JP2013198242A - 多重化電源装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】整流素子の故障を検出できる多重化電源装置及びその制御方法を提供すること。
【解決手段】本発明にかかる多重化電源装置は、第１の電源ユニット１と、第２の電源ユニット２と、ＭＣＵ１３、２３と、上位ＭＣＵ９２と、を備える。第１の電源ユニット１は、電圧供給配線９３に接続されたオアダイオード１２を有する。第２の電源ユニット２は、電圧供給配線９３に接続されたオアダイオード２２を有し、第１の電源ユニット１と冗長構成をなす。ＭＣＵ１３は、第１の電源ユニット１の出力電流を検出する。ＭＵＣ２３は、第２の電源ユニット２の出力電流を検出する。上位ＭＣＵ９２は、ＭＣＵ１３、２３の検出結果に基づいて、オアダイオード１２、２２の異常を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は多重化電源装置及びその制御方法に関する。

複数の電源ユニットが並列接続された多重化電源装置が知られている。このような多重化電源装置においては、複数の電源ユニットのうち一の電源ユニットが故障しても、他の正常な電源ユニットが並列に接続されているため、負荷に対して正常な電圧を供給できる。

特許文献１には、並列接続された２つの整流器と、平衡電流制御回路と、故障検出回路と、を備える並列型整流器が開示されている。各整流器には電圧調整リアクトルとダイオードとが設けられている。平衡電流制御回路は、ダイオードの電流を平衡状態に制御する。故障検出回路は、それぞれの整流器のダイオードの電流バランスが崩れると、平衡電流制御回路の制御が失われ、平衡電流制御回路が故障したと判定する。

特開２００２−５１５６０号公報

上述した多重化電源装置においては、それぞれの出力端子が並列接続されている。そのため、一の電源ユニットの出力端子から他の電源ユニットの出力端子に電流が逆流しないように、電源ユニットの出力側に整流素子を設ける必要がある。このとき、複数の電源ユニットのうち一の電源ユニットの整流素子が故障した場合であっても、負荷に対しては正常な電圧が供給されるため、整流素子の故障を検出できないという問題があった。

なお、特許文献１に記載の並列型整流器においては、平衡電流制御回路の制御が失われたことを検出することはできるが、整流素子の故障の検出については何ら開示されていない。

本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、整流素子の故障を検出できる多重化電源装置及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明にかかる多重化電源装置は、負荷に電圧を供給するための電圧供給配線に接続された第１の整流素子を有する第１の電源ユニットと、前記電圧供給配線に接続された第２の整流素子を有し、前記第１の電源ユニットと冗長構成をなす第２の電源ユニットと、前記第１の電源ユニットの出力電流を検出する第１の電流検出手段と、前記第２の電源ユニットの出力電流を検出する第２の電流検出手段と、前記第１及び第２の電流検出手段の検出結果に基づいて、前記第１及び第２の整流素子の異常を検出する異常検出手段と、を備えるものである。

本発明にかかる多重化電源装置の制御方法は、負荷に電圧を供給するための電圧供給配線に接続された第１の整流素子を有する第１の電源ユニットと、前記電圧供給配線に接続された第２の整流素子を有し、前記第１の電源ユニットと冗長構成をなす第２の電源ユニットと、を備える多重化電源装置の制御方法であって、前記第１の電源ユニットの出力電流を検出するステップと、前記第２の電源ユニットの出力電流を検出するステップと、前記第１及び第２の電流検出手段の検出結果に基づいて、前記第１及び第２の整流素子の異常を検出するステップと、を備えるものである。

本発明により、整流素子の故障を検出できる多重化電源装置及びその制御方法を提供することができる。

実施の形態にかかる多重化電源装置のブロック図である。 実施の形態にかかる異常検出テーブルの一例を示す図である。 関連する多重化電源装置のブロック図である。 実施の形態にかかる多重化電源装置のブロック図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。本実施の形態にかかる多重化電源装置のブロック図を図１に示す。多重化電源装置は、第１の電源ユニット１と、第２の電源ユニット２と、負荷装置９と、を備える。

