JP2020048398A - 異常エネルギー保護付き電源変換システム及びその動作方法 - Google Patents

異常エネルギー保護付き電源変換システム及びその動作方法 Download PDF

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Abstract

【課題】異常エネルギー保護付き電源変換システム及びその動作方法を提供する。【解決手段】異常エネルギー保護付き電源変換システムは、複数のＤＣ入力電源と、複数のＤＣコンバータと、２つの出力コンデンサと、保護回路とを含む。各ＤＣコンバータの入力側は、ＤＣ入力電源のうちの１つに対応して結合され、各ＤＣコンバータの出力側は、互いに並列に結合されてＤＣ出力バスを形成する。２つの出力コンデンサは、ＤＣ出力バスの正電圧端子と負電圧端子との間に介在して直列に結合される。保護回路は、ＤＣ入力電源と２つの出力コンデンサの間に結合される。２つの出力コンデンサの一方に異常が発生した場合、保護回路によって短絡方式で複数のＤＣ入力電源と２つの出力コンデンサとの結合が切り離される。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、異常エネルギー保護付き電源変換システム及びその動作方法に関し、特に異常エネルギーの突入を防止する異常エネルギー保護付き電源変換システム及びその動作方法に関する。
図１は、従来の異常エネルギーの突入を防止する保護機構を示す回路ブロック図である。図１に示すように、複数のＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃｎによって生成されたＤＣ出力が対応するＤＣ昇圧コンバータ１１Ａ〜１ｎＡにより昇圧されて、バックエンドのコンデンサ２１Ａ，２２Ａに給電される。例えば、インバータ変換回路等のバックエンド回路４０Ａに必要な電源を供給するために、各コンデンサ２１Ａ，２２Ａの両端に安定したＤＣ出力電圧を提供する。
コンデンサ２１Ａ，２２Ａの一方、例えばコンデンサ２１Ａに短絡異常が発生すると、コンデンサ２１Ａが故障しているので、ＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃｎによって生成された全てのＤＣ電圧は、他方のコンデンサ、即ち、正常に動作しているコンデンサ２２Ａに供給してしまう。そのため、コンデンサ２２Ａは、耐圧不足のため損傷して電解液漏れ状態を引き起こし、システム全体の動作に影響を及ぼすおそれがある。
そこで、上記問題を解決するために、従来の技術では、ＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜ＶｄｃｎとＤＣ昇圧コンバータ１１Ａ〜１ｎＡとの間にリレースイッチ３１Ａ〜３ｎＡを用いて、例えばコンデンサ２２Ａであるいずれかのコンデンサが短絡異常又は電圧異常が発生したことを検出した場合、リレースイッチ３１Ａ〜３ｎＡをオフするように制御して、ＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜ＶｄｃｎとＤＣ昇圧コンバータ１１Ａ〜１ｎＡとの結合を切り離すことにより、ＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃｎによって連続的に給電されることで、コンデンサ２１Ａ，２２Ａが損傷し、バックエンド回路４０Ａに影響を及ぼすことを回避する。
しかしながら、結合の切り離しにリレースイッチ３１Ａ〜３ｎＡを用いると、以下のような問題点がある。（１）数千ボルトまで耐えることができるリレースイッチ３１Ａ〜３ｎＡが一般的なものではなく、高電圧に耐えられるリレースイッチ３１Ａ〜３ｎＡの使用により高いコストを要する。（２）保護のためにリレースイッチ３１Ａ〜３ｎＡを使用すると、各給電経路に１つのリレースイッチ３１Ａ〜３ｎＡが必要となり、プリント回路基板の多くのスペースを占有する。（３）正常動作状態では、発熱の問題を引き起こし、非効率となる。（４）リレースイッチ３１Ａ〜３ｎＡの機械的構造は、長時間の繰り返し動作の条件下では寿命が短く信頼性が低いという問題がある。（５）リレースイッチ３１Ａ〜３ｎＡの使用は、通常、追加のプリチャージ（ｐｒｅ−ｃｈａｒｇｅ）回路を必要とし、回路の設計及び制御の複雑さを増大させる。
