JP2008148513A - 電源装置及び二重化電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力電流を直接検出することを避け、出力電流に比例して温度が変化する素子の温度を測定することにより間接的に出力電流を検出する電源装置及び二重化電源装置を実現する。
【解決手段】電源装置を並列接続し、同一負荷に電源を供給する二重化電源装置に関する。各電源装置の温度検出手段が測定している発熱部品の温度上昇が均衡するように制御回路を制御し、両電源装置の出力電流を均等化することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、出力電流（負荷電流）の変化を部品の温度上昇で検出する電源装置及び二重化電源装置に関するものである。

図５は従来の二重化電源装置の構成図である。
単純な突合せ方式で、スイッチング電源装置Ａとスイッチング電源装置Ｂを並列接続し、同一負荷に電源を供給する。
スイッチング電源装置ＡとＢは同一構成であるため、スイッチング電源装置Ａについて説明する。トランスＴ１ａの一次側に印加される直流電圧をスイッチ素子Ｑ１ａでオンオフし、トランスＴ１ａの二次側に誘起された電圧を整流ダイオードＤ１ａ及び平滑コンデンサＣ１ａにより整流平滑する。出力電圧は抵抗Ｒ１ａ及びＲ２ａで分圧され、基準電圧Ｖｒａとの差電圧を誤差増幅器Ｕ１ａで検出し、誤差増幅器Ｕ１ａの誤差電圧信号を小さくするようにスイッチ素子Ｑ１ａに制御回路ＣＴＬａが制御信号を送り出力電圧を制御する。

スイッチング電源装置ＡとＢは、突合せダイオードＤ２ａ，Ｄ２ｂを介して並列接続される。スイッチング電源装置ＡとＢには同一の出力電圧が設定されるが、スイッチング電源装置Ａ，Ｂの個体差により出力電圧に差が生じる。そうすると、出力電圧が高いスイッチング電源装置の方が負荷電流の大部分をまかなうこととなる。

図６は従来の二重化電源装置の他の構成図である。
図５の構成に出力電流を検出して制御回路ＣＴＬａ，ＣＴＬｂにフィードバックする構成を付加したものである。スイッチング電源装置ＡとＢは同一構成であるため、スイッチング電源装置Ａについて説明する。出力電流を電流検出抵抗Ｒｓａで検出し、誤差増幅器Ｕ２ａの誤差電圧信号を誤差増幅器Ｕ１ａに接続し、出力電流の増減を出力電圧の微小な増減に変換する。このようにしてスイッチング電源装置ＡとＢの出力電圧を調整し、均等な出力電流を流すようにしている。

特開平７−３９１５１号公報

出力電流を検出しないで単純に電源装置を突合せる構成においては、二重化時に出力電圧が高い電源装置の方が出力電流の供給が多くなり、両電源装置の発熱が均一とならない。
また、出力電圧が高い電源装置の方が故障した場合、無負荷状態で待機していた電源装置の方は瞬間的に全負荷を供給する必要が生じ、その瞬間の電圧変動が大きくなり、最悪の場合は電源装置の出力仕様を外れてしまうことがある。これを回避するためには、フィードバック系の応答をできる限り早くする必要があるが、そうすると定常時の安定性に悪影響を与えてしまう。

出力電流を検出して制御回路にフィードバックする構成においては、出力端子（Ｖｏｕｔ，ＣＯＭ）の他に比較電圧端子（Ｒｅｆ）が必要となるが、この電圧は微小な電圧であるためノイズ等による誤動作の要因となる。
また、負荷電流がパルス上で変動性が高い場合は電流検出抵抗の電圧降下の変動が出力電圧に影響してしまい、負荷電流が大電流の場合は電流検出抵抗の損失が無視できなくなり、電源装置としての効率低下や発熱の増加をもたらすという問題点があった。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、出力電流を直接検出することを避け、出力電流に比例して温度が変化する素子の温度を測定することにより間接的に出力電流を検出する電源装置及び二重化電源装置を実現することを目的とする。

このような課題を達成するために、本発明は次のとおりの構成になっている。
（１）出力電圧を検出し、該検出電圧に基づいてスイッチ素子をフィードバック制御する電源装置において、
出力電圧に応じて変化する電圧と第１の基準電圧との差電圧を検出し第１の誤差電圧信号を生成する第１の誤差増幅器と、
該第１の誤差増幅器から送られる第１の誤差電圧信号を小さくするように前記スイッチ素子を制御する制御回路と、
発熱部品の温度を抵抗値として検出する第１の温度検出手段と、
該第１の温度検出手段の抵抗値に応じて変化する電圧と第２の基準電圧との差電圧を検出し第２の誤差電圧信号を生成する第２の誤差増幅器と、を有し
前記第１の誤差増幅器は、前記出力電圧に応じて変化する電圧に前記第２の誤差電圧信号を加算し、該加算電圧と前記第１の基準電圧との差電圧を検出し前記第１の誤差電圧信号を生成することを特徴とする電源装置。

