特許 7414035 電源システム及び電源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-05

(45)【発行日】2024-01-16

(54)【発明の名称】電源システム及び電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 1/00 20060101AFI20240109BHJP

【ＦＩ】

H02J1/00 309D

H02J1/00 306F

H02J1/00 309P

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021058966

(22)【出願日】2021-03-31

(65)【公開番号】P2022155636

(43)【公開日】2022-10-14

【審査請求日】2022-04-26

(73)【特許権者】

【識別番号】000006507

【氏名又は名称】横河電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100167553

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 久典

(74)【代理人】

【識別番号】100181124

【弁理士】

【氏名又は名称】沖田 壮男

(72)【発明者】

【氏名】清水 裕介

(72)【発明者】

【氏名】福原 啓

(72)【発明者】

【氏名】中西 五輪生

【審査官】佐藤 卓馬

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第０６３０１１３３（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】特開２０１８－０７４７９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－２８１７６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－２８９６９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－１９３５４３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

負荷に対して電流を供給する少なくとも２台の電源装置を備える電源システムであって、
前記電源装置は、
前記負荷に供給する電流を生成するコンバータと、
前記コンバータと前記負荷との間に直列に接続されているＦＥＴと、
前記ＦＥＴのゲート電圧が、前記ＦＥＴがオン状態であることを規定する予め規定された第１基準電圧を下回ったか否かを監視するゲート電圧監視回路と、
前記ゲート電圧監視回路の監視結果に応じてアラームを生成するアラーム生成回路と、
前記ＦＥＴから前記コンバータに向かう逆流電流を検出した場合に、前記ＦＥＴのゲート電圧を制御して前記逆流電流を阻止せずに制限する電流検出部と、
を備える電源システム。

【請求項2】

前記アラーム生成回路は、前記コンバータの出力電圧が予め規定された第２基準電圧を下回った場合にもアラームを生成する、請求項１記載の電源システム。

【請求項3】

前記アラーム生成回路は、前記ゲート電圧監視回路の監視結果に応じたアラームを第１アラームとして生成し、前記コンバータの出力電圧に応じたアラームを第２アラームとして生成する、請求項２記載の電源システム。

【請求項4】

前記電源装置は、前記ＦＥＴのドレイン電極とソース電極との間の電圧を検出し、該電圧の検出結果に基づいて前記ＦＥＴをオフ状態に制御して、前記ＦＥＴから前記コンバータに向かう逆流電流を阻止する電圧監視部を備える請求項１から請求項３の何れか一項に記載の電源システム。

【請求項5】

負荷に供給する電流を生成するコンバータと、
前記コンバータと前記負荷との間に直列に接続されているＦＥＴと、
前記ＦＥＴのゲート電圧が、前記ＦＥＴがオン状態であることを規定する予め規定された第１基準電圧を下回ったか否かを監視するゲート電圧監視回路と、
前記ゲート電圧監視回路の監視結果に応じてアラームを生成するアラーム生成回路と、
前記ＦＥＴから前記コンバータに向かう逆流電流を検出した場合に、前記ＦＥＴのゲート電圧を制御して前記逆流電流を阻止せずに制限する電流検出部と、
を備える電源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電源システム及び電源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

一般的に、高い信頼性が求められる電源は、何らかの障害が発生した場合であっても電源供給が継続されるように、負荷に対して複数台の電源装置が並列接続された冗長化構成とされることが多い。例えば、高信頼性が要求される産業機器用電源は、負荷に対して電源装置が二重化されていることが多い。以下の特許文献１には、負荷に接続される２つの電源装置を、突き合わせＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）を介して突き合わせた電源システムが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２０－１５６２２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、上述した特許文献１に開示された従来の電源システムでは、例えば、突き合わせＦＥＴのゲート制御を行う制御回路の故障等によって、突き合わせＦＥＴがオフ状態になったとしても、その状態を検出することができない。このため、本来であればアラームを発報すべき状態であるにも拘わらず、アラームを発報することができないという問題があった。

