JP4542483B2 - スイッチング電源装置及びディスクアレイシステム - Google Patents

Description

本発明は、交流電力を直流電力に変換し負荷に供給するスイッチング電源装置及びディスクアレイシステムに関し、特にバックアップ機能を有するスイッチング電源装置及びディスクアレイシステムに関する。

サーバやルータ，ディスクアレイシステムのようなネットワーク情報機器の電源装置には非常に高い信頼性が要求される。保守・点検の際はもちろん、停電や瞬時電圧低下（以下、瞬低と言う）などの商用電源異常時においても一瞬たりとも停止することは許されず、無停止・無瞬断でなければならない。通常、電源の信頼性向上はＵＰＳ（無停電電源装置）を付加することで実現される。しかしながら、ＵＰＳは商用電源と情報機器内電源との間に接続されるので、商用から負荷までの変換器段数が増え高効率化の妨げとなるほかに、保守・点検時における活線挿抜が困難、といった問題がある。また、ＵＰＳ構成要素である鉛蓄電池とインバータ回路の体積が大きく、電源部小型化の妨げともなる。

上記課題を解決するため、電源内部の直流ラインにバックアップ電源を並列接続した電源システム構成が採用される。バックアップ電源は、ニッケル水素やリチウムイオン電池などの高エネルギー密度の二次電池とその充放電回路により構成される。バックアップ電源の接続位置や実装形態，回路方式などにおいて様々な提案がされている。例えば、（特許文献１）特開２００４−７９５０号公報に開示された技術がある。ここでは、スイッチング電源内のトランスに、新たにバックアップ用として第３の巻線（Ｎ３）を設け、ここに二次電池及び放電用スイッチを接続している。そして、停電時にはバッテリに蓄えた電荷を放電しＤＣ／ＤＣコンバータを安定動作させることで、負荷への電力補償を実現している。バッテリへの充電ルートは別に設けられており、整流・平滑回路の出力から充電回路を介して適切な充電が行われる。この充放電の制御を行う充放電制御回路及びバッテリをスイッチング電源と同一筐体に内蔵し、バッテリパックの小型化，放電時の高効率化を図るとともに、バッテリへの充放電を適正に管理して、停電時においても負荷への安定な電力供給を実現している。さらに、上記放電用スイッチや充電回路，充放電制御回路などは、ＤＣ／ＤＣコンバータや整流・平滑回路とともに同一基板上に実装し、バッテリのみをスイッチング電源筐体から取り出せるような構造とすることで、バッテリの保守・メンテナンス性の向上を図っている。

特開２００４−７９５０号公報

このようなバッテリバックアップ機能を備えたスイッチング電源装置では、バックアップ不要なユーザに対し、上述したようなバッテリ制御に関わる各回路部が余計に実装されているため高コストになるだけでなく、バッテリ実装スペースが余分であるためスイッチング電源の小型化を阻害する。また、長時間バックアップは不要で数十(ｍｓ)〜１(sec) 程度の瞬低だけ補償したいユーザに対しては、バッテリバックアップだと容量過剰であり、充放電回路やその制御回路まで含めて考えると大幅な高コスト化を招く恐れがある。

停電や瞬低は地域や季節などによって発生頻度は異なるものの、平均的には瞬低のほうが圧倒的に多く、電源にとっては、瞬低に対してどれだけ電力を供給し続けられるか（瞬低耐力）がより重要視される場合が多い。

本発明の目的は、瞬低または停電補償必要時に応じて適切な回路構成を簡易な手段で選択可能な、小型・低コストのバックアップ機能付きスイッチング電源装置を提供することである。

本発明の他の目的は、小型・低コストのバックアップ機能付きスイッチング電源システムを備えたディスクアレイシステムを提供することである。

上記目的を達成するため本発明は、電荷蓄積手段を有し非常時において負荷に対して電力を供給可能なスイッチング電源装置において、前記電荷蓄積手段には電力変換回路と、前記電荷蓄積手段の状態監視手段及び前記電力変換回路のコントロールを行う制御手段を有する状態監視制御手段が接続され、前記電荷蓄積手段の充，放電が行えるよう前記電力変換回路は前記スイッチング電源内の直流ラインへ接続され、前記電荷蓄積手段および前記状態監視制御手段を有するバックアップユニットを前記スイッチング電源装置の筐体内へ着脱可能にしたことを特徴とするものである。

また、上記目的を達成するため本発明は、電荷蓄積手段を有し非常時において負荷に対して電力を供給するスイッチング電源装置において、二次電池及び該二次電池の状態監視制御手段を有する第１のバックアップユニットと、コンデンサ及び該コンデンサの状態監視制御手段を有する第２のバックアップユニットのいずれか一方を、前記スイッチング電源装置の筐体内に設けたコネクタへ着脱可能にしたことを特徴とするものである。

また、上記目的を達成するため本発明は、電荷蓄積手段を有し非常時において負荷に対して電力を供給するスイッチング電源装置を備えたディスクアレイシステムにおいて、該ディスクアレイシステムのラック筐体内に前記スイッチング電源装置が配置され、前記スイッチング電源装置は前記ディスクアレイシステムに活線挿抜できることを特徴とするものである。

また、上記目的を達成するため本発明は、電荷蓄積手段を有し非常時において負荷に対して電力を供給可能なディスクアレイシステムにおいて、二次電池及び該二次電池の状態監視制御手段を有する第１のバックアップユニットと、コンデンサ及び該コンデンサの状態監視制御手段を有する第２のバックアップユニットのいずれか一方を、前記ディスクアレイシステムのラック筐体内に設けたコネクタへ着脱可能にしたことを特徴とするものである。

