JP2012130221A - 直流電源ユニット、及び直流電源システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】過電流保護のために出力電流を所定の値に制限する定電流垂下動作を行う直流電源ユニット10は、負荷RLに所定の値以上(定格最大電流IL以上)の電流を供給する必要がある場合に、出力電圧を垂下させて出力電流を増加させる垂下動作を行い、所定の値以上の電流を負荷に供給する。
【選択図】図1
Description
そして、この直流電源システム100Aでは、(n+1)台目の直流電源ユニットが、予備の電源ユニットとして使用されるとともに、バッテリ61への充電器を兼ねている。
なお、直流電源ユニットでは、定格電流(連続して負荷に流すことができる100%電流)と、過電流制限(定電流垂下動作)を行う電流とが異なる場合もあるので(勿論、一致する場合もある)、直流電源ユニットから負荷に供給できる最大電流(より正確には過電流制限(定電流垂下動作)が行われる電流)を「定格最大電流」と呼ぶ。
すなわち、バッテリ61により定電力特性を持つ負荷RLに電力を供給する場合は、バッテリ61は放電により次第に電圧が低下するため、負荷RLに流れる電流が増大し、各直流電源ユニットの定格最大電流IL以上の電流が流れることがある。この負荷RLに定格最大電流IL以上の電流が流れている状態において復電した場合に、直流電源ユニットを起動して、そのまま負荷RLに連続して電流を供給しようとしても、直流電源ユニットでは過電流制限のための定電流垂下動作が行われ、出力電流が定格最大電流ILに制限されることになる。このため、負荷RLへの供給電流が足りなくなるとともに、直流電源ユニットが所要定格電圧に復旧できない状態が生じる。
これにより、通常動作時において必要とされる仕様(例えば、スイッチング素子の選定や熱設計の仕様)のままで、起動の際に、通常動作時の定格最大電流以上の電流を負荷に供給することができる。
図1は、本実施形態に係わる直流電源ユニット10の構成を示すブロック図である。この図に示す直流電源ユニット10は、定電力特性を持つ負荷RLに、蓄電装置60と連動して電力を供給する場合に好適に使用できる直流電源ユニット10である。すなわち、停電の際には、蓄電装置60内のバッテリ61から負荷RLに電力を供給し、復電後は、直流電源ユニット10から負荷RLに電力を供給するものである。
なお、D/D制御回路40は、CPU、ROM、及びRAM等(所望の場合にはA/D変換器、D/A変換器、カウンタ等)を有するマイクロコントローラやマイクロコンピュータ等を用いて構成されており、PFC制御部30についても同様である。また、PFC制御部30をD/D制御回路40内に含ませるようにしてもよい。また、D/D制御回路40及びPFC制御部30は専用のハードウェアにより実現されるものであってもよい。
ここで図1に示す直流電源ユニット10が有する定電力垂下特性と、定電流垂下特性について補足して説明しておく。図2は、定電力垂下特性と定電流垂下特性について説明するための図である。図2(A)では、横軸に出力電流Io、縦軸に出力電圧Voをとり、定電力垂下特性を示している。同様に、図2(B)では、定電流垂下特性を示している。なお、前述のように、定電力垂下動作は、停電後の復電時において、定電力特性を持つ負荷に定格最大電流IL(直流電源ユニット10の通常動作時の定格最大電流)以上の電流、例えば、図2(A)に示す電流Iaの電流を流す必要がある場合において行われる垂下動作である。一方、定電流垂下動作は、直流電源ユニット10の通常動作時において、過電流制限のために出力電流Ioを定格最大電流ILに制限するために行われる垂下動作である。
また、図2(A)では、定電力垂下動作を開始する電流を定格最大電流IL(直流電源ユニット10の通常動作時の定格最大電流)と同じにしているが、定電力垂下動作を開始する電流値を、定格最大電流ILと異なる値になるようにしてもよい。
また、図2(B)に示すように、通常動作時の定電流垂下特性では、出力電流Ioが定格最大電流IL以下の場合は出力電圧Voが一定電圧に保持されており、過電流制限値(定格最大電流IL)で出力電圧Voを垂下させて過電流制限をかける。
