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技術 劣化状態推定装置

出願人 日本電信電話株式会社
発明者 鳥海陽平広島芳春後藤信司高谷和宏
出願日 2016年9月20日 (3年5ヶ月経過) 出願番号 2016-183285
公開日 2018年3月29日 (1年11ヶ月経過) 公開番号 2018-050371
状態 特許登録済
技術分野 電気的特性試験と電気的故障の検出 整流装置
主要キーワード 最終寿命 内蔵コンデンサ 次出力電圧 外部測定 加速劣化試験 残寿命 保守管理者 専門委員会
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図面 (3)

課題

電気特性の外部電気特性測定値に基づいて電源装置劣化状態推定することができる劣化状態推定装置を提供する。

解決手段

本発明の第1の態様は、1次平滑コンデンサを含み、前記1次平滑コンデンサを用いて商用電源から供給される交流電圧直流電圧に変換する電源装置の劣化状態を推定する劣化状態推定装置であり、この劣化状態推定装置が、前記交流電圧を入力する前記電源装置の入力端子に接続される入力端子インタフェースと、前記直流電圧を出力する前記電源装置の出力端子に接続される出力端子インタフェースと、前記入端子インタフェースまたは前記出力端子インタフェースにおいて電気特性を測定する測定手段と、前記電気特性と前記1次平滑コンデンサの等価直列抵抗との関係を示す情報に従って、測定された前記電気特性から、前記1次平滑コンデンサの等価直列抵抗を計算する第1の計算手段とを備えるようにしたものである。

概要

背景

スイッチング電源の1つであるAC−DCコンバータ(以下、ACアダプタと称する)の劣化状態推定する手法として、内部に測定機能を内蔵する方法と、外部から電気特性を測定する方法とがある。内部に測定機能を内蔵する方法は、部品点数が増え装置コストが上昇するため、一般的なACアダプタには用いられていない。

外部から電気特性を測定する方法としては、例えば、2次出力電圧重畳しているリップル電圧や効率を測定する方法がある。ACアダプタにおいて最も劣化しやすい部品としてアルミ電解コンデンサなどの1次平滑コンデンサがあるが、1次平滑コンデンサはダイオードブリッジスイッチングトランスとの間に設けられているため、1次平滑コンデンサの静電容量または等価直列抵抗ESR:Equivalent Series Resistance)といった電気特性を外部から測定することは困難である。1次平滑コンデンサの状態を外部から確認する方法として、雑音端子電圧を測定する方法がある。

一般的に、ACアダプタは、交流電圧をダイオードブリッジにより整流して1次平滑コンデンサに蓄積し、1次平滑コンデンサの直流電圧をスイッチングトランスにより定格値の直流電圧に変換している。スイッチング時には、スイッチングトランスにおいて50kHzから100kHzのスイッチング周波数により電流のON/OFFが繰り返される。このため、スイッチング周波数およびその高調波周波数帯ノイズによる電圧変動が発生し、これが商用電源電圧に重畳される。1次平滑コンデンサは、スイッチング電流の吸い込みと掃出しを行い、上記スイッチング電流に起因する商用電源の電圧変動を抑圧する役割を担っている。このため、1次平滑コンデンサが劣化し内部インピーダンスが上昇すると、スイッチング電流の吸い込みと掃出し能力が低下するため、商用電源電圧の変動幅が上昇する。「JEITAのスイッチング電源試験規格(AC−DC)」(非特許文献1)には、雑音端子電圧測定として、この電圧の対大地電位変動を測定する方法が規定されている。

概要

電気特性の外部電気特性測定値に基づいて電源装置の劣化状態を推定することができる劣化状態推定装置を提供する。 本発明の第1の態様は、1次平滑コンデンサを含み、前記1次平滑コンデンサを用いて商用電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換する電源装置の劣化状態を推定する劣化状態推定装置であり、この劣化状態推定装置が、前記交流電圧を入力する前記電源装置の入力端子に接続される入力端子インタフェースと、前記直流電圧を出力する前記電源装置の出力端子に接続される出力端子インタフェースと、前記入端子インタフェースまたは前記出力端子インタフェースにおいて電気特性を測定する測定手段と、前記電気特性と前記1次平滑コンデンサの等価直列抵抗との関係を示す情報に従って、測定された前記電気特性から、前記1次平滑コンデンサの等価直列抵抗を計算する第1の計算手段とを備えるようにしたものである。

