JP4957822B2

JP4957822B2 - 電源装置

Info

Publication number: JP4957822B2
Application number: JP2010063840A
Authority: JP
Inventors: 羊一京野
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2030-03-19
Also published as: US20110227640A1; JP2011200016A

Description

本発明は、電源装置に係り、特に、複数の電源装置を並列運転する際に設けられる逆流防止回路の回路技術に関する。

高い信頼性の要求される負荷装置では、電源装置に異常が生じたときにも負荷装置が正常に動作を続けるために、電源装置を複数台冗長運転させることが多い。例えば負荷装置が必要とする電力を１台で供給可能な電源装置を２台冗長運転させることにより、一方の電源装置が停止した場合でももう一方の電源装置により電力の供給が続くため、負荷装置は正常に動作を続けることが可能となる。

しかし複数の電源装置の各出力端を単純に並列接続した場合、一方の電源装置に異常が生じ短絡状態などに陥った場合、正常な電源装置から異常な電源装置へ電流が流れ込むことになり、過電流保護などにより出力電圧が低下して負荷装置が停止してしまうことになる。図１はこのような問題を解決するための電源装置１、２の並列接続例である。電源装置１、２を並列接続して負荷装置３に電力を供給しているときに一方の電源装置に異常が生じて電圧が低下するなどした際、他方の正常な電源装置から異常を生じた電源装置に電流が逆流することを防ぐために、逆流防止用のダイオードＤ１、Ｄ２で構成された逆流防止回路が設けられている。このような方式はオアリングと呼ばれている。

図２は電源装置１、２を並列接続する際の別の接続例である。図１のようにダイオードＤ１、Ｄ２を大電力ラインに挿入する場合、ダイオードＤ１、Ｄ２の電圧降下により大きな損失が発生することになる。そのため図２の逆流防止回路ではダイオードＤ１、Ｄ２を、電圧降下の小さなＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２に変えることにより導通損失を小さく抑えている。図２の方式では、ＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２のドレイン・ソース間の電圧を監視することにより、ソースよりドレイン側の電位が低い場合はＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２にゲート電圧を印加してＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２をオン状態としてＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２での電圧降下を小さく抑え、ソースよりドレインの電位が高い場合はＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２をオフ状態として電源装置１、２への電流の逆流を防止するように逆流防止用ＭＯＳＦＥＴのコントローラ４、５により制御されている。

図３は電源装置１、２を並列接続する際の別の接続例である。負荷装置に接続した状態で電源装置１、２を起動する場合、負荷装置３に大容量のコンデンサなどがあると、ＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２がオンした直後に大きな突入電流が流れることになる。また負荷装置３が短絡状態に陥った場合などには、ＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２に過大な電流が流れ続けることによりＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２が破損してしまうことになる。それを防ぐために図３では、図２の逆流防止用のＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２とは逆方向に接続された電流制限用のＭＯＳＦＥＴＱ３、Ｑ４が追加された構成となっている。図３の方式ではＭＯＳＦＥＴＱ３、Ｑ４の電流、電圧を監視することにより、ＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ４が安全動作領域で動作するように電力制限用ＭＯＳＦＥＴのコントローラ６、７によりゲート電圧をリニアに調整して、ＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ４に流れる電流を制限している。
なお、電源装置の並列運転における逆流防止回路の従来技術を開示したものに、特開昭５８−７９４７４号公報（特許文献１）、特開昭６３−１０７４６０号公報（特許文献２）、特開２００３−７９０６９号公報（特許文献３）などがある。