図3は、垂下基準信号生成部42の構成を示す図である。この垂下基準信号生成部42は、図3(A)に示す信号I_KINDの入力回路と、図3(B)に示す、定電力垂下動作を行わせるための二次垂下基準信号Iref2を生成する二次垂下基準生成回路と、図3(C)に示す、最大出力電流を制限するための一次垂下基準信号Iref1を生成する一次垂下基準生成回路とを有している。なお、一次垂下基準信号Iref1及び二次垂下基準信号Iref2の具体的な使用例については、図5に示すDC/DCコンバータ回路50の説明において合わせて説明する。
この二次垂下基準生成回路は、D/Dコントローラ41から出力される電圧信号Iref_Mを電圧増幅部71により増幅する。この電圧信号Iref_Mは、直流電源ユニット10が定電力垂下動作をする場合と、通常動作(定電流垂下動作)をする場合とに応じて、その電圧レベルが切り替えられる。すなわち、定電力垂下動作をする場合の電圧レベルIref_M2は、通常動作(定電流垂下動作)をする場合の電圧レベルIref_M1よりも大きくなるように設定されている(Iref_M2>Iref_M1)(図4を参照)。これにより、直流電流ユニット10は、定電力垂下動作時において、通常動作時の定格最大電流IL以上の出力電流を負荷RLに流すことが可能になる。
なお、定電力垂下動作において流すことのできる最大電流は、信号Iref_M2の電圧レベルを変更することにより、所望の値に設定することができる。また、定電力垂下特性の傾き(出力電流Ioの変化に対する出力電圧Voの変化の割合)は、抵抗R102,R103,R111及びR112の抵抗値により設定することができる。
また、回路電源端子(+15V)とグランドGとの間に、抵抗R131とフォトカプラの二次側PC_Bとの直列回路が接続される。また、抵抗R131とフォトカプラの二次側PC_Bとの接続点Dと、トランジスタTr1のベースとの間に、抵抗R133とツェナーダイオードZD2との直列回路が接続される(ツェナーダイオードZD2のアノードがトランジスタTr1のベースに接続される)。
次に、DC/DCコンバータ回路50について説明する。図5は、DC/DCコンバータ回路50の構成を示す図である。この図に示す直流電源ユニット10は、主回路がフォワードコンバータ(フォワード方式スイッチング電源装置)で構成されたものである。
図5において、Tx1は出力トランス、Q1は出力トランスTx1の一次側に接続されるスイッチング素子、Eは直流電源(力率改善回路20により生成される電源)、RLは定電力特性を持つ負荷、EA1,EA2はエラーアンプ(演算増幅器)、CMP1,CMP2は比較器(コンパレータ)、CTは出力トランスTx1の一次側電流を検出するカレントトランスで、シャントSHは2次電流検出素子である。
図5に示す出力定電圧制御回路51は、出力電圧Voの検出信号と、D/Dコントローラ41から入力した出力電圧基準信号Vref(図1を参照)との差分に対応してスイッチング素子Q1のON(オン)幅を制御する制御回路である。この出力定電圧制御回路51は、抵抗R11とR12が直列に接続された抵抗分圧回路で構成された出力電圧検出部を有し、また、エラーアンプEA1を有している。抵抗R11の一端は、正側の出力電圧(+)端子に接続され、抵抗R11の他端は抵抗R12の一端に接続され、抵抗R12の他端は負側の出力電圧(−)端子に接続される。抵抗R11とR12の接続点は、抵抗R13を介して、エラーアンプEA1の非反転入力端子(+)に接続されている。また、エラーアンプEA1の反転入力端子(−)には、D/Dコントローラ41から出力される出力電圧基準信号Vrefが入力される。
図5に示す出力定電流制御回路52は、定電力垂下動作(直流電源ユニット10から負荷RLに流れる出力電流を検出して垂下させる二次垂下動作)を制御する制御回路である。この出力定電流制御回路52において、出力電流Ioの検出素子であるシャントSHにより検出された出力電流の検出信号Cが抵抗R21を介してエラーアンプEA2の反転入力端子(−)に入力される。また、エラーアンプEA2の非反転入力端子(+)には、垂下基準信号生成部42から出力される二次垂下基準信号Iref2(図3(B)を参照)が入力される。このように、出力定電流制御回路52において、エラーアンプEA2には、出力電流Ioの検出信号Cと二次垂下基準信号Iref2とが入力され、エラーアンプEA2により差動増幅された信号AVR_I2を出力する。
この出力定電流制御回路52の構成により、出力電流Ioが増加すると、差動増幅したEA2の出力信号AVR_I2が徐々に下がり、信号AVR_V及び信号AVR_I1より低くなると、この出力信号AVR_I2がノードN1に出力される。
