JP2011004505A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】通常時における給電効率を維持しつつ、供給された電力の電圧値が低下した場合でも負荷の動作を保証する。
【解決手段】直流給電システムから供給された電力を負荷の定格電圧に応じた電力に変換して当該負荷へ出力する電源装置であって、直流電圧の電圧値を上昇させる昇圧動作を行う高調波抑制回路５２と、高調波抑制回路５２から出力された直流電圧を交流電圧に変換し、変換された交流電圧を所定のデューティー比で出力することにより、負荷装置３１〜３４の定格電圧の範囲内の直流電圧を生成する絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５４とを有する。高調波抑制回路５２は、供給された電力の直流電圧の電圧値を検出し、検出された電圧値が所定の値よりも低い場合に昇圧動作を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、直流給電システムから電力を供給される電源装置に関する。

一般的に、直流給電システムから電力を供給される通信装置や情報処理装置等の負荷の電源装置は、絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータにより、直流給電システムから供給された電力の直流電圧を負荷の定格電圧の範囲内の直流電圧に変換している。例えば、交換機等の通信装置が設置されたビルでは、絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータにより、−４８Ｖの直流電圧が１２Ｖや５Ｖ、３.３Ｖ等の直流電圧に変換される。

一方、データセンタ等が入居しているビルでは、交流給電システムが普及している。交流給電システムから電力を供給される負荷装置が備える電源装置は、交流電圧を１２Ｖ程度の直流電圧に変換する。さらに、負荷装置内の電子回路により、１２Ｖ程度の直流電圧が５Ｖや３.３Ｖ、２Ｖといった低い電圧値の直流電圧に変換される。これにより、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｅｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やメモリ等の素子へ電力が供給される。

図３は、交流給電システムから電力を供給される負荷の電源装置の構成の一例を示すブロック図である。

図３に示す電源装置は、商用電源から供給された電力の交流電圧を直流電圧に変換する整流回路１０１と、電力に含まれるひずみを低減する高調波抑制回路（ＰＦＣ：Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）１０２と、瞬時停電対策用コンデンサ１０３と、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４とを備えている。

絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４は、整流回路１０１によって変換された直流電圧を交流電圧に変換する。そして、変換された交流電圧を所定のデューティー比で出力することにより、負荷の定格電圧の範囲内の直流電圧を生成する。なお、デューティー比とは、ハイレベルの信号の出力時間とローレベルの信号の出力時間との比のことをいう。

ここで、直流給電システムと交流給電システムとを比較すると、直流給電システムは、交流を直流に変換するＡＣ／ＤＣ（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ／Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）変換の回数が少なくてすむため、電力の変換ロスが小さい。つまり、直流給電システムは、交流給電システムと比べて給電効率が高い。

最近では、直流−４８Ｖの直流給電システムよりも電力の変換ロスがさらに小さな直流４００Ｖ程度の直流給電システムを上述したようなデータセンタ等へ導入することが検討されている。このような電力の変換ロスが少ない給電システムをデータセンタ等に導入することにより、多大なコスト削減効果が期待できる。なお、以降、直流４００Ｖ程度の高い直流電圧で電力を供給する給電システムのことを高電圧直流給電システムという。

ところで、高電圧直流給電システムでは通常、整流装置から蓄電池へ浮動充電をしつつ、負荷へ電力を供給している。浮動充電とは、商用電源の二次側に蓄電池と負荷とを並列に接続し、商用電源から電力が供給されている間は、商用電源から負荷へ電力を供給するとともに、蓄電池の自己放電を補う充電方法のことである。浮動充電は、フロート充電とも言われる。

この高電圧直流給電システムにおいて、商用電源からの電力の供給が停止すると、蓄電池から負荷への放電に切り替わり、放電が進むにつれて蓄電池の電圧値が低下する。そして、蓄電池からの放電が長時間に及ぶと蓄電池の電圧値がさらに低下する。この場合、負荷へ供給される電力の電圧値が非常に低くなる（例えば、その負荷の定格電圧よりも１００Ｖ程度低い電圧値）。

