(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチ素子とダイオードの逆並列接続でなるスイッチング回路の２組を直列接続した第１直列回路の前記スイッチング回路同士の結合点に交流リアクトルを介して単相交流電源の一方の端子を接続し、２つのコンデンサを直列接続した第２直列回路の前記コンデンサ同士の結合点に前記単相交流電源の他方の端子を接続し、これら第１直列回路と第２直列回路を並列に接続し、この並列接続点から直流電力を取り出す構成のハーフブリッジコンバータにおいて、
バックアップ用バッテリーと、前記第２直列回路の一方のコンデンサの両端に接続され、前記バックアップ用バッテリーからの直流電力を前記一方のコンデンサへ昇圧して供給する昇圧チョッパと、前記交流リアクトルと前記単相交流電源との間に挿入した第１スイッチと、前記交流リアクトルの単相交流電源側端子と前記第２直列回路のコンデンサ同士の結合点とを短絡する第２スイッチとを備え、前記単相交流電源の停電時に前記第１スイッチを開路し、前記第２スイッチを閉路し、前記昇圧チョッパを作動させ、前記第１直列回路の一方のスイッチング素子をオン・オフ動作させ、前記並列接続点から直流電力を取り出すことを特徴とするハーフブリッジコンバータのバックアップ回路。
【請求項２】
半導体スイッチ素子とダイオードの逆並列接続でなるスイッチング回路の２組を直列接続した第１直列回路の前記スイッチング回路同士の結合点に交流リアクトルを介して単相交流電源の一方の端子を接続し、２つのコンデンサを直列接続した第２直列回路の前記コンデンサ同士の結合点に前記単相交流電源の他方の端子を接続し、これら第１直列回路と第２直列回路を並列に接続し、この並列接続点から直流電力を取り出す構成のハーフブリッジコンバータにおいて、
バックアップ用バッテリーと、前記第２直列回路の一方のコンデンサの両端に接続され、前記バックアップ用バッテリーからの直流電力を前記一方のコンデンサへ昇圧して供給する昇圧チョッパと、この昇圧チョッパを構成する直流リアクトルと磁気的に結合して前記第２直列回路の他方のコンデンサに接続されている第２リアクトルと、この第２リアクトルと前記他方のコンデンサとの間に直列に挿入された阻止ダイオードと、前記交流リアクトルと前記単相交流電源との間に挿入した第１スイッチと、前記交流リアクトルの単相交流電源側端子と前記第２直列回路のコンデンサ同士の結合点とを短絡する第２スイッチとを備え、前記単相交流電源の停電時に前記第１スイッチを開路し、前記第２スイッチを閉路し、前記昇圧チョッパを作動させ、前記第１直列回路の一方のスイッチング素子をオン・オフ動作させ、前記並列接続点から直流電力を取り出すことを特徴とするハーフブリッジコンバータのバックアップ回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、直流電力を出力するハーフブリッジコンバータへ入力する単相交流電力が停電しても、バックアップするバッテリーが前記の直流電力を供給できるハーフブリッジコンバータのバックアップ回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３はハーフブリッジコンバータの交流電源が停電した場合のバックアップの従来例を示した回路図である。この従来例回路で、半導体スイッチ素子としての絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下ではＩＧＢＴと略記する）とダイオードとを逆並列接続した第１スイッチング回路４と、この第１スイッチング回路４と同じ構成の第２スイッチング回路５とを直列に接続して第１直列回路を構成し、第１コンデンサ６と第２コンデンサ７とを直列に接続して第２直列回路を構成し、これら第１直列回路と第２直列回路とを並列に接続してハーフブリッジコンバータ１０を構成する。単相交流電源１とこのハーフブリッジコンバータ１０との間にはフィルタ回路が挿入されているが、このフィルタ回路はフィルタコンデンサ２と交流リアクトルとしてのフィルタリアクトル３とでなる。ハーフブリッジコンバータ１０を構成する第１スイッチング回路４と第２スイッチング回路５とをオン・オフ動作させることにより、前記単相交流電源１からの交流電力は直流電力に変換されて正極端子８と負極端子９から出力する。
