JP4247797B2 - 無停電電力供給装置 - Google Patents

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Description

本発明は、請求項1、12、および14の特徴記載部分による、無停電電力供給装置に関する。
主電源が故障した場合でも、たとえば私設コンピュータ・ネットワークなどの電子装置およびシステムの機能を確保するために、いわゆるUPS(無停電電源)システムが使用される。UPSシステムは、主電源電圧が故障した場合に、UPSシステムによって電子装置またはシステムに非常用電力が供給されることを確実にする。言い換えれば、UPSシステムは主電源供給が故障した場合、システムが主電源動作から非常用電力動作へ切り換わるのを確実にする。主電源供給が動作を再開するとすぐに、UPSシステムは非常用電力動作から主電源動作に切り替える。
米国特許第6329796号明細書 国際公開第WO2004012320号パンフレット 米国特許第4604530号明細書 米国特許第4779007号明細書 国際公開第WO03060746号パンフレット 米国特許第5737204号明細書
本発明は、従来のUPS装置より少ない電力損失で動作できる、無停電電力供給装置を提供するという目的に基づく。本発明の他の態様は、非常用電力動作中の出力電流を制限するための対策にある。本発明の他の態様は、ユーザが他の電気的または電子的構成要素を接続するのを容易にすることにある。
本発明は、一方においては、請求項1の特徴によって技術的な問題を解決する。
前記請求項によれば、無停電電力供給装置(略してUPS装置とも呼ばれる。)が提供され、前記装置は、一次電源装置に接続するための入力接続端と、予備電源を接続するための接続端と、負荷を接続するための第1の出力接続端と、一次電源装置が故障した場合に入力接続端を第1の出力接続端から減結合するための装置と、一次電源装置が故障した場合に、制御された形で予備電源を第1の出力接続端に接続するための第1の制御可能型スイッチング・デバイスと、第1の制御可能型スイッチング・デバイスに割り当てられた制御装置とを有する。さらに第1の制御可能型スイッチング・デバイスは、高速スイッチング可能なパワー・トランジスタを有する。高速スイッチング可能なパワー・トランジスタを通って流れる出力電流を監視する目的で監視装置も設けられる。制御装置は、非常用電力動作中に予備電源が供給できる電流を制限するために、監視されている電流に基づいて、高速スイッチング可能なパワー・トランジスタをパルス幅変調するように設計される。
ここで、一次電源装置は、たとえばDC電源、あるいは交流電圧を供給する電源システムでもよい。予備電源は、1つまたは複数の蓄電池を含むことができる。ただし、予備電源は交流電流源を含んでもよい。
主電源動作中に高速スイッチング可能なパワー・トランジスタを通って、電流が予備電源へ流れるのを防止するために、高速パワー・トランジスタと直列にダイオードが接続され、前記ダイオードは非常用電力動作中は順方向で動作し、主電源動作中は逆方向で動作する。
UPS装置からの出力電圧を平滑化するために、第1の出力接続端の間にコンデンサが接続される。コンデンサは、特に、非常用電力動作中に、高速スイッチング可能なパワー・トランジスタによって供給されるパルス幅変調された電流を平滑化するために用いられる。コンデンサはさらに、主電源動作から非常用電力動作へ切り換わるとき、その過程で生じるスイッチング遅れが補償されることを確実にする。
一般にUPS装置の入力端と出力端は、通常のダイオードまたはショットキーダイオードによって減結合される。ダイオードは、主電源動作中に、入力電流をUPS装置の出力端に送るように接続される。非常用電力動作中は、非常用電流がUPS装置の入力端へ流れるのを防止する。通常のダイオードまたはショットキーダイオードの不利な点は、主電源動作中に、順方向電圧と電源電流との積から生じる比較的大きな電力損失が、これらダイオードの両端間に発生することである。主電源動作中の減結合装置の電力損失を低減できるようにするために、第2の制御可能型スイッチング・デバイス、好ましくはパワー・トランジスタとして働く電界効果トランジスタが、ダイオードと並列に接続される。オン状態では、このような電界効果トランジスタの両端間に生じる電圧降下は、通常のダイオードより小さく、それにより、ダイオードを用いた場合に比べてずっと小さい電力損失が得られる。減結合装置中の電力損失が低減されることによって、より小さいヒートシンクを用いることができ、UPS装置の製造費用が低減される。この場合、監視装置は入力電圧を監視するように設計され、制御装置は、監視されている入力電圧が一次電源装置の故障を示した場合、第2の制御可能型スイッチング・デバイスを切り離す。
