JP2007053853A - 瞬低バックアップ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力コンデンサに流れるリプル電流を２個のコンデンサが分担し、その分出力コンデンサを小形化し、装置の小形軽量化、低コスト化を図る。追加部品であるコンデンサとしては、高周波的には低インピーダンスで、低周波的には高インピーダンスの小容量品を使えるため、その体積は最小限にできる。
【解決手段】交流電源に接続され、スイッチング動作により入力電流を正弦波としつつ直流電力に変換して負荷に給電する高力率コンバータと、前記コンバータの直流出力側に並列接続されたコンデンサ直列回路と、前記コンデンサの少なくとも1個に設けられた放電手段と、交流電源が停電または電圧低下した場合に前記コンデンサ直列回路の直列接続点から前記高力率コンバータへ直流電力を供給するスイッチ手段を備え、交流電源が停電または電圧低下した場合に高力率コンバータを昇圧チョッパとして動作させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は力率を改善させながら交流電圧を直流電圧に変換する交流−直流変換装置において、交流電圧が停電または低下した場合に、出力直流電圧や出力電力の変動を補償するバックアップ回路技術に関する。

図４に従来技術に基づく実施例回路構成を、図５にその動作例を示す。この構成は特許文献１に基づいて、瞬低バックアップ装置の回路構成を構築したものである。ダイオードブリッジ回路３７、リアクトル３１、スイッチング素子３６、ダイオード３８で構成された高力率コンバータ３の出力には、コンデンサ７と、ダイオード９、抵抗１０およびコンデンサ６の直列回路とが各々並列接続されている。また、抵抗１０とコンデンサ６との接続点と昇圧チョッパの入力との間にはサイリスタ８が接続されている。
ここで、交流電源電圧が健全時（以下定常時という）はダイオードブリッジ回路３７、リアクトル３１、スイッチング素子３６、逆流防止用のダイオード３８、およびコンデンサ７を用いて入力力率を改善しながら、交流電圧を昇圧した直流電圧に変換する。即ち、スイッチング素子３６がオンすると、交流電源1→ダイオードブリッジ回路３７→リアクトル３１→スイッチング素子３６→ダイオードブリッジ回路３７→交流電源１の経路で交流電源1がリアクトル３１を介して短絡されるため、入力電流が増加するとともに、リアクトル３１に蓄えられるエネルギーも増加する。スイッチング素子３６がオフすると、リアクトル３１→ダイオード３８→コンデンサ７→ダイオードブリッジ回路３７→交流電源１→ダイオードブリッジ回路３７→リアクトル３１の経路で電流が流れ、リアクトル３１のエネルギーはコンデンサ７に蓄えられる。適切なスイッチングパターンでスイッチング素子３６を高周波でスイッチングすることによって、入力電流の力率は改善されながら、交流電圧から直流電圧に変換される。さらに、コンデンサ６はダイオード９と抵抗１０を介して出力側に並列に接続されているので、コンデンサ６は出力電圧まで充電される。

通常、停電時あるいは交流入力電圧が低下した時に、出力電圧や出力電力を負荷に供給できる電力はコンデンサ７に蓄えられているエネルギーとなり、コンデンサ７の電圧または出力電力は時間とともに減少してしまう。そこで、図５から判るようにスイッチング素子３６をオン・オフし、コンデンサ６のエネルギーを負荷に供給することで、一定の電圧や電力を出力する。例えば、スイッチング素子３６がオンすると、コンデンサ６→サイリスタ８→リアクトル３１→スイッチング素子３６→コンデンサ６の経路で、リアクトル３１の電流が増加し、エネルギーが蓄積される。次に、スイッチング素子３６がオフすると、リアクトル３１→ダイオード３８→コンデンサ７→コンデンサ６→サイリスタ８→リアクトル３１の経路でコンデンサ７が充電され、コンデンサ７の電圧が低下することを抑制することができる。図５の動作例のように、コンデンサ６からコンデンサ７にエネルギーを移動させることで、停電時または入力電圧低下時に出力電圧と出力電力をバックアップすることができる。さらに、コンデンサ６の電圧低下とともにスイッチング素子３６のオン・オフ比を変化させることによって、出力電圧と出力電力を一定に保つことができる。