そこで、異常エネルギーの突入を防止する保護手段としてリレースイッチを使用することによる問題点を解決できる異常エネルギー保護付き電源変換システム及びその動作方法を如何にして設計するかということは、本発明者が克服して解決を求める重要な課題となっている。
本発明の目的は、異常エネルギーの突入を防止する保護手段としてリレースイッチを使用することによる問題点を解決できる異常エネルギー保護付き電源変換システムを提供することである。
本発明の他の目的は、異常エネルギーの突入を防止する保護手段としてリレースイッチを使用することによる問題点を解決できる異常エネルギー保護付き電源変換システムの動作方法を提供することである。
上記の目的を達成するために、本発明の異常エネルギー保護付き電源変換システムは、複数のＤＣ入力電源と、複数のＤＣコンバータと、２つの出力コンデンサと、保護回路とを含む。各ＤＣコンバータの入力側は、ＤＣ入力電源のうちの１つに対応して結合され、各ＤＣコンバータの出力側は、互いに並列に結合されてＤＣ出力バスを形成する。２つの出力コンデンサは、ＤＣ出力バスの正電圧端子と負電圧端子との間に介在して直列に結合される。保護回路は、ＤＣ入力電源と２つの出力コンデンサとの間の電源経路に結合される。２つの出力コンデンサのうちの１つに異常が発生した場合、保護回路によって短絡方式で複数のＤＣ入力電源と２つの出力コンデンサとの結合が切り離される。
上記目的を達成するために、本発明の異常エネルギー保護付き電源変換システムの動作方法において、異常エネルギー保護付き電源変換システムは、複数のＤＣ入力電源と、複数のＤＣコンバータと、２つの出力コンデンサとを含み、動作方法は、（ａ）複数のＤＣ入力電源と２つの出力コンデンサとの間の電源経路結合される保護回路を提供するステップと、（ｂ）２つの出力コンデンサのうちの１つに異常が発生するか否かを検出するステップと、（ｃ）２つの出力コンデンサの一方に異常が発生した場合、短絡方式で複数のＤＣ入力電源と２つの出力コンデンサとの結合を切り離すように保護回路を制御するステップと、を含む。
本発明に係る異常エネルギー保護付き電源変換システム及びその動作方法は、熱損失を減少させ、効率を向上させ、プリント基板の利用可能面積を増やし、保護回路を大幅に拡張することができる。
従来の異常エネルギーの突入を防止する保護機構を示す回路ブロック図である。 本発明に係る異常エネルギー保護付き電源変換システムの第１の構成を示す回路ブロック図である。 本発明に係る異常エネルギー保護付き電源変換システムの第２の構成を示す回路ブロック図である。 本発明に係る異常エネルギー保護付き電源変換システムの保護回路の第１実施形態を示す回路図である。 本発明に係る異常エネルギー保護付き電源変換システムの保護回路の第２実施形態を示す回路図である。 本発明に係る異常エネルギー保護付き電源変換システムの保護回路の第３実施形態を示す回路図である。 本発明に係る異常エネルギー保護付き電源変換システムの保護回路の第４実施形態を示す回路図である。 本発明に係る異常エネルギー保護付き電源変換システムの動作方法を示すフローチャートである。
本発明が上記の目的を達成するために採用する技術、手段及び効果がより詳細に理解されるように、以下で本発明に関する詳細な説明及び図面を参照されたい。添付の図面は単に参考及び説明用として供給するものであって、本発明を制限するためのものではない。
図２Ａは、本発明に係る異常エネルギー保護付き電源変換システムの第１の構成を示す回路ブロック図である。同図を参照すると、異常エネルギー保護付き電源変換システムは、複数のＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃｎと、複数のＤＣコンバータ１１〜１ｎと、２つの出力コンデンサ４１，４２と、保護回路２０と、制御ユニット５０とを含む。一実施形態において、ＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃｎのそれぞれは、電流源タイプの電源によって供給されるＤＣ電源、例えば、ソーラーパネルによって供給されるＤＣ電源であってもよいが、これに限定されない。ソーラーパネルの場合、ＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃｎのそれぞれは、直列に結合される複数のソーラーパネルから構成されてもよい。
