JP5997700B2 - 電源装置とその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電源装置とその制御方法に関し、より具体的には、各々が直流電力または交流電力を所定の定格直流電力に変換する少なくとも２以上の電源ユニットの運転制御に関する。

サーバー等の電源装置は、その信頼性を高めるために、冗長化電源構成を採用している。ここで、冗長化電源構成とは、同一の定格出力（Ｗ）を有する少なくとも２台の電源ユニットを備え、状況により、冗長化電源構成（電源ユニット２台以上）で動作させるか、電源ユニット１台で動作させるかを切り替えることができるものを意味する。各電源ユニットは、交流電力源からの交流電力を所定の定格直流電力に変換する。

例えば、一般的に高効率とされる効率９０％程度の電源装置を使用しても、１０％は電源装置自身で消費する電力損失が発生する。これはサーバーの消費電力において１０％の電力損失が発生していることになり、複数のサーバーを備えるデータセンター全体としてみると、非常に大きな電力である。

したがって、例えばデータセンター全体の低消費電力化を進める上で、電源装置（電源ユニット）自身の消費電力をできるだけ削減することが望まれている。

公開特許公報の2010-158098号は、複数の電源モジュールを備える電源ユニットを開示する。この電源ユニットでは、起動中の電源モジュールの１台当たりの出力電流を確認し、その出力電流に対する電源モジュールの１台当たりの効率の情報に基づいて、電源モジュールの１台当たりの効率が予め設定された範囲に入るように、複数の電源モジュールをパワーオン制御する。

公開特許公報の2009-195079号は、複数の整流器ユニットを含む整流装置を備える直流給電システムを開示する。このシステムでは、検出された整流装置の現在の総出力電流と、複数の整流器ユニットの各々の効率曲線データとを比較することにより、整流器ユニットの運転台数を決定する。

特開２０１０−１５８０９８号公報 特開２００９−１９５０７９号公報

特許文献１の電源ユニットでは、内蔵する電源モジュールが１つでも故障すると、電力を受けるシステム（負荷）がシャットダウンしてしまう可能性がある。すなわち、電源としての冗長性（冗長化電源構成）が確保されていない。

特許文献２の直流給電システムでは、効率や電流のパラメータにより、最適な運転台数を決定するが、どの電源ユニットを動作オフにするかは考慮されていない。常に同じ電源ユニットが動作オフ、それ以外は動作オンを続ける設計になっている。したがって、動作オンの電源ユニットが決まってしまうために、その電源ユニットの信頼性（発熱に起因する部品劣化等）が損なわれ、冗長化電源構成としての信頼性が低下する。

したがって、本発明の目的は、冗長化電源構成における冗長性や信頼性を損なうことなく、電源装置（電源ユニット）自身の消費電力をできるだけ削減することである。

本発明は、電源装置を提供する。その電源装置は、互いに並列に接続され、各々が直流電力源からの直流電力または交流電力源からの交流電力を所定の定格直流電力に変換する整流器を含む、少なくとも２以上の電源ユニットと、電源ユニットの負荷電流率を検出する検出手段と、定格直流電力と、負荷電流率に対応する電源ユニット毎の効率とに基づいて算出された、電源ユニット毎の消費電力の総計が小さくなるように電源ユニットの運転を制御する制御手段と、を備える。

本発明によれば、定格直流電力と、負荷電流率に対応する電源ユニット毎の効率とに基づいて算出された、電源ユニット毎の消費電力の総計が小さくなるように電源ユニットの運転を制御するので、電源装置の消費電力を負荷の状態および電源ユニットの効率に応じてより適切に削減することが可能となる。

本発明の一態様では、負荷電流率と、負荷電流率に対応する、電源ユニット１台を運転した場合の消費電力と電源ユニット２台以上を並列運転した場合の消費電力との差分値と、の関係を表すマップを格納した記憶手段をさらに備え、制御手段は、マップから電源ユニットの１台運転と２台以上の並列運転とを切り替える基準となる基準負荷電流率を設定し、検出された負荷電流率と当該基準負荷電流率との比較結果に応じて、電源ユニットの１台運転または２台以上の並列運転を切り替える。