また、上記目的を達成するために本発明は、スイッチング電源装置筐体内へ活線挿抜可能な、二次電池及びその状態監視・制御手段からなるバックアップユニットを内蔵し、適正な二次電池の充放電管理を行うことができると共に、前記バックアップユニット不要時にはバックアップユニットの収納スペースへ、上記同様、活線挿抜可能な複数コンデンサからなるバックアップユニットを内蔵し、両バックアップユニットは、スイッチング電源内基板上に予め設けられたバックアップユニット接続用コネクタへ簡単に取り替え可能とし、さらに、両バックアップユニットは前記接続用コネクタを介して、電気的に異なるスイッチング電源内部直流経路へ接続できるように構成したバックアップ機能付きスイッチング電源装置を提供することにある。

本発明によれば、小型・低コスト、且つ高い信頼性で負荷に安定した直流電力を供給可能なスイッチング電源装置を提供することができる。

また、本発明によれば、高い信頼性を持つディスクアレイシステムを実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１に、本発明の実施例であるバックアップ機能付きスイッチング電源１００の外観を示す。本電源装置は、収納部１１０，ファン１１１，ハンドル１（１１２），ＡＣコネクタ１１３，スイッチ１１４などから構成される。ファンはスイッチング電源内に実装されたパワー半導体素子の冷却の他に、後述するバックアップユニットの冷却も行う。商用電源とＡＣコネクタ間はケーブルで接続され、スイッチによって電源のパワーオン／オフが行われる。収納部１１０にはバックアップユニット１（１０１）またはバックアップユニット２（１０５）が収納出来るようになっており、図示しないコネクタやケーブル等を介しスイッチング電源筐体内へ着脱可能な構造となっている。

バックアップユニット１は、二次電池セル１０２を複数有し、制御回路１（１０３），ハンドル２（１０４）より構成される。その他、コネクタやケーブル，スイッチ等の部品類は省略してある。バックアップユニット１は、高エネルギー密度の二次電池を用いた停電補償用のエネルギーバンクである。停電補償時間は例えば、数秒から数分を補償するものである。バックアップ必要容量に応じた複数の二次電池セルが直並列接続され、所望のバックアップが実現できるよう構成される。また、図示してないが、必要に応じ複数の二次電池セルはパック構造化され、そのパックからは電圧や温度のセンシングラインとパワーラインがケーブルによって引き出されており、制御回路１と接続されている。二次電池には例えば、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池やリチウム（Ｌｉ）電池等が使用可能である。制御回路１は、二次電池の電圧や温度などの状態監視を行い、電池の適正な充放電管理を行うものである。上記二次電池は、周囲温度によってその特性が大きく変化する。スイッチング電源の置かれる環境により筐体内の温度も変化するので、電源に実装されたファンの回転数を適切に制御することで電池の充放電効率を向上させ、電池の長寿命化を図ることが可能である。また、バックアップユニット１は、図示しないバックアップユニット１の前面に設けられたスイッチ等により、スイッチング電源１００へ活線挿抜ができるよう構成される。

バックアップユニット２は、プリント基板１０７にコンデンサ１０６を複数実装してなり、その他、制御回路２（１０９），ハンドル３（１０８）より構成される。その他、コネクタやケーブル，スイッチ等の部品類は省略してある。バックアップユニット２は、コンデンサを用いた瞬低補償用のエネルギーバンクである。瞬低補償時間は例えば、数十
（ｍｓ）から１秒程度を補償するものである。バックアップ必要容量に応じた複数のコンデンサが並列、または直列接続され、所望のバックアップが実現できるよう構成される。コンデンサには例えば、アルミ電解コンデンサや電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）等が使用可能である。制御回路２は、必要に応じて突入電流を抑制したり、あるいはコンデンサを直列接続した場合における各コンデンサ間の電圧バランス化などを行うものである。コンデンサは使用温度が高くなるほど劣化が加速するので、電源に実装されたファンの回転数を適切に制御することで使用温度を調整し長寿命化を図ることが可能である。

上記バックアップユニット１及び２は、筐体部分を共通化し、コネクタやケーブル，エネルギーバンク等の中身を入れ換え可能なように構成しても良い。筐体部分を共通化することで、低コスト化が可能となる。バックアップユニットとスイッチング電源の接続は、上述したようなコネクタ同士の接続であっても良いし、バックボードでの接続でも良い。

図２は、図１において各々のバックアップユニットが実装された場合における回路構成を示したものである。図２（ａ）は瞬低補償用、図２（ｂ）は停電補償用の回路構成である。例えば、図２（ａ）はバックアップ時間が１秒程度であり、図２（ｂ）はバックアップ時間が５分程度を想定している。スイッチング電源１００は、全波整流回路２０１、力率改善回路２０２（以下、ＰＦＣと言う），絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２０３より構成される。そして、商用１００Ｖ，２００Ｖのような交流電力２００を入力し、これを直流電力に変換して負荷２０４へ出力する。ここでは、ＰＦＣの出力２１７を３８０Ｖ、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力２１８を１２Ｖとして想定している。

図２(ａ)はスイッチング電源内のＰＦＣ出力２１７にバックアップユニット２(１０５)を接続した構成である。バックアップユニット２（１０５）は、複数のアルミ電解コンデンサ１０６を並列接続し構成される。入出力端子２０５及び２０６は、バックアップユニット２の入出力用の端子であり、スイッチング電源との接続インタフェースである。グラウンド２０７によりスイッチング電源はグラウンドを取っている。通常、ＰＦＣ出力には、図示しない高耐圧の平滑用コンデンサが設けられており、数ｍｓ程度の瞬低は補償できるが、本実施例のように複数のコンデンサを追加出来るようにすることで、非常に安価な手段で瞬低補償時間を可変にすることが可能となる。

