JP2012510249A - 少なくとも１つの計算機を有する情報処理システムの直流バックアップ電源装置 - Google Patents

Abstract

超低電圧で給電される計算機を少なくとも１つ有する情報処理システム（１４）の本直流バックアップ電源装置（２２）は、その直流電源が交流電流を直流電流に変換するＡＣ−ＤＣコンバータ（１６）を介して交流電源網（１２）に接続するように設計され、電力貯蔵手段（２４）を有する。この装置はさらに、ＡＣ−ＤＣコンバータ（１６）から供給される直流電流の一部を前記情報処理システム（１４）の超低電圧の電源に充電する電力貯蔵手段（２４）の充電手段（２６）と、電源網（１２）の瞬間停電を検知したのちに、ほぼ一定である所定の超低電圧で、前記電力貯蔵手段（２４）に貯蔵した電力を前記情報処理システム（１４）の超低電圧の電源に対して放電する放電手段（２８、３０）とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超低電圧で給電される計算機を少なくとも１つ有する情報処理の電気システムの直流バックアップ電源装置に関する。また、本発明は、このような装置を含む設備にも関する。

さらに正確には、本発明は、超低電圧で交流電流を直流電流に変換するＡＣ−ＤＣコンバータを介して直流電源が交流電源網に接続するように設計される情報処理システムに適用される。

「超低電圧」とは、その電圧で作業者が危険を伴うことなくあらゆる電気部品を操作することができる一般に「安全電圧」と呼ばれる電圧である。さらにこのような電圧は一般に、情報処理システムの電気部品に適用される。フランスおよびヨーロッパではいくつかの分野が法律で定められているが（ＴＢＴ、ＴＢＴＳ、ＴＢＴＰ、ＴＢＴＦ）、直流電流では１２０Ｖ未満、交流電流では５０Ｖ未満といずれも超低電圧に設定されている。

給電網を流れる交流電流の電圧は一般に約２２０〜２３０Ｖであり、これは作業者にとって危険であることがわかる。逆に、５０Ｖまたはこれよりも低い電圧であれば操作に危険がないと一般に考えられている。したがって、電気通信に適用させる場合、一般に伝送データの処理システムの電圧を約４８Ｖにする。航空機の場合、搭載部品は一般に直流電圧を約２４Ｖにする。また、計算機タイプの情報処理システムでは一般に、直流電圧を約１２Ｖにする。

情報処理システムとは、たとえばローカルネットワークで相互に接続されるコンピュータサーバの集合であり、一般にＨＰＣ（英語のＨｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ）計算機と呼ばれる高性能の計算機を形成するものである。この場合はほかの高感度の機器（コンピュータサーバ、デスクトップまたはノート型のパーソナルコンピュータ、電気通信用の無線周波数局など）に適用する場合と同じく、電気システムの動作が交流電源網の瞬間停電に妨害されないようにすることが重要である。実際に、このような瞬間停電が起きると、それが数１００ミリ秒しか続かないとしても、大きな不利益をもたらすＨＰＣ計算機の計算エラー、データ損失または機能異常が発生するおそれがある。

ところが、このような瞬間停電はかなり頻繁に起こり、交流電源網の管理プログラムで電源網の一部を一時的に送電停止にする必要があることがある。瞬間停電の継続時間は一般に、交流電流の数周期に相当する時間である。具体的に５０ヘルツの交流電流の場合、１０〜１２周期の瞬間停電であれば２００〜２５０ミリ秒継続する。さらに、瞬間停電が起きたあとにＡＣ−ＤＣコンバータを再起動させるのにも１００〜２００ミリ秒かかり、これは電気システムにとっては瞬間停電となり、４５０ミリ秒まで継続することがある。

電源網の瞬間停電に対して高感度タイプの情報処理の電気システムを有する設備は一般に、交流電源網に何が起こっても瞬間停電を生じることなく安定して給電することができる無停電電源装置を備えている。この無停電電源装置は一般に電源網に直接接続されていることから、交流電流を直流電流に変換する整流器を有する。無停電電源装置はこのほか、蓄電池またはスーパーキャパシタの集合などの蓄電装置、および蓄電装置によって生じる直流電流を交流電流に変換するインバータを備えている。無停電電源装置は、設備の交流電源網とＡＣ−ＤＣコンバータとの間に設置されるため、瞬間停電が起きた際に電気システムに給電するための電源網の代役となる。このような無停電電源装置は、たとえば１９９７年に公表された「燃料電池を基盤とする無停電電源装置（Ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｂａｓｅｄ ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄ ｐｏｗｅｒ ｓｏｕｒｃｅｓ）」と題するＳｕｋｕｍａｒａらによる文献（非特許文献1参照）に記載されている。

欧州特許公報第ＥＰ１６３９６８４号に開示されているように、蓄電装置は、電力の充電速度を最大にするために、連続配置されるスーパーキャパシタで構成することができる。この充電は、電源が電源網から独立している場合、または電源網の交流電流があらかじめ直流電流に変換されている場合は直流電流で供給する充電器で行い、交流電流で供給する充電器で行う場合は、充電器が固有のＡＣ−ＤＣコンバータを備えている必要がある。

