JP4240849B2 - 電源装置およびこれを用いた電源モジュール - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源装置およびこれを用いた電源モジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】
本発明者らは、特願2000−304602号で、複数の電源装置をディンレール上において互いに並列接続可能とした電源モジュールを提案している。この電源装置は一対の交流入力部と、一対の直流出力部とを少なくとも備える。各電源装置は、ディンレール上で交流入力部どうしと直流出力部どうしとが並列に接続される。そして、いずれか1つの電源装置から他の電源装置に対して外部交流が供給可能とされる。このような電源モジュールによると、電源装置の複数を増減組み合わせて、任意の電源容量を得られるようにすることができる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本発明者らは、上記提案に係る電源モジュールについて種々な改良を図るべく鋭意研究している。その1つに、この電源モジュールの場合、互いの直流出力部から直流の出力電流が逆流してくるおそれがあるから、直流出力部にショットキーダイオードなどの逆流防止ダイオードを接続することを考えている。また、もう1つに、電源モジュール内における各電源装置間における互いの出力電流のバランスを図るために、電流バランス部を設けることを考えている。この電流バランス部は、自己の出力電流と、他の電源装置からの平均出力電流とを比較し、自己出力電流を平均出力電流に合致させるよう制御をかけるためのものである。このような電流バランスが無いと、複数の電源装置を用いて例えば1つの負荷を駆動する場合、特定の電源装置だけから、出力電流が供給されてしまい、その特定の電源装置の寿命に影響するおそれがある。電流バランス部は、このような各電源装置それぞれからの出力電流のアンバランスを解消し、特定の電源装置に対する負担を軽減して電源モジュールとしての信頼性を高められる。
【0004】
このような電流バランス部について研究を進めたところ、次の課題に遭遇した。すなわち、複数の電源装置のうち、いずれか一台が故障した場合、その故障した電源装置は、二次側整流平滑部に蓄積されている電力エネルギにより電流バランス部は即座に機能停止するようなことはない。そして、その故障した電源装置に対して他の電源装置からの出力電流が逆流防止ダイオードを介してリークして逆入力し、この逆入力電流が、二次側整流平滑部の平滑コンデンサを充電し、これによって、電流バランス部が相当に長い間、作動し、他の電源装置の電流バランスに影響を及ぼすという問題がある。
【0005】
したがって、本発明は、複数の電源装置を並列運転する場合において、いずれか1つの電源装置に故障を来たしても、他の電源装置の電流バランスを良好にとれるようにすることを解決課題している。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明第1の電源装置は、自己の直流出力端子が1ないし複数の他の電源装置それぞれの直流出力端子と並列に接続されて並列運転が可能な電源装置であって、他の電源装置それぞれの出力電流との間でバランスをとるためのバランス用電流と、自己の出力電流に対応する検出電流とを入力し、前記バランス用電流と前記検出電流とから自己の出力電流を前記バランス用電流にバランスさせるための出力動作を行う電流バランス部と、前記並列運転状態で、当該電源装置が故障して出力電圧が低下したときには、該出力電圧の低下によって、前記電流バランス部の入力インピーダンスを高くするインピーダンス制御部とを有することを特徴とする。
【0007】
本発明第2の電源装置は、自己の直流出力端子が1ないし複数の他の電源装置それぞれの直流出力端子と並列に接続されて並列運転が可能な電源装置であって、各電源装置それぞれの出力電流に自己の出力電流をバランスさせるためのバランス用電流が流れる電流バランスバスラインと、自己の出力電流を検出するための電流検出部と、前記電流バランスバスラインからの前記バランス用電流と前記電流検出部からの検出電流とに基づいて自己の出力電流を前記バランス用電流にバランスさせるための出力動作を行う電流バランス部と、前記電流バランス部の出力に応答して入力電圧を所要の出力電圧に変換制御する制御部と、前記並列運転状態で、当該電源装置が故障して出力電圧が低下したときには、該出力電圧の低下によって、前記電流バランス部の入力インピーダンスを高くするインピーダンス制御部とを有することを特徴とする。
【0008】
