JPH08214546A - 直流電源装置及び直流電源供給システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】直流電源装置において、高調波対策と、信頼性
を高めるための冗長運転を、簡単な回路構成で実現して
部品点数を減少させ、安価な直流電源装置を提供する。 【解決手段】入力電圧追従型電流制御昇圧チョッパと電
流帰還型自励インバ−タを組合せ、出力電圧安定化を昇
圧チョッパの電圧安定化機能を利用して、並列運転時の
電流バランスを自励インバ−タのインピ−ダンス降下に
よるセルフバランスにより達成することにより、部品点
数の少ない安価な構成の電源装置を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は現金自動取扱装置(A
utomatic teller machine: ATM)や、サーバコンピュー
タ、フォルトトレラントコンピュータ等の高い信頼性が
要求される機器に用いられることが多い直流電源装置に
関する。直流電源装置は、商用交流電源から入力される
交流電流を直流電流に変換して出力し、前述の機器を動
作させるための電力を供給する。高信頼性が要求される
機器に用いられる直流電源装置は、出力電力の増強ある
いは出力電力の安定化を達成するために、１つの電源回
路（直流電源装置）を並列接続して用いられることが多
い。本願発明の直流電源装置は、この冗長運転に用いる
のにも好適な直流電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】１つの電源回路を並列接続する冗長運転
は、出力電流バランスの改善（安定化）を目指して行わ
れる。従来から行われている冗長運転の電源装置の技術
を図５に示す。電源回路は、入力される交流電圧(AC I
N)を直流電圧に変換するAC-DCコンバータと該AC-DCコン
バータ１０１で変換された不安定で値の大きい直流電圧
を安定した一定電圧の直流電圧に変換して出力するDC-D
Cコンバータ１０２とからなる。DC-DCコンバータは一定
値の電圧を出力するために出力電圧のフィードバック制
御回路を備えた出力電圧制御DC-DCコンバータが用いら
れる。この電源回路を冗長構成で用いるには、電源装置
全体の出力電圧(DC OUT)を安定化させるために、冗長構
成された個々の電源回路から出力される電流を検出し、
検出した電流値に応じて各々の電源回路の出力値を制御
させるためのバランス制御回路（１０３）が必要にな
る。

【０００３】なお、この冗長運転に関連する従来技術文
献として特公平６−８１５０２号公報がある。

【０００４】一方、電源装置では、商用電源網への高調
波電流を低減し、力率改善を行うことが重要な課題の一
つとなっている。

【０００５】高調波電流対策の技術は、例えば特開平４
−２４３０５８号公報に示される。この技術は、電源装
置のAC-DCコンバータ側に、交流電圧を全波整流後、昇
圧型コンバ−タで電圧変換するとともに入力電圧波形と
入力電圧波形が相似となるようにパルス幅制御を行うた
めの入力電流補正回路を設けるものである（一般的に力
率改善回路は同様の構成となっており、出力電圧は約３
６０ｖ程度である。この方式の力率改善回路は原理的に
交流入力電圧は１００ｖ系と２００ｖ系の双方を入力す
ることが出来るので、昇圧コンバ−タの出力は３６０ｖ
程度の設定が有効になっている）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従って、上述した並列
接続による冗長運転を行う電源装置で、力率を改善しよ
うとするとAC-DCコンバータ１０１に入力電流補正回路
が追加される構成となり、回路構成が更に複雑となり、
これに応じて電源装置の価格も高価格になるという問題
がある。

【０００７】本願発明の目的は、高周波電流を抑制し、
冗長運転に好適な直流電源装置を提供することにある。

【０００８】本願発明の他の目的は、高調波対策と、信
頼性を高めるための冗長運転を可能にする直流電源供給
システムを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】冗長運転を部品点数を減
らした安価な直流電源装置とするために、各々の電源回
路を以下の用に構成する。即ち、個々の電源回路を、
「入力交流電流の電流波形を入力交流電圧の電圧波形に
近似させるように制御し、入力交流電圧を安定化された
直流電圧に変換して出力するＡＣ−ＤＣコンバータ（入
力電圧追従型電流制御チョッパ内蔵変換器）と、このＡ
Ｃ−ＤＣコンバータが出力する直流電圧を所定の値の直
流電圧に変換して出力する自走型ＤＣ−ＤＣコンバータ
（電流帰還型自励インバ−タ）とで構成する。

