JP4491833B2

JP4491833B2 - 電圧低下保護装置

Info

Publication number: JP4491833B2
Application number: JP2004077421A
Authority: JP
Inventors: 浩司山崎
Original assignee: Ｔｄｋラムダ株式会社
Priority date: 2004-03-18
Filing date: 2004-03-18
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2024-03-18
Also published as: JP2005269753A

Description

この発明は、入力電圧の瞬間的若しくは継続的な低下（または停電）時に、前記入力電圧に代わって蓄電器からの電力を負荷に供給する電圧低下保護装置に関する。

一般に、この種の電圧低下保護装置は、入力電圧の低下若しくは停電時にも負荷に直流または交流電力を供給し続ける無停電電源装置や瞬時電圧低下保護装置として知られている。

例えば特許文献１では、商用交流電源から供給される交流入力電圧の正常時に、当該交流入力電圧を整流平滑回路により直流電圧に変換し、この直流電圧を第１のＤＣ−ＤＣコンバータで所定の直流出力電圧に変換した上で負荷に供給すると共に、第１のＤＣ−ＤＣコンバータからの直流出力電圧で蓄電器に相当する電気二重層コンデンサを充電する一方で、前記交流入力電圧の低下時に、電気二重層コンデンサからの直流電力を第２のＤＣ−ＤＣコンバータで所定の直流出力電圧に変換して、負荷にこの直流出力電圧を供給するようにした直流無停電電源装置が提案されている。

ここで、蓄電器として利用するコンデンサは、特許文献１で提案されるような電気二重層コンデンサに限らず、電解コンデンサなども知られている。電気二重層コンデンサは同等寸法の電解コンデンサよりも出力電圧の保持時間が長くなる反面、充電電圧が低いという特性を持つ。

図５は、本願出願人が先に特願２００３−３５４０９２号で提案した回路例を概略的に示したものである。同図において、ここでの電圧低下保護装置は、スイッチング電源ユニット１と、瞬低バックアップユニット２とにより構成される。スイッチング電源ユニット１は、ＡＣ１００Ｖ系若しくはＡＣ２００Ｖ系の交流入力電圧ＶACi（例えば85VAC〜264VAC）が商用交流電源３から印加される入力端子４と、この交流入力電圧ＶACiを整流した直流電圧を得る例えばダイオードブリッジ回路などの整流器５と、前記整流した直流電圧から高調波成分を取り除いて、昇圧した直流入力電圧ＶDCiを得る昇圧チョッパ回路からなる力率改善回路６と、力率改善回路６の出力側に発生する直流入力電圧ＶDCiを所要の直流出力電圧ＶDCoに変換して出力する絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ８と、当該直流出力電圧ＶDCoを外部に出力する出力端子９とにより構成され、出力端子９には必要に応じて負荷Ｌが接続される。

力率改善回路６は周知のように、チョークコイル21と例えばＭＯＳ型ＦＥＴなどのスイッチ素子22とからなる直列回路に、前記整流器５からの整流した直流電圧が印加されると共に、スイッチ素子22のオフ時に前記チョークコイル21に蓄えられたエネルギーをダイオード23からコンデンサ24に送り出すように構成される。また絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、一次側と二次側とを絶縁するトランス31と、このトランス31の一次巻線31Ａに直流入力電圧ＶDCiを断続的に印加するスイッチング素子32と、トランス31の二次巻線31Ｂに接続される出力側整流平滑回路としての整流ダイオード33，転流ダイオード34，チョークコイル35およびコンデンサ36とにより構成され、トランス31の二次巻線31Ｂに誘起された電圧を、上記出力側整流平滑回路で整流平滑して、所要の直流出力電圧ＶDCoを取り出すようになっている。

一方、瞬低バックアップユニット２は、複数個の電解コンデンサ11を並列接続してなる蓄電器12と、交流入力電圧ＶACiが正常値である場合に、バックアップ入出力端子13を介して供給される直流入力電圧ＶDCiを蓄電器12に供給する抵抗15と、交流入力電圧ＶACiの低下時に導通して、前記電解コンデンサ11の端子電圧ＶBを抵抗15をバイパスしてバックアップ入出力端子13側に供給するダイオード16とにより構成される。

