WO2022162764A1 - 電源システム及び電源ユニット - Google Patents
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Definitions
- the control section 36 After the inter-unit communication section 32 has transmitted the control parameter Pr to all the slave units SU, the control section 36 generates the trigger transmission signal sTG, and the synchronization processing section 35 transmits the trigger to the synchronization communication line ZCL. It outputs signal TG.
- the trigger transmission signal sTG is generated as a pulse signal with a predetermined width.
- FIG. 7 is a timing chart showing an example of the operation of the power supply system 100 according to Embodiment 2 of the present invention.
- (a) to (d) in the figure show the trigger transmission signal sTG input to the synchronization processing section 35 of the power supply units 10 to 13, and (e) shows the drive signal of each power supply unit 10 to 13. Dr. is shown. Since the configuration of the power supply system 100 is the same as in FIG. 1, redundant description will be omitted.
- the trigger signal TG is a signal that is transmitted only by the master unit MU, while the error signal ER is a signal that can be transmitted by any power supply unit 10 to 13 regardless of whether it is the master unit MU or the slave unit SU.
- the trigger signal TG is a signal for starting output and is transmitted before the start of output of the power supply, while the error signal ER is a signal for notifying the occurrence of an abnormality and stopping the output. , is sent during the output of the power supply.
- the controller 36 of each of the power supply units 10 to 13 generates the drive signal Dr based on the timing of the end edge of the trigger reception signal rTG, and the power supply main circuit 30 starts outputting.
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Abstract
【課題】 電源システムを構成する２以上の電源ユニットを同期させ、電源システムを安定して動作させることを目的とする。 【解決手段】 ２以上の電源ユニット１０～１３を備え、電源ユニット１０～１３が協働して共有の負荷２２に対し直流電源を供給する電源システム１００であって、電源ユニット１０～１３が、外部から入力される交流電源を直流電源に変換する電源主回路３０と、電源主回路３０を制御する制御部３６と、一対の同期信号線ＺＣＬにそれぞれ接続される一対の同期端子Ｚ１，Ｚ２と、一対の同期信号線ＺＣＬ間を導通させてトリガー信号ＴＧを出力する送信部３５と、一対の同期信号線ＺＣＬ間の導通状態を検出し、トリガー信号ＴＧを受信する受信部３５と、を備え、電源主回路３０は、トリガー信号ＴＧの受信タイミングに基づいて、出力を開始する。
Description
本発明は、電源システム及び電源ユニットに係り、さらに詳しくは、２以上の電源ユニットを備え、各電源ユニットが協働して共有の負荷に対し直流電源を供給する電源システムに関する。
