JP2018198478A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源切り替え時の瞬断の発生を防止した直流無停電電源装置を提供する。【解決手段】電源装置１は、正側および負側出力端子の間に順次接続された正側および負側キャパシタＣｄ1、Ｃｄ2と、正側および負側出力端子の間に正側および負側キャパシタと並列に順次接続された正側および負側半導体スイッチＱ1、Ｑ2と、各々が交流入力端子を有し交流入力端子と正側および負側出力端子との間に流れる電流をそれぞれ整流する複数の整流回路３０とを備える。複数の整流回路のそれぞれは、交流入力端子および正側出力端子の間に接続され交流入力端子側から正側出力端子側へと向かう順方向の導通状態を制御可能であり、逆方向の電流を遮断する正側整流器Ｄ１と、交流入力端子および負側出力端子の間に接続され負側出力端子側から交流入力端子側へと向かう順方向の導通状態を制御可能であり、逆方向の電流を遮断する負側整流器Ｄ２とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、電源装置に関する。

商用電源の瞬時電圧低下、停電等の場合においても、負荷に電力を安定して供給するための装置として、無停電電源装置が知られている。これは停電中の電力をバッテリ等の蓄電素子により供給するものである（例えば、特許文献１，２参照）。

バッテリ等の蓄電素子は一般に大形でかつ高価であり、さらに通常の電気部品より寿命が短く、定期的なメンテナンスを要するなど欠点が多い。そのため、バッテリ等によらず無停電化を実現するべく、独立した２つ以上の電力系統から受電を行い、停電等の発生時に別の系統に切り替える方法や、バッテリ等による無停電電源装置を用いる際にも、さらに信頼性を上げるべく交流系統と無停電電源装置、あるいは複数の無停電電源装置の出力を切り替え可能とする方法が提案されている（例えば特許文献３，４参照）。
特許文献１ 特開平９−１０７６８１号公報
特許文献２ 特開平５−１６１３５９号公報
特許文献３ 実開平６−２９３５１号公報
特許文献４ 特開２００４−５６８８８号公報

特許文献３に記載の方法では切り替えにはサイリスタを用いるが、自己消弧ができないというサイリスタの性質により切り替え時に数ms程度の瞬断が発生する。なお自己消弧可能な半導体素子を用いると、損失が大きい、過電流に弱くなってしまう。特許文献４に記載の方法では構成が複雑であり、大形で重量の大きいトランスを必要としてしまう。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、電源装置が提供される。電源装置は、正側出力端子および負側出力端子の間に順次接続された正側キャパシタおよび負側キャパシタを備えてよい。電源装置は、正側出力端子および負側出力端子の間に正側キャパシタおよび負側キャパシタと並列に順次接続された正側半導体スイッチおよび負側半導体スイッチを備えてよい。電源装置は、各々が交流入力端子を有し、交流入力端子と正側出力端子および負側出力端子との間に流れる電流をそれぞれ整流する複数の整流回路を備えてよい。複数の整流回路のそれぞれは、交流入力端子および正側出力端子の間に接続され、交流入力端子側から正側出力端子側へと向かう順方向の導通状態を制御可能であり、逆方向の電流を遮断する正側整流器を有してよい。複数の整流回路のそれぞれは、交流入力端子および負側出力端子の間に接続され、負側出力端子側から交流入力端子側へと向かう順方向の導通状態を制御可能であり、逆方向の電流を遮断する負側整流器を有してよい。

複数の整流回路のそれぞれは、正側整流器の順方向の導通状態を制御するための正側制御端子および負側整流器の順方向の導通状態を制御するための負側制御端子を有してよい。電源装置は、複数の整流回路のそれぞれの正側制御端子および負側制御端子を制御する制御回路を更に備えてよい。

制御回路は、複数の整流回路のうち使用する交流電力を入力する第１整流回路が有する正側整流器および負側整流器を順方向に導通させるべく第１整流回路の正側制御端子および負側制御端子を制御してよい。

制御回路は、使用する交流電力を第１整流回路に入力される第１交流電力から複数の整流回路のうち第２整流回路に入力される第２交流電力に切り替える場合に、第１整流回路が有する正側整流器および負側整流器を順方向に遮断させるべく第１整流回路の正側制御端子および負側制御端子を制御し、第２整流回路が有する正側整流器および負側整流器を順方向に導通状態とするべく第２整流回路の正側制御端子および負側制御端子を制御してよい。

制御回路は、第１整流回路に入力される交流電力および第２整流回路に入力される交流電力とは非同期に、使用する交流電力を切り替えてよい。

複数の整流回路は、互いに異なる交流電源からの交流電力を入力してよい。制御回路は、予め定められたスケジュールに基づいて、複数の整流回路に入力される複数の交流電力のうち使用する交流電力を切り替えてよい。

電源装置は、複数の多相交流電力の各相に対応して、正側半導体スイッチ、負側半導体スイッチ、および複数の整流回路の組を備えてよい。

複数の整流回路のそれぞれの正側整流器および負側整流器は、サイリスタでよい。

制御回路は、複数の整流回路のうち使用する交流電力を入力する整流回路について、当該交流電力が正電圧をとる期間の少なくとも一部において正側整流器を順方向に導通させ、当該交流電力が負電圧をとる期間の少なくとも一部において正側整流器を順方向に遮断させるべく正側制御端子を制御してよい。制御回路は、複数の整流回路のうち使用する交流電力を入力する整流回路について、当該交流電力が負電圧をとる期間の少なくとも一部において負側整流器を順方向に導通させ、当該交流電力が正電圧をとる期間の少なくとも一部において負側整流器を順方向に遮断させるべく負側制御端子を制御してよい。

電源装置は、複数の整流回路と正側出力端子との間に接続された正側リアクトルを備えてよい。電源装置は、複数の整流回路と負側出力端子との間に接続された負側リアクトルを備えてよい。

