JP2583121B2 - 直流無停電電源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は蓄電池のエネルギーを有効に活用できると
ともに、回路損失が少なくかつ、低コストで装置信頼度
を向上させることができる直流無停電電源装置に関する
ものである。

「従来の技術」 交換機や伝送装置等の通信機器は直流電力で動作す
る。この直流電力は整流器によって商用交流電力を電圧
の安定した直流電圧に変換して得るのが一般的である。
商用電源が停電した場合や整流器が故障したときでも通
信機器に無瞬断で直流電力を供給する必要がある場合に
は蓄電池を使用することが多い。従来の蓄電池を用いた
直流無停電電源装置を第３図に示す。交流電力を直流電
力に変換する整流器11の一対の出力端子12,13に、停電
や整流器11の故障時にエネルギー源となる蓄電池14の両
端が接続され、蓄電池14の両端にバイパスダイオード15
を介して通信機器などの負荷16が接続される。蓄電池14
の両端にDC-DCコンバータ17の一対の入力端子が接続さ
れ、DC-DCコンバータ17の一対の出力端子はバイパスダ
イオード15の両端に接続される。

整流器11は位相制御形のサイリスタ整流器、パルス幅
制御形の高周波スイッチング整流器などいくつかの種類
があるが、何れも蓄電池14を充電しながらバイパスダイ
オード15を介して負荷16に直流電力を供給する。蓄電池
14の充電電圧は負荷16が必要とする電圧の範囲に設定し
かつ、充電電圧精度は寿命の観点から厳しく抑えられて
おり、一般的には±１％となっている。蓄電池１個当た
りの充電電圧の推奨値は決まっているので、必要な個数
は必然的に決まる。例えば、負荷16の許容上限電圧が53
Vとし、蓄電池１個当たりの充電電圧が2.23Vとすれば、
蓄電池個数は53/2.23から23個となる。

商用交流電源停電時あるいは整流器11が故障して整流
器11の出力がなくなると、直ちに蓄電池14がバイパスダ
イオード15を介して放電し、無瞬断で負荷16に直流電力
を供給する。蓄電池14の電圧は放電とともに低下する。
負荷16の許容下限電圧が43Vとすれば、蓄電池14の１個
当たりの電圧が1.87（＝43/23）Ｖ以下になると、負荷1
6は正常に動作することができなくなる。しかし、蓄電
池14にはエネルギーが残っているので、このエネルギー
を有効に活用するためDC-DCコンバータ17を用いる。DC-
DCコンバータ17の出力電圧は蓄電池14の電圧に加わるよ
うに接続さている。DC-DCコンバータ17は蓄電池14の電
圧が43Vになる前に動作を開始するように設定しておけ
ば、蓄電池14の電圧が43V以下になっても負荷16の電圧
を43V以上に維持することができる。例えば、DC-DCコン
バータ17の最大出力電圧を6Vとすれば、蓄電池14の１個
当たりの電圧は（43-6）/23＝1.61Vまで使用でき、1.87
Vの場合に比較し直流無停電電源装置の保持時間の延長
が可能となる。保持時間を同じとすれば蓄電池容量を削
減できる。

「発明が解決しようとする課題」 しかし、この回路構成では以下のような問題がある。
第１に整流器11の出力電流は常時バイパスダイオード15
を流れるため、バイパスダイオード15で損失が発生する
ことである。バイパスダイオード15の電圧降下を1V、流
れる電流を1000Aとすれば、1000Wの損失となる。このた
め、大きなヒートシンクが必要となり、小形・軽量化の
点で問題である。