ここで、一次電源装置における故障とは、許容できない電圧変動を意味するが、特に一次電源装置の完全な故障を意味するものである。
予備電源が蓄電池である場合は、主電源動作中に予備電源を充電し、制御装置によって制御することができる充電装置が、入力接続端と再充電可能な予備電源の間に接続される。一次電源装置が交流電流を供給する場合は、充電装置には整流器が割り当てられる。整流器は、入力接続端と減結合装置の間に接続することができる。整流器が別の場所に設けられる場合は、第2の制御可能型スイッチング・デバイスは、双方向性スイッチの形をしていることが必要である。
UPS装置の性能を高めることができるようにするために、主電源動作中および非常用電力動作中の両方で動作する電流制限型電源出力端が、第1の出力接続端と並列に設けられる。この電源出力端は、電流リミッタを介して第1の出力接続端に接続される。電流リミッタは、入力電圧が交流電圧の場合に接続することができる整流器を有してもよい。電流リミッタはまた、電流を電流制限型電源出力端へ通過させるが、電源出力端から来る電流を阻止するダイオードと直列に接続される。これによってUPS装置からの帰還が防止される。
顧客の要望に応じて、外部デバイス、たとえば状態表示デバイスを電流制限型電源出力端と併せて動作させることができる。このために、UPS装置は、好ましくはリレー、たとえば切替えリレーであり、少なくとも1つの状態表示デバイスに接続または切り離すための、少なくとも1つの第3の制御可能型スイッチング・デバイスを有する。状態表示デバイスは、第3の制御可能型スイッチング・デバイスに割り当てられた第2の出力接続端のそれぞれに接続することができ、第3の制御可能型スイッチング・デバイスに割り当てられた第3の出力接続端は、電流制限型電源出力端から所定の距離に配置される。これによって電流制限型電源出力端を、第3の出力接続端に短絡するために、あらかじめ規定された接点ブリッジを使用することが可能になる。これにより、リレーと状態表示デバイスとを簡単で安全な形で結線することが可能になり、誤結線が防止される。
上述の技術的問題はまた、請求項12の特徴によって解決される。
前記請求項によれば、特徴記載部分による無停電電力供給装置は、減結合装置となる、ダイオードと第2の制御可能型スイッチング・デバイスを含む並列回路を有する。入力線圧を監視する目的で、監視装置も設けられる。UPS装置の制御装置は、監視されている入力電圧が、一次電源装置中の故障を示した場合、第2の制御可能型スイッチング・デバイスを切り離す。
第2の制御可能型スイッチング・デバイスは、パワー・トランジスタ、特に電界効果トランジスタとすることができる。すでに上述したように、ダイオードと並列に接続された電界効果トランジスタを用いることの利点は、主電源動作中に電力損失が低減されることに見出すことができる。
上述の技術的問題は同様に、請求項14の特徴によって解決される。
前記請求項は、第1の出力接続端と並列に接続された電流制限型電源出力端を有する、無停電電力供給装置について述べている。
これによって、電気的デバイス、たとえば状態表示デバイスを簡単で安全な形で接続することができるので、UPS装置の性能を改善することが可能になる。
好ましくは、第2のスイッチング・デバイスに割り当てられた、それぞれの第2の出力接続端に接続することができる少なくとも1つの状態表示デバイスを接続または切り離す目的で、少なくとも1つの第2の制御可能型スイッチング・デバイスが設けられる。第2のスイッチング・デバイスに割り当てられた少なくとも1つの第3の出力接続端はまた、電流制限型電源出力端から所定の距離に配置される。
これにより、あらかじめ規定された接点ブリッジを用いて、電流制限型電源出力端を、少なくとも1つの第3の出力接続端に短絡することが可能になる。電流制限型電源出力端を、第3の出力接続端に対して良く規定された形で配置することにより、第2のスイッチング・デバイスを簡単で安全な形で結線することが可能になる。第2の制御可能型スイッチング・デバイスはリレーであり、好ましくは切替えリレーである。