図２（ｂ）はスイッチング電源内の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２０８へバックアップユニット１（１０１）を接続した構成であり、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介してバックアップユニット１（１０１）とＤＣ／ＤＣコンバータ出力２１８の間で電力の授受を行うことが出来る。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、ＰＦＣやＤＣ／ＤＣコンバータと共に同一基板上へ予め実装されているか、若しくは、バックアップユニット１（１０１）の内部へ実装されても良い。後者の場合、スイッチング電源との着脱点はＤＣ／ＤＣコンバータの出力点となる。バックアップユニット１（１０１）は、二次電池セル１０２とその状態監視／制御手段１０３より構成される。上述したように、二次電池には高エネルギー密度のニッケル水素電池やリチウムイオン電池等が適用でき、必要バックアップ容量やバックアップ電圧に応じて複数の二次電池が直並列接続される。バッテリ状態監視／制御手段は、ＰＦＣから出力される停電検出信号２１２や、バッテリの電圧・温度等のアナログ信号２０９を受け取り、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータへの充電・放電指令信号２１３を出力する。このようしてバッテリの適正な充放電管理を行っている。入力端子２１０を介してバックアップユニット１への停電検出信号２１２の入力を行い、出力端子２１１を介して充電・放電指令信号２１３の出力を行う。入出力端子２１４及び２１５は入出力用の端子であり電力の授受を行うスイッチング電源との接続インタフェースである。グラウンド
２１６によりスイッチング電源はグラウンドを取っている。本実施例のように複数の二次電池を用いてバックアップを行うことで、上記（ａ）のコンデンサを用いた場合よりも、長時間のバックアップ動作が可能となる。なお、上記は電力変換効率を考えて負荷直近であるＤＣ／ＤＣコンバータの出力へ双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを接続したが、ＰＦＣ出力へ双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを接続する構成も考えられる。

図３は図２（ａ）の回路構成におけるＰＦＣを詳細に表したものである。ＰＦＣは大きく、電流制限抵抗３０１とスイッチ３０２からなる突入電流防止回路３００，チョークコイル３０３とパワーＭＯＳＦＥＴ３０４とダイオード３０５と平滑用コンデンサ３０６からなる昇圧コンバータ、および停電検出回路３０７より構成される。

突入電流防止回路は、電源起動時における平滑用コンデンサへの突入電流を抑制するためのものである。電流制限抵抗により、平滑用コンデンサに流れ込む電流が絞られコンデンサの端子電圧は徐々に上昇する。そして、所定値以下の電流になるとスイッチがオンし、パワーラインのインピーダンスを下げ電力ロスを低減する。電流制限抵抗の代わりに
ＰＴＣサーミスタを用いても良い。また、突入電流防止回路をＰＴＣサーミスタに置き換えることも可能である。スイッチ３０２は半導体スイッチのほか電磁式リレーなどを用いることができる。

昇圧コンバータは、ＰＦＣ出力２１７を全波整流回路出力の脈流電圧よりも高い電圧
（ＤＣ３８０Ｖ）へ昇圧しながら、入力電流の導通角を広げるようにパワーＭＯＳＦＥＴを制御し高調波電流を抑制する。

停電検出回路はＰＦＣの出力電圧を監視し、電圧が所定値以下になるとハイまたはロウレベルの停電検出信号２１２を出力する。

本実施例のようにＰＦＣ内部に突入電流防止回路を内蔵している場合は、バックアップユニット２へ突入電流防止回路を設けなくてもよく、前述した制御回路２（１０９）は不要である。バックアップユニット２の活線挿入時にはＰＦＣ内部突入電流防止回路により、ある程度の突入電流を抑制できる。

次に図４を用いて、本実施例のスイッチング電源の動作を説明する。図２（ａ）の瞬低補償時について説明する。時刻ｔ１までは商用電源は健全であり、ＰＦＣ出力は３８０Ｖの直流電圧を出力している。時刻ｔ１に瞬低が発生した場合、ＰＦＣ出力の電圧は徐々に低下していく。もしも、後段のＤＣ／ＤＣコンバータの下限動作電圧まで低下した場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータが負荷に対して所定の電圧を出力できなくなり、負荷の誤動作を招いてしまう。図示では下限動作電圧の手前である時刻ｔ２で商用電源が正常に復帰しており、ＰＦＣ出力電圧は時刻ｔ２より徐々に回復していく。図中点線の波形はバックアップユニット２を挿入した時のものである。時刻ｔ２における電圧低下ΔＶは、バックアップユニット２の挿入前よりも小さく、時刻ｔ２以降の電圧低下の延長線を引いた場合の
ＤＣ／ＤＣ下限動作電圧との交点を見て分かるとおり、瞬低補償時間を大きく延長できる。次に（ｂ）の停電補償時について説明する。

時刻ｔ１までは商用電源は健全であり、ＰＦＣ出力は３８０Ｖの直流電圧を出力している。時刻ｔ１に停電が発生した場合、ＰＦＣ出力の電圧は徐々に低下していく。そして、３８０ＶよりもΔＶだけ低下した時刻ｔ２になった時、停電検出信号２１２（図示では
ＰＧ信号と記載）がハイレベルになり停電を検出する。この時、ＤＣ／ＤＣコンバータ出力２１８は前段のＰＦＣ出力電圧が下限動作電圧に達してないため、正常に１２Ｖを出力している。停電検出信号がハイになったことで、バッテリ状態監視／制御手段１０３は直ちに内部処理を実行し、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２０８に対して時刻ｔ３で放電指令信号２１３を出力する。そして、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは負荷２０４に対してバッテリ電力の供給を開始する。時刻ｔ４になりＰＦＣ出力が下限動作電圧に達すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０３は停止するが、負荷に対して双方向ＤＣ／ＤＣコンバータよりエネルギーが供給されているので、負荷は正常に動作し続けることができる。時刻ｔ４からｔ５の間において商用電源が正常に復帰すると、ＰＦＣ出力は０Ｖから電圧が上昇していく。そして、時刻ｔ５の復電検出電圧まで電圧が回復すると、停電検出信号２１２は再びロウへと変化する。すると、時刻ｔ６において放電指令信号がロウになり双方向ＤＣ／
ＤＣコンバータが動作を停止する。電池電圧Ｖｂａｔｔは時刻ｔ４の放電開始までは一定電圧であるが、放電開始直後から電圧が徐々に低下していく。放電停止の時刻ｔ６では電池電圧がＶｂａｔｔ′となっており、電池にはその電圧に応じた充電量が残されている。電池残量を１００％にするため、時刻ｔ７において充電指令信号２１３が出力される。電池電圧は再び上昇を開始し、時刻ｔ８で満充電（Ｖｂａｔｔ）を検出し電池への充電を停止する。なお、放電・充電指令信号を便宜上同一記号（２１３）で表現したが、実際これらは異なる信号としてバッテリ状態監視／制御手段より出力される。