目的

本発明は、上記事情に着目してなされたものであり、電気特性の外部電気特性測定値に基づいて電源装置の劣化状態を推定することができる劣化状態推定装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

次平滑コンデンサを含み、前記1次平滑コンデンサを用いて商用電源から供給される交流電圧直流電圧に変換する電源装置劣化状態推定する劣化状態推定装置であって、前記交流電圧を入力する前記電源装置の入力端子に接続される入力端子インタフェースと、前記直流電圧を出力する前記電源装置の出力端子に接続される出力端子インタフェースと、前記入端子インタフェースまたは前記出力端子インタフェースにおいて電気特性を測定する測定手段と、前記電気特性と前記1次平滑コンデンサの等価直列抵抗との関係を示す情報に従って、測定された前記電気特性から、前記1次平滑コンデンサの等価直列抵抗を計算する第1の計算手段とを備える劣化状態推定装置。

請求項2

前記測定手段は、前記入力端子インタフェースにおける端子間の雑音端子電圧を前記電気特性として測定する、請求項1に記載の劣化状態推定装置。

請求項3

前記雑音端子電圧の初期値と、前記1次平滑コンデンサの等価直列抵抗の初期値とを含む情報を入力する入力手段をさらに備え、前記電気特性と前記1次平滑コンデンサの等価直列抵抗との関係を示す前記情報は、入力された前記雑音端子電圧の前記初期値および前記1次平滑コンデンサの等価直列抵抗の前記初期値に基づく、請求項2に記載の劣化状態推定装置。

請求項4

算出された前記等価直列抵抗から前記電源装置の残寿命を計算する第2の計算手段をさらに備える請求項1乃至3のいずれか一項に記載の劣化状態推定装置。

技術分野

0001

本発明は、電源装置劣化状態推定する技術に関する。

背景技術

0002

スイッチング電源の1つであるAC−DCコンバータ(以下、ACアダプタと称する)の劣化状態を推定する手法として、内部に測定機能を内蔵する方法と、外部から電気特性を測定する方法とがある。内部に測定機能を内蔵する方法は、部品点数が増え装置コストが上昇するため、一般的なACアダプタには用いられていない。

0003

外部から電気特性を測定する方法としては、例えば、2次出力電圧重畳しているリップル電圧や効率を測定する方法がある。ACアダプタにおいて最も劣化しやすい部品としてアルミ電解コンデンサなどの1次平滑コンデンサがあるが、1次平滑コンデンサはダイオードブリッジスイッチングトランスとの間に設けられているため、1次平滑コンデンサの静電容量または等価直列抵抗ESR:Equivalent Series Resistance)といった電気特性を外部から測定することは困難である。1次平滑コンデンサの状態を外部から確認する方法として、雑音端子電圧を測定する方法がある。

0004

一般的に、ACアダプタは、交流電圧をダイオードブリッジにより整流して1次平滑コンデンサに蓄積し、1次平滑コンデンサの直流電圧をスイッチングトランスにより定格値の直流電圧に変換している。スイッチング時には、スイッチングトランスにおいて50kHzから100kHzのスイッチング周波数により電流のON/OFFが繰り返される。このため、スイッチング周波数およびその高調波周波数帯ノイズによる電圧変動が発生し、これが商用電源電圧に重畳される。1次平滑コンデンサは、スイッチング電流の吸い込みと掃出しを行い、上記スイッチング電流に起因する商用電源の電圧変動を抑圧する役割を担っている。このため、1次平滑コンデンサが劣化し内部インピーダンスが上昇すると、スイッチング電流の吸い込みと掃出し能力が低下するため、商用電源電圧の変動幅が上昇する。「JEITAのスイッチング電源試験規格(AC−DC)」(非特許文献1)には、雑音端子電圧測定として、この電圧の対大地電位変動を測定する方法が規定されている。

先行技術

0005

「スイッチング電源試験方法」、スイッチング電源技術専門委員会作成、一般社団法人電子情報技術産業協会、2012年11月改訂インターネット<URL:http://www.jeita.or.jp/japanese/standard/book/RC-9131C>

発明が解決しようとする課題

0006

しかしながら、従来では、雑音端子電圧を始めとする外部電気特性測定値と1次平滑コンデンサの劣化状態との関係性が不明であり、外部電気特性測定値から1次平滑コンデンサの劣化状態を推定することはできない。