1つの図が無停電電力供給装置(UPS)を示しており、以下では略してUPS装置と呼ぶ。UPS装置全体として、参照記号10が付されている。入力端側では、UPS装置10は、一次電源装置230が接続される2つの入力端子90、91を有し、この実施例では前記電源装置はDC電圧Uを供給する。一次電源装置230は、24V電源ユニット、または24ボルト電源システムとすることができる。出力端側では、UPS装置10は、供給されるべき負荷220が接続される2つの出力端子100および101を有する。減結合装置20は、入力端子90と出力端子100の間に接続される。減結合装置20は、ダイオードと、パワー・トランジスタとして動作する電界効果トランジスタ22を含む並列回路を有する。ダイオード21のカソード接続端は出力端子100に接続され、アノード接続端は入力接続端90に接続される。電界効果トランジスタ22のソース接続端Sはダイオード21のアノード接続端に接続され、電界効果トランジスタ22のドレイン接続端Dはダイオード21のカソード接続端に接続される。電界効果トランジスタ22のゲート接続端Gは、制御および監視装置30、31に接続される。制御および監視装置30、31は、主電源動作中はゲート接続端Gを介して電界効果トランジスタ22をスイッチ・オンにし、非常用電力動作中はそれをスイッチ・オフにするように設計される。入力端側では、UPS装置10の入力電圧を監視し判断できるようにするために、制御および監視装置30、31は、電界効果トランジスタ22のソース接続端Sおよびドレイン接続端Dに接続される。制御および監視装置30、31は、主電源動作中の電力損失を低減するために、監視されている入力電圧に基づいて電界効果トランジスタ22のゲート接続端Gを駆動する。このために、主電源動作中は電界効果トランジスタ22は、制御および監視装置30、31によってスイッチ・オンされ、それによってダイオード21を橋絡する。
UPS装置10はまた、予備電源(60)が接続される2つの入力端子190および191を有する。この実施例のように、予備電源60は蓄電池でよい。この場合、主電源動作中に蓄電池60を充電する充電ユニット50が、入力端子90と接続端子190の間に接続される。充電ユニット50は、それ自体は知られているデバイスであり、蓄電池60が充電されると自動的に検出する。充電装置50は同様に、非常用電力動作中には蓄電池60が充電されないように、制御および監視装置30、31によって駆動される。ここで、充電装置50は複数の機能をもたらす。すなわちこれはまず第一に、蓄電池60の充電電流を制限するために用いられる。これはまた充電中に、充電電圧を、蓄電池60の要件に適合させる。充電はたとえば、一次電源装置230が最大負荷電流を供給しなければならないとき、終了される。電池の充電は同様に、蓄電池60が充電されるとスイッチ・オフされる。
もう1つのスイッチング・デバイス40は、接続端子190と出力端子100の間に、ダイオード70と直列に接続される。スイッチング・デバイス40は、高速スイッチング可能であり、製造の際に作り込まれる逆ダイオード41と共に示されている電界効果トランジスタ42の形であるパワー・トランジスタ42を含む。この実施形態の変形では、高速スイッチング可能な電界効果トランジスタ42のドレイン接続端Dは接続端子190に接続され、ソース接続端Sはダイオード70のアノード接続端に接続される。ダイオード70のカソード接続端は、出力端子100に接続される。高速スイッチング可能な電界効果トランジスタ42のゲート接続端Gは、制御および監視装置30、31の出力端に接続される。ダイオード70は、非常用電力動作中は順方向バイアスされ、主電源動作中は逆方向バイアスされ、それにより、主電源動作中に蓄電池60がスイッチング・デバイス40によって充電されるのを防止する。特に非常用電力動作中に蓄電池60から供給される電圧を平滑化するコンデンサ80は、出力端子100と101の間に接続される。ダイオード70と共にスイッチング・デバイス40は、蓄電池60を出力端子100および101から減結合するためだけでなく、非常用電力動作中の非常用電流を制限するためにも用いられる。このために、非常用電流、すなわち電界効果トランジスタ42を通って流れる非常用電力動作の電流は、制御および監視装置30、31によって監視され判断される。高速スイッチング可能な電界効果トランジスタ42は、測定された非常用電流に応じてゲート接続端Gによってパルス幅変調され、それにより、電流を低減させることが可能になる。
ここで、等価的に予備電圧源とも呼ぶことができる予備電源60が、UPS装置10の内部にあるものか、図に示されているように外部的に接続できるかは、本発明に関しては重要でないことが指摘されるべきである。