図５は、本実施例におけるバックアップユニット１（１０１）及び２（１０５）とスイッチング電源との接続イメージを表したものである。スイッチング電源内にはバックアップユニット１（１０１）に接続用のコネクタ５０４、バックアップユニット２（１０５）に接続用のコネクタ５００が設けられている。そしてバックアップユニット１（１０１）には、コネクタ５０９が設けてあり、バッテリのプラス端子２１４，マイナス端子２１５，停電検出信号用の端子２１０，充電・放電指令信号用の端子２１１（便宜上一つの端子で表す）がコネクタまで引き出されており、夫々スイッチング電源内の端子５０５，506，５０７，５０８と、５０４，５０９のコネクタ同士で接続されるようになっている。バックアップユニット２（１０５）には、コネクタ５０３が設けてあり、コンデンサのプラス端子２０５，マイナス端子２０６がコネクタまで引き出されており、夫々スイッチング電源内の端子５０１，５０２と、５００，５０３のコネクタ同士で接続されるようになっている。

以上のような実施例によれば、バックアップニーズに応じた最適なバックアップ回路構成を簡易な手段で構成することができ、バックアップ機能を有するスイッチング電源装置の小型・低コスト化が可能である。また、バックアップユニットの活線保守・メンテナンスが可能となり高信頼電源装置を提供できる。さらに、ユーザニーズに柔軟に対応可能な高付加価値スイッチング電源装置を提供できる。

図６に本発明の他の実施例を示す。上記図５で説明した、バックアップユニット１
（１０１）及び２（１０５）とスイッチング電源との他の接続形態について示したものである。本実施例の特徴は、スイッチング電源内に設けた単一のコネクタ６０４へ何れのバックアップユニットも接続可能なように構成し、夫々のバックアップユニットに応じて、スイッチング電源内の接続先を可変できる切り換え手段６００を設けたことにある。切り換え手段は、バックアップユニット１（１０１）と双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２０８をコネクタ５０９と６０４を介して接続するスイッチ６０２，バックアップユニット２
(１０５)とＰＦＣ出力２１７をコネクタ６０９と６０４を介して接続するスイッチ６０１より構成する。スイッチ６０１と６０２は各種ハードスイッチを用い、手動でオン／オフを行ってもよい。あるいは、リレーや半導体スイッチを用い、別途、何れのバックアップユニットがコネクタ６０４に接続されたかを判断すると共に、上記リレーや半導体スイッチをコントロールする手段を設けて、自動でオン／オフを行ってもよい。バックアップユニット１には、コネクタ５０９が設けてあり、バッテリのプラス端子２１４，マイナス端子２１５，停電検出信号用の端子２１０，充電・放電指令信号用の端子２１１（便宜上一つの端子で表す）がコネクタまで引き出されており、夫々スイッチング電源内の端子605，６０６,６０７,６０８と、６０４，５０９のコネクタ同士で接続され、スイッチ６０１をオフ、スイッチ６０２をオンすることでＤＣ１２Ｖをバックアップする回路構成となる。バックアップユニット２には、コネクタ６０９が設けてあり、コンデンサのプラス端子２０５，マイナス端子２０６がコネクタまで引き出されており、端子６１０と６１１は電気的に何も接続されておらず空き端子となっており、夫々スイッチング電源内の端子605，６０６,６０７,６０８と、６０４，６０９のコネクタ同士で接続され、スイッチ６０１をオン、スイッチ６０２をオフすることでＤＣ３８０Ｖをバックアップする回路構成となる。

以上のような実施例によれば、スイッチング電源側へ設けるコネクタは一つでよいので、部品コストの低減を図ることができる。

図７に本発明の他の実施例を示す。上記図５で説明した、バックアップユニット１
（１０１）及び２（１０５）とスイッチング電源との他の接続形態について示したものである。本実施例の特徴は、スイッチング電源内に設けた単一のコネクタ７００へ何れのバックアップユニットも接続可能なように構成し、上記図６の実施例で述べた切り換え手段を持たないよう構成した点である。夫々のバックアップユニットとスイッチング電源の接続については、基本的には前述した実施例と同様に接続できる構成になっている。スイッチング電源へ実装されるコネクタ７００には、ＰＦＣ出力接続用の端子７０１と７０２、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ接続用の端子７０３，７０４，７０５，７０６が引き出されており、バックアップユニット１のコネクタ５０９、あるいはバックアップユニット２のコネクタ５０３がコネクタ７００と接続される。

以上のような実施例によれば、スイッチング電源側へ設けるコネクタは一つでよく、更に図６の実施例で述べたような切り換え手段を持たなくてよいので、部品コストの低減を図ることができる。

図８に本発明の他の実施例を示す。上記図５で説明した、バックアップユニット１
（１０１）及び２（１０５）とスイッチング電源との他の接続形態について示したものである。本実施例の特徴は、上記図６の実施例で述べた切り換え手段６００を単一のスイッチ８００で構成した点にある。夫々のバックアップユニットとスイッチング電源の接続については、上記図６の実施例と同様に説明できる。スイッチ８００は各種ハードスイッチを用い、コネクタ６０４に接続された端子８０１とＰＦＣ出力、または端子８０１と双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを接続するよう手動で切り換えればよい。あるいは、リレーや半導体スイッチを用い、別途、何れのバックアップユニットがコネクタ６０４に接続されたかを判断すると共に、上記リレーや半導体スイッチをコントロールする手段を設けて、自動で切り換え制御を行ってもよい。