第１の電源ユニット１及び第２の電源ユニット２の出力は、負荷装置９に電圧を供給するための電圧供給配線９３に並列に接続される。具体的には、図１に示した多重化電源装置においては、第１の電源ユニット１と第２の電源ユニット２とが、ワイヤードオア接続されている。このため、第１の電源ユニット１及び第２の電源ユニット２の一方が故障して電源供給ができなくなった場合であっても、他方が正常であれば、負荷装置９に対して正常に電圧を供給することができる。つまり、第２の電源ユニット２は、第１の電源ユニット１と冗長構成をなしており、電源の二重化を実現している。

第１の電源ユニット１は、電圧変換安定化回路１１と、オアダイオード１２と、ＭＣＵ（Micro Control Unit）１３と、を備える。電圧変換安定化回路１１の出力端子は、オアダイオード１２に接続される。電圧変換安定化回路１１には、外部から入力電圧Ｖ１が入力される。電圧変換安定化回路１１は、入力電圧Ｖ１を所定の電圧に変換して出力する。変換後の出力電圧は、負荷装置９に印加される。また、変換後の出力電圧は、帰還電圧Ｓ１０１として電圧変換安定化回路１１に印加される。つまり、電圧変換安定化回路１１は、電圧帰還型であり、フィードバック制御により出力電圧の安定化を行う。

オアダイオード１２のアノードは、電圧変換安定化回路１１の出力端子に接続される。オアダイオード１２のカソードは、第２の電源ユニット２のオアダイオード２２及び負荷装置９に接続される。つまり、オアダイオード１２のカソードとオアダイオード２２のカソードとは、並列に接続されている。言い換えると、オアダイオード１２のカソードとオアダイオード２２のカソードとは、電圧供給配線９３に接続される。オアダイオード１２は、整流素子であり、第２の電源ユニット２から出力される電流が第１の電源ユニット１に逆流することを防止する。

ＭＣＵ１３（第１の電流検出手段）は、電圧変換安定化回路１１と接続される。ＭＣＵ１３は、電圧変換安定化回路１１の出力電流を検出し、出力電流示す情報（出力電流情報Ｓ１０２）を取得する。ＭＣＵ１３は、取得した出力電流情報Ｓ１０２を、Ｉ２Ｃ電流情報Ｓ１０３として、負荷装置９の上位ＭＣＵ９２に出力する。

同様に、第２の電源ユニット２も、電圧変換安定化回路２１と、オアダイオード２２と、ＭＣＵ２３と、を備える。第２の電源ユニット２も、入力電圧Ｖ２を所定の電圧に変換して出力する。なお、上記のように、第２の電源ユニット２は、第１の電源ユニット１と冗長構成をなしている。そのため、第２の電源ユニット２の構成は、第１の電源ユニット１と同様であるため、詳細な説明は省略する。

負荷装置９は、負荷９１と、上位ＭＣＵ９２と、を備える。負荷９１は、電圧供給配線９３に接続されており、第１の電源ユニット１及び第２の電源ユニット２から電圧の供給を受ける。

上位ＭＣＵ９２は、電圧供給配線９３と接続されており、電圧供給配線９３に印加されている電圧Ｓ９０１（負荷９１に印加されている電圧）を検出する。さらに、上位ＭＣＵ９２には、第１の電源ユニット１のＭＣＵ１３及び第２の電源ユニット２のＭＣＵ２２から、Ｉ２Ｃ電流情報Ｓ１０３、Ｓ２０３が入力される。つまり、上位ＭＣＵ９２には、負荷９１に印加されている電圧Ｓ９０１と、第１の電源ユニット１及び第２の電源ユニット２のＩ２Ｃ電流情報Ｓ１０３、Ｓ２０３と、が入力される。なお、図１に示した構成例においては、上位ＭＣＵ９２は、負荷装置９の内部に設けられているが、負荷装置９の外部に設けられていてもよい。

上位ＭＣＵ９２は、電圧Ｓ９０１及びＩ２Ｃ電流情報Ｓ１０３、Ｓ２０３に基づいて、オアダイオード１２、２２の異常を検出する。具体的には、上位ＭＣＵ９２は、図示しないメモリに格納された異常検出テーブル（図２参照）を参照して、オアダイオード１２、２２の異常を検出する。そして、上位ＭＣＵ９２は、異常検出結果Ｓ９０２を出力する。