２以上の電源ユニットにより構成され、共通の負荷に対し各電源ユニットから直流電源を供給する電源システムが知られている（例えば、特許文献１及び２）。この種の電源システムでは、２以上の電源ユニットを接続することにより、様々な特性の電源装置を実現することができる。例えば、電気自動車、パワーコンディショナーなどの動作テストにおいて、バッテリー、ソーラーパネルなどをシミュレートする模擬電源として、このような電源システムが使用されている。
このような電源システムにおいて、２以上の電源ユニットの動作タイミングにずれが生じた場合、出力が不安定化するという問題があった。特に、電源システムが出力を開始する際、各電源ユニットの出力開始タイミングにずれが生じた場合、動作が不安定になるという問題があった。例えば、各電源ユニットに対し、出力開始指令をデジタル通信で伝達した場合、無視できない出力開始タイミングのずれが生じるという問題があった。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、電源システムを構成する２以上の電源ユニットを同期させ、電源システムを安定して動作させることを目的とする。また、このような電源システムに用いられる電源ユニットを提供することを目的とする。
本発明の第１の実施態様による電源システムは、２以上の電源ユニットを備え、前記電源ユニットが協働して共有の負荷に対し直流電源を供給する電源システムにおいて、前記電源ユニットが、外部から入力される交流電源を直流電源に変換する電源主回路と、前記電源主回路を制御する制御部と、一対の同期信号線にそれぞれ接続される一対の同期端子と、前記一対の同期信号線間を導通させてトリガー信号を出力する送信部と、前記一対の同期信号線間の導通状態を検出し、前記トリガー信号を受信する受信部と、を備え、前記電源主回路は、前記トリガー信号の受信タイミングに基づいて、出力を開始するように構成される。
このような構成を採用することにより、２以上の電源ユニットの出力開始動作を同期させることができ、出力開始時における電源システムの動作を安定させることができる。
本発明の第２の実施態様による電源システムは、上記構成に加えて、前記２以上の電源ユニットのうち、予め定められた１つの前記電源ユニットが、前記トリガー信号を送信するように構成される。
本発明の第３の実施態様による電源システムは、上記構成に加えて、前記送信部及び前記受信部は、フォトカプラをそれぞれ備え、前記一対の同期信号線は、前記フォトカプラにより前記電源ユニットから絶縁されているように構成される。このような構成を採用することにより、高いノイズ耐性を有し、誤動作を抑制することができる。
本発明の第４の実施態様による電源システムは、上記構成に加えて、前記電源主回路が、前記トリガー信号のエッジに基づいて、出力を開始するように構成される。
本発明の第５の実施態様による電源ユニットは、上記構成に加えて、他の電源ユニットと接続され、前記他の電源ユニットと協働して共有の負荷に対し直流電源を供給する電源ユニットにおいて、外部から入力される交流電源を直流電源に変換する電源主回路と、前記電源主回路を制御する制御部と、一対の同期信号線にそれぞれ接続される一対の同期端子と、前記一対の同期信号線間を導通させてトリガー信号を出力する送信部と、前記一対の同期信号線間の導通状態を検出し、トリガー信号を受信する受信部と、を備え、前記電源主回路は、前記トリガー信号の受信タイミングに基づいて、出力を開始するように構成される。
本発明によれば、電源システムを構成する２以上の電源ユニットを同期させ、電源システムを安定して動作させることができる。また、このような電源システムに用いられる電源ユニットを提供することができる。
実施の形態１．
（１）電源システム１００の概要
図１は、本発明の実施の形態１による電源システム１００の概略構成の一例を示した図である。電源システム１００は、電力系統から供給される交流電源２１を所望の直流電源に変換し、負荷２２に供給する電源装置である。
（１）電源システム１００の概要
図１は、本発明の実施の形態１による電源システム１００の概略構成の一例を示した図である。電源システム１００は、電力系統から供給される交流電源２１を所望の直流電源に変換し、負荷２２に供給する電源装置である。
電源システム１００は、出力線ＰｏＬを介して負荷２２に接続された２以上の電源ユニット１０～１３により構成される。各電源ユニット１０～１３は、制御端末２０からの制御パラメータＰｒに基づいて、外部から供給される交流電力を直流電力に変換し、負荷２２に直流電源を供給する。また、制御端末２０からの制御パラメータＰｒに基づいて、電源ユニット１０～１３間においてバランス調整を行う。
各電源ユニット１０～１３は、同一の構成を有する装置であり、ユニークな識別番号０～３が予め対応づけられている。識別番号は、電源ユニット１０～１３が互いを識別するためのユニット識別情報ＵＩＤである。電源ユニット１０～１３は、ユニット間通信線ＵＣＬにそれぞれ接続され、ユニット識別情報ＵＩＤを用いて、任意の電源ユニット１０～１３間で通信することができる。また、電源ユニット１０～１３は、一対の同期通信線ＺＣＬに接続され、出力開始タイミングを同期させることができる。
