JPH0681502B2 - 並列運転保護回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、複数のスイッチング電源部を並列接続して負
荷に安定化出力電圧を供給する電源装置に於いて、任意
のスイッチング電源部の異常を検出し、且つ正常のスイ
ッチング電源部のみで並列運転を継続し得るように制御
する並列運転保護回路に関するものである。

大型コンピュータや半導体集積回路テスター等に於いて
は、直流の低電圧，大電流の電源装置、例えば、5V,300
0A等の電源装置を必要とすることになるが、コストや信
頼性等の点から、例えば、5V,500A等のスイッチング電
源部を６台並列接続して電源装置を構成している。この
場合、１台の故障により電源容量から直ちに不足するこ
とになるから、１台或いは数台を余分に並列接続して冗
長並列運転し、信頼性を向上している。このようにスイ
ッチング電源部を並列接続した電源装置に於いて、１台
のスイッチング電源部の障害により他の並列運転中のス
イッチング電源部の動作が悪影響を受けないようにする
ことが必要である。

〔従来の技術〕

前述のように、比較的小容量のスイッチング電源部を複
数台並列接続して、大容量の負荷に安定化出力電圧を供
給する電源装置に於いて、従来は、例えば、第３図に示
すように、負荷40が5Vで2000Aを必要とする時、5Vで500
Aの出力容量のスイッチング電源部41〜44を４台並列に
接続して、負荷40に安定化出力電圧を供給することにな
る。なお、45は交流電源を示し、各スイッチング電源41
〜44は、交流電圧を整流して直流電源とする場合を示
す。

スイッチング電源部41〜44の出力電圧は、例えば、Ｖ_１
＞Ｖ_２＞Ｖ_３＞Ｖ_４の関係に設定され、且つ各電圧の差
は、数10mV程度に選定されている。又スイッチング電源
部41〜44から供給する電流が500Aとなると、過電流保護
機能が動作する構成とした時、負荷40に2000Aの電流が
流れる場合は、各スイッチング電源部41〜44の出力電流
Ｉ_１〜Ｉ_４は、500Aとなるが、負荷40に500A以下の電流
が流れる場合は、出力電圧が最も高い（Ｖ_１）のスイッ
チング電源部41からのみ電流Ｉ_１が供給される。

従って、負荷の電流と電圧との関係は、第４図に示すも
のとなり、OCP1〜OCP4は、スイッチング電源部41〜44の
過電流保護動作値である。例えば、Ａ点を動作点とする
と、負荷40の電圧はＶ_３とＶ_４との間の値となり、スイ
ッチング電源部41,42は最大定格電流を供給し、スイッ
チング電源部43は、最大定格電流の数分の１の電流を供
給し、スイッチング電源部44は電流を供給しない状態と
なる。

前述のように、並列接続された各スイッチング電源部41
〜44は、均等に負荷分担するものではなく、最大出力電
圧に設定されたスイッチング電源部41が常に電流が供給
し、又最大電流供給状態となることが多いので、このス
イッチング電源部41の寿命が最も短くなる。

そこで、各スイッチング電源部が予め定めた負担率で負
荷電流を供給できる電流バランス型のスイッチングレギ
ュレータを先に提案した。即ち、第５図に示すように、
負荷71に安定化出力電圧を供給するように並列接続した
スイッチング電源部50−1,50−２は、それぞれ同一の構
成を有し、51はトランス、52はスイッチング素子として
のトランジスタ、53は直流電源（例えば、図示を省略し
た整流回路により交流を整流した電源）、54はダイオー
ド、55はパルス幅制御回路（PWM）、56は誤差増幅器、5
7は抵抗R1,R2からなる抵抗加算器、58は抵抗R0と可変基
準電圧Ｅからなる電圧設定回路、59はカレントトラン
ス、60はダイオード、61は抵抗、62はコンデンサ、63は
不平衡分を求める抵抗、64は差動増幅器、65は抵抗R3と
コンデンサＣとからなる積分回路、66はリミッタ回路、
67,68は整流用ダイオード、69はチョークコイル、70は
平滑用コンデンサ、SLはスレーブ端子、MAはマスク端
子、CBは電流バランス端子、CMは共通端子（接地端子）
であり、フォワード型の場合を示す。