本発明の一態様によれば、検出された負荷電流率から消費電力がより少なくなる運転状態（１台または２台以上）を迅速に採用することができる。

本発明の一態様では、基準負荷電流率は、第１の基準負荷電流率と、第１の基準負荷電流率より大きな第２の基準負荷電流率とを有する。そして、制御手段は、電源ユニットの１台運転をおこなっている際に、検出された負荷電流率が第２の基準負荷電流率よりも大きくなった場合に、２台以上の並列運転を採用し、２台以上の並列運転をおこなっている際に、検出された負荷電流率が第１の基準負荷電流率よりも小さくなった場合に、１台運転を採用する。

本発明の一態様によれば、電源ユニットの１台運転と２台以上の並列運転との切り替えのための基準負荷電流率が所定の幅（第１と第２の差分）を有するので、負荷電流率が短時間に頻繁に変動する場合であっても、その切り替えのタイミングに所定の遅れ、言い換えればヒステリシス特性を持たせることができるので、電力供給が不安定になって負荷側でトラブルが発生することを防止することができる。

本発明の一態様では、制御手段は、１台運転をおこなう場合、選択した２台の電源ユニットを所定のタイミングで切り替えながら１台毎の運転をおこなう。

本発明の一態様によれば、選択した２台の電源ユニットを所定のタイミングで切り替えながら１台毎の運転をおこなうので、特定の電源ユニットのみが長時間運転し続けて、発熱による部品の劣化しいては電源ユニットの寿命の短縮への悪影響を軽減することができる。

本発明の一態様では、少なくとも２以上の電源ユニットの出力段に設けられた充電器、および少なくとも２以上の電源ユニットに並列して設けられた無停電電源装置（ＵＰＳ）のいずれか一方または双方をさらに備える。

本発明の一態様によれば、運転する電源ユニットの切り替え時、あるいは突発的な事象発生時においても、安定して電力を供給することができ、電源装置の冗長性や信頼性をさらに促進することが可能となる。

本発明の電源装置の構成を示す図である。 負荷電流率と電源ユニットの効率との関係を示す図である。 負荷電流率と消費電力の差分との関係を示す図である。 負荷電流率と電源ユニットの効率との関係を示す図である。 負荷電流率と消費電力の差分との関係を示す図である。 本発明の電源装置の制御フローを示す図である。

図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の電源装置の構成を示す図である。電源装置１００は、電源ユニット１０、１１、１２、検出手段２０、制御手段３０、記憶手段３５、充電器４０、および無停電電源装置（ＵＰＳ）４１を含む。記憶手段３５は、制御手段３０に内蔵されてもよい。充電器４０と無停電電源装置（ＵＰＳ）４１は、必須の要素ではないが、できればあったほうがよい。制御手段３０はサーバー等のホストと通信可能になっている。図１の負荷にはサーバーを初めとして任意のシステム、装置、デバイスが含まれ得る。

電源ユニット１０、１１、１２は、互いに並列に接続され、各々が交流電力源５からの交流電力を所定の定格直流電力に変換する整流器１５、１６、１７を含む。交流電力源５は、１００Ｖ、１１５Ｖ、２３０Ｖ等の商用の交流電力（電圧）源を含む。所定の定格直流電力は、１２Ｖ、１５Ｖ等の負荷が要求する任意の電圧の直流電力を含む。交流電力源５からの交流電力に代わって直流電力源からの直流電力を用いることもできる。すなわち、入力電力が直流電力の場合にも本願発明は同様に適用可能である。また、図１では、３つの電源ユニット１０、１１、１２が示されているが、電源ユニットの数は３に限定されず、少なくとも２以上あればよい。少なくとも２つの電源ユニットは、基本的に同一の所定の定格直流電力を出力し、その一方が故障しても他方が同一の定格直流電力を供給し続ける（バックアップする）ことができるように構成される。本出願では、この冗長性のある電源構成を冗長化電源構成とも呼ぶ。図１の例では、冗長化電源構成として、３つの電源ユニット１０、１１、１２の中の任意の２つ（例えば１０と１２）、あるいは３つ全てを選択することができる。