以上のような実施例によれば、スイッチング電源内に実装した単一のコネクタへ、何れかのバックアップユニット装着における回路接続の切り換えを単一のスイッチで構成でき、上記図６の実施例よりも部品コストの低減を図ることができる。

図９に本発明の他の実施例を示す。本実施例は瞬低補償用のバックアップユニットをスイッチング電源１００へ装着する場合の回路構成例である。バックアップユニット２
（１０５）は、突入電流抑制手段９００と、コンデンサ１０６を複数並列接続してなるコンデンサユニット９１５から構成される。図１と対比させると、制御回路２（１０９）が突入電流抑制手段９００に対応し、バックアップユニット２（１０５）がバックアップユニット２（１０５）に対応することになる。突入電流抑制手段は、補助電源９０１，突入電流制御回路９０２，突入電流防止回路９０３より構成される。突入電流制御回路は、基準電圧９０５，分圧抵抗９０６と９０７，コンデンサ端子間に接続された分圧抵抗９０８と９０９，コンパレータ９０４から構成される。バックアップユニット２０５及び２０６のスイッチング電源接続用インタフェースを介して接続されると、補助電源はコンパレータの電源電圧や基準電圧を突入電流制御回路へ供給する。初めコンデンサユニットへは電荷が蓄積されていないので、コンデンサの端子間電圧は０であり、コンパレータは突入電流防止回路のスイッチ９１０のオフ信号を出力している。コンデンサユニットへは電流制限抵抗９１１によって突入電流が抑制される。コンデンサの端子電圧は徐々に上昇していき、ある所定値に達するとコンパレータの出力が反転しスイッチ９１０オン信号を出力する。これにより、コンデンサユニットとＤＣ３８０Ｖ間のパワーラインのインピーダンスを下げパワーロスを低減する。なお突入電流防止回路は、図１の実施例で述べたように
ＰＴＣサーミスタを使って構成してもよい。端子９１２，９１３，９１４は、突入電流抑制手段とコンデンサユニットの接続用インタフェースであり、これを介して双方が着脱可能となっている。

本実施例は、図１の実施例で述べたようなＰＦＣ内に突入電流防止回路を内蔵している場合や、そうでない場合にも適用が可能である。また、ＰＦＣ内部の出力平滑用コンデンサに対して、増設補償用の複数コンデンサが突入電流防止回路を介して接続される構成であるので、活線挿抜を容易化でき、高い信頼性を得ることができる。

図１０に本発明の他の実施例を示す。本実施例は、上記図２（ｂ）停電補償用の回路構成における、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２０８の一構成例について示したものである。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２０８は、チョークコイル１０００，Ｎチャンネル型パワーＭＯＳＦＥＴ１００１及び１００２，平滑用コンデンサ１００３からなる双方向チョッパ回路と、活線挿抜用の半導体スイッチ１００４及び１００５と、ドライブ回路１００７及び１００８から構成する。なお、半導体スイッチにはＰチャンネル型パワーＭＯＳＦＥＴを用い、ソース電極を共通接続し、二次電池セル１０２及びＤＣ／ＤＣコンバータ２０３出力双方への突入電流を防止できるよう構成している。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０３の出力電圧よりもバッテリ電圧が低いものとして以下説明する。バッテリからの放電は、ドライブ回路１００７からのドライブ信号１００９によってパワーＭＯＳ１００２をスイッチング及びＰＷＭ制御することで、ＤＣ／ＤＣコンバータ出力を一定電圧に保ちつつコイルに蓄えたエネルギーを供給する。バッテリへの充電は、ドライブ回路１００７からのドライブ信号１００８によってパワーＭＯＳ１００１をスイッチング及びＰＷＭ制御することで行われる。ドライブ回路１００７へは、バッテリ状態監視／制御手段より放電または充電指令信号が与えられる。

バックアップユニット１の活線挿入は、例えば、半導体スイッチ１００４と１００５をオフしたまま、上述した放電動作を行って平滑用コンデンサ１００３の電圧を、ＤＣ／
ＤＣコンバータ２０３の出力電圧付近まで持ち上げた状態で半導体スイッチ１００４及び１００５をオンする。こうすることで、ＤＣ／ＤＣコンバータから双方向ＤＣ／ＤＣコンバータへの突入電流を抑制できる。活線抜去は、半導体スイッチ１００４及び１００５をオフした状態でバックアップユニット１を外せばよい。このように、バッテリ状態監視／制御手段からの活線挿抜コントロール信号１０１３によりドライブ回路１００６を介しスイッチ１００４及び１００５を制御することで、バックアップユニットの活線挿抜が可能となる。

図１１に本発明の他の実施例を示す。本実施例は、上記図２（ｂ）停電補償用の回路構成において、二次電池セル１０２の充電及び放電を、別のルートで実施できるように構成したものである。バッテリから負荷２０４への放電はＤＣ／ＤＣコンバータ１１００によって実施され、バッテリへの充電はＰＦＣ出力２１７より充電器１１０１を介して実施される。放電指令信号１１０２及び充電指令信号１１０３は、バッテリ状態監視／制御手段より出力端子２１１を介して送信される。

以上の実施例は、例えば、バッテリへの充電電流分を考慮したＤＣ／ＤＣコンバータ
２０３の設計が困難な場合に有効である。また、バックアップする電圧や容量，充電電流レートなどの仕様によっては、このように充電と放電を別ルートとしたほうがコストを低減できる場合がある。

