JP3947906B2 - バックアップ電源と電源装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バックアップ電源と電源装置に係り、特に、商用交流電源からの電力を直流電力に変換する電源をバックアップするに好適な活線挿抜機能付きバックアップ電源および無停電電源装置としての機能を内蔵した電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、商用交流電源に接続して動作する装置であって、かつ、この商用交流電源が万一停電するとデータの喪失などの被害が発生してしまうコンピュータなどにおいては、外部に無停電電源装置（ＵＰＳ）を設置し、停電対策をおこなっている。外部に設置するＵＰＳは、常時インバータ給電方式を用いるのが一般的である。この常時インバータ給電方式ＵＰＳは、停電発生時の電源切換え動作がなく電源の安定性が高いが、商用交流電源から負荷に至る間に通過する変換器の直列段数が多いため、電力変換効率が低くなり、省エネルギー化が困難である。これに対して、装置内部に二次電池とその充電、放電回路を搭載し、外部のＵＰＳを不要にするバックアップ電源が提案されている。この一例としては特開平９−３２２４３３号公報の「ＵＰＳ内蔵電源装置」が挙げられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のバックアップ電源装置の構成および動作を図１９および図２０を用いて説明する。まず、図１９において、バックアップ電源装置は、商用交流電源１、情報処理装置２、ＡＣ−ＤＣコンバータ６０、二次電池６６、ＤＣ−ＤＣコンバータ６３、充電回路６２、バランス制御部６１を備えて構成されている。この装置の構成は、商用交流電源１が情報処理装置２の内部にあるＡＣ−ＤＣコンバータ６０と充電回路６２に接続され、充電回路６２の出力側に二次電池６６とＤＣ−ＤＣコンバータ６３の入力側が接続される。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ６３の出力側とＡＣ−ＤＣコンバータ６０の出力側が接続されて、負荷１３に接続される。また、ＡＣ−ＤＣコンバータ６０とＤＣ−ＤＣコンバータ６３の間にバランス制御回路６１が接続される。
【０００４】
この回路の動作を図２０に示す。（ａ）は定常時であり、商用交流電源１からＡＣ−ＤＣコンバータ６０を介して負荷１３が必要な電力のうち９０％を供給する。また、充電回路６２からＤＣ−ＤＣコンバータ６３を介して残りの１０％の電力を負荷１３に供給する。さらに、充電回路６２を介して二次電池６６を充電する。一方、（ｂ）は、停電時の動作であり、商用交流電源１が停電するために充電回路６２とＡＣ−ＤＣコンバータ６０は動作できないが、二次電池６６からＤＣ−ＤＣコンバータ６３を介して負荷１３に負荷が必要な電力の１００％すべてを給電する。
【０００５】
このシステムにおいては、ＡＣ−ＤＣコンバータ６０、ＤＣ−ＤＣコンバータ６３および充電回路６２の３つの変換器が必要であるためにコストが高い、電源部の容積が大きいという課題がある。
【０００６】
また、この給電システムでは、定常時には常に充電回路６２が動作して二次電池６６に一定の電圧が印加されることになる。しかし、Ｎｉ−ＭＨ二次電池や、Ｌｉイオン二次電池といった高エネルギー密度の二次電池を使用する場合においては、過充電を防止するために、満充電状態になったときには充電回路を停止させることが必要であるが、上記の運転方法では充電回路６２を停止するとＤＣ−ＤＣコンバータ６３からの１０％分の給電ができないという課題がある。さらに、従来の装置においては、ＡＣ−ＤＣコンバータ６０およびＤＣ−ＤＣコンバータ６３、二次電池６６の故障時や交換時における冗長性がなく、無停止や無停止でのシステム拡張が困難であるという課題がある。
【０００７】
本発明は、電力変換器の構成を簡素化できると共に、増設や部品の交換を容易に行うことができるバックアップ電源及びそれを用いた電源装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、商用交流電源から受けた交流を直流に変換して負荷が接続される直流ラインに出力するＡＣ−ＤＣコンバータをバックアップするバックアップ電源であって、二次電池と、該二次電池に一端が接続された双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、該双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの他端を前記直流ラインに接続する挿抜可能なコネクタと、前記直流ラインから前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを介して前記二次電池を充電する充電電流を制御する制御手段とを備え、前記商用電源の停電時或いは前記ＡＣ−ＤＣコンバータの動作停止時に前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを介して前記二次電池から前記負荷に電力を供給することを特徴とする。
この場合において、前記制御手段は、電流シェア制御線から入力される前記ＡＣ−ＤＣコンバータの負荷電流信号に基づいて前記負荷電力を算出し、前記ＡＣ−ＤＣコンバータの定格容量から前記負荷電力を差し引いた電力に対応する値に自己のバックアップ電源の充電電流の上限を制限する電流抑制手段を備えて構成することが望ましい。
【００１０】
また、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、チョッパ回路で形成され、前記二次電池の端子電圧よりも前記直流ライン側が高電圧のとき、前記チョッパ回路を降圧チョッパ動作させて前記直流ライン側から前記二次電池を充電し、前記商用電源の停電時或いは前記ＡＣ−ＤＣコンバータの動作停止時のとき、前記チョッパ回路を昇圧チョッパ動作させて前記二次電池から前記負荷に電力を供給するようにすることができる。このとき、前記電流抑制手段は、前記二次電池の正極側と前記チョッパ回路を構成するインダクタの間に電流制限用スイッチ手段を挿入し、前記二次電池の負極側にアノードが接続され、前記インダクタと前記電流制限用スイッチ手段の接続点にカソードが接続されるダイオードからなる回路で構成することができる。
【００１２】
また、前記二次電池は２系統に分離されており、それぞれの二次電池が電池スイッチ手段を介して前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに接続されるとともに、前記二次電池を系統ごとに挿抜する構成も有用である。
【００１３】
前記ＡＣ−ＤＣコンバータと、前記ＡＣ−ＤＣコンバータのＤＣ出力側に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータを有し、前記ＡＣ−ＤＣコンバータと前記ＤＣ−ＤＣコンバータを一体としたコンバータに活線挿抜機能を持たせ、前記コンバータの中間のＤＣラインを他のコンバータと共通接続するとともに、少なくとも１台のバックアップ電源を前記ＤＣラインに接続する構成でもよい。
【００１４】
前記ＡＣ−ＤＣコンバータと、前記ＡＣ−ＤＣコンバータのＤＣ出力側に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータを有し、前記ＡＣ−ＤＣコンバータと前記ＤＣ−ＤＣコンバータを一体としたコンバータに活線挿抜機能を持たせ、前記コンバータ２台の中間のＤＣラインと前記バックアップ電源をそれぞれ別系統で接続し、前記バックアップ電源は前記ＤＣラインと接続する点に切換手段をもつ構成も有効である。
【００１５】
さらに、前記装置外部に商用交流電源のオンオフを制御するＡＣスイッチ手段を有し、前記負荷からこのＡＣスイッチ手段のオンオフを制御するとともに、前記負荷から前記バックアップ電源に送られる信号により前記バックアップ電源の動作要否を判断させてもよいし、あるいは、前記装置外部に商用交流電源のオンオフを制御するＡＣスイッチ手段とサーバを有し、前記サーバから前記ＡＣスイッチ手段のオンオフを制御するとともに、前記サーバから前記負荷を介して前記バックアップ電源に送られる信号により前記バックアップ電源の動作要否を判断させてもよい。
【００１６】
前記バックアップ電源は前記負荷の電流が所定の値よりも増加した際には前記バックアップ電源から負荷に電流を供給するピークカット機能を持つことも効果が大きい。
【００１７】
前記バックアップ電源は、逆流検出器と、既定の充電電流以上の電流が流入することを検出して、前記バックアップ電源を他の前記ＡＣ−ＤＣコンバータや前記負荷から切り離す手段を設けてもよい。
【００１８】
複数のバックアップ電源を有し、前記バックアップ電源から前記負荷に流れる電流をバランスさせる手段を有することも有効な手段である。
【００１９】
さらに、前記バックアップ電源は、充電電流の上限値を算出する回路を設けるとともに、前記充電電流上限値は、現在動作中のＡＣ−ＤＣコンバータの台数と、負荷電流をモニタして算出してもよいし、前記ＡＣ−ＤＣコンバータの電流シェア制御線を前記バックアップ電源に接続するとともに、前記電流シェア制御線の電流情報と前記自らのバックアップ電源の充電電流とから前記負荷電流を算出してもよい。
【００２０】
前記バックアップ電源の挿入時には、前記負荷に接続されるスイッチ手段を切った状態で挿入し、前記バックアップ電源内部の出力側電荷蓄積手段を前記バックアップ電源内の前記二次電池で充電し、前記スイッチ手段の電圧が前記負荷側の電圧とほぼ同じになったことを検出して前記スイッチ手段をオンすることにより信頼性が高まる。
【００２１】
前記ＡＣ−ＤＣコンバータと前記バックアップ電源のコネクタを共通としてもよいし、前記ＡＣ−ＤＣコンバータと前記バックアップ電源の寸法は同一であってもよく、あるいは、前記バックアップ電源の縦、横、高さの寸法のうち２つを前記ＡＣ−ＤＣコンバータ同一寸法とし、他の１つを整数倍にしてもよい。
【００２２】
また、本発明では、商用交流電源から受けた交流を直流に変換する電源回路と、前記電源回路をバックアップするバックアップ電源とを備え、前記バックアップ電源は、二次電池と、前記二次電池の電力を直流に変換して負荷に出力するかまたは前記電源回路の出力による直流電力を直流に変換して前記二次電池に出力するＤＣ−ＤＣコンバータと、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの変換出力を制御する制御回路とから構成されてなる電源装置を提供する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明における第１の実施の形態について図１から図６を用いて説明する。図１は、本発明の基本的な装置の構成を示す図である。図１において、1は商用交流電源、２は情報処理装置、３ａ、３ｂはＡＣ−ＤＣコンバータ、４ａは二次電池、５は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ、６ａ、６ｂはバックアップ電源、７は停電検出回路、８ａ、８ｂは平滑キャパシタ、９ａ、９ｂはパワーＭＯＳＦＥＴ、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄはコネクタ、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄはコネクタ、１２はＤＣ−ＤＣコンバータ、１３は負荷、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄはＡＣプラグ、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄはＡＣコネクタ、１６は力率改善回路、１９ａ、１９ｂは電流検出手段、２０、２１は直流ライン、２２はＡＣ−ＤＣコンバータ電流シェア信号線、２３はバックアップ電源電流シェア信号線、２４はＡＣ−ＤＣコンバータ動作状態信号線、４６は制御回路、４７は制御回路、４９は電池モニタである。
【００２４】
次に、図1の構成の接続について述べる。商用交流電源１が情報処理装置２の内部のＡＣプラグ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄに接続され、ＡＣプラグ１４ａがＡＣ−ＤＣコンバータ３ａのＡＣコネクタ１５ａに接続される。同様にＡＣプラグ１４ｂがＡＣ−ＤＣコンバータ３ｂのＡＣコネクタ１５ｂに接続される。ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの内部では、ＡＣコネクタ１５ａが力率改善回路１６に接続され、力率改善回路１６の出力がＤＣ−ＤＣコンバータ１２に入力される。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力が平滑キャパシタ８ａの両端に接続され、正極側はパワーＭＯＳＦＥＴ９ａのソースに接続される。パワーＭＯＳＦＥＴ９ａのソースが制御回路に接続される。パワーＭＯＳＦＥＴ９ａのドレインはコネクタ１０ａ、コネクタ１１ａを介して直流ライン２０に接続される。なお、コネクタ１０ａとコネクタ１１ａ、コネクタ１０ｂとコネクタ１１ｂ、コネクタ１０ｃとコネクタ１１ｃ、コネクタ１０ｄとコネクタ１１ｄはそれぞれ一対のコネクタである。パワーＭＯＳＦＥＴ９ａのゲートは制御回路４６に接続される。一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力のうち負極側は電流検出手段１９ａ、コネクタ１０ａ、コネクタ１１ａを介して直流ライン２１に接続される。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は制御回路４６と接続される。制御回路４６がコネクタ１０ａ、１１ａを介してＡＣ−ＤＣコンバータ電流シェア信号線２２と、ＡＣ−ＤＣコンバータ動作状態信号線２４に接続される。ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａと３ｂは同じ構造をもち、コネクタ１０ａとコネクタ１０ｂは同一形状、コネクタ１０ｂと１１ｂはそれぞれ同一形状で、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ｂとコネクタ１０ｂの接続はＡＣ−ＤＣコンバータ３ａとコネクタ１０ａの接続と同様である。直流ライン２０、２１に負荷１３が接続される。
【００２５】
次に、ＡＣプラグ１４ｃにバックアップ電源６ａ内のＡＣコネクタ１５ｃが接続される。ＡＣコネクタ１５ｃはバックアップ電源６ａ内の停電検出回路７に接続される。バックアップ電源６ａ内には二次電池４ａがあり、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５に接続される。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５の正極側出力は平滑キャパシタ８ｂを介してパワーＭＯＳＦＥＴ９ｂのソースに接続される。パワーＭＯＳＦＥＴ９ｂのドレインはコネクタ１０ｃ、コネクタ１１ｃを介して直流ライン２０に接続される。また、パワーＭＯＳＦＥＴ９ｂのドレインは停電検出回路７に接続される。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５の負極側出力は平滑キャパシタ８ｂ、電流検出手段１９ｂ、コネクタ１０ｃ、コネクタ１１ｃを介して直流ライン２１に接続される。制御回路４７は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５、停電検出回路７、パワーＭＯＳＦＥＴ９ｂのゲート、電流検出手段１９ｂ、電池モニタ４９と接続される他、コネクタ１０ｃ、コネクタ１１ｃを介してＡＣ−ＤＣコンバータ電流シェア信号線２２、バックアップ電源電流シェア信号線２３、ＡＣ−ＤＣコンバータ動作状態信号線２４と接続される。電池モニタ４９は二次電池４ａと接続される。バックアップ電源６ｂはバックアップ電源６ａと同じ構成であり、コネクタ１０ｄ、コネクタ１１ｄを介して負荷１３に接続される。
【００２６】
次に、図２の構成を説明する。図２は図１におけるＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの内部の構成を詳細に示した図である。図２において、図１と同じ構成要素には同じ記号を付与した。その他、図２において、１７は出力制御回路、１８ａは逆流検出保護回路、２５は動作状態判定回路、２６ａはコンパレータ、２７ａは電圧誤差増幅器、２８ａは電圧指令値、２９ａは加算器、３０ａは電流誤差増幅器、３１ａはダイオード、３２ａは三角波発生手段、３３は電圧基準値、３４はコンパレータ、３５ａは電流検出回路である。次に図２の構成を説明する。図２において、ＡＣコネクタ１５ａは力率改善回路１６を介してＤＣ−ＤＣコンバータ１２に接続されており、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力に平滑キャパシタ８ａ、パワーＭＯＳＦＥＴ９ａが接続されている。また、パワーＭＯＳＦＥＴ９ａのドレインは直流ライン２０に接続され、力率改善回路１６およびＤＣ−ＤＣコンバータ１２と平滑キャパシタ８ａの負極側が直流ライン２１に接続される。電流検出手段１９ａは制御回路４６の内部の逆流検出保護回路１８ａと電流検出回路３５ａに接続される。逆流検出保護回路１８ａはパワーＭＯＳＦＥＴ９ａのゲートに接続される。また、ＡＣ−ＤＣコンバータ電流シェア信号線２２はダイオード３１ａのカソードと、電流誤差増幅器３０ａに接続される。また、電流検出回路３５ａはダイオード３１ａのアノードと電流誤差増幅器３０ａに接続される。電流誤差増幅器３０ａの出力は加算器２９ａとコンパレータ２５に接続される。加算器２９ａには電圧指令値２８ａが接続される。加算器２９ａの出力は電圧誤差増幅器２７ａに接続される。また、パワーＭＯＳＦＥＴ９ａのソースは電圧誤差増幅器２７ａに接続される。電圧誤差増幅器２７ａの出力はコンパレータ２６ａに接続される。三角波発生手段３２ａの出力がコンパレータ２６ａに接続される。コンパレータ２６ａの出力はＤＣ−ＤＣコンバータ１２に入力される。電圧基準値３３がコンパレータ３４に接続される。コンパレータ３４の出力が抵抗４１を介してＡＣ−ＤＣコンバータ動作状態信号線２４に接続される。
【００２７】
次に図３の構成を説明する。図３は図１におけるバックアップ電源６ａの制御回路４７内部の構成を詳細に示した図である。図３において、図１、図２と同じ構成要素には同じ記号を付与した。その他、図３において、２６ｂはコンパレータ、２７ｂは電圧誤差増幅器、２８ｂは電圧指令値、２９ｂは加算器、３０ｂは電流誤差増幅器、３１ｂはダイオード、３２ｂは三角波発生手段、３５ｂは電流検出回路、３６は電流検出手段、３７は充電上限値算出回路、３８、３９は演算増幅器、４０は減算器、４２は抵抗、４３は正負反転手段、４４はゲイン、４５は積算器、４８は電圧検出手段、５０は放電制御回路、５１は充電制御回路、５２は動作モード切り替え回路である。なお、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５の詳細は図４で説明する。
【００２８】
次に図３の接続を説明する。停電検出回路７の出力は制御回路４７内の動作モード切り替え回路５２に入力される。電池モニタ４９の出力は動作モード切り替え回路５２と充電制御回路５１に入力される。充電制御回路５１の出力は動作モード切り替え回路５２に入力される。動作モード切り替え回路５２の出力は逆流検出保護回路１８ｂと、制御回路４７の外部の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５に入力される。逆流検出保護回路には電流検出手段１９ｂとパワーＭＯＳＦＥＴ９ｂのゲートが接続される。制御回路４７の中に充電上限値算出回路３７があり、ＡＣ−ＤＣコンバータ電流シェア信号線２２が充電上限値算出回路３７の中の演算増幅器３９に入力される。演算増幅器３９は電圧フォロア構成になっており、この出力Ｖ２は積算器４５に接続される。一方、ＡＣ−ＤＣコンバータ動作状態信号線２４は充電上限値算出回路３７の内部の演算増幅器３８に入力される。演算増幅器３８にはフィードバック抵抗である抵抗４２が接続され、出力Ｖ１は正負反転手段４３を介して減算器４０の＋入力とゲイン４４に入力される。ゲイン４４の出力は積算器４５に入力される。積算器４５の出力は減算器４０の−側に入力される。電流検出手段１９ｂの出力が減算器４０の−側に入力される。減算器４０の出力は充電制御回路５１に入力される。一方、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５内部の電流検出手段３６は充電制御回路５１と、放電制御回路５０の内部の電流検出回路３５ｂに入力される。また、バックアップ電源電流シェア信号線２３はダイオード３１ｂのカソードと、電流誤差増幅器３０ｂに接続される。また、電流検出回路３５ｂはダイオード３１ｂのアノードと電流誤差増幅器３０ｂに接続される。電流誤差増幅器３０ｂの出力は加算器２９ｂに接続される。加算器２９ｂには電圧指令値２８ｂが接続される。加算器２９ｂの出力は電圧誤差増幅器２７ｂに接続される。また、電圧検出手段４８は電圧誤差増幅器２７ｂに接続される。電圧誤差増幅器２７ｂの出力はコンパレータ２６ｂに接続される。三角波発生手段３２ｂの出力がコンパレータ２６ｂに接続される。コンパレータ２６ｂの出力は動作モード切り替え回路５２に入力される。
【００２９】
