JP2009219209A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単に並列接続することができ、負荷分担のバランスに優れた電源装置。
【解決手段】入力された直流電圧または交流電圧を整流平滑して得られた直流電圧を、別の直流電圧に変換して出力する複数のコンバータ１，２が並列に接続された電源装置において、複数のコンバータの各々は、トランス１４と、直流電圧をスイッチングしてトランスの１次巻線に出力するスイッチ回路１３と、トランスの２次巻線に発生する電圧を整流平滑して出力電圧及び出力電流を得る整流平滑回路１５と、出力電圧と基準電圧との誤差を増幅する誤差増幅器ＥＡと、誤差増幅器の出力に基づき出力電圧が所定値になるようにスイッチ回路のスイッチング動作を制御する制御回路１７とを備え、複数のコンバータの各々が備える誤差増幅器ＥＡのゲイン抵抗Ｒ１の抵抗値は、出力電流のバラツキが所定範囲になるように設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、出力電流容量を増やすために並列接続される電源装置に関し、特にカレントシェア機能を実現するための回路を用いないで電源装置を並列接続する技術に関する。

電源装置には、本来的に出力電圧の高い安定度が求められている。このため、大電流出力が要求される場合には、単独で大電流を出力する電源装置を構成するか、複数の電源モジュールを並列接続して電源装置を構成することが行われている。

ところが、単独で大電流に対応する電源装置は、大型化や消費電力の増加を招くとともに、個々の負荷に対応した設計が必要になるという問題がある。そこで、近年、複数の電源モジュールを並列接続することにより大電流を出力する電源装置を構成することが主流となっている。

図３は、このような従来の電源装置の構成を示すブロック図である。この電源装置は、電源モジュールとしての第１ＡＣ−ＤＣコンバータ１と、他の電源モジュールとしての第２ＡＣ−ＤＣコンバータ２とが並列に接続されて構成されている。

第１ＡＣ−ＤＣコンバータ１は、直流電圧Ｅ１を発生する電源部１０ａと、この電源部１０ａで発生される電圧Ｅ１の大きさを制御する制御回路１７ａを備えている。電源部１０ａは、詳細な構成は図示を省略するが、交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換してチョッピングし、さらに、制御回路１７ａからの制御信号に応じてＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を行うことにより電圧Ｅ１を発生する。この電源部１０ａで発生された電圧Ｅ１は、第１ＡＣ−ＤＣコンバータ１の出力電圧Ｅｏ’として、ダイオード１６ａを介して外部に出力される。

制御回路１７ａは、抵抗Ｒ１〜Ｒ４、誤差増幅器ＥＡ、基準電圧Ｖｒｅｆを発生する基準電圧源および誤差増幅器ＥＡに電源を供給する補助電源を備えている。抵抗Ｒ３および抵抗Ｒ４は、電源部１０ａの両出力端子間に直列に接続されている。抵抗Ｒ２は、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４との接続点と誤差増幅器ＥＡの反転入力端子との間に接続されている。

抵抗Ｒ１（以下、「ゲイン抵抗」という）は、誤差増幅器ＥＡの反転入力端子と出力端子との間に接続されている。これら抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とにより誤差増幅器ＥＡのゲインが調整される。誤差増幅器ＥＡの非反転入力端子には、基準電圧源から基準電圧Ｖｒｅｆが供給される。

上記のように構成される制御回路１７ａにおいて、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４との接続点に発生される電圧Ｅ１に比例した電圧は、抵抗Ｒ２を介して誤差増幅器ＥＡの反転入力端子に供給される。誤差増幅器ＥＡは、反転入力端子に印加される電圧と、非反転入力端子に印加される基準電圧Ｖｒｅｆとを比較して誤差電圧を出力する。この誤差増幅器ＥＡから出力される誤差電圧は、図示しない比較器に送られる。

比較器は、誤差増幅器ＥＡからの誤差電圧と例えば三角波とを比較することにより、チョッピングのパルス幅を制御するための制御信号を生成して電源部１０ａに送る。電源部１０ａは、誤差増幅器ＥＡからの制御信号に応じてＰＷＭ制御を行うことにより電圧Ｅ１が一定になるように制御する。

