JP2008109751A - 直流電源装置および２重化電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ２台の直流電源装置を並列接続した２重化電源装置では、２台の直流電源装置の出力電流が均等にならないため、２重化電源装置の信頼性が低下し、かつ直流電源装置が切り替わったときの電圧変動が大きくなるという課題を解決する。
【解決手段】 各直流電源装置の出力電流値を検出し、出力電流値が大きくなると所定の割合で出力電圧を小さくし、出力電流値が小さくなると出力電圧を大きくするようにした。２台の直流電源装置の出力電流が均等になるので、電源装置の信頼性が高くなり、かつ直流電源が切り替わったときの電圧変動を小さくすることができる。

【選択図】 図１

Description

本発明は直流電力を負荷に供給する直流電源装置、およびこの直流電源装置を２台並列に接続した２重化電源装置に関するものである。

信頼性を向上させることを目的として、電源を２台並列接続した２重化電源装置が用いられる。このような２重化電源装置の構成を図４に示す。図４において、１０、１１は直流電源であり、それぞれ出力端子Ｖｏｕｔ、電圧検出端子Ｖｓ、マイナス端子ＣＯＭを有している。この直流電源１０、１１は出力端子Ｖｏｕｔの電圧を電圧検出端子Ｖｓに帰還することによって、出力端子Ｖｏｕｔの電圧が一定になるように制御する。直流電源１０、１１を直接並列に接続すると互いに干渉することがあるので、それぞれショットキバリアダイオード１３、１４を介して並列に接続し、負荷１２に電力を供給する。

このようにすることにより、一方の電源がダウンしても他方の電源から負荷１２に電力を供給することができるので、信頼性の高いシステムを構成することができる。なお、２重化電源装置では、直流電源１０、１１のどちらか片方のみでも負荷１２が要求する電流を供給できるように、直流電源１０、１１の電流容量を選択する。

図４の構成では、ショットキバリアダイオード１３、１４の順方向降下電圧によって損失が発生し、この損失は直流電源１０、１１の出力電流が大きくなるほど大きくなるという欠点がある。そのため、ショットキバリアダイオードの代わりに低オン抵抗のＭＯＳＦＥＴ(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)が用いられるようになってきた。

図５にＭＯＳＦＥＴを用いた場合の構成を示す。なお、図４と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。図５において、１５、１６はＭＯＳＦＥＴであり、ショットキバリアダイオード１３、１４の代わりに用いられている。このＭＯＳＦＥＴ１５、１６のオンオフは、それぞれ直流電源１０、１１にある制御端子ＣＴＲＬの制御電圧によって制御される。

特開平１１−１２２８１４号公報

しかしながら、このような２重化電源装置では、直流電源１０、１１の初期の出力電圧が異なると、各直流電源が分担する電流が異なってしまい、均等に動作しないという課題があった。図６は、図４の２重化電源装置において、負荷１２に流れる電流（横軸）を変化させたときの、直流電源１０、１１の出力電圧と出力電流（分担電流）の変化を測定した実験結果であり、２０、２１はそれぞれ直流電源１０、１１の出力電圧の変化、２２は負荷に供給される電圧の変化、２３、２４はそれぞれ直流電源１０、１１の出力電流の変化を表したグラフである。

この図から明らかなように、各直流電源の出力電流は同じではなく、負荷に流れる電流が大きくなる程出力電流の差は大きくなる。負荷電流が１２Ａのときの直流電源１０と１１の出力電流はそれぞれ４．８Ａ、７．２Ａであり、それぞれ定格に対して４０％、６０％になる。なお、ショトキバリアダイオード１３、１４の順方向電圧降下のために、負荷に供給される電圧２２は各直流電源の出力電流２０、２１より低くなる。

図７は、図５の２重化電源装置において、負荷１２に流れる電流（横軸）を変化させたときの、直流電源１０、１１の出力電圧と出力電流（分担電流）の変化を測定した実験結果であり、２５、２６はそれぞれ直流電源１０、１１の出力電圧の変化、２７は負荷１２に供給される電圧の変化、２８、２９はそれぞれ直流電源１０、１１の出力電流の変化を表したグラフである。