ここで、図２に示す異常検出テーブルについて詳細に説明する。異常検出テーブルには、５つの状態が示されている。状態１は、第１の電源ユニット１及び第２の電源ユニット２が共に正常である状態を示す。状態２は、第１の電源ユニット１のオアダイオード１２がオープン故障しており、第２の電源ユニット２が正常である状態を示す。状態３は、第１の電源ユニット１のオアダイオード１２がショート故障しており、第２の電源ユニット２が正常である状態を示す。状態４は、第１の電源ユニット１が正常であり、第２の電源ユニット２のオアダイオード２２がオープン故障している状態を示す。状態５は、第１の電源ユニット１が正常であり、第２の電源ユニット２のオアダイオード２２がショート故障している状態を示す。

また、異常検出テーブルには、上記の状態１〜状態５における各電源の出力電圧が示されている。このとき、電圧Ｖｏとは、負荷９１が動作するために必要な電圧値である。電圧Ｖｄは、オアダイオード１２、２２において降下する電圧値である。なお、「‐」は、電圧が出力されていないことを示している。

さらに、異常検出テーブルには、冗長後の電圧及び電流比率が示されている。冗長後の電圧とは、第１の電源ユニット１と第２の電源ユニット２との出力電圧がワイヤードオアされた結果の電圧である。つまり、冗長後の電圧とは、電圧供給配線９３に印加された電圧である。また、電流比率とは、第１の電源ユニット１の出力電流と、第２の電源ユニット２の出力電流との比率である。

上記の冗長後の電圧及び電流比率の情報（図２の太線で囲まれた情報）がオアダイオード１２、２２の異常検出に用いられる。つまり、上位ＭＣＵ９２は、冗長後の電圧及び電流比率を参照して、第１の電源ユニット１及び第２の電源ユニット２（オアダイオード１２、２２）の異常検出結果Ｓ９０２を出力する。

続いて、本実施の形態にかかる多重化電源装置の制御方法について詳細に説明する。はじめに、多重化電源装置の前提条件について説明する。負荷９１には、規定された電圧（ここでは定格電圧Ｖｏ＋マージンとする）が印加され、負荷９１が動作する。そのため、第１の電源ユニット１と第２の電源ユニット２は、電圧変換安定化回路１１、２１を用いて、各々の出力信号Ｓ１０４と出力信号Ｓ２０４の電圧がＶｏになるように動作する。

このとき、オアダイオード１２、２２においては、Ｖｄの電圧降下が生じる。したがって、電圧変換安定化回路１１、２１の出力信号Ｓ１０４、Ｓ２０４の電圧はＶｏ＋Ｖｄでなければならない。また、このときの各電源ユニットの出力電流は５０％対５０％の電流比を維持する。なお、通常の多重化電源装置では、±１０％の誤差は許容している。そのため、各電源ユニットは、電流バランスが崩れたとしても、６０％対４０％以内の電流比を規格として確保する要がある。よって、電流バランスが崩れた場合、つまり、電流比に６０％対４０％より大きい差が生じた場合は、第１の電源ユニット１及び第２の電源ユニットの少なくとも一方に異常が発生している判断できる。下記の説明においては、上記の電圧と出力電流の関係を前提として説明する。

まず、異常検出テーブルの状態１の動作について説明する。状態１は通常（正常）運用状態である。そのため、第１の電源ユニット１の出力信号Ｓ１０４と第２の電源ユニット２の出力信号Ｓ２０４は、各々Ｖｏである。また、電流比も５０％対５０％（最大誤差６０％対４０％以内）である。