第２に、蓄電池、DC-DCコンバータ、バイパスダイオ
ード、負荷を１つのブロックにして増設する場合を考え
る。第４図に示すように整流器を共通にしたブロック１
〜ｎから成る直流無停電電源装置において、ブロック１
の負荷16は他のブロックｎの蓄電池14と並列に接続され
ているから、商用電源停電時、あるいは整流器故障時
に、例えばブロック１のDC-DCコンバータが故障する
と、他のブロックｎのDC-DCコンバータが正常でもブロ
ック１〜ｎの蓄電池電圧が43V以下になるとブロック１
の負荷電圧も43V以下になり、負荷は動作することがで
きなくなる。装置信頼度を向上させるためにはDC-DCコ
ンバータを冗長予備構成とすることが考えられるが、DC
-DCコンバータ台数の増加、故障したDC-DCコンバータを
出力から切り離す選択遮断回路の追加などのために、損
失の増加、コストの増加となり問題が多い。

この発明の目的は蓄電池エネルギーを有効に活用しな
がら、バイパスダイオードでの損失を削除でき、かつ蓄
電池、DC-DCコンバータ、負荷などを１つのブロックに
して増設する場合にはブロック間で電力供給の応援がで
きるようにして、装置信頼度を向上させることが可能な
直流無停電電源装置を提供することにある。

「課題を解決するための手段」 この発明によれば交流電力を直流電力に変換する整流
器の一対の出力端子の一方に蓄電池の一端が接続され、
その蓄電池の両端にDC-DCコンバータの一対の入力端子
が接続され、そのDC-DCコンバータの一対の出力端子の
一方が蓄電池の他端に接続され、他方が整流器の一対の
出力端子の他方に接続される。またDC-DCコンバータの
一対の出力端子間に蓄電池の充放電回路が接続される。
この充放電回路はオン、オフ及びインピーダンスをもつ
状態に制御することができるものである。

「作用」 負荷は整流器の一対の出力端子間に接続され、整流器
の出力が負荷へ供給されるとともに充放電回路を通じて
蓄電池が充電される。停電あるいは整流器が故障した場
合は蓄電池の出力が充放電回路を通じて負荷へ供給され
る。蓄電池の電圧が降下するとDC-DCコンバータが動作
し、その出力と蓄電池の出力との和が負荷へ供給され
る。

「実施例」 第１図にこの発明の実施例を示す。整流器11の一方の
出力端子12に蓄電池14の一端が接続され、蓄電池14の両
端にDC-DCコンバータ17の一対の入力端子が接続され、D
C-DCコンバータ17の一対の出力端子の一方は蓄電池14の
他端に接続され、他方は出力端子13に接続され、DC-DC
コンバータ17の一対の出力端子間に蓄電池14の充放電回
路としてのMOS-FET18のソース・ドレインが接続され
る。整流器11の出力端子12,13間に負荷16が接続され
る。

商用電源と整流器11が正常である場合は、整流器11は
ゲート信号が与えられてオン状態にある充放電用MOS-FE
T18（ドレインからソース）を通して蓄電池14を充電し
ながら負荷16にも直流電力を供給する。蓄電池14の充電
電流は僅かであり充放電用MOS-FET18での損失は問題に
ならない。また、DC-DCコンバータ17の出力端子は短絡
さているがDC-DCコンバータ17は動作していないので問
題ない。

この状態で商用電源が停電、あるいは整流器11が故障
などで停止し直流電圧がなくなると、蓄電池14が直ちに
負荷16と充放電用MOS-FET18（ソースからドレイン）を
通して放電し、無瞬断で負荷16に直流電力を供給する。
充放電用MOS-FET18のゲート信号を取り除いても充放電
用MOS-FET18のボデーダイオードを通して蓄電池14は放
電できるので、負荷16に直流電力を継続して供給でき
る。蓄電池14の電圧は放電とともに低下していく。蓄電
池14の電圧から充放電用MOS-FET18のボデーダイオード
の降下電圧を差し引いた電圧が、負荷16が必要とする電
圧以下になる前にDC-DCコンバータ17を動作させる。DC-
DCコンバータ17が動作を始めるときは、充放電用MOS-FE
T18はオフ状態になっているので問題はない。DC-DCコン
バータ17が動作を始めると、充放電用MOS-FET18のボデ
ーダイオードは逆バイアスとなり、蓄電池14はDC-DCコ
ンバータ17を通して負荷16に直流電力を供給する。負荷
16の電圧は蓄電池14の電圧とDC-DCコンバータ17の出力
電圧の和になる。すなわち、蓄電池14の電圧低下分をΔ
Ｖとし、DC-DCコンバータ17の出力電圧をΔＶとすれ
ば、負荷16の電圧は一定になる。従って、蓄電池14の電
圧が負荷16の許容下限値以下になった場合でも、DC-DC
コンバータ17の出力電圧が加算されるので負荷16は正常
に動作を続けることが可能となる。

