WO2018043319A1 - 電源システム - Google Patents

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WO2018043319A1
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河合 康治
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株式会社村田製作所
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    • Y02B70/10Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the present invention relates to a power supply system that supplies a voltage to a load from any of a plurality of AC power supplies.
  • Patent Document 1 discloses a distributed power supply apparatus that supplies AC power to a residential load in linkage with a commercial power system.
  • the power supply device described in Patent Document 1 is installed in an area where an abnormality in the input voltage frequently occurs due to an instantaneous power failure (instantaneous voltage drop, instantaneous power failure) or the like of the commercial power system.
  • This power supply apparatus determines that the apparatus has failed when the abnormality type and characteristic value occurrence pattern for each abnormality detection match the time-series occurrence pattern of the abnormality type and characteristic value stored in advance. After the determination, the apparatus is restarted or stopped in earnest.
  • the power supply system may be made redundant so that multiple commercial power systems can be selected in case the power supply from the commercial power system is interrupted due to a power failure or the like. is there.
  • a mechanical relay switch is used for switching a plurality of commercial power systems. If the mechanical relay switch is switched many times, the product life or reliability may be lowered. For this reason, it is desirable not to frequently switch the mechanical relay switch. For this reason, if the number of times of abnormality determination is reduced while maintaining the time required for one abnormality determination, the accuracy of abnormality determination decreases, and an abnormality is detected. At times, it may become impossible to take appropriate measures.
  • an object of the present invention is to provide a power supply system that accurately performs abnormality determination by appropriately setting the abnormality determination time according to the system configuration and load state of the AC power supply and maintains power supply to the load. It is in.
  • a power supply system includes a converter that converts an input AC voltage into a DC voltage and outputs the converted voltage to a load, and a switch element that electrically connects any one of a plurality of AC power supplies to the converter.
  • An input voltage detection unit that detects an input voltage to the converter, an output current detection unit that detects an output current from the converter, and an AC power supply abnormality determination based on the input voltage detected by the input voltage detection unit ,
  • An abnormality determination unit that repeats for a predetermined time, and a switching control unit that switches the AC power source connected to the converter when the abnormality determination unit determines that there is an abnormality, and detection detected by the output current detection unit
  • a time adjustment unit that adjusts the predetermined time according to a value.
  • the AC power source connected to the converter is determined to be abnormal, and if it is determined to be abnormal, the AC power source connected to the converter can be switched to another AC power source.
  • the predetermined time for performing this abnormality determination is adjusted according to the output current, that is, the load weight. For example, in the case of a light load, the accuracy of abnormality determination can be increased by increasing the time taken for abnormality determination. And the switching frequency of a switch element can be suppressed. Further, in the case of a heavy load, it is possible to suppress malfunction and stop of the load due to a decrease in the supply voltage to the load by shortening the time taken for abnormality determination. Thereby, abnormality determination of AC power supply can be performed accurately and the power supply to a load can be maintained.
  • the time adjustment unit may shorten the predetermined time when the value of the output current detected by the output current detection unit exceeds a first threshold value.
  • the time adjustment unit may lengthen the predetermined time when the value of the output current detected by the output current detection unit is lower than a second threshold value.
  • the first threshold value is preferably an output current value when the plurality of AC-DC converters are all in operation and the load factor of each AC-DC converter is 50%.
  • the second threshold value is preferably an output current value when the operation control unit determines that one of the plurality of AC-DC converters is stopped.
  • the switch element may be a mechanical relay switch.
  • the on-resistance is small and heat generation in the switch element can be suppressed.
  • the switch element may be a hybrid switch including a mechanical relay switch and a semiconductor switch.
  • the mechanical relay switch has a small on-resistance, but it takes time to turn on. For this reason, the switching speed can be improved by using a semiconductor switch having a high switching speed.
  • the power supply system includes a power storage device that is detachably connected in parallel to the converter, and a connection determination unit that determines whether or not the power storage device is connected, and the time adjustment unit is controlled by the connection determination unit.
  • the predetermined time may be lengthened, and when it is determined that the power storage device is not connected, the predetermined time may be shortened.
  • accurate abnormality determination can be performed by adjusting the time for performing abnormality determination according to the weight of the load.
  • FIG. 1 is a block diagram of a power supply system according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the switching unit.
  • FIG. 3 is a flowchart of abnormality determination processing and switch switching processing executed by the control unit.
  • FIG. 4 is a flowchart of determination time adjustment processing executed by the control unit.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a hybrid switch.
  • FIG. 6 is a timing chart of the hybrid switch.
  • FIG. 1 is a block diagram of a power supply system 100 according to the present embodiment.
  • the power supply system 100 includes commercial power supplies 101A, 101B, a switching unit 102, a converter unit 103, loads 104A, 104B, 104C, a battery module 105, a voltage detection unit 106, and a current detection unit 107.
  • the loads 104A, 104B, and 104C are, for example, blade servers and are housed in a casing.
  • the loads 104 ⁇ / b> A, 104 ⁇ / b> B, and 104 ⁇ / b> C are connected in parallel and connected to the converter unit 103.
  • the loads 104A, 104B, and 104C are supplied with power from the converter unit 103.
  • the loads 104A, 104B, and 104C are collectively expressed as the load 104.
  • the switching unit 102 is connected between the commercial power supplies 101A and 101B and the converter unit 103.
  • the switching unit 102 electrically connects one of the commercial power supplies 101 ⁇ / b> A and 101 ⁇ / b> B and the converter unit 103.
  • Commercial power supplies 101A and 101B are connected to different power systems.
  • the switching unit 102 switches to the other when one of the commercial power supplies 101A and 101B connected to the converter unit 103 is abnormal.
  • the load 104 is, for example, a blade server, and the operation is not allowed to stop due to insufficient supply power or power interruption. According to the present embodiment, even if power is not supplied to the load 104 due to an abnormality in the commercial power supply, the switching unit 102 is switched, so that a problem such as malfunction or stop of the load 104 can be avoided.
  • the converter unit 103 includes AC-DC converters 103A, 103B, and 103C.
