JP3553448B2

JP3553448B2 - Power converter

Info

Publication number: JP3553448B2
Application number: JP36378099A
Authority: JP
Inventors: 昇藤崎; 勝己池田
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 1999-12-22
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2019-12-22
Also published as: JP2001178016A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、無停電電源装置等に用いられる、バッテリの充放電を行う電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、例えば「電気学会技術報告第５９６号無停電電源システム（ＵＰＳ）の動向Ｐ．２７」に示された従来の無停電電源装置である。
図において、１は商用電源、２はコンバータ、３はインバータ、４は双方向チョッパ回路、５はバッテリとしての蓄電池、６は負荷、７は直流スイッチ、８は双方向チョッパ回路４、蓄電池５および直流スイッチ７で構成された充放電装置である。
次に動作について説明する。
コンバータ２は、商用電源１から与えられる交流電力を直流電力に変換し、インバータ３に直流電力を供給する。インバータ３は、コンバータ２から与えられる直流電力を交流電力に変換し、負荷６に交流電力を供給する。充放電装置８は、コンバータ２から与えられる直流電力を双方向チョッパ回路４により所定の電圧に降圧し、直流スイッチ７を通して蓄電池５に供給し充電する。
次に商用電源１が停電すると、充放電装置８は、直流スイッチ７を通して蓄電池５から与えられる直流電力を双方向チョッパ回路４により所定の電圧に昇圧し、インバータ３に供給する。インバータ３には、常に直流電力が与えられ負荷６に無停電で電力を供給し続ける。
【０００３】
図９は充放電装置８の詳細を示すもので、蓄電池５とそれより高い電源電圧の直流電源（負荷電源）９との間で、双方向チョッパ４により降圧、昇圧双方の動作を伴って蓄電池５の充放電を行う。
直流電源９は、ここではコンバータ２から与えられ、インバータ３を介して負荷電源となるものである。
図９において、１０ａ、１０ｂは過電流保護用のヒューズ、１１、１２はトランジスタ等によって構成する直流スイッチング素子、１３、１４はダイオード、１５、１６はコンデンサ、１７はリアクトルである。
双方向チョッパ回路４は、トランジスタ１１、ダイオード１４、リアクトル１７で構成される降圧チョッパと、トランジスタ１２、ダイオード１３、リアクトル１７で構成される昇圧チョッパとからなり、降圧、昇圧双方の動作が行える。
【０００４】
次に充放電装置８の動作を示す。
まず、双方向チョッパ回路４の降圧チョッパによる蓄電池５の充電について説明する。
トランジスタ１１がオンの間（オン時間＝ＴAon）、直流電源９によりリアクトル１７に電流を流し、リアクトル１７にエネルギーを蓄積すると共に、蓄電池５に供給し充電する。トランジスタ１１がオフの間（オフ時間＝ＴAoff）、リアクトル１７に蓄積したエネルギーを、ダイオード１４を通して蓄電池５に供給し、蓄電池５を連続して充電する。このように、トランジスタ１１のオン、オフを繰り返すことにより、直流電源９の出力電圧VDを電圧VBへ、変圧比α＝ＴAon／（ＴAon＋ＴAoff）＝VB／VD、（α＜1）にて降圧し、蓄電池５へエネルギーを供給し充電をおこなうことができる。
ここでコンデンサ１６は、蓄電池５への充電電流の脈流を緩和するものである。
【０００５】
次に、双方向チョッパ回路４の昇圧チョッパによる蓄電池５の放電について説明する。
トランジスタ１２がオンの間（オン時間＝ＴBon）、蓄電池５の放電にて与えられる直流電力により、リアクトル１７にエネルギーを蓄積する。トランジスタ１２がオフの間（オフ時間＝ＴBoff）、蓄電池５の放電にて与えられる直流電力と、リアクトル１７に蓄積したエネルギーとを加えて、ダイオード１３を通して直流電源９に供給する。このように、トランジスタ１２のオン、オフを繰り返すことにより、蓄電池５の電圧VBを電圧VDへ、変圧比β＝（ＴBon＋ＴBoff）／ＴBoff＝VD／VB（β＞1）にて昇圧し、蓄電池５からの放電電圧よりも高い出力電圧を得る。
ここでコンデンサ１５は、電圧VDの脈流を緩和するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
無停電電源装置などに用いられて蓄電池の充放電を行う充放電装置は、以上のように構成されている。
通常蓄電池５の充電動作すなわち双方向チョッパ４に降圧動作をさせる場合は、放電動作すなわち昇圧動作をさせる場合に比べ、約１／１０の電流しか通電せず、トランジスタ１１とダイオード１４は、トランジスタ１２とダイオード１３の約１／１０の電流容量しか必要としない。しかし、双方向チョッパ４は通常１パッケージで構成され、トランジスタ１１およびダイオード１４とトランジスタ１２およびダイオード１３とは、同一パッケージ内に納められる。このため、双方とも、昇圧動作時の電流を考慮する必要があり、配線材料、構造部品も同様に昇圧動作の電流を考慮した構成にしなくてはならず、不経済であると共にコンパクト化できないという問題点があった。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、蓄電池の充電動作すなわち降圧動作に寄与する部分と、放電動作すなわち昇圧動作に寄与する部分とを、それぞれの電流容量に適合した電気部品、配線材料、構造部品で構成して不経済性を無くすと共に、装置のコンパクト化を図ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係る電力変換装置は、バッテリと、該バッテリより高電圧の直流電源と、上記バッテリの両極間に入力端子が接続され、上記直流電源の両極間に出力端子が接続された昇圧チョッパ回路と、上記直流電源の両極間に入力端子が接続され、上記バッテリの両極間に出力端子が接続された降圧チョッパ回路とを備えて、上記バッテリの充放電を行うものであって、上記昇圧チョッパ回路動作時に帰路電流が上記降圧チョッパ回路内にバイパスするのを防止するように、上記降圧チョッパ回路の帰路電流経路に逆流防止用のダイオードを設けたものである。
