JPH01129718A - 直流安定化電源装置 - Google Patents

直流安定化電源装置

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JPH01129718A
JPH01129718A JP63233845A JP23384588A JPH01129718A JP H01129718 A JPH01129718 A JP H01129718A JP 63233845 A JP63233845 A JP 63233845A JP 23384588 A JP23384588 A JP 23384588A JP H01129718 A JPH01129718 A JP H01129718A
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Joseph W Bogdanski
ジヨセフ・ウイリアム・ボーグダーンスキイ
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ケビン・ロバート・コーブ
Herman P Meyer
ハーマン・ポール・メイヤー
Daniel I Rafkind
ダニエル・アイラ・ラフカインド
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    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current 
    • G05F1/46—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC
    • G05F1/56—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/59—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC using semiconductor devices in series with the load as final control devices including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/22—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC
    • H02M3/24—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/28—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 イ、産業上の利用分野 本発明は直流安定化電源装置に係り、詳しくは、主レギ
ュレータ及び従レギュレータを備えた冗長構成の電源装
置において負荷に対して危険な電気経路を生じさせるこ
となく障害の生じたレギュレータを特定するとともにそ
の動作を停止させるような装置に関する。
口、背景技術 並列レギュレータ構成を利用する電源装置では、個々の
レギュレータが同じ電圧を分けあい、等しい量の電流を
負荷に与える。並列レギュレータ構成は一般に１つの主
レギュレータ即ち制御主体レギュレータと残りの複数の
従しギュレータ即ち被制御レギュレータとを有している
。負荷電流を与える場合においても故障の生じたレギュ
レータを特定する場合においても、問題となるのは主及
び／または従レギュレータの故障である。特に問題なの
は従レギュレータの動作を制御するための制御信号を発
生する主レギュレータの故障である。
本発明の診断機構は故障の生じたレギュレータを直ちに
特定し、故障部分を冗長レギュレータで置換してダウン
時間の発生を防止する。
ハ１発明の概要 同じ負荷を分担して受は持つ並列スイッチング・レギュ
レータ装置では、並列接続された（Ｎ＋１）個のレギュ
レータより冗長構成が形成されて・　いる。ここで、Ｎ
は負荷電流を供給するのに必要なレギュレータの数であ
り、全レギュレータは負荷電流を等しく分担する。並列
スイッチング・レギュレータ構成には、１つの主（マス
