JP3680563B2 - Half-bridge converter backup circuit - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、直流電力を出力するハーフブリッジコンバータへ入力する単相交流電力が停電しても、バックアップするバッテリーが前記の直流電力を供給できるハーフブリッジコンバータのバックアップ回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
図3はハーフブリッジコンバータの交流電源が停電した場合のバックアップの従来例を示した回路図である。この従来例回路で、半導体スイッチ素子としての絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(以下ではIGBTと略記する)とダイオードとを逆並列接続した第1スイッチング回路4と、この第1スイッチング回路4と同じ構成の第2スイッチング回路5とを直列に接続して第1直列回路を構成し、第1コンデンサ6と第2コンデンサ7とを直列に接続して第2直列回路を構成し、これら第1直列回路と第2直列回路とを並列に接続してハーフブリッジコンバータ10を構成する。単相交流電源1とこのハーフブリッジコンバータ10との間にはフィルタ回路が挿入されているが、このフィルタ回路はフィルタコンデンサ2と交流リアクトルとしてのフィルタリアクトル3とでなる。ハーフブリッジコンバータ10を構成する第1スイッチング回路4と第2スイッチング回路5とをオン・オフ動作させることにより、前記単相交流電源1からの交流電力は直流電力に変換されて正極端子8と負極端子9から出力する。
【0003】
正極端子8と負極端子9との間に接続する負荷(図示せず)が極めて短時間の停電でも重大な支障を来す恐れがある場合(例えばコンピュータや電子回路など)には、単相交流電源1の停電をバックアップするために、バッテリー21と、このバッテリー21からの直流電力を昇圧する昇圧チョッパ20とでなるバックアップ回路を備える。一般に負荷電圧はバッテリー電圧よりも高いことが多いから昇圧チョッパを使用するが、負荷電圧のほうが低いときは降圧チョッパとなる。この昇圧チョッパ20の出力側は前記第2直列回路の両端に接続する。
【0004】
昇圧チョッパ20は直流リアクトル22,IGBTとダイオードとの逆並列接続でなるチョッパスイッチ回路23,および第1阻止ダイオード24で構成しており、その昇圧動作は次の通りである。すなわち、先ずチョッパスイッチ回路23をオンにして直流リアクトル22にエネルギーを蓄え、次いでこれをオフにすることで直流リアクトル22に蓄えたエネルギーを負荷へ放出するのであるが、チョッパスイッチ回路23のオン時間とオフ時間の比率を適切に調節することで、バッテリー21の電圧を所望値に昇圧できるのは周知である。よって単相交流電源1の電圧が所定値以下に低下(または停電)したことを図示していない不足電圧検出器が検出すれば、直ちに昇圧チョッパ20が動作を開始し、単相交流電源1に代わってバッテリー21が負荷へ直流電力を供給する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
バックアップ用電源として使用するバッテリー21は高価であり、重量も大である。それ故、このバッテリー21はできるだけその容量を低減し、且つ直列数も減らすことで小形・軽量化を図ることが望ましい。ところでバッテリーの直列数を減らせばその出力電圧が低くなるから、昇圧チョッパ20の昇圧比を大にしなければならない。そのためにチョッパスイッチ回路23には高耐圧の半導体スイッチ素子を使用することになるが、高耐圧素子の損失は低耐圧素子の損失よりも大であるから、装置の効率を低下させる不具合があるし、この損失の増加分だけバッテリー21の容量を増大させなければならないから、装置が大形化し且つ高価になる不都合もある。
【0006】
更に、昇圧チョッパ20の昇圧比が大になると停電検出から昇圧チョッパ20が動作を開始して負荷へ直流電力を供給するまでの時間が長くなるので、負荷への電力が中断しないように、ハーフブリッジコンバータ10を構成する第1コンデンサ6と第2コンデンサ7の容量を大きくしなければならないから、これにより装置はより一層大形化すると共に、価格も上昇してしまう不都合がある。
【0007】