スイッチング電源部50−１をマスタ・スイッチング電源
部とし、スイッチング電源部50−２をスレーブ・スイッ
チング電源部として並列運転する場合の構成を示し、マ
スタ・スイッチング電源部50−１のマスク端子MAと、ス
レーブ・スイッチング電源部50−２のスレーブ端子SLと
を接続し、又電流バランス端子CBを相互に、且つ共通端
子CMを相互に接続する。従って、スレーブ・スイッチン
グ電源部50−２は、マスタ・スイッチング電源部50−１
の電圧設定部58に於いて設定された電圧に従って出力電
圧の安定化制御が行われる。

誤差増幅器56は、安定化出力電圧と、抵抗加算器57を介
した電圧設定回路58の設定電圧とを比較し、パルス幅制
御回路55はその差に対応してトランジスタ52のオン時間
を制御し、直流電源53からの直流電流をトランス51の一
次巻線に供給し、二次巻線に誘起した電圧をダイオード
67,68、チョークコイル69、コンデンサ70からなる整流
平滑回路により整流し、又トランス51の補助巻線に接続
したダイオード54を介してトランス51のリセットを行
い、前述のように、電圧設定回路58の設定電圧に対応し
た出力電圧となるように制御が行われる。

又負荷71に供給する電流は、トランス51の一次側のトラ
ンジスタ52に流れる電流に比例するから、カレントトラ
ンス59によりこの電流を検出し、ダイオード60,抵抗61,
コンデンサ62等により直流成分として抵抗62に加える。
この抵抗63は、スイッチング電源部50−1,50−２の電流
容量に対応して設定するもので、それぞれ最大定格電流
を供給した時に、同一の例えば1Vの端子電圧となるよう
に設定する。

従って、マスタ・スイッチング電源部50−１とスレーブ
・スイッチング電源部50−２との電流負担分が平衡状態
であると、電流バランス端子CBが相互に接続されている
ので、抵抗63の端子電圧は０となる。この場合は、電圧
設定回路58による設定電圧のみが誤差増幅器56に加えら
れる。

又電流負担分が不平衡状態となると、電流負担分が多い
方の差動増幅器64の出力電圧が＋極性となり、反対に電
流負担分が少ない方の差動増幅器64の出力電圧が−極性
となり、急激な負荷変動による影響を受けないように積
分回路65で積分し、起動時や障害時の影響を受けないよ
うにリミッタ回路66で最大許容値以下となるように制限
し、抵抗加算器57により電圧設定回路58からの設定電圧
に加算して、電流負担分が多い方の出力電圧を下げると
共に、電流負担分が少ない方の出力電圧が上がるように
制御する。それによって、電流負担分の平衡化を図るこ
とができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

複数のスイッチング電源部41〜44,50−1,50−２を並列
に接続して負荷40,71に安定化出力電圧を供給する電源
装置に於いては、故障発生スイッチング電源部を早期に
検出して、交換することが必要となる。その場合、並列
運転中の複数のスイッチング電源部に於いて、或るスイ
ッチング電源部に於けるスイッチング動作が停止する故
障により出力電圧が零に低下しても、他のスイッチング
電源部の出力電圧が正常ならば、負荷40,71に印加する
出力電圧は零とならないので、、故障発生スイッチング
電源部を検出することは困難である。

