特開 2024-131541 電源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024131541

(43)【公開日】2024-09-30

(54)【発明の名称】電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/00 20060101AFI20240920BHJP

   H01F 37/00 20060101ALI20240920BHJP

【ＦＩ】

H02M3/00 W

H02M3/00 C

H01F37/00 N

H01F37/00 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023041874

(22)【出願日】2023-03-16

(71)【出願人】

【識別番号】000237721

【氏名又は名称】ＦＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002952

【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】川脇 将吾

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AA18

5H730AS01

5H730BB21

5H730BB82

5H730CC04

5H730DD00

5H730EE07

5H730XX15

5H730XX23

5H730ZZ17

(57)【要約】

【課題】Ｎ＋１冗長運転に適用可能で、１の電力変換部の運転を開始させる際のピーク電流を抑制できる電源装置を提供する。
【解決手段】電源装置は、Ｎ＋１冗長運転（Ｎは２以上の自然数）に適用可能な電源装置であって、外部電源に接続されるＮ＋１の電力変換部と、電力変換部からの電力を外部負荷に出力する電力出力部と、を備え、電力出力部は、Ｎ＋１のチョークコイルを有し、チョークコイルには、電力変換部からのＮ＋１の出力線のうちの１本の出力線が第１巻線極性で配置されるとともに、残りのＮ本の出力線が第１巻線極性とは逆の第２巻線極性で配置されており、Ｎ＋１本の出力線は、それぞれ、Ｎ＋１のチョークコイルのうちの１つに第１巻線極性で配置されるとともに、残りのＮのチョークコイルには第２巻線極性で配置されている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｎ＋１冗長運転（Ｎは２以上の自然数）に適用可能な電源装置であって、
外部電源に接続されるＮ＋１の電力変換部と、
前記電力変換部からの電力を外部負荷に出力する電力出力部と、を備え、
前記電力出力部は、Ｎ＋１のチョークコイルを有し、
前記チョークコイルには、前記電力変換部からのＮ＋１の出力線のうちの１本が第１巻線極性で配置されるとともに、残りのＮ本の前記出力線が前記第１巻線極性とは逆の第２巻線極性で配置されており、
Ｎ＋１本の前記出力線は、それぞれ、Ｎ＋１の前記チョークコイルのうちの１つに前記第１巻線極性で配置されるとともに、残りのＮのチョークコイルには前記第２巻線極性で配置されている、
電源装置。

【請求項2】

Ｎ＝２であり、
前記チョークコイルには、前記電力変換部からの３本の出力線のうちの１本が前記第１巻線極性で配置されるとともに、残りの２本の前記出力線が前記第２巻線極性で配置されており、
３本の前記出力線は、それぞれ、３つの前記チョークコイルのうちの１つに前記第１巻線極性で配置されるとともに、残りの２つのチョークコイルには前記第２巻線極性で配置されている、
請求項１に記載の電源装置。

【請求項3】

前記チョークコイルは、磁性材料からなるコアに、前記出力線が巻回されることにより構成されている、
請求項１に記載の電源装置。

【請求項4】

Ｎ＋１の前記電力変換部は、１つの前記外部電源から出力された出力電流を分流するように、並列接続されている、
請求項１に記載の電源装置。

【請求項5】

前記電力変換部は、前記外部電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバーターを含む、
請求項１に記載の電源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ピーク電流抑制回路を備える電源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、外部負荷に対して電力を供給する電源装置が知られている（例えば、特許文献１～４参照）。一般に、電源装置は、外部負荷に適した電力に変換する電力変換部を備える。特に、特許文献４には、Ｎ＋１冗長運転に適用可能な電源装置が開示されている（特許文献４の図５参照）。

【0003】

Ｎ＋１冗長運転とは、例えば、常時は外部負荷に対して並列に接続されたＮ＋１（Ｎは２以上の自然数）の電力変換部（例えば、コンバーター）を用いて外部負荷を動作させるとともに、１の電力変換部に異常が発生した際には、残りのＮの電力変換部により外部負荷を動作させる運転方式である。Ｎ＋１冗長運転に適用可能な電源装置によれば、１の電力変換部に異常が発生しても、外部負荷の動作を継続できるので、システムの信頼性が向上する。