本発明の他の態様によれば、電流制限型電源出力端130が、出力端子100および101と並列に設けられる。電源出力端130は、ダイオード180と電流リミッタ110と介して出力端子100に接続される。ダイオード180のカソード接続端は電源出力端130に接続され、ダイオード180のアノード接続端は電流リミッタ110の出力端に接続される。これにより、電源出力端130を介したUPS装置10からの帰還を防止する。
好ましくはUPS装置10はまた、その励磁回路が記号的に示され参照記号120が付された切替えリレーを有し、切替えリレーの出力回路は参照記号122によって示される。出力側では切替えリレーの励磁回路120は、制御および監視装置30、31に接続される。この実施例においては、出力回路122は、3つの接続端140、160、および170を有する。UPS装置10の状態を表示するために、発光ダイオード200および210を、それぞれ接続端160および170に接続することができる。たとえば、発光ダイオード200によってUPS装置10が主電源動作で動作していることを表示し、発光ダイオード210の発光によってUPS装置10が非常用電力動作で動作していることを表示することができる。出力回路122のもう1つの接続接点140は、電源出力端130から明確に規定された距離に配置される。それに対応して規定された差込み式ジャンパ150を用いて、電源出力端130を、出力回路122の出力端子140に短絡することができる。これにより、欠陥が無く安全な形で、主電源動作中は入力電圧Uを、あるいは非常用電力動作中は蓄電池60を介して、切替えリレーの出力回路122に供給することが可能になる。切替えリレーの動作方法は一般に知られており、詳細な説明は省くことができる。
すでに述べたように、電界効果トランジスタ42はまた、非常用電力動作中の負荷電流を制限するために用いることができる。制御および監視装置30、31が電界効果トランジスタ42を通る電流が大きくなり過ぎることを検出した場合は、パワー・スイッチ40はスイッチ・オフされる。短い休止の後、電界効果トランジスタ42は再びスイッチ・オンされる。スイッチ・オンおよびスイッチ・オフのサイクルは、制御および監視装置30、31によって監視され判断される、電界効果トランジスタ42のドレイン・ソース間経路を通る監視電流の大きさに依存する。制御および監視装置30、31は、電界効果トランジスタ42と連動して、非常用電力動作中の大きな短絡電流を、たとえばリレーを用いた場合よりもずっと高速でより信頼性の高い形で制限できることを確実にする。主電源動作中に蓄電池60が充電されるのを防止するために、ダイオード70が設けられる。電界効果トランジスタが、逆ダイオード41によって記号的に示されるように、逆電圧を阻止できないからである。制御および監視装置30、31と電界効果トランジスタ42を用いた動的電流制限のために、UPS装置10の出力特性曲線を従来の電源出力特性曲線に適合させることができ、ピーク電流を早期に確実に制限することができる。
UPS装置10の動作の方法を、以下に簡単に説明する。
説明を簡単にするために、DC電圧U、たとえばDC電圧24Vが入力端子90および91に印加されるものとする。入力電圧は、電界効果トランジスタ22のソース接続端Sおよびドレイン接続端Dにおいて、タップによって取り出され、制御および監視装置30、31によって監視され判断される。入力電圧Uが、規定された許容範囲内にある限り、UPS装置10は主電源動作で動作する。これは、電界効果トランジスタ22がゲート接続端Gによってオン状態に保たれることを意味する。蓄電池60が完全に充電されていなかった場合は、蓄電池60を充電するために充電装置50が用いられる。主電源動作中は、電流制限のために必要な電界効果トランジスタ42は、制御および監視装置30、31によってオフ状態に保たれる。電界効果トランジスタ42と直列に接続されたダイオード70は、電界効果トランジスタ42を介した蓄電池60への望ましくない電流の流れを防止する。制御および監視装置30、31が、入力電圧Uの擾乱(これは望ましくない電圧変動の場合もあり、一次電源装置230の完全な故障の場合もある。)を検出するとすぐに、電界効果トランジスタ22はゲート接続端Gによってスイッチ・オフされ、それにより、入力端子90、91と、出力端子70、100、および101は減結合される。同時に、電界効果トランジスタ42が制御および監視装置30、31によってスイッチ・オンされ、それにより、出力端子100および101に接続された負荷220に、蓄電池60によって非常用電力が供給される。非常用電力動作中は、制御および監視装置30、31は、必要な場合に電界効果トランジスタ42を通って流れる電流を制限するために、その電流を監視する。すでに述べたように、電界効果トランジスタ42の出力電流は、ゲート接続端Gによって出力電流をパルス幅変調することにより、制御および監視装置30、31によって制限される。すなわち、電界効果トランジスタ42のスイッチ・オンおよびスイッチ・オフ・サイクルによって、その出力電流が決まる。
