JPWO2020178969A1 - 電源装置 - Google Patents

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Abstract

無停電電源装置は、直列接続された第１〜第ＮのＩＧＢＴユニット（Ｕ１〜ＵＮ）を含むスイッチ（２）と、スイッチをオンさせる場合には第１〜第ＮのＩＧＢＴユニットをオンさせ、スイッチをオフさせる場合には、第１〜第ｎのＩＧＢＴユニットをオフさせた後に第（ｎ＋１）〜第ＮのＩＧＢＴユニットをオフさせる。したがって、第１〜第ＮのＩＧＢＴユニットを一度にオフさせる場合に比べ、スイッチ（２）の端子間に発生するサージ電圧を低減することができる。

Description

この発明は電源装置に関し、特に、直列接続された複数のスイッチング素子を含むスイッチを備えた電源装置に関する。
たとえば特開２００７−９７２６１号公報（特許文献１）には、直列接続された複数のスイッチング素子を含むスイッチが開示されている。また、たとえば特開平２−２３０８１４号公報（特許文献２）には、交流電流の零点でスイッチをオフすることにより、電流遮断に伴うサージ電圧の発生を防止する方法が開示されている。
特開２００７−９７２６１号公報 特開平２−２３０８１４号公報
しかし、特許文献１では、複数のスイッチング素子をオフすると、各スイッチング素子の電極間にサージ電圧が発生し、スイッチの端子間に大きなサージ電圧が発生するという問題がある。
また、特許文献２では、スイッチに流れる交流電流が零点に到達するまで待機する必要があるので、スイッチを迅速にオフすることができないという問題がある。
それゆえに、この発明の主たる目的は、スイッチの端子間に発生するサージ電圧を低減し、かつスイッチを迅速にオフすることが可能な電源装置を提供することである。
この発明に係る電源装置は、第１および第２の端子間に直列接続され、第１および第２のグループに分割された複数のスイッチング素子を含むスイッチと、スイッチをオンさせる場合には、複数のスイッチング素子をオンさせ、スイッチをオフさせる場合には、第１のグループのスイッチング素子をオフさせた後に第２のグループのスイッチング素子をオフさせる制御装置とを備えたものである。
この発明に係る電源装置では、複数のスイッチング素子を第１および第２のグループに分割し、スイッチをオフさせる場合には、第１のグループのスイッチング素子をオフさせた後に第２のグループのスイッチング素子をオフさせる。したがって、複数のスイッチング素子を一度にオフさせる場合に比べ、スイッチの端子間に発生するサージ電圧を低減することができる。また、スイッチに流れる交流電流が零点に到達するまで待機する必要がないので、スイッチを迅速にオフすることができる。
実施の形態１による無停電電源装置の構成を示す回路ブロック図である。 図１に示したＩＧＢＴユニットの他の構成例を示す回路図である。 図１に示した制御装置のうちのスイッチの制御に関連する部分の構成を示す回路ブロック図である。 図３に示した制御部の構成を示す回路ブロック図である。 図４に示した遅延回路の構成を示す回路図である。 図４に示した制御部の動作を示すタイムチャートである。 図３に示した交流電圧発生器の構成を示す回路ブロック図である。 図３に示した整流器および切換回路の構成を示す回路図である。 実施の形態２による無停電電源装置の要部を示す回路ブロック図である。 図９に示した制御部の動作を示すタイムチャートである。
[実施の形態１]
図１は、実施の形態１による無停電電源装置の構成を示す回路ブロック図である。この無停電電源装置は三相交流電力を負荷に供給するものであるが、図面および説明の簡単化のため、図１では一相に関連する部分のみが示されている。また、このような無停電電源装置は瞬低補償装置とも呼ばれる。
図１において、この無停電電源装置は、交流入力端子ＴＩ、交流出力端子ＴＯ、バッテリ端子ＴＢ、サージ吸収器１、スイッチ２、電流検出器ＣＴ、双方向コンバータ３、および制御装置４を備える。
交流入力端子ＴＩは、商用交流電源５から商用周波数の交流電圧ＶＩを受ける。交流入力電圧ＶＩの瞬時値は、制御装置４によって検出される。制御装置４は、交流入力電圧ＶＩの瞬時値に基づいて、商用交流電源５から交流電圧ＶＩが正常に供給されているか否かを判別する。
たとえば、制御装置４は、交流電圧ＶＩが下限電圧よりも高い場合には、交流電圧ＶＩは正常に供給されていると判別する。また制御装置４は、交流電圧ＶＩが下限電圧よりも低下した場合には、交流電圧ＶＩは正常に供給されていないと判別する。
交流出力端子ＴＯは、負荷６に接続される。負荷６は、無停電電源装置から供給される交流電力によって駆動される。交流出力端子ＴＯに現れる交流出力電圧ＶＯの瞬時値は、制御装置４によって検出される。
バッテリ端子ＴＢは、バッテリ７（電力貯蔵装置）に接続される。バッテリ７は、直流電力を蓄える。バッテリ７の代わりにコンデンサが接続されていても構わない。バッテリ７の端子間電圧ＶＢの瞬時値は、制御装置４によって検出される。