【0004】

特許文献４の図５に記載されている電源装置では、３つの電力変換部１１～１３（例えば、コンバーター）からの出力線４１～４３に３つのチョークコイルＣＯ１～ＣＯ３が設けられている（図１参照）。また、それぞれのチョークコイルＣＯ１～ＣＯ３において、出力線４１～４３のうちの２本が互いに逆の巻回極性で配置され、それぞれのチョークコイルＣＯ１～ＣＯ３に生じる磁界が相殺されて磁気飽和しにくい構成となっている。３つの電力変換部１１～１３を同時に立ち上げる際、チョークコイルＣＯ１～ＣＯ３のインダクタンスの低下が抑制されるので、それぞれのチョークコイルＣＯ１～ＣＯ３が有効に機能し、ピーク電流を抑制することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００２－５７５４２号公報

【特許文献2】特開２００４－１２９３２０号公報

【特許文献3】特開２０１２－１０５０７号公報

【特許文献4】特開２０２３－０３７７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、図１に示すような従来の電源装置をＮ＋１冗長運転に適用した場合、電力変換部１１～１３のうちの１つを故障から復旧する際に以下の課題がある。すなわち、電力変換部１３を故障から復旧する場合、電力変換部１３の出力線４３が配置されているチョークコイルＣＯ２，ＣＯ３は、当該チョークコイルＣＯ２、ＣＯ３に配置されている他方の出力線４２、４１への通電によってインダクタンスが低下した状態となっている。そのため、チョークコイルＣＯ２、ＣＯ３は、電力変換部１３を復旧する際に、当該電力変換部１３の出力電流Ｉ３を抑制するチョークコイルとして有効に機能せず、ピーク電流を抑制できない虞がある。

【0007】

本発明の目的は、Ｎ＋１冗長運転に適用可能で、１の電力変換部の運転を開始させる際のピーク電流を抑制できる電源装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る電源装置は、
Ｎ＋１冗長運転（Ｎは２以上の自然数）に適用可能な電源装置であって、
外部電源に接続されるＮ＋１の電力変換部と、
前記電力変換部からの電力を外部負荷に出力する電力出力部と、を備え、
前記電力出力部は、Ｎ＋１のチョークコイルを有し、
前記チョークコイルには、前記電力変換部からのＮ＋１の出力線のうちの１本が第１巻線極性で配置されるとともに、残りのＮ本の前記出力線が前記第１巻線極性とは逆の第２巻線極性で配置されており、
Ｎ＋１本の前記出力線は、それぞれ、Ｎ＋１の前記チョークコイルのうちの１つに前記第１巻線極性で配置されるとともに、残りのＮのチョークコイルには前記第２巻線極性で配置されている。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、Ｎ＋１冗長運転に適用可能な電源装置において、１の電力変換部の運転を開始させる際のピーク電流を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、従来の電源装置の一例を示す回路図である。

【図2】図２は、実施の形態に係る電源装置を示す回路図である。

【図3】図３は、電力出力部の配線構造を示す図である。

【図4】図４は、電力変換部を復旧する際の電流波形の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

【0012】

図２は、本発明の一実施形態に係る電源装置１を示す回路図である。図３は、電力出力部２０の配線構造の一例を示す図である。

【0013】

図２に示すように、電源装置１は、電力変換部１０及び電力出力部２０を備える。電源装置１は、外部電源からの電力を、外部負荷に適した電力に変換して供給する装置である。電源装置１は、外部電源からの電力供給が低下した場合に、外部負荷に対して電力を供給するバックアップ電源部３０を備えてもよい。

【0014】

また、電源装置１は、過電流から外部負荷を保護するために、電力変換部１０からの出力電流が所定のしきい値となった場合に、スイッチング素子により電気経路を断接するように構成されている。

【0015】

電力変換部１０は、３以上の電力変換部で構成される。本実施の形態では、電力変換部１０として、第１～第３電力変換部１１～１３が設けられている。第１～第３電力変換部１３は、例えば、１つの外部電源からの出力電流を分流するように、並列に接続される。

【0016】

第１～第３電力変換部１３は、例えば、外部電源から供給される交流電力を所定の直流電力に変換して出力するコンバーターである。図示を省略するが、第１～第３電力変換部１３は、例えば、整流回路、ＰＦＣ回路、スイッチング素子、変圧器（トランス）、コイル、コンデンサー等を含む。

