JP2007306662A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷ＦＥＴをＮチャンネルのＦＥＴとして、回路構成を簡素化して製造コストを低減する。
【解決手段】電源装置は、二次電池１と、二次電池１に電源電圧を昇圧して供給して充電する昇圧回路２と、二次電池１と負荷１２との間に接続している負荷ＦＥＴ３と、負荷ＦＥＴ３をオンオフに制御する制御回路４とを備える。昇圧回路２は、マイナス入力側２ｃとマイナス出力側２ｄとの間に電圧差があって、マイナス入力側２ｃを電源５のマイナス側に、マイナス出力側２ｄを二次電池１のマイナス側に接続している。さらに、昇圧回路２のマイナス出力側２ｄとマイナス入力側２ｃとの間に負荷ＦＥＴ３を接続して、この負荷ＦＥＴ３をＮチャンネルのＦＥＴとしている。制御回路４は、非停電状態で負荷ＦＥＴ３をオフ、停電状態でオンに切り換え、非停電状態において負荷ＦＥＴ３の通電を遮断し、停電状態において二次電池１から負荷１２に電力を供給する。
【選択図】図２

Description

本発明は、二次電池を内蔵する電源装置に関し、とくにバックアップ電源に最適な電源装置に関する。

二次電池を内蔵する電源装置は、二次電池から負荷に電力を供給できるので、停電時においても負荷に電力を供給できる。この電源装置は、停電しないときに、二次電池を電源で充電して、停電時に負荷に電力を供給できる状態に保持している。この電源装置は、電源電圧で二次電池を充電すると、停電時に負荷に供給できる電圧が低下する。それは、電源電圧で充電された二次電池の電圧が、充電される電圧よりも低くなり、さらに二次電池の電圧は放電されるにしたがって低下してしまうからである。この欠点を解消するために、電源電圧を昇圧して二次電池を充電する電源装置が開発されている。（特許文献１参照）
特開２００５−３０４１４２号公報

特許文献１に記載される電源装置の回路図を図１に示す。この回路図の電源装置は、ＡＣ／ＤＣコンバータ９５から出力される電源電圧を、昇圧回路９２で昇圧して二次電池９１を充電している。この回路構成によって、この電源装置は、二次電池９１の充電電圧を電源電圧よりも高くできる。したがって、停電したときに、二次電池９１から負荷部９９に供給される電圧を、電源電圧にほぼ等しくできる。この電源装置は、二次電池９１を充電する昇圧回路９２の出力を、二次電池９１のみに供給して、負荷部９９には供給しないように、二次電池９１と負荷部９９との間に負荷ＦＥＴ９３を接続している。この負荷ＦＥＴ９３は、停電時にオンとなって二次電池９１から負荷部９９に電力を供給する。停電しないときに負荷ＦＥＴ９３はオフとなって、二次電池９１から負荷部９９に電力を供給しないように制御される。

図の電源装置は、負荷ＦＥＴにＰチャンネルのＦＥＴを使用している。ＰチャンネルのＦＥＴは、二次電池のプラス側に接続されるソースに対して、マイナス電圧をゲートに入力してオンに切り換えできる。この負荷ＦＥＴは、二次電池のプラス側に対するマイナス電位を、二次電池から得ることができる。しかしながら、ＰチャンネルのＦＥＴは、ＮチャンネルのＦＥＴに比較して、高耐電圧で大電流のコストが高く、また二次電池の電圧が相当に高くなって負荷の供給電流が大きくなると、使用できるＦＥＴが市販されないのが実状である。

この欠点は、負荷ＦＥＴにＮチャンネルのＦＥＴを使用して解消できる。ただ、この負荷ＦＥＴをＮチャンネルとする場合、停電時に、ＦＥＴをオンとするゲート電圧を供給するために専用の昇圧電源を必要とする。Ｎチャンネルの負荷ＦＥＴは、ソースに対してゲートをプラス電位としてオンとなるからである。昇圧電源は、二次電池の出力である直流電圧を昇圧するので、ＤＣ／ＤＣコンバータ、チャージポンプ等の複雑な回路構成となる。このように、ＰチャンネルＦＥＴとＮチャンネルＦＥＴの特性の相違は、ＰチャンネルのＦＥＴは正孔で電流を制御し、ＮチャンネルのＦＥＴが電子で電流を制御することに起因する。

