JP2014128142A

JP2014128142A - 無停電電源装置

Info

Publication number: JP2014128142A
Application number: JP2012284074A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kabasawa; 孝椛澤; Jinichi Sakamoto; 仁一坂本
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2014-07-07
Also published as: EP2750262B1; CN103904771B; US9490661B2; US20140183959A1; CN103904771A; EP2750262A1

Abstract

【課題】商用電源の瞬停が発生した時に電子機器へ供給される電力の電圧が一時的に低下してしまう虞が少ない無停電電源装置を低コストで提供する。
【解決手段】本発明のＵＰＳ１０は、電池１１と、電池１１の電力を変換する昇圧チョッパ回路１２と、ＡＴＸ電源２０から停電検出信号ＰＷＯＫが出力されていない状態では昇圧チョッパ回路１２の出力電圧Ｖｏｕｔが定格電圧Ｖｏｕｔ２より低い待機電圧Ｖｏｕｔ１に維持され、ＡＴＸ電源２０から停電検出信号ＰＷＯＫが出力されている状態では昇圧チョッパ回路１２の出力電圧Ｖｏｕｔが定格電圧Ｖｏｕｔ２となるように、昇圧チョッパ回路１２を制御する電圧制御回路１３と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、無停電電源装置に関する。

商用電源の電力を所定電圧の電力に変換して電子機器へ供給する外部電源装置においては、商用電源の瞬停が発生すると、電子機器へ供給される電力の電圧が一時的に低下し、その電子機器の動作に支障をきたす虞が生ずる。このようなことから外部電源装置が出力する停電検出信号によって商用電源の瞬停を検出し、瞬停時には、バックアップ用の電池等から電子機器へ電力を供給する無停電電源装置（Uninterruptible Power Supply：ＵＰＳ）が公知である（例えば特許文献１〜４を参照）。

一般的に外部電源装置に標準装備されている汎用的な停電検出回路は、瞬停が発生した時点から外部電源装置が停電検出信号を出力するまでに比較的長い時間の遅れが生ずるものが多い。また従来の無停電電源装置は、停電検出信号を検出してから内部のコンバータ回路やインバータ回路等を起動するため、停電検出信号を検出してから定格電圧の電力を供給可能な状態になるまで、ある程度の時間を要することになる。そのため瞬停により商用電源から外部電源装置への電力供給が停止したときには、瞬停発生から外部電源装置の出力電圧が低下するまでに多少の時間差はあるものの、無停電電源装置によるバックアップが間に合わず、電子機器へ供給される電力の電圧が一時的に低下してしまう虞が生ずる。

このような課題を解決することを目的とした従来技術としては、商用電源の瞬停を高速に検出する停電検出装置等が公知である（例えば特許文献１〜４を参照）。

特開平１０−１９９４３号公報特開２００１−１３１７５号公報特開２００６−１２６１３５号公報特開２００７−２２５４２７号公報

しかしながら商用電源の瞬停を高速に検出する停電検出装置は、一般的に構成が複雑で大掛かりであり、また開発に多くの費用と時間を要するため、非常に高価である場合が多い。

このような状況に鑑み本発明はなされたものであり、その目的は、商用電源の瞬停が発生した時に電子機器へ供給される電力の電圧が一時的に低下してしまう虞が少ない無停電電源装置を低コストで提供することにある。

＜本発明の第１の態様＞
本発明の第１の態様は、電池と、前記電池の電力を変換する電力変換回路と、外部電源装置から停電検出信号が出力されていない状態では前記電力変換回路の出力電圧が定格電圧より低い待機電圧に維持され、前記外部電源装置から停電検出信号が出力されている状態では前記電力変換回路の出力電圧が前記定格電圧となるように、前記電力変換回路を制御する電圧制御回路と、を備える無停電電源装置である。

このように外部電源装置から停電検出信号が出力されていない状態では、電力変換回路の出力電圧を定格電圧より低い待機電圧に維持する。そして外部電源装置から停電検出信号が出力されたときに、電力変換回路の出力電圧が定格電圧となるように電力変換回路を制御する。それによって停電検出信号を検出した時点から定格電圧の電力を供給可能な状態になるまでの時間差を大幅に短縮することができる。したがって高価な停電検出装置を設けることなく、商用電源の瞬停が発生したときに電子機器へ供給される電力の電圧が一時的に低下してしまう虞を低減することができる。