特開昭５８−７９４７４号公報特開昭６３−１０７４６０号公報特開２００３−７９０６９号公報

前述したように、逆流防止回路であるオアリング回路のダイオードＤ１、Ｄ２をＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２に変えることにより、逆流防止回路の損失を低減することは可能であるが、電源起動時や負荷装置３側の異常時に逆流防止回路のＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２の破損を防止するためには、図３のように逆方向に接続されたＭＯＳＦＥＴＱ３、Ｑ４を各電源装置にそれぞれ追加する必要があり、電力損失や実装面積が２倍になるという欠点があった。
また逆流防止回路のＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ４を駆動するためには、図示は省略しているがチャージポンプなどの昇圧回路により出力電圧以上の駆動用電圧を作る必要があり、回路が複雑になる。ＰチャネルＭＯＳＦＥＴを使用すればゲート駆動用電圧の問題は解決されるが、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴは構造上NチャネルＭＯＳＦＥＴよりもオン抵抗が大きくなってしまうため、逆流防止回路での電力損失が大きくなってしまうという問題がある。
本発明の目的は、上記問題を解決し、電力損失や実装面積が少ない逆流防止回路を構成し、その逆流防止回路、この逆流防止回路を搭載した電源装置、及びその電源装置により構成される電力供給システムを提供することにある。

本発明の逆流防止回路は、負荷装置に直流電圧を供給する複数の電源装置において、前記複数の電源装置は並列に出力端子が接続され、前記複数の電源装置の各出力端子と前記負荷装置の受電端子との間には、各々前記電源装置の出力電流の逆流を遮断するスイッチ素子が備えられ、前記スイッチ素子はヘテロ接合ＦＥＴからなることを特徴とする。
また、本発明の逆流防止回路は、前記ヘテロ接合ＦＥＴがゲート閾値電圧がソース電位に対して負電位であることを特徴とする。
また、本発明の逆流防止回路は、前記ヘテロ接合ＦＥＴの両端電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記ヘテロ接合ＦＥＴの一方の端子が接続される負荷装置の受電端子電圧が、前記ヘテロ接合ＦＥＴの他方の端子が接続される前記電源装置の出力端子電圧より高いことを前記電圧検出手段が検出したとき、前記ヘテロ接合ＦＥＴをオフすることを特徴とする。
また、本発明の逆流防止回路は、前記ヘテロ接合ＦＥＴで消費される電力損失を検出する電力損失検出手段を備え、前記電力損失検出手段で検出された前記電力損失が所定値を超えないように、前記電力損失を制限することを特徴とする。
また、本発明の電源装置は、上記いずれかに記載の逆流防止回路を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、逆流防止回路にヘテロ接合ＦＥＴ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor、高電子移動度トランジスタ、以下ＨＥＭＴという）を用いることにより、電力損失や実装面積が少ない逆流防止回路を構成することができ、その逆流防止回路、この逆流防止回路を搭載した電源装置、及びその電源装置により構成される電力供給システムを提供することができる。
また、ＨＥＭＴにノーマリオン型のＧａＮＦＥＴを用いることにより、更に、制御回路も簡素化することが可能となる。

従来の、ダイオードで逆流防止回路を構成した電力供給システム例を示した図である。従来の、ＭＯＳ・ＦＥＴで逆流防止回路を構成した電力供給システム例を示した図である。従来の、オアリング用のＭＯＳＦＥＴに更に逆方向のＭＯＳＦＥＴを追加して逆流防止回路を構成した電力供給システム例を示した図である。本発明による、ノーマリオン型ＧａＮＦＥＴで逆流防止回路を構成した電力供給システム例を示した図である。本発明による、ノーマリオン型ＧａＮＦＥＴで逆流防止回路を構成した電力供給システムにおける、逆流防止回路の電力制限コントローラの構成例を示した図である。本発明による、ノーマリオフ型ＧａＮＦＥＴで逆流防止回路を構成した電力供給システムにおける、逆流防止回路の電力制限コントローラの構成例を示した図である。

次に、本発明の実施形態を、図面を参照して具体的に説明する。

（第１の実施形態）
図４は、逆流防止回路にＨＥＭＴであるノーマリオン型ＧａＮＦＥＴを用いた電力供給システムの構成図である。

図４の逆流防止回路は、図３における逆流防止用のＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２及び電流制限用ＭＯＳＦＥＴＱ３、Ｑ４をノーマリオン型ＧａＮＦＥＴＱ５、Ｑ６に置き換えた構成となっている。ＭＯＳＦＥＴは構造上、ソース−ドレイン間の寄生のダイオードが存在するため、ゲート電圧が印加されていない状態でもソースからドレインの方向に電流が流れてしまう。そのため図３のように逆方向に接続された２つのＭＯＳＦＥＴが必要であった。それに対してＧａＮＦＥＴは寄生のダイオードが存在しないため１つの素子で両方向の電流を制限することが可能となる。