【０００９】
この発明の請求項２に係る電力変換装置は、上記昇圧チョッパ回路の入力端子および上記降圧チョッパ回路の出力端子は、上記バッテリに接続される正負端子間に接続されることで上記バッテリの両極間に接続され、上記正負端子と上記バッテリとの間での開離時に上記昇圧チョッパ回路のリアクトルに蓄積されたエネルギーによって上記正負端子間に過電圧が印加されないように、上記正負端子間に環流用ダイオードを設けたものである。
【００１０】
この発明の請求項３に係る電力変換装置は、上記直流電源の両極間の短絡時に、上記バッテリからの電荷により上記降圧チョッパ回路のスイッチング素子に逆過電圧が印加されないように、上記降圧チョッパ回路内に上記バッテリからの電荷を循環させる環流用ダイオードを上記スイッチング素子と並列に設けたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図を用いて説明する。
図１は、この発明の実施の形態１による電力変換装置を用いた無停電電源装置を示すものであり、この電力変換装置の詳細回路図を図２に示す。
図において、１〜３、５〜７、９および１０ａ、１０ｂは従来と同じもの、２０は昇圧チョッパ１８および降圧チョッパ１９を備えて蓄電池５を充放電する電力変換装置、２１は直流電源９の両極間に設けられたコンデンサである。
また、図において昇圧チョッパ１８に関する機能については８０番台の符号を付し、降圧チョッパ１９に関する機能については９０番台の符号を付している。８１、９１はトランジスタによって構成する直流スイッチング素子、８２、９２、９５はダイオード、８３、９３はリアクトル、９４ａ、９４ｂはコンデンサ、８４、９６は昇圧および降圧チョッパ１８、１９におけるそれぞれの帰路電流経路である。
【００１２】
図２に示すように、昇圧チョッパ１８は入力端子が蓄電池５の両極間に接続され、出力端子が直流電源９の両極間に接続されて蓄電池５の放電を行い、降圧チョッパ１９は入力端子が端子間にコンデンサ９４ａを配して直流電源９の両極間に接続され、出力端子が端子間にコンデンサ９４ｂを配して蓄電池５の両極間に接続されて蓄電池５の充電を行う。また、降圧チョッパ１９の帰路電流経路９６には、ダイオード９５を配し、逆流を防止する。
【００１３】
次に、この電力変換装置２０の動作を説明する。
まず降圧チョッパ１９の動作について説明する。トランジスタ９１がオンの間（オン時間＝ＴAon）、直流電源９から与えられる直流電力により、リアクトル９３にエネルギーを蓄積すると共に、蓄電池５を充電する。トランジスタ９１がオフの間（オフ時間＝ＴAoff）、リアクトル９３に蓄積したエネルギーを、ダイオード９２を通して蓄電池５に供給し連続して充電する。このように、トランジスタ９１のオン、オフを繰り返すことにより、直流電源９の出力電圧VDを電圧VBへ、変圧比α＝ＴAon／（ＴAon＋ＴAoff）＝VB／VD、（α＜1）にて降圧し、蓄電池５へエネルギーを供給し充電をおこなうことができる。ここでコンデンサ９４ｂは、蓄電池５への充電電流の脈流を緩和するもので、コンデンサ９４ａは、降圧チョッパ１９に与えられる入力電圧VDの脈流を緩和するものである。
【００１４】
次に、昇圧チョッパ１８の動作について説明する。
トランジスタ８１がオンの間（オン時間＝ＴBon）、蓄電池５の放電にて与えられる直流電力により、リアクトル８３にエネルギーを蓄積する。トランジスタ８１がオフの間（オフ時間＝ＴBoff）、蓄電池５の放電にて与えられる直流電力に加え、リアクトル８３に蓄積したエネルギーを、ダイオード８２を通して直流電源９に供給する。このように、トランジスタ８１のオン、オフを繰り返すことにより、蓄電池５の電圧VBを電圧VDへ、変圧比β＝（ＴBon＋ＴBoff）／ＴBoff＝VD／VB（β＞1）にて昇圧し、蓄電池５からの放電電圧よりも高い出力電圧を得る。
ここでコンデンサ２１は、出力電圧VDの脈流を緩和するものである。
【００１５】
上記のような昇圧チョッパ１８の動作時において、蓄電池５から直流電源９へ供給する直流電力の帰路電流は、昇圧チョッパ１８の負極側出力端子から負極側入力端子に至る帰路電流経路８４を通る。この帰路電流は、降圧チョッパ１９の負極側出力端子から負極側入力端子に至る降圧チョッパ１９用の帰路電流経路９６を逆流してバイパスしようとするが、この降圧チョッパ１９の帰路電流経路９６には逆流防止用ダイオード９５が備えられているため、降圧チョッパ１９内に上記昇圧チョッパ１８動作時の帰路電流が流れ込むことはない。
【００１６】
通常、蓄電池５の充電動作すなわち降圧チョッパ１９を動作させる場合は、放電動作すなわち昇圧チョッパ１８を動作をさせる場合に比べ、約１／１０の電流しか通電しない。上記のように降圧チョッパ１９の帰路電流経路９６にダイオード９５を備えて、昇圧チョッパ１８動作時の帰路電流が降圧チョッパ１９内を通ることを防止したため、降圧チョッパ１９内には昇圧時の大きな電流が流れることはなく、降圧チョッパ１９の回路は、昇圧チョッパ１８の回路の約１／１０の電流容量で構成可能となる。
このように、降圧チョッパ１９は、蓄電池５の放電動作時の大きな電流を考慮することなく、蓄電池５の充電動作時の小さな電流のみを考慮した電気部品、配線材料、構造部品で構成でき経済的であると共に、コンパクト化できる。降圧チョッパ１９部分をコンパクト化できるため、従来のように、１つのパッケージで構成されたものであっても、それぞれの部品が大きく、全体として大きな双方向チョッパ回路４を用いたものに比べ、電力変換装置２０全体のサイズもコンパクト化できる。また、降圧チョッパ１９は小型の部品のみで構成されるため、パッケージに収納することなく実装基板に実装でき、さらにコンパクト化が図れる。
【００１７】
実施の形態２．
上記実施の形態１による電力変換装置２０は、昇圧チョッパ１８の入力端子および降圧チョッパ１９の出力端子が、蓄電池５の両極間に直列スイッチ７を介して接続されている。蓄電池５の放電動作時すなわち昇圧チョッパ１８の動作時、直流スイッチ７がその操作コイルの異常等により突然開くと、トランジスタ８１のオン、オフ動作によりリアクトル８３に蓄積したエネルギーが、ダイオード８２、コンデンサ２１、ヒューズ１０ｂ、ヒューズ１０ａを通して降圧チョッパ１９の出力端子間に過電圧として印加される。