そして上記構成では、商用交流電源３からの交流入力電圧ＶACiが、入力端子４を介してスイッチング電源ユニット１の整流器５に供給されると、この整流器５からは高調波成分を含む脈動した直流電圧が力率改善回路６に出力される。当該力率改善回路６では、スイッチ素子22のオン時に整流器５からの整流された直流電圧がチョークコイル21に印加され、このチョークコイル21にエネルギーが蓄えられる一方で、スイッチ素子22のオフ時には、チョークコイル21の両端間に発生する電圧と前記整流された直流電圧が重畳され、この整流された直流電圧よりも高い直流入力電圧ＶDCi（例えばＤＣ360Ｖ）が、コンデンサ24の両端間に発生する。その際、前記正弦波状の交流入力電圧ＶACiに、チョークコイル21を流れる電流波形が近づくように、スイッチ素子22をオン，オフ制御することで、高調波成分を取り除いた直流入力電圧ＶDCiがコンデンサ24の両端間に発生する。

ここで前記交流入力電圧ＶACiが正常に出力されている場合は、力率改善回路６から出力される昇圧した直流電圧が電解コンデンサ11の端子電圧ＶBよりも高く、ダイオード16は非導通となる。そのため蓄電器12は待機状態となり、スイッチング電源ユニット１の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、力率改善回路６ひいては商用交流電源３からの電力供給を受けて、所要の直流出力電圧ＶDCoを出力端子９に供給する。また、瞬低バックアップユニット２では、バックアップ入出力端子13に発生する直流入力電圧ＶDCiが抵抗15を介して電解コンデンサ11に与えられ、当該電解コンデンサ11が充電される。

これに対して、交流入力電圧ＶACiが低下して、力率改善回路６から出力される昇圧した直流電圧が電解コンデンサ11の端子電圧ＶBよりも低くなると、今度はダイオード16が導通し、電解コンデンサ11の端子電圧ＶBが絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ８の一次側に印加される。そのため絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、蓄電器12からの電力供給を受けて、所要の直流出力電圧ＶDCoを出力端子９に供給し続けることができる。
特開平６−３５１２４５号公報

通常、落雷などの交流入力電圧ＶACiの瞬時低下時には、蓄電器12からの電力を負荷Ｌに供給し続ける保持時間が300ｍＳ程度必要とされるが、商用交流電源３の系統切替時にはそれよりも長い700ｍＳ程度の保持時間が要求される。ところが、上記構成におけるスイッチング電源ユニット１の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、出力端子９に所要の直流出力電圧ＶDCoを供給できる入力電圧の範囲（入力レンジ）が、ＤＣ270Ｖ〜360Ｖ程度と比較的狭く、蓄電器12を構成する電解コンデンサ11のエネルギー効率が悪く、当該電解コンデンサ11の容量を大きくしなければ、要求された保持時間を確保することが困難であった。また、既設のスイッチング電源装置にバックアップユニット２を増設する場合には、接続対象となるスイッチング電源装置を改造して、バックアップユニット２と接続するための端子（バックアップ入出力端子13）を設ける必要があり、バックアップユニット２を増設することが困難であった。従って、スイッチング電源ユニット１に相当する既設のスイッチング電源があるにもかかわらず、電圧低下保護装置に買い換えることとなり、余計なコストが掛かっていた。

本発明は上記の課題に着目してなされたもので、既設のスイッチング電源への接続を容易にできると共に、蓄電器の容量を増加させなくても、蓄電器からの電力を負荷に供給し続ける保持時間を簡単に延ばすことができる電圧低下保護装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１における電圧低下保護装置は、交流電源に接続される電源入力端子と、スイッチング電源装置の入力端子に接続される電力供給端子とを備え、前記電源入力端子から取り込まれる前記交流電源の交流入力電圧を直流電圧に変換して、この直流電圧を前記スイッチング電源装置の入力端子に供給する電力変換回路と、充放電可能な蓄電器と、前記交流入力電圧の正常時に、前記電力変換回路からの前記直流電圧により当該蓄電器を充電する充電回路と、前記交流入力電圧の低下時に、前記直流電圧に代わって前記蓄電器の端子間電圧を前記スイッチング電源装置の入力端子に供給する電圧供給回路とにより構成され、前記充電回路は、前記直流電圧を昇圧して前記蓄電器に供給する昇圧回路であり、前記直流電圧または前記直流電圧よりも高い前記蓄電器の前記端子間電圧から昇圧した入力電圧を得る力率改善回路と、この昇圧した入力電圧を出力電圧に変換して負荷に供給するＤＣ／ＤＣコンバータとを備えた前記スイッチング電源装置の入力端子が、前記電力供給端子に接続される。