検出手段２０は、電源ユニット１０、１１、１２の負荷電流率を検出する。図１では、検出手段２０は、電源ユニットの出力ライン２２に接続されているが、各電源ユニット内部の出力段に直接接続するように構成してもよい。ここで、負荷電流率αとは、電源ユニットの最大定格負荷電流値Ｉｍに対する負荷電流Ｉの割合（α＝Ｉ／Ｉｍ）を意味する。具体的には、検出手段２０は、出力ライン２２の電流または電源ユニットの出力電流を検出し、その電流値を最大定格負荷電流値Ｉｍで除算して負荷電流率αを算出する。なお、検出手段２０は一種の電流計として電流値の検出のみをおこなって、負荷電流率αの算出は制御手段３０でおこなうようにしてもよい。

制御手段３０は、電源ユニットの定格直流電力と、負荷電流率に対応する電源ユニット毎の効率とに基づいて算出された、電源ユニット毎の消費電力の総計が小さくなるように電源ユニットの運転を制御する。ここで、電源ユニットの効率βとは、電源ユニットの入力電力Ｐｉに対する出力電力Ｐｏの割合（β＝Ｐｏ／Ｐｉ）を意味する。効率βが大きいほど電源ユニット自体での消費電力が少なくなる。また、電源ユニット毎の消費電力Ｐは、下記の式（１）を用いて算出される。ただし、Ｐｃ：定格直流電力、α：負荷電流率、ｎ：電源ユニットの台数、β：電源ユニットの効率である。なお、下記の式（１）は、検出手段２０が出力ライン２２の電流値を検出し、負荷電流率αを算出する場合に有効な式であって、検出手段２０が電源ユニットの出力段に直接接続される場合は、ｎ＝１（固定値）として計算する。

Ｐ＝Ｐｃ・α／（ｎ・β） （１）

図２と図４に、負荷電流率と電源ユニットの効率との関係の例を示す。図２は、１１５Ｖの交流入力で定格直流電力が６７５Ｗの電源ユニットの効率を示している。図４は、１１５Ｖの交流入力で定格直流電力が２５００Ｗの電源ユニットの効率を示している。両図において、グラフＡは電源ユニット１台運転の場合の効率を示し、グラフＢは電源ユニット２台運転の場合の１台当たりの効率を示している。

図２において、負荷電流率５０％を境にして、１台運転の場合の効率（Ａ）は減少に転じ、逆に２台運転の場合の１台当たりの効率（Ｂ）は上昇に転じる。負荷電流率７５％付近で両者の効率は反転する。図４においては、１台運転の場合の効率（Ａ）は負荷電流率５０％を境にして減少に転じるのに対して、２台運転の場合の１台当たりの効率（Ｂ）は負荷電流率の増加とともにほぼ単調に上昇している。図４においても、図２の場合と同様に負荷電流率７５％付近で両者の効率は反転する。このように、電源ユニットの効率について考えると、負荷の状態により、電源ユニット１台構成（運転）の方が効率が良い状態と、冗長化電源構成（２台運転）の方が効率が良い状態が存在する。

記憶手段３５は、負荷電流率と、負荷電流率に対応する、電源ユニット１台を運転した場合の消費電力と電源ユニット２台以上を並列運転した場合の消費電力との差分値と、の関係を表すマップを格納する。図３と図５は、負荷電流率と消費電力の差分との関係を示す図である。図３は、図２に対応し、１１５Ｖの交流入力で定格直流電力が６７５Ｗの電源ユニットの場合のマップに相当する。図５は、図４に対応し、１１５Ｖの交流入力で定格直流電力が２５００Ｗの電源ユニットの場合のマップに相当する。図３と図５の両図において、縦軸の消費電力の差分は、電源ユニット１台を運転した場合の消費電力Ｐ１と電源ユニット２台を並列運転した場合の消費電力Ｐ２との差分値（Ｐ１−Ｐ２）である。消費電力は上述した式（１）で算出される。

