(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】P2024028158
(43)【公開日】2024-03-01
(54)【発明の名称】二重化電源切替システム及びその制御方法
(51)【国際特許分類】
H02J 9/06 20060101AFI20240222BHJP
【ＦＩ】
H02J9/06 110
【審査請求】有
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023126999
(22)【出願日】2023-08-03
(31)【優先権主張番号】202210985413.4
(32)【優先日】2022-08-17
(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN
(31)【優先権主張番号】202211516426.3
(32)【優先日】2022-11-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN
(71)【出願人】
【識別番号】521279527
【氏名又は名称】台達電子工業股▲ふん▼有限公司
(74)【代理人】
【識別番号】110001519
【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】廖仁詮
(72)【発明者】
【氏名】▲せん▼健智
(72)【発明者】
【氏名】謝佳澄
【テーマコード（参考）】
5G015
【Ｆターム（参考）】
5G015FA12
5G015FA16
5G015GA02
5G015GB03
5G015JA01
5G015JA06
5G015JA09
(57)【要約】
【課題】二重化電源切替システム及びその制御方法を提供する。
【解決手段】電源切替システムは、主電源に電気的に接続される第１のスタティックスイッチと、予備電源に電気的に接続される第２のスタティックスイッチと、誘導性装置と、コントローラと、を含み、コントローラは、主電源に異常が発生したことを検出した場合、誘導性装置の残留磁束を検出し、推定磁束と残留磁束との磁束差を算出し、コントローラは、算出された磁束差の絶対値が既定偏差値以下であると判断した場合、出力電力が強制転流条件を満たしているか否かと判断し、コントローラは、出力電力が強制転流条件を満たしていると判断した場合、第２のスタティックスイッチをオンにし、第１のスタティックスイッチを強制的にオフにする。
【選択図】図５Ａ
【解決手段】電源切替システムは、主電源に電気的に接続される第１のスタティックスイッチと、予備電源に電気的に接続される第２のスタティックスイッチと、誘導性装置と、コントローラと、を含み、コントローラは、主電源に異常が発生したことを検出した場合、誘導性装置の残留磁束を検出し、推定磁束と残留磁束との磁束差を算出し、コントローラは、算出された磁束差の絶対値が既定偏差値以下であると判断した場合、出力電力が強制転流条件を満たしているか否かと判断し、コントローラは、出力電力が強制転流条件を満たしていると判断した場合、第２のスタティックスイッチをオンにし、第１のスタティックスイッチを強制的にオフにする。
【選択図】図５Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
主電源に電気的に接続される第１のスタティックスイッチと、
予備電源に電気的に接続される第２のスタティックスイッチと、
前記第１のスタティックスイッチに電気的に接続される一次巻線、及び前記第２のスタティックスイッチに電気的に接続される二次巻線を備える誘導性装置と、
前記主電源及び前記予備電源の出力電力を検出することにより、前記誘導性装置の推定磁束を算出するコントローラと、を含み、
前記コントローラは、前記主電源に異常が発生したことを検出した場合、前記誘導性装置の残留磁束を検出し、前記推定磁束と前記残留磁束との磁束差を算出し、
前記コントローラは、算出された前記磁束差の絶対値が既定偏差値以下であると判断した場合、前記出力電力が強制転流条件を満たしているか否かを判断し、
前記コントローラは、前記出力電力が前記強制転流条件を満たしていると判断した場合、前記第２のスタティックスイッチをオンにして、前記予備電源が前記第２のスタティックスイッチを経由して前記第１のスタティックスイッチを強制的にオフにすることを特徴とする二重化電源切替システム。
予備電源に電気的に接続される第２のスタティックスイッチと、
前記第１のスタティックスイッチに電気的に接続される一次巻線、及び前記第２のスタティックスイッチに電気的に接続される二次巻線を備える誘導性装置と、
前記主電源及び前記予備電源の出力電力を検出することにより、前記誘導性装置の推定磁束を算出するコントローラと、を含み、
前記コントローラは、前記主電源に異常が発生したことを検出した場合、前記誘導性装置の残留磁束を検出し、前記推定磁束と前記残留磁束との磁束差を算出し、
前記コントローラは、算出された前記磁束差の絶対値が既定偏差値以下であると判断した場合、前記出力電力が強制転流条件を満たしているか否かを判断し、
前記コントローラは、前記出力電力が前記強制転流条件を満たしていると判断した場合、前記第２のスタティックスイッチをオンにして、前記予備電源が前記第２のスタティックスイッチを経由して前記第１のスタティックスイッチを強制的にオフにすることを特徴とする二重化電源切替システム。
【請求項2】
前記コントローラは、さらに、前記主電源と前記予備電源との電圧差が正の電圧差又は負の電圧差であることを検出し、前記主電源から出力される主電流が正電流又は負電流であることを検出するように設けられ、
前記コントローラは、
前記電圧差が前記正の電圧差であり、かつ、前記主電流が前記正電流であることを検出すると、前記出力電力が前記強制転流条件を満たしていると判断し、又は、
前記電圧差が前記負の電圧差であり、かつ、前記主電流が前記負電流であることを検出すると、前記出力電力が前記強制転流条件を満たしていると判断することを特徴とする請求項１に記載の二重化電源切替システム。
前記コントローラは、