すでに述べたように、制御および監視装置30、31は、切替えリレーの励磁回路120に、主電源動作から非常用電力動作への変化を通知し、それにより、それぞれの状態が発光ダイオード200または210によってユーザに表示される。
ここで、制御および監視装置30、31に、追加のリレーあるいは切替えリレーを接続できることが指摘されるべきである。それぞれの出力回路の対応する出力接続端は、簡単で欠陥に対して保護された形でリレーまたはリレーの出力回路を、差込み式ジャンパ150によって並列に接続することを可能にするために、電源出力端140から規定された距離に配置される。
本発明の無停電電力供給装置を示す図。

Claims (17)

  1. 無停電電力供給装置であって、
    一次DC電圧供給装置(230)に接続するための入力接続端(90、91)と、
    予備電源(60)を接続するための接続端(190、191)と、
    負荷(220)を接続するための第1の出力接続端(100、101)と、
    前記一次DC電圧供給装置(230)が故障した場合に、前記入力接続端(90、91)を、前記第1の出力接続端(100、101)から減結合するための装置(20)と、
    前記一次DC電圧供給装置が故障した場合に、前記予備電源(60)を、前記第1の出力接続端(100、101)に制御された形で接続するための第1の制御可能型スイッチング・デバイス(40)と、
    前記第1の制御可能型スイッチング・デバイス(40)に割り当てられた制御装置(31)とを有し、
    前記第1の制御可能型スイッチング・デバイス(40)は、高速スイッチング可能なパワー・トランジスタ(41、42)を有し、前記高速スイッチング可能なパワー・トランジスタ(41、42)を通って流れる出力電流を監視する目的で監視装置(30)が設けられ、前記制御装置(31)は前記予備電源(60)が供給できる電流を制限するために、監視されている電流に基づいて、前記高速パワー・トランジスタ(41、42)をパルス幅変調するように設計される装置。
  2. 前記予備電源(60)が再充電可能であることを特徴とする請求項1に記載の無停電電力供給装置。
  3. 前記一次DC電圧供給装置(230)によって供給される前記予備電源(60)への電流を阻止するためのデバイス(70)が前記高速パワー・トランジスタ(41、42)と直列に設けられることを特徴とする請求項2に記載の無停電電力供給装置。
  4. 前記第1の出力接続端(100、101)の間に接続された平滑化コンデンサ(80)を備えることを特徴とする請求項2または3に記載の無停電電力供給装置。
  5. 前記制御装置(31)によって制御することができる充電装置(50)が、前記充電可能な予備電源(60)と前記入力接続端(90、91)の間に接続されることを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1項に記載の無停電電力供給装置。
  6. ダイオード(21)と第2の制御可能型スイッチング・デバイス(22)を含む並列回路が前記減結合装置(20)を形成し、前記監視装置(30)は入力電圧を監視するように設計され、前記制御装置(31)は監視されている入力電圧が前記一次DC電圧供給装置(230)の故障を示す場合に前記第2の制御可能型スイッチング・デバイス(22)を切り離すことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の無停電電力供給装置。
  7. 前記第2の制御可能型スイッチング・デバイス(22)がパワー・トランジスタ、特に電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項6に記載の無停電電力供給装置。
  8. 前記第1の出力接続端(100、101)と並列に接続された、電流制限型電源出力端(130)を備えることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の無停電電力供給装置。