  • the AC-DC converters 103A, 103B, and 103C are connected in parallel.
  • Each of the AC-DC converters 103A, 103B, 103C converts an AC voltage (for example, 200V) from any one of the commercial power supplies 101A, 101B connected by the switching unit 102 into a DC voltage (for example, 12V), and It supplies to 104.
  • Converter section 103 has AC-DC converters 103A, 103B, and 103C in parallel to provide redundancy. For this reason, even if one or two of the AC-DC converters 103A, 103B, 103C are stopped due to a failure or the like, the remaining AC-DC converter can supply power to the load 104. Then, the converter unit 103 is always in operation, and the AC-DC converter in which a failure has occurred can be replaced.
  • Each of the AC-DC converters 103A, 103B, and 103C has a function of comparing its own output current with other output currents and balancing the output current (so-called current share function). That is, the output currents of the AC-DC converters 103A, 103B, and 103C are the same. By having this function, the output current amount per AC-DC converter 103A, 103B, 103C can be suppressed, and stress can be reduced, thereby extending the life.
  • converters are not designed to be efficient at light loads, and are designed to be most efficient when operated at about 50% of the rated load. For this reason, when the output current of each AC-DC converter is small, it is determined that the load is light, and by controlling the operation so that one of them is stopped, the output current of the remaining AC-DC converters increases. As a result, it can be operated in a high efficiency region.
  • the battery module 105 includes a control unit 105A, a bidirectional DC-DC converter 105B, and a secondary battery 105C.
  • the secondary battery 105C is, for example, a lithium ion battery.
  • the battery module 14 is an example of the “power storage device” according to the present invention.
  • Bidirectional DC-DC converter 105B is connected between the output unit of converter unit 103 and secondary battery 105C.
  • the bidirectional DC-DC converter 105B is, for example, a circuit combining a step-up chopper and a step-down chopper, and performs bidirectional voltage conversion between the output unit of the converter unit 103 and the secondary battery 105C.
  • Bidirectional DC-DC converter 105 ⁇ / b> B outputs the discharge voltage of secondary battery 105 ⁇ / b> C to load 104, and charges secondary battery 105 ⁇ / b> C with the output voltage of converter unit 103.
  • the control unit 105A is, for example, a microcomputer, and determines whether or not the secondary battery 105C is connected. When the secondary battery 105C is connected, the control unit 105A appropriately receives the current share signal, performs switching control of the bidirectional DC-DC converter 105B, and performs charge / discharge control of the secondary battery 105C described above. .
  • the current share signal includes output current values of the AC-DC converters 103A, 103B, and 103C that are balanced by the current share function.
  • the control unit 105A is an example of the “connection determination unit” according to the present invention.
  • the voltage detection unit 106 is a circuit that detects an input voltage to the converter unit 103.
  • the input voltage to the converter unit 103 is an output voltage from one of the commercial power supplies 101A and 101B connected by the switching unit 102.
  • the voltage detection unit 106 is an example of the “input voltage detection unit” according to the present invention.
  • the current detection unit 107 has, for example, a current detection resistor, and detects an output current from the converter unit 103.
  • the output current from the converter unit 103 is a load current input to the load 104.
  • the light weight of the load 104 can be determined from the current value detected by the current detection unit 107.
  • the current detection unit 107 is an example of the “output current detection unit” according to the present invention.
  • the control unit 105A stops at least one of the AC-DC converters 103A to 103C and detects the AC-DC converter that is activated. It is possible to prevent the efficiency from deteriorating by increasing the load factor.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the switching unit 102.
  • the switching unit 102 has two systems to which the commercial power supplies 101A and 101B are connected. Each of the two systems includes fuses 21A and 21B, varistors 22A and 22B, and switch units 23A and 23B.
  • the fuses 21A and 21B protect against overcurrent, and the varistors 22A and 22B protect against surge.
  • the switch units 23A and 23B are mechanical relay switches, one of which is turned on by the control unit 20 and the other is turned off. When the switch unit 23A is on and the switch unit 23B is off, the commercial power supply 101A and the converter unit 103 are electrically connected. When the switch unit 23B is on and the switch unit 23A is off, the commercial power supply 101B and the converter unit 103 are electrically connected.
  • the switch parts 23A and 23B are mechanical relay switches, so that the on-resistance can be reduced and heat generation can be suppressed.
  • the switch parts 23A and 23B are examples of the “switch element” according to the present invention.
  • the control unit 20 executes a switch switching process, an abnormality determination process, and a determination time adjustment process described below.
  • the control unit 20 is an example of the “abnormality determination unit”, “switching control unit”, and “time adjustment unit” according to the present invention.
  • the control unit 20 turns on one of the switch units 23A and 23B and turns off the other.
  • the control unit 20 switches on and off the switch units 23A and 23B according to a result of an abnormality determination process described later. For example, when the switch unit 23A is turned on and the switch unit 23B is turned off, the control unit 20 turns off the switch unit 23A and turns on the switch unit 23B according to the result of the abnormality determination process. That is, the control unit 20 switches the commercial power source connected to the converter unit 103 from the commercial power source 101A to the commercial power source 101B.
  • the control unit 20 determines an abnormality in the input voltage to the converter unit 103.
  • the abnormality of the input voltage is an abnormality of the commercial power source 101A or the commercial power source 101B connected to the converter unit 103 by the switching unit 102.
  • the control unit 20 determines an abnormality of the commercial power source 101A. That is, the switch unit 23A is on and the switch unit 23B is off.
  • the control unit 20 measures the number of times that the voltage detection unit 106 detects a voltage value lower than the reference value for a predetermined time. For example, the voltage detection unit 106 detects a voltage every 0.1 ms. The control unit 20 determines whether or not the voltage value detected every 0.1 ms is below the reference value. When the number of times exceeds the specified value, the control unit 20 determines that the commercial power source 101A is abnormal.
  • the control unit 20 switches off the switch unit 23A and switches on the switch unit 23B, and switches the commercial power source connected to the converter unit 103 from the commercial power source 101A to the commercial power source 101B. .