（２）電源装置内部の所定位置の基準温度を抵抗値として検出する第２の温度検出手段を有し、
該第２の温度検出手段の抵抗値に応じて変化する電圧を前記第２の基準電圧とすることを特徴とする（１）記載の電源装置。

（３）前記第１の温度検出手段は、整流平滑回路を構成する整流ダイオードの温度を検出する位置に配置されていることを特徴とする（１）又は（２）記載の電源装置。

（４）前記第１の温度検出手段は、出力段に配置され電流の逆流を防止する突合せダイオードの温度を検出する位置に配置されていることを特徴とする（１）又は（２）記載の電源装置。

（５）前記第１及び第２の温度検出手段は、同一規格のサーミスタであることを特徴とする（２）乃至（４）のいずれかに記載の電源装置。

（６）（１）乃至（５）のいずれかに記載の電源装置を並列接続し、同一負荷に電源を供給する二重化電源装置であって、
各電源装置の第１の温度検出手段が測定している発熱部品の温度上昇が均衡するように前記制御回路を制御し、両電源装置の出力電流を均等化することを特徴とする二重化電源装置。

本発明によれば次のような効果がある。
出力電流を直接検出せず、出力電流に比例して温度が変化する素子の温度を測定することにより間接的に出力電流を検出することができる。
また、電源装置の二重化時には、両電源装置の温度上昇が均衡し、出力電流も均等化することができる。

以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例を示す構成図である。前出の図と同一のものは同一符号を付ける。
第１の温度検出手段Ｒｔｈ１ａ，Ｒｔｈ１ｂと第２の温度検出手段Ｒｔｈ２ａ，Ｒｔｈ２ｂは同一定格の感温素子である。第１の温度検出手段Ｒｔｈ１ａ，Ｒｔｈ１ｂは出力電流が直接流れる整流ダイオードＤ１ａ，Ｄ１ｂの温度を測る位置に設置され、第２の温度検出手段Ｒｔｈ２ａ，Ｒｔｈ２ｂはスイッチング電源装置Ａ，Ｂ内部の空間温度を測る位置に設置されている。
ここで、第１の温度検出手段Ｒｔｈ１ａ，Ｒｔｈ１ｂは、出力電流に比例して温度が変化する素子（電流素子）の温度を測定すればよく、例えば、出力段に配置され電流の逆流を防止する突合せダイオードＤ２ａ，Ｄ２ｂの温度を測定するようにしてもよい。

整流ダイオードＤ１ａ，Ｄ１ｂの測定温度とスイッチング電源装置Ａ，Ｂ内部の空間温度が同一のときは第２の誤差増幅器Ｕ２ａ，Ｕ２ｂは第２の誤差電圧信号を出力しないように第１の温度検出手段Ｒｔｈ１ａ，Ｒｔｈ１ｂ及び第２の温度検出手段Ｒｔｈ２ａ，Ｒｔｈ２ｂが接続される。このとき、出力電圧は第１の誤差増幅器Ｕ１ａ，Ｕ１ｂのみで制御される。

第１の温度検出手段Ｒｔｈ１ａ，Ｒｔｈ１ｂ及び抵抗Ｒ３ａ，Ｒ３ｂとで電圧Ｖｃｃａ，Ｖｃｃｂは分圧される。また、第２の温度検出手段Ｒｔｈ２ａ，Ｒｔｈ２ｂ及び抵抗Ｒ４ａ，Ｒ４ｂとで電圧Ｖｃｃａ，Ｖｃｃｂは分圧され、この分圧は第２の基準電圧となる。第２の誤差増幅器Ｕ２ａ，Ｕ２ｂは、この差電圧を検出し、第２の誤差電圧信号を出力する。
一方、抵抗Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ及びＲ２ａ，Ｒ２ｂとで出力電圧のセンス電圧Ｖｓａ，Ｖｓｂは分圧され、この分圧に第２の誤差電圧信号が加算される。第１の誤差増幅器Ｕ１ａ，Ｕ１ｂは、この加算された電圧と第１の基準電圧Ｖｒａ，Ｖｒｂとの差電圧を検出する。制御回路ＣＴＬａ，ＣＴＬｂは、第１の誤差電圧信号を小さくするようにスイッチ素子Ｑ１ａ，Ｑ１ｂに制御信号を送り出力電圧を制御する。