この図から明らかなように、各直流電源の出力電流は同じではなく、負荷１２に流れる電流が大きくなる程差は大きくなる。負荷電流が１２Ａのときの直流電源１０と１１の出力電流はそれぞれ２．８Ａ、９．２Ａであり、それぞれ定格に対して２３％、７７％になる。

図６、図７からわかるように、並列に接続された直流電源の出力電流は均等にならず、初期の出力電圧が高い方が出力電流も大きくなる。一般にショットキバリアダイオードを用いた場合よりもＭＯＳＦＥＴを用いた場合の方が降下電圧は小さいので、出力電流の不均一度はＭＯＳＦＥＴを用いた場合の方が大きくなる。極端な場合では、一方が全出力電流を負担し、他方は０の場合もあり得る。また、負荷特性がよい（出力電流の変化に対する出力電圧の変化割合が小さい）電源ほど、出力電流の差は大きくなる。

出力電流を均一にするためには、並列接続する直流電源の出力電圧を同じにしなければならないが、そのためには高精度で出力電圧を調整しなければならず、多くの調整時間と設備が必要になるという課題があった。また、出力電圧は周囲温度や経年変化によっても変化するので、完全に一致させることは一般に不可能である。実用的には、±１０ｍＶ程度が限界であり、出力電流の不均一性を除去することはできない。

出力電流の差が大きくなると、両電源の発熱量に差が発生し、その結果電源寿命に差が発生する。このため、システムの信頼性が低下する。また、片方の電源がダウンして電源が切り替わったときに分担電流に応じた電流変動が発生するので、出力電圧の変動が大きくなるという課題もあった。

従って本発明の目的は、並列接続された電源装置の出力電流を均等化することができる直流電源装置およびそれを用いた２重化電源装置を提供することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
出力電流の値を検出し、この出力電流値に関連する信号を出力する電流検出部と、
その出力電圧を一定に制御すると共に、前記電流検出部の出力を用いて、前記出力電流が増加すると所定の割合で前記出力電圧を減少させ、前記出力電流が減少すると所定の割合で前記出力電圧を増加させる電圧制御部と、
を具備したものである。並列接続されたときに、出力電流の差を小さくすることができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記電流検出部を、出力電流が流れる経路の途中に配置された抵抗と、この抵抗の両端電圧を検出する増幅回路で構成したものである。構成が簡単になる。

請求項３記載の発明は、
請求項１または請求項２記載の直流電源装置を２台並列に接続したものである。各直流電源の出力電流の差を小さくすることができる。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、
前記直流電源装置の各々の出力側にダイオードを接続するようにしたものである。制御が不要になる。

請求項５記載の発明は、請求項３記載の発明において、
前記直流電源装置の各々の出力側にＭＯＳＦＥＴを接続したものである。損失を小さくできる。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２、３、４および５の発明によれば、直流電源装置の出力電流を測定し、この出力電流が大きくなると出力電圧を所定の割合で低下させ、出力電流が小さくなると出力電圧を所定の割合で増加させるようにした。また、この直流電源装置を２台並列に接続して、２重化電源装置を構成した。

出力電流値が均等化されるので発熱量が均一になり、直流電源装置の故障の頻度が低下する。従って、この直流電源装置で２重化電源装置を構成するとこの電源装置の信頼性が増し、この２重化電源装置を用いたシステムの信頼性が向上するという効果がある。

また、並列接続される相手側電源の出力電流を検出しなくても自動的に出力電流が均一化されるので、信号インターフェイスおよび制御が容易になるという効果もある。さらに、数分で均一化されればよいので急激な制御は必要なく、容易に安定な制御ができるという効果もある。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る２重化電源装置の一実施例を示す構成図である。なお、図５と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。図１において、３０、３１は直流電源であり、所定の出力電圧を有する直流を出力する。これらの直流電源は出力端子Ｖｏｕｔ、電圧検出端子Ｖｓ、マイナス端子ＣＯＭ、制御端子ＣＴＲＬの他に、負荷電流検出端子Ｉｓを有している。負荷電流検出端子Ｉｓには自身の出力電流に関する信号が入力される。直流電源１０、１１はこの負荷電流検出端子Ｉｓに入力された信号に基づいて自身の出力電圧を調整する。