ター）レギュレータとｎ個の従（スレーブ）レギュレー
タとが含まれる。全てのレギュレータは基本電流モード
制御回路を有する。レギュレータ間の電流平衡を保つた
め、主レギュレータは出力電圧を基準値と比較して制御
信号（エラー信号）を発生し、この制御信号は全ての従
レギュレータへと送られる。
制御信号電圧は各レギュレータの出力信号を制御し且つ
全てのレギュレータには同じ制御信号が入力されるので
、電流は全レギュレータ間でバランスされることになる
。主レギュレータが制御信号を自らに合わせて調整し又
それによって残りの全てのレギュレータが負荷への出力
電圧を維持させながら、故障した従レギュレータが特定
されて冗長レギュレータによって補償される。
従レギュレータが故障すると、故障は検知され、主制御
電圧（主レギュレータが出力する制御電圧）Ｖｅはより
高いレベルに増加されて各従レギュレータは負荷電流Ｉ
の１／Ｎを供給するようになっている。これに対して、
故障発生前では、全てのレギュレータ（主及び従レギュ
レータ）は負荷電流工の１／（Ｎ＋１）を供給するよう
になっている。診断回路が設けられており、各レギュレ
ータの出力電流を検査することによりどのレギュレータ
が故障したかを決定する。主レギュレータが故障したと
きには従レギュレータは自らの出力を夫々制御する。こ
れは、各従レギュレータ内のフィードバック・ループに
組み合わされたステアリング回路即ち比較回路によって
実行され、この回路は不適切な主レギュレータの制御信
号を検知して制御主体を従レギュレータの補助エラー・
アンプ回路に移行する。正常動作では各従レギュレータ
は制御電圧Ｖｅを予め決められた電圧制限値と比較する
ことにより、もし主レギュレータ制御電圧Ｖｅがこの電
圧制限値内から外れるときには、従レギュレータは自ら
の指示電流を制御し、電流の分担という面は犠牲になる
。
二、実施例 第１図には本発明の一実施例が示されている。
簡単のため主レギュレータは１つで従レギュレータは２
つの例を挙げたが、３以上の個数の従レギュレータが並
列に接続されていてもよい。既知のように、スイッチ・
モード技法を利用して、直流電圧は公称範囲的６０ＫＣ
から約７０ＫＣの比較的高い周波数の電流信号に一坦変
換され、負荷端子において直流電圧に再変換される。こ
のような電源自体は既知である。本発明では、電流モー
ド切換技法を用い、主レギュレータが制御信号Ｖｅを発
生し、この制御信号ｖｅが全ての従レギュレータに共通
に与えられる。本発明では（Ｎ＋１）個のレギュレータ
からなる冗長構成が用いられている。ここでＮは負荷に
電流を与えるために必要なレギュレータの数である。
第１図において、主レギュレータ２１は従レギュレータ
２３．２５に並列に接続されて全体として負荷電流工、
を供給するようＫなっている。各レギュレータは電力列
の制御に電流切換え技法を用いることにより、各レギュ
レータ内の誘導電流ピーク値は内部的に発生された制御
電流と比較され、トランジスタ・スイッチの導通状態を
終了させるべき時が決定される。主レギュレータ２１は
スイッチング・アンプ２７を介して制御信号を発生し、
スイッチング・アンプ２７はライン２９を介して従レギ
ュレータ２３．２５の夫々に接続されている。
レギュレータ２１．２３．２５の夫々はパルス幅モジュ
レータ（ＰＷＭ）３１．３３．３５、高電圧スイッチ３
７．５９．４１、及びスイッチング・コンバータ４３．
４５，４７を有している。
コンバータ４３．４５、及び４７は変圧器４９．５１、
及び５３を介してフィルタ・インダクタ５５．５７、及
び５９の夫々に接続されて、夫々が負荷電流ＩＬ／（Ｎ
＋１　）を共通負荷に供給する。
共通負荷はキャパシタ６０及び抵抗６２から成っている
。従レギュレータ２３．２５はステアリング回路即ち比
較器６１．６３を有し、これらは主レギュレータ２１か
らの電圧Ｖｅを、予め定められた制限値と比較する。こ
の制御電圧Ｖｅは各レギュレータの出力電流値を設定し
、正常時には各レギュレータは同じエラー信号を受ける
のであるから、電流はバランスされることになる。従レ
ギュレータ２３．２５で行なわれる比較操作はセンス・