このように、出力電流Ioが増大するにつれて、出力信号AVR_I2が徐々に低下し、二次垂下動作が開始される。
図5に示す瞬時過電流制御回路53は、定電流垂下動作(出力トランスTx1の一次側の電流を検出して垂下させる一次垂下動作)を制御する制御回路である。この瞬時過電流制御回路53において、出力トランスTx1の一次側の電流検出素子であるカレントトランスCTにより検出された電流信号A,BをダイオードD31と抵抗R31により整流して一次側電流検出信号Isを生成し、この生成した信号Isが比較器CMP1の反転入力端子(−)に入力される。なお、信号Isはパルス状の電圧信号である。また、比較器CMP1の非反転入力端子(+)には、垂下基準信号生成部42により生成された一次垂下基準信号Iref1(図3(C)を参照)が入力される。
次に、本発明の直流電源ユニットを複数台用いた直流電源システム100について説明する。本実施形態に係わる直流電源システム100は、上述したDC/DCコンバータ回路50を用いて直流電源ユニット10を構成し、この直流電源ユニット10を複数台設けて、それぞれを並列に接続して、並列冗長運転方式で構成されている。これの一例を図8に示している。図8では、直流電源システム100を構成する直流電源ユニット10A,10B,10Cのブロック図を示す。この直流電源ユニット10A,10B,10Cは、U相、V相、W相の3相交流(例えば、AC3相200V)を入力電源とするように構成されている。なお、この例では3相交流を入力電源とするように構成してあるが、単相交流入力であっても本発明の直流電源システム100を構成することができる。
このような構成の直流電源ユニット10では、起動時のみに定電力垂下動作を行うことで、一時的に所定の値(通常動作時の定格最大電流IL)以上の電流を負荷RLに流すようにする。
これにより、通常動作時において必要とされる仕様(例えば、スイッチング素子Q1の選定や熱設計の仕様)のままで、定電力垂下特性を持つ直流電源ユニット10を構成することができる。このため、必要以上の設計(定電力垂下動作に対応した設計)が不要となり、直流電源ユニット10の寸法を小さくし、製造コストを低減できる。
このような構成の直流電源ユニット10では、定電力特性を持つ負荷RL(例えば、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ)に電力を供給し、停電時には蓄電装置60から負荷RLに電力を供給する。そして、復電時において直流電源ユニット10を起動する際に、直流電源ユニット10から負荷RLに所定の値(通常動作時の定格最大電流IL)以上の電流を供給する必要がある場合は、定電力垂下動作を行うことにより、一時的に所定の値以上の電流を負荷RLに流せるようにする。
これにより、直流電源ユニット10の起動の際に、定電力特性を持つ負荷RLに所定の値(通常動作時の定格最大電流IL)以上の電流を供給する必要がある場合においても、この電流を負荷RLに供給できるとともに、直流電源ユニット10の出力電圧を所要定格電圧まで立ち上げることができる。
このような構成の直流電源ユニット10では、定電流垂下動作を行う瞬時過電流制御回路(一次垂下回路)53と、定電流垂下動作または定電力垂下動作を行う出力定電流制御回路(二次垂下回路)52とを備える。そして、直流電源ユニット10の起動時には、瞬時過電流制御回路(一次垂下回路)53の動作基準となる一次垂下基準信号Iref1と、定電力垂下動作を行う出力定電流制御回路(二次垂下回路)52の動作基準となる二次垂下基準信号Iref2とを、通常動作時のレベルよりも一時的に増加させる。
これにより、直流電源ユニット10の起動の際に、定電力特性を持つ負荷RLに所定の値(通常動作時の定格最大電流IL)以上の電流を供給する必要がある場合においても、定電力垂下動作を行うことにより負荷RLに電流を供給できる。
このような構成の直流電源ユニット10は、出力定電流制御回路(二次垂下回路)52における定電力垂下動作(二次垂下動作)は応答を遅くし、瞬時過電流制御回路(一次垂下回路)53における定電流垂下動作(一次垂下動作)は応答を早くする。
これにより、直流電源ユニット10の起動の際に定電力垂下動作を行わせることができるとともに、高速応答する定電流垂下動作により、直流電源ユニット10を過電流から確実に保護することができる。
