JP4103946B2

JP4103946B2 - 充電回路を有する無停電電源

Info

Publication number: JP4103946B2
Application number: JP2000522663A
Authority: JP
Inventors: ジョンソン，ロバート・ウィリアム，ジュニアー; ワイドナー，スティーヴン・アール; ポーラコニス，ジョセフ・シー; グシスキ，ジェフ
Original assignee: イートンパワークオリティコーポレイション
Priority date: 1997-11-25
Filing date: 1998-11-18
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2018-11-18
Also published as: EP1034597A1; AU1465599A; JP2001524796A; DE69831267T2; BR9815108A; WO1999027630A1; CA2311529A1; EP1034597B1; CN1302468A; US6121756A; CN1197220C; ATE302491T1; AU761505B2; DE69831267D1

Description

【発明の分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、新規な蓄電池充電回路及びスナバ回路を備える改良型無停電電源に関する。
【発明の背景】
【０００２】
無停電電源は、電力会社からの主電力が例えばライン故障のため利用できない「非常時」に電力を負荷に供給するため用いられる。無停電電源トポロジーは周知である。無停電電源トポロジーは、通常、６０Ｈｚの変圧器を採用し、巨大な蓄電池を要する。本発明の目的は、これらの構成要素の物理的寸法及びコストを考慮してそのような６０Ｈｚの変圧器及び巨大な蓄電池を不要にすることにある。本発明の更に別の目的は、主スイッチング素子は変圧器又は他の分離手段を採用することなしに信号を用いて容易に制御されるので、該主スイッチング素子が中性点に接続される無停電電源トポロジーを提供することにある。更に、ゲート駆動回路には単一の電源が必要であるにすぎないため複雑さ及びコストが低減される。更に、本発明の目的は、部品点数が最小である無停電電源の改良型トポロジーを提供することにある。
【発明の概要】
【０００３】
本発明によると、第１及び第２の出力端子間に交流出力電圧を発生する無停電電源であって、１次巻線及び２次巻線を有し、２次巻線の中央端子が無停電電源の第１及び第２の出力端子のうちの一方に接続された変圧器と、直流電圧を供給する蓄電池を備え、第１のスイッチング手段を介して変圧器の１次巻線に作動的に結合され、第１の動作モードにおいて蓄電池により２次巻線上に交流電圧を発生させ、第２の動作モードにおいて蓄電池を１次巻線から切り離す低電圧コンバータと、変圧器の２次巻線に結合され、第１及び第２の出力端子を有する整流器回路と、第２の動作モードにおいて無停電電源の第１及び第２の出力端子のうちの前記一方の出力端子を交流電源に接続する切り替え手段と、整流器回路の第１及び第２の出力端子に結合された高電圧インバータとより成り、高電圧インバータは、第１の動作モードにおいて整流器回路の第１及び第２の出力端子のうちの一方を無停電電源の第１及び第２の出力端子のうちのもう一方に接続して、整流器回路の第１及び第２の出力端子に発生する電圧から前記交流出力電圧を発生させる第２のスイッチング手段を有し、整流器回路の第１及び第２の出力端子の両方またはいずれか一方と、第２のスイッチング手段との間にはインダクタの第１の巻線が接続され、蓄電池の両端間にはインダクタの第２の巻線とダイオードが直列に接続され、インダクタの第１の巻線のうちの少なくとも一方が第２の巻線に磁気結合されており、かくして、第２の動作モードにおいて、インダクタに蓄えられたエネルギーが第２の巻線及びダイオードを介して蓄電池へ送られ蓄電池を充電することを特徴とする無停電電源が提供される。