電源装置は、複数の整流回路のそれぞれに対応して設けられ、それぞれの整流回路に対応する交流電源と交流入力端子との間に接続された入力側リアクトルを更に備えてよい。

電源装置は、正側出力端子および負側出力端子に接続され、直流電力を異なる直流電力または交流電力に変換して正側出力端子および負側出力端子から出力する変換回路を更に備えてよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

実施形態に係る電源装置を示す。 電源装置の動作を示す。 使用する交流電源を切り換える場合の電源装置の動作を示す。 実施形態に係る制御回路を示す。 使用する交流電源を切り換える場合の電源装置の動作を示す。 変形例に係る電源装置を示す。 変形例に係る電源装置を示す。 変形例に係る電源装置を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る電源装置１を複数の交流電源２とともに示す。なお、図中の白抜きの矢印記号は電圧の正方向を示す。

複数の交流電源２は、それぞれ電源装置１に交流電力（本実施形態では一例として単相交流電力）を供給可能となっている。複数の交流電源２は同種の電源でもよいし、異種の電源でもよい。ここで、同種の電源とは、一例として電圧、電流、周波数および位相の何れも同じ電源であってよく、異種の電源とは、これらの少なくとも１つが異なる電源であってよい。各交流電源２は、別々の電力系統の商用電源、または別々の無停電電源装置であってよい。本実施形態では一例として、複数の交流電源２は、交流電圧Ｖ_ｉｎ（１）を供給する交流電源２（１）と、交流電圧Ｖ_ｉｎ（２）を供給する交流電源２（２）を含んで構成されている。

電源装置１は、２つの交流電源２の何れかから供給される交流電力を直流電力に変換して正側出力端子１０１および負側出力端子１０２から出力する。電源装置１は、使用する交流電源２を切り換えることで直流電力の供給を維持する直流無停電電源装置であってよい。電源装置１は、複数の整流回路３０と、正側キャパシタＣｄ１および負側キャパシタＣｄ２と、正側半導体スイッチＱ１および負側半導体スイッチＱ２と、正側ダイオードＤ１および負側ダイオードＤ２と、正側リアクトルＬ１および負側リアクトルＬ２と、制御回路４０とを備える。

複数の整流回路３０は、交流電源２から交流電力が供給される交流入力端子３１を有し、交流入力端子３１と、正側出力端子１０１および負側出力端子１０２との間に流れる電流をそれぞれ整流する。本実施形態では一例として、複数の整流回路３０は、交流電源２（１）と接続されて電力の供給を受ける整流回路３０（１）と、交流電源２（２）と接続されて電力の供給を受ける整流回路３０（２）とを有している。本実施形態では一例として、交流入力端子３１は電源装置１の入力端子である。交流入力端子３１に加え、各整流回路３０は、正側整流器Ｔｈ１（正側整流器Ｔｈ１（１），Ｔｈ１（２）とも称する）および負側整流器Ｔｈ２（負側整流器Ｔｈ２（１），Ｔｈ２（２）とも称する）を有している。

正側整流器Ｔｈ１は、交流入力端子３１および正側出力端子１０１の間に接続される。正側整流器Ｔｈ１は、交流入力端子３１側から正側出力端子１０１側へと向かう順方向の導通状態を制御可能であり、逆方向の電流を遮断する。正側整流器Ｔｈ１には、正側整流器Ｔｈ１の順方向の導通状態を制御するための正側制御端子Ｔｈ１１が設けられている。本実施形態では一例として正側整流器Ｔｈ１はサイリスタであり、正側制御端子Ｔｈ１１はゲートである。この場合、正側整流器Ｔｈ１に順バイアスが加えられて正側制御端子Ｔｈ１１がオンにされると正側整流器Ｔｈ１が点弧して順方向に導通状態となり、正側制御端子Ｔｈ１１がオフにされる（ゲートオフされる）と、交流電力の電流がゼロになるタイミングで正側整流器Ｔｈ１が消弧して順方向に遮断状態となる。正側整流器Ｔｈ１の動作周波数は交流電源の周波数であり、多くは５０または６０Ｈｚである。

負側整流器Ｔｈ２は、交流入力端子３１および負側出力端子１０２の間に接続される。負側整流器Ｔｈ２は、負側出力端子１０２側から交流入力端子３１側へと向かう順方向の導通状態を制御可能であり、逆方向の電流を遮断する。負側整流器Ｔｈ２には、負側整流器Ｔｈ２の順方向の導通状態を制御するための負側制御端子Ｔｈ２１が設けられている。本実施形態では一例として負側整流器Ｔｈ２はサイリスタであり、負側制御端子Ｔｈ２１はゲートである。この場合、負側整流器Ｔｈ２に順バイアスが加えられて負側制御端子Ｔｈ２１がオンにされると負側整流器Ｔｈ２が点弧して順方向に導通状態となり、負側制御端子Ｔｈ２１がオフにされる（ゲートオフされる）と、交流電力の電流がゼロになるタイミングで負側整流器Ｔｈ２が消弧して順方向に遮断状態となる。負側整流器Ｔｈ２の動作周波数も交流電源の周波数であり、多くは５０または６０Ｈｚである。

正側キャパシタＣｄ１および負側キャパシタＣｄ２は、正側出力端子１０１および負側出力端子１０２の間に直列に順次接続されている。正側キャパシタＣｄ１および負側キャパシタＣｄ２はそれぞれ電圧Ｅ／２を保持する。正側キャパシタＣｄ１および負側キャパシタＣｄ２の中点は各交流電源２の一端（図中、下側の端部）と接続されてよい。