サージ吸収器１は、交流入力端子ＴＩと接地電圧ＧＮＤのラインとの間に接続され、交流入力端子ＴＩに発生したサージ電圧から無停電電源装置および商用交流電源５を保護する。たとえば、商用交流電源５の送電線に落雷した場合や、オン状態のスイッチ２をオフした場合、交流入力端子ＴＩにサージ電圧が発生する。
交流入力端子ＴＩの電圧が所定の制限電圧ＶＬ１以下である場合には、サージ吸収器１は高い抵抗値を有する。交流入力端子ＴＩの電圧が制限電圧ＶＬ１を超えると、サージ吸収器１の抵抗値は急速に低下し、交流入力端子ＴＩからサージ吸収器１を介して接地電圧ＧＮＤのラインに電流が流出する。したがって、交流入力端子ＴＩの電圧は制限電圧ＶＬ１以下に維持され、無停電電源装置および商用交流電源５がサージ電圧から保護される。
スイッチ２の一方端子２ａは交流入力端子ＴＩに接続され、その他方端子２ｂは交流出力端子ＴＯに接続される。スイッチ２は、一方端子２ａおよび他方端子２ｂ間に直列接続されたＮ個のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）ユニットＵ１〜ＵＮを含む。Ｎは、２以上の自然数であり、たとえば７である。ＩＧＢＴユニットＵ１〜ＵＮは「半導体スイッチ」の一実施例に対応する。
ＩＧＢＴユニットＵ１〜ＵＮの各々は、ＩＧＢＴユニットＵｉは、ＩＧＢＴＱｉと、ＩＧＢＴＱｉと逆並列に接続されるダイオードＤｉと、スナバ回路ＳＮｉとを有する。ｉは１以上Ｎ以下の自然数である。ＩＧＢＴＱｉのコレクタは一方端子２ａに電気的に接続され、エミッタは他方端子２ｂに電気的に接続される。ダイオードＤｉは、他方端子２ｂから一方端子２ａに向かう向きを順方向として接続される。
なお、ＩＧＢＴユニットＵｉは、図１の構成に限定されるものではなく、例えば図２に示す構成とすることもできる。図２の例では、ＩＧＢＴユニットＵｉは、逆直列に接続されたＩＧＢＴＱｉＡ，ＱｉＢと、ＩＧＢＴＱｉＡ，ＱｉＢにそれぞれ逆並列に接続されるダイオードＤｉＡ，ＤｉＢと、スナバ回路ＳＮｉとを有する。ＩＧＢＴＱｉＡのコレクタは一方端子２ａに電気的に接続され、エミッタはＩＧＢＴＱｉＢのエミッタに電気的に接続される。ＩＧＢＴＱｉＢのコレクタは他方端子２ｂに電気的に接続される。ダイオードＤｉＡは、他方端子２ｂから一方端子２ａに向かう向きを順方向として接続される。ダイオードＤｉＢは、一方端子２ａから他方端子２ｂに向かう向きを順方向として接続される。スナバ回路ＳＮｉは、ＩＧＢＴＱｉＡおよびＱｉＢの直列回路に並列に接続される。
ＩＧＢＴユニットＵ１〜ＵＮは、第１および第２のグループに予め分割されている。たとえば、ＩＧＢＴユニットＵ１〜Ｕｎは第１のグループに属し、ＩＧＢＴユニットＵ（ｎ＋１）〜ＵＮは第２のグループに属する。ｎはＮよりも小さな自然数である。たとえば、Ｎ＝７、ｎ＝４である。Ｎおよびｎの設定方法については後述する。
商用交流電源５から交流電圧ＶＩが正常に供給されている場合（商用交流電源５の健全時）には、スイッチ２はオン状態にされる。商用交流電源５から交流電圧ＶＩが正常に供給されなくなった場合（商用交流電源５の停電時）には、スイッチ２はオフされる。スイッチ２は、制御装置４によって制御される。
制御装置４は、オフ状態のスイッチ２をオンさせる場合には、ＩＧＢＴユニットＵ１〜ＵＮを一度にオンさせる。また、制御装置４は、オン状態のスイッチ２をオフさせる場合には、第１のグループに属するＩＧＢＴユニットＵ１〜Ｕｎをオフさせた後に、第２のグループに属するＩＧＢＴユニットＵ（ｎ＋１）〜ＵＮをオフさせる。これは、スイッチ２をオフさせたときに交流入力端子ＴＩに発生するサージ電圧を低減するためである。
ダイオードＤ１〜ＤＮは、それぞれＩＧＢＴＱ１〜ＱＮに逆並列に接続される。ダイオードＤ１〜ＤＮの各々は還流ダイオードである。スナバ回路ＳＮ１〜ＳＮＮは、それぞれＩＧＢＴＱ１〜ＱＮに並列接続され、それぞれＩＧＢＴＱ１〜ＱＮをサージ電圧から保護する。
スナバ回路ＳＮ１〜ＳＮＮの各々は、抵抗値が電圧依存性を有する抵抗器、たとえばＺｎＲ（Zinc oxide nonlinear resistor)を含む。抵抗器の抵抗値は、その端子間電圧に応じて変化し、所定の制限電圧ＶＬ２を超えると急に低下する。スナバ回路ＳＮ１〜ＳＮＮの制限電圧ＶＬ２（たとえば５４００Ｖ）は、ＩＧＢＴユニットＵ１〜ＵＮの各々の耐圧（たとえば６０００Ｖ）以下に設定される。したがって、図１の例では、ＩＧＢＴＱ１〜ＱＮの各々のコレクタおよびエミッタ間電圧は耐圧以下に制限され、ＩＧＢＴＱ１〜ＱＮがサージ電圧によって破壊されることが防止される。
電流検出器ＣＴは、スイッチ２の他方端子２ｂから交流出力端子ＴＯに流れる交流電流（負荷電流）ＩＯの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号を制御装置４に与える。