ＤＣコンバータ１１〜１ｎの入力側のそれぞれは、ＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃｎのいずれかに対応して結合される。図２Ａに示すｎ個のＤＣコンバータは、それぞれ昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータである第１のＤＣコンバータ１１及び第ｎのＤＣコンバータ１ｎであり、絶縁型ＤＣコンバータ又は非絶縁ＤＣコンバータであってもよい。ここで、第１のＤＣコンバータ１１の入力側は、第１のＤＣ入力電源Ｖｄｃ１に対応して結合され、第ｎのＤＣコンバータ１ｎの入力側は、第ｎのＤＣ入力電源Ｖｄｃｎに対応して結合される。
また、各ＤＣコンバータ１１〜１ｎの出力側は、互いに並列に結合されてＤＣ出力バス３０を形成する。図２Ａに示すｎ個のＤＣコンバータのように、第１のＤＣコンバータ１１〜第ｎのＤＣコンバータ１ｎの出力側は、並列に結合され、一端がＤＣ出力バス３０の正電圧端子Ｖｂ＋に結合され、他端がＤＣ出力バス３０の負電圧端子Ｖｂ−に結合される。
２つの出力コンデンサ４１，４２は、それぞれ第１の出力コンデンサ４１及び第２の出力コンデンサ４２であり、ＤＣ出力バス３０の正電圧端子Ｖｂ＋と負電圧端子Ｖｂ−との間に介在して直列に結合され、中点電位端子Ｖｂｍに結合される。２つの出力コンデンサ４１，４２として同じ仕様のコンデンサを用いる場合には、正電圧端子Ｖｂ＋と中点電位端子Ｖｂｍとの間に介在して結合される第１の出力コンデンサ４１の両端の電圧が、中点電位端子Ｖｂｍと負電圧端子Ｖｂ−との間に介在して結合される第２の出力コンデンサ４２の両端の電圧と等しい。これにより、２つの出力コンデンサ４１，４２は、バックエンド回路６０に要する安定したＤＣ出力電圧を供給することができる。
本実施形態において、保護回路２０は、ＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜ＶｄｃｎとＤＣコンバータ１１〜１ｎとの間の電源経路に結合されることにより、２つの出力コンデンサ４１，４２の一方に異常が発生した場合、ＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃｎによって生成されたエネルギーが２つの出力コンデンサの他方に伝送されて損傷を引き起こすことを防止することができる。具体的に、制御ユニット５０は、保護回路２０に結合され、ＤＣ出力バス３０の電圧状態信号Ｓｖを受信する。ここで、電圧状態信号Ｓｖは、正電圧端子Ｖｂ＋、負電圧端子Ｖｂ−又はＤＣ出力バス３０の中点電位端子のいずれかの電圧の大きさを表すことができる。したがって、制御ユニット５０は、電圧状態信号Ｓｖに基づいて、いずれかの出力コンデンサ４１，４２の両端の電圧が、例えば、短絡異常や過電圧異常等の異常であるか否かを判断することができる。ここで、２つの出力コンデンサ４１，４２のいずれかに異常が発生した場合、制御ユニット５０は、制御信号Ｓｃを出力し、短絡方式でＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃｎと２つの出力コンデンサ４１，４２との結合を切り離すように保護回路２０を制御することで、ＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃｎによって生成されたエネルギーが異常のない出力コンデンサに伝送することを防止し、その出力コンデンサに対して保護する効果を得ることができる。詳細については後述する。
図２Ｂは、本発明に係る異常エネルギー保護付き電源変換システムの第２の構成を示す回路ブロック図である。図２Ｂに示す第２の構成の回路ブロック図と図２Ａとの主な違いは、前者（図２Ｂ）の保護回路２０がＤＣコンバータ１１〜１ｎと２つの出力コンデンサ４１，４２との間の電源経路に結合されることである。同様に、保護回路２０は、短絡方式でＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃｎと２つの出力コンデンサ４１，４２との結合を切り離すことで、ＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃｎによって生成されたエネルギーが異常のない出力コンデンサに伝送することを防止し、その出力コンデンサに対して保護する効果を得ることができる。詳細については後述する。