前記電圧差が前記正の電圧差であり、かつ、前記主電流が前記正電流であることを検出すると、前記出力電力が前記強制転流条件を満たしていると判断し、又は、
前記電圧差が前記負の電圧差であり、かつ、前記主電流が前記負電流であることを検出すると、前記出力電力が前記強制転流条件を満たしていると判断することを特徴とする請求項１に記載の二重化電源切替システム。
【請求項3】
前記コントローラは、
前記電圧差が前記正の電圧差であり、かつ、前記主電流が前記負電流であることを検出すると、前記出力電力が前記強制転流条件を満たしていないと判断し、又は、
前記電圧差が前記負の電圧差であり、かつ、前記主電流が前記正電流であることを検出すると、前記出力電力が前記強制転流条件を満たしていないと判断することを特徴とする請求項２に記載の二重化電源切替システム。
前記電圧差が前記正の電圧差であり、かつ、前記主電流が前記負電流であることを検出すると、前記出力電力が前記強制転流条件を満たしていないと判断し、又は、
前記電圧差が前記負の電圧差であり、かつ、前記主電流が前記正電流であることを検出すると、前記出力電力が前記強制転流条件を満たしていないと判断することを特徴とする請求項２に記載の二重化電源切替システム。
【請求項4】
前記推定磁束は正弦波形であり、前記既定偏差値はコントローラによって予め設定された固定値であることを特徴とする請求項１に記載の二重化電源切替システム。
【請求項5】
前記残留磁束が定常状態の緩やかな上昇波形であり、前記正弦波形と前記上昇波形との差が前記磁束差であり、
前記主電源に異常が発生した場合、前記磁束差の絶対値は、前記既定偏差値より大きい値から前記既定偏差値以下に変化することを特徴とする請求項４に記載の二重化電源切替システム。
前記主電源に異常が発生した場合、前記磁束差の絶対値は、前記既定偏差値より大きい値から前記既定偏差値以下に変化することを特徴とする請求項４に記載の二重化電源切替システム。
【請求項6】
前記主電源に異常が発生した場合、前記コントローラは、前記一次巻線の残留電圧を検出することによって残留磁束を算出することを特徴とする請求項１に記載の二重化電源切替システム。
【請求項7】
前記第１のスタティックスイッチ及び前記第２のスタティックスイッチは、それぞれ相互に逆並列に接続された複数のシリコン制御整流素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の二重化電源切替システム。
【請求項8】
前記主電源に電気的に接続される第１電流センサと、
前記予備電源に電気的に接続される第２電流センサと、をさらに含み、
前記コントローラは、
前記第１電流センサにより、前記第１のスタティックスイッチを流れる第１電流を検出して、前記第１のスタティックスイッチがオン又はオフであることを検出し、
前記第２電流センサにより、前記第２のスタティックスイッチを流れる第２電流を検出して、前記第２のスタティックスイッチがオフ又はオンであることを検出することを特徴とする請求項１に記載の二重化電源切替システム。
前記予備電源に電気的に接続される第２電流センサと、をさらに含み、
前記コントローラは、
前記第１電流センサにより、前記第１のスタティックスイッチを流れる第１電流を検出して、前記第１のスタティックスイッチがオン又はオフであることを検出し、
前記第２電流センサにより、前記第２のスタティックスイッチを流れる第２電流を検出して、前記第２のスタティックスイッチがオフ又はオンであることを検出することを特徴とする請求項１に記載の二重化電源切替システム。
【請求項9】
主電源に電気的に接続される第１のスタティックスイッチと、
予備電源に電気的に接続される第２のスタティックスイッチと、
前記第１のスタティックスイッチに電気的に接続される一次巻線、及び前記第２のスタティックスイッチに電気的に接続される二次巻線を備える誘導性装置と、
前記第１のスタティックスイッチと前記第２のスタティックスイッチとに電気的に接続される強制転流回路と、
前記主電源及び前記予備電源の出力電力を検出し、前記誘導性装置の推定磁束を算出するコントローラと、を含み、
前記コントローラは、前記主電源に異常が発生したことを検出した場合、前記誘導性装置の残留磁束を検出し、前記推定磁束と前記残留磁束との磁束差を算出し、
前記コントローラは、算出された前記磁束差の絶対値が既定偏差値以下であると判断した場合、前記強制転流回路を作動させて逆バイアス電圧を供給することによって前記第１のスタティックスイッチを強制的にオフにし、
前記第１のスタティックスイッチが強制的にオフされた後、前記第２のスタティックスイッチをオンにすることを特徴とする二重化電源切替システム。
予備電源に電気的に接続される第２のスタティックスイッチと、
前記第１のスタティックスイッチに電気的に接続される一次巻線、及び前記第２のスタティックスイッチに電気的に接続される二次巻線を備える誘導性装置と、
前記第１のスタティックスイッチと前記第２のスタティックスイッチとに電気的に接続される強制転流回路と、
前記主電源及び前記予備電源の出力電力を検出し、前記誘導性装置の推定磁束を算出するコントローラと、を含み、
前記コントローラは、前記主電源に異常が発生したことを検出した場合、前記誘導性装置の残留磁束を検出し、前記推定磁束と前記残留磁束との磁束差を算出し、
前記コントローラは、算出された前記磁束差の絶対値が既定偏差値以下であると判断した場合、前記強制転流回路を作動させて逆バイアス電圧を供給することによって前記第１のスタティックスイッチを強制的にオフにし、
前記第１のスタティックスイッチが強制的にオフされた後、前記第２のスタティックスイッチをオンにすることを特徴とする二重化電源切替システム。
【請求項10】
前記強制転流回路は、外部電源の変圧器巻線に電気的に接続され、
前記主電源に異常が発生した場合、前記強制転流回路は、前記変圧器巻線の電圧を受けて前記逆バイアス電圧を生成することを特徴とする請求項９に記載の二重化電源切替システム。
前記主電源に異常が発生した場合、前記強制転流回路は、前記変圧器巻線の電圧を受けて前記逆バイアス電圧を生成することを特徴とする請求項９に記載の二重化電源切替システム。
【請求項11】
前記強制転流回路は、第１のドライバ回路と第２のドライバ回路とを含み、