そこでこの発明は、ハーフブリッジコンバータを構成するコンデンサの容量を増大させずに、バックアップ運転時の装置効率を向上させることにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、この発明のハーフブリッジコンバータのバックアップ回路は、
2組のスイッチング回路を直列接続した第1直列回路と2つのコンデンサを直列接続した第2直列回路とを並列接続し、単相交流電源とこの並列接続との間に交流リアクトルを挿入しているハーフブリッジコンバータの前記第2直列回路の一方のコンデンサの両端にバックアップ用バッテリーからの直流電力を昇圧して供給する昇圧チョッパの出力側を接続し、前記単相交流電源が停電すれば、前記交流リアクトルと前記単相交流電源との間に挿入した第1スイッチをオフとし、前記交流リアクトルの単相交流電源側端子と前記第2直列回路のコンデンサ同士の結合点とを第2スイッチで短絡し、前記昇圧チョッパを動作させると共に、前記第1直列回路の一方のスイッチング回路をオン・オフ動作させるものとする。
【0009】
または、2組のスイッチング回路を直列接続した第1直列回路と2つのコンデンサを直列接続した第2直列回路前記とを並列接続し、単相交流電源とこの並列接続との間に交流リアクトルを挿入しているハーフブリッジコンバータの前記第2直列回路の一方のコンデンサの両端にバックアップ用バッテリーからの直流電力を昇圧して供給する昇圧チョッパの出力側を接続し、この昇圧チョッパを構成する直流リアクトルと磁気的に結合している第2リアクトルを前記第2直列回路の他方のコンデンサの両端に阻止ダイオードを介して接続し、前記単相交流電源が停電すれば、前記交流リアクトルと前記単相交流電源との間に挿入した第1スイッチをオフとし、前記交流リアクトルの単相交流電源側端子と前記第2直列回路のコンデンサ同士の結合点とを第2スイッチで短絡し、前記昇圧チョッパを動作させると共に、前記第1直列回路の一方のスイッチング回路をオン・オフ動作させるものとする。
【0010】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の第1実施例を表した回路図であるが、図1の第1実施例回路に図示の単相交流電源1,フィルタコンデンサ2,交流リアクトルとしてのフィルタリアクトル3,正極端子8,負極端子9,ハーフブリッジコンバータ10とその構成要素,昇圧チョッパ20とその構成要素,およびバッテリー21の名称・用途・機能は、図3で既述の従来例回路の場合と同じであるから、これらの説明は省略する。
【0011】
この第1実施例回路では、単相交流電源1とハーフブリッジコンバータ10との間に第1スイッチ31を挿入し、フィルタリアクトル3の電源側と第2直列回路の中間点とを短絡する第2スイッチ32とが新たに設置されると共に、昇圧チョッパ20の出力側を第2コンデンサ7の両端(従来は第2直列回路の両端)に接続している。
【0012】
平常時,すなわち単相交流電源1が負荷へ電力を供給しているときは、第1スイッチ31はオンで第2スイッチ32はオフであるが、単相交流電源1の電圧が所定値以下に低下(または停電)した場合は、第1スイッチ31を開路させて単相交流電源1をハーフブリッジコンバータ10から切り離すと共に、第2スイッチ32を閉路させる。これと同時にチョッパスイッチ回路23にオン・オフ動作を開始させることにより、昇圧チョッパ20はバッテリー21からの直流電力を昇圧して第2コンデンサ7へ供給する。ここで第2コンデンサ7は負荷電圧の半分の電圧を分担しているから、昇圧チョッパ20の昇圧比は従来の半分で良いことになる。
【0013】
昇圧チョッパ20の動作開始と同時に第2スイッチング回路5にもオン・オフ動作を開始させる。この第2スイッチング回路5をオンにすると、第2コンデンサ7を電源にして、「第2コンデンサ7の正極側→第2スイッチ32→第2スイッチング回路5→第2コンデンサ7の負極側」の経路で電流が流れてフィルタリアクトル3にエネルギーを蓄える。次いでこの第2スイッチング回路5をオフにすると、「フィルタリアクトル3→第1スイッチング回路4→第1コンデンサ6→第2スイッチ32→フィルタリアクトル3」の経路で電流が流れて第1コンデンサ6を充電する。すなわち第2スイッチング回路5のオン・オフ動作により、第2コンデンサ7に蓄えられたエネルギー(このエネルギーは前述したように昇圧チョッパ20が供給する)が第1コンデンサ6へ移動する。かくして正極端子8と負極端子9との間には、従来と同じ直流電圧が現れる。
【0014】