出力電流が流れ始めると整流ダイオードＤ１ａ，Ｄ１ｂは温度上昇を始め、スイッチング電源装置Ａ，Ｂ内部の空間温度との差が発生し、その結果、第１の温度検出手段Ｒｔｈ１ａ，Ｒｔｈ１ｂと第２の温度検出手段Ｒｔｈ２ａ，Ｒｔｈ２ｂとの抵抗値の差となる。この差に比例して第２の誤差増幅器Ｕ２ａ，Ｕ２ｂの第２の誤差電圧信号が上昇するように設定することにより、第１の誤差増幅器Ｕ１ａ，Ｕ１ｂの非反転入力は基準電圧Ｖｒａ，Ｖｒｂと同一になるように出力電圧を低下させるように働く。

スイッチング電源装置Ａの出力電圧が低下すれば、スイッチング電源装置Ｂの出力電圧が大きくなりスイッチング電源装置Ｂの出力電流が増加する。スイッチング電源装置ＡとＢは互いに同じ動作を繰り返し、最終的にはほぼ同じ出力電流を流すところで安定する。
この場合、整流ダイオードＤ１ａ，Ｄ１ｂの測定温度とスイッチング電源装置Ａ，Ｂ内部の空気温度の温度差は、スイッチング電源装置Ａ，Ｂが無負荷から定格負荷の間において、出力電圧が許容出力電圧範囲に入るように設定されている。

出力電流が直接流れる電流素子とスイッチング電源装置内部温度の温度差を比較することにより、外部温度の変化は共通に働くため、外部温度には影響されず、電流変化に即応した温度差を検出することができる。
また、出力電流を温度上昇値で換算することにより、スイッチング電源装置ＡとＢは内部温度上昇が均等化されるため、二重化した場合、片方のみの温度上昇が大きくなることがなく、スイッチング電源装置の寿命を均等化することができる。

図２は本発明の具体例を示す回路図である。
スイッチング電源装置ＡとＢは同一構成であるため、スイッチング電源装置Ａについて説明する。スイッチング電源装置Ａは、制御回路ＣＴＬａによるパルス（ＰＷＭ信号）によりスイッチ素子Ｑ１ａを駆動し、トランスＴ１ａで電圧変換して整流ダイオードＤ１ａ、チョークコイルＬ１ａを経由して負荷に定電圧を供給する。定電圧は、第１の誤差増幅器Ｕ１ａにおいて基準電圧Ｖｒａと電圧Ｖｓａによる電圧を比較して制御回路ＣＴＬａへＰＷＭ信号としてフィードバックされることにより得られる。

ここで、整流ダイオードＤ１ａには出力電流に比例した電流が流れ、その電流に比例した発熱がある。通常、その発熱はヒートシンク等の冷却装置を設置して整流ダイオードＤ１ａの許容温度範囲内に抑えるが、スイッチング電源装置Ａ内部の環境温度より常に高く、整流ダイオードＤ１ａの温度上昇が出力電流に比例することに変わりはない。スイッチング電源装置Ａの内部温度とヒートシンクの温度差は、外気温の高低に関わらず、出力電流と一定の関係を示すこととなる。

第１の温度検出手段Ｒｔｈ１ａを電流に比例する温度を発生する整流ダイオードＤ１ａに接続し、第２の温度検出手段Ｒｔｈ２ａをスイッチング電源装置Ａ内部の空気温度を測定する位置に設置し、その差を第２の誤差増幅器Ｕ２ａで検出して出力電圧制御用の第１の誤差増幅器Ｕ１ａに加える。これにより、出力電圧を出力電流の増加に従って仕様の許容範囲内で低下させるように働かせる機能をもたせたスイッチング電源装置Ａを実現することができる。

出力電流による電流素子の温度上昇と実際の電流値には遅延があり、本来の出力電流変化と電流素子の温度が一定になるには数分程度必要となる。このように、出力電流が直接流れる電流素子とスイッチング電源装置内部温度の温度差を検出することにより、負荷変動に対して早急な応答がなく、制御系への悪影響を排除することができる。
また、同じ定格で同じ構造のスイッチング電源装置Ａ，Ｂを突合せダイオードＤ２ａ，Ｄ２ｂを介して並列に接続した二重化スイッチング電源装置の場合、スイッチング電源装置ＡとＢは数分後には温度的に均衡した状態となり、その結果として出力電流を均等化に導くことができる。

