(57)【要約】  本発明は、冗長電圧源での短絡電流からデカップリングするための冗長モジュールに関する。冗長モジュールは、少なくとも２つの電源ユニットを備え、入力の数は、少なくとも電源ユニットの数に対応する。各個の入力が、出力電流を提供するために、出力の共通の電流ノードに、別々の電流経路を介して経路指定される。各個の電流経路が、デカップリング部分を形成し、各個のデカップリング部分が、少なくとも１つの測定要素に、入力電圧、入力電流、および／または入力電力を測定するために割り当てられ、制御要素に、調節のために割り当てられる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冗長電圧源での短絡電流をデカップリングするための冗長モジュールであって、少なくとも２つの電源ユニット、および、少なくとも電源ユニットの数に対応するいくつかの入力を備え、各個の入力が、出力電流を提供するために、出力の共通の電流ノードに、別々の電流経路を介して経路指定され、各個の電流経路が、デカップリング部分を形成し、各個のデカップリング部分が、それに関連する少なくとも１つの測定要素を、入力電圧、入力電流、および／または入力電力を測定するために有し、制御要素を、調節目的のために有する冗長モジュール。
【請求項２】
前記測定要素および前記制御要素が、電流、電圧、および／または電力の調節のために適合される、制御および調節デバイスに接続される、請求項１に記載の冗長モジュール。
【請求項３】
前記制御および調節デバイスが、前記出力電流を前記電流経路に対称的に分配するように、または、前記出力電流を定義された比を伴う電流に分配するように適合される、請求項２に記載の冗長モジュール。
【請求項４】
前記制御要素が、ＭＯＳＦＥＴを備え、前記測定要素が、測定抵抗器を備え、前記ＭＯＳＦＥＴおよび測定抵抗器が、前記デカップリング部分の前記電流経路で直列に接続される、請求項３に記載の冗長モジュール。
【請求項５】
各個のデカップリング部分の前記ＭＯＳＦＥＴが、それに対して並列に接続されるダイオードを有する、請求項４に記載の冗長モジュール。
【請求項６】
各個のデカップリング部分の前記測定要素が、それと関連するセンス・アンプを有する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の冗長モジュール。
【請求項７】
各個のデカップリング部分が、前記それぞれの制御要素および前記測定要素に直列に接続されるデカップリング・ダイオードを備える、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の冗長モジュール。
【請求項８】
前記デカップリング部分が、温度を監視するために、前記制御および調節デバイスに接続される測定要素を備える、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の冗長モジュール。
【請求項９】
前記制御および調節デバイスが、前記デカップリング部分の入力で、前記電源ユニットでの故障または短絡を検出するように、かつ、影響を受けた電流経路をスイッチオフするように適合される、請求項８に記載の冗長モジュール。
【請求項１０】
前記制御および調節デバイスが、診断、プログラミング、およびパラメータ化のために、ならびに、システム、機械、またはデバイスの、他の制御および調節デバイスとの通信のために適合される、いくつかのデジタルおよび／またはアナログのインターフェースを備える、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の冗長モジュール。
【請求項１１】
少なくとも第２の冗長モジュールが、前記出力に対して並列に接続され、前記並列接続の冗長モジュールが、相互に通信するように、かつ、すべてのデカップリング部分に対する、対称な、またはあらかじめ定義された電流分配のための共通の制御を提供するように適合される、請求項１０に記載の冗長モジュール。
【請求項１２】
少なくとも２つの電源ユニットを有する冗長電圧源、および、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の冗長モジュールを提供するための方法であって、