0007

本発明は、上記事情に着目してなされたものであり、電気特性の外部電気特性測定値に基づいて電源装置の劣化状態を推定することができる劣化状態推定装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0008

本発明の第1の態様は、1次平滑コンデンサを含み、前記1次平滑コンデンサを用いて商用電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換する電源装置の劣化状態を推定する劣化状態推定装置であり、この劣化状態推定装置が、前記交流電圧を入力する前記電源装置の入力端子に接続される入力端子インタフェースと、前記直流電圧を出力する前記電源装置の出力端子に接続される出力端子インタフェースと、前記入端子インタフェースまたは前記出力端子インタフェースにおいて電気特性を測定する測定手段と、前記電気特性と前記1次平滑コンデンサの等価直列抵抗との関係を示す情報に従って、測定された前記電気特性から、前記1次平滑コンデンサの等価直列抵抗を計算する第1の計算手段とを備えるようにしたものである。

0009

本発明の第2の態様は、前記測定手段が、前記入力端子インタフェースにおける端子間の雑音端子電圧を前記電気特性として測定するようにしたものである。

0010

本発明の第3の態様は、上記劣化状態推定装置が、前記雑音端子電圧の初期値と、前記1次平滑コンデンサの等価直列抵抗の初期値とを含む情報を入力する入力手段をさらに備え、前記電気特性と前記1次平滑コンデンサの等価直列抵抗との関係を示す前記情報は、入力された前記雑音端子電圧の前記初期値および前記1次平滑コンデンサの等価直列抵抗の前記初期値に基づくようにしたものである。

0011

本発明の第4の態様は、上記劣化状態推定装置が、算出された前記等価直列抵抗から前記電源装置の残寿命を計算する第2の計算手段をさらに備えるようにしたものである。

発明の効果

0012

本発明によれば、電気特性の外部測定値に基づいて電源装置の劣化状態を推定することができる。

図面の簡単な説明

0013

本発明の一実施形態に係る劣化状態推定装置を示すブロック図。
雑音端子電圧と電源装置内の1次平滑コンデンサのESRとの関係を示す図。

実施例

0014

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

0015

図1は、本発明の一実施形態に係る劣化状態推定装置1の構成例を概略的に示している。劣化状態推定装置1は、商用電源2から供給される交流電圧(例えば、AC100V、50Hz/60Hz)を直流電圧に変換する電源装置としてのACアダプタ3の劣化状態(劣化の度合い)を推定するものである。劣化状態推定装置1は、図1に示すように、商用電源インタフェース11、入力端子インタフェース12、出力端子インタフェース13、外部電気特性測定部14、1次平滑コンデンサESR計算部15、残寿命計算部16、入力インタフェース17、および出力インタフェース18を備える。

0016

劣化状態推定装置1は、商用電源2とACアダプタ3との間に挿入される。具体的には、商用電源2に商用電源インタフェース11が接続され、ACアダプタ3の入力端子が入力端子インタフェース12に接続される。さらに、ACアダプタ3の出力端子が出力端子インタフェース13に接続される。商用電源2からの交流電圧は、劣化状態推定装置1の商用電源インタフェース11および入力端子インタフェース12を介してACアダプタ3に供給される。ACアダプタ3は、1次平滑コンデンサ(図示せず)を備え、1次平滑コンデンサを用いて商用電源2から供給された交流電圧を直流電圧に変換し、出力端子インタフェース13に供給する。出力端子インタフェース13内部の負荷は、適切な値に設定されている。これにより、劣化状態推定装置1は、ACアダプタ3が適切に動作している状態でACアダプタ3の電気特性を測定することができる。

0017

なお、他の実施形態では、劣化状態推定装置1が出力端子インタフェース13を備えず、ACアダプタ3の出力端子が任意の電子機器に接続されてもよい。

0018

入力インタフェース17は、ACアダプタ3の劣化状態を推定するために必要な設定情報を入力する。この設定情報は、例えば、ACアダプタ3の回路モデル、主要部品のパラメタ内蔵コンデンサのデータなどを含む。入力インタフェース17から入力された設定情報は、1次平滑コンデンサESR計算部15および残寿命計算部16に送られる。一例では、入力インタフェース17は、タッチパネルなどの入力デバイスを備える。他の例では、入力インタフェース17は、外部から設定情報を取得してもよい。例えば、劣化状態推定装置1に無線機能を設け、ユーザまたは保守管理者が操作するコンピュータ端末などから無線通信により設定情報を入力インタフェース17に与えるようにしてもよい。

