2024-162586 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】P2024162586

(43)【公開日】2024-11-21

(54)【発明の名称】電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20241114BHJP

【ＦＩ】

H02M3/28 C

H02M3/28 W

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023078238

(22)【出願日】2023-05-11

(71)【出願人】

【識別番号】000000262

【氏名又は名称】株式会社ダイヘン

(72)【発明者】

【氏名】田中 和裕

(72)【発明者】

【氏名】成瀬 仁

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AS02

5H730BB26

5H730BB27

5H730BB82

5H730BB88

5H730DD03

5H730DD04

5H730EE01

5H730FD31

5H730FD41

5H730FG01

5H730XX04

5H730XX18

5H730XX24

5H730XX35

5H730XX42

(57)【要約】

【課題】並列接続された電源回路の回路数が増えると、電流アンバランスを検出する精度の低下や検出回路の数を増やす必要がある。
【解決手段】Ｎ個の並列接続された電源回路ＰＭに流れる電流を検出する一次電流検出器１４の検出値Ｉ１～ＩＮを入力として
｛（Ｉ１＋Ｉ２＋・・・＋ＩＮ－１）｝－｛（Ｎ－１）×ＩＮ｝
の絶対値を算出（全波整流）して、平均化（平滑）するアンバランス算出回路ＣＡのアンバランス値Ｃａが所定値を超えたとき、並列運転異常検出回路ＰＥは並列接続された電源回路ＰＭのいずれかが故障していると判断し、インバータ回路１１を停止する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流電力を高周波電力に変換するインバータ回路と、
前記インバータ回路によって発生させた前記高周波電力を一次巻線に印可して所定の電圧に変換するトランスと、
前記一次巻線に流れる電流を検出する一次電流検出器と、
前記トランスの二次巻線に発生する高周波電力を直流電力に変換する直流出力回路と、
を備えた電源回路をＮ個備え、それぞれの前記直流出力回路がすべて並列接続された電源装置において、
前記電源回路のいずれかに故障が発生していることを検出する並列運転異常検出回路と、
前記一次電流検出器の検出したＩ１～ＩＮを入力として
｛（Ｉ１＋Ｉ２＋・・・＋ＩＮ－１）｝－｛（Ｎ－１）×ＩＮ｝
の絶対値を算出（全波整流）して、平均化（平滑）するアンバランス算出回路と、
を備え、
前記並列運転異常検出回路は、前記アンバランス算出回路の値が所定値を超えたとき、前記電源回路のいずれかが故障したと判断し、前記インバータ回路を停止する電源装置。

【請求項2】

前記電源装置の出力端子に流れる電流を検出する出力電流検出器を備え、
前記出力電流検出器の検出値が電流設定値と等しくなるように制御されており、前記出力電流検出器の検出値又は前記電流設定値が大きくなるほど前記所定値を大きくする請求項１に記載の電源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

電源回路の並列接続の異常検出に関する。

【背景技術】

【0002】

複数の電源回路を並列接続し、出力電力の大容量を実現させることがある。例えば、特許文献１及び特許文献２には、このような電源装置の一例が開示されている。複数の電源回路を並列動作させた場合、複数の電源回路のうちのいずれかが故障すると、電源回路に流れる電流バランスが偏り、二次的に他の電源回路も故障する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平９－１９１４９号公報

【特許文献2】特開平６－１３３５５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の電源装置では、並列接続された複数の電源回路のそれぞれのインバータ回路に電流検出器を備え、異常検出回路は、この検出した電流と平均電流とを比較することにより、各インバータ回路に流れる電流がアンバランス状態であるか否かを検出している。また、特許文献２記載の電源装置では、同じく並列接続された２つの電源回路のそれぞれのインバータ回路に電流検出器を備え、両者の差分によりアンバランスを検出することも記載されている。しかし、特許文献１では、平均値との差分にてアンバランス状態を検出しており、並列接続された電源回路数が多くなると、平均値と故障したインバータに流れる電流の差分値も小さくなり検出は困難となる。特許文献２に記載の電源装置では、２つの並列接続された電源回路のそれぞれのインバータ回路に流れる電流の差分を検出しており、並列接続された電源回路の回路数が増えると、差分を検出してアンバランス状態を判定する回路数も増加する課題がある。