また、ＧａＮＦＥＴはプロセス構造を調整することによりゲート閾値電圧を変えることができ、ゲート閾値電圧がマイナス電位のノーマリオンとゲート閾値電圧が正電位のノーマリオフを作り分けることができる（例えば、再公表特許WO2003/071607参照）。図５は図４の本発明の実施例においてＧａＮＦＥＴＱ５のゲート信号を制御する逆流防止回路の電力制限コントローラ８の回路例である。並列運転される他の電源装置２に対する逆流防止回路の電力制限コントローラ９については、逆流防止回路の電力制限コントローラ８に同じであるため説明は省略する。

図５の逆流防止回路の電力制限コントローラ８は、電源装置１の負極端子ＴＭ２に対する電源装置１の正極端子ＴＭ１と電流検出抵抗Ｒ１の接続点の電圧（電源装置１の電源電圧に相当）を分圧する抵抗Ｒ１０、Ｒ１１と、電源装置１の負極端子ＴＭ２に対する電流検出抵抗Ｒ１とＧａＮＦＥＴＱ５の接続点の電圧を分圧する抵抗Ｒ１２、Ｒ１３と、電源装置１の負極端子ＴＭ２に対するＧａＮＦＥＴＱ５と負荷装置３の正極端子ＴＭ３の接続点の電圧（負荷装置３の電源電圧に相当）を分圧する抵抗Ｒ１４、Ｒ１５とが設けられている。またこれらの抵抗による分圧比は全て等しくなるように抵抗値が設定されているものとする。

抵抗Ｒ１２とＲ１３の接続点はコンパレータＣｏｍｐの非反転入力端子に接続され、抵抗Ｒ１４とＲ１５の接続点はコンパレータＣｏｍｐの反転入力端子に接続されている。コンバレータＣｏｍｐの反転入力端子と非反転入力端子の電位差はＧａＮＦＥＴＱ５の電圧降下に比例しており、電源装置１側から負荷装置３側へ電流が流れているときは反転入力端子の電圧に対して、非反転入力端子の電圧が高いためコンパレークＣｏｍｐの出力はハイレベルとなる。コンパレータＣｏｍｐの出力がオープンコレクタであるとすると、抵抗Ｒ１６の両端の電圧が０Ｖとなり、ＧａＮＦＥＴＱ５のゲート信号は０Ｖになる。ＧａＮＦＥＴＱ５はノーマリオン型であるのでＧａＮＦＥＴＱ５はオン状態となる。逆に負荷装置３側から電源装置１側へ電流が逆流するとコンパレータＣｏｍｐの反転入力端子側の電圧が高くなるので、コンパレータＣｏｍｐの出力はローレベルとなり、ＧａＮＦＥＴＱ５のゲート信号がマイナスの電圧となる。したがって、ＧａＮＦＥＴＱ５はオフとなり電流の逆流が防止される。

抵抗Ｒ１０とＲ１１の接続点、及び抵抗Ｒ１２とＲ１３の接続点は減算回路１０に入力されていている。また、抵抗Ｒ１２とＲ１３の接続点、及び抵抗Ｒ１４とＲ１５の接続点は減算回路１１に入力されていている。これにより、減算回路１０と減算回路１１からは抵抗Ｒ１とＧａＮＦＥＴＱ５の電圧降下に比例した電圧が出力される。つまりＧａＮＦＥＴＱ５に流れる電流と両端に発生する電圧を検出する働きをしている。減算回路１０と減算回路１１の出力は乗算回路１２に入力されていて、これらの電圧を掛け合わせた電圧、つまりはＧａＮＦＥＴＱ５の電力損失に比例した電圧が出力され、オペアンプＯＰの反転入力端子に入力されている。オペアンプＯＰの非反転入力端子には基準電圧Ｖｒｅｆ１が入力されており、乗算回路の出力が基準電圧Ｖｒｅｆ１に達するとＧａＮＦＥＴＱ５のゲート電圧をマイナス側に引き抜く。つまりはＧａＮＦＥＴＱ５が安全動作領域内での動作となるように電流を制御し、電力損失を制限している。

