(57)【要約】  電力変換を行うコンバータ部（１）を有する複数のユニット（１００Ａ，１００Ｂ・・）を備え、複数のユニット（１００Ａ，１００Ｂ・・）の入力部及び出力部がそれぞれ並列接続され、複数のユニット（１００Ａ，１００Ｂ・・）は互いに通信して、ユニット（１００Ａ）は、他のユニット（１００Ｂ等）の駆動及び停止を制御するマスタモジュールに設定された電源システム（２０１）において、ユニット（１００Ａ）は、出力電流検出回路（５）が検出した出力電流Ｉoが閾値を超えたときに、他の全ユニット（１００Ｂ等）を駆動させる。全ユニット（１００Ｂ）等が駆動している場合、各ユニット（１００Ａ，１００Ｂ・・）の出力電流の合計に基づいて、他の全ユニット（１００Ｂ等）のうちの何れかを停止させる。これにより、負荷電流が急激に増加したときに、各モジュールが過電流状態で使用されることを抑制できる電源システムを提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換を行うコンバータ部を有する複数の電源装置を備え、前記複数の電源装置の入力部及び出力部がそれぞれ並列接続され、前記複数の電源装置は互いに通信して、前記複数の電源装置のうち少なくとも一つは、他の前記電源装置の駆動及び停止を制御するマスタモジュールに設定された電源システムにおいて、
前記他の電源装置は、
出力電流を検出し、検出結果を前記マスタモジュールに設定された電源装置へ出力する出力電流検出出力部
を備え、
前記マスタモジュールに設定された電源装置は、
出力電流を検出する出力電流検出部と、
前記出力電流検出部が検出した出力電流が閾値を超えたときに、他のすべての前記電源装置を駆動させる駆動制御部と、
前記他の電源装置すべてが駆動している場合、前記出力電流検出部が検出した出力電流、及び、前記他の電源装置が出力した出力電流の検出結果を加算し、出力電流の合計を算出する算出部と、
前記算出部による算出結果に基づいて、駆動させる電源装置の台数を決定する台数決定部と、
を備え、
前記駆動制御部は、
他のすべての前記電源装置が駆動しているときに前記台数決定部が決定した台数に基づいて、前記他の電源装置の何れかを停止させる、
電源システム。
【請求項２】
前記閾値は、一以上の前記電源装置が停止している場合に前記出力電流検出部が検出する出力電流値以上である、請求項１に記載の電源システム。
【請求項３】
前記複数の電源装置は過電流保護回路を備え、
前記閾値は前記過電流保護回路の過電流保護点未満である、
請求項１又は２に記載の電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電源装置を備え、それらの入力部及び出力部がそれぞれ並列接続された電源システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高出力化又は回路の冗長化を目的として、複数の電源装置を並列接続して構成される電源システムが利用される。特許文献１には、マスタモジュール及び複数のスレーブモジュールを並列接続して構成される電源システムが開示されている。この電源システムでは、マスタモジュールは、各モジュールの出力電流を合計した負荷電流を監視し、その負荷電流に応じた最適なモジュール運転台数を決定している。そして、マスタモジュールは、決定した台数のスレーブモジュールを駆動させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１０２１６４号公報