図３は、この発明の実施の形態２による電力変換装置であり、この実施の形態２では、図に示すように、上記実施の形態１で示した電力変換装置２０において、降圧チョッパ１９の出力端子間に環流用のダイオード９７を設ける。
【００１８】
これにより、上述したように昇圧チョッパ１８の動作時に直流スイッチ７が異常により突然開いても、リアクトル８３に蓄積したエネルギーをダイオード８２、コンデンサ２１、ヒューズ１０ｂ、ダイオード９７、ヒューズ１０ａを通して循環させることにより、降圧チョッパ１９の出力端子間に過電圧が印加されることを防ぎ、降圧チョッパ１９に内蔵する部品の破損を防止することができる。
ここで、ダイオード９７は、リアクトル８３に蓄積したエネルギーを瞬間的に通電できればよく、連続の通電容量を考慮する必要がないので極小容量の定格でよい。
このため、蓄電池５の充電動作時の小さな電流のみを考慮した経済的でコンパクトな構成である降圧チョッパ１９の信頼性をさらに向上できる。
【００１９】
なお、この実施の形態では、直流スイッチ７が異常により突然開くとしたが、蓄電池５と接続される正負端子２２として、昇圧チョッパ１８の入力端子および降圧チョッパ１９の出力端子が該正負端子２２の両極間に接続されている配線上の位置を考えると、蓄電池５と上記正負端子２２との間で、直流スイッチ７に限らず、何らかの要因で開離した場合に、上記と同様の効果を有する。
また、ダイオード９７を降圧チョッパ１９の出力端子間に配置するとしたが、上記正負端子間２２に配置しても良く、この正負端子間２２に過電圧が印加されるのを防ぎ、即ち、降圧チョッパ１９の出力端子間にも過電圧は印加されず、同様の効果を有する。
【００２０】
実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３による電力変換装置を示すもので、降圧チョッパ１９内に、コンデンサ９４ｂに蓄積された電荷を循環させる環流用ダイオード９８をトランジスタ９１と並列に接続して配置する。
通常、降圧チョッパ１９内のトランジスタ９１の両端には、直流電源９の電圧VDと蓄電池５の電圧VBとの差電圧がリアクトル９３を介して順方向に印加されている。ここで直流電源９の両極間に配したコンデンサ２１に短絡故障が発生した場合、蓄電池５側のコンデンサ９４ｂに蓄積された電荷をダイオード９８、短絡故障を発生したコンデンサ２１を通して循環させる。
上記ダイオード９８が設けられていないと、コンデンサ９４ｂに蓄積された電荷は、リアクトル９３、短絡故障を発生したコンデンサ２１を通してトランジスタ９１の両端に逆過電圧として印加されてしまうため、該ダイオード９８の配設により、トランジスタ９１へ逆過電圧が印加することを防ぎ、破損を防止することができる。このため、経済的でコンパクトな構成である降圧チョッパ１９の信頼性をさらに向上できる。
なお、降圧チョッパ１９の入力端子間に配されたコンデンサ９４ａに短絡故障が発生しても同様である。
【００２１】
実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４による電力変換装置を示すもので、直流電源９に接続する降圧チョッパ１９の入力端子を正極側の１端子のみにし、負極側の電位の入力は、出力の配線と共通にして行う。即ち、蓄電池５に接続された出力端子の負極側端子により直流電源９の負極側電位も入力する。
降圧チョッパ１９は、入出力にコンデンサ９４ａ、９４ｂを有し、トランジスタ９１がオン、オフの動作をする時のリップル電流を、このコンデンサ９４a、９４ｂから供給する。降圧チョッパ１９の入出力の配線にはトランジスタ９１のオン、オフの動作によるリップル電流は流れず、蓄電池５を充電するための直流電流しか流れない。そのため、降圧チョッパ１９の入出力の配線では、トランジスタ９１のオン、オフの動作時のリップル電流によるノイズを考慮する必要もなく、降圧チョッパ１９の負極側電位の入力と出力の配線を共通にしても何ら問題はない。
【００２２】
ところで、昇圧チョッパ１８の動作時において、蓄電池５から直流電源９へ供給する直流電力の帰路電流は、昇圧チョッパ１８の負極側出力端子から負極側入力端子に至る帰路電流経路８４を通る。通常、この帰路電流は、上記実施の形態１で述べたように、降圧チョッパ１９の負極側入力端子から負極側出力端子にバイパスしようとするが、この実施の形態では、降圧チョッパ１９の入力端子を正極側の１端子のみにし、負極側の電位の入力を出力の配線と共通にして行っているため、降圧チョッパ１９内に上記帰路電流のバイパス経路はなくなり、昇圧時の大きな電流が降圧チョッパ１９内を流れることはない。
このため、上記実施の形態１と同様に、降圧チョッパ１９は、蓄電池５の放電動作時の大きな電流を考慮することなく経済的でコンパクトに構成でき、電力変換装置２０全体のサイズもコンパクト化できる。さらに、降圧チョッパ１９は実装基板に実装することによりコンパクト化が一層図れる。
【００２３】
なお、この実施の形態では、降圧チョッパ１９内に昇圧チョッパ１８動作時の帰路電流のバイパス経路がないため、上記実施の形態１で示した逆流防止用のダイオード９５を降圧チョッパ１９内に設ける必要はない。
【００２４】
また、この実施の形態では降圧チョッパ１９の入力端子を正極側の１端子のみにしたが、蓄電池５に接続する出力端子の方を正極側の１端子のみにして、入力端子は正負２端子で直流電源９の両極間に接続させても同様の効果を有する。
【００２５】
さらにまた図５に示すように、上記実施の形態２および３を適用できる。即ち、降圧チョッパ１９の出力端子間にダイオード９７を配置すると、昇圧チョッパ１８の動作時に直流スイッチ７が異常により突然開いても、降圧チョッパ１９の出力端子間に過電圧が印加されることが防止でき、上記実施の形態２と同様の効果が得られる。また、コンデンサ９４ｂに蓄積された電荷を循環させる環流用ダイオード９８をトランジスタ９１と並列に接続して配置すると、コンデンサ２１（９４ａ）が短絡故障してもトランジスタ９１へ逆過電圧が印加することを防止でき、上記実施の形態３と同様の効果が得られる。