次に、図４の構成を説明する。図４は図１におけるバックアップ電源６ａ内部の双方向DC−DCコンバータ５の構成を詳細に示した図である。図４において、図１、図２、図３と同じ構成要素には同じ記号を付与した。その他、図４において、５３は駆動回路、５４ａはＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ、５５ａ、５５ｂはパワーＭＯＳＦＥＴ、５６はインダクタ、５７ａは平滑キャパシタ、５８はダイオードである。
【００３０】
図４の接続を説明する。図４において、二次電池４ａの両端は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５内部の平滑キャパシタ５７ａに接続される。ここで二次電池４ａは複数のセルを直列に接続した集合体である。平滑キャパシタ５７ａの正極側はＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａのソースに接続される。ＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａのドレインはダイオード５８のカソードとインダクタ５６に接続される。ダイオード５８のアノードは平滑キャパシタ５７ａの負極側に接続される。インダクタ５６はパワーＭＯＳＦＥＴ５５ａのドレインとパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｂのソースの接続点に接続される。パワーＭＯＳＦＥＴ５５ａのソースは電流検出手段３６を介してダイオード５８のアノードに接続される。パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｂのドレインは電圧検出手段４８を介して双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５外部の平滑キャパシタ８ｂの正極側に接続される。パワーＭＯＳＦＥＴ５５ａのソースは平滑キャパシタ８ｂの負極側に接続される。ＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａ、パワーＭＯＳＦＥＴ５５ａおよびパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｂのゲートは駆動回路５３に接続される。駆動回路５３は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５外部の制御回路４７に接続される。電流検出手段３６と電圧検出手段４８は制御回路４７に接続される。
【００３１】
次に、図５は図１に述べた回路において、ＡＣ−ＤＣコンバータが２台、バックアップ電源が１台接続されたとき、すなわちバックアップ電源６ｂのみが負荷１３に接続されず、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂ、およびバックアップ電源６ａが負荷１３に接続された状態におけるバックアップ電源６ａ内部の充電上限値算出回路３７の等価回路を表した図である。また、図６はこの条件における図５の回路の各電圧値を、負荷１３の負荷率を横軸としてあらわしたグラフである。
次に、本実施の形態についての動作を説明する。図１において、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂおよびバックアップ電源６ａ、６ｂは図示のようにすべてＡＣ側、ＤＣ側ともがコネクタで接続されており、それぞれ自在に情報処理装置２へ挿入し負荷１３に接続することや、情報処理装置２からの離脱が可能な構成となっている。まず、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａと３ｂは全く同じ構成である。以下ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａについて述べる。
【００３２】
ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの動作は、商用交流電源１からＡＣを入力するが、このとき力率改善回路１６により高調波の少ない電流を流す。力率改善回路１６の出力はＤＣ−ＤＣコンバータ１２に入力され、平滑キャパシタ８ａに直流電圧を出力する。この電圧はたとえば通信系やサーバで用いられることが多いＤＣ４８Ｖであることが望ましいが、力率改善回路の出力であるＤＣ３８０Ｖ、あるいは、全く別の電圧であってもよい。
【００３３】
平滑キャパシタ８ａの直流電圧は、パワーＭＯＳＦＥＴ９ａを介してコネクタ１０ａ、１１ａを通過し、直流ライン２０と直流ライン２１の間に印加され、負荷１３に給電される。次に、図２を用いてＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの制御について述べる。制御回路４６の内部には出力制御回路１７、逆流検出保護回路１８ａ、および動作状態判定回路２５がある。このうち、出力制御回路１７の動作は以下のごとくである。
【００３４】
電流検出手段１９ａにより検出されたＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの出力電流は、電流検出回路３５ａに入力され電圧値に変換される。そしてその出力はダイオード３１ａのアノード側に印加される。このとき、ＡＣ−ＤＣコンバータ電流シェア信号線２２の電圧が仮に電流検出回路３５ａの出力電圧よりも低いとすると、ダイオード３１ａが導通してＡＣ−ＤＣコンバータ電流シェア信号線２２にはＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの出力電流に比例した電圧となる。このとき、電流誤差増幅器３０ａの出力は０である。しかし、ＡＣ−ＤＣコンバータ電流シェア信号線２２の電圧が電流検出回路３５ａの出力電圧よりも高い場合には、ダイオード３１ａは非導通である。このとき、ＡＣ−ＤＣコンバータ電流シェア信号線２２にはＡＣ−ＤＣコンバータ３ａよりも大きな電流を出力している他のＡＣ−ＤＣコンバータの出力電流値に比例した電圧が印加されていることになる。そこで、電流誤差増幅器３０ａの出力はＡＣ−ＤＣコンバータ電流シェア信号線２２の電圧とＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの電流の差に比例した値となり、この誤差分が電圧指令値２８ａに加算されることになる。電圧誤差増幅器２７ａは、基本的には電圧指令値２８ａの値とＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの出力電圧フィードバック値を比較して誤差増幅し、コンパレータ２６ａで三角波発生手段３２ａの出力と比較することにより、電圧誤差に応じたパルスを発生し、このパルスをＤＣ−ＤＣコンバータ１２内の半導体スイッチング素子に印加することにより、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの出力電圧を電圧指令値２８ａの出力に合致させる動作をするが、電流誤差増幅器３０ａの出力が電圧指令値に加算されることにより、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの出力電圧はこれまでよりも若干上昇する方向に制御される。その結果として、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの出力電流は上昇し、他のＡＣ−ＤＣコンバータの電流と釣り合いが取れる値に収束する。このようにして複数台のＡＣ−ＤＣコンバータの電流をバランスさせる制御をするのが出力制御回路１７である。
【００３５】
さて、上記の電流バランス制御が正常に機能しているときには、電流誤差増幅器３０ａの出力は一定の正電圧値以下に抑制されており、この値は動作状態判定回路２５内の電圧基準値３３の値よりも低いため、コンパレータ３４の出力はＨｉｇｈとなり、このときのコンパレータ３４の出力電圧をＶｃとする。しかし、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２あるいは力率改善回路１６が故障するなどの異常が発生した場合には、電流バランス制御が正常に行われず、電流誤差増幅器３０ａの出力が電圧基準値３３よりも大きくなる。このときには、コンパレータ３４の出力が正常時のＶｃから０に変化する。そこで、コンパレータ３４の出力を観測することによってＡＣ−ＤＣコンバータ３ａおよび３ｂの動作状態を監視することができる。
【００３６】
次に、逆流検出保護回路１８ａの動作について説明する。万が一ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の故障や、平滑キャパシタ８ａの短絡事故により、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの内部において直流ライン２０、および２１が短絡した場合には、電流検出手段１９ａと逆流検出保護回路１８ａによりＤＣ−ＤＣコンバータ１２から直流ライン２１の方向に流れる逆流電流を検出し、パワーＭＯＳＦＥＴ９ａを速やかにオフする。この動作によりＡＣ−ＤＣコンバータ３ａは負荷１３から切り離される。負荷１３にはＡＣ−ＤＣコンバータ３ｂから電流が供給され給電が瞬断することはない。
【００３７】
本発明の実施形態では、ＡＣ−ＤＣコンバータ電流シェア信号線２２とコンパレータ３４の出力であるＡＣ−ＤＣコンバータ動作状態信号線２４をバックアップ電源６ａ、６ｂ側で監視することにより、負荷１３に流れる電流を把握する手法について図５を用いて後述する。
【００３８】
次に、図３の動作を説明する。図３は図１におけるバックアップ電源６ａの制御回路４７内部の構成を詳細に示した図である。
【００３９】
まず、図３における充電上限値算出回路３７の動作を図３と図５を用いて説明する。図５は、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂとバックアップ電源６ａが負荷１３に接続され、バックアップ電源６ｂが負荷１３に接続されていないときの等価回路である。すなわち、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの抵抗４１とＡＣ−ＤＣコンバータ３ｂの抵抗４１がパラ接続になり、ＡＣ−ＤＣコンバータ動作状態信号線２４を介してバックアップ６ａの内部にある充電上限値算出回路３７の演算増幅器３８のマイナス端子に接続されることになる。演算増幅器３８はフィードバック抵抗４２があり、出力電圧はＶ１である。このとき、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂがともに正常な状態であれば、Ｖ１は
Ｖ１＝−２・Ｖｃ （２台正常時） （１）
となる。ＡＣ−ＤＣコンバータのうち１台が故障した場合のＶ１は
Ｖ１＝−Ｖｃ （１台故障時） （２）
である。
【００４０】
一方、ＡＣ−ＤＣコンバータ電流シェア信号線２２の電圧はＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂのうち、電流を多く出している方のコンバータの出力電流に比例した電圧となっており、定常状態では複数台のＡＣ−ＤＣコンバータの電流はバランスしている。そこでこの電圧をＶ２とし、ＡＣ−ＤＣコンバータ１台で100％負荷をとった時のＶ２がＶｃになるように設定すると、図６のグラフが得られる。
ここで、バックアップ電源６ａが現時点でＡＣ−ＤＣコンバータから受ける充電電流は１９ｂで検出することができる。そこで、負荷と同じレベルで充電電流を検出し、100%負荷と同容量を充電する充電電流比率をCHG(%)とし、CHG＝100％のときにＶｃとなる電圧に変換する。
【００４１】
このとき、充電電流を含む負荷率をLoad(%)とすると、Ｖ２は以下の式で表される。
【００４２】
Ｖ２＝0.5・Ｖｃ・Load （２台健全時） （３）
Ｖ２＝Ｖｃ・Load （１台故障時） （４）
さて、Ｖ１は正負反転手段４３を通過し、その出力をＶ４とすると
Ｖ４＝−Ｖ１＝２Ｖｃ （２台健全時） （５）
Ｖ４＝−Ｖ１＝Ｖｃ （１台故障時） （６）
である。Ｖ４はゲイン４４を介して１／Ｖｃ倍され、積算器４５でＶ２と積算される。そこで、積算器の出力をＶ５とすると
Ｖ５＝Ｖ２・２ （２台健全時） （７）
Ｖ５＝Ｖ２ （１台故障時） （８）
となる。そこで、Ｖ３は
となる。そこで、図６のＶ３のグラフは２台健全時（実線）、１台故障時（破線）でそれぞれ図示のようになる。
【００４３】
図３において、充電上限値算出回路３７から充電制御回路５１に出力される充電上限値Ｖ３は、上記の（９）（１０）式に示すように、現在動作中のＡＣ−ＤＣコンバータ容量のうち、負荷電流に相当する電力から現在の充電電流に相当する電力を差し引いた残りの容量に比例した値となる。そこで、この上限値Ｖ３をバックアップ電源６ａにおける充電動作の指令値として用いることにより、ＡＣ−ＤＣコンバータの容量を定格まで使用した急速充電が可能になる。
【００４４】
充電回路の動作は、以下のごとくである。充電上限値算出回路３７により算出したＶ３が充電制御回路５１に入力される。また、電池モニタ４９からは電池電圧、電流、温度から電池残容量が算出され、充電制御回路５１に入力される。そこで、充電制御回路５１では、Ｖ３を上限として、電池残容量に応じた充電電流指令値を設定し、この指令値を動作モード切り替え回路５２に出力する。動作モード切り替え回路５２では、停電検出回路７の出力により動作を切り替えるが、停電検出回路７で停電を検出しない場合には、充電あるいは待機状態が選択される。充電状態では双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５を動作させ、充電電流指令値に従ったパルスが双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５に入力される。
【００４５】
本方式は負荷１３の増加に応じてＶ３が減少するためＡＣ−ＤＣコンバータの容量を超えて充電することがなく、ＡＣ−ＤＣコンバータが1台故障した際にもＶ３は速やかに実線から破線になることで、充電電流を抑制し、ＡＣ−ＤＣコンバータへの過負荷の恐れを回避するとともに、負荷１３への給電を阻害することがない。
【００４６】
次に、バックアップ電源における逆流検出機能について述べる。図１において、万が一双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５の故障や、平滑キャパシタ８ｂの短絡事故により、バックアップ電源６ａの内部において直流ライン２０、および２１が短絡した場合には、図３の電流検出手段１９ｂと逆流検出保護回路１８ｂにより双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５から直流ライン２１の方向に流れる逆流電流、すなわち、充電方向の電流を検出する。そして、充電状態においては、充電電流指令値相当のＶ３よりも大きな値になった場合にはパワーＭＯＳＦＥＴ９ｂを速やかにオフする。また、待機状態や放電状態の場合には、逆流を検出した時点でパワーＭＯＳＦＥＴ９ｂをオフする。この動作によりバックアップ電源６ａは負荷１３から切り離される。
【００４７】
次に、バックアップ電源の放電制御回路の動作を説明する。バックアップ電源は図１における停電検出回路７が商用交流電源１の停電、あるいは、直流ライン２０、２１間の電圧の低下を検出することにより動作を開始する。まず、停電検出回路７は、ＡＣプラグ１４ｃおよびＡＣコネクタ１５ｃにより商用交流電源１に接続されており、この商用交流電源１が瞬停、あるいは低下、周波数異常などにより予め定めた範囲をはずれたことを検出する。一方、停電検出回路７はＤＣライン２０とＤＣライン２１間にも接続されており、この電圧が予め定めた範囲、たとえば定格電圧の±10％を超える値になった場合に異常検出する。
【００４８】
停電検出回路７が停電あるいは異常検出した際には、図３において、動作モード切り替え回路５２を放電制御に切り替える。このときには、放電制御回路５０から動作モード切り替え回路５２に入力された駆動信号が双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５に出力される。もちろん、充電制御回路５１からの駆動信号は動作モード切り替え回路５２で遮断され双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５は充電動作は行わず、放電動作をおこなう。
【００４９】
この放電動作においては、バックアップ電源は１台で放電動作をおこなう場合と、複数台のバックアップ電源が同時に放電動作する場合があり、それぞれの場合について動作を説明する。
【００５０】
まず、バックアップ電源が１台の場合であるが、このときには、図３の放電制御回路５０において、バックアップ電源電流シェア信号線２３には他のバックアップ電源は接続されず、２３は開放状態にある。そこで、電流誤差増幅器３０ｂの入力は同じ電位となり、電流誤差増幅器３０ｂの出力は０である。そこで、放電制御回路５０では実質的に電圧誤差増幅制御のみがおこなわれる。この制御は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力側にある電圧検出手段４８の出力をフィードバック電圧として電圧誤差増幅器２７ｂに入力し、電圧指令値２８ｂと比較する。そして、その誤差を増幅してコンパレータ２６ｂで三角波発生手段３２ｂと比較し、電圧誤差に応じたパルス列を出力し、動作モード切り替え回路５２を通過して双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５の内部のスイッチング素子を駆動するものである。なお、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５の内部の動作は図４を用いて後述する。
【００５１】
次に、バックアップ電源が複数台の場合には、電流誤差増幅の部分が１台の場合と異なる。電流検出手段３６により検出されたバックアップ電源６ａの出力電流は、電流検出回路３５ｂに入力され電圧値に変換される。そしてその出力はダイオード３１ｂのアノード側に印加される。このとき、バックアップ電源電流シェア信号線２３の電圧が仮に電流検出回路３５ｂの出力電圧よりも低いとすると、ダイオード３１ｂが導通してバックアップ電源電流シェア信号線２３にはバックアップ電源６ａの出力電流に比例した電圧となる。このとき、電流誤差増幅器３０ｂの出力は０である。しかし、バックアップ電源電流シェア信号線２３の電圧が電流検出回路３５ｂの出力電圧よりも高い場合には、ダイオード３１ｂは非導通である。このとき、バックアップ電源電流シェア信号線２３にバックアップ電源６ａよりも大きな電流を出力している他のバックアップ電源の出力電流値に比例した電圧が印加されていることになる。そこで、電流誤差増幅器３０ｂの出力はバックアップ電源電流シェア信号線２３の電圧とバックアップ電源６ａの電流の差に比例した値となり、この誤差分が電圧指令値２８ｂに加算されることになる。電圧誤差増幅器２７ｂは、基本的には電圧指令値２８ｂの値とバックアップ電源６ａの出力電圧フィードバック値を比較して誤差増幅し、コンパレータ２６ｂで三角波発生手段３２ｂの出力と比較することにより、電圧誤差に応じたパルスを発生し、このパルスを双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５内の半導体スイッチング素子に印加することにより、バックアップ電源６ａの出力電圧を電圧指令値２８ｂの出力に合致させる動作をするが、電流誤差増幅器３０ｂの出力が電圧指令値に加算されることにより、バックアップ電源６ａの出力電圧はこれまでよりも若干上昇する方向に制御される。その結果として、バックアップ電源６ａの出力電流は上昇し、他のバックアップ電源の電流と釣り合いがとれる値に収束する。このようにして複数台のバックアップ電源の電流をバランスさせる制御が可能となる。
【００５２】
本実施の形態においては、バックアップ電源電流シェア信号線２３に、バックアップ電源のうち現在最も大きな電流を出力している電源の電流に比例した電圧がかかっているために、複数台のバックアップ電源のうち、二次電池が放電終止に達したバックアップ電源や、万が一故障したバックアップ電源は、自動的に複数台の電流バランス制御から解列され、負荷電圧変動が抑制されることが特徴である。したがって、複数台のバックアップ電源が放電中に１台が故障した場合においても、活線状態で装置から抜き取り、あるいは挿入しても負荷に影響を与えることがない。
【００５３】
次に、図４の回路動作を説明する。図４は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５の一例として、放電時に昇圧チョッパ動作、充電時に降圧チョッパ動作をおこなうＤＣ−ＤＣコンバータである。
【００５４】