図2は本発明の第2実施例を表した回路図であるが、この第2実施例回路では2巻線リアクトル41を昇圧チョッパ40の構成要素にして、この昇圧チョッパ40の第2巻線43と第2阻止ダイオード44とを備えているところが、前述した図1の第1実施例回路と異なっている。
すなわちこの第2実施例では、昇圧チョッパ40は直流リアクトルとしての第1巻線42と第2リアクトルとしての第2巻線43とを備えた2巻線リアクトル41、チョッパスイッチ回路23,第1阻止ダイオード24,および第2阻止ダイオード44とで構成している。ここで第1巻線42と第2巻線43とは磁気的に結合されており、この第2巻線43には第2阻止ダイオード44が直列に接続されており、この直列回路を他方のコンデンサとしての第1コンデンサ6に接続する。
【0015】
前述した図1の第1実施例回路では、単相交流電源1の停電とともに昇圧チョッパ20は直ちに動作を開始して第2コンデンサ7を充電するが、第1スイッチ31と第2スイッチ32とが切り替えを完了するまでは、ハーフブリッジコンバータ10をチョッパ動作をさせることはできない。従って第1コンデンサ6の充電は第2コンデンサ7よりも遅れることになる。そこで第2巻線43と第2阻止ダイオード44の直列回路を第2コンデンサ7に接続すれば、昇圧チョッパ40が動作を開始したときに第1巻線42と第2巻線43との巻数比に対応した電圧で第2コンデンサ7が直ちに充電されるので、第2直列回路を構成しているこれら第1コンデンサ6と第2コンデンサ7は、その静電容量を大きくする必要が無くなる。
【0016】
【発明の効果】
単相交流電源に接続して負荷へ直流電力を供給するハーフブリッジコンバータにバッテリーと昇圧チョッパとを付加することで、単相交流電源の停電をバックアップすることができる。しかし一般に昇圧チョッパの昇圧比は大であることが多いので当該昇圧チョッパの損失が大きくなるから、装置の効率を低下させ且つパックアップ用バッテリーの容量も大きくしなければならない不都合があった。本発明では、単相交流電源とハーフブリッジコンバータとの間を切り離す第1スイッチと、このハーフブリッジコンバータの入力側をフィルタリアクトルを介して短絡する第2スイッチとを設け、単相交流電源の停電時には昇圧チョッパがハーフブリッジコンバータを構成する第2直列回路の一方のコンデンサ充電し、当該ハーフブリッジコンバータがチョッパ動作して第2直列回路の他方のコンデンサを充電する。このような構成にすることで、昇圧チョッパの昇圧比を従来の半分に低減できるので、高耐圧半導体スイッチ素子が不要になることで損失を低減できる。その結果、装置全体の効率を向上させることができるし、損失が低下する分だけバッテリー容量を低減できるので、装置の小形・軽量化と価格を低減できる効果が得られる。
【0017】
更に、昇圧チョッパ用の直流リアクトルに2巻線リアクトルを使用して、ハーフブリッジコンバータがチョッパ動作を開始するまでの遅れ時間をカバーできるようにすることで、第2直列回路を構成する各コンデンサの静電容量を低減できるので、これによりより一層装置の小形・軽量化と価格を低減できる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を表した回路図
【図2】本発明の第2実施例を表した回路図
【図3】ハーフブリッジコンバータの交流電源が停電した場合のバックアップの従来例を示した回路図
【符号の説明】
1 単相交流電源
2 フィルタコンデンサ
3 交流リアクトルとしてのフィルタリアクトル
4 第1スイッチング回路
5 第2スイッチング回路
6 第1コンデンサ
7 第2コンデンサ
10 ハーフブリッジコンバータ
20,40 昇圧チョッパ
21 バッテリー
22 直流リアクトル
23 チョッパスイッチ回路
24 第1阻止ダイオード
31 第1スイッチ
32 第2スイッチ
41 2巻線リアクトル
42 直流リアクトルとしての第1巻線
43 第2リアクトルとしての第2巻線
44 第2阻止ダイオード[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a backup circuit for a half-bridge converter in which a backup battery can supply the DC power even when a single-phase AC power input to a half-bridge converter that outputs DC power fails.