  • the commercial power supply 101A has an abnormality, the voltage supply to the load 104 is stopped, or the supply voltage is lowered, and the load 104 may malfunction or stop. Therefore, the control unit 20 maintains the voltage supply to the load 104 by connecting the commercial power source 101B to the converter unit 103 instead of the commercial power source 101A. Thereby, malfunction or stop of the load 104 can be avoided.
  • abnormality determination accuracy can be improved by determining abnormality according to the number of times the voltage detection unit 106 detects a voltage value lower than the reference value. Thereby, unnecessary switching of the switch parts 23A and 23B can be eliminated, and the number of times of switching can be suppressed. Since the switch parts 23A and 23B are mechanical relay switches, if they are frequently switched, the product life is shortened and the reliability is also lowered due to deterioration or the like. Therefore, by suppressing the number of switching of the switch units 23A and 23B, it is possible to extend the life of the switch units 23A and 23B and improve the reliability.
  • the abnormality determination may be performed based on the frequency, waveform, etc. of the input voltage.
  • the control unit 20 adjusts the time for executing the abnormality determination process (hereinafter referred to as determination time) based on the current value detected by the current detection unit 107.
  • the control unit 20 determines the weight of the load 104 from the current value detected by the current detection unit 107, that is, the load current. When the load 104 is light, the control unit 20 lengthens the determination time. On the other hand, when the load 104 is heavy, the control unit 20 shortens the determination time.
  • the controller 105A may determine that the load is heavy. At this time, the current value detected by the current detection unit 107 is set as the first threshold value. Further, if there is a converter that is not activated among the AC-DC converters 103A to 103C, it may be determined that the load is light. At this time, the current value detected by the current detection unit 107 is set as the second threshold value.
  • the determination time is 10 ms, and the instantaneous power failure returns within 20 ms from the occurrence.
  • the load 104 can continue to be driven without switching the switch units 23A and 23B.
  • the determination time is controlled, the input voltage is determined to be abnormal within the determination time, and the switch units 23A and 23B are switched. That is, unnecessary switching of the switch units 23A and 23B is performed.
  • the determination time longer (for example, 20 ms)
  • the load 104 When the load 104 is a heavy load, the load 104 may stop driving in a short time due to insufficient supply voltage. For this reason, the control part 20 performs abnormality determination of the commercial power source 101A in a short time by shortening the determination time. Then, the control unit 20 turns off the switch unit 23A and turns on the switch unit 23B. As a result, the commercial power supply 101 ⁇ / b> B is connected to the converter unit 103. As a result, voltage supply to the load 104 is maintained by the commercial power supply 101B, and malfunction or stop of the load 104 can be avoided.
  • control unit 20 acquires the presence / absence of connection of the secondary battery 105C from the control unit 105A of the battery module 105, and determines whether the secondary battery 105C is connected regardless of the load 104 weight. Increase time.
  • the load 104 is supplied with power from the secondary battery 105C, and thus the operation of the load 104 does not stop immediately. Therefore, as in the case where the load 104 is a light load, it is possible to increase the accuracy of abnormality determination by extending the determination time.
  • control unit 20 may be executed elsewhere.
  • the power supply system 100 may include a control unit that controls the whole, and the control unit may execute each of the processes described above.
  • FIG. 3 is a flowchart of the abnormality determination process and the switch switching process executed by the control unit 20.
  • the control unit 20 acquires the voltage value detected by the voltage detection unit 106 (S1), and compares the voltage value with a reference value (S2). When the voltage value detected by the voltage detection unit 106 is lower than the reference value (S3: YES), the control unit 20 measures the number of times (S4). When the voltage value does not fall below the reference value (S3: NO), the control unit 20 times the process of S5 without measuring the number of times.
  • the control unit 20 executes the process of S1.
  • the control unit 20 determines whether or not the input voltage is abnormal depending on whether or not the measured number exceeds a specified value (S6).
  • the control unit 20 switches the switch units 23A and 23B (S7). For example, if the switch unit 23A is on and the switch unit 23B is off, the control unit 20 turns off the switch unit 23A and turns on the switch unit 23B. If the input voltage is not abnormal (S6: NO), the control unit 20 ends this process.
  • FIG. 4 is a flowchart of the determination time adjustment process executed by the control unit 20.
  • the determination time in the initial state where time adjustment is not performed is represented by determination time A.
  • the control unit 20 acquires the current value detected by the current detection unit 107 (S11), and determines whether or not the load 104 is a light load from the current value (S12). In the case of a light load (S12: YES), the control unit 20 determines whether power supply is assisted from the secondary battery 105C to the load 104 (S13). When the power assist is not performed (S13: NO), the control unit 20 sets the determination time to a determination time B longer than the determination time A (S15). When the power assist is performed (S13: YES), the control unit 20 sets the determination time to a determination time C that is longer than the determination time B (S16).
  • the control unit 20 determines whether power supply from the secondary battery 105C to the load 104 is assisted (S14). .
  • the control unit 20 sets the determination time to a determination time D shorter than the determination time A (S17).
  • the control unit 20 sets the determination time to the determination time E longer than the determination time A and shorter than the determination time C (S18).
  • the accuracy of abnormality determination can be increased, and the voltage supply to the load 104 can be maintained, A malfunction or stop of the load 104 can be avoided. Further, by suppressing unnecessary switching of the switch units 23A and 23B, it is possible to extend the life of the switch units 23A and 23B and improve the reliability.
  • the switch units 23A and 23B are mechanical relay switches, but may be hybrid switches of mechanical relay switches and semiconductor switches.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the hybrid switch 23C.
  • the hybrid switch 23C is configured by connecting a mechanical relay switch 231, a series circuit of a diode D1 and a transistor 232, and a series circuit of a diode D2 and a transistor 233 in parallel.
  • the series circuit of the diode D1 and the transistor 232 and the series circuit of the diode D2 and the transistor 233 have opposite rectification directions. Since the hybrid switch 23C has two series circuits, it can be used for any line through which an alternating current flows.
