JP2782480B2

JP2782480B2 - 直流安定化電源の多重化方法及び装置

Info

Publication number: JP2782480B2
Application number: JP3270952A
Authority: JP
Inventors: 剛志郎坂門; 和雄島村; 敏文山本; 雅彦渡辺; 敏朗源元
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-10-18
Filing date: 1991-10-18
Publication date: 1998-07-30
Anticipated expiration: 2013-07-30
Also published as: JPH05111257A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、直流安定化電源の多重
化方法及び装置に係り、特にプロセス制御システム等
で、活線状態で保守を必要とする部分に高信頼度の電源
を供給するに好適である直流安定化電源の多重化方法及
び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】１９９１年にネミックラムダ社（本社東
京）から発行された「’９１ネミックラムダ総合カタロ
グ」４０頁の図６９に、突合せダイオードにより２台の
直流安定化電源で負荷に給電する方法が示されており、
該カタログの１３頁の図２１に該直流安定化電源の回路
図が示されている。

【０００３】該公知例を要約して図６に示す。図６に示
された装置は、第１の直流安定化電源１００の出力電圧
と第２の直流安定化電源１００Ａの出力電圧を突合せダ
イオード１および１Ａを介して突合せ、負荷に直流電圧
を供給するように構成したものである。万一、例えば、
第２の直流安定化電源１００Ａが故障して、出力電圧を
消失しても第１の直流安定化電源１００から負荷に給電
し、負荷への給電を続行しつつ、すなわち活線状態で、
故障した第２の直流安定化電源１００Ａを取りはずし、
修理または第３の予備機と交換できるようになってい
る。

【０００４】次に直流安定化電源１００の内部構成と動
作を説明する。ＡＣ入力は整流器１１とコンデンサ１２
で整流され、該整流で得られた直流がスイッチング動作
をするトランジスタ１８を介して、トランス１３の１次
巻線に印加される。トランス１３の２次巻線に発生する
電圧が整流ダイオード１４とコンデンサ１５により整流
平滑されて出力電圧が得られ、該出力電圧がエラーアン
プ１６に加えられる。エラーアンプ１６では、加えられ
た前記出力電圧と基準電圧１７とが比較増巾されて駆動
回路１９に加えられ、駆動回路１９は該エラーアンプ１
６の出力に応じてスイッチングのオン、オフ比を変える
ようにして、該トランジスタ１８のベースを駆動し、前
記出力電圧と基準電圧１７が等しくなるようにフィード
バック制御を行う。

【０００５】上記従来技術の例では、突合せダイオード
１の電圧降下（＝ダイオードの順方向電圧：約１Ｖ）分
だけ、供給電圧（例えば定格５Ｖ）よりも、出力電圧が
（約１Ｖ）高くなるように基準電圧１７を、５Ｖ＋１Ｖ
＝６Ｖ、に設定している。該突合せダイオード１の電圧
降下は、該ダイオードの温度や、負荷電流の変化がある
と変動し、その値は数１００ｍＶになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術による多重
化電源では、前述の如く、突合せダイオード１の温度
や、負荷電流の変化により、該突合せダイオードの電圧
降下量が変動（数１００ｍＶ）し、これに伴って負荷へ
の供給電圧が変動（数１００ｍＶ）するので、供給電圧
の精度の確保が困難である。例えば、計算機を利用した
プロセス制御システムへの適用を考えると、多重化電源
の負荷はＩＣ回路であり、定格電圧は一般に５Ｖかそれ
以下であり、該突合せダイオードにおける電圧降下量の
数１００ｍＶの変動は、定格電圧５Ｖの数％〜１０％に
相当する。ＩＣ回路の電圧変動許容値は一般に２〜３％
であることから、該突合せダイオードの電圧降下量の変
動要因を小さくする必要があった。そのために、第１
に、通常の電源装置では数１０〜１００℃に達する前記
突合せダイオードの温度変化を数℃程度に小さくするた
め大きな放熱フィンと強力な冷却ファンを要し、第２
に、負荷変動に対応するため、実際の適用システムに合
わせて、その都度基準電圧を操作員が設定する様になっ
ていた。この方法では、基準電圧設定後の負荷の変動に
は対応できないことに合せ、手数コスト、人為的誤りが
発生し易く、高コスト、低信頼度になってしまう恐れが
あった。