さらに正確な例を挙げると、欧州特許公報第ＥＰ１６６１２２６号には、スーパーキャパシタを基盤とするストレージモジュールの充電器が記載されている。この充電器は、燃料電池、バッテリなどのエネルギー源またはその他のエネルギー源によって給電され、特にＡＣ−ＤＣコンバータを組み合わせた交流電流源から給電されることができる。

いずれの場合でも、上記のような無停電電源装置では寸法がある程度大きくなってしまう。その上、放電する状況で強力な電流を供給する必要があれば、この無停電電源装置を複数個並列して配置する必要が生じることもある。

欧州特許公報第ＥＰ１６３９６８４号 欧州特許公報第ＥＰ１６６１２２６号

Ｓｕｋｕｍａｒａ ｅｔ ａｌ、Ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｂａｓｅｄ ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄ ｐｏｗｅｒ ｓｏｕｒｃｅｓ、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｄｒｉｖｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ（パワーエレクトロニクスとドライブシステムに関する国際会議）、 第２巻、第７２８〜７３３頁、第２６〜２９行、１９９７年５月

よって、前述の問題および制約の少なくとも一部を緩和することができる直流バックアップ電源装置を備えることが望ましい。

よって、本発明は、超低電圧で給電される計算機を少なくとも１つ有する情報処理システムの直流バックアップ電源装置であって、その直流電源が交流電流を直流電流に変換するＡＣ−ＤＣコンバータを介して交流電源網に接続するように設計され、電力貯蔵手段を有する装置において、該装置がさらに、
− ＡＣ−ＤＣコンバータから供給される直流電流の一部を情報処理システムの超低電圧の電源に充電する電力貯蔵手段の充電手段と、
− 電源網の瞬間停電を検知したのちに、ほぼ一定である所定の超低電圧で、電力貯蔵手段に貯蔵した電力を情報処理システムの超低電圧の電源に対して放電する放電手段
とを有することを特徴とする直流バックアップ電源装置を目的とする。

実際に、本発明によるバックアップ電源装置は、電気システムのＡＣ−ＤＣコンバータから供給される電流によって直接充電され、電気システムの直流電源に対して直接放電するように設計されているため、瞬間停電が起きた場合に給電するようになっている情報処理の電気システムを最善の形で搭載することで寸法が小さく抑えられている。

選択的に、貯蔵手段は、電気二重層を有する少なくとも１つのスーパーキャパシタを有する。

同じく選択的に、貯蔵手段は、連続配置される少なくとも１つのスーパーキャパシタ回路を有する。

同じく選択的に、スーパーキャパシタの各回路は、連続配置されるスーパーキャパシタの充電ばらつきを補正する補正手段を有する。

同じく選択的に、充電ばらつきを補正する補正手段は、連続配置されるスーパーキャパシタの充電電流の迂回路を有し、各迂回路は、連続配置されるスーパーキャパシタのうちの１つの端子間に取り付けられて、このスーパーキャパシタの端子で測定される電位差と基準の電位差との差に応じてこの迂回路を通過する電流を調整する調整手段を有する。

同じく選択的に、調整手段は電界効果ＭＯＳトランジスタを有し、そのグリッド電圧は、このスーパーキャパシタの端子で測定される電位差と基準の電位差との前記差によって決まる。

同じく選択的に、放電手段は、ＡＣ−ＤＣコンバータから供給される直流電流の電圧低下を検出することができる制御器と、この制御器が制御する整流子とを有する。

同じく選択的に、整流子は、並列に配置されて制御器に制御される複数の遮断器を有し、各遮断器は特に、互い違いに配置されて電界効果Ｎ−ＭＯＳトランジスタの１ペアを基に設計される。

同じく選択的に、制御器は、所定の放電の最小閾値電圧および最大閾値電圧に応じて、貯蔵手段から１サイクル放電する間に整流子の連続的な開放および閉鎖を制御するように設計される制御ロジックを有する。

すなわち、本発明は、交流電源網に接続するように設計される電気設備であって、交流電流を直流電流に変換するＡＣ−ＤＣコンバータと、第１の電源回路を介してこのＡＣ−ＤＣコンバータに接続される、超低電圧で給電される少なくとも１つの計算機を有する情報処理システムと、第１の回路に並列して配置されるＡＣ−ＤＣコンバータから供給される直流電流の一部を分流する第２の分流回路と、この第２の分流回路に配置される上に定義したようなバックアップ電源装置とを有する電気設備も目的とする。

本発明は、添付の図を参照しながら、例としてのみ挙げた以下の説明を読めばさらによく理解できるであろう。

本発明の一実施形態による電気設備の一般構造を示す概略図である。 本発明によるバックアップ電源装置のさまざまな素子を、支持体を形成する基板上に配置可能な分布を示す概略図である。 図２のバックアップ電源装置の電力貯蔵手段の一般構造を示す概略図である。 図２のバックアップ電源装置の放電制御器の動作ロジックを示す概略図である。 図４に動作ロジックの詳細を示した放電制御器の動作の一例を示す時間グラフである。 交流電源網に瞬間停電が起きている間の図１の設備の動作の一例を示す時間グラフである。 交流電源網に瞬間停電が起きている間の図１の設備の動作の一例を示す時間グラフである。