0019

なお、例えば劣化状態推定装置1が特定の種類の電源装置向けのものである場合などにおいては、設定情報の一部または全部が劣化状態推定装置1内のメモリなどの記憶部(図示せず)にあらかじめ格納されていてもよい。例えば、複数種類の電源装置に関する設定情報が記憶部にあらかじめ格納されている場合、ユーザまたは保守管理者が入力インタフェース17を通じて劣化状態を推定する対象となる種類の電源装置を選択する。

0020

外部電気特性測定部14は、入力端子インタフェース12または出力端子インタフェース13において観測可能なACアダプタ3の電気特性を測定する。ここでいう電気特性は、例えば、電圧、電流、静電容量、インダクタンス抵抗値インピーダンス、電圧の周波数特性、電流の周波数特性などを指す。本実施形態では、外部電気特性測定部14は、入力端子インタフェース12において電気特性を測定する。例えば、外部電気特性測定部14は、入力端子インタフェース12における端子間の雑音端子電圧を測定する。雑音端子電圧は、商用電源インタフェース11において、並びに、商用電源インタフェース11と入力端子インタフェース12とを接続する電源線線間において、同様に測定することができるため、入力端子インタフェース12における端子間の雑音端子電圧を測定するとは、商用電源インタフェース11における端子間の雑音端子電圧を測定すること、並びに、商用電源インタフェース11と入力端子インタフェース12とを接続する電源線の線間の雑音端子電圧を測定することをも含む。一般に、雑音端子電圧の周波数は商用電源2からの交流電源の周波数よりも高い。このため、例えばハイパスフィルタを用いて入力端子インタフェース12における電圧の高周波成分を抽出することで、雑音端子電圧を測定することができる。

0021

他の実施形態では、外部電気特性測定部14は、図1において破線で示すように、出力端子インタフェース13において電気特性を測定してもよい。さらに他の実施形態では、外部電気特性測定部14は、入力端子インタフェース12および出力端子インタフェース13の両方において電気特性を測定してもよい。

0022

1次平滑コンデンサESR計算部15は、電気特性と1次平滑コンデンサのESRとの関係を示す情報に従って、外部電気特性測定部14によって測定された電気特性から1次平滑コンデンサのESRを計算する。電気特性と1次平滑コンデンサのESRとの関係を示す情報は、入力インタフェース17から入力された設定情報に基づくことができ、あるいは、あらかじめ記憶部に格納された設定情報に基づくことができる。電気特性と1次平滑コンデンサのESRとの関係を示す情報は、任意の形式であってよく、例えば、計算式関数)とすることができる。

0023

特定の例では、上述したように、外部電気特性測定部14で測定する電気特性は雑音端子電圧である。図2に、ACアダプタ3の雑音端子電圧と1次平滑コンデンサのESRとの関係を測定した結果の一例を示す。図2において、横軸がACアダプタ3の雑音端子電圧[dBμV]であり、縦軸が1次平滑コンデンサのESR[Ω]である。図2に示すように、ACアダプタ3の雑音端子電圧と1次平滑コンデンサのESRはおおよそ比例関係となっている。従って、初期状態におけるESRをR0、初期状態における雑音端子電圧をV0、外部電気特性測定部14によって測定される雑音端子電圧をV1とすると、測定時のESRの値R1は次式によって計算することができる。

0024

0025

この場合、外部電気特性と1次平滑コンデンサESRとの関係式を作るために必要な情報は、ESRの初期値R0および雑音端子電圧の初期値V0であり、簡単に関係式を作ることができる。

0026

例えば1次平滑コンデンサがアルミ電解コンデンサで構成される場合など、1次平滑コンデンサはACアダプタ3において最も劣化しやすい部品の1つとなる。この場合、1次平滑コンデンサの劣化状態をACアダプタ3の劣化状態と見なすことができる。このため、例えば、1次平滑コンデンサESR計算部15によって算出された1次平滑コンデンサのESRの値そのものをACアダプタ3の劣化状態として出力してもよく、1次平滑コンデンサESR計算部15によって算出された1次平滑コンデンサのESRの値に基づく値をACアダプタ3の劣化状態として出力してもよい。