直流電源３０、３１の出力端子Ｖｏｕｔの電圧は電圧検出端子Ｖｓに帰還される。これにより、直流電源３０、３１は、出力電流が変化しても出力電圧を一定値に維持するように制御する。また、直流電源３０、３１の出力電流はそれぞれＭＯＳＦＥＴ１５、１６を介して並列に接続され、負荷１２の端子＋に一定電圧の直流を供給する。負荷１２の端子−は直流電源３０、３１のマイナス端子ＣＯＭに接続される。また、ＭＯＳＦＥＴ１５、１６のオンオフは、それぞれ直流電源３０，３１の制御端子ＣＴＲＬの制御信号によって制御される。

３２は抵抗であり、その両端は直流電源３０の負荷電流検出端子Ｉｓとマイナス端子ＣＯＭに接続される。３３は抵抗であり、その両端は直流電源３１の負荷電流検出端子Ｉｓとマイナス端子ＣＯＭに接続される。抵抗３２、３３の抵抗値は出力電流の範囲によって異なるが、例えば０．００３Ωが用いられる。

直流電源３０の出力電流は負荷１２を経由して抵抗３２に流れ、抵抗３２の両端には出力電流に比例する電圧が発生する。このため、負荷電流検出端子Ｉｓには出力電流に比例する電圧が入力される。直流電源３０は、この負荷電流検出端子Ｉｓに入力される電圧が大きくなると出力電圧を所定の割合で低下させ、小さくなると出力電圧を所定の割合で増加させる。負荷１２の負荷は一定なので、出力電流は出力電圧と同方向に増減する。

直流電源３１も同様に動作する。抵抗３３の両端には、直流電源３１の出力電流値に比例する電圧が発生し、この電圧は負荷電流検出端子Ｉｓに入力される。直流電源３１は、この電圧が大きくなると所定の割合で出力電圧を低下させ、小さくなると所定の割合で増加させる。出力電流は、出力電圧と同方向に増減する。

直流電源３０の出力電流が直流電源３１のそれより大きいと、抵抗３２の両端電圧が同３３の両端電圧よりも大きくなり、直流電源３０の出力電圧はより低下する。そのため、直流電源３０の出力電流は小さくなり、直流電源３１の出力電流に近づく。このように、直流電源３０と３１の出力電流は等しくなるように制御される。

抵抗３２と３３の抵抗値を同じ値にし、直流電源３０と３１に同じ特性の電源を用いることにより、両電源の出力電流をほぼ同じ値に制御することができる。また、直流電源３０と３１の出力電圧調整特性が異なっても、それに伴って抵抗３２、３３の抵抗値を調整すれば、同じ効果が得られる。

図２に、直流電源３０の構成の一例を示す。なお、この電源はシリーズパスレギュレータの例である。また、図１と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。図２において、４０は増幅回路であり、マイナス端子ＣＯＭと負荷電流検出端子Ｉｓ間に接続された抵抗３２両端に発生する電圧を差動入力回路で受け、インピーダンス変換して出力する。抵抗３２と増幅回路４０で電流検出回路を構成している。増幅回路４０は、増幅率が１以下の場合も含まれる。

４１は電圧制御部であり、電圧源４２の出力電圧を、基準電圧源４３の出力電圧で決まる一定電圧に制御する。電圧制御部４１の出力電圧をＶとすると、このＶが増加するとＡ点の電圧が高くなり、トランジスタ４４のベース電流が増加する。そのため、トランジスタ４５のベース電流が減少して、電圧Ｖを下げる。このようにして、出力端子Ｖｏｕｔに流れる電流が変化しても、電圧Ｖを一定値に保つ。