まず、充電動作について述べる。充電時には、図４において、ＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａをオン状態とした上で、パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｂをスイッチング動作させることにより二次電池４ａを充電する。充電時には平滑キャパシタ８ｂの間には所定の電圧、たとえば４８Vが印加されており、二次電池４ａの端子電圧は満充電時においてもそれより低くなるように設定されている。パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｂがオンすると、平滑キャパシタ８ｂからパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｂ、インダクタ５６、ＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａ、平滑キャパシタ５７ａおよび二次電池４ａのループが形成され平滑キャパシタ５７ａおよび二次電池４ａを充電する。パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｂがオフすると、インダクタ５６に蓄えられた励磁エネルギーがＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａ、平滑キャパシタ５７ａ、パワーＭＯＳＦＥＴ５５ａのボディダイオードを通る電流となって環流する。パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｂのオン時比率を制御することで、インダクタ５６の電流平均値が二次電池４ａの充電電流指令値と一致するように定電流充電制御することができる。平滑キャパシタ５７ａは二次電池４ａに高周波のリプル電流を流すことによる劣化を抑制するために入れるリプル吸収用のキャパシタである。また、充電電流指令値は、前述のように充電上限値算出回路３７により算出された充電電流の上限値と、電池モニタ４９から入力される二次電池４ａの状態から判断して充電制御回路５１で決定される。また、充電時においては、パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｂのオフ時にパワーＭＯＳＦＥＴ５５ａをオンさせる、いわゆる同期整流をおこなってもよい。
【００５５】
次に、放電動作について述べる。ＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａをオン状態に保ち、パワーＭＯＳＦＥＴ５５ａをオンすると、二次電池４ａからインダクタ５６、パワーＭＯＳＦＥＴ５５ａを通る短絡電流が流れる。パワーＭＯＳＦＥＴ５５ａをオフすると、インダクタ５６に蓄えられた励磁エネルギーは電流となってパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｂのボディダイオード、平滑キャパシタ８ｂ、二次電池４ａのルートで流れ、平滑キャパシタ８ｂを充電する。この電圧が所定の電圧になるように、前述の放電制御回路５０でフィードバック制御をおこなう。この放電時においても、パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｂのボディダイオードに電流を流すことによる損失を軽減するために、この期間はパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｂをオンさせることもできる。
【００５６】
次に、過電流時の動作について述べる。負荷１３が短絡するなどの故障により、万が一、バックアップ電源で予め設定した過電流値を超過する場合においては、以下の電流垂下制御をおこなう。
【００５７】
この場合には、電流垂下制御をおこなう。具体的には駆動回路５３により、ＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａオンオフ動作させる。ＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａがオンしている際には、上記のとおり二次電池４ａから電流が流れるが、ＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａをオフすると、インダクタ５６を流れていた電流はダイオード５８を環流し二次電池４ａは切り離される。そこで、このＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａをチョッピング動作させることで出力電圧を低下させ、出力電流を制限することができる。
【００５８】
本実施の形態では、従来の昇圧タイプのＤＣ−ＤＣコンバータでは防止できない負荷短絡時においても上記のチョッピング動作による電流垂下制御をおこなうことによって二次電池４ａやバックアップ電源の損傷を回避することが可能である。
【００５９】
次に、図７および図８を用いて、本発明における第２の実施の形態について述べる。図７は図１において、ＡＣ−ＤＣコンバータを３台、バックアップ電源２台を負荷１３に接続した場合におけるバックアップ電源６ａおよび６ｂの内部の充電上限値算出回路３７とＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂおよび全く同じ形態のＡＣ−ＤＣコンバータ３ｃの接続を示した図である。
【００６０】
また、図８は図７において、ＡＣ−ＤＣコンバータ３台が健全な場合と、１台が故障した場合での負荷に対する各電圧の変化を表したグラフである。次に本実施の形態における動作を説明する。
【００６１】
まず、図７において、全てのＡＣ−ＤＣコンバータが正常に動作している場合を想定する。このときにはＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂおよび３ｃの抵抗４１にはすべてＶｃが印加される。この抵抗４１はＡＣ−ＤＣコンバータ動作状態信号線２４に接続され、バックアップ電源６ａと６ｂの演算増幅器３８に並列に入力される。抵抗４１を流れる電流をＩとすると
Ｉ＝Ｖｃ／Ｒ１ （１１）
であるから、バックアップ電源６ａと６ｂの抵抗４２に流れる電流Ｉ１は
そこで、
Ｖ１ ＝―1.5・Ｖｃ （１３） （３台健全時）
となる。ここでＡＣ−ＤＣコンバータのうち１台が故障すると、
となって、この結果、Ｖ１は
Ｖ１＝―Ｖｃ （１５） （１台故障時）
となる。したがって、
Ｖ４＝1.5・Ｖｃ （１６） （３台健全時）
Ｖ４＝Ｖｃ （１７） （１台故障時）
Ｖ５＝1.5・Ｖ２ （１８） （３台健全時）
Ｖ５＝Ｖ２ （１９） （１台故障時）
である。そこで、充電電流が０とすると、Ｖ３は
Ｖ３＝1.5（Ｖｃ−Ｖ２） （１６） （３台健全時）
Ｖ３＝Ｖｃ−Ｖ２ （１７） （１台故障時）
となって、図８におけるＶ３のグラフが算出される。この値が充電電流上限値として各バックアップ電源の充電電流の制限に使用される。
【００６２】
次に、本発明における第３の実施の形態について図９を使用して述べる。図９において、他の図と同じ構成要素には同じ記号を付与している。その他、１１ｅはコネクタである。図９は装置の電源部を示しており、装置側にコネクタ１１ａから１１ｅが規則正しく並んでいる。そして、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ｂがそれぞれコネクタ１１ａ、１１ｂに挿入される。一方、バックアップ電源６ａとバックアップ電源６ｂはコネクタ１１ｃ、１１ｄにそれぞれ接続される。ＡＣ−ＤＣコンバータとバックアップ電源は同じ寸法であり、コネクタ１１は共通に使用することが可能である。コネクタ１１ｅは予備のコネクタであり、装置負荷が増加した際に使用する。この場合、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂと同じＡＣ−ＤＣコンバータをコネクタ１１ｅに接続すると装置の負荷容量が増加する。
【００６３】
また、装置の負荷の増加ではなく、停電補償時間を標準設定値よりも増加させたい場合がある。この場合にはコネクタ１１ｅにバックアップ電源６ａ、６ｂと同じバックアップ電源を接続することにより、負荷容量が同じ場合には停電補償時間をおよそ1.5倍に増加させることが可能となる。
【００６４】
本実施の形態においては、以上述べたように、負荷の要求に応じてフレキシブルにＡＣ−ＤＣコンバータやバックアップ電源をユニットごとに増加させたり交換したりすることができるため、従来の装置よりフレキシビリティやスケーラビリティ（拡張性）に優れているということができる。
【００６５】
次に、本発明における第４の実施の形態について図１０を使用して説明する。図１０において、他の図面と同じ構成要素には同じ記号を付与している。図１０は図９と同じく、装置の電源部を示しており、装置側にコネクタ１１ａから１１ｅが規則正しく並んでいる。そして、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ｂがそれぞれコネクタ１１ａ、１１ｂに挿入される。一方、バックアップ電源６ａとバックアップ電源６ｂはコネクタ１１ｃ、１１ｄにそれぞれ接続される。コネクタ１１ｅは予備のコネクタである。図１０が図９と異なるのは、バックアップ電源６ａ、６ｂの横幅がＡＣ−ＤＣコンバータの２倍になっていることである。バックアップ電源をちょうど２倍のサイズとすることにより、ＡＣ−ＤＣコンバータと隙間なく実装することが可能である。また、図９に示したバックアップ電源と比較すると、２倍以上の容量の二次電池を搭載することができる。さらに、図９に示したバックアップ電源との互換性もあることから、負荷に応じてバックアップ電源のサイズを選択することができることが特徴である。
【００６６】
本発明における第５の実施の形態について、図１と図１１を用いて説明する。
図１１はバックアップ電源の立ち上げ手順を示す図であって、コンデンサ電圧Vcout、パワーＭＯＳＦＥＴ９ｂゲート電圧、およびバックアップ電源の動作モードの時間変化を示している。
【００６７】
本実施の形態では、装置に挿入されたバックアップ電源６ａの立ち上げ手順について説明する。まず、図１において、バックアップ電源６ａを装置に組み込む場合には、物理的にコネクタ１０ｃをコネクタ１１ｃに差込み、固定する。次に、ＡＣプラグ１４ｃをＡＣコネクタ１５ｃに接続する。このときには、まだバックアップ電源は動作していないため、図１のパワーＭＯＳＦＥＴ９ｂはオフ状態である。この状態が図１１における停止状態である。次に、二次電池４ａから放電回路を動作させ、平滑キャパシタ８ｂを充電する。これにより、平滑キャパシタ８ｂは所定の電圧である４８Vまで充電される。次に、パワーＭＯＳＦＥＴ９ｂのゲート電圧を図示のように徐々に上昇させ、パワーＭＯＳＦＥＴ９ｂを極めてゆっくりとオンさせる。このときには、電流源によりパワーＭＯＳＦＥＴ９ｂのゲートに微小電流を流し込む方法が有効である。パワーＭＯＳＦＥＴ９ｂが完全にオンした時点で、充電モードに移り、バックアップ電源は二次電池４ａを充電し、万が一の停電に備える。
【００６８】
本実施の形態によれば、バックアップ電源の挿入時に、平滑キャパシタの初充電電流を負荷側からとらず、バックアップ電源の二次電池から予め充電することにより、挿入時の負荷電圧変動を抑制することが可能である。
【００６９】
次に、本発明における第６の実施の形態について、図１２を用いて説明する。
図１２は、本発明における双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５の一形態を示した回路図である。図１２において、他の図面と同じ構成要素には同じ記号を付与している。その他、図１２において、５５ｃ、５５ｄはパワーＭＯＳＦＥＴである。
【００７０】
図１２において、二次電池４ａが双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５内部の平滑キャパシタ５７ａの両端に接続される。平滑キャパシタ５７ａの両端は、直列接続されたパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｄ、５５ｃに接続される。パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｃとパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｄの中点はインダクタ５６に接続される。インダクタ５６は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５外部の平滑キャパシタ８ｂに接続され、この接続点に電圧検出手段４８が接続される。また、平滑キャパシタ８ｂの負極側とパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｃの負極側が接続され、その間に電流検出手段３６が接続される。また、駆動回路５３がパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｃ、５５ｄのゲートに接続される。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５外部の制御回路４７に電流検出手段３６、電圧検出手段４８、駆動回路５３がそれぞれ接続される。
【００７１】
次に、図１２の動作を説明する。まず、条件として、二次電池４ａの端子電圧は放電終止時においてもＶｃｏｕｔより高く設定する。そして、充電時には駆動回路５３からパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｃをオンオフさせるパルス信号を出力する。パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｃがオンすると、平滑キャパシタ８ｂからインダクタ５６に電流が流れる。パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｃをオフすると、インダクタ５６に蓄えられた励磁エネルギーが電流となってパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｄのボディダイオードを通過して平滑キャパシタ５７ａおよび二次電池４ａを充電する。この動作を繰り返すことにより、インダクタ５６に流れる電流平均値を適切にコントロールし、二次電池４ａを充電する。
【００７２】
一方、停電発生時には、制御回路４７から放電信号が駆動回路を通して送られる。このときには、パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｄがオンオフして二次電池４ａから放電させ、出力電圧Vcoutを一定に保つ制御をする。パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｄがオンすると、二次電池４ａからパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｄを通してインダクタ５６、平滑キャパシタ８ｂに放電電流が流れる。パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｄをオフすると、インダクタ５６を流れていた電流がパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｃのボディダイオードを通して環流する。この動作を繰り返し、パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｄのオン時比率をコントロールすることにより、平滑キャパシタ８ｂの電圧Vcoutを一定に制御することが可能である。また、この場合には負荷短絡時においてもパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｄのオン時比率の制御のみで電流垂下制御を行うことが可能である。なお、上記の動作でパワーＭＯＳＦＥＴのボディダイオードを流れる期間に該当するパワーＭＯＳＦＥＴをオンすることによってボディダイオードの損失を低減する同期整流を行うことも可能である。
【００７３】
次に、本発明における第７の実施の形態について、図１３をもちいて説明する。図１３はバックアップ電源内の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５の一構成を示した図であり、２系統の二次電池を有する電源を示している。他の図面と同じ構成要素には同じ記号を付与した。その他、図１３において、４ｂは二次電池、５７ｂは平滑キャパシタ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄはＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴである。図１３は図４を基本としているため、接続関係や動作で第１の実施の形態と異なる部分についてのみ以下に述べる。
【００７４】
まず、接続関係は、図４に対し、図１３ではＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａのソースと平滑キャパシタ５７ａの間にＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ｂが挿入される。その向きは、ＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａのソースとＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ｄのソースが接続される向きである。また、二次電池４ｂと平滑キャパシタ５７ｂが接続され、二次電池４ａの負極側が接続される。平滑キャパシタ５７ｂの正極側とダイオード５８のカソードの間に、ＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ｃ、５４ｄが、ソース同士が接続され、逆直列に接続される。
【００７５】
次に、動作について述べる。充電時には、基本的にＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄはすべてオン状態となり、パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｂのオン時比率制御によってインダクタ５６に流れる電流をコントロールすることにより、その電流を二次電池４ａおよび４ｂに等しく分流させて充電させる。ここで、万が一、二次電池４ａを構成する複数の電池セルのうち１つが短絡故障を起こしたと仮定すると、二次電池４ａの電圧の方が二次電池４ｂの電圧よりも低下し、充電電流が均等にならないばかりでなく、二次電池４ｂと二次電池４ａの間に横流が発生する。そこで、このときには電池モニタ４９で二次電池４ａの電圧低下を検出し、ＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａ、５４ｂをオフさせる。これにより、二次電池４ａはシステムから解列され、バックアップ電源６ａは半分の容量である二次電池４ｂのみを用いて充電および放電をおこなう。これはバックアップ電源の縮退運転であると位置付けることができる。
【００７６】
また、このとき、二次電池４ａはＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａ、５４ｂによりシステムから完全に離脱しているため、健全な二次電池４ｂによってバックアップ電源の停電補償機能を保ったまま、二次電池４ａのみを新しい二次電池と交換することが可能である。
【００７７】
本実施の形態においては、二次電池を２系列に分けることが特徴であり、これにより、二次電池セルの短絡故障において縮退モードでの運転が可能であるばかりでなく、無停止で故障した二次電池のみを交換することが可能である。
【００７８】
次に、本発明における第８の実施の形態について、図１４をもちいて説明する。図１４はマルチ出力コンバータ構成のＡＣ−ＤＣコンバータに活線挿抜機能付きバックアップ電源を適用した場合の構成図である。図１４において、他の図と同じ構成要素には同じ記号を付与した。その他、図１４において、５９ａ、５９ｂ、５９ｃ、５９ｄは直流出力ライン、６７はマルチ出力ＤＣ−ＤＣコンバータである。図１４の接続は図１を基本としている。図１４が図１と異なる点について以下に述べる。図１４において、パワーＭＯＳＦＥＴ９ａのドレインと平滑キャパシタ８ａの負極側の間にマルチ出力ＤＣ−ＤＣコンバータ６７が接続される。マルチ出力ＤＣ−ＤＣコンバータ６７の出力は、コネクタ１０ａ、コネクタ１１ａを介して負荷１３と接続されており、そのうち＋１２Ｖは直流出力ライン５９ａ、＋５Ｖは直流出力ライン５９ｂ、＋３．３Ｖは直流出力ライン５９ｃ、直流出力ライン５９ｄはグランドラインである。ＡＣ−ＤＣコンバータ３ｂもＡＣ−ＤＣコンバータ３ａと同じ構成であり、同様にコネクタ１０ｂ、１１ｂを介して負荷１３に接続される。
【００７９】
図１４の動作について以下に述べる。マルチ出力ＤＣ−ＤＣコンバータ６７の入力電圧である４８Ｖは他のＡＣ−ＤＣコンバータ、およびバックアップ電源６ａ、６ｂと接続されている。これら複数のＡＣ−ＤＣコンバータは電流シェア制御により、１２Ｖ、５Ｖ、３．３Ｖのそれぞれにおいて、各ＡＣ−ＤＣコンバータが出力する電流をバランスさせている。この制御は図２に記載した制御と同じである。
【００８０】
商用交流電源１が停電した場合には、バックアップ電源内部の停電検出回路７により停電を検出し、バックアップ電源側から４８Ｖを給電し、マルチ出力ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧を維持する。これにより、マルチ出力ＤＣ−ＤＣコンバータの出力である１２Ｖ、５Ｖ、３．３Ｖはすべて停電に影響されず負荷１３に供給を続けることが可能である。
【００８１】
次に、本発明における第９の実施の形態について、図１５をもちいて説明する。図１５は情報処理装置の外部に電源のスイッチを設け、負荷から操作する場合の構成について示している。図１５において、他の図と同じ構成要素には同じ記号を付与した。その他、図１５において、６４はスイッチ手段である。
【００８２】
図１５においては、情報処理装置２の外部にスイッチ手段６４があり、商用交流電源１と情報処理装置２の間に挿入される。
