JP2019004560A - 冗長化電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力およびコストを抑えた瞬断なく電圧低下の少ないシームレスな電源の切り換えを行い、電源の故障が集中的に発生するリスクを抑える冗長化電源を提供する。【解決手段】 電源電圧検出回路３１は、電圧検出器２１−２〜２１−ｎが検出した電圧を基に、予備電源である電源１２−２〜１２−ｎの出力電圧が第１のしきい値Ｖｔｈ１以下であると判断した場合に、ゲート制御駆動回路３２は、ゲート回路２２−１〜２２−ｎのオン／オフを制御して現用電源の切り換え操作を行う。現用電源のゲート回路２２−１のゲート（Ｇ）に対しオフにする電圧を出力する。次に、予備電源のうち制御シーケンスで予め決めた次の順番の予備電源となる電源１２−２のゲート回路２２−２をオンにする。【選択図】図１

Description

本発明は、セキュリティー監視カメラ・記録装置等の連続稼働が期待されている装置の冗長化電源システムに関する。

近年、セキュリティー監視カメラやハードディスクなど常時監視・記録録画など一瞬たりとも止まると不都合が生じるシステムが増加。さらにシステムの高度化大型化などで必要とされる電流容量が増えている。

従来の監視・記録装置の例では、1つのシステムに電源装置1台を設置し、電源装置が故障した際は電源装置を交換するまで監視や記録が止まるという不都合が生じるケースがあった。

その不都合の解消のためよく使われている従来の電源装置の冗長化技術としては蓄電池や複数電源を並列に接続する（この方式をＯｒｉｎｇ接続と呼ぶ）による方法が用いられている。
以下、図１３、図１４により、従来のＯｒｉｎｇ接続による方法について説明する。図１３、図１４において、１００は冗長化された電源ブロックを示す。構成は複数の電源１０２の出力をそれぞれ対応するダイオード104のアノードに接続し、すべてのダイオードのカソード側は負荷電子装置１２０へ接続する。この時、電源１０２の入力は、それぞれ商用の交流電源もしくはＣＶＣＦ(Constant Voltage Constant Frequency))１１０より電力の供給を受けている。複数の電源１０２の出力は、出力電圧に応じた割合で、負荷へダイオードを通して電力を供給する。一つの電源に電圧低下の故障が生じた際は、故障の電源につながるダイオードのアノード側はカソード側より電圧が低くなり逆電流が流れようとするのを、ダイオードが防止し、故障の電源を切り離す。この時、故障していない他の電源より、負荷へ電力が供給されておりシステムには支障を生じさせず、この間に新規の電源へと入れ替える。複数の電源より負荷へ電力供給を行うことで、個々の電源の負担を減らすことにより、個々の電源の寿命ひいてはシステムの寿命を延ばすことができるとしている。

図１４は、ダイオード１０４での電圧降下および電力消費を抑えるためダイオードの代わりにＦＥＴ２０４を用いた例である。ＦＥＴを使用する場合、ＦＥＴに双方向導通の性質がある為、複数の電源１０２間での電圧差による低い出力電圧の電源への逆流防止のため、両端間の電圧差を検出して、ＦＥＴゲートのオン・オフを制御する電圧差監視・ＦＥＴ制御回路２０６を具備した構成としている。ＦＥＴによる場合は、電源故障時も電圧差が生じるため、電源の出力電圧の差のみならず、電源の電圧低下の際も、逆流防止のため電圧差監視により、ＦＥＴをオフすることで、電源システムから故障電源の切り離しをおこない、新規の電源と取り換えを行う。この時、負荷には他の電源より電力供給が行われており、システムに支障をきたさない流れとしている。電源・システムの寿命に関してはダイオードの説明と同様である。

特開２０１０-２２０３０４号公報 特開２０１５-０５０８１４号公報 特開２００９-５５６８６号公報

上述した従来の図１３、図１４に示す電源の冗長化による方法において、どちらも複数の電源を並列に接続したうえで、電源の電力供給負担を同じくして、電源システムの冗長化と長寿命化を図るには、構成する電源すべてに同じ出力電圧の電源を揃えなければならないというデメリットがある。また、性能を揃えた電源の場合、同時期に導入された電源は、ほぼ同時期に故障する可能性が高く、同じシステムで故障が続く可能性や、同時故障というリスクが高まるというデメリットがある。

前述の電源として、出力電圧に差がある電源で構成した場合は、常に出力電圧が高い電源がより多くの負荷電力を負担し、出力電圧が低い電源は負荷電力の供給には寄与しない構造になる。従って、出力電圧が高い電源は多くの負荷電力の供給に寄与するため、他の電源より早く寿命が来ることになり、一方、出力電圧が低い電源は寄与が少なく、寿命は長くなる。従って、出力電圧が低い電源は、負荷電力の供給に寄与することなく経年変化で寿命が来ることになる。また、この構成の場合、負荷への供給電力負担は新旧の電源とは関係なくなるため、古い電源から故障するということにならず、故障間隔もランダムとなり、同時故障の可能性も高くなるというデメリットがある。

特に１Ａ以上の大きな電流が扱う電源では、図１３の従来方法のダイオード構成では、ダイオードでの電圧降下や、無駄な電力消費が多いというデメリットがある。

図１４に示すようにダイオードの代わりに、Ｒｄｓ（ドレインーソース間抵抗）が小さい低ＲｄｓであるＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）で構成した方法の場合、電圧降下並びに消費電力はダイオードを使用した場合に比べ大幅に改善されるが、電源に異常が生じた際に、電圧差監視の精度で感知できる逆電流が流れるような電源２次側インピーダンスにする必要があり、その分常時、無駄な電力を消費させることになるというデメリットがある。

電源装置を冗長化する場合、それぞれ構成する電源装置は、複数の電源で構成しても、単独の電源で電流を供給するケースも考慮する必要があり、単独電源でも要求される性能を満たすものである必要性があるため、構成する電源に要求される性能という観点ではＯｒｉｎｇ接続などによるパラレル供給にするメリットはない。