【０００７】本発明の目的は、突合せダイオードを介し
て負荷に電圧を供給する直流安定化電源の多重化におい
て、該突合せダイオードの電圧降下の変動分を補正し
て、負荷にかかる電圧の変動を低減させて信頼度を向上
させるとともに、該向上に伴うコストの増加を抑制する
にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、複数の直
流安定化電源の出力電圧を突合せダイオードを介して並
列接続して負荷に供給する直流安定化電源の多重化方法
において、前記突合せダイオードにおける電圧降下量の
変動を検出用ダイオードを介して検出し、前記突合せダ
イオードにおける電圧降下量の変動による負荷へ加わる
電圧の変動を補正する手順を加えることにより達成され
る。

【０００９】上記の目的はまた、複数の直流安定化電源
の出力電圧を突合せダイオードを介して並列接続して負
荷に供給する直流安定化電源の多重化装置において、前
記突合せダイオードにおける電圧降下を検出する検出用
ダイオードと、前記突合せダイオードにおける電圧降下
量の変動による負荷へ加わる電圧の変動を補正する手段
とを設けることによっても達成される。

【００１０】上記の目的はまた、突合せダイオードと検
出用ダイオードとが１個の半導体チップ上に形成されて
いるか、もしくは突合せダイオードと検出用ダイオード
とが同一放熱板に近接して実装されている請求項２に記
載の直流安定化電源の多重化装置によっても達成され
る。

【００１１】上記の目的はさらに、検出用ダイオードの
半導体の面積を突合せダイオードの半導体の面積に比べ
１／１００〜１／１０００程に小さくし、検出用ダイオ
ードに流す電流を突合せダイオードに流れる電流に比例
した値にした請求項２乃至４のいずれかに記載の直流安
定化電源の多重化装置によっても達成される。

【００１２】

【作用】検出用ダイオードは、直流安定化電源の出力電
圧より突合せダイオードにおける電圧降下量だけ低い電
圧に相当する電圧を出力する。突合せダイオードにおけ
る電圧降下量の変動による負荷へ加わる電圧の変動を補
正する手段は、検出用ダイオードの出力を得て、当該直
流安定化電源の出力電圧（突合せダイオードに加わる電
圧）を突合せダイオードにおける電圧降下分だけ高くす
る。突合せダイオードにおける電圧降下の変動は、突合
せダイオードの温度変化による電圧降下の変動分と負荷
変動による突合せダイオードを流れる電流の変化に伴う
電圧降下の変動分とを含み、前記検出用ダイオードはい
ずれか一方もしくはその両方に相当する電圧降下量だけ
当該直流安定化電源の出力電圧より低い電圧を出力す
る。

【００１３】突合せダイオードと検出用ダイオードとが
１個の半導体チップ上に形成されているので、両者の温
度は常にほぼ同じ温度に保たれ、一方のダイオードの温
度が変化したら他方のダイオードの温度も同じように変
化する。従ってダイオードの温度変化に伴う電圧降下量
も両者互いにほぼ等しく、検出用ダイオードで検出され
た電圧降下量を突合せダイオードにおける電圧降下量と
してよい。また、突合せダイオードと検出用ダイオード
とが同一放熱板に近接して実装されている場合も突合せ
ダイオードと検出用ダイオードの温度が略々同じにな
り、検出用ダイオードで検出された電圧降下量を、突合
せダイオードにおける電圧降下量としてよい。