【0005】

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、突き合わせＦＥＴがオフ状態になった場合に、アラームを発報することができる電源システム及び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】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明の一態様による電源システムは、負荷（Ｌ）に対して電流を供給する少なくとも２台の電源装置（１０）を備える電源システム（１）であって、前記電源装置が、前記負荷に供給する電流を生成するコンバータ（１１）と、前記コンバータと前記負荷との間に直列に接続されているＦＥＴ（１３）と、前記ＦＥＴのゲート電圧が予め規定された第１基準電圧を下回ったか否かを監視するゲート電圧監視回路（１６）と、前記ゲート電圧監視回路の監視結果に応じてアラームを生成するアラーム生成回路（１７）と、を備える。

【0007】

また、本発明の一態様による電源システムは、前記アラーム生成回路が、前記コンバータの出力電圧が予め規定された第２基準電圧を下回った場合にもアラームを生成する。

【0008】

また、本発明の一態様による電源システムは、前記アラーム生成回路が、前記ゲート電圧監視回路の監視結果に応じたアラームを第１アラームとして生成し、前記コンバータの出力電圧に応じたアラームを第２アラームとして生成する。

【0009】

また、本発明の一態様による電源システムは、前記電源装置が、前記ＦＥＴから前記コンバータに向かう逆流電流を検出した場合に、前記ＦＥＴのゲート電圧を制御して前記逆流電流を制限する電流検出部（１２）を備える。

【0010】

また、本発明の一態様による電源システムは、前記電源装置が、前記ＦＥＴのドレイン電極とソース電極との間の電圧を検出し、該電圧の検出結果に基づいて前記ＦＥＴをオフ状態に制御して、前記ＦＥＴから前記コンバータに向かう逆流電流を阻止する電圧監視部（１４）を備える。

【0011】

本発明の一態様による電源装置（１０）は、負荷（Ｌ）に供給する電流を生成するコンバータ（１１）と、前記コンバータと前記負荷との間に直列に接続されているＦＥＴ（１３）と、前記ＦＥＴのゲート電圧が予め規定された第１基準電圧を下回ったか否かを監視するゲート電圧監視回路（１６）と、前記ゲート電圧監視回路の監視結果に応じてアラームを生成するアラーム生成回路（１７）と、を備える。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、突き合わせＦＥＴがオフ状態になった場合に、アラームを発報することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施形態による電源システムの全体構成を示すブロック図である。

【図2】本発明の一実施形態による電源装置の内部構成を示すブロック図である。

【図3】本発明の一実施形態による電源装置に設けられるゲート電圧監視回路の一例を示す回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照して本発明の実施形態による電源システム及び電源装置について詳細に説明する。以下では、まず本発明の実施形態の概要について説明し、続いて本発明の実施形態の詳細について説明する。

【0015】

〔概要〕
本発明の実施形態は、突き合わせＦＥＴがオフ状態になった場合に、アラームを発報することができるようにするものである。具体的には、突き合わせＦＥＴのゲート電圧が予め規定された第１基準電圧を下回ったか否かを監視し、その監視結果に応じてアラームを生成するようにしたものである。

【0016】

高信頼性が要求される電源（例えば、産業機器用電源）は、負荷に対して複数台（例えば、２台）の電源装置が並列接続された冗長化構成とされることが多い。このような電源は、出力電圧の低下が生じた場合に、アラームを発報する機能を備えるものが多い。このようなアラームが発報されることにより、ユーザは電源に異常が生じたことを知ることができる。

【0017】

例えば、突き合わせダイオードを介して２つの電源装置を突き合わせた電源システムにおいては、電源装置の内部電圧が予め規定された基準電圧を下回った場合にアラームを発報するアラーム生成回路が、電源装置の各々に設けられている。尚、上記の電源装置の内部電圧は、具体的には、負荷に供給する電流を生成するコンバータの出力電圧である。

【0018】

上述した特許文献１には、２つの電源装置を、突き合わせダイオードの代わりに突き合わせＦＥＴを使用した電源システムが開示されている。このような電源システムでは、逆流電流を制限するために、突き合わせＦＥＴのゲート制御が行われる。ここで、突き合わせＦＥＴのゲート制御を行う制御回路の故障等によって、突き合わせＦＥＴがオフ状態になると、コンバータの出力電圧が正常であっても、電源装置の出力電圧（負荷に印加される電圧）が低下してしまう。その理由は、突き合わせＦＥＴがオフ状態になると、そのボディダイオードを介して電流が出力されるため、ボディダイオードの順電圧分だけ電圧が低下するためである。

