JP2005261149A - 無停電電源機能付き電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源効率を高め、バックアップ電源を小型化して信頼性を高め、電源起動時の電圧立ち上りを速くする。
【解決手段】主電源回路ＰＳ_Mは、パルストランスＴ１と半導体スイッチＱ１とそのＰＷＭ制御回路ＣＶＣにより直流電力を得るスイッチング方式の電源とする。バックアップ電源ＰＳ_Sは、主電源回路の直流出力とは逆流阻止ダイオードＤ４，Ｄ５で突き合わせたスーパーキャパシタＳＣ１を電源とする。スーパーキャパシタは負荷装置のシャットダウン処理に必要な時間だけ電力供給する小容量とする。スーパーキャパシタの充電はパルストランスの二次巻線から得る交流電力から直流電力を得る。
スーパーキャパシタの充電は、充電電流を垂下型過電流保護回路で抑制することも含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、無停電電源機能（ＵＰＳ）付き電源装置に係り、特に停電発生時に負荷装置のシャットダウン処理に必要な時間だけバックアップ電源から負荷装置に電力供給する電源装置に関する。

昨今のコンピュータ装置は、ＯＳを含むソフトウェアやメモリの大容量化に伴い、システム停止時にシャットダウン処理が必要となる装置が増えてきた。この場合、通常のシステム停止処理では問題とはならないが、不意の停電が発生した場合、大切なデータを損なうばかりでなく、再起動できなくなる事が起こる場合がある。この様な問題を解決するため、ＵＰＳ等、無停電電源装置をコンピュータに接続して使用するのが一般的である。

また、装置内部に無停電電源（ＵＰＳ）機能を有したスイッチング方式の電源を搭載するコンピュータ装置も存在する（例えば、特許文献１参照）。装置内部に無停電電源（ＵＰＳ）機能を設けたスイッチング方式の電源を用いる場合、バックアップ電源には通常は鉛シール電池などのバッテリを電源とし、ＤＣ−ＤＣ変換回路によりＤＣ５Ｖ、ＤＣ＋１２Ｖ等の出力電圧を調整した構成とするのが一般的である。
特開平０５−３０６８０号公報

コンピュータ装置またはコンピュータを搭載したコントローラ等を無停電電源装置（ＵＰＳ）に接続して使用する場合、無停電電源装置はインバータ方式ではＡＣから一旦ＤＣ電圧に変換し、バッテリ電源と突き合わせた後、再度ＡＣに変換してコンピュータにＡＣ電源を供給する。そして、コンピュータ内の制御電源でＡＣ−ＤＣ変換により各種電圧のＤＣ出力をコンピュータ側に供給している。この場合、電力変換がＡＣ→ＤＣ→ＡＣ→ＤＣと３回行われるため、変換効率が悪く、また無停電電源装置をコンピュータやコントローラの外部に設置する必要があるため、システム全体が大きくなってしまう問題がある。

コンピュータやコントローラの内部に無停電電源（ＵＰＳ）機能を有するスイッチング方式の電源を用いる場合は、比較的小形にできるという利点はあるが、一般的には電力変換がＡＣ→ＤＣ→ＤＣと２回行われるので効率及び実装の面でも通常の電源に比べて劣る。

一方、無停電電源のバックアップ電源として、鉛シール電池などを用いた場合は、電池の充電回路や放電時のＤＣ出力回路など、回路が専用化してしまい、複雑になるため高価になってしまう。特に、電池からの放電時の電力変換効率はバックアップ可能な時間に影響するため、変換効率の向上が必須となっている。

最近、電気２重層コンデンサなどエネルギー密度の高い素材を用いたスーパーキャパシタが開発されてきており、このスーパキャパシタをバックアップ電源として使用するには、キャパシタの大容量化に伴い電源起動時の電圧立ち上り対策が問題となってくる。

