充電した後も電流を供給する必要がある。しかし、回生電流Ireによって容量性負荷CLに充電された電荷が再利用されるため、図6に示すように、容量性負荷CLに供給する出力電流Iout2に対して、第1電源部2の出力電流Iout1は、小さな電流で済む。なお、図6は正弦波出力時の波形であり、(a)は第2電源部3の出力電圧Vout2、(b)は第2電源部3の出力電流Iout2、(c)は第2電源部3の入力電流(第1電源部2の出力電流Iout1)をそれぞれ示す。 In reality, due to energy consumption in the resistance components of the circuit and the capacitive load CL, output current Iout2 > regenerative current Ire, so it is necessary to supply current even after charging the input capacitor Cin. However, since the charge charged in the capacitive load CL is reused by the regenerative current Ire, as shown in Figure 6, the output current Iout1 of the first power supply unit 2 can be small compared to the output current Iout2 supplied to the capacitive load CL. Note that Figure 6 shows the waveform when a sine wave is output, where (a) shows the output voltage Vout2 of the second power supply unit 3, (b) shows the output current Iout2 of the second power supply unit 3, and (c) shows the input current of the second power supply unit 3 (output current Iout1 of the first power supply unit 2).

従って、第1電源部2は、第2電源部3よりも小さな電流容量で構成することができる。そして、第1電源部2は、第2電源部3よりも小さな電流容量で良いため、上述したように、第1電源部2が過電流保護を開始する過電流閾値I_oc1は、第2電源部3が過電流保護を開始する過電流閾値I_oc2よりも低い値に設定されている。これにより、容量性負荷CLが短絡故障時や第2電源部3の故障時にも安全性が確保される。 Therefore, the first power supply unit 2 can be configured with a smaller current capacity than the second power supply unit 3. And because the first power supply unit 2 can have a smaller current capacity than the second power supply unit 3, as described above, the overcurrent threshold I_oc1 at which the first power supply unit 2 starts overcurrent protection is set to a lower value than the overcurrent threshold I_oc2 at which the second power supply unit 3 starts overcurrent protection. This ensures safety even when the capacitive load CL has a short-circuit fault or when the second power supply unit 3 has a fault.

図7は、容量性負荷CLが短絡故障時の等価回路であり、容量性負荷CLに抵抗成分RLが並列に接続されている。正常時は抵抗成分RLが無視できるくらい大きな値であったものが、短絡故障時は無視できない小ささになる。そして、抵抗成分RL=0Ωが、完全な短絡故障状態である。 Figure 7 shows an equivalent circuit when the capacitive load CL is short-circuited, with a resistance component RL connected in parallel to the capacitive load CL. Under normal conditions, the resistance component RL has a negligible large value, but in the event of a short-circuit fault, it becomes too small to be ignored. The resistance component RL = 0 Ω represents a complete short-circuit fault state.

容量性負荷CLの短絡故障時には、回生されるべき電荷の一部が抵抗成分RLで消費されてしまい、回生電流Ireが減る。そして、抵抗成分RLが小さくなるほど、出力電流Iout2に対しての回生電流Ireの比率が小さくなる。従って、上述の(式1)で考えると、第2電源部3への入力電流、すなわち第1電源部2の出力電流Iout1と、第2電源部3の出力電流Iout2とがほぼ等しくなる。 When the capacitive load CL has a short-circuit fault, part of the charge that should be regenerated is consumed by the resistance component RL, and the regenerative current Ire decreases. The smaller the resistance component RL, the smaller the ratio of the regenerative current Ire to the output current Iout2. Therefore, considering the above (Equation 1), the input current to the second power supply unit 3, i.e., the output current Iout1 of the first power supply unit 2, and the output current Iout2 of the second power supply unit 3 become approximately equal.