そこで、スイッチング素子のオン，オフ動作が所定の周
期で行われていることを利用し、その動作が停止した時
に故障発生であると判定する方式が提案されている。

しかし、或るスイッチング電源部の出力電圧が上昇する
と、他のスイッチング電源部では、その出力電圧を検出
して、例えば、第５図の誤差増幅器56に加えることにな
り、その検出電圧が設定電圧より充分に高い電圧の場合
は、トランジスタ52のオン期間を零とするように制御す
ることになる。即ち、パルス幅制御によるスイッチング
素子のオン，オフ動作が停止することになる。又第３図
に示す従来例に於いても、出力電圧が最高に設定された
スイッチング電源部に於いては、常時スイッチング素子
のオン，オフ動作が行われるが、出力電圧が低く設定さ
れたスイッチング電源部に於いては、負荷電流が小さい
時に、スイッチング素子のオン，オフ動作が停止するこ
とになる。このオン，オフ動作の停止を故障発生と判定
する前述の方式によると、この場合も故障発生と判定す
る欠点が生じる。

本発明は、並列運転時の故障発生スイッチング電源部を
検出して、並列運転から切離すことを目的とするもので
ある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の並列運転保護回路は、複数のスイッチング電源
部を並列に接続して負荷に安定化出力電圧をを供給する
並列運転時に於いて、故障発生スイッチング電源部を確
実に検出できるようにしたものであり、第１図を参照し
て説明する。

トランス１の一次巻線に接続し、整流電源等の直流電源
DCからの電流をオン，オフ制御するトランジスタ等のス
イッチング素子２と、トランス１の二次巻線に接続した
整流平滑回路３と、この整流平滑回路３の出力電圧に比
例した電圧と第１の基準電圧Vr1とを比較する第１の比
較部４と、この第１の比較部４の出力信号によりスイッ
チング素子２のオン，オフを制御するパルス幅制御回路
等のスイッチング制御回路５とを備えたスイッチング電
源部６−１〜６−ｎを並列接続して、負荷に安定化出力
電圧を供給する電源装置に於いて、トランス１の二次巻
線の誘起電圧を検出する電圧検出部７と、この電圧検出
部７による検出電圧と、前記第１の基準電圧Vr1より低
い第２の基準電圧Vr2とを比較して、第２の基準電圧Vr2
より検出電圧が低い時に、第１の比較部４に加えられる
整流平滑回路３の出力電圧に比例した電圧を低減させる
第２の比較部８と、電圧検出部７による検出電圧と、第
２の基準電圧Vr2より低い第３の基準電圧Vr3とを比較
し、第３の基準電圧Vr3より検出電圧が低くなった時
に、スイッチ回路SWを制御して、第１の基準電圧や電流
検出部CTによる電流検出信号等の並列運転情報を遮断す
る第３の比較部９とを備えたものである。

〔作用〕

各スイッチング電源部６−１〜６−ｎは、負荷に印加す
る出力電圧に比例した電圧と、第１の基準電圧Vr1と比
較してスイッチング素子２のオン，オフを制御し、設定
した出力電圧となるように制御するものであり、又電流
検出部CTによる検出信号を用いた場合は、スイッチング
電源部６−１〜６−ｎの電流負担分の平衡化を図ること
ができる。

又並列運転中の他のスイッチング電源部の出力電圧が上
昇し、スイッチング制御回路５によるスイッチング素子
２のオン，オフ動作が停止するような状態が発生した
時、電圧検出部７によりトランス１の二次巻線の誘起電
圧を検出し、第１の比較部４へ加える出力電圧に比例し
た電圧を第２の比較部８により低減させる。それによっ
て、出力電圧が設定電圧より低下している状態となり、
正常状態であれば、少なくともスイッチング素子２のオ
ン，オフ動作が停止されることはない。

又スイッチング素子２のオン，オフ動作が停止すると、
トランス１の二次巻線の誘起電圧は０となるから、電圧
検出部７の検出電圧も０となり、第３の比較部９により
故障発生を検出することになる。この第３の比較部９の
出力信号を故障検出信号としてランプ表示等を行わせる
ことにより、故障発生スイッチング電源部を直ちに識別
することが可能となる。又故障発生スイッチング電源部
に於いては、スイッチ回路SWを制御して、並列運転の為
の基準電圧Vr1や電流検出部CTによる電流検出信号等を
遮断して、並列運転状態の他の正常なスイッチング電源
部に悪影響を及ぼさないようにすることができる。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明の実施例について詳細に説明
する。