【００１０】個々の電源回路を上記のように構成するこ
とで、電源回路の出力電圧安定化は、電流制御チョッパ
の電圧安定化機能を利用し、並列運転時の個々の電源回
路間の電流バランスは、自励インバ−タのインピ−ダン
ス降下によるセルフバランス機能を利用して達成する。

【００１１】出願人は、この電源装置の動作で高信頼性
電源が実用できることを実験により確認した。

【００１２】冗長運転に好適な上記の電源回路を並列に
接続する事で、安定した出力が部品点数を減らした安価
なシステムで実現できる。

【００１３】本願発明においては更に、入力交流電流の
電流波形を入力交流電圧の電圧波形に近似させるように
制御するＡＣ−ＤＣコンバータは、入力交流電圧を全波
整流する整流回路と、その整流回路に接続し、整流回路
から出力される直流電圧を所定の値の直流電圧に変換す
る変換回路と、入力交流電流の電流波形を入力交流電圧
の電圧波形に近似させるように前記変換回路を制御する
制御回路とから構成される。

【００１４】本願発明によれば、従来技術のように、冗
長運転のために、ＤＣ−ＤＣ変換器の出力電流をバラン
スさせるための制御回路は全く必要なくなる。また、個
々のＤＣ−ＤＣ回路の出力電圧を安定化させるためのフ
ィードバック制御回路もなくしているため、この点から
も省部品が実現されている。

【００１５】また、本願発明の直流電源装置をＡＴＭ等
の電源供給のために用いるときには、交流電源以外にバ
ッテリを備え、このバッテリの充電器を通常必要な数よ
り多くして予備機を備えることで、更に信頼性が向上し
た直流電源供給システムが提供できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の一実
施例を図面を用いて詳細に説明する。

【００１７】図１に本発明の一実施例の並列接続された
直流電源装置の構成を示す。図１中、ＡＣ−ＩＮは交流
入力電圧を示す。一般的には１００Ｖまたは２００Ｖ，
５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電圧が印加される。１は
入力電流補正ＡＣ−ＤＣコンバ−タである。その詳細に
ついては図３を用いて後述する。このＡＣ−ＤＣコンバ
−タは安定した直流電圧（約３６０Ｖ）ｅ１を出力す
る。２は自走型ＤＣ−ＤＣコンバ−タで、前記ｅ１電圧
を入力し、絶縁された必要直流電圧ＶＯを出力する。そ
の詳細については図３を用いて後述する。

【００１８】この電源回路は、出力電力を増強する場合
には交流入力部と直流出力部それぞれで並列に接続され
て冗長運転を可能にする。図１では２個の並列接続の例
を示すが、さらに多数個の並列接続にしても良い。３は
信頼性や保守性を向上させるためのダイオ−ドである。
冗長運転では有効な働きをする。

【００１９】この構成において、更に各電源回路の出力
に整流器を順方向に直列接続して並列冗長運転を行なっ
てもよい。

【００２０】図１に示す構成において、入力電流補正Ａ
Ｃ−ＤＣコンバ−タ１の出力電圧ｅ１は内部に有する制
御回路（図３の２０）によりフィ−ドバックされ入力電
圧あるいは出力電流の変動に対しても一定の電圧を出力
するよう安定化されている。自走型ＤＣ−ＤＣコンバ−
タ２は直流電圧ｅ１を高周波交流に変換し高周波電力ト
ランスを介して電圧変換をおこない整流平滑した直流電
圧を出力する。自走型ＤＣ−ＤＣコンバ−タ２は出力電
圧を安定化する機能は持たず、電圧の変換機能のみを持
ったDC-DCコンバータである。従って内部の構成は極め
て簡単である。

【００２１】次に、図３を用いて直流電源装置の詳細を
説明する。

【００２２】図３中、１１は入力電流補正ＡＣ−ＤＣコ
ンバ−タを、１２は自走型ＤＣ−ＤＣコンバ−タを示
す。入力電流補正ＡＣ−ＤＣコンバ−タ１１から順を追
って説明する。

【００２３】入力交流電圧は交流電圧入力部（ＡＣ−Ｉ
Ｎ）１３から入力され、整流器（Ｄ１−Ｄ４）１４で全
波整流される。トランジスタ（Ｑ１）１５，リアクトル
（Ｌ１）１６，コンデンサ（Ｃ２）１７，コンデンサ
（Ｃ３）１８，ダイオード１９で昇圧型チョッパ回路を
構成する。昇圧型チョッパ回路は良く知られたコンバ−
タの回路で、トランジスタ１５をオンさせることでリア
クトル１６にエネルギ−を蓄積し、トランジスタ１５の
オフ期間に蓄積したエネルギ−をダイオード１９を通し
てコンデンサ１７，１８へ移動させる。

