JP5528444B2 - 本質的平衡直流無停電電源のための装置、方法、およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、一般に、電子デバイス用の電源装置に関し、更に具体的には、コンピューティング環境において用いられる本質的平衡直流（ＤＣ）無停電電源装置（ＵＰＳ：uninterruptible power supply）のための装置、方法、およびシステムに関する。

無停電電源、無停電電力システム、連続電源装置（ＣＰＳ：continuous power supply）、またはバッテリ・バックアップとしても知られる無停電電源装置（ＵＰＳ）は、商用電力が利用できない場合に別個のソースから電力を供給することによって、接続された機器に対する電力の連続的な供給を維持するデバイスである。ＵＰＳは、一般に瞬間的な停電からの即時保護を与えない補助電源装置または予備用発電機とは異なる。

ＵＰＳは、いずれかの特定のタイプの機器を保護することに限定されず、予想外の電力中断によって、負傷、業務の中断、またはデータ喪失が生じる恐れがある場合に、コンピュータ、電気通信機器、または他の電気機器を保護するために通常用いられる。ＵＰＳユニットのサイズは、単一のコンピュータをバックアップするユニットから、データ・センタまたはビル全体に給電するユニットまでの範囲にわたる。

大規模な環境における機器は、公益企業が提供するような三相電力を利用することが有利である場合がある。しかしながら、三相電力を用いる場合、各位相を残りの位相と平衡させて動作効率を保証することが重要である。三相電力サービスの位相は、三相線（Ａ、Ｂ、およびＣ）の各々に等しい電流が流れる場合に平衡がとれていると考えられる。不平衡負荷を用いると、発電機の効率が低下するために、電力コストが高くなる。

一般に、位相線と負荷との間に結合された直流（ＤＣ）ＵＰＳ等の三相電力用途におけるＵＰＳを用いるために、自動位相平衡化を有する三相フロントエンド電源装置を実施することができる。三相電源装置の解決策では、機器のための二次単相電源装置の前に電源装置が必要である。この場合、追加のハードウェアを必要とすることによって、複雑さおよびシステム・コストが増す。あるいは、三相にわたって更に均一に単相電流を手作業で分配することができる。しかしながら、手作業による平衡化は、動的に変化する負荷ではうまく機能しない近似的な解決策である。最後に、位相平衡化ＵＰＳは存在しない。

前述のことに鑑み、３つの接続された位相線にわたって位相平衡化を行うＵＰＳが求められている。更に、かかるＵＰＳは、特定の実施に対して、大きなハードウェア、複雑さ、またはコストを追加しないと有利である。従って、一実施形態において、一例としてのみ、本質的位相平衡直流（ＤＣ）無停電電源措置（ＵＰＳ）を提供する。ＤＣ ＵＰＳは、第１、第２、および第３の交流（ＡＣ）位相入力を含む。第１、第２、および第３のＡＣ位相入力に、第１、第２、第３の整流器が結合されている。第１、第２、および第３の整流器に、共通ノードが結合されている。共通ノードに、少なくとも１つのＤＣ出力が結合されている。少なくとも１つのＤＣ出力は、少なくとも１つの電気的負荷に接続するために適合されている。共通ノードにはバッテリが結合されている。バッテリと共通ノードとの間に、阻止ダイオードが結合されている。

追加的な実施形態において、この場合も一例としてのみ、直流（ＤＣ）無停電電源装置（ＵＰＳ）において少なくとも１つの電気的負荷に分配するために三相線電流入力を本質的に位相平衡化するための方法を提供する。三相線電流入力の各々を共通ノードに結合する。三相線電流入力の各々と共通ノードとの間に、第１、第２、および第３の整流器を結合する。共通ノードに少なくとも１つのＤＣ出力を結合する。少なくとも１つのＤＣ出力は、少なくとも１つの電気的負荷に接続するために適合されている。共通ノードにバッテリを結合する。バッテリと共通ノードとの間に阻止ダイオードを結合する。

追加的な実施形態において、この場合も一例としてのみ、少なくとも１つの電気的負荷に分配するための三相線電流の本質的な位相平衡化のためのシステムを提供する。第１の直流（ＤＣ）無停電電源装置（ＵＰＳ）を提供する。第１のＤＣ ＵＰＳは、第１および第２の入力と第１の共通ノードとの間に結合された第１および第２の整流器と、第１の共通ノードに結合された第１および第２の出力と、を含む。第３の入力を有する第２のＤＣ ＵＰＳは、第１のＤＣ ＵＰＳの第２の出力に結合されている。第２のＤＣ ＵＰＳは、第３の入力、第４の入力と第２の共通ノードとの間に結合された第３および第４の整流器と、第２の共通ノードに結合された第３および第４の出力と、を含む。第５の入力を有する第３のＤＣ ＵＰＳは、第２のＤＣ ＵＰＳの第４の出力に結合されている。第３のＤＣ ＵＰＳは、第５の入力、第６の入力と第３の共通ノードとの間に結合された第５および第６の整流器と、第３の共通ノードに結合された第５および第６の出力と、を含む。第１のＤＣ ＵＰＳの第２の入力は第１の位相線電流に結合されている。第２のＤＣ ＵＰＳの第４の入力は第２の位相線電流に結合されている。第３のＤＣ ＵＰＳの第６の入力は第３の位相線電流に結合され、第３のＤＣ ＵＰＳの第６の出力は第１のＤＣ ＵＰＳの第１の入力に結合されている。