図１２に本発明の他のの実施例を示す。本実施例は、上記図１１の実施例で述べたＤＣ／ＤＣコンバータ１１００の一構成例について示すと共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ1100出力の接続先、即ちバックアップポイントを変えたものである。絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２０３の二次側の詳細回路構成、バックアップユニット１（１０１）、およびＤＣ／
ＤＣコンバータ１１００について示してある。絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２０３は、トランス１２０２，ダイオード１２０３及び１２０４，チョークコイル１２０５，平滑用コンデンサ１２０６より構成する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１００は、Ｎチャンネル型パワーＭＯＳＦＥＴ１２００，ドライバ回路１２０１より構成する。ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１００は、二次電池セル１０２と両ダイオードの共通カソード側１２０８との間に接続する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０３の出力電圧よりもバッテリ電圧が高いものとして以下説明する。バッテリ状態監視／制御手段１０３より放電指令信号２１３が出力されると、ドライブ回路１２０１よって、通常はオフしているパワーＭＯＳＦＥＴ１２００はスイッチング及びＰＷＭ制御される。そして、チョークコイル１２０５に蓄えられるエネルギーを負荷に供給すると共に、出力電圧が一定になるよう制御される。

本実施例では、停電時にパワーＭＯＳＦＥＴ１２００，ダイオード１２０４，チョークコイル１２０５，平滑用コンデンサ１２０６の各素子により、降圧コンバータ回路が形成される。通常時は、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２０３の二次側回路として動作しているデバイスを、停電時においても共通利用することでＤＣ／ＤＣコンバータ１１００の部品点数を最小限に抑え、スイッチング電源装置の小型・低コスト化を図ることができる。また、パワーＭＯＳＦＥＴ１２００は活線挿抜用スイッチの役目も兼ねており、図示しない充電器と合わせて、バックアップユニットが活線挿抜できるよう構成される。

図１３に本発明の他の実施例を示す。本実施例は、上記図１２の実施例同様、ＤＣ／
ＤＣコンバータ１１００の一構成例について示すものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ1100出力の接続先は、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２０３の出力２１８のままである。上記図１２の実施例と重複する部分の説明は避ける。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１００は、チョークコイル１３００，ダイオード１３０１，Ｎチャンネル型パワーＭＯＳＦＥＴ１３０２，ドライバ回路１３０３より構成する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０３の出力電圧よりもバッテリ電圧が低いものとして以下説明する。バッテリ状態監視／制御手段１０３より放電指令信号２１３が出力されると、ドライブ回路１３０３よって、通常はオフしているパワーＭＯＳＦＥＴ１３０２はスイッチング及びＰＷＭ制御される。そして、チョークコイル１３００に蓄えられるエネルギーを負荷に供給すると共に、出力電圧が一定になるよう制御される。

本実施例では、停電時にチョークコイル１３００，ダイオード１３０１，Ｎチャンネル型パワーＭＯＳＦＥＴ１３０２，平滑用コンデンサ１２０６の各素子により、昇圧コンバータ回路が形成される。

通常時は、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２０３の二次側回路の部品である平滑用コンデンサ１２０６を、停電時においても共通利用することでＤＣ／ＤＣコンバータ１１００の部品点数を最小限に抑え、スイッチング電源装置の小型・低コスト化を図ることができる。また、ダイオード１３０１は活線挿抜用スイッチの役目も兼ねており、図示しない充電器と合わせて、バックアップユニットが活線挿抜できるよう構成される。

図１４に本発明の他の実施例を示す。本実施例は、上記図１１停電補償用の回路構成において、バックアップユニット１（１０１）の一構成例について示したものである。上記図１１の実施例と重複する部分の説明は避ける。

バックアップユニット１(１０１)は、電気二重層キャパシタ(ＥＤＬＣ)を複数セル直列接続して構成されるＥＤＬＣユニット１４０２と、ＥＤＬＣ状態監視／制御手段１４００から構成される。ＥＤＬＣ状態監視／制御手段１４００は複数セル直列接続された各EDLC間の電圧をモニタしながら、各ＥＤＬＣ間の電圧が均等となるよう電圧のバランス化を行う。このバランス化は、ＥＤＬＣ状態監視／制御手段１４００とＥＤＬＣユニット1402の間のインタフェース信号１４０１によって行われる。また、ＥＤＬＣ状態監視／制御手段１４００はＥＤＬＣの充電量が適切な値となるよう、充電器１１０１のコントロールも行う。ＰＦＣ出力信号２１２によって停電を検出した場合は、直ちにＤＣ／ＤＣコンバータ１１００へ放電指令を出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１００はＥＤＬＣに蓄えているエネルギーを負荷に対して供給する。スイッチング電源１００とバックアップユニット１（１０１）のインタフェースは、ＥＤＬＣのプラス端子１４０３，マイナス端子２１５，停電検出信号用の端子２１０，充電・放電指令信号用の端子２１１（便宜上一つの端子で表す）である。

以上の実施例は、ＥＤＬＣをエネルギー源として使うので、バッテリよりも放電電流レートが圧倒的に高い。比較的低い電圧をバックアップし大電流が必要で、且つ使用するバッテリの放電電流レートではスペックを満足できない場合に本実施例は有効となる。

本実施例へは、上述したような他の実施例（スイッチング電源コネクタとバックアップユニットコネクタの実装及び接続形態、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１００の構成例など）も適用可能なことは言うまでもない。

図１５に本発明の他の実施例を示す。本実施例は、上記図２（ｂ）停電補償用の回路構成における、バックアップユニット１（１０１）の一構成例について示したものである。上記図１の実施例と重複する部分の説明は避ける。

本実施例の特徴は、バックアップユニット１（１０１）内の二次電池セル１０２と並列に電解コンデンサ１５００を接続したことである。電解コンデンサのほかにＥＤＬＣを用いることも考えられ、ＥＤＬＣを使った場合は、二次電池セル１０２の総電圧とＥＤＬＣの総電圧がほぼ等しくなるように、ＥＤＬＣ直列数またはバッテリ直列数の調整が必要となる。もしＥＤＬＣを直列接続して使用する場合は、上記図１４の実施例で述べたように電圧モニタ、ならびにＥＤＬＣ間の電圧バランス化が必要になる。その場合は、バッテリ状態監視／制御手段１０３にて前記ＥＤＬＣの制御も行う。