【００２４】トランジスタ１５のオン、オフ期間は制御
回路２０により決定される。制御回路２０にはコンデン
サ（Ｃ１）２１に印加される全波整流電圧とコンデンサ
１７，１８に印加される直流電圧および、抵抗（Ｒ１）
２２に印加される電圧すなわちトランジスタ１５のエミ
ッタ電流を電圧値に変換した値が入力される。

【００２５】制御回路２０はこれらの入力電圧値から、
交流入力電圧と相似形の入力電流波形（実際には鋸型の
電流波形をコンデンサ２１によって平準化される効果を
含めて）となるように、かつコンデンサ１７，１８に印
加される直流電圧を一定値に保つように、トランジスタ
１５のオン、オフ制御を行う。

【００２６】更に、制御回路２０は抵抗２２への印加電
圧が過大にならないようにする（つまり、この電源装置
の出力電流、入力電流が過大にならないようにする）制
御をも行っている。

【００２７】次に、自走型ＤＣ−ＤＣコンバ−タ１２を
説明する。図３に示す自走型DC-DCコンバータは電流帰
還型自励インバ−タである。

【００２８】トランジスタ（Ｑ３）２３，トランジスタ
（Ｑ４）２４は、可飽和トランス（Ｔ１）２５の飽和現
象により、交互にオン、オフを繰り返す。即ち、トラン
ジスタ２３がオンの時は可飽和トランス２５のトランジ
スタ２３側ベ−ス巻線には極性マ−ク側へ＋（プラス）
の電位が発生し、トランジスタ２３はオン状態のままと
なる。この時のベ−ス電流はトランジスタ２３のエミッ
タからトランス（Ｔ２）２６へ向かってながれる電流す
なわち負荷電流から可飽和トランス２５を通して、電流
トランス効果として供給される。トランス２５はその磁
芯が飽和するまで、この状態を維持し、飽和に至った瞬
間にトリガ作用によりすべての極性が反転する。

【００２９】この動作によりトランジスタ２３がオンの
ときはコンデンサ１７の両端電圧が、逆に、トランジス
タ２４がオンのときはコンデンサ１７の両端電圧がトラ
ンス２６の入力電圧となる。コンデンサ（Ｃ４）２７は
トランス２６に直流電流の流入を防止する働きをし、交
流電圧はごく僅かしか印加されない。

【００３０】トランス２６の２次側は整流器（Ｄ６，Ｄ
７）２８とコンデンサ２９で整流平滑され直流電圧とし
て出力される。なお、この回路図には制御回路の内部お
よび自励インバ−タの起動回路、サ−ジ吸収スナバ等、
回路の一部を示していない。

【００３１】この構成による３００Ｗ，４８Ｖ出力の電
源装置は前記ＡＣ−ＤＣコンバ−タの電圧偏差Δが２％
前記ＤＣ−ＤＣコンバ−タのインピ−ダンス降下δが
１０％で、２０％以内の出力電流アンバランスで並列接
続の可能なことを確認した。なお出力電圧精度は約６％
で、直流電力バスの電圧安定度性能としても充分な値で
ある。

【００３２】図１に示す構成において、２個の並列接続
を行うと、その作用は、図２に示すようになる。図２
中、横軸は電流、縦軸は電圧を表す。自走型ＤＣ−ＤＣ
コンバ−タ２は２個並列になっており、各々単独つまり
並列接続を解除したときの出力特性を実線で示してあ
る。

【００３３】自走型ＤＣ−ＤＣコンバ−タ２は出力電圧
を安定化する機能を持たないので、出力電流が増加する
と、出力電圧が減少するいわゆるインピ−ダンス降下特
性を持つ。また、出力電圧はそれぞれの入力電圧、ｅ
１，ｅｎに比例（前記インピ−ダンス降下を含めて）す
るため、入力電流補正ＡＣ−ＤＣコンバ−タ１の出力電
圧ｅ１，ｅｎが同一でない場合はその出力電圧はシフト
し、図２に示すような２本のほぼ直線の実線になる。

