JP5839487B2 - 電力ロスのない逆流防止装置つき直流電源合成装置 - Google Patents

Description

本発明は、逆流防止装置つき直流電源合成装置にかかり、特に電力ロスのない逆流防止装置つき直流電源合成装置に関するものである。

従来、複数の直流電源を合成する装置について、いわゆる逆流防止回路（電流が反対方向に流れるのを防ぐ回路、たとえば逆流防止ダイオード）、または直流電源側から優先的に直流負荷器に電力供給を行うため用いられる直流変換器（たとえばＰＷＭチョッパー回路）、あるいはその両方を持つ装置が一般的に知られている。

ここで、複数の電源を合成する場合、電源の特性（開放時の電圧）が異なると、複数の電源相互間において電流が流れる不具合が発生してしまう。

たとえば、図４に示す様に、直流変換器３０、直流変換器３１側に逆流防止回路が入っていない場合、直流変換器３０、３１の出力電圧Ｖ１およびＶ２について、V1>V2であり、なおかつ負荷抵抗が大きい場合（たとえば負荷を接続していない場合など）は、矢印３２で示されるように直流変換器３１側に電流が流れてしまう不具合が生じる（図４参照）。

これを防止するために、図５が示すように、逆流防止回路３３、３３（たとえば逆流防止ダイオード）を設けることで、逆流を防いでいる。

しかし、前述した逆流防止回路３３を設けることにより、該逆流防止回路３３を電流が通過する際に電力ロスが発生する。逆流防止回路３３に逆流防止ダイオードを用いた場合、例えば、一般的なダイオードには順方向電圧約０．７Ｖがあるため、１Ａの電流が流れたとすると、０．７Ｗの電力を失ってしまうとの課題があった。

特開２０１１−１８１０５５号公報

本発明は、前記従来の課題を解決するために創案されたものであり、直流変換器３０、直流変換器３１側に逆流防止回路３３、３３を設けることなく、逆流が防止でき、しかも逆流防止回路３３（たとえば逆流防止ダイオード）を設けることで発生する電力ロスを消失させ、あるいはかかる電力ロスをきわめて小さなものとすることが出来る電力ロスのない逆流防止装置つき直流電源合成装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、
複数の直流電源からの電力を合成し、該合成した電力を直流負荷器に出力する装置であり、
前記複数の直流電源には各々の直流変換器が設けられ、
該直流変換器には、前記直流電源からの出力線のプラス側に接続されたインダクタとマイナス側間に設けられＯＮ、ＯＦＦを行うスイッチ回路と、プラス側の前記インダクタとコンデンサとの間に設けられＯＮ、ＯＦＦを行うスイッチ回路と前記２つのスイッチ回路をＯＮ、ＯＦＦ制御して前記直流電源の出力電圧を制御し、直流負荷器側へ出力する生成電圧を生成する出力電圧制御回路と、直流負荷器側へ出力される電流を計測する電流検出装置と、該電流検出装置が前記直流負荷器側へ出力される電流の逆方向への流れを検知したとき、該検出結果が入力され、あるいは直流負荷器側への出力電圧と前記生成電圧とが比較され、直流負荷器側への出力電圧が生成電圧より高くなったとき、該比較結果が入力されて逆流防止制御を行う逆流防止制御用ＯＮ／ＯＦＦ回路と、を備え、
該逆流防止制御用ＯＮ／ＯＦＦ回路は、前記直流電源の出力電圧制御に用いられる直流電源の出力線プラス側の前記インダクタとコンデンサとの間に設けられたＯＮ、ＯＦＦを行うスイッチ回路を使用し、該スイッチ回路をＯＮ、ＯＦＦ制御して前記の逆流防止制御を行う、
ことを特徴とし、
または、
前記複数の直流電源からの電力の合成をするにあたり、いずれの直流電源からの電力供給を優先させるかは、前記各々の直流変換器で生成する生成電圧を異ならせて生成し、該異なった生成電圧によって、いずれの直流電源からの電力供給を優先させるかの優先順位を設定する、
ことを特徴とするものである。