電源ユニット１０～１３のうち、予め定められた１つがマスターユニットＭＵ、その他がスレーブユニットＳＵであり、マスターユニットＭＵのみが制御端末２０に接続される。例えば、一番若い識別番号０が対応づけられた電源ユニット１０がマスターユニットＭＵであり、端末通信線ＴＣＬを介して、制御端末２０から制御パラメータＰｒを受信する。一方、それ以外の電源ユニット１１～１３がスレーブユニットＳＵであり、ユニット間通信線ＵＣＬを介して、マスターユニットＭＵから制御パラメータＰｒを受信する。なお、マスターユニットＭＵ及びスレーブユニットＳＵは、出力開始前のデータ通信における各電源ユニット１０～１３の機能を示すものであり、出力開始後の各電源ユニット１０～１３は、マスターユニットＭＵ及びスレーブユニットＳＵの区別なく動作する。
制御端末２０は、電源システム１００を制御する装置であり、電源ユニット１０～１３の制御パラメータＰｒを生成し、マスターユニットＭＵへ送信する。制御パラメータＰｒは、例えば、ユーザ操作に基づいて生成及び出力される。例えば、専用プログラムをインストールしたＰＣを制御端末２０として用いることができる。
端末通信線ＴＣＬは、制御端末２０及びマスターユニットＭＵ間のデータ通信に使用される有線又は無線の通信路である。制御端末２０との通信には、例えば、ＴＣＰ／ＩＰ(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)パケットを送受信するパケット通信方式を採用することができ、ＬＡＮ（Local Area Network）やインターネットを介して接続することもできる。
ユニット間通信線ＵＣＬは、電源ユニット１０～１３間のデータ通信に使用される有線の通信路である。ユニット間通信には、例えば、ＣＡＮ（Controller Area Network）規格のようなマルチマスターバス通信方式が採用され、任意の電源ユニット１０～１３から任意の電源ユニット１０～１３へデータを送信することができる。
同期通信線ＺＣＬは、出力開始を示すトリガー信号を伝達する有線の通信路であり、フォトカプラを介在させ、電源ユニット１０～１３から絶縁された一対の信号線により構成される。一対の同期通信線ＺＣＬは、導通状態又は非導通状態を遷移可能であり、トリガー信号は、一対の同期通信線ＺＣＬ間を一定の時間幅で導通させるパルス信号であり、マスターユニットＭＵ（電源ユニット１０）から全てのスレーブユニットＳＵ（電源ユニット１１～１３）へ伝達される。
（２）電源ユニット１０～１３
図２は、電源ユニット１０～１３の詳細構成の一例を示した図である。電源ユニット１０～１３は、電源主回路３０、電圧検出部３０１、電流検出部３０２、端末通信部３１、ユニット間通信部３２、ＰＷＭ駆動部３３、パラメータ記憶部３４、同期処理部３５及び制御部３６を備える。
図２は、電源ユニット１０～１３の詳細構成の一例を示した図である。電源ユニット１０～１３は、電源主回路３０、電圧検出部３０１、電流検出部３０２、端末通信部３１、ユニット間通信部３２、ＰＷＭ駆動部３３、パラメータ記憶部３４、同期処理部３５及び制御部３６を備える。
Ａ）電源主回路３０
電源主回路３０は、入力端子Ｐｉを介して電力系統から入力される交流電力を直流電力に変換し、出力端子Ｐｏを介して負荷２２へ出力する回路である。電源主回路３０の動作は、制御パラメータＰｒに基づいて制御される。具体的には、動作モードが定電流動作（ＣＣ：Constant Current）であれば、出力電流が目標値Ｃｒに一致するように動作し、定電圧動作（ＣＶ：Constant Voltage）であれば、出力電圧Ｖｏが目標値Ｃｒに一致するように制御される。目標値Ｃｒは、定電流動作における目標電流Ｉｒｅｆ又は定電圧動作における目標電圧Ｖｒｅｆである。
電源主回路３０は、入力端子Ｐｉを介して電力系統から入力される交流電力を直流電力に変換し、出力端子Ｐｏを介して負荷２２へ出力する回路である。電源主回路３０の動作は、制御パラメータＰｒに基づいて制御される。具体的には、動作モードが定電流動作（ＣＣ：Constant Current）であれば、出力電流が目標値Ｃｒに一致するように動作し、定電圧動作（ＣＶ：Constant Voltage）であれば、出力電圧Ｖｏが目標値Ｃｒに一致するように制御される。目標値Ｃｒは、定電流動作における目標電流Ｉｒｅｆ又は定電圧動作における目標電圧Ｖｒｅｆである。
電源主回路３０は、交流電力及び直流電力を双方向に変換することができる双方向電源（回生電源）であり、交流電圧を直流電圧に変換して負荷２２にエネルギーを供給する力行動作を行うだけでなく、負荷２２の状況に応じて、直流電圧を交流電圧に変換して負荷２２からエネルギーを吸収する回生動作も行うこともできる。
電源主回路３０は、交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ４０と、入出力間を絶縁する絶縁トランス４１と、出力電圧Ｖｏを制御する昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４２とにより構成される。
ＡＣ／ＤＣコンバータ４０は、交流電力及び直流電力を双方向に変換することができる双方向変換器であり、例えば、スリーステートのスイッチング素子を用いて構成することができる。