通常、負荷は、その負荷が有する機能を安定的かつ継続的にユーザへ提供することを求められる。従って、高電圧直流給電システムから電力を供給される負荷の電源装置は、供給された電力の電圧値がその負荷の定格電圧よりも非常に低い電圧値である場合でも、その負荷の動作を保証する特性を有している必要がある。

ここで、電源装置の動作特性を改善するための技術が例えば、特許文献１，２に開示されているが、これらの技術は、高電圧直流給電システムを考慮した技術ではない。

特開２００６−７４９７３号公報 特開２００２−７８３４０号公報

負荷の定格電圧よりも非常に低い電圧値の電力が提供された場合でも、その負荷の動作を保証するための電源装置は、新たに製造する必要があるとも考えられる。しかし、交流給電システムが普及しているデータセンタ等へ高電圧直流給電システムを導入する場合、図３に示したような電源装置を流用することができれば、開発期間や開発コストを大幅に削減することができる。

そこで、まず、交流給電システムから電力を供給される負荷の電源装置の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを流用する場合を考えてみる。この場合、供給された電力の電圧値が負荷の定格電圧よりも非常に低いときに、電力の損失が最も少ないデューティー比で絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを動作させたとしても、それ以外の通常時には、デューティー比が低下することとなる。その結果、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータにおける電力の損失が大きくなる可能性がある。つまり、通常時における給電効率が低下するという問題点がある。

ここで、図３に示した高調波抑制回路１０２は上述したように、電力に含まれるひずみを低減するためのものである。しかし、高調波抑制回路は通常、入力された電圧の電圧値が低下した際に、その電圧値を上昇させる昇圧コンバータとしても動作する。そのため、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータとともに高調波抑制回路も流用すれば、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、電圧値が負荷の定格電圧よりも非常に低い電力の供給を直接受けることがなくなる。その結果、上述した問題点は解消される。

図４は、直流給電システムから電力を供給される負荷の電源装置の構成の一例を示すブロック図である。

図４に示す電源装置は、高調波抑制回路２０２と、数十ｍｓ程度までの電圧変動を吸収するコンデンサ２０３と、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４とを備えている。なお、高調波抑制回路２０２は昇圧コンバータを兼ねている。また、図４に示す電源装置は、直流給電システムから直流の電力が供給されるため、整流回路は備えていない。

高調波抑制回路２０２は、供給された電力の電圧値に応じて昇圧比を調整する。このようにすることで、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４へ入力される電力の電圧値の変化を小さくすることができる。

しかし、この場合、高調波抑制回路２０２が昇圧コンバータとして常に動作していることにより、通常時においても電力の損失が発生する。つまり、通常時における給電効率が低下するという問題点がある。

本発明は、通常時における給電効率を維持しつつ、供給された電力の電圧値が低下した場合でも負荷の動作を保証することができる電源装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、
直流給電システムから供給された電力を負荷の定格電圧に応じた電力に変換して当該負荷へ出力する電源装置であって、
直流電圧の電圧値を上昇させる昇圧動作を行う昇圧コンバータと、
前記昇圧コンバータから出力された直流電圧を交流電圧に変換し、前記変換された交流電圧を所定のデューティー比で出力することにより、前記負荷の定格電圧の範囲内の直流電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータと、を有し、
前記昇圧コンバータは、前記供給された電力の直流電圧の電圧値を検出し、該検出された電圧値が所定の値よりも低い場合に前記昇圧動作を行う電源装置。

本発明によれば電源装置は、直流電圧の電圧値を上昇させる昇圧動作を行う昇圧コンバータと、昇圧コンバータから出力された直流電圧を交流電圧に変換し、変換された交流電圧を所定のデューティー比で出力することにより、負荷の定格電圧の範囲内の直流電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータとを有する。そして、昇圧コンバータは、供給された電力の直流電圧の電圧値を検出し、検出された電圧値が所定の値よりも低い場合に昇圧動作を行う。