正側半導体スイッチＱ１および負側半導体スイッチＱ２は、正側出力端子１０１および負側出力端子１０２の間に正側キャパシタＣｄ１および負側キャパシタＣｄ２と並列に順次接続されている。正側半導体スイッチＱ１および負側半導体スイッチＱ２の中点は、正側キャパシタＣｄ１および負側キャパシタＣｄ２の中点と接続されている。正側半導体スイッチＱ１および負側半導体スイッチＱ２は、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、または、バイポーラトランジスタ等であってよい。正側半導体スイッチＱ１および負側半導体スイッチＱ２の動作周波数は、例えば１０ｋＨｚ等の高周波数である。正側半導体スイッチＱ１および負側半導体スイッチＱ２は、ワイドバンドギャップ半導体を含んでなる半導体スイッチを有してもよい。ここで、ワイドバンドギャップ半導体とは、シリコン半導体よりもバンドギャップが大きい半導体であり、例えばＳｉＣ、ＧａＮ、ダイヤモンド、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、または、ＺｎＯなどの半導体である。

正側ダイオードＤ１および負側ダイオードＤ２は、正側半導体スイッチＱ１および負側半導体スイッチＱ２と正側出力端子１０１および負側出力端子１０２との間に接続されている。本実施形態では一例として、正側ダイオードＤ１は正側半導体スイッチＱ１の正側端子にアノードが接続されてよい。また、負側ダイオードＤ２は負側半導体スイッチＱ２の負側端子にカソードが接続されてよい。正側ダイオードＤ１および負側ダイオードＤ２は、ワイドバンドギャップ半導体を含んでなる半導体スイッチを有してもよい。

正側リアクトルＬ１は、２つの整流回路３０と正側出力端子１０１との間に接続される。例えば、正側リアクトルＬ１は、２つの整流回路３０における各正側整流器Ｔｈ１（本実施形態ではサイリスタ）のカソードと、正側半導体スイッチＱ１および正側ダイオードＤ１の間とに接続されてよい。正側リアクトルＬ１は、整流回路３０による整流によって生成された直流電流を平滑化する。これに代えて／加えて、正側リアクトルＬ１は、生成された直流電力を昇圧する。

負側リアクトルＬ２は、２つの整流回路３０と負側出力端子１０２との間に接続される。例えば、負側リアクトルＬ２は、２つの整流回路３０における各負側整流器Ｔｈ２（本実施形態ではサイリスタ）のアノードと、負側半導体スイッチＱ２および負側ダイオードＤ２の間とに接続されてよい。負側リアクトルＬ２は、整流回路３０による整流によって生成された直流電流を平滑化する。これに代えて／加えて、負側リアクトルＬ２は、生成された直流電力を昇圧する。

制御回路４０は、２つの整流回路３０（１），３０（２）のそれぞれの正側制御端子Ｔｈ１１および負側制御端子Ｔｈ２１を制御する。制御回路４０は、正側半導体スイッチＱ１および負側半導体スイッチＱ２を制御する。

以上の電源装置１によれば、２つの整流回路３０には、交流入力端子３１および正側出力端子１０１の間に接続された正側整流器Ｔｈ１と、交流入力端子３１および負側出力端子１０２の間に接続された負側整流器Ｔｈ２とがそれぞれ具備される。そして、正側整流器Ｔｈ１は交流入力端子３１側から正側出力端子１０１側へと向かう順方向の導通状態を制御可能であって逆方向の電流を遮断し、負側整流器Ｔｈ２は負側出力端子１０２側から交流入力端子３１側へと向かう順方向の導通状態を制御可能であって逆方向の電流を遮断する。従って、各整流回路３０の正側整流器Ｔｈ１および負側整流器Ｔｈ２により、瞬断を発生させることなく使用する交流電源を適切に切り換えて供給することができる。

また、正側リアクトルＬ１は２つの整流回路３０と正側出力端子１０１との間に接続され、負側リアクトルＬ２は複数の整流回路３０と負側出力端子１０２との間に接続される。従って、正側リアクトルＬ１を交流電源の極性が負電圧側の半周期の間に休止状態とし、負側リアクトルＬ２を交流電源の極性が正電圧側の半周期の間に休止状態とすることができる。よって、リアクトルが整流回路３０と交流電源の間に接続される場合と比較して、リアクトル内の電流の実効値が定格電流の１／√２となって発熱が低減される分、正側リアクトルＬ１および負側リアクトルＬ２を小さくすることができる。また、交流電源２ごとにリアクトルを設ける必要がなくなるため、交流電源２の個数に関わらずリアクトルの個数を２つにすることができる。

続いて、交流電源が健全であるとき（健全時とも称する）の電源装置１の動作について説明する。図２は、電源装置１の動作を示す。なお、図２では、制御回路４０の図示を省略している。また、図中、左側の回路図において白抜きの矢印記号は電圧または電流を示す。また、図中の右側のグラフは、白抜きの矢印記号で示される電圧若しくは電流の変化、または、各素子の動作波形を示す。

まず、制御回路４０は、２つの交流電源２（１）、２（２）のうち使用する交流電源２を決定する。本実施形態では一例として、制御回路４０は健全である交流電源２（１）を使用電源として決定している。なお、交流電源２（１）から供給される電圧は、図中のＶ_ｉｎ（１）グラフで示される。

次に、制御回路４０は、使用しない交流電源２（２）からの交流電力を入力するための整流回路３０（２）の正側整流器Ｔｈ１（２）および負側整流器Ｔｈ２（２）を順方向に遮断させるべく整流回路３０（２）の正側制御端子Ｔｈ１１および負側制御端子Ｔｈ２１を制御する。例えば、制御回路４０は、正側整流器Ｔｈ１（２）および負側整流器Ｔｈ２（２）をゲートオフしてよい。

また、制御回路４０は、使用する交流電源から電力が供給される整流回路３０（１）の正側整流器Ｔｈ１および負側整流器Ｔｈ２をそれぞれ順方向に導通させるべく、その正側制御端子Ｔｈ１１および負側制御端子Ｔｈ２１を制御する。これにより、図中、Ｖ_ｉｎ（１）およびＩ_ｉｎ（１）のグラフで示される電圧、電流が交流電源２（１）から供給される。