  • the control unit 20 turns on only the mechanical relay switch 231 to electrically connect the commercial power supplies 101A and 101B and the converter unit 103. Since the mechanical relay switch 231 has a small on-resistance, loss can be reduced and heat generation can be suppressed. Then, the control unit 20 turns on the transistors 232 and 233 and switches the mechanical relay switch 231 during the on period when switching the commercial power source connected to the converter unit 103 in the event of an abnormality. Since the mechanical relay switch 231 requires time for switching, the switching speed can be improved by using transistors (for example, IGBTs) 232 and 233 having a high switching speed.
  • transistors for example, IGBTs
  • FIG. 6 is a diagram showing a timing chart of the hybrid switch 23C.
  • the upper side in the figure is a timing chart of the hybrid switch 23C connected to the commercial power source 101A
  • the lower side is a timing chart of the hybrid switch 23C connected to the commercial power source 101B.
  • FIG. 6 is a timing chart in the case where the commercial power supply 101 ⁇ / b> A is connected to the converter unit 103 and it is determined that the input voltage is abnormal, and the commercial power supply 101 ⁇ / b> B is connected to the converter unit 103.
  • the control unit 20 determines that the commercial power supply 101A is abnormal, the control unit 20 outputs a control signal to the transistors 232 and 233 on the commercial power supply 101A side.
  • the control signal is output, the transistors 232 and 233 are turned on with almost no delay.
  • the control unit 20 outputs a control signal for turning off the mechanical relay switch 231 on the commercial power supply 101A side.
  • the mechanical relay switch 231 is turned off with a delay after this control signal is output. Arc generation can be prevented by turning off the mechanical relay switch 231 while the transistors 232 and 233 are on.
  • the control unit 20 also turns off the transistors 232 and 233. Thereby, the connection between the commercial power source 101A and the converter unit 103 is cut off.
  • the control unit 20 outputs a control signal to the transistors 232 and 233 on the commercial power supply 101B side to turn on the transistors 232 and 233.
  • the control unit 20 outputs a control signal for turning on the mechanical relay switch 231 on the commercial power supply 101B side while the transistors 232 and 233 are on.
  • the mechanical relay switch 231 is turned on with a delay after this control signal is output.
  • the control unit 20 turns off the transistors 232 and 233.
  • the commercial power supply 101B and the converter unit 103 are connected by a mechanical relay switch 231 having a low on-resistance and low heat generation.

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Abstract

入力される交流電圧を直流電圧に変換して負荷へ出力するコンバータ(103)と、コンバータ(103)に対して、複数の交流電源の何れか一つを電気的に接続する切替部(102)と、コンバータ(103)への入力電圧を検出する電圧検出部(106)と、コンバータ(103)からの出力電流を検出する電流検出部(107)とを備える。切替部(102)は、電圧検出部(106)が検出する入力電圧に基づく交流電源の異常判定を、所定時間繰り返す処理と、異常と判定した場合、コンバータ(103)に接続する交流電源を切り替える処理と、電流検出部(107)が検出する検出結果に応じて、判定時間を調整する処理とを実行する。