本発明は、このような従来技術が有していた問題を解決しようとするものであり、電源の冗長化に際し、消費電力の低減、効果的な電源の使用による電源システムの寿命の延伸、並びに出力電圧の安定を実現することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明によれば、少なくとも1個以上の予備電源を備え、予備電源の他に1個の電源を現用電源として電力を供給する電源システムであって、各電源の電圧を監視する電圧監視手段と現用電源の電圧が第一の閾値以下に低下したことを条件に該予備電源を新たな現用電源とする電源切り換え操作を行う電源切り換え手段と、負荷への出力が第二の閾値以下にならぬよう補償する補償回路を具備する電源システムが提供される。

一つの好適な態様では、前記電圧監視手段は現用電源並びに予備電源の電圧を監視し、第一の閾値より電圧が低下したことを検出した電源に対し、異常表示、アラーム等の報知するシステムを具備する。

一つの好適な態様では、前記電圧監視手段にて該現用電源の電圧が第一の閾値を下回ったことを検出した際に故障と判断し、該予備電源を新たな現用電源にする電源切り換え動作を行う。電源切り換え動作は半導体ロジックICを使用したロジック回路、又は、マイクロコントローラICを使用したプログラムにて行う。複数の予備電源の中から新たな現用電源への切り換えの順番は、予め半導体ロジックICを使用した場合はロジック回路にて、マイクロコントローラICを使用した場合はプログラムにて指定する。また、故障した現用電源の負荷との接続のオフ、一方、新たな現用電源にする予備電源の負荷への接続をオンにする例えば低オン抵抗のＭＯＳＦＥＴで構成するゲート回路を具備する。
予備電源は、故障リスクと交換の手間との関係で一つ以上有すればよく、数に拘らない。

一つの好適な態様では、該現用電源の故障による電源切り換え動作の際に、該現用電源のオフならびに予備電源の新たな現用電源へのオンのタイミングのずれが生じる。このずれの間の負荷電流による電圧低下に対する第一の対応として、負荷側にコンデンサ（容量）を有する構造とする。負荷側のコンデンサで対処できない負荷電流が流れる回路の場合、または十分なコンデンサを用意できない場合に、第２の対応として、負荷側として最低必要とする電圧を保証する、逆流防止が施された補償回路を具備する。

一つの好適な態様では、半導体ロジックＩＣを使用したロジック回路、マイクロコントローラICを使用した回路、ＭＯＳＦＥＴを制御するための回路、並びに最低電圧を保証する電圧補償回路はそれぞれ必要とする電源回路を有する。電源回路の入力は、逆流防止のための電圧低下が少ない例えば低Ｖｆのショットキーバリアダイオードを配し、該現用電源並びに複数の予備電源すべての出力に接続される。また、上記電源回路は、予備電源を含めた個々の電源の状態をロジック回路又はマイクロコントローラ回路からの信号に基づく異常表示やアラーム等の報知システム、リセット等に流用される。

本発明の第１の観点の冗長化電源システムは、複数の電源のうち少なくとも一つを現用電源として選択して電力を供給する冗長化電源システムであって、少なくとも前記現用電源の電圧を検出する電源電圧検出回路と、前記複数の電源のうち少なくとも一つを現用電源として選択し、前記電源電圧検出回路が検出した前記現用電源の電圧が第１のしきい値以下に低下した場合に、前記複数の電源のなかから切り換えて新たな前記現用電源として選択する電源選択回路と、前記電力を供給する供給点の電圧を第２のしきい値以上に補償する電圧補償回路とを有する。

好適には、前記電圧補償回路は、前記電源からの電圧を基に、供給点の電圧を前記第２のしきい値以上に補償する。

好適には、前記複数の電源のそれぞれから順方向のダイオードを介して供給された電圧を所定のＤＣ電圧に変換する電圧変換回路をさらに有し、前記電圧補償回路は、前記電圧変換回路からの変換後の電圧を基に、前記供給点の電圧を前記第２のしきい値以上に補償する。

好適には、前記電圧補償回路は、前記ダイオードのカソードと前記供給点との間に介在し、前記電圧変換回路からの変換後の電圧を基に制御されるゲート回路を有する。

好適には、前記電圧補償回路は、前記供給点の電位に応じてインピーダンスを変化させて、前記電圧変換回路の前記変換後の電圧を基に、前記ゲート回路を制御するシャントレギュレータを有する。

好適には、前記電源電圧検出回路は、前記複数の電源の電圧を検出し、前記電源選択回路は、前記電源電圧検出回路が検出した電圧を基に、前記複数の電源のうち正常な電源を前記新たな現用電源として選択する。

好適には、前記電源選択回路は、前記電源電圧検出回路の検出結果に基づき動作する半導体制御回路とバック・ツー・バックで接続されたＭＯＳＦＥＴゲートで構成される。

好適には、前記電源選択回路は、一つの前記現用電源が前記供給点に電力を供給するようにＭＯＳＦＥＴゲートをオン・オフする制御回路を有する。

本発明の第２の観点の冗長化電源システムは、複数のスイッチングＡＣ／ＤＣ方式の電源のうち少なくとも一つを現用電源として選択して電力を供給する冗長化電源システムであって、少なくとも前記現用電源内の発振状態を検出する電源状態検出回路と、前記複数の電源のうち少なくとも一つを現用電源として選択し、前記電源状態検出回路が検出した前記現用電源の発振状態が異常状態である場合に、前記複数の電源のなかから切り換えて新たな前記現用電源として選択する電源選択回路と、前記電力を供給する供給点の電圧を第２のしきい値以上に補償する電圧補償回路と、を有する。

好適には、少なくとも前記現用電源の電圧を検出する電源電圧検出回路をさらに有し、前記電源選択回路は、前記電源電圧検出回路が検出した前記現用電源の電圧が第１のしきい値以下に低下した場合、あるいは前記電源状態検出回路が検出した前記現用電源の発振状態が異常状態である場合に、前記複数の電源のなかから切り換えて新たな前記現用電源として選択する。