【特許文献２】特開平３−１２４２２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、特許文献１に記載の電源システムにおいて、特許文献２に記載されているように、各スレーブモジュールにおいて負荷電流を検出し、これらの検出情報により駆動する電源モジュールの台数を制御することがある。しかしながら、特許文献１に記載されているような送受信回路による通信の制御では、時間当たりに伝達可能な情報量に限界があるため、負荷電流が急激に増加する場合、マスタモジュールが各スレーブモジュールの負荷電流検出値による負荷電流情報を収集して、最適なモジュール運転台数を決定することに時間を要してしまう。したがって、マスタモジュールは、負荷電流の急激な増加に合わせて、必要数の各スレーブモジュールを即時に駆動させることができない、という問題が発生する。このため、各モジュールが過電流状態で使用される場合があり、不具合が生じるおそれがある。【０００５】
また、特許文献１に記載の電源システムのように、電源システムの出力を一括で検出する場合、大きな電流が流れるため大きな検出回路が必要となり、サイズアップ又はコスト増加につながる。【０００６】
そこで、本発明の目的は、動作台数を減少させているときに負荷電流が急激に増加した場合においても、各モジュールが速やかに駆動され、過電流状態で使用されることを抑制できる電源システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、電力変換を行うコンバータ部を有する複数の電源装置を備え、前記複数の電源装置の入力部及び出力部がそれぞれ並列接続され、前記複数の電源装置は互いに通信して、前記複数の電源装置のうち少なくとも一つは、他の前記電源装置の駆動及び停止を制御するマスタモジュールに設定された電源システムにおいて、前記他の電源装置は、出力電流を検出し、検出結果を前記マスタモジュールに設定された電源装置へ出力する出力電流検出出力部を備え、前記マスタモジュールに設定された電源装置は、出力電流を検出する出力電流検出部と、前記出力電流検出部が検出した出力電流が閾値を超えたときに、他のすべての前記電源装置を駆動させる駆動制御部と、前記他の電源装置すべてが駆動している場合、前記出力電流検出部が検出した出力電流、及び、前記他の電源装置が出力した出力電流の検出結果を加算し、出力電流の合計を算出する算出部と、前記算出部による算出結果に基づいて、駆動させる電源装置の台数を決定する台数決定部と、を備え、前記駆動制御部は、他のすべての前記電源装置が駆動しているときに前記台数決定部が決定した台数に基づいて、前記他の電源装置の何れかを停止させることを特徴とする。【０００８】
この構成では、マスタモジュールに設定された電源装置で、閾値を超える出力電流が検出されたときに、他の全ての電源装置へ駆動を指令することで、負荷電流が急激に増加したときでも、他の電源装置が速やかに起動する。これにより、急激な負荷電流の増加したときに、各電源装置が過電流状態で使用されることを抑制できる。また、出力電流の検出結果を加算処理する算出部を備えているので、大きな検出回路が不要であり、小型化及びコスト削減を達成できる。【０００９】
前記閾値は、一以上の前記電源装置が停止している場合に前記出力電流検出部が検出する出力電流値以上であることが好ましい。【００１０】
この構成では、定常時のための台数切替動作と、負荷急増時のための全電源起動動作とが干渉せず、電源システムを安定に動作させることができる。【００１１】
前記複数の電源装置は過電流保護回路を備え、前記閾値は前記過電流保護回路の過電流保護点未満であることが好ましい。【００１２】
この構成では、過電流保護点を超える前に他の全ての電源装置を駆動させて、出力電流を各電源装置に分担させることで、過電流保護の作動を未然に防止できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、負荷電流が急激に増加したときに、各電源装置が過電流状態で使用されることを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態に係る電源システムの回路図
【図２】マスタとして動作するコントローラの機能をブロック化して表した図
【図３】スレーブとして動作するコントローラの機能をブロック化して表した図