図１に示す電気設備１０は、たとえば２３０Ｖの電圧で５０Ｈｚの電流を流す網のような交流電源網１２に接続されている。

電気設備１０は、直流電流で給電されるように設計されている情報処理の電気システム１４を有し、電気システム１４によって決まる電流強度と、ほぼ一定である所定の電圧を有する。純粋に一例を挙げると、電気システム１４は、ＨＰＣ計算機を形成するコンピュータサーバの集合である。同システムはたとえば、ほぼ一定の１２Ｖの電圧で７００Ａの直流電流を給電されるように設計されている。

「ほぼ一定」とは、電気システム１４が情報処理の構成部品に損傷を与えることなく耐え得るような、基準値（この場合の適用例では１２Ｖ）に対する変動が著しく少ない直流電圧のことである。たとえば計算機タイプの情報処理システムは、消費する電流を入力電圧に応じて調整する内部変換の段階を備え、１Ｖまで下げることができるきわめて規則的な電圧を供給することから、このシステムの入力部に供給される前記ほぼ一定の直流電圧が基準値に対して１０〜１５％変動することは許容範囲内となる。したがって、たとえばほぼ一定の１２Ｖの直流電圧であれば１１〜１３Ｖの範囲で変動してもよいと考えることができる。このようなほぼ一定の電圧は、たとえば電気システム１４に供給される直流電圧を、基準となる最大閾値電圧と最小閾値電圧を利用して調整することによって得られる。

そのため、電気設備１０はこの供給を確実に行うために、電圧２３０Ｖで５０Ｈｚの交流電流を１２Ｖの電圧で流れる直流電流に変換するＡＣ−ＤＣコンバータ１６を有する。電気システム１４、さらに詳細にはその直流電源は、第１の電源回路１８を介してＡＣ−ＤＣコンバータ１６に接続している。

ＡＣ−ＤＣコンバータ１６から供給される直流電流の一部が流れる第２の分流回路２０は、ＡＣ−ＤＣコンバータ１６と電気システム１４との間で第１の回路１８と並列して配置される。この第２の回路２０は直流バックアップ電源装置２２を有する。したがって、同回路によってバックアップ電源装置２２は、ＡＣ−ＤＣコンバータ１６から電気システム１４に対して流れる直流電流の一部を取り込んで蓄電することができ、電源網１２に瞬間停電が起きた場合は、貯蔵した電力から取り込んだ直流電流を電気システム１４に供給することができる。換言すると、バックアップ電源装置２２は、瞬間停電が起きた場合に電源網１２の代役を果たすように設定されている。

バックアップ電源装置２２は、電力貯蔵手段２４を有する。この貯蔵手段２４は、１つまたは複数の従来の電池を有することができる。蓄電池は一般に、体積単位あたりの貯蔵電力の比率が良好であるが、逆に体積単位あたりの放出ピーク電力の比率は悪いため、電気システム１４が強度の直流電流を消費するような適用例ではほとんど利点がない。特に電気システム１４がＨＰＣ計算機である場合は、７００Ａの直流電流が必要となるためほとんど利点がない。この場合、電力貯蔵手段２４は、有利なように、少なくとも１つのスーパーキャパシタを有し、好ましくは体積単位あたりの放出ピーク電力の比率が特に良好となる少なくとも１つの連続配置されるスーパーキャパシタ回路を有する。ただし、このピーク電力はそれほど長時間にわたって放出されることはなく、交流電源網の瞬間停電を確実に緩和するには十分であり、瞬間停電は一般に数１００ミリ秒を超えることはない。

図３を参照しながら、スーパーキャパシタを有する電力貯蔵手段２４を説明する。スーパーキャパシタは一般に、ＥＤＬＣ（英語のＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｄｏｕｂｌｅ Ｌａｙｅｒ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ、電気二重層キャパシタ）タイプのものであり、電気二重層の製造プロセスに従って設計されている。スーパーキャパシタは、電池の抵抗を厳密に下回る内部抵抗器を備えている。スーパーキャパシタを有する電力貯蔵手段２４は、一方をアース接続し、もう一方を第２の回路２０に接続する抵抗器Ｒと静電容量ＣからなるＲＣタイプの並列回路（たとえば、抵抗器とコンデンサを並列して有する回路）でモデル化することができる。

このほかバックアップ電源装置２２は、ＡＣ−ＤＣコンバータ１６から供給される直流電流の一部を電気システム１４の電源へ充電する電力貯蔵手段２４の充電手段２６を有する。この充電手段２６は従来のスーパーキャパシタの充電器で構成されているため、詳しい説明はしない。スーパーキャパシタによって電力貯蔵手段２４を数分で、一般的には３分以内で充電することができるため、電気システム１４の動作が妨害されることはほとんどない。

また、バックアップ電源装置２２は、電源網１２に起きる瞬間停電を検知したのちに電力貯蔵手段２４に貯蔵した電力を電気システム１４の電源に対して放電する放電手段２８、３０も有し、（電気システム１４が必要とする）ある所与の強度の電流と、ほぼ一定である所定の電圧を有する。