制御手段３０は、図３や図５で例示されるマップから電源ユニットの１台運転と２台以上の並列運転とを切り替える基準となる基準負荷電流率を設定し、検出された負荷電流率と基準負荷電流率との比較結果に応じて、電源ユニットの１台運転または２台以上の並列運転を切り替える。具体的には以下のようにおこなう。

図３において、負荷電流率６８％付近で、差分値（Ｐ１−Ｐ２）が逆転している。すなわち、負荷電流率６８％以下では差分値（Ｐ１−Ｐ２）がマイナスになることから（領域１）、電源ユニット１台を運転した場合の消費電力Ｐ１が電源ユニット２台を並列運転した場合の消費電力Ｐ２よりも小さいことを意味する。負荷電流率６８％以上では、差分値（Ｐ１−Ｐ２）がプラスになることから（領域２）、逆に消費電力Ｐ１が消費電力Ｐ２よりも大きく、言い換えればＰ２が小さくなることを意味する。したがって、制御手段３０は、この負荷電流率６８％を基準負荷電流率に設定し、基準負荷電流率６８％以下では電源ユニット１台で運転し、基準負荷電流率６８％以上では、冗長化電源構成（２台）で運転することにより消費電力を低減することが可能となる。

図５のマップを例にとれば、負荷電流率６５％付近で、差分値（Ｐ１−Ｐ２）が逆転している。すなわち、負荷電流率６５％以下では差分値（Ｐ１−Ｐ２）がマイナスになることから（領域１）、電源ユニット１台を運転した場合の消費電力Ｐ１が電源ユニット２台を並列運転した場合の消費電力Ｐ２よりも小さいことを意味する。負荷電流率６５％以上では、差分値（Ｐ１−Ｐ２）がプラスになることから（領域２）、逆に消費電力Ｐ１が消費電力Ｐ２よりも大きく、言い換えればＰ２が小さくなることを意味する。したがって、制御手段３０は、この負荷電流率６５％を基準負荷電流率に設定し、基準負荷電流率６５％以下では電源ユニット１台で運転し、基準負荷電流率６５％以上では、冗長化電源構成（２台）で運転することにより消費電力を低減することが可能となる。

基準負荷電流率として、第１の基準負荷電流率と、第１の基準負荷電流率より大きな第２の基準負荷電流率とを設定するようにしてもよい。例えば、図３の場合を例にとれば、第１の基準負荷電流率を６５％にし、第２の基準負荷電流率を７１％に設定する。その場合、制御手段３０は、電源ユニットの１台運転をおこなっている際に、検出された負荷電流率が第２の基準負荷電流率（７１％）よりも大きくなった場合に、２台の並列運転を採用し、２台の並列運転をおこなっている際に、検出された負荷電流率が第１の基準負荷電流率（６５％）よりも小さくなった場合に、１台運転を採用する。

このように、電源ユニットの１台運転と２台以上の並列運転との切り替えのための基準負荷電流率（例えば６８％）に所定の幅（例えば第１の６５％と第２の７１％の差分６％）を持たせることにより、負荷電流率が短時間に頻繁に変動する場合であっても、その切り替えのタイミングに所定の遅れ、言い換えればヒステリシス特性を持たせることができるので、電力供給が不安定になって負荷側でトラブルが発生することを防止することができる。

制御手段３０は、１台運転をおこなう場合、選択した２台の電源ユニットを所定のタイミングで切り替えながら１台毎の運転をおこなうように制御することもできる。例えば、図１の電源装置では、選択した電源ユニット１０と１２、または１１と１２を所定のタイミングで交互に切り替えながら、あるいは３台を順番に所定のタイミングで切り替えながら運転させることができる。これにより、特定の電源ユニットのみが長時間運転し続けて、発熱による部品の劣化しいては電源ユニットの寿命の短縮への悪影響を軽減することができる。なお、切り替え運転が困難な状況の場合、あるいは複数の電源ユニットから任意の１台を選択可能な場合は、消費電力が最小の電源ユニットを運転させるようにすることもできる。