【0019】

突き合わせＦＥＴがオフ状態になった場合には、電源装置の出力電圧は低下するものの電源装置の内部電圧（コンバータの出力電圧）が正常であるため、上述したアラーム生成回路によってアラームは発報されない。ここで、電源装置の出力電圧を直接検出すれば、電源装置の出力電圧の低下を検出することができるとも考えられる。しかしながら、２つの電源装置に設けられた突き合わせＦＥＴはドレイン電極が共通化されているため、検出される電圧は、ＦＥＴがオフ状態になっていない正常な電源装置の出力電圧である。このため、ＦＥＴがオフ状態になった異常な電源装置の出力電圧を検出することはできない。

【0020】

本発明の実施形態は、電源システムに設けられた少なくとも２台の電源装置の各々を以下の通りにした。つまり、コンバータと負荷との間に直列に接続されている突き合わせＦＥＴのゲート電圧が予め規定された第１基準電圧を下回ったか否かを監視するゲート電圧監視回路を設け、ゲート電圧監視回路の監視結果に応じてアラームを生成するようにした。これにより、突き合わせＦＥＴがオフ状態になった場合に、アラームを発報することができる。

【0021】

〔詳細〕
図１は、本発明の一実施形態による電源システムの全体構成を示すブロック図である。図１に示す通り、本実施形態の電源システム１は、負荷モジュールＬＭの負荷Ｌに対して並列接続された電源装置１０ａ，１０ｂを備える。尚、以下では、これら２つの電源装置１０ａ，１０ｂを区別する必要が無い場合には「電源装置１０」という。

【0022】

電源装置１０ａは、出力端子Ｔ１ａ、接地端子Ｔ２ａ、及びアラーム端子Ｔ３ａを備える。電源装置１０ｂは、出力端子Ｔ１ｂ、接地端子Ｔ２ｂ、及びアラーム端子Ｔ３ｂを備える。尚、以下では、出力端子Ｔ１ａ，Ｔ１ｂを区別する必要が無い場合には「出力端子Ｔ１」といい、接地端子Ｔ２ａ，Ｔ２ｂを区別する必要が無い場合には「接地端子Ｔ２」という。また、アラーム端子Ｔ３ａ，Ｔ３ｂを区別する必要が無い場合には「アラーム端子Ｔ３」という。

【0023】

電源装置１０ａの出力端子Ｔ１ａ及び電源装置１０ｂの出力端子Ｔ１ｂは、負荷Ｌの一端に接続され、電源装置１０ａの接地端子Ｔ２ａ及び電源装置１０ｂの接地端子Ｔ２ｂは、負荷Ｌの他端（接地されている端子）に接続されている。また、電源装置１０ａのアラーム端子Ｔ３ａ及び電源装置１０ｂのアラーム端子Ｔ３ｂは、個別に負荷Ｌに接続されている。

【0024】

図１に示す通り、電源装置１０ａから負荷Ｌに供給される電流（出力端子Ｔ１ａから出力される電流）をＩ１とし、電源装置１０ｂから負荷Ｌに供給される電流（出力端子Ｔ１ｂから出力される電流）をＩ２とする。電源システム１から負荷Ｌに供給される電流は、電源装置１０ａから負荷Ｌに供給される電流Ｉ１と、電源装置１０ｂから負荷Ｌに供給される電流Ｉ２とを合わせた電流（Ｉ１＋Ｉ２）になる。

【0025】

電源システム１は、負荷Ｌに対して並列接続された２台の電源装置１０を備えるため、１台の電源装置１０（例えば、電源装置１０ａ）が故障したとしても、他の１台の電源装置（例えば、電源装置１０ｂ）から負荷Ｌに電流が供給される。このため、電源システム１の全体として、負荷Ｌへの電流供給が継続される。

【0026】

図２は、本発明の一実施形態による電源装置の内部構成を示すブロック図である。図２に示す通り、電源装置１０は、コンバータ１１、電流検出部１２、突き合わせＦＥＴ１３（ＦＥＴ）、電圧監視部１４、スイッチング素子１５、ゲート電圧監視回路１６、及びアラーム生成回路１７を備える。

【0027】

コンバータ１１は、コンバータ出力端子Ｔ１１及びコンバータ接地端子Ｔ１２を有しており、負荷Ｌに供給する電流Ｉ１１を生成する。コンバータ１１は、生成した電流Ｉ１１をコンバータ出力端子Ｔ１１から出力端子Ｔ１に向けて出力する。