上位ＭＣＵ９２は、これらの電圧と電流の情報を取得する。具体的には、上位ＭＣＵ９２は、電圧情報として、電圧供給配線９３から突合せ後の電圧Ｓ９０１を検出する。また、上位ＭＣＵ９２は、電流情報として、第１の電源ユニット１のＭＣＵ１３と第２の電源ユニット２のＭＣＵ２３から、各々Ｉ２Ｃ電流情報Ｓ１０３、Ｓ２０３を取得する。その結果、検出された電圧（図２の冗長後の電圧）はＶｏであり、Ｉ２Ｃ電流情報Ｓ１０３とＩ２Ｃ電流情報Ｓ２０３との電源比も５０％対５０％（最大誤差６０％対４０％以内）である。上位ＭＣＵ９２は、異常検出テーブルを参照して、第１の電源ユニット１と第２の電源ユニット２は正常であると判断する。そして、上位ＭＣＵ９２は、異常検出結果Ｓ９０２として、「第１の電源ユニット１及び第２の電源ユニット２は正常」という信号を出力する。

次に、異常検出テーブルの状態２の動作について説明する。状態２は第１の電源ユニット１のオアダイオード１２がオープン故障した場合である。このケースでは、第１の電源ユニット１の電圧変換安定化回路１１の出力はＶｏ＋Ｖｄであるが、オアダイオード１２がオープン故障であるため、出力信号Ｓ１０４は出力されていない。一方、第２の電源ユニット２は正常に動作している。このため、上位ＭＣＵ９２に入力される電圧情報は、正常な第２の電源ユニット２の出力信号Ｓ２０４であり、Ｖｏとなる。また、電流比については、第１の電源ユニット１の出力信号Ｓ１０４は出力されていないため、Ｉ２Ｃ電流情報Ｓ１０３とＩ２Ｃ電流情報Ｓ２０３との電流比は０％対１００％となる。

この場合、上位ＭＣＵ９２に入力される電圧は正常値のＶｏであるが、第１の電源ユニット１のＩ２Ｃ電流情報Ｓ１０３は、電流が流れていない旨を示している。このため、上位ＭＣＵ９２は、異常検出テーブルを参照して、異常検出結果として、「第１の電源ユニット１のオアダイオード１２のオープン故障」という信号を出力する。

この逆のケースが状態４である。具体的には、上位ＭＣＵ９２に入力される電圧は正常なＶｏであるが、Ｉ２Ｃ電流情報Ｓ１０３とＩ２Ｃ電流情報Ｓ２０３の電流比が１００％対０％である。つまり、第２の電源ユニット２の電流が流れていない。このため、上位ＭＣＵ９２は、異常検出テーブルを参照して、異常検出結果Ｓ９０２として、「第２の電源ユニット２のオアダイオード２２のオープン故障」という信号を出力する。

次に、異常検出テーブルの状態３の動作について説明する。状態３は第１の電源ユニット１のオアダイオード１２がショート故障した場合である。このケースでは、オアダイオード１２がショート故障しているため、オアダイオード１２における電圧降下が生じない。そのため、第１の電源ユニット１の電圧変換安定化回路１１の出力電圧Ｖｏ＋Ｖｄが、電圧降下せずに、出力信号Ｓ１０４としてそのまま出力される。つまり、上位ＭＣＵ９２に入力される電圧は、正常な第１の電源ユニット２の出力信号Ｓ２０４のＶｏよりも高い第１の電源ユニット１の出力信号Ｓ１０４のＶｏ＋Ｖｄとなる。また、電流比については第１の電源ユニット１の出力信号Ｓ１０４の電圧と第２の電源ユニット２の出力信号Ｓ２０４の電圧は、各々Ｖｏ＋Ｖｄ対Ｖｏである。このため、電流比は最大誤差６０％対４０％以内の規格を外れ、８０％対２０％（６０％対４０％以上）となる。

この場合、Ｖｏであるべき電圧供給配線９３の電圧がＶｏ＋Ｖｄであるため、上位ＭＣＵ９２は、第１の電源ユニット１及び第２の電源ユニット２のいずれか一方において、オアダイオードのオープン故障が発生したと判断する。

加えて、上位ＭＣＵ９２は、第１の電源ユニット１の出力電流が８０％を占めていることから、第１の電源ユニット１の出力電圧がＶｏ＋Ｖｄであると判断する。そして、上位ＭＣＵ９２は、異常検出テーブルを参照して、異常検出結果Ｓ９０２として、「第１の電源ユニット１のオアダイオード１２のショート故障」という信号を出力する。