双方向コンバータ３は、スイッチ２の他方端子２ｂとバッテリ端子ＴＢとの間に接続され、制御装置４によって制御される。双方向コンバータ３は、商用交流電源５の健全時には、商用交流電源５からスイッチ２を介して供給される交流電力を直流電力に変換してバッテリ７に蓄える。このとき制御装置４は、バッテリ７の端子間電圧ＶＢが参照電圧ＶＢｒになるように双方向コンバータ３を制御する。
また、双方向コンバータ３は、商用交流電源５の停電時には、バッテリ７の直流電力を商用周波数の交流電力に変換して負荷６に供給する。このとき制御装置４は、交流出力電圧ＶＯおよび交流出力電流ＩＯに基づき、交流出力電圧ＶＯが参照電圧ＶＯｒになるように双方向コンバータ３を制御する。制御装置４は、バッテリ７の端子間電圧ＶＢが低下して下限電圧に到達した場合には、双方向コンバータ３の運転を停止させる。
次に、この無停電電源装置の動作について説明する。商用交流電源５の健全時には、スイッチ２がオンされ、商用交流電源５からスイッチ２を介して負荷６に交流電力が供給され、負荷６が運転される。また、商用交流電源５からスイッチ２を介して双方向コンバータ３に交流電力が供給され、その交流電力が直流電力に変換されてバッテリ７に蓄えられる。
商用交流電源５の停電時には、スイッチ２が瞬時にオフされるとともに、バッテリ７の直流電力が双方向コンバータ３によって交流電力に変換されて負荷６に供給される。したがって、停電が発生した場合でも、バッテリ７に直流電力が蓄えられている期間は、負荷６の運転を継続することができる。
次に、Ｎの数値を設定する方法について説明する。商用交流電源５の線間電圧の実効値は１０ｋＶであり、±１ｋＶで変動するものとする。相電圧ＶＩのピーク値の最大値は、１１ｋＶ×√２／√３≒９ｋＶとなる。スイッチ２がオフされ、交流入力電圧ＶＩの位相と交流出力電圧ＶＯの位相とが１８０度ずれているとき、スイッチ２の端子間電圧は最大になり、９ｋＶ×２＝１８ｋＶとなる。
スイッチ２がオフされている場合、スナバ回路ＳＮ１〜ＳＮＮの各々には交流電流が流れる。スナバ回路ＳＮ１〜ＳＮＮに所定の基準電流（たとえば１ｍＡ）よりも大きな電流が流れると、スナバ回路ＳＮ１〜ＳＮＮが発熱してスナバ回路ＳＮ１〜ＳＮＮの寿命が短くなる。そこで、スナバ回路に流れる電流が基準電流以下になるように、Ｎの数値を設定する必要がある。
スナバ回路に基準電流を流したときにスナバ回路の端子間に現れる電圧をスナバ回路の長時間耐圧とする。スナバ回路ＳＮ〜ＳＮＮの各々の長時間耐圧を３ｋＶとすると、Ｎの最低値は１８ｋＶ／３ｋＶ＝６となる。冗長数を１とすると、Ｎ＝６＋１＝７となる。したがって、スナバ回路の数は７個となり、ＩＧＢＴユニットの数も７個となる。
ＩＧＢＴユニットＵ１〜Ｕ７の各々の瞬時耐圧を６．１ｋＶとすると、スイッチ２の瞬時耐圧は６．１ｋＶ×７＝４２．７ｋＶとなり、スイッチ２の端子間に上記最大電圧（１８ｋＶ）が印加された場合でもスイッチ２が破損することはない。しかし、停電発生時にＩＧＢＴユニットＵ１〜ＵＮを一度にオフさせると、スイッチ２の端子間に大きなサージ電圧が発生し、サージ吸収器１の寿命が短くなる。
すなわち、定格電流を流しているＩＧＢＴユニットをオフしたときにＩＧＢＴのコレクタおよびエミッタ間に発生するサージ電圧を５ｋＶ（この電圧はスナバ回路の制限電圧ＶＬ２で決まる）とすると、定格電流を流しているＩＧＢＴユニットＵ１〜Ｕ７を一度にオフすると、スイッチ２の端子間には５ｋＶ×７＝３５ｋＶのサージ電圧が発生する。交流出力電圧ＶＯの最大値を９ｋＶとすると、サージ吸収器１（図１）の端子間電圧は９ｋＶ＋３５ｋＶ＝４４ｋＶとなる。
このサージ電圧（４４ｋＶ）はサージ吸収器１に吸収される。サージ吸収器１に吸収させるサージ電圧が大きいほど、サージ吸収器１の寿命は短くなる。４４ｋＶのサージ電圧を２回吸収させると、サージ吸収器１は破損してしまう。サージ吸収器１が破損すると、サージ吸収器１を新品と交換する必要があり、無停電電源装置の維持費が高くなる。そこで、スイッチ２の端子間に発生するサージ電圧をできるだけ小さくする必要がある。
次いで、ｎの数値を設定する方法について説明する。ＩＧＢＴの瞬時耐圧を６．１ｋＶとすると、ｎの最低値は１８ｋＶ／６．１ｋＶ≒３となる。冗長数を１とすると、ｎ＝３＋１＝４となる。つまり、スイッチ２をオフさせる場合には、全てのＩＧＢＴユニットＵ１〜Ｕ７を一度にオフさせる必要はなく、ＩＧＢＴユニットＵ１〜Ｕ４のみをオフさせれば足りる。そこで、本実施の形態１では、スイッチ２をオフさせる場合には、ＩＧＢＴユニットＵ１〜Ｕ４をオフさせた後に、残りのＩＧＢＴユニットＵ５〜Ｕ７をオフさせる。
定格電流を流しているＩＧＢＴをオフしたときにＩＧＢＴのコレクタおよびエミッタ間に発生するサージ電圧を５ｋＶとすると、定格電流を流しているＩＧＢＴユニットＵ１〜Ｕ４をオフさせると、スイッチ２の端子間には５ｋＶ×４＝２０ｋＶのサージ電圧が発生する。交流出力電圧ＶＯの最大値を９ｋＶとすると、サージ吸収器１（図１）の端子間電圧は９ｋＶ＋２０ｋＶ＝２９ｋＶとなる。