（ａ）前記デカップリング部分に付与される前記入力電圧を決定するステップ、
（ｂ）電圧が付与されないデカップリング部分での前記制御要素を動作不能にするステップ、
（ｃ）最も低い正の入力電圧が提供される前記デカップリング部分での前記制御要素を、最小の抵抗値に調整するステップ、
（ｄ）電流、電圧、および／または電力の測定データを、すべてのデカップリング部分で決定するステップ、
（ｅ）少なくとも１つのさらなるデカップリング部分の前記制御要素を調節するステップであって、最も低い入力電圧が付与される前記デカップリング部分の前記測定された値が、それぞれの調節のための目標値として決定されるステップ
を含む方法。
【請求項１３】
前記制御要素が、前記デカップリング部分を通って流れる前記電流の関数の形で調節される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記制御要素が、その出力電圧の関数の形で調節される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記入力電圧が、前記冗長モジュールの前記入力で継続的に監視され、それによって、電源ユニットの故障または短絡の場合に、前記関連するデカップリング部分を通る前記電流がスイッチオフされる、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冗長電圧源での短絡電流をデカップリングする（ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ）ための冗長モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
可用性および信頼性に関して高い要求事項に従わなければならない、電気的なシステム、機械、またはデバイスでは、制御および安全性に関する機能が、冗長電圧源により提供される。この冗長性は、例えば、並列に動作するそれぞれのデバイスに給電する、少なくとも２つの結合した電源ユニットにより保証される。個別の電源ユニットの出力電力は、少なくとも、電源ユニットの一方の故障の場合に、残されている電源ユニットにより必要な電力が提供されるように、大きさが設定される。
【０００３】
並列接続の電源ユニットは、出力側での共通の電流ノードに経路指定され、そこから、提供される総電力が、システム、機械、またはデバイスのそれぞれの消費部分に分配される。電源ユニットでの障害の結果として発生し得る、電源ユニットのいずれかでの出力側での短絡の場合に、共通の電流ノードが、結果として起こる短絡電流により負荷を受けないように、この場合には、電源ユニットを相互にデカップリングすることが必要である。この目的で、一般に、並列に接続されるべき電源ユニットの各個に別々の入力を提供する、いわゆる冗長モジュールが使用され、これらの入力の各個は、デカップリング・ダイオードを介して、共通の出力に経路指定される。Ｏリング回路としても知られるそのような回路は、正常動作ではすべての並列の電源ユニットがその出力電流を給電する、冗長モジュールの出力での共通の電流ノードから、短絡した電源ユニットをデカップリングする。例えば、短絡の事象において、電源ユニットの出力電圧がゼロ電位に降下するならば、その結果は、対応する入力と冗長モジュールの出力での電流ノードとの間の負の電圧降下であり、それによって、デカップリング・ダイオードが、起こり得る短絡電流を遮断する。
【０００４】
正常動作で、デカップリング・ダイオードでの可能な限り低い電力散逸を生み出すために、冗長モジュールは、典型的に、約４００ｍＶの低い順方向電圧を呈するショットキー・ダイオードを使用する。対応する冗長モジュールもまた、集積されたデバイスとして、いわゆるＯリング・ダイオードの形式で知られている。
【０００５】