【００３４】ここで、再度図１に示すような並列接続を
した場合に考えを戻す。それぞれの自走型ＤＣ−ＤＣコ
ンバ−タ２を並列接続した場合出力電圧ＶＯを共有し、
出力電流ＩＯはそれぞれの自走型ＤＣ−ＤＣコンバ−タ
２の出力電流Ｉ１，Ｉｎの合計値になる。すなわち、図
２の破線で示す動作点で安定する。

【００３５】この関係を数式で表すと、以下のようにな
る。

【００３６】ここで前記インピ−ダンス降下の原因であ
るインピ−ダンスを ＲＯ と定義し、２個の自走型Ｄ
Ｃ−ＤＣコンバ−タ２の ＲＯ は同一とする。さらに
自走型ＤＣ−ＤＣコンバ−タ２の電圧変換比率を Ａ
としこれもそれぞれ同一とする。

【００３７】 ＶＯ＝ｅ１×Ａ−Ｉ１×ＲＯ＝ｅｎ×Ａ−Ｉｎ×ＲＯ （１） Ｉｎ／Ｉ１＝１−（（ｅ１−ｅｎ）×Ａ）／（ＲＯ×Ｉ１） （２） ここで （ｅ１−ｅｎ）／ｅ１を出力電圧偏差 Δ （ＲＯ×Ｉ１）／（ｅ１×Ａ）をインピ−ダンス降下
δ とすれば Ｉｎ／Ｉ１＝１−Δ／δ （３） が成立する。

【００３８】つまり、並列接続時の電流アンバランスは
入力電流補正ＡＣ−ＤＣコンバ−タ１の出力電圧偏差
Δ と自走型ＤＣ−ＤＣコンバ−タ２のインピ−ダンス
降下δ の比率で決定される。従って、この比率を的確
に設定することにより、意図した並列接続時の電流分担
を決定することが可能になる。

【００３９】前記は２個の並列接続で説明をしたが、更
に多数個の並列接続をしても同一の原理で電流分担を決
定することが出来る。

【００４０】図４は、本願発明の電源装置を適用した電
源システムを示す。

【００４１】図４においてＮ＋１フロントエンドコンバ
ータ３０が、図１に示す電源装置であり、電源回路が３
個の例を示す。この電源システムは、電源プラグ３７か
ら入力された交流電圧をＮ＋１フロントエンドコンバー
タ３０で４８ボルトの安定した直流電圧に変換してＤＣ
４８Ｖバス３８に出力する。出力された４８ボルトの直
流電圧は、ＡＴＭやサーバ等のモータの回転等の機械動
作に用いられる。また、ＤＣ４８Ｖバス３８には更に、
ＤＣ−ＤＣコンバータ群３１、ＤＣ−ＤＣコンバータ群
３２が接続する。ＤＣ−ＤＣコンバータ群３１は４８ボ
ルトの直流電圧を５ボルトの直流電圧に変換する。ＤＣ
−ＤＣコンバータ群３２は４８ボルトの直流電圧を３．
３ボルトの直流電圧に変換する。このようなシステムで
色々な用途の直流電圧を装置に提供する。

【００４２】交流電圧入力側には、２組のバッテリ３４
及びバッテリ充電器３３が接続される。電源制御部３６
は、入力される電圧を監視し、電力の供給が十分に保て
なくなった時には、前記バッテリから電力を供給するよ
うに制御する。本電源システムが接続される装置は、通
常動作時は、フロントエンドコンバータ３０の電源回路
がＮ個、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１がＭ個、ＤＣ−ＤＣ
コンバータ３２がＰ個、及びバッテリ充電器３５がＬ個
必要な装置の場合には、それぞれをプラス１個ずつの構
成として、更に、高信頼性を実現している。

【００４３】

【発明の効果】以上に説明したように、入力電流補正Ａ
Ｃ−ＤＣコンバ−タと自走型ＤＣ−ＤＣコンバ−タの組
合せにより、簡素な組合せで、高調波低減が可能で、安
価な電源システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】冗長構成された本願発明の直流電源装置のブロ
ック図。