本発明によれば、直流変換器３０、直流変換器３１側に逆流防止回路３３、３３を設けることなく、逆流が防止でき、しかも逆流防止回路３３（たとえば逆流防止ダイオード）を設置することで発生する電力ロスを消失させ、あるいはかかる電力ロスをきわめて小さなものとすることが出来る逆流防止装置つき直流電源合成装置を提供出来る。

すなわち、従来の逆流防止回路（たとえば逆流防止ダイオード）を用いずに、複数の直流合成を可能とする直流変換器の制御装置によって逆流防止が行える。

そして、逆流防止回路を用いないことにより、逆流防止回路によって発生する電力のロスをもなくすことができる。

本発明の概略構成図である。 本発明の全体概略構成図である。 本発明の動作を示すフローチャートである。 従来例の概略構成図（１）である。 従来例の概略構成図（２）である。 本発明の他の実施例を示す概略構成図である。

以下、本発明を図に示す実施例に基づき説明する。

図１は本発明の実施例を示す概略図である。図１において、符号１は本発明による直流変換器を示す。

該直流変換器１には、出力電圧を制御する出力電圧制御回路２が設けられている。該出力電圧制御回路２は例えばスイッチ回路３のＯＮ／ＯＦＦを行うことで第１直流電源４あるいは第２直流電源５の出力側電圧を制御している。図１では、後述する逆流防止制御用ＯＮ／ＯＦＦ回路６によりスイッチ回路３のＯＮ／ＯＦＦ制御を行い、第１直流電源４あるいは第２直流電源５の出力側電圧を制御している。

従って、スイッチ回路３のＯＮ／ＯＦＦ制御を行い、第１直流電源４あるいは第２直流電源５の出力側電圧を制御していた回路に逆流防止制御用ＯＮ／ＯＦＦを兼用させたと言うことが出来る。

該逆流防止制御用ＯＮ／ＯＦＦ回路６では、前記出力電圧制御回路２で生成された生成電圧と出力電圧との値を電圧比較回路８で比較し、これを基にスイッチ回路３のＯＮ／ＯＦＦを行い、逆流、すなわち図１で示す矢印７の方向が逆向きにならないよう制御するものである。なお、当該電流の向きを監視するのは、一般に電流計など電流検出装置９の値を監視することによって行われる。

本発明では、電源間で電流が流れる（いわゆる逆流する）のを防ぐための方法として、直流変換器１の出力電圧を制御する制御方法に着目し、これを逆流防止用制御においても利用するものとした。すなわち、直流変換器１自体が有しているスイッチ回路３及び該スイッチ回路３のＯＮ／ＯＦＦする回路６を使用し、これを逆流しないように制御することで、逆流防止回路の機能を実現するものである。

ここで、スイッチ回路３は、半導体スイッチ（トランジスタ、もしくはＦＥＴ、ＩＧＢＴなど）であり、たとえばＰＷＭ制御により、パルス幅によって出力電圧や出力電流を制御する。
出力電圧制御回路２は、スイッチ回路３のＯＮ／ＯＦＦを制御するための信号を作る回路であり、パルス幅またはパルス間隔によって出力に流れる電力を制御する。

ここで、符号９は電流検出装置（たとえば、シャント抵抗、カレントトランスなど）であり、該電流検出装置９で検出される電流が逆方向（図１中の矢印７と逆の方向）になった場合、または、電圧計１０で検出された電圧が電圧比較回路８で比較され、出力電圧ＶＯ＞生成電圧Ｖｓとなった場合に、強制的にスイッチ回路３をＯＦＦとする。生成電圧(Vｓ)が、出力電圧(VO)より高い場合は、スイッチ回路３のＯＮ／ＯＦＦ制御を通常の制御方法に戻すのである。

このようにすることで、逆方向に電流が流れることを防ぐことができる。以下に処理の例を図３のフローチャートに示す。

次に、本発明の動作を詳しく説明する。
（逆電流の遮断）
なんらかの電圧変動などにより、図１の矢印７とは逆向きに電流が流れたとする。
このとき、直流変換器１において、電流検出装置９により、逆向きの電流が検出される。逆向きの電流を検出されたことにより、スイッチ回路３が切断され、電流は０となる。よってこの状態を保持することで逆流するのを防止することが出来る、