【0017】

電力出力部２０は、電力変換部１０から出力された直流電力を、外部負荷に対して出力する。電力出力部２０は、第１～第３電力変換部１３と同数（ここでは、３つ）の第１～第３チョークコイル２１～２３を有する。

【0018】

第１～第３チョークコイル２１～２３は、それぞれ、コア２１Ａ～２３Ａに、第１～第３電力変換部１１～１３の出力線４１～４３が巻回されることにより構成される。なお、「巻回」とは、コア２１～２３に出力線４１～４３を単に挿通する場合（巻数０）を含む。コア２１～２３は、例えば、フェライト等の磁性材料で形成されるリングコアであり、出力線４１～４３が所定の巻線極性となるように挿通されている。コア２１～２３には、高インダクタンスのものが好適であるが、必要なインダクタンス値は、抑制したいピーク電流によって異なる。

【0019】

具体的には、第１チョークコイル２１には、第１電力変換部１１からの出力線４１（以下、「第１出力線４１」と称する）が第１巻線極性で配置されるとともに、第２電力変換部１２からの出力線４２（以下、「第２出力線４２」と称する）及び第３電力変換部１３からの出力線４３（以下、「第３出力線４３」と称する）が第１巻線極性とは逆の第２巻線極性で配置されている。

【0020】

同様に、第２チョークコイル２２には、第２出力線４２が第１巻線極性で配置されるとともに、第１出力線４１及び第３出力線４３が第２巻線極性で配置されている。また、第３チョークコイル２３には、第３出力線４３が第１巻線極性で配置されるとともに、第１出力線４１及び第２出力線４２が第２巻線極性で配置されている。

【0021】

第１～第３チョークコイル２１～２３において、通電方向から見た巻線方向（挿通方向）が同じである場合に出力線４１～４３の巻線極性は同じになり、通電方向から見た巻線方向（挿通方向）が逆である場合に巻線極性は逆になる。「第１巻線極性」とは、第１～第３チョークコイル２１～２３のそれぞれにおいて、１本だけ巻線極性が異なる出力線（第１チョークコイル２１の場合は第１出力線４１）の巻線極性であり、「第２巻線極性」とは、残り２本の出力線（第１チョークコイル２１の場合は第２出力線４２及び第３出力線４３）に共通する巻線極性であるといえる。

【0022】

電源装置１の第１～第３チョークコイル２１～２３及び出力線４１～４３について、Ｎ＋１冗長運転に適用可能な構成を有する電源装置として一般化すると、チョークコイルには、電力変換部からのＮ＋１の出力線のうちの１本が第１巻線極性で配置されるとともに、残りの２本の出力線が第１巻線極性とは逆の第２巻線極性で配置されており、Ｎ＋１本の出力線は、それぞれ、Ｎ＋１のチョークコイルのうちの１つに第１巻線極性で配置されるとともに、残りのＮのチョークコイルには第２巻線極性で配置されている、と表現することができる。

【0023】

電源装置１において、第１～第３電力変換部１１～１３は、例えば、定格出力電流が１５Ａである。第１～第３電力変換部１１～１３は、常時は、それぞれ１０Ａの出力電流を出力し、外部負荷に対して３０Ａの電流を供給する。一方、第１～第３電力変換部１１～１３のうちの１台に異常が生じた場合には、残りの２台の出力電流を１５Ａとして使用することで、外部負荷に３０Ａの電流を供給し、運転を継続することができる。すなわち、第１～第３電力変換部１１～１３は、Ｎ＋１冗長運転（ここでは、Ｎ＝２）を適用可能な構成を有している。例えば、第３電力変換部１３に異常が生じた場合には、第１電力変換部１１及び第２電力変換部１２の出力電流を１５Ａとして使用される。

【0024】

このとき、第１チョークコイル２１では、第１出力線４１及び第２出力線４２に、第１電流Ｉ１及び第２電流Ｉ２が逆極性で通電される。第２チョークコイル２２でも同様に、第１電流Ｉ１及び第２電流Ｉ２が逆極性で通電される。したがって、第１チョークコイル２１及び第２チョークコイル２２におけるインダクタンスの低下は抑制され、チョークコイルとして有効に機能しうる。