増幅回路４０の出力電圧は、抵抗４６を介してＡ点に印可される。負荷１２に流れる電流が増加すると抵抗３２両端の電圧が増加し、Ａ点の電圧を引き上げる。このため、電圧Ｖが上昇したのと同じことになり、電圧Ｖは低下する。このように、負荷１２に供給される電圧は出力電流が増加するに伴って低くなり、その結果出力電流は減少する。直流電源３１も同じ構成を有し、直流電源３０と同様に動作するので直流電源３０、３１の出力電流は同じ値に近づく。

図３に、負荷１２に接続した時点で直流電源３０と３１の出力電圧が２０ｍＶずれていた場合における、負荷１２に流れる負荷電流を変化させたときの、各電源の出力電流の変化を示す。横軸は負荷１２に流れる負荷電流（直流電源３０と３１から供給される合計電流）、縦軸は直流電源３０、３１の出力電流（分担電流）と負荷１２に供給される電圧である。

図３において、５０、５１はそれぞれ直流電源１０、１１の出力電圧、５２は負荷１２に供給される電圧の変化を表したグラフである。ＭＯＳＦＥＴ１５、１６に抵抗成分があるので、負荷１２に供給される電圧と直流電源１０、１１の出力電圧の差は、負荷１２に流れる電流が増加すると共に大きくなる。

５３、５４はそれぞれ直流電源３０、３１の出力電流の変化を表したグラフである。直流電源３０、３１の出力電流は負荷電流が増加するに従って増加するが、その差は負荷電流の大きさに関わらずほぼ一定となり、かつ図６、図７の場合より小さくなる。負荷電流が１２Ａ（最大値）における直流電源３０と３１の出力電流はそれぞれ５．６Ａ、６．４Ａになり、定格に対してそれぞれ４７％、５３％になる。図７では２３％、７７％であったので、かなり改善されたことがわかる。

なお、図２ではシリーズパス電源について説明したが、スイッチング電源にも応用することができる。また、ショットキバリアダイオードを含むダイオードを用いた２重化電源に適用することもできる。

本発明の一実施例を示す構成図である。 本発明に係る直流電源装置の内部構成図である。 本発明の効果を示す特性図である。 従来の、ショットキバリアダイオードを用いた２重化電源装置の構成図である。 従来の、ＭＯＳＦＥＴを用いた２重化電源装置の構成図である。 ショットキバリアダイオードを用いた２重化電源装置の特性図である。 ＭＯＳＦＥＴを用いた２重化電源装置の特性図である。

符号の説明

１２ 負荷
１５、１６ ＭＯＳＦＥＴ
３０、３１ 直流電源
３２、３３ 抵抗
４０ 増幅回路
４１ 電圧制御部
４２ 電圧源
４３ 基準電源
４４、４５ トランジスタ
５０、５１ 出力電圧
５２ 負荷に供給される電圧
５３、５４ 各直流電源の出力電流
Ｖｏｕｔ 出力端子
ＣＯＭ マイナス端子
Ｉｓ 負荷電流検出端子

Claims (5)

1. 出力電流の値を検出し、この出力電流値に関連する信号を出力する電流検出部と、
   その出力電圧を一定に制御すると共に、前記電流検出部の出力を用いて、前記出力電流が増加すると所定の割合で前記出力電圧を減少させ、前記出力電流が減少すると所定の割合で前記出力電圧を増加させる電圧制御部と、
   を具備したことを特徴とする直流電源装置。
2. 前記電流検出部は、出力電流が流れる経路の途中に配置された抵抗と、この抵抗の両端電圧を検出する増幅回路で構成されることを特徴とする請求項１記載の直流電源装置。
3. 請求項１または請求項２記載の直流電源装置を２台並列に接続したことを特徴とする２重化電源装置。
4. 前記直流電源装置の各々の出力側にダイオードが接続されたことを特徴とする請求項３記載の２重化電源装置。
5. 前記直流電源装置の各々の出力側にＭＯＳＦＥＴが接続されたことを特徴とする請求項３記載の２重化電源装置。

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