JP3821133B2

JP3821133B2 - 電源故障検出回路

Info

Publication number: JP3821133B2
Application number: JP2004036123A
Authority: JP
Inventors: 直樹山本
Original assignee: 株式会社ニプロン
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2024-02-13
Also published as: JP2005229733A

Description

本発明は、直流電圧を入力としてＯＮ−ＯＦＦ動作する第１電力変換用スイッチング素子を備えた第１電力変換回路及び直流電圧を入力としてＯＮ−ＯＦＦ動作する第２電力変換用スイッチング素子を備えた第２電力変換回路を、共通のトランスの一次側に備え、これら２つの電力変換回路のそれぞれに昇圧回路を設け、予め設定されているデューティ比に基づいて前記少なくとも一方の昇圧回路の出力電圧を変化させ、該変化させた電圧の大小関係に基づいて２つの電力変換回路を交互に運転させることにより発生する電力を負荷に供給するための二次側直流出力回路を、前記トランスの二次側に備えさせてなる電源回路の故障を検出することができる電源故障検出回路に関する。

上記電源回路においては、２つの電力変換回路を予め設定されているデューティ比に基づいて交互に運転させることによって、発熱による電子部品への悪影響を抑制することができるようにしている。しかしながら、運転中に何らかの原因で電力変換回路を構成する電子部品が故障してしまうことがあり、この故障を迅速に検出してその故障している電力変換回路を修理することが行われている。そして、前記故障を検出するための故障検出回路を２つの電力変換回路のそれぞれに備えさせ、それら故障検出回路にてスイッチング素子のゲート回路に入力されるパルス信号とスイッチング素子からの出力電流とを検出し、ゲート信号が駆動停止信号である場合に、スイッチング素子からの出力電流が検出されるときにスイッチング素子が短絡故障していると判断するように構成されたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−８４６８０号公報（図２、図４）

上記特許文献１では、２つの電力変換回路にそれぞれ、故障検出回路を設けていることや、ゲート回路へのゲート信号とスイッチング素子からの出力電流の２つを検出しなければならない構成であることから、回路全体が複雑なものになっていた。
又、スイッチング素子がオープンモードで故障している場合は、スイッチング電流が流れないため、故障の判断ができない問題があった。

本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、簡素な構成で故障検出を行えるものでありながら、スイッチング素子の短絡故障に加え、オープンモードの故障の場合でも、それを確実に検出することができる電源故障検出回路を提供する点にある。

本発明は、前述の課題解決のために、直流電圧を入力としてＯＮ−ＯＦＦ動作する第１電力変換用スイッチング素子を備えた第１電力変換回路及び直流電圧を入力としてＯＮ−ＯＦＦ動作する第２電力変換用スイッチング素子を備えた第２電力変換回路を、共通のトランスの一次側に備え、これら２つの電力変換回路のそれぞれに昇圧回路を設け、予め設定されているデューティ比に基づいて前記少なくとも一方の昇圧回路の出力電圧を変化させ、該変化させた電圧の大小関係に基づいて２つの電力変換回路を交互に運転させることにより発生する電力を負荷に供給するための二次側直流出力回路を、前記トランスの二次側に備えさせてなる電源回路において、前記２つの電力変換回路に流れる電流をそれぞれ検出するための電流検出手段と、これら２つの電流検出手段からの電流の差分を増幅するための演算増幅器又は比較器と、この演算増幅器又は比較器からの交互運転信号を積分して電圧値に変換するための積分回路と、前記積分回路からの電圧値が予め設定された上限の電圧値と下限の電圧値との間に存在しているか否かを判別する正常運転判別手段とを備えさせて、電源故障検出回路を構成している。
従って、２つの電流検出手段にて検出される電力変換回路の電流の差分より得た交互運転信号を積分して電圧値に変換し、その電圧値が予め設定された上限の電圧値と下限の電圧値との間に存在しているか否かを判別することにより、正常運転であるか異常運転であるかを判別することができる。例えば、交互運転をしている電力変換回路のうちの一方のスイッチング素子がオープンモードで故障した場合には、上限の電圧値又は下限の電圧値から外れてしまうことになり、故障であると判別することができる。