前記第１のドライバ回路及び前記第２のドライバ回路は、それぞれ、前記変圧器巻線に電気的に接続される変換巻線と、前記変換巻線に電気的に接続されアノード端子と、カソード端子とを有する整流ダイオードと、駆動回路と、を含み、
前記第１のドライバ回路の前記駆動回路は、前記第１のドライバ回路における前記整流ダイオードの前記カソード端子と前記第１のスタティックスイッチとの間に電気的に接続され、
前記第２のドライバ回路の前記駆動回路は、前記第２のドライバ回路における前記整流ダイオードの前記カソード端子及び前記第２のスタティックスイッチの間に電気的に接続されることを特徴とする請求項１０に記載の二重化電源切替システム。
前記第１のドライバ回路及び前記第２のドライバ回路は、それぞれ、前記変圧器巻線に電気的に接続される変換巻線と、前記変換巻線に電気的に接続されアノード端子と、カソード端子とを有する整流ダイオードと、駆動回路と、を含み、
前記第１のドライバ回路の前記駆動回路は、前記第１のドライバ回路における前記整流ダイオードの前記カソード端子と前記第１のスタティックスイッチとの間に電気的に接続され、
前記第２のドライバ回路の前記駆動回路は、前記第２のドライバ回路における前記整流ダイオードの前記カソード端子及び前記第２のスタティックスイッチの間に電気的に接続されることを特徴とする請求項１０に記載の二重化電源切替システム。
【請求項12】
各前記駆動回路は、整流回路を構成する複数のシリコン制御整流素子を含むことを特徴とする請求項１１に記載の二重化電源切替システム。
【請求項13】
二重化電源切替システムの制御方法であって、
前記二重化電源切替システムは、主電源と、無瞬断切替装置と、予備電源とを含み、
前記制御方法は、
前記主電源が無瞬断切替装置を経由して誘導性装置を電気的にオンさせ、前記主電源が誘導性装置に電気的に接続された負荷に給電するように、無瞬断切替装置を操作することと、
前記主電源及び前記予備電源の出力電力を検出し、前記誘導性装置の推定磁束を算出することと、
前記主電源に異常が検出された場合、前記誘導性装置の残留磁束を検出し、前記推定磁束と前記残留磁束との磁束差を算出することと、
算出された前記磁束差の絶対値が既定偏差値以下であると判断した場合、前記出力電力が強制転流条件を満たしているか否かを判断することと、
前記出力電力が前記強制転流条件を満たしていると判断した場合、前記予備電源が前記無瞬断切替装置を経由して前記誘導性装置を電気的にオンにするように、前記無瞬断切替装置を操作することと、
前記予備電源が前記誘導性装置を電気的にオンする場合、前記予備電源は、前記主電源と前記誘導性装置との間を強制的に遮断するように、前記無瞬断切替装置を駆動することと、を含むことを特徴とする二重化電源切替システムの制御方法。
前記二重化電源切替システムは、主電源と、無瞬断切替装置と、予備電源とを含み、
前記制御方法は、
前記主電源が無瞬断切替装置を経由して誘導性装置を電気的にオンさせ、前記主電源が誘導性装置に電気的に接続された負荷に給電するように、無瞬断切替装置を操作することと、
前記主電源及び前記予備電源の出力電力を検出し、前記誘導性装置の推定磁束を算出することと、
前記主電源に異常が検出された場合、前記誘導性装置の残留磁束を検出し、前記推定磁束と前記残留磁束との磁束差を算出することと、
算出された前記磁束差の絶対値が既定偏差値以下であると判断した場合、前記出力電力が強制転流条件を満たしているか否かを判断することと、
前記出力電力が前記強制転流条件を満たしていると判断した場合、前記予備電源が前記無瞬断切替装置を経由して前記誘導性装置を電気的にオンにするように、前記無瞬断切替装置を操作することと、
前記予備電源が前記誘導性装置を電気的にオンする場合、前記予備電源は、前記主電源と前記誘導性装置との間を強制的に遮断するように、前記無瞬断切替装置を駆動することと、を含むことを特徴とする二重化電源切替システムの制御方法。
【請求項14】
前記主電源と前記予備電源との電圧差が正の電圧差又は負の電圧差であることを検出することと、
前記主電源から出力される主電流が正電流又は負電流であることを検出することと、を含み、
前記電圧差が前記正の電圧差であり、かつ、前記主電流が前記正電流であることを検出すると、前記出力電力が前記強制転流条件を満たしていると判断し、又は、
前記電圧差が前記負の電圧差であり、かつ、前記主電流が前記負電流であることを検出すると、前記出力電力が前記強制転流条件を満たしていると判断することを特徴とする請求項１３に記載の二重化電源切替システムの制御方法。
前記主電源から出力される主電流が正電流又は負電流であることを検出することと、を含み、
前記電圧差が前記正の電圧差であり、かつ、前記主電流が前記正電流であることを検出すると、前記出力電力が前記強制転流条件を満たしていると判断し、又は、
前記電圧差が前記負の電圧差であり、かつ、前記主電流が前記負電流であることを検出すると、前記出力電力が前記強制転流条件を満たしていると判断することを特徴とする請求項１３に記載の二重化電源切替システムの制御方法。
【請求項15】
前記電圧差が前記正の電圧差であり、かつ、前記主電流が前記負電流であることを検出すると、前記出力電力が前記強制転流条件を満たしていないと判断し、又は、
前記電圧差が前記負の電圧差であり、かつ、前記主電流が前記正電流であることを検出すると、前記出力電力が前記強制転流条件を満たしていないと判断することを特徴とする請求項１４に記載の二重化電源切替システムの制御方法。
前記電圧差が前記負の電圧差であり、かつ、前記主電流が前記正電流であることを検出すると、前記出力電力が前記強制転流条件を満たしていないと判断することを特徴とする請求項１４に記載の二重化電源切替システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、二重化電源切替システム及びその制御方法に関し、特に二重化電源の不適切な切替を回避する二重化電源切替システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