【0005】

本開示は、上記事情に鑑みて考え出されたものであり、並列接続された電源回路の回路数が多い場合でも、検出精度の低下を防ぐとともに、アンバランス量を算出してアンバランス状態を判定する回路を１つにできる電源装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、
直流電力を高周波電力に変換するインバータ回路と、
前記インバータ回路によって発生させた前記高周波電力を一次巻線に印可して所定の電圧に変換するトランスと、
前記一次巻線に流れる電流を検出する一次電流検出器と、
前記トランスの二次巻線に発生する高周波電力を直流電力に変換する直流出力回路と、
を備えた電源回路をＮ個備え、それぞれの前記直流出力回路がすべて並列接続された電源装置において、
前記電源回路のいずれかに故障が発生していることを検出する並列運転異常検出回路と、
前記一次電流検出器の検出したＩ１～ＩＮを入力として
｛（Ｉ１＋Ｉ２＋・・・＋ＩＮ－１）｝－｛（Ｎ－１）×ＩＮ｝
の絶対値を算出（全波整流）して、平均化（平滑）するアンバランス算出回路と、
を備え、
前記並列運転異常検出回路は、前記アンバランス算出回路の値が所定値を超えたとき、前記電源回路のいずれかが故障したと判断し、前記インバータ回路を停止する電源装置である。

【0007】

請求項２の発明は、
前記電源装置の出力端子に流れる電流を検出する出力電流検出器を備え、
前記出力電流検出器の検出値が電流設定値と等しくなるように制御されており、前記出力電流検出器の検出値又は前記電流設定値が大きくなるほど前記所定値を大きくする請求項１に記載の電源装置である。

【発明の効果】

【0008】

本開示の電源装置によれば、並列接続されたＮ個の電源回路のいずれにも故障が発生していなければ、電源回路のトランスの一次巻線に流れる波形はすべて等しいので、アンバランス算出回路の値はゼロとなる。ところが、Ｎ個の電源回路のいずれかに故障が発生すれば、故障している電源回路の一次巻線に流れる電流波形のみが、他の一次巻線に流れる電流波形と異なりアンバランス算出回路の値はゼロとならず、Ｎ個の電源回路のいずれかが故障していることを判別できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施の形態に係る電源装置の各機能のブロック図である。

【図2】本発明の実施の形態に係るアンバランス算出回路及び並列運転異常検出回路の回路図である。

【図3】本発明の実施の形態に係る並列接続された電源回路のうち、いずれかが故障した場合の動作を示すタイミングチャートである。

【図4】本発明の実施の形態に係る電源装置の変形例の各機能のブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

【0011】

〔実施の形態〕
図１は、本発明の実施の形態に係る電源装置の各機能のブロック図である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。

【0012】

電源装置ＰＳは、複数の電源回路ＰＭからなる。図１においては、３個の電源回路ＰＭからなっている。

【0013】

電源回路ＰＭの後述する直流出力回路１３は、直流電圧を出力する。複数の電源回路ＰＭの直流出力回路１３は、互いに並列に接続され、＋側は出力電流検出器ＩＯを介して出力端子＋に接続され、－側は出力端子－に接続されている。

【0014】

インバータ回路１１は、図示しない直流電源から入力される直流電力を高周波電力に変換して、トランス１２の一次巻線１２１に出力する。直流電源は、例えば、蓄電器などの直流電力を出力するものであってもよいし、商用交流電源や発電機から入力される交流電力を、整流平滑回路で整流し平滑化したものであってもよい。インバータ回路１１の回路方式は、フルブリッジ型のＰＷＭ制御インバータ回路である。インバータ回路１１は、図示しないスイッチング素子を備えており、ドライバ回路ＤＲからの駆動信号Ｄｒによってスイッチング素子をオン／オフし、直流電力を高周波電力に変換する。インバータ回路１１の回路方式は、ハーフブリッジ型であってもよいし、その他の構成のインバータ回路方式であってもよい。