したがって、図１に示す電源装置は、負荷ＦＥＴとしてＰチャンネルのＦＥＴを使用すると、ＦＥＴ自体のコストが高く、また高電圧で大電流の電源装置を実現できなくなり、ＮチャンネルのＦＥＴを使用すると、複雑で製造コストが高くなる昇圧電源を必要とする欠点があった。

本発明は、この欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、回路構成が複雑で製造コストの高い昇圧電源を使用することなく、負荷ＦＥＴをＮチャンネルのＦＥＴとして、回路構成を簡素化して製造コストを低減し、さらに負荷には高電圧で大電流の電力を供給するようにできる電源装置を提供することにある。

本発明の電源装置は、前述の目的を達成するために以下の構成を備える。
電源装置は、二次電池１と、この二次電池１に、電源電圧を昇圧して供給して充電する昇圧回路２と、電源電圧が入力されない状態で二次電池１から負荷１２に電力供給を制御するように二次電池１と負荷１２との間に接続している負荷ＦＥＴ３と、この負荷ＦＥＴ３をオンオフに制御する制御回路４とを備える。昇圧回路２は、マイナス入力側２ｃとマイナス出力側２ｄとの間に電圧差があって、マイナス入力側２ｃを電源５のマイナス側に、マイナス出力側２ｄを二次電池１のマイナス側に接続している。さらに、昇圧回路２のマイナス出力側２ｄとマイナス入力側２ｃとの間に、二次電池１から負荷１２への電力供給をコントロールする負荷ＦＥＴ３を接続して、この負荷ＦＥＴ３をＮチャンネルのＦＥＴとしている。制御回路４は、非停電状態で負荷ＦＥＴ３をオフ、停電状態でオンに切り換え、非停電状態において負荷ＦＥＴ３の通電を遮断し、停電状態において二次電池１から負荷１２に電力を供給する。

本発明の電源装置は、昇圧回路２のマイナス出力側２ｃと二次電池１のマイナス側との間に、二次電池１の充電をコントロールする充電制御スイッチ６を接続することができる。本発明の電源装置は、バックアップ電源に使用することができる。さらに、本発明の電源装置は、負荷ＦＥＴ３と直列に、二次電池１から負荷１２に電流を供給する方向にダイオード１１を接続することができる。

本発明の電源装置は、回路構成が複雑で製造コストの高い昇圧電源を使用しないで、負荷への電力供給を制御する負荷ＦＥＴをＮチャンネルのＦＥＴにできる。このため、製造コストを低減しながら、高電圧、大電流の負荷への電力供給を低コストの負荷ＦＥＴでコントロールできる。この特徴は、本発明の電源装置が、昇圧回路のマイナス入力側とマイナス出力側との間に電圧が出力される回路構成として、マイナス入力側を電源のマイナス側に、マイナス出力側を二次電池のマイナス側に接続し、さらに、昇圧回路のマイナス出力側とマイナス入力側との間に、負荷ＦＥＴを接続して、この負荷ＦＥＴをＮチャンネルのＦＥＴとするからである。この回路構成の電源装置は、図２に示すように、負荷ＦＥＴ３のゲートに二次電池１の電圧を入力してオンに切り換えできる。それは、負荷ＦＥＴ３のソースに対して二次電池１のプラス側がプラスになるために、二次電池１でゲートにプラス電圧を入力してオンに切り換えできるからである。また、ゲートに電圧を入力しない状態でオフに切り換えできる。すなわち、この電源装置は、二次電池の電圧を、従来の電源装置のようにＤＣ／ＤＣコンバータ等で昇圧することなく、二次電池のプラス電圧をＮチャンネルの負荷ＦＥＴのゲートに入力してオンに切り換えできる。したがって、Ｎチャンネルの負荷ＦＥＴを簡単な回路でオンに切り換えできる。また、負荷ＦＥＴに使用しているＮチャンネルのＦＥＴは、ＰチャンネルのＦＥＴに比較して、高耐圧、大電流のものが安価に市販されているので、この負荷ＦＥＴでもって、高電圧、大電流の負荷への電力供給を制御できる。

本発明の請求項２の電源装置は、二次電池を充電する昇圧回路のマイナス出力側と二次電池のマイナス側との間に、二次電池の充電をコントロールする充電制御スイッチを接続しているので、この充電制御スイッチでもって、二次電池の過充電を防止して理想的な状態に保持できる。