例えば、図中左側の太い実線および太い破線の矢印記号、並びに、図中右側のＶ_ｉｎ（１）、Ｔｈ１（１）のグラフに示すように、制御回路４０は、整流回路３０（１）について、使用する交流電源の極性が正電圧をとる期間の少なくとも一部において正側整流器Ｔｈ１（１）を順方向に導通させるべく正側制御端子Ｔｈ１１を制御する。制御回路４０は、使用する交流電源電圧の極性が正電圧をとる期間の少なくとも一部において正側整流器Ｔｈ１を順方向に遮断させるべく正側制御端子Ｔｈ１１を制御する。例えば正電圧をとる期間の始めの期間のみゲートをオンするだけで、交流電源電圧の極性が負に移行するゼロクロスでＩ_ｉｎ（１）がゼロになり、その時点でＴｈ１１は完全にオフになる。本実施形態では一例として、制御回路４０は、交流電圧が正電圧をとる全期間にわたって正側制御端子Ｔｈ１１をオンにし、交流電圧が負電圧をとる全期間にわたって正側制御端子Ｔｈ１１をオフにしている。制御回路４０は、交流電圧の正負に関わらず正側制御端子Ｔｈ１１をオンに維持してもよいが、消費電力が大きくなる。

また、図中左側の細い実線および破線の矢印記号、並びに、図中右側のＶ_ｉｎ（１）、Ｔｈ２（１）のグラフに示すように、制御回路４０は、使用する交流電源の電力が負電圧をとる期間の少なくとも一部において負側整流器Ｔｈ２（１）を順方向に導通させるべく負側制御端子Ｔｈ２１を制御する。制御回路４０は、使用する交流電力が正電圧をとる期間の少なくとも一部において負側整流器Ｔｈ２（１）を順方向に遮断させるべく負側制御端子Ｔｈ２１を制御してよい。例えば負電圧をとる期間の始めの期間のみゲートをオンするだけで、交流電源電圧の極性が正に移行するゼロクロスでＩ_ｉｎ（１）がゼロになり、その時点でＴｈ２１は完全にオフになる。本実施形態では一例として、制御回路４０は、交流電圧が負電圧をとる全期間にわたって負側制御端子Ｔｈ２１をオンにし、交流電圧が正電圧をとる全期間にわたって負側制御端子Ｔｈ２１をオフにしている。制御回路４０は、交流電圧の正負に関わらず負側制御端子Ｔｈ２１をオンに維持してもよいが消費電力が大きくなる。

また、制御回路４０は、正側半導体スイッチＱ１および負側半導体スイッチＱ２を制御する。

例えば、図中右側のＱ１，Ｑ２のグラフに示すように、制御回路４０は、使用する交流電源電圧が正電圧をとる期間の全部では負側半導体スイッチＱ２をオフにして、正側半導体スイッチＱ１をオンオフさせる。正側半導体スイッチＱ１がオンされると、図中左側の太い実線の矢印記号に示されるように、交流電源２（１）からの電流は正側整流器Ｔｈ１（１）、正側リアクトルＬ１、正側半導体スイッチＱ１、正側キャパシタＣｄ１と負側キャパシタＣｄ２の中点を経由して交流電源２（１）の順に流れる。また、正側リアクトルＬ１に交流電源２（１）の電圧が印加されて正側リアクトルＬ１の電流が増加する。正側半導体スイッチＱ１がオフされると、図中左側の太い破線の矢印記号、および、図中右側のＶｕｉのグラフに示されるように、交流電源２（１）からの電流は正側整流器Ｔｈ１（１）、正側リアクトルＬ１、正側ダイオードＤ１、正側キャパシタＣｄ１、正側キャパシタＣｄ１と負側キャパシタＣｄ２の中点を経由して、交流電源２（１）の順に流れ、正側キャパシタＣｄ１に正側リアクトルＬ１のエネルギーが伝達される。また、図中右側のＩ_Ｌ１のグラフに示されるように、正側キャパシタＣｄ１の電圧と交流電源２（１）の電圧との差電圧（ここでは正側半導体スイッチＱ１がオンのときとは逆向きの電圧）が正側リアクトルＬ１に印加されて、その電流が減少する。制御回路４０は、正側半導体スイッチＱ１のオンオフの時間比率を制御することで交流電源２（１）からの電流を任意の瞬時値に制御するとともに、正側キャパシタＣｄ１の両端電圧を交流電源２（１）の電圧ピーク値よりも高い任意の値に設定しうる。

同様に、制御回路４０は、使用する交流電力が負電圧をとる期間（本実施形態では一例として全部）では、正側半導体スイッチＱ１をオフにして、負側半導体スイッチＱ２をオンオフさせてよい。これにより、負側キャパシタＣｄ２の両端電圧が交流電源２（１）の電圧ピーク値よりも高い任意の値、一例として正側キャパシタ１と同じ電圧に設定される。

以上により、交流電源２（１）からの交流電力が直流電力に変換されて正側キャパシタＣｄ１および負側キャパシタＣｄ２に保持され、正側出力端子１０１および負側出力端子１０２から出力される。

続いて、使用する交流電源２を切り換える場合の電源装置１の動作について説明する。なお、本動作例では一例として、交流電源２（１）および交流電源２（２）は、電圧、電流、周波数および位相のそれぞれが同じ同種の電源であってよい。図３は、使用する交流電源２を切り換える場合の電源装置１の動作を示す。

まず、制御回路４０は、交流電源２（１）の使用時における切換タイミングＴにおいて、第１整流回路３０（１）の正側整流器Ｔｈ１（１）および負側整流器Ｔｈ２（１）を順方向に遮断させるべく整流回路３０（１）の正側制御端子Ｔｈ１１および負側制御端子Ｔｈ２１を制御する。本実施形態では、切換タイミングＴにおいて交流電源２（１）の電圧の極性は正であるため、交流電源２（１）の電圧の異常発生を検知した時点で、正側制御端子Ｔｈ１１のみオフとすればよい。これにより、交流電源２（１）に停電等が発生した場合、交流電源２（１）からの電流がゼロになった時点で電力の供給が自然に遮断される。このため、図中、Ｉ_ｉｎ（１）のグラフで示されるように、交流電源２（１）からの電流の供給が停止する。なお、正側制御端子Ｔｈ１１及び負側制御端子Ｔｈ２１を同時にオンオフ制御したとしても、本実施形態では交流電源間の短絡は生じない。また、交流電源２（１）と交流電源２（２）の極性がそれぞれ正、負であった場合、正側制御端子Ｔｈ１１と負側制御端子Ｔｈ２１をオンオフ制御する。この場合も、本実施形態では交流電源間の短絡は生じない。このため、交流電源同士の極性、周波数、位相等が同期していない場合でも、無瞬断で電力供給に使用する交流電源を切り替えることが可能となる。