本発明第3の電源装置は、自己の直流出力端子が1ないし複数の他の電源装置それぞれの直流出力端子と並列に接続されて並列運転が可能な電源装置であって、入力電圧を所要の出力電圧に変換する変換部と、前記変換部よりの電圧を整流平滑する整流平滑部と、前記整流平滑部と前記直流出力端子との間に設けられ前記直流出力端子から他の電源装置よりの出力電流の逆流を防止する逆流防止ダイオードと、自己の出力電流を検出するための電流検出部と、前記整流平滑部より供給される作動電源により作動可能とされ、かつ、他の電源装置それぞれの出力電流との間でバランスをとるためのバランス用電流と、自己の出力電流に対応する検出電流とを入力し、前記制御と検出の両電流から自己の出力電流を前記バランス用電流にバランスさせるための出力動作を行う電流バランス部と、前記電流バランス部の出力に応答して前記変換部を制御する制御部と、前記並列運転状態で、当該電源装置が故障して出力電圧が低下したときには、該出力電圧の低下によって、前記電流バランス部の入力インピーダンスを高くするインピーダンス制御部とを有することを特徴とする。
【0009】
本発明第1ないし第3の電源装置によると、他の複数の電源装置と並列に接続されている場合において、いずれかの電源装置が故障して出力電圧が低下すると、インピーダンス制御部により電流バランス部の入力インピーダンスが高くされるから、故障した電源装置に他の電源装置が影響されずに、電流バランスをとることが可能となり、信頼性の高い動作を確保できる。
【0010】
この場合、故障した電源装置において電流バランス部が、電力エネルギが蓄積される整流平滑部の出力を作動電源としている場合、その整流平滑部における僅かの電力エネルギの消耗に伴う電圧低下で、ツェナダイオードなどの電源遮断素子は、非導通となって電流バランス部を即座に機能停止させてその入力インピーダンスを高く制御することができる。そのため、他の電源装置の電流バランス動作に対する悪影響を実質的に無くすことができる。
【0011】
本発明の電源モジュールは、前記電源装置の複数を備え、各電源装置それぞれの直流出力部が、互いに共通に接続されていることを特徴とする。
【0012】
この電源モジュールの場合、電源装置の接続個数の設定で任意の容量の電源を提供することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
【0014】
なお、この実施形態における電源装置は、比較的小型のスイッチング電源に適用して説明するが、本発明の電源装置は、このスイッチング電源に限定されるものではない。
【0015】
図1ないし図4は本発明の実施形態に係り、図1は、ディン(DIN)レールとそれに装着された電源装置を示す図、図2は、各電源装置の電気的接続関係を示す図、図3は、電源装置の回路図、図4は、電源装置の要部の回路図である。
【0016】
これらの図を参照して、1は、ディンレール、2は、電源装置である。
【0017】
ディンレール1は、電源装置を移動可能に装着する。
【0018】
電源装置2において、2aは、交流入力端子、2bは、直流出力端子、2cは、電源回路、2dは、交流出力側コネクタ、2eは、直流入力側コネクタ、2fは、直流出力側コネクタ、2gは、交流入力側コネクタ、2hは、電流バランス側コネクタである。
【0019】
電源装置2は、直方体形状のケーシングに所要の電源回路用部品を内蔵した例えば100〜240VAC入力、24VDC出力、2.5A、60W出力用のスイッチング電源である。
【0020】
交流入力端子2aは、正面パネル上部に配設されて前記100〜240VACの外部商用交流を内部電源回路2cに導くものであり、直流出力端子2bは、正面パネル下部に配設されて24VDCを出力するものである。
【0021】
電源回路2cは、交流入力端子2aを介して外部から入力されてくる交流入力を安定化した24VDCの出力に変換して直流出力端子2bを介して外部に出力するようになっており、この実施形態では絶縁型スイッチングレギュレータなどの電源回路である。
【0022】
直流出力端子2bは、プラス、マイナス一対となって二対の直流出力端子2b構成となっている。
【0023】
交流入力側コネクタ2aと交流出力側コネクタ2dとの間、直流入力側コネクタ2eと直流出力側コネクタ2fとの間、一対の電流バランス側コネクタ2hどうしの間は、それぞれ、電源装置2の内部において適宜のバスライン配線を介して電気的に直接に接続されている。
【0024】
電流バランス側コネクタ2hどうしの間のバスラインは、特に、電流バランスバスラインという。
【0025】
以上の電源モジュールにおいては、いずれか1つの電源装置2の交流入力端子2aから入力された交流は、他の電源装置2それぞれに供給される結果、各電源装置2の直流出力端子2bそれぞれから直流を出力することができる。
【0026】
この電源モジュールでは、電源装置2の1つだけの電源容量だけで負荷に対応できない場合、他の電源装置を拡張することで電源容量を増加させることができる。