【図４】負荷に対する電源ユニットの効率特性を示すグラフ
【図５】増加する負荷電流に合わせて動作台数を増やしたときのユニット一台当たりの効率を示す図
【図６】図５をグラフ化した図
【図７】負荷が急激に増加したときに、全ユニットを駆動させるタイミングを説明するための図
【図８】ユニットのコントローラが実行する処理を示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、本実施形態に係る電源システムの回路図である。この電源システム２０１は、複数の電源装置ユニット（以下、単に「ユニット」）１００Ａ，１００Ｂ・・・を備え、それらの入力部および出力部がそれぞれ並列接続されて構成されている。図１では３つめ以降のユニットの図示は省略している。ユニット１００Ａ，１００Ｂ・・・のそれぞれは基本的に同一構成であるが、この例では、ユニット１００Ａがマスタ、他のユニット１００Ｂ等はスレーブとして動作する。
【００１６】
ユニット１００Ａは、コンバータ部１、スイッチング制御回路２、コントローラ１０Ａ、出力電圧検出回路３、出力電流検出回路５、及びドループ生成回路６を備えている。
【００１７】
コンバータ部１は、スイッチ素子Ｑ１、ダイオードＤ１、インダクタＬ１及びキャパシタＣ１を備え、非絶縁の降圧コンバータ回路を構成している。スイッチング制御回路２は、誤差増幅器、ＰＷＭコンパレータ及び三角波生成回路等により構成されるＰＷＭ制御回路を備えている。
【００１８】
出力電圧検出回路３は抵抗Ｒ０，Ｒ１による分圧回路である。スイッチング制御回路２は、出力電圧検出回路３から入力した電圧値に応じて、オンデューティを変更したＰＷＭ変調信号を生成し、スイッチ素子Ｑ１へ与える。スイッチ素子Ｑ１は、このＰＷＭ変調された信号で制御される。スイッチ素子Ｑ１のオン期間にインダクタＬ１に励磁電流が流れ、オフ期間にダイオードＤ１を通して還流電流が流れる。
【００１９】
出力電流検出回路５は、ユニット１００Ａの出力電流Ｉoを検出し、検出結果をコントローラ１０Ａへ出力する。
【００２０】
コントローラ１０Ａは、出力電流検出回路５が検出した出力電流Ｉoが閾値（過電流保護点）を超えると、スイッチング制御回路２へ信号を出力し、過電流が流れないように、スイッチング制御回路２がスイッチ素子Ｑ１をスイッチング制御する。例えば、スイッチング制御回路２は、スイッチ素子Ｑ１をオフにし、又は、オンデューティを短くする。スイッチ素子Ｑ１、スイッチング制御回路２、出力電流検出回路５及びコントローラ１０Ａ等は、本発明に係る過電流保護回路に相当する。
【００２１】
ドループ生成回路６は、出力電流Ｉoが大きくなるにともなって出力電圧を小さくする電圧電流特性、すなわちドループ特性をもたせるためのドループ用補正値を生成する。ドループ用補正値は、出力電流Ｉoが大きくなるにともなって大きくなり、出力電圧検出回路３の出力電圧に加算される。出力電圧検出回路３の出力電圧にドループ用補正値が加算されることで、出力電流Ｉoが大きくなるにともなって出力電圧は低下する。各ユニット１００Ａ，１００Ｂ・・・がドループ特性を有することで、各ユニット１００Ａ，１００Ｂ・・・からは、互いに等しい出力電流が出力されるため、複数のユニット１００Ａ，１００Ｂ・・・を並列稼働させる場合に、適正な負荷分担を実現できる。
【００２２】
図２は、マスタとして動作するコントローラ１０Ａの機能をブロック化して表した図である。
【００２３】
コントローラ１０Ａにおいて、通信部１１は、他のユニット（１００Ｂ等）とシリアルバス４を介して通信する。出力電流取得部１２は、出力電流Ｉoの大きさを表す電圧信号を出力電流検出回路５から入力してディジタルデータに変換する。駆動制御部１３は、出力電流取得部１２により取得した出力電流Ｉoが閾値以上である場合、通信部１１を介して、各ユニット（１００Ｂ等）を全て駆動させる。
【００２４】