また、本発明の請求項３の電源装置は、バックアップ電源に使用されて、停電時に非停電時と同じ出力電圧を負荷に供給できる。

さらにまた、本発明の請求項４の電源装置は、負荷ＦＥＴと直列に、二次電池から負荷に電流を供給する方向にダイオードを接続しているので、このダイオードでもって、負荷ＦＥＴをオンに切り換える状態において、二次電池に充電電流が流れるのを防止できる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための電源装置を例示するものであって、本発明は電源装置を以下のものに特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図２に示す電源装置は、バックアップ電源に使用される。このバックアップ電源は、電話の基地局や中継局の電源に使用される。ただ、電源装置はバックアップ電源のみでなく、たとえばコンピュータ等の電気機器の無停電電源として使用されるバックアップ電源に使用される。

図の電源装置は、二次電池１と、二次電池１に、電源電圧を昇圧して供給して充電する昇圧回路２と、電源電圧が入力されない停電状態で二次電池１から負荷１２への電力供給を制御するように二次電池１と負荷１２との間に接続している負荷ＦＥＴ３と、この負荷ＦＥＴ３をオンオフに制御する制御回路４とを備える。図に示す電源装置は、バッテリーユニット１３としており、コネクタ１４を介してプラスの電源ライン１５とマイナスの電源ライン１６とに接続している。

図の電源装置の二次電池１は、複数の素電池を直列に接続して出力電圧を高くしている。素電池の直列接続個数は、停電状態において、二次電池１の出力電圧が電源電圧にほぼ等しくなるように調整される。電源電圧は、使用される電気機器により異なるが、たとえば電源電圧を５〜１００Ｖとする場合、直列に接続する素電池の個数を調整して、二次電池１の出力電圧が電源電圧となるようにする。素電池は、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等の充電できる電池である。

昇圧回路２は、電源電圧を二次電池１の充電電圧に昇圧する。二次電池１は、出力電圧を電源電圧にほぼ等しくしているので、電源電圧では充分に充電できない。このため、昇圧回路２は、二次電池１を充電できる電圧まで電源電圧を昇圧する。昇圧回路２は、二次電池１のタイプにより、最適な電圧と出力特性に設計される。たとえば、二次電池１をリチウムイオン二次電池とする電源装置では、昇圧回路２は最初に二次電池１を定電流充電し、二次電池１が所定の容量まで充電されると、その後は定電圧充電する。また、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池を充電する昇圧回路は、二次電池を満充電されるまで定電流充電する。

昇圧回路２は、プラス入力側２ａとプラス出力側２ｂを共通にしている。入出力を共通とする昇圧回路２のプラス側は、電源５のプラス側と二次電池１のプラス側に接続している。昇圧回路２は、マイナス入力側２ｃとマイナス出力側２ｄとの間に電圧差を設けて、出力電圧を入力電圧よりも高くしている。マイナス入力側２ｃとマイナス出力側２ｄとの間に電圧差のある昇圧回路２は、従来の昇圧回路と異なる回路として専用設計される。図１に示す従来の電源装置の昇圧回路９２は、マイナス側の入出力（図示せず）を共通とし、プラス入力側９２ａとプラス出力側９２ｂに電圧差を設けて、出力電圧を入力電圧よりも高く昇圧しているからである。

電圧差のある昇圧回路２のマイナス入力側２ｃは電源５のマイナス側に、マイナス出力側２ｄは二次電池１のマイナス側に接続される。たとえば、電源電圧を５０Ｖ、二次電池１の充電電圧を６０Ｖとする場合、昇圧回路２はマイナス入力側２ｃとマイナス出力側２ｄとの間に１０Ｖの電圧差がある。

さらに、図２の電源装置は、昇圧回路２のマイナス出力側２ｄと二次電池１のマイナス側との間に、二次電池１の充電を制御する充電制御スイッチ６を接続している。この充電制御スイッチ６は、二次電池１の満充電を検出する満充電検出回路７で制御される。満充電検出回路７は、充電している二次電池１が満充電されて残容量が１００％になると、このことを検出して、充電制御スイッチ６をオフに切り換えて、充電を停止する。この状態で二次電池１は残容量を１００％とする満充電状態に保持される。ただ、満充電された二次電池１は、時間が経過すると、自己放電して残容量が１００％から次第に減少する。二次電池１の残容量が所定の容量まで減少すると、満充電検出回路７は、この状態を検出して、充電制御スイッチ６をオンにして二次電池１を満充電し、満充電を検出して再び充電制御スイッチ６をオフに切り換える。このようにして、満充電検出回路７と充電制御スイッチ６は、二次電池１を満充電された状態に保持する。
さらに、図示しないが、電源装置は、充電制御スイッチと直列に、昇圧回路から二次電池に電流が流れるのを阻止する素子を接続することもできる。この素子は、二次電池の充電電流と逆方向の電流を遮断する素子であって、ダイオードやＦＥＴを用いることができる。この素子としてＦＥＴを使用する場合、充電制御スイッチと同期させることによって、双方向の電流を制御できる。この電源装置は、二次電池から昇圧回路を介して電流が漏れるのを確実に阻止できる特長がある。