この逆のケースが状態５である。具体的には、上位ＭＣＵ９２に入力される電圧は、異常なＶｏ＋Ｖｄである。また、電流比については、Ｉ２Ｃ電流情報Ｓ１０３とＩ２Ｃ電流情報Ｓ２０３との電流比が２０％対８０％（４０％対６０％以上）となる。このため、上位ＭＣＵ９２は、異常検出テーブルを参照して、異常検出結果Ｓ９０２として、「第２の電源ユニット２のオアダイオード２２のショート故障」という信号を出力する。

以上のように、本実施の形態にかかる多重化電源装置の構成によれば、上位ＭＣＵ９２が、各電源ユニットの出力電流及び負荷９１に印加される電圧を検出する。そして、異常検出テーブルを参照して、各電源ユニットに設けられたオアダイオード１２、２２の故障を検出する。より詳細には、上位ＭＣＵ９２は、各電源ユニットの出力電流及び負荷９１に印加される電圧に基づいて、オアダイオード１２、２２のオープン故障及びショート故障を検出する。このため、いずれか一方の電源ユニットが故障した場合、他方の電下乳ニットが故障する前に、既に故障してしまった電源ユニットの修理等ができる。また、オアダイオードの故障に起因する逆流電流によって、正常な電源ユニットが過電流となることを防止できる。その結果、全ての電源ユニットが故障することを回避でき、電源装置の多重化が保障される。

なお、図２の異常検出テーブルから明らかなように、上位ＭＣＵ９２は、電流比のみに基づいて、オアダイオード１２、２２の異常を検出することも可能である。具体的には、上位ＭＣＵ９２は、電流比が５０％対５０％（４０％対６０％以下）の比率であれば、正常と判断できる。また、上位ＭＣＵ９２は、電流比が４０％対６０％以上、０％対１００％未満の比率であれば、ショート故障と判断できる。さらに、上位ＭＣＵ９２は、電流比が０％対１００％の比率であれば、オープン故障だと判断できる。

ただし、電源ユニットの抵抗素子の抵抗値のバラツキ等によって電流値に誤差が生じるため、電流比のみでは故障の判断が困難な場合がある。例えば、電流比が３５％対６５％の比率の場合、正常であるかショート故障であるかの判断が困難である。しかしながら、本実施の形態にかかる多重化電源装置の上位ＭＣＵ９２は、電流比に加えて、電圧供給配線９３の電圧も参照している。そのため、上記した電流比が３５％対６５％の場合であっても、上位ＭＣＵ９２は、検出した電圧がＶｏなら正常と判断し、Ｖｏ＋Ｖｄならショート故障と判断できる。したがって、電圧供給配線９３の電圧も参照することにより、より正確な異常検出を実現できる。

ここで、関連する多重化電源装置のブロック図を図３に示す。図１に示した多重化電源装置の構成と比べて、電圧変換安定化回路１１、２１の電流を検出するＭＣＵ１３、２３が設けられていない。そのため、負荷装置９に設けられた電圧検出回路９４は、電圧供給配線９３に印加される電圧のみを検出する。なお、その他の構成については図１に示した多重化電源装置と同様であるので、説明を適宜省略する。

図３において、第１の電源ユニット１の出力信号Ｓ１０４と、第２の電源ユニット２の出力信号Ｓ２０４は、ワイヤードオアされている。このため、オアダイオード１２またはオアダイオード２２にオープン故障またはショート故障が発生していても、正常な電源ユニットの電圧が故障した電源ユニットの出力に加わる。その結果、電源内でオアダイオードのオープン故障またはショート故障を検出するのは困難である。また、電圧検出回路９４は、ワイヤードオアされた結果の電圧（電圧供給配線９３に印加された電圧）しか検出できない。そのため、上位の負荷装置９においても、オアダイオードのオープン故障またはショート故障の検出は困難である。