本発明によれば、電源の冗長化に際し、消費電力の低減、効果的な電源の使用による電源システムの寿命の延伸、並びに出力電圧の安定を実現することができる。

図１は、本発明の第１実施形態の冗長化電源システムの全体構成図である。 図２は、図１に示す電圧検出器２１−１〜２１−ｎ、電源電圧検出回路３１及びゲート制御駆動回路３２の正常状態の動作を説明するための図である。 図３は、現用電源に異常が発生した後の状態を説明する図である。 図４は、図３において、現用電源に異常が発生し、予備電源がない場合の電圧推移の概念図である。 図５は、図３において、負荷電子装置への電力供給が少ないときで、現用電源に異常が発生し、時間とともに第１のしきい値Ｖｔｈ１を下回った時に予備電源への切り換えを行う際の電圧推移の概念図である。 図６は、図５において負荷電子装置への電力供給が多いときで、第１のしきい値Ｖｔｈ１および第２のしきい値Ｖｔｈ２を下回る状態の場合の電圧推移の概念図である。 図７は、図６において、第２のしきい値Ｖｔｈ２を出力する電圧補償回路での電圧補償機能の概念図である。 図８は、図3における電源電圧検出回路及びゲート制御駆動回路による監視及び電源切り換えのシーケンスを示す図である。 図９は、図１における電圧補償回路の構成の第一の形態を示す図である。 図１０は、図１および図３におけるダイオード並びにＭＯＳＦＥＴの参考素子製品による性能比較の参考例である。 図１１は、本発明の第２実施形態の冗長化電源システムの全体構成図である。 図１２は、図１１における電源切り換えのシーケンスを示す図である。 図１３は、負荷電子装置に対する従来の一般的な冗長電源システムの構成を示す図である。 図１４は、図１３における冗長方法としての使用したダイオードの消費電力を考慮してＦＥＴに置き換えた場合の従来の構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態の冗長化電源システム１の全体構成図である。
図１に示すように、冗長化電源システム１は、例えば、電源モジュール１０及び冗長回路ブロック２０を有し、負荷電子装置３０に電力を供給する。

冗長化電源システム１は、1個の現用電源に対し、複数個の予備電源でバックアップするように予め構成される。

図１に示すように、電源モジュール１０は、交流電源あるいはＣＶＣＦであるＡＣ電源１１と、複数の電源１２−１〜１２−ｎ（ｎは２以上の整数）を有する。電源１２−１〜１２−ｎは、ＡＣ/ＤＣ電源である。

冗長回路ブロック２０は、電源モジュール１０と、電力の供給先である負荷電子装置３０が接続される供給点２９との間に介在している。
図１に示すように、冗長回路ブロック２０は、例えば、電圧検出器２１−１〜２１−ｎ、ゲート回路２２−１〜２２−ｎ、ダイオード２４−１〜２４−ｎ、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２５、電圧補償回路２６、コンデンサ２８、電源電圧検出回路３１及びゲート制御駆動回路３２を有する。

電圧検出器２１−１〜２１−ｎは、それぞれ電源１２−１〜１２−ｎの出力電圧を検出する。

電源電圧検出回路３１は、電圧検出器２１−１〜２１−ｎが検出した出力電圧をゲート制御駆動回路３２に出力する。

ゲート回路２２−１〜２２−ｎは、それぞれ電源１２−１〜１２−ｎの出力と供給点２９（負荷）との間で導通、遮断を行うゲートの役割をするＭＯＳＦＥＴブロックである。

ゲート制御駆動回路３２は、電源電圧検出回路３１からの検出された出力電圧を基に、ゲート回路２２−１〜２２−ｎを制御駆動する。
ゲート制御駆動回路３２は、電源１２−１〜１２−ｎのうち少なくとも一つを現用電源として選択し、電源電圧検出回路３１が検出した上記現用電源の電圧が第１のしきい値Ｖｔｈ１以下に低下した場合に、他の電源１２−１〜１２−ｎに切り換えて新たな現用電源を選択する。
ゲート回路２２−１〜２２−ｎ及びゲート制御駆動回路３２によって本発明の電源選択回路の一例が構成される。

ダイオード２４−１〜２４−ｎは、それぞれ電源１２−１〜１２−ｎからＤＣ／ＤＣコンバータ回路２５並びに電圧補償回路へ電力を供給する逆流防止のショットキーダイオードであり、ＯＲ回路として機能する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２５は、電圧検出器２１−１〜２１−ｎに使用するＩＣやマイクロコントローラ等の電源、並びにゲート制御駆動回路３２に電力を供給する。

電圧補償回路２６は、現用電源の故障による電源切り換え操作の際に、ゲート動作時間差による負荷電子装置側電圧が負荷電子装置の動作を保証するに必要な電圧としての第２のしきい値Ｖｔｈ２を下回らないように電力を供給する。具体的には、電圧補償回路２６は、供給点２９の電圧を第２のしきい値Ｖｔｈ２以上になるように電力を供給（補償）する。

負荷電子装置３０は、供給点２９に接続され、冗長化電源システム１による電力の供給先である。負荷電子装置３０の側に大容量コンデンサ等の電力補給機能を付けている場合と電力を殆ど消費しない場合で、電圧が第２のしきい値Ｖｔｈ２を下回らないことが明確な場合は、電圧補償回路２６を設けなくてもよい

図１において、予め決めた電源１２−１〜１２−ｎの中の1台を現用電源とし、他の複数の電源１２−１〜１２−ｎを予備電源とする。予備電源として選択する順序は、例えば、予め決められており、電源切り換えの順番をシーケンスとしてゲート制御駆動回路３２のロジック又はプログラムソフトに組み込まれている。