また、制御回路４０は、整流回路３０（２）の正側整流器Ｔｈ１（２）および負側整流器Ｔｈ２（２）を順方向に導通状態とするべく第２整流回路３０（２）の正側制御端子Ｔｈ１１および負側制御端子Ｔｈ２１を制御する。制御回路４０は、健全時に交流電源２（１）を使用する場合の整流回路３０（１）の制御と同様にして、整流回路３０（２）を制御してよい。これにより、図中左側の破線の矢印記号から、実線の矢印記号に示されるように、使用する交流電力およびその経路が切り換えられる。ここで、本動作例では交流電源２（１），２（２）の位相が同じであるので、図中、Ｖ_ｉｎ（１），Ｖ_ｉｎ（２），Ｉ_ｉｎ（１），Ｉ_ｉｎ（２）のグラフで示されるように、整流回路３０（１），３０（１）に入力される交流電力が同期された状態で、使用する交流電力が切り換えられる。

そして、制御回路４０は、健全時と同様にして正側半導体スイッチＱ１および負側半導体スイッチＱ２を制御する。

ここで、本動作例では一例として、切換タイミングＴは、交流電源２（１），２（２）の位相と非同期でよい。例えば、切換タイミングＴは、交流電源２（１），２（２）の位相とは無関係に決定されてよい。なお、切換タイミングＴは交流電源２（１），２（２）の位相と同期してもよい。例えば、切換タイミングＴは、交流電源２（１），２（２）の電圧Ｖ_ｉｎ（１），Ｖ_ｉｎ（２）がゼロクロスするタイミングでもよい。

切換タイミングＴは、図中、Ｖ_ｉｎ（１）のグラフで示されるように、使用中の交流電源２（１）に異常（本実施形態では一例として停電）が発生したタイミングである。この場合、制御回路４０は、交流電源２（１）に異常が発生したことに応じて、使用する交流電源を交流電源２（１）から交流電源２（２）に切り替える。例えば、制御回路４０は、交流電源２（１）の電圧Ｖ_ｉｎ（１）の低下を検知し、停電状態が生じないように交流電源２を切り換える。一例として、制御回路４０は、電圧Ｖ_ｉｎ（１）が閾値を下回ったことに応じて交流電源２を切り換えてよい。閾値は、例えば健全時の電圧または電流の９０％の値でよい。制御回路４０は、電源装置１内の何れかの位置での電圧または電流の低下を検知して交流電源２を切り換えてよい。一例として制御回路４０は、交流電源２と、対応する整流回路３０との間で電圧または電流を検知してもよいし、整流回路３０よりも正側出力端子１０１または負側出力端子１０２の側で検知してもよい。整流回路３０よりも正側出力端子１０１または負側出力端子１０２の側で電圧または電流を検知する場合には、制御回路４０は、検知する電圧または電流が交流電源２（１），２（２）の何れに起因するかを合わせて検知してよい。

これに加えて／代えて、切換タイミングＴは、各交流電源２からの交流電力の特性が閾値を超えて変化したタイミングでよい。この場合、制御回路４０は、２つの整流回路３０（１），３０（２）のそれぞれに入力される交流電力の特性に基づいて、使用する交流電力を切り替えてもよい。例えば、制御回路４０は、交流電源２（１），２（２）のうち、使用中の交流電源２（１）の電圧が下限閾値を下回ったことに応じて、および／または、使用していない交流電源２（２）の電圧が上限閾値を上回ったことに応じて、使用する交流電源を交流電源２（１）から交流電源２（２）に切り換えてよい。この場合には、切り換え前後で供給電力が同じでも電流量が少なくなる分、半導体素子でのロスを低減しエネルギー効率を向上させることができる。なお、下限閾値と上限閾値は同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。一例として、上限閾値を下限閾値よりも大きくすることで、切り替え動作にヒステリシスを持たせてもよい。

これに加えて／代えて、切換タイミングＴは、予め定められたタイミング（一例として定期的なタイミング）でよい。この場合、制御回路４０は、予め定められたスケジュールに基づいて、使用する交流電源２を切り替えてよい。このようなスケジュールは、例えば交流電源２（１），２（２）の使用を均等化するスケジュールであってよく、一例として交流電源２（１），２（２）の間で使用対象を数日または数か月ごとに切り換えるスケジュールでよい。

以上の動作によれば、使用する交流電源２を切り換える場合に、第１整流回路３０（１）の正側整流器Ｔｈ１（１）および負側整流器Ｔｈ２（１）を順方向に遮断させるべく整流回路３０（１）の正側制御端子Ｔｈ１１および負側制御端子Ｔｈ２１を制御し、整流回路３０（２）の正側整流器Ｔｈ１（２）および負側整流器Ｔｈ２（２）を順方向に導通状態とするべく第２整流回路３０（２）の正側制御端子Ｔｈ１１および負側制御端子Ｔｈ２１を制御する。従って、切り換え前の交流電力の供給を停止させるとともに、切り換え後の交流電力の供給を開始させることができる。

また、交流電源２（１），２（２）の位相と非同期に、使用する交流電源２を切り換えるので、同期タイミングを待たずに切り換えを行うことができる。従って、異常の発生に応じて電力を切り換える場合に、電力供給の瞬断を防止することができる。