【００２６】
実施の形態５．
図６はこの発明の実施の形態５による電力変換装置を示すもので、降圧チョッパ１９の出力端子間に配設されたコンデンサ９４ｂが蓄電池５からの電荷で充電されないように、逆流防止用のダイオード９９を蓄電池５とコンデンサ９４ｂとの間に設ける。
昇圧チョッパ１８の動作時において、上記のような逆流防止用のダイオード９９が設けられていない場合、トランジスタ８１がオフの期間、降圧チョッパ１９内のコンデンサ９４ｂは蓄電池５によりエネルギーが蓄積され、トランジスタ８１がオンの期間、コンデンサ９４ｂに蓄積されたエネルギーはヒューズ１０ａ、トランジスタ８１、ヒューズ１０ｂを通してリアクトル８３に供給される。このようにトランジスタ８１がオン、オフを繰り返す昇圧チョッパ１８の動作時において、コンデンサ９４ｂは不要な充電、放電を繰り返すことになる。
【００２７】
このため、上記のように、逆流防止用のダイオード９９を蓄電池５とコンデンサ９４ｂとの間に設けることにより、コンデンサ９４ｂは蓄電池５からのエネルギーの供給がなくなって不要な充電、放電の繰り返しがなくなる。このためコンデンサ９４ｂが劣化により寿命を不要に短くすることがなくなり、降圧チョッパ１９の信頼性が向上する。
【００２８】
なお、この実施の形態５では、上記実施の形態４で示した降圧チョッパ１９にダイオード９９を設けたものを図６で示したが、上記実施の形態１〜３で示した、入出力端子が正負の２端子ずつある降圧チョッパ１９に適用しても良く、同様の効果を有する。
【００２９】
実施の形態６．
図７はこの発明の実施の形態６による電力変換装置を示すもので、上記実施の形態４で示した、入力端子が正極側のみの１端子である降圧チョッパ１９において、降圧チョッパ１９の負極側出力端子を、昇圧チョッパ１８と蓄電池５との間に配された過電流保護用ヒューズ１０ｂの昇圧チョッパ１８側に接続する。
蓄電池５に接続する降圧チョッパ１９の負極側出力端子を、過電流保護用ヒューズ１０ｂの蓄電池５側に接続する場合では、ヒューズ１０ｂが断線した時、蓄電池５、直流スイッチ７、ヒューズ１０ａ、リアクトル８３、ダイオード８２、コンデンサ９４ａのみで構成する閉回路ができてしまう。即ち、昇圧チョッパ１８動作時にヒューズ１０ｂが断線した場合、昇圧チョッパ１８のリアクトル８３に蓄積されたエネルギーにより、降圧チョッパ１９の入力端子に接続されたコンデンサ９４ａに上記閉回路を介して過電圧が印加されることになる。
【００３０】
この実施の形態では、降圧チョッパ１９の負極側出力端子を、昇圧チョッパ１８と蓄電池５との間に配された過電流保護用ヒューズ１０ｂの昇圧チョッパ１８側に接続するため、ヒューズ１０ｂが断線しても上記のような閉回路を構成することなく、降圧チョッパ１９内のコンデンサ９４ａへの過電圧の印加を防ぎ、コンデンサ９４ａの破損を防止することができる。これにより降圧チョッパ１９の信頼性が向上する。
【００３１】
なお、図７に示すように、この実施の形態では上記実施の形態２、３および５で示したダイオード９７、９８、９９を備えても良く、それぞれ上記実施の形態２、３、５で示したものと同様の効果を有する。
【００３２】
【発明の効果】
以上のようにこの発明の請求項１に係る電力変換装置は、昇圧チョッパ回路動作時に帰路電流が降圧チョッパ回路内にバイパスするのを防止するように、上記降圧チョッパ回路の帰路電流経路に逆流防止用のダイオードを設けたため、降圧チョッパ回路は、バッテリの放電動作時の大きな電流を考慮することなく、充電動作時の小さな電流のみを考慮した電気部品、配線材料、構造部品で構成でき経済性が向上すると共に、電力変換装置のコンパクト化が図れる。
【００３３】
またこの発明の請求項２に係る電力変換装置は、上記昇圧チョッパ回路の入力端子および上記降圧チョッパ回路の出力端子は、上記バッテリに接続される正負端子間に接続されることで上記バッテリの両極間に接続され、上記正負端子と上記バッテリとの間での開離時に上記昇圧チョッパ回路のリアクトルに蓄積されたエネルギーによって上記正負端子間に過電圧が印加されないように、上記正負端子間に環流用ダイオードを設けたものであるため、降圧チョッパ回路の出力端子間に過電圧が印加されることを防ぎ、降圧チョッパ回路に内蔵する部品の破損を防止することができ、信頼性が向上する。
【００３４】
またこの発明の請求項３に係る電力変換装置は、上記直流電源の両極間の短絡時に、上記バッテリからの電荷により上記降圧チョッパ回路のスイッチング素子に逆過電圧が印加されないように、上記降圧チョッパ回路内に上記バッテリからの電荷を循環させる環流用ダイオードを上記スイッチング素子と並列に設けたものであるため、上記スイッチング素子への逆過電圧の印加を防いで破損を防止することができ降圧チョッパ回路の信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による電力変換装置を用いた無停電電源装置を示すものである。
【図２】この発明の実施の形態１による電力変換装置を示すものである。
【図３】この発明の実施の形態２による電力変換装置を示すものである。
【図４】この発明の実施の形態３による電力変換装置を示すものである。
【図５】この発明の実施の形態４による電力変換装置を示すものである。
【図６】この発明の実施の形態５による電力変換装置を示すものである。
【図７】この発明の実施の形態６による電力変換装置を示すものである。
【図８】従来の無停電電源装置を示すものである。
【図９】従来の電力変換装置を示すものである。
【符号の説明】
５バッテリとしての蓄電池、９直流電源、１０ａ，１０ｂヒューズ、
１８昇圧チョッパ回路、１９降圧チョッパ回路、２０電力変換装置、
２２正負端子、８３リアクトル、９４ａ，９４ｂコンデンサ、
９１スイッチング素子としてのトランジスタ、９５逆流防止用ダイオード、
９６帰路電流経路、９７，９８環流用ダイオード、
９９逆流防止用ダイオード。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a power converter for charging and discharging a battery, which is used for an uninterruptible power supply and the like.