【0028】

電流検出部１２は、コンバータ出力端子Ｔ１１に接続されており、コンバータ出力端子Ｔ１１から出力される電流Ｉ１１を検出する。また、電流検出部１２は、突き合わせＦＥＴ１３からコンバータ１１に向かう逆流電流を検出した場合に、突き合わせＦＥＴ１３のゲート電圧を制御して逆流電流を制限する。

【0029】

突き合わせＦＥＴ１３は、電流検出部１２と出力端子Ｔ１との間に接続されており、コンバータ出力端子Ｔ１１と出力端子Ｔ１との間に流れる電流を制御する。具体的に、突き合わせＦＥＴは、ゲート電極が電源（ＶＣＣ）に接続されており、ソース電極が電流検出部１２に接続されており、ドレイン電極が出力端子Ｔ１に接続されている。

【0030】

突き合わせＦＥＴ１３は、例えば、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor ＦＥＴ）であるが、これに限られない。突き合わせＦＥＴ１３は、ボディダイオードを有する。突き合わせＦＥＴ１３は、ボディダイオードの順方向と、電流Ｉ１１がコンバータ１１から負荷Ｌに向けて流れる方向とが一致するように接続されている。

【0031】

電圧監視部１４は、突き合わせＦＥＴ１３のドレイン電極とソース電極との間の電圧を検出する。電圧監視部１４は、電圧の検出結果に基づいて、スイッチング素子１５をオン状態又はオフ状態にする。電圧監視部１４がこのような制御を行うのは、出力端子Ｔ１からコンバータ出力端子Ｔ１１に向かう逆流電流を阻止するためである。

【0032】

スイッチング素子１５は、突き合わせＦＥＴ１３のゲート電極とソース電極との間に接続されており、電圧監視部１４の制御の下で、突き合わせＦＥＴ１３のソース電極とゲート電極とを短絡又は開放させる。スイッチング素子１５がオン状態になると、突き合わせＦＥＴ１３のソース電極とゲート電極とが短絡状態になり、スイッチング素子１５がオフ状態になると、突き合わせＦＥＴ１３のソース電極にＶＣＣ電位が印加され、ＦＥＴ１３がオン状態になる。

【0033】

尚、本実施形態では、電圧監視部１４がスイッチング素子１５を制御してＦＥＴ１３を短絡状態又は開放状態としているが、ＦＥＴ１３を短絡状態又は開放状態にする方法としては、スイッチング素子１５を制御する方法に制限されない。例えば、スイッチング素子１５を省略し、電圧監視部１４が、ＦＥＴ１３のゲート電圧を直接制御して、ＦＥＴ１３を短絡状態又は開放状態にしても良い。

【0034】

ゲート電圧監視回路１６は、突き合わせＦＥＴ１３のゲート電圧が予め規定された基準電圧（第１基準電圧）を下回ったか否かを監視する。つまり、ゲート電圧監視回路１６は、突き合わせＦＥＴ１３がオフ状態になったか否かを監視する。ゲート電圧監視回路１６は、突き合わせＦＥＴ１３のゲート電圧が上記の基準電圧を下回った場合には、アラーム生成回路１７に対してアラームを生成させる旨を示すアラーム信号Ａ１を出力する。

【0035】

ここで、上記の基準電圧は、突き合わせＦＥＴ１３のＶ_GS（ゲート・ソース間電圧）－Ｉ_D（ドレイン電流）特性に応じて、例えば、Ｉ_Dが１［ｍＡ］以下を保証できる値に設定する。ゲート電圧監視回路１６は、ゲート電圧に対して低域フィルタ等の信号処理を行う回路を備えるのが望ましい。このような回路によって信号処理が行われたゲート電圧を監視することで、ノイズによる誤動作を防止することができる。

【0036】

図３は、本発明の一実施形態による電源装置に設けられるゲート電圧監視回路の一例を示す回路図である。図３に示す通り、ゲート電圧監視回路１６は、ダイオード２１、抵抗２２、トランジスタ２３、コンデンサ２４、及び抵抗２５を備える。ダイオード２１は、アノード電極が突き合わせＦＥＴ１３のゲート電極に接続され、カソード電極が抵抗２２の一端に接続されている。抵抗２２は一端がダイオード２１のカソード電極に接続され、他端がトランジスタ２３のエミッタ電極に接続されている。