【００８３】
次に動作を説明する。まず、情報処理装置２を起動する場合には、スイッチ手段６４をマニュアルで操作する。これによりＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂを介して負荷１３に電力が供給され、負荷１３は動作を開始する。次に、負荷１３をオフさせるときには、負荷１３側にあるスイッチ手段を操作することにより負荷１３をシャットダウンさせる。このとき、負荷１３の動作状態はＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂおよびバックアップ電源６ａに伝達されており、シャットダウン以前に停電が発生した場合にはバックアップ電源６ａが動作して負荷１３に電力を供給する。負荷１３のシャットダウンが完了すると、負荷１３からＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂおよびバックアップ電源６ａに対して出されている信号が変化する。そして、スイッチ手段６４に対して負荷１３からオフ信号が出力され負荷１３への給電は切断される。バックアップ電源６ａは負荷１３の状態を把握しているので、このときスイッチ手段６４がオフして停電状態になっても動作しない。
【００８４】
一方、不用意にスイッチ手段６４をオフした場合にはバックアップ電源が動作してシステムを保護することができるため、ヒューマンエラー防止策としても有効である。
【００８５】
このように、本実施の形態においては、負荷の状態を監視することで、バックアップ電源の動作／不動作を判定することが可能である。
【００８６】
次に、本発明における第１０の実施の形態について、図１６を用いて説明する。図１６は図１５と同様に、情報処理装置の外部に電源のスイッチを設け、負荷から操作する場合の構成について示している。図１６において、他の図と同じ構成要素には同じ記号を付与した。その他、図１６において、６５はサーバである。本実施の形態において図１５と異なる点は、外部にサーバ６５があり、サーバ６５と負荷１３が接続され、サーバ６５とスイッチ手段６４が接続される点である。
【００８７】
次に動作を説明する。本実施例において、負荷１３に動作／停止の命令を送るのはサーバ６５である。まず、情報処理装置２を起動する場合には、サーバ６５からスイッチ手段６４を操作する。これによりＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂを介して負荷１３に電力が供給され、負荷１３は動作を開始する。次に、負荷１３をオフさせるときには、サーバから負荷１３にシャットダウン信号を送ることによって、負荷１３をシャットダウンさせる。このとき、負荷１３の動作状態はＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂおよびバックアップ電源６ａに伝達されており、シャットダウン以前に停電が発生した場合にはバックアップ電源６ａが動作して負荷１３に電力を供給する。負荷１３のシャットダウンが完了すると、負荷１３からＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂおよびバックアップ電源６ａに対して出されている信号が変化する。そして、サーバ６５は負荷１３のシャットダウンを認識した後、スイッチ手段６４に対してサーバ６５からオフ信号を出力し、負荷１３への給電を切断する。バックアップ電源６ａは負荷１３の状態を把握しているので、このときスイッチ手段６４がオフして停電状態になっても動作しない。
【００８８】
このように、本実施の形態においても、負荷の状態を監視することで、バックアップ電源の動作／不動作を判定することが可能である。
【００８９】
次に、本発明における第１１の実施の形態について、図１７をもちいて説明する。図１７は情報処理装置の電源と負荷の関係を示しており、負荷と電源の状態による電力需給の方向を示した図である。図１７においては他の図と同じ構成要素には同じ記号を付与した。図１７の接続関係は、図１と同じである。なお、図１７の電源、負荷の接続関係は電力需給ラインのみを示しているため、バックアップ電源６ａ、６ｂは商用交流電源１には接続されていない。
【００９０】
図１７（ａ）は軽負荷時の電力需給をあらわしており、商用交流電源１からＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂを通して負荷１３に給電される一方、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂからバックアップ電源６ａ、６ｂ内の二次電池を充電する。
【００９１】
次に、図１７（ｂ）はピーク負荷時の電力需給を示しており、このときには商用交流電源１からＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂを通して負荷１３に電力供給される一方で、バックアップ電源６ａ、６ｂから放電する。この動作をピークカットと称する。これにより、ピーク負荷時におけるＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂの負担は、ピークカット動作を行わない場合よりも軽くてすむ。このため、ピーク負荷の出現度合いが決まっている負荷に対しては、ＡＣ−ＤＣコンバータの定格電力をピーク負荷時の電力よりも下げることが可能となる。この結果、ＡＣ−ＤＣコンバータの容量が下げられ、体積の低減や、低コスト化ができる。
【００９２】
また、（ｃ）は停電時またはＡＣ−ＤＣコンバータ故障時の動作を表しており、この動作は本発明における第１の実施の形態において説明した内容と同じである。すなわち、商用交流電源１が故障した際には、バックアップ電源６ａ、６ｂから負荷１３に放電し、電力を供給することができる。また、ＡＣ−ＤＣコンバータは多重化構成をとっており、たとえばＡＣ−ＤＣコンバータ３ａのみが故障してもＡＣ−ＤＣコンバータ３ｂから給電することで負荷１３は維持されるが、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ｂも故障した場合でも、バックアップ電源６ａ、６ｂから放電することにより負荷１３への電力を維持することができる。
【００９３】
また、本実施の形態においては、（ｂ）のピーク負荷時にはバックアップ電源６ａのみからピーク電流分を補償し、バックアップ電源６ｂを停止させておき、（ｃ）の停電時においてはバックアップ電源６ａ、６ｂから電力を給電することでも可能である。ピークカット動作は、負荷の状態に応じて（ａ）と（ｂ）の状態を頻繁に繰り返すため、万が一、ピーク負荷がある程度連続し、バックアップ電源６ａの内部の二次電池残量が低下しているときに停電した場合、十分な停電バックアップ時間が保てないとシステムとして成立しない。しかし、このようにピークカットを常にＡＣ−ＤＣコンバータ６ａのみに分担させ、バックアップ電源６ｂを停電待機させることによって、この問題を解決することができる。
【００９４】
次に、本発明における第１２の実施の形態について、図１８をもちいて説明する。図１８はＡＣ−ＤＣコンバータ２台とバックアップ電源２台の接続形態を表した図であり、本発明における第８の実施の形態で説明した図１４をベースとしている。図１８においては他の図と同じ構成要素には同じ記号を付与した。その他、図１８において、６８は直流ライン、６９ａ、６９ｂ、７０ａ、７０ｂは切換手段である。図１８の接続関係は、ほぼ図１４と同じであるが、図１４の直流ライン２０に相当する直流系統が２系統となり、直流ライン２０と直流ライン６８が並列になっている。また、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａにおいては、切換手段６９ａがパワーＭＯＳＦＥＴ９ａのドレインに接続され、直流ライン２０と６８に選択接続される。同様にＡＣ−ＤＣコンバータ３ｂにおいても、切換手段６９ｂが直流ライン２０と６８に選択接続される。一方、バックアップ電源６ａにおいては、切換手段７０ａが直流ライン２０と直流ライン６８に選択接続される。また、バックアップ電源６ｂにおいては、切換手段７０ｂが直流ライン２０と直流ライン６８に選択接続される。
【００９５】
次に本発明の動作を説明する。ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの切換手段６９ａは直流ライン２０に接続される。またＡＣ−ＤＣコンバータ３ｂの切換手段６９ｂは直流ライン６８に接続されるように設定される。一方、バックアップ電源６ａの切換手段は直流ライン２０に接続されるように設定されており、バックアップ電源６ｂの切換手段は直流ライン６８に接続されるように設定されている。
【００９６】
そこで、直流ライン２０にはＡＣ−ＤＣコンバータ３ａとバックアップ電源６ａが接続され、これとは異なる直流ライン６８にはＡＣ−ＤＣコンバータ３ｂとバックアップ電源３ｂが接続されることになる。
【００９７】
万が一、直流ライン２０が直流ライン２１と短絡事故を起こした際には、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａは故障状態となり、出力が出せなくなる。しかし、このようなときでも、直流ライン６８に接続されているＡＣ−ＤＣコンバータ３ｂとバックアップ電源６ｂは健全であることから、負荷１３に対してパワーを供給しつづけることが可能である。また、この故障時には、バックアップ電源３ａでは停電を検出し動作するが、過電流状態となる。このときには速やかに切換手段７０ａを直流ライン６８側に切り替えることにより、バックアップの継続が可能である。
【００９８】
このように、本実施における形態の構成のように直流ラインを２系統に分割することにより、直流ラインの短絡時においても負荷に与える影響を極力小さくし、システムダウンを回避することができる。
【００９９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、バックアップ電源の並列冗長運転が可能になり、システムの信頼性が向上する。すなわち、バックアップ電源の内部の二次電池や他の部品の保守交換をおこなう際には、バックアップ電源を１台ずつ活線挿抜することによって、 システムの停電補償機能を保ったまま、負荷無停止・無瞬断での交換作業ができる。
【０１００】
また、本発明によれば、ＡＣ−ＤＣコンバータとバックアップ電源のコネクタを同じ仕様にしているため、システムの拡張にともない負荷が増加する際においても、ＡＣ−ＤＣコンバータやバックアップ電源を極めて容易に増設することができ、このときに負荷を停止する必要がない。
【０１０１】
また、本発明においては電流シェア制御をおこなっていることにより、バックアップ時には複数台のバックアップ電源から同じ電流が負荷に出力されるため、バックアップ電源の負担が同じになり、負荷集中によるバックアップ電源の劣化の心配がない。また、１台のバックアップ電源が万が一故障した際には、まず電流シェア制御から離れ、バックアップ電源の出力側に設けたスイッチ手段により完全に系統から離脱することにより、負荷に影響を与えることがない。
【０１０２】
さらに、バックアップ電源の充電に関しては、ＡＣ−ＤＣコンバータの容量と負荷の差分を充電電流指令値の上限値に設定することにより、許容範囲内で最速の急速充電が可能となる。このとき万が一ＡＣ−ＤＣコンバータが故障した場合には、故障を検出して充電電流を低下させるので、過負荷になる心配がない。このようにして速やかに次の停電に備えることができるため、システムの信頼性が向上する。
【０１０３】
また、ピークカット制御をおこなうことにより、ピーク負荷に対してはバックアップ電源からピーク電流分を補償することができ、ＡＣ−ＤＣコンバータの定格容量を下げることが可能であり、この結果、コスト、体積を低減することができる。
【０１０４】
また、本発明で述べたバックアップ電源の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは非常に簡単な構成であって低コスト化が実現できるうえ、負荷短絡の際にも二次電池からの電流を制限する電流垂下回路を備え、過電流による電源あるいは負荷の損傷を未然に防止することができる。
【０１０５】
また、本発明のバックアップ電源挿入方法は、二次電池から出力側キャパシタを充電したあとでスイッチ手段を緩やかにターンオンさせシステムに接続する方法であり、これにより負荷に与える影響が極めて小さく、信頼性が向上する。
【０１０６】
本発明では二次電池を２系統用いた双方向ＤＣ−ＤＣコンバータも提案しており、これにより二次電池が故障した際の信頼性が向上するほか、二次電池の交換も容易におこなえる。本発明においては、装置の外部にスイッチ手段を置いてスケジュール管理を行う場合においても、バックアップ電源の動作をスケジュールに同期して切り替えることにより、無駄な放電や誤操作に対するシステムダウンの心配がない。
【０１０７】
また、本発明で述べた直流ラインを多重化することにより、直流ラインの短絡故障によるシステムダウンを回避することができ、システムの信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態を示す活線挿抜機能付きバックアップ電源の構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態におけるＡＣ−ＤＣコンバータの制御回路ブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態におけるバックアップ電源の制御回路ブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態における充電上限値算出回路の等価接続図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態における負荷率と各部電圧との関係を示す特性図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態における充電上限値算出回路の等価接続図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態における負荷率と各部電圧との関係を示す特性図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態を示す活線挿抜機能付きバックアップ電源の実装配置図である。
【図１０】本発明における第４の実施の形態を示す活線挿抜機能付きバックアップ電源の実装配置図である。
【図１１】本発明における第５の実施の形態を示す活線挿抜機能付きバックアップ電源の立ち上げ手順を示す図である。
【図１２】本発明の第６の実施の形態における双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。
【図１３】本発明の第７の実施の形態における双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。
【図１４】本発明における第８の実施の形態を示す活線挿抜機能付きバックアップ電源の構成図である。
【図１５】本発明における第９の実施の形態を示す活線挿抜機能付きバックアップ電源の構成図である。
【図１６】本発明における第１０の実施の形態を示す活線挿抜機能付きバックアップ電源の構成図である。
【図１７】本発明における第１１の実施の形態を示す活線挿抜機能付きバックアップ電源の動作を説明する図である。
【図１８】本発明における第１２の実施の形態を示す活線挿抜機能付きバックアップ電源の構成図である。
【図１９】従来の装置内蔵バックアップ電源の構成を示す構成図である。
【図２０】従来の装置内蔵バックアップ電源の動作形態を示す図である。
【符号の説明】
１…商用交流電源、
２…情報処理装置、
３ａ、３ｂ、３ｃ…ＡＣ−ＤＣコンバータ、
４ａ、４ｂは二次電池、
５…双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ、
６ａ、６ｂ…バックアップ電源、
７…停電検出回路、
８ａ、８ｂ…平滑キャパシタ、
９ａ、９ｂ…パワーＭＯＳＦＥＴ、
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ…コネクタ、
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ…コネクタ、
１２…ＤＣ−ＤＣコンバータ、
１３…負荷
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ…ＡＣプラグ、
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ…ＡＣコネクタ、
１６…力率改善回路、
１７…出力制御回路、
１８ａ、１８ｂ…逆流検出保護回路、
１９ａ、１９ｂ…電流検出手段、
２０、２１…直流ライン、
２２…ＡＣ−ＤＣコンバータ電流シェア信号線、
２３…バックアップ電源電流シェア信号線、
２４…ＡＣ−ＤＣコンバータ動作状態信号線、
２５…動作状態判定回路、
２６ａ、２６ｂ…コンパレータ、
２７ａ、２７ｂ…電圧誤差増幅器、
２８ａ、２８ｂ…電圧指令値、
２９ａ、２９ｂ…加算器、
３０ａ、３０ｂ…電流誤差増幅器、
３１ａ、３１ｂ…ダイオード、
３２ａ、３２ｂ…三角波発生手段、
３３…電圧基準値、
３４…コンパレータ、
３５ａ、３５ｂ…電流検出回路、
３６…電流検出手段、
３７…充電上限値算出回路、
３８、３９…演算増幅器、
４０…減算器、
４１、４２…抵抗、
４３…正負反転手段、
４４…ゲイン、
４５…積算器、
４６…制御回路、
４７…制御回路、
４８…電圧検出手段、
４９…電池モニタ、
５０…放電制御回路、
５１…充電制御回路、
５２…動作モード切り替え回路、
５３…駆動回路、
５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ…ＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ、
５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ…パワーＭＯＳＦＥＴ、
５６…インダクタ、
５７ａ、５７ｂ…平滑キャパシタ、
５８…ダイオード、
５９ａ、５９ｂ、５９ｃ、５９ｄ…直流出力ライン、
６０…ＡＣ−ＤＣコンバータ、
６１…バランス制御部、
６２…充電回路、
６３…ＤＣ−ＤＣコンバータ、
６４…スイッチ手段、
６５…サーバ、
６６…二次電池、
６７…マルチ出力ＤＣ−ＤＣコンバータ、
６８…直流ライン、
６９ａ、６９ｂ、７０ａ、７０ｂ…切換手段。
【発明の属する技術分野】
本発明は、バックアップ電源と電源装置に係り、特に、商用交流電源からの電力を直流電力に変換する電源をバックアップするに好適な活線挿抜機能付きバックアップ電源および無停電電源装置としての機能を内蔵した電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、商用交流電源に接続して動作する装置であって、かつ、この商用交流電源が万一停電するとデータの喪失などの被害が発生してしまうコンピュータなどにおいては、外部に無停電電源装置（ＵＰＳ）を設置し、停電対策をおこなっている。外部に設置するＵＰＳは、常時インバータ給電方式を用いるのが一般的である。この常時インバータ給電方式ＵＰＳは、停電発生時の電源切換え動作がなく電源の安定性が高いが、商用交流電源から負荷に至る間に通過する変換器の直列段数が多いため、電力変換効率が低くなり、省エネルギー化が困難である。これに対して、装置内部に二次電池とその充電、放電回路を搭載し、外部のＵＰＳを不要にするバックアップ電源が提案されている。この一例としては特開平９−３２２４３３号公報の「ＵＰＳ内蔵電源装置」が挙げられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のバックアップ電源装置の構成および動作を図１９および図２０を用いて説明する。まず、図１９において、バックアップ電源装置は、商用交流電源１、情報処理装置２、ＡＣ−ＤＣコンバータ６０、二次電池６６、ＤＣ−ＤＣコンバータ６３、充電回路６２、バランス制御部６１を備えて構成されている。この装置の構成は、商用交流電源１が情報処理装置２の内部にあるＡＣ−ＤＣコンバータ６０と充電回路６２に接続され、充電回路６２の出力側に二次電池６６とＤＣ−ＤＣコンバータ６３の入力側が接続される。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ６３の出力側とＡＣ−ＤＣコンバータ６０の出力側が接続されて、負荷１３に接続される。また、ＡＣ−ＤＣコンバータ６０とＤＣ−ＤＣコンバータ６３の間にバランス制御回路６１が接続される。
【０００４】
この回路の動作を図２０に示す。（ａ）は定常時であり、商用交流電源１からＡＣ−ＤＣコンバータ６０を介して負荷１３が必要な電力のうち９０％を供給する。また、充電回路６２からＤＣ−ＤＣコンバータ６３を介して残りの１０％の電力を負荷１３に供給する。さらに、充電回路６２を介して二次電池６６を充電する。一方、（ｂ）は、停電時の動作であり、商用交流電源１が停電するために充電回路６２とＡＣ−ＤＣコンバータ６０は動作できないが、二次電池６６からＤＣ−ＤＣコンバータ６３を介して負荷１３に負荷が必要な電力の１００％すべてを給電する。
【０００５】
このシステムにおいては、ＡＣ−ＤＣコンバータ６０、ＤＣ−ＤＣコンバータ６３および充電回路６２の３つの変換器が必要であるためにコストが高い、電源部の容積が大きいという課題がある。
【０００６】