第２ＡＣ−ＤＣコンバータ２は、直流電圧Ｅ２を発生する電源部１０ｂと、この電源部１０ｂで発生される電圧Ｅ２の大きさを制御する制御回路１７ｂを備えている。電源部１０ｂの構成および動作は、第１ＡＣ−ＤＣコンバータ１の電源部１０ａのそれらと同じである。この電源部１０ｂで発生された電圧Ｅ２は、第１ＡＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｅｏ”として、ダイオード１６ｂを介して外部に出力される。制御回路１７ｂの構成および動作は、第１ＡＣ−ＤＣコンバータ１の制御回路１７ａのそれらと同じである。

第１ＡＣ−ＤＣコンバータ１の出力電圧Ｅｏ’および第２ＡＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｅｏ”はダイオード１６ａおよびダイオード１６ｂをそれぞれ介して合成され、電源装置の出力電圧Ｅｏとして負荷装置に送られるとともに、第１ＡＣ−ＤＣコンバータ１の出力電流Ｉｏ’および第２ＡＣ−ＤＣコンバータ２の出力電流Ｉｏ”は加算されて、電源装置の出力電流Ｉｏとして負荷に送られる。

上記のように構成される第１ＡＣ−ＤＣコンバータ１においては、出力電圧Ｅｏ’の安定度を高くするために、ゲイン抵抗Ｒ１の抵抗値を大きい値に設定し、誤差増幅器ＥＡのゲインが大きくなるように調整されている。したがって、負荷装置側から見た第１ＡＣ−ＤＣコンバータ１の見かけ上の出力インピーダンスであるバランス抵抗Ｒｚ’の抵抗値は、ほぼゼロに等しくなる。

同様に、第２ＡＣ−ＤＣコンバータ２においては、出力電圧Ｅｏ”の安定度を高くするために、ゲイン抵抗Ｒ１の抵抗値を大きい値に設定し、誤差増幅器ＥＡのゲインが大きくなるように調整されている。したがって、負荷装置側から見た第２ＡＣ−ＤＣコンバータ２の見かけ上の出力インピーダンスであるバランス抵抗Ｒｚ”の抵抗値は、ほぼゼロに等しくなる。

このように、出力電圧Ｅｏの安定度を高くするために誤差増幅器ＥＡのゲインを調整した結果、図４に示すように、出力電流Ｉｏの変動に対する出力電圧Ｅｏの変動は非常に小さくなり、ほぼフラットな特性になる。

したがって、第１ＡＣ−ＤＣコンバータ１の電源部１０ａで発生される電圧Ｅ１と第２ＡＣ−ＤＣコンバータ２の電源部１０ｂで発生される電圧Ｅ２に電圧差があると、出力電圧Ｅｏ’と出力電圧Ｅｏ”との電圧差となり、出力電圧が高い方のＡＣ−ＤＣコンバータに電流が集中する。バランス抵抗Ｒｚ’およびＲｚ”がほぼ０であるため、負荷装置に電流が流れると電圧Ｅ１またはＥ２が上昇し、さらに、電流集中が加速される。その結果、電流暴走状態になり、最終的には電圧の高い方の１個のＡＣ−ＤＣコンバータに電流が集中することになる。

上述したように、複数の電源モジュールを並列接続して電源装置を構成する場合、各電源モジュールの出力電圧は高い安定性を有するために、並列接続された電源モジュール間の電流バランスを均等化することが非常に困難であった。

このような問題を解消するために、電源モジュール間で制御信号を送受することによりカレントシェア機能を実現した電源装置が開発されている。例えば、特許文献１は、スイッチング電源の並列運転時に、各スイッチング電源から負荷へ供給する出力電流の均衡を保つためのフィードバック制御を、各スイッチング電源の出力電圧に与える影響を少なくして行うようにした電源装置を開示している。

この電源装置において、各スイッチング電源は、出力電流を検出する電流検出回路、出力電圧を検出する電圧検出回路、検出した出力電流を基準電流と比較する電流比較回路、検出した出力電圧を基準電圧と比較する電圧比較回路、電流比較回路の出力を一定値以下に制限する振幅制限回路、電圧比較回路の出力および振幅制限回路の出力を加算する加算回路、加算回路の出力に基づきスイッチング時間を制御して出力電圧を調整する制御回路を備える。
特開平１０−２２５１２５号公報