ここで、駆動制御部１３で用いられる閾値とは、複数のユニット１００Ｂ・・・のうち一台でも停止状態である場合に検出される出力電流の値以上であり、過電流保護部１６で用いられる閾値（過電流保護点）未満である。
【００２５】
加算部１４は、出力電流取得部１２が取得したユニット１００Ａの出力電流Ｉoと、通信部１１を介して取得した、稼働状態にある他のユニット（１００Ｂ等）の出力電流とを加算する。この加算により、電源システム２０１全体の出力電流が得られる。
【００２６】
台数決定部１５は、加算部１４が加算して得られた電源システム２０１の出力電流から、ユニットの動作台数を決定する。駆動制御部１３は、その決定に応じて、各ユニット（１００Ｂ等）を駆動又は停止させる。
【００２７】
過電流保護部１６は、出力電流取得部１２が取得したユニット１００Ａの出力電流Ｉoが閾値（過電流保護点）を超えているかを判定する。スイッチ制御部１７は、過電流保護部１６により、出力電流Ｉoが閾値を超えていると判定された場合、スイッチング制御回路２へ信号を出力する。この信号が入力されたスイッチング制御回路２は、スイッチ素子Ｑ１をオフにし、又は、オンデューティを短くし、過電流状態とならないようにする。また、電源システム２０１全体をオフする場合は、スイッチ素子Ｑ１をオフにして、コンバータ部１を停止させる。
【００２８】
図３は、スレーブとして動作するコントローラ１０Ｂの機能をブロック化して表した図である。コントローラ１０Ｂは、コントローラ１０Ａの駆動制御部１３、加算部１４及び台数決定部１５を備えず、通信部１１、過電流保護部１６及びスイッチ制御部１７を備えた構成である。コントローラ１０Ｂは、出力電流検出回路５により検出されたユニット１００Ｂの出力電流Ｉoの情報を、出力電流取得部１２においてディジタルデータに変換して、通信部１１からマスタとして動作するコントローラ１０Ａに出力する。また、コントローラ１０Ｂは、マスタとして動作するコントローラ１０Ａからの通信による駆動又は停止指令に応じて、コンバータ部１を駆動又は停止させる。
【００２９】
以上のように構成されたユニット１００Ａ，１００Ｂ・・・を備える電源システム２０１では、マスタとして動作するユニット１００Ａが、スレーブとして動作する他のユニット（１００Ｂ等）を駆動させ、又は、停止させる。以下、その制御について説明する。
【００３０】
図４は、負荷に対する電源ユニットの効率特性を示すグラフである。図４に示すグラフは、横軸を一のユニット（１００Ａ等）の出力電流［Ａ］、縦軸を効率（％）としている。この例では、ユニットの最大出力は１００Ａとしてある。そして、出力電流５０Ａ付近のときに最も効率が高くなるように設計されている。したがって、複数のユニット１００Ａ，１００Ｂ・・・を並列稼働させる場合、ユニット一台あたりの出力が５０Ａ付近（４０Ａ〜７０Ａ）となるよう、動作台数を切り替えることで、高効率を維持することができる。
【００３１】
図５は、増加する負荷電流に合わせて動作台数を増やしたときの電源システム２０１の効率を示す図である。図５では、比較のために負荷電流に関係なくユニットの動作台数を５台とした場合の効率も示す。図６は、図５をグラフ化した図である。図６の横軸は、電源システム２０１の出力電流、すなわち、各ユニット１００Ａ，１００Ｂ・・・の出力電流の合計である。
【００３２】
図４で説明したように、各ユニットの出力電流が５０Ａ付近（例えば、４０Ａ〜７０Ａ）となるようにユニットの動作台数を設定することで、電源システム２０１は、高効率を維持できる。なお、負荷電流に関係なく、マスタとして動作するユニット１００Ａは、常に動作状態にある。
【００３３】
例えば、負荷電流が４０Ａの場合、台数決定部１５は、動作台数を１台に決定する。この場合、マスタとして動作するユニット１００Ａのみが駆動し、他のユニット（１００Ｂ等）は停止状態となる。図６に示すように、１台のみのユニット（１００Ａ）を動作させた場合、台数を変更せずに、５台のユニットを動作させている場合と比べて、一台当たりの効率は高い。