アンプ６５，６７を利用し、センス・アンプ６５．６７
はスイッチ７１．７３を介して比較器６１．６３に接続
されている。各従レギュレータ２３．２５はセンス・ア
ンプ６５．６７を有し、電流モード制御信号を供給する
ためにセンス・アンプ６５．６７の出力電圧を参照して
インダクタ電流と比較する。こうして、いかなる従レギ
ュレータの故障も、主レギュレータが主レギュレータ自
身及び残りの正常なレギュレータに与えるエラー信号を
調整することにより、補償され、正しい出力電圧が維持
される。
比較器６１．６３に印加される主レギュレータのエラー
信号電圧ｖｅが前述の予め決められた制限値範囲から逸
脱するときは、後に詳述するところの従レギュレータ中
のエラー・アンプ回路が自らのインダクタ電流を制限す
る。しかしながら、主レギュレータの故障時には、従レ
ギュレータが制御を行う。こうして、従レギュレータに
過大な制御電圧を与えることになるこのような故障の発
生が（Ｎ＋１）個のレギュレータの組み合せによって発
生する全電流に対して影響を与えることが回避される。
というのは、Ｎ個のレギュレータが同じ全電流を与える
ことができるからである。こうして、主レギュレータの
制御信号が危検経路即ち負荷電圧への妨害を招くような
不適切な操作信号になることが妨げられる。この基準信
号は従レギュレータ及び主レギュレータによって各レギ
ュレータ内のインダクタ電流と比較する電流として用い
られ、各レギュレータにおける電流モード制御に影響を
与えるようになっている。１つの共通信号レベルが各レ
ギュレータで用いられて各レギュレータのインダクタ電
流の値が決定されるので、各レギュレータ内のインダク
タ電流は許容誤差範囲内における等しい値である。
もし負荷に必要な全電流を負荷に与えるためのレギュレ
ータの総数がＮ個であるとすれば、各レギュレータは少
なくとも１／Ｎの負荷電流を担えなければならない。も
し与えられた負荷にはＮ個のレギュレータから電力供給
がされなければならず、これらＮ個のレギュレータの夫
々は少なくとも全負荷電流のアンペアの１／Ｎを分担す
るものであれば、同じく少なくとも全負荷電流の１／Ｎ
を供給する能力のある１つの追加の従レギュレータが最
初のＮ個のレギュレータに並列に接続されていればよい
。この要求に応じると、（Ｎ＋１）個のレギュレータが
必要となり、このうちのＮ個だけが負荷への電源供給を
維持するのに必要となる。
通常は、電流モード制御技法のおかげで（Ｎ＋１）個の
レギュレータの各々は全負荷電流の１／（Ｎ＋１）だけ
を供給する。各レギュレータのインダクタ電流を感知し
て他のレギュレータと比較することにより従レギュレー
タが故障した時を示すことができる。
１つの従レギュレータが故障して全負荷電流の１／（Ｎ
＋１）よりも大きな負荷電流を負担するときには、主レ
ギュレータがアナログ的に応答することにより、故障し
た従レギュレータによる負荷電流の増大を残りの故障し
ていない従レギュレータが並列制御して安定化させる。
これは、主レギュレータのインダクタ電流の比較電圧が
主レギュレータのインダクタ電流を減小させて故障した
従レギュレータの影響を並列制御して安定化させること
により達成される。残りのＮ個のレギュレ−夕は引き続
き故障なく動作して実質的に等しいインダクタ電流を示
すことになる。故障したレギュレータだけが異なる値の
インダクタ電流を示すことになり、故障したレギュレー
タが修理や代替のために特定されることになる。同様に
、もし従レギュレータが故障して負荷電流を負担しない
場合には、主レギュレータのアナログ的応答によって残
りの故障のない従レギュレータが故障したレギュレータ
による負荷電流の減小を並列制御して安定化させること
になる。負荷電流が乱れることはなく、また、故障レギ
ュレータの診断が全レギュレータのインダクタ電流が小
さくなったかあるいは零になったかを検知することによ
ってなされ得る。
故障した主レギュレータによる電力供給は、余分なレギ
ュレータが存在しているので、適当な診断を行っている
間に切換えることにより避けられる。既述のように、各
従レギュレータは自らのセンス・アンプを有し、自らの