前記正常運転判別手段を、前記上限の電圧値と前記積分回路からの電圧値とを比較するための第１比較器と、前記下限の電圧値と前記積分回路からの電圧値とを比較するための第２比較器とから構成してもよい。

前記各電力変換回路をユニット化し、それら電力変換回路ユニットを負荷を駆動するための前記二次側直流出力回路に対して活電状態で抜き差し自在に構成してもよい。

前記２つの電力変換回路ユニット及び二次側直流出力回路を、該二次側直流出力回路を該２つの電力変換回路よりも奥側へ位置する状態でケーシング内に収納可能とし、前記ケーシング内に固定された二次側直流出力回路に対して手前側に配置される各電力変換回路ユニットを挿入することにより、両者を接続可能に構成し、各電力変換回路ユニットに備えている電力供給用のスイッチをＯＦＦ状態にしなければ接続状態になっている該電力変換回路ユニットをケーシングから引き出すことを阻止するためのロック機構を設けてもよい。

２つの電力変換回路に流れる電流をそれぞれ検出するための電流検出手段と、これら２つの電流検出手段からの電流の差分を増幅するための演算増幅器又は比較器と、この演算増幅器又は比較器からの交互運転信号を積分して電圧値に変換するための積分回路と、積分回路からの電圧値が予め設定された上限の電圧値と下限の電圧値との間に存在しているか否かを判別する正常運転判別手段とを備えさせるだけで、故障した電力変換回路を判別することができ、２つの電力変換回路それぞれに故障検出回路を備えさせるものに比べて、回路構成を簡素にすることができるだけでなく、スイッチング素子がオープンモードで故障した場合でも、これを確実に検出することができる電源故障検出回路を提供することができる。

各電力変換回路をユニット化し、それら電力変換回路ユニットを負荷を駆動するための二次側直流出力回路に対して活電状態で抜き差し自在に構成することによって、故障した電力変換回路ユニットのみを取り外して修理することができ、メンテナンス面において有利になる。又、故障したユニットを新しいユニットに付け替えるだけで故障前と同様に電源回路を駆動することができる。又、例えば電源供給用のスイッチを切り（ＯＦＦにするのを）忘れた状態で二次側直流出力回路に電力変換回路ユニットを接続する場合でも、両者の接続部にアークが発生し、その接続部が溶着したり、素子が破損することなどのトラブル発生がない。

ケーシング内に固定された二次側直流出力回路に対して手前側に配置される各電力変換回路ユニットを挿入するだけで、両者を迅速に接続することができるだけでなく、各電力変換回路ユニットに備えている電力供給用のスイッチをＯＦＦ状態にしなければ接続状態になっている電力変換回路ユニットをケーシングから引き出すことをロック機構にて阻止することができるから、例えば抜き出した活電状態の電力変換回路ユニットに誤って手等を触れてしまい、火傷や電子機器の短絡によるトラブルなどの発生を確実に回避することができる。

図１に、フォワード型の電源回路を示している。この電源回路は、共通の高周波トランス（低周波トランスでもよい）１の二次側巻線Ｎ２に電気的に絶縁された状態で接続され、かつ、負荷２へ直流電力を供給するための二次側直流出力回路３と、前記共通の高周波トランス１の一次側の第１巻線Ｎ１に電気的に絶縁された状態で接続され、かつ、二次電池４の出力により前記共通の高周波トランス１を介して二次側直流出力回路３へ電力供給するための第１の電力変換回路５と、前記共通の高周波トランス１の一次側の第２巻線Ｎ３に電気的に絶縁された状態で接続され、かつ、前記二次電池４とは別の二次電池（出力の大きさは該二次電池１とほぼ同じに設定されることになるが、異なる出力であってもよい）６の出力により前記共通の高周波トランス１を介して二次側直流出力回路３へ電力供給するための第２の電力変換回路７とを備えている。
前記各電力変換回路５，７は、昇圧回路１３，１４を備え、一方の昇圧回路１３には、交互運転信号発生装置（図示せず）からの交互運転信号をフォトカプラ１５を介して出力し、他方の昇圧回路１４には、前記交互運転信号発生装置（図示せず）からの交互運転信号を反転回路２７にて反転された交互運転信号をフォトカプラ１６を介して出力するようになっている。ここでは、２つの昇圧回路１３，１４の出力電圧を変化させるようにしているが、一方の昇圧回路１３又は１４の出力電圧のみを変化させるようにしてもよい。前記各電力変換回路５，７は、前記二次電池４，６としては、燃料電池や太陽電池あるいは原子力電池等を用いてもよく、二次電池４，６に代えて発電機等であってもよい。又、２つの電力変換回路５，７に二次電池をそれぞれ設けたものを示したが、共通の二次電池であってもよい。又、電源部を二次電池にて構成する他、商用交流電源を用い、この商用交流電源からの交流電圧を直流に整流するための整流回路を設けて電力変換回路を構成してもよいし、又、電力変換回路を３つ以上設けて実施することもできる。この場合、電源部を商用交流電源にて構成したものと、二次電池等の直流電源にて構成したものをそれぞれ少なくとも１個ずつ備えさせて電源回路を構成しておけば、例えば停電時でも直流電源を利用して二次側直流出力回路３へ電力供給が行える利点がある。又、電源回路としては、図１のようなフォワード型の他、フライバック型、フルブリッジ型、ハーフブリッジ型等であってもよく、どのような形式の電源回路に構成してもよい。