[0002]
[Prior art]
FIG. 3 is a circuit diagram showing a conventional example of backup when the AC power supply of the half-bridge converter fails. In this conventional circuit, a first switching circuit 4 in which an insulated gate bipolar transistor (hereinafter abbreviated as IGBT) as a semiconductor switching element and a diode are connected in antiparallel, and a second switching circuit having the same configuration as the first switching circuit 4 is provided. The
[0003]
When the load (not shown) connected between the
[0004]
The step-
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The
[0006]
Furthermore, when the boosting ratio of the
[0007]
Therefore, the present invention is to improve the apparatus efficiency during the backup operation without increasing the capacity of the capacitor constituting the half-bridge converter.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the backup circuit of the half-bridge converter of the present invention includes:
Two pairs of the second series circuit of the first series circuit and two capacitors switching circuit connected in series are connected in series and parallel connection, are inserted AC reactor between the single-phase AC power source and the parallel connection If the output side of a boost chopper that boosts and supplies DC power from a backup battery is connected to both ends of one capacitor of the second series circuit of the half-bridge converter and the single-phase AC power supply fails, the AC The first switch inserted between the reactor and the single-phase AC power supply is turned off, and the single-phase AC power supply side terminal of the AC reactor and the connection point between the capacitors of the second series circuit are short-circuited by the second switch. The boost chopper is operated, and one switching circuit of the first series circuit is turned on / off.
[0009]
Or, two sets of the second series circuit wherein the first series circuit and the two capacitors are connected in series to the switching circuit connected in series are connected in parallel, insert the AC reactor between the single-phase AC power source and the parallel connection An output side of a step-up chopper that boosts and supplies DC power from a backup battery to both ends of one capacitor of the second series circuit of the half-bridge converter, and a DC reactor that constitutes the step-up chopper; When the second reactor that is magnetically coupled is connected to both ends of the other capacitor of the second series circuit via a blocking diode, and the single-phase AC power supply fails, the AC reactor and the single-phase AC power supply Between the single-phase AC power supply side terminal of the AC reactor and the capacitors of the second series circuit. And short-circuiting the consent second switch, wherein with operating a step-up chopper, shall be one on-off operation of the switching circuit of the first series circuit.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of the present invention. A single-phase
[0011]
In the circuit of the first embodiment, the
[0012]
During normal operation, that is, when the single-phase
[0013]
Simultaneously with the start of the operation of the step-up
[0014]
FIG. 2 is a circuit diagram showing a second embodiment of the present invention. In the circuit of the second embodiment, a two-winding
That is, in this second embodiment, the step-up chopper 40 includes a two-winding
[0015]
In the circuit of the first embodiment shown in FIG. 1 described above, the step-up
[0016]
【The invention's effect】
By adding a battery and a step-up chopper to a half-bridge converter that is connected to a single-phase AC power source and supplies DC power to a load, a power failure of the single-phase AC power source can be backed up. However, since the boosting chopper generally has a large boosting ratio, the loss of the boosting chopper is large, and there is a disadvantage that the efficiency of the apparatus must be reduced and the capacity of the backup battery must be increased. In the present invention, a first switch that disconnects the single-phase AC power supply and the half-bridge converter and a second switch that short-circuits the input side of the half-bridge converter via a filter reactor are provided, and a power failure of the single-phase AC power supply is provided. Sometimes the boost chopper charges one capacitor of the second series circuit that constitutes the half-bridge converter, and the half-bridge converter operates as a chopper to charge the other capacitor of the second series circuit. With such a configuration, the step-up ratio of the step-up chopper can be reduced to half that of the prior art, so that the loss can be reduced by eliminating the need for a high voltage semiconductor switch element. As a result, the efficiency of the entire apparatus can be improved, and the battery capacity can be reduced by the amount of loss, so that the effect of reducing the size and weight of the apparatus and reducing the price can be obtained.