【００１４】検出用ダイオードに突合せダイオードに流
れる電流に比例した電流を流す手段により、検出用ダイ
オードには突合せダイオードに流れる電流に比例した電
流が流れ、負荷が変動して突合せダイオードに流れる電
流が変動しても変動分に比例した量だけ検出用ダイオー
ドに流れる電流が変動する。したがって、突合せダイオ
ードに流れる電流の変動によって該突合せダイオードに
おける電圧降下量が変動しても、該電圧降下量の変動分
に比例した電圧降下量の変動が検出用ダイオードでの電
圧降下量に発生し、この検出用ダイオードでの電圧降下
量の変動に基づいて突合せダイオードにおける電圧降下
量が補償される。

【００１５】

【実施例】本発明の第１の実施例を図１に示し、該図１
を参照して本実施例の構成と動作を説明する。本実施例
は、第１の直流安定化電源２００と該第１の直流安定化
電源２００と同一構成の第２の直流安定化電源２００Ａ
の二つを組み合わせて多重化したもので、第１の直流安
定化電源２００の出力（プラス側）に突合せダイオード
１を、第２の直流安定化電源２００Ａの出力（プラス
側）に突合せダイオード１Ａを、それぞれ接続し、突合
せダイオード１及び１Ａの出側を互いに接続するととも
に該接続点を負荷のプラス側に接続したものである。第
１の直流安定化電源２００の出力（マイナス側）と、第
２の直流安定化電源２００Ａの出力（マイナス側）はそ
れぞれ負荷のマイナス側に接続されている。

【００１６】前記直流安定化電源２００は、入力された
交流電力を整流する整流器１１と、該整流器１１の出力
側に接続されたコンデンサ１２と、該コンデンサ１２の
一方の電極に１次側の一端を接続したトランス１３と、
該トランス１３の２次側に直列に接続された整流ダイオ
ード１４及びコンデンサ１５と、該整流ダイオード１４
とコンデンサ１５を結ぶ配線に接続されたプラス側出力
線２１Ａと、前記コンデンサ１５と前記トランス１３の
２次側を結ぶ配線に接続されたマイナス側出力線２１Ｂ
と、出力線２１Ａに一端を接続された検出用ダイオード
２と、該検出用ダイオード２の他端と出力線２１Ｂを接
続する抵抗器３と、前記出力線２１Ｂに接続された基準
電圧源１７と、一方の入力を該基準電圧源１７に、他方
の入力を前記検出用ダイオード２の出側に接続されたエ
ラーアンプ１６と、該エラーアンプ１６の出力側に接続
された駆動回路１９と、該駆動回路１９にベースを、前
記トランス１３の１次側の他端にコレクタを、前記コン
デンサ１２の他方の電極にエミッタを、それぞれ接続さ
せたトランジスタ１８と、を含んで構成されている。前
記突合せダイオード１の入り側は、前記出力線２１Ａに
接続されている。

【００１７】上記構成の直流安定化電源２００と、前記
従来例の直流安定化電源１００の違いは、エラーアンプ
１６の他方の入力が、前記直流安定化電源１００におい
ては出力線２１Ａに直接接続されているのに対し、直流
安定化電源２００においては、出力線２１Ａに入り側を
接続された検出用ダイオード２と、該検出用ダイオード
２の出側と出力線２１Ｂを結ぶ抵抗器３が配置され、エ
ラーアンプ１６の他方の入力が該検出用ダイオード２の
出側に接続されている点にある。前記エラーアンプ１６
と、前記基準電圧源１７と、前記トランジスタ１８と、
前記駆動回路１９とを含んで突合せダイオードにおける
電圧降下量の変動による負荷へ加わる電圧の変動を補正
する手段が構成されている。