【0015】

トランス１２は、一次巻線１２１に印可されるインバータ回路１１の高周波電力を、一次巻線巻数Ｎｐ、二次巻線巻数Ｎｓ及に応じて、二次巻線１２２に伝送する。

【0016】

直流出力回路１３は、トランス１２の二次巻線１２２から出力される高周波電力を直流電力に変換（整流）する。

【0017】

一次電流検出器１４は、インバータ回路１１からトランス１２の一次巻線１２１に流れる電流を検出する。例えば、一次電流検出器１４は、変流器が用いられ、一方の端子は制御電源の基準電圧０Ｖに接続され、もう一方の端子は、アンバランス算出回路ＣＡに接続されており、インバータ回路１１からトランス１２の一次巻線１２１に流れる電流を、一次電流検出器１４の巻数比に応じた電流に変換し、一次電流波形Ｉ１～Ｉ３をアンバランス算出回路ＣＡに出力する。なお、一次電流検出器１４は、変流器ではなくホール電流検出器やシャント抵抗器であってもよい。

【0018】

出力電流検出器ＩＯは、出力端子＋に流れる電流を検出し、出力電流検出値Ｉｏとして誤差増幅器ＥＡに出力する。

【0019】

誤差増幅器ＥＡは、電流設定回路ＩＳからの電流設定信号Ｉｓと出力電流検出値Ｉｏを比較して、出力電流検出値Ｉｏと電流設定信号Ｉｓが等しくなるように誤差増幅信号Ｅａをドライバ回路ＤＲに出力する。

【0020】

ドライバ回路ＤＲは、誤差増幅信号Ｅａをもとに、出力電流検出値Ｉｏと電流設定信号Ｉｓが等しくなるようにインバータ回路１１の図示しないスイッチング素子をオン／オフする。スイッチング素子はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳ－ＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）などの半導体スイッチが一般的用いられている。また、ドライバ回路ＤＲには、後述する並列運転異常検出回路ＰＥからの並列運転異常信号Ｐｅが入力され、並列運転異常信号ＰｅがＨｉｇｈの場合は、スイッチング素子をオフして、インバータ回路１１の動作を停止させる。

【0021】

アンバランス算出回路ＣＡは、一次電流検出器１４からの一次電流波形Ｉ１～Ｉ３を｛（Ｉ１＋Ｉ２）－２×Ｉ３｝に従って算出し、その絶対値を算出（全波整流）し、平均化（平滑）して、アンバランス値Ｃａとして並列運転異常検出回路ＰＥに出力する。すなわち、
Ｃａ＝ＡＶＥＲＡＧＥ〔｜｛（Ｉ１＋Ｉ２）｝－｛２×Ｉ３｝｜〕
となる。Ｎ個の電源回路ＰＭから構成され、Ｎ個の直流出力回路１３が並列接続されている場合は、
Ｃａ＝ＡＶＥＲＡＧＥ〔｜｛（Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３＋・・・＋ＩＮ－１）｝－｛（Ｎ－１）×ＩＮ｝｜〕
となる。Ｎ個の電源回路ＰＭがすべて正常である場合、一次電流波形Ｉ１～ＩＮはすべて同一波形であり、アンバランス値Ｃａは０Ｖとなる。しかし、Ｎ個の電源回路ＰＭのうち少なくとも１つが故障した場合、故障した電源回路ＰＭの一次電流波形のみが、他の故障していない電源回路ＰＭの一次電流波形と異なり、アンバランス値Ｃａは０Ｖとならない。図２は、アンバランス算出回路ＣＡをオペアンプにより実現した回路であり、動作の詳細は後述で説明する。