このように、オアダイオードの故障が検出できない場合、以下のような問題点がある。オアダイオードがショート故障している場合、オアダイオードがショート故障している電源ユニットに対して、正常な他の電源ユニットから電流が大きく流れ込む。このため、正常な他の電源ユニットが過電流を検出し停止する。その結果、冗長構成が保障されなくなる。また、オアダイオードがオープンで故障している場合、正常な他の電源ユニットの入力電圧が停電や計画停止で遮断されても、オープン故障している電源ユニットは電圧の出力ができない。その結果、負荷装置９に電力を供給し続けられなくなり、冗長構成が保障されなくなる。

しかしながら、本発明にかかる多重化電源装置によれば、上述したように、オアダイオードのオープン故障またはショート故障を検出できるため、正常な電源ユニットが故障する前に、何らかの対応をすることができる。その結果、冗長構成が保障される。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更及び組み合わせをすることが可能である。本発明にかかる多重化電源装置の構成は、図１に示した構成に限られない。例えば、本発明にかかる多重化電源装置は、図４に示すような構成であってもよい。具体的には、第１の電源ユニット１は、電圧を供給する電源１４と、当該電源１４の出力側に設けられた整流素子１５と、を備える。第２の電源ユニット２も同様の構成である。電流検出部３１（第１の電流検出手段及び第２の電流検出手段）は、電源１４、２４の出力電流を検出する。そして、異常検出部９５は、電源１４、２４の出力電流に基づいて、第１の電源ユニット１及び第２の電源ユニット２の異常を検出する。このような構成であっても、本発明の効果を実現できる。勿論、電源ユニットの個数も２個に限られず、３個以上であってもよい。

１ 第１の電源ユニット
２ 第２の電源ユニット
９ 負荷装置
１１、２１ 電圧変換安定化回路
１２、２２ オアダイオード
１３、２３ ＭＣＵ
１４、２４ 電源
１５、２５ 整流素子
３１ 電流検出部
９１ 負荷
９２ 上位ＭＣＵ
９３ 電圧供給配線
９４ 電圧検出回路
９５ 異常検出部

Claims (6)

1. 負荷に電圧を供給するための電圧供給配線に接続された第１の整流素子を有する第１の電源ユニットと、
   前記電圧供給配線に接続された第２の整流素子を有し、前記第１の電源ユニットと冗長構成をなす第２の電源ユニットと、
   前記第１の電源ユニットの出力電流を検出する第１の電流検出手段と、
   前記第２の電源ユニットの出力電流を検出する第２の電流検出手段と、
   前記第１及び第２の電流検出手段の検出結果に基づいて、前記第１及び第２の整流素子の異常を検出する異常検出手段と、
   を備える多重化電源装置。
2. 前記異常検出手段は、前記第１の電源ユニットの出力電流と前記第２の電源ユニットの出力電流との比率に基づいて、前記第１及び第２の電源ユニットの異常を検出する請求項１に記載の多重化電源装置。
3. 前記電圧供給配線の電圧を検出する電圧検出手段をさらに備え、
   前記異常検出手段は、前記第１及び第２の電流検出手段の検出結果と、前記電圧検出手段の検出結果と、に基づいて、前記第１及び第２の整流素子の異常を検出する請求項１または２に記載の多重化電源装置。
4. 前記第１及び第２の電源ユニットがワイヤードオア接続されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の多重化電源装置。
5. 前記第１及び第２の整流素子は、ダイオードであり、
   前記異常検出手段は、前記ダイオードのオープン故障及びショート故障の少なくとも一方を検出する請求項１〜４のいずれか一項に記載の多重化電源装置。
6. 負荷に電圧を供給するための電圧供給配線に接続された第１の整流素子を有する第１の電源ユニットと、前記電圧供給配線に接続された第２の整流素子を有し、前記第１の電源ユニットと冗長構成をなす第２の電源ユニットと、を備える多重化電源装置の制御方法であって、
   前記第１の電源ユニットの出力電流を検出するステップと、
   前記第２の電源ユニットの出力電流を検出するステップと、
   前記第１及び第２の電流検出手段の検出結果に基づいて、前記第１及び第２の整流素子の異常を検出するステップと、
   を備える多重化電源装置の制御方法。

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