この知られている冗長モジュールの欠点は、並列動作の冗長電源ユニットは、共通の電流ノードに給電する場合に、不均等に負荷を受け、それによって、個別の電源ユニットの動作寿命が短くなるということである。知られている冗長モジュールの別の欠点は、デカップリング・ダイオードの動作性、および冗長性の存在が監視され得ないということである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、少なくとも２つの電源ユニットを伴う冗長電圧源を提供することであり、それによって、システム、機械、またはデバイスの可用性が著しく増大し、特に上述の欠点が回避される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的を実現するために、本発明は、少なくとも２つの電源ユニットを有する冗長電圧源での短絡電流をデカップリングするための冗長モジュールを提案する。
【０００８】
冗長モジュールは、少なくとも電源ユニットの数に等しいいくつかの入力を有し、各個の入力が、出力電流を提供するために、出力の共通の電流ノードに、別々の電流経路を介して経路指定され、電流経路の各個が、デカップリング部分を形成する。各個のデカップリング部分が、それに関連する少なくとも１つの測定要素を、入力電圧、入力電流、および／または入力電力を測定するために有し、制御要素を、調節（ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ）目的のために有する。
【０００９】
そのような冗長モジュールにより、各個のデカップリング部分の経路電流および電圧降下の有利な調節が可能になる。
【００１０】
測定要素および制御要素は、電流、電圧、および／または電力を調節するように適合される、制御および調節デバイスに接続され得る。
【００１１】
本発明は、冗長モジュールの出力でそのそれぞれのいくつかの入力と、共通の電流ノードとの間の電流経路での電流を調節することを可能にする、能動的なデカップリング部分を伴う冗長モジュールを提供し、それによって、冗長モジュールの出力で提供される総電流が、等しい経路電流に対称的に分配され得る、または、あらかじめ定義された異なる経路電流に分配され得る。
【００１２】
制御および調節デバイスは、例えば、制御要素を駆動し測定データを取得するためのデジタル・アナログ変換器を備えるマイクロコントローラに実装され得る。
【００１３】
制御および調節デバイスは、出力電流を対称的に、または、定義された比を伴う電流に分配するように適合され得る。
【００１４】
制御要素は、ＭＯＳＦＥＴを備える場合があり、測定要素は、測定抵抗器を備える場合があり、ＭＯＳＦＥＴおよび測定抵抗器は、デカップリング部分の電流経路で直列に接続される。
【００１５】
デカップリング部分でＭＯＳＦＥＴに直列に接続される測定抵抗器は、デカップリング部分の電流経路を通って流れる電流を電圧降下から決定することができ、その電流は、電流調節用のパラメータとして役立つ。有利には、そのような電流測定によって、低い抵抗の測定抵抗器が、電流経路での測定要素として使用され得るものであり、それによって、デカップリング部分での電力散逸は低い。
【００１６】
オーム性の測定抵抗器に対する代替物として、ＭＯＳＦＥＴに直列に接続されるダイオードが、デカップリング部分での経路電流を検知するために使用され得る。さらに、誘導電流測定が可能である。
【００１７】
電流測定の代わりに、各個の制御要素の出力での電圧を検出することは、本発明の範囲内であり、それによって、制御要素は電圧制御型であり得る。
【００１８】
一般に、ＩＧＢＴ、またはバイポーラ・トランジスタなどの、他の制御可能な半導体構成要素もまた、制御要素として適する。
【００１９】
冗長モジュールでは、例えば冗長モジュールの出力での短絡により発生する場合がある過電流からトランジスタを保護するために、ダイオードが、各個のデカップリング部分のＭＯＳＦＥＴに対して並列に接続され得る。
【００２０】
好ましくは、各個のデカップリング部分の測定要素は、それと関連するセンス・アンプを有する場合がある。センス・アンプは、測定抵抗での非常に小さな電圧差を検出することができ、それらを制御および調節デバイス用に処理することができる。これにより、デカップリング部分での電力散逸をさらに低減するために、きわめて低い抵抗の測定抵抗器を使用することが可能になる。
【００２１】
デカップリング部分は、温度および入力電圧を監視するための測定要素をさらに含み得るものであり、それらの要素は、調節デバイスに接続される。このように、デカップリング部分は、制御および調節デバイスにより監視され得る。