本発明は、スイッチング電源装置の内部電力のバックアップを行なわず、スイッチング電源装置に供給する入力電力のバックアップを行なうということに着目したものである。即ち、交流入力電圧の正常時には、電力変換回路により変換された直流電圧を、スイッチング電源装置に供給すると共に、充電回路により昇圧した上で蓄電器を充電する一方で、交流入力電圧の低下時には、直流電圧よりも高い蓄電器の端子電圧をスイッチング電源装置に供給する。このようにすると、交流入力電源と既設のスイッチング電源装置との間に挿入すればよくなるため、スイッチング電源装置の入力端子を利用して容易に増設ができる。

また、蓄電器の端子電圧を高くしてスイッチング電源装置に供給することができる。接続対象となるスイッチング電源装置に昇圧チョッパ回路（力率改善回路）とＤＣ／ＤＣコンバータとが備えられている場合には、供給電圧の入力レンジを幅広く採れるため、通常の供給電圧より高い電圧となる蓄電器の端子電圧を入力してもよく、一方、スイッチング電源装置への電力供給に伴ない徐々に低下して、通常の供給電圧より低い電圧となった蓄電器の端子電圧でも、所要な電圧値に昇圧して出力できるので、負荷に電力を供給し続ける保持時間を延ばすことができる。

また、本発明の請求項２における電圧低下保護装置は、請求項１記載の構成に加え、前記交流入力電圧の低下を監視する入力電圧検出回路と、前記入力電圧検出回路の検出結果を受けて動作するスイッチ素子とにより、前記電圧供給回路を構成し、前記蓄電器の一端と前記スイッチ素子の一端とを接続するラインにサーミスタを挿入することを特徴とする。

こうすると、電圧供給回路は、交流入力電圧の低下を監視する入力電圧検出回路と、この入力電圧検出回路の検出結果を受けて動作するスイッチ素子だけで実現でき、電圧供給回路の回路構成を極力簡素化することができる。また、スイッチ素子のオン時に、スイッチング電源装置の入力端子に流れ込む突入電流を抑制することができる。

本発明の請求項１における電圧低下保護装置によれば、既設のスイッチング電源装置に新たに接続端子を設けなくても、電圧低下保護機能を容易に付加することが可能になると共に、蓄電器の容量を増加させなくても、スイッチング電源装置が負荷に電力を供給し続ける保持時間を延ばすことができる。

本発明の請求項２における電圧低下保護装置によれば、請求項１の効果に加え、電圧供給回路の回路構成を極力簡素化でき、スイッチ素子のオン時に、スイッチング電源装置の入力端子に流れ込む突入電流を抑制できる。

以下、本発明における電圧低下保護装置の好ましい実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、前記従来例における図３と同一箇所には同一符号を付し、その共通する部分の説明は重複するため省略する。

装置全体の構成を示す図１において、40は、スイッチング電源の入力電力をバックアップするための電圧低下保護装置であり、商用交流電源３とスイッチング電源ユニット１との間に挿入（接続）される。本実施例では、既設のスイッチング電源装置に相当するスイッチング電源ユニット１の各部の構成は、従来例に示すものと概ね共通しているが、入力端子４には、商用交流電源３から供給されるＡＣ１００Ｖ系若しくはＡＣ２００Ｖ系の交流入力電圧ＶACiではなく、電圧低下保護装置40の出力端子56から出力される直流出力電圧Ｖoutが印加される。即ち、スイッチング電源ユニット１は、図２に示すように、電圧低下保護装置40から入力端子４に印加される直流出力電圧Ｖoutを、整流した直流電圧に変換する整流器５と、前記整流した直流電圧から高調波成分を取り除いて、昇圧した直流入力電圧ＶDCiを得る力率改善回路６と、前記直流入力電圧ＶDCiを所要の出力電圧である直流出力電圧ＶDCoに変換し、出力端子９を経由して負荷Ｌに供給する絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ８とを備えており、力率改善回路６は、チョークコイル21，スイッチ素子22，ダイオード23および平滑コンデンサ24からなる昇圧チョッパ回路により構成される。なお、瞬低バックアップユニット２が削除されているが、瞬低バックアップユニット２を備えていても、特に問題はない。