【０００３】
正極端子８と負極端子９との間に接続する負荷（図示せず）が極めて短時間の停電でも重大な支障を来す恐れがある場合（例えばコンピュータや電子回路など）には、単相交流電源１の停電をバックアップするために、バッテリー２１と、このバッテリー２１からの直流電力を昇圧する昇圧チョッパ２０とでなるバックアップ回路を備える。一般に負荷電圧はバッテリー電圧よりも高いことが多いから昇圧チョッパを使用するが、負荷電圧のほうが低いときは降圧チョッパとなる。この昇圧チョッパ２０の出力側は前記第２直列回路の両端に接続する。
【０００４】
昇圧チョッパ２０は直流リアクトル２２，ＩＧＢＴとダイオードとの逆並列接続でなるチョッパスイッチ回路２３，および第１阻止ダイオード２４で構成しており、その昇圧動作は次の通りである。すなわち、先ずチョッパスイッチ回路２３をオンにして直流リアクトル２２にエネルギーを蓄え、次いでこれをオフにすることで直流リアクトル２２に蓄えたエネルギーを負荷へ放出するのであるが、チョッパスイッチ回路２３のオン時間とオフ時間の比率を適切に調節することで、バッテリー２１の電圧を所望値に昇圧できるのは周知である。よって単相交流電源１の電圧が所定値以下に低下（または停電）したことを図示していない不足電圧検出器が検出すれば、直ちに昇圧チョッパ２０が動作を開始し、単相交流電源１に代わってバッテリー２１が負荷へ直流電力を供給する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
バックアップ用電源として使用するバッテリー２１は高価であり、重量も大である。それ故、このバッテリー２１はできるだけその容量を低減し、且つ直列数も減らすことで小形・軽量化を図ることが望ましい。ところでバッテリーの直列数を減らせばその出力電圧が低くなるから、昇圧チョッパ２０の昇圧比を大にしなければならない。そのためにチョッパスイッチ回路２３には高耐圧の半導体スイッチ素子を使用することになるが、高耐圧素子の損失は低耐圧素子の損失よりも大であるから、装置の効率を低下させる不具合があるし、この損失の増加分だけバッテリー２１の容量を増大させなければならないから、装置が大形化し且つ高価になる不都合もある。
【０００６】
更に、昇圧チョッパ２０の昇圧比が大になると停電検出から昇圧チョッパ２０が動作を開始して負荷へ直流電力を供給するまでの時間が長くなるので、負荷への電力が中断しないように、ハーフブリッジコンバータ１０を構成する第１コンデンサ６と第２コンデンサ７の容量を大きくしなければならないから、これにより装置はより一層大形化すると共に、価格も上昇してしまう不都合がある。
【０００７】
そこでこの発明は、ハーフブリッジコンバータを構成するコンデンサの容量を増大させずに、バックアップ運転時の装置効率を向上させることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、この発明のハーフブリッジコンバータのバックアップ回路は、
２組のスイッチング回路を直列接続した第１直列回路と２つのコンデンサを直列接続した第２直列回路とを並列接続し、単相交流電源とこの並列接続との間に交流リアクトルを挿入しているハーフブリッジコンバータの前記第２直列回路の一方のコンデンサの両端にバックアップ用バッテリーからの直流電力を昇圧して供給する昇圧チョッパの出力側を接続し、前記単相交流電源が停電すれば、前記交流リアクトルと前記単相交流電源との間に挿入した第１スイッチをオフとし、前記交流リアクトルの単相交流電源側端子と前記第２直列回路のコンデンサ同士の結合点とを第２スイッチで短絡し、前記昇圧チョッパを動作させると共に、前記第１直列回路の一方のスイッチング回路をオン・オフ動作させるものとする。