【0025】

一方、第３チョークコイル２３では、第１電流Ｉ１及び第２電流が同極性で通電される。したがって、第３チョークコイル２３においては、第１チョークコイル２１及び第２チョークコイル２２に比較してインダクタンスの低下が大きい。

【0026】

第３電力変換部１３を復旧させる場合、上述した状態において、第３出力線４３に第３電流Ｉ３の通電が開始される。第３電流Ｉ３の増加に伴い、第１電流Ｉ１及び第２電流Ｉ２が減少する。

【0027】

このとき、第３チョークコイル２３では、図４に示すように、第１電流Ｉ１及び第２電流Ｉ２と、第３電流Ｉ３とが、同じ大きさで逆相に流れるようになった後、発生する磁束がそれぞれ打ち消し合い、第３チョークコイル２３におけるインダクタンスの低下が防止される。したがって、第３チョークコイル２３は、第３電流Ｉ３に対してインダクタとして有効に機能し、第３電流Ｉ３のピーク電流が抑制される。

【0028】

また、第１チョークコイル２１及び第２チョークコイル２２は、磁気飽和しておらず、第３電流Ｉ３に対してインダクタとして機能するので、第３電流Ｉ３の急激な増加が防止され、ピーク電流が抑制される。

【0029】

第３電力変換部１３を故障から復旧させる際、外部負荷に含まれるコンデンサーに起因して過電流が流れる虞があるが、電源装置１では、第３電流Ｉ３のピーク電流が抑制されるので、出力線４３に過電流が流れるのを防止でき、正常に第３電力変換部１３を復旧させることができる。

【0030】

このように、実施の形態に係る電源装置１は、以下の特徴事項を単独で、又は、適宜組み合わせて備えている。

【0031】

すなわち、電源装置１は、Ｎ＋１冗長運転（Ｎは２以上の自然数）に適用可能な電源装置であって、外部電源に接続されるＮ＋１の電力変換部１１～１３と、電力変換部１１～１３からの電力を外部負荷に出力する電力出力部２０と、を備え、電力出力部２０は、Ｎ＋１のチョークコイル２１～２３を有し、チョークコイル２１～２３には、電力変換部１１～１３からのＮ＋１の出力線４１～４３のうちの１本が第１巻線極性で配置されるとともに、残りのＮ本の出力線が第１巻線極性とは逆の第２巻線極性で配置されており、Ｎ＋１本の出力線は、それぞれ、Ｎ＋１のチョークコイルのうちの１つに第１巻線極性で配置されるとともに、残りのＮのチョークコイルには第２巻線極性で配置されている。

【0032】

電源装置１によれば、Ｎ＋１冗長運転に適用可能な電源装置において、１の電力変換部の運転を開始させる際のピーク電流を抑制することができ、故障した電力変換部を正常に復旧させることができる。

【0033】

具体的には、電源装置１において、Ｎ＝２であり、チョークコイル２１～２３には、電力変換部１１～１３からの３本の出力線４１～４３のうちの１本が第１巻線極性で配置されるとともに、残りの２本の出力線が第２巻線極性で配置されており、３本の出力線４１～４３は、それぞれ、３つのチョークコイル２１～２３のうちの１つに第１巻線極性で配置されるとともに、残りの２つのチョークコイルには第２巻線極性で配置されている。

【0034】

また、電源装置１において、チョークコイル２１～２３は、磁性材料からなるコアに、出力線４１～４３が巻回されることにより構成されている。

【0035】

また、電源装置１において、Ｎ＋１の電力変換部１１～１３は、１つの外部電源から出力された出力電流を分流するように、並列接続されている。

【0036】

また、電源装置１において、電力変換部１１～１３は、外部電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバーターを含む。

【0037】

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態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変更可能である。

【0038】

実施の形態では、３台の電力変換部１１～１３によりＮ＋１冗長運転を行う電源装置１について説明したが、本発明は、４台以上の電力変換部によりＮ＋１冗長運転を行う電源装置に適用可能である。

【0039】

実施形態に係る電源装置１において、電力変換部１１～１３は、１つの外部電源に接続され、外部電源からの出力電流を分流するように、並列接続されているが、これに限定されず、例えば、電力変換部１１～１３に対応して複数の外部電源を設けてもよい。

【0040】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0041】

１ 電源装置
１０、１１～１３ 電力変換部
２０ 電力出力部
２１～２３ チョークコイル
４１～４３ 出力線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】