一方、電圧低下保護装置40は、入力端子55に接続された商用交流電源３の交流入力電圧ＶACiを、整流した直流電圧に変換する電力変換回路としての整流器41と、充放電可能な例えば電解コンデンサ，電気二重層コンデンサやバッテリーなどの蓄電器42と、チョークコイル44と例えばＭＯＳ型ＦＥＴなどのスイッチ素子45とダイオード46とからなる昇圧チョッパ回路から構成され、前記整流した直流電圧を昇圧した上で蓄電器42に供給して、当該蓄電器42を例えばＤＣ360Ｖで充電する充電回路43と、交流入力電圧ＶACiの低下時に、前記整流器41からの直流電圧に代わって蓄電器42の端子電圧ＶB1を出力端子56からスイッチング電源ユニット１の入力端子４に供給するバックアップ用の電圧供給回路50とを備えている。この電圧供給回路50は、商用交流電源３から供給される交流入力電圧ＶACiが所定値に低下したか否か検出する停電検出回路51と、端子電圧ＶB1が発生する蓄電器42の一端と整流器41から出力端子56ひいてはスイッチング電源ユニット１の入力端子４に至る整流した直流電圧の供給ラインとの間に接続され、前記交流入力電圧ＶACiが所定値に低下したときに、停電検出回路51からの検出信号を受けてオフ状態からオンに切換わるスイッチ素子52とにより構成される。なお、ここでのスイッチ素子52は例えばトランジスタやＭＯＳ型ＦＥＴなどの半導体素子が好適である。

次に上記構成について、その作用を図３のグラフを参照しながら説明する。なお、この図３には、上記入力レンジと保持時間との関係が示されている。

まず、電圧低下保護装置40の入力端子55に商用交流電源３を接続し、一方、出力端子56には、スイッチング電源ユニット１の入力端子４を接続する。具体的には、電圧低下保護装置40の入力端子55と商用交流電源３とは、一端を入力端子55に接続したケーブルの他端に設けたプラグを、商用交流電源３を提供するコンセントに差し込んで接続すればよく、電圧低下保護装置40の出力端子56とスイッチング電源ユニット１の入力端子４とは、例えばツイストペアケーブルなどで接続すればよい。

同図において、商用交流電源３からの交流入力電圧ＶACiが正常、即ち停電検出回路51で設定した所定値を越えている場合、電圧供給回路50のスイッチ素子52はオフしており、端子電圧ＶB1が発生する蓄電器42の一端はスイッチング電源ユニット１への電圧供給ラインから切り離されている。従って、整流器41により整流された直流電圧は、出力電圧Ｖoutとしてスイッチング電源ユニット１の入力端子４に供給されると共に、充電回路43により昇圧された上で蓄電器42に与えられ、当該蓄電器42が充電される。

これに対して、交流入力電圧ＶACiが停電検出回路51で設定した所定値よりも低下すると、この停電検出回路51からの検出信号によりスイッチ素子52がオンし、端子電圧ＶB1が発生する蓄電器42の一端がスイッチング電源ユニット１への電圧供給ラインに接続される。こうなると、蓄電器42は待機状態からバックアップ動作に移行して、当該蓄電器42の端子電圧ＶB1が出力端子56からスイッチング電源ユニット１の入力端子４に印加されることにより、スイッチング電源ユニット１に接続された負荷Ｌに電力を供給し続けることができる。