つまり、保護回路２０がＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃｎと２つの出力コンデンサ４１，４２との間の電源経路に結合されれば、短絡方式でＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃｎと２つの出力コンデンサ４１，４２との結合を切り離すことで、保護の目的を達成することができる。以下、保護回路２０の具体的な実施形態について説明する。
図３は、本発明に係る異常エネルギー保護付き電源変換システムの保護回路の第１実施形態を示す回路図である。保護回路２０は、ＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜ＶｄｃｎとＤＣコンバータ１１〜１ｎとの間の電源経路に結合される。保護回路２０は、複数の保護ユニット２１〜２ｎを備え、各保護ユニット２１〜２ｎは、インダクタＬ１〜Ｌｎと、半導体スイッチＱ１〜Ｑｎと、抵抗器Ｒ１〜Ｒｎと、コンデンサＣ１〜Ｃｎとを含む。インダクタＬ１〜Ｌｎは、半導体スイッチＱ１〜Ｑｎと直列に結合されて直列分岐回路を形成する。ここで、直列分岐回路は、ＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃｎの正電圧端子と負電圧端子との間に介在して結合される。コンデンサＣ１〜Ｃｎは、抵抗器Ｒ１〜Ｒｎと直列に結合されて直列補助分岐回路を形成する。ここで、直列補助分岐回路は、インダクタＬ１〜Ｌｎと半導体スイッチＱ１〜Ｑｎと間の共通接続点と、負電圧端子との間に介在して結合される。本実施形態において、半導体スイッチＱ１〜Ｑｎのそれぞれは、ＳＣＲ（ｓｉｌｉｃｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＩＧＢＴ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＢＪＴ（ｂｉｐｏｌａｒ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、又はスイッチ機能を有する他の半導体素子を本発明の半導体スイッチとして用いることができる。
制御ユニット５０は、電圧状態信号Ｓｖに基づいて、出力コンデンサ４１，４２の両端の電圧が短絡異常や過電圧異常等の異常であると判断した場合、保護ユニット２１〜２ｎの半導体スイッチＱ１〜Ｑｎをオンに制御する制御信号Ｓｃを出力する。これにより、直列分岐回路が短絡され、ＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃｎによって生成された電流が直列分岐回路を流れ、バックエンド回路との結合が切り離され、出力コンデンサ４１，４２を保護する目的が達成される。本実施形態において、インダクタＬ１〜Ｌｎにより突入電流（ｉｎｒｕｓｈ ｃｕｒｒｅｎｔ）を抑制することができ、コンデンサＣ１〜Ｃｎ及び抵抗器Ｒ１〜Ｒｎにより、スパイク電圧（ｓｐｉｋｅ ｖｏｌｔａｇｅ）の吸収やサージエネルギーの消費を実現することができる。
図４は、本発明に係る異常エネルギー保護付き電源変換システムの保護回路の第２実施形態を示す回路図である。保護回路２０は、ＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜ＶｄｃｎとＤＣコンバータ１１〜１ｎとの間の電源経路に結合される。保護回路２０は、複数のダイオードＤ１〜Ｄｎと、第１の半導体スイッチＱａと、第２の半導体スイッチＱｂと、抵抗器Ｒｉとを含む。ダイオードＤ１〜Ｄｎのアノード端は、それぞれＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃｎの正電圧端子に対応して結合され、ダイオードＤ１〜Ｄｎのカソード端は、互いに結合されてカソード共通接続点を形成する。第１の半導体スイッチＱａは、カソード共通接続点とＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃｎの負電圧端子との間に介在して結合される。第２の半導体スイッチＱｂは、第１の半導体スイッチＱａに並列に結合される。抵抗器Ｒｉは、カソード共通接続点と第１の半導体スイッチＱａとに結合される。