【００２２】
その調節デバイスによって、冗長モジュールは、各個のデカップリング部分の入力で、電源ユニットの故障または短絡を検出するように、かつ、それぞれの電流経路でのトランジスタを遮断することにより、影響を受けた電流経路をスイッチオフするように適合される。
【００２３】
入力側での短絡のそのような能動的なデカップリングによって、本発明により、それぞれの電流経路でのデカップリング・ダイオードが不要となる。
【００２４】
当然ながら、能動的なデカップリングの代わりに、ショットキー・ダイオードを使用する短絡電流のデカップリングが、なお提供される場合がある。
【００２５】
冗長モジュールの制御および調節デバイスは、診断、プログラミング、およびパラメータ化のために、ならびに、システム、機械またはデバイスの、他の制御および調節デバイスとの通信のために適合される、いくつかのデジタルおよび／またはアナログのインターフェースを備え得る。
【００２６】
したがって、例えば、必要ならば、個別の冗長電源ユニットの故障、またはデカップリング部分の切迫した熱的過負荷が信号で伝えられる場合があり、それによって、システム、機械、またはデバイスは、安全な状態に導かれ得る。
【００２７】
冗長モジュールは、少なくとも第２の冗長モジュールが、出力に対して並列に接続され得るものであり、並列接続の冗長モジュールは、相互に通信するように、かつ、すべてのデカップリング部分に対する、対称な、またはあらかじめ定義された電流分配のための共通の制御を提供するように適合される。
【００２８】
このように、本発明は、共通の母線または電力線を介した分散型冗長電源を考慮し、一方で、制御および調節デバイスの通信によって、すべての電源ユニットに対する、電流または電力それぞれの対称な分配を可能にする。これは、さらなる電源ユニットを追加導入する場合に、特に有利である。
【００２９】
本発明は、少なくとも２つの電源ユニットを有する冗長電圧源、および、本発明による冗長モジュールを提供するための方法であって、
（ａ）デカップリング部分に付与される入力電圧を決定するステップ、
（ｂ）電圧が付与されないデカップリング部分での制御要素を動作不能にするステップ、
（ｃ）最も低い正の入力電圧がその入力に付与されるデカップリング部分を決定するステップ、
（ｄ）最も低い正の入力電圧が提供されるデカップリング部分の電流経路での制御要素を、最小の抵抗値に調整するステップ、
（ｅ）経路電流、電圧、および／または電力の測定データを、すべてのデカップリング部分で決定するステップ、
（ｆ）少なくとも１つのさらなるデカップリング部分の制御要素を調節するステップであって、最も低い入力電圧が付与されるデカップリング部分の測定された値が、それぞれの調節のための目標値として決定されるステップ
を含む方法をさらに備える。
【００３０】
制御要素は、デカップリング部分を通って流れる電流の関数の形で調節され得る。
【００３１】
調節される電流経路の各個での電流の絶対量は、出力を通って接続される負荷に流れる総電流に起因する。
【００３２】
最も低い入力電圧が検出されるデカップリング部分の電流経路は調節されず、それによって、対応する経路電流は、少なくとも１つのさらなる電流経路の各個の調節の目標値用の基準値として供給され得る。偏差を調節することにより、経路間の電流のバランスが確立される。
【００３３】
あるいは、制御要素は、その出力電圧の関数の形で調節される。
【００３４】
この方法は、入力電圧を、冗長モジュールの入力で継続的に監視することを可能にし、それによって、電源ユニットの故障または短絡の場合に、関連するデカップリング部分が切断される。このようにして、それは、調節機構から除去され得るものであり、それによって、システム、機械、またはデバイスは、調節機構内に残されている電源ユニットによって、その電源を維持する。
【００３５】
次に、一例の実施形態を、および添付の図面を参照して、本発明を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】可変抵抗器を伴う２つのデカップリング部分を有する冗長モジュールの動作を示す図である。