【0027】
その結果、この電源モジュールによれば、電源メーカーにとっては、例えば出力電圧を同一とする電源装置を製造するだけで任意の容量の電源をユーザーに提供することができる。ユーザーにとっては、電源装置1台の販売価格の低廉さに加えて、容量毎に別々の電源を購入することに比較して同一容量の電源装置を用途に応じて1つまたは複数、購入するだけで済むから、メンテナンス用の在庫品が少なくて済む。
【0028】
なお。電源装置2を追加し、いずれかの電源装置が故障した場合、その追加電源装置2を予備として使用できるようにしてもよい。
【0029】
次に、本実施の形態の特徴について説明する。
【0030】
まず、この電源装置2において、電源回路2cは、一次側整流平滑部3、スイッチ素子4、制御部5、コンバータトランス6、二次側整流平滑部7、電圧検出部8、逆流防止ダイオード9、電流検出部10、電流バランス部11、電源遮断素子としてのツェナダイオード12を有する。また、一次側整流平滑部3やスイッチ素子4やコンバータトランス6は、入力電圧を所要の出力電圧に変換する変換部を構成する。
【0031】
交流入力端子2aより入力された交流は、一次側整流平滑部3で直流の入力電圧にされる。スイッチ素子4のオンオフ作動により、コンバータトランス6の一次コイルに発生した電圧は、二次コイルに誘起される。この誘起電圧は、二次側整流平滑部7で直流にされ出力電圧として電圧検出部8および逆流防止ダイオード9を経て直流出力端子2bから出力される。
【0032】
そして、電圧検出部8は、出力電圧を検出し、制御部5に帰還する。制御部5は、この検出によりスイッチ素子4をオンオフ制御して出力電圧を一定に制御する。
【0033】
このような電源回路2cにおける基本動作に対して、本実施の形態では、電流検出部10および電流バランス部11により、自己の出力電流と他の電源装置の平均出力電流とを比較する。その比較結果を制御部5に出力させる。これによって、各電源装置2間における電流のバランスを図る。その一方、出力電圧が所定値以下に低下した時にはツェナダイオード12が非導通になって電流バランス部11への電源の供給を停止させる。これで、電流バランス部11の作動を停止させる。
【0034】
さらに詳しく説明する。
【0035】
電流バランス部11は、非反転増幅器111と、比較増幅器112とを有する。非反転増幅器111のマイナス入力部は電流検出部10に接続されている。この接続点を(a)とする。非反転増幅器111のプラス入力部は、抵抗113を介して接地されている。非反転増幅器111の出力部とプラス入力部とは抵抗117を介して接続されている。
【0036】
なお、直流出力端子2bと電圧検出部8との間に逆流防止ダイオード9が接続されている。この逆流防止ダイオード9はそのカソードを直流出力端子2bに向けられており、これによって、当該電源装置2を他の電源装置2と並列運転するときに、当該電源装置2に対して他の電源装置2から出力電流が逆流するのを防止する。
【0037】
比較増幅器112のマイナス入力部は、非反転増幅器111の出力部に対して抵抗114を介して接続され、また、プラス入力部は、抵抗115、116を介して、非反転増幅器111の出力部に接続されている。両抵抗115,116の接続部は、電流バランスバスラインを介して電流バランス側コネクタ2hに接続されている。この接続点を(b)とする。
【0038】
そして、非反転増幅器111および比較増幅器112は、それぞれ、電源入力部111a,112aと接地部111b,112bとを有し、この電源入力部111a,112aは、電源遮断素子としてのツェナダイオード12を介して、二次側整流平滑部7と電圧検出部8との間の接続ラインに接続されている。この接続点を(c)とする。
【0039】
上記構成を有する電流バランス部11の作用を説明する。
【0040】
まず、複数の電源装置2がすべて正常である場合において、例えば1つの電源装置2における電流バランス部11の作用を説明する。なお、電源装置2の並列数をnとする。
【0041】
まず、接続点(b)の電圧を検討する。接続点(b)は、複数の電源装置2それぞれの電流バランス部共通の接続点であるから、キルヒホッフの法則により、ここに流れる電流はゼロとなる。詳しい説明は省略するが、接続点(b)における電圧Vは、各電源装置2それぞれの非反転増幅器111の出力部の電圧をV1,V2,…,Vnとすると、V=(V1+V2+,…,+Vn)/nとなる。つまり、接続点(b)の電圧は、平均電圧となる。
【0042】
非反転増幅器111の出力部の電圧は、言い換えれば、電流検出部10により検出された出力電流であるから、接続点(b)の電圧は、つまり、各電源装置2それぞれの平均出力電流に対応することとなる。
【0043】