また、この給電システムでは、定常時には常に充電回路６２が動作して二次電池６６に一定の電圧が印加されることになる。しかし、Ｎｉ−ＭＨ二次電池や、Ｌｉイオン二次電池といった高エネルギー密度の二次電池を使用する場合においては、過充電を防止するために、満充電状態になったときには充電回路を停止させることが必要であるが、上記の運転方法では充電回路６２を停止するとＤＣ−ＤＣコンバータ６３からの１０％分の給電ができないという課題がある。さらに、従来の装置においては、ＡＣ−ＤＣコンバータ６０およびＤＣ−ＤＣコンバータ６３、二次電池６６の故障時や交換時における冗長性がなく、無停止や無停止でのシステム拡張が困難であるという課題がある。
【０００７】
本発明は、電力変換器の構成を簡素化できると共に、増設や部品の交換を容易に行うことができるバックアップ電源及びそれを用いた電源装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、商用交流電源から受けた交流を直流に変換して負荷が接続される直流ラインに出力するＡＣ−ＤＣコンバータをバックアップするバックアップ電源であって、二次電池と、該二次電池に一端が接続された双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、該双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの他端を前記直流ラインに接続する挿抜可能なコネクタと、前記直流ラインから前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを介して前記二次電池を充電する充電電流を制御する制御手段とを備え、前記商用電源の停電時或いは前記ＡＣ−ＤＣコンバータの動作停止時に前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを介して前記二次電池から前記負荷に電力を供給することを特徴とする。
この場合において、前記制御手段は、電流シェア制御線から入力される前記ＡＣ−ＤＣコンバータの負荷電流信号に基づいて前記負荷電力を算出し、前記ＡＣ−ＤＣコンバータの定格容量から前記負荷電力を差し引いた電力に対応する値に自己のバックアップ電源の充電電流の上限を制限する電流抑制手段を備えて構成することが望ましい。
【００１０】
また、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、チョッパ回路で形成され、前記二次電池の端子電圧よりも前記直流ライン側が高電圧のとき、前記チョッパ回路を降圧チョッパ動作させて前記直流ライン側から前記二次電池を充電し、前記商用電源の停電時或いは前記ＡＣ−ＤＣコンバータの動作停止時のとき、前記チョッパ回路を昇圧チョッパ動作させて前記二次電池から前記負荷に電力を供給するようにすることができる。このとき、前記電流抑制手段は、前記二次電池の正極側と前記チョッパ回路を構成するインダクタの間に電流制限用スイッチ手段を挿入し、前記二次電池の負極側にアノードが接続され、前記インダクタと前記電流制限用スイッチ手段の接続点にカソードが接続されるダイオードからなる回路で構成することができる。
【００１２】
また、前記二次電池は２系統に分離されており、それぞれの二次電池が電池スイッチ手段を介して前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに接続されるとともに、前記二次電池を系統ごとに挿抜する構成も有用である。
【００１３】
前記ＡＣ−ＤＣコンバータと、前記ＡＣ−ＤＣコンバータのＤＣ出力側に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータを有し、前記ＡＣ−ＤＣコンバータと前記ＤＣ−ＤＣコンバータを一体としたコンバータに活線挿抜機能を持たせ、前記コンバータの中間のＤＣラインを他のコンバータと共通接続するとともに、少なくとも１台のバックアップ電源を前記ＤＣラインに接続する構成でもよい。
【００１４】
前記ＡＣ−ＤＣコンバータと、前記ＡＣ−ＤＣコンバータのＤＣ出力側に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータを有し、前記ＡＣ−ＤＣコンバータと前記ＤＣ−ＤＣコンバータを一体としたコンバータに活線挿抜機能を持たせ、前記コンバータ２台の中間のＤＣラインと前記バックアップ電源をそれぞれ別系統で接続し、前記バックアップ電源は前記ＤＣラインと接続する点に切換手段をもつ構成も有効である。
【００１５】
さらに、前記装置外部に商用交流電源のオンオフを制御するＡＣスイッチ手段を有し、前記負荷からこのＡＣスイッチ手段のオンオフを制御するとともに、前記負荷から前記バックアップ電源に送られる信号により前記バックアップ電源の動作要否を判断させてもよいし、あるいは、前記装置外部に商用交流電源のオンオフを制御するＡＣスイッチ手段とサーバを有し、前記サーバから前記ＡＣスイッチ手段のオンオフを制御するとともに、前記サーバから前記負荷を介して前記バックアップ電源に送られる信号により前記バックアップ電源の動作要否を判断させてもよい。
【００１６】
前記バックアップ電源は前記負荷の電流が所定の値よりも増加した際には前記バックアップ電源から負荷に電流を供給するピークカット機能を持つことも効果が大きい。
【００１７】
前記バックアップ電源は、逆流検出器と、既定の充電電流以上の電流が流入することを検出して、前記バックアップ電源を他の前記ＡＣ−ＤＣコンバータや前記負荷から切り離す手段を設けてもよい。
【００１８】
複数のバックアップ電源を有し、前記バックアップ電源から前記負荷に流れる電流をバランスさせる手段を有することも有効な手段である。
【００１９】
さらに、前記バックアップ電源は、充電電流の上限値を算出する回路を設けるとともに、前記充電電流上限値は、現在動作中のＡＣ−ＤＣコンバータの台数と、負荷電流をモニタして算出してもよいし、前記ＡＣ−ＤＣコンバータの電流シェア制御線を前記バックアップ電源に接続するとともに、前記電流シェア制御線の電流情報と前記自らのバックアップ電源の充電電流とから前記負荷電流を算出してもよい。
【００２０】
前記バックアップ電源の挿入時には、前記負荷に接続されるスイッチ手段を切った状態で挿入し、前記バックアップ電源内部の出力側電荷蓄積手段を前記バックアップ電源内の前記二次電池で充電し、前記スイッチ手段の電圧が前記負荷側の電圧とほぼ同じになったことを検出して前記スイッチ手段をオンすることにより信頼性が高まる。
【００２１】
前記ＡＣ−ＤＣコンバータと前記バックアップ電源のコネクタを共通としてもよいし、前記ＡＣ−ＤＣコンバータと前記バックアップ電源の寸法は同一であってもよく、あるいは、前記バックアップ電源の縦、横、高さの寸法のうち２つを前記ＡＣ−ＤＣコンバータ同一寸法とし、他の１つを整数倍にしてもよい。
【００２２】
また、本発明では、商用交流電源から受けた交流を直流に変換する電源回路と、前記電源回路をバックアップするバックアップ電源とを備え、前記バックアップ電源は、二次電池と、前記二次電池の電力を直流に変換して負荷に出力するかまたは前記電源回路の出力による直流電力を直流に変換して前記二次電池に出力するＤＣ−ＤＣコンバータと、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの変換出力を制御する制御回路とから構成されてなる電源装置を提供する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明における第１の実施の形態について図１から図６を用いて説明する。図１は、本発明の基本的な装置の構成を示す図である。図１において、1は商用交流電源、２は情報処理装置、３ａ、３ｂはＡＣ−ＤＣコンバータ、４ａは二次電池、５は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ、６ａ、６ｂはバックアップ電源、７は停電検出回路、８ａ、８ｂは平滑キャパシタ、９ａ、９ｂはパワーＭＯＳＦＥＴ、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄはコネクタ、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄはコネクタ、１２はＤＣ−ＤＣコンバータ、１３は負荷、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄはＡＣプラグ、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄはＡＣコネクタ、１６は力率改善回路、１９ａ、１９ｂは電流検出手段、２０、２１は直流ライン、２２はＡＣ−ＤＣコンバータ電流シェア信号線、２３はバックアップ電源電流シェア信号線、２４はＡＣ−ＤＣコンバータ動作状態信号線、４６は制御回路、４７は制御回路、４９は電池モニタである。
【００２４】
次に、図1の構成の接続について述べる。商用交流電源１が情報処理装置２の内部のＡＣプラグ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄに接続され、ＡＣプラグ１４ａがＡＣ−ＤＣコンバータ３ａのＡＣコネクタ１５ａに接続される。同様にＡＣプラグ１４ｂがＡＣ−ＤＣコンバータ３ｂのＡＣコネクタ１５ｂに接続される。ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの内部では、ＡＣコネクタ１５ａが力率改善回路１６に接続され、力率改善回路１６の出力がＤＣ−ＤＣコンバータ１２に入力される。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力が平滑キャパシタ８ａの両端に接続され、正極側はパワーＭＯＳＦＥＴ９ａのソースに接続される。パワーＭＯＳＦＥＴ９ａのソースが制御回路に接続される。パワーＭＯＳＦＥＴ９ａのドレインはコネクタ１０ａ、コネクタ１１ａを介して直流ライン２０に接続される。なお、コネクタ１０ａとコネクタ１１ａ、コネクタ１０ｂとコネクタ１１ｂ、コネクタ１０ｃとコネクタ１１ｃ、コネクタ１０ｄとコネクタ１１ｄはそれぞれ一対のコネクタである。パワーＭＯＳＦＥＴ９ａのゲートは制御回路４６に接続される。一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力のうち負極側は電流検出手段１９ａ、コネクタ１０ａ、コネクタ１１ａを介して直流ライン２１に接続される。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は制御回路４６と接続される。制御回路４６がコネクタ１０ａ、１１ａを介してＡＣ−ＤＣコンバータ電流シェア信号線２２と、ＡＣ−ＤＣコンバータ動作状態信号線２４に接続される。ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａと３ｂは同じ構造をもち、コネクタ１０ａとコネクタ１０ｂは同一形状、コネクタ１０ｂと１１ｂはそれぞれ同一形状で、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ｂとコネクタ１０ｂの接続はＡＣ−ＤＣコンバータ３ａとコネクタ１０ａの接続と同様である。直流ライン２０、２１に負荷１３が接続される。
【００２５】
次に、ＡＣプラグ１４ｃにバックアップ電源６ａ内のＡＣコネクタ１５ｃが接続される。ＡＣコネクタ１５ｃはバックアップ電源６ａ内の停電検出回路７に接続される。バックアップ電源６ａ内には二次電池４ａがあり、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５に接続される。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５の正極側出力は平滑キャパシタ８ｂを介してパワーＭＯＳＦＥＴ９ｂのソースに接続される。パワーＭＯＳＦＥＴ９ｂのドレインはコネクタ１０ｃ、コネクタ１１ｃを介して直流ライン２０に接続される。また、パワーＭＯＳＦＥＴ９ｂのドレインは停電検出回路７に接続される。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５の負極側出力は平滑キャパシタ８ｂ、電流検出手段１９ｂ、コネクタ１０ｃ、コネクタ１１ｃを介して直流ライン２１に接続される。制御回路４７は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５、停電検出回路７、パワーＭＯＳＦＥＴ９ｂのゲート、電流検出手段１９ｂ、電池モニタ４９と接続される他、コネクタ１０ｃ、コネクタ１１ｃを介してＡＣ−ＤＣコンバータ電流シェア信号線２２、バックアップ電源電流シェア信号線２３、ＡＣ−ＤＣコンバータ動作状態信号線２４と接続される。電池モニタ４９は二次電池４ａと接続される。バックアップ電源６ｂはバックアップ電源６ａと同じ構成であり、コネクタ１０ｄ、コネクタ１１ｄを介して負荷１３に接続される。
【００２６】
次に、図２の構成を説明する。図２は図１におけるＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの内部の構成を詳細に示した図である。図２において、図１と同じ構成要素には同じ記号を付与した。その他、図２において、１７は出力制御回路、１８ａは逆流検出保護回路、２５は動作状態判定回路、２６ａはコンパレータ、２７ａは電圧誤差増幅器、２８ａは電圧指令値、２９ａは加算器、３０ａは電流誤差増幅器、３１ａはダイオード、３２ａは三角波発生手段、３３は電圧基準値、３４はコンパレータ、３５ａは電流検出回路である。次に図２の構成を説明する。図２において、ＡＣコネクタ１５ａは力率改善回路１６を介してＤＣ−ＤＣコンバータ１２に接続されており、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力に平滑キャパシタ８ａ、パワーＭＯＳＦＥＴ９ａが接続されている。また、パワーＭＯＳＦＥＴ９ａのドレインは直流ライン２０に接続され、力率改善回路１６およびＤＣ−ＤＣコンバータ１２と平滑キャパシタ８ａの負極側が直流ライン２１に接続される。電流検出手段１９ａは制御回路４６の内部の逆流検出保護回路１８ａと電流検出回路３５ａに接続される。逆流検出保護回路１８ａはパワーＭＯＳＦＥＴ９ａのゲートに接続される。また、ＡＣ−ＤＣコンバータ電流シェア信号線２２はダイオード３１ａのカソードと、電流誤差増幅器３０ａに接続される。また、電流検出回路３５ａはダイオード３１ａのアノードと電流誤差増幅器３０ａに接続される。電流誤差増幅器３０ａの出力は加算器２９ａとコンパレータ２５に接続される。加算器２９ａには電圧指令値２８ａが接続される。加算器２９ａの出力は電圧誤差増幅器２７ａに接続される。また、パワーＭＯＳＦＥＴ９ａのソースは電圧誤差増幅器２７ａに接続される。電圧誤差増幅器２７ａの出力はコンパレータ２６ａに接続される。三角波発生手段３２ａの出力がコンパレータ２６ａに接続される。コンパレータ２６ａの出力はＤＣ−ＤＣコンバータ１２に入力される。電圧基準値３３がコンパレータ３４に接続される。コンパレータ３４の出力が抵抗４１を介してＡＣ−ＤＣコンバータ動作状態信号線２４に接続される。
【００２７】
次に図３の構成を説明する。図３は図１におけるバックアップ電源６ａの制御回路４７内部の構成を詳細に示した図である。図３において、図１、図２と同じ構成要素には同じ記号を付与した。その他、図３において、２６ｂはコンパレータ、２７ｂは電圧誤差増幅器、２８ｂは電圧指令値、２９ｂは加算器、３０ｂは電流誤差増幅器、３１ｂはダイオード、３２ｂは三角波発生手段、３５ｂは電流検出回路、３６は電流検出手段、３７は充電上限値算出回路、３８、３９は演算増幅器、４０は減算器、４２は抵抗、４３は正負反転手段、４４はゲイン、４５は積算器、４８は電圧検出手段、５０は放電制御回路、５１は充電制御回路、５２は動作モード切り替え回路である。なお、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５の詳細は図４で説明する。
【００２８】
次に図３の接続を説明する。停電検出回路７の出力は制御回路４７内の動作モード切り替え回路５２に入力される。電池モニタ４９の出力は動作モード切り替え回路５２と充電制御回路５１に入力される。充電制御回路５１の出力は動作モード切り替え回路５２に入力される。動作モード切り替え回路５２の出力は逆流検出保護回路１８ｂと、制御回路４７の外部の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５に入力される。逆流検出保護回路には電流検出手段１９ｂとパワーＭＯＳＦＥＴ９ｂのゲートが接続される。制御回路４７の中に充電上限値算出回路３７があり、ＡＣ−ＤＣコンバータ電流シェア信号線２２が充電上限値算出回路３７の中の演算増幅器３９に入力される。演算増幅器３９は電圧フォロア構成になっており、この出力Ｖ２は積算器４５に接続される。一方、ＡＣ−ＤＣコンバータ動作状態信号線２４は充電上限値算出回路３７の内部の演算増幅器３８に入力される。演算増幅器３８にはフィードバック抵抗である抵抗４２が接続され、出力Ｖ１は正負反転手段４３を介して減算器４０の＋入力とゲイン４４に入力される。ゲイン４４の出力は積算器４５に入力される。積算器４５の出力は減算器４０の−側に入力される。電流検出手段１９ｂの出力が減算器４０の−側に入力される。減算器４０の出力は充電制御回路５１に入力される。一方、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５内部の電流検出手段３６は充電制御回路５１と、放電制御回路５０の内部の電流検出回路３５ｂに入力される。また、バックアップ電源電流シェア信号線２３はダイオード３１ｂのカソードと、電流誤差増幅器３０ｂに接続される。また、電流検出回路３５ｂはダイオード３１ｂのアノードと電流誤差増幅器３０ｂに接続される。電流誤差増幅器３０ｂの出力は加算器２９ｂに接続される。加算器２９ｂには電圧指令値２８ｂが接続される。加算器２９ｂの出力は電圧誤差増幅器２７ｂに接続される。また、電圧検出手段４８は電圧誤差増幅器２７ｂに接続される。電圧誤差増幅器２７ｂの出力はコンパレータ２６ｂに接続される。三角波発生手段３２ｂの出力がコンパレータ２６ｂに接続される。コンパレータ２６ｂの出力は動作モード切り替え回路５２に入力される。
【００２９】
次に、図４の構成を説明する。図４は図１におけるバックアップ電源６ａ内部の双方向DC−DCコンバータ５の構成を詳細に示した図である。図４において、図１、図２、図３と同じ構成要素には同じ記号を付与した。その他、図４において、５３は駆動回路、５４ａはＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ、５５ａ、５５ｂはパワーＭＯＳＦＥＴ、５６はインダクタ、５７ａは平滑キャパシタ、５８はダイオードである。
【００３０】
図４の接続を説明する。図４において、二次電池４ａの両端は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５内部の平滑キャパシタ５７ａに接続される。ここで二次電池４ａは複数のセルを直列に接続した集合体である。平滑キャパシタ５７ａの正極側はＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａのソースに接続される。ＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａのドレインはダイオード５８のカソードとインダクタ５６に接続される。ダイオード５８のアノードは平滑キャパシタ５７ａの負極側に接続される。インダクタ５６はパワーＭＯＳＦＥＴ５５ａのドレインとパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｂのソースの接続点に接続される。パワーＭＯＳＦＥＴ５５ａのソースは電流検出手段３６を介してダイオード５８のアノードに接続される。パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｂのドレインは電圧検出手段４８を介して双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５外部の平滑キャパシタ８ｂの正極側に接続される。パワーＭＯＳＦＥＴ５５ａのソースは平滑キャパシタ８ｂの負極側に接続される。ＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａ、パワーＭＯＳＦＥＴ５５ａおよびパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｂのゲートは駆動回路５３に接続される。駆動回路５３は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５外部の制御回路４７に接続される。電流検出手段３６と電圧検出手段４８は制御回路４７に接続される。
【００３１】
次に、図５は図１に述べた回路において、ＡＣ−ＤＣコンバータが２台、バックアップ電源が１台接続されたとき、すなわちバックアップ電源６ｂのみが負荷１３に接続されず、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂ、およびバックアップ電源６ａが負荷１３に接続された状態におけるバックアップ電源６ａ内部の充電上限値算出回路３７の等価回路を表した図である。また、図６はこの条件における図５の回路の各電圧値を、負荷１３の負荷率を横軸としてあらわしたグラフである。