図１６を用いて本実施例のバックアップ中の動作について説明する。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２０８は放電動作を行っており、バッテリ及びコンデンサのエネルギーを負荷へ供給している。時刻ｔ１までは負荷電流Ｉｌｏａｄは一定で比較的小さい電流である。時刻ｔ１にＩｌｏａｄが急激に変化すると、それまでなだらかに降下していたバッテリ＆キャパシタの電圧Ｖｂａｔｔは、急激にドロップする。バッテリ及びキャパシタの電圧ドロップ分は異なり、一般的にはバッテリ内部抵抗による電圧ドロップΔＶｂのほうが、キャパシタＥＳＲによる電圧ドロップ分Ｖｃよりも大きい。時刻ｔ２まではキャパシタ電圧のほうが高いため、キャパシタのエネルギーが負荷に供給されている。このためキャパシタ端子電圧はある傾きで低下していく。そして、キャパシタ端子電圧とバッテリ電圧が等しくなる時刻ｔ３で、キャパシタ端子電圧低下の傾きはバッテリ電圧低下の傾きと等しくなる。バッテリはキャパシタと比べて取り出せる電流量（放電電流）が小さいため、急激な電流変化に対してはエネルギーを供給できない場合がある。よって、非常に短時間の間だけ大電流が必要な場合はキャパシタのほうが好適である。しかしながら、バッテリはエネルギー密度が高いため、長時間のバックアップはキャパシタよりも優れている。

上記のように、バッテリとコンデンサを組み合わせ、エネルギー源として使うことで、本実施例の適用範囲を拡大できると同時に、負荷に対する信頼性を向上できる。

本実施例へは、上述したような他の実施例（スイッチング電源コネクタとバックアップユニットコネクタの実装及び接続形態，双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２０８の構成例，充電器を別途設け充電と放電を別ルートとするなど）も適用可能なことは言うまでもない。

図１７に本発明の他の実施例を示す。本実施例は、バックアップユニット１(１０１)とバックアップユニット２（１０５）をバックアップ機能付きスイッチング電源装置１００へ実装した場合の一構成例である。図１においては、スイッチング電源前面からバックアップユニットを引き出せるような構造としたが、本実施例では、スイッチング電源筐体の上蓋を外し、バックアップユニットを収納スペースへ実装するような構造とした。図示してないが、バックアップユニットはスイッチング電源筐体の後方部より引き出せるような構造も考えられる。あるいは、バックアップユニット側の側面から引き出せるような構造であってもよい。基本構成は図１と同じであり、重複する部分の説明は省略する。

本電源装置は、ＡＣコネクタ１７００，スイッチ１７０１，ハンドル１７０２，ファン１７０３，１７０４，１７０５，プリント基板１７０６，コネクタ１７０７，バックアップユニット接続用コネクタ１７０８から構成される。プリント基板上にはＰＦＣや絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータなどを構成する各種部品が実装される。図示では、バックアップユニット２の後方部から引き出されたケーブル１７１０と図示しないコネクタが、スイッチング電源基板上のコネクタ１７０８に接続されている様子が示されている。バックアップユニット１の前方部からはケーブル１７１２とコネクタ１７１１が引き出されている。バックアップユニット１をスイッチング電源へ接続するときは、バックアップユニット２を取り外しコネクタ１７０８と１７１１を接続する。

本実施例のように、スイッチング電源筐体前面部のバックアップユニット引き出し収納部を失くすことで、ファンの追加が可能となりスイッチング電源内部の冷却効果が増す。また、ファン回転数制御を行う場合、ファンの個数が増えることでスイッチング電源筐体内部の風量調節をよりきめ細かに行うことができる。よって、バッテリの温度調整を広範囲に行え、周囲環境により柔軟に対応可能なバックアップ機能付きスイッチング電源装置を提供できる。

図１８に本発明の他の実施例を示す。本実施例は、上述したバックアップ機能付きスイッチング電源を、ディスクアレイシステムへ適用したものである。ディスクアレイシステム１８０６は、ディスク装置部１８０２，ファン１８０４，スイッチング電源１００より構成される。ディスク装置部１８０２は、ハードディスクを複数配置してなるディスクアレイユニット、及びキャッシュメモリやＣＰＵなどから構成されるディスクアレイコントロールユニットから構成される。また、電源収納部１８００，ディスク装置部収納部1801，ファン収納部１８０３を備えている。そして、各々の収納部を仕切る仕切り部材1805を備えている。スイッチング電源１００には、上述した図１から図１７に示したような実施例を適用できる。スイッチング電源１００はディスクアレイシステム底面部へ、ラックの最小高さ１Ｕ（４４mm）または最小高さ単位（１Ｕ，２Ｕ，３Ｕ…）以内に複数台並べて実装されるよう構成する。また、スイッチング電源は、図示しないディスクアレイシステム内部へバックボードまたはコネクタにより接続される。さらに、スイッチング電源は活線挿抜可能なように構成される。この図の構成では、バックアップユニットをスイッチング電源筐体より活線挿抜できる構成となっているが、図１７に示す実施例のスイッチング電源を用いた場合でも、いったんスイッチング電源をディスクアレイシステムより活線挿抜し、その後スイッチング電源筐体よりバックアップユニットを着脱することで、間接的にバックアップユニットの活線挿抜が可能である。

以上のような実施例により、高信頼なディスクアレイシステムを提供できる。

以上説明したように、本発明によれば、瞬低または停電補償必要時に応じて適切な回路構成を簡易な手段で選択可能な、小型・低コストのバックアップ機能付きスイッチング電源装置を提供することが実現できる。