【０００４】
本発明によると、第１の動作モードにおいて蓄電池により発生する直流電圧から、また、第２の動作モードにおいて交流電源から、無停電電源の第１及び第２の出力端子間に交流出力電圧を発生させる方法であって、第１の動作モードにおいて、直流電圧を交番する極性で、第１のスイッチング手段を介して変圧器の１次巻線の端部端子に印加することにより、中央端子が無停電電源の第１の出力端子に接続された変圧器の２次巻線上に交流電圧を発生させ、変圧器の２次巻線上の交流電圧を整流器回路に印加することにより、整流器回路の第１及び第２の出力端子に整流された第１及び第２の直流電圧を発生させ、第１の動作モードにおいて、第１の周波数で整流器回路の第１及び第２の出力端子を第２のスイッチング手段を介して無停電電源の第２の出力端子に交互に結合することにより、無停電電源の出力端子間に交流出力電圧を発生させ、整流器回路の第１及び第２の出力端子の両方又はいずれか一方はインダクタの第１の巻線を介して第２のスイッチング手段に結合し、第２の動作モードにおいて、交流電源の電圧を切り替え手段を介して無停電電源の第１の出力端子に印加し、第２の動作モードにおいて、インダクタの第１の巻線のうち少なくとも一方の巻線に蓄えられたエネルギーを該巻線に磁気結合された第２の巻線及びダイオードを介して蓄電池へ送ることにより蓄電池を充電するステップより成る、無停電電源の第１及び第２の出力端子間に交流出力電圧を発生させる方法をも提供される。
【好適な実施形態の詳細な説明】
【０００５】
図１は、本発明による無停電電源回路の回路図である。以下に詳細に記載する２つの動作モードがある。第１の動作モードは充電回路として、また、第２の動作モードはスナバとして作用する。同時係属の特表２００２−５１７１５０に開示された無停電電源トポロジーに追加される構成要素は、キャパシタＣ２及びＣ３、ダイオードＤ１及びＤ２、抵抗Ｒ３、結合された巻線（以下「結合巻線」と記す。）６１、６２及び６３を有するインダクタ６０（即ち、巻線６１、６２及び６３は共通のコアの周りに巻かれている）である。スナバ回路は、ダイオードＤ１、抵抗Ｒ３及びキャパシタＣ３より成る。充電回路は、結合巻線６１、６２及び６３を有するインダクタ６０、及びダイオードＤ２より成る。（トランジスタＱ１及びＱ２の両端間に接続されたダイオードは、誘導性電流が逆方向に流れるようにする。そのような逆並列接続のダイオードは周知である。）
【０００６】
無停電電源トポロジーを次に概説し、次いで充電回路及びスナバ回路を詳説する。
【０００７】
無停電電源の説明
本発明の無停電電源トポロジーは、多くの点で先の設計とは異なる。最初に、変圧器（Ｔ）は、図１に示されるように、「融通の利かない」電圧源には直接接続されない。回路は、充電回路及びスナバに加えて、３つの主な部分から成る。第１の部分０１は、高電圧インバータとも呼ばれる高電圧出力セクションであり、トランジスタＱ１、Ｑ２と、抵抗Ｒ１、Ｒ２と、マイクロプロセッサ１００により制御されるゲート駆動回路４３、４４とを備える。本発明の好適実施形態におけるゲート駆動回路４３、４４は、マイクロプロセッサに接続された個別の部品から成る。（そのような駆動回路は当該技術分野において周知であるため本明細書では詳説しない。）第２の部分０２は、低電圧蓄電池コンバータであり、蓄電池（Ｂ）（例えば１２ボルト蓄電池）と、１対のトランジスタＱ３、Ｑ４と、対応のゲート駆動回路４１、４２（例えば、ＵｎｉｔｒｏｄｅＵＣＣ３８０６のＩＣ）とを備える。低電圧蓄電池コンバータ０２は、図示のように、高電圧インバータ０１に変圧器及びブリッジ整流器により結合されている。第３の部分５０は、通常動作と非常時動作とを切り替える切り替え手段である。通常動作中、負荷は電力会社からのラインに接続され、非常時動作中、負荷は無停電電源に接続される。切り替え手段が非常時（ライン電力の喪失）を検出し、負荷を無停電電源に切り替える要領は、周知であり、本明細書では説明しない。
