JPH0993929A - 並列冗長電源システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 平衡状態で動作する複数の単位電源からの出
力電圧の精度向上、要求精度内への安定な設定を可能に
する。 【構成】 外部交流電源１および目的の負荷５に並列に
接続された冗長構成の複数のＡＣ−ＤＣスイッチング電
源２−１〜２−ｎの各々は、負荷５に逆電流防止用ダイ
オード４を介して直流電力を与える主回路装置３、自電
源出力電流検出部Ｅ、信号線１０を介して他電源の出力
電流値と比較する比較部Ｆ、最大電流追従制御部Ｇ、出
力電圧安定化制御部Ｈ、基準電圧生成部１１、基準電圧
補正部１２を備え、基準電圧補正部１２は、自電源の出
力電流の変化に伴う基準電圧生成部１１の基準電圧の変
動を最小化するとともに、主回路装置３の出力電流の変
動に伴う逆電流防止用ダイオード４の電圧降下に起因す
る出力電圧の変動を打ち消す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電源技術に関し、特に、
冗長構成の複数の直流電源によって構築される並列冗長
電源システムに適用して有効な技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえば、電子計算機システムの外部記
憶装置等のように無停止運転が不可欠な装置等において
は、装置内の論理回路へ直流電圧を供給する電源部分も
冗長化する必要がある。また、一般の機器の電源の設計
に際しては、目的の装置の容量に合わせた専用の電源を
その都度設計したのでは、設計作業が煩雑になるととも
に、コストも高くなり、容量変化等、機器の仕様変更等
に迅速に対応できない。このため、比較的小容量のＡＣ
−ＤＣスイッチング電源やＤＣ−ＤＣコンバータ電源等
の単位電源を量産して低コスト化を図るとともに、目的
の機器に容量や必要とされる冗長度に合わせて、単位電
源を必要な個数だけ組み合わせて電源を構築する並列冗
長電源システムが実用化されている。

【０００３】図３は従来の装置の並列冗長電源システム
の一例を示す構成ブロック図である。１は外部交流電源
であり、２−１〜２−ｎは並列運転機能付ＡＣ−ＤＣス
イッチング電源、５は負荷である。また、２−１〜２−
ｎの電源内部は４、６はダイオード、８は高周波トラン
ス、７はスイッチ素子、９はホトカプラである。まず、
並列運転機能付スイッチング電源２−１の単体での動作
を説明する。

【０００４】外部交流電源１が入力された並列運転機能
付スイッチング電源２−１は整流平滑部で整流された電
圧をスイッチ素子７でスイッチングし、このスイッチン
グ動作により生じるパスル電流によって高周波トランス
８を励磁することで電力を２次側整流平滑部に伝達し、
逆電流防止用ダイオード４を経由して負荷５に所定の出
力電圧を供給する。また所定の出力電圧を得るために逆
電流防止用ダイオード４のアノード側の電圧を出力電圧
安定化制御部に取り込み、前述のパルス電流のパルス幅
を決定する信号を生成する。この信号をホトカプラ９を
経由してスイッチ素子７のドライブ回路へ入力すること
で所定の安定な出力電圧を得ることができる。

【０００５】図３の従来方式は前述の並列運転機能付ス
イッチング電源２−１がｎ個並列に接続されている。す
なわち外部交流電源１は各電源に入力され、また並列運
転機能付スイッチング電源２−１〜２−ｎからの出力電
圧は負荷５に各々供給されている。さらに並列運転機能
付スイッチング電源２−１〜２−ｎは信号線１０にて接
続されており、この信号線上の電圧値により並列運転機
能付スイッチング電源２−１〜２−ｎのすべての電源の
出力電流はほぼ同一値状態となる（以下、平衡状態）よ
うに自電源出力電流検出部及び最大電流追従制御部にて
制御を行っている。

【０００６】自電源出力電流検出部は自分の電源の出力
電流値を検出し、比較部へ出力するとともに、ダイオー
ド６を経由して信号線１０上にも出力する。したがって
信号線１０上には並列に接続されているすべての電源の
出力電流の信号が出力されるが、ダイオード６が各々の
電源に挿入されているため、結局すべての電源中一番多
く出力電流を出力している電源の信号のみが存在するこ
ととなる。すなわち最大電流の信号となる。