【０００９】
または、２組のスイッチング回路を直列接続した第１直列回路と２つのコンデンサを直列接続した第２直列回路前記とを並列接続し、単相交流電源とこの並列接続との間に交流リアクトルを挿入しているハーフブリッジコンバータの前記第２直列回路の一方のコンデンサの両端にバックアップ用バッテリーからの直流電力を昇圧して供給する昇圧チョッパの出力側を接続し、この昇圧チョッパを構成する直流リアクトルと磁気的に結合している第２リアクトルを前記第２直列回路の他方のコンデンサの両端に阻止ダイオードを介して接続し、前記単相交流電源が停電すれば、前記交流リアクトルと前記単相交流電源との間に挿入した第１スイッチをオフとし、前記交流リアクトルの単相交流電源側端子と前記第２直列回路のコンデンサ同士の結合点とを第２スイッチで短絡し、前記昇圧チョッパを動作させると共に、前記第１直列回路の一方のスイッチング回路をオン・オフ動作させるものとする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１実施例を表した回路図であるが、図１の第１実施例回路に図示の単相交流電源１，フィルタコンデンサ２，交流リアクトルとしてのフィルタリアクトル３，正極端子８，負極端子９，ハーフブリッジコンバータ１０とその構成要素，昇圧チョッパ２０とその構成要素，およびバッテリー２１の名称・用途・機能は、図３で既述の従来例回路の場合と同じであるから、これらの説明は省略する。
【００１１】
この第１実施例回路では、単相交流電源１とハーフブリッジコンバータ１０との間に第１スイッチ３１を挿入し、フィルタリアクトル３の電源側と第２直列回路の中間点とを短絡する第２スイッチ３２とが新たに設置されると共に、昇圧チョッパ２０の出力側を第２コンデンサ７の両端（従来は第２直列回路の両端）に接続している。
【００１２】
平常時，すなわち単相交流電源１が負荷へ電力を供給しているときは、第１スイッチ３１はオンで第２スイッチ３２はオフであるが、単相交流電源１の電圧が所定値以下に低下（または停電）した場合は、第１スイッチ３１を開路させて単相交流電源１をハーフブリッジコンバータ１０から切り離すと共に、第２スイッチ３２を閉路させる。これと同時にチョッパスイッチ回路２３にオン・オフ動作を開始させることにより、昇圧チョッパ２０はバッテリー２１からの直流電力を昇圧して第２コンデンサ７へ供給する。ここで第２コンデンサ７は負荷電圧の半分の電圧を分担しているから、昇圧チョッパ２０の昇圧比は従来の半分で良いことになる。
【００１３】
昇圧チョッパ２０の動作開始と同時に第２スイッチング回路５にもオン・オフ動作を開始させる。この第２スイッチング回路５をオンにすると、第２コンデンサ７を電源にして、「第２コンデンサ７の正極側→第２スイッチ３２→第２スイッチング回路５→第２コンデンサ７の負極側」の経路で電流が流れてフィルタリアクトル３にエネルギーを蓄える。次いでこの第２スイッチング回路５をオフにすると、「フィルタリアクトル３→第１スイッチング回路４→第１コンデンサ６→第２スイッチ３２→フィルタリアクトル３」の経路で電流が流れて第１コンデンサ６を充電する。すなわち第２スイッチング回路５のオン・オフ動作により、第２コンデンサ７に蓄えられたエネルギー（このエネルギーは前述したように昇圧チョッパ２０が供給する）が第１コンデンサ６へ移動する。かくして正極端子８と負極端子９との間には、従来と同じ直流電圧が現れる。
【００１４】
図２は本発明の第２実施例を表した回路図であるが、この第２実施例回路では２巻線リアクトル４１を昇圧チョッパ４０の構成要素にして、この昇圧チョッパ４０の第２巻線４３と第２阻止ダイオード４４とを備えているところが、前述した図１の第１実施例回路と異なっている。