第２図は本発明の実施例のブロック図であり、11はトラ
ンス、12はスイッチング素子としてのトランジスタ、13
は整流電源等の直流電源、14は電圧検出部、15はトラン
ジスタ12を制御するパルス幅制御回路（PWM）、16は第
１の比較器、17は抵抗加算器、18は電圧設定回路、19は
カレントトランス、20は第２の比較器、21は第３の比較
器、22は第４の比較器、23は第５の比較器、24は演算増
幅器、25はアンド回路、R1,R2,R4〜R12は抵抗、C1〜C5
はコンデンサ、L1はチョークコイル、D1〜D6はダイオー
ド、ZD1,ZD2はツェナーダイオード、RLはリレー、rl1,r
l2はリレーの接点、Vr1〜Vr5は基準電圧、SLはスレープ
端子、MAはマスタ端子、CBは電流バランス端子である。

この実施例に於いて、第１図と対応させると、トランス
１の一次巻線に接続されたスイッチング素子２が、トラ
ンス11の一次巻線に接続されたトランジスタ12に対応
し、トランス１の二次巻線に接続された整流平滑回路３
が、トランス11の二次巻線に接続されたダイオードD1,D
2とチョークコイルL1とコンデンサC1とからなる整流平
滑回路に対応し、第１の比較部４が第１の比較器16に対
応し、スイッチング制御回路５がパルス幅制御回路15に
対応し、電圧検出部７がダイオードD5,抵抗R11,R12,コ
ンデンサC3からなる電圧検出部14に対応し、第2,第３の
比較部8,9が第2,第３の比較部20,21に対応する。

又リレーRLは、正常時は、アンド回路25の出力信号の
“1"により動作状態を継続し、その接点rl1,rl2はメー
ク状態となり、第５図について説明したように、マスタ
・スイッチング電源部のマスタ端子MAと、スレーブ・ス
イッチング電源部のスレーブ端子SLとを接続し、電流バ
ランス端子CBを相互に接続する状態となり、並列運転情
報がスイッチング電源部間で伝送される。なお、接地端
子としての共通端子は図示を省略している。又整流平滑
回路の出力端子を、他のスイッチング電源部の出力端子
と並列に接続して負荷（図示せず）に接続するものであ
る。

又基準電圧Vr1は、従来例と同様に、出力電圧を設定す
る為に調整可能の場合が一般的で、その設定電圧を抵抗
加算器17の抵抗R1を介して比較器16の正端子に加え、そ
の負端子に抵抗R10を介して出力電圧を加えて、誤差電
圧をパルス幅制御回路15に加え、誤差が零となるように
トランジスタ12のスイッチング周期に於けるオン期間を
制御する。この場合、出力電圧を抵抗分圧等により分圧
し、抵抗R10を介して第１の比較器16の負端子に加える
構成とすることも可能である。

又負荷電流は、トランス11の一次巻線に流れる電流に比
例するから、負荷へ供給する電流をカレントトランス19
により検出し、ダイオードD4,抵抗R5,コンデンサC2によ
り直流成分に変換し、負荷電流の不平衡分を検出する為
の抵抗R4に加える。この抵抗R4の端子電圧は、演算増幅
器24に抵抗R6,R7を介して加えられ、抵抗R8とコンデン
サC4及び抵抗R9とコンデンサC5とによる積分作用により
積分し、ツェナーダイオードZD1,ZD2によるリミッタ回
路によって正負の最大値を制限し、抵抗加算器17の抵抗
R2を介して比較器16の正端子に不平衡電流の検出信号を
加えて、第５図について説明したように、設定した定格
電流の比に対応した電流負担分となるように制御する。