ここで、第1電源部2は、第2電源部3よりも小さな電流容量で構成され、第1電源部2の過電流閾値I_oc1は、第2電源部3の過電流閾値I_oc2よりも低い値に設定されている。従って、第1電源部2の出力電流Iout1は、第1電源部2の出力電流Iout1に制限され、容量性負荷CLが短絡故障した場合や第2電源部3が故障しても、容量性負荷CLに流れる負荷電流は自動的にI_oc1近傍の小さな値に抑制され、安全性が確保される。 Here, the first power supply unit 2 is configured with a smaller current capacity than the second power supply unit 3, and the overcurrent threshold I_oc1 of the first power supply unit 2 is set to a value lower than the overcurrent threshold I_oc2 of the second power supply unit 3. Therefore, the output current Iout1 of the first power supply unit 2 is limited to the output current Iout1 of the first power supply unit 2, and even if the capacitive load CL is short-circuited or the second power supply unit 3 is broken, the load current flowing through the capacitive load CL is automatically suppressed to a small value close to I_oc1, ensuring safety.

以上説明したように、本実施の形態は、容量性負荷CLを駆動する電源装置1であって、出力電圧Vout1(直流電圧)を出力する第1電源部2と、第1電源部2からの直流電圧によって充電される入力コンデンサCinを備え、ブリッジ接続されたHi側スイッチング素子31及びLow側スイッチング素子32のオンオフ動作によって入力コンデンサCinの直流電圧を交流電圧に変換して容量性負荷CLに供給し、交流電圧の下降時に容量性負荷CLに充電された電荷を回生電流Ireとして入力コンデンサCinに回生する共振型の第2電源部3と、を備え、第1電源部2は、第2電源部3よりも小さな電流容量で構成されていると共に、第1電源部2が過電流保護を開始する過電流閾値I_oc1は、第2電源部3が過電流保護を開始する過電流閾値I_oc2よりも低い値に設定されている。
この構成により、容量性負荷CLが短絡故障した場合や第2電源部3が故障しても、容量性負荷CLに流れる負荷電流は自動的にI_oc1近傍の小さな値に抑制され、安全性が確保され、電圧を任意に制御でき、且つ正負の電流を流すことのできる安全性の高い電源装置を提供できる。
また、容量性負荷CLが短絡故障してIout2が所定電流Ith以上流れたことをラッチ検出して第1電源部2のスイッチング素子22をオフすることで、さらに安全性を高めることができる。
また、容量性負荷CLが短絡故障してIout2が所定電流Ith以上流れたことをラッチ検出して第2電源部3のHi(ハイサイド)側スイッチング素子31をオフして、Low(ローサイド)側スイッチング素子32をオンすることで、さらに安全性を高めることができる。
As described above, this embodiment provides a power supply device 1 for driving a capacitive load CL, comprising a first power supply unit 2 that outputs an output voltage Vout1 (DC voltage), and an input capacitor Cin that is charged by the DC voltage from the first power supply unit 2, and a resonant second power supply unit 3 that converts the DC voltage of the input capacitor Cin into an AC voltage by on/off operations of a bridge-connected Hi-side switching element 31 and a Low-side switching element 32 and supplies the AC voltage to the capacitive load CL, and regenerates the charge stored in the capacitive load CL as a regenerative current Ire to the input capacitor Cin when the AC voltage drops, wherein the first power supply unit 2 is configured with a smaller current capacity than the second power supply unit 3, and the overcurrent threshold I_oc1 at which the first power supply unit 2 starts overcurrent protection is set to a lower value than the overcurrent threshold I_oc2 at which the second power supply unit 3 starts overcurrent protection.
With this configuration, even if the capacitive load CL experiences a short-circuit failure or the second power supply unit 3 fails, the load current flowing through the capacitive load CL is automatically suppressed to a small value close to I_oc1, ensuring safety and providing a highly safe power supply device that can arbitrarily control the voltage and pass positive and negative currents.
In addition, when the capacitive load CL is short-circuited and Iout2 flows a current equal to or greater than a predetermined current Ith, the switching element 22 of the first power supply unit 2 is turned off by latch detection, thereby further improving safety.
In addition, when the capacitive load CL has short-circuited and Iout2 has flowed a current equal to or greater than a predetermined current Ith, the high side switching element 31 of the second power supply unit 3 is turned off and the low side switching element 32 is turned on, thereby further improving safety.