【０００７】最大電流追従制御部は自電源出力電流検出
部で検出した信号と信号線上の最大電流の信号を比較部
で比較した結果、もし自電源出力電流検出部で検出した
信号が信号線１０上の最大電流信号より小さければ、出
力電圧安定化制御部に対して出力電圧を高くする信号を
送出する。

【０００８】これにより自電源の出力電流は増加する方
向へ移行する。すべての電源がこの動作を行うため、す
べての電源の出力電流は平衡状態となる。すなわちすべ
ての電源の出力電圧は同一値となる。以上の如く、信号
線１０上の最大電流の信号と自電源の出力電流信号とに
よって出力電流の平衡状態をつくり出すため、最大電流
追従方式という。

【０００９】また、図３の如く複数の電源が並列に接続
することによって、偶発的に１台の電源が故障しても逆
電流防止用ダイオード４により他の電源に影響を及ぼす
ことなく、機能させるようにした電源システムを並列冗
長電源システムという。

【００１０】従来方式の並列冗長電源システムは図４の
具体的な回路で構成されるのが一般的である。１３、１
４、１６、１８〜２０、２３〜２８、２９、３０、３６
は抵抗器、１５、１７、２１、３１は演算増幅器、２２
は出力電圧を調整するための可変抵抗器、３５は補助電
源である。自電源出力電流検出部は抵抗器１３、１４、
１６、３６及び演算増幅器１５で構成されており、また
比較部は演算増幅器１７、最大電流追従制御部は抵抗器
１８〜２０、演算増幅器２１、出力電圧安定化制御部は
抵抗器２３〜３０、可変抵抗器２２、演算増幅器３１に
て回路が構成されている。本回路の動作は以下のとおり
である。

【００１１】並列運転機能付スイッチング電源２−１か
ら負荷５に供給される出力電流の値を抵抗器３６で検出
し、これを抵抗器１４を経由して演算増幅器１５の反転
増幅入力端子に入力することで演算増幅器１５は所定の
倍数に増幅された電圧ＶＣが出力され、１つは次段の演
算増幅器１７の非反転増幅入力端子に入力され、もう１
つは演算増幅器２１の反転増幅入力端子に抵抗器１９を
経由して入力される。演算増幅器１７の反転増幅入力端
子には信号線１０上の最大電流検出信号ＶＳが入力され
るため、演算増幅器１７の出力電圧は自電源の出力電流
検出信号と信号線１０上の最大電流検出信号ＶＳの電圧
の高い方が出力される。

【００１２】したがって、演算増幅器２１の非反転増幅
入力端子には本並列冗長電源システムの信号線１０上の
最大電流検出信号ＶＳが入力され、反転増幅入力端子に
は自電源の検出電流信号ＶＣが入力される。演算増幅器
２１の出力電圧ＶＢは前述の信号の大小に応じて所定の
倍数の電圧が生じる。すなわち自電源の出力電流信号Ｖ
Ｃが信号線１０上の最大電流検出信号ＶＳより小さけれ
ば出力電圧ＶＢは下がり、その結果、並列運転機能付ス
イッチング電源２−１の出力電圧は上昇する。

【００１３】いま前述の動作によりＶＣ＝ＶＳとなった
場合は平衡状態となり、この場合、出力電圧ＶＢはほぼ
ＶＣとなる。したがって出力電圧ＶＣは出力電流により
変化するため、出力電圧ＶＢも変化し、平衡状態にあっ
ても出力電流の大小により出力電圧Ｖ０の絶対値は変化
することとなる。