更に追加的な実施形態において、この場合も一例としてのみ、本質的位相平衡化直流（ＤＣ）無停電電源装置（ＵＰＳ）を製造する方法を提供する。第１、第２、および第３の交流（ＡＣ）位相入力を用意する。第１、第２、および第３のＡＣ位相入力に結合された第１、第２、および第３の整流器を用意する。第１、第２、および第３の整流器に結合された共通ノードを用意する。共通ノードに結合された少なくとも１つのＤＣ出力を用意する。少なくとも１つのＤＣ出力は、少なくとも１つの電気的負荷に接続するために適合されている。共通ノードに結合されたバッテリを用意する。バッテリと共通ノードとの間に結合された阻止ダイオードを用意する。

本発明の利点を容易に理解するために、添付図面に示した特定の実施形態を参照することによって、先に簡潔に記載した本発明のもっと具体的な説明を行う。これらの図面は本発明の典型的な実施形態を示すだけであり、従って、その範囲を限定するものとは見なされないことを理解した上で、添付図面を用いて、本発明について更に具体的かつ詳細に記載し説明する。

第１の例示的な直流無停電電源装置（ＤＣ ＵＰＳ）の概略図である。 第２の例示的なＤＣ ＵＰＳの概略図である。 相互接続されたＤＣ ＵＰＳユニットのシステムの概略図である。

以下に例示する実施形態は、ＤＣ ＵＰＳにおいて三相線電流を平衡化し、電力を１つ以上の接続された電気的負荷に分配するための機構を提供する。例示する実施形態を、特定のネットワーク構成において組み合わせて、入力電流を平衡化することができる。実施形態は、三相を整流し、組み合わせ、全ての負荷に分配する。以下で述べるようなネットワーク内のＤＣ ＵＰＳユニットの入力の少なくとも１つに三相の全てが接続される限り、ＤＣ ＵＰＳをいくつでも用いることができる。

図１に移ると、三相入力線電流を本質的に平衡化するための例示的なＤＣ ＵＰＳ１０が図示されている。しかしながら、図１は単に例示に過ぎず、例示的な実施形態の代表的な態様を実施可能である特定のアーキテクチャに関していかなる限定を明示することも暗示することも意図していないことは認められよう。以下の説明および特許請求される主題の範囲および精神から逸脱することなく、図１に示すアーキテクチャに対する多くの変形が可能である。

ＤＣ ＵＰＳ１０は、三相（ＡＢＣ）電力システムの各位相に１つずつ、計３つの交流（ＡＣ）入力１２、１４、および１６を含む。入力１２、１４、および１６についてＡＣを示すが、入力はＤＣまたは整流されたＡＣ電力を許容することも可能である。ＡＣ入力１２、１４、および１６の各々は、回路保護デバイス１８、２０、２２に結合されている。回路保護デバイス１８、２０、２２は、当業者には認められるように、特定の実施について変動する場合がある。例えば、回路保護デバイス１８、２０、および２２は、当業者が予想するように、ヒューズ、ヒューズ要素、可溶リンク、サーキット・ブレーカ等を含むことができる。

回路保護デバイス１８、２０、および２２は各々、整流器に結合されている。図示する実施形態では、全波整流器２４、２６、および２８が、回路保護デバイス１８、２０、および２２に結合されて示されている。全波整流器２４、２６、および２８は、共通ノード３０に結合されている。

バッテリ３２は、電力中断の際にバックアップ電流を供給する。バッテリ３２は、接地３４と切断スイッチ３６との間に結合されている。切断スイッチ３６は、阻止ダイオード３８に結合されている。切断スイッチ３６は、コントローラ４０によって作動させることができる。例えば、切断スイッチ３６は、リレーまたは同様のデバイスとすれば良い。コントローラは、入力１２、１４、および１６の１つ以上からの電力中断が検出されると、切断スイッチ３６に制御信号を供給する。当業者には予想されようが、切断スイッチ３６は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）等のトランジスタ・デバイスを含むことができる。