インダクタ電流と比較すべき電圧の電流モード制御信号
を供給し得る基準値を有している。フィード・バック・
ループを有する各従レギュレータ内のステアリング回路
即ち比較回路は前述の主レギュレータから送られる信号
を所定の電圧制限値範囲と比較し、前記信号が前記所定
の電圧制限値範囲の外にあるようなときには、従レギュ
レータのエラー・アンプ回路は自らのインダクタ電流を
制御することができる。
こうして、従レギュレータに非常に大きな制御電圧を与
えることになってしまう主レギュレータの故障が、（Ｎ
＋１）個のレギュレータの全電流に影響を与えることの
ないよう罠なっている。このため、主レギュレータの故
障が危険経路即ち負荷電圧を停止させてしまうような不
適当な動作を生じさせることがない。
従レギュレータ間の制御用基準値の相違により、内部的
に発生した自らの基準値に応答するときに従レギュレー
タの幾つかは最大電流あるいは零電流あるいはそれらの
間のある値の電流を生じようとする。この結果、異なる
インダクタ電流が検知されて主レギュレータの故障が診
断されるようになる。診断は出力電流の論理的分析によ
って行なわれる。
第２図には、第１図のステアリング回路６１．６３の内
部構造が示されている。第２図の回路は、負荷に大きな
過渡的電圧変動を与えることなくループ制御を離れて発
生した制御信号を自らの制御信号に変換する。既述のよ
うＫ、本安定化電源装置は（Ｎ＋１）個のスイッチング
・レギュレータから構成され、そのうちのＮ個で負荷を
支えることができる。レギュレータは電流モード制御を
行い、主レギュレータの発生する制御信号を共通に与え
られて各レギュレータは実質的に等しい量の電流を負荷
に与える。この制御信号は各レギュレータからの出力電
流を設定して通常動作時には全レギュレータは同じ制御
信号を有するので、各レギュレータからの電流はバラン
スされる。
本安定化電源装置は主レギュレータの故障が、自らの出
力電流を制御する手段を有する従レギュレータを設ける
ことにより、負荷電圧の乱れを生じさせないようになっ
ている。各レギュレータに存在するフィードバック・ル
ープは主レギュレータの制御信号が所定の電圧範囲以内
である限りディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）Ｋより
無視される。ＤＳＰは制御信号をスイッチ電流に比例す
る電圧と比較することによりそのパルス幅を決定し、パ
ルス幅は従レギュレータの出力電流を決定する。
各従レギュレータの内部基準値は主レギュレータの基準
値と正確に一致する訳ではないので、各従レギュレータ
内のフィードバック回路は通常の安定化電圧範囲を太き
（外れると飽和する傾向がある。もしループ制御が飽和
されたループに突然に移行すると、大きな電圧の乱れが
ほぼ確実に生じてしまう。そこで、第２図の回路は、各
従レギュレータのインダクタ電流を制御するのは遠隔の
フィードバック信号かあるいは自らのフィードバック信
号のどちらかということの選択という基本的な役割に加
えて、フィードバック回路の飽和を回避する役割を有す
る。
第２図に示されるように、主レギュレータからの遠隔制
御信号がウィンドウ検出器８０の制限値ｖｈとＶｅとの
間にあるときは、ステアリング回路の出力５ＴＥＥＲ，
５ＴＥＥＲは夫々、ローレベル及びハイレベルになる。
ステアリング回路６１（第１図）のような１つの電圧比
較器がこのような機能を実行する。これによりダイオー
ド８１がオンし、ローカル・エラー・プロセッサ８６の
出力をハイレベルに引上げ、一方、ダイオード８７はオ
フし、遠隔の主レギュレータからの制御信号（エラー信
号）ＶｅがＤＳＰ８９に乱れることな（到達する。ＤＳ
Ｐ８９は最も低い制御信号がインダクタ電流を制御する
ように構成されている。
ローカル制御信号を）・イにすることによりそれはＤＳ
Ｐによって無視される。
ローカル・エラー・プロセッサ８３はアンプ９１、抵抗
器９３及び９５、キャパシタ９７及び９９を含み、閉ル
ープ動作に必要な負フィードバックを構成するような反
転積分器として組立てられている。アンプ１０１は非反
転積分器１０１Ａとして組立てられ、その入力はアンプ