ここで、スイッチング電源ユニット１の力率改善回路６は、その入力レンジが絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ８よりも広く、入力電圧がＤＣ120Ｖ〜360Ｖの範囲で、出力側に所要の直流入力電圧ＶDCiを発生させることができる。即ち図２に示すように、従来は交流入力電圧ＶACiの低下時において、蓄電器12の端子電圧ＶBが、ＤＣ270Ｖ〜360Ｖの入力レンジを持つ絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ８に入力されていたので、所要の直流出力電圧ＶDCoを供給し続ける保持時間Ｔ１は、蓄電器12の端子電圧ＶBがＤＣ270Ｖに低下するまでに限定されていた。その点、本実施例では、蓄電器42の端子電圧ＶB1が絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ８にではなく、入力端子４ひいては力率改善回路６に入力されているので、蓄電器42の端子電圧ＶB1がＤＣ120Ｖ（整流器５の電圧低下分を含まず）に低下する期間（保持時間Ｔ２）まで、所要の直流出力電圧ＶDCoを供給し続けることができ、同じ容量であっても蓄えられたエネルギーを有効に利用することができる。また、従来と同じ保持時間だけバックアップするのであれば、電解コンデンサ11の容量を約50％削減できる。

以下に、本実施例における電圧低下保護装置の変形例について示す。図４に示すように、本変形例では、図１の構成にサーミスタ60を追加した構成となっている。サーミスタ60は、温度の変化により抵抗値が増減する特性をもっており、バックアップ動作切り換え時に発生する突入電流を抑制するため、蓄電器42の一端とスイッチ素子52の一端とを接続するラインに挿入される。即ち、サーミスタ60は、温度が低い初期状態では抵抗値が大きく、この抵抗でスイッチ素子52オン時に、スイッチング電源ユニット１の入力端子４に流れ込む突入電流を抑制し、その後流れる電流による自己発熱（ジュール熱）で温度上昇すると、その抵抗値は下がり電力損失を小さく抑えることができる。

以上のように本実施例によれば、交流電源たる商用交流電源３に接続される電源入力端子たる入力端子55と、スイッチング電源装置たるスイッチング電源ユニット１の入力端子４に接続される電力供給端子たる出力端子56とを備え、入力端子55から取り込まれる交流入力電圧ＶACiを直流電圧に変換して、この直流電圧をスイッチング電源ユニット１に供給する電力変換回路たる整流器41と、充放電可能な蓄電器42と、前記交流入力電圧ＶACiの正常時に、整流器41からの前記直流電圧により当該蓄電器42を充電する充電回路43と、前記交流入力電圧ＶACiの低下時に、前記直流電圧に代わって前記直流電圧よりも高い蓄電器42の端子間電圧ＶB1をスイッチング電源ユニット１に供給する電圧供給回路50とにより構成される。

本発明は、スイッチング電源ユニット１の内部電力のバックアップを行なわず、スイッチング電源ユニット１に供給する入力電力のバックアップを行なうということに着目したものである。即ち、交流入力電圧ＶACiの正常時には、整流器41により変換された直流電圧を、スイッチング電源ユニット１に供給すると共に、充電回路43により昇圧した上で蓄電器42を充電する一方で、交流入力電圧ＶACiの低下時には、直流電圧よりも高い蓄電器42の端子電圧ＶB1をスイッチング電源ユニット１に供給する。このようにすると、交流入力電源としての商用交流電源３と既設のスイッチング電源装置に相当するスイッチング電源ユニット１との間に挿入すればよくなるため、スイッチング電源ユニット１の入力端子４を利用して容易に増設ができる。従って、既設のスイッチング電源装置に新たに接続端子を設けなくても、電圧低下保護機能を容易に付加することが可能になる。

また本実施例では、充電回路43を、整流器41により交流入力電圧ＶACiを直流に変換した直流電圧を昇圧して蓄電器42に供給する昇圧回路とし、整流器41からの直流電圧または直流電圧よりも高い畜電器42から発生する端子電圧ＶB1から昇圧した直流入力電圧ＶDCiを得る昇圧チョッパ回路としての力率改善回路６と、この昇圧した直流入力電圧ＶDCiを直流出力電圧ＶDCoに変換して負荷Ｌに供給するＤＣ／ＤＣコンバータ８とを備えたスイッチング電源ユニット１の入力端子４が、電圧低下保護装置40の出力端子56に接続されるようになっている。