[0002]
[Prior art]
FIG. 8 shows a conventional uninterruptible power supply device shown in, for example, "Technical Report of the Institute of Electrical Engineers of Japan No. 596, Trend of Uninterruptible Power Supply System (UPS) P.27".
In the figure, 1 is a commercial power supply, 2 is a converter, 3 is an inverter, 4 is a bidirectional chopper circuit, 5 is a storage battery as a battery, 6 is a load, 7 is a DC switch, 8 is a bidirectional chopper circuit 4, a storage battery 5 and This is a charging / discharging device including the DC switch 7.
Next, the operation will be described.
Converter 2 converts AC power supplied from commercial power supply 1 into DC power and supplies DC power to inverter 3. Inverter 3 converts DC power supplied from converter 2 to AC power, and supplies AC power to load 6. The charging / discharging device 8 lowers the DC power supplied from the converter 2 to a predetermined voltage by the bidirectional chopper circuit 4, and supplies and charges the storage battery 5 through the DC switch 7.
Next, when the commercial power supply 1 loses power, the charging / discharging device 8 boosts the DC power supplied from the storage battery 5 through the DC switch 7 to a predetermined voltage by the bidirectional chopper circuit 4 and supplies it to the inverter 3. The DC power is always supplied to the inverter 3 and the power is continuously supplied to the load 6 without interruption.
[0003]
FIG. 9 shows the details of the charging / discharging device 8, in which the bidirectional chopper 4 performs both step-down and step-up operations between the storage battery 5 and a DC power supply (load power supply) 9 having a higher power supply voltage. 5 is performed.
Here, the DC power supply 9 is supplied from the converter 2 and serves as a load power supply via the inverter 3.
In FIG. 9, 10a and 10b are fuses for overcurrent protection, 11 and 12 are DC switching elements constituted by transistors and the like, 13 and 14 are diodes, 15 and 16 are capacitors, and 17 is a reactor.
The bidirectional chopper circuit 4 includes a step-down chopper including a transistor 11, a diode 14, and a reactor 17, and a step-up chopper including a transistor 12, a diode 13, and a reactor 17, and can perform both step-down and step-up operations.
[0004]
Next, the operation of the charging / discharging device 8 will be described.
First, charging of the storage battery 5 by the step-down chopper of the bidirectional chopper circuit 4 will be described.
While the transistor 11 is ON (ON time = TAon), a current is supplied to the reactor 17 by the DC power supply 9 to store energy in the reactor 17 and to supply and charge the storage battery 5. While the transistor 11 is off (off time = TAoff), the energy stored in the reactor 17 is supplied to the storage battery 5 through the diode 14, and the storage battery 5 is continuously charged. As described above, by repeatedly turning on and off the transistor 11, the output voltage VD of the DC power supply 9 is reduced to the voltage VB by the transformation ratio α = TAon / (TAon + TAoff) = VB / VD (α <1). In addition, energy can be supplied to the storage battery 5 to perform charging.
Here, the capacitor 16 reduces the pulsating flow of the charging current to the storage battery 5.
[0005]
Next, discharge of the storage battery 5 by the boost chopper of the bidirectional chopper circuit 4 will be described.
While the transistor 12 is on (ON time = T Bon), energy is stored in the reactor 17 by DC power given by discharging the storage battery 5. While the transistor 12 is off (off time = TBoff), the DC power given by the discharge of the storage battery 5 and the energy stored in the reactor 17 are added to the DC power 9 via the diode 13. As described above, by repeatedly turning on and off the transistor 12, the voltage VB of the storage battery 5 is boosted to the voltage VD at a transformation ratio β = (TBon + TBoff) / TBoff = VD / VB (β> 1). Output voltage higher than the discharge voltage from
Here, the capacitor 15 reduces the pulsating flow of the voltage VD.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The charging / discharging device used for an uninterruptible power supply or the like for charging / discharging a storage battery is configured as described above.
Normally, when the charging operation of the storage battery 5, that is, the bidirectional chopper 4 performs the step-down operation, only about 1/10 of the current flows as compared with the discharging operation, that is, the step-up operation, and the transistor 11 and the diode 14 And only about 1/10 the current capacity of the diode 13 is required. However, the bidirectional chopper 4 is usually formed in one package, and the transistor 11 and the diode 14 and the transistor 12 and the diode 13 are housed in the same package. For this reason, in both cases, it is necessary to consider the current at the time of the boosting operation, and the wiring material and structural components must also be configured in consideration of the current of the boosting operation, which is uneconomical and cannot be made compact. There was a problem.
[0007]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and a part contributing to a charging operation of a storage battery, that is, a step-down operation, and a part contributing to a discharging operation, that is, a step-up operation, are added to respective current capacities. It is an object of the present invention to reduce the uneconomical cost by using suitable electric parts, wiring materials, and structural parts, and to reduce the size of the apparatus.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The power converter according to claim 1 of the present invention has a battery, a DC power supply having a higher voltage than the battery, an input terminal connected between both poles of the battery, and an output terminal connected between both poles of the DC power supply. And a step-down chopper circuit having an input terminal connected between both poles of the DC power supply and an output terminal connected between both poles of the battery, and charging and discharging the battery. A diode for preventing backflow is provided in a return current path of the step-down chopper circuit so as to prevent a return current from bypassing into the step-down chopper circuit when the step-up chopper circuit operates.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, in the power converter, an input terminal of the boost chopper circuit and an output terminal of the step-down chopper circuit are connected between positive and negative terminals connected to the battery, so that the battery is connected between both poles of the battery. And a diode for circulation between the positive and negative terminals so that an overvoltage is not applied between the positive and negative terminals by energy stored in a reactor of the boost chopper circuit when the battery is disconnected between the positive and negative terminals. Is provided.