図２は、図１に示す電圧検出器２１−１〜２１−ｎ、電源電圧検出回路３１及びゲート制御駆動回路３２の正常状態の動作を説明するための図である。
図２に示すように、ゲート回路２２−１〜２２−ｎの各々は、ＯＮ抵抗が少ない２つのＮチャンネルＭＯＳＦＥＴをバック・ツー・バックで接続し、その出力には、一定時間電荷を保持できるようにコンデンサＣを配した構成を有している。当該ＭＯＳＦＥＴ同士の接続点には電圧安定のための消費電力で無視できる抵抗Ｒを配する。

図２に示す例では、電源１２−１が現用電源として選択され、電源１２−２〜１２−ｎが予備電源となっている。
電圧検出器２１−１〜２１−ｎ及び電源電圧検出回路３１は、電源１２−１〜１２−ｎの電圧を検出（監視）し、現用電源の出力電圧が正常な場合は、ゲート制御駆動回路３２が、現用電源（電源１２−１）と負荷電子装置３０と間に設けたゲート回路２２−１に定格内でオン抵抗を最小にできる電圧（図２では“Ｈ”で示す）を印加し、ゲートをオンさせる。これにより、現用電源から負荷側のコンデンサＣに蓄電した上で負荷電子装置３０へ電力が供給される。この時、他のすべての予備電源は、ゲート制御駆動回路３２のシーケンスにより、ゲート回路２２−２〜２２−ｎを完全にオフする電圧（図２では”Ｌ”で示す）にすることで、負荷電子装置３０と完全に切り離され、交流電源は印加されているが無負荷状態として維持する。

図３は、図２の冗長化電源システム１において、現用電源に異常が生じ出力電圧が第１のしきい値Ｖｔｈ１を下回わり予備電源である電源１２−２を現用電源として切り換えて選択する操作を行う際の状態を示す図である。
この場合には、現用電源である電源１２−１の出力電圧の第１のしきい値Ｖｔｈ１以下への電圧低下（図３では“Ｌ”で示す）を電圧検出器２１−１で検出し、ゲート制御駆動回路３２のシーケンスにより、ゲート回路２２−１をオフさせる電圧（図３では”Ｌ”で示す）にして現用電源である電源１２−１と負荷電子装置３０とを切り離す。
そして、同時に、ゲート制御駆動回路３２に予め組み込まれた順番に基づいて予備電源である電源１２−２と負荷電子装置３０とを切り離していたゲート回路２２−２のゲートへ、ゲート制御駆動回路３２より十分にオンする電圧（図３では”Ｈ”で示す）を印加する。他の予備電源である電源１２−３〜１２−ｎに繋がるゲート回路２２−３〜２２−ｎには、オフする電圧（図３では“Ｌ”で示す）を印加し、負荷電子装置３０とは切り離したままとする。

なお、この現用電源の切り換え動作において、予備電源の候補である電源１２−２の出力電圧が第１のしきい値Ｖｔｈ１以下の場合は、ゲート制御駆動回路３２のシーケンスにより、次の順番の電源１２−３を繰り上げて電源切り換え操作を行う。以降、同様な操作を行ない、正常な出力電圧の電源を現用電源へと切り換えを行う。
電圧検出器２１−１〜２１−ｎにより全ての電源１２−１〜１２−ｎの電圧が検出され、正常な電源のみがゲート制御駆動回路３２によって現用電源として選択される。

以下、上述した現用電源に異常が生じ出力電圧が低下した際の直流出力電圧の時間的変化について説明する。
冗長回路ブロック２０は、予備電源を繋いでいない場合は、現用電源の出力が低下する際、図４に示すように電源１２−１〜１２−ｎと負荷電子装置３０と間に設けたコンデンサＣの容量と負荷とで決まるカーブで電圧は第１のしきい値Ｖｔｈ１を下回って更に低下していき最終的に0Vになる。
この場合、電源の出力電圧Ｖｏｕｔ1と負荷電子装置３０側の供給点２９の電圧ＶＬｏｕｔとの間には、図４に示すように正確にはゲート回路２２−１〜２２−ｎでの電圧降下ΔＶが生じる。ただし、ＭＯＳＦＥＴのゲートに適切な電圧を印加すると電流１１０Ａでも最大２．６ｍΩという製品もあり、図１０の製品例に示すように、この製品に２０Ａの電流を負荷に流す例を考えると、電圧降下ΔＶは５２ｍＶとなり、バックツウバックで２個接続しても、２個の電圧降下は１０４ｍＶ程度となる。
以降の図５〜図７ではΔＶは出力電圧に比較して非常に少ないとして無視して説明する。

前述の図４に対し、現用電源と予備電源を備えた場合の説明を図５及び図６を参照して行う。負荷電子装置３０に流す電流の多さにより出力電圧の時間的な変化には差が生じる。

図５は、負荷電子装置３０に流す電流が少ない場合において、現用電源の出力電圧Vout1がコンデンサCのチャージ電荷等の影響で、第１のしきい値Ｖｔｈ１を下回っても第２のしきい値Ｖｔｈ２を下回らない時間内に現用電源のオフ作業、予備電源のオン作業が完了し、予備電源の出力電圧Ｖｏｕｔ２が負荷電子装置へ電力を供給する場合を示す。
この時、ゲート回路２２−１〜２２−ｎの電圧降下△（デルタ）Vは非常に少ない為、動作の説明をするにあたっては無視できるものとする。出力電圧が第１のしきい値Ｖｔｈ１を下回ると、図３で示すように電源の切り換え操作を行う。現用電源の出力電圧Vout1が第１のしきい値Ｖｔｈ１を下回わると予備電源を現用電源に切り換える操作を行い、予備電源である電源１２−２の出力電圧Ｖｏｕｔ２が負荷電子装置３０に供給される。この際のＶｏｕｔ１が第１のしきい値Ｖｔｈ１を下回った時から、Ｖｏｕｔ２に切り替わるまでにかかる時間Ｔ１がゲート回路２２−１，２２−２のオン・オフの切り換え時間（タイミングのずれ）となる。