絶縁トランス４１は、１次側と２次側の間において絶縁を確保しつつ直流電力を双方向に伝達することができる双方向ＤＣ／ＤＣコンバータであり、トランス４１２と、トランス４１２の１次側に接続されたＤＣ／ＡＣコンバータ４１１と、トランス４１２の２次側に接続されたＡＣ／ＤＣコンバータ４１３とにより構成される。ＡＣ／ＤＣコンバータ４０から入力される直流は、ＤＣ／ＡＣコンバータ４１１で交流に変換され、トランス４１２を通過した後、ＡＣ／ＤＣコンバータ４１３で再び直流に変換される。トランス４１２を通過する交流を高周波にすることにより、小型のトランスを用いて絶縁することができ、装置全体を小型化することができる。
昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４２は、制御パラメータＰｒに基づいて、出力電圧Ｖｏを制御する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータであり、例えば、スイッチング回路４２１及びインダクタンス４２２で構成されるチョッパー回路を用いることができる。スイッチング回路４２１は、直列接続された２つのスイッチング素子で構成され、インダクタンス４２２の一端は、当該２つのスイッチング素子の接続点に接続される。２つのスイッチング素子は、ＰＷＭ駆動部３３からのＰＷＭ信号に基づいて、一方がオンで他方がオフとなる状態と、一方がオフで他方がオンとなる状態を交互に繰り返すように動作し、そのデューティー比に応じた出力電圧Ｖｏを生成する。
Ｂ）電圧検出部３０１、電流検出部３０２
電圧検出部３０１は、電源主回路３０の出力電圧Ｖｏを検出する手段である。電圧検出部３０１の検出値は、検出電圧Ｖｄｅｔとして制御部３６に入力される。電流検出部３０２は、電源主回路３０の出力電流Ｉｏを検出する手段である。電流検出部３０２の検出値は、検出電流Ｉｄｅｔとして制御部３６に入力される。
電圧検出部３０１は、電源主回路３０の出力電圧Ｖｏを検出する手段である。電圧検出部３０１の検出値は、検出電圧Ｖｄｅｔとして制御部３６に入力される。電流検出部３０２は、電源主回路３０の出力電流Ｉｏを検出する手段である。電流検出部３０２の検出値は、検出電流Ｉｄｅｔとして制御部３６に入力される。
Ｃ）端末通信部３１
端末通信部３１は、端末通信線ＴＣＬを介して、制御端末２０と通信するパケット通信手段である。マスターユニットＭＵの端末通信部３１は、制御パラメータＰｒを制御端末２０から受信し、制御部３６へ出力する。スレーブユニットＳＵの端末通信部３１は使用されず、マスターユニットＭＵの端末通信部３１は、マスターユニットＭＵの制御パラメータＰｒだけでなく、スレーブユニットＳＵの制御パラメータＰｒも取得する。
端末通信部３１は、端末通信線ＴＣＬを介して、制御端末２０と通信するパケット通信手段である。マスターユニットＭＵの端末通信部３１は、制御パラメータＰｒを制御端末２０から受信し、制御部３６へ出力する。スレーブユニットＳＵの端末通信部３１は使用されず、マスターユニットＭＵの端末通信部３１は、マスターユニットＭＵの制御パラメータＰｒだけでなく、スレーブユニットＳＵの制御パラメータＰｒも取得する。
Ｄ）ユニット間通信部３２
ユニット間通信部３２は、ユニット間通信線ＵＣＬを介して、電源ユニット１０～１３間でデータ通信を行うための手段である。ユニット間通信では、任意の電源ユニット１０～１３が、ユニット間通信線ＵＣＬ上に送信データを出力することができる。送信データには、送信元又は送信先のユニット識別情報ＵＩＤが含まれ、各電源ユニット１０～１３は、ユニット間通信線ＵＣＬ上の送信データを監視し、送信元又は送信先のユニット識別情報ＵＩＤに基づいて自ユニットに必要なデータを選択的に受信する。
ユニット間通信部３２は、ユニット間通信線ＵＣＬを介して、電源ユニット１０～１３間でデータ通信を行うための手段である。ユニット間通信では、任意の電源ユニット１０～１３が、ユニット間通信線ＵＣＬ上に送信データを出力することができる。送信データには、送信元又は送信先のユニット識別情報ＵＩＤが含まれ、各電源ユニット１０～１３は、ユニット間通信線ＵＣＬ上の送信データを監視し、送信元又は送信先のユニット識別情報ＵＩＤに基づいて自ユニットに必要なデータを選択的に受信する。
スレーブユニットＳＵの制御パラメータＰｒは、ユニット間通信により、マスターユニットＭＵからスレーブユニットＳＵへ送信される。また、各電源ユニット１０～１３で検出された検出電流Ｉｄｅｔ及び検出電圧Ｖｄｅｔは、バランス情報Ｂｉとして、ユニット間通信により、他の電源ユニット１０～１３へ送信される。
Ｅ）ＰＷＭ駆動部３３
ＰＷＭ駆動部３３は、制御部３６が生成する駆動信号Ｄｒに基づいて、ＰＷＭ（Pulse Wide Modulation）信号を生成し、スイッチング回路４２１へ出力する。このため、電源主回路３０は、駆動信号Ｄｒに応じた電圧を出力する。
ＰＷＭ駆動部３３は、制御部３６が生成する駆動信号Ｄｒに基づいて、ＰＷＭ（Pulse Wide Modulation）信号を生成し、スイッチング回路４２１へ出力する。このため、電源主回路３０は、駆動信号Ｄｒに応じた電圧を出力する。
Ｆ）パラメータ記憶部３４