[0010]
The power converter according to claim 3 of the present invention is arranged such that when a short circuit occurs between the two poles of the DC power supply, reverse overvoltage is not applied to the switching element of the step-down chopper circuit due to electric charge from the battery. A circulation diode for circulating the charge from the battery is provided in parallel with the switching element.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
Hereinafter, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an uninterruptible power supply using a power converter according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 shows a detailed circuit diagram of the power converter.
In the figure, 1-3, 5-7, 9 and 10a, 10b are the same as those of the prior art, 20 is a power conversion device provided with a step-up chopper 18 and a step-down chopper 19 for charging and discharging the storage battery 5, and 21 is a DC power supply 9 This is a capacitor provided between both poles.
In the figure, functions related to the step-up chopper 18 are denoted by reference numerals in the 80's, and functions related to the step-down chopper 19 are denoted by reference numerals in the 90's. 81 and 91 are DC switching elements constituted by transistors, 82, 92 and 95 are diodes, 83 and 93 are reactors, 94a and 94b are capacitors, and 84 and 96 are respective return current paths in the step-up and step-down choppers 18 and 19. is there.
[0012]
As shown in FIG. 2, the step-up chopper 18 has an input terminal connected between both poles of the storage battery 5 and an output terminal connected between both poles of the DC power supply 9 to discharge the storage battery 5, and the step-down chopper 19 has an input terminal. A capacitor 94a is arranged between the terminals and connected between both poles of the DC power supply 9, and an output terminal is arranged between the terminals and connected between both poles of the storage battery 5 to charge the storage battery 5. In addition, a diode 95 is provided in the return current path 96 of the step-down chopper 19 to prevent backflow.
[0013]
Next, the operation of the power converter 20 will be described.
First, the operation of the step-down chopper 19 will be described. While the transistor 91 is on (ON time = TAon), the DC power supplied from the DC power supply 9 stores energy in the reactor 93 and charges the storage battery 5. While the transistor 91 is off (off time = TAoff), the energy stored in the reactor 93 is supplied to the storage battery 5 through the diode 92 and is continuously charged. In this manner, by repeatedly turning on and off the transistor 91, the output voltage VD of the DC power supply 9 is reduced to the voltage VB by the transformation ratio α = TAon / (TAon + TAoff) = VB / VD (α <1). In addition, energy can be supplied to the storage battery 5 to perform charging. Here, the capacitor 94b alleviates the pulsating flow of the charging current to the storage battery 5, and the capacitor 94a alleviates the pulsating flow of the input voltage VD supplied to the step-down chopper 19.
[0014]
Next, the operation of the boost chopper 18 will be described.
While the transistor 81 is on (on time = T Bon), energy is stored in the reactor 83 by DC power given by discharging the storage battery 5. While the transistor 81 is off (off time = TBoff), the energy stored in the reactor 83 is supplied to the DC power supply 9 through the diode 82 in addition to the DC power given by discharging the storage battery 5. In this way, by repeatedly turning on and off the transistor 81, the voltage VB of the storage battery 5 is boosted to the voltage VD at a transformation ratio β = (TBon + TBoff) / TBoff = VD / VB (β> 1). Output voltage higher than the discharge voltage from
Here, the capacitor 21 reduces the pulsating flow of the output voltage VD.
[0015]
During the operation of the boost chopper 18 as described above, the return current of the DC power supplied from the storage battery 5 to the DC power supply 9 passes through the return current path 84 from the negative output terminal of the boost chopper 18 to the negative input terminal. This return current flows backward through the return current path 96 for the step-down chopper 19 from the negative output terminal to the negative input terminal of the step-down chopper 19, so that the return current path 96 of the step-down chopper 19 Since the backflow prevention diode 95 is provided, no return current flows into the step-down chopper 19 when the step-up chopper 18 operates.
[0016]
Normally, when the charging operation of the storage battery 5, that is, when the step-down chopper 19 is operated, only about 1/10 of the current flows as compared with the discharging operation, that is, when the step-up chopper 18 is operated. Since the diode 95 is provided in the return current path 96 of the step-down chopper 19 as described above, the return current during the operation of the step-up chopper 18 is prevented from passing through the step-down chopper 19. Does not flow, and the circuit of the step-down chopper 19 can be configured with about 1/10 of the current capacity of the circuit of the step-up chopper 18.
As described above, the step-down chopper 19 can be constituted by an electric component, a wiring material, and a structural component that takes into account only a small current during the charging operation of the storage battery 5 without considering a large current during the discharging operation of the storage battery 5 and is economical. And can be made compact. Since the step-down chopper 19 can be made compact, even if it is constituted by one package as in the conventional case, each component is large, and the power consumption is larger than that using the large bidirectional chopper circuit 4 as a whole. The size of the entire conversion device 20 can also be reduced. Further, since the step-down chopper 19 is composed of only small components, the step-down chopper 19 can be mounted on a mounting board without being housed in a package, and further downsizing can be achieved.
[0017]
Embodiment 2 FIG.
In the power converter 20 according to the first embodiment, the input terminal of the step-up chopper 18 and the output terminal of the step-down chopper 19 are connected between both poles of the storage battery 5 via the series switch 7. When the DC switch 7 is suddenly opened due to an abnormality in the operation coil or the like of the storage battery 5 during the discharging operation of the storage battery 5, that is, the operation of the step-up chopper 18, the energy stored in the reactor 83 due to the on / off operation of the transistor 81 is transferred to the diode 82 and the capacitor 21. Is applied as an overvoltage between the output terminals of the step-down chopper 19 through the fuse 10b and the fuse 10a.
FIG. 3 shows a power converter according to a second embodiment of the present invention. In the second embodiment, as shown in the figure, the output of the step-down chopper 19 in the power converter 20 shown in the first embodiment is shown. A reflux diode 97 is provided between the terminals.