図５において、負荷電子装置３０に流す電流が多く電圧変化が大きい場合を図６に示す。現用電源である電源１２−１に異常が生じ、出力電圧Ｖｏｕｔ１が第１のしきい値Ｖｔｈ１を下回ると、ゲート回路２２−１のオフ操作を行ない現用電源である電源１２−１は負荷電子装置３０と切り離される。現用電源が負荷電子装置３０と切り離されると、負荷電子装置３０側の供給点２９の電圧ＶＬｏｕｔは、コンデンサＣにチャージされている電荷を負荷電子装置３０に放出し電圧は低下し、コンデンサＣのチャージされた電荷が負荷電子装置３０への流出電流に比し少ない場合は、最終的には０Ｖになる。ゲートのオン・オフ切り換え時間Ｔ１が経過すると予備電源である電源１２−２が新たな現用電源となりＶｏｕｔ２が出力される。この時の現用電源の出力電圧Ｖｏｕｔ１は、負荷が軽くなる為、異常電源のもつ時定数で最終的な電圧に向かって変化していく。

なお、図１に示す電圧補償回路２６を設けないと、図６に示すように、負荷電子装置３０への入力電圧ＶＬｏｕｔが、システムに対し保障しなければならない第２のしきい値Ｖｔｈ２を下回る可能性がある。
図７は、図１に示すように、冗長回路ブロック２０が第２のしきい値Ｖｔｈ２の電圧を出力する電圧補償回路２６を用いた際の出力電圧の時間的変化の図である。
図７に示すように、供給点２９の電圧ＶＬｏｕｔが第２のしきい値Ｖｔｈ２電圧以下になろうとすると、電圧補償回路２６から電力が供給されＶＬｏｕｔが第２のしきい値Ｖｔｈ２電圧を下回らないようにする。

なお、図５、図６、図７に示すＶｏｕｔ1、Ｖｏｕｔ2の電圧差△Ｖｏｕｔには、負荷電子装置３、からの電気的要請を満足する範囲内であれば制約はない。従って、△Ｖｏｕｔの符号も問題とならない。本実施形態の特徴として、負荷電子装置３０を満足させる性能を持つ電源であれば、任意の電源を用いて冗長回路ブロック２０を構成することが可能である。

図６の対策として、他の方法としてはコンデンサCの容量を負荷電子装置へ供給する電流とオン・オフ切り換え時間Ｔ１を賄えるように十分大きくする、又は、切り換え時間Ｔ１を短くする、あるいは両方で図５のような電圧変化にすることも可能である。電子負荷装置３０やゲート制御駆動回路３２への制約やコンデンサの実装面積、価格等を考慮すれば良く、電圧補償回路は必ずしも必要とはしない。

図８は、図１における電源電圧検出回路３１及びゲート制御駆動回路３２による制御シーケンスの第１の形態を示すフローチャートである。
この形態は交流電源へ接続された一台で負荷電子装置３０に対して十分に満足している性能を持つ電源１２−１〜１２−ｎであることが前提であり、出力電圧が全く同一である必要はない。

ステップＳＴ１：
各電源１２−１〜１２−ｎを起動する。
電源１２−１〜１２−ｎからの出力電圧はダイオード２４−１〜２４−ｎを介してＤＣ／ＤＣコンバータ回路２５並びに電圧補償回路２６に供給される。
そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２５において、所定の電圧に変換されて電源電圧検出回路３１、ゲート制御駆動回路３２及び電圧補償回路２６に供給される。

ステップＳＴ２：
ゲート制御駆動回路３２の制御シーケンスを起動する。
当該起動された制御シーケンスにより、例えば、ゲート回路２２−１をオンにすると共に、ゲート回路２２−２〜２２−ｎをオフにする。
これにより、電源１２−１が現用電源として選択され、その出力電圧が供給点２９を介して負荷電子装置３０に供給される。また、電源１２−２〜１２−ｎが予備電源となる。

ステップＳＴ３：
電源電圧検出回路３１は、電圧検出器２１−１が検出した電圧を基に、現用電源である電源１２−１の出力電圧が第１のしきい値Ｖｔｈ１以下であるか否かを判断する。
そして、電源電圧検出回路３１は、第１のしきい値Ｖｔｈ１以下であると判断した場合に、ステップＳＴ６に進み、そうでない場合にステップＳＴ４に進む。

ステップＳＴ４：
電源電圧検出回路３１は、電圧検出器２１−２〜２１−ｎが検出した電圧を基に、予備電源である電源１２−２〜１２−ｎの出力電圧が第１のしきい値Ｖｔｈ１以下であるか否かを判断する。
そして、電源電圧検出回路３１は、第１のしきい値Ｖｔｈ１以下であると判断した場合に、ステップＳＴ５に進み、そうでない場合にステップＳＴ３に戻る。
全ての予備電源の出力電圧が第１のしきい値Ｖｔｈ１より高い場合は、再び現用電源の出力の監視を行う。これを繰り返す。

ステップＳＴ５：
例えば、電源電圧検出回路３１あるいは所定の制御回路は、ステップＳＴ４で第１のしきい値Ｖｔｈ１以下であると判断した予備電源である電源１２−２〜１２−ｎが異常であることを示すアラームを出力する。出力電圧の異常表示・アラーム等は、出力電圧の復帰とともに解除することも、リセット等で強制的に解除するまで保持することも可能である。

ステップＳＴ６：
例えば、電源電圧検出回路３１あるいは所定の制御回路は、ステップＳＴ３で第１のしきい値Ｖｔｈ１以下であると判断した現用電源である電源１２−１が異常であることを示すアラームを出力する。

ステップＳＴ７：
ゲート制御駆動回路３２は、ゲート回路２２−１〜２２−ｎのオン／オフを制御して現用電源の切り換え操作を行う。先ず、ゲート制御駆動回路３２は、現用電源のゲート回路２２−１のゲート（Ｇ）に対しオフにする電圧を出力する。次に、ゲート制御駆動回路３２は、予備電源のうち制御シーケンスで予め決めた次の順番の予備電源となる電源１２−２のゲート回路２２−２のゲート（Ｇ）にオンにする電圧を出力する。他の予備電源のゲート回路２２−３〜２２−ｎはオフのままにしておく。