回路保護デバイス４２、４４、および４６は、共通ノード３０に結合して示されており、３つのＤＣ出力５４、５６、および５８の１つに対応する。ＤＣ出力５４、５６、および５８は、少なくとも１つの電気的負荷に接続するように適合されている。接続された負荷（複数の負荷）は、出力５４、５６、および５８間で共有される。回路保護デバイス４２、４４、および４６は、この場合も、前述のようにヒューズおよびサーキーット・ブレーカ・デバイスを含み、負荷の障害を分離することができる。

ＤＣ ＵＰＳ１０は、三相入力電流（入力１２、入力１４、および入力１６）を整流する。整流された電流の各々の出力は、共通ノード３０において組み合わされる。入力１２、１４、および１６は整流され、次いで共通ノード３０において組み合わされる。入力を整流した後、それらは、個々の入力の位相、周波数、または大きさとは無関係に組み合わせることができる。

ＤＣ ＵＰＳ１０は、本質的な位相平衡化の高効率かつ費用対効果の高い方法を用いる。更に、この方法は高いエネルギ密度を提供する。多数のＤＣ ＵＰＳユニット間で出力の同期または通信を行う必要はない。異なる電力供給からの位相を組み合わせることができる。本質的な平衡化は、軽い負荷から全負荷まで動作し、負荷条件の変化とは無関係に動作する。

次に、図２に、位相電流の本質的な平衡化を可能とするネットワークに構成可能なＤＣ ＵＰＳユニット１０の一例を示す。ＤＣ ＵＰＳ６０は、第１のＤＣまたはＡＣ入力６２を用いて構成されている。また、ＤＣ ＵＰＳ６０は、第２のＤＣまたはＡＣ６４を用いて構成されている。入力６２は第１の位相線入力（例えばＡ）に対応し、入力６４は第２の位相線入力（例えばＢ）に対応することができる。入力６２は、前述のものと同様の回路保護デバイス６６を介して整流器に結合されている。図示する例では、この場合も、全波整流器７０が実施されている。同様に、入力６４は、回路保護デバイス６８を介して全波整流器７２に結合されている。

各全波整流器は共通ノード７４に結合されており、整流された電流は前述と同様に組み合わされる。接地７８と、コントローラ８２と通信する制御可能切断スイッチ８０との間に、バッテリ７６が結合されている。共通ノード７４と切断スイッチ８０との間に、阻止ダイオードが結合されている。バッテリ７６、切断スイッチ８０、および阻止ダイオード８４は、バッテリ３２、切断スイッチ３６、および阻止ダイオード３８（図１）と同様に機能することができる。

２つのＤＣ出力９２および９４が、切断スイッチ８８および９０にそれぞれ結合されている。ＤＣ出力９２および９４の各々は、少なくとも１つの電気的負荷または別のＤＣ ＵＰＳユニット６０に接続するように構成されている。これについては後で更に説明する。回路保護デバイス８４および８６が、共通ノード７４に結合されている。ここで、図１におけるように、回路保護デバイス８４および８６は、回路保護デバイス４２、４４、および４６（図１）と同様のコンポーネントを含むことができる。

ＤＣ ＵＰＳユニット６０は、図３に示すように、位相電流の平衡化を可能とするネットワーク９６に相互接続することができる。図示する実施形態において、各ＤＣ ＵＰＳ６０は、異なる位相から給電される。３つのＤＣ ＵＰＳ６０はループ状に接続されている。各ＤＣ ＵＰＳ６０の出力は、ループ内の次のＤＣ ＵＰＳ６０の入力に電力を供給する。ＤＣ ＵＰＳユニット６０に対する全ての三相電流を整流し、ＯＲダイオードを介して共通ノードに組み合わせ、次いでループ内で接続されたＤＣ ＵＰＳ６０を介して負荷（複数の負荷）に分配する。

図示のように、第１の位相（例えばＡ）を有する第１の入力線電流１０２は、第１のＤＣ ＵＰＳ６０の入力６４に結合されている。ループ内の第１のＤＣ ＵＰＳ６０の出力９２は、負荷９８を介して接地１００に結合されている。第１のＤＣ ＵＰＳ６０の出力９４は、第２のＤＣ ＵＰＳ６０の入力６２に結合されている。第２のＤＣ ＵＰＳ６０の対向する入力６４は、異なる位相（例えばＢ）を有する第２の入力線電流１０４に結合されている。第２のＤＣ ＵＰＳ６０の出力９２は、負荷１０８を介して接地１１０に結合されている。出力９４は、第３のＤＣ ＵＰＳの入力６２に結合され、入力６４は異なる位相（例えばＣ）を有する第３の入力線電流に結合されている。第３のＤＣ ＵＰＳ６０の出力９２は、負荷１１２を介して接地１１４に結合され、出力９４は、第１のＤＣ ＵＰＳ６０の入力６２に結合されて、前述のループを形成する。各負荷９８、１０８、および１１２は、ネットワーク内のＤＣ ＵＰＳ６０の各々間で共有され、全ての位相入力電流は、本質的に平衡化され、共有負荷９８、１０８、および１１２に出力される。３つのＤＣ ＵＰＳユニットはループ状に接続されているものとして示すが、最後のＤＣ ＵＰＳユニットの１つの出力が第１のものの入力に結合される限り、特定のネットワーク内でいかなる数のＤＣ ＵＰＳユニット６０を実施することも可能である。