この放電手段は、制御器３０が制御する整流子２８を有する。整流子２８は、たとえば、連続して互い違いに配置される電界効果Ｎ−ＭＯＳトランジスタを少なくとも１ペア有する。ペアごとにこのように配置することによって、スーパーキャパシタの端子および電気システム１４の端子の電圧がいくらであってもスーパーキャパシタを電気システム１４の電力貯蔵手段２４から隔離することができる。このほか、放電の瞬間に整流子２８を通過するようになっている電流が、このようなトランジスタのペアが耐え得る電流よりも強い場合、同じ制御器３０に制御されるトランジスタのペアを複数個並列に配置して整流子２８を形成することができる。

整流子２８は、内部抵抗器３２とつながる理想の遮断器として図１に示している。制御器３０の動作は図４〜７に詳細に示している。制御器は特に、電気システムに供給される電圧値が所定の閾値電圧を下回ると直ちに電源網１２の瞬間停電を検知するように設計されている。

前述したように、ＡＣ−ＤＣコンバータ１６から電気システム１４の電源に供給される７００Ａの直流電流は、たとえば第１の回路１８では１２Ｖの電圧である。よって第２の回路２０から得られた電流は、これと同じ１２Ｖの電圧であると考えられる。しかし、瞬間停電が起きた場合に電力貯蔵手段２４がこれと同じ１２Ｖの電圧で電気システム１４に直流電流を供給できるようにするには、特に電力貯蔵手段２４の内部抵抗器および整流子２８の内部抵抗器があるために、電力貯蔵手段はこれよりも高い電圧で充電される必要がある。たとえば、必要とされるこれよりも高い電圧は、１５Ｖ前後にすることができる。さらに整流子２８は、グリッドに給電する必要がある電界効果ＭＯＳトランジスタで構成されていることから、制御器３０は一般に２０Ｖを上回る電圧を供給しなければならない。

このような理由により、第２の回路２０にある充電器２６および制御器３０の上流に従来タイプの昇圧器３４を設置し、電圧をたとえば１２Ｖから２１Ｖへ上昇させる。別の変形例によれば、２つの異なる昇圧器を考案してもよく、この両昇圧器が必要とする電圧は同じではないことから、ひとつを充電器２６に、もうひとつを制御器３０に設置することができる。

バックアップ電源装置２２は、次のように動作する。
− 電気システム１４がＡＣ−ＤＣコンバータ１６から直流電流で給電される際は、電力貯蔵手段２４がまだ完全に充電されていないかぎり、この電流の一部が第２の回路２０の方へ迂回してこの電力貯蔵手段を充電する。
− 制御器３０によって瞬間停電が検知されると、電力貯蔵手段２４が電力の低下している電源網１２の代役となるように、この制御器は整流子２８の閉鎖を命令する。

しかしながら、整流子２８が閉鎖されて電力貯蔵手段２４から来る電流を通過させるのにかかる時間が長ければ、電気システム１４の動作を妨害してしまうおそれがある。そのため、バックアップ電源装置２２は有利なように、予備電力貯蔵手段３６を有し、これはたとえば整流子２８の出力部に並列して配置されるいわゆる平滑コンデンサなどの単なるコンデンサで構成される。予備電力貯蔵手段３６は、スーパーキャパシタを有する貯蔵手段２４と同じく、一方をアース接続し、もう一方を第２の回路２０上で整流子２８の出力部に接続する抵抗器ｒと静電容量ｃからなるＲＣタイプの並列回路でモデル化することができる。非限定的な例として、０．５ｍΩの抵抗器ｒおよび０．０１Ｆの静電容量ｃに対しては、整流子２８の出力部に２０数個の平滑コンデンサを配置することができる。

これらの予備電力貯蔵手段３６があることにより、バックアップ電源装置２２は次のようにさらに正確に機能する。
− 電気システム１４がＡＣ−ＤＣコンバータ１６から直流電流で給電される際は、電力貯蔵手段２４がまだ完全に充電されていないかぎり、この電流の一部が一定時間第２の回路２０の方へ迂回してこの電力貯蔵手段を充電する。
− 予備電力貯蔵手段３６まだ完全に充電されていないかぎり、この電流のごく一部が一定時間同じく迂回してこの予備電力貯蔵手段を充電する。
− 制御器３０によって瞬間停電が検知されると、この制御器が整流子２８の閉鎖を命令する。
− 瞬間停電の開始から整流子２８が確実に閉鎖されるまでの間、予備電力貯蔵手段３６に蓄積された電力の一部が電気システム１４に伝送される。
− 整流子２８が確実に閉鎖されると、電力貯蔵手段２４が電力の低下している電源網１２の代役を果たす。

予備電力貯蔵手段３６にスーパーキャパシタを備えることは有用ではないことがわかるだろう。なぜなら、同手段は自らの貯蔵電力を約数ミリ秒という非常に短時間の間のみ供給するように設計されており、これは明らかに瞬間停電の時間よりも短いからである。

具体的には、バックアップ電源装置２２はその充電器２６、制御器３０、昇圧器３４、整流子２８、貯蔵手段２４および３６とともに、支持体を形成する基板に取り付けられ、たとえば０．１ｍΩの内部抵抗器３８を備える。符号４０を付したこの基板は、図２に示した概略分布図にある前述の素子を有する。