入力電圧が停電あるいは低下時から複電した場合には、サイリスタ８はオフし、定常時の動作となり、コンデンサ６はコンデンサ７の電圧まで充電される。
ここで例えば、出力電圧を400Vとし、コンデンサ６の放電時における電圧の下限を300Vとする。制限を設ける理由は、電圧が低下するとそれに逆比例して放電電流が増加するが、リアクトル３１、スイッチング素子３６等の部品の電流容量により通電可能な電流が制限されるためである。ここで、コンデンサの蓄積エネルギーは電圧の2乗に比例するので、この場合も全蓄積エネルギーの(400²-300²)／400²×100=44%のエネルギーを放出できる。
特開平２−２６９４２６号公報

力率を改善させながら交流電圧を直流電圧に変換する交流−直流変換装置において、交流電圧が停電または低下した場合に、出力直流電圧や出力電力の変動を補償するバックアップ回路では、コンデンサ６にはバックアップ目的のため、比較的容量の大きなコンデンサを用いるが、定常時にリプル電流を分担せず、平滑に寄与しない。このためコンデンサ７にも十分なリプル電流耐量を持たせる必要があることから大容量のコンデンサが必要となり、装置の小形化の妨げとなる課題がある。

前記課題解決のため、交流電源に接続され、かつ、スイッチング動作により交流入力電流を高力率の正弦波としつつ交流電力を直流電力に変換して負荷に給電する高力率コンバータと、前記コンバータの直流出力側に並列接続されたコンデンサ直列回路と、前記コンデンサの少なくとも1個に設けられた放電手段と、交流電源が停電または電圧低下した場合に前記コンデンサ直列回路の直列接続点から前記高力率コンバータへ直流電力を供給するスイッチ手段と、を備え、交流電源が停電または電圧低下した場合に高力率コンバータを昇圧チョッパとして動作させる。また、前記スイッチ手段は、前記コンデンサ直列回路の直列接続点と高力率コンバータの交流入力端子間に設ける。さらに、前記高力率コンバータが整流回路と昇圧チョッパ回路で構成される場合には、前記スイッチ手段は、前記コンデンサ直列回路の直列接続点と昇圧チョッパ回路の入力間に設ける。

コンデンサ７にはリプル電流を許容でき、高耐圧の電解コンデンサを適用する必要がある。さらに、バックアップ期間に供給する電力を蓄えられるような電解コンデンサ６が必要となる。しかし、本発明ではコンデンサ７に流れるリプル電流をコンデンサ５と６が分担するので、その分コンデンサ７を小形化でき、装置の小形軽量化、低コスト化が可能となる。追加部品であるコンデンサ５としては、高周波的には低インピーダンスで、低周波的には高インピーダンスの小容量品を使えるため、その体積は最小限である。

本発明のポイントは、高力率コンバータの出力にコンデンサの直列回路を設け、交流電源が停電したり、電圧低下した時に、コンデンサ直列回路の直列接続点からスイッチ手段で高力率コンバータへ直流電力を供給し、高力率コンバータを昇圧チョッパとして動作させることにより、出力電圧や電力の変動を抑制することである。

図１に本発明の第1の実施例を、図３に動作例を示す。回路は、リアクトル３１、スイッチング素子３２〜３５から構成された高力率コンバータ３の交流入力側に切換スイッチ２のｃ点およびｂ点を介して交流電源１が、直流出力側に並列にコンデンサ５とコンデンサ６の直列回路およびコンデンサ７が、コンデンサ５には並列に抵抗４が、各々接続された構成である。また、コンデンサ５とコンデンサ６の直列接続点は切換スイッチ２のａ点に接続される。ここで定常時では、切換スイッチ２のｂ点とｃ点が導通された状態で、交流電源１の電圧が高力率コンバータ３で直流に変換され、従来技術と同様の動作となる。ここで、コンデンサ５と６にはスイッチング周波数成分のリプル電流が流れるが、コンデンサ５には並列に抵抗４が接続されているので、コンデンサ５の平均電圧は零となり、コンデンサ６の電圧は出力電圧でクランプされる。