【００１４】最大電流追従制御部の演算増幅器２１の出
力電圧ＶＢが入力される演算増幅器３１の反転増幅入力
端子は電源の出力電圧Ｖ０を決定つける基準電圧端子で
あり、非反転増幅入力端子は電源の出力電圧Ｖ０−ＶＦ
が入力される。したがって、演算増幅器２１の出力電圧
ＶＢが抵抗器２８を経由して演算増幅器３１の反転増幅
入力端子に入力されることで基準電圧を変化させ、演算
増幅器３１の出力電圧も変化する。この変化をホトカプ
ラ９を経由して主回路装置３に入力することでパルス幅
を変化させ最終的に電源の出力電圧Ｖ０を変化させる制
御を行っている。これにより、本並列冗長電源システム
の各電源の出力電流は平衡状態となる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上述の図３および図４
に例示される従来の並列冗長電源システムにおいては、
各々の並列運転機能付スイッチング電源の出力電流の平
衡状態は実現できるが、負荷５に供給する出力電圧の絶
対精度については配慮されておらず、最近の装置の論理
回路が要求する出力電流の過大な変化時（例えば、論理
回路がスタンバイ状態から急激な動作への変化時及び記
憶素子への書き込み時の急峻な書き込み電流等）の高精
度な出力電圧に対応するためには以下の技術的課題があ
る。

【００１６】（１）まず、図４の従来の並列冗長電源シ
ステムの具体的な回路においてシステムが平衡状態にあ
っても電源の出力電圧Ｖ０を決定つける基準電圧、すな
わち演算増幅器３１の反転増幅入力端子の電圧は演算増
幅器２１の出力電圧ＶＢが入力されるため、平衡状態の
各々の出力電流が負荷５の変化（例えば、最少出力電流
から最大出力電流）により出力電圧ＶＢが変化した場
合、電源の出力電圧Ｖ０は微妙に変化し最悪、装置の論
理回路が要求する精度を割り込むおそれがある。

【００１７】（２）さらに、図４の従来方式においては
電源の出力線上に逆電流防止用ダイオード４が挿入され
ているため、各々の並列運転機能付スイッチング電源が
平衡状態であっても、出力電流が負荷５の変化により最
少出力電流から最大出力電流に変化した場合、逆電流防
止用ダイオード４の順方向電圧が変化し、前述の（１）
項に加えてさらに電源の出力電圧が変化し、出力電圧精
度を割り込むことを助長することとなる。

【００１８】本発明の目的は、冗長構成の複数の単位電
源を平衡状態で動作させる際に、負荷に対する出力電流
の変動に影響されることなく出力電圧の精度を高めると
ともに、出力電圧を所定の要求精度内に維持することが
可能な並列冗長電源システムを提供することにある。

【００１９】本発明の他の目的は、冗長構成の複数の単
位電源と負荷との間に介在する逆電流防止用ダイオード
や負荷までの接続線路等での電圧降下に起因する出力電
圧の所定の要求精度範囲からの逸脱を防止することが可
能な並列冗長電源システムを提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明は、各々がＡＣ−
ＤＣスイッチング電源またはＤＣ−ＤＣコンバータ電源
からなる冗長構成の複数の単位電源によって外部の負荷
に直流電力を供給する並列冗長電源システムにおいて、
個々の単位電源に内蔵され、当該単位電源から出力され
る直流電圧値を決定する基準電圧生成部に、当該基準電
圧生成部の基準電圧の補正および調整を行う基準電圧補
正部を備えたものである。

【００２１】また、基準電圧補正部は、自単位電源の出
力電流信号および並列冗長運転をしている他単位電源か
らの出力電流信号の両方によって基準電圧を補正及び調
整できる機能を備えたものである。

【００２２】個々の単位電源は、具体的には、たとえ
ば、負荷に対して逆電流防止用のダイオードを介して所
望の直流電力を供給する主回路装置と、主回路装置の出
力電流を監視するとともに検出結果を他電源にも逆電流
防止用のダイオードおよび共通の信号線を介して出力す
る自電源出力電流検出部と、自電源と他電源の出力電流
値を比較する比較部と、その比較結果によって動作する
最大電流追随制御部および出力電圧安定化制御部と、基
準電圧生成部とを含むことができる。

【００２３】

【作用】自電源出力電流検出部および最大電流追随制御
部は自他の単位電源の出力電流値を監視し比較すること
によって、自他の全ての単位電源の出力電流がほぼ同一
値（平衡状態）になるように動作する。