このサージ電圧（２９ｋＶ）はサージ吸収器１に吸収される。サージ吸収器１に吸収させるサージ電圧が小さいほど、サージ吸収器１の寿命は長くなる。２９ｋＶのサージ電圧を数十回サージ吸収器１に吸収させても、サージ吸収器１は破損しなかった。
図３は、図１に示した制御装置４のうちのスイッチ２の制御に関連する部分の構成を示す回路ブロック図である。図３において、制御装置４は、電圧検出器１０、停電検出器１１、制御部１２、光ファイバＦＡ１〜ＦＡＮ，ＦＢ１〜ＦＢＮ、交流電圧発生器１３、直流電圧発生器１４、およびドライバ１５を含む。
電圧検出器１０は、商用交流電源５（図１）から供給される交流電圧ＶＩの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号を出力する。停電検出器１１は、電圧検出器１０の出力信号に基づいて商用交流電源５が正常であるか否かを判別し、判別結果を示す信号ＰＣを出力する。
交流入力電圧ＶＩが下限電圧よりも高い場合には、商用交流電源５は正常であると判別され、信号ＰＣは「Ｈ」レベルにされる。交流入力電圧ＶＩが下限電圧よりも低い場合には、商用交流電源５は正常でないと判別され、信号ＰＣは「Ｌ」レベルにされる。
制御部１２は、信号ＰＣに応答して光信号α１〜αＮ，β１〜βＮを出力する。光信号α１〜αＮはそれぞれ光ファイバＦＡ１〜ＦＡＮを介してドライバ１５に与えられ、光信号β１〜βＮはそれぞれ光ファイバＦＢ１〜ＦＢＮを介してドライバ１５に与えられる。ドライバ１５は、光信号α１〜αＮに応答してＩＧＢＴユニットＵ１〜ＵＮをオンさせ、光信号β１〜βＮに応答してＩＧＢＴユニットＵ１〜ＵＮをオフさせる。
信号ＰＣが「Ｈ」レベルである場合には、制御部１２は、光信号α１〜αＮを出力するとともに光信号β１〜βＮの出力を停止して、ＩＧＢＴユニットＵ１〜ＵＮをオンさせる。信号ＰＣが「Ｌ」レベルにされた場合には、制御部１２は、光信号α１〜αｎの出力を停止するとともに光信号β１〜βｎを出力してＩＧＢＴユニットＵ１〜Ｕｎをオフさせ、所定時間Ｔｄの経過後に光信号α（ｎ＋１）〜αＮの出力を停止するとともに光信号β（ｎ＋１）〜βＮを出力してＩＧＢＴユニットＵ（ｎ＋１）〜ＵＮをオフさせる。所定時間Ｔｄは、オン状態のＩＧＢＴユニットＵ１〜Ｕｎをオフ状態にするために必要十分な時間に設定される。
図４は、制御部１２（図３）の構成を示すブロック図である。図４において、制御部１２は、遅延回路２０および発光部２２〜２５を含む。停電検出器１１の出力信号ＰＣは、発光部２２，２４および遅延回路２０に与えられる。
遅延回路２０は、図５に示すように、直列接続された偶数段（図５では４段）のインバータ２６と、ＯＲゲート２７とを含む。信号ＰＣは、偶数段のインバータ２６を介してＯＲゲート２７の一方入力ノードに与えられるとともに、ＯＲゲート２７の他方入力ノードに直接与えられる。
信号ＰＣが「Ｈ」レベルである場合、ＯＲゲート２７の出力信号ＰＣ１は「Ｈ」レベルになっている。また、最終段のインバータ２６の出力信号φ２６は「Ｈ」レベルになっている。停電が発生して信号ＰＣが「Ｌ」レベルに立ち下げられると、偶数段のインバータ２６の遅延時間Ｔｄの経過後に、信号φ２６が「Ｌ」レベルになって信号ＰＣ１が「Ｌ」レベルに立ち下げられる。商用交流電源５が正常になって信号ＰＣが「Ｈ」レベルに立ち上げられると、信号ＰＣ１は即座に「Ｈ」レベルに立ち上げられる。
すなわち、遅延回路２０は、信号ＰＣの立ち上がりエッジをそのまま通過させるとともに信号ＰＣの立下りエッジを所定時間Ｔｄだけ遅延させて信号ＰＣ１を生成する。
図４に戻って、遅延回路２０の出力信号ＰＣ１は、発光部２３，２５に与えられる。発光部２２は、信号ＰＣが「Ｈ」レベルである場合には光信号α１〜αｎを出力し、信号ＰＣが「Ｌ」レベルである場合には光信号α１〜αｎの出力を停止する。発光部２３は、遅延回路２０の出力信号ＰＣ１が「Ｈ」レベルである場合には光信号α（ｎ＋１）〜αＮを出力し、信号ＰＣ１が「Ｌ」レベルである場合には光信号α（ｎ＋１）〜αＮの出力を停止する。
発光部２４は、信号ＰＣが「Ｌ」レベルである場合には光信号β１〜βｎを出力し、信号ＰＣが「Ｈ」レベルである場合には光信号β１〜βｎの出力を停止する。発光部２５は、遅延回路２０の出力信号ＰＣ１が「Ｌ」レベルである場合には光信号β（ｎ＋１）〜βＮを出力し、信号ＰＣ１が「Ｈ」レベルである場合には光信号β（ｎ＋１）〜βＮの出力を停止する。
図６（Ａ）〜（Ｆ）は、図４に示した制御部１２の動作を示すタイムチャートである。特に、図６（Ａ）は停電検出器１１（図３）の出力信号ＰＣの波形を示し、図６（Ｂ）は遅延回路２０（図４）の出力信号ＰＣ１の波形を示している。
また、図６（Ｃ）は発光部２２（図４）の出力信号α１〜αｎの波形を示し、図６（Ｄ）は発光部２３（図４）の出力信号α（ｎ＋１）〜αＮの波形を示し、図６（Ｅ）は発光部２４（図４）の出力信号β１〜βｎの波形を示し、図６（Ｆ）は発光部２５（図４）の出力信号β（ｎ＋１）〜βＮの波形を示している。
