JP6040071B2

JP6040071B2 - 無停電電源装置

Info

Publication number: JP6040071B2
Application number: JP2013064519A
Authority: JP
Inventors: 慎太郎立花
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2033-03-26
Also published as: JP2014192963A

Description

本実施形態は、交流電源、直流電源の電圧変化に対応し、昇圧トランスを含む昇圧回路を有する無停電電源装置に関する。

無停電電源装置としては従来から様々な回路が提案されており、このうち直流電源が接続されるチョッパ回路に有する昇圧用トランスに、漏れインダクタンス成分が含まれるものがある。

特開２０１０−２５２５７４号公報

前述の漏れインダクタンス成分があると、漏れインダクタンス成分とチョッパ回路に有するサージ抑制コンデンサとの共振現象により、昇圧トランスの１次側電流及び２次側共振電流が発生する。この共振によりスイッチング素子には、大電流が流れている期間が発生し、この期間でスイッチング素子をオフした場合、オフした際に発生するスイッチング損失は、電圧、電流、オフに要する時間の積になるため、素子の発熱が増大し、スイッチング素子が過熱破損に至る可能性があった。

そのため、スイッチング素子の導通時間を共振電流の下限値となるタイミングに固定する必要があり、導通時間を制御するＰＷＭ制御による直流電圧の可変制御を実施することが困難であった。

本実施形態は、直流電圧の可変制御を行った場合にチョッパ回路に有するトランスの漏れインダクタンス成分の影響を受けて、スイッチング素子が過熱破損に至る可能性が無い無停電電源装置を提供することを目的とする。

本実施形態の代表例は、漏れインダクタンス成分を有するトランスと、２個のスイッチング素子と、全波整流器と、フィルタコンデンサを含むフィルタ回路とにより構成され、直流電源からの直流電圧を、前記２個のスイッチング素子を交互に動作させてチョッピングし、チョッピングした電圧を前記トランスにより変圧し、この変圧した交流電圧を前記全波整流器で整流し、前記フィルタ回路を介して負荷に電力を供給するチョッパ回路と、
入力フィルタコンデンサ及び入力フィルタリアクトルからなるフィルタ回路と、前記入力フィルタリアクトルを直列に中点に接続し交流を整流する半波整流器と、前記半波整流器に並列に接続し交互にオンオフする第１及び第２のスイッチング素子と、前記第１及び第２のスイッチング素子に並列でかつ前記第１及び第２のスイッチング素子の接続点と接続点が接続された第１及び第２のコンデンサと前記コンデンサエネルギーの逆流を防止するための２つのダイオードを備え、交流電源の交流電力を直流電力に変換すると共に電圧を昇圧チョッパしかつ回路の力率を改善する昇圧チョッパ兼力率改善回路と、前記昇圧チョッパ兼力率改善回路で変換された直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給するインバータ回路と、前記第１及び第２のスイッチング素子を前記交流電源の前記昇圧チョッパ兼力率改善回路に印加される電圧に同期し、前記第１及び第２のスイッチング素子を交互にオンオフ動作させる制御回路とを具備し、前記交流電源に異常が発生した場合、前記チョッパ回路によって昇圧され、かつ前記昇圧チョッパ兼力率改善回路によってさらに昇圧され、前記第１及び第２コンデンサに直流電力として充電され、前記直流電源と前記交流電源に対して前記第１及び第２のコンデンサの直流電力の電圧を一定に制御可能にした無停電電源装置である。

本実施形態の無停電電源装置を説明するための概略回路図。図１の昇圧チョッパ兼力率改善回路１１を説明するための概略回路図。図２の動作を説明するための波形図。図１の昇圧チョッパ兼力率改善回路１１を説明するための概略回路図。図４の動作を説明するための波形図。従来の無停電電源装置の一例を説明するための概略回路図。図６の昇圧回路１３を説明するための概略回路図。図７の動作を説明するための波形図。