本発明の目的は、電源効率を高め、バックアップ電源を小型化して信頼性を高め、電源起動時の電圧立ち上りを速くした無停電電源機能付き電源装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、コンピュータ等の負荷装置内に設けた無停電電源機能付き電源装置とし、スイッチング方式の主電源回路と、スーパーキャパシタを電源とするバックアップ電源とを設け、このバックアップ電源は主電源回路と分離構成し、負荷装置のシャットダウン処理に必要な時間だけ負荷装置に電力供給する装置構成とし、通常状態では主電源回路から負荷に電源供給をし、停電発生時にスーパーキャパシタから負荷に電源供給し、スーパーキャパシタの充電は垂下型過電流保護回路により充電電流を抑制するようにしたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）コンピュータ等の負荷装置内に設け、通常時には交流電源を電源とする主電源回路から負荷装置に直流電力を供給し、停電発生時にはバックアップ電源から負荷装置に直流電力を供給する無停電電源機能付き電源装置であって、
前記主電源回路は、パルストランスとそのスイッチング制御回路により直流電力を得るスイッチング方式の電源とし、
前記バックアップ電源は、前記主電源回路の直流出力とは逆流阻止ダイオードで突き合わせたスーパーキャパシタを電源とし、負荷装置のシャットダウン処理に必要な時間だけ該スーパーキャパシタから負荷装置に電力供給し、前記パルストランスの主電源回路用二次巻線とは分離した二次巻線から得る交流電力から直流電力を得る充電電源で該スーパーキャパシタを充電する構成にしたことを特徴とする。

（２）前記充電電源は、前記スーパーキャパシタの充電電流を垂下型過電流保護回路で抑制する構成にしたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、スイッチング方式の主電源回路と、スーパーキャパシタを電源とするバックアップ電源とを設け、このバックアップ電源は主電源回路と分離構成し、負荷装置のシャットダウン処理に必要な時間だけ負荷装置に電力供給する装置構成とし、通常状態では主電源回路から負荷に電源供給をし、停電発生時にスーパーキャパシタから負荷に電源供給し、スーパーキャパシタの充電は垂下型過電流保護回路により充電電流を抑制するようにしたため、以下の効果がある。

（１）バックアップ電源はスーパーキャパシタを電源とし、主電源回路とは分離構成して出力端で突き合わせるため、従来のＡＣからＤＣまたはＤＣからＤＣへの変換の必要がなく、電源効率を高めることができる。

（２）負荷装置に対するバックアップ電源と主電源回路との電源切り替えがダイオードによる簡単な突き合わせ回路で済む。

（３）スーパーキャパシタは、負荷装置のシャットダウン処理に必要な時間だけ負荷装置に電力供給するため小容量で済み、また、通常時には充電電流を小さく設計することができ、パルストランスの巻線も含めてバックアップ電源の小型化を図ることができる。また、電源起動時の電圧立ち上りが速くなる。

（４）スーパーキャパシタの充電は垂下型過電流保護回路により充電電流を抑制するため、スーパーキャパシタの確実な充電、およびバックアップ電源の信頼性を高めることができる。

図１は、本発明の実施形態を示す電源装置の回路構成図であり、スーパーキャパシタを無停電電源用の電源とする。図中、破線ブロックで囲まれた部分が、電気２重層コンデンサなどに代表されるスーパーキャパシタＳＣ１である。

本実施形態は、コンピュータ装置等の内部に設けたスイッチング電源方式の無停電電源機能（ＵＰＳ）付き電源装置に構成される。

ＡＣ−ＤＣ変換部ＡＣ／ＤＣは、フィルタ用の交流リアクトルＬ１．Ｌ２とコンデンサＣ１〜Ｃ７と、整流用のダイオード回路Ｄ１および平滑用コンデンサＣ８で構成し、交流電源ＡＣからの交流入力をフィルタ機能でノイズ成分を除去し、ダイオード回路Ｄ１で整流し、コンデンサＣ８に平滑した直流電力を得る。

スイッチング部ＳＷは、３巻線をもつパルストランスＴ１と、このパルストランスＴ１の一次巻線と直列接続されてコンデンサＣ８に並列接続される半導体スイッチＱ１と、このスイッチＱ１をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御回路ＣＶＣおよび電源の出力電圧Ｖ_Oを検出してＰＷＭ制御回路ＣＶＣに電圧フィードバック信号を与える電圧検出回路ＤＥＴで構成し、スイッチＱ１のＰＷＭ制御率のフィードバック制御でパルストランスＴ１の２つの二次巻線に設定電圧に降圧した交流出力を得るＤＣ−ＡＣ変換を行う。

主電源回路ＰＳ_Mは、整流用ダイオード回路Ｄ２と、フライホイール用コイルＬ３、平滑用コンデンサＣ１０および逆流阻止用ダイオードＤ４で構成し、パルストランスＴ１の１つの二次巻線出力を整流・平滑して出力電圧Ｖ_Oを得るＡＣ−ＤＣ変換を行う。

スーパーキャパシタ用の充電電源ＰＳ_Sは、ＡＣ−ＤＣ変換部と、過電流保護回路ＣＨ_Pを備える。ＡＣ／ＤＣ変換部は、ダイオード回路Ｄ３と、フライホイール用コイルＬ４と、コンデンサＣ１１で構成し、パルストランスＴ１の残りの１つの二次巻線出力を整流・平滑して定電圧電源を得る。