無瞬断切替装置（Ｓｔａｔｉｃ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｓｗｉｔｃｈ，ＳＴＳ）は、データセンターの電源システムの構成に不可欠なコンポーネントで、重要設備などの負荷１２１に無停電電源を供給する。その内部には通常、複数のシリコン制御整流素子が含まれている。無瞬断切替装置のアーキテクチャは図１Ａに示すように、無瞬断切替装置は通常、２つ以上の独立した電源から電力を供給され、優先される主電源１１０が許容範囲を超えると、自動的に優先電源から予備電源１１１に切り替えて、無停電電源を供給するため、重要設備への継続的な電力供給を供給し、重要設備への電力供給が中断され、重要設備が強制的に停止することを回避する。
【0003】
通常、無瞬断切替装置の出力は、変圧器を介して重要設備に接続されている。変圧器は誘導性装置１２０であるため、磁束飽和という問題がある。そのため、図１Ｂに示すように、主電源１１０が許容範囲外となり（時間ｔ１）、２つの電源間の切り替えが不適切である場合（時間ｔ２）、下流の変圧器に高い突入電流Ｉｉを発生させる。突入電流Ｉｉが高すぎると、上流の回路を過負荷にさせたり、ブレーカーをトリップさせたりして、システム全体を停電させることがある。したがって、従来の電源切替方式では、過大な突入電流Ｉｉを避けるために、主電源に流れるシリコン制御整流素子の電流がゼロになった後、予備電源のシリコン制御整流素子をオンにする。しかし、このような切替方式は、電流がゼロになるまで待つ必要があるため、出力電圧が低下しすぎて重要装置が停止する危険性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
そこで、二重化電源の不適切な切替を回避可能な二重化電源切替システム及びその制御方法をどのように設計するかが、本願発明者によって検討された重要な課題である。
【0005】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、二重化電源切替システム及びその制御方法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】
【0006】
上記の目的を達成するために、本発明に係る電源切替システムは、主電源に電気的に接続される第１のスタティックスイッチと、予備電源に電気的に接続される第２のスタティックスイッチと、前記第１のスタティックスイッチに電気的に接続される一次巻線、及び前記第２のスタティックスイッチに電気的に接続される二次巻線を備える誘導性装置と、前記主電源及び前記予備電源の出力電力を検出することにより、前記誘導性装置の推定磁束を算出するコントローラと、を含み、前記コントローラは、前記主電源に異常が発生したことを検出した場合、前記誘導性装置の残留磁束を検出し、前記推定磁束と前記残留磁束との磁束差を算出し、前記コントローラは、算出された前記磁束差の絶対値が既定偏差値以下であると判断した場合、前記出力電力が強制転流条件を満たしているか否かを判断し、前記コントローラは、前記出力電力が前記強制転流条件を満たしていると判断した場合、前記第２のスタティックスイッチをオンにして、前記予備電源が前記第２のスタティックスイッチを経由して前記第１のスタティックスイッチを強制的にオフにする。
【0007】
上記の目的を達成するために、本発明に係る電源切替システムは、主電源に電気的に接続される第１のスタティックスイッチと、予備電源に電気的に接続される第２のスタティックスイッチと、前記第１のスタティックスイッチに電気的に接続される一次巻線、及び前記第２のスタティックスイッチに電気的に接続される二次巻線を備える誘導性装置と、前記第１のスタティックスイッチと前記第２のスタティックスイッチとに電気的に接続される強制転流回路と、前記主電源及び前記予備電源の出力電力を検出し、前記誘導性装置の推定磁束を算出するコントローラと、を含み、前記コントローラは、前記主電源に異常が発生したことを検出した場合、前記誘導性装置の残留磁束を検出し、前記推定磁束と前記残留磁束との磁束差を算出し、前記コントローラは、算出された前記磁束差の絶対値が既定偏差値以下であると判断した場合、前記強制転流回路を作動させて逆バイアス電圧を供給することによって前記第１のスタティックスイッチを強制的にオフにし、前記第１のスタティックスイッチが強制的にオフされた後、前記第２のスタティックスイッチをオンにする。
【0008】
上記の目的を達成するために、本発明に係る二重化電源切替システムの制御方法において、前記二重化電源切替システムは、主電源と、無瞬断切替装置と、予備電源とを含み、前記制御方法は、前記主電源が無瞬断切替装置を経由して誘導性装置を電気的にオンさせ、前記主電源が誘導性装置に電気的に接続された負荷に給電するように、無瞬断切替装置を操作することと、前記主電源及び前記予備電源の出力電力を検出し、前記誘導性装置の推定磁束を算出することと、前記主電源に異常が検出された場合、前記誘導性装置の残留磁束を検出し、前記推定磁束と前記残留磁束との磁束差を算出することと、算出された前記磁束差の絶対値が既定偏差値以下であると判断した場合、前記出力電力が強制転流条件を満たしているか否かを判断することと、前記出力電力が前記強制転流条件を満たしていると判断した場合、前記予備電源が前記無瞬断切替装置を経由して前記誘導性装置を電気的にオンにするように、前記無瞬断切替装置を操作することと、前記予備電源が前記誘導性装置を電気的にオンする場合、前記予備電源は、前記主電源と前記誘導性装置との間を強制的に遮断するように、前記無瞬断切替装置を駆動することと、を含む。
【発明の効果】
【0009】
本発明は、下流の誘導性装置に捕捉された推定磁束をリアルタイムで連続的に算出するためにコントローラを用いることで、電源障害が発生した場合、コントローラは、主電源の動作経路上のシリコン制御整流素子をオフにし、現在算出された磁束に基づいて、かつ、本発明によって設計された特定のタイミングシーケンスに従って、予備経路上のシリコン制御整流素子をオンにする。これにより、２つの電源間の不適切な切替によって下流の誘導性装置に高い突入電流が生じることを回避するとともに、シリコン制御整流素子における電流がゼロになるのを待つため、出力電源が低下して負荷の安定動作を維持できなくなる事態を回避することができる。