本実施形態の概略構成は、図１に示すように漏れインダクタンス成分３６ａを有する例えば昇圧トランス３６と、２個のスイッチング素子３４、３５と、全波整流器３７と、フィルタコンデンサ３８とフィルタリアクトル３９、４０を有するフィルタ回路とにより構成され、直流電源７により印加される直流電圧を、２個のスイッチング素子３４、３５を交互に動作させてチョッピングし、チョッピングした電圧を昇圧トランス３６により昇圧し、この昇圧した交流電圧を全波整流器３７で整流し、前記フィルタ回路を介して負荷２に電力を供給するチョッパ回路１３を備えている。

また、入力フィルタコンデンサ２１及び入力フィルタリアクトル２２からなるフィルタ回路と、入力フィルタリアクトル２２を直列に中点に接続し交流を整流する半波整流器２３と、半波整流器２３に並列に接続し交互にオンオフする第１及び第２のスイッチング素子２４、２５と、第１及び第２のスイッチング素子２４、２５に並列でかつ第１及び第２のスイッチング素子２４、２５の接続点と接続点が接続された第１及び第２のコンデンサ２８、２９とコンデンサエネルギーの逆流を防止するための２つのダイオード２６、２７を備え、交流電源１の交流電力を直流電力に変換すると共に電圧を昇圧し、かつチョッパしかつ回路の力率を改善する昇圧チョッパ兼力率改善回路１１を備えている。

更に、昇圧チョッパ兼力率改善回路１１で変換された直流電力を交流電力に変換して負荷２に供給するインバータ回路１２を備えている。

そして、第１及び第２のスイッチング素子２４、２５を交流電源１の昇圧チョッパ兼力率改善回路１１に印加される電圧に同期し、第１及び第２のスイッチング素子２４、２５を交互にオンオフ動作させる制御回路０６を備えている。このような構成により、直流電源７と交流電源１に対して第１及び第２のコンデンサ２８、２９の直流電力の電圧を一定に制御できる無停電電源装置となる。

昇圧チョッパ兼力率改善回路１１は、図２に示すように、交流電源１が接続される無停電電源装置の交流入力端子３、４に、フィルタ回路（入力フィルタコンデンサ２１と入力フィルタリアクトル２２とによって構成される）のコンデンサ２１を並列に接続すると共に、交流入力端子３にフィルタ回路のリアクトル２２の一端を直列に接続し、リアクトル２２の他端を、半波整流器２３の中点であるダイオードの接続点を接続し、整流器２３に並列に例えばＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子２４、２５の直列回路を接続し、スイッチング素子２４、２５の直列回路に並列にコンデンサ２８、２９の直列回路を接続し、コンデンサ２８、２９の接続点とスイッチング素子２４、２５の接続点同士を接続し、スイッチング素子２４とコンデンサ２８の間に逆流防止素子例えば逆流防止ダイオード２６を図に示す極性で接続し、スイッチング素子２５とコンデンサ２９の間に逆流防止素子例えば逆流防止ダイオード２７を図に示す極性で接続してある。

交流電源１の昇圧チョッパ兼力率改善回路１１に印加される電圧（交流入力端子３、４の電圧）は、電圧検出器０１により検出され、この検出電圧は制御回路０６に入力される。

そして、整流器２３とリアクトル２２の接続点に電流検出回路０２を設け、コンデンサ２８に並列に電圧検出回路０３ａを接続し、コンデンサ２９に並列に電圧検出回路０３ｂを接続し、各検出回路０２、０３ａ、０３ｂの検出出力は制御回路０６に入力されるようになっている。

このように本実施形態の昇圧チョッパ兼力率改善回路１１と、図６及び図７の従来の昇圧チョッパ兼力率改善回路１１ａの違い半波ィルタ回路に並列に接続していたフルブリッジ整流器２３ａ及びこの整流器２３ａに並列に接続したスイッチング素子２４を設けず、上記のように構成したものである。図６及び図７で使用されているチョッパ回路１３の動作時の動作波形を図８に示す。