又トランス11の二次巻線の誘起電圧を電圧検出部14によ
り検出し、第２の比較器20の正端子に加えて、基準電圧
Vr2と比較する。この基準電圧Vr2は、基準電圧Vr1に対
応して変更することも可能であり、設定した基準電圧Vr
1による正常時のトランス11の二次巻線の誘起電圧を電
圧検出部14で検出した値より低い値に設定するものであ
る。或いは、基準電圧Vr1の設定範囲の最低値に対応し
た値より低い値に設定する。従って、正常時は、比較器
20の出力信号はハイレベルとなり、ダイオードD6は逆バ
イアス状態となるから、第１の比較器16に対して第２の
比較器20は切離された状態となり、出力電圧が設定電圧
となるように、且つ負荷電流が負荷分担比となるように
制御される。

又トランス11の二次巻線の誘起電圧を電圧検出部14によ
り検出した電圧Ｖ_１は、異常検出用の基準電圧Vr3より
大きく、又出力電圧は過電圧検出用の基準電圧Vr4より
小さく、且つ不足電圧検出用の基準電圧Vr5より大きい
関係となり、比較器21〜23の出力信号は“1"となるか
ら、、アンド回路25の出力信号は“1"となり、リレーRL
が動作してその接点rl1,rl2はメーク状態となる。従っ
て、マスタ・スイッチング電源部に於いては、設定した
基準電圧Vr1が接点rl1を介してスレーブ・スイッチング
電源部のスレーブ端子SLに加えられ、又接点rl2と電流
バランス端子CBを介して抵抗R4が相互に接続される。即
ち、スイッチング電源部間の並列運転情報が接点rl1,rl
2を介して伝送される。

他のスイッチング電源部の出力電圧が、設定電圧に比較
して上昇した時、第１の比較器16の負端子に抵抗R10を
介して加える出力電圧も高くなり、パルス幅制御回路15
はトランジスタ12のオン期間を零として、オン，オフ動
作を停止させ、出力電圧を低下させるように制御する。
それによって、トランス11の二次巻線の誘起電圧が低下
し、電圧検出部14の検出電圧Ｖ_１も低下する。この検出
電圧Ｖ_１が基準電圧Vr2以下になると、比較器20の出力
信号は“0"となり、ダイオードD6は順方向にバイアスさ
れるから、第１の比較器16の正端子の入力電圧は低くな
る。即ち、出力電圧が低下した場合と等価的な比較器16
への入力状態となる。従って、パルス幅制御回路15によ
るトランジスタ12のオン，オフ動作が継続され、完全に
トランジスタ12のオン，オフ動作が停止することを防止
できる。その場合に、検出電圧Ｖ_１が基準電圧Vr3以上
を保持できるように設定することにより、比較器21の出
力信号は“1"を継続することになる。

又パルス幅制御回路15等の故障や、トランジスタ12の故
障等により、トランジスタ12のオン，オフ動作が停止す
ると、トランス11の二次巻線の誘起電圧が零となり、そ
の検出電圧Ｖ_１も零となる。その場合は、比較器21の出
力信号は“0"となるから、アンド回路25の出力信号も
“0"となり、リレーRLは復旧する。従って、接点rl1,rl
2はブレーク状態となり、他のスイッチング電源部との
並列運転情報が遮断される。従って、マスタ・スイッチ
ング電源部の故障の場合は、、電圧設定回路18による設
定基準電圧Vr1が接点rl1を介してスレーブ・スイッチン
グ電源部へ加えられないので、スレーブ・スイッチング
電源部に於ける設定基準電圧Vr1により出力電圧の安定
化動作が継続して行われることになる。又接点rl2によ
り抵抗R4が他のスイッチング電源部の抵抗R4と切離され
るから、故障発生のスイッチング電源部の負担電流分
を、他の正常のスイッチング電源部で負担するように制
御することになる。

又故障により出力電圧が異常に上昇した場合、比較器23
の出力信号が“0"となり、アンド回路25の出力信号が
“0"となってリレーRLが復旧し、接点rl1,rl2により他
のスイッチング電源部との並列運転情報を遮断すること
になる。又整流平滑回路の短絡等の故障により出力電圧
が異常に低下した場合は、比較器22の出力信号が“0"と
なり、アンド回路25の出力信号が“0"となってリレーRL
が復旧する。