【0010】
本発明の目的を達成するためになされた本発明の技術、手段、及び効果をより良く理解するために、本発明の目的及び特徴は、本発明の詳細な説明及び添付図面を参照することによってより良く理解されると考えられるが、添付図面は、参照及び説明のみを提供するものであり、本発明を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1A】無瞬断切替装置（ＳＴＳ）の回路ブロック図である。
【図1B】無瞬断切替装置（ＳＴＳ）の波形図。
【図2A】本発明に係る二重化電源切替システムの回路ブロック図。
【図2B】本発明に係る主電源、予備電源及び出力電源の波形図。
【図3A】本発明に係る二重化電源切替システムが第１の切替方式を用いる回路ブロック図である。
【図3B】本発明に係る二重化電源切替システムが第１の切替方式を用いる電圧、電流波形図である。
【図4】本発明に係る二重化電源切替システムが第２の切替方式を用いる回路ブロック図である。
【図5A】本発明に係る二重化電源切替システムの制御方法の第１実施形態のフローチャートである。
【図5B】本発明に係る二重化電源切替システムの制御方法の第２実施形態のフローチャートである。
【図6A】本発明に係る切替制御方法の第１実施例の波形図である。
【図6B】本発明に係る切替制御方法の第２実施例の波形図である。
【図7】本発明に係る二重化電源切替システムの実測波形を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本発明の技術的内容及び詳細な説明について、図面を参照しながら以下に説明する。
【0013】
図２Ａは、本発明に係る二重化電源切替システムの回路ブロック図。同図を参照すると、二重化電源切替システム１００は、主に重要負荷１２１に給電し、無瞬断切替装置と、誘導性装置１２０と、コントローラ１３４とを含む。無瞬断切替装置は、第１のスタティックスイッチ１３０と、第２のスタティックスイッチ１３１とを含む。重要負荷１２１（以下、負荷と略す）は、例えば、サーバ、通信システムなど、中断されずに継続的に動作することを必要とする装置であってもよいが、これらに限定されない。第１のスタティックスイッチ１３０は主電源１１０に電気的に接続され、第２のスタティックスイッチ１３１は予備電源１１１に電気的に接続される。誘導性装置１２０は、一次巻線１２０Ａと二次巻線１２０Ｂとを備える。一次巻線１２０Ａは、第１のスタティックスイッチ１３０と第２のスタティックスイッチ１３１とに電気的に接続され、二次巻線１２０Ｂは、負荷１２１に電気的に接続される。コントローラ１３４は、主電源１１０及び予備電源１１１の出力電力を検出し、誘導性装置１２０の推定磁束を算出する。ここで、コントローラ１３４は、デジタル信号処理装置（ＤＳＰ）であってもよいが、これに限定されず、信号を用いて回路制御を行うことができる実体回路や、制御ソフトウェアを内蔵する制御装置などは、本実施形態の範囲に含まれるものとする。
【0014】
具体的には、二重化電源切替システム１００は、電圧センサ（図示せず）と、電流センサ１３２、１３３とをさらに含む。電圧センサ及び電流センサ１３２、１３３は、それぞれ主電源１１０及び予備電源１１１に電気的に接続され、主電源１１０及び予備電源１１１に対応する電圧信号Ｖ１、Ｖ２及び電流信号Ｉ１、Ｉ２（即ち、出力電力であるが、これに限定されない）を検出する。また、電圧センサは、誘導性装置１２０の一次巻線１２０Ａ又は二次巻線１２０Ｂに電気的に接続され、一次巻線１２０Ａにおける出力電源に対応する電圧信号Ｖｏを検出する。
【0015】
図２Ｂは、本発明に係る主電源、予備電源及び出力電源の波形図。同図を併せて参照すると、主電源１１０及び予備電源１１１の電圧波形は位相差を有しているが、概略的なものであり、互いに相関はない。即ち、本発明の切替制御方式は、位相差の大きさに関係なく、主に磁束を制御するのに用いられる。さらに、本発明の一実施形態では、主電源１１０がまず負荷１２１に給電し、予備電源１１１が主電源１１０をバックアップすることを一例とする。コントローラ１３４は、電圧信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖｏを取得し、電圧信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖｏを積分して、主電源１１０、予備電源１１１の推定磁束ｆｐ、及び誘導性装置１２０上の実際の磁束ｆａを算出する。ここで、推定磁束ｆｐは主に電圧信号Ｖ２の積分であり、実際の磁束ｆａは電圧信号Ｖｏの積分である。主電源１１０の磁束と誘導性装置１２０の磁束が一致する（即ち実際の磁束ｆａ）のは、第１のスタティックスイッチ１３０がオンして、主電源１１０を誘導性装置１２０に接続させるためである。ここで、電圧の積分が磁束であり、正弦波の積分が正弦波のままであるため、推定磁束ｆｐ及び実際の磁束ｆａは正弦波形のままである。
【0016】
図２Ａを再び参照する。第１のスタティックスイッチ１３０及び第２のスタティックスイッチ１３１は、それぞれ複数のシリコン制御整流素子（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ，ＳＣＲ）を含む。第１のスタティックスイッチ１３０のシリコン制御整流素子１３０ａ、１３０ｂは相互に逆並列に接続され、第２のスタティックスイッチ１３１のシリコン制御整流素子１３１ａ、１３１ｂも相互に逆並列に接続されている。シリコン整流器は、電流が流れているときに、コントローラ１３４がゲート端子を介してシリコン整流器をオフにするできない特性を有している。したがって、シリコン制御整流素子は、電流が自然にゼロになるか、又は強制転流技術によってアノード電流をキャンセルした後にのみ、オフにされることができる。そこで、本発明は、シリコン制御整流素子をオフにするための少なくとも２つの方法を提供する。その一つは、別の電源を用いてシリコン制御整流素子を逆バイアスしてオフにする方法である。もう一つは、アクティブ転流回路と呼ばれる付加回路を用いて動作中のシリコン制御整流素子をオフにする方法である。具体的には、シリコン制御整流素子を強制的にオフにするために、追加の直流電源を供給してシリコン制御整流素子に逆バイアス電圧を印加することである。これら２つの遮断方法の詳細な回路や制御方式については後述するので、ここでの具体的な説明は省略する。