図３は本発明に使用する温度検出手段の特性を示す図である。
スイッチング電源装置ＡとＢは同一構成であるため、スイッチング電源装置Ａについて説明する。図２の回路において、２４Ｖ出力のスイッチング電源装置Ａの負荷電流が０Ａから４Ａに変化したときの第１の温度検出手段Ｒｔｈ１ａと第２の温度検出手段Ｒｔｈ２ａの差が４００Ωから４５０Ωに変化するように設定した場合、出力電圧の変化は図３に示すような負荷電流と出力電圧の関係となる。
このように、出力電圧を許容範囲内に抑えることができ、スイッチング電源装置Ａ，Ｂを二重化した場合に両スイッチング電源装置は出力電圧が釣り合い、出力電流を均等化することができる。

図４は本発明に使用する温度検出手段の特性別の構成を示す図である。
スイッチング電源装置ＡとＢは同一構成であるため、スイッチング電源装置Ａについて説明する。第１及び第２の温度検出手段Ｒｔｈ１ａ，Ｒｔｈ２ａとしてはサーミスタがあり、正特性及び負特性の両方が使用可能である。
図４（ａ）は負特性の温度検出手段を使用した場合の構成例である。第１の温度検出手段Ｒｔｈ１ａ及び第２の温度検出手段Ｒｔｈ２ａは、第２の誤差増幅器Ｕ２ａのブリッジ回路のＶｃｃａ側に接続して使用する。
図４（ｂ）は正特性の温度検出手段を使用した場合の構成例である。第１の温度検出手段Ｒｔｈ１ａ及び第２の温度検出手段Ｒｔｈ２ａは、第２の誤差増幅器のブリッジ回路のＣＯＭ側に接続して使用する。

ここでは電源装置としてスイッチング電源装置について説明してが、シリーズ・レギュレータ等のように出力電圧を検出し、この検出電圧に基づいてフィードバック制御する電源装置であればよい。

本発明によれば、温度検出手段により間接的に出力電流を検出することができ、電流パスに直接電流検出抵抗や電流トランスを注入する必要がなく、もともと電流パスに必要な素子の温度を測定するため、電流検出手段が直接の損失とはならず、電源装置の損失を低減することができる。
また、電源装置を二重化時に電流を均等化することができる。その際、電流を分担するための微小電圧・電流の信号線の接続が不要なため、外部ノイズの影響も低減することができる。

本発明の一実施例を示す構成図である。 本発明の本発明の具体例を示す回路図である。 本発明に使用する温度検出手段の特性を示す図である。 本発明に使用する温度検出手段の特性別の構成を示す図である。 従来の電源装置の二重化の構成図である。 従来の電源装置の二重化の他の構成図である。

符号の説明

ＣＴＬａ，ＣＴＬｂ 制御回路
Ｑ１ａ，Ｑ１ｂ スイッチ素子
Ｒｔｈ１ａ，Ｒｔｈ１ｂ 第１の温度検出手段
Ｒｔｈ２ａ，Ｒｔｈ２ｂ 第２の温度検出手段
Ｕ１ａ，Ｕ１ｂ 第１の誤差増幅器
Ｕ２ａ，Ｕ２ｂ 第２の誤差増幅器

Claims (6)

1. 出力電圧を検出し、該検出電圧に基づいてスイッチ素子をフィードバック制御する電源装置において、
   出力電圧に応じて変化する電圧と第１の基準電圧との差電圧を検出し第１の誤差電圧信号を生成する第１の誤差増幅器と、
   該第１の誤差増幅器から送られる第１の誤差電圧信号を小さくするように前記スイッチ素子を制御する制御回路と、
   発熱部品の温度を抵抗値として検出する第１の温度検出手段と、
   該第１の温度検出手段の抵抗値に応じて変化する電圧と第２の基準電圧との差電圧を検出し第２の誤差電圧信号を生成する第２の誤差増幅器と、を有し
   前記第１の誤差増幅器は、前記出力電圧に応じて変化する電圧に前記第２の誤差電圧信号を加算し、該加算電圧と前記第１の基準電圧との差電圧を検出し前記第１の誤差電圧信号を生成することを特徴とする電源装置。
2. 電源装置内部の所定位置の基準温度を抵抗値として検出する第２の温度検出手段を有し、
   該第２の温度検出手段の抵抗値に応じて変化する電圧を前記第２の基準電圧とすることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. 前記第１の温度検出手段は、整流平滑回路を構成する整流ダイオードの温度を検出する位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の電源装置。
4. 前記第１の温度検出手段は、出力段に配置され電流の逆流を防止する突合せダイオードの温度を検出する位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の電源装置。
5. 前記第１及び第２の温度検出手段は、同一規格のサーミスタであることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の電源装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の電源装置を並列接続し、同一負荷に電源を供給する二重化電源装置であって、
   各電源装置の第１の温度検出手段が測定している発熱部品の温度上昇が均衡するように前記制御回路を制御し、両電源装置の出力電流を均等化することを特徴とする二重化電源装置。

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