【００２４】最大電流追従制御部は自電源出力電流検出
部で検出した信号と信号線上の最大電流の信号を比較部
で比較した結果、もし自電源出力電流検出部で検出した
信号が信号線上の最大電流信号より小さければ、出力電
圧安定化制御部に対して出力電圧を高くする信号を送出
する。この時、出力電圧安定化制御部は内部の出力電圧
を決定つける基準電圧を有しており、この基準電圧は前
述の如く、電源システムが平衡状態にあっても自電源の
出力電流の変化（負荷の変化）により微妙に変化する。
そのため、冗長構成で並列して動作する単位電源の負荷
に対する出力電圧は出力電流の大小により変化する。す
なわち出力電圧は出力電流が最大時は最少時より所定の
電圧より小さくなることとなる。

【００２５】本発明の場合、基準電圧補正部は平衡状態
の出力電流が変化しても基準電圧の変化を最小化するよ
う動作するとともに、さらに基準電圧補正部を調整する
ことで、出力電流の変化で逆電流防止用ダイオードの順
方向電圧ＶＦによる電圧降下の変化の影響を打ち消すよ
うに動作する。

【００２６】この結果、並列冗長電源システムの負荷に
対する出力電圧の精度が向上するとともに、出力電圧の
値を要求精度内に維持することが可能となり、結果とし
て給電対象の装置を含めたシステム全体の信頼性を高め
ることができる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら
詳細に説明する。

【００２８】図１は本発明の一実施例である並列冗長電
源システムの一例を示す概念図であり、図２は、その回
路構成の一例を示す回路図である。

【００２９】本実施例の並列冗長電源システムは、外部
交流電源１および目的の負荷５に並列に接続された冗長
構成の複数のＡＣ−ＤＣスイッチング電源２−１〜２−
ｎを含んでいる。ＡＣ−ＤＣスイッチング電源２−１〜
２−ｎの数は、負荷５の定格容量や、要求される冗長度
等によって任意に設定される。すなわち外部交流電源１
は複数のＡＣ−ＤＣスイッチング電源２−１〜２−ｎの
各々に入力され、また、各ＡＣ−ＤＣスイッチング電源
２−１〜２−ｎからの出力電圧は負荷５に並列に供給さ
れる。さらに、複数のＡＣ−ＤＣスイッチング電源２−
１〜２−ｎは相互に信号線１０にて接続されており、こ
の信号線１０上の電圧値により、後述のようにして、複
数のＡＣ−ＤＣスイッチング電源２−１〜２−ｎのすべ
ての出力電流はほぼ同一値状態（平衡状態）となるよう
な制御が行われる。

【００３０】個々のＡＣ−ＤＣスイッチング電源２−１
〜２−ｎにおいて、Ａは整流平滑部、Ｂはドライブ回
路、Ｃは補助電源、７はスイッチ素子、８は高周波トラ
ンス、Ｄは２次側整流平滑部、であり、これらによっ
て、主回路装置３が構成されている。主回路装置３は、
逆電流防止用ダイオード４を介して負荷５に接続されて
いる。

【００３１】また、Ｅは自電源出力電流検出部、６はダ
イオード、Ｆは比較部、Ｇは最大電流追従制御部、Ｈは
出力電圧安定化制御部、９はホトカプラ、１１は基準電
圧生成部、１２は基準電圧補正部である。

【００３２】個々のＡＣ−ＤＣスイッチング電源２−１
〜２−ｎでは、外部交流電源１から入力され、整流平滑
部Ａで整流された電圧をスイッチ素子７でスイッチング
し、このスイッチング動作により生じるパルス電流によ
って高周波トランス８を励磁することで電力を２次側整
流平滑部Ｄに伝達し、逆電流防止用ダイオード４を経由
して負荷５に所定の出力電圧Ｖ０を供給する。また所定
の出力電圧Ｖ０を得るために逆電流防止用ダイオード４
のアノード側の電圧を出力電圧安定化制御部Ｈに取り込
み、前述のパルス電流のパルス幅を決定する信号を生成
する。この信号をホトカプラ９を経由してスイッチ素子
７のドライブ回路Ｂへ入力することで所定の安定な出力
電圧Ｖ０を得ることができる。