パラメータ記憶部３４は、制御部３６が参照する各種パラメータを記憶する記憶手段であり、制御端末２０から受信した制御パラメータＰｒを保持する。制御パラメータＰｒには、動作モード情報Ｃｍ、目標値Ｃｒ及びバランス調整先情報Ｃｂが含まれる。
パラメータ記憶部３４は、制御部３６が参照する各種パラメータを記憶する記憶手段であり、制御端末２０から受信した制御パラメータＰｒを保持する。制御パラメータＰｒには、動作モード情報Ｃｍ、目標値Ｃｒ及びバランス調整先情報Ｃｂが含まれる。
動作モード情報Ｃｍは、電源システム１００の制御方法として、定電流動作（ＣＣ）又は定電圧動作（ＣＶ）を示すパラメータであり、各電源ユニット１０～１３に共通のパラメータである。目標値Ｃｒは、定電流動作（ＣＣ）時における目標電流Ｉｒｅｆ及び定電圧動作（ＣＶ）時における目標電圧Ｖｒｅｆである。バランス調整先情報Ｃｂは、バランス調整を行う際に参照する１又は２以上の他の電源ユニット１０～１３の識別番号である。バランス調整先情報Ｃｂは、制御端末２０において、ユーザがユニット構成及び動作モードを指定することにより、自動的に生成される。このため、ユーザは、バランス調整を意識することなく、電源システム１００を構築することができる。
Ｇ）同期処理部３５
同期処理部３５は、電源ユニット１０～１３の動作タイミングを同期させるための手段であり、同期端子Ｚ１，Ｚ２を介して、動作タイミングを一致させるためのトリガー信号ＴＧを送受信する。
同期処理部３５は、電源ユニット１０～１３の動作タイミングを同期させるための手段であり、同期端子Ｚ１，Ｚ２を介して、動作タイミングを一致させるためのトリガー信号ＴＧを送受信する。
同期処理部３５は、同期通信線ＺＣＬに対しトリガー信号ＴＧを出力することができ、同期通信線ＺＣＬ上のトリガー信号を検知することができる。トリガー信号ＴＧは、一対の同期通信線ＺＣＬ間の導通状態に対応するパルス信号として出力される。このため、全ての電源ユニット１０～１３においてトリガー信号ＴＧを迅速に検出することができるとともに、高いノイズ耐性を有し、誤動作を抑制することができる。
マスターユニットＭＵの同期処理部３５は、制御部３６からトリガー送信信号ｓＴＧが入力されると、一対の同期通信線ＺＣＬにトリガー信号ＴＧを出力する。一方、マスターユニットＭＵ及びスレーブユニットＳＵの各同期処理部３５は、同期通信線ＺＣＬを監視し、トリガー信号ＴＧを検出すれば、トリガー受信信号ｒＴＧを制御部３６へ出力する。
Ｈ）制御部３６
制御部３６は、検出電圧Ｖｄｅｔ又は検出電流Ｉｄｅｔに基づいて、駆動信号Ｄｒを生成し、ＰＷＭ駆動部３３を介して、電源主回路３０を制御する。また、端末通信部３１及びユニット間通信部３２を制御し、制御端末２０及び他の電源ユニット１０～１３とのデータ通信を行う。さらに、同期処理部３５を制御し、電源ユニット１０～１３間における出力開始タイミングの同期制御を行う。
制御部３６は、検出電圧Ｖｄｅｔ又は検出電流Ｉｄｅｔに基づいて、駆動信号Ｄｒを生成し、ＰＷＭ駆動部３３を介して、電源主回路３０を制御する。また、端末通信部３１及びユニット間通信部３２を制御し、制御端末２０及び他の電源ユニット１０～１３とのデータ通信を行う。さらに、同期処理部３５を制御し、電源ユニット１０～１３間における出力開始タイミングの同期制御を行う。
（３）同期処理部３５の詳細構成
図３は、同期処理部３５の詳細構成の一例を示した図である。同期処理部３５は、２つの同期端子Ｚ１，Ｚ２を有し、２以上の電源ユニット１０～１３は、一対の同期通信線ＺＣＬを用いて、端子Ｚ１同士、端子Ｚ２同士がそれぞれ接続されている。同期処理部３５は、一対の同期通信線ＺＣＬ間を導通させることによりトリガー信号を送出し、また、同期通信線ＺＣＬ間の導通状態を検出することにより、トリガー信号を受信する。
図３は、同期処理部３５の詳細構成の一例を示した図である。同期処理部３５は、２つの同期端子Ｚ１，Ｚ２を有し、２以上の電源ユニット１０～１３は、一対の同期通信線ＺＣＬを用いて、端子Ｚ１同士、端子Ｚ２同士がそれぞれ接続されている。同期処理部３５は、一対の同期通信線ＺＣＬ間を導通させることによりトリガー信号を送出し、また、同期通信線ＺＣＬ間の導通状態を検出することにより、トリガー信号を受信する。
同期処理部３５は、２つのフォトカプラ５１，５２を備える。フォトカプラ５１は、トリガー信号を送出するための送信用フォトカプラであり、フォトカプラ５２は、トリガー信号を受信するための受信用フォトカプラである。
送信用フォトカプラ５１は、制御部３６からのトリガー送信信号ｓＴＧにより駆動される発光素子５１１と、発光素子５１１の発光時に端子Ｚ１，Ｚ２間を導通させる受光素子５１２とを備える。トリガー送信信号ｓＴＧが入力されていないとき、端子Ｚ１，Ｚ２間は非導通になる一方、制御部３６からトリガー送信信号ｓＴＧが入力されているとき、端子Ｚ１，Ｚ２間が導通する。
受信用フォトカプラ５２は、一対の同期通信線ＺＣＬ間の導通により駆動される発光素子５２１と、発光素子５２１の発光時にトリガー受信信号ｒＴＧを出力する受光素子５２２とを備える。このため、一対の同期通信線ＺＣＬ間が非導通であるとき、トリガー受信信号ｒＴＧは出力されない一方、一対の同期通信線ＺＣＬ間が導通しているとき、トリガー受信信号ｒＴＧが制御部３６へ出力される。