【0017】
一方、下流の誘導性装置１２０（例えば、トランス（変圧器）などの誘導性要素であってもよいが、これに限定されない）に捕捉された推定磁束をリアルタイムで連続的に算出するためにコントローラ１３４を用いる。電源障害が発生した場合（例えば、主電源１１０に異常が発生することが挙げられるが、これに限定されない）、コントローラ１３４は、主電源１１０の動作経路上のシリコン制御整流素子１３０ａ、１３０ｂをオフにし、現在算出された磁束に基づいて、かつ、本発明によって設計された特定のタイミングシーケンスに従って、予備経路（即ち、予備電源１１１）上のシリコン制御整流素子１３１ａ、１３１ｂをオンにする。これにより、２つの電源間の不適切な切替によって下流の誘導性装置１２０に高い突入電流が生じることを回避するとともに、シリコン制御整流素子における電流がゼロになるのを待つため、出力電源が低下して負荷１２１の安定動作を維持できなくなる事態を回避することができる。ここで、コントローラ１３４は、第１電流センサ１３２により、第１のスタティックスイッチ１３０を流れる第１電流（即ち電流信号Ｉ１）を検出して、第１のスタティックスイッチ１３０がオン又はオフであることを検出する。即ち、コントローラ１３４は、第１電流（即ち電流信号Ｉ１）によって第１のスタティックスイッチ１３０が正確にオン／オフするか否かを確認して、二重化電源切替システム１００全体が正常に動作するか否かを確認することができる。一方、コントローラ１３４は、第２電流（即ち電流信号Ｉ２）によって第２のスタティックスイッチ１３１が正確にオン／オフするか否かを確認して、二重化電源切替システム１００全体が正常に動作するか否かを確認することができる。
【0018】
図３Ａは、本発明に係る二重化電源切替システムが第１の切替方式を用いる回路ブロック図である。図３Ｂは、本発明に係る二重化電源切替システムが第１の切替方式を用いる電圧、電流波形図である。図２Ａ及び図２Ｂを併せて参照すると、本実施形態では、主にシリコン制御整流素子をオフにする制御方式として、別の電源を用いてシリコン制御整流素子を逆バイアスしてオフにする。予備電源１１１が主電源１１０をオフにすることを例にとると、コントローラ１３４は、主電源１１０に異常が発生したことを検出した場合、出力電力が強制転流条件を満たしているか否かを判断する。強制転流条件は、主にコントローラ１３４が第２のスタティックスイッチ１３１をオンにするときに、予備電源１１１から供給される電力がちょうど第１のスタティックスイッチ１３０を逆バイアスでオフにして、さらに第１のスタティックスイッチ１３０を強制的にオフすることである。
【0019】
電流センサ１３２は、第１のスタティックスイッチ１３０を流れる電流を監視するのに用いられ、別の電流センサ１３３は、第２のスタティックスイッチ１３１を流れる電流を監視するのに用いられる。コントローラ１３４は、電流信号Ｉ１に基づいて、第１のスタティックスイッチ１３０のどのスイッチが電流を負荷１２１に流しているかを確認することができる。電流が正の場合は、シリコン制御整流素子１３０ａが負荷１２１に電流を流していることを意味し、電流が負の場合は、シリコン制御整流素子１３０ｂが負荷１２１に電流を流していることを意味する。電圧差Ｖ２－Ｖ１は、コントローラ１３４が第２のスタティックスイッチ１３１をオンに制御できるか否かを判断するのに用いられる。このように、図３Ｂに示すように４つの領域Ｚ１～Ｚ４に分けることができ、第２のスタティックスイッチ１３１をオンに制御できる領域は以下の表に示すようになる。
【0020】
【表1】
【0021】
具体的には、表１に示すように、コントローラ１３４は、電圧センサにより、主電源と予備電源との電圧差Ｖ２－Ｖ１が正の電気圧差（即ち領域Ｚ１、Ｚ４）又は負の電気圧差（即ち領域Ｚ２、Ｚ３）であることを検出することができる。シリコン制御整流素子１３０ａが負荷１２１に電流を流し（即ち、電流が正である）、かつ電圧差Ｖ２－Ｖ１が正である場合、コントローラ１３４は、予備電源１１１が第２のスタティックスイッチ１３１を経由して第１のスタティックスイッチ１３０を強制的にオフにするように、第２のスタティックスイッチ１３１をオンにしてもよい。あるいは、シリコン制御整流素子１３０ｂが負荷１２１に電流を流し（即ち、電流が負である）、かつ電圧差Ｖ２－Ｖ１が負である場合、コントローラ１３４は、予備電源１１１から供給される電力がちょうど第１のスタティックスイッチ１３０を逆バイアスによってオフさせるように、第２のスタティックスイッチ１３１をオンにしてもよい。一方、シリコン制御整流素子１３０ａが負荷１２１に電流を流し（即ち、電流が正である）、かつ電圧差Ｖ２－Ｖ１が負である場合、コントローラ１３４は、出力電力が強制転流条件を満たしていないことを確認する。あるいは、シリコン制御整流素子１３０ｂが負荷１２１に電流を流し（即ち、電流が負である、かつ電圧差Ｖ２－Ｖ１が正の場合、コントローラ１３４は、出力電力が強制転流条件を満たしていないことを確認する。
【0022】
図４は、本発明に係る二重化電源切替システムが第２の切替方式を用いる回路ブロック図である。図２Ａ～図３Ｂを併せて参照する。本実施形態では、主にシリコン制御整流素子をオフにする制御方式として、アクティブ転流回路と呼ばれる付加回路（以下、強制転流回路１４０と略す）を用いて動作中のシリコン制御整流素子（１３０ａ～１３１ｂ）をオフにする。強制転流回路１４０は、第１のスタティックスイッチ１３０と第２のスタティックスイッチ１３１とに電気的に接続され、シリコン制御整流素子（１３０ａ～１３１ｂ）に逆バイアス電圧を印加して、シリコン制御整流素子（１３０ａ～１３１ｂ）を強制的にオフする。ここで、強制転流回路１４０は、外部電源を受けて、外部電源を変換してシリコン制御整流素子（１３０ａ～１３１ｂ）に逆バイアス電圧を印加することができる。あるいは、強制転流回路１４０は、内部給電されてもよい。