[0018]
Thus, even if the DC switch 7 is suddenly opened due to an abnormality during the operation of the boost chopper 18 as described above, the energy accumulated in the reactor 83 is circulated through the diode 82, the capacitor 21, the fuse 10b, the diode 97, and the fuse 10a. In addition, it is possible to prevent an overvoltage from being applied between the output terminals of the step-down chopper 19 and to prevent breakage of components built in the step-down chopper 19.
Here, the diode 97 only needs to be able to instantaneously supply the energy stored in the reactor 83, and it is not necessary to consider the continuous conduction capacity, so that the rating of the minimum capacity is sufficient.
For this reason, the reliability of the step-down chopper 19 having an economical and compact configuration considering only a small current during the charging operation of the storage battery 5 can be further improved.
[0019]
In this embodiment, the DC switch 7 is suddenly opened due to an abnormality. However, as the positive and negative terminals 22 connected to the storage battery 5, the input terminal of the step-up chopper 18 and the output terminal of the step-down chopper 19 are connected to the positive and negative terminals 22. Considering the position on the wiring connected between the two poles, the same effect as described above can be obtained when the battery 5 and the positive / negative terminal 22 are separated not only by the DC switch 7 but also by some factor. .
Although the diode 97 is arranged between the output terminals of the step-down chopper 19, the diode 97 may be arranged between the positive and negative terminals 22 to prevent an overvoltage from being applied to the positive and negative terminals 22. No overvoltage is applied between the output terminals, and the same effect is obtained.
[0020]
Embodiment 3 FIG.
FIG. 4 shows a power converter according to a third embodiment of the present invention. In a step-down chopper 19, a circulating diode 98 for circulating the charge stored in a capacitor 94b is arranged in parallel with a transistor 91. .
Normally, a voltage difference between the voltage VD of the DC power supply 9 and the voltage VB of the storage battery 5 is applied to both ends of the transistor 91 in the step-down chopper 19 via the reactor 93 in the forward direction. If a short-circuit fault occurs in the capacitor 21 disposed between the two poles of the DC power supply 9, the electric charge stored in the capacitor 94b of the storage battery 5 is circulated through the diode 98 and the capacitor 21 in which the short-circuit fault has occurred.
If the diode 98 is not provided, the electric charge accumulated in the capacitor 94b is applied as a reverse overvoltage to both ends of the transistor 91 through the reactor 93 and the capacitor 21 having the short-circuit fault. Accordingly, application of a reverse overvoltage to the transistor 91 can be prevented, and breakage can be prevented. Therefore, the reliability of the step-down chopper 19 having an economical and compact configuration can be further improved.
The same is true even if a short circuit fault occurs in the capacitor 94a disposed between the input terminals of the step-down chopper 19.
[0021]
Embodiment 4 FIG.
FIG. 5 shows a power converter according to a fourth embodiment of the present invention, in which the input terminal of the step-down chopper 19 connected to the DC power supply 9 has only one terminal on the positive side, and the input of the potential on the negative side is the output of the output. Performed in common with wiring. That is, the negative potential of the DC power supply 9 is also input through the negative terminal of the output terminal connected to the storage battery 5.
The step-down chopper 19 has capacitors 94a and 94b at the input and output, and supplies a ripple current when the transistor 91 turns on and off from the capacitors 94a and 94b. No ripple current due to the on / off operation of the transistor 91 flows through the input / output wiring of the step-down chopper 19, and only a DC current for charging the storage battery 5 flows. Therefore, in the input / output wiring of the step-down chopper 19, there is no need to consider the noise due to the ripple current at the time of the on / off operation of the transistor 91, and the input and output wiring of the negative side potential of the step-down chopper 19 is shared. There is no problem at all.
[0022]
When the boost chopper 18 operates, the return current of the DC power supplied from the storage battery 5 to the DC power supply 9 passes through the return current path 84 from the negative output terminal of the boost chopper 18 to the negative input terminal. Usually, as described in the first embodiment, the return current tries to bypass the negative input terminal of the step-down chopper 19 to the negative output terminal. In this embodiment, however, the input terminal of the step-down chopper 19 is Has only one terminal on the positive side and the input of the potential on the negative side is made common to the output wiring, so that there is no bypass path for the return current in the step-down chopper 19, and a large current at the time of step-up is reduced by the step-down chopper. It does not flow through 19.
Therefore, as in the first embodiment, the step-down chopper 19 can be economically and compactly configured without considering a large current at the time of the discharging operation of the storage battery 5, and the size of the entire power converter 20 can be reduced. . Further, the step-down chopper 19 can be further compacted by being mounted on a mounting board.
[0023]
In this embodiment, since there is no bypass path for the return current at the time of operation of the step-up chopper 18 in the step-down chopper 19, it is necessary to provide the diode 95 for backflow prevention shown in the first embodiment in the step-down chopper 19. There is no.
[0024]
Further, in this embodiment, the input terminal of the step-down chopper 19 is only one terminal on the positive side, but the output terminal connected to the storage battery 5 is only one terminal on the positive side, and the input terminal is two terminals of positive and negative. The same effect can be obtained by connecting between the two poles of the DC power supply 9.
[0025]
Further, as shown in FIG. 5, the second and third embodiments can be applied. That is, when the diode 97 is arranged between the output terminals of the step-down chopper 19, even if the DC switch 7 is suddenly opened due to an abnormality during the operation of the step-up chopper 18, an overvoltage can be prevented from being applied between the output terminals of the step-down chopper 19. The same effects as those of the second embodiment can be obtained. In addition, when a circulating diode 98 for circulating the charge accumulated in the capacitor 94b is connected in parallel with the transistor 91, a reverse overvoltage is prevented from being applied to the transistor 91 even if the capacitor 21 (94a) is short-circuited. Thus, the same effect as in the third embodiment can be obtained.
[0026]
Embodiment 5 FIG.
FIG. 6 shows a power converter according to a fifth embodiment of the present invention. A diode for backflow prevention is provided so that a capacitor 94b provided between output terminals of a step-down chopper 19 is not charged with electric charge from a storage battery 5. 99 is provided between the storage battery 5 and the capacitor 94b.