  9. 少なくとも1つの第3の制御可能型スイッチング・デバイス(120)であって、前記第3の制御可能型スイッチング・デバイス(120)に割り当てられた第2の出力接続端(160、170)のそれぞれに接続することができる少なくとも1つの状態表示デバイス(200、210)を接続および切り離すための制御可能型スイッチング・デバイスと、前記電流制限型電源出力端(130)から所定の距離に配置され、前記第3の制御可能型スイッチング・デバイス(120)に割り当てられた第3の出力接続端(140)とを備えることを特徴とする請求項8に記載の無停電電力供給装置。
  10. 前記電流制限型電源出力端(130)と前記第3の出力接続端(140)を短絡するためのあらかじめ規定された接点ブリッジ(150)を備えることを特徴とする請求項9に記載の無停電電力供給装置。
  11. 前記第3の制御可能型スイッチング・デバイス(120)がリレー、特に切替えリレーであることを特徴とする請求項9または10に記載の無停電電力供給装置。
  12. 無停電電力供給装置であって、
    一次DC電圧供給装置(230)に接続するための入力接続端(90、91)と、
    予備電源(60)を接続するための接続端(190、191)と、
    負荷(220)を接続するための出力接続端(100、101)と、
    前記一次DC電圧供給装置(230)が故障した場合に、前記入力接続端(90、91)を、前記出力接続端(100、101)から減結合するための装置(20)と、
    前記一次DC電圧供給装置(230)が故障した場合に、前記予備電源(60)を、前記出力接続端(100、101)に制御された形で接続するための第1の制御可能型スイッチング・デバイス(40)と、
    前記第1の制御可能型スイッチング・デバイス(40)に割り当てられた制御装置(31)とを有し、
    ダイオード(21)及び第2の制御可能型スイッチング・デバイス(22)を含む並列回路が前記減結合装置(20)を形成し、入力電圧を監視する目的で監視装置(30)が設けられ、前記制御装置(31)は監視されている入力電圧が前記一次DC電圧供給装置(230)の故障を示す場合に前記第2の制御可能型スイッチング・デバイス(22)を切り離す装置。
  13. 前記第2の制御可能型スイッチング・デバイス(22)がパワー・トランジスタ、特に電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項12に記載の無停電電力供給装置。
  14. 一次DC電圧供給装置(230)に接続するための入力接続端(90、91)と、
    予備電源(60)を接続するための接続端(190、191)と、
    負荷(220)を接続するための第1の出力接続端(100、101)と、
    前記一次DC電圧供給装置(230)が故障した場合に、前記入力接続端(90、91)を、前記出力接続端(100、101)から減結合するための装置(20)と、
    前記一次DC電圧供給装置(230)が故障した場合に、前記予備電源(60)を、前記出力接続端(100、101)に制御された形で接続するための第1の制御可能型スイッチング・デバイス(40)と、
    前記第1の制御可能型スイッチング・デバイス(40)に割り当てられた制御装置(31)と
    前記第1の出力接続端(100、101)と並列に接続され、電流リミッタ(110)によってその電流が制限される電源出力端(130)とを有する無停電電力供給装置。
  15. 少なくとも1つの第2の制御可能型スイッチング・デバイス(120)であって、前記第2のスイッチング・デバイス(120、122)に割り当てられた第2の出力接続端(160、170)のそれぞれに接続することができる少なくとも1つの状態表示デバイス(200、210)を接続および切り離すための制御可能型スイッチング・デバイスと、前記電流制限型電源出力端(130)から所定の距離に配置され、前記第2のスイッチング・デバイス(120、122)に割り当てられた、少なくとも1つの第3の出力接続端(140)とを備えることを特徴とする請求項14に記載の無停電電力供給装置。
  16. 前記電流制限型電源出力端(130)と前記少なくとも1つの第3の出力接続端(140)を短絡するためのあらかじめ規定された接点ブリッジ(150)を備えることを特徴とする請求項15に記載の無停電電力供給装置。
  17. 前記第2の制御可能型スイッチング・デバイス(120)がリレー、特に切替えリレーであることを特徴とする請求項15または16に記載の無停電電力供給装置。
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