導通をスイッチング素子３４及び３５によってスイッチングを実施することにより、昇圧トランス３６の１次側に図８の方形波電圧５１、５２を印加することで、昇圧トランス３６の２次側に図８に示す昇圧された方形波電圧５４を得ることができる。この電圧をフルブリッジ整流回路３７を用いて整流することで、図８に示す昇圧された直流電圧５６を得ることができる。

以下、このように構成された実施形態の動作及び作用効果について説明する。交流入力端子３、４から入力された交流電源１の交流電力が、昇圧チョッパ兼力率改善回路１１によって、交流電圧を昇圧すると共に交流電力の力率を改善し、コンデンサ２８、２９に直流電力として充電される。

何らかの原因で交流電源１に異常が発生した場合は、直流端子８、９から入力された直流電源７の直流電力が、昇圧チョッパ回路１３によって昇圧され、昇圧チョッパ兼力率改善回路１１によってさらに昇圧され、コンデンサ２８、２９に直流電力として充電される。

コンデンサ２８、２９の直流電圧をインバータ回路１２にて交流電力に変換して交流出力端子５、６に接続された負荷２に供給する。制御回路０６は、２つのスイッチング素子２４、２５をスイッチングすることで、交流電源１、直流電源７に対してコンデンサ２８、２９の直流電力の電圧を一定に制御可能となっている。

なお、入力フィルタコンデンサ２１と入力リアクトル２２の接続点と、出力リアクトル３３と出力コンデンサ３３の接続点の間に双方向スイッチング素子４１が接続されると共に、スイッチング素子４１のゲートには制御回路０６からのゲート信号が供給されるようになっている。

次に、図２及び図３を参照して交流電源１を使用時の昇圧チョッパ兼力率改善回路１１の動作及び作用効果を説明する。図２は交流電源１を使用したときの昇圧チョッパ兼力率改善回路１１の動作を説明するための図であり、図３は図２の各部における電圧波形と電流波形を示す図である。図２及び図３において、交流電源１が正の出力の場合、つまり交流入力電圧波形６１の正側の場合、スイッチング素子２４をオンすると、スイッチング素子２４の電圧波形６２の様になり、スイッチング素子２４をオンすることで、交流電源１−リアクトル２２−整流器２３のダイオード−スイッチング素子２４−交流電源１の経路で、リアクトル２２へのエネルギー蓄積のモードとなる。逆にスイッチング素子２４をオフすると、交流電源１−リアクトル２２−整流器２３のダイオード−逆流防止ダイオード２６−コンデンサ２８−交流電源１の経路でリアクトル２２の誘導電圧による昇圧モードとなり、図２の逆流防止ダイオード２６を通して昇圧された直流電力によりコンデンサ２８が充電される。

図２及び図３において、交流電源１が負の出力の場合、つまり図３の交流入力電圧波形６１の負側の場合、スイッチング素子２５をオンすると、スイッチング素子２５の電圧波形６２の様になり、スイッチング素子２５をオンすることで、交流電源１−スイッチング素子２５−整流器２３のダイオード−リアクトル２２−交流電源１の経路で、リアクトル２２へのエネルギー蓄積のモードとなる。逆にスイッチング素子２５をオフすると、交流電源１−コンデンサ２９−逆流防止ダイオード２７−整流器２３のダイオード−リアクトル２２−交流電源１の経路でリアクトル２２の誘導電圧による昇圧モードとなり、図２の逆流防止ダイオード２７を通して昇圧された直流電力によりコンデンサ２８が充電される。

交流入力に対してはリアクトル２２の誘導電圧による昇圧モードとなり、逆流防止ダイオード２６の電流波形６４の様にダイオード２６を通して昇圧された直流電力がコンデンサ２８へ充電される。また、ダイオード２７の電流波形は６５の様に、ダイオード２７を通して昇圧された直流電圧がコンデンサ２９へ充電される。この場合の昇圧チョッパ兼力率改善回路１１の出力電圧波形は６６のようになる。