また待機時には、電力変換回路の出力電圧を定格電圧より低い待機電圧に維持する。そのため外部電源装置から電子機器へ定格電圧で電力が供給されている間は、無停電電源装置の電池の電力はほとんど消費されない。したがって待機時に電池の電力が消費されて肝心の瞬停発生時に無停電電源装置から電力を供給できないといった事態が生ずることもない。

これにより本発明の第１の態様によれば、商用電源の瞬停が発生した時に電子機器へ供給される電力の電圧が一時的に低下してしまう虞が少ない無停電電源装置を低コストで提供することができるという作用効果が得られる。

＜本発明の第２の態様＞
本発明の第２の態様は、前述した本発明の第１の態様において、前記電圧制御回路は、前記電力変換回路の出力電圧を分圧する第１抵抗器及び第２抵抗器、前記第２抵抗器に並列に接続される第３抵抗器、前記第２抵抗器に対する前記第３抵抗器の並列接続を遮断するスイッチ、前記停電検出信号に基づいて前記スイッチを制御する電圧制御部を含み、前記電力変換回路は、前記第１抵抗器と前記第２抵抗器との接続点の電圧が所定の電圧となるように出力電圧を調整する電圧調整部を含む、ことを特徴とする無停電電源装置である。

このような特徴によれば、スイッチの開閉制御により分圧比を変化させるだけで、電力変換回路の出力電圧を制御することができる。より具体的には外部電源装置から停電検出信号が出力されたときには、スイッチを閉じて第３抵抗器を第２抵抗器に並列接続して分圧比を変化させるだけで、電力変換回路の出力電圧を待機電圧から定格電圧へ昇圧することができる。それによって外部電源装置から停電検出信号が出力された時点から、より短時間で、電力変換回路の出力電圧を定格電圧へ昇圧することができるので、商用電源の瞬停が発生した時に電子機器へ供給される電力の電圧が一時的に低下してしまう虞をさらに低減することができる。

＜本発明の第３の態様＞
本発明の第３の態様は、前述した本発明の第１の態様又は第２の態様において、外部電源装置の電力で前記電池を充電する充電回路をさらに備える、ことを特徴とする無停電電源装置である。
このような特徴によれば、瞬停発生時に十分な電力を供給可能な状態に電池の充電状態を維持することができるので、瞬停発生時に電池から十分な電力を供給できずに電子機器へ供給される電力の電圧が一時的に低下してしまうといった事態を未然に防止することができる。

本発明によれば、商用電源の瞬停が発生した時に電子機器へ供給される電力の電圧が一時的に低下してしまう虞が少ない無停電電源装置を低コストで提供することができる。

ＵＰＳのブロック図。ＵＰＳ及びＡＴＸ電源の動作を図示したタイミングチャート。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
＜ＵＰＳ１０の構成＞
本発明に係る「無停電電源装置」としてのＵＰＳ１０の構成について、図１を参照しながら説明する。
図１は、ＵＰＳ１０のブロック図である。

「外部電源装置」としてのＡＴＸ（Advanced Technology eXtended）電源２０は、商用電源から電力が供給されて動作し、所定電圧の直流電力をサーバ３０へ供給する装置である。一般的なＡＴＸ電源２０は、標準装備として汎用的な停電検出回路を備えており、商用電源の停電を検出したときに停電検出信号（ＰＷＯＫ、ＳＭＢＡＬＥＲＴ等）を出力する。ＵＰＳ１０は、商用電源（図示せず）の瞬停時に所定電圧の直流電力をサーバ３０へ供給する装置である。サーバ３０は、ＵＰＳ１０の出力端子１７及びＡＴＸ電源２０の出力端子２１に接続されている。

ＵＰＳ１０は、電池１１、昇圧チョッパ回路１２、電圧制御回路１３及び充電回路１４を備える。

電池１１は、例えばニッケル水素二次電池等の充放電可能な二次電池である。電池１１は、正極がスイッチＳＷ１の一端側に接続されており、負極がグランドに接続されている。スイッチＳＷ１の他端側は、ダイオードＤ１のアノード端子に接続されている。このスイッチＳＷ１を閉じることによって、電池１１の電力が昇圧チョッパ回路１２へ供給される。
尚、後述する充電回路１４を設けずに、例えば電池１１を一次電池としても本願発明は実施可能である。