【図２】各個がデカップリング・ダイオード、ならびに、制御可能な、もしくは調節可能なＭＯＳＦＥＴを含む、２つの並列接続のデカップリング部分を有する冗長モジュールの第１の実施形態を示す図である。
【図３】ダイオードがＭＯＳＦＥＴの各個に対して並列に接続される、２つのデカップリング部分を有する冗長モジュールの第２の実施形態を示す図である。
【図４】制御可能な、または調節可能なＭＯＳＦＥＴを伴い、直列に接続されるデカップリング・ダイオードを伴わない、２つのデカップリング部分を有する冗長モジュールの第３の好適な実施形態を示す図である。
【図５】２つの並列に動作するデカップリング部分、ならびに制御および調節のユニットを有する完全な冗長モジュールを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図１を参照して、２つのデカップリング部分を伴う冗長モジュールの動作を解説する。図に示さない２つの電源ユニットが、その２次側で冗長モジュールの入力ＩＮ１およびＩＮ２に接続され、電流経路の入力で電圧ＵＩＮ１およびＵＩＮ２を提供する。冗長モジュールにより電力供給されることになる、同様に図に示さない負荷が、回路の出力ＯＵＴに接続され得る。出力は、すべてのデカップリング部分の電流経路の出力に対する共通の電流ノードを形成する。基準電位ＧＮＤが、電源ユニットの対応する端子に接続される。
【００３８】
ダイオードＤ１およびＤ２は、入力の短絡の場合に、冗長モジュールの出力ＯＵＴから短絡した入力へのリターン電流を阻止することが意図されるデカップリング・ダイオードである。
【００３９】
可変抵抗器Ｒ１１およびＲ２１は、制御回路の一例の制御要素であり、それによって、供給する電源ユニットの電流経路間の電流のバランスが調節され得る。経路電流は、それぞれの測定抵抗器Ｒ１およびＲ２により、各個測定される。
【００４０】
電流のバランスを調節するために、第１の電流経路、すなわち、より低い入力電圧がその入力に付与される電流経路の可変抵抗器が、最小の抵抗値に調整される。第２の電流経路、すなわち、２つの例示する電流経路の他方のものでの可変抵抗器が、電流のバランスを調節する調節機構の能動的な制御要素である。２つの電流経路の検知された電流データが、調節デバイスに供給され、より低い入力電圧を伴う経路の電流が、第２の電流経路の調節のための目標値を規定する。
【００４１】
第１および第２の経路電流の間の差に起因する、調節されるべき偏差の関数の形で、第２の電流経路での能動的な可変抵抗器の値が、両方の電流が等化されるまで変動される。接続される負荷によって決まり、時間的に、少なくとも期間にわたって一定である、回路の出力での総電流に、２つの経路電流の総和は起因するので、調節処理は、両方の経路電流に常に影響を及ぼす。
【００４２】
本発明によって、最も小さな出力電圧を伴う電源ユニットが接続されるデカップリング部分の経路電流を、他の電流経路用の制御回路の目標値としてそれぞれ規定することにより、３つ以上の電源ユニットの並列動作が可能になる。すべての経路電流の総和は、出力での負荷により規定されるので、すべての電流経路は、対称な電流負荷によって相互にバランスがとられる。
【００４３】
図２は、２つの並列のデカップリング部分の第１の実施形態を例示する。ダイオードＤ１およびＤ２は、好ましくは、約４００ｍＶの低い順方向電圧によりきわだち、したがってシリコン・ダイオードと比較して、より低い電力損失を電流経路でもたらすショットキー・ダイオードの形式で設けられる。可変抵抗器を、線形領域で動作するＭＯＳトランジスタＴ１およびＴ２として示す。例示するような回路により、接続される電源ユニットの出力電圧の相当量の違いを均一にすることが可能になる。
【００４４】
図３は、２つのデカップリング部分が並列に接続される冗長モジュールの別の実施形態を示す。図２での例示とは違い、トランジスタＴ１およびＴ２は、それらに対して並列に接続されるそれぞれのダイオードＤ１１およびＤ２１をさらに有する。これらは、例えば、冗長モジュールの出力での短絡の場合に、過電流から保護する働きをする。ＭＯＳＦＥＴのドレインとソースとの間で降下する電圧が、それぞれのダイオードの順方向電圧を超えると、後者は、経路電流を受け入れ、トランジスタを突破から保護することができる。好ましくは、ショットキー・ダイオードが、ダイオードＤ１１およびＤ２１として使用される。この場合では、最大４００ｍＶの電源ユニットの電圧差が、経路電流を調節することにより相殺され得る。