電気システム１４はＡＣ−ＤＣコンバータ１６によって、第１の回路１８を介して２３０Ｖの交流電流から１２Ｖの直流電流を供給されるが、第２の回路２０も第１の回路１８に接続されているため、この１２Ｖの直流電流を用いてバックアップ電源装置２２を充電することが可能になる。この充電は、一般に０．５〜１８Ａの直流電流を消費することによって成り立つ。また、第２の回路２０によって、制御器３０がＡＣ−ＤＣコンバータ１６から供給される直流電流の電圧値を取り出して、瞬間停電が発生することによって起こりうる電源網１２の電力低下を検知できるようにすることも可能である。

たとえばＤＣ−ＤＣスイッチングコンバータなどの昇圧器３４は、バックアップ電源装置２２が充電状態にあるか否かによって、第２の回路２０から供給される直流電流の電圧を２１Ｖで強度０〜９Ａの直流電流に昇圧させる。この電流は制御器３０および充電器２６に供給される。

すると充電器２６は、バックアップ電源装置２２が充電状態にあるか否かによって、強度が０〜１２Ａにわたる直流電流を電力貯蔵手段２４に供給する。

電力貯蔵手段２４は、充電状態にあるときは、たとえば４８０ミリ秒よりも長い間、少なくとも所定の既定値（たとえば１１Ｖ）を常に上回る約１２Ｖの電圧で７００Ａの電流を供給できるようにその寸法を設計する必要がある。

具体的には、電力貯蔵手段２４は、連続配置される６つのスーパーキャパシタ回路を少なくとも１つ有する。許容範囲内の寸法にするには、次の特徴を持つスーパーキャパシタであればよい。静電容量が６００Ｆ、内部抵抗器が０．８３ｍΩ、および最大電位差が２．７Ｖのスーパーキャパシタの端子で耐え得る値である。したがって、連続配置される６つのスーパーキャパシタ回路は、静電容量がＣ＝１００Ｆであり、内部抵抗器がＲ＝４．９８ｍΩである。スーパーキャパシタから放電される間にこのような回路を流れる電流の電圧変化は、次の式で表されることがわかる。
Ｖ＝（Ｖ_０−ＩＴ／Ｃ）−ＲＩ（１）
式中Ｖ_０は充電器２６が流す充電圧であり、Ｉ＝７００Ａは回路を流れる電流であり、Ｔ＝４８０ミリ秒は放電の最長時間である。

以上の条件で、回路を流れる電流の電圧Ｖが常に１１Ｖを上回るようにするには、充電圧Ｖ_０は少なくとも１７．８５Ｖでなければならない。すなわち、前述の６つのコンデンサの端子で耐え得る最大電位差は６×２．７Ｖ＝１６．２Ｖである。よって、６つのコンデンサを持つ回路１つのみでは不十分であることがわかる。

前述したような並列配置される６つのコンデンサを持つ回路を２つ備え、Ｃの値が２００Ｆである静電容量と、Ｒの値が２．４９ｍΩである内部抵抗器の電力貯蔵手段２４を構想する。この新たな条件の下で、電力貯蔵手段２４を流れる電流の電圧Ｖが常に１１Ｖを上回るようにするには、充電圧Ｖ_０は少なくとも１４．４２Ｖでなければならない。実際に、整流子２８の端子の電圧低下により充電圧がわずかに上昇し、たとえばＶ_０＝１４．８Ｖとなる。さらに、電力貯蔵手段２４の内部抵抗器を考えると、バックアップ電源装置２２が放電状態であるときに、ＡＣ−ＤＣコンバータ１６の再起動を含めた瞬間停電の最大継続時間４８０ミリ秒の間、第２の回路２０にほぼ一定の電圧、すなわち常に１１〜１３Ｖの電圧で７００Ａの電流を流すことも可能である。また、スーパーキャパシタを用いるのと同等であるこれらの抵抗器および静電容量のパラメータを持つ電力貯蔵手段２４であれば、充電器２６を用いて少なくとも３分で充電できることもわかる。

図２は、電力貯蔵手段２４にある６つのスーパーキャパシタを持つ回路を二重にしたものを示している。実用的な理由により、昇圧器３４、充電器２６、制御器３０および整流子２８をそれぞれ２つにすることも可能である。

最後に、前述したように、また図２に示すように、整流子２８は並列配置される複数のＭＯＳトランジスタのペアを形成することができるため、ＭＯＳトランジスタの各ペアは、電力貯蔵手段２４が放電状態であるときに供給されるＩ＝７００Ａの電流強度のうちの一部しか受け入れない。たとえば、整流子２８は６ペアのトランジスタを有する。