このようにすると、蓄電器42の端子電圧ＶB1を高くしてスイッチング電源ユニット１に供給することができる。接続対象となるスイッチング電源ユニット１に昇圧チョッパ回路（力率改善回路６）とＤＣ／ＤＣコンバータ８とが備えられている場合には、供給電圧の入力レンジを幅広く採れるため、通常の供給電圧より高い電圧となる蓄電器42の端子電圧ＶB1を入力してもよく、一方、スイッチング電源ユニット１への電力供給に伴ない徐々に低下して、通常の供給電圧より低い電圧となった蓄電器42の端子電圧ＶB1でも、所要な電圧値に昇圧して出力できるので、負荷Ｌに電力を供給し続ける保持時間Ｔを延ばすことができる。従って、蓄電器42の容量を増加させなくても、スイッチング電源ユニット１が負荷Ｌに電力を供給し続ける保持時間Ｔを延ばすことができる。

また、本実施例の電圧供給回路50は、交流入力電圧ＶACiの低下を検出する入力電圧検出回路としての停電検出回路51と、交流入力電圧ＶACiの低下時に、端子電圧ＶB1を発生する蓄電器42の一端をスイッチング電源ユニット１の入力端子４に繋ぐスイッチ素子52とにより構成される。

このようにすれば、電圧供給回路50は、交流入力電圧ＶACiの低下を監視する停電検出回路51と、この停電検出回路51の検出結果を受けて動作するスイッチ素子52だけで実現でき、電圧供給回路50の回路構成を極力簡素化することができる。

さらに、サーミスタ60を、蓄電器42の一端とスイッチ素子52の一端とを接続するラインに挿入している。

このようにすると、スイッチ素子52のオン時に、スイッチング電源ユニット１の入力端子４に流れ込む突入電流を抑制することができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲において種々の変形実施が可能である。

本発明の一実施例における電圧低下保護装置の回路図である。同上、電圧低下保護装置に接続されるスイッチング電源ユニットの回路図である。同上、入力レンジと保持時間との関係を示すグラフである。同上、電圧低下保護装置の変形例を示す回路図である。従来例における電圧低下保護装置の回路図である。

１スイッチング電源ユニット（スイッチング電源装置）
３商用交流電源（交流電源）
４入力端子
６力率改善回路（昇圧チョッパ回路）
８ＤＣ／ＤＣコンバータ
41 整流器（電力変換回路）
42 蓄電器
43 充電回路
50 電圧供給回路
55 入力端子（電源入力端子）
56 出力端子（電力供給端子）
60 サーミスタ

Claims

交流電源に接続される電源入力端子と、スイッチング電源装置の入力端子に接続される電力供給端子とを備え、
前記電源入力端子から取り込まれる前記交流電源の交流入力電圧を直流電圧に変換して、この直流電圧を前記スイッチング電源装置の入力端子に供給する電力変換回路と、充放電可能な蓄電器と、前記交流入力電圧の正常時に、前記電力変換回路からの前記直流電圧により当該蓄電器を充電する充電回路と、前記交流入力電圧の低下時に、前記直流電圧に代わって前記蓄電器の端子間電圧を前記スイッチング電源装置の入力端子に供給する電圧供給回路とにより構成され、
前記充電回路は、前記直流電流を昇圧して前記蓄電器に供給する昇圧回路であり、前記直流電圧または前記直流電圧よりも高い前記蓄電器の前記端子間電圧から昇圧した入力電圧を得る昇圧チョッパ回路と、この昇圧した入力電圧を出力電圧に変換して負荷に供給するＤＣ／ＤＣコンバータとを備えた前記スイッチング電源装置の入力端子が、前記電力供給端子に接続されることを特徴とする電圧低下保護装置。
前記交流入力電圧の低下を監視する入力電圧検出回路と、前記入力電圧検出回路の検出結果を受けて動作するスイッチ素子とにより、前記電圧供給回路を構成し、
前記蓄電器の一端と前記スイッチ素子の一端とを接続するラインにサーミスタを挿入することを特徴とする請求項１記載の電圧低下保護装置