上記の本第１の実施の形態では、ノーマリオン型ＧａＮＦＥＴＱ５、Ｑ６を用いている。電源装置を複数台冗長運転させる電力供給システムでは、通常運転時には、並列運転された複数の電源装置を、各電源装置の出力電流が同じになるように平衡運転して供給電力を平均化し、各電源装置の負担を減らし電力供給システムの信頼性を高めるように運転することが多い。したがって、このような運転をする電力供給システムにとって、通常運転時にオンするノーマリオフ型ＧａＮＦＥＴＱ５、Ｑ６を用いる電源装置は、ゲート信号を供給しない状態でＧａＮＦＥＴＱ５、Ｑ６がオンするので好都合である。また、後述の第２の実施形態におけるノーマリオフ型ＧａＮＦＥＴを用いた場合には、閾値をシフトさせる電源が必要であるが、ノーマリオン型ＧａＮＦＥＴでは、この電源を必要としない。したがって、ノーマリオフ型ＧａＮＦＥＴを使用した場合に比べ構成が簡単で安価になる効果がある。

（第２の実施形態）
図６は、図４の電力供給システムにおいて、逆流防止回路にＨＥＭＴであるノーマリオフ型ＧａＮＦＥＴＱ７を用いた場合の、ＧａＮＦＥＴＱ７のゲート信号を制御する逆流防止回路の電力制限コントローラ９の回路例である。並列運転される他の電源装置における逆流防止回路の電力制限コントローラについては、逆流防止回路の電力制限コントローラ９に同じであるため説明は省略する。

図６に示した逆流防止回路の電力制限コントローラ９は、図５に示した第１の実施形態における逆流防止回路の電力制限コントローラ８に対し、ノーマリオン型ＧａＮＦＥＴＱ５をノーマリオフ型ＧａＮＦＥＴＱ７に代え、また、基準電源Ｖｒｅｆ２が追加して設け、この基準電源Ｖｒｅｆ２の電圧が抵抗Ｒ１６に加えるようにした点が異なっている。その他は、逆流防止回路の電力制限コントローラ８に同じである。

基準電源Ｖｒｅｆ２、抵抗Ｒ１６、ノーマリオフ型ＧａＮＦＥＴＱ７の接続関係を説明すると、基準電源Ｖｒｅｆ２の負極端子は抵抗Ｒ１とノーマリオフ型ＧａＮＦＥＴＱ７の接続点に接続され、基準電源Ｖｒｅｆ２の正極端子は抵抗Ｒ１６の一方の端子に接続され、抵抗Ｒ１６の他方の端子はノーマリオフ型ＧａＮＦＥＴＱ７のゲート端子に接続されている。なお、抵抗Ｒ１の両端に生じる電圧は基準電源Ｖｒｅｆ２の電圧に対し無視できる程度に小さいので、基準電源Ｖｒｅｆ２の負極端子を電源装置１の正極側端子ＴＭ１と抵抗Ｒ１の接続点に接続してもよい。基準電源Ｖｒｅｆ２はチャージポンプなどの回路で構成することができる。

ノーマリオフ型ＧａＮＦＥＴＱ７は、ゲート信号が０Ｖのとき電流が流れないオフ状態であり、ノーマリオン型ＧａＮＦＥＴＱ５に対し閾値電圧がプラス側にシフトしたものとなっている。このような閾値を有するノーマリオフ型ＧａＮＦＥＴＱ７に基準電源Ｖｒｅｆ２を抵抗Ｒ１６を介して接続することにより、ノーマリオフ型ＧａＮＦＥＴＱ７のゲート電圧を、コンパレータＣｏｍｐがハイレベルのときに所望の電流を流すことのできる閾値を超えたゲート電圧としている。すなわち、基準電源Ｖｒｅｆ２は、ノーマリオフ型ＧａＮＦＥＴが等価的にノーマリオン型ＧａＮＦＥＴとなるようにゲート信号をバイアスするバイアス電源になっている。
本実施形態によれば、逆流防止回路にノーマリオフ型ＧａＮＦＥＴを用いることにより、電力損失や実装面積が少ない逆流防止回路を構成することができる。