しかしながら、上述した従来のカレントシェア機能を有する電源装置は、カレントシェア機能を実現するための回路の耐ノイズ性に劣り、特に、パルス大電流負荷に対しては、十分な性能を発揮できないという問題がある。

本発明の課題は、簡単に並列接続することができ、負荷分担のバランスに優れた電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、入力された直流電圧または交流電圧を整流平滑して得られた直流電圧を、別の直流電圧に変換して出力する複数のコンバータが並列に接続された電源装置において、前記複数のコンバータの各々は、１次巻線と２次巻線とを有するトランスと、前記入力された直流電圧または交流電圧を整流平滑して得られた直流電圧を、スイッチングして前記トランスの１次巻線に出力するスイッチ回路と、前記トランスの２次巻線に発生する電圧を整流平滑して出力電圧及び出力電流を得る整流平滑回路と、前記出力電圧と基準電圧との誤差を増幅する誤差増幅器と、前記誤差増幅器の出力に基づき前記出力電圧が所定値になるように前記スイッチ回路のスイッチング動作を制御する制御回路とを備え、前記複数のコンバータの各々が備える誤差増幅器のゲイン抵抗の抵抗値は、前記整流平滑回路の出力電流のバラツキが所定範囲になるように設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、複数のコンバータの各々が備える誤差増幅器のゲイン抵抗の抵抗値を、出力電流のバラツキが所定範囲になるように設定し、出力電圧を出力電流に対し傾斜を持たせるように構成したので、簡単に並列接続することができ、また、従来の電源装置のようにカレントシェア機能を実現するための回路を備えなくても負荷分担のバランスに優れた電源装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、背景技術の欄で説明した従来の電源装置と同一または相当する構成部分には、背景技術の欄で使用した符号と同一の符号を付して説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る電源装置の構成を示す回路図である。この電源装置は、絶縁型の第１ＡＣ−ＤＣコンバータ１と第２ＡＣ−ＤＣコンバータ２とが並列接続されて構成されている。第１ＡＣ−ＤＣコンバータ１および第２ＡＣ−ＤＣコンバータ２の各々は、電流を分担して負荷装置に供給する。

第１ＡＣ−ＤＣコンバータ１および第２ＡＣ−ＤＣコンバータ２の各々は、整流回路１１、平滑回路１２、スイッチ回路１３、コンバータトランス１４、整流平滑回路１５、ダイオード１６、制御回路１７、ドライブ回路１８および補助電源回路１９を備えている。なお、第１ＡＣ−ＤＣコンバータ１の構成と第２ＡＣ−ＤＣコンバータ２の構成は同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付して説明する。

整流回路１１は、交流電源ＡＣから供給される交流電圧を整流し、平滑回路１２に送る。平滑回路１２は、整流回路１１から送られてくるリップルを含む電圧を平滑し、スイッチ回路１３および補助電源回路１９に送る。スイッチ回路１３は、平滑回路１２から送られてくる平滑された電圧を、ドライブ回路１８から送られてくる制御信号によって指示されるパルス幅でチョッピングし（スイッチング動作して）、コンバータトランス１４に送る。

コンバータトランス１４は、１次巻線と２次巻線とを有し、スイッチ回路１３から送られてくるチョッピングされた電圧を所定の電圧に変換し、整流平滑回路１５に送る。このコンバータトランス１４により、入力側の交流系と出力側の直流系とが絶縁されている。整流平滑回路１５は、コンバータトランス１４から送られてくる電圧を整流および平滑して出力電圧及び出力電流を得て、ダイオード１６および制御回路１７に送る。ダイオード１６は、整流平滑回路１５の出力と他方のＡＣ−ＤＣコンバータの出力と合成し、外部の負荷装置に送る。

制御回路１７は、整流平滑回路１５からフィードバックされる電圧に基づき、スイッチ回路１３でチョッピングするパルス幅を決定する制御信号を生成し、ドライブ回路１８に送る。この制御回路１７は、ゲイン抵抗Ｒ１の抵抗値を除き、背景技術の欄で説明した制御回路と同じものであり、誤差増幅器ＥＡ、ゲイン抵抗Ｒ１および誤差増幅器ＥＡから出力される誤差電圧に応じた制御信号を生成するための比較器ＣＭＰを含む。