Description

電源システム
 本発明は、複数の交流電源の何れかから負荷へ電圧を供給する電源システムに関する。
 特許文献1には、商用電力系統と連系して、宅内負荷へ交流電力を供給する分散型電源装置が開示されている。特許文献1に記載の電源装置は、商用電力系統の瞬停(瞬時電圧低下、瞬時停電)等による入力電圧の異常が頻発する地域に設置される。この電源装置は、異常検出毎の異常種別と特性値の発生パターンが、予め記憶してある、異常種別と特性値の時系列的な発生パターンと一致するとき、装置故障と判定する。判定後は、装置の再起動や本格的な停止を行なう。
特開2009-290918号公報
 高い信頼性が要求される電源システムにおいては、停電などにより商用電力系統からの電力供給が途絶えた場合に備えて、複数の商用電力系統を選択できるように、電源システムが冗長化される場合がある。複数の商用電力系統の切り替えには、機械式リレースイッチが用いられる。機械式リレースイッチは、その切替回数が多いと、製品寿命または信頼性が低下するおそれがある。このため、頻繁に機械式リレースイッチの切り替えを行わないことが望ましいが、そのために1回の異常判定にかける時間を維持しつつ異常判定の回数を減らすと、異常判定の精度が低下し、異常時に適切な対応を行うことができなくなるおそれがある。
 そこで、本発明の目的は、交流電源のシステム構成・負荷状態に応じて異常判定時間を適切に設定することで異常判定を精度よく行い、負荷への電力供給を維持する電源システムを提供することにある。
 本発明に係る電源システムは、入力される交流電圧を直流電圧に変換して負荷へ出力するコンバータと、前記コンバータに対して、複数の交流電源の何れか一つを電気的に接続するスイッチ素子と、前記コンバータへの入力電圧を検出する入力電圧検出部と、前記コンバータからの出力電流を検出する出力電流検出部と、前記入力電圧検出部が検出する入力電圧に基づく交流電源の異常判定を、所定時間繰り返す異常判定部と、前記異常判定部が異常と判定した場合、前記スイッチ素子を切り替えて、前記コンバータに接続する交流電源を切り替える切替制御部と、前記出力電流検出部が検出する検出値に応じて、前記所定時間を調整する時間調整部と、を備えることを特徴とする。
 この構成では、コンバータに接続する交流電源の異常判定を行い、異常と判定された場合には、コンバータに接続する交流電源を、別の交流電源に切り替えることができる。これにより、例えば、負荷が常時駆動し続ける必要がある場合、交流電源の異常により負荷へ電圧が供給されなくなり、負荷の動作が停止するといった問題を回避できる。
 この異常判定を行う所定時間は、出力電流、つまり、負荷の軽重に応じて調整される。例えば、軽負荷の場合には、異常判定にかける時間を長くすれば、異常判定の精度を高めることができる。そして、スイッチ素子の切り替え頻度を抑えることができる。また、重負荷の場合には、異常判定にかける時間を短くすることで、負荷への供給電圧が低下することによる負荷の誤作動、停止を抑制できる。これにより、交流電源の異常判定を精度よく行い、負荷への電力供給を維持することができる。
 前記時間調整部は、前記出力電流検出部が検出する出力電流の値が第1閾値を上回る場合、前記所定時間を短くしてもよい。
 この構成では、重負荷の場合には、異常判定にかける時間を短くすることで、負荷への供給電圧が低下することによる負荷の誤作動、停止を抑制できる。
 前記時間調整部は、前記出力電流検出部が検出する出力電流の値が第2閾値を下回る場合、前記所定時間を長くしてもよい。
 この構成では、軽負荷の場合には、異常判定にかける時間が長くなり、異常判定の精度を高めることができる。そして、スイッチ素子の切り替え頻度を抑えることができる。
 前記第1閾値は、前記複数のAC-DCコンバータが全て稼動しており、かつ各々のAC-DCコンバータの負荷率が50%の時の出力電流値であることが好ましい。
 前記第2閾値は、前記複数のAC-DCコンバータのうち1つを停止させると前記稼動制御部が判断する時の出力電流値であることが好ましい。
 前記スイッチ素子は機械式リレースイッチであってもよい。
 この構成では、オン抵抗が小さく、スイッチ素子での発熱を抑えることができる。
 前記スイッチ素子は、機械式リレースイッチおよび半導体スイッチを含むハイブリッドスイッチであってもよい。
 この構成では、機械式リレースイッチはオン抵抗が小さいが、オンになるのに時間を要する。このため、切替速度が速い半導体スイッチを用いることで、切替速度を改善できる。
 前記電源システムは、前記コンバータに対し、着脱可能に並列接続される蓄電装置と、前記蓄電装置の接続の有無を判定する接続判定部と、を備え、前記時間調整部は、前記接続判定部により、前記蓄電装置が接続されていると判定される場合、前記所定時間を長くし、前記蓄電装置が接続されていないと判定される場合、前記所定時間を短くする構成でもよい。
 この構成では、蓄電装置から負荷への電力アシストがある場合には、それを考慮して、異常判定にかける時間を調整する。これにより、重負荷であっても異常判定にかける時間を長くすることで、異常判定の精度を高めることができ、また、スイッチ素子の切り替え頻度を抑えることができる。
 本発明によれば、負荷の軽重によって、異常判定を行う時間を調整することで、精度のよい異常判定を行うことができる。
図1は、本実施形態に係る電源システムのブロック図である。 図2は、切替部の構成を示す図である。 図3は、制御部が実行する異常判定処理およびスイッチ切替処理のフローチャートである。 図4は、制御部が実行する判定時間調整処理のフローチャートである。 図5は、ハイブリッドスイッチの一例を示す図である。 図6は、ハイブリッドスイッチのタイミングチャートを示す図である。
 図1は、本実施形態に係る電源システム100のブロック図である。
 電源システム100は、商用電源101A、101Bと、切替部102と、コンバータ部103と、負荷104A、104B、104Cと、バッテリモジュール105と、電圧検出部106と、電流検出部107とを含む。
 負荷104A、104B、104Cは、例えばブレードサーバであり、筐体内に収められる。負荷104A、104B、104Cは、並列接続され、コンバータ部103に接続される。そして、負荷104A、104B、104Cは、コンバータ部103から電力が供給される。以下では、負荷104A、104B、104Cは、纏めて負荷104で表す。
 切替部102は、商用電源101A、101Bとコンバータ部103との間に接続される。切替部102は、商用電源101A、101Bの一方と、コンバータ部103とを電気的に接続する。商用電源101A、101Bは、それぞれ異なる電力系統に接続されている。切替部102は、後に詳述するが、コンバータ部103に接続している商用電源101A、101Bの一方が異常である場合に、他方に切り替える。前記のように、負荷104は、例えばブレードサーバであり、供給電力不足、または、電力遮断等で、動作が停止することは許されない。本実施形態によれば、商用電源の異常で負荷104へ電力が供給されなくなっても、切替部102が切り替えられるので、負荷104の誤動作または停止といった問題を回避できる。