制御ユニット５０は、電圧状態信号Ｓｖに基づいて、出力コンデンサ４１，４２の両端の電圧が短絡異常や過電圧異常等の異常であると判断した場合、保護回路２０の第１の半導体スイッチＱａをオンに制御する制御信号Ｓｃを出力する。これにより、第１の半導体スイッチＱａが位置する第１の分岐回路が短絡され、ＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃｎによって生成された電流が第１の分岐回路を流れ、後端の回路から切り離され、出力コンデンサ４１，４２を保護する目的が達成される。そして、制御ユニット５０は、遅延時間の経過後に第２の半導体スイッチＱｂをオンに制御して、第１の分岐回路に流れる電流を、第２の半導体スイッチＱｂが位置する第２の分岐回路に流させる（第２の分岐回路のインピーダンスが小さいため）。これにより、バックエンド回路との結合が引き続き切り離されることに加えて、抵抗器Ｒｉを流れる電流による熱損失も除去される。ここで、図４に示す制御信号Ｓｃと制御信号Ｓｃ’との違いは、後者が遅延時間の経過後に制御ユニット５０によって生成された第２の半導体スイッチＱｂをオンにするための制御信号であることである。なお、遅延時間は、例えば、遅延回路又はその他のデジタル／アナログ回路などのハードウェア方式、ファームウェアやソフトウェアによって生成することができる。本実施形態において、抵抗器Ｒｉにより突入電流を抑制することができ、各ダイオードＤ１〜Ｄｎは、電流が逆流するのを防止するために順方向電流経路を提供する。
図５は、本発明に係る異常エネルギー保護付き電源変換システムの保護回路の第３実施形態を示す回路図である。図５に示す第３の実施形態と図４に示す第２の実施形態との主な違いは、前者が遅延時間の経過後の短絡電流の電流分配効率を達成するために、複数の第２の半導体スイッチＱｂ１〜Ｑｂｎを提供することである。第２の半導体スイッチＱｂ１〜Ｑｂｎの第１端は、ＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃｎの正電圧端子に結合され、第２の半導体スイッチＱｂ１〜Ｑｂｎの第２端は、互いに結合され、ＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃｎの負電圧端子に結合される。
具体的に、制御ユニット５０は、電圧状態信号Ｓｖに基づいて、出力コンデンサ４１，４２の両端の電圧が異常であると判断した場合、保護回路２０の第１の半導体スイッチＱａをオンに制御する制御信号Ｓｃを出力する。これにより、第１の半導体スイッチＱａが位置する第１の分岐回路が短絡され、ＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃｎによって生成された電流が第１の分岐回路を流れ、後端の回路から切り離され、出力コンデンサ４１，４２を保護する目的が達成される。そして、制御ユニット５０は、遅延時間の経過後に第２の半導体スイッチＱｂ１〜Ｑｂｎをオンに制御して、第１の分岐回路に流れる電流を、これらの第２の半導体スイッチＱｂ１〜Ｑｂｎが位置する複数の分岐回路に均等に流させることができる。これにより、バックエンド回路との結合が引き続き切り離されることに加えて、抵抗器Ｒｉを流れる電流による熱損失も除去される。また、短絡電流がこれらの第２の半導体スイッチＱｂ１〜Ｑｂｎに均等に流れるので、第２の半導体スイッチＱｂ１〜Ｑｂｎの過熱による損傷が生じない。
図６は、本発明に係る異常エネルギー保護付き電源変換システムの保護回路の第４実施形態を示す回路図である。保護回路２０は、ＤＣコンバータ１１〜１ｎと２つの出力コンデンサ４１，４２との間の電源経路に結合される。保護回路２０は、ダイオードＤｄと、第１の半導体スイッチＱａと、第２の半導体スイッチＱｂと、抵抗器Ｒｉとを含む。ダイオードＤｄのアノード端は、ＤＣ出力バス３０の正電圧端子Ｖｂ＋に結合される。第１の半導体スイッチＱａは、ダイオードＤｄのカソード端とＤＣ出力バス３０の負電圧端子Ｖｂ−との間に介在して結合される。第２の半導体スイッチＱｂは、第１の半導体スイッチＱａに並列に結合される。抵抗器Ｒｉは、ダイオードＤｄのカソード端及び第１の半導体スイッチＱａに結合される。