蓄電池14の電圧が43V以下になった状態で、商用電源
が回復あるいは、整流器11の故障が修理され整流器11の
出力が正常になった場合、DC-DCコンバータ17の動作を
停止し、充放電用MOS-FET18のゲートに信号を与えてオ
ン（飽和）させると、負荷16の電圧は蓄電池14の電圧と
なるから43V以下となって動作を停止することになる。
このため充放電用MOS-FET18は蓄電池14が充電されて43V
以上になるまで能動領域で動作させ、充放電用MOS-FET1
8の電圧と蓄電池14の電圧の和が43V以下とならないよう
充放電用MOS-FET18を制御する。蓄電池14の電圧が43V以
上になった時点で充放電用MOS-FET18をオン（飽和）さ
せる。つまり充放電用MOS-FET18はオン、オフ及びイン
ピーダンスをもつ状態に制御することができるものであ
る。

つぎに第１図の蓄電池14、DC-DCコンバータ17、負荷1
6、充放電用MOS-FET18を１つのブロックとして増設する
場合を考える。その実施例を第２図に示す。ブロック１
〜ｎの各々は蓄電池、DC-DCコンバータ、負荷、充放電
用MOS-FETで構成されており、各ブロックの蓄電池とDC-
DCコンバータの直列回路及び、負荷は整流器11の出力端
子12,13間に接続されている。整流器11からの電力供給
が停止すると、ブロック１〜ｎは前述の動作を開始す
る。ここでブロック１のDC-DCコンバータが故障して動
作を停止した場合や蓄電池の容量が劣化のため低下して
正常に電力を供給できなくなった場合でも、ブロック１
の負荷16の両端は他のブロックｎの蓄電池14及びDC-DC
コンバータ17の直列回路の両端に接続されているからブ
ロック１以外から電力が供給され、負荷16は正常に動作
を続けることが可能となる。

なお、蓄電池の充放電回路に使用した充放電用MOS-FE
T18の機能は例えばバイポーラトランジスタ、SITなどの
半導体素子とダイオードを組み合わせても同じ機能を得
ることができる。またサイリスタ、GTOなどのスイッチ
素子、あるいは電磁接触器と抵抗、ダイオードを組み合
わせても同じ機能を持たせることができる。

「発明の効果」 以上説明したように、この発明による直流無停電電源
装置はバイパスダイオードに電流が流れないので損失が
少なく、また、蓄電池、DC-DCコンバータ、負荷、充放
電回路から成るブロックを複数増設する場合には、故障
ブロックの負荷に他の健全なブロックから電力を供給で
きるので、信頼性の向上も可能となる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の直流無停電電源装置の実施例を示す
接続図、第２図は第１図で示した直流無停電電源装置を
増設する場合の接続図、第３図は従来の直流無停電電源
装置を示す接続図、第４図は第３図で示した直流無停電
電源装置を増設する場合の接続図である。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】交流電力を直流電力に変換する整流器と、 その整流器の一対の出力端子の一方に一端が接続された
   蓄電池と、 その蓄電池の両端に一対の入力端子が接続され、一対の
   出力端子の一方が上記蓄電池の他端に接続され、他方が
   上記整流器の一対の出力端子の他方に接続されたDC-DC
   コンバータと、 そのDC-DCコンバータの一対の出力端子間に接続され、
   オン、オフ及びインピーダンスをもつ状態に制御するこ
   とができる上記蓄電池の充放電回路と、 を具備する直流無停電電源装置。