0027

残寿命計算部16は、残寿命計算式に従って、1次平滑コンデンサESR計算部15によって算出された1次平滑コンデンサのESRからACアダプタ3の残寿命を計算する。残寿命計算式は、入力インタフェース17から入力された設定情報に基づくことができ、あるいは、あらかじめ記憶部に格納された設定情報に基づくことができる。例えば、1次平滑コンデンサの劣化が一般的に知られているように温度が10℃上昇するごとに2倍の速度で上昇すると仮定すると、1次平滑コンデンサの環境温度および1次平滑コンデンサに流れる通電電流による自己発熱を考慮すると、使用開始時からの経過時間t1における1次平滑コンデンサのESRは、次式によっておおよそ推定することができる。

0028

0029

ここで、R(0)はESRの初期値であり、R’(R(t))は加速劣化試験などであらかじめ求めたESRの上昇速度とESRの値との関係式であり、T0は関係式R’(R(t))を作成したときの環境温度であり、T(t)は時刻tにおける環境温度であり、I(0)はコンデンサ定格電流であり、Taは定格電流通電時の内部自己発熱による温度上昇であり、I(R(t))はシミュレーションまたは実測によってあらかじめ求めたESRがR(t)のときのコンデンサの通電電流を示す関係式である。

0030

従って、1次平滑コンデンサESR計算部15によって算出されたESRの値R1を次式に代入すると、使用開始時からの経過時間t1が求められる。

0031

0032

残寿命計算部16は、ACアダプタ3または1次平滑コンデンサの最終寿命から上記で求めた時間t1を減算することで、ACアダプタ3の残寿命を求める。最終寿命は、入力インタフェース17から入力された設定情報に基づくことができ、あるいは、あらかじめ記憶部に格納された設定情報に基づくことができる。最終寿命は、耐用寿命耐用期間、動作寿命動作可能時間)などを指すことができる。

0033

出力インタフェース18は、残寿命計算部16によって算出された残寿命を出力する。出力インタフェース18から出力される情報は、ACアダプタ3の残寿命に限らず、残寿命計算部16によって算出されるACアダプタ3の動作時間(使用開始時からの経過時間)、1次平滑コンデンサの状態を示す静電容量、1次平滑コンデンサESR計算部15によって算出された1次平滑コンデンサのESRの値、外部電気特性測定部14によって測定された電気特性の値などであってもよい。ACアダプタ3の劣化状態としてACアダプタ3の動作時間を出力する場合、残寿命計算部16は、動作時間を計算すればよく、動作時間から残寿命を求める処理をしなくてもよい。情報出力方法は、例えば、画面表示、印刷など、任意の形式とすることができる。例えば、出力インタフェース18は、モニタディスプレイ)を備えていてもよい。また、出力インタフェース18は、外部に情報を送信してもよい。例えば、劣化状態推定装置1に無線機能を設け、出力インタフェース18からユーザまたは保守管理者が操作するコンピュータ端末などに情報を無線で送信し、当該コンピュータ端末などに表示するようにしてもよい。

0034

以上のように、本実施形態によれば、入力端子インタフェース12に対し電気特性の測定を行い、電気特性と1次平滑コンデンサの等価直列抵抗との関係を示す情報に従って、測定結果から1次平滑コンデンサの等価直列抵抗を計算し、計算結果からACアダプタ3の残寿命を計算する。これにより、ACアダプタ3の外部電気特性測定結果からACアダプタ3の1次平滑コンデンサの劣化状態を推定し、その推定結果からACアダプタ3の残寿命を推定することができる。さらに、電気特性として入力端子インタフェース12における端子間の雑音端子電圧を用い、1次平滑コンデンサの劣化状態を表す指標としてESRを用いる。この場合、雑音端子電圧とESRとの間の関係を簡単に設定することができる。

0035

劣化状態推定装置1の上述した機能の全部または一部は、メモリに格納されたコンピュータプログラムプロセッサ(例えばCPU)に実行させることにより実現することができる。また、劣化状態推定装置1の上述した機能の全部または一部は、劣化状態推定装置1と通信する、コンピュータ端末などの他の機器において実行されてもよい。

0036

その他、劣化状態推定装置1の配置位置や構成などについては、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。
要するに本発明は、上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、各実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

0037

1…劣化状態推定装置、11…商用電源インタフェース、12…入力端子インタフェース、13…出力端子インタフェース、14…外部電気特性測定部、15…1次平滑コンデンサESR計算部、16…残寿命計算部、17…入力インタフェース、18…出力インタフェース、2…商用電源、3…ACアダプタ。

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