ドライブ回路１８は、制御回路１７から送られてくる制御信号を増幅し、スイッチ回路１３に送る。補助電源回路１９は、平滑回路１２からの電圧を、電源として制御回路１７に供給する。

上記のように構成される第１ＡＣ−ＤＣコンバータ１および第２ＡＣ−ＤＣコンバータ２の各々において、制御回路１７に含まれる誤差増幅器ＥＡのゲインを調整し、図２に示すように、負荷電流、つまり出力電流Ｉｏが増加すると出力電圧Ｅｏが低下するように傾斜を持たせる。ゲインの調整は、第１ＡＣ−ＤＣコンバータ１および第２ＡＣ−ＤＣコンバータ２の各出力電流のバラツキが所定範囲、例えば５〜１０％に収まるように、さらに好ましくは等しくなるように、ゲイン抵抗Ｒ１の抵抗値を設定することにより行われる。

この状態は、第１ＡＣ−ＤＣコンバータ１および第２ＡＣ−ＤＣコンバータ２の各々の出力に見かけ上のバランス抵抗Ｒｚ’およびＲｚ”がそれぞれ挿入された場合と同じ状態になる。

その結果、負荷電流Ｉｏが増加し、一方のＡＣ−ＤＣコンバータから供給する電流が多くなってバランス抵抗により出力電圧が下がると、出力電圧が高い他方のＡＣ−ＤＣコンバータから電流を供給するようになる。このようにして、各ＡＣ−ＤＣコンバータの出力電流に対する出力電圧の変化により、複数のＡＣ−ＤＣコンバータで負荷電流Ｉｏを均等に分担するようになる。

このように、複数のＡＣ−ＤＣコンバータを並列接続しても、見かけ上のバランス抵抗により複数のＡＣ−ＤＣコンバータの相互間の電流バランスをとることができるので、大電流に対し小型で効率のよい電源を供給できる。

以上説明したように、本発明の実施例１に係る電源装置によれば、小容量のＡＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を、制御回路に含まれる誤差増幅器のゲインを調整することによって負荷電流に対し傾斜を持たせることにより、容易に並列接続が可能となり、小型で汎用性に優れた、大電流対応の電源装置を実現できる。

なお、上述した構成の電源装置では、各ＡＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を負荷電流に対し傾斜を持たせることにより、電源装置の負荷電流に対する出力電圧の安定度を低減させることになるが、負荷が許容できる範囲に安定度を収めることにより、特に問題は生じない。

本発明は、大電流を必要とする機材の一次電源に利用可能である。

本発明の実施例１に係る電源装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係る電源装置の電流バランスの状態を示す図である。 従来の電源装置の構成を示すブロック図である。 従来の電源装置の電流バランスの状態を示す図である。

符号の説明

１１ 整流回路
１２ 平滑回路
１３ スイッチ回路
１４ コンバータトランス
１５ 整流平滑回路
１６ ダイオード
１７ 制御回路
１８ ドライブ回路
１９ 補助電源回路
ＥＡ 誤差増幅器
Ｒ１ ゲイン抵抗

Claims (1)

1. 入力された直流電圧または交流電圧を整流平滑して得られた直流電圧を、別の直流電圧に変換して出力する複数のコンバータが並列に接続された電源装置において、
   前記複数のコンバータの各々は、
   １次巻線と２次巻線とを有するトランスと、
   前記入力された直流電圧または交流電圧を整流平滑して得られた直流電圧を、スイッチングして前記トランスの１次巻線に出力するスイッチ回路と、
   前記トランスの２次巻線に発生する電圧を整流平滑して出力電圧及び出力電流を得る整流平滑回路と、
   前記出力電圧と基準電圧との誤差を増幅する誤差増幅器と、
   前記誤差増幅器の出力に基づき前記出力電圧が所定値になるように前記スイッチ回路のスイッチング動作を制御する制御回路とを備え、
   前記複数のコンバータの各々が備える誤差増幅器のゲイン抵抗の抵抗値は、前記整流平滑回路の出力電流のバラツキが所定範囲になるように設定されていることを特徴とする電源装置。

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