図６（Ａ）〜（Ｆ）において、ある時刻ｔ０では、商用交流電源５から交流電圧ＶＩが正常に供給されており、信号ＰＣは「Ｈ」レベルにされている。この場合、発光部２２，２３から光信号α１〜αＮが出力されるとともに、発光部２４，２５からの光信号β１〜βＮの出力が停止され、ＩＧＢＴユニットＵ１〜ＵＮがオンされる。
ある時刻ｔ１に停電が発生すると、信号ＰＣは「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに立ち下げられ、発光部２２から光信号α１〜αｎの出力が停止されるとともに、発光部２４から光信号β１〜βｎが出力され、ＩＧＢＴユニットＵ１〜Ｕｎがオフされる。
時刻ｔ１から所定時間Ｔｄ経過した時刻ｔ２において、信号ＰＣ１，ＰＣ２がともに「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに立ち下げられる。これにより、発光部２３から光信号α（ｎ＋１）〜αＮの出力が停止されるとともに、発光部２５から光信号β（ｎ＋１）〜βＮが出力され、ＩＧＢＴユニットＵ（ｎ＋１）〜ＵＮがオフされる。
次に、時刻ｔ３において商用交流電源５が正常な状態に復旧されると、信号ＰＣ，ＰＣ１がともに「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げられる。これにより、発光部２２，２３から光信号α１〜αＮが出力されるとともに、発光部２４，２５から光信号β１〜βＮの出力が停止され、ＩＧＢＴユニットＵ１〜ＵＮがオンされる。
図３に戻って、交流電圧発生器１３は、Ｎ個の交流電圧ＶＡ１〜ＶＡＮを出力する。交流電圧ＶＡ１〜ＶＡＮの大きさ（たとえば実効値）は同一であり、たとえば２００Ｖである。直流電圧発生器１４は、交流電圧ＶＡ１〜ＶＡＮをそれぞれ直流電圧ＶＤ１〜ＶＤＮに変換する。直流電圧ＶＤ１〜ＶＤＮの大きさは同一である。
図７は、図３に示した交流電圧発生器１３の構成を示す回路ブロック図である。図７において、交流電圧発生器１３は、交流電源２８およびＮ個の絶縁トランスＴ１〜ＴＮを含む。交流電源２８は、所定周波数ｆ０の交流電源電圧Ｖ０を生成する。周波数ｆ０は、比較的小型の絶縁トランスで伝送することが可能な周波数（たとえば１０ｋＨｚ）に設定されている。
交流電源２８の交流出力電圧ＶＡ０は絶縁トランスＴ１の１次巻線Ｗ１に与えられ、絶縁トランスＴ１〜Ｔ（Ｎ−１）の２次巻線Ｗ２がそれぞれ絶縁トランスＴ２〜ＴＮの１次巻線Ｗ１に接続され、絶縁トランスＴ１〜ＴＮの２次巻線Ｗ２から交流電圧ＶＡ１〜ＶＡＮが出力される。
なお、絶縁トランスＴ０〜ＴＮの各々において２次巻線Ｗ２の巻数と１次巻線Ｗ１の巻数との比は１であり、絶縁トランスＴ１〜Ｔ０の各々の変圧比は１である。したがって、交流電源電圧ＶＡ０および交流電圧ＶＡ１〜ＶＡＮの大きさは同じである。
図３に戻って、直流電圧発生器１４は、Ｎ個の整流器Ｒ１〜ＲＮを含む。整流器Ｒ１〜ＲＮは、それぞれ交流電圧ＶＡ１〜ＶＡＮを受け、それぞれ直流電圧ＶＤ１〜ＶＤＮを出力する。整流器Ｒ１は、交流電圧ＶＡ１を整流して直流電圧ＶＤ１を生成する。他の整流器Ｒ２〜ＲＮの各々は、整流器Ｒ１と同様である。
ドライバ１５は、Ｎ個の切換回路Ｓ１〜ＳＮを含む。切換回路Ｓ１〜ＳＮは、それぞれ直流電圧ＶＤ１〜ＶＤＮを受けるとともに、それぞれＩＧＢＴＱ１〜ＱＮのゲートおよびエミッタ間に接続される。切換回路Ｓ１〜ＳＮは、それぞれ光ファイバＦＡ１〜ＦＡＮを介して制御部１２に接続されるとともに、それぞれ光ファイバＦＢ１〜ＦＢＮを介して制御部１２に接続される。
切換回路Ｓ１は、光ファイバＦＡ１からの光信号α１に応答して、ＩＧＢＴＱ１のゲートおよびエミッタ間に直流電圧ＶＤ１を与えてＩＧＢＴユニットＵ１をオンさせる。また、切換回路Ｓ１は、光ファイバＦＢ１からの光信号β１に応答して、ＩＧＢＴＱ１のゲートおよびエミッタ間を接続してＩＧＢＴユニットＵ１をオフさせる。他の切換回路Ｓ２〜ＳＮの各々は、切換回路Ｓ１と同様である。
したがって、制御部１２から光信号α１〜αＮが出力されるとスイッチ２（ＩＧＢＴユニットＵ１〜ＵＮ）がオンし、制御部１２から光信号β１〜βＮが出力されるとスイッチ２（ＩＧＢＴユニットＵ１〜ＵＮ）がオフする。
図８は、図３に示した整流器Ｒ１および切換回路Ｓ１の構成を示す回路図である。図８において、整流器Ｒ１は、入力端子３０ａ，３０ｂ、出力端子３０ｃ，３０ｄ、コンデンサ３１，３８、抵抗素子３２，３３、およびダイオード３４〜３７を含み、切換回路Ｓ１は光トランジスタ３９，４０を含む。
整流器Ｒ１の入力端子３０ａ，３０ｂは、対応する絶縁トランスＴ１の２次巻線Ｗ２から交流電圧ＶＡ１を受ける。コンデンサ３１は、マッチングコンデンサと呼ばれ、入力端子３０ａ，３０ｂ間に接続される。コンデンサ３１の容量値は、絶縁トランスＴ１〜ＴＮの交流出力電圧ＶＡ１〜ＶＡＮの大きさが等しくなるように設定されている。
抵抗素子３２，３３の一方端子はそれぞれ入力端子３０ａ，３０ｂに接続され、それらの他方端子はそれぞれダイオード３４，３５のアノードに接続される。抵抗素子３２，３３は、整流器Ｒ１の入力電流を調整する。