[0017]
Furthermore, by using a two-winding reactor as the DC reactor for the boost chopper so that the delay time until the half-bridge converter starts the chopper operation can be covered, each capacitor constituting the second series circuit can be covered. Since the capacitance can be reduced, the effect of further reducing the size and weight of the device and reducing the price can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a circuit diagram showing a second embodiment of the present invention. Circuit diagram showing an example [Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (2)
バックアップ用バッテリーと、前記第2直列回路の一方のコンデンサの両端に接続され、前記バックアップ用バッテリーからの直流電力を前記一方のコンデンサへ昇圧して供給する昇圧チョッパと、前記交流リアクトルと前記単相交流電源との間に挿入した第1スイッチと、前記交流リアクトルの単相交流電源側端子と前記第2直列回路のコンデンサ同士の結合点とを短絡する第2スイッチとを備え、前記単相交流電源の停電時に前記第1スイッチを開路し、前記第2スイッチを閉路し、前記昇圧チョッパを作動させ、前記第1直列回路の一方のスイッチング素子をオン・オフ動作させ、前記並列接続点から直流電力を取り出すことを特徴とするハーフブリッジコンバータのバックアップ回路。Connecting one terminal of a single-phase AC power source through an AC reactor to a coupling point between the switching circuits of the first series circuit in which two sets of switching circuits composed of semiconductor switching elements and diodes connected in reverse parallel are connected in series; The other terminal of the single-phase AC power supply is connected to a connection point between the capacitors of a second series circuit in which two capacitors are connected in series, and the first series circuit and the second series circuit are connected in parallel. In the half-bridge converter configured to extract DC power from the connection point,
Wherein a backup battery, which is connected to both ends of one of the capacitors of the second series circuit, a step-up chopper and supplying the boosted DC power from the backup battery Previous Stories hand of the capacitor, the AC reactor and A first switch inserted between a single-phase AC power source and a second switch for short-circuiting a single-phase AC power source side terminal of the AC reactor and a coupling point between the capacitors of the second series circuit. When the phase AC power supply fails, the first switch is opened, the second switch is closed, the step-up chopper is operated, one switching element of the first series circuit is turned on / off, and the parallel connection point A backup circuit for a half-bridge converter, wherein DC power is taken out of the circuit.
バックアップ用バッテリーと、前記第2直列回路の一方のコンデンサの両端に接続され、前記バックアップ用バッテリーからの直流電力を前記一方のコンデンサへ昇圧して供給する昇圧チョッパと、この昇圧チョッパを構成する直流リアクトルと磁気的に結合して前記第2直列回路の他方のコンデンサに接続されている第2リアクトルと、この第2リアクトルと前記他方のコンデンサとの間に直列に挿入された阻止ダイオードと、前記交流リアクトルと前記単相交流電源との間に挿入した第1スイッチと、前記交流リアクトルの単相交流電源側端子と前記第2直列回路のコンデンサ同士の結合点とを短絡する第2スイッチとを備え、前記単相交流電源の停電時に前記第1スイッチを開路し、前記第2スイッチを閉路し、前記昇圧チョッパを作動させ、前記第1直列回路の一方のスイッチング素子をオン・オフ動作させ、前記並列接続点から直流電力を取り出すことを特徴とするハーフブリッジコンバータのバックアップ回路。Connecting one terminal of a single-phase AC power source through an AC reactor to a coupling point between the switching circuits of the first series circuit in which two sets of switching circuits composed of semiconductor switching elements and diodes connected in reverse parallel are connected in series; The other terminal of the single-phase AC power supply is connected to a connection point between the capacitors of a second series circuit in which two capacitors are connected in series, and the first series circuit and the second series circuit are connected in parallel. In the half-bridge converter configured to extract DC power from the connection point,
Configuration and the backup battery, which is connected to both ends of one of the capacitors of the second series circuit, a step-up chopper and supplying the boosted DC power from the backup battery Previous Stories hand of the capacitor, the step-up chopper A second reactor that is magnetically coupled to a DC reactor that is connected to the other capacitor of the second series circuit, and a blocking diode that is inserted in series between the second reactor and the other capacitor; A first switch inserted between the AC reactor and the single-phase AC power supply, and a second switch for short-circuiting a single-phase AC power supply side terminal of the AC reactor and a connection point between the capacitors of the second series circuit The first switch is opened at the time of a power failure of the single-phase AC power supply, the second switch is closed, and the boost chopper is created. Is allowed, the one switching element is turned on and off operation of the first series circuit, half-bridge converter backup circuit, characterized in that retrieving the DC power from the parallel connection point.
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