なお、スイッチ回路３をＯＮにしたときに、図１の矢印７とは逆向きに電流が流れるのは、直流変換器１内において、生成電圧ＶＳ＜出力電圧ＶＯとなる状態であり、この条件が成立している間はスイッチ回路３がＯＦＦの状態に維持される。すなわち、当該直流変換器１は切断された状態であり、逆方向の電流が流れるのを防止することができる。
（逆電流からの復帰）

図１に示す直流変換器１において、生成電圧ＶＳ＜出力電圧ＶＯの条件が成立しなくなったとき、このことは、スイッチ回路３をＯＮにしても、図１の矢印７とは逆向きに電流が流れないことを示しており、この場合には、通常の直流変換器１の制御を行うことができる。

ここで、通常の直流変換器１の制御、すなわち出力電圧の制御は、どのような構成を採用しても構わないが、たとえば、ＶＯを一定に保つように、スイッチ回路３−１、３−２のスイッチング周期をいわゆるＰＷＭによって制御し、定電圧とするなどが考えられる（なお、スイッチ回路３−２については、スイッチ回路３-１の切断時も通常の直流変換器１の制御を行ってもかまわない）。

このように構成すれば、逆電流状態を検出出来るのみならず、逆電流が流れる条件が成立した場合はスイッチ回路３が遮断され、逆電流は阻止される。そして、逆電流が流れない条件の場合のみ、直流変換器１において通常の出力電圧の制御が行われるのである。以上、直流変換器１につき縷々説明したが、かかる説明は他の直流変換器１についても同様である。

（電源選択）
この原理を応用して、複数ある直流電源４、５などのうちいずれの電源を使用するか否か選択することが可能となる。

たとえば、直流負荷器１１の電圧範囲を１００Ｖ〜１５０Ｖとし、第１直流電源４における直流変換器１の目標電圧（生成電圧ＶＳ１とする）を１４０Ｖ、第２直流電源５における直流変換器１の目標電圧（生成電圧ＶＳ２とする）を１２０Ｖ、と設定すると、いずれの直流変換器１も、負荷電圧が生成電圧よりも小さい場合はスイッチ回路３がＯＮになるため、負荷の電圧は１２０Ｖ以上となる。

ここで、第１直流電源４で充分に負荷の電力をまかなうことができたとすると、第１直流電源４から電力が供給され、負荷電圧は１４０Ｖとなる。このとき、負荷電圧１４０Ｖ＞ＶＳ２（１２０Ｖ）なので、第２直流電源５の直流変換器１のスイッチ回路はＯＦＦとなり、第１直流電源４からのみ電力が供給されることになる。

第１直流電源４のみで負荷への電力をまかないきれない場合は、負荷電圧が低下する。ここで、負荷電圧が１２０Ｖよりも下がった場合、負荷電圧＜ＶＳ２（１２０Ｖ）となるので、第２直流電源５の直流変換器１のスイッチ回路３がＯＮになり、第１直流電源４および第２直流電源５双方から負荷へ電力が供給されることになる。

なお、第１直流電源４および第２直流電源５の電力配分については、電源容量および電圧設定によって決定される。第１直流電源４については、０Ｖ〜１４０Ｖの間で出力されるが、第２直流電源５については０〜１２０Ｖの設定になっているため、１２０Ｖ付近で平衡することとなり、第１直流電源４の不足分が第２直流電源５によって補われることになる。

一方、電圧設定について、第２直流電源５の直流変換器１を高い電圧（たとえば１４０Ｖ）、第１直流電源４の直流変換器１を低い電圧（たとえば１２０Ｖ）に設定すると、同様にして今度は第２直流電源５から電力が供給され、第２直流電源５のみからでは負荷電力をまかないきれない場合は第１直流電源４および第２直流電源５両方から電力が供給される。