【0023】
図４は、強制転流回路１４０が内部給電される好ましい回路実施形態を示しているが、これに限定されない。強制転流回路１４０は、誘導性装置１２０の一次巻線１２０Ａに電気的に接続されてもよい。主電源１１０に異常が発生した場合、強制転流回路１４０は、一次巻線１２０Ａの電圧を受けて変換して、逆バイアス電圧を生成する。具体的に、強制転流回路１４０は、第１のドライバ回路１４２と第２のドライバ回路１４４とを含む。第１のドライバ回路１４２は、第１のスタティックスイッチ１３０に電気的に接続され、第２のドライバ回路１４４は、第２のスタティックスイッチ１３１に電気的に接続される。ここで、第２のドライバ回路１４４の回路構成及び接続関係は第１のドライバ回路１４２と同様であるため、重複の説明は省略する。
【0024】
第１のドライバ回路１４２及び第２のドライバ回路１４４は、それぞれ変換巻線１４６と、整流ダイオードＤと、駆動回路１４８とを含む。変換巻線１４６は、外部電源の変圧器巻線Ｗに電気的に接続され、変圧器巻線Ｗと変換巻線１４６とが互いに接続されて変圧器構造の一次巻線及び二次巻線を形成する。整流ダイオードＤはアノード端子とカソード端子とを有し、アノード端子は変換巻線１４６に電気的に接続される。駆動回路１４８は、整流回路を構成する複数のシリコン制御整流素子（又は、ダイオードに置き換えてもよい）を含む。これらのシリコン制御整流素子は整流回路を構成し、整流回路は、ハーフブリッジ整流又はフルブリッジ整流であってもよい。ここで、第１のドライバ回路１４２の駆動回路１４８は、第１のドライバ回路１４２における整流ダイオードＤのカソード端子と、第１のスタティックスイッチ１３０との間に電気的に接続される。同様に、第２のドライバ回路１４４の駆動回路１４８は、第２のドライバ回路１４４における整流ダイオードＤのカソード端子と第２のスタティックスイッチ１３１との間に電気的に接続される。
【0025】
同様に、予備電源１１１が主電源１１０をオフにすることを例にとると、コントローラ１３４は、主電源１１０に異常が発生したことを検出した場合に強制転流回路１４０を作動させ、強制転流回路は、変圧器巻線Ｗの電圧を受けて逆バイアス電圧を生成して供給し、第１のスタティックスイッチ１３０を強制的にオフにする。そして、第１のスタティックスイッチ１３０が強制的にオフされた後（電流センサ１３２で検出可能）、コントローラ１３４は、第２のスタティックスイッチ１３１をオンにし、第２のスタティックスイッチ１３１を介して誘導性装置１２０に予備電源１１１を供給するように制御する。なお、本発明の一実施形態において、外部電源は、追加的に供給される電源を含む任意の電源であってもよく、又は主電源１１０、予備電源１１１などに電気的に接続されることによって電源を取得してもよい。
【0026】
図５Ａは、本発明に係る二重化電源切替システムの制御方法の第１実施形態のフローチャートである。図２Ａ～図４を併せて参照する。ここでは、図３Ａの逆バイアス方式を併せて図５Ａの制御方式を説明するが、この切替制御方式の波形図は、図６Ａを併せて参照することができる。本発明の一実施形態では、主電源１１０がまず負荷１２１に給電し、予備電源１１１が主電源１１０をバックアップすることを一例とする。まず、コントローラ１３４は、無瞬断切替装置（ＳＴＳ）を操作して、主電源１１０が無瞬断切替装置（ＳＴＳ）を経由して誘導性装置１２０電気的にオンさせる（即ち、主電源１１０は、第１のスタティックスイッチ１３０の電気的な導通によって誘導性装置１２０に電気的に接続される）。コントローラは、主電源１１０に異常が発生したことを検出すると（時間ｔ１）、切替制御のフローステップに進む。ステップＳ１００において、コントローラ１３４は、電圧信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖｏ及び電流信号Ｉ１、Ｉ２を取得する。ステップＳ１２０において、コントローラ１３４は、電圧信号Ｖ２により、推定磁束ｆｐ及び誘導性装置１２０の実際の磁束ｆａ（主電源１１０の磁束と同じ）を算出する。ステップＳ１４０において、磁束差ΔΦの絶対値が既定偏差値以下であるか否かを判断する。
【0027】
コントローラ１３４は、主電源１１０に異常が発生したことを検出した場合、誘導性装置１２０の残留磁束を検出する。ここで、残留磁束（実際の磁束ｆａ）は、主電源１１０に異常が発生した際に誘導性装置１２０に残留する磁束を意味する。コントローラ１３４は通常、一次巻線１２０Ａの残留電圧を検出することによって残留磁束を取得してもよいが、負荷１２１に接続された二次巻線１２０Ｂの残留電圧を検出することによって残留磁束を取得してもよい。主電源１１０に異常が発生すると、電圧の絶対値が低下し始めるため（図６Ａに示す時間ｔ１～ｔ２のように）、残留磁束は直流波形とほぼ等しい定常状態の緩やかな上昇波形（通常、変動範囲は５％以内）に維持される。そして、コントローラ１３４は、推定磁束ｆｐと残留磁束（実際の磁束ｆａ）との磁束差ΔΦを算出する。磁束差ΔΦは、正弦波形と緩やかな上昇波形との差である。コントローラ１３４は、主電源１１０の代わりに予備電源１１１に電力を供給するように制御するので、推定磁束ｆｐは、主に予備電源１１１の磁束を意味する。
【0028】
そして、ステップＳ１６０において、コントローラ１３４は、出力電力が強制転流条件を満たしているか否かを判断する。具体的には、表１に基づいて判断することができる。ここで、既定偏差値は、コントローラ１３４によって予め設定された固定値である。この固定値の設定は通常、二重化電源を切り替えても出力電源の電圧や電流が特定の範囲を維持できるという基準で設定される。特定の範囲としては、例えば、ＣＢＥＭＡ／ＩＴＩＣ規格に準拠した７０％以上の電圧、４００％以下の突入電流であるが、これらに限定されない。ステップＳ１６０で「はい」と判断された場合、コントローラ１３４は、予備電源１１１が第２のスタティックスイッチ１３１を経由して第１のスタティックスイッチ１３０を強制的にオフにするときともに、負荷１２１に給電するように、第２のスタティックスイッチ１３１をオンにする（Ｓ１８０、時間ｔ２）。即ち、予備電源１１１は、無瞬断切替装置（ＳＴＳ）を経由して誘導性装置１２０を電気的にオンさせ（即ち、第２のスタティックスイッチ１３１がオンする）、主電源１１０と誘導性装置１２０との間を強制的に遮断するように、無瞬断切替装置（ＳＴＳ）を駆動する。その結果、主電源１１０に異常が発生した場合、磁束差ΔΦの絶対値は、既定偏差値より大きい値から既定偏差値以下に変化する（図６Ａに示す時間ｔ１～ｔ２のように）。そのため、時間ｔ２でスタティックスイッチの切り替えを行うのが良いタイミングである。二重化電源の切り替え速度を維持することに加え、出力電源の電圧及び電流が特定の範囲を超えないようにすることができる。なお、ステップＳ１４０及びステップＳ１６０で「いいえ」と判断された場合には、ステップＳ１００に戻り、磁束差ΔΦの絶対値が既定偏差値以下であるか否かを判断する。