【００３３】自電源出力電流検出部Ｅ、比較部Ｆ、最大
電流追従制御部Ｇ、ダイオード６は、信号線１０を介し
て自他の主回路装置３の出力を監視することにより、並
列冗長運転機能を実現する。すなわち、自電源出力電流
検出部Ｅは自電源の出力電流値を検出し、比較部Ｆへ出
力するとともに、ダイオード６を経由して信号線１０上
にも出力する。更に、本実施例の場合、基準電圧補正部
１２にも入力する。

【００３４】最大電流追従制御部Ｇは自電源出力電流検
出部Ｅで検出した信号と信号線１０上の最大電流の信号
を比較部Ｆで比較した結果、もし自電源出力電流検出部
Ｅで検出した信号が信号線１０上の最大電流信号より小
さければ、出力電圧安定化制御部Ｈに対して出力電圧を
高くする信号を送出する。この時、出力電圧安定化制御
部Ｈは内部の出力電圧を決定つける基準電圧を基準電圧
生成部１１から得る。この基準電圧は前述の従来技術の
説明において詳述したように、電源システムが平衡状態
にあっても自電源の出力電流の変化（負荷５の変化）に
より微妙に変化する。そのため並列運転機能付スイッチ
ング電源の出力電圧は出力電流の大小により変化する。
すなわち出力電圧は出力電流が最大時は最少時より所定
の電圧より小さくなることとなる。

【００３５】そこで、本実施例の場合には、基準電圧補
正部１２は平衡状態の出力電流が変化しても基準電圧の
変化を最小化するよう動作するとともに、さらに基準電
圧補正部１２を調整することで、出力電流の変化による
逆電流防止用ダイオード４の順方向電圧ＶＦや負荷５ま
での接続線路での電圧降下等の変化の影響を打ち消すよ
うに動作する。

【００３６】以下、図２を参照して本実施例における並
列冗長運転機能および基準電圧補正部１２等の構成およ
び作用についてさらに詳細に説明する。

【００３７】図２において、１３、１４、１６、１８〜
２０、２３〜２８、２９、３０、３２、３３、３４、３
６は抵抗器、１５、１７、２１、３１は演算増幅器、２
２は出力電圧を調整するための可変抵抗器、３５は補助
電源である。自電源出力電流検出部Ｅは抵抗器１３、抵
抗器１４、抵抗器１６、抵抗器３６及び演算増幅器１５
にて回路が構成されている。比較部Ｆは演算増幅器１７
にて回路が構成されている。最大電流追従制御部Ｇは抵
抗器１８〜２０、演算増幅器２１にて回路が構成されて
いる。出力電圧安定化制御部Ｈは抵抗器２３〜３０、可
変抵抗器２２、演算増幅器３１にて回路が構成されてい
る。基準電圧補正部１２は抵抗器３２、抵抗器３３、抵
抗器３４、にて回路が構成されている。

【００３８】以下では図４に示した前述の従来技術と異
なる点について動作を説明する。前述の如く、出力電圧
Ｖ０が出力電流の大小により変化する要因は演算増幅器
２１の出力電圧ＶＢであり、また演算増幅器３１の反転
増幅入力端子の電圧、すなわち出力電圧を決定つける基
準電圧である。これらの電圧は並列冗長電源システムが
平衡状態であっても自電源の出力電流の大小により変化
する。したがって出力電流が変化してもその影響の度合
を極力小さくするため、本実施例では、基準電圧補正部
１２を構成する抵抗器３３および抵抗器３４にて分圧す
る。

【００３９】また、出力電圧Ｖ０を決定つける演算増幅
器３１の反転増幅入力端子と自電源の出力電流を検出す
る抵抗器３６のグランド側と反対のポイントで基準電圧
補正部１２を構成する抵抗器３２を介して接続すること
で、自電源の出力電流の検出信号によって前述の最大電
流追従制御部Ｇを構成する演算増幅器２１の出力電圧Ｖ
Ｂの変化を打ち消すことができ、結局、出力電圧Ｖ０を
決定つける基準電圧は変化しないこととなる。