比較増幅器112においては、マイナス入力部には、抵抗114を介して非反転増幅器111の出力電圧が印加され、プラス入力部には、抵抗116を介して接続点(b)の電圧が印加される。つまり、比較増幅器112においては、自己の出力電流と各電源装置2それぞれの平均出力電流とを比較することになり、その比較増幅器112の出力は、自己の出力電流が平均の出力電流からどれだけずれているかを示す比較信号が出力されることになる。
【0044】
制御部5は、電流バランス部11からの比較信号に応答して自己の出力電流が平均の出力電流にバランスするようにスイッチ素子4のオンオフを制御する。
【0045】
次に、電源装置2が正常な場合、ツェナダイオード12が導通していて、非反転増幅器111は作動しているので、接続点(b)からみた入力インピーダンス(電流バランス部11の入力インピーダンス)は、非反転増幅器111の出力インピーダンスと抵抗115の抵抗値との和になる。この場合、非反転増幅器111の出力インピーダンスは、抵抗113,117の両抵抗値の和より十分に小さい。
【0046】
そして、電源装置2が故障して出力電圧低下によりツェナダイオード12が非導通となると、非反転増幅器111が作動停止する結果、接続点(b)から見た入力インピーダンス(電流バランス部11の入力インピーダンス)は、抵抗113,117、115それぞれの抵抗値の和となる。この場合、非反転増幅器111の出力インピーダンスは、両抵抗113,117の抵抗値の和より十分に大きい。
【0047】
つまり、電源装置2が正常な場合の前記入力インピーダンスと、故障の場合の入力インピーダンスとの差は、抵抗113、117の抵抗値の和より十分に小さい非反転増幅器111の出力インピーダンスと、抵抗113,117の抵抗値の和との差になる。これは、明らかに、電源装置2が故障した場合の入力インピーダンスの方が十分に高くなっている。
【0048】
したがって、ツェナダイオード12は、当該電源装置2の状態が故障などする、所定の状態のとき、前記電流バランス部11の入力インピーダンスを高くするよう制御するインピーダンス制御部として作用する。
【0049】
以上により、自己の電源装置2が故障などしてその出力電流が例えば大きく低下する場合、ツェナダイオード12が非導通となって接続点(b)から電流バランス部11をみた入力インピーダンスは、上述したように高くなるから、接続点(b)における平均電圧は影響を受けない。
【0050】
この場合、ツェナダイオード12が無ければ、自己の電源装置2と他の複数の電源装置2とが互いの直流出力端子2bを介して接続されているために、他の電源装置2側から逆流防止ダイオード9を介して出力電流がリークしてそれが二次側整流平滑部8内の平滑コンデンサに充電される。そして、この充電電力が電流バランス部11における非反転増幅器111、比較増幅器112の各電源入力部111a,112aに供給されて、これら非反転増幅器111、比較増幅器112が動作状態となる。そうすると、接続点(b)から電流バランス部11をみた入力インピーダンスは低くなっており、接続点(b)における平均電圧は低くなり、正常な他の電源装置2における電流バランスに悪影響を及ぼす。
【0051】
しかしながら、本実施の形態では、ツェナダイオード12の非導通により、非反転増幅器111、比較増幅器112が共に動作停止するから、前記平滑コンデンサから電源が供給されるようなことがなくなり、接続点(b)から電流バランス部11をみた入力インピーダンスは高くなっており、正常な他の電源装置2における電流バランスに悪影響を及ぼすようなことがなくなる。
【0052】
なお、上述の場合、非反転増幅器111の電源入力部111aに対してツェナダイオード12を接続し、比較増幅器112にツェナダイオード12を接続しなくてもよい。
【0053】
なお、上述の場合、他の電源装置それぞれの出力電流との間でバランスをとるためのバランス用電流として、前記平均出力電流とし、自己の出力電流をこの平均出力電流に追随させて電流バランスを行っている。本発明は、バランス用電流としてこれに限定されるものではなく、最大出力電流をバランス用電流としこれに自己の出力電流を追随させて電流バランスを行うようにしてもよいし、最小出力電流をバランス用電流とこれに自己の出力電流を追随させて電流バランスを行うようにしてもよい。
【0054】
なお、上述の場合、電源遮断素子としてツェナダイオード12を用いたが、これに限定されるものではなく、他の電源遮断機能を有する回路や素子であっても構わない。
【0055】
なお、上述の場合、変換部は、コンバータトランスを備えたフォワード方式あるいはフライバック方式などの絶縁型スイッチング電源における、スイッチ素子やコンバータトランスなどであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、タップインダクタを用いた非絶縁型のスイッチング電源におけるタップインダクタやスイッチ素子を用いたものにも適用することができる。