【００３４】
負荷電流が１８０Ａの場合、台数決定部１５は、動作台数は３台に決定する。この場合、ユニット一台あたりの負荷電流は６０Ａである。このとき、ユニット１００Ａを含む３台が稼働するようにする。図６に示すように、３台のユニットを動作させた場合、台数を変更せずに、５台のユニットを動作させている場合と比べて、一台当たりの効率は高い。
【００３５】
さらに、加算部１４による加算の結果、負荷電流が２６０Ａの場合、台数決定部１５は、動作台数は５台に決定する。この場合、ユニット一台あたりの負荷電流は５２Ａである。このとき、ユニット１００Ａを含む５台が稼働する。
【００３６】
以上のように、負荷電流に応じて動作台数を設定して、ユニット１００Ａ，１００Ｂ・・・を駆動させることで、高効率を維持できる。この処理は、ユニット１００Ａのコントローラ１０Ａが、他のユニット（１００Ｂ等）のコントローラ（１０Ｂ等）と通信しつつ行われる。負荷変動が小さい場合、前記処理を行っても、電源システム２０１は高効率を維持できる。
【００３７】
一方で、負荷電流が急峻に変化した場合、ユニット１００Ａが通信を行って、電源システム２０１の負荷電流を算出し、かつ、必要な動作台数を決定したのち、その台数分のユニット（１００Ｂ等）を駆動させると、停止状態の他のユニットを駆動させるのに遅れが生じ、負荷電流の増加に合わせてユニットの動作台数が追随できず、電源システム２０１の各ユニットが過電流状態で使用される等の不具合が生じる。そこで、本実施形態では、マスタとして動作するユニット１００Ａのコントローラ１０Ａは、出力電流検出回路５が検出する出力電流が閾値を超えたときに、シリアルバス４を介して、各ユニットを全て駆動させる。
【００３８】
図７は、負荷が急激に増加したときに、全ユニットを駆動させるタイミングを説明するための図である。この例では、最初、電源システム２０１の負荷電流は１２０Ａであるとする。また、全ユニットを駆動させる際の出力電流の閾値は８０Ａとする。
【００３９】
負荷電流が１２０Ａの場合、２台のユニット１００Ａ，１００Ｂが動作している。この後、負荷電流が急激に増加した場合、負荷電流が１４０Ａを超えたときに、高効率の維持のため、図５及び図６に示すように、動作台数を３台にする必要がある。そして、負荷電流１６０Ａでは、３台のユニットが稼働状態である必要がある。しかしながら、負荷変動が急峻であるため、負荷電流が１４０Ａを超えた後、２台のユニットから動作台数を３台に増やす処理を行う前に、すぐに負荷電流が１６０Ａに達する。負荷電流１６０Ａの場合に２台のユニットのみが動作していると、ユニット一台当たりの出力電流は８０Ａとなり、高効率を維持できるユニット一台当たりの出力電流４０Ａ〜７０Ａを超える。
【００４０】
そこで、閾値を例えば８０Ａに設定し、マスタとして動作するユニット１００Ａの出力電流が、その閾値８０Ａを超えたときに、すなわち、負荷電流が１６０Ａを超えたときに、直ちにスレーブとして動作する他のユニット全てを駆動させるコマンドを送信する。これにより、負荷電流が急増した場合であっても、全ユニットを駆動させることで、一台当たりが負担する出力電流を軽減でき、各ユニットが過電流状態で使用されることを抑制できる。そして、電源システム２０１は、急激な負荷電流の増加に対応し、高効率を維持できる。
【００４１】
閾値は、一以上のユニットが停止している場合にユニット一台当たりが負担する出力電流の最大値以上に設定する。すなわちこの例では、最低でも７０Ａ以上とする。これにより、通常の動作台数を減少させているときに全モジュール駆動してしまうといった誤動作を防止することができる。多少の負荷変動で全モジュールが駆動しないように、出力電流の最大値と閾値との間にはマージンを持たせることが望ましいが、負荷急増時に過電流保護動作を起動させないためには、閾値は過電流保護点未満にする必要があり、これについてもマージンを持たせることが望ましい。