全ての電源ユニット１０～１３の端子Ｚ１，Ｚ２は、一対の同期通信線ＺＣＬを介してそれぞれ接続され、送信用フォトカプラ５１の受光素子５１２が並列接続されている。このため、いずれか１つの電源ユニット１０～１３からトリガー信号が送信されると、一対の同期通信線ＺＣＬが導通する。受信用フォトカプラ５２の発光素子５２１は、送信用フォトカプラ５１の受光素子５１２と直列に接続され、一対の同期通信線ＺＣＬ間における導通又は非導通の状態を検出し、トリガー受信信号ｒＴＧを生成する。
図４は、電源システム１００の出力開始動作の一例を示したタイミングチャートである。図中の（ａ）は、マスターユニットＭＵ内のトリガー送信信号ｓＴＧ、（ｂ）及び（ｃ）は、各電源ユニット１０～１３のトリガー受信信号ｒＴＧ及び駆動信号Ｄｒである。ここでは、動作モードが定電圧（ＣＶ）動作であり、出力電圧Ｖｏを目標電圧Ｖｒｅｆに一致させるように出力制御が行われる。また、出力開始時には、所定の時間又は変化率で出力電圧Ｖｏを変化させた後に目標電圧Ｖｒｅｆに到達させるソフトスタート制御が行われている。マスターユニットＭＵ及びスレーブユニットＳＵは、いずれもトリガー受信信号ｒＴＧに基づいて電源出力を開始する。
マスターユニットＭＵは、ユニット間通信部３２が、制御パラメータＰｒを全てのスレーブユニットＳＵへ送信した後、制御部３６がトリガー送信信号ｓＴＧを生成し、同期処理部３５が、同期通信線ＺＣＬへトリガー信号ＴＧを出力する。トリガー送信信号ｓＴＧは、所定幅のパルス信号として生成される。
マスターユニットＭＵ及びスレーブユニットＳＵでは、一対の同期通信線ＺＣＬが導通すれば、同期処理部３５がトリガー受信信号ｒＴＧを生成し、制御部３６へ出力する。制御部３６は、トリガー受信信号ｒＴＧの受信タイミングに基づいて駆動信号Ｄｒの出力を開始し、電源主回路３０が電源出力を開始する。図中では、トリガー受信信号ｒＴＧの開始エッジに基づいて駆動信号Ｄｒを出力しているが、トリガー受信信号ｒＴＧの終了エッジに基づいて駆動信号Ｄｒを出力することもできる。
トリガー受信信号ｒＴＧは、トリガー送信信号ｓＴＧと同様のパルス信号であり、トリガー送信信号ｓＴＧよりも遅延時間ｔＤだけ遅れる。遅延時間ｔＤは、主にフォトカプラ５１，５２の遅延時間であり、数十マイクロ秒程度である。このため、制御部３６による制御周期、例えば２５０マイクロ秒と比べても十分に短い時間であり、無視することができる。
ここで、ユニット間通信線ＵＣＬを介したデジタル通信により、電源ユニット１０～１３間で出力開始指令を伝達した場合、通信時間は、遅延時間ｔＤよりも遥かに長くなるとともに、通信時間にばらつきが生じる。このため、電源ユニット１０～１３の出力開始タイミングに有意なずれが生じ、出力開始時の動作が不安定になるという問題がある。これに対し、同期通信線ＺＣＬを介してトリガー信号を迅速に伝送することにより、電源出力の開始タイミングをほぼ同期させることができ、出力開始時における動作を安定化することができる。全く同様にして、出力中に目標値を変更する場合にも、絶縁通信線ＺＣＬを介してトリガー信号を伝送することにより、電源ユニット１０～１３の出力変更タイミングをほぼ同期させることができ、出力変更時における動作を安定化することができる。
また、トリガー信号を導通又は非導通の状態として伝達することにより、ノイズ耐性を向上させ、誤動作を防止することができる。さらに、フォトカプラを介在させることにより、ノイズ耐性をさらに向上させることができる。
なお、フォトカプラ５１，５２の遅延時間ｔＤは、極めて短い時間であるため、マスターユニットＭＵでは、トリガー受信信号ｒＴＧではなく、トリガー送信信号ｓＴＧに基づいて、駆動信号Ｄｒを出力することもできる。
（４）出力開始時の動作
図５のステップＳ１０１～Ｓ１０６は、マスターユニットＭＵの動作の一例を示したフローチャートである。このフローチャートは、制御端末２０からのデータ送信要求により開始される。
図５のステップＳ１０１～Ｓ１０６は、マスターユニットＭＵの動作の一例を示したフローチャートである。このフローチャートは、制御端末２０からのデータ送信要求により開始される。
端末通信部３１が、端末通信線ＴＣＬを介して、制御端末２０から制御パラメータＰｒを受信する（ステップＳ１０１）。受信データのうち、マスターユニット用の制御パラメータＰｒはパラメータ記憶部３４に格納され、スレーブユニット用の制御パラメータＰｒは、ユニット間通信部３２が、ユニット間通信線ＵＣＬを介して、各スレーブユニットＳＵへ送信する（ステップＳ１０２）。制御パラメータＰｒを受信した各スレーブユニットＳＵは、マスターユニットＭＵへデータ受信の確認返信を送信する。
ユニット間通信部３２は、各スレーブユニットＳＵから確認返信を受信する。全てのスレーブユニットＳＵから確認返信を受信した後、同期処理部３５が、同期通信線ＺＣＬにトリガー信号ＴＧを送信する（ステップＳ１０３、Ｓ１０４）。当該トリガー信号ＴＧを同期処理部３５が受信すれば、制御部３６が駆動信号Ｄｒを生成し、電源主回路３０が出力を開始する（ステップＳ１０５、Ｓ１０６）。
図６のステップＳ２０１～Ｓ２０４は、スレーブユニットＳＵの動作の一例を示したフローチャートである。このフローチャートは、マスターユニットＭＵからの制御パラメータＰｒの送信により開始される。