このような構成の直流電源システム100では、各直流電源ユニット10が、起動時のみに定電力垂下動作を行うことで、一時的に所定の値(各直流電源ユニット10の通常動作時の定格最大電流IL)以上の電流を負荷RLに流せるようにする。
これにより、直流電源システム100を構成する各直流電源システム100を、通常動作時において必要とされる仕様(例えば、スイッチング素子Q1の選定や熱設計の仕様)のままで、定電力垂下特性を持つ直流電源ユニットとして構成することができる。このため、各直流電源ユニット10において必要以上の熱設計が不要となり、各直流電源ユニット10の寸法を小さくし、製造コストを低減できる。その結果、直流電源システム100においても、寸法を小さくし、製造コストを低減できる。
このような構成の直流電源システム100では、停電時には蓄電装置60から負荷RLに電力を供給する。そして、復電時において直流電源システム100内の各直流電源ユニット10を起動する際に、負荷RLに所定の値(各直流電源ユニット10の通常動作時の定格最大電流IL)以上の電流を供給する必要がある場合は、各直流電源ユニット10に定電力垂下動作を行わせることにより、一時的に所定の値以上の電流を負荷RLに流せるようにする。
これにより、復電により直流電源システム100内の直流電源ユニット10を起動する際に、各直流電源ユニット10から負荷RLに所定の値(各直流電源ユニット10の通常動作時の定格最大電流IL)以上の電流を供給する必要がある場合においても、この電流を負荷RLに供給しつつ、直流電源システム100の出力電圧(より正確には各直流電源ユニット10の出力電圧)を所要定格電圧まで立ち上げることができる。
このような構成の直流電源システム100では、(n+1)台の直流電源ユニット10を並列に接続して構成される。通常動作時は、1番目からn番目までの直流電源ユニット10を運転して負荷RLに電力を供給する。1番目からn番目までの直流電源ユニット10のいずれかが故障した場合は、(n+1)番目の直流電源ユニットを代替のユニットとして使用する。また、通常動作時(故障ユニットが発生していない時)には、(n+1)番目の直流電源ユニット10をバッテリ61へ充電を行う充電兼用ユニットとして使用する。
これにより、直流電源システム100を並列冗長運転方式の直流電源装置として構成するとともに、蓄電装置60(バッテリ61)を備える無停電電源装置として構成できる。そして、復電時等の直流電源システム100内の各直流電源ユニット10を起動する際に、各直流電源ユニット10から負荷RLに所定の値(各直流電源ユニット10の通常動作時の定格最大電流IL)以上の電流を供給する必要がある場合においても、この電流を負荷RLに供給しつつ、直流電源システム100の出力電圧(より正確には各直流電源ユニット10の出力電圧)を所要定格電圧まで立ち上げることができる。
20,20A,20B,20C・・・力率改善回路
30・・・PFC制御部
40,40A・・・D/D制御回路
41・・・D/Dコントローラ
42・・・垂下基準信号生成部
50,50A,50B,50C・・・DC/DCコンバータ回路
51・・・出力定電圧制御回路
52・・・出力定電流制御回路(二次垂下回路)
53・・・瞬時過電流制御回路(一次垂下回路)
54・・・整流回路部
60・・・蓄電装置
61・・・バッテリ
71・・・電圧増幅部
100・・・直流電源システム
Tx1・・・出力トランス
Q1・・・スイッチング素子
EA1,EA2・・・エラーアンプ
CMP1,CMP2・・・比較器
CT・・・カレントトランス
SH・・・シャント
RL・・・負荷
Vref・・・出力電圧基準信号
Iref1・・・一次垂下基準信号
Iref2・・・二次垂下基準信号
Claims (10)
- 過電流保護のために出力電流を所定の値に制限する定電流垂下動作を行う直流電源ユニットであって、
負荷に前記所定の値以上の電流を供給する必要がある場合に、出力電圧を垂下させて出力電流を増加させる垂下動作を行い、前記所定の値以上の電流を負荷に供給することを特徴とする直流電源ユニット。 - 負荷に前記所定の値以上の電流を供給する必要がある場合に、出力電流と出力電圧との積が一定となるように出力電圧を垂下させる定電力垂下動作を行い、前記所定の値以上の電流を負荷に供給する