【0022】

並列運転異常検出回路ＰＥは、アンバランス値Ｃａ、電流設定値Ｉｓ又は出力電流検出値Ｉｏを入力として次のとおり並列運転異常信号Ｐｅを出力する。複数の電源回路ＰＭのうち少なくとも１つが故障した場合、前述したとおりアンバランス値Ｃａは０Ｖでなくなる。従って、アンバランス値Ｃａが所定の値以上になった場合、複数の電源回路ＰＭのうち少なくとも１つが故障したと判断し、並列運転異常信号ＰｅをＬｏｗからＨｉｇｈに切り替える。いずれかの電源回路ＰＭが故障した場合のアンバランス値Ｃａは、電源装置ＰＳに流れる出力電流が大きいほど大きい。したがって、所定の値を電流設定値Ｉｓ又は出力電流検出値Ｉｏの値に比例して増減させれば、広い範囲で精度よくアンバランスを検出できる。図２は、並列運転異常検出回路ＰＥをコンパレータ及びその他の集積回路を用いて実現した回路であり、動作の詳細は後述で説明する。

【0023】

図２は、３個の電源回路ＰＭから構成され、それぞれの直流出力回路１３がすべて並列接続されている場合のアンバランス算出回路ＣＡ及び並列運転異常検出回路ＰＥをオペアンプ、コンパレータ及びフリップフロップなどの集積回路にて実現した回路である。同図を用いて、アンバランス算出回路ＣＡ及び並列運転異常検出回路ＰＥの動作を詳しく説明する。なお、同図において抵抗Ｒは２０ｋオームの抵抗とした場合、抵抗Ｒ／２は抵抗Ｒの半分の抵抗値である１０ｋオームの抵抗であることを示す。

【0024】

同図のアンバランス算出回路ＣＡは、次のとおり動作し、アンバランス値Ｃａを算出し、同図の並列運転異常検出回路ＰＥに出力する。
１）変流器１４から入力された一次電流波形Ｉ１～Ｉ３は抵抗Ｒｓ（１オーム）の抵抗を介して制御電源の０Ｖに流れるため、抵抗Ｒｓの両端には一次電流波形Ｉ１～Ｉ３に比例した波形が発生する。
２）オペアンプＯＰ１は、一次電流波形Ｉ３の波形を反転させて２倍に増幅し、オペアンプＯＰ１の出力は｛－２×Ｉ３｝となる。
３）オペアンプＯＰ２は、一次電流波形Ｉ１、Ｉ２及びオペアンプＯＰ１の出力｛－２×Ｉ３｝を加算反転し、｛－（Ｉ１＋Ｉ２）＋２×Ｉ３｝として出力する。
４）オペアンプＯＰ３及びＯＰ４は、オペアンプＯＰ２の出力の絶対値（全波整流）を算出し、コンデンサＣにより平均化（平滑）する回路であり、オペアンプＯＰ４の出力であるアンバランス値Ｃａは、後述する図３の（ｅ）のような波形となる。

【0025】

並列運転異常検出回路ＰＥは、オペアンプＯＰ４の出力であるアンバランス値Ｃａと判定値ＶｒとをコンパレータＣＯＭ１で比較し、アンバランス値Ｃａが判定値Ｖｒを超えた場合は、コンパレータＣＯＭ１の出力をＬｏｗからＨｉｇｈに切り替える。ＲＳフリップフロップＦＦのセット端子Ｓの入力もＬｏｗからＨｉｇｈに切り替わると、ＲＳフリップフロップＦＦの出力端子ＱもＨｉｇｈにセットされＨｉｇｈの状態を維持する。判定値Ｖｒは、電流設定値Ｉｓ又は出力電流検出値Ｉｏを増幅器１００により増幅率Ｋ倍し、加算器１１０により、オフセット電圧値Ｖｆに加算することにより、電流設定値Ｉｓ又は出力電流検出値Ｉｏに比例して大きくなるようにしている。

【0026】

図２では、アンバランス算出回路ＣＡ及び並列運転異常検出回路ＰＥの動作説明を分かり易くするため、オペアンプ、コンパレータ及びその他の集積回路を用いて実現したが、これに限らずＣＰＵを用いて演算及び制御を行うことでも実現可能である。