直流電源が３台以上あった場合についても同様の処理を行うことができ、複数の電源を電圧設定により選択することが可能である。

例えば、図６のように３台の直流電源を接続した場合、直流変換器３０の電圧を１２０Ｖ、直流変換器３１の電圧を１１０Ｖ、直流変換器３４の電圧を１００Ｖに設定すると、負荷がほとんどない、または電源１と直流変換器３０による電力でまかなえる場合には、出力電圧は１２０Ｖとなり、直流変換器３１および直流変換器３４からは電流は流れない。

負荷に流れる電流が大きく、直流変換器３０から供給される電力でまかなえなくなると出力電圧が降下し、１１０Ｖになった時点で、直流変換器３１からも電力が供給されるようになる。電源１および電源２の電力で、負荷への電力をまかなえる場合、出力電圧は１１０Ｖとなる。負荷がさらに大きく、電源１および電源２でまかないきれない場合は、出力電圧が低下し、１００Ｖになった時点で電源３からの電力が供給されるようになる。このようにして、３台の電源についても、電圧を設定することにより電力供給の優先順位を決めることができる。

優先順位の選定については、例えばコストの安い電源に高い電圧を設定し、その次にコストの安い電源にはそれより少し低い電圧を、コストの高い電源には低い電圧、というように、電圧の高さを設定することで、任意の数の電源に対しコスト優先による電源選択供給をすることができる。

同様に、環境に与える負荷の少ない順に電圧を設定することで環境優先の電源設定が可能であり、あるいは供給可能な電力量をもとに優先順位を設定することも可能である。

そして、これらの設定は４台以上の電源についても同様である。
なお、この例では、昇圧回路としての構成で説明したが、降圧回路の構成で、目標電圧の設定を上記と同様に行うことで、同様の電源選択を行うことが可能である。

１ 直流変換器
２ 出力電圧制御回路
３ スイッチ回路
４ 第１直流電源
５ 第２直流電源
６ 逆流防止制御用ＯＮ／ＯＦＦ回路
７ 矢印
８ 電圧比較回路
９ 電流検出装置
１０ 電圧計
１１ 直流負荷器
３０ 直流変換器
３１ 直流変換器
３２ 矢印
３３ 逆流防止回路
３４ 直流変換器

Claims (2)

1. 複数の直流電源からの電力を合成し、該合成した電力を直流負荷器に出力する装置であり、
   前記複数の直流電源には各々の直流変換器が設けられ、
   該直流変換器には、前記直流電源からの出力線のプラス側に接続されたインダクタとマイナス側間に設けられＯＮ、ＯＦＦを行うスイッチ回路と、プラス側の前記インダクタとコンデンサとの間に設けられＯＮ、ＯＦＦを行うスイッチ回路と前記２つのスイッチ回路をＯＮ、ＯＦＦ制御して前記直流電源の出力電圧を制御し、直流負荷器側へ出力する生成電圧を生成する出力電圧制御回路と、直流負荷器側へ出力される電流を計測する電流検出装置と、該電流検出装置が前記直流負荷器側へ出力される電流の逆方向への流れを検知したとき、該検出結果が入力され、あるいは直流負荷器側への出力電圧と前記生成電圧とが比較され、直流負荷器側への出力電圧が生成電圧より高くなったとき、該比較結果が入力されて逆流防止制御を行う逆流防止制御用ＯＮ／ＯＦＦ回路と、を備え、
   該逆流防止制御用ＯＮ／ＯＦＦ回路は、前記直流電源の出力電圧制御に用いられる直流電源の出力線プラス側の前記インダクタとコンデンサとの間に設けられたＯＮ、ＯＦＦを行うスイッチ回路を使用し、該スイッチ回路をＯＮ、ＯＦＦ制御して前記の逆流防止制御を行う、
   ことを特徴とする電力ロスのない逆流防止装置付き直流電源合成装置。
   
2. 前記複数の直流電源からの電力の合成をするにあたり、いずれの直流電源からの電力供給を優先させるかは、前記各々の直流変換器で生成する生成電圧を異ならせて生成し、該異なった生成電圧によって、いずれの直流電源からの電力供給を優先させるかの優先順位を設定する、
   ことを特徴とする請求項１記載の電力ロスのない逆流防止装置付き直流電源合成装置。
   

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