【図２】図１に示す直流電源装置の出力電流、出力電圧
特性を示す図。

【図３】図１に示す直流電源装置の詳細構成を示す図。

【図４】本願発明の直流電源装置が適用されるシステム
を示す図。

【図５】従来の冗長構成された直流電源装置を示す図。

【符号の説明】

１ 入力電流補正ＡＣ−ＤＣコンバータ ２ 自走型ＤＣ−ＤＣコンバータ ３ 整流器 ４ 負荷電流

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 政美 愛知県稲沢市幸町120番地の１ 株式会社 中部日立エレクトリック内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】交流電圧を入力し直流電圧を出力する直流
   電源装置において、 前記入力交流電圧を全波整流する整流回路と、リアクト
   ルと第１のトランジスタを有するチョッパ回路と、前記
   整流回路で整流された後の脈動直流電圧と前記第１のト
   ランジスタのエミッタ電流と、前記チョッパ回路の出力
   電圧を検出し、前記第１のトランジスタのエミッタ電流
   の平均値波形を前記脈動直流電圧の波形に近似させるよ
   うに前記第１のトランジスタを駆動する駆動制御回路
   と、を含む直流−交流変換器と、 前記チョッパ回路からの出力電圧を受ける第２のトラン
   ジスタ群及び該第２のトランジスタ群の駆動回路と、前
   記第２のトランジスタ群からの出力を受け、電圧値の変
   換を行う絶縁トランスと、該絶縁トランスの出力を整流
   平滑する回路からなる自走型インバータとを備えたこと
   を特徴とする直流電源装置。
2. 【請求項２】入力交流電流の電流波形を入力交流電圧の
   電圧波形に近似させるように制御し、前記入力交流電圧
   を安定化された第１の直流電圧に変換して出力するＡＣ
   −ＤＣコンバータと、 前記第１の直流電圧を所定の値の第２の直流電圧に変換
   して出力する自走型ＤＣ−ＤＣコンバータとからなるこ
   とを特徴とする直流電源装置。
3. 【請求項３】請求項２記載の直流電源装置を複数個並列
   に接続したことを特徴とする直流電源供給システム。
4. 【請求項４】請求項２記載の直流電源装置において、前
   記ＡＣ−ＤＣコンバータは、前記入力交流電流を全波整
   流する整流回路と、 該整流回路に接続し、該整流回路から出力される第３の
   直流電圧を所定の値の前記第１の直流電圧に変換する変
   換回路と、 前記入力交流電流の電流波形を前記入力交流電圧の電圧
   波形に近似させるように前記変換回路を制御する制御回
   路とからなることを特徴とする直流電源装置。
5. 【請求項５】請求項４記載の直流電源装置を複数個並列
   に接続したことを特徴とする直流電源供給システム。
6. 【請求項６】交流電源に接続するための接続部と、 該接続部に並列に接続され、該接続部から入力される入
   力交流電流の電流波形を入力交流電圧の電圧波形に近似
   させるように制御し、前記入力交流電圧を安定化された
   第１の直流電圧に変換して出力するＡＣ−ＤＣコンバー
   タと、前記第１の直流電圧を所定の値の第２の直流電圧
   に変換して出力する自走型ＤＣ−ＤＣコンバータとから
   なる複数の直流電源装置と、 該複数の直流電源装置からの並列出力を受ける直流電源
   バスと、 該直流電源バスに接続する第１、第２ののＤＣ−ＤＣ変
   換器とからなることを特徴とする直流電源供給システ
   ム。
7. 【請求項７】請求項６記載の直流電源供給システムにお
   いて、更にバックアップ電源を備えたことを特徴とする
   直流電源供給システム。
8. 【請求項８】請求項７記載の直流電源供給システムにお
   いて、更に前記交流電源の電力により前記バックアップ
   電源を充電する充電器を備えたことを特徴とする直流電
   源供給システム。
9. 【請求項９】請求項８記載の直流電源供給システムにお
   いて、前記充電器を複数個備えたことを特徴とする直流
   電源供給システム。
10. 【請求項１０】入力交流電流を整流する整流回路と、 該整流回路に接続し、該整流回路から出力される第１の
    直流電圧を所定の値の第２の直流電圧に変換する第１の
    変換回路と、 前記入力交流電流の電流波形を該入力交流電流の入力電
    圧の電圧波形に近似させるように前記変換回路を制御す
    る制御回路と、 前記変換回路の出力を前記所定の値と異なる他の電圧値
    に変換する第２の変換回路と、 該第２の変換回路の出力を整流平滑して出力する平滑回
    路とからなることを特徴とする直流電源装置。
11. 【請求項１１】請求項１０記載の直流電源装置を複数個
    並列接続したことを特徴とする直流電源供給システム。