図１に示すように、前記２つの電力変換回路５，７は、図示していないメイン制御ＩＣからの制御信号がドライブトランス（図示せず）を介して入力されるゲート回路８，９及び該ゲート回路８，９からのゲート信号により作動され、かつ、高周波トランス１の一次側巻線Ｎ１に接続されるスイッチング素子としてのＦＥＴ１０，１１と、電力変換回路５，７に流れる電流を検出する電流検出手段としてのカレントトランス（ホール素子等の他の電流検出素子で構成してもよい）１７，１８とを備えている。

前記カレントトランス１７，１８の二次側巻線Ｋ２，Ｈ２に、電流検出回路２１，２２を接続し、これら２つの電流検出回路２１，２２からの検出電流の差分を演算増幅するための演算増幅器２３（又は比較器）、この演算増幅器２３（又は比較器）から出力される交互運転信号を積分して電圧値に変換するための積分回路（抵抗２４Ｒとコンデンサ２４Ｃから構成されている）２４、この積分回路２４からの電圧値と予め設定されている上限の電圧値とを比較するための第１比較器２５と、該積分回路２４からの電圧値と予め設定されている下限の電圧値とを比較するための第２比較器２６とを設けて、電源故障検出回路１２を構成している。
図２（ａ），（ｂ）に、図１のａ点及びｂ点における電流値信号、つまり電流検出回路２１，２２に流れる電流値を示し、これら電流値が演算増幅器２３（又は比較器）を介して出力される図１のｃ点での交互運転信号を、図２（ｃ）に示している。そして、積分回路２４を介して変換された電圧波形（図１のｄ点での電圧）を図２（ｄ）に示している。この場合、２つのスイッチング素子１０，１１の駆動時間が同一の場合を示し、電力変換回路５，７からの出力電力が、図２（ｄ）において電圧値ｇ１から電圧値ｇ２まで上昇し（右上がり傾斜角を有するＷ１）、電圧値ｇ２から電圧値ｇ１へ降下する（右下がり傾斜角を有するＷ２）ことを交互に繰り返すことによって、図に示す上限閾値である上限の基準電圧ｅと下限閾値である下限の基準電圧ｆとの間に位置した状態を維持することになる（図２（ｄ）で示す鋸歯形状の波形になる）。しかし、電力変換回路５，７のうちの少なくとも一方の電力変換回路５又は７の電子部品、例えばスイッチング素子１１がオープンモードで故障となった場合に、該電力変換回路５からの出力電圧が、図２（ｄ）に示す一点鎖線Ｄ１で示すように電圧値が右上がりに上昇していき、上限の基準電圧ｅを越えると、第１比較器２５から異常信号が出力され、表示パネル（図示していない）に備えているランプを点灯させたり、ブザーを鳴らす、あるいはそれら両方を行ったり、さらには音声にて表示したり、メッセージ表示部に文字や図を用いて故障であることを表示するなどすることにより、電力変換回路７が故障（異常）であると把握することができるようにしている。
前記第１比較器２５と第２比較器２６とから積分回路２４からの電圧値が、予め設定されている上限の基準電圧ｅと下限の基準電圧ｆとの間に存在しているか否かを判別する正常運転判別手段を構成している。