 コンバータ部103は、AC-DCコンバータ103A、103B、103Cを有する。AC-DCコンバータ103A、103B、103Cは並列接続される。そして、AC-DCコンバータ103A、103B、103Cそれぞれは、切替部102により接続される商用電源101A、101Bの何れかからの交流電圧(例えば200V)を直流電圧(例えば12V)に変換して、負荷104へ供給する。
 コンバータ部103は、AC-DCコンバータ103A、103B、103Cを並列化して冗長性を持たせている。このため、AC-DCコンバータ103A、103B、103Cの一つまたは二つが故障等で停止しても、残りのAC-DCコンバータで負荷104へ電力供給できる。そして、コンバータ部103は常時稼動した状態で、障害が発生したAC-DCコンバータの交換が可能である。
 なお、AC-DCコンバータ103A、103B、103Cそれぞれは、自身の出力電流を他の出力電流と比較し、出力電流を平衡化する機能(所謂カレントシェア機能)を有している。つまり、AC-DCコンバータ103A、103B、103Cの出力電流はそれぞれ同じである。この機能を有することで、AC-DCコンバータ103A、103B、103Cの一台当たりの出力電流量が抑えられ、ストレスが軽減されることで、長寿命化が図れる。
 一般的にコンバータは軽負荷の時の効率が悪く、定格負荷の50%程度で稼動させると最も効率が高いように設計されている。このため、各AC-DCコンバータの出力電流が小さい場合は軽負荷であると判断し、そのうち1台を停止させるよう稼動を制御することで、残りのAC-DCコンバータの出力電流が増大し、結果として高効率領域で稼動させることができる。
 バッテリモジュール105は、制御部105Aと、双方向DC-DCコンバータ105Bと、二次電池105Cとを有する。二次電池105Cは、例えばリチウムイオン電池等である。バッテリモジュール14は、本発明に係る「蓄電装置」の一例である。
 双方向DC-DCコンバータ105Bは、コンバータ部103の出力部と、二次電池105Cとの間に接続される。双方向DC-DCコンバータ105Bは、例えば、昇圧チョッパと降圧チョッパを組み合わせた回路であって、コンバータ部103の出力部と、二次電池105Cとの間で双方向に電圧変換する。そして、双方向DC-DCコンバータ105Bは、二次電池105Cの放電電圧を負荷104へ出力し、また、コンバータ部103の出力電圧で二次電池105Cを充電する。
 制御部105Aは、例えばマイコンであって、二次電池105Cの接続の有無を判定する。二次電池105Cが接続されている場合、制御部105Aは、カレントシェア信号を適宜受信して、双方向DC-DCコンバータ105Bをスイッチング制御して、前記した二次電池105Cの充放電制御を行う。カレントシェア信号は、カレントシェア機能により平衡化されるAC-DCコンバータ103A、103B、103Cの出力電流値を含む。制御部105Aは、本発明に係る「接続判定部」の一例である。
 電圧検出部106は、コンバータ部103への入力電圧を検出する回路である。コンバータ部103への入力電圧は、切替部102により接続される商用電源101A、101Bの一方からの出力電圧である。電圧検出部106は、本発明に係る「入力電圧検出部」の一例である。
 電流検出部107は、例えば電流検出用抵抗を有し、コンバータ部103からの出力電流を検出する。コンバータ部103からの出力電流は、負荷104へ入力される負荷電流である。電流検出部107が検出する電流値から、負荷104の軽重が判定できる。電流検出部107は、本発明に係る「出力電流検出部」の一例である。
 電流検出部107によって、負荷104が軽負荷であると判定した場合は、制御部105Aによって、AC-DCコンバータ103A~103Cのうち、少なくとも1台を停止させ、起動しているAC-DCコンバータの負荷率を高めることにより効率が悪化することを防ぐことができる。
 図2は、切替部102の構成を示す図である。
 切替部102は、商用電源101A、101Bそれぞれが接続される2つの系統を有している。2つの系統はそれぞれ、ヒューズ21A、21Bと、バリスタ22A、22Bと、スイッチ部23A、23Bとで構成されている。ヒューズ21A、21Bは過電流から保護し、バリスタ22A、22Bは、サージから保護する。
 スイッチ部23A、23Bは、機械式リレースイッチであって、制御部20により何れか一方がオンされ、他方がオフされる。スイッチ部23Aがオン、スイッチ部23Bがオフの場合、商用電源101Aとコンバータ部103とが電気的に接続される。スイッチ部23Bがオン、スイッチ部23Aがオフの場合、商用電源101Bとコンバータ部103とが電気的に接続される。スイッチ部23A、23Bは、機械式リレースイッチとすることで、オン抵抗を小さくでき、発熱を抑えることができる。スイッチ部23A、23Bは、本発明に係る「スイッチ素子」の一例である。
 制御部20は、以下に説明する、スイッチ切替処理と、異常判定処理と、判定時間調整処理とを実行する。制御部20は、本発明に係る「異常判定部」、「切替制御部」、「時間調整部」の一例である。
(スイッチ切替処理)
 制御部20は、スイッチ部23A、23Bの一方をオンし、他方をオフにする。また、制御部20は、後述の異常判定処理の結果に応じて、スイッチ部23A、23Bのオンとオフとを切り替える。例えば、制御部20は、スイッチ部23Aをオンし、スイッチ部23Bをオフしている場合、異常判定処理の結果によって、スイッチ部23Aをオフし、スイッチ部23Bをオンする。つまり、制御部20は、コンバータ部103に接続する商用電源を、商用電源101Aから、商用電源101Bへ切り替える。
(異常判定処理)
 制御部20は、コンバータ部103への入力電圧の異常を判定する。入力電圧の異常とは、切替部102によりコンバータ部103に接続されている商用電源101Aまたは商用電源101Bの異常である。以下では、切替部102により商用電源101Aがコンバータ部103に接続されていて、制御部20は、商用電源101Aの異常を判定するものとして説明する。つまり、スイッチ部23Aがオン、スイッチ部23Bがオフである。
 制御部20は、所定時間、基準値を下回る電圧値を電圧検出部106が検出する回数を計測する。例えば、電圧検出部106は、0.1ms毎に電圧を検出する。制御部20は、0.1ms毎に検出された電圧値が基準値を下回っているか否かを判定する。そして、その回数が規定値を超える場合、制御部20は、商用電源101Aが異常と判定する。
 商用電源101Aが異常と判定された場合、制御部20は、スイッチ部23Aをオフ、スイッチ部23Bをオンに切り替え、コンバータ部103に接続する商用電源を、商用電源101Aから、商用電源101Bへ切り替える。商用電源101Aに異常がある場合、負荷104への電圧供給が停止し、または、供給電圧が低下して、負荷104は誤動作または停止するおそれがある。そこで、制御部20は、商用電源101Aに代えて、商用電源101Bをコンバータ部103に接続することで、負荷104への電圧供給を維持する。これにより、負荷104の誤作動または停止を回避できる。