【００４０】また、基準電圧補正部１２を構成する抵抗
器３２、抵抗器３３、抵抗器３４の定数の設定いかんに
よっては、平衡状態にて出力電流が増加すると、出力電
圧が増加するように動作させることも可能となり、これ
により、たとえば、出力電流が増加する際に発生する逆
電流防止用ダイオード４の順方向電圧ＶＦや負荷５まで
の接続線路での電圧降下等による出力電圧Ｖ０の変動を
打ち消すことができる。たとえば、逆電流防止用ダイオ
ード４でのＶＦは一例として、通常、0.１〜0.２Ｖ程度
であるが、負荷５の定格電圧が3.３Ｖで許容される電圧
変動が±５％程度の場合には、順方向電圧ＶＦ等による
出力電圧Ｖ０の変動は無視できなくなり、出力電圧Ｖ０
の精度を所定の範囲内に維持する上で、本実施例の基準
電圧補正部１２による補正動作が極めて有効になる。

【００４１】以上本発明者によってなされた発明を実施
例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に
限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で
種々変更可能であることはいうまでもない。

【００４２】

【発明の効果】本発明の並列冗長電源システムによれ
ば、冗長構成の複数の単位電源を平衡状態で動作させる
際に、負荷に対する出力電流の変動に影響されることな
く出力電圧の精度を高めるとともに、出力電圧を所定の
要求精度内に維持することができる、という効果が得ら
れる。

【００４３】また、冗長構成の複数の単位電源と負荷と
の間に介在する逆電流防止用ダイオードや負荷までの接
続線路等での電圧降下に起因する出力電圧の所定の要求
精度範囲からの逸脱を防止することができる、という効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である並列冗長電源システム
の一例を示す概念図である。

【図２】本発明の一実施例である並列冗長電源システム
の回路構成の一例を示す回路図である。

【図３】従来の装置の並列冗長電源システムの一例を示
す構成ブロック図である。

【図４】従来の装置の並列冗長電源システムの回路構成
の一例を示す回路図である。

【符号の説明】

１…外部交流電源、２−１〜２−ｎ…並列運転機能付の
ＡＣ−ＤＣスイッチング電源、３…主回路装置、４…逆
電流防止用ダイオード、５…負荷、６…ダイオード、７
…スイッチ素子、８…高周波トランス、９…ホトカプ
ラ、１０…信号線、１１…基準電圧生成部、１２…基準
電圧補正部、１３，１４…抵抗器、１５…演算増幅器、
１６…抵抗器、１７…演算増幅器、１８〜２０…抵抗
器、２１…演算増幅器、２２…可変抵抗器、２３〜３０
…抵抗器、３１…演算増幅器、３２，３３，３４…抵抗
器、３５…補助電源、３６…抵抗器、Ａ…整流平滑部、
Ｂ…ドライブ回路、Ｃ…補助電源、Ｄ…２次側整流平滑
部、Ｅ…自電源出力電流検出部、Ｆ…比較部、Ｇ…最大
電流追従制御部、Ｈ…出力電圧安定化制御部、Ｖ０…個
々のＡＣ−ＤＣスイッチング電源の出力電圧、ＶＢ…最
大電流追従制御部の演算増幅器２１の出力電圧、ＶＣ…
自電源出力電流検出部の演算増幅器１５の出力電圧、Ｖ
Ｆ…逆電流防止用ダイオード４の順方向電圧、ＶＳ…最
大電流検出信号。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安澤 清史 神奈川県小田原市国府津2880番地 日立コ ンピュータ機器株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 各々がＡＣ−ＤＣスイッチング電源また
   はＤＣ−ＤＣコンバータ電源からなる冗長構成の複数の
   単位電源によって外部の負荷に直流電力を供給する並列
   冗長電源システムであって、 個々の前記単位電源に内蔵され、当該単位電源から出力
   される直流電圧値を決定する基準電圧生成部に、当該基
   準電圧生成部の基準電圧の補正および調整を行う基準電
   圧補正部を備えたことを特徴とする並列冗長電源システ
   ム。