９１の出力を感知し、その出力はダイオード８７を介し
て反転積分器の入力につながっている。こうして、負フ
ィードバック−ループがローカル制御信号・プロセッサ
８３を囲んで構成され、その帯域幅は非反転積分器１０
１Ａの抵抗器８４及びキャパシタ８６の１０時定数で決
定される。ダイオード１０５がオンでダイオード１０７
がオフである限り、ダイオード８７はＤＣ電流で順バイ
アスされ、このＤＣ電流は１組の抵抗器９５、ダイオー
ド８７、ダイオード１０５を通ってステアリング回路８
２Ａ内のアンプ１０５へと流れる。ダイオード８７がオ
ンすると、アンプ１０１がアンプ９１の出力を基準電圧
に安定化制御することになる。アンプ９１も同じ基準電
圧を用いているので、キャパシタ９７及び９９が完全に
放電されているような定常状態が達成される。更に、も
し基準電圧が制御信号の線型動作範囲の中間点となるよ
うに選ばれていれば、ローカル・エラー・プロセッサ８
３は最適にバイアスされることになる。
主レギュレータが故障したときのように、もし遠隔制御
信号ｖｅがウィンドウ検出器８０の制限値から外れると
きは、ステアリング回路８２Ａは状態を切換え、今度は
５ＴＥＥＲがノ１イになり５ＴＥＥＲがローになる。ダ
イオード８１は逆バイアスされ、それにより、ローカル
制御信号に対する束縛が開放され、一方、ダイオード８
２は順バイアスされ、「間違った」遠隔制御信号Ｖｅが
プルアップされてＤＳＰ８９がそのような遠隔制御信号
Ｖｅを無視する。５ＴＥＥＲがロー、ダイオード１０７
がオン、そして、アンプ１０１の正入力が負の基準値に
引張られているので、アンプ１０１はローで飽和するこ
とになる。ダイオード８７は逆バイアスされ、アンプ１
０１はローカル・エラー・プロセッサ８３から分離され
る。最後に、５ＴＥＥＲがハイになると、ダイオード１
０５が逆バイアスされ、感知電圧ｖＯがローカル・エラ
ー・プロセッサ８３中に入力され得ることになる。
このような１つのループから他のループへの制御の移行
はスイッチング時間に比較して瞬時に起こなわれ、ＤＳ
Ｐは常に閉ループ・フィードバック信号を受けとること
になる。ローカル・エラー〇プロセッサ８３は飽和しな
いので、定常状態はオーバーシュートを生じさせること
なく達成される。上述の回路は遠隔制御から局地制御へ
と問題な（移行する要求に応えるものであり、冗長電源
装置の中心的部分である。
上述のレギュレータ装置を冗長構成に利用すると、主レ
ギュレータの故障によっても負荷電圧に乱れを生じさせ
ないようにできる。上述の装置は、これを、各従レギュ
レータが制御信号Ｖｅを所定の電圧制限値と比較して制
御信号Ｖｅが電圧制限値の範囲から外れるときには各従
レギュレータが自らのインダクタ電流を制御できるよう
にすることにより、達成している。この条件下では、実
際に出力電圧を安定化させている１つを除いて全てのレ
ギュレータが電流制限状態あるいは活動停止状態になっ
ている。
既にみてきたように、ある状況では、従レギュレータが
故障した結果、主レギュレータが残りの従レギュレータ
に故障を示す。従レギュレータが故障すると、主レギュ
レータの制限電圧Ｖｅはより高いレベルに迅速に増大し
て各従レギュレータはそれまでは全電流の１／（Ｎ＋１
）を負担していたのに対して１／Ｎを負担することにな
る。Ｖｅの突然の変化に応答できる各レギュレータの速
度はそのフィルタ・インダクタンスに反比例する。
従レギュレータの制御ループの帯域幅が出力フィルタの
それを濾過する場合、そのような事は通常であるが、定
常状態になるまで、インダクタ電流はＶｅから遅れる。
Ｖｅはその最も高いレベルになるまで飽和するが、各従
レギュレータはもはや主レギュレータに追従しないで内
部制御に戻る。
主レギュレータの内部基準電圧であるＶｅが制御用従レ
ギュレータのそれより上であるとき、Ｖｅはハイに飽和
されたままとなる。というのは、主レギュレータの制御
ループは負荷電圧の増加を生じさせるが、従レギュレー
タがＶｅを無視するようにはさせられない。
既述の診断方法によれば、主レギュレータが故障してい
ると誤って診断され、一方、はじめから問題を生じさせ