続いて、制御回路４０について説明する。図４は、本実施形態に係る制御回路４０を示す。

制御回路４０は、正側キャパシタＣｄ１および負側キャパシタＣｄ２の両端電圧と、正側リアクトルＬ１または負側リアクトルＬ２に流れる電流との少なくとも一方を制御する。制御回路４０は、電圧測定部４０１，４０２、スイッチ４０３、極性判別部４０４、電流測定部４０５，４０６、スイッチ４０７、電圧測定部４１１、電圧制御部４１２、乗算器４１５、減算器４１７および電流制御部４１９を有する。

電圧測定部４０１は、交流電源２（１）の電圧Ｖ_ｉｎ（１）を測定する。電圧測定部４０１は電圧センサを用いて電圧Ｖ_ｉｎ（１）を測定してよい。電圧測定部４０１は、測定結果をスイッチ４０３に供給する。

電圧測定部４０２は、交流電源２（２）の電圧Ｖ_ｉｎ（２）を測定する。電圧測定部４０２は電圧センサを用いて電圧Ｖ_ｉｎ（２）を測定してよい。電圧測定部４０２は、測定結果をスイッチ４０３に供給する。

スイッチ４０３は、交流電源２（１），２（２）からの交流電力のうち、使用される交流電力を選択する。本実施形態では一例として、スイッチ４０３は、健全時には交流電源２（１）の交流電力を選択し、異常発生時には交流電源２（２）の交流電力を選択する。スイッチ４０３は、選択した交流電力の測定値を極性判別部４０４および乗算器４１５に供給する。

極性判別部４０４は、スイッチ４０３により選択された交流電力の極性（電圧の正負）を判別する。極性判別部４０４は、判別結果をスイッチ４０７に供給する。

電流測定部４０５は、正側リアクトルＬ１に流れる電流Ｉ_Ｌ１を測定する。電流測定部４０５は、電流センサを用いて電流Ｉ_Ｌ１を測定してよい。電流測定部４０５は、電流Ｉ_Ｌ１の測定値をスイッチ４０７に供給する。

電流測定部４０６は、負側リアクトルＬ２に流れる電流Ｉ_Ｌ２を測定する。電流測定部４０６は、電流センサを用いて電流Ｉ_Ｌ２を測定してよい。電流測定部４０６は、電流Ｉ_Ｌ２の測定値をスイッチ４０７に供給する。

スイッチ４０７は、極性判別部４０４による判別結果に応じて電流の測定値Ｉ_Ｌ１，Ｉ_Ｌ２の何れかを選択する。例えば、スイッチ４０７は、使用される交流電力の電圧が正の場合、つまり正側リアクトルＬ１に電流が流れる場合には測定値Ｉ_Ｌ１を選択する。スイッチ４０７は、使用される交流電力の電圧が負の場合、つまり負側リアクトルＬ２に電流が流れる場合には測定値Ｉ_Ｌ２を選択する。

電圧測定部４１１は、正側出力端子１０１および負側出力端子１０２の間の電圧を測定する。電圧測定部４１１は、電圧センサを用いて電圧を測定してよい。電圧測定部４１１は測定結果を電圧制御部４１２に供給する。

電圧制御部４１２は、電圧の測定値からリアクトルＬ１またはＬ２の電流Ｉ_Ｌ１またはＩ_Ｌ２の振幅指令値を算出する。乗算器４１５は、この振幅指令値と入力電圧Ｖｉｎ（１）またはＶｉｎ（２）の瞬時値とを乗算することにより、入力電圧と相似波形の瞬時電流指令値を得る。電流制御部４１９は電流Ｉ_Ｌ１またはＩ_Ｌ２の測定値が瞬時電流指令値と一致するよう、正側半導体スイッチＱ１または負側半導体スイッチＱ２のオン・オフを制御する。オン時には電流が増加、オフ時には減少するのでこの時比率の制御により上述の制御が実現される。

続いて、本実施形態の変形例について説明する。本変形例では、交流電源２（１）および交流電源２（２）の間で同期がとられておらず、位相差が生じている。図では１８０°のずれを生じた場合を示している。

続いて、本変形例において、使用する交流電源２を切り換える場合の電源装置１の動作について説明する。図５は、使用する交流電源２を切り換える場合の電源装置１の動作を示す。なお、変形例において、図１に示された構成と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。

まず、制御回路４０は、交流電源２（１）の使用時における切換タイミングＴにおいて、第１整流回路３０（１）が有する正側整流器Ｔｈ１（１）および負側整流器Ｔｈ２（１）を順方向に遮断させるべく、その正側制御端子Ｔｈ１１および負側制御端子Ｔｈ２１を制御する。これにより、交流電源２（１）からの電力供給が停止する。なお、切換タイミングＴは交流電源２（１），２（２）の何れかの位相と同期してもよいし、非同期でもよい。本動作例では一例として、切換タイミングＴは、図中、Ｖ_ｉｎ（１）のグラフで示されるように、使用中の交流電源２（１）に異常が発生したタイミングであり、交流電源２（１）の交流電力が正電圧をとり、交流電源２（２）の交流電力が負電圧をとるタイミングでもよい。

また、制御回路４０は、第２整流回路３０（２）が有する正側整流器Ｔｈ１（２）および負側整流器Ｔｈ２（２）を順方向に導通状態とするべく第２整流回路３０（２）の正側制御端子Ｔｈ１１および負側制御端子Ｔｈ２１を制御する。制御回路４０は、健全時に交流電源２（１）を使用する場合の整流回路３０（１）の制御と同様にして、整流回路３０（２）を制御してよい。本動作例では交流電源２（１），２（２）の位相が１８０°異なり、切換タイミングＴでは交流電源２（１）の交流電力が正電圧、交流電源２（２）の交流電力が負電圧であるので、切換タイミングＴでは整流回路３０（１）の正側整流器Ｔｈ（１）がオンからオフに切り換えられ、整流回路３０（２）の負側整流器Ｔｈ（２）がオフからオンに切り換えられる。これにより、図中左側の破線の矢印記号から、実線の矢印記号に示されるように、使用する交流電力が切り換えられて電流の流れが変化する。