すなわちこの第２実施例では、昇圧チョッパ４０は直流リアクトルとしての第１巻線４２と第２リアクトルとしての第２巻線４３とを備えた２巻線リアクトル４１、チョッパスイッチ回路２３，第１阻止ダイオード２４，および第２阻止ダイオード４４とで構成している。ここで第１巻線４２と第２巻線４３とは磁気的に結合されており、この第２巻線４３には第２阻止ダイオード４４が直列に接続されており、この直列回路を他方のコンデンサとしての第１コンデンサ６に接続する。
【００１５】
前述した図１の第１実施例回路では、単相交流電源１の停電とともに昇圧チョッパ２０は直ちに動作を開始して第２コンデンサ７を充電するが、第１スイッチ３１と第２スイッチ３２とが切り替えを完了するまでは、ハーフブリッジコンバータ１０をチョッパ動作をさせることはできない。従って第１コンデンサ６の充電は第２コンデンサ７よりも遅れることになる。そこで第２巻線４３と第２阻止ダイオード４４の直列回路を第２コンデンサ７に接続すれば、昇圧チョッパ４０が動作を開始したときに第１巻線４２と第２巻線４３との巻数比に対応した電圧で第２コンデンサ７が直ちに充電されるので、第２直列回路を構成しているこれら第１コンデンサ６と第２コンデンサ７は、その静電容量を大きくする必要が無くなる。
【００１６】
【発明の効果】
単相交流電源に接続して負荷へ直流電力を供給するハーフブリッジコンバータにバッテリーと昇圧チョッパとを付加することで、単相交流電源の停電をバックアップすることができる。しかし一般に昇圧チョッパの昇圧比は大であることが多いので当該昇圧チョッパの損失が大きくなるから、装置の効率を低下させ且つパックアップ用バッテリーの容量も大きくしなければならない不都合があった。本発明では、単相交流電源とハーフブリッジコンバータとの間を切り離す第１スイッチと、このハーフブリッジコンバータの入力側をフィルタリアクトルを介して短絡する第２スイッチとを設け、単相交流電源の停電時には昇圧チョッパがハーフブリッジコンバータを構成する第２直列回路の一方のコンデンサ充電し、当該ハーフブリッジコンバータがチョッパ動作して第２直列回路の他方のコンデンサを充電する。このような構成にすることで、昇圧チョッパの昇圧比を従来の半分に低減できるので、高耐圧半導体スイッチ素子が不要になることで損失を低減できる。その結果、装置全体の効率を向上させることができるし、損失が低下する分だけバッテリー容量を低減できるので、装置の小形・軽量化と価格を低減できる効果が得られる。
【００１７】
更に、昇圧チョッパ用の直流リアクトルに２巻線リアクトルを使用して、ハーフブリッジコンバータがチョッパ動作を開始するまでの遅れ時間をカバーできるようにすることで、第２直列回路を構成する各コンデンサの静電容量を低減できるので、これによりより一層装置の小形・軽量化と価格を低減できる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を表した回路図
【図２】本発明の第２実施例を表した回路図
【図３】ハーフブリッジコンバータの交流電源が停電した場合のバックアップの従来例を示した回路図
【符号の説明】
１        単相交流電源
２        フィルタコンデンサ
３        交流リアクトルとしてのフィルタリアクトル
４        第１スイッチング回路
５        第２スイッチング回路
６        第１コンデンサ
７        第２コンデンサ
１０        ハーフブリッジコンバータ
２０，４０  昇圧チョッパ
２１        バッテリー
２２        直流リアクトル
２３        チョッパスイッチ回路
２４        第１阻止ダイオード
３１        第１スイッチ
３２        第２スイッチ
４１        ２巻線リアクトル
４２        直流リアクトルとしての第１巻線
４３        第２リアクトルとしての第２巻線
４４        第２阻止ダイオード
【図１】
0003680563.tif 000002
【図２】
0003680563.tif 000003
【図３】
0003680563.tif 000004