次に、本実施の形態についての動作を説明する。図１において、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂおよびバックアップ電源６ａ、６ｂは図示のようにすべてＡＣ側、ＤＣ側ともがコネクタで接続されており、それぞれ自在に情報処理装置２へ挿入し負荷１３に接続することや、情報処理装置２からの離脱が可能な構成となっている。まず、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａと３ｂは全く同じ構成である。以下ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａについて述べる。
【００３２】
ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの動作は、商用交流電源１からＡＣを入力するが、このとき力率改善回路１６により高調波の少ない電流を流す。力率改善回路１６の出力はＤＣ−ＤＣコンバータ１２に入力され、平滑キャパシタ８ａに直流電圧を出力する。この電圧はたとえば通信系やサーバで用いられることが多いＤＣ４８Ｖであることが望ましいが、力率改善回路の出力であるＤＣ３８０Ｖ、あるいは、全く別の電圧であってもよい。
【００３３】
平滑キャパシタ８ａの直流電圧は、パワーＭＯＳＦＥＴ９ａを介してコネクタ１０ａ、１１ａを通過し、直流ライン２０と直流ライン２１の間に印加され、負荷１３に給電される。次に、図２を用いてＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの制御について述べる。制御回路４６の内部には出力制御回路１７、逆流検出保護回路１８ａ、および動作状態判定回路２５がある。このうち、出力制御回路１７の動作は以下のごとくである。
【００３４】
電流検出手段１９ａにより検出されたＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの出力電流は、電流検出回路３５ａに入力され電圧値に変換される。そしてその出力はダイオード３１ａのアノード側に印加される。このとき、ＡＣ−ＤＣコンバータ電流シェア信号線２２の電圧が仮に電流検出回路３５ａの出力電圧よりも低いとすると、ダイオード３１ａが導通してＡＣ−ＤＣコンバータ電流シェア信号線２２にはＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの出力電流に比例した電圧となる。このとき、電流誤差増幅器３０ａの出力は０である。しかし、ＡＣ−ＤＣコンバータ電流シェア信号線２２の電圧が電流検出回路３５ａの出力電圧よりも高い場合には、ダイオード３１ａは非導通である。このとき、ＡＣ−ＤＣコンバータ電流シェア信号線２２にはＡＣ−ＤＣコンバータ３ａよりも大きな電流を出力している他のＡＣ−ＤＣコンバータの出力電流値に比例した電圧が印加されていることになる。そこで、電流誤差増幅器３０ａの出力はＡＣ−ＤＣコンバータ電流シェア信号線２２の電圧とＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの電流の差に比例した値となり、この誤差分が電圧指令値２８ａに加算されることになる。電圧誤差増幅器２７ａは、基本的には電圧指令値２８ａの値とＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの出力電圧フィードバック値を比較して誤差増幅し、コンパレータ２６ａで三角波発生手段３２ａの出力と比較することにより、電圧誤差に応じたパルスを発生し、このパルスをＤＣ−ＤＣコンバータ１２内の半導体スイッチング素子に印加することにより、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの出力電圧を電圧指令値２８ａの出力に合致させる動作をするが、電流誤差増幅器３０ａの出力が電圧指令値に加算されることにより、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの出力電圧はこれまでよりも若干上昇する方向に制御される。その結果として、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの出力電流は上昇し、他のＡＣ−ＤＣコンバータの電流と釣り合いが取れる値に収束する。このようにして複数台のＡＣ−ＤＣコンバータの電流をバランスさせる制御をするのが出力制御回路１７である。
【００３５】
さて、上記の電流バランス制御が正常に機能しているときには、電流誤差増幅器３０ａの出力は一定の正電圧値以下に抑制されており、この値は動作状態判定回路２５内の電圧基準値３３の値よりも低いため、コンパレータ３４の出力はＨｉｇｈとなり、このときのコンパレータ３４の出力電圧をＶｃとする。しかし、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２あるいは力率改善回路１６が故障するなどの異常が発生した場合には、電流バランス制御が正常に行われず、電流誤差増幅器３０ａの出力が電圧基準値３３よりも大きくなる。このときには、コンパレータ３４の出力が正常時のＶｃから０に変化する。そこで、コンパレータ３４の出力を観測することによってＡＣ−ＤＣコンバータ３ａおよび３ｂの動作状態を監視することができる。
【００３６】
次に、逆流検出保護回路１８ａの動作について説明する。万が一ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の故障や、平滑キャパシタ８ａの短絡事故により、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの内部において直流ライン２０、および２１が短絡した場合には、電流検出手段１９ａと逆流検出保護回路１８ａによりＤＣ−ＤＣコンバータ１２から直流ライン２１の方向に流れる逆流電流を検出し、パワーＭＯＳＦＥＴ９ａを速やかにオフする。この動作によりＡＣ−ＤＣコンバータ３ａは負荷１３から切り離される。負荷１３にはＡＣ−ＤＣコンバータ３ｂから電流が供給され給電が瞬断することはない。
【００３７】
本発明の実施形態では、ＡＣ−ＤＣコンバータ電流シェア信号線２２とコンパレータ３４の出力であるＡＣ−ＤＣコンバータ動作状態信号線２４をバックアップ電源６ａ、６ｂ側で監視することにより、負荷１３に流れる電流を把握する手法について図５を用いて後述する。
【００３８】
次に、図３の動作を説明する。図３は図１におけるバックアップ電源６ａの制御回路４７内部の構成を詳細に示した図である。
【００３９】
まず、図３における充電上限値算出回路３７の動作を図３と図５を用いて説明する。図５は、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂとバックアップ電源６ａが負荷１３に接続され、バックアップ電源６ｂが負荷１３に接続されていないときの等価回路である。すなわち、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの抵抗４１とＡＣ−ＤＣコンバータ３ｂの抵抗４１がパラ接続になり、ＡＣ−ＤＣコンバータ動作状態信号線２４を介してバックアップ６ａの内部にある充電上限値算出回路３７の演算増幅器３８のマイナス端子に接続されることになる。演算増幅器３８はフィードバック抵抗４２があり、出力電圧はＶ１である。このとき、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂがともに正常な状態であれば、Ｖ１は
Ｖ１＝−２・Ｖｃ （２台正常時） （１）
となる。ＡＣ−ＤＣコンバータのうち１台が故障した場合のＶ１は
Ｖ１＝−Ｖｃ （１台故障時） （２）
である。
【００４０】
一方、ＡＣ−ＤＣコンバータ電流シェア信号線２２の電圧はＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂのうち、電流を多く出している方のコンバータの出力電流に比例した電圧となっており、定常状態では複数台のＡＣ−ＤＣコンバータの電流はバランスしている。そこでこの電圧をＶ２とし、ＡＣ−ＤＣコンバータ１台で100％負荷をとった時のＶ２がＶｃになるように設定すると、図６のグラフが得られる。
ここで、バックアップ電源６ａが現時点でＡＣ−ＤＣコンバータから受ける充電電流は１９ｂで検出することができる。そこで、負荷と同じレベルで充電電流を検出し、100%負荷と同容量を充電する充電電流比率をCHG(%)とし、CHG＝100％のときにＶｃとなる電圧に変換する。
【００４１】
このとき、充電電流を含む負荷率をLoad(%)とすると、Ｖ２は以下の式で表される。
【００４２】
Ｖ２＝0.5・Ｖｃ・Load （２台健全時） （３）
Ｖ２＝Ｖｃ・Load （１台故障時） （４）
さて、Ｖ１は正負反転手段４３を通過し、その出力をＶ４とすると
Ｖ４＝−Ｖ１＝２Ｖｃ （２台健全時） （５）
Ｖ４＝−Ｖ１＝Ｖｃ （１台故障時） （６）
である。Ｖ４はゲイン４４を介して１／Ｖｃ倍され、積算器４５でＶ２と積算される。そこで、積算器の出力をＶ５とすると
Ｖ５＝Ｖ２・２ （２台健全時） （７）
Ｖ５＝Ｖ２ （１台故障時） （８）
となる。そこで、Ｖ３は
【００４３】
図３において、充電上限値算出回路３７から充電制御回路５１に出力される充電上限値Ｖ３は、上記の（９）（１０）式に示すように、現在動作中のＡＣ−ＤＣコンバータ容量のうち、負荷電流に相当する電力から現在の充電電流に相当する電力を差し引いた残りの容量に比例した値となる。そこで、この上限値Ｖ３をバックアップ電源６ａにおける充電動作の指令値として用いることにより、ＡＣ−ＤＣコンバータの容量を定格まで使用した急速充電が可能になる。
【００４４】
充電回路の動作は、以下のごとくである。充電上限値算出回路３７により算出したＶ３が充電制御回路５１に入力される。また、電池モニタ４９からは電池電圧、電流、温度から電池残容量が算出され、充電制御回路５１に入力される。そこで、充電制御回路５１では、Ｖ３を上限として、電池残容量に応じた充電電流指令値を設定し、この指令値を動作モード切り替え回路５２に出力する。動作モード切り替え回路５２では、停電検出回路７の出力により動作を切り替えるが、停電検出回路７で停電を検出しない場合には、充電あるいは待機状態が選択される。充電状態では双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５を動作させ、充電電流指令値に従ったパルスが双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５に入力される。
【００４５】
本方式は負荷１３の増加に応じてＶ３が減少するためＡＣ−ＤＣコンバータの容量を超えて充電することがなく、ＡＣ−ＤＣコンバータが1台故障した際にもＶ３は速やかに実線から破線になることで、充電電流を抑制し、ＡＣ−ＤＣコンバータへの過負荷の恐れを回避するとともに、負荷１３への給電を阻害することがない。
【００４６】
次に、バックアップ電源における逆流検出機能について述べる。図１において、万が一双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５の故障や、平滑キャパシタ８ｂの短絡事故により、バックアップ電源６ａの内部において直流ライン２０、および２１が短絡した場合には、図３の電流検出手段１９ｂと逆流検出保護回路１８ｂにより双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５から直流ライン２１の方向に流れる逆流電流、すなわち、充電方向の電流を検出する。そして、充電状態においては、充電電流指令値相当のＶ３よりも大きな値になった場合にはパワーＭＯＳＦＥＴ９ｂを速やかにオフする。また、待機状態や放電状態の場合には、逆流を検出した時点でパワーＭＯＳＦＥＴ９ｂをオフする。この動作によりバックアップ電源６ａは負荷１３から切り離される。
【００４７】
次に、バックアップ電源の放電制御回路の動作を説明する。バックアップ電源は図１における停電検出回路７が商用交流電源１の停電、あるいは、直流ライン２０、２１間の電圧の低下を検出することにより動作を開始する。まず、停電検出回路７は、ＡＣプラグ１４ｃおよびＡＣコネクタ１５ｃにより商用交流電源１に接続されており、この商用交流電源１が瞬停、あるいは低下、周波数異常などにより予め定めた範囲をはずれたことを検出する。一方、停電検出回路７はＤＣライン２０とＤＣライン２１間にも接続されており、この電圧が予め定めた範囲、たとえば定格電圧の±10％を超える値になった場合に異常検出する。
【００４８】
停電検出回路７が停電あるいは異常検出した際には、図３において、動作モード切り替え回路５２を放電制御に切り替える。このときには、放電制御回路５０から動作モード切り替え回路５２に入力された駆動信号が双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５に出力される。もちろん、充電制御回路５１からの駆動信号は動作モード切り替え回路５２で遮断され双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５は充電動作は行わず、放電動作をおこなう。
【００４９】
この放電動作においては、バックアップ電源は１台で放電動作をおこなう場合と、複数台のバックアップ電源が同時に放電動作する場合があり、それぞれの場合について動作を説明する。
【００５０】
まず、バックアップ電源が１台の場合であるが、このときには、図３の放電制御回路５０において、バックアップ電源電流シェア信号線２３には他のバックアップ電源は接続されず、２３は開放状態にある。そこで、電流誤差増幅器３０ｂの入力は同じ電位となり、電流誤差増幅器３０ｂの出力は０である。そこで、放電制御回路５０では実質的に電圧誤差増幅制御のみがおこなわれる。この制御は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力側にある電圧検出手段４８の出力をフィードバック電圧として電圧誤差増幅器２７ｂに入力し、電圧指令値２８ｂと比較する。そして、その誤差を増幅してコンパレータ２６ｂで三角波発生手段３２ｂと比較し、電圧誤差に応じたパルス列を出力し、動作モード切り替え回路５２を通過して双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５の内部のスイッチング素子を駆動するものである。なお、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５の内部の動作は図４を用いて後述する。
【００５１】
次に、バックアップ電源が複数台の場合には、電流誤差増幅の部分が１台の場合と異なる。電流検出手段３６により検出されたバックアップ電源６ａの出力電流は、電流検出回路３５ｂに入力され電圧値に変換される。そしてその出力はダイオード３１ｂのアノード側に印加される。このとき、バックアップ電源電流シェア信号線２３の電圧が仮に電流検出回路３５ｂの出力電圧よりも低いとすると、ダイオード３１ｂが導通してバックアップ電源電流シェア信号線２３にはバックアップ電源６ａの出力電流に比例した電圧となる。このとき、電流誤差増幅器３０ｂの出力は０である。しかし、バックアップ電源電流シェア信号線２３の電圧が電流検出回路３５ｂの出力電圧よりも高い場合には、ダイオード３１ｂは非導通である。このとき、バックアップ電源電流シェア信号線２３にバックアップ電源６ａよりも大きな電流を出力している他のバックアップ電源の出力電流値に比例した電圧が印加されていることになる。そこで、電流誤差増幅器３０ｂの出力はバックアップ電源電流シェア信号線２３の電圧とバックアップ電源６ａの電流の差に比例した値となり、この誤差分が電圧指令値２８ｂに加算されることになる。電圧誤差増幅器２７ｂは、基本的には電圧指令値２８ｂの値とバックアップ電源６ａの出力電圧フィードバック値を比較して誤差増幅し、コンパレータ２６ｂで三角波発生手段３２ｂの出力と比較することにより、電圧誤差に応じたパルスを発生し、このパルスを双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５内の半導体スイッチング素子に印加することにより、バックアップ電源６ａの出力電圧を電圧指令値２８ｂの出力に合致させる動作をするが、電流誤差増幅器３０ｂの出力が電圧指令値に加算されることにより、バックアップ電源６ａの出力電圧はこれまでよりも若干上昇する方向に制御される。その結果として、バックアップ電源６ａの出力電流は上昇し、他のバックアップ電源の電流と釣り合いがとれる値に収束する。このようにして複数台のバックアップ電源の電流をバランスさせる制御が可能となる。
【００５２】
本実施の形態においては、バックアップ電源電流シェア信号線２３に、バックアップ電源のうち現在最も大きな電流を出力している電源の電流に比例した電圧がかかっているために、複数台のバックアップ電源のうち、二次電池が放電終止に達したバックアップ電源や、万が一故障したバックアップ電源は、自動的に複数台の電流バランス制御から解列され、負荷電圧変動が抑制されることが特徴である。したがって、複数台のバックアップ電源が放電中に１台が故障した場合においても、活線状態で装置から抜き取り、あるいは挿入しても負荷に影響を与えることがない。
【００５３】
次に、図４の回路動作を説明する。図４は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５の一例として、放電時に昇圧チョッパ動作、充電時に降圧チョッパ動作をおこなうＤＣ−ＤＣコンバータである。
【００５４】
まず、充電動作について述べる。充電時には、図４において、ＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａをオン状態とした上で、パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｂをスイッチング動作させることにより二次電池４ａを充電する。充電時には平滑キャパシタ８ｂの間には所定の電圧、たとえば４８Vが印加されており、二次電池４ａの端子電圧は満充電時においてもそれより低くなるように設定されている。パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｂがオンすると、平滑キャパシタ８ｂからパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｂ、インダクタ５６、ＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａ、平滑キャパシタ５７ａおよび二次電池４ａのループが形成され平滑キャパシタ５７ａおよび二次電池４ａを充電する。パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｂがオフすると、インダクタ５６に蓄えられた励磁エネルギーがＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａ、平滑キャパシタ５７ａ、パワーＭＯＳＦＥＴ５５ａのボディダイオードを通る電流となって環流する。パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｂのオン時比率を制御することで、インダクタ５６の電流平均値が二次電池４ａの充電電流指令値と一致するように定電流充電制御することができる。平滑キャパシタ５７ａは二次電池４ａに高周波のリプル電流を流すことによる劣化を抑制するために入れるリプル吸収用のキャパシタである。また、充電電流指令値は、前述のように充電上限値算出回路３７により算出された充電電流の上限値と、電池モニタ４９から入力される二次電池４ａの状態から判断して充電制御回路５１で決定される。また、充電時においては、パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｂのオフ時にパワーＭＯＳＦＥＴ５５ａをオンさせる、いわゆる同期整流をおこなってもよい。
【００５５】
次に、放電動作について述べる。ＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａをオン状態に保ち、パワーＭＯＳＦＥＴ５５ａをオンすると、二次電池４ａからインダクタ５６、パワーＭＯＳＦＥＴ５５ａを通る短絡電流が流れる。パワーＭＯＳＦＥＴ５５ａをオフすると、インダクタ５６に蓄えられた励磁エネルギーは電流となってパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｂのボディダイオード、平滑キャパシタ８ｂ、二次電池４ａのルートで流れ、平滑キャパシタ８ｂを充電する。この電圧が所定の電圧になるように、前述の放電制御回路５０でフィードバック制御をおこなう。この放電時においても、パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｂのボディダイオードに電流を流すことによる損失を軽減するために、この期間はパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｂをオンさせることもできる。
【００５６】
次に、過電流時の動作について述べる。負荷１３が短絡するなどの故障により、万が一、バックアップ電源で予め設定した過電流値を超過する場合においては、以下の電流垂下制御をおこなう。
【００５７】
この場合には、電流垂下制御をおこなう。具体的には駆動回路５３により、ＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａオンオフ動作させる。ＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａがオンしている際には、上記のとおり二次電池４ａから電流が流れるが、ＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａをオフすると、インダクタ５６を流れていた電流はダイオード５８を環流し二次電池４ａは切り離される。そこで、このＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａをチョッピング動作させることで出力電圧を低下させ、出力電流を制限することができる。
【００５８】
本実施の形態では、従来の昇圧タイプのＤＣ−ＤＣコンバータでは防止できない負荷短絡時においても上記のチョッピング動作による電流垂下制御をおこなうことによって二次電池４ａやバックアップ電源の損傷を回避することが可能である。
【００５９】
次に、図７および図８を用いて、本発明における第２の実施の形態について述べる。図７は図１において、ＡＣ−ＤＣコンバータを３台、バックアップ電源２台を負荷１３に接続した場合におけるバックアップ電源６ａおよび６ｂの内部の充電上限値算出回路３７とＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂおよび全く同じ形態のＡＣ−ＤＣコンバータ３ｃの接続を示した図である。
【００６０】
また、図８は図７において、ＡＣ−ＤＣコンバータ３台が健全な場合と、１台が故障した場合での負荷に対する各電圧の変化を表したグラフである。次に本実施の形態における動作を説明する。
【００６１】
まず、図７において、全てのＡＣ−ＤＣコンバータが正常に動作している場合を想定する。このときにはＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂおよび３ｃの抵抗４１にはすべてＶｃが印加される。この抵抗４１はＡＣ−ＤＣコンバータ動作状態信号線２４に接続され、バックアップ電源６ａと６ｂの演算増幅器３８に並列に入力される。抵抗４１を流れる電流をＩとすると
Ｉ＝Ｖｃ／Ｒ１ （１１）
であるから、バックアップ電源６ａと６ｂの抵抗４２に流れる電流Ｉ１は
Ｖ１ ＝―1.5・Ｖｃ （１３） （３台健全時）
となる。ここでＡＣ−ＤＣコンバータのうち１台が故障すると、
Ｖ１＝―Ｖｃ （１５） （１台故障時）
となる。したがって、
Ｖ４＝1.5・Ｖｃ （１６） （３台健全時）
Ｖ４＝Ｖｃ （１７） （１台故障時）
Ｖ５＝1.5・Ｖ２ （１８） （３台健全時）
Ｖ５＝Ｖ２ （１９） （１台故障時）
である。そこで、充電電流が０とすると、Ｖ３は
Ｖ３＝1.5（Ｖｃ−Ｖ２） （１６） （３台健全時）
Ｖ３＝Ｖｃ−Ｖ２ （１７） （１台故障時）
となって、図８におけるＶ３のグラフが算出される。この値が充電電流上限値として各バックアップ電源の充電電流の制限に使用される。
【００６２】
次に、本発明における第３の実施の形態について図９を使用して述べる。図９において、他の図と同じ構成要素には同じ記号を付与している。その他、１１ｅはコネクタである。図９は装置の電源部を示しており、装置側にコネクタ１１ａから１１ｅが規則正しく並んでいる。そして、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ｂがそれぞれコネクタ１１ａ、１１ｂに挿入される。一方、バックアップ電源６ａとバックアップ電源６ｂはコネクタ１１ｃ、１１ｄにそれぞれ接続される。ＡＣ−ＤＣコンバータとバックアップ電源は同じ寸法であり、コネクタ１１は共通に使用することが可能である。コネクタ１１ｅは予備のコネクタであり、装置負荷が増加した際に使用する。この場合、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂと同じＡＣ−ＤＣコンバータをコネクタ１１ｅに接続すると装置の負荷容量が増加する。
【００６３】
また、装置の負荷の増加ではなく、停電補償時間を標準設定値よりも増加させたい場合がある。この場合にはコネクタ１１ｅにバックアップ電源６ａ、６ｂと同じバックアップ電源を接続することにより、負荷容量が同じ場合には停電補償時間をおよそ1.5倍に増加させることが可能となる。
【００６４】
本実施の形態においては、以上述べたように、負荷の要求に応じてフレキシブルにＡＣ−ＤＣコンバータやバックアップ電源をユニットごとに増加させたり交換したりすることができるため、従来の装置よりフレキシビリティやスケーラビリティ（拡張性）に優れているということができる。
【００６５】
次に、本発明における第４の実施の形態について図１０を使用して説明する。図１０において、他の図面と同じ構成要素には同じ記号を付与している。図１０は図９と同じく、装置の電源部を示しており、装置側にコネクタ１１ａから１１ｅが規則正しく並んでいる。そして、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ｂがそれぞれコネクタ１１ａ、１１ｂに挿入される。一方、バックアップ電源６ａとバックアップ電源６ｂはコネクタ１１ｃ、１１ｄにそれぞれ接続される。コネクタ１１ｅは予備のコネクタである。図１０が図９と異なるのは、バックアップ電源６ａ、６ｂの横幅がＡＣ−ＤＣコンバータの２倍になっていることである。バックアップ電源をちょうど２倍のサイズとすることにより、ＡＣ−ＤＣコンバータと隙間なく実装することが可能である。また、図９に示したバックアップ電源と比較すると、２倍以上の容量の二次電池を搭載することができる。さらに、図９に示したバックアップ電源との互換性もあることから、負荷に応じてバックアップ電源のサイズを選択することができることが特徴である。
【００６６】
本発明における第５の実施の形態について、図１と図１１を用いて説明する。
図１１はバックアップ電源の立ち上げ手順を示す図であって、コンデンサ電圧Vcout、パワーＭＯＳＦＥＴ９ｂゲート電圧、およびバックアップ電源の動作モードの時間変化を示している。
【００６７】
本実施の形態では、装置に挿入されたバックアップ電源６ａの立ち上げ手順について説明する。まず、図１において、バックアップ電源６ａを装置に組み込む場合には、物理的にコネクタ１０ｃをコネクタ１１ｃに差込み、固定する。次に、ＡＣプラグ１４ｃをＡＣコネクタ１５ｃに接続する。このときには、まだバックアップ電源は動作していないため、図１のパワーＭＯＳＦＥＴ９ｂはオフ状態である。この状態が図１１における停止状態である。次に、二次電池４ａから放電回路を動作させ、平滑キャパシタ８ｂを充電する。これにより、平滑キャパシタ８ｂは所定の電圧である４８Vまで充電される。次に、パワーＭＯＳＦＥＴ９ｂのゲート電圧を図示のように徐々に上昇させ、パワーＭＯＳＦＥＴ９ｂを極めてゆっくりとオンさせる。このときには、電流源によりパワーＭＯＳＦＥＴ９ｂのゲートに微小電流を流し込む方法が有効である。パワーＭＯＳＦＥＴ９ｂが完全にオンした時点で、充電モードに移り、バックアップ電源は二次電池４ａを充電し、万が一の停電に備える。
【００６８】
本実施の形態によれば、バックアップ電源の挿入時に、平滑キャパシタの初充電電流を負荷側からとらず、バックアップ電源の二次電池から予め充電することにより、挿入時の負荷電圧変動を抑制することが可能である。
【００６９】
次に、本発明における第６の実施の形態について、図１２を用いて説明する。
図１２は、本発明における双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５の一形態を示した回路図である。図１２において、他の図面と同じ構成要素には同じ記号を付与している。その他、図１２において、５５ｃ、５５ｄはパワーＭＯＳＦＥＴである。
【００７０】
図１２において、二次電池４ａが双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５内部の平滑キャパシタ５７ａの両端に接続される。平滑キャパシタ５７ａの両端は、直列接続されたパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｄ、５５ｃに接続される。パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｃとパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｄの中点はインダクタ５６に接続される。インダクタ５６は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５外部の平滑キャパシタ８ｂに接続され、この接続点に電圧検出手段４８が接続される。また、平滑キャパシタ８ｂの負極側とパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｃの負極側が接続され、その間に電流検出手段３６が接続される。また、駆動回路５３がパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｃ、５５ｄのゲートに接続される。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５外部の制御回路４７に電流検出手段３６、電圧検出手段４８、駆動回路５３がそれぞれ接続される。
【００７１】
次に、図１２の動作を説明する。まず、条件として、二次電池４ａの端子電圧は放電終止時においてもＶｃｏｕｔより高く設定する。そして、充電時には駆動回路５３からパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｃをオンオフさせるパルス信号を出力する。パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｃがオンすると、平滑キャパシタ８ｂからインダクタ５６に電流が流れる。パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｃをオフすると、インダクタ５６に蓄えられた励磁エネルギーが電流となってパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｄのボディダイオードを通過して平滑キャパシタ５７ａおよび二次電池４ａを充電する。この動作を繰り返すことにより、インダクタ５６に流れる電流平均値を適切にコントロールし、二次電池４ａを充電する。
【００７２】
一方、停電発生時には、制御回路４７から放電信号が駆動回路を通して送られる。このときには、パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｄがオンオフして二次電池４ａから放電させ、出力電圧Vcoutを一定に保つ制御をする。パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｄがオンすると、二次電池４ａからパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｄを通してインダクタ５６、平滑キャパシタ８ｂに放電電流が流れる。パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｄをオフすると、インダクタ５６を流れていた電流がパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｃのボディダイオードを通して環流する。この動作を繰り返し、パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｄのオン時比率をコントロールすることにより、平滑キャパシタ８ｂの電圧Vcoutを一定に制御することが可能である。また、この場合には負荷短絡時においてもパワーＭＯＳＦＥＴ５５ｄのオン時比率の制御のみで電流垂下制御を行うことが可能である。なお、上記の動作でパワーＭＯＳＦＥＴのボディダイオードを流れる期間に該当するパワーＭＯＳＦＥＴをオンすることによってボディダイオードの損失を低減する同期整流を行うことも可能である。
【００７３】
次に、本発明における第７の実施の形態について、図１３をもちいて説明する。図１３はバックアップ電源内の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５の一構成を示した図であり、２系統の二次電池を有する電源を示している。他の図面と同じ構成要素には同じ記号を付与した。その他、図１３において、４ｂは二次電池、５７ｂは平滑キャパシタ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄはＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴである。図１３は図４を基本としているため、接続関係や動作で第１の実施の形態と異なる部分についてのみ以下に述べる。
【００７４】
まず、接続関係は、図４に対し、図１３ではＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａのソースと平滑キャパシタ５７ａの間にＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ｂが挿入される。その向きは、ＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａのソースとＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ｄのソースが接続される向きである。また、二次電池４ｂと平滑キャパシタ５７ｂが接続され、二次電池４ａの負極側が接続される。平滑キャパシタ５７ｂの正極側とダイオード５８のカソードの間に、ＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ｃ、５４ｄが、ソース同士が接続され、逆直列に接続される。
【００７５】
次に、動作について述べる。充電時には、基本的にＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄはすべてオン状態となり、パワーＭＯＳＦＥＴ５５ｂのオン時比率制御によってインダクタ５６に流れる電流をコントロールすることにより、その電流を二次電池４ａおよび４ｂに等しく分流させて充電させる。ここで、万が一、二次電池４ａを構成する複数の電池セルのうち１つが短絡故障を起こしたと仮定すると、二次電池４ａの電圧の方が二次電池４ｂの電圧よりも低下し、充電電流が均等にならないばかりでなく、二次電池４ｂと二次電池４ａの間に横流が発生する。そこで、このときには電池モニタ４９で二次電池４ａの電圧低下を検出し、ＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａ、５４ｂをオフさせる。これにより、二次電池４ａはシステムから解列され、バックアップ電源６ａは半分の容量である二次電池４ｂのみを用いて充電および放電をおこなう。これはバックアップ電源の縮退運転であると位置付けることができる。
【００７６】
また、このとき、二次電池４ａはＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ５４ａ、５４ｂによりシステムから完全に離脱しているため、健全な二次電池４ｂによってバックアップ電源の停電補償機能を保ったまま、二次電池４ａのみを新しい二次電池と交換することが可能である。
【００７７】
本実施の形態においては、二次電池を２系列に分けることが特徴であり、これにより、二次電池セルの短絡故障において縮退モードでの運転が可能であるばかりでなく、無停止で故障した二次電池のみを交換することが可能である。
【００７８】
次に、本発明における第８の実施の形態について、図１４をもちいて説明する。図１４はマルチ出力コンバータ構成のＡＣ−ＤＣコンバータに活線挿抜機能付きバックアップ電源を適用した場合の構成図である。図１４において、他の図と同じ構成要素には同じ記号を付与した。その他、図１４において、５９ａ、５９ｂ、５９ｃ、５９ｄは直流出力ライン、６７はマルチ出力ＤＣ−ＤＣコンバータである。図１４の接続は図１を基本としている。図１４が図１と異なる点について以下に述べる。図１４において、パワーＭＯＳＦＥＴ９ａのドレインと平滑キャパシタ８ａの負極側の間にマルチ出力ＤＣ−ＤＣコンバータ６７が接続される。マルチ出力ＤＣ−ＤＣコンバータ６７の出力は、コネクタ１０ａ、コネクタ１１ａを介して負荷１３と接続されており、そのうち＋１２Ｖは直流出力ライン５９ａ、＋５Ｖは直流出力ライン５９ｂ、＋３．３Ｖは直流出力ライン５９ｃ、直流出力ライン５９ｄはグランドラインである。ＡＣ−ＤＣコンバータ３ｂもＡＣ−ＤＣコンバータ３ａと同じ構成であり、同様にコネクタ１０ｂ、１１ｂを介して負荷１３に接続される。
【００７９】
図１４の動作について以下に述べる。マルチ出力ＤＣ−ＤＣコンバータ６７の入力電圧である４８Ｖは他のＡＣ−ＤＣコンバータ、およびバックアップ電源６ａ、６ｂと接続されている。これら複数のＡＣ−ＤＣコンバータは電流シェア制御により、１２Ｖ、５Ｖ、３．３Ｖのそれぞれにおいて、各ＡＣ−ＤＣコンバータが出力する電流をバランスさせている。この制御は図２に記載した制御と同じである。
【００８０】
商用交流電源１が停電した場合には、バックアップ電源内部の停電検出回路７により停電を検出し、バックアップ電源側から４８Ｖを給電し、マルチ出力ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧を維持する。これにより、マルチ出力ＤＣ−ＤＣコンバータの出力である１２Ｖ、５Ｖ、３．３Ｖはすべて停電に影響されず負荷１３に供給を続けることが可能である。
【００８１】
次に、本発明における第９の実施の形態について、図１５をもちいて説明する。図１５は情報処理装置の外部に電源のスイッチを設け、負荷から操作する場合の構成について示している。図１５において、他の図と同じ構成要素には同じ記号を付与した。その他、図１５において、６４はスイッチ手段である。
【００８２】
図１５においては、情報処理装置２の外部にスイッチ手段６４があり、商用交流電源１と情報処理装置２の間に挿入される。
【００８３】
次に動作を説明する。まず、情報処理装置２を起動する場合には、スイッチ手段６４をマニュアルで操作する。これによりＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂを介して負荷１３に電力が供給され、負荷１３は動作を開始する。次に、負荷１３をオフさせるときには、負荷１３側にあるスイッチ手段を操作することにより負荷１３をシャットダウンさせる。このとき、負荷１３の動作状態はＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂおよびバックアップ電源６ａに伝達されており、シャットダウン以前に停電が発生した場合にはバックアップ電源６ａが動作して負荷１３に電力を供給する。負荷１３のシャットダウンが完了すると、負荷１３からＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂおよびバックアップ電源６ａに対して出されている信号が変化する。そして、スイッチ手段６４に対して負荷１３からオフ信号が出力され負荷１３への給電は切断される。バックアップ電源６ａは負荷１３の状態を把握しているので、このときスイッチ手段６４がオフして停電状態になっても動作しない。
【００８４】
一方、不用意にスイッチ手段６４をオフした場合にはバックアップ電源が動作してシステムを保護することができるため、ヒューマンエラー防止策としても有効である。
【００８５】
このように、本実施の形態においては、負荷の状態を監視することで、バックアップ電源の動作／不動作を判定することが可能である。
【００８６】
次に、本発明における第１０の実施の形態について、図１６を用いて説明する。図１６は図１５と同様に、情報処理装置の外部に電源のスイッチを設け、負荷から操作する場合の構成について示している。図１６において、他の図と同じ構成要素には同じ記号を付与した。その他、図１６において、６５はサーバである。本実施の形態において図１５と異なる点は、外部にサーバ６５があり、サーバ６５と負荷１３が接続され、サーバ６５とスイッチ手段６４が接続される点である。
【００８７】
次に動作を説明する。本実施例において、負荷１３に動作／停止の命令を送るのはサーバ６５である。まず、情報処理装置２を起動する場合には、サーバ６５からスイッチ手段６４を操作する。これによりＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂを介して負荷１３に電力が供給され、負荷１３は動作を開始する。次に、負荷１３をオフさせるときには、サーバから負荷１３にシャットダウン信号を送ることによって、負荷１３をシャットダウンさせる。このとき、負荷１３の動作状態はＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂおよびバックアップ電源６ａに伝達されており、シャットダウン以前に停電が発生した場合にはバックアップ電源６ａが動作して負荷１３に電力を供給する。負荷１３のシャットダウンが完了すると、負荷１３からＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂおよびバックアップ電源６ａに対して出されている信号が変化する。そして、サーバ６５は負荷１３のシャットダウンを認識した後、スイッチ手段６４に対してサーバ６５からオフ信号を出力し、負荷１３への給電を切断する。バックアップ電源６ａは負荷１３の状態を把握しているので、このときスイッチ手段６４がオフして停電状態になっても動作しない。
【００８８】
このように、本実施の形態においても、負荷の状態を監視することで、バックアップ電源の動作／不動作を判定することが可能である。
【００８９】
次に、本発明における第１１の実施の形態について、図１７をもちいて説明する。図１７は情報処理装置の電源と負荷の関係を示しており、負荷と電源の状態による電力需給の方向を示した図である。図１７においては他の図と同じ構成要素には同じ記号を付与した。図１７の接続関係は、図１と同じである。なお、図１７の電源、負荷の接続関係は電力需給ラインのみを示しているため、バックアップ電源６ａ、６ｂは商用交流電源１には接続されていない。
【００９０】
図１７（ａ）は軽負荷時の電力需給をあらわしており、商用交流電源１からＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂを通して負荷１３に給電される一方、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂからバックアップ電源６ａ、６ｂ内の二次電池を充電する。
【００９１】
次に、図１７（ｂ）はピーク負荷時の電力需給を示しており、このときには商用交流電源１からＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂを通して負荷１３に電力供給される一方で、バックアップ電源６ａ、６ｂから放電する。この動作をピークカットと称する。これにより、ピーク負荷時におけるＡＣ−ＤＣコンバータ３ａ、３ｂの負担は、ピークカット動作を行わない場合よりも軽くてすむ。このため、ピーク負荷の出現度合いが決まっている負荷に対しては、ＡＣ−ＤＣコンバータの定格電力をピーク負荷時の電力よりも下げることが可能となる。この結果、ＡＣ−ＤＣコンバータの容量が下げられ、体積の低減や、低コスト化ができる。
【００９２】
また、（ｃ）は停電時またはＡＣ−ＤＣコンバータ故障時の動作を表しており、この動作は本発明における第１の実施の形態において説明した内容と同じである。すなわち、商用交流電源１が故障した際には、バックアップ電源６ａ、６ｂから負荷１３に放電し、電力を供給することができる。また、ＡＣ−ＤＣコンバータは多重化構成をとっており、たとえばＡＣ−ＤＣコンバータ３ａのみが故障してもＡＣ−ＤＣコンバータ３ｂから給電することで負荷１３は維持されるが、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ｂも故障した場合でも、バックアップ電源６ａ、６ｂから放電することにより負荷１３への電力を維持することができる。
【００９３】
また、本実施の形態においては、（ｂ）のピーク負荷時にはバックアップ電源６ａのみからピーク電流分を補償し、バックアップ電源６ｂを停止させておき、（ｃ）の停電時においてはバックアップ電源６ａ、６ｂから電力を給電することでも可能である。ピークカット動作は、負荷の状態に応じて（ａ）と（ｂ）の状態を頻繁に繰り返すため、万が一、ピーク負荷がある程度連続し、バックアップ電源６ａの内部の二次電池残量が低下しているときに停電した場合、十分な停電バックアップ時間が保てないとシステムとして成立しない。しかし、このようにピークカットを常にＡＣ−ＤＣコンバータ６ａのみに分担させ、バックアップ電源６ｂを停電待機させることによって、この問題を解決することができる。
【００９４】
次に、本発明における第１２の実施の形態について、図１８をもちいて説明する。図１８はＡＣ−ＤＣコンバータ２台とバックアップ電源２台の接続形態を表した図であり、本発明における第８の実施の形態で説明した図１４をベースとしている。図１８においては他の図と同じ構成要素には同じ記号を付与した。その他、図１８において、６８は直流ライン、６９ａ、６９ｂ、７０ａ、７０ｂは切換手段である。図１８の接続関係は、ほぼ図１４と同じであるが、図１４の直流ライン２０に相当する直流系統が２系統となり、直流ライン２０と直流ライン６８が並列になっている。また、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａにおいては、切換手段６９ａがパワーＭＯＳＦＥＴ９ａのドレインに接続され、直流ライン２０と６８に選択接続される。同様にＡＣ−ＤＣコンバータ３ｂにおいても、切換手段６９ｂが直流ライン２０と６８に選択接続される。一方、バックアップ電源６ａにおいては、切換手段７０ａが直流ライン２０と直流ライン６８に選択接続される。また、バックアップ電源６ｂにおいては、切換手段７０ｂが直流ライン２０と直流ライン６８に選択接続される。
【００９５】
次に本発明の動作を説明する。ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａの切換手段６９ａは直流ライン２０に接続される。またＡＣ−ＤＣコンバータ３ｂの切換手段６９ｂは直流ライン６８に接続されるように設定される。一方、バックアップ電源６ａの切換手段は直流ライン２０に接続されるように設定されており、バックアップ電源６ｂの切換手段は直流ライン６８に接続されるように設定されている。
【００９６】
そこで、直流ライン２０にはＡＣ−ＤＣコンバータ３ａとバックアップ電源６ａが接続され、これとは異なる直流ライン６８にはＡＣ−ＤＣコンバータ３ｂとバックアップ電源３ｂが接続されることになる。
【００９７】
万が一、直流ライン２０が直流ライン２１と短絡事故を起こした際には、ＡＣ−ＤＣコンバータ３ａは故障状態となり、出力が出せなくなる。しかし、このようなときでも、直流ライン６８に接続されているＡＣ−ＤＣコンバータ３ｂとバックアップ電源６ｂは健全であることから、負荷１３に対してパワーを供給しつづけることが可能である。また、この故障時には、バックアップ電源３ａでは停電を検出し動作するが、過電流状態となる。このときには速やかに切換手段７０ａを直流ライン６８側に切り替えることにより、バックアップの継続が可能である。
【００９８】
このように、本実施における形態の構成のように直流ラインを２系統に分割することにより、直流ラインの短絡時においても負荷に与える影響を極力小さくし、システムダウンを回避することができる。
【００９９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、バックアップ電源の並列冗長運転が可能になり、システムの信頼性が向上する。すなわち、バックアップ電源の内部の二次電池や他の部品の保守交換をおこなう際には、バックアップ電源を１台ずつ活線挿抜することによって、 システムの停電補償機能を保ったまま、負荷無停止・無瞬断での交換作業ができる。
【０１００】
また、本発明によれば、ＡＣ−ＤＣコンバータとバックアップ電源のコネクタを同じ仕様にしているため、システムの拡張にともない負荷が増加する際においても、ＡＣ−ＤＣコンバータやバックアップ電源を極めて容易に増設することができ、このときに負荷を停止する必要がない。
【０１０１】
また、本発明においては電流シェア制御をおこなっていることにより、バックアップ時には複数台のバックアップ電源から同じ電流が負荷に出力されるため、バックアップ電源の負担が同じになり、負荷集中によるバックアップ電源の劣化の心配がない。また、１台のバックアップ電源が万が一故障した際には、まず電流シェア制御から離れ、バックアップ電源の出力側に設けたスイッチ手段により完全に系統から離脱することにより、負荷に影響を与えることがない。
【０１０２】
さらに、バックアップ電源の充電に関しては、ＡＣ−ＤＣコンバータの容量と負荷の差分を充電電流指令値の上限値に設定することにより、許容範囲内で最速の急速充電が可能となる。このとき万が一ＡＣ−ＤＣコンバータが故障した場合には、故障を検出して充電電流を低下させるので、過負荷になる心配がない。このようにして速やかに次の停電に備えることができるため、システムの信頼性が向上する。
【０１０３】
また、ピークカット制御をおこなうことにより、ピーク負荷に対してはバックアップ電源からピーク電流分を補償することができ、ＡＣ−ＤＣコンバータの定格容量を下げることが可能であり、この結果、コスト、体積を低減することができる。
【０１０４】
また、本発明で述べたバックアップ電源の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは非常に簡単な構成であって低コスト化が実現できるうえ、負荷短絡の際にも二次電池からの電流を制限する電流垂下回路を備え、過電流による電源あるいは負荷の損傷を未然に防止することができる。
【０１０５】
また、本発明のバックアップ電源挿入方法は、二次電池から出力側キャパシタを充電したあとでスイッチ手段を緩やかにターンオンさせシステムに接続する方法であり、これにより負荷に与える影響が極めて小さく、信頼性が向上する。
【０１０６】
本発明では二次電池を２系統用いた双方向ＤＣ−ＤＣコンバータも提案しており、これにより二次電池が故障した際の信頼性が向上するほか、二次電池の交換も容易におこなえる。本発明においては、装置の外部にスイッチ手段を置いてスケジュール管理を行う場合においても、バックアップ電源の動作をスケジュールに同期して切り替えることにより、無駄な放電や誤操作に対するシステムダウンの心配がない。
【０１０７】
また、本発明で述べた直流ラインを多重化することにより、直流ラインの短絡故障によるシステムダウンを回避することができ、システムの信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態を示す活線挿抜機能付きバックアップ電源の構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態におけるＡＣ−ＤＣコンバータの制御回路ブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態におけるバックアップ電源の制御回路ブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態における充電上限値算出回路の等価接続図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態における負荷率と各部電圧との関係を示す特性図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態における充電上限値算出回路の等価接続図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態における負荷率と各部電圧との関係を示す特性図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態を示す活線挿抜機能付きバックアップ電源の実装配置図である。
【図１０】本発明における第４の実施の形態を示す活線挿抜機能付きバックアップ電源の実装配置図である。
【図１１】本発明における第５の実施の形態を示す活線挿抜機能付きバックアップ電源の立ち上げ手順を示す図である。
【図１２】本発明の第６の実施の形態における双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。
【図１３】本発明の第７の実施の形態における双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。
【図１４】本発明における第８の実施の形態を示す活線挿抜機能付きバックアップ電源の構成図である。
【図１５】本発明における第９の実施の形態を示す活線挿抜機能付きバックアップ電源の構成図である。
【図１６】本発明における第１０の実施の形態を示す活線挿抜機能付きバックアップ電源の構成図である。
【図１７】本発明における第１１の実施の形態を示す活線挿抜機能付きバックアップ電源の動作を説明する図である。
【図１８】本発明における第１２の実施の形態を示す活線挿抜機能付きバックアップ電源の構成図である。
【図１９】従来の装置内蔵バックアップ電源の構成を示す構成図である。
【図２０】従来の装置内蔵バックアップ電源の動作形態を示す図である。
【符号の説明】
１…商用交流電源、
２…情報処理装置、
３ａ、３ｂ、３ｃ…ＡＣ−ＤＣコンバータ、
４ａ、４ｂは二次電池、
５…双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ、
６ａ、６ｂ…バックアップ電源、
７…停電検出回路、
８ａ、８ｂ…平滑キャパシタ、
９ａ、９ｂ…パワーＭＯＳＦＥＴ、
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ…コネクタ、
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ…コネクタ、
１２…ＤＣ−ＤＣコンバータ、
１３…負荷
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ…ＡＣプラグ、
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ…ＡＣコネクタ、
１６…力率改善回路、
１７…出力制御回路、
１８ａ、１８ｂ…逆流検出保護回路、
１９ａ、１９ｂ…電流検出手段、
２０、２１…直流ライン、
２２…ＡＣ−ＤＣコンバータ電流シェア信号線、
２３…バックアップ電源電流シェア信号線、
２４…ＡＣ−ＤＣコンバータ動作状態信号線、
２５…動作状態判定回路、
２６ａ、２６ｂ…コンパレータ、
２７ａ、２７ｂ…電圧誤差増幅器、
２８ａ、２８ｂ…電圧指令値、
２９ａ、２９ｂ…加算器、
３０ａ、３０ｂ…電流誤差増幅器、
３１ａ、３１ｂ…ダイオード、
３２ａ、３２ｂ…三角波発生手段、
３３…電圧基準値、
３４…コンパレータ、
３５ａ、３５ｂ…電流検出回路、
３６…電流検出手段、
３７…充電上限値算出回路、
３８、３９…演算増幅器、
４０…減算器、
４１、４２…抵抗、
４３…正負反転手段、
４４…ゲイン、
４５…積算器、
４６…制御回路、
４７…制御回路、
４８…電圧検出手段、
４９…電池モニタ、
５０…放電制御回路、
５１…充電制御回路、
５２…動作モード切り替え回路、
５３…駆動回路、
５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ…ＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ、
５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ…パワーＭＯＳＦＥＴ、
５６…インダクタ、
５７ａ、５７ｂ…平滑キャパシタ、
５８…ダイオード、
５９ａ、５９ｂ、５９ｃ、５９ｄ…直流出力ライン、
６０…ＡＣ−ＤＣコンバータ、
６１…バランス制御部、
６２…充電回路、
６３…ＤＣ−ＤＣコンバータ、
６４…スイッチ手段、
６５…サーバ、
６６…二次電池、
６７…マルチ出力ＤＣ−ＤＣコンバータ、
６８…直流ライン、
６９ａ、６９ｂ、７０ａ、７０ｂ…切換手段。
Claims (16)
- 商用交流電源から受けた交流を直流に変換して負荷が接続される直流ラインに出力するＡＣ−ＤＣコンバータをバックアップするバックアップ電源であって、
二次電池と、該二次電池に一端が接続された双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、該双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの他端を前記直流ラインに接続する挿抜可能なコネクタと、前記直流ラインから前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを介して前記二次電池を充電する充電電流を制御する制御手段とを備え、該制御手段は、電流シェア制御線から入力される前記ＡＣ−ＤＣコンバータの負荷電流信号に基づいて前記負荷電力を算出し、前記ＡＣ−ＤＣコンバータの定格容量から前記負荷電力を差し引いた電力に対応する値に自己のバックアップ電源の充電電流の上限を制限する電流抑制手段を備え、前記商用電源の停電時或いは前記ＡＣ−ＤＣコンバータの動作停止時に前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを介して前記二次電池から前記負荷に電力を供給することを特徴とするバックアップ電源。 - 請求項１項において、
前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、チョッパ回路で形成され、前記二次電池の端子電圧よりも前記直流ライン側が高電圧のとき、前記チョッパ回路を降圧チョッパ動作させて前記直流ライン側から前記二次電池を充電し、前記商用電源の停電時或いは前記ＡＣ−ＤＣコンバータの動作停止時のとき、前記チョッパ回路を昇圧チョッパ動作させて前記二次電池から前記負荷に電力を供給することを特徴とするバックアップ電源。 - 請求項２において、
前記制御手段は、前記ＡＣ−ＤＣコンバータの容量から前記負荷の負荷電力を差し引いた電力に対応する値に前記充電電流の上限を制限する電流抑制手段を備え、
該電流抑制手段は、前記二次電池の正極側と前記チョッパ回路を構成するインダクタの間に電流制限用スイッチ手段を挿入し、前記二次電池の負極側にアノードが接続され、前記インダクタと前記電流制限用スイッチ手段の接続点にカソードが接続されるダイオードからなる回路であることを特徴とするバックアップ電源。 - 請求項1乃至３のいずれか１項において、
前記二次電池は２系統に分離されており、それぞれの二次電池が電池スイッチ手段を介して前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに接続されるとともに、前記二次電池を系統ごとに挿抜することを特徴とするバックアップ電源。 - 請求項1乃至４のいずれか１項に記載のバックアップ電源であって、
前記ＡＣ−ＤＣコンバータは、ＤＣ出力側に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータを有し、
前記ＡＣ−ＤＣコンバータと前記ＤＣ−ＤＣコンバータを一体としたコンバータがコネクタを介して前記直流ラインに挿抜可能に接続され、前記コンバータの中間のＤＣラインが他のコンバータと共通接続されてなり、該ＤＣラインに少なくとも１台接続して用いられるバックアップ電源。 - 請求項1乃至４のいずれか１項に記載のバックアップ電源であって、
前記ＡＣ−ＤＣコンバータは、ＤＣ出力側に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータを有し、前記ＡＣ−ＤＣコンバータと前記ＤＣ−ＤＣコンバータを一体としたコンバータがコネクタを介して前記直流ラインに挿抜可能に接続され、前記コンバータ２台の中間のＤＣラインに切換手段を介してそれぞれ別系統で接続して用いることを特徴とするバックアップ電源。 - 請求項1乃至６のいずれか１項において、
前記バックアップ電源の外部に商用交流電源のオンオフを制御するＡＣスイッチ手段を有し、前記負荷からこのＡＣスイッチ手段のオンオフを制御するとともに、前記負荷から前記バックアップ電源に送られる信号により前記バックアップ電源の動作要否を判断することを特徴とするバックアップ電源。 - 請求項1乃至６のいずれか１項において、
前記バックアップ電源の外部に商用交流電源のオンオフを制御するＡＣスイッチ手段とサーバを有し、前記サーバから前記ＡＣスイッチ手段のオンオフを制御するとともに、前記サーバから前記負荷を介して前記バックアップ電源に送られる信号により前記バックアップ電源の動作要否を判断することを特徴とするバックアップ電源。 - 請求項1乃至８のいずれか１項において、
前記バックアップ電源は前記負荷の電流が所定の値よりも増加した際には前記バックアップ電源から負荷に電流を供給するピークカット機能を持つことを特徴とするバックアップ電源。 - 請求項1乃至９のいずれか１項において、
前記バックアップ電源は、逆流検出器と、既定の充電電流以上の電流が流入することを検出して、前記バックアップ電源を他の前記ＡＣ−ＤＣコンバータや前記負荷から切り離す手段を設けることを特徴とするバックアップ電源。 - 請求項1乃至１０のいずれか１項において、
複数のバックアップ電源を有し、前記バックアップ電源から前記負荷に流れる電流をバランスさせる手段を有することを特徴とするバックアップ電源。 - 請求項1乃至１１のいずれか１項において、
前記バックアップ電源の前記コネクタの挿入時には、前記コネクタに接続されるスイッチ手段を切った状態で挿入し、前記バックアップ電源内部の出力側電荷蓄積手段を前記バックアップ電源内の前記二次電池で充電し、前記スイッチ手段の電圧が前記負荷側の電圧とほぼ同じになったことを検出して前記スイッチ手段をオンすることを特徴とするバックアップ電源。 - 請求項1乃至１２のいずれか１項において、
前記ＡＣ−ＤＣコンバータと前記バックアップ電源のコネクタを共通とすることを特徴とするバックアップ電源。 - 請求項1乃至１３のいずれか１項において、
前記ＡＣ−ＤＣコンバータと前記バックアップ電源の寸法は同一であることを特徴とするバックアップ電源。 - 請求項1乃至１４のいずれか１項において、
前記バックアップ電源の縦、横、高さの寸法のうち２つを前記ＡＣ−ＤＣコンバータ同一寸法とし、他の１つを整数倍にすることを特徴とするバックアップ電源。 - 商用交流電源から受けた交流を直流に変換する電源回路と、前記電源回路をバックアップするバックアップ電源とを備え、前記バックアップ電源は、請求項１に記載のバックアップ電源であることを特徴とする電源装置。
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