In the operation of the boost chopper 18, when the diode 99 for preventing backflow as described above is not provided, the energy of the capacitor 94 b in the step-down chopper 19 is accumulated by the storage battery 5 while the transistor 81 is off, and the transistor 81 Is ON, the energy stored in the capacitor 94b is supplied to the reactor 83 through the fuse 10a, the transistor 81, and the fuse 10b. Thus, during the operation of the boost chopper 18 in which the transistor 81 is repeatedly turned on and off, the capacitor 94b repeats unnecessary charging and discharging.
[0027]
For this reason, by providing the diode 99 for backflow prevention between the storage battery 5 and the capacitor 94b as described above, the capacitor 94b does not supply energy from the storage battery 5 and does not needlessly repeat charging and discharging. . Therefore, the life of the capacitor 94b is not unnecessarily shortened due to deterioration, and the reliability of the step-down chopper 19 is improved.
[0028]
In the fifth embodiment, the step-down chopper 19 shown in the fourth embodiment in which the diode 99 is provided is shown in FIG. 6, but the input / output terminals shown in the first to third embodiments are not used. The present invention may be applied to the step-down chopper 19 having two positive and negative terminals, and has the same effect.
[0029]
Embodiment 6 FIG.
FIG. 7 shows a power converter according to a sixth embodiment of the present invention. In the step-down chopper 19 shown in the fourth embodiment, in which the input terminal is one terminal having only the positive electrode side, the negative side of the step-down chopper 19 is shown. The output terminal is connected to the boost chopper 18 side of the overcurrent protection fuse 10b disposed between the boost chopper 18 and the storage battery 5.
When the negative output terminal of the step-down chopper 19 connected to the storage battery 5 is connected to the storage battery 5 side of the overcurrent protection fuse 10b, when the fuse 10b is disconnected, the storage battery 5, the DC switch 7, the fuse 10a, the reactor 83 , A diode 82 and a capacitor 94a, thereby forming a closed circuit. That is, when the fuse 10b is blown during the operation of the boost chopper 18, an overvoltage is applied to the capacitor 94a connected to the input terminal of the step-down chopper 19 via the closed circuit by the energy accumulated in the reactor 83 of the boost chopper 18. Will be.
[0030]
In this embodiment, the negative output terminal of the step-down chopper 19 is connected to the side of the step-up chopper 18 of the overcurrent protection fuse 10b disposed between the step-up chopper 18 and the storage battery 5, so that the fuse 10b is disconnected. Even without forming a closed circuit as described above, application of overvoltage to the capacitor 94a in the step-down chopper 19 can be prevented, and damage to the capacitor 94a can be prevented. Thereby, the reliability of the step-down chopper 19 is improved.
[0031]
As shown in FIG. 7, this embodiment may include the diodes 97, 98, and 99 shown in the second, third, and fifth embodiments. It has the same effect as the above.
[0032]
【The invention's effect】
As described above, the power converter according to claim 1 of the present invention prevents backflow in the return current path of the step-down chopper circuit so as to prevent return current from bypassing into the step-down chopper circuit when the step-up chopper circuit operates. The step-down chopper circuit can be composed of electrical components, wiring materials, and structural components that consider only the small current during the charging operation without considering the large current during the discharging operation of the battery. As a result, the power converter can be made more compact.
[0033]
In the power converter according to a second aspect of the present invention, the input terminal of the step-up chopper circuit and the output terminal of the step-down chopper circuit are connected between a positive terminal and a negative terminal connected to the battery, so that both electrodes of the battery are connected. Between the positive and negative terminals so that an overvoltage is not applied between the positive and negative terminals by the energy stored in the reactor of the boost chopper circuit at the time of disconnection between the positive and negative terminals and the battery. Since the diode is provided, it is possible to prevent an overvoltage from being applied between the output terminals of the step-down chopper circuit, to prevent damage to components incorporated in the step-down chopper circuit, and to improve reliability.
[0034]
The power converter according to claim 3 of the present invention is arranged such that, when a short circuit occurs between the two poles of the DC power supply, a reverse overvoltage is not applied to a switching element of the step-down chopper circuit by a charge from the battery. Since a circulating diode for circulating the charge from the battery is provided in parallel with the switching element, it is possible to prevent a reverse overvoltage from being applied to the switching element and to prevent the switching element from being damaged. Reliability is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows an uninterruptible power supply using a power converter according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 shows a power converter according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 3 shows a power converter according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 shows a power converter according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows a power converter according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 shows a power converter according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 shows a power converter according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8 shows a conventional uninterruptible power supply.
FIG. 9 shows a conventional power converter.
[Explanation of symbols]
5 Storage battery as battery, 9 DC power supply, 10a, 10b fuse,
18 step-up chopper circuit, 19 step-down chopper circuit, 20 power converter,
22 positive and negative terminals, 83 reactors, 94a, 94b capacitors,
91 Transistor as switching element, 95 Backflow prevention diode,
96 return current path, 97,98 freewheeling diode,
99 Backflow prevention diode.

Claims

A battery, a DC power supply with a higher voltage than the battery, a boost chopper circuit having an input terminal connected between both poles of the battery, and an output terminal connected between both poles of the DC power supply, and a pole between the DC power supply. A step-down chopper circuit having an input terminal connected thereto and an output terminal connected between both poles of the battery, wherein the step-down chopper circuit operates to return the return current when the step-up chopper circuit operates. A power converter, wherein a diode for backflow prevention is provided in a return current path of the step-down chopper circuit so as to prevent bypass in the circuit.

The input terminal of the step-up chopper circuit and the output terminal of the step-down chopper circuit are connected between the positive and negative terminals connected to the battery, thereby being connected between both poles of the battery, and connected between the positive and negative terminals and the battery. 2. A circulating diode is provided between the positive and negative terminals so that an overvoltage is not applied between the positive and negative terminals due to energy stored in a reactor of the boost chopper circuit at the time of disconnection in the step (c). Power converter.

At the time of short-circuiting between the two poles of the DC power supply, a freewheeling diode that circulates the charge from the battery in the step-down chopper circuit so that the reverse overvoltage is not applied to the switching element of the step-down chopper circuit due to the charge from the battery. The power converter according to claim 1, wherein the power converter is provided in parallel with the switching element.