【００１８】直流安定化電源２００に入力された交流電
力は、整流器１１とコンデンサ１２で整流され、スイッ
チング動作するトランジスタ１８を介して、トランス１
３の１次巻線に印加される。該印加によってトランス１
３の２次巻線に発生する電圧は整流ダイオード１４とコ
ンデンサ１５で整流平滑されて出力電圧となる。該出力
電圧は検出用ダイオード２を直列に介してエラーアンプ
１６に加えられ、基準電圧源１７が発生する基準電圧と
比較、増幅されて駆動回路１９に加えられる。該駆動回
路１９は前記エラーアンプ１６の出力に応じてスイッチ
ングのオン、オフ比を変えるようにして前記トランジス
タ１８のベースを駆動し、出力電圧から該検出用ダイオ
ードの電圧降下分を差引いた値と基準電圧が等しくなる
ようにフィードバック制御する。抵抗器３は前記検出用
ダイオード２にバイアス電流を流すものであり、該検出
用ダイオード２と前記突合せダイオード１は、互いの温
度が略々（数℃内の差で）等しくなるように熱的に接続
されている。熱的接続の例を図２、図３に示す。

【００１９】上記実施例によれば、突合せダイオード１
と検出用ダイオード２がほぼ同じ温度変化をするので、
突合せダイオード１の温度変化による電圧降下量の変動
に相当する電圧降下量の変動が検出用ダイオード２にお
いても発生し、エラーアンプ１６には、この電圧降下量
の変動を含んだ電圧が入力される。したがって、該エラ
ーアンプ１６、駆動回路１９は、それら電圧降下後の電
圧、すなわち突合せダイオード１の出側の電圧（負荷に
加わる電圧）が基準電圧源１７が発生する基準電圧と等
しくなるようにトランジスタ１８のスイッチング動作を
制御する。

【００２０】突合せダイオード１の温度変化は数１０℃
〜１００℃に亘り、この温度変化による電圧降下量の変
動は１００ｍＶ〜２００ｍＶに及び、これは定格電圧５
Ｖのとき２〜４％の変動となるが、この電圧降下量の変
動分は上記動作により補償され、負荷にかかる電圧変動
を十分小さく（１０ｍＶ、定格５Ｖで０．２％）でき
る。したがって、温度変化を抑制するための過大な冷却
フィンやファンは必要ない。

【００２１】上記第１の実施例において、突合せダイオ
ード１と検出用ダイオード２を熱的に接続する方法とし
て、両者を同一シリコンチップ上に形成する方法があ
り、そのダイオードの構造を図２に示す。本構造のダイ
オードは一般に市販されており容易に使用できる。本実
施例によれば、突合せダイオードと検出用ダイオードの
温度をほぼ同一にでき、負荷にかかる電圧の温度による
変動を極めて小さく（数ｍＶに）できる効果がある。

【００２２】また、上記第１の実施例において、突合せ
ダイオード１と検出用ダイオード２を熱的に接続する他
の方法として、同一フィンに近接して実装する方法があ
り、実装例を図３に示す。本実施例によれば、負荷電流
（数Ａ〜数１０Ａ）を流す突合せダイオードは高価な大
電流用ダイオードとするが、検出用には安価な小電流用
ダイオードを用いて、トータルコストを低くできる効果
がある。

【００２３】第１の実施例によれば、突合せダイオード
の温度変化（数１０℃〜１００℃）による電圧降下の変
動分（数１０ｍＶ〜２００ｍＶ）が補正され、過大な放
熱フィンやファンを設けることなく、その分低コスト
で、小形、高信頼度の直流安定化電源の多重化を実現す
る効果を有する。なお、図１では、直流安定化電源２０
０，２００Ａを示す点線枠の外に突合せダイオード１，
１Ａが記載されているが、検出用ダイオード２と突合せ
ダイオード１，１Ａが上述のように組み合わせて形成も
しくは配置される場合は、突合せダイオード１，１Ａも
直流安定化電源２００，２００Ａのなかに当然含まれる
ことになる。