ステップＳＴ８：
ゲート制御駆動回路３２は、電源１２−２を新たな現用電源にすると同時に、予備電源である電源１２−3を次に選択する予備電源へと順繰りとし、異常な元の現用電源は最後の順位とするようにする。その後は、ステップＳＴ1に戻る。

以下、図１に示す電圧補償回路２６について詳細に説明する。
図９は、図１に示す電圧補償回路２６を説明するための図である。
図９に示すように、電圧補償回路２６は、例えば、ゲート回路３０２−１，３０２−２、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３、シャントレギュレータ３０４を有する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２５は、全ての電源１２−１〜１２−ｎの出力と逆流防止の順方向の電圧降下が少ないダイオード２４−１〜２４−ｎを介して電力を供給される。

ダイオード２４−１〜２４−ｎとＤＣ／ＤＣコンバータ回路２５との接合点となるノード３５１は、ゲート回路３０２−１のドレイン（Ｄ）に接続されている。
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２５の出力は、抵抗Ｒ３を介して、ゲート回路３０２−１，３０２−２のＭＯＳＦＥＴのゲート（Ｇ）に接続されている。
すなわち、ノード３５１は、ゲート回路３０２−１，３０２−２を介して、供給点２９（負荷電子装置３０）に接続されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２５の出力電圧（変換後の電圧）は、ゲート回路３０２−１，３０２−２のＭＯＳＦＥＴのゲート（Ｇ）に印加される電圧が最適になるように、抵抗Ｒ３とシャントレギュレータ３０４にて調整される。
シャントレギュレータ３０４は、供給点２９の電圧を抵抗Ｒ１，Ｒ２による抵抗分割にて帰還させることで、供給点２９の電圧が第２のしきい値Ｖｔｈ２より高い場合は、シャントレギュレータ３０４のインピーダンスが低くなり、ゲート回路３０２−１，３０２−２のＭＯＳＦＥＴのゲート（Ｇ）の電圧を低くして当該ＭＯＳＦＥＴをオフにする。

一方、供給点２９の電圧が第２のしきい値Ｖｔｈ２より低い場合は、シャントレギュレータ３０４のインピーダンスが高くなり、ＭＯＳＦＥＴのゲートへの電圧を高くしてＭＯＳＦＥＴをオンにするように設定することで、供給点２９の電圧を第２のしきい値Ｖｔｈ２を保つ電圧にするように、電源１２−１〜１２−ｎからの電力を制御して負荷電子装置３０に供給する。

電圧補償回路２６は、ダイオード２４−１〜２４−ｎ及びゲート回路３０２−１，３０２−２を介して供給点２９を第２のしきい値Ｖｔｈ２の電圧に設定するため、電圧降下が大きくて電流量が大きい場合は消費電力が大きくなる。従って、電圧補償回路２６からの供給は、前述したゲート制御駆動回路３２によるゲート回路２２−１〜２２−ｎの切り換えタイミングの差による供給点２９の電圧低下を補償する等、短時間にとどめるのが運用上好ましいが、継続的な最低補償回路として使用することも可能である。

図２、図３及び図９に示すゲート回路２２−１〜２２−ｎ及びゲート回路３０２−１，３０２−２では、一実施形態として２個のＮチャンネルＭＯＳＦＥＴのソース側を接続したバック・ツー・バックを示したが、ドレイン側を接続しても良い。また、その他の形態として、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴのゲート電圧を制御することで、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴで同様の効果を得ることができる。また、電流を分割してゲートの電圧降下を抑えるために、ゲート回路を複数個パラレルに接続し、同じゲート電圧で制御する方法も可能である。

図１０は、図２のゲート回路２２−１〜２２−ｎに用いる第一の形態としてのＮチャンネルＭＯＳＦＥＴを使用したケースと、従来のダイオードＯＲでのケースを具体的な例として性能比較を行った表である。ＭＯＳＦＥＴにはサンケン電気株式会社製のＳＫＩ０３０２１を図１のダイオード１０４−１〜１０４−ｎとしてはダイオードの電圧降下が小さいショットキーバリアダイオード新電元製Ｓ４０ＨＣ１Ｒ５Ｔとした場合の例で作成した。４０Ａまでの範囲では通す電流に拘わらず電圧降下・消費電力ともに、ＭＯＳＦＥＴのバック・ツー・バック構成のほうが少なく、無駄な電力消費を大幅に減らせることがわかる。なお、カタログ上、新電元工業株式会社製のＳ40ＨＣ1Ｒ5Ｔは絶対最大定格４０Ａのため、４０Ａまでの比較とした。実際の部品の品番選定にあたっては、使用する電圧、流す電流などを考慮し性能で選定することが必要で、前述例は、ダイオードＯＲによる方法より消費電力を減らすことができる効果を示す一例としている。

以上説明したように、冗長回路ブロック２０によれば、現用電源および予備電源は、第１のしきい値Ｖｔｈ１および第２のしきい値Ｖｔｈ２の設定値により、負荷電子装置３０から要求される性能を有する電源であればその性能の差に拘わらず自由な電源の選定を可能とする。

また、冗長回路ブロック２０によれば、現用電源故障による電源１２−１〜１２−ｎの切り換え動作の際に、電圧補償回路２６の機能により、最低電圧が保証されシームレスな安定した電圧供給が可能となり、負荷電子装置３０のシステムとして安定動作が可能となる。すなわち、電圧補償回路２６により、ゲート回路２２−１〜２２−ｎの切り換え操作時のタイミングのずれで生じる瞬間的な電圧低下によって生じる瞬断を第２のしきい値Ｖｔｈ２以下にならないようにすることができる。