ことを特徴とする請求項1に記載の直流電源ユニット。 - 起動時、または、所定の指示がされた際において、負荷に前記所定の値以上の電流を供給する必要がある場合に、出力電流と出力電圧との積が一定となるように出力電圧を垂下させる定電力垂下動作を行い、前記所定の値以上の電流を負荷に供給する
ことを特徴とする請求項2に記載の直流電源ユニット。 - 前記直流電源ユニットの出力側にはバッテリを有する蓄電装置が接続され、
前記負荷は定電力特性を持つ負荷であり、
停電により前記直流電源システムへ電源が供給されなくなった場合に前記蓄電装置から前記負荷に電力を供給し、
復電の際の直流電源ユニットの起動時において、当該直流電源ユニットから前記負荷に前記所定の値以上の電流を供給する必要がある場合に、出力電流と出力電圧との積が一定となるように出力電圧を垂下させる定電力垂下動作を行い、前記所定の値以上の電流を負荷に供給する
ことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の直流電源ユニット。 - 前記直流電源ユニットは、出力電圧を検出して出力電圧基準信号との差分に対応して出力トランスの一次側に接続されたスイッチング素子のON幅を制御するDC/DCコンバータ回路を有し、前記DC/DCコンバータ回路には、前記出力トランスの一次側に流れる一次電流を検出し、該一次電流の検出信号と所定の一次垂下基準信号とを比較し、この比較結果を基に前記スイッチング素子のON幅を制御して垂下動作を行う一次垂下回路と、出力トランスの二次側に繋がる整流回路部から出力される出力電流を検出し、該出力電流の検出信号と所定の二次垂下基準信号とを比較し、この比較結果を基に前記スイッチング素子のON幅を制御して定電流垂下動作または定電力垂下動作を行う二次垂下回路と、を備え、前記一次垂下回路において垂下動作を開始させる一次垂下基準信号のレベルは、前記二次垂下回路において定電流垂下動作または定電力垂下動作を開始させる二次垂下基準信号のレベルよりも大きく設定され、前記二次垂下回路において定電力垂下動作を行う際には、前記一次垂下基準信号のレベルと前記二次垂下基準信号のレベルとを、前記二次垂下回路において定電流垂下動作を行う際のそれぞれのレベルよりも所定の割り合いだけ増加させることを特徴とする請求項2から請求項4のいずれか1項に記載の直流電源ユニット。
- 前記二次垂下回路は、前記出力電流の検出信号と前記二次垂下基準信号とを比例積分回路を用いて比較し、所定の時定数を有して比較結果を出力し、該比較結果を基に前記定電力垂下動作を行い、
前記一次垂下回路は、前記出力トランスの一次側電流の検出信号と前記一次垂下基準信号とを比較器を用いて比較し、該比較結果を基に直ちに前記垂下動作を行う
ことを特徴とする請求項5に記載の直流電源ユニット。 - 前記一次垂下回路は、定電流垂下動作を行うことを特徴とする請求項5または請求項6に記載の直流電源ユニット。
- 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の直流電源ユニットの複数台のそれぞれを並列に接続して構成され、前記直流電源ユニットを並列に運転して負荷に電力を供給する
ことを特徴とする直流電源システム。 - 前記負荷は定電力特性を持つ負荷であり、
また、前記直流電源システムの出力側はバッテリを含む蓄電装置に接続され、
停電により前記直流電源システムへ入力電源が供給されなくなった場合に、前記蓄電装置から前記負荷に電力を供給し、
復電時に各直流電源ユニットが起動する際に、各直流電源ユニットから前記負荷に所定の値以上の電流を供給する必要がある場合は、各直流電源ユニットに出力電流と出力電圧との積が一定となるように出力電圧を垂下させる定電力垂下動作を行わせて、前記所定の値以上の電流を負荷に供給する
ことを特徴とする請求項8に記載の直流電源システム。 - 前記直流電源システムは、1番目から(n+1)番目までの(n+1)台の直流電源ユニットを並列に接続して構成され、
通常動作時は、1番目からn番目までの直流電源ユニットを運転して前記負荷に電力を供給し、1番目からn番目までの直流電源ユニットのいずれかが故障した場合には、前記(n+1)番目の直流電源ユニットを代替のユニットとして使用するとともに、
通常動作時には、前記(n+1)番目の直流電源ユニットを前記バッテリへ充電を行う充電兼用ユニットとして使用する
ことを特徴とする請求項9に記載の直流電源システム。
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