ただ、電源装置は、必ずしも昇圧回路と二次電池との間に充電制御スイッチを設ける必要はない。たとえば、二次電池をニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池とする電源装置は、二次電池を微小電流で連続してトリクル充電して満充電状態に保持できるからである。

昇圧回路２は、マイナス入力側２ｃとマイナス出力側２ｄとの間に電圧差を設けるので、二次電池１のマイナス側と電源５のマイナス側には電圧差ができる。したがって、非停電状態において、電源５のマイナス側と二次電池１のマイナス側とを接続すると、ショート電流が流れる。この弊害を防止するために、図２の電源装置は、二次電池１のマイナス側と電源５のマイナス側との間に、二次電池１から負荷１２への電力供給をコントロールする負荷ＦＥＴ３を接続している。

負荷ＦＥＴ３は、制御回路４にコントロールされて、非停電状態でオフ、停電状態でオンに切り換えられる。非停電状態で負荷ＦＥＴ３はオフ状態にあるので、昇圧回路２のマイナス入力側２ｃとマイナス出力側２ｄとの間にショート電流が流れることはない。停電状態で負荷ＦＥＴ３がオンになると、二次電池１から負荷１２に電力が供給される。このとき、昇圧回路２は電源５からの入力がなく、昇圧回路２は非動作状態となって、マイナス入力側２ｃとマイナス出力側２ｄとの間に電圧差を出力しなくする。したがって、停電状態において負荷ＦＥＴ３がオンに切り換えられても、これが昇圧回路２の出力を短絡することはない。

負荷ＦＥＴ３はＮチャンネルのＦＥＴである。負荷ＦＥＴ３であるＮチャンネルのＦＥＴは、ソースを二次電池１のマイナス側に接続している。したがって、二次電池１のプラス側をソース電位に対してプラス電圧にできる。このため、制御回路４が二次電池１のプラス側を、ＦＥＴのゲートに入力して、ＮチャンネルのＦＥＴからなる負荷ＦＥＴ３をオンに接続できる。したがって、負荷ＦＥＴ３にＮチャンネルＦＥＴを使用し、制御回路４が二次電池１のプラス側の電圧を負荷ＦＥＴ３のゲートに入力してオンに制御できる。負荷ＦＥＴ３であるＮチャンネルＦＥＴは、ゲートに電圧を入力しない状態でオフとなる。

したがって、制御回路４は、電源５の停電状態と非停電状態とを検出し、非停電状態では負荷ＦＥＴ３のゲートにオン電圧を入力しないでオフとし、停電状態では負荷ＦＥＴ３のゲートに二次電池１のプラス電圧を入力してオンとする。制御回路４は、電源電圧を検出して、停電状態と非停電状態とを判別できる。停電状態では、電源電圧が入力されなくなるからである。

図の制御回路４は、停電状態と非停電状態とを判別する停電検出回路８と、この停電検出回路８でオンオフに切り換えられる制御スイッチ９とを備える。制御スイッチ９は、負荷ＦＥＴ３のゲートと二次電池１のプラス側との間にバイアス抵抗１０を介して接続している。この制御回路４は、停電検出回路８で停電状態と非停電状態とを判別し、停電状態と判定すると、制御スイッチ９をオンとし、非停電状態と判別するときは、制御スイッチ９をオフにする。制御スイッチ９がオンになると、負荷ＦＥＴ３のゲートに二次電池１からプラス電圧が入力されて、負荷ＦＥＴ３はオンになる。制御スイッチ９がオフになると、負荷ＦＥＴ３のゲートにオン電圧が入力されず、負荷ＦＥＴ３はオフになる。