停電や入力電圧が低下した場合のバックアップ時には、切換スイッチ２のｃ点とａ点を導通させ、スイッチング素子３３のスイッチング動作によりコンデンサ６のエネルギーをコンデンサ５と出力側（コンデンサ７）に移動させる。例えば、スイッチング素子３３がオンすると、コンデンサ６→切換スイッチ２（ａ点〜ｃ点）→リアクトル３１→スイッチング素子３３→コンデンサ６の経路で、リアクトル３１の電流が上昇し、エネルギーが蓄積される。次に、スイッチング素子３３をオフすると、電流はリアクトル３１→スイッチング素子３２の並列ダイオード→コンデンサ５→切換スイッチ２→リアクトル３１の経路でリアクトル３１のエネルギーが減少するとともにコンデンサ５が充電され、電圧が上昇する。出力電圧はスイッチング素子３３のオン・オフ比を調整することにより一定に制御される。ここで、コンデンサ５の静電容量はコンデンサ６の静電容量よりも小さく設定している。従って、コンデンサ６からコンデンサ５に移動したエネルギーの差分を出力電力としてバックアップすることができる。
入力電圧が複電した場合には切換スイッチ２を交流電源側に切換えて、定常時の動作となる。コンデンサ５の電圧は抵抗４に放電されることにより平均電圧は減少し、零となる。
尚、切換スイッチ２は出力側のコンデンサ７の容量が十分確保できない場合や出力の電圧低下を極力抑制したい場合には半導体式スイッチに置き換えれば良いことは言うまでもない。

図２に本発明の第２の実施例を示す。動作例は第１の実施例と同様に図３である。回路は、ブリッジ整流回路３７、リアクトル３１、スイッチング素子３６およびダイオード３８から構成された高力率コンバータ３の交流入力側に交流電源１が、直流出力側に並列にコンデンサ５とコンデンサ６の直列回路およびコンデンサ７が、コンデンサ５には並列に抵抗４が、各々接続された構成である。また、コンデンサ５とコンデンサ６の直列接続点はサイリスタスイッチ８を介してダイオードブリッジ回路の直流出力とリアクトル３１との接続点に接続される。ここで定常時では、サイリスタスイッチ８がオフの状態で、交流電源１の電圧が高力率コンバータ３で直流に変換され、従来技術と同様の動作となる。ここで、コンデンサ５と６にはスイッチング周波数成分のリプル電流が流れるが、コンデンサ５には並列に抵抗４が接続されているので、コンデンサ５の平均電圧は零となり、コンデンサ６の電圧は出力電圧でクランプされる。

停電や入力電圧が低下した場合のバックアップ時には、サイリスタスイッチ８を通流させ、スイッチング素子３６のスイッチング動作によりコンデンサ６のエネルギーをコンデンサ５と出力側（コンデンサ７）に移動させる。例えば、スイッチング素子３６がオンすると、コンデンサ６→サイリスタスイッチ８→リアクトル３１→スイッチング素子３６→コンデンサ６の経路で、リアクトル３１の電流が上昇し、エネルギーが蓄積される。次に、スイッチング素子３６をオフすると、電流はリアクトル３１→ダイオード３８→コンデンサ５→サイリスタスイッチ８→リアクトル３１の経路でリアクトル３１のエネルギーが減少するとともにコンデンサ５が充電され、電圧が上昇する。出力電圧はスイッチング素子３６のオン・オフ比を調整することにより一定に制御される。ここで、コンデンサ５の静電容量はコンデンサ６の静電容量よりも小さく設定している。従って、コンデンサ６からコンデンサ５に移動したエネルギーの差分を出力電力としてバックアップすることができる。
入力電圧が複電した場合にはサイリスタスイッチをオフして、定常時の動作となる。コンデンサ５の電圧は抵抗４に放電されることにより平均電圧は減少し、零となる。