【0027】

図３は、３個の電源回路ＰＭのうちのいずれかに故障が発生した場合を示すタイミングチャートである。同図（ａ）～（ｃ）は、一次電流波形Ｉ１～Ｉ３を示し、同図（ｄ）は、図２のアンバランス算出回路ＣＡのオペアンプＯＰ２の出力を示し、同図（ｅ）は、アンバランス値Ｃａを示し、同図（ｆ）は、並列運転異常信号Ｐｅを示し、同図（ｇ）は、駆動信号Ｄｒを示す。

【0028】

ｔ０～ｔ１：時刻ｔ０からｔ１の期間は、３個の電源回路ＰＭのいずれも故障しておらず、同図（ａ）～（ｃ）に示すとおり、一次電流波形Ｉ１～Ｉ３はすべて±１Ａの波形となり、同図（ｆ）に示すとおり、並列運転異常信号ＰｅもＬｏｗを維持している。

【0029】

ｔ１～ｔ２：時刻ｔ１において、３個の電源回路ＰＭのうち一次電流波形Ｉ２を検出している電源回路ＰＭに故障が発生する。故障原因としては、インバータ回路１１のスイッチング素子の故障やスイッチング素子を駆動するドライバ回路ＤＲの故障や信号線の断線、トランス１２の巻線の断線、トランス１２の磁気飽和などがある。同図（ｂ）に示すとおり、一次電流波形Ｉ２は、故障していない電源回路ＰＭの一次電流波形ＩとＩ３から乖離が生じてしまう。そのため、同図（ｄ）に示すとおり、アンバランス算出回路ＣＡのオペアンプＯＰ２の出力は０Ｖではなる。そのため、同図（ｅ）に示すとおり、アンバランス値Ｃａも徐々に上昇し、やがて所定値Ｖｒを超えた時刻ｔ２にて、同図（ｆ）に示すとおり、並列運転異常信号ＰｅもＬｏｗからＨｉｇｈに切り替わる。

【0030】

ｔ２～：時刻ｔ２以降、同図（ｆ）に示すとおり、並列運転異常信号ＰｅはＨｉｇｈにセットされた状態を維持するため、同図（ｇ）に示すとおり、駆動信号Ｄｒはオフの状態を維持し、インバータ回路１１のスイッチング素子はオンし、電源装置ＰＳは出力を停止する。

【0031】

本発明の実施の形態においては、並列接続された複数の電源回路ＰＭの回路数が増えても、１つのアンバランス算出回路ＣＡにて、一括してアンバランス値Ｃａを算出することができる。また、先行文献１では、平均値を算出して、平均値の差分によりアンバランスを検出するため、並列接続された複数の電源回路の個数が増えると、平均値との差分が小さくなり、アンバランスの検出が困難となることも解決できる。

【0032】

本開示に係る電源装置は、上記した実施形態に限定されるものではない。例えば、図４に示すとおり、一次電流検出波形Ｉ３を出力する一次電流検出器１４のみを他の一次電流検出器１４と極性を変更しておけば、図２に示したアンバランス算出回路ＣＡのオペアンプＯＰ１は省略し、一次電流検出波形Ｉ３を抵抗Ｒ／２を介してオペアンプＯＰ２の反転入力端子（－）に入力することにより実現できるなど、本開示の電源装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

【符号の説明】

【0033】

１１ インバータ回路
１２ トランス
１２１ 一次巻線
１２２ 二次巻線
１３ 直流出力回路
＋、－ 出力端子
ＣＡ アンバランス算出回路
Ｃａ アンバランス値
ＣＴ 一次電流検出器
Ｉ１～ＩＮ 一次電流波形
ＤＲ ドライバ回路
Ｄｒ 駆動信号
ＥＡ 誤差増幅回路
Ｅａ 誤差増幅信号
ＩＯ 出力電流検出器
Ｉｏ 出力電流検出値
ＩＳ 電流設定回路
Ｉｓ 電流設定値
Ｎｐ 一次巻線巻数
Ｎｓ 二次巻線巻数
ＰＥ 並列運転異常検知回路
Ｐｅ 並列運転異常信号
ＰＭ 電源回路
ＰＳ 電源装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】