そのため、通常時における給電効率を維持しつつ、供給された電力の電圧値が低下した場合でも負荷の動作を保証することができる。

本発明の電源装置の実施の一形態を示す図であり、本発明の電源装置を備えた負荷装置と、負荷装置へ電力を供給する直流給電システムの構成の一例を示すブロック図である。 図１に示した負荷装置が備える電源装置の構成の一例を示すブロック図である。 交流給電システムから電力を供給される負荷の電源装置の構成の一例を示すブロック図である。 直流給電システムから電力を供給される負荷の電源装置の構成の一例を示すブロック図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の電源装置の実施の一形態を示す図であり、本発明の電源装置を備えた負荷装置と、負荷装置へ電力を供給する直流給電システムの構成の一例を示すブロック図である。ここでは、電源装置が負荷装置に内蔵されている場合について説明する。但し、電源装置は、必ずしも負荷装置に内蔵されている必要はなく、ケーブル等で接続されて負荷装置の外部にあってもよい。

本実施形態の直流給電システムは図１に示すように、商用電源１と、整流装置１０と、蓄電池１１と、電流分配装置２１，２２とを備えている。ここでは、一例として電流分配装置の台数を２台としているが、電流分配装置の台数は２台に限定されるものではない。また、商用電源１には発電機が並列して接続されることもある。

整流装置１０は、商用電源１からの交流の電力を直流の電力に変換して電流分配装置２１，２２及び蓄電池１１へ出力する。

電流分配装置２１は、整流装置１０または蓄電池１１から出力された電力を分岐し、分岐した電力をケーブルを介して負荷装置３１，３２へ供給する。また、電流分配装置２１は、給電系統を短絡から保護するためのヒューズ２１−１，２１−２を備えている。

電流分配装置２２も電流分配装置２１と同様に、整流装置１０または蓄電池１１から出力された電力を分岐し、分岐した電力をケーブルを介して負荷装置３３，３４へ供給する。また、電流分配装置２２は、給電系統を短絡から保護するためのヒューズ２２−１，２２−２を備えている。なお、ここでは、電流分配装置２１，２２に接続される負荷装置の台数を２台としているが、この台数に限定されるものではない。

蓄電池１１は、商用電源１から電力が供給されている間、浮動充電によって充電される。そして、商用電源１からの電力の供給が停止すると、放電することにより、電流分配装置２１，２２を介して負荷装置３１〜３４へ電力を供給する。

負荷装置３１〜３４のそれぞれは、電源装置４１〜４４のそれぞれを備えている。

電源装置４１〜４４のそれぞれは、整流装置１０または蓄電池１１から電流分配装置２１，２２を介して供給された電力の直流電圧を、負荷装置３１〜３４のそれぞれの定格電圧の範囲内の直流電圧に変換する。なお、負荷装置３１〜３４の定格電圧とは例えば、１２Ｖや５Ｖ、３.３Ｖ等の直流電圧である。

図２は、図１に示した負荷装置３１が備える電源装置４１の構成の一例を示すブロック図である。なお、電源装置４２〜４４も同じ構成である。

図１に示した電源装置４１は図２に示すように、昇圧コンバータである高調波抑制回路５２と、数十ｍｓ程度までの電圧の変動を吸収するコンデンサ５３と、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５４とを備えている。