【０００８】
低電圧蓄電池コンバータ０２は、ライン周波数と同様な低い第１の周波数で変調される。図３に示されるように、変調により、低電圧蓄電池コンバータは周期のある部分の間動作するが、その後低電圧蓄電池コンバータはサイクルの残部の間非作動状態にされる。負荷の両端間に６０Ｈｚの出力波形を発生させるため、変調レートは１２０Ｈｚであろう。低電圧蓄電池コンバータが動作しているとき、トランジスタＱ３及びＱ４は、オン部分の間５０％のデューティ・サイクルでプッシュプル構成で動作する。この第２の周波数は、実質的にライン周波数より高い。典型的な動作周波数は、１５ｋＨｚと１００ｋＨｚの間で、好適には２０ｋＨｚであろう。低電圧蓄電池コンバータが動作しているとき、変圧器の２次巻線と整流器は、直流電圧をノード１２と１４の間に発生させる。この直流電圧は、所望の出力電圧「Ｖ」の２倍である。例えば、ノード１２と１４の間の電圧差は、３２０ボルト直流であり得る（ここでは所望の出力電圧は１６０ボルトである）。
【０００９】
高電圧出力セクション０１において、トランジスタＱ１及びＱ２は、直流電圧を負荷に印加するように交互に導通する。Ｑ１が導通すると、正の直流電圧端子１２が、中性点に抵抗Ｒ１を介して接続される。高電圧巻線の中央タップは−Ｖになる。この負電圧は、低電圧蓄電池コンバータの動作のオン期間の間負荷ノード１６に印加される。低電圧蓄電池コンバータが非作動状態にされると、電圧−Ｖは、Ｑ１及びＱ２の同時導通により負荷から能動的に取り除かれる。これにより、負荷が事実上短絡され、低インピーダンスゼロ電圧が発生する。これは、誘導性負荷にとってノード１６における負荷電圧が制御不能の変動をするのを防止する上で必要である。低電圧蓄電池コンバータが動作を再開する直前に、トランジスタＱ１は、非導通状態に切り替えられる。低電圧蓄電池コンバータがこの時動作すると、ノード１４における負電圧が中性点に接続され、高電圧巻線の中央タップが＋Ｖ電位になる。前述したように、この電圧は、低電圧蓄電池コンバータの動作時間の間負荷に印加される。再び、低電圧蓄電池コンバータが非作動状態にされると、電圧＋Ｖは能動的に取り除かれて、低インピーダンスゼロ電圧を発生させる。この一連の事象が、第１の周波数で繰り返されることにより、負荷の両端間に振幅Ｖの準方形波形電圧が発生する。これらの電圧は図３に示されている。
【００１０】
抵抗Ｒ１及びＲ２は、トランジスタＱ１及びＱ２に対して電流保護を提供する。低インピーダンスゼロで出力キャパシタＣの充電中、トランジスタを損傷する電流が流れることがある。Ｑ１及びＱ２のソース接続点に挿入された抵抗Ｒ１及びＲ２は、損傷を与える電流が流れる直前にゲート電圧を低減する。低減されたゲート電圧は、トランジスタを線形領域で動作させ、その結果制限された電流がトランジスタを流れる。
【００１１】
ライン電圧が負荷を直接給電するのに十分であるとき、蓄電池コンバータセクション及び高電圧出力セクションは動作を停止し、電力会社からのラインが切り替え手段５０により負荷に直接接続される。
【００１２】
充電回路の動作（図１及び図２を参照）