図１の電源ユニットの出力段２２に設けられた充電器４０、または電源ユニットに並列して設けられた無停電電源装置（ＵＰＳ）４１は、運転する電源ユニットの切り替え時、あるいは突発的な事象発生時においても、安定して電力を供給するために設けられる。これにより、電源装置の冗長性をさらに促進することが可能となる。充電器４０はコンデンサやバッテリ等を含む。なお、電源ユニットの出力段２２に対してのみ充電器（コンデンサ等）を採用するだけでなく、通常、電源ユニットに備わっているスタンバイ電源出力（ＡＵＸ電源出力）等へも、 充電器（コンデンサ等）を採用することにより、電源ユニット１台構成時に待機（オフ）する方の電源ユニットは、それらの電源や回路もオフにすることが可能になり、更に低消費電力化が可能になる。

次に、図６を参照しながら本発明の電源装置の基本的な制御フローについて説明する。図６の制御フローは図１の電源装置、主に制御手段３０によって実行される。

ステップＳ１１において、電源ユニットの負荷電流率と、負荷電流率に対応する、電源ユニット１台を運転した場合の消費電力と電源ユニット２台以上を並列運転した場合の消費電力との差分値と、の関係を表すマップを準備する。このマップについては、既に図３と図５を参照しながら説明した通りである。ステップ１２において、マップから電源ユニットの１台運転と２台以上の並列運転とを切り替える基準となる基準負荷電流率αｔを設定する。この基準負荷電流率αｔの設定の詳細は既に上述した通りである。なお、上述したように、基準負荷電流率αｔとして第１および第２の基準負荷電流率を設定してもよい。

ステップ１３において、電源ユニットの負荷電流率αを検出する。この負荷電流率αの検出の詳細は既に上述した通りである。ステップ１４において、検出された負荷電流率αが基準負荷電流率αｔよりも小さいか否かを判定する。具体的には、負荷電流率αが例えば上述した図３（図５）の基準負荷電流率６８％（６５％）よりも小さいか否かを判定する。この判定がＹｅｓの場合、ステップＳ１５において、電源ユニットの１台運転を採用する。上述したように、消費電力を低減することができるからである。判定がＮｏの場合、ステップＳ１６において、電源ユニットの２台運転（冗長化構成）を採用する。同様に、消費電力を低減することができるからである。なお、ステップ１４において、上述したように、第１および第２の基準負荷電流率に対する大小関係を判定するようにしてもよい。

ステップＳ１７において、電源ユニットの１台運転を採用した時から所定時間が経過したか否かを判定する。この判定がＹｅｓの場合、ステップＳ１８において、運転する電源ユニットを他方、あるいは選択する別の１台に切り替える。上述したように、発熱による部品の劣化しいては電源ユニットの寿命の短縮への悪影響を軽減するためである。ステップＳ１９において、電源装置による電力の供給を停止するか否かを判定する。この判定がＮｏにならない限り、ステップＳ１４に戻り、ステップＳ１４からＳ１８までを繰り返す。

本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。例えば、上述した実施形態では、主として電源ユニットの１台運転と冗長化構成（２台）運転の場合について説明したが、本発明はこれに限られず、３台以上の冗長化構成の場合でも適用可能であることは言うまでもない。また、式（１）を使って、電源ユニットの消費電力Ｐを導く代わりに、電源装置１０の交流電源入力部と直流電源出力部で、電圧と電流を測定し、その測定された電圧および電流を用いて実際の電力Ｐを算出してもよい。さらに、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。

１０、１１、１２ 電源ユニット
１５、１６、１７ 整流器
２０ 負荷電流率の検出手段
３０ 制御手段
３５ 記憶手段
４０ 充電器
４１ 無停電電源装置（ＵＰＳ）
１００ 電源装置

Claims (9)