【0029】
一方、図５Ｂは、本発明に係る二重化電源切替システムの制御方法の第２実施形態のフローチャートである。ここでは、図４の逆バイアス方式を併せて図５Ｂの制御方式を説明するが、その波形図は、同様に図６Ａを併せて参照することができる。本発明の一実施形態では、主電源１１０がまず負荷１２１に給電し、予備電源１１１が主電源１１０をバックアップすることを一例とする。図５ＢのステップＳ２００において、コントローラ１３４は、電圧信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖｏ及び電流信号Ｉ１、Ｉ２を取得する。ステップＳ２２０において、コントローラ１３４は、電圧信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖｏにより、推定磁束ｆｐ及び誘導性装置１２０の実際の磁束ｆａ（主電源１１０の磁束と同じ）を算出する。ステップＳ２４０において、磁束差ΔΦの絶対値が既定偏差値以下であるか否かを判断する。ここで、既定偏差値は、コントローラ１３４によって予め設定された固定値である。この固定値の設定は通常、二重化電源を切り替えても出力電源の電圧や電流が特定の範囲を維持できるという基準で設定される。特定の範囲としては、例えば、ＣＢＥＭＡ／ＩＴＩＣ規格に準拠した７０％以上の電圧、４００％以下の突入電流であるが、これらに限定されない。ステップＳ２４０で「はい」と判断された場合、コントローラ１３４は、強制転流回路１４０を作動させて逆バイアス電圧を供給して（Ｓ２６０）、第１のスタティックスイッチ１３０（図６Ａ、時間ｔ２）を強制的にオフにすることである。第１のスタティックスイッチ１３０がオフされた後、ステップＳ２８０に進み、第２のスタティックスイッチ１３１をオンにする。ステップＳ２４０で「いいえ」と判断された場合、ステップＳ２００に戻り、最適な切替タイミングを継続的に検出する。
【0030】
図６Ｂは、本発明に係る切替制御方法の第２実施例の波形図である。図２Ａ～図６Ａを併せて参照する。図６Ｂの実施形態は、図３Ａ、図４の逆バイアス方式及び図５Ａ、図５Ｂの制御方法にも同様に適用できる。図６Ｂと図６Ａの違いは、図６Ｂの既定偏差値が０に設定されているため、コントローラ１３４が第２のスタティックスイッチ１３１をオンにするタイミングは図６Ａのｔ２から図６Ｂのｔ２’に遅延されることである。スタティックスイッチの切替タイミングは図６Ａよりも遅いが、磁束偏差がほとんどないため、出力電源の電圧は低くても電流はより小さい範囲に抑えることができる。
【0031】
図７は、本発明に係る二重化電源切替システムの実測波形を示す概略図である。図２Ａ～図６Ｂを併せて参照する。実測波形のうち、Ｃ１は出力電圧波形、Ｃ２は出力電流波形である。時間ｔ１は主電源１１０に異常が発生した時点であり、時間ｔ１以降に測定された出力電圧は最低３８８Ｖ、出力電流は最高９８２Ａである。４００％の突入電流（１３６１Ａ）は、特定の範囲に設定された７０％の電圧（即ち、３３６Ｖ）と比べても、十分なマージンを有するので、ＣＢＥＭＡ／ＩＴＩＣの規格に準拠し、二重化電源切替の時間は、半サイクル、さらには１／４サイクル以内に維持される。
【0032】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもなく、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の全ての範囲は以下の特許請求の範囲に基づくものであり、本発明の特許請求の範囲を満たす精神とその類似の変形例は、本発明の範囲に含まれるべきであり、当業者であれば、本発明の技術的範囲内において、容易に思いつくことができ、また、その変形例や修正例も、以下の特許請求の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0033】
１００ 二重化電源切替システム
１３０ 第１のスタティックスイッチ
１３１ 第２のスタティックスイッチ
１３０ａ、１３０ｂ、１３１ａ、１３１ｂ シリコン制御整流素子
１２０ 誘導性装置
１２０Ａ 一次巻線
１２０Ｂ 二次巻線
１３４ コントローラ
１３２、１３３ 電流センサ
１４０ 強制転流回路
１４２ 第１のドライバ回路
１４４ 第２のドライバ回路
１４６ 変換巻線
Ｄ 整流ダイオード
１４８ 駆動回路
１２１ 負荷
Ｗ 変圧器巻線
１１０ 主電源
１１１ 予備電源
Ｖ１、Ｖ２、Ｖｏ 電圧信号
Ｉ１、Ｉ２ 電流信号
ｆｐ 推定磁束
ｆａ 実際の磁束
Ｖ２－Ｖ１ 電圧差
Ｚ１～Ｚ４ 領域
ｔ１～ｔ２ 時間
１３０ 第１のスタティックスイッチ
１３１ 第２のスタティックスイッチ
１３０ａ、１３０ｂ、１３１ａ、１３１ｂ シリコン制御整流素子
１２０ 誘導性装置
１２０Ａ 一次巻線
１２０Ｂ 二次巻線
１３４ コントローラ
１３２、１３３ 電流センサ
１４０ 強制転流回路
１４２ 第１のドライバ回路
１４４ 第２のドライバ回路
１４６ 変換巻線
Ｄ 整流ダイオード
１４８ 駆動回路
１２１ 負荷
Ｗ 変圧器巻線
１１０ 主電源
１１１ 予備電源
Ｖ１、Ｖ２、Ｖｏ 電圧信号
Ｉ１、Ｉ２ 電流信号
ｆｐ 推定磁束
ｆａ 実際の磁束
Ｖ２－Ｖ１ 電圧差
Ｚ１～Ｚ４ 領域
ｔ１～ｔ２ 時間
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図7】