ダイオード３４，３５のカソードはともに出力端子３０ｃに接続される。ダイオード３６，３７のアノードはともに出力端子３０ｄに接続され、それらのカソードはそれぞれダイオード３４，３５のアノードに接続される。ダイオード３４〜３７は、全波整流回路を構成し、交流電圧ＶＡ１を直流電圧ＶＤ１に変換する。コンデンサ３８は、直流電圧ＶＤ１を平滑化および安定化させる。
光トランジスタ３９のコレクタは整流器Ｒ１の出力端子３０ｃに接続され、そのエミッタはＩＧＢＴＱ１のゲートに接続され、そのベースは光ファイバＦＡ１の出力端に接続される。光トランジスタ３９は、制御部１２（図３）から光信号α１が出力されている場合（商用交流電源５の健全時）にオンし、光信号α１の出力が停止された場合（商用交流電源５の停電時）にオフする。
光トランジスタ４０のコレクタはＩＧＢＴＱ１のゲートに接続され、そのエミッタはＩＧＢＴＱ１のエミッタに接続され、そのベースは光ファイバＦＢ１の出力端に接続される。光トランジスタ４０は、制御部１２（図２）から光信号β１が出力されている場合（商用交流電源５の停電時）にオンし、光信号β１の出力が停止された場合（商用交流電源５の健全時）にオフする。他の整流器Ｒ２〜ＲＮおよび切換回路Ｓ２〜ＳＮは、整流器Ｒ１および切換回路Ｓ１と同様である。
次に、図３〜図８で示した制御装置４の動作について説明する。図３に示すように、商用交流電源５から供給される交流電圧ＶＩの瞬時値が電圧検出器１０によって検出され、その検出結果に基づき、停電検出器１１によって商用交流電源５から交流電圧ＶＩが正常に供給されているか否かが判別される。
商用交流電源５から交流電圧ＶＩが正常に供給されている場合（商用交流電源５の健全時）には、停電検出器１１の出力信号ＰＣは「Ｈ」レベルにされる。また、商用交流電源５から交流電圧ＶＩが正常に供給されていない場合（商用交流電源５の停電時）には、停電検出器１１の出力信号ＰＣは「Ｌ」レベルにされる。
図４に示すように、信号ＰＣは、発光部２２，２４に直接与えられるとともに、遅延回路２０に与えられる。遅延回路２０は、信号ＰＣの立下りエッジを所定時間Ｔｄだけ遅延させて信号ＰＣ１を生成する。信号ＰＣ１は発光部２３，２５に与えられる。
信号ＰＣが「Ｈ」レベルにされると、発光部２２，２３から光信号α１〜αＮが出力されるとともに、発光部２４，２５からの光信号β１〜βＮの出力が停止される。信号ＰＣが「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに立ち下げられると、発光部２２からの光信号α１〜αｎの出力が停止され、所定時間Ｔｄ後に発光部２３からの光信号α（ｎ＋１）〜αＮの出力が停止される。また、信号ＰＣが「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに立ち下げられると、発光部２４から光信号β１〜βｎが出力され、所定時間Ｔｄ後に発光部２５から光信号β（ｎ＋１）〜βＮが出力される。
また図７に示すように、交流電源２８によって交流電源電圧ＶＡ０が生成されて絶縁トランスＴ１の１次巻線Ｗ１に与えられる。絶縁トランスＴ１〜ＴＮは順次接続されており、それらの２次巻線Ｗ２からそれぞれ交流電圧ＶＡ１〜ＶＡＮが出力される。
図３に示すように、絶縁トランスＴ１〜ＴＮの交流出力電圧ＶＡ１〜ＶＡＮは、それぞれ整流器Ｒ１〜ＲＮに与えられる。たとえば交流電圧ＶＡ１は、図８に示すように、整流器Ｒ１の入力端子３０ａ，３０ｂ間に印加される。
交流電圧ＶＡ１が正極性である期間には、入力端子３０ａから抵抗素子３２、ダイオード３４、コンデンサ３８、ダイオード３７、および抵抗素子３３を介して入力端子３０ｂに電流が流れ、コンデンサ３８が充電される。
交流電圧ＶＡ１が負極性である期間には、入力端子３０ｂから抵抗素子３３、ダイオード３５、コンデンサ３８、ダイオード３６、および抵抗素子３２を介して入力端子３０ａに電流が流れ、コンデンサ３８が充電される。コンデンサ３８の端子間には、直流電圧ＶＤ１が発生する。直流電圧ＶＤ１は、切換回路Ｓ１に与えられる。
同様に、交流電圧ＶＡ２〜ＶＡＮは、整流器Ｒ１〜ＲＮによって直流電圧ＶＤ２〜ＶＤＮに変換されて切換回路Ｓ２〜ＳＮに与えられる。
商用交流電源５（図１）の健全時には、制御部１２（図４）から光信号α１〜αＮが出力されるとともに光信号β１〜βＮの出力が停止され、切換回路Ｓ１〜ＳＮの各々において、光トランジスタ３９がオンするとともに光トランジスタ４０がオフする。これにより、直流電圧ＶＤ１〜ＶＤＮが切換回路Ｓ１〜ＳＮの光トランジスタ３９を介してＩＧＢＴＱ１〜ＱＮのゲートおよびエミッタ間に印加され、ＩＧＢＴユニットＵ１〜ＵＮ（すなわちスイッチ２）がオンする。
商用交流電源５の停電時には、制御部１２（図３）によって光信号α１〜αｎの出力が停止されるとともに光信号β１〜βｎが出力され、所定時間Ｔｄ後に光信号α（ｎ＋１）〜αＮの出力が停止されるとともに光信号β（ｎ＋１）〜βＮが出力される。