過電流保護回路ＣＨ_Pは、電圧制御用トランジスタＴｒ１と、垂下特性を得るための電流制限用トランジスタＴｒ２と、誤差増幅器用オペアンプＩＣ１等で構成し、ＡＣ／ＤＣ変換部を電源とし、垂下特性の過電流保護機能を有してスーパーキャパシタＳＣ１を充電する。

逆流阻止用ダイオードＤ５は、スーパーキャパシタＳＣ１の出力を主電源回路ＰＳ_Mの出力端になるダイオードＤ４と突き合わせ、出力電圧Ｖ_Oを得る。

本実施形態の動作は、通常状態では、電源起動で主電源回路ＰＳ_Mから負荷側に電源を供給する。主電源回路ＰＳ_Mは、ダイオードＤ４から先の出力電圧Ｖ_Oを検出し、ＰＷＭ制御回路ＣＶＣ等によって出力が一定にされる。

この通常状態では、スーパーキャパシタの充電電源ＰＳ_Sは、まず前回のバックアップ動作で放電したスーパーキャパシタＳＣ１をトランジスタＴｒ１等で構成する電源回路によって、抵抗Ｒ１１と抵抗Ｒ１２で分割された電圧と基準電圧ＶｚをオペアンプＩＣ１で比較し、等しくなるまで充電する。このとき、電源一次電流が増大するのを防止するため、抵抗Ｒ１０及びトランジスタＴｒ２によって垂下型の過電流保護回路を構成し、スーパーキャパシタＳＣ１への充電電流を制限している。

このとき、スーパーキャパシタＳＣ１の電圧は主電源回路より若干低めに設定することにより、スーパーキャパシタＳＣ１への充電が完了すると基本的には負荷ゼロとなる。この間の充電には、交流電源ＡＣの停電が頻繁に起きない限り、充電電流を小さく設計することができ、パルストランスＴ１の巻線も含めて充電回路ＰＳ_Sは小型化できる。

次に、交流電源ＡＣに停電が発生した場合、主電源回路ＰＳ_Mよりその保持時間分は出力を維持するが、この時間を過ぎると主電源回路ＰＳ_Mの出力電圧は降下し始める。この電圧降下がスーパキャパシタＳＣ１の端子電圧以下になると、主電源回路ＰＳ_Mに代わって、スーパーキャパシタＳＣ１より負荷側に電源供給を始める。この電源切換えは電圧の違いで自動的に無瞬断でなされる。

スーパーキャパシタＳＣ１より負荷に電源を供給した場合、基本的にはＡＣからＤＣまたはＤＣからＤＣへの変換の必要がないため、高効率のバックアップ回路が構成できる。さらに、交流電源ＡＣが復電した場合も、スーパーキャパシタＳＣ１から主電源回路ＰＳ_Mにスムーズに切り替えができる。

本発明の実施形態を示す無停電電源機能付き電源装置の回路構成図。

符号の説明

ＡＣ／ＤＣ ＡＣ−ＤＣ変換部
ＳＷ スイッチング部
ＰＳ_M 主電源回路
ＰＳ_S 充電電源
ＣＨ_P 過電流保護回路
ＳＣ１ スーパーキャパシタ
ＣＶＣ ＰＷＭ制御回路

Claims (2)

1. コンピュータ等の負荷装置内に設け、通常時には交流電源を電源とする主電源回路から負荷装置に直流電力を供給し、停電発生時にはバックアップ電源から負荷装置に直流電力を供給する無停電電源機能付き電源装置であって、
   前記主電源回路は、パルストランスとそのスイッチング制御回路により直流電力を得るスイッチング方式の電源とし、
   前記バックアップ電源は、前記主電源回路の直流出力とは逆流阻止ダイオードで突き合わせたスーパーキャパシタを電源とし、負荷装置のシャットダウン処理に必要な時間だけ該スーパーキャパシタから負荷装置に電力供給し、前記パルストランスの主電源回路用二次巻線とは分離した二次巻線から得る交流電力から直流電力を得る充電電源で該スーパーキャパシタを充電する構成にしたことを特徴とする無停電電源機能付き電源装置。
2. 前記充電電源は、前記スーパーキャパシタの充電電流を垂下型過電流保護回路で抑制する構成にしたことを特徴とする請求項１に記載の無停電電源機能付き電源装置。

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