ユニット間通信部３２が、マスターユニットＭＵから制御パラメータＰｒを受信する（ステップＳ２０１）。受信した制御パラメータＰｒは、パラメータ記憶部３４に格納され、マスターユニットＭＵに対し、受信の確認返信を送信する（ステップＳ２０２）。その後、同期処理部３５がトリガー信号ＴＧを受信すれば、制御部３６が駆動信号Ｄｒを生成し、電源主回路３０が出力を開始する（ステップＳ２０３、Ｓ２０４）。
実施の形態２．
上記実施の形態では、同期通信線ＺＣＬを介してトリガー信号を伝送し、電源ユニット１０～１３の出力開始タイミングを同期させる電源システム１００の例について説明した。これに対し、本実施の形態では、同期通信線ＺＣＬを用いて、任意の電源ユニット１０～１３における異常発生を他の電源ユニット１０～１３へ迅速に伝達する例について説明する。
上記実施の形態では、同期通信線ＺＣＬを介してトリガー信号を伝送し、電源ユニット１０～１３の出力開始タイミングを同期させる電源システム１００の例について説明した。これに対し、本実施の形態では、同期通信線ＺＣＬを用いて、任意の電源ユニット１０～１３における異常発生を他の電源ユニット１０～１３へ迅速に伝達する例について説明する。
電源システム１００が負荷２２に電源を供給しているときに、２以上の電源ユニット１０～１３のいずれかに故障が発生した場合、例えば、異常な温度上昇が検出された場合、当該電源ユニット１０～１３の出力低下により、他の電源ユニット１０～１３に過大な負荷がかかり、正常な電源ユニット１０～１３を損傷するおそれがある。このため、電源出力中の電源ユニット１０～１３のいずれかに異常が発見された場合、全ての電源ユニット１０～１３の出力動作を迅速に停止させることが望ましい。そこで、同期通信線ＺＣＬを用いて、故障した電源ユニット１０～１３から正常な電源ユニット１０～１３へエラー信号ＥＲを伝送することにより、全ての電源ユニット１０～１３の出力を迅速に停止させる。エラー信号ＥＲは、出力開始用のトリガー信号ＴＧと区別可能な信号として、同期信号線ＺＣＬへ送信される。
図７は、本発明の実施の形態２による電源システム１００の動作の一例を示したタイミングチャートである。図中の（ａ）～（ｄ）には、電源ユニット１０～１３の同期処理部３５に入力されるトリガー送信信号ｓＴＧが示され、（ｅ）には、各電源ユニット１０～１３の駆動信号Ｄｒが示されている。電源システム１００の構成は、図１の場合と同一であるため、重複する説明を省略する。
トリガー信号ＴＧは、マスターユニットＭＵのみが送信する信号であるのに対し、エラー信号ＥＲは、マスターユニットＭＵ又はスレーブユニットＳＵにかかわらず、任意の電源ユニット１０～１３が送信可能な信号である。また、トリガー信号ＴＧは、出力開始のための信号であり、電源の出力開始前に送信されるのに対し、エラー信号ＥＲは、異常の発生を知らせるとともに、出力を停止するための信号であり、電源の出力中に送信される。
トリガー信号ＴＧとエラー信号ＥＲは、信号出力時間を異ならせることにより区別される。例えば、エラー信号ＥＲのパルス幅ｗＥＲは、トリガー信号ＴＧのパルス幅ｗＴＧよりも長く、同期通信線ＺＣＬ上にいずれかの信号が出力された場合、その継続時間に基づいて、トリガー信号ＴＧ又はエラー信号ＥＲのいずれであるのかを判別することができる。
マスターユニットＭＵ（ＵＩＤ＝０）が、トリガー信号ＴＧを出力した場合、各スレーブユニットＳＵ（ＵＩＤ＝１～３）は、信号継続時間がｗＴＧであることから、その信号がトリガー信号ＴＧであると判別することができる。各電源ユニット１０～１３の制御部３６は、トリガー受信信号ｒＴＧの終了エッジのタイミングに基づいて、駆動信号Ｄｒを生成し、電源主回路３０が出力を開始する。
電源出力中のスレーブユニットＳＵ（ＵＩＤ＝２）に故障が発生した場合、当該電源ユニット１３からエラー信号が出力される。この信号の継続時間がｗＥＲであることから、その信号がエラー信号ＥＲであると判別することができる。各電源ユニット１０～１３の制御部３６は、エラー信号ＥＲの終了エッジのタイミングに基づいて、駆動信号Ｄｒの生成を停止し、電源主回路３０が出力を停止する。
図８は、本発明の実施の形態２による電源システム１００の動作の他の例を示したタイミングチャートである。図中の（ａ）～（ｄ）には、電源ユニット１０～１３の同期処理部３５に入力されるトリガー送信信号ｓＴＧが示され、（ｅ）には、各電源ユニット１０～１３の駆動信号Ｄｒが示されている。
トリガー信号ＴＧとエラー信号ＥＲは、パルス信号の連続出力回数を異ならせることにより区別される。例えば、トリガー信号ＴＧ及びエラー信号ＥＲを構成するパルス信号の幅は同一であるが、トリガー信号ＴＧが、十分な時間間隔をあけて送信される単一パルスであるのに対し、エラー信号ＥＲは、２つのパルス信号が短いインターバル時間ｔＢを挟んで連続出力される。
トリガー信号ＴＧ及びエラー信号ＥＲを受信する電源ユニット１０～１３は、１つのパルス信号を検出した後、さらにインターバル時間ｔＢを経過した後に、トリガー信号ＴＧ又はエラー信号ＥＲのいずれであるのかを判別することができる。
本実施の形態によれば、同期通信線ＺＣＬを介して、トリガー信号ＴＧだけでなく、エラー信号ＥＲも伝送することができる。このため、いずれかの電源ユニット１０～１３に故障などの異常が発生した場合、全ての電源ユニットの出力を迅速に停止させることができ、正常な電源ユニットを損傷するのを防止することができる。また、エラー信号ＥＲをトリガー信号ＴＧと区別可能な信号として電源ユニット１０～１３間で伝送することにより、安価に実現することができる。