【0056】
なお、上述の非反転増幅器111の場合、抵抗113を省略し、その出力部とプラス入力部とを短絡することでバッファアンプとした場合、ツェナダイオード12が非導通となって電流バランス部11に対する電源供給が遮断されると、接続点(b)から電流バランス部11をみた入力インピーダンスをより高くすることができる。
【0057】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、複数の電源装置を並列運転する場合において、いずれか1つの電源装置に故障を来たしても、他の電源装置の電流バランスを良好にとれる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る電源モジュールの構成を示す図
【図2】図1の電源モジュールの電気的構成を示す回路図
【図3】図1の電源モジュールを構成する電源装置の回路図
【図4】図3の要部である電流バランス部の回路図
【符号の説明】
1 ディンレール
2 電源装置
3、7 整流平滑回路
4 スイッチ素子
5 制御部
6 コンバータトランス
8 電圧検出部
9 逆流防止ダイオード
10 電流検出部
11 電流バランス部
12 ツェナダイオード(電源遮断素子)
Claims (6)
- 自己の直流出力端子が1ないし複数の他の電源装置それぞれの直流出力端子と並列に接続されて並列運転が可能な電源装置であって、
他の電源装置それぞれの出力電流との間でバランスをとるためのバランス用電流と、自己の出力電流に対応する検出電流とを入力し、前記バランス用電流と前記検出電流とから自己の出力電流を前記バランス用電流にバランスさせるための出力動作を行う電流バランス部と、
前記並列運転状態で、当該電源装置が故障して出力電圧が低下したときには、該出力電圧の低下によって、前記電流バランス部の入力インピーダンスを高くするインピーダンス制御部と、
を有することを特徴とする電源装置。 - 自己の直流出力端子が1ないし複数の他の電源装置それぞれの直流出力端子と並列に接続されて並列運転が可能な電源装置であって、
各電源装置それぞれの出力電流に自己の出力電流をバランスさせるためのバランス用電流が流れる電流バランスバスラインと、
自己の出力電流を検出するための電流検出部と、
前記電流バランスバスラインからの前記バランス用電流と前記電流検出部からの検出電流とに基づいて自己の出力電流を前記バランス用電流にバランスさせるための出力動作を行う電流バランス部と、
前記電流バランス部の出力に応答して入力電圧を所要の出力電圧に変換制御する制御部と、
前記並列運転状態で、当該電源装置が故障して出力電圧が低下したときには、該出力電圧の低下によって、前記電流バランス部の入力インピーダンスを高くするインピーダンス制御部と、
を有することを特徴とする電源装置。 - 自己の直流出力端子が1ないし複数の他の電源装置それぞれの直流出力端子と並列に接続されて並列運転が可能な電源装置であって、
入力電圧を所要の出力電圧に変換する変換部と、
前記変換部よりの電圧を整流平滑する整流平滑部と、
前記整流平滑部と前記直流出力端子との間に設けられ前記直流出力端子から他の電源装置よりの出力電流の逆流を防止する逆流防止ダイオードと、
自己の出力電流を検出するための電流検出部と、
前記整流平滑部より供給される作動電源により作動可能とされ、かつ、他の電源装置それぞれの出力電流との間でバランスをとるためのバランス用電流と、自己の出力電流に対応する検出電流とを入力し、前記制御と検出の両電流から自己の出力電流を前記バランス用電流にバランスさせるための出力動作を行う電流バランス部と、
前記電流バランス部の出力に応答して前記変換部を制御する制御部と、
前記並列運転状態で、当該電源装置が故障して出力電圧が低下したときには、該出力電圧の低下によって、前記電流バランス部の入力インピーダンスを高くするインピーダンス制御部と、
を有することを特徴とする電源装置。 - 請求項1ないし3いずれかに記載の電源装置において、
前記インピーダンス制御部は、前記出力電圧の低下によって、前記電流バランス部への電源の供給を遮断することにより当該電流バランス部の入力インピーダンスを高く制御する電源遮断素子を含む、ことを特徴とする電源装置。 - 請求項4に記載の電源装置において、
前記電源遮断素子が、ツェナダイオードであることを特徴とする電源装置。 - 請求項1ないし5いずれかに記載の電源装置の複数を備え、
各電源装置それぞれの直流出力端子が、互いに共通に接続されている、ことを特徴とする電源モジュール。
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