電力貯蔵手段２４のいずれのスーパーキャパシタ回路も、例として図３に示したものと同じ構造である。

この構造では、６つのスーパーキャパシタＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、Ｃ_４、Ｃ_４、Ｃ_５およびＣ_６は、アースと充電器２６の出力部である第２の回路２０との間に連続配置されている。６つのスーパーキャパシタがあるこの回路が充電されている間、その端子の電圧（Ｖ_６−Ｖ_０）は最大値１４．８Ｖまで上昇する。理想としては、６つのスーパーキャパシタが厳密に同じであれば、電荷はそれぞれに同じように分配されるため、局地的にはそれぞれのスーパーキャパシタが耐え得る２．７Ｖを超えることはない。残念ながら、実際にはスーパーキャパシタのパラメータが製造によってばらつきがあることは避けられず、その結果、１つのスーパーキャパシタから別のスーパーキャパシタに対して約２０％の変動が特に静電容量に対して起こることがある。したがって、このばらつきを補正するものを何も備えていなければ、６つのスーパーキャパシタは同じ速度では充電されず、端子それぞれの電位差（Ｖ_６−Ｖ_５）、（Ｖ_５−Ｖ_４）、（Ｖ_４−Ｖ_３）、（Ｖ_３−Ｖ_２）、（Ｖ_２−Ｖ_１）、（Ｖ_１−Ｖ_０）は１回の充電サイクルの間に別々の速度で上昇する。したがって、理論的には充電が完全に終了していなくても、端子によっては対応するスーパーキャパシタが耐え得る最大値２．７Ｖを超えるものがある。

よって、スーパーキャパシタの充電のばらつきを補正する手段を備えることが有利である。この補正手段は、６つのスーパーキャパシタを持つ回路から各スーパーキャパシタの端子へ充電電流を迂回させる迂回路の存在を想定するものである。各迂回路は、対応するスーパーキャパシタの端子で測定される電位差と基準の電位差との差に応じて流れる電流を調整する調整手段を有する。

したがって、第１のスーパーキャパシタＣ_１の端子に第１の迂回路４２_１を備える。この迂回路は抵抗器ｒ_１を特徴とし、電界効果ＭＯＳトランジスタＴ_１を有し、このトランジスタのグリッド電圧によって迂回路４２_１に迂回する充電電流の一部を調整してスーパーキャパシタＣ_１の充電を加速したり抑制したりすることができる。実際に、トランジスタＴ_１のグリッド電圧が大きくなるほど充電電流はさらに容易に第１の迂回路４２_１を通過し、スーパーキャパシタＣ_１の充電速度は遅くなる。したがって、トランジスタＴ_１のグリッド電圧は、有利なように、第１のスーパーキャパシタＣ_１の端子間の実際の電位差（Ｖ_１−Ｖ_０）と理想とする電位差（Ｖ_６−Ｖ_０）／６との差の値を常に提供するコンパレータＣＰ_１によって提供される。この理想の電位差は、どのスーパーキャパシタも同じ速度で充電される場合に第１のスーパーキャパシタＣ_１の端子で測定するものである。このコンパレータＣＰ_１は、正の入力が電圧Ｖ_１（第１のスーパーキャパシタの超高電位の端子から得られる電圧）で、負の入力が電圧Ｖ_０（第１のスーパーキャパシタの超低電位の端子から得られる電圧）および（Ｖ_６−Ｖ_０）／６で接続される減算器に搭載される演算増幅器を用いて作製することができる。このように減算器に搭載するのは従来の方法であるため、詳述しない。

同じく、迂回がコンパレータＣＰ_１と類似のコンパレータＣＰ_２、ＣＰ_３、ＣＰ_４、ＣＰ_５およびＣＰ_６によって調整される回路４２_１と類似の迂回路４２_２、４２_３、４２_４、４２_５および４２_６は、スーパーキャパシタＣ_２、Ｃ_３、Ｃ_４、Ｃ_５およびＣ_６の端子に備えられる。

コンパレータＣＰ_１、ＣＰ_２、ＣＰ_３、ＣＰ_４、ＣＰ_５およびＣＰ_６のいずれにも、６つのスーパーキャパシタを持つ回路の端子から電圧を取り出してそれを６等分する分圧器４４によって電圧（Ｖ_６−Ｖ_０）／６が供給される。

したがって、前述した補正手段によって、電力貯蔵手段２４の各回路の６つのコンデンサを１４．８Ｖの電圧まで同じように充電することができる。

次に、制御器３０の動作ロジックを図４および図５を参照しながら説明する。

この制御器３０の第１の機能は、瞬間停電によって起こる第１の回路１８の電圧低下をすべて検知することであり、第２の機能は、電気システム１４のバックアップ電源装置２２が放電状態であるときに電力貯蔵手段２４によって供給される電力量を調整することである。

制御器は、電気システム１４に供給される直流電流から取り出される電圧Ｖを１１〜１２Ｖの基準の最小電圧ＶＬと比較する第１のコンパレータ４６を有する。このコンパレータ４６の出力部で提供される信号ｔｇは、たとえば、電圧Ｖが基準の最小電圧ＶＬを下回る場合は「１」、それ以外は「０」とし、タイマー４８の入力部で提供される。このタイマー４８は、所定の時間（たとえば２５ミリ秒）にわたって「１」に保持される信号ｓｔ１を提供する。すると信号ｔｇおよびｓｔ１は、出力部で信号ｓｔ＝ｔｇ ＯＲ ｓｔ１を提供する論理モジュール「ＯＲ」５０に伝送される。この論理を搭載することによって、制御器３０は整流子２８を用いて電圧Ｖが基準の最小電圧ＶＬを下回ると直ちにバックアップ電源装置２２の電力貯蔵手段２４からの放電を有効にして、タイマー４８によってこの放電を所定の最小時間にわたって維持し、整流子２８が不適切な時機に切り替えられるのを避けるようにすることができる。