従って、リレーRLの復旧によりランプ等を点灯して故障
発生表示を行わせて、故障発生スイッチング電源部の識
別を簡単化することも可能であり、迅速な故障復旧を行
うことができる。

本発明は、前述の実施例にのみ限定されるものではな
く、種々付加変更することが可能であり、例えば、電流
バランス型以外の構成による負荷分担制御を行う構成
や、基準電圧のみを共用化する構成等に対しても適用す
ることができる。

〔発明の効果〕 以上説明したように、本発明は、トランス１の二次巻線
の誘起電圧を検出する電圧検出部７と、この電圧検出部
７の検出電圧と第２の基準電圧Vr2と比較する第２の比
較部８と、この第２の基準電圧Vr2より低い第３の基準
電圧Vr3と、電圧検出部７の検出電圧とを比較する第３
の比較部９とをスイッチング電源部６−１〜６−ｎに設
けて、電圧検出部７の検出電圧が第２の基準電圧Vr2よ
り低くなった時に、第１の比較部４に加えられる出力電
圧に比例した電圧を低減させることにより、スイッチン
グ素子２のオン，オフ動作を継続させて、故障発生と区
別できるようにすることができる。

又電圧検出部７の検出電圧が第３の基準電圧Vr3より低
くなった時は、オン，オフ動作が停止するような故障で
あるから、並列運転情報をスイッチ回路SW等により遮断
して、他の並列運転中のスイッチング電源部に悪影響を
及ぼさないようにすることができる。

従って、並列運転中の故障発生スイッチング電源部を検
出すると共に、正常なスイッチング電源部に対して切離
すことができるから、故障の迅速な復旧が可能となり、
電源装置の信頼性を向上することができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、第２図は本発明の実施例
のブロック図、第３図は従来例の説明図、第４図は電流
電圧特性説明図、第５図は先に提案したスイッチングレ
ギュレータのブロック図である。 １はトランス、２はスイッチング素子、３は整流平滑回
路、４は第１の比較部、５はスイッチング制御回路、６
−１〜６−ｎはスイッチング電源部、７は電圧検出部、
８は第２の比較部、９は第３の比較部、SWはスイッチ回
路、CTは電流検出部、DCは直流電源、Vr1〜Vr3は基準電
圧である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊原 文明 神奈川県川崎市高津区坂戸237番地 富士 通電装株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−116969（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−285071（ＪＰ，Ａ) 特公 昭46−14505（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】トランス（１）の一次巻線に接続したスイ
   ッチング素子（２）と、前記トランス（１）の二次巻線
   に接続した整流平滑回路（３）と、該整流平滑回路
   （３）の出力電圧に比例した電圧と第１の基準電圧と比
   較する第１の比較部（４）と、該第１の比較部（４）の
   出力信号により前記スイッチング素子（２）のオン，オ
   フを制御するスイッチング制御回路（５）とを備えた複
   数のスイッチング電源（６−１〜６−ｎ）を並列接続し
   て、負荷に安定化出力電圧を供給する電源装置に於い
   て、 前記トランス（１）の二次巻線の誘起電圧を検出する電
   圧検出部（７）と、 該電圧検出部（７）による検出電圧と、前記第１の基準
   電圧より低い第２の基準電圧とを比較し、該第２の基準
   電圧より前記検出電圧が低い時に、前記第１の比較部
   （４）に加えられる前記整流平滑回路（３）の出力電圧
   に比例した電圧を低減させる第２の比較部（８）と、 前記電圧検出部（７）による検出電圧と、前記第２の基
   準電圧より低い第３の基準電圧とを比較して、該第３の
   基準電圧より前記検出電圧が低くなった時の電源異常検
   出信号により、並列運転制御情報を遮断する第３の比較
   部（９）とを備えたことを特徴とする並列運転保護回
   路。