更に、本発明によれば、小型・低コストのバックアップ機能付きスイッチング電源システムを備えたディスクアレイシステムを提供することも実現出来る。

本発明の実施例を示したものである。 本発明の回路構成を示したものである。 図２の回路構成の詳細を示したものである。 図２の実施例の動作を示したものである。 本発明の実施例のバックアップユニットとスイッチング電源の接続構成を示したものである。 本発明の実施例のバックアップユニットとスイッチング電源の他の接続構成を示したものである。 本発明の実施例のバックアップユニットとスイッチング電源の他の接続構成を示したものである。 本発明の実施例のバックアップユニットとスイッチング電源の他の接続構成を示したものである。 本発明の実施例の瞬低補償用のバックアップユニットをスイッチング電源へ装着した回路構成例である。 図２（ｂ）の停電補償用の回路構成におけるＤＣ／ＤＣコンバータの構成例を示したものである。 図２（ｂ）の回路構成の他の実施例である。 図１１の回路構成の他の実施例である。 図１２のＤＣ／ＤＣコンバータの他の実施例である。 図１１の回路構成の他の実施例を示したものである。 図２（ｂ）の回路構成の他の実施例である。 本発明の他の実施例の動作を説明したものである。 本発明の他の実施例を示したものである。 本発明をディスクアレイシステムへ適用した実施例である。

符号の説明

１００…バックアップ機能付きスイッチング電源、１０１…バックアップユニット１、１０２…二次電池セル、１０５…バックアップユニット２、１０６…コンデンサ、２０４…負荷。

Claims (13)

1. 電荷蓄積手段を有し非常時において負荷に対して電力を供給可能なスイッチング電源装置において、
   前記電荷蓄積手段には電力変換回路と、前記電荷蓄積手段の状態監視手段及び前記電力変換回路のコントロールを行う制御手段を有する状態監視制御手段とが接続され、
   前記電荷蓄積手段の充電、放電が行えるよう前記電力変換回路は前記スイッチング電源内の直流ラインへ接続され、
   前記電荷蓄積手段及び前記状態監視制御手段を有するバックアップユニットを前記スイッチング電源装置の筐体の収納部内へ着脱可能であり、かつ、前記収納部内の前記バックアップユニットを、その電荷蓄積手段とは種類の異なる電荷蓄積手段を有する別のバックアップユニットに交換可能であり、
   双方の前記バックアップユニットは、前記スイッチング電源内のコネクタを介して各々異なる電位の前記スイッチング電源装置内部の直流ラインへ接続されることを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 請求項１のスイッチング電源装置において、
   前記バックアップユニットは前記スイッチング電源筐体内に活線挿抜できることを特徴とするスイッチング電源装置。
3. 請求項１のスイッチング電源装置において、
   前記電荷蓄積手段はニッケル水素、またはリチウムイオン二次電池より構成することを特徴とするスイッチング電源装置。
4. 請求項１のスイッチング電源装置において、
   前記電荷蓄積手段はアルミ電解コンデンサ、または電気二重層コンデンサにより構成することを特徴とするスイッチング電源装置。
5. 請求項１のスイッチング電源装置において、
   前記電荷蓄積手段はコンデンサと二次電池を並列接続したことを特徴とするスイッチング電源装置。
6. 請求項１のスイッチング電源装置において、
   前記電力変換回路は非絶縁型の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータからなり、前記スイッチング電源内の力率改善回路の後段に接続される絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの二次側回路の直流ラインへ接続されることを特徴とするスイッチング電源装置。
7. 請求項１のスイッチング電源装置において、
   前記電力変換回路は前記バックアップユニット同様に前記スイッチング電源装置の筐体内へ着脱可能とし、前記バックアップユニットと併せて前記スイッチング電源装置の筐体内に活線挿抜できることを特徴とするスイッチング電源装置。
8. 電荷蓄積手段を有し非常時において負荷に対して電力を供給するスイッチング電源装置において、
   前記電荷蓄積手段には電力変換回路と、前記電荷蓄積手段の状態監視手段及び前記電力変換回路のコントロールを行う制御手段を有する状態監視制御手段とが接続され、
   前記電荷蓄積手段である二次電池及び該二次電池の状態監視制御手段を有する第１のバックアップユニットと、前記電荷蓄積手段であるコンデンサ及び該コンデンサの状態監視制御手段を有する第２のバックアップユニットのいずれか一方を、前記スイッチング電源装置の筐体の同一収納部内に設けたコネクタへ着脱可能にし、
   双方の前記バックアップユニットは、前記スイッチング電源内のコネクタを介して各々異なる電位の前記スイッチング電源装置内部の直流ラインへ接続されることを特徴とするスイッチング電源装置。
9. 請求項８のスイッチング電源装置において、
   前記第１のバックアップユニットまたは前記第２のバックアップユニットは、前記スイッチング電源筐体内のコネクタに対して活線挿抜できることを特徴とするスイッチング電源装置。
10. 請求項１に記載のスイッチング電源装置を備えたディスクアレイシステムにおいて、
    該ディスクアレイシステムのラック筐体内に前記スイッチング電源装置が配置され、
    前記スイッチング電源装置は前記ディスクアレイシステムに活線挿抜できることを特徴とするディスクアレイシステム。
11. 請求項１０のディスクアレイシステムにおいて、
    前記ディスクアレイ装置のラック筐体下方部へ前記スイッチング電源が複数台並べて配置されていることを特徴とするディスクアレイシステム。
12. 請求項８に記載のスイッチング電源装置を備えたディスクアレイシステムにおいて、
    前記スイッチング電源装置を前記ディスクアレイシステムのラック筐体内に設けたコネクタへ着脱可能にしたことを特徴とするディスクアレイシステム。
13. 請求項１２のディスクアレイシステムにおいて、
    前記第１のバックアップユニット及び前記第２のバックアップユニットは前記ディスクアレイ装置に活線挿抜できることを特徴とするディスクアレイシステム。

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