通常動作中、ライン電圧は、切り替え手段５０を介して負荷に印加される。トランジスタＱ３及びＱ４はオフである。ライン電圧の正の部分の間、Ｑ１はオンにされる。ライン電圧は、インダクタ６０の巻線６１の両端間に印加される。同時に、巻線６１の両端間の印加電圧と等しい電圧が、インダクタ６０の巻線６２の両端間に現れる。これにより、電流がトランジスタＱ１及びＱ２の双方を通って流れてキャパシタＣ２を充電する。キャパシタＣ２が充電されると、インダクタ６０の巻線６１を流れる電流が増加し始める。電流が増加するこの期間中、ダイオードＤ２は逆バイアスになる。電流は、所望のピーク電流に到達するまで増大する。この所望の電流に到達すると、トランジスタＱ１はオフに切り替えられる。トランジスタがオフに切り替えられると、インダクタの両端間の電圧が反転し、インダクタ６０の巻線６３がダイオードＤ２を順バイアスにする。これにより、蓄積されたエネルギーが蓄電池に結合されて回収される。インダクタの電流が最小電流に到達すると、トランジスタＱ１は再びオンになり、ライン電圧が正である限りサイクルは繰り返す。ライン電圧が負であると、充電回路の動作は、トランジスタＱ２によりインダクタ６０の巻線６２を流れる電流が増加するため継続できる。再び、所望のピーク電流に到達すると、トランジスタＱ２がオフになり、インダクタ６０の巻線６３によりダイオードＤ２を電流が流れるため、蓄積されたインダクタのエネルギーが回収される。コアをリセットする手段がないので、高周波数変圧器はトランジスタが繰り返し導通した後飽和状態になることに注目すべきである。これにより、この変圧器がその回路から実効的に取り除かれ、実質的にインダクタ６０が電力会社のラインに接続される。
【００１３】
図２に示されるように、スイッチングデバイスＱ１は、ノード１２におけるライン電圧によりｔ₀にオンになる。ライン電圧は、インダクタ６０の巻線６１の両端間に印加される。Ｃ２がインダクタ６０の相互結合巻線６２を介して充電されるにつれ電流がＱ２に現れる。Ｃ２が充電された後（ｔ₂）、Ｑ１がｔ₂でオフになるまで巻線６１を流れる電流が増加するのがわかる。インダクタ６０に蓄積されたエネルギーは、巻線６３及びダイオードＤ２を介して蓄電池の中に放出される。
【スナバの動作】
【００１４】
前述のように、非常時において、ラインは負荷から切り替え手段５０により取り外され、低電圧蓄電池コンバータ０２が動作を開始する。低電圧蓄電池コンバータが動作しているとき、エネルギーを蓄積する変圧器の結合されていない漏洩インダクタンスが若干存在する。このエネルギーは放散されるか回収されなければならないが、そうでないと、特に軽負荷において、キャパシタＣの電圧を、許容できないレベルに増大させる傾向がある。インダクタ６０を回路へ導入すると、漏洩インダクタンスに蓄積されたエネルギーの相当な部分が回収されるであろう。この回路がそのエネルギーを回収するには、キャパシタＣ３をキャパシタＣ２より非常に大きな値にし、Ｃ２を漏洩インダクタンスと共振するよう選択し、そしてトランジスタＱ３及びＱ４が導通していない不感時間にエネルギーが回収されるように周波数を選択する必要がある。Ｑ３の導通中に、エネルギーは、高周波数変圧器（Ｔ）の漏洩インダクタンスに蓄積される。トランジスタＱ３がオフになると、Ｑ４がオンになる前に小さい遅延が存在する。この時間中に、キャパシタＣ２に電流が流れ込み、インダクタ６０の巻線６１の両端間の電圧が増加する。前述したように、インダクタ６０の巻線６１の両端間に正の電圧がかかっていると、巻線６１を流れる電流が増加する。変圧器における漏洩はインダクタ６０へ移る。電圧が減り始め、インダクタ６０の巻線６１上の正電圧が小さくなると、インダクタ６０の巻線６３がダイオードＤ２を順方向にバイアスし、エネルギーが蓄電池に戻される。充電及び放電のサイクルは、低電圧蓄電池コンバータが動作しているとき、出力電圧の正の半サイクルの間繰り返される。類似のサイクルが、巻線６１の代わりに巻線６２を用いて出力電圧の負の半サイクルの間生じる。図４は、低電圧蓄電池コンバータの「不感時間」の間Ｑ１及びＤ２における電流波形によりこのスナバ動作を説明するものである。実際の波形は、図面に示されていないが電流リンギングを有する。