Claims (6)

1. 少なくとも１つの電気的負荷（９８、１０８、１１２）に分配するための三相線電流の本質的な位相平衡化のためのシステムであって、
   第１（６２）および第２（６４）の入力と第１の共通ノードとの間に結合された第１および第２の整流器と、前記第１の共通ノードに結合された第１（９２）および第２（９４）の出力と、を含む第１の直流（ＤＣ）無停電電源装置（ＵＰＳ）（６０）と、
   前記第１のＤＣ ＵＰＳの前記第２の出力（９４）に結合された第３の入力（６２）を有する第２のＤＣ ＵＰＳ（６０）であって、前記第３の入力、第４の入力（６４）と第２の共通ノードとの間に結合された第３および第４の整流器と、前記第２の共通ノードに結合された第３（９２）および第４（９４）の出力と、を含む前記第２のＤＣ ＵＰＳと、
   前記第２のＤＣ ＵＰＳの前記第４の出力（９４）に結合された第５の入力（６２）を有する第３のＤＣ ＵＰＳ（６０）であって、前記第５の入力（６２）、第６の入力（６４）と第３の共通ノードとの間に結合された第５および第６の整流器と、前記第３の共通ノードに結合された第５（９２）および第６（９４）の出力と、を含む前記第３のＤＣ ＵＰＳと、
   を含み、
   前記第１のＤＣ ＵＰＳの前記第２の入力（６４）が第１の位相線電流（１０２）に結合され、
   前記第２のＤＣ ＵＰＳの前記第４の入力（６４）が第２の位相線電流（１０４）に結合され、
   前記第３のＤＣ ＵＰＳの前記第６の入力（６４）が第３の位相線電流（１０６）に結合され、
   前記第３のＤＣ ＵＰＳの前記第６の出力（６４）が前記第１のＤＣ ＵＰＳの前記第１の入力（６２）に結合され、
   前記第１のＤＣ ＵＰＳ（６０）の前記第１および第２の整流器、前記第２のＤＣ ＵＰＳ（６０）の前記第３および第４の整流器、ならびに前記第３のＤＣ ＵＰＳ（６０）の前記第５および第６の整流器が全波整流器である、前記システム。
2. 前記第１のＤＣ ＵＰＳの前記第１の出力（９２）、前記第２のＤＣ ＵＰＳの前記第３の出力（９２）、前記第３のＤＣ ＵＰＳの前記第５の出力（９２）の１つに、前記少なくとも１つの電気的負荷（９８、１０８、１１２）が結合されている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１、第２、および第３のＤＣ ＵＰＳ（６０）の各々が、前記第１、第２、および第３の共通ノードに結合されたバッテリと、前記バッテリと前記第１、第２、および第３の共通ノードとの間に結合された阻止ダイオードと、を更に含む、請求項１に記載のシステム。
4. 前記第１、第２、および第３のＤＣ ＵＰＳ（６０）の各々が、前記バッテリと前記阻止ダイオードとの間に結合された切断スイッチを更に含む、請求項３に記載のシステム。
5. 前記第１、第２、および第３のＤＣ ＵＰＳの前記バッテリと前記阻止ダイオードとの間に結合された前記切断スイッチの各々が、電力損失の際に前記スイッチを作動させるためのコントローラに接続するために適合されている、請求項４に記載のシステム。
6. 前記第１のＤＣ ＵＰＳ（６０）が、前記第１および第２の入力と前記第１および第２の整流器との間に結合された回路保護デバイス、または前記第１の共通ノードと前記第１および第２の出力との間に結合された回路保護デバイスを更に含み、前記第２のＤＣ ＵＰＳ（６０）が、前記第３および第４の入力と前記第３および第４の整流器との間に結合された回路保護デバイス、または前記第２の共通ノードと前記第３および第４の出力との間に結合された回路保護デバイスを更に含み、前記第３のＤＣ ＵＰＳ（６０）が、前記第５および第６の入力と前記第５および第６の整流器との間に結合された回路保護デバイス、または前記第３の共通ノードと前記第５および第６の出力との間に結合された回路保護デバイスを更に含む、請求項３に記載のシステム。

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