「電力変換回路」としての昇圧チョッパ回路１２は、公知の昇圧回路であり、電池１１の電圧を昇圧して一定の電圧に変換する回路である。「電力変換回路」は、例えば公知の降圧チョッパ回路、昇降圧チョッパ回路とすることもできるし、例えばサーバ３０の仕様等に応じて、電池１１の直流電力を交流電力に変換する公知のインバータ回路としてもよい。

昇圧チョッパ回路１２は、昇圧チョッパ回路１２は、コイルＬ１、スイッチＳＷ２、ダイオードＤ３及びスイッチング制御部１５を含む。

コイルＬ１は、一端側がダイオードＤ１のカソード端子に接続されており、他端側がダイオードＤ３のアノード端子及びスイッチＳＷ２の一端側に接続されている。ダイオードＤ３のカソード端子は、ダイオードＤ４のアノード端子に接続されており、ダイオードＤ４のカソード端子は、出力端子１７に接続されている。スイッチＳＷ２の他端側はグランドに接続されている。スイッチＳＷ２は、例えばトランジスタやＦＥＴ（Field effect transistor）等の半導体スイッチング素子である。「電圧調整部」としてのスイッチング制御部１５は、スイッチＳＷ２のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うとともに、そのデューティー比を調整して、昇圧チョッパ回路１２の出力電圧を一定の電圧に維持する制御を実行する。より具体的にはスイッチング制御部１５は、後述する参照電圧Ｖ１の電圧が所定の電圧になるように、スイッチＳＷ２のＯＮ／ＯＦＦ制御を行って出力電圧を調整する。

電圧制御回路１３は、第１抵抗器Ｒ１、第２抵抗器Ｒ２、第３抵抗器Ｒ３、スイッチＳＷ３及び電圧制御部１６を含む。

第１抵抗器Ｒ１及び第２抵抗器Ｒ２は、昇圧チョッパ回路１２の出力電圧を分圧する分圧回路を構成する。第３抵抗器Ｒ３は、第２抵抗器Ｒ２に並列に接続される。スイッチＳＷ３は、例えばトランジスタやＦＥＴ等の半導体スイッチング素子であり、第２抵抗器Ｒ２に対する第３抵抗器Ｒ３の並列接続を遮断する。電圧制御部１６は、例えば公知のマイコン制御装置であり、ＡＴＸ電源２０が出力する停電検出信号ＰＷＯＫに基づいてスイッチＳＷ３の開閉制御を実行する。

より具体的には第１抵抗器Ｒ１は、一端側がダイオードＤ３のカソード端子に接続されており、他端側が抵抗器Ｒ２の一端側に接続されている。第２抵抗器Ｒ２の他端側はグランドに接続されている。第３抵抗器Ｒ３は、一端側が第１抵抗器Ｒ１と第２抵抗器Ｒ２との接続点に接続されており、他端側がスイッチＳＷ３の一端側に接続されている。スイッチＳＷ３の他端側は、グランドに接続されている。第１抵抗器Ｒ１と第２抵抗器Ｒ２との接続点は、昇圧チョッパ回路１２のスイッチング制御部１５に接続されており、この接続点の電圧が昇圧チョッパ回路１２の参照電圧Ｖ１となる。

充電回路１４は、ＡＴＸ電源２０の電力で電池１１を充電する回路である。より具体的には充電回路１４は、出力端子１７に接続されており、ＡＴＸ電源２０が出力する電力の一部が出力端子１７を通じて供給される。また充電回路１４は、スイッチＳＷ４の一端側に接続されており、スイッチＳＷ４の他端側は、電池１１の正極に接続されている。スイッチＳＷ４は、例えばトランジスタやＦＥＴ等の半導体スイッチング素子である。このスイッチＳＷ４を閉じることによって電池１１が充電される。充電回路１４は、電池１１の充電状態に基づいて、スイッチＳＷ４を開閉制御する。さらに充電回路１４は、ダイオードＤ２のアノード端子に接続されており、ダイオードＤ２のカソード端子は、ダイオードＤ１のカソード端子に接続されている。

このようにＵＰＳ１０は、ＡＴＸ電源２０の電力で電池１１を充電する充電回路１４を設けるのが好ましい。それによって瞬停発生時に十分な電力を供給可能な状態に電池１１の充電状態を維持することができるので、瞬停発生時に電池１１から十分な電力を供給できずにサーバ３０へ供給される電力の電圧が一時的に低下してしまうといった事態を未然に防止することができる。