【００１５】
本発明の、従って頭書の特許請求の範囲の保護範囲は、前述の特有の好適な実施形態に限定されない。例えば、
（１）蓄電池の負側は、必要とされる電源の数を最小にするように、ライン中性点に接続されるが、蓄電池をアースに接続し、蓄電池制御手段を隔離することが可能である。蓄電池の１つの端子を中性点に接続して、制御手段の複雑さを低減することも可能である（好適な実施形態）。
（２）上記のトランジスタについて、逆並列接続の内部ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴを用いた。逆並列接続のダイオードを有するＩＧＢＴのような、他のデバイスを用いることもできる。
（３）本明細書に記載されたプッシュプル低電圧蓄電池コンバータの代わりに、４個のスイッチング素子と、前述の中央タップ付き巻線の代わりの単一の１次巻線とにより特徴付けられるブリッジコンバータを用いることができる。
（４）出力を変調しフィルタリングして、正弦波出力波形を発生させるようにしてもよい。
（５）ライン電圧波形の正の位置又は負の位置若しくはこれら双方の位置で蓄電池を充電することが可能である。
（６）２以上の相の高電圧を発生させるために複数の２次巻線を有する変圧器を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明による充電回路及びスナバ回路を含む改良型無停電電源トポロジーを略示する。
【図２】図２は、無停電電源のノード７０及び７２における電圧波形及びＱ１及びＱ２の電流波形を示す。
【図３】図３は、無停電電源の低電圧蓄電池コンバータセクションのノード３１及び３２における電圧波形を図示する。
【図４】図４は、蓄電池の「不感時間」の間のＱ１及びＱ２の電流波形を示す。

Claims

第１及び第２の出力端子間に交流出力電圧を発生する無停電電源であって、
１次巻線及び２次巻線を有し、２次巻線の中央端子が無停電電源の第１及び第２の出力端子のうちの一方に接続された変圧器（Ｔ）と、
直流電圧を供給する蓄電池（ B ）を備え、第１のスイッチング手段（Ｑ３及びＱ４）を介して変圧器の１次巻線に作動的に結合され、第１の動作モードにおいて蓄電池により２次巻線上に交流電圧を発生させ、第２の動作モードにおいて蓄電池を１次巻線から切り離す低電圧コンバータ（０２）と、
変圧器の２次巻線に結合され、第１及び第２の出力端子（１２、１４）を有する整流器回路と、
第２の動作モードにおいて無停電電源の第１及び第２の出力端子のうちの前記一方の出力端子を交流電源（ライン）に接続する切り替え手段（５０）と、
整流器回路の第１及び第２の出力端子（１２、１４）に結合された高電圧インバータ（０１）とより成り、
高電圧インバータ（０１）は、第１の動作モードにおいて整流器回路の第１及び第２の出力端子（１２、１４）のうちの一方を無停電電源の第１及び第２の出力端子のうちのもう一方に接続して、整流器回路の第１及び第２の出力端子（１２、１４）に発生する電圧から前記交流出力電圧を発生させる第２のスイッチング手段（Ｑ１及びＱ２）を有し、
整流器回路の第１及び第２の出力端子の両方またはいずれか一方と、第２のスイッチング手段（Ｑ１及びＱ２）との間にはインダクタ（６０）の第１の巻線（６１、６２）が接続され、
蓄電池（ B ）の両端間にはインダクタ（６０）の第２の巻線（６３）とダイオード（Ｄ２）が直列に接続され、インダクタ（６０）の第１の巻線（６１、６２）のうちの少なくとも一方が第２の巻線（６３）に磁気結合されており、かくして、第２の動作モードにおいて、インダクタ（６０）に蓄えられたエネルギーが第２の巻線（６３）及びダイオード（Ｄ２）を介して蓄電池へ送られ蓄電池を充電することを特徴とする無停電電源。