1. 互いに並列に接続され、各々が直流電力源からの直流電力または交流電力源からの交流
   電力を所定の定格直流電力に変換する整流器を含む、少なくとも２以上の電源ユニットと、
   前記電源ユニットの負荷電流率を検出する検出手段と、
   前記電源ユニットの負荷電流率と、当該負荷電流率に対応する、前記電源ユニット１台
   を運転した場合の消費電力と前記電源ユニット２台以上を並列運転した場合の消費電力と
   の差分値と、の関係を表すマップと、
   前記マップから前記差分値のプラスとマイナスが切り替わる負荷電流率を基準負荷電流率に設定し、検出された前記負荷電流率が、前記基準負荷電流率よりも小さい場合に前記電源ユニットの１台運転を採用し、大きい場合に前記２台以上の並列運転を採用する制御手段と、
   を備える電源装置。
2. 前記基準負荷電流率は、第１の基準負荷電流率と、当該第１の基準負荷電流率より大き
   な第２の基準負荷電流率とを有し、
   前記制御手段は、前記電源ユニットの１台運転をおこなっている際に、検出された前記
   負荷電流率が前記第２の基準負荷電流率よりも大きくなった場合に、前記２台以上の並列
   運転を採用し、前記２台以上の並列運転をおこなっている際に、検出された前記負荷電流
   率が前記第１の基準負荷電流率よりも小さくなった場合に、前記１台運転を採用する、請
   求項１の電源装置。
3. 前記制御手段は、前記１台運転をおこなう場合、選択した２台の前記電源ユニットを所
   定のタイミングで切り替えながら１台毎の運転をおこなう、請求項１又は２の電源装置。
4. 前記制御手段は、前記１台運転をおこなう場合、前記電源ユニット毎の消費電力が最小
   の電源ユニットを運転させる、請求項１〜３のいずれか１項の電源装置。
5. 前記少なくとも２以上の電源ユニットの出力段に設けられた充電器、および前記少なく
   とも２以上の電源ユニットに並列して設けられた無停電電源装置（ＵＰＳ）のいずれか一
   方または双方をさらに備える、請求項１〜４のいずれか１項の電源装置。
6. 前記電源ユニット毎の消費電力Ｐは、
   Ｐ＝Ｐｃ・α／（ｎ・β）
   ただし、Ｐｃ：定格直流電力、α：負荷電流率、ｎ：電源ユニットの台数、β：電
   源ユニット毎の効率、を用いて算出される、請求項１〜５のいずれか１項の電源装置。
7. 互いに並列に接続され、各々が直流電力源からの直流電力または交流電力源からの交流
   電力を所定の定格直流電力に変換する整流器を含む、少なくとも２以上の電源ユニットを
   含む電源装置の制御方法であって、
   前記電源ユニットの負荷電流率と、当該負荷電流率に対応する、前記電源ユニット１台
   を運転した場合の消費電力と前記電源ユニット２台以上を並列運転した場合の消費電力と
   の差分値と、の関係を表すマップを準備するステップと、
   前記マップから前記差分値のプラスとマイナスが切り替わる負荷電流率を基準負荷電流率に設定するステップと、
   前記電源ユニットの負荷電流率を検出するステップと、
   検出された前記負荷電流率と前記基準負荷電流率とを比較するステップと、
   検出された前記負荷電流率が、前記基準負荷電流率よりも小さい場合に前記電源ユニットの１台運転を採用し、大きい場合に前記２台以上の並列運転を採用するステップと、
   を含む制御方法。
8. 前記基準負荷電流率は、第１の基準負荷電流率と、当該第１の基準負荷電流率より大き
   な第２の基準負荷電流率とを有し、
   前記運転を切り替えるステップは、前記電源ユニットの１台運転をおこなっている際に、検出された前記負荷電流率が前記第２の基準負荷電流率よりも大きくなった場合に、前
   記２台以上の並列運転を採用し、前記２台以上の並列運転をおこなっている際に、検出された前記負荷電流率が前記第１の基準負荷電流率よりも小さくなった場合に、前記１台運
   転を採用することを含む、請求項７の方法。
9. 前記１台運転をおこなう場合、選択した２台の前記電源ユニットを所定のタイミングで
   切り替えながら１台毎の運転をおこなうステップをさらに含む、請求項７または８の方法。

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