前記電源回路は、図３（ａ），（ｂ）〜図６に示すように、メンテナンス面において有利となるように抜き差しによって接続状態と接続解除状態にすることができる複数のユニットからなっており、それらユニット構造について説明する。
まず、図３（ａ），（ｂ）に示すように、全てのユニットが収納されるケーシング３５Ｋ内の奥側に備えさせた第１出力ユニット３５（前記二次側直流出力回路３を備えている、図３参照）に対して抜き差し自在に構成された第１入力ユニット３６（電力変換回路５を備えている）を該ケーシング３５Ｋ内の手前側に配置している。又、図に示す３７は、前記第１入力ユニット３６に並列させてケーシング３５Ｋ内に配置した第２入力ユニットであり、この第２入力ユニット３７は、前記第１出力ユニット３５とは異なる第２出力ユニット（図示せず）に対して抜き差し自在に構成されている。ここでは、入力ユニットと出力ユニットとが同数、つまり複数対（図では二対の場合を示しているが、三対以上であってもよい）設けている場合を示しているが、入力ユニットの数に対して出力ユニットの数が少ない場合であってもよいし、又その逆であってもよい。前記ケーシング３５Ｋは、ＥＲＰ−２Ｕ（インテル提唱のＳＳＩサーバ仕様に記述された外形形状）サイズに設定しているが、このサイズに限定されるものではない。又、前記２つのユニット３６，３７を上下方向に併設される状態で配置しているが、左右方向に併設される状態で配置してもよく、ユニット３６，３７の配置は自由に変更可能である。

前記第１入力ユニット３６は、外部電源から抜き差し自在なプラグ付コード３８を介して外部に備えている電源部（図示せず）と接続され、スイッチ３９をＯＮすることにより、回路内に電源部から電力が供給されるようになっている。又、第１入力ユニット３６に、ユニット引出用の取っ手４０を備えさせて、取っ手４０を持って手前側に第１入力ユニット３６を引き出すことができるように構成している。そして、前記第１入力ユニット３６を引き出す場合には、前記スイッチ３９がＯＦＦ状態になっていないと、引き出すことができないようにロック機構を備えている。前記ロック機構は、第１入力ユニット３６の角筒状のケーシング３６Ｂを構成する１つの側板部にユニットの前方側へ突出した後、ユニットの前面側へ延びるＬ字状の可動片３６Ｃに、前記ケーシング３５Ｋに形成した開口３５Ａに係止する突起３６Ｔを備えさせている。従って、第１入力ユニット３６をケーシング３５Ｋ内に挿入し、その挿入が完了した時点でケーシング３５Ｋの開口３５Ａに可動片３６Ｃの突起３６Ｔが係止することで、取っ手４０を持って第１入力ユニット３６を引き出すことができないロック状態になるように構成している。このロック状態において可動片３６Ｃをそれの先端部を持ってユニット側へ揺動操作することによって、突起３６Ｔを開口３５Ａから離脱させることで前記ロック状態を解除することができるようになっている。このとき、スイッチ３９がＯＮ状態にあると、図３（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように、スイッチ３９の横側部に接当してしまい、可動片３６Ｃをユニット側へ揺動操作することができないようになっている。つまり、第１入力ユニット３６への電力供給が絶たれた状態でないと、第１入力ユニット３６を抜くことができないようになっている。例えば電源供給が行われている状態で第１入力ユニット３６を抜くことができる構成では、抜いた第１入力ユニット３６が活電状態となっており、第１入力ユニット３６の出力ユニット側に剥き出し状態となっている接続用コネクター（図示せず）に誤って手等が触れてしまい、火傷や電子機器の短絡によるトラブルなどが発生することになるが、上記のように電力供給が断たれた状態にすることで該トラブル発生を確実に回避することができる。
尚、前記第２入力ユニット３７も前記第１入力ユニット３６と同様な構成であり、外部電源から抜き差し自在なプラグ付コード３８を介して外部に備えている電源部（図示せず）と接続され、スイッチ３９ＢをＯＮすることにより、回路内に電源部から電力が供給されるようになっている。又、第２入力ユニット３７に、ユニット引出用の取っ手４０Ｂを備えさせて、取っ手４０Ｂを持って手前側に第２入力ユニット３７を引き出すことができるように構成している。そして、前記第２入力ユニット３７を引き出す場合には、前記スイッチ３９ＢがＯＦＦ状態になっていないと、引き出すことができないようにロック機構を備えている。前記ロック機構は、第２入力ユニット３７の角筒状のケーシングを構成する１つの側板部にユニットの前方側へ突出した後、ユニットの前面側へ延びるＬ字状の可動片３７Ｃに、前記ケーシング３５Ｋに形成した開口３５Ｂに係止する突起３７Ｔを備えさせている。