以上の電源装置は、以下の動作をして二次電池１を充電し、また停電状態では二次電池１から負荷１２に電力を供給する。
［非停電状態］
電源電圧が昇圧回路２に入力され、昇圧回路２が電源電圧を昇圧して二次電池１を満充電された状態に保持する。このとき、制御回路４は停電検出回路８で非停電状態を検出して、制御スイッチ９をオフにする。オフ状態の制御スイッチ９は、負荷ＦＥＴ３のゲートにオン電圧を入力しない。したがって、負荷ＦＥＴ３はオフ状態となる。オフ状態の負荷ＦＥＴ３は、昇圧回路２のマイナス入力側２ｃとマイナス出力側２ｄとを接続しない状態として、昇圧回路２の出力が負荷ＦＥＴ３に流れるのを阻止する。また、オフ状態の負荷ＦＥＴ３は、二次電池１を負荷１２に接続せず、二次電池１から負荷１２への電力供給も遮断される。

［停電状態］
電源電圧が昇圧回路２に入力されなくなるので、昇圧回路２の動作は停止して、二次電池１を充電しなくなる。この状態になると、制御回路４の停電検出回路８が停電状態を検出して、制御スイッチをオンに切り換える。オン状態の制御スイッチ９は、負荷ＦＥＴ３のゲートにオン電圧を入力する。したがって、負荷ＦＥＴ３はオン状態に切り換えられる。オンに切り換えられた負荷ＦＥＴ３は、二次電池１を負荷１２に接続して、二次電池１から負荷１２に電力を供給する。図の電源装置は、負荷ＦＥＴ３と直列にダイオード１１を接続しているので、二次電池１は負荷ＦＥＴ３とダイオード１１を介して負荷１２に電力を供給する。ここにおいて、ダイオード１１の代替手段として、ＦＥＴを用いた理想ダイオードで構成する方法、あるいはＦＥＴと置き換えて負荷ＦＥＴ３と同期させる方法もある。

従来の電源装置の回路図である。 本発明の一実施例にかかる電源装置の回路図である。

符号の説明

１…二次電池
２…昇圧回路 ２ａ…プラス入力側
２ｂ…プラス出力側
２ｃ…マイナス入力側
２ｄ…マイナス出力側
３…負荷ＦＥＴ
４…制御回路
５…電源
６…充電制御スイッチ
７…満充電検出回路
８…停電検出回路
９…制御スイッチ
１０…バイアス抵抗
１１…ダイオード
１２…負荷
１３…バッテリーユニット
１４…コネクタ
１５…プラスの電源ライン
１６…マイナスの電源ライン
９１…二次電池
９２…昇圧回路 ９２ａ…プラス入力側
９２ｂ…プラス出力側
９３…負荷ＦＥＴ
９５…ＡＣ／ＤＣコンバータ
９９…負荷部

Claims (4)

1. 二次電池(1)と、この二次電池(1)に、電源電圧を昇圧して供給して充電する昇圧回路(2)と、電源電圧が入力されない状態で二次電池(1)から負荷(12)に電力供給を制御するように二次電池(1)と負荷(12)との間に接続している負荷ＦＥＴ(3)と、この負荷ＦＥＴ(3)をオンオフに制御する制御回路(4)とを備える電源装置であって、
   昇圧回路(2)は、マイナス入力側(2c)とマイナス出力側(2d)との間に電圧差があって、マイナス入力側(2c)を電源(5)のマイナス側に、マイナス出力側(2d)を二次電池(1)のマイナス側に接続しており、
   さらに、昇圧回路(2)のマイナス出力側(2d)とマイナス入力側(2c)との間に、二次電池(1)から負荷(12)への電力供給をコントロールする負荷ＦＥＴ(3)を接続して、この負荷ＦＥＴ(3)をＮチャンネルのＦＥＴとしており、
   制御回路(4)は、非停電状態で負荷ＦＥＴ(3)をオフ、停電状態でオンに切り換え、非停電状態において負荷ＦＥＴ(3)の通電を遮断し、停電状態において二次電池(1)から負荷(12)に電力を供給するようにしてなる電源装置。
2. 昇圧回路(2)のマイナス出力側(2d)と二次電池(1)のマイナス側との間に、二次電池(1)の充電をコントロールする充電制御スイッチ(6)を接続している請求項１に記載される電源装置。
3. 電源装置がバックアップ電源である請求項１に記載される電源装置。
4. 負荷ＦＥＴ(3)と直列に、二次電池(1)から負荷(12)に電流を供給する方向にダイオード(11)を接続している請求項１に記載される電源装置。
   

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