さらに制御器３０は、バックアップ電源装置２２から供給される電圧が、電気システム１４が耐え得る最大電圧（たとえば１３Ｖ）を上回ることがないように設計されている。

そのため、制御器は、電気システム１４に供給される直流電圧Ｖと１２〜１３Ｖの基準の最大電圧ＶＨとを比較する第２のコンパレータ５２を有し、Ｖがこの基準の最大電圧ＶＨよりも大きい場合に、一時的に電力貯蔵手段２４からの放電を禁止する信号ｒｔを出力部で提供する。このコンパレータ５２の出力部で提供される信号ｒｔは、たとえば電圧Ｖが基準の最大電圧ＶＨよりも小さければ「１」、それ以外は「０」とする。同じくこの状況で、電圧ＶＨ前後で整流子２８が不適切な時機に切り替えられるのを避けるため、第２のコンパレータ５２は、ヒステリシス電圧がたとえばＶＨよりも低い値ＶＴに設定される「シュミットトリガ」タイプのヒステリシスを持つコンパレータであることが好ましい。一実施変形例では、第１のコンパレータ４６を「シュミットトリガ」タイプのヒステリシスを持つコンパレータとすることもできる。

電力貯蔵手段２４からの放電を信号ｒｔで禁止する操作は、信号ｓｔおよびｒｔが供給する、出力部で信号ｓ＝ｓｔ ＡＮＤ ｒｔを提供する論理モジュール「ＡＮＤ」５４を用いて行う。整流子２８の開放（ｓが「０」）または閉鎖（バックアップ電源装置２２の放電状態でｓが「１」）を命令することができるのはこの信号ｓである。さらに具体的には、信号ｓは整流子２８を構成するトランジスタのペアを制御する。

たとえば、図５を見てわかるように、最初の瞬間ｔ_０では信号ｓがなく整流子２８が開放されているが、電圧Ｖが値ＶＬ未満で通過するとき、信号ｔｇおよび信号ｓｔ１は値「１」で通過する。信号ｒｔは最初の値が「１」であるため、信号ｓは整流子２８の閉鎖を命令して値「１」で通過する。このように、電圧Ｖを電力貯蔵手段２４から放電することによって上昇させることができる。

数ミリ秒後に信号ｔｇが値「１」で再度通過したとしても、信号ｓｔ１はｔ_３の瞬間まで値「１」のままであり、タイマー４８の所定時間は（ｔ_３−ｔ_０）＝２５ミリ秒のようになる。この図に示す特定の例では、論理モジュールＯＲ５０の出力部で提供される信号ｓｔは信号ｓｔ１と同じである。

次に、ｔ_１の瞬間で、同じく電力貯蔵手段２４からの放電によって上昇する電圧ＶがＶＨ＋ＶＴ／２を上回る値で通過するとき、最初の値が「１」である信号ｒｔは値「０」で通過する。すると信号ｓは、整流子２８の開放を命令して値「０」で通過する。次に電圧Ｖは、ｔ_２の瞬間に値ＶＨ−ＶＴ／２に達するまで再度低下し始める。すると信号ｒｔおよびｓは、整流子２８の開放を命令して値「１」で再度通過する。

これよりも時間の規模が大きい場合、図６からわかるように、制御器３０によるこの制御ロジックによって、バックアップ電源装置２２から放電される間は常に整流子２８の開閉を連続的に行うことで、電気システム１４に供給される電圧をほぼ一定（すなわち１１〜１３Ｖ）に保つとともに、基準の電圧ＶＬおよびＶＨを用いてとりわけ最大値１３Ｖを超えないようにすることができる。

さらにこれよりも時間の規模が大きい場合、図７からわかるように、バックアップ電源装置２２から供給される電圧は、式（１）で予想されるとおり低下する傾向にある。よって整流子２８の連続的な開閉は、瞬間停電が続くかぎりは整流子２８が閉鎖したままとなるｔ_４の瞬間まで間隔が開く傾向にある。最後に、ｔ_５の瞬間では、瞬間停電が終了したとき、および電源網１２が新たにＡＣ−ＤＣコンバータ１６に交流電流を供給することができるとき、制御器３０は整流子２８の開放を命令し、電力貯蔵手段２４は再び最大充電圧１４．８Ｖを取ることができる。

これまで詳細に説明した例では、瞬間停電の合計継続時間は、全体で４８０ミリ秒を超えることはなく、実際にはＡＣ−ＤＣコンバータ１６から直流電流が給電されて電気システム１４が再稼働する時間に瞬間停電の継続時間そのものを加算した時間であることを明記しておく。

技術の選択および純粋に例として挙げた前述のパラメータにより、およそ長さ４８ｃｍ×幅２２ｃｍ（実質的には面積は基板４０の寸法による）×高さ４ｃｍ（実質的には電力貯蔵手段２４の１２個のスーパーキャパシタのサイズによる）のケースに収まるきわめて小型のバックアップ電源装置を構想することが可能であることがわかる。

提供した実施形態による前述したようなバックアップ電源装置であれば、小型であるとともに、瞬間停電から保護しなければならないあらゆる電気システムへの搭載が、周知の無停電電源装置よりも良好な状態で可能になることは明らかである。同装置は、有利なように、交流電源網が高質（数１００ミリ秒の瞬間停電）である地理的領域では周知の無停電電源装置に代替することができるが、小型で原価がわずかであるため、先行技術による電源装置をすでに備えている設備に追加することもできる。