以上述べたように、スイッチング素子２４、２５を、制御回路０６により交流電源１の昇圧チョッパ兼力率改善回路１１に印加される電圧に同期し、スイッチング素子２４、２５を交互にオンオフ動作させることで、交流電源１に対してコンデンサ２８の直流電力の電圧を一定に制御できる。

次に、図４及び図５を参照して直流電源７を使用時の昇圧チョッパ兼力率改善回路１１の動作及び作用効果を説明する。図４は直流電源７を使用したときの昇圧チョッパ兼力率改善回路１１の動作を説明するための図であり、図５は図４の各部における電圧波形と電流波形を示す図である。図４における昇圧回路１３の出力電圧７１がコンデンサ２８、２９の直流電圧の合計より小さい場合、スイッチング素子２４がオン、スイッチング素子２５がオフの場合は、図４の７５の様に昇圧回路１３の出力がコンデンサ２９へ充電される。逆にスイッチング素子２５がオン、スイッチング素子２４がオフの場合は、図４の７４の様に昇圧回路１３の出力がコンデンサ２８へ充電される。

スイッチング素子２４、２５をオフすると、図４における昇圧回路１３の出力電圧７１がコンデンサ２８、２９の直流電圧の合計より小さい場合、ダイオード２６、２７には電流が流れずコンデンサ２８、２９は充電されない。

図４における昇圧回路１３の出力電圧７１がコンデンサ２８、２９の直流電圧の合計より大きい場合、ダイオード２６、２７には電流が流れコンデンサ２８、２９は充電される。

前述のスイッチング素子２４、２５のスイッチングをコンデンサ２８、２９が一定になるように制御することで、直流電力に対する昇圧回路として機能する。

本実施形態では、チョッパ回路１３に加えて昇圧チョッパ兼力率改善回路１１を用いて２段階で昇圧することによって、直流入力電圧の可変によってチョッパ回路１３の出力電圧が変化しても、昇圧チョッパ回路として動作する昇圧チョッパ兼力率改善回路１１を用いて制御することで、直流入力電圧の可変に対応することが可能となる。また、昇圧チョッパ兼力率改善回路１１は交流電力入力時の昇圧チョッパ兼力率改善回路として動作することが可能であり、交流電力及び直流入力電力の２つの入力に対応した回路を構築でき、回路を簡素化につながる。これによって、従来問題であった、直流電圧の可変制御を行った場合に昇圧トランス３６に漏れインダクタンス成分３６ａがあって、漏れインダクタンス成分３６ａとサージ抑制コンデンサ３８との共振現象により、昇圧トランス３４の１次側及び２次側電流５３、５５に示す共振電流が発生しても、常に共振電流の下限値となるタイミングで制御可能となるため、スイッチング素子３４及び３５が過熱破損に至ることを防止できる。このように本実施形態は、チョッパ回路１３の制御は変更せずに、昇圧チョッパ兼力率改善回路１１で直流電圧を制御することによって、直流電圧の可変制御を実施することが容易となる。

１…交流電源、２…負荷、３、４…交流入力端子、５、６…交流出力端子、７…直流電源、８、９…直流入力端子、１１…昇圧チョッパ兼力率改善回路、１２…インバータ回路、１３…チョッパ回路、２１…入力フィルタコンデンサ、２２…入力リアクトル、２３…半波整流器、２４、２５…スイッチング素子、２６、２７…逆流防止ダイオード、２８、２９…コンデンサ、３０、３１…スイッチング素子、３２…出力リアクトル、３３…出力コンデンサ、３４、３５…スイッチング素子、３６…昇圧トランス、３６ａ…漏れインダクタンス成分、３７…全波整流器、３８…フィルタコンデンサ、３９、４０…フィルタリアクトル、４１…双方向スイッチング素子、５１、５２…トランス１次側電圧波形、５３…トランス１次側電圧電流、５４…トランス２次側電圧波形、５５…トランス２次側電流波形、５６…昇圧回路出力電圧、６１…交流入力電圧波形、６２…スイッチング素子２４の電圧波形、６３…スイッチング素子２５の電圧波形、６４…ダイオード２６の電流波形、６５…ダイオード２７の電流波形、６６…出力電圧、７１…直流入力電圧波形、７２…スイッチング素子２４の電圧波形、７３…スイッチング素子２５の電圧波形、７４…ダイオード２６の電流波形、７５…ダイオード２７の電流波形、７６…出力電圧。