【００２４】本発明の第２の実施例を図４に示す。図４
では、直流安定化電源３００と突合せダイオードを介し
て結合される直流安定化電源３００Ａは図示されていな
いが、前記直流安定化電源３００と同一の構成となって
いる。本実施例と前記第１の実施例との違いは、本実施
例の第１の直流安定化電源３００と第２の直流安定化電
源３００Ａにおいて、検出用ダイオード２の半導体面積
を突合せダイオードのそれに比べ１／ｓ例えば１／１０
００にした点と、突合せダイオード１に流れる電流を検
出する分流器４，検出した電流信号を増幅するアンプ
５，及び該増幅された電流信号を入力とし出力を前記検
出用ダイオード２の出側に接続して検出用ダイオード２
に突合せ用ダイオード１に流れる電流の１／ｓ例えば１
／１０００の電流を流すように構成した電流駆動回路６
を設けた点とにある。他の構成は図１に記したものと同
様である。

【００２５】本実施例の構成によれば、突合せダイオー
ド１の電圧降下と検出用ダイオード２の電圧降下が同じ
になり、突合せダイオード１の温度や電流の変化による
電圧降下の変動分が補正され、負荷にかかる電圧を、突
合せダイオード１の温度変化や負荷に流れる電流値の変
化に関係なく、過大な放熱フィンやファンを設けること
なく、かつ電圧設定を容易にして、基準電圧源１７が発
生する基準電圧の値に正しく保つことができ、低コスト
で、小形、高精度、高信頼度の直流安定化電源の多重化
を実現する効果がある。

【００２６】図４の構成で突合せダイオード１の電圧降
下と検出用ダイオード２の電圧降下が同じになる理由を
以下に説明する。一般にダイオードの電流Ｉと電圧Ｖの
関係は半導体の理論から、

【００２７】

【数１】

【００２８】但しＡ＝ダイオードの半導体面積Ｉ₀＝単位面積あたりの逆方向飽和電流Ｋ＝ボルツマン定数ｑ＝電子の電荷量Ｔ＝ダイオードの温度であり、順方向バイアス時には、

【００２９】

【数２】

【００３０】となり、実用的範囲で、

【００３１】

【数３】

【００３２】が成り立つ。いま図４の突合せダイオード
１の電流と電圧の関係を（３）式にあてはめると、式の
記号にサフィックス１を付して、

【００３３】

【数４】

【００３４】となり、（４）式の左右両辺を１／１００
０倍すると、

【００３５】

【数５】

【００３６】となる。図４の検出用ダイオード２の電流
と電圧を関係を（３）式にあてはめると、式の記号にサ
フィックス２を付して、

【００３７】

【数６】

【００３８】となる。本実施例では、

【００３９】

【数７】

【００４０】とし、実用的に検出用ダイオードの温度Ｔ
₂＝突合せダイオードの温度Ｔ₁となるよう両ダイオード
間の温度差を小さくしたので、（６）式に、これらの条
件を代入して、

【００４１】

【数８】

【００４２】となる。（８）式は（５）式と左辺が等し
いから、Ｖ₂＝Ｖ₁ ……（９）となる。すなわち検出用ダイオード２における電圧降下
量Ｖ₂は、突合せダイオードにおける電圧降下量Ｖ₁と等
しい。

【００４３】図４に示す第２の実施例においては、突合
せダイオードに流れる電流をトランス１３から見て２次
側で検出したが、トランスの１次巻線の電流、トランジ
スタ１８のエミッタ電流も相関があるので、そちら側で
電流を検出しても同様の効果が得られる。図５は本発明
の第３の実施例を示し、トランジスタ１８のエミッタ電
流を検出して検出用ダイオード２に流れる電流を制御す
る場合の回路構成例である。図５では、直流安定化電源
４００と突合せダイオードを介して結合される直流安定
化電源４００Ａは図示されていないが、前記直流安定化
電源４００と同一の構成となっている。また、前記第２
の実施例や本実施例においても、突合せダイオード１と
検出用ダイオード２を同一チップ上に構成すれば、
（９）式がより厳密に成立ち、突合せダイオード１にお
ける電圧降下量をより精度良く補償することができる。