１００ 電源システム
１０～１３ 電源ユニット
２０ 制御端末
２１ 交流電源
２２ 負荷
３０ 電源主回路
３０１ 電圧検出部
３０２ 電流検出部
３１ 端末通信部
３２ ユニット間通信部
３３ ＰＷＭ駆動部
３４ パラメータ記憶部
３５ 同期処理部
３６ 制御部
４１ 絶縁トランス
４１２ トランス
４２１ スイッチング回路
４２２ インダクタンス
４２ 昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ
５１ 送信用フォトカプラ
５２ 受信用フォトカプラ
Ｂｉ バランス情報
Ｐｒ 制御パラメータ
Ｃｍ 動作モード情報
Ｃｒ 目標値
Ｃｂ バランス調整先情報
Ｄｒ 駆動信号
Ｉｄｅｔ 検出電流
Ｉｏ 出力電流
Ｉｒｅｆ 目標電流
Ｖｄｅｔ 検出電圧
Ｖｏ 出力電圧
Ｖｒｅｆ 目標電圧
ＭＵ マスターユニット
ＳＵ スレーブユニット
ＴＣＬ 端末通信線
ＵＣＬ ユニット間通信線
ＺＣＬ 同期通信線
ＴＧ トリガー信号
ｒＴＧ トリガー受信信号
ｓＴＧ トリガー送信信号
１０～１３ 電源ユニット
２０ 制御端末
２１ 交流電源
２２ 負荷
３０ 電源主回路
３０１ 電圧検出部
３０２ 電流検出部
３１ 端末通信部
３２ ユニット間通信部
３３ ＰＷＭ駆動部
３４ パラメータ記憶部
３５ 同期処理部
３６ 制御部
４１ 絶縁トランス
４１２ トランス
４２１ スイッチング回路
４２２ インダクタンス
４２ 昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ
５１ 送信用フォトカプラ
５２ 受信用フォトカプラ
Ｂｉ バランス情報
Ｐｒ 制御パラメータ
Ｃｍ 動作モード情報
Ｃｒ 目標値
Ｃｂ バランス調整先情報
Ｄｒ 駆動信号
Ｉｄｅｔ 検出電流
Ｉｏ 出力電流
Ｉｒｅｆ 目標電流
Ｖｄｅｔ 検出電圧
Ｖｏ 出力電圧
Ｖｒｅｆ 目標電圧
ＭＵ マスターユニット
ＳＵ スレーブユニット
ＴＣＬ 端末通信線
ＵＣＬ ユニット間通信線
ＺＣＬ 同期通信線
ＴＧ トリガー信号
ｒＴＧ トリガー受信信号
ｓＴＧ トリガー送信信号
Claims (5)
- ２以上の電源ユニットを備え、前記電源ユニットが協働して共有の負荷に対し直流電源を供給する電源システムにおいて、
前記電源ユニットは、
外部から入力される交流電源を直流電源に変換する電源主回路と、
前記電源主回路を制御する制御部と、
一対の同期信号線にそれぞれ接続される一対の同期端子と、
前記一対の同期信号線間を導通させてトリガー信号を出力する送信部と、
前記一対の同期信号線間の導通状態を検出し、前記トリガー信号を受信する受信部と、を備え、
前記電源主回路は、前記トリガー信号の受信タイミングに基づいて、出力を開始することを特徴とする電源システム。 - 前記２以上の電源ユニットのうち、予め定められた１つの前記電源ユニットが、前記トリガー信号を送信することを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
- 前記送信部及び前記受信部は、フォトカプラをそれぞれ備え、
前記一対の同期信号線は、前記フォトカプラにより前記電源ユニットから絶縁されていることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。 - 前記電源主回路は、前記トリガー信号のエッジに基づいて、出力を開始することを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
- 他の電源ユニットと接続され、前記他の電源ユニットと協働して共有の負荷に対し直流電源を供給する電源ユニットにおいて、
外部から入力される交流電源を直流電源に変換する電源主回路と、
前記電源主回路を制御する制御部と、
一対の同期信号線にそれぞれ接続される一対の同期端子と、
前記一対の同期信号線間を導通させてトリガー信号を出力する送信部と、
前記一対の同期信号線間の導通状態を検出し、トリガー信号を受信する受信部と、を備え、
前記電源主回路は、前記トリガー信号の受信タイミングに基づいて、出力を開始することを特徴とする電源ユニット。
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|---|---|---|---|
| KR1020237005276A KR20230113271A (ko) | 2021-01-27 | 2021-01-27 | 전원 시스템 및 전원 유닛 |
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|---|---|---|---|
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- 2021-01-27 US US18/039,973 patent/US20240006880A1/en active Pending
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