JP4103947B2 - 無停電電源 - Google Patents

Description

【発明の分野】
【０００１】
本発明は、改良型周波数変換器を採用する無停電電源に関する。
【発明の背景】
【０００２】
無停電電源は、電力会社からの主電力が例えばラインの故障のため利用できない「非常時」に電力を負荷に供給するため用いられる。無停電電源トポロジーは周知である。無停電電源トポロジーは、通常、６０Ｈｚの変圧器を採用し、そして巨大な蓄電池を要する。本発明の目的は、これらの構成要素の物理的寸法及びコストを考慮してそのような６０Ｈｚの変圧器及び巨大な蓄電池を不要にすることにある。本発明の更に別の目的は、主スイッチング構成要素は変圧器又は他の分離手段を採用することなしに信号を用いて容易に制御されるので、該主スイッチング構成要素が中性点に接続される無停電電源トポロジーを提供することにある。更に、ゲート駆動回路には単一の電源が必要であるにすぎないため複雑さ及びコストが低減される。更に、本発明の目的は、部品点数が最小である無停電電源の改良型トポロジーを提供することにある。
【発明の概要】
【０００３】
本発明の一好適実施形態による無停電電源は、１次巻線及び２次巻線を有する変圧器と、直流電圧を供給する蓄電池、第１のスイッチングデバイス、第２のスイッチングデバイス及びこれらスイッチングデバイスを導通状態と非導通状態の間で駆動する第１の駆動手段を備える低電圧コンバータと、２次巻線の両端間の第１の交流電圧を、第１の出力端子における第１の高い直流電圧（２×Ｖ、ここで「Ｖ」は所望の出力電圧）と、第２の出力端子における第２の高い直流電圧（−２×Ｖ）に変換する整流器と、負荷端子に結合された出力キャパシタ（Ｃ）、第３のスイッチングデバイス（Ｑ１）、第４のスイッチングデバイス（Ｑ２）（ここでＱ１及びＱ２はそれぞれ抵抗Ｒ１及びＲ２に結合されている）、及び負荷が負荷端子に結合されているとき負荷端子の両端間に準正弦出力電圧波形を発生させるように第３及び第４のスイッチングデバイスを導通状態と非導通状態の間で駆動する第２の駆動手段（４３、４４）と、より成る。出力電圧は、正のピーク（Ｖ）と負のピーク（−Ｖ）の間で変わる振幅により特徴付けられる。
【０００４】
無停電電源の好適実施形態において、第１の駆動手段は、第１及び第２のスイッチングデバイスを導通状態から非導通状態に、例えば１２−２５ｋＨｚの範囲の搬送波周波数又は第２の周波数（ｆ２）で交互に駆動し、より具体的には第２の周波数は例示の実施形態においてほぼ２０ｋＨｚである。更に、準正弦出力電圧波形は、好適にはほぼ６０Ｈｚの基本周波数又は第１の周波数により特徴付けられ、第１、第２、第３及び第４のスイッチングデバイスの各々はトランジスタより成るのが好ましい。一般的に、本発明によると、第１の周波数は第２の周波数より非常に低い。好適な実施形態における蓄電池電圧はほぼ１２ボルト直流であり、準正弦出力電圧は＋１６０ボルトと−１６０ボルトとの間で変わる。
【０００５】
本発明の別の局面によると、１つの周波数を有する１対の入力電圧を、別の周波数を有しかつ出力端子とアースの間に現れる出力電圧に変換する周波数変換器が提供される。本発明の周波数変換器は、１対の入力端子間に結合され、その間に整流された電圧を与える１対の端子を有する整流手段と、別々に整流手段の端子に、更にアースに結合されて整流手段の端子をアースに選択的に結合する１対のスイッチング手段と、出力端子とアースの間に結合されて出力電圧をフィルタリングする容量性手段とを備える。
【０００６】