従来技術（図４）におけるコンデンサ６と同様に、本発明の実施例において、コンデンサ６の放電時の電圧下限を300Vとすると、コンデンサ５の印加電圧は、出力電圧（400V）とコンデンサ６の最低電圧（300V）との差となり、最大100Vとなる。このためコンデンサ５の耐圧はコンデンサ６よりも低く設定できる。一般にコンデンサの体積は耐圧の2乗に比例するので、コンデンサ６の耐圧を400V、コンデンサ５の耐圧を100Vとすれば、同じキャパシタンスに対しコンデンサ５の体積はコンデンサ６の体積の１／１６、実際には上述のようにキャパシタンスを小さく設定するのでさらに体積の小さなものとなる。
ここでリアクトル３１の小形化等の目的でスイッチング素子３６のスイッチング周波数を100kHz以上にする場合、リプル電流の周波数も100kHz以上になるが、この周波数領域におけるコンデンサのインピーダンスはキャパシタンスではなく内部抵抗またはインダクタンス成分が支配的である。したがってコンデンサ５に高周波インピーダンスの小さいもの(例えばフィルムコンデンサや積層セラミックコンデンサなど)を選定すれば、コンデンサ５のキャパシタンスが小さくてもコンデンサ５と６の直列回路の高周波におけるインピーダンスは低くなり、従来のコンデンサ７に流れるリプル電流をコンデンサ５と６の直列回路で分担することができる。

なお、抵抗４は抵抗値の比較的大きいものを用いるので、コンデンサ５に電圧が印加されている期間の損失は極僅かである。
なお、先行技術文献１（第2図）のように、コンデンサ５に代えてスイッチを用い、コンデンサ６の放電中はコンデンサ６を出力側から切り離す方法を取った場合、スイッチがリレー等の機械式のものを用いると切替時間遅れのため瞬低バックアップの目的を達成できなくなる。また、高速の半導体スイッチを用いるとリプル電流の通電により定常的に損失を発生し、さらに放熱フィンや駆動回路等の追加部品が必要となるので小形化の妨げとなる。

本発明は、交流電源に停電や瞬時電圧低下が生じた場合に、直流出力電圧の変動を抑制する必要のある瞬低補償装置やバックアップ用に電気二重層コンデンサを用いた無停電電源装置などへの適用が可能である。

本発明の第1の実施形態を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態を示す回路図である。 本発明の実施形態の動作を示す図である。 従来技術に基づく実施例を示す回路図である。 従来の実施形態の動作を示す図である。

符号の説明

１・・・交流電源 ２・・・スイッチ ３・・・高力率コンバータ
４・・・抵抗 ５、６、７・・・コンデンサ ８・・・サイリスタスイッチ
９、３８・・・ダイオード ３１・・・リアクトル
３２〜３６・・・スイッチング素子 ３７・・・ダイオードブリッジ回路

Claims (3)

1. 交流電源に接続され、かつ、スイッチング動作により交流入力電流を高力率の正弦波としつつ交流電力を直流電力に変換して負荷に給電する高力率コンバータと、
   前記コンバータの直流出力側に並列接続されたコンデンサ直列回路と、
   前記コンデンサの少なくとも1個に設けられた放電手段と、
   交流電源が停電または電圧低下した場合に前記コンデンサ直列回路の直列接続点から前記高力率コンバータへ直流電力を供給するスイッチ手段と、を備え、
   交流電源が停電または電圧低下した場合に高力率コンバータを昇圧チョッパとして動作させることを特徴とする瞬時電圧低下バックアップ装置。
2. 前記スイッチ手段は、前記コンデンサ直列回路の直列接続点と高力率コンバータの交流入力端子間に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の瞬時電圧低下バックアップ装置。
3. 前記高力率コンバータは、少なくとも整流回路と昇圧チョッパ回路で構成され、前記スイッチ手段は、前記コンデンサ直列回路の直列接続点と昇圧チョッパ回路の入力間に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の瞬時電圧低下バックアップ装置。
   

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