高調波抑制回路５２は、昇圧回路である制御部５２−１及び主スイッチ５２−３と、ＯＮ／ＯＦＦ部５２−２とを備えている。

ＯＮ／ＯＦＦ部５２−２は、整流装置１０または蓄電池１１から電流分配装置２１を介して供給された電力の直流電圧の電圧値を検出する。そして、検出された電圧値に応じてＯＮ状態またはＯＦＦ状態となる。具体的には、ＯＮ／ＯＦＦ部５２−２は、検出された電圧値が所定の値以上の場合、ＯＦＦ状態となる。一方、商用電源１からの電力の供給が停止して蓄電池１１からの放電に切り替わり、検出された電圧値が所定の値よりも低くなった場合、ＯＮ／ＯＦＦ部５２−２はＯＮ状態となる。ＯＮ／ＯＦＦ部５２−２がＯＮ状態になると、制御部５２−１及び主スイッチ５２−３が起動し、直流電圧の電圧値を上昇させる昇圧動作が開始される。なお、ＯＮ／ＯＦＦ部５２−２がＯＦＦ状態のときには、昇圧動作は行われない。また、ＯＮ／ＯＦＦ部５２−２は、供給された電力の直流電圧を分圧抵抗で分圧する。また、ＯＮ／ＯＦＦ部５２−２は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒ）やトランジスタ等の半導体スイッチ、リレー等で構成される。

主スイッチ５２−３は、ＯＮ／ＯＦＦ部５２−２がＯＮ状態にある場合に昇圧動作を行う。

制御部５２−１は、昇圧動作中に昇圧比の調整を行う。

絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５４は、高調波抑制回路５２から出力された電力の直流電圧を交流電圧に変換する。そして、電力の損失が最小となるデューティー比で（例えば、５０％）、変換された交流電圧を出力することにより、負荷装置３１の定格電圧の範囲内の直流電圧を生成する。

なお、本実施形態において、供給された電力の電圧値が所定の値以上である場合には、制御部５２−１及び主スイッチ５２−３は動作しない。従って、制御部５２−１及び主スイッチ５２−３を常に動作させる場合と比べ、高調波抑制回路５２における電力の損失を低減することができる。

また、本実施形態においては、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５４へ入力される電力の電圧値の変化は小さくなっている。これは、高調波抑制回路５２によって行われる昇圧動作のためである。従って、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５４は常に、電力の損失が最小となるデューティー比で負荷装置３１の定格電圧の範囲内の直流電圧を生成することができる。

このように本実施形態において電源装置４１〜４４は、直流電圧の電圧値を上昇させる昇圧動作を行う高調波抑制回路５２と、高調波抑制回路５２から出力された直流電圧を交流電圧に変換し、変換された交流電圧を所定のデューティー比で出力することにより、負荷装置３１〜３４の定格電圧の範囲内の直流電圧を生成する絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ５４とを有する。そして、高調波抑制回路５２は、直流給電システムから供給された電力の直流電圧の電圧値を検出し、検出された電圧値が所定の値よりも低い場合に昇圧動作を行う。

そのため、通常時における給電効率を維持しつつ、供給された電力の電圧値が低下した場合でも負荷の動作を保証することができる。

１ 商用電源
１０ 整流装置
１１ 蓄電池
２１，２２ 電流分配装置
２１−１，２１−２，２２−１，２２−２ ヒューズ
３１〜３４ 負荷装置
４１〜４４ 電源装置
５２ 高調波抑制回路
５２−１ 制御部
５２−２ ＯＮ／ＯＦＦ部
５２−３ 主スイッチ
５３ コンデンサ
５４ 絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ

Claims (3)

1. 直流給電システムから供給された電力を負荷の定格電圧に応じた電力に変換して当該負荷へ出力する電源装置であって、
   直流電圧の電圧値を上昇させる昇圧動作を行う昇圧コンバータと、
   前記昇圧コンバータから出力された直流電圧を交流電圧に変換し、前記変換された交流電圧を所定のデューティー比で出力することにより、前記負荷の定格電圧の範囲内の直流電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータと、を有し、
   前記昇圧コンバータは、前記供給された電力の直流電圧の電圧値を検出し、該検出された電圧値が所定の値よりも低い場合に前記昇圧動作を行う電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置において、
   前記昇圧コンバータは、
   前記昇圧動作を行う昇圧回路と、
   前記供給された電力の直流電圧の電圧値を検出し、該検出された電圧値が前記所定の値よりも低い場合に、前記昇圧回路を起動させるＯＮ／ＯＦＦ部と、を有する電源装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電源装置において、
   前記所定のデューティー比は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータにおける電力の損失が最小となるデューティー比である電源装置。

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