光信号α１〜αｎの出力が停止されるとともに光信号β１〜βｎが出力されると、切換回路Ｓ１〜Ｓｎの各々において、光トランジスタ４０がオンするとともに光トランジスタ３９がオフする。これにより、ＩＧＢＴＱ１〜Ｑｎのゲートおよびエミッタ間が切換回路Ｓ１〜Ｓｎの光トランジスタ４０によって接続され、ＩＧＢＴユニットＵ１〜Ｕｎがオフする。
所定時間Ｔｄ後に光信号α（ｎ＋１）〜αＮの出力が停止されるとともに光信号β（ｎ＋１）〜βＮが出力されると、切換回路Ｓ（ｎ＋１）〜ＳＮの各々において、光トランジスタ４０がオンするとともに光トランジスタ３９がオフする。これにより、ＩＧＢＴＱ（ｎ＋１）〜ＱＮのゲートおよびエミッタ間が切換回路Ｓ（ｎ＋１）〜ＳＮの光トランジスタ４０によって接続され、ＩＧＢＴユニットＵ（ｎ＋１）〜ＵＮがオフし、スイッチ２が完全にオフする。
以上のように、この実施の形態１では、スイッチ２をオフさせる場合には、ＩＧＢＴユニットＵ１〜Ｕｎをオフさせた後にＩＧＴＢユニットＵ（ｎ＋１）〜ＵＮをオフさせる。したがって、ＩＧＢＴユニットＵ１〜ＵＮを一度にオフさせる場合に比べ、スイッチ２の端子間に発生するサージ電圧を低減することができ、サージ吸収器１の長寿命化を図ることができる。また、スイッチ２に流れる交流電流が零点に到達するまで待機する必要がないので、スイッチ２を迅速にオフすることができる。
[実施の形態２]
図９は、この発明の実施の形態２による無停電電源装置の要部を示す回路ブロック図であって、図４と対比される図である。図９を参照して、この無停電電源装置が実施の形態１の無停電電源装置と異なる点は、制御部１２が制御部５０で置換されている点である。制御部５０は、制御部１２の遅延回路２０を零点検出器５１およびＯＲゲート５２で置換したものである。
零点検出器５１は、停電検出器１１（図３）の出力信号ＰＣが「Ｌ」レベルである場合に活性化され、電流検出器ＣＴ（図１）の出力信号に基づいて交流出力電流ＩＯの零点を検出し、検出結果を示す信号ＤＴを出力する。交流出力電流ＩＯの零点では、交流出力電流ＩＯの瞬時値が０Ａとなる。
信号ＰＣが「Ｈ」レベルである場合、信号ＤＴは「Ｈ」レベルに固定される。信号ＰＣが「Ｌ」レベルである場合、交流出力電流ＩＯの零点が検出されたことに応じて信号ＤＴは「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに立ち下げられる。ＯＲゲート５２は、信号ＰＣ，ＤＴの倫理和信号ＰＣ５を発光部２３，２５に出力する。
図１０（Ａ）〜（Ｇ）は、図９に示した制御部５０の動作を示すタイムチャートである。特に、図１０（Ａ）は停電検出器１１（図３）の出力信号ＰＣの波形を示し、図１０（Ｂ）は零点検出器５１（図９）の出力信号ＤＴの波形を示し、図１０（Ｃ）はＯＲゲート５２（図９）の出力信号ＰＣ５の波形を示している。
また、図１０（Ｄ）は発光部２２（図８）の出力信号α１〜αｎの波形を示し、図１０（Ｅ）は発光部２３（図８）の出力信号α（ｎ＋１）〜αＮの波形を示し、図１０（Ｆ）は発光部２４（図８）の出力信号β１〜βｎの波形を示し、図１０（Ｇ）は発光部２５（図８）の出力信号β（ｎ＋１）〜βＮの波形を示している。
図１０（Ａ）〜（Ｇ）において、ある時刻ｔ０では、商用交流電源５から交流電圧ＶＩが正常に供給されており、信号ＰＣは「Ｈ」レベルにされており、零点検出器５１の出力信号ＤＴおよびＯＲゲート５２の出力信号ＰＣ５はともに「Ｈ」レベルにされている。これにより、発光部２２，２３から光信号α１〜αＮが出力されるとともに発光部２４，２５からの光信号β１〜βＮの出力が停止され、ＩＧＢＴユニットＵ１〜ＵＮがオンされる。
ある時刻ｔ１に停電が発生すると、信号ＰＣは「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに立ち下げられる。これにより、発光部２２から光信号α１〜αｎの出力が停止されるとともに、発光部２４から光信号β１〜βｎが出力され、ＩＧＢＴユニットＵ１〜Ｕｎがオフされる。
次に時刻ｔ２において、零点検出器５１によって交流出力電流ＩＯの零点が検出されると、零点検出器５１の出力信号ＤＴが「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに立ち下げられ、信号ＰＣ５が「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに立ち下げられる。これにより、発光部２３から光信号α（ｎ＋１）〜αＮの出力が停止されるとともに、発光部２５から光信号β（ｎ＋１）〜βＮが出力され、ＩＧＢＴユニットＵ（ｎ＋１）〜ＵＮがオフされる。
次に、時刻ｔ３において商用交流電源５が正常な状態に復旧されると、信号ＤＴ，ＰＣ，ＰＣ５がともに「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げられる。これにより、発光部２２，２３から光信号α１〜αＮが出力されるとともに、発光部２４，２５からの光信号β１〜βＮの出力が停止され、ＩＧＢＴユニットＵ１〜ＵＮがオンする。