制御ユニット５０は、電圧状態信号Ｓｖに基づいて、出力コンデンサ４１，４２の両端の電圧が短絡異常や過電圧異常等の異常であると判断した場合、保護回路２０の第１の半導体スイッチＱａをオンに制御する制御信号Ｓｃを出力する。これにより、第１の半導体スイッチＱａが位置する第１の分岐回路が短絡され、ＤＣコンバータ１１〜１ｎによって変換されて生成されたＤＣ入力電源Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃｎの電流が第１の分岐回路を流れ、後端の回路から切り離され、出力コンデンサ４１，４２を保護する目的が達成される。そして、制御ユニット５０は、遅延時間の経過後に第２の半導体スイッチＱｂをオンに制御して、第１の分岐回路に流れる電流を、第２の半導体スイッチＱｂが位置する第２の分岐回路に流させる（第２の分岐回路のインピーダンスが小さいため）。これにより、バックエンド回路との結合が引き続き切り離されることに加えて、抵抗器Ｒｉを流れる電流による熱損失も除去される。本実施形態において、抵抗器Ｒｉにより突入電流を抑制することができ、ダイオードＤｄは、電流が逆流するのを防止するために順方向電流経路を提供する。
図７は、本発明に係る異常エネルギー保護付き電源変換システムの動作方法を示すフローチャートである。異常エネルギー保護付き電源変換システムは、複数のＤＣ入力電源と、複数のＤＣコンバータと、２つの出力コンデンサとを含む。各ＤＣ入力電源は、電流源タイプの電源によって供給されるＤＣ電源であってもよい。例えば、ソーラーパネルによって供給されるＤＣ電源が挙げられるが、これに限定されない。この動作方法は、まずＤＣ入力電源と２つの出力コンデンサとの間の電源経路に結合される保護回路を提供する（Ｓ１０）。即ち、保護回路は、ＤＣ入力電源とＤＣコンバータとの間の電源経路に結合され、又は、ＤＣコンバータと２つの出力コンデンサとの間の電源経路に結合されてもよい。そして、２つの出力コンデンサのいずれか一方に異常が発生するか否かを検出する（Ｓ２０）。いずれかの出力コンデンサの両端の電圧を検出することにより、２つの出力コンデンサの一方に、例えば、短絡異常や過電圧異常のような異常が発生するか否かを判断する。最後に、２つの出力コンデンサの一方に異常が発生した場合、短絡方式でＤＣ入力電源と２つの出力コンデンサとの結合を切り離すように保護回路を制御する（Ｓ３０）。これにより、ＤＣ入力電源によって生成されたエネルギーが２つの出力コンデンサの他方に伝送されて損傷を引き起こすことを防止することができる。即ち、短絡方式でＤＣ入力電源と２つの出力コンデンサとの結合を切り離すように保護回路を制御することで、ＤＣ入力電源によって生成されたエネルギーが異常のない出力コンデンサに伝送することを防止し、その出力コンデンサに対して保護する効果を得ることができる。
要約すると、本発明は、以下の特徴及び利点を有する。
（１）半導体スイッチは、出力コンデンサが異常時のみ動作するため、正常動作時の損失がなく、リレースイッチのように発熱しないため、熱損失を減少させ、効率を向上させることができる。
（２）異常エネルギー保護として保護回路を用いることは、設備のコストを削減することができる。
（３）一群の保護回路を配置するだけで異常エネルギー保護を達成できるので、プリント基板の利用可能面積を増やすことができる。
（４）並列に結合される保護回路の構成は、大幅に拡張できる利点を有する。
ただし、上記は、本発明の好ましい実施形態の詳細な説明及び図面に過ぎず、本発明の特徴はこれに限定されるものではないため、本発明を限定するために用いられるものではなく、本発明の全ての範囲は別紙の特許請求の範囲を基準とすべきである。およそ本発明の特許請求の範囲における技術的思想及びその類似の変化の実施形態に合うものは、いずれも本発明の範疇に含まれるものであって、当業者が本発明の範囲内で容易に想到し得る変化又は付加はいずれも本願の特許請求の範囲に含まれるものである。
Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃｎ ＤＣ入力電源
１１〜１ｎ ＤＣコンバータ
２０ 保護回路
２１〜２ｎ 保護ユニット
３０ ＤＣ出力バス
４１ 第１の出力コンデンサ
４２ 第２の出力コンデンサ
５０ 制御ユニット
６０ バックエンド回路
Ｖｂ＋ 正電圧端子
Ｖｂ− 負電圧端子
Ｖｂｍ 中点電位端子
Ｓｖ 電圧状態信号
Ｓｃ、Ｓｃ’制御信号
Ｌ１〜Ｌｎ インダクタ
Ｑ１〜Ｑｎ 半導体スイッチ
Ｒｉ、Ｒ１〜Ｒｎ 抵抗器
Ｃ１〜Ｃｎ コンデンサ
Ｄｄ、Ｄ１〜Ｄｎ ダイオード
Ｑａ 第１の半導体スイッチ
Ｑｂ、Ｑｂ１〜Ｑｂｎ 第２の半導体スイッチ
１１Ａ〜１ｎＡ ＤＣ昇圧コンバータ