 この異常判定処理において、基準値を下回る電圧値を電圧検出部106が検出する回数によって異常判定することで、異常判定の精度を高めることができる。これにより、不要なスイッチ部23A、23Bの切り替えをなくし、切り替え回数を抑えることができる。スイッチ部23A、23Bは機械式リレースイッチであるため、頻繁に切り替えを行うと、製品寿命が短くなり、劣化等により信頼性も低下する。そこで、スイッチ部23A、23Bの切り替え回数を抑えることで、スイッチ部23A、23Bの長寿命化、および信頼性の向上を図ることができる。
 なお、異常判定は、入力電圧の周波数、波形などに基づいて行われてもよい。
(判定時間調整処理)
 制御部20は、異常判定処理を実行する時間(以下、判定時間という)を、電流検出部107が検出する電流値に基づいて調整する。制御部20は、電流検出部107が検出する電流値、すなわち、負荷電流から、負荷104の軽重を判定する。そして、負荷104が軽い場合には、制御部20は判定時間を長くする。一方、負荷104が重い場合には、制御部20は判定時間を短くする。
 例えば、制御部105Aによって、AC-DCコンバータ103A~103Cが全て起動していて、かつ定格負荷の50%以上の負荷率であった場合、重負荷であると判定してもよい。その際に電流検出部107が検出する電流値を第1の閾値として設定する。また、AC-DCコンバータ103A~103Cのうち、起動していないコンバータがあれば、軽負荷であると判定してもよい。その際に電流検出部107が検出する電流値を第2の閾値として設定する。
 負荷104が軽負荷の場合には、判定時間を長くすることで、スイッチ部23A、23Bの不要な切り替えを抑制できる。例えば、瞬停により入力電圧が途絶えても、負荷104が軽負荷の場合、電源システム100内のキャパシタ、例えばコンバータ部103のキャパシタに充電された電圧で、一定時間(例えば20ms)駆動を維持できる場合がある。
 仮に、判定時間が10msであり、瞬停は発生から20ms以内に復帰するものとする。この場合、スイッチ部23A、23Bを切り替えなくても、負荷104は駆動し続けることができる。上記判定時間の制御を行われれば、判定時間内に、入力電圧は異常と判定され、スイッチ部23A、23Bは切り替えられる。つまり、不要なスイッチ部23A、23Bの切り替えが行われる。本実施形態によれば、判定時間を長く(例えば20ms)することで、異常判定が終了するまでに、瞬停から復帰するため、前記の不要なスイッチ部23A、23Bの切り替えを回避できる。これにより、スイッチ部23A、23Bの長寿命化、および信頼性の向上を図ることができる。
 また、判定時間を長くすることで、ノイズ等による誤判定を防止でき、高精度な判定結果を得ることができる。
 負荷104が重負荷の場合、負荷104は、供給電圧不足により、短時間で駆動が停止するおそれがある。このため、判定時間を短くすることで、制御部20は、商用電源101Aの異常判定を短時間で行う。そして、制御部20は、スイッチ部23Aをオフし、スイッチ部23Bをオンにする。これにより、コンバータ部103には商用電源101Bが接続される。その結果、商用電源101Bによって負荷104への電圧供給が維持されて、負荷104の誤作動または停止を回避できる。
 さらに、制御部20は、バッテリモジュール105の制御部105Aから、二次電池105Cの接続の有無を取得し、二次電池105Cが接続されている場合には、負荷104の軽重にかかわらず、判定時間を長くする。二次電池105Cが接続されている場合、負荷104には、二次電池105Cから電力供給がアシストされる。このため、コンバータ部103への入力電圧に異常があっても、負荷104には、二次電池105Cから電力供給されるため、負荷104はすぐには動作が停止しない。そこで、負荷104が軽負荷の場合と同様、判定時間を長くすることで、異常判定の精度を高めることができる。
 また、二次電池105Cから電力供給がアシストされる場合には、スイッチ部23A、23Bを高速に切り替える必要がなく、高速切替ができるスイッチを用いなくてもよくなり、低コスト化が図れる。
 なお、制御部20が実行する処理は、他で実行されてもよい。例えば、電源システム100は、全体を制御する制御部を備え、その制御部が、上述の各処理を実行する構成であってもよい。
 図3は、制御部20が実行する異常判定処理およびスイッチ切替処理のフローチャートである。
 制御部20は、電圧検出部106が検出する電圧値を取得し(S1)、その電圧値と基準値とを比較する(S2)。制御部20は、電圧検出部106が検出する電圧値が基準値を下回る場合(S3:YES)、回数を計測する(S4)。電圧値が基準値を下回らない場合(S3:NO)、制御部20は回数を計測することなく、S5の処理を時刻する。
 本処理を開始してから所定時間が経過していないと(S5:NO)、制御部20はS1の処理を実行する。所定時間経過した場合(S5:YES)、制御部20は計測した回数が規定値を超えるか否かによって、入力電圧の異常を判定する(S6)。入力電圧が異常と判定する場合には(S6:YES)、制御部20はスイッチ部23A、23Bを切り替える(S7)。例えば、スイッチ部23Aがオン、スイッチ部23Bがオフの状態であれば、制御部20は、スイッチ部23Aをオフ、スイッチ部23Bをオンにする。入力電圧が異常でない場合には(S6:NO)、制御部20は本処理を終了する。
 図4は、制御部20が実行する判定時間調整処理のフローチャートである。以下では、時間調整を行わない初期状態での判定時間は、判定時間Aで表す。
 制御部20は、電流検出部107が検出する電流値を取得し(S11)、電流値から負荷104が軽負荷である否かを判定する(S12)。軽負荷の場合(S12:YES)、制御部20は、二次電池105Cから負荷104へ電力供給がアシストされているかを判定する(S13)。電力アシストがされていない場合(S13:NO)、制御部20は、判定時間を、判定時間Aより長い判定時間Bにする(S15)。電力アシストがされている場合(S13:YES)、制御部20は、判定時間を、判定時間Bよりもさらに長い判定時間Cにする(S16)。
 負荷104が軽負荷でない場合(S12:NO)、つまり、負荷104が重負荷である場合、制御部20は、二次電池105Cから負荷104へ電力供給がアシストされているかを判定する(S14)。電力アシストがされていない場合(S14:NO)、制御部20は、判定時間を、判定時間Aよりを短い判定時間Dにする(S17)。電力アシストがされている場合(S14:YES)、制御部20は、判定時間を、判定時間Aより長く、かつ、判定時間Cより短い判定時間Eにする(S18)。
 以上のように、異常判定処理を行う判定時間を、負荷104の軽重に応じて、調整することで、異常判定の精度を高めることができ、かつ、負荷104への電圧供給を維持して、負荷104の誤作動または停止を回避できる。また、スイッチ部23A、23Bの不要な切り替えを抑制することで、スイッチ部23A、23Bの長寿命化、および信頼性の向上を図ることができる。