ていた故障の従レギュレータが活動停止状態として扱わ
れて以来検知されないでいることがある。故障として扱
われた主レギュレータが交換のために取除かれるとすぐ
に、残りは（Ｎ−１）個のレギュレータであるので負荷
電圧はもはや十分でな（なる。
第３図の回路構成によれば、主レギュレータの制御ルー
プはハイ状態にもあるいはロー状態にもラッチされない
。こうして、主レギュレータが機能する限り、等しい電
流分配が確実に行なわれる。
逆に、電流分配の欠除は主レギュレータの故障を示すこ
とになる。
第３図にお（・て、Ｖｅは各従レギュレータで等しく採
用された所定の電圧制限値Ｖｈ、Ｖｌと比較され調整さ
れる。ｖｅがハイにラッチされると、比較器１１，１は
スイッチ・オンし、これ罠より、Ｖｃは抵抗器１１３と
１１５との分割作用によって低（なる。エラー信号電圧
Ｖｅは２、エラー・アンプ１１７で示されるように負に
なり（ＶｃはＶ。
より小さい。）、Ｖｅは減小する。Ｖｅがｖｈよりも小
さな正の値になるとすぐに、比較器１１１はスイッチ・
オフし、キャパシタ１２１はゆっくりと基準電圧Ｖｒに
充電される。同時に、従レギュレータ１２３は主レギュ
レータ制御に戻り、それにより、等しい負荷の分配が再
び行なわれる。
故障した従レギュレータはインダクタ電流が零になった
かを観察することにより特定され得る。
同様に、負荷が突然に減小したときのようにＶｅがＶｌ
よりも下がったときは、従レギュレータはもはやＶｅに
追従せずに自らのインダクタ電流を制御し始め、電流の
分配は停止する。主レギュレータの基準電圧Ｖｒか隅々
従レギュレータのそれよりも下がったときは、Ｖｅｉｊ
今度は負になるので、Ｖｅは飽和したローのままである
。比較器１２５がスイッチ・オフし、抵抗１２７及びダ
イオード１２９により許されるように、＋Ｖからの電流
はキャパシタ１２１を充電し始める。ＶＣがＶ。
を−旦超過すると、Ｖｅは正になってＶｌＯ上にまで上
昇する。比較器１２５が今度はオンするのでキャパシタ
１２１はレベルＶｒまで放電し、以前のように従レギュ
レータは主レギュレータとともに負担を再び等しく分担
する。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の直流安定化電源装置の一実施例の全体
構成を示すブロック図、第２図は前記実施例の要部を示
すブロック図、第３図は前記以外の実施例の要部を示す
ブロック図である。 ２１・・・・主レギュレータ、２３．２５・自・従レギ
ュレータ。 （外１名） ￥２図 笛３回

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 負荷に出力電流を供給する主レギュレータ及び前記主レ
    ギュレータに並列に接続され且つ夫々が前記負荷に出力
    電流を供給する複数の従レギュレータを備えた直流安定
    化電源装置であつて、前記主及び従レギュレータは夫々
    が前記負荷に等しい出力電流を供給する（Ｎ＋１）個の
    レギュレータからなる冗長構成であり、前記主及び従レ
    ギュレータの夫々は自らの出力電圧を基準値と比較して
    制御信号を発生する電流モード制御回路を有し、 更に、前記負荷への適切な出力電流の供給を維持させな
    がら前記主レギュレータの故障に応答して制御主体を前
    記主レギュレータから前記従レギュレータへと移す手段
    を備えている直流安定化電源装置。
JP23384588A 1987-11-04 1988-09-20 直流安定化電源装置 Expired - Lifetime JPH0640698B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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US07/116,855 US4766364A (en) 1987-11-04 1987-11-04 Parallel power systems
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