インダクタ（６０）の第１の巻線（６１、６２）と第２の巻線（６３）とは共通のコアを介して誘導結合されている請求項１記載の無停電電源。
第２のスイッチング手段（Ｑ１及びＱ２）は第１の入力端子及び第２の入力端子を有し、
インダクタ（６０）の第１の巻線のうちの一方（６１）は整流器回路の第１の出力端子を第２のスイッチング手段の第１の入力端子に結合し、インダクタ（６０）の第１の巻線のうちのもう一方（６２）は整流器回路の第２の出力端子を第２のスイッチング手段の第２の入力端子に結合する請求項１又は２記載の無停電電源。
第２のスイッチング手段（Ｑ１及びＱ２）は、第１の動作モードにおいて、整流器回路の第１及び第２の出力端子（１２、１４）を無停電電源の第１及び第２の出力端子のうちのもう一方に交互に接続して前記交流出力電圧を発生させる請求項３記載の無停電電源。
切り替え手段（５０）は第２の動作モードにおいて交流電源（ライン）を変圧器の２次巻線に接続するスイッチであり、
第２のスイッチング手段（Ｑ１及びＱ２）は、第２の動作モードにおいて、変圧器の２次巻線を無停電電源の第１及び第２の出力端子に選択的に接続することにより、インダクタ（６０）の結合された第１の巻線（６１、６２）及び第２の巻線（６３）を介してエネルギーを交流電源から蓄電池へ送るよう動作する請求項３記載の無停電電源。
切り替え手段（５０）は第２の動作モードにおいて無停電電源の第１及び第２の出力端子のうちの前記一方と、変圧器（Ｔ）の２次巻線の中央端子とを交流電源（ライン）に接続するスイッチであり、
第２のスイッチング手段（Ｑ１及びＱ２）は、第２の動作モードにおいて、整流器回路の第１及び第２の出力端子（１２、１４）を無停電電源の第１及び第２の出力端子のうちの前記もう一方に選択的に接続することにより、インダクタ（６０）の結合された第１の巻線（６１、６２）及び第２の巻線（６３）を介してエネルギーを交流電源から蓄電池へ送るよう動作する請求項３記載の無停電電源。
第１の動作モードにおいて蓄電池により発生する直流電圧から、また、第２の動作モードにおいて交流電源（ライン）から、無停電電源の第１及び第２の出力端子間に交流出力電圧を発生させる方法であって、
第１の動作モードにおいて、直流電圧を交番する極性で、第１のスイッチング手段（Ｑ３及びＱ４）を介して変圧器（Ｔ）の１次巻線の端部端子に印加することにより、中央端子が無停電電源の第１の出力端子に接続された変圧器の２次巻線上に交流電圧を発生させ、
変圧器の２次巻線上の交流電圧を整流器回路に印加することにより、整流器回路の第１及び第２の出力端子（１２、１４）に整流された第１及び第２の直流電圧を発生させ、
第１の動作モードにおいて、第１の周波数で整流器回路の第１及び第２の出力端子（１２、１４）を第２のスイッチング手段（Ｑ１及びＱ２）を介して無停電電源の第２の出力端子に交互に結合することにより、無停電電源の出力端子間に交流出力電圧を発生させ、
整流器回路の第１及び第２の出力端子（１２、１４）の両方又はいずれか一方はインダクタ（６０）の第１の巻線（６１、６２）を介して第２のスイッチング手段（Ｑ１及びＱ２）に結合し、
第２の動作モードにおいて、交流電源（ライン）の電圧を切り替え手段（５０）を介して無停電電源の第１の出力端子に印加し、
第２の動作モードにおいて、インダクタ（６０）の第１の巻線（６１、６２）のうち少なくとも一方の巻線に蓄えられたエネルギーを該巻線に磁気結合された第２の巻線（６３）及びダイオード（Ｄ２）を介して蓄電池へ送ることにより蓄電池を充電するステップより成る、無停電電源の第１及び第２の出力端子間に交流出力電圧を発生させる方法。
変圧器の１次巻線が蓄電池から切り離されている時に整流器回路の第１及び第２の出力端子（１２、１４）を同時に無停電電源の第２の出力端子に結合するステップをさらに含む請求項７記載の方法。