 なお、本実施形態では、スイッチ部23A、23Bは機械式リレースイッチとしているが、機械式リレースイッチと半導体スイッチとのハイブリッドスイッチであってもよい。
 図5は、ハイブリッドスイッチ23Cの一例を示す図である。
 ハイブリッドスイッチ23Cは、機械式リレースイッチ231と、ダイオードD1およびトランジスタ232の直列回路と、ダイオードD2およびトランジスタ233の直列回路と、が並列に接続されて構成されている。ダイオードD1およびトランジスタ232の直列回路と、ダイオードD2およびトランジスタ233の直列回路とは、それぞれ整流方向が逆である。ハイブリッドスイッチ23Cは、2つの直列回路を有することで、交流電流が流れる何れのラインにも用いることができる。
 この構成において、制御部20は、機械式リレースイッチ231のみをオン状態にして、商用電源101A、101Bとコンバータ部103とを電気的に接続する。機械式リレースイッチ231はオン抵抗が小さいため、損失を低減でき、また、発熱を抑えることができる。そして、制御部20は、異常時にコンバータ部103に接続する商用電源を切り替える際に、トランジスタ232、233をオンにして、そのオン期間中に機械式リレースイッチ231を切り替える。機械式リレースイッチ231は切り替えに時間を要するため、切替速度が速いトランジスタ(例えばIGBT)232、233を用いることで、切替速度を改善できる。
 以下に、入力電圧の異常時でのハイブリッドスイッチ23Cの動作を説明する。
 図6は、ハイブリッドスイッチ23Cのタイミングチャートを示す図である。この図において、図中の上側は、商用電源101Aに接続されるハイブリッドスイッチ23Cのタイミングチャートであり、下側は、商用電源101Bに接続されるハイブリッドスイッチ23Cのタイミングチャートである。また、図6は、商用電源101Aがコンバータ部103に接続されている状態で、入力電圧の異常と判定され、商用電源101Bをコンバータ部103に接続する場合のタイミングチャートを示す。
 制御部20は、商用電源101Aが異常と判定すると、商用電源101A側のトランジスタ232,233へ制御信号を出力する。トランジスタ232,233は、制御信号が出力されると、ほぼ遅延なしにオンする。トランジスタ232,233がオンとなると、制御部20は、商用電源101A側の機械式リレースイッチ231をオフにする制御信号を出力する。機械式リレースイッチ231は、この制御信号が出力されてから遅延してオフする。トランジスタ232,233のオン期間に、機械式リレースイッチ231をオフすることで、アークの発生を防止できる。制御部20は、機械式リレースイッチ231がオフすると、トランジスタ232,233もオフにする。これにより、商用電源101Aとコンバータ部103との接続が遮断される。
 その後、制御部20は、商用電源101B側のトランジスタ232,233へ制御信号を出力して、トランジスタ232,233をオンにする。これにより、商用電源101Bとコンバータ部103とが接続され、商用電源101Bからの電力供給が開始される。制御部20は、トランジスタ232,233がオンの期間中に、商用電源101B側の機械式リレースイッチ231をオンにする制御信号を出力する。機械式リレースイッチ231は、この制御信号が出力されてから遅延してオンする。制御部20は、機械式リレースイッチ231がオンすると、トランジスタ232,233をオフにする。これにより、商用電源101Bとコンバータ部103とは、オン抵抗が低く、発熱が少ない機械式リレースイッチ231により接続される。
D1、D2…ダイオード
14…バッテリモジュール
20…制御部
21A…ヒューズ
22A…バリスタ
23A、23B…スイッチ部
23C…ハイブリッドスイッチ
100…電源システム
101A、101B…商用電源
102…切替部
103…コンバータ部
103A…AC-DCコンバータ
104…負荷
104A、104B、104C…負荷
105…バッテリモジュール
105A…制御部
105B…DC-DCコンバータ
105C…二次電池
106…電圧検出部
107…電流検出部
141…制御部
231…機械式リレースイッチ
232,233…トランジスタ

Claims (8)

  1.  入力される交流電圧を直流電圧に変換して負荷へ出力するコンバータ部と、
     前記コンバータ部は、共通の交流入力電圧を共通の直流出力電圧に変換するように並列接続された複数のAC-DCコンバータを含み、
     前記負荷の状態に基づいて前記複数のAC-DCコンバータの稼動または停止を制御する稼動制御部と、
     前記コンバータ部に対して、複数の交流電源の何れか一つを電気的に接続するスイッチ素子と、
     前記コンバータ部への入力電圧を検出する入力電圧検出部と、
     前記コンバータ部からの出力電流を検出する出力電流検出部と、
     前記入力電圧検出部が検出する入力電圧に基づく交流電源の異常判定を、所定時間繰り返す異常判定部と、
     前記異常判定部が異常と判定した場合、前記スイッチ素子を切り替えて、前記コンバータ部に接続する交流電源を切り替える切替制御部と、
     前記出力電流検出部が検出する検出値に応じて、前記所定時間を調整する時間調整部と、
     を備える電源システム。
  2.  前記時間調整部は、
     前記出力電流検出部が検出する出力電流の値が第1閾値を上回る場合、前記所定時間を短くする、
     請求項1に記載の電源システム。
  3.  前記時間調整部は、
     前記出力電流検出部が検出する出力電流の値が第2閾値を下回る場合、前記所定時間を長くする、
     請求項1又は2に記載の電源システム。
  4.  前記第1閾値は、前記複数のAC-DCコンバータが全て稼動しており、かつ各々のAC-DCコンバータの負荷率が50%の時の出力電流値である、
     請求項2に記載の電源システム。
  5.  前記第2閾値は、前記複数のAC-DCコンバータのうち1つを停止させると前記稼動制御部が判断する時の出力電流値である、
     請求項3に記載の電源システム。
  6.  前記スイッチ素子は機械式リレースイッチである、
     請求項1から5の何れかに記載の電源システム。
  7.  前記スイッチ素子は、機械式リレースイッチおよび半導体スイッチを含むハイブリッドスイッチである、
     請求項1から5の何れかに記載の電源システム。
  8.  前記コンバータに対し、着脱可能に並列接続される蓄電装置と、
     前記蓄電装置の接続の有無を判定する接続判定部と、
     を備え、
     前記時間調整部は、
     前記接続判定部により、前記蓄電装置が接続されていると判定される場合、前記所定時間を長くし、前記蓄電装置が接続されていないと判定される場合、前記所定時間を短くする、
     請求項1から7の何れかに記載の電源システム。
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