＜ＵＰＳ１０の動作＞
ＵＰＳ１０の動作について、図２を参照しながら説明する。
図２は、ＵＰＳ１０及びＡＴＸ電源２０の動作を図示したタイミングチャートである。

ＵＰＳ１０は、スイッチＳＷ１を閉じた状態（ＯＮ）にすることによって、昇圧チョッパ回路１２による昇圧が開始される（タイミングＴ１）。それによって参照電圧Ｖ１が所定の電圧まで上昇するとともに、昇圧チョッパ回路１２の出力電圧Ｖｏｕｔ（出力端子１７の電圧）が０Ｖから待機電圧Ｖｏｕｔ１まで上昇する（タイミングＴ２）。待機電圧Ｖｏｕｔ１は、定格電圧Ｖｏｕｔ２より低い電圧である。例えば当該実施例では、定格電圧Ｖｏｕｔ２が１２Ｖであるのに対して、待機電圧Ｖｏｕｔ１は、その約９０％の電圧である約１０．９Ｖに設定されている。ＡＴＸ電源２０から停電検出信号ＰＷＯＫが出力されていない状態（停電検出信号ＰＷＯＫがハイ（Ｈ）である状態）では、昇圧チョッパ回路１２の出力電圧Ｖｏｕｔが待機電圧Ｖｏｕｔ１に維持される。
尚、昇圧チョッパ回路１２は、スイッチＳＷ１を閉じた時点から（タイミングＴ１）、出力電圧Ｖｏｕｔが０Ｖから待機電圧Ｖｏｕｔ１まで上昇する（タイミングＴ２）のに５ｍｓ前後の時間を要する。

商用電源の瞬停が発生し、ＡＴＸ電源２０への交流電力ＡＣの供給が停止すると（タイミングＴ３）、ＡＴＸ電源２０は、ＡＴＸ電源２０への電力の供給が停止した時点から最小で約１２ｍｓ後に、停電検出信号ＰＷＯＫがハイ（Ｈ）からロー（Ｌ）に変化する（タイミングＴ４）。そしてＡＴＸ電源２０は、ＡＴＸ電源２０への電力の供給が停止した時点から最小で約１３ｍｓ後（タイミングＴ６）に、直流電圧出力ＤＣが低下し始める。つまりＡＴＸ電源２０においては、停電検出信号ＰＷＯＫがロー（Ｌ）に変化してから直流電圧出力ＤＣの電圧が低下し始めるまでの時間差が１ｍｓ程度しかない。

ＵＰＳ１０は、停電検出信号ＰＷＯＫがハイ（Ｈ）からロー（Ｌ）に変化したタイミングでＳＷ３を閉じた状態（ＯＮ）にする（タイミングＴ４）。ＳＷ３を閉じると、その時点で第２抵抗器Ｒ２に第３抵抗器Ｒ３が並列に接続され、それによって分圧比が変化して参照電圧Ｖ１が所定電圧より低い電圧になる（タイミングＴ４）。

参照電圧Ｖ１が所定電圧より低い電圧になると、昇圧チョッパ回路１２のスイッチング制御部１５は、参照電圧Ｖ１が所定電圧になるように、スイッチＳＷ２の制御信号のデューティー比を調整する。それによって昇圧チョッパ回路１２の出力電圧Ｖｏｕｔは、待機電圧Ｖｏｕｔ１から定格電圧Ｖｏｕｔ２まで上昇する（タイミングＴ５）。つまりＡＴＸ電源２０から停電検出信号ＰＷＯＫが出力されている状態（停電検出信号ＰＷＯＫがロー（Ｌ）である状態）では、昇圧チョッパ回路１２の出力電圧Ｖｏｕｔが定格電圧Ｖｏｕｔ２となる。

このスイッチＳＷ３を閉じた時点（タイミングＴ４）から昇圧チョッパ回路１２の出力電圧Ｖｏｕｔが定格電圧Ｖｏｕｔ２へ上昇（タイミングＴ５）するまでの時間は、約０．５ｍｓである。これは停電検出信号ＰＷＯＫがロー（Ｌ）に変化してから直流電圧出力ＤＣの電圧が低下し始めるまでの時間差１ｍｓより短い時間である。つまりＵＰＳ１０は、瞬停が発生してＡＴＸ電源２０の停電検出信号ＰＷＯＫがロー（Ｌ）に変化したときに、ＡＴＸ電源２０の直流電圧出力ＤＣの電圧が低下し始める前に、昇圧チョッパ回路１２の出力電圧を定格電圧Ｖｏｕｔ２（ＤＣ１２Ｖ）にすることができる。したがってＵＰＳ１０は、商用電源の瞬停が発生した時にサーバ３０へ供給される電力の電圧が一時的に低下してしまう虞がほとんど生じない。