そして、制御回路４０は、切り換え前後で供給される電圧の正負に応じて正側半導体スイッチＱ１および負側半導体スイッチＱ２を制御する。本動作例では上述のように、交流電源２（１），２（２）の位相が１８０°だけ異なり、切換タイミングＴでは交流電源２（１）の交流電力が正電圧、交流電源２（２）の交流電力が負電圧である。そのため、切換タイミングＴでは、負側半導体スイッチＱ２をオフにして正側半導体スイッチＱ１をオンオフさせる制御から、正側半導体スイッチＱ１をオフにして負側半導体スイッチＱ２をオンオフさせる制御に切り換えられる。これにより、図中、右側のＩ_Ｌ１，Ｉ_Ｌ２のグラフに示されるように、交流電源２（１）に起因する直流電力が正側リアクトルＬ１に流れて正側キャパシタＣｄ１に保持される状態から、交流電源２（２）に起因する直流電力が負側リアクトルＬ２に流れて負側キャパシタＣｄ２に保持される状態へと切り替わる。

以上の動作例によれば、交流電源２（１）が正電圧かつ交流電源２（２）が負電圧の切換タイミングＴで交流電源２（１）から交流電源２（２）に使用対象が切り換えられる場合に、整流回路３０（１）の正側整流器Ｔｈ１（１）および負側整流器Ｔｈ２（１）をゲートオフしても、交流電源２（１）からの交流電圧がゼロになるまでの間には正側整流器Ｔｈ１から正側リアクトルＬ１に電流が流れ得る。しかしながら、この時点で交流電源２（２）からの電流を流すべく整流回路３０（２）の正側整流器Ｔｈ２（１）および負側整流器Ｔｈ２（２）が順方向に導通しても短絡経路が形成されない。よって、短絡を防止するべく交流電源２（２）からの電力供給を遅らせる必要が無いため、電力供給を瞬断させずに維持することができる。なお、整流回路３０（１）の正側整流器Ｔｈ１（１）および負側整流器Ｔｈ２（１）と、整流回路３０（２）の正側整流器Ｔｈ２（１）および負側整流器Ｔｈ２（２）とを一時的にそれぞれ順方向に導通させて交流電源２（１），２（２）の両方から電力供給を受けてもよい。整流回路３０（１）の正側整流器Ｔｈ１（１）をゲートオフした後に正側リアクトルＬ１に流れる電流は、正側半導体スイッチＱ１がオフに維持されることで速やかに減衰される。

続いて、本実施形態の他の変形例について説明する。図６は、本変形例に係る電源装置１Ａを２つの交流電源２とともに示す。電源装置１Ａは、使用する交流電源２を切り換えることで交流電力の供給を維持する交流無停電電源装置であってよく、変換回路６０を備える。

変換回路６０は、正側出力端子１０１および負側出力端子１０２に接続され、正側出力端子１０１および負側出力端子１０２からの直流電力を交流電力に変換して出力する。変換回路６０は、第１出力端子１０３および第２出力端子１０４から交流電力を出力してよい。本実施形態では一例として、変換回路６０は、第１半導体素子６１、第２半導体素子６２およびＬＣフィルタ６５を有してよい。

第１半導体素子６１および第２半導体素子６２は、正側出力端子１０１および負側出力端子１０２の間に直列に順次接続されてよい。第１半導体素子６１および第２半導体素子６２の中点は、第１出力端子１０３に接続されてよい。

ＬＣフィルタ６５は、リアクトル６５０およびキャパシタ６５１を有する。リアクトル６５０は、第１半導体素子６１および第２半導体素子６２の中点と第１出力端子１０３の間に設けられてよい。キャパシタ６５１は第１出力端子１０３および第２出力端子１０４の間に接続されてよい。なお、第２出力端子１０４は正側キャパシタＣｄ１および負側キャパシタＣｄ２の中点と接続されてよい。

電源装置１Ａの制御回路４０は、正側出力端子１０１および負側出力端子１０２からの直流電力を変換回路６０により２レベルの交流電力に変換して出力する。例えば、制御回路４０は、第１半導体素子６１および第２半導体素子６２のオンオフを制御することで第１出力端子１０３および第２出力端子１０４から２レベルの交流電力を出力させてよい。一例として、制御回路４０は、第１半導体素子６１および第２半導体素子６２を交互にオンにしてよい。

以上の電源装置１Ａによれば、バッテリを用いずに異常発生時にも交流電力を供給することができる。

なお、以上の実施形態および変形例においては、２つの整流回路３０と正側出力端子１０１との間に正側リアクトルＬ１が接続され、２つの整流回路３０と負側出力端子１０２との間に負側リアクトルＬ２が接続されることとして説明したが、これに加えて／代えて、他の位置にリアクトルが設けられてもよい。図７は、変形例に係る電源装置１Ｂを示す。この図に示すように、例えばリアクトルＬは整流回路３０毎に設けられてもよい。つまり、複数の整流回路３０のそれぞれに対応してリアクトルＬが設けられてもよい。各リアクトルＬは、それぞれの整流回路３０（１），３０（２）に対応する交流電源２（１），２（２）と交流入力端子３１との間に接続されてよい。この場合には、複数のリアクトルＬのうち、使用する交流電源２に対応するリアクトルＬが電圧の正負に関わらず連続的に導通し、他のリアクトルＬが非導通状態となる。なお、リアクトルＬは入力側リアクトルの一例であってよい。

また、変換回路６０は、直流電力を交流電力に変換して出力することとして説明したが、入力される直流電力とは異なる直流電力に変換してもよい。一例として変換回路６０は、入力される直流電力を昇圧してよい。