Claims

漏れインダクタンス成分を有するトランスと、２個のスイッチング素子と、全波整流器と、フィルタコンデンサを含むフィルタ回路とにより構成され、直流電源からの直流電圧を、前記２個のスイッチング素子を交互に動作させてチョッピングし、チョッピングした電圧を前記トランスにより変圧し、この変圧した交流電圧を前記全波整流器で整流し、前記フィルタ回路を介して負荷に電力を供給するチョッパ回路と、
入力フィルタコンデンサ及び入力フィルタリアクトルからなるフィルタ回路と、前記入力フィルタリアクトルを直列に中点に接続し交流を整流する半波整流器と、前記半波整流器に並列に接続し交互にオンオフする第１及び第２のスイッチング素子と、前記第１及び第２のスイッチング素子に並列でかつ前記第１及び第２のスイッチング素子の接続点と接続点が接続された第１及び第２のコンデンサと前記コンデンサエネルギーの逆流を防止するための２つのダイオードを備え、交流電源の交流電力を直流電力に変換すると共に電圧を昇圧チョッパしかつ回路の力率を改善する昇圧チョッパ兼力率改善回路と、前記昇圧チョッパ兼力率改善回路で変換された直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給するインバータ回路と、前記第１及び第２のスイッチング素子を前記交流電源の前記昇圧チョッパ兼力率改善回路に印加される電圧に同期し、前記第１及び第２のスイッチング素子を交互にオンオフ動作させる制御回路とを具備し、前記交流電源に異常が発生した場合、前記チョッパ回路によって昇圧され、かつ前記昇圧チョッパ兼力率改善回路によってさらに昇圧され、前記第１及び第２コンデンサに直流電力として充電され、前記直流電源と前記交流電源に対して前記第１及び第２のコンデンサの直流電力の電圧を一定に制御可能にした無停電電源装置。
漏れインダクタンス成分を有するトランスと、２個のスイッチング素子と、全波整流器と、フィルタコンデンサを含むフィルタ回路とにより構成され、直流電源からの直流電圧を、前記２個のスイッチング素子を交互に動作させてチョッピングし、チョッピングした電圧を前記トランスにより変圧し、この変圧した交流電圧を前記全波整流器で整流し、前記フィルタ回路を介して負荷に電力を供給するチョッパ回路と、
入力フィルタコンデンサ及び入力フィルタリアクトルからなるフィルタ回路と、前記入力フィルタリアクトルを直列に中点に接続し交流を整流する半波整流器と、前記半波整流器に並列に接続し交互にオンオフする第１及び第２のスイッチング素子と、前記第１及び第２のスイッチング素子に並列でかつ前記第１及び第２のスイッチング素子の接続点と接続点が接続された第１及び第２のコンデンサと前記コンデンサエネルギーの逆流を防止するための２つのダイオードを備え、交流電源の交流電力を直流電力に変換すると共に電圧を昇圧チョッパしかつ回路の力率を改善する昇圧チョッパ兼力率改善回路と、
前記昇圧チョッパ兼力率改善回路で変換された直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給するインバータ回路と、
前記交流電源の前記昇圧チョッパ兼力率改善回路に印加される電圧の大きさがピークになるに従って、前記第１及び第２のスイッチング素子のオン時間が長くなるように前記第１及び第２のスイッチング素子を制御する制御回路と、
を具備し、前記交流電源に異常が発生した場合、前記チョッパ回路によって昇圧され、かつ前記昇圧チョッパ兼力率改善回路によってさらに昇圧され、前記第１及び第２コンデンサに直流電力として充電され、前記直流電源と前記交流電源に対して前記第１及び第２のコンデンサの直流電力の電圧を一定に制御可能にしたことを特徴する無停電電源装置。