また、冗長回路ブロック２０によれば、現用電源と併せて予備電源の出力電圧を常時監視する。そして、当該電圧監視に基づき異常表示、アラーム等の報知をすることで、切り換え後に常に正常な電圧を出力する予備電源が現用電源として選択される。そのため、予備電源に切り換え後に、予備電源が故障をしていたという事故を防ぐことができる。

また、冗長回路ブロック２０によれば、異常と判断された電源１２−１〜１２−ｎは、ゲート回路２２−１〜２２−ｎによって供給点２９及び負荷電子装置３０から切り離されるため、負荷電子装置３０のシステムに影響を及ぼさず故障電源のみの交換を可能とする。

また、冗長回路ブロック２０によれば、電圧補償回路２６は、電源１２−１〜１２−ｎからの電圧を基に駆動されるため、別途電源を設ける必要がなく、小規模化及び低価格化を図れる。

また、冗長回路ブロック２０によれば、電源切り換えにより予備電源から新たな現用電源にする電源は予備電源としては無負荷状態のままであるため寿命としては長持ちし、常に故障電源を新規電源に交換を行うことで、システム全体として長期安定的な電力供給システムを構築することができる。

［第２実施形態］
図１１、本発明の第２実施形態に係る冗長化電源システムの構成図である。
図１１に示すように、第２実施形態の冗長化電源システムは、電源１２−１〜１２−ｎ、電圧検出器２１−１〜２１−ｎ、発振検出器１４−１〜１４−ｎ、ゲート回路２２−１〜２２−ｎ、異常検出回路１２９及びゲート制御駆動回路１３２を有する。

図１１に示すように、電源１２−１〜１２−ｎが、スイッチングＡＣ/ＤＣ電源で構成される場合、電源１２−１〜１２−ｎの出力電圧を電圧検出器２１−１〜２１−ｎで検出すると共に、当該出力電圧の発振状態を発振検出器１４−１〜１４−ｎで検出する。

異常検出回路１２９は、電圧検出器２１−１〜２１−ｎによる電圧検出結果と、発振検出器１４−１〜１４−ｎによる出力電圧の発振状態の検出結果とを基に、電源１２−１〜１２−ｎのなかで現用電源及び予備電源の異常検出を行う。

具体的には、異常検出回路１２９は、検出した発生状態と検出電圧との少なくとも一方に異常がある場合に、異常であるとして検出を行う。

ゲート制御駆動回路１３２は、異常検出回路１２９の検出結果を基に、電源１２−１〜１２−ｎのなかの現用電源に異常が検出された場合に、予め決められた次の正常な予備電源に現用電源を切り換える。

ここで、電源１２−１〜１２−ｎに異常が発生して出力電圧が低下する前に、出力電圧の発振状態に異常が発生することが多くあり、この場合にはゲート制御駆動回路３２において、発振検出器１４−１〜１４−ｎの検出結果を基に、電圧検出器２１−１〜２１−ｎの異常を早いタイミングで検出できる。
これにより、現用電源の出力電圧が第１のしきい値Ｖｔｈ１未満になる前に、現用電源を切り換えることができる。

図１４は、本発明の第２実施形態の冗長化電源システムのおける発振検出器１４、電源電圧検出回路３１、ゲート制御駆動回路３２及び電源発振検出回路３３による制御シーケンスの第１の形態を示すフローチャートである。
ステップＳＴ１１：
スイッチングＡＣ/ＤＣ電源である各電源１２−１〜１２−ｎを起動する。

ステップＳＴ１２：
ゲート制御駆動回路３２の制御シーケンスを起動する。
当該起動された制御シーケンスにより、例えば、ゲート回路２２−１をオンにすると共に、ゲート回路２２−２〜２２−ｎをオフにする。
これにより、電源１２−１を現用電源として選択し、その出力電圧が供給点２９を介して負荷電子装置３０に供給される。また、電源１２−２〜１２−ｎが予備電源となる。

ステップＳＴ１３：
異常検出回路１２９は、電圧検出器２１−１が検出した電圧及び発振検出器１４−１が検出した発振状態を基に、現用電源である電源１２−１の出力電圧が第１のしきい値Ｖｔｈ１以下であるか否か、並びに当該出力電圧に発振状態が異常であるか否かを判断する。
そして、異常検出回路１２９が、第１のしきい値Ｖｔｈ１以下である、あるいは発振状態が異常であると判断した場合に、ステップＳＴ１４に進み、そうでない場合にステップＳＴ１５に進む。

ステップＳＴ１４：
電源電圧検出回路３１は、電圧検出器２１−２〜２１−ｎが検出した電圧を基に、予備電源である電源１２−２〜１２−ｎの出力電圧が第１のしきい値Ｖｔｈ１以下であるか否かを判断する。
また、電源発振検出回路３３は、発振検出器１４−２〜１４−ｎが検出した発振状態により、電源１２−２〜１２−ｎが異常であるか否かを判断する。
そして、異常検出回路１２９は、電源電圧検出回路３１が第１のしきい値Ｖｔｈ１以下であると判断したか、あるいは電源発振検出回路３３が異常であると判断した場合には、ステップＳＴ１５に進み、そうでない場合にステップＳＴ１３に戻る。
全ての予備電源の出力電圧が第１のしきい値Ｖｔｈ１より高く、且つ発振状態が正常である場合は、再び現用電源の出力の監視を行う。これを繰り返す。

ステップＳＴ１５：
例えば、ステップＳＴ１４で第１のしきい値Ｖｔｈ１以下であると判断した、あるいは発振状態が異常であると判断した予備電源である電源１２−２〜１２−ｎが異常であることを示すアラームを出力する。出力電圧の異常表示・アラーム等は、出力電圧の復帰とともに解除することも、リセット等で強制的に解除するまで保持することも可能である。

ステップＳＴ１６：
ステップＳＴ１３で第１のしきい値Ｖｔｈ１以下であると判断した、あるいは発振状態が異常であると判断した現用電源である電源１２−１が異常であることを示すアラームを出力する。