また、電源装置１は単相交流電力を直流電力に変換することとして説明したが、複数の多相交流電力を直流電力に変換してもよい。図８は、変形例に係る電源装置１Ｃを示す。この図に示すように、例えば電源装置１Ｃには、複数（本実施形態では一例として２つ）の三相交流電源から三相４線式で交流電力が供給されてよい。電源装置１Ｃは、交流電力のＵ相，Ｖ相，Ｗ相のそれぞれに対応して、正側半導体スイッチＱ１、負側半導体スイッチＱ２、および複数の整流回路３０の組３００を備えてよい。この図の電源装置１Ｃは、正側出力端子１０１および負側出力端子１０２に接続される変換回路６０をさらに備えてもよい。

また、正側整流器Ｔｈ１および負側整流器Ｔｈ２をサイリスタとして説明したが、逆阻止ＩＧＢＴ等の他の半導体スイッチでもよい。上述のように、自己消弧能力を持つ半導体素子は損失が大きい傾向があるため、低損失の素子を用いることが好ましい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１ 電源装置、２ 交流電源、３０ 整流回路、４０ 制御回路、６０ 変換回路、６１ 第１半導体素子、６２ 第２半導体素子、６５ ＬＣフィルタ、３１ 交流入力端子、１０１ 正側出力端子、１０２ 負側出力端子、１０３ 第１出力端子、１０４ 第２出力端子、３００ 組、４０１ 電圧測定部、４０２ 電圧測定部、４０３ スイッチ、４０４ 極性判別部、４０５ 電流測定部、４０６ 電流測定部、４０７ スイッチ、４１１ 電圧測定部、４１２ 電圧制御部、４１５ 乗算器、４１７ 減算器、４１９ 電流制御部、６５０ リアクトル、６５１ キャパシタ

Claims (12)

1. 正側出力端子および負側出力端子の間に順次接続された正側キャパシタおよび負側キャパシタと、
   前記正側出力端子および前記負側出力端子の間に前記正側キャパシタおよび前記負側キャパシタと並列に順次接続された正側半導体スイッチおよび負側半導体スイッチと、
   各々が交流入力端子を有し、前記交流入力端子と前記正側出力端子および前記負側出力端子との間に流れる電流をそれぞれ整流する複数の整流回路と
   を備え、
   前記複数の整流回路のそれぞれは、
   前記交流入力端子および前記正側出力端子の間に接続され、前記交流入力端子側から前記正側出力端子側へと向かう順方向の導通状態を制御可能であり、逆方向の電流を遮断する正側整流器と、
   前記交流入力端子および前記負側出力端子の間に接続され、前記負側出力端子側から前記交流入力端子側へと向かう順方向の導通状態を制御可能であり、逆方向の電流を遮断する負側整流器と
   を有する電源装置。
2. 前記複数の整流回路のそれぞれは、前記正側整流器の順方向の導通状態を制御するための正側制御端子および前記負側整流器の順方向の導通状態を制御するための負側制御端子を有し、
   前記複数の整流回路のそれぞれの前記正側制御端子および前記負側制御端子を制御する制御回路を更に備える請求項１に記載の電源装置。
3. 前記制御回路は、前記複数の整流回路のうち使用する交流電力を入力する第１整流回路が有する前記正側整流器および前記負側整流器を順方向に導通させるべく前記第１整流回路の前記正側制御端子および前記負側制御端子を制御する請求項２に記載の電源装置。
4. 前記制御回路は、使用する交流電力を前記第１整流回路に入力される第１交流電力から前記複数の整流回路のうち第２整流回路に入力される第２交流電力に切り替える場合に、前記第１整流回路が有する前記正側整流器および前記負側整流器を順方向に遮断させるべく前記第１整流回路の前記正側制御端子および前記負側制御端子を制御し、前記第２整流回路が有する前記正側整流器および前記負側整流器を順方向に導通状態とするべく前記第２整流回路の前記正側制御端子および前記負側制御端子を制御する請求項３に記載の電源装置。
5. 前記制御回路は、前記第１整流回路に入力される交流電力および前記第２整流回路に入力される交流電力とは非同期に、使用する交流電力を切り替える請求項４に記載の電源装置。
6. 前記複数の整流回路は、互いに異なる交流電源からの交流電力を入力し、
   前記制御回路は、予め定められたスケジュールに基づいて、前記複数の整流回路に入力される複数の交流電力のうち使用する交流電力を切り替える請求項４または５に記載の電源装置。
7. 複数の多相交流電力の各相に対応して、前記正側半導体スイッチ、前記負側半導体スイッチ、および前記複数の整流回路の組を備える請求項２から６のいずれか一項に記載の電源装置。
8. 前記複数の整流回路のそれぞれの前記正側整流器および前記負側整流器は、サイリスタである請求項２から７のいずれか一項に記載の電源装置。
9. 前記制御回路は、前記複数の整流回路のうち使用する交流電力を入力する整流回路について、
   当該交流電力が正電圧をとる期間の少なくとも一部において前記正側整流器を順方向に導通させ、当該交流電力が負電圧をとる期間の少なくとも一部において前記正側整流器を順方向に遮断させるべく前記正側制御端子を制御し、
   当該交流電力が負電圧をとる期間の少なくとも一部において前記負側整流器を順方向に導通させ、当該交流電力が正電圧をとる期間の少なくとも一部において前記負側整流器を順方向に遮断させるべく前記負側制御端子を制御する
   請求項２から８のいずれか一項に記載の電源装置。
10. 前記複数の整流回路と前記正側出力端子との間に接続された正側リアクトルと、
    前記複数の整流回路と前記負側出力端子との間に接続された負側リアクトルと
    を備える請求項１から９のいずれか一項に記載の電源装置。
11. 前記複数の整流回路のそれぞれに対応して設けられ、それぞれの整流回路に対応する交流電源と前記交流入力端子との間に接続された入力側リアクトルを更に備える請求項１から１０のいずれか一項に記載の電源装置。
12. 前記正側出力端子および前記負側出力端子に接続され、直流電力を異なる直流電力または交流電力に変換して前記正側出力端子および前記負側出力端子から出力する変換回路を更に備える請求項１から１１のいずれか一項に記載の電源装置。

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