【００４５】
図４は、対称的に調節可能な経路電流を伴う冗長モジュールのための、２つの並列接続のデカップリング部分を伴う特に好適な実施形態を例示する。本発明の冗長モジュールの特有の利点は、原則として、従来の冗長モジュールのデカップリング・ダイオードが不要になり得るということである。以下で説明するように、本発明の冗長モジュールの制御および／または調節デバイスは、入力電圧を監視することを可能にする手段を備える。例えば、電源ユニットの１つで発生する入力側での短絡の場合に、それぞれのトランジスタを伴う関連する電流経路がスイッチオフされ得るものであり、それによって、電流ノードからの出力電流のリターン流が能動的に抑制される。ＭＯＳＦＥＴに対して並列に接続されるダイオードＤ１１およびＤ２１により、調節デバイスおよび／またはトランジスタの故障の場合に、冗長モジュールの緊急動作が可能になる。
【００４６】
図５は、完全な冗長モジュールを示し、２つの並列に動作するデカップリング部分、ならびに制御および調節デバイスが、これらのモジュールに接続される。調節デバイスは、例えば、マイクロコントローラ・デバイスおよび関連する周辺装置により実装され、電流経路用の電流調節の体制に加えて、数多くの入出力インターフェースを提供する。これらには、例えば、診断目的のために、ならびに、動作モード、警告、警報、およびエラーを表示するために使用される発光ダイオードＬＥＤ、例えば動作モードを設定するための制御要素ＣＮＴ、または、リレー接点もしくは電子ドライバを使用して実装されるデジタル出力ＤＯがある。ＣＯＭＭインターフェースを介して、冗長モジュールは、システム、デバイス、または機械のより高いレベルのコントローラと通信することができる。
【００４７】
デカップリング部分は、本質的に、図４を参照して上記で説明したものに対応し、各個のものが、ＭＯＳＦＥＴ、Ｔ１およびＴ２であって、それらに対して並列にショットキー・ダイオード、Ｄ１１およびＤ２１がそれぞれ接続される、ＭＯＳＦＥＴ、Ｔ１およびＴ２をそれぞれ、ならびに、直列に接続される低インピーダンスの測定抵抗器を備える。各個のデカップリング部分は、それに関連する温度センサを有し、そのセンサによって、診断目的のためにＭＯＳＦＥＴを監視することが可能になる。測定抵抗器は各個、それらに対して並列に接続されるセンス・アンプ、ＯＰ１およびＯＰ２をそれぞれ、抵抗器を通るそれぞれの経路電流と線形の関係がある、検知された電圧差を増幅するために有する。
【００４８】
入力側では、各個のデカップリング部分は、電圧タップを有し、それによって、各個の電流経路の入力電圧が、調節デバイスのマイクロコントローラにより検出され得る。
【００４９】
適宜、冗長モジュールの入力および出力は、例えばノイズ・フィルタおよび／または過電圧フィルタを含む保護回路ＰＲＯＴに接続され得る。電流経路のトランジスタもまた、そのような保護回路に接続され得る。
【００５０】
２つの入力電圧Ｕ１およびＵ２は、２つの冗長電源ユニットに対する対称な電流分配のための調節の開始のために必要とされる。この目的で、まず、電源ユニットにより提供される電圧が、冗長モジュールの入力で取り出され、調節デバイスに給電される。
【００５１】
電圧Ｕ１およびＵ２により、調節デバイスが、接続される電源ユニットの動作性を調査することが可能になる。電圧のいずれかが、基準電位に、または少なくとも指定されたしきい値より低く低下するならば、対応する電流経路での関連するトランジスタが遮断され得る。調節デバイスは、この電流経路を最も低い入力電圧を伴う電流経路とは解釈しないことになる。調節用の基準値は、最も低い有効な入力電圧を有する電流経路により提供される。総電流を搬送する１つの電流経路が残されているだけであるならば、入力電圧の損失を伴うすべての電流経路がスイッチオフされ、電流を搬送する経路の制御要素が、最小の抵抗値に設定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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