このほか、スーパーキャパシタを使用することにより、充電時も放電時も反応性がきわめて高くなり、強力なピーク電力を要する電気システムと併用することもできる。蓄電池に対するスーパーキャパシタのもうひとつの利点は、１５時間を達成する顕著に優れた寿命である。

Claims (10)

1. 超低電圧で給電される計算機を少なくとも１つ有する情報処理システム（１４）の直流バックアップ電源装置（２２）であって、その直流電源が交流電流を直流電流に変換するＡＣ−ＤＣコンバータ（１６）を介して交流電源網（１２）に接続するように設計され、電力貯蔵手段（２４）を有する装置において、該装置がさらに、
   − 前記ＡＣ−ＤＣコンバータ（１６）から供給される直流電流の一部を前記情報処理システム（１４）の超低電圧の電源に充電する前記電力貯蔵手段（２４）の充電手段（２６）と、
   − 前記電源網（１２）の瞬間停電を検知したのちに、ほぼ一定である所定の超低電圧で、前記電力貯蔵手段（２４）に貯蔵した電力を前記情報処理システム（１４）の超低電圧の電源に対して放電する放電手段（２８、３０）
   とを有することを特徴とする直流バックアップ電源装置。
2. 前記貯蔵手段（２４）は、電気二重層を有する少なくとも１つのスーパーキャパシタ（Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、Ｃ_４、Ｃ_５、Ｃ_６）を有する、請求項１に記載の直流バックアップ電源装置（２２）。
3. 前記貯蔵手段（２４）は、連続配置される少なくとも１つのスーパーキャパシタ（Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、Ｃ_４、Ｃ_５、Ｃ_６）の回路を有する、請求項２に記載の直流バックアップ電源装置（２２）。
4. スーパーキャパシタの各回路は、連続配置されるスーパーキャパシタ（Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、Ｃ_４、Ｃ_５、Ｃ_６）の充電ばらつきを補正する補正手段（４４、ＣＰ_１、ＣＰ_２、ＣＰ_３ＣＰ_４、ＣＰ_５、ＣＰ_６、４２_１、４２_２、４２_３４２_４、４２_５、４２_６）を有する、請求項３に記載の直流バックアップ電源装置（２２）。
5. 充電ばらつきを補正する前記補正手段（４４、ＣＰ_１、ＣＰ_２、ＣＰ_３ＣＰ_４、ＣＰ_５、ＣＰ_６、４２_１、４２_２、４２_３４２_４、４２_５、４２_６）は、連続配置される前記スーパーキャパシタ（Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、Ｃ_４、Ｃ_５、Ｃ_６）の充電電流の迂回路（４２_１、４２_２、４２_３４２_４、４２_５、４２_６）を有し、各迂回路は、連続配置される前記スーパーキャパシタのうちの１つの端子間に取り付けられて、このスーパーキャパシタの端子で測定される電位差と基準の電位差との差に応じてこの迂回路を通過する電流を調整する調整手段（Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３、Ｔ_４、Ｔ_５、Ｔ_６）を有する、請求項４に記載の直流バックアップ電源装置（２２）。
6. 前記調整手段は電界効果ＭＯＳトランジスタ（Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３、Ｔ_４、Ｔ_５、Ｔ_６）を有し、そのグリッド電圧は前記スーパーキャパシタの端子で測定される電位差と基準の電位差との前記差によって決まる、請求項５に記載の直流バックアップ電源装置（２２）。
7. 前記放電手段（２８、３０）は、前記ＡＣ−ＤＣコンバータ（１６）から供給される直流電流の電圧低下を検出することができる制御器（３０）と、該制御器（３０）が制御する整流子（２８）とを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の直流バックアップ電源装置（２２）。
8. 前記整流子（２８）は、並列に配置されて前記制御器（３０）に制御される複数の遮断器を有し、各遮断器は特に、互い違いに配置されて電界効果Ｎ−ＭＯＳトランジスタの１ペアに基づいて設計される、請求項７に記載の直流バックアップ電源装置（２２）。
9. 前記制御器（３０）は、所定の放電の最小閾値電圧および最大閾値電圧に応じて、前記貯蔵手段（２４）から１サイクル放電する間に前記整流子（２８）の連続的な開放および閉鎖を制御するように設計され制御ロジック（４６、４８、５０、５２、５４）を有する、請求項７または８に記載の直流バックアップ電源装置（２２）。
10. 交流電源網（１２）に接続するように設計される電気設備（１０）であって、交流電流を直流電流に変換するＡＣ−ＤＣコンバータ（１６）と、第１の電源回路（１８）を介して前記ＡＣ−ＤＣコンバータ（１６）に接続される、超低電圧で給電される少なくとも１つの計算機を有する情報処理システム（１４）と、前記第１の回路（１８）に並列して配置される前記ＡＣ−ＤＣコンバータ（１６）から供給される直流電流の一部を分流する第２の分流回路（２０）と、該第２の分流回路（２０）に配置される、請求項１〜９のいずれか一項に記載のバックアップ電源装置（２２）とを有する電気設備。

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