周波数変換器は、その好適実施形態によると、１対の入力電圧を供給する発電機手段を含む。発電機手段は、１つの周波数を有する電圧を供給する電源手段と、電源手段の電圧を１対の入力電圧に変換する１対の電磁結合誘導性手段とを含むのが好ましい。電源手段の電圧は、一方の誘導性手段の両端間に印加される。他方の誘導性手段は、入力端子間に結合され、出力端子に結合されたタップを有する。更に、発電機手段は、１対の端子を有し直流電圧を供給する電源手段と、直流電圧を一方の誘導性手段に選択的に印加する１対の第２のスイッチング手段とを含む。一方の誘導性手段は、１対の端子と、電源手段の一方の端子に結合された第２のタップとを有する。第２のスイッチング手段は、別々に、誘導性手段の端子及び電源手段の他方の端子に選択的に結合される。好適な実施形態において、電源手段の他方の端子はアースに結合されている。
【０００７】
周波数変換器は、その好適実施形態によると、１対の端子間に現れる補助電圧を供給する発電機手段と、１対の補助端子を有する第２のスイッチング手段であって、一方の補助端子を発電機手段の一つの端子又は出力端子に選択的に結合し、他方の補助端子を発電機手段の他方の端子又はアースに選択的に結合する第２のスイッチング手段とを含む。他方の補助端子及び発電機手段の他方の端子は、アースに結合されている。補助電圧は、他方の周波数に実質的に等しい周波数を有するのが好ましい。
本発明の他の特徴を以下に開示する。
【好適な実施形態の詳細な説明】
【０００８】
上記したように、本発明を改良型無停電電源を提供する好適実施形態に関して説明する。更に、本発明は、より一般的に、他の非無停電電源技術に適用され得る改良型周波数変換器として見ることができる。従って、好適な実施形態の以下の詳細な説明は、最初に、改良型無停電電源を説明し、次いで改良型周波数変換器を考慮する。
【０００９】
無停電電源の説明
本発明の無停電電源トポロジーは、多くの点で従来設計とは違っている。最初に、変圧器（Ｔ）は直接中性点に接続されないため融通の利かない電圧源であるが、しかし図１に示されるように、高電圧インバータ・スイッチの状態に応じて中性点に関して移動できる。回路は、３つの主要部分から成る。第１の部分０１は、高電圧出力セクションであって高電圧インバータとも呼ばれ、トランジスタＱ１、Ｑ２、抵抗Ｒ１、Ｒ２、マイクロプロセッサ１００により制御されるゲート駆動回路４３、４４を備える。本発明の本好適実施形態におけるゲート駆動回路４３、４４は、マイクロプロセッサに接続された個別の部品から成る。（そのような駆動回路は当該技術分野で周知であるため本明細書では詳説しない。）第２の部分０２は、低電圧蓄電池コンバータセクションであり、蓄電池（Ｂ）（例えば１２ボルト蓄電池）、１対のトランジスタＱ３、Ｑ４、対応ゲート駆動回路４１、４２（例えば、Ｕｎｉｔｒｏｄｅ ＵＣＣ３８０６のＩＣ）を備える。蓄電池コンバータセクション０２は、図示のように、高電圧インバータ・セクション０１に変圧器及びブリッジ整流器により結合されている。第３のセクション５０は、正常動作と非常時動作との間を切り替えるための切り替え手段である。正常動作中、負荷は電力会社からのラインに接続され、非常時動作中、負荷は無停電電源に接続される。切り替え手段が非常時（ライン電力の喪失）を検出し、負荷を無停電電源に切り替える要領は周知であるため本明細書では説明しない。変圧器Ｔの中央タップ付き２次巻線は、図示のように、ライン１０により出力キャパシタ（Ｃ）に結合されている。
【００１０】
蓄電池コンバータ０２は、ライン周波数と同様な低い周波数で変調される。変調により、図２に示されるように、蓄電池コンバータは周期のある部分の間動作するが、サイクルの残部の間非作動状態になる。負荷の両端間に６０Ｈｚ出力波形を発生させるため、この変調は、１２０Ｈｚのレート、即ちライン周波数の２倍であろう。蓄電池コンバータが動作しているとき、トランジスタＱ３及びＱ４は、オン部分の間５０％のデューティ・サイクルでプッシュ・プル構成で動作する。この動作周波数（図２における「第２の周波数」）は、実質的にライン周波数より高い。典型的な動作周波数は、基本周波数の１０倍とほぼ１００ｋＨｚとの間で、好適には２０ｋＨｚであろう。蓄電池コンバータが動作しているとき、変圧器の２次巻線及び整流器は、直流電圧をノード１２と１４との間に発生させる。この直流電圧は、所望の出力電圧「Ｖ」の２倍である。例えば、ノード１２と１４との間の電圧差は、３２０ボルトＤＣであり得る（ここでは所望の出力電圧は１６０ボルトである）。