前記第１出力ユニット３５及び第１入力ユニット３６の抜き差し構造を、図６に示している。図６では、各ユニット３５，３６の基板３５ａ，３６ａとそれら基板３５ａ，３６ａの端部同士に備えさせた雄雌の４個のコネクター４１，４２、４３，４４のみを示している。
図６に示すように、一方の基板３５ａの端部の幅方向ほぼ中央部（どの位置であってもよい）に、他方の基板側に突出する突出片３５Ｔを形成し、他方の基板３６ａの端部の前記突出片３５Ｔに対応する位置に該突出片３５Ｔが入り込んで位置決めするための切欠き部３６Ｋを形成し、この切欠き部３６Ｋの上下（基板の板厚方向両側）の開口を閉じるための一対の閉塞用板部材３６Ｈ，３６Ｈを前記基板３６ａに取り付けている。そして、前記突出片３５Ｔの挿入方向先端を先端側ほど幅狭となるように、該突出片３５Ｔの幅方向両側に先端側ほど幅方向中心側に位置する案内用のテーパ部３５Ｔ，３５Ｔを備えさせてあり、切欠き部３６Ｋが突出片３５Ｔに入り込むときに両者の位置が多少ずれている場合でも、テーパ部３５Ｔ，３５Ｔの案内作用により突出片３５Ｔに対する切欠き部３６Ｋの位置を移動修正することによって、雌型のコネクター４２，４４の嵌合凹部４２Ａ，４４Ａを雄型のコネクター４１，４３のピン４１Ｐ，４３Ｐに確実に嵌合させることができるようになっている。

前記一方の雌型のコネクター４２には、図示していない制御回路が接続され、前記他方の雌型のコネクター４４には、メイン回路（前記電力変換回路５）が接続されており、これらコネクター４２，４４に対して嵌合されて接続状態となる前記雄型のコネクター４１，４３の接続の順番を設定する必要がある。そのため、ピンの長さの異なる雄型のコネクターを用いることが一般的であるが、この場合、コスト面において不利になることがあり、図６に示すように、ピンの長さが同一の雄型のコネクター４１，４３を用いながらも、一方のコネクター４３を基板３５ａの端部から設定距離Ｌだけ抜き差し方向において他方の基板３６ａから離れる側へ位置させるだけで、制御回路側が先に接続されてから、メイン回路が後に接続されるように構成しているが、メイン回路側が先に接続されてから、制御回路が後に接続されるように構成してもよい。このように２つの回路、つまりメイン回路及び制御回路の接続のタイミングを異ならせるように制御することによって、前記スイッチ３９又は３９ＢがＯＮの状態である活電状態であっても、入力ユニット３６又は３７を出力ユニット３５から抜いてから、新たな入力ユニット３６又は３７又は修理した入力ユニット３６又は３７を出力ユニット３５に差し込んで入力ユニット３６又は３７の交換を行うときに、接続部（図６では、コネクター４２，４４の嵌合凹部４２Ａ，４４Ａとコネクター４１，４３のピン４１Ｐ，４３Ｐに相当する）にアークが発生し、その接続部が溶着したり、ユニットを構成する各種の素子が破損することなどのトラブル発生を回避することができる。

電源故障検出回路を備えた電源回路図である。（ａ），（ｂ）は図１のａ点及びｂ点における電流の波形図、（ｃ）は交互運転信号の波形図、（ｄ）は積分回路からの電圧の波形図である。電源回路を収納したケーシングを示す斜視図であり、（ａ）はスイッチをＯＦＦにした状態を示し、（ｂ）はスイッチをＯＮにした状態を示している。ケーシングに対して第１入力ユニットを引き出した状態を示す斜視図である。（ａ）はスイッチをＯＦＦ状態にしたケーシングの要部を示す左側面図、（ｂ）はスイッチをＯＮにした状態にしたケーシングの要部を示す左側面図である。第１入力ユニットと第１出力ユニットとを接続する直前の状態を示す斜視図である。