さらに、本実施形態において、第2電源部3から第1電源部2への電荷の逆流を防止する逆流防止ダイオード4を備えている。
この構成により、出力電圧Vout1の上昇に伴って第1電源部2のスイッチング動作が停止されることがないため、ダイナミックレギュレーションが改善する。
Furthermore, in this embodiment, a backflow prevention diode 4 is provided to prevent a backflow of charge from the second power supply unit 3 to the first power supply unit 2 .
With this configuration, the switching operation of the first power supply unit 2 is not stopped in response to an increase in the output voltage Vout1, improving dynamic regulation.

なお、本発明が上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変更され得ることは明らかである。また、上記構成部材の数、位置、形状等は上記実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。なお、同一構成要素には、各図において、同一符号を付している。 It is clear that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and that each embodiment may be modified as appropriate within the scope of the technical concept of the present invention. Furthermore, the number, position, shape, etc. of the above-described components are not limited to the above-described embodiments, and may be any number, position, shape, etc. that is suitable for implementing the present invention. The same components are denoted by the same reference numerals in each drawing.

1 電源装置
2 第1電源部
3 第2電源部
4 逆流防止ダイオード
21 トランス
22 スイッチング素子
23 出力整流平滑回路
24 第1電圧制御回路
25 第1電流制御回路
26 ドライバ
31 Hi側スイッチング素子
32 Low側スイッチング素子
33 第2電圧制御回路
34 第2電流制御回路
35 Hi/Lowドライバ
CL 容量性負荷
Cin 入力コンデンサ
Cout 出力コンデンサ
D1 :整流ダイオード
DH、DL ダイオード
E 直流電源
L1 リアクトル
R1、R2 抵抗
1 Power supply device 2 First power supply unit 3 Second power supply unit 4 Reverse current prevention diode 21 Transformer 22 Switching element 23 Output rectifier smoothing circuit 24 First voltage control circuit 25 First current control circuit 26 Driver 31 Hi side switching element 32 Low side switching element 33 Second voltage control circuit 34 Second current control circuit 35 Hi/Low driver CL Capacitive load Cin Input capacitor Cout Output capacitor D1: Rectifier diodes DH, DL Diode E DC power supply L1 Reactor R1, R2 Resistor

Claims (2)

容量性負荷を駆動する電源装置であって、
直流電圧を出力する第1電源部と、
前記第1電源部からの直流電圧によって充電される入力コンデンサを備え、ブリッジ接続されたスイッチング素子のオンオフ動作によって前記入力コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換して前記容量性負荷に供給し、前記交流電圧の下降時に前記容量性負荷に充電された電荷を前記入力コンデンサに回生する共振型の第2電源部と、を備え、
前記第1電源部は、前記第2電源部よりも小さな電流容量で構成されていると共に、
前記第1電源部が過電流保護を開始する過電流閾値は、前記第2電源部が過電流保護を開始する過電流閾値よりも低い値に設定されていることを特徴とする電源装置。
A power supply device for driving a capacitive load, comprising:
A first power supply unit that outputs a DC voltage;
a resonant second power supply unit which includes an input capacitor charged by a DC voltage from the first power supply unit, converts the DC voltage of the input capacitor into an AC voltage by on/off operations of bridge-connected switching elements, and supplies the AC voltage to the capacitive load, and regenerates the charge stored in the capacitive load to the input capacitor when the AC voltage drops;
The first power supply unit has a smaller current capacity than the second power supply unit,
A power supply device, characterized in that an overcurrent threshold at which the first power supply unit initiates overcurrent protection is set to a value lower than an overcurrent threshold at which the second power supply unit initiates overcurrent protection.
前記第2電源部から前記第1電源部への電荷の逆流を防止する逆流防止ダイオードを備えていることを特徴とする請求項1に記載の電源装置。 The power supply device according to claim 1, characterized in that it is provided with a backflow prevention diode that prevents a backflow of charge from the second power supply unit to the first power supply unit.
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