【００１１】
高電圧出力セクション０１において、トランジスタＱ１及びＱ２は、直流電圧を負荷に印加するため交互に導通する。Ｑ１が導通すると、正の直流電圧端子１２が、中性点に抵抗Ｒ１を介して接続される。高電圧巻線の中央タップが−Ｖになる。この負電圧は、蓄電池コンバータ動作のオン期間の間負荷ノード１６に印加される。蓄電池コンバータが非作動状態にされると、電圧−Ｖは、Ｑ１及びＱ２の同時導通により負荷から能動的に取り除かれる。これにより、負荷が事実上短絡され、「低インピーダンス」ゼロ電圧となる。これは、誘導性負荷にとってノード１６における負荷電圧が制御不能の変動をするのを防止する上で必要である。蓄電池コンバータが動作を再開する直前に、トランジスタＱ１は、非導通状態に切り替えられる。蓄電池コンバータがこのとき動作すると、ノード１４における負電圧が中性点に接続され、高電圧巻線の中央タップが＋Ｖ電位になる。前述したように、この電圧は、蓄電池コンバータの動作時間の間負荷に印加される。再び、蓄電池コンバータが非作動状態にされると、電圧＋Ｖは能動的に取り除かれて、「低インピーダンス」ゼロ電圧を発生させる。この一連の事象が「第１の周波数」（図３）で繰り返される ことにより、負荷の両端間に振幅Ｖの準方形波形電圧が発生する。これらの電圧は図３に示されている。
【００１２】
抵抗Ｒ１及びＲ２は、トランジスタＱ１及びＱ２に対して電流保護を提供する。低インピーダンス・ゼロで出力キャパシタＣの充電中、トランジスタを損傷する電流が流れることがある。Ｑ１及びＱ２のソース接続点に挿入された抵抗Ｒ１及びＲ２は、損傷を与える電流が流れる直前にゲート電圧を低減する。低減されたゲート電圧は、トランジスタを線形領域で動作させ、その結果制限された電流がトランジスタを流れる。
【００１３】
ライン電圧が負荷を直接給電するのに十分であるとき、蓄電池コンバータセクション及び高電圧出力セクションは動作を停止し、電力会社からのラインが切り替え手段５０により負荷に直接接続される。
【００１４】
前述のように、デバイスＱ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４は、ゲート駆動回路４３、４４、４１及び４２に接続されている。ゲート駆動回路は、図示されていない制御回路に接続される。このトポロジーには蓄電池充電器は示されていないが、その１つは特開２００１−５２４７９６号公報に示されている。
【００１５】
周波数変換器
前述したように、本発明は周波数変換器を提供する。周波数変換器は、１つの周波数を有する１対の入力電圧を、別の周波数を有しかつ出力端子とアースとの間に現れる出力電圧に変換する。本発明の周波数変換器は、「入力端子」３３と３４の間、即ち変圧器（Ｔ）の２次端子間に結合された整流器（ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３及びＤ４から成る）を含む。１対の端子１２、１４は、それらの間に現れる整流された電圧を供給し、整流器の端子と更にアースとに別々に結合された１対のスイッチング手段（Ｑ１，Ｑ２）は、整流器の端子をアースに選択的に結合する。出力端子とアースとの間に結合されたキャパシタＣは出力電圧をフィルタリングする。周波数変換器の「出力電圧」は、キャパシタＣの両端間で測定される。
【００１６】
例えば、変圧器Ｔ及び低電圧蓄電池コンバータセクション（蓄電池Ｂ、トランジスタＱ３、Ｑ４、及びゲート駆動回路４１、４２を含む）を備える「発電機手段」は、１対の入力電圧を整流器に供給する。従って、発電機手段は、１つの周波数を有する電圧を供給する電源手段、及び電源手段の電圧を１対の周波数変換器入力電圧に変換する１対の電磁結合誘導性手段（即ち、変圧器Ｔ）を含んだものと説明できる。電源電圧は、一方の誘導性手段（即ち、変圧器の１次側）に印加される。他方の誘導性手段は、整流器の入力端子間に結合され、出力端子及びキャパシタＣに結合されたタップを有する。