２１Ａ、２２Ａ コンデンサ
３１Ａ〜３ｎＡ リレースイッチ
４０Ａ バックエンド回路

Claims (15)

  1. 複数のＤＣ入力電源と、
    入力側が前記複数のＤＣ入力電源のうちの１つに対応して結合され、出力側が互いに並列に結合されてＤＣ出力バスを形成する複数のＤＣコンバータと、
    前記ＤＣ出力バスの正電圧端子と負電圧端子との間に介在して直列に結合される２つの出力コンデンサと、
    前記複数のＤＣ入力電源と前記２つの出力コンデンサとの間の電源経路に結合される保護回路と、
    前記２つの出力コンデンサの一方に異常が発生した場合、前記保護回路によって短絡方式で前記複数のＤＣ入力電源と前記２つの出力コンデンサとの結合が切り離されることを特徴とする異常エネルギー保護付き電源変換システム。
  2. 前記保護回路は、前記複数のＤＣ入力電源と前記複数のＤＣコンバータとの間の電源経路に結合されることを特徴とする請求項１に記載の異常エネルギー保護付き電源変換システム。
  3. 前記保護回路は、前記複数のＤＣコンバータと前記２つの出力コンデンサとの間の電源経路に結合されることを特徴とする請求項１に記載の異常エネルギー保護付き電源変換システム。
  4. 前記保護回路は、複数の保護ユニットを備え、
    各前記保護ユニットは、
    インダクタと、
    前記インダクタと直列に結合されて直列分岐回路を形成する半導体スイッチと、を含み、
    前記直列分岐回路は、前記ＤＣ入力電源の正電圧端子と負電圧端子との間に介在して結合されることを特徴とする請求項２に記載の異常エネルギー保護付き電源変換システム。
  5. 前記保護ユニットは、
    抵抗器と、
    前記抵抗器に直列に結合されて直列補助分岐回路を形成するコンデンサと、をさらに含み、
    前記直列補助分岐回路は、前記コンデンサと前記半導体スイッチとの間の共通接続点と、前記ＤＣ入力電源の負電圧端子との間に介在して結合されることを特徴とする請求項４に記載の異常エネルギー保護付き電源変換システム。
  6. 前記保護回路は、
    アノード端が前記ＤＣ入力電源の正電圧端子に結合され、カソード端が互いに結合されてカソード共通接続点を形成する複数のダイオードと、
    前記カソード共通接続点と前記ＤＣ入力電源の負電圧端子との間に介在して結合される第１の半導体スイッチと、
    前記第１の半導体スイッチに並列に結合される第２の半導体スイッチと、
    前記カソード共通接続点と前記第１の半導体スイッチとの間に介在して結合される抵抗器と、を含むことを特徴とする請求項２に記載の異常エネルギー保護付き電源変換システム。
  7. 前記保護回路は、
    アノード端が前記ＤＣ入力電源の正電圧端子に結合され、カソード端が互いに結合されてカソード共通接続点を形成する複数のダイオードと、
    前記カソード共通接続点と前記ＤＣ入力電源の負電圧端子との間に介在して結合される第１の半導体スイッチと、
    第１端が前記ＤＣ入力電源の正電圧端子に結合され、第２端が互いに結合され前記ＤＣ入力電源の負電圧端子に結合される複数の第２の半導体スイッチと、
    前記カソード共通接続点と前記第１の半導体スイッチとの間に介在して結合される抵抗器と、を含むことを特徴とする請求項２に記載の異常エネルギー保護付き電源変換システム。
  8. 前記保護回路は、
    アノード端が前記ＤＣ出力バスの正電圧端子に結合されるダイオードと、
    前記ダイオードのカソード端と前記ＤＣ出力バスの負電圧端子との間に介在して結合される第１の半導体スイッチと、
    前記第１の半導体スイッチに並列に結合される第２の半導体スイッチと、
    前記ダイオードの前記カソード端と前記第１の半導体スイッチとの間に介在して結合される抵抗器と、を含むことを特徴とする請求項３に記載の異常エネルギー保護付き電源変換システム。
  9. 前記半導体スイッチ、前記第１の半導体スイッチ又は前記第２の半導体スイッチは、ＳＣＲ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、又はＢＪＴのうちのいずれか１つであることを特徴とする請求項４〜８のいずれか１項に記載の異常エネルギー保護付き電源変換システム。
  10. 前記保護回路に結合され、前記ＤＣ出力バスの電圧状態信号を受信して前記２つの出力コンデンサが異常であるか否かを判断する制御ユニットと、