（変形例）
図５、図６に示したコンパレータＣｏｍｐを削除し、オペアンプＯＰのみでＧａＮＦＥＴにゲート信号を供給するようにし、且つ乗算回路１２の出力の絶対値をオペアンプＯＰの反転入力端子に出力するようにすれば、逆流防止回路ではなくＧａＮＦＥＴを安全動作領域で動作させる電流制限回路となる。この場合、電源装置は回生電流にも対応することができる。

以上説明したように、逆流防止回路にヘテロ接合ＦＥＴ（ＨＥＭＴ）を用いることにより、従来、電源装置１台当たり２個のＭＯＳＦＥＴが必要であった逆流防止回路が、１個のＨＥＭＴで構成でき、電力損失および実装面積を大幅に削減することが可能となる。
また、ＦＥＭＴにノーマリオン型のＧａＮＦＥＴを用いることにより、更に、オン抵抗を犠牲にすることなく制御回路を簡素化することが可能となる。

以上、具体的な実施例により本発明を説明したが、これは例示であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更して実施できることは言うまでもない。例えば、上記実施形態では、逆流防止回路を電源装置１、２と分離して記載しているが、逆流防止回路は電源装置１、２に内蔵させてよい。また、上記実施形態では、逆流防止回路にＧａＮＦＥＴを用いた例で説明したが、ＨＥＭＴであれば、寄生ダイオードが形成されないので、ＧａＮ以外の材料を使用した上記ＨＥＭＴ構造のＦＥＴであっても同様に実施することができる。また、上記実施形態では、逆流防止回路を電源装置の正極側ラインに設けたが、負極側ラインに設けて実施することもできる。

本発明は、電源装置の並列運転に広く利用できる。

１、２・・・電源装置
３・・・負荷装置
４、５・・・逆流防止用ＭＯＳＦＥＴのコントローラ
６、７・・・電力制限用ＭＯＳＦＥＴのコントローラ
８、９・・・逆流防止回路の電力制限コントローラ
１０、１１・・・減算回路
１２・・・乗算回路
Ｄ１、Ｄ２・・・ダイオード
Ｑ１〜Ｑ４・・・ＭＯＳＦＥＴ
Ｑ５、Ｑ６・・・ノーマリオン型ＧａＮＦＥＴ（ＨＥＭＴ）
Ｑ７・・・ノーマリオフ型ＧａＮＦＥＴ（ＨＥＭＴ）
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ１０〜Ｒ１６・・・抵抗
Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２・・・基準電圧
Ｃｏｍｐ・・・コンパレータ
ＯＰ・・・オペアンプ

Claims

負荷装置に直流電圧を供給する複数の電源装置において、
前記複数の電源装置は並列に出力端子が接続され、
前記複数の電源装置の各出力端子と前記負荷装置の受電端子との間には、各々前記電源装置の出力電流の逆流を遮断するスイッチ素子が備えられ、
前記スイッチ素子はヘテロ接合ＦＥＴからなることを特徴とする逆流防止回路。
前記ヘテロ接合ＦＥＴはゲート閾値電圧がソース電位に対して負電位であることを特徴とする請求項１に記載の逆流防止回路。
前記ヘテロ接合ＦＥＴの両端電圧を検出する電圧検出手段を備え、
前記ヘテロ接合ＦＥＴの一方の端子が接続される負荷装置の受電端子電圧が、前記ヘテロ接合ＦＥＴの他方の端子が接続される前記電源装置の出力端子電圧より高いことを前記電圧検出手段が検出したとき、前記ヘテロ接合ＦＥＴをオフすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の逆流防止回路。
前記ヘテロ接合ＦＥＴで消費される電力損失を検出する電力損失検出手段を備え、
前記電力損失検出手段で検出された前記電力損失が所定値を超えないように、前記電力損失を制限することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の逆流防止回路。
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の逆流防止回路を備えたことを特徴とする電源装置。