ステップＳＴ１７：
ゲート制御駆動回路３２は、ゲート回路２２−１〜２２−ｎのオン／オフを制御して現用電源の切り換え操作を行う。先ず、ゲート制御駆動回路３２は、現用電源のゲート回路２２−１に対しオフにする電圧を出力する。次に、ゲート制御駆動回路３２は、予備電源のうち制御シーケンスで予め決めた次の順番の予備電源となる電源１２−２のゲート回路２２−２をオンにする電圧を出力する。他の予備電源のゲート回路２２−３〜２２−ｎはオフのままにしておく。

ステップＳＴ１８：
ゲート制御駆動回路３２は、電源１２−２を新たな現用電源にすると同時に、予備電源である電源１２−3を次に選択する予備電源へと順繰りとし、異常な元の現用電源は最後の順位とするようにする。その後は、ステップＳＴ1１に戻る。

以上説明したように、第２実施形態の冗長化電源システムによれば、現用電源の電圧が低下する前に生じる電源１２−１〜１２−ｎ内のスイッチングの発振状態の異常を検出することで、電圧が第1のしきい値Ｖｔｈ1に低下する前のタイミングで現用電源から予備電源に切り換えを行うことができる。これにより、負荷電子装置３０に安定した電圧を供給できる。

なお、上述した第２実施形態において、電源電圧検出回路３１が第１のしきい値Ｖｔｈ１以下であると判断したか、あるいは電源発信検出器１４−１〜１４−ｎで検出した信号を異常検出回路１２９で異常であると判断した場合には、ステップＳＴ１５に進み、そうでない場合にステップＳＴ１３に戻る場合を例示したが、電源発信検出器１４−１〜１４−ｎで検出した信号を異常検出回路１２９が異常であると判断したことを条件にステップＳＴ１５に進むようにしてもよい。

１１…ＡＣ電源
１２−１〜１２−ｎ…電源
２０…冗長回路ブロック
２１−１〜２１−ｎ…電圧検出器
２２−１〜２２−ｎ…ゲート回路
２４−１〜２４−ｎ…ダイオード
２５…ＤＣ／ＤＣコンバータ回路
２６…電圧補償回路
２８…コンデンサ
３０…負荷電子装置
３１…電源電圧検出回路
３２…ゲート制御駆動回路
３３…電源発振検出回路
１２９…異常検出回路
１３２…ゲート制御駆動回路

Claims (10)

1. 複数の電源のうち少なくとも一つを現用電源として選択して電力を供給する冗長化電源システムであって、
   少なくとも前記現用電源の電圧を検出する電源電圧検出回路と、
   前記複数の電源のうち少なくとも一つを現用電源として選択し、前記電源電圧検出回路が検出した前記現用電源の電圧が第１のしきい値以下に低下した場合に、前記複数の電源のなかから切り換えて新たな前記現用電源として選択する電源選択回路と、
   前記電力を供給する供給点の電圧を第２のしきい値以上に補償する電圧補償回路と
   を有する冗長化電源システム。
2. 前記電圧補償回路は、前記電源からの電圧を基に、供給点の電圧を前記第２のしきい値以上に補償する
   請求項１に記載の冗長化電源システム。
3. 前記複数の電源のそれぞれから順方向のダイオードを介して供給された電圧を所定のＤＣ電圧に変換する電圧変換回路
   をさらに有し、
   前記電圧補償回路は、前記電圧変換回路からの変換後の電圧を基に、前記供給点の電圧を前記第２のしきい値以上に補償する
   請求項２に記載の冗長化電源システム。
4. 前記電圧補償回路は、
   前記ダイオードのカソードと前記供給点との間に介在し、前記電圧変換回路からの変換後の電圧を基に制御するゲート回路
   を有する請求項３に記載の冗長化電源システム。
5. 前記電圧補償回路は、
   前記供給点の電位に応じてインピーダンスを変化させて、前記電圧変換回路の前記変換後の電圧を基に、前記ゲート回路を制御するシャントレギュレータを有する
   請求項４に記載の冗長化電源システム。
6. 前記電源電圧検出回路は、前記複数の電源の電圧を検出し、
   前記電源選択回路は、前記電源電圧検出回路が検出した電圧を基に、前記複数の電源のうち正常な電源を前記新たな現用電源として選択する
   請求項１〜５のいずれかに記載の冗長化電源システム。
7. 前記電源選択回路は、前記電源電圧検出回路の検出結果に基づき動作する半導体制御回路とバック・ツー・バックで接続されたＭＯＳＦＥＴゲートで構成される、
   請求項1〜６のいずれかに記載の電源システム。
8. 前記電源選択回路は、一つの前記現用電源が前記供給点に電力を供給するようにＭＯＳＦＥＴゲートをオン・オフする制御回路を有する
   請求項７に記載の電源システム。
9. 複数のスイッチングＡＣ／ＤＣ方式の電源のうち少なくとも一つを現用電源として選択して電力を供給する冗長化電源システムであって、
   少なくとも前記現用電源内の発振状態を検出する電源状態検出回路と、
   前記複数の電源のうち少なくとも一つを現用電源として選択し、前記電源状態検出回路が検出した前記現用電源の発振状態が異常状態である場合に、前記複数の電源のなかから切り換えて新たな前記現用電源として選択する電源選択回路と、
   前記電力を供給する供給点の電圧を第２のしきい値以上に補償する電圧補償回路と
   を有する冗長化電源システム。
10. 少なくとも前記現用電源の電圧を検出する電源電圧検出回路
    をさらに有し、
    前記電源選択回路は、前記電源電圧検出回路が検出した前記現用電源の電圧が第１のしきい値以下に低下した場合、あるいは前記電源状態検出回路が検出した前記現用電源の発振状態が異常状態である場合に、前記複数の電源のなかから切り換えて新たな前記現用電源として選択する
    請求項９に記載の冗長化電源システム。
    
    
    

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