    制御ユニットは、前記２つの出力コンデンサの一方に異常が発生した場合、短絡方式で前記複数のＤＣ入力電源と前記２つの出力コンデンサとの結合を切り離すように前記保護回路を制御する制御信号を提供することを特徴とする請求項１に記載の異常エネルギー保護付き電源変換システム。
  11. 異常エネルギー保護付き電源変換システムの動作方法であって、異常エネルギー保護付き電源変換システムは、複数のＤＣ入力電源と、複数のＤＣコンバータと、２つの出力コンデンサとを含み、
    前記動作方法は、
    （ａ）前記複数のＤＣ入力電源と前記２つの出力コンデンサとの間の電源経路に結合される保護回路を提供するステップと、
    （ｂ）前記２つの出力コンデンサの一方に異常が発生するか否かを検出するステップと、
    （ｃ）前記２つの出力コンデンサの一方に異常が発生した場合、短絡方式で前記複数のＤＣ入力電源と前記２つの出力コンデンサとの結合を切り離すように前記保護回路を制御するステップと、を含むことを特徴とする異常エネルギー保護付き電源変換システムの動作方法。
  12. 前記保護回路は、前記複数のＤＣ入力電源と前記複数のＤＣコンバータとの間の電源経路に結合され、前記保護回路は、複数の保護ユニットを備え、各前記保護ユニットは、インダクタと半導体スイッチとからなる直列分岐回路を含み、前記直列分岐回路は、前記ＤＣ入力電源の正電圧端子と負電圧端子との間に介在して結合され、
    前記ステップ（ｃ）において、前記２つの出力コンデンサの一方に異常が発生した場合、前記半導体スイッチをオンにして、前記直列分岐回路を介して前記複数のＤＣ入力電源によって生成されたエネルギーを伝送することを特徴とする請求項１１に記載する異常エネルギー保護付き電源変換システムの動作方法。
  13. 前記保護回路は、前記複数のＤＣ入力電源と前記複数のＤＣコンバータとの間の電源経路に結合され、前記保護回路は、複数のダイオードと抵抗器と第１の半導体スイッチとからなる第１の分岐回路と、前記複数のダイオードと第２の半導体スイッチとからなる第２の分岐回路とを含み、
    前記ステップ（ｃ）において、前記２つの出力コンデンサの一方に異常が発生した場合、まず、前記第１の半導体スイッチをオンにして、前記第１の分岐回路を介して前記複数のＤＣ入力電源によって生成されたエネルギーを伝送し、遅延時間の経過後に前記第２の半導体スイッチをオンにして、前記第２の分岐回路を介して前記複数のＤＣ入力電源によって生成されたエネルギーを伝送することを特徴とする請求項１１に記載する異常エネルギー保護付き電源変換システムの動作方法。
  14. 前記保護回路は、前記複数のＤＣ入力電源と前記複数のＤＣコンバータとの間の電源経路に結合され、前記保護回路は、複数のダイオードと抵抗器と第１の半導体スイッチとからなる第１の分岐回路と、複数の第２の半導体スイッチとからなる第２の分岐回路とを含み、
    前記ステップ（ｃ）において、前記２つの出力コンデンサの一方に異常が発生した場合、まず、前記第１の半導体スイッチをオンにして、前記第１の分岐回路を介して前記複数のＤＣ入力電源によって生成されたエネルギーを伝送し、遅延時間の経過後に前記複数の第２の半導体スイッチをオンにして、前記第２の分岐回路を介して前記複数のＤＣ入力電源によって生成されたエネルギーを伝送することを特徴とする請求項１１に記載する異常エネルギー保護付き電源変換システムの動作方法。
  15. 前記保護回路は、前記複数のＤＣコンバータとの前記２つの出力コンデンサとの間の電源経路に結合され、前記保護回路は、ダイオードと抵抗器と第１の半導体スイッチとからなる第１の分岐回路と、前記ダイオードと第２の半導体スイッチとからなる第２の分岐回路とを含み、
    前記ステップ（ｃ）において、前記２つの出力コンデンサの一方に異常が発生した場合、まず、前記第１の半導体スイッチをオンにして、前記第１の分岐回路を介して前記複数のＤＣ入力電源によって生成されたエネルギーを伝送し、遅延時間の経過後に前記第２の半導体スイッチをオンにして、前記第２の分岐回路を介して前記複数のＤＣ入力電源によって生成されたエネルギーを伝送することを特徴とする請求項１１に記載する異常エネルギー保護付き電源変換システムの動作方法。
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