符号の説明

１高周波トランス
２負荷
３二次側直流出力回路
４，６二次電池
５，７電力変換回路
８，９ゲート回路
１０，１１スイッチング素子
１２電源故障検出回路
１３，１４昇圧回路
１５，１６フォトカプラ
１７，１８カレントトランス
１９，２０スイッチング素子
２１，２２電流検出回路
２３演算増幅器
２４Ｃコンデンサ
２４Ｒ抵抗
２４積分回路
２５，２６比較器
２７反転回路
３５Ｋケーシング
３５Ｔ，３５Ｔテーパ部
３５，３６ユニット
３５ａ，３６ａ基板
３５Ｔ，３６Ｔ突出片
３５Ａ３５Ｂ開口
３６Ｂケーシング
３６Ｃ可動片
３６Ｔ突起
３６Ｋ切欠き部
３６Ｈ閉塞用板部材
３７入力ユニット
３７Ｃ可動片
３７Ｔ突起
３８プラグ付コード
３９，３９Ｂスイッチ
４０，４０Ｂ取っ手
４１，４２，４３，４４コネクター
４１Ｐ，４３Ｐピン
４２Ａ，４４Ａ嵌合凹部
４５反転回路
４６，４７アンド回路
４８，４９反転回路
５０，５１ラッチ回路
５２，５３タイマ回路
５２Ａ，５３Ａ保持解除信号
５４，５５短絡故障検出回路
Ｋ１，Ｈ１一次側巻線
Ｋ２，Ｈ２二次側巻線
Ｌ設定距離
Ｎ１，Ｎ３一次側巻線
Ｎ２二次側巻線

Claims

直流電圧を入力としてＯＮ−ＯＦＦ動作する第１電力変換用スイッチング素子を備えた第１電力変換回路及び直流電圧を入力としてＯＮ−ＯＦＦ動作する第２電力変換用スイッチング素子を備えた第２電力変換回路を、共通のトランスの一次側に備え、これら２つの電力変換回路のそれぞれに昇圧回路を設け、予め設定されているデューティ比に基づいて前記少なくとも一方の昇圧回路の出力電圧を変化させ、該変化させた電圧の大小関係に基づいて２つの電力変換回路を交互に運転させることにより発生する電力を負荷に供給するための二次側直流出力回路を、前記トランスの二次側に備えさせてなる電源回路において、前記２つの電力変換回路に流れる電流をそれぞれ検出するための電流検出手段と、これら２つの電流検出手段からの電流の差分を増幅するための演算増幅器又は比較器と、この演算増幅器又は比較器からの交互運転信号を積分して電圧値に変換するための積分回路と、前記積分回路からの電圧値が予め設定された上限の電圧値と下限の電圧値との間に存在しているか否かを判別する正常運転判別手段とを備えさせたことを特徴とする電源故障検出回路。
前記正常運転判別手段が、前記上限の電圧値と前記積分回路からの電圧値とを比較するための第１比較器と、前記下限の電圧値と前記積分回路からの電圧値とを比較するための第２比較器とから構成してなる請求項１記載の電源故障検出回路。
前記各電力変換回路をユニット化し、それら電力変換回路ユニットを負荷を駆動するための前記二次側直流出力回路に対して活電状態で抜き差し自在に構成してなる請求項１又は２記載の電源故障検出回路。
前記２つの電力変換回路ユニット及び二次側直流出力回路を、該二次側直流出力回路を該２つの電力変換回路よりも奥側へ位置する状態でケーシング内に収納可能とし、前記ケーシング内に固定された二次側直流出力回路に対して手前側に配置される各電力変換回路ユニットを挿入することにより、両者を接続可能に構成し、各電力変換回路ユニットに備えている電力供給用のスイッチをＯＦＦ状態にしなければ接続状態になっている該電力変換回路ユニットをケーシングから引き出すことを阻止するためのロック機構を設けてなる請求項３記載の電源故障検出回路。