【００４２】
図８は、ユニット１００Ａのコントローラ１０Ａが実行する処理を示すフローチャートである。
【００４３】
コントローラ１０Ａは起動すると（Ｓ１）、出力電流検出回路５により出力電流を検出する（Ｓ２）。コントローラ１０Ａは、その検出した出力電流が閾値（例えば８０Ａ）以上であるか否かを判定する（Ｓ３）。
【００４４】
検出した出力電流が閾値以上である場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、コントローラ１０Ａは全ユニットを駆動させる（Ｓ４）。これにより、負荷電流が急増した場合であっても、全ユニットを駆動させることで、一台当たりが負担する出力電流を軽減でき、各ユニットが過電流状態で使用されることを抑制できる。
【００４５】
検出した出力電流が閾値以上でない場合（Ｓ３：ＮＯ）、コントローラ１０Ａは、負荷電流を算出する（Ｓ５）。詳しくは、コントローラ１０Ａは、他のユニット（１００Ｂ等）から通信を介して、他のユニットが検出した出力電流を取得し、全出力電流を加算する。そして、コントローラ１０Ａは、算出した負荷電流から、動作台数を決定し（Ｓ６）、その動作台数に応じて各ユニットを駆動又は停止させる（Ｓ７）。
【００４６】
Ｓ５からＳ７の処理では、Ｓ４で一度全ユニット１００Ａ，１００Ｂ・・・を駆動させた場合、その全台数が、各ユニットの出力電流の合計から決定された台数を超えている場合には、ユニットを停止させる。不要なユニットを停止させることで、効率よく電流を出力できる。
【００４７】
Ｓ８では、コントローラ１０Ａは本処理を終了するか否かを判定する。本処理を終了する場合とは、例えば、電源システム２０１の電源がオフされる場合などである。本処理を終了しない場合（Ｓ８：ＮＯ）、コントローラ１０ＡはＳ２の処理を実行する。本処理を終了する場合（Ｓ８：ＹＥＳ）、コントローラ１０Ａは、例えばシャットダウン処理等を行い、本処理を終了する。
【００４８】
なお、図８ではすべての処理を定常処理で示しているが、定常処理ではＳ２→Ｓ５→・・・とし、Ｓ３の処理を割り込みトリガとし、Ｓ４の処理を割り込みルーチンにすることで、さらにすみやかに全ユニットを起動することもできる。
【００４９】
以上説明したように、本実施形態に係る電源システム２０１は、負荷電流が急増した場合であっても、全ユニット１００Ａ，１００Ｂ・・・を駆動させることで、一台当たりが負担する出力電流を軽減でき、各ユニットが過電流状態で使用されることを抑制できる。
【００５０】
また、本実施形態は、通信により検出情報をやり取りしている。したがって、特許文献２に記載の電源システムのように、各モジュールの稼働状況の検出結果を台数制御器にそれぞれ信号線で伝達する場合に比べて、モジュールを接続する台数分の信号線及びコネクタ端子が不要となり、装置の小型化、コストダウン、及び簡素化が可能となる。
【符号の説明】
【００５１】
１…コンバータ部
２…スイッチング制御回路
３…出力電圧検出回路
４…シリアルバス
５…出力電流検出回路（出力電流検出部）
６…ドループ生成回路
１０Ａ，１０Ｂ…コントローラ
１１…通信部
１２…出力電流取得部（出力電流検出部）
１３…駆動制御部
１４…加算部（算出部）
１５…台数決定部
１６…過電流保護部
１７…スイッチ制御部
２１…三角波生成回路
１００Ａ，１００Ｂ…ユニット
２０１…電源システム
Ｃ１，Ｃ２…キャパシタ
ＣＭＰ１…ＰＷＭコンパレータ
Ｄ１…ダイオード
Ｌ１…インダクタ
ＯＰＡＭＰ１…誤差増幅器
Ｑ１…スイッチ素子
Ｒ０，Ｒ１，Ｒ２…抵抗
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
2015159785.tif 000011
2015159785.tif 000012
2015159785.tif 000013
2015159785.tif 000014