他の構成および動作は、実施の形態１と同じであるので、その説明は繰り返さない。この実施の形態２でも実施の形態１と同じ効果が得られる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
ＴＩ 交流入力端子、ＴＯ 交流出力端子、ＴＢ バッテリ端子、１ サージ吸収器、２ スイッチ、ＣＴ 電流検出器、３ 双方向コンバータ、４ 制御装置、５ 商用交流電源、６ 負荷、７ バッテリ、Ｑ１〜ＱＮ，ＱｉＡ，ＱｉＢ ＩＧＢＴ、Ｄ１〜ＤＮ，３４〜３７ ダイオード、ＳＮ１〜ＳＮＮ スナバ回路、Ｕ１〜ＵＮ ＩＧＢＴユニット、１０ 電圧検出器、１１ 停電検出器、１２，５０ 制御部、ＦＡ１〜ＦＡＮ，ＦＢ１〜ＦＢＮ 光ファイバ、１３ 交流電圧発生器、１４ 直流電圧発生器、１５ ドライバ、Ｒ１〜ＲＮ 整流器、Ｓ１〜ＳＮ 切換回路、２０ 遅延回路、２２〜２５ 発光器、２６ インバータ、２７，５２ ＯＲゲート、２８ 交流電源、Ｔ０〜ＴＮ 絶縁トランス、Ｗ１ １次巻線、Ｗ２ ２次巻線、３１，３８ コンデンサ、３２，３３ 抵抗素子、３９，４０ 光トランジスタ、５１ 零点検出器。

Claims (10)

  1. 第１および第２の端子間に直列接続され、第１および第２のグループに分割された複数のスイッチング素子を含むスイッチと、
    前記スイッチをオンさせる場合には、前記複数のスイッチング素子をオンさせ、前記スイッチをオフさせる場合には、前記第１のグループのスイッチング素子をオフさせた後に前記第２のグループのスイッチング素子をオフさせる制御装置とを備える、電源装置。
  2. 前記第１のグループに属するスイッチング素子の耐圧の総和が前記第１および第２の端子間に発生する電圧よりも大きくなるように、前記第１のグループのスイッチング素子の数が設定されている、請求項１に記載の電源装置。
  3. 前記スイッチは、さらに、各スイッチング素子に対応して設けられて対応するスイッチング素子に並列接続され、対応するスイッチング素子をサージ電圧から保護するスナバ回路を含む、請求項１に記載の電源装置。
  4. 前記スナバ回路は、その抵抗値がその端子間電圧に応じて変化する抵抗器を含み、
    前記スイッチがオフされている場合に前記抵抗器に流れる電流が予め定められた基準電流以下になるように、前記スナバ回路の数が設定されている、請求項３に記載の電源装置。
  5. 前記複数のスイッチング素子の各々はトランジスタであり、
    前記スイッチは、さらに、それぞれ複数の前記トランジスタに逆並列に接続された複数のダイオードを含む、請求項１に記載の電源装置。
  6. さらに、前記第１の端子に接続され、前記電源装置をサージ電圧から保護するサージ吸収器を備える、請求項１に記載の電源装置。
  7. 各スイッチング素子をオフさせると当該スイッチング素子の電極間にサージ電圧が発生し、
    前記第１の端子に発生するサージ電圧の大きさに応じて前記サージ吸収器の寿命が短くなり、
    前記第１のグループのスイッチング素子をオフさせた後に前記第２のグループのスイッチング素子をオフさせることにより、前記第１の端子に発生するサージ電圧を低減する、請求項６に記載の電源装置。
  8. 前記制御装置は、前記スイッチをオフさせる場合には、前記第１のグループのスイッチング素子をオフさせてから予め定められた時間が経過した後に前記第２のグループのスイッチング素子をオフさせる、請求項１に記載の電源装置。
  9. 前記第１の端子は、交流電源から供給される交流電力を受け、
    前記第２の端子は、交流電力によって駆動される負荷に接続され、
    前記電源装置は、さらに、前記電源装置から前記負荷に流れる交流電流の瞬時値を検出する電流検出器を備え、
    前記制御装置は、前記スイッチをオフさせる場合には、前記第１のグループのスイッチング素子をオフさせた後、前記電流検出器の検出値が０Ａになるときに前記第２のグループのスイッチング素子をオフさせる、請求項１に記載の電源装置。
  10. 前記第１の端子は、交流電源から供給される交流電力を受け、
    前記第２の端子は、交流電力によって駆動される負荷に接続され、
    前記制御装置は、前記交流電源から交流電圧が正常に供給されている第１の場合には前記スイッチをオンさせ、前記交流電源から交流電圧が正常に供給されていない第２の場合には前記スイッチをオフさせ、
    前記電源装置は、さらに、前記第２の端子に接続され、前記第１の場合には、前記交流電源から前記スイッチを介して供給される交流電力を直流電力に変換して電力貯蔵装置に蓄え、前記第２の場合には、前記電力貯蔵装置の直流電力を交流電力に変換して前記負荷に供給する双方向コンバータを備える、請求項１に記載の電源装置。
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