【００４４】上記各実施例は、それぞれ２個の同一構成
の直流安定化電源を突合せダイオードを介して並列接続
した例であるが、３個以上の直流安定化電源を突合せダ
イオードを介して並列接続した場合でも同様の効果が得
られるのは明らかであり、さらに、前記直流安定化電源
２００，３００，あるいは４００を組み合わせた場合も
同様である。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、検出用ダイオードを設
けて突合せダイオードにおける電圧降下量を検知し、直
流安定化電源の出力電圧が、この電圧降下量分だけ、負
荷に加えるべき電圧より高くなるように制御されるの
で、突合せダイオードの温度変化や負荷の変動による該
突合せダイオードにおける電圧降下量の変動を補償する
ことが可能となり、強制冷却のためのファンなどを設け
ることなく信頼度の高い直流安定化電源の多重化が実現
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す回路図である。

【図２】第１の実施例の部分の詳細構造を示す斜視図で
ある。

【図３】図２に示す第１の実施例の部分の他の構造例を
示す斜視図である。

【図４】本発明の第２の実施例を示す回路図である。

【図５】本発明の第３の実施例を示す回路図である。

【図６】公知の従来の技術の例を示す回路図である。

【符号の説明】

１突合せダイオード２検出用ダイオード３抵抗器（２にバイアス電流を流す）４分流器（１に流れる電流を検出する）５アンプ（分流器で検出した信号を増巾する）６電流駆動回路（２にバイアス電流を流す）１１整流器１２コンデンサ１３トランス１４整流ダイオード１５コンデンサ１６エラーアンプ１７基準電圧源１８トランジスタ１９駆動回路２０ピーク整流回路２１Ａプラス側出力線２１Ｂマイナス側出力線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者島村和雄茨城県日立市大みか町五丁目２番１号日立プロセスコンピュータエンジニアリング株式会社内 (72)発明者山本敏文茨城県日立市大みか町５丁目２番１号株式会社日立製作所大みか工場内 (72)発明者渡辺雅彦茨城県日立市大みか町五丁目２番１号日立プロセスコンピュータエンジニアリング株式会社内 (72)発明者源元敏朗茨城県日立市大みか町五丁目２番１号日立プロセスコンピュータエンジニアリング株式会社内 (56)参考文献特開昭58−176714（ＪＰ，Ａ) 実開昭59−15110（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02M 3/00 - 3/44 G05F 1/56 310 - 320

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の直流安定化電源の出力電圧を突合
せダイオードを介して並列接続して負荷に供給する直流
安定化電源の多重化方法において、前記突合せダイオー
ドにおける電圧降下量の変動を前記突合せダイオードと
熱的に結合して配置された検出用ダイオードにバイアス
電流を流して検出し、前記突合せダイオードにおける電
圧降下量の変動による負荷へ加わる電圧の変動を補正す
ることを特徴とする直流安定化電源の多重化方法。
【請求項２】複数の直流安定化電源の出力電圧を突合
せダイオードを介して並列接続して負荷に供給する直流
安定化電源の多重化装置において、前記突合せダイオー
ドと熱的に結合して配置され前記突合せダイオードにお
ける電圧降下量の変動を検出する検出用ダイオードと、
該検出用ダイオードに前記突合せダイオードにおける電
圧降下量の変動を検出するためのバイアス電流を流す手
段と、前記突合せダイオードにおける電圧降下量の変動
による負荷へ加わる電圧の変動を補正する手段を設けた
ことを特徴とする直流安定化電源の多重化装置。
【請求項３】突合せダイオードと検出用ダイオードと
が１個の半導体チップ上に形成されていることを特徴と
する請求項２に記載の直流安定化電源の多重化装置。
【請求項４】突合せダイオードと検出用ダイオードと
が同一放熱板に近接して実装されていることを特徴とす
る請求項２に記載の直流安定化電源の多重化装置。
【請求項５】検出用ダイオードの半導体の面積を突合
せダイオードの半導体の面積に比べ１／１００〜１／１
０００程に小さくし、検出用ダイオードに流す電流を突
合せダイオードに流れる電流に比例した値にしたことを
特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の直流安定
化電源の多重化装置。