【0037】

トランジスタ２３は、例えば、ＰＮＰ型のバイポーラトランジスタである。トランジスタ２３は、エミッタ電極が抵抗２２の他端に接続され、ベース電極が突き合わせＦＥＴ１３のソース電極に接続され、コレクタ電極がアラーム生成回路１７に接続されている。コンデンサ２４及び抵抗２５は、トランジスタ２３のエミッタ電極とベース電極との間に接続されている。

【0038】

図３に示すゲート電圧監視回路１６において、突き合わせＦＥＴ１３のゲート電圧が上記の基準電圧を下回っていない場合には、トランジスタ２３がオン状態になる。これにより、ゲート電圧監視回路１６からアラーム生成回路１７に対し、「Ｈ（ハイ）レベル」の信号が出力される。これに対し、突き合わせＦＥＴ１３のゲート電圧が上記の基準電圧を下回った場合には、トランジスタ２３がオフ状態になる。これにより、ゲート電圧監視回路１６からアラーム生成回路１７に対し、「Ｌ（ロー）レベル」の信号（アラーム信号Ａ１）が出力される。

【0039】

アラーム生成回路１７は、電流検出部１２の出力端（突き合わせＦＥＴ１３のソース電極）とコンバータ接地端子Ｔ１２との間に接続されており、コンバータ出力電圧を監視する。アラーム生成回路１７は、コンバータ出力電圧が、予め規定された基準電圧（第２基準電圧）を下回った場合に、アラーム（第２アラーム）を生成する。アラーム生成回路１７で生成されたアラームは、アラーム端子Ｔ３を介して負荷Ｌに出力される。尚、アラーム生成回路１７は、正確には、コンバータの出力電圧から電流検出部１２での電圧降下を差し引いた電圧を監視する。

【0040】

また、アラーム生成回路１７は、ゲート電圧監視回路１６から上記のアラーム信号Ａ１が出力された場合にも、アラーム（第１アラーム）を生成する。アラーム生成回路１７で生成されたアラームは、アラーム端子Ｔ３を介して負荷Ｌに出力される。

【0041】

ここで、アラーム生成回路１７は、コンバータ出力電圧に応じたアラーム（第２アラーム）と、アラーム信号Ａ１に応じたアラーム（第１アラーム）とを同じアラームとして出力してもよく、異なるアラームとして出力しても良い。前者のアラームが発報された場合には、ユーザは、電源装置１０に何らかの異常が生じたことを知ることができる。これに対し、後者のアラームが発報された場合には、ユーザは、電源装置１０に異常が生じたことに加えて、異常の種類（コンバータ出力電圧の異常又は突き合わせＦＥＴがオフ状態になった異常）を知ることができる。

【0042】

以上の通り、本実施形態では、負荷Ｌに接続される２つの電源装置１０（電源装置１０ａ，１０ｂ）を、突き合わせＦＥＴ１３を介して突き合わせた電源システム１において、２つの電源装置１０を以下の通りにした。つまり、突き合わせＦＥＴ１３のゲート電圧が予め規定された基準電圧（第１基準電圧）を下回ったか否かを監視するゲート電圧監視回路１６を設け、ゲート電圧監視回路１６の監視結果に応じてアラーム生成回路１７がアラームを生成するようにした。これにより、突き合わせＦＥＴ１３がオフ状態になった場合に、アラームを発報することができる。

【0043】

以上、本発明の実施形態による電源システム及び電源装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されることなく本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、電源システム１は、負荷モジュールＬＭの負荷Ｌに対して並列接続された２つの電源装置１０ａ，１０ｂを備える構成であったが、負荷Ｌに対して並列接続される電源装置の数は３以上であっても良い。また、上記実施形態において、電源装置１０は、電流検出部１２と電圧監視部１４とを備える構成であったが、電源装置１０は、電流検出部１２又は電圧監視部１４の何れか一方が省略された構成であっても良い。

【符号の説明】

【0044】

１ 電源システム
１０ 電源装置
１１ コンバータ
１２ 電流検出部
１３ ＦＥＴ
１４ 電圧監視部
１５ スイッチング素子
１６ ゲート電圧監視回路
１７ アラーム生成回路
Ｌ 負荷

【図1】

【図2】

【図3】