このように本発明に係るＵＰＳ１０は、ＡＴＸ電源２０から停電検出信号ＰＷＯＫが出力されていない状態では、昇圧チョッパ回路１２の出力電圧Ｖｏｕｔを定格電圧より低い待機電圧Ｖｏｕｔ１に維持する。そしてＡＴＸ電源２０から停電検出信号ＰＷＯＫが出力されたときに、昇圧チョッパ回路１２の出力電圧Ｖｏｕｔが定格電圧Ｖｏｕｔ２となるように昇圧チョッパ回路１２を制御する。それによって停電検出信号ＰＷＯＫを検出した時点から定格電圧Ｖｏｕｔ２の電力を供給可能な状態になるまでの時間差を大幅に短縮することができる。したがって高価な停電検出装置を設けることなく、極めてシンプルな構成の電圧制御回路１３により、商用電源の瞬停が発生したときに、サーバ３０へ供給される電力の電圧が一時的に低下してしまう虞を低減してシームレスなバックアップを実現することができる。

またＵＰＳ１０は、待機時には、昇圧チョッパ回路１２の出力電圧Ｖｏｕｔを定格電圧Ｖｏｕｔ２より低い待機電圧Ｖｏｕｔ１に維持する。そのためＡＴＸ電源２０からサーバ３０へ電力が供給されている間は、ＵＰＳ１０の電池１１の電力はほとんど消費されない。したがって待機時に電池１１の電力が消費されて肝心の瞬停発生時にＵＰＳ１０からサーバ３０へ電力を供給できないといった事態が生ずることもない。

このようにして本発明によれば、商用電源の瞬停が発生した時にサーバ３０等の電子機器へ供給される電力の電圧が一時的に低下してしまう虞が少ないＵＰＳ１０を低コストで提供することができる。

また電圧制御回路１３は、スイッチＳＷ３を閉じて第３抵抗器Ｒ３を第２抵抗器Ｒ２に並列接続するだけで、昇圧チョッパ回路１２の出力電圧Ｖｏｕｔを待機電圧Ｖｏｕｔ１から定格電圧Ｖｏｕｔ２へ昇圧することができる。それによってＡＴＸ電源２０から停電検出信号ＰＷＯＫが出力された時点から、より短時間で、昇圧チョッパ回路１２の出力電圧Ｖｏｕｔを定格電圧Ｖｏｕｔ２へ昇圧することができるので、商用電源の瞬停が発生した時にサーバ３０へ供給される電力の電圧が一時的に低下してしまう虞をさらに低減することができる。

尚、本発明は、上記説明した実施例に特に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

１０ＵＰＳ（無停電電源装置）
１１電池
１２昇圧チョッパ回路
１３電圧制御回路
１４充電回路
１５スイッチング制御部
１６電圧制御部
２０ＡＴＸ電源
３０サーバ

Claims

電池と、
前記電池の電力を変換する電力変換回路と、
外部電源装置から停電検出信号が出力されていない状態では前記電力変換回路の出力電圧が定格電圧より低い待機電圧に維持され、前記外部電源装置から停電検出信号が出力されている状態では前記電力変換回路の出力電圧が前記定格電圧となるように、前記電力変換回路を制御する電圧制御回路と、を備える無停電電源装置。
請求項１に記載の無停電電源装置において、前記電圧制御回路は、前記電力変換回路の出力電圧を分圧する第１抵抗器及び第２抵抗器、前記第２抵抗器に並列に接続される第３抵抗器、前記第２抵抗器に対する前記第３抵抗器の並列接続を遮断するスイッチ、前記停電検出信号に基づいて前記スイッチを制御する電圧制御部を含み、
前記電力変換回路は、前記第１抵抗器と前記第２抵抗器との接続点の電圧が所定の電圧となるように出力電圧を調整する電圧調整部を含む、ことを特徴とする無停電電源装置。
請求項１又は２に記載の無停電電源装置において、外部電源装置の電力で前記電池を充電する充電回路をさらに備える、ことを特徴とする無停電電源装置。