【００１７】
本発明、従って頭書の特許請求の範囲の保護範囲は、前述した特定の好適な実施形態に限定されない。例えば、好適な実施形態において、蓄電池の負側がラインの中性点に接続され、それにより電源の数が最小にされる。蓄電池をアースに接続し、蓄電池の制御を分離することが可能である。また、蓄電池の１つの端子を中性点に接続して、制御の複雑さを低減することも可能である。更に、好適実施形態に用いられるトランジスタは、逆並列接続された内部のダイオードを有するＭＯＳＦＥＴである。逆並列接続されたダイオードを有するＩＧＢＴのような他のデバイスも用いることができる。更に、プッシュ・プル蓄電池コンバータの代わりに、４個のスイッチング構成要素、及び中央タップ付きでなくて単一の１次巻線により特徴付けられるブリッジ変換器を用いることができる。また、出力を変調しフィルタリングして、正弦波出力波形を発生させることも可能であり、複数の２次巻線を有する変圧器を用いて２以上の場所で高電圧を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】 図１は、本発明による改良型無停電電源トポロジーを概略的に図示する。
【図２】 図２は、本発明による無停電電源蓄電池コンバータ・セクションのノード３１及び３２における電圧波形を図示する。
【図３】 図３は、本発明による無停電電源の高電圧インバータ・セクションのノード１２、１４及び１６における電圧波形を図示する。

Claims (15)

1. １次巻線及び２次巻線を有する変圧器（Ｔ）であって、１次及び２次巻線がそれぞれ第１の端部端子（３１、３３）、第２の端部端子（３２、３４）及び中央端子を有し、１次巻線の中央端子が直流電源（Ｂ）の第１の端子に接続され、２次巻線の中央端子が負荷の第１の端子（１６）に接続されるように構成された変圧器（Ｔ）と、
   １次巻線の第１及び第２の端部端子に結合され、入力端子が直流電源（Ｂ）の第２の端子に接続されるように構成された第１のインバータ（０２）であって、１次巻線の第１の端部端子（３１）及び第２の端部端子（３２）を直流電源（Ｂ）の第２の端子に交互に結合して、第１の交流電圧を変圧器の２次巻線の第１の端部端子（３３）と第２の端部端子（３４）の間に発生させるよう動作する第１のインバータ（０２）と、
   ２次巻線の第１の端部端子（３３）と第２の端部端子（３４）に結合され、第１の交流電圧を整流して、整流された直流電圧を第１の出力端子（１２）と第２の出力端子（１４）の間に発生させるよう動作する整流器（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）と、
   整流器の第１の出力端子（１２）と第２の出力端子（１４）に結合され、出力端子が負荷の第２の端子（中性点）に接続するよう構成された第２のインバータ（０１）であって、連続する時間周期の間整流器の第１の出力端子（１２）と第２の出力端子（１４）を負荷の第２の端子（中性点）に第１の周波数で交互に結合することにより第２の交流電圧を負荷の第１及び第２の端子間に発生させるよう動作する第２のインバータ（０１）とを備えた無停電電源であって、
   第１のインバータ（０２）は、第２のインバータ（０１）が負荷の第２の端子（中性点）と整流器の第１及び第２の出力端子（１２、１４）の間の接続を切り替える周期的に生じるインターバルの間１次巻線の第１及び第２の端部端子（３１、３２）の双方を直流電源（Ｂ）の第２の端子から切り離すよう動作することを特徴とする無停電電源。
2. 第１のインバータ（０２）は、連続する時間周期の間第１の周波数より大きい第２の周波数で１次巻線の第１及び第２の端部端子（３１、３２）を直流電源（Ｂ）の第２の端子に交互に結合するよう動作する請求項１記載の無停電電源。
3. 第２のインバータ（０１）は、周期的に生じるインターバルの間整流器の第１及び第２の出力端子（１２、１４）の双方を負荷の第２の端子（中性点）に結合するよう動作する請求項２記載の無停電電源。
4. 第２のインバータ（０１）は、周期的に生じるインターバルの間整流器の第１及び第２の出力端子（１２、１４）の双方を負荷の第２の出力端子（中性点）に結合し、次いで、第１のインバータが１次巻線の第１及び第２の端部端子（３１、３２）のうちの１方を直流電源（Ｂ）の第２の端子に接続する前に整流器の第１及び第２の出力端子のうちの１方を負荷の第２の端子（中性点）から切り離すよう動作する請求項３記載の無停電電源。
5. 第２の周波数は１００ｋＨｚより小さい請求項３記載の無停電電源。
6. 第２の交流電圧は、第１の周波数の半分の基本周波数を有する請求項５記載の無停電電源。
7. 第２の交流電圧の基本周波数は６０Ｈｚであり、第２の周波数は基本周波数の１０倍から１００ｋＨｚまでの範囲にある請求項５記載の無停電電源。
8. 第１のインバータ（０２）は、
   入力端子と１次巻線の第１の端部端子（３１）の間に接続された第１のスイッチ（Ｑ３）であって、１次巻線の第１の端部端子（３１）と直流電源（Ｂ）の第２の端子とを結合したり切り離したりするよう動作する第１のスイッチ（Ｑ３）と、
   入力端子と１次巻線の第２の端部端子（３２）の間に接続され、１次巻線の第２の端部端子（３２）と直流電源（Ｂ）の第２の端子とを結合したり切り離したりするよう動作する第２のスイッチ（Ｑ４）と、
   １次巻線の第１及び第２の端部端子（３１、３２）を直流電源（Ｂ）の第２の端子に選択的に結合するよう第１及び第２のスイッチを制御する手段（４１、４２）とを備える請求項３記載の電源。
9. 第１及び第２のスイッチ（Ｑ３、Ｑ４）は、それぞれ第１及び第２のトランジスタより成る請求項８記載の無停電電源。
10. 第２のインバータ（０１）は、
    整流器の第１の出力端子（１２）と第２のインバータ（０１）の出力端子（中性点）の間に接続された第１のスイッチ（Ｑ１）であって、整流器の第１の出力端子（１２）を負荷の第２の端子（中性点）に結合したり切り離したりするよう動作する第１のスイッチ（Ｑ１）と、
    整流器の第２の出力端子（１４）と第２のインバータ（０１）の出力端子（中性点）の間に接続された第２のスイッチ（Ｑ２）であって、整流器の第２の出力端子（１４）を負荷の第２の端子（中性点）に結合したり切り離したりするよう動作する第２のスイッチ（Ｑ２）と、
    整流器の第１及び第２の出力端子（１２、１４）を負荷の第２の端子（中性点）に選択的に結合するよう第１及び第２のスイッチ（Ｑ１、Ｑ２）を制御する手段とを備える請求項３記載の無停電電源。
11. 第１及び第２のスイッチ（Ｑ１、Ｑ２）は、それぞれ第１及び第２のトランジスタより成る請求項１０記載の電源。
12. 負荷の第１の端子（１６）を２次巻線の中央端子か又は外部交流電源のうちの１つに結合する手段（５０）を更に備える請求項１記載の無停電電源。
13. ２次巻線の中央端子と第２のインバータの出力端子（中性点）の間に結合されたキャパシタ（Ｃ）を更に備える請求項１記載の無停電電源。
14. ２次巻線の中央端子と第１のインバータの入力端子の間に結合された蓄電池（Ｂ）を更に備える請求項１記載の無停電電源。
15. １次巻線の中央端子は、交流電力系統のライン導体に結合されるよう構成され、第２のインバータ（０１）は、整流器の第１及び第２の出力端子（１２、１４）に結合され、かつ交流電力系統の中性導体に接続するよう構成された出力端子を有し、第２のインバータ（０１）は、連続する時間周期の間第１の周波数で整流器の第１及び第２の出力端子（１２、１４）を交流電力系統の中性導体に交互に結合して第２の交流電圧を